KR20180000217A - 나노섬유 웹을 포함하는 미세먼지 차단용 필터 제조 장치 - Google Patents

나노섬유 웹을 포함하는 미세먼지 차단용 필터 제조 장치 Download PDF

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KR20180000217A
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Abstract

본 발명은 미세먼지 차단용 필터 제조방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 나노섬유 웹이 적층형성되는 제1 지지체를 회전시키어 동일한 면에 연속적으로 상향식 및 하향식 전기방사장치에 의해 나노섬유 웹을 제조하고 나노섬유 웹 상에 또 다른 제 2 지지체를 구비하여 미세먼지 차단용 필터의 제조공정이 간소화됨과 동시에 제조 시간을 절감할 수 있다는 효과를 거둘 수 있다.

Description

나노섬유 웹을 포함하는 미세먼지 차단용 필터 제조 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR FILTER FOR BLOCKING FINE AND YELLOW DUST CONTAINING NANOFIBER WEB}
본 발명은 나노섬유 웹을 포함하는 미세먼지 차단용 필터 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세먼지나 황사 등을 차단하기 위하여 나노섬유 웹의 양면에 메쉬 또는 캐리어 중에 선택된 1종이 각각 구비되는 미세먼지 차단용 필터를 대량으로 제조하는 것이 가능한 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반 가정집을 포함한 사무실 등의 각종 건물에 설치되는 창문이나 출입문 등에는 하절기 실외의 모기나 파리 등을 비롯한 각종 해충이 실내로 날아 들어오지 못하도록 별도로 제작된 틀체에 일체형 방충망을 설치하고 있다.
이러한 방충망은 대개 합성수지를 조밀한 그물눈 형태로 성형한 합성수지망이나 혹은 가는 철사나 알루미늄 등을 조밀하게 직조(織造)하여 제작한 금속망을 이용하여 틀체에 장착시킴에 따라 해충이 실내로 들어오지 못하도록 함은 물론 통풍은 원활하게 이루어질 수 있도록 하고 있다.
방충망 구조에 대한 선행기술을 살펴보면 국내 공개실용신안 제1999-0035011호 공보나 또는 등록실용신안 제0382472호 공보에는 기존 방충망의 일부가 손상되었을 경우 방충망을 전체 교체하지 않고도 손쉽고 간편한 보수작업에 의해 손상된 부위를 보수할 수 있도록 함에 따라 작업시간을 대폭 단축하고, 경제적인 비용을 절감할 수 있는 방충망 보수 구조에 대해 개시하고 있고, 대한민국 공개실용신안공보 2010-3529호는 가로와 세로로 조밀한 격자모양이 반복적으로 형성되는 보수망의 후면 테두리부에 이형지가 구비된 띠형태의 양면테이프를 일체형으로 접착하여 제작하고, 이 양면테이프의 이형지를 떼어낸 상태에서 방충망의 파손된 손상 부위에 보수망을 직접 부착시킬 수 있도록 구성된 보수가 용이한 방충망 시트에 대하여 나타나 있다.
또한 대한민국 공개특허공보 2010-32078호는 창문이나 출입문에 인접하여 설치되는 틀체와, 이 틀체의 측면 사방에 접착되는 양면 테이프와, 이 양면 테이프에 일측면이 접착됨과 동시에 접힘부를 사이에 두고 제1 및 제2벨크로가 마련되어 있는 결속부재와, 이 결속부재 내에 사방 가장자리가 고정되는 그물눈 형태의 방충망으로 이루어지며, 상기 결속부재의 동일면 상에서 돌출하여 일체로 압출 성형된 제1 및 제2벨크로가 접혀져 서로 맞물려 끼워지는 것에 의해 방충망을 고정시킬 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한 방충망 착설 구조체에 대하여 개시되어 있다.
그러나 상기 기술은 방충망의 보수를 용이하게 하기 위한 것 또는 결속을 단단하게 하기 위한 것으로서 미세먼지나 황사 등을 차단하기 위한 본 발명의 과제와는 무관하다. 황사나 미세먼지 또는 매연 등은 매년 발생량이 급증하고 있고 국민 건강에 직접적인 영향을 끼치고 있으나 아직까지 이를 효과적으로 해결할 수 있는 방충망에 대해서는 개시된 바 없다.
이에 본 발명에서는 나노섬유 웹을 이용하여 제조할 수 있는 미세먼지 차단용 필터 제조 장치를 개발하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상향식 전기방사장치와 하향식 전기방사장치를 교대로 설치하여 방사용액을 분사하고, 전기방사장치 사이에 회전장치를 구비함으로서 지지체로 사용되는 메쉬 일면에 연속적으로 나노섬유 웹이 적층되는 것이 가능함과 동시에 상향식 전기방사장치의 이점인 고품질의 나노섬유 웹 생산과 하향식 전기방사장치의 이점인 대량생산이 가능한 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 제1 지지체를 준비하는 단계; 상기 제1 지지체의 하부면에 하향식 전기방사장치로 제1 고분자 방사용액을 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 적층형성하는 단계; 상기 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 제1 지지체가 회전장치를 지나면서 상부면이 하부면으로 180도 회전되는 단계; 상기 제1 지지체 상에 적층된 제1 나노섬유 웹 상에 상향식 전기방사장치로 제2 고분자 방사용액을 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계; 및 상기 제2 나노섬유 웹 상에 제2 지지체를 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법을 제공한다.
여기서 상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 온도조절 장치를 통하여 50 내지 200℃의 온도에서 전기방사되는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 폴리에테르 설폰, 폴리아믹산 및 폴리이미드로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하며, 상기 제1 및 제2 지지체는 메쉬(Mesh) 및 캐리어(Carrier)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1 및 제2 지지체는 각각 1층 또는 2층 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 미세먼지 차단용 필터는 미세먼지 광투과율이 30 내지 80%이고 공기투과도(cfm)는 10 내지 500이고, 효율은 80% 이상인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 및 제2 나노섬유 웹의 평량은 0.001 내지 2.0g/m2인 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 지지체 상에 제1 나노섬유 웹이 적층형성되는 단계 및 제2 나노섬유 웹과 제2 지지체를 부착하는 단계는 초음파 본딩(Ultrasonic Bonding), 화학적 또는 열적 접착제를 도포하거나 접착제를 직접 전기방사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 노즐이 상부에서 하부로 향하고, 고분자 방사용액을 제1 지지체 상에 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 제조하는 하향식 전기방사장치; 상기 지지체의 상부면이 하부면으로 180도 회전되도록 하는 회전장치; 노즐이 하부에서 상부로 향하고, 상기 하향식 전기방사장치에 사용된 동일한 고분자 방사용액을 제1 나노섬유 웹상에 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 적층하는 사향식 전기방사장치; 및 최후단에 제2 지지체를 공급받아 제2 나노섬유 웹 상에 위치하고 이를 라미네이팅하는 라미네이팅 장치;를 포함하고, 상기 하향식 전기방사장치와, 상기 회전장치와, 상기 상향식 전기방사장치, 라미네이팅 장치의 순서대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 제공한다.
이 때, 상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하고, 상기 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치는 각각 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절 장치를 더 포함하며, 상기 미세먼지 차단용 필터 제조장치는 추가적으로 하향식 전기방사장치 또는 상향식 전기방사장치를 교호적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체인 메쉬 또는 캐리어를 회전시키어 메쉬 또는 캐리어의 일 면에 연속적으로 상향식 및 하향식 전기방사장치에 의해 나노섬유 웹을 연속적으로 제조하여 미세먼지 차단용 필터의 제조공정이 간소화됨과 동시에 제조 시간을 절감할 수 있다는 효과를 거둘 수 있다.
그리고, 본 발명은 지지체인 메쉬 또는 캐리어를 회전시키는 회전장치를 각 전기방사장치 사이에 설치시킴으로서 전기방사 장치의 설치시 공간활용을 평면상에 수평방향으로 또는 수직으로 배치되는 층층으로 설치가 가능함에 따라 공간활용이 용이함과 동시에 설치공간에 여유가 있는 효과가 있다. 다시 말해, 협소한 공간에서도 전기방사장치의 설치 및 가동이 가능하고 필터의 대량생산이 가능한 효과를 거둘 수 있다.
또한 나노섬유 웹 양면에 메쉬 또는 캐리어에서 선택된 1종이 각각 구비되어 있는 구조이므로, 나노섬유 웹이 메쉬나 캐리어 밖으로 떨어져나오거나 분리되지 않고 견고한 구조특성을 갖게 된다.
도 1은 본 발명의 필터 제조장치에 사용되는 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록 내에 온도조절을 위한 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 4는 도 3의 A-A’선 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 노즐블록의 관체가 CD 방향으로 On-Off되는 상태를 나타내는 평면도,
도 8은 도 7과 같은 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 CD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도,
도 9는 본 발명의 노즐블록 내 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 MD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도,
도 10은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 수직방향으로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 11은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 수평방향에 대해 U자로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 조감도이다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 필터 제조장치에 사용되는 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 2는 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록 내에 온도조절을 위한 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도이고, 도 4는 도 3의 A-A’선 단면도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치에서 사용되는 회전장치(20)의 일 실시예인 플립장치(20-1)를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 노즐블록의 관체가 CD 방향으로 On-Off되는 상태를 나타내는 평면도이며, 도 8은 도 7과 같은 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 CD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도이고, 도 9는 본 발명의 노즐블록 내 노즐블록 내 노즐에 작동에 따른 MD 방향으로 평량이 상이한 전기방사가 진행되는 작업과정을 나타내는 평면도이며, 도 10은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 수직방향으로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 11은 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 수평방향에 대해 U자로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 조감도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)는 필터의 구성요소인 나노섬유 웹을 제조하기 위해 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)를 포함하여 구성되되, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)가 일정간격 이격되어 배열설치된다. 본 발명에서는 하향식 전기방사장치(10)가 전단부에 위치하고 그 이후에 상향식 전기방사장치(30)가 후단부에 위치하고 있으나, 이는 상향식 전기방사장치가 전단에 오는 것도 가능하다. 또한, 전기방사장치가 본 발명에서는 2개로 구성되어 있지만, 하향식과 상향식 전기방사장치가 교대로 3개 이상으로 배치되는 것도 가능하다.
한편 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)는 고분자 방사용액(미도시)이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크(11,31) 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(15,35)이 다수개 배열설치되는 노즐블록(13,33)과 상기 노즐(15,35)의 상단(상향식 전기방사장치의 경우) 및 하단(하향식 전기방사장치의 경우)에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(15,35)로부터 일정간격 이격되는 컬렉터(17,37) 및 상기 컬렉터(17,37)에 전압을 발생시키기는 전압 발생장치(14)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(11,31) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15,35) 내의 연속적으로 정량 공급되고 노즐(15,35)로 공급되는 고분자 방사용액은 노즐(15,35)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17,37) 상에 위치한 지지체의 일면에 방사, 집속되어 나노섬유 웹을 형성하며, 형성된 나노섬유를 엠보싱 또는 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.
