KR101618793B1 - 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터를 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 특징은 제1 기재 상에 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사한 후 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사하여 형성된 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에는 제2 기재를 접합하여 제조한 나노섬유를 포함하는 필터를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법{Filter including polyvinylidene fluoride nanofiber and its manufacturing method}
본 발명은 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 제1 기재 상에 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사한 후 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사하여 형성된 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에는 제2 기재를 접합하여 제조한 나노섬유를 포함하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 필터는 유체 속의 이물질을 걸러내는 여과장치로서 액체필터와 에어필터로 분류된다. 이 중 에어필터는 첨단산업의 발달과 함께 첨단제품의 불량방지를 위해 공기 중의 먼지 등 미립자, 세균이나 곰팡이 등의 생물입자, 박테리아 등과 같은 생물학적으로 유해한 것이 제거되는 반도체 제조, 전산기기 조립, 병원, 식품가공공장, 농림수산 분야에서 사용되며, 먼지가 많이 발생하는 작업장이나 화력발전소 등에도 광범위하게 사용된다. 화력발전소에서 사용하는 가스터빈은 외부로부터 정화된 공기를 흡입하여 압축한 뒤, 압축된 공기를 연료와 함께 연소기 내로 분사하여 혼합하고, 혼합된 공기와 연료를 연소시켜, 고온, 고압의 연소가스를 얻은 다음, 터빈의 베인에 분사하여 회전력을 얻는 회전식 내연기관의 일종이다. 이러한 가스터빈은 매우 정밀한 부품으로 구성되어 있기 때문에 주기적인 정비를 실시하며, 이 때 압축기로 유입되는 대기 중의 공기를 정화하기 위한 전처리용으로 에어필터를 사용한다.
에어필터는 가스터빈으로 흡입되는 연소용 공기를 대기 중에서 취할 때, 대기 중에 포함된 먼지, 분진 등의 이물질이 필터 여재 내로 침투하지 못하게 하여 정화된 공기를 공급할 수 있다. 그러나, 이물질의 크기가 큰 입자는 필터 여재 표면에 쌓이게 되어 필터 여재 표면에 필터 케이크(Filter Cake)를 형성할 뿐만 아니라, 미세한 입자는 필터 여재 내에 쌓이게 되어 필터 여재의 기공을 막는다. 결국, 입자들이 필터 여재의 표면에 쌓이게 되면 필터의 압력손실을 높이고, 수명을 저하시키는 문제가 있었다.
한편, 기존의 에어필터는 필터 여재를 구성하는 섬유집합체에 정전기를 부여하여 입자가 정전기력에 의해 포집되는 원리를 이용하였으며, 상기 원리에 의한 필터의 효율을 측정해왔다. 그러나, 최근 유럽의 에어필터 분류 표준인 EN779는 2012년 정전기 효과에 의한 필터의 효율을 배제하기로 결정하였으며, 정전기 효과를 배제하고 효율을 측정한 결과, 필터의 실제 효율은 20%이상 저하되는 것이 밝혀졌다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 나노사이즈의 섬유를 제조하여 필터에 적용하는 다양한 방식들이 개발 및 사용되고 있다. 나노섬유를 필터에 구현할 경우, 직경이 큰 기존의 필터 여재에 비해서 비표적이 매우 크고, 표면 작용기에 대한 유연성도 좋으며, 나노급 기공사이즈를 가지므로 미세한 먼지입자를 효율적으로 여과할 수 있게 되었다. 나노사이즈의 섬유를 이용한 필터 구현은 그 생산비용이 증대되는 문제점이 발생하며, 생산을 위한 여러 가지 조건 등을 조절하기가 쉽지 않으며, 대량 생산에 어려움이 있으므로, 나노사이즈의 섬유를 이용한 필터를 상대적으로 낮은 단가에 생산보급하지 못하는 문제가 발생했다. 또한, 종래의 나노섬유를 방사하는 기술로는 실험실 위주의 소규모 작업 라인으로 한정되어 있어, 방사구획을 유닛 개념으로 도입한 경우가 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제1 기재 상에 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사한 후 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에는 제2 기재를 접합하여 제조된 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 필터보다 압력 손실을 작게 하는 것이 가능하고, 여과 효율을 높이며, 필터의 수명을 연장하는 것이 가능한 필터 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 전기방사장치에 유닛 개념을 도입하여 제조한 필터로서, 대량생산이 가능하고, 균일한 품질의 필터를 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 적절한 실시형태에 따르면 제1 기재, 전기방사장치의 제1 유닛에서 상기 제1 기재 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 전기방사장치의 제2 유닛에서 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 전기방사장치의 제3 유닛에서 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 및 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 적층되는 제2 기재를 포함하고 상기 제1 및 제2 기재와 상기 제1 및 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포와 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 열융착 되는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터를 제공한다.
