KR20210061492A - 압전 스펀본드 부직포 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 압전 재료에 강자성 입자들을 단일 혹은 복합으로 혼합되어 있고, 스펀본드 방법으로 용융 방사된 압전 특성을 갖는 부직포 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두에, 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 또는 티탄산 칼슘(CaTiO2)가 혼합되어 있는 압전 스펀본드 부직포, 및 i) 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두, 및 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 마스터배치를 제조하는 단계; ii) 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계; iii) 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계; 및, iv) 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극하는 단계;를 포함하는, 압전 스펀본드 부직포의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 압전 스펀본드 부직포 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 압전 재료에 강자성 입자들을 단일 혹은 복합으로 혼합되어 있고, 스펀본드 방법으로 용융 방사된 압전 특성을 갖는 부직포 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
압전 재료는 기계적 힘을 받았을 때 전기에너지를 발생시키거나, 혹은 전기적 에너지를 받았을 때 기계적 변형을 일으키는 특성을 갖고 있음. 압전 재료로는 압전 성능이 우수한 세라믹 기반의 PZT(PbZrO3-PbTiO3계)가 많이 사용되어 왔지만, 중금속(Pb)의 유해성, 대면적화의 어려움, 고온의 제조조건, 재료의 brittle한 특성으로 유연하고 부드러운 제품에 적용하기에는 한계가 있음. 대체 연구로 비중금속계열인 BaTiO3, Ba2TiO4로의 세라믹 개발 혹은 유연한 강유전성, 압전성 고분자로 대체하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 대표적인 고분자로 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)가 있다.(한국등록특허 제10-1471161호 참조).
압전 고분자 중 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 고분자의 경우, 선형의 주쇄 구조를 갖고 있으며 -CH2-CF2-를 반복하며, 분자 쇄 내에 존재하는 강한 C-F 쌍극자에 의해 고분자 중 가장 큰 유전율을 가지고 있다. 제조 방법에 따라 4가지 결정구조(α, β, γ, δ)를 나타내며, 이 중 β-결정의 경우 분자쇄가 모두 트랜드(all-trans) 형태로 되어 있어 최대 분극도를 나타낸다(한국등록특허 제10-1541967호). 일반적인 용융공정을 거쳐 제조된 필름의 경우, 주로 안정된 형태인 α-결정을 형성하고 분자쇄가 "trans-gauche-trans-gauche"로 배열되어 있어 분자쇄의 분극도가 매우 작아 압전 특성을 띄지 않는다. 이러한 α-결정 필름을 추가 연신 공정을 거쳐 일축 혹은 이축으로 연신하여 β-결정으로 전환시켜 사용한다. 이러한 결정 배향 후 외부전장을 가해 C-F 쌍극자를 전장을 가한 방향으로 선택적 배향을 함으로써 시료 전체의 분극도를 큰 값으로 만들 수 있다.
최근 친환경 소재인 PLA(Polylactic acid) 고분자도 압전 특성은 낮지만 관심을 받고 있다. 이 고분자는 나선형(Helical) 구조의 주쇄를 갖고 있고, 나선축에 존재하는 C=O 결합의 영구 쌍극자에 의해 압전성이 발현된다고 알려져 있다. 기계적 연신을 통해 특성을 향상시킬 수 있고, 분극 처리 없이도 사용할 수 있는 것이 장점이다. 하지만, 상기 고분자 재료들의 압전 특성은 기존 압전 세라믹인 PZT와 비교 시 매우 낮기 때문에 고분자 기반의 압전 재료의 압전성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
고분자 압전 재료는 보통 필름, 혹은 섬유 형태로 제조되고 있다. 필름의 경우, 용융하여 일축 혹은 이축 연신으로 제조되거나, 용매에 녹여 필름 캐스팅을 통해 제조하는 방법이 있다. 하지만, 필름 시트의 네킹 현상, 불균일한 압전성, 연신비의 한계가 있고, 기계적 물성(강도, 변형률)도 높지 않다. 또한, 스마트 의류, 구조 모니터링을 위한 건축물 내장재와 같이 공기 투과 특성이 요구되는 분야에 적용되는 경우 통기성이 낮아 불쾌감을 유발할 수 있고, 건축 내장재로 적용시 결로와 같은 문제를 유발할 수 있다. 섬유 형태로 제조되는 경우, 습식 또는 용융 방사, 전기방사를 통해 압전 섬유가 개발되고 있고, 1D의 섬유형태로 다양한 형태로 제조할 수 있는 장점이 있다. 하지만 습식 및 전기 방사의 경우, 고분자 함량이10 ~ 30 wt%의 범위로 사용된 유기용매 회수 관련 처리의 문제가 있고, 생산성이 낮아 공정 비용이 높은 단점이 있다. 용융 방사의 경우도 방사 속도가 최대 3,000 m/min로 결정 배향에 한계가 있고, 부직포 공정에 비해서는 생산성이 낮다.