한편, 상기 각 전기방사장치에서 노즐(15,35)이 배치되어 있는 노즐블록(13,33)은 각 관체(112) 내에 온도조절장치(60)가 구비된다. 즉, 상기 각 전기방사장치(10,30) 내에 설치되되, 다수개의 노즐(15,35)로 고분자 방사용액이 공급되는 노즐블록(13, 33)의 관체에 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치가 구비된다. 여기서, 상기 노즐블록(13,33) 내의 고분자 방사용액의 흐름은 고분자 방사용액이 저장되는 방사용액 주탱크(11,31)로부터 방사용액 유동파이프(미도시)를 통하여 각 관체로 공급된다. 그리고 각 관체에 공급되는 고분자 방사용액은 다수의 노즐(15,35)을 통해 방사 및 토출되어 나노섬유 웹의 형태로 지지체(3)에 집적된다. 이때 각 관체 및 상기 관체의 상부에 길이방향으로 일정간격 이격되어 다수개로 장착되는 노즐(15,35)은 도전부재로 이루어져 전기적으로 접속된 상태로 관체에 장착된다. 여기서 상기 온도조절장치(60)는 각 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도조절을 제어하기 위하여 상기 관체의 내주연에 열선(113) 형태로 구비된다. 즉, 도 3 내지 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 열선으로 이루어지는 온도조절장치(60)가 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 나선상으로 형성되어 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도를 조절한다. 본 발명에서는 상온에서 방사하는 것이 일반적이나, 바람직하게 50 내지 200℃인 고온에서 방사하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 노즐블록(13, 33)의 관체 내주연에 열선으로 이루어지는 온도조절장치(60)가 나선상으로 구비되어 있으나, 상기 온도조절장치(60)가 열선 형태로 형성되되, 상기 관체의 내주연 방사상에 길이방향으로 다수개 구비되어 고분자 방사용액의 온도를 조절하도록 이루어지는 것도 가능하고, 상기 온도조절장치(60)가 대략 “C”형태의 판체형상으로 형성되되, 상기 관체의 내주연에 구비되어 고분자 방사용액의 온도를 조절하도록 이루어지는 것도 가능하다. 상기와 같은 온도조절장치(60)는 노즐블록 내의 고분자 방사용액의 온도를 조절하는 것이 가능하여 50 내지 200℃의 온도 범위 내에서 고분자 방사용액을 전기방사하는 것이 가능해진다. 또한 나노섬유 웹의 평량은 0.001 내지 2.0g/m2인 것을 특징으로 한다. 이 때 나노섬유 웹의 평량은 0.001 내지 0.2g/m2인 것이 바람직하다. 상기 평량이 0.001g/m2 미만이면 기계적 물성이 떨어지며, 2.0g/m2 초과이면 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.
한편, 상기 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)의 전단에는 하향식 전기방사장치(10)가 배치되고 후단에는 상향식 전기방사장치(30)가 배치되고 각 전기방사장치에서 고분자 방사용액이 분사되어 나노섬유 웹이 적층형성되는 지지체(3)를 공급하는 공급롤러(5)가 구비되고, 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)의 최후단에는 제2 지지체(3‘)가 공급되는 공급기재(미도시)가 구비되고 나노섬유 웹이 적층형성되는 제1 지지체(3)와 제2 지지체(3’)를 권취하기 위한 권취롤러(9)가 구비된다.
본 발명에서는 하향식 전기방사장치(10)가 전단부에 위치하고 그 이후에 상향식 전기방사장치(30)가 후단부에 위치하고 있으나, 이는 상향식 전기방사장치가 전단에 오는 것도 가능하다. 또한, 전기방사장치가 본 발명에서는 2개로 구성되어 있지만, 하향식과 상향식 전기방사장치가 교대로 3개 이상으로 배치되는 것도 가능하다.
또한 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 고분자 방사용액이 적층되는 지지체(3)는 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나 본 발명에서는 메쉬(Mesh) 또는 캐리어(Carrier)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 지지체로 이용이 가능한 메쉬(Mesh)로는 바람직하게는 폴리에스터 메쉬(Polyester mesh), 이성분 기재(bicomponent substrate), 유리섬유 메쉬(Fiberglass Mesh) 또는 나일론 메쉬(Nylon Mesh)로 구성된 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하고, 평량은 30 내지 150g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 30g/m2 미만이면 나노스크린 여재의 기재로서의 물성이 떨어지며, 평량이 150g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다. 이러한 메쉬는 모노필라멘트로 구성되어 있다. 또한 일반적으로 바람직하게 사용되는 메쉬로는 폴리에스터 모노 100%이고 일반적으로 20 내지 35메쉬인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 캐리어(Carrier)는 일반적으로 기재로 사용되는 것으로서 바람직하게는 폴리에스터 캐리어(Polyester carrier), 폴리우레탄 캐리어(Polyurethane carrier) 및 나일론 캐리어(Nylon Carrier)로 구성된 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하고, 모노필라멘트 또는 멀티 필라멘트로 구성되는 것을 사용되는 것을 특징으로 하며, 저융점 부직포를 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 캐리어의 평량은 10 내지 50g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 10g/m2 미만이면 기재로서의 물성이 떨어지며, 평량이 50g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다. 본 발명에서 바람직하게 사용되는 캐리어는 100% 폴리에스터 우븐 패브릭(WOVEN FABRIC)이다.
한편, 상기 메쉬 및 캐리어는 난연제로 방염처리하는 것이 가능한데, 고온을 요구하는 환경에서는 메쉬 및 캐리어에 인계 난연제 처리를 하여 난연 처리된 메쉬 또는 캐리어를 직접 이용하는 것도 가능하다. 상세하게 본 발명에서는 난연성 코팅제를 각 메쉬에 적용하는데, 상기 난연성 코팅제의 제조방법은 무기난연제 5-50wt%와, 양이온 우레탄 5-20wt%와, 물 1-70wt% 및, 그외 첨가제 1-10wt%를 서로 혼합한 다음, 그 혼합물이 균일해지도록 5-10분 혼합하는 과정을 거치게 된다. 상기와 같이 제조된 난연성 코팅제를 제품화하는 공정우선 상기 난연성 코팅제를 제조한 상태에서 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 용기가 공급되고, 상기 용기에 코팅제 혼합액이 충진되며, 상기 코팅제 혼합액이 충진된 용기를 포장하게 된다. 그러므로, 상기 난연성 코팅제는 기존의 방염제 보다 화재로부터 효과적이고 지속적으로 제품을 보호함으로써 그 방염성을 높이고, 불에 타기 쉬운 제품을 물리 및 화학적으로 개선하여 제품이 화염에 의해 타게되는 것을 상기 난연성 코팅제를 통해 최소화하는 것이다.
따라서, 상기 난연성 코팅제는 인(P)이나 할로겐 성분을 함유하는 폴리올을 이용하여 탄화의 촉진과 보호 피막의 형성을 유도함으로써 난연성능이 우수하고, 상기 난연성 코팅제는 수용성 에멀젼타입으로 친환경적이면서 무독성타입이기 때문에 기존의 난연제 보다 우수한 난연 내구성으로 모노필라멘트사로 직조된 미세 방충망 또는 메쉬나 캐리어 등 에 도포하기에 적합한 난연 코팅제를 제조할 수 있는 것이다.
한편 본 발명의 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(17,37)를 기준으로 그 하, 상방향으로 상호 대칭되게 각각 배열설치된다. 즉, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)는 컬렉터(17)가 노즐(15)의 상단에 위치하고, 상기 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(37)가 노즐(35)의 하단에 위치한다.
한편, 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에는 이송롤러(7)가 각각 구비되고, 상기 각 이송롤러(7)를 통하여 각 컬렉터(17,37)에 집적되어 나노섬유가 적층형성되는 지지체(3)가 수평방향으로 이송된다. 즉, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)의 노즐(15)에서 분사되는 고분자 방사용액을 컬렉터(17)의 지지체(3)상에 적층형성시켜 제조된 나노섬유를 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 수평이동시킴과 상기한 공정을 반복적 및 연속적으로 진행하기 위한 이송롤러(7)가 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에 각각 구비된다.
한편, 본 발명에서는 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30) 사이에 회전장치(20)가 구비되는 것을 특징으로 한다. 상기 회전장치(20)는 전기방사장치 사이에 위치되어 지지체(3)를 180도 회전시켜 후단에 위치한 전기방사장치에서는 지지체의 상부면은 하부면으로, 하부면은 상부면이 되도록 회전시키기 위한 장치이다.
도 5 및 6은 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 구체적으로 도 5는 플립장치(20-1)의 초기 동작과정을 나타낸 단면도이며, 도 6은 플립장치(20-1)의 후기 동작과정을 나타낸 단면도이다.
상기 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)는 내부에 중공을 갖는 원통형상체로 형성되고 그 중심부에서 수평방향 양 측 내주연 상에 지지체(3)의 양 단부가 삽입되기 위한 가이드홈을 갖는 좌, 우측 가이드 부재(21,21)가 각각 내향돌출되게 형성된다. 이 때 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌,우측 가이드부재(21,21) 중 좌측 가이드부재(21)는 내주연을 따라 상방향으로 연장형성된후 다시 하방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 우측 가이드 부재(21)의 최초 위치 및 방향에 위치하고, 우측 가이드부재(21)는 내주연을 따라 하방향으로 연장형성된 후 다시 상방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 좌측 가이드부재(21)의 최초 위치 및 방향에 위치한다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌, 우측 가이드부재의 각 가이드홈(22,22)으로 삽입된 지지체의 일측 단부 및 타측 단부가 좌, 우측 가이드부재(21,21)를 가이드되면서 플립장치(20-1)의 내주연을 상호 대향되게 나선상으로 180도 회전됨으로써 지지체(3)의 상, 하부면이 역전된다.
본 발명에서는 전기방사장치 사이에 위치하고 전기방사된 나노섬유를 180도 회전시키는 회전장치(20)로 플립장치(20-1)를 사용하고 있으나, 이에 한정하지 아니하고 변형적으로 비틀림 롤러를 구비한 장치나 비틀림 롤러에 의해 지지체의 진행방향으로 90도 굴곡하도록 회전시키는 장치가 사용되는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 하향식 또는 상향식 전기장치(10)의 방사용액 주탱크(11) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(15)을 통하여 컬렉터(17)의 지지체(3) 또는 기재 상에 분사되고, 상기 컬렉터(17)의 지지체(3) 또는 기재 상에 분사된 고분자 방사용액이 집적되면서 나노섬유 웹이 적층되어 나노스크린 여재를 제조한 후 나노섬유가 적층형성된 지지체(3) 또는 기재는 회전장치(20)에 의하여 하향식 또는 상향식 전기방사에 의해 나노섬유가 적층형성된 지지체(3)의 하부면이 상부면으로 180도 회전된다. 그 이후 이송롤러(7)를 통하여 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 이송되고, 상기 컬렉터(37) 상으로 이송된 나노섬유가 적층된 지지체(3)에 상기 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(35)을 통하여 전기방사되어 상기한 과정을 연속적 및 반복적으로 수행하면서 최종 제품이 제조된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)의 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10), 회전장치(20) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)를 통과하면서 제조되는 나노섬유 웹은 지지체(3)에 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 각 노즐(15, 35)을 통하여 고분자 방사용액이 분사되어 컬렉터(17, 37) 상의 지지체(3)의 일면에 나노섬유가 연속적으로 적층형성되는 등 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 노즐(15,35)에서 분사되는 고분자 방사용액이 적층되어 나노섬유가 다수 층으로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치의 전압을 상향식 또는 하향식 전기방사장치의 전압보다 높게 적용하여 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)에 의해 제조된 나노섬유의 직경이 상기 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)에 의해 제조된 나노섬유 웹의 직경보다 가늘게 제조하는 것이 가능하다.
한편 여기서, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 각 방사용액 주탱크(11,31)에 동일한 종류의 고분자 방사용액을 충진시키거나, 각기 다른 종류의 고분자 방사용액을 충진시킴으로써 상기 나노섬유 제조장치(1)를 통하여 제조되는 나노섬유를 특성에 따라 다양하게 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)에서 분사되는 고분자 방사용액과 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)에서 분사되는 고분자 용액이 동일하거나 상이한 종류의 고분자 방사용액으로 이루어지는 것이 가능하다.
