KR101323581B1 - 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결된 구조이다.
본 발명에 따른 나노섬유의 제조방법은 상기 나노섬유 제조용 방사튜브(T) 중 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 고분자 점성물을 공급 투입하고, 상기 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 다각형 제2튜브(T2)는 회전시킬 수 있고 고정할 수도 있다.
본 발명은 고분자 용융체의 점도를 고분자의 분해 없이도 높은 전단력으로 획기적으로 낮출 수 있어서 고분자 용액 뿐만 아니라 고분자 용융체로도 나노섬유를 제조할 수 있고, 원심력 만으로 나노섬유 제조가 가능하므로 고전압을 걸어주는 공정을 생략할 수 있어서 안전성이 크게 향상되고, 방사튜브 내에서 보다 많은 방사영역이 형성되어 방사튜브(T) 당 토출량이 높아져 생산성이 향상되고 노즐 사용시 보다 노즐 교체 및 청소의 번거로움이 해소된다.

Description

나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법{Spinning tube for manufacturing nano fiber and method of manufacturing nano fiber by thereby}

본 발명은 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용하여 원심력만으로 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 방사액을 토출하는 기구로서 종래 노즐 대신에 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

종래 나노섬유는 주로 전기방사방식으로 제조되어 왔다.

종래 나노섬유를 제조하는데 사용된 전기방사장치로는 대한민국 등록특허 제10-0420460호 등에 게재된 바와 같이 방사액을 토출하는 기구로 고정된 노즐(Nozzle)을 주로 채택해 왔었다.

그러나, 상기 종래 전기방사장치들은 고정된 노즐을 통해 방사액을 전기방사(토출)하기 때문에 정전기력에만 의존하여 전기방사가 실시되어 단위시간당 노즐 단위홀당 토출량이 0.01g 수준으로 매우 낮아 생산성이 떨어져 결국 양산화가 어려운 문제점과, 노즐 교체 및 청소가 매우 복잡하고 번거로운 문제점 등이 있었다.

일반적으로 전기방사를 통한 나노섬유의 생산량은 시간당 0.1~1 g 수준이고 용액 토출량은 시간당 1.0~5.0 mL 수준으로 매우 낮다[D. H. H. Renecker 등, Nanptechnology 2006, VOl 17, 1123].

또 다른 종래의 전기방사장치로는 3,000rpm 이상으로 고속회전하는 원통을 이용하여 상기 원통 내에 투입된 방사액(클로로벤젠에 용해된 폴리메틸메타아크릴레이트 용액)을 원심력만을 이용하여 전기방사하는 전기방사장치가 K. Kern 등이 나노레터(Nano Letters)에 발표한 논문(Nano Letters, 2008, Vol 8, No.4, 1187-1191)에 게재되어 있다.

그러나, 상기 종래의 전기방사장치는 정전기력은 사용하지 않고 원심력만을 사용하여 전기방사하기 때문에 생산량이 떨어지고, 원통 내에 방사액을 연속적으로 공급하기 어려워 연속생산이 곤란한 문제점이 있었다.

또 다른 종래의 전기방사장치로는 50rpm으로 회전하는 원추형 용기에 고전압들을 걸어주면서 폴리비닐피릴리돈 용액을 공급하여 정전기력과 원심력을 동시에 이용하여 노즐 없이 전기방사를 실시한 전기방사장치를 Nanzhou 대학의 Jinyuan Zhou 등이 2010년 스몰(Small)지에 발표한 논문(Small, 2010 Vol 6, 1612-1616)에 게재되어 있다.

그러나, 상기 종래의 전기방사장치는 원심력과 정전기력을 활용하여 노즐이 없는 형태로 단위시간당 생산량을 향상시킬 수 있지만 상기 원추형 용기 내에 방사액을 연속 공급하여 연속 생산이 어려운 문제점과, 상기 원추형 용기 하부에 컬렉터가 위치하여 방사액이 섬유형태가 아니라 용액상태로 떨어지는 현상(이하 "드롭발생 현상"이라고 한다)이 일어나는 문제점이 있었다.

또한 다량의 노즐을 노즐판상에 배열하여 전기방사하는 시스템에 대한 방식 등도 이미 잘 알려져 있다[H. Y. Kim, WO2005073441, WO2007035011].

기존의 전기방사장치들의 단점은 전기방사장치에 고전압을 걸어 주어야 하므로 위험하고, 단위 홀당 나노섬유의 생산량이 매우 낮고 또한 노즐을 사용함으로써 노즐의 청소 등이 번거로운 문제점이 있으며, 고분자를 용매에 녹인 고분자 용액은 전기방사가 가능하지만 고분자를 용융시킨 고분자 용융체는 전기방사가 불가능한 문제점이 있었다.

