KR101058391B1

KR101058391B1 - 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭

Info

Publication number: KR101058391B1
Application number: KR1020090098850A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 기 택 남
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-08-22
Also published as: KR20110041839A

Abstract

본 발명은 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭에 관한 것으로서, (ⅰ) 노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출되게 형성되어 있고, (ⅱ) 상기 노즐(N)들은 노즐블럭(P)의 표면상에 다각형 형태의 노즐면(F)을 형성하고, (ⅲ) 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하고, (ⅳ) 상기 경사면(Q)들은 상기 노즐면(F)의 중심점의 수직 하단부에 위치하는 일지점에서 서로 만나 오목한 깔데기 형상을 형성하고, (ⅴ) 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭은 노즐을 별도로 조립할 필요가 없고 노즐블럭을 용매나 혹은 소각로를 사용하여 청소를 직접 함으로써 각개의 노즐을 조립하거나 청소할 필요가 없어 설치 및 관리가 용이하고, 과잉의 고분자용액을 효과적으로 회수할 수 있어서 품질이 균일한 나노섬유 웹을 생산하는데 보다 유리하다.

노즐블럭, 노즐, 일체형, 전기방사, 경사면, 나노섬유, 청소.

Description

노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭{Electrospinning nozzle block with united nozzle}

본 발명은 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭(이하 "전기방사용 노즐블럭"이라고 약칭한다)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 설치 및 관리가 용이하여 나노섬유 웹의 양산화에 편리성을 제공함과 동시에 전기방사용 노즐블럭에 과잉 공급된 고분자용액을 효과적으로 회수할 수 있어 보다 균일한 나노섬유 웹 제조가 가능한 전기방사용 노즐블럭에 관한 것이다.

통상적으로는, 도 5에 도시된 전기방사장치를 사용하여 나노섬유 웹을 전기방사 방식으로 제조하였다.

도 5는 종래 전기방사장치의 개략도이다.

도 5의 종래 전기방사장치는 고분자용액 탱크(A), 고분자용액 공급펄프(B), 다수의 노즐(N)들이 조립, 설치되어 있는 노즐블럭(P), 전압발생장치(Y), 전압전달로드(X) 및 전기방사되어 휘산되는 나노섬유를 집적하는 컬렉터(Z)들로 구성된다.

종래의 전기방사장치에서는 도 5에 도시된 바와 같이 각개의 노즐(N)들을 노즐블럭(P)의 홈에 탈, 부착시키는 구조의 전기방사용 노즐블럭(P)이 주로 사용되어 왔다.

전기방사 과정에서 수십 혹은 수만개의 노즐을 단위 면적에 배열하여 광폭의 웹을 만든다. 이 때 가장 중요한 부분을 차지하는 노즐이 배열된 노즐블럭의 조립에 많은 시간이 소요됨은 물론 노즐블럭을 교체하여 사용하고자 할 경우에 노즐을 노즐블럭으로부터 분리하여 노즐을 청소해야 하는 복잡하면서 많은 노동력과 시간 소요가 필요하다.

그러나, 상기의 종래 전기방사용 노즐블럭(P)은 노즐(N)들을 노즐블럭(P)의 홈에 조립하는 공정과, 노즐(N)들을 노즐블럭(P)으로 부터 분리후 청소하는 공정이 번거롭고 복잡한 문제점이 있었다.

또한, 종래 전기방사용 노즐블럭(P)은 노즐로 과잉 공급된 고분자 용액을 효과적으로 회수하는 기능이 부족하여, 과잉 공급된 고분자 용액이 전기방사에 의해 섬유화 되지 못하고 액체상태 그대로 물방울 형태로 나노섬유 웹에 떨어지는 현상 (이하 "드롭 현상"이라고 한다)이 발생되어 전기방사로 제조되는 나노섬유 웹의 균일성이 저하되는 문제도 발생되어 왔다.

이와같은 종래 전기방사용 노즐블럭의 문제점을 해결하기위해서, 본 발명은 노즐을 노즐블럭에 조립 또는 분리할 필요가 없고, 노즐블럭을 용매나 소각로를 사용하여 직접 쉽게 청소할 수 있어서 설치 및 관리가 용이한 전기방사용 노즐블럭을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 노즐에 과잉 공급된 고분자용액을 보다 효과적으로 회수할 수 있어서 보다 균일한 품질의 나노섬유 웹의 제조가 가능한 전기방사용 노즐블럭을 제공하고자 한다.

