KR20140124565A - 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 노즐로부터 토출되는 두 개 이상의 성분이 다른 폴리머 용액의 점도를 제어하기 위하여, 노즐과 연결되는 각 관체 내에 온도조절장치를 장착하여 온도를 제어함으로써 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유를 생산할 수 있는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 전기방사장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 방사된 나노섬유를 집적하는 컬렉터와, 상기 컬렉터에 배향된 위치에 설치되어 두 개 이상의 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐이 교차적으로 배치된 노즐블록과, 상기 컬렉터와 상기 노즐 사이에 고전압을 부여하는 전원장치와, 상기 컬렉터와 상기 노즐의 사이를 반송 방향으로 반송되는 장척시트를 포함한 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블록은 복수의 관체를 포함하고 있으며, 각각 성분이 다른 폴리머 용액을 저장하는 두 개 이상의 폴리머 용액 저장탱크와, 각각의 저장탱크에는 폴리머 용액을 유통시키기 위한 폴리머 용액 유통파이프가 구비되고, 상기 각 관체 내에는 온도조절장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유를 동시에 제조하기 위해, 상기 노즐블록의 상기 각 관체마다 온도조절장치를 장착하여 상기 각각 성분이 다른 폴리머 용액을 저장하는 상기 폴리머 용액 저장탱크로부터 유통된 각각의 폴리머 용액의 점도를 제어함으로써, 전기방사 시 상기 폴리머 용액이 상기 노즐로부터 동시에 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유가 토출되게 하며, 다양한 성분과 다양한 두께의 나노섬유를 동시에 제조할 수 있으며, 공정의 단순화와 제조비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

Description

온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치{Electrospinning device containing temperature control system for manufacturing multipolymer nanofiber}

본 발명은 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐블록의 관체에 장착된 노즐로부터 전기방사되어 토출되는 두 개의 다른 성분을 가진 폴리머 용액의 점도를 제어하기 위하여, 각 관체 내에 온도조절장치를 설치하여 토출되는 각 폴리머 용액들의 온도를 제어함으로써 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유를 생산할 수 있는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유(이하, '나노섬유'라 한다)를 제조하기 위한 기술로서 최근에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기방사에 의해 제조되는 나노 섬유는 섬유의 평균 직경이 5 내지 1,000 ㎚가 되는 섬유를 의미하며, 이와 같이 섬유의 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들이 나타난다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

나노섬유를 제조하는 전기방사장치는 방사용액을 저장하는 저장탱크, 저장탱크로부터 방사용액을 정량적으로 이송하는 유통파이프, 노즐블록, 노즐블록에 배치된 복수 개의 노즐, 노즐을 통하여 방사되는 나노섬유를 집적하는 컬렉터, 및 상기 노즐블록과 컬렉터에 전압을 부여하기 위한 전원장치로 이루어진다.

이러한 전기방사장치로 나노섬유를 제조할 때에, 사용되는 고분자와 용매(Solvent)의 종류, 고분자 용액의 농도, 방사실(Spinningroom)의 온도 및 습도등이 제조되는 나노섬유의 섬유직경과 방사성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

전기방사 영역에서의 온도와 습도에 있어서, 전기방사가 일어나는 영역(이하, '방사영역'이라 한다)의 온도는 방사용액의 점도를 변화시킴으로써 방사 용액의 표면장력을 변화시키므로, 결국 방사된 나노섬유의 직경에 영향을 미치게 된다.

즉, 방사영역의 온도가 상대적으로 높아서 용액의 점도가 낮으면 섬유직경이 상대적으로 가는 나노섬유가 만들어지고, 온도가 상대적으로 낮아서 용액의 점도가 높으면 섬유직경이 상대적으로 굵은 나노섬유가 만들어진다.

따라서, 섬유직경 분포가 일정한 나노섬유를 제조하기 위해서는 방사실 전체의 온도와 습도를 정해진 조건에 따라 일정하게 유지하도록 제어하여야 하는데, 이를 위해서는 설비비용 및 에너지 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

또 다른 나노섬유의 조건으로, 하나의 폴리머 용액을 사용하여 전기방사된 나노섬유의 강도의 한계를 극복하기 위해, 다른 성분을 가진 폴리머 용액을 혼합하여 적층시켜 강화된 나노섬유를 제조하고 있다.

