KR20110068008A - Nano web and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 웹 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 나노 섬유들이 서로 교락되어 집속된 나노 웹 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano web and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nano web and a method of manufacturing the nanofibers are converging each other.
다공성 막은 전해질 막, 이차전지 막, 필터, 연료전지 막, 인공 혈관과 같은 인공 의학용 관, 반도체용 막, 정수용 막 등 다양한 분야에 사용할 수 있다. 이러한 분야에 사용 가능한 다공성 막은 다공성뿐만 아니라, 내화학성, 내열성 및 기계적 성질이 요구된다.The porous membrane can be used in various fields such as electrolyte membranes, secondary battery membranes, filters, fuel cell membranes, artificial medical tubes such as artificial blood vessels, semiconductor membranes and water purification membranes. Porous membranes usable in these fields require not only porosity but also chemical resistance, heat resistance and mechanical properties.
이러한 요구되는 성질을 만족시키는 재료로 ePTFE(expanded polytetrafluoroethylene) 필름이 주로 사용되고 있다. 그러나, ePTFE는 기계적 강도가 약하고 불소를 사용하여 필름을 제조하기 때문에 환경을 위협하며 가격이 비싸 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, ePTFE는 기공도가 낮고 공경이 작기 때문에 기능성 전도체 등을 담지하는 능력이 떨어지고 연료전지 막에 사용할 경우 성능향상에 한계가 있다.As a material satisfying these required properties, expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) films are mainly used. However, since ePTFE has a weak mechanical strength and manufactures a film using fluorine, there is a problem in that it threatens the environment and the cost is high and the economy is inferior. In addition, since ePTFE has a low porosity and a small pore diameter, ePTFE has a poor ability to support functional conductors, and has a limited performance improvement when used in fuel cell membranes.
이에 따라, ePTFE를 대체할 다양한 재료가 개발 중에 있는데, 그 중 폴리이미드 필름을 예로 들 수 있다. 이러한, 폴리이미드 필름은 내열성 및 내화학성이 우수한 이점이 있는 반면, 통상의 유기용매에 잘 녹지 않기 때문에 가공성이 떨어지고 필름에 다공성을 부여하기 때문에 얇고 균일한 두께와 높은 기공도 및 큰 공극을 갖는 막을 제조하기가 곤란한 문제가 있다. Accordingly, various materials are being developed to replace ePTFE, including polyimide films. Such a polyimide film has advantages of excellent heat resistance and chemical resistance, but is poorly soluble in common organic solvents, and thus has poor processability and imparts porosity to the film. Therefore, a polyimide film has a thin, uniform thickness, high porosity, and large pores. There is a problem that is difficult to manufacture.
또한, 종래 다공성 막의 두께 측정은 게이지 사이에 다공성 막을 넣고 두께를 직접 측정하는 접촉식 방법에 의해 측정하였는데, 이러한 접촉식 측정방법은 측정이 용이한 이점은 있으나, 누르는 힘에 따라 막의 측정된 두께가 달라질 수 있고, 측정자의 숙련도에 따라 측정 오차가 커지는 문제가 있다. 이와 같이 제조된 막의 두께를 정확하게 측정하지 못할 경우, 두께가 균일한 막을 생산하기가 곤란한 문제가 있다. 특히, 연료전지용 스택은 수백 내지 수천 장의 전해질 막이 적층되어 이루어지는데, 만일 상기 전해질 막이 균일한 두께를 갖지 못할 경우, 집적도가 떨어지고 이에 따라 효율이 떨어지는 문제가 있다.In addition, the thickness measurement of the conventional porous membrane was measured by a contact method that directly measures the thickness of the porous membrane between the gauge, this contact measurement method has the advantage of easy measurement, but the measured thickness of the membrane according to the pressing force There may be a problem that the measurement error is large, depending on the skill of the measurer. If the thickness of the film thus prepared cannot be accurately measured, it is difficult to produce a film having a uniform thickness. In particular, the stack for the fuel cell is made of a stack of hundreds to thousands of electrolyte membranes, if the electrolyte membrane does not have a uniform thickness, there is a problem that the degree of integration is inferior and thus the efficiency is reduced.
이에 따라, 제조된 다공성 막의 두께를 외부 환경에 상관없이 신속, 정확하게 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of a technology capable of quickly and accurately measuring the thickness of the prepared porous membrane regardless of the external environment.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 나노 웹 및 그 제조방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a nano web and a method for manufacturing the same, which can prevent problems caused by the above limitations and disadvantages of the related art.
본 발명의 이점은 최적의 조건에서 전기방사를 통해 나노 웹을 제조함으로써 얇고 높은 기공도 및 큰 공극을 갖는 나노 웹 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An advantage of the present invention is to provide a nano-web and a method for producing the nano-web having a thin, high porosity and large pores by producing a nano-web through electrospinning at the optimum conditions.
