KR100788933B1 - 원심전기방사장치 및 원심전기방사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 i) 폴리머 용융액 또는 용액으로 이루어진 방사액을 방사노즐에 공급하는 방사액 공급수단, ii) 내측에 하나 이상의 방사노즐이 형성된 회전 플레이트를 포함하는 원심회전부, iii) 콜렉터 및 iv) 상기 회전 플레이트 및 상기 콜렉터에 전압을 부여하는 전압 부여 장치를 포함하고, 상기 방사노즐은 상기 방사액의 이동경로를 원심력 방향으로부터 축방향으로 절환시키기 위한 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치 및 원심전기방사방법을 제공한다. 아울러, 본 발명은 상기 구조의 방사노즐을 전압인가없이 사용하는 원심방사장치도 제공한다.

본 발명에 의한 장치 및 방법은 원심방사와 전기방사를 유기적으로 결합함에 있어, 전기장 방향과 방사방향의 어긋남으로 인한 섬유 극세화 효과의 감소현상을 막고, 종래기술의 압축공기 분사와 같은 위험한 공정을 포함하지 않고서도 충분히 극세 사이즈의 섬유를 얻을 수 있다는 효과를 가진다.

원심방사, 전기방사

Description

원심전기방사장치 및 원심전기방사방법{A centrifugal electric spinning apparatus and a centrifugal electric spinning method}

도 1은 종래의 원심방사장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 원심전기방사장치의 제1 구성예의 개략도.

도 3은 본 발명에 의한 원심전기방사장치의 제2 구성예의 개략도.

도 3은 본 발명에 의한 원심전기방사장치의 제3 구성예의 부분개략도.

본 발명은 섬유의 원심 방사 장치에 관한 것으로서, 특히 원심전기방사장치 및 이를 이용한 원심전기방사방법에 관한 것이다.

섬유의 방사공정(spinning process)이란 고분자 유체를 가는 구멍을 통해 계속적으로 밀어내어 길고 가는 섬유로 전환시키는 공정을 의미한다. 일반적으로 방사공정은 뜨거운 고분자 유체가 스피너렛(spinneret)이라는 가는 구멍이 있는 부위를 지나서 나온 후, 냉각부를 지나 식어 고화하면, 이를 권취부에서 당겨 감음으로서 이루어진다.

한편, 방사공정으로서 대표적인 것은 용융방사, 용액방사(습식방사, 건식방 사) 등이 있다. 용융방사란 고분자 칩을 방사기의 원료 저장고에 넣고 고온의 압출기에서 녹인 후 스피너렛을 통해 섬유를 압출시킨 후, 차가운 냉각공기(QUENCHING SYSTEM)에 의해 고화시킨 후, 권취부에 의해 연신하는 형태이다. 한편, 용액방사(습식방사, 건식방사)는 저장고에서 원료고분자를 용매에 녹인 후, 이를 열교환기 등을 통과시켜 분자량이나 점도를 조절하여 스피러넷을 통과시킨 후 차가운 응고액를 통과시키거나(습식방사) 또는 고온가스로 빨리 증발시켜(건식방사) 권취부에서 감겨 섬유가 되는 형태이다.

한편, 최근 섬유분야에도 최첨단의 나노기술의 접목이 기대됨에 따라, 직경이 나노사이즈인 초극세의 섬유를 개발, 응용하는 것에 큰 관심이 모여지고 있다. 나노섬유는 전기방사에 의해 제조되며, 그 특유의 기능으로 전기·전자 및 환경·생명 등 미래 첨단산업의 필수 소재로 각광받고 있다.

전기방사는 표면장력에 의해 모세관 끝에 매달려 있는 물방울에 고전압을 부여할 때 물방울 표면에서 미세 필라멘트가 방출되는 정전 스프레이 과정에서 변형된 것으로 충분한 점도를 가진 고분자용액이나 용융체가 정전기력을 부여받을 경우 섬유가 형성되는 현상이다. 전기방사에 의한 섬유제조기술은 이미 1930년대에 알려진 것이나, 낮은 생산성, 불균일성 등으로 인해 상업적 관심을 끌지 못하다가, 최근 섬유분야에의 나노기술의 접목이라는 관점에서 큰 주목을 받고 있다.

