KR101466287B1

KR101466287B1 - 나노섬유 제조장치

Info

Publication number: KR101466287B1
Application number: KR1020130042242A
Authority: KR
Inventors: 박종철
Original assignee: (주)에프티이앤이
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-11-28
Also published as: KR20140124562A

Abstract

본 발명은 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐이 배열된 노즐 플레이트, 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판, 노즐을 감싸고 있는 오버플로우 제거용 노즐, 상기 오버플로우 제거용 노즐과 연결되어 있으며 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치되어 상기 노즐블록으로부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치를 구비한 나노섬유 제조장치로서, 상기 노즐블록에 연결된 노즐의 선단부는 나팔관 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 노즐블록 일부분의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상으로 배치하여 밀도차와 전압차를 주지 않고, 균일한 품질을 가지는 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 장점이 있다.

Description

나노섬유 제조장치{Apparatus for manufacturing of nano fiber}

본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐블록 일부분의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상으로 배치하여 밀도차와 전압차를 주지 않고, 균일한 품질을 가지는 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 나노섬유 제조장치에 대한 것이다.

일반적으로 나노 파이버(Nano fiber; 이하 "나노섬유"라 칭함)는 부피 대비 표면적 비율이 높고, 표면 작용기에 대한 유연성 등이 뛰어나기 때문에 많은 응용 분야에서 사용되고 있다.

나노섬유는 필터용으로 쓰면 탁월한 여과 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지하여 창문의 색을 변하게 할 수 있다.

또한, 전도성 나노섬유를 리튬 이온 전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 방지하면서도 전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있고, 생체 조직과 흡사하게 만든 인공 단백질로 나노섬유를 만들어서 사용할 경우 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조 피부로 이용된다.

이러한, 나노섬유를 제조하는 방법에는 드로잉(Drawing), 템플레이트 합성(Template synthesis), 상 분리(Phase separation), 자기 조합(Self assembly), 전기방사(Electrospinning) 등이 있다.

특히, 상기 나노섬유 제조 방법 중 다양한 고분자로부터 나노섬유를 연속적으로 대량으로 생산할 수 있는 방법으로, 전기방사 방법이 널리 적용되고 있다.

전기방사는 섬유 원료 용액을 하전 상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 전극의 한 극은 방사노즐부에, 다른 한 극은 컬렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 방사 재료를 방사노즐부를 거쳐 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전된 필라멘트의 연신하거나 또는 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발 등의 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.

전기방사를 위한 전기방사장치는 통상적으로 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 멀티노즐, 상기 멀티노즐과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 고전압을 발생시키는 고전압 발생장치 등으로 구성된다.

이러한 전기방사장치를 이용하여 나노섬유를 제조하는 경우, 나노섬유의 특성을 결정하는 요인으로는 방사재료의 농도, 유전특성, 표면장력 등의 물질 특성과, 노즐과 컬렉터 사이의 거리, 노즐과 컬렉터 사이의 전압, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력, 방사재료의 주입속도와 같은 제어변수들을 들 수 있다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예를 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

종래의 기술에 따른 전기방사는 단일 또는 소수의 노즐을 이용하는 것으로 생산속도가 매우 낮아 상용화에 어려움이 있다.

전기방사장치를 이용하여 극세섬유를 제조하는 경우, 극세섬유의 특성을 결정하는 요인 중 하나는 노즐과 노즐팩의 팁의 형태, 노즐 팁 간의 간격에 따른 전기장 간섭, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력 등을 들 수 있다.

따라서, 전기방사의 상용화를 위해 노즐 형태에 따른 문제점과 노즐 간의 간섭 등에 대한 연구를 통해 상용화용 방사노즐의 문제점을 파악하고 이를 해결하기 위한 연구가 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노즐블록 일부분의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐이 배열된 노즐 플레이트, 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판, 노즐을 감싸고 있는 오버플로우 제거용 노즐, 상기 오버플로우 제거용 노즐과 연결되어 있으며 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치되어 상기 노즐블록으로부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치를 구비한 나노섬유 제조장치로서, 상기 노즐블록에 연결된 노즐의 선단부는 나팔관 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 노즐의 선단부는 원통을 해당 원통의 축과 5 - 30° 각도인 나팔관 모양이며, 상기 나팔관 모양의 선단부가 형성된 노즐의 개수는 노즐블록에 구비된 전체 노즐의 10 - 30%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 전기방사 방식의 노즐블록이 컬렉터의 하부에 위치하는 상향식 전기방사 방식, 노즐블록이 컬렉터의 상부에 위치하는 하향식 전기방사 방식 및 방사 노즐블록과 컬렉터가 수평 또는 이와 유사한 각도로 위치하는 수평식 전기방사 방식 중에서 선택된 하나의 방식인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 노즐블록 일부분의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상으로 배치하여 밀도차와 전압차를 주지 않고, 균일한 품질을 가지는 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 상향식 다성분 전기방사장치를 사용하여 나노섬유 웹을 제조하는 공정 개략도.
도 2는 본 발명에 따라서 2성분을 동시에 전기방사하는 2중관형노즐이 설치된 노즐블록의 모식도.
도 3은 본 발명의 노즐의 노즐 선단부를 나타내는 모식도.

