KR20190087637A

KR20190087637A - 액상 폴리머를 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 섬유로 전기방사하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20190087637A
Application number: KR1020197020173A
Authority: KR
Inventors: 쉐즈 진; 리차드 피터스; 에블린 피어슨
Original assignee: 사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-07-24
Also published as: EP3565920A1; WO2018129264A1; US20190345638A1; CN110168149A; EP3565920B1; JP6643526B1; CN110168149B; US10745827B2; JP2020505517A; KR102097140B1

Abstract

액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 장치는 전기방사 인클로저, 상기 전기방사 인클로저 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템, 및 복수의 연속 전극 와이어를 포함한다. 전기방사 인클로저는, 액상 폴리머가 복수의 연속 전극 와이어 상에 코팅되는 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치 및 전기방사 구역을 포함한다. 복수의 연속 전극 와이어는 서로 평행하고, 와이어 구동 시스템에 체결되며, 전기방사 인클로저 및 그 내부에 위치하는 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치를 통해 연장한다. 전기방사 구역에서 복수의 연속 전극 와이어에 고전압을 인가하여, 전극 와이어 상에 코팅된 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성한다.

Description

액상 폴리머를 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 섬유로 전기방사하기 위한 장치

본 개시는 액상 폴리머를 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 섬유로 전기방사하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는, 통상적인 노즐(nozzles) 또는 바늘(needles)을 사용하지 않은 채, 액상 폴리머를 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 섬유로 전기방사하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

나노스케일 또는 서브마이크론 스케일의 섬유는 여과, 티슈 공학(tissue engineering), 보호복, 복합재료, 배터리 세퍼레이터, 에너지 저장 등을 포함하는 다양한 용도에 유용하다. 전기방사는 이러한 스케일에서 고품질의 섬유를 생성하는 데 사용되는 방법들 중 하나이다. 그러나, 전기방사는 수행하기가 비교적 용이하지만, 처리량이 매우 낮고, 그에 따라, 제조 비용이 매우 높다. 따라서, 나노스케일 및/또는 서브마이크론 스케일의 섬유를 대량으로 전기방사하는 것은 비용 측면에서 효율적이지 못하다. 따라서, 고가 응용 분야를 제외하면, 나노섬유의 전기방사는 대부분 학술적 연구에 제한되고 있다.

현재의 분사 노즐(injection nozzle), 바늘-제트(needle-jet) 및 방사 제트(spinning jet) 제조 공정에서의 생산 속도는 전형적으로, 노즐/제트 당 약 0.05 g/hr(grams per hour) 내지 약 0.15 g/hr 범위이다. 생산 속도를 향상시키기 위해 몇 가지 방법이 연구 및/또는 사용된 바 있다. 이러한 방법들은, 가스 보조 전기방사(gas-assisted electrospinning); 다중 노즐 시스템의 사용; 무노즐/무바늘 시스템(nozzle-less/needleless systems)의 사용; 및 방사 제트의 총 개수를 증가시키는 것;을 포함한다. 그러나, 이러한 방법들 각각은 문제점들을 갖고 있으며, 그에 따라, (상업적으로 입수 가능한) 기계 당 약 2 kg/hr(kilograms per hour) 이하의 최대 지속 생산 속도를 초래한다. 노즐/바늘 시스템과 관련된 문제는 다음을 포함한다: 분사 노즐/바늘 오리피스의 막힘; 노즐 배열 최적화의 어려움; 및 각 노즐을 통해 균일한 공급 속도를 유지하는 것의 어려움. 무노즐/무바늘 시스템과 관련된 문제는 다음을 포함한다: 용액 농도 및 점도 변화를 초래하는, 용액 저장소로부터의 용매 증발의 제어불능; 및 섬유 방사 속도의 현저한 감소를 초래하는, 전기방사 요소의 표면 상에서의 폴리머 층 코팅의 축적.

이러한 단점들 및 다른 단점들은 본 개시의 측면들에 의해 해결된다.

도면들이 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 도면들에 있어서, 동일한 지시번호는 다양한 관점에서의 유사한 구성요소를 나타낼 수 있다. 상이한 문자 접미사를 갖는 동일한 지시번호는 유사한 구성요소의 다른 경우를 나타낼 수 있다. 도면들은 본 명세서에서 논의된 다양한 측면들을, 비제한적인 예로서, 개략적으로 예시한다.
도 1은 본 개시의 일 측면에 따른 단순화된 전기방사 장치의 측면도이다.
도 2는, 본 개시의 일 측면에 따른 복수의 연속 전극 와이어 상에 액상 폴리머 층을 도포하기 위한 액상 폴리머 코팅 장치의 측면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선에 따라 취해진 상세 단면도이다.
도 4a는 도 2의 B-B 선에 따라 취해진 상세 단면도이다.
도 4b는 본 개시의 일 측면에 따른 예시적인 전극 와이어 세정 어셈블리의 측면도이다.
도 5는, 전기방사 인클로저, 와이어 구동 시스템 및 와이어 장력조정 시스템을 포함하는 복수의 연속 전극 와이어에 대한 이동 경로를 보여주는 단순화된 다이아그램의 측면도이다.
도 6은 도 5의 A-A 선에 따라 취해진 상세 단면도이다.
도 7은 도 6의 B-B 선에 따라 취해진 상세 단면도이다.
도 8은 본 개시의 일 측면에 따른 전기방사 장치의 보조 시스템을 보여주는 도식적인 다이아그램이다.
도 9는 본 개시의 일 측면에 따른 전기방사 장치의 상세한 도식적 다이아그램이다.
도 10은 도 9의 구역 A를 보여주는 전기방사 장치의 부분적인 도식적 다이아그램이다.
도 11은 도 9의 구역 B를 보여주는 전기방사 장치의 부분적인 도식적 다이아그램이다.
도 12는 도 9의 구역 C를 보여주는 전기방사 장치의 부분적인 도식적 다이아그램이다.
도 13은, 본 개시의 일 측면에 따라 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하는 방법을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 14는, 본 개시의 일 측면에 따른 전기방사 장치를 통해 복수의 연속 전극 와이어를 구동하는 방법을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 15는 본 개시의 일 측면에 따른 전기방사 인클로저로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 수집하는 방법을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 16은, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 기재 상에 연속 무바늘 전기방사하기 위한 전기방사 장치를 작동시키는 방법을 도시하는 블록 다이아그램이다.

본 개시의 측면들은 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 다음을 포함한다:

a. 전기방사 인클로저(electrospinning enclosure)로서,

하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치;

전기 전도성 접지판(ground plate)을 포함하는 전기방사 구역(electrospinning zone); 및

와이어 세정 어셈블리(wire cleaning assembly);를 포함하는 전기방사 인클로저;

b. 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템(wire drive system);

c. 복수의 연속 전극 와이어로서, 상기 복수의 연속 전극 와이어는 서로 평행하고, 상기 와이어 구동 시스템과 체결되며, 상기 전기방사 인클로저 및 그 내부에 위치하는 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치를 통해 연장하는, 복수의 연속 전극 와이어;

d. 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 기재 이송 시스템(substrate conveyor system); 및

e. 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛.

상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치는 액상 폴리머의 층을 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅한다. 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은 상기 복수의 연속 전극 와이어에 고전압을 인가하고, 상기 전기방사 구역 내의 상기 복수의 연속 전극 와이어와 상기 전기 전도성 접지판 사이에 전기장을 발생시키고, 그에 따라, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 상기 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성한다. 상기 와이어 세정 어셈블리는 상기 복수의 연속 전극 와이어로부터 잔류 액상 폴리머를 세정하기 위한 용매를 포함한다. 상기 기재 이송 시스템은 상기 전기방사 인클로저를 통해 기재를 구동시키고, 상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 폴리머 섬유 웹으로서 수집한다.

본 개시의 측면들은 또한, 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 방법으로서, 이 방법은 다음의 단계들을 포함한다:

복수의 연속 전극 와이어를, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치 및 전기방사 구역을 포함하는 전기방사 인클로저를 통해, 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템을 사용하여 구동시키는 단계;

기재를, 상기 전기방사 인클로저 및 상기 전기방사 구역을 통해, 상기 복수의 연속 전극 와이어에 실질적으로 평행하게, 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 기재 이송 시스템을 사용하여 구동시키는 단계;

상기 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치에서 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 액상 폴리머 층을 코팅하는 단계;

상기 전기방사 구역에서, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 상기 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성하는 단계;

상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 폴리머 섬유 웹으로서 수집하는 단계; 및

상기 전기방사 인클로저 내에 위치하는 와이어 세정 어셈블리를 사용하여, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면으로부터 잔류 폴리머를 제거하는 단계.

본 개시는, 본 명세서의 하기 상세한 설명 및 거기에 포함된 실시예를 참조하여 더욱 쉽게 이해될 수 있다. 다양한 측면들에서, 본 개시는 폴리머 섬유 웹을 기재 상에 전기방사하여 이를 롤러 상에서 수집하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 장치 및 방법은, 현재 이용 가능하고 공지된 전기방사법에 의한 것에 비해, 훨씬 더 높은 처리량 및 생산 강도에서 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 섬유의 제조를, 훨씬 더 낮은 자본 투자 및 제조 비용으로, 가능하게 한다.

본 개시의 화합물, 조성물, 물품, 시스템, 장치, 및/또는 방법이 개시되고 기술되기 전에 이해되어야 하는 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 이들은, 특정 폴리머 재료에, 또는 폴리머 재료의 특정 상태(즉, 용융물 또는 용액)에, 또는 폴리머 용액을 제조하기 위해 사용되는 특정 유형의 용매 또는 특정 작동 조건(예를 들어, 용액 중 폴리머 wt%, 폴리머 용액 내 첨가제, 온도, 전압, 전기장의 거리, 등)에, 또는 특정 장치 치수 및 구성 재료(예를 들어, 전극 와이어의 조성, 연속 전극 와이어의 개수, 전극 와이어의 길이, 평행 전극 와이어들 사이의 거리, 하나의 전극 와이어 경로에서의 폴리머 코팅 장치의 개수, 두 액상 폴리머 코팅 장치들 사이의 거리, 등)에 국한되지 않으며, 그에 따라, 이들 파라미터는 변화될 수 있다. 또한, 이해되어야 하는 바와 같이, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 측면들을 설명하기 위한 것이며, 제한하려는 의도는 아니다.

본 개시의 요소들의 다양한 조합들은, 예를 들어, 동일한 독립항에 종속하는 종속항들로부터의 요소들의 조합은, 본 개시에 의해 포괄된다.

또한, 이해되어야 하는 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에 기술된 바와 같은 임의의 방법은 그것의 단계들이 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되는 것으로 결코 의도되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 그것의 단계들이 따르기 위한 순서를 실제로 기재하지 않는 경우, 또는, 그 단계들이 특정 순서로 제한된다는 내용이 청구항 또는 상세한 설명에 달리 명시적으로 기재되지 않은 경우, 어느 측면에서든, 순서가 유추되는 것으로 결코 의도되지 않는다. 이는, 단계들의 배치 또는 작동 흐름과 관련된 논리 문제; 문법적 구성 또는 구두법으로부터 파생된 평범한 의미; 및 명세에 기술된 측면들의 개수 또는 유형;을 포함하는, 해석을 위한 임의의 가능한 비명시적 근거에 대해 적용된다.

본 명세서에 언급된 모든 간행물은, 상기 간행물이 인용되는 것과 관련된 방법 및/또는 재료를 개시하고 설명하기 위해 본 명세서에 인용에 의해 통합된다.

