KR101832833B1 - Electrospun fiber bundle using spiral collecting coil and electospinning device of the same - Google Patents

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Abstract

섬유 전구체 고분자 용액을 토출하는 노즐, 상기 노즐의 팁 말단에 위치된 컨버징 코일(converging coil), 및 상기 노즐과 이격되어 위치된 나선형 콜렉팅 코일(collecting coil)을 포함하는 나선형 콜렉터(collector)를 포함하는, 섬유 번들(fiber bundle)의 전기방사 장치, 및 상기 전기방사 장치에 의해 제조된 연속적으로 연결되고 1축 정렬되어 형성된 섬유들을 포함하는, 섬유 번들 및 탄소 섬유에 관한 것이다.A helical collector including a nozzle for discharging a fiber precursor polymer solution, a converging coil positioned at a tip end of the nozzle, and a helical collecting coil spaced apart from the nozzle, And a fiber bundle and a carbon fiber comprising continuously connected and uniaxially aligned formed fibers produced by the electrospinning device.

Figure R1020160159583
Figure R1020160159583

Description

나선형 콜렉팅 코일을 이용하여 전기방사된 섬유 번들 및 상기 섬유 번들의 전기방사 장치{ELECTROSPUN FIBER BUNDLE USING SPIRAL COLLECTING COIL AND ELECTOSPINNING DEVICE OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrospun fiber bundle using a spiral collecting coil and an electrospinning device for the fiber bundle,

본원은, 나선형 콜렉팅 코일을 이용하여 전기방사된 섬유 번들, 및 상기 섬유 번들의 전기방사 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to an electrospun fiber bundle using a helical collecting coil, and to an electrospinning apparatus for the fiber bundle.

탄소섬유 전구체인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)은, 높은 탄소 생성뿐만 아니라, 뛰어난 기계적 특성을 가진다. 습식 방사 및 에어-갭(air-gap) 방사와 같은 일부 기술은 PAN을 포함하는 탄소 섬유를 생성하기 위하여 사용될 수 있다[Liu J, Yue Z, and Fong H. Small 2009;5(5):536-542.]. 탄소 섬유의 이론적 인장 강도는 100 GPa 이상일 수 있으나, 상업적 탄소 섬유(Toray industries, T1000®)은 탄소 섬유의 직경 및 탄소 섬유에서 구조적 결함의 분포 때문에 단지 ~7 GPa만 성취되어왔다. 결함은 주로 탄소 섬유를 제조하기 위해 상기 PAN 섬유의 안정화 및 탄화 공정에서 형성된다[Jalili R, Morshed M, and Ravandi SAH. Journal of Applied Polymer Science 2006;101(6):4350-4357.]. 상기 안정화 공정은 "연신 하에서(under stretching)" 산화로 구성되고, 상기 "연신 하에서"는 열가소성 수조 구조로부터 높은 온도 내구성을 수득하기 위해서, 상기 PAN 분자가 섬유 축을 따라 정렬되고 사다리 같은 구조로 변화되는 것이다. 많은 연구에서 내부 압박, 빈 공간, 얽힘, 불규칙한 구조, 및 심초(sheath-core) 구조에 의해 도입되는 균열, 정반대로 부풀어오름, 및 넓은 구멍과 같은 많은 종류의 결함을 감소시키기 위한 수단을 연구해왔다. 그러나, 넓은 직경을 갖는 섬유는 비연신된(un-stretched) 및/또는 비산화된(non-oxidized) 분자를 내부에 포함하는 것으로 간주된다(그러나, 넓은 직경 섬유의 경우에는 비연신된 및/또는 비산화된 분자가 쉽게 발견된다.Polyacrylonitrile (PAN), a carbon fiber precursor, has not only high carbon production but also excellent mechanical properties. Some techniques, such as wet spinning and air-gap spinning, can be used to produce carbon fibers including PAN [Liu J, Yue Z, and Fong H .; Small 2009; 5 (5): 536-542.]. The theoretical tensile strength of carbon fibers can be higher than 100 GPa, but commercial carbon fibers (Toray industries, T1000 ® ) have only achieved ~ 7 GPa due to the diameter of the carbon fibers and the distribution of structural defects in the carbon fibers. Defects are primarily formed in the stabilization and carbonization processes of the PAN fibers to produce carbon fibers [Jalili R, Morshed M, and Ravandi SAH . Journal of Applied Polymer Science 2006; 101 (6): 4350-4357.]. The stabilization process is constituted by "under stretching" oxidation, wherein under " stretching "is performed in order to obtain high temperature durability from the thermoplastic water bath structure, the PAN molecules are aligned along the fiber axis and changed into a ladder- will be. Many studies have investigated means for reducing many types of defects such as internal compression, voids, entanglement, irregular structures, and cracks introduced by sheath-core structures, extensional bubbles, and wide openings . However, fibers with a broad diameter are considered to include un-stretched and / or non-oxidized molecules therein (however, in the case of wide diameter fibers, unstretched and / Or non-oxidized molecules are easily found.

습식 방사와 에어-갭 방사를 거쳐 제조된 탄소 섬유의 직경 감소는 결함 부위 수가 감소하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 상업적으로 이용가능한 7 및 5 ㎛ 직경을 갖는 T300 및 T1000(Toray Industries)은 각각 3.2 및 7 GPa의 인장 강도를 갖는다. 더 작은 직경의 상기 PAN 섬유는 구조적으로 불균질성이 덜한 결과를 야기하고, 이것은 "크기 효과(size-effect)"라고 불리는 안정화 및 탄화 공정에서 상기 탄소 섬유의 인장 강도를 향상시키는 것이다. 이런 이유 때문에, 상기 PAN 섬유의 직경은 상기 탄소 섬유의 이론적 인장 강도에 도달하기 위해서 더 감소해야 한다.The reduction in the diameter of the carbon fibers produced by wet spinning and air-gap spinning has been shown to reduce the number of defect sites. For example, commercially available T300 and T1000 (Toray Industries) with 7 and 5 탆 diameters have tensile strengths of 3.2 and 7 GPa, respectively. The smaller diameters of the PAN fibers result in less structurally heterogeneous, which is to improve the tensile strength of the carbon fibers in a stabilization and carbonization process referred to as "size-effect ". For this reason, the diameter of the PAN fibers must be further reduced to reach the theoretical tensile strength of the carbon fibers.

전기방사는 전구체 섬유의 직경을 감소하기 위해 사용될 수 있는 기술이다. 그러므로, 이것은 중합에 의한 PAN 나노섬유를 포함하는 나노섬유를 제조하는 매력적인 기술이다.Electrospinning is a technique that can be used to reduce the diameter of precursor fibers. Therefore, this is an attractive technique for producing nanofibers containing PAN nanofibers by polymerization.

뒤틀린 전구체 섬유는 더 높은 기계적 강도를 가질 수 있으나, 연신 하에서 안정화하는 동안 상기 섬유 축을 따라 폴리머 분자를 늘리기가 어렵다. 상기 섬유 축을 따라 분자를 정렬하는 것 없이, 상기 전구체 섬유의 탄화는 높은 기계적 강도를 야기할 수 없다. 다양한 전기방사 기술은 잘-정렬된 나노-스케일 섬유 및 연속적인 섬유 번들을 제조하는 것이 보고되어 왔고[Ali U, Zhou Y, Wang X, and Lin T. Journal of the Textile Institute 2012;103(1):80-88., Pan H, Li L, Hu L, and Cui X. Polymer 2006;47(14):4901-4904.], 잘-정렬된 나노-스케일 섬유를 수득하기 위한 전형적인 방법은 두 개의 정렬된 전극을 포함하는 콜렉터 접지(grounded collector), 날카로운 모서리를 갖는 회전 원판, 회전 실리더(Cu 와이어, Al 실린더), 및 자기장에 대한 상이한 형태를 갖는 전극을 사용했다. 게다가, 다양한 방법은 연속적인 섬유 번들을 제조할 수 있고, 예를 들어, 양전압 및 음전압이 각각 적용되고, 수조(water bath)에서 회전하는 두 개의 금속성 니들(needle)을 이용함으로써 제조할 수 있다. 특히, 수조는 전기방사에서 물의 표면으로부터 방사된 섬유를 모으기 위해 사용되었고, 이것은 상기 언급된 섬유를 정렬하기 위한 방법들이 아마도 연속적인 번들을 생성할 수 없기 때문이다. 그러나, 이것은 상기 섬유 샘플 내에서 상호 오염을 야기할 수 있고, 또한 더 높은 복잡성을 필요로 할 수 있다. 상기 두 개의 반대로-하전된 니들을 포함하는 방법은 연속적인 뒤틀린 방사를 직접적으로 생성하였다. 그러므로, 탄소 섬유의 기계적 강도를 향상시키기 위해서, 상기 전구체 섬유는 상기 번들 축을 따라 정렬되어야만 하고, 더 작은 직경을 가져야만 한다.Twisted precursor fibers can have higher mechanical strength, but it is difficult to stretch polymer molecules along the fiber axis during stabilization under stretching. Without aligning the molecules along the fiber axis, the carbonization of the precursor fibers can not cause high mechanical strength. Various electrospinning technique is a well-aligned nano-been reported to produce a scaled fiber and continuous fiber bundle [Ali U, Zhou Y, Wang X, and Lin T. Journal of the Textile Institute 2012; 103 (1):. 80-88, Pan H, Li L, Hu L, and Cui X. Polymer 2006; 47 (14): 4901-4904.). Typical methods for obtaining well-aligned nanoscale fibers include a grounded collector comprising two aligned electrodes, a rotating disk with sharp edges , A rotating cylinder (Cu wire, Al cylinder), and electrodes having different shapes for the magnetic field. In addition, a variety of methods can be used to produce continuous fiber bundles, for example, by using two metallic needles that are both positive and negative voltage applied and rotating in a water bath have. In particular, water tanks have been used to collect fibers emanating from the surface of water in electrospin, as the methods for aligning the above-mentioned fibers are not likely to produce continuous bundles. However, this can cause cross-contamination within the fiber sample, and may also require higher complexity. The method comprising the two oppositely-charged needles directly produced a continuous twisted radiation. Therefore, in order to improve the mechanical strength of the carbon fiber, the precursor fibers must be aligned along the bundle axis and have a smaller diameter.