본 발명에 따른 다른 적절한 실시형태에 따르면 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 섬유직경이 100 내지 150nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포이며, 상기 제1 및 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 섬유직경이 150 내지 300nm인 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 적절한 실시형태에 따르면 상기 제1 및 제2 기재는 이성분 기재, 셀룰로오스, 천연섬유 및 합성섬유 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 적절한 실시형태에 따르면 2개 이상의 유닛으로 이루어지고, 유닛 내에 위치하는 노즐블록의 노즐에 공급장치가 독립적으로 연결설치되고, 다른 직물을 접합시키는 합지장치를 구비하며, 각 유닛의 컬렉터에 위치되는 기재 상에 고분자를 방사하며, 전기방사장치에 의해 필터를 제조하는 제조방법에 있어서, 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 용매에 용해시킨 방사용액을 상기 전기방사장치의 제1 및 제3 유닛에 투입하고, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 용매에 용해시킨 방사용액을 상기 전기방사장치의 제2 유닛의 공급장치에 투입하는 단계; 상기 전기방사장치의 제1 유닛에서는 제1 기재 상에 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계; 상기 전기방사장치의 제2 유닛에서는 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층 상에 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계; 상기 전기방사장치의 제3 유닛에서는 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층 상에 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계; 상기 전기방사장치 후단부에 위치한 합지장치에서는 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 제2 기재를 접합하는 단계 및 상기 제1 기재, 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 및 제2 기재를 열융착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 적절한 실시형태에 따르면 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 섬유직경이 100 내지 150nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포이며, 상기 제1 및 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 섬유직경이 150 내지 300nm인 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 적절한 실시형태에 따르면 상기 제1 및 제2 기재는 이성분 기재, 셀룰로오스, 천연섬유 및 합성섬유 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 필터는 나노섬유 부직포를 필터 기재 상에 적층형성함에 따라, 종래의 필터보다 압력손실을 작게 하고, 여과 효율을 높이며, 필터의 수명을 연장하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 필터를 제조하는 전기방사장치는 적어도 2개 이상의 유닛으로 구성됨에 따라 연속적인 전기방사가 가능하여 나노섬유를 이용한 필터의 대량생산이 가능한 이점이 있다는 등의 효과를 거둘 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명에 의한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치의 보조벨트 롤러의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면,
도 5 내지 도 8은 본 발명에 의한 전기방사장치의 장척시트 이송속도 조절장치의 동작과정을 개략적으로 나타내는 측면도,
도 9는 본 발명에 의한 필터의 단면을 나타내는 도면
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치의 보조벨트 롤러의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5 내지 도 8은 본 발명에 의한 전기방사장치의 장척시트 이송속도 조절장치의 동작과정을 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 9는 본 발명에 의한 필터의 단면을 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)는 상향식 전기방사장치(1)로 이루어지되, 적어도 하나 이상의 유닛(10a, 10b, 10c)이 일정간격 이격되어 순차적으로 구비되고, 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c)은 동일한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하거나, 재질이 상이한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하여 부직포 등의 필터소재를 제조한다.
이를 위하여 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c)은 그 내부에 고분자 방사용액이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크(8)와 상기 방사용액 주탱크(8) 내에 충진된 고분자 방사용액을 정량으로 공급하기 위한 계량펌프(미도시)와 상기 방사용액 주탱크(8) 내에 충진된 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(12)이 다수개 배열설치되는 노즐블록(11)과 상기 노즐(12)에서 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(12)에서 일정간격 이격되는 컬렉터(13) 및 상기 컬렉터(13)에 전압을 발생시키는 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 전기방사장치(1)는 방사용액 주탱크(8) 내에 충진되는 고분자 방사용액이 계량펌프를 통하여 노즐블록(11)에 형성되는 다수의 노즐(12) 내에 연속적으로 정량 공급되고, 공급되는 고분자 방사용액은 노즐(12)을 통해 높은 전압이 걸려 있는 컬렉터(13) 상에 방사 및 집속되어 컬렉터(13) 상에서 이동되는 장척시트(15) 상에 나노섬유 부직포를 형성하며, 형성되는 나노섬유 부직포는 필터 또는 부직포로 제조된다.
여기서, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 선단에 위치하는 유닛(10a)의 전방에는 유닛(10a) 내로 공급되어 고분자 방사용액의 분사에 의해 나노섬유 부직포가 적층형성되는 장척시트(15)를 공급하기 위한 공급롤러(3)가 구비되고, 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 후단에 위치하는 유닛(10b)의 후방에는 나노섬유 부직포가 적층형성되는 장척시트(15)를 권취하기 위한 권취롤러(5)가 구비된다.
한편, 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 통과하면서 고분자 방사용액이 적층형성되는 장척시트(15)는 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
이때, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 통하여 방사되는 고분자 방사용액의 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(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, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 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 프로피오네이트 등의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유닛(10a, 10b, 10c) 내에서 노즐(12)을 통하여 공급되는 방사용액은 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질인 폴리머를 적당한 용매에 용해시킨 용액으로서, 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, 테트라히드로푸란과 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, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 방사용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)에 오버플로우 장치(200)가 구비된다. 즉, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)에는 방사용액 주탱크(8)와 제2 이송배관(216)과 제2 이송제어장치(218)와 중간탱크(220) 및 재생탱크(230)를 포함하여 이루어진 오버플로우 장치(200)가 각각 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)에 오버플로우 장치(200)가 각각 구비되어 있으나, 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 어느 한 유닛(10a)에 오버플로우 장치(200)가 구비되고, 상기 오버플로우 장치(200)에 후단부에 위치한 유닛(10b)이 일체로 연결되는 구조로 이루어지는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여, 상기 방사용액 주탱크(8)는 나노섬유의 원료가 되는 방사용액을 저장한다. 방사용액 주탱크(8) 내에는 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(211)를 내부에 구비한다.
상기 제2 이송배관(216)은 상기 방사용액 주탱크(8) 또는 재생탱크(230)에 접속된 파이프와 밸브(212, 213, 214)로 구성되고, 상기 방사용액 주탱크(8) 또는 재생탱크(230)에서 중간탱크(220)로 방사용액을 이송한다.
상기 제2 이송제어장치(218)는 상기 제2 이송배관(216)의 밸브(212, 213, 214)를 제어함으로써, 제2 이송배관(216)의 이송동작을 제어한다. 상기 밸브(212)는 방사용액 주탱크(8)에서 중간탱크(220)로 방사용액의 이송을 제어하며, 상기 밸브(213)는 재생탱크(230)에서 중간탱크(220)로 방사용액의 이송을 제어한다. 상기 밸브(214)는 방사용액 주탱크(8) 및 재생탱크(230)에서 중간탱크(220)로 유입되는 고분자 방사용액의 양을 제어한다.
상기와 같은 제어방법은 후술하는 중간탱크(230)에 구비된 제2 센서(222)로 계측된 방사용액의 액면높이에 따라서 제어된다.
상기 중간탱크(220)는 방사용액 주탱크(8) 또는 재생탱크(230)로부터 공급된 방사용액을 저장하고, 노즐블록(11)으로 상기 방사용액을 공급하며, 공급된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제2 센서(222)를 구비하고 있다.
