KR101343838B1

KR101343838B1 - 나노섬유웹 제조장치

Info

Publication number: KR101343838B1
Application number: KR1020110147622A
Authority: KR
Inventors: 성영빈
Original assignee: (주)엠엔에스21
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-12-20
Also published as: KR20130078598A

Abstract

본 발명은 나노섬유웹 제조장치에 관한 것으로, 폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐과 상기 방사노즐에서 방사되는 폴리머 용융액에 공기를 분사하는 공기 분사노즐을 구비한 방사봉과, 내부에 상기 방사봉을 구비한 원통형상의 집적드럼, 상기 방사봉을 축회전시키는 방사봉 회전수단, 상기 방사봉과 집적드럼에 전극을 각각 인가하는 고전압 발생장치, 상기 방사노즐로부터 배출되는 나노 섬유가 포집되는 베이스지를 상기 집적드럼의 원통 중심축방향을 따라 통과시키는 베이스지 이송수단, 상기 베이스지를 폭방향으로 말아 집적드럼의 내부로 유도하는 가이드부재, 상기 집적드럼의 내부로 공기를 공급하는 내부공기 공급수단, 및 상기 집적드럼의 베이스지 출구단에 구비되는 커버를 포함하여, 폭방향으로 균일한 두께를 갖는 나노섬유웹을 제조할 수 있고, 적은 노즐수로 광폭의 나노섬유웹을 제조할 수 있으며, 방사에 필요한 온도를 유지하는데 사용되는 에너지를 최소화할 수 있고, 베이스지가 주름지거나 구겨지는 것을 최소화할 수 있게 된다.

Description

나노섬유웹 제조장치{ Device for manufacturing a nano-fiber web}

본 발명은 나노섬유웹 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리머 용융액을 전기장 내로 토출시켜 나노섬유를 생성하여 나노섬유웹을 제조하는 나노섬유웹 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전기방사를 이용한 나노섬유웹 제조장치는 나노섬유의 원료인 폴리머 용융액을 전기장 내로 토출시켜 나노섬유웹을 제조하는 장치로, 이러한 나노섬유웹 제조장치의 일예가 한국 등록특허 제10-0549140호(선행문헌)에 개시되어 있다.

종래 선행문헌에 개시된 나노섬유웹 제조장치는, 열가소성 폴리머를 용융압출기(1)로 가열용융시켜 방사 용융액을 압출하고, 이 용융압출기(1)에서 압출되는 방사 용융액을 방사노즐부(4)의 선단 노즐(5)을 통하여 고전압이 인가된 전기방사영역으로 토출하여, 그 토출된 방사용융액은 전기방사영역의 전기장의 전기력에 의해 극세 섬유로 방사되어 하부의 집적판(10)에 집적되게 되어 있다. 또, 선단 노즐(5)을 통하여 방사되는 용융액에 전단력을 부가하여 방사 섬유를 극세화하도록 선단 노즐(5)의 끝단을 향하여 에어를 분사하는 에어 분사노즐(7)이 구비되어 있다. 그리고, 상기한 전기방사장치에는 방사영역에 전기장을 형성하기 위하여 방사노즐부(20)와 집적판(40)에 고전압의 양극 또는 음극이 연결되어 있다.

여기서, 종래의 집적판(10)은 평판형으로 형성되어 폭넓은 나노섬유웹을 제조하기 위해서는 폭방향을 따라 일정간격을 두고 다수개의 방사노즐부(4)를 구비해야 하는데 폭이 수 미터에 이르게 되면 방사노즐부(4)를 수십개 구비해야 할 뿐만 아니라 수십개의 방사노즐부(4)에 균일한 압력의 용융액을 동시에 공급하기가 어려워 폭방향으로 균일한 두께를 갖는 나노섬유웹을 제조하는데 한계가 있었다.

또한, 평판형 집적판(10)과 방사노즐부(44)의 사이 방사공간이 개방되어 있어 방사에 적합한 온도를 유지하는데 많은 에너지가 소모되는 문제점이 있었다.