본원은, 나선형 콜렉팅 코일을 이용하여 전기방사된 섬유 번들, 및 상기 섬유 번들의 전기방사 장치를 제공하고자 한다.The present disclosure seeks to provide an electrospun fiber bundle using a helical collecting coil, and an electrospinning apparatus for the fiber bundle.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 섬유 전구체 고분자 용액을 토출하는 노즐; 상기 노즐의 팁 말단에 위치된 컨버징 코일(converging coil); 및, 상기 노즐과 이격되어 위치된 나선형 콜렉팅 코일(collecting coil)을 포함하는 나선형 콜렉터(collector)를 포함하는, 섬유 번들(fiber bundle)의 전기방사 장치를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a fiber precursor polymer solution comprising: a nozzle for discharging a fiber precursor polymer solution; A converging coil positioned at a tip end of the nozzle; And a helical collector including a helical collecting coil spaced apart from the nozzle. ≪ Desc / Clms Page number 2 >

본원의 제 2 측면은, 연속적으로 연결되고 1축 정렬되어 형성된 섬유들을 포함하는, 섬유 번들을 제공한다.The second aspect of the present application provides a fiber bundle comprising fibers formed continuously and uniaxially aligned.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 2 측면에 따른 연속적으로 연결되고 1축 정렬된 섬유들을 포함하는 섬유 번들을 전구체 섬유로서 이용하여 형성되는, 탄소 섬유를 제공한다.The third aspect of the present application provides a carbon fiber formed by using a bundle of fibers comprising sequentially connected uniaxially aligned fibers according to the second aspect of the present application as precursor fibers.

본원의 일 구현예에 따른 섬유 번들의 전기방사 장치는, 나선형 콜렉팅 코일(collecting coil)을 포함하는 나선형 콜렉터(collector)를 포함함으로써, 노즐의 팁으로부터 토출된 섬유 전구체 고분자 용액이 섬유 웹(web)으로 상기 나선형 콜렉팅 코일의 입구 면에 얇은 시트 형태로서 증착되고, 상기 증착된 섬유 웹을 인발(withdrawing)함으로써 연속적으로 1축 정렬된 섬유들을 포함하는 섬유 번들을 수득할 수 있다. The electrospinning apparatus of the fiber bundle according to an embodiment of the present invention includes a helical collector including a helical collecting coil so that the fiber precursor polymer solution discharged from the tip of the nozzle is transferred to the web web ) In the form of a thin sheet on the entrance face of the helical collecting coil and withdrawing the deposited fibrous web to obtain a fiber bundle comprising successively uniaxially aligned fibers.

본원의 일 구현예에 따른 최적의 실험 조건을 이용하여 약 250 nm의 직경을 갖는 연속적이고 정렬된 고분자 섬유(나노섬유)를 수득할 수 있다. Continuous and aligned polymeric fibers (nanofibers) having a diameter of about 250 nm can be obtained using optimal experimental conditions according to one embodiment herein.

본원의 일 구현예에 있어서, 다양한 직경의 섬유 번들을 수득하기 위하여, 다양한 간격 크기를 갖는 나선형 콜렉팅 코일을 실험을 하였고, 그 결과, 상기 나선형 콜렉팅 코일의 간격 거리를 조절함에 따라 나노 사이즈의 직경을 갖는 섬유(나노섬유)의 웹을 형성하고, 이를 이용하여 넓고 다양한 응용에 사용될 수 있는 다양한 직경의 번들을 수득한다(예를 들어, 탄소 섬유 응용 및 탄소 번들의 사용). 상기 나선형 콜렉팅 코일의 각 코일 간의 간격이 약 15 mm, 약 20 mm, 약 25 mm, 약 30 mm일 때, 약 30 ㎛ 내지 약 120 ㎛에 상응하는 직경의 번들을 수득한다. 상기 약 20 mm 거리의 나선형 콜렉터는 모든 섬유 번들 중에서 가장 잘 정렬된 것으로 간주되는 약 90 ㎛ 번들을 제조하였고, 이것은 각각 약 12.6 MPa 및 약 62.6%의 높은 강도 및 신장률을 갖는다.In one embodiment of the invention, to obtain fiber bundles of various diameters, spiral collecting coils having various gap sizes were experimented, and as a result, by adjusting the spacing distance of the spiral collecting coils, (Nanofibers) of the diameter of the web to obtain bundles of various diameters that can be used for a wide variety of applications (e. G., Carbon fiber applications and use of carbon bundles). A bundle of diameters corresponding to about 30 [mu] m to about 120 [mu] m is obtained when the spacing between the coils of the helical collecting coil is about 15 mm, about 20 mm, about 25 mm, about 30 mm. The spiral collector at a distance of about 20 mm produced about 90 urn bundles, which are considered to be best aligned among all fiber bundles, which have high strength and elongation rates of about 12.6 MPa and about 62.6%, respectively.

본원의 일 구현예에 따른 섬유 번들은, 직경이 약 10 nm 내지 약 800 nm인 나노섬유를 이용하여 형성되어 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛일 수 있으며, 상기 섬유 번들은 탄소섬유 전구체 섬유로서 이용될 수 있다.The fiber bundle in accordance with one embodiment herein may be formed using nanofibers having a diameter of from about 10 nm to about 800 nm to have a diameter of from about 1 [mu] m to about 500 [mu] m, wherein the fiber bundle is a carbon fiber precursor fiber Can be used.

도 1의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 전기방사 시스템의 개략도, (b) 나선형 콜렉터에 방사된 섬유의 이미지, (c) 나선형 콜렉터로부터 정렬된 섬유를 회수하는 이미지, 및 (d) 회수된 섬유 번들의 SEM 이미지이다.
도 2의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 콜렉터 팁에서 전기방사 공정을 고속 카메라로 찍은 이미지, (b) 나선형 콜렉터의 개략도, (c) 콜렉터의 측면 및 두 번째 나선으로 증착된 섬유의 이미지, 및 (d) 첫 번째 나선 및 두 번째 나선 사이에 정렬된 섬유의 SEM 이미지이다.
도 3의 (a) 내지 (g)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 콜렉터 시스템의 콜렉터 모식도 및 콜렉터 거리를 나타낸 그래프, (b) 첫 번째 나선의 매 1/4의 거리 계산 그래프, (c) 내지 (g) 나선 간격 거리에 따른 전기장 시뮬레이션을 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 나선 간격 거리에 따른 나선형 콜렉터에 전기방사의 고속 카메라 이미지 및 개략도이다: (a) 회전 없이 및 (b) 회전 시 나선형 콜렉터에 PAN의 전기방사, (c) 나선 거리에 따른 알짜 힘(net force)의 개략도, 및 (d) 나선형 콜렉터에 PAN 나노섬유의 증착 거동에 회전의 영향을 나타내는 개략도 및 이미지.
도 5의 (a) 내지 (f)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 15 mm, (b) 20 mm, (c) 25 mm, 및 (d) 30 mm의 나선 간격 거리에 따른 정렬된 섬유 및 번들의 SEM 이미지, (e) 선형 간격 거리에 따른 섬유 및 번들 직경의 그래프, 및 (f) 번들 직경에 따른 번들의 힘-인장 관계를 나타낸 그래프이다.
Figures 1 (a) to 1 (d) illustrate, in an embodiment of the present application, a schematic view of an electrospinning system, (b) an image of fibers emitted to a spiral collector, (c) fibers aligned from a spiral collector, (D) an SEM image of the recovered fiber bundle.
Figures 2 (a) -2 (d) illustrate an embodiment of the present invention in which (a) an image of the electrospinning process taken at the collector tip with a high speed camera, (b) a schematic view of a spiral collector, And an image of the second spirally deposited fiber, and (d) a SEM image of the fibers aligned between the first spiral and the second spiral.
3 (a) to 3 (g) are graphs showing a collector schematic diagram and a collector distance of the collector system in the embodiment of the present invention, (b) a graph of distance calculation every 1/4 of the first spiral, , (c) to (g) are the electric field simulations according to the spiral spacing distance.
4A-4D are high-speed camera images and schematic views of electrospinning on a spiral collector according to a spiral spacing distance, in one embodiment of the present application: (a) without rotation and (b) (C) a schematic diagram of the net force along the spiral distance, and (d) a schematic and image showing the effect of rotation on the deposition behavior of the PAN nanofibers in the spiral collector.
Figures 5 (a) - (f) show, in an embodiment of the present invention, a cross-sectional view of an embodiment of the present invention, wherein (a) 15 mm, (E) a graph of fiber and bundle diameter along a linear spacing distance, and (f) a force-tension relationship of the bundle according to the bundle diameter.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) " or " step " used to the extent that it is used throughout the specification does not mean " step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term " combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments and examples and drawings.

