KR20100088141A

KR20100088141A - 전기-기계적 방사에 의한 섬유의 제조

Info

Publication number: KR20100088141A
Application number: KR1020107011057A
Authority: KR
Inventors: 스튜어트 디 헬링; 멜라니 에스 캠벨; 캘럼 에이치 먼로
Original assignee: 피피지 인더스트리즈 오하이오 인코포레이티드
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-08-06
Also published as: EP2209933A1; US20090102100A1; WO2009055413A1; EA201070516A1; JP2011501790A; MX2010004467A; CA2703958A1; CN101883882A

Abstract

본 발명은 전기-기계적 방사에 의해 섬유를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 액체 출발 물질을 회전 환형(annular) 부재, 예컨대 방사 컵에 공급한다. 상기 액체 물질은 원심력에 의해 상기 환형 부재의 주변부로 향하고, 여기서 액체 물질은 섬유 형태로 방출된다. 상기 환형 부재 상에 있는 동안 또는 환형 부재로부터 방출된 즉시 상기 액체는 전기적으로 충전된다.

Description

전기-기계적 방사에 의한 섬유의 제조{FIBER FORMATION BY ELECTRICAL-MECHANICAL SPINNING}

본 발명은 섬유의 제조, 특히 나노 크기의 섬유에 관한 것이다.

나노 크기의 섬유는 정전기-충전된 액체, 예컨대 중합체 용액을 매우 작은 구멍을 가진 제트(jet) 또는 니들(needle)을 통하여 흐르게 함(streaming)으로써 제조할 수 있다. 복수의 니들을 사용함으로써 상기 공정의 규모를 키우는 경우, 니들 상호간을 전기적으로 단리시키는데 어려움이 있다. 결국, 니들은 전형적으로 가장 가까운 다른 니들로부터 1cm 이상 떨어져 있어야 한다. 또한, 니들 각각의 말단 상의 단일 액적으로부터 테일러(Tailor) 콘을 인발하고자 하는 요구는 니들 당 최대 유속을 제한하고 큰 규모의 생산을 달성하기 위해 요구되는 니들의 수를 증가시킨다.

따라서, 복수개의 적용 장치(applicator)를 필요로 하지 않으면서 고처리량으로 나노 크기의 섬유를 제조하는 방법에 대한 요구가 존재한다. 본 발명은 그러한 방법을 제공한다.

본 발명은 액체 물질, 예컨대 중합체 용액 또는 중합체 용융물로부터 출발하여 섬유를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 액체 물질은 환형(annular) 회전 부재, 예컨대 동일 중심을 가진 축 주위를 회전하는 디스크 또는 컵에 공급된다. 상기 회전 부재는 중심부로부터 주변부로 연장되는 비교적 평활한 연속 표면을 가진다. 상기 액체 물질은 원심력에 의해 중심부로부터 주변부로 방사형으로 보내지고 상기 주변부로부터 타겟(target)을 향하여 방출된다(expelled). 상기 액체 물질은 회전 부재 또는 상기 회전 부재의 주변부로부터 방출된 즉시 전계를 통과함으로써 전기적으로 충전된다. 상기 섬유가 향하는 타겟은 전기적으로 접지되어있다. 상기 충전된 섬유와 타겟 사이의 전위차, 상기 액체 물질의 점도 및 환형 부재의 크기와 속도, 액체 운반 속도 및 셰이핑 에어의 선택적 사용을 서로에 대해 조절하여 상기 액체 물질이 섬유 형태로 방출되도록 한다. 또한, 상기 변수들의 조절은 섬유의 품질 및 양에 영향을 미친다.

도 1은 본 발명의 방법을 실시할 수 있는 원심 방사 장치에 대한 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 방법에 따른 방사 부재의 배면도이다.
도 3은 도 2의 선 III-III을 따른 단면도이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 나노섬유의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 4a(대조용)은 실시예 1a(대조용)에 따라 제조된 액적의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 5는 실시예 1 및 1a(대조용)의 중합체 용액에 있어 회전 부재 속도, 세이핑 에어 및 액체 흐름의 변수가 섬유 형성에 미치는 영향을 보여주는 차트이다.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 나노섬유의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 6a(대조용)은 실시예 2a(대조용)에 따라 제조된 액적의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 7은 실시예 2 및 2a(대조용)의 중합체 용액에 있어 회전 부재 속도, 세이핑 에어 및 액체 흐름의 변수가 섬유 형성에 미치는 영향을 보여주는 차트이다.
도 8은 실시예 3에 따라 제조된 나노 섬유의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 8a(대조용)은 실시예 3a(대조용)에 따라 제조된 액적의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 9는 실시예 4에 따라 제조된 비틀린 얀의 형태의 나노섬유의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.
도 10은 실시예 5에 따라 제조된 나노섬유의 다양한 배율에서의 현미경 사진을 보여준다.

