KR20120008230A - 초극세 섬유 제조용 멜트-블로잉 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초극세 섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것으로, 특히 노즐팁 선단 하부에 절연체로 구성된 하부 커버판(30)을 구비하여 노즐팁부(21)와 전극효과에 의한 방사 불량을 방지하고, 노즐팁의 선단 하부로 에어 제트를 제공하는 에어 분사노즐(25)의 유로 간극과 길이를 용융 폴리머의 종류에 대응하여 가변시킴으로써 에어 제트의 효과를 극대화시켜 초극세 섬유를 제조할 수 있다.

Description

초극세 섬유 제조용 멜트-블로잉 전기방사장치{Apparatus for production of ultrafine fiber with a nozzle having an electric insulating plate}

본 발명은 초극세 섬유 제조장치에 관한 것으로, 특히 폴리머 용융액을 미세 직경의 노즐을 통하여 가압방출하여 방사하면서 동시에 방사되는 섬유에 노즐과 컬렉터(집적판) 사이에 형성된 고전압 전기장의 전기력을 인가하여 극세 섬유로 전기방사하는 멜트-블로잉(melt-blowing) 전기방사장치에 관한 것이다.

재생의학공학, 생체분자의 정제 및 오염물질 정화를 목적으로 하는 생체친화막, 센서 등 바이오테크놀로지, 환경공학의 분야, 폴리머전지, 고분자막 연료전지등의 에너지분야, 또는 복합재료의 강화재, 대 바이오테러공격, 가스공격을 대비한 방호복등의 방호 및 시큐리티 분야 등의 광범위한 분야에서 직경이 수 미크론인 극세 섬유의 수요가 날로 증가하고 있다.

이러한 극세섬유를 제조하는 장치의 일예로서, 멜트-블로운 전기방사장치가 한국 등록특허 제10-0549140호로 알려져 있는 것이 있다. 상기 한국 등록특허에 개시된 전기방사장치는, 열가소성 폴리머를 용융압출기(1)로 가열용융시켜 방사 용융액을 압출하고, 이 용융압출기(1)에서 압출되는 방사 용융액을 방사노즐부(4)의 선단 노즐(5)을 통하여 고전압이 인가된 전기방사영역으로 토출하여, 그 토출된 방사용융액은 전기방사영역의 전기장의 전기력에 의해 극세 섬유로 방사되어 하부의 집적판(10)에 집적되게 되어 있다. 또, 선단 노즐(5)을 통하여 방사되는 용융액에 전단력을 부가하여 방사 섬유를 극세화하도록 선단 노즐(5)의 끝단을 향하여 에어를 분사하는 에어 분사노즐(7)이 구비되어 있다. 그리고, 상기한 전기방사장치에는 방사영역에 전기장을 형성하기 위하여 방사노즐부(20)와 집적판(40)에 고전압의 양극 또는 음극이 연결되어 있다.

상기한 바와 같은 블로잉 전기방사장치의 경우, 방사되는 섬유의 직경이나 품질은 방사노즐부의 선단 노즐 주위의 유로를 통과하여 노즐의 끝단쪽으로 분사되는 에어의 거동에 중대한 영향을 받는 것이 다양한 실험으로 알려져 있다. 예컨대, 에어의 유속이 지나치게 느리면 방사노즐부의 선단에서 방사가 이루어지지 않는 반면에 에어의 유속이 지나치게 빠르면 방사노즐부의 노즐 선단에서 방사되는 섬유가 단절되거나 직경이 불균일하게 되는 현상이 발생한다.

그런데, 상기 종래의 전기방사장치의 경우, 에어 분사노즐의 유로를 형성하는 노즐 선단 외측면과 유로판 사이에서 전기 스파크가 발생하는 현상때문에 유로판의 두께를 일정한 두께 이상으로 유지할 수 없게 되어 있고, 이로 인하여 에어 분사노즐의 유로를 요구되는 길이와 직경만큼 확보할 수 없는 제한이 있었다. 이와 같이 에어 분사노즐의 유로의 길이와 직경에 제한을 가하게 되면 이 분사노즐의 유로의 직경이 감소하여 방사노즐부의 선단 노즐 쪽으로 분사되는 에어가 고속의 난류를 형성하게 되고, 이 고속의 난류 거동의 에어는 방사노즐부의 선단 노즐에서 방사되는 섬유가 단락되거나 섬유 직경이 불균일하게 되는 등의 문제를 발생시킨다.

