KR100702864B1 - 전기방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사 장치에 관한 것으로서, 방사용액 주탱크(1), 정량펌프(2), 노즐블럭(4), 노즐블럭에 배열된 노즐(5), 노즐로부터 방사되는 나노섬유들을 집적하는 컬렉터(8) 및 상기 노즐블럭과 컬렉터에 전압을 걸어주기 위한 고전압발생장치(7)로 구성된 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블럭(4)은 노즐(5)들이 양쪽 면에 배열된 단위노즐블럭(4a) 2개 이상이 한글의 자음형태, 한글의 모음형태, 영어의 알파벳형태, 다각형 형태 및 동심원상의 방사선 형태 중에서 선택된 하나의 형태로 배열되어 있는 단위노즐블럭의 세트(4b)들이 지면을 기준으로 상하 방향으로 배열된 형태이고, 상기 컬렉터(8)는 상기 노즐(5)들과 일정한 거리를 유지한 상태로 떨어져 있는 위치에서 상기 노즐(5)들을 감싸고 있는 형태로 회전하는 앤드레스 벨트(Endress Belt) 타입인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 단위 면적당 노즐 배열을 최대한 배열할 수 있어서 고속으로 나노섬유를 다량으로 생산할 수 있다.

전기방사, 장치, 나노섬유, 컬렉터, 노즐, 단위블럭, 노즐블럭, 생산성

Description

전기방사 장치{Electrospinning device}

도 1 내지 도 2는 본 발명으로 나노섬유를 제조하는 일례를 나타내는 공정개략도.

도 3은 본 발명의 단위노즐블럭(4a)의 단면 개략도.

도 4 내지 도 5는 단위노즐블럭 세트(4b)들이 지면을 기준으로 상하로 배열된 본 발명 노즐블럭(4)의 일례를 나타내는 모식도.

도 6은 본 발명의 단위노즐블럭(4a)의 사시개략도.

도 7은 2개의 컬렉터(8)를 구비하는 본 발명으로 나노섬유를 제조하는 일례를 나타내는 공정 개략도.

도 8 내지 도 9는 본 발명의 노즐블럭(4)내 단위노즐블럭(4a)들의 배열상태 일례를 나타내는 평면도.

도 10은 실시예 1로 제조된 나노섬유 부직포의 전자현미경 사진.

도 11은 실시예 2로 제조된 나노섬유 부직포의 전자현미경 사진.

*도면 중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 방사용액 주 탱크 2 : 정량펌프

3: 방사 용액 공급 장치 4: 노즐블럭

4a : 단위노즐블럭 4b : 단위노즐블럭의 세트

5: 노즐 6 : 나노섬유

7 : 고전압 발생장치 8 : 컬렉터

9 : 이송 로울러 10 : 기재 공급장치

10a : 기재 11 : 나노섬유가 코팅된 기재의 권취 장치

11a : 나노섬유가 코팅된 기재.

θ: 노즐블럭을 구성하는 단위블럭들이 서로 이루는 각도

본 발명은 굵기가 나노수준인 섬유(이하 "나노섬유" 라고 한다)를 대량 생산할 수 있는 전기방사장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기방사시 단위면적당 최대한으로 노즐들을 배열할 수 있어서 나노섬유의 생산성이 크게 향상되는 전기방사 장치에 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 정량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블럭, 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 제조방법은, 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 노 즐을 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.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 컬렉터가 노즐판 상부에 위치하는 상향식 전기방사 장치가 제안된 바도 있다. 종래의 상향식 전기방사 장치는 수천 또는 수만개의 노즐을 좁은 노즐블럭내에 용이하게 배열할 수 있어서 나노섬유의 대량생산에 유리하지만 노즐사이의 간격이 좁아 전기방사된 나노섬유가 컬렉터 상에 포집될 때 표면면적 역시 좁아져 컬렉터나 노즐블럭을 좌우로 움직여 주어도 나노섬유의 집적밀도가 불균일하게 되는 문제가 있었다. 그 결과, 제조된 부직포의 중량밀도가 불균일해지거나, 기재상에 코팅되는 나노섬유의 포집밀도가 불균일해지는 문 제가 있었다.

본 발명은 나노섬유의 대량생산이 가능하며 다수의 노즐을 좁은 영역 내에 배열하여 단위 시간 당 높은 생산성을 확보하는 것은 물론 컬렉터로 전기방사되는 나노섬유의 분산면적을 넓게 하여 나노섬유의 집적밀도를 균일하게 하고, 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하여 고품질의 나노섬유 및 그의 부직포를 제조할 수 있는 전기방사장치를 제공하고자 한다. 이를 위하여 본 발명은 노즐들이 양쪽 면에 배열된 단위노즐블럭(4a)들로 이루어진 노즐블럭(4)과 상기 노즐들과 일정한 거리를 유지한 상태로 떨어져 있는 위치에서 상기 노즐들을 감싸고 있는 형태로 회전하는 앤드레스 벨트 타입의 컬렉터(8)를 포함하는 전기방사 장치를 제공하고자 한다.

