KR101466288B1 - 나노섬유 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머 용액을 토출하는 복수의 상향 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치된 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치와 상기 나노섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장하는 원료탱크와 원료탱크로부터 공급된 상기 폴리머 용액을 저장하는 중간탱크를 포함한 나노섬유 제조장치에 있어서, 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 오버플로우 방지 시스템을 제거하고 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 구비하여 상기 폴리머용액의 양을 대략적으로 조절하여 컬렉터에 집적되지 않고 노즐에 부착되는 양을 최소화할 수 있고, 오버플로우 방지 시스템과 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용함으로써 폴리머 용액의 소모량을 최소화할 수 있으므로, 본 발명의 나노섬유 제조장치는 저비용으로 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 장점이 있다.

Description

나노섬유 제조장치{Apparatus for manufacturing of nano fiber}

본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오버플로우 방지 시스템을 제거하고 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 구비하거나 또는, 오버플로우 방지 시스템과 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용하여 저비용으로 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 나노섬유 제조장치에 관한 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 필라멘트를 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.

복수의 상향 노즐의 토출구로부터 오버플로우한 폴리머 용액을 회수하여 나노 섬유의 원료로서 재이용하는 것을 가능하게 한 나노섬유 제조장치가 알려져 있다(일본국 특허 제4402695호 공보 참조).

도 3은, 종래의 나노섬유 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.

종래의 나노섬유 제조장치(900)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 폴리머 용액을 토출구로부터 상향으로 토출하는 복수의 상향 노즐(912) 및 해당 복수의 상향 노즐(912)에 폴리머 용액을 공급하는 폴리머 용액 공급 경로(914)를 가지는 노즐 블록(910)과, 노즐 블록(910)과 컬렉터(920)사이에 고전압을 인가하는 전원장치(930)와, 나노섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장하는 탱크(940)와, 탱크(940)에 저장된 폴리머 용액을 노즐 블록(910)의 폴리머 용액 공급 경로(914)에 공급하는 계량 펌프(950)와, 복수의 상향 노즐(912)의 토출구로부터 오버플로우한 폴리머 용액을 회수하여 탱크(940)에 되돌리는 회수 펌프(960)를 구비한다.

종래의 나노섬유 제조장치(900)에 의하면, 노즐에서 미처 방사되지 못한 고분자 용액 덩어리가 그대로 컬렉터 판에 부착되는 현상(이하 "드롭렛"(Droplet)이라고 한다.)이 어느 정도 해소되나 좀 더 세밀하게 드롭렛 현상을 방지하여 소비되는 폴리머 용액의 양을 절감하는 기술이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 오버플로우 방지 시스템을 제거하고 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 구비하거나 또는, 오버플로우 방지 시스템과 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 상기 오버플로우 방지 시스템은 재생탱크와 계량펌프로 이루어져 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 폴리머 용액을 토출하는 복수의 상향 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치된 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치와 상기 나노섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장하는 원료탱크와 원료탱크로부터 공급된 상기 폴리머 용액을 저장하는 중간탱크를 포함한 나노섬유 제조장치에 있어서, 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 폴리머 용액을 토출하는 복수의 상향 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치된 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치와 상기 나노섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장하는 원료탱크와 상기 폴리머 용액을 재생하고 저장하는 재생탱크와 원료탱크 또는 재생탱크로부터 공급된 상기 폴리머 용액을 저장하는 중간탱크를 포함한 나노섬유 제조장치에 있어서, 오버플로우 방지 시스템과 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 오버플로우 방지 시스템에 있어서, 용액의 농도 보정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 나노섬유 제조장치에 관한 것으로서, 오버플로우 방지 시스템을 제거하고 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 구비하여 상기 폴리머용액의 양을 대략적으로 조절하여 컬렉터에 집적되지 않고 노즐에 부착되는 양을 최소화할 수 있고, 오버플로우 방지 시스템과 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용함으로써 폴리머 용액의 소모량을 최소화할 수 있으므로, 본 발명의 나노섬유 제조장치는 저비용으로 나노섬유를 대량생산하는 것이 가능한 장점이 있다.