바람직하게는, 상기 환형 회전 부재의 연속 표면은 실질적으로 원통형 부재(예컨대 컵)의 내부 표면이다. 상기 컵의 내부 표면이 분기(divergent)하여 컵이 원뿔대의 형태로 존재할 수 있다. 상기 환형 방사 부재는 이와 중심이 같은 축의 주위를 회전한다. 상기 회전 부재로 공급되는 액체 물질에 전기적 전하를 부여하기 위해 회전 부재가 전기적으로 충전될 수 있다. 대안적으로, 상기 회전 부재로부터 섬유 형태로 방출되는 상기 액체 물질에 대해, 상기 섬유를 전계(electric field)에 통과시킴으로써 전기 충전이 수행될 수도 있다. 상기 회전 부재가 방사되는 경우, 상기 액체 물질은 원심력에 의해 내부 표면을 따라 상기 회전 부재의 주변부로 향한다. 바람직하게는, 상기 회전 부재의 주변부를 따라 방사 지점이 위치한다. 상기 방사 지점의 예는, 상기 주변부 주위로, 바람직하게는 바깥쪽으로 연장되고 실질적으로는 상기 회전 부재의 회전 축에 평행한 V-형상의 톱니 모양이다. 상기 액체 물질은 상기 방사 지점을 통과하고 상기 회전 부재로부터 상기 접지된 타겟을 향해 방출된다. 상기 회전 부재의 크기 및 기하형태는 변할 수 있다. 상기 회전 부재는 디스크 또는 회전 벨일 수 있다. 상기 회전 부재의 직경은 20 내지 350mm, 예컨대 20 내지 160mm(예를 들면 30 내지 80mm)범위에서 달라질 수 있다. 섬유 제조에 있어서, 상기 충전된 섬유와 타겟간의 전위차는 바람직하게는 5000V 이상, 예컨대 20,000 내지 100,000V 및 50,000 내지 90,000V의 범위 내이다. 상기 전위가 불충분한 경우, 액적 및 섬유가 아닌 것이 형성될 수 있다.

상기 액체 물질이 섬유 형태로 상기 회전 부재로부터 방출되면, 상기 섬유는 이를 수집하는 접지된 타겟을 향한다. 대안적으로, 상기 접지된 타겟은 상기 섬유가 수집되고 타겟 영역으로부터 제거될 수 있는 무빙 벨트 또는 컨베이어(conveyor)의 뒤에 위치할 수도 있다. 타겟까지의 거리는 2 내지 50in (5 내지 130cm), 예컨대 2 내지 30in (5 내지 76cm), 예를 들면 10 내지 20in (25 내지 51cm) 범위에서 달라질 수 있다. 바람직하게는, 회전 벨의 경우, 상기 섬유가, 회전축과 중심이 같고 상기 타겟을 향하는 유동 패턴으로 형상화되도록, 공기 스트림을 상기 방출된 섬유에 대하여 정상적으로(normally) 동시에(concurrently) 추진시킨다. 전형적으로 공기는, 상기 회전 부재의 외경을 둘러싸고 있는 포트(port)를 통하여 회전 적용 장치를 빠져나온다. 상기 회전 부재의 입구에서 측정된 공기의 압력은 전형적으로, 예컨대 1 내지 80 PSIG (6.9 x 10³ 내지 5.5 x 10⁵ 파스칼), 예컨대 1 내지 60 PSIG (6.9 x 10³ 내지 4.1 x 10⁵ 파스칼), 예컨대 5 내지 40 PSIG (3.4 x 10⁴ 내지 2.8 x 10⁵ 파스칼)에 맞추어 질 수 있다. 회전 디스크의 경우는, 셰이핑 에어가 통상적으로 사용되지 않는다.

