KR20150034792A - 동축 구조를 갖는 섬유로 구성되는 나노파이버 및 마이크로파이버 재료를 제조하기 위한 스피닝 노즐 - Google Patents

동축 구조를 갖는 섬유로 구성되는 나노파이버 및 마이크로파이버 재료를 제조하기 위한 스피닝 노즐 Download PDF

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KR20150034792A KR20157004296A KR20157004296A KR20150034792A KR 20150034792 A KR20150034792 A KR 20150034792A KR 20157004296 A KR20157004296 A KR 20157004296A KR 20157004296 A KR20157004296 A KR 20157004296A KR 20150034792 A KR20150034792 A KR 20150034792A
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Abstract

나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐은 제 1 플레이트(1)의 면(4) 내에서 적어도 하나의 연속적 그루브(2)의 유출구 마우스 부분(3)으로 제 1 재료를 안내하기 위한 상기 적어도 하나의 연속적 그루브(2)를 구비하는 상기 제 1 플레이트(1); 제 2 플레이트(5)의 적어도 하나의 연속적 그루브(6)의 유출구 마우스 부분(7)으로 제 2 재료를 안내하기 위한 상기 적어도 하나의 연속적 그루브(7)를 구비하는 상기 제 2 플레이트(5)로서, 상기 유출구 마우스 부분(7)은 상기 제 1 플레이트(1)의 상기 유출구 마우스 부분(3)에 인접하여 배치되는, 상기 제 2 플레이트(5), 및 상기 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)으로부터 상기 제 1 플레이트(1)의 연속적 그루브(2)를 분리시키기 위해 상기 제 1 플레이트(1)와 상기 제 2 플레이트(5) 사이에 배치되는 분리 플레이트(8)로서, 상기 분리 플레이트(8)의 면(9)는 상기 제 1 플레이트(1)의 면(4) 및/또는 상기 제 2 플레이트(5)의 면(10)과 함께 상기 연속적 그루브(2; 6)의 상기 유출구 마우스 부분(3; 7)의 영역 내에서 연속적 표면을 형성하는, 상기 분리 플레이트(8)를 포함한다.

Description

동축 구조를 갖는 섬유로 구성되는 나노파이버 및 마이크로파이버 재료를 제조하기 위한 스피닝 노즐{SPINNING NOZZLE FOR PRODUCING NANOFIBROUS AND MICROFIBROUS MATERIALS COMPOSED OF FIBRES HAVING A COAXIAL STRUCTURE}
본 발명은 고전압 전력 공급부의 전위점(electric potential point) 중 하나에 접속되는 스피닝 전극을 포함하는 나노파이버 또는 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 기기에 관한 것으로서, 상기 전극은 도전성 및 비도전성 성분으로 이루어지고, 상기 전극 내에 2 가지 상이한 스피닝 혼합물이 2 개의 분리된 분배 채널에 의해 공급되고, 후자는 2개의 각각의 배합 기기에 연결되고, 혼합물 중 하나는 섬유의 종방향 코어를 형성하고, 다른 하나는 섬유의 종방향 셸을 형성하고, 상기 노즐의 주위에 유동하는 공기가 통과한다.
