KR20050078677A - 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법에 관한 것으로서, 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 컬렉터(7)로 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 필라멘트(17b)를 연신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기방사 방식으로 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트(실)을 간단하고 연속적인 공정으로 제조할 수 있다.

Description

나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법 {A process of continuous filament composed of nanofibers}

본 발명은 나노섬유로 구성되는 연속상 필라멘트 또는 실(이하 "필라멘트"로 통칭한다)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기방사 방식을 이용하여 연속상 필라멘트를 연속공정으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 나노섬유란 섬유 직경이 1,000nm 이하인, 보다 바람직 하기로는 500nm 이하인 섬유를 의미 한다.

나노섬유로 구성된 부직포 등은 인조피혁, 필터, 기저귀, 생리대, 봉합사, 유착방지제, 와이핑 클로스(Wiping cloth), 인조혈관, 뼈 고정용 기구 등으로 다양하게 활용 가능하며, 특히 인공피혁 제조에 매우 유용하다.

인공피혁 등의 제조에 적합한 극세섬유 또는 나노섬유를 제조하기 위한 종래 기술로서는 해도형 복합방사 방식, 분할형 복합방사 방식 및 블랜드 방사방식 등이 알려져 있다.

그러나, 해도형 복합방사 방식이나 블랜드 방사방식의 경우에는 섬유의 극세화를 위해 섬유를 구성하는 2개 고분자 성분 중 1개 고분자 성분을 용출, 제거해야 하며, 이들 방식으로 제조된 섬유로 인공피혁을 제조하기 위해서는 용융방사, 섬유 제조, 부직포 제조, 우레탄 함침, 1개 성분 용출과 같은 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었다. 그럼에도 불구하고 상기 2개 방식으로는 직경 1,000nm 이하의 섬유를 제조할 수 없었다.

한편, 분할형 복합방사 방식의 경우에는 염색특성이 상이한 2개 고분자 성분(예를 들면, 폴리에스테르와 폴리아미드)들이 섬유 내에 공존하기 때문에 염색반이 나타나고, 인공피혁 제조공정도 복잡한 문제점이 있었다. 또한, 상기 방법으로는 직경 2,000nm 이하의 섬유를 제조하기 어려웠다.

나노섬유를 제조하기 위한 또 다른 종래기술로서 미국특허 제4,323,525호등 에서는 전기방사 방식을 제안하고 있다. 상기 종래의 전기방사 방식은 방사액 주탱크 내의 고분자 방사액을 계량펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급하고, 계속해서 노즐에 공급된 방사액을 노즐을 통해 5kV 이상의 높은 전압이 걸려있는 앤드레스(Endless) 벨트 타입의 집속장치 상으로 방사, 집속하여 섬유 웹을 제조하는 방식이다. 이와 같이 제조된 섬유 웹을 다음 공정에서 니들펀칭하여 나노섬유로 구성된 부직포를 제조한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 종래의 전기방사 방식은 1,000nm 이하의 나노섬유로 구성된 웹(WEB)과 부직포 만을 제조할 수 있다. 따라서, 종래 전기방사 방식으로 연속상의 필라멘트를 제조하기 위해서는 제조된 나노섬유 웹을 일정한 길이로 절단하여 단섬유를 제조하고, 이를 다시 혼타면하여 별도의 방적공정을 거쳐야 하므로 공정이 복잡한 문제가 있었다.

나노섬유로 구성된 부직포의 경우에는 부직포 고유의 물성상 한계로 인해 인조피혁 등 다양한 응용분야에 광범위하게 적용하는데는 한계가 있었다. 참고로 나노섬유로 구성된 부직포의 경우에서 10MPa 이상의 물성을 달성하기 어렵다.

본 발명은 별도의 방적공정 없이도 전기방사된 나노섬유 웹을 이용하여 연속적으로 필라멘트(실)를 제조하는 방법을 제공하므로서, 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 간단한 공정으로 제조하고자 한다. 또한, 본 발명은 물성이 우수하여, 인조피혁은 물론 필터, 기저귀, 생리대, 인조혈관 등의 다양한 산업소재에 적합한 나노섬유의 연속상 필라멘트를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법은, 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 컬렉터(7)로 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유의 나노섬유 웹(17a)을 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 필라멘트(17b)를 연신하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명은 도 1, 도 4, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 컬렉터(7)로 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조한다.