상기 회전 부재는 구동 수단, 예컨대 부재에 연결된 회전 구동 샤프트, 예컨대 상기 회전 부재를 500rpm 이상, 예컨대 1000 내지 100,000rpm, 및 3000 내지 50,000rpm의 속도로, 전형적으로는 10,000 내지 100,000rpm의 속도로 방사할 수 있는 전기 모터 또는 에어 모터에 연결되어 있다. 상기 회전 부재의 속도가 불충분한 경우, 섬유가 형성되지 않고 상기 액체가 회전 부재로부터 시트(sheets) 또는 구체(globe)로서 방출될 수 있다. 상기 회전 부재의 속도가 너무 높은 경우, 액적이 형성될 수 있거나 섬유가 갈라질 수 있다.

전형적으로, 상기 액체 물질은 상기 구동 샤프트의 내부를 통과하여 상기 회전 부재로 공급된다. 상기 회전 부재가 컵-형상, 예컨대 회전 벨인 경우, 상기 액체 물질은 컵의 밀폐된 말단을 통하여 컵의 중심 또는 바닥부에 공급된다. 전형적으로, 상기 액체는, 0.5 내지 1.5mm 범위 내의 크기일 수 있는 공급 노즐을 통하여 상기 컵의 밀폐된 말단으로 유입된다. 그 후, 상기 액체는 컵의 내부를 통하여 이동하고 중심 구멍(orifice) 또는 컵 표면상의 일련의 구멍들을 통하여 컵의 표면을 빠져나간다.

상기 액체 물질의 상기 회전 부재로의 유속은 전형적으로 1ml/hr 내지 500ml/min, 예컨대 20ml/hr 내지 50ml/min(예컨대 50 내지 1000ml/hr)이다.

본 발명에 따라 섬유로 방사되는 상기 액체 물질은 전형적으로 중합체 용액 또는 용융물이다. 상기 중합체는 유기 중합체, 예컨대 미국 특허출원 공개 제 2008/0145655 A1 호에 개시된 바와 같은 폴리에스터, 폴리아미드, n-비닐 피롤리돈의 중합체, 폴리아크릴로니트릴 및 아크릴계 중합체일 수 있다. 대안적으로, 상기 액체는 무기 중합체일 수 있다. 무기 중합체의 예는 알콕사이드기 및 선택적으로 하이드록실기를 함유하는 중합체성 금속 산화물이다. 바람직하게는, 상기 알콕사이드기는 1 내지 4 개의 탄소 원자를 함유하고, 예컨대 메톡사이드 및 에톡사이드이다. 상기 중합체성 금속 산화물의 예는 폴리알킬실리케이트, 예컨대 하기 화학식을 가지는 것이다:

상기 식에서, R은 1 내지 4개, 바람직하게는 1 내지 2개의 탄소 원자를 함유하는 알킬기이고, n은 3 내지 10이다.

또한, 혼성 유기/무기 중합체, 예컨대 아크릴계 중합체 및 중합체성 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 유기/무기 혼성 중합체의 예는 미국 특허출원 공개 제 2008/0207798 A1 호에 개시되어 있다. 또한, 무기 물질, 예컨대 무기 산화물 또는 무기 질화물 또는 탄소 또는 세라믹 전구체(예컨대 실리카, 알루미나, 티타니아, 또는 혼합된 금속 산화물)가 사용될 수 있다.

상기 액체 물질의 전기 전도성은 변할 수 있고, 전하 축적을 허용할 수 있도록 충분히 전기적으로 전도성이어야 하지만, 전기적 단락(electrical shorting)이 발생하는 정도까지는 아니다. 간접적 충전의 경우, 단락이 문제되지 않으므로 전기 전도성이 높을 수 있다. 전기 전도성은 적절한 양의 염, 예컨대 암모늄염 및 전기적으로 전도성인 용매, 예컨대 알코올-물 혼합물을 사용하여 조절할 수 있다.

상기 액체 물질의 표면 장력은 변할 수 있다. 상기 표면 장력이 너무 높은 경우, 섬유보다는 미립자(atomization) 및 액적이 형성될 수 있다.

상기 액체는 바람직하게는 중합체 농도가 증가하거나 중합체 가교결합이 발생함에 따라 증점된다. 중합체 용액의 경우, 상기 중합체의 분자량, 상기 용액 중의 중합체의 농도, 용액 중의 중합체의 가교결합의 존재를 조절함으로써, 또는 상기 중합체 용액에, 예컨대 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아미드 및 셀룰로오스계 증점제와 같은 증점제를 첨가함으로써, 상기 용액의 점도를 조절할 수 있다. 상기 용액의 점도가 너무 높은 경우, 즉 겔화점 이상인 경우, 상기 용액은 보다 더 고체 물질처럼 행동하고 섬유를 형성하지 않을 수 있으며 상기 회전 부재의 표면 상에 고체 중합체로서 생성될 수 있다. 상기 액체의 점도가 너무 낮으면 미립자 및 섬유가 아닌 것이 형성될 수 있다.