전기방사 장치

도 1 내지 도 12를 참조하면, 본 개시의 측면들은, 폴리머 섬유 웹(110)을 기재(120) 상에 전기방사하기 위한 장치(100)에 관한 것이다. 장치(100)의 단순화된 도식적 다이아그램이 도 1에 도시되어 있다. 상기 장치의 특정 구성요소는, 전기방사 인클로저(300), 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400), 와이어 구동 시스템(600), 와이어 장력조정 시스템 (700), 전기 전도성 접지판(800), 및 복수의 연속 전극 와이어(1000)에 고전압을 인가하는 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)을 포함한다. 기재(120)는 기재 공급 롤러(200)로부터 풀리고, 전기방사 인클로저(300)를 통해 구동된다. 복수의 연속 전극 와이어(1000)는, 와이어 구동 시스템(600) 및 와이어 장력조정 시스템(700)에 의해, 이동하는 기재(120)의 면에 대체로 평행하게, 전기방사 인클로저를 통해 구동된다. 복수의 연속 전극 와이어(1000) 및 기재(120)의 이동 방향은 병류식(co-current) 또는 대향류식(counter-current)일 수 있다. 복수의 연속 전극 와이어(1000)는, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400)의 각각에서, 액상 폴리머의 층으로 코팅되고, 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)에 의해 복수의 연속 전극 와이어(1000)에 인가되는 고전압과 전기 전도성 접지판(800) 사이의 전압 차이는, 많은 액상 테일러 콘 제트(liquid Taylor Cone jets)(840)가 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 표면으로부터 분출하고, 기재(120)와 접촉하고, 기재(120) 상에 폴리머 섬유 웹(110)을 형성하도록 만든다. 폴리머 섬유 웹(110) 및 기재(120)는 전기방사 인클로저(300)를 빠져나와, 예를 들어 (도 1에 도시된 바와 같이) 이들을 결합 롤러(210) 상에 권취함으로써, 또는 다른 측면에 있어서는, 기재(120)로부터 폴리머 섬유 웹(110)을 분리하고 이들을 본 명세서에 기술된 바와 같은 별도의 섬유 웹 롤러 상에 권취함으로써, 수집된다. 와이어 세정 어셈블리(500)는 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 표면으로부터 과량의 액상 폴리머뿐만 아니라 임의의 고화된 폴리머를 제거한다. 장치(100)의 구성요소 및 작동은 하기에서 더 상세히 설명된다.

전기방사 인클로저(300)는, 전기방사 공정을 포함하고 잠재적인 유해 물질의 작업 환경으로의 방출을 최소화하기 위한 밀폐된 하우징이다. 전기방사 인클로저(300)는, (복수의 연속 전극 와이어(1000)가 전기방사 인클로저(300)를 통과하는 것을 가능하게 하는 최소 크기의 개구들, 및 기재(120)(및 그 위에 형성된 폴리머 섬유 웹(110))가 전기방사 인클로저(300) 안으로 그리고 밖으로 통과할 수 있게 하는 좁은 개구들을 제외하고는), 실질적으로 밀폐되어 대기압 미만에서 작동된다. 전기방사 공정에서 생성된 증기는 전기방사 인클로저(300)의 내부에 수용된 후, 본 명세서에서 더 상세히 기술되는 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)에서 수집된다. 일부 측면들에서, 전기방사 인클로저(300)는 대기압에 비해 음압에서 작동되고, 그에 따라, 전기방사 인클로저(300)에 근접한 대기/공기는 전기방사 인클로저(300) 내로 유입되어 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)에 의해 수집되며, 이는 전기방사 인클로저(300) 내의 잠재적으로 유해한 증기가 대기로 탈출하는 것을 방지한다. 복수의 연속 전극 와이어(1000)는, 사용되는 전극 와이어의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는 개구를 통해 전기방사 인클로저(300)의 안으로, 그 다음, 밖으로 구동되고, 본 명세서에서 추가적으로 기술되는 바와 같이, 전기방사된 폴리머 섬유 웹(110) 내의 섬유를 위한 폴리머 공급원을 제공하는 액상 폴리머 층으로 코팅된다.

전기방사 인클로저(300)는 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400)를 포함한다. 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400)는 액상 폴리머 공급원을 제공하여 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 코팅한다. 예시적인 측면들에 있어서, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400)는 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410) 및 액상 폴리머 오버플로우 저장소(420)를 포함한다.

액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)는 복수의 와이어 입구 개구(430), 및 와이어 입구 개구(430)의 개수에 대응하는 복수의 와이어 출구 개구(440)를 포함한다. 와이어 입구 개구(430) 및 와이어 출구 개구(440)는, 일부 측면들에 있어서, 미리 결정된 길이 "L" 동안 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)의 외부 표면으로부터 원위 방향으로 연장하는 부분을 가질 수 있거나, 또는 이들은 길이가 0인 L을 가질 수 있으며, 이 경우, 개구들의 두께는 액상 폴리머 코팅 매니폴드의 두께에 대응한다. 개구의 직경 및 길이는 제어되는 액상 폴리머 오버플로우의 수준에 따라 변할 수 있다. 액상 폴리머는 액상 폴리머 공급 포트(450)를 통해 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)에 의해 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)에 제공된다. 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은 이하에서 더 상세히 설명된다. 본 명세서에서 더욱 자세하게 설명되는 작동의 일부 측면들에 있어서, 복수의 연속 전극 와이어(1000) 각각은, 연속 루프로, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400) 내로 구동되고, 와이어 입구 개구(430)을 통해 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410) 내로 구동되며, 거기에서 액상 폴리머 층으로 코팅된다. 각각의 코팅된 연속 전극 와이어(1000)는, (와이어 출구 개구(440)와 정렬된) 와이어 입구 개구(430)에 대응하는 와이어 출구 구멍(440)을 통해, 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)를 빠져나간 후, 액상 폴리머 코팅 장치(400)를 빠져나간다.

액상 폴리머 오버플로우 저장소(420)는 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)로부터의 액상 폴리머 오버플로우를 수용하고, 또한 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)를 빠져나가는 복수의 연속 전극 와이어(1000)로부터 떨어지는 임의의 액상 폴리머를 수용한다. 액상 폴리머 오버플로우 저장소(420)가 채워지면서, 액상 폴리머 재순환 포트(455)는 저장소에 수집된 액상 폴리머를 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)으로 재순환시킨다. 일부 측면들에 있어서, 액상 폴리머 재순환 포트(455)는 중력 흐름에 의해 액상 폴리머를 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)으로 재순환시킨다.

본 명세서에 기술되는 액상 폴리머는 전기방사 적용분야에서의 사용에 적합한 임의의 폴리머일 수 있으며, 순수 용융물 액체 상태, 또는 폴리머를 순수한 용매 또는 용매 혼합물에 용해시킴으로써 형성된 액체 용액 상태의 천연 발생 및 합성 폴리머를 포함한다. 또한, 액상 폴리머는, 함께 혼합된 하나 이상의 폴리머들을 포함할 수 있다. 본 개시의 측면들에서의 사용에 적합한 예시적인 천연 발생 폴리머는 단백질, 셀룰로오스, 리그닌, 콜라겐, DNA 및 고무를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 개시의 측면들에서의 사용에 적합한 예시적인 합성 폴리머는 다음을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다: 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 알코올, 폴리락트산, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아닐린, 폴리스티렌, 폴리비닐페놀, 폴리비닐클로라이드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 및 합성 고무. 일부 측면들에 있어서, 하나 이상의 상이한 종류의 폴리머 공급원들이 상이한 섬유 층들을 갖는 단일 폴리머 섬유 웹(110)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 액상 폴리머 코팅 장치(400)를 포함하는 시스템에서, 각각의 액상 폴리머 코팅 장치(400)는 상이한 액상 폴리머 공급원을 공급받을 수 있으며, 그에 따라, 폴리머 섬유 웹(110)은, 기재(120) 상에서, 다수의 층을 갖는 다수의 폴리머를 포함할 것이다.

와이어 구동 시스템(600)은 전기방사 인클로저(300)를 통해 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 이동시킨다. 특정 측면들에 있어서, 와이어 구동 시스템은 복수의 연속 전극 와이어들(1000)을 잡아당기는 마스터 와이어 구동 드럼(610) 및 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)을 포함한다. 마스터 와이어 구동 드럼(610)의 구동력은 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive: VFD)와 같은 전력 공급 유닛으로부터 직접 오며, 반면에, 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)의 구동력은 마스터 와이어 구동 드럼(610)으로부터 온다. 마스터 및 슬레이브 와이어 구동 드럼 배열의 한 가지 특별한 이점은, 와이어와 드럼 사이에서의 미끄러짐(slipping 또는 skidding) 없이, 연속 전극 와이어 각각에 전달될 수 있는 견인력의 양이 상당히 증가한다는 것이다.

마스터 와이어 구동 드럼(610)은 마스터 기어 플레이트(630)를 포함하고, 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)은 마스터 기어 플레이트(630)에 결합된 슬레이브 기어 플레이트(640)를 포함하며, 그에 따라, 마스터 와이어 구동 드럼(610)이 회전할 때, 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)은 반대 방향으로 회전한다. 마스터 와이어 구동 드럼(610)은 마스터 와이어 구동 드럼(610)을 회전시키는 모터 구동 축(motor-driven shaft)(650)에 연결된다. 몇몇 측면들에 있어서, 가변 속도 모터가 마스터 와이어 구동 드럼(610)을 구동시킨다. 마스터 와이어 구동 드럼(610)의 속도는, 일부 측면들에 있어서, 약 1 m/min(meter per minute) 내지 약 200 m/min의 속도로 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 구동시키도록, 변화될 수 있다. 특정 측면들에 있어서, 고정 속도 모터는 마스터 와이어 구동 드럼(610)을 구동시킬 수 있다.

슬레이브 와이어 구동 드럼(620)은, 마스터 와이어 구동 드럼(610)의 회전에 응답하여 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)이 자유롭게 회전하는 것을 가능하게 하는 자유 회전 축(660)에 결합된다. 또 다른 측면에 있어서, 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)은, 본 명세서에 기술된 것들과 같은 결합된 기어 플레이트(630, 640)에 의해서가 아니라 체인에 의해, 마스터 와이어 구동 드럼(610)에 의해 구동될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 마스터 와이어 구동 드럼 및 슬레이브 와이어 구동 드럼의 각각은 복수의 연속 전극 와이어(1000)들을 분리하는 복수의 와이어 가이드(670)를 포함한다. 복수의 와이어 가이드들의 각각은 복수의 전극 와이어(1000)들 중 하나를 안내하는 채널 또는 홈을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이(단 하나의 와이어에 대해), 연속 전극 와이어(1000)는 마스터 와이어 구동 드럼(610) 및 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)에 의해 당겨진다. 연속 전극 와이어(1000)는 이들 와이어 드럼들 각각의 와이어 가이드(670)에 의해 안내될 수 있다. 슬레이브 와이어 구동 드럼(620)으로부터, 연속 전극 와이어는 와이어 장력조정 시스템(700)을 통해 순환될(looped) 수 있다.

와이어 장력조정 시스템(700)은 복수의 연속 전극 와이어(1000)에 필요한 양의 장력을 제공한다. 특정 측면들에 있어서, 와이어 장력조정 시스템은 복수의 연속 전극 와이어들(1000) 각각에 대해 독립적으로 장력을 가한다. 이는, 각각의 연속 전극 와이어(1000)가 연속 전극 와이어에게 독립적 장력을 제공하는 독립적인 와이어 장력조정기(wire tensioner)(710)에 의해 안내됨으로써, 달성될 수 있다. 도 5는 하나의 와이어에 대한 예를 제공하고 하나의 와이어 장력조정기(710)를 보여준다; 일부 측면들에 있어서, 각각의 연속 전극 와이어(1000)는 그 자신의 와이어 장력조정기(710)를 가질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 250개의 와이어를 포함하는 장치는 250개의 개별 장력조정기를 포함할 것이다. 특정 측면들에 있어서, 개별 장력조정기들은, 설치 공간 제한과 관련된 문제를 해결하기 위해, 상이한 위치들에 설치된 그룹들로 분리될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 250개의 개별 장력조정기들을 단일 열에 설치하는 것이 어려울 수 있는데, 이 경우, 연속 전극 와이어들을 서로 단거리로(예를 들어, 5 mm(millimeters) 간격, 10 mm 간격, 15 mm 간격, 또는 20 mm 간격으로) 이격시키는 것이 바람직하다. 따라서, 일 측면에 있어서, 연속 전극 와이어는 다음과 같은 5개의 그룹으로 분리될 수 있다: 와이어 1, 6, 11, 16, ... 및 246을 위한 장력조정기들을 포함하는 그룹 1; 와이어 2, 7, 12, 17, ... 및 247를 위한 장력조정기들을 포함하는 그룹 2; 와이어 3, 8, 13, 18, ... 및 248을 위한 장력조정기들을 포함하는 그룹 3; 와이어 4, 9, 14, 19, ... 및 249를 위한 장력조정기들을 포함하는 그룹 4; 및 와이어 5, 10, 15, 20, ... 및 250을 위한 장력조정기들을 포함하는 그룹 5. 이러한 방식으로, 각각의 와이어를 위한 장력조정기들 사이의 가용 거리는 25 mm까지 증가한다.

