KR20070073850A

KR20070073850A - 구배 나노섬유 재료 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20070073850A
Application number: KR1020077009948A
Authority: KR
Inventors: 풍-조우 첸; 레이 후앙; 제프리 디. 린드세이
Original assignee: 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-07-10
Also published as: US20060094320A1; WO2006049663A1; MX2007005266A; EP1819859A1

Abstract

본 발명은 구배 재료에 불균일하게 분포되어 하나 이상의 구배를 형성한 2종 이상의 유형의 나노섬유를 포함하는 구배 재료에 관한 것이다. 한 구체예에서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유는 교락되어 단일층의 물질을 형성하며, 즉, 다성분 재료 중에서 서로 부분적으로 물리적으로 교락, 즉 엉킬 수 있다. 이러한 교락은 2 가지 유형 모두의 나노섬유가 중첩된 영역에서 실질적으로 동시에 부착될 수 있을 경우 발생할 수 있다. 또다른 구체예에서, 2종 이상의 유형의 나노섬유는 조합되어 복수의 층을 형성한다. 나노섬유는 전기방사 섬유가 될 수 있다. 상기 재료는 평면 및/또는 두께 방향으로 구배를 지닐 수 있다. 또한, 본 발명의 구체예는 구배 나노섬유 재료의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 재료는 일회용 의복, 와이프, 병원용 의복, 안면 마스크, 살균 랩, 공기 필터, 물 필터 등의 임의의 유형에 유용하다. 본 명세서에 기재된 재료는 강하며 다양한 표면 효과, 예컨대 심지 작용을 제공할 수 있다. 한 구체예에서, 소수성 섬유는 로투스 효과를 생성하기에 충분히 작은 직경을 갖는다.

구배 나노섬유 재료, 표면 효과, 심지 작용

Description

구배 나노섬유 재료 및 그의 제조 방법{GRADIENT NANOFIBER MATERIALS AND METHODS FOR MAKING SAME}

본 발명은 나노섬유 재료 및, 특히 구배 나노섬유 재료, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

섬유상 재료로 제조된 제품은 다양한 적용예, 예컨대 개인 위생 제품 및 의복, 여과 장치 등에 유용하다. 이러한 제품은 흡수성 또는 비-흡수성일 수 있다. 이러한 섬유상 재료는 다수의 성질, 예컨대 특이적 표면 화학 및 기타의 재료 성질을 지니며, 이는 성능에 영향을 미친다.

흡수성 제품은 예를 들면 흡수성 의복으로부터 와이프 직물까지 다양한 적용예에 사용된다. 흡수성 제품을 사용하면, 적절한 흡수성을 제공하기에 충분히 큰 표면적을 갖는 것이 중요하다. 특정의 경우에서, 이와 같은 흡수성 의복에서는 심지 작용(wicking)이 매우 중요한 특징이 된다. 이러한 다수의 제품에서는 재료가 이의 용도에 따라 소수성 또는 친수성인 것이 바람직하다. 특정의 경우에서, 제품은 뚜렷한 물성을 갖는 분리된 부위를 갖는 것이 중요하다.

그러므로, 당분야에서는 개선된 성질을 갖는 섬유상 재료를 제공하는 것이 필요하다.

개요

본 발명은 재료 전체에 걸쳐 불균일하게 분포되어 하나 이상의 구배를 형성한 2종 이상의 유형의 나노섬유를 포함하는 구배 재료를 제공한다. 한 구체예에서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유는 교락되어 물질의 단일층을 형성하며, 즉, 다성분 재료중에서 서로 부분적으로 물리적으로 교락, 즉 엉킬 수 있다. 이러한 교락은 2 가지 유형 모두의 나노섬유가 중첩된 영역에서 실질적으로 동시에 부착될 수 있을 경우 발생할 수 있다. 또다른 구체예에서, 2종 이상의 유형의 나노섬유는 조합되어 복수의 층을 형성한다. 나노섬유는 전기방사 섬유, 단백질 나노섬유, 셀룰로스 나노섬유, 중공 나노섬유, 박테리아 나노섬유, 무기 나노섬유, 하이브리드 나노섬유, 분할 가능한 나노섬유, 및 이들의 조합물을 비롯한 임의의 적절한 유형의 나노섬유가 될 수 있다. 층에서의 2종 이상의 유형의 나노튜브는 특히 2 개의 층 사이의 계면에서 교락될 수 있거나, 또는 2종 이상의 유형의 섬유의 부분은 서로 접합되어 층 일체성을 제공할 수 있다.

또다른 구체예에서, 구배 재료는 재료 전체에 걸쳐 불균일하게 분포되어 하나 이상의 구배를 형성한 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 포함한다. 한 구체예에서, 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 교락시켜 단일 층을 형성한다. 한 구체예에서, 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 조합하여 복수의 층, 즉 다층 재료를 형성한다. 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유는 하나 이상의 평면 구배, 즉 층의 평면내에서의 구배를 형성하기 위하여 복수의 층의 하나 이상에서, 및/또는 하나 이상의 두께 방향 구배, 즉 z-방향 구배(z-방향은 층의 평면에 대하여 수직인 방향임)를 형성하기 위하여 하나 이상의 복수의 층의 사이에서 불균일하게 분포된다. 한 구체예에서, 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유는 단일 중합체 또는 중합체 블렌드 및 전기방사 방법의 2종 이상의 유형으로부터 또는 2종 이상의 상이한 중합체 또는 중합체 블렌드 및 전기방사 방법의 하나 이상의 유형으로 생성된다.

임의의 적절한 재료는 전기방사 섬유에 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 중합체 및/또는 중합체 블렌드는, 존재하는 기타의 재료 없이 및/또는 존재하는 미량의 기타의 섬유, 예컨대 세라믹 및/또는 티타니아만으로, 전기방사 섬유로서 사용된다. 한 구체예에서, 중합체 및/또는 중합체 블렌드는 폴리락티드, 폴리락트산, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리카프롤락톤, 폴리비닐 알콜(PVA), 셀룰로스, 키토산 나일론 (예, 나일론 6, 나일론 406, 나일론 6-6 등), 폴리스티렌, 단백질 등, 또는 이의 조합물로 구성된 군에서 선택되며, 추가로 본 명세서에 기재된 바와 같은 중합체 및 중합체 블렌드의 조합물을 포함한다. 각각의 중합체, 중합체 조합물 또는 중합체 블렌드에 적절한 용매는 당업자에게 공지된 용매로부터 선택될 수 있다. 기타의 구체예에서, 전기방사 섬유는 중합체를 제외한 재료, 예컨대 세라믹으로 생성된다.

본 발명의 구체예는 구배 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 갖는 제품을 더 포함한다. 본 발명은 하나 이상의 구배를 형성하기 위하여 불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 포함하는 복합 전기방사 재료로부터 제조된 흡수성 물품 또는 기타의 일회용 물품, 건강 관리 제품 또는 소비자 물품을 더 포함한다. 한 구체예에서, 하나 이상의 구배 중 적어도 하나는 표면 화학 구배, 예컨대 접촉각 구배이다.

본 발명의 구체예는 제1의 유형의 나노섬유를 생성하는 단계; 제2의 유형의 나노섬유를 생성하는 단계; 상기 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유를 조합하여 구배 나노섬유 재료를 생성하는 단계를 포함하는 방법을 추가로 포함한다. 한 구체예에서, 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유를 이동 기재에 순차적으로 적용한다. 한 구체예에서, 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유를 이동 기재에 실질적으로 동시에 적용하며, 한 구체예에서, 생성된 전기방사된 재료의 적어도 일부분에서 실질적으로 교락한다. 생성된 구배 나노섬유 재료는 두께 및/또는 평면 방향으로 구배를 지닐 수 있다. 한 구체예에서, 나노섬유는 니들 및/또는 슬롯, 또는 임의의 적절한 형상 및 크기를 갖는 복수의 니들 및/또는 슬롯 또는 오리피스의 사용을 비롯한 임의의 적절한 방법에 의하여 형성된 전기방사 섬유가다.

본 발명의 구체예는 흡수성 물품, 예컨대 기저귀, 트레이닝 팬츠, 성인용 실금환자 제품, 여성용 케어 의복 등뿐 아니라, 일회용 물품, 예컨대 병원용 의복[본 명세서에서는 수술용 가운, 헤어 또는 헤드 커버링(예, 샤워 캡, 헤어네트, 수술용 캡 등), 슈즈 커버, 안면 마스크, 일회용 환자 가운, 실험실용 코트, 수술용 장갑 등을 포함하는 것으로 정의함], 살균 랩, 상처용 커버, 지혈 물품을 비롯하여 그리고 추가로 임의의 유형의 장갑, 장갑 라이너 등을 비롯한 기타 의료용 및 수술용 제품(이에 한정되지 않음)을 비롯한 임의의 유형의 일회용 의복에 유용하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 구체예는 와이프, 공기 필터, 물 필터, 흡수성 패드, 정전 웹, 컴퓨터 매체, 예컨대 플로피 디스크 및 하드 디스크 등을 위한 먼지 필터를 비롯한 다수의 기타 유형의 소비자 제품(이에 한정되지는 않음)에 유용하다.

본 명세서에 기재된 재료는 강하며 다양한 표면 효과, 예컨대 심지 효과를 제공할 수 있다. 한 구체예에서, 소수성 섬유는 로투스(lotus) 효과를 생성하기에 충분히 작은 직경을 갖는다.

도 1A는 본 발명의 한 구체예에 의한 구배 전기방사 재료를 형성하는 방법의 개략도를 도시한다.

도 1B는 본 발명의 또다른 구체예에 의한 구배 전기방사 재료를 형성하는 방법의 개략도를 도시한다.

도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D 및 도 2E는 본 발명의 한 구체예에 의한 구배 전기방사 재료의 일부분의 단면의 개략도를 도시한다.

도 3은 본 발명의 한 구체예에 의한 구배 전기방사 재료를 형성하는 또다른 방법의 개략도를 도시한다.

도 4는 본 발명의 한 구체예에 의한 구배 전기방사 재료를 형성하는 방법의 블록 도표를 도시한다.

도 5은 본 발명의 한 구체예에 의한 구배 전기방사 재료를 포함하는 예시의 제품의 개략도를 도시한다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 구체예에 의한 상이한 높이에서 2 개의 니들을 사 용하여 생성한 2 가지 상이한 유형의 전기방사 섬유를 포함하는 구배 전기방사 재료의 10,000 배 및 45,000 배 확대 배율에서의 SEM 현미경 사진을 도시한다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 구체예에 의한 면-대-면으로 정렬된 2 개의 니들을 사용하여 생성한 2 가지 상이한 유형의 전기방사 섬유를 포함하는 구배 전기방사 재료의 15,000 배 및 10,000 배 확대 배율에서의 SEM 현미경 사진을 도시한다.

하기의 바람직한 구체예의 상세한 설명에서는 본 발명의 일부를 이루며 본 발명을 실시할 수 있는 특정의 바람직한 구체예를 예시하도록 도시하는 도면을 참조하였다. 이들 구체예는 당업자로 하여금 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명하였으며, 기타의 구체예를 사용할 수 있는 것으로 이해하여야만 하며, 전기, 화학, 기계, 절차 및 기타의 변경은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있는 것으로 이해하여야만 한다. 그러므로, 하기의 상세한 설명은 제한하는 의미로 해석하여서는 아니되며, 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위와 함께 이러한 청구의 범위가 부여하는 모든 범위의 균등 범위에 의하여서만 정의된다.

본 발명은 불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 나노섬유, 예컨대 복수의 전기방사 섬유를 포함하는 구배 재료에 관한 것이다. 구배는 하나 이상의 두께 방향 구배, 하나 이상의 평면 방향 구배 또는 둘다가 될 수 있다. 또한, 본 발명은 다양한 유형의 나노섬유, 예컨대 전기방사 섬유를 불균일한 방법으로 조합하여 구배 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 명세서에서 사용한 특정의 용어의 정의를 먼저 제시하며, 그후 발명의 다양한 구체예, 실시예 및 간단한 결론에 대한 설명을 제시하고자 한다.

