KR100712592B1

KR100712592B1 - 용융 전기 방사 장치

Info

Publication number: KR100712592B1
Application number: KR1020060038194A
Authority: KR
Inventors: 박원호
Original assignee: 박원호
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-05-02

Abstract

본 발명은 용융 전기 방사 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기 방사 장치는 용융물을 공급하기 위한 마이크로펌프; 마이크로펌프로부터 공급된 용융물을 균일한 형태의 흐름으로 변환시키는 실린지 튜브; 실린지 튜브로부터의 용융물을 방사하는 방사 니들; 방사 니들로부터 방사된 용융물을 웹 형태로 수집하는 컬렉터; 방사 니들 및 컬렉터 사이에 고전압을 발생시키는 고전압 발생 장치; 방사 니들과 컬렉터 사이에서 방사되는 용융물을 유도하는 유도 챔버; 및 실리지 튜브, 방사 니들, 컬렉터 및 유도 챔버의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 포함하고, 상기에서 온도 제어 장치는 각각의 해당 장치를 별개로 온도 제어하는 것을 특징으로 한다.

용융 전기 방사, 실린지 펌프, 방사 니들, 온도 제어 장치

Description

용융 전기 방사 장치{Apparatus for electrospinning from polymer melts}

도 1은 본 발명에 따른 용융 전기 방사 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 전기 방사 장치에서 제조된 나노 섬유를 나타낸 것이고, 도 2의 좌측은 T3 = 25 ℃, 그리고 우측은 T3 = 100 ℃에서 각각 전기 방사하여 얻은 나노 섬유를 도시한 것이다.

본 발명은 용융 전기 방사 장치에 관한 것이고, 구체적으로 전기 방사 과정에서 용융 상태를 유지하기 위하여 온도 조절 장치가 설치된 전기 방사 장치에 관한 것이다.

일반적으로 나노 섬유는 방사 용액을 전기 방사하여 만들어진다. 그리고 전기 방사를 위한 전기 방사 장치는 방사액 탱크, 계량 펌프, 노즐, 컬렉터 및 전압 발생 장치를 포함한다. 이와 같은 전기 방사 장치에서 제조되는 나노 웹은 방사 용액의 종류, 노즐의 크기 및 발생 전압의 크기에 따라 서로 다른 성질을 가지게 된다.

전기 방사 장치와 관련된 선행 기술로 특허공개번호 10-2003-0065799 “상향 식 전기방사장치”가 있다. 제시된 발명은 다수 개의 핀을 포함하는 노즐이 블록 형태로 조합이 되고 그리고 방사액을 상부로 토출하는 상향식 노즐 블록을 가진 전기 방사 장치를 개시한다. 이러한 노즐 블록은 방사 용액을 공급하는 공급 판의 아래쪽에 설치된 간접 가열 방식의 가열 장치를 포함한다. 이와 같은 특징을 가진 제시된 발명은 나노 섬유를 제조하기 위한 전기 방사의 경우 드롭(droplet) 현상을 방지할 수 있다는 이점을 가진다.

전기 방사를 통하여 제조된 나노 섬유는 방사 조건에 따라 서로 다른 섬유직경 및 구조를 가질 수 있고 그리고 이로 인하여 서로 다른 기계적 물성을 가질 수 있다. 공지된 그리고 위에서 제시된 전기 방사 장치는 용액을 전기 방사하기 위한 장치들이다. 만약 전기 방사가 용융 상태에서 이루어진다면 전기 방사하는 과정에서 사용되는 용매가 불필요하다. 따라서 전기방사 과정에서 제거되는 용매의 처리 및 회수 문제가 해결될 수 있다. 그리고 나노섬유의 용도에 따라 nm 크기로부터 ㎛ 크기에 이르는 다양한 섬유 직경 및 구조 그리고 이로 인하여 특별한 성질을 가진 나노 섬유가 제조될 수 있다. 예를 들어 폴리락트산(Poly(lactic acid): PLA)은 용액 상태 또는 용융 상태로 전기 방사가 될 수 있고 그리고 각각의 상태로 제조된 나노 섬유는 nm 크기로부터 ㎛ 크기에 이르는 섬유 직경, 구조 및 그에 따라 서로 다른 기계적 물성을 가지게 되다. 이러한 경우 방사 용액을 전기 방사하는 경우에는 공지의 전기 방사 장치가 이용될 수 있지만 용융물을 전기 방사하기 위해서는 특별히 용융물이 고화되지 않고 방사될 수 있는 특별한 수단을 필요로 한다. 이를 위하여 본 발명은 용융 상태로 전기 방사를 할 수 있는 전기 방사 장치를 제안한 다.