복수의 연속 전극 와이어(1000)는, 브레이드(braided), 가연(twisted), 피아노(piano) 및 인발(drawn)을 포함하나 이들로 제한되지 않는 임의의 적합한 와이어 유형일 수 있다. 상대적으로 높은 표면적을 제공하는 와이어를 선택하여, 더 많은 액상 폴리머가 와이어의 표면을 코팅할 수 있고 전기방사에 이용 가능하도록 하는 것이 바람직할 수 있으며, 다만, 더 높은 표면적의 와이어는 잔류 미반응 폴리머가 잔류하는 더 많은 표면을 제공할 수 있고, 이는 오염/세정 문제를 발생시킬 수 있다.

본 명세서에 기술된 장치(100) 및 관련 구성요소들(와이어 구동 시스템(600); 개별 와이어 장력조정기(710)를 갖는 와이어 장력조정 시스템(700); 및 복수의 와이어 입구 개구들(430) 및 이에 대응하는 와이어 출구 개구들(440)을 갖는 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)를 포함하는 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400)를 포함하는 전기방사 인클로저(300);를 포함하되 이에 국한되지는 않음)은, 수십 또는 심지어 수백 개의 연속 전극 와이어(1000)가 전기방사 인클로저(300)를 통해 구동되는 것을 가능하게 하며, 거기에서 이들은 액상 폴리머로 코팅될 수 있고 전기방사 공정에 사용될 수 있다. 또한, 이들 복수(수십/수백)의 연속 전극 와이어(1000)는 무한 루프에서 전기방사 인클로저(300)를 통해 연속적으로 순환하고, 그에 따라, 폴리머 섬유 웹(110)을 형성하기 위한 본 개시의 전기방사 공정은 현재 알려진 전기방사 공정보다 훨씬 더 큰 용량(몇 자리 수 더 큰 용량)에서 수행될 수 있다.

본 장치는 전기방사 공정에 필요한 전계 강도를 제공하는 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)을 포함한다. 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)은 각각 음전압 공급원과 양전압 공급원을 갖는다. 통상적으로, 음전압 공급원은 전기방사 인클로저(300) 내부에 위치하여 기재(120)의 제1 면(810)에 근접한 전기 전도성 접지판(800)에 배선되어 연결되는 한편, 양전압 공급원은 복수의 연속 전극 와이어(1000)와 접촉하는 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축(850)에 배선되어 연결되며, 이때, 복수의 연속 전극 와이어(1000)는, 도 1 및 도 10에 도시된 바와 같이, 기재(120)의 제2 면(830)에 근접하여 위치한다. 일부 측면들에 있어서, 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축(850)은 그 표면 상에 고르게 분포된 복수의 홈들(예를 들어, V 자형 홈들)을 포함한다. 홈들 각각은 연속 전극 와이어들(1000) 중 하나를 수용한다. 홈과 전극 와이어 사이의 우수한 접촉은 대응하는 와이어 장력조정기(710)를 조정함으로써 유지되며, 그에 따라, 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)로부터의 양의 전압이 전극 와이어들(1000) 각각에 전달된다. 작동 중에, 전기 전도성 자유 회전축(850)은 전극 와이어(1000)가 이동함에 따라 자유롭게 회전한다. 일부 측면들에 있어서, 적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)의 양전압 및 음전압 공급원들은 전기 전도성 접지판(800)과 연속 전극 와이어들(1000) 사이에서 스위칭될 수 있다. 그러한 측면들에 있어서, 음전압 전기방사 공정이 고려된다.

적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)(도 1에서 전기방사 인클로저(300)의 외부에 도시됨)은 전기 전도성 접지판(800)과 복수의 연속 전극 와이어(1000) 사이에 전압 차이를 인가한다. 작동 중에, 전기방사 인클로저(300)의 전기방사 구역(Z)에서 전기 전도성 접지판(800)을 가로질러 통과하는 액상 폴리머 코팅된 연속 전극 와이어(1000)에 인가되는 양전압은, 연속 전극 와이어(1000) 상의 액상 폴리머가 대전되도록 야기하는 전기장을 발생시키고, 그 결과, 대전된 액상 테일러 콘 제트(Taylor Cone jets)(840)가 연속 전극 와이어(1000)의 표면으로부터 전도성 접지판(800)의 음전압 공급원을 향해 분출한다. 액상 테일러 콘 제트(840)는 비행 중에 연신되고 부분적으로 건조되어, 나노미터 스케일 또는 서브마이크론 스케일 직경을 갖는 폴리머 섬유를 형성한다. 섬유는 기재(120)와 접촉하고 그 위에서 수집되며, 이때, 기재(120)는 또한, 복수의 연속 전극 와이어(1000)와 대체로 평행하게, 그리고 복수의 연속 전극 와이어(1000)와 동일 또는 반대 방향으로, 전기방사 인클로저(300)를 통해 이동한다. 이 공정이 전기방사 구역(Z)으로 지칭될 수 있는 전기 전도성 접지판(800)의 길이를 통해 반복됨에 따라, 폴리머 섬유 웹(110)이 기재(120) 상에 형성된다. 폴리머 섬유는 본 명세서에서 나노미터 스케일 직경 또는 서브마이크론 스케일 직경을 갖는 것으로 기술되어 있고, 이들 섬유는 통상적으로 나노섬유 또는 서브마이크론 섬유로 지칭되지만, 인식될 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 장치 및 방법에 의해 제조된 섬유는 반드시 나노섬유 크기 또는 서브마이크론 크기일 필요는 없으며, 공정 조건은 다른 크기를 갖는 섬유를 형성하도록 변형될 수 있다.

적어도 하나의 고전압 전력 공급 유닛(820)이 도 1에서 전기방사 인클로저(300)의 외부에 도시되었지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 원한다면, 그것은 전기방사 인클로저(300) 내에 위치할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 특정 측면들에 있어서, 하나 이상의 와이어 입구 개구(430) 및 와이어 출구 개구(440)는, 와이어 입구 개구(430)/와이어 출구 개구(440)와 그것의 개별적 연속 전극 와이어(1000) 사이에 위치하는 모세관(460)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 모세관(460)은 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)로부터 바깥쪽으로 길이(L) 만큼 연장할 수 있으며, 모세관(460)을 관통하는 연속 전극 와이어(1000)의 직경보다 약간 더 큰 내부 직경을 모세관(460)이 가져서 작은 갭(470)을 발생시키도록, 모세관(460)의 크기가 정해질 수 있다. 모세관(460)의 내부 직경은, 연속 전극 와이어(1000)가 최소량의 마찰로 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)를 통과하는 것을 가능하게 할 수 있을 만큼 충분히 크도록, 그러나 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)로부터의 액상 폴리머의 과도한 손실을 방지하기에 충분할 정도로 작도록, 크기가 정해진다. 또한, 모세관(460)의 길이(L)는 액상 폴리머 코팅 매니폴드 내에 액체 배압(backpressure)을 제공함으로써, 모세관(들)(460)으로부터 액상 폴리머의 손실을 추가적으로 최소화한다. 모세관(460)(및 그것의 개별적 와이어 입구 개구/와이어 출구 개구)를 빠져 나가는 액상 폴리머는 본 명세서에 기술된 바와 같은 액상 폴리머 오버플로우 저장소(420)로 배출된다.

일부 측면들에 있어서, 상기 액상 폴리머 코팅 장치(400)는 액상 폴리머 오버플로우 포트(480)를 더 포함할 수 있다. 액상 폴리머 오버플로우 포트(480)는 본 명세서에 기술된 바와 같이 액상 폴리머 오버플로우 저장소(420) 내로 액상 폴리머가 넘쳐흐르기(overflow) 위한 추가의 공급원을 제공할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 액상 폴리머 오버플로우 포트(480)는 일정한 오버플로우 양(constant overflow amount)을 제공하도록 구성될 수 있으며, 그 결과, 액상 폴리머 코팅 장치(400) 내의 액상 폴리머가 연속적으로 이동하고 비교적 일정한 온도를 갖도록 보장할 수 있다.

특정 측면들에 있어서, 액상 폴리머 코팅 장치(400)는 와이어 위치결정 풀리들(wire positioning pulleys)(490)의 적어도 하나의 세트를 포함할 수 있다. 와이어 위치결정 풀리들(490)의 적어도 하나의 세트는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 와이어 입구 개구(430)의 근처에 위치할 수 있으며, 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)의 복수의 와이어 입구 개구(430) 내로 안내하도록 기능할 수 있다.

상기 장치(100)는, 특정 측면들에 있어서, 와이어 세정 어셈블리(500)를 포함할 수 있다. 와이어 세정 어셈블리(500)는 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 표면으로부터 잔류 액상 폴리머 또는 다른 전기방사 잔류물을 제거하기 위해 포함될 수 있다. 와이어 세정 어셈블리(500)는 본 명세서에서 설명된 액상 폴리머 코팅 장치(400)와 유사한 특징들을 포함할 수 있지만, 반드시 포함할 필요는 없다. 예시적인 와이어 세정 어셈블리(500)가 도 4b에 도시되어 있으며, 연속 전극 와이어(1000)의 개수에 대응하는 일정 개수의 용매 매니폴드 와이어 입구 개구(530) 및 용매 매니폴드 와이어 출구 개구(540)를 포함하는 용매 코팅 매니폴드(510)를 포함한다. 용매 코팅 매니폴드(510)는 또한, 용매 매니폴드 와이어 입구 개구(530) 및 용매 매니폴드 와이어 출구 개구(540)로부터 오버플로우 용매를 수용하는 용매 오버플로우 저장소(520)를 포함할 수 있다. 새로운 용매는, 용매 공급 스트림(1420)과 결부된 용매 코팅 포트(550)에 의해, 와이어 세정 어셈블리(500)에, 그리고, 포함되어 있다면, 용매 코팅 매니폴드(510)에, 제공될 수 있다. 용매 오버플로우 저장소(520)에 수집된 과량의 용매는, 용매 재순환 스트림(1430)과 결부된 용매 재순환 포트(555)를 통해, 용매 저장 및 공급 시스템(1400)으로 회송될 수 있다. 따라서, 용매 코팅 매니폴드(510)는 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)와 동일한 방식으로 작동할 수 있으나, 복수의 연속 전극 와이어(1000)에 용매 용액을 제공하여, 연속 전극 와이어(1000)로부터 잔류 액상 폴리머 또는 다른 전기방사 잔류물을 제거한다. 용매는 액상 폴리머 (예를 들어, 폴리머 용액)를 제조하는데 사용된 것과 동일한 종류이거나 또는 임의의 다른 적합한 용매일 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 용매 재순환 포트(555)는 중력 흐름에 의해 용매를 용매 저장 및 공급 시스템(1400)으로 재순환시킨다.

