KR102124716B1 - 전기방사 장치 및 이로부터 제조된 나노섬유 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에서는 가스 및/또는 온도 보조 전기방사 장치, 공정, 부품 및 중합체 나노섬유가 제공된다.

Description

전기방사 장치 및 이로부터 제조된 나노섬유{ELECTROSPINNING APPARATUS AND NANOFIBERS PRODUCED THEREFROM}
이 출원은 2010년 2월 18일자에 출원된 미국 가출원 제61/305,730호 및 2010년 2월 15일자에 출원된 미국 가출원 제61/304,666호를 우선권 주장하며, 이 출원은 본 명세서에서 참조로 인용된다.
이 출원은 미국 국립 과학 재단에 의해 수여된 캐리어 어워드(CAREER Award) CTS-0448270으로 정부 지원에 따라 제조되었다. 정부는 이 출원의 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 나노섬유 제조를 위한 공정 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 나노섬유는 가스를 이용하는 공정에 의해 제조되고, 장치는 특히 섬유-형성 재룔르 가스 스트림에 전달하고 나노섬유의 형성을 개시하기에 적합하다.
전기방사는 정전기력의 작용에 의해 나노섬유를 포함하는 섬유를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 중합체의 계면에서 전기력이 표면 인장을 극복할 때, 하전된 제트는 방출된다. 제트는 초기에 직선으로 연장되고, 그 뒤 노즐로부터 수집기까지 비행 중에 다양한 위핑 모션을 수행한다. 중합체는 항시 넓은 표면적의 부직 매트의 형태로 플레이트 또는 접지된 메쉬 상에 수집된다. 결과적인 섬유는 마이크로-크기 직경 내지 나노-크기의 얇은 두께를 갖는다. 표면적 대 질량 비가 큰 중합체 나노섬유는 고성능 여과, 화학적 감지, 및 생체의학 엔지니어링을 포함하는 다양한 분야의 응용에서 상당한 잠재성을 갖는다.
본 명세서에서 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사 장치가 제공되며, 이 장치는 액체 중합체를 제공하기에 적합한 제1 도관 및 가스 스트림을 제공하기에 적합한 제2 도관을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 도관은 튜브이다. 특정 실시예에서, 제1 도관은 제2 도관을 둘러싼다. 또 다른 실시예에서, 제2 도관은 제1 도관을 둘러싼다. 일부 실시예에서, 가스 스트림은 고속 가스 스트림이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림은 가열된다. 일부 실시예에서, 가열된 가스 스트림은 액체 중합체 제트를 제공하는 제1 도관의 단부에서 고온을 유지한다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 순수 중합체 용융물이다. 그 외의 다른 실시예에서, 액체 중합체는 용매(예를 들어, 중합체 용액)를 포함한다. 일부 실시예에서, 용매는 저 휘발성을 갖는다. 특정 실시예에서, 가열된 가스 스트림은 용매 증발을 증대시킨다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림은 냉각된다. 특정 실시예에서, 용매는 높은 휘발성을 갖는다. 일부 실시예에서, 냉각된 가스 스트림은 용매 증발 및/또는 조기 응고를 억제한다.
본 명세서에서 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사 장치가 제공되며, 이 장치는 제1 공급 단부 및 마주보는 제1 노즐 단부를 갖는 중심 튜브 - 중심 튜브는 종방향 축을 따라 중심 챔버를 형성하고 중심 챔버는 액체 중합체를 제공함 - , 중심 튜브에 대해 주변에 배치된 가스 공급 튜브 - 가스 공급 튜브는 제2 공급 단부 및 마주보는 제2 노즐 단부를 가지며, 가스 공급 튜브는 종방향 축을 따라 외부 챔버를 형성하고 외부 챔버는 고속 가스 스트림을 제공함 - ,중심 튜브에 인접한 전압 공급원 - 전압 공급원은 하전된 액체 중합체 제트를 형성하기 위해 액체 중합체에 전하를 제공함 - 및 하전된 액체 제트로부터 형성된 경화된 나노섬유를 수용하도록 배열된 수집기를 포함한다.
일부 실시예에서, 전기방사 장치는 가스 공급 튜브에 결합된 방사 구역 내에 가이드 튜브를 추가로 포함하고, 가이드 튜브는 액체 중합체 및 고속 가스 스트림을 위한 혼합 영역(mixing region)을 제공한다. 특정 실시예에서, 전기방사 장치는 고속 가스 스트림을 가열하기 위한 히터를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 전기방사 장치는 액체 중합체를 가열하기 위한 히터를 추가로 포함한다. 그 외의 다른 실시예에서, 전기방사 장치는 고속 가스 스트림을 냉각하기 위한 쿨러를 포함한다.
특정 실시예에서, 제1 노즐 단부 및 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 배치된다. 일부 실시예에서, 가스 공급 튜브는 다수의 고속 가스 스트림을 제공하기 위한 복수의 챔버를 포함한다. 특정 실시예에서, 중심 튜브는 다수의 액체 중합체 제트를 제공하기 위해 복수의 챔버를 포함한다.
일부 실시예에서, 액체 중합체는 휘발성 용매를 포함한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 용매의 증기를 포함한다. 일부 실시예에서, 경화된 나노섬유는 50nm 내지 10 μm의 직경을 갖는다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 1 m/s 내지 300 m/s이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 온도는 313 K 내지 523 K이다.
나노섬유를 제조하기 위한 전기방사 장치는 제1 공급 단부 및 마주보는 제1 노즐 단부를 갖는 중심 튜브 - 중심 튜브는 종방향 축을 따라 중심 챔버를 형성하고 중심 챔버는 고속 가스 스트림을 제공함 - , 중심 튜브에 대해 주변에 배치된 중합체-공급 튜브 - 중합체-공급 튜브는 제2 공급 단부 및 마주보는 제2 노즐 단부를 가지며, 중합체-공급 튜브는 종방향 축을 따라 외부 챔버를 형성하고 외부 챔버는 중합체 액체를 제공함 - , 중합체-공급 튜브에 인접한 전압 공급원 - 전압 공급원은 하전된 액체 중합체 제트를 형성하기 위해 액체 중합체에 전하를 제공함 - 및 하전된 액체 제트로부터 형성된 경화된 나노섬유를 수용하도록 배열된 수집기를 포함한다.
일부 실시예에서, 전기방사 장치는 고속 가스 스트림을 가열하기 위한 히터를 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 전기방사 장치는 액체 중합체를 가열하기 위한 히터를 추가로 포함한다. 그 외의 다른 실시예에서, 전기방사 장치는 고속 가스 스트림을 냉각하기 위한 쿨러를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 노즐 단부 및 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 배치된다. 특정 실시예에서, 가스 공급 튜브는 다수의 고속 가스 스트림을 제공하기 위해 복수의 챔버를 포함한다. 일부 실시예에서, 중심 튜브는 다수의 액체 중합체 제트를 제공하기 위해 복수의 챔버를 포함한다.
특정 실시예에서, 액체 중합체는 휘발성 용매를 포함한다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 용매의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 경화된 나노섬유는 나노섬유 축을 따라 중공 구조의 부분을 포함하고 경화된 나노섬유는 500nm 내지 10 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 약 1 m/s 초과, 약 10 m/s 초과, 또는 1 m/s 내지 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 온도는 313 K 초과, 또는 313 K 내지 523 K이다.
본 명세서에서, 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사 장치가 제공되고, 이 장치는 제1 공급 단부 및 제1 노즐 단부를 갖는 제1 도관 - 제1 도관은 액체 중합체를 짜냄 - , 제1 도관에 근접하게 배치된 하나 이상의 가스 공급 도관 - 가스 공급 도관은 제2 공급 단부 및 제2 노즐 단부를 가짐 - , 및 제2 노즐 단부로부터 고속 가스를 배출하기 위한 고압 가스 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 고압 가스 시스템은 제2 노즐 단부가 제2 공급 단부보다 좁도록 테이퍼진 가스 공급 도관, 고압 가스 캐니스터(high pressure gas canister) 및/또는 펌프를 포함한다. 특정 실시예에서, 가스 공급 도관은 복수의 제2 노즐 단부를 포함한다.
또한, 본 명세서에서 나노섬유를 제조하기 위한 공정이 제공되고, 이 공정은 고속 가스로 액체 중합체를 전기방사하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 중합체는 고속 가스를 둘러싼다. 그 외의 다른 실시예에서, 고속 가스는 액체 중합체를 둘러싼다. 일부 실시예에서, 고속 가스는 가열된다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 순수 중합체 용융물 또는 중합체 용액이다. 일부 실시예에서, 고속 가스는 용매 또는 반응물의 증기를 포함한다.
본 명세서에서 나노섬유를 제조하기 위한 공정이 제공되며, 공정은 하전된 액체 중합체를 고속 가스 스트림 내로 주입하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 중합체는 순수 중합체 용융물 또는 중합체 용액이다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 액체 중합체의 제트를 둘러싼다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 가열된다. 특정 실시예에서, 고속 가스는 용매 또는 반응물의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 가이드 채널 내에 수용된다.
또한, 본 명세서에서 전기방사 공정이 제공되며, 이 공정은 액체 중합체 제트를 생성하는 단계를 포함하고, 액체 중합체 제트는 연속적으로 감쇄된다.
추가로, 본 명세서에서 본 명세서에 기재된 임의의 전기방사 장치를 사용하거나 임의의 공정에 따라 제조된 섬유가 제공된다.