본 발명의 목적은 용융물을 전기 방사하여 나노 섬유를 제조하기 위한 용융 전기 방사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)), 폴리락트산(poly(lactic acid)), 폴리파라디옥사논(poly(p-dioxanone)) 및 이들의 블렌드 혹은 공중합체, 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate)), 폴리부틸렌테레프탈레이트(poly(buthylene terephthalate)), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(poly(trimethylene terephthalate))및 이들의 블렌드 혹은 공중합체를 전기 용융 방사 장치에서 방사하여 제조된 나노 섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 본 발명에 따른 전기 방사 장치는 용융물을 공급하기 위한 마이크로펌프; 마이크로펌프로부터 공급된 용융물을 균일한 형태의 흐름으로 변환시키는 실린지 튜브; 실린지 튜브로부터의 용융물을 방사하는 방사 니들; 방사 니들로부터 방사된 용융물을 웹 형태로 수집하는 컬렉터; 방사 니들 및 컬렉터 사이에 고전압을 발생시키는 고전압 발생 장치;방사 니들과 컬렉터 사이의 방사되는 용융물을 유도하는 유도 챔버; 및 실리지 튜브, 방사 니들, 컬렉터 및 유도 챔버의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따른 온도 제어 장치는 각각의 해당 장 치를 독립적으로 온도 제어한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 실린지 튜브는 열 절연체로 이루어진 하우징 내에 수용된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 방사 니들 및 컬렉터는 유도 챔버에 수용이 된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 공급된 용융물은 폴리락트산과 같이 용융 가능한 모든 고분자의 용융물이 된다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시 예로 상세하게 설명이 된다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 용융 전기 방사 장치는 고전압 발생 장치(11), 방사 용융물을 일정한 압력으로 공급하는 마이크로 펌프(12), 공급된 방사 용융물을 일정한 양 및 속도를 이동시키는 실린지 튜브(13), 용융물을 방사 전압 아래에서 방사하는 방사 니들(14) 및 방사된 용융을 웹 형태로 수집하는 컬렉터(15)를 포함한다. 추가로 본 발명에 따른 방사 장치는 가열 유도 챔버(16) 및 온도 제어 장치(17)를 포함한다.

고전압 발생 장치(11)는 1 kV 내지 30 kV의 전압을 니들(14) 및 컬렉터(15) 사이에 발생시킬 수 있다. 그리고 마이크로 펌프(12)는 방사 용융물 용기(도시되지 않음)로부터 공급된 방사 용융물을 일정한 압력으로 실린더 튜브(13)로 공급할 수 있다. 필요에 따라 마이크로 펌프(12)는 양을 측정할 수 있는 계량 장치를 포함할 수 있다. 마이크로 펌프(12)로부터 공급되는 방사 용융물은 실린지 튜브(13)를 경유하여 방사 니들(14)에서 전기 방사가 된다. 실린지 튜브(13)는 특별히 용융물이 통과하는 단면적의 형태는 제한되는 것은 아니지만 1 내지 8 ㎜ 크기의 직경을 가지는 원형의 단면적을 가질 수 있다. 방사 용융물은 방사 니들(14) 및 컬렉터(15) 사이에 형성된 1 kV 내지 30 kV의 고전압으로 인하여 컬렉터(15)로 수집이 된다. 방사 니들(14)은 15 내지 30 게이지 니들(gauged needle)이 될 수 있고 그리고 컬렉터(15)는 플레이트 형태 또는 드럼 형태가 될 수 있다. 나노 섬유를 연속적으로 생산하기 위해서는 컬렉터(15)는 회전 가능한 드럼 형태가 되는 것이 유리하다.