여기서, 상기 고분자 방사용액으로는 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 메타아라미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등이 있으며, 그 중 폴리프로필렌(PP)재질의 소재와 내열성 고분자 물질인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리 비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]과 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있는 고분자로는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리아믹산(Polyamic acid, PAA), 나일론(Nylon), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 메타아라미드(m-Aramid), 무기계 고분자 및 폴리에테르이미드(Polyetherimide, PEI)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종인 것이 바람직하다.
이하, 바람직한 고분자에 대해 설명한다.
먼저, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)은 아크릴로니트릴(CH2=CHCN)의 중합체를 의미하며, 폴리아크릴로니트릴 수지는 대부분을 구성하는 아크릴로니트릴과 단위체의 혼합물로부터 만들어지는 공중합체이다. 자주 사용되는 단위체는 부타디엔스티렌염화비닐리덴 또는 다른 비닐 화합물 등이 있다. 아크릴 섬유는 최소한 85%의 아크릴로니트릴을 포함하며, 모드아크릴은 35~85%의 아크릴로니트릴을 포함하고 있다. 다른 단위체가 포함되면 섬유는 염료에 대한 친화력이 증가하는 특성을 갖는다. 더 자세하게는 아크릴로니트릴계 공중합체 및 방사용액을 제조하는 데 있어서, 아크릴로니트릴계 공중합체를 사용하여 제조하는 경우에는 전기방사법으로 극세섬유를 제조하는 과정에서 노즐 오염이 적고, 전기방사성이 우수하여 용매에 대한 용해도를 증가시킴과 동시에, 보다 좋은 기계적 물성을 부여할 수 있다. 더불어 폴리아크릴로니트릴은 연화점이 300℃ 이상으로 내열성이 우수하다.
폴리아크릴로니트릴의 중합도는 1,000 내지 1,000,000이며, 바람직하게는 2,000 내지 1,000,000인 것이 좋다.
폴리아크릴로니트릴은 아크릴로니트릴 단량체, 소수성 단량체 및 친수성 단량체의 사용량을 만족시키는 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 고분자 중합 시 아크릴로니트릴 단량체의 중량%는 친수성 단량체의 중량%와 소수성 단량체의 중량%이 3:4 비율로 하여 전체 단량체에서 뺀 값이 60보다 적을 경우 전기방사하기에 점도가 너무 낮으며, 여기에 가교제를 투입하더라도 노즐오염의 유발은 물론 전기방사시 안정적인 젯(JET) 형성이 어렵다. 또한 99 이상일 경우 방사점도가 너무 높아 방사가 어렵고 여기에 점도를 낮출 수 있는 첨가제를 투입하더라도 극세섬유의 직경이 굵어지고 전기방사의 생산성이 너무 낮아 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
또한 아크릴계 고분자에서 공단량체의 양이 많이 투입될수록 가교제의 양도 많이 투입되어야만 전기방사의 안정성이 확보되고 나노섬유의 기계적 물성 저하를 방지할 수 있다.
상기 소수성 단량체는 메타아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 비닐아세테이트, 비닐피롤리돈, 비닐리덴클로라이드, 비닐클로라이드 등의 에틸렌계 화합물 및 그의 유도체에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 친수성 단량체는 아크릴산, 알릴알콜, 메타알릴알콜, 하이드록시에틸아크릴레이트, 하이드록시에틸메타크릴레이트, 하이드록시프로필아크릴레이트, 부탄디올모노아크릴레이트, 디메틸아미노에틸아크릴레이트, 부텐트리카르복실산, 비닐술폰산, 알릴 술폰산, 메탈릴술폰산, 파라스티렌술폰산 등의 에틸렌계 화합물 및 다가산 또는 그들의 유도체에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아크릴로니트릴계 고분자를 제조하기 위하여 사용하는 개시제로는 아조계 화합물 또는 설페이트 화합물을 사용할 수 있으나 일반적으로 산화환원 반응에 이용되는 라디칼 개시제를 사용하는 것이 좋다.
한편, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)는 플루오로 계열의 고분자 중 하나로, 플루오로 수지는 플루오린을 함유하여 열적, 화학적 성질이 우수하다.
Figure pat00001
(폴리비닐리덴 플루오라이드의 제조)
폴리비닐리덴 플루오라이드는 상기 반응식 1과 같은 과정으로 제조되는데, 비닐리덴 클로라이드 단량체가 유리 라디칼 중합반응(free radical vinyl polymerization)에 의하여 폴리비닐리덴 플루오라이드를 제조한다.
또한 폴리비닐리덴 플루오라이드는 다른 플루오로 수지에 비해 녹는점과 밀도가 낮고, 가격이 저렴하며, 화학적으로 매우 안정되어 전기 절연체, 건물의 외벽을 바르는 고급 페인트 등에 사용된다.
또한 폴리비닐리덴 플루오라이드는 압전성을 나타내는 대표적인 유기물질로 1960년대부터 많은 연구가 진행되어 왔다. 폴리비닐리덴 플루오라이드 고분자 안에는 4가지의 결정이 혼재하고, 이것은 결정형태에 따라 α,β,γ그리고 δ형의 최소 4가지의 형태로 구분이 된다. 그 중 폴리비닐리덴 플루오라이드의 β형 결정은 트랜스형 분자쇄가 평행으로 충진된 것으로 모노머가 갖는 영구쌍극자가 모두 한 방향으로 배열되어 큰 자발 분극을 나타낸다. 이는 연신을 통하여 폴리비닐리덴 플루오라이드 분자를 규칙적으로 배열하여 집합상태에 이방성을 부여함으로써 압전성을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 압전 특성을 향상시키기 위하여, 폴리비닐리덴 플루오라이드 섬유 내 β형 결정을 증가시키는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 섬유를 제조하기 위하여 용융방사 시스템이 적용되고 있다. 그런데 용융방사 장비 구축 시 고가의 비용이 들고, 용융방사에 의해 제조된 섬유의 사이즈도 제한적이다.
습식방사로 제조된 섬유는 습식방사의 응고 매커니즘으로 인하여 방사 초기 단계에서의 섬유 내 β형 결정비율이 α형태 결정비율에 비해 현저히 높고, 용융방사에 비해 방사속도가 느리지만, 방사구 수를 늘려 섬유 사이즈를 줄일 수 있는 이점도 가지고 있다. 또한 습식방사는 연속적인 후처리 공정(연신, 권축 등)을 통해물성을 향상시킬 수 있는 이점도 가지고 있다.
습식방사를 위해서는 중합체를 용매에 용해시켜 방사원액(Dope)을 만들고, 방사원액을 기어펌프와 방사노즐을 통해 용제를 함유한 수용액이 담긴 응고욕으로 토출시킨다. 토출된 방사액상과 응고욕 내부의 용매 및 침전제와의 상호확산이 일어남에 따라 방사액상으로 침전제가 침투하여, 폴리머 - 용매 - 침전제의 3 성분계에서 상분리와 침전이 발생하면서 필라멘트의 고화가 진행됨으로써 섬유가 얻어진다. 이러한 습식방사 시스템은 방사욕조 내에서 연신과 장력을 주어 사슬모양의 고분자를 섬유방향으로 배향시킴으로써 섬유의 기계적 성질 또한 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상기와 같은 폴리비닐리덴 플루오라이드는 적절한 유기 용매에 용해시킨 방사용액을 제조함에 있어서, 폴리비닐리덴 플루오라이드는 불화비닐리덴의 호모폴리머, 또는 불화비닐리덴을 몰비로 50% 이상 함유하는 공중합폴리머를 포함하는 것으로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드 수지의 강도가 우수한 관점에서 호모폴리머인 것이 보다 바람직하며, 폴리비닐리덴 플루오라이드 수지가 공중합폴리머인 경우, 불화비닐리덴모노머와 공중합되는 다른 공중합 모노머로서는, 공지의 것을 적절하게 선택하여 이용할 수 있고, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 불소계 모노머나 염소계 모노머 등을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 폴리비닐리덴 플루오라이드 수지의 중량 평균 분자량(Mw)은, 특별히 한정되지 않지만, 10,000 내지 500,000인 것이 바람직하고, 50,000 내지 500,000인 것이 보다 바람직하다.
폴리비닐리덴 플루오라이드 수지의 중량평균분자량이 10,000미만인 경우에는부직포를 이루기에 적합할 만큼의 물성을 얻을 수 없고, 500,000을 초과하는 경우에는 용액 취급이 용이하지 않으며, 공정성이 저하되어 균일한 나노섬유 부직포를 얻기 어렵다.
또한, 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES)은 하기의 반복 단위체를 가진 호박색 투명한 비정성 수지로서, 일반적으로 디클로로디페닐설폰의 축중합반응에 의하여 제조된다.
Figure pat00002
(폴리에테르설폰의 단위체)
폴리에테르설폰은 영국 ICI 사가 개발한 초내열성 엔지니어링 플라스틱으로 열가소성 플라스틱 중에서는 내열성이 매우 우수한 고분자이다. 폴리에테르설폰은 비정성이기 때문에 온도상승에 의한 물성저하가 적고, 굴곡 탄성률의 온도 의존성이 작기 때문에 -100 내지 200℃에서 거의 변하지 않는다. 하중 왜곡온도는 200 내지 220℃이고, 유리 전이온도는 225℃이다. 또한 180 까지의 내크립성은 열가소성 수지 중에서 가장 우수하며, 150 내지 160℃의 열수나 스팀에서 견디는 특성을 가진다. 상기와 같은 특성으로 인해 폴리에테르설폰은 광학디스크, 자기디스크, 전기 전자 분야, 열수 분야, 자동차 분야 및 내열 도료용 등에 사용되고 있다.
폴리에테르설폰의 분자량은, 점도평균분자량으로, 8000~200000의 범위가 좋으며, 바람직하게는 10,000~100,000의 범위가 좋다. 용매로서는 다이클로로메탄, 클로로폼, 테토로하이드로퓨란, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 톨루엔, 자일렌, 아세톤, 초산에틸, 다이메틸폼아마이드, N-메틸-2-피롤리디논, 디메틸아세트아미드 등을 들 수 있지만 이것들로 한정되는 것은 아니다.
한편, 폴리이미드란 반복 단위 내에 이미드 그룹을 함유하고 있는 고분자이며, 영하 273도부터 영상 400도까지 광범위한 온도 영역에서도 물성이 변하지 않는 특징이 있으며, 기계적 강도 및 내열성이 매우 우수하다. 그러나, 폴리이미드는 대부분이 불용, 불융한 물성을 갖고 있어 기존의 기술로는 가공이 매우 어렵기 때문에 이의 전구체인 폴리아믹산(Poly(amic acid), PAA) 형태에서 가공하는 것이 일반적이다. 따라서, 폴리이미드는 먼저 폴리아믹산을 중합한 후, 이미드화 공정을 거쳐 제조한다.
일반적으로, 폴리이미드는 2단계 반응에 의해 제조된다.
제 1단계는 폴리아믹산을 합성하는 단계로 폴리아믹산은 디아민(Diamine)이 용해된 반응용액에 무수물(Dianhydride)을 첨가하여 중합하며, 이 때 중합도를 높이기 위해서 반응온도, 용매의 수분 함유량 및 단량체의 순도 조절이 필요하다. 이 단계에서 사용되는 용매로는 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 엔-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등의 유기 극성 용매가 주로 사용된다. 상기 디아민(Diamine)으로는 4,4'-옥시디아닐린(4-4'-oxydianiline, ODA), 파라페닐렌디아민(para-phenylene diamine, p-PDA) 및 오르쏘페닐렌디아민(o-phenylene diamine, o-PDA) 중 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 무수물로는 피로메릴리틱 디안하이드라이드(Pyromellitic dianhydride, PMDA), 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드(Benzophenonetetracarboxylic dianhydiride, BTDA), 4-4'-옥시디프탈릭 안하이드라이드(4-4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 바이페닐테트라카복실릭 디안하이드라이드(biphenyl-tetracarboxylic acid dianhydride, BPDA) 및 비스(3,4'-디카복시페닐)디메틸실란 디안하이드라이드(bis(3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride, SIDA)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
Figure pat00003
(폴리아믹산의 제조)
상기 방법을 통해 제조된 폴리아믹산의 중량평균분자량(Mw)은 10,000 내지 500,000이 바람직하다. 만약 폴리아믹산의 분자량이 10,000 미만이면, 나노섬유 부직포를 이루기에 충분한 물성을 얻을 수 없고, 500,000을 초과하면 용액취급이 용이하지 않아 공정성이 저하된다.
