KR101767875B1

KR101767875B1 - 나노파이버 제조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101767875B1
Application number: KR1020177001004A
Authority: KR
Inventors: 도오루 오구라; 유키히로 가타이; 도시나오 아라이
Original assignee: 후지필름 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-08-11
Also published as: WO2016035475A1; JP2016053231A; JP6132820B2; US20170130364A1; KR20170027775A; US10167575B2

Abstract

전계 방사의 개시 시나 정지 시의 불안정한 방사 제트에 기인하는 불량품을 없앤 나노파이버 제조 방법 및 장치를 제공한다. 폴리머를 용매에 용해시킨 용액(25)을, 노즐(16)의 선단으로부터 내보내어, 선단 개구(16b)에 테일러콘(44)을 형성한다. 전원부(62)에 의하여, 용액(25)과 컬렉터의 사이에 전압을 가하여, 테일러콘(44)으로부터 컬렉터(50)에 방사 제트(45)를 분출한다. 전계 방사의 개시나 정지 시에는, 차폐 부재(48)를 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)에 삽입하여, 불안정한 방사 제트나 나노파이버를 받아낸다. 전계 방사의 개시 시나 정지 시의 불안정한 방사 제트가 제품이 되지 않아, 불량품의 발생이 억제된다.

Description

나노파이버 제조 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING NANOFIBER}

본 발명은, 나노파이버 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

예를 들면 수 nm 이상 1000nm 미만의 나노 오더의 직경을 갖는 섬유(나노파이버)는, 바이오 필터, 센서, 연료 전지 전극재, 정밀 필터, 전자 페이퍼, 히트 파이프의 위크 등의 제품의 소재로서 이용할 수 있어, 공학이나 의료 등의 각 분야에 있어서의 용도 개발이 활발하게 행해지고 있다.

나노파이버를 제조하는 방법의 하나로, 전계 방사법(일렉트로스피닝법)이 있다. 전계 방사법은, 노즐과 컬렉터와 전원부를 갖는 전계 방사 장치(일렉트로스피닝 장치)를 이용하여 행해진다(특허문헌 1 참조). 이 전계 방사 장치에서는, 전원에 의하여 노즐과 컬렉터의 사이에 전압을 인가하여, 예를 들면, 노즐을 마이너스, 컬렉터를 플러스에 대전시킨다.

전압을 인가한 상태에서 노즐로부터 원료인 용액을 내보내면, 노즐의 선단의 개구(이하, 선단 개구라고 칭함)에 테일러콘이라고 불리는 용액으로 구성되는 원뿔 형상의 돌기가 형성된다. 인가 전압을 서서히 증가시켜, 쿨롱력이 용액의 표면 장력을 상회하면, 테일러콘의 선단으로부터 용액이 분출하여, 방사 제트가 형성된다. 방사 제트는 쿨롱력에 의하여 컬렉터까지 이동하고, 컬렉터 상에서 나노파이버로서 수집된다.

노즐로부터 보내지는 용액으로서, 휘발성이 높은 용매를 사용하는 경우에는, 선단 개구에서 용액이 고화되어, 막히는 경우가 있다. 또, 어느 정도 고화된 용액이 선단 개구로부터 멀어지면, 컬렉터 상에 집적된 나노파이버의 수집면에, 고화된 용액이 떨어지는 경우가 있다. 이와 같이 용액의 막힘이나 고화에 의하여, 제품의 품질 저하나, 제품으로서의 사용이 불가능해진다. 이로 인하여, 특허문헌 2에서는, 클리닝 수단을 이용하여, 선단 개구에 유연 부재를 접촉시켜 고화된 용액을 제거하거나, 선단 개구를 흡인하여 고화된 용액을 제거하거나 하고 있다.

일본 공개특허공보 2005-330624호 일본 공개특허공보 2008-202169호

특허문헌 2에 나타나는 바와 같이, 노즐을 클리닝 스테이션에 이동시키고 선단 개구에 유연 부재를 접촉시켜 고화된 용액을 제거하는 방법에서는, 선단 개구에 유연 부재를 접촉시킬 때에, 유연 부재나 노즐이 휘고, 그것이 되돌아올 때의 힘으로 유연 부재나 선단 개구에 부착되어 있는 고화된 용액이 떨어져 나오게 되는 경우가 있다. 고화된 용액이 컬렉터 상의 나노파이버층에 떨어지면 불량품이 되는 문제가 있다.