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전기방사 장치는 방사용액 주탱크(1), 정량펌프(2), 노즐블럭(4), 노즐블럭에 배열된 노즐(5), 노즐로부터 방사되는 나노섬유들을 집적하는 컬렉터(8) 및 상기 노즐블럭과 컬렉터에 전압을 걸어주기 위한 고전압발생장치(7)로 구성된 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블럭(4)은 노즐(5)들이 양쪽 면에 배열된 단위노즐블럭(4a) 2개 이상이 한글의 자음형태, 한글의 모음형태, 영어의 알파벳형태, 다각형 형태 및 동심원상의 방사선 형태 중에서 선택된 하나의 형태로 배열되어 있는 단위노즐블럭의 세트(4b)들이 지면을 기준 으로 상하 방향으로 배열된 형태이고, 상기 컬렉터(8)는 상기 노즐(5)들과 일정한 거리를 유지한 상태로 떨어져 있는 위치에서 상기 노즐(5)들을 감싸고 있는 형태로 회전하는 앤드레스 벨트(Endress Belt) 타입인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 전기방사 장치로 나노섬유를 제조하는 일례를 나타내는 공정개략도이다.

먼저, 본 발명의 전기방사 장치는 종래의 전기방사장치와 같이 방사용액 주탱크(1), 정량펌프(2), 노즐블럭(4), 노즐블럭에 배열된 노즐(5), 노즐로부터 방사되는 나노섬유들을 집적하는 컬렉터(8) 및 상기 노즐블럭과 컬렉터에 전압을 걸어주기 위한 고전압발생장치(7)들을 포함한다.

본 발명에서는 상기 노즐블럭(4)이 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 노즐의 양쪽 면에 노즐(5)들이 배열된 단위노즐블럭(4a) 2개 이상이 특정한 형태로 배열된 단위노즐블럭의 세트(4b)들이 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 지면을 기준으로 상하 방향으로 배열된 형태인 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명의 단위노즐블럭(4a)의 단면개략도이고, 도 6은 본 발명의 단위노즐블럭(4a)의 사시개략도이다.

도 6에서 노즐(5) 형성된 앞면과 마주하는 뒷면에도 앞면과 같은 형태로 노즐(5)이 형성되어 있다.

도 4 내지 도 5는 단위블럭 세트(4b)들이 지면을 기준으로 상하로 배열된 본 발명의 노즐블럭(4)의 일례를 나타내는 모식도이다.

구체적으로, 상기의 단위노즐블럭(4a) 2개 이상은 도 1 및 도 8에 도시된 바와 같이 동일한 동심원의 중심점을 기준으로 1~180°보다 바람직하기로는 10~180°의 각도(θ)로 방사상 형태로 배열되거나, 도 2 및 도 9에 도시된 바와 같이 한글의 자음형태, 한글의 모음형태, 영어의 알파벳 형태 또는 다각형 형태 등으로 배열되어 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 노즐블럭(4)내에 단위노즐블럭(4a)들의 배열 상태 일례를 나타내는 개략도이다.

구체적으로는 도 8은 노즐블럭(4)내에 단위노즐블럭(4a) 8개 서로가 45°의 각도(θ)를 유지하면서 동일한 동심원의 중심점을 기준으로 방사상 형태로 배열된 상태를 도시하고 있고, 도 9는 단위노즐블럭(4a) 5개가 한글 자음인 ㄹ자 형태로 배열된 상태를 도시하고 있고, 도 2에서는 영어 알파벳인 H자가 겹쳐진 형태로 배열된 상태를 도시하고 있다.

상기 단위노즐블럭(4a)에는 행과 열 방향으로 각각 1×1행열 이상의 노즐(5)들이 배열되어 있다.

상기 노즐(5)이 지면과 이루는 각도는 0~90°, 보다 바람직하기로는 1~85°이다.

한편, 본 발명에서는 상기 컬렉터(8)가 도 1 내지 도 2 등에 도시된 바와 같이 상기 컬렉터(8)는 상기 노즐(5)들과 일정한 거리를 유지한 상태로 떨어져 있는 위치에서 상기 노즐(5)들을 감싸고 있는 형태로 회전하는 앤드레스 벨트(Endress Belt) 타입인 것을 특징으로 한다.

상기 컬렉터(8)는 이송로울러(9)들에 의해 회전되며, 상기 컬렉터(8)위로 기재(10a)를 통과시켜 기재(10a)상에 나노섬유를 전기방사할 수도 있다.