한편, 상기 집적판(10)에 방사노즐부(4)로부터 방사되는 나노섬유가 포집되는 베이스지를 사용하는 경우 베이스지가 주름지거나 구겨져 균일한 두께의 나노섬유웹을 제조하는데 장애가 되고 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 나노섬유웹 제조장치가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 폭방향으로 균일한 두께를 갖는 나노섬유웹을 제조할 수 있고 적은 노즐수로 광폭의 나노섬유웹을 제조할 수 있으며 방사에 필요한 온도를 유지하는데 사용되는 에너지를 최소화할 수 있고 방사공간의 내부의 압력을 증가시켜 나노섬유가 포집되는 베이스지가 주름지거나 구겨지는 것을 최소화할 수 있는 나노섬유웹 제조장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 나노섬유웹 제조장치는, 폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐을 구비하고 상기 방사노즐에서 방사되는 폴리머 용융액에 공기를 분사하는 공기 분사노즐을 구비한 방사봉과, 내부에 상기 방사봉을 구비하여 내측벽에 상기 방사노즐로부터 배출되는 나노 섬유가 포집되는 원통형상의 집적드럼, 및 상기 방사봉과 집적드럼에 전극을 각각 인가하여 방사봉과 집적드럼사이에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 방사봉은 상기 방사노즐로부터 토출되는 폴리머 용융액에 원심력이 발생할 수 있도록 축회전가능하게 구비되고, 상기 방사봉을 축회전시키는 방사봉 회전수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 노즐은 방사봉의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수개가 방사형으로 구비된다.

더욱 바람직하게는, 상기 방사봉은 상기 집적드럼의 원통 중심축상에 구비된다.

그리고, 본 발명은 상기 방사노즐로부터 배출되는 나노섬유가 포집되는 베이스지를 구비하고, 상기 집적드럼의 내측벽에는 외부에서 내부 공기를 흡입하여 상기 베이스지를 집적드럼의 내측벽에 흡착시키는 다수개의 흡입구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 집적드럼의 원통 중심축방향을 따라 상기 베이스지를 통과시키는 베이스지 이송수단, 및 상기 베이스지가 집적드럼의 내측벽에 밀착되어 통과하도록 상기 베이스지를 폭방향으로 말아 집적드럼의 내부로 유도하는 가이드부재를 더 포함한다.

더욱 바람직하게는, 본 발명은 상기 베이스지가 상기 집적드럼의 내측벽에 밀착될 수 있도록 상기 집적드럼의 내부로 공기를 공급하는 내부공기 공급수단, 및 상기 베이스지가 통과할 수 있도록 집적드럼의 내측벽과 소정간격을 두고 집적드럼의 베이스지 출구단에 구비되고 상기 내부공기 공급수단으로부터 상기 집적드럼의 내부로 유입되는 공기가 외부로 배출되는 것을 저지하여 집적드럼 내부의 압력을 증가시키는 커버를 더 포함한다.