나노파이버 또는 마이크로파이버 재료를 제조하기 위해 사용되는 정전기 스피닝 방법은 반전된 전위점에 접속된 2 개의 전극의 사용에 기초한다. 기본적 배열에서, 상기 전극 중 하나는 폴리머 용액의 배합 및 이 폴리머 용액을 작은 곡률반경을 갖는 만곡된 형태로 성형하는 작용을 한다. 강한 전기장에 의해 유도되는 힘의 작용에 기인되어, 소위 테일러 콘(Taylor cone)이 형성되고, 동시에 섬유가 생성되고, 이 섬유는 반전된 극성을 갖는, 그리고 비상하는 섬유를 포획하는 작용을 하는 다른 전극, 즉 대향 전극에 전정기력에 의해 끌린다. 포획된 후, 섬유는 상기 대향 전극의 표면 상에 연속층을 연속적으로 형성하고, 이 층은 소직경(대체로 수십 나노미터 내지 수 마이크로미터의 범위임)을 갖는 불규칙하게 배열된 섬유로 구성된다. 강한 전기장 내에서 섬유의 생성을 실제로 가능하도록 하기 위해, 폴리머 용액 자체의 물리적 및 화학적 특성 뿐만 아니라 주위 영향 및 전극의 형상에 관련된 다수의 조건이 부합되어야 한다. 수개의 다른 조건이 부합되는 상태에서 적절히 적합된 노즐 내에 2 개의 상이한 재료가 공급되는 경우, 동축 섬유가 형성될 수 있고, 이것은 모든 개별 섬유는 2 개의 재료 중 하나로 제조되는 동축 코어 및 다른 상이한 재료로 제조되는 셸에 의해 형성된다. 이와 같이 적합된 공정은 동축 정전기 스피닝 또는 "동전 스피닝(co-electrospinning)"이라고 불린다. 위에서 설명된 원리로부터 이와 같은 동축 섬유를 얻기 위해, 혼합물 중 하나에 의해 형성되는 내측 액적, 그리고 다른 혼합물에 의해 형성되는 둘러싸는 외측 액적의 양자 모두로부터 유래되는 테일러 콘이 개시되어야 한다는 것을 이해할 수 있다. 이것은 2 개의 상이한 혼합물이 동축 도전성 노즐에 의해 공급되므로 달성될 수 있다.
새로운 나노파이버 및 마이크로파이버 재료 및 그 용도의 개발에 관련하여, 이와 같은 재료의 확장된 형태학적 파라미터에 관련된 요구가 지속적으로 증가한다. 확장된 기능성을 갖는 더 복잡한 나노구조 및 마이크로구조의 생성에 관한 요건도 마찬가지이다. 최신의 용도에서, 원형 단면을 갖는 얇고 긴 형태로 구성되는 섬유의 간단한 개념은 개질된 나노구조 또는 마이크로구조를 갖는 섬유로 대체된다. 이와 같은 구조적 개질은 2 개의 상이한 재료로 제조되는 코어 및 셸에 의해 형성되는 동축 섬유를 포함할 수도 있다. "코어-셸 섬유"로 알려져 있는 이와 같은 동축 섬유로 제조되는 최종 제품은 현대의 의료 용도 뿐만 아니라 다른 산업 용도에서 사용될 수 있다(약품의 제어된 방출, 섬유의 증대된 표면 활성도, 향상된 기계적 특성, 향상된 여과 효율 등). 예시적 용도는 약품의 제어된 분배 및 방출을 위해 사용되는 신소재를 포함하고, 여기서 먼저 제 1 재료는 섬유의 셸로부터 방출되고, 다음에 제 2 재료는 섬유의 코어로부터 방출된다(반응 속도는 재료의 구조에 의해 제어됨). 또한, 바이러스, 박테리아, 결정 등과 같은 다른 입자 또는 물질은 셸 내에 캡슐화될 수 있고, 이것은 별도로 스피닝될 수 없거나 스피닝 공정 중에 손상되거나 신속한 생존력의 손실을 겪을 수 있다. 더욱이, 셸은, 예를 들면, 검출, 진단 등의 목적을 위해 사용되는 독성 물질의 캡슐화를 가능하게 하는 분해불가능한 격막의 작용을 한다. 이와 같은 재료가 그 자체로 스피닝 불가능하지만 각각의 용도를 위해 절대적으로 필수적이고 본질적인 기능을 갖는 경우, 코어는 반대로 그 표면 상에 제 2 재료(즉 셸 내에 수용되는 혼합물)를 결합할 수 있다. 다음에 중공 단면을 갖는 섬유를 얻기 위해, 후처리 공정에서 내부 재료가 제거될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 섬유 재료의 비표면적을 증대할 수 있고, 마이크로피펫을 제조할 수 있는 등의 나노채널 또는 마이크로채널이 형성될 수 있다. 이와 같은 섬유의 추가의 이점은 섬유가 향상된 기계적 특성을 갖고, 재료 중의 하나는 기계적 특성에 대해 더 중요하고, 다른 재료를 위한 지지 요소를 구성하는 것으로 이루어진다. 위에서 요점이 설명된 가능한 용도의 전체 범위는 이와 같은 복잡한 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 개발 및 사용의 중요성이 장래에 증가할 것이라는 것과 동축 섬유의 산업적 제조가 추구되거나 장차 추구될 것임을 분명히 나타낸다.