본 발명의 다른 이점은 비접촉식 방법에 의해 나노 웹의 두께를 정확하게 측정함으로써 따라 균일한 두께를 갖는 나노 웹 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a nanoweb and a method of manufacturing the same having a uniform thickness according to the precise measurement of the thickness of the nanoweb by a non-contact method.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 본 발명의 일 측면으로서, 폴리아믹산 용액을 제조하는 공정; 상기 폴리아믹산 용액을 전기방사를 통해 나노 섬유를 제조하는 공정; 상기 나노 섬유로부터 나노 섬유 집합체를 제조하는 공정; 및 상기 나노 섬유 집합체의 두께를 비접촉식 방법을 이용하여 측정하는 공정을 포함하는 나노 웹의 제조방법이 제공된다.In order to achieve the above advantages, and in accordance with the object of the present invention, as an aspect of the present invention, a process for preparing a polyamic acid solution; Preparing nanofibers by electrospinning the polyamic acid solution; Preparing nanofiber aggregates from the nanofibers; And it provides a method for producing a nano-web comprising the step of measuring the thickness of the nanofiber aggregate using a non-contact method.
본 발명의 다른 측면으로서, 100 내지 5,000㎚의 평균 직경을 갖는 폴리아믹산 나노 섬유; 및 상기 폴리아믹산 나노 섬유들이 서로 교락되어 3차원의 네트워크를 형성하고, 기공도가 50 내지 99%이고 평균 두께가 5 내지 40 ㎛인 나노 집합체를 포함하는 나노 웹이 제공된다.As another aspect of the present invention, there is provided a polyamic acid nanofiber having an average diameter of 100 to 5,000 nm; And a nanoweb comprising the nano-agglomerates having the polyamic acid nanofibers intertwined with each other to form a three-dimensional network and having a porosity of 50 to 99% and an average thickness of 5 to 40 μm.
상기 구성에 의한 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention by the above configuration has the following effects.
첫째, 본 발명에 따른 나노 웹은 기공도가 높고 공극이 큰 구조로 이루어져 있기 때문에 필름 형태의 다공성막 보다 성능이 증진되는 효과가 있다. First, since the nano-web according to the present invention has a high porosity and a large pore structure, the nano web has a better performance than the porous membrane in the form of a film.
둘째, 본 발명에 따라, 신속, 정확하게 나노웹의 두께를 측정할 수 있기 때문에 두께가 얇고 균일한 나노 웹을 제조할 수 있는 효과가 있다.Second, according to the present invention, since the thickness of the nanoweb can be measured quickly and accurately, there is an effect of producing a thin and uniform nanoweb.
셋째, 본 발명에 따라, 폴리아믹산 전구체를 이미드화 반응시켜 제조된 폴리이미드 나노 웹은 가공성이 우수하고 내열성 및 내화화성이 우수한 효과가 있다.Third, according to the present invention, the polyimide nanoweb prepared by the imidation reaction of the polyamic acid precursor is excellent in workability and excellent in heat resistance and fire resistance.
따라서, 이와 같은 나노 웹은 전해질 막, 이차전지 막, 필터, 연료전지 막, 인공 혈관과 같은 인공 의학용 관, 반도체용 막, 정수용 막 등 다양한 분야에 사용할 수 있다.Therefore, such a nanoweb can be used in various fields such as electrolyte membranes, secondary battery membranes, filters, fuel cell membranes, artificial medical tubes such as artificial blood vessels, semiconductor membranes and water purification membranes.
본 발명에서 사용하는 ‘접촉식’두께 측정은 게이지를 이용하여 직접 두께를 측정하는 것을 의미하고 ‘비접촉식’두께 측정은 광의 투과 또는 반사 정도를 탐지하고 이로부터 환산하여 간접적으로 두께를 측정하는 것을 의미한다.The 'contact' thickness measurement used in the present invention means measuring the thickness directly by using a gauge, and the 'non-contact' thickness measurement means measuring the thickness of the light transmission or reflection and indirectly measuring the thickness thereof. do.
본 발명에 사용하는 ‘나노 섬유’용어는 평균 직경이 수천 ㎚ 이하를 갖는 초극세 섬유로서, 전기방사를 통해 제조되는 것을 의미한다.The term “nano fiber” used in the present invention refers to an ultrafine fiber having an average diameter of several thousand nm or less, and is produced by electrospinning.
본 발명에 사용하는 ‘나노 웹’용어는 상기 ‘나노 섬유’들과 같은 초극세 섬유들의 집합체로서, 전기방사를 통해 제조되는 것을 의미한다.The term “nano web” used in the present invention is a collection of ultrafine fibers such as the “nano fibers” and means that it is produced by electrospinning.
나노 섬유는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있는데, 예를 들어 전기방사, 직 접방사, 복합방사, 플래시방사, 등 다양한 방법으로 제조가 가능하다. 이 중 전기방사는 간단한 설비를 이용하여 단순한 공정을 통해 나노 섬유를 제조할 수 있고, 용매에 녹을 수 있는 재료는 모두 방사가 가능하기 때문에 다양한 소재의 초극세 섬유를 제조할 수 있는 이점이 있다.Nanofibers can be produced by a variety of methods, for example, electrospinning, direct spinning, composite spinning, flash spinning, and the like can be manufactured by various methods. Among these, electrospinning can produce nanofibers through a simple process using a simple facility, and since all materials that can be dissolved in a solvent can be spun, there are advantages of manufacturing ultrafine fibers of various materials.
