KR100696285B1 - Method of manufacturing continuous high strength filament composed of nanofibers and filaments manufactured thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노섬유로 구성된 연속상 고강력 필라멘트의 제조방법 및 이로 제조된 필라멘트에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법은 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 단위 폭(u)이 1~100mm이며 회전 속도가 5m/초 이상인 1개 또는 2개 이상의 밴드형 컬렉터(7)상에 전기방사하여 리본형태의 나노섬유 웹(14a)을 제조한 다음, 계속해서 집속장치(16)로 제조된 나노섬유 웹(14a)에 꼬임을 부여하거나 나노섬유 웹(14a)을 구성하는 나노섬유들을 서로 교락시켜 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트(14b)를 제조한 다음, 이를 권취하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for producing a continuous phase high-strength filament composed of nanofibers and a filament produced therefrom, wherein the method for producing a polymer spinning solution has a unit width (u) of 1 to 100 mm through a nozzle (5). Electrospinning on one or two or more band-shaped collectors 7 with a rotational speed of 5 m / sec or more to produce a ribbon-shaped nanofiber web 14a, followed by nanofibers produced by the concentrator 16 The twisting of the web 14a or the nanofibers constituting the nanofiber web 14a are entangled with each other to produce a continuous filament 14b made of nanofibers, and then wound.
본 발명으로 제조된 필라멘트는 나노섬유들로 구성되며 섬유 축 방향에 대해 나노섬유들이 10°이하로 배향되어 인장강력이 100MPa 이상이다.The filament produced by the present invention is composed of nanofibers, the nanofibers are oriented less than 10 ° with respect to the fiber axis direction, the tensile strength is more than 100MPa.
본 발명은 전기방사 방식으로 나노섬유로 구성된 고강력의 연속상 필라멘트(실)을 간단하고 연속적인 공정으로 제조할 수 있다.The present invention can produce a high strength continuous phase filament (thread) composed of nanofibers by an electrospinning method in a simple and continuous process.
나노섬유, 필라멘트, 실, 전기방사, 밴드상 컬렉터, 고강력. Nanofiber, filament, yarn, electrospinning, band collector, high strength.
Description
도 1은 본 발명의 공정개략도.1 is a process schematic diagram of the present invention.
도 2는 도 1중 밴드형 컬렉터(7) 부분의 확대 모식도.FIG. 2 is an enlarged schematic view of a portion of the
도 3은 밴드형 컬렉터(7) 회전방향으로 노즐블럭(4)에 3줄로 노즐(5)이 배열된 형태를 나타내는 모식도.Fig. 3 is a schematic diagram showing a form in which the
도 4는 하이브리드(Hybrid) 형태의 나노섬유 필라멘트를 제조하는 본 발명의 공정 개략도.Figure 4 is a process schematic diagram of the present invention for producing a nanofiber filament of the hybrid (Hybrid) form.
도 5는 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 노즐블록(4)의 모식도.5 is a schematic view of the nozzle block 4 used in the bottom-up electrospinning method.
도 6(a)는 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 방사원액 드롭장치(3)의 단면도.Figure 6 (a) is a cross-sectional view of the spinning
도 6(b)는 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 방사원액 드롭장치(3)의 사시도.Figure 6 (b) is a perspective view of the spinning
도 7은 실시예 1로 제조된 나노섬유 필라멘트의 표면을 촬영한 전자현미경 사진.Figure 7 is an electron microscope photograph of the surface of the nanofiber filament prepared in Example 1.
