KR20150120992A

KR20150120992A - 나노웹 구조물

Info

Publication number: KR20150120992A
Application number: KR1020157022549A
Authority: KR
Inventors: 타오 후앙; 조셉 로버트 구커트
Original assignee: 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2015-10-28
Also published as: US20140235129A1; JP2016511335A; EP2959045A1; WO2014130614A1; CN105121728A

Abstract

중합체성 나노섬유의 나노웹으로서, 모든 중합체성 섬유는 임의의 100 마이크론 길이 세그먼트에 걸쳐 측정될 때 0.10 미만의 평균 컬 지수(mean curl index)를 가지고, 나노웹은 5.0 미만의 균일도 지수를 갖는다. 나노웹은 0.8 내지 1.2의 섬유 배향 지수(fiber orientation index)를 갖거나 1.0 미만의 평균 흐름 기공 크기 마이너스 기공 크기의 모드(mean flow pore size minus the mode of the pore size)를 가지고, 동시에 기공 크기 분포 (H_M0)의 1/2 높이에서 폭에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭(W)의 비가 10.0 미만이다. 본 발명은 또한 클러스터 속에 배치된 다수의 연속성 중합체성 섬유를 포함하고, 섬유가 1,000 nm 미만의 평균 직경을 가지며, 웹이 다음 구조에 상응하는 전체 형태(gross morphology)를 가지는, 나노웹에 관한 것이다:
각각의 섬유는 이의 길이를 따라 기본적으로 일정한 곡률의 원호 안에 놓여진다; 소정의 클러스터 내의 모든 섬유 원호는 기본적으로 동일한 곡률을 가진다; 소정의 클러스터 내의 섬유 원호는 동일 평면상(co-planar)이며, 소정의 클러스터 내의 임의의 소정의 섬유 원호는 클러스터의 평면에서 상기 클러스터 중의 다른 원호로부터 간격을 두고 기본적으로 이에 대해 평행하다; 및 소정의 클러스터 내에 섬유 원호의 곡률의 중심은 동일 선상(co-linear)이다.

Description

나노웹 구조물{NANOWEB STRUCTURE}

본 발명은 독특하게 균일한 구조를 갖는 나노웹 제품에 관한 것이다. 특히, 나노웹은 예를 들어 공기와 액체 여과, 및 배터리 및 캐패시터 격리판 분야에서 선택적 배리어 최종 용도로 유용하다.

중합체성 나노섬유는 전계방사(electrospinning) 또는 전계블로잉(electroblowing)과 같은 용액 공정으로부터 생성될 수 있다. 그러나, 나노섬유 제작 공정으로부터 상업적으로 실행가능한 스루풋(throughput)을 얻기 위해서는, 용융 방사 공정(melt spinning process)이 요구된다. 섬유를 무작위로 레이 다운하는(lay down) 종래의 용융 블로잉 공정으로는, 대부분의 최종 용도 응용에 있어서 충분히 높은 스루풋으로 충분한 균일도(uniformity)를 제공하지 못한다. 실제로 무작위의 제어되지 않은 레이다운(laydown)은 또한 예상될 수 있는 바와 같이 등방성 웹을 제공하지 못한다. 높은 균일도를 갖는 나노섬유의 등방성 웹이 요구된다.

발명의 요약

본 발명은 나노섬유를 포함하는 나노웹에 관한 것이다. 한 가지 실시양태에서, 섬유는 용융 방사 공정에 의해 생성된다. 추가의 실시양태에서, 섬유는 폴리올레핀을 포함한다. 추가의 실시양태에서, 나노웹은 그 섬유의 모두가 폴리올레핀을 포함하는 섬유를 포함한다. 적어도 몇몇 섬유는 본질적으로 폴리올레핀으로 이루어지거나 섬유 모두가 본질적으로 폴리올레핀으로 이루어진다. 적어도 몇몇 섬유는 폴리올레핀으로 이루어질 수 있거나, 섬유의 모두가 폴리올레핀으로 이루어질 수 있다.

폴리올레핀은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, 및 그의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 폴리올레핀은 또한 에틸렌과 하나 이상의 올레핀 단량체(프로펜, 부탄, 헥산 또는 옥탄을 포함함)의 공중합체일 수 있다.

추가의 실시양태에서, 나노웹은 중합체성 나노섬유를 포함하는데, 여기서 중합체성 섬유는 0.10 미만의 평균 컬 지수(mean curl index)를 가지고, 상기 나노웹은 5.0 미만의 균일도 지수를 갖는다. 추가의 실시양태에서, 나노웹은 0.8 내지 1.2의 섬유 배향 지수(fiber orientation index)를 갖는다.

본 발명의 나노웹은 또한 1.0 미만의 평균 흐름 기공 크기 마이너스 기공 크기의 모드(mean flow pore size minus the mode of the pore size)를 가질 수 있다. 추가의 실시양태에서, 모드 M0에서 기공 크기의 피크 높이에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭(W)의 비는 0.1 미만이다.

또 다른 추가의 실시양태에서, 본 발명의 나노웹은 클러스터 속에 배치된 다수의 연속성 중합체성 섬유를 포함할 수 있고, 여기서 섬유는 1,000 nm 미만의 평균 직경을 가지고, 웹은 하기 구조에 상응하는 전체 형태(gross morphology)를 갖는다;

(i) 각각의 섬유는 이의 길이를 따라 본질적으로 일정한 곡률의 원호 안에 놓이고;

(ii) 소정의 클러스터 내의 모든 섬유 원호는 본질적으로 동일한 곡률을 갖고;

(iii) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호는 동일 평면상(co-planar)이며, 소정의 클러스터 내의 임의의 소정의 섬유 원호는 클러스터의 평면에서 상기 클러스터 내에 다른 원호로부터 간격을 두고 본질적으로 이와 평행하게 놓이고;

(iv) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호의 곡률의 중심은 동일 선상(co-linear)이다.