한편, 방사성능, 생산성, 공정 제품특성 등의 측면에서 전기방사 단독으로 행하는 대신, 상기한 용융방사나 용액방사를 혼합한 방법들이 개발되어 있다. 예를 들어, 한국특허출원 제10-2001-31586호는 용액방사와 전기방사를, 제10-2001- 31587호는 용융방사와 전기방사를, 그리고 제10-2002-16489호는 멜트브로운(용융방사), 용융방사 및 전기방사를 유기적으로 결합한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 이들 기술들은 가열이 필요하여 안정성에 문제가 있거나, 방사원료에 제한이 있는 것이 많은 점, 별도의 노즐을 통하여 압축공기를 분사하는 구성을 필수로 하므로 방사구금의 설계 및 관리 등에 있어서 번거로운 점 등의 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 극세 섬유 부직포를 제조하기 위한 신규한 형태의 방사방법 및 장치를 개발함으로써 상기한 종래 기술들이 가진 문제점을 해결하고자 하는 이러한 시도로서 전기방사와 원심방사를 접목시키는 것을 고려하였다.

도 1은 원심방사장치에 대한 종래기술에 해당하는 특허 제10-289250호의 원심방사장치의 개략도이다. 상기 특허의 장치는 회전플레이트(1'), 구동 샤프트(2')와, 그 내부에 설치된 수지공급라인(3'), 날개부(7'.8'), 건조공기공급용 샤프트(4',5'), 섬유방출용 개구부(노즐)(9') 및 오버플로우 홀(6')을 포함한다. 상기 장치에서는 회전 플레이트(1') 내의 수지공급라인(3')에 수지를 공급한 후, 장치를 구동시키면 원심력에 의하여 원심력 방향으로 개방된 노즐(9')로 섬유가 방사되어 나오게 된다.

그런데, 상기한 원심방사장치에서는 원료가 상기 노즐(9')을 통해 원심력 방향으로 분산하며 방사되므로, 방사된 섬유의 극세화를 목적으로 하는 경우, 섬유의 직경 조절 등이 곤란하다는 단점이 있다.

특히, 전기방사와 원심방사를 유기적으로 결합하는 경우, 방사방향과 전기장의 방향이 어긋나게 되어 섬유의 극세화 효과가 현저히 낮아지게 되는 문제점이 발생한다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 원심방사와 전기방사의 유기적 결합시, 전기장 방향과 방사방향의 어긋남으로 인한 섬유 극세화 효과의 감소현상을 막고, 종래기술의 압축공기 분사와 같은 위험한 공정을 포함하지 않고서도 충분히 극세 사이즈의 섬유를 얻을 수 있는, 효과적이고도 새로운 형태의 방사장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 i) 폴리머 용융액 또는 용액으로 이루어진 방사액(17)을 방사노즐(5)에 공급하는 방사액 공급수단(1,2,3;39,40,41,42,43,44), ii) 내측에 하나 이상의 방사노즐(5)이 형성된 회전 플레이트(9)를 포함하는 원심회전부(4,5,6,7,8,9,31,32), iii) 콜렉터(16) 및 iv) 상기 회전 플레이트(9) 및 상기 콜렉터(16)에 전압을 부여하는 전압 부여 장치(10,33)를 포함하고, 상기 방사노즐(5)은 상기 방사액(7)의 이동경로를 원심력 방향(21)으로부터 축방향(22)으로 절환시키기 위한 절곡부(24,24')를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치(100)를 제공한다.

