KR100658499B1 - Method of manufacturing mats coated with nanofibers and mats manufactured thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노섬유가 코팅된 매트의 제조방법 및 이로 제조된 매트에 관한 것으로, 고분자 방사용액 주탱크(4)내의 고분자 방사용액을 고전압이 걸려있으며 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합되어 있는 노즐블럭(2)에 있는 노즐(2a)들을 통해 고전압이 걸려 있으며 상기 노즐블럭(2)에 의해 일측이 감싸진 상태로 회전하는 원통형 전도체인 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6) 상에 전기방사하여 상기 매트(6)상에 전기방사된 나노섬유를 코팅한 다음, 이송 로울러(8)를 이용하여 권취기(9)에 권취 함을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for manufacturing a mat coated with nanofibers, and to a mat manufactured therefrom, wherein the polymer spinning solution in the polymer spinning solution main tank 4 is subjected to a high voltage and at least one unit block is placed in a horizontal or longitudinal direction. The collector 3, which is a cylindrical conductor, is rotated in a state in which a high voltage is applied through the nozzles 2a in the nozzle blocks 2, which are combined in a C-shape in an arranged state, and the one side is wrapped by the nozzle blocks 2. It is characterized in that the electrospun on the mat (6) passing through the coating the electrospun nanofiber on the mat (6), and then wound on the winding machine (9) using a transfer roller (8). .
본 발명은 컬렉터의 회전 속도를 달리함으로서 매트 축 방향에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도를 원하는 데로 조절할 수 있다.The present invention can adjust the orientation angle of the coated nanofibers to the mat axis direction as desired by varying the rotational speed of the collector.
또한, 본 발명은 상기의 노즐블럭(2)이 회전하는 원통형 컬렉터(3)의 일측을 감싸고 있기 때문에 매우 좁은 공간 내에 노즐블럭(2)의 횡 방향 또는 종 방향으로 다량의 노즐을 배열할 수 있어서 단위시간당 생산성(코팅량)을 향상시킬 수 있고, 노즐블럭(2)이 다수의 단위블록으로 구성되어 방사량 제어가 용이하고 섬유형성능이 향상된다.In addition, in the present invention, since the nozzle block 2 surrounds one side of the rotating cylindrical collector 3, a large amount of nozzles can be arranged in the transverse direction or the longitudinal direction of the nozzle block 2 in a very narrow space. The productivity (coating amount) per unit time can be improved, and the nozzle block 2 is composed of a plurality of unit blocks, so that the radiation amount can be easily controlled and the fiber forming ability is improved.
전기방사, 매트, 코팅, 복합재료, 나노섬유, 회전 컬렉터, 노즐블럭 Electrospinning, Mat, Coating, Composite Materials, Nanofiber, Rotary Collector, Nozzle Block
Description
도1은 본 발명에 따른 나노섬유가 코팅된 매트의 제조공정 개략도.1 is a schematic view of the manufacturing process of the nanofiber coated mat according to the present invention.
도2는 5개의 단위블록으로 구성된 C자형 노즐블럭(2)의 사시도.2 is a perspective view of a C-shaped
도3은 2개의 노즐블럭과 2개의 컬렉터를 사용하여 나노섬유가 코팅된 매트를 제조하는 본 발명의 제조공정 개략도.Figure 3 is a schematic view of the manufacturing process of the present invention for producing a nanofiber coated mat using two nozzle blocks and two collectors.
*도면중 주요 부분에 대한 부호 설명* Description of symbols on the main parts of the drawings
1 : 고전압 발생장치 2 : 원통형 노즐블럭 1: high voltage generator 2: cylindrical nozzle block
2a : 노즐 3 : 컬렉터2a: nozzle 3: collector
4 : 고분자 방사용액 주탱크 5 : 매트 공급로울러4: Polymer spinning solution main tank 5: Mat feed roller
6 : 매트 7 : 나노섬유가 코팅된 매트 6: mat 7: nanofiber coated mat
8 : 이송 로울러 9 : 권취기8: feed roller 9: winding machine
A,B : 폴리머 종류A, B: polymer type
본 발명은 전기방사를 이용하여 나노섬유가 코팅된 매트를 제조하는 방법 및 이로 제조된 매트에 관한 것으로서, 구체적으로는 본 발명은 전기방사를 이용하여 매트상에 나노섬유를 코팅할 때 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합되어 있는 노즐블럭을 이용함으로서 단위 공간 내에 다량의 노즐 배열이 가능하여 매우 좁은 장소에서도 단위 시간당 나노섬유 코팅량을 향상시킬 수 있고, 매트 축 방향에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도를 자유롭게 조절할 수 있어서 나노섬유가 코팅된 매트의 성능 및 물성을 용이하게 조절할 수 있는 나노섬유가 코팅된 매트의 제조방법에 관한 것 이다.The present invention relates to a method for producing a nanofiber-coated mat using electrospinning and to a mat prepared therein, specifically, the present invention is one or more when coating the nanofiber on the mat using electrospinning By using C-shaped nozzle blocks in which unit blocks are arranged in a lateral or longitudinal direction, a large number of nozzles can be arranged in a unit space, thereby improving the amount of nanofiber coating per unit time even in a very small place. The present invention relates to a method of manufacturing a nanofiber-coated mat, which can freely adjust the angle of orientation of the coated nanofibers relative to the mat axis, to easily control the performance and properties of the nanofiber-coated mat.
