KR20090104819A - 개별적인 팁 유동 제한기의 교체 가능한 어레이를 이용하는 전기 분사 또는 전기 방사 어레이 - Google Patents

개별적인 팁 유동 제한기의 교체 가능한 어레이를 이용하는 전기 분사 또는 전기 방사 어레이 Download PDF

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존 에이 로버트슨
애쉴리 스티븐 스콧
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나노스태틱스 코포레이션
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Abstract

본 개시는 매니폴드 내에 압축 액체의 공통 소스와, 2개 이상의 분사 팁으로 이루어진 어레이를 포함하는 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템이고, 각 팁은 압축 액체의 공통 소스로부터 공급되어 액체 유동로를 생성한다. 개별적인 유동 임피던스 장치는 압축 액체 소스로부터 각 분사 팁으로 각 팁의 개별적인 액체 유동로 내에 배치된다. 개별적인 유동 임피던스 장치는 인스턴스 액체 점성 및 조성에 적합하도록 쉽게 세척되거나 변경될 수 있는 교체 가능한 시트 내에 배치된다. 고전압 소스가 인가되어 팁 어레이와 증착면 사이에 가해지는 고전압 포텐셜을 생성한다.

Description

개별적인 팁 유동 제한기의 교체 가능한 어레이를 이용하는 전기 분사 또는 전기 방사 어레이{ELECTROSPRAYING/ELECTROSPINNING ARRAY UTILIZING A REPLACEABLE ARRAY OF INDIVIDUAL TIP FLOW RESTRICTORS}
본 발명은 전반적으로 액체 충전식 분사 팁에 정전기장을 인가하여 팁 개구에서 테일러 콘을 생성함으로써 섬유로서 "방사"되거나 액적으로서 "분사"될 수 있는 작은 또는 소위 "나노" 섬유 또는 액적의 생산에 관한 것이다. 논문 "나노섬유의 전기방사(Electrospinning of Nanofibers)"(Journal of Applied Polymer Science, Vol. 96, 557-559(2205), Wiley Periodicals, Inc.)에서 Thandavamoorthy Subbiath, G. S. Bhat, R.W Tock 및 S.S Ramkumar는 이 분야에서 도움이 된다. 전술한 논문이 561쪽에 기술하고 있는 바와 같이, 공업용 용례에 필요한 증착률로 나노섬유를 생산하기 위해서는 기술을 올리는 포텐셜 및 실용성에 관해 논쟁이 있다.
나노섬유의 전기 방사에 관하여 보고된 많은 기초 R&D는 단일의 분사 튜브(통상, 중공의 피하 튜브 상에 정방형 절단 팁 단부)를 이용하였다. 종래 기술에 있어서, 개별적인 팁으로의 액체 유동은 통상적으로 용적형 펌프(positive displacement pump)(니들 당 하나의 펌프)를 이용하여 조절된다. 용적형 액체 팁 유동이 각 방사 니들에 개별적으로 제공되지 않으면, 전기 방사 오리피스 내로의 액체 유동이 매우 불안정할 수 있다. 공업적 증착률에 도달하기 위하여, 발명자는 "전기 방사 어레이"를 구비하는 수천의 분사 오리피스에 대한 필요성을 생각한다(개별적인 용적형 펌프의 사용은 많은 팁을 채용한 경우에 비실용적이다).
미국 특허 제6,173,001호는 별개의 용적형 펌프의 사용과, 선택된 팁의 국부적 자장을 변경하는 것을 교시하고 있다. 상기 '001 특허는 가압 액체 또는 단일의 용적형 펌프만을 이용하여 방사 어레이를 만드는 것을 제안하고 있지만, 용적형 펌프에 의해 공급되는 단일의 분사 팁을 사용하는 예만이 있다. 발명자의 의견에 따르면, 단일의 압축 유체 또는 단일의 용적형 펌프는 많은 개별적인 튜브로 이루어지는 실제적인 대형 방사 어레이를 공급할 수 없는데, 그렇지 않으면 그 어레이는 유동이 제한되지 않는다. 각 개별적인 제한되지 않은 팁의 유량이 인접한 튜브에 비하여 본래부터 불안정적이기 때문인 것으로 생각된다. (인접한 팁의 방사 또는 분사에 의해 부분적으로 생성되는) 간극에서 충전된 섬유 또는 액적의 변화에 의해 유발되는 하나의 팁에서의 정전기장의 변화는 그 팁의 유체 사출에서의 효율적인 표면 장력 균형에 정전기적으로 영향을 미침으로써 해당 팁의 유동에 영향을 미친다. 이는 다시 다른 팁으로의 유동(유효 압력)에 영향을 미쳐, 불안정성이 유지된다.