제 2단계는 폴리아믹산으로부터 폴리이미드를 제조하는 탈수, 폐환 반응 단계로서 다음의 4가지 방법이 대표적이다.
재침법은 과량의 빈 용매(poor solvent)에 폴리아믹산 용액을 투입하여 고체상의 폴리아믹산을 얻는 방법으로, 재침 용매로는 주로 물을 이용하지만, 톨루엔 또는 에테르 등을 공용매로 사용한다.
화학적 이미드화법은 아세틱안하이드라이드/피리딘(Acetic anhydride/pyridine) 등의 탈수 촉매를 이용하여 화학적으로 이미드화 반응을 수행하는 방법으로, 폴리이미드 필름의 제조에 유용하다.
열적 이미드화 방법은 폴리아믹산 용액을 150~350℃로 가열하여 열적으로 이미드화하는 방법으로, 가장 간단한 공정이나 결정화도가 높고, 아민계 용제를 사용할 시 아민교환반응이 일어나기 때문에 중합체가 분해되는 단점이 있다.
마지막으로, 이소시아네이트(Isocyanate)법은 디아민 대신 디이소시아네이트를 단량체로 사용하며, 단량체 혼합물을 120℃ 이상의 온도로 가열하면 CO2 가스가 발생하면서 폴리이미드가 제조되는 방법이다.
Figure pat00004
(폴리이미드의 제조)
다음은 나일론에 대해 설명한다.
일반적으로 폴리아미드(Polyamide)는 아미드 결합(-CONH-)으로 연결된 중합체의 총칭을 의미하며, 디아민과 2가 산의 축합 중합으로 얻을 수 있다. 폴리아미드는 분자 구조 내의 아미드 결합에 의하여 특징이 달라지며, 아미드기의 비율에 따라 물성이 다르게 변한다. 예를 들면, 분자 내의 아미드기의 비율이 높아지면 비중, 융점, 흡수성, 강성 등이 올라가는 특성이 있다.
또한, 폴리아미드는 내부식성, 내마모성, 내화학성 및 절연성이 우수한 특성으로 인해 의류용, 타이어코드, 카핏, 로프, 컴퓨터 리본, 낙하산, 플라스틱, 접착제 등의 광범위한 분야에서 응용되고 있는 소재이다.
일반적으로 폴리아미드는 방향족 폴리아미드와 지방족 폴리아미드로 구분이 되는데, 대표적인 지방족 폴리아미드로는 나일론(Nylon)이 있다. 나일론은 본래 미국 듀폰 사의 상표명이지만 현재는 일반명으로 사용되고 있다.
나일론은 흡습성 고분자이며, 온도에 민감하게 반응한다. 대표적인 나일론으로는 나일론 6, 나일론 66 및 나일론 46 등이 있다.
먼저, 나일론 6은 내열성, 성형성 및 내약품성이 우수한 특성이 있으며, 이를 제조하기 위해서는 ε-카프로락탐(Caprolactam)의 개환 중합으로 제조된다. 나일론 6이라고 하는 것은 카프로락탐의 탄소수가 6개이기 때문이다.
Figure pat00005
(카프로락탐의 나일론 6 중합)
한편, 나일론 66은 나일론 6과 전반적으로 그 특성이 비슷하지만, 나일론 6에 비하여 내열성이 매우 우수하고 자기소화성 및 내마모성이 우수한 고분자이다. 나일론 66은 헥사메틸렌디아민과 아디프산의 탈수축합 중합반응으로 제조된다.
Figure pat00006
(헥사메틸렌디아민과 아디프산의 탈수축합 중합반응에 의한 나일론 66 중합)
또한, 나일론 46은 내열성, 기계적 특성 및 내충격성이 우수하며, 가공온도가 높은 장점이 있다. 나일론 46은 테트라메틸렌디아민과 아디프산의 중축합으로 제조된다. 원료인 디아미노부탄(Diaminobutane, DAB)을 아크릴로니트릴과 시안화수소와의 반응으로부터 제조하고, 중합조작에서는 첫 단계로 디아미노부탄과 아디프산으로부터 염을 만든 다음, 적당한 압력 하에서 중합반응을 거쳐 프리폴리머(Prepolymer)로 전환하고, 상기 프리폴리머(Prepolymer)의 고체는 질소와 수증기의 존재 하에서 약 250℃로 처리하면 고상에서 고분자화가 되어 제조된다.
특히, 나일론 46은 높은 아미드 농도와, 메틸렌기와 아미드기 사이의 규칙 정연한 배열로 우수한 특징을 나타낸다. 나일론 46의 녹는점은 약 295℃로서, 다른 종류의 나일론보다 높으며, 상기와 같은 특성으로 인해 내열성이 우수한 수지로서 주목받고 있다.
한편, 폴리우레탄(polyurethane)은 열경화성 수지는 아니나 유사한 3차원 구조를 가진 플라스틱이다. 질기고 화학약품에 잘 견디는 특성을 가지고 있다. 전기절연체, 구조재, 기포단열재, 기포쿠션, 탄성섬유 등에 사용되며, 신축성이 좋아서 고무의 대체물질로도 사용된다. 아이소시아네이트기(－N＝C＝O)는 쉽게 수산기(－OH)와 결합한다 (우레탄결합). 이 반응을 이용하여 다이아이소사이아네이트에 수산기 둘을 가진 분자를 반응시키면 선상고분자(線狀高分子)가 된다. 이 고분자가 폴리우레탄이다. 일반적으로는 다이아이소시아네이트로서 톨루엔다이아이소이아네이트를, 수산기를 가진 분자 (폴리올)로서 폴리에터나 폴리에스터를 사용한다. 폴리에터를 사용하면 부드럽게 되고, 폴리에스터를 사용하면 딱딱한 플라스틱이 된다. 또한 폴리올로서 수산기를 셋 이상 가진 분자를 사용하여 만들어진 폴리우레탄은 3차원적으로 결합한 것이 된다.
이와 같은 구조의 폴리우레탄은 열에 대하여도 변형하지 않는 특징이 있다.
Figure pat00007
(폴리우레탄 합성)
또한 메타아라미드는 최초의 고내열성 아라미드 섬유로서, 단시간내에는 350℃, 연속 사용시에는 210℃에서 사용이 가능하며, 이 이상의 온도에 노출되면 다른 섬유와 같이 녹거나 연소되지 않고 탄화되는 성질을 가지고 있다. 무엇보다 방염이나 내화처리를 한 다른 제품들과는 달리, 탄화 시에도 유독가스나 유해물질을 배출하지 않아 친환경 섬유로도 우수한 성질을 지니고 있다.
또한 메타아라미드는 섬유를 구성하는 분자 자체가 매우 견고한 분자구조를 가지고 있기 때문에, 본래 가지고 있는 강도가 강할 뿐만 아니라 방사단계에서 섬유 축방향으로 분자가 쉽게 배향되어 결정성을 향상시켜 섬유의 강도를 높일 수 있다.
상기 메타아라미드의 비중은 1.3 내지 1.4인 것을 특징으로 하며 중량평균 분자량이 300,000 내지 1,000,000인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 중량평균분자량은 3,000 내지 500,000이다. 메타-배향된 합성 방향족 폴리아미드를 포함한다. 중합체는 섬유-형성 분자량을 가져야 하며, 주로 방향족인 폴리아미드 단일중합체, 공중합체 및 그 혼합물을 포함할 수 있으며, 여기서 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%는 2개의 방향족 고리에 직접 부착된다. 고리는 비치환되거나 치환될 수 있다. 중합체는 2개의 고리 또는 라디칼이 분자 쇄를 따라 서로에 대하여 메타 배향될 때 메타-아라미드가 된다. 바람직하게는, 공중합체는 중합체를 형성하는 데 사용된 일차 다이아민을 치환한 10% 이하의 다른 다이아민, 또는 중합체를 형성하는 데 사용된 일차 이산(diacid) 클로라이드를 치환한 10% 이하의 다른 이산 클로라이드를 가진다. 바람직한 메타-아라미드는 폴리(메타-페닐렌 아이소프탈아미드)(MPD-I) 및 그 공중합체이다. 하나의 그러한 메타-아라미드 섬유는 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. du Pont de Nemours and Company)로부터 입수가능한 노멕스(Nomex)(등록상표) 아라미드 섬유이지만, 메타-아라미드 섬유는 일본 도쿄 소재의 테이진 리미티드(Teijin Ltd.)로부터 입수가능한 상표명 테이진코넥스(Tejinconex)(등록상표); 중국 산동성 소재의 얀타이 스판덱스 컴퍼니 리미티드(Yantai Spandex Co. Ltd)로부터 입수가능한 뉴 스타(New Star)(등록상표) 메타-아라미드; 및 중국 광동의 신후이 소재의 광동 차밍 케미칼 컴퍼니 리미티드(Guangdong Charming Chemical Co. Ltd.)로부터 입수가능한 친퍼넥스(Chinfunex)(등록상표) 아라미드 1313으로 다양한 스타일로 입수가능하다.
또한, 본 발명에서는 무기계 고분자도 바람직하게 사용될 수 있는데, 무기계 고분자는 실란기 또는 실록산기를 포함하는 단독 고분자이거나, 실란기 또는 실록산기와 모노메타크릴레이트, 비닐, 하이드라이드, 디스테아레이트, 비스(12-하이드록시-스테아레이트), 메톡시, 에톡시레이트, 프로폭시레이트, 디글리시딜 에테르, 모노글리시딜 에테르, 모노하이드록시, 비스(하이드록시알킬), 클로린, 비스(3-아미노프로필) 및 비스((아미노에틸-아미노프로필)디메톡시실릴)에테르 중에서 선택된 결합기가 포함된 공중합체 고분자를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 방사용액의 무기계 고분자에 대해 설명한다.
무기계 고분자는 무기원소를 고분자 주사슬 또는 곁사슬에 포함하는 고분자를 일컫는다. 여기서 무기원소는 좁게는 각종 금속(s와 p궤도를 채우는 알루미늄, 마그네슘과 같은 전형금속, d궤도를 채우는 티타늄, 지르코늄, 텅스텐과 같은 전이금속, f궤도를 채우는 란탄족-악티늄족과 같은 내부전이금속)만을 의미하지만, 넓게는 비금속계 무기원소인 Si, Ge, P, B 등의 원소들로 골격을 이룬 것도 포함한다.
무기계 고분자는 다음과 같은 네 가지 유형으로 나뉜다.
첫째, 무기 성분이 유기 고분자의 곁사슬에 포함된 경우로서 유기 고분자의 성질은 거의 유지한 채, 곁사슬에 포함된 무기성분의 성질 또한 나타내는 경우, 둘째, 무기 원소가 고분자 주사슬의 골격에 탄소와 함께 도입되거나 단독으로 도입된 경우, 셋째, 세라믹 제조를 위한 전구체 역할을 하도록 설계된 유기-무기 혼성고분자인 경우, 넷째, 순수하게 무기 성분만으로 구성된 망상구조 또는 격자구조를 가지는 이온화합물의 경우가 있다.