본 발명에 있어서, 나노 섬유란 섬유 직경이 1,000nm 이하인, 보다 바람직하기로는 500㎚ 이하인 섬유를 의미한다.In the present invention, the nanofiber means a fiber having a fiber diameter of 1,000 nm or less, more preferably 500 nm or less.
또한, 본 발명에서 있어서 매트(Mat)란 부직포, 직물, 편물, 멤브레인 및 브레이드등의 2차원 섬유기재를 의미한다.In addition, in the present invention, a mat means a two-dimensional fiber base such as a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, a membrane, and a braid.
나노 섬유로 구성된 매트는 일반 의류, 인조피혁, 필터, 기저귀, 생리대, 봉합사, 유착방지제, 와이핑 클로스(Wiping cloth), 인조혈관, 뼈 고정용 기구 등으로 다양하게 활용 가능하며, 특히 인공피혁 제조에 매우 유용하다.Mats composed of nanofibers can be widely used for general clothing, artificial leather, filters, diapers, sanitary napkins, sutures, anti-adhesion agents, wiping cloths, artificial blood vessels, bone fixing devices, and especially for artificial leather. Very useful for
나노섬유가 코팅된 매트를 제조하는 종래기술로서 대한민국 등록특허 제422459호에서는 엔드레스(Endless) 벨트 타입의 컬렉터 위를 통과하는 매트상에 고 분자 방사액을 전기방사하는 방법을 제안하고 있다.Korean Patent No. 422459 proposes a method of electrospinning a high molecular spinning liquid on a mat passing through an collector of an endless belt type as a prior art for manufacturing a nanofiber coated mat.
구체적으로, 상기 종래기술은 방사액 주 탱크 내의 고분자 방사액을 계량 펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급하고, 계속해서 노즐에 공급된 방사액을 노즐을 통해 5kV 이상의 높은 전압이 걸려있는 앤드레스(Endless) 벨트 타입의 컬렉터 위를 통과하는 매트 상에 방사, 집속하여 나노섬유가 코팅된 매트를 제조하는 방식이다. Specifically, the prior art continuously quantitatively supplies the polymer spinning liquid in the spinning liquid main tank into a plurality of nozzles to which a high voltage is applied through the metering pump, and continuously supplies the spinning liquid supplied to the nozzle to a high 5 kV or more through the nozzle. It is a method of manufacturing a mat coated with nanofibers by spinning and focusing on a mat passing through a collector of an endless belt type under voltage.
그러나, 상기의 종래방법은 전기방사 과정에서 방사거리(노즐과 컬렉터 사이의 거리)가 매우 짧아서 별도의 물리적 힘을 가하여 연신할 수 있는 방법이 매우 제한적이므로 최종 제품의 기계적 물성이 매우 낮다. 또한 상기 방법은 매트 축 방향에 대한 나노섬유들의 배향각도를 조절할 수 없고, 좁은 공간 내에 다량의 노즐들을 배열할 수 없어서 단위시간당 생산량(코팅량)이 낮은 문제가 있었다.However, the conventional method has a very short radiation distance (distance between the nozzle and the collector) in the electrospinning process, and thus the method of stretching by applying a separate physical force is very limited, so the mechanical properties of the final product are very low. In addition, the method can not control the orientation angle of the nanofibers in the mat axial direction, there is a problem that the production (coating amount) per unit time is low because it is not possible to arrange a large number of nozzles in a narrow space.
한편, 나노 섬유로 구성된 매트를 제조할 때 나노섬유들을 섬유축 방향으로 배열하는 방법으로 석영 등의 비전도체에 상에 도전체 선을 양쪽에 얹어 놓은 다음에 여기에 전기방사를 하면 이들 도전체 선 사이에 섬유가 배열된다는 것은 이미 발표된바 있다[Dan Li, Yuliang Wang, and Younan Xia, Advanced Materials Vol 16(4), pp361-366, 2004]. 그러나 이와 같은 방법으로는 산업화의 가능성이 낮고 또한 연신력을 도입할 수 있는 방법은 아니다. On the other hand, when manufacturing a mat made of nanofibers, by placing the conductor wires on both sides of a non-conductor such as quartz by arranging the nanofibers in the fiber axis direction, and then electrospinning them, these conductor wires The arrangement of fibers has already been published (Dan Li, Yuliang Wang, and Younan Xia, Advanced Materials Vol 16 (4), pp361-366, 2004). However, this method is less likely to industrialize and is not a way to introduce the stretching force.
이상에서 살펴 본바와 같이 지금까지 알려진 종래기술들로는 매트 축 방향에 대한 코팅된 나노섬유들의 배향각도를 임의로 조절이 불가능하고, 좁은 공간 내에 다량의 노즐들을 배열할 수 없어서 단위시간당 생산량(코팅량)이 낮고, 섬유형성능 이 나쁜 문제가 있었다.As described above, the conventionally known techniques are not able to arbitrarily adjust the orientation angle of the coated nanofibers with respect to the mat axis direction, and because a large amount of nozzles cannot be arranged in a narrow space, the production amount (coating amount) per unit time is increased. There was a problem of low fiber formation ability.