※ 도면중 주요부분에 대한 부호 설명※ Explanation of main parts in drawings
1 : 방사용액 주탱크 2 : 계량펌프 3 : 방사용액 드롭장치1: Spinning solution main tank 2: Metering pump 3: Spinning solution drop device
3a: 방사용액 드롭장치의 필터 3b: 기체 유입관 3c: 방사용액 유도관3a: filter of spinning
3d: 방사용액 배출관 4 : 노즐블럭 4b : 노즐외경홀3d: spinning solution discharge pipe 4:
4c: 절연체판 4d: 방사용액 임시공급판 4e : 노즐플레이트4c:
4f: 방사용액 주공급판 4g: 가열장치 4h : 도전체판4f: Spinning solution
5 : 노즐 6 : 나노섬유 7: 밴드형 컬렉터5: nozzle 6: nanofiber 7: band type collector
7b: 비전도체 차단막 7b: non-conductive barrier
8a, 8b : 컬렉터 회전 로울러8a, 8b: collector rotary roller
9: 전압발생장치 9: voltage generator
10 : 노즐 블럭 좌우 왕복운동 장치 11a: 교반기(11c)용 모터 10: nozzle block left and right
11b: 비전도성 절연봉 11c: 교반기 12 : 방사용액 배출장치11b: non-conductive
13 : 이송관 14a: 나노섬유로 구성된 웹 13:
14b: 나노섬유로 구성된 필라멘트14b: filaments composed of nanofibers
15a, 15b: 이송 로울러 16 : 집속장치 15a, 15b: feed roller 16: focusing device
17 : 필라멘트 권취 로울러 17: filament winding roller
u: 밴드형 컬렉터(7)의 단위 폭u: unit width of the
θ: 노즐의 중심선과 밴드형 컬렉터의 수평방향이 이루는 각도(노즐각도)θ: angle formed between the center line of the nozzle and the horizontal direction of the band collector (nozzle angle)
본 발명은 나노섬유로 구성되는 연속상 고강력 필라멘트 또는 실(이하 "필라멘트"로 통칭한다)을 제조하는 방법 및 이로 제조된 필라멘트에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기방사 방식을 이용하여 연속상 필라멘트를 연속공정으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a continuous phase high-strength filament or yarn (hereinafter referred to as "filament") composed of nanofibers, and a filament produced therefrom, and more specifically, a continuous phase filament using an electrospinning method It relates to a method for producing the in a continuous process.
본 발명에 있어서, 나노섬유란 섬유 직경이 1,000nm 이하인, 보다 바람직하기로는 500nm 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.
나노섬유로 구성된 부직포 등은 인조피혁, 필터, 기저귀, 생리대, 봉합사, 유착방지제, 와이핑 클로스(Wiping cloth), 인조혈관, 뼈 고정용 기구 등으로 다양하게 활용 가능하며, 특히 인공피혁 제조에 매우 유용하다.Non-woven fabrics composed of nanofibers can be used in various ways such as artificial leather, filters, diapers, sanitary napkins, sutures, anti-adhesion agents, wiping cloths, artificial blood vessels, bone fixing devices, etc. useful.
인공피혁 등의 제조에 적합한 극세섬유 또는 나노섬유를 제조하기 위한 종래 기술로서는 해도형 복합방사 방식, 분할형 복합방사 방식 및 블랜드 방사방식 등이 알려져 있다.Conventional techniques for producing ultrafine fibers or nanofibers suitable for the manufacture of artificial leather and the like are known as island-in-the-sea composite spinning, split composite spinning and blend spinning.
그러나, 해도형 복합방사 방식이나 블랜드 방사방식의 경우에는 섬유의 극세화를 위해 섬유를 구성하는 2개 고분자 성분 중 1개 고분자 성분을 용출, 제거해야 하며, 이들 방식으로 제조된 섬유로 인공피혁을 제조하기 위해서는 용융방사, 섬유 제조, 부직포 제조, 우레탄 함침, 1개 성분 용출과 같은 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었다. 그럼에도 불구하고 상기 2개 방식으로는 직경 1,000nm 이하 의 섬유를 제조할 수 없었다.However, in the case of island-in-the-sea composite spinning or blend spinning, one of the two polymer components constituting the fibers must be eluted and removed for the finer fibers. In order to manufacture, there has been a problem of undergoing complex processes such as melt spinning, fiber manufacturing, nonwoven fabric production, urethane impregnation, and one component elution. Nevertheless, the two methods could not produce fibers with a diameter of 1,000 nm or less.
한편, 분할형 복합방사 방식의 경우에는 염색특성이 상이한 2개 고분자 성분(예를 들면, 폴리에스테르와 폴리아미드)들이 섬유 내에 공존하기 때문에 염색반이 나타나고, 인공피혁 제조공정도 복잡한 문제점이 있었다. 또한, 상기 방법으로는 직경 2,000nm 이하의 섬유를 제조하기 어려웠다.On the other hand, in the split type composite spinning method, two polymer components having different dyeing characteristics (for example, polyester and polyamide) coexist in the fiber, so that a dyeing band appears, and the artificial leather manufacturing process has a complicated problem. In addition, it was difficult to produce fibers with a diameter of 2,000 nm or less by the above method.
