KR100595485B1

KR100595485B1 - 복합 전기방사장치, 이를 이용하여 제조된 복합 나노섬유부직포 및 복합 나노섬유 필라멘트

Info

Publication number: KR100595485B1
Application number: KR1020040030895A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 박종철; 고군호; 김근표; 이근형; 류영준; 김관우
Original assignee: 김학용; 박종철
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2006-07-03
Also published as: KR20050105672A

Abstract

본 발명은 굵기가 나노수준으로 가는 섬유(나노섬유) 제조용 복합 전기방사장치 및 이를 이용하여 제조된 나노섬유에 관한 것이다. 본 발명의 전기방사장치는 방사용액 주탱크(1), 계량펌프(2), 노즐블록(4), 상기 노즐블록에 설치된 노즐(5), 상기 노즐블록으로 부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터(7) 및 노즐블록(4)과 컬렉터(7)로 전압을 걸어주기 위한 전압발생장치(9)로 구성된 전기방사장치에 있어서, [ⅰ]노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 서로 동일한 비율 또는 상이한 비율로 일정한 반복단위에 따라 규칙적으로 배열되어 있거나 무질서하게 배열되어 있고, [ⅱ]방사액 주탱크(1)가 2개 이상이고, [ⅲ]방사액 주탱크(1)와 노즐블록(4)사이에 방사액 드롭장치(3)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 서로 다른 2종 이상의 방사용액을 복합하여 동시에 전기방사 할 수 있어서 부직포 및 필라멘트의 물성(특성)을 간단한 공정으로 용이하게 관리가능하며, 섬유형성효과가 극대화되어 나노섬유 및 그의 부직포를 대량 생산할 수 있다.

복합 전기방사, 장치, 부직포, 나노, 복합 방사, 노즐, 드롭렛, 물성관리.

Description

복합 전기방사장치, 이를 이용하여 제조된 복합 나노섬유 부직포 및 복합 나노섬유 필라멘트 {Conjugate electrospinning devices, conjugate nonwoven and filament comprising nanofibers prepared by using the same}

도 1은 본 발명의 복합 전기방사장치를 사용하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하는 공정 개략도.

도 2는 본 발명의 복합 전기방사장치를 사용하여 복합 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조하는 공정 개략도.

도 3 은 본 발명에 따라 노즐블록 상에 서로 다른 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 대각선 방향으로 일렬씩 교호 배열된 상태를 나타내는 모식도. (○:하나의 방사용액 성분, ●:또 다른 하나의 방사용액 성분)

도 4는 본 발명에 따라 노즐블록 상에 서로 다른 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 서로 상이한 비율로 일정 반복 단위에 따라 규칙적으로 배열된 상태를 나타내는 모식도.(○:하나의 방사용액 성분, ●:또 다른 하나의 방사용액 성분)

도 5는 본 발명에 따라 노즐블록 상에 서로 다른 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 세로방향으로 일렬씩 교호 배열된 상태 및 용액 공급 상태를 나 타내는 모식도.(○:하나의 방사용액 성분, ●:또 다른 하나의 방사용액 성분)

도 6는 본 발명에 따른 노즐블록(4)의 모식도.

도 7은 본 발명에 따른 노즐블록(4)의 단면도.

도 8 및 도 10은 노즐(5)의 측면을 나타내는 모식도.

도 9 및 도 11은 노즐(5)의 평면 예시도.

도 12(a)는 본 발명 중 방사원액 드롭장치(3)의 단면도.

도 12(b)는 본 발명 중 방사원액 드롭장치(3)의 사시도.

도 13은 나노섬유 부직포 종류별(타입)별 강도-신도 그래프.

도 14는 나노섬유 부직포 종류(타입)별 인열강도 그래프.

* 도면중 주요부분에 대한 부호 설명 *

1.1' : 방사용액 주탱크 2,2' : 계량펌프 3,3' : 방사용액 드롭장치

3a: 방사용액 드롭장치의 필터 3b: 기체 유입관 3c: 방사용액 유도관

3d: 방사용액 배출관 4 : 노즐블록 4a: 오버플로 제거용 노즐

4b: 공기 공급용 노즐 4c: 공기 공급용 노즐의 지지판(비전도체)

4d: 공기 저장판 4e: 오버플로 제거용 노즐의 지지판

4f: 노즐 플레이트 4g: 오버플로 액의 임시저장판

4h,4h' : 방사용액 공급판 4i: 도전체판 4j: 가열판

5 : 노즐 6 : 나노섬유 7 : 컬렉터(콘베이어 벨트)

8a, 8b: 컬렉터 지지로울러 9 : 전압발생장치 9b: 방전 장치

10 : 노즐 블록 좌우 왕복운동 장치 11a: 교반기(11c)용 모터

11b: 비전도성 절연봉 11c: 교반기 12,12': 방사용액 배출장치

13 : 이송관 14 : 웹 지지 로울러 15 : 나노섬유 웹

16 : 권취로울러 17 : 웹 이송 로울러 18 : 공기 꼬임 장치

19 : 제 1로울러 20 : 제 2로울러 21 : 열고정 장치(히터)