도 1은 본 발명의 다수의 원심 방사 헤드로부터의 섬유를 덮어씌우면서 형성된 애즈 스펀 나노웹 패턴(as spun nanoweb pattern)의 한 가지 실시양태를 묘사하는 개략도이다.
도 2는 5개의 원심 방사 헤드로부터의 섬유 레이다운 패턴의 개략적 도식이다.
도 3은 10개의 원심 방사 헤드로부터의 섬유 레이다운 패턴의 개략적 도식이다.
도 4는 3개의 원심 방사 헤드로부터의 섬유 레이다운 패턴 및 웹 형성의 도식이다.
도 5는 본 발명에서 웹 균일도 계산에 사용된 도식이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 사용된 섬유 배향에 대한 특성화 및 측정 방법의 도식이다.
도 7은 본 발명에 사용된 섬유 컬 지수 (섬유 스트레이트도(fiber straightness))에 대한 특성화 및 측정 방법의 도식이다.
도 8은 본 발명에 사용된 웹 기공 크기에 대한 특성화 및 측정 방법의 도식이다.
도 9a 내지 도 9c는 실시예 1의 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 나노웹의 웹 및 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c는 실시예 2의 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 나노웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11c는 실시예 3의 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 나노웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 12a 내지 도 12c는 실시예 4의 원심 용융-방사된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 나노웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 13a 내지 도 13c는 비교실시예 1의 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 나노웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 14a 내지 14c는 비교실시예 3의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 15a 내지 도 15c는 비교실시예 4의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 16a 내지 도 16c는 비교실시예 5의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 17a 내지 도 17c는 비교실시예 6의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 웹 및 SEM 이미지를 나타낸다.
도 18a 내지 도 18h는 배향 플롯을 작성하기 위해 사용된 SEM 이미지를 나타낸다. 도 18a 및 도 18b는 실시예 1의 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 나노웹의 SEM 이미지 및 배향 플롯이다. 도 18c 및 도 18d는 비교실시예 3의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 SEM 이미지 및 배향 플롯이다. 도 18e 및 도 18f는 비교실시예 4의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 SEM 이미지 및 배향 플롯이다. 도 18g 내지 도 18h는 비교실시예 5의 용융 블로운 폴리프로필렌 웹의 SEM 이미지 및 배향 플롯이다.
도 19는 용융 블로운 폴리프로필렌 웹과 비교한, 원심 방사된 폴리프로필렌 웹의 응력-변형 곡선(평량(basis weight)으로 정규화됨)을 나타낸다.
도 20은 기계 방향(MD) 및 횡방향 (TD)에서 원심 방사된 폴리프로필렌 웹의 응력-변형 곡선(평량으로 정규화됨)을 나타낸다.
도 21a 및 도 21b는 실시예 1 및 2의 원심 방사된 폴리프로필렌 나노웹의 기공 크기 분포를 나타낸다.
도 22a 및 도 22b는 비교실시예 3 및 4의 용융 블로운 웹의 기공 크기 분포를 나타낸다.
도 23a 및 도 23b는 비교실시예 5 및 6의 용융 블로운 웹의 기공 크기 분포를 나타낸다.

출원인들은 본 명세서에서 인용된 모든 참조들의 전체 내용을 구체적으로 포함한다. 또한, 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 상위 바람직한 값과 하위 바람직한 값의 목록으로 주어질 때, 이는 범위가 별도로 개시되든 안되든 상관없이, 임의의 상위 범위 한계 또는 바람직한 값과 임의의 하위 범위 한계 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 소정 범위의 수치적 값이 본원에 인용되면, 달리 언급되지 않는다면, 상기 범위는 그의 종점(endpoint), 및 그 범위 안에 모든 정수 및 분수를 포함하고자 한다. 본 발명의 범주를 범위를 한정할 때 인용된 구체적 값에 제한시키고자 하는 것이 아니다.

본원에 사용된 단어 "포함하는"은 그의 범주 안에 용어 "~로 이루어진" 및 "~로 본질적으로 이루어진"의 의미를 포함하는 것으로 이해된다.

정의

본원에서 "부직포"란 용어는, 본질적으로 무작위로 배향된 다수의 섬유를 포함하는 웹을 의미하고, 여기서 전체적인 반복 구조는 섬유의 배열에서 육안으로 전혀 알아볼 수 없다. 섬유는 서로에 결합될 수 있거나, 또는 웹에 강도와 일체성을 부여하기 위해 결합이 풀리고 얽힐 수 있다. 섬유는 스테이플 섬유 또는 연속성 섬유일 수 있고, 단일 재료 또는 다수 재료를, 상이한 섬유의 조합 또는 상이한 재료를 각각 포함하는 유사한 섬유의 조합으로서 포함할 수 있다.

본 발명에 적용된 바와 같은 용어 "나노웹"은 "나노-섬유 웹" 또는 "나노섬유 웹"과 동의어이고, 주로 나노섬유로 구성된 웹을 말한다. 나노웹은 부직포일 수 있거나, 또는 더욱 많이 정돈된 구조일 수 있다. "주로"란 웹에서 섬유의 50% 초과가 나노섬유임을 의미하고, 본원에 사용된 "나노섬유"란 용어는 1000 nm 미만의 수 평균 직경, 심지어 800 nm 미만의, 심지어 약 50 nm 내지 500 nm, 및 심지어 약 100 내지 400 nm의 수 평균 직경을 갖는 섬유를 말한다. 원이 아닌 단면의 나노섬유의 경우, 본원에 사용된 용어 '직경'은 가장 큰 단면적 치수를 말한다. 본 발명의 나노웹은 또한 나노섬유를 70% 초과, 또는 90% 초과 만큼 가질 수 있거나, 심지어 100% 만큼 함유할 수 있다.

"용융 방사 공정"이란 열에 의해 유동화된 재료로부터 섬유를 생성하는 섬유 형성 공정을 의미한다. 유동화가 발생하는 온도를 낮추기 위해 가소제를 사용하는 것이 용융 방사 공정에서 가능하다. 용융 방사는, 재료가 방사 전에, 일반적으로 용액에서 재료의 중량 기준으로 50% 이하의 재료의 수준까지 용매에 용해되는 용액 방사와는 차별화되어야 한다.

"원심 방사 공정"이란, 섬유가, 회전 부재로부터 중합체 용융물 또는 용액과 같은 섬유화할 수 있는 재료의 방출에 의해 형성된, 임의의 공정을 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어는 또한 섬유상 스트림이 다이로부터 방출되고 리시버를 향해 원형 또는 나선형 패턴으로 이동하게 되는 종래의 방사 공정을 포함할 수 있다.

"용융 블로잉 공정"이란 중합체 용융물을 오리피스를 통해 밀어내고 이어서 일반적으로 섬유의 방향으로 향한 공기 유동에 의해 섬유를 감쇠시킴으로써 섬유를 생성하는 공정을 의미한다. 용융 블로잉 공정은 미국 특허 번호 제3,849,241호 또는 미국 특허 번호 제4,380,570호에 예시된다.

