KR101834414B1 - 기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막 - Google Patents

기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계; 상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 전기방사장치의 전기방사 유닛1에 이동시켜 기재의 일면에 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1나노섬유 부직포층을 형성하는 단계; 상기 제1나노섬유부직포층이 형성된 적층체를 전기방사 유닛2에 이동시켜 제1나노섬유 부직포층 상에 제2나노섬유 부직포층을 형성하는 단계; 상기 제2나노섬유 부직포층 상에 제2열가소성 폴리우레탄 기재를 적층하는 단계; 및 상기 기재 상에 2층의 나노섬유 웹이 적층된 적층체를 열융착하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 및 제2 나노섬유 부직포의 총 평량이 1g/m2 이상 50 g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 나노섬유 부직포를 전기방사 후 열 융착하는 방식으로 나노섬유가 적층된 섬유를 제조하는 방법을 제공하여 별도의 핫멜트층 추가 없이도 기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유를 제공할 수 있다.

Description

기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막{Nanofiber composite fiber having excellent adhesive ability between substrate and nanofiber nonwoven and a separator containing thereof}
기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유와 이를 포함하는 분리막 및 이의 제조방법에 관한 발명이다.
나노섬유란, 직경이 수십에서 수백 나노미터에 불과한 초극세사를 지칭하는 것으로, 나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 필라멘트 및 브레이드 등의 제품은 생활용품, 농업용, 의류용 및 산업용 등으로 널리 사용된다.
뿐만 아니라, 인조 피혁, 인조 스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재 및 방탄 조끼 등 국방용 소재에 적용되는 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
나노섬유는 전기장에 의해 생산된다. 즉, 나노섬유는 원료인 고분자 물질에 고전압의 전기장을 걸어서 원료인 고분자 물질 내부에 전기적인 반발력을 발생시키고, 이로 인해 분자들이 뭉쳐 나노 크기의 실 형태로 갈라짐으로써 나노섬유가 제조 및 생산된다. 이 때, 전기장이 강할수록 원료인 고분자 물질이 가늘게 찢어지기 때문에 10 내지 1000nm의 가늘기를 갖는 나노섬유를 얻을 수 있다.
한편, 이렇게 생산된 나노섬유를 다른 기재 섬유와 적층복합시키는 방법에는 나노섬유 생산시에 이를 이종의 섬유에 코팅을 시키는 방법, 나노섬유를 별도로 생산하여 이를 이종 텍스타일에 접합시키는 방법에 있다. 나노섬유 생산시에 기재 섬유상에 나노섬유를 직접 방사하여 코팅시키는 방법의 경우, 나노 섬유와 기재 섬유 간의 접착력이 약하여 박리가 빈번히 일어난다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 나노섬유와 기재 섬유 사이에 핫멜트층을 추가하여 접착력을 강화시키는 방법이 있으나, 공정과정의 추가로 제작단가가 높아진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노섬유가 방사되는 기재섬유로써 열가소성 폴리우레탄 기재를 사용하여 별도의 접착제나 핫멜트층의 추가 없이도 나노섬유 부직포가 기재섬유에 강하게 부착되어 다회 세탁 후에도 박리되지 않는 나노섬유 부직포가 적층된 복합섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 나노섬유가 방사되는 기재섬유로써 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계; 상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 전기방사장치의 전기방사 유닛1에 이동시켜 기재의 일면에 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1나노섬유 부직포층을 형성하는 단계; 상기 제1나노섬유부직포층이 형성된 적층체를 전기방사 유닛2에 이동시켜 제1나노섬유 부직포층 상에 제2나노섬유 부직포층을 형성하는 단계; 상기 제2나노섬유 부직포층 상에 제2열가소성 폴리우레탄 기재를 적층하는 단계; 및 상기 기재 상에 2층의 나노섬유 웹이 적층된 적층체를 열융착하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 나노섬유 부직포의 총 평량이 1g/m2 이상 50 g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기서 제1항에 있어서, 상기 열융착 단계 이전에 상기 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 나노섬유 부직포가 부착되지 않은 다른 한쪽면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재, 합성 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 지지체를 적층하는 단계가 추가될 수 있다.
여기서 고분자는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), PES, 폴리아미드(PA), 메타아라미드, PVDF, 폴리우레탄(PU) 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 제1 나노섬유 부직포층과 제2나노섬유 부직포층 간에는 섬유 직경이 상이하거나 고분자 종류가 상이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법에 있어서 상기 나노섬유 부직포의 총 평량은 1g/m2 이상 20 g/m2이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 제조방법에 사용되는 전기방사장치는 온도조절장치를 이용하여 고분자 방사용액이 노즐을 통해 45 내지 120 ℃인 고온에서 전기방사되도록 하여 나노섬유의 직경 범위를 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 나노섬유 부직포를 전기방사 후 열 융착하는 방식으로 나노섬유가 적층된 섬유를 제조하는 방법을 제공하여 별도의 핫멜트층 추가 없이도 기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 섬유를 제조하는 데 있어서, 온도조절장치를 이용하여 고분자 방사용액을 노즐을 통해 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사하여 나노섬유의 직경 범위를 조절할 수 있다.