상기 제2 센서(222)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 중간탱크(220)의 하부에는 노즐블록(11)으로 방사용액을 공급하는 공급배관(240)과 공급제어밸브(242)가 구비되어 있는데, 상기 공급제어밸브(242)는 상기 공급배관(240)의 공급동작을 제어한다.
상기 재생탱크(230)는 오버플로우되어 회수된 방사용액을 저장하고 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(231)를 내부에 갖고, 회수된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제1 센서(232)를 구비하고 있다.
상기 제1 센서(232)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 노즐블록(11)에서 오버플로우된 방사용액은 노즐블록(11)하부에 구비된 방사용액 회수 경로(250)를 통하여 회수된다. 상기 방사용액 회수 경로(250)는 제1 이송배관(251)을 통해 재생탱크(230)로 방사용액을 회수한다.
그리고, 제1 이송배관(251)은 상기 재생탱크(230)에 접속되는 파이프와 펌프를 구비하고, 상기 펌프의 동력으로 방사용액을 방사용액 회수경로(250)로부터 재생탱크로(230)이송한다.
이때, 재생탱크(230)는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 2개 이상인 경우에는 상기 제1 센서(232)와 밸브(233)가 복수개로 구비되는 것도 가능하다.
이어서, 재생탱크(230)가 2개 이상인 경우, 재생탱크(230) 상부에 위치한 밸브(233)도 복수로 구비됨에 따라 제1 이송제어장치(미도시)는 상기 재생탱크(230)에 구비된 상기 제1 센서(232)의 액면높이에 따라서 상부에 위치한 2개 이상의 밸브(233)를 제어하여 방사용액을 복수의 재생탱크(230) 중 어느 하나의 재생탱크(230)로 이송할지 여부를 제어한다.
한편, 상기 전기방사장치(1)에 VOC 재활용 장치(300)가 구비된다. 즉, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b)에 노즐(12)을 통하여 고분자 방사용액의 방사 시 발생되는 VOC(Volatile Organic Compounds : 휘발성 유기 화합물)를 응축하여 액화시키기 위한 응축장치(310)와 상기 응축장치(310)를 통하여 응축된 VOC를 증류하여 액화시키는 증류장치(320) 및 상기 증류장치(320)를 통하여 액화된 용매를 저장하기 위한 용매 저장장치(330)를 포함하는 VOC 재활용 장치(300)가 구비된다.
여기서, 상기 응축장치(310)는 수냉식, 증발식 또는 공냉식 응축장치로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
한편, 상기 각 유닛(10a, 10b) 내에서 발생되는 기화상태의 VOC를 응축장치(310)로 유입시키고, 상기 응축장치(310)에서 발생되는 액화상태의 VOC를 용매 저장장치(330)에 저장하기 위한 배관(311, 331)이 각각 연결설치된다.
즉, 상기 각 유닛(10a, 10b)과 응축장치(310), 상기 응축장치(310)와 용매 저장장치(330)를 상호 연결하기 위한 배관(311, 331)이 각각 연결설치된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 응축장치(310)를 통하여 VOC를 응축시킨 후 응축된 액화상태의 VOC가 용매 저장장치(330)로 공급되는 구조로 이루어져 있으나, 상기 응축장치(310)와 용매 저장장치(330) 사이에 증류장치(320)가 구비되어 하나 이상의 용매가 적용될 경우, 각각의 용매를 분리 및 분류하도록 이루어지는 것도 가능하다.
여기서, 상기 증류장치(320)는 응축장치(310)에 연결되어 액화상태의 VOC를 고온의 열로 가열하여 기화시키고, 이를 다시 냉각하여 액화되는 VOC를 용매 저장장치(330)로 공급된다.
이 경우, 상기 VOC 재활용 장치(300)은 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 통하여 배출되는 기화된 VOC에 공기 및 냉각수를 공급하여 응축 및 액화시키는 응축장치(310)와 상기 응축장치(310)를 통하여 응축된 VOC에 열을 가하여 기화상태로 만든 다음, 다시 냉각시켜 액화상태로 만드는 증류장치(320) 및 상기 증류장치(320)를 통하여 액화된 VOC를 저장하기 위한 용매 저장장치(330)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 증류장치(320)는 분별증류장치로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
즉, 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c)과 응축장치(310), 상기 응축장치(310)와 증류장치(320) 및 상기 증류장치(320)와 용매 저장장치(330)를 상호 연결하기 위한 배관(311, 321, 331)이 각각 연결설치된다.
이어서, 오버플로우 되어 상기 재생탱크(230)에 회수된 방사용액에 있어서의 용매의 함유율을 측정한다. 해당 측정은 재생탱크(230) 중에 방사용액의 일부를 샘플로 하여 추출하고, 해당 샘플을 분석함으로 실시할 수 있다. 방사용액의 분석은 이미 알려진 방법으로 행할 수 있다.
상기한 바와 같은 해당 측정결과를 기초로 하여, 필요한 양의 용매는 상기 용매 저장장치(330)에 공급되는 액화상태의 VOC를 배관(332)을 통하여 상기 재생탱크(230)에 공급된다. 즉, 액화된 VOC는 측정결과에 따라 필요한 양만큼 상기 재생탱크(230)에 공급되어 용매로써 재사용 및 재활용이 가능하다.
여기서, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 구성하는 케이스(18)는 도전체로 이루어지는 것이 바람직하나, 상기 케이스(18)가 절연체로 이루어지거나, 상기 케이스(18)가 도전체 및 절연체가 혼용되어 적용되는 것도 가능하고, 기타 다양한 재질로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 상기 케이스(18)의 상부가 절연체로 이루어지고, 그 하부가 도전체로 혼용되어 적용되는 경우에는 절연부재(19)를 삭제하는 것도 가능하다. 이를 위하여 상기 케이스(18)는 도전체로 형성되는 하부와 절연체로 형성되는 상부가 상호 결합되어 하나의 케이스(18)로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
상기한 바와 같이, 상기 케이스(18)를 도전체 및 절연체로 형성하되, 상기 케이스(18)의 상부를 절연체로 형성함으로써 케이스(18)의 상부 내측면에 컬렉터(13)를 취부하기 위하여 별도로 구비되는 절연부재(19)의 삭제가 가능하며, 이로 인해 장치의 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 상기 컬렉터(13)와 케이스(18) 사이의 절연을 최적화할 수 있어 노즐블록(11)과 컬렉터(13) 사이에 35kV를 인가하여 전기방사를 실시할 경우, 상기 컬렉터(13)와 케이스(18) 및 그 외 기타 부재 사이에서 발생될 수 있는 절연파괴를 방지할 수 있다.