"회전 부재"란, 공기 또는 정전기 힘과 같은 또 다른 수단이 추진을 돕기 위해 사용되거나 안되거나, 재료(이로부터 피브릴 또는 섬유가 원심력에 의해 형성됨)를 추진시키거나 분포시키는 방사 장치를 의미한다.

"피브릴"이란 피브릴이 감쇠될 때 형성하는 미세 섬유에 대한 전구체로서 형성될 수 있는 길다란 구조물을 의미한다. 피브릴은 회전 부재의 방출 지점에서 형성된다. 방출 지점은 예를 들어 미국 특허 번호 제8,277,711호에 개시된 바와 같이, 에지(edge)이거나, 또는 유체가 통과하여 압출되어 섬유를 형성하는 오리피스일 수 있다.

"본질적으로"란, 파라미터가 "본질적으로" 특정 값에서 유지된다고 하면, 그 값으로부터 떨어져 있는 파라미터를 설명하는 수치적 값에서의, 본 발명의 기능에 영향을 미치지 않는 변화는 상기 파라미터의 설명의 범주 안에 있는 것으로 간주되어야 한다는 것을 의미한다. "본질적으로~로 이루어진"은 열거된 것 이외의 다른 구성요소가, 본 발명의 청구된 구조를 변화시키지 않는다면 본 발명에 나타날 수 있다는 것을 의미한다.

섬유의 "곡률"이란, 섬유의 세그먼트의 곡률 반경의 역수를 의미한다.

발명의 설명

본 발명은 예를 들어 공기와 액체 여과, 및 배터리 및 캐패시터 격리판의 분야에서 선택적 배리어 최종 용도를 위한 나노웹의 균일한 섬유상 웹으로서 생성된 애즈 스펀 섬유의 제품에 관한 것이다. 한 가지 실시양태에서, 상기 섬유는 용융 방사 공정에 의해 생성된다. 추가의 실시양태에서, 섬유는 폴리올레핀을 포함한다. 추가의 실시양태에서, 나노웹은 섬유 모두가 폴리올레핀을 포함하는 섬유를 포함한다. 적어도 몇몇 섬유는 본질적으로 폴리올레핀으로 이루어지거나, 섬유의 모두가 본질적으로 폴리올레핀으로 이루어진다. 적어도 몇몇 섬유는 폴리올레핀으로 이루어질 수 있거나, 섬유의 모두가 폴리올레핀으로 이루어질 수 있다.

추가의 실시양태에서, 나노웹은 중합체성 나노섬유를 포함하는데, 여기서 중합체성 섬유는 0.10 미만의 평균 컬 지수를 갖고, 상기 나노웹은 5.0 미만의 균일도 지수를 갖는다. 추가의 실시양태에서, 나노웹은 0.8 내지 1.2의 섬유 배향 지수를 갖는다.

본 발명의 나노웹은 또한 1.0 미만의 평균 흐름 기공 크기 마이너스 기공 크기의 모드를 가질 수 있다. 추가의 실시양태에서, 모드 M0에서 기공 크기의 피크 높이에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭(W)의 비는 0.1 미만이다.

이제 도면으로 돌아와서, 도 1은 다수의 원심 방사 헤드로부터의 섬유를 덮어씌워서 형성된 본 발명의 애즈 스펀 나노웹 패턴의 한 가지 실시양태를 묘사하는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 구조물을 나타내기 위한, 본 발명의 원심 방사된 나노웹의 개략도이다. 도 2는 다수의 원심 방사 헤드(도식에서 5개의 헤드)로부터의 섬유 레이다운 패턴의 도식이다. 도 2에서, 모두 본질적으로 동일한 곡률을 갖는 원호 (202)로 구성된 섬유 클러스터 (201)를 구조물의 에지에서 볼 수 있다. 소정의 클러스터에서 원호의 중심은 동일 선상(co-linear)이며, 즉 그들의 중심이 모두 본질적으로 하나의 선 상에 속한다는 것을 의미한다. 도 2에서 항목 (203)은, 그 실시양태에 있어서 라인들 중 하나의 예를 나타낸다. 상기 공정의 한 가지 실시양태에서, 라인은 웹 형성의 기계 방향일 것이다. 도 3은 다수의 원심 방사 헤드 (도식에서 10개의 헤드)로부터의 섬유 레이다운 패턴의 도식이다. 도 3에서 항목 (301)은 다수의 클러스터의 레이다운에 의해 생기게 된, 가로지르는 섬유들을 갖는 예시적인 균일 웹 영역을 나타낸다.

도 4는 다수의 원심 방사 헤드로부터의 웹 레이다운 패턴의 도식이다 (명확성을 위해, 3개의 헤드가 도식에 사용됨). 도 4에서, 중심이 같은 섬유 동그라미들을 갖는 섬유 구름이 하나의 방사 헤드로부터 형성될 수 있다. 도 4에서, 모두 본질적으로 동일한 곡률을 갖는 원호 (402)로 구성된 섬유 클러스터 (401)를 구조물의 에지에서 볼 수 있다. 소정의 클러스터에서 원호의 중심들은 동일 선상이며, 즉 그들의 중심이 모두 본질적으로 하나의 선 상에 속한다는 것을 의미한다. 도 4에서 항목 (403)은, 그 실시양태에 있어서 라인들 중 하나의 예를 나타낸다. 상기 공정의 한 가지 실시양태에서, 라인은 웹 형성의 기계 방향일 것이다.

본 발명의 제품의 추가의 실시양태에서, 웹은 도 1에 나타낸 바와 같이, 서로 마주보는 관계로 층을 이룬 구조를 포함하여 다층을 이룬 웹을 형성한다.

본 발명의 웹의 추가의 예시로서, 상기 방법에 의해 수득된 원심 방사된 나노웹의 광학 및 SEM 이미지가 이하 설명된다.

실시예

본 발명은 평량, 섬유 형태, 기공 구조, 및 본원에 정의된 바와 같은 가시적 균일도 차원에서 예외적으로 높은 균일도를 갖는 웹에 관한 것이다. 바람직한 실시양태에서, 웹은 나노웹이다. 이제 본 발명에서 원심 방사된 나노웹의 가능한 균일도의 수준을 특정의 비-제한적인 실시예를 참조하여 설명할 것이다.

주사 전자 현미경 ( SEM )

섬유 형태를 상이한 레벨로 상세하게 드러내기 위해, SEM 이미지를 X25, X100, X250, X500, X1,000, X2,500, X5,000 및 X10,000의 공칭 배율로 촬영하였다.