또한 본 발명의 복합섬유는 분리막으로 활용이 가능하며 바람직하다. 이는 전기방사를 통해 제조된 나노섬유로 이루어짐에 따라 다공성을 지니므로 이로부터 제조된 분리막은 전지 성능이 우수한 효과가 있는 점에서 분리막으로 활용하는 것이 바람직하며, 기재와 나노섬유 사이에 탈리가 발생하지 않으므로 안정적인 분리막 이용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명에 의한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록의 노즐을 개략적으로 나타내는 측단면도,
도 3은 본 발명에 의한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명에 의한 온도조절 장치를 구비한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록에 코일 형태의 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 5은 도 4의 A-A'선 단면도,
도 6은 본 발명에 의한 온도조절 장치를 구비한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록에 선형 형태의 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 7은 도 6의 B-B'선 단면도,
도 8는 본 발명에 의한 온도조절 장치를 구비한 전기방사장치의 각 유닛 내에 설치되는 노즐블록에 U자 형태의 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 9은 도 8의 C-C'선 단면도,
도 10은 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도 11은 본 발명에 의한 전기방사장치의 보조 이송장치의 보조벨트 롤러의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면,
도 12 내지 도 15은 본 발명에 의한 전기방사장치의 장척시트 이송속도 조절장치의 동작과정을 개략적으로 나타내는 측면도,
도 16은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노섬유 부직포 된 복합섬유의 구조,
도 17은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열가소성 폴리우레탄 기재 위에 나노섬유 부직포가 적층되고, 열가소성 폴리우레탄 기재 하부에 지지체가 합지되어 제조된 복합섬유의 구조이다.
1. 본 발명에 사용되는 전기방사장치의 설명
본 발명에 의한 전기방사장치(1)는 상향식 전기방사장치(1) 또는 하향식 전기방사장치(미도시)로 이루어지되, 적어도 하나 이상의 유닛(10a, 10b)이 일정간격 이격되어 순차적으로 구비되고, 상기 각 유닛(10a, 10b)은 동일한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하거나, 재질이 상이한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하여 나노섬유웹을 제조한다.
상기 각 유닛(10a, 10b)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)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 형성한다.
여기서, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b) 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) 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)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)을 통하여 방사되는 고분자 방사용액의 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리아미드(PA), 메타아라미드, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄(PU) 등이 바람직하며, 그 중에서도 기재로 사용되는 열가소성 폴리우레탄과 성질이 유사한 폴리우레탄을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 유닛(10a, 10b) 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)의 노즐블록(11)에 구비되는 노즐(12)은 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 다중관상노즐(500)로 이루어지며, 2종 이상의 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사 할 수 있도록 2개 이상의 내, 외측관(501, 502)들이 시스-코어(Sheath-Core) 형태로 결합된 구조를 갖는다.
여기서, 상기 노즐블록(11)은 시스-코어(Sheath-Core) 형태의 다중관상노즐(500)이 배열된 노즐 플레이트(405)와 상기 노즐 플레이트(405)의 하단에 위치하여 다중관상노즐(500)에 고분자 방사용액(미도시)을 공급하는 2개 이상의 방사용액 저장판(407, 408)과 다중관상노즐(500)을 감싸고 있는 오버플로 제거용 노즐(415)과 상기 오버플로 제거용 노즐(415)에 연결되고, 노즐 플레이트(405)의 직상단에 위치하는 오버플로액 임시 저장판(410) 및 상기 오버플로액 임시 저장판(410)의 직상단에 위치하여 오버플로 제거용 노즐(415)을 지지하는 오버플로 제거용 노즐 지지판(416)을 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 다중관상노즐(500)과 오버플로 제거용 노즐(415)들을 감싸고 있는 공기공급용 노즐(404)과 노즐블록(11)의 최상단에 위치하여 공기공급용 노즐(404)을 지지해주는 공기공급용 노즐의 지지판(414)과 공기공급용 노즐의 지지판(414)의 직하단에 위치하여 공기공급용 노즐(404)에 공기를 공급해주는 공기유입구(413) 및 공급된 공기를 저장해주는 공기 저장판(411)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 오버플로 제거용 노즐(415)을 통하여 오버플로액을 외부로 배출하기 위한 오버플로우 배출구(412)가 구비된다.
한편, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)에 오버플로우 장치(200)가 구비된다. 즉, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b)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)에 오버플로우 장치(200)가 각각 구비되어 있으나, 상기 각 유닛(10a, 10b) 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 회수 경로(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)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)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)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)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.
또한, 절연체로 형성되는 케이스(18)의 내측면과 컬렉터(13)의 외주면 사이 거리가 케이스(18)의 두께(a)와 케이스(18)의 내측면과 컬렉터(13)의 외측면 사이의 거리(b)는 "a+b=80mm"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(14a, 14b)와 연결되어 있다.
즉, 도 3에서 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, 상기 각 관체(40)로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도조절을 제어하기 위하여 상기 온도조절 제어장치(60)는 관체(40) 내주연에 구비되는 열선(41, 42) 또는 파이프(43)로 이루어진다.
그리고, 상기 다수개의 관체(40)의 온도를 조절하기 위하여 온도조절 제어장치(60)가 구비된다.