본 명세서에서, 중합체를 포함하는 중공 구조의 나노섬유가 제공되고, 적어도 10%의 섬유가 중공구조이다. 일부 실시예에서, 나노섬유는 1 μm 미만의 직경을 갖는다. 특정 실시예에서, 중합체는 열가소성 중합체를 포함한다. 일부 실시예에서, 중합체는 수용성 중합체를 포함한다. 특정 실시예에서, 중합체는 변성된 단백질 기반 성분을 포함한다.
본 명세서에서 또한 무용매 섬유가 제공되며, 섬유는 1 μm 미만의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 무용매 섬유는 수용성 중합체를 포함한다. 특정 실시예에서, 수용성 중합체는 콩 단백질과 같은 단백질 또는 변성된 단백질이다. 일부 실시예에서, 수용성 중합체는 유기 용매 내에서 용해되지 않고 및/또는 변성된다. 특정 실시예에서, 본 명세서에 기재된 복수의 무용매 섬유를 포함하는 섬유 매트 내에서, 복수의 무용매 섬유가 응집되지 않는다.
추가로 본 명세서에서 용융 전기방사 섬유가 제공되며, 용융 전기방사된 섬유는 1 μm 미만의 직경을 갖는다.
또한, 본 명세서에서 수용액으로부터의 섬유 전기방사가 제공되며, 섬유는 낮은 물 함유량을 갖는다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 수용액으로부터 전기방사된 복수의 섬유를 포함하는 섬유 매트 내에서 섬유는 응집되지 않는다.
도 1은 가열된 가스 공급을 위한 외부 채널과 가스 보조 전기방사 (GAME) 공정에서 사용하기 위한 스피너렛의 개략도.
도 2는 가열된 가스 공급을 위한 내부 채널과 GAME 공정에서 사용하기 위한 스피너렛의 개략도.
도 3은 지정된 위치로 중합체 용융물을 안내하기 위한 가이드 튜브와 GAME 시스템의 개략도.
도 4는 온도 조절된 가스 공급을 위한 외부 채널과 가스-보조 용액 전기방사(GASE) 공정에서 사용하기 위한 스피너렛의 개략도.
도 5는 온도 조절된 가스 공급을 위한 내부 채널과 GASE 공정에서 사용하기 위한 스피너렛의 개략도.
도 6은 지정된 위치로 중합체 용액 제트를 안내하기 위한 가이드 튜브와 GASE시스템의 개략도.
도 7은 PLA 용융 전기방사 시에 제트 감쇄에 대한 가열 공기 속도 및 온도의 효과를 나타내는 도면(VAIR 및 TAIR은 축방향 위치(z)에 따라 변화하지 않고 B=0.6).
도 8은 유한체적법으로부터 (A) 가열 공기 온도 및 속도 프로파일과 (B) 대응하는 용융 전기방사 모델 결과를 도시하는 도면.
도 9는 (A) 가스 보조 스피너렛(스케일 바 : 10 μm)이 없고, (B) 가스 보조 시스템(스케일 바: 1 μm)이 있는 용융 전기방사 PLA 섬유 매트의 SEM 이미지를 도시하는 도면.
전기방사 공정(electro spinning process) 및 장치뿐만 아니라 전기방사 섬유의 다양한 실시예가 본 명세서에 제공된다. 특정 실시예에서, 액체 중합체를 제공하기에 적합할 수 있는 제1 도관 및 가스 스팀을 제공하기에 적합할 수 있는 제2 도관을 포함하는 나노섬유를 제조하기 위한 장치 및/또는 이를 이용한 공정이 본 명세서에서 제공된다. 이러한 전기방사 공정 및 장치는 예를 들어, 중합체 용융물(예컨데, 순수(neat) 중합체 용융물 또는 용매 또는 반응물과 같은 첨가 재료를 포함하는 중합체 용융물) 또는 중합체 용액을 포함하는 임의의 적합한 액체 중합체와 함께 사용될 수 있다.
일부 경우에, 직접적으로 중합체 용융물로부터의 전기방사(electrospinning)는 몇몇 이점을 제공한다. 첫째로, 유기 용매 중에서 중합체의 용해 및 그의 제거/재활용이 더 이상 요구되지 않는다. 둘째로, 용매 증발을 통해 질량(mass)이 손실되지 않기 때문에 더 높은 생산량(throughput)이 구현될 수 있다. 셋째로, 예컨대, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같이 실온에서 적합한 용매를 갖지 않는 미크론 이하의 크기의 중합체 섬유가 수득될 수 있다.
특정 경우에, 전기방사(예를 들어, 중합체 용융물로부터)는, 복잡한 구조를 단순화하고, 전기방사 장치의 노즐 내에서 중합체의 응고 또는 침전을 배제 또는 방지하고, 중합체의 점성도(및/또는 중합체의 직경)를 감소시키며 및 액체 중합체 전도성을 향상시킴으로써, 향상될 수 있다. 일 양태에서, 고온 노즐이 중합체를 용융된 상태로 유지하고 전기 방사(예를 들어, 용융 전기방사) 동안에 제트 씨닝(jet 씨닝)의 제공을 유지하기 위해 이용될 수 있는 장치 또는 공정이 본 명세서에서 제공된다.
가스 보조 용융 전기방사가 사용되는 장치 및 공정이 본 명세서에 추가로 제공된다. 이러한 기술은 둘 또는 다수의 축방향 제트(예를 들어, 적어도 하나의 가스 제트 및 적어도 하나의 용융 제트)에 적용되는 가열된 가스 스트림(예를 들어, 고속 가열된 기체 스트림)을 포함할 수 있다. 가열된 가스 제트는 내부 용융 제트(들)에 대해 가열되는 노즐을 고정할 수 있고, 이에 따라 응고를 지연시킬 수 있다. 일부 경우에, 가열된 가스가 스피너렛(spinneret)의 외부 채널을 통과함에 따라, 스피너렛의 내부 채널 내의 용융된 중합체의 온도는 높게 유지되며, 게다가 배출된 가열된 가스 제트는 상당한 접선방향 항력(tangential drag force)으로 인해 용융된 제트의 추가 씨닝(thinning)을 제공한다. 가열된 가스의 높은 유동 속도가 유지될 수 있어서 제트 표면에 대해 추가 항력을 제공하여, 더 높은 제조 속도에 따라 더 얇은 섬유가 생성된다. 일부 경우에, 가스 보조 용융 전기방사(GAME) 공정에서 가스 스트림의 온도, 양, 및 속도의 제어에 따라 더 높은 제조 속도로 더 얇은 섬유를 제조할 수 있다. 일부 경우에, 가열된 가스 스트림에 의해 야기된 추가 변형으로 인해, 미크론 이하 크기의 섬유가 심지어 위핑 모션(whipping motion)을 유발하지 않고 용융 전기방사로부터 수득된다. 중합체 제트의 위핑 모션 없이, 가열된 가스 스트림에 의해 둘러싸인 용융된 제트에 대한 가이드 채널은 선택적으로 제조 섬유의 레이아웃 및 배향을 제어하기 위해 설치될 수 있다.
내부 채널이 가스 스트림에 대해 사용되는 상반된 형상에서, 결과적인 섬유는 섬유 축을 따라 중공 구조를 가질 수 있다. 제어된 가스는 스피너렛의 내부 채널을 통과하는 반면 용융된 중합체는 외부 채널을 통과한다. 일부 경우에, 내부 가스 스트림은 외부 용융된 제트가 감쇄되는 것을 방지하며, 이에 따라 섬유는 섬유 축을 따라 중공 구조를 갖는다.
게다가, 가스-보조 전기방사 공정은 또한 용액 전기방사에 적용되고, 특히 저휘발성을 갖는 용매를 사용하는 시스템에 적용된다. 예를 들어, 물은 증발되기가 매우 어렵다. 특정 경우에, 가스 스트림에 의해 유발된 공기 대류는 용매 증발을 증가시키며, 제트 표면 상에서 항력으로 인해 제트의 추가 씨닝이 여전히 수행된다. 고휘발성을 갖는 용매를 사용하는 용액 전기방사 응용의 경우, 냉간 가스 스트림은 용매 증발 및 조기 응고를 억제함으로써 더 얇은 섬유를 생성한다.
GAME - 외부 가스 스트림
일 양태에서, 액체 중합체가 통과하는 내부 채널 및 고속 가스 스트림이 통과하도록 구성된 외부 채널을 포함하는 가스 보조 전기방사 장치가 본 명세서에서 제공된다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 용융된 액체 중합체이다. 일부 실시예에서, 용융된 액체 중합체는 용매를 추가로 포함한다.
