KR20120077998A - 용융전기방사용 콜렉터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사된 섬유를 집적하는 다수개의 수집봉, 전압인가 장치, 전압인가시 장비 손상을 방지하기 위한 절연판, 방사노즐과 수집봉의 거리를 조절하는 조절장치, 수집봉의 온도를 조절하는 히팅 조절장치 등을 포함하는 용융전기방사용 콜레터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 용융전기방사용 콜렉터는 섬유 집적도가 높아 생산성이 높으며, 불량률이 낮고, 광폭의 웹을 제조할 수 있으며, 장비 단순화로 가격 경쟁력을 높여 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

용융전기방사용 콜렉터{COLLECTOR FOR MELTING TYPE ELECTROSPINNING EQUIPMENT}

본 발명은 용융전기방사용 콜렉터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사된 섬유를 집적하는 다수개의 수집봉, 전압인가 장치, 전압인가시 장비 손상을 방지하기 위한 절연판, 방사노즐과 수집봉의 거리를 조절하는 조절장치, 수집봉의 온도를 조절하는 히팅 조절장치 등을 포함하는 용융전기방사용 콜레터에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 전극의 한 극은 방사노즐부에, 다른 한 극은 콜렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 고분자 용액을 방사노즐부를 거쳐 공기중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 콜렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

이러한 전기방사는 크게 용액전기방사와 용융전기방사로 구분할 수 있느데, 용액전기방사란 폴리머를 일정한 용매에 용해시켜 폴리머가 용해된 용액을 방사하는 방법이며, 용융전기방사란 폴리머 자체를 용융시켜 용융된 폴리머 자체를 방사하는 방법이다.

이 중 용융전기방사는 용액전기방사에 비하여 생산수율이 높고 환경 친화적이라는 점 등 여러가지 장점을 가지고 있다. 따라서 최근 용융전기방사 장치에 대하여 여러가지 연구가 진행되고 있으나, 용액전기방사에 비하여 실용화가 어려운 문제점이 있다. 특히 생상수율 및 생산량 증대를 위하여는 방사시 섬유를 수집하는 수집장치인 콜렉터가 불량률 및 생산수율 등에 중요한 역할을 하고 있으나 이에 대한 연구가 미흡하여 실용화에 많은 어려움이 따르고 있는 실정이다.

현재까지 용융전기방사용 콜렉터로는 벨트 방식, 드럼 방식, 플레이트 방식 등이 주로 사용되고 있으나, 이러한 기존의 용융전기방사용 콜렉터들은 전하가 하전된 집적면이 넓어 섬유 집적도가 낮아서 생산성이 떨어지며, 또한 섬유 수집시 두께 불균일로 인한 불량과 광폭의 웹을 제조하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 생산성이 높으며, 불량률이 낮고, 광폭의 웹을 제조할 수 있는 용융전기방사용 콜렉터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 장비 단순화로 가격 경쟁력을 높여 원가를 절감할 수 있는 용융전기방사용 콜렉터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 높낮이의 조절이 가능한 가변 받침대 및 높낮이 조절장치, 상기 가변 받침대 위에 설치되는 히팅 플레이트 및 히팅 조절장치, 상기 히팅 플레이트의 상부에 위치하며 수집봉들이 체결되는 한 쌍의 수집봉 체결 프레임, 상기 수집봉 체결 프레임 사이에 연속적으로 체결되어 노즐블록에서 토출되는 섬유를 집적하는 다수개의 수집봉들, 상기 수집봉 체결 프레임과 히팅 플레이트를 절연 결합하는 절연판 및 전압 인가장치를 포함하여 이루어지는 용융전기방사용 콜렉터에 관계한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에 있어서, 상기 다수개의 수집봉들은 전도성 물질로 이루어지며 상기 수집봉 체결 프레임을 통하여 전기적으로 통전되며, 회전롤이 구비되어 회전 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에 있어서, 상기 히팅 플레이트에는 히팅 코일이 내장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에 있어서, 상기 다수의 수집봉들에는 하전된 용융전기방사용 폴리머와 반대 극성의 전압이 인가되거나, 접지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 섬유 집적면이 수십개의 수집봉으로 이루어짐으로써 섬유 집적도가 높아 생산성이 향상되며, 광폭의 웹 제조가 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 수집봉에 열원을 공급함으로써 1차 열처리를 통해 섬유간의 결합을 강화시켜 물성을 향상시키는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 장비의 구조가 간단하여 가격 경쟁력을 높여 원가를 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 용융전기방사용 콜렉터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수집봉의 사시도이다.
도 3은 상기 도 1에 따른 콜렉터의 정면도이다.
도 4는 상기 도 1에 따른 콜렉터의 측면도이다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 용융전기방사용 콜렉터를 도시한 사시도이고, 도 2는 상기 콜렉터의 주요 구성요소인 수집봉의 사시도이며, 도 3은 도 1에 의한 콜렉터의 정면도이고 도 4는 도 1에 의한 콜렉터의 측면도이다.