본원의 제 1 측면은, 섬유 전구체 고분자 용액을 토출하는 노즐; 상기 노즐의 팁 말단에 위치된 컨버징 코일(converging coil); 및, 상기 노즐과 이격되어 위치된 나선형 콜렉팅 코일(collecting coil)을 포함하는 나선형 콜렉터(collector)를 포함하는, 섬유 번들(fiber bundle)의 전기방사 장치를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a fiber precursor polymer solution comprising: a nozzle for discharging a fiber precursor polymer solution; A converging coil positioned at a tip end of the nozzle; And a helical collector including a helical collecting coil spaced apart from the nozzle. ≪ Desc / Clms Page number 2 >

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나선형 콜렉터의 일 측에 회전 와인더(winder)가 부착되어 상기 나선형 콜렉터가 회전되는 것일 수 있다.In one embodiment of the invention, a spinner may be attached to one side of the helical collector to rotate the helical collector.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐과 상기 나선형 콜렉터의 거리는 약 1 cm 내지 약 20 cm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 노즐과 상기 나선형 콜렉터의 거리는 약 1 cm 내지 약 20 cm, 약 5 cm 내지 약 20 cm, 약 10 cm 내지 약 20 cm, 약 15 cm 내지 약 20 cm, 약 1 cm 내지 약 15 cm, 약 1 cm 내지 10 cm, 또는 약 1 cm 내지 약 5 cm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the invention, the distance between the nozzle and the helical collector may be from about 1 cm to about 20 cm, but is not limited thereto. For example, the distance between the nozzle and the spiral collector may range from about 1 cm to about 20 cm, from about 5 cm to about 20 cm, from about 10 cm to about 20 cm, from about 15 cm to about 20 cm, from about 1 cm to about 15 cm, from about 1 cm to about 10 cm, or from about 1 cm to about 5 cm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들의 전기방사 장치는 드럼(drum)을 추가 포함할 수 있다. 상기 드럼은 상기 섬유 번들을 수집하기 위하여 추가 포함할 수 있다.In one embodiment of the invention, the electrospinning device of the fiber bundle may further comprise a drum. The drum may further comprise a collection of fiber bundles.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 드럼은 구리 로드(rod)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the drum may include, but is not limited to, a copper rod.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐의 팁으로부터 상기 섬유 전구체 고분자 용액이 토출되어 상기 컨버징 코일을 지나면서 형성된 섬유 웹(web)이 상기 나선형 콜렉팅 코일의 입구(entrance) 면에 증착되고, 상기 증착된 섬유 웹을 인발(withdrawing)함으로써 연속적으로 1축(하나의 축) 정렬된 섬유들을 포함하는 섬유 번들을 수득하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, a fiber web formed by discharging the fiber precursor polymer solution from the tip of the nozzle and passing through the condensing coil is deposited on an entrance surface of the spiral collecting coil, And then withdrawing the deposited fibrous web to obtain a bundle of fibers comprising successively uniaxially (one axis) aligned fibers.

구체적으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전기방사를 하는 동안, 상기 노즐과 상기 컨버징 코일은 전압을 인가함으로써 양으로 하전되고, 상기 양으로 하전된 노즐로부터 전기방사된 나노섬유는 상기 나선형 콜렉팅 코일의 입구 면, 즉, 상기 나선형 콜렉팅 코일의 첫 번째 코일의 입구 면에 나노섬유들이 얇은 시트 형태의 정렬된 나노섬유 웹(web)이 형성됨에 따라 상기 나선형 콜렉터에 증착된다. 상기 증착된 나노섬유 웹을 인발하여 상기 드럼에 감아 수득함으로써, 연속적으로 정렬된 나노섬유들을 포함하는 섬유 번들을 수득할 수 있고, 상기 나노섬유 웹의 증착 및 상기 나노섬유 인발은 전기방사하는 동안 동시에 수행된다.Specifically, in one embodiment of the present invention, during the electrospinning, the nozzle and the converging coil are positively charged by applying a voltage, and the nanofibers electrospun from the positively charged nozzle form a spiral The nanofibers are deposited on the helical collector as an aligned nanofiber web in the form of a thin sheet is formed on the entrance face of the collecting coil, i. E. The entrance face of the first coil of the helical collecting coil. The deposited nanofiber web may be drawn and rolled into the drum to obtain a bundle of fibers comprising continuously aligned nanofibers, wherein the deposition of the nanofiber web and the nanofiber drawing are simultaneously < RTI ID = 0.0 > .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나선형 콜렉터 및 상기 드럼은 서로 반대 방향으로 회전하는 것일 수 있다. 상기 나선형 콜렉터와 상기 드럼이 서로 반대 방향으로 동시에 회전하면서, 상기 나선형 콜렉터의 나선형 콜렉팅 코일에는 나노섬유 웹이 증착되고, 상기 증착된 나노섬유 웹을 인발하여 상기 드럼에 감아 상기 섬유 번들을 수득할 수 있다.In one embodiment of the invention, the spiral collector and the drum may be rotating in opposite directions. A nanofiber web is deposited on the helical collector coil of the spiral collector while the spiral collector and the drum are simultaneously rotated in opposite directions and the deposited nanofiber web is pulled out and wound on the drum to obtain the fiber bundle .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 전구체 고분자 용액은 고분자 물질과 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fiber precursor polymer solution may include, but is not limited to, a polymer material and a solvent.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 전구체 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스(cellulose), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리설폰(polysulfone, PSU), 폴리이미드(polyimide, PI), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fiber precursor polymer is selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), cellulose, polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (methyl methacrylate ), PMMA, polytetrafluoroethylene (PTFE), polysulfone (PSU), polyimide (PI), and combinations thereof. However, But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 N, N-디메틸포름아미드, 에틸아세테이트(ethyl acetate), 테트라하이드로푸란 (tetrahydrofuran, THF), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세톤(acetone), 아세토니트릴 (acetonitrile, MeCN), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 아세트산(acetic acid), 뷰탄올(n-butanol), 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment herein, the solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, ethyl acetate, tetrahydrofuran (THF), dichloromethane, acetone, acetonitrile , MeCN), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetic acid, n-butanol, isopropanol, ethanol, methanol, water, and combinations thereof But it is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 컨버징 코일 및 상기 나선형 콜렉팅 코일은 각각 독립적으로 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 와이어를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the converging coil and the spiral collecting coil each comprise a wire comprising independently selected from the group consisting of copper, iron, nickel, aluminum, zinc, and combinations thereof But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나선형 콜렉팅 코일의 각 코일 간의 거리는 약 5 mm 내지 약 30 mm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 약 5 mm 내지 약 30 mm, 약 10 mm 내지 약 30 mm, 약 15 mm 내지 약 30 mm, 약 20 mm 내지 약 30 mm, 약 25 mm 내지 약 30 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm, 약 5 mm 내지 약 20 mm, 약 5 mm 내지 약 15 mm, 또는 약 5 mm 내지 약 10 mm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the invention, the distance between the coils of the helical collecting coil may be from about 5 mm to about 30 mm, but is not limited thereto. For example, from about 5 mm to about 30 mm, from about 10 mm to about 30 mm, from about 15 mm to about 30 mm, from about 20 mm to about 30 mm, from about 25 mm to about 30 mm, mm, from about 5 mm to about 20 mm, from about 5 mm to about 15 mm, or from about 5 mm to about 10 mm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들을 형성하는 상기 섬유의 직경은 약 10 nm 내지 약 800 nm인 나노섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유의 직경은 약 10 nm 내지 약 800 nm, 약 10 nm 내지 약 700 nm, 약 10 nm 내지 약 600 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 800 nm, 약 200 nm 내지 약 800 nm, 약 300 nm 내지 약 800 nm, 약 400 nm 내지 약 800 nm, 약 500 nm 내지 약 800 nm, 약 600 nm 내지 약 800 nm, 또는 약 700 nm 내지 약 800 nm인 나노섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diameter of the fibers forming the fiber bundle may be from about 10 nm to about 800 nm, but may not be limited thereto. For example, the diameter of the fibers can be from about 10 nm to about 800 nm, from about 10 nm to about 700 nm, from about 10 nm to about 600 nm, from about 10 nm to about 500 nm, from about 10 nm to about 400 nm, From about 10 nm to about 300 nm, from about 10 nm to about 200 nm, from about 10 nm to about 100 nm, from about 200 nm to about 300 nm, from about 100 nm to about 800 nm, from about 200 nm to about 800 nm, From about 500 nm to about 800 nm, from about 800 nm, from about 400 nm to about 800 nm, from about 500 nm to about 800 nm, from about 600 nm to about 800 nm, or from about 700 nm to about 800 nm .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들의 직경은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 번들의 직경은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 30 ㎛ 내지 약 120 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 또는 약 400 ㎛ 내지 약 500 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the diameter of the fiber bundle may be from about 1 [mu] m to about 500 [mu] m, but is not limited thereto. For example, the diameter of the fiber bundle may range from about 1 micron to about 500 microns, from about 1 micron to about 400 microns, from about 1 micron to about 300 microns, from about 1 micron to about 200 microns, from about 1 micron to about 100 microns, From about 50 microns to about 500 microns, from about 200 microns to about 500 microns, from about 300 microns to about 500 microns, or from about 100 microns to about 500 microns, from about 1 micron to about 50 microns, from about 30 microns to about 120 microns, But it may be, but not limited to, 400 탆 to about 500 탆.