도 1에 따르는 나노섬유를 형성하기 위한 전기방사 장치(110)가 본 명세서에서 제공된다. 일부 경우에, 본 명세서에 기술된 전기방사 장치는 제1(예를 들어, 액체 중합체 또는 용융물) 튜브(112) 및 중심 튜브에 인접한 가스 공급 튜브(114)를 포함한다. 일부 실시예에서, 장치는 가열 시스템(116)(예를 들어, 히터)를 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 장치는 고압 가스 시스템(118)(즉, 가스 공급 튜브의 노즐 단부에서 고속 가스를 제공하기에 적합한 시스템)을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 튜브(112)(예를 들어, 중심 튜브)는 제1 공급 단부(120) 및 제1 노즐 단부(122)(예를 들어, 개구 단부)를 갖는다. 특정 실시예에서, 제1(예를 들어, 중심) 튜브(112)는 종방향 축(126)을 따라 챔버(124)를 형성하고, 챔버는 액체 중합체(128)를 제공하기에 적합, 구성 및/또는 적절하다. 특정 실시예에서, 가스 공급 튜브(114)는 중심 튜브(112)에 대해 둘러싸이도록 배치되고, 가스 공급 튜브는 제2 공급 단부(130) 및 제2 노즐 단부(132)(예를 들어, 마주보는 단부)를 갖는다. 일부 실시예에서, 가스 공급 튜브(114)는 외부 챔버(134)(예를 들어, 종방향 축을 따라)를 형성하고, 외부 챔버는 고속 가스 스트림(136)을 제공하기에 적합, 구성 및/또는 적절하다. 일부 실시예에서, 전기방사 장치(110)는 제1 튜브에 인접한 전압 공급원(voltage supply, 138)을 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 전압 공급원(138)은 하전된 액체 중합체 제트(140)를 형성하기 위해 액체 중합체에 전하를 제공하기에 적합, 구성 및/또는 적절하다. 일부 실시예에서, 전기방사 장치(110)는 하전된 액체 중합체 제트(140)로부터 형성된 경화된 나노섬유를 고정하도록 배치된 수집기(collector)(도 3 참조)를 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 수집기는 접지된다. 일부 실시예에서, 튜브(112)는 원형, 타원형, 정사각형 또는 그 외의 다른 적합한 단면 형상을 가질 수 있다.
나노섬유를 형성하기 위한 전기방사 장치가 본 명세서에서 또한 제공되며, 상기 장치는 제1 공급 단부 및 제1 노즐 단부를 갖는 제1 도관 - 제1 도관은 액체 중합체를 짜내기에 적합함 -, 제1 도관에 인접하게 배열된 하나 이상의 가스 공급 도관 - 가스 공급 도관은 제2 공급 단부 및 제2 노즐 단부를 가짐 - , 및 제2 노즐 단부로부터 고속 가스를 배출시키기에 적합한 고압 가스 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 고압 가스 시스템은 펌프, 고압 가스 캐니스터(canister) 및/또는 테이퍼진 가스 공급 도관을 포함하여 제2 노즐 단부가 제2 공급 단부보다 좁다. 특정 실시예에서, 가스 공급 도관은 복수의 제2 노즐 단부를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 노즐 단부(122)와 제2 노즐 단부(132)는 종방향 축(126)의 동일한 단부에 배치된다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부와 제2 노즐 단부(132)는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 있다. 일부 실시예에서, 제1 노즐 단부(122) 및 제2 노즐 단부(132)는 종방향 축을 따라 오프셋설정된다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부(122)는 제2 노즐 단부(132)보다 공급 단부에 더 근접하다. 그 외의 다른 실시예에서, 제2 노즐 단부(132)는 제1 노즐 단부(122)보다 공급 단부에 더 근접하다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부(122)와 제2 노즐 단부(132)는 임의의 적합한 크기, 예를 들어, 약 0.1 μm, 약 0.2 μm, 약 0.5 μm, 약 0.8 μm, 약 1.0 μm, 약 1.5 μm, 약 2.0 μm, 약 2.5 μm, 약 3.0 μm, 약 3.5 μm, 약 4.0 μm, 약 4.5 μm, 약 5.0 μm, 약 5.5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 15 μm, 약 20 μm, 약 0.01 μm 내지 약 100 μm, 또는 약 0.1 μm 내지 약 20 μm 정도 서로 오프셋 설정된다.
특정 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 공기를 포함한다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 필수적으로 공기로 구성된다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 불활성 가스를 포함한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 필수적으로 불활성 가스로 구성된다. 불활성 가스는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온, 그 외의 다른 노블 가스, 또는 이산화탄소를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 용매의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림(136)은 반응물의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 생성물 나노섬유의 표면 특성에 영향을 미친다. 일부 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 생성물 나노섬유에 기능성(functionality)을 추가한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기에 따라 경화된 나노섬유 및/또는 액체 중합체 제트의 적소에서의 교차-결합이 형성된다. 일부 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 액체 중합체 제트 및/또는 경화된 나노섬유를 코팅한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 액체 중합체 제트 및/또는 경화된 나노섬유의 도핑(doping)을 위해 제공된다.
일부 실시예에서, 가스 스트림 속도(또는 고속 가스 스트림 속도)는 0.1 m/s 초과, 또는 1 m/s 초과, 또는 1 m/s 내지 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 약 0.1 m s, 약 0.2 m/s, 약 0.5 m/s, 약 1.0 m/s, 약 2.0 m/s, 약 5.0 m/s, 약 10 m/s, 약 15m/s, 약 20 m/s, 약 25 m/s, 약 30 m/s, 약 35 m/s, 약 40 m/s, 약 45 m/s, 약 50 m/s, 약 75 m/s, 약 100 m/s, 약 150 m/s, 약 200 m/s, 약 250 m/s, 약 300 m/s, 또는 약 350 m/s이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 100 m/s 내지 350 m/s이다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 속도는 200 m/s 내지 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 250 m/s 내지 350 m/s이다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 액체 중합체 제트 표면에 추가 항력을 제공한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 추가로 액체 중합체 제트를 씨닝한다.
특정 실시예에서, 전기방사 장치(110)는 고속 가스 스트림(136)을 위한 가열 시스템(116)을 추가로 포함한다. 히터(116)는 고속 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림의 온도는 액체 중합체를 위한 노즐에서 높은 온도를 유지하고 중합체를 액체 형태로 유지하기 위해 조절된다. 일부 실시예에서, 온도 및/또는 가스 스트림 속도는 중합체 제트 및 노즐 근처에서 전자유체역학적으로 유도된 공기 흐름에 의한 증가된 냉각 기능을 제거하기 위해 조절되어 중합체 제트의 신속 켄칭(rapid quenching)이 방지된다.
일부 실시예에서, 고속 가스 스트림 온도는 293K 초과, 313K 초과, 333K 초과, 353K 초과, 373K 초과, 또는 313K 내지 523K이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 온도는 약 293K, 약 303K, 약 313K, 약 323K, 약 333K, 약 343K, 약 353K, 약 363K, 약 373K, 약 383K, 약 393K, 약 403K, 약 413K, 약 423K, 약 433K, 약 443K, 약 453K, 약 463K, 약 473K, 약 483K, 약 493K, 약 503K, 약 513K, 약 523K, 약 533K, 약 543K, 약 553K, 약 563K, 약 573K, 약 623K, 약 673K, 약 723K, 또는 약 773K이다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림 온도는 473k 내지 673K이다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림 온도는 373K 내지 573K이다. 그 외의 다른 실시예에서, 고속 가스 스트림 온도는 323K 내지 473K이다.
특정 실시예에서, 전기방사 장치(110)는 액체 중합체를 위한 제2 히터(142)를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 중합체용 히터(142)는 액체 중합체의 점성도를 제어하고 및/또는 온도를 유지시키기 위해 조절된다.
가스 - 외부 가스 스트림
또 다른 양태에서, 가스 보조 전기방사 장치(410)는 고속 가스 스트림(436)이 통과하도록 구성된 외부 채널(414) 및 액체 중합체 용액(428)이 통과하는 내부 채널(412)을 포함한다. 예를 들어, 액체 중합체용 가스 보조 전기방사 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 배열된다.
특정 실시예에서, 전기방사 장치(410)는 고속 가스 스트림(436)용 히터(도시되지 않음)를 추가로 포함한다. 히터는 고속 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 가열된 고속 가스 스트림은 용매의 증발을 향상시킨다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림의 온도는 용액 내에서 중합체를 유지시키고 액체 중합체 용액에 대한 노즐에서 고온을 유지시키도록 조절된다. 일부 실시예에서, 온도 및/또는 가스 스트림 속도는 중합체 제트 및 노즐 근처에서 전자유체역학적으로 유도된 공기 흐름에 의한 증가된 냉각 기능을 제거하기 위해 조절되어 중합체 제트의 신속 켄칭이 방지된다.
그 외의 다른 실시예에서, 전기방사 장치(410)는 고속 가스 스트림(436)을 위한 쿨러(cooler, 444)를 포함한다. 쿨러(444)는 고속 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 냉각된 고속 가스 스트림은 용매의 증발을 억제하기 위해 조절된다. 특정 실시예에서, 용매의 증발을 억제함에 따라 액체 중합체 용액의 조기 응고가 방지된다.
또 다른 실시예에서, 본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치는 가이드 채널을 추가로 포함한다. 예를 들어, 가이드 채널(346, 646)을 갖는 가스 보조 전기방사 장치(310, 610)는 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 배열된다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 임의의 장치의 가이드 채널은 액체 중합체 제트를 둘러싼다. 특정 실시예에서, 가이드 채널은 가스 스트림에 의해 둘러싸인 액체 중합체 제트(340, 640)를 둘러싼다. 일부 실시예에서, 가스 스트림(336)은 가열된다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림(636)은 냉각된다. 가이드 채널은 원하는 표적에 대한 방사 동안에 중합체 제트를 안내한다. 일부 실시예에서, 전기방사 장치(310, 610)는 하전된 액체 중합체 제트(340, 640)로부터 형성된 경화된 나노섬유(350, 650)를 고정하도록 배열된 수집기(348, 648)를 포함한다. 특정 실시예에서, 수집기는 접지된다.