정의

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "일회용 흡수성 의복"은 통상적으로 체액 또는 분비물을 수용 및 유지하도록 하는 신체측 라이너 및 흡수성 엘리먼트를 포함하는 의복을 지칭한다. 흡수성 엘리먼트는 통상적으로 흡수성 재료, 예컨대 셀룰로스 섬유, 티슈 층, 섬유상 부직 웹 및/또는 초흡수성 재료를 포함한다. 종종, 이러한 의복은 그 자체가 다수의 성분, 예컨대 흡수성 코어, 서지 층 등을 포함할 수 있는 흡수성 엘리먼트를 지지하기 위한 바디 섀시를 포함한다. 이러한 의복은 예를 들면 통상적으로 자동 지지 허리 밴드를 사용하여 배치된 실금용 내의 또는, 탭, 벨트 등을 사용하여 사용자에게 고정시킬 수 있는 기저귀 등이 있다. 바디 섀시는, 추가의 이면 시이트, 즉 차단체가 제공되는지의 여부에 따라 투액성 또는 불투액성일 수 있는 외부 커버 또는 이면 시이트, 즉 라이너에 고정된 투액성 상부 시이트 또는 필름을 포함할 수 있다. 통상적으로, 흡수성 엘리먼트는 바디 섀시와 사용자의 사이에 배치된다. 바디 섀시는 예를 들면 사용자의 허리 주위에서 둘레 방향으로 연장되는 자동 지지 허리 밴드를 포함하는, 본 명세서에서 설명한 팬티형 또는 속옷형 내의 등을 비롯한 다수의 형태를 취할 수 있다. 또한, 바디 섀시는 예를 들면 탭, 벨트 등(이들에 한정되지 않음)을 비롯한 당업자에게 공지된 다양한 체결 수단 또는 장치를 사용하여 사용자의 주위에 고정시키는 기저귀 또는 유사 의복이 될 수 있다. 섀시는, 사용자의 가랑이 및 다리와의 가스켓을 형성하도록 다리 개구부 주위에서 그리고 가랑이 영역의 엣지를 따라 형성된 탄성 영역을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "부직 웹"은 통상의 직조 웹에서 발견되는 바와 같은 확인 가능한, 반복적 방법이 아닌 인터메쉬 처리한 각각의 섬유 또는 실의 구조를 생성하기 위하여, 통상의 직물 형성 방법, 예컨대 직조 또는 편성을 사용하지 않고 형성되는 재료의 구조 또는 웹을 지칭한다. 비-직조 웹은 통상의 공정, 예컨대 멜트블로운 공정, 스펀본딩 공정, 필름 어퍼쳐링 공정, 하이드로인탱글링, 코폼 생성, 공기내재, 및 스테이플 섬유 카딩 공정에 의하여 형성될 수 있다. 멜트블로운(MB) 웹 및 스펀본드(SB) 웹은 모두 "멜트스펀" 웹의 예가 된다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "코폼"은 MB 섬유가 서로에 대하여 이격되도록 MB 섬유의 적어도 일부분을 고정시키면서 MB 섬유의 매트릭스의 전체에 걸쳐 배치된 목재 펄프 섬유와 같이 통상적으로 적어도 마이크로섬유 크기 또는 더 큰 다수의 개별화된 흡수성 섬유 및 열가소성 중합체 MB 섬유를 포함하는 공기-형성된 매트릭스 재료의 부직 재료를 지칭한다. 흡수성 섬유는 MB 섬유와 흡수성 섬유의 기계적으로 교락시켜 MB 섬유의 매트릭스에 의하여 상호연결시키고 매트릭스내에서 계류된 상태를 유지한다. MB 섬유 및 흡수성 섬유 단독의 기계적 교락 및 상호연결은 응집 통합된 섬유상 구조를 형성한다. 응집 통합된 섬유상 구조는 섬유의 2 가지의 상이한 유형 사이에서 임의의 접착제, 분자 또는 수소 결합 없이 MB 섬유 및 흡수성 섬유에 의하여 형성될 수 있다. 흡수성 섬유는 균질한 재료를 제공하기 위하여 MB 섬유의 매트릭스의 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있다. 이러한 재료는 모두 공동 양도되고 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,100,324호(Anderson et al.), 미국 특허 제5,508,102호(Georger et al.) 및 미국 특허 제5,385,775호(Wright)에서의 기재에 의하여 제조될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "중합체"는 단독중합체, 공중합체, 예컨대, 블록, 그래프트, 랜덤 및 교호 공중합체, 삼원중합체 등 및 혼합물 및 이이 변형체를 지칭하며 일반적으로 이들을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 중합체의 비제한적인 예로는 폴리락티드, 폴리락트산, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리카프롤락톤, 폴리비닐 알콜(PVA), 셀룰로스, 키토산 나일론(예, 나일론 6, 나일론 406, 나일론 6-6 등), 폴리스티렌, 단백질 등 또는 이의 조합물 등이 있다. 특별하게 한정하지 않는 한, 용어 "중합체"는 재료의 모든 가능한 기하학적 구조를 포함시키는 것으로 한다. 이러한 구조의 예로는 이소택틱, 신디오택틱 및 랜덤 대칭 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 각각의 중합체에 적절한 용매는 황산, 포름산, 클로로포름, 테트라히드로푸란, 디메틸 포름아미드, 물, 아세톤, 및 이들의 조합물을 비롯한 당업자에게 공지된 용매로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "중합체 블렌드"이라는 것은 다양한 유형 및 함량의 중합체 조합뿐 아니라 중합체와 기타의 재료, 예컨대 후술하는 것의 혼합물 등을 지칭한다.

단일 중합체로부터 섬유를 형성하기 위한 중합체 블렌드 또는 시스템은 해당 용매가 전기방사에 사용되기 때문에 임의의 적절한 중합체로부터 선택될 수 있다. 단지 예로서, 전기방사에 적절한 수개의 대표적인 중합체 시스템의 예로는 문헌[H.J. Jin et al., "Electrospinning Bombyx Mori Silk with Poly(ethylene oxide)," Biomacromolecules, Vol. 3, No. 6, Nov.-Dec. 2002, pp. 1233-1239]에 개시된 바와 같은 가공성 또는 기타의 성질을 개선시키기 위하여, 첨가한 중합체, 예컨대 폴리(에틸렌 옥시드)를 임의로 갖는 실크 피브로인; 문헌[M.J. Diaz-de Leon, "Electrospinning Nanofibers of Polyaniline and Polyaniline/(Polystyrene and Polyethylene Oxide) Blends", Proceeding of The National Conference on Undergraduate Research (NCUR) 2001, University of Kentucky, March 15-17, 2001, Lexington, Kentucky]에 개시된 바와 같은 용매, 예컨대 클로로포름에 용해된 폴리아닐린 및 폴리스티렌(PS) 및/또는 폴리에틸렌 옥시드(PEO)의 혼합물로 임의로 도핑된 황산 또는 기타의 용매 중의 폴리아닐린; 문헌[A.V. Mironov, "Nanofibers based on associating polyacrylonitrile-acrylamide copolymers produced by electrospinning", 2nd International Conference on Self-Assembled Fibrillar Networks (in Chemistry, Physics and Biology), Poster Session, Autrans, France, November 24-28, 2001]에 기재된 유기 용매, 예컨대 N,N-디메틸포름아미드(DMF)에 용해된 폴리아크릴로니트릴-아크릴아미드(PAN-AA) 공중합체(보고된 중합체 농도는 DMF중에서 6.4 내지 14.9 중량％임; 포름산중의 나일론 6, 예 용매 중의 약 10-20％ 나일론); 0 내지 100％의 용매 범위의 1:1의 테트라히드로푸란(THF)과 디메틸 포름아미드(DMF)의 혼합물 또는 기타의 비율의 THF 및 DMF중의 폴리우레탄 등이 있다. 폴리우레탄 농도는 예를 들면 물중의 폴리비닐 알콜 및/또는 PEO; 및 아세톤 및 클로로포름의 혼합물중의 폴리락트산 및 비오틴 또는 기타의 단백질성 재료와 같은 용매 중에서의 중량 기준으로 약 5％ 내지 25％가 될 수 있다. 각각의 중합체 블렌드 또는 시스템에 적절한 용매는 당업자에게 공지된 용매로부터 선택될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "길이"라는 것은 길이 또는 세로 방향, 특히 사용자의 전면 및 후면 사이에서 이동하는 방향을 지칭하거나 또는 이에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용한 바와 같은 용어 "측면"은 옆부분에서 옆부분에 위치하거나, 이를 향하거나 또는 이동하는 것, 특히 사용자의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 방향을 의미한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "상부", "하부", "내부" 및 "외부"는 가랑이 영역에 걸쳐서 흡수성 의복을 착용하는 사용자에 관한 방향을 나타내고자 한다. 예를 들면, 용어 "내부" 및 "상부"는 사용자의 신체에 가장 근접한 면을 의미하는 "신체측"을 의미하며, 용어 "외부" 및 "하부"는 "의복 면"을 지칭한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "기계 방향" 또는 "MD"라는 것은 부직 섬유상 재료, 예컨대 본 발명의 전기방사된 복합 재료의 형성중에 섬유를 부착한 형성 표면 또는 이동 기재의 이동 방향을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "횡-기계 방향" 또는 "CD"라는 것은 전술한 기계 방향에 대하여 거의 수직인 방향을 지칭한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "멜트블로운 섬유" 또는 "MB 섬유"는 마이크로섬유 직경이 될 수 있는 직경을 감소시키기 위하여 용융된 열가소성 재료의 필라멘트를 가늘게 하는 고속 가스(예, 공기) 흐름에 용융된 실 또는 필라멘트로서 복수의 미세한, 일반적으로 원형의 다이 모세관을 통하여 용융된 열가소성 재료를 압출시켜 형성된 섬유를 지칭한다. 그후, MB 섬유는 고속 기체 흐름에 의하여 얻으며, 랜덤 분배된 MB 섬유의 웹을 형성하기 위하여 수집 표면상에 부착시킨다. 본 명세서에서는 멜트블로운 섬유를 "굵은" 섬유의 유형인 것으로 간주한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "스펀 본디드 섬유"라는 것은 압출된 필라멘트의 직경을 갖는 스피너렛의 직경을 갖는 복수의 미세한, 일반적으로 원형인 모세관으로부터 필라멘트로서 용융된 열가소성 재료를 압출시킨 후, 예를 들면 환원성 인출 또는 기타의 주지된 스펀본딩 메카니즘에 의하여서와 같이 신속하게 감소시켜 형성된 적어도 마이크로 크기의 섬유 또는 더 큰 섬유를 지칭한다. 스펀 본디드 부직 웹의 생성은 특허, 예컨대 공동 양도되고 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,340,563호(Appel et al.)에 예시되어 있다. 본 명세서에서 스펀 본디드 섬유는 "굵은" 섬유의 유형으로 간주한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "굵은 섬유"라는 것은 크기가 나노섬유보다 더 큰 섬유, 마이크로섬유뿐 아니라, 약 100 마이크로미터 초과, 예컨대 약 200 내지 약 500 마이크로미터 이상의 직경을 갖는 마이크로 크기의 섬유보다 더 큰 섬유를 지칭하며, 예시의 직경 범위는 약 100 내지 약 2,000 마이크로미터 또는 약 200 내지 약 900 마이크로미터가다. 굵은 섬유의 비제한적인 예로는 멜트블로운(MB) 섬유, 스펀 본디드 섬유, 종이 제조 섬유, 펄프 섬유, 플러프, 셀룰로스 섬유, 나일론 스테이플 섬유 등이 있다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "마이크로섬유"라는 것은 평균 직경이 약 100 마이크로미터 이하, 약 0.5 마이크로미터 이상인 직경이 작은 섬유를 지칭하며, 직경의 예시의 범위는 약 4 내지 약 50 마이크로미터가다. 마이크로섬유의 비제한적인 예로는, 이들 재료가 마이크로섬유 크기보다 더 클 수도 있으나, 멜트블로운(MB) 섬유, 스펀 본디드 섬유, 종이 제조 섬유, 펄프 섬유, 플러프, 셀룰로스 섬유, 나일론 스테이플 섬유 등이 있다. 마이크로섬유는 울트라 마이크로섬유, 즉 약 0.5 내지 약 1.5의 필라멘트당 데니어(dpf)를 갖는 합성 섬유를 더 포함할 수 있으나, 단 섬유 직경은 약 0.5 마이크로미터 이상이어야 한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "나노 크기의 섬유" 또는 "나노섬유"라는 것은 평균 직경이 약 1,500 ㎚ 이하인 직경이 매우 작은 섬유를 지칭한다. 나노섬유는 일반적으로 섬유 직경이 약 10 내지 약 1,500 ㎚, 바람직하게는 약 10 내지 약 1,000 ㎚, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 500 ㎚, 가장 바람직하게는 약 20 내지 약 400 ㎚인 것으로 이해하여야 한다. 기타의 범위의 예로는 약 50 내지 약 500 ㎚, 약 100 내지 500 ㎚ 또는 약 40 내지 약 200 ㎚이다. 입자가 나노섬유상에 존재하고 불균질하게 분포된 경우, 나노섬유의 평균 직경은 공지의 기법(예, 전자현미경과 연결된 화상 분석 도구)을 사용하여 측정할 수 있으나, 섬유의 무-입자 부분에 대한 첨가된 입자의 존재에 의하여 실질적으로 확대되는 섬유의 부분은 제외한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "전기방사"라는 것은 유체 역학과 하전된 표면상에서의 상호작용을 사용하여 용액으로부터 전기방사 섬유로서 지칭되는 나노크기의 섬유를 생성하는 기법을 지칭한다. 일반적으로, 전기방사 섬유의 형성은 전압 공급원과 전기 소통하는 신체내의 오리피스에 용액을 제공하는 것을 포함하며, 여기서 전기력은 접지될 수 있는 표면상에서 또는 신체 이외의 낮은 전압에서 부착되는 미세한 섬유를 형성하는 것을 돕는다. 전기방사에서, 니들, 슬롯 또는 기타의 오리피스중 하나 이상으로부터 제공된 중합체 용액 또는 용융물은 수집 그리드에 비하여 높은 전압으로 하전된다. 전기력은 표면 장력을 극복하며, 중합체 용액 또는 용융물의 미세한 분사가 접지되거나 또는 반대로 하전된 수집 그리드를 향하여 이동하도록 한다. 분사는 표적에 도달하기 이전에 훨씬 더 미세한 섬유 흐름으로 퍼질 수 있으며, 작은 섬유의 상호연결된 웹으로서 수집된다. 건조 또는 고형화된 섬유는 100 내지 500 ㎚의 섬유가 통상적으로 관찰되기는 하나, 약 40 ㎚, 또는 약 10 내지 약 100 ㎚의 직경을 지닐 수 있다. 다양한 형태의 전기방사된 나노섬유의 예로는 분지된 나노섬유, 튜브, 리본 및 분할 나노섬유, 나노섬유 야안, 표면-코팅된 나노섬유(예, 탄소, 금속 등을 지님), 진공하에서 생성된 나노섬유 등이 있다. 전기방사 섬유의 생성은 예를 들면 문헌[P. W. Gibson et al., "Electrospun Fiber Mats: Transport Properties," AIChE Journal, 45(1): 190-195 (January 1999)]을 비롯한 다수의 문헌 및 특허에 예시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 예컨대 "상이한 유형의 섬유"를 지칭할 경우와 같은 용어 "유형"은 "평균 직경" 이외의 또는 기타의 "크기" 차이를 갖는 상이한 성질을 갖는 것으로 측정된 "실질적으로 상이한 전체 재료 조성물"을 지칭한다. 즉, 2 가지의 섬유는 본 명세서에서 정의된 것과 동일한 "유형"을 지닐 수 있으나, 상이한 "평균 직경" 또는 "평균 직경 범위"를 지닐 수 있다. (그러나, 본 발명에서, 특정의 "평균 직경" 또는 "평균 직경 범위"를 갖는 섬유, 즉 나노 크기의 섬유를 사용하고자 한다). 섬유가 실질적으로 상이한 전체 재료 조성을 지닐 경우 섬유가 상이한 "유형"을 지닐 수 있기는 하나, 섬유는 여전히 하나 이상의 성분을 공통으로 포함할 수 있다. "실질적으로 상이한 전체 재료 조성물"이라는 것은 제1의 섬유 유형에서의 1 중량％ 이상(대표적인 샘플 크기, 예컨대 수집한 섬유 10 g 이상의 샘플을 기준으로 하여)의 제1의 중량％를 포함하는 하나 이상의 성분이 제2의 섬유 유형에서의 실질적으로 상이한 제2의 중량％를 지니는 것을 특징으로 하며, 여기서 제2의 중량％와 제1의 중량％ 사이의 차이의 절대값은 적어도 5％ 및 제1의 중량％의 절반보다 더 작다. 또한, 제2의 중량％와 제1의 중량％ 차이의 절대값은 적어도 10％ 및 제1의 중량％의 절반보다 더 작다. 제1의 섬유 유형에서의 재료의 접촉각은 제2의 섬유 유형에서의 재료의 접촉각과는 10°이상, 보다 상세하게는 20°이상으로 상이할 수 있다. 예를 들면, 입자, 예컨대 실리카 콜로이드성 입자로 코팅되거나 또는 충전제를 포함하는 순수한 폴리에틸렌 옥시드 섬유 및 폴리에틸렌 옥시드 섬유(여기서 상기 충전제는 2 중량％ 이상 정도로 존재함)는 본 명세서에서 섬유의 2 가지의 상이한 "유형"으로 간주할 수 있다. 마찬가지로, 10 중량％ 이상의 수준으로 존재하는 제1의 중합체 성분을 포함하는 중합체 블렌드로 생성된 전기방사 섬유는 제1의 중합체 성분이 실질적으로 존재하지 않는 중합체 블렌드로 생성된 전기방사 섬유에 비하여 상이한 섬유 유형인 것으로 간주한다. 또한, 상이한 "유형"의 섬유는 완전 상이한 함량을 지닐 수 있으며, 이들 각각은 상이한 중합체로 생성되거나, 예를 들면 중합체 섬유로 생성된 것 그리고 티타니아 섬유, 또는 세라믹 섬유 및 티타니아 섬유 등으로 생성된 것이다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "구배 전기방사 재료"는 전기방사에 의하여 생성된 2종 이상의 상이한 "유형"의 나노 크기의 섬유가 존재하고 불균일하게 분포되어 하나 이상의 방향에서 하나 이상의 구배 또는 불균질성을 생성하는 다성분 재료를 지칭한다. "구배 전기방사 재료"에서의 구배는 상이한 유형의 섬유, 즉 실질적으로 상이한 재료 조성의 존재로부터 산출되는, 밀도, 공극 크기, 표면 하전, 제타 전위 등(이에 한정되지 않음)을 비롯한 표면 화학(예, 심지 작용, 접촉각 등) 또는 기타의 재료 성질에서의 측정 가능한 차이를 갖는 불연속 부위를 제공한다. 표면 화학 또는 기타의 재료 성질에서의 측정 가능한 차이를 야기하지 않는, 섬유 분포에서의 적은 변형을 갖는 재료는 구배 전기방사 재료로 간주하지 않는다. 예를 들면, 사용한 오리피스, 전류 등의 효과로 인한 섬유의 고유한 불균일한 분포는 구배 전기방사 재료를 생성하지 않는다. 마찬가지로, 가능하게는 섬유를 생성하는데 있어서의 엣지 효과(형성 영역의 엣지에서의 더 낮은 중량)로 인하여 단일 섬유 유형으로부터 소정의 재료의 밀도 또는 기본 중량에서의 차이를 구배로 간주하지는 않는다. 마찬가지로, 당업자에 의하여 "구배"로 지칭될 수 있는 섬유(예, 2성분 전기방사 섬유, 예 중합체/티타니아 섬유)에서의 다중 성분으로 인한 단일 섬유내에서의 차이는 일반적으로 본 명세서에서 정의한 바와 같이 구배 전기방사 재료만을 생성하는 것으로 간주하지 않지만, 그럼에도 불구하고, 이의 단일 성분으로서 사용할 수 있다. 단일 전기방사 섬유에서의 차이는 예를 들면 전기방사 환경으로의 2 가지의 상이한 유체의 동축상 분사를 방출하기 위하여 2 개의 동심 니들을 사용하여 생성된다. 예를 들면, 문헌["Hollow Nanofiber in a Single Step," Chemical and Engineering News, Vol. 82, No. 17, April 26, 2004, p. 6(비-중공 2성분 섬유가 동일한 수단에 의하여 생성될 수 있음)]을 참조한다. 구배는 재료가 층을 형성한 재료가 되도록 두께 또는 z-방향에 존재할 수 있다. 또한, 구배는 평면에서 또는 x/y-방향(CD 또는 MD)으로 존재할 수 있다. 또한, 구배는 두께 및 평면 방향 모두에 존재할 수 있다. "구배 전기방사 재료"는 동일자로 "복합 나노섬유 재료, 및 이들의 제조 방법"(이하, "복합체 적용예")라는 명칭으로 출원되고 공동 양도된 미국 특허 출원 제10/979,301호에 기재된 "복합 전기방사 재료"(구배를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있음)와는 구별된다. "복합 전기방사 재료"는 본 명세서에서 2 가지의 상이한 평균 직경을 갖는 섬유, 이른바 나노 크기의 섬유 및 굵은 크기의 섬유를 포함하는 재료로 정의한다. 당업자는 2 개의 상이한 "유형"의 섬유를 포함하나 각각의 섬유 유형이 "복합체"인 것과 실질적으로 동일한 평균 직경 또는 평균 직경 범위(예컨대 본 명세서에 기재된 구배 전기방사 재료)를 갖는 재료를 언급할 수도 있으나, 본 발명의 다양한 구체예는 복합체 적용예(상동)에서 정의한 바와 같은 "복합체"인 것으로 간주하지는 않는데, 이는 본 명세서에서 사용한 섬유가 거의 모두의 동일한 평균 직경 또는 평균 직경 범위, 즉 나노 크기의 섬유이며, 또다른 평균 직경 또는 평균 직경 범위를 갖는 섬유는 사용하지 않았기 때문이다. 유사하게, 당업자는 복합체와 동일한 섬유 중에서의 2 개의 상이한 "상"(예, 섬유 직경보다 더 작은 규모의 제2의 매트릭스중의 제1의 중합체의 아일랜드 또는, 섬유의 내부 구역에서의 이의 농도에 대한 한 성분의 농도에서 비교적 개선된 섬유상에서의 표면 구역)으로 지칭할 수도 있으나, 상기의 섬유는 복합체 적용예(상동)에서 정의한 바와 같은 용어 "복합체"에 포함되지 않으나, 본 명세서에 정의한 바와 같은 섬유의 2 가지 상이한 "유형"인 것으로 간주한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "구배 나노섬유 재료"라는 것은 당업계에 공지된 임의의 방법에 의하여 생성되는 2종 이상의 상이한 "유형"의 나노 크기의 섬유가 존재하며, 불균일하게 분포되어 하나 이상의 방향에서 하나 이상의 구배 또는 불균질성을 생성하는 다성분 재료를 지칭한다. (추가의 세부사항에 대하여서는 용어 "구배", "유형" 등의 추가의 논의를 비롯한 상기 "구배 전기방사 재료"의 정의를 참조하며, 이들 모두는 "구배 나노섬유 재료"와 함께 적용 가능하다).

