KR20050041198A - 정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐과 모집전극간의 높은 인계 전압하에서 아크 발생을 최소화할 수 있고, 안정되게 고분자 용액을 방사하고, 방사면적을 확대하여 광폭의 나노 섬유막을 제조할 수 있는 노즐 끝단부의 형상이 노즐구멍에 대하여 직각인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

Description

정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법 {A NOZZLE FOR ELECTROSTATIC SPINNING AND A PRODUCING METHOD OF NANO-FIBER USING THE SAME}

본 발명은 정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐 끝단부의 형상이 노즐구멍에 대하여 직각인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

정전방사는 도 1에 그 개략적인 시스템을 도시한 바와 같이, 강한 전기장을 노즐내의 고분자 용액이나 용융물에 걸어 준 다음, 액체의 표면장력과 전기응력이 서로 균형을 이룬 상태에 도달하게 한 후, 모세관 끝에 형성된 액체 방울이 뾰족한 원뿔 형상의 모습으로 변형되면서 액체가 방사되어 실시된다. 상기와 같이 방사된 섬유는 전기장에 의하여 가속되고 가늘어지면서 불안정해져 불연속의 형태로 모집전극(20)인 접지된 금속의 표면에 모아진다. 즉, 용액에 용해된 물질이 낮은 분자량을 가진 것인 경우는 일반적으로 작은 입자 형상을 띄게 되기 때문에 정전분사(electrostatic spraying)라 부르기도 하지만, 분자량이 높은 물질을 전기방사하면 일반적으로 100 ㎚ 정도의 매우 작은 직경을 가진 섬유가 방향성이나 규칙성이 없는 섬유의 형태로 얻어지게 된다. 따라서, 이렇게 분자량이 높은 고분자 물질에서 섬유를 얻는 공정을 전기분사 공정과 구별하여 정전방사(electrostatic spinning) 공정이라 부른다.

그러나 상기의 정전방사 방법의 경우에 있어서, 노즐과 모집전극 사이에 높은 전압이 걸려있으므로 노즐 끝단의 형상에 따라 아크가 발생하는 경우가 자주 발생하며, 이런 아크가 발생하는 경우에는 높은 에너지의 방전에 의하여 기존에 제조되고 있던 나노섬유에 손상을 일으키게 되는 문제가 있었다.

또한 상기 노즐이 회전운동을 하거나 직선이동을 하는 경우에 있어서는 노즐로부터 분사되는 고분자 용액의 방출에 대한 안정성을 유지하는 것이 필요하고, 특히, 노즐의 회전운동시에 상기 고분자 용액의 방출시 안정성을 유지함과 동시에 방사 면적을 더욱 넓게 가져갈 수 있는 노즐끝단의 단면형상에 관한 연구가 필요하나 이에 대한 연구가 미진한 실정이다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 노즐과 모집전극간의 높은 인계 전압하에서도 아크 발생을 최소화할 수 있는 정전방사 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 노즐의 이동 또는 회전시에도 안정되게 고분자 용액을 방사하고, 방사면적을 확대하여 광폭의 나노 섬유막을 제조할 수 있는 정전방사 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 노즐 끝단부의 형상이 노즐구멍에 대하여 직각인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐을 제공한다.

또한 본 발명은 고분자 용액을 상기 정전방사 노즐을 통하여 정전방사 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2에 나타낸 바와 같이 일반적인 니들형 노즐(10)의 단면형상은 끝단이 둥글게 형성된 경우가 일반적인데 이 경우에 있어서는 상기 기술한 문제점들이 발생하였다. 본 발명의 정전방사 노즐은 노즐의 끝단이 노즐 구멍에 대하여 직각을 이루는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 정전방사 노즐은 노즐 끝단이 노즐 구멍에 수직인 형태를 이루며, 노즐의 끝단이 모집전극에 대하여 수평을 이룬다. 본 발명의 정전방사 노즐은 노즐과 모집전극간의 전기장이 고르게 발달할 수 있고, 국부적인 부분에서 상기 두 부분의 거리가 짧아지는 지역이 발생하지 않게 된다. 따라서 나노섬유(45)의 제조시에 발생할 수 있는 아킹현상을 최소화 할 수 있다.

또한 본 발명의 일실시예인 도 3, 4의 직각형 노즐을 사용하는 경우에는 노즐의 형상관리 및 표준화 측면에서 항상 동일형태의 노즐의 사용이 가능하므로 일반적인 둥근형에 비하여 변수를 줄일 수 있고 이를 통하여 보다 안정적인 고분자 용액의 방사가 가능하다.