본원의 제 2 측면은, 연속적으로 연결되고 1축 정렬되어 형성된 섬유들을 포함하는, 섬유 번들을 제공한다.The second aspect of the present application provides a fiber bundle comprising fibers formed continuously and uniaxially aligned.

상기 섬유 번들은 본원의 제 1 측면의 섬유 번들의 전기방사 장치에 의해 제조되는 것일 수 있고, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다. The fiber bundle may be produced by an electrospinning device of the fiber bundle of the first aspect of the present application, and a detailed description of the parts overlapping with the first aspect of the present application is omitted. However, the description of the first aspect of the present invention The contents can be equally applied even if the description is omitted from the second aspect.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스(cellulose), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리설폰(polysulfone, PSU), 폴리이미드(polyimide, PI), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the fibers are selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), cellulose, polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polysulfone (PSU), polyimide (PI), and combinations thereof. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들을 형성하는 섬유의 직경은 약 10 nm 내지 약 800 nm인 나노섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유의 직경은 약 10 nm 내지 약 800 nm, 약 10 nm 내지 약 700 nm, 약 10 nm 내지 약 600 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 800 nm, 약 200 nm 내지 약 800 nm, 약 300 nm 내지 약 800 nm, 약 400 nm 내지 약 800 nm, 약 500 nm 내지 약 800 nm, 약 600 nm 내지 약 800 nm, 또는 약 700 nm 내지 약 800 nm인 나노섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the diameter of the fibers forming the fiber bundle may be from about 10 nm to about 800 nm, but may not be limited thereto. For example, the diameter of the fibers can be from about 10 nm to about 800 nm, from about 10 nm to about 700 nm, from about 10 nm to about 600 nm, from about 10 nm to about 500 nm, from about 10 nm to about 400 nm, From about 10 nm to about 300 nm, from about 10 nm to about 200 nm, from about 10 nm to about 100 nm, from about 200 nm to about 300 nm, from about 100 nm to about 800 nm, from about 200 nm to about 800 nm, From about 500 nm to about 800 nm, from about 800 nm, from about 400 nm to about 800 nm, from about 500 nm to about 800 nm, from about 600 nm to about 800 nm, or from about 700 nm to about 800 nm .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들의 직경은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 번들의 직경은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 30 ㎛ 내지 약 120 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 또는 약 400 ㎛ 내지 약 500 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the diameter of the fiber bundle may be from about 1 [mu] m to about 500 [mu] m, but is not limited thereto. For example, the diameter of the fiber bundle may range from about 1 micron to about 500 microns, from about 1 micron to about 400 microns, from about 1 micron to about 300 microns, from about 1 micron to about 200 microns, from about 1 micron to about 100 microns, From about 50 microns to about 500 microns, from about 200 microns to about 500 microns, from about 300 microns to about 500 microns, or from about 100 microns to about 500 microns, from about 1 micron to about 50 microns, from about 30 microns to about 120 microns, But it may be, but not limited to, 400 탆 to about 500 탆.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 2 측면에 따른 연속적으로 연결되고 1축 정렬된 섬유들을 포함하는 섬유 번들을 전구체 섬유로서 이용하여 형성되는, 탄소 섬유를 제공한다.The third aspect of the present application provides a carbon fiber formed by using a bundle of fibers comprising sequentially connected uniaxially aligned fibers according to the second aspect of the present application as precursor fibers.

본원의 제 1 및 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 및 2 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although a detailed description of the parts overlapping with the first and second aspects of the present application is omitted, the description of the first and second aspects of the present application may be applied equally to the third aspect of the present invention.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 번들을 전구체 섬유로서 이용하여 안정화 및 탄화시켜 탄소 섬유를 형성할 수 있다. 상기 안정화 공정은 "연신 하에서(under stretching)" 산화로 구성되고, 상기 "연신 하에서"는 열가소성 수조 구조로부터 높은 온도 내구성을 수득하기 위해서, 상기 고분자(예를 들어, 폴리아크릴로니트릴) 등 섬유 분자가 섬유 축을 따라 정렬되고 고분자의 고리화가 이루어지는 것을 의미한다.In one embodiment of the invention, the fiber bundle can be stabilized and carbonized using precursor fibers to form carbon fibers. The stabilization step is constituted by " under stretching "oxidation, and under" stretching "is performed in order to obtain a high temperature durability from the thermoplastic water tank structure. The fiber molecule (for example, polyacrylonitrile) Is aligned along the fiber axis and the polymer is cyclized.

종래 넓은 직경을 갖는 섬유는 비연신된(un-stretched) 및/또는 비산화된(non-oxidized) 분자를 내부에 포함함으로써 상기 안정화 및 탄화 시 결함이 형성될 수 있다. 그러나, 본원의 일 구현예에 있어서, 연속적으로 연결되고 1축 정렬된 섬유들로부터 형성된 섬유 번들은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 작은 직경을 갖기 때문에 탄소 섬유 형성을 위한 안정화 및 탄화 시 결함의 발생을 줄일 수 있다.Conventional wide diameter fibers can contain stabilized and carbonized defects by including un-stretched and / or non-oxidized molecules therein. However, in one embodiment herein, fiber bundles formed from continuously connected uniaxially aligned fibers have a small diameter of about 1 [mu] m to about 500 [mu] m, so that stabilization and carbonization defects for carbon fiber formation .

이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto.

[실시예] [Example]

< 전기방사 및 섬유 번들의 제조>&Lt; Preparation of electrospinning and fiber bundles >

폴리아크릴로니트릴(PAN, 평군 분자랑 150,000) 및 N, N-디메틸포름아미드(DMF)은 Signa-Aldrich Korea Co., Ltd.에서 구입하였다.Polyacrylonitrile (PAN, average molecular weight 150,000) and N, N-dimethylformamide (DMF) were purchased from Signa-Aldrich Korea Co., Ltd.

전기방사 장치는 양으로-하전된 니들 노즐 및 고전압 DC 출력 공급을 포함하는 컨버징 렌즈(converging lens)(Nano NC Co. Ltd.)로 구성된다. 나선형 콜렉터 접지는 800 rpm에서 회전하는 와인더(winder)에 부착되었다. 상기 전기방사 장치의 개략도는 도 1의 (a)에 나타내었다. 상기 컨버징 렌즈의 컨버징 코일 및 상기 콜렉터의 나선형 콜렉팅 코일은 1.5 mm 직경을 갖는 Cu 와이어로부터 제조되었다. 상기 컨버징 코일은 원통형의 스테인리스 강 도구에 구리 와이어를 감음으로써 제조되었다. 상기 코일은 두 번 회전하였고, 상기 구리 와이어 사이의 간격 거리는 10 mm였다. 상기 나선형 콜렉팅 코일에 있어서, 상기 구리 와이어는 콘(cone)-형태로된 스테인리스 강 구조에 구리 와이어를 감음으로써 제조되었고, 회전 수는 간격 거리에 따라 결정되었다. 상기 나선형 콜렉터는 45° 각도로 10 cm의 거리에서 노즐 앞에 위치된 회전 와인더에 부착되었다. 상기 컨버징 코일은 팁(tip)의 주위에 위치되었고, 최적 위치는 10 mm 거리 뒤쪽이었다.The electrospinning device consists of a converging lens (Nano NC Co. Ltd.) that includes a positive-charged needle nozzle and a high-voltage DC output supply. The helical collector ground was attached to a rotating winder at 800 rpm. A schematic view of the electrospinning device is shown in Fig. 1 (a). The converging coil of the converging lens and the helical collecting coil of the collector were made from Cu wire having a diameter of 1.5 mm. The converging coil was manufactured by winding a copper wire over a cylindrical stainless steel tool. The coils were rotated twice and the spacing distance between the copper wires was 10 mm. In the spiral collecting coil, the copper wire was manufactured by winding copper wire in a cone-shaped stainless steel structure, and the number of revolutions was determined according to the spacing distance. The spiral collector was attached to a rotating winder positioned in front of the nozzle at a distance of 10 cm at an angle of 45 °. The converging coil was positioned around the tip, and the optimum position was 10 mm behind.