22 : 제 3로울러 W : 실시예 1로 제조한 복합 나노섬유 부직포

X : 실시예 2로 제조한 복합 나노섬유 부직포

Y : 비교 실시예 1로 제조한 나노섬유 부직포

Z : 비교 실시예 2로 제조한 나노섬유 부직포 θ: 노즐출구 각도

L : 노즐길이 Di : 노즐내경 Do : 노즐외경

h : 노즐 상부 팁에서 공기공급용 노즐 상부팁까지 거리

본 발명은 하나의 노즐블록 상에 배열된 노즐들을 통하여 서로 다른 2종 이상의 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 섬유(이하 "나노섬유" 라고 한다) 2종 이상을 동시에 대량 생산할 수 있는 복합 전기방사장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기의 복합 전기방사장치로 제조되어 2종이상의 나노섬유 들이 서로 혼합되어 있는 부직포(이하"복합 나노섬유 부직포"라고 한다)에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기의 복합 전기방사장치로 제조되어 2종 이상의 나노섬유들이 혼합되어 있는 연속상 필라멘트(이하 "복합 나노섬유 필라멘트"라고 한다)에 관한 것이다.

나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 브레이드 등의 제품은 생활용품, 농업용, 의류용, 산업용 등으로 널리 사용되고 있다. 구체적으로 인조피혁, 인조스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼 등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

미국 4,044,404호 등에 기재되어 있는 종래 전기 방사 장치 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법은 다음과 같다. 종래 전기 방사 장치는 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록, 상기 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 전압을 발생시키는 전압발생장치들로 구성되어 있다.

상기 전기 방사 장치를 이용한 종래의 나노섬유 제조방법을 보다 구체적으로 살펴보면, 방사용액 주 탱크 내 방사용액을 계량펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급한다.

계속해서, 노즐들로 공급된 방사용액은 노즐을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터 상으로 방사, 집속되어 단섬유 웹이 형성된다.

계속해서, 상기 단섬유 웹을 엠보싱 또는 니들 펀칭하여 부직포를 제조한다.

이와 같은 종래의 전기 방사 장치 및 이를 이용한 부직포의 제조방법은, 높은 전압이 걸려있는 노즐로 방사액이 연속적으로 공급되기 때문에 부여되는 전기력 효과가 저하되는 문제가 있다.

보다 구체적으로 노즐에 부여된 전기력이 방사액 전부로 분산되므로서 전기력이 방사액의 계면장력을 극복하지 못하게 되고, 그 결과 전기력에 의한 섬유형성효과가 저하되어 방사용액이 물방울 형태로 그대로 낙하하는 현상(이하 "드롭렛"이라고 한다.)이 발생하여 제품의 품질이 저하 되었고, 대량 생산이 어렵게 되는 문제가 있었다.

또한 상기 종래 기술은 대부분 1홀 수준에서 방사하는 것으로 대량생산이 불가하여 상업화가 불가능한 문제가 있다.

또한, 상기의 종래 전기방사장치는 하나의 노즐블록 내에 배열된 노즐을 통해 1종의 폴리머 방사용액 만을 전기 방사 할 수 있기 때문에 용도에 따라 요구되는 나노섬유 부직포의 각종 물성(특성)을 효과적으로 충족시킬 수 없는 단점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래 전기방사장치 여러 개를 병렬로 설치하여 각각의 전기방사장치에서 서로 다른 2종 이상의 폴리머 방사용액을 전기방사하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하거나, 별도의 전기방사장치에서 각각 제조된 나노섬유 부직포 2종 이상을 니들펀칭시 적층하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 상기의 방법들은 제조설비 및 제조공정이 복잡하고 제조원가가 상승 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 전기방사 노즐블록(4)에 부여되는 전기력 효과를 극대화시켜, 다시 말해 전기력을 방사액의 계면장력 보다 크게 하여 섬유형성성 효과를 증진시켜, 나노섬유를 대량 생산 할 수 있고, 드롭렛(Droplet) 현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있는 복합 전기방사장치를 제공하기 위한 것이다.

또 다른 본 발명의 목적은 하나의 방사블록 상에 배열된 노즐들을 통해 서로 다른 2종 이상의 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사 할 수 있어서 복합 나노섬유 부직포 및 복합 나노섬유 필라멘트를 간단한 설비 및 공정으로 제조 가능한 복합 전기 방사 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 서로 다른 2종 이상의 폴리머 방사용액을 하나의 노즐블록 상에 배열된 노즐들을 통해 전기방사하여 용도에 적합한 물성을 갖는 복합 나노섬유 부직포 및 복합 나노섬유 필라멘트를 간단한 설비 및 공정으로 제조하고자 한다.

아울러, 본 발명은 전기방사시 전기력 효과를 극대화시키고 드롭렛(Droplet)현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 나노섬유 2종 이상을 동시에 대량생산 하고자 한다.

