KR102022033B1 - 전기 용융 방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 용융 방사 장치에 관한 것으로, 폴리머칩이 투입되는 용융로(10), 상기 용융로(10) 외주로 설치되고 제 1가열수단(20)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 용융로챔버(30), 상기 용융로(10) 하부에 구비되는 방사노즐(40), 용융로(10) 하부에 구비되고 방사노즐(40)의 하측 종단이 외부로 노출되도록 커버하며 제 2가열수단(50)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 절연체로 구성된 노즐챔버(60)를 포함하여 구성되어, 용매를 사용하지 않도록 폴리머칩을 용융시켜 전기방사를 하되, 용융로와 노즐간 완벽한 절연을 달성하고 용융로와 노즐 각각을 별도로 온도 제어하여, 환경오염을 방지하고 인체에 무해하며, 연속적이고 안정적인 방사가 가능하며 불량이 발생하지 않도록 하는 전기 용융 방사 장치에 관한 것이다.

Description

전기 용융 방사 장치{Melt Electrospinning}

본 발명은 전기 용융 방사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노섬유를 상업적으로 대량 생산이 가능하도록 한 전기 용융 방사 장치에 관한 것이다.

나노섬유는 부직포, 멤브레인, 블레이드 등의 제품에 사용되어, 생활용품, 농업용, 의류용, 산업용 등으로 널리 사용되고 있다.

구체적으로 인조피혁, 인조스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼 등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이러한 나노 섬유를 제조하는 방법으로 종래에는 전기 용액 방사 장치가 일반적으로 사용되고 있으며, 이는 고분자 용액에 표면장력 이상의 전압을 걸어주면 고분자 용액이 분사되고 전기장 내에서 유체의 불안정성이 증대되어 고분자 용액의 굽힙(bending)과 갈라짐(splitting) 등이 발생하여 나노화되면서 수집판 상에 섬유가 형성되는 것이다.

그러나, 상기 고분자 용액에 사용되는 용매는 주로 디메틸폼아마이드(DMF) , 솔벤트 등으로, 상기 솔벤트는 무색의 가솔린 냄새가 나는 액체로 고인화성이 있어 전기 스파크 등에 의한 화재발생의 문제점이 있으며, 증기 흡입시 현기증, 메스꺼움, 구토 등의 증상이 야기되며, 고농도 증기를 흡입할 경우 의식을 잃거나 실신하기도 하는 등 인체에 유해한 문제점이 있었다.

그리고, 상기 DMF는 간을 손상시킬 위험이 있고, 암을 유발할 수 있으며, 피부병을 일으키거나, 무기력증, 어지럼증, 두통, 복통, 메스꺼움, 구토, 변비 등의 증세를 유발시킬 수 있어 선진국에서는 그 사용이 규제되어 있는 유해물질이다.(미국의 '전국직업관련안전/건강협회'의 권장노출한도 및 '직업안전/건강국'의 허용노출한도 모두에서 8시간 피부접촉 평균량을 10ppm으로 정한 바 있음)

또한, 상기한 전기 용액 방사는 용매에 용해력이 있는 고분자만 사용이 가능하여 생산품질에 제한이 있고, 전기 인가시 용매로 인한 폭발의 위험성이 있는 등의 문제점이 있었다.

이에 따라 최근에는 용매를 사용하지 않고 고분자를 용융시켜 방사하는 전기 용융 방사 장치가 개발되고 있으며, 그 예로는 공개특허 10-2012-0015655호가 있다.

상기 공개특허 10-2012-0015655호에 제시된 전기용융 방사장치는 도 1에 나타내는 바와 같이 가스가열 방식으로 고분자를 용융시킨 후 전기 방사하여 나노섬유 부직포를 제조하는 전기용융 방사장치로, 고분자를 용융시키기 위해 가스를 가열하는 가열기(1), 가열된 가스가 접촉하는 고분자 용융로(9), 용융된 고분자를 방사하는 방사노즐(6), 고전압을 인가하기 위한 고전압 발생장치(5), 방사된 섬유를 집속하기 위한 수집판(7)으로 이루어지며, 미설명부호 2는 열공급장치이고, 3은 가스탱크이며, 4는 가스공급기이고 8은 온도측정센서를 나타낸다.

그러나, 이러한 종래 전기 용융 방사 장치는 고분자 용액을 이용하는 것에 비하여 인체에 무해하고 환경친화적이라는 장점이 있으나, 현재 상용화되어 있지 아니하며, 상용화를 위해 많은 연구가 필요한 실정이다.