전기방사를 하는 동안, 상기 노즐과 상기 컨버징 코일은 25 kV로 인가함으로써 양으로 하전되었고, 상기 콜렉터는 접지되었다. 상기 양으로 하전된 노즐로부터 전기방사된 나노섬유는 나선형 코일의 입구에서 정렬된 나노섬유 웹(web)이 형성됨에 따라 상기 나선형 콜렉터에 증착되었다. 연속적이고, 정렬된 나노섬유 번들은 상기 나노섬유 웹으로부터 회수함에 따라 상기 나선형 콜렉터에서 전기방사하는 동안 동시에 생성되었다. 테프론(teflon)에 의해 절연 처리된 구리 로드(rod)는 정렬된 나노섬유 번들을 부착하기 위해 사용되었고, 그리고 나서 상기 정렬된 나노섬유 번들은 상기 구리 로드(드럼)로 천천히 이동함에 따라 회수되었다. 상기 회수된 섬유 번들은 DC 모터를 사용함으로써 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 드럼에 감겨졌다.During electrospinning, the nozzle and the converging coil were positively charged by applying at 25 kV, and the collector was grounded. The nanofibers electrospun from the positively charged nozzle were deposited on the helical collector as an aligned nanofiber web was formed at the entrance of the helical coil. Continuous, aligned nanofiber bundles were created simultaneously during electrospinning in the spiral collector as they were recovered from the nanofiber web. A copper rod insulated by teflon was used to attach the aligned nanofiber bundles and then the aligned nanofiber bundles were recovered as they slowly moved to the copper rod (drum). The recovered fiber bundle was wound on a polyvinylidene fluoride (PVDF) drum by using a DC motor.

<섬유 번들의 특성 분석><Characteristic Analysis of Fiber Bundle>

주사전자현미경(SEM)(JEOL, JSM-7401F)은 회수된 섬유를 관찰하기 위해 사용되었고, 상기 섬유 및 번들의 평균 직경은 이미지 분석 소프트웨어(Gwyddion)을 사용하여 SEM 이미지로부터 계산되었다. 적어도 40 섬유가 평균 섬유 직경을 계산하기 위해 측정되었다. 3 차원 등전위 라인은, 어떻게 상업적 3D 시뮬레이션 프로그램(Opera 3D, 버전 16)을 이용하여 상기 잘-정렬된 섬유가 나선형 콜렉팅 코일에 수집되었는지 측정하기 위해서 시뮬레이션되었다. 등전위 라인에 수직인 자기장 라인은 음으로-하전된 폴리머 섬유에 영향을 미치고, 폴리머 섬유 젯(jet)은 거시적 자기장에 의해 상기 접지된 나선형 콜렉팅 코일 쪽으로 끌어당겨진다. 상기 섬유의 거동은 상기 나선형 콜렉팅 코일에 수집 공정 동안 고속 카메라(IDTvision, X-streamTM XS-4)를 사용하여 사진을 찍는 것에 의해 관찰되었다. 상기 고속 카메라는 30 mm 거리에서 상기 나선형 콜렉터의 앞에 위치되었고, 4,000-이미지가 5000 fps에서 1 초에 기록되었다. 각각의 섬유 번들은 약 30 mm 길이를 가졌다. 그리고 상기 번들의 양쪽 끝은 양면 테이프에 의해 고정되었고, 기계적 특정을 시험하기 위한 손잡이를 만들기 위하여 슬라이드 글라스에 의해 씌워졌다. 시험 길이는 20 mm 길이였다. 기계적 특정은 풀-푸시(pull-push) 게이지(JISC, JSV-H1000-HF1)를 사용하여 측정하였고, 상기 섬유 번들은 10 mm/min의 속도에서 잡아당겼다.A scanning electron microscope (SEM) (JEOL, JSM-7401F) was used to observe the recovered fibers and the average diameter of the fibers and bundles was calculated from the SEM image using image analysis software (Gwyddion). At least 40 fibers were measured to calculate the average fiber diameter. Three-dimensional equipotential lines were simulated to measure how well-aligned fibers were collected in a helical collecting coil using a commercial 3D simulation program (Opera 3D, version 16). The magnetic field lines perpendicular to the equipotential lines affect the negatively charged polymer fibers and the polymer fiber jets are attracted towards the grounded spiral collecting coil by a macroscopic magnetic field. The behavior of the fibers was observed by photographing the spiral collecting coils using a high-speed camera (IDTvision, X-stream TM XS-4) during the collection process. The high-speed camera was positioned in front of the helical collector at a distance of 30 mm, and a 4,000-image was recorded at 1 second at 5000 fps. Each fiber bundle had a length of about 30 mm. And both ends of the bundle were secured by a double-sided tape and covered by a slide glass to create a handle for testing mechanical specifications. The test length was 20 mm long. The mechanical specification was measured using a pull-push gauge (JISC, JSV-H1000-HF1) and the fiber bundle pulled at a rate of 10 mm / min.

<섬유 번들의 특성 분석 결과><Characteristic analysis of fiber bundle>

상기 정렬된, 연속적인 섬유 번들은 도 1에 나타낸 상기 콜렉터의 형태가 새로운 디자인을 갖는 전기방사 시스템을 이용하여 쉽게 제조될 수 있다. 도 1의 (a)는 연속적이고 정렬된 섬유 번들을 위한 전기방사 공정의 개략도를 나타낸 것이고, 상기 니들의 팁 주위에 감긴 Cu 와이어는 상기 니들에 적용된 동일한 전압을 갖는 컨버징 렌즈를 제공하기 위해 설치되었다. 상기 컨버징 렌즈는 자기장에 초점을 맞춤으로써 상기 콜렉터에 도달하는 더 많은 섬유를 야기한다.The aligned, continuous fiber bundle can be easily fabricated using an electrospinning system in which the shape of the collector shown in FIG. 1 has a novel design. Figure 1 (a) shows a schematic of an electrospinning process for continuous and aligned fiber bundles, in which a Cu wire wound around the tips of the needles is installed to provide a converging lens with the same voltage applied to the needles . The converging lens causes more fibers to reach the collector by focusing on the magnetic field.

도 1의 (b)는 상기 나선형 콜렉터의 형태 및 상기 정렬된 연속적인 섬유 번들의 형성을 나타낸 것이다. 전기방사된 젯은 정렬된 웹을 형성함으로써 상기 나선형 콜렉터의 입구 면에서 증착되었고, 상기 웹은 DC 모터로 회수되었다. 도 1의 (b) 및 (c)는 각각 증착된 웹 및 회수된 웹을 나타낸 것이고, 상기 정렬된 섬유 웹은 섬유 번들로서 쉽게 수득되었다[도 1의 (c)]. 도 1의 (d)에서 SEM 이미지는 잘-정렬된, 연속적인 섬유 번들이 대략 200 내지 300 nm의 최적의 섬유 직경으로 생성된 것을 나타낸다.Figure 1 (b) shows the shape of the spiral collector and the formation of the aligned continuous fiber bundle. Electrospun jet was deposited at the entrance face of the spiral collector by forming an aligned web, and the web was recovered by a DC motor. Figures 1 (b) and 1 (c) show the deposited web and recovered web, respectively, and the aligned fiber web was easily obtained as a fiber bundle (Figure 1 (c)). The SEM image in Figure 1 (d) shows that a well-aligned, continuous fiber bundle was produced with an optimum fiber diameter of approximately 200-300 nm.

도 2의 (a) 내지 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 증착 공정은 상기 전기방사된 젯의 거동을 캡쳐하기 위한 고속 카메라를 이용하여 상기 나선형 콜렉팅 코일에 형성하는 동안 관찰되었다. 상기 이미지 및 비디오는 높은 전압 출력 공급으로 양으로-하전된 전기방사된 젯이 상기 접지된 나선형 콜렉터의 각각의 위치 쪽으로 잡아당겨진 것을 나타낸다. 상기 도 2의 (a) 내지 (c)에서 이미지는 상기 전기방사된 젯이 팁 가장자리에 부착되고, 상기 나선형 콜렉터의 와이어에 증착된 것을 나타낸다. 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 수집된 섬유는 펼쳐져 있고 상기 나선형 콜렉터의 팁 모서리로부터 많은 퍼진 방향으로 갈라졌다. 상기 결과로 초래된 이미지는 나선형 콜렉터의 입구 면이 펼쳐진 섬유에 의해 덮힌 것을 나타낸다. 그러나, 도 2의 (c) 및 (d)에 나타낸 바와 같이, 상기 나선형 콜렉터의 측면에서, 섬유는 정렬되었지만, 상기 섬유는 연속적으로 서로 연결되어 있지 않기 때문에 제조 공정으로 이용될 수 없다. 그러므로, 섬유 증착은 연속적인, 정렬된 섬유 번들을 수득하기 위해서 상기 나선형 콜렉터의 입구 면에서 유발되어야 한다. 도 2의 (c) 및 (d)에 나타낸 바와 같이, 대부분의 섬유들은 구리 와이어에 수직 방향으로 정렬되었다. 그러나, 일부 섬유들은 부분적으로 구리 와이어의 세로 방향으로 기울어졌다. 섬유는 평면 콜렉터의 표면 상에 증착되기 때문에, 상기 섬유는 그들이 증착될 때 상기 구리 와이어에 단단히 부착된다. 그러므로, 상기 섬유는 연속적인 정렬된 섬유 번들을 위한 접촉 면적을 감소시키기 위해서, 상기 구리 와이어에 수직 방향으로 증착되어야 한다.As shown in Figs. 2 (a) to 2 (c), the deposition process was observed during formation of the helical collecting coil using a high-speed camera for capturing the behavior of the electrospun jet. The image and video indicate that a positively-charged electrospun jet is pulled toward each position of the grounded spiral collector with a high voltage output supply. 2 (a) to 2 (c), the image shows that the electrospun jet is attached to the tip edge and deposited on the wires of the helical collector. As shown in Fig. 2 (a), the collected fibers were unfolded and cracked in many spread directions from the tip edges of the spiral collectors. The resultant image shows that the entrance surface of the helical collector is covered by the unfolded fibers. However, as shown in Figures 2 (c) and 2 (d), on the side of the helical collector, the fibers are aligned, but they can not be used in the manufacturing process because they are not continuously connected to each other. Therefore, fiber deposition must be induced at the entrance face of the helical collector to obtain a continuous aligned fiber bundle. As shown in Figures 2 (c) and 2 (d), most of the fibers were aligned in a vertical direction to the copper wire. However, some fibers were partially tilted in the longitudinal direction of the copper wire. Since the fibers are deposited on the surface of the planar collector, they are firmly attached to the copper wire as they are deposited. Therefore, the fibers must be deposited in a direction perpendicular to the copper wires to reduce the contact area for the successively aligned fiber bundles.