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "재료의 단일 층" 또는 "단일 층 재료"라는 것은 크기가 변동 가능할 수 있는 단일 두께로 이루어진 재료를 지칭한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "복수의 층" 또는 "복수 층의 재료"라는 것은 본 명세서에서 정의한 바와 같은 "구배"로서 간주하지 않는 층 사이의 교락 또는 블렌딩의 작은 부위(예컨대, 도 2B에 도시함)를 지닐 수 있다.

구체예의 설명

도 1A는 구배 전기방사 재료(116)의 제조 방법을 포함하는 본 발명의 한 구체예의 개략도를 도시한다. 도 1A에 제시한 구체예에서, 이러한 방법은 대기압보다 높도록 가압시킬 수 있는 3 개의 상이한 중합체 공급원 또는 유형(102A, 102B 및 102C) 각각으로부터의 용액 형태로 제공되는 3 가지의 중합체 용액(A, B 및 C)을 사용한 구배 전기방사 시스템(100A)을 사용한다. 이러한 구체예에서, 각각의 중합체 공급원(102A, 102B 및 102C)은 이들 각각의 중합체 용액이 주입될 수 있는, 니들(104A, 104B, 104C) 각각과 유체 소통되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 기타의 구체예에서, 일부의 또는 전부의 니들을 기타의 분배 수단, 예컨대 슬롯으로 교체시킬 수 있다(도 4 참조). 전압 공급원(106)은, 니들(104A, 104B, 104C)이 당업자가 이해하고 있는 바와 같이 수집 기재(108)보다 실질적으로 더 높은 전기 전위에 있도록 니들에 연결된다. 전압 공급원은 니들에 양의 또는 음의 하전을 인가한다. 또는, 2 이상의 전압 공급원(도시하지 않음)은 니들 또는 기타의 오리피스의 2 이상의 각각의 그룹 또는 전압을 독립적으로 조절하는데 사용될 수 있다.

또다른 구체예에서, 니들(104A, 104B, 104C)의 임의의 것 또는 전부를 임의의 적절한 형상 또는 크기의 슬롯 또는 기타의 오리피스와 교체될 수 있다. 또다른 구체예(도시하지 않음)에서, 상기 니들은 외부 절연 재료(예, 유전 코팅)로 차폐된 금속 바디를 포함할 수 있으며, 팁은 유체가 통과되도록 노출되어 있다.

상기의 구체예에서, 3 가지의 상이한 중합체 공급원(102A, 102B 및 102C) 각각으로부터 3 가지 유형의 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)가 이동 수집 기재(108)로 차례로 첨가하기는 하나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 임의의 갯수의 상이한 유형의 전기방사 섬유는 본 명세서에서 기재한 바와 같이 이동 수집 기재(108)에 부착되어 구배 재료를 생성할 수 있다. 한 구체예에서, 2 가지 유형의 전기방사 섬유를 사용한다. 한 구체예에서, 3 가지 유형의 전기방사 섬유를 사용한다. 또다른 구체예에서, 3 개 초과의 전기방사 섬유를 사용한다.

수집 기재(108)는 굵은 섬유를 포함하는 직물, 롤 또는 드럼의 표면, 엔드리스 벨트 등이 될 수 있으며, 금속, 예컨대 직조 금속 와이어 직물 또는 금속성 코팅을 포함할 수 있으며, 전기 전도성(예, 전기 전도성 중합체를 포함하는 직조 또는 부직 웹)이 될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 또한, 전기방사는 기재, 예컨대 종이 타월, 상처 드레싱, 일회용 의복, 수술용 가운, 장갑, 슈즈 라이너, 의료용 이식체, 사출 성형된 장치, 예컨대 카테터, 필터 재료(예, 공기 또는 물 여과용) 등의 한면 또는 양면에 균일하게 또는 불균질하게 적용된 낮은 기준 중량 작용성 코팅(예, 패턴내에서 또는 평면내에서 또는 화학에서의 z-방향의 구배)을 적용하는데 사용할 수 있다. 한 구체예에서, 수집 기재(108)는 캐리어 와이어이다. 도 1A에 도시한 구체예에서, 수집 기재(108)는 왼쪽으로부터 오른쪽으로의 기계 방향(MD)(110)으로 이동하며, MD에 대하여 수직인 횡-방향(CD)(112)은 종이의 평면으로 진행한다.

중합체 공급원(102A, 102B 및 102C)으로부터의 중합체 용액이 높은 전기 전위에서 니들(104A, 104B, 104C)을 통하여 주입되면, 나노 크기의 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)는 당업자에 의하여 숙지된 바와 같이 전기방사에 의하여 형성된다. 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)를 수집 기재(108)에 성공적으로 부착시켜 구배 전기방사 재료(116)를 형성한다. 이러한 부착의 유형 및 방법에 따라서, 생성된 구배 전기방사 재료(116)는 하나 이상의 방향에서의 불균일성, 즉 하나 이상의 방향에서의 하나 이상의 구배를 지닐 수 있다. 상세하게는, 도 1A의 방법에 의하여 생성된 구배 재료는 두께 방향(즉, z-방향) 및/또는 평면 방향(즉, x 및/또는 y-방향), 즉 CD 및/또는 MD에서 하나 이상의 구배를 지닐 수 있다.