나노섬유를 제조하기 위한 또 다른 종래기술로서 미국특허 제4,323,525호등 에서는 전기방사 방식을 제안하고 있다. 상기 종래의 전기방사 방식은 방사액 주탱크 내의 고분자 방사액을 계량펌프를 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 집속장치 상으로 방사, 집속하여 섬유 웹을 제조하는 방식이다. 이와 같이 제조된 섬유 웹을 다음 공정에서 니들펀칭하여 나노섬유로 구성된 부직포를 제조한다.As another conventional technique for manufacturing nanofibers, US Patent No. 4,323,525 et al. Proposes an electrospinning method. The conventional electrospinning method continuously supplies the polymer spinning liquid in the spinning liquid main tank into a plurality of nozzles to which a high voltage is applied through a metering pump, and continuously supplies the spinning liquid supplied to the nozzle to a high 5 kV or more through the nozzle. A fiber web is manufactured by spinning and focusing on an endless belt type focusing device under voltage. The fiber web thus prepared is needle punched in the following process to produce a nonwoven fabric composed of nanofibers.
이상에서 살펴본 바와 같이 종래의 전기방사 방식은 1,000nm 이하의 나노섬유로 구성된 웹(WEB)과 부직포 만을 제조할 수 있다. 따라서, 종래 전기방사 방식으로 연속상의 필라멘트를 제조하기 위해서는 제조된 나노섬유 웹을 일정한 길이로 절단하여 단섬유를 제조하고, 이를 다시 혼타면하여 별도의 방적공정을 거쳐야 하므로 공정이 복잡한 문제가 있었다.As described above, the conventional electrospinning method may produce only a web (WEB) and a nonwoven fabric made of nanofibers of 1,000 nm or less. Therefore, in order to manufacture a continuous filament by the conventional electrospinning method, the prepared nanofiber web is cut to a predetermined length to produce short fibers, and the surface is mixed again to undergo a separate spinning process, thereby causing a complicated process.
나노섬유로 구성된 부직포의 경우에는 부직포 고유의 물성상 한계로 인해 인조피혁 등 다양한 응용분야에 광범위하게 적용하는데는 한계가 있었다. 참고로 나노섬유로 구성된 부직포의 경우에서 10MPa 이상의 물성을 달성하기 어렵다.In the case of nonwoven fabric composed of nanofibers, due to the inherent limitations in the properties of the nonwoven fabric, there was a limitation in applying it to various applications such as artificial leather. For reference, in the case of a nonwoven fabric composed of nanofibers, it is difficult to achieve physical properties of 10 MPa or more.
본 발명은 별도의 방적공정 없이도 전기방사된 나노섬유 웹을 이용하여 연속적으로 고강력의 필라멘트(실)를 제조하는 방법을 제공함으로서, 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 간단한 공정으로 제조하고자 한다. 본 발명은 5m/초 이상의 속도로 회전하는 밴드형 컬렉터(7)상에 고분자 방사용액을 전기방사하여 전기방사된 나노섬유들이 섬유 축 방향으로 10°이하로 배향되게 하여 연속상 필라멘트의 물성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a method of continuously producing high strength filaments (threads) using an electrospun nanofiber web without a separate spinning process, and intends to manufacture a continuous filament made of nanofibers in a simple process. The present invention improves the properties of the continuous filament by electrospinning the polymer spinning solution on the band-
이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 나노섬유로 구성된 연속상 고강력 필라멘트의 제조방법은, 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 단위 폭(u)이 1~100mm이며 회전 속도가 5m/초 이상인 1개 또는 2개 이상의 밴드형 컬렉터(7)상에 전기방사하여 리본형태의 나노섬유 웹(14a)을 제조한 다음, 계속해서 집속장치(16)로 제조된 나노섬유 웹(14a)에 꼬임을 부여하거나 나노섬유 웹(14a)을 구성하는 나노섬유들을 서로 교락시켜 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트(14b)를 제조한 다음, 이를 권취하는 것을 특징으로 한다.The method for producing a continuous phase high strength filament composed of the nanofibers of the present invention for achieving the above problems, the polymer spinning solution through the nozzle (5) unit width (u) of 1 ~ 100mm and a rotational speed of 5m / sec Electrospinning on one or more band-
또한, 상기 방법으로 제조된 본 발명의 연속상 고강력 필라멘트는 나노섬유들로 구성되며, 섬유 축 방향에 대해 나노섬유들이 10°이하로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the continuous high-strength filament of the present invention produced by the above method is composed of nanofibers, characterized in that the nanofibers are oriented less than 10 ° with respect to the fiber axis direction.