본 발명은 전기방사방식으로 나노섬유가 코팅된 매트를 제조할 때 좁은 공간 내에도 다량의 노즐들을 배열할 수 있어서 단위시간당 생산성(코팅량)이 높고, 매트 축 방향에 대한 나노섬유의 배향각도를 용이하게 조절할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.In the present invention, when manufacturing a nanofiber coated mat by the electrospinning method, a large amount of nozzles can be arranged even in a narrow space, so that the productivity (coating amount) per unit time is high, and the orientation angle of the nanofibers with respect to the mat axis direction is increased. It is intended to provide a method that can be easily adjusted.
또한, 본 발명은 인조피혁은 물론 필터, 기저귀, 생리대, 인조혈관 등의 다양한 산업소재에 적합한 물성을 갖는 나노섬유가 코팅된 매트를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a mat coated with nanofibers having physical properties suitable for various industrial materials such as artificial leather as well as filters, diapers, sanitary napkins, artificial blood vessels.
이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 나노섬유가 코팅된 매트의 제조방법은, 고분자 방사용액 주탱크(4)내의 고분자 방사용액을 고전압이 걸려있으며 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합되어 있는 노즐블럭(2)에 있는 노즐(2a)들을 통해 고전압이 걸려 있으며 상기 노즐블럭(2)에 의해 일측이 감싸진 상태로 회전하는 원통형 전도체인 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6) 상에 전기방사하여 상기 매트(6)상에 전기방사된 나노섬유를 코팅한 다음, 이송 로울러(8)를 이용하여 나노섬유가 코팅된 매트(7)를 권취기(9)에 권취함을 특징으로 한다.In the method of manufacturing the nanofiber coated mat of the present invention for achieving the above problems, the polymer spinning solution in the polymer spinning solution main tank (4) is subjected to high voltage and one or more unit blocks in the transverse or longitudinal direction The
또한, 본 발명의 연속상 매트는 상기 방법으로 제조되어 매트(6)와 상기 매트(6)상에 코팅되어 있는 나노섬유(2a)들로 구성됨을 특징으로 한다.In addition, the continuous mat of the present invention is characterized in that it is composed of the mat 6 and the
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에서는 도1에 도시된 바와 같이 고분자 방사용액 주탱크(4)내의 고분자 방사용액을 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합되어 있는 노즐블럭(2)에 있는 노즐(2a)들을 통해서 상기 노즐블럭에 의해 일측이 감싸진 상태로 회전하는 원통형 전도체인 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6)상에 전기방사하여 상기의 매트(6)상에 전기방사된 나노섬유를 코팅한다.First, in the present invention, as shown in Fig. 1, the nozzle block in which the polymer spinning solution in the polymer spinning solution main tank 4 is combined in a C shape with one or more unit blocks arranged in the horizontal or longitudinal direction ( On the mat (6) by electrospinning on the mat (6) passing through the collector (3), which is a cylindrical conductor rotating on one side by the nozzle block through the nozzle (2a) in 2) The nanofibers coated on the electrospun.
도1은 본 발명의 공정개략도이다.1 is a process schematic diagram of the present invention.
상기 노즐블럭(2)은 도2에 도시된 바와 같이 고전압이 걸려있으며 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합된 형태 이다.As shown in FIG. 2, the
도2는 본 발명에서 사용하는 C자형 노즐블럭(2)의 사시도이다.Fig. 2 is a perspective view of the C-
한편, 상기의 컬렉터(3)는 원통형 전도체로서 상기 노즐블럭(2)에 의해 일측이 감싸진 형태로 회전하며 고전압이 걸려있다.On the other hand, the collector (3) is a cylindrical conductor is rotated in a form wrapped on one side by the nozzle block (2) and is subjected to a high voltage.
상기 매트(6)는 부직포, 직물, 편물, 멤브레인, 브레이드 등과 같은 2차원 섬유기재 로서 공급로울러(5)로부터 상기 컬렉터(3)상에 연속적으로 공급된다.The mat 6 is continuously supplied from the
이와 같이 본 발명은 전기방사시에 앞에서 설명한 C자형 노즐블럭(2)과 회전하는 원통형 컬렉터(3)를 동시에 사용하는 것을 특징으로 한다.As described above, the present invention is characterized by simultaneously using the C-
전기방사시 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6)상에 나노섬유를 균일하게 코팅하기 위해 상기의 노즐블럭(2)은 컬렉터(3)의 길이방향을 기준으로 좌우로 왕복 운동하는 것이 바람직하다.In order to uniformly coat the nanofibers on the mat 6 passing through the
다음으로는, 이송 로울러(8)를 이용하여 나노섬유가 코팅된 매트(7)를 권취기(9)에 권취한다.Next, the
나노섬유가 코팅된 매트(7)를 권취기(9)에 권취하기 전에 엠보싱처리하거나, 건조할 수도 있다.The nanofiber coated
상기의 C자형 노즐블럭(2)과 원통형 전도체인 컬렉터(3) 각각은 비도전체인 분리판에 의해 2층 이상으로 구분되어 있는 다층 형태일 수도 있다.Each of the C-
C자형 노즐블럭(2)과 컬렉터(3)가 다층 형태일 경우 이들은 분리형 또는 일체형이고, 이들을 구성하는 각층의 길이(높이)가 서로 상이할 수도 있다.When the C-
한편, 본 발명에서는 도3에 도시된 바와 같이 원통형 노즐블럭(2)과 컬렉터(3) 각각을 2개 이상 사용하여 나노섬유가 코팅된 매트(7) 2개 이상을 동시에 제조할 수도 있다.Meanwhile, in the present invention, as shown in FIG. 3, two or more
도3은 2개의 노즐블럭과 2개의 컬렉터를 사용하여 나노섬유가 코팅된 매트를 제조하는 본 발명의 제조공정 개략도 이며, 도면중 부호는 생략 하였다.Figure 3 is a schematic view of the manufacturing process of the present invention for producing a nanofiber coated mat using two nozzle blocks and two collectors, the reference numerals are omitted.