전술한 유동 불안정성을 바꾸기 위한 시도로, Kim 및 Park(국제 공개 제WO 2005/090653 A1호)은 여분의 액체가 마련되는 각 팁에 의해 중력에 대항하여 상방으로 방사하는 팁 어레이를 교시하고 있다. 이어서, 여분의 (적하) 유동은 각 방사 팁과 동축인 배출 간극에서 개별적으로 수집된다. 여분의 액체 적하는 방사된 섬유가 적용되는 생성물을 오염시키지 않는다. Kim 및 Park은 또한 중력에 대항하여 비상됨으로써 테일러 방사를 개시할 수 있도록 형성되는 팁 액체를 생성하는 테일러 콘을 유지하도록 여전히 방사 팁과 동축인 또 다른 간극에서 공기 유동을 사용하는 것을 교시하고 있다. Kim 및 Park은 또한 테일러 풀을 형성하는 데에 일조하는 깔때기형 팁의 사용을 교시하고 있다. 생성물에 대해 고전압으로 모두 상승되는 많은 팁으로부터 여분의 유동의 수집은 수집된 유체가 소스 액체 펌프로 복귀하도록 절연형 "액체 적하 절연체"를 통과할 통과할 필요가 있다는 것을 의미한다. 이에 의해, Kim 및 Park의 교시로 인해 복잡한 헤드가 생기는데, 이 헤드는 간단하게 적하가 생성물에 도달하지 못하도록 많은 유체 유동로와, 많은 유동 조정 및 정밀 기계 가공된 부품을 포함한다. 본 발명자는 국제 공개 제WO 2005/090653 A1호의 도면이 매우 얇은 라인으로서 분사 팁에 이르고 모세관으로 구성될 수 있는 유동로를 도시하고 있다는 점에 주목한다. 이 유동로에 관하여는 권리를 주장하지 않았으며, 적절한 길이 대 직경 비를 갖는 작용 모세관을 형성(드릴링)하는 것은 가장 어렵다.
미국 특허 출원 공보 제2005/0224998 A1호에서 Andrady 등은 유체 소스 매니폴드 내에 공통의 전극 사용을 통해 복수 개의 방사(압출) 팁 내의 유체 유동을 제어하려는 시도를 기술하고 있다.
유추를 시작하면, 자장 강도 및 정수압에 대한 견고한 방사의 고감도는 다이오드 회로(도 1 참조)의 널리 알려진 특성의 유추를 생각나게 하고, 전압/전류 특성은 도 2에 도시되어 있다. 인가된 전압(V)(101)[정수압(Po) 또는 자장(E)과 더 유사함]이 메니스커스 표면 장력 임계값(Vf)을 초과한 후에, 전류(102; 액체 유동과 더 유사함)는 급속하게 증가한다. lx1(106)로 고정된 전류를 유지하는 것(방사 또는 분사 유동을 생성하는 섬유를 유지하는 것과 더 유사함)은 매우 타이트하게 제어된 인가 전압(정수압 또는 E 자장으로 유추됨)을 필요로 한다. 다이오드(103)의 특성의 작은 변화(점성, 밀도, 표면 장력 또는 도전성의 작은 변화와 유사)는 또한 lx1(106)을 크게 변화시킨다.
도 3에 있어서, 도 1의 회로에 직류 저항(Rth)(104)을 추가함으로써 도 4에 도시된 V-I 특성을 생성하였다. V를 변경함으로써 lx2(107)의 값을 유지하는 것은 V 또는 다이오드 특성이 변경할 때에 훨씬 더 안정적이다. 방사 유추에 있어서, 액체 유동로에 추가된 직렬 임피던스는 정수압(P), 방사 팁에서의 E 자장 또는 심지어는 액체 파라미터에 훨씬 덜 민감한 전기 수력학적(EHD) 분사 또는 방사를 용이하게 한다.
따라서, 본 발명의 개시는 제조 증착에 많은 분사 팁(J 개)이 필요할 때에 사용을 용이하게 하는 전기 방사 또는 전기 분사 어레이 설계이다. 각 팁은 적하와 방사 또는 분사 사이의 균형을 맞추도록 별개의 용적형 펌프나 국부적인 자장 조정을 필요로 하지 않는다. 본 발명은 J개의 "유동 구속 저항"(FCR)의 사용을 통해 각 팁에 일치하는 유동을 달성하고, (바람직하게는) 공통의 압축 유체로부터 각 팁(n)으로의 유동은 유량(Fn)으로 개별적으로 구속된다. 개별적인 유동(F1 내지 FJ)에 대해 거의 동일한 유동 구속 저항을 제공함으로써 어레이에서 J개의 팁 각각에 거의 동일한 유동이 제공된다. 각 오리피스 유동로 내에 공통 설계된 FCR을 배치함으로써 유량이 달성되면, 모든 n개의 오리피스에 대한 테일러 콘 방사 또는 분사는 정전기장, 액체의 물리적 특성 또는 공통 액체 풀의 압력 중 하나 이상을 변경함으로써 조정될 수 있다. 허용 가능한 전체적인 파라미터가 달성되면 개별적인 오리피스 조정은 필요하지 않다.