도 1B는 MD(110)가 종이면으로 진행하며, CD(112)는 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 또다른 구배 전기방사 시스템(100B)을 나타낸다. 상세하게는, 수집 기재(108)가 종이로 이동한다. 나노 크기의 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)는 수집 기재(108)상에서 부착되어 구배 전기방사 재료(116)를 형성한다. 한 구체예에서, 섬유(114A, 114B 및 114C)는 실질적으로 동시에 부착된다. 다시, 부착물의 유형 및 방식에 의하여, 생성된 구배 전기방사 재료(116)는 하나 이상의 방향에서 구배를 지닐 수 있으며, 즉 두께 및/또는 평면 방향에서 뚜렷한 불연속 부위를 지닐 수 있다. 뚜렷한 불연속 부위의 존재는 중합체의 온도를 비롯한 다수의 요인에 의존하며, 다양한 중합체의 위치 및 각도는 나노 크기의 섬유 등으로서 부착된다.

도 1B에 도시한 구체예에서, 생성된 구배 전기방사 재료(116)는 3 개의 측면이 이웃한 영역, 즉 도시한 바와 같이 불연속 부위(115A, 115B 및 115C)가 존재하도록 재료(116)의 평면에서 변경되는 구배인 적어도 x 또는 y-방향에서 불균질성을 지니며, 이들 각각은 비교적 높은 농도의 3 개의 섬유 유형(114A, 114B 및 114C) 각각 중 하나를 갖는다(도 2B 참조). 한 구체예에서, 또한, 구배 전기방사 재료는 z-방향에서 불균질성을 갖는다. 한 구체예에서, 3 미만의 불연속 부위가 존재한다. 또다른 구체예에서, 3 초과의 불연속 부위가 존재한다.

도 1B에 도시한 구배 전기방사 재료(116)가 확인 가능한 불연속 부위(115A, 115B 및 115C)를 갖는 구배 재료이기는 하나, 실제로 구배가 여전히 존재하기는 하나, 불연속 부위 사이에서의 경계가 모호해질 수 있는 하나 이상의 영역내에서 각종 섬유 유형의 상당한 중첩에 대하여 적어도 일부가 존재할 수 있다.(예를 들면, 도 2D 및 도 2E 참조). 하나의 부위로부터 다른 부위로의 중첩 양은 한 구체예에서는 서로에 대하여 중합체 공급원(102A, 102B 및 102C)의 배치에 의하여 조절된다. 상세하게는, 한 중합체 유형의 니들이 다른 유형에 대하여 각을 형성할 경우, 각각으로부터 생성된 부착물은 중첩될 수 있다. 기타의 구체예에서, 니들(104A, 104B, 104C)중 하나 이상 또는 중합체 공급원 및 니들 시스템(102A/104A, 102B/104B, 102C/104C)중 하나 이상은 임의의 적절한 방법으로, 예컨대 전기방사 재료에 추가의 불균질성을 추가하는 생성중에 또는 다양한 실시 사이에서 전후로, 원형 운동으로, 상하 등으로 이동 또는 진동하도록 설계된다. 또한, 도 1B에 도시한 구체예는 제시된 중합체 유형의 갯수 또는 위치로 제한되지 않는다.

도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D 및 도 2E는 구배 전기방사 재료를 생성하도록 변형된 임의의 적절한 방법을 비롯한 도 1A 또는 도 1B의 방법 또는 이의 조합 및/또는 변형에 의하여 생성될 수 있는 예시의 구배 전기방사 재료가 도시되어 있다. 이러한 물질은 특정의 영역 또는 부위에서 벌크 성질의 불연속 분포를 갖는다. 또한, 도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D 및 2E의 경우, 재료(116A, 116B, 116C, 116D 및 116E) 각각에서의 일반적인 경향의 단순한 예시를 제공하고자 한다. 이러한 재료는 z-방향 및/또는 x 및/또는 y-방향으로, 즉 재료의 평면으로 구배를 지닐 수 있으며, 예를 들면 기계 방향, 횡방향 또는 기타의 평면내 방향에서의 측정 가능한 구배를 갖는다. 예를 들면, 이러한 구배 또는 영역은 독립적으로 소수성, 친수성, 엘라스토머, 비-엘라스토머, 높은 다공성, 더 낮은 다공성 등인 섬유를 포함할 수 있다. 또한, 기본 중량 등은 위치에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 생성된 구배 전기방사 재료가 표면 화학 또는 기타의 재료 성질에서 하나 이상의 방향으로 상이하여 구배 재료를 산출하도록, 전기방사 재료의 한면은 한 유형의 섬유를 갖는 전기방사된 웹이 될 수 있으며, 또다른 면 또는 구역은 충분량의 또다른 유형의 전기방사 섬유와 조합된다.

한 구체예에서, 경로의 개시에서의 평균 성질이 경로의 종반에서보다 소정의 값(예, 2 개의 값중 더 높은 것의 약 20％ 또는 약 50％ 정도)보다 더 크게 상이하도록, 평균 변수가 약 5 ㎝ 길이로 (또는 약 3 ㎝의 길이로 또는 약 10 ㎝의 길이로) 선형 경로를 따라 실질적으로 단조 변경되도록, 재료에서의 약 1 ㎝×1 ㎝ 평방 부위에 대한 평균의 구배 전기방사 재료(116)의 재료 성질이 재료의 평면에서 변경된다. 예를 들면, 접촉각 구배는, 구배 전기방사 재료(116), 예컨대 구배 전기방사된 웹에서의 약 1 cm 평방 부위에 대한 평균 접촉각이 웹의 일부분에서 약 20°이며, 그후, 비교적 더 소수성인 웹의 일부분에 도달하는 웹에서의 선형 경로를 따라 증가되어, 제1의 구역으로부터 약 5 ㎝ 떨어진 구역의 평균 접촉각이 약 60°가 될 수 있으며, 더욱 일반적으로는 약 20° 이상으로 상이할 수 있도록 하는 구배이다. 기타의 구체예에서, 평균 섬유 크기는 구배 전기방사 재료(116)의 평면에서의 약 5 ㎝ 경로를 따라 약 30％ 이상, 또는 약 100％ 이상 변경된다. z-방향 구배의 경우, 재료 두께의 약 20％를 나타내는 구배 전기방사 재료(116)의 층에 대한 평균 섬유 성질은 물리적 성질, 예컨대 섬유 직경 또는 표면 에너지의 약 20％ 이상 또는 약 50％ 이상으로 또는, 접촉각에 대하여 약 20° 이상으로 이웃한 층으로부터 변경된다.

구배는 임의의 적절한 방법으로, 예컨대 전기방사된 전달 수단, 예컨대 니들의 진동, 섬유의 생성 및/또는 분배 속도의 변경, 이동 수집 기재의 속도의 변경, 중합체 온도의 변경, 인가된 전압의 변경, 전기방사 섬유 특징(예, 니들 특징, 슬롯의 사용 등)의 변경을 비롯한 이동 기재에 첨가되는 하나 이상의 유형의 섬유의 공급원 위치 및/또는 속도 및/또는 전달 각의 변경에 의하여 형성될 수 있다. 임의의 이들 변수는 마찬가지로 시간에 따라 변경되어 MD 변형을 생성할 수 있다. 한 구체예에서, 본 발명의 구배 전기방사 재료는 표면 화학 구배를 지니며, 여기서 재료에서의 표면 화학의 구배와 결합된 전기방사 섬유의 높은 표면적은 본 명세서에서 설명한 "로투스 효과"에 의하여 액체를 반발하는 임의의 구역을 비롯한 초-친수성 및/또는 초-소수성을 갖는 구역을 갖는 재료를 제공한다.

예를 들면, 단일 층의 재료를 생성하도록 도 1A 또는 도 1B의 방법을 실시하지만 하나 이상의 성분, 예컨대 전기방사 섬유(114C)가 특정의 부위에서 더 높은 농도를 갖도록 하는 방식으로 부착되는 경우, 이는 x 또는 y-방향으로, 즉 재료의 평면에서, 예컨대 도 2A에서 도시한 바와 같은 구배, 즉 불균질성을 생성할 수 있다. 이러한 재료는 여전히 단일 층(215)을 갖는 것으로 간주되나, 상기 층내에서 구배를 지닐 수 있다. 임의의 수의 구배는 단일 층 재료의 평면내에 존재할 수 있다.

그러나, 모든 불균일 부위가 본 명세서에서 정의된 바와 같은 "구배"로서 간주되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 2A 및 도 2C에서의 단일 층의 재료의 엣지 부근에서 그리고 도 2B에서의 층의 상부 또는 하부 부근에서의 불균일 부위(240)는 본 명세서에서 정의된 바와 같은 구배로 간주되지는 않는다. 불균일 부위(240)는 당업계에서 공지된 바와 같이 임의의 유형의 전기방사 재료를 제조하는 방법중에 본질적으로 발생될 수 있다. 특정의 경우에서, 도 2A 및 도 2C에 나타난 불균일 부위(240)는 하나의 재료에서의 농도 또는 기본 중량이, 재료가 적용되는 구역의 엣지에서 점점 감소되는 "엣지 효과"로서 공지된 것을 비롯한 다수의 요인에 의하여 야기될 수 있다. 기타의 불균일 부위(240)는 도 2B에 나타낸 층 사이에서의 제한된 교락된 부분, 예컨대 "C" 및 "A/B" 불균일 부위(240)이다. 기타의 불균일 부위(240)는 층, 예컨대 도 2B의 "A/A" 불균일 부위의 두께에서 약간의 변화를 생성한다.

도 2A와는 반대로, 도 2B는 다층 재료가 형성되도록 하는 방식으로 실시될 경우 도 1A의 방법에 의하여 생성될 수 있는 재료(116B), 즉 z-방향에서의 구배를 나타낸다. 이러한 재료(116B)에서, 전기방사 섬유(114A)로 생성된 하부 층(215A) 및 전기방사 섬유(114B)로 생성된 상부 층(215B)이 존재한다. 하부 층(215A)은 하부면(222)을 갖고, 상부 층(215C)은 상부면(220)을 갖는다. 이들 2 층의 사이에는 각각 전기방사 섬유(114B)로 이루어진 중간 층(215B)이 존재한다. 특정의 구체예에서, 예를 들면 상부 층이 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유로 이루어지고, 하부 층이 3 가지 이상의 유형의 전기방사 섬유로 이루어지도록 이들 층에서의 임의의 변형이 가능하다. 임의의 수의 기타의 조합뿐 아니라, 임의의 수의 층 및 층 형성 패턴은 재료의 소정의 성질에 의존하여 가능하다. 한 구체예에서, 도 2B의 재료(116B)는 재료의 길이 및 폭을 통한 적용을 야기하는 광범위한 방식으로 각종 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)를 부착시키기 위한 수단을 제공하고, 그리고 섬유를 실질적으로 동시에 부착시키기 보다는 섬유를 연속적으로 부착시키도록 하는 섬유(114A, 114B 및 114C)의 부착물의 타이밍을 조절하여 도 1B의 방법에 의하여 생성된다.

도 2C는 도시한 바와 같이 2 이상의 평면, 이른바 층(215A 및 215C)에서의 구배뿐 아니라 z-방향에서의 층 또는 구배를 갖는 재료(116C)를 도시하며, 본 발명이 이러한 방법으로 제한되지는 않으나, 도 1A의 방법에 의하여 생성되는 것이 가장 가능할 것이며, 또한 이러한 재료는 전술한 바와 같이 적절한 조절에 의하여 도 1B의 방법에 따라 생성될 수 있다. 또한, 각각의 층의 두께 및 기본 중량은 층(215C)으로 도시한 바와 같은 위치에 따라 변경될 수 있으며, 기타의 구체예에서는, 특정 성분, 예컨대 층(215A)에서의 성분(114A)의 더 높은 농도는 층의 두께에서의 임의의 실질적인 변경을 반드시 야기하지는 않는다. 이러한 재료에서, 전기방사 섬유(114A)로 생성된 하부 층(215A) 및 전기방사 섬유(114C)로 생성된 상부 층(215C)이 존재한다. 하부 층(209)은 하부면(222)을 갖고, 상부 층(215C)은 상부면(220)을 갖는다. 이들 2 개의 층 사이에는 전기방사 섬유(114B)로 이루어진 중간 층(215B)이 존재한다. 층의 갯수 및/또는 층 형성 패턴의 임의의 변형도 또한 상기에서 설명한 바와 같이 가능하다.

도 2D는 평면 방향에서의 구배를 갖는 단일 층의 재료(116D)를 나타낸다. 이와 같은 재료는 도 1B의 방법에 의하여 생성될 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 1A의 방법에 적절한 변형을 실시하여 재료(116D)를 생성할 수 있을 것이다. 도 2D에 도시한 재료(116D)에서, 각각의 전기방사 섬유(114A, 114B 및 114C)를 포함하는 다중 분할된 상부 층(215A, 215B 및 215C)이 존재한다. 이러한 구체예에서, 연장되는 중첩의 2 개의 부위, 이른바 부위 A/B(230) 및 부위 B/C(232)가 존재하며, 이들 각각은 도시한 바와 같은 1 초과 유형의 전기방사 섬유를 포함한다. 상기 중첩 부위는 소정의 최종 성질에 따라 원하는 정도로 작거나 또는 크게 이루어질 수 있다. 또한, 층의 갯수 및/또는 층 형성 패턴에서의 임의의 변형도 상기에서 설명한 바와 같이 가능하다.

