KR101884696B1 - 나노섬유 방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융수지를 원료로 하여 나노섬유를 방사하는 장치에 있어서: 원료를 이송하는 공급관체(12)의 외면으로 설치되는 중공축(22)에 회전력을 작용하는 구동부(20); 상기 공급관체(12)와 연통되는 노즐(33)을 중공축(22) 상에 연결하여 원심력으로 원료를 분출하는 방사부(30); 및 상기 방사부(30)의 노즐(33)에 구비되어 분출 원료를 나노섬유로 생성하는 방사유도수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 용융 수지의 원료를 연속적으로 공급하면서 설정된 원심력의 작용으로 유동과 비산을 유도하는 단순한 공정을 기반으로 하여 나노섬유 제조의 양산성을 제고하는 효과가 있다.

Description

나노섬유 방사 장치{Apparatus for spinning nanofibers}

본 발명은 나노섬유 방사에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 용융 수지를 원료로 하고 원심력을 작용하여 나노 사이즈의 극세사를 생성하는 나노섬유 방사 장치에 관한 것이다.

나노섬유는 마이크로섬유보다 가는 굵기 1㎛ 이하의 극세사로서 재래 산업은 물론 첨단 산업에 이르기까지 광범위한 분야에서 동시다발적인 수요의 증대가 예상된다. 이에, 전계방사, 부직포방사, 직접방사, 복합방사 등의 알려진 제조법을 기반으로 양산성을 확보하기 위한 노력이 이어지고 있다.

나노섬유 제조법과 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2015-0000098호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2014-0105583호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 내부 체적을 형성하고, 복수의 외부 개구를 갖는 외피를 가지는 외부 하우징과, 상기 내부 체적 내부에 배치되고, 간극이 사이에 형성되도록 외피로부터 이격되고, 복수의 내부 개구를 포함하는 내부 스크린을 포함하고, 섬유 전구체 재료가 상기 내부 체적에 수용되고, 헤드의 회전시, 내부 개구를 통해 간극 내로 유입된 후 외부개구를 통해 배출되는 구조를 제안한다.

선행문헌 2에 의하면 용융된 중합체 또는 중합체 용액의 피브릴 형태의 섬유질 스트림이 회전 부재로부터 피브릴의 토출점에서 피브릴의 토출 방향에 본질적으로 평행한 공기 유동장 내로 토출되며, 섬유질 스트림은 세장화되고 공기 유동장에 의해 수집기의 표면 상으로 지향되어 나노웨브를 형성하고, 섬유질 스트림은 그의 경로의 전부 또는 적어도 일부를 따라 대전된다.

다만, 상기한 선행문헌 1에 의한 고전압 및 선행문헌 2에 의한 정전기력에 원심력을 복합적으로 적용하는 것은 공정변수가 많아 양산의 공정불안정이나 비용증가를 유발할 우려가 있다.

1. 한국 공개특허공보 제2015-0000098호 "섬유 제조용 원심 방사 헤드" (공개일자 : 2015.01.07.) 2. 한국 공개특허공보 제2014-0105583호 "원심 방사 공정으로부터 섬유질 웨브를 레잉하기 위한 방법" (공개일자 : 2014.09.01.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 용융 수지의 원료를 연속적으로 공급하면서 설정된 원심력의 작용으로 유동과 비산을 유도하는 단순한 공정을 기반으로 하여 나노 사이즈의 섬유를 생성하는 나노섬유 방사 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용융수지를 원료로 하여 나노섬유를 방사하는 구조에 있어서: 원료를 이송하는 공급관체의 외면으로 설치되는 중공축에 회전력을 작용하는 구동부; 상기 공급관체와 연통되는 노즐을 중공축 상에 연결하여 원심력으로 원료를 분출하는 방사부; 및 상기 방사부의 노즐에 구비되어 분출 원료를 나노섬유로 생성하는 방사유도수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 방사부의 노즐은 대향하는 상부원판과 하부원판 간의 틈새 변동을 통하여 원료의 유동과 비산을 유발하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 하부원판은 원료의 수직 유동을 유발하도록 상부원판에 대향하는 1차유동면, 1차유동면에서 절곡 상태로 연장되어 원료의 비산을 유발하는 2차유동면을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 하부원판은 2차유동면의 외단에서 하방향으로 연장되는 외벽면 상에 비산되는 원료의 부착을 방지하도록 노치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 하부원판은 2차유동면 상에 원료의 장섬유화를 유도하도록 동일한 형태의 유도홈을 일정한 간격으로 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 용융 수지의 원료를 연속적으로 공급하면서 설정된 원심력의 작용으로 유동과 비산을 유도하는 단순한 공정을 기반으로 하여 나노섬유 제조의 양산성을 제고하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 주요부를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 방사부를 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 방사부의 변형예를 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 방사부의 작동 상태를 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 방사부의 또 다른 변형예를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 용융수지를 원료로 하여 나노섬유를 방사하는 장치에 관하여 제안한다. 나노섬유 원료로서 PVC, PP, PE, PET, 나일론 등의 용융가능한 유기계 고분자 소재가 선호되지만 실리카계 등의 무기계 소재나 유기-무기 복합 소재를 배제하지 않으며 반드시 제시된 소재에 국한되는 것도 아니다. 물론 어느 경우에나 상대적으로 용융점이 낮은 소재가 양산적 측면에서 유리하다.