또, 전계 방사의 개시 시나 정지 시에는, 테일러콘이나 방사 제트가 안정되지 않는 경우가 있으며, 용액이 컬렉터에 낙하하는 액 떨어짐이나, 방사 제트의 불안정에 기인하는 파이버의 대경화나 불연속화가 발생하는 경우가 있어, 대책이 요망되고 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 전계 방사의 개시 시나 정지 시의 불안정한 방사의 발생이 억제되는 나노파이버 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 나노파이버 제조 방법은, 폴리머가 용매에 용해되어 있는 용액을 노즐의 선단으로부터 송출하고, 용액과 컬렉터의 사이에 전압을 인가하여, 용액으로부터 컬렉터에 파이버를 분출하는 나노파이버 제조 방법으로서, 노즐과 컬렉터의 사이에 삽입되어 파이버를 받는 삽입 위치와, 삽입 위치로부터 퇴피하여 노즐로부터의 파이버를 컬렉터를 향하여 분출시키는 퇴피 위치의 사이에서, 차폐 부재를 이동 가능하게 배치하고, 차폐 부재가 삽입 위치인 상태에서, 노즐과 차폐 부재의 사이에 전압을 인가하는 것이다.

본 발명의 나노파이버 제조 장치는, 폴리머가 용매에 용해되어 있는 용액을 노즐의 선단으로부터 송출하고, 용액과 컬렉터의 사이에 전압을 인가하여, 용액으로부터 컬렉터에 파이버를 분출하는 나노파이버 제조 장치로서, 노즐과 컬렉터의 사이에 삽입되어 파이버를 받는 삽입 위치와, 삽입 위치로부터 퇴피하여 노즐로부터의 파이버를 컬렉터를 향하여 분출시키는 퇴피 위치의 사이에서 이동 가능하게 배치되고, 삽입 위치인 상태에서, 노즐과의 사이에 전압이 인가되는 차폐 부재를 구비하는 것이다.

또한, 파이버의 제조 중에는 차폐 부재가 퇴피 위치인 상태가 되고, 파이버의 제조의 개시 및 종료 시에 차폐 부재가 삽입 위치인 상태가 되는 것이 바람직하다. 차폐 부재는, 파이버의 분출 에어리어에 선단이 도달한 상태에서 전압이 인가되고, 분출 에어리어로부터 선단이 빠진 상태에서 전압의 인가가 정지되는 것이 바람직하다. 또, 용액과 차폐 부재의 사이의 전압의 인가 시에, 용액과 컬렉터의 사이의 전압의 인가가 정지되는 것이 바람직하다. 폴리머는 셀룰로스계 폴리머인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 방사 개시 시나 종료 시 등 방사가 불안정한 상태의 나노파이버나 액 떨어짐을 배제할 수 있어, 불량품의 발생이 없는 나노파이버를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 나노파이버 제조 장치의 개략을 나타내는 측면도이다.
도 2는 노즐과 테일러콘의 일례를 나타내며, 일부 단면을 갖는 측면도이다.
도 3은 요동 타입의 다른 실시형태의 차폐 부재를 이용한 집적부를 나타내는 측면도이다.
도 4는 차폐 부재를 방사실 밖으로 배출하는 다른 실시형태의 집적부를 나타내는 측면도이다.
도 5는 다른 노즐의 수지층의 일부를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 6은 다른 노즐의 선단부를 나타내며, 일부 단면을 갖는 측면도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 나노파이버 제조 장치(10)는, 셀룰로스계 폴리머가 용매에 용해된 용액(25)으로부터 나노파이버(46)를 제조하기 위한 것이다. 나노파이버 제조 장치(10)는, 방사실(11)과, 용액 공급부(12)와, 전계 방사 노즐(이하, 간단하게 노즐이라고 칭함)(16)과, 집적부(15)와, 전원부(62)를 구비한다. 방사실(11)은, 노즐(16), 용액 공급부(12), 집적부(15) 등을 수용하여, 밀폐 가능하게 구성되어 있으며, 용매 가스가 외부로 누설되는 것을 방지하고 있다. 용매 가스는, 용액(25)의 용매가 기화한 것이다.

방사실(11) 내의 상부에는, 노즐(16)이 배치된다. 노즐(16)은, 후술하는 바와 같이 전원부(62)에 의하여 예를 들면 마이너스(-)로 대전된 상태에서 용액(25)을 내보내기 위한 것이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)은, 노즐 본체(16a) 및 수지층(26)을 갖는다. 노즐 본체(16a)는, 예를 들면 외경이 0.55mm이고 내경이 0.35mm인 스테인리스제 원통이며, 선단 개구(16b)의 둘레의 선단 개구 가장자리부가 통심(중심선) 방향에 직교하는 선단 평탄면(16c)으로 되어 있다. 노즐 본체(16a)의 재질은 스테인리스 외에, 예를 들면 알루미늄 합금, 구리 합금, 타이타늄 합금 등의 다른 도전성 재료로 구성해도 된다.