와이어 세정 어셈블리(500)는 도 5에 도시된 바와 같이 전기방사 인클로저(300) 내에 위치할 수 있거나, 또는 전기방사 인클로저(300)의 외부에 위치할 수 있으며(미도시), 다만, 인식될 수 있는 바와 같이, 어느 경우이든, 와이어 세정 어셈블리(500)는 전형적으로 전기방사 구역(Z)의 이후에 또는 하류에 위치할 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "상류" 및 그것의 상대 용어 "하류"는, 본 장치의 작동 동안의 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 이동 방향을 기준으로 하여, 하나의 구성요소의 다른 구성요소 대비 상대적 위치에 관련된다. 일부 측면들에 있어서, 연속 전극 와이어들(1000)이 와이어 세정 어셈블리(500)를 빠져나갈 때, 그리고 이들이 전기방사 인클로저(300)를 빠져나가기 전에, 와이어의 표면 상의 임의의 보유된 용매는 용매 건조 단계에서 증발될 수 있으며, 이는 연속 전극 와이어(1000)가 잠재적으로 유해한 용매를 환경으로 운반하는 것을 방지한다.

일부 측면들에 있어서, 장치(100)는 전기 전도 저항 측정 시스템(560)을 더 포함한다. 저항 측정 시스템은 복수의 연속 전극 와이어(1000)들 중 하나 이상의 저항을, 상류 접촉 지점(580)(예를 들어, 액상 폴리머 코팅 전에) 및 하류 접촉 지점(590)(예를 들어, 전기방사 구역(Z) 및/또는 와이어 세정 어셈블리(500) 후에) 둘 다에서, 측정하도록 구성된 옴미터(ohm meter)(570)와 같은 장치를 포함한다. 측정된 저항은, 전기방사 인클로저(300)를 빠져나가는 복수의 연속 전극 와이어(1000) 중 하나 이상이 그들의 해당 표면 상에 고형 폴리머를 함유할 수 있다는 것과, 와이어 스크러버(wire scrubber)(1900) 또는 다른 세정 시스템과 같은 더 가혹한 세정 방법을 통한 추가적인 세정을 필요로 한다는 것을 나타낼 수 있다. 특정 측면들에 있어서, 저항 측정 시스템은, 특정 시간 간격에 걸쳐서(예를 들어, 5 ms(milliseconds)마다), 상류 접촉 지점(580) 및 하류 접촉 지점(590)에서, 복수의 연속 전극 와이어(1000)들의 각각을 측정하도록 구성된다.

도 8을 참조하면, 앞에서 설명된 바와 같이, 상기 장치는 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)을 포함할 수 있다. 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은, 각각의 액상 폴리머 코팅 장치(400) 내에 제공된 액상 폴리머 코팅 매니폴드(410)의 액상 폴리머 공급 포트(450)를 통해, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치들(400) 각각에 액상 폴리머를 제공한다. 또한, 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은, 그 내부에 제공된 액상 폴리머 재순환 포트(455)를 통해, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치들(400) 각각으로부터 수용된 액상 폴리머 오버플로우를 수용한다. 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은 다음을 포함한다: 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치들(400) 각각으로부터 재순환된 액상 폴리머를 수용하고, 액상 폴리머 공급물을 거기에 전달하는 재순환 및 공급 탱크(1210); 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치들(400) 각각에 (예를 들어, 액상 폴리머 분배 매니폴드(미도시)를 통해) 액상 폴리머를 펌핑하는 액상 폴리머 순환 및 공급 펌프(1220); 및 원하는 액상 폴리머 온도를 유지하도록 작동하는 액상 폴리머 열교환기(1230). 주목되어야 하는 바와 같이, 도 8의 도식적 다이아그램은 다양한 펌프("M"), 유량계("F"), 밸브("V"), 조성 분석기/전송기("CA") 및 열교환기/냉각기("HC")를 도시하는데, 이들의 적절한 선택 및 동작은 통상의 기술자에게 알려져 있으며, 본 명세서에서는 구체적으로 설명되지 않는다.

액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은 액상 폴리머 제조 시스템(1300)으로부터, 액상 폴리머 충전 스트림(1305)을 통해, 액상 폴리머를 수용한다. 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)은 필요한 농도 및 온도에서 전기방사 공정에 사용되는 액상 폴리머를 제공하도록 작동한다. 액상 폴리머 제조 시스템(1300)은, 일부 측면들에 있어서, 교반기 및 폴리머 저장 및 충전 유닛(1320)을 포함하는 액상 폴리머 제조 탱크(1310)를 포함한다. 일부 측면들에 있어서, 액상 폴리머 제조 시스템(1300)은 회분식 공정으로 작동하고, 다음의 단계들을 포함한다: (a) 용매 충전 스트림(1350)을 통해 용매 저장 및 공급 시스템(1400)으로부터 미리 결정된 양의 용매를 액상 폴리머 제조 탱크(1310) 내로 수용하는 단계; (b) 폴리머 저장 및 충전 유닛(1320)으로부터 미리 결정된 양의 폴리머를 액상 폴리머 제조 탱크(1310) 내로 수용하는 단계; (c) 고형 폴리머가 용매에 완전히 용해될 때까지, 상기 폴리머 제조 탱크 내의 용매 및 폴리머를 혼합하면서, 미리 결정된 온도로 가열하는 단계; 및 (d) 제조된 폴리머 용액 회분을 재순환 및 공급 탱크(1210)로 이송하는 단계. 일부 측면들에 있어서, 액상 폴리머 제조 탱크는 액상 폴리머의 제조를 용이하게 하기 위한 교반 및 가열 특징(feature)을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 액상 폴리머 제조 시스템은 또한, 특정 측면들에있어서, 액상 폴리머 제조 이송 펌프(1330)를 포함할 수 있으며, 액상 폴리머 제조 이송 펌프(1330)는 액상 폴리머를 액상 폴리머 제조 탱크(1310)에서 폴리머 제조 열교환기(1340)를 통해 순환시키고, 회분의 완료시, 액상 폴리머를 폴리머 제조 탱크(1310)로부터 재순환 및 공급 탱크(1210)로, 액상 폴리머 충전 스트림(1305)을 통해, 이송한다.

특정 측면들에 있어서, 장치(100)는 또한, 용매 저장 및 공급 시스템(1400)을 포함할 수 있다. 용매 저장 및 공급 시스템(1400)은, 용매를 저장하고 또한 용매를 액상 폴리머 제조 시스템(1300) 및 와이어 세정 어셈블리(500)에 공급하도록 작동한다. 일부 측면들에 있어서, 용매 저장 및 공급 시스템을 위한 용매의 주요 공급원은 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)에서 회수되는 용매이며, 이하에서 더 상세히 설명된다. 그러한 측면들에 있어서, 새로운 보충 용매가, 와이어 세정 어셈블리(500)의 작동 및 다른 용매 취급 동안의 임의의 용매 손실을 보충하기 위해, 다른 공급원(미도시)으로부터 첨가될 수 있다. 용매 저장 및 공급 시스템(1400)은 용매 저장 탱크(1410)를 포함한다. 용매 저장 탱크(1410)로부터의 용매는 용매 공급 스트림(1420)을 통해 와이어 세정 어셈블리(500)에 제공되고, 용매 저장 탱크(1410)는 용매 재순환 스트림(1430)을 통해 와이어 세정 어셈블리로부터 오버플로우 용매를 수용한다. 또한, 용매는, 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)에서 액상 폴리머의 농도를 희석시킬 필요가 있는 경우, 액상 폴리머 희석 스트림(1440)을 통해 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)에 제공될 수 있다. 용매 공급 펌프(1450)는 용매를 와이어 세정 어셈블리(500), 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200) 및 액상 폴리머 제조 시스템(1300)으로 펌핑한다.

추가의 측면에서, 장치(100)는 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)을 포함하는데, 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)은, 일부 측면들에 있어서, 몇 개의 서브시스템을 포함하며, 이들의 작동 및 기능은 이하에서 더 상세히 설명된다.

일부 측면들에 있어서, 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)은 전기방사 인클로저(300)에 근접한 대기/공기가 전기방사 인클로저(300) 내로 흡입되도록 전기방사 인클로저(300)에 필요한 수준의 진공을 제공하며, 이는 전기방사 인클로저(300) 내의 잠재적으로 유해한 증기가 환경으로 탈출하는 것을 방지한다. 특정 측면들에 있어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 증기 수집 및 용매 회수 시스템은, 증기 및 가스를 전기방사 인클로저(300)로부터 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600) 내로 끌어들이기 위한 5개의 송풍기(송풍기 #1(1505), 송풍기 #2(1510), 송풍기 #3(1515), 송풍기 #4(1520) 및 송풍기 #5(1525))를 포함한다. 송풍기 #1(1505)은 주위 공기를 전기방사 인클로저(300) 내로 다양한 진입 지점(주변 공기 진입 지점 #1(1610A), #2(1610B) 및 #3(1610C))에서 끌어들이며, 이는, 복수의 연속 전극 와이어(1000)가 전기방사 인클로저(300)에 출입하기 위한(방출 제어 박스(1800A)), 기재(120)가 전기방사 인클로저(300)에 진입하기 위한(방출 제어 박스(1800B)), 그리고 기재(120)가 전기방사 인클로저(300)를 빠져나가기 위한(방출 제어 박스(1800C)) 구멍들을 포함한다. 주위 공기 및 일부 폴리머 및 용매(방출 제어 박스 배출 스트림(1605A, 1605B, 및 1605C)를 통해)는 송풍기 #1(1505)을 통해 인출된 후 수집되어, 최종적으로 소각로(1620)에서 폐기됨으로써, 유해한 잔류 증기를 제거하게 된다. 방출 제어 박스 배출 스트림은, 일부 측면들에 있어서, 공지된 기계적 부착 방법에 의해 방출 제어 박스에 부착되거나 결합될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 송풍기 #1(1505)은 약 -2" 물 기둥 게이지(water column gauge: WCG) 내지 약 -10" WCG의 진공에서 방출 제어 박스(1800A, 1800B 및 1800C)를 작동시킨다.

소각로(1620)의 산출물은 대기로 배출될 수 있다. 특정 측면들에 있어서, 송풍기 #3(1515)는, 상대적으로 낮은 온도를 가지며 용매 증기가 풍부한 용매 증기 스트림(1630)을 통해, 생성된 용매 증기 및 통풍 가스(사용되는 경우)를 수집한다. 한편, 송풍기 #2(1510)는, 섬유 건조를 위해 사용되는 섬유 건조 및 고온 건조 가스로부터 발생된 증기를, 상대적으로 높은 온도 및 낮은 증기 농도를 갖는 고온 가스 배출 스트림(1605D)을 통해, 수집한다. 송풍기 #2(1510)로부터의 증기/가스는 송풍기 #5(1525)를 통해 열교환기 #1(1540)을 통과하여, 용매 응축기(1640)로부터의 배출 가스 스트림(vent gas stream)과 열을 교환한다. 열교환기 #1 후에, (감소된 온도를 갖는) 송풍기 #2(1510)의 출구로부터의 스트림은, 송풍기 #3(1515)의 출구로부터의 용매 증기 스트림(1630)과 합쳐진다. 이 합쳐진 증기/가스 스트림은 벤츄리 믹서(venturi mixer)(1565) 및 용매 응축기(1640)로 들어간다. 벤츄리 믹서(1565)는 증기/가스 스트림과 펌프 #1(1535)로부터의 차가운 액체 순환 스트림을 혼합하며, 그에 따라, 증기/가스 온도는, 대략적으로 용매 응축기(1640) 내부의 용매 액체의 작동 온도까지, 추가적으로 냉각된다. 결과적으로, 증기/가스 스트림 내의 대부분의 용매 증기는 액체로 응축된다. 증기의 응축에 의해 방출된 열은 벤츄리 혼합기로 유입되는 차가운 용매 액체 순환 스트림에 의해 흡수되며, 그 다음, 그러한 열은 냉매(비제한적인 예를 들면, 냉각수(cooling water) 및 냉각된 물(chilled water))를 사용하여 열교환기 #2(1545)에 의해 제거된다. 벤츄리 혼합기(1565)의 작동을 통해 응축되지 않은 임의의 용매 증기는, 용매 응축기(1640)로부터의 배출 가스(vent gas)가 열교환기 #5(1560)를 통과할 때, 추가적으로 응축될 것이다. 용매 응축기(1640) 내부의 회수된 액체 용매는, 용매 응축 스트림(1650)을 통해, 용매 저장 및 공급 시스템(1400)으로 회송된다. 일부 측면들에 있어서, 회수율은 용매 응축기(1640) 내부의 액체 레벨에 의해 제어될 수 있다.