그 이유는 기존의 전기방사장치들은 고분자 용융체의 분자량 감소없이 점도만 낮추기 위해 필요한 고전단력을 전기방사되는 고분자 용융체에 부여할 수 없었기 때문이다.

그 결과, 고분자 용액은 물론 고분자 용융체를 사용하여 나노섬유를 제조할 수 있는 방사장치의 개발이 요구되었다.

본 발명의 과제는 이와 같은 종래의 문제점들을 해결할 수 있도록 고분자 용액은 물론 고분자 용융체까지도 고전압 인가 없이 원심력만으로 방사, 제조할 수 있고 단위시간당 단위 원통상 방사 튜브당 토출량이 높아져 생산성이 크게 향상되고, 노즐 교체 및 청소의 번거로움을 해소할 수 있고, 드롭 발생현상도 효과적으로 방지할 수 있는 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 나노섬유 제조용 방사튜브를 제공한다.

또한 본 발명에서는 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 나노섬유 제조용 방사튜브(T) 중 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 고분자 점성물을 공급 투입하고, 상기 원통형 제1튜브(T1)를 회전시켜 전기력 부과없이 원심력만으로 나노섬유를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 나노섬유 제조용 방사튜브(T) 내부 중 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 공급된 고분자 용융체의 점도를 고분자의 분해 없이도 높은 전단력으로 획기적으로 낮출 수 있어서 고분자 용액 뿐만 아니라 고분자 용융체로도 나노섬유를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 원심력 만으로 나노섬유 제조가 가능하므로 종래 전기방사시 방사노즐 및 컬렉터에 고전압을 걸어주는 공정을 생략할 수 있어서 안전성이 크게 향상된다.

또한, 본 발명은 원통형 제1튜브(T1) 및/또는 다각형 제2튜브(T2)가 회전하기 때문에 방사튜브 내에서 보다 많은 방사영역이 형성되어 방사튜브(T) 당 토출량이 높아져 생산성이 향상되고 노즐 사용시 보다 노즐 교체 및 청소의 번거로움이 해소된다.

도 1은 본 발명에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)의 사시개략도.
도 2는 도 1에 도시된 나노섬유 제조용 방사튜브(T)중 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1)의 사시개략도.
도 3은 도 1에 도시된 나노섬유 제조용 방사튜브(T)중 다각형 제2튜브(T2)의 사시개략도.
도 4는 본 발명에 따라 나노섬유를 제조하는 공정개략도.
도 5는 실시예 1로 제조된 나노섬유 웹의 전자현미경 사진.

이하 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결된 구조를 갖는다.

상기 다각형 제2튜브(T2)가 다각형 제2튜브(T2)를 회전시키는 구동장치와 연결될 수도 있다.

상기 다각형 제2튜브(T2) 및 다각형 중공부(L)는 모서리가 3개 이상인 다각형 형태인 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 따른 나노섬유의 제조방법은 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 나노섬유 제조용 방사튜브(T) 중 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 고분자 점성물을 공급 투입하고, 상기 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 원통형 제1튜브(T1)와 함께 다각형 제2튜브(T2)도 함께 회전시킬 수도 있고, 원통형 제1튜브(T1)만 회전시키고 다각형 제2튜브(T2)는 고정시킬 수도 있다.

상기 원통형 제1튜브(T1)의 회전수는 5,000rpm 정도인 것이 나노섬유 형성능을 향상시키는데 바람직하다.

그러나, 원통형 제1튜브(T1) 및 다각형 제2튜브(T2)들의 회전수는 원통형 제1튜브(T1)의 내벽을 이루는 다각형 형태 및 직경 등에 따라 적절하게 조절될 수 있는 바, 본 발명에서는 상기 원통형 제1튜브(T1)의 회전수를 특정범위로 한정하는 것은 아니다.

상기 고분자 점성물은 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액 이거나 고분자를 용융시킨 고분자 용융체 이다.

원통형 제1튜브(T1) 내부에 형성된 중공부(L)의 형태가 다각형 대신에 원형인 경우에는 고분자 용융체가 섬유화로 형성되는 점(Point)이 균일하지 못하여 방사성 측면에서 바람직하지 못하다.

본 발명은 원통형 제1튜브(T1)의 내부에 다각형 중공부(L)가 형성되어 있고 다각형 제2튜브(T2)가 다각형 형태이기 때문에, 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 고분자 용액 또는 고분자 용융체를 투입 한 후 상기 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키면서 방사하게 되면 나노섬유가 형성되는 다각형의 끝 부분(모서리 부분)의 비표면적이 넓게 유지되어 토출량이 증가하여 방사성이 향상되고, 아울러 고분자 용융체에 높은 전단력을 부과하여 분자량의 저하 없이도 고분자 용융체의 점도를 낮추어 방사성을 더욱 향상시켜주게 된다.