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 발명은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 단위 폭(u)이 1~100mm이며 회전속도가 5m/초 이상인 1개 또는 2개이상의 밴드형의 컬렉터(7)에 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹(14a)을 제조한다. 도 1은 본 발명의 공정개략도이다. 상기 밴드형 컬렉터(7)의 단위 폭(u)이 100mm를 초과 하는 경우에는 제조된 나노섬유 웹(14a)의 폭이 매우 커서 필라멘트 형태로 구성하기에는 매우 어렵고, 밴드형 컬렉터(7)를 고속으로 회전하는 것이 매우 어렵다. 한편, 밴드형 컬렉터(7)의 단위 폭(u)이 1mm미만인 경우에는 전기방사된 나노섬유의 량이 매우 적어서 고속으로 필라멘트를 제조하는 것이 곤란하게 된다. 보다 바람직하기로는 밴드형 컬렉터(7)의 단위 폭(u)은 5~60mm인 것이 좋다. First, the present invention is a polymer spinning solution as shown in Figure 1 and 2 through the nozzle (5) unit width (u) of 1 ~ 100mm and the rotation speed of one or two or more band type of 5m / sec or more Electrospinning to the
본 발명에서는 상기의 밴드형 컬렉터(7)를 1개만 사용할 수도 있고, 2개 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.In the present invention, only one band-
밴드형 컬렉터(7)를 조합하여 사용할 경우에는 도2에 도시된 바와 같이 밴드형 컬렉터(7)들 사이에 비전도체인 차단막(7b)을 설치하여 이들을 구분해 준다.When the band-
도2는 밴드형 컬렉터(7)들이 비전도체인 차단막(7b)에 의해 구분된 상태로 조합, 사용되는 것을 나타내는 밴드상 컬렉터(7) 부분의 확대 모식도이다.Fig. 2 is an enlarged schematic view of a portion of the band-
또한, 상기 노즐(5) 및 노즐블럭(4)들은 도1에 도시된 바와 같이 밴드형 컬렉터(7)의 하부에 위치하는 것이 나노섬유 웹(14a)의 진행 방향으로 노즐들을 보다 많이 배열하는데 유리하다.Further, the
일반적으로 고분자 용액을 이용하여 전기방사할 경우에 노즐과 컬렉터 사이 의 거리(방사거리)는 30cm 이하로 매우 짧다. 따라서 이 노즐과 컬렉터 사이에 연신 로울러를 설치하는 것이 매우 어렵다. 또한 일반적인 전기방사를 한 웹이나 필라멘트는 섬유 축 방향으로 배열이 전혀 안되어 있어 물성이 매우 낮다. 섬유 축 방향으로 전기방사된 나노섬유를 섬유 축 방향으로 배향시키기 위해서는 원심력이나 혹은 공기 등의 힘을 이용하는 방법이 유일하다. 따라서, 본 발명에서는 회전하는 컬렉터(7)의 원심력과 이때 발생된 공기 등의 흐름 등을 이용하여 나노섬유들은 섬유 축 방향으로 배향하였다.In general, when electrospinning with a polymer solution, the distance between the nozzle and the collector (radiation distance) is very short (less than 30 cm). Therefore, it is very difficult to install the stretching roller between this nozzle and the collector. In addition, general electrospun webs or filaments are not arranged in the direction of the fiber axis has very low physical properties. In order to orient the nanofibers electrospun in the fiber axis direction, the only method using centrifugal force or air or the like is used. Accordingly, in the present invention, the nanofibers are oriented in the fiber axis direction by using the centrifugal force of the
본 발명에서는 고속으로 회전하는 밴드형 컬렉터(7)의 기계방향(회전방향)으로 전기방사된 나노섬유들이 나란히 배열된다. 노즐블럭(4)에는 노즐(5)들이 1줄(행열) 이상으로 배열되어 있다.In the present invention, the nanofibers electrospun in the machine direction (rotation direction) of the band-shaped
도 3은 노즐블럭에 노즐들이 3줄로 밴드형 컬렉터의 회전방향으로 배열된 것을 나타낸 모식도이다. 중간에 위치한 1열의 노즐은 밴드형 컬렉터의 수직방향으로 배열되어 있고, 나머지 양쪽에 위치한 2개 노즐들은 밴드형 컬렉터의 수평방향과 노즐의 중심축이 θ의 각도로 배열되어 있음을 보이고 있다. 단위시간에 전기 방사되는 나노섬유의 량을 늘리기 위해서는 노즐들이 다수의 줄(행열)로 배열된 노즐블럭을 이용하는 것이 유리하다. Figure 3 is a schematic diagram showing that the nozzles are arranged in the rotation direction of the band collector in three rows in the nozzle block. The row of nozzles located in the middle are arranged in the vertical direction of the band-type collector, and the two nozzles located on both sides show that the horizontal direction of the band-type collector and the central axis of the nozzle are arranged at an angle of θ. In order to increase the amount of nanofibers electrospun in unit time, it is advantageous to use a nozzle block in which nozzles are arranged in a plurality of rows.