도 1은 오버플로우 시스템이 제거되고 정량펌프를 구비한 나노섬유 제조장치에 관한 모식도이다.
도 2는 오버플로우 시스템과 정량펌프를 구비한 나노섬유 제조장치에 관한 모식도이다.
도 3은 종래의 나노섬유 제조장치의 정면도이다.

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.

도 1은 오버플로우 시스템이 제거되고 정량펌프를 구비한 나노섬유 제조장치에 관한 모식도이다.

컬렉터(150)는, 노즐 블록(110)보다 윗쪽에 배치되어 있다. 컬렉터(150)는 도전체로 이루어지고, 절연부재(152)를 통하여 케이스(100)에 취부되어 있다.

전계방사장치는 복수의 상향 노즐의 토출구로부터 폴리머 용액을 오버플로우시키면서 복수의 상향 노즐의 토출구로부터 폴리머 용액을 토출하여 나노 섬유를 전계방사한다.

전원장치(160)는 복수의 상향 노즐과 컬렉터(150)와의 사이에 고전압을 인가한다. 전원장치(160)의 정극은, 컬렉터(150)에 접속되고, 전원장치(160)의 부극은, 케이스(100)를 통하여 노즐 블록(110)에 접속되어 있다.

보조 벨트 장치(170)는 장척시트(W)의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(172)와, 보조벨트(172)의 회전을 돕는 보조벨트용 롤러(174)를 갖는다. 보조 벨트용 롤러(174) 중 하나 또는 2개 이상의 보조벨트용 롤러가 구동 롤러이고, 나머지 보조벨트용 롤러가 종동롤러이다. 컬렉터(150)와 장척시트(W)와의 사이에 보조벨트(172)가 배설되어 있기 때문에, 장척시트(W)는 정의 고정압이 인가되어 있는 컬렉터(150)에 끌어 당겨지는 일이 없이 부드럽게 이송되도록 이루어진다.

원료 탱크(200)는, 나노 섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장한다. 원료 탱크(200)는 폴리머 용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(201)를 내부에 갖는다.

밸브(222)는 원료 탱크(200)로부터의 폴리머 용액의 이송을 제어한다.

밸브(226)는 재생 탱크(270)로부터의 폴리머 용액의 이송을 제어한다.

중간 탱크(230)는 원료 탱크(200) 또는 재생 탱크(270)로부터 공급된 폴리머 용액을 저장한다.

중간 탱크(230)는 격벽(232)과, 기포제거필터(234)와, 제1센서(239)를 갖는다.

격벽(232)은, 폴리머 용액이 공급되는 공급부위를 덮는다.

중간 탱크(230)에 있어서는, 기포제거필터(234)에 의해서 기포가 제거되기 전의 폴리머 용액을 저장하는 제1저장부(236)와, 기포제거필터(234)에 의해서 기포가 제거된 후의 폴리머 용액을 저장하는 제2저장부(238)이 구성되어 있다.

공급장치(240)는 1개의 파이프로 이루어지고, 중간 탱크(230)의 제2저장부(238)에 저장된 폴리머 용액을 노즐블록(110)의 폴리머 용액 공급 경로에 공급한다.

본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서, 상기 정량펌프(253)는 중간탱크(230)과 노즐블록(110) 사이의 공급장치(240)에 위치하여 컬렉터에 집적되지 않은 노즐에 부착된 폴리머 용액의 양을 미세하게 조절함으로써, 폴리머 용액의 소비량을 최소화 시킨다.

도 2는 오버플로우 시스템과 정량펌프를 구비한 나노섬유 제조장치에 관한 모식도이다.

도 1의 상세한 설명에 추가적으로 밸브(224), 중간탱크(230), 오버플로우 시스템을 설명한다.

밸브(224)는 원료 탱크(200) 및 재생탱크(270)로부터 중간 탱크(230)에 유입하는 폴리머 용액의 양을 제어한다. 밸브(224)에 의한 제어는, 후술하는 제1센서(239)로 계측된 용액의 높이에 따라서 실시한다.