이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 나노 웹(10)의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.The manufacturing method of the
먼저, 폴리아믹산(polyamic acid) 용액을 제조한다. 상기 폴리아믹산 용액을 제조하는 공정은 폴리아믹산 중합체를 제조하는 공정 및 상기 폴리아믹산 중합체를 용매에 녹이는 공정을 포함하여 수행될 수 있다.First, a polyamic acid solution is prepared. The process of preparing the polyamic acid solution may include a process of preparing a polyamic acid polymer and a process of dissolving the polyamic acid polymer in a solvent.
상기 폴리아믹산 중합체는 통상의 방법을 통해 제조될 수 있다. 즉, 폴리아믹산 중합체는, 디아민을 질소 분위기에서 유기 용매에 혼합하고 디언하이드라이드를 첨가 및 중합하여 제조될 수 있다. 한편, 상기 디언하이드라이드는, PMDA(pyromellyrtic dianhydride), BTDA(Benzophenonetetracarboxylic dianhydride), ODPA(4,4'-oxydiphthalic anhydride), BPDA(biphenyltetracarboxylic dianhydride), 또는 SIDA(bis(3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride) 중 하나를 선택하여 사용될 수 있고, 상기 디아민은 ODA(4,4'-oxydianiline), p-PDA(p-penylene diamine), 또는 o-PDA(openylene diamine) 중 하나를 선택하여 사용될 수 있다.The polyamic acid polymer may be prepared through conventional methods. That is, the polyamic acid polymer may be prepared by mixing diamine in an organic solvent in a nitrogen atmosphere and adding and polymerizing dianhydride. The dianhydride may be pyromellyrtic dianhydride (PMDA), benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA), ODPA (4,4'-oxydiphthalic anhydride), BPDA (biphenyltetracarboxylic dianhydride), or SIDA (bis (3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride The diamine may be used by selecting one of ODA (4,4'-oxydianiline), p-PDA (p-penylene diamine), or o-PDA (openylene diamine).
상기 폴리아믹산 용액은 상기 폴리아믹산 중합체를 용매에 녹여 제조될 수 있다. 상기 용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디 메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, γ-부티로락톤 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The polyamic acid solution may be prepared by dissolving the polyamic acid polymer in a solvent. The solvent is m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), acetone, diethylacetate, tetrahydro It may be at least one of furan (THF), chloroform, γ-butyrolactone.
상기 폴리아믹산 용액은 5 내지 20%의 농도를 가질 수 있다. 만일, 상기 폴리아믹산 용액의 농도가 5% 미만일 경우 방사 공정 중 점도가 너무 낮아 나노 섬유(1) 형성이 이루어지지 않거나 균일한 직경을 갖는 폴리아믹산 나노 섬유(1)를 제조할 수 없고, 반면 상기 폴리아믹산 용액의 농도가 20%를 초과할 경우 방사 공정 중 점도가 너무 높아 용액의 결속력이 너무 크고 토출 압력이 급격히 증가함에 따라 방사가 이루어지지 않거나 공정성이 저하될 수 있다.The polyamic acid solution may have a concentration of 5 to 20%. If the concentration of the polyamic acid solution is less than 5%, the viscosity during the spinning process is too low to form the nanofibers (1), or the polyamic acid nanofibers (1) having a uniform diameter cannot be prepared, whereas When the concentration of the polyamic acid solution exceeds 20%, the viscosity is too high during the spinning process, so that the binding force of the solution is too large and the discharge pressure is rapidly increased, the spinning may not be performed or the processability may be lowered.
다음, 상기 폴리아믹산 용액을 전기방사하여 나노 섬유(1)를 제조한다. 즉, 방사용액인 폴리아믹산 용액이 보관된 용액 탱크에서 정량 펌프를 이용하여 방사부로 상기 방사용액을 일정량으로 공급하고, 상기 방사부의 하부에 설치된 노즐을 통해 상기 방사용액을 토출 후, 집속부를 향하여 비산시키는 공정을 통해 나노 섬유(1)를 제조할 수 있다. Next, the nanofibers 1 are prepared by electrospinning the polyamic acid solution. That is, in a solution tank in which a polyamic acid solution, which is a spinning solution, is stored, a predetermined amount of the spinning solution is supplied to a spinning unit using a metering pump, and the spinning solution is discharged through a nozzle installed under the spinning unit, and then scattered toward the focusing unit. Nanofibers (1) can be produced by the process of making.