노즐(16)의 선단 평탄면(16c), 외주면(16d)을 포함하는 선단부의 표면에는, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE)에 의하여, 수지층(26)이 피복(코팅)되어 있다. 이용하는 수지는 PTFE에 한정되지 않고, 용액에 사용되는 용매에 용해되지 않는 재료이면, 다른 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 실리콘, 에폭시 등의 수지를 이용할 수 있다. 피복 방법도 특별히 한정되지 않는다. 피복 두께도 특별히 한정되지 않지만, 1μm 이상 50μm 이하가 바람직하다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)의 기단(基端)에는, 용액 공급부(12)의 배관(32)이 접속되어 있다. 용액 공급부(12)는, 방사실(11)의 노즐(16)에 용액(25)을 공급하기 위한 것이다. 용액 공급부(12)는, 저류 용기(30)와 펌프(31)와 배관(32)을 구비한다. 저류 용기(30)는 용액(25)을 5℃ 이상 40℃ 이하의 범위 내의 일정 온도로 하여 저장한다. 이로써, 노즐(16)로부터 나오는 용액(25)의 온도를, 5℃ 이상 40℃ 이하의 범위 내로 하고 있다. 5℃ 이상으로 함으로써, 5℃ 미만의 경우에 비하여, 저류 용기(30) 내에서 결로에 의하여 수분이 혼입되지 않아, 바람직하다. 또, 40℃ 이하로 함으로써, 40℃를 초과하는 경우에 비하여, 용액(25) 중의 용매의 증발을 억제할 수 있어, 바람직하다.

펌프(31)는, 배관(32)을 통하여 용액(25)을 노즐(16)로 보낸다. 펌프(31)의 회전수를 변경함으로써, 노즐(16)로부터 송출하는 용액(25)의 유량을 조절할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 용액(25)의 유량을 4cm³/시로 하고 있지만, 유량은 이에 한정되지 않는다. 펌프(31)에 의하여 노즐(16)에 용액(25)이 보내지면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)의 선단 개구(16b)에는 용액(25)에 의하여 대략 원뿔 형상의 테일러콘(44)이 형성된다. 또한, 저류 용기(30)나 펌프(31)로 이루어지는 용액 공급부(12)를 이용하고 있지만, 노즐(16)에 공급하는 용액(25)이 소량인 경우에는, 도시가 생략된 시린지를 이용해도 된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)의 하방에는 집적부(15)가 배치된다. 집적부(15)는, 차폐 부재(48), 컬렉터(50), 컬렉터 회전부(51), 지지체 공급부(52), 및 지지체 권취부(53)를 갖는다. 컬렉터(50)는 노즐(16)로부터 나온 용액(25)을 나노파이버(46)로서 수집하기 위한 것이다. 컬렉터(50)는 띠 형상의 금속제, 예를 들면 스테인리스제의 무단(無端) 벨트로 구성되어 있다. 컬렉터(50)는 스테인리스제에 한정되지 않고, 전원부(62)에 의한 전압의 인가에 의하여 대전되는 소재로 형성되어 있으면 된다. 컬렉터 회전부(51)는, 1쌍의 롤러(55, 56), 모터(57) 등으로 구성되어 있다. 컬렉터(50)는, 1쌍의 롤러(55, 56)에 수평으로 걸쳐 놓여져 있다. 한쪽의 롤러(55)의 축에는 방사실(11)의 외부에 배치된 모터(57)가 접속되어 있으며, 롤러(55)를 소정 속도로 회전시킨다. 이 회전에 의하여 컬렉터(50)는 1쌍의 롤러(55, 56) 사이에서 순환하여 이동한다. 본 실시형태에 있어서는, 컬렉터(50)의 이동 속도는, 10cm/시로 하고 있지만, 이에 한정되지 않는다.

컬렉터(50)에는 지지체 공급부(52)에 의하여 띠 형상의 알루미늄 시트로 이루어지는 지지체(60)가 공급된다. 본 실시형태에 있어서의 지지체(60)는, 두께가 대략 25μm이다. 지지체(60)는, 나노파이버(46)를 수집시켜 나노파이버층(부직포)(47)으로서 얻기 위한 것이다. 컬렉터(50) 상의 지지체(60)는, 지지체 권취부(53)에 의하여 권취된다. 지지체 공급부(52)는 송출축(52a)을 갖는다. 송출축(52a)에는 지지체 롤(54)이 착탈 가능하게 장착된다. 지지체 롤(54)은 지지체(60)가 권취되어 구성되어 있다. 지지체 권취부(53)는 권취축(58)을 갖는다. 권취축(58)은 도시가 생략된 모터에 의하여 회전되고, 세트되는 권취 코어(61)에, 나노파이버층(47)이 형성된 지지체(60)를 권취한다. 이와 같이, 나노파이버 제조 장치(10)는, 나노파이버(46)를 제조하는 기능에 더하여, 나노파이버층(47)으로 이루어지는 부직포를 제조하는 기능을 갖고, 전계 방사법에 의한 나노파이버 제조 방법이 실시된다. 컬렉터(50)의 이동 속도와 지지체(60)의 이동 속도는 양자의 사이에 마찰이 발생하지 않도록 동일하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 지지체(60)를 컬렉터(50) 상에 재치하여, 컬렉터(50)의 이동에 따라 이동시켜도 된다. 또, 지지체(60)에 권취 장력을 부여해 둠으로써, 지지체(60)를 컬렉터(50)에 연동시켜도 된다.