더불어, 리크 전류를 소정 범위 내에 멈출 수 있어 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)로부터 공급되는 전류의 감시가 가능하고, 전기방사장치(1)의 이상을 조기에 감지할 수 있으며, 이로 인해 전기방사장치(1)의 장시간 연속적인 운전이 가능하고, 요구하는 성능의 나노섬유 제조가 안정적이며, 나노섬유의 대량생산이 가능하다.
여기서, 절연체로 형성되는 상기 케이스(18)의 두께(a)는 "a=8mm"를 만족시키도록 이루어진다.
이로 인해, 상기 노즐블록(11)과 컬렉터(13) 사이에 40kV를 인가하여 전기방사를 실시할 경우, 컬렉터(13)와 케이스(18) 및 그 외 기타 부재 사이에서 발생될 수 있는 절연 파괴를 방지할 수 있으며, 리크 전류를 소정 범위 내로 제한할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b) 내에 설치되는 노즐블록(11)의 각 관체(40) 내에 온도조절 제어장치(60)가 구비되며 전압 발생장치(14)와 연결되어 있다.
즉, 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 각 유닛(10a, 10b) 내에 설치되되, 그 상부에 구비되는 다수개의 노즐(12)로 고분자 방사용액이 공급되는 노즐블록(11)의 관체(40)에 온도조절 제어장치(60)가 구비된다.
여기서, 상기 노즐블록(11) 내의 고분자 방사용액의 흐름은 고분자 방사용액이 저장되는 방사용액 주탱크(8)로부터 용액 유동파이프를 통해 각 관체(40)에 공급된다.
그리고, 상기 각 관체(40)에 공급된 고분자 방사용액은 다수개의 노즐(12)을 통해 토출 및 분사되어 나노섬유의 형태로 장척시트(15)에 집적된다.
이들 각 관체(40)의 상부에 길이 방향으로 다수개의 노즐(12)이 일정간격 이격되어 장착되고, 상기 노즐(12) 및 관체(40)는 도전 부재로 이루어져 전기적으로 접속된 상태로 관체(40)에 장착된다.
여기서, 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c) 내로 인입 및 공급되는 장척시트(15)의 이송속도를 조절하기 위한 보조 이송장치(16)가 구비된다.
상기 보조 이송장치(16)는 각 유닛(10a, 10b, 10c) 내에 설치되는 컬렉터(13)에 정전기적 인력으로 부착된 장척시트(15)의 탈착 및 이송이 용이하도록 장척시트(15)의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(16a) 및 상기 보조벨트(16a)를 지지하며 회전시키는 보조벨트 롤러(16b)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 보조벨트 롤러(16b)의 회전에 의해 보조벨트(16a)가 회동하고, 상기 보조벨트(16a)의 회동에 의하여 장척시트(15)가 유닛(10a, 10b)으로 인입 및 공급되며, 이를 위하여 상기 보조벨트 롤러(16b) 중 어느 한 보조벨트 롤러(16b)는 모터에 회전가능하게 연결된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 보조벨트(16a)에 보조벨트 롤러(16b)가 5개 구비되고, 모터의 동작에 의해 어느 한 보조벨트 롤러(16b)가 회전됨으로써 보조벨트(16a)가 회동됨과 동시에 나머지 보조벨트 롤러(16b)가 회전되도록 이루어져 있으나, 상기 보조벨트(16a)에 2개 이상의 보조벨트 롤러(16b)가 구비되고, 모터의 동작에 의해 어느 한 보조벨트 롤러(16b)가 회전되고, 이에 따라 보조벨트(16a) 및 나머지 보조벨트 롤러(16b)가 회전되도록 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 보조 이송장치(16)가 모터에 의해 구동가능한 보조벨트 롤러(16b) 및 보조벨트(16a)로 이루어져 있으나, 도 12에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 보조벨트 롤러(16b)가 마찰계수가 낮은 롤러로 이루어지는 것도 가능하다.
이때, 상기 보조벨트 롤러(16b)는 마찰계수가 낮은 베어링을 포함하는 롤러로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 보조 이송장치(16)가 보조벨트(16a)와 마찰계수가 낮은 보조벨트 롤러(16b)로 이루어져 있으나, 보조벨트(16a)가 제외된 마찰계수가 낮은 롤러만 구비하여 장척시트(15)의 이송하도록 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 보조벨트 롤러(16b)로 마찰계수가 낮은 롤러가 적용되어 있으나, 마찰계수가 낮은 롤러라면 그 형태와 구성에 제한받지 아니하며, 구름베어링, 기름베어링, 볼베어링, 롤러베어링, 미끄럼베어링, 슬리브베어링, 유동압 저널베어링, 유정압 저널베어링, 공기압베어링, 공기동입 베어링, 공기정압 베어링 및 에어베어링과 같은 베어링들이 포함되는 롤러가 적용되는 것도 가능하고, 플라스틱, 유화제 등의 소재 및 첨가제를 포함시켜 마찰계수를 저감시킨 롤러가 적용되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)에 두께 측정장치(70)가 구비된다. 즉, 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c) 사이에 두께 측정장치(70)가 구비되고, 상기 두께 측정장치(70)에 의해 측정된 두께에 따라 이송속도(V) 및 노즐블록(11)을 제어한다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 전기방사장치(1)의 선단부에 위치한 유닛(10a)에서 토출된 나노섬유 부직포의 두께가 편차량보다 얇게 측정될 경우, 다음 유닛(10b)의 이송속도(V)를 늦게하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 증가시키고, 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)의 전압 세기를 조절하여 단위면적당의 나노섬유 부직포의 토출량을 증대시켜 두께를 두껍게 할 수 있다.