무기계 고분자에 관심을 갖기 시작한 데에는 1980년대 중반 닛폰카본(Nippon Carbon)의 야지마(Yajima)가 폴리카보실란(Polycarbosilane, PCS)을 이용하여 합성한 탄화규소(SiC)섬유(상품명: NICALON)를 시판한 것이 계기가 되었다. 현재까지는 그리 많은 활용이 있지는 않지만, 향후 우주항공 및 원자력 분야 뿐 아니라 일반 산업분야의 내열성 분야에서 응용이 기대되는 제품이다. 무기 고분자의 복합체로의 응용 방법은 폴리머 함침 및 피롤리시스(Polymer Impregnation and Pyrolysis, PIP)법이 있는데, 이는 PCS와 같은 유기화합물을 탄화규소 분말과 혼합하여 슬러리를 만든 후, 이 슬러리를 탄화규소 섬유 프리폼에 침투시켜 열분해시킴으로서 탄화규소 기지상을 얻는 방법이다. 최근에는 내열성이 우수한 섬유의 개발이 주목되고 있기 때문에, 특성이 우수한 새로운 유기화합물을 개발하여 PIP법을 개선하면, 열분해온도를 높여 결정성 및 화학양론비가 우수한 탄화규소 기지상을 제조할 수 있다.
또한, 폴리에테르이미드도 바람직하게 사용되는 고분자인데, 폴리에테르이미드(PEI)는 하기의 화학 구조를 가진 투명한 호박색의 비정성 열가소성 수지이다. 뛰어난 내열성과 기계적 특성을 보이는 이미드 결합과 양호한 가공성을 보이는 에테르 결합이 짝지어진 수지이다. 뛰어난 내열성, 기계적 특성, 난연성, 전기적 특성 등을 더불어 가지고 전기 전자부품, 자동차 부품, 기계 부품에 쓰이고 있다.
Figure pat00008
(폴리에테르이미드)
특징으로는 뛰어난 내열성을 가진다. 하중 왜곡 온도가 200℃ 이상이고, UL의 장기 사용 온도가 170℃이상을 나타낸다. 또한 뛰어난 내가수 분해성을 보이며 (열수 중 10,000 시간 침지 후의 인장 강도 유지율도 높다.) 유전율이나 유전정접이 광범위하고 온도 범위나 주파수대에서 안정하고 있다. 또한, 절연파괴 전압도 높을 뿐 아니라 뛰어난 난연성을 나타낸다. 산소 지수가 47 이상, UL94-V0 (두께 :0.41mm)/5VA (두께1.9mm). 그리고 연소시의 발연량 (NBS테스트)은 극히 낮아 엔지니어링 플라스틱 중에서는 최소의 부류에 속하며 내자외선성이나 내방사선성에 우수하다.
한편, 상기와 같은 고분자를 포함하고 있는 고분자 방사용액은 전기방사가 가능한 합성수지 재질인 고분자를 적당한 용매에 용해시킨 용액으로서, 용매의 종류 또한 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 예를 들면, 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 고분자 방사용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
본 발명에서는 이때, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)의 방사용액 주탱크(11)에 충진되는 고분자 방사용액과 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31)에 충진되는 고분자 방사용액의 종류를 동일 또는 상이한 종류로 하는 것이 가능하다.
한편, 평량(Basis Weight or Grammage)은 단위 면적당 질량, 즉 바람직한 단위로서 제곱미터당 그램(g/㎡)으로 정의된다. 본 발명에 의해 지지체로 사용되는 메쉬 상에 제조된 나노섬유 웹의 평량은 0.001 내지 0.2g/m2인 것이 바람직하다. 상기 평량이 0.001g/m2 미만이면 기계적 물성이 떨어지며, 2.0g/m2 초과이면 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.
이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 제조장치를 이루는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제작되는 기재 및 나노섬유 웹의 적층체를 라미네이팅(Laminating)하기 위한 라미네이팅 장치(50)가 더 구비되고, 상기 라미네이팅 장치(50)는 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)의 후단에 위치하여 후공정을 수행한다.
또한 상기 나노섬유 제조장치(1)를 구성하는 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)는 수평방향에 대하여 일직선에 평행하게 배치되거나, 각 전기방사장치가 층별로 위치되는 수직방향으로 배치되거나, 동일한 층 내에 각 전기방사장치를 U자 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 층별로 수직방향으로 배치하거나 동일 층 내에서 U자 방향으로 배치할 수 있는 것은 한정된 면적에서 생산력을 높일 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 각 노즐블록(13,33)은 다수개의 노즐(15,35)이 선형으로 구비되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)가 노즐블록에 기재의 길이방향 또는 폭방향으로 다수개 배열설치되고, 상기 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)는 방사용액 주탱크(11,31)에 연결되어 상기 방사용액 주탱크(11,31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 공급된다.
여기서, 상기 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)는 방사용액 주탱크(11,31)에 공급배관(미도시)으로 연결되되, 상기 공급배관은 다수개의 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)와 방사용액 주탱크(11,31)를 연결하기 위하여 다수개로 분기형성된다.
이때, 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 연설되는 공급배관에는 공급량 조절수단(도번 미도시)이 구비되되, 상기 공급량 조절수단은 밸브로 이루어진다.
이렇게 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 연설되는 공급배관에 밸브가 각각 구비되고, 상기 각 밸브에 의하여 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어되는 on-off 시스템에 의해 제어된다.
즉, 상기 공급배관을 통하여 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 고분자 방사용액의 공급 시 상기 방사용액 주탱크(11,31)와 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)를 연설하는 공급배관에 구비되는 밸브의 개, 폐에 의해 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i) 중 특정위치의 관체(112b, 112d, 112f, 112g, 112h, 112i)에만 선택적으로 고분자 방사용액을 공급하는 등 상기 밸브(212, 213, 214, 233)의 개, 폐에 의해 방사용액 주탱크(11,13)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여, 상기 방사용액 주탱크(11,31)와 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)를 연설하되, 분기형성되는 공급배관에 밸브가 각각 구비되어 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 고분자 방사용액의 공급 시 다수개의 밸브 중 특정 밸브를 개방하여 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i) 중 특정위치의 관체(112b, 112d, 112f, 112g, 112h, 112i)에만 고분자 방사용액을 공급하거나, 특정 밸브를 폐쇄하여 노즐블록(13,33)에 배열설치되는 관체 중 특정위치의 관체(112a, 112c, 112e)에만 고분자 방사용액의 공급을 차단하는 등 상기 밸브의 개, 폐에 의해 방사용액 주탱크(11,31)에서 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 조절 및 제어된다.
즉, 상기 공급배관과 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)에 구비되는 각 노즐(15,35)은 연설되되, 상기 공급배관은 노즐(15,35)의 갯수와 대응되게 분기형성된다.
상기 방사량 조절수단은 밸브로 이루어진다. 이렇게, 상기 방사량 조절수단으로 밸브가 구비됨으로써 상기 밸브의 개, 폐에 의하여 공급배관에서 각 노즐(15,35)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급이 개별적으로 제어되고, 상기 밸브는 제어부(미도시)에 제어가능하게 연결되되, 상기 밸브의 개, 폐가 제어부에 의해 자동으로 제어되는 것이 바람직하나, 현장상황 및 작업자의 요구에 따라 상기 밸브의 개, 폐가 수동으로 제어되도록 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명에서는 상기 방사량 조절수단이 밸브로 이루어져 있으나, 공급배관에서 노즐(15,35)로 공급된 후 방사되는 고분자 방사용액의 방사량의 조절 및 제어가 용이하다면 상기 방사량 조절수단은 기타 다양한 구조 및 수단으로 이루어지는 것도 가능하며, 이에 한정하지 아니한다.
본 발명에서는 상기 공급배관에 밸브가 구비되어 상기 방사용액 주탱크(11,31)에서 노즐블록(13,33)의 각 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)로 공급되는 고분자 방사용액의 공급량을 조절 및 제어함과 동시에 상기 공급배관에 밸브가 구비되어 상기 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)에서 공급되어 각 노즐(15,35)을 통하여 전기방사되는 고분자 방사용액의 방사량을 조절 및 제어함으로써 상기 관체(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i)의 각 노즐(15,35)에서 전기방사되는 고분자 방사용액에 의해 제1 지지체(3)의 폭방향 또는 길이방향에 고분자 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 적층형성하도록 이루어져 있다. 상기 고분자 방사용액의 농도는 일반적으로 5 내지 30중량%인 것이 바람직하다.
본 발명에 제조되는 나노섬유 웹은 폭방향 즉 CD방향 또는 횡방향으로 평량이 상이하거나 길이방향 즉 MD방향으로 평량이 상이하게 전기방사되어 적층되는 것을 특징으로 한다. CD방향은 Cross Direction로서 MD방향(Machine Direction)의 직각 방향을 의미하는데, MD방향은 길이방향/종방향을, CD방향은 폭방향/횡방향을 지칭하기도 한다.
한편, 평량(Basis Weight or Grammage)은 단위 면적당 질량, 즉 바람직한 단위로서 제곱미터당 그램(g/㎡)으로 정의된다.
도 7은 본 발명의 각 전기방사장치 내의 노즐(15,35)이 CD방향으로 ON-OFF되는 상태를 나타내는 평면도이고 도 8은 도 7과 같은 전기방사 장치 내의 노즐의 작동에 따른 CD방향으로 고분자의 평량이 상이하게 전기방사되는 작업과정을 나타내는 평면도인데, 전술한 바와 같이 전기방사장치 내의 노즐의 작동을 전기적으로 ON-OFF 조절하여 CD방향으로 고분자 방사용액의 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 형성할 수 있다. 도 9는 본 발명의 각 전기방사 장치 내의 노즐이 MD방향으로 ON-OFF되는 상태를 나타내는 평면도인데, 전술한 바와 같이 전기방사장치 내의 노즐의 작동을 전기적으로 ON-OFF 조절하여 MD방향으로 고분자 방사용액의 종류 또는 평량이 상이한 나노섬유 웹을 형성할 수 있다.
일반적으로 제조되는 나노섬유의 직경은 고분자 별로 상이한 부분이 있지만 평균적으로 50내지 500nm의 범위를 나타낸다.
한편, 본 발명의 미세먼지 차단용 필터 제조장치를 이루는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제작되는 나노섬유 웹과 제1 지지체(3)을 라미네이팅(Laminating)하기 위한 라미네이팅 장치(50)가 더 구비되고, 상기 라미네이팅 장치(50)는 본 발명에 의한 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)의 후단에 위치하여 후공정을 수행한다.
또한 상기 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)를 구성하는 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)는 수평방향에 대하여 일직선에 평행하게 배치되거나, 각 전기방사장치가 층별로 위치되는 수직방향으로 배치되거나, 동일한 층 내에 각 전기방사장치를 U자 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 층별로 수직방향으로 배치하거나 동일 층 내에서 U자 방향으로 배치할 수 있는 것은 한정된 면적에서 생산력을 높일 수 있는 이점이 있다.
즉, 상기 회전장치는 플립장치에 의해 제1 지지체(3)가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명에서는 상기 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)의 후단에 라미네이팅 장치(50)가 구비되어 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통하여 제작되되, 나노섬유 웹이 적층형성되는 제1 지지체(3)을 라미네이팅하도록 이루어져있으나, 상기 라미네이팅 장치(50)의 하측에 또 다른 하나의 지지체(본 발명에서는 바람직하게 또 다른 하나의 메쉬 또는 캐리어)를 공급하는 공급롤러(미도시)가 구비되어 제1 지지체 상에 전기방사된 나노섬유 웹의 다른 일면에 제2 지지체(3‘)가 구비된다. 즉, 나노섬유 웹의 양면에 지지체가 구비되는 샌드위치 구조를 갖게 된다.