한편, 스펀본드는 용융방사의 한 종류로서 장섬유의 부직포를 얻는 방법이다. 이 공정은 용융된 고분자가 노즐로부터 압출된 후 이젝터(Ejector)에 의해 형성된 고속 공기류를 따라 세섬화 되고, 하부에 설치된 컨베이어 밸트 위에 웹(Web) 상으로 일정 패턴을 유지하며 고르게 적층된다. 이 과정에서 이젝터의 공기압을 증가시키면, 공기에 의한 섬유의 견인력이 증가하며 방사선 상의 섬유 속도가 증가하게 되고 최대 5 km/min 이상의 고속방사 영역까지 도달하여 섬유 결정배향을 크게 향상시킬 수 있다고 알려져 있다(Intern. Polymer Process., IV, 2, 91 (1989) 참조). 이와 같이 고속의 배향에 의해 형성된 스펀본드 부직포는 건열 수축율이 낮아 열안정성 및 기계적 강도가 우수하다.
압전 필름 및 부직포 섬유 제조 관련 종래 기술로는, 고분자 압전 필름 제조 시, 고분자 시트를 MD 또는 TD 방향으로 연신하여 결정배향을 유도하여 압전성을 갖는 압전 필름을 제조하는게 일반적인데, 필름 시트의 네킹 현상, 대면적에 걸쳐 불균일한 압전성, 연신배율의 한계 등에 의해 압전 특성 향상에 한계가 있고, 기계적 강도가 높지 않다. 또한, 압전 필름은 기공이 거의 없어 공기 투과가 어려워 스마트 의류 및 건축 내장재와 같이 일정 통기도가 요구되는 응용분야에 적용 시 낮은 쾌적성 및 결로와 같은 문제가 발생된다. 전기방사로 제조된 나노섬유 부직포의 경우, 다공성 나노사이즈 부직포 형태로 얻을 수 있으며 제조 단계에서 높은 전압 차로 분극을 유도하여 별도의 분극 공정을 거치지 않는 장점이 있으나, 고분자 함량이 10~30 wt% 범위로 용매 회수에 대한 문제가 있고 생산 수율이 낮아 생산량이 낮아 제품 비용이 높아지는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 이러한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 대량생산이 용이하고 부직포 권취 속도가 최대 6000m/min으로 높은 생산량으로 제품 비용을 낮출 수 있고, 다공성 부직포 형태로 공기 투과도가 우수하고 연신에 의해 기계적 강도가 우수한 부직포를 제조할 수 있는 스펀본드 방법으로 압전 부직포를 제조함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 스펀본드 방법으로 용융 방사된 다공성의 압전 특성을 갖는 부직포로서, 고분자 압전 재료에 강자성 입자들을 단일 혹은 복합으로 혼합되어 있는 압전 스펀본드 부직포를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 고분자 압전 재료 및 강자성 입자 재료를 혼합한 후 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계, 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계, 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극 하는 단계를 포함하는 스펀본드 부직포의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두에, 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 단독 또는 둘 이상이 복합으로 혼합되어 있는, 압전 스펀본드 부직포를 제공한다.