기재(10a)를 통과시키지 않을 경우 상기 컬렉터(8)는 표면조도가 100㎛ 이하인 전도체인 것이 더욱 바람직하다.

상기 기재(10a)로는 필름, 스펀본드 부직포, 멜로블로운 부직포, 브레이드, 직물 또는 편물 등이 사용된다.

상기 컬렉터(8)는 도 7에 도시된 바와 같이 서로 분리된 2개 이상의 엔드레스 벨트(Endress Belt)들로 구성될 수도 있다.

도 7의 경우에는 나노섬유 부직포를 2개 이상으로 분할하여 제조하는 시스템이 된다.

상기 노즐블럭(4) 및 컬렉터(8) 중에서 선택된 하나가 지면을 기준으로 상하 왕복 운동을 하는 것이 나노섬유의 집적도를 균일하게 하는데 더욱 바람직하다.

상기의 단위노즐블럭(4a) 각각에는 동일한 고분자 방사용액을 공급할 수도 있으며, 서로 상이한 고분자 방사용액을 공급하여 서로 다른 고분자들로 이루어진 나노섬유 부직포를 제조할 수도 있다.

본 발명의 전기방사장치는 (ⅰ) 셀룰로오스, 키토산 등의 천연고분자, 이들의 공중합체 또는 혼합물, (ⅱ) 폴리에스테르, 나일론, 키토산 등의 열가소성 수지, 이들의 중합체 또는 혼합물, (ⅲ) 멜라민, 에폭시 등의 열경화성 수지, 이들의 공중합체 또는 혼합물, (ⅳ) 알루미늄, 티타늄 등의 무기물이 함유된 졸-겔(Sol-gel) 등으로 구성된 방사용액 들을 모두 전기방사할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴보고자 한다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

96% 황산용액에서 상대 점도가 3.0인 나일론 66 수지를 개미산/아세트산(체적비: 70/30)의 혼합용매에 17중량%로 용해하여 고분자 방사용액을 제조하였다. 상기 방사용액의 표면장력은 40mN/m, 용액점도는 상온에서 720센티포아스, 전기전도도는 420mS/m이었다.

상기 방사용액을 이용하여 도 1의 전기방사시스템을 이용하여 전기방사를 하여 폭이 1.8m이고 중량이 4g/㎡인 나노섬유 부직포를 제조하였다.

구체적으로, 도 1의 방사용액 주탱크(1)내에 보관중인 상기 방사용액 일정량을 정량펌프(2)를 통해 방사용액 공급장치(3)에 공급한다.

계속해서, 방사용액 공급장치(3)로부터 방사용액을 단위블럭(4a)에 공급하여 노즐(5)를 통해 나노섬유(6)를 컬렉터(8)위를 통과하는 기재(10a)상에 전기방사한다.

상기 컬렉터(8)와 단위노즐블럭(4a) 각각에는 고전압 발생장치(7)를 이용하여 35㎸의 전압을 부여하였다.

노즐블럭(4)은 4개의 단위노즐블럭(4a)들이 도 1과 같이 90°의 각도로 방사상으로 배열된 단위노즐블럭의 세트(4b) 45개가 지면을 기준으로 상하방향으로 180㎝의 길이 내에 배열된 구조로 하였고, 상기 단위노즐블럭(4a)은 길이가 300㎝이고 그의 양면 각각에는 직경이 0.8㎜인 노즐 130개씩이 배열되도록 하였다.

노즐블럭(4)내 노즐의 총 개수는 46,800개(130×2×4×45)이다.

전기방사시 방사거리는 15㎝로 하였고, 노즐블럭(4)을 지면을 기준으로 상하 방향으로 2m/분의 속도로 왕복운동시키고, 기재(10a)로는 중량이 10g/㎡인 폴리프로필렌 부직포를 사용하였고, 나노섬유가 코팅된 기재의 권취속도를 19.5m/분으로 하였다.

제조된 나노섬유의 평균직경은 150㎜이고, 제조된 나노섬유 부직포를 촬영한 전자현미경 사진은 도 10과 같다.

실시예 2

96% 황산용액에서 상대 점도가 3.0인 나일론 66 수지를 개미산/아세트산(체적비: 70/30)의 혼합용매에 20중량%로 용해하여 고분자 방사용액을 제조하였다. 상기 방사용액의 표면장력은 46mN/m, 용액점도는 상온에서 1130센티포아스, 전기전도도는 460mS/m이었다.

상기 방사용액을 이용하여 도 2의 전기방사시스템을 이용하여 전기방사를 하여 폭 1.8m이고 중량 4g/㎡인 나노섬유 부직포를 제조하였다.