본 발명은 또한. 상기 장치에 있어서, 상기 방사액 공급수단은 방사시 별도의 저장조에 보관된 방사액을 상기 방사노즐까지 이송시키는 것임을 특징으로 하는 원심전기방사장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 장치에 있어서, 상기 방사액 공급수단은 방사액의 제조 및 공급이 방사공정과 동시에 이루어지는 것임을 특징으로 하는 원심전기방사장 치를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 장치에 있어서, 상기 절곡부(24')는 상기 노즐 내의 방사액의 수용량을 늘려, 상기 노즐의 개구부에서의 방사액의 방출압력을 증가시키기 위한 내부 확장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치를 더욱 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 장치에 있어서, 상기 전압 부여 장치는 상기 회전 플레이트에 - 전압을, 상기 콜렉터에는 + 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 폴리머를 용융시키거나 또는 소정의 용매에 용해하여 제조한 방사액을 전압이 인가된 방사노즐 입구에 공급하고, 원심력 방향에서 하부 축방향으로 절곡된 방사노즐을 원심회전시키면서 방사액을 토출시키고, 상기 방사노즐과 반대의 전압이 인가된 하부의 콜렉터 상에서 방사된 섬유를 포집하는 것을 포함하는 원심전기방사방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 i) 폴리머 용융액 또는 용액으로 이루어진 방사액을 방사노즐에 공급하는 방사액 공급수단, ii) 내측에 하나 이상의 방사노즐이 형성된 회전 플레이트를 포함하는 원심회전부, 및 iii) 콜렉터를 포함하고, 상기 방사노즐은 상기 방사액의 이동경로를 원심력 방향으로부터 축방향으로 절환시키기 위한 절곡부(24,24')를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심방사장치(100)를 제공한다.

삭제

이하, 첨부된 도면에 도시된 예를 사용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 원심전기방사장치의 제1 구성예를 보인 것이다.

도 2의 도면 번호 1은 방사액 저장조, 2는 이송 펌프, 및 3은 이송관을 나타내며, 이들은 제1 실시예의 방사액 공급수단을 구성한다. 여기서, 방사액 저장조(1)는 미리 방사원료인 폴리머를 용매와 혼합하여 제조한 방사액을 보관하는 장소이고, 이 미리 제조된 방사액은 방사공정 시 이송 펌프(2)에 의해 이송관(3)을 통해 방사 노즐(5) 내로 공급된다. 이 때, 상기 방사액은 용액 또는 용융액일 수 있다. 방사액을 이루는 용액 및 용융액의 조건을 특별히 제한되는 것은 없고, 가압이나 가열이 필수적이지도 않다.

도 2의 원심력 발생 스핀들(4), 방사노즐(5), 원심 회전축(6), 전기절연부(7), 회전 모터(8) 및 회전 플레이트(9)은 본 발명의 원심전기방사장치의 원심 회전부를 구성한다. 상기 이송관(3)을 통해 이송된 방사액이 상기 회전 플레이트(9)의 내측에 형성된 방사 노즐(5)의 내부로 공급될 때, 모터(8)에 의하여 원심 회전축(6)이 회전하면서 방사액은 원심력 방향(21)으로 힘을 받아 이동하게 된다. 그런데, 상기 방사 노즐(5)은 원심력 방향(21)으로 연장되다가 절곡부(24)에 의하여 축방향으로 아래쪽으로 꺾이게 되고, 따라서 방사 노즐(5) 내부의 방사액에는 원심력 방향(21)으로의 힘과 축방향(22)으로의 힘이 가해지므로, 최종적으로 토출되는 방사액은 이들의 합성분력 방향(23)을 향하게 된다.

한편, 아래 쪽에 있는 콜렉터(16)에는 상기 방사액이 토출되면서 생성되는 섬유가 포집된다. 상기 콜렉터(16)에서의 섬유 포집은 석션 덕트(12), 석션 통로(13), 석션 블로어(13) 및 배출구(15)로 구성되는 석션부에 의하여 이루어진다. 이 때, 전압 부여 장치(10)에 의하여, 상기 방사 노즐(5)에는 - 전압이, 상기 콜렉터(12)에는 소정의 위치(11)에서 + 전압이 인가되어 전계가 형성된다.