상기 내부공기 공급수단은 고온의 공기를 공급하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노섬유웹 제조장치에 의하면, 폭방향으로 균일한 두께를 갖는 나노섬유웹을 제조할 수 있고, 적은 노즐수로 광폭의 나노섬유웹을 제조할 수 있으며, 원통형으로 방사공간을 형성하고 내부 공기의 유출을 최소화하여 방사에 필요한 온도를 유지하는데 사용되는 에너지를 최소화할 수 있고, 방사공간의 내부의 압력을 증가시켜 나노섬유가 포집되는 베이스지가 주름지거나 구겨지는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노섬유웹 제조장치를 나타낸 개념도,
도 2는 도 1에 도시된 가이드부재에 의해 집적드럼에 베이스지가 출입하는 형상을 나타낸 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 집적드럼과 방사봉을 나타낸 확대 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 방사봉을 나타낸 일측 단면도,
도 5는 도 4의 A-A선을 따라 절개한 개략적 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 나노섬유웹 제조장치는, 폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐(21)과 상기 방사노즐(21)에서 방사되는 폴리머 용융액에 공기를 분사하는 공기 분사노즐(22)을 구비한 방사봉(20)과, 내부에 상기 방사봉(20)을 구비한 원통형상의 집적드럼(10), 상기 방사봉(20)을 축회전시키는 방사봉 회전수단, 상기 방사봉(20)과 집적드럼(10)에 전극을 각각 인가하여 방사봉(20)과 집적드럼(10) 사이에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치, 상기 방사노즐(21)로부터 배출되는 나노 섬유가 포집되는 베이스지(F)를 상기 집적드럼(10)의 원통 중심축방향을 따라 통과시키는 베이스지 이송수단, 상기 베이스지(F)가 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착되어 통과하도록 상기 베이스지(F)를 폭방향으로 말아 집적드럼(10)의 내부로 유도하는 가이드부재(62), 상기 베이스지(F)가 상기 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착될 수 있도록 상기 집적드럼(10)의 내부로 공기를 공급하는 내부공기 공급수단, 및 상기 집적드럼(10)의 베이스지 출구단에 구비되는 커버(40)를 포함한다.

상기 집적드럼(10)은 양단이 개방된 원통 형상으로 형성되고 상기 방사봉(20)은 상기 집적드럼(10)의 원통 중심축상에 구비되어 방사노즐(21)과 집적드럼(10) 내측벽과의 거리가 전체 방사영역에 걸쳐 동일하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방사노즐(21)은 방사봉(20)의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수개가 방사형으로 구비되어 사방으로 동시에 폴리머 용융액을 토출시켜 나노섬유를 방사시킬 수 있게 된다.

이와 같이 다수개의 방사노즐(21)의 각 선단과 나노섬유가 포집되는 집적드럼(10) 내측벽과의 거리가 동일하게 되면 한 번에 집적드럼(10)의 원주길이에 해당하는 폭 만큼의 나노섬유웹을 생산할 수 있게 된다. 즉, 적은 수의 방사노즐(21)로 광폭의 나노섬유웹을 생산할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 방사봉(20)은 집적드럼(10)의 중심축상에 축회전가능하게 구비된다. 상기 방사봉(20)의 양단은 방사봉 지지축(25)(26)에 각각 축회전가능하게 지지되고, 방사봉 회전수단에 의해 축회전하게 된다.

상기 방사봉 회전수단은 종동 스프라켓(51)과, 구동 스프라켓(52), 구동체인(53) 및 구동모터(54)로 구성된다. 상기 방사봉(20)의 일측에 종동 스프라켓(51)이 고정결합되고, 구동모터(54)로 구동 스프라켓(52)을 구동시키고 구동체인(53)으로 종동 스프라켓(51)에 동력을 전달하여 방사봉(20)을 축회전시키게 된다.

이와 같이 상기 방사봉(20)이 축회전하게 되면 방사노즐(21)로부터 토출되는 폴리머 용융액에 원심력이 발생하게 되고, 그로 인해 방사공간에서 나노섬유의 분포가 균일하게 되어 나노섬유가 베이스지(F)의 표면 전체에 균일하게 포집될 수 있게 된다. 특히 상기 방사봉(20)이 원통형 집적드럼(10)의 중심축상에서 축회전하므로 균일한 두께를 갖는 광폭의 나노섬유웹을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 생산속도가 향상된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 방사봉(20)의 일측에는 방사유로(21a)가 형성되고 타단에는 공기 분사유로(22a)가 형성되어 있다. 상기 공기 분사노즐(22)은 상기 방사노즐(21)의 외부에 이중관 형상으로 형성되어 방사노즐(21)의 선단으로 폴리머 용융액이 토출될 때 선단으로 공기를 함께 분사하게 된다. 상기 방사유로(21a)로는 용융액 공급라인(27)으로부터 폴리머 용융액이 유입되고, 상기 공기 분사유로(21a)로는 분사공기 공급라인(28)으로부터 분사공기가 유입된다.