이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 복합 전기방사장치는, [ⅰ]노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 서로 동일한 비율 또는 상이한 비율로 일정한 반복단위에 따라 규칙적으로 배열되어 있거나 무질서하게 배열되거나, 일정 비율로 무질서하게 배열되어 있고, 반복 배열되어 있고, [ⅱ]방사액 주탱크(1)가 2개 이상이고, [ⅲ]방사액 주탱크(1)와 노즐블록(4)사이에 방사액 드롭장치(3)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 복합 전기 방사 장치는 도 1 및 도 2와 같이 서로 다른 방사용액을 보관하는 2개 이상의 방사용액 주탱크(1), 방사용액 정량 공급을 위한 계량펌프(2), 다수개의 핀으로 구성되는 노즐(5)이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 노즐블록(4), 상기 노즐블록 상부 또는 하부에 위치하여 방사되는 단섬유들을 집적하는 컬렉터(7), 고전압을 발생시키는 전압발생장치(9) 및 노즐 블록의 최상부에 연결된 방사 용액 배출 장치(12) 등으로 구성된다.

도 1은 본 발명의 복합 전기방사장치를 사용하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하는 공정개략도이고, 도 2는 본 발명의 복합 전기방사장치를 사용하여 복합 나노섬유 필라멘트를 제조하는 공정개략도이다.

본 발명은 노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 폴리머 방사용액을 각각 방사하는 노즐들이 서로 동일한 비율 또는 상이한 비율로 일정 반복단위에 따라 규칙 적으로 배열되어 있거나 무질서하게 배열되어 있다. 바람직하기로는, 노즐블록(4)에 상기 노즐들이 가로방향, 세로방향 및 대각선 방향 중 어느 한 방향으로 일렬씩 교호로 반복 배열되어 있는 것이 좋다.

도 3은 노즐 블록 상에 서로 다른 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 대각선 방향으로 일렬씩 교호 배열된 상태를 나타내는 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따라 노즐블록 상에 서로 다른 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 서로 상이한 비율로 일정 반복단위에 따라 규칙적으로 배열된 상태를 나타내는 모식도 이고, 도 5는 노즐블록상에 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 세로 방향으로 일렬씩 교호 배열된 상태 및 용액 공급 상태를 나타내는 모식도 이다.

또한, 본 발명은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 각각 서로 다른 폴리머 방사용액들을 보관, 공급하는 방사액 주탱크(1,1')가 2개 이상이고, 방사액 주탱크와 노즐블록(4) 사이에는 방사액 드롭장치(3)가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부방향, 하부방향 또는 수평방향으로 형성될 수 있으나 상부 방향으로 형성되는 것이 대량생산 등에 보다 바람직하다. 컬렉터(7)는 노즐블록(4)의 상부, 하부 또는 수평위치에 설치될 수 있으나 상부에 설치되는 것이 대량생산 등에 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 복합 전기방사장치 중에서 노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부방향으로 형성되어 있고, 컬렉터(7)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하는 상향식(Bottom up type) 전기방사장치를 중심으로 설명한다. 그러나 본 발명이 상향식 전기방사장치에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 노즐블록(4)은 도 6과 같 이 [ⅰ]서로 다른 방사용액을 방사하는 노즐(5)들이 서로 동일한 비율 또는 상이한 비율로 일정한 반복 단위에 따라 규칙적으로 배열되어 있거나 무질서하게 배열된 노즐 플레이트(4f)와 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 공급판(4h,4h'), [ⅱ] 노즐(5)을 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(4a), 상기 오버플로 제거용 노즐과 연결되어 있으며 노즐 플레이트 직상단에 위치하는 오버플로액의 임시 저장판(4g) 및 상기 오버플로액의 임시 저장판의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐들을 지지해주는 오버플로 제거용 노즐의 지지판(4e), [ⅲ]노즐(5)과 오버플로 제거용 노즐(4a)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(4b), 노즐블록의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐들을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(4c) 및 공기공급용 노즐의 지지판 직하단에 위치하여 공기 공급용 노즐에 공기를 공급해 주는 공기 저장판(4d), [ⅳ]노즐 배열과 동일하게 핀이 배열되어 있고 노즐 플레이트 직하단에 위치하는 도전체판(4i) 및 [ⅴ]방사용액 공급판 직하단에 위치하는 가열판(4j)으로 구성되는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바와 같이 방사용액을 컬렉터 상에 전기방사하는 노즐(5)의 주변에는 방사되지 못한 방사용액 제거하는 오버플로 제거용 노즐(4a)과 나노섬유의 집적분포를 넓게 하기 위해 공기를 공급하는 공기공급용 노즐(4b)이 차례로 설치되어 3중관 형태를 갖는다.

또한, 도 6의 노즐블록(4)에는 서로 다른 방사용액을 각각 방사하는 노즐(5)들이 대각선 방향으로 일렬씩 교호로 배열되어 있다.

방사용액을 컬렉터 상에 전기 방사하는 노즐(5)의 출구는 도 8 및 도 10과 같이 1개 이상의 나팔관 형태로 출구부분이 확대된 현상을 갖는다. 이때 각도(θ)를 90~175°, 더욱 바람직하기로는 95~150°로 하는 것이 노즐(5) 출구에서 동일한 형태의 방사용액 방울을 안정적으로 형성하는데 바람직 하다.

