이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법은, 고분자 방사용액을 고전압이 걸려있는 노즐(5)을 통해 (ⅰ) 길이 방향을 따라 홈들이 일정 간격으로 형성된 앤드레스 벨트(Endless Belt) 형태의 비도전체 판(7b)과 (ⅱ) 상기 비도전체 판의 홈에 삽입되어 비도전체판 표면 위로 돌출되어 있으며, 일정한 폭(u)과 높이(h)를 갖는 도전체 판(7a)으로 구성되며 고전압이 걸려있는 컬렉터(7)상에 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹을 제조한 다음, 상기 나노섬유 웹을 컬렉터(7)로 부터 이격(분리)시킨 후 집속, 연신 및 권취하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 방사용액 저장 탱크(1)내 고분자 방사용액을 고전압 이 걸려 있는 노즐(5)을 통해 고전압이 걸려 있는 컬렉터(7)로 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹(16)을 제조한다.
보다 구체적으로 고분자 방사용액은 계량펌프(2) 및 방사용액 드롭장치(3)를 통해 노즐블록(4)에 배열된 노즐(5)로 정량 공급된다.
이때, 본 발명은 나노섬유들이 집적되는 컬렉터(7)로서 도 2에 도시된 바와 같이 (ⅰ) 길이 방향을 따라 홈들이 일정 간격으로 형성된 앤드레스 벨트(Endless Belt) 형태의 비도전체 판(7b)과 (ⅱ) 상기 비도전체 판의 홈에 삽입되어 비도전체 판 표면 위로 돌출되어 있으며, 일정한 폭(u)과 높이(h)를 갖는 도전체 판(7a)으로 구성된 컬렉터를 사용하여 컬렉터상에 집적되는 나노섬유들이 섬유 축 방향으로 잘 배향시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 상향식 방식을 이용한 본 발명의 공정 개략도이고, 도 2는 도 1의 컬렉터(7) 부분에서 리본 형태의 나노섬유 웹이 제조되는 공정을 나타내는 모식도이다.
상기 도전체 판(7a)의 형태는 원통형, 사다리꼴, 타원형 등의 다양한 형태로 할 수 있다.
상기 도전체 판(7a)은 비도전체 판(7b)의 홈속에 고정되어 비도전체 판(7b)과 일체로 회전할 수도 있고, 비도전체 판(7b)의 홈속에 고정되지 않은 상태로 삽입되어 비도전체 판(7b)과는 상이한 회전 선속도로 회전운동 할 수도 있다.
상기의 컬렉터(7)상에 나노섬유를 방사하면 도전체판(7a)에만 나노섬유들이 집적되어 리본 형태의 나노섬유 웹(16)이 제조되며, 도전체판(7a)에 집적된 나노섬 유들은 앞으로 진행하는 도전체판(7a)에 의해 섬유 축 방향으로 잘 배향되어 이후 공정에서 양호한 집속성과 연신성을 발현하게 된다.
한편, 도전체판(7a)의 폭(u)과 높이(h)는 제조하고자 하는 연속상 필라멘트의 굵기에 따라 조절하는 것이 바람직하다.
바람직하기로는 상기 도전체 판의 폭(u)이 0.1~20㎜, 보다 바람직하기로는 1~15㎜, 이고 상기 도전체 판의 높이(h)가 0.1~50㎜, 보다 바람직하기로는 1~30㎜,인 것이 좋다.
상기 폭(u)이 0.1㎜ 미만인 경우에는 집적되는 나노섬유의 양이 너무 적어 취급하기 어렵고, 20㎜를 초과하는 경우에는 나노섬유들이 섬유 축 방향으로 잘 배열(배향)되지 않을 수 있어 연속상 필라멘트의 기계적 물성이 나빠지게 된다.
한편, 상기 높이(h)가 0.1㎜ 미만이면 전기방사중 비산되는 나노섬유로 인해 나노섬유의 배향성이 나빠지고, 50㎜를 초과하는 경우에는 도전체 판의 옆면에 나노섬유들이 부착되어 섬유 배향성을 현저하게 감소시켜서 방사성이 낮아질 수 있다.
비도전체 판(7b)의 재질로는 석영, 유리, 고분자 필름, 고분자판 등이 사용되고, 도전체 판(7a)의 재질로는 구리, 금 등의 무기재료나 전도성이 우수한 고분자 등이 사용된다. 단위 폭으로 나노섬유를 방사하기 위해서는 제조하고자 하는 필라멘트의 굵기에 적당하게 노즐블록(4) 상에 노즐(5)들을 섬유 진행방향으로 1열로 배열하는 것이 바람직하나, 필요에 따라서는 2열 이상으로 배열할 수도 있다.
전기방사 방식으로는 (ⅰ) 노즐블록이 컬렉터의 하부에 위치하는 상향식 전 기방사 방식을 사용할 수도 있고, (ⅱ) 노즐블록이 컬렉터의 상부에 위치하는 하향식 전기방사 방식을 사용할 수도 있고, (ⅲ) 노즐블록과 컬렉터가 수평 또는 수평과 비슷한 각도로 위치하는 수평식 전기방사 방식을 사용할 수도 있다.