이때, 상기 방사부와 집속부 사이의 전기장의 세기는 850 내지 3,500 V/㎝ 일 수 있다. 만일 상기 전기장의 세기가 850 V/㎝ 미만일 경우 연속적으로 방사용액이 토출되지 않기 때문에 균일한 두께의 나노 웹(10)을 제조할 수 없고, 또한, 형성된 나노 섬유(1)들이 빠른 속도로 비산되어 집속부에 원활하게 집속될 수 없기 때문에 토출된 고분자 용액이 충분히 섬유화가 일어나지 않고 이에 따라 나노 웹(10)이 형성되기 어려울 수 있다. 반면, 전기장의 세기가 3,500V/cm 이상일 경 우, 비산된 나노 섬유(1)가 집속부에 정확하게 안착되지 않아 정상적인 나노 웹(10)을 형성하지 못할 수 있다.In this case, the intensity of the electric field between the radiating part and the focusing part may be 850 to 3,500 V / cm. If the strength of the electric field is less than 850 V / cm, since the spinning solution is not continuously discharged, the
다음, 상기 나노 섬유(1)들로부터 나노 섬유(1) 집합체를 제조한다. 즉, 상술한 조건에서 제조된 나노 섬유(1)들이 집속부에서 서로 교락되어 불규칙적이고 불연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성하는 공정을 통해 나노 섬유(1) 집합체가 제조된다.Next, a nanofiber (1) aggregate is prepared from the nanofibers (1). That is, the nanofibers 1 assembly is manufactured through a process in which the nanofibers 1 manufactured under the above conditions are entangled with each other in the focusing portion to form an irregular and discontinuous three-dimensional network structure.
또한, 상기 나노 섬유(1) 집합체를 제조하는 공정은 열처리 공정을 포함하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 방사 공정을 통해 제조된 나노 섬유(1) 집합체를 핫프레스와 같은 장치를 이용하여 열처리함으로써 상기 나노 섬유(1) 집합체의 표면이 매끄러워지고 두께가 균일해질 수 있다. 집속부에 형성된 나노 섬유(1) 집합체는 표면에 루프들이 형성되어 고르지 못한 표면을 가질 수 있는데, 핫 프레스와 같은 열판에 의해 고온 및 압력을 받을 경우 나노 섬유(1) 집합체의 표면에 형성된 루프들이 평편하고 고르게 되고, 이에 따라 상기 나노 섬유(1) 집합체의 표면이 더욱 매끄러워지고 상기 나노 섬유(1) 집합체의 두께가 균일해지게 된다.In addition, the process of manufacturing the nanofiber (1) aggregate may be performed including a heat treatment process. That is, the surface of the nanofiber 1 assembly may be smoothed and the thickness may be uniform by heat-treating the nanofiber 1 assembly manufactured through the spinning process using a device such as a hot press. The aggregate of nanofibers (1) formed in the converging portion may have an uneven surface due to the formation of loops on the surface. Loops formed on the surface of the nanofibers (1) aggregate are subjected to high temperature and pressure by a hot plate such as a hot press. It becomes flat and even, so that the surface of the nanofiber (1) aggregate is smoother and the thickness of the nanofiber (1) aggregate is uniform.
다음, 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1) 집합체를 이미드화하는 공정을 통해 폴리이미드 나노 섬유(1) 집합체를 제조한다. 상기 이미드화하는 공정은, 열이미드화 공정, 화학이미드화 공정, 또는 열이미드화와 화학이미드화를 병용한 공정을 통해 수행될 수 있다.Next, a polyimide nanofiber (1) aggregate is prepared through a process of imidizing the polyamic acid nanofiber (1) aggregate. The step of imidation can be carried out through a heat imidation step, a chemical imidation step, or a step using a combination of heat imidation and chemical imidization.
상기 화학이미드화는 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1) 집합체에 아세트산 무수물 등과 같은 탈수제 및 피리딘과 같은 3급 아민류 등의 이미드화 촉매를 처리하는 공정을 통해 수행될 수 있다. 상기 열이미드화는 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1) 집합체에 80 내지 400℃의 온도로 가열하는 공정을 통해 수행될 수 있다. 상기 화학이미드화 및 열이미드화 공정을 병용한 이미드화는 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1) 집합체에 탈수제 및 이미드화 촉매를 처리한 후, 열처리하여 상기 탈수제 및 이미드화 촉매를 활성화시키는 공정을 통해 수행될 수 있다. 이와 같이, 화학적 이미드화와 열이미드화 공정을 병행해서 실시할 경우, 더욱 원활하게 폴리아믹산 나노 섬유(1) 집합체를 이미드화할 수 있다.The chemical imidization may be performed through a process of treating the polyamic acid nanofibers (1) aggregate with a dehydrating agent such as acetic anhydride and an imidization catalyst such as tertiary amines such as pyridine. The thermal imidization may be performed through a process of heating the polyamic acid nanofibers (1) to a temperature of 80 to 400 ℃. The imidization using the chemical imidization and thermal imidization processes is a process of activating the dehydrating agent and the imidization catalyst by treating the polyamic acid nanofibers (1) with a dehydrating agent and an imidizing catalyst, followed by heat treatment. It can be done through. As described above, when the chemical imidization step and the thermal imidation step are performed in parallel, the polyamic acid nanofiber (1) aggregate can be imided more smoothly.