동축 정전기 스피닝 방법은 2 개의 상이한 용액이 노즐에 의해 단일의 소형의 동축 소액적으로 배분되는 것으로 이루어지고, 용액 중 하나는 내부 원형 노즐을 통해 공급되고, 다른 용액은 외부 원형 노즐을 통해 공급되고, 외부 노즐은 내부 노즐을 근접하여 둘러싼다. 소직경을 갖는 노즐의 양자 모두(외부 노즐은 전형적으로 2 mm 미만, 내부 노즐은 전형적으로 1 mm 미만)는 고전압 전력 공급부의 전위점 중 하나에 접속된다. 고전압 전력 공급부의 다른 자극은 정전기장 효과에 의해 섬유를 끌어당기는 대향측의 포집 전극에 접속된다. 이와 같은 동축 노즐의 구조적 배치는, 예를 들면, US 20060213829, WO 2012058425 및 GB 2482560의 문헌에서 설명된다. 동축 섬유의 제조를 다루는 다른 특허 문헌도 있다. 그러나, 이들 모두는 충분하게 생산적이지는 않은, 그리고 실제적인 관점에서 실험실용 동축 섬유로 구성되는 나노파이버 또는 마이크로파이버 재료를 제공할 수 있을 뿐인 단일의 동축 노즐에 기초한 해결책을 개시한다. 이 모두에도 불구하고, 실제의 산업적 방식으로 동축 나노파이버 또는 마이크로파이버 재료의 제조를 가능하게 하는 대규모 제조 기술을 위한 해결책을 찾을 필요성이 있다. 이와 같은 더 생산적인 해결책은 문헌 US 20120034461에 개시되어 있고, 여기서 동일한 구조적 배열을 갖는 개개의 동축 노즐이 설명되고, 향상된 생산성은 노즐을 다수로 함으로써, 그리고 마이크로칩 내에 노즐을 집속시킴으로써 달성된다. 위의 문헌에 기재된 소형 노즐의 시스템은 반복된 생산을 위한 해결책을 구성하지 않는다. 특히, 실제적 적용 중에 노즐을 세정하는 것이 가능하지 않다. 동축 노즐의 산업적 제조를 위한 다른 해결책은 CZ 302876(B6)의 특허 명세서에 기재되어 있다. 위의 문헌은 직접적 방식으로 동축 섬유를 얻기 위해 필요한 2 성분 소액적을 형성함이 없이 도전성 전극 상에서 유동하는 2 개의 혼합물을 사용하는 것에 기초한 해결책을 개시한다. 2 개의 혼합물이 전극 상에서 유동할 때, 이 혼합물은 전극의 근처에서 혼합되고, 이것은 형성되는 섬유 내에서의, 즉 그 코어 또는 그 셸 내에서의 제어되지 않은 성분의 분배를 유발한다. 따라서, 상이한 재료를 독립적으로 그리고 개별적으로 스피닝하는 것은 매우 용이하다. 전극 상에서 유동된 후, 액체 혼합물은 재사용할 수 없고, 다음에 임의의 적절한 방식으로 회수될 수 없다. 이것은 동축 섬유의 제조를 위해 사용되는 천연 원료 또는 그 성분이 비교적 고가라는 사실을 감안하면 산업적 제조에 관련하여 주요 결점을 제공한다.