광학 웹 이미징 및 균일도 지수의 측정

웹 샘플을 LED의 어레이를 사용하여 조명판으로부터 균일한 투과광을 제공하는 조명 박스 상에 놓았다. 원하는 메가픽셀 수를 갖는 샘플의 상이한 크기로부터 이미지를 촬영하기 위해 디지털 카메라를 사용하였다. 다음 실시예에서 웹 이미지를 촬영하였고 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에서 측정하였다.

웹 균일도는 웹 질량 변동 계수로서 여겨질 수 있다. 웹 가시적 균일도는 웹 이미지의 픽셀 그레이 레벨 변동 계수(the coefficient of pixel gray level variation)와 상관관계가 있을 수 있다. 웹 가시적 균일도 지수(UI)는 다음 단계에 의해 계산된다:

(i) 먼저 픽셀 필드를 일련의 2×2 픽셀 블록으로 나눈다. 이러한 나누기를 층 1로서 정의한다.

(ii) 이제 도 4를 언급하면, 층 1에 대해, 블록 AA'에 대한 퍼센트 차이값을 하기 식으로부터 계산한다;

상기 식에서, Li는 픽셀 i에 대한 광도값(luminosity value)이고, j= 1 내지 4에 대해 합은 i<j에 대해서이고 따라서 합에 6개의 항이 있고 광도는 256의 스케일 범위를 갖는다.

(iii) 블록 AA'에 대한 절대 광도는 하기 식으로부터 계산된다;

상기 식에서, 합은 i=1 내지 4에 대해서이다.

(iv) PD(퍼센트 차이값) 및 AL(절대 광도) 값은 레벨 1에서 2×2 블록의 모두에 대해 계산되고, 이때 층 1에 대한 UI 값은 하기 식으로부터 계산된다;

상기 식에서, SD는 표준편차를 말한다.

도 5는 이제 레벨 1에서 블록 AA'이 어떻게 레벨 2에서 단일 블록의 요소가 되는가를 나타낸다. 이어서 상기 공정 단계를 이미지가 지탱할 수 있는 가장 큰 층 수까지(여기서 층 정의는 도 5에 나타낸다) 층 2에 대해 반복한다. 예를 들어, 층 1은 2×2 픽셀 정사각형으로 이루어진 블록으로 이루어진다. 층 2는 4개의 블록 (2×2)으로 이루어지고, 여기서 각각의 블록은 픽셀 정사각형으로 이루어지지 않고 층 1로부터의 2×2 픽셀 블록으로 이루어진다. 층 3은 4개의 블록으로 이루어지고, 여기서 각각의 블록은 층 2로부터의 4×4 픽셀 블록으로 이루어지며, 이미지가 더 이상의 레벨을 수용할 수 없을 때까지 계속된다.

이때 균일도 지수 (UI)는 이미지에서 층 전체에 걸친 평균 UI로서 정의된다. 즉,

상기 식에서, 합은 레벨 수에 대해서이고, N은 이미지에서 층의 총 개수이다.

더 낮은 균일도 지수(UI)는 섬유의 더 많은 균일한 분포를 지시한다.

섬유 배향의 측정

도 6a 내지 도 6d는 섬유 배향 측정을 위한 단계들의 도식이다. 도 6a는 웹에서 섬유의 랜덤 분포를 나타내는 SEM이다. 이미지 프로세스에서 소벨(Sobel) 연산자는 각 포인트에서 이미지 강도의 기울기를 계산하여, 라이트(light)에서 다크(dark)까지 최대 가능한 증가가 이루어지는 방향 및 그 방향에서의 변화율을 제공한다. 따라서 상기 결과는 상기 포인트에서 이미지가 얼마나 "갑자기" 또는 "부드럽게" 변화하는가를 보여주고, 따라서 이미지의 해당 부분이 에지를 나타낼 가능성이 어떤지 뿐만 아니라 에지가 얼마나 잘 배향되는지를 보여준다. 실제로, 크기(magnitude) (에지의 가능성) 계산이 더욱 믿을 수 있으며 방향 계산보다 해석하기가 더욱 용이하다.

소벨 연산자는 2개의 3×3 커넬(kernel)을 사용하고, 이는 도함수의 근사를 계산하기 위해 원래의 이미지와 합성곱된다 - 수평 변화에 대해 하나, 및 수직에 대해 하나. A를 소스(source) 이미지로서 정의한다면, G_x 및 G_y는 각각의 포인트에서 수평 및 수직 도함수 근사를 함유하는 2개의 이미지이고, 계산은 다음과 같다:

및

여기서, *는 2-차 합성곱 연산을 나타낸다.

소벨 커넬이 평균 및 미분 커넬의 곱으로서 분해될 수 있기 때문에, 기울기를 매끄럽게 계산한다. 예를 들어, G_x는

와 같이 기록할 수 있다.

여기서 x-좌표는 "오른쪽"-방향으로 갈수록 증가하는 것으로 정의되고, y-좌표는 "아래"-방향으로 갈수록 증가하는 것으로 정의된다. 이미지에서 각각의 포인트에서, 생성된 기울기 근사는 하기 식을 사용하여 합쳐져서 기울기 크기를 제공할 수 있다:

이러한 정보를 사용하여, 기울기의 방향을 또한 계산할 수 있다:

여기서, 예를 들어, θ는 MD 방향에 대해 0이다.

섬유 배향은 X250 배율의 SEM 이미지로부터 측정되고(예를 들어, 도 6b 참조), 분포는 배향 히스토그램(예를 들어 도 6c 참조) 또는 극도표(예를 들어 도 6d 참조)로서 도시될 수 있다. 극도표 상에서 원곡선은 완벽하게 랜덤 분포된 섬유에 대한 것이다. 파라미터 "섬유 배향 지수"는 하기 식에 의해 계산된다:

상기 식에서, MD 프로파일은 배향 플롯에서 MD 방향으로 강도 프로파일이고, TD 프로파일은 배향 플롯에서 TD 방향으로 강도 프로파일이다.

섬유 컬 지수의 측정

섬유 스트레이트도를 특성화하기 위해, 도 7에 도시된 바와 같은 컬 지수를 본 발명에 사용하였다. 컬 지수의 정의는 1에서 투영 길이 L로 나눈 섬유의 참 윤곽 길이 λ₀의 비를 뺀 것이다.