많은 연구원들은 전기방사된 섬유의 증착 형태 또는 방향을 예측하기 위해서 2 차원 자기장 시뮬레이션을 사용해왔다. 이것은 전기방사된 섬유가 니들로부터 방출될 때, 정전기력에 의해 이끌리기 때문이다. 여기서, 3 차원 등전위 라인은 어떻게 전기방사 공정이 전기장에 의해 영향을 받는지 측정하기 위해서 시뮬레이션되었고, 이것은 양으로-하전된 요소의 끈(string)과 점탄성 요소를 통해 연결된 것으로 간주될 수 있기 때문에 어떻게 전기방사된 섬유가 콜렉터에 증착되는지 강하게 관련된다.Many researchers have used two-dimensional magnetic field simulations to predict the morphology or orientation of the electrospun fiber. This is because when the electrospun fiber is released from the needle, it is attracted by electrostatic force. Here, the three-dimensional equipotential line was simulated to measure how the electrospinning process is affected by the electric field, which can be considered as connected through the viscoelastic element with a string of positively-charged elements, It is strongly related whether the irradiated fiber is deposited on the collector.

상기 나선형 콜렉터 시스템의 개략도는 도 3의 (a)에 나타내었다. 상기 나선형 콜렉팅 코일의 첫 번째 사이클 부분은 1/4로 나눴고(π, 2π, π/2 및 3π/2), L1, L2, L3, 및 L4는 각각의 1/4에 대한 작업 거리를 나타내기 위해 사용되었다. 또한, 본 연구원들은 상기 니들의 팁과 상기 나선형 콜렉터 부분 사이의 거리를 하기 식 1에 의해 계산하였다. A schematic view of the spiral collector system is shown in Fig. 3 (a). The first cycle portion of the helical collecting coil is divided by one quarter (pi, 2 pi, pi / 2 and 3 pi / 2) and L1, L2, L3 and L4 represent the working distance for each quarter It was used for betting. Also, we calculated the distance between the tip of the needle and the spiral collector portion by the following equation (1).

[식 1][Formula 1]

Figure 112016116479403-pat00001
Figure 112016116479403-pat00001

상기 나선형의 간격 거리의 영향을 이해하기 위해서, 상기 간격 거리는 5 mm 간격으로 5 mm부터 30 mm까지 증가시켰다. 본 연구원들은 상기 나선형 와이어의 세 번째 사이클 이상은 약간의 섬유들이 상기 콜렉터에 부착되어 있기 때문에 고려하지 않았다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 결과는 L1, L2, L3, 및 L4가 상기 나선형 간격 거리가 증가됨에 따라 증가되는 것을 나타내었다. 20 mm 및 30 mm의 간격 거리 사이 영역에서는, L2 및 L3에 대한 작업 거리가 반대가 되었고, L2는 L3 보다 더 증가하기 시작했다. 도 3의 (c) 내지 (g)에 나타낸 바와 같이, 상기 나선형 간격 거리의 영향을 확인하기 위해서, 이러한 결과들은 상기 나선형 코일의 간격 거리에 따라 3 차원 등전위 라인의 시뮬레이션을 수행하는데 사용되었다. 25 kV 전위는 니들과 코일에 적용되었고, 콜렉터는 접지되었다. 여기서, 5 mm는 상기 나선형 콜렉터에서 가장 좁은 간격 거리로서 간주된다. 상기 간격 거리는 5 mm 간격으로 5 mm부터 30 mm까지 증가되었다. 도 3의 (c)에와 같이, 상기 콘-형태 콜렉터는 0-간격 거리를 갖는 나선형 콜렉터로서 간주될 수 있다. 도 3의 (d) 내지 (g)에 나타낸 바와 같이, 상기 등전위 라인은 이러한 콜렉터의 모서리에 집중되었고, 상기 나선형 콜렉터의 간격 거리의 증가에 따라, 상기 모서리에서 상기 등전위 라인의 밀도가 바뀐다. 상기 시뮬레이션 결과는 상기 나선형 콜렉터의 간격 거리가 짧아지는 것을 나타내고, 본 연구원들은 거의 모든 전기방사된 섬유들이 상기 나선형 와이어의 첫 번째 사이클과 두 번째 사이클 사이에서 수직 방향으로 증착될 것으로 예상했다. 이것은, 상기 나선형 와이어의 두 번째 사이클은 상기 모서리에서 전기장에 전기방사된 젯이 이끌리기에 충분히 가깝기 때문이다. 작업 거리가 증가할 때, 음으로 하전된 나선형 콜렉터에 의한 전기적 인력은 감소할 것이고, 이는 전기장의 강도가 거리에 반비례하기 때문이다(E=V/d [v/m]).To understand the effect of the spiral spacing distance, the spacing distance was increased from 5 mm to 30 mm at 5 mm intervals. We have not considered the spiral wire beyond the third cycle because some fibers are attached to the collector. As shown in Fig. 3 (b), the results show that L1, L2, L3, and L4 increase with increasing spiral spacing distance. In the area between the spacing distances of 20 mm and 30 mm, the working distance to L2 and L3 was reversed and L2 began to increase more than L3. As shown in FIGS. 3 (c) to 3 (g), these results were used to perform simulations of three-dimensional equipotential lines according to the spacing distance of the helical coils in order to confirm the influence of the spiral spacing distance. The 25 kV potential was applied to the needle and coil, and the collector was grounded. Here, 5 mm is regarded as the narrowest spacing distance in the helical collector. The spacing distance was increased from 5 mm to 30 mm at 5 mm intervals. As shown in Fig. 3 (c), the cone-shaped collector can be regarded as a helical collector with a 0-spacing distance. As shown in FIGS. 3 (d) to 3 (g), the equipotential lines are concentrated at the corners of such collectors, and the density of the equipotential lines at the corners changes with increasing spacing distance of the helical collectors. The simulation results indicate that the spacing distance of the helical collector is short, and the authors predicted that almost all electrospun fibers would be deposited in a vertical direction between the first and second cycles of the helical wire. This is because the second cycle of the helical wire is close enough for the jet ejected to the electric field at the edge to be attracted. As the working distance increases, the electrical attraction due to the negatively charged spiral collector will decrease, because the intensity of the electric field is inversely proportional to distance (E = V / d [v / m]).

전기방사는 상기 간격 거리에 의존하여 그들의 나선형 콜렉터에 수행된다. PAN(10 wt%)/DMF 용액은 콜렉터의 회전 없이 및 회전함에 따라 25 kV에서 1 분 동안 상기 나선형 콜렉터에 전기방사되었고, 각각 도 4의 (a) 및 (b)에 나타내었다. 상기 나선형 코일의 간격 거리가 증가할 때, 상기 PAN 섬유의 증착 방향은 상기 선형 콜렉터의 내측에서 입구로 변하였고, 상기 증착된 섬유의 웹 형태도 변하였다. 상기 간격 거리가 10 mm 미만일 때, 상기 전기방사된 섬유는 콘-형태 콜렉터와 같이 상기 콜렉터의 내측에 증착된다. Electrospinning is performed on their spiral collectors depending on the spacing distance. The PAN (10 wt%) / DMF solution was electrospun to the spiral collector for 1 min at 25 kV as the collector rotated and rotated, as shown in Figures 4 (a) and 4 (b), respectively. As the spacing distance of the helical coils increased, the direction of deposition of the PAN fibers changed from the inside to the inlet of the linear collector, and the web shape of the deposited fibers also changed. When the spacing distance is less than 10 mm, the electrospun fiber is deposited inside the collector like a cone-shaped collector.