리본 형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조하기 위해서 (ⅰ)나노섬유 웹(17a)의 폭을 컬렉터(7)의 전체 폭과 동일하게 광폭으로 전기방사 한 후 광폭의 나노섬유 웹(17a)을 웹 절단 장치(16)로 절단하는 방법을 사용하거나, (ⅱ)나노섬유 웹(17a)의 폭을 1개 노즐블록(4)의 폭과 동일하게 소폭으로 구분하여 전기방사 하는 방법을 사용한다.

광폭의 나노섬유 웹(17a)을 소폭으로 절단하는 상기 웹 절단장치(16)는 도 6에 도시된 바와 같이 회전칼날(16a)과 이를 회전시키는 모터(16b)로 구성되며, 도 4와 같이 웹 이송 로울러(15)상에 설치된다.

도 6은 웹 절단장치(16)로 광폭의 나노섬유 웹(17a)을 절단하는 공정의 확대 모식도이다.

한편, 나노섬유 웹(17a)의 폭을 1개 노즐 블록(4)의 폭과 동일하게 소폭으로 구분하여 전기방사하기 위해서는 전기방사시 도 2에 도시된 바와 같이 1개 노즐블록(4)의 폭과 동일한 거리(d)로 차단막(7b)이 설치되어 있는 컬렉터(7)를 사용한다. 도 2는 차단막(7b)이 설치된 도 1의 컬렉터(7) 부분의 확대 모식도 이다.

상기 차단막(7b)은 테프론등의 전기부도체인 것이 바람직하다.

웹 이송 로울러(14,15)를 통과한 나노섬유 웹(17a)은 강한 전하를 갖고 있다.

이후 연속상 필라멘트 제조공정을 원활하게 하기 위해서는 나노섬유 웹(17a)이 갖고 있는 전하를 방전장치(9b)를 사용하여 방전시키는 것을 바람직하다.

컬렉터와 방전장치간의 거리(h)는 나노섬유 웹의 폭등을 고려하여 적절하게 조절한다.

계속해서, 본 발명은 상기와 같이 제조된 리본형태의 나노섬유 웹(17a)을 도 1, 도 4, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 공기 와류를 이용하여 꼬아주어 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조한다.

도 3은 1개 노즐블록(4)의 폭 단위로, 다시 말해 소폭으로, 구분하여 전기방사된 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬아주어 나노섬유 필라멘트(17b)을 제조하는 공정의 확대 모식도 이고,

도 5는 컬렉터의 전체폭과 동일하게 광폭으로 전기방사된 나노섬유 웹(17a)을 웹 절단장치(16)로 소폭으로 절단한 후 이를 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬아주어 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하는 공정의 확대 모식되 이다.

상기 공기꼬임장치(18)에는 그 길이방향을 따라 중앙부에 나노섬유 웹(17a)의 통로 및 공기 배출구가 형성되어 있고, 상기 공기 배출구와 수직 또는 경사진 방향으로 공기 유입구가 형성된 구조이다.

상기 공기유입구는 나선상 홀 구조인 것이 보다 바람직하다.

상기 공기꼬임장치(18)를 통과하는 나노섬유 웹(17b)은 공기꼬임장치(18)내의 공기 와류에 의해 웹을 구성하는 나노섬유들로 서로 교락 및 꼬여져서 연속상의 필라멘트 형태로 된다.

계속해서, 본 발명은 도 1, 도 4, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 상기와 같이 제조한 나노섬유 필라멘트(17b)를 연신 및 권취하여 최종제품인 연속상 나노섬유 필라멘트를 제조한다. 선택적으로 연신 후 열처리할 수도 있다.

구체적으로, 제 1로울러(19)와 제 2 로울러(20) 사이 또는 제 2 로울러(20)와 제 3로울러(22) 사이에서 각 로울러들의 회전선속도 차이를 이용하여 나노섬유 필라멘트(17b)를 연신하고, 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22) 사이에 설치된 열고정 히터(21)로 나노섬유 필라멘트(17b)를 열처리한 후 권취로울러(23)로 권취한다.

본 발명의 제조방법은 상향식 전기방사 방식, 하향식 전기방사 방식 또는 수평식 전기방사 방식 모두에 적용될 수 있다.

다시말해, 본 발명은 전기방사 형태가 상향식 전기방사 방식, 하향식 전기방사방식, 또는 수평식 전기방사방식인 것을 모두 포함한다.