또한, 상기 전기방사장치(1)의 선단부에 위치한 유닛(10a)에서 토출된 나노섬유 부직포의 두께가 편차량보다 두껍게 측정될 경우, 다음 유닛(10b)의 이송속도(V)를 빠르게 하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 작게하고, 전압 발생장치(14a, 14b, 14c) 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노섬유 부직포의 토출량을 작게하여 적층량을 줄임으로써 두께를 얇게 할 수 있으며, 이로 인해 균일한 두께를 갖는 나노섬유 부직포를 제조할 수 있다.
여기서, 상기 두께측정장치(9)는 인입 및 공급되는 장척시트(15)를 사이에 두고, 상, 하로 마주보게 배치되며, 초음파 측정방식에 의해 상기 장척시트(15)의 상부 또는 하부까지의 거리를 측정하는 한 쌍의 초음파 종파 횡파 측정방식으로 이루어지는 두께측정부가 구비된다.
이렇게 상기 한 쌍의 초음파 측정장치에 의해 측정된 거리를 기초로 하여 상기 장척시트(15)의 두께를 산출할 수 있다. 즉, 나노섬유 부직포가 적층된 장척시트(15)에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 장척시트(15)에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과 나노섬유 부직포가 적층된 장척시트(15)의 기준온도에서 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께측정장치이다.
다시 말하면, 상기 두께 측정장치(70)는 초음파의 종파와 횡파의 각 전파 시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 장척시트(15)의 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 나노섬유 부직포가 적층된 장척시트(15)의 두께를 계산함으로써, 내부온도가 분균일한 상태에서도 온도 변화에 따른 전파속도의 변화에 의한 오차를 자체 보상하여 두께를 정밀하게 측정할 수 있고, 나노섬유 부직포 내부에 어떤 형태의 온도 분포가 존재하더라도 정밀한 두께의 측정이 가능하다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)에 고분자 방사용액이 분사되어 적층된 후 이송되는 장척시트(15)의 나노섬유 부직포의 두께를 측정하여 장척시트(15)의 이송속도 및 노즐블록(11)을 제어하는 두께 측정장치(70)가 구비되어 있으나, 상기 전기방사장치(1)에 장척시트(15)의 이송속도를 조절하기 위한 장척시트 이송속도 조절장치(30)가 더 구비된다.
여기서, 상기 장척시트 이송속도 조절장치(30)는 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b) 사이에 형성되는 완충구간(31)과 상기 완충구간(31) 상에 구비되어 장척시트(15)를 지지하는 한 쌍의 지지롤러(33, 33') 및 상기 한 쌍의 지지롤러(33, 33') 사이에 구비되는 조절롤러(35)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 지지롤러(33, 33')는 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c) 내에서 노즐(12)이 분사하는 방사용액에 의해 나노섬유 부직포가 적층형성되는 장척시트(15)의 이송 시 상기 장척시트(15)의 이송을 지지하기 위한 것으로서, 상기 각 유닛(10a, 10b) 사이에 형성되는 완충구간(31)의 선, 후단에 각각 구비된다.
그리고, 상기 조절롤러(35)는 상기 한 쌍의 지지롤러(33, 33') 사이에 구비되되, 상기 장척시트(15)가 권취되고, 상기 조절롤러(35)의 상, 하 이동에 의해 상기 각 유닛(10a, 10b)별 장척시트(15a, 15b)의 이송속도 및 이동시간이 조절된다.
이를 위하여 상기 각 유닛(10a, 10b) 내 장척시트(15a, 15b)의 이송속도를 감지하기 위한 감지센서(미도시)가 구비되고, 상기 감지센서에 의해 감지된 각 유닛(10a, 10b) 내 장척시트(15a, 15b)의 이송속도에 따라 조절롤러(35)의 이동을 제어하기 위한 주 제어장치(7)가 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c) 내에서 장척시트(15a, 15b)의 이송속도를 감지하고, 감지된 장척시트(15a, 15b)의 이송속도에 따라 제어부가 조절롤러(35)의 이동을 제어하는 구성으로 이루어져 있으나, 상기 장척시트(15a, 15b)를 이송시키기 위해 컬렉터(13)의 외측에 구비되는 보조벨트(16a) 또는 상기 보조벨트(16a)를 구동시키는 보조벨트 롤러(16b) 또는 모터(미도시)의 구동속도를 감지하고, 이에 따라 제어부가 조절롤러(35)의 이동을 제어하는 구성으로 이루어지는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 감지센서가 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도가 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도보다 빠르다고 감지할 경우, 도 5 내지 도 6에서 도시하고 있는 바와 같이, 선단에 위치하는 유닛(10a) 내에서 이송되는 장척시트(15a)가 처지는 것을 방지하기 위하여 상기 한 쌍의 지지롤러(33, 33') 사이에 구비되되, 장척시트(15)가 권취되는 조절롤러(35)를 하측으로 이동하면서 선단에 위치하는 유닛(10a) 내에서 그 후단에 위치하는 유닛(10b)으로 이송되는 장척시트(15) 중 선단에서 위치하는 유닛(10a) 외부로 이송되어 각 유닛(10a, 10b, 10c) 사이에 위치하는 완충구간(31)으로 과다하게 이송되는 장척시트(15a)를 당겨 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도와 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도가 동일해지도록 보정제어하면서 장척시트(15a)의 처짐 및 구겨짐을 방지한다.