도 1 내지 도4를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 높낮이의 조절이 가능한 가변 받침대(10) 및 높낮이 조절장치(11), 상기 가변 받침대(10) 위에 설치되는 히팅 플레이트(20) 및 히팅 조절장치(21), 상기 히팅 플레이트(20)의 상부에 위치하며 수집봉들(30)이 체결되는 한 쌍의 수집봉 체결 프레임(40), 상기 수집봉 체결 프레임(40) 사이에 연속적으로 체결되어 노즐블록에서 토출되는 섬유를 집적하는 다수개의 수집봉들(30), 상기 수집봉 체결 프레임(40)과 히팅 플레이트(20)를 절연 결합하는 절연판(50) 및 전압 인가장치(60)를 포함한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에서 상기 가변 받침대(10)는 본 발명에 따른 콜렉터를 지지하는 지지부로서, 높낮이 조절장치(11)에 의해 높낮이가 조절되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 용융액이 방사되는 노즐블록(미도시)과 수집봉들(30) 사이의 거리를 조절함으로써 노즐블록에서 방사되는 섬유를 용융액의 공정 조건에 따라 최적의 조건으로 수집봉들(30)에서 집적하는 것을 가능하게 한다. 상기 높낮이 조절장치는 공지된 다양한 방법을 통하여 가변 받침대(10)의 높낮이를 조절할 수 있다. 또한 상기 가변 받침대(10)의 상면에는 후술할 히팅 플레이트(20)가 설치되며, 아래쪽에 바퀴와 같은 이동수단(12)을 구비하여 이동식으로 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에서, 상기 수집봉 체결 프레임(40)은, 히팅 플레이트(20)의 상부에 소정의 간격을 두고 대향되게 구비되어 설치된다. 상기 수집봉 체결 프레임(40)에는 다수개의 체결홈이 구비되며 여기에 수집봉들(30)의 축(31)이 삽입되어 다수개의 수집봉들(30)이 연속하여 결합하게 된다. 상기 수집봉 체결 프레임(40)의 일단에는 고정볼트 등의 고정수단을 통하여 절연판(50)이 체결되며 이 절연판(50)을 통하여 타측의 히팅 플레이트(20)와 전기적으로 절연되면서 고정 설치된다.

상기 수집봉 체결 프레임(40)에는 하전된 용융전기방사용 폴리머의 극성과 반대 극성의 전압이 전압 인가장치(60)를 통하여 인가되거나, 접지될 수 있다. 본 수집봉 체결 프레임(40)의 재료로는 전기 전도성이 우수하고 일정 이상의 기계적 강도를 갖는 공지의 금속이나 금속 합금 등을 제한없이 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에서, 상기 다수개의 수집봉들(30)은 서로 대향되게 일정한 간격을 두고 이격된 한쌍의 상기 수집봉 체결 프레임(40)에 연속적으로 결합되어 노즐 블록에서 토출되는 필라멘트 상의 섬유를 수집면(33)을 통하여 집적한다. 상기 다수개의 수집봉들(30)은 전압 인가장치(60)로부터 수집봉 체결 프레임(40)을 통하여 고압의 전압이 인가되게 된다. 특히 본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에서, 상기 수집봉들(30)은 베어링 타입의 회전롤(32)을 구비하여 회전 가능한 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 수집면(33)에 집적된 웹 형태의 섬유를 권취 장치(미도시) 등을 통하여 권취할 때 상기 수집봉들(30)이 회전하면서 웹과 수집면(33) 사이의 마찰로 인한 정전기 등의 발생을 방지할 수 있게 된다.

