KR101382575B1 - 보조 이송장치를 포함한 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사 과정에서 정전기적 인력으로 인해 발생할 수 있는 장척시트의 원활하지 못한 이송문제를 해결하기 위해, 방사구역에 보조벨트장치를 배치하고, 상기 보조벨트장치를 지지하는 보조벨트 롤러로는 마찰계수가 낮은 롤러를 사용함으로써 별도의 구동장치가 없이도 장척시트의 이송문제를 해결할 수 있는 전기방사장치를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 전기방사장치는 장척시트가 컬렉터에 부착되어 이송이 더뎌지는 문제를 해결함으로써, 장척시트의 이송 불균형으로 인한 나노섬유의 불균일적인 방사를 방지하고, 또한, 상기 보조벨트를 상하로 이동시켜 방사노즐과의 거리를 조절함으로써 나노섬유의 퇴적량을 효과적으로 제어하여 균일한 물성을 가진 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.

Description

보조 이송장치를 포함한 전기방사장치{Assistant carrying apparatus for Electrospinning device}

본 기술은 전기방사에 의한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사용액이 토출되는 노즐블록과 컬렉터 및 장척시트로 구성되는 방사구역에 있어서, 컬렉터에 정전기적 인력으로 부착되어 이송이 더뎌지는 장척시트의 이송을 보조하는 보조 이송장치를 구비한 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명은 하나의 노즐블록 상에 배열된 노즐을 통해 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 섬유(이하 "나노섬유"라고 한다)를 동시에 대량 생산할 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 나노섬유로 구성된 부직포 및 필라멘트를 대량 생산할 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다.

나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 필라멘트 등의 제품은 생활용품, 농업, 의류, 산업용 등에 널리 사용되고 있으며, 구체적으로는 인조피혁, 인조스웨이드, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

종래 전기방사장치 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법은 미국 4,044,404호 등에 기재되어 있는 것과 같이, 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록, 상기 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 전압을 발생시키는 전압 발생장치들로 구성되어 있다.

하지만, 이와 같은 종래의 전기방사장치 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 있어서, 높은 전압이 걸려있는 노즐로 방사액이 연속적으로 공급되기 때문에 부여되는 전기력 효과가 저하되는 문제가 있다. 보다 구체적으로, 노즐에 부여된 전기력이 방사액으로 분산됨으로써 전기력이 방사액의 계면장력을 극복하지 못하게 되어, 전기력에 의한 섬유 형성효과가 저하되어 방사용액이 물방울 형태로 낙하하는 드롭렛(Droplet) 현상이 발생하여 제품의 품질이 저하되고 대량생산이 어려워 상업화가 불가능한 문제가 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 전기방사 노즐블록에 부여되는 전기력 효과를 극대화시켜, 전기력을 방사액의 계면장력 보다 크게 함으로써 섬유형성효과를 증진시켜 나노섬유를 대량 생산할 수 있고, 드롭렛 현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있는 상향식 및 하향식 전기방사장치를 수차례 제시한 바 있다.

하지만, 컬렉터와 방사용액이 토출되는 노즐블록에 고전압을 각각 걸어줌으로써 섬유형성 효과가 증진되는 이면에는 고전압에 의한 정전기적 인력이 증대되고, 이는 나노섬유가 퇴적되는 장척시트가 컬렉터에 부착되어 전기방사장치에 포함된 장척시트 이송장치만으로는 이러한 정전기적 인력을 극복하기 어려워 나노섬유를 대량생산하는데 또다른 문제점으로 부각되었다.

이를 해결하기 위해 고전압이 걸린 컬렉터와 노즐블록 사이를 통과하는 장척시트의 이송을 보조하기 위해 보조벨트를 포함한 보조 이송장치가 고안되었으나, 상기 보조벨트를 장척시트의 이송속도에 맞춰 회전시키기 위해 전기방사장치를 총괄하는 구동장치 이외에 별도의 구동장치가 추가로 설치되어야 하기 때문에 공정이 복잡해지고 비용이 증가하게 되었다.

따라서, 본 발명자는 상기와 같은 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트에 별도의 구동장치를 배재하고 대신 마찰계수가 낮은 롤러로 보조벨트를 지지함으로써 기존에 설치되어 있는 장척시트 이송롤러의 구동력만으로도 보조벨트를 회전시킬 수 있는 장치를 발명하였고, 상기 장치를 통해 장척시트 이송문제를 해결하여 균일한 품질의 나노섬유를 보조동력이 없이도 대량생산할 수 있게 하였다.

본 발명은 전기방사 과정에서 정전기적 인력으로 인해 발생할 수 있는 장척시트의 원활하지 못한 이송문제를 해결하기 위해, 방사구역에 보조 이송장치를 배치하고, 상기 보조 이송장치를 구성하는 롤러로는 마찰계수가 낮은 것을 사용함으로써 별도의 구동장치 없이도 장척시트의 이송문제를 해결할 수 있는 전기방사장치를 제공한다.