한편, 상기 감지센서가 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도가 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도보다 느리다고 감지할 경우, 도 7 내지 도 8에서 도시하고 있는 바와 같이, 후단에 위치하는 유닛(10b) 내에서 이송되는 장척시트(15b)가 찢어지는 것을 방지하기 위하여 상기 한 쌍의 지지롤러(33, 33') 사이에 구비되되, 장척시트(15)가 권취되는 조절롤러(35)를 상측으로 이동하면서 선단에 위치하는 유닛(10a) 내에서 그 후단에 위치하는 유닛(10b)으로 이송되는 장척시트(15) 중 선단에서 위치하는 유닛(10a) 외부로 이송되어 각 유닛(10a, 10b, 10c) 사이에 위치하는 완충구간(31)에 조절롤러(35)에 의해 권취되어 있는 장척시트(15a)를 후단에 위치하는 유닛(10b)에 빠르게 공급하여 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도와 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도가 동일해지도록 보정제어하면서 장척시트(15b)의 끊어짐을 방지한다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 후단에 위치하는 유닛(10b) 내로 이송되는 장척시트(15b)의 이송속도를 조절함으로써 상기 각 유닛(10a) 중 후단에 위치하는 유닛(10b) 내의 장척시트(15b) 이송속도가 그 선단에 위치하는 유닛(10a) 내의 장척시트(15a) 이송속도와 동일해지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)에 통기도 계측장치(80)가 구비된다. 즉, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c) 중 후단에 위치하는 유닛(10c)의 후방에 전기방사장치(1)를 통하여 제조된 나노섬유 부직포의 통기도를 측정하기 위한 통기도 계측장치(80)가 구비된다.
상기한 바와 같이, 상기 통기도 계측장치(80)를 통하여 측정된 나노섬유 부직포의 통기도를 기초로 하여 장척시트(15)의 이송속도 및 노즐블록(11)을 제어한다.
이렇게 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 통하여 토출된 나노섬유 부직포의 통기도가 크게 계측될 경우, 후단부에 위치하는 유닛(10c)의 이송속도(V)를 늦게하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 증가시키고, 전압 발생장치(14a, 14b, 14c) 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노섬유의 토출량을 증대시켜 통기도를 작게 형성한다.
그리고, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c)을 통하여 토출된 나노섬유 부직포의 통기도가 작게 계측될 경우, 후단부의 위치하는 유닛(10c)의 이송속도(V)를 빠르게 하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 감소시키고, 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)의 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노 섬유의 토출량을 감소시켜 적층량을 줄이게 함으로서 통기도를 크게 형성한다.
상기한 바와 같이, 상기 나노섬유 부직포의 통기도를 계측한 후 통기도에 따라 각 유닛(10a, 10b, 10c)의 이송속도 및 노즐블록(11)을 제어함으로써 균일한 통기도를 갖는 나노섬유 부직포의 제조가 가능하다.
여기서, 상기 나노섬유 부직포의 통기도 편차량(P)이 소정의 값 미만인 경우에는 이송속도(V)를 초기 값으로부터 변화시키지 않고, 상기 편차량(P)이 소정값 이상인 경우에는 이송속도(V)를 초기 값으로부터 변화시키도록 제어하는 것도 가능하기 때문에, 이송속도(V) 제어장치에 의한 이송속도(V)의 제어를 단순화하는 것이 가능해진다.
또한, 이송속도(V)의 제어 외에도 노즐블록(11)의 토출양 및 전압의 세기 조절이 가능하여 통기도 편차량(P)이 소정의 값 미만인 경우에는 노즐블록(11)의 토출양과 전압의 세기를 초기 값으로부터 변화시키지 않고, 상기 편차량(P)이 소정의 값 이상인 경우에는 노즐블록(11)의 토출양과 전압의 세기를 초기 값으로부터 변화시키도록 제어하여 노즐블록(11)의 토출양과 전압의 세기의 제어를 단순화할 수 있다.
여기서, 상기 전기방사장치(1)에는 주 제어장치(7)가 구비되되, 상기 주 제어장치(7)는 노즐블록(11)과 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)와 두께 측정장치(70)와 장척시트 이송속도 조절장치(30) 및 통기도 계측장치(80)를 제어한다.
한편, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b)을 통하여 전기방사된 나노섬유 부직포를 라미네이팅하기 위한 라미네이팅 장치(90)가 상기 각 유닛(10a, 10b) 중 후단에 위치하는 유닛(10b)의 후방에 구비되고, 상기 라미네이팅 장치(90)에 의해 전기방사장치(1)를 통하여 전기방사된 나노섬유 부직포의 후공정을 수행한다.
여기서, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)의 합지장치(100)가 구비된다. 상기 합지장치(100)는 각 유닛(10a, 10b)을 통하여 장척시트(15) 상에 고분자 방사용액이 방사된 나노섬유 부직포 상에 기재(미도시)를 접합시킨다.
이때, 상기 합지장치(100)는 상기 나노섬유 부직포의 하부에 구비되되, 상기 합지장치(100)를 통하여 공급되는 기재는 나노섬유 부직포의 하부면에 접합된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 기재가 나노섬유 부직포의 하부면에 접합되도록 상기 합지장치(100)가 나노섬유 부직포의 하부에 구비되어 있으나, 상기 기재가 나노섬유 부직포의 상부면에 접합되도록 상기 합지장치(100)가 나노섬유 부직포의 상부에 구비되는 것도 가능하다.
또한, 상기 나노섬유 부직포의 상부면 및 하부면에 기재를 접합시키도록 상기 합지장치(100)가 나노섬유 부직포의 상, 하부에 각각 구비되는 것도 가능하다.
이하, 상기 전기방사장치를 이용하여 본 발명의 섬유직경의 구배를 갖는 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터의 제조방법을 설명한다.
본 발명에서는 전기방사장치에서 세 개의 유닛(10a, 10b, 10c)를 사용하고, 고분자로는 저융점 및 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용하며, 장척시트(15)로 기재를 사용한다.
한편 본 발명의 필터를 제조하기 위해서는 먼저 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 유기 용매에 녹인 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사장치의 제1 유닛(10a)과 연결된 방사용액 주탱크(8)에 공급하고, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 유기 용매에 녹인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사장치의 제2 유닛(10b)과 연결된 방사용액 주탱크(8)에 공급하고, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 유기 용매에 녹인 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 전기방사장치의 제3 유닛(10a)과 연결된 방사용액 주탱크(8)에 공급하고, 상기 방사용액 주탱크(8)에 공급된 저융점 및 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액은 계량 펌프(미도시)를 통하여 높은 전압이 부여되는 노즐블록(11)의 다수의 노즐(12) 내에 연속적으로 정량공급된다. 상기 각 노즐(12)로부터 공급되는 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액은 노즐(12)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(13) 상에 위치한 기재 상에 전기방사 및 집속되면서 저융점 및 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성한다.