본 발명에 따르면, 방사 장치의 각각의 구성 요소는 방사 과정에서 일정한 온도 범위로 유지되어야 한다. 온도 제어 장치(17)는 방사 과정에서 각각의 방사 장치의 구성 요소들이 일정한 온도 범위를 유지하도록 개별적으로 조절한다. 이러한 온도 제어는 방사 용융물이 고화되지 않고 그리고 전기 방사가 될 수 있는 상태를 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다. 제어되는 온도 범위는 용융물의 종류에 따라 그리고 제조가 되는 나노 섬유의 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로 온도 제어는 실린지 튜브(13)의 온도(T1), 방사 니들(14)의 온도(T2), 유도 챔버(16)의 온도(T3) 및 컬렉터(15)의 온도(T4)를 제어하는 것을 포함한다. 각각의 온도(T1, T2, T3 및 T4)로 서로 다른 온도 범위에서 별도로 제어된다. 특히 실린지 튜브(13)의 온도(T1)는 방사 용융물의 초기 방사 조건에 해당하므로 다른 온도(T2,T3 및 T4)로부터 분리되어 제어될 필요가 있다. 그러므로 실린지 튜브(13)는 열 절연물질로 도포된 하우징(H) 내에 설치되고 다른 온도 제어로부터 차단이 될 수 있다. 그리고 유도 챔버(16) 및 컬렉터(15)의 온도(T3 및 T4) 전기 방사 과정에서 고화(solidification) 및 열처리(annealing) 과정을 제어하기 위한 것이다. 그러므로 유도 챔버(16)는 방사물의 균일성을 유지하기 위하여 방사 니들(14) 및 컬렉터(15) 사이에 온도를 일정한 범위로 유지하는 기능을 가진다. 유도 챔버(16)는 전기 방사 과정에서 도 1에 도시된 것처럼 유도 챔버(16)는 방사 니들(14) 및 컬렉터(15)를 수용할 수 있고 그리고 이 경우 유도 챔버(16)에 대한 온도 제어가 이루어지고 그리고 추가로 별도의 가열 또는 냉각 장치에 의하여 방사 니들(14) 및 컬렉터(16)에 대한 온도 제어가 이루어진다.

아래에서 본 발명에 따른 방사 장치에 의하여 전기 방사되어 제조된 나노 섬유에 대하여 설명을 한다.

나노 섬유의 제조

1. 방사 용융물의 제조

98 wt% 이상의 폴리(L-락트)산(Poly(L-latic acid))로 이루어진 폴리락트 산 펠렛이 준비되었다. 준비된 펠렛의 분자량은 180,000, 그리고 분자량 분포(polydispersity)는 1.80이 되었다. 펠렛은 분쇄기(mill)를 이용하여 평균 입자의 크기가 0.5 mm인 미세 분말로 만들었다. 폴리락트산 분말은 80℃에서 12시간 동안 진공 오븐(vacuum oven)에서 진공 건조시켰다. 진공 건조된 분말은 고온용 노즐 내에서 약 220 ℃에서 방사 용융물로 제조되었다.

2. 방사 용융물의 전기 방사

도 1에 도시된 방사 장치를 사용하여 방사 용융물을 아래와 같은 조건에서 전기 방사하였다.

방사 조건

(i) 방사 니들 : 24 게이지 구리 와이어 니들;

(ii) 실린지 튜브에서의 흐름 속도: 0.005 ㎖/min;

(iii) 방사 니들과 컬렉터 사이의 거리: 6 ㎝;

(iv) 방사 전압: 20 kV; 그리고

(v) 온도: T1 = 200 ℃, T2 = 220 ℃, T3 = 25 ℃ 또는 100 ℃, 그리고 T4 = 23 ℃.

T3 = 25 ℃인 경우 유도 챔버에 대하여 특별히 온도 제어를 하지 않고 전기 방사를 한 것이고 그리고 T3 = 100 ℃인 경우 유도 챔버에 대하여 온도 제어 장치로 온도 제어를 하여 전기 방사를 한 것이다.