본 발명에 따라 형성된 섬유는 전형적으로 5,000nm 이하, 예컨대 5 내지 5,000nm 또는 50 내지 1200nm의 범위 내, 예컨대 50 내지 700nm의 직경을 가진다. 섬유는 또한 리본 또는 평면의 구조를 가지고, 이 경우 직경은 상기 섬유의 가장 큰 치수를 의미하는 것으로 의도된다. 전형적으로, 상기 리본-형상 섬유의 폭은 5,000nm 이하, 예컨대 500 내지 5,000nm이고, 두께는 200nm 이하, 예컨대 5 내지 200nm이다.

특정 예에서 상기 나노섬유는 얀-유사 구조로 서로 꼬일 수 있다.

도 1을 참조하면, 장치(1)는, 컵-형상의 회전 부재(5) 및 공기 플레넘(plenum) 배열(7)(이를 통해 공기가 타겟(11)으로 향할 때 섬유 스트림(9)을 형상화하도록 유도된다)을 함유한다. 상기 장치로부터 섬유 생성물을 제거하기 위해 타겟 앞에 컨베이어(12)가 위치한다. 액체 물질(15)를 위한 컨테이너(13)는, 축(3)과 동일한 중심을 가진 형태로 장착된 원료 공급 라인(17)을 통하여 액체 물질을 회전 컵(5)에 공급하기에 적합한 공급 메커니즘(도시되지 않음)을 포함한다. 공급 라인(17)은 회전 컵(5) 내의 밀폐된 말단에 인접한 곳에 출구를 가진다. 바람직하게는, 상기 공급 라인은 컵-형상 회전 부재(5)를 회전시키기 위한 회전 구동 샤프트 내에 위치한다. 도 1에서 보는바와 같이, 상기 액체 물질 및 상기 회전 컵으로부터 방출된 섬유에 전하를 부여하기 위해 상기 회전 컵 상에 전하가 가해진다.

도 2 및 3을 참조하면, 회전 부재(5)는, 평면 바닥 또는 밀폐된 말단(21) 및 바닥(21)으로부터 확장되는 분기된 벽(23)을 가진 평면 컵-형상이다. 바닥(21)은, 상기 원료 공급 라인이 확장되는 중심 구멍(25), 및 축(3) 주위로 회전시키기 위한 구동 수단 상에 회전 컵(5)을 장착시키는 고정 부재를 가진다. 벽(23)의 내부 표면(29)은 컵(5)의 바닥(21)으로부터 가장자리(31)까지 확장되는 모든 영역에 걸쳐 비교적 평활하다. 컵(5)의 가장자리는 톱니 모양으로 잘려 컵(5)의 외부 주변부 상에서 방사 지점(33)이 V-형상 톱니 모양(35)으로 한정된다. V-형상 톱니 모양(35)은 컵(5)의 바닥에 평행한 평면에 놓여있다. 장치(1) 사용 시, 컵(5)은 원하는 속도로 방사하고, 상기 액체는 상기 컵의 바닥의 중심부 내에 있는 상기 회전 컵으로 공급되어 바닥(21)의 주변부로 향하고 원심력에 의해 내부 표면(29)을 가로지른다. 전기적으로 충전된 상기 액체는, 액체가 섬유 형태로 접지된 타겟(11)으로 방출되는 방사 지점(33)을 거쳐 상기 회전 컵의 내부 표면(29)을 가로질러 흐른다.

하기 실시예는 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이다. 그러나, 본 발명은 제시된 구체적인 실시예로 한정되는 것으로 간주되어서는 안된다. 다른 언급이 없는 한 모든 부(parts)는 중량에 의한 것이다.

실시예

실시예 A

아크릴계-실란 중합체를 하기와 같이 제조하였다.

아래 표 1과 관련하여, 반응 플라스크에 교반기, 열전대, 질소 유입구 및 응축기를 구비시켰다. 그 후 충전물 A를 가하고 질소 대기 하에서 환류 온도(75 내지 80℃)로 가열하며 교반시켰다. 환류하는 에탄올에, 충전물 B 및 충전물 C를 3시간에 걸쳐 동시에 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 2시간 동안 환류 조건 하에 두었다. 그 후 충전물 D를 30분의 시간에 걸쳐 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 2시간 동안 환류 조건에 둔 다음 30℃로 냉각시켰다.