또한, 본 발명은 i) 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두, 및 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 마스터배치를 제조하는 단계; ii) 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계; iii) 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계; 및, iv) 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극하는 단계;를 포함하는, 압전 스펀본드 부직포의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포를 포함하는 압전 소자를 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포를 포함하는 압전 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 스펀본드 방법으로 용융 방사된 압전 특성을 갖는 부직포는 대면적화가 가능하고, 높은 생산성으로 공정비용을 낮춘 저가형 압전 부직포를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 우수한 통기성을 갖는 압전 부직포로서 스마트 의류 및 건축물 내장재 등에 적용되는 압전 센서의 쾌적성, 투과성을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명은 스펀본드 설비 중 벨트 속도가 최대 6000 m/min로 고속 연신이 가능하여 결정배향을 통해 압전 특성 향상에 용이하여 필름과 비교시 기계적 물성(강도, 인열)이 현저히 우수한 압전 부직포를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스펀본드 공정의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 FE-SEM 표면 이미지를 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 인장강도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 압전 특성 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 FE-SEM 표면 이미지를 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 인장강도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펀본드 부직포의 압전 특성 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두에, 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 단독 또는 둘 이상이 복합으로 혼합되어 있는, 압전 스펀본드 부직포를 제공한다.
상기 고분자 압전 재료는 단일 노즐의 경우에는 1종, 외부/내부(Sheath/Core)와 같이 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 중복 혹은 2종의 이형성분을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 압전 재료는 PLA, PVDF 중 어느 하나를 선택 혹은 중복, 혼합 사용할 수 있고, 분자량 또는 MI(Melting Index)에서 차이를 갖는 것들을 중복, 혼합 사용할 수 있다.
상기 강자성 입자는 BaTiO3, Fe2O3, 및 CaTiO2로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 이때, 상기 입자들은 압전 특성을 나타낼 수 있고, 용융방사에 적합한 입도 분포를 가지고 있으며, 압전 고분자의 성능 개선이 가능하기 때문에 선정된 것이다.
상기 강자성 입자는 전체 부직포에서 1 ~ 10 wt%를 함유하는 것이 바람직하고 3 ~ 5 wt%를 함유하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 함량이 적으면 압전특성 향상의 효과가 미비하고, 함량이 10 wt% 이상 넘어갈 경우, 공정에서 입자 응집에 의해 노즐 막힘 현상 등 방사에 어려움이 있다.
상기 압전 스펀본드 부직포 제조시 사용되는 노즐에는 단일 노즐과, 섬유 단면이 복합구조인 Sheath/Core (S/C)형태로 제조 가능한 S/C 노즐로 구성되어 있다. 이는 부직포 간 결합력을 높이기 위해 기존 고분자에 저융점 고분자를 도입하거나, 압전 고분자인 PLA와 PVDF 두 종류를 복합화하거나, 고분자의 코어 혹은 시스 부분에 전도성 고분자를 도입하여 전극이 형성된 일체형 센서 섬유를 제조할 수 있다. 이때, 단일 노즐의 경우에는 1종, Sheath/Core와 같이 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 중복 혹은 2종의 이형성분을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 압전 스펀본드 부직포는 굵기가 1 내지 20 dtex인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 1 내지 5 dtex인 것이, 더더욱 바람직하기로는 1 내지 3 dtex인 것이 바람직하다.
상기 압전 스펀본드 부직포의 중량은 10 내지 200 gsm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 10 내지 70 gsm인 것이, 더더욱 바람직하기로는 15 내지 30 gsm인 것이 바람직하다.
상기 압전 스펀본드 부직포는 중량 30 gsm 기준, MD 방향의 인장 강도가 2 내지 40 kgf/5cm인 것이 바람직하고, 5 내지 15 kgf/5cm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 압전 스펀본드 부직포는 중량 30 gsm 기준, MD 방향의 인열 강도가 0.5 내지 10 kgf/5cm인 것이 바람직하고, 1 내지 5 kgf/5cm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 압전 스펀본드의 통기도는 30 내지 250ccs (cc/cm2*sec)인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 70 내지 200ccs인 것이 바람직하다.
상기 압전 스펀본드 부직포는 고분자 압전 재료 및 강자성 입자 재료를 혼합한 후 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계, 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계, 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극 하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명은
i) 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두, 및 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 마스터배치를 제조하는 단계;
ii) 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계;
iii) 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계; 및
iv) 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극하는 단계;를 포함하는, 압전 스펀본드 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 i)에서 상기 고분자 압전 재료는 단일 노즐의 경우에는 1종, 외부/내부(Sheath/Core)와 같이 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 중복 혹은 2종의 이형성분을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 압전 재료는 PLA, PVDF 중 어느 하나를 선택 혹은 중복, 혼합 사용할 수 있고, 분자량 또는 MI(Melting Index)에서 차이를 갖는 것들을 중복, 혼합 사용할 수 있다.
