KR100864526B1 - 초극세 나노섬유 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축공기를 분사시키면서 폴리머 용액을 방사하는 초극세 나노섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 저장조와, 방사노즐과, 에어분사구와, 전압부여수단과, 콜렉터를 포함하며, 상기 방사노즐(22)의 하단은 상기 에어분사구(24a)의 하단에서 요입되어, 상기 압축공기가 분사됨에 따라 상기 방사노즐(22)의 하단과 상기 에어분사구(24a)의 하단사이에는 음압이 형성되는 음압형성공간(S)이 구비된 제조장치와, 상기 방사노즐(22)과 상기 콜렉터(30)간에 고전압을 인가하여 상기 폴리머 용액을 방사하되, 상기 방사노즐(22)은 절연재를 사용하여 상기 방사노즐(22) 내부의 폴리머 용액에 -전극을 인가하고 상기 콜렉터에 +전극을 인가하는 제조방법이다. 본 발명에 의하면, 에어분사에 의한 용액의 방사효과를 높이며 용액 비이드의 형성을 방지하여 더욱 미세한 나노섬유의 제조가 가능하며, 방사노즐상의 노즐맺힘을 방지하여 용액의 방사효과를 더욱 높이게 된다.

Description

초극세 나노섬유 제조장치 및 제조방법{A manufacturing device and the method of preparing forthe nanofibers}

도1은 종래 초극세 나노섬유 제조장치의 방사구금부를 나타내는 개략도,

도2는 본 발명을 설명하기 위한 초극세 나노섬유 제조장치의 구성도,

도3은 도2의 방사구금의 설치상태, 및 용액토출부의 상세도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

20 : 방사구금 22 : 방사노즐

24 : 에어분사 몸체 24a : 에어 분사구

30 : 콜렉터 S : 음압형성공간

본 발명은 초극세 나노섬유의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방사노즐의 외측에 형성된 에어 분사구를 통해 압축공기를 분사시키면서 방사노즐로부터 방사된 섬유를 콜렉터상에 웹상태로 포집하는 초극세 나노섬유의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 부직포는 그 다양한 용도로 인해 전세계적으로 수요가 점차 증대 되고 있는 추세로 그 제조방법 역시 다양한 형태로 전개되고 있다.

이중에서도 극세섬유보다 한 단계 진보된 초극세 나노섬유로 이루어진 부직포의 제조기술의 개발을 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존의 극세 섬유기술로는 제조가 불가능한 수 ~ 수백 nm 직경의 나노섬유는 종래의 극세사와 비교할 수 없을 만큼 단위 부피당 표면적이 높으며 다양한 표면특성, 구조 및 복합성분의 나노섬유의 제조가 가능하므로 기존의 극세사 응용제품이 갖는 한계 물성을 극복하고 신기능성 제품의 창출이 가능하다.

이와 같은 나노섬유는 환경산업용 초정밀 여과재, 전기전자 산업용 소재, 의료용 생체재료, 고성능 복합재료로서 사용되고 있다.

극세섬유를 제조하는 기술은 플래시 방사법, 정전 방사법, 멜트 브로운 방사법으로 구분할 수 있는데, 한국등록특허 제0514572호 및 한국등록특허 제0453670호등에 개시되어 있다. 상기 멜트브로운 방사법과 정전방사법을 유기적으로 결합하거나, 상기 플래시 방사법과 정전방사법을 유기적으로 결합하여 나노미터 스케일의 나노섬유를 높은 생산성 및 수율로 대량제조할 수 있음이 알려져 있다.

그러나 이러한 기술로 나노섬유를 제조하는 방법은 절연방법의 구현이 쉽지 않고, 채택할 수 있는 수지의 제한이 따르며, 가열이 필수적이라는 점 등의 단점을 안고 있다. 이를 개선하기 위한 기술로 방사노즐의 외측에 형성된 에어 분사구를 통해 압축공기를 분사시키면서 방사노즐로부터 방사된 섬유를 콜렉터상에 웹상태로 포집하는 초극세 나노섬유의 제조장치 및 제조방법이 한국등록특허 제0549140호 및 한국등록특허 제0543489호로 개시되어 있다.

한국등록특허 제0549140호는 도1에 도시한 바와 같이, 폴리머 용액이 절연되고 고전압이 인가된 방사구금(1)의 방사노즐(2)을 통해 토출되면서, 상기 방사노즐(2)의 양옆에 위치하는 나이프에지형태의 에어분사구(4)를 통해 압축공기가 분사되어, 상기 폴리머 용액이 분쇄되어 도시하지 않는 콜렉터로 포집되는 장치 및 방법이다.