또한 상기 라미네이팅 장치(50)의 상측에 또 다른 지지체 또는 기재(미도시)를 공급하는 공급롤러가 구비되어 상기 나노섬유 웹이 적층형성되는 제1 지지체(3)의 상부에 기재를 적층하면서 라미네이팅 장치(50)를 통하여 3층 이상의 다층으로 라미네이팅하도록 이루어지는 것도 바람직하다.
전술한 바와 같은 미세먼지 차단용 필터는 광투과율이 30~80%, 공기투과도가 10~500, 2.5㎛ 크기의 입자에 대한 DOP 여과효율이 80% 이상으로, 가시성, 통기성 및 여과효율이 우수하기 때문에, 가정이나 사무실의 창문에 본 발명의 미세먼지 차단용 필터를 설치할 경우, 가시성을 확보하면서도, 외부의 오염된 공기가 실내에 유입되는 것을 효과적으로 차단하는 효과가 있는 것이다. 광투과율이 30%, 공기투과도가 10미만일 경우 가시성 및 통기성이 좋지 않기 때문에 환기형 창문 등에 사용하기 적합하지 않다.
한편, 상기 미세먼지 차단용 필터는 지지체로서 메쉬(방충망) 또는 캐리어를 추가로 포함할 수 있다. 상기 메쉬(방충망) 또는 캐리어를 추가로 더 포함함으로써, 필터의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 즉, 미세먼지 차단용 필터는 예를 들면 제1 메쉬(방충망), 제1 나노섬유 웹, 캐리어, 제2 나노섬유, 제2 메쉬(방충망)의 형태인 5층으로 구성될 수 있다.
상기와 같이 5층으로 구성된 미세먼지 차단용 필터의 경우, 제1 메쉬(방충망)과 제2 메쉬(방충망)의 평량, 제1 나노섬유 웹과 제2 나노섬유 웹의 평량을 서로 다르게 조절하여 제조함으로써, 포집효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이때, 제2 나노섬유 웹 및 제2 메쉬(방충망)은 전술한 나노섬유 웹 및 메쉬(방충망)과 같다.
이하, 본 발명에 의한 미세먼지 차단용 필터 제조장치의 동작과정 및제조방법을 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)의 선단에 구비되는 공급롤러(5)를 통하여 제1 지지체(3)가 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)로 공급된다. 이때, 상기 제1 지지체(3)은 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니하나, 본 발명에서는 제1 지지체(3)로 메쉬 또는 캐리어를 사용한다. 메쉬로는 바람직하게는 폴리에스터 메쉬(Polyester mesh), 이성분 기재(bicomponent substrate), 유리섬유 메쉬(Fiberglass Mesh) 또는 나일론 메쉬(Nylon Mesh)로 구성된 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하고, 평량은 30 내지 150g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 30g/m2 미만이면 기계적 물성이 떨어지며, 평량이 150g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다. 이러한 메쉬는 모노필라멘트로 구성되어 있으며 일반적으로 20 내지 35메쉬를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 캐리어(Carrier)는 일반적으로 기재로 사용되는 것으로서 바람직하게는 폴리에스터 캐리어(Polyester carrier), 폴리우레탄 캐리어(Polyurethane carrier) 및 나일론 캐리어(Nylon Carrier)로 구성된 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하고, 모노필라멘트 또는 멀티 필라멘트로 구성되는 것을 사용되는 것을 특징으로 하며, 저융점 부직포를 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 캐리어의 평량은 10 내지 50g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 10g/m2 미만이면 기재로서의 물성이 떨어지며, 평량이 50g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 이렇게 상기 공급롤러(5)를 통하여 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)로 공급되는 제1 지지체(3)는 상기 컬렉터(17)의 하부면 상에 위치한다. 이때, 상기 전압 발생장치(미도시)의 고전압이 노즐(15)과 컬렉터(17) 상에 발생되고, 컬렉터(17)상에 방사용액 주탱크(11) 내에 충진되는 고분자 방사용액이 노즐블록(13)의 노즐(15)을 통해 전기방사된다.
여기서, 상기 방사용액 주탱크(11) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프(미도시)를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15)내에 연속적으로 정량 공급되고, 상기 각 노즐(15)로 공급되는 방사용액은 노즐(15)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17) 상에 방사 및 집속되면서 제1 지지체(3)의 하부면 상에 제1 나노섬유 웹이 적층형성된다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 본 발명에서는 제1 지지체(3)로 메쉬 또는 캐리어를 사용한다.
이 때, 제1 지지체와 나노섬유 웹은 본 발명의 일 실시예에 따르면 화학적 또는 열적 접착제에 의하여 접착되는 것이 바람직하나 초음파 본딩(Ultrasonic Bonding)을 통해 접착되는 것도 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 지지체와 나노섬유 웹 사이에도 접착제가 도포되어 접착되는 것도 가능한데, 지지체 상에 접착제를 전기방사하여 접착층을 형성한 후, 상기 접착층에 고분자 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 웹을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 접착제로는 일반 시중의 판매하는 접착제를 사용하는 것이 가능하나, 저융점 고분자 용액을 이용하는 것도 가능하며, 저융점 고분자 용액으로는 저융점 폴리비닐리덴 플루오라이드, 저융점 폴리우레탄 또는 저융점 나일론 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 저융점 고분자 용액의 중량평균 분자량은 5000 내지 15000인 것이 바람직하며 융점은 80 내지 160℃인 것이 바람직하다. 이때 분자량이 5000 미만인 경우는 접착력이 저하되는 문제가 있으며 분자량이 15000 초과인 경우 열에 의해 쉽게 융해되지 않아 접착제로서 역할을 하기 어려운 문제가 있었다. 또한 융점이 80도 미만인 경우는 낮은 취급성이 좋지 않아서 사용하는데 어려움이 있으며 융점이 160도 초과인 경우는 라미네이팅 온도에서 쉽게 융해되지 않아 접착제로서 역할을 하기 어려운 문제가 발생한다.
한편, 상기 접착제의 예로는 에폭시 수지, 경화제 용액 등을 더 들 수 있다.
이때, 상기 에폭시(epoxy) 수지는 열경화성 수지의 중간체로 경화제와의 반응에 의하여 불용/불융의 3차원 망목상 구조를 형성하여 에폭시 고유의 물성을 나타내며, 상기 에폭시 수지는 경화제와의 반응에 의하여 접착성, 기계적 강도, 내열성, 내화학성, 내수성, 전기 절연성, 성형성 및 함침성이 우수해지며, 복합재료의 제조가 용이하며, 경화제의 선택에 따라 다양한 물성의 구현이 가능한 장점이 있다.
이러한 에폭시 수지의 비제한적인 예를 들면, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지 등이 있다.
상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 하기 화학식 1로 나타내며, 가장 일반적으로 사용되는 에폭시 수지로써 제법이 크게 직접법과 간접법이 있다.
[화학식 1]
Figure pat00009
또한, 상기 비스페놀 F형 에폭시 수지는 하기 화학식 2 로 표시되고, 비스페놀 F와 ECH 반응으로 만들어지며, 비스페놀 A형 에폭시 수지와 비교시 점도가 낮으며, 이론상 기계적, 물리적 특성이 다소 떨어지나, 오히려 일반적인 접착 등에서 향상되는 특성을 나타낸다.
[화학식 2]
Figure pat00010
또한, 상기 비스페놀 S 형 에폭시 수지는 하기 화학식 3으로 표시되고, 일반적으로 에폭시 접착제를 빠르게 경화시키는데 사용되며 , 중합체 반응에서 반응물로서 사용된다.
[화학식 3]
Figure pat00011
한편, 상기 경화제는 아민계 경화제, 산무수물계 경화제 및 이미다졸계 경화제로 이루어진 군에서 선택된 1 종인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아민계 경화제의 비제한적인 예로는, 지방족 폴리아민, 변성 지방족 폴리아민, 방향족 아민, 3차 아민, 2차 아민 등이 있다.
상기 지방족 폴리아민의 예로는, Diethylene Triamine (DETA), Triethylene Tetramine (TETA), Diethylamino propyl amine (DEAPA), Menthane diamine(MDA), N-aminoethyl piperazine (N-AEP), M-xylene diamine (MXDA), Isophorone diamine (IPDA) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 변성 지방족 폴리아민의 예로는, Epoxy Polyami ne Adduct, Ethylene 또는 Propylene Oxide 와 Polyamine adduct, Cyanoethyl화 Polyamine, Ketone 봉쇄 Po lyamine (Ketimine) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 방향족 아민의 예로는, Meta pheny lene Diamine (MPD), 4.4' Dimethyl aniline (DAM or DDM), Diamino Diphenyl Sulfone (DDS), Aromatic ami ne adduct 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 산무수물계 경화제의 비제한적인 예로 는, 폴리아미드(PA), 4수소무수프탈산(THPA), 메틸4수소무수프탈산(MTHPA), 6수소무수프탈산(HHPA), MNA 등이 있다.
또한, 이미다졸계 경화제의 비제한적인 예로는, 2MZ, 2E4MZ 등이 있다.
또한, 상기 경화제 용액은 경화촉진제를 추가로 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 사용되는 경화 촉진제로서는 에폭시 화합물의 경화 촉진에 일반적으로 사용되는 경화 촉진제이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 제3급 아민, 제 3급 아민염, 이미다졸류, 유기 인계 화합물, 제4급 암모늄염, 제4급 포스포늄염, 유기 금속염, 붕소 화합물 등을 이용할 수 있다. 경화 촉진제는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
제3급 아민으로서는 예를 들면 라우릴디메틸아미노, N,N-디메틸시클로헥실아민, N,N-디메틸벤질아민, N,N-디메틸아닐 린, (N,N-디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(N,N-디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데 센-7(DBU), 1,5-디아자비시클로[4.3.0]노넨-5(DBN) 등을 들 수 있다.
제3급 아민염으로서는 예를 들면 상기 제3급 아민의 카르복실산염, 술폰산염, 무기산염 등을 들 수 있다. 카르복실산염으로서는 옥틸산염 등 의 탄소수 1 내지 30(특히, 탄소수 1 내지 10)의 카르복실산의 염(특히, 지방산의염) 등을 들 수 있다. 술폰 산염으로서는 p-톨루엔술폰산염, 벤젠술폰산염, 메탄술폰산염, 에탄술폰산염 등을 들 수 있다. 제3급 아민염 의 대표적인 예로서 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데센-7(DBU)의 염(예를 들면, p-톨루엔술폰산염, 옥틸산염 ) 등을 들 수 있다.
금속계 경화 촉진제로서는, 코발트, 구리, 아연, 철, 니켈, 망간, 주석 등의 금속의 , 유기 금속 착체 또는 유기 금속염을 들 수 있다. 유기 금속 착체의 구체예로서는, 코발트(II) 아세틸아세 토네이트, 코발트(III) 아세틸아세토네이트 등의 유기 코발트 착체, 구리(II) 아세틸아세토네이트 등의 유기 구리 착체, 아연(II) 아세틸아세토네이트 등의 유기 아연 착체, 철(III) 아세틸아세토네이트 등의 유기 철 착체, 니켈(II) 아세틸아세토네이트 등의 유기 니켈 착체, 망간(II) 아세틸아세토네이트 등의 유기 망간 착 체 등을 들 수 있다. 유기 금속염으로서는, 옥틸산아연, 옥틸산주석, 나프텐산아연, 나프텐산코발트, 스테아 르산주석, 스테아르산아연 등을 들 수 있다. 금속계 경화 촉진제로서는, 경화성, 용제 용해성의 관점에서, 코발트(II) 아세틸아세토네이트, 코발트(III) 아세틸아세토네이트, 아연(II) 아세틸아세토네이트, 나프텐산 아연, 철(III) 아세틸아세토네이트가 바람직하고, 특히 코발트(II) 아세틸아세토네이트, 나프텐산아연이 바 람직하다. 금속계 경화 촉진제는 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 양호하다.