동축 섬유에 관련된 주 문제점은 특별히 얇은 동축 노즐의 복잡하고 비싼 제조에 있다. 동축 섬유가 실험실 규모에 비해 더 큰 규모로 제조되는 경우, 각각의 노즐은 다수로 되고 스피닝 전극을 형성하는 영역 내에 배치된다. 위에서 인용된 문헌으로부터 공지되는 해결책은 그 유지보수에 관한 한 매우 수요가 많고, 동축 섬유의 장기적 제조를 위해서는 적합하지 않다. 우리의 장기간의 경험에 의하면, 단순한 비동축 노즐이 사용되는 경우에도 혼합물은 얇은 모세관 내측에서 종종 응고되고, 이것으로 인해 반복적인 시간을 요하는 세정 과정이 실시되어야 한다. 경우에 따라, 이와 같은 노즐은 더 이상 세정될 수 없다. 본 기술분야에 공지된 얇은 동축 노즐을 다수로 하는 것 이외의 다른 방식으로 동축 섬유를 산업적 규모로 생산할 수 있는, 그리고 또한 쉽고 빠른 방식으로 필요한 유지보수를 실시할 수 있는 새로운 다중 스피닝 노즐이 창안되는 경우, 동축 섬유의 제조를 실험실 규모로부터 실제 산업적 규모로 변환시키기 위한 독특한 가능성이 제공되는 것이다. 이와 같은 노즐은 소정의 동축 조성을 갖는 테일러 콘의 생성을 유발하는 2 개의 독립적으로 배분된 혼합물로부터 2 성분 소액적(내부 소액적 및 이것을 둘러싸는 외부 소액적으로 이루어짐)의 형성을 보장할 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은 개별 동축 섬유로 구성되는, 즉, 모든 섬유가 2 개의 유형의 재료 중 하나로 제조되는 동축 코어에 의해, 그리고 다른 상이한 유형의 재료로 제조된 셸에 의해 형성되는 나노파이버 또는 마이크로파이버 재료를 제조할 수 있는 고도로 생산적인 노즐의 새로운 설계 해결책을 제공하는 것이다.
이 목적은 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐에 의해 주로 달성되고, 여기서 본 발명에 따라 이것은,
제 1 플레이트의 면 내에서 연속적 그루브의 유출구 마우스 부분에 제 1 재료를 안내하기 위한 적어도 하나의 상기 연속적 그루브를 구비하는 상기 제 1 플레이트;
제 2 플레이트의 연속적 그루브의 유출구 마우스 부분에 제 2 재료를 안내하기 위한 적어도 하나의 상기 연속적 그루브를 구비하는 상기 제 2 플레이트로서, 상기 유출구 마우스 부분은 상기 제 1 플레이트의 상기 유출구 마우스 부분에 인접하여 배치되는, 상기 제 2 플레이트, 및
상기 제 2 플레이트의 연속적 그루브로부터 상기 제 1 플레이트의 연속적 그루브를 분리시키기 위해 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트 사이에 배치되는 분리 플레이트로서, 상기 분리 플레이트의 면은 상기 제 1 플레이트의 면 및/또는 상기 제 2 플레이트의 면과 함께 상기 연속적 그루브의 상기 유출구 마우스 부분의 영역 내에서 연속적 표면을 형성하는, 상기 분리 플레이트를 포함한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제 1 플레이트는 비도전성 재료로 제조되고, 상기 제 2 플레이트 및 분리 플레이트는 도전성 재료로 제조된다.
다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제 1 플레이트의 연속적 그루브는 상기 제 2 플레이트의 연속적 그루브보다 넓고, 상기 제 2 플레이트의 연속적 그루브를 양측으로 초과하여 연장하고, 상기 연속적 그루브의 종축선은, 상기 분리 플레이트에 수직한 투영도로 도시되었을 때, 적어도 상기 연속적 그루브의 유출구 마우스 부분의 영역에서 상호 중첩된다.
또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 스피닝 노즐은 제 3 플레이트의 면에서 개구하는 연속적 그루브를 구비하는, 그리고 상기 제 2 플레이트에 접촉하는 상기 제 3 플레이트를 포함하고, 상기 제 3 플레이트의 연속적 그루브의 유출구 마우스 부분은 상기 제 2 플레이트의 연속적 그루브의 대응하는 유출구 마우스 부분에 인접하여 배치된다.
추가의 실시형태에 따르면, 상기 스피닝 노즐은 상기 제 2 플레이트로 이격되는, 그리고 상기 제 1 플레이트, 상기 분리 플레이트 및 상기 제 2 플레이트의 각각의 면에 성형 및/또는 가열 공기를 공급하는 역할을 하는 제 4 플레이트를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 스피닝 노즐은 상기 제 3 플레이트로부터 이격되는 제 5 플레이트 및 상기 제 1 플레이트로부터 이격되는 제 6 플레이트를 포함하고, 상기 제 5 및 제 6 플레이트는 상기 제 1 플레이트, 상기 분리 플레이트, 상기 제 2 플레이트 및 상기 제 3 플레이트의 각각에 양측으로부터 성형 및/또는 가열 공기를 공급하는 역할을 한다.