다음으로는, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)를 사용하여 나노섬유 웹을 제조하는 방법 일례를 살펴본다.

도 4에서는 본 발명에 따른 방사튜브(T)를 개략적으로 도시하였으나, 도 4에 사용된 방사튜브(T)의 구조는 도 1에 도시된 방사튜브와 동일하다.

고분자 용매에 용해하여 제조된 후 방사액 주탱크(b)에 저장 중인 방사액 중 일정량을 정량펌프(c)를 통해 튜브 블록(d)에 공급한다. 이와 같이 튜브 블록(d)에 공급된 방사액은 튜브 블록(d) 상에 원통형 방사 튜브 지지체(f)에 부착된 상기 나노섬유 제조용 방사튜브(T)를 통해 상기 방사 튜브(T) 상부에 위치하면서 회전하는 컬렉터(i)를 향해 용액방사하여 나노섬유를 상기 컬렉터(i) 상에 집적하여 나노섬유 웹을 제조한다.

상기와 같이 나노섬유 웹을 제조하게 되면, 정전기력 없이 원심력만을 이용하여 방사를 실시하게 되어 고전압 인가가 불필요해 안전하고, 단위시간당 상기 방사 튜브(T)당 토출량이 높아져 생산성이 크게 향상되고, 종래 노즐을 사용하지 않아 노즐교체 및 청소의 번거로운 작업을 생략할 수 있고, 컬렉터(i)가 상기 방사 튜브(T) 상단에 위치하여 드롭현상을 방지하여 나노섬유 웹의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 보호범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

용융지수(Melt Index)가 25인 폴리에틸렌 수지(Dow 회사의 Dowlex 2552E 제품)을 용융하여 제조한 고분자 용융체를 도4에 도시된 바와 같이 정량펌프(c)를 통해 도 1과 같이 내부에 8각형 중공부(L)가 형성된 직경 35㎜의 원통형 제1튜브(T1)와 상기 원통형 제1튜브의 8각형 중공부(L) 내에 동심원 상태로 삽입되어 있는 직경 18㎜의 8각형 제2튜브(T2)로 구성되는 나노섬유 제조용 방사튜브 내로, 다시말해 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 8각형 제2튜브(T2) 외벽 사이 영역 내로 공급한 다음, 230℃의 방사온도에서 상기 원통형 제1튜브(T1)를 5,000 rpm의 회전수로 회전시켜 고분자 용융체를 방사튜브(T) 상단에 위치하는 컬렉터(1)를 향해 나노섬유 형태로 용융방사하여 나노섬유 웹을 제조하였다.

제조한 나노섬유 웹의 전자현미경 사진은 도 5와 같았다.

제조된 나노섬유의 평균직경은 450㎚ 이였다.

T : 나노섬유 제조용 방사튜브.
T1 : 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통상 제1튜브.
T2 : 다각형 제2튜브.
Y : 다각형 제2튜브(T2)의 내접원.
L : 원통형 제1튜브(T1) 내부에 형성된 다각형 중공부
b : 방사액 주탱크
c : 방사액 공급펌프
d : 튜브 블록
f : 원통형 방사 튜브 지지체.
g : 모터
h : 동력전달장치
i : 컬렉터
k : 베어링

Claims (6)

1. 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조용 방사튜브.
2. 제1항에 있어서, 다각형 제2튜브(T2)가 다각형 제2튜브(T2)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조용 방사튜브.
3. 내부에 다각형 중공부(L)가 형성된 원통형 제1튜브(T1) 및 상기 원통형 제1튜브(T1)의 중공부(L)내에 삽입되어 있는 다각형 제2튜브(T2)로 구성되고, 상기 다각형 제2튜브(T2)의 내접원(Y)은 원통형 제1튜브(T1)의 외주원과 동심원이고, 상기 원통형 제1튜브(T1)는 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 구동장치와 연결되어 있는 나노섬유 제조용 방사튜브(T) 중 원통형 제1튜브(T1) 내벽과 다각형 제2튜브(T2) 외벽 사이의 다각형 중공부(L) 영역으로 고분자 점성물을 공급 투입하고, 상기 원통형 제1튜브(T1)를 회전시키는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 원통형 제1튜브(T1)와 함께 다각형 제2튜브(T2)도 회전시키는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 고분자 점성물이 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 고분자 점성물이 고분자를 용융시킨 고분자 용융체인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.

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