정전기장은 모든 분사 팁에 대해 거의 동일하고 먼저 K*V/S에 의해 어림되는데, 여기서 V는 분사 헤드와 이 분사 헤드로부터 s만큼 떨어진 평행한 증착 평면 사이에 인가된 전압 포텐셜이고, K는 팁의 반경 및 기하학적 형태에 따라 좌우되는 집중 인자이다. 통상적으로 K는 1(간극으로의 연장부가 없을 때) 내지 3(간극으로 양호하게 연장하는 튜브가 있을 때)이다. 여기서, 간극이 보다 작은 정전 상호 작용을 갖고, 간극에서 충전된 섬유 또는 액적 군집의 (자장 감소) 효과가 각 노즐에 대해 균일하다고 간단하게 가정한다. 정전 상호 작용은 팁의 물리적 간격을 증가시킴으로써 또는 "실드 전극"을 추가시킴으로서 최소화될 수 있다. "유체"라는 용어의 사용은 방사 장치의 인스턴트 온도에서 액체(유동)인 재료 또는 용융물을 포함한다. 상승 온도에서 적절한 방사 점성과 도전성을 보이는 재료(예컨대, 용제없는 용융물)이 가열된 방사 어레이 내에 채용될 수 있다. 예컨대, 영국 소머셋 타운톤 소재의 Research Studies Press Ltd.의 Adrian G. Bailey에 의한 "액체의 정전 분사(Electrostatic Spraying of Liquids)"를 참조하라.
본 발명의 목적을 위해 방사/분사하는 적절한 재료는, 동종 혼합물, 이종 혼합물을 비롯하여(이들로 제한되지 않음) 2개 이상의 재료의 조합, 혼합, 순수한 재료를 포함하고, "혼합물"은 방사/분사된 재료가 본 명세서에 기술된 장비를 통해 "유동" 또는 유동될 수 있는 한, 용액, 분산, 유화를 포함한다. 또한, 재료(도는 재료 혼합물)의 하나 이상의 저장조가 혼합, 코팅, 블렌딩에 인접하여 분사/방사될 수 있는데, 그렇지 않으면 최종 섬유를 형성할 때에 서로 뒤섞인다. 더욱이, 각 저장조로부터의 섬유는 특정한 영향을 생성하도록 동일한 크기 또는 상이한 크기일 수 있다. 이어서, 분사/방사용 재료는 광범위하게 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "팁"이라는 용어는 개구 및 그 관련된 액체 사출(통상, 테일러 분사 또는 방사 콘)을 의미한다. 이 팁은 효율적으로 면형인 표면에서 튜브의 단부에 또는 홀의 단부에 있을 수 있다.
본 개시는 압축 액체의 공통 소스와, 2개 이상의 분사 팁으로 이루어진 어레이를 포함하는 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템이고, 각 팁은 압축 액체의 공통 소스로부터 공급되어 2개 이상의 액체 유동로를 생성한다. 쉽게 세척되고 제거 가능한 시트는 각 팁의 개별적인 유동로 내에 개별적인 유동 임피던스 장치를 제공한다. 고전압 소스가 인가되어 팁 어레이와 증착면 사이에 가해지는 고전압 포텐셜을 생성한다. 명확성을 기하도록, "전기 방사" 및 "전기 분사"라는 용어와 마찬가지로 "방사" 및 "분사"는 본 발명의 목적을 위해 교환 가능한 용어이다.
본 발명의 특징 및 이점을 보다 충분히 이해하기 위해서는, 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명을 참조해야 한다.
도 1은 다이오드 회로의 개략도.
도 2는 도 1의 다이오드 회로의 전압/전류 특성(곡선)의 도면.
도 3은 직렬 저항기가 추가된 도 1의 개략도.
도 4는 도 3의 회로의 전압/전류 특성(곡선)의 도면.
도 5는 압축 유체의 공통 소스가 각 개별적인 분사 팁과 연통하고 어레이 내의 각 분사 팁이 자신의 개별적인 FCR, 즉 유동 임피던스 장치를 갖는 시험 테일러 분사 또는 방사 장치 또는 어레이 셋업의 도면.
도 6은 도 5의 테일러 분사 또는 방사 장치 또는 어레이 셋업의 실시예로서, 분사 또는 방사 팁을 생성하는 개구가 있는 분사 또는 방사 튜브에는 각 팁에 대해 개별적으로 FCR로서 작용하는 착탈 가능한 섬유 또는 마이크로 다공성 시트를 통해 압축 액체가 공급된다.
도 7은 도 5의 테일러 분사 또는 방사 장치 또는 어레이 셋업의 다른 실시예로서, 분사 또는 방사 팁을 생성하는 개구가 있는 분사 또는 방사 튜브에는 각 팁에 대해 개별적으로 FCR로서 작용하는 착탈 가능한 불투과성 시트를 통과하는 개별적인 핀홀을 통해 압축 액체가 공급된다.
도 7a는 도 7에 도시된 개구가 있는 분사 또는 방사 튜브들 중 하나의 분해도.
도 8은 도 7의 평면도.
이하에서 도면을 더 상세히 설명할 것이다.