바람직하게, 상기 제 1 플레이트, 상기 분리 플레이트, 상기 제 2 플레이트 및 상기 제 3 플레이트의 각각의 면은 상기 스피닝 노즐의 유출구 면 내에 채널을 형성하고, 상기 채널의 종축선은 상기 분리 플레이트의 면의 종축선에 평행하다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 이용하여 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 일부의 평면도를 개략적으로 도시하고,
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 종단면도를 개략적으로 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 제 2 예시적 실시형태의 종단면도를 개략적으로 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 제 3 예시적 실시형태의 종단면도를 개략적으로 도시하고,
도 5는 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 제 4 예시적 실시형태의 종단면도를 개략적으로 도시하고, 그리고
도 6은 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 노즐의 예시적 실시형태를 사용하는 동축 섬유의 형성 공정을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 원위 단부의 평면도를 개략적으로 도시한다. 제 1 플레이트(1)는 연속적 그루브(2)를 구비하고, 분리 플레이트(8)가 연속적 그루브(2)를 측면에서 밀폐하도록 분리 플레이트(8)와 접촉한다. 대향측 상에서, 분리 플레이트(8)는 제 2 플레이트(5)와 접촉하고, 이 제 2 플레이트(5)는 연속적 그루브(6)을 구비하고, 분리 플레이트(8)가 연속적 그루브(6)를 측면에서 밀폐하도록 분리 플레이트(8)와 접촉한다. 그 대향측 상에서, 제 2 플레이트(5)는 연속적 그루브(12)를 구비하고, 제 2 플레이트(5)가 연속적 그루브(12)를 측면에서 밀폐하도록 제 3 플레이트(11)와 접촉한다. 제 1 플레이트(1) 및 제 3 플레이트(11)의 각각의 연속적 그루브(2) 및 연속적 그루브(12)는 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)를 양측 상에서 초과하여 연장하고, 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11)의 각각의 연속적 그루브(2, 6, 12)의 중심은 스피닝 노즐의 숨겨진 부분의 원위 단부의 평면도에서 명백한 공통선에서 정렬되고, 이 공통선은 제 1 플레이트(1)와 접촉하는 분리 플레이트(8)의 면에 수직이다. 연속적 그루브(6)는 동축 섬유의 코어 재료를 안내하기 위한 것이고, 연속적 그루브(2, 12)는 동축 섬유의 코어를 둘러싸는 셸의 재료를 안내하기 위한 것이다. 제 2 플레이트(5) 및 분리 플레이트(8)는 도전성 재료로 제조되고, 제 1 플레이트(1) 및 제 3 플레이트(11)는 절연성 재료로 제조된다. 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11)는 각각 다중의 연속적 그루브(2, 6, 12)를 구비할 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 개별 그루브의 유출구 마우스 부분(3, 7, 14)은 스피닝 노즐의 원위 단부에 형성되고, 도 1에 도시된 대응하는 마우스 부분의 것과 동일한 상호 배치를 갖는다. 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11) 뿐만 아니라 분리 플레이트(8)는, 예를 들면, 나사 이음을 이용하여 상호 견고하게 그러나 착탈가능하게 연결된다. 결합된 스피닝 노즐의 원위 단부로부터 이격되어 포집 전극(도시되지 않음)이 배치된다. 고전압 공급부(역시 도시되지 않음)는 분리 플레이트(8)에 접속되는 제 2 플레이트(5)와 포집 전극 사이에 배선된다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 예시적 실시형태에 따른 스피닝 노즐의 종단면도를 개략적으로 도시한 것으로서, 단면은 도 1에 나타낸 평면 A-A를 따라 취한 것이다. 위의 스피닝 노즐의 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제 1 플레이트(1)의 연속적 그루브(2)의 유출구 마우스 부분(3)과 함께 제 1 플레이트(1)의 면(4) 및 제 3 플레이트(11)의 연속적 그루브(12)의 유출구 마우스 부분(14)과 함께 제 3 플레이트(11)의 면(13)은 채널의 융기된 벽을 형성하고, 이 벽의 저면은 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)의 유출구 마우스 부분(7)과 함께 분리 플레이트(8)의 면(9) 및 제 2 플레이트(5)의 면(10)에 의해 형성된다.