상기 방사봉(20)과 집적드럼(10)에는 고전압 발생장치(도면 미도시)로부터 전극이 각각 인가되어 집적드럼(10)의 내부 방사공간에 전기장이 형성된다.

상기 집적드럼(10)의 내측벽에는 외부에서 내부 공기를 흡입하여 상기 베이스지(F)를 집적드럼(10)의 내측벽에 흡착시키는 다수개의 흡입구멍(11)이 형성되어 있다. 상기 집적드럼(10)의 외부에는 원통형의 드럼하우징(15)이 소정간격을 두고 복겹으로 구비되어 집적드럼(10)과의 사이에 흡입공간(16)을 형성하게 되며, 흡입라인(17)을 통해 흡입공간(16)의 공기를 외부로 강제 배출시키게 된다. 따라서, 상기 흡입구멍(11)로 음압이 발생하여 베이스지(F)를 집적드럼(10)의 내측벽에 흡착시키게 된다.

상기 베이스지(F)의 일측면에는 방사노즐(21)로부터 배출되는 나노섬유가 포집되고, 베이스지 이송수단에 의해 이동하면서 상기 집적드럼(10)의 원통 중심축방향을 따라 통과하게 된다.

상기 베이스지 이송수단은 베이스지(F)의 양단을 각각 권취하는 이송롤러(61)이다. 1쌍의 이송롤러(61)는 동일한 방향으로 회전하면서 베이스지(F)를 이송시킨다. 또한, 상기 베이스지(F)는 가이드부재(62)에 의해 폭방향으로 말려 집적드럼(10)의 내부로 투입된다.

상기 가이드부재(62)는 단면이 원호 형상인 판형상으로 형성되어 상기 베이스지(F)를 폭방향으로 말아 집적드럼(10)의 내부로 유도하게 된다. 상기 가이드부재(62)는 상기 집적드럼(10)의 베이스지 입구단에 1쌍이 서로 소정간격을 두고 괄호 형상을 이루며 구비되어 베이스지(F)의 양쪽을 원통 형상으로 말게 되고, 그로 인해 상기 베이스지(F)가 집적드럼(10)의 내부에 원통 형상으로 투입되어 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착될 수 있게 된다.

한편, 상기 베이스지(F)가 원통형으로 말린 상태에서 나노섬유가 포집되면 나노섬유웹이 원통형상으로 일체로 형성되는데, 상기 집적드럼(10)의 내측벽에 커터(65)가 구비되어 나노섬유웹과 베이스지(F)를 절개하게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 집적드럼(10)으로 투입될 때와 마찬가지로 집적드럼(10)으로부터 배출되는 베이스지(F)의 양단도 갈라져 나오게 된다.

상기 집적드럼(10)에서 배출되는 나노섬유웹은 건조기(70)에 투입되어 건조된다.

상기 내부공기 공급수단은 상기 집적드럼(10)의 내부로 고온의 공기를 공급하는 장치로, 내부공기 공급라인(35)을 통해 고온의 공기를 내부공기 분배기(30)로 유입하고 내부공기 분사노즐(22)을 통해 집적드럼(10)의 내부로 공기를 토출한다.

상기 내부공기 분배기(30)는 내부에 분배공간(31)을 구비한 원통형상으로 형성되어 공기를 다수개의 내부공기 분사노즐(32)로 분배하여 토출시킬 뿐만 아니라, 상기 집적드럼(10)의 베이스지 입구단을 막아 집적드럼(10)과 함께 방사공간을 최대로 밀폐시키게 된다.

또한, 상기 집적드럼(10)의 베이스지 출구단에는 커버(40)가 구비되어 상기 내부공기 분배기(30)와 함께 집적드럼(10)을 최대로 밀폐시키게 된다.