일부 실시예에서, 가스 보조 전기방사 장치는 중합체의 나노- 및 마이크로섬유를 형성한다. 본 명세서에 기재된 액체 중합체는 중합체 또는 중합체 용융물을 포함할 수 있다. 액체 중합체는 생성물 섬유의 의도된 목적을 위한 임의의 적합한 중합체를 포함한다. 액체 중합체는 선택적으로 생분해되거나 또는 비-생분해된다. 일부 실시예에서, 중합체는 용융가능한 열가소성 중합체이다. 열가소성 중합체는 예컨대, 고무, 폴리카보네이트, 폴리스티렌 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 비결정성 중합체; 예컨대 폴리(랙틱 애시드)(PLA)와 같은 저속 결정화 중합체; 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 중속 결정화 중합체; 예컨대, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론 6, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 고속 결정화 중합체; 및 예컨대, 나일론 6,6과 같은 매우 고속 결정화 중합체를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 특정 실시예에서, 중합체는 용해성이다. 일부 실시예에서, 중합체는 예컨대, 폴리올레핀 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같이 상승된 온도에서만 용해성이다.
특정 실시예에서, 가스 보조 전기방사 장치로 제조된 나노- 및 마이크로섬유는 50nm 내지 10 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 나노섬유의 직경은 약 10nm, 약 20nm, 약 30nm, 약 40nm, 약 50nm, 약 60nm, 약 70nm, 약 80nm, 약 90nm, 약 100nm, 약 150nm, 약 200nm, 약 250nm, 약 300nm, 약 350nm, 약 400nm, 약 450nm, 약 500nm, 약 550nm, 약 600nm, 약 650nm, 약 700nm, 약 750nm, 약 800nm, 약 850nm, 약 900nm, 약 950nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 20 μm, 또는 약 30 μm이다. 특정 실시예에서, 나노- 및 마이크로섬유는 약 100nm 내지 약 1 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 나노- 및 마이크로섬유는 약 200nm 내지 약 5 μm의 직경을 갖는다.
게임 ( GAME) - 내부 가스 스트림
추가 양태에서, 가스 보조 전기방사 장치는 고속 가스 스트림이 통과하도록 구성된 내부 채널 및 액체 중합체가 통과하는 외부 채널을 포함한다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 용융된 액체 중합체이다. 일부 실시예에서, 용융된 액체 중합체는 용매를 추가로 포함한다. 예를 들어, 액체 중합체용 가스 보조 전기방사 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 배열된다.
제1 공급 단부(220) 및 마주보는 제1 노즐 단부(222)를 갖는 중심 튜브(252) - 중심 튜브(252)는 종방향 축(226)을 따라 중심 챔버(224)를 형성하고 중심 챔버는 고속 가스 스팀(236)을 생성하기에 적합함 - ; 중심 튜브(252)에 대해 둘러싸인 상태로 배열된 중합체-공급 튜브(254) - 중합체-공급 튜브는 제2 공급 단부(230) 및 마주보는 제2 노즐 단부(232)를 가지며 중합체-공급 튜브는 종방향 축(226)을 따라 외부 챔버(234)를 형성하고 외부 챔버는 중합체 액체(228)를 제공하기에 적합함 - ; 중합체-공급 튜브(254)에 인접한 전압 공급원(238) - 전압 공급원은 하전된 액체 중합체 제트를 형성하기 위해 액체 중합체에 전하를 제공하기에 적합함 - 을 포함하는 도 2에 따라 제1 나노섬유를 형성하기 위한 전기방사 장치(210)가 제공된다.
일부 실시예에서, 전기방사 장치(210)는 하전된 액체 제트(240)로부터 형성된 경화된 나노섬유(250)를 고정하도록 배치된 수집기(도시되지 않음)를 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 수집기는 접지된다. 일부 실시예에서, 튜브(254)는 원형, 타원형, 정사각형 또는 그 외의 적합한 단면 형상을 갖는다.
게이스(GASE) - 내부 가스 스트림
또 다른 양태에서, 가스 보조 전기방사 장치는 조절된 온도의 가스 스트림이 통과하도록 구성된 내부 채널 및 액체 중합체 용액이 이동되는 외부 채널을 포함한다. 예를 들어, 액체 중합체 용액(528)용 가스 보조 전기방사 장치(510)는 도 5에 도시된 바와 같이 배열된다. 일부 실시예에서, 내부 조절 온도 채널(556)을 포함하는 가스 보조 전기방사 장치는 중공 구조의 나노- 및 마이크로섬유(550)를 형성한다. 그 외의 다른 실시예에서, 나노- 및 마이크로섬유(550)는 중공 구조의 섹션을 포함한다.
특정 실시예에서, 전기방사 장치(510)는 조절된 온도의 가스 스트림(536)을 위한 히터(542)를 추가로 포함한다. 히터(542)는 조절된 온도의 가스 스트림의 온도를 조절하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 가열된 조절된 온도 가스 스트림은 용매의 증발을 증대시킨다. 특정 실시예에서, 조절된 온도의 가스 스트림의 온도는 액체 중합체 용액(528)에 대해 노즐에서 고온을 유지시키고 용액 내에 중합체를 보유시키기 위해 조절된다.
그 외의 다른 실시예에서, 전기방사 장치(510)는 조절된 온도의 가스 스트림을 위한 쿨러(cooler, 544)를 포함한다. 쿨러(544)는 조절된 온도의 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 냉각된 조절된 온도의 가스 스트림은 용매의 증발을 억제하기 위해 조절된다. 특정 실시예에서, 용매의 증발을 억제함에 따라 액체 중합체 용액의 조기 응고가 방지된다.
추가 양태에서, 전기방사 장치는 액체 스트림이 이동하도록 구성된 내부 채널 및 액체 중합체가 이동하는 외부 채널을 포함한다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 용융된 액체 중합체이다. 일부 실시예에서, 용융된 액체 중합체는 용매를 포함한다. 그 외의 다른 실시예에서, 액체 중합체는 액체 중합체 용액이다. 일부 실시예에서, 용융된 액체 중합체는 용매를 추가로 포함한다. 그 외의 다른 실시예에서, 액체 중합체는 액체 중합체 용액이다. 특정 실시예에서, 액체 스트림은 용매를 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 스트림은 제2 액체 중합체 용액 또는 제2 액체 중합체 용융물을 포함한다. 특정 실시예에서, 생성물 중합체 나노섬유는 제2 중합체로 구성된 코어를 포함ㅎ나다. 일부 실시예에서, 제2 중합체는 중공 구조의 나노섬유를 생성하기 위해 열적으로 또는 화학적으로 제거된다.
특정 실시예에서, 가스 보조 전기방사에 의해 제조된 중공구조의 나노- 및 마이크로섬유는 중공구조이며, 500nm 내지 10 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 중공구조의 나노섬유의 직경은 약 50nm, 약 60nm, 약 70nm, 약 80nm, 약 90nm, 약 100nm, 약 150nm, 약 200nm, 약 250nm, 약 300nm, 약 350nm, 약 400nm, 약 450nm, 약 500nm, 약 550nm, 약 600nm, 약 650nm, 약 700nm, 약 750nm, 약 800nm, 약 850nm, 약 900nm, 약 950nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 20 μm, 또는 약 30 μm이다. 특정 실시예에서, 중공구조의 나노- 및 마이크로섬유는 약 1 μm 내지 약 10 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 나노- 및 마이크로섬유는 약 2 μm 내지 약 30 μm의 직경을 갖는다.
스피너렛
또 다른 양태에서, 가스 보조 전기방사 장치는 가스 제트 장치의 둘 이상의 채널을 갖는 스피너렛을 포함한다. 본 발명의 이점들 중 한 이점은 가스 보조 전기방사에 따라 스피너렛의 최밀 충전(close packing)이 가능하고, 이에 따라 나노섬유가 실질적으로 더 신속하고 이의 배향 및 혼합에 대해 더 제어된 방식으로 적층될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 보조 전기방사 장치는 가스 스트림 채널보다 더 많은 액체 중합체 채널을 포함한다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 보조 전기방사 장치는 액체 중합체 채널보다 많은 가스 스트림 채널을 포함한다.
전기방사 공정
추가 양태에서, 나노섬유를 제조하기 위한 공정이 본 명세서에 제공되며, 공정은 고속 가스로 액체 중합체를 전기방사하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 액체 중합체는 고속 가스를 둘러싼다. 그 외의 다른 실시예에서, 고속 가스는 액체 중합체를 둘러싸거나 엔벨로프한다(envelope). 특정 실시예에서, 고속 가스는 가열된다. 그 외의 다른 실시예에서, 고속 가스는 냉각된다. 추가 실시예에서, 고속 가스는 실온이다. 일부 실시예에서, 액체 중합체는 중합체 용액의 순수 중합체 용융물이다. 특정 실시예에서, 고속 가스는 용매 또는 반응물의 증기를 포함한다.
또 다른 양태에서, 나노섬유를 제조하기 위한 공정은 하전된 액체 중합체를 고속 가스 스트림 내로 주입하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 하전된 액체 중합체는 제트를 형성한다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 중합체 용액 또는 순수 중합체 용융물이다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 하전된 액체 중합체를 둘러싼다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 가열된다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 용매 또는 반응물을 포함한다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 반응물 또는 용매의 증기를 포함한다. 추가 실시예에서, 고속 가스 스트림은 가이드 채널 내에 수용된다. 일부 실시예에서, 가이드 채널은 수집기 플레이트 상의 원하는 위치로 나노섬유 제트를 안내한다.