표 1

¹변성 에틸 알코올, 200 프루프(아쳐 다니엘 미들랜드 콤파니(Archer Daniel Midland Co.)로부터 구입가능함)

²γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(GE 실리콘즈로부터 구입가능함)

³2,2＇-아조 비스(2-메틸 부티로니트릴)(E.I.듀퐁 드 네모어즈 & 콤파니, 인코퍼레이티드(duPont de Nemours & Co., Inc.)로부터 구입가능함)

혼성 유기-무기 중합체를 하기와 같이 제조하였다.

상기 기술된 바와 같이 제조된 아크릴계-실란 중합체 용액의 에탄올 용액(200g)을 병에 붓고, 탈이온수(30g)을 첨가하였다. 에틸 폴리실리케이트(실본드(Silbond) 40, 아크조 케미칼, 인코포레이티드(Akzo Chemical, Inc.))의 에탄올 용액을 상기 중합체 용액에 폴리비닐피롤리돈(4g, 알드리치(Aldrich), 카탈로그 437190, CAS [9003-39-8], 및 분자량 1,300,000)과 함께 첨가하였다. 상기 병을 뜨거운 수돗물로 데우면서, 상기 혼합물을 손으로 흔들고 균질 용액이 얻어질 때까지스패튤라(spatula)를 사용하여 손으로 교반하였다. 상기 용액을 약 3.5시간 동안 실온에 놓아둔 후, ASTM-D1545 방법에 의하여 용액의 점도가 C⁺로 결정되었다.

실시예 B

아크릴계-실란 중합체를 하기와 같이 제조하였다.

아래 표 2와 관련하여, 반응 플라스크에 교반기, 열전대, 질소 유입구 및 응축기를 구비시켰다. 그 후 충전물 A를 가하고 질소 대기 하에서 환류 온도(75 내지 80℃)로 가열하며 교반시켰다. 환류하는 에탄올에, 충전물 B 및 충전물 C를 3시간에 걸쳐 동시에 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 2시간 동안 환류 조건 하에 두었다. 그 후 충전물 D를 30분의 시간에 걸쳐 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 2시간 동안 환류 조건에 둔 다음 30℃로 냉각시켰다.

표 2

¹변성 에틸 알코올, 200 프루프(아쳐 다니엘 미들랜드 콤파니로부터 구입가능함)

³2,2＇-아조 비스(2-메틸 부티로니트릴)(E.I.듀퐁 드 네모어즈 & 콤파니, 인코퍼레이티드로부터 구입가능함)

탈이온수(30g)를 병에 붓고, 폴리비닐피롤리돈(4g, 알드리치, 카탈로그 437190, CAS [9003-39-8], 및 분자량 1,300,000)을 첨가하였다. 용해를 촉진시키기 위하여 상기 혼합물을 핫플레이트 상에서 가온하고, 생성 용액을 실온에 두었다. 상기 아크릴계-실란 중합체 용액 170g을 상기 폴리비닐피롤리돈 수용액에 첨가하였다. 병의 내용물을 핫플레이트 상에서 따뜻한 물로 가열하면서, 균질한 용액이 얻어질 때까지 상기 혼합물을 손으로 흔들었다. 상기 유기 중합체 용액을 사용 이전에 냉각시키기 위하여 실온에 두었다.

실시예 C

무기 졸 겔 중합체를 하기와 같이 제조하였다.

탈이온수(36g)를 병에 위치시키고, 폴리비닐 알코올(4g, 알드리치, 카탈로그 36311, CAS [9002-89-5], 96% 가수분해됨, 분자량 85,000 내지 100,000)을 상기 물에 자기 교반하면서 첨가하였다. 용해에 영향을 주기 위해서 상기 혼합물을 뜨거운 수조 내에서 80℃로 가온하였다. 교반을 계속하면서, 더 많은 탈이온수(40g)을 상기 따뜻한 폴리비닐 알코올 수용액에 첨가하였다. 교반을 계속하면서, 상기 따뜻한 희석된 폴리비닐 알코올 수용액에 콜로이드 실리카 분산액(120g, MT-ST 실리카, 니싼 케미칼 인더스트리즈, 리미티드(Nissan Chemical Industries, LTD.), 메탄올 중의 약 30%의 실리카)을 첨가하였다. ASTM-D1545 방법에 의하여 상기 폴리비닐 알코올 실리카 용액의 점도가 A^-로 결정되었다.