본체(10)는 후술하는 주요 구성품을 수용하는 하우징 구조로서 중심에서 수직으로 공급관체(12)를 구비한다. 공급관체(12)는 원료가 이송되는 중공을 지니는 동시에 원심식 방사를 위한 회전 중심으로 작용한다. 본체(10)는 공급관체(12)의 상단에 호퍼(14)와 피더(16)를 구비하여 원료를 하향 상태로 공급한다. 원료의 하향 이송이 원료 공급의 원활성과 동력소모 절감의 측면에서 유리하다.

본 발명에 따르면 구동부(20)가 원료를 이송하는 공급관체(12)의 외면으로 설치되는 중공축(22)에 회전력을 작용하는 구조를 지닌다. 구동부(20)는 후술하는 방사부(30)에서 용융된 원료에 원심력을 인가하도록 중공축(22)의 회전을 유발하는 수단이다. 중공축(22)은 본체(10)의 내부에서 공급관체(12)와 동심 상으로 회전 가능하게 설치된다. 미설명 부호 24는 중공축(22)을 지지하는 베어링을 나타내고, 부호 26은 중공축(22)을 구동하는 모터를 나타낸다.

또, 본 발명에 따르면 방사부(30)가 상기 공급관체(12)와 연통되는 노즐(33)을 중공축(22) 상에 연결하여 원심력으로 원료를 분출하는 구조이다. 방사부(30)는 본체(10)에 수용되고 구동부(20)의 중공축(22)에 연결되며 본체(10)의 외주면으로 노즐(33)을 형성한다. 노즐(33)은 상하로 대향하면서 중공축(22)에 연결되는 상부원판(31) 및 하부원판(32)에 의하여 형성된다. 본체(10) 상에서 상부원판(31)과 하부원판(32)에 인접하여 원료를 용융하기 위한 히터(35)를 구비한다.

한편, 도 4의 부호 18은 방사된 나노섬유를 수집하도록 배치되는 수집기를, 부호 NF는 용융 원료에 의하여 생성된 나노섬유를 나타낸다.

또, 본 발명에 따르면 방사유도수단이 상기 방사부(30)의 노즐(33)에 구비되어 분출 원료를 나노섬유로 생성하는 구조이다. 방사유도수단은 용융된 원료의 물성(점도, 결정화도 등), 중공축(22)에 의하여 작용하는 원심력 등의 인자를 바탕으로 결정되는 설계 요소이다. 노즐(33)에 구비되는 방사유도수단에 의하여 용융된 원료의 유동과 비산 거동이 달라지고, 이에 따라 수집되는 나노섬유의 제원(단섬유, 장섬유 등)이 결정된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 방사부(30)의 노즐(33)은 대향하는 상부원판(31)과 하부원판(32) 간의 틈새 변동을 통하여 원료의 유동과 비산을 유발하는 것을 특징으로 한다. 도 2를 참조하면 상부원판(31)과 하부원판(32)의 틈새가 원료의 유동 방향을 따라 축소되다가 확대되는 구조를 예시한다. 특히, 상부원판(31) 및 하부원판(32)의 외단부인 노즐(33)에서 적절한 틈새의 유지가 기능적 측면에서 중요하다. 이와 같은 노즐(33)의 틈새가 공정조건에 대응하여 변동하기 쉬운 구조로 적용되면 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명의 설명에서 "외단" 또는 "하류단"은 원료가 유동하는 방향을 기준으로 설정된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 하부원판(32)은 원료의 수직 유동을 유발하도록 상부원판(31)에 대향하는 1차유동면(41), 1차유동면(41)에서 절곡 상태로 연장되어 원료의 비산을 유발하는 2차유동면(42)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상부원판(31)의 단부는 단순한 일자형 구조인 반면 하부원판(32)의 단부는 "ㄴ"자형 단면 구조로 상부원판(31)의 단부를 감싼다. 하부원판(32)의 1차유동면(41)은 상부원판(31)의 외측면과 대향하면서 확대되는 틈새를 형성한다. 1차유동면(41)의 외단부에 연장되는 2차유동면(42)은 상부원판(31)과 대향되지 않는 자유면으로 형성된다. 1차유동면(41)과 2차유동면(42)의 경계는 반드시 절곡된 형태에 한정되지 않고 라운드를 구비할 수 있다.

