KR102084439B1 - 하이브리드 나노섬유 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 나노섬유 전기방사장치에 관한 것으로서, 고분자 원료로 열을 이용한 용융방사와 용매를 이용한 용액방사가 모두 가능한 하이브리드 나노섬유 전기방사장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 원재료 또는 방사용액이 투입되는 챔버와, 챔버 하부에 구비되고, 다수의 방사노즐이 배열되어 상기 챔버로부터 열처리되어 공급되는 원재료 또는 방사용액을 방사하는 노즐 블록과, 챔버와 노즐블록에 열을 가하는 열 공급부와, 챔버 내에 원재료 또는 방사용액을 투입하여 열공급부에 의해 용해 또는 열용융과 동시에 방사할 수 있도록 스윙 조절가능한 스터러를 포함하여 용액방사법과 용융방사법을 한 설비를 통해 나노섬유 제작이 가능한 효과가 있다.

Description

하이브리드 나노섬유 전기방사장치{Hybrid electrospining device for producing nanofiber}

본 발명은 하이브리드 나노섬유 전기방사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 원료로 열을 이용한 용융방사와 용매를 이용한 용액방사가 모두 가능한 하이브리드 나노섬유 전기방사장치에 관한 것이다.

현재 이용되고 있는 전기방사법은 고분자 원료를 유기용매에 녹여 방사를 하는 용액 전기방사법과 열을 이용하여 고분자 원료를 용융화하여 방사하는 용융방사법을 사용하고 있다.

종래, 융융 방사법에 의하면, 공개특허 10-2012-0015655호에서 가스가열 방식으로 고분자를 용융시킨 후, 전기방사하여 나노섬유 부직포를 제조하는 전기용융 방사장치로, 고분자를 용융시키기 위해 가스를 가열하는 가열기, 가열된 가스가 접촉하는 고분자 용융로, 용융된 고분자를 방사하는 방사노즐, 고전압을 인가하기 위한 고전압 발생장치, 방사된 섬유를 집속하기 위한 수집판으로 이루어진다.

또한 용액 전기방사법은 등록특허 제0562006호에서 방사용액을 보관하는 방사용액 탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록, 노즐블록에 설치된 노즐, 노즐블록으로부터 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 노즐블록과 컬렉터 간에 전압을 걸어주기 위한 전압발생장치를 포함한다.

하지만 융융 방사와 용액전기 방사를 이용하기 위해서는 각각의 설비가 필요하며 한번 설치한 설비는 앞에서 설명한 방사 중 하나만 사용이 가능하다.

또한 용액방사법은 유기용매에 용해가 가능한 원료만 적용이 가능하다는 단점이 있으며, 용융방사법은 용융이 가능한 원료만 적용이 가능하다는 단점으로 각 방법 모두 적용원료에 대한 한계가 있다.

따라서 이러한 한계를 극복하기 위한 방법이 시급하게 요망되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로써, 용액방사법과 용융방사법을 한 설비를 통해 나노섬유 제작이 가능한 하이브리드 나노섬유 전기방사장치를 제공함을 목적으로 한다.

또 다른 목적으로는 용액 방사법을 이용한 나노섬유 제작에서 사용되는 용매를 최소량으로 나노섬유를 형성할 수 있는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치를 제공한다.

그리고 원료의 제약을 받지 않고 한 장비를 이용하여 용융방사 및 용액방사법을 자유롭게 사용하여 여러 제품생산을 가능하게 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 원재료 또는 방사용액이 투입되는 챔버(10); 상기 챔버 하부에 구비되고, 다수의 방사노즐(21)이 배열되어 상기 챔버로부터 열처리되어 공급되는 원재료 또는 방사용액을 방사하는 노즐 블록(20); 상기 챔버와 노즐블록에 열을 가하는 열 공급부(30); 및 상기 챔버 내에 원재료 또는 방사용액을 투입하여 상기 열공급부에 의해 용해 또는 열용융과 동시에 방사할 수 있도록 스윙 조절가능한 스터러(40);를 포함한다.

바람직하게 챔버(10)에 공기 및 가스주입구(11)가 형성되고, 상기 공기 및 가스주입구의 가압된 공기 또는 가스에 의해 용융된 원재료 또는 방사용액이 상기 노즐블록으로 배출된다.

또한 바람직하게 노즐블록(20)은 다수의 방사노즐(21)이 일면에서 대각선(일면에서 각도는 0ㅀ~ 45 ㅀ) 방향으로 편차를 두어 배치된다.