이와 같은 이미드화 공정을 통해, 90% 이상의 이미드화율을 갖는 폴리이미드 나노 집합체를 제조할 수 있다.Through such an imidization process, polyimide nano aggregates having an imidation ratio of 90% or more can be produced.
선택적으로, 상술한 열처리 공정 및 열이미드화 공정은 동일한 장치를 이용하여 동시에 진행할 수도 있다.Optionally, the above-described heat treatment process and thermal imidation process may be performed simultaneously using the same apparatus.
다음, 상기 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 비접촉식 방법을 이용하여 측정한다. 그럼으로써, 제조된 나노 섬유(1) 집합체의 두께 및 두께 균일성을 측정할 수 있고, 만일 예상 두께와 실제 두께의 차이가 심할 경우 방사조건을 변경하여 두께를 조정한다. 이와 같이 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정하는 공정을 통해 상기 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 소정의 범위 내에서 관리할 수 있음으로써, 균일한 두께를 갖는 나노 섬유(1) 집합체를 얻을 수 있다.Next, the thickness of the nanofiber (1) aggregate is measured using a non-contact method. Thus, the thickness and thickness uniformity of the prepared nanofiber (1) assembly can be measured, and if the difference between the expected thickness and the actual thickness is severe, the thickness is adjusted by changing the spinning conditions. In this way, the thickness of the nanofiber (1) aggregate can be managed within a predetermined range through a process of measuring the thickness of the nanofiber (1) aggregate, thereby obtaining a nanofiber (1) aggregate having a uniform thickness. Can be.
종래 나노 섬유(1) 집합체의 두께는 두께 측정 게이지를 이용하여 상기 게이지 사이에 시료인 나노 섬유(1) 집합체를 놓고 직접 측정하는 접촉식 방법을 통해 측정하였다. 그러나, 이러한 접촉식 방법은 측정이 용이한 이점은 있으나, 누르는 힘에 따라 막의 측정된 두께가 달라질 수 있고, 측정자의 숙련도에 따라 측정 오차가 커지는 문제가 있다. The thickness of the conventional nanofiber (1) aggregate was measured by a contact method of directly measuring the nanofiber (1) aggregate as a sample between the gauges using a thickness gauge. However, such a contact method has an advantage of easy measurement, but the measured thickness of the film may vary according to the pressing force, and there is a problem that the measurement error increases according to the skill of the measurer.
본 발명은 간접적으로 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정한다. 즉, 접촉식으로 직접 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정하는 것이 아니라, 분광측색 기기를 이용하여 나노 섬유(1) 집합체의 색차를 측정하고 이로부터 두께를 환산하는 비접촉식 방법을 통해 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정한다. 이를 더욱 자세히 설명하면, 미리 두께를 정확히 알고 있는 기준시료를 준비하고 분광측색 기기를 이용하여 상기 기준시료의 노란색의 척도인 b값을 측정한 후, 두께별 b값에 대한 데이터를 통해 선형회귀선을 구하고, 실제 제조된 나노 섬유(1) 집합체의 b값을 측정하여 상기 선형회귀선을 이용하여 상기 측정된 b값으로부터 두께를 환산함으로써 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정하게 된다.The present invention indirectly measures the thickness of the nanofiber (1) aggregate. In other words, instead of measuring the thickness of the nanofiber (1) aggregate directly by contact method, the nanofibers (through a non-contact method of measuring the color difference of the nanofiber (1) aggregate using a spectrophotometric apparatus and converting the thickness therefrom) 1) Measure the thickness of the aggregates. In more detail, a reference sample having a known thickness is prepared in advance, a b value, which is a measure of yellow color of the reference sample, is measured using a spectrophotometer, and a linear regression line is obtained through data on the b value for each thickness. The thickness of the nanofiber (1) aggregate is measured by measuring the b value of the nanofiber (1) aggregate actually manufactured and converting the thickness from the measured b value using the linear regression line.
이와 같이 광을 이용하여 나노 섬유(1) 집합체의 색차를 구한 후, 이로부터 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 구함에 따라, 신속하고 정확하게 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 측정할 수 있다. 이와 같이 비접촉식으로 나노 섬유(1) 집합체의 두께를 정확하게 측정함에 따라, 이를 통해 상기 나노 섬유 집합체의 제조공정을 정확히 제어함으로써 균일한 두께의 나노 섬유(1) 집합체를 얻을 수 있게 된다.As described above, after the color difference of the nanofiber (1) aggregate is obtained using light, the thickness of the nanofiber (1) aggregate can be measured quickly and accurately by obtaining the thickness of the nanofiber (1) aggregate therefrom. As such, by accurately measuring the thickness of the nanofiber aggregates in a non-contact manner, the nanofiber aggregates of uniform thickness can be obtained by precisely controlling the manufacturing process of the nanofiber aggregates.