한국등록특허 제0543489호는 상기 방사노즐의 하단이 에어분사구의 하단에서 돌출한 구조의 초극세 나노섬유의 제조장치이다.

그런데, 종래 초극세 나노섬유의 제조장치 및 방법에 의하면, 방사노즐을 금속재로 하여 전압을 인가하므로 폴리머 용액과 방사노즐간에 전위차가 형성되어 노즐맺힘이 발생할 가능성이 크다는 문제점이 있었다.

또한 한국등록특허 제0549140호에서는 방사노즐의 하단이 에어분사구의 하단과 동일하게 되어 있으므로 방사노즐이 언벨런스되면 용액이 방사될 시에 용액 비이드가 형성될 가능성이 있다. 이를 개선하기 위한 한국등록특허 제0543489호에서는 방사노즐의 하단을 에어분사구의 하단에서 돌출되게 구성하였으나 에어분사 효과를 감소시킨다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 에어분사에 의한 용액의 방사효과를 높이며 용액 비이드의 형성을 방지하는 초극세 나노섬유 제조장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 방사노즐상의 노즐맺힘을 방지하여 용액의 방사효과 를 높이는 초극세 나노섬유 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 초극세 나노섬유 제조장치는, 폴리머 용액을 제조하기 위한 저장조와, 상기 저장조로부터 이송된 폴리머 용액이 토출되는 방사노즐과, 상기 방사노즐 외측에서 하단으로 압축공기가 분사되는 에어분사구와, 상기 방사노즐에 고전압을 인가하는 전압부여수단과, 상기 방사노즐로부터 토출된 방사섬유를 웹상태로 포집하기 위한 접지된 콜렉터를 포함한 초극세 나노섬유 제조장치에 있어서, 상기 방사노즐의 하단은 상기 에어분사구의 하단에서 요입되어, 상기 압축공기가 분사됨에 따라 상기 방사노즐의 하단과 상기 에어분사구의 하단사이에는 음압이 형성되는 음압형성공간이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 에어분사구의 단부는 원뿔대 구멍으로 되어 있고, 상기 방사노즐의 단부는 상기 원뿔대 구멍의 내부에 삽입되는 원뿔대로 되어 있으며, 상기 원뿔대의 중앙에 상기 폴리머 용액이 토출되어 방사되는 방사구멍이 형성되어 있다.

본 발명에 의한 초극세 나노섬유 제조방법은, 용매에 용해된 폴리머 용액을 방사노즐로 이송시키고, 상기 폴리머 용액을 방사노즐을 통해 토출시키면서 상기 방사노즐의 하단으로 압축공기를 분사시켜, 하부의 접지된 콜렉터상에 방사하여 방사섬유를 포집하는 초극세 나노섬유 제조방법에 있어서, 상기 방사노즐과 상기 콜렉터간에 고전압을 인가하여 상기 폴리머 용액을 방사하되, 상기 방사노즐은 절연재를 사용하여 상기 방사노즐 내부의 폴리머 용액에 -전극을 인가하고 상기 콜렉터에 +전극을 인가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명을 설명하기 위한 초극세 나노섬유 제조장치의 구성도이다.

도시한 바와 같이, 폴리머와 용매의 배합을 통해 폴리머 용액을 제조하는 저장조(10)과, 상기 저장조(10)로부터 이송된 폴리머 용액이 토출되는 방사노즐(22)과 이 방사노즐의 외측에 형성되는 에어분사구(24a)를 가지는 에어분사 몸체(24)를 가진 방사구금(20)과, 상기 방사노즐로부터 토출된 방사섬유를 웹상태로 포집하는 콜렉터(30)와, 상기 방사구금(20)과 상기 콜렉터(30)사이에 고전압을 인가하는 전압부여수단(40)과, 상기 에어분사구(24a)에 에어를 공급하는 에어공급수단(50)을 구비한다.

상기 저장조(10) 상단에는 대기압이 작용하고 저장조(10) 하단의 출구높이를 방사노즐(22)보다 높게 하여 대기압으로 방사노즐(22)까지 폴리머 용액을 이송시키고, 방사노즐(22) 하단의 후술하는 음압으로 폴리머 용액이 이송된다.

상기 방사구금(20)은 도3에 도시한 바와 같이 블록(60)에 설치하여 용액유입구(62)와 공기유입구(64, 64')를 통해 폴리머 용액과 압축공기를 유입시키게 된다.