한편, 본 발명의 밴드형 컬렉터(7)의 표면에 형성된 나노섬유 웹(14a)을 밴드형 컬렉터(7)로부터 용이하게 분리하기 위하여 밴드형 컬렉터(7)상에 나노섬유 웹 분리용 용액을 연속 또는 불연속적으로 코팅 또는 분무해 주는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to easily separate the
상기 나노섬유 웹 분리용 용액은 물, 유기용매, 양이온 계면 활성제, 음이온 계면활성제, 양쪽성(양이온-음이온)계면 활성제 또는 중성 계면 활성제 등이다. 상기 유기용매로는 에탄올, 메탄올, 벤젠, 메틸렌클로라이드, 톨루엔등이 사용된다. The nanofiber web separation solution is water, an organic solvent, a cationic surfactant, an anionic surfactant, an amphoteric (cationic-anionic) surfactant or a neutral surfactant. Ethanol, methanol, benzene, methylene chloride, toluene and the like are used as the organic solvent.
도 1 등에 도시된 상향식 방사장치들은 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크(1), 방사용액 정량공급을 위한 계량펌프(2), 다수개의 핀으로 구성되는 노즐(5)이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 상향식 노즐블럭(4), 상기 노즐블럭 상부에 위치하여 방사되는 단섬유들을 집적하는 밴드형 컬렉터(7), 고전압을 발생시키는 전압발생장치(19a) 및 노즐 블록의 최상부에 연결된 방사 용액 배출 장치(12) 등으로 구성된다.The bottom-up spinning apparatus shown in FIG. 1 is combined with a spinning solution
상기 노즐블럭(4)은 도 5와 같이 [ⅰ] 노즐(5)이 배열된 노즐플레이트(4e), [ⅱ] 노즐(5)을 감싸고 있는 노즐외경홀(4b), [ⅲ] 노즐외경홀(4b)과 연결되며 노즐플레이트(4e) 직상단에 위치하는 방사용액 임시공급판(4d), [ⅳ] 방사용액 임시 공급판(4d) 직상단에 설치된 절연체판(4c), [ⅴ] 노즐 배열과 동일하게 핀이 배열되어 있고 노즐플레이트(4e) 직하단에 위치하는 도전체판(4h), [ⅵ] 도전체판(4h) 직하단에 위치하는 방사용액 주공급판(4f), [ⅶ] 방사용액 주공급판(4f) 직하단에 위치하는 가열장치(4g) 및 [ⅷ] 방사용액 주공급판(4f) 내부에 설치된 교반기(11c)로 구성 된다.As shown in FIG. 5, the nozzle block 4 includes a
노즐블럭(4) 내의 상기 노즐(5)들은 노즐플레이트(4e)에 다수 배열되어 있으며, 노즐(5)의 외부에는 이를 감싸고 있는 노즐외경홀(4b)들이 설치되어 있다.The
상기 노즐외경홀(4b)은 노즐(5) 출구에서 과량으로 형성된 방사용액이 모두 섬유화 되지 못할 경우 발생되는 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하고 흘러넘치는 방사용액을 회수할 목적으로 설치되며, 노즐출구에서 섬유화 되지 못한 방사용액을 모아 이를 노즐플레이트(4e) 직 상단에 위치하는 방사용액 임시공급관(4d)으로 이송시키는 역할을 한다.The nozzle outer diameter hole (4b) is installed to prevent the droplet (droplet) phenomenon generated when all the spinning solution formed in excess at the nozzle (5) can not be fiberized and to recover the overflow spinning solution, nozzle exit Collects the spinning solution that has not been fiberized in and serves to transfer it to the spinning solution temporary supply pipe (4d) located directly on the top of the nozzle plate (4e).