이에 본 발명은 상기한 종래 멜트-블로잉 전기방사장치가 가진 단점을 해결하여 분사되는 에어가 일정한 유속으로 제공될 수 있도록 에어 유로의 폭과 길이로 유지할 수 있고, 노즐 선단에서의 전극 효과로 인한 방사 불량을 방지하여 균일한 직경의 초극세 섬유를 제조할 수 있는 멜트-블로잉 전기방사장치를 제공함에 목적이 있다.

또한 본 발명은 용융방사액의 재료 변경에 따라 에어 분사노즐의 유로를 가변시켜 방사조건에 대응할 수 있도록 된 멜트-블로잉 전기방사장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압출기에서 용융시켜 압출되는 폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐을 하나 이상 구비한 노즐블록과, 상기 방사노즐에서 방사되는 섬유에 전단력을 부가하기 위하여 외부에서 제공되는 에어를 방사노즐의 선단 쪽으로 유도하는 에어 분사노즐과, 상기 방사노즐의 하부에 일정한 거리를 두고 배치되어 상기 방사노즐을 통하여 배출되는 방사 섬유를 집적하는 집적판과, 상기 노즐블록에 한쪽 전극(+)을 인가하고 집적판에 다른 쪽 전극(-)을 인가하여 방사노즐과 집적판 사이에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치를 포함한 멜트-블로잉 전기방사장치에 있어서,

상기 노즐블록의 저면에, 좌우측의 외측면이 아래쪽으로 갈수록 선단을 향하여 서로 근접하는 경사면으로 이루어진 노즐팁부가 돌출되게 구비되되, 노즐블록의 길이방향을 따라 전체적으로 연장되고,

상기 방사노즐은 상기 노즐팁부의 길이방향을 따라 일정한 간격을 두고 복수개가 형성되며,

상기 노즐팁부의 좌우측 경사면의 외측에 에어 챔버가 각각 구비되고, 이 에어 챔버는 노즐팁부의 외측 경사면, 노즐블록의 저면에 탈착가능하게 조립된 하부 커버판, 및 노즐블록의 가장자리 측벽에 의해 구획되고,

상기 에어 분사노즐은 상기 하부 커버판의 한쪽 측편 선단면과 상기 노즐팁부의 외측 경사면 사이의 간극으로 구성되어 상기 에어 챔버의 에어가 상기 노즐팁부의 선단 쪽으로 공급되게 유도하고,

상기 에어 분사노즐의 한쪽 측벽을 구성하는 하부 커버판은 인접한 노즐팁부와의 사이에 전기적 영향에 의한 전극효과가 발생하지 않도록 절연체로 구성되어 있다.

또 본 발명은 상기 하부 커버판이 상기 노즐블록의 저면에 체결나사로 결합되어 상하방향 설치위치를 조절할 수 있도록 되어 있다. 체결나사를 조이거나 풀어서 하부 커버판의 설치위치를 위쪽/아래쪽으로 조정함으로써, 에어 분사노즐의 출구 위치를 가변시켜 노즐팁부의 선단 쪽으로 제공하는 에어의 거동을 조절할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 방사노즐부의 노즐 선단에 하부 커버판이 절연체로 구성됨으로써 전기방사시 노즐팁 선단부의 전극효과를 차단하여 초극세 섬유사의 불량을 방지할 수 있고, 또한 노즐팁부 선단으로 에어 흐름을 제공하는 에어 분사노즐의 유로간극과 출구 위치를 가변시켜 용융 폴리머의 종류에 대응하여 에어 분사조건을 최적상태로 조정할 수 있어 초극세 섬유를 제조할 수 있다.