본 발명의 나노 웹(10)에 대해 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 웹(10)을 도시한 것이다. 도 1에서와 같이 본 발명의 나노 웹(10)은 폴리아믹산 나노 섬유(1) 및 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1)들이 서로 교락되어 3차원의 네트워크를 형성하는 나노 집합체를 포함하여 이루어진다.The
상기 폴리아믹산 나노 섬유(1)는 100 내지 2,000 ㎚의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1)의 평균 직경이 100 ㎚ 미만일 경우 직경이 너무 작아서 공정을 제어하기가 곤란하고 형태안정성이 떨어질 수 있고, 반면 상기 폴리아믹산 나노 섬유(1)의 평균 직경이 2,000 ㎚를 초과할 경우 직경이 너무 커서 두께가 얇고 기공특성이 우수한 나노 웹(10)을 제조하기가 곤란할 수 있다.The polyamic acid nanofibers 1 may have an average diameter of 100 to 2,000 nm. When the average diameter of the polyamic acid nanofibers (1) is less than 100 nm, the diameter is too small to control the process and the shape stability may be poor, while the average diameter of the polyamic acid nanofibers (1) is 2,000 nm When exceeding, the diameter may be too large to make it difficult to manufacture the nano-
상기 나노 집합체는 기공도가 50 내지 99%이고 평균 공극(2)이 0.5 내지 3.0 ㎛일 수 있다. 상기 나노 집합체의 기공도가 50% 미만일 경우 이를 사용하여 제조된 제품의 성능이 향상될 수 없고, 반면 상기 나노 집합체의 기공도가 99%를 초과할 경우 나노 웹(10)의 형태안정성이 저하되어 이후 공정성이 떨어질 수 있다. 한편, 상기 나노 집합체의 평균 공극(2)이 0.5 ㎛ 미만일 경우, 이를 사용하여 제조된 제품의 성능이 향상될 수 없고, 반면 상기 나노 집합체의 평균 공극(2)이 3.0 ㎛를 초과할 경우 나노 웹(10)의 형태안정성이 저하되어 가공성이 떨어질 수 있고 이를 사용하여 제조된 제품의 성능이 떨어질 수 있다.The nano aggregate may have a porosity of 50 to 99% and an average pore (2) of 0.5 to 3.0 ㎛. If the porosity of the nano-assembly is less than 50%, the performance of a product manufactured using the same cannot be improved, whereas if the porosity of the nano-assembly exceeds 99%, the morphological stability of the
종래 다공질 ePTFE 필름 또는 폴리이미드 필름은 필름에 기공을 부여하는 방식으로 제조하기 때문에 기공도가 낮고 공경이 작아 성능이 떨어질 뿐만 아니라, 얇은 두께로 제조하기가 용이하지 않는 문제가 있다. Since the conventional porous ePTFE film or polyimide film is manufactured by imparting a pore to the film, the porosity is low and the pore size is small, so that the performance is low, and there is a problem that it is not easy to manufacture a thin thickness.
반면, 본 발명의 다공질 나노 웹(10)은 전기방사를 통해 제조됨으로써 두께의 조절이 용이하기 때문에 얇은 두께를 갖는다. 이에 따라, 본 발명의 나노 웹(10)을 이용한 제품은 집적도가 증대되어 효율이 크게 향상될 수 있다. On the other hand, since the
또한, 본 발명의 다공질 나노 웹(10)은 나노 섬유들이 서로 교락되어 3차원 네트워크 구조로 되어 있기 때문에 기공도가 높고 평균 공경이 큰 형태를 가지게 된다. 이에 따라, 본 발명의 나노 웹(10)을 이용하여 제조된 연료전지 막 등은 성능이 크게 향상될 수 있다.In addition, the
본 발명의 나노 웹(10)은 상술한 폴리아믹산 나노 웹(10)을 이미드화 반응을 통해 제조된 폴리이미드 나노 웹(10)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 폴리이미드 나노 웹(10)은 상술한 폴리아믹산 나노 웹(10)의 기공도 및 평균 공경을 갖는 것이 바람직하다. 상기 폴리이미드 나노 웹(10)은 이미드화율이 90% 이상인 것이 바람직할 수 있다. 만일, 상기 이미드화율이 90% 미만일 경우 내열성 및 내화학성이 떨어지기 때문에 고온에서 형태안정성과 유기용매에 용해되지 않는 특성이 요구되는 제품에 이용하는데 한계가 있을 수 있다.The
본 발명의 나노 웹(10)은 마모 강도를 간접적으로 나타내는, 텍스타일-마틴데일법에 따른 KS K ISO 12947-4:2008의 규정에 의해 측정된, 마모횟수가 10회 이상일 수 있다. 상기 나노 웹(10)이 상술한 두께와 기공도를 구비할 경우 10 내지 20회의 마모횟수를 가질 수 있다.The
상기 텍스타일-마틴데일법에 따른 KS K ISO 12947-4:2008의 규정은 천의 마모 강도를 측정하는 방법으로써, 외관변화시까지의 마모횟수를 측정하는데, 상기 마모횟수가 증가한다는 것은 상기 나노 웹(10)을 구성하는 나노 섬유들이 강하게 집속하고 있기 때문에 나노 섬유들 간의 층간 박리가 쉽게 일어나지 않는 것을 의미한다. 따라서, 이와 같이 10회 이상의 마모 강도를 갖는 상기 나노 웹(10)은 층간 박리가 쉽게 일어나지 않기 때문에 우수한 내구성을 가지게 된다.The provision of KS K ISO 12947-4: 2008 according to the Textile-Martindale method is a method of measuring the wear strength of cloth, and measures the number of wears until the appearance changes, and the increase in the number of wears is the nano web. Since the nanofibers constituting (10) are strongly concentrated, interlayer peeling between the nanofibers does not occur easily. Therefore, the
이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.Hereinafter, the effects of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. These examples are merely to aid the understanding of the present invention and do not limit the scope of the present invention.