상기 내부공기 분배기(30)와 커버(40)는 베이스지(F)가 통과할 수 있도록 집적드럼(10)의 내측벽과 소정간격을 두고 구비되어 베이스지(F)의 출입을 가능하게 하면서 집적드럼(10) 내부를 최대로 밀폐시키게 된다. 따라서, 상기 내부공기 공급수단으로부터 상기 집적드럼(10)의 내부로 유입되는 공기가 외부로 배출되는 것이 저지하여 집적드럼(10) 내부의 압력을 증가하게 된다. 이러한 압력증가로 인해 집적드럼(10)의 내측벽에 흡착되는 베이스지(F)를 풍선처럼 부풀리는 효과가 발생하게 되어 베이스지(F)가 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착될 뿐만 아니라 베이스지(F)가 주름지거나 구겨지는 것을 최소화할 수 있게 된다.

10 : 집적드럼 11 : 흡입구멍
15 : 드럼하우징 16 : 흡입공간
17 : 흡입라인 20 : 방사봉
21 : 방사노즐 21a : 방사유로
22 : 공기 분사노즐 22a : 공기 분사유로
25,26 : 방사봉 지지축 27 : 용융액 공급라인
28: 분사공기 공급라인 30 : 내부공기 분배기
31 : 분배공간 32 : 내부공기 분사노즐
35 : 내부공기 공급라인 40 : 커버
51 : 종동 스프라켓 52 : 구동 스프라켓
53 : 구동체인 54 : 구동모터
61 : 이송롤러 62 : 가이드부재
65 : 커터 70 : 건조기

Claims

폴리머 용융액을 전기장 내로 토출시켜 나노섬유를 생성하여 나노섬유웹을 제조하는 나노섬유웹 제조장치에 있어서,
폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐(21)을 구비하고, 상기 방사노즐(21)에서 방사되는 폴리머 용융액에 공기를 분사하는 공기 분사노즐(22)을 구비한 방사봉(20)과;
원통형상으로 형성되고, 내부에 상기 방사봉(20)을 구비하여 내측벽에 상기 방사노즐(21)로부터 배출되는 나노 섬유가 포집되는 집적드럼(10); 및
상기 방사봉(20)과 집적드럼(10)에 전극을 각각 인가하여 집적드럼(10)의 내부에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 방사봉(20)은 상기 방사노즐(21)로부터 토출되는 폴리머 용융액에 원심력이 발생할 수 있도록 축회전가능하게 구비되고, 상기 방사봉(20)을 축회전시키는 방사봉 회전수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 방사노즐(21)은 상기 방사봉(20)의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수개가 방사형으로 구비된 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 방사봉(20)은 상기 집적드럼(10)의 원통 중심축상에 구비되는 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제1항 또는 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 방사노즐(21)로부터 배출되는 나노섬유가 포집되는 베이스지(F)를 구비하고, 상기 집적드럼(10)의 내측벽에는 외부에서 내부 공기를 흡입하여 상기 베이스지(F)를 집적드럼(10)의 내측벽에 흡착시키는 다수개의 흡입구멍(11)이 형성된 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 집적드럼(10)의 원통 중심축방향을 따라 상기 베이스지(F)를 통과시키는 베이스지 이송수단; 및
단면이 원호형상인 판형상으로 형성되고, 상기 베이스지(F)가 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착되어 통과하도록 상기 베이스지(F)를 폭방향으로 말아 집적드럼(10)의 내부로 유도하는 가이드부재(62);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 베이스지가 상기 집적드럼(10)의 내측벽에 밀착될 수 있도록 상기 집적드럼(10)의 내부로 공기를 공급하는 내부공기 공급수단; 및
상기 베이스지(F)가 통과할 수 있도록 집적드럼(10)의 내측벽과 소정간격을 두고 집적드럼(10)의 베이스지 출구단에 구비되고, 상기 내부공기 공급수단으로부터 상기 집적드럼(10)의 내부로 유입되는 공기가 외부로 배출되는 것을 저지하여 집적드럼(10) 내부의 압력을 증가시키는 커버(40);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 내부공기 공급수단은 고온의 공기를 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 나노섬유웹 제조장치.