먼저 도 5를 참조하면, 유체(1)는 참조 번호 4로 부분적으로 도시된 원하는 분사 팁 어레이에 공통적인 상부(3)와 베이스(45)로 이루어지는 챔버 매니폴드 내에서 압력(P)(2)으로 유지된다고 가정한다. 각 분사 팁 유동(13)은 각자의 FCR(flow control restrictor)(5)에 의해 개별적으로 제한되고, FCR은 E를 제한하고, E는 처음에 인가 전압(V, 9)에 근사하며 오리피스에 의해 증착면(10)의 거리(S, 11)로 분할된다. 포텐셜 소스(9)는 어느 한 극성일 수 있다. 포텐셜 소스(9)는 또한 각 극성에 대해 듀티 사이클 비율을 갖는 선택된 주파수에서 극성이 전환될 수 있다. 포텐셜 소스(9)는 또한 사인모양 교류일 수 있다. "유체"라는 용어는 방사 장치의 즉각적인 온도에서 액체 또는 유체인 물질을 포함한다는 것을 상기해야 한다. 상승된 온도에서 액체가 되고/되거나 용제가 있는 적절한 도전성의 물질이 적절하게 가열된 방사 어레이 내에 채용될 수 있다.
결과적인 방사 섬유(또는 액적)(12)는 생성물(99)로 향한다. 생성물(99)은 (3차원 물체를 포함하는) 단일 부재이거나 코팅되는 생성물 재료 이동 웹일 수 있다. 생성물(9)의 상부 표면이 증착면(10)의 정전기 포텐셜 근처에 있는 것을 보장하도록 생성물(99)의 표면 또는 벌크 도전성 중 어느 하나를 변경할 필요가 있을 수 있다. 정전기 분야의 개업자는 (다공성 매체에 대한 하나 이상의 습기 추가, 그렇지 않으면 절연성인 재료에 도포되는 도전성 필름 및 이동 표면의 "금은사" 방전을 비롯하여) 다양한 기법을 이용하여 생성물(99)의 간극측에서 전하 축적을 최 소화시킨다.
소정의 유동에 있어서, 팁은 유동 특성(점성, 표면 장력 및 도전성)과 정전기장에 따라 다양한 모드로 분사할 수 있다는 것을 유념해야 한다. 예컨대, http://www.imp.gda.pl/ehd/ehd_spry.html에서 Anatol jaworek와 Andrzej Krupa가 공저한 전기 수력학적 분사를 참조하라(여기서는 액체(액적) 분사만이 논의되어 있다). 특히 용제 증발률, 표면 장력, 도전성 및 점성이 파괴되지 않은 섬유가 생기게 하는지를 제어하는 중요한 파라미터가 되는 하나의 분사 섬유의 경우에 유사한 모드가 존재한다. 정확한 유체가 소정의 생성물 용례에 대해 공식화되면, 신뢰성 있는 방사 정전 코팅 시스템은 간극에서 용제(부분적인) 증기압의 제어를 필요로 할 수 있다.
도 5는 제한기 개념을 간단하게 도입하도록 개략적인 제한기(5)의 상부로 유입할 때의 유동(13)을 도시하고 있다.
간극 E 자장으로 연장되는 튜브(6)의 단부에 있는 개구에서 발생하도록 테일러 콘 방사를 이미 도입하였다는 것을 유념해야 한다. 별법으로서, 방사는 베이스(45)의 바닥에서 가까운 분출 개구에서 발생할 수 있다. 그러한 분출 개구로 인해 테일러 콘 상에서 자장 집중이 덜하지만, 다양한 개구들 사이에서 더 작은 자장 상호 작용을 생성하는 것이 유리할 수 있다. 테일러 분사(방사)가 "팁"으로서 발생하는 다양한 개구를 내포하도록 선택하고, 개구는 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있고 다른 전극 형태(예컨대, 실드 또는 추가적인 집중 표면)가 가능하다는 것을 인지한다.
이하의 논의에서, 각 "팁"으로의 유체 유동을 제한함으로써 제어하는 방법을 기술할 것이다. 이들 방법은 개구가 E 자장(한 극단)으로 연장하는 니들형 튜브의 단부에 있거나 면형 전극(다른 극단)의 오목형 개구이든지 간에 적용될 수 있다.
유동 제한기의 구조는 방사되는 순간적인 액체의 점성(μ)에 따라 크게 좌우된다. 도시예에 의해, 원하는 유동 구속 저항(FCR)을 생성하는 2가지 방법에 관해 기술 및 논의할 것이다. 제1예는 이하와 같이 구성된다.
V = 50KV
s = 15 cm
점성(μ) = 6.1 푸아즈
선택된 액체는 "방사" 또는 "분사"하기에 충분한 도전성을 모두 갖는다고 가정한다. 그러한 도전성 조정(통상적으로 이온 도핑에 의함)은 당업자라면 잘 알 것이다(예컨대, 영국 소머셋 타운톤 소재의 Research Studies Press Ltd.의 Adrian G. Bailey에 의한 "액체의 정전 분사(Electrostatic Spraying of Liquids)"를 참조). 또한, 방사된 액체는 원하는 고체(또는 끈적끈적한) 섬유를 생성하도록 증발하는 휘발성 성분을 함유할 수 있고, 액체는 섬유를 "방사"하기에 적절한 표면 장력과 점성값을 갖는다고 가정한다. 이하의 2개의 유동 제한기 타입의 도면은 단지 적절한 제한기의 상세를 상술할 것이다.