추가 양태에서, 전기방사 공정은 액체 중합체 제트를 생성하는 단계를 포함하고, 액체 중합체 제트는 연속적으로 줄어든다(예를 들어, 도 7의 373K 및 423K에서 도시된 바와 같이). 일부 실시예에서, 액체 중합체 제트는 전기방사 노즐로부터 수집기 플레이트까지 연속적으로 줄어든다. 특정 실시예에서, 액체 중합체 제트의 온도는 전기방사 노즐로부터 수집기 플레이트까지 1K 미만, 2K 미만, 5K 미만, 10K 미만, 20K 미만, 30K 미만, 40K 미만, 50K 미만, 75K 미만, 또는 100K 미만으로 변화한다.
가스-보조 전기방사 매개변수
본 명세서에 기재된 임의의 가스 보조 전기방사 장치 또는 공정의 일부 실시예에서, 제1 노즐 단부 및 제2 노즐 단부는 종방향 축의 동일한 단부상에 배치된다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부와 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 배치된다. 일부 실시예에서, 제1 노즐 단부와 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 오프셋 설정된다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부는 제2 노즐 단부보다 공급 단부에 더 인접하다. 그 외의 다른 실시예에서, 제2 노즐 단부는 제1 노즐 단부보다 공급 단부에 더 인접하다. 특정 실시예에서, 제1 노즐 단부와 제2 노즐 단부는 약 0.1 μm, 약 0.2 μm, 약 0.5 μm, 약 0.8 μm, 약 1.0 μm, 약 1.5 μm, 약 2.0 μm, 약 2.5 μm, 약 3.0 μm, 약 3.5 μm, 약 4.0 μm, 약 4.5 μm, 약 5.0 μm, 약 5.5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 15 μm, 또는 약 20 μm만큼 서로 오프셋 설정된다. 일부 실시예에서, 제1 노즐과 제2 노즐은 0.1 μm 미만, 0.2 μm 미만, 0.5 μm 미만, 0.8 μm 미만, 1.0 μm 미만, 1.5 μm 미만, 2.0 μm 미만, 2.5 μm 미만, 3.0 μm 미만, 3.5 μm 미만, 4.0 μm 미만, 4.5 μm 미만, 5.0 μm 미만, 5.5 μm 미만, 6 μm 미만, 7 μm 미만, 8 μm 미만, 9 μm 미만, 10 μm 미만, 15 μm 미만, 또는 20 μm 미만만큼 서로 오프셋 설정된다. 특정 실시예에서, 제1 노즐과 제2 노즐은 0.1 μm 초과, 0.2 μm 초과, 0.5 μm 초과, 0.8 μm 초과, 1.0 μm 초과, 1.5 μm 초과, 2.0 μm 초과, 2.5 μm 초과, 3.0 μm 초과, 3.5 μm 초과, 4.0 μm 초과, 4.5 μm 초과, 5.0 μm 초과, 5.5 μm 초과, 6 μm 초과, 7 μm 초과, 8 μm 초과, 9 μm 초과, 10 μm 초과, 15 μm 초과, 또는 20 μm 초과만큼 서로 오프셋 설정된다.
특정 실시예에서, 본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정은 공기를 포함한다. 일부 실시예에서, 가스 스트림은 필수적으로 공기로 구성된다. 특정 실시예에서, 가스 스트림은 불활성 가스를 포함한다. 특정 실시예에서, 가스 스트림은 필수적으로 불활성 가스로 구성된다. 불활성 가스는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온, 그 외의 다른 노블 가스, 또는 이산화탄소를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 가스 스트림은 용매의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 가스 스트림은 반응물의 증기를 포함한다. 특정 실시예에서, 가스 스트림은 분무형(nebulized) 용매 또는 반응물을 포함한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 생성물 나노섬유의 표면 특성에 영향을 미친다. 일부 실시예에서, 용매 또는 반응물 증기는 생성물 나노섬유에 기능성(functionality)을 추가한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물에 따라 경화된 나노섬유 및/또는 액체 중합체 제트의 적소에서의 교차-결합이 형성된다. 일부 실시예에서, 용매 또는 반응물은 생성물 섬유의 모폴로지(morphology)를 변화시킨다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물은 생성물 섬유의 모폴로지를 변화시킨다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 내에서 용매 또는 반응물은 생성물 섬유의 모폴로지를 조절하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 용매 또는 반응물은 액체 중합체 제트 및/또는 경화된 나노섬유를 코팅한다. 특정 실시예에서, 용매 또는 반응물은 액체 중합체 제트 및/또는 경화된 나노섬유의 도핑(doping)을 위해 제공된다. 일부 실시예에서, 섬유는 가스 스트림 내에서 용매 또는 반응물에 의해 교차-결합된다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 1 m/s 내지 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 약 0.01 m/s, 약 0.02 m/s, 약 0.05 m/s, 약 0.1 m/s, 약 0.2 m/s, 약 0.5 m/s, 약 1.0 m/s, 약 2.0 m/s, 약 5.0 m/s, 약 10 m/s, 약 15 m/s, 약 20 m/s, 약 25 m/s, 약 30 m/s, 약 35m/s, 약 40 m/s, 약 45 m/s, 약 50 m/s, 약 75 m/s, 약 100 m/s, 약 150 m/s, 약 200 m/s, 약 250 m/s, 약 300 m/s, 또는 약 350 m/s이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 100 m/s 내지 350 m/s이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 0.01 m/s 초과, 0.02 m/s 초과, 0.05 m/s 초과, 0.1 m/s 초과, 0.2 m/s 초과, 0.5 m/s 초과, 1.0 m/s 초과, 2.0 m/s 초과, 5.0 m/s 초과, 10 m/s 초과, 15 m/s 초과, 20 m/s 초과, 25 m/s 초과, 30 m/s 초과, 35 m/s 초과, 40 m/s 초과, 45 m/s 초과, 50 m/s 초과, 75 m/s 초과, 100 m/s 초과, 150 m/s 초과, 200 m/s 초과, 250 m/s 초과, 300 m/s 초과, 또는 350 m/s 초과이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 0.01 m/s 미만, 0.02 m/s 미만, 0.05 m/s 미만, 0.1 m/s 미만, 0.2 m/s 미만, 0.5 m/s 미만, 1.0 m/s 미만, 2.0 m/s 미만, 5.0 m/s 미만, 10 m/s 미만, 15 m/s 미만, 20 m/s 미만, 25 m/s 미만, 30 m/s 미만, 35 m/s 미만, 40 m/s 미만, 45 m/s 미만, 50 m/s 미만, 75 m/s 미만, 100 m/s 미만, 150 m/s 미만, 200 m/s 미만, 250 m/s 미만, 300 m/s 미만, 또는 350 m/s 미만이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 속도는 100 m/s 내지 350 m/s이다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 속도는 200 m/s 내지 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 250 m/s 내지 350 m/s이다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 속도는 1 m/s 내지 100 m/s이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 속도는 5 m/s 내지 50 m/s이다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 액체 중합체 제트 표면상에 추가 항력을 제공한다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 액체 중합체 제트를 추가로 씨닝한다. 일부 실시예에서, 고속 가스 스트림은 적어도 1.0 m/s, 적어도 2.0 m/s, 적어도 5.0 m/s, 적어도 10 m/s, 적어도 15 m/s, 적어도 20 m/s, 적어도 25 m/s, 적어도 30 m/s, 적어도 35 m/s, 적어도 40 m/s, 적어도 45 m/s, 적어도 50 m/s, 적어도 75 m/s, 적어도 100 m/s, 적어도 150 m/s, 적어도 200 m/s, 적어도 250 m/s, 또는 적어도 300 m/s이다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림은 약 10 m/s 내지 약 500 m/s, 약 10 m/s 내지 약 400 m/s, 약 20 m/s 내지 약 400 m/s, 약 10 m/s 내지 약 300 m/s, 등의 속도를 갖는다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 특정 실시예에서, 전기방사 장치는 가스 스트림을 위한 히터를 추가로 포함한다. 히터는 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 특정 실시예에서, 고속 가스 스트림의 온도는 용액 중에서 및/또는 용융된 중합체를 유지시킴으로써 노즐에서 높은 온도를 유지하고 중합체를 액체 형태로 유지하기 위해 조절된다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림을 위한 히터는 공급 챔버 내의 액체 중합체에 비해 노즐에서 액체 중합체의 점성도를 감소시키기 위해 조절된다. 특정 실시예에서, 가스 스트림을 위한 히터는 노즐에서 액체 중합체의 점성도를 증가시키기 위해 조절된다. 일부 실시예에서, 온도 및/또는 가스 스트림 속도는 중합체 제트 및 노즐 근처에서 전자유체역학적으로 유도된 공기 흐름에 의한 증가된 냉각 기능을 제거하기 위해 조절되어 중합체 제트의 신속 켄칭이 방지된다. 일부 실시예에서, 가열된 고속 가스 스트림은 용매의 증발을 증대시킨다.