나노 웹의 두께에 따른 b값 측정B value measurement according to the thickness of nano web
폴리아믹산을 디메틸포름아미드에 용해시켜 10 중량%의 폴리아믹산 용액을 만들고, 상기 폴리아믹산 용액을 전기방사 장치에 설치된 단일 노즐을 통해 토출시켜 나노 섬유(1)를 형성하고 상기 형성된 나노 섬유(1)들을 집속부에 집속시키되, 토출시간을 조절하여 다양한 두께를 갖는 나노 웹을 제조하였다.The polyamic acid was dissolved in dimethylformamide to make a 10% by weight polyamic acid solution, and the polyamic acid solution was discharged through a single nozzle installed in an electrospinning apparatus to form a nanofiber (1) and the formed nanofiber (1) Concentrating them to the focusing unit, by controlling the discharge time to produce a nano-web having a variety of thickness.
위와 같이 제조된 나노 웹들을 100㎝×500㎝로 절단하여 시료를 준비하고 상기 시료의 좌측 상부 모서리에서 좌우방향으로 1㎝×1㎝지점의 두께 및 b값을 측정하고 1㎝ 수평 간격으로 두께 및 b값을 계속해서 측정하여 그 결과들을 평균하여 최종적인 두께 및 b값을 계산하였다. 이때, 두께 측정은 접촉식 측정 기구인 두께 측정 기기(모델명 : G, 상표명 : PEACOCK)를 이용하여 직접 두께를 측정하였고, 비접촉식 측정 기구인 분광색측 기기(모델명 : SF 600, 상표명 : Datacolor)를 이용하여 b값을 측정하였으며, 각 시료당 측정 회수는 20 회였다.The nano webs prepared as described above were cut into 100 cm × 500 cm to prepare a sample, and the thickness and b value of the 1 cm × 1 cm point were measured from the upper left corner of the sample to the left and right directions. The b value was measured continuously and the results were averaged to calculate the final thickness and b value. At this time, the thickness was measured directly by using a thickness measuring device (model name: G, brand name: PEACOCK) that is a contact measuring instrument, and spectroscopic side device (model name: SF 600, brand name: Datacolor), which is a non-contact measuring instrument. B value was measured, and the number of measurements per sample was 20 times.
이와 같이 방법으로 측정된 직접 두께와 b값을 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the direct thickness and the b value measured in this way.
위의 표 1에 나타낸 바와 같이, 나노 웹의 직접 두께와 b값이 상관관계에 있다는 것을 알 수 있다.As shown in Table 1 above, it can be seen that the direct thickness of the nanoweb and the b value correlate.
실시예Example 1 One
폴리아믹산을 디메틸포름아미드에 용해시켜 10 중량%의 폴리아믹산 용액을 만들고, 상기 폴리아믹산 용액을 전기방사 장치에 설치된 단일 노즐을 통해 토출시켜 나노 섬유(1)를 형성하고 상기 형성된 나노 섬유(1)들을 집속부에 집속시켜 폴리아믹산 나노 웹(10)을 제조하였다. 이때, 사용된 폴리아믹산 용액의 점도는 180 poise 이고, 상기 단일 노즐이 하부에 설치된 방사부와 집속부 사이에 인가된 전기장의 세기는 2,500 v/㎝ 이었다. The polyamic acid was dissolved in dimethylformamide to make a 10% by weight polyamic acid solution, and the polyamic acid solution was discharged through a single nozzle installed in an electrospinning apparatus to form a nanofiber (1) and the formed nanofiber (1) The polyamic
실시예Example 2 내지 5 2 to 5
전술한 실시예 1에서, 방사부와 집속부 사이에 인가된 전기장의 세기를 각각 3600, 3400, 900 및 700 v/㎝로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 폴리아믹산 나노 웹(10)들을 제조하였다. In Example 1 described above, the polyamic acid nanoweb was prepared by the same method as Example 1, except that the intensity of the electric field applied between the radiating part and the focusing part was changed to 3600, 3400, 900, and 700 v / cm, respectively. (10) were prepared.