이 경우 2개 이상의 C자형 노즐블럭(2) 각각에 동일한 고분자 방사용액을 공급해 줄 수도 있고, 서로 다른 고분자 방사용액을 공급하여 서로 종류가 상이한 나노섬유들이 코팅된 매트들을 생산 하는 것도 가능하다.In this case, the same polymer spinning solution may be supplied to each of the two or more C-
상기와 같이 동시에 제조된 다른 종류의 매트들을 권취하기 전에 라미네이팅하여 하이브리드 매트를 제조할 수도 있다. It is also possible to produce a hybrid mat by laminating before winding up other types of mat manufactured simultaneously as described above.
2개 이상의 C자형 노즐블럭(2)과 컬렉터(3)들은 서로 직경이 동일할 수도 있고, 서로 직경이 상이할 수도 있다.The two or more C-shaped nozzle blocks 2 and the
상기의 C자형 노즐블럭에 배열된 노즐(2a)과 컬렉터(3)들은 고전압 발생장치(1)과 연결되어 고전압이 걸리게 된다.The
또한, 상기의 컬렉터(3)의 상부 면에는 컬렉터를 지지함과 동시에 전류 흐름을 차단하는 역할을 하는 비전도체 판이 부착되어 있고, 비전도판은 중심부에 무게를 감소하기 위해서 일정한 공간을 만들어 사용하면 양호한 결과를 얻을 수 있다. In addition, the upper surface of the collector (3) is attached to the non-conductor plate that serves to block the current flow at the same time to support the collector, the non-conductive plate is good to use a constant space to reduce the weight in the center You can get the result.
비전도체 판의 재질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 테프론 또는 이들이 복합재료인 고분자 등이다. 모터를 통한 회전의 원활성을 기하기 위하여 비전도체 판은 빈공간이 있는 것이 유리하다.The material of the non-conductor plate is polypropylene, polyethylene, teflon, or a polymer of which they are composite materials. In order to facilitate the rotation through the motor, it is advantageous that the non-conductor plate has a free space.
상기의 컬렉터(3)은 회전모터에 의하여 회전한다. 컬렉터를 다층으로 구성하고자 할 경우 전기방사 중 나노섬유의 비산을 방지하고, 다른 층의 컬렉터 위를 통과하는 매트(6)에 전기방사된 섬유가 코팅되는 현상을 없애기 위하여 컬렉터를 구성하는 각층 사이에 비전도체인 분리판(칸막이)를 설치하는 것이 더욱 바람직하다.The collector (3) is rotated by a rotating motor. If the collector is to be formed in multiple layers, it is necessary to prevent scattering of nanofibers during electrospinning and to prevent the phenomenon of electrospun fibers being coated on the mat 6 passing through the collector of another layer. It is more preferable to provide a separation plate (partitioner) which is a non-conductor.
또한 컬렉터(3)의 높이는 코팅하고자 하는 매트(6)의 폭에 따라 적절하게 조절한다.Also, the height of the
본 발명은 좁은 공간 내에 다량의 노즐을 배열할 수 있어 일반적인 전기방사의 단점인 대량 생산의 한계를 해결할 수 있다. 일반적으로 전기방사에서 한 개의 노즐을 이용하여 전기방사할 경우에 토출량이 0.6-2.0mg/분으로 매우 작은 것이 일반적이다. 따라서 대량으로 양산을 하기 위해서는 좁은 공간 내에 다량의 노즐을 배열하여 생산 효율성을 높이는 것이 매우 중요하다. 이러한 점에서 본 발명은 매 우 큰 장점을 지닌다. The present invention can arrange a large number of nozzles in a narrow space can solve the limitation of mass production, which is a disadvantage of general electrospinning. In general, in the case of electrospinning with one nozzle in the electrospinning, the discharge amount is generally very small, 0.6-2.0mg / min. Therefore, for mass production, it is very important to increase the production efficiency by arranging a large number of nozzles in a narrow space. In this respect, the present invention has a great advantage.