본 발명은 전압발생장치, 상기 전압발생장치의 음극단자에 연결되어 방사용액을 토출하는 복수의 노즐을 구비한 노즐블록, 상기 전압발생장치의 양극단자에 연결되어 노즐블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터, 상기 노즐블록과 컬렉터 사이에 위치하며, 노즐블록에서부터 토출된 전기방사 나노섬유가 퇴적되는 장척시트, 및 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치로 이루어진 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 마찰계수가 낮은 롤러로 보조벨트를 지지함으로써 보조 구동장치 없이도 장척시트의 이송을 원활하게 할 수 있는 보조 이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 롤러의 개수는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 마찰계수가 낮은 롤러는 구름베어링, 기름베어링, 볼베어링, 롤러베어링, 미끄럼베어링, 슬리브베어링, 유동압 저널베어링, 유정압 저널베어링, 공기압베어링, 공기동압 베어링, 공기정압 베어링 및 에어베어링 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 보조 구동장치를 구성하는 롤러의 상하 높이조절을 통해 장척시트에 퇴적되는 나노섬유 토출량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제조된 전기방사장치는 장척시트가 컬렉터에 부착되어 이송이 더뎌지는 문제를 해결함으로써, 장척시트의 이송 불균형으로 인한 나노섬유의 불균일적인 방사를 방지하고, 또한, 상기 보조벨트를 상하로 이동시켜 방사노즐과의 거리를 조절함으로써 나노섬유의 퇴적량을 효과적으로 제어하여 균일한 물성을 가진 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 마찰계수가 낮은 롤러를 포함한 보조벨트 장치를 구비한 전기방사장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 마찰계수가 낮은 롤러 3개로 구동되는 보조벨트 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 마찰계수가 낮은 롤러 4개로 구동되는 보조벨트 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 마찰계수가 낮은 롤러 5개로 구동되는 보조벨트 장치의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 마찰계수가 낮은 베어링을 포함한 롤러의 모식도이다.

다음과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하고, 실시예를 사용하여 상세하게 설명하도록 하겠다. 다만, 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하지는 아니한다.

[실시예 1]

도 1은 실시예 1에 관한 전기방사 나노섬유 제조장치의 한 유닛(이하, "유닛"이라고 한다)의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에서 폴리머 용액 공급부, 폴리머 용액 회수부 및 장척시트 투입, 권취, 이송롤러에 대한 도시는 생략하고 있다.

실시예 1의 유닛은 전압발생장치(1)의 음극에 연결된 노즐(2) 및 노즐블록(3)과 양극에 연결된 컬렉터(4) 사이를 소정의 이송속도(V)로 통과하는 장척시트(5)를 구비한 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 컬렉터에 정전기적 인력으로 부착된 장척시트의 탈착 및 이송을 돕기위해 장척시트의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(6)와 상기 보조벨트를 지지하며 회전을 돕는 보조벨트 롤러(7)를 포함하는 보조 이송장치를 구비한다. 상기 보조벨트 롤러는 마찰계수가 낮은 롤러로 구성되어 있으며, 마찰계수가 낮은 롤러로는 어느 것을 사용하여도 무방하나, 보다 바람직하게는 마찰계수가 낮은 베어링을 포함하여 구성될 수 있다.

노즐블록(3)은 도 1에서 도시한 바와 같이, 복수의 노즐(2)로 구성되어 있으며, 보다 자세하게는 노즐블록의 폴리머 용액을 토출구로부터 상향의 컬렉터를 향하여 나노섬유를 토출하는 복수의 상향 노즐을 통해 제작된 나노섬유가 장척시트에 퇴적되고 균일한 두께를 유지하도록 이동한다.

전기방사 나노섬유는 전기방사가 가능한 합성수지 재질을 방사하여 제조된 평균직경이 수~수천nm의 섬유로, 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 든다면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루오라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리콜산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등이 있으며, 그 중 폴리프로필렌(PP)재질의 소재와 내열성 고분자 물질인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리 비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]과 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 널리 사용되고 있다.

폴리머 용액은 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질인 폴리머를 적당한 용매에 용해시킨 용액으로, 용매의 종류 또한 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 든다면 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로퓨란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드를 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 폴리머 용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하여도 좋다.

방사구역의 온도는, 예를 들면 25℃로 설정할 수 있다. 방사구역의 습도는, 예를 들면 30%로 설정할 수 있다.

본 발명은 상기 유닛에 보조 이송장치를 추가로 구비함으로써, 장척시트의 이송을 원활하게 조절하여 시트가 컬렉터에 부착하여 이송 불균일로 인한 나노섬유의 불균일한 방사를 극복하는 장치를 구비한 나노섬유 대량생산 장치에 관한 것이다.

실시예 1의 보조 이송장치는 2개의 보조벨트 롤러(7) 및 상기 보조벨트 롤러의 회전으로 가동되는 보조벨트(6)를 가지고 있는 것을 특징으로 하며, 상기 롤러들은 마찰계수가 낮은 롤러이다.