구체적으로, 종래 전기 용융 방사 장치는 전기방사에 필요한 완벽한 절연을 달성하지 못하여 전기 간섭에 의한 방사 불량이 발생되었다.

또한, 용융로만을 가열하고 방사노즐은 외부에 노출되어 있어 용융로 내에서는 방사에 필요한 점도로 용융되었다고 하더라도 방사노즐을 통과하면서 냉각되어 점도가 높아지면서 방사가 불완전하게 이루어지거나 방사노즐이 쉽게 막히는 문제점이 있었다.

더욱이, 방사에 필요한 점도로 용융로에서 용융할 경우 고분자는 계속해서 상변화가 발생될 정도의 고온에 노출된 상태를 유지하게 되므로, 시간이 경과될수록 고분자가 타는 등의 변성이 발생되어 방사된 섬유의 색상이 검어지는 등의 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 용매를 사용하지 않도록 폴리머칩을 용융시켜 전기방사를 하되, 용융로와 노즐간 완벽한 절연을 달성하고 용융로와 노즐 각각을 별도로 온도 제어하여, 환경오염을 방지하고 인체에 무해하며, 연속적이고 안정적인 방사가 가능하며 불량이 발생하지 않도록 하는 전기 용융방사장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 폴리머칩이 투입되는 용융로, 상기 용융로 외주로 설치되고 제 1가열수단에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 용융로챔버, 상기 용융로 하부에 구비되는 방사노즐, 용융로 하부에 구비되고 방사노즐의 하측 종단이 외부로 노출되도록 커버하며 제 2가열수단에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 절연체로 구성된 노즐챔버를 포함하여 구성되는 전기 용융 방사 장치에 있다.

한편, 상기 용융로의 상부에는 펌프와 연결된 공기주입구가 형성되어 용융뮬의 배출을 돕는다.

그리고, 노즐 챔버의 하단에는 하부 통공이 천공되는데, 상기 하부 통공은 노즐이 외부로 돌출되면서 그 주변으로 노즐챔버 내의 고온 유체가 노즐의 외주면을 따라 외부로 배출되도록 내경이 노즐의 외경보다 크게 형성된다.

상기 유체는 공기 등의 기체나 열매체유, 물 등의 액체에서 택일된다.

아울러, 상기 방사섬유가 수집되는 수집판은 컨베어 벨트로 구성되어 방사섬유가 서로 섞이지 않고 연속방사가 가능하도록 한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 용융로와 노즐챔버가 절연체로 완벽하게 절연될 뿐 아니라 용융로와 방사노즐 각각이 유체를 통한 간접가열방식으로 가열되므로 전기방사에 필요한 완벽한 절연을 달성할 수 있어 전기 간섭에 의한 방사불량이 발생되지 않는 효과가 있다.

또한, 용융로와 방사노즐 각각이 별도로 온도가 제어되므로 용융로는 용융에 필요한 온도로 제어되고 방사노즐은 방사에 필요한 점도를 갖도록 온도가 제어되므로 용융로 내에서 고분자가 변성되는 현상이 발생하지 않고 방사노즐에서 냉각이 발생하지 않아 방사노즐이 막히거나 점도가 높아지는 문제점이 해결되므로 우수한 품질의 나노섬유를 얻을 수 있는 효과가 있다.

아울러, 상기 방사노즐 중 외부로 노출되는 부분에도 고온의 공기가 토출방향과 동일하게 분사되므로 방사위치까지 용융된 고분자가 일정한 온도를 유지할 수 있게 되어 방사노즐이 막히거나 점도가 높아지는 문제점이 해결될 뿐 아니라 토출된 고분자가 급격하게 온도가 떨어지지 않아 섬유가 끊어지지 않고 나노굵기의 얇은 섬유가 형성될 수 있어 우수한 품질의 나노섬유를 얻을 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 우수한 품질의 나노섬유를 연속적으로 생산할 수 있으므로 상업적 이용이 가능한 정도의 대량 생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래 전기 용융 방사 장치를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 전지 용융 방사 장치를 나타내는 도면
도 3은 도 2의 A부분 확대도
도 4는 본 발명에 따른 하부 통공의 실시예를 나타내는 도면

이하 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시 예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 발명에 따른 전기 용융 방사 장치는 도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이 폴리머칩이 투입되는 용융로(10), 상기 용융로(10) 외주로 설치되고 제 1가열수단(20)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 용융로챔버(30), 상기 용융로(10) 하부에 구비되는 방사노즐(40), 용융로(10) 하부에 구비되고 방사노즐(40)의 하측 종단이 외부로 노출되도록 커버하며 제 2가열수단(50)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 절연체로 구성된 노즐챔버(60)를 포함하여 구성된다.