상기 수집봉들(30)의 소재로는 전도성이 우수한 금속성 소재가 바람직하게 사용되며, 그 밖에 다양한 종류의 전도성 재료가 채용될 수 있다. 상기 수집봉들(30)의 지름은 1~10 cm, 바람직하게는 2~3 cm 인 것이 좋다. 수집봉(30)의 지름이 10 cm 이상일 경우, 토출되는 전기방사용 용액의 방사량이 커지는 경우에는 토출된 필라멘트상의 섬유가 외부로 비산될 뿐만 아니라 수집봉(30)간의 간격이 늘어나므로 나노웹의 품질이 저하될 염려가 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 전술한 바와 같이 방사되는 필라멘트 형상의 섬유를 집적하는 집적부가 다수개의 수집봉들(30)의 수집면(33)에 의하여 1차원적인 선형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 반면 종래 플레이트 타입 콜렉터에서는 집적부가 2차원적인 면형으로 이루어진다. 이에 의하여 종래의 콜렉터에서는 집적부에 분포하는 전하 밀도가 낮아 섬유 수집시 두께 불균일 등 불량 발생이 많으며 생산성이 저하되는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 따른 콜렉터에서는 집적부의 전하가 수집면(33)에 집중하여 분포하기 때문에 섬유 집적도가 높아 생산성을 향상시킬 수 있으며 불량 발생을 최소화 할 수 있게 된다.

특히 본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터는, 수집봉들(30)의 온도들 조절하는 히팅 플레이트(20)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 히팅 플레이트(20)는 열전도도가 높은 금속재 등으로 이루어지며 그 내부에는 히팅 코일(미도시) 등이 내장된다. 상기 히팅 플레이트(20)의 온도는 히팅 조절장치(21)에 의하여 공지된 방법으로 조절할 수 있으며, 이에 의하여 수집봉들(30)에 열원을 공급함으로써 1차 열처리를 통해 섬유간의 결합을 강화시켜 물성을 향상시킬 수 있다.

또한, 집적부에 형성된 웹의 연속적으로 이송하는 경우 각각의 수집봉들(30)이 아이들 베어링 구동을 하게 되므로 웹과 수집면(33) 사이의 정전기로 인한 장력영향을 없앨 수 있다. 아울러, 콜렉터측에 전압을 인가하는 경우에도 별도의 구동부가 없으므로 전압격리가 간편하며, 유지보수 비용이 저렴하고 그 구현 및 제작/설치가 간편한 이점이 있다. 또한 종래의 플레이트 타입 콜렉터에서는 플레이트의 폭에 제한이 있어 광폭의 웹을 제작하기 어려웠으나, 본 발명에서는 수집봉(30)의 길이를 적절히 조절함으로써 광폭의 웹을 제작할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터에서, 상기 절연판(50)은 히팅 플레이트(20)와 수집봉 체결 프레임(40)을 서로 고정시킴과 아울러 고압의 전압이 인가되는 수집봉 체결 프레임(40)으로부터 히팅 플레이트(20)와 가변 받침대(10) 등 주변 장치를 전기적으로 절연시키는 절연수단으로 작용한다. 이에 의하여 주변 장치들에 고압이 인가되어 장비 손상이나 감전의 위험을 방지할 수 있다. 상기 절연판(50)은 그 일단이 히팅 플레이트(20)에 볼트 등의 고정수단에 의하여 고정되며, 그 타단이 역시 볼트 등의 고정 수단에 의하여 수집봉 체결 프레임(40)에 고정된다. 상기 절연판(50)은 세라믹 등 절연성과 기계적 강도를 갖는 물질이면 제한없이 사용될 수 있다.