한편, 본 발명에서는 컬렉터(3)의 회전속도 조절로 매트 축에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도를 조절할 수 있어서, 다양한 용도에 요구되는 물성들을 나노섬유가 코팅된 매트(7)에 부여할 수 있다. 예를 들어, 컬렉터의 회전속도를 5m/초로 조절하면 매트 축 [매트의 진행방향(기계방향)]에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도가 3°이하로 제어되어 나노섬유가 코팅된 매트(7)의 물성이 크게 향상된다. On the other hand, in the present invention, it is possible to adjust the angle of orientation of the coated nanofibers on the mat axis by adjusting the rotation speed of the
또한 본 발명은 매트 축에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도가 서로 상이한 2개 이상의 매트들을 각각 제조한 후 이들을 적층하면 등방성(isotropic)의 복합매트를 제조할 수도 있다.In addition, the present invention may prepare an isotropic composite mat by stacking two or more mats having different orientation angles of the coated nanofibers with respect to the mat axis, respectively.
상기의 C자형 노즐블럭(2)내에는 노즐(2a)들이 횡방향 또는 종방향으로 대각선으로 배열되어 있거나, 횡 방향 또는 종 방향으로 일직선으로 배열되어 있다.In the C-shaped
본 발명은 좁은 공간에 다량의 노즐을 배열함으로서 단위 시간당 생산량(코팅량)을 높일 수 있다. C자형 노즐블럭(2)은 1개 또는 2개 이상의 단위블록으로 구성될 수 있으나, 2개 이상의 단위블록으로 구성된 경우가 노즐 교체작업이 편리하고, 사용하고자 하는 고분자를 변경할 경우 청소가 용이하고, 전기방사시 노즐 말단부의 테일러콘을 안정적으로 형성할 수 있어서 섬유형성능이 향상된다. The present invention can increase the production amount (coating amount) per unit time by arranging a large amount of nozzles in a narrow space. C-shaped nozzle block (2) may be composed of one or two or more unit blocks, the case of two or more unit blocks is convenient to replace the nozzle, easy to clean when changing the polymer to be used, In the electrospinning, the cone cone at the end of the nozzle can be stably formed, thereby improving the fiber forming ability.
한편, 상기의 노즐(2a)들은 도2에 도시된 바와 같이 C자형 노즐블럭(2)에 배열되며 그의 길이나 직경은 코팅하고자 하는 매트(6)의 폭이나 두께 등에 따라서 다양하게 조절이 가능하다. 또한 코팅하고자 하는 매트(6)의 폭이나 두께에 따라서 컬렉터(3)의 길이나 직경을 자유롭게 선택할 수 있다. C자형 노즐블럭(2)과 컬렉터 (3)는 앞에서 설명한 바와 같이 다층으로 구성할 수도 있다. C자형 노즐블럭(2)을 상하로 두개 층 이상으로 분할하고, 각층에 종류나 농도가 상이한 고분자 방사용액을 각각 공급하면 폴리머의 종류나 나노섬유 굵기가 다른 나노섬유들이 코팅된 매트(이하 "코팅 매트"라고 한다)들을 동시에 제조할 수 있다. 또한 이들을 권취 전에 적층하면 하이브리드 매트를 간단하게 제조할 수 있다.On the other hand, the nozzle (2a) is arranged in the C-shaped
또한, 노즐블럭(2)을 구성하는 단위블록 각각에 종류나 농도가 상이한 고분자 방사용액을 공급하는 방식으로 하이브리드 매트를 제조할 수 있다.In addition, the hybrid mat may be manufactured by supplying a polymer spinning solution having a different type or concentration to each unit block constituting the
C자형 노즐블럭(2)은 노즐(2a)과 컬렉터(3) 사이의 거리를 임으로 조절할 수 있게끔 일정한 틀에 올려놓는 것이 좋다.The C-shaped
또한, 노즐블럭(2) 및 컬렉터(3)의 직경을 조절하여 이들 간의 거리(방사거리)를 조절 할 수 있다.In addition, it is possible to adjust the distance (radiation distance) between them by adjusting the diameter of the
고분자 방사용액으로는 폴리에스테르 수지, 나일론 수지, 폴리설폰 수지, 폴리젖산, 키토산, 콜라겐, 셀룰로오스. 피브리노겐, 이들의 공중합체, 금속성분이 포함된 졸-겔(Sol-gel), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 성분 등이 사용될 수 있다.Polymer spinning solutions include polyester resins, nylon resins, polysulfone resins, polylactic acid, chitosan, collagen and cellulose. A component selected from the group consisting of fibrinogen, copolymers thereof, sol-gel containing metal components, copolymers thereof, and mixtures thereof may be used.
본 발명의 요지는 1개 이상의 단위블록들이 횡 방향 또는 종 방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합된 노즐블럭(2)과 상기 노즐블럭(2)에 의해 일측이 감싸진 상태로 회전하는 원통형 컬렉터(3)의 회전선속도에 따라서 매트 축 방향에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도를 자유롭게 조절함으로서 매트의 물성을 용이하게 제어하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The gist of the present invention is a cylindrical collector in which one or more unit blocks are rotated in a state in which one side is surrounded by the
일반적으로 전기방사 과정 동안에 전기방사되는 나노섬유에 별도의 물리적 힘 등을 가할 수 있는 시스템을 갖추기가 매우 어렵다. 그 이유는 노즐과 컬렉터 사이의 거리가 30cm 이하로 매우 협소하기 때문에 좁은 공간에 기계적인 힘을 가하기가 매우 어렵다. In general, it is very difficult to have a system capable of applying a separate physical force to the nanofibers that are electrospun during the electrospinning process. The reason is that the distance between the nozzle and the collector is very narrow (30 cm or less), so it is very difficult to apply mechanical force in a narrow space.