그 외의 다른 실시예에서, 본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 그 외의 다른 실시예에서, 전기방사 장치는 가스 스트림을 위한 쿨러를 추가로 포함한다. 쿨러는 가스 스트림의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 냉각된 가스 스트림은 용매의 증발을 억제하기 위해 조절된다. 특정 실시예에서, 용매의 증발을 억제함에 따라 액체 중합체 용액의 조기 응고가 방지된다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 일부 실시예에서, 가스 스트림 온도는 313K 내지 523K이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 온도는 약 243K, 약 253K, 약 263K, 약 273K, 약 283K, 약 293K, 약 303K, 약 313K, 약 323K, 약 333K, 약 343K, 약 353K, 약 363K, 약 373K, 약 383K, 약 393K, 약 403K, 약 413K, 약 423K, 약 433K, 약 443K, 약 453K, 약 463K, 약 473K, 약 483K, 약 493K, 약 503K, 약 513K, 약 523K, 약 533K, 약 543K, 약 553K, 약 563K, 약 573K, 약 623K, 약 673K, 약 723K, 또는 약 773K이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 온도는 243K 초과, 253K 초과, 263K 초과, 273K 초과, 283K 초과, 293K 초과, 303K 초과, 313K 초과, 323K 초과, 333K 초과, 343K 초과, 353K 초과, 363K 초과, 373K 초과, 383K 초과, 393K 초과, 403K 초과, 413K 초과, 423K 초과, 433K 초과, 443K 초과, 453K 초과, 463K 초과, 473K 초과, 483K 초과, 493K 초과, 503K 초과, 513K 초과, 523K 초과, 533K 초과, 543K 초과, 553K 초과, 563K 초과, 573K 초과, 623K 초과, 673K, 723K 초과, 또는 773K 초과이다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 온도는 243K 미만, 253K 미만, 263K 미만, 273K 미만, 283K 미만, 293K 미만, 303K 미만, 313K 미만, 323K 미만, 333K 미만, 343K 미만, 353K 미만, 363K 미만, 373K 미만, 383K 미만, 393K 미만, 403K 미만, 413K 미만, 423K 미만, 433K 미만, 443K 미만, 453K 미만, 463K 미만, 473K 미만, 483K 미만, 493K 미만, 503K 미만, 513K 미만, 523K 미만, 533K 미만, 543K 미만, 553K 미만, 563K 미만, 573K 미만, 623K 미만, 673K 미만, 723K 미만, 또는 773K 미만이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 온도는 473k 내지 673K이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 온도는 373k 내지 573K이다. 그 외의 다른 실시예에서, 가스 스트림 온도는 323k 내지 473K이다. 일부 실시예에서, 가스 스트림 온도는 143k 내지 293K이다. 특정 실시예에서, 가스 스트림 온도는 실온이다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 특정 실시예에서, 전기방사 장치는 액체 중합체 용융물 또는 액체 중합체 용액인 액체 중합체용 히터를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 히터는 중합체를 액체로 유지시키기 위해 액체 중합체 용액의 온도를 유지시키도록 조절된다. 그 외의 다른 실시예에서, 히터는 액체 중합체의 점성도를 조절한다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정의 일부 실시예에서, 가스 보조 전기방사 장치는 중합체의 나노- 및 마이크로섬유를 제조한다. 본 명세서에 기재된 액체 중합체는 중합체 또는 중합체 용융물을 포함할 수 있다. 액체 중합체는 생성물 섬유의 의도된 목적을 위한 임의의 적합한 중합체를 포함한다. 액체 중합체는 선택적으로 생분해되거나 또는 비-생분해된다. 일부 실시예에서, 중합체는 용융가능한 열가소성 중합체이다.
열가소성 중합체는 예컨대, 고무, 폴리카보네이트, 폴리스티렌 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 비결정성 중합체; 예컨대 폴리(랙틱 애시드)(PLA)와 같은 저속 결정화 중합체; 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 중속 결정화 중합체(medium crystallizing polymer); 예컨대, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론 6, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 고속 결정화 중합체(fast crystallizing polymer); 및 예컨대, 나일론 6,6과 같은 매우 고속 결정화 중합체(very fast crystallizing polymer)를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 특정 실시예에서, 중합체는 용해성이다. 일부 실시예에서, 중합체는 예컨대, 폴리올레핀 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같이 상승된 온도에서만 용해성이다. 특정 실시예에서, 액체 중합체는 단백질 및/또는 펩타이드 성분을 포함하는 단백질-기반 용액을 포함한다. 단백질 성분의 예에는 농축 콩-단백질, 콩가루 및/또는 분리 콩-단백질과 같은 콩-기반 재료가 포함된다. 그 외의 다른 단백질 성분은 훼이(whey), 글루텐, 제인(zein), 알부민(albumin), 젤라틴(gelatin), 및 그 외의 다른 것과 같은 단백질 공급원으로부터 도출된다. 일부 실시예에서, 단백질은 동물원(animal source) 또는 식물원(plant source)으로부터 도출된다. 특정 실시예에서, 단백질 성분은 프로테오글리칸(proteoglycan)이다. 일부 실시예에서, 단백질-기반 용액은 캐리어 중합체(carrier polymer)를 포함한다. 캐리어 중합체의 예에는 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리에틸렌 글리콜이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 전술된 가스 보조 전기방사 장치의 추가 실시예에서, 액체 중합체는 또한 보충 성분(supplemental component) 또는 용액을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 이러한 보충 성분 또는 용액은 습기 저항, 습기 민감성, 강성, 인장 강도와 같은 생성되는 섬유의 특징을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 보충 성분 또는 용액은 지방산, 티타늄 옥사이드와 같은 마이크로-크기 및 나노-크기의 미립자, 나노-클레이, 나노결정 셀룰로오스, 셀룰로오스 나노결정, 나노피브릴화된 셀룰로오스, 바이오-차(bio-char), pH 조절제, 계면활성제 또는 항균제를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
나노섬유
또 다른 양태에서, 본 명세서에서는 본 명세서에 기재된 임의의 장치 또는 임의의 것에 따라 제조된 섬유가 제공된다.
일 양태에서, 중합체를 포함하는 섬유가 본 명세서에서 제공되며, 섬유는 중공 구조이다. 일부 실시예에서, 중합체 섬유는 섬유의 종방향 축을 따라 중공 구조의 공간을 형성한다. 특정 실시예에서, 전체 섬유는 중공 구조이다. 그 외의 다른 실시예에서, 섬유의 단지 일부만이 중공 구조이다. 일부 실시예에서, 중공 구조는 거품이다. 특정 실시예에서, 약 0.1%, 약 0.2%, 약 0.5%, 약 1%, 약 2%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 약 98%, 약 99%, 또는 약 100%의 섬유가 중공 구조이다. 일부 실시예에서, 0.1% 미만, 0.2% 미만, 0.5% 미만, 1% 미만, 2% 미만, 5% 미만, 10% 미만, 15% 미만, 20% 미만, 25% 미만, 30% 미만, 40% 미만, 50% 미만, 60% 미만, 70% 미만, 80% 미만, 90% 미만, 95% 미만, 98% 미만, 99% 미만, 또는 100%의 섬유가 중공 구조이다. 특정 실시예에서, 0.1% 초과, 0.2% 초과, 0.5% 초과, 1% 초과, 2% 초과, 5% 초과, 10% 초과, 15% 초과, 20% 초과, 25% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 98% 초과, 99% 초과, 또는 100%의 섬유가 중공 구조이다. 일부 실시예에서, 5% 내지 50%의 섬유가 중공 구조이다. 특정 실시예에서, 60% 내지 90%의 섬유가 중공 구조이다.
또한, 본 명세서에서 무용매 섬유(solvent free fiber)가 제공되며, 섬유는 1 μm 미만의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 섬유는 용매가 없다. 특정 실시예에서, 섬유는 실질적으로 용매가 없다. 일부 실시예에서, 무용매 섬유는 30% 미만의 용매, 25% 미만의 용매, 20% 미만의 용매, 15% 미만의 용매, 10% 미만의 용매, 7% 미만의 용매, 5% 미만의 용매, 2% 미만의 용매, 1% 미만의 용매, 0.5% 미만의 용매, 0.2% 미만의 용매, 또는 0.1% 미만의 용매를 함유한다.
본 명세서에서 용융 전기방사 섬유가 제공되며, 용융 전기방사 섬유는 1 μm 미만의 직경을 갖는다. 용융 전기방사 섬유는 임의의 전기방사 장치로 제조된 섬유이다.
또한, 본 명세서에서는 저 용매 또는 무용매(예를 들어, 섬유는 소량 또는 무 유기 용매 및/또는 물을 포함함)가 제공된다. 특정 경우에, 본 명세서에서는 수용액으로부터 나노섬유 전기방사가 제공되며, 섬유는 저 물 함유량을 갖는다. 일부 실시예에서, 저 물 함유량(low water content)의 섬유의 모폴로지는 수집 시에 변화하지 않는다. 특정 실시예에서, 저 물 함유량의 섬유는 집성되지 않는다(예를 들어, 중합체 제트를 건조하기 위한 적합한 공정 없이 수용성 중합체가 전기방사될 때 발생될 수 있는, 수집 시에 그 외의 다른 섬유에 들러붙거나, 이와 융합되거나, 또는 접합되지 않음). 일부 실시예에서, 저 물 함유량의 섬유는 30% 미만의 물, 25% 미만의 물, 20% 미만의 물, 15% 미만의 물, 10% 미만의 물, 7% 미만의 물, 5% 미만의 물, 2% 미만의 물, 1% 미만의 물, 0.5% 미만의 물, 0.2% 미만의 물, 또는 0.1% 미만의 물을 함유한다. 일부 실시예에서, 수집된 나노섬유(예를 들어, 수성 액체 중합체 용액으로부터 전기방사된 나노 섬유)는 저 물 함유량 및 균일하거나 실질적으로 균일한 모폴로지를 포함한다.