중간 탱크(230)는 원료 탱크(200) 또는 재생 탱크(270)로부터 공급된 폴리머 용액을 저장한다. 중간 탱크(230)는 해당 탱크(230)의 하단이 각 상향 노즐(126)의 상단보다 윗쪽에 위치하도록 배치되어 있다.

펌프(254)는 노즐 블록(110) 근방보다 윗쪽에 있는 재생 탱크(270)로 폴리머 용액을 이송하는 동력을 발생시킨다.

본 발명의 나노섬유 제조장치에 있어서, 폴리머 용액은 도 1과 같이 정량펌프(253)을 통해 조절이 되고, 드롭렛 현상이 나타나지 않으면 오버플로우 방지 시스템이 작동되지 않고, 드롭렛 현상이 발생되면 하이브리드식으로 오버플로우 방지 시스템이 작동된다. 컬렉터에 방사되지 않고 노즐에 부착된 폴리머 용액이 저장탱크(256)에 저장되어 재생탱크(270)에 채워진다. 재생탱크(270)에는 용액의 농도 보정장치가 추가로 구비되어 폴리머 용액이 곧바로 중간탱크(230)로 공급되어 재이용된다.

상기 정량펌프(253)는 노즐의 토출구로부터 폴리머 용액을 토출하는 오버플로우 방지 시스템과 교대로 또는 하이브리드식으로 사용되며 용액의 농도를 보정하는 장치가 추가된다.

상기 용액의 농도를 보정하는 장치로서는, 재생탱크 내에 설치되어 저장된 용액의 점도를 측정하는 점도센서와 그 측정값과 설정값을 대비하여 재생탱크에 용매를 공급하는 장치가 사용될 수 있다.

1 :나노섬유 제조장치 10 : 이송장치
11 :투입 롤러 12 :권취 롤러,
13 : 보조 롤러 20, 22 : 전계방사장치
30 : 가열장치 40 : 통기도 계측장치
100 : 케이스 110, 910 : 노즐 블록
112 : 노즐 블록 본체부 114 : 폴리머 용액 회수경로
116 : 공급장치와의 접속부
118 : 폴리머 용액 공급경로측 나사부
120 : 폴리머 용액 회수 경로 121 : 수용부
122 : 덮개측 나사부 123 : 덮개부
124 : 홈부 125 : 제1 이송장치와의 접속부
126 : 상향 노즐 128 : 노즐 중간부
130 : 노즐 기단부 132 : 노즐 선단부
134 : 재킷
136 : 재킷 선단부와 재킷 기단부와의 접속부
138 : 재킷 기단부 140 : 재킷 선단부
150 : 컬렉터 152 : 절연체
160 : 전원장치 170 : 보조 벨트 장치
172 : 보조 벨트 174 : 보조 벨트용 롤러
200 : 원료 탱크 201, 271, 273 : 교반장치
210, 211 : 제2 이송장치 212, 213, 214 : 파이프
220, 221 : 제2 공급제어장치
222, 224, 226, 228, 253, 264 : 밸브
230 : 중간 탱크 232 : 격벽
234 : 기포제거필터 236 : 제1저장부
238 : 제2저장부 240 : 공급장치
242 : 공급제어장치 250, 251 : 제1 이송장치
254 : 펌프 256 :저장 탱크
260, 266 : 제1 이송제어장치 270, 272 : 재생 탱크
W : 장척시트

Claims (3)

1. 삭제
2. 폴리머 용액을 토출하는 복수의 상향 노즐을 가지는 노즐블록과 상기 노즐블록보다 위쪽에 배치된 컬렉터와 상기 노즐블록과 상기 컬렉터와의 사이에 고전압을 인가하는 전원장치와 나노섬유의 원료가 되는 폴리머 용액을 저장하는 원료탱크와 상기 폴리머 용액을 재생하고 저장하는 재생탱크와 원료탱크 또는 재생탱크로부터 공급된 상기 폴리머 용액을 저장하는 중간탱크를 포함한 나노섬유 제조장치에 있어서,
   오버플로우 방지 시스템과 노즐의 토출량을 개량하는 정량펌프를 교대로 또는 하이브리드식으로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 오버플로우 방지 시스템에는, 폴리머 용액의 농도 보정 장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치.
   

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