컬 지수는 각각의 개별 섬유에 대해 X1,000 배율의 SEM 이미지로부터 측정된다. 1의 컬 지수는 어떠한 컬도 존재하지 않음을 나타낸다.

기공 크기 및 기공 크기 분포의 측정

최소 기공 크기는 ASTM 지정 E 1294-89, "자동화 액체 기공도 측정기를 사용한 멤브레인 필터의 기공 크기 특성화를 위한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter)"에 따라 상기 설명한 바와 같이 측정하였다. 상이한 크기의 개별 샘플 (8, 20 또는 30 mm 직경)을 낮은 표면 장력 유체 (1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로펜, 또는 16 다인/cm의 표면 장력을 갖는 "갈위크(Galwick)")로 적셨다. 각각의 샘플을 홀더 안에 놓았고, 공기의 차등 압력을 적용하였고, 유체를 샘플로부터 제거하였다. 최소 기공 크기는 압축된 압력이 샘플 시트에 적용된 후 개방하는 마지막 기공이고, 벤더로부터 공급된 소프트웨어를 사용하여 계산한다.

평균 흐름 기공 크기는 ASTM 지정 E 1294-89, "자동화 액체 기공도 측정기를 사용한 멤브레인 필터의 기공 크기 특성화를 위한 표준 시험 방법"에 따라 측정되었다. 상이한 크기의 개별 샘플 (8, 20 또는 30 mm 직경)을 상기 설명한 바와 같은 낮은 표면 장력 유체로 적시고 홀더 안에 놓았고, 공기의 차등 압력을 적용하였고, 유체를 샘플로부터 제거하였다. 습식 유동이 건식 유동(습윤 용매없이 유동)의 절반과 동일한 차등 압력을 사용하여, 공급된 소프트웨어를 사용하여 평균 흐름 기공 크기를 계산한다.

버블 포인트(Bubble Point)는 ASTM 지정 F316, "버블 포인트 및 평균 흐름 기공 시험에 의한 멤브레인 필터의 기공 크기 특성화를 위한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test)"에 따라 측정하였다. 개별 샘플 (8, 20 또는 30 mm 직경)을 상기 설명한 바와 같은 낮은 표면 장력 유체로 적셨다. 샘플을 홀더 안에 놓은 후, 차등 압력(공기)을 적용하고, 유체를 샘플로부터 제거하였다. 버블 포인트는 압축된 공기 압력이 샘플 시트에 적용된 후 첫 번째 개방 기공이었고 벤더 공급된 소프트웨어를 사용하여 계산한다.

기공 크기의 균일도 지수(UI)는 버블 포인트와 평균 흐름 기공에서의 차이에 대한 버블 포인트 직경과 최소 기공 크기에서의 차이의 비로서 정의된다. 이러한 비가 값 2에 가까울수록, 기공 분포는 가우스 분포(Gaussian distribution)이다. 균일도 지수가 2보다 훨씬 크면, 부직포 구조물은 직경이 평균 흐름 기공보다 훨씬 큰 기공이 지배적이다. 균일도 지수가 2보다 훨씬 낮으면, 기공 구조는 평균 흐름 기공 직경보다 낮은 기공 직경을 갖는 기공이 지배적이다. 분포의 꼬리 말단에 상당수의 큰 기공이 여전히 존재할 것이다.

그 후 본 발명 및 비교실시예의 매체에 대한 균일도 지수는 1.0 내지 2.0의 범위 안에 있다. 본 발명의 실시예와 비교실시예 사이의 차이를 구별하기 위해 부가적인 특성화가 사용되어야 한다.

도 8은 웹에 대한 기공 크기 분포의 개략도를 나타낸다. 2개의 파라미터들은 다음과 같이 정의된다.

중심 지수(Center Index),

는 평균 흐름 기공 크기에서 기공 크기의 모드를 뺀 것이다. CI_PMI가 작을수록, M0으로부터 MFP의 벗어남이 더 작다;

분포 폭 지수 (DWI_PMI)는 W/H_M0로 주어지고, 기공 크기의 모드 M_O에서 높이에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭

의 비이다;

따라서, DWI_PMI가 더 작을수록, 분포가 더 좁다.

웹 강도의 측정

나노웹 샘플의 인장 강도 및 연신율을, 변형된 샘플 치수 및 변형률과 함께 ASTM D5035-11, "직물 패브릭의 파괴력 및 연신율에 대한 표준 시험 방법(스트립 방법(Strip Method))"에 따라, 인스트론(INSTRON) 인장 시험기 모델 1122을 사용하여 측정하였다. 각각의 샘플의 게이지 길이는 2 인치(5.08 cm)이었고 0.5 인치 (1.27 cm) 폭이었다. 크로스헤드 속력은 1 인치(2.54 cm)/분 (50% 분^-1의 일정한 변형률)이었다. 샘플을 "기계 방향"(MD)뿐만 아니라 "횡방향"(TD)으로 시험한다. 3개의 시험편의 최소값을 시험하여 인장 강도 또는 연신율에 대한 평균 값을 수득한다.

이후, 본 발명은 다음 실시예에서 더욱 상세히 설명할 것이다. 미국 특허 번호 제8,277,711호에 개시된 바와 같이 본 발명의 나노섬유를 형성하기 위한 용융 방사 공정 및 장치를 사용하여 이하 실시예에 구현된 바와 같은 본 발명의 용융 방사된 나노웹을 생성하였다.

실시예 1 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650Y 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP) 나노웹을, 저장소와 디스크 내부 에지를 갖는 150 mm 직경 방사 디스크와 함께 미국 특허 번호 제8,277,711호의 원심 용융 방사 공정을 사용하여 제조하였다. PP 나노웹을 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0160099호의 공정을 사용하여 벨트 컬렉터(belt collector) 상에 놓았다. 이러한 실시예에 사용된 PP 수지는 저분자량 (Mw) 폴리프로필렌 (PP) 단일중합체, 즉 리온델바셀(LyondellBasell)로부터 메토센(Metocene) MF650Y이다. 이는 Mw= 68.000 g/mol, 및 용융 유동 속도 = 1800 g/10 min (230℃/2.16kg)을 가졌다. 기어 펌프를 갖는 프리즘(PRISM) 압출기를 사용하여 중합체 용융물을 공급 튜브를 통해 회전 방사 디스크로 전달하였다. 용융물 공급 튜브로부터 방사 용융물의 온도는 240℃로 설정되었다. 디스크 가열 공기는 260℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기는 150℃로 설정되었다. 성형 공기는 30℃로 설정되었다. 방사 디스크의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 도 9a는 웹 이미지를 나타내고 도 9b 및 도 9c는 130 mm의 레이다운 거리 및 컬렉터 벨트 상에 +50kV 및 0.6 mA, 코로나 고리 상에 -12kV 및 0.6mA의 이중 고전압 충전의 웹의 SEM 이미지를 나타내고, 중앙 공기는 중공 회전 축 및 와류방지 허브를 통해 적용되었다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.03384이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 평균 = 430 nm이고 중앙값 = 381 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다. 도 18a는 도 18b에서 배향 플롯을 제조하기 위해 사용된 SEM 이미지를 나타낸다. 섬유 배향은 TD 방향이나 MD 방향 그 어느 것도 선호하지 않는다.