예 1
섬유질 또는 마이크로 기공 시트 유동 제한기
도 6은 방사 어레이[여기서는 내경이 약 2 mm이고 정전기 상호 작용을 최소 화하도록 1" 떨어져 있는 튜브(6)를 이용]의 일부를 도시하고 있는데, 섬유질 시트(20)는 각 분사 팁으로의 유동을 제한한다. 섬유질 시트로서 24 파운드의 본드지를 이용하여 이하와 같이 μ=6.1 푸아즈의 점성을 갖는 수계 유체에 대해 일관된 유동을 얻었다.
14 psi 0.96 ㎕/min/tip
섬유질 시트로서 여과지(#4 와트맨 정질 브랜드 카탈로그 #1004150)와 μ=6.1 푸아즈의 점성을 갖는 수계 유체를 이용하여, 이하와 같이 일관된 유동을 얻었다.
1 psi 10㎕/min/tip
5 psi 31㎕/min/tip
10 psi 69㎕/min/tip
분사 오리피스 직경을 갖는 (정전기장이 없는) 반구체 액적을 형성하는 데에 필요한 시간을 관찰한 후에 계산에 의해 유동을 측정하였다는 것을 유념해야 한다. 섬유질 시트 제한기에 의해 유발된 유체 유동에 대한 높은 제한은 정전기장이 가해졌을 때에 유동이 거의 동일하게 한다. 이 특징은 팁들 간의 상호 작용을 최소화시키는데, 그 이유는 제한기로 진입하는 압축 유체(1)와 팁 단부 사이의 전체 압력 강하에 자장이 거의 영향을 미치지 않기 때문이다. 이는 팁의 정전기장 강도 변동에 상관없이 모든 팁에서 일관된 유체 유동을 보장한다(본 발명의 목적).
제1 프로토타입 어레이에 있는 5개 튜브의 유동이 본드지를 사용할 때에 15% 내에 일치한다는 것을 알았다. (보다 균일한) 여과지를 사용할 때에 모든 5개 노 즐에서 유동은 5% 내에 있었다. 간단한 압력 조절기를 이용하여 다수의 분사 팁에 대해 6:1 범위에 걸쳐 유동을 예상할 수 있게 설정하는 능력은 개별적인 용적형 펌프의 사용없이 다수의 팁으로부터 방사하려고 하는 누구든, 또는 탭이 있는 플리넘에서 여러 개의 유동 패턴을 정확하게 일치시키려고 하는 누구든 알 것이다.
섬유질 시트(또는 여과 매체)에서, 팁들 중 하나에 대해 도시된 각 방사 튜브(6)으로의 유동[예컨대, 유동(21)]은 섬유질 매체를 통과하고 유동이 인스턴트 튜브(6)에 이르는 릴리프 개구(22)로 국부적으로 향한다. 릴리프 개구(22)의 직경은 섬유질 매체의 영역을 조절하고, 이는 인스턴트 팁으로의 유동을 제한한다. 보다 큰 직경의 릴리프 개구(22) 또는 보다 얇은 섬유질 매트(20)는 소정의 액체 점성 및 압력(2)에서 유동을 증가시키게 된다. 소정의 유체 점성에 있어서, 릴리프 개구(22)의 직경, 섬유질 매체의 두께와 기공률, 및 유체 압력은 모두 (공통의 유체 매니폴드) 어레이 내에서 모든 유사한 크기의 팁에서 원하는 방사 유량을 생성하도록 조절될 수 있다.
섬유질 재료 시트(20)를 사용하는 중요한 이점은 전체 시트가 세정을 위해 교환될 수 있거나 상이한 유체 점성 범위(또는 섬유질 시트의 습윤성 또는 인스턴트 유체와 화학적 융화성)를 수용할 수 있다는 것이다. 다른 이점은 단순화와 저비용에 있다. 명확성을 기하기 위해, 섬유질 재료는 방사/분사될 유동 물질이 통과하도록 다공성을 갖는다고 가정한다.
또한, 섬유질 시트가 2개 이상의 시트의 라미네이트일 수 있다는 것을 기술하는데, 여기서 다공성이 보다 큰 (바닥)층은 연결 강도를 제공하고 다성성이 보다 작은 층은 부서지기 쉬운 성질에 대한 염려없이 일차 유동 저항을 제공한다. 또한 그렇지 않으면 불투과성인 멤브레인에서 (통상적으로 5 미크론 유효 직경보다 작은) 마이크로 기공으로 이루어지는 교체 가능한 유동 제한 시트의 사용을 기술한다. 물론, 상이한 타입의 제한층들의 혼성 적층이 가능하고 유리하게 사용될 수 있다.