본 발명에 있어서 수평식 전기방사 방식이라 함은 노즐과 컬렉터를 수평 또는 수평에 가까운 각도로 배열하여 전기방사 하는 방식을 말한다.

도 1, 도 4, 도 7 내지 도 10은 모두 상향식 전기방사 방식에 따른 본 발명의 공정 개략도이다.

구체적으로 도 1은 상향식 전기방사시 도 2와 같이 차단막(7b)이 일정간격으로 설치되어 있는 컬렉터(7)를 사용하여 소폭의 나노섬유 웹을 제조한 후, 이를 이용하여 나노섬유 필라멘트를 제조하는 본 발명의 공정개략도이다.

한편, 도 4는 상향식 전기방사시 차단막(7b)이 설치되지 않는 컬렉터(7)를 사용하여 광폭의 나노섬유 웹을 제조한 후, 웹 절단장치(16)로 상기 광폭의 나노섬유 웹을 소폭으로 절단한 후, 이를 사용하여 나노섬유 필라멘트를 제조하는 공정 개략도이다.

한편, 본 발명의 컬렉터(7)의 표면에 형성된 나노섬유 웹(17a)을 컬렉터(7)로부터 용이하게 분리하기 위하여 도 4와 같이 나노섬유가 전기방사 되는 컬렉터(7)의 표면에 나노섬유 웹 분리용 필름 또는 부직포(24)를 연속적으로 공급해 주거나, 도 7 내지 도 9와 같이 컬렉터(7)상에 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 연속 또는 불연속적으로 코팅 또는 분무해 주는 것이 바람직하다.

상기 나노섬유 웹 분리용 용액(27)은 물, 양이온 계면 활성제, 음이온 계면활성제, 양쪽성(양이온-음이온)계면 활성제 또는 중성 계면 활성제등이다.

또한 웹 분리용 용액으로는 에탄올, 메탄올, 벤젠, 메칠렌클로라이드 및 톨루엔등의 용매류를 사용할 수도 있다.

도 7은 공급로울러(25)를 사용하여 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 컬렉터상에 코팅하는 방법을 채택한 본 발명의 공정개략도이고, 도 8은 분사장치(28)를 사용하여 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 컬렉터 하부에서 상방향으로 분무하는 방식을 채택한 본 발명의 공정 개략도이고, 도 9는 분사장치(28)를 사용하여 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 컬렉터 상부에서 하방향으로 분무하는 방식을 채택한 본 발명의 공정 개략도이다.

상기와 같이 전기방사시 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 컬렉터(7)상에 코팅 또는 분무해 주는 경우, 나노섬유의 재질에 따라서는 상기의 방전처리 공정을 생략 할 수도 있다.

1개 노즐블록의 폭 단위로 구분하여 소폭의 나노섬유 웹을 제조하는 방법을 채택하는 경우에는 상기와 같이 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 컬렉터(7)상에 코팅 또는 분무해 주는 효과가 더욱 현저하게 발현된다.

한편, 본 발명은 2종이상의 방사용액을 각각의 전기방사장치로 전기방사하여 2종이상의 리본상 나노섬유 웹(17a)을 각각 제조한 다음, 이들을 1개의 공기꼬임장치(18)내로 통과시켜 하이브리드(Hybrid) 형태의 나노섬유 필라멘트를 제조하는 방법도 포함한다. 도 13은 하이브리드(Hybrid) 형태의 나노섬유 필라멘트를 제조하는 본 발명의 공정개략도이며, 도면중 부호 표시는 생략하였다.

나노섬유 필라멘트가 하이브리드(Hybrid) 형태인 경우에는 웹을 구성하는 각 섬유의 물성을 상호 보완 할수 있는 장점이 있다.

도 1등에 도시된 상향식 방사장치들을 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크(1), 방사용액 정량공급을 위한 계량펌프(2), 다수개의 핀으로 구성되는 노즐(5)이 블록형태로 조합되어 있으며 방사액을 섬유상으로 토출하는 상향식 노즐블록(4), 상기 노즐블록 상부에 위치하여 방사되는 단섬유들을 집적하는 컬렉터(7), 고전압을 발생시키는 전압발생장치(19a) 및 노즐 블록의 최상부에 연결된 방사 용액 배출 장치(12)등으로 구성된다.