도 3은 스피닝 노즐의 제 2 예시적 실시형태의 유사한 종단면도를 개략적으로 도시한다. 이 스피닝 노즐의 실시형태는 제 3 플레이트(11)가 생략된 점에서 이전의 실시형태와 다르다.
도 4는 스피닝 노즐의 제 3 예시적 실시형태의 유사한 종단면도를 개략적으로 도시한다. 후자의 노즐은 제 2 예시적 실시형태에 기초한다. 그러나, 이것은 제 2 플레이트(5)와 평행하도록, 그리고 이것으로부터 이격되도록 배치되는 제 4 플레이트(14)를 더 구비한다. 제 4 플레이트(14)는 전형적으로 비도전성 재료로 제조된다. 제 2 플레이트(5)와 제 4 플레이트(14) 사이의 간극은 노즐의 면에 인접하여 동축 테일러 콘(19)(도 6 참조)의 생성에 영향을 주기 위한 공기 흐름, 전형적으로 온난한 공기 흐름을 공급하기 위한 것이다. 예시적 실시형태에서, 이와 같은 중간 간극 내에 분사되는 공기는 20 내지 100 °C의 온도에 도달하도록 가열되고, 유속은 0 내지 1000 L/분이다.
도 5는 스피닝 노즐의 제 4 예시적 실시형태의 유사한 종단면도를 개략적으로 도시한다. 후자의 스피닝 노즐은 제 1 예시적 실시형태에 기초한다. 그러나, 이것은 제 3 플레이트(11)와 평행하도록, 그리고 이것으로부터 이격되도록 배치되는 제 5 플레이트(16), 및 제 1 플레이트(1)와 평행하도록, 그리고 이것으로부터 이격되도록 배치되는 제 6 플레이트(17)를 추가로 구비한다. 제 1 플레이트(1)와 제 6 플레이트(17) 사이의 간극 뿐만 아니라 제 3 플레이트(11)와 제 5 플레이트(16) 사이의 간극은 노즐의 면에 인접하여 동축 테일러 콘(19)(도 6 참조)의 생성에 영향을 주기 위한 공기 흐름, 전형적으로 온난한 공기 흐름을 공급하기 위한 것이다. 제 5 플레이트(16) 및 제 6 플레이트(17)의 양자 모두는 전형적으로 비도전성 재료로 제조된다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 스피닝 노즐의 예시적 실시형태를 사용하는 동축 섬유의 형성 공정을 개략적으로 도시한다. 단계 A 중에, 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11)의 각각의 연속적 그루브(2, 6, 12)는 스피닝 노즐의 단면도에서 잘 드러난다. 단계 B 중에, 제 1 및 제 3 플레이트(1, 11)의 각각의 연속적 그루브(2, 12)를 통해 마이크로파이버 또는 나노파이버의 외부 셸을 형성하기 위한 제 1 재료의 압출이 스피닝 노즐의 단면도에서 잘 드러나고, 압출된 제 1 재료는 노즐의 면에서 채널 내에서 소액적(18)을 형성한다. 단계 C 중에, 스피닝 노즐의 단면도로부터 볼 수 있는 바와 같이 마이크로파이버 또는 나노파이버의 코어를 형성하기 위해 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)로부터 제 2 재료가 압출되고, 연속적 그루브(6)의 유출구 마우스 부분(7)(도 2 참조)은 제 1 및 제 3 플레이트(1, 11)의 각각의 연속적 그루브(2, 12)의 유출구 마우스 부분(3, 14) 사이에 위치된다. 제 2 재료는 제 1 재료로 형성된 소액적 내로 가압된다. 스피닝 노즐에 전압을 인가한 후, 동축 테일러 콘(19)이 형성되고, 이것은 단계 D를 참조하면 잘 드러난다.