다른 증착 경우는 상기 나선형 간격의 거리에 따라 세 가지 경우로 나뉜다. 상기 증착 경우들은 전기적 인력 및 알짜 힘(net force)의 방향과 강하게 연관된다. 도 4의 (c)는, 상기 세 가지 경우에 대한 전기장의 강도를 나타낸 것이고, 그들의 요소 면에서 벡터(vector) 방향은 설명 및 나타내었다. 도 4의 (d)는, 상기 나선형 콜렉터에 증착된 섬유의 회전 영향 및 형태의 개략도를 나타낸 것이다. 도 4의 (c)의 상단에 나타낸 바와 같이, 첫 번째 경우(L3 〉 L2), 전기적 인력(F2)은 상기 전기방사된 섬유에 강하게 끌린 나선형 와이어의 첫 번째 사이클 및 두 번째 사이클 사이의 수직 전기장에 의해 발생했다. 이러한 경우, 상기 간격 거리는 10 mm 내지 20 mm였다. 도 4의 (d)의 상단에 나타낸 바와 같이, 상기 전기방사된 섬유는 상기 나선형 와이어의 첫 번째 사이클 및 두 번째 사이클 사이에 이끌렸고, 도 5의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 섬유는 잘-정렬되었다. 도 4의 (c)의 중간에 나타낸 바와 같이, 25 mm의 간격 거리를 갖는 두 번째 경우(L3 ≒ L2), 상기 전기방사된 젯이 상기 나선형 와이어의 첫 번째 사이클을 따라 발생된 전기적 인력 F1뿐만 아니라, 상기 나선형 와이어의 두 번째 사이클에서 발생된 F2에 의해 동시에 영향을 받는다. 그러므로, 도 4의 (d) 및 도 5의 (c)의 중간에 나타낸 바와 같이, 이것은 콜렉터의 입구 면에 걸쳐 펼쳐지고 잘-정렬되지 않은 전기방사된 섬유의 경우에서는 가능했다. 세 번째 경우(L3 〈 L2), 거의 모든 섬유들은 상기 나선형 와이어의 첫 번째 사이클을 따라 증착되었다. 도 4의 (c)의 하단에 나타낸 바와 같이, 상기 전기방사된 젯은 나선형 와이어의 두 번째 사이클의 약한 전기장 보다는 나선형 와이어의 첫 번째 사이클의 강한 전기장에 의해 영향을 받았다. 도 4의 (d) 및 도 5의 (d)의 하단에 나타낸 바와 같이, 이러한 경우는 30-mm 나선형 간격 거리를 가졌고, 그러므로 상기 전기방사된 PAN 섬유는 오직 첫 번째 선형 와이어에 증착되었고, 두 번째 경우 보다 잘 정렬되었다. 상기 콜렉터에서 회전이 없는 경우, 상기 섬유는 상기 입구 면의 폐쇄 없이 상기 콜렉터에 증착되었고, 회전이 있는 경우, 상기 섬유는 상기 콜렉터 입구 면을 덮으며, 이는 도 4의 (a) 및 (b)의 하단에 나타내었다. 본원에서는, 상기 콜렉터에서 회전의 유무에 따른 선형 콜렉터의 차이를 비교함으로써, 상기 섬유는 자기장 지점에 가장 강하게 부착되고, 회전 때문에 변화된 지점을 따라 펼쳐지는 것을 발견하였다. 이러한 펼쳐진 섬유들은 모서리 날(blade) 또는 회전하는 실린더에 정렬된 섬유를 형성하기 위하여 사용되었다. Other deposition cases are divided into three cases depending on the distance of the spiral gap. The deposition cases are strongly related to the direction of electrical attraction and net force. FIG. 4 (c) shows the intensity of the electric field for the three cases, and the direction of the vector in the elemental view is described and shown. Figure 4 (d) shows a schematic representation of the effect and shape of rotation of the fibers deposited on the helical collector. As shown at the top of the (c) of Figure 4, the first case (L3> L2), the electrical force (F 2) is vertically between the first cycle and the second cycle of the attracted helical wire strongly to the radiated fibers the electric It was caused by the electric field. In this case, the spacing distance was 10 mm to 20 mm. As shown at the top of Figure 4 (d), the electrospun fiber was drawn between the first and second cycles of the helical wire, and as shown in Figures 5 (a) and 5 (b) The fibers were well-aligned. As shown in the middle of FIG. 4 (c), in the second case (L3 L2) with an interval distance of 25 mm, the electrosurfacted jet is applied to the electric attraction F 1 As well as by F 2 generated in the second cycle of the helical wire. Therefore, as shown in FIG. 4 (d) and FIG. 5 (c), this was possible in the case of electroluminescent fibers that spread across the entrance face of the collector and were not well-aligned. In the third case (L3 &lt; L2), almost all of the fibers were deposited along the first cycle of the helical wire. As shown in the lower part of FIG. 4 (c), the electrospun jet was affected by the strong electric field of the first cycle of the helical wire rather than the weak electric field of the second cycle of the helical wire. As shown at the bottom of Figures 4 (d) and 5 (d), this case had a spiral spacing of 30-mm, and therefore the electrospun PAN fibers were only deposited on the first linear wire, Order than the first case. In the absence of rotation in the collector, the fibers were deposited on the collector without closure of the inlet surface, and if there was a rotation, the fibers covered the collector inlet surface, as shown in Figures 4 (a) and 4 (b) As shown in FIG. In the present application, we have found that by comparing the differences of the linear collector with the presence or absence of rotation in the collector, the fibers are most strongly attached to the magnetic field point and spread along the changed point due to rotation. These stretched fibers were used to form fibers that were aligned with edge blades or rotating cylinders.

상기 나노섬유 웹으로부터 섬유 번들을 회수함에 따라, 본 연구원들은 정렬되고 연속적인 섬유 번들을 수득할 수 있었고, 나선형 거리에 따라 생성되는 섬유의 양을 추측할 수 있었다. 상기 입구 면의 폐쇄에 의해 상기 나선형 콜렉터에 증착된 섬유의 양이 변하였고, 도 5의 (a) 내지 (d)에 나타낸 바와 같이, 이것은 섬유 번들 직경에 영향을 미치고, 정렬 손실은 삽입된 SEM 이미지에서 관찰된다. 상기 섬유 및 번들의 평균 직경은 도 5의 (e)에 나타내었다. 상기 나선형 코일의 간격 거리가 15 mm, 20 mm, 25 mm, 및 30 mm일 때, 상기 수득된 평균 번들 직경은 각각 30 ㎛, 90 ㎛, 120 ㎛, 및 105 ㎛였다. 상기 섬유 번들의 직경은 상기 나선형 간격 거리가 약 25 mm까지 증가되었고, 상기 증착 및 회수된 섬유량 또한 증가되었다. 25 mm의 나선형 간격 거리에서, 두 개의 방향성 전기장(F1 및 F2) 평형은 콜렉터 입구 면쪽으로 많은 섬유들을 끌어당긴다. 도 5의 (c)의 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이, 전기장 평형의 결과로서, 상기 번들의 직경은 약 120 ㎛까지 증가한 반면, 상기 번들 정렬은 손실되었다.As the fiber bundles were recovered from the nanofiber webs, the present inventors were able to obtain aligned and continuous fiber bundles and were able to infer the amount of fibers produced according to the spiral distance. Closure of the inlet surface changed the amount of fibers deposited on the spiral collector and, as shown in Figures 5 (a) - (d), this affected the fiber bundle diameter, Observed in the image. The average diameter of the fibers and bundles is shown in Figure 5 (e). When the spacing distance of the helical coils was 15 mm, 20 mm, 25 mm, and 30 mm, the average bundle diameters obtained were 30 μm, 90 μm, 120 μm, and 105 μm, respectively. The diameter of the fiber bundle was increased to about 25 mm, and the amount of deposited and recovered fiber was also increased. At a spiral spacing distance of 25 mm, the two directional electric fields (F 1 and F 2 ) equilibrium pulls a lot of fibers toward the collector entrance surface. As shown in the SEM image of FIG. 5 (c), as a result of the electric field equilibrium, the diameter of the bundle increased to about 120 μm, while the bundle alignment was lost.

반면, 도 5의 (d)의 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이, 상기 나선형 간격 거리가 30 mm일 때, 상기 전기방사된 섬유는 상기 나선형 와이어의 첫 번째 사이클에 증착되었고, 상기 섬유 번들의 직경은 감소했으며, 이것은 상기 나선형 와이어의 두 번째 사이클의 전기장에 영향을 미치지 않았기 때문이다. 상기와 같은 경우, 상기 섬유 번들은 불연속적이고, 또한 강한 접착력 때문에 낮은 처리량을 나타낸다. 그러므로, 상기 전기장의 평형은 상기 나선형 콜렉터로부터 연속적이고 정렬된 섬유를 수득하기 위한 상기 나선형 콜렉터의 최적의 디자인을 보장하므로, 유지되는 것이 필요하다.On the other hand, as shown in the SEM image of FIG. 5 (d), when the spiral spacing distance was 30 mm, the electrospun fiber was deposited in the first cycle of the helical wire and the diameter of the fiber bundle was reduced Because it did not affect the electric field of the second cycle of the helical wire. In such a case, the fiber bundles are discontinuous and exhibit low throughput due to their strong adhesion. Therefore, the equilibrium of the electric field needs to be maintained, since it ensures the optimal design of the spiral collector to obtain continuous and aligned fibers from the spiral collector.