구체적으로, 도 2의 방사용액 주탱크(1)내에 보관중인 상기 방사용액 일정량을 정량펌프(2)를 통해 방사용액 공급장치(3)에 공급한다.

계속해서, 방사용액 공급장치(3)로부터 방사용액을 단위블럭(4a)에 공급하여 노즐(5)를 통해 나노섬유(6)를 컬렉터(8)위를 통과하는 기재(10a)상에 전기방사한다.

상기 컬렉터(8)와 단위노즐블럭(4a) 각각에는 고전압 발생장치(7)를 이용하 여 35㎸의 전압을 부여하였다.

노즐블럭(4)은 8개의 단위노즐블럭(4a)들이 도 2와 같이 영문자 H가 2회 중첩된 형태로 배열된 단위노즐블럭의 세트(4b) 45개가 지면을 기준으로 상하방향으로 180㎝의 길이내에 배열된 구조로 하였고, 상기 단위노즐블럭(4a)은 길이가 300㎝이고 그의 양면 각각에는 직경이 0.8㎜인 노즐 130개씩이 배열되도록 하였다.

노즐블럭(4)내 노즐의 총 개수는 93,000개(130×2×8×45)이다.

전기방사시 방사거리는 16㎝로 하였고, 컬렉터(8)를 지면을 기준으로 상하 방향으로 2m/분의 속도로 왕복운동시키고, 기재(10a)로는 중량이 10g/㎡인 폴리프로필렌 부직포를 사용하였고, 나노섬유가 코팅된 기재의 권취속도를 39m/분으로 하였다.

제조된 나노섬유의 평균직경은 190㎜이고, 제조된 나노섬유 부직포를 촬영한 전자현미경 사진은 도 11과 같다.

본 발명은 단위면적당 최대한으로 노즐들을 많이 배열할 수 있어서 단위시간당 나노섬유의 생산성을 향상시키고, 나노섬유의 집적밀도를 보다 균일하게 할 수 있다.

Claims (13)

1. 방사용액 주탱크(1), 정량펌프(2), 노즐블럭(4), 노즐블럭에 배열된 노즐(5), 노즐로부터 방사되는 나노섬유들을 집적하는 컬렉터(8) 및 상기 노즐블럭과 컬렉터에 전압을 걸어주기 위한 고전압발생장치(7)로 구성된 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블럭(4)은 노즐(5)들이 양쪽 면에 배열된 단위노즐블럭(4a) 2개 이상이 한글의 자음형태, 한글의 모음형태, 영어의 알파벳형태, 다각형 형태 및 동심원상의 방사선 형태 중에서 선택된 하나의 형태로 배열되어 있는 단위노즐블럭의 세트(4b)들이 지면을 기준으로 상하 방향으로 배열된 형태이고, 상기 컬렉터(8)는 상기 노즐(5)들과 일정한 거리를 유지한 상태로 떨어져 있는 위치에서 상기 노즐(5)들을 감싸고 있는 형태로 회전하는 앤드레스 벨트(Endress Belt) 타입인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
2. 제1항에 있어서, 노즐블럭(4)내 단위노즐블럭(4a) 2개 이상이 동일한 동심원의 중심점을 기준으로 1~180°의 각도(θ)로 방사상 형태로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
3. 제1항에 있어서, 노즐블럭(4) 및 컬렉터(8) 중에서 선택된 하나가 지면을 기 준으로 상하로 왕복운동 하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
4. 제1항에 있어서, 노즐(5)이 지면과 이루는 각도가 0~90°인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
5. 제1항에 있어서, 노즐(5)이 지면과 이루는 각도가 1~85°인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
6. 제1항에 있어서, 컬렉터(8)가 이송로울러(9)들에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
7. 제1항에 있어서, 컬렉터(8)가 서로 분리된 2개 이상의 앤드레스 벨트들로 구성됨을 특징으로 하는 전기방사 장치.
8. 제1항에 있어서, 컬렉터(8)는 표면조도가 100㎛이하인 전도체인 것을 특징으 로 하는 전기방사 장치.
9. 제1항에 있어서, 컬렉터(8)위로 기재(10a)를 통과시키는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
10. 제9항에 있어서, 기재(10a)는 필름, 스펀본드 부직포, 멜트블로운 부직포, 브레이드, 직물 및 편물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
11. 제1항에 있어서, 단위노즐블럭(4a) 각각에 서로 다른 2종 이상의 고분자 방사용액을 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
12. 제1항에 있어서, 방사용액을 천연고분자, 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 무기물이 함유된 졸-겔(Sol-gel)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종으로 구성됨을 특징으로 하는 전기방사 장치.
13. 제1항에 있어서, 단위노즐블럭(4a)은 가로 및 세로 방향으로 각각 1열 이상의 노즐들이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.

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