KR100595486B1 - 상향식 다성분 전기방사장치 및 이를 이용하여 제조된다성분 나노섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다성분으로 구성되고 굵기가 나노수준으로 가는 섬유(다성분 나노섬유) 제조용 상향식 다성분 전기방사장치 및 이를 이용하여 제조된 다성분 나노섬유에 관한 것이다. 본 발명의 전기방사장치는 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 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐(5)이 설치되어 있고, [ⅱ] 노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부 방향으로 형성되어 있고, [ⅲ] 상기 컬렉터(7)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하고, [ⅳ] 노즐(5) 출구 주변에 오버플로 제거용 노즐(4u)과 공기 공급용 노즐(4d)이 차례로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 전기방사시에 2종류 이상의 방사용액을 동시에 방사할 수 있는 다수의 노즐을 좁은 공간 내에 배열이 용이하여 단위 시간당 생산성이 우수하며, 웹상에 나노섬유 집적 밀도가 균일하게 되며, 섬유형성효과가 극대화되고, 드롭렛(Droplet) 현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 다성분 나노섬유, 그의 부직포 및 그의 필라멘트를 생산할 수 있다.

다성분, 다중관형노즐, 전기방사, 장치, 필라멘트, 부직포, 나노, 상향식 방사, 노즐, 드롭렛, 공기 공급용 노즐.

Description

상향식 다성분 전기방사장치 및 이를 이용하여 제조된 다성분 나노섬유 {A bottom-up electrospinning devices for multi-components and nanofibers with multi-component prepared by using the same}

도 1은 본 발명의 상향식 다성분 전기방사장치를 사용하여 나노섬유 웹을 제조하는 공정 개략도.

도 2는 본 발명에 따라 3성분을 동시에 전기방사하는 3중관형노즐이 설치된 노즐블록(4)의 모식도.

도 3은 본 발명에 따라서 2성분을 동시에 전기방사하는 2중관형노즐이 설치된 노즐블록(4)의 모식도.

도 4(a)는 본 발명중 방사원액 드롭장치(3)의 단면도.

도 4(b)는 본 발명중 방사원액 드롭장치(3)의 사시도.

도 5(a) 내지 도 5(b)는 본 발명의 다성분 나노섬유의 단면도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호 설명 *

1 : 방사용액 주탱크 2 : 계량펌프 3 : 방사용액 드롭장치

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

3d: 방사용액 배출관 4 : 노즐블록 4d: 공기 공급용 노즐

4e: 노즐 플레이트 4f: 방사용액 4g: 제 1 방사용액 저장판

4h: 제 2 방사용액 저장판 4i: 제 3 방사용액 저장판

4j: 오버플로액의 임시저장판 4k: 공기저장판 4l: 오버플로 배출구

4m: 공기유입구 4n: 공기 공급용 노즐 지지판

4u: 오버플로 제거용 노즐 4v: 오버플로 제거용 노즐 지지판

5 : 다중관상노즐 5a: 다중관상노즐의 제 1관(내측관)

5b: 다중관상노즐의 제 2관 5c: 다중관상노즐의 제 3관

6 : 나노섬유 7 : 컬렉터(콘베이어 벨트)

8a, 8b: 컬렉터 지지로울러 9 : 전압발생장치

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

11b: 비전도성 절연봉 11c: 교반기 12 : 방사용액 배출장치

13 : 이송관 14 : 웹 지지 로울러 15: 웹

16 : 웹 권취로울러

본 발명은 굵기가 나노수준으로 가늘고 2종이상의 폴리머 성분으로 구성된 섬유(이하 "다성분 나노섬유" 라고 한다)를 대량 생산할 수 있는 상향식 다성분 전 기방사장치 및 이를 사용하여 제조된 다성분 나노섬유에 관한 것이다.

나노섬유로 구성된 부직포, 필라멘트, 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.

다시 말해 종래의 전기방사장치는 컬렉터가 노즐 하단에 위치하는 하향식 전기방사 장치이다.