또한 바람직하게 열공급부(30)는 상기 챔버와 노즐블록에 각각 별도로 설치되어 열을 가하며, 상기 챔버와 노즐블록 간의 온도 차이를 줄이도록 온도조절이 가능하도록 하는 온도조절모듈(31);을 포함하고, 이러한 열공급부는 히팅에어 또는 히팅오일 또는 전기히팅 자켓 중 어느 하나이다.

또한 바람직하게 스터러(40)는 챔버 연결부위에 개스켓(41)을 구비하여 챔버 내를 밀폐시키도록 한다.

그리고 바람직하게 챔버와 노즐 블록 사이를 절연소재로 연결하는 연결부(50);를 포함한다.

본 발명에 따르면, 용액방사법과 용융방사법을 한 설비를 통해 나노섬유 제작이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 내부 단면을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 노즐 블록을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 노즐 블록을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 전체를 나타낸 예시도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

또한 아래 설명하는 실시 예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시 예들은 실시 형태에 대한 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다”등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게는 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명 될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 원재료 또는 방사용액이 투입되는 챔버(10); 상기 챔버 하부에 구비되고, 다수의 방사노즐(21)이 배열되어 상기 챔버로부터 열처리되어 공급되는 원재료 또는 방사용액을 방사하는 노즐 블록(20); 상기 챔버와 노즐블록에 열을 가하는 열 공급부(30); 및 상기 챔버 내에 원재료 또는 방사용액을 투입하여 상기 열 공급부에 의해 용해 또는 열용융과 동시에 방사할 수 있도록 스윙 조절가능한 스터러(40);를 포함한다.

챔버(10)에 공기 및 가스주입구(11)가 형성되고, 공기 및 가스주입구의 가압된 공기 또는 가스에 의해 용융된 원재료 또는 방사용액이 노즐블록으로 배출된다.

노즐블록(20)은 다수의 방사노즐(21)이 일면에서 0도 내지 45도 각도의 대각선 형태로 한 줄 이상 배치된다.

열공급부(30)는 상기 챔버와 노즐블록에 각각 별도로 설치되어 열을 가하며, 상기 챔버와 노즐블록 간의 온도 차이를 줄이도록 온도조절이 가능하도록 하는 온도조절모듈(31);을 포함하고, 히팅에어 또는 히팅오일 또는 전기히팅 자켓 중 어느 하나일 수 있다.

스터러(40)는 챔버 연결부위에 개스켓(41)을 구비하여 챔버 내를 밀폐시키도록 하고, 챔버와 노즐 블록 사이를 절연소재로 연결하는 연결부(50);를 포함한다.

이하 도면을 참조로 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 챔버(10), 노즐 블록(20), 열 공급부(30), 스터러(stirrer)(40), 연결부(50)를 포함한다.

챔버(10)는 원재료 또는 방사용액이 투입되는 구성이다.

본 실시예에 따른 챔버(10)는 열풍을 주입하여 온도를 조절할 수 있는 챔버로 용액, 용융방사 둘 다 가능한 설비로서, 챔버 상부에 공기 및 가스주입구(11)가 형성되고, 공기 및 가스주입구의 가압된 공기에 의해 용융된 원재료 또는 방사용액이 노즐 블록(20)으로 배출되도록 한다.

그리고 용융 및 용액 저장탱크에 해당하는 챔버(10)의 일정 압력을 유지하기 위해 압력게이지(12), 압력 조절장치(13)를 적용하여 안정적으로 원재료의 토출량 조절이 가능하다.

노즐 블록(20)은 챔버 하부에 구비되고, 다수의 방사노즐(21)이 배열되어 상기 챔버로부터 열처리되어 공급되는 원재료 또는 방사용액을 방사하는 구성이다.

노즐 블록(20)의 생산성을 올리기 위해 노즐수를 1 이상으로 멀티노즐을 적용하는데 일예로, 다수의 방사노즐(21)이 일면에서 대각선(0도~45도) 방향으로 한 줄 이상으로 노즐을 배열한다. 노즐블록의 배열각도로 (0도~45도)의 각도로 배열하는 멀티노즐 형태로 구현하여 노즐블록으로 인해 생산성을 높일 수 있다. 이러한 구조로 인해 간섭없이 대량 방사가 가능한 효과가 있다.

열 공급부(30)는 챔버와 노즐 블록에 열을 가하는 구성이다. 도 1과 도 2에서는 열 공급부를 간략하게 도시하였지만, 도 3에 도시된 바와 같이 열공급부의 IN과 OUT이 각각 배치 되어 도 1에서의 온도조절모듈(31)을 통해 온도를 제어할 수 있다.