상기 고분자 압전 재료는 단일 노즐을 사용하는 경우, 압전 재료인 PLA 혹은 PVDF 둘 중 하나를 선택하거나 혼합하여 사용할 수 있고, 섬유의 Sheath/Core 구조가 제조 가능한 복합노즐을 사용하는 경우, 흐름성이 다른 동일 성분의 PLA, PVDF를 중복(Sheath-PLA/Core-PLA 혹은 Sheath-PVDF/Core-PVDF)하여 사용할 수 있으며, 이형성분 조합하여 방사하는 경우, 코어 혹은 시스 부에 PLA 혹은 PVDF로 구성(Sheath-PLA/Core-PVDF 혹은 Sheath-PVDF/Core-PLA)되어 있는 것 또는 전도성 물질이 혼합되어 일체형 전극을 구성하는 것으로 사용할 수 있다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 i)에서 강자성 입자는 BaTiO3, Fe2O3, 및 CaTiO2로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.
상기 강자성 입자는 전체 부직포에서 1 ~ 10 wt%를 함유하는 것이 바람직하고 3 ~ 5 wt%를 함유하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 함량이 적으면 압전특성 향상의 효과가 미비하고, 함량이 10 wt% 이상 넘어갈 경우, 공정에서 입자 응집에 의해 노즐 막힘 현상 등 방사에 어려움이 있다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 멜팅 인덱스(MI)는 25 이상 90 이하의 범위인 것이 바람직하다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 노즐은 단일노즐 또는 섬유 단면이 복합구조인 Sheath/Core (S/C)형태로 제조 가능한 S/C 노즐로 구성될 수 있다. 이는 부직포간 결합력을 높이기 위해 기존 고분자에 저융점 고분자를 도입하거나, 고분자의 코어 혹은 시스 부분에 전도성 고분자를 도입하여 전극이 형성된 일체형 센서 섬유를 제조할 수 있다. 이때, 단일 노즐의 경우에는 1종, Sheath/Core와 같이 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 중복 혹은 2종의 이형성분을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 iii)에서 스펀본드 필라멘트의 속도는 3,000 ~ 6,000 m/min로 연신하는 것이 바람직하고, 5,000 ~ 6,000 m/min로 고속 연신하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 단계 iii)에서 유량제어를 통해 2,000 ~ 3,000 m/min의 방사속도를 구현하는 스펀본드 제조 공정으로, 스펀보드 압전 부직포의 압전특성을 향상시키기 위해 고분자 개질(용융점도, 용융흐름성)을 통해 고속 방사속도인 5,000 ~ 6,000 m/min에서 고속 연신하는 것이 바람직하다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 iv)에서 웹이 형성된 연속필라멘트 섬유는 연속 공정에서 열처리를 통해 웹접착이 형성되며, 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극함으로서 부직포의 압전 특성을 극대화하여 제조할 수 있다.
상기 단계 iv)에서 연속공정에 설비된 분극장치에서 5kV 내지 20kV로 분극하고, 열접착으로 부직포를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제조방법은 대면적화가 가능하고, 공정이 대량생산에 용이하며 높은 생산성으로 공정비용을 낮춘 저가형 압전 부직포을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법은 빠른 방사 속도로(최대 6,000 m/min) 결정 배향을 통한 압전성을 향상시키는데 용이하고, 기계적 강도(인장 및 인열 등)가 우수한 압전 부직포를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포를 포함하는 압전 소자를 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포를 포함하는 압전 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포는 우수한 통기성을 가지므로, 스마트 의류 및 건축물 내장재 등에 적용되는 압전 센서의 쾌적성, 투과성이 우수하다.