대량생산을 위해서는 상향식 전기방사 방식을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
전기방사시에 2종 이상의 고분자 방사용액을 각각의 노즐블록내에 배열된 노즐(5)들을 통해 동일한 컬렉터(7)로 전기방사하여 하이브리드 형태의 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조할 수도 있다.
노즐블럭(4)은 나노섬유 형성능을 양호하기 위해서 히터가 설치되어 있다. 또한 장시간 방사 혹은 무기산화물이 포함된 방사용액을 방사할 경우에 장시간 체류하면 겔(gel)화가 발생한다. 이를 방지하기 위해서는 교반기 모터(10a)를 이용하여 중간에 부도체 봉(10b)으로 연결된 교반기(10c)를 이용하여 교반하여 주는 것이 양호하다.
다음으로는, 상기와 같이 컬렉터(7)상에 형성된 리본 형태의 나노섬유 웹(16)을 웹 이송 로울러(15, 17)를 이용하여 컬렉터(7)로 부터 이격(분리) 시킨 후, 계속해서 집속, 연신 및 열처리하여 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조한다.
컬렉터(7)로 부터 리본 형태의 나노섬유 웹(16)을 이격(분리) 시킬 때에는 도 1과 같이 나노섬유 웹 분리용 용액(12)을 컬렉터 상에 연속 또는 불연속적으로 코팅하거나 분무해 주는 것이 바람직하다.
나노섬유 웹 분리용 용액(13)으로는 물, 메탄올, 에탄올, 톨루엔, 메틸렌클로라이드, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 양쪽성(양이온-음이온) 계면활성제, 중성 계면활성제 등을 사용한다.
계속해서, 컬렉터(7)로 부터 이격(분리)된 나노섬유 웹(16)을 유체 또는 공기를 이용한 집속장치(18)내로 통과시켜 집속시킨 후 계속해서 제 1로울러(19)와 제 2로울러(20)를 통과시키면서 이들의 회전 선속도 차이를 이용하여 연신시키고, 계속해서 열처리장치(21)를 통과시키면서 열처리 및 용매제거를 하고, 계속해서 제 3로울러(22)를 통과시킨 후, 연신된 연속상 필라멘트를 보빈(23)에 권취한다.
서로 다른 고분자 용액 각각을 본 발명에 따라 전기방사하여 제조한 서로 다른 성분의 나노섬유 필라멘트를 합사하거나, 복합노즐로 구성된 노즐블록을 사용하여 복합방사하여 서로 다른 성분으로 이루어진 나노섬유 필라멘트를 제조할 수도 있다.
또한, 서로 다른 고분자 용액을 코어/셀(core/shell) 형태로 복합방사한 후 이들중 코어성분을 용출하는 방식으로 중공사를 제조할 수도 있다.
실시예 1
96% 황산용액에서 상대점도가 3.2인 나일론 수지를 개미산에 15중량% 농도로 용해하여 고분자 방사액을 제조하였다.
상기 고분자 방사액의 표면장력은 49mN/m, 용액점도는 상온에서 40센티포아즈, 전기전도도는 420mS/m 였다.
상기 고분자 방사액을 계량펌프(2)를 통해 도 1과 같은 상향식 전기방사 장 치의 노즐블록(4)내의 노즐(5)로 공급한 후, 상기 노즐(5)을 통해 (ⅰ) 길이방향을 따라 폭 4.1㎜의 홈 8개가 형성된 강화유리 재질의 비도전체 판(7b)과 (ⅱ) 상기 홈 각각에 삽입, 고정되어 비도전체 판의 표면 위로 돌출되어 있으며, 폭(u)이 4㎜이고 높이(h)가 5㎜인 구리 재질의 도전체 판(7a) 8개로 구성된 컬렉터(7)에 전기방사 하였다.
이때, 노즐블록(4)으로는 직경이 1㎜인 노즐 2,000개가 일렬로 배열된 단위 노즐블록 8개로 이루어져 총 노즐수가 16,000개인 노즐블록을 사용하였고, 노즐 1개당 토출량은 1.2㎎/분으로 하였고, 전압은 28㎸로, 방사거리는 16㎝로 하였다.
다음으로는, 회전 선속도가 80m/분인 웹 이송 로울러(15, 17)을 이용하여 상기와 같이 컬렉터상에 리본 형태로 집속된 나노섬유 웹을 컬렉터(7)로 부터 분리(이격)하고, 계속해서 분리된 나노섬유 웹을 집속장치(18)내로 통과시켜 집속시킨 후 회전 선속도가 82m/분인 제 1로울러(19)와 회전 선속도가 285m/분인 제 2로울러(20)와 회전 선속도가 295m/분인 제 3로울러(22)를 차례로 통과시키면서 연신하였다.
또한 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22) 사이에 설치된 열처리 장치(21)에서 170℃로 열고정 한 후 290m/분의 권취속도로 권취하여 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조하였다.
제조된 연속상 필라멘트의 섬도는 75데니어, 강력은 4.5g/데니어, 신도는 42%, 나노섬유의 직경은 186㎚ 이었다.