상기 하향식 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 하향식 전기 방사 장치 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방 법은, 높은 전압이 걸려있는 노즐로 방사액이 연속적으로 공급되기 때문에 부여되는 전기력 효과가 저하되는 문제가 있다.

한편, 노즐과 컬렉터를 수평 방향으로 배열시킨 종래의 수평식 전기 방사 장치는 다수의 노즐을 배열하여 방사하는 것이 매우 어려운 단점이 있다. 즉 노즐과 방사용액이 포함된 노즐 판을 컬렉터와 수평 방향으로 세우기 위해서는 최상부 라인에 위치하는 노즐과 최하부 라인에 위치하는 노즐과 컬렉터를 동일 방사거리(tip-to-collector distance)로 배열하는 것이 어렵기 때문에 한정된 숫자의 노즐을 배열할 수밖에 없는 문제점이 있다.

일반적으로, 전기방사시 1홀당 토출량이 10^-2~10^-3g/분 수준으로 매우 낮기 때문에 상업화에 필요한 대량 생산을 위해서는 좁은 공간 내에 다수의 노즐을 배열 할 수 있어야 한다.

그러나 상기의 종래 전기방사 장치는 앞에서 설명한 바와 같이 정해진 공간에 한정된 숫자의 노즐을 배열할 수 없기 때문에 상업화에 필요한 대량 생산이 곤란하였다.

상기의 종래 수평식 전기 방사장치는 대부분 1홀 수준에서 전기 방사하는 것으로 대량생산이 불가능하여 상업화가 어려운 문제가 있었다.

또한 종래의 수평식 전기 방사 장치는 노즐에서 미처 방사되지 못한 고분자 용액 덩어리가 그대로 컬렉터 판에 부착되는 현상 [이하 "드롭렛"(droplet)이라고 한다]이 발생하여 제품의 품질이 저하되는 문제도 발생하였다.

앞에서 살펴본 종래의 전기방사장치들은 대부분 한가지 폴리머 성분만을 전기방사하는 장치들이다.

최근 논문(Advanced material, Vol 15(22), 1929페이지, 2003년)에서는 2종의 폴리머를 다층 형태로 전기방사 한 후 내층 성분을 용출하면 중앙이 중공(中空)인 중공 나노섬유의 제조가 가능하다는 사실이 발표된 바 있다.

그러나, 상기 방법은 단지 한홀만을 이용하여 전기방사한 결과이고 이를 산업화 하기 위해서는 절대적으로 다수의 노즐을 배열하여 방사해야만 한다. 또한 상기 논문의 내용은 수평식으로 전기방사 하는 것이기 때문에 노즐을 배열하는데 많은 제약 요건이 있어 산업화하기에는 부적합하다. 특히 상기 방법으로 다성분을 전기방사 하는 경우에는 서로 다른 고분자들의 계면장력 등의 문제로 인해 앞에서 언급한 드롭렛(Droplet) 문제가 더욱 심하게 발생되어 품질이 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명은 2종 이상의 폴리머들로 구성되는 다성분 나노섬유의 대량 생산이 가능하고, 다성분 나노섬유의 집적밀도를 균일하게 하고 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하여 고품질의 다성분 나노섬유를 제조할 수 있는 전기방사장치를 제공하고자 한다.

이를 위하여 본 발명은 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐이 배열되어 있고, 상기 다중관형노즐 출구 주변에 오버플로 제거용 노즐과 공기공급용 노 즐이 차례로 설치되고, 노즐블록이 컬렉터 하단에 위치하는 상향식 다성분 전기방사장치를 제안한다.

이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 상향식 전기방사장치는, [ⅰ] 노즐블록(4)에 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐(5)이 설치되어 있고, [ⅱ] 노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부 방향으로 형성되어 있고, [ⅲ] 상기 컬렉터(7)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하고, [ⅳ] 노즐(5) 출구 주변에 오버플로 제거용 노즐(4u)과 공기 공급용 노즐(4d)이 차례로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

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

본 발명은 노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부방향으로 형성되어 있고, 컬렉터(7)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하여 방사용액을 상부 방향으로 방사한다.