한편 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b, 10c) 내에서 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포가 적층되는 기재는 모터(미도시)의 구동에 의해 동작하는 공급롤러(3) 및 상기 공급롤러(3)의 회전에 의해 구동하는 보조이송장치(16)의 회전에 의해 제1 유닛(10a)에서 제2 유닛(10b)으로, 다시 제3 유닛(10c)으로 이송되고 상기한 공정을 반복하면서 기재 상에 저융점 및 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포가 연속적으로 전기방사 및 적층형성된다.
상기 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액을 이성분 기재 상에 전기방사하여 적층형성하는 과정에서, 전기방사장치의 각 유닛(10a, 10b, 10c)마다 방사 조건을 달리하여 제1 유닛(10a) 및 제3 유닛(10c)에서 섬유직경이 큰 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성하고, 제2 유닛(10b)에서 섬유직경이 작은 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 연속적으로 적층형성하는 것도 가능하다.
상기 전기방사장치(1)의 제1 유닛(10a)내에 설치되어 제1 유닛(10a)에 전압을 공급하는 전압 발생장치(14a)는 방사전압을 낮게 부여하여 섬유직경이 150 내지 300nm인 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 기재 상에 형성하며, 뒤이어 제2 유닛(10b) 내에 설치되어 제2 유닛(10b)에 전압을 공급하는 전압 발생장치(14b)는 방사전압을 높게 부여하여 섬유직경이 100 내지 150nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 적층형성한다. 뒤이어 제3 유닛(10c) 내에 설치되어 제3 유닛(10c)에 전압을 공급하는 전압 발생장치(14c)는 방사전압을 낮게 부여하여 섬유직경이 150 내지 300nm인 제2 융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 적층형성한다. 여기서 상기 각 전압 발생장치(14a, 14b, 14c)가 부여하는 방사전압은 1kV 이상, 바람직하게 15kV 이상이며, 제1 유닛(10a)의 전압발생장치(14a)와 제3 유닛(10c)의 전압발생장치(14c)가 부여하는 전압이 제2 유닛(10b)의 전압 발생장치(14b)가 부여하는 전압보다 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 전압의 세기를 달리하여 상기한 것과 섬유직경을 달리하여 전기방사하는 것도 가능하다.
또한, 상기 전기방사장치(1)의 유닛의 개수를 4개 이상으로 구성하고 각 유닛마다 전압을 달리하여 섬유직경이 다른 4층 이상의 저융점 및 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 기재 상에 적층형성시킨 필터를 제조하는 것도 가능할 것이다.
여기에서 섬유직경의 구배를 부여하기 위해 각 유닛(10a, 10b)마다 부여하는 전압의 세기를 달리하는 방식을 사용하였으나, 노즐(12)과 컬렉터(13) 사이 간격을 조절하여 섬유직경이 다른 나노섬유 부직포를 형성할 수 있다. 이 경우, 방사용액의 종류 및 공급되는 전압 세기가 동일한 경우, 방사거리가 가까울수록 섬유직경은 커지고, 방사거리가 멀수록 섬유직경은 작아지는 원리에 따라 섬유직경이 다른 나노섬유 부직포가 형성되는 것도 가능하다. 그리고, 방사용액의 농도 및 점도를 조절하거나, 장척시트의 이동속도를 조절함으로 섬유직경의 차이를 두는 것도 가능할 것이다.
상기와 같은 방법으로 각 유닛(10a, 10b, 10c)에서 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 순차적으로 적층형성한 후, 전기방사장치(1) 후단부에 위치하는 합지장치(100)에서는 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에는 제2 기재가 접합되어, 라미네이팅 장치(90)에서 열융착하는 과정을 거쳐 필터를 제조한다.
실시예1
중량평균 분자량(Mw)이 5,000인 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포믹산에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 전기방사장치의 제1 및 제3 유닛의 방사용액 주탱크에 투입하였다. 중량평균 분자량(Mw)이 50,000인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 각 전기방사장치의 제2 유닛의 방사용액 주탱크에 투입하였다. 평량이 150g/m2인 제1 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재를 전기방사장치의 컬렉터 상에 위치시켰다. 전기방사장치의 제1 유닛에서는 인가전압을 17.5kV로 부여하여 상기 제1 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재 상에 상기 방사용액을 전기방사하여 두께 2㎛, 섬유직경이 170nm인 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성하였고, 제2 유닛에서는 인가전압을 20kV로 부여하여 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 방사용액을 전기방사하여 두께 2㎛, 섬유직경이 130nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성하였다. 제3 유닛에서는 인가전압을 17.5kV로 부여하여 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드 방사용액을 전기방사하여 두께 2㎛, 섬유직경이 170nm인 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성하였다. 전기방사장치 후단부에 위치한 합지장치에서는 제2 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재의 상부면과 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포의 상부면을 접합하였다. 이후 라미네이팅 장치에서는 제1 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 및 제2 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재 순으로 적층된 다층 부직포를 열융착하여 최종적으로 필터를 제조한다. 이 때, 전기방사는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%의 조건에서 실시하였다.
비교예1
실시예 1에 쓰인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재를 필터 여재로 사용하였다.
비교예2
폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재 상에 폴리비닐리덴 플루오라이드를 전기방사한 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 적층형성하여 필터를 제조하였다.
- 여과효율 측정
상기 제조된 나노섬유 필터의 효율을 측정하기 위해 DOP 시험방법을 이용하였다. DOP 시험방법은 티에스아이 인코퍼레이티드(TSI Incorporated)의 TSI 3160의 자동화 필터 분석기(AFT)로 디옥틸프탈레이트(DOP) 효율을 측정하는 것으로서, 필터 미디어 소재의 통기성, 필터 효율, 차압을 측정할 수 있다.