도 2E는 두께 및 평면 방향 모두에서의 구배를 갖는 재료(116E)를 나타내며, 이는 도 1B의 방법에 의하여 생성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 도 1A의 방법에 적절한 변형을 실시하여 재료(116E)를 생성할 수 있을 것이다. 도 2E에 도시한 재료(116E)에서, 2 개의 다중 분할된 층이 존재하며, 이들 각각은 여러 가지 순서로 부위(215A, 215B, 215C)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 연장되는 중첩의 2 개의 부위, 이른바 부위 A/B(230) 및 부위 B/C(232)가 존재하며, 이들 각각은 도시한 바와 같은 1 초과 유형의 전기방사 섬유를 포함한다. 상기 중첩 부위는 본 명세서에서 정의된 바와 같은 구배로 간주되지는 않으나, 소정의 최종 성질에 따라 원하는 정도로 작거나 또는 크게 이루어질 수 있다. 또한, 층의 갯수 및/또는 층 형성 패턴에서의 임의의 변형도 상기에서 설명한 바와 같이 가능하다.

주로 두께 방향 및/또는 평면 방향에서의 비교적 단순한 구배가 논의 및 예시되기는 하였으나, 더욱 복잡한 구배 또는 기타 유형의 구배는 본 명세서에서 논의되고 도 1A, 도 1B 및 도 3에 도시된 임의의 방법의 적절한 변형을 비롯한, 당업자에게 공지된 제조 방법에 의하여 임의의 기타 갯수의 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 한 구체예에서, 제2의 화학 유형의 제2의 구역으로 교체되는, 방사상 구배 전기방사 재료는 방사상 외부를 향하여 감소하는 하나의 화학 유형의 중앙 구역과 함께 사용되며, 또한, 두께 방향 구배는 특정의 구역에서 동시에 존재할 수 있다. 구배는 재료내에서 반복되거나 또는 반복되지 않는 패턴, 예컨대 다른 표면에 의하여 둘러싸인 하나의 표면 유형의 엇갈린 그리드 배열로 발생할 수 있다. 한 구체예에서, 직선 또는 육방정계 패턴을 사용한다. 또다른 구체예에서, 스트라이프, 점 또는 기타의 공지된 구조의 패턴을 사용한다. 또다른 구체예에서, 구배는 선형, 타원형이거나 또는, 표면 처리의 인쇄에 의하여 달성되는 디지탈 화상에 해당할 수 있다. 구배의 임의의 갯수 및 유형은 원하는 바와 같이 하나의 재료에 및/또는 상이한 유형의 재료를 사용하여 하나의 제품에 조합할 수 있다.

도 2A 및 도 2D에 도시한 바와 같이, x 및/또는 y-방향에서의 구배를 갖는 구배 전기방사 재료, 즉 하나 이상의 평면 구배를 갖는 단일 층의 재료는 하나의 구역으로부터 다른 하나의 구역으로 유체의 심지 작용을 조절하거나 또는, 물품의 기타의 구역에서 유체의 통과 또는 흡입을 가능케 하면서 물품의 특정 구역에서 차단체 성질(예, 유체, 예컨대 알콜, 혈액 또는 기타의 체액에 대하여 또는, 특히 미생물 및 바이러스에 대하여)을 제공하는 작용을 하는 제품, 예컨대 흡수성 물품 또는 의료용 물품에 유용할 수 있다. 도 2B에 도시한 바와 같이, 두께 또는 z-방향에서의 구배를 갖는 구배 전기방사 재료는 유체 흡입 층, 차단체 층, 피부 접촉 재료 및, 공기, 물 또는 기타의 유체용 필터에 유용할 수 있다.

도 2C 및 도 2E에 도시한 바와 같이, z-방향 및 평면내 모두에서 하나 이상의 구배를 갖는 구배 전기방사 재료는 각종 의료용 물품 및 일회용 의복에 유용할 수 있다.

전기방사 섬유 자체는 당업계에서 공지된 바와 같이 방법을 변경시켜 원하는 특이적 측정 가능한 성질을 변경시켜 생성할 수 있으며, 그리하여 본 명세서에서 정의된 바와 같은 섬유의 상이한 "유형"을 생성할 수 있다. 한 구체예에서, 복합 전극 시스템을 사용하여 고 전단 기체 흐름을 위한 슬롯 또는 개구(니들 대신에 또는 니들 이외에)를 포함하는 전기방사 섬유를 생성하여 전기방사 섬유를 동반한다. 그후, 유용한 기하, 예컨대 문헌[Li et al., in "Electrospinning of Polymeric and Ceramic Nanofibers as Uniaxially Aligned Arrays", Nano Letters, vol. 3, no. 8, July 8, 2003, pp. 1167-1171]에 기재된 바와 같이, 예컨대 단축 정렬된 세라믹 전기방사 섬유를 변형시킬 수 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다. 기타의 구체예에서, 필요할 경우 정렬시킬 수 있는 티타니아 나노섬유 또는 알루미나-붕산염 산화물 섬유가 생성되었다. 또한, 티타니아/중합체 또는 아나타스 나노튜브를 포함하는 세라믹 나노섬유는 예컨대 문헌[Dan Li et al., in "Direct Fabrication of Composite and Ceramic Hollow Nanofibers by Electrospinning", Nano Letters, vol. 4, no. 5, March 30, 2004, pp. 933-938]에 기재된 것을 사용할 수 있으며, 이 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

도 3은 구배 전기방사 재료(116)를 형성하기 위한 또다른 방법의 간단한 개략도를 제공하며, 여기서 슬롯(305A 및 305B)는 니들 대신에 사용된다. 도 3에 도시한 구체예에서, 중합체 용액의 2 개의 공급원(302A 및 302B)은 전기방사 섬유(314A 및 314B)의 형태로 용액의 흐름을 이동 기재(108)에 전달하기 위하여 각각의 슬롯(305A 및 305B)과 유체 소통된다. 실제로, 임의의 적절한 수의 중합체 용액을 사용할 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이 공급원(106)을 사용하여 수집 기재(108)에서보다 상이한 전기 전위에서 슬롯(305A 및 305B)을 배치한다. 수집 기재(108)는 종이의 평면으로 또는 평면으로부터 이동될 수 있으며, 공기-동반된 섬유를 수집하면서 공기가 용이하게 통과될 수 있도록 실질적으로 다공성일 수 있다. 도 1A 및 도 1B와 관련하여 논의된 모든 변수는, 생성된 재료의 평면에서(CD 또는 MD) 또는 재료의 두께 방향으로 또는 모두에서 구배를 갖는 재료를 생성하기 위하여 동일한 방법으로 조절할 수 있다. 또한, 도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D 및 도 2E에서 설명된 임의의 재료는 도 3의 방법뿐 아니라 이의 임의의 변형에 의하여 생성될 수 있다.

본 명세서에 기재된 임의의 방법에서의 수집 기재(108)는 MD에서의 임의의 유용한 속도, 예컨대 약 0.1 내지 약 1 ㎝/초 이상에서 이동할 수 있다. 한 구체예에서, MD 속도는 약 1 ㎝/초 초과 내지 약 400 ㎝/초까지 또는 그 이상이다. 일반적으로, 임의의 적절한 속도를 원하는 바에 따라 사용할 수 있기는 하나, 더 느린 속도는 생성중에 전기방사된 조건을 역학적으로 변경시켜 조절된 기계 방향 구배를 갖는 구배 재료를 생성하는데 유용하며, 더 빠른 속도는 일정한 상태의 조건하에서 z-방향 구배를 생성하기 위한 또는 횡방향에서 이격된 2 이상의 공급원으로부터 전기방사 섬유를 생성하여 달성된 횡-기계 방향(CD)으로의 구배를 갖는 일정한 상태의 제품 또는 재료에 대하여 유용하다. 한 구체예에서, 속도는 약 5 내지 200 ㎝/초이다. 또다른 구체예에서, 속도는 약 0.1 내지 약 50 ㎝/초이다. 또다른 구체예에서, 속도는 약 0.5 내지 10 ㎝/초이다. 한 구체예에서, 속도는 작동중에, 즉 제시간에 변경되어 MD에서 부착시키고자 하는 섬유의 양을 변경시키도록 한다.

또다른 구체예에서, 접지 전극은 공기역학력이 접지면으로의 정전 인력을 극복하도록 슬롯을 갖는 회전, 병진 또는 정지 접지된 표면이어서 전기방사 섬유가 다른 전기방사 섬유의 흐름으로 혼합되도록 한다. 또다른 구체예에서, 전기방사 방법은 진공하에서 실시된다. 또다른 방법은 당업계에서 공지된 바와 같이 분지 섬유, 튜브 섬유, 나노볼, 리본 섬유, 분할 섬유, 전기방사된 야안 및 표면 코팅된 섬유를 생성할 수 있다.

한 구체예에서, 충전제 재료 및 기타의 고형물, 예컨대 임의의 유형의 입자 (예, 초흡수성 입자, 탈취 재료, 예컨대 탈크, 제올라이트 또는 활성탄 입자 또는 실리카, 유백제, 그라파이트, 그라파이트 나노입자, 카본 나노튜브, 실리카 나노입자, 콜로이드성 금속, 예컨대 은 또는 금 등)뿐 아니라, 카올린 또는 기타의 무기물 또는 충전제, 항균제, 엘라스토머 재료, 예컨대 엘라스토머 폴리우레탄 등을 구배 전기방사 재료에 매립시켜 충전제 재료를 포함하지 않는 유사한 재료 조성물의 섬유와 비교하여 상이한 유형을 갖는 섬유(충전제 재료가 섬유 + 조합한 충전제 재료의 2 중량％ 이상의 함량으로 존재할 경우)를 생성한다. 이러한 재료는 의복의 피부 접촉 층 또는 흡수성 물품에서의 피부 건강의 잇점을 제공하며 소비재에서의 기타의 다양한 잇점을 제공하는데 유용할 수 있다.

결합제를 사용하여 섬유에 초흡수성 입자 또는 기타의 입자를 부착시키는 방법은 2003년 7월 22일자로 허여된 "결합제 처리한 입자를 섬유에 결합시키는 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제6,596,103호(Hansen et al.) 및, 2002년 7월 30일자로 허여된 "초흡수제 함유 기저귀의 제조 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제6,425,979호(Hansen et al.)에 개시되어 있으며, 상기 두 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다. 공기 동반을 통한 구조체에 초흡수성 입자를 전달하기 위한 기계적 수단은 2004년 3월 23일자로 허여된 "입상물 첨가 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 제6,709,613호(Chambers et al.)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

본 발명의 구체예에 유용한 초흡수제는 화학적 구조뿐 아니라 물리적 형태에 기초한 유형으로부터 선택될 수 있다. 이의 예로는 낮은 겔 강도를 갖는 초흡수제, 높은 겔 강도를 갖는 초흡수제, 표면 가교된 초흡수제, 균일하게 가교된 초흡수제 또는, 구조체의 전체에 걸쳐 변화되는 가교 밀도를 갖는 초흡수제 등이 있다. 초흡수제는 화학을 기준으로 할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 폴리(아크릴산), 폴리(이소부틸렌-co-말레산 무수물), 폴리(에틸렌 옥시드), 카르복시메틸 셀룰로스, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(비닐 알콜) 등이 있다. 흡수성 물품에 대한 초흡수성 입자의 사용과 관련한 기타의 세부 사항은 2000년 4월 4일자로 허여된 "초흡수성, 스테이플 섬유 및 결합제 섬유를 포함하는 흡수성 구조체"라는 명칭의 미국 특허 제6,046,377호(Huntoon et al.) 및, 2002년 4월 23일자로 허여된 "초흡수제 함유 복합체의 제조 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제6,376,011호(Reeves et al.)에 개시되어 있으며, 상기 두 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

한 구체예에서, 엘라스토머 섬유, 예컨대 엘라스토머 폴리우레탄은 통기성 신축성 필름을 생성하는데 사용된다. 한 구체예에서, 전기방사된 나노섬유의 층을 전기방사 섬유의 필름 또는 부직 웹, 예컨대 어퍼쳐링 처리한 필름 또는 탄성화 웹상에 부착되어 기타의 작용성, 예컨대 텍스쳐, 탄성, 일체성 또는 벌크를 제공하는 층에 부착된 통기성 습기 차단체 층을 제공한다. 또다른 구체예에서, 전기방사 섬유는 고무상 엘라스토머 전기방사 재료에 부착되어 재료의 촉각 성질을 개선시킨다. 엘라스토머 함유 재료는 제품, 예컨대 기저귀, 트레이닝 팬츠, 여성용 생리대, 병원용 가운, 신체에 배치하기 위한 랩, 살균 랩, 상처 드레싱, 의복의 물품, 표면 세정을 위한 와이프, 운동 장비 등에 유용하다.

한 구체예에서, 소량의 전도성 중합체는 전기방사 섬유에 첨가되어 기체 또는 용융물 상에 이온을 제공한다. 또한, 전도성 중합체는 수집 기체상에서의 초기 층으로서 작용하여 전기 장의 변형 또는 조절을 돕거나 또는 전기방사 재료의 형성을 변형시킬 수 있다. 특정의 구체예에서, 약 1 내지 약 5 중량％의 전도성 중합체 재료를 전기방사 섬유에 첨가한다. 한 구체예에서, 전도성 중합체는 질소를 포함하는 5-원 환, 예컨대 폴리피롤리돈 등이다. 전도성 중합체의 사용은 바이오센서 적용예, 예컨대 습윤 센서 등에 유용하다.