도 1은 종래 멜트-블로잉 전기방사장치의 일예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 멜트 블로잉 전기방사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 노즐블록의 일부 분리 저면사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 멜트 블로잉 전기방사장치의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 멜트 블로잉 전기방사장치의 개략적 구성을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 멜트 블로잉 전기방사장치는 폴리머를 용융하여 압출하는 압출기(10)와, 상기 압출기(10)에서 공급되는 폴리머 용융액을 안내하여 선단에서 방사영역(Z)으로 방사하는 복수개의 방사노즐(21)을 구비한 노즐블록(20)과, 상기 노즐블록(20)에서 방사되는 초극세섬유을 집적시키는 집적판(40)과, 노즐블록(20)과 집적판(40)에 전원의 양쪽 전극을 각각 연결하여 상기 방사영역(Z)에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치(50)를 포함한다.

상기 압출기(10)는 폴리머를 용융하여 폴리머 용융수지를 압출한다. 사용되는 폴리머는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP) 등이 사용된다. 그러나 본 발명에 따른 전기 방사 장치는 모든 용융 가능한 고분자 용융물의 전기 방사에 사용될 수 있다. 각각의 용융물을 전기 방사하는 경우 온도 제어는 용융물에 성질에 따라 서로 다른 범위에서 이루어질 수 있다.

상기 압출기(10)에서 압출되는 폴리머 용융액은 방사 노즐블록(20)로 압송된다.

상기 노즐블록(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 저면에 아래쪽으로 돌출하여 아래쪽 선단이 집적판(40)을 향하는 노즐팁부(22)를 구비한다. 상기 노즐팁부(22)은 노즐블록(20)의 길이방향을 따라 연장되어 있고, 좌우측의 측면은 아래쪽으로 갈수록 서로 근접하도록 경사진 경사면(22a, 22b)으로 이루어진다.

상기 방사노즐(21)은 노즐팁부(22)를 상하 중심방향을 따라 관통하게 구비된다. 그리고 상기 방사노즐(21)은 노즐팁부(22)의 길이방향을 따라 일정하게 간격을 두고 복수개가 형성된다. 상기 방사노즐(21)은 압출기(10)에서 공급되는 방사 용융액을 안내하여 노즐팁부(22)의 저면에서 개방된 노즐선단을 통하여 전기장 영역으로 방사한다.

방사노즐(21)은 방사용액을 일정한 압력으로 가압하여 배출되도록 상부는 상대적으로 직경이 큰 부분으로 이루어지고, 반대로 하부는 상대적으로 직경이 작은 노즐부로 이루어져 있다.

한편, 본 발명은 상기 노즐팁부(22)의 방사노즐 선단에서 방사되는 섬유에 전단력을 제공하기 위하여 상기 노즐팁부(22)의 선단 쪽으로 에어를 분사한다.

상기 노즐팁부(22)의 좌우측 경사면(22a,22b)의 외측에, 각각 노즐팁부(22)의 외측 경사면(22a,22b), 노즐블록(20)의 저면(20a)에 탈착가능하게 조립된 하부 커버판(30), 노즐블록(20)의 가장자리 측벽(20b)으로 구획되는 에어 챔버(S)가 구비된다. 이 에어 챔버(S)에는 외부에서 제공하는 에어가 노즐팁부(22)의 선단쪽으로 분사되기 전에 일시 체류한다.

상기 하부 커버판(30)의 한쪽 가장자리 선단(31)과 상기 노즐팁부(22)의 외측 경사면(22a,22b) 사이에는 일정한 간극을 두고 형성된 에어 분사노즐(25)이 구비된다. 이 에어 분사노즐(25)의 위쪽 입구측은 상기 에어 챔버(S)에 연통되어 에어가 상기 노즐팁부(22)의 선단 쪽으로 공급되게 유도한다.

상기 에어 챔버(S)의 하부 커버판을 구성하는 동시에 에어 분사노즐(25)의 한쪽 측벽을 구성하는 하부 커버판(30)은 절연체로 구성되어 노즐팁부(22)의 경사면과 사이에 전기적 영향에 의한 전극효과 현상을 방지한다.

한편, 에어 분사노즐(25)을 통하여 노즐팁부(22)쪽으로 분사되는 에어 흐름의 거동과 유속은 방사섬유 직경에 중대한 영향을 미치는 것을 알게 되었다. 에어가 분사될 때 층류의 흐름을 유지하면 방사섬유의 섬유경이 균일하게 유지되고 아울러 방사되는 섬유에 균일한 전단력을 제공하여 방사섬유를 더욱 극세화하게 된다.