실시예 2 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650W 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP) 나노웹을, 저장소와 디스크 내부 에지를 갖는 150 mm 직경 방사 디스크와 함께 미국 특허 번호 제8,277,711호의 원심 용융 방사 공정을 사용하여 제조하였다. PP 나노웹을 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0160099호의 공정을 사용하여 벨트 컬렉터 상에 놓았다. 이러한 실시예에 사용된 PP 수지는 폴리프로필렌 (PP) 단일중합체, 즉 리온델바셀로부터 메토센 MF650W이다. 이는 Mw= 168.000 g/mol, 및 용융 유동 속도 = 500 g/10 min (230℃/2.16kg)을 가졌다. 기어 펌프를 갖는 프리즘 압출기를 사용하여 중합체 용융물을 공급 튜브를 통해 회전 방사 디스크로 전달하였다. 용융물 공급 튜브로부터 방사 용융물의 온도는 240℃로 설정되었다. 디스크 가열 공기는 260℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기는 150℃로 설정되었다. 성형 공기는 100℃로 설정되었다. 방사 디스크의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 도 10a는 웹 이미지를 나타내고, 도 10b 및 도 10c는 130 mm의 레이다운 거리 및 컬렉터 벨트 상에 +50kV 및 0.6 mA, 코로나 고리 상에 -12kV 및 0.6mA의 이중 고전압 충전의 웹의 SEM 이미지를 나타내고, 중앙 공기는 중공 회전 축 및 와류방지 허브를 통해 적용되었다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.67014이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 평균 = 430 nm이고 중앙값 = 381 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 3 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 말렉스 ( Malex ) 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP) 나노웹을, 저장소와 디스크 내부 에지를 갖는 150 mm 직경 방사 디스크와 함께 미국 특허 번호 제8277711호의 원심 용융 방사 공정을 사용하여 제조하였다. PP 나노웹을 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0160099호의 공정을 사용하여 벨트 컬렉터 상에 놓았다. 이러한 실시예에 사용된 PP 수지는 높은 Mw PP와 낮은 Mw PP의 폴리프로필렌 (PP) 50%/50% 블렌드이다. 높은 Mw PP는 필립스 수미카(Phillips Sumika)로부터 말렉스 HGX-350이었다. 이는 Mw= 292,079 g/mol, 및 용융 유동 속도 = 35 g/10 min (230℃/2.16kg)을 가졌다. 낮은 Mw PP는 실시예 2에 사용된 메토센 MF650Y이다. 기어 펌프를 갖는 프리즘 압출기를 사용하여 중합체 용융물을 공급 튜브를 통해 회전 방사 디스크로 전달하였다. 용융물 공급 튜브로부터 방사 용융물의 온도는 240℃로 설정되었다. 디스크 가열 공기는 280℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기는 180℃로 설정되었다. 성형 공기는 30℃ 및 15 SCFM으로 설정되었다. 방사 디스크의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 도 11a는 웹 이미지를 나타내고 도 11b 및 도 11c는 130 mm의 레이다운 거리 및 컬렉터 벨트 상에 +50kV 및 0.6 mA, 코로나 고리 상에 -12kV 및 0.6mA의 이중 고전압 충전의 웹의 SEM 이미지를 나타내고, 중앙 공기는 중공 회전 축 및 와류방지 허브를 통해 적용되었다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.5071이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 평균 = 640 nm이고 중앙값 = 481 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 4 - 원심 용융-방사된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 나노웹을, 저장소와 디스크 내부 에지를 갖는 150 mm 직경 방사 디스크와 함께 미국 특허 번호 제8,277,711호의 원심 용융 방사 공정을 사용하여 제조하였다. PET 나노웹을 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0160099호의 공정을 사용하여 벨트 컬렉터 상에 놓았다. 이러한 실시예에 사용된 PET 수지는 단일중합체, 즉 이스트만 케미컬(Eastman Chemical)로부터의 PET F61이었다. 기어 펌프를 갖는 프리즘 압출기를 사용하여 중합체 용융물을 공급 튜브를 통해 회전 방사 디스크로 전달하였다. 용융물 공급 튜브로부터 방사 용융물의 온도는 260℃로 설정되었다. 디스크 가열 공기는 280℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기는 180℃로 설정되었다. 성형 공기는 30℃로 설정되었다. 방사 디스크의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 레이다운 벨트는 22.5 cm/min로 움직였다. 도 12a는 웹 이미지를 나타내고 도 12b 및 도 12c는 130 mm의 레이다운 거리, 및 컬렉터 벨트 상에 +50kV 및 0.6 mA의 고전압 충전의 웹의 SEM 이미지를 나타내고, 중앙 공기는 중공 회전 축 및 와류방지 허브를 통해 적용되었다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.7113이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고, 섬유는 평균 = 730 nm이고 중앙값 = 581 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 5 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650Y 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹을, 실시예 1에서와 동일하게 제조하였다. 유도 가열을 사용하는 150 mm 직경의 방사 보울(bowl)을 방사 헤드로서 사용하였다. 200℃의 압출 온도 설정이 된 기어 펌프를 갖는 프리즘 압출기를 사용하여 중합체 용융물을 공급 튜브를 통해 회전 방사 디스크로 전달하였다. 용융물 공급 튜브로부터 방사 용융물의 온도는 200℃로 설정되었다. 보울을 방사하기 위한 유도 가열은 1.5 kW로 설정되었다. 보울 성형 공기를 위한 공기 히터는 7.0 SCFM의 공기 유동 속도로 250℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기를 위한 공기 히터는 8.0 SCFM의 공기 유동 속도로 150℃로 설정되었다. 중앙 공기는 30℃ 및 2.0 SCFM으로 설정되었다. 방사 보울의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 웹 레이다운 거리는 130 mm이고, 컬렉터 벨트 상에 +56kV 및 0.27 mA, 코로나 고리 상에 -7.5 kV 및 0.39 mA의 이중 고전압 충전을 포함한다.

웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.0843이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 평균 = 630 nm이고 중앙값 = 571 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 6 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650Y 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹을, 실시예 7에서와 동일하게 동일한 압출 조건으로 제조하였다. 보울을 방사하기 위한 유도 가열은 1.7 kW로 설정되었다. 보울 성형 공기를 위한 공기 히터는 7.0 SCFM의 공기 유동 속도로 250℃로 설정되었다. 신장 대역 가열 공기를 위한 공기 히터는 8.0 SCFM의 공기 유동 속도로 150℃로 설정되었다. 중앙 공기는 50℃ 및 2.5 SCFM으로 설정되었다. 방사 보울의 회전 속력은 일정한 10,000 rpm으로 설정되었다. 웹 레이다운 거리는 130 mm이고, 컬렉터 벨트 상에 +56kV 및 0.27 mA, 코로나 고리 상에 -7.5 kV 및 0.39 mA의 이중 고전압 충전을 포함한다.

웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.2843이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 대략 평균 = 656 nm이고 중앙값 = 590 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

실시예 7 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650Y 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹을, 실시예 6에서와 동일하게 동일한 압출 조건으로 제조하였다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 4.4379이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 대략 평균 = 689 nm이고 중앙값 = 610 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

비교실시예 1 - 원심 용융-방사된 폴리프로필렌 (PP) 650Y 나노웹

연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹을, 실시예 1에서와 동일하게 동일한 압출 및 방사 조건이되, 상이한 웹 레이다운 조건으로 제조하였다. 웹을 방사 디스크 주변에 수직 관모양 벨트를 사용하고 충전하지 않고 공기도 전혀 관리하지 않으면서 수집하였다. 도 13a는 웹 이미지를 나타내고, 도 13b 및 도 13c는 SEM 이미지를 나타낸다.

웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 5.658이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정하였고 섬유는 대략 평균 = 563 nm이고 중앙값 = 520 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

비교실시예 2 - 고온 기체- 보조식 용융 전계 -방사된(Hot Gas-Assisted Melt Electro-Spun) 폴리프로필렌 (PP) 650Y

비교실시예 2는 기체 보조식 용융 전계방사 장치를 사용하여 제조된 연속성 섬유로 이루어진 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹이었다 (Eduard Zhmayev, Daehwan Cho, Yong Lak Joo, Nanofibers from Gas-Assisted Polymer Melt Electrospinning, Polymer 51 (2010)4140-4144.).

PP 나노섬유를 약 220℃에서 가열되고 12 m/s의 공기 유동 속도를 갖는 동심원 추진 에어 제트(concentric forwarding air jet)에서 22 게이지의 뭉툭한 주사기 바늘을 포함하는 220℃ 장치에서 가열된 단일 오리피스에서, 방사하였다. 30 kV의 높은 전압을 방사 팩(spin pack) 및 방사 오리피스에 적용하였다. PP 용융물의 스루풋은 약 0.01 g/min이다. 섬유를 300 mm의 방사 오리피스까지의 거리를 갖는 컬렉터 상에 놓았다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하는 이미지로부터 측정하였고, 섬유는 200 nm 내지 1200 nm의 직경 범위를 갖는 것으로 측정되었다.

비교실시예 3 - 용융- 블로운 폴리프로필렌 (PP) 나노웹

비교실시예 5는, 미국 특허 출원 공개 번호 제2008/0023888호의 용융 블로운 공정을 사용하여 제조하였다. 저분자량 폴리프로필렌 수지를 사용하였다 (바셀(Bassell)로부터 2600의 용융 유동 속도 (MFR)를 갖는 GPH1400M). 5.2 gsm의 나노웹을 폴리에스테르 부직포 스크림(scrim) 상에 놓았다.

도 14a는 웹 이미지를 나타내고 도 14b 및 도 14c는 SEM 이미지를 나타낸다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 19.72697이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정되었고, 섬유는 평균 = 532 nm이고 중앙값 = 514 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다. 도 18c는 도 18d에서 배향 플롯을 제조하기 위해 사용된 SEM 이미지를 나타낸다. 섬유 배향은 횡방향(TD)을 선호한다.

비교실시예 4 - 용융- 블로운 폴리프로필렌 (PP) 나노웹

비교실시예 4는 종래의 용융 블로잉 공정을 사용하여 제조하였다.

도 15a는 웹 이미지를 나타내고 도 15b 및 도 15c는 SEM 이미지를 나타낸다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 27.1465이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정되었고, 섬유는 평균 = 483 nm이고 중앙값 = 456 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다. 도 18e는 도 18f에서 배향 플롯을 제조하기 위해 사용된 SEM 이미지를 나타낸다. 섬유 배향은 횡방향(TD)을 선호한다.

비교실시예 5 - 용융- 블로운 폴리프로필렌 (PP) 나노웹

비교실시예 5는 나노섬유 제품의 150 gsm 용융 블로운 PP 핸드시트(handsheet)이었다 (미국 사우쓰 캐롤라이나 스파탄버그 소재의 밀리켄 & 컴퍼니(Milliken & Company)).

도 16a는 웹 이미지를 나타내고, 도 16b 및 도 16c는 SEM 이미지를 나타낸다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 107.0765이었다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정되었고, 섬유는 평균 = 538 nm이고 중앙값 = 521 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다. 도 18g는 도 18h에서 배향 플롯을 제조하기 위해 사용된 SEM 이미지를 나타낸다. 섬유 배향은 횡방향(TD)을 선호한다.

비교실시예 6 - 필름 피브릴화된 폴리프로필렌 (PP) 나노웹

비교실시예 6은 미국 특허 번호 제4,536,361호의 용융 블로운 필름 피브릴화 공정을 사용하여 제조된, 연속성 섬유로 이루어진 125.7 gsm 폴리프로필렌 (PP 650Y) 나노웹이었다. 저분자량 폴리프로필렌 수지가 사용되었다(바셀(Basell)로부터 2600의 용융 유동 속도(MFR)를 갖는 PP GPH1400M).