노즐출구의 각도(θ)가 175°를 초과하는 경우에는 노즐 부위에서 방울 형성이 크게 되어 표면 장력이 증가 한다. 그 결과 나노섬유를 형성하기 위해서는 보다 높은 전압이 필요하게 되며, 방울 중앙부위가 아닌 가장자리 부분에서 방사가 시작됨에 따라 방울 중앙부위가 고화되어 노즐을 막는 현상이 발생하는 문제가 발생될 수 있다.

한편, 노즐출구의 각도(θ)가 90°미만인 경우에는 노즐 출구 부위에 맺힌 방울이 매우 작아서 순간적인 전기장의 불균일이나 노즐 출구 부위에 약간의 불균일한 공급이 이루어지면 방울 형태가 정상적이지 못하여 섬유를 형성하지 못하고 드롭렛(Droplet) 현상이 일어날 수 있다.

본 발명에서는 노즐길이(L, L1, L2)를 특별하게 한정하는 것은 아니다.

그러나, 노즐내경(Di)은 0.01~5mm, 노즐외경(Do)은 0.01~5mm인 것이 바람직 하다. 노즐 내경 또는 외경이 0.01mm 미만이면 드롭렛 현상이 번번하게 발생되며, 5mm를 초과하면 섬유형성이 불가능하게 될 수 있다.

도 8 및 도 9는 노즐출구에 1개의 확대부분(각도)이 형성된 노즐의 측면과 평면을 나타내고, 도 10 및 도 11은 노즐출구에 2개의 확대부분(각도)이 형성된 노즐의 측면과 평면을 나타낸다. 즉, 도 10에 도시된 θ₁ 은 방사용액이 방사되는 부 분인 1차 노즐출구의 각도이고, θ₂는 방사용액이 공급되는 부분인 2차 노즐출구의 각도 이다.

노즐블록(4) 내의 상기 노즐(5)들은 노즐플레이트(4f)에 다수 배열되어 있으며, 노즐(5)의 외부에는 이를 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(4a)과 공기공급용 노즐(4b)들이 차례로 설치되어 있다.

상기 오버플로 제거용 노즐(4a)은 노즐(5) 출구에서 과량으로 형성된 방사용액이 모두 섬유화 되지 못할 경우 발생되는 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하고 흘러넘치는 방사용액을 회수할 목적으로 설치되며, 노즐 출구에서 섬유화 되지 못한 방사용액을 모아 이를 노즐 플레이트(4f) 직하단에 위치하는 오버플로액의 임시저장판(4g)으로 이송시키는 역할을 한다.

상기 오버플로 제거용 노즐(4a)은 노즐(5) 보다 당연히 직경이 크며, 절연체로 구성되는 것이 좋다.

상기 오버플로액의 임시저장판(4g)은 절연체로 제조되며 오버플로 제거용 노즐(4a)을 통해 유입되는 잔여 방사용액을 일시적으로 저장한 후, 이를 방사용액 공급판(4h)으로 이송하는 역할을 한다.

오버플로액의 임시저장판(4g)의 상단에는 공기를 공급해주는 공기 저장판(4d)이 위치하여 노즐(5) 및 오버플로 제거용 노즐(4a)들을 감싸고 있는 공기 공급용 노즐(4b)에 공기를 공급한다. 또한 공기공급용 노즐(4b)이 배열된 노즐블록(4)의 최상층에는 공기공급용 노즐의 지지판(4c)이 설치되어 있으며, 상기 지 지판(4c)은 비전도성 재료로 구성된다. 공기공급용 지지판(4c)은 노즐블록에 위치하여 컬렉터(7)과 노즐(5) 사이에 미치는 전기적인 힘이 단지 노즐(5)에만 집중되어 노즐(5) 부위에서만 방사가 원활하게 될 수 있도록 한다.

노즐(5)의 상부 팁에서 공기공급용 노즐(4b)의 상부 팁까지 거리(h)는 1∼20mm, 양호하게는 2∼15mm이다. 다시 말해, 공기 공급용 노즐(4b)의 높이를 나노섬유 방사용 노즐(5)의 높이보다 1~20㎜, 양호하게는 2~15㎜ 높게 설정한다. h가 0인 경우, 다시 말해 노즐(5)과 동일 높이로 공기공급용 노즐(4b)이 위치하면 노즐(3) 부분에서 제트스트림이 효과적으로 형성되지 않아 나노섬유가 컬렉터(7)상에 부착되는 면적이 작아진다. 한편, h가 20mm를 초과하는 경우에는 컬렉터와 노즐사이에 걸리는 고전압에 의한 전기력이 약해서 전기방사에 의한 나노섬유의 형성능이 저하될 뿐만 아니라 제트스트림의 길이나 형성패턴이 불안정 해진다. 구체적으로, 테일러 콘에서 제트스트림 형성 부위의 안정성을 방해한다. 따라서 원활한 나노섬유의 방사가 어렵다.