실시예 D

폴리아크릴로니트릴 수지 12 중량%(알드리치, 카탈로그 181315, CAS [25014-41-9], 분자량 150,000)을 핫플레이트 상에서 가온하면서 디메틸포름알데히드 용매에 용해시켜 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하였다.

실시예 1

실시예 D의 폴리아크릴로니트릴 수지 용액을 300ml 정압(positive pressure) 유체 운반 시스템에 넣었다. 300ml/hr의 유속으로 3/8in (9.5mm) 외경을 가진 테플론 튜브 시스템을 통과시켜 1.1mm 직경의 유체 노즐을 통하여 회전 분무 장치로 공급하였다. 상기 노즐의 유출구는 55mm 직경의 회전 벨 컵에 연결되었다. 상기 유체 노즐은 상기 벨 컵의 후면에 삽입되어, 여기서 상기 유체의 약 80 내지 100%가 약 40mm 직경의 원형 슬릿을 통하여 배출된다. 그 후, 상기 유체는 상기 벨 컵을 가로질러 얇은 시트를 형성하고, 상기 회전 벨 컵의 가장자리에서 방사되어 섬유를 형성한다. 상기 회전 벨은 12,000rpm의 속도로 방사하도록 설정되었다. 상기 벨 컵 가장자리의 기하형태는 곧은 톱니 모양의 형태이다. 상기 원형 슬릿으로부터 상기 벨 컵의 가장자리까지의 수직 거리는 약 7.85cm이다. 이 실험에서 벨 컵은 뒤르 베어 에코(Durr Behr Eco) 벨 컵 모델 N16010037 타입이다. 상기 벨 세이핑 에어는, 1/2in (12.7mm)의 외경을 가진 나일론 튜브를 통해 상기 벨의 후면에서 25psig(1.72 x 10⁵ 파스칼)로 설정되었다. 상기 회전 장치는 75,000V의 간접 전하 인가 전위(indirect charge applied potential)를 갖는 고 전압원에 연결되었다. 운반 튜브, 회전 장치 및 수집기 모두를 70 내지 72℉(21 내지 22℃)의 실온에서 약 55 내지 60%의 상대 습도를 유지할 수 있는 환경 조건을 가지는 부스에 두었다. 나노섬유를 상기 회전 벨로부터 15in (38cm)의 타겟/수집 거리에 설치된 알루미늄 패널 상에 접지된 타겟 상에서 수집하였고, 광학 현미경 및 주사 전자 현미경으로 분석하여 그 특징을 조사하였다. 상기 나노섬유는 본질적으로 원통형이고 600 내지 1800nm의 직경을 가졌다. 보다 작은 직경을 가진 섬유들의 조합으로 보이는 큰 직경의 섬유가 다소 관찰되었다. 상기 주사 전자 현미경 사진을 도 4에 나타내었고, 이는 많은 섬유가 드롭(drop)이 거의 없거나 전혀 없음을 보여준다.

실시예 1의 용액에 대한 설계 분석을 수행하여 상기 용액에 대한 적용 인자를 결정하였다. 이 분석에서 연구된 적용 인자는 12 내지 28K rpm의 벨 속도, 10 내지 20in(25.4 내지 50.8cm)의 타겟 거리, 60 내지 90KV의 전압, 100 내지 300ml/hr의 유체 운반 속도 및 15 내지 35psig (1.03 x 10⁵ 내지 2.41 x 10⁵ 파스칼)의 벨 셰이핑 에어이다. 도 5에 보고된 결과는 유체 운반 속도, 셰이핑 에어, 및 벨 속도가 가장 영향력 있는 적용 인자이고 타겟 거리 및 KV가 뒤를 잇는 것을 보여주었다.

도 5에서 "BS"는 벨 속도를 의미한다. "SA"는 셰이핑 에어를 의미한다. "FF"는 유체 운반 속도를 의미한다.

수직 축의 값은 나노섬유와 드롭의 비와 상기 나노섬유 매트의 두께를 곱한 값이다. 상기 매트의 두께는 1 내지 10의 주관적인 값을 가지고 상기 나노섬유와 드롭의 비는 1 내지 6의 주관적인 값을 가진다.

상기 수직 축 상의 값의 숫자가 더 커질수록, 더 많은 양의 우수한 섬유가 생성된다.

실시예 1A(대조용)

본 실시예에서는, 실시예 1의 절차를 하기의 차이점을 가지고 반복하였다.

