KR20110131664A - 강유전체를 이용한 정전섬유의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강유전체인 바륨타이타네이트(Barium titanate) 분말을 함유한 정전섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 바륨타이타네이트 함유 용액을 전기방사하여 정전성능이 부여된 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 폴리에틸렌옥사이드를 용매와 혼합한 섬유형성용액에 바륨타이타네이트를 전체 방사용액 중량대비 0.1 내지 2.0wt%를 분산시켜 제조된 방사용액을 전기방사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 정전섬유의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법으로 제조된 정전섬유를 유효한 정전특성을 나타내기 때문에 에어필터 등에 사용될 경우 필터여재의 여과효율을 향상시킬 수 있다.

Description

강유전체를 이용한 정전섬유의 제조방법{Method for Electromagnetic Fiber Using Ferroelectrics}
본 발명은 강유전체인 바륨타이타네이트(Barium titanate, BaTiO3 ,) 분말을 함유한 정전섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 바륨타이타네이트 함유 용액을 전기방사하여 정전성능이 부여된 나노섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 정전 성능을 갖은 섬유는 섬유를 제조한 후에 코로나 차징과 같은 공정을 거쳐 섬유에 정전성능을 부여하는 방법으로 제조되었다. 하지만 나노섬유는 정전성능을 부여하기 어려운 조건으로 제조되기 때문에 정전성능을 부여하는데 어려움이 있었다. 하지만 외부 전기장이 없는 상황에서도 특정한 온도 범위와 균일한 압력 하에서 자발 분극이 일어나는 강유전체와 섬유를 복합하여 강유전체 표면을 나노 크기로 감싸는 유/무기 하이브리드 구조로 제조하는 방법이 시도되고 있다. 이 경우 동일 질량 내에 강유전체의 분산성 및 비표면적을 극대화 시킬 수 있으므로 기존 나노섬유를 이용한 필터보다 고효율의 집진장치를 구현할 수 있다. 또한 제조된 나노섬유를 나노웹 복합필터에 적용한다면 기존 섬유 필터 여재와 비교시 재료의 후도 및 압력 강하량을 감소시켜 원료 및 운전비용의 감소를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명자들은 상기의 문제점을 극복하고, 자발분극을 형성하는 강유전체를 이용하여 정전성능을 갖는 나노섬유를 개발하였으며, 또한 제조된 정전나노섬유의 정전성능을 평가하였다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 섬유를 제조하는 원료를 준비하는 공정에서 자발분극을 형성하는 강유전체를 함유시켜 정전섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 폴리에틸렌옥사이드를 용매와 혼합한 섬유형성용액에 바륨타이타네이트를 전체 방사용액 중량대비 0.1 내지 2.0wt%를 분산시켜 제조된 방사용액을 전기방사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 정전섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 폴리에틸렌옥사이드는 전체 방사용액 중량대비 8 내지 15wt%인 것을 특징으로 하는 정전섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 강유전체를 함유한 방사용액을 전기방사하여 얻은 정전나노섬유는 기존의 섬유에 정전성능을 부여하는 방법과는 달리 나노섬유에도 정전성능을 부여할 수 있다. 또한 본 발명에 제시된 정전나노섬유를 나노섬유복합필터에 적용헐 경우 섬유에 부여된 정전성능에 의하여 필터여재의 여과 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 전기방사 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의해 제작된 정전나노섬유의 바륨타이타네이트 분말의 함유량에 따른 나노웹의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 의해 제작된 정전나노섬유의 바륨타이타네이트 분말의 농도에 따른 표면전압을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 사용된 바륨타이타네이트의 구조와 전자기장 형성의 모식도를 나타낸 것이다.
본 발명은 강유전체인 바륨타이타네이트를 포함하는 정전 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 강유전체로 사용된 바륨타이타네이트(BaTiO3) 분말은 소위 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 대표적인 강유전체이다. 도 4는 바륨타이타네이트의 구조와 전자기장 형성의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4를 보면, 바륨타이타네이트는 바륨(Ba) 원자가 정육면체의 모서리에 위치하고, 타이타늄(Ti) 원자는 체심에, 그리고 산소(O) 원자는 면심에 위치한다. 따라서 타이타늄 원자는 산소 원자가 만드는 정팔면체의 중심에 위치하게 된다. 상전이 온도 이하에서는 타이타늄 원자와 바륨 원자의 이동이 산소원자의 이동방향과 반대로 이루어져 자발분극을 형성하여 강유전상이 된다.
본 발명은 상기의 성질을 가진 바륨타이타네이트 분말과 섬유형성 고분자와 함께 전기방사용액으로 제조한 후, 이를 전기방사하여 정전성능을 가진 나노섬유를 제조하였다.
강유전체인 바륨타이타네이트 분말을 이용한 정전 섬유의 구체적인 제조방법은 아래와 같다.
먼저, 섬유형성고분자인 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, 이하 “PEO”라 한다)를 탈이온수(deionized water)에 8 ~ 14 wt%의 농도로 혼합한 후, 12시간 동안 물리적으로 교반하여 균일한 용액을 제조하였다. 교반속도 1500rpm에서 바륨타이타네이트 분말을 2 내지 3시간에 걸쳐 첨가하여 분산시킴으로써 최종방사 용액을 제조할 수 있다.
이때 섬유형성 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드 외에 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리스타이렌, 폴리비닐디플루오라이드 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용할 수 있다.