상기 노즐블록(4)은 도 13과 같이 [ⅰ] 노즐(5)이 배열된 노즐플레이트(4e), [ⅱ] 노즐(5)을 감싸고 있는 노즐외경홀(4b), [ⅲ] 노즐외경홀(4b)과 연결되며 노즐플레이트(4e) 직상단에 위치하는 방사용액 임시공급판(4d), [ⅳ] 방사용액 임시 공급판(4d) 직상단에 설치된 절연체판(4c), [ⅴ] 노즐 배열과 동일하게 핀이 배열되어 있고 노즐플레이트(4e) 직하단에 위치하는 도전체판(4h), [ⅵ] 도전체판(4h) 직하단에 위치하는 방사용액 주공급판(4f), [ⅶ] 방사용액 주공급판(4f) 직하단에 위치하는 가열장치(4g) 및 [ⅷ] 방사용액 주공급판(4f) 내부에 설치된 교반기(11c)로 구성 된다.

노즐블록(4) 내의 상기 노즐(5)들은 노즐플레이트(4e)에 다수 배열되어 있으며, 노즐(5)의 외부에는 이를 감싸고 있는 노즐외경홀(4b)들이 설치되어 있다.

상기 노즐외경홀(4b)은 노즐(5) 출구에서 과량으로 형성된 방사용액이 모두 섬유화 되지 못할 경우 발생되는 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하고 흘러넘치는 방사용액을 회수할 목적으로 설치되며, 노즐출구에서 섬유화 되지 못한 방사용액을 모아 이를 노즐플레이트(4e) 직 상단에 위치하는 방사용액 임시공급관(4d)으로 이송시키는 역할을 한다.

상기 노즐외경홀(4b)은 노즐(5) 보다 당연히 직경이 크며, 절연체로 구성되는 것이 좋다.

상기 방사용액 임시공급판(4d)은 절연체로 제조되며 노즐외경홀(4b)을 통해 유입되는 잔여 방사용액을 일시적으로 저장한 후, 이를 방사용액 주공급판(4f)으로 이송하는 역할을 한다.

상기 방사용액 임시공급판(4d)의 직상단에는 절연체판(4c)이 설치되어 노즐 부위에서만 방사가 원활하게 될 수 있도록 노즐상부를 보호하는 역할을 한다.

노즐플레이트(4e) 직하단에는 노즐배열과 동일하게 핀이 배열되어 있는 도전체판(4h)이 설치되며, 도전체판(4h)을 포함하고 있는 방사용액 주공급판(4f)이 설치된다.

또한 방사용액 주공급판(4f)의 직하단에는 간접가열 방식의 가열장치(4g)가 설치된다.

상기 도전체판(4h)은 노즐(5)에 고전압을 걸어주는 역할을 하며, 방사용액 주공급판(4f)은 방사드롭장치(3)에서 방사블록(4)으로 유입되는 방사용액을 저장 후 노즐(5)로 공급해 주는 역할을 한다. 이때 방사용액 주공급관(4f)은 방사용액의 저장량을 최소화 할 수 있도록 최소한의 공간으로 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 방사액 드롭장치(3)는 전체적으로 도 14(a) 및 도 14(b)와 같이 밀폐된 원통상의 형상을 갖도록 설계되어 방사용액 주탱크(1)로 부터 연속적으로 유입되는 방사용액을 노즐블록(4)에 방울 형태로 공급하는 역할을 한다.

상기 방사용액 드롭장치(3)는 도 14(a)~도 14(b)와 같이 전체적으로 밀폐된 원통상의 형상을 갖는다. 도 14(a)는 방사용액 드롭장치의 단면도이고, 도 14(b)는 방사용액 드롭장치의 사시도 이다. 방사용액 드롭장치(3)의 상단부에는 방사액을 노즐블록 쪽으로 유도하는 방사용액 유도관(3c)과 기체유입관(3b)이 나란하게 배열되어 있다. 이때 방사용액 유도관(3c)을 기체유입관(3b)보다 조금 길게 형성하는 것이 바람직 하다.

상기 기체유입관의 하단으로부터 기체가 유입되며, 처음 기체가 유입되는 부분은 필터(3d)와 연결된다. 방사용액 드롭장치(3)의 하단부에는 드롭된 방사용액을 노즐블록(4)으로 유도하는 방사용액 배출관(3d)이 형성되어 있다. 방사용액 드롭장치(3) 중간부는 방사용액이 방사용액 유도관(3c)의 말단부에서 드롭(drop) 될 수 있도록 중공상태로 형성되어 있다.