차폐 부재(48)는 금속판으로 구성되어 있으며, 노즐(16)과 컬렉터(50)의 사이에서, 도시가 생략된 가이드 기구 등에 의하여, 컬렉터(50)와 평행으로, 이동 가능하게 배치된다. 시프트 기구(49)는, 예를 들면 랙 앤드 피니언 방식이나, 링크 기구 등을 이용하여, 차폐 부재(48)를 삽입 위치와 퇴피 위치의 사이에서 이동시킨다. 삽입 위치에서는, 차폐 부재(48)가 노즐(16)의 하방에 위치하여, 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)를 가리기 때문에, 방사 제트(45)는 차폐 부재(48)로 차폐되어, 컬렉터(50)로 갈 수 없다. 퇴피 위치에서는, 차폐 부재(48)가 삽입 위치로부터 퇴피하여, 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)를 가리지 않으므로, 방사 제트(45)는 컬렉터(50)에 도달한다. 차폐 부재(48) 상에는, 도시가 생략된 예를 들면 알루미늄 시트로 이루어지는 커버 시트가 재치되어 있다. 커버 시트는, 받아낸 방사 제트(45) 등을 폐기할 때에, 차폐 부재(48)로부터 용이하게 박리하기 위한 것이다. 또한, 방사 제트(45)를 차폐 부재(48)의 표면으로부터 용이하게 박리할 수 있는 경우에는, 커버 시트는 생략해도 된다.

전원부(62)는, 노즐(16)과 컬렉터(50)의 사이에 예를 들면 35kV의 전압을 가하여, 예를 들면 노즐(16)을 마이너스(-)로 대전시키고, 컬렉터(50)를 플러스(+)로 대전시킨다. 또, 차폐 부재(48)가 삽입 위치에 삽입되는 삽입 상태 시에, 컬렉터(50)에 대한 전압 인가를 정지하고, 노즐(16)과 차폐 부재(48)의 사이에 예를 들면 30kV의 전압을 인가하여, 노즐(16)을 마이너스로 대전시키고, 차폐 부재(48)를 플러스로 대전시킨다. 전원부(62)는, 노즐(16)과 차폐 부재(48)의 사이에서 전압을 인가한 상태에서는, 노즐(16)과 컬렉터(50)의 사이의 전압의 인가를 정지한다. 또한, 노즐(16)과, 컬렉터(50) 및 차폐 부재(48)의 대전의 극성은 반대로 해도 된다.

노즐(16) 선단과 컬렉터(50)의 거리(L2)는, 폴리머와 용매의 종류, 용매 농도에 따라 적절한 값이 상이하지만, 30mm 이상 300mm 이하의 범위 내가 바람직하고, 본 실시형태에서는 170mm로 하고 있다. 이 거리(L2)가 30mm 이상인 것에 의하여, 30mm보다 짧은 경우에 비하여, 분출되는 방사 제트(45)가, 컬렉터(50)에 도달하기까지, 자신의 전하에 의한 반발로 보다 확실하게 분열되므로, 가는 나노파이버(46)가 보다 확실하게 얻어진다. 이와 같이 가늘게 분열됨으로써 용매가 보다 확실하게 증발되기 때문에, 끈끈한 부직포가 되는 것이 보다 확실하게 방지된다. 또, 거리(L2)가 300mm 이하인 것에 의하여, 300mm를 초과하여 지나치게 긴 경우에 비하여, 인가하는 전압을 낮게 억제할 수 있다. 따라서, 고전압의 인가에 의하여 장치의 절연이 파괴되는 것이 보다 확실하게 방지되기 때문에, 의도하지 않는 부분에서의 쇼트에 의한 장치의 파손이 없다.

노즐(16) 선단과 차폐 부재(48)의 거리(L4)는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 차폐 부재(48)의 차폐 영역이나 차폐 부재(48)의 이동 길이를 고려하면, 노즐(16)과 컬렉터(50)의 거리(L2)의 반 정도가, 바람직하다.

노즐(16)과 컬렉터(50)에 인가하는 전압의 크기에 따라, 얻어지는 나노파이버(46)의 굵기가 변한다. 파이버를 가늘게 형성하는 관점에서는 전압은 가능한 한 낮은 편이 바람직하지만, 지나치게 낮추면 섬유 형상이 되지 않고 구슬 형상이 되어 컬렉터(50) 상에 부착되는 경우가 있다. 반대로 전압을 높여가면 파이버가 굵어지고, 지나치게 높이면 장치의 절연이 파괴되어 예상하지 못한 곳으로부터 누전되어, 장치가 손상되는 경우가 있다. 따라서, 노즐(16)과 컬렉터(50)에 가하는 전압은, 2kV 이상 40kV 이하가 바람직하다.

노즐(16)과 차폐 부재(48)의 사이의 인가 전압은, 차폐 부재(48)가 노즐(16)에 근접한 분만큼 인가되는 전압을 강하시키는 것이 바람직하지만, 인가 전압은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 노즐(16)과 컬렉터(50)의 사이의 인가 전압과 동일하거나 또는 그 이상이어도 된다.