상기 노즐외경홀(4b)은 노즐(5) 보다 당연히 직경이 크며, 절연체로 구성되는 것이 좋다.The nozzle
상기 방사용액 임시공급판(4d)은 절연체로 제조되며 노즐외경홀(4b)을 통해 유입되는 잔여 방사용액을 일시적으로 저장한 후, 이를 방사용액 주공급판(4f)으로 이송하는 역할을 한다.The spinning solution
상기 방사용액 임시공급판(4d)의 직상단에는 절연체판(4c)이 설치되어 노즐 부위에서만 방사가 원활하게 될 수 있도록 노즐상부를 보호하는 역할을 한다.An
노즐플레이트(4e) 직하단에는 노즐배열과 동일하게 핀이 배열되어 있는 도전체판(4h)이 설치되며, 도전체판(4h)을 포함하고 있는 방사용액 주공급판(4f)이 설치된다.Directly below the
또한 방사용액 주공급판(4f)의 직하단에는 간접가열 방식의 가열장치(4g)가 설치된다.In addition, an indirect heating
상기 도전체판(4h)은 노즐(5)에 고전압을 걸어주는 역할을 하며, 방사용액 주공급판(4f)은 방사드롭장치(3)에서 방사블록(4)으로 유입되는 방사용액을 저장 후 노즐(5)로 공급해 주는 역할을 한다. 이때 방사용액 주공급관(4f)은 방사용액의 저장량을 최소화 할 수 있도록 최소한의 공간으로 제작하는 것이 바람직하다.The
한편, 상기 방사액 드롭장치(3)는 전체적으로 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이 밀폐된 원통상의 형상을 갖도록 설계되어 방사용액 주탱크(1)로 부터 연속적으로 유입되는 방사용액을 노즐블럭(4)에 방울 형태로 공급하는 역할을 한다.On the other hand, the spinning solution drop device (3) is designed to have a closed cylindrical shape as shown in Figure 6 (a) and Figure 6 (b) as a whole flowing continuously from the spinning solution main tank (1) It serves to supply the spinning solution to the nozzle block (4) in the form of a drop.
상기 방사용액 드롭장치(3)는 도 6(a)~도 6(b)와 같이 전체적으로 밀폐된 원통상의 형상을 갖는다. 도 6(a)는 방사용액 드롭장치의 단면도이고, 도 6(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.The spinning
상기 기체유입관의 하단으로부터 기체가 유입되며, 처음 기체가 유입되는 부분은 필터(3d)와 연결된다. 방사용액 드롭장치(3)의 하단부에는 드롭된 방사용액을 노즐블럭(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.Gas is introduced from the lower end of the gas inlet pipe, the first gas is introduced portion is connected to the filter (3d). At the lower end of the spinning
상기 방사용액 드롭장치(3)로 유입된 방사용액은 방사용액 유도관(3c)을 따라 흘러 내리다가 그 말단부에서 드롭(drop)되어 방사용액의 흐름이 한번이상 차단된다.The spinning solution introduced into the spinning
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.Looking at the principle that the spinning solution is dropped in detail, when the gas enters the upper end of the sealed spinning
본 발명에서 유입되는 기체로는 공기 또는 질소 등의 불활성 가스를 사용 할 수 있다.As the gas introduced in the present invention, an inert gas such as air or nitrogen may be used.