공기공급용 노즐(4b)에서 공기의 속도는 0.05m∼50m/초, 보다 바람직하기로는 1~30m/초인 것이 좋다. 공기의 속도가 0.05m/초 미만인 경우에는 컬렉터에 포집된 나노섬유 퍼짐성이 낮아서 포집면적이 크게 향상되지 않고, 공기의 속도가 50m/초를 초과하는 경우에는 공기의 속도가 너무 빨라 나노섬유가 컬렉터에 집속되는 면적이 오히려 감소되어 나노섬유 포집 균일성이 감소된다.

노즐플레이트(4f) 직하단에는 노즐배열과 동일하게 핀이 배열되어 있는 도전체판(4i)이 설치되며, 상기 도전체판(4i)에 전압발생장치(9)가 연결되어 있다.

또한 방사용액 공급판(4h)의 직하단에는 간접가열 방식의 가열장치(도면미도시)가 설치된다.

상기 도전체판(4i)은 노즐(5)에 고전압을 걸어주는 역할을 하며, 방사용액 공급판(4h)은 방사드롭장치(3)에서 노즐블록(4)으로 유입되는 방사용액을 저장 후 노즐(5)로 공급해 주는 역할을 한다. 이때 방사용액 공급관(4h)은 방사용액의 저장량을 최소화 할 수 있도록 최소한의 공간으로 제작하는 것이 바람직 하다.

한편, 본 발명의 방사액 드롭장치(3)는 전체적으로 도 12(a) 및 도 12(b)와 같이 밀폐된 원통상의 형상을 갖도록 설계되어 방사용액 주탱크(1)로 부터 연속적으로 유입되는 방사용액을 노즐블록(4)에 방울 형태로 공급하는 역할을 한다.

상기 방사용액 드롭장치(3)는 도 12(a)~도 12(b)와 같이 전체적으로 밀폐된 원통상의 형상을 갖는다. 도 12(a)는 방사용액 드롭장치의 단면도이고, 도 12(b)는 방사용액 드롭장치의 사시도 이다. 방사용액 드롭장치(3)의 상단부에는 방사액을 노즐블록 쪽으로 유도하는 방사용액 유도관(3c)과 기체유입관(3b)이 나란하게 배열되어 있다. 이때 방사용액 유도관(3c)을 기체유입관(3b)보다 조금 길게 형성하는 것이 바람직 하다.

상기 기체유입관의 하단으로부터 기체가 유입되며, 처음 기체가 유입되는 부분은 필터(3d)와 연결된다. 방사용액 드롭장치(3)의 하단부에는 드롭된 방사용액을 노즐블록(4)으로 유도하는 방사용액 배출관(3d)이 형성되어 있다. 방사용액 드롭장치(3) 중간부는 방사용액이 방사용액 유도관(3c)의 말단부에서 드롭(drop) 될 수 있도록 중공상태로 형성되어 있다.

상기 방사용액 드롭장치(3)로 유입된 방사용액은 방사용액 유도관(3c)을 따라 흘러 내리다가 그 말단부에서 드롭(drop)되어 방사용액의 흐름이 한번이상 차단된다.

방사용액이 드롭(drop)되는 원리를 구체적으로 살펴보면, 필터(3d) 및 기체 유입관(3b)을 따라 기체가 밀폐된 방사용액 드롭장치(3)의 상단부로 유입되면 기체 와류 등에 의해 방사용액 유도관(3c)의 압력이 자연적으로 불규칙하게 되며, 이때 발생하는 압력차로 인해 방사용액이 드롭(drop)되게 된다.

본 발명에서 유입되는 기체로는 공기 또는 질소 등의 불활성 가스를 사용 할 수 있다.

본 발명의 노즐블록(4) 전체는 전기 방사되는 나노섬유의 분포를 균일하게 하기 위해서 노즐블록 좌우 왕복운동장치(10)에 의해 전기 방사되는 나노섬유의 진행 방향과 직각방향으로 좌우 왕복운동을 한다.

또한, 상기 노즐블록(4) 내부에는, 보다 구체적으로는 방사용액 공급판(4h) 내부에는, 방사용액이 노즐블록(4)내에서 겔화되는 것을 방지하기 위하여 노즐블록(4)내에 보관중인 방사용액을 교반하는 교반기(11c)가 설치되어 있다.

상기 교반기(11c)는 비전도성 절연봉(11b)에 의해 교반기용 모터(11a)와 연결되어 있다.

노즐 블록(4)내에 교반기(11c)를 설치하면 무기 금속이 포함된 용액을 전기 방사하거나 장시간 혼합용매를 사용하여 용해한 방사용액을 전기 방사할 때 노즐 블록(4)내 방사용액의 겔화를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 상기 노즐블록(4)의 최상부에는 노즐블록에 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(12)가 연결되어 있다.

상기 방사용액 배출장치(12)는 흡입공기 등으로 노즐블록내로 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시킨다.

또한, 본 발명의 컬렉터(7)에는 직접가열 방식 또는 간접가열 방식의 가열장치(도면에는 표시 안됨)가 설치(부착)되어 있고, 상기 컬렉터(7)는 고정 또는 연속회전 한다.

다음으로는 상기 본 발명의 복합 전기 방사 장치를 사용하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하는 방법을 도 1을 통해 살펴 본다.