노즐블록에 설치되어 있는 다중관형노즐(5)은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 2종 이상의 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사 할 수 있도록 2개 이상의 관(5a, 5b, 5c)들이 시스/코어(Sheath/Core) 형태로 결합된 구조를 갖는다.

도 2에는 3중관형노즐이 도시되어 있고, 도 3에는 2중관형노즐이 도시되어 있다.

상기 노즐블록(4)은 도 2 내지 도 3과 같이 [ⅰ] 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐(5)이 배열된 노즐 플레이트(4e), 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판(4i, 4h, 4g) [ⅱ] 노즐(5)을 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(4u), 상기 오버플로 제거용 노즐과 연결되어 있으며 노즐 플레이트 직상단에 위치하는 오버플로액의 임시 저장판(4j) 및 상기 오버플로액의 임시 저장판의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐들을 지지해주는 오버플로 제거용 노즐의 지지판(4v), [ⅲ] 노즐(5)과 오버플로 제거용 노즐(4u)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(4d), 노즐블록의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐들을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(4n) 및 공기공급용 노즐의 지지판 직하단에 위치하여 공기 공급용 노즐에 공기를 공급 및 저장해 주는 공기유입구(4m)와 공기 저장판(4k)을 포함한다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 2종 이상의 방사용액을 컬렉터 상에 동시 전기방사하는 다중관형노즐(5)의 주변에는 방사되지 못한 방사용액을 제거하는 오버플로 제거용 노즐(4u)과 나노섬유의 집적 분포를 넓게 하기 위해 공기를 공급하는 공기공급용 노즐(4d)이 차례로 설치되어 있다.

필라멘트를 제조하고자 할 경우에는 일정 폭에만 균일하게 나노섬유가 집적되도록 일정 폭에만 전도성 물질로 구성된 컬렉터를 이용하여 소폭의 나노섬유 웹을 제조한 다음, 제조된 나노섬유 웹을 공기꼬임장치내로 통과시키면서 꼬임을 부여한 다음, 계속해서 여러개의 로울러를 차례로 통과시키면서 연신한 다음, 권취로울러로 권취하여 필라멘트를 제조한다.

필라멘트를 제조할 경우에는 공기의 흐름 속도를 낮추어 나노섬유가 과도하게 퍼지는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.

상기 오버플로 제거용 노즐(4u)은 다중관형노즐(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(4e) 직하단에 위치하는 오버플로액의 임시저장판(4j)으로 이송시키는 역할을 한다.

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

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

오버플로액의 임시저장판(4j)의 상단에는 공기를 공급해주는 공기 저장판(4k)이 위치하여 다중관형노즐(5) 및 오버플로 제거용 노즐(4u)들을 감싸고 있는 공기 공급용 노즐(4d)에 공기를 공급한다. 또한 공기공급용 노즐(4d)이 배 열된 노즐블록(4)의 최상층에는 공기공급용 노즐의 지지판(4n)이 설치되어 있으며, 상기 지지판(4n)은 비전도성 재료로 구성된다. 공기공급용 노즐의 지지판(4n)은 노즐블록에 위치하여 컬렉터(7)와 다중관형노즐(5) 사이에 미치는 전기적인 힘이 단지 다중관형노즐(5)에만 집중되어 다중관형노즐(5) 부위에서만 방사가 원활하게 될 수 있도록 한다.

다중관형노즐(5)의 상부 팁에서 공기공급용 노즐(4d)의 상부 팁까지 거리(미도시)는 1∼20mm, 양호하게는 2∼15mm이다. 다시 말해, 공기 공급용 노즐(4d)의 높이를 나노섬유 방사용 노즐(5)의 높이보다 1~20㎜, 양호하게는 2~15㎜ 높게 설정한다. 상기 거리가 0인 경우, 다시 말해 다중관형노즐(5)과 동일 높이로 공기공급용 노즐(4d)이 위치하면 다중관형노즐(5) 부분에서 제트스트림이 효과적으로 형성되지 않아 나노섬유가 컬렉터(7)상에 부착되는 면적이 작아진다. 한편, 상기 거리가 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.