열 공급부(30)는 챔버와 노즐 블록에 각각 별도로 설치(챔버측 30, 노즐블록 측 30')되어 열을 가하며, 챔버와 노즐블록 간의 온도 차이를 줄이도록 온도조절이 가능하도록 하는 온도조절모듈(31)을 포함한다. 이러한 열 공급부(30)는 열매체에 따라 히팅에어 또는 히팅오일 또는 전기히팅 자켓 중 어느 하나로 선택하여 온도조절모듈(31)의 가열온도는 200도 이하에서 점도에 따라 조정할 수 있다. 바람직하게는 500도 ~ 25도 범위로 조절이 가능하며 점도에 따라 조정할 수 있다.

열 공급부(30)는 챔버와 노즐 블록에 각각 별도로 설치되어 열을 가하되, 챔버와 노즐 블록의 외주에 세라믹 또는 플라스틱 또는 움무소재의 절연소재와 단열재를 구비한다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 일정한 직경의 나노섬유 생산을 위해 온도 보존이 가능한 이중노즐(단일노즐 또는 이중노즐 이상으로) 구조와 열풍을 노즐 방향으로 방출시켜 챔버와 노즐 블록 간의 온도 차이를 최소화하되, 노즐 블록 온도를 더 높게 한다. 그리고 이러한 이중노즐(노줄)구조는 노즐 블록의 방사 노즐이 이중관 형태로 형성하여 온도손실을 최소화한다. 이때, 노즐 블록의 방사 노즐을 이중관으로 할 수 있고, 단일노즐 또는 이중노즐 이상으로 할 수 있다.

챔버와 노즐 블록 간의 온도 차이를 최소화하여 섬유직경 편차를 줄이고 수십 내지 수백 nm의 섬유 생산이 가능하다.

스터러(40)는 챔버 내에 원재료 또는 방사용액을 투입하여 상기 열공급부에 의해 용해 또는 열용융과 동시에 방사할 수 있도록 스윙 조절가능한 구성이다.

이러한 스터러(40)는 챔버 연결부위에 개스켓(gasket)(41)을 구비하여 챔버 내를 밀폐시킬 수 있다. 이러한 개스켓(41) 구성으로 챔버 내 스터러 연결부위를 밀폐시켜 기화되어 손실되는 용매를 최소화한다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치의 스터러(40)는 챔버 내에 RPM 조절이 가능하고 높이조절 및 좌우 스윙이 되도록 하는 조절모듈(42)을 포함하여 균일한 섬유를 생산이 가능하도록 한다.

이러한 조절모듈(42)을 통해 챔버 내에서 스터러의 RPM 조절이 가능하여 폴리머 및 원재료를 투입하여 용해하거나 열 용융할 수 있고 챔버와 노즐 블록 사이의 챔버측 방사노즐과 직결되어 용융과 동시에 방사할 수 있다. 또한 스터러를 지속적으로 가동시켜 고분자 용액의 중합방지와 침전물이 가라앉는 것을 방지한다.

연결부(50)는 챔버와 노즐 블록 사이를 세라믹 또는 플라스틱 또는 움무소재 등의 절연소재로 연결하는 구성이다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 연속생산이 가능하도록 롤투롤 방식을 이용하여 균일한 속도로 나노섬유 생산이 가능하다. 부연하면, 노즐 블록에 의해 방사된 나노섬유가 수집되는 컬렉터부(60) 중심으로 양쪽으로 롤투롤 방식으로 균일한 속도로 생산할 수 있다.

그리고 안정적인 방사가 이루어지도록 세라믹 또는 플라스틱 또는 움무소재 등의 절연소재를 사용하여 전기적 간섭 및 전기쇼트가 발생하지 않도록 한다.

본 실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 나노섬유 웹형성을 위한 주체가 되는 고분자로서 PP(polypropylene), PE(polyethylene), PU(polyurethane), PVDF(poly vinylidenefluoride), PLA(polylacticacid), PGA(poly glycolic acid), PLLA(poly-l-lactic acid), PCL(polyacproactone), PS(polystylene), PVA(polyvinylalchol), PAN(polyacylonitrile), PA(polyamide), PS(polysulfone), PVP(polyvinylpyrrolidone), PES(polyethersulfone), 젤라틴(gelatin), 콜라젠(collagen) 중에서 택일된 하나 또는 이들의 혼합물을 사용하여 용액 및 용융화하여 사용할 수 있다.

또한 고분자를 방사가능한 정도의 점도로 용해하기 위한 용매로는 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 아세톤(acetone), 디클로로벤젠dichlorobenzene), 에탄올(Ethanol), 메탄올(methannol), 이소프로필알콜(isopropylalcohol), 트리플루오로에탄올(trifluoroethanol), 트리클로로에탄올(trichloroethanol), 테트라 하이드로푸란(tetra hydrofuran), n- 메틸-2-필로리돈(n-methyl-2-pyrrolidinone), 디메틸 슬폭사이드(dimethyl sulfoxide), 페놀(phenol), 모노크로로벤젠(monochlorobenzne), 자일렌(xylene), 개미산(fomic acid), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 클로로포름(chloroform), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 아세트산(acetic acid), 황산(sulfuric acid), 물(water)등을 단독 내지는 복합하여 사용이 가능하다.