즉, 상기 섬유의 방사는 장치의 상측에서 하측으로 걸려있는 전계와, 상기 원심 회전부에 의해 부여되는 하측 방향으로 절환된 원심력의 양자에 의하여 가동되어, 충분히 극세 사이즈의 섬유가 웹상태로 포집되게 된다.

이 때, 섬유의 극세 정도에 영향을 미치는 인자는 노즐 직경, 원심회전부의 rpm, 노즐과 콜렉터 사이의 거리, 노즐 수량, 전압, 스핀들 직경, 방사 선경 및 방사액(용액 또는 용융액)의 성질, 노즐의 전압인가 방식(스핀들, 노즐, 별도전극 이용 등) 등이다. 또한, 상기 방사액으로 용융액이 사용되는 경우에는 회전 플레이트(9)의 하단에 핫 플레이트를 고정식으로 부착하거나, 회전 플레이트(9)의 하측에 별도의 히터를 설치하여 예를 들어 회전식으로 작동시키는 것도 가능하며, 그 외 상기 절곡부(24)의 각도를 조절하는 것도 고려할 수 있다.

방사 노즐(5)과 콜렉터(16) 간에 전압인가 방식은 상기 예에서는 원심회전축을 통하여 회전 플레이트(즉, 방사 노즐)에 연결시키는 형식으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지는 않고, 적절히 변형가능한다.

한편, 도 3는 본 발명의 원심전기방사장치의 제2 구성예를 보인 것이다. 도 2와의 차이점은 방사 노즐(5)의 절곡부(24)의 구성이다. 즉, 도 3에서는 회전 플레이트(9) 내의 방사 노즐(5)의 상단을 구성하는 스핀들(4)이 절곡부(24')에서 상방향으로 깊숙히 연장되어 소정의 공간을 형성하고 있다. 따라서, 보다 많은 방사액이 이 방사 노즐(5)의 내부에서 원심회전시, 상기 절곡부(24')에 형성된 공간 속 으로 수용되어 축방향(즉, 전계방향)으로의 보다 많은 유압을 가하게 된다. 따라서, 섬유의 방사방향으로 보다 강한 힘이 부여되면서, 섬유의 극세효과를 더욱 증가시키게 되는 효과가 있다.

특히, 이 때, 상기 내부확장부는 원심력 방향보다는 상방향으로 확장되는 것이 바람직하다. 이는 방사액의 순간적인 쏠림에 의한 압력이 노즐의 개구부(하측 방향) 방향으로 미치게 함으로써, 수직방향으로 배출하는 방사액의 배출속도를 높일 수 있도록 하기 위해서이다.

또한, 도 4는 본 발명의 원심전기방장치의 제3 구성예를 보인 것이다. 이 예에서는 방사액은 미리 제조되어 별도의 저장조에서 보관되다가 방사시 방사 노즐로 이송되는 것이 아니고, 방사와 동시에 방사액의 제조가 이루어지도록 되어 있다. 도 4에서 모터는 스핀들 구동 벨트(30), 스핀들 샤프트의 절연측(31), 스핀들 샤프트의 전극측(32)을 가동하는데, 이 때, 상기 원심 회전축을 이루는 상기 스핀들 샤프트에는 방사액을 혼합,제조하기 위한 교반통(36)이 밸브(37)와 함께 고정된다. 이 때, 부호 38은 베어링이다. 방사 원료로서 폴리머 용액과 용매가 각각의 케이스(43,44)에서 밸브(42,41)에 의해, 이송관(40,39)을 통해 상기 교반통(36)에 공급되고, 상기 모터에 의하여 교반기 구동 벨트(34)에 의해 교반기축(35)이 구동되어 상기 용액 및 용매의 혼합에 의한 방사액의 제조가 이루어지게 된다. 이 때, 상기 샤프트(31,32)와 콜렉터(16)에 전압이 인가되고, 회전 플레이트 내측의, 절곡부를 가지는 방사 노즐(5)에 의하여 원심력 및 축방향으로의 힘이 부여된 방사액(17)이, 소정 각도를 가지고 축방향(23)으로 토출되어, 이 힘과 전기장의 힘에 의하여 콜렉터(16) 상에 극세 섬유로 포집되는 것은, 앞서 기술한 구성예에서와 동일한다.