한 구체예에서, 복합 전기방사 재료의 일부 또는 전부는 소수성에서의 로투스 효과 및 자동 세정 능력을 모사하기 위하여 충분히 작은 직경을 갖는 소수성 섬유를 포함한다. 로투스 효과라는 것은 표면상의 미세한 소수성 돌기가 물 및 기타의 액체로 하여금 표면에서 굴러 떨어지게 하는 연꽃 잎의 극도의 소수성을 지칭한다. 로투스 효과를 모사한 공지된 상업적인 예는 표면상의 작은 돌기로서 배치된 나노입자에서, 예컨대 왁스의 작은 입자에 관한 것이다. 본 발명의 구체예에서, 나노섬유는 소수성 섬유로서 사용된다. 예를 들면, 미국 특허 제6,660,363호(Barthlott) 및 미국 특허 출원 제2002/0150724호(Nun et al.)를 참조하며, 상기 두 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

생성된 구배 전기방사 재료는 대부분 웹이다. 이러한 웹은 텍스쳐 가공(예, 비크레이핑 통기 건조(UCTAD) 직물, 예컨대 당업계에서 공지된 "아이언맨" 디자인에 대하여 형성하거나 또는 차후에 성형하여 3차원 형상으로 성형)되고, 어퍼쳐링, 슬릿, 엠보싱, 착색, 기타의 재료, 예컨대 층의 구조체에서의 기타의 흡수성 재료와 조합, 엘라스토머 웹 등에 결합될 수 있다. 추가로, 전기방사 섬유의 적어도 일부를 부착시킨 후 재료의 일부 또는 전부를 화학 처리하여 표면 화학을 개질시키고, 웹에서의 표면 화학 구배를 임의로 생성 또는 개선시킬 수 있다. 이러한 처리는 예를 들면 플루오로케미칼을 포함할 수 있다.

전기방사 섬유 이외에, 또한 본 명세서에 기재된 다양한 구체예중 임의의 것에서 기타의 유형의 나노섬유를 사용할 수 있다. 예를 들면, 한 구체예에서, 중공 나노섬유를 개선된 열 절연체, 음향 절연체, 투석 재료, 막 여과, 역삼투압 필터, 화학 분리 등에 사용된다. 중공 나노섬유의 형성은 본 명세서에서 참고로 인용한 문헌[I.G. Loscertales et al., in J. Am. Chem. Soc. 126, 5376 (2004)]에 기재된 기법에 의하여 달성될 수 있으며, 이는 단일 단계에서 나노미터 크기의 내부 직경을 갖는 중공 섬유를 산출한다. 이러한 방법은 현미경 크기를 갖는 액체의 동축상 분사를 형성하는 전기수력학적 힘을 이용한다. 높은 전압에서 한 쌍의 동심 니들을 통하여 2 개의 비혼화성이거나 또는 혼화성이 불량한 액체를 투입하여 액체의 동축상 분사를 형성한다. 외부 셸은 섬유가 형성된 후 증발시킬 수 있거나 또는 제거할 수 있는 내부 액체의 주위에서 고화되어 중공 섬유를 산출한다. 이러한 방법으로, 중공 실리카 섬유는 수 백 나노미터로 측정된 꽤 균일한 크기의 내부 직경으로 방사될 수 있다. 셸은 통상의 액체, 예컨대 올리브유 및 글리세린의 코어 주위에서 테트라에틸오르토실리케이트로부터 졸-겔 화학에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 다수의 기타 화합물, 예컨대 세라믹 재료 및 세라믹 중합체 조합물도 사용하여 중공 섬유를 형성할 수 있다.

또다른 구체예에서, 셀룰로스 나노섬유는 당업계에서 공지된 방법에 의하여 생성되며, 여기서 셀룰로스를 용매에 용해시킨 후, 전기방사 처리한다. 적절한 용매의 예로는 N-메틸모르폴린-N-옥시드(NMMO), 염화아연 용액 등이 있다. 입자는 형성 공정중에 섬유를 생성하는데 사용하고 전기방사 섬유와 조합되는 용액중에서 현탁액 또는 분산액으로서 존재할 수 있다. 또는, 입자 형성 전구체가 존재할 수 있거나 또는, 나노섬유가 생성됨에 따라 입자는 건조 분말로서 첨가되거나 또는 미스트 또는 분무 형태로 동반된다. 입자 또는 동반된 액적에서의 하전을 가하여 입자를 전기방사된 웹으로 전달하는 것을 개선시킨다. 적절한 입자의 예로는 은 (예, 은의 나노입자), 전기방사 섬유(통상적으로 전기방사 니들에 외부 첨가된)에 동반될 수 있거나 또는 동반된 초흡수성 입자, 무기물, 예컨대 이산화티탄 또는 카올린, 탈취제, 예컨대 제올라이트, 중탄산나트륨 또는 활성탄 입자 등이 있다.

한 구체예에서, 단백질 나노섬유, 예컨대 피브리노겐 섬유, 엘라스틴-모방 섬유 등을 굵은 섬유와 조합한다. 한 구체예에서, 무기 및 하이브리드(유기/무기) 나노섬유를 사용한다. 한 구체예에서, 박테리아(예, 박테리아 셀룰로스)로 생성된 다당류 나노섬유를 사용한다.

또다른 구체예에서, 분할 가능한 섬유로서 공지된 나노섬유를 사용하며, 여기서 섬유, 예컨대 마이크로섬유를 팽윤제, 예컨대 수산화나트륨에 노출시켜 다수의 작은 필라멘트 또는 "아일랜드-인-더-씨(island-in-the-sea)" 섬유로 분할되도록 하며, 여기서 전구체 섬유는 통상적으로 용해되어 제거되는 제거 가능한 매트릭스(씨)중에서의 다수의 필라멘트 (아일랜드)를 포함한다. 예를 들면, http://www.ifj.com/issue/october98/story8.html을 참조한다. 예를 들면 아일랜드-인-더-씨 나노섬유는 PVA 씨중의 폴리프로필렌 아일랜드, 폴리에틸렌 씨중의 폴리에스테르 아일랜드 등이 있다. 섬유 직경은 약 0.1 내지 약 4 마이크로미터일 수 있다.

한 구체예에서, 나노공정 기법, 예컨대 프린팅, 원자력 현미경 어셈블리 또는, 2003년 12월 29일자로 "일회용 물품용 게코형 파스너"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제10/747,923호에 개시된 바와 같은 게코형 접착제중에서의 강모(setae)를 생성하는 것으로 공지된 임의의 기법에 의하여 생성된 섬유를 사용한다. 또한, 상기 기법 2 이상을 조합하여 구배 나노섬유 웹을 생성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 한 구체예에서 구배 나노섬유 재료를 형성하기 위한 공정(400)의 블록 다이아그램을 도시한다. 이러한 공정은 제1의 유형의 나노섬유의 생성(402)에 의하여 개시된다. 이러한 공정은 제2의 유형의 나노섬유의 생성(404)을 더 포함한다. 그후, 2 가지 유형의 나노섬유를 조합하여 구배 나노섬유 재료를 생성(406)한다. 한 구체예에서, 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유는 이동 기재상에 순차로 적용한다. 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유는 대략 동시에 이동 기재상에 부착된다. 생성된 구배 나노섬유 재료는 두께 및/또는 평면 방향에서 구배를 지닐 수 있다. 한 구체예에서, 나노섬유는 니들 및/또는 슬롯의 사용을 비롯한 임의의 적절한 방법에 의하여 형성된 전기방사 섬유가다.

본 명세서에 기재된 방법에 의하여 생성된 구배 나노섬유 웹은 다수의 변수, 예컨대 나노섬유의 비율, 나노섬유의 유형, 기체 또는 용융물 상에서의 이온의 존재, 본 명세서에 기재된 기타의 공정 변수 모두에 따라서 각종 성질을 지닐 수 있다. 한 구체예에서, 구배 나노섬유 웹은 비교적 낮은 공극 크기(예, 약 5 마이크로미터 미만)를 갖는 높은 공극율(약 20％ 이상)을 갖는 구배 전기방사된 웹이다. 이러한 특징은 다수의 유형의 흡수성 제품, 각종 유형의 필터, 의료용 제품 등에서 중요하다. 한 구체예에서, 구배 전기방사 재료의 공극율은 약 10 내지 약 95％, 예컨대 약 50 내지 약 90％ 또는 약 30 내지 약 80％이다. 한 구체예에서, 수은 공극율 측정법에 의하여 측정한 바와 같은 공극 크기는 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터, 예컨대 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터, 또는 약 0.1 내지 약 2 마이크로미터, 또는 약 0.2 내지 약 1.5 마이크로미터, 또는 약 1 마이크로미터 미만이다.

각종 제품에서의 구배 나노섬유 재료의 사용은 이하에서 보다 상세하게 논의되지만, 일반적으로, 본 발명의 재료는 흡수성 물품, 예컨대 기저귀, 트레이닝 팬츠, 여성용 생리대, 성인용 실금환자 제품 의복 등을 비롯한 각종 제품에서 유용하다. 한 구체예에서, 재료는 액체를 유지 및/또는 이동시키는 분포 재료로서 사용된다. 한 구체예에서, 소수성이며 다공성인 재료는 피부를 건조하게 유지시키는 것을 돕는 흡수성 재료로서 사용될 뿐 아니라, 유체가 통과되도록 하는 커버로서 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 본 명세서에 기재된 구배 나노섬유 재료는 비-흡수성 물품(예, 장갑)에 또는 흡수성 물품의 비-흡수성 면, 예컨대 외부 커버 층에 사용된다.

상기의 재료는 각종 표면 성질을 필요로 하는 의복, 차단체 의복 등을 비롯한 실질적으로 임의의 유형의 보호 의복에 유용하다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 구배 나노섬유 재료는 병원용 의복, 예컨대 수술용 가운, 헤어 또는 헤드 커버링(예, 샤워 캡, 헤어네트, 수술용 캡 등), 슈즈 커버, 일회용 환자 가운, 실험실용 코트, 안면 마스크, 수술용 장갑(예, 손으로부터 수분을 제거하거나 및/또는 차단 기능을 개선시킴)을 비롯한 임의의 유형의 일회용 의복(이에 한정되지 않음), 살균 랩, 상처용 커버, 지혈 물품 등을 비롯한 기타의 의료용 및 수술용 제품(이에 한정되지 않음)에 혼입시킬 수 있다. 상세하게는, 본 발명의 구배 나노섬유 재료는 유체, 예컨대 체액이 재료를 투과하여 사용자와의 접촉을 방지하는 것을 도울 수 있다. 한 구체예에서, 상기 차단체는 당업계에서 공지된 바와 같은 통기성 차단체이다. 한 구체예에서, 구배 나노섬유 재료는 통기성 차단체로서 사용하기 위한 소수성 섬유를 포함한다. 이러한 재료는 흡수성 물품에 존재하는 장갑, 라이너(예, 장갑의 외부 또는 내부 라이닝), 차단체 층, 외부 커버, 흡수성 코어 라이닝, 차단체 티슈, 커프스, 날개부, 허리밴드 등(이에 한정되지 않음)을 비롯한 임의의 목적을 위한 통기성 재료로서 유용한 것에 유의한다. 또한, 상기의 재료는 와이프 (양면 와이프 또는, 표면 화학 또는 기타의 성질의 구배를 갖는 와이프 포함), 안면 마스크, 공기 필터, 물 필터, 살균 랩 등에 유용하다.

본 명세서에 기재된 각종 구배 나노섬유 재료의 높은 표면적은 추가로 이러한 재료가 여과 적용예에서 유용하도록, 예컨대 악취, 입자 등을 흡수하도록 한다. 한 구체예에서, 본 명세서에 기재된 재료는 물 또는 공기에 대하여 높은 효율의 여과 장치에 사용된다. 한 구체예에서, 본 명세서에 기재된 재료는 통상의 여과 재료, 예컨대 활성탄 등과 조합된다.

한 구체예에서, 본 명세서에 기재된 구배 나노섬유 재료는 흡입 구역내의 흡수성 물품에 사용되어 단일 재료 또는 웹에서 각종 성질을 제공한다. 예를 들면 이들 재료에 의하여 제공된 심지 성질은 유체 흐름 조절, 차단체 성질 등을 제공한다. 그러므로, 하나의 구역은 소수성일 수 있어서 수분을 피부로부터 제거하는 것을 돕게 되며, 또다른 구역은 친수성이어서 유체 표적 부위로부터 이격 배치된다.

한 구체예에서, 본 발명의 구배 나노섬유 재료중 하나 이상은 강도를 제공하는 것으로 공지된 또다른 층(예, 멜트블로운 웹, 폴리올레핀 필름 또는 기타의 필름 층, 어퍼쳐링 처리한 필름, 스크림 층, 티슈 층, 예컨대 기본 중량이 1 ㎡당 약 20 g 이상인 셀룰로스 웹, 직조 층 등)에 적층되어 강도를 제공한다. 이러한 방법에서, 표면 성질(예, 물 편차 등)을 조절할 수 있는 충분히 강한 적층물이 제공된다.

각종 의복 또는 전체 의복(유아용, 어린이용 또는 성인용)의 일부분은 본 명세서에 기재된 임의의 구배 나노섬유 재료를 사용하여 이루어질 수 있다. 한 구체예에서, 본 명세서에 기재한 방법으로 제조된 재료는 유체 불투과성 이면 시이트 또는 외부 커버, 유체 투과성 상면 시이트 또는 라이너, 흡수성 코어 및 흡입/분포 또는 서지 층으로 이루어질 수 있는 삽입물로서 유용하다.