이때, 도 4 내지 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이, 열선(41) 형태의 온도조절 제어장치(60)가 상기 노즐블록(11)의 관체(40) 내주연에 나선상으로 형성되어 관체(40)로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도를 조절하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 노즐블록(11)의 관체(40) 내주연에 열선(41) 형태의 온도조절 제어장치(60) 나선상으로 구비되어 있으나, 도 6 내지 도 7에서 도시하고 있는 바와 같이, 열선(42) 형태의 온도조절 제어장치(60)가 관체(40)의 내주연에 방사상으로 다수개 구비되는 것도 가능하고, 도 8 내지 도 9에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 파이프(43) 형태의 온도조절 제어장치(60)가 관체(40) 내주연에 대략 "C"형태로 구비되는 것도 가능하다.
여기서, 도 10에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b) 내로 인입 및 공급되는 장척시트(15)의 이송속도를 조절하기 위한 보조 이송장치(16)가 구비된다.
상기 보조 이송장치(16)는 각 유닛(10a, 10b) 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 11에서 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) 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)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) 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(70)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) 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) 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) 중 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도가 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도보다 빠르다고 감지할 경우, 도 13 내지 도 14에서 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) 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) 중 선단에 위치하는 유닛(10a) 내 장척시트(15a)의 이송속도가 그 후단에 위치하는 유닛(10b) 내 장척시트(15b)의 이송속도보다 느리다고 감지할 경우, 도 15 내지 도 16에서 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) 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) 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) 중 후단에 위치하는 유닛(10b)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)을 통하여 토출된 나노섬유 부직포의 통기도가 크게 계측될 경우, 후단부에 위치하는 유닛(10b)의 이송속도(V)를 늦게하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 증가시키고, 전압 발생장치(14a, 14b) 전압의 세기를 조절하여 단위면적당의 나노섬유의 토출량을 증대시켜 통기도를 작게 형성한다.
그리고, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b)을 통하여 토출된 나노섬유 부직포의 통기도가 작게 계측될 경우, 후단부의 위치하는 유닛(10b)의 이송속도(V)를 빠르게 하거나, 노즐블록(11)의 토출양을 감소시키고, 전압 발생장치(14a, 14b)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)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)와 두께 측정장치(70)와 장척시트 이송속도 조절장치(30) 및 통기도 계측장치(80)를 제어한다.
여기서, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)의 상기 각 유닛(10a, 10b) 중 후단에 위치하는 유닛(10b)의 후단에 합지장치(100)가 구비될 수 있다. 상기 합지장치(100)는 각 유닛(10a, 10b)을 통하여 장척시트(15) 상에 지지체(미도시)를 접합시킨다.
이때, 상기 합지장치(100)는 상기 나노섬유 부직포의 하부에 구비되되, 상기 합지장치(100)를 통하여 공급되는 지지체는 나노섬유 부직포의 하부면에 접합된다.
본 발명의 도면 1에서는 상기 지지체가 나노섬유 부직포의 하부면에 접합되도록 상기 합지장치(100)가 나노섬유 부직포의 하부에 구비되어 있으나, 상기 지지체가 장적시트의 상부면에 접합되도록 상기 합지장치(100)가 장척시트의 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.
한편, 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b)을 통하여 전기방사된 나노섬유 웹층을 라미네이팅하기 위한 라미네이팅 장치(90)가 상기 전기방사장치(1)의 최후단에 구비되고, 상기 라미네이팅 장치(90)에 의해 전기방사장치(1)를 통하여 전기방사된 나노섬유 부직포의 후공정을 수행한다.
2. 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노섬유 부직포가 샌드위치된 구조의 복합섬유 제조방법
이하, 상기 전기방사장치를 이용하여 본 발명의 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노섬유 부직포가 샌드위치된 구조의 복합섬유의 제조방법을 설명한다.
본 발명에서는 장척시트(15)로 열가소성 폴리우레탄 기재를 사용한다.
먼저 폴리우레탄은 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate)와 폴리알콜(Polyalcohol)의 반응에 의해 만들어지는 우레탄 결합의 폴리머이다. 폴리우레탄은 탄성, 내마모성, 가공성이 우수하여 산업 및 소비재, 부품 등에 다양하게 사용되는데, 폴리우레탄의 종류에 따라 그 물성의 차이가 있으므로 용도에 맞는 제품의 선택이 중요하다.
폴리우레탄은 크게 2가지로 구분되는데, 열가소성 폴리우레탄과 열경화성 폴리우레탄으로 나뉘는데, 여기서 열가소성 폴리우레탄의 경우 강도, 성형성, 내화학성, 내유성, 내마모도 등이 우수한 특징이 있다. 열가소성 폴리우레탄(이하 "TPU"라 칭함)로 이루어진 신축성 부직포는, 그들의 높은 탄성, 낮은 잔류왜곡 및 우수한 통기성에 의해 의류, 위생재료 및 스포츠용품용 재료를 포함한 용도에 이용되어 왔다. 이른바 멜트 블로우 방사 방법(melt-blow spinning method)으로 제조되는 열가소성 폴리우레탄 부직포는 뛰어난 신축성과 유연성 및 통기성을 가지고 있어서, 종래부터 종이 기저귀의 사이드 밴드, 구급 반창고의 기포(base fabric), 1회용 장갑 등과 같은 비교적 인체의 움직임에 대한 순응이 요망되는 분야, 혹은 스포츠 의류·신축성 면 패드(cotton pad) 등의 겉옷 분야 등 비교적 소프트한 신축성이 요망되는 분야에 사용되고 있다.