열교환기 #5(1560) 후에, 배출 가스(vent gas)는 가스 중에 더 낮은 증기 함량을 갖는다. 배출 가스 스트림은 2개의 분리된 스트림으로 분할될 수 있는데, 그 중 하나는 송풍기 #5(1525)로, 다른 하나는 송풍기 #4(1520)로 향한다. 송풍기 #5(1525)로부터의 배출 가스는 추가적으로 2개의 스트림으로 분할되는데, 그 중 하나는 소각로(1620)로, 다른 하나는 열교환기 #1(1540)로 향한다. 소각로(1620)로 향하는 배출 스트림의 유량은 요구되는 가스 퍼지량에 기초하여 제어될 수 있으며, 이는 용매 증기 스트림(1630) 및 고온 가스 공급 스트림(1670)에서 측정된 산소 농도들의, 미리 설정된 값으로부터의 편차에 기초하여 계산될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 미리 설정된 값은 명목상, 용매 증기가 점화될 잠재성을 갖게 되는 산소 농도의 20 내지 30%이다. 편차가 증가함에 따라, 더 많은 배출 스트림이 소각로(1620)로 퍼지되며, 그 반대도 마찬가지이다. 송풍기 #5(1525)로부터의 다른 배출 스트림의 온도는 열교환기 #2(1545)를 통과한 후에 증가한다. 이 가열된 배출 가스는 전기방사 인클로저(300)로 회송되고, 전기방사 공정을 위한 통풍 가스로서 재사용된다. 송풍기 #4(1520)로의 배출 스트림은 추가적으로 2개의 분리된 스트림으로 분할되는데, 그 중 하나는 열교환기 #3(1550)으로, 다른 하나는 흡착 베드(adsorption bed)(1660)로 향한다. 열교환기 #3(1550)으로부터의 배출 스트림의 온도는 미리 설정된 값까지 증가되는데, 이때, 상기 미리 설정된 값은, 일부 측면들에 있어서, 전기방사 인클로저(300) 내부의 섬유 웹을 건조시키는데 사용되는 1차 건조 가스의 온도이다.

본 명세서에 기술된 장치(100)의 측면들은 적어도, 독성 또는 인화성 폴리머의 전기방사를 가능하게 함으로써, 현재의 전기방사 공정에 비해 추가적인 이점을 제공하는데, 이는, 대기압 미만에서 작동되는 전기방사 인클로저가 독성 및/또는 인화성 증기가 대기/작업 환경 내로 탈출하는 것을 방지하기 때문이다. 이들 증기는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 수집되고 안전하게 처리된다. 더욱 특히, 일부 측면들에 있어서, 전기방사 인클로저(300)는 인클로저 내의 산소 함량을 측정 및/또는 모니터링하기 위한 하나 이상의 산소 센서를 포함한다. 검출된 산소 함량이 미리 설정된 낮은 값보다 높은 경우에는, 송풍기 #5(1525)로부터의 더 많은 배출 가스가 소각로(1620)로 보내지고, 전기방사 인클로저(300) 내부의 산소 함량이 미리 설정된 낮은 값 아래로 떨어질 때까지, 새로운 불활성 가스(비제한적인 예를 들면, 질소)가 전기방사 인클로저(300) 내로 충전될 수 있다. 추가 측면들에 있어서, 검출된 산소 함량이 미리 설정된 높은 값보다 높아지게 되면, 고전압 전력 공급 유닛(820)는, 안전 특징으로서, 자동적으로 차단될 수 있다. 안전 특징은, 예를 들어, 고전압 전력 공급 유닛(820)의 접촉부를 접지 시스템으로 스위칭하는 것 및/또는 다량의 새로운 질소를 전기방사 인클로우저(300) 내로 충전하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 이들 특징은 미리 설정된 낮은 값으로부터 미리 설정된 높은 값까지의 범위에서 전기방사 인클로저 내부의 산소 농도를 조절할 수 있으며, 이때, 미리 설정된 높은 값은, 일부 측면들에 있어서, 가스/증기 혼합물이 점화원에 의해 점화될 수 있게 하는 산소 농도의 대략 30%이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일부 측면들에 있어서, 흡착 베드(1660)는 송풍기 #4(1520)로부터의 잔류 용매 증기를, 전기방사 인클로저(300) 내부의 섬유 웹을 건조시키는데 사용되는 2차 건조 가스에 적합한 미리 결정된 낮은 수준으로 제거하는 탄소 흡착 베드이다. 2차 건조 가스의 요구되는 온도는, 흡착 베드(1660)로부터의 가스 스트림을 열교환기 #4(1555)로 통과시킴으로써 얻어질 수 있다. 매우 낮은 용매 증기 함량을 갖는 이 가열된 가스는 전기방사 인클로저(300) 내로 보내지고, 건조 가스의 공급원으로서 사용된다. 전기방사 인클로저(300)는 내부의 압력을 모니터링하기 위한 하나 이상의 압력 센서를 포함할 수 있다. 논의된 바와 같이, 전기방사 인클로저에서의 작동 압력은 대기압보다 낮은 압력으로 유지되며, 이는, 열교환기(1555) 이전에, 필요한 양의 신선한 보충 가스를 가스 스트림으로 보내는 것에 의해 제어된다. 예를 들어, 전기방사 인클로저(300) 내부의 측정된 압력이 미리 설정된 값보다 작으면, 더 많은 신선한 보충 가스가 시스템 내로 충전될 것이며, 그 반대도 마찬가지이다. 반면에, 전기방사 인클로저(300) 내부의 측정된 압력이(심지어 신선한 보충 가스 흐름이 0인 경우에도) 미리 설정된 값보다 높으면, 송풍기 #5(1525)로부터 소각로(1620)로의 배출 가스량은 이에 대응하여 증가될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기방사 인클로저 내부의 작동 압력은 미리 설정된 낮은 값으로부터 미리 설정된 높은 값까지의 범위에서 제어될 수 있다.

도 9 내지 도 12는, 도 1에 더욱 개략적으로 도시된 장치(100)의 상세한 도식적 다이아그램을 제공한다. 전체 장치는 도 9에 도시되어 있으며, 도시된 바와 같이 3개의 구역으로 분할된다. 구역 A는 도 10에 도시되고, 구역 B는 도 11에 도시되며, 구역 C는 도 12에 도시된다. 특정 측면들에 있어서, 장치(100)는 앞에서 기술된 하나 이상의 구성요소들에 부가하여 다른 특징들을 포함할 수 있다.

통풍 가스 공급원(1710)(도 11에 도시됨)을 포함하는 통풍 가스 공급 시스템을 통해, 전기방사 인클로저(300) 내의 복수의 연속 전극 와이어(1000) 상으로 통풍 가스가 송풍될 수 있으며, 이때, 통풍 가스 공급원(1710)은 도 8에 도시된 고온 가스 공급 스트림(1670) 및 통풍 가스 분배 매니폴드(1720)를 포함한다. 통풍 가스 분배 매니폴드(1720)는, 일련의 배출구들(vents), 노즐들 또는 다른 적합한 구멍들을 통해, 통풍 가스를 복수의 연속 전극 와이어(1000)에 분배할 수 있다. 통풍 가스 공급 시스템은 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 표면으로부터 분출하는 액상 테일러 콘 제트(840)에 상향력을 제공함으로써, 액상 테일러 콘 제트(840)로부터 형성된 폴리머 섬유가 기재(120)의 표면에 도달하도록 보장하는 것을 돕는다. 일부 측면들에 있어서, 통풍 가스의 온도(열교환기 #1(1540)을 통해 조정됨) 및 유량(열교환기 #1(1540) 위의 제어 밸브를 통해 조정됨) 중 하나 또는 둘 다는 바람직한 성능을 위해 조정될 수 있다. 통풍 가스는 본 명세서에 기술된 송풍기 #3(1515)(도 8에 도시됨)에 의해 배출 매니폴드(exhaust manifold)(1680)를 통해 제거될 수 있다.

기재(120) 상에 형성된 폴리머 섬유 웹(110)은 형성될 때 완전히 건조되지 않을 수 있으며, 잔류 용매를 포함할 수 있다. 본 개시의 일부 측면들에 있어서, 1차 건조 단계, 및 2차 건조 단계가, 폴리머 섬유 웹(110)을 건조하는데 사용될 수 있다. 각 건조 단계에서 고온 가스가 건조 매질로서 사용된다. 열교환기 #3(1550)를 빠져나가는 고온 가스는 1차 건조 단계에서의 건조 매질(1차 건조 가스)로서 사용되는 한편, 열교환기 #4(1555)를 빠져나가는 고온 가스는 2차 건조 단계에서의 건조 매질(2차 건조 가스)로서 사용된다. 2차 건조 가스는 1차 건조 가스보다 용매 증기 함량이 상대적으로 낮고 온도가 더 높다.

1차 건조 가스는 1차 분배 매니폴드(1690A)(도 11 참조)를 통해 1차 건조 영역으로 진입하고, 2차 건조 가스는 2차 분배 매니폴드(1690B)(도 10 참조)를 통해 2차 건조 영역으로 진입한다. 1차 건조 가스 및 2차 건조 가스 둘 다는, 도 8에 도시된 바와 같이, 송풍기 #2(1510)에 의해, 고온 가스 배출 스트림(1605D)을 통해, 전기방사 인클로저(300)를 빠져나간다. 1차 및 2차 분배 매니폴드(1690A 및 1690B)는 일련의 배출구들, 노즐들 또는 다른 적합한 구멍들을 통해 고온 가스를 기재(120)/폴리머 섬유 웹(110)에 분배할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 1차 건조 가스의 온도 및 유량은 열교환기 #3(1550) 및 그것의 관련 제어 밸브에 의해 조절되고 제어될 수 있다. 동일한 방식으로, 2차 건조 가스의 온도 및 유량은 열교환기 #4(1555) 및 그것의 관련 제어 밸브에 의해 조절되고 제어될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 바와 같이, 장치(100)는 전기방사 인클로저(300)를 통해 기재을 이동시키는 기재 이송 시스템(150)을 포함한다. 일부 측면들에 있어서, 기재(120) 및 그 위에 형성된 폴리머 섬유 웹(110)은 전기방사 인클로저(300)를 빠져나갈 수 있고, 이를 결합 롤러(210)(도 1에 도시됨) 상에 권취함으로써, 수집될 수 있다. 그러나, 도 10에 도시된 다른 측면에 있어서, 폴리머 섬유 웹(110)은 기재(120)로부터 벗겨져 섬유 웹 롤러(220) 상에 권취될 수 있고, 기재는 별도의 기재 마무리 롤러(230) 상에 권취될 수 있다. 다른 측면들(미도시)에서, 기재는 연속 기재일 수 있으며, 폴리머 섬유 웹이 기재로부터 제거되고 섬유 웹 롤러 상에 권취되므로, 기재는 장치(100) 내로 연속적으로 순환될 수 있다(이는, 복수의 연속 전극 와이어(1000)가 연속적으로 작동되는 것과 매우 동일한 방식임).