상기 에어분사구(24a)의 단부는 원뿔대 구멍(24b)으로 되어 있고, 상기 방사노즐(22)의 단부는 상기 원뿔대 구멍(24b)의 내부에 삽입되는 원뿔대(22a)로 되어 있으며, 상기 원뿔대(22a)의 중앙에 상기 폴리머 용액이 토출되어 방사되는 방사구멍(22b)이 형성되어 있다.

상기 방사노즐(22)의 하단은 상기 에어분사구(24a)의 하단에서 요입되어, 상기 압축공기가 분사됨에 따라 상기 방사노즐(22)의 하단과 상기 에어분사구(24a)의 하단사이에는 음압이 형성되는 음압형성공간(S)이 구비되어 있다.

상기 콜렉터(30)는 접지된 상태로서 석션을 위해 송풍기(32)가 에어포집관34)을 통해 공기를 흡입하도록 구성되어, 방사노즐(22)과 이 콜렉터(30)사이의 고전압과 송풍기(32)의 흡입에 의해 석션이 이루어지게 된다. 송풍기(32)가 흡입하는 공기에는 용매가 포함되어 있어 도시하지 않은 용매회수장치(SRS, Solvent Recovery System)통해 리사이클 되도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 전압부여수단(40)은 상기 방사구금(20)과 상기 콜렉터(30)사이에 고전압을 인가하는 것으로서, 상기 방사노즐(22)은 절연재를 사용하여 상기 방사노즐(22) 내부의 폴리머 용액에 -전극을 인가하고 상기 콜렉터(30)에 +전극을 인가하는 수단이다.

상기 에어공급수단(50)은 압축기 등으로 되어 있는데, 상기 에어분사구(24a)를 통해 가열된 공기를 공급하도록 공기를 가열하는 공기가열기(52)를 포함한다. 상기 공기가열기(52)가 없이 가열되지 않은 공기를 공급할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 초극세 나노섬유 제조장치에서, 상기 저장조에서 용매에 용해된 폴리머 용액은 이송되어 방사노즐(22)을 통해 콜렉터(30)를 향해 방사된다. 이때, 에어공급수단(50)을 통해 압축공기가 공기가열기(52)에서 가열된 후 에어분사구(24a)를 통해 상기 방사노즐(22)의 외측에서 분사된다.

그리고, 상기 방사노즐(22)과 상기 콜렉터(30)간에 고전압을 인가하게 되는데, 상기 방사노즐(22) 내부의 폴리머 용액에 -전극을 인가하고 상기 콜렉터(30)에 +전극을 인가한다. 이러한 전극인가방법은 토출되는 폴리머 용액과 방사노즐사이에 전위차를 형성하지 않으므로 노즐맺힘현상을 방지할 수 있다.

도3에서 폴리머 용액은 A에서 A'방향으로 토출되어 방사되고 압축공기는 B에서 B'방향으로 분사되는데, 고속으로 분사되는 압축공기에 의한 베르누이 효과에 의해 상기 방사노즐(22)의 하단과 상기 에어분사구(24a)의 하단 사이의 공간(S)에는 음압이 형성된다. 따라서, 폴리머 용액의 방사효과를 높여 더욱 미세한 나노섬유를 얻을 수 있게 되고 방사시의 비이드 형성을 방지할 수 있게 된다.

상기 압축공기와 함께 콜렉터(30)로 방사되는 폴리머 용액은 방사노즐(22)과 콜렉터(30)사이의 고전압과 송풍기(32)의 석션작용에 의해 콜렉터에 웹상으로 포집되어 나노섬유를 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 의한 초극세 나노섬유 제조장치 및 제조방법에 의하면, 에어분사에 의한 용액의 방사효과를 높이며 용액 비이드의 형성을 방지하여 더욱 미세한 나노섬유의 제조가 가능하며, 방사노즐상의 노즐맺힘을 방지하여 용액의 방사효과를 더욱 높이는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 용매에 용해된 폴리머 용액을 방사노즐로 이송시키고, 상기 폴리머 용액을 방사노즐을 통해 토출시키면서 상기 방사노즐의 하단으로 압축공기를 분사시켜, 하부의 접지된 콜렉터상에 방사하여 방사섬유를 포집하는 초극세 나노섬유 제조방법에 있어서,

   상기 방사노즐(22)과 상기 콜렉터(30)간에 고전압을 인가하여 상기 폴리머 용액을 방사하되,

   상기 방사노즐(22)은 절연재를 사용하여 상기 방사노즐(22) 내부의 폴리머 용액에 -전극을 인가하고 상기 콜렉터에 +전극을 인가하는 것을 특징으로 하는 초극세 나노섬유 제조방법.

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