본 발명의 정전방사 노즐에서, 노즐의 형태는 노즐의 끝단부 형상이 직각이며, 상기 끝단부를 제외한 다른 부분은 다양한 형태의 노즐의 사용이 가능하다. 그 일예로서 도 3과 같은 니들형 노즐(10)도 사용할 수 있고, 도 6과 같이 상기 노즐이 상부는 정전방사 방출기(15)의 하부에 연결되고 하면은 막힌 일정체적의 몸통부(65) 및 상기 몸통부(65)의 하면에 위치하고 상기 몸통부(65)의 내부와 외부를 관통하는 미세구멍(70)으로 이루어지는 형태의 미세구멍형 노즐도 가능하다. 특히, 상기 몸통부(65)와 정전방사 방출기(15)는 각각의 부품을 별도 제작하여 결합하는 형태로 구성할 수도 있고, 일체형으로 하부에 노즐 구멍을 가진 정전방사 방출기(15)의 형태로 구성할 수도 있다.

이때 상기 미세구멍(70)중 끝단에 위치하는 미세구멍(70)의 위치는 몸통부(65)의 내벽으로부터 일정거리의 이격이 바람직하다. 즉, 상기 미세구멍(70)이 너무 몸통부(65) 내부의 끝단으로 가는 경우에는 몸통부(65) 내벽과 고분자용액간의 계면에너지 효과로 인한 방출의 불균일이 일어날 수 있고, 몸통부(65) 내벽으로부터 너무 멀리 이격시키는 경우에는 방사폭이 짧아져 생산성이 떨어지는 문제가 있으므로 이를 최적화 할 수 있는 일정거리의 이격이 바람직하다.

또한 상기와 같은 미세구멍형 노즐은 미세구멍(70)의 지름이 0.7 - 1.0 ㎜이고, 상기 몸통부(65) 내부 끝단으로부터 4 - 6 ㎜ 이격 되고, 하면의 두께가 4 - 16 ㎜인 형태로 구성할 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 미세구멍(70)의 지름은 0.8 ㎜이고, 상기 몸통부(65) 내부 끝단으로부터 3 ㎜ 이격 되고, 하면의 두께가 3 ㎜인 형태로 구성할 수 있다. 상기 범위내인 경우 직경이 100 - 1000 ㎚의 나노섬유(45)를 안정적으로 방사시킬 수 있다.

또한 본 발명은 고분자 용액을 상기 정전방사 노즐을 통하여 정전방사 하는 단계를 포함하여 나노섬유(45)를 제조하는 바, 상기 기술한 노즐의 끝단부의 형상이 노즐구멍에 대하여 직각인 정전방사 노즐을 이용하여 고분자 용액을 정전방사 하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법이다.

본 발명에 사용되는 상기 고분자는 나노섬유의 원료가 되는 화합물로 용매에 의하여 용해가 가능한 물질이다.

상기 고분자는 나노섬유의 용도에 따라 정전방사가 가능한 모든 종류의 고분자가 사용될 수 있으며, 그 예로는 상기 나노섬유(45)가 산업용, 특히, 공기필터로 사용되는 경우에는 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 셀룰로오즈 등을 사용하는 것이 경제성 면에서 바람직하다.

본 발명에 사용되는 상기 고분자 용액 내의 용매는 고분자를 용해시키기에 적당하면 되므로 당업자가 고분자의 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있음은 물론이다. 특히, 상기 고분자 용액은 1000 ~ 5000 cps 점도가 바람직하다. 고분자 용액의 점도가 상기 범위내인 경우 정전방사 및 나노섬유의 몰폴로지(morphology)를 조절하기가 용이하다.

상기 고분자 용액을 정량 펌프(35)에 의하여 상기 기술한 정전방사 노즐을 포함하는 정전방사 방출기(15)에 공급하고 이때의 압력은 노즐과 모집전극(20) 양단에 걸리는 전압의 크기에 따라 조정하는 것이 가능하고 일반적으로는 0.4 - 1.0 kg/㎠으로 조정할 수 있다.

이를 상기에 기술한 정전방사 방법을 통하여 정전방사하여 미세한(수 ㎚) 크기를 갖는 섬유가 서로 포개지고 얽힌 상태로 구성되는 나노섬유 (45)를 제조한다. 이때에 도 4, 5의 회전형 방출기(15)는 상기 기술한 바와 같이 자체로 회전하여 나노섬유(45)를 넓은 범위에 방사할 뿐만 아니라 다수 개의 방출기(15)의 조합 또는 회전형 방출기(15)의 자체 좌우 이동을 통하거나, 다수 개의 방출기(15)의 조합 및 회전형 방출기(15)의 자체 좌우 이동을 통하여 넓은 범위에 대하여 나노섬유(45)를 방사할 수 있다.