전기 방사하여 얻어진 폴리락트산 나노 섬유를 도 2에 도시하였다. 도 2의 좌측은 T3 = 25 ℃, 그리고 우측은 T3 = 100 ℃에서 각각 전기 방사하여 얻은 나노 섬유를 도시한 것이다. 도 2로부터 알 수 있는 것처럼, 온도 제어가 이루어진 경우 더 미세한 직경을 가진 나노 섬유를 얻을 수 있었다. T3 = 25 ℃의 조건으로 전기 방사된 경우 제조된 나노 섬유의 평균 직경은 약 15 ㎛가 되었으며 이는 T3 = 100 ℃의 조건으로 전기 방사된 섬유 직경의 3배에 해당한다. 이외에도 온도 제어가 되어 전기 방사된 나노 섬유는 향상된 축 배향을 가지는 것으로 나타났다.

위에서는 예시를 위하여 폴리(L-락트)산(Poly(L-latic acid))을 용융시켜 본 발명에 따른 용융 전기 방사 장치를 통하여 전기 방사하여 나노 섬유를 제조하는 과정을 제시하였다. 그러나 본 발명에 따른 전기 방사 장치는 모든 용융 가능한 고분자 용융물의 전기 방사에 사용될 수 있다. 각각의 용융물을 전기 방사하는 경우 온도 제어는 용융물에 성질에 따라 서로 다른 범위에서 이루어질 수 있다. 특히 본 발명에 따른 용융 전기 방사 장치의 용융물은 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)), 폴리락트산(poly(lactic acid)), 폴리파라디옥사논(poly(p-dioxanone)), 이들의 블렌드(blend) 또는 공중합체가 되거나, 또는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate)), 폴리부틸렌테레프탈레이트(poly(buthylene terephthalate)), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(poly(trimethylene terephthalate)), 이들의 블렌드(blend) 또는 공중합체가 될 수 있다. 그러나 제시된 고분자 화합물에 제한되지 않고 임의의 용융 가능한 고분자 화합물에 적용 가능하다.

위에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 되었다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 이 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

본 발명에 따른 용융 전기 방사 장치는 각각의 구성 요소를 개별적으로 온도 제어하여 기계적 물성이 향상된 나노 섬유를 제조할 수 있도록 한다. 아울러 온도 제어를 통하여 다양한 섬유직경을 가진 나노 섬유를 용융물로부터 제조할 수 있도 록 한다는 이점을 가진다.

Claims

나노 섬유를 제조하기 위한 전기 방사 장치에 있어서,

용융물을 공급하기 위한 마이크로펌프;

마이크로펌프로부터 공급된 용융물을 균일한 형태의 흐름으로 변환시키는 실린지 튜브;

실린지 튜브로부터의 용융물을 방사하는 방사 니들;

방사 니들로부터 방사된 용융물을 웹 형태로 수집하는 컬렉터;

방사 니들 및 컬렉터 사이에 고전압을 발생시키는 고전압 발생 장치;

방사 니들과 컬렉터 사이에서 방사되는 용융물을 유도하는 유도 챔버; 및

실리지 튜브, 방사 니들, 컬렉터 및 유도 챔버의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 포함하는 용융 전기 방사 장치.
청구항 1에 있어서, 온도 제어 장치는 실리지 튜브, 방사 니들, 컬렉터 및 유도 쳄버의 온도를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서, 실린지 튜브는 열 절연체로 이루어진 하우징 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서, 방사 니들 및 컬렉터는 유도 챔버에 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서, 공급된 용융물은 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)), 폴리락트산(poly(lactic acid)), 폴리파라디옥사논(poly(p-dioxanone)), 이들의 블렌드(blend) 및 공중합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 어는 하나가 되거나, 또는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate)), 폴리부틸렌테레프탈레이트(poly(buthylene terephthalate)),폴리트리메틸렌테레프탈레이트(poly(trimethylene terephthalate)), 이들의 블렌드(blend) 및 공중합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 장치.