이어서 본 발명의 일 구현예에 따른 용융전기방사용 콜렉터를 포함하는 전기방사에 의해 나노 웹을 제조하는 방법을 간단히 설명하면, 먼저 섬유 원료가 되는 폴리머 재료가 익스트루더 등에서 용융되어 정량펌프를 통하여 노즐 블록으로 공급된다.

상기와 같이 이송된 용융 폴리머를 섬유상으로 토출하는 노즐블록은 다수개의 방사노즐로 이루어지며, 이러한 노즐 블록에는 방사 구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하기 위한 복수의 가열 유니트 및 방사되는 필라멘트들을 콜렉터 방향으로 유도하는 복수의 에어 가이드들이 구비될 수 있다.

이어서 용융 폴리머는 고전압이 인가된 노즐블록의 방사노즐을 통해 토출된다. 방사노즐은 상부로 용융 폴리머가 들어와 끝부분에 형성된 모세관을 거치면서 방사되는 구조로서, 이와 같은 구조의 방사노즐들은 다수 개가 일정 간격으로 일렬로 배치되므로, 여러 개의 방사노즐로 나노섬유를 방사할 수 있다. 하전상태의 용융 폴리머는 방사노즐의 모세관을 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 콜렉터 측으로 토출된다.

이때 콜렉터와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 필라멘트가 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다. 콜렉터 측으로 방사된 미세 필라멘트 형태의 나노섬유는 집적되어 웹 형상을 이루게 되며 이어서 상, 하부 히팅롤러를 통과하면서 가열되어 칼렌더링되며, 이후 속도조절롤러를 통과하여, 최종적으로 권취롤러에 권취됨으로써 공정이 종료하게 된다.

본 발명에서 사용 가능한 대표적인 폴리머의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용될 수도 있다. 또한 본 발명에서 용융 폴리머의 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

본 발명의 용융전기방사용 콜렉터를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 광화학 센서소재, 카본 나노튜브 등 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 생체조직과 흡사하게 만든 인공단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조피부 제조에도 이용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.

10 :가변 받침대
20 : 히팅 플레이트
30 : 수집봉
40 : 수집봉 체결 프레임
50 : 절연판
60 : 전압 인가장치

Claims (5)

1. 용전기방사장치의 노즐블록에서 필라멘트 형태로 토출되는 섬유를 집적하기 위한 콜렉터로서, 상기 콜렉터는
   높낮이의 조절이 가능한 가변 받침대 및 높낮이 조절장치;
   상기 가변 받침대 위에 설치되는 히팅 플레이트 및 히팅 조절장치;
   상기 히팅 플레이트의 상부에 위치하며 수집봉들이 체결되는 한 쌍의 수집봉 체결 프레임;
   상기 수집봉 체결 프레임 사이에 연속적으로 체결되어 노즐블록에서 토출되는 섬유를 집적하는 다수개의 수집봉들;
   상기 수집봉 체결 프레임과 히팅 플레이트를 절연 결합하는 절연판; 및 전압 인가장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용융전기방사용 콜렉터.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 수집봉들은 전도성 물질로 이루어지며 상기 수집봉 체결 프레임을 통하여 전기적으로 통전되는 것을 특징으로 하는 용융전기방사용 콜렉터.
3. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 수집봉들은 회전롤이 구비되어 회전 가능한 것을 특징으로 하는 용융전기방사용 콜렉터.
4. 제1항에 있어서, 상기 히팅 플레이트에는 히팅 코일이 내장되는 것을 특징으로 하는 용융전기방사용 콜렉터.
5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 수집봉들에는 하전된 용융전기방사용 폴리머와 반대 극성의 전압이 인가되거나, 접지되는 것을 특징으로 하는 용융전기방사용 콜렉터.

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