섬유질(또는 여과 매체) 또는 마이크로 기공 시트의 단점은 방사 유동이 진행됨에 따라 분리되어 섬유질 재료를 폐색하기 때문에 (가능하게는 원하는) 고체 입자를 함유하는 유체를 전기 방사 또는 전기 분사하는 데에 사용될 수 없다는 것이다.
예 2
핀홀 교체 가능한 시트
바람직하게는 얇고 불투과성이며 교체 가능한 시트에 작은 오리피스(반경 r, 직경 d)의 사용을 제안한다. 본 발명의 유동 제한은 방사 또는 분사 어레이가 작은 입자를 함유할 수 있는 액체를 사용할 수 있다.
액체가 매우 낮은 점성(즉, 약 10 센티푸아즈 미만)을 갖는다면, 그러한 핀홀을 통과하는 유동 용적(V)이 오리피스 반경의 제곱과 오리피스를 가로지르는 액체 압력의 제곱근에 비례하는 것을 보여주도록 동역학 에너지 보존을 사용할 수 있다. 유동은 또한 액체 점성의 제곱근에 반비례하며, 즉,
Figure 112009040834844-PCT00001
이다.
섬유로 양호하게 전기 방사되는 모든 액체는 약 100 센티푸아즈를 초과하는 점성을 갖는다는 것을 경험적으로 알고 있다. 점성이 보다 큰 이들 액체의 경우에, 전술한 등식은 오리피스 유동을 정확하게 예측하지 못한다. 오리피스 유동에 대한 보다 근접한 예측은 모세관 유동 등식, 즉 유동 = 0.00173 (d4 P/μl)을 이용하여 얻을 수 있다. 여기서, 유동은 분 당 ㎕이고, d는 오리프스의 내경(㎛)이며, P는 모세관의 단부간 압력(PSI)이고, μ는 점성(푸아즈)이며, l은 얇은 플레이트의 두께(㎛)이다.
특별한 관심 사항은 다양한 기법을 이용하여 얇은 재료에서 정밀한 소형 홀을 생성하는 데에 실제적이라는 점이다. 실제 모세관 튜브의 내경보다 훨씬 작은 홀은 얇은 재료에서 쉽게 생성될 수 있다. 예컨대, 집중된 레이저 펄스, 니들 관통, 가열된 팁 및 기계적 드릴링을 이용하여 다양한 폴리에스테르 필름에 37 미크론 직경(±5%)을 생성하였다.
이하, 도 7을 참조하면, 도 7은 참조 번호 7에서 분사 팁을 각각 생성하는 다수의 분사 튜브(6)를 도시하고 있다. 이들 튜브 각각에는 그렇지 않으면 불투과성인 시트(41)를 통해 개별적인 핀홀(40)을 통과하여 압축 액체(1)가 공급된다. 따라서, 각 튜브 팁(7)에는 어레이에서 다른 팁들에 제공되는 것과 유사한 액체(1)의 유동이 공급된다. 사실상, 튜브(6)는 제한 핀홀(40)보다 직경이 훨씬 크고, 간극 자장(8)의 효과는 유체(1)의 정수압 효과보다 훨씬 작다. 이에 의해, 팁 유동은 유체(1)의 압력, 유체(1)의 점성 및 관련 오리피스(40)의 치수에 의해 압도적으로 결정된다. 바람직하게는, 튜브(6)는 재료가 튜브 보어 내에서 건조, 응집 또는 경화되면 (제한기가 제거된 상태에서 확공(reaming) 또는 높은 점성 유동에 의해) 쉽게 세정될 수 있도록 400 미크론보다 큰 내경을 갖는다.
예컨대, 100 미크론 두께의 시트에서 50 미크론 직경의 홀을 통해 2 psi로 압축된 1100 센티푸아즈 액체의 유동은 간극 자장(8)이 없는 상태에서 분 당 약 20 마이크로리터로 팁 유동을 제한한다. 이어서, 간극 자장(8)이 간극에서 2.5 KV/cm의 통상적인 방사 자장으로 전환되면, 팁에서의 자장은 (도전성 돌기에서 자장의 공칭 3X 증강으로 인해) 약 7.5 KV/cm이 된다. 그러한 자장은 2 psi 매니폴드 압력과 비교했을 때에 무시할 수 있는 값인, 방사 팁에서의 액체 상에 대략 0.0006 psi로 계산되는 "표면 압력"을 생성한다.
필리프 영역(22)은 튜브(6)가 그 핀홀(40)에 대해 약간 오정렬될 수 있고, 여전히 인스탄트 분사 튜브로 액체를 공급하는 것을 보장한다. 릴리프 영역(22)의 수집 영역은 불투과성 시트(41)가 릴리프 영역(22)의 주변 둘레를 밀봉하고 유동이 직경(d)을 각각 갖는 핀홀(40)을 통해서만 진행한다고 가정하기 때문에 오리피스 유동에 영향을 미치지 않는다.