상기 노즐블럭(4) 전체는 전기 방사되는 나노섬유의 분포를 균일하게 하기 위해서 노즐블럭 좌우 왕복운동장치(10)에 의해 전기 방사되는 나노섬유의 진행 방향과 직각방향으로 좌우 왕복운동을 한다.The entire nozzle block 4 reciprocates left and right in a direction perpendicular to the traveling direction of the nanofibers electrospun by the nozzle block left and
또한, 상기 노즐블럭(4) 내부에는, 보다 구체적으로는 방사용액 주공급판(4f) 내부에는, 방사용액이 노즐블럭(4)내에서 겔화되는 것을 방지하기 위하여 노즐블럭(4)내에 보관중인 방사용액을 교반하는 교반기(11c)가 설치되어 있다.Further, inside the nozzle block 4, more specifically, inside the spinning solution main supply plate 4f, the spinning solution is stored in the nozzle block 4 to prevent gelation of the spinning solution in the nozzle block 4. The
상기 교반기(11c)는 비전도성 절연봉(11b)에 의해 교반기용 모터(11a)와 연결되어 있다.The
노즐블럭(4)내에 교반기(11c)를 설치하면 무기 금속이 포함된 용액을 전기 방사하거나 장시간 혼합용매를 사용하여 용해한 방사용액을 전기 방사할 때 노즐 블럭(4)내 방사용액의 겔화를 효과적으로 방지할 수 있다.Installing the
또한, 상기 노즐블럭(4)의 최상부에는 노즐블럭에 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(12)가 연결되어 있다.In addition, the top of the nozzle block 4 is connected to the spinning solution discharge device 12 for forcibly transferring the spinning solution over-supplied to the nozzle block to the spinning solution main tank (1).
상기 방사용액 배출장치(12)는 흡입공기 등으로 노즐블럭내로 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시킨다.The spinning solution discharge device 12 forcibly transfers the spinning solution oversupplied into the nozzle block to the spinning solution
또한, 본 발명의 컬렉터(7)에는 직접가열 방식 또는 간접가열 방식의 가열장치(도면에는 표시 안됨)가 설치(부착)될 수도 있다.In addition, the
노즐블럭(4)상에 위치하는 노즐(5)들은 대각선 또는 일직선 상으로 배열 된다.The
다음으로는, 상기와 같이 밴드형 컬렉터(7)상에 형성된 리본 형태의 나노섬유 웹(14a)을 계속해서 집속장치(16)내로 통과시키면서 나노섬유 웹(14a)에 꼬임을 부여하거나 나노섬유 웹(14a)을 구성하는 나노섬유들을 서로 교락시켜 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트(14b)를 제조한 다음, 이를 권취기(17)에 권취한다.Next, the
상기 집속장치(16)는 공기 꼬임 장치, 공기 교락장치 또는 디스크 타입의 합사장치등 이다.The focusing
나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트(14b)를 권취하기 전에 연신하거나, 열처리하거나, 연신 후 열처리 할 수도 있다.The
한편, 2개 이상의 밴드형 컬렉터(7) 각각에 폴리머 종류 또는 농도가 서로 상이한 고분자 방사용액들을 전기방하여 서로 상이한 2종 이상의 리본상 나노섬유 웹(14a)들을 제조한 다음 이들 모두를 1개의 집속장치(16)내로 통과시켜 하이브리드 필라멘트를 제조할 수도 있다.Meanwhile, two or more band-shaped
또한, 도4에 도시된 바와 같이 2개 이상의 노즐블럭과 2개 이상의 컬렉터(7)를 사용하여 각각의 노즐블록에 서로 상이한 고분자 방사용액(A,B)들을 공급하는 방식으로 서로 상이한 2종 이상의 리본상 나노섬유 웹(14a)들을 제조한 다음, 이들 모두를 1개의 집속장치(16)내로 통과시켜 하이브리드 필라멘트를 제조할 수도 있다.Also, as shown in FIG. 4, two or more different types of polymer spinning solutions A and B are supplied to each nozzle block by using two or more nozzle blocks and two or
도4는 하이브리드 필라멘트를 제조하는 본 발명의 제조공정 개략도 이며, 도 면 중 부호 표시는 생략하였다.Figure 4 is a schematic view of the manufacturing process of the present invention for producing a hybrid filament, the reference numerals are omitted in the figure.
나노섬유 필라멘트가 하이브리드(Hybrid) 형태인 경우에는 필라멘트에 다양한 물성을 부여할 수 있는 장점이 있다.When the nanofiber filament is a hybrid (Hybrid) form, there is an advantage that can give a variety of physical properties to the filament.
이상에서 살펴본 본 발명의 제조방법으로 제조된 연속상 고강력 필라멘트는 나노섬유들로 구성되며, 섬유 축 방향에 대해 나노섬유들이 10°이하 또는 5°이하로 배향되어 있으며, 인장강력이 100MPa 이상이다.The continuous high-strength filament manufactured by the manufacturing method of the present invention described above is composed of nanofibers, the nanofibers are oriented at 10 ° or less or 5 ° or less with respect to the fiber axis direction, and the tensile strength is 100 MPa or more. .