나노섬유 부직포를 제조하고자 할 경우에는 공기공급용 노즐(4d)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 감소되며, 더욱 심각한 문 제는 나노섬유가 아니라 굵은 타래 형태로 컬렉터에 부착되어 나노섬유 형성능과 나노섬유 부직포 형성능이 현저하게 저하된다.

노즐플레이트(4e) 직하단에는 노즐배열과 동일하게 핀이 배열되어 있는 도전체판(미도시)이 설치되며, 상기 도전체판에 전압발생장치(9)가 연결되어 있다.

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

상기 도전체판(도면미도시)은 다중관형노즐(5)에 고전압을 걸어주는 역할을 하며, 방사용액 공급판은 방사드롭장치(3)에서 노즐블록(4)으로 유입되는 방사용액을 저장 후 다중관형노즐(5)로 공급해 주는 역할을 한다. 이때 방사용액 공급관은 방사용액의 저장량을 최소화 할 수 있도록 최소한의 공간으로 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 방사액 드롭장치(3)는 전체적으로 도 4(a) 및 도 4(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 4(a)~도 4(b)와 같이 전체적으로 밀폐된 원통상의 형상을 갖는다. 도 4(a)는 방사용액 드롭장치의 단면도이고, 도 4(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.

필라멘트를 제조하고자 할 경우에는 노즐블록을 좌우 왕복운동 시키지 않고 고정한 상태로 전기방사하여 일정폭의 나노섬유 웹을 제조한 다음, 이를 공기교락 및 연신하여 필라멘트를 제조한다.

또한, 상기 노즐블록(4) 내부에는, 보다 구체적으로는 방사용액 공급판 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.

노즐블록(4)상에 위치하는 노즐(5)들은 대각선 또는 일직선상으로 배열된다.

다음으로는 상기 본 발명의 상향식 다성분 전기 방사 장치를 사용하여 부직포를 제조하는 방법을 살펴본다.

먼저 2종 이상의 방사용액 주탱크(1) 내에 각각 보관중인 2종 이상의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 방사액을 별도의 계량펌퍼(2)로 계량하여 정량씩 방사 용액 드롭장치(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 방사용액 드롭장치(3) 내로 공급된 방사용액은 방사용액 드롭장치(3)를 통과하면서 불연속적으로, 다시 말해 방사액의 흐림이 한번 이상 차단되면서, 본 발명의 높은 전압이 걸려있고 교반기(11c)가 설치된 노즐블록(4)의 방사용액 공급판으로 공급된다. 상기 방사용액 드롭장치(3)는 방사용액의 흐름을 차단하여 방사용액 주탱크(1)에 전기가 흐르지 못하도록 하는 역할도 한다.

계속해서 상기 노즐블록(4)에서는 방사액을 상향식 다중관상노즐을 통해 높은 전압이 걸려있는 상부의 컬렉터(7)로 상향 토출하여 부직포 웹(Web) 또는 필라멘트를 제조한다.

방사용액 공급관으로 이송된 방사용액은 다중관상노즐(5)을 통해 상부 컬렉터(7)로 토출되어 섬유를 형성한다. 이때, 다중관상노즐(5)로부터 전기방사되는 나노섬유는 공기공급용 노즐(4d)에서 분사되는 공기에 의해 넓게 퍼지면서 컬렉터(7) 상에 포집되어 포집면적이 넓어지고 집적밀도가 균일해진다. 다중관상노즐(5)에서 섬유화 되지 못한 과잉 방사용액은 오버플로 제거용 노즐(4u)에서 모아져 오버플로액의 임시저장판(4j)을 거쳐 방사용액 공급판으로 다시 이동하게 된다.

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

이때 전기력에 의한 섬유형성을 촉진하기 위하여 노즐블록(4) 하단부에 설치된 도전체판과 컬렉터(7)에는 전압발생장치(9)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 바람직하다.