먼저, 2개의 방사용액 주탱크(1,1') 내에 각각 보관중인 2종의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 방사액을 각각의 계량펌퍼(2,2')로 계량하여 정량씩 각각의 방사용액 드롭장치(3,3')로 공급한다. 이때 방사액을 제조하는 열가소성 또는 열경화성 수지로는 폴리에스테르 수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시수지, 나일론수지, 폴리(글리콜라이드/L-락티드)공중합체, 폴리(L-락티드)수지, 폴리비닐알콜수지, 폴리비닐클로라이드수지 등을 사용 할 수 있다. 방사용액으로는 상기 수지 용융액 또는 용액 어느 것을 사용하여도 무방하다.

이와 같이 각각의 방사용액 드롭장치(3,3') 내로 공급된 방사용액들은 방사용액 드롭장치(3,3')를 통과하면서 불연속적으로, 다시 말해 방사액의 흐림이 한번 이상 차단되면서, 본 발명의 높은 전압이 걸려있고 교반기(11c)가 설치된 노즐블록(4)의 방사용액 공급판(4h)으로 공급된다. 상기 방사용액 드롭장치(3,3') 는 방사용액의 흐름을 차단하여 방사용액 주탱크(1,1')에 전기가 흐르지 못하도록 하는 역할도 한다.

계속해서 상기 노즐블록(4)에서는 각각의 방사액을 대각선 방향으로 일렬씩 교호로 배열된 노즐들을 통해 높은 전압이 걸려있는 상부의 컬렉터(7)로 상향 토출하여 부직포 웹(Web)을 제조한다.

방사용액 공급관(4h)으로 이송된 방사용액은 노즐(5)을 통해 상부 컬렉터(7)로 토출되어 섬유를 형성한다. 이때, 노즐(5)로부터 전기방사되는 나노섬유는 공기공급용 노즐(4b)에서 분사되는 공기에 의해 넓게 퍼지면서 컬렉터(7) 상에 포집되어 포집면적이 넓어지고 집적밀도가 균일해진다. 노즐(5)에서 섬유화 되지 못한 과잉 방사용액은 오버플로 제거용 노즐(4a)에서 모아져 오버플로액의 임시저장판(4g)을 거쳐 방사용액 공급판(4h)으로 다시 이동하게 된다.

아울러, 노즐블록 최상부에 과잉 공급된 방사용액은 방사용액 배출장치(12,12')에 의해 방사용액 주탱크(1,1')로 강제 이송된다.

이때 전기력에 의한 섬유형성을 촉진하기 위하여 노즐블록(4) 하단부에 설치된 도전체판(4i)과 컬렉터(7)에는 전압발생장치(6)에서 발생된 1kV 이상, 더욱 좋기로는 20kV 이상의 전압을 걸어준다. 상기 컬렉터(7)로는 앤드레스 (Endless) 벨트를 사용하는 것이 생산성 측면에서 더욱 유리하다. 상기 컬렉터(7)는 부직포의 밀도를 균일하게 하기 위하여 좌우로 일정거리를 왕복운동하는 것이 바람직 하다.

이와 같이 컬렉터(7) 상에 형성된 나노섬유 웹(5)을 웹 지지로울러(14)를 거쳐서 권취로울러(16)에 권취하면 부직포 제조공정이 완료된다.

본 발명의 장치로 제조된 복합 나노섬유 부직포는 방사용액의 종류 및 비율등을 조절하여 각종 용도에 적합한 물성을 용이하게 충족시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 복합 나노섬유 부직포는 인공피혁, 생리대, 필터, 인조혈관 등의 의료용 소재, 방한조끼, 반도체용 와이퍼, 전지용 부직포 등 다양한 용도로 사용된다.

다음으로는 상기 본 발명의 복합 전기방사장치를 사용하여 복합 나노섬유 필라멘트를 제조하는 방법을 도 2를 통해 살펴본다.

도 2에 도시된 바와 같이 복합 나노섬유 필라멘트는 먼저 앞에서 설명한 복합 나노섬유 부직포 제조시와 동일하게 나노섬유 웹(15)을 제조한 다음, 제조된 나노섬유 웹(15)을 공기 꼬임 장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여 한 다음, 계속해서 제 1로울러(19), 제 2로울러(20) 및 제 3로울러(22)를 차례로 통과시키면서 연신한 다음, 권취로울러(16)에 권취하는 방법으로 제조한다.

선택적으로, 상기의 연신처리와 권취 공정 사이에 열고정 장치(21)로 연신처리 할 수도 있다.

이때, 상기의 나노섬유 웹(15)은 리본형태 이다.

리본 형태의 나노섬유 웹(15)을 제조하기 위해서 (ⅰ)나노섬유 웹(15)의 폭을 컬렉터(7)의 전체 폭과 동일하게 광폭으로 전기방사 한 후 광폭의 나노섬유 웹을 웹 절단 장치로 절단하는 방법을 사용하거나, (ⅱ)나노섬유 웹(15)의 폭을 1개 노즐블록(4)의 폭과 동일하게 소폭으로 구분하여 전기방사 하는 방법을 사용한다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴 본다.