이러한 다층의 나노섬유를 제조할 경우 강화된 나노섬유를 제조할 수 있다는 장점이 있지만 상대적으로 나노섬유의 두께가 두꺼워지며, 폴리머 용액이 전기방사되어 컬렉터에 집적될 때 하나의 전기방사장치에 하나의 폴리머 용액을 사용하기 때문에 두 개 이상의 전기방사장치를 필요로 한다. 또한 설비비용 및 에너지 비용이 많이 소요되며, 제조라인이 길어지고, 공정시간이 증가한다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상기 노즐로부터 토출되는 두 개 이상의 성분이 다른 폴리머 용액의 점도를 제어하기 위하여, 노즐과 연결되는 각 관체 내에 온도조절장치를 장착하여 온도를 제어함으로써 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유를 생산할 수 있는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 전기방사장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 방사된 나노섬유를 집적하는 컬렉터와, 상기 컬렉터에 배향된 위치에 설치되어 두 개 이상의 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐이 교차적으로 배치된 노즐블록과, 상기 컬렉터와 상기 노즐 사이에 고전압을 부여하는 전원장치와, 상기 컬렉터와 상기 노즐의 사이를 반송 방향으로 반송되는 장척시트를 포함한 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블록은 복수의 관체를 포함하고 있으며, 각각 성분이 다른 폴리머 용액을 저장하는 두 개 이상의 폴리머 용액 저장탱크와, 각각의 저장탱크에는 폴리머 용액을 유통시키기 위한 폴리머 용액 유통파이프가 구비되고, 상기 각 관체 내에는 온도조절장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 폴리머 용액은 폴리락트산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리아세트산비닐(PVAc), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리우레탄(PU), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산글리콜산(PLGA), 실크, 셀룰로스, 키토산 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 각 관체는 상기 노즐블록에 대해 착탈 가능하게 장착되어 있고, 상기 각 관체의 내부에 선형, 파이프형 또는 코일 형태의 온도조절장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하며, 상기 관체에 연결되어 있는 상기 복수의 노즐로부터 상기 폴리머 용액이 토출되어 나노섬유를 제조하는 전기방사 방식이 상향식, 하향식 또는 수평식인 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유를 동시에 제조하기 위해, 상기 노즐블록의 상기 각 관체마다 온도조절장치를 장착하여 상기 각각 성분이 다른 폴리머 용액을 저장하는 상기 폴리머 용액 저장탱크로부터 유통된 각각의 폴리머 용액의 점도를 제어함으로써, 전기방사 시 상기 폴리머 용액이 상기 노즐로부터 동시에 다양한 성분과 다양한 두께를 가진 나노섬유가 토출되게 하여, 다양한 성분과 다양한 두께의 나노섬유를 동시에 제조할 수 있으며, 공정의 단순화와 제조비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 폴리머 용액 공급장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 코일 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 4는 상기 도 3의 A-A'선 측단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 선형 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 6은 상기 도 5의 B-B'선 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, U자 형태의 파이프를 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 8은 상기 도 7의 C-C'선 측단면도이다.

일반적으로 나노섬유 제조장치는 장척시트(W)가 반송장치에 의해 소정의 방향(a)으로 이송되는 방향을 따라서 장척시트(W)를 전기방사하는 전기방사장치(1)와 모든 각 동작부를 제어하는 주 제어장치를 구비하며, 이외에도 장척시트(W)에 나노섬유를 퇴적시킬 때 발생하는 휘발성 성분을 연소시켜 제거하는 VOC 처리장치, 전기방사장치에 이상이 검출된 경우, 전기방사장치의 전기방사실(11)에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급장치 등을 포함하여 구성된다.

상기 도면에서는 전기방사장치만 도시하였고 반송장치와 주 제어장치, VOC 처리장치, 불활성 가스 공급장치 등은 도시하지 않았다.

도 1은 전기방사장치를 도시한 정면도이다.

상기 도 1에 도시된 전기방사장치(1)는 온도 20 내지 40℃, 습도 20 내지 60%의 환경으로 조절된 방에 설치되도록 하며, 상기 전기방사장치(1)는 도전성을 갖는 하우징체(10)와, 장척시트(W)가 반송되는 것을 보조하는 보조 벨트 장치(30)와, 고전압이 인가되도록 하우징체(10) 내부의 장척시트(W)의 상부에 위치한 컬렉터(20)와, 컬렉터(20)와 대향하는 위치에 설치되어 어느 하나 이상의 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐(42)을 구비한 노즐블록(41)과, 컬렉터(20)와 노즐(42) 사이에 고전압을 인가하는 전원장치(50)와, 컬렉터(20)와 노즐블록(41)을 덮는 고정된 공간이 확보된 전기 방사실(11)을 포함한다.

또한 폴리머 용액을 노즐(42)에 공급하는 폴리머 용액 공급장치(40)를 구비하고 있다(도 2 참조).

보조 벨트 장치(30)는 보조 벨트(31)가 컬렉터(20)를 둘러싸도록 설치되고, 장척시트(W)는 보조 벨트(31)의 외주에 접촉되어 반송되며, 이러한 보조 벨트(31)의 외주에 접촉되어 있는 장척시트(W)는 양측의 고전압이 인가되어 있는 컬렉터(20)에 의해 이끌리지 않고 효율적으로 반송된다.

또한 장적시트(W)로서는 각종 재료로 이루어진 부직포, 직물, 편물 등이 사용될 수 있으며, 두께는 5 내지 500㎛로 설정할 수 있다.