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1Example 1
96% 황산용액에서 상대 점도가 3.2인 나일론 6 수지를 개미산에 15중량% 농도로 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 상기 고분자 방사용액의 표면장력은 49mN/m, 용액점도는 상온에서 1150센티포아즈, 전기전도도는 420mS/m 이였다.A polymer spinning solution was prepared by dissolving a
상기 고분자 방사용액을 도 1과 같이 계량펌프(2)를 통해 직경이 1㎜인 노즐들이 일렬로 배열되어 있는 노즐블럭(4)을 통해 단위 폭(u)이 15mm이고 10m/초의 속도로 회전하는 4개의 밴드형 컬렉터(7)로 전기방사하였다. 4개의 밴드형 컬렉터(7)들은 테프론의 차단막(7b)들에 의해 서로 구분되게 조합하여 사용하였다. The polymer spinning solution is rotated at a speed of 10 mm / sec with a unit width u of 15 mm through a nozzle block 4 in which nozzles having a diameter of 1 mm are arranged in a line through a metering pump 2 as shown in FIG. 1. It was electrospun with four band-
상기의 밴드형 컬렉터(7)는 노즐블럭(4) 상부에 설치하였다. 노즐블럭(4)에는 도 3과 같이 3 행열로 노즐을 배열하였다. 중앙열은 밴드형 컬렉터의 수직방향으로, 나머지 양쪽에 위치한 2행의 노즐은 노즐의 중심축과 밴드형 컬렉터의 수평 축이 이루는 각도(θ)가 45°가 되도록 각각 배열하였다. 노즐블럭 내에 노즐은 각 열에 500개의 노즐을 배열하였고 총 1,500개의 노즐을 이용하여 전기방사를 하였다. The
또한, 전기방사시 전압은 30kV, 방사거리는 15㎝로 하였다.In addition, the voltage at the time of electrospinning was 30 kV, and the radiation distance was 15 cm.
계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 웹(14a)을 회전선속도가 600m/분인 웹 이송 로울러(15a,15b)로 이송하면서 공기 압력이 3㎏/㎠인 공기 꼬임장치(집속장치,16)로 나노섬유 웹에 꼬임을 부여한 후 권취기(17)에 권취하였다.Subsequently, the air twist device (concentrator 16) having an air pressure of 3 kg / cm 2 while transferring the
상기와 같이 제조한 나노섬유 필라멘트는 섬도가 27데니어 이고, 강도가 150MPa이고, 신도는 27%이고, 섬유 축에 대한 나노섬유의 배향각도는 1.4°이었다.The nanofiber filaments prepared as described above had a fineness of 27 denier, a strength of 150 MPa, an elongation of 27%, and an orientation angle of the nanofibers with respect to the fiber axis was 1.4 °.
또한, 제조한 나노섬유 필라멘트의 표면을 촬영한 전자현미경 사진은 도7과 같다.In addition, an electron micrograph of the surface of the prepared nanofiber filament is as shown in FIG.
본 발명은 나노섬유로 구성된 연속상 고강력 필라멘트를 보다 간단한 연속공정으로 제조할 수 있다. 본 발명으로 제조된 연속상 고강력 필라멘트는 이를 구성하는 나노섬유들이 섬유 축 방향에 대해 10°이하로 배향되어 있어 물성이 크게 향상된다. 그로인해 본 발명의 연속상 고강력 필라멘트는 인조피혁, 공기청정용 필터, 와이핑 클로스, 골프장갑, 가발 등의 일상용품은 물론 인공투석용 필터, 인조혈관, 유착방지제, 인공뼈 등의 다양한 산업분야 소재로 유용하다.The present invention can produce a continuous phase high-strength filament composed of nanofibers in a simpler continuous process. Continuous filament filaments produced by the present invention is the nanofibers constituting the oriented nanofibers are oriented less than 10 ° with respect to the fiber axis direction is greatly improved physical properties. Therefore, the continuous high-strength filament of the present invention can be used in various industries such as artificial leather, air cleaning filters, wiping cloth, golf gloves, wigs, as well as artificial dialysis filters, artificial blood vessels, antiadhesion agents, artificial bones, and the like. Useful as a field material.
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