그러나 본 발명은 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

수평균 분자량이 80,000인 폴리(ε-카프로락톤) 고분자(미국 Aldrich 사 제품)를 메틸렌클로라이드/N,N-디메틸포름아미드(체적비 : 75/25)혼합용매에 13중량% 농도로 용해하여 방사용액을 제조 하였다. 상기 고분자 방사액의 표면 장력은 35mN/m, 용액점도는 상온에서 35센티포아즈, 전기전도도는 0.02mS/m, 유전율 상수는 90이였다.

한편, 수평균 분자량이 80,000인 폴리우레탄수지(Dow Chemical 사이 Pellethane 2103-80AE)를 N,N 디메틸포름아미드에 8중량% 용해하여 또 다른 방사용액을 제조하였다.

상기 2종의 방사용액을 각각 도 1에 도시된 본 발명의 복합 전기방사장치의 방사용액 주탱크(1,1')에 보관하면서 계량펌프(2,2')로 정량 계량한 후 방사용액 드롭장치(3,3')로 공급하여 방사용액의 흐름을 불연속적으로 전환시킨다. 계속해서, 상기 방사용액들을 도 6에 도시된 노즐블록(4)에 공급하여 노즐(5)들을 통해 섬유상으로 상부에 위치하는 컬렉터(7)상에 상향 전기방사하여 나노섬유 웹(15)을 제조한 후, 웹 지지 로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하였다. 이때 사용한 노즐 블록(4)에는 상기 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 도 4와 같이 배열되어 전체노즐 중 폴리(ε-카프로락톤) 방사용액을 방사하는 노즐 개수 비율이 66.7%이고 폴리우레탄 수지 방사용액을 방사 하는 노즐개수 비율이 33.3%이고, 노즐블록 내 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15 cm로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기 방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 이때 노즐로는 노즐 출구 각도(θ)가 120°이고, 노즐내경(Di)이 0.9mm이고, 외경이 1㎜인 노즐을 사용 하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁 까지의 거리(h)는 8㎜인 공기 공급용 노즐을 사용하였고, 공기 속도는 10m/초로 하였다. 전압 발생 장치로는 심코사의 모델 C H 50을 사용 하였다. 이와 같이 제조한 복합 나노섬유 부직포(W)의 강도-신도 그래프는 도 13과 같고, 인열 강도 그래프는 도 14와 같다.

실시예 2

상기 2종의 방사용액을 각각 도 1에 도시된 본 발명의 복합 전기방사장치의 방사용액 주탱크(1,1')에 보관하면서 계량펌프(2,2')로 정량 계량한 후 방사용액 드롭장치(3,3')로 공급하여 방사용액의 흐름을 불연속적으로 전환시킨다. 계속해서, 상기 방사용액들을 도 6에 도시된 노즐블록(4)에 공급하여 노즐(5)들을 통해 섬유상으로 상부에 위치하는 컬렉터(7)상에 상향 전기방사하여 나노섬유 웹(15)을 제조한 후, 웹 지지 로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 복합 나노섬유 부직포를 제조하였다. 이때 사용한 노즐 블록(4)에는 상기 2종의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 도 4와 같이 배열되어 전체노즐 중 폴리(ε-카프로락톤) 방사용액을 방사하는 노즐 개수 비율이 33.3%이고 폴리우레탄 수지 방사용액을 방사하는 노즐개수 비율이 66.7%이고, 노즐블록 내 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15 cm로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기 방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 이때 노즐로는 노즐 출구 각도(θ)가 120°이고, 노즐내경(Di)이 0.9mm이고, 외경이 1㎜인 노즐을 사용 하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁 까지의 거리(h)는 8㎜인 공기 공급용 노즐을 사용하 였고, 공기 속도는 10m/초로 하였다. 전압 발생 장치로는 심코사의 모델 C H 50을 사용 하였다. 이와 같이 제조한 복합 나노섬유 부직포(X)의 강도-신도 그래프는 도 13과 같고, 인열 강도 그래프는 도 14와 같다.

비교 실시예 1

상기 방사용액을 통상의 상향식 전기방사장치의 방사용액 주탱크(1)에 보관하면서 계량펌프(2)로 정량 계량한 후 35㎸의 전압이 걸려있는 노즐블록(4)에 공급하여 노즐(5)을 통해 섬유상으로 상부에 위치하는 컬렉터(7)상에 상향 전기방사하여 나노섬유 웹(5)을 제조한 후 웹 지지 로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 나노섬유 부직포를 제조하였다. 이때 사용한 노즐블록(4)에는 모두 상기 1종의 방사용액을 방사하는 노즐들이 대각선으로 배열되어 있고, 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15 cm로 하고, 노즐 한홀의 토출량은 1.2 mg/분으로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기 방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 이때 노즐로는 노즐 출구 각도(θ)가 120°이고, 노즐내경(Di)이 0.9mm이고, 외경이 1㎜인 노즐을 사용 하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁 까지의 거리(h)는 8㎜인 공기 공급용 노즐을 사용하였고, 공기 속도는 10m/초로 하였다. 전압 발생 장치로는 심코사의 모델 C H 50을 사용 하였다. 이와 같이 제조한 나노섬유 부직포(Y)의 강도-신도 그래프는 도 13과 같고, 인열 강도 그래프는 도 14와 같다.