도 7a에 있어서, 핀홀(40) 오리피스의 크기는 명확성을 기하기 위해 과장되어 있다. 핀홀(40)은 통상적으로 매우 작다(약 25 미크론 내지 약 100 미크론의 직경). 비교하면, 분사 튜브(6) 및 이에 따라 팁(7)의 상부는 통상적으로 내경이 약 200 미크론 내지 약 2000 미크론이다. 소정의 원하는 방사 또는 분사 유동에 있어서, 점성이 더 큰 액체는 더 큰 핀홀 또는 더 높은 유체 압력을 필요로 한다. 튜브(6)는 내경이 관련 핀홀(40)보다 훨씬 큰 경우에 팁 유동에 대해 무시할 수 있 는 효과를 갖는다.
핀홀을 포함하는 불투과성의 시트(41)는 바람직하게는 소정의 유체의 유동 조정 및/또는 주기적인 세척을 위해 쉽게 제거 및 교체 가능하다. 제거 및 교체 가능한 핀홀 어레이를 이용하는 바람직한 방식은 도 7의 평면도인 도 8에 더 도시되어 있는데, 이 도면에서 불투과성 시트(41)는 베이스(45)와 제거 가능한 리드(3)로 이루어지는 액체 함유 압축 매니폴드 내에 인덱싱 다우웰 핀(44)에 의해 릴리프 영역(22) 위에 정확하게 위치되는 에지 프레임(43)에 고정된다.
이에 따라, 교환 및 교체 가능한 핀홀 어레이는 다른 곳에서 제작되어 제거 가능한 리드(3)를 통해 헤드 내에 삽입될 수 있는데, 상기 리드는 이후에 파스너(46)를 이용하여 베이스(45)에 재부착된다. 이어서, 핀홀을 포함하는 조립된 헤드에는 액체(1)가 충전되고 튜브(47)를 통해 압축됨으로써, 각 핀홀 제한부(40)를 통과한 다음 튜브(6)를 통과하여 정전기장(8)에 노출되는 정전기장 노출 방사 또는 분사 팁(7)으로 향하는 제한된 유동을 생성한다.
작은 핀홀(40)은 유체(1) 내에 있는 부스러기 또는 (가능하게는 바람직한) 입자의 응집체에 의해 폐색될 수 있다. 제조 작업에서 전체 제한기를 신속하게 교체하는 능력은 쉽게 인지된 특징일 것이다.
핀홀(40)은 종래와 같이, 예컨대 기계적 드릴링, 펀칭, 레이저 드릴링, 화학적 에칭 또는 전기 주조[시트(41)가 금속인 경우] 중 하나 이상에 의해 형성된다. 별법으로서, 핀홀(41)이 폴리머인 경우에, 핀홀은 드릴링, 펀칭 또는 (예컨대, 가열된 포인트 또는 레이저빔에 의한 용융에 의해)열 성형될 수 있다. 보다 고가이 고 복잡한 제조가 가능하고, 이에 의해 불투과성 시트(41)는 보석 오리피스와 같이 다수의 작은 오리피스 구성요소를 갖춘다.
본 발명을 여러 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어지고 그 요소들에 대해 등가물이 대체될 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 본 발명의 기법에 대하여 그 실질적인 범위로부터 벗어남이 없이 특별한 상황 또는 재료에 적합하도록 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정한 실시예로 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함하도록 의도된다. 본 용례에서, 모든 유닛은 지시된 시스템 내에 있고, 달리 명백히 지시하지 않는 한 모든 양과 비율의 기준은 중량이다. 또한, 본 명세서의 모든 참조 문헌은 본 명세서에 참고로 합체되는 것이 명백하다.

Claims (22)

  1. 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템으로서,
    (a)매니폴드 내에 압축 유동 재료의 공통 소스와,
    (b)2개 이상의 분사 팁으로 이루어지는 어레이로서, 상기 각 팁은 상기 매니폴드 내에 압축 유동 재료의 공통 소스로부터 공급되어 액체 유동로를 생성하는 것인 팁 어레이와,
    (c)압축 유동 재료 소스로부터 각각의 분사 팁으로 각각의 팁의 개별적인 액체 유동로 내에 배치되는 개별적인 유동 임피던스 장치와,
    (d)증착면과,
    (e)상기 팁 어레이와 증착면 사이에 인가되는 고전압 포텐셜을 생성하도록 되어 있는 고전압 소스
    를 구비하고, 상기 개별적인 유동 임피던스 장치는 공통의 교체 가능한 다공성 시트의 영역 또는 공통의 교체 가능한 액체 불투과성 시트에 있는 하나 이상의 작은 오리피스 중 하나 이상을 구비하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축 유동 재료는 약 0.01 내지 약 100 psi로 압축되는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유동 임피던스 장치는 유동 재료가 다공성 또는 섬유질 시트를 통과하여 관련 팁 내에 이르게 되는 큰 직경의 공동 정상에 있는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유동 임피던스 장치로부터 분사 또는 방사 팁으로의 유동로는 상기 팁을 고전압 자장으로 연장시키는 튜브를 포함하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유동 임피던스 장치로부터 분사 팁으로의 유동로는 약 250 미크론보다 큰 내경을 갖는 튜브를 포함하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 교체 가능한 다공성 시트는 여과 멤브레인, 종이, 직물, 다공성 세라믹, 압축된 실리카 구, 블록 코폴리머, 팽창된 폴리머, 팽창된 PTFE 필름, 개방 셀 폼 또는 다공성 금속 중 하나 이상인 