도 17a는 웹 이미지를 나타내고, 도 17b 및 도 17c는 SEM 이미지를 나타낸다. 웹 균일도 지수는 3872 × 2592 픽셀의 10.2 메가픽셀로 300 mm × 200 mm의 웹 샘플 크기에 대해 Ul= 65.8183으로 매우 높았다. 섬유 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용한 이미지로부터 측정되었고, 섬유는 평균 = 689 nm이고 중앙값 = 610 nm의 평균 섬유 직경을 갖는 것으로 측정되었다.

표 1은 본원에 나타낸 샘플에 대한 균일도 지수 및 컬 지수 데이터를 요약한다.

[표 1]

인장 특성 측정

도 19는 용융 블로운 폴리프로필렌 웹과 비교한, 원심 방사된 폴리프로필렌 웹의 응력-변형 곡선(평량으로 정규화됨)을 나타낸다. 도 20은 기계 방향(MD) 및 횡방향 (TD)으로 원심 방사된 폴리프로필렌 웹의 응력-변형 곡선 (평량으로 정규화됨)을 나타낸다. 본 발명의 실시예는 비교적 높은 웹 강도를 갖는다. 또한, TD 및 MD 방향 모두에서 강도는 본 발명의 실시예에 있어서 서로 더욱 가깝다. 그러나, 비교용 용융 블로운 샘플의 경우 MD 방향의 강도가 TD 방향보다 훨씬 더 높았다.

기공 크기 분포

표 2는 본 발명의 실시예 및 비교실시예의 경우 기공 크기 분포에 대한 PMI 측정치를 나타낸다. 도 21a 및 도 21b는 용융 원심 방사된 폴리프로필렌 (PP) 나노웹의 실시예 1 및 실시예 2에 대해 매우 좁은 기공 크기 분포를 나타낸다. 도 22a 및 도 22b는 용융 블로운 폴리프로필렌 (PP) 나노웹의 비교실시예 3 및 비교실시예 4에 대해 더 넓은 기공 크기 분포를 나타낸다. 도 23a 및 도 23b는 용융 블로운 폴리프로필렌 (PP) 나노웹의 비교실시예 5 및 비교실시예 6에 대해 더 넓은 기공 크기 분포를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서, 평균 흐름 기공 크기에서 기공 크기의 모드를 빼면 1.0 미만이고, 동시에 기공 크기의 모드 M0에서 높이(H_M0)에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭 (W)의 비는 0.1 미만이다.

[표 2]

Claims

중합체성 나노섬유를 포함하는 나노웹으로서, 중합체성 섬유는 0.1 미만의 평균 컬 지수(mean curl index)를 가지고, 나노 웹은 5.0 미만의 균일도 지수 (uniformity index)를 가지며, 나노웹은 용융 방사 공정에 의해 제조되는, 나노웹.
제1항에 있어서, 나노웹이 0.8 내지 1.2의 섬유 배향 지수(fiber orientation index)를 갖는, 나노웹.
제1항에 있어서, 나노웹이 1.0 미만의 평균 흐름 기공 크기 마이너스 기공 크기의 모드(mean flow pore size minus the mode of the pore size)를 가지고, 모드 M0에서 기공 크기의 피크 높이에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭(W)의 비가 0.1 미만인, 나노웹.
제1항에 있어서, 중합체성 나노섬유가 폴리올레핀 또는 폴리에스테르를 포함하는, 나노웹.
제1항에 있어서, 클러스터 속에 배치된 다수의 연속성 중합체성 섬유를 포함하고, 섬유가 1,000 nm 미만의 평균 직경을 가지며, 웹이 다음 구조에 상응하는 전체 형태(gross morphology)를 가지는, 나노웹:
(i) 각각의 섬유는 이의 길이를 따라 기본적으로 일정한 곡률의 원호 안에 놓여진다;
(ii) 소정의 클러스터 내의 모든 섬유 원호는 기본적으로 동일한 곡률을 가진다;
(iii) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호는 동일 평면상(co-planar)이며, 소정의 클러스터 내의 임의의 소정의 섬유 원호는 간격을 두고 놓여지고, 클러스터의 평면에서 상기 클러스터 중의 다른 원호에 대하여 기본적으로 평행하다; 및
(iv) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호의 곡률의 중심은 동일 선상(co-linear)이다.
다층 구조 속에 놓여진 제5항의 클러스터를 다수 개 포함하는, 나노웹.
중합체성 나노섬유를 포함하는 나노웹으로서, 중합체성 섬유는 0.1 미만의 평균 컬 지수(mean curl index)를 가지고, 나노 웹은 5.0 미만의 균일도 지수를 가지며, 적어도 몇몇 섬유가 폴리올레핀을 포함하는, 나노웹.
제7항에 있어서, 모든 섬유가 폴리올레핀을 포함하는, 나노웹.
제7항에 있어서, 적어도 몇몇 섬유가 필수적으로 폴리올레핀으로 이루어지는, 나노웹.
제7항에 있어서, 모든 섬유가 필수적으로 폴리올레핀으로 이루어지는, 나노웹.
제7항에 있어서, 폴리올레핀이 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는, 나노웹.
제7항에 있어서, 폴리올레핀이 에틸렌과 프로펜, 부탄, 헥산, 옥탄 및 이들의 혼합물과의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는, 나노웹.
제7항에 있어서, 나노웹이 0.8 내지 1.2의 섬유 배향 지수를 가지는, 나노웹.
제7항에 있어서, 나노웹이 1.0 미만의 평균 흐름 기공 크기 마이너스 기공 크기의 모드를 가지고, 모드 M0에서 기공 크기의 피크 높이에 대한 기공 크기 분포의 99% 폭(W)의 비가 0.1 미만인, 나노웹.
제7항에 있어서, 클러스터 속에 배치된 다수의 연속성 중합체성 섬유를 포함하고, 섬유가 1,000 nm 미만의 평균 직경을 가지며, 웹이 다음 구조에 상응하는 전체 형태를 가지는, 나노웹:
(i) 각각의 섬유는 이의 길이를 따라 기본적으로 일정한 곡률의 원호 안에 놓여진다;
(ii) 소정의 클러스터 내의 모든 섬유 원호는 기본적으로 동일한 곡률을 가진다;
(iii) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호는 동일 평면상이며, 소정의 클러스터 내의 임의의 소정의 섬유 원호는 간격을 두고 놓여지고, 클러스터의 평면에서 상기 클러스터 중의 다른 원호에 대하여 기본적으로 평행하다; 및
(iv) 소정의 클러스터 내의 섬유 원호의 곡률의 중심은 동일 선상이다.
다층 구조 속에 놓여진 제15항의 클러스터를 다수 개 포함하는, 나노웹.