벨 속도 28,000rpm

타겟 수집기 거리 10in (25.4cm)

유체 운반 속도 200ml/hr

소정 부분/수집 거리에 설치된 알루미늄 패널 상에 접지된 알루미늄 타겟 상에서 나노섬유의 수집을 시도하였고 주사 전자 현미경 사진으로 도 4a에서 보는 바와 같이 그 특징을 조사하였다. 상기 전자 현미경 사진은 섬유가 거의 형성되지 않고 젖은 드롭이 많음을 보여준다.

실시예 2

실시예 1의 절차에 따르되 뒤르 베어 에코 벨 컵 모델 N16010033을 사용하여 실시예 A의 혼성 유기-무기 중합체 용액을 나노섬유로 방사시켰다. 상기 나노섬유를 광학 현미경 및 주사 전자 현미경으로 그 특징을 조사하였다. 상기 나노섬유는 700 내지 5000nm 범위의 단면적 치수의 약간 평평한 면을 가졌다. 상기 주사 전자 현미경 사진을 도 6에서 나타내었고, 이는 젖은 드롭이 거의 없거나 전혀 없는 많은 섬유를 보여준다.

실시예 2A(대조용)

본 실시예에서는, 일반적으로 실시예 2의 절차를 하기의 차이점을 가지고 수행하였다.

벨 속도 28,000rpm

타겟/수집기 거리 10in (25.4cm)

유체 운반 속도 200ml/hr

접지된 알루미늄 패널 타겟 상에서 나노섬유의 수집을 시도하였고 도 6a에서 보는 바와 같이 주사 전자 현미경 사진으로 그 특징을 조사하였다. 상기 전자 현미경 사진은 섬유가 거의 형성되지 않고 젖은 드롭이 많음을 보여준다.

실시예 1에 기술된 설계 분석을 실시예 2의 용액에 대하여 수행하였다. 이 분석에서 연구된 적용 인자는 12 내지 28K rpm의 벨 속도, 10 내지 20in(25.4 내지 38.1cm)의 타겟 거리, 60 내지 90KV의 전압, 100 내지 300ml/hr의 유체 운반 속도 및 15 내지 35psig (1.03 x 10⁵ 내지 2.41 x 10⁵ 파스칼)의 벨 셰이핑 에어이다. 도 7에 보고된 결과는 유체 운반 속도, 셰이핑 에어, 벨 속도 및 타겟 거리가 가장 영향력 있는 적용 인자이고 KV가 뒤를 잇는 것을 보여주었다. 도 7은 도 5에서 사용된 것과 동일한 용어를 사용한다.

실시예 3

실시예 2의 절차에 따라 100ml/hr의 유체 운반 속도, 28,000rpm의 방사 속도, 90,000V의 전압, 20in (50.8cm)의 타겟 수집기 거리를 사용하여 실시예 C의 무기 졸 겔 중합체 용액을 나노섬유로 방사시켰다. 벨 셰이핑 에어는 벨의 후면에서 15psig (1.03 x 10⁵파스칼)로 설정되었다. 나노섬유를 접지된 알루미늄 패널 타겟 상에서 수집하였고 광학 현미경 및 주사 전자 현미경으로 분석하여 그 특징을 조사하였다.

상기 나노섬유는 기본적으로 원통형이고 100 내지 700nm의 직경을 가졌다. 상기 섬유의 몇몇은 섬유로 인발되지 않은 선형 축을 따라 작은 비드를 가지고 있는 것처럼 보였다. 상기 주사 전자 현미경 사진을 도 8에 나타내었고, 이는 드롭이 거의 형성되지 않은 다수의 작은 섬유를 보여준다.

실시예 3A(대조용)

본 실시예에서는, 실시예 3의 절차를 하기의 차이점을 가지고 반복하였다.

벨 속도 12,000rpm

유체 유속 300ml/hr

타겟 수집기 거리 10in (25.4cm)

셰이핑 에어 35psig (2.4 x 10⁵ 파스칼)

접지된 알루미늄 타겟 상에서 나노섬유의 수집을 시도하였고 도 8a에서 보는 바와 같이 주사 전자 현미경으로 그 특징을 조사하였다. 상기 전자 현미경 사진은 젖은 드롭으로 섬유가 거의 없음을 보여준다.