본 명세서에 기재된 가스 보조 전기방사 장치 또는 임의의 공정에 따라 제조되거나 또는 본 명세서에 기재된 임의의 섬유의 특정 실시예에서, 섬유는 바람직하게는 1 μm 미만의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 섬유의 직경은 약 10nm, 약 20nm, 약 30nm, 약 40nm, 약 50nm, 약 60nm, 약 70nm, 약 80nm, 약 90nm, 약 100nm, 약 150nm, 약 200nm, 약 250nm, 약 300nm, 약 350nm, 약 400nm, 약 450nm, 약 500nm, 약 550nm, 약 600nm, 약 650nm, 약 700nm, 약 750nm, 약 800nm, 약 850nm, 약 900nm, 약 950nm, 약 1 μm, 약 2 μm, 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 약 10 μm, 약 20 μm, 또는 약 30 μm이다. 특정 실시예에서, 섬유는 약 100nm 내지 약 1 μm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 섬유는 약 200nm 내지 약 5 μm의 직경을 갖는다. 섬유의 직경은 섬유 매트 내에서 섬유의 평균 직경일 수 있거나, 또는 섬유 매트 내에서 섬유의 직경의 중간일 수 있다. 일부 경우에, 섬유의 직경은 섬유의 중간 단면에서, 일부 경우에 섬유의 단부에서 측정된다. 일부 경우에, 섬유의 직경은 섬유의 몇몇 섹션에서 측정된다.
본 명세서에 기재된 가스 보조 전기방사 장치 또는 임의의 공정에 따라 제조되거나 또는 본 명세서에 기재된 임의의 섬유의 일부 실시예에서, 복수의 섬유가 섬유 매트의 형태로 수집된다(예를 들어, 전기방사 장치의 수집기 플레이트 상에서). 일부 실시예에서, 섬유 매트, 예를 들어, 도 3 및 도 6에 도시된 섬유 매트(358, 658)는 각각 본 명세서에 기재된 임의의 공정의 임의의 가스-보조 전기방사 장치를 이용하여 제조되거나 또는 본 명세서에 기재된 복수의 임의의 섬유를 포함한다. 특정 실시예에서, 가이드 튜브 또는 가이드 채널이 통합된 섬유 매트를 형성하기 위해 섬유를 수집기에 안내하는데 사용된다. 그 외의 다른 실시예에서, 전기방사의 랜덤 위핑 모션은 수집기에서 방사(as-spun) 섬유를 형성하기 위해 섬유를 수집기로 안내하는데 사용된다. 그 외의 다른 실시예에서, 전기방사의 랜덤 위핑 모션은 수집기에서 방사(as-spun) 섬유 매트를 형성한다. 일부 실시예에서, 섬유 매트 내의 섬유는 집성되지 않거나 응집되지 않는다. 집성 또는 응집은 서로에 대한 섬유의 들러붙음을 포함한다(예를 들어, 임의의 각도로 또 다른 섬유에 대한 섬유 또는 섬유 스틱의 일부의 종방향 축을 따라). 일부 실시예에서, 집성(aggregated) 또는 응집된(agglomerated) 섬유의 모폴로지는 변화한다. 특정 실시예에서, 섬유 매트 내에서 10% 미만의 섬유가 집성 또는 응집된다. 일부 실시예에서, 섬유 매트 내에서 섬유의 집성 또는 응집은 50% 미만, 40% 미만, 30% 미만, 25% 미만, 20% 미만, 15% 미만, 10% 미만, 5% 미만, 2% 미만, 또는 1% 미만이다.
본 명세서에 기재된 임의의 가스-보조 전기방사 장치 또는 공정에 따라 제조되거나 본 명세서에 기재된 임의의 방법의 특정 실시예에서, 나노- 및 마이크로섬유는 중합체를 포함한다. 중합체는 생성물 섬유의 의도된 목적을 위한 임의의 적합한 중합체를 포함한다. 중합체는 선택적으로 생분해되거나 또는 비-생분해된다. 일부 실시예에서, 중합체는 용융가능한 열가소성 중합체이다. 열가소성 중합체는 예컨대, 고무, 폴리카보네이트, 폴리스티렌 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 비결정성 중합체; 예컨대 폴리(랙틱 애시드)(PLA)와 같은 저속 결정화 중합체; 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 중속 결정화 중합체; 예컨대, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론 6, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 고속 결정화 중합체; 및 예컨대, 나일론 6,6과 같은 매우 고속 결정화 중합체를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 특정 실시예에서, 중합체는 용해성이다. 일부 실시예에서, 중합체는 예컨대, 폴리올레핀 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같이 상승된 온도에서만 용해성이다. 특정 실시예에서, 액체 중합체 개지 재료는 단백질 및/또는 펩타이드 성분을 포함하는 단백질-기반 용액을 포함한다. 그 결과, 생성되는 섬유는 단백질 및/또는 펩타이드 성분을 포함한다.단백질 성분의 예에는 농축 콩-단백질, 콩가루 및/또는 분리 콩-단백질과 같은 콩-기반 재료가 포함된다. 그 외의 다른 단백질 성분은 훼이, 글루텐, 제인, 알부민, 젤라틴, 및 그 외의 다른 것과 같은 단백질 공급원으로부터 도출된다. 일부 실시예에서, 단백질 성분은 변성된다. 일부 실시예에서, 단백질은 동물원 또는 식물원으로부터 도출된다. 특정 실시예에서, 단백질 성분은 프로테오글리칸이다. 일부 실시예에서, 단백질-기반 용액은 캐리어 중합체를 포함한다. 캐리어 중합체의 예에는 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리에틸렌 글리콜이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 전술된 임의의 섬유의 추가 실시예에서, 중합체는 보충 성분 또는 용액을 포함한다. 다양한 실시예에서, 이러한 보충 성분 또는 용액은 습기 저항, 습기 민감성, 강성, 인장 강도와 같은 생성되는 섬유의 특징을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 보충 성분 또는 용액은 지방산, 티타늄 옥사이드와 같은 마이크로-크기 및 나노-크기의 미립자, 나노-클레이, 나노결정 셀룰로오스, 셀룰로오스 나노결정, 나노피브릴화된 셀룰로오스, 바이오-차, pH 조절제, 계면활성제 또는 항균제를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
본 발명의 선호되는 실시예가 본 명세서에 예시 및 기술될지라도, 이러한 실시예는 단지 예시로서 제공된다는 것은 당업자에게 자명하다. 다양한 수정, 변경 및 대체가 본 발명으로부터 벗어나지 않고 당업자에 따라 구현될 것이다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대체예가 본 발명을 실시하는데 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 하기 청구항은 본 발명의 범위를 형성하며, 이에 따라 이들 청구항의 범위 내에서 방법 및 구조가 포함되는 것으로 의도된다.
실시예들
실시예 1
비-등온 중합체 용융 전기방사에 대한 포괄적인 모델이 전개된다. 문헌[Polymer 51 (2010) 274-290] 참조. 모멘텀, 질량, 및 에너지 보존 등식이 원뿔형 제트 섹션에 대해 유도되고 얇은 필라멘트 어림법(thin filament approximation)을 사용하여 1-D 공식으로 감소되었다. 보존 등식은 발산하는 전기장 및 비-등온 점탄성 구성 모델과 결합된다. 신속-결정화 중합체의 수, 즉 나일론-6(N6) 및 폴리프로필렌(PP)과 연관된 인플라이트 결정화 등식(inflight crystallization equation)이 포함된다. 모델 접근방법(model approach)은 용융 전기방사로부터 실험적 제트 반경, 온도 및 결정도 프로파일(crystallinity profile)에 대한 비교에 의해 비결정성(PLA) 및 결정화(PP, N6) 중합체에 대해 유효해진다. 관찰된 증가된 감쇄율의 메커니즘 및 게임(GAME) 공정에 대해 더 많은 광을 발산하고, 추가 공정 개선 및 최적화를 돕기 위해, 이전의 용융 전기방사 모델이 가열된 공기 제트의 드래그 및 열 효과를 고려하여 변경될 수 있다. 공기 드래그로 인한 전단 응력(τD)은 하기 상호관계를 사용하여 통합된다:
Figure 112018061993720-pat00001
여기서,
Figure 112018061993720-pat00002
는 공기 밀도이고, CD는 표면 마찰 계수(skin friction coefficient)이고, VAIR는 축방향 공기 속도이고, V는 축방향 용융 제트 속도이다. 전제로서, 단지 용융 제트 표면에 접선 방향의 응력 성분만이 상당하다. 표면 마찰 계수는 다음을 사용하여 계산된다:
Figure 112018061993720-pat00003
여기서, B는 전형적으로 0 내지 0.6 범위의 드래그 커플링 매개변수(drag coupling parameter)이고, ReAIR는 용융 제트 반경(R)에 대해 정해진 공기 레이놀즈수(air Reynolds number)이다.
정체 공기 드래그(stagnant air drag)의 효과가 조사되고, 허용가능한 B 범위의 전체 범위, 전형적인 용융 유입 온도 내에서 무시해도 좋을 정도로 밝혀졌다. 이는 노즐에서 0.0013 m/s 내지 수집기 근처에서 3 m/s의 범위인 상대적으로 낮은 제트 속도로 인함이다. 이 연구는 100 m/s의 상당한 공기 속도가 원하는 추가 제트 감쇄(jet attenuation)를 생성하기에 선호되는 것으로 입증되었다.