본 발명에 따른 압전 스펀본드 부직포는 스펀본드 설비를 이용하여 고속 연신을 이용한 결정배향을 통해 압전 특성 향상에 용이하여 필름과 비교시 기계적 물성(강도, 인열)이 우수하며, 고분자 압전 재료인 PVDF, PLA 기반에 강자성 무기입자 보강을 통해 센서의 성능을 높혔다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1 내지 3> 단일노즐 방사에 의한
스펀본드
부직포의 제조
폴리락트산 수지(6201D, IngeoTM, USA)는 융점이 155 ~ 170℃, MI가 25인 원료를 사용하였고, 무기입자인 BaTiO3 (<500nm, Lumi-M Co, Ltd, Korea)가 10 wt%인 마스터배치를 제조하여 최종 방사시 섬유의 무기입자 함량은 3 wt%가 되도록 제조하였다. 상기 폴리락트산 수지는 익스투르더에서 230℃ 온도로 용융시켰고, 노즐 홀 직경은 0.3 파이(ø) 단일 노즐을 사용하여 섬유 직경이 1.5 내지 4 dtex 되도록 토출량을 조절하였다. 노즐에서 토출된 필라멘트는 이젝터를 거쳐 하부에 위치한 벨트에 수집되었고, 연속 필라멘트는 방사속도 1, 4, 6 km/min으로 연신하여 웹을 형성하였다. 연속공정상 설치된 분극장치를 통해 15kV로 분극처리를 하였다. 또한, 적층된 웹은 120℃에서 열압착을 통해 15 gsm 스펀본드 부직포를 제조하였다.
<
실시예
4 내지 6> 복합노즐 방사에 의한
스펀본드
부직포의 제조
상기의 <실시예 1>에서 부직포 간 결합력을 높이기 위해 MI가 80인 저융점(LM) PLA (6362D, IngeoTM, USA)를 도입하였고, Sheath/Core(S/C) 구조의 복합노즐을 사용해 S/C 압전 스펀본드 부직포로 제조된 것 이외는 모두 동일하게 진행하였다. 이때의 Sheath 수지는 LM-PLA, Core 수지는 PLA/BaTiO3-3wt%로 비율은 3:7이고, 노즐 스펙은 0.3ø로 동일한 연신비로 부직포를 제조하였다.
<
비교예
1>
스펀본드
방법이 아닌 전기방사를 이용한 부직포의 제조
상기의 실시예 1에서 사용되는 원료로 전기방사 조건에서 부직포 웹을 제조하여 비교하였다. 디메틸포름아마이드(DMF)/메틸렌클로라이드(MC)의 혼합 용매(중량비 = 40/60)에 폴리락트산(PLA, 6201D)을 12 중량%가 되도록 용해하였고, BaTiO3 3 wt%무기입자를 넣은 고분자 용액을 준비하였다. 이때, 전기방사시 인가전압은 15 kV, 방사거리(실린지 팁과 집전판의 거리)는 15cm, 방사속도(Flow rate)는 15 μl/min, 드럽형 집전판의 회전속도는 300 rpm으로 조절하였고, 이때의 온도와 습도는 각각 30℃, 60％ 였다.
<
비교예
2>
상용PVDF
필름
상용 PVDF 필름(d33= 35 pC/N)은 kureha사의 40 um 두께의 필름을 사용하였다.
<
실험예
1>
스펀본드
부직포의 FE-
SEM
분석
상기 실시예 2의 스펀본드 부직포의 FE-SEM 표면 이미지를 분석하였다.
그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 부직포의 웹이 고르게 분포되었음을 확인할 수 있었고, 연속공정 중 열압착 롤러에 의한 스펀본드간 열 접합이 잘 되어 있음을 확인하였다(도 2).
<
실험예
2>
스펀본드
부직포의 인장강도 분석
상기 실시예 1 내지 6과 상기 비교예 1에서 제조된 부직포의 인장강도를 확인하기 위해 KS K0250 (Kgf/5cm) 규격으로 만능재료시험기(5969, Instron, USA)을 통해 측정하였다. 각각 10개의 실험편을 준비하여 측정하였다.
그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 단일 노즐로 방사된 실시예 1 내지 3의 경우, 방사속도가 증가함에 따라 인장강도도 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 비교예 1 보다 우수한 강도를 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 복합 노즐로 방사된 S/C PLA 부직포인 실시예 4 내지 6인 경우, 방사속도가 증가함에 따라 크게 증가하였고, 단일 노즐로 방사된 경우보다 LM PLA에 의한 결합력 증가로 인장 강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.
<
실험예
3>
스펀본드
부직포의
인열강도
및 통기도 분석
상기 실시예 6과 상기 비교예 1, 2에서 제조된 압전 부직포의 인열강도는 KS K0536의 규격에 따라 만능재료시험기(5969, Instron, USA)를 이용하여 폭 76 mm x 길이 203 mm로 준비된 시편을 305 mm/min 속도로 측정하였다. 또한, 통기도 측정기(4110N, Precision Instruments, USA)를 통해 9 cm3의 면적에 300 cc의 공기가 투과되는 시간으로 공기 투과도를 산출하였다.