실시예 4

실시예 1의 절차에 따라 86,000V의 전압을 사용하여 실시예 D의 폴리아크릴로니트릴 수지 용액을 섬유로 방사시켰다. 섬유를 접지된 알루미늄 패널 타겟 상에서 수집하였고 광학 현미경 및 주사 전자 현미경으로 분석하여 특징을 조사하였다. 큰 섬유가 패널 상에 수집되었다. 하나의 큰 섬유를 상기 패널로부터 제거하였고 도 9에서 보는 바와 같이 현미경으로 평가하였다. 낮은 해상도의 광학 상은 큰 섬유가 보다 작은 섬유들의 조합일 수 있음을 나타낸다. 주사 전자 현미경 사진은 상기 큰 섬유들이 훨씬 더 작은 섬유 여러 개를 포함하는 100 마이크론의 직경을 가지는 꼬여있는 얀임을 보여준다. 보다 높은 배율은 상기의 보다 작은 섬유들의 상기 얀 내에서의 직경이 나노스케일이라는 것을 보여준다.

실시예 5

실시예 1과 하기 차이점을 가진 절차에 따라 실시예 B의 유기 중합체 용액을 섬유로 방사시켰다.

유체 유속 200ml/hr

셰이핑 에어 35psig (2.41 x 10⁵ 파스칼)

타겟 수집기 거리 20in (50.8cm)

상기 나노섬유는 단면적 치수의 약간 평평한 면이었고 300 내지 700nm의 직경을 가졌다. 주사 전자 현미경 사진을 도 10에서 보여주고 있다. 상기 현미경 사진은 드롭이 거의 형성되지 않은 다수의 작은 섬유를 보여준다.

이하, 하기의 청구항에서 본 발명을 설명한다.

Claims

(a) 개방된 말단 및 상기 개방된 말단 주위의 주변부로 연장되는 내부 표면을 가지는 회전 환형(annular) 부재에 액체 물질을 제공하는 단계;
(b) 상기 액체 물질을 원심력에 의해 상기 내부 표면을 따라 상기 회전 부재의 주변부로 향하게 하는 단계; 및
(c) 상기 액체 물질을 상기 주변부로부터 섬유 형태로 타겟으로 방출시키는 단계
를 포함하고,
상기 액체 물질은 전기적으로 충전되고 상기 타겟은 접지되어 있는,
액체 물질로부터 섬유를 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 회전 환형 부재가 바닥 또는 밀폐된 말단, 및 상기 바닥 또는 밀폐된 말단으로부터 개방된 말단 및 개방된 말단 주위의 주변부로 연장되는 내부 표면이 있는 벽을 가지는, 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 액체 물질이 원심력에 의해 바닥을 따라 상기 벽의 내부 표면을 가로질러 상기 회전 부재의 주변부로 향하는, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 액체 물질이 중합체 용액 또는 중합체 용융물의 형태인, 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 중합체 용액 또는 중합체 용융물이 유기 중합체, 무기 중합체 또는 혼성 유기/무기 중합체를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 5 내지 5,000nm의 직경을 가지는, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 섬유가 50 내지 1200nm의 직경을 가지는, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 나노섬유가 꼬인 얀 형태로 함께 꼬여있는, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 환형 부재가 원뿔대의 형태인, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 회전 부재가 이와 함께 회전하는 중공 구동 샤프트의 전단(front end)에 위치하는, 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 액체 물질을 상기 회전 부재에 공급하기 위하여, 상기 액체 물질에 대한 공급 튜브가 상기 중공 구동 샤프트를 통하여 상기 회전 부재의 중심부 내로 연장되는, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 회전 부재가 그의 주변부 상에 위치하는 방사 지점을 가지는, 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 방사 지점이 V-형상 톱니 모양인, 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 톱니 모양이 상기 회전 부재의 주변부로부터 바깥쪽으로 연장되고 실질적으로 회전축과 평행인, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 회전 부재의 회전축과 중심이 같고 상기 타겟을 향하는 흐름 형태로 상기 섬유를 형상화하도록, 상기 방출된 섬유에 대하여 공기 스트림을 정상적으로(normally) 추진시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 공기 스트림이 1 내지 60 PSIG (6.9 x 10³ 내지 4.1 x 10⁵ 파스칼)의 압력으로 생성되는, 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 섬유가 타겟 상에서 수집되는, 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 회전 부재의 주변부로부터 상기 타겟까지의 거리가 2 내지 30in (5 내지 76cm)인, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 상기 타겟과 상기 회전 부재 사이에 위치하는 중간 표면 상에서 수집되는, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 회전 부재가 1000 내지 100,000 회전/min의 속도로 회전하는, 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방출된 액체 물질과 접지된 타겟 사이의 전위차가 5000V 이상인, 방법.