기재(120)는 바람직하게는 다공성/투과성 재료이며, 이는 가벼울 뿐만아니라, 1차 분배 매니폴드(1690A) 및 2차 분배 매니폴드(1690B)로부터의 고온 가스가 그것을 통과하여 폴리머 섬유 웹(110)을 건조시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 기재(120)는 장치(100)/전기방사 인클로저(300)를 통해 찢어짐 없이 이송되기에 충분한 강도를 가져야 한다. 또한, 기재(120)는 본 명세서에 기술된 바와 같은 롤러 상에 권취될 수 있고 전기방사 공정 중에 형성된 폴리머 섬유를 수용할 수 있는 임의의 적합한 재료일 수 있다. 기재(120)는, 기재(120)가 전기방사 인클로저(300)를 빠져나갈 때 기재(120)에 장력을 제공하는 기재 장력조정기(130)를 포함할 수 있다. 기재 방향전환 롤러(substrate re-direction roller)(135)는, 기재(120)가 기재 공급 롤러(200)로부터 풀려날 때, 기재(120)의 진행 방향을 변경하도록 제공될 수 있다.

일부 측면들에 있어서, 장치(100)는 방출 제어 박스(1800A)를 포함할 수 있으며, 방출 제어 박스(1800A)를 통해, 복수의 연속 전극 와이어(1000)가, 전기방사 인클로저(300)로 들어가기 전 및 이를 빠져나간 후에, 통과한다. 방출 제어 박스(1800A)는 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 위한 최적화된 갭 공간(gap spaces)을 포함하며, 그에 따라, 장치(100)의 작동 중에, 전기방사 인클로저(300)에 근접한 대기/공기가, 전기방사 인클로저(300) 내로 진입하는 것을 최소화한다.

추가 측면들에 있어서, 장치(100)는 와이어 스크러버(1900)를 포함할 수 있다. 와이어 스크러버(1900)는 복수의 연속 전극 와이어(1000)와 몇몇 적합한 위치(예를 들어, 복수의 연속 전극 와이어(1000)가 전기방사 인클로우저에 들어가는 곳에 근접한 위치(도 12 참조))에서 접촉할 수 있으며, 복수의 연속 전극 와이어(1000)의 표면을 세정하는 추가적인 메커니즘을 제공할 수 있다. 특정 측면들에 있어서, 와이어 스크러버는 전기방사 인클로저의 외부에 위치한다. 일 측면에 있어서, 와이어 스크러버는 사포(sandpaper)와 같은 연마 재료이다. 와이어 스크러버(1900)는 복수의 연속 전극 와이어(1000)와 물리적으로 접촉하고, 와이어 표면 상에 남아있는 침착된 및/또는 코팅된 폴리머를 연마적으로 제거하며, 그 결과, 전극 와이어의 효율을 향상시킨다. 다른 와이어 스크러빙 재료 및 다른 연마 재료가 공지되어 있으며, 와이어 스크러버(1900)에 사용될 수 있다.

도면들에 도시된 바와 같이, 장치(100)는, 하나 이상의 복수의 연속 전극 와이어(1000), 기재(120) 및 폴리머 섬유 웹(110)의 이동 방향을 유지 및/또는 변경하기 위한 수많은 풀리들(pulleys)(P)을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기술된 장치(100)의 측면들은 또한, 수십 또는 심지어 수백 개의 연속 전극 와이어를 사용하여 수백 kg/hr 이상의 대규모 산업적 생산을 가능하게 함으로써, 종래의 전기방사 공정에 비해 현저한 이점들을 제공한다. 일부 측면들에 있어서, 상기 장치는 25개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 50개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 100개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 150개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 200개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 300개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 400개 이상의 연속 전극 와이어, 또는 심지어 500개 이상에 달하는 연속 전극 와이어를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 연속 전극 와이어는 매우 긴 길이를 가질 수 있다. 본 개시의 특정 측면들에 있어서, 5 m 내지 심지어 50 m 또는 그 이상의 연속 전극 와이어 길이가 사용될 수 있으며, 그에 따라, 회분식 시스템을 사용하여 작동하는 종래의 시스템에서는 달성될 수 없는 연속 폴리머 섬유 제조 속도가 달성될 수 있다.

액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 방법

본 개시는 또한, 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 명세서에서 설명된 장치(100)의 구성요소들을 포함하고, 그 설명 및 작동은 여기에서 반복되지 않을 것이며, 이들 구성요소에 대한 지시번호는 본 방법 내로의 이들의 통합을 언급할 때 사용될 것이다. 도 13을 참조하면, 일 측면에 있어서, 방법(2000)은, 단계 2100에서, 복수의 연속 전극 와이어를, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치 및 전기방사 구역을 포함하는 전기방사 인클로저를 통해, 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템을 사용하여, 구동시키는 단계를 포함한다. 단계 2200은, 기재를, 전기방사 인클로저 및 전기방사 구역을 통해, 복수의 연속 전극 와이어에 실질적으로 평행하도록, 전기방사 인클로저 외부에 위치하는 기재 이송 시스템을 사용하여, 구동시키는 단계를 포함한다. 단계 2300에서, 액상 폴리머 층이 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치에서 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된다. 단계 2400에서, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유가 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 액상 폴리머로부터 전기방사 구역에서 형성된다. 단계 2500은, 기재 상의 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를, 폴리머 섬유 웹으로서 수집하는 단계를 포함한다. 단계 2600에서, 잔류 폴리머는 전기방사 인클로저 내에 위치하는 와이어 세정 어셈블리를 사용하여 복수의 연속 전극 와이어의 표면으로부터 제거된다.

다른 측면들이 여기에 기술되는 방법(2000)에 포함될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 그러한 측면들은 다음을 포함하나, 이에 제한되지 않는다: 저항 측정 시스템(560)을 사용하여 복수의 연속 전극 와이어 중 하나 이상의 저항을 측정하는 단계; 액상 폴리머를 재순환시키고, 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템(1200)을 사용하여 액상 폴리머 공급물을 제공하는 단계; 액상 폴리머 제조 시스템(1300)을 사용하여 액상 폴리머를 제조하는 단계; 용매 저장 및 공급 시스템(1400)을 사용하여 용매를 저장 및 공급하는 단계; 증기 수집 및 용매 회수 시스템(1600)을 사용하여 증기를 수집, 스크러빙 및/또는 세정하는 단계; 앞에서 기술된 바와 같이, 복수의 연속 전극 와이어 상에 통풍 가스를, 및/또는, 기재/폴리머 섬유 웹 상에 건조 가스/고온 가스를, 송풍하는 단계; 전기방사 인클로저를 통해 기재을 이동시키기 위해 기재 이송 시스템(150)을 사용하고, 기재 및 폴리머 섬유 웹을(개별적으로 또는 조합하여) 롤러 상에 권취하는 단계; 전기방사 인클로저 내로의 공기의 유입을 최소화하기 위해 방출 제어 박스(1800A, B, C)를 사용하는 단계; 및 와이어 스크러버(wire scrubber)(1900)로 복수의 연속 전극 와이어를 스크러빙(scrubbing)하는 단계.

전기방사 장치를 통해 복수의 연속 전극 와이어를 구동시키기 위한 방법

본 개시는 또한, 전기방사 장치를 통해 복수의 연속 전극 와이어를 구동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 명세서에서 설명된 장치(100)의 구성요소들을 포함하고, 그 설명 및 동작은 여기에서 반복되지 않을 것이며, 이들 구성요소에 대한 지시번호는 이들이 이 방법에 통합됨을 언급할 때 사용될 것이다. 전기방사 장치(100)는, 복수의 연속 전극 와이어(1000) 상에 코팅된 액상 폴리머 층으로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹(110)이 기재(120) 상에 형성되는 전기방사 인클로저(300)를 포함한다. 도 14를 참조하면, 일부 측면들에 있어서, 방법(3000)은, 단계 3100에서, 복수의 연속 전극 와이어를 마스터 와이어 구동 드럼 및 슬레이브 와이어 구동 드럼 상에 배열하는 단계를 포함한다. 마스터 와이어 구동 드럼 및 슬레이브 와이어 구동 드럼 각각은 복수의 와이어 가이드를 포함하고, 각각의 와이어 가이드는 복수의 연속 전극 와이어 중 하나를 수용하기 위한 채널 또는 홈을 포함한다. 단계 3200에서, 마스터 와이어 구동 드럼은 전기방사 인클로저를 통해 복수의 연속 전극 와이어를 구동하도록 회전된다. 마스터 와이어 구동 드럼 및 슬레이브 와이어 구동 드럼은 전기방사 장치의 외부에 있다.

다른 측면들이 방법(3000)에 포함될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 그러한 측면들은 본 명세서에 기술된 시스템 및 구성요소들을 동작시키는 방법들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

전기방사 인클로저로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 수집하기 위한 방법

본 개시는 또한, 전기방사 인클로저로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 수집하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 명세서에서 설명된 장치(100)의 구성요소들을 포함하고, 그 설명 및 동작은 여기에서 반복되지 않을 것이며, 이들 구성요소에 대한 지시번호는 이들이 이 방법에 통합됨을 언급할 때 사용될 것이다. 전기방사 장치(100)는 전기방사 인클로저(300) 및 전기방사 구역(Z)을 포함하며, 그 내부에서, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹(110)이 복수의 연속 전극 와이어(1000) 상에 코팅된 액상 폴리머 층으로부터 기재(120) 상에 형성된다. 도 15를 참조하면, 일부 측면들에 있어서, 방법(4000)은, 단계 4100에서, 기재 공급 롤러로부터 기재를 풀어내는(unrolling) 단계를 포함한다. 단계 4200에서, 기재에는, 기재 장력조정기에 의해 장력이 가해진다. 기재는, 단계 4300에서, 그 위에 코팅된 액상 폴리머 층을 갖는 복수의 연속 전극 와이어에 실질적으로 평행하도록, 전기방사 인클로저 및 전기방사 구역을 통해, 구동된다. 단계 4400에서, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유가, 전기방사 구역에서, 복수의 연속 전극 와이어 상에 코팅된 액상 폴리머 층으로부터 전기방사된다. 단계 4500에서, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유가 기재 상에서 폴리머 섬유 웹으로서 수집된다. 단계 4600에서, 폴리머 섬유 웹 및 기재는 전기방사 인클로저 밖으로 구동되어 나온다.

다른 측면들이 방법(4000)에 포함될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 그러한 측면들은 본 명세서에 기술된 시스템 및 구성요소들을 동작시키는 방법들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 기재 상에 연속 무 바늘 전기방사하기 위한 전기방사 장치를 작동시키기 위한 방법

본 개시는 또한, 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹을 기재 상에 연속 무바늘 전기방사하기 위한 전기방사 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 명세서에서 설명된 장치(100)의 구성요소들을 포함하고, 그 설명 및 동작은 여기에서 반복되지 않을 것이며, 이들 구성요소에 대한 지시번호는 이들이 이 방법에 통합됨을 언급할 때 사용될 것이다. 전기방사 장치(100)는, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400) 및 전기방사 구역(Z)을 포함하는 전기방사 인클로저(300), 및 전기방사 인클로저(300)의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템(600)을 포함한다. 와이어 구동 시스템(600)은, 전기방사 인클로저(300) 및 그 내부에 위치하는 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치(400) 및 전기방사 구역(Z)을 통해, 복수의 연속 전극 와이어(1000)를 구동시킨다. 도 16을 참조하면, 일부 측면들에 있어서, 방법(5000)은, 단계 5100에서, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치에 액상 폴리머 공급물을, 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템을 사용하여, 제공하는 단계를 포함한다. 단계 5200에서, 전기방사 인클로저에서 생성된 증기는 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 증기 수집 및 용매 회수 시스템에서 수집되고 처리된다. 증기 수집 및 용매 회수 시스템은 전기방사 인클로저 내 압력을 대기압보다 낮게 유지한다.

다른 측면들이 방법(5000)에 포함될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 그러한 측면들은 본 명세서에 기술된 시스템 및 구성요소들을 동작시키는 방법들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

본 개시의 요소들의 다양한 조합, 예를 들어, 동일한 독립항에 종속하는 종속항들로부터의 요소들의 조합은, 본 개시에 의해 포괄된다.