실시예 2
도 7에 도시된 바와 같이, 다양한 강제 공기 속도 및 온도가 고려된다. 강제 공기 속도 및 온도는 이 예시를 위해 축방향 제트 위치와 독립적이고 일정한 것으로 고려된다. 초기 감쇄율은 심지어, 음속에 근접한 가장 높은 실제적 공기 속도에서 공기 드래그에 의해 상대적으로 변화하지 않도록 유지되는 것으로 관찰되었다. 이 관찰에 따라, 인가된 전기장은 도미넌트 제트 씨닝력(dominant jet thinning force)인 것으로 확인되었고, 저 감쇄율을 나타내는 섬유 블로잉(fiber blowing)으로부터의 관찰과 일치되었다. 그러나, 발산하는 전기장으로 인해 전기적 구동력이 감소되는 스피너렛으로부터 멀어지는 추가 다운스트림에 따라, 공기 드래그 효과가 명확해지며, 제트는 정체 공기 경우에서보다 더욱 씨닝되었다. 일부 경우에, 예를 들어, TAIR = 373K (도 7 참조)에서, 강제 공기 제트 드래그로 인해 3-폴드 추가 씨닝 정도가 관찰되었다. 이 증대는 a) 더 낮은 주변 온도에서의 제트 응고(jet solidification) 및 b) 더 높은 온도에서 신속 초기 감쇄 동안에 생성되는 높은 초기 응력으로 인해 극한 온도 조건에서 현저하지 않았다. 추가로, 값(B)을 변화시키는 효과는 공기 속도를 변화시키는 효과와 유사하였다.
실시예 3
실제 공기 속도 및 온도 프로파일이 평가된다. 결합 공정의 동특성(dynamics)이 상당히 복합적이기 때문에, 섬유 블로잉 공정에 대해 사용된 것과 유사한 접근 방법이 사용된다. 문헌 [Fibers and Textiles in Eastern Europe 15, 77 (2007)] 참조. 공기 속도 및 온도 프로파일은 중합체 제트 동특성과 독립적으로 어림잡아지고, 유한체적법(finite volume analysis)(FLUENT™)을 사용하여 수치적으로 평가된다. 모의 실험중에, 483K의 고속(300 m/s) 난류 제트는 초기에 300K의 정체 공기인 방사 영역으로 주입되고, 정상-상태 솔류션(steady-state solution)이 계산된다(도 8(A)). 생성되는 축방향 공기 속도 및 온도 프로파일은 그 뒤 도 8(B)에 도시된 바와 같이 공기 드래그 및 열 전달의 계산을 위해 변경된 용융 전기방사 모델에서 사용된다. 공기 드래그 단독으로 다소 추가 제트 씨닝(초기에 63 μm에 비해 최종 섬유 직경 = 57 μm)이 야기된다. 그러나, 공기 제트에 의해 제공된 추가 가열에 따라 제트 감쇄가 현저히 증대 및 연장되고, 이에 따라 최종 제트 직경이 상당히 작아진다(2.9 μm). 따라서, 가열된 공기 제트로 인해 실시예 4 및 도 9에 제시된 실험적 결과와 일치되게, 모델에 따르는 최종 섬유 직경이 20-폴드 감소된다. 실험 시에 제트의 위핑 모션으로 인함이고 안정한 제트 모델 내에서 밝혀지지 않은, 모델과 실험적 결과 사이의 최종 섬유 두께에 대한 절대값의 10-폴드 차이가 있다. 도 8(A)에 도시된 바와 같이, 강제 공기 제트 속도와 온도가 정체 주변 공기 수준으로 상당히 신속하게 떨어지기 때문에, 위핑으로 인한 추가 제트 씨닝은 정체 공기 및 가스-보조 공정에서 동일한 것으로 예상된다.
실시예 4
카길 다우(Cargill Dow)로부터 폴리락틱애시드(Polylactic acid)(PLA) (MW 186 kDa)가 제공된다. PLA 칩을 유리 주사기 내로 로딩하였고, 이 칩을 용융시키기 위해 220~240°C까지 가열하였다. 용융된 중합체를 도 1에 따르는 스피너렛의 내부 채널 내로 펌핑하였고, 동시에 고온 공기 가스가 외부 채널을 통과시켰다. 가스를 210°C로 가열하였고, 노즐에서 이 가스의 속도는 300 m/s이었다. 노즐과 수집 플레이트 사이의 거리는 약 9 cm로 유지하였고, 약 10 μl/분의 용융물 흐름 속도를 유지하였다. 수집기에서 +20 kV의 전하를 유지하였다. 공정 셋팅은 표 1에 요약된다. 도 9에는 전형적인 용융 전기방사 PLA 나노섬유의 SEM 이미지가 도시된다. 가스-보조 스피너렛을 갖는 용융 시스템은 가스-보조 스피너렛이 없는 시스템보다 상당히 더 미세한 섬유 매트를 제조하였다.
표 1. PLA 용융 전기방사 공정 셋팅
Figure 112018061993720-pat00004
본 발명이 다수의 특정 실시예에 따라 기술될지라도, 본 발명의 진실한 사상 및 범위는 본 명세서에 의해 지지될 수 있는 청구항에 의해서면 정해져야 한다. 게다가, 시스템, 장치 및 방법이 특정 개수의 요소를 갖는 것으로 기재되는 본 명세서에서 다수의 경우, 이러한 시스템, 장치 및 방법은 전술된 특정 개수의 요소보다 더 적은 개수로 실시될 수 있다. 또한, 다수의 특정 실시예가 기술될지라도, 각각의 특정 요소에 대해 기술된 특징 및 양태는 각각의 나머지 특정 기술된 실시예와 함께 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. a) 제1 공급 단부 및 마주보는 제1 노즐 단부를 가지며 종방향 축을 따라 중심 챔버를 형성하는 중심 튜브,
    b) 중심 튜브에 대해 주변에 배치된 제2 튜브 - 제2 튜브는 제2 공급 단부 및 마주보는 제2 노즐 단부를 가지며, 상기 제2 튜브는 종방향 축을 따라 외부 챔버를 형성하고, 상기 중심 튜브 또는 상기 제 2 튜브중 다른 하나는 고속 가스 스트림을 제공하도록 구성된 가스 공급 튜브이며, 상기 고속 가스 스트림은 0.01m/s 이상의 속도를 가지고, 및 상기 중심 튜브 또는 상기 제 2 튜브중 다른 하나는 중합체 액체를 제공하도록 구성된 중합체-공급 튜브이고,
    c) 고속 가스 스트림을 위한 튜브 내에서 고속 가스 스트림을 가열하도록 구성된 히터,
    d) 중합체-공급 튜브에 인접한 전압 공급원 - 전압 공급원은 하전된 액체 중합체 제트를 형성하기 위해 액체 중합체에 전하를 제공 - , 및
    e) 하전된 액체 제트로부터 형성된 경화된 나노섬유를 수용하도록 배열된 수집기를 포함하여 구성된 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사 장치에 있어서,
    상기 중심 튜브는 가스 공급 튜브이고 제2 튜브는 중합체-공급 튜브이며,
    상기 히터는 중합체-공급튜브의 노즐 단부 근처에서 전자유체역학적으로 유도된 공기 흐름에 의한 증가된 냉각 기능을 제거하기 위해 구성되고,
    상기 히터가 중합체-공급 튜브의 노즐단부에서 중합체의 신속 켄칭(rapid quenching)이 방지하도록 구성되고,
    제1 노즐 단부 및 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히터가 313K이상의 온도로 고속 가스 스트림을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  3. 나노섬유를 형성하는 방법에 있어서,
    액체 중합체를 중심 튜브에 제공하는 단계, 상기 중심 튜브는 제 1 공급 단부 및 대향하는 제 1 노즐 단부를 포함하고, 상기 중심 튜브는 종축을 따라 중심 챔버를 형성하며, 중합체 용융물이 제 1 공급 단부에 제공되고;
    상기 중심 튜브와 관련하여 배치된 제 2 튜브를 통해 고속 가스를 제공하는 단계, 상기 제 2 튜브는 제 2 공급 단부 및 대향하는 제 2 노즐 단부를 포함하고, 상기 가스 공급 튜브는 상기 종축을 따라 외부 챔버를 형성하고, 상기 고속 가스는 0.01m/s 이상의 속도를 가지고;
    상기 제 2 튜브 내의 가스를 가열하도록 구성된 히터로 가스를 가열하는 단계;
    상기 중심 튜브에 전압을 인가하여 하전 된 액체 중합체 제트를 형성하는 단계; 및
    하전된 액체 제트로부터 형성된 경화된 나노 섬유를 수집하는 단계를 포함하여 구성되고,
    상기 액체 중합체는 중합체 용융물이고,
    상기 방법은 중합체 용융물을 형성하기 위해 중합체를 용융시키는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 방법은 액체 중합체 제트를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 액체 중합제 제트는 연속적으로 감쇄하며, 및
    상기 방법에 의해 제조된 경화된 나노 섬유는 50nm 내지 10μm 범위의 직경을 가지며,
    제1 노즐 단부 및 제2 노즐 단부는 종방향 축을 따라 동일한 축방향 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경화된 나노섬유가 200nm 내지 5 μm의 직경을 갖는것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 가스 속도는 0.01 m/s이상인 것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 가스는 313K이상의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고속 가스는 가압된 가스를 제 2 튜브의 제 2 공급 단부로 제공함으로써 제 2 튜브를 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중합체는 고무, 폴리카보네이트, 폴리스티렌 및 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(랙틱 애시드), 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론 6, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나일론 6,6 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 형성하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 전기방사 장치를 사용하는 나노섬유를 생산하는 방법.
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  11. 삭제
  12. 삭제
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