[실시예 2 내지 4]

도 2 내지 4에 도시된 실시예 2 내지 4는 상기 보조 이송장치를 구성하는 보조벨트(6) 및 보조벨트 롤러(7)에 있어서, 보조벨트 롤러의 개수가 실시예 1에 도시한 2개 이외에도 3개 내지 5개 혹은 그 이상 구비할 수 있음을 보여주는 모식도이다.

실시예 2 내지 4의 경우 상기 보조 이송장치를 구성하는 보조벨트 롤러의 개수를 제외하고는 실시예 1과 동일한 구성을 통해 장치가 구비되어 있다.

[실시예 5]

본 발명의 보조 이송장치를 구비한 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 상기 보조 이송장치를 구성하는 마찰계수가 낮은 롤러를 통해 컬렉터에 정전기적 인력으로 부착된 장척시트의 이송을 보조할 뿐 아니라 장척시트의 높이를 상하로 조절함으로써 나노섬유의 퇴적량을 조절하는 기능이 있다.

나노섬유의 퇴적량을 조절하는 조건으로 전압의 조절, 폴리머 용액의 점도 조절, 폴리머 용액의 온도 조절, 토출구인 노즐의 개수 조정, 노즐블록과 나노섬유가 퇴적되는 장척시트간의 거리조절 등이 있는데, 이 중 나노섬유의 물성을 유지하면서 퇴적량을 조절할 수 있는 가장 간편한 방법이 노즐블록과 장척시트의 거리를 조정하는 것이다. 다만, 종래의 기술로는 장척시트의 위치를 조절하는데 별도의 장비가 필요하고, 또한 장척시트 자체가 컬렉터에 정전기적으로 부착되어 위치를 제어하는데 문제가 발생하였던 것에 비해, 본 발명의 기술은 장척시트를 컬렉터와 분리시켜 이송하기 위한 장치이기 때문에 시트의 위치를 쉽게 제어할 수 있다.

상기 보조 이송장치의 위치를 상하로 조절함으로써 장척시트의 위치를 변경하여 나노섬유의 퇴적량을 조절하는 기능에 대하여 설명하였으나, 보다 상세하게는 보조 이송장치를 구성하는 롤러의 위치를 이동하는 것으로 간편하게 장척시트의 높이를 조절할 수 있다.

본 발명은 상기의 실시예를 기초로 하여 보다 자세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 이탈하지 않는 범위에 있어서 여러 형태에서 실시하는 것이 가능하다.

예를 들면, 상기 보조 이송장치는 실시예에서는 보조벨트와 마찰계수가 낮은 보조벨트 롤러로 구성되어 있는 장치를 모식화하였지만, 실제로는 보조벨트를 제외하고 전기방사 장치 유닛의 앞 또는 뒤에 마찰계수가 낮은 롤러만 구비하여 장척시트의 이송을 보조할 수 있다.

또한, 도 5에서 상기 마찰계수가 낮은 롤러의 한 예로 볼베어링을 포함한 롤러를 도시하였으나, 마찰계수가 낮은 롤러라면 그 형태와 구성이 제한받지 아니하며, 보다 상세하게는 구름베어링, 기름베어링, 볼베어링, 롤러베어링, 미끄럼베어링, 슬리브베어링, 유동압 저널베어링, 유정압 저널베어링, 공기압베어링, 공기동입 베어링, 공기정압 베어링 및 에어베어링과 같은 베어링들을 포함하는 롤러가 될 수도 있고, 플라스틱, 유화제, 등의 소재 및 첨가제를 포함시켜 마찰계수를 낮춘 롤러일 수도 있다.

1 : 전압 발생장치 2 : 노즐
3 : 노즐블록 4 : 컬렉터
5 : 장척시트 6 : 보조벨트
7 : 보조벨트 롤러

Claims (4)

1. 전압발생장치와, 상기 전압발생장치의 음극단자에 연결되어 방사용액을 토출하는 복수의 노즐을 구비한 노즐블록과, 상기 전압발생장치의 양극단자에 연결되어 노즐블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터와, 상기 노즐블록과 컬렉터 사이에 위치하며, 노즐블록에서부터 토출된 전기방사 나노섬유가 퇴적되는 장척시트, 및 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치로 이루어진 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서,
   마찰계수가 낮은 롤러로 이루어져 보조 구동장치가 없이 장척시트의 이송을 보조하는 보조 이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 롤러의 개수는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 마찰계수가 낮은 롤러는 구름베어링, 기름베어링, 볼베어링, 롤러베어링, 미끄럼베어링, 슬리브베어링, 유동압 저널베어링, 유정압 저널베어링, 공기압베어링, 공기동압 베어링, 공기정압 베어링 및 에어베어링 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 보조 구동장치를 구성하는 롤러의 상하 높이조절을 통해 장척시트에 퇴적되는 나노섬유 토출량을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   

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