비교 실시예 2

수평균 분자량이 80,000인 폴리우레탄수지(Dow Chemical 사이 Pellethane 2103-80AE)를 N,N 디메틸포름아미드에 8중량% 용해하여 방사용액을 제조하였다.

상기 방사용액을 통상의 상향식 전기방사장치의 방사용액 주탱크(1)에 보관하면서 계량펌프(2)로 정량 계량한 후 35㎸의 전압이 걸려있는 노즐블록(4)에 공급하여 노즐(5)을 통해 섬유상으로 상부에 위치하는 컬렉터(7)상에 상향 전기방사하여 나노섬유 웹(5)을 제조한 후 웹 지지 로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 나노섬유 부직포를 제조하였다. 이때 사용한 노즐블록(4)에는 모두 상기 1종의 방사용액을 방사하는 노즐들이 대각선으로 배열되어 있고, 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15 cm로 하고, 노즐 한홀의 토출량은 1.2 mg/분으로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기 방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 이때 노즐로는 노즐 출구 각도(θ)가 120°이고, 노즐내경(Di)이 0.9mm이고, 외경이 1㎜인 노즐을 사용 하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁 까지의 거리(h)는 8㎜인 공기 공급용 노즐을 사용하였고, 공기 속도는 10m/초로 하였다. 전압 발생 장치로는 심코사의 모델 C H 50을 사용 하였다. 이와 같이 제조한 복합 나노섬유 부직포(Z)의 강도-신도 그래프는 도 13과 같고, 인열 강도 그래프는 도 14와 같다.

본 발명은 고품질의 나노섬유 2종 이상을 대량으로 생산할 수 있고, 용도별 요구 물성에 적합한 복합 나노 부직포 및 복합 나노 필라멘트를 간단한 설비 및 공정으로 생산할 수 있다.

Claims

방사용액 주탱크(1), 계량펌프(2), 노즐블록(4), 상기 노즐 블록에 설치된 노즐(5), 상기 노즐블록으로 부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터(7) 및 노즐블록(4)과 컬렉터(7)로 전압을 걸어주기 위한 전압발생장치(9)로 구성된 전기방사장치에 있어서, [ⅰ]노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 일정한 반복단위에 따라 규칙적으로 배열되어 있고, [ⅱ]한 개의 노즐 블록(4)에 방사용액을 공급하는 방사액 주탱크(1)가 2개 이상이고, [ⅲ]방사액 주탱크(1)와 노즐블록(4)사이에 방사액 드롭장치(3)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 방사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 가로 방향, 세로방향 및 대각선 방향 중 어느 한 방향으로 일렬씩 교호로 반복 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사 장치.
1항에 있어서, 노즐블록(4)에 배열된 노즐(5) 출구가 상부 방향으로 형성되고 컬렉터(5)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐블럭(4) 전체가 좌우 왕복운동을 하는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 컬렉터(7)내에 가열장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐블록(4) 내부에 교반기(11c)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐블록(4) 상단에 노즐부위에서 방사되지 못한 용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(12)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 컬렉터(7)가 고정 또는 연속 회전하는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐(5)의 출구가 90 내지 175°의 각도(θ)를 갖는 1개 이상의 나팔관 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항에 있어서, 노즐블록(4)이 [ⅰ]서로 다른 방사용액을 방사하는 노즐(5)들이 서로 동일한 비율 또는 상이한 비율로 일정한 반복 단위에 따라 규칙적으로 배열되어 있거나 무질서하게 배열된 노즐 플레이트(4f)와 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 공급판(4h,4h'), [ⅱ] 노즐(5)을 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(4a), 상기 오버플로 제거용 노즐과 연결되어 있으며 노즐 플레이트 직상단에 위치하는 오버플로 액의 임시 저장판(4g) 및 상기 오버플로 액의 임시 저장판의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐들을 지지해주는 오버플로 제거용 노즐의 지지판(4e), [ⅲ]노즐(5)과 오버플로 제거용 노즐(4a)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(4b), 노즐블록의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐들을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(4c) 및 공기공급용 노즐의 지지판 직하단에 위치하여 공기 공급용 노즐에 공기를 공급해 주는 공기 저장판(4d), [ⅳ]노즐 배열과 동일하게 핀이 배열되어 있고 노즐 플레이트 직하단에 위치하는 도전체판(4i) 및 [ⅴ]방사용액 공급판 직하단에 위치하는 가열판(4j)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
10항에 있어서, 노즐블록(4)에 서로 다른 2종 이상의 반사용액들을 각각 방사하는 노즐들이 가로방향, 세로방향 및 대각선 방향 중 어느 한 방향으로 일렬씩 교호로 반복 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전기방사장치.
1항의 복합 전기방사장치를 사용하여 제조된 복합 나노섬유 부직포.
1항의 복합 전기방사장치를 사용하여 제조된 연속상 복합 나노 필라멘트.