이하 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등에서 사용된 용어 등은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시한 것에 불과할 뿐 본 발명의 청구범위가 이에 한정되어 해석되어서는 아니됨이 명백하다.

이하 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 상향식 전기 방사 장치는 도 1과 같이 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크(100), 방사용액 정량 공급을 위한 계량펌프(200), 다수개의 핀으로 구성되는 다중관형노즐(500)이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 상향식 노즐블록(400), 상기 노즐블록 상부에 위치하여 방사되는 단섬유들을 집적하는 컬렉터(700), 고전압을 발생시키는 전원장치(900) 및 노즐 블록의 최상부에 연결된 방사 용액 배출 장치(120)등으로 구성된다.

본 발명은 노즐블록(400)에 설치된 노즐(500)의 출구가 상부방향으로 형성되어 있고, 컬렉터(700)가 노즐블록(400)의 상부에 위치하여 방사용액을 상부 방향으로 방사한다.

노즐블록에 설치되어 있는 다중관형노즐(500)은 도 2에 도시된 바와 같이 2종 이상의 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사 할 수 있도록 2개 이상의 관(501, 502, 503)들이 시스/코어(Sheath/Core) 형태로 결합된 구조를 갖는다.

도 2에는 2중관형노즐이 도시되어 있다.

상기 노즐블록(400)은 도 2와 같이 시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐(500)이 배열된 노즐 플레이트(405), 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판(407, 408, 409), 노즐(500)을 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(415), 상기 오버플로 제거용 노즐과 연결되어 있으며 노즐 플레이트 직상단에 위치하는 오버플로액의 임시 저장판(410) 및 상기 오버플로액의 임시 저장판의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐들을 지지해주는 오버플로 제거용 노즐의 지지판(416), 노즐(500)과 오버플로 제거용 노즐(415)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(404), 노즐블록의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐들을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(414) 및 공기공급용 노즐의 지지판 직하단에 위치하여 공기 공급용 노즐에 공기를 공급 및 저장해 주는 공기유입구(413)와 공기 저장판(411)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이 2종 이상의 방사용액을 컬렉터 상에 동시 전기방사하는 다중관형노즐(500)의 주변에는 방사되지 못한 방사용액을 제거하는 오버플로 제거용 노즐(415)과 나노섬유의 집적 분포를 넓게 하기 위해 공기를 공급하는 공기공급용 노즐(404)이 차례로 설치되어 있다.

상기 오버플로액의 임시저장판(409)은 절연체로 제조되며 오버플로 제거용 노즐(415)을 통해 유입되는 잔여 방사용액을 일시적으로 저장한 후, 이를 방사용액 공급판(미도시)으로 이송하는 역할을 한다.

오버플로액의 임시저장판(409)의 상단에는 공기를 공급해주는 공기 저장판(411)이 위치하여 다중관형노즐(500) 및 오버플로 제거용 노즐(415)들을 감싸고 있는 공기 공급용 노즐(404)에 공기를 공급한다. 또한 공기공급용 노즐(404)이 배열된 노즐블록(4)의 최상층에는 공기공급용 노즐의 지지판(414)이 설치되어 있으며, 상기 지지판(414)은 비전도성 재료로 구성된다. 공기공급용 노즐의 지지판(414)은 노즐블록에 위치하여 컬렉터(700)와 다중관형노즐(500) 사이에 미치는 전기적인 힘이 단지 다중관형노즐(500)에만 집중되어 다중관형노즐(500) 부위에서만 방사가 원활하게 될 수 있도록 한다.

다중관형노즐(500)의 상부 팁에서 공기공급용 노즐(404)의 상부 팁까지 거리(미도시)는 1 - 20mm, 양호하게는 2 - 15mm이다. 다시 말해, 공기 공급용 노즐(404)의 높이를 나노섬유 방사용 노즐(500)의 높이보다 1 - 20㎜, 양호하게는 2 - 15㎜ 높게 설정한다. 상기 거리가 1mm 미만인 경우에는, 다시 말해 다중관형노즐(500)과 거의 동일한 높이로 공기공급용 노즐(404)이 위치하면 다중관형노즐(500) 부분에서 제트스트림이 효과적으로 형성되지 않아 나노섬유가 컬렉터(700)상에 부착되는 면적이 작아진다. 한편, 상기 거리가 20mm를 초과하는 경우에는 컬렉터와 노즐사이에 걸리는 고전압에 의한 전기력이 약해서 전기방사에 의한 나노섬유의 형성능이 저하될 뿐만 아니라 제트스트림의 길이나 형성패턴이 불안정 해진다. 구체적으로, 테일러 콘에서 제트스트림 형성 부위의 안정성을 방해한다. 따라서 원활한 나노섬유의 방사가 어렵다.