상기 열가소성 폴리우레탄의 제조방법은 잘 알려져 있다. 즉, 폴리에스테르폴리올 또는 폴리에테르폴리올과 같은 하이드록시 말단기를 함유하는 선형 폴리올과, 양 말단에 이소시아네이트기를 함유하는 디이소시아네이트 화합물을 반응시켜 제조되며, 필요에 따라 사슬연장제, 모노아민 화합물 등의 말단정지제, 기타 첨가제를 첨가하여 제조된다.
폴리올로는 선형상의 호모 또는 공중합체로 이루어지는 각종 디올, 예를 들어 폴리에스테르디올, 폴리에테르디올, 폴리에스테르아미드디올, 폴리아크릴디올, 폴리티오에스테르디올, 폴리티오에테르디올, 폴리카보네이트디올, 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체가 사용될 수 있다. 보다 구체적인 예로는 폴리옥시에틸렌글리콜, 폴리옥시프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌에테르글리콜, 테트라메틸렌기와 3-메틸테트라케틸렌기로 이루어진 공중합 폴리에테르글리콜 등의 폴리알킬렌에테르글리콜을 예시할 수 있다.
하드 세그먼트 역할을 하는 디이소시아네이트 화합물로는 방향족, 지방족 또는 지환족 디이소시아네이트가 사용되는데, 예를 들러 4,4'디페닐케탄디이소시아네이트, 1,3- 및 1,4-시클로헥실렌디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌디이소시아네이트, 트리메틸렌디이소시아네이트, 테트라메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
사슬연장제로는 디아민 화합물 또는 디올 화합물을 들 수 있으며, 예를 들어 메틸렌디아민, 에탄올디아민, 1,2-프로필렌디아민 등의 디아민 화합물과, 에틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜 등의 디올 화합물이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
말단정지제로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 디이소프로필아민과 같은 모노아민계 화합물을 들 수 있다.
한편, 열가소성 폴리우레탄의 수평균 분자량은 1,000∼100,000인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 기재로서 이러한 열가소성 폴리우레탄을 부직포 기재로 사용하는 것에 특징이 있는데, 먼저, 부직포는 웹(섬유를 거듭해 맞춘 상태)를 제작하여 섬유끼리 물리적화학적으로 포장에 얽히게 할 수 있어 제조한다.
일반적인 부직포의 제조공정은 웹 형성과 웹 결합공정을 거치게 된다. 일반적인 공정은 단섬유 부직포에만 사용되며, 장섬유 부직포는 방사에 의한 필라멘트를 사용하므로 이 공정은 필요치 않다. 부직포의 경우 압축된 베일(Bale) 상태로 입고되므로 부직포를 만들기 위해서는 압축된 섬유들의 과정을 거쳐야한다. 웹의 형성공정은 부직포를 만들기 위해서 반드시 필요한 공정으로, 건식 부직포는 웹의 형성을 대기 중에서 행하는데 반하여 습식 부직포는, 섬유를 분산시켜 이것을 떠올림으로써 웹을 얻는다. 따라서 건식부직포는 섬유의 배열이 방향성을 갖는 것이 대부분이나, 습식부직포는 섬유가 랜덤한 불규칙 배열을 이룬다. 그러나 건식부직포에도 랜덤 카드기의 개발로 용도에 따라 방향성이 없는 웹을 얻을 수 있다.
웹을 형성하는 방법으로서 원료 펠렛(pellet)으로부터 용해 방사를 제작한 장섬유를 사용하는 스펀본드법, 단섬유를 카드기 등에서 일정 방향으로 늘어놓아 웹을 형성하는 건식법, 분산제등을 사용 해 수중에 균일 분산해, 망상에 흘려 탈수해 웹을 형성하는 습식법등이 있다.
또한 섬유끼리를 얽히게 할 수 있는 방법에는, 웹에 열용해성 섬유를 혼합해 , 열롤로 압착하는 서멀 본드법, 바인더(접착수지방)으로 결합시키는 케미컬 본드법, 니들(바늘)의 바브(미소한 돌기)로 섬유끼리를 얽히게 할 수 있는 니들펀치법, 섬유를 제조할 때 고압의 공기로 필라멘트에 충격을 주어 랜덤하게 웹을 형성시키며 0.5 내지 30미크론 직경의 웹을 제조할 수 있는 멜트블로운법등이 있다.