본 개시의 실시예들

다양한 측면들에 있어서, 본 개시는 적어도 하기 실시예들에 관한 것이고, 적어도 하기 실시예를 포함한다.

실시예 1: 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 연속 무바늘 전기방사 장치로서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는,

a. 전기방사 인클로저로서,

하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치;

전기 전도성 접지판을 포함하는 전기방사 구역; 및

와이어 세정 어셈블리;를 포함하는 전기방사 인클로저;

d. 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 기재 이송 시스템; 및

e. 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛;을 포함하며,

여기서,

상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치는 액상 폴리머의 층을 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅하며,

상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은 상기 복수의 연속 전극 와이어에 고전압을 인가하고, 상기 전기방사 구역 내의 상기 복수의 연속 전극 와이어와 상기 전기 전도성 접지판 사이에 전기장을 발생시키고, 그에 따라, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 상기 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성하며,

상기 와이어 세정 어셈블리는 상기 복수의 연속 전극 와이어로부터 잔류 액상 폴리머를 세정하기 위한 용매를 포함하며,

상기 기재 이송 시스템은 상기 전기방사 인클로저를 통해 기재를 구동시키고, 상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 폴리머 섬유 웹으로서 수집하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 2: 실시예 1에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 매니폴드를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 매니폴드는 상기 액상 폴리머를 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치에 공급하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 3: 실시예 1 또는 2에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템을 더 포함하고, 상기 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템은 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치로부터 오버플로우(overflow) 액상 폴리머를 수용하며, 또한 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치에 새로운 액상 폴리머를 제공하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 4: 실시예 3에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 적어도 하나의 액상 폴리머 오버플로우 저장소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 액상 폴리머 오버플로우 저장소는 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치로부터의 오버플로우 액상 폴리머를 수용하고 상기 오버플로우 액상 폴리머를 상기 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템으로 회송하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 5: 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 통풍 가스 공급원 및 통풍 가스 분배 매니폴드를 포함하는 통풍 가스 공급 시스템(draft gas supply system)을 더 포함하고, 상기 통풍 가스 분배 매니폴드는 상기 통풍 가스 공급원으로부터 통풍 가스를 수용하고 상기 통풍 가스를 상기 전기방사 구역 내의 상기 복수의 연속 전극 와이어 상으로 송풍함으로써, 상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유의 수집을 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 6: 실시예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 1차 분배 매니폴드를 포함하는 1차 건조 영역을 더 포함하고, 상기 1차 분배 매니폴드는 1차 건조 가스를 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹에 분배함으로써, 이들의 건조를 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 7: 실시예 6에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 2차 분배 매니폴드를 포함하는 2차 건조 영역을 더 포함하고, 상기 2차 분배 매니폴드는 2차 건조 가스를 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹에 분배함으로써, 이들의 건조를 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 8: 실시예 7에 있어서, 상기 2차 건조 가스는, 상기 1차 건조 가스 보다 상대적으로 더 낮은 용매 증기 함량 및 상대적으로 더 높은 온도를 갖는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 9: 실시예 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 상기 전기방사 인클로저의 근처에 위치하는 적어도 하나의 방출 제어 박스를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 방출 제어 박스는 하나 이상의 상기 복수의 연속 전극 와이어 및 상기 기재가 상기 전기방사 인클로저에 들어가거나 또는 상기 전기방사 인클로저로부터 빠져나오기 위한 구멍들을 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 10: 실시예 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치는:

복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 액상 폴리머 층을 코팅하기 위한 액상 폴리머 코팅 매니폴드로서, 복수의 와이어 입구 개구 및 복수의 와이어 출구 개구를 포함하는 액상 폴리머 코팅 매니폴드;

상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드로부터 액상 폴리머 오버플로우를 수용하는 액상 폴리머 오버플로우 저장소; 및

상기 복수의 와이어 입구 개구 및 상기 복수의 와이어 출구 개구를 통해 상기 복수의 연속 전극 와이어를 안내하는 와이어 위치결정 풀리들(wire positioning pulleys)의 적어도 일 세트;를 포함하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 11: 실시예 10에 있어서, 상기 복수의 와이어 입구 개구들 각각은, 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 하나가 통과하도록, 상기 복수의 와이어 출구 개구들 중 하나와 정렬되는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 12: 실시예 10 또는 11에 있어서, 상기 복수의 와이어 입구 개구들 및 상기 복수의 와이어 출구 개구들 각각은 모세관을 포함하고, 상기 모세관은 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드를 통해 상기 연속 전극 와이어를 안내함으로써, 상기 액상 폴리머가 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드 내의 상기 연속 전극 와이어를 코팅하고 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드 밖으로의 액상 폴리머의 누출을 최소화하는 것을 가능하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 13: 실시예 10 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드는 액상 폴리머 공급 포트 및 액상 폴리머 오버플로우 포트를 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 14: 실시예 13에 있어서, 상기 액상 폴리머 코팅 장치는 액상 폴리머 재순환 포트, 및 상기 액상 폴리머 오버플로우 포트로부터 액상 폴리머를 수용하기 위한 액상 폴리머 오버플로우 저장소를 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 15: 실시예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은:

상기 전기 전도성 접지판에 연결된 음 전압 공급원; 및

적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축에 연결된 양 전압 공급원;을 포함하고,

상기 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축은 상기 복수의 연속 전극 와이어와 회전 접촉하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 16: 실시예 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축은 연속 전극 와이어의 개수에 대응하는 복수의 홈(groove)을 포함하고, 상기 홈들 각각은 상기 연속 전극 와이어들 중 하나를 수용하고 그것과의 접촉을 유지함으로써, 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛으로부터의 고전압이 상기 연속 전극 와이어들에 전달되도록 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 17: 실시예 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은 상기 전기방사 인클로저의 내부 또는 외부에 위치하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 18: 실시예 1 내지 17 중 어느 하나에 있어서, 상기 와이어 세정 어셈블리는 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면으로부터 잔류 폴리머 용액을 세정 및 제거하기 위한 용매 코팅 매니폴드를 포함하고, 상기 용매 코팅 매니폴드는:

복수의 용매 매니폴드 와이어 입구 개구 및 복수의 용매 매니폴드 와이어 출구 개구; 및

상기 용매 코팅 매니폴드로부터 오버플로우 용매를 수용하기 위한 용매 오버플로우 저장소;를 포함하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 19: 실시예 18에 있어서, 상기 복수의 용매 매니폴드 와이어 입구 개구들 각각은, 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 하나가 통과할 수 있도록, 상기 복수의 용매 매니폴드 와이어 출구 개구들 중 하나와 정렬되는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 20: 실시예 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 기재 이송 시스템은:

상기 기재 및 상기 기재 상의 전기방사된 폴리머 섬유 웹을 권취하기 위한 결합 롤러(combination roller); 또는

상기 전기방사된 폴리머 섬유 웹을 권취하기 위한 섬유 웹 롤러 및 상기 기재를 권취하기 위한 기재 마무리 롤러;를 포함하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 21: 실시예 1 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사장치는, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 하류에 이격되어 위치하는 상류 접촉점 및 하류 접촉점을 포함하는 저항 측정 시스템을 더 포함하고,

상기 저항 측정 시스템은 상기 상류 접촉점과 상기 하류 접촉점 사이에서 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 하나 이상의 전기 저항을 측정하며,

상기 측정된 전기 저항은 상기 연속 전극 와이어의 표면 상에 남아있는 고형 폴리머의 표시를 제공하는,

연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 22: 실시예 1 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 전극 와이어 스크러버를 더 포함하고, 상기 전극 와이어 스크러버는 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하며, 상기 복수의 연속 전극 와이어와 물리적으로 접촉하는 연마재를 포함함으로써, 상기 복수의 연속 전극 와이어로부터 원하지 않는 고형 폴리머를 제거하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 23: 실시예 1 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 상기 액상 폴리머는 천연 발생 폴리머 또는 합성 폴리머이고, 용융 액체 또는 폴리머 용액 형태인, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 24: 실시예 23에 있어서, 상기 천연 발생 폴리머는 단백질, 셀룰로오스, 리그닌, 콜라겐, DNA, 고무, 또는 이들의 조합인, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 25: 실시예 23에 있어서, 상기 합성 폴리머는 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 알코올, 폴리락트산, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아닐린, 폴리스티렌, 폴리비닐페놀, 폴리비닐클로라이드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 합성 고무, 또는 이들의 조합인, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 26: 실시예 1 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 상기 액상 폴리머 또는 용매는 인화성 또는 유독성인, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 27: 실시예 1 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 복수의 액상 폴리머 코팅 장치 및 복수의 상이한 유형의 액상 폴리머를 포함하는 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 28: 실시예 1 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 보충 액상 폴리머를 상기 연속 무바늘 전기방사 장치에 제공하기 위한 액상 폴리머 제조 시스템을 더 포함하는 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 29: 실시예 1 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 용매를 저장하고 상기 연속 무바늘 전기방사 장치에 용매를 공급하기 위한 용매 저장 및 공급 시스템을 더 포함하는 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 30: 실시예 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 증기 수집 및 용매 회수 시스템을 더 포함하고, 상기 증기 수집 및 용매 회수 시스템은 상기 전기방사 인클로저를 대기압보다 낮은 압력에서 유지하고, 상기 전기방사 인클로저 내의 잠재적으로 유해한 증기가 환경으로 탈출하는 것을 방지하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.

실시예 31: 액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 방법으로서, 다음의 단계들을 포함하는 방법:

실시예 32: 실시예 31에 있어서, 1차 건조 가스로 1차 건조 영역에서 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹을 건조하는 단계를 더 포함하는 방법.

실시예 33: 실시예 32에 있어서, 2차 건조 가스로 2차 건조 영역에서 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹을 건조하는 단계를 더 포함하는 방법.

실시예 34: 실시예 31 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 상기 연속 전극 와이어의 표면 상에 잔류하는 고형 폴리머의 표시를 제공하기 위해, 저항 측정 시스템을 사용하여, 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 적어도 하나의 개별 길이(discrete length)의 전기 저항을 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.

실시예 35: 실시예 34에 있어서, 상기 연속 전극 와이어의 표면에 잔류하는 고형 폴리머를 제거하기 위해, 와이어 스크러버로, 상기 연속 전극 와이어를 스크러빙하는 단계를 더 포함하는 방법.

실시예 36: 실시예 31 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리머 섬유 웹 및 상기 기재를 결합 롤러 상에 권취하는 단계를 더 포함하는 방법.

실시예 37: 실시예 31 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리머 섬유 웹을 상기 기재로부터 분리하고, 상기 폴리머 섬유 웹을 섬유 웹 롤러 상에 권취하고, 상기 기재를 기재 마무리 롤러 상에 권취하는 단계를 더 포함하는 방법.

이들 비제한적인 실시예들 각각은 단독으로 존재할 수 있거나, 또는 하나 이상의 다른 실시예와 다양한 순열 또는 조합으로 조합될 수 있다.

상기 상세한 설명은 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면에 대한 참조를 포함한다. 도면은, 예시로서, 본 개시가 실시될 수 있는 특정 측면들을 보여준다. 이러한 측면들은 본 명세서에서 "실시예"로도 지칭된다. 그러한 실시예들은 도시되거나 설명된 것들에 추가되는 요소들을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 도시되거나 설명된 요소들만 제공되는 실시예들을 또한, 고려한다. 또한, 본 발명자들은, 특정 실시예(또는, 그것의 하나 이상의 측면들)와 관련하여, 또는 본 명세서에서 도시되거나 설명된 다른 실시예(또는, 그것의 하나 이상의 측면들)와 관련하여, 도시되거나 설명된 요소(또는, 그것의 하나 이상의 측면들)의 임의의 조합 또는 순열을 사용하는 실시예를 고려한다.

본 명세서 및 인용에 의해 통합된 임의의 문서 사이에 사용법이 일치하지 않는 경우에, 본 명세서의 사용법이 우선한다.