상기 방사용액 드롭장치(3)로 유입된 방사용액은 방사용액 유도관(3c)을 따라 흘러 내리다가 그 말단부에서 드롭(drop)되어 방사용액의 흐름이 한번이상 차단된다.

방사용액이 드롭(drop)되는 원리를 구체적으로 살펴보면, 필터(3d) 및 기체 유입관(3b)을 따라 기체가 밀폐된 방사용액 드롭장치(3)의 상단부로 유입되면 기체 와류 등에 의해 방사용액 유도관(3c)의 압력이 자연적으로 불규칙하게 되며, 이때 발생하는 압력차로 인해 방사용액이 드롭(drop)되게 된다.

본 발명에서 유입되는 기체로는 공기 또는 질소 등의 불활성 가스를 사용 할 수 있다.

상기 노즐블록(4) 전체는 전기 방사되는 나노섬유의 분포를 균일하게 하기 위해서 노즐블록 좌우 왕복운동장치(10)에 의해 전기 방사되는 나노섬유의 진행 방향과 직각방향으로 좌우 왕복운동을 한다.

또한, 상기 노즐블록(4) 내부에는, 보다 구체적으로는 방사용액 주공급판(4f) 내부에는, 방사용액이 노즐블록(4)내에서 겔화되는 것을 방지하기 위하여 노즐블록(4)내에 보관중인 방사용액을 교반하는 교반기(11c)가 설치되어 있다.

상기 교반기(11c)는 비전도성 절연봉(11b)에 의해 교반기용 모터(11a)와 연결되어 있다.

노즐 블록(4)내에 교반기(11c)를 설치하면 무기 금속이 포함된 용액을 전기 방사하거나 장시간 혼합용매를 사용하여 용해한 방사용액을 전기 방사할 때 노즐 블록(4)내 방사용액의 겔화를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 상기 노즐블록(4)의 최상부에는 노즐블록에 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시키는 방사용액 배출장치(12)가 연결되어 있다.

상기 방사용액 배출장치(12)는 흡입공기 등으로 노즐블록내로 과잉 공급된 방사용액을 방사용액 주탱크(1)로 강제 이송시킨다.

또한, 본 발명의 컬렉터(7)에는 직접가열 방식 또는 간접가열 방식의 가열장치(도면에는 표시 안됨)가 설치(부착)되어 있고, 상기 컬렉터(7)는 고정 또는 연속회전 한다.

노즐블록(4)상에 위치하는 노즐(5)들은 대각선 또는 일직선 상으로 배열 된다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

수평균 분자량이 80,000인 폴리(ε-카프로락톤) 고분자(미국 Aldrich 사 제품)를 메틸렌클로라이드/N,N-디메틸포름아마이드(체적비 : 75/25) 혼합용매에 13중량% 농도로 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 상기 고분자 방사용액의 표면장력은 35mN/m, 용액점도는 상온에서 250센티포아즈, 전기전도도는 0.02mS/m, 유전율 상수는 90 이였다.

상기 고분자 방사용액을 도 1과 같이 계량 펌프(2)를 통해 직경이 1㎜인 노즐들이 일렬로 배열되어 있는 노즐블록(4)을 통해 상부에 위치하는 컬렉터(7)로 전기방사하여 단위폭이 2.5㎝인 나노섬유 웹을 제조하였다. 이때, 노즐블록(4)에는 상기 노즐이 80개 단위로 나노섬유 진행방향으로 일렬로 배열된 단위노즐블록 10개로 구성되어 총 노즐 개수는 800개인 노즐블록을 사용하였고, 노즐 1개당 토출량은 1.6mg/분으로 하였다.

또한, 컬렉터(7)로는 테프론의 차단막(7b)이 3㎝간격으로 설치된 컬렉터를 사용하였다.

또한, 전기방사시 노즐블록 좌우 왕복 운동장치(10)를 사용하여 노즐블록(4)을 3m/분의 속도로 좌우 왕복운동 시키고, 컬렉터(7)의 온도를 35℃로 가열하였다.

또한, 전기방사시 전압은 30kV, 방사거리는 20㎝로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 웹(17a)을 회전선속도가 64.2m/분 인 웹 이송 로울러(14,15)사이로 공급하면서 방전장치(9b)에 15kV의 전압을 가하여 방전처리 하였다.

상기 방전처리시 컬렉터로부터 방전장치 까지의 거리(h)를 2.5m로 설정하였고 전기방사시와 반대인 전극을 걸었다.