실시예 1 내지 5에 의해 제조된 폴리아믹산 나노 웹(10)들의 물성은 다음의 방법으로 측정하였고, 그 결과는 아래의 표 2에 나타내었다.The physical properties of the polyamic
기공도(%) 측정Measuring Porosity (%)
상기 기공도는 다공질 나노 웹(10) 내에서 공극(2)이 전체 부피에서 차지하는 비율로부터 측정할 수 있는데, 나노 섬유(1) 원료 고분자의 밀도, 나노 웹(10)의 부피, 나노 웹(10)의 무게를 이용하여 아래의 식에 의해 얻었다.The porosity can be measured from the ratio of the
기공도(%) = (나노 웹의 밀도/나노 섬유 원료 고분자의 밀도)×100 = [(나노 웹의 중량/나노 웹의 부피)/ 나노 섬유 원료 고분자의 밀도]×100Porosity (%) = (density of nano web / density of nano fiber raw material polymer) × 100 = [(weight of nano web / volume of nano web) / density of nano fiber raw material polymer] × 100
평균 Average 섬유직경Fiber diameter (㎛)(Μm)
실시예들에 의해 제조된 각 폴리아믹산 나노 웹(10)으로부터 시료를 준비하고 전자주사현미경 이미지(모델명 : JSM6700F, 상표명 : JEOL) 장치를 이용하여 소정 배율의 상기 시료들의 이미지를 얻고 상기 이미지의 중앙점에 가장 가까운 나노 섬유(1)들부터 차례로 측정하여 10개 값을 평균하여 평균 섬유직경을 계산하였다.Samples were prepared from each of the polyamic
마모횟수 측정Wear count measurement
층간 박리 강도를 간접적으로 확인하기 위해 마모횟수를 측정하였다. 실시예들에 의해 제조된 각 폴리아믹산 나노 웹(10)으로부터 시료를 준비하고 텍스타일-마틴데일법에 따른 KS K ISO 12947-4:2008의 규정에 의해 마모횟수를 측정하였다. 이때, 폴리아믹산 나노 웹(10)의 강도가 약하기 때문에 마모펠트는 70데니어의 나일론 6 섬유로 제직된 평직 원단을 사용하였다.The number of wear was measured to indirectly check the interlaminar peel strength. Samples were prepared from each of the polyamic
실시예Example 6 6
상기 실시예 1에서 얻은 폴리아믹산 나노 웹(10)을 200℃로 유지된 핫프레스에서 20분 동안 열처리하여 99%의 이미드화율을 갖는 폴리이미드 나노 웹(10)을 제조하였다.The
비교예Comparative example 1 One
시판 중인 두께 15 ㎛의 ePTFE 다공성 필름((제조사 : WL Gore , 상품명 : Teflon))을 사용하였다.A commercially available ePTFE porous film (manufacturer: WL Gore, trade name: Teflon) having a thickness of 15 μm was used.
실시예 6에 의해 제조된 폴리이미드 나노 웹(10)과 비교예 1의 ePTFE 다공성 필름의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 3에 나타내었다.The physical properties of the
기공도 및 평균 공극 측정Porosity and average pore measurement
상술한 방법에 의해 측정하였다.It measured by the method mentioned above.
내열성 측정Heat resistance measurement
내열성을 간접적으로 확인하기 위해 폴리이미드 나노 웹(10)들과 ePTFE 다공성 필름을 시차주사열량계(모델명: DSC-Q100, 제조사: TA Instrument, 승온속도 10℃/min, 0~400℃ 온도범위)를 사용하여 용융온도(Tm)를 측정하였다.Differential scanning calorimetry (model name: DSC-Q100, manufacturer: TA Instrument, temperature rising rate of 10 ℃ / min, 0 ~ 400 ℃ temperature range) to polyimide nano webs (10) and ePTFE porous film to indirectly check the heat resistance Melt temperature (Tm) was measured.
내화학성 측정Chemical resistance measurement
상기 폴리이미드 나노 웹(10)들과 ePTFE 다공성 필름의 내화학성은, 50℃로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 시료의 건조 무게를 먼저 측정한 후, 상기 건조 시료를 디메틸포름아마이드에 침지시켜 1시간 경과 후 꺼내어 다량의 증류수에 5회 이상 세척 후 50℃로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치한 후 건조 무게를 측정한여 건조 전후의 시료의 무게 차이로 계산된 중량 변화가 ±10% 미만인 경우 유기용매에 내화학성이 있는 것으로 평가하였다.The chemical resistance of the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 웹을 도시한 것이다.1 illustrates a nanoweb according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>DESCRIPTION OF THE RELATED ART [0002]
1 : 나노 섬유 2 : 공극1: nanofiber 2: voids
10 : 나노 웹10: Nano Web
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KR20150129635A (en) * | 2015-11-04 | 2015-11-20 | 한국과학기술원 | Polyimide nanofiber with metal nanoparticle layer and fabrication method thereof |
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2009
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