나노섬유 부직포를 제조하고자 할 경우에는 공기공급용 노즐(404)에서 공기의 속도는 0.05m - 50m/초, 보다 바람직하기로는 1 - 30m/초인 것이 좋다. 공기의 속도가 0.05m/초 미만인 경우에는 컬렉터에 포집된 나노섬유 퍼짐성이 낮아서 포집 면적이 크게 향상되지 않고, 공기의 속도가 50m/초를 초과하는 경우에는 공기의 속도가 너무 빨라 나노섬유가 컬렉터에 집속되는 면적이 오히려 감소되며, 더욱 심각한 문제는 나노섬유가 아니라 굵은 타래 형태로 컬렉터에 부착되어 나노섬유 형성능과 나노섬유 부직포 형성능이 현저하게 저하된다.

노즐 플레이트(405) 직하단에는 노즐배열과 동일하게 핀이 배열되어 있는 도전체판(미도시)이 설치되며, 상기 도전체판에 전원장치(900)가 연결되어 있다.

또한 방사용액 공급판(도면미도시)의 직하단에는 간접가열 방식의 가열장치(도면미도시)가 설치된다.

상기 도전체판(도면미도시)은 다중관형노즐(500)에 고전압을 걸어주는 역할을 하며, 방사용액 공급판은 방사드롭장치(300)에서 노즐블록(400)으로 유입되는 방사용액을 저장 후 다중관형노즐(500)로 공급해 주는 역할을 한다. 이때 방사용액 공급관은 방사용액의 저장량을 최소화 할 수 있도록 최소한의 공간으로 제작하는 것이 바람직하다.

상기 기체유입관의 하단으로부터 기체가 유입되며, 처음 기체가 유입되는 부분은 필터(304)와 연결된다. 방사용액 드롭장치(300)의 하단부에는 드롭된 방사용액을 노즐블록(400)으로 유도하는 방사용액 배출관(304)이 형성되어 있다. 방사용액 드롭장치(300) 중간부는 방사용액이 방사용액 유도관(303)의 말단부에서 드롭(Drop) 될 수 있도록 중공상태로 형성되어 있다.

상기 방사용액 드롭장치(300)로 유입된 방사용액은 방사용액 유도관(303)을 따라 흘러 내리다가 그 말단부에서 드롭되어 방사용액의 흐름이 한번이상 차단된다.

방사용액이 드롭되는 원리를 구체적으로 살펴보면, 필터(304) 및 기체 유입관(302)을 따라 기체가 밀폐된 방사용액 드롭장치(300)의 상단부로 유입되면 기체 와류 등에 의해 방사용액 유도관(303)의 압력이 자연적으로 불규칙하게 되며, 이때 발생하는 압력차로 인해 방사용액이 드롭되게 된다.

본 발명에서 유입되는 기체로는 공기 또는 질소 등의 불활성 가스를 사용 할 수 있다.

본 발명의 노즐블록(400) 전체는 전기 방사되는 나노섬유의 분포를 균일하게 하기 위해서 노즐블록 좌우 왕복운동장치(110)에 의해 전기 방사되는 나노섬유의 진행 방향과 직각방향으로 좌우 왕복운동을 한다.

필라멘트를 제조하고자 할 경우에는 노즐블록을 좌우 왕복운동 시키지 않고 고정한 상태로 전기방사하여 일정폭의 나노섬유 웹을 제조한 다음, 이를 공기교락 및 연신하여 필라멘트를 제조한다.

또한, 상기 노즐블록(400) 내부에는, 보다 구체적으로는 방사용액 공급판 내부에는, 방사용액이 노즐블록(400)내에서 겔화되는 것을 방지하기 위하여 노즐블록(400)내에 보관중인 방사용액을 교반하는 교반기(113)가 설치되어 있다.

상기 교반기(113)는 비전도성 절연봉(112)에 의해 교반기용 모터(111)와 연결되어 있다.

노즐 블록(4)내에 교반기(113)를 설치하면 무기 금속이 포함된 용액을 전기 방사하거나 장시간 혼합용매를 사용하여 용해한 방사용액을 전기 방사할 때 노즐 블록(4)내 방사용액의 겔화를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 상기 노즐블록(400)의 최상부에는 노즐블록에 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(100)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(120)가 연결되어 있다.