셀룰로스계 폴리머로서는, 본 실시형태에서는 셀룰로스트라이아세테이트(TAC)를 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 셀룰로스다이아세테이트(DAC), 셀룰로스프로피오네이트, 셀룰로스뷰티레이트, 셀룰로스아세테이트프로피오네이트, 나이트로셀룰로스, 에틸셀룰로스, 카복시메틸에틸셀룰로스 중 적어도 어느 하나, 또는 이들의 혼합물이면 된다. 또한, 용액으로서 TAC를 이용하는 예로 설명했지만, 용액은 그 외의 폴리머 용액이어도 된다.

셀룰로스계 폴리머를 용해하는 용매로서는, 메탄올, 에탄올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 벤질알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 사이클로헥산온, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 프로필아세테이트, 뷰틸아세테이트, 폼산 메틸, 폼산 에틸, 헥세인, 사이클로헥세인, 다이클로로메테인, 클로로폼, 사염화 탄소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 다이메틸폼아마이드, N-메틸피롤리돈(NMP), 다이에틸에터, 다이옥세인, 테트라하이드로퓨란, 1-메톡시-2-프로판올 등을 들 수 있다. 이들은, 셀룰로스계 폴리머의 종류에 따라 단독으로 사용해도 되고 혼합하여 사용해도 된다. 용매를 단독으로 사용하는 경우에는, 용매의 비점이 대략 50℃ 이하가 되면, 스키닝의 형성이 현저해진다. 또, 비점이 낮은 용매는, 용매의 증발 속도가 빠르기 때문에 스키닝을 형성하기 쉽다. 이를 억제하기 위하여 비점이 높은 용매를 혼합하여, 용매의 증발 속도를 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서는, 셀룰로스트라이아세테이트를 혼합 용매에 용해한 용액(25)을 이용했다. 혼합 용매는, 다이클로로메테인과 NMP의 혼합비(질량)를, 다이클로로메테인:NMP=8:2로 하고, 셀룰로스트라이아세테이트 용액의 농도는 4질량%로 하고 있다.

다음으로, 본 실시형태의 작용을 설명한다. 도 1에 있어서, 차폐 부재(48)를 삽입 위치에 세팅한다. 또, 집적부(15)를 작동시켜, 컬렉터(50) 및 지지체(60)를 이동시킨다. 용액 공급부(12)를 작동시켜, 도 2에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)의 선단 개구(16b)로부터 용액(25)을 송출하면, 선단 개구(16b)에 테일러콘(44)이 형성된다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전원부(62)를 ON으로 하고, 차폐 부재(48)에 대한 인가 전압을 높여가면, 테일러콘(44)으로부터 방사 제트(45)가 차폐 부재(48)를 항하여 분출된다. 방사 제트(45)는 자신의 전하에 의하여 분열되어 더 가는 나노파이버(46)가 된다.

방사 제트(45)가 안정적으로 발생하게 되는 일정 시간 경과 후에, 차폐 부재(48)가 삽입 위치에서 퇴피 위치로 이동한다. 차폐 부재(48)의 선단이 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)로부터 나오는 타이밍에, 노즐(16) 및 차폐 부재(48) 간의 전압 인가로부터, 노즐(16) 및 컬렉터(50) 간의 전압 인가로 전환된다. 이로써 방사 제트(45)가 컬렉터(50)를 향하고, 그 도중에 나노파이버(46)가 된다. 나노파이버(46)는, 컬렉터(50) 상에서 이동하는 지지체(60)에 부직포 형상의 나노파이버층(47)으로서 수집된다.

이와 같이 전계 방사의 개시 직후는, 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42) 내에 차폐 부재(48)가 삽입되기 때문에, 방사 직후의 불안정한 방사 제트(45)나 나노파이버(46)를 차폐 부재(48)로 받아낸다. 또, 전계 방사 직후에 액 떨어짐이 발생해도 동일하게 차폐 부재(48)로 받아낸다. 불량품이 되기 쉬운 불안정한 방사 제트(45)나 액 떨어짐의 액이 컬렉터(50)를 향하지 않으므로, 불량품의 발생이 억제된다. 또한, 차폐 부재(48)가 분출 에어리어(42) 내를 이동하는 시간이 짧기 때문에, 방사 제트(45)나 나노파이버(46)의 분포가 불균일해져 부직포의 품질이 저하되지 않는다.

수집된 나노파이버(46)는 나노파이버층(47)으로서 지지체(60)와 함께 지지체 권취부(53)에 보내진다. 나노파이버층(47)은, 지지체(60)와 중첩된 상태에서 권취 코어(61)에 감긴다. 권취 코어(61)는 권취축(58)으로부터 분리된 후에, 지지체(60)로부터 나노파이버층(47)이 분리된다. 이 후, 나노파이버층(47)이 원하는 사이즈로 절단되어, 나노파이버(46)로 이루어지는 부직포가 얻어진다.