이에, 방사부(30)에서 용융된 원료가 원심력에 의하여 수평으로 유동하다가 틈새가 넓어지는 1차유동면(41)에 충돌하여 속도를 줄이며 적층되고, 계속하여 원심력의 작용으로 2차유동면(42)을 유동하면서 그 외단부에서 비산되어 수집기(18)에 나노섬유 형태로 수집된다.

한편, 본체(10)의 외주면에 형성된 환상의 통공 상에 상부원판(31)과 하부원판(32)이 상하의 공기분사공(37)과 연계하여 노즐(33)을 이루며, 공기분사공(37)은 비산되는 원료의 상측과 하측에서 기류를 부가하여 수집기(18)에 수평으로 충돌하도록 유도한다.

도 3(a)는 2차유동면(42)이 수평 상태로 형성되는 것을 예시하고, 도 3(b)는 2차유동면(42)이 경사 상태로 형성되는 것을 예시한다. 이는 2차유동면(42)의 길이를 고려하여 난류가 발생되지 않는 범위로 결정된다. 2차유동면(42)의 길이가 짧은 경우 도 3(a)의 구조를 택하지만 길이가 길어질수록 도 3(b)의 구조를 택하는 것이 좋다. 물론, 내측으로 도 3(b)의 구조 및 외측으로 도 3(a)의 구조를 복합적으로 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 변형예로서, 상기 하부원판(32)은 2차유동면(42)의 외단에서 하방향으로 연장되는 외벽면(43) 상에 비산되는 원료의 부착을 방지하도록 노치(45)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 비산되는 원료에 부가되는 기류가 너무 강하면 나노섬유의 제원(물성)이 변동되고, 너무 약하면 표면장력 등으로 외벽면(43)에 부착될 우려가 증대된다. 이에 외벽면(43) 상에 노치(45)를 형성하여 2차유동면(42)의 외단부를 예각화하면 비산된 원료에 대한 표면장력을 축소할 수 있다. 전술한 도 3(a) 및 도 3(b)의 어느 경우에 있어서나 외벽면(43)의 노치(45)는 동일한 효과를 나타낸다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 하부원판(32)은 2차유동면(42) 상에 원료의 장섬유화를 유도하도록 동일한 형태의 유도홈(47)을 일정한 간격으로 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 1차유동면(41)에서 2차유동면(42)로 유동하는 용융 원료는 2차유동면(42)의 외단부에서 대체로 단섬유 형태로 비산되기 쉽다. 도 5처럼, 2차유동면(42) 상에 일정 패턴의 유로단면적을 지닌 다수의 유도홈(47)을 형성하면 용융 원료에서 생성되는 나노섬유(NF)의 장섬유화에 유리하다.

이때, 유도홈(47)은 하류단으로 갈수록 유로단면적이 축소되는 형태로 형성하는 것이 좋다. 이 경우 유도홈(47)의 제반 치수는 전술한 방사유도수단의 설계 요소를 감안하여 결정된다. 어느 경우에나 유도홈(47)의 하류단 유로단면적은 원료의 점도에 크게 영향을 받는다. 이와 같은 형태의 유도홈(47)은 도 3(a)보다 도 3(b)의 구조에 보다 유효하게 적용된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 본체 12: 공급관체
20: 구동부 22: 중공축
26: 모터 30: 방사부
31: 상부원판 32: 하부원판
33: 노즐 35: 히터
37: 공기분사공 41: 1차유동면
42: 2차유동면 43: 외벽면
45: 노치 47: 유도홈

Claims (5)

1. 용융수지를 원료로 하여 나노섬유를 방사하는 장치에 있어서:
   원료를 이송하는 공급관체(12)의 외면으로 설치되는 중공축(22)에 회전력을 작용하는 구동부(20); 및
   상기 공급관체(12)와 연통되는 노즐(33)을 중공축(22) 상에 연결하여 원심력으로 원료를 분출하는 방사부(30);를 포함하여 이루어지되,
   상기 방사부(30)의 노즐(33)은 대향하는 상부원판(31)과 하부원판(32) 간의 틈새 변동을 통하여 원료의 유동과 비산을 유발하고,
   상기 하부원판(32)은 원료의 수직 유동을 유발하도록 상부원판(31)에 대향하는 1차유동면(41), 1차유동면(41)에서 절곡 상태로 연장되어 원료의 비산을 유발하는 2차유동면(42)을 구비하며,
   상기 하부원판(32)은 2차유동면(42)의 외단에서 하방향으로 연장되는 외벽면(43) 상에 비산되는 원료의 부착을 방지하도록 노치(45)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 방사 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부원판(32)은 2차유동면(42) 상에 원료의 장섬유화를 유도하도록 동일한 형태의 유도홈(47)을 일정한 간격으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 방사 장치.

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