계속해서, 상기와 같이 방전처리된 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하였다. 이때 공기꼬임장치에 공급되는 공기 압력을 2kg/㎠으로 하여 꼬임수를 60 꼬임(Turns)/m로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 필라멘트(17b)는 제 1로울러(19)와 제 2로울러(20) 사이로 통과시키면서 2.0배의 연신배율로 연신하고, 계속해서 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22)사이로 통과시키면서 35℃로 열처리 후 권취하여 최종제품인 나노섬유 필라멘트를 제조하였다.

이때, 제 1로울러(19)의 회전선속도를 64.2m/분으로 설정하였다.

상기와 같이 제조한 나노섬유 필라멘트는 섬도가 75데니어 이고, 강도가 1.3g/d이고, 신도는 32%이였다. 또한 상기 나노섬유 필라멘트의 표면을 전자현미경으로 촬영한 사진은 도 11과 같다.

실시예 2

분자량이 80,000인 폴리우레탄 수지(대우인터네셔널, 한국)와 중합도가 800인폴리비닐클로라이드(LG화학, 한국)를 중량비로 70/30으로 디메틸포름아마이드/테트라하이드로퓨란(체적비 : 5/5)의 혼합용매에 용해하여 12.5중량% 방사용액을 제조하였다. 상기 방사용액의 점도는 450센티포아스이였다.

상기 고분자 방사용액을 도 4와 같이 계량펌프(2)를 통해 직경이 1㎜인 노즐 400개가 대각선으로 배열되어 있는 노즐블록(4)을 통해 상부에 위치하는 컬렉터(7)로 전기방사하여 폭이 60㎝인 광폭의 나노섬유 웹을 제조하였다.

이때, 노즐 1개당 토출량은 2.0mg/분으로 하였고, 전기방사시 노즐블록 좌우 왕복 운동장치(10)를 사용하여 노즐블록(4)을 2.5m/분의 속도로 좌우 왕복운동 시키고, 컬렉터(7)의 온도를 85℃로 가열하였다.

또한, 전기방사시 전압은 30kV, 방사거리는 25㎝로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 광폭의 나노섬유 웹을 웹 이송 로울러(14,15)사이로 공급하면서 방전장치(9b)를 이용하여 방전처리 함과 동시에 회전칼날이 부착된 웹 절단장치(16)로 2.0㎝ 간격으로 절단하여 폭이 2㎝인 나노섬유 웹 30개를 제조하였다.

상기 방전처리시 방전장치(9b)에 25kV의 전압을 가하고, 컬렉터로부터 방전장치까지의 거리(h)를 2.5m로 설정하였고, 전기방사시와 반대인 전극을 걸었다.

또한 웹 이송 로울러(14,15)의 회전선속도는 30m/분으로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 절단 및 방전처리된 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하였다. 이때 공기꼬임장치에 공급되는 공기 압력을 2kg/㎠으로 하여 꼬임수를 45 꼬임(Turns)/m로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 필라멘트(17b)는 제 1로울러(19)와 제 2로울러(20) 사이로 통과시키면서 1.2배의 연신배율로 연신을 계속해서 제 2로울러(20)와 제 3로울러(22)사이로 통과 시킨후 권취하여 최종제품인 나노섬유 필라멘트를 제조하였다.

이때, 제 1로울러(19)의 회전선속도는 30m/분으로 하였다.

상기와 같이 제조한 나노섬유 필라멘트는 섬도가 120데니어 이고, 강도가 1.4g/d이고, 신도는 50%이였다. 또한 상기 나노섬유 필라멘트의 표면을 전자현미경으로 촬영한 사진은 도 12와 같다.

실시예 3

96% 황산용액에서 상대 점도가 3.2인 나일론 6 수지를 개미산에 15중량% 농도로 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 상기 고분자 방사용액의 표면장력은 49mN/m, 용액점도는 상온에서 1,150센티포아즈, 전기전도도는 420mS/m 이였다.

상기 고분자 방사용액을 도 1과 같이 계량펌프(2)를 통해 직경이 1㎜인 노즐들이 일렬로 배열되어 있는 노즐블록(4)을 통해 상부에 위치하는 컬렉터(7)로 전기방사하여 단위 폭이 1.8㎝인 나노섬유 웹을 제조하였다.