안정화 공정 전 상기 섬유 번들의 기계적 특성을 측정하기 위해서, 도 5의 (f) 및 하기 표 1에서와 같이 인장 시험이 수행되었다. 파괴력 및 신장률은 상기 간격 거리에 따라 측정되었고, 인장 시험 결과는 파괴력 및 신장률의 범위가 각각 13 내지 80 mN 및 18.4 내지 62.6%로 나타났다. 직경이 90 ㎛인 번들은 가장 높은 파괴력 및 신장률이 요구되었고, 90 ㎛ 이상인 번들은 비록 매우 많은 양의 섬유들로 구성된 번들일지라도 더 낮은 힘에서 파괴되었다. 도 5의 (a) 내지 (d)의 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이, 정렬의 손실이 더 낮은 파괴력의 이유이다.In order to measure the mechanical properties of the fiber bundle prior to the stabilization process, a tensile test was performed as shown in Figure 5 (f) and Table 1 below. Breaking force and elongation were measured according to the distance distance, and tensile test results showed that the range of breaking force and elongation was 13 to 80 mN and 18.4 to 62.6%, respectively. Bundles with a diameter of 90 μm required the highest destructive force and elongation, and bundles with a diameter greater than 90 μm were destroyed at lower forces, even bundles consisting of very large amounts of fibers. As shown in the SEM image of Figs. 5 (a) to 5 (d), the loss of alignment is the reason for the lower destructive force.

[표 1][Table 1]

Figure 112016116479403-pat00002
Figure 112016116479403-pat00002

이전의 연구는 전기방사된 젯의 끝은 일반적으로 휨 불안정성을 보여주는 것을 나타내왔고, 더 많은 휨, 감김, 나선형 및 루핑(looping) 경로는 상기 거리가 증가에 도달하는 것으로 관찰될 수 있다. 상기 나타낸 바와 같이, 상기 간격 거리에 증가는 또한 전기방사된 젯이 도달해야만 하는 거리의 증가를 야기한다. 그러므로, 도 5의 (f)에 나타낸 바와 같이, 상기 번들은 휨, 감김, 나선형 및 루핑 섬유로 구성되고, 이러한 번들의 파괴력은 감소된다. 또한, 인장 강도는 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 번들의 단면적에 의존하여 계산된다. 90 ㎛ 번들은, 약 80 mN 및 약 12.6 MPa의 파괴력 및 인장 강도가 요구된다. 이러한 기계적 강도 값은 다른 연구에서 수득된 결과와 비교했을 때, 합리적인 수치로 확인된다. 13 wt% PAN 농도 나노섬유의 파괴력 및 인장률은 두 개의 테프론-코팅된 페브릭 사이에서 다림질(약 100℃의 저온 설정)하여 열처리한 후 약 1 N 및 약 30%였다. 10 wt% PAN 농도를 갖는 나노섬유 매트의 인장 강도는 30 분 동안 220℃에서 열처리한 후 10.89 MPa이었다.Previous studies have shown that the tip of an electrospun jet generally exhibits flexural instability, and more bending, winding, helical and looping paths can be observed as the distance reaches an increase. As indicated above, the increase in the spacing distance also causes an increase in the distance over which the electrospun jet must reach. Therefore, as shown in Fig. 5 (f), the bundle consists of warp, hoop, spiral and roofing fibers, and the breaking force of such a bundle is reduced. Further, the tensile strength is calculated depending on the cross-sectional area of the bundle, as shown in Table 1 above. The 90 [mu] m bundle requires a breaking force and tensile strength of about 80 mN and about 12.6 MPa. These mechanical strength values are found to be reasonable values when compared with the results obtained in other studies. The breaking strength and tensile modulus of the 13 wt% PAN nanofibers were about 1 N and about 30% after ironing between two teflon-coated fabrics (low set temperature of about 100 ° C) and heat treatment. The tensile strength of the nanofiber mat with 10 wt% PAN concentration was 10.89 MPa after heat treatment at 220 캜 for 30 min.

본원의 일 실시예는, 최적의 실험 조건을 이용하여 약 250 nm의 직경을 갖는 연속적이고 정렬된 PAN 폴리머 섬유를 수득했다. 상기 나선형 콜렉터의 입구 면 근처에 증착된 섬유는 정렬되었고, 상기 섬유는 회수되었다. 이러한 현상들은 등전위 라인의 분포에 대하여 및 니들과 나선형 코일의 위치 사이 거리의 계산을 수행함으로써 연구되었다. 다양한 직경의 번들을 수득하기 위하여, 몇몇의 간격 크기는 나선형 콜렉팅 코일에 실험되었다. 그 결과, 상기 나선형 콜렉팅 코일의 간격 거리를 조절함에 따라 넓고 다양한 응용에 사용될 수 있는 다양한 직경의 번들을 수득하였다(예를 들어, 탄소 섬유 응용 및 탄소 번들의 사용). 상기 나선형 코일의 간격 크기가 15 mm, 20 mm, 25 mm, 및 30 mm일 때, 30 내지 120 ㎛에 상응하는 직경의 번들을 수득했다. 상기 20 mm 거리의 나선형 콜렉터는 모든 섬유 번들 중에서 가장 잘 정렬된 것으로 간주되는 90 ㎛ 번들을 제조하였고, 이것은 각각 약 12.6 MPa 및 약 62.6%의 강도 및 신장률을 갖는다. 상기 나선형 콜렉터를 사용하여 정렬되고 연속적인 섬유 번들을 제조하기 위해서는, 상기 나선형 콜렉터의 디자인을 최적화하여 전기장의 평형을 유지하는 것이 필요하다.One embodiment of the present application has obtained continuous and aligned PAN polymer fibers having a diameter of about 250 nm using optimal experimental conditions. The fibers deposited near the entrance face of the helical collector were aligned and the fibers were recovered. These phenomena have been studied by performing calculations on the distribution of the equipotential lines and the distance between the needle and the position of the helical coil. To obtain bundles of various diameters, several gap sizes were tested on a helical collecting coil. As a result, by adjusting the spacing distance of the spiral collecting coils, bundles of various diameters have been obtained that can be used for a wide variety of applications (e.g., carbon fiber applications and use of carbon bundles). Bundles of diameters corresponding to 30 to 120 占 퐉 were obtained when the gap sizes of the helical coils were 15 mm, 20 mm, 25 mm, and 30 mm. The spiral collector at 20 mm distance produced a 90 μm bundle, which is considered to be the best aligned among all fiber bundles, with strength and elongation of about 12.6 MPa and about 62.6%, respectively. In order to produce aligned and continuous fiber bundles using the spiral collector, it is necessary to optimize the design of the spiral collector to maintain the equilibrium of the electric field.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

Claims (13)

섬유 전구체 고분자 용액을 토출하는 노즐;
상기 노즐의 팁 말단에 위치된 컨버징 코일(converging coil); 및,
상기 노즐과 이격되어 위치된 나선형 콜렉팅 코일(collecting coil)을 포함하는 나선형 콜렉터(collector)
를 포함하는, 섬유 번들(fiber bundle)의 전기방사 장치.
A nozzle for discharging the fiber precursor polymer solution;
A converging coil positioned at a tip end of the nozzle; And
A spiral collector including a helical collecting coil spaced apart from the nozzle,
And an optical fiber bundle.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐의 팁으로부터 상기 섬유 전구체 고분자 용액이 토출되어 상기 컨버징 코일을 지나면서 형성된 섬유 웹(web)이 상기 나선형 콜렉팅 코일의 입구 면에 증착되고, 상기 증착된 섬유 웹을 인발(withdrawing)함으로써 연속적으로 1축 정렬된 섬유들을 포함하는 섬유 번들을 수득하는 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
A fiber web formed by passing the fiber precursor polymer solution from the tip of the nozzle and passing through the converging coil is deposited on the inlet face of the helical collecting coil and is withdrawed by the deposited fiber web Wherein the fiber bundle is obtained by successively uniaxially aligned fibers.
제 2 항에 있어서,
상기 섬유 번들을 수집하기 위한 드럼(drum)을 추가 포함하는, 섬유 번들의 전기방사 장치.
3. The method of claim 2,
Further comprising a drum for collecting the fiber bundle.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유 전구체 고분자 용액은 섬유 전구체 고분자 물질과 용매를 포함하는 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the fiber precursor polymer solution comprises a fiber precursor polymer material and a solvent.
제 1 항에 있어서,
상기 컨버징 코일 및 상기 나선형 콜렉팅 코일은 각각 독립적으로 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 와이어를 포함하는 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the converging coil and the spiral collecting coil each comprise a wire that is independently selected from the group consisting of copper, iron, nickel, aluminum, zinc, and combinations thereof. Device.
제 1 항에 있어서,
상기 나선형 콜렉팅 코일의 각 코일 간의 거리는 5 mm 내지 30 mm인 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
Wherein a distance between the coils of the helical collecting coil is 5 mm to 30 mm.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유의 직경은 10 nm 내지 800 nm인 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the fibers is from 10 nm to 800 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유 번들의 직경은 1 ㎛ 내지 500 ㎛인 것인, 섬유 번들의 전기방사 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the fiber bundle is from 1 [mu] m to 500 [mu] m.
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