전계 방사를 정지하는 경우에는, 차폐 부재(48)가 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)에 삽입된다. 차폐 부재(48)의 선단이 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)로 들어가는 타이밍에, 노즐(16) 및 컬렉터(50) 간의 전압 인가로부터, 노즐(16) 및 차폐 부재 간의 전압 인가로 전환된다. 이로써 방사 제트(45)가 차폐 부재(48)를 향하고, 차폐 부재(48)에 방사 제트(45) 및 나노파이버(46)가 회수된다. 차폐 부재(48)가 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42) 내에 완전히 삽입된 상태가 된 후에, 노즐(16)과 차폐 부재(48) 간의 전압 인가가 정지된다. 이와 같이 하여, 차폐 부재(48)에 의하여 그 하방의 컬렉터(50)가 가려지기 때문에, 노즐(16)로부터 액 떨어짐이나, 불안정한 방사 제트 및 나노파이버가 발생한 경우에도, 차폐 부재(48)로 받아내어, 불량품의 발생이 없어진다.

또한, 상기 실시형태에서는, 차폐 부재(48)의 선단이 방사 제트(45)의 분출 에어리어(42)에 삽입되는 타이밍(삽입과 동시)에 전압 인가하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 분출 에어리어(42)에 차폐 부재(48)의 선단이 들어가기 직전에 약간의 타임 러그를 갖게 하여 전압 인가해도 된다. 마찬가지로, 차폐 부재(48)를 퇴피시키는 경우에도, 분출 에어리어(42)로부터 차폐 부재(48)의 선단이 나온 후에 약간의 타임 러그를 갖게 하여 전압 인가를 정지해도 된다.

상기 실시형태에서는, 차폐 부재(48)를 컬렉터(50)와 평행하게 수평 방향으로 이동 가능하게 구성했지만, 도 3에 나타내는 바와 같이, 요동축(90a)을 갖는 요동 타입의 차폐 부재(90)를 이용해도 된다. 이 경우에는, 요동 기구(91)를 이용하여, 차폐 부재(90)를 세워 퇴피 위치로 하고, 눕혀 삽입 위치로 한다.

상기 실시형태에서는, 차폐 부재(48, 90)를 방사실(11) 내에서 수평 이동 또는 요동시켜, 삽입 위치와 퇴피 위치로 전환시키도록 했지만, 이 외에, 도 4에 2점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 차폐 부재(93)의 이동 위치로서, 폐기 위치(P3)를 더 추가해도 된다. 이 경우에는, 시프트 기구(94)에 의하여, 차폐 부재(90)를 삽입 위치(P1)와 퇴피 위치(P2)로 전환시키는 것 외에, 또한 퇴피 위치(P2)의 차폐 부재(93)를 삽입 위치(P1)와는 반대측의 폐기 위치(P3)까지 평행 이동시킨다. 시프트 기구(94)는, 도시는 생략했지만 랙 앤드 피니언 기구나 링크 기구 등에 의하여, 차폐 부재(93)를 평행 이동시킨다. 폐기 위치(P3)에서는, 방사실(11)에 마련한 셔터가 장착된 개구(11a)로부터, 차폐 부재(93)가 외부를 향하여 돌출된다. 돌출된 차폐 부재(93)는 개구(11a)로부터 인출되고, 차폐 부재(93) 상에 집적된 폐기 파이버가 제거되어, 개구(11a)로부터 방사실(11) 내로 원래대로 되돌려진다.

본 실시형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 노즐(16)의 선단부에 PTFE로 이루어지는 수지층(26)이 형성되어 있기 때문에, 임계 표면 장력은 18mN/m이며, 용액(25)의 부착을 저감시키는 효과가 크다. 예를 들면, 금속 부재를 그대로의 표면으로 한 경우의 임계 표면 장력이 1000mN/m가 되는 것에 비하여, 용액(25)의 부착이 저감된다. 이로써, 도 2에 2점 쇄선으로 나타내는 테일러콘(44)과 같이, 용액(25)이 젖음 확산되는 것이 억제된다. 용액(25)이 젖음 확산되면, 이 젖음 확산 부분(25a)에는 용액(25)이 체류하기 때문에, 시간의 경과와 함께 용매가 증발하여 스키닝이 발생하기 쉽다. 본 실시형태에서는, 용액(25)의 젖음 확산이 억제됨으로써, 스키닝의 발생이 억제된다.

또한, 도 5에 나타내는 노즐(64)과 같이, 노즐 본체(64a)의 표면에 미소 요철(63)을 형성해도 된다. 미소 요철(63)은, 예를 들면, 노즐(64)의 선단부에 블라스트 가공에 의하여 형성된다. 이 후에, 미소 요철(63)이 형성된 가공면에 대하여 PTFE에 의하여 수지층(65)을 피복한다. 피복 후의 미소 요철(63)에 의한 표면 조도(Ra)는 0.2μm 이상 1μm 이하가 좋다. 표면 조도(Ra)를 0.2μm 이상으로 함으로써, 0.2μm 미만의 경우에 비하여, 조면화(粗面化) 효과를 발휘시킬 수 있다. 또, 표면 조도(Ra)를 1μm 이하로 함으로써, 1μm를 초과하는 경우에 비하여 용액의 박리가 양호해진다. 표면 조도(Ra)는, JIS B 0601에 근거하여, 표면 조도계를 이용하여 구할 수 있다.