실시예 2
96% 황산용액에서 상대점도가 3.2인 나일론 수지를 개미산에 15중량% 농도로 용해하여 고분자 방사액을 제조하였다.
상기 고분자 방사액의 표면장력은 49mN/m, 용액점도는 상온에서 40센티포아즈, 전기전도도는 420mS/m 였다.
상기 고분자 방사액을 계량펌프(2)를 통해 도 1과 같은 상향식 전기방사 장치의 노즐블록(4)내의 노즐(5)로 공급한 후, 상기 노즐(5)을 통해 (ⅰ) 길이방향을 따라 폭 4.1㎜의 홈 8개가 형성된 테프론 재질의 비도전체 판(7b)과 (ⅱ) 상기 홈 각각에 삽입되어 비전도체 판의 표면 위로 돌출되어 있으며, 자체적으로 회전하며, 폭(u)이 4㎜이고 높이(h)가 5㎜인 구리 재질의 도전체 판(7a) 8개로 구성된 컬렉터(7)에 전기방사 하였다.
이때, 도전체 판(7a)의 회전 선속도는 80m/분으로 하였다.
이때, 노즐블록(4)으로는 직경이 1㎜인 노즐 2,000개가 일렬로 배열된 단위 노즐블록 8개로 이루어져 총 노즐수가 16,000개인 노즐블록을 사용하였고, 노즐 1개당 토출량은 1.2㎎/분으로 하였고, 전압은 28㎸로, 방사거리는 16㎝로 하였다.
다음으로는, 회전 선속도가 80m/분인 웹 이송 로울러(15, 17)을 이용하여 상기와 같이 컬렉터상에 리본 형태로 집속된 나노섬유 웹을 컬렉터(7)로 부터 분리(이격)하고, 계속해서 분리된 나노섬유 웹을 집속장치(18)내로 통과시켜 집속시킨 후 회전 선속도가 82m/분인 제 1로울러(19)와 회전 선속도가 285m/분인 제 2로울러(20)와 회전 선속도가 295m/분인 제 3로울러(22)를 차례로 통과시키면서 연신하였 다.
또한 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22) 사이에 설치된 열처리장치(21)에서 170℃로 열고정 한 후 290m/분의 권취속도로 권취하여 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조하였다.
제조된 연속상 필라멘트의 섬도는 75데니어, 강력은 5.3g/데니어, 신도는 33%, 나노섬유의 직경은 173㎚ 이었다.
실시예 3
분자량이 80,000인 폴리우레탄 수지와 중합도가 800인 폴리비닐클로라이드를 70 : 30 중량비로 디메틸포름아마이드/테트라하이드로퓨란(체적비 : 5/5)의 혼합용매에 용해하여 방사용액을 제조하였다.
상기 방사용액의 점도는 450센티포아즈 였다.
상기 고분자 방사액을 계량펌프(2)를 통해 도 1과 같은 상향식 전기방사 장치의 노즐블록(4)내의 노즐(5)로 공급한 후, 상기 노즐(5)을 통해 (ⅰ) 길이방향을 따라 폭 6.1㎜의 홈 8개가 형성된 테프론 재질의 비도전체 판(7b)과 (ⅱ) 상기 홈 각각에 삽입, 고정되어 비도전체 판의 표면 위로 돌출되어 있으며, 폭(u)이 6㎜이고 높이(h)가 5㎜인 구리 재질의 도전체 판(7a) 8개로 구성된 컬렉터(7)에 전기방사 하였다.
이때, 노즐블록(4)으로는 직경이 1㎜인 노즐 2,000개가 일렬로 배열된 단위 노즐블록 8개로 이루어져 총 노즐수가 16,000개인 노즐블록을 사용하였고, 노즐 1개당 토출량은 2.0㎎/분으로 하였고, 전압은 35㎸로, 방사거리는 20㎝로 하였다.
다음으로는, 회전 선속도가 145m/분인 웹 이송 로울러(15, 17)을 이용하여 상기와 같이 컬렉터상에 리본 형태로 집속된 나노섬유 웹을 컬렉터(7)로 부터 분리(이격)하고, 계속해서 분리된 나노섬유 웹을 집속장치(18)내로 통과시켜 집속시킨 후 회전 선속도가 149m/분인 제 1로울러(19)와 회전 선속도가 484m/분인 제 2로울러(20)와 회전 선속도가 490m/분인 제 3로울러(22)를 차례로 통과시키면서 연신하였다.
또한 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22) 사이에 설치된 열처리장치(21)에서 110℃로 열고정 한 후 486m/분의 권취속도로 권취하여 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 제조하였다.
제조된 연속상 필라멘트의 섬도는 75데니어, 강력은 3.6g/데니어, 신도는 42%, 나노섬유의 직경은 456㎚ 이었다.
도 3은 실시예 3으로 제조된 연속상 필라멘트의 전자현미경 사진으로서 연속상 필라멘트를 구성하는 나노섬유들이 섬유 축 방향으로 잘 배열되어 있는 것을 보여준다.