한 구체예에서, 이러한 외부 커버는 유체 차단체로서 작용하며, 본 명세서에 기재된 임의의 구배 나노섬유 재료를 비롯한 임의의 적절한 불투액성 재료 또는 불투액성이 되도록 처리한 재료로 생성될 수 있다. 한 구체예에서, 외부 커버는 내부 라이너 층 및 외부 필름 층, 예컨대 폴리에틸렌 필름으로 이루어진 적층체이다. 한 구체예에서, "통기성 신축 열 적층체"(BSTL)는 외부 커버에 사용된다. 또다른 구체예에서, 외부 커버는 약 1 밀 두께인 엠보싱 또는 매트 표면을 갖는 재료의 불투명 시이트이며, 본 발명은 이와 같이 한정되지는 않는다. 또다른 구체에예서, 외부 표면은, 신장성 재료, 예컨대 넥크, 플리티드(또는 마이크로플리티드) 또는 크레이프 부직, 예컨대 스펀본드 폴리프로필렌, 본디드 카디드 웹 또는, 부직 및 필름의 적층체, 예컨대 외부 커버가 최소의 힘으로 신장되도록 네크, 플리티드 또는 크레이프 처리된 구배 나노섬유 재료, 추가로 본 명세서에 기재된 바와 같은 임의의 유형의 구배 나노섬유 재료로부터 제조된다. 예를 들면, 적절한 신장성 재료는 기본 중량이 약 1.2 osy인 60％ 넥크 처리된 폴리프로필렌 스펀본드이다. 한 구체예에서, 폴리프로필렌 스펀본드 섬유는 하나 이상의 유형의 전기방사 섬유와 조합된다. 또한, 커버 시이트 및 외부 커버는 부직, 필름 또는, 필름 및 부직의 복합체 또는 구배 나노섬유 재료로 생성될 수 있다. 신장성 재료에 대한 추가의 설명의 경우, 2001년 5월 14일자로 "팽창형 흡수성 엘리먼트를 갖는 흡수성 의복"이라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제09/855,182호를 참조하며, 이 문헌은 공동으로 양도되었으며, 본 명세서에서 참고로 인용한다.

라이너는 유체 차단체로서 작용하며, 본 명세서에 기재된 구배 나노섬유 재료를 비롯한 임의의 적절한 재료 또는 재료들로 생성될 수 있다. 한 구체예에서, 라이너는 소수성 또는 친수성 부직 웹, 습윤 강도 종이, 스펀직조 필라멘트 시이트 등(이에 한정되지 않음)을 포함하며, 추가로 구배 나노섬유 재료를 포함하는 유체의 통과를 허용하는 임의의 부드러운 가요성 다공성 시이트로 생성된다. 한 구체예에서, 내부 신체측 표면은 유체의 전달을 돕도록 하는 천공된 표면 또는 적절한 계면활성제 처리를 더 포함하는, 스폿 엠보싱을 갖는 스펀직조 폴리프로필렌 필라멘트 또는 구배 나노섬유 재료로부터 제조된다. 한 구체예에서, 라이너는 내부 라이너 층으로 이루어진 적층체이며, 한 구체예에서는 본 명세서에 기재된 구배 나노섬유 재료, 및 외부 필름 층, 예컨대 폴리에틸렌 필름으로 생성된다. 한 구체예에서, "통기성 신축 열 적층체"(BTSL)는 라이너에 사용된다.

외부 커버 및 라이너의 사이에 배치된 흡수성 코어 또는 흡수성 탄솜은 당업계에서 공지된 바와 같이 액체를 흡수하는 작용을 하며, 이는 본 명세서에 기재된 임의의 구배 나노섬유 재료를 비롯한 임의의 적절한 재료로 생성될 수 있다. 흡수성 탄솜은 사용자에 의하여 분비 또는 삼출된 각종 액체 및/또는 유체를 비롯한 삼출물을 흡수할 때 팽윤 또는 팽창되는 경향을 갖는 임의의 재료가 될 수 있다. 예를 들면, 흡수성 재료는 섬유 및, 초흡수성으로 지칭되는 고 흡수성 재료의 공기형성, 공기내재 및/또는 습윤보유 복합체로 생성될 수 있다. 특정의 구체예에서, 각종 유형의 초흡수성 재료는 각종 유형의 제품, 예컨대 기저귀에 사용될 수 있다. 각종 초흡수성 재료의 전달은 파동 초흡수성 전달 시스템을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들면, 한 유형의 기저귀에서의 흡수성 구조체는 다수의 일반적인 사용 환경에 적절한 성능을 제공하지만 특정의 사용 조건하에서 최적의 성능을 전달하지는 못하는 초흡수성 재료를 포함할 수 있다. 적절한 초흡수성 재료는 천연, 합성 및 개질된 천연 중합체 및 재료로부터 선택될 수 있다. 초흡수성 재료는 무기 재료, 예컨대 실리카 겔, 또는 유기 화합물, 예컨대 가교된 중합체 등이 될 수 있다. 한 구체예에서, 초흡수체는 본 명세서에 기재된 바와 같은 임의의 유형의 복합 전기방사 재료가다. 섬유는 플러프 펄프 재료 또는, 가교된 펄프, 경목, 연목 및 합성 섬유의 임의의 조합 및 전기방사 섬유 또는 기타 유형의 나노섬유가 될 수 있다. 적절한 초흡수성 재료는 다양한 시판업자, 예컨대 미국 미시간주 미들랜드에 소재하는 다우 케미칼 컴파니, 미국 버지니아주 포츠머쓰에 소재하는 바스프 및, 미국 노쓰 캐롤라이나주 그린스버로에 소재하는 데구싸 등으로부터 입수 가능하다. 통상적으로, 초흡수성 재료는 물에서 이의 중량의 약 15 배 이상 흡수할 수 있으며, 바람직하게는 물에서 이의 중량의 약 25 배 초과로 흡수할 수 있다.

공기내재 및 습윤보유 구조체는 통상적으로 구조체를 안정화시키는데 사용되는 결합제를 포함한다. 기타의 흡수성 재료는 단독으로 또는 조합하여 그리고 카디드 또는 공기내재 직물 섬유의 웹, 다중 가닥의 크레이프 셀룰로스 워딩을 비롯하여 각종의 초흡수성 재료, 각종의 발포체, 예컨대 합성 발포 시이트, 흡수성 필름 등을 사용할 수 있다. 또한, 탄솜은 원하는 정도로 선택된 부위에서 약하게 압축 또는 엠보싱 처리할 수 있다. 다양한 허용 가능한 흡수성 재료는 "압력에 대하여 팽창 가능한 히드로겔을 함유하는 흡수성 제품"이라는 명칭의 미국 특허 제5,147,343호, "흡수성 복합체"라는 명칭의 미국 특허 제5,601,542호 및 "습식 형성된 흡수성 복합체"라는 명칭의 미국 특허 제5,651,862호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 공동으로 양도되며, 본 명세서에서 참고로 인용한다. 또한, 고 흡수성 입자의 비율은 약 0 내지 약 100％이며, 섬유상 재료의 비율은 약 0 내지 약 100％이다.

한 구체예에서, 흡수성 탄솜은 예를 들면 공기내재 흡수체중의 열가소성 결합제 섬유로 생성된 것, 예컨대 펄프, 2성분 결합 섬유를 비롯한 비교적 높은 내부 강도를 갖는 섬유상 흡수성 재료 및, 본 명세서에 기재된 바와 같은 임의의 유형의 복합 나노섬유 재료를 비롯한 주름 구역에서의 밀도가 더 높은 초흡수체로 생성된 주름(folded) 흡수성 재료이다. 한 구체예에서, 구배 복합 전기방사 재료를 사용한다. 이들 구역에서의 더 높은 밀도 및 생성된 더 작은 모세 크기는 액체의 더 우수한 심지 작용을 촉진한다. 더 우수한 심지 작용은 흡수성 재료의 더 높은 이용을 촉진하며, 액체를 흡수할수록, 흡수성 재료 전체에 걸쳐 더 균일한 팽윤이 생성되는 경향을 갖는다. 흡입/분포층은 유체 흡입 보유의 중량을 증가시키기 위하여 임의의 적절한 재료로부터 제조된다.

서지 층은 본 명세서에 기재된 임의의 구배 나노섬유 재료를 비롯한 임의의 적절한 재료로 생성되며, 이는 유체 흡입 보유의 중량을 증가시키게 된다.

일회용 의복의 통상이 구조 및 재료의 기타의 세부사항은 당업계에 주지되어 있으므로, 본 명세서에서는 상세하게 기재하지는 않을 것이다. 예를 들면, 미국 특허 제4,437,860호(Sigl)를 참조하며, 이 문헌은 공동으로 양도되었으며, 본 명세서에서 참고로 인용한다.

한 구체예에서, 구배 나노섬유 재료, 예컨대 본 명세서에 기재된 방법에 의하여 생성된 구배 전기방사 재료는 도 5에 도시한 바와 같은 흡수성 물품(502)에 사용된다. 한 구체예에서, 흡수성 물품(502)은 기저귀이다. 또다른 구체예에서, 흡수성 물품(502)은 트레이닝 팬츠, 예컨대 미국 특허 제6,562,167호(Coenen et al.)에 기재된 트레이닝 팬츠이며, 이 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

흡수성 물품(502)은 흡수성 섀시(504) 및, 한쌍의 파스너(508A 및 508B)를 갖는 체결 시스템(506)을 포함하여 흡수성 섀시(504)의 앞길 및 뒷길을 함께 고정시킨다. 파스너(508A 및 508B)는 접착제 스트립, 미캐니컬 파스너 등이 될 수 있다. 흡수성 섀시(504)는 앞길 허리 구역(510), 뒷길 허리 구역(512), 앞길 및 뒷길 허리 구역(510 및 512)을 각각 상호연결하는 가랑이 영역(514), 착용자와 접촉하도록 하는 내부 표면(516) 및, 착용자의 의복에 접촉하도록 하는 내부 표면(516)의 반대면의 외부 표면(518)을 구획한다. 대부분의 구체예에서, 탄성부(519)는 도시한 바와 같이 앞길 허리 구역(510), 뒷길 허리 구역(512) 및 가랑이 구역(514)에 존재한다. 가랑이 영역(514)은 도시한 바와 같이 봉쇄 플랩(521)을 더 포함한다. 섀시(504)에서의 임의의 성분은 본 명세서에 기재한 나노섬유, 예컨대 구배 전기방사 재료를 포함한다. 또한, 흡수성 섀시(504)는 한쌍의 횡방향으로 대향하는 측면 엣지(520) 및, 앞길 허리 엣지(522) 및 뒷길 허리 엣지(524)로 표시한 한쌍의 종방향으로 대향하는 허리 엣지를 구획한다. 앞길 허리 구역(510)은 앞길 허리 엣지(522)와 인접하며, 뒷길 허리 구역(512)은 뒷길 허리 엣지(524)와 인접한다.

흡수성 물품은 외부 커버(526)를 더 포함한다. 일반적으로, 외부 커버(526)는 외부로 향하는 표면상에서 나노섬유의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 나노섬유는 소수성이다. 예시한 흡수성 섀시(504)는 직사각형 또는 임의의 기타의 소정의 형상이 될 수 있는 구조체(528), 한쌍의 횡방향으로 대향하는 앞길 패널(530) 및, 한쌍의 횡방향으로 대향하는 뒷길 패널(532)을 포함한다. 구조체(528) 및 앞길 및 뒷길 패널(530 및 532) 각각은 도 5에 도시한 바와 같은 2 이상의 별도의 엘리먼트를 포함할 수 있거나 또는, 일체형으로 형성될 수 있다. 일체형으로 형성된 앞길 및 뒷길 패널(530 및 532) 각각 및 복합 구조체(528)는 적어도 통상의 재료, 예컨대 신체측 라이너, 플랩 성분, 외부 커버, 기타의 재료 및/또는 이의 조합물을 포함하며, 이의 외부 표면에 배치된 발포층(도시하지 않음)의 세그먼트를 더 포함할 수 있는, 원-피스 탄성, 연신성 또는 비연신성 흡수성 물품을 구획할 수 있다.

흡수성 물품(502) 및, 특히 외부 커버(526)는 하나 이상의 외형 관련 성분, 예컨대 앞길면(536)상의 인쇄된 그래픽(534), 채색된 연신성 허리 밴드(538) 등을 포함할 수 있다. 외형 관련 성분의 예로는 그래픽; 제품의 형상을 사용자에게 보다 명확하게 또는 가시적이 되도록 하기 위하여 하이라이트 또는 강조한 다리 개구부 및 허리 개구부[예, 인쇄한 다리 개구부 구역(540)]; 기능성 성분, 예컨대 탄성 다리 밴드, 탄성 허리밴드, 모의 남아용 "바지 지퍼가 열림", 여아용 주름 장식을 모사하기 위한 흡수성 물품(502)의 하이라이트 또는 강조한 부위; 흡수성 물품(502) 크기의 외관을 변경시키기 위한 흡수성 물품(502)의 하이라이트 부위; 흡수성 물품(502)에서의 등록중인 축축함 표시기, 온도 표시기 등; 흡수성 물품(502)에서의 등록중인 이면 라벨 또는 전면 라벨; 그리고 흡수성 물품(502)에서의 소정의 부위에서의 등록중인 서면의 지시 사항 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 하기의 실시예를 들어 추가로 설명하고자 하나, 이러한 실시예는 본 발명의 다양한 구체예를 추가로 예시하기 위하여 제공하는 것이다. 그러나, 다수의 변형예 및 수정예는 본 발명의 영역내에서 유지되면서 이루어질 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

실시예 1

부직 및 종이 섬유를 사용한 전기방사된/나노섬유 복합체 재료의 제조

재료 및 제조

미국 미주리주 세인트 루이스에 사무소가 소재하는 시그마-알드리치로부터 입수 가능하며, 분자량(MW)이 100,000이고, Catalog No. 18, 198-6인 폴리에틸렌 옥시드(PEO)를 전기방사 섬유에 사용하였다. 미국 로드 아일랜드주 워윅에 사무소가 소재하는 콜로이달 다이내믹스로부터의 3％ 실리카 콜로이드성 입자(340 ㎚) 용액을 충전제 입자로서 사용하여 제2의 유형의 전기방사 섬유를 생성하였다.