또, 도 6에 나타내는 노즐(66)과 같이, 선단 평탄면(66c)의 통심(중심선)에 직교하는 방향의 길이(평탄 길이)(L3)를 0.05mm 이상 1mm 이하로 해도 된다. 이 경우에는, 노즐(66)의 선단부 외주면을, 선단을 향함에 따라 점차 축경(縮俓)하는 테이퍼 형상으로 한 축경면(66d)을 형성한다. 특히, 노즐(66)의 선단을 평탄하게 연마해 나감으로써, 선단 평탄면(66c)의 평탄 길이(L3)를 예를 들면 0.10mm 이하로 용이하게 형성할 수 있다.

선단 평탄면(66c)의 평탄 길이(L3)가 0.05mm 미만이면, 일정한 길이를 확보하기 위한 가공이 어려워진다. 또, 1mm를 초과하면, 용액(25)의 젖음 확산 억제 효과가 저감되어 바람직하지 않다. 평탄 길이(L3)를 0.05mm 이상 1mm 이하로 함으로써, 용액(25)의 젖음 확산을 평탄 길이(L3)의 범위 내로 억제할 수 있다. 이로써, 용액(25)의 젖음 확산 부분(25a)에 의한 스키닝의 발생이 억제된다. 특히 평탄 길이(L3)를 0.05mm 이상 0.10mm 이하로 함으로써, 젖음 확산 부분(25a) 내의 용적을 줄일 수 있고, 용액(25)의 체류도 줄어, 스키닝의 발생이 보다 확실하게 억제된다. 또한, 도시는 생략했지만, 표면 조도(Ra) 및 평탄 길이(L3)를 상기의 일정 범위 내로 한 노즐을 이용해도 된다. 또, 노즐(16, 64, 66)은, 금속제의 노즐 본체(16a, 64a, 66a)의 선단부에 수지층(26, 65, 67)을 피복하고 있지만, 스키닝의 영향이 적은 용액의 경우에는, 수지층(26, 65, 67)이 없는 노즐을 이용해도 된다.

노즐(16, 64, 66)을 1개만으로 하여 설명하고 있지만, 이들 노즐(16, 64, 66)은 복수 이용해도 된다. 복수 이용하는 경우에는, 지지체(60)의 이송 방향, 또는 이송 방향에 직교하는 방향으로 노즐(16, 64, 66)을 이간하여 복수 마련하는 것이 바람직하다. 또, 지지체(60)의 이송 방향, 및 이송 방향에 직교하는 방향으로 노즐(16, 64, 66)을 매트릭스로 배치해도 된다. 노즐(16, 64, 66)을 복수화함으로써, 얻어지는 나노파이버층(47)의 면적을 증가시킬 수 있어, 제조 효율을 높일 수 있다. 또, 노즐(16, 64, 66)의 개수가 증가하여 노즐(16, 64, 66)로부터의 총 용액 토출량이 증가하는 경우에는, 방사실(11) 내에 도시가 생략된 용매 회수부를 마련하는 것이 바람직하다.

상기 실시형태에서는, 노즐(16, 66)의 선단 개구의 단면 형상을 원형으로 했지만, 도시가 생략된 가늘고 긴 직사각형상의 슬릿형으로 해도 된다.

컬렉터(50)로서 순환 이동하는 벨트를 이용했지만, 컬렉터는 벨트에 한정되지 않는다. 예를 들면, 컬렉터는 고정식의 평판이어도 되고, 나아가서는, 원통 형상의 회전체로 해도 된다. 이 경우에도, 노즐과 컬렉터의 사이에 차폐 부재를 퇴피 위치와 삽입 위치의 사이에서 이동 가능하게 배치한다. 또한, 평판이나 원통체로 이루어지는 컬렉터의 경우에도, 부직포를 컬렉터로부터 용이하게 분리시킬 수 있도록 컬렉터 상에 알루미늄 시트 등의 지지체를 이용하는 것이 바람직하다. 회전체를 이용하는 경우에는, 회전체의 둘레면에 통 형상의 나노파이버 부직포가 형성되기 때문에, 방사 후에 회전체로부터 통 형상의 나노파이버를 빼내, 원하는 크기 및 형상으로 컷하여 나노파이버 부직포 제품으로 할 수 있다. 원통 형상의 회전체를 이용하는 경우, 나노파이버 부직포를 연속적으로는 제조할 수 없지만, 균질한 제품이 만들어지기 쉽고, 세포 배양용 스캐폴드나 의료 용도 등으로의 응용이 용이하다. 또 원통의 회전수를 높임으로써, 나노파이버의 배향도를 높일 수 있어, 이방성이 있는 제품을 만들 수 있다.