이 중 본 발명에 사용되는 열가소성 폴리우레탄 기재는 상기 방법 중 멜트블로운법, 스펀본드 법 및 니들펀치법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 멜트블로운(Meltblown)법의 원리는 열가소성 수지에 의한 용융방사법으로서 방사 노즐의 출구에 고온 및 고압의 공기류를 유입하여 섬유를 연신 및 개섬한 다음 포집 콘베이어 상에 집적시키는 방식이다. 이 방법에 의한 부직포는 유연성, 비투과성, 절연성이 우수한 이점이 있다. 일반적으로 열가소성 폴리우레탄 부직포는 멜트 블로운 방사방법에 의해서 제조되는데 멜트블로운 방사의 일반적인 방법을 후술하면 이하와 같다. 즉 용융한 열가소성 중합체를 1열로 배치한 노즐구멍에 공급하고, 그 노즐구멍에서 연속적으로 용융 중합체를 압출하고, 그 노즐구멍군의 양측에 배치한 슬릿으로부터 고온 기체를 고속으로 분사하여, 그 기체 에너지로 노즐구멍에서 압출한 중합체를 세선화, 냉각하여 연속 필라멘트를 형성시킨 다음, 그 연속 필라멘트 군을 이동하는 컨베이어 네트 위 등에 집적, 적층하여 필라멘트 자체가 갖는 자기 접착성에 의해서 필라멘트를 서로 접착시키는 것이다.
한편 스판본드(Spunbond)법은 원료를 방사하여 열에 의해 자체 접착하여 부직포를 형성하는 방식이다. 주로 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 방사하여 열에 의하여 자체 접착하여 웹을 형성하는 기술로서, 원단 설계가 용이한 이점이 있다.
또한 니들펀치법의 경우는 섬유를 특수바늘을 이용하여 물리적으로 웹을 결합시켜 제조하며 바늘의 펀칭 회수나 바늘의 밀도에 의하여 제품의 두께 등을 다양화하는 것이 가능한 이점이 있다.
이와 같은 부직포 제조방법에 의해 제조된 열가소성 폴리우레탄 부직포는 본 발명에 사용되는 기재로 사용하는 것이 바람직하다. 열가소성 폴리우레탄 부직포 기재는 기본적인 신축 특성이 우수한 것은 물론이고 그 면밀도가 매우 낮고 매우 얇고 부드럽고 소프트하고 또한 통기성이 있음에도 불구하고 기공이 작고 균일하게 분산하여 분포하고 있는 구조를 취하고 있다. 또한 얇은 부직포로 구성될 수 있는 점에서 다른 부재와 복합할 때도 더욱 얇은, 부드럽고 소프트한 복합소재를 부착하는 것이 가능하다. 상기 열가소성 폴리우레탄은 융점이 80 내지 200℃인 것이 특징이다. 따라서 열 접착성이 양호하고 열처리 이후 열 접착 용도로 사용하는 것이 가능한 이점이 있다. 한편, 기재의 평량으로는 10 내지 150g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 10g/m2 미만이면 기재로서의 물성이 떨어지며, 평량이 150g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 열가소성 폴리우레탄 부직포는 소수성 또는 친수성의 성질을 띠는 것이 가능하고, 색 도입도 가능하며, 열가소성의 특징을 통해 고온의 라미네이팅 환경에서 부분적으로 용융될 수 있어서 별도의 접착제 없이 접착 역할을 하는 것이 가능한 이점이 있다.
한편, 본 발명에서 각 유닛을 통하여 방사되는 고분자 방사용액의 고분자의 종류는 전기방사될 수 있는 것이면 크게 제한되지 않으나, 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리아미드(PA), 메타아라미드, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄(PU) 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하며, 그 중에서도 폴리우레탄(PU)을 사용한 경우, 소재 유사성으로 인해 기재인 열가소성 폴리우레탄과의 접착력이 강하여 특히 바람직하다.
한편 본 발명의 섬유를 제조하기 위해서는 먼저 고분자 방사용액을 전기방사장치의 각 유닛(10a, 10b)과 연결된 방사용액 주탱크(8)에 공급하고, 상기 방사용액 주탱크(8)에 공급된 고분자방사 용액은 계량 펌프(미도시)를 통하여 높은 전압이 부여되는 노즐블록(11)의 다수의 노즐(12) 내에 연속적으로 정량공급된다. 상기 각 노즐(12)로부터 공급되는 고분자 방사 용액은 노즐(12)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(13) 상에 위치한 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 전기방사되면서 첫번째 유닛(10a)로부터 제1 나노섬유 부직포층이, 두번째 유닛(10b)으로부터 제2 나노섬유 부직포층이 적층형성된다.
적층형성되는 나노섬유 부직포의 각각의 평량은 1g/m2 이상 50 g/m2 이하가 바람직하며, 1g/m2 이상 20 g/m2 이하가 특히 바람직하다. 1g/m2 미만이거나 50 g/m2 를 초과하면 기계적 물성이 바람직하지 않다.
한편 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10a, 10b) 내에서 나노섬유 부직포가 적층되는 열가소성 폴리우레탄 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 이송되고 상기한 공정을 반복하면서 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 나노섬유 부직포가 연속적으로 전기방사 및 적층형성된다. 이후 전기방사장치(1) 후단부에 위치하는 합지장치(100)에서 상기 나노섬유 부직포에 제2 열가소성 폴리우레탄 기재를 합지하고, 라미네이팅 장치(90)에서 열융착하는 과정을 거쳐 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노 섬유 샌드위치된 구조의 복합섬유가 제조될 수 있다.