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

본 발명의 제조장치는 포집면적을 넓혀 다성분 나노섬유의 집적 밀도를 균일하게 할 수 있고, 필라멘트를 제조하고자 할 경우에는 소폭으로 웹을 제조하고 이를 이용하여 필라멘트를 제조할 수 있으며, 드롭렛(Droplet) 현상을 효과적으로 방지하여 부직포 또는 필라멘트의 품질을 향상시킬 수 있고, 전기력에 의한 섬유형성 효과가 높아져 다성분 나노섬유 및 그의 부직포 또는 필라멘트를 대량 생산 할 수 있다. 아울러 본 발명의 제조방법은 다수개의 핀으로 구성되는 노즐들을 블록형태로 배열하므로서 부직포 및 필라멘트의 폭 및 두께를 자유롭게 변경, 조절 할 수 있다.

본 발명의 장치로 제조된 다성분 나노섬유 부직포 및 필라멘트는 인공피혁, 생리대, 필터, 인조혈관 등의 의료용 소재, 방한조끼, 반도체용 와이퍼, 전지용 부직포 등 다양한 용도로 사용된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴 본다.

그러나 본 발명은 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

96% 황산용액에서 상대점도가 3.2인 나일론 6 칩을 개미산에 25%로 용해하여 방사용액A를 제조 하였다. 상기 방사용액은 레오메터(Rheometer-DV, Ⅲ, Brookfield Co., USA)를 이용하여 측정한 점도가 1200 센티포아스(cPs)이고, 컨덕티비티 메터(conductivity meter, CM-40G, TOA electronics Co., 일본)로 측정한 전기전도도가 350 mS/m이고, 텐션 메터(K10St, Kruss Co., 독일)를 이용하여 측정한 표면 장력이 58 mN/m이었다.

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

한편, 수평균 분자량이 80,000인 폴리(ε-카프로락톤) 고분자(미국 Aldrich 사 제품)를 메틸렌클로라이드/N,N-디메틸포름아마이드(체적비 : 75/25) 혼합용매에 13중량% 농도로 용해하여 또 다른 고분자 방사액C를 제조 하였다. 상기 고분자 방사액의 표면장력은 35mN/m, 용액점도는 상온에서 35센티포아즈, 전기전도도는 0.02mS/m, 유전율상수는 90이었다.

상기와 같이 제조된 3종의 방사용액을 도 2와 같이 3중관형노즐(5)이 설치되어 있는 본 발명의 상향식 다성분 전기방사장치(도 1)로 상향 전기방사하여 나노섬 유 웹(15)을 제조한 후, 웹 지지로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 다성분 나노섬유 웹을 제조하였다. 이때 상기의 방사용액A는 3중관형노즐의 제 1관(5a)으로 공급, 방사하였고, 상기의 방사용액 B는 3중관형노즐의 제 2관(5b)으로 공급, 방사하였고, 방사용액 C는 3중관형노즐의 제 3관(5c)으로 공급, 방사하였다.

노즐블록 내 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15㎝로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁까지의 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 나노섬유의 단면은 도5(b)와 같은 형태를 갖는다.

실시예 2

96% 황산용액에서 상대점도가 3.2인 나일론 6 칩을 개미산에 25%로 용해하여 방사용액A를 제조 하였다. 상기 방사용액은 레오메터(Rheometer-DV, Ⅲ, Brookfield Co., USA)를 이용하여 측정한 점도가 1200 센티포아스(cPs)이고, 컨덕 티비티 메터(conductivity meter, CM-40G, TOA electronics Co., 일본)로 측정한 전기전도도가 350 mS/m이고, 텐션 메터(K10St, Kruss Co., 독일)를 이용하여 측정한 표면 장력이 58 mN/m이었다.

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

상기와 같이 제조된 2종의 방사용액을 도 3와 같이 2중관형노즐(5)이 설치되어 있는 본 발명의 상향식 다성분 전기방사장치(도 1)로 상향 전기방사하여 나노섬유 웹(15)을 제조한 후, 웹 지지로울러(14)를 거쳐 권취로울러(16)에 권취하여 다성분 나노섬유 웹을 제조하였다. 이때 상기의 방사용액A는 2중관형노즐의 제 1관(5a)으로 공급, 방사하였고, 상기의 방사용액 B는 2중관형노즐의 제 2관(5b)으로 공급, 방사하였다.