금속계 경화 촉진 제의 첨가량은, 수지 조성물 중의 불휘발분을 100질량%로 한 경우, 금속계 경화 촉진제에 기초하는 금속의 함유량이 25 내지 500ppm, 보다 바람직하게는 40 내지 200ppm이 되는 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. 25ppm 미만이면, 저 조도(粗度)의 절연층 표면으로의 밀착성이 우수한 도체층의 형성이 곤란해지는 경향이 있으며, 500ppm을 초과하면, 수지 조성물의 보존 안정성, 절연성이 저하되는 경향으로 된다.
제4급 암모 늄염으로서는 예를 들면 테트라에틸암모늄브로미드, 테트라부틸암모늄브로미드 등을 들 수 있다.
제4급 포스포늄염으로서는 예를 들면 하기 식 (1)
Figure pat00012
(식중, R1, R2, R3, R4 는 동일 또는 상이하며, 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기를 나타내고, X는 카르복실산 또는 유기 술폰산의 음이온 잔기를 나타냄)로 표시되는 화합물 등을 들 수 있다.
상기 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기로서 는 예를 들면 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, s-부틸, t-부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 데실, 도데실기 등의 직쇄상 또는 분지쇄상의 알킬기; 비닐, 알릴, 크로틸기 등의 직쇄상 또는 분지쇄상의 알 케닐기; 페닐, 톨루일, 크실릴, 나프틸, 안트릴, 페난트릴기 등의 아릴기; 벤질, 페네틸기 등의 아랄킬기 등 을 들 수 있다. 이들 중에서도 탄소수 1 내지 6의 직쇄상 또는 분지쇄상의 알킬기, 특히 부틸기가 바람직하다.
상기 「카르복실산 또는 유기 술폰산의 음이온 잔기」에 있어서의 「카르복실산」으로서는, 예를 들면 옥탄산, 데칸산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 등의 탄소수 1 내지 20의 지방족 모노 카르복실산; 1,2,4,5-시클로헥산테트라카르복실산, 비시클로[2.2.1]헵탄-2,3-디카르복실산, 메틸비시클로[2.2.1]헵탄-2, 3-디카르복실산 등의 지환식 카르복실산(단환의 지환식 모노 또는 폴리카르복실산, 가교환식 모노 또는 폴리 카르복실산) 등을 들 수있다. 또한, 지환식 카르복실산의 지환에는 메틸기 등의 탄소수 1 내지 4의 직쇄상 또는 분지쇄상 알킬기, 메톡시기 등의 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 염소 원자 등의 할로겐 원자 등의 치환 기가 결합하고 있을 수도 있다. 상기 카르복실산으로서는 그 중에서도 탄소수 10 내지 18의 지방족 모노 카 르복실산, 탄소수 8 내지 18의 지환식 폴리카르복실산이 바람직하다.
상기 「카르복실산 또는 유기 술폰 산의 음이온 잔기」에 있어서의 「유기 [0033] 술폰산」으로서는, 예를 들면 메탄술폰산, 에탄술폰산, 1-프 로판술폰산, 2-프로판술폰산, 1-부탄술폰산, 1-펜탄술폰산, 1-헥산술폰산, 1-옥탄술폰산, 1-데칸술폰산, 1- 도데칸술폰산 등의 지방족 술폰산(예를 들면, 탄소수 1 내지 16의 지방족 술폰산 등); 벤젠술폰산, p-톨루엔 술폰산, 4-에틸벤젠술폰산, 3-(직쇄상 또는 분지쇄상 옥틸)벤젠술폰산, 4-(직쇄상또는 분지쇄상 옥틸)벤젠술 폰산, 3-(직쇄상 또는 분지쇄상 도데실)벤젠술폰산, 4-(직쇄상 또는 분지쇄상도데실)벤젠술폰산, 2,4-디메틸 벤젠술폰산, 2,5-디메틸벤젠술폰산, 4-메톡시벤젠술폰산, 4-에톡시벤젠술폰산, 4-클로로벤젠술폰산 등을 들 수 있다.
제4급 포스포늄염의 대표적인 예로서 테트라부틸포스포늄데칸산염, 테트라부틸포스포늄라우르 산염, 테트라부틸포스포늄미리스트산염, 테트라부틸포스포늄팔미트산염, 테트라부틸포스포늄 양이온과 비시 클로[2.2.1]헵탄-2,3-디카르복실산 및/또는 메틸비시클로[2.2.1]헵탄-2,3-디카르복실산의 음이온의 염, 테트 라부틸포스포늄 양이온과 1,2,4,5-시클로헥산테트라카르복실산의 음이온의 염, 테트라부틸포스포늄 양이온과 메탄술폰산의 음이온의 염, 테트라부틸포스포늄 양이온과 벤젠술폰산의 음이온의 염, 테트라부틸포스포늄 양 이온과 p-톨루엔술폰산의 음이온의 염, 테트라부틸포스포늄 양이온과 4-클로로벤젠술폰산의 음이온의 염, 테 트라부틸포스포늄 양이온과 도데실벤젠술폰산의 음이온의 염 등을 들 수 있다.
붕소 화합물로서는 예를 들면 삼플루오르화붕소, 트리페닐보레이트 등을 들 수 있다.
이미다졸계 경화 촉진제로서는, 2-메틸이 미다졸, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1,2-디메틸이 미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 1-벤질- 2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메 틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸륨트리메리테이트, 1-시아노에틸 -2-페닐이미다졸륨트리메리테이트, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미 노-6-[2'-운데실이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-에틸-4'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸 -s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진이소시아눌산 부가물, 2-페닐이미다 졸이소시아눌산 부가물, 2-페닐-4,5-디하이드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸, 2,3-디하이드로-1H-피로로[1,2-a]벤즈이미다졸, 1-도데실-2-메틸-3-벤질이미다졸륨클로라이드, 2-메틸이미다 졸린, 2-페닐이미다졸린 등의 이미다졸 화합물 및 이미다졸 화합물과 에폭시 수지와의 부가물을 들 수 있다 .
아민계 경화 촉진제로서는, 트리에틸아민, 트리부틸아민 등의 트리알킬아민, 4-디메틸아미노피리딘, 벤질디메틸아민, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비사이클로(5,4,0)-운데센(이하, DBU라고 약기한다.) 등의 아민 화합물 등을 들 수 있다.
상기한 바와 같이 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)를 통하여 그 하부면에 제1 나노섬유 웹이 적층되는 제1 지지체(3)는 이후 회전장치(20)로 이동된다.
하부면에 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 제1 지지체(3)는 회전장치(20)를 통과하면서 상부면이 하부면으로 180도 회전됨에 따라, 제1 지지체(3)의 상부면에 위치한 제1 나노섬유 웹은 하부면 방향으로 반전된다.
상기한 바와 같이 상기 회전장치(20)를 통하여 상부면이 하부면으로 회전된 제1 지지체(3)는 이후 이송롤러(7)에 의해 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)로 공급되고, 상기 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)로 공급되는 제1 지지체(3)는 상기 컬렉터(37)의 상부면 상에 위치한다.
이때에도 상기 전압 발생장치의 고전압이 노즐(35)과 컬렉터(37)에 발생되고, 고전압이 발생되는 컬렉터(37) 상에 방사용액 주탱크(31) 내에 충진되는 고분자 방사용액이 노즐블록(33)의 노즐(35)을 통해 분사된다.
여기서, 상기 각 전압 발생장치는 일반적인 전기방사장치와 동일한 구조로 노즐(15,35)을 통하여 컬렉터(17,37)에 높은 전압을 발생시키고, 전기력에 의한 나노섬유의 생성을 촉진시키기 위하여 노즐(15,35)과 노즐블록(13,33)의 하부 또는 상부에 위치한 컬렉터에서 1kV 이상의 전압을 걸어주는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20kV 이상의 전압을 걸어준다.
한편, 상기 방사용액 주탱크(31) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(35) 내에 연속적으로 정량 공급되고, 노즐(35)로부터 공급되는 방사용액은 노즐(35)에 의해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(37) 상에 방사, 집속되면서 제1 지지체(3)의 하부면에 하향식 또는 상향식 전기방사에 의해 적층형성된 제1 나노섬유 웹 상에 상향식 또는 하향식 전기방사법에 의한 제2 나노섬유 웹이 적층형성된다.
이때, 상기 제1 지지체(3)가 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)로의 이송, 회전장치(20)로의 이송 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)로의 이송은 이송롤러(7)에 의해 수행된다.
본 발명에서는 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)와 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)가 수평방향을 향하여 일직선으로 배치되는 것이 바람직하나, 각 전기방사장치가 층별로 위치되는 수직방향으로 배치되거나, 동일한 층 내에 각 전기방사장치를 U자 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 층별로 수직방향으로 배치하거나 동일 층 내에서 U자 방향으로 배치할 수 있는 것은 한정된 면적에서 생산력을 높일 수 있는 이점이 있다.
즉, 상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방사용액 주탱크(11)와 방사용액 주탱크(31)는 동일한 경우도 가능하다.
상기한 바와 같이, 상기 제1 지지체(3)가 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)로 이송되면서 제1 지지체(3)의 일면에 나노섬유가 연속적으로 적층형성되는 공정을 반복함으로써 상기 제1 지지체(3)에 나노섬유 웹이 다수의 층으로 적층형성된다.
본 발명에서는 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)의 각 방사용액 주탱크(11,31)에 동일하거 또한 상이한 종류의 고분자 방사용액을 충진시킨다.
즉, 상기 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10)에서 분사되는 고분자 방사용액과 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)에서 분사되는 고분자 용액이 동일하거나 상이한 종류의 고분자 방사용액으로 이루어진다.
상기한 바와 같이, 교대로 연속되게 배열설치되는 하향식 또는 상향식 전기방사장치(10) 및 상향식 또는 하향식 전기방사장치(30)를 갖는 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1)를 통하여 제1 메쉬 또는 캐리어 상에 나노섬유 웹이 다층으로 형성되며, 제조된 나노섬유 웹의 다른 일면에 또 다른 제2 지지체(3‘)를 부착하고, 적층된 적층체를 미세먼지 차단용 필터 제조장치(1) 후단부에 공급하여 적층함으로서 최종적으로 미세먼지 차단용 필터로 이용한다.
본 발명에서는 하향식 전기방사장치(10)가 전단부에 위치하고 그 이후에 상향식 전기방사장치(30)가 후단부에 위치하고 있으나, 이는 상향식 전기방사장치가 전단에 오는 것도 가능하다. 또한, 전기방사장치가 본 발명에서는 2개로 구성되어 있지만, 하향식과 상향식 전기방사장치가 교대로 3개 이상으로 배치되는 것도 가능하다.
또한, 제조된 나노섬유 웹의 공기 투과도 등의 이상 유, 무를 측정하기 위한 공기 투과도 측정장치(70) 및 기타 후공정을 위한 별도의 공정장치들이 더 구비되는 것도 가능하다.
이상, 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하지만, 첨부 특허청구의 범위에 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
[실시예 1]
폴리우레탄(DOW사(USA))의 Pellethane 2363-80AE) 15중량%과 N-N-디메틸아세트아마이드(DMF) 용매 85중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 15%인 고분자 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 이로부터 고분자 방사용액을 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h의 조건으로 제1 지지체로 폴리에스터 메쉬를 사용하였고 이것은 구체적으로 폴리에스터 100% 메쉬이다. 상기 폴리에스터 100% 메쉬는 25데니어 모노필라멘트로 구성되고 평량이 91g/m2이고 Width는 1620mm였으며, 밀도가 25.5 x 25인 폴리에스터 메쉬 상에 전기방사 하여 평량이 0.1g/m2인 폴리우레탄 나노섬유 웹을 적층형성하였다. 이후 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 일면에 제1 지지체와 동일한 물질인 제2 지지체로서 폴리에스터 메쉬(Polyester mesh)를 접착제를 이용하여 부착하였다. 이와 같이 나노섬유 웹과 상기 나노섬유 웹의 양면에 제1 및 제2 폴리에스터 메쉬를 부착함으로서 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 평균 직경은 400nm이었다.