상기 용융로(10)는 상부로 고분자칩이 투입되는 투입구(12)와 펌프(미도시)와 연결된 공기주입구(14)가 형성되어, 투입구(12)로 투입된 고분자칩이 용융되어 방사노즐(40)로 배출되는 과정에서 공기주입구(14)로 주입되는 공기압에 의하여 배출이 용이하게 이루어지고, 상기 용융로(10) 하부에는 방사노즐 설치를 위한 하나 이상의 통공(16)이 천공된다.

한편, 도면중 미설명부호 18은 온도센서이고 미설명부호 19는 압력센서를 나타낸다.

그리고, 용융로챔버(30)는 가열된 유체가 유입되는 유입구(32)와 배출구(34)가 형성되며 상기 유체는 순환된다.

또, 상기 용융로 챔버(30)의 외주에는 보온을 위한 단열재(70)가 더 설치된다.

상기 제 1가열수단(20) 및 제 2가열수단(50)은 열선 등 공지의 유체를 가열할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 사용이 가능하고, 열선의 경우 유체의 공급관로 내주 또는 외주에 설치되며, 각 열선은 별도의 온도제어수단에 의하여 온도가 제어되며 상기 온도제어수단은 용융로(10) 또는 용융로 챔버(30)에 구비된 온도센서(18)나 노즐챔버(30에 구비된 온도센서(62)에 의하여 측정된 온도를 기준으로 유체의 온도를 제어한다.

본 발명의 실시 예에서 제 1가열수단(20)의 동작을 제어하기 위한 온도센서(18)는 용융로(10)에 설치한다.

그리고, 상기 유체는 공기 등의 기체, 열매체유나 물 등의 액체 중에서 택일하여 선택이 가능하며, 제 1,2가열수단에 의하여 각각 가열온도가 제어되는데, 고분자를 용융시키는 용융로(10) 온도보다 나노섬유를 방사하는 방사노즐(40)의 온도가 더 높게 유지된다.

상기 노즐 챔버(60)는 절연체로 형성되고 가열된 유체가 공급되고 배출되는 유입구(64)와 배출구(66)가 형성되고, 유체는 순환된다.

또, 상기 노즐챔버(60)의 상/하부에는 상기 용융로(10)의 통공(16)과 대응되는 상/하부 통공(68)(69)이 더 형성되며, 상기 상부 통공(68)으로는 방사노즐의 상종단이 설치되어 용융로(10)와 노즐챔버(60)간 기밀이 유지되고, 하부 통공(69)으로는 방사노즐(40)의 하단부가 관통되어 방사노즐(40) 하단부 일부가 외부로 노출된다.

상기에서 노즐챔버(60)내의 유체를 핫에어(hot air)를 사용하는 경우 하부 통공(69)은 도 3에 나타내는 바와 같이 외부로 노출되는 방사노즐(40) 주변으로 노즐챔버(60) 내의 고온 유체 즉 핫에어가 방사노즐(40)의 외주면을 따라 외부로 배출되도록 내경이 방사노즐(40)의 외경보다 크게 형성되며, 그 모양은 도 4의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이 원형, 별모양 등 다양하게 형성가능하다.

이와 같이 하부 통공(69)으로 핫에어가 토출되는 경우, 상기 방사노즐(40)을 통하여 토출되는 고분자가 토출과 동시에 상온에 노출되지 않고 함께 토출되는 핫에어에 의하여 고온을 유지할 수 있게 되므로, 고분자의 급속 냉각에 의한 섬유끊어짐이나 섬유의 직경이 커지는 문제점이 발생하지 않아, 나노굵기의 얇은 섬유가 연속적으로 형성될 수 있는 것이다.

그리고, 방사 노즐(40)은 도 4에 나타내는 바와 같이 열전도율이 높은 알루미늄, 동과 같은 소재를 사용하여 이중관 형태로 형성하여 노츨챔버(60) 외부로 노출되어 상온환경에 있는 방사노즐(40) 종단 즉, 노즐팁 부분의 열손실을 최소화하여 용융된 고분자가 방사되는 순간까지 고온을 유지할 수 있도록 한다. 물론 방사 노즐(40)은 필요에 따라 단일관 혹은 다중관으로도 형성할 수 있으며, 단독 노즐 또는 복수개로 이뤄진 멀티노즐을 구성할 수도 있다.