노즐블록 내 노즐 수는 9,720홀로 하고, 상기 노즐블록을 4개 사용하여 총 노즐수는 38,880개로 하고, 방사거리는 15㎝로 하고, 노즐블럭(4)의 왕복 운동은 2m/분으로 하고, 컬렉터(7)에 전기히터를 설치하여 컬렉터의 표면온도를 35℃로 하여 전기방사를 행하였다. 방사과정 중에 노즐블럭(4) 최상부에 넘치는 방사용액은 흡입공기를 이용한 방사용액 배출장치(12)를 사용하여 강제적으로 방사용액 주탱크(1)로 이송하였다. 상기 공기 공급용 노즐로는 내경은 20㎜이고, 외경은 23m이고, 노즐(5)의 상부팁에서 공기 공급용 노즐(4b)의 상부팁까지의 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 나노섬유의 단면은 도5(a)와 같은 형태를 갖는다.

본 발명은 2종 이상의 폴리머들이 시스/코어 형태로 복합된 다성분 나노섬유를 대량생산할 수 있고, 컬렉터상의 다성분 나노섬유의 포집 면적을 넓게 할 수 있어서 제조되는 웹의 다성분 나노섬유 집적밀도를 균일하게 할 수 있고, 기재상에 다성분 나노섬유를 균일한 밀도로 코팅할 수 있다.

그 결과, 본 발명은 다성분 나노섬유를 상업적으로 제조가 가능하다. 또한 본 발명은 드롭렛(Droplet)현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 다성분 나노섬유를 대량 생산할 수 있다.

Claims (13)

1. 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 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 방사용액 방사용 다중관형노즐(5)이 설치되어 있고, [ⅱ]노즐블록(4)에 설치된 노즐(5)의 출구가 상부 방향으로 형성되어 있고, [ⅲ]상기 컬렉터(7)가 노즐블록(4)의 상부에 위치하고, [ⅳ]노즐(5) 출구 주변에 오버플로 제거용 노즐(4u)과 공기 공급용 노즐(4d)이 차례로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사 장치.
2. 1항에 있어서, 다중관형노즐(5)이 2개 이상의 관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
3. 1항에 있어서, 방사액 주탱크(1)와 노즐블록(4) 사이에 방사액 드롭장치(3)가 설치되어있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
4. 1항에 있어서, 노즐블럭(4) 전체가 좌우 왕복운동을 하거나 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
5. 1항에 있어서, 컬렉터(7)내에 가열장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
6. 1항에 있어서, 노즐블록(4) 내부에 교반기(11c)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
7. 1항에 있어서, 노즐블록(4) 상단에 노즐부위에서 방사되지 못한 용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(12)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
8. 1항에 있어서, 컬렉터(7)가 고정 또는 연속 회전하는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
9. 1항에 있어서, 노즐블록(4)상에 노즐(5)이 대각선 또는 일직선 상으로 배열 되어 있는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
10. 1항에 있어서, 노즐블록(4)이 [ⅰ]시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐(5)이 배열된 노즐 플레이트(4e), 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판(4i, 4h, 4g) [ⅱ] 노즐(5)을 감 싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(4u), 상기 오버플로 제거용 노즐과 연결되어 있으며 노즐 플레이트 직상단에 위치하는 오버플로액의 임시 저장판(4j) 및 상기 오버플로액의 임시 저장판의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐들을 지지해주는 오버플로 제거용 노즐의 지지판(4v), [ⅲ]노즐(5)과 오버플로 제거용 노즐(4u)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(4d), 노즐블록의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐들을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(4n) 및 공기공급용 노즐의 지지판 직하단에 위치하여 공기 공급용 노즐에 공기를 공급 및 저장해 주는 공기유입구(4m)와 공기 저장판(4k)을 포함하는 것을 특징으로 하는 상향식 다성분 전기방사장치.
11. 1항의 상향식 다성분 전기방사 장치를 사용하여 제조된 다성분 나노섬유.
12. 11항의 다성분 나노섬유로 구성된 부직포.
13. 1항의 다성분 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트.

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