3. 지지체, 열가소성 폴리우레탄 기재, 및 나노섬유 부직포층을 포함하는 복합섬유의 제조방법
본 발명의 일실시예에 따르면, 각 유닛(10a, 10b)에서 상기 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 제1 및 제2 나노섬유 부직포를 연속적으로 적층형성한 후, 전기방사장치(1) 후단부에 위치하는 추가적인 합지장치(미도시)에서는 지지체가 상기 나노섬유 부직포가 적층형성되지 않은, 상기 제1 및/또는 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 타측면에 접합되고 라미네이팅 장치(90)에서 열융착하는 과정을 거쳐 섬유가 제조될 수 있다. 상기 지지체로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재, 합성 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 1종이상이 선택되어 사용될 수 있다. 이때, 상기 지지체의 평량은 50 내지 300g/m2인 것이 바람직하다.
4. 고온방사
본 발명의 일실시예에 따르면, 온도조절장치(60)를 이용하여 고분자 방사용액이 노즐을 통해 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사될 수 있다. 일반적으로 기존의 발명들은 고분자 방사 용액의 농도를 일정하게 유지하기 위해 희석제, 농도 조절 장치들을 구비한다. 이러한 희석제로는 MEK(methyl ether ketone), THF(tetra hydro furan), Alcohol 등이 사용된다. 노즐블록(11)을 통해 전기방사되어 컬렉터(13)에 집적되는 고분자 방사 용액이외에 오버플로우 시스템(200)을 통해 회수되는 고분자 방사 용액의 농도는 주저장 탱크(미도시)로부터 최초에 공급되는 고분자 방사 용액의 농도보다 높은 농도를 가지게 되는데, 기존 전기방사시에는 이러한 고분자 방사 용액의 농도를 일정수준으로 유지하기 위하여 희석제를 첨가하였다. 또한 희석제로 사용되는 MEK 또는 THF 등은 끓는점(b.p)이 낮아(약 60℃) 전기방사시에 용매인 DMAc 단독으로 사용하는 경우보다 비산성이 좋아 나노섬유형성이 용이하다.
그러나 본원발명은 농도를 일정하게 유지하는 대신, 재사용되는 고농도의 고분자 방사 용액을 오버플로우 후에 다시 사용하되 고분자 방사 용액의 점도를 온도조절 제어장치(60)를 이용하여 일정하게 조절함으로써 전기방사의 효율을 높이는 수단을 제공하며 희석제의 사용이 없이도 높은 점도를 조절하기 위한 높은 온도조건에서 비산성이 우수하여 고분자 방사 용액의 나노섬유형성을 용이하게 할수 있다.
점도란 흐르는 액체 내에서 용질과 용매의 비뚤어짐 응력과 비뚤어짐 속도의 비율을 의미한다. 일반적으로 절단면적당 점탄율로 표시하며 단위는 dynscm-2gcm-1s-1또는 푸아즈(poise, P)이다. 점도는 온도 상승에 반비례하여 저하된다. 용해액의 점도가 용매의 점도보다 높은 것은 용질에 따라 액체의 흐름에 비뚤어짐이 생기며 그 양만큼 액체의 유속이 저하되기 때문이다.
용액의 점도를 각종 용액농도로 측정하여 그것을 농도 0에 외삽한 값, 고유점도(η)와 물질의 분자량M의 관계는 (η)=KMa로 표시할 수 있다. 이때의 K, a는 용질또는 용매의 종류, 온도에 의존하는 정수이다. 따라서, 점도값은 온도에 영향을 받으며 그 변화정도는 유체의 종류에 따라 다르다. 따라서, 점도를 이야기할 때에는 온도 및 점도의 값을 명시해야 한다.
전기방사장치(1)로 나노섬유를 제조할 때에, 사용되는 고분자와 용매(Solvent)의 종류, 고분자 용액의 농도, 방사실(Spinningroom)의 온도 및 습도 등이 제조되는 나노섬유의 섬유직경과 방사성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 즉, 전기방사에서 방사되는 고분자의 물성이 중요하다. 통상적으로 전기방사시에 고분자의 점도는 일정 점도이하를 유지하는 것이 필요한 것으로 여겨져 왔다. 이는 점도가 높을수록 노즐(12)을 통해 나노 굵기의 섬유의 방사가 원활이 이루어지지 않는 특성에서 기인하며 점도가 높으면 전기방사를 통해 섬유화 하기에 부적당하다.
본원발명은 상기에서 설명한 바와 같이 전기방사에 적합한 섬유점도를 유지하기 위하여 온도조절 제어장치(60)로 점도를 조절하기 위한 온도조절 제어장치(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도조절 제어장치(60)로는 오버플로우를 통해 재사용되는 높은 점도의 고분자 방사 용액의 점도를 낮게 유지할 수 있는 가열장치와 상대적으로 낮은 점도의 고분자 방사 용액의 점도를 높게 유지할 수 있는 냉각장치 모두 또는 어느 하나를 구비할 수 있다.
전기방사 영역에서의 온도에 있어서, 전기방사가 일어나는 영역(이하, '방사영역'이라 한다)의 온도는 방사용액의 점도를 변화시킴으로써 방사 용액의 표면장력을 변화시키므로, 결국 방사된 나노섬유의 직경에 영향을 미치게 된다.