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 불투과성 시트에 있는 하나 이상의 작은 오리피스는 약 10 미크론 내지 약 200 미크론 직경의 하나 이상의 오리피스 또는 약 78 내지 약 31000 제곱 미크론의 유사한 전체 유효 면적을 생성하는 작은 오리피스 군을 포 함하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다공성 시트는 섬유질 시트를 포함하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 불투과성 시트에 있는 하나 이상의 작은 오리피스는 기계적 드릴링, 레이저 드릴링, 전기 화학적 에칭, 전기 주조, 펀칭, 천공 중 하나 이상에 의해 또는 상기 액체 불투과성 시트를 통과하게 놓인 가열된 포인트에 의해 기계적으로 형성되는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 오리피스를 포함하는 불투과성 시트는 상기 팁의 유동 개구 근처로부터 제거 가능한 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 오리피스를 포함하는 불투과성 시트는 상기 매니폴드에 삽입될 때에 상기 팁의 유동 개구 근처에 제거 가능한 오리피스를 제조하도록 인덱싱되는 프레임에 부착되는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 매니폴드 내에 조립될 때에 상기 불투과성 시트 내의 오리피스는 상기 매니폴드의 큰 직경의 공동 정상에 있고, 상기 공동은 유동 재료를 오리피스로부터 인스턴트 팁 유동로에 이르게 하는 것인 전기 수력학적 분사 또 는 방사 증착 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 매니폴드 내에 조립될 때에 상기 불투과성 시트 내의 오리피스는 상기 매니폴드의 큰 직경의 공동 정상에 있고, 상기 공동은 유동 재료를 오리피스로부터 인스턴트 팁 유동로에 이르게 하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유동 임피던스 장치는 상기 팁 유동로 근처로부터 제거 가능한 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 다공성 시트는 2개 이상의 시트 층을 포함하는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 하나 이상의 매니폴드를 구비하고, 각 매니폴드는 동일한 재료 또는 상이한 재료를 갖는 것인 전기 수력학적 분사 또는 방사 증착 시스템.
  17. 유동 재료의 전기 분사 및 전기 방사 방법으로서,
    (a)전기 수력학적 분사 또는 방사 장치를 마련하는 단계로서, 상기 전기 수력학적 분사 또는 방사 장치는,
    (ⅰ)압축 유동 재료의 공통 소스를 포함하는 매니폴드와,
    (ⅱ)2개 이상의 분사 팁으로 이루어지는 어레이로서, 상기 각 팁은 상기 압축 유동 재료의 공통 소스를 포함하는 매니폴드부터 공급되어 액체 유동로를 생성하는 것인 팁 어레이와,
    (ⅲ)압축 유동 재료 소스로부터 각각의 분사 팁으로 각각의 팁의 개별적인 액체 유동로 내에 배치되는 개별적인 유동 임피던스 장치와,
    (ⅳ)상기 팁 어레이와 증착면 사이에 인가되는 고전압 포텐셜을 생성하도록 되어 있는 고전압 소스
    를 구비하고, 상기 개별적인 유동 임피던스 장치는 공통의 교체 가능한 다공성 시트의 영역 또는 공통의 교체 가능한 액체 불투과성 시트에 있는 하나 이상의 작은 오리피스 중 하나 이상을 구비하는 것인 단계와,
    (b)매니 폴드 내에 압축 유동 재료의 공통 소스로 상기 매니폴드를 충전하는 단계와,
    (c)상기 전기 수력학적 분사 또는 방사 장치 근처에 증착면을 배치하는 단계와,
    (d)상기 유동 재료를 상기 전기 수력학적 분사 또는 방사 장치로 전기 분사 및 전기 방사하여 증착면 상에 나노섬유를 형성하는 단계
    를 포함하는 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 유동 재료는 증기압을 갖는 휘발성 용제를 포함하고, 분사 팁 어레이와 증착 표면 사이의 간극에서의 자장 강도는 상기 유동 재료를 분 사 또는 방사하는 데에 허용 가능한 범위 내로 유지되는 것인 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 증착면은 적절한 분사 또는 방사을 위해 허용 가능한 범위 내에 유지되는 수집면 충전 포텐셜을 갖는 것인 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 유동 재료는 분사 또는 방사에 적절한 전기 도전성을 갖는 것인 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
  21. 제19항에 있어서, 공통의 교체 가능한 다공성 시트는 2개 이상의 시트 층을 포함하는 것인 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
  22. 제17항에 있어서, 하나 이상의 매니폴드를 포함하고, 2개 이상의 매니폴드가 마련되며, 각 매니폴드는 동일한 재료 또는 상이한 재료를 갖고, 상기 동일한 재료 또는 상이한 재료는 증착면 상에 전기 분사 및 전기 방사되는 것인 유동 재료의 전기 분사 또는 전기 방사 방법.
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