상기 실시형태에서는, 파이버의 제조 중에는 차폐 부재(48)를 퇴피 위치로 하고, 파이버의 제조 개시 및 종료 시에 차폐 부재(48)를 삽입 위치로 했으나, 이 외에, 도시는 생략했지만 노즐 클리닝 기구를 갖는 경우에는, 클리닝 시에 차폐 부재(48)를 삽입 위치로 하는 것이 바람직하다. 또, 예를 들면 노즐에 스키닝이 발생하여 비상 정지되는 경우에도 차폐 부재(48)를 삽입 위치로 하는 것이 바람직하다.

상기 실시형태에서는, 방사실(11) 내에 모든 구성 부재를 배치하고 있지만, 방사실(11)의 최소화를 도모하는 의미에서는, 저류 용기(30), 펌프(31), 시프트 기구(49), 모터(57) 등은 방사실(11)의 외부에 배치해도 된다.

10 나노파이버 제조 장치
11 방사실
12 용액 공급부
15 집적부
16, 64, 66 노즐
16a, 64a, 66a 노즐 본체
16c, 66c 선단 평탄면
25 용액
26, 65, 67 수지층
42 분출 에어리어
44 테일러콘
45 방사 제트
46 나노파이버
47 나노파이버층
48, 90, 93 차폐 부재
49, 94 시프트 기구
50 컬렉터
62 전원부
L2, L4 거리
L3 평탄 길이

Claims

폴리머가 용매에 용해되어 있는 용액을 노즐의 선단으로부터 송출하고, 상기 용액과 컬렉터의 사이에 전압을 인가하여, 상기 용액으로부터 상기 컬렉터에 파이버를 분출하는 나노파이버 제조 방법에 있어서,
상기 노즐과 상기 컬렉터의 사이에 삽입되어 상기 파이버를 받는 삽입 위치와, 상기 삽입 위치로부터 퇴피하여 상기 노즐로부터의 상기 파이버를 상기 컬렉터를 향하여 분출시키는 퇴피 위치의 사이에서, 차폐 부재를 이동 가능하게 배치하고,
상기 차폐 부재가 상기 삽입 위치인 상태에서, 상기 노즐과 상기 차폐 부재의 사이에 전압을 인가하는 나노파이버 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 파이버의 제조 중에는 상기 차폐 부재가 상기 퇴피 위치인 상태가 되고, 상기 파이버의 제조의 개시 및 종료 시에 상기 차폐 부재가 상기 삽입 위치인 상태가 되는 나노파이버 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 차폐 부재는, 상기 파이버의 분출 에어리어에 차폐 부재의 선단이 도달한 상태에서 전압이 인가되고, 상기 분출 에어리어로부터 상기 차폐 부재의 선단이 빠진 상태에서 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 차폐 부재는, 상기 파이버의 분출 에어리어에 차폐 부재의 선단이 도달한 상태에서 전압이 인가되고, 상기 분출 에어리어로부터 상기 차폐 부재의 선단이 빠진 상태에서 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 용액과 상기 차폐 부재의 사이에 전압을 인가한 상태에서는, 상기 용액과 상기 컬렉터의 사이의 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 용액과 상기 차폐 부재의 사이에 전압을 인가한 상태에서는, 상기 용액과 상기 컬렉터의 사이의 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 셀룰로스계 폴리머인 나노파이버 제조 방법.
폴리머가 용매에 용해되어 있는 용액을 노즐의 선단으로부터 송출하고, 상기 용액과 컬렉터의 사이에 전압을 인가하며, 상기 용액으로부터 상기 컬렉터에 파이버를 분출하는 나노파이버 제조 장치에 있어서,
상기 노즐과 상기 컬렉터의 사이에 삽입되어 상기 파이버를 받는 삽입 위치와, 상기 삽입 위치로부터 퇴피하여 상기 노즐로부터의 상기 파이버를 상기 컬렉터를 향하여 분출시키는 퇴피 위치의 사이에서 이동 가능하게 배치되고, 상기 삽입 위치인 상태에서, 상기 노즐과의 사이에 전압이 인가되는 차폐 부재를 구비하는 나노파이버 제조 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 파이버의 제조 중에는 상기 차폐 부재가 상기 퇴피 위치인 상태가 되고, 상기 파이버의 제조의 개시 및 종료 시에 상기 차폐 부재가 상기 삽입 위치인 상태가 되는 나노파이버 제조 장치.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 차폐 부재는, 상기 파이버의 분출 에어리어에 선단이 도달했을 때에 전압이 인가되고, 상기 분출 에어리어로부터 선단이 빠질 때에 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 용액과 상기 차폐 부재의 사이에 전압을 인가한 상태에서는, 상기 용액과 상기 컬렉터의 사이의 전압의 인가가 정지되는 나노파이버 제조 장치.