전원장치(50)는 컬렉터(20)와 각 노즐(42)의 사이에 소정의 전압을 가하는 장치로서, 한쪽은 컬렉터(20)에 접속하고, 다른 쪽은 각 관체(43)에 접속한다.

도 2는 노즐블록을 설명하기 위해 도시한 평면도이다.

일반적인 공정에서는 노즐블록의 덮개체를 장착하고 나노섬유를 제조하지만, 상기 도면은 덮개체를 분리한 노즐블록(41)의 평면도로서, 상기 도면에 도시한 바와 같이 실시형태에 따른 노즐블록(41)의 폴리머 용액의 흐름은, 각각 성분이 다른 두 개 이상의 폴리머 용액이 저장되어 있는 각각의 폴리머 용액 저장탱크(44a, 44b)로부터 관체(43)를 향해 흐르는 두 개 이상의 폴리머 용액은 각각의 폴리머 용액 유통파이프(45)를 통해 각 관체(43)에 공급되게 된다.

각 관체(43)에 공급된 각각의 폴리머 용액은 복수 개의 노즐(42)을 통해 토출되어 나노섬유의 형태로 장척시트(W)에 집적된다.

이들 각 관체(43)에는 관체(43)의 길이 방향을 따라서 복수 개의 노즐(42)이 일정한 간격으로 장착되어 있으며, 노즐(42) 및 관체(43)의 재료는 도전 부재로 이루어져 전기적으로 접속된 상태로 관체(43)에 장착되어 있다.

본 발명의 목적에 따라 폴리머 용액의 온도를 각 관체(43)별로 제어하기 위해서, 상기 관체(43)의 내부에 열선(62a, 62b) 또는 파이프(63)가 구비되어 있고, 상기 열선(62a, 62b) 또는 파이프(63)와 온도 조절 제어장치(60)와 연결할 수 있는 온도 조절 제어장치 연결부(61)를 더 구비한다.

도 3은 관체 내에 코일 형태의 열선을 장착한 장척시트(W)의 길이 방향으로 절단한 상기 관체의 정단면도이며, 도 4는 상기 도 3의 A-A' 측단면도이다.

상기 도 3와 도 4의 코일 형태의 열선(62a)은 단일 열선의 코일 형태이나, 두 개 이상 열선의 코일 형태도 가능하다.

도 5는 관체 내에 선형 형태의 열선을 장착한 장척시트(W)의 길이 방향으로 절단한 상기 관체의 정단면도이며, 도 6은 상기 도 5의 B-B' 측단면도이다.

도 7은 관체 내에 U자 형태의 파이프를 장착한 장척시트(W)의 길이 방향으로 절단한 상기 관체의 정단면도이며, 도 8은 상기 도 7의 C-C' 측단면도이다.

1: 전기방사장치 10: 하우징체
11: 전기 방사실 20: 컬렉터
30: 보조 벨트 장치 31: 보조 벨트
32, 33: 보조 벨트 롤러 40: 폴리머 용액 공급장치
41: 노즐블록 42: 노즐
43: 관체 44a, 44b: 폴리머 용액 저장탱크
45: 폴리머 용액 유통파이프 50: 전원장치
60: 온도 조절 제어장치 61: 온도 조절 제어장치 연결부
62a, 62b: 열선 63: 파이프
a: 반송 방향 W: 장척시트

Claims (4)

1. 방사된 나노섬유를 집적하는 컬렉터와, 상기 컬렉터에 배향된 위치에 설치되어 두 개 이상의 폴리머 용액을 토출하는 복수의 노즐이 교차적으로 배치된 노즐블록과, 상기 컬렉터와 상기 노즐 사이에 고전압을 부여하는 전원장치와, 상기 컬렉터와 상기 노즐의 사이에는 반송 방향으로 반송되는 장척시트를 포함한 전기방사장치에 있어서,
   상기 노즐블록은 복수의 관체를 포함하고 있으며, 각각 성분이 다른 폴리머 용액을 저장하는 두 개 이상의 폴리머 용액 저장탱크와, 각각의 저장탱크에는 폴리머 용액을 유통시키기 위한 폴리머 용액 유통파이프가 구비되고, 상기 각 관체 내에는 온도조절장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리머 용액은 폴리락트산(PLA), 폴리프로필렌(PP), 폴리아세트산비닐(PVAc), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리우레탄(PU), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산글리콜산(PLGA), 실크, 셀룰로스, 키토산 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 각 관체는 상기 노즐블록에 대해 착탈 가능하게 장착되어 있고 상기 각 관체의 내부에 선형, 파이프형 또는 코일 형태의 온도조절장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치.
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 관체에 연결되어 있는 상기 복수의 노즐로부터 상기 폴리머 용액이 토출되어 나노섬유를 제조하는 전기방사 방식이 상향식, 하향식 또는 수평식인 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함하는 다중폴리머 나노섬유 제조용 전기방사장치.
   

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