이와 같은 과제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출되게 형성함으로서 노즐을 노즐블럭에 조립 또는 분리할 필요가 없고, 전기방사용 노즐블럭의 청소도 용이하게 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 노즐(N)들은 노즐블럭(P)의 표면상에 다각형 형태의 노즐면(F)을 형성하면서, 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하고, 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성함으로서, 노즐로 과잉 공급된 고분자용액이 효과적으로 회수될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭은 노즐을 별도로 조립할 필요가 없고 노즐블럭을 용매나 혹은 소각로를 사용하여 청소를 직접 함으로써 각개의 노즐을 조립하거나 청소할 필요가 없어 설치 및 관리가 용이하고, 고분자용액을 효과적으로 회수할 수 있어서 품질이 균일한 나노섬유 웹을 생산하는데 보다 유리하다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, (ⅰ) 노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출되게 형성되어 있고, (ⅱ) 상기 노즐(N)들은 노즐블럭(P)의 표면상에 다각형 형태의 노즐면(F)을 형성하고, (ⅲ) 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하고, (ⅳ) 상기 경사면(Q)들은 상기 노즐면(F)의 중심점의 수직 하단부에 위치하는 일지점에서 서로 만나 오목한 깔데기 형상을 형성하고, (ⅴ) 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 부분 확대 사시도이다.

구체적으로, 본 발명의 전기방사용 노즐블럭은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 노즐(N)들이 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 일정한 높이(H)로 돌출되게 노즐블럭(P)과 일체형으로 형성되어 있다.

노즐(N)들이 노즐블럭의 표면으로 부터 일정한 높이(H)로 돌출되게 형성된 이유는 고분자용액이 노즐을 통하여 전기방사 하는 동안에 노즐의 끝에 형성된 방울에 정전기력이 집중화되어 나노섬유 형성능을 높일 수 있기 때문이다.

상기 높이(H)는 5㎜ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 노즐면에 배열된 노즐들은 서로 일정한 간격, 다시 말해 인접한 노즐 들은 서로 일정한 간격(I)을 유지하고 있다.

인접한 노즐 간의 간격이 너무 짧은 경우에는 노즐들 사이에 형성된 정전기력의 힘이 상호 영향을 미쳐 나노섬유 형성능이 저하된다.

한편, 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭은 노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 형성되어 노즐(N)들을 노즐블럭(P)에 조립하는 공정과 분리하는 공정을 생략할 수 있고, 노즐블럭(P)의 청소도 용이한 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 노즐(N)은 일체형으로 노즐블럭(P)에 부착되어 있어서 전기방사 하기 위해서 노즐을 별도 조립할 필요도 없고, 또한 노즐블럭을 교체하고자 할 경우에 노즐을 별도 분리하여 청소할 필요 없이 노즐블럭 자체를 청소하면 된다.

따라서 수십 혹은 수만 개의 노즐을 분리하여 청소하고 이를 조립하는 별도의 공정이 필요가 없다. 본 발명은 노즐블럭의 설치가 매우 간편하여 생산성을 양호하게 할 수 있을 뿐만 아니라 청소를 간편하게 할 수가 있어서 양산화 과정을 보다 편하게 할 수가 있다.

본 발명의 전기방사용 노즐블럭은 노즐이 일체형으로 부착되어 있어서 노블블럭의 청소를 용이하게 하기 위해서 노즐을 일정한 개수를 배열된 단위 블록단위로 구성할 수도 있다. 또한 노즐블럭은 노즐이 배열된 최상부의 두껑으로만 구성하여 노즐이 배열된 단위 노즐블럭의 청소를 용이하게 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(N)들은 노즐블럭(P)의 표면상에 다각형 형태의 노즐면(F)을 형성하면서, 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연 결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하고, 상기 경사면(Q)들은 상기 노즐면(F)의 중심점의 수직 하단부에 위치하는 일지점에서 서로 만나 오목한 깔데기 형상을 형성하고, 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 3은 노즐면(F)이 육각형(벌집형)인 본 발명에 따른 노즐블럭의 평면도이고, 도 4는 노즐면이 사각형인 본 발명에 따른 노즐블럭의 평면도이다.

상기 노즐면(F)은 다각형 형태로서, 예를 들면 3각형 내지 12각형 형태중 어느 하나의 형태인 것이 바람직하다.

상기 노즐(N)의 형태는 필요에 따라서 전체가 원추형(conical)이거나, 노즐 끝은 원통형이고 나머지 부분은 원추형이거나, 원통형이거나, 다각형 등이다.

한편, 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭은 앞에서 설명한 바와 같이 노즐 표면중 노즐면(F)을 제외한 나머지 표면들이 상기 노즐면(F)을 형성하고, 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있기 때문에 노즐(N)로 과잉 공급된 고분자용액을 효과적으로 회수할 수 있다. 그로 인해 전기방사중 발생하기 쉬운 드롭현상을 효과적으로 방지하여 보다 균일한 나노섬유 웹을 제조할 수 있다.

필요에 따라서는 이 전기방사용 노즐블럭을 좌우로 움직이게 하여 나노섬유 웹의 폭 방향의 두께 균일성을 갖출 수도 있다.

도 1을 통해 노즐(N)로 과잉 공급된 고분자용액이 효과적으로 회수되는 과정 을 살펴보면, 고분자용액 탱크(A) 내에 저장중인 고분자용액은 공급펌프(B)를 통해 노즐(N)로 공급된다.