나노 섬유 웹의 기계적 물성 및 표면의 특성을 부여하기 위한 첨가제로는 불소계 첨가제, 계면활성제, 슬립제, 대전 방지제, 실록산계, 실란계, 실리콘계 첨가제, 티타늄옥사이드(TiO2), 그라핀옥사이드(grphene oxide), 산화아연(ZnO) 중에서 택일된 하나 혹은 이들의 혼합물을 사용하여 용융화 및 용액화 하여 사용한다.

상기에서 고분자와 용매는 전기방사시 섬유상 형태를 유지할 수 있는 농도가 적당하며, 용매에 대해 고분자 물질 기준으로 약 5 ~ 90 중량%의 범위가 적당하다.

나노섬유는 고분자와 용매를 혼합하여 얻어진 방사용액을 고전압으로 전기방사(electrospinnig)하여 제조하는 기술이 일반적이고, 그 외에 고분자에 용매를 사용하지 않고 용융점 이상의 열을 가해 용융액을 생성하고 이를 직접 전기방사하는 용융방사(melt electrospinning)기술이 있지만, 나노 사이즈의 직경으로 편차가 고른 섬유를 제조할 수 없어 고난도 기술로 분류될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치는 용융방사로 나노섬유를 제조할 수 있고, 한 단계 더 나아가 용매를 사용하는 기존의 용액전기방사까지 가능하도록 하여 단일 장비 내에서 용액 전기방사와 용융 전기방사를 모두 적용할 수 있도록 할 수 있다.

이에 용융전기방사는 용매를 사용하지 않으므로 고부가가치의 의료용 나노섬유 제조에 적합하며, 용액전기방사를 하더라도 열공급부와 같은 히팅장치로 방사용액의 점도를 제어할 수 있어 최소한의 용매를 사용하여 생산비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 이에 따른 하이브리드 나노섬유 전기방사장치를 기업, 연구소, 대학에 우선적으로 공급하여 의료용을 비롯한 내화학성이 강한 고분자를 나노섬유로 제조할 수 있으므로 기존의 나노섬유 시장을 대체 및 확대할 수 있고, 특히 국내 나노섬유 장비기술을 세계 최고로 도약시킬 것으로 기대된다.

한편 본 발명은 상술한 내용에서 본 발명의 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

10 : 챔버
11 : 공기 및 가스주입구
20 : 노즐 블록
21 : 방사노즐
30 : 열 공급부
30': 노즐 블록측 열 공급부
31 : 온도조절모듈
40 : 스터러
41 : 개스켓
50 : 연결부
60 : 컬렉터부

Claims (7)

1. 원재료 또는 방사용액이 투입되는 챔버(10);
   상기 챔버 하부에 구비되고, 다수의 방사노즐(21)이 배열되어 상기 챔버로부터 열처리되어 공급되는 원재료 또는 방사용액을 방사하는 노즐 블록(20);
   상기 챔버와 노즐블록에 열을 가하는 열 공급부(30); 및
   상기 챔버 내에 원재료 또는 방사용액을 투입하여 상기 열 공급부에 의해 용해 또는 열용융과 동시에 방사할 수 있도록 스윙 조절가능한 스터러(40);를 포함하며,
   상기 열공급부는 열풍을 공급하며,
   상기 방사노즐(21)은 이중관 구조로 형성되고, 열풍이 방사노즐 방향으로 방출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 챔버(10)에 공기 및 가스주입구(11)가 형성되고, 상기 공기 및 가스주입구의 가압된 공기 또는 가스에 의해 용융된 원재료 또는 방사용액이 상기 노즐블록으로 배출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 노즐블록(20)은 다수의 방사노즐(21)이 일면에서 0도 내지 45도 각도의 대각선 형태로 한 줄 이상 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 열공급부(30)는 상기 챔버와 노즐블록에 각각 별도로 설치되어 열을 가하며, 상기 챔버와 노즐블록 간의 온도 차이를 줄이도록 온도조절이 가능하도록 하는 온도조절모듈(31);을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 스터러(40)는 챔버 연결부위에 개스켓(41)을 구비하여 챔버 내를 밀폐시키도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 챔버와 노즐 블록 사이를 절연소재로 연결하는 연결부(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노섬유 전기방사장치.

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