본 명세서에서, 단수 용어는, 특허 문서에서 통상적으로 사용되는 바와 같이, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 임의의 다른 경우 및 사용과는 독립적으로, 하나 또는 하나 보다 많은 경우를 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서, "또는"이라는 용어는, 달리 명시되지 않는 한, 비배타적 또는(nonexclusive or)을 지칭하도록 사용되며, 그에 따라, "A 또는 B"는 "B를 제외한 A", "A를 제외한 B", 및 "A 및 B"를 포함한다. 본 명세서에서, "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"라는 용어는, 각각의 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"의 평이한 영어 등가 표현으로서 사용된다. 또한, 하기의 청구항들에 있어서, "포함하는(including)" 및 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 개방형(open-ended)이며, 즉, 청구항에서 그러한 용어 뒤에 열거된 것들에 추가되는 요소들을 포함하는 시스템, 장치, 물품, 조성물, 제형 또는 공정은 여전히 그 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 또한, 하기의 청구항들에서, "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어는, 단지 라벨로서 사용되며, 그들의 물체에 수치적인 요건을 부과하려는 의도는 아니다.

본 명세서에서 설명된 방법 실시예들은 적어도 부분적으로 기계 또는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 일부 실시예들은, 전자 장치를 상기 실시예들에서 설명된 방법들을 수행하도록 구성할 수 있는 명령들로 인코딩된 컴퓨터 판독 가능 매체 또는 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 그러한 방법들의 구현은, 마이크로코드, 어셈블리 언어 코드, 상위 레벨 언어 코드 등과 같은 코드를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 다양한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능 명령을 포함할 수 있다. 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 코드는, 예를 들어 실행 동안에 또는 다른 시간에, 하나 이상의 휘발성, 비일시적 또는 비휘발성 유형적(tangible) 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 유형적으로(tangibly) 저장될 수 있다. 이러한 유형적(tangible) 컴퓨터 판독 가능 매체의 예는 하드 디스크, 착탈식 자기 디스크, 착탈식 광디스크(예를 들어, 컴팩트 디스크 및 디지탈 비디오 디스크), 자기 카세트, 메모리 카드 또는 스틱, RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 상기 상세한 설명은 예시적이고 비제한적인 것으로 의도된다. 예를 들어, 상술된 실시예들(또는, 그들의 하나 이상의 측면들)은 서로 조합되어 사용될 수 있다. 상기 상세한 설명을 검토할 때, 예를 들어 통상의 기술자에 의해, 다른 측면들이 사용될 수 있다. 요약은 독자가 본 기술적 개시의 본질을 신속하게 확인할 수 있도록 하기 위해 37 CFR §1.72(b)를 준수하기 위해 제공된다. 그것은 청구항의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해하에 제출된다. 또한, 상기 상세한 설명에서, 다양한 특징들이 함께 그룹화되어 본 개시를 간소화할 수 있다. 이는, 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에 필수적이라는 것을 의도하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 발명적 주제는 특정 개시된 측면의 모든 특징들보다 적은 곳에 존재할 수 있다. 따라서, 하기의 청구항들은, 본 명세서의 상세한 설명 내로, 실시예 또는 측면으로서 통합되며, 이때, 각각의 청구항은 별개의 측면으로서 독자적으로 기재되며, 이러한 측면들은 다양한 조합 또는 순열로 서로 조합될 수 있음이 고려된다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항들을, 그러한 청구항들에 부여되는 균등물의 전체 범위와 함께, 참조하여 결정되어야 한다.

Claims

액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹(nanoscale or submicron scale polymer fiber web)으로 연속 무바늘 전기방사(continuous needless electrospinning)하기 위한 연속 무바늘 전기방사 장치로서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는,
a. 전기방사 인클로저(electrospinning enclosure)로서,
하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치;
전기 전도성 접지판(ground plate)을 포함하는 전기방사 구역(electrospinning zone); 및
와이어 세정 어셈블리(wire cleaning assembly);를 포함하는 전기방사 인클로저;
b. 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템(wire drive system);
c. 복수의 연속 전극 와이어로서, 상기 복수의 연속 전극 와이어는 서로 평행하고, 상기 와이어 구동 시스템과 체결되며, 상기 전기방사 인클로저 및 그 내부에 위치하는 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치를 통해 연장하는, 복수의 연속 전극 와이어;
d. 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 기재 이송 시스템(substrate conveyor system); 및
e. 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛;을 포함하며,
여기서,
상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치는 액상 폴리머의 층을 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅하며,
상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은 상기 복수의 연속 전극 와이어에 고전압을 인가하고, 상기 전기방사 구역 내의 상기 복수의 연속 전극 와이어와 상기 전기 전도성 접지판 사이에 전기장을 발생시키고, 그에 따라, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 상기 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성하며,
상기 와이어 세정 어셈블리는 상기 복수의 연속 전극 와이어로부터 잔류 액상 폴리머를 세정하기 위한 용매를 포함하며,
상기 기재 이송 시스템은 상기 전기방사 인클로저를 통해 기재를 구동시키고, 상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 폴리머 섬유 웹으로서 수집하는,
연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 매니폴드를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 매니폴드는 상기 액상 폴리머를 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치에 공급하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템을 더 포함하고, 상기 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템은 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치로부터 오버플로우(overflow) 액상 폴리머를 수용하며, 또한 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치에 새로운 액상 폴리머를 제공하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 적어도 하나의 액상 폴리머 오버플로우 저장소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 액상 폴리머 오버플로우 저장소는 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치로부터의 오버플로우 액상 폴리머를 수용하고 상기 오버플로우 액상 폴리머를 상기 액상 폴리머 재순환 및 공급 시스템으로 회송하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 통풍 가스 공급원 및 통풍 가스 분배 매니폴드를 포함하는 통풍 가스 공급 시스템(draft gas supply system)을 더 포함하고, 상기 통풍 가스 분배 매니폴드는 상기 통풍 가스 공급원으로부터 통풍 가스를 수용하고 상기 통풍 가스를 상기 전기방사 구역 내의 상기 복수의 연속 전극 와이어 상으로 송풍함으로써, 상기 기재상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유의 수집을 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 1차 분배 매니폴드를 포함하는 1차 건조 영역을 더 포함하고, 상기 1차 분배 매니폴드는 1차 건조 가스를 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹에 분배함으로써, 이들의 건조를 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 2차 분배 매니폴드를 포함하는 2차 건조 영역을 더 포함하고, 상기 2차 분배 매니폴드는 2차 건조 가스를 상기 기재 및 상기 기재 상에 형성된 폴리머 섬유 웹에 분배함으로써, 이들의 건조를 용이하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 상기 전기방사 인클로저의 근처에 위치하는 적어도 하나의 방출 제어 박스를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 방출 제어 박스는 하나 이상의 상기 복수의 연속 전극 와이어 및 상기 기재가 상기 전기방사 인클로저에 들어가거나 또는 상기 전기방사 인클로저로부터 빠져나오기 위한 구멍들을 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 액상 폴리머 코팅 장치는:
복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 액상 폴리머 층을 코팅하기 위한 액상 폴리머 코팅 매니폴드로서, 복수의 와이어 입구 개구 및 복수의 와이어 출구 개구를 포함하는 액상 폴리머 코팅 매니폴드;
상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드로부터 액상 폴리머 오버플로우를 수용하는 액상 폴리머 오버플로우 저장소; 및
상기 복수의 와이어 입구 개구 및 상기 복수의 와이어 출구 개구를 통해 상기 복수의 연속 전극 와이어를 안내하는 와이어 위치결정 풀리들(wire positioning pulleys)의 적어도 일 세트;를 포함하는,
연속 무바늘 전기방사 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 복수의 와이어 입구 개구들 각각은, 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 하나가 통과하도록, 상기 복수의 와이어 출구 개구들 중 하나와 정렬되는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 복수의 와이어 입구 개구들 및 상기 복수의 와이어 출구 개구들 각각은 모세관을 포함하고, 상기 모세관은 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드를 통해 상기 연속 전극 와이어를 안내함으로써, 상기 액상 폴리머가 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드 내의 상기 연속 전극 와이어를 코팅하고 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드 밖으로의 액상 폴리머의 누출을 최소화하는 것을 가능하게 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액상 폴리머 코팅 매니폴드는 액상 폴리머 공급 포트 및 액상 폴리머 오버플로우 포트를 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 액상 폴리머 코팅 장치는 액상 폴리머 재순환 포트, 및 상기 액상 폴리머 오버플로우 포트로부터 액상 폴리머를 수용하기 위한 액상 폴리머 오버플로우 저장소를 포함하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛은:
상기 전기 전도성 접지판에 연결된 음 전압 공급원; 및
적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축에 연결된 양 전압 공급원;을 포함하고,
상기 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축은 상기 복수의 연속 전극 와이어와 회전 접촉하는,
연속 무바늘 전기방사 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 자유 회전축은 연속 전극 와이어의 개수에 대응하는 복수의 홈(groove)을 포함하고, 상기 홈들 각각은 상기 연속 전극 와이어들 중 하나를 수용하고 그것과의 접촉을 유지함으로써, 상기 하나 이상의 고전압 전력 공급 유닛으로부터의 고전압이 상기 연속 전극 와이어들에 전달되도록 하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재 이송 시스템은:
상기 기재 및 상기 기재 상의 전기방사된 폴리머 섬유 웹을 권취하기 위한 결합 롤러(combination roller); 또는
상기 전기방사된 폴리머 섬유 웹을 권취하기 위한 섬유 웹 롤러 및 상기 기재를 권취하기 위한 기재 마무리 롤러;를 포함하는,
연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사장치는, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 하류에 이격되어 위치하는 상류 접촉점 및 하류 접촉점을 포함하는 저항 측정 시스템을 더 포함하고,
상기 저항 측정 시스템은 상기 상류 접촉점과 상기 하류 접촉점 사이에서 상기 복수의 연속 전극 와이어들 중 하나 이상의 전기 저항을 측정하며,
상기 측정된 전기 저항은 상기 연속 전극 와이어의 표면 상에 남아있는 고형 폴리머(solid polymer)의 표시를 제공하는,
연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 무바늘 전기방사 장치는 전극 와이어 스크러버(electrode wire scrubber)를 더 포함하고, 상기 전극 와이어 스크러버는 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하며, 상기 복수의 연속 전극 와이어와 물리적으로 접촉하는 연마재를 포함함으로써, 상기 복수의 연속 전극 와이어로부터 원하지 않는 고형 폴리머를 제거하는, 연속 무바늘 전기방사 장치.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액상 폴리머 또는 용매는 인화성 또는 유독성인, 연속 무바늘 전기방사 장치.
액상 폴리머 공급원을 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유 웹으로 연속 무바늘 전기방사하기 위한 방법으로서, 다음의 단계들을 포함하는 방법:
복수의 연속 전극 와이어를, 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치 및 전기방사 구역을 포함하는 전기방사 인클로저를 통해, 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 와이어 구동 시스템을 사용하여 구동시키는 단계;
기재를, 상기 전기방사 인클로저 및 상기 전기방사 구역을 통해, 상기 복수의 연속 전극 와이어에 실질적으로 평행하게, 상기 전기방사 인클로저의 외부에 위치하는 기재 이송 시스템을 사용하여 구동시키는 단계;
상기 적어도 하나의 액상 폴리머 코팅 장치에서 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 액상 폴리머 층을 코팅하는 단계;
상기 전기방사 구역에서, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면 상에 코팅된 상기 액상 폴리머로부터 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 형성하는 단계;
상기 기재 상의 상기 나노스케일 또는 서브마이크론 스케일 폴리머 섬유를 폴리머 섬유 웹으로서 수집하는 단계; 및
상기 전기방사 인클로저 내에 위치하는 와이어 세정 어셈블리를 사용하여, 상기 복수의 연속 전극 와이어의 표면으로부터 잔류 폴리머를 제거하는 단계.