즉, 미리 제조한 방사액의 장기간 보관이 어려운 경우에는, 이러한 구성에 의하여 방사와 동시에 방사액을 제조하면서 작업하는 것도 가능하다.

그 외, 본 발명은 원심방사와 전기방사를 결합한 구성을 중심으로 설명하고 있으나, 방사조건 혹은 목적에 따라서는 상기 구성의 원심방사노즐 자체만으로도 소정의 효과를 달성할 수 있다. 즉, 본 발명의 범위에는 전압인가없이, 상기 노즐을 이용하여 원심방사하여 이용하는 구성도 포함된다.

실시예

제1 구성예의 장치를 이용하여, PAN을 전기방사하였다. 용매는 DMF을 사용하여 18wt%의 PAN 용액을 방사액으로 사용하고, 전압은 50kV를 인가하였다. 제조된 섬유는 섬도(평균직경) 600-800nm이었다. 도 5는 상기 실시예에 의하여 포집된 웹상태의 섬유의 사진을 보인 것이다.

상기 결과에서와 같이, 본 발명에 의한 장치 및 방법은 원심방사와 전기방사를 유기적으로 효과적으로 결합함으로써, 설비 및 작업이 단순하면서도 섬유의 직경 조절이 용이하다는 장점이 있다. 특히, 본 발명에 의하는 경우, 원심방사 및 전기방사 조건을 적절히 조절,결합함으로써, 제조되는 섬유의 직경을 나노 수준까지 감소시킬 수 있으므로, 최근 다양한 용도가 기대되는 나노섬유를 대량 생산에 도움이 된다.

Claims (7)

1. i) 폴리머 용융액 또는 용액으로 이루어진 방사액을 방사노즐에 공급하는 방사액 공급수단, ii) 내측에 하나 이상의 방사노즐이 형성된 회전 플레이트를 포함하는 원심회전부, iii) 콜렉터 및 iv) 상기 회전 플레이트 및 상기 콜렉터에 전압을 부여하는 전압 부여 장치를 포함하고,

   상기 방사노즐은 상기 방사액의 이동경로를 원심력 방향으로부터 축방향으로 절환시키기 위한 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 방사액 공급수단은 방사시 별도의 저장조에 보관된 방사액을 상기 방사노즐까지 이송시키는 것임을 특징으로 하는 원심전기방사장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 절곡부는 상기 노즐 내의 방사액의 수용량을 늘려, 상기 노즐의 개구부에서의 방사액의 방출압력을 증가시키기 위한 내부 확장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 전압 부여 장치는 상기 회전 플레이트에 - 전압을, 상기 콜렉터에는 + 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 원심전기방사장치.
6. 폴리머를 용융시키거나 또는 소정의 용매에 용해하여 제조한 방사액을 전압이 인가된 방사노즐 입구에 공급하고,

   원심력 방향에서 하부 축방향으로 절곡된 방사노즐을 원심회전시키면서 방사액을 토출시키고,

   상기 방사노즐과 반대의 전압이 인가된 하부의 콜렉터 상에서 방사된 섬유를 포집하는 것을 포함하는 원심전기방사방법
7. i) 폴리머 용융액 또는 용액으로 이루어진 방사액을 방사노즐에 공급하는 방사액 공급수단, ii) 내측에 하나 이상의 방사노즐이 형성된 회전 플레이트를 포함하는 원심회전부, 및 iii) 콜렉터를 포함하고,

   상기 방사노즐은 상기 방사액의 이동경로를 원심력 방향으로부터 축방향으로 절환시키기 위한 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심방사장치.

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