섬유형성 고분자는 방사용액에서 8 내지 15wt%인 것이 바람직하다. 8wt% 이하인 경우 방사시 용액의 드랍(drop)이 많이 발생하고 섬유의 형성이 잘 이루어지지 않으며, 15wt% 이상인 경우 방사용액의 점도가 너무 높아져 방사를 하기가 어렵다.
본 발명에서 바륨타이타네이트는 전체 방사용액 중량 대비 0.05~2.0wt%인 것이 바람직하다. 바륨타이타네이트가 0.05wt% 미만으로 포함되면, 제조된 섬유가 정전 성능을 나타내지 못하고, 2.0중량%를 초과하는 경우에도 원하는 정도의 정전효과를 나타내지 못하고, 오히려 제조된 섬유에 비드(beed)가 발생하여 표면특성이 저하된다.
상기에서 제조된 최종 방사용액을 도 1에 도시한 전기방사장치를 이용하여 전기방사하여 본 발명의 정전 섬유를 제조할 수 있다. 본 발명의 전기방사장치는 전압공급장치(11), 전압공급장치와 연결되어 5~20kV로 전압이 인가되는 방사노즐(12), 방사노즐에서 방사된 나노섬유가 집적되는 콜렉터(13)로 이루어진다. 본 발명에서 방사노즐(12)과 콜렉터(13)의 거리는 10 내지 20cm인 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 전기방사장치는 공지된 전기방사장치를 이용할 수 있다. 특히 본 발명에서는 콜렉터가 둥근 원통형인 것을 사용하여, 콜렉터를 회전하면서 전기방사함으로써, 나노섬유웹이 균일하게 형성될 수 있게 하였다.
본 발명에서 제조된 정전 섬유는 KASUGA사의 KSD-0103로 이용하여 전위(electric potential, kV)를 측정하였고, 섬유의 단면은 주사탐침현미경(Scanning electro microscopy)으로 측정하였다.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리에틸렌 옥사이드를 탈이온수에 14wt% 농도로 혼합한 후, 12시간 동안 교반하여 섬유형성용액을 제조한다. 제조된 섬유형성용액에 바륨타이타네이트 분말을 전체 방사용액 중량 대비 0.05 내지 3.0wt%를 2시간에 걸쳐서 첨가하여 분산시켜서 최종 전기방사용액을 제조하였다. 전압공급장치, 방사노즐 및 콜렉터로 이루어진 전기방사장치를 이용하여, 방사용액의 공급속도 0.1ml/min, 방사시간 시료 당 20min으로 하여 전기방사하여 본 발명의 정전섬유를 제조하였다. 이때 노즐과 컬렉터의 거리는 15cm로 조절하였고, 방사노즐에 인가되는 전압은 30kV로 하였다. 전기방사는 온도 24±2℃, 습도 30±3% 내에서 이루어졌다.
실시예에서 제조된 정전 섬유를 주사전자현미경(Scanning electro microscopy)으로 찍은 사진을 도 2에 나타내었다. b는 바륨타이타네이트 분말이 0.02wt%인 경우, c는 바륨타이타네이트 분말이 0.05wt%인 경우, d는 바륨타이타네이트 분말이 0.5wt%인 경우의 정전 섬유의 사진이다.
또한 제조된 섬유의 전위(electric potential, kV)를 측정하여 도 3에 나타내었다.
아래의 표 1에 강유전체인 바륨타이타네이트 분말함유 용액의 전기방사조건을 나타내었다.
유도전압(kV) 30
방사노즐과 콜렉터의 거리(cm) 15
공급속도(ml/min) 0.1
방사시간(min/sample) 20
온도(℃) 24 ± 2
습도(%) 30 ± 3
비교예 1
폴리에틸렌 옥사이드를 탈이온수에 14wt% 농도로 혼합한 후, 12시간 동안 교반하여 섬유형성용액을 제조한다. 제조된 용액을 실시예 1과 동일한 방법으로 전기방사하여 나노섬유를 제조하였다. 제조된 섬유의 주사탐침현미경 사진을 도 2a에 나타내었다.
도 2는 바륨타이타네이트 분말의 함유량에 따른 정전 나노섬유를 주사전자현미경(Scanning electro microscopy)전자현미경으로 찍은 사진이다. 전기방사를 통해 제조된 정전 나노섬유는 비말(droplet)과 비드(bead)가 없어야 제품으로 사용할 수 있다. 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 본 발명에서 제조된 나노웹은 점적이나 비드가 거의 발생하지 않았다.
제조된 정전섬유의 정전성능을 KASUGA사의 KSD-0103으로 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3은 바륨타이타네이트 분말의 농도에 따른 전위(electric potential, kV)를 나타낸 그래프이다.
도 3을 보면, 바륨타이타네이트 분말로 인하여 나노섬유의 전위(electric potential, kV)값이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 바륨타이타네이트 분말이 나노섬유의 정전효과를 증대시켜 준다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 바륨타이타네이트 농도가 0.5wt%인 경우 전위가 가장 높은 것을 알 수 있었다. 바륨타이타네이트 분말이 전체 방사 용액 중량 대비 0.1 내지 2.0wt% 인 경우 제조된 나노섬유가 유효한 정전 효과를 가질 수 있으며, 제조된 나노섬유 내에는 전이된 정전기장이 형성됨을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 폴리에틸렌옥사이드를 탈이온수 용매와 혼합한 섬유형성용액에 바륨타이타네이트를 전체 방사용액 중량대비 0.1 내지 2.0wt%를 분산시켜 제조된 방사용액을 전기방사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 정전섬유의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리에틸렌옥사이드는 전체 방사용액 중량대비 8 내지 15wt%인 것을 특징으로 하는 정전섬유의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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