이와 같은 에어의 흐름을 층류로 유지하기 위해서는 에어 분사노즐(25)의 유로 길이를 가능한 길게 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명은 상기 에어 분사노즐(25)의 유로 길이를 충분하게 유지하고 폴리머의 종류에 따른 공정조건의 변화에 대응하여 상기 에어 분사노즐(25)의 유로 길이와 폭을 가변시킬 수 있다.

따라서, 에어 분사노즐의 한쪽 측벽을 구성하는 하부 커버판을 전기적 절연체로 구성하므로 이 하부 커버판(30)과 노즐팁부(22)의 경사면(22a,22b) 사이에 전극효과가 발생하지 않아 하부 커버판(30)을 노즐팁부(22)의 경사면(22a,22b)쪽으로 근접시켜 에어 분사노즐(25)의 유로 폭과 길이를 조절할 수 있게 된다.

용융 폴리머의 종류에 따라 변화하는 방사조건에 대응하여 에어 분사노즐(25)을 통한 에어 제트의 흐름 거동을 변화시킴으로써 균일하고 초극세의 방사섬유를 제조할 수 있게 된다.

10: 압출기 Z: 방사영역
20: 노즐블록 20a: 저면
20b: 가장자리 측벽 21: 방사노즐
22: 노즐팁부 22a, 22b: 경사면
25: 에어 분사노즐 28: 체결나사
30: 하부 커버판 40: 집적판
50: 고전압 발생장치 S: 에어 챔버

Claims (2)

1. 압출기(10)에서 용융시켜 압출되는 폴리머 용융액을 방사하기 위한 방사노즐(21)을 하나 이상 구비한 노즐블록(20)과, 상기 방사노즐(25)에서 방사되는 섬유에 전단력을 부가하기 위하여 외부에서 제공되는 에어를 방사노즐(25)의 선단 쪽으로 유도하는 에어 분사노즐(25)과, 상기 방사노즐(20)의 하부에 일정한 거리를 두고 배치되어 상기 방사노즐(25)을 통하여 배출되는 방사 섬유를 집적하는 집적판(40)과, 상기 노즐블록(20)에 한쪽 전극(+)을 인가하고 집적판(40)에 다른 쪽 전극(-)을 인가하여 방사노즐(20)과 집적판(40)사이에 전기장을 형성하는 고전압 발생장치를 포함한 멜트-블로잉 전기방사장치에 있어서,
   상기 노즐블록(20)의 저면에, 아래쪽으로 돌출되고 노즐블록의 길이방향을 따라 연장된 노즐팁부(22)를 구비하고, 상기 노즐팁부(22)는 좌우측면이 하부 선단쪽으로 갈수록 서로 근접하는 경사면(22a,22b)으로 이루어지고,
   상기 방사노즐(21)은 상기 노즐팁부(22)에 일정한 간격을 두고 복수개가 형성되며,
   상기 노즐팁부(22)의 좌우측 경사면(22a,22b)의 외측에, 노즐팁부(22)의 외측 경사면(22a,22b), 노즐블록(20)의 저면(20a)에 탈착가능하게 조립된 하부 커버판(30), 및 노즐블록(20)의 가장자리 측벽(20b)으로 구획되는 에어 챔버(S)가 구비되고,
   상기 에어 분사노즐(25)은 상기 하부 커버판(30)의 한쪽 가장자리 선단(31)과 상기 노즐팁부(22)의 외측 경사면(22a,22b) 사이에 일정한 간극을 두고 형성된 유로로 형성된 것을 특징으로 하는 멜트-블로잉 전기방사장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 커버판(30)은 상기 노즐블록(20)의 저면에 체결나사(28)로 지지되어 체결나사(28)를 노즐블록(20)의 저면에 조이거나 풀어서 상기 노즐팁부(22)의 외측 경사면(22a,22b)에 대한 하부 커버판(30)의 가장자리 선단(31)과 사이의 유로 폭과 길이를 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 멜트-블로잉 전기방사장치.

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