이때 노즐로 과잉 공급된 고분자용액은 노즐선단을 빠져나온 후 노즐블럭의 경사면(Q)을 따라 아래로 흘러내리면서 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)로 모여 상기 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)을 통해 과잉 고분자용액 회수판(R)으로 회수된 후, 고분자용액 회수용 펌프(C)에 의해 고분자용액 탱크(A)로 운송, 저장된다.

본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭(P)은 전기방사장치를 구성할 때 컬렉터(Z)의 하단에 위치하거나, 컬렉터(Z)와 수평되게 위치하거나, 컬렉터(Z)와 경사진 각도로 위치할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

실시예 1

황산 상대점도가 2.8인 나일론 6 수지를 개미산에 용해하여 고형물의 함량이 20중량% 전기방사용 고분자용액을 제조하였다.

노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출되게 형성되어, 상기 노즐들이 노즐블럭(P)의 표면상에 도 2 내지 도 3과 같이 육각형(벌집형)의 노즐면(F)을 형성하고 있으며, 도 2와 같이 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하면서 상기 경사면(Q)들은 상기 노즐면(F)의 중심점의 수직 하단부에 위치하는 일지점에서 서로 만나 오목한 깔데기 형상을 형성하고, 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있는 전기방사용 노즐블럭을 통해 상부에 위치하는 컬렉터(Z)를 향해 상기의 고분자용액을 전기방사하여 나노섬유 웹을 제조하였다.

이때, 노즐블럭에 형성된 노즐의 내경은 7㎜, 외경은 7.6㎜, 길이는 12㎜로 조절하였고, 노즐의 형태는 원추형 노즐 형태로 하였다.

또한, 노즐의 노즐면(F)으로 부터 돌출된 높이(H)는 7㎜로 하였고, 인접 노즐간의 간격(I)은 22㎜로 하였고, 1,200㎜ × 1,200㎜ 노즐블럭 표면에 총 729개(27×27)의 노즐을 일체로 형성한 단위 노즐블럭 3개를 길이방향으로 배열하여 전체 노즐블럭을 구성하였다.

전기방사시 노즐블럭(P)에 형성된 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)과 연결된 과잉 고분자용액 회수판(R)을 사용하여 과잉 고분자용액을 회수하였고, 나노섬유 웹의 진행속도는 1.5m/분으로 조절하였다.

이와 같이 제조된 나노섬유 웹은 단위중량이 3g/㎡이고, 강력이 8MPa이고, 신도가 115%이고, 드롭현상이 효과적으로 방지되어 균일한 품질이 발현되었다.

상기 나노섬유 웹을 구성하는 나노섬유의 직경은 86㎚ 이었다.

도 1은 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 모식도.

도 2는 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 부분 확대 사시도.

도 3은 노즐면(F)이 육각형(벌집형)인 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 평면도.

도 4는 노즐면(F)이 사각형인 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블럭의 평면도.

도 5는 통상적인 종래 전기방사장치의 개략도.

* 도면중 주요 부분에 대한 부호 설명

A : 고분자용액 탱크 B : 고분자용액 공급펌프

C : 고분자용액 회수용 펌프 F : 노즐면

H : 노즐면에서 돌출된 노즐의 높이 I : 인접한 노즐간의 간격

N : 노즐 P : 노즐블럭

P1 : 노즐블럭의 상단부 P2 : 노즐블럭의 하단부

Q : 노즐블럭의 경사면 R : 과잉 고분자용액 회수판

S : 과잉 고분자용액 회수용 홀(Hole) X : 전압전달로드

Y : 전압발생장치 Z : 컬렉터

Claims

(ⅰ) 노즐(N)들이 노즐블럭(P)과 일체형으로 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출되게 형성되어 있고, (ⅱ) 상기 노즐(N)들은 노즐블럭(P)의 표면상에 다각형 형태의 노즐면(F)을 형성하고, (ⅲ) 상기 노즐면(F)을 제외한 나머지 노즐블럭(N)의 표면들은 2개의 노즐을 연결하는 표면 단위로 노즐면(F)에서 노즐블럭(P)의 하단방향으로 경사진 경사면(Q)들을 형성하고, (ⅳ) 상기 경사면(Q)들은 상기 노즐면(F)의 중심점의 수직 하단부에 위치하는 일지점에서 서로 만나 오목한 깔데기 형상을 형성하고, (ⅴ) 경사면(Q)들이 만나는 상기 일지점에 과잉 고분자용액 회수용 홀(S)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭.
제1항에 있어서, 노즐면(F)의 다각형 형태는 3각형 내지 12각형 형태중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭.
제1항에 있어서, 노즐(N)이 노즐블럭(P)의 표면으로 부터 위로 돌출된 높이(H)는 5㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 노즐이 일체형으로 형성된 전기방사용 노즐블럭.