본 발명에서는 회전하는 컬렉터(3)의 원심력을 이용하여 나노섬유들을 매트축 방향으로 배열시킨다.In the present invention, the nanofibers are arranged in the mat axis direction by using the centrifugal force of the
본 발명은 C자형 노즐블럭(2)에 배열된 다수의 노즐을 통해 회전하는 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6)상에 고분자 방사용액을 전기방사하여 나노섬유를 매트(6)상에 나란히 배열한다.The present invention electrospun a polymer spinning solution onto a mat (6) passing through a collector (3) rotating through a plurality of nozzles arranged in a C-shaped nozzle block (2) to the nanofiber on the mat (6) Arrange them side by side.
전기방사하여 제조한 섬유는 재료의 특성에 따라 결정화가 상당 부분 진행되는 것이 일반적인 현상이다. 또한 매트 축에 대한 나노섬유의 배향도가 매우 낮기 때문에 기계적 물성이 매우 낮게 되며 별도의 연신 공정을 통하여 물성을 높이는 것이 매우 어렵다. 그 이유는 이미 결정이 생성되어 연신성이 현저하게 저하되며 매트 축 방향에 대한 배향도가 낮아서 기계적 물성이 매우 낮을 수밖에 없다. 그러나, 전기방사 과정 중에 결정 형성을 억제하고 매트 축 방향으로 일정하게 전기방사된 섬유를 배열하면 기계적 물성이 매우 뛰어난 코팅 매트의 제조가 가능하게 된다. 전기방사에서 만들어진 나노섬유를 회전하는 원통형 회전체인 컬렉터(3)위를 통과하는 매트(6)상에 집속할 경우에 결정 형성을 억제할 수가 있을 뿐만 아니라 매트 축에 대하여 나노섬유를 일렬로 배열할 수 있으므로 기계적 물성이 우수한 코팅 매트의 제조가 가능하게 된다. 컬렉터의 회전선속도가 너무 낮은 경우에는 결정 생성을 억제하기가 힘들 뿐만 아니라 매트 축에 대하여 코팅된 나노섬유를 일렬로 배향시킬 수가 없다. 본 발명에서는 재료에 따라서는 결정성이 낮거나 또는 부분/완전 연신된 나노섬유들이 매트 축에 대하여 잘 배향된 코팅 매트를 얻을 수가 있다. 따라서 기계적 물성이 멜트 브로운이나 스펀본드 방식으로 얻어진 물성 보다 매우 뛰어난 물성을 얻을 수가 있으며, 필요에 따라서 연신이 필요할 경우에는 로울러의 선속도 차이를 이용하여 연신을 행함으로서 기계적 물성이 뛰어난 코팅 매트를 제조할 수가 있다. It is a common phenomenon that the fiber produced by electrospinning proceeds a considerable part of crystallization according to the properties of the material. In addition, since the orientation of the nanofibers with respect to the mat axis is very low, the mechanical properties are very low, it is very difficult to increase the physical properties through a separate stretching process. The reason for this is that the crystals have already been formed, the elongation is remarkably lowered, and the mechanical properties are inevitably low because the orientation of the mat axis is low. However, by suppressing crystal formation during the electrospinning process and arranging the electrospun fibers uniformly in the mat axis direction, it is possible to manufacture a coating mat having excellent mechanical properties. When the nanofibers produced by electrospinning are focused on the mat 6 passing through the
다양한 폭이나 또는 2종류 이상의 고분자로 이루어진 하이브리드 형태의 매트를 제조하고자 할 경우에는 앞에서 설명한 다층의 C자형 노즐블럭과 이에 해당하는 다층의 원통형 컬렉터를 이용하면 간단하게 제조가 가능하다.In order to manufacture a hybrid type mat made of various widths or two or more kinds of polymers, the above-described multilayer C-shaped nozzle block and the corresponding multilayer cylindrical collector can be easily manufactured.
본 발명은 다층 C자형 노즐블럭과 다층 원통형 컬렉터들을 구성하는 각층의 길이(높이)를 달리하여 매트 폭이 다른 2종류의 이상의 코팅 매트(7)를 제조할 수 있다. 또한 2종류 이상의 고분자를 사용하여 직경이 다른 나노섬유들이 코팅된 매트(7)를 동시에 제조할 수도 있다. The present invention can produce two or more kinds of
또한 본 발명에서는 C자형 노즐블럭(2)을 구성하는 단위블록 각각에 상이한 종류의 고분자 방사용액을 공급하는 방식으로도 하이브리드 매트를 쉽게 제조할 수 있다.In addition, in the present invention, a hybrid mat can be easily manufactured by supplying a different type of polymer spinning solution to each of the unit blocks constituting the C-shaped
한편, 본 발명에서는 도3에 도시된 바와 같이 2개 이상의 원통형 노즐블럭(2)과 2개 이상의 컬렉터(3)를 사용하여 2매 이상의 나노섬유가 코팅된 매트(7)를 동시에 제조한 후 이들을 적층하여 하이브리드 매트를 제조할 수 있다. Meanwhile, in the present invention, two or more nanofiber coated
이때, 각각의 C자형 노즐블럭(2)들에 폴리머 종류 또는 농도가 서로 다른 고분자 방사용액을 공급하면 하이브리드(Hybrid) 매트를 용이하게 제조할 수 있다.At this time, by supplying a polymer spinning solution having a different polymer type or concentration to each C-shaped nozzle block (2) it can be easily produced a hybrid (Hybrid) mat.