또한, 상기 나노섬유(45)가 포집되는 모집전극(20)상에 나노섬유를 로울러를 통하여 회전하여 포집하거나, 이를 가열 또는 가열/압착하여 광폭의 막을 형성할 수 있고, 또 다른 형태로 광폭의 섬유상에 코팅층을 형성하기 위해서는 상기 광폭 섬유를 로울러를 통하여 방출기(15) 또는 회전형 방출기(15) 아래를 일정 속도로 통과하게 하고 여기에 나노섬유(45)를 방사하는 방법을 통하여 섬유상에 코팅층을 형성하여 줄 수 있다.

상기 정전방사 노즐을 사용하는 정전방사 장치는 정전방사장치의 일실시예로서 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 노즐 이외에 고분자 용액을 저장하는 저장용기(40), 일정량의 고분자 용액을 방출기에 제공하는 정량펌프(35), 회전형 방출기(15), 회전장치(30), 회전장치 구동부(25) 및 고분자 용액에 높은 전위를 갖게 하는 고전압발생기(50), 섬유 막의 계속적 생산을 위한 모집전극부근의 회전 로울러, 접지되어 있는 모집전극(20)을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.

이에 따라 상기 저장용기로부터 일정유량이 정량펌프(35)에 의하여 회전형 또는 비회전형 방출기(15)에 공급되어지고, 노즐과 모집전극 사이에 고전압 발생기(50)에 의하여 고전압이 걸리면 상기 정전방전 노즐에서 고분자 용액이 정전방사될 수 있다. 이때 필요에 따라서 회전장치 구동부(25)로 회전장치(30)를 구동하면 방출기(15)가 회전할 수 있고 보다 넓은 지역에 방사가 가능하며 연속적인 나노섬유 막의 생산을 위해서는 모집전극(20)위로 섬유막이 연속적으로 지나갈 수 있도록 권취 로울러를 함께 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 니들형 노즐(10)을 이용한 회전형 방출기(15)의 사시도이다. 상기 직각형 노즐은 가지는 회전형 방출기(15)는 정전방사 방출기(15)가 회전하며 고분자 용액을 방사하는데, 동일한 회전방사시 본 발명의 직각형 노즐이 일반형 노즐에 비하여 고분자 용액의 방사 면적을 현저히 증가시키는 효과가 있다. 이는 노즐의 회전에 따라 고분자 용액이 원심력을 받아 바깥 방향으로 쏠리고 이때 노즐의 모서리 부분과 상기 용액이 상호 작용하여 일반적인 둥근형의 노즐에 비하여 고분자 용액이 더 바깥으로 향하게 되는 것이다.

본 발명에 의하여 노즐과 모집전극간의 높은 인계 전압하에서도 아크 발생을 최소화할 수 있고 또한, 노즐의 이동 또는 회전시에도 안정되게 고분자 용액을 방사할 수 있을 뿐만 아니라, 직각노즐의 사용에 의한 방사면적의 확대와 함께 아크발생률 저하에 따라 인계전압을 더 높일 수 있고 이에 따라 이격거리를 늘릴 수 있으므로 이에 따라 방사면적을 더욱 확대시킬 수 있어 광폭의 나노 섬유막을 제조할 수 있다.

이를 통하여 대량생산시에 불량률을 줄임은 물론이고, 생산비용을 절감할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

도 1은 정전방사 공정의 시스템 개략도이다.

도 2는 일반적인 니들형 노즐의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예인 직각 니들형 노즐의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예인 직각 니들형 노즐의 배면도 및 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 니들형 노즐을 이용한 회전형 방출기의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예인 직각의 미세구멍형 노즐의 배면도 및 단면도이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

10 : 니들형 노즐 15 : 방출기

20 : 모집 전극 25 : 회전장치 구동부

30 : 회전장치 35 : 정량펌프

40 : 용액저장 용기 45 : 나노섬유

50 : 고전압발생기 65 : 몸통부

70 : 미세구멍

Claims (5)

1. 노즐 끝단부의 형상이 노즐구멍에 대하여 직각인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐의 형태가 니들형 노즐인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐.
3. 제1항에 있어서,

   상기 노즐이

   상부는 정전방사 방출기의 하부에 연결되고 하면이 막힌 일정체적의 몸통부; 및,

   상기 몸통부의 하면에 위치하고 상기 몸통부의 내부와 외부를 관통하는 미세구멍으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐.
4. 제3항에 있어서,

   상기 미세구멍은 지름이 0.7 - 1.0 ㎜이고, 상기 몸통부 내부 끝단으로부터 4 - 6 ㎜ 이격 되고, 하면의 두께가 4 - 16 ㎜인 것을 특징으로 하는 정전방사 노즐.
5. 고분자 용액을 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 정전방사 노즐을 통하여 정전방사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.