즉, 방사영역의 온도가 상대적으로 높아서 용액의 점도가 낮으면 섬유직경이 상대적으로 가는 나노섬유가 만들어지고, 온도가 상대적으로 낮아서 용액의 점도가 높으면 섬유직경이 상대적으로 굵은 나노섬유가 만들어진다.
농도를 측정하기 위한 농도측정장치는 용액에 직접 접촉하는 접촉식과 비접촉식이 있으며, 접촉식으로는 캐필리러식 농도측정장치, 디스크(DISC)식 농도측정장치 등이 사용될 수 있으며, 비접촉식으로는 자외선을 이용한 농도측정장치 또는 적외선을 이용한 농도측정장치 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 가열장치는 전열히터, 온수순환장치 또는 온풍 순환 장치등으로 이루어 질 수 있으며, 이외에 상기 장치들과 균등한 범위에서 온도를 높일수 있는 장치들을 차용할 수 있다.
가열장치의 일예로 전열히터는 열선형태로 사용될 수 있으며, 노즐블록(11)의 관체(40)내부에 코일형태의 열선(41, 42)을 장착할 수 있으며, 이는 자킷형태로도 변형가능하다(도 3 내지 도 8 참고).
또한, 선형형태의 열선(41, 42) 및 U자 형태의 파이프(43)의 구성을 지닌 것도 가능하다.
상기와 같은 가열장치는 고분자 방사 용액이 방사되는 노즐블록(11), 고분자 방사 용액이 저장되는 탱크(주저장 탱크, 중간탱크 또는 재생탱크) 및 오버플로우 시스템(200 : 특히 회수부로부터 재생탱크로 이송되는 이송배관)중 어느 하나 이상에 구비될 수 있다.
본 발명의 냉각장치는 칠링장치를 포함한 냉각수단등이 사용될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위한 수단은 통상적으로 적용이 가능하다. 냉각장치는 가열장치와 동일하게 노즐블록(11), 탱크 및 오버플로우 시스템(200) 중 어느 하나 이상에 구비될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위해 사용된다.
또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 농도를 측정하는 센서와 이에 따라 온도를 제어하는 온도조절 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 센서는 주저장 탱크(미도시), 중간탱크(220), 재생탱크(230), 노즐블록(11) 또는 오버플로우 시스템(200) 등에 설치되어 방사용액의 농도를 실시간으로 측정하여 이를 온도조절 제어장치(60)에서 점도가 일정하게 유지되도록 가열장치 및/또는 냉각장치를 작동한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 오버플로우 시스템(200)을 통해 재공급 되는 고분자 방사 용액의 농도는 20 내지 40%이며, 이는 통상적인 전기방사에서 사용되는 고분자 방사 용액의 농도인 10 내지 18%에 비해 고농도의 용액이다.
또한, 본 발명의 재공급 되는 고분자 방사 용액의 점도를 일정하게 하기 위해, 고분자 방사 용액의 농도에 따른 고분자 방사 용액의 온도는 상온이 아닌, 45 내지 120 ℃로 조절되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 고분자 방사 용액은 점도는 1,000 내지 5,000 cps가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 3,000 cps 의 점도가 좋다. 점도가 1,000 cps 이하일 경우 전기방사되어 적층되는 나노섬유의 품질이 불량하며, 점도가 3,000 cps 이상일 경우 전기방사시 노즐(12)로부터 고분자 방사 용액의 토출이 용이하게 되지 않아 생산속도가 느려진다.
또한, 본원발명은 전기방사를 진행할수록 고분자 방사 용액의 점도는 일정하여 전기방사시의 방사용이성이 우수함과 동시에 고분자 방사 용액의 농도가 증가하여 콜렉터에 집적되는 나노섬유 중 용매를 제외한 고형분 양의 증가로 생산성이 증대되는 효과가 있다.
이에 더해, 전기방사를 이용한 나노섬유의 잔존 용매량이 기존의 전기방사를 이용한 경우 보다 적어 우수한 품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 오프라인 상으로 작업자가 중간탱크(220)의 농도를 측정하여 노즐블록(11)이나 주저장탱크(미도시)의 온도조절을 통해 고분자 방사 용액의 점도를 제어할 수 있는 수동식이 가능함과 동시에, 온라인상으로 자동제어 시스템을 통해 농도측정에 따라 해당 용액의 온도를 조절할 수 있는 자동식인 것을 포함한다.
이하에서는 구체적 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
실시예 1
폴리우레탄(Dow(USA) 사의 Pellethane 2363-80AE를 사용) 13중량%를 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 87중량%를 사용하여 용해시켜 고분자 방사용액을 제조하고, 전기방사장치의 제1 및 제2 유닛의 방사용액 주탱크에 투입하였다. 각 유닛에서 평량이 30g/m2인 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(Bluecher사(社) IOH10UM4) 상에 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 20kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%의 조건에서 상기 방사용액을 전기방사하여 평량이 5g/m2인 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 적층형성하였다. 전기방사 후에는 합지장치를 통해 평량이 30g/m2인 별도의 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(Bluecher사(社) IOH10UM4)를 상기 폴리우레탄 나노섬유 부직포 상부에 합지한 후, 열융착 과정을 거쳐 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 폴리우레탄 나노섬유가 샌드위치된 구조의 복합섬유를 제조하였다.