농도가 상이한 동일 고분자의 방사용액을 2개 이상의 C자형 노즐블럭(2)에 각각 공급하면 굵기가 다른 2종 이상의 나노섬유들이 코팅된 매트(7)의 제조가 가능하다. When the spinning solution of the same polymer having different concentrations is supplied to two or more C-shaped nozzle blocks 2, it is possible to manufacture a
또한 고분자 종류가 다른 방사용액을 각각 공급하면 고분자 종류 차이로 나노섬유의 직경이 달라져 직경과 고분자 종류가 상이한 2종 이상의 나노섬유가 코팅된 매트를 제조할 수 있다. In addition, by supplying different spinning solutions with different polymer types, the diameter of the nanofibers may be changed due to the difference in the types of polymers, thereby manufacturing a mat coated with two or more types of nanofibers having different diameters and polymer types.
예들 들면, 나일론 6인 경우에 일반적으로 제조된 나노섬유의 직경은 100-300nm 정도이고, 폴리우레탄인 경우에는 200-500nm 정도이다. 따라서 매우 손쉽게 나노섬유의 직경뿐만 아니라 종류가 다른 2종류의 나노섬유가 코팅된 하이브리드 매트를 제조할 수 있다. For example, in the case of nylon 6, the diameter of the nanofibers generally produced is about 100-300 nm, and in the case of polyurethane, about 200-500 nm. Therefore, it is very easy to manufacture a hybrid mat coated with two kinds of nanofibers having different diameters as well as nanofibers.
또한 본 발명에서는 동일 노즐블럭 내에서 2종류 이상의 고분자 방사용액들을 교대로 각각의 다른 노즐들을 통해 전기 방사하여 서로 다른 나노섬유들이 규칙되게 코팅된 사이드 바이 사이드(SIDE BY SIDE) 형태의 하이브리드 매트를 제조하는 방법을 포함한다.Also, in the present invention, two or more types of polymer spinning solutions are alternately electrospun through different nozzles in the same nozzle block to manufacture a hybrid mat of side by side type in which different nanofibers are regularly coated. It includes how to do it.
상기 노즐(2)은 2중 관형(core-shell) 구조 일 수도 있다.The
상기 노즐(2)의 개수는 1개 이상, 보다 바람직하기로는 100개 이상이다.The number of the said
다음으로는, 연속해서 도1에 도시된 바와 같이 나노섬유가 코팅된 매트(7)를 이송 로울러(8)를 이용하여 권취기(9)에 감는다. 나노섬유가 코팅된 매트(7)를 권취하기 전에 건조기를 이용하여 건조하거나, 엠보싱 로울러를 이용하여 엠보싱 처리 할 수도 있다. 또한, 제조된 상기 매트(7)에 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 등을 함침시킬 수도 있다.Next, as shown in FIG. 1, the nanofiber-coated
이상에서 설명한 본 발명의 제조방법으로 제조된 본 발명의 나노섬유가 코팅된 매트(7)는 매트(6)와 상기 매트(6)상에 코팅되어 있는 나노섬유들로 구성되는 것을 특징으로 한다.The nanofiber coated with the
매트(6)에 코팅된 나노섬유는 중공(中空) 형태 또는 표면에 기공이 형성된 형태로서 매트(6) 축 방향으로 10°이하의 배향각도로 배열되어 있어서 코팅 매트(7)의물성이 매우 뛰어나다.The nanofibers coated on the mat 6 are hollow or in the form of pores on the surface, and are arranged at an orientation angle of 10 ° or less in the axial direction of the mat 6, so that the properties of the
이하, 실시예 및 비교 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 살펴본다. 그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 그 보호 범위가 한정 되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the protection range by the following examples.
실시예 1Example 1
96% 황산용액에서 상대 점도가 3.0인 나일론 66 수지를 개미산/아세트산(체적비:70/30)에 15중량% 농도로 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 상기 고분자 방사용액의 표면장력은 37mN/m, 용액점도는 상온에서 420센티포아즈, 전기전도도는 340mS/m 이였다.A polymer spinning solution was prepared by dissolving nylon 66 resin having a relative viscosity of 3.0 in 96% sulfuric acid solution at a concentration of 15% by weight in formic acid / acetic acid (volume ratio: 70/30). The surface tension of the polymer spinning solution was 37 mN / m, the solution viscosity was 420 centipoise at room temperature, and the electrical conductivity was 340 mS / m.