위의 모든 실시형태에서, 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11)의 각각은 일련의 연속적 그루브(2, 6, 12)를 구비할 수 있고, 단일 노즐 내에서 일련의 평행한 동축 섬유가 제조될 수 있도록 상기 그루브의 각각의 근위 단부는 제 1 및 제 2 재료의 공급부에 연결된다. 유일한 필요조건은 제 2 플레이트(5)의 모든 연속적 그루브(6)의 근위 단부는 향후의 동축 섬유를 위한 코어 재료의 공급부에 연결되고, 플레이트(1, 11)의 각각의 모든 연속적 그루브(2, 12)의 근위 단부는 향후의 동축 섬유를 위한 셸 재료의 공급부에 연결되고, 그리고 연속적 그루브(2, 6, 12)의 일치하는 삼중의 유출구 마우스 부분(3, 7, 14)은 도 1에 도시된 구성을 취하는 것이다.
다중의 스피닝 노즐의 위에서 설명된 설계 해결책으로부터 스피닝 노즐의 해체 및 분리 플레이트(8)와 함께 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트(1, 5, 11)의 분리 후, 플레이트의 벽 및 특히 모든 연속적 그루브(2, 6, 12)는 접근될 수 있고, 세척이 용이해지고, 또는 살균될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
스피닝 공정 중에, 본 명세서에 개시된 스피닝 노즐의 해결책에 의해 다양한 모드의 용도가 설정될 수 있다. 따라서, 제조된 동축 섬유의 다양한 형태가 얻어질 수 있다. 고전압 전력 공급부(도시되지 않음)의 전위점 중의 하나에 접속되는 전극을 형성하는 내부 도전성 연속적 그루브(6)는 제 1 재료를 나타내는 혼합물을 배합하기 위한 것이고, 제 1 및 제 3 비도전성 플레이트(1, 11) 내에 각각 형성되는 외부 연속적 그루브(2, 12)는 도전성 제 2 플레이트(5)에 긴밀하게 접촉하고, 제 2 재료를 나타내는 혼합물을 배합하기 위한 것이다. 다음에, 스피닝 모드는 다음과 같다:
- 혼합물이 제 1 재료가 제 2 재료와 다른 2 개의 재료로 이루어지는 경우, 스피닝 공정은 동축 섬유의 형성을 유발하고, 각각의 섬유는 제 1 재료로 제조된 코어 및 제 2 재료로 제조된 셸을 포함한다.
- 혼합물의 제 1 재료가 기체 상태로 대체된 경우, 스피닝 공정은 제 2 재료로만 제조된 중공 섬유의 형성을 유발한다.
- 혼합물의 제 1 재료가 기체 매체 또는 액체 매체 내의 입자의 분산물로 구성된 경우, 스피닝 공정은 제 2 재료로 제조된 섬유 구조 내로의 분산된 입자의 캡슐화를 유발한다. 이와 같은 입자는 결정, 박테리아, 바이러스, 의약 물질, 성장 인자, DNA, 폴리펩타이드 등일 수 있다.
- 혼합물의 제 1 재료가 용액을 형성하는 용해 물질로 구성되고, 혼합물의 제 2 재료가 기체 매체 또는 액체 매체 내의 입자의 분산물로 구성되는 경우, 스피닝 공정은 용해된 제 1 재료로 제조된 그 코어 및 입자상의 제 2 재료로 제조된 그 셸을 갖는 섬유의 형성을 유발한다. 입자는 개별적으로 스핀닝될 필요가 없다. 마찬가지로, 이와 같은 입자는 결정, 박테리아, 바이러스, 의약 물질, 성장 인자, DNA, 폴리펩타이드 등일 수 있다.
- 전극은 또한 "코어-셸" 구조를 갖는 나노액적 및 마이크로액적의 형성을 가능하게 하는 정전기 분사 공정에서 사용될 수 있다.
- 혼합물의 제 1 재료는 기체 상태로 대체될 수 있고, 이 기체 상태는 혼합물의 제 2 재료의 내측에서 기포의 형성을 가능하게 하는 방식으로 배분될 수 있다. 다음에, 스피닝 공정은 혼합물의 제 2 재료의 내측에서 하측의 얇은 층의 기포 상에 형성되는 테일러 콘에 기초한다.
산업적 적용성
본 발명은 정전기 스피닝 방법에 의해 동축 구조를 갖는 나노파이버 또는 마이크로파이버로 구성되는 재료와 같은 섬유 재료의 실험실 제조 및 산업적 제조에 특히 유용하다.