[실시예 2]
고분자 방사용액으로 나일론 6 15중량%와 개미산 85중량%으로 이루어진 농도 15%의 나일론 6 방사용액을 사용하는 것과, 나노섬유 웹의 평량을 0.2g/m2로 변경하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 나일론6 나노섬유 웹의 평균 직경은 130nm이었다.
[실시예 3]
상기 제2폴리에스터 메쉬 대신에 폴리에스터 캐리어를 사용하는 것과 고분자 방사용액으로 PVDF 15중량%와 디메틸아세트아마이드(DMAc) 85중량%으로 이루어진 농도 15%의 PVDF 방사용액을 사용하는 것과, 나노섬유 웹의 평량을 0.3g/m2로 변경하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 PVDF 나노섬유 웹의 평균 직경은 150nm이었다. 이때 폴리에스터 캐리어로는 WP경사로 사용한 원사는 폴리에스터 20데니어, WT 위사로 사용된 원사는 폴리에스터 60데니어이며 WP 1인치당 경사밀도는 12.93g/yd, WT 위사 1인치당 위사밀도는 31.80g/yd이며 가공한 원단 가로길이는 59~60‘’이며, 평량은 44.73g/yd 였다. .
[실시예 4]
고분자 방사용액으로 폴리에테르설폰(PES) 15중량%와 디메틸아세트아마이드(DMAc) 85중량%으로 이루어진 농도 15%의 PES 방사용액을 사용하는 것과, 나노섬유 웹의 평량을 0.4g/m2로 변경하는 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 PES 나노섬유 웹의 평균 직경은 150nm이었다.
[실시예 5]
고분자 방사용액으로 폴리아크릴로니트릴(PAN) 15중량%와 디메틸포름아마이드 85중량%으로 이루어진 농도 15%의 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 사용하는 것과, 나노섬유 웹의 평량을 0.5g/m2로 변경하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 PAN 나노섬유 웹의 평균 직경은 200nm이었다.
[실시예 6]
폴리아믹산 15중량%과 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 85중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 15%인 폴리아믹산(PAA)고분자 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 이로부터 고분자 방사용액을 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h의 조건으로 제1 지지체로 폴리에스터 메쉬를 사용하였고 이것은 구체적으로 폴리에스터 100% 메쉬이다. 상기 폴리에스터 100% 메쉬는 25데니어 모노필라멘트로 구성되고 평량이 91g/m2이고 Width는 1620mm였으며, 밀도가 25.5 x 25인 제1 폴리에스터 메쉬 상에 전기방사 하여 평량이 0.1g/m2인 폴리아믹산 나노섬유 웹을 적층형성하였다. 이때 이후 상기 폴리아믹산 나노섬유 웹의 일면에 제2 지지체로서 제1 지지체와 동일한 메쉬인 폴리에스터 메쉬를 초음파 본딩을 이용하여 부착하였다. 이와 같이 나노섬유 웹과 상기 폴리아믹산 나노섬유 웹의 양면에 폴리에스터 메쉬를 부착함으로서 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이후 열처리를 통하여 폴리아믹산을 이미드화 함으로서 폴리이미드 나노섬유 웹으로 변환하였다. 이때 상기 폴리이미드 나노섬유 웹의 평균 직경은 400nm이었다.
[실시예 7]
폴리우레탄(DOW사(USA))의 Pellethane 2363-80AE) 15중량%을 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 85중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 15%, 점도 1000cps인 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 이로부터 방사용액을 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 60℃로 지지체로 사용된 실시예 1과 동일한 폴리에스터 메쉬 상에 전기방사 하였다. 이후, 방사공정을 거치며 방사되지 못하고 오버플로우된 고형분이 다시 저장탱크의 하나인 원료탱크로 구비되는 과정에서 원료탱크 내 방사용액의 농도가 20%로 변경되었고, 이에 따라 점도는 2000cps로 변경되었다. 이후 온도조절장치의 센서에 의해 점도를 1000cps로 낮추기 위해 원료탱크의 온도를 80℃로 상승시킨 후 나일론 메쉬 상에 전기방사하여 나노섬유 웹이 적층한 이후 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 일면에 실시예 1과 동일한 제2 지지체인 폴리에스터 메쉬(Polyester mesh)를 접착제를 이용하여 부착하였다. 이와 같이 나노섬유 웹과 상기 나노섬유 웹의 양면에 폴리에스터 메쉬를 부착함으로서 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 평균 직경은 300nm이었다.
[실시예 8]
폴리우레탄(DOW사(USA))의 Pellethane 2363-80AE) 15중량%을 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 85중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 15%인 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 이로부터 방사용액을 하향식 전기방사장치 및 상향식 전기방사장치의 각 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h으로 하고 실시예 1과 동일한 제1 폴리에스터 메쉬 상에 전기방사하여 나노섬유 웹을 적층하였다. 즉 전단부에 위치한 하향식 전기방사장치 상에는 상기 제1 폴리에스터 메쉬 상에 상기 방사용액이 전기방사되어 제1 나노섬유 웹이 적층형성되었다. 이후 회전장치에 의해 제1 폴리에스터 메쉬와 제1 나노섬유 웹으로 구성된 적층체를 180도 회전시킨후(상하 반전시킨 후) 후단부에 위치한 상향식 전기방사장치에서는 방사용액이 제1 나노섬유 웹 상에 전기방사되어 제2 나노섬유 웹을 적층형성하였다. 이때 상기 제2 나노섬유 웹의 다른 일면에 실시예 1과 동일한 제2 지지체인폴리에스터 메쉬(Polyester mesh)를 사용하였다. 이후 폴리에스터 메쉬를 초음파 본딩함으로 부착함으로 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이와 같이 나노섬유 웹의 양면에 폴리에스터 메쉬를 부착함으로서 미세먼지 차단용 필터를 제조하였다. 이때 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 평균 직경은 400nm이었다.
[비교예1]
총 2장으로 구성되고 평량이 60g/m2인 저융점 부직포(LM 부직포, POA40V6) 사이에 실시예 1과 동일한 고분자 방사용액을 전기방사하여 제조된 나노섬유 웹으로 구성된 필터를 제조하였다.
- 효율 측정
ASTM D2986을 이용하여 5.33cm/s 속도에서 2.5㎛의 DOP 효율을 측정하였다.
- 통기도 측정
ASTM D737-96(Frazier)를 이용하여 125Pa에서의 공기투과도를 측정하였다.
- 광투과율(가시도) 측정(Visibility)
ASTM E 424-71:2007, METHOD A 6. 5. 2 SELECTED ORDINATES METHOD (%)로 광 투과율을 측정하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1
효율 (%) 84 90 94 99.9 96 98 40
통기도 (cfm) 450 260 150 30 25 24 5
광투과율(%) 80 61 45 30 30 30 0
이에, 본 발명의 실시예에서는 비교예 1에 비하여 필터로서의 효율이 우수하고, 공기투과도가 높고 공기흐름 저항도는 비교예에 비하여 낮은 이점이 있으므로 미세먼지 등은 효과적으로 걸러내고, 통풍은 잘 이루어지는 장점이 있다.
또한, 실시예 7에서는 기존의 희석제를 사용하던 생산공정을 간소화하고 희석제의 폭발의 위험성을 줄이며, 고온방사를 가능하게 함으로서 방사용액 농도를 증가시켜 나노섬유 부직포 제조의 생산성을 높일 수 있고, 실시예 8에서는 상향식 및 하향식 전기방사장치를 함께 이용함으로서 나노섬유 부직포 제조의 생산성을 높일 수 있는 이점이 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 미세먼지 차단용 필터 및 이의 제조방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1: 미세먼지 차단용 필터 제조장치, 3: 제1 지지체,
3‘: 제2 지지체,
5: 공급롤러, 7: 이송롤러,
9: 권취롤러, 10: 하향식 전기방사장치,
11: 방사용액 주탱크, 13: 노즐블록,
14: 전압발생장치, 15: 노즐,
17: 컬렉터, 20: 회전장치,
20-1: 플립장치, 21, 21‘: 좌, 우측 가이드 부재,
22, 22‘: 좌, 우측 가이드홈,
30: 상향식 전기방사장치, 31: 방사용액 주탱크,
33: 노즐블록, 35: 노즐
37: 컬렉터, 50: 라미네이팅 장치,
60: 온도조절장치,
70: 공기 투과도 측정장치,
112, 112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 112i: 관체,
113: 열선.

Claims (13)

  1. 제1 지지체를 준비하는 단계;
    상기 제1 지지체의 상부면에 하향식 전기방사장치로 제1 고분자 방사용액을 하향식으로 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 적층형성하는 단계;
    상기 제1 나노섬유 웹이 적층형성된 제1 지지체가 회전장치를 지나면서 상부면이 하부면으로 180도 회전되는 단계;
    상기 제1 지지체 상에 적층된 제1 나노섬유 웹 상에 상향식 전기방사장치로 제2 고분자 방사용액을 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 연속적으로 적층형성하는 단계; 및
    상기 제2 나노섬유 웹 상에 제2 지지체를 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 온도조절 장치를 통하여 50 내지 200℃의 온도에서 전기방사되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고분자 방사용액은 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 폴리에테르설폰, 메타아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아믹산 및 폴리이미드로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지체는 메쉬(Mesh) 및 캐리어(Carrier)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지체는 각각 1층 또는 2층 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 미세먼지 차단용 필터는 미세먼지 광투과율이 30 내지 80%이고 공기투과도(cfm)는 10 내지 500인 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 미세먼지 차단용 필터는 효율은 80% 이상인 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 나노섬유 웹의 평량은 0.001 내지 2.0g/m2인 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 지지체 상에 제1 나노섬유 웹이 적층형성되는 단계 및 제2 나노섬유 웹과 제2 지지체를 부착하는 단계는 초음파 본딩(Ultrasonic Bonding), 화학적 또는 열적 접착제를 도포하거나 접착제를 직접 전기방사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터의 제조방법.
  10. 노즐이 상부에서 하부로 향하고, 고분자 방사용액을 제1 지지체 상에 전기방사하여 제1 나노섬유 웹을 제조하는 하향식 전기방사장치;
    상기 지지체의 상부면이 하부면으로 180도 회전되도록 하는 회전장치;
    노즐이 하부에서 상부로 향하고, 상기 하향식 전기방사장치에 사용된 동일한 고분자 방사용액을 제1 나노섬유 웹상에 전기방사하여 제2 나노섬유 웹을 적층하는 상향식 전기방사장치; 및
    최후단에 제2 지지체를 공급받아 제2 나노섬유 웹 상에 위치하고 이를 라미네이팅하는 라미네이팅 장치;를 포함하고,
    상기 하향식 전기방사장치와, 상기 회전장치와, 상기 상향식 전기방사장치, 라미네이팅 장치의 순서대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터 제조장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 회전장치는 플립장치에 의해 지지체가 180도 회전하거나, 수직으로 U턴 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터 제조장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치는 각각 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터 제조장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 미세먼지 차단용 필터 제조장치는 추가적으로 상향식 전기방사장치 또는 하향식 전기방사장치를 교호적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 차단용 필터 제조장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220129951A (ko) * 2021-03-17 2022-09-26 (주)수시스템 공기정화용 필터의 종이프레임 접착장치

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