상기와 같이 제조된 방사용액을 도1과 같이 고전압이 걸려있으며 길이가 5cm인 160개의 단위블록들이 횡방향으로 배열된 상태로 C자형으로 조합되어 있는 노즐블럭(2)에 있는 노즐(2a)들을 통해 고전압이 걸려 있고 상기 노즐블럭(2)에 의해 일측이 감싸진 상태로 18m/분의 회전선속도로 회전하는 원통형 형태의 전도체(스테인레스스틸) 컬렉터(3)위를 18m/분의 속도로 통과하는 부직포(중량:15g/㎡)상에 전기방사하여 상기 부직포 위에 전기방사된 나노섬유를 코팅하였다. As shown in FIG. 1, the
상기 컬렉터는 연결봉에 의해 회전모터와 연결하여 회전되며, 길이가 1.8m이고, 반경이 1.85m이었다. 상기 노즐블럭(2)은 반경이 2.0m이고, 길이(매트 폭 방향)가 1.8m이었다. 상기 노즐블럭(2)을 구성하는 1개의 단위블록에는 160개의 노즐들을 횡방향으로 배열하여, 노즐블럭(2)내 총 노즐개수는 11,520개로 하였다. 전기방사시 원통형 노즐블럭(2)을 좌우로 3m/분의 속도로 왕복운동시켜 나노섬유 적층 밀도를 균일하게 하였다. 노즐의 직경은 1mm이고, 전압은 35kV로 하였으며 방사거리는 15cm로 행하였다.The collector is rotated in connection with the rotary motor by a connecting rod, the length is 1.8m, the radius was 1.85m. The
다음으로, 이송로울러(8)를 이용하여 나노섬유가 코팅된 부직포(7)를 권취기(9)에 권취하여 평균직경이 184nm인 나노섬유들이 0.42g/㎡의 코팅량으로 되어 있는 폭 1.6m의 매트를 제조하였다.Next, the
제조된 매트의 각종 물성을 평가한 결과는 공기투과도 (Air Permeability)는 11.5cc/㎠/초 이었고, 압력손실은 6.2mmH2O 이었고, 여과효율은 99.999%이었다.As a result of evaluating various properties of the manufactured mat, the air permeability was 11.5 cc /
본 발명에 있어서 나노섬유가 코팅된 매트(코팅 매트)의 각종 물성은 아래와 같은 방법으로 평가 하였다.In the present invention, various physical properties of the nanofiber coated mat (coating mat) were evaluated by the following method.
· 공기투과도 [Air Permeability : cc/㎠/초]Air Permeability [cc / ㎠ / sec]
KSK 0570 방법에 따라 측정하였다.It was measured according to the KSK 0570 method.
측정기기로는 텍테스트(Textest) 회사의 Fx 330 시험기를 사용하였으며, 압력은 125 Pa로 하였고, 측정면적은 38㎠으로 하였다.The Fx 330 tester manufactured by Textest was used as the measuring device, the pressure was 125 Pa, and the measuring area was 38
· 압력손실 [Pressure Drop : mmHPressure drop [Pressure Drop: mmH 22 O]O]
TST회사의 TSI 8110 측정기로 측정하였다.It was measured by TST 8110 measuring instrument of TST company.
시료 100㎠의 면적에 분당 32ℓ의 유량을 통과시켰을 때 시료통과전의 압력과 시료 통과후의 압력간의 차이를 압력손실로 나타내었다.When the flow rate of 32 liters per minute was passed through the area of 100 cm <2> of sample, the difference between the pressure before passing a sample and the pressure after passing a sample was represented by pressure loss.
본 발명은 전기방사 방식으로 매트 상에 나노섬유들을 코팅할 때 좁은 공간 내에도 다량의 노즐들을 배열할 수 있어서 단위시간당 생산량(코팅량)을 크게 향상 시킬 수 있고, 매트 축 방향에 대한 코팅된 나노섬유의 배향각도를 용이하게 조절함으로서 나노섬유가 코팅된 매트의 물성을 다양하게 조절할 수 있다. When the nanofibers are coated on the mat by the electrospinning method, a large amount of nozzles can be arranged even in a narrow space, thereby greatly improving the yield per unit time (coating amount), and the coated nano to the mat axis direction. By easily adjusting the orientation angle of the fiber can be variously adjusted the physical properties of the nanofiber coated mat.
또한 본 발명은 폴리머의 종류나 굵기가 상이한 2종이상의 나노섬유들이 동시에 코팅된 하이브리드 매트를 용이하게 제조할 수 있다.In addition, the present invention can easily produce a hybrid mat coated with two or more kinds of nanofibers having different types or thicknesses of polymers at the same time.
본 발명으로 제조되어 나노섬유들이 코팅되어 있는 매트(7)는 수처리 필터,공기청정용 필터, 인조피혁, 와이핑 클로스, 골프장갑, 가발 등의 일상용품은 물론 인공투석용 필터, 인조혈관, 유착방지제, 인공뼈, 바닥장식재, 복합재료 응용분야 등의 다양한 산업분야 소재로 유용하다.Mat (7) manufactured by the present invention and coated with nanofibers is a daily treatment such as water treatment filter, air cleaning filter, artificial leather, wiping cloth, golf gloves, wig, artificial dialysis filter, artificial blood vessel, adhesion It is useful as a material for a variety of industries, such as inhibitors, artificial bones, flooring materials, and composite material applications.
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