Claims (8)

  1. 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝(spinning) 노즐로서, 상기 스피닝 노즐은,
    제 1 플레이트(1)의 면(4) 내에서 하나의 연속적 그루브(2)의 유출구 마우스 부분(3)에 제 1 재료를 안내하기 위한 적어도 하나의 상기 연속적 그루브(2)를 구비하는 상기 제 1 플레이트(1);
    제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)의 유출구 마우스 부분(7)에 제 2 재료를 안내하기 위한 적어도 하나의 상기 연속적 그루브(7)를 구비하는 상기 제 2 플레이트(5)로서, 상기 유출구 마우스 부분(7)은 상기 제 1 플레이트(1)의 상기 유출구 마우스 부분(3)에 인접하여 배치되는, 상기 제 2 플레이트(5), 및
    상기 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)으로부터 상기 제 1 플레이트(1)의 연속적 그루브(2)를 분리시키기 위해 상기 제 1 플레이트(1)와 상기 제 2 플레이트(5) 사이에 배치되는 분리 플레이트(8)로서, 상기 분리 플레이트(8)의 면(9)은 상기 제 1 플레이트(1)의 면(4) 및/또는 상기 제 2 플레이트(5)의 면(10)과 함께 상기 연속적 그루브(2; 6)의 상기 유출구 마우스 부분(3; 7)의 영역 내에서 연속적 표면을 형성하는, 상기 분리 플레이트(8)를 포함하는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트(1)는 비도전성 재료로 제조되고, 상기 제 2 플레이트(5) 및 분리 플레이트(8)는 도전성 재료로 제조되는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스피닝 노즐은 제 3 플레이트(11)의 면(13)에서 개구하는 연속적 그루브(12)를 구비하는, 그리고 상기 제 2 플레이트(5)에 접촉하는 상기 제 3 플레이트(11)를 포함하고, 상기 제 3 플레이트(11)의 연속적 그루브(12)의 유출구 마우스 부분(14)은 상기 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)의 대응하는 유출구 마우스 부분(7)에 인접하여 배치되는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트(1)의 연속적 그루브(2)는 상기 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)보다 넓고, 상기 제 2 플레이트(5)의 연속적 그루브(6)를 양측으로 초과하여 연장하고, 상기 연속적 그루브(2, 6, 12)의 종축선은, 상기 분리 플레이트(8)에 수직한 투영도로 도시되었을 때, 적어도 상기 연속적 그루브(2, 6, 12)의 유출구 마우스 부분(3, 7, 14)의 영역에서 상호 중첩되는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스피닝 노즐은 상기 제 2 플레이트(5)로 이격되는, 그리고 상기 제 1 플레이트(1), 상기 분리 플레이트(8) 및 상기 제 2 플레이트(5)의 각각의 면(4, 9, 10)에 성형 및/또는 가열 공기를 공급하는 역할을 하는 제 4 플레이트(15)를 포함하는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 스피닝 노즐은 상기 제 3 플레이트(11)로부터 이격되는 제 5 플레이트(16) 및 상기 제 1 플레이트(1)로부터 이격되는 제 6 플레이트(17)를 포함하고, 상기 제 5 및 제 6 플레이트는 상기 제 1 플레이트(1), 상기 분리 플레이트(8), 상기 제 2 플레이트(5) 및 상기 제 3 플레이트(11)의 각각에 양측으로부터 성형 및/또는 가열 공기를 공급하는 역할을 하는, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트(1), 상기 분리 플레이트(8) 및 상기 제 2 플레이트(5)의 각각의 면(4, 9, 10)은 상기 스피닝 노즐의 유출구 면 내에 채널을 형성하고, 상기 채널의 종축선은 상기 분리 플레이트(8)의 면(9)의 종축선에 평행한, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트(1), 상기 분리 플레이트(8), 상기 제 2 플레이트(5) 및 상기 제 3 플레이트(11)의 각각의 면(4, 9, 10, 13)은 상기 스피닝 노즐의 유출구 면 내에 채널을 형성하고, 상기 채널의 종축선은 상기 분리 플레이트(8)의 면(9)의 종축선에 평행한, 나노파이버 및 마이크로파이버 재료의 제조를 위한 스피닝 노즐.
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