그리고, 상기 방사섬유(80)가 수집되는 수집판(90)은 컨베어 벨트로 구성되어 방사섬유(80)가 서로 섞이지 않고 연속방사가 가능하도록 한다.

또한, 상기 용융로와 방사노즐이 좌우로 왕복하도록 할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전기 용융 방사 장치는 용융로(10)에 고분자칩을 투입한 후 제 1가열수단(20)을 이용하여 고분자칩이 용융가능한 온도로 가열하여 고분자칩을 용융시킨다.

이와 같이 용융된 고분자는 공기주입구((14)로 유입된 공기압에 의하여 방사노즐(40)을 통하여 분사되는데, 이 과정에서 상기 방사노즐(40)은 노즐챔버(60) 내부로 주입된 가열된 유체에 의하여 냉각되지 않고, 오히려 노즐챔버(60)가 용융로(10)보다 높은 온도로 제어되므로 분사에 유리한 온도로 고분자가 승온되면서 점도가 약해져 분사가 용이하게 된다. 또한 용융된 고분자를 방사 노즐(40)로 가압하기 위해 질소, 산소, 헬륨 등과 같은 기타 불활성가스가 사용될 수 있다.

이에 따라 상기 고분자는 방사노즐(40)을 통하여 토출되면서 인가된 전기를 통해 나노섬유를 형성한다.

이 과정에서 토출된 고분자는 하부 통공(69)을 통하여 토출방향과 동일한 방향으로 토출되는 핫에어에 의하여 상온에 노출시에도 온도가 급격하게 떨어지지 않고 유지되므로 섬유가 끊어지지 않고 원하는 나노사이즈의 섬유가 형성된다.

그리고, 이와 같이 형성된 나노 섬유는 컨베어 벨트로 구성된 수집판(90)상에 수집되므로 연속생산이 가능하게 된다.

아울러, 본 발명은 상기 노즐챔버(60)를 구성하는 절연체 및 유체에 의한 용융로의 간접가열방식에 의하여 전기 인가시에 완벽한 절연이 유지되므로 나노섬유를 형성하기 위한 전기적인 간섭 및 쇼트가 발생하지 않게 된다.

10 : 용융로 20 : 제 1가열수단
30 : 용융로 챔버 40 : 방사노즐
50 : 제 2가열수단 60 : 노즐 챔버
69 : 하부 통공 70 : 단열재
80 : 나노섬유
90 : 수집판

Claims (8)

1. 폴리머칩이 투입되는 용융로(10);
   상기 용융로(10) 외주로 설치되고 제 1가열수단(20)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 용융로챔버(30);
   상기 용융로(10) 하부에 구비되는 방사노즐(40);
   용융로(10) 하부에 구비되고 방사노즐(40)의 하측 종단이 외부로 노출되도록 커버하며 제 2가열수단(50)에 의하여 온도제어된 가열 유체가 주입 및 배출되는 절연체로 구성된 노즐챔버(60);를 포함며,
   상기 노즐챔버(60)의 하부에는 방사노즐(40)의 하단부가 관통되는 하부 통공(69)이 형성되고, 상기 하부 통공(69)은 방사노즐(40)의 외경보다 크게 형성되되,
   상기 하부통공(69)의 형상은 상기 노즐챔버(60) 하부의 두께 방향으로 동일한 형상으로 형성되어, 상기 하부통공(69)을 통해 상기 노즐챔버(60) 내의 가열 유체가 방사노즐(40)의 외주면을 따라 배출되는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 용융로(10)에는 공기주입구(14)가 형성되어 상기 공기주입구(14)를 통해 주입된 가압된 공기에 의해 용융된 고분자칩이 방사노즐(40)로 배출되는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 용융로 챔버(30)의 외주에는 단열재(70)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1가열수단(20) 및 제 2가열수단(50)은 각각 독립적으로 온도가 제어되며, 용융로(10) 온도보다 노즐 챔버(60)의 온도가 더 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 노즐 챔버(60)는 절연체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 방사 노즐(40)은 이중관 형태로 형성하여 온도손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 전기 용융 방사 장치.
8. 삭제

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