이때, 노즐블록(4)로는 상기 노즐이 100개 단위로 나노섬유 진행방향으로 일렬로 배열된 단위 노즐블록 10개로 구성되어 총 노즐 개수는 1,000개인 노즐블록을 사용하였고, 노즐 1개당 토출량은 1.2㎎/분으로 하였다.

또한, 컬렉터(7)로는 테프론의 차단막(7b)이 2.5㎝ 간격으로 설치된 컬렉터를 사용하였다.

또한, 전기방사시 노즐블록 좌우 왕복 운동장치(10)를 사용하여 노즐 블록(4)을 3m/분의 속도로 좌우 운동시키고, 컬렉터(7)의 온도를 35℃로 가열하였다.

또한, 전기방사시 전압은 30kV, 방사거리는 15㎝로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 웹(17a)을 회전선속도가 50m/분인 웹 이송 로울러(14,15)사이로 공급하면서 방전장치(9b)에 20kV의 전압을 가하여 방전처리 하였다.

상기 방전처리시 컬렉터로부터 방전장치 까지의 거리(h)를 3.5m로 설정하였고 전기방사시와 반대인 전극을 걸었다.

계속해서, 상기와 같이 방전처리된 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하였다. 이때 공기꼬임장치에 공급되는 공기 압력을 3kg/㎠으로 하여 꼬임수를 80 꼬임(Turns)/m로 하였다.

계속해서, 상기와 같이 제조된 나노섬유 필라멘트(17b)는 제 1로울러(19)와 제 2로울러(20) 사이로 통과시키면서 2.6배의 연신배율로 연신하고, 계속해서 제 2로울러(19)와 제 3로울러(22)사이로 통과시키면서 90℃로 열처리후 권취하여 최종제품인 나노섬유 필라멘트를 제조하였다.

이때, 제 1로울러(19)의 회전선속도는 50m/분으로 설정하였다.

상기와 같이 제조한 나노섬유 필라멘트는 섬도가 75데니어 이고, 강도가 3.0g/d이고, 신도는 36%이였다.

본 발명은 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트를 보다 간단한 연속공정으로 제조할 수 있다. 본 발명으로 제조된 상기 연속상 필라멘트는 물성이 크게 향상되어 인조피혁, 공기청정용 필터, 와이핑 클로스, 골프장갑, 가발 등의 일상용품은 물론 인공투석용 필터, 인조혈관, 유착방지제, 인공뼈 등의 다양한 산업분야 소재로 유용하다.

도 1은 노즐블록 단위로 분리된 소폭 웹들을 제조하는 상향식 전기방사 방식에 따른 본 발명의 공정개략도.

도 2는 도 1중 컬렉터(7) 부분의 확대 모식도.

도 3은 도 1에서 소폭 웹을 공기꼬임장치(18)로 꼬아주는 공정의 확대 모식도.

도 4는 웹 분리용 필름 또는 부직포(24)를 사용하여 광폭 웹을 제조하는 상향식 전기방사 방식에 따른 본 발명의 공정개략도.

도 5는 도 4에서 광폭 웹을 웹 절단장치(16)로 절단하는 공정과 공기꼬임장치(18)로 꼬아주는 공정의 확대모식도.

도 6 및 웹 절단장치의 회전칼날(16a)로 광폭 웹을 절단하는 공정의 확대 모식도.

도 7 내지 도 9는 컬렉터(7)상에 나노섬유 분리용 용액(27)을 코팅 또는 분무해주는 상향식 전기방사방식에 따른 본 발명의 공정 개략도.

도 10은 하이브리드(Hybrid) 형태의 나노섬유 필라멘트를 제조하는 본 발명의 공정 개략도.

도 11은 실시예 1로 제조된 나노섬유 필라멘트의 전자현미경 사진.

도 12는 실시예 2로 제조된 나노섬유 필라멘트의 전자현미경 사진.

도 13은 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 노즐블록(4)의 모식도.

도 14(a)는 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 방사원액 드롭장치(3)의 단면도.

도 14(b)는 상향식 전기방사 방식에서 사용되는 방사원액 드롭장치(3)의 사시도.