실시예 2
폴리우레탄 나노섬유 부직포의 평량을 3g/m2로 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 열가소성 폴리우레탄 기재와 폴리우레탄 나노섬유로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
실시예 3
제1유닛에 폴리비닐리덴플루오라이드 방사용액을, 제2유닛에 폴리우레탄 방사용액을 넣은 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 열가소성 폴리우레탄 기재와 폴리우레탄 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
실시예 4
폴리우레탄(DOW사(USA))의 Pellethane 2363-80AE) 10중량%을 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 90중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 10%, 점도 1000cps인 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 이로부터 방사용액을 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 60℃로 실시예 1과 동일한 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(제1 열가소성 폴리우레탄 기재)의 한쪽 면에 전기방사 하였다. 이후, 방사공정을 거치며 방사되지 못하고 오버플로우된 고형분이 다시 저장탱크의 하나인 원료탱크로 구비되는 과정에서 원료탱크 내 방사용액의 농도가 20%로 변경되었고, 이에 따라 점도는 2000cps로 변경되었다. 이후 온도조절장치의 센서에 의해 점도를 1000cps로 낮추기 위해 원료탱크의 온도를 80℃로 상승시킨 후 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 전기방사하여 폴리우레탄 나노섬유가 적층되었다. 이후, 폴리우레탄 나노섬유 부직포의 다른 한면에 열가소성 폴리우레탄 기재를 합지하고, (제2 열가소성 폴리우레탄 기재) 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 각각의 기재에 폴리우레탄 나노섬유가 부착되지 않은 다른 면에 평량 100g/m2 인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재를 합지한 후, 열융착과정을 거쳐 제1 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 제1 열가소성 폴리우레탄 기재, 폴리우레탄 나노섬유, 제2 열가소성 폴리우레탄 기재, 제2 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
비교예1
실시예 1에서 기재로 열가소성 폴리우레탄 기재 대신 셀룰로오스 기재를 사용한 것 외에는 동일 제조방법을 이용, 셀룰로오스 기재와 폴리우레탄 나노섬유로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
기재와 나노섬유 부직포층 간의 부착력 테스트
실시예 및 비교예에서 제조된 복합섬유 1m2을 각각 세탁기를 이용하여 세탁1회, 헹굼2회, 건조 1회를 세탁 1사이클로 하여, 1, 3, 5, 사이클로 세탁하였을 때 기재와 나노섬유웹층 간에 탈리가 일어나는지 관찰하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1
1사이클 O O O O O
3사이클 O O O O △
5사이클 O O △ O X
(O: 탈리가 일어나지 않은 경우, : 탈리가 총 면적대비 50%이하로 일어난 경우, X: 탈리가 총 면적대비 50%초과하여 일어난 경우)
실시예 1내지 4에 따른 복합섬유는, 별도의 접착제나 핫멜트층을 사용하지 않고도, 열융착 공정을 통해 5사이클 세탁 이후에도 기재와 나노섬유 사이에 탈리가 잘 일어나지 않았다.
1 : 전기방사장치, 3 : 공급롤러,
5 : 권취롤러, 7 : 주 제어장치,
8 : 방사용액 주탱크, 10a, 10b : 유닛,
11 : 노즐블록, 12 : 노즐,
13 : 컬렉터, 14, 14a, 14b : 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, 41, 42 : 열선,
43 : 파이프, 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,
404 : 공기 공급용 노즐, 405 : 노즐 플레이트,
407 : 제 1 방사용액 저장판, 408 : 제 2 방사용액 저장판,
410 : 오버플로액 임시저장판, 411 : 공기저장판,
412 : 오버플로 배출구, 413 : 공기유입구,
414 : 공기 공급용 노즐 지지판, 415 : 오버플로 제거용 노즐,
416 : 오버플로 제거용 노즐 지지판, 500 : 다중관상노즐,
501 : 내측관, 502 : 외측관,
503 : 선단부.

Claims (7)

  1. 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계; 상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재를 전기방사장치의 전기방사 유닛1에 이동시켜 기재의 일면에 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1나노섬유 부직포층을 형성하는 단계; 상기 제1나노섬유부직포층이 형성된 적층체를 전기방사 유닛2에 이동시켜 제1나노섬유 부직포층 상에 제2나노섬유 부직포층을 형성하는 단계;
    상기 제2나노섬유 부직포층 상에 제2열가소성 폴리우레탄 기재를 적층하는 단계;
    상기 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 나노섬유 부직포가 부착되지 않은 다른 한쪽면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 지지체를 적층하는 단계; 및
    상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 2층의 나노섬유 웹 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재가 적층된 적층체를 열융착하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 나노섬유 부직포의 총 평량이 1g/m2 이상 20 g/m2 이하이며,
    상기 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 평량이 10g/m2 이상 150g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리아미드(PA), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄(PU) 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노섬유 부직포층과 제2나노섬유 부직포층 간에는 섬유 직경이 상이하거나 고분자 종류가 상이한 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기방사장치는 온도조절장치를 이용하여 고분자 방사용액이 노즐을 통해 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사되는 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  7. 제1항의 제조방법에 의해 제조된 복합섬유.
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