각각 상이한 조성을 갖는 2 가지 상이한 유형의 전기방사 섬유를 생성하였다:

1. 전기방사 섬유 - 타입 번호 1 (이하, "ES1"): 저항률 판독치가 18 ㏁·㎝인 초여과 등급의 증류 탈이온수 4 ㎖에 1 g의 PEO를 용해시켜 20％ PEO 용액을 생성하였다.

2. 전기방사 섬유 - 타입 번호 2 (이하, "ES2"): 입자 중량이 약 13％(ESI에 대하여 0％ 입자 중량과 비교하여)인 상이한 유형의 전기방사 섬유(ES1과 비교하여)를 생성하기 위하여 4 g의 3％의 실리카 콜로이드 입자(340 ㎚) 용액에 1 g의 PEO를 용해시켜 20％ PEO 용액을 생성하였다. 이는 하기와 같이 계산하였다: (용액중의 3％ 입자)/(용액중의 23％ 총 고형물(입자 + PEO)) = 13 중량％ 입자.

미국 매사츄세츠주 홀리스턴에 사무소가 소재하는 하버드 애퍼레이터스, 인 코포레이티드로부터의 Model '22' 주사기 펌프를 사용하여 2 가지 용액 모두를 상온 및 주위 압력에서 약 100 ㎕/㎖의 유속으로, 별도의 Tygon(등록상표) 튜빙(1.6 ㎜ 내경)을 통하여 미국 뉴 저지주 프랭클린 레이크스에 사무소가 소재하는 벡턴-딕슨 앤 컴파니가 제조한 2 개의 양으로 하전된 금속의 경사진 끝이 날카로운 B-D(등록상표) 니들[22 G×3.8 ㎝(1.5 인치)]에 압출시켰다. 니들의 취급의 용이성을 위하여 Teflon(등록상표) 튜브로 니들을 각각 분리하였다. 2 개의 니들을 동일한 높이에서, 즉 면-대-면 위치에서 서로 3 ㎝ 이격되도록 또는, 상이한 높이에서 1.5 ㎝ 이격되도록 배치하였다. 미국 플로리다주 올만드 비치에 사무소가 소재하는 감마 하이 볼티지 리서치, 인코포레이티드로부터의 High Voltage Supply ES30P/DDPD(전류 전력 공급이 낮음)를 사용하여 18 ㎸ 전기 전위 구배를 설정하였다.

각 유형의 전기방사 섬유(E1 및 E2)를 생성한 후, 구배 전기방사 재료를 2 가지의 상이한 방법으로 생성하였다. 한 실험에서는, 구배 전기방사 재료를 면-대-면 위치에서 니들을 사용하여 생성하였다. 또다른 실험에서는, 하나의 니들이 다른 하나의 니들보다 더 높게 (그러나, 여전히 면-대-면으로) 구배 전기방사 재료를 생성하였다. 상세하게는, 더 높은 니들을 사용하여 입자 ES2를 포함하는 제2의 유형의 섬유를 생성하였다. 두 경우 모두에서, 샘플을 접지 알루미늄판에서 수집하였다. 면-대-면 니들 위치의 경우, 알루미늄판을 끝으로부터 약 10 ㎝ 아래에 배치하였다. 높이가 상이한 니들의 경우, 알루미늄판을 하부의 니들(ES1) 끝에서 약 10 ㎝ 아래에 그리고 상부 니들(ES2) 끝에서 약 12 ㎝ 아래에 배치하였다.

주사 전자 현미경 화상

SEM 화상은 5 ㎸의 가속 전압에서 작동하는 S4500 장 방출 SEM을 사용하여 촬영하였다. 상부 검출기는 약 9 ㎜의 작업 거리에서 사용하였다(순수한 SEI). 샘플을 약 20 ㎚ 크롬으로 코팅하고, 화상은 10,000 배 내지 45,00O 배 확대 배율로 촬영하였다.

도 6 및 도 7은 상이한 샘플 부위에서 전술한 바와 같은 다양한 높이에서의 2 개의 니들을 사용하여 생성한 2 개의 상이한 유형의 전기방사 섬유를 포함하는 구배 전기방사 재료의 10,000 배 및 45,000 배 확대 비율에서의 SEM 현미경 사진이다. 도 6 및 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, ESI 섬유는 주로 층의 하부를 향하여 존재하며, ES2 섬유(입자 포함)는 층의 상부를 향하여 더 많이 존재하여 두께 또는 z-방향으로의 구배를 생성한다. ES1 섬유는 수집 기재에 더 가까운 하부 니들에서 형성되었기 때문에, 이들을 우선 수집하였으며, 이들은 층의 하부에서 더 큰 수로 존재하는 것으로 판단된다. 추가로, 이러한 화상은 2 개의 상이한 샘플에서 촬영한 것이며, z-방향 구배가 2 개의 화상에서 나타났다.

도 8 및 도 9는 상이한 샘플 부위에서 면-대-면으로 정렬된 2 개의 니들을 사용하여 생성한 2 개의 상이한 유형의 전기방사 섬유를 포함하는 구배 전기방사 재료의 15,000 배 및 10,000 배 확대 비율에서의 SEM 현미경 사진이다. 도 8 및 도 9의 비교는 평면 또는 x-y 구배의 증거를 나타내며, 그리하여 더 큰 수의 ES1 섬유(입자를 포함하지 않음)는 도 9와 비교하여 도 8의 샘플 부위에서 나타났다. 유사하게, 더 큰 수의 ES2 섬유(입자 포함)는 도 8에 비하여 도 9의 샘플 부위에서 나타났다.

결론

본 명세서에 기재한 특정의 구체예에서, 각종 나노섬유의 혼합물은 수집 그리드에 부착되고 다른 나노섬유와 조합되어 구배 나노섬유 재료를 형성하는 나노섬유를 각각 생성하는, 중합체와 같은 상이한 나노섬유-생성 재료를 포함하는 다수의 방출 튜브를 사용하여 생성하였다. 그래서, 예를 들면, 소수성 및 친수성 전기방사 섬유의 혼합물이 생성될 수 있으며, 예컨대 폴리락티드 또는 폴리락트산 중합체의 조합은 용액으로부터 방사되고 그리고, 용융물로부터 방사된 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀 나노섬유와 결합된다. 생성된 구배 나노섬유 재료는 예를 들면 일회용 흡수성 물품에 대한 생분해성 웹을 생성하는데 유용하다. 이러한 웹은 본 명세서에 기재된 바와 같은 물품의 흡입 층, 보호 커버, 분포 재료 및 외부 커버의 일부가 될 수 있다.

본 발명의 구체예는 기타의 섬유상 제품, 및 이들의 제조 방법에 비하여 상당한 잇점을 제공한다. 전기방사 또는 기타의 방법에 의하여 생성된 나노섬유는 소정의 중량에 대하여 매우 큰 표면적을 갖는 재료를 생성할 수 있다. 본 명세서에 기재한 바와 같이, 이들 나노섬유를 다른 유형의 나노섬유와 조합할 경우, 생성된 구배 재료는 비교적 낮은 공극 크기 및 높은 표면적을 제공하면서 유사한 공극율 성질을 유지할 수 있다.

본 명세서에서 인용한 모든 공보, 특허 및 특허 문헌은 이들을 마치 개별적으로 인용하듯이 본 명세서에서 참고로 인용한다. 임의의 불일치가 존재하는 경우 에는 본 명세서에서의 임의의 정의를 비롯한 개시를 우선으로 한다.

특정의 구체예를 본 명세서에서 예시 및 기재하기는 하였으나, 당업자라면, 동일한 목적을 달성하기 위하여 계산한 임의의 배치는 제시한 특정의 구체예로 대체될 수 있다는 것을 숙지할 것이다. 예를 들면, 본 발명은 주로 전기방사 섬유에 관하여 설명하기는 하였으나, 임의의 유형의 나노섬유를 사용할 수도 있는 것으로 이해하여야 한다. 본 출원은 본 발명의 임의의 변형예 또는 수정예도 포함시키고자 한다. 그러므로, 본 발명은 청구의 범위, 및 이들의 균등예에 의하여서만 명백하게 한정되는 것으로 한다.

Claims

재료 전체에 걸쳐 불균일하게 분포되어 하나 이상의 구배를 형성한 2종 이상의 유형의 나노섬유를 포함하는 구배 재료.
제1항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유가 교락되어 단일층의 재료를 형성한 구배 재료.
제1항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유가 조합되어 복수의 층을 형성하고, 상기 하나 이상의 구배가 두께 구배, 평면 구배, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것이며, 또한 하나 이상의 구배 중 적어도 하나는 표면 화학 구배인 구배 재료.
제1항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유가, 복수의 층 중 하나 이상 내에서 불균일하게 분포된 방식, 복수의 층 각각의 사이에서 불균일하게 분포된 방식, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군에서 선택된 방식으로 분포된 구배 재료.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유 중 적어도 1종이 단백질 나노섬유, 셀룰로스 나노섬유, 중공 나노섬유, 박테리 아 나노섬유, 무기 나노섬유, 하이브리드 나노섬유, 분할가능한(splittable) 나노섬유, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것인 구배 재료.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유 중 적어도 1종이 전기방사 섬유인 구배 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 나노섬유 중 적어도 1종이 중합체 또는 중합체 블렌드로부터 생성된 구배 재료.
재료 전체에 걸쳐 불균일하게 분포되어 하나 이상의 구배를 형성한 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 포함하며, 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유의 하나 이상이 중합체 또는 중합체 블렌드로부터 생성된 구배 재료.
제8항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유가 2종 이상의 상이한 방법으로 생성되는 것인 구배 재료.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 또는 중합체 블렌드가 폴리락티드, 폴리락트산, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리카프롤락톤, 폴리비닐 알콜(PVA), 셀룰로스, 실크 피브로인, 폴리아닐린, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리아크릴로니트릴-아크릴아미드, N,N-디 메틸포름아미드, 키토산 나일론, 폴리비닐 알콜, 키토산 나일론, 폴리스티렌, 단백질, 및 이들의 조합물로 구성된 군에서 선택된 것이고, 또한 중합체 또는 중합체 블렌드가 각각 황산, 포름산, 클로로포름, 테트라히드로푸란, 디메틸 포름아미드, 물, 아세톤, 및 이들의 조합물로 구성된 군에서 선택된 용매 중에 존재하는 구배 재료.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유의 적어도 일부분이 소수성 섬유, 친수성 섬유, 및 이들의 조합물로 구성된 군에서 선택된 것인 구배 재료.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 전도성 중합체를 포함하는 구배 재료.
제6항 및 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전기방사 섬유를 약 1 내지 99 중량％ 함량으로 포함하고, 또한 공극율이 약 20％ 이상이고, 공극 크기가 약 5 마이크로미터 미만인 구배 재료.
구배 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 포함하는 제품.
제14항에 있어서, 흡수성 물품인 제품.
제15항에 있어서, 상기 흡수성 물품이 일회용 의복, 와이프, 의료용 제품 또는 소비자 제품인 것인 제품.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구배 전기방사 재료는 z-방향, x-방향, y-방향 또는 이들의 조합으로 하나 이상의 구배를 포함하는 것인 제품.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구배 전기방사 재료가 하나 이상의 전도성 중합체를 포함하는 것인 제품.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 크기의 충전제 재료를 더 포함하는 제품.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구배 전기방사 재료에 적층된 굵은 섬유 재료를 더 포함하는 제품.
불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 갖는 구배 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 포함하는 흡수성 물품.
제21항에 있어서, 상기 구배 전기방사 재료가 z-방향, x-방향, y-방향 또는 이들의 조합으로 하나 이상의 구배를 포함하는 흡수성 물품.
불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 갖는 구배 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 포함하는 일회용 의복.
제23항에 있어서, 상기 일회용 의복이 기저귀, 트레이닝 팬츠, 여성용 생리대, 성인용 실금환자 제품 의복 또는 병원용 의복인 것인 일회용 의복.
불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 갖는 복합 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 포함하는 기저귀.
불균일하게 분포된 2종 이상의 유형의 전기방사 섬유를 갖는 복합 전기방사 재료로부터 제조된 하나 이상의 성분을 포함하는 트레이닝 팬츠.
제1의 유형의 나노섬유를 생성하는 단계;

제2의 유형의 나노섬유를 생성하는 단계; 및

상기 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유를 조합하여 구배 나노섬유 재료를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 제1의 유형의 나노섬유 및 제2의 유형의 나노섬유를 이동 기재에 순차적으로 또는 거의 동시에 적용하는 방법.
제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 구배 나노섬유 재료가 단일 층의 교락된 복합체 또는 복수의 층이고, 또한 구배 나노섬유 재료가 전기방사 섬유를 포함하는 방법.
제1의 유형의 전기방사 섬유를 생성하는 단계;

제2의 유형의 전기방사 섬유를 생성하는 단계; 및

상기 제1의 유형의 전기방사 섬유 및 제2의 유형의 전기방사 섬유를 조합하여 구배 전기방사 재료를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 구배 전기방사 재료가 하나 이상의 평면 구배를 갖는 단일 층의 교락된 복합체인 방법.
제30항에 있어서, 제2의 단일 층의 구배 전기방사 재료를 단일 층의 교락된 복합체와 조합하여 하나 이상의 두께 구배를 더 갖는 구배 전기방사 재료를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.