※ 도면중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 방사용액 주탱크 2 : 계량펌프 3 : 방사용액 드롭장치

3a: 방사용액 드롭장치의 필터 3b: 기체 유입관 3c: 방사용액 유도관

3d: 방사용액 배출관 4 : 노즐블록 4b : 노즐외경홀

4c: 절연체판 4d: 방사용액 임시공급판 4e : 노즐플레이트

4f: 방사용액 주공급판 4g: 가열장치 4h : 도전체판

5 : 노즐 6 : 나노섬유 7: 컬렉터(콘베이어 벨트)

7b: 컬렉터의 차단막 8a, 8b : 컬렉터 지지로울러

9a: 전압발생장치 9b : 방전장치

10 : 노즐 블록 좌우 왕복운동 장치 11a: 교반기(11c)용 모터

11b: 비전도성 절연봉 11c: 교반기 12 : 방사용액 배출장치

13 : 이송관 14, 15 : 웹 이송 로울러 16 : 웹 전달장치

16a : 웹 전달장치의 회전 칼날 16b : 회전 칼날용 모터

17a: 나노섬유 웹 17b : 나노섬유 필라멘트 18 : 공기꼬임장치

19 : 제 1 로울러 20 : 제 2 로울러 21 : 열고정장치(히터)

22 : 제 3 공급로울러 23 : 필라멘트 권취 로울러

24 : 나노섬유 웹 분리용 필름 또는 부직포

24a: 필름 또는 부직포 공급 로울러

25 : 나노섬유 웹 분리용 용액의 공급로울러

27 : 나노섬유 웹 분리용 용액 28 : 나노섬유 웹 분리용 용액 분사장치

h: 컬렉터부터 방전장치까지 거리

u: 1개 노즐블록의 폭으로 방사된 웹의 폭

d : 컬렉터내 차단막 사이의 거리(단위 컬렉터 거리)

Claims (14)

1. 고분자 방사용액을 노즐(5)을 통해 컬렉터(7)로 전기방사하여 리본 형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 웹(17a)을 공기꼬임장치(18)내로 통과시키면서 꼬임을 부여하여 연속상 필라멘트 형태의 나노섬유 필라멘트(17b)를 제조하고, 계속해서 상기 나노섬유 필라멘트(17b)를 연신하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
2. 1항에 있어서, 나노섬유 웹(17a)의 폭을 컬렉터(7)의 전체폭과 동일하게 전기방사 한 후 웹 절단장치(16)로 절단하여 리본형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
3. 2항에 있어서, 웹 절단장치(16)가 회전칼날(16a)과 이를 회전시키는 모터(16b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
4. 1항에 있어서, 나노섬유 웹(17a)의 폭을 1개 노즐블록(4)의 폭과 동일하게 소폭으로 구분하여 전기방사하여 리본형태의 나노섬유 웹(17a)을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
5. 4항에 있어서, 전기방사시 1개 노즐블록(4)의 폭과 동일한 거리로 차단막(7b)이 설치되어 있는 컬렉터(7)를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
6. 1항에 있어서, 공기꼬임장치(18)에는 그 길이 방향을 따라 중앙부에 나노섬유 웹(17a)의 통로 및 공기 배출구가 형성되어 있고, 상기 공기배출구와 수직 방향으로 공기 유입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
7. 1항에 있어서, 전기방사 형태가 상향식 전기방사 방식, 하향식 전기방사 방식 또는 수평식 전기방사방식인 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
8. 1항에 있어서, 나노섬유가 전기방사되는 컬렉터(7)의 표면에 나노섬유 웹 분리용 필름 또는 부직포(24)를 연속적으로 공급해 주는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
9. 1항에 있어서, 나노섬유가 전기방사되는 컬렉터(7)상에 나노섬유 웹 분리용 용액(27)을 연속 또는 불연속적으로 코팅 또는 분무하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
10. 9항에 있어서, 나노섬유 웹 분리용 용액(27)이 물, 양이온 계면활성제, 음이온 계면 활성제, 양쪽성(양이온-음이온) 계면활성제 또는 중성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
11. 9항에 있어서, 나노섬유 웹 분리용 용액(27)이 메탄올, 에탄올, 톨루엔 또는 메틸렌클로라이드인 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
12. 1항에 있어서, 나노섬유 필라멘트(17b)를 두 개의 로울러 사이에서 상기 로울러간의 회전속도 차이를 이용하여 연신하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
13. 1항에 있어서, 2종이상의 방사용액을 각각의 전기방사장치로 전기방사하여 제조된 2종이상의 리본상 나노섬유 웹을 1개의 공기꼬임장치(18)내로 통과 시킴을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.
14. 1항에 있어서, 연신된 나노섬유 필라멘트(17b)를 열처리하는 것을 특징으로 하는 나노섬유로 구성된 연속상 필라멘트의 제조방법.