상기 방사용액 배출장치(120)는 흡입공기 등으로 노즐블록내로 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(100)로 강제 이송시킨다.

또한, 본 발명의 컬렉터(700)에는 직접가열 방식 또는 간접가열 방식의 가열장치(도면에는 표시 안됨)가 설치(부착)되어 있고, 상기 컬렉터(700)는 고정 또는 연속회전 한다.

도 3에는 노즐을 확대하여 노즐의 선단부를 도시하였다.

노즐 선단부(420)는 원통으로 해당 원통은 축과 5 - 30° 각도인 나팔관 모양이다. 또한, 나팔관 모양은 상부에서 하부쪽으로 갈수록 좁아지는 형태를 가지며, 단순히 나팔관 모양이지만 쐐기형상도 가능하다. 나팔관 모양을 가진 노즐의 선단부(420)는 노즐블록의 10 - 30%를 차지한다.

본 발명의 나노섬유 장치는 노즐블록 일부분의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상으로 배치 밀도차와 전압차를 주지 않고, 균일한 품질을 가지는 나노섬유를 대량생산할 수 있으며, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명이 속하는 기술분야의 평균적 지식을 가진자가 용이하게 반복 실시할 수 있도록 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 한정된 것은 아니며, 이와 등가의 기술적 사상의 변형까지 포함함은 자명하다.

실시예 1.

노즐블록의 20%의 노즐 선단부가 나팔관 모양의 형상으로 된 것을 특징으로하는 나노섬유 제조장치에 있어서, 전극과 노즐간의 거리 40cm, 인가전압 20kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%로 전기방사하여 나노섬유 부직포를 제조하였다.

이 때, 노즐간의 간섭이 없어서 컬렉터에 일정한 토출량으로 집속된 나노섬유 부직포를 제조할 수 있었다.

100 : 방사용액 주탱크
110 : 노즐 블록 좌우 왕복운동 장치 111 : 교반기(11c)용 모터
112 : 비전도성 절연봉 113 : 교반기
120 : 방사용액 배출장치 130 : 이송관
140 : 웹 지지 로울러 150 : 웹
160 : 웹 권취로울러 200 : 계량펌프
300 : 방사용액 드롭장치
301 : 방사용액 드롭장치의 필터 302 : 기체 유입관
303 : 방사용액 유도관 304 : 방사용액 배출관
400 : 노즐블록 404 : 공기 공급용 노즐
405 : 노즐 플레이트 406 : 방사용액
407 : 제 1 방사용액 저장판 408 : 제 2 방사용액 저장판
409 : 제 3 방사용액 저장판 410 : 오버플로액의 임시저장판
411 : 공기저장판 412 : 오버플로 배출구
413 : 공기유입구 414 : 공기 공급용 노즐 지지판
415 : 오버플로 제거용 노즐
416 : 오버플로 제거용 노즐 지지판 417 : 상향노즐
418 : 노즐 중간부 419 : 노즐 기단부
420 : 노즐 선단부 421 : 재킷
422 : 재킷 선단부와 재킷 기단부의 접속부
423 : 재킷 기단부 424 : 재킷 선단부
425 : 폴리머 용액 공급경로 426 : 폴리머 용액 회수경로
500 : 다중관상노즐
501 : 다중관상노즐의 제 1관(내측관) 502 : 다중관상노즐의 제 2관
503: 다중관상노즐의 제 3관 600 : 나노섬유
700 : 컬렉터(컨베이어 벨트) 801, 802 : 컬렉터 지지로울러
900 : 전원장치

Claims

시스/코어(Sheath/Core) 형태의 다중관형노즐이 배열된 노즐 플레이트, 상기 노즐 플레이트 하단에 위치하여 노즐에 방사용액을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판, 노즐을 감싸고 있는 오버플로우 제거용 노즐, 상기 오버플로우 제거용 노즐과 연결되어 있으며 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치되어 상기 노즐블록으로부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치를 구비한 나노섬유 제조장치로서,
상기 노즐블록에 연결된 노즐의 선단부는 나팔관 형태로 형성되되, 상기 노즐의 선단부는 원통을 해당 원통의 축과 5 - 30° 각도인 나팔관 모양이며, 상기 나팔관 모양의 선단부가 형성된 노즐의 개수는 노즐블록에 구비된 전체 노즐의 10 - 30%인 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 나노섬유 제조장치의 전기방사 방식은 노즐블록이 컬렉터의 하부에 위치하는 상향식 전기방사 방식, 노즐블록이 컬렉터의 상부에 위치하는 하향식 전기방사 방식 및 노즐블록과 컬렉터가 수평 또는 이와 유사한 각도로 위치하는 수평식 전기방사 방식 중에서 선택된 하나의 방식인 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.