상기 자동화 분석기는 DOP를 원하는 크기의 입자를 만들어 필터 시트 위에 투과하여 공기의 속도, DOP 여과 효율, 공기 투과도(통기성) 등을 계수법으로 자동으로 측정하는 장치이며 고효율 필터에 아주 중요한 기기이다.
DOP % 효율은 다음과 같이 정의된다:
DOP % 효율 = (1 - (DOP농도 하류/DOP 농도 상류)) × 100
실시예1 및 비교예1의 여과 효율을 상기와 같은 방법에 의해 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예1 비교예1
0.35㎛ DOP
여과 효율(%)		 91 63
이와 같이 본 발명의 실시예를 통해 제조된 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포를 포함하는 필터는 비교예에 비하여 여과효율이 우수함을 알 수 있다.
- 압력강하 및 필터수명 측정
상기 제조된 나노섬유 부직포 필터를 50㎍/m3의 유량에 따른 ASHRAE 52.1로 압력강하(Pressure drop)을 측정하고, 이에 따른 필터 수명을 측정하였다. 실시예1과 비교예1를 비교한 데이터를 표 2에 나타내었다.
실시예1 비교예1
압력강하 (in.w.g) 4.1 5.2
필터수명 (month) 6.1 3.8
표 2에 따르면 본 발명의 실시예를 통해 제조된 필터는 비교예에 비하여 압력강하가 낮아 압력손실이 적고 필터수명은 더 길어 결과적으로 내구성이 우수함을 알 수 있다.
- 나노섬유 부직포의 탈리여부
상기 제조된 필터를 ASTM D 2724 방법으로 나노섬유 부직포와 필터 기재의 탈리여부를 측정한 결과, 실시예 1에 의해서 제조된 필터에서는 나노섬유 부직포의 탈리가 일어나지 않았으나, 비교예 2에 의해서 제조된 필터는 나노섬유 부직포의 탈리가 발생했다.
따라서, 본 발명의 실시예를 통해 제조된 필터는 비교예에 비하여 나노섬유 부직포와 기재 사이에 탈리가 잘 발생하지 않음을 알 수 있다.
이상, 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하지만, 첨부 특허청구의 범위에 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1 : 전기방사장치, 3 : 공급롤러,
5 : 권취롤러, 7 : 주 제어장치,
8 : 방사용액 주탱크, 10a, 10b ,10c: 유닛,
11 : 노즐블록, 12 : 노즐,
13 : 컬렉터, 14, 14a, 14b ,14c: 전압 발생장치,
15, 15a, 15b : 장척시트, 16 : 보조 이송장치,
16a : 보조벨트, 16b : 보조벨트 롤러,
18 : 케이스, 19 : 절연부재,
30 : 장척시트 이송속도 조절장치, 31 : 완충구간,
33, 33' : 지지롤러, 35 : 조절롤러,
40 : 관체, 60 : 온도조절 제어장치,
70 : 두께 측정장치, 80 : 통기도 계측장치,
90 : 라미네이팅 장치, 100 : 합지장치,
200 : 오버플로우 장치, 211, 231 : 교반장치,
212, 213, 214, 233 : 밸브, 216 : 제2 이송배관,
218 : 제2 이송제어장치, 220 : 중간탱크,
222 : 제2 센서, 230 : 재생탱크,
232 : 제1 센서, 240 : 공급배관,
242 : 공급제어밸브, 250 : 방사용액 회수 경로,
251 : 제1 이송배관, 300 : VOC 재활용 장치,
310 : 응축장치, 311, 321, 331, 332 : 배관,
320 : 증류장치, 330 : 용매 저장장치.

Claims (7)

  1. 제1 이성분 기재;
    전기방사장치의 제1 유닛에서 상기 제1 이성분 기재 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 섬유직경이 150 내지 300nm인 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포;
    전기방사장치의 제2 유닛에서 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 섬유직경이 100 내지 150nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포;
    전기방사장치의 제3 유닛에서 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 전기방사에 의해 적층형성되는 섬유직경이 150 내지 300nm인 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포; 및
    상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 적층되는 제2 이성분 기재;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 이성분 기재와 상기 제1 및 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포와 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포는 열융착 되는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하며,
    상기 제1, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드는 중량평균 분자량이 5,000인 폴리비닐리덴 플루오라이드이고,
    상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드는 중량평균 분자량이 50,000인 폴리비닐리덴 플루오라이드인 것을 특징으로 한 나노섬유를 포함하는 필터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 2개 이상의 유닛으로 이루어지고, 유닛 내에 위치하는 노즐블록의 노즐에 공급장치가 독립적으로 연결설치되고, 다른 직물을 접합시키는 합지장치를 구비하며, 각 유닛의 컬렉터에 위치되는 기재 상에 고분자를 방사하며, 전기방사장치에 의해 필터를 제조하는 제조방법에 있어서,
    저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 용매에 용해시킨 방사용액을 상기 전기방사장치의 제1 및 제3 유닛에 투입하고, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드를 용매에 용해시킨 방사용액을 상기 전기방사장치의 제2 유닛의 공급장치에 투입하는 단계;
    상기 전기방사장치의 제1 유닛에서 제1 기재 상에 섬유직경이 150 내지 300nm인 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계;
    상기 전기방사장치의 제2 유닛에서 상기 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층 상에 섬유직경이 100 내지 150nm인 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계;
    상기 전기방사장치의 제3 유닛에서 상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층 상에 섬유직경이 150 내지 300nm인 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포층이 적층형성되는 단계;
    상기 전기방사장치 후단부에 위치한 합지장치에서 상기 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 상에 제2 기재를 접합하는 단계; 및
    상기 제1 기재, 제1 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유 부직포 및 제2 기재를 열융착하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 기재는 이성분 기재 또는 셀룰로오스로부터 선택되고,
    상기 제1, 제2 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드는 중량평균 분자량이 5,000인 폴리비닐리덴 플루오라이드이고,
    상기 고융점 폴리비닐리덴 플루오라이드는 중량평균 분자량이 50,000인 폴리비닐리덴 플루오라이드인 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 포함하는 필터의 제조방법.
  7. 삭제
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