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 인열강도 측정 결과, 스펀본드의 경우 전기방사보다 강도가 훨씬 우수함을 확인할 수 있었고, 통기도의 경우 전기방사 웹 및 필름에 피해 매우 우수한 통기도 특성을 갖는 것을 확인하였다.
| 실시예 6 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 인열강도(MD) kgf | 1.0 | 0.02 | - |
| 통기성(ccs) | 87 | 5.7 | 0.038 |
<
실험예
4>
스펀본드
부직포의 압전 특성 분석
제조된 스펀본드의 섬유 방사 속도에 따른 압전특성의 영향을 확인하기 위해 S/C 구조로 방사된 실시예 4 (방사속도 1 km/min)와 실시예 6 (방사속도 6 km/min)를 길이 10 cm x 폭 5 cm로 준비하였고, 양끝은 실버페이스트를 통해 전극을 구성하였다. 5N의 힘으로 타격한 뒤, 오실로스코프(DSO7054A, Agilent Technologies, USA)를 통해 기록된 출력값을 토대로 두 시편의 압전 특성을 확인하였다.
그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 4는 출력전압이 0.18 mV, 실시예 6은 출력전압이 0.41 mV으로 크게 향상됨을 확인할 수 있었다(도 4).
본 발명의 압전 스펀본드 부직포는 기존 압전 필름의 응용 분야 중, 스마트 의류 또는 건축물 내장재와 같이 통기성과 고강도 소재의 저가형 압전 소재가 요구되는 분야에서 필름형 압전 재료를 대체해서 사용될 수 있다.
Claims (11)
- 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 단독 또는 둘 이상이 복합으로 혼합되어 있는, 압전 스펀본드 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 고분자 압전 재료는 단일 노즐의 경우에는 PVDF 또는 PLA 중 어느 1종이고, 외부/내부(Sheath/Core)와 같은 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 PVDF 또는 PLA의 중복 또는 2종의 이형성분을 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 강자성 입자는 1 내지 10 wt% 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 압전 스펀본드 부직포는 굵기가 1 내지 10 dtex이고, 인장강도가 2 내지 20 kgf/5cm이며, 인열강도는 0.5 내지 10 kgf인 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포.
- 제1항에 있어서,
상기 압전 스펀본드 부직포는 통기도가 30 내지 250 ccs인 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포.
- i) 고분자 압전 재료로서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PLA(Polylactic acid) 중 어느 하나 또는 둘 모두, 및 강자성 입자로서 티탄산 바륨(BaTiO3), 산화철(III)(Fe2O3) 및 티탄산 칼슘(CaTiO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 마스터배치를 제조하는 단계;
ii) 용해 온도에 맞춰 용융한 다음 노즐에서 토출하는 단계;
iii) 이젝터의 방사 유량 제어를 통해 균제도를 확보하고, 연신에 의한 물성을 향상시키는 단계; 및
iv) 연속 공정상에서 부직포의 웹의 결합 및 고전압 발생장치를 활용하여 부직포를 분극 하는 단계;를 포함하는, 압전 스펀본드 부직포의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 단계 i)의 고분자 압전 재료는 단일 노즐의 경우에는 PVDF 또는 PLA 중 어느 1종이고, 외부/내부(Sheath/Core)와 같은 복합노즐을 사용하는 복합방사의 경우에는 PVDF 또는 PLA의 중복 또는 2종의 이형성분을 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 단계 i)의 강자성 입자는 1 내지 10 wt% 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 단계 iii)에서 유량제어를 통해 2,000 ~ 3,000 m/min의 방사속도를 구현하고, 고속 방사속도인 5,000 ~ 6,000 m/min에서 고속 연신하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 단계 iv)에서 연속공정에 설비된 분극장치에서 5kV 내지 20kV로 분극하고, 열접착으로 부직포를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 스펀본드 부직포의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 압전 스펀본드 부직포를 포함하는 압전 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190148515A KR20210061492A (ko) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 압전 스펀본드 부직포 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190148515A KR20210061492A (ko) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 압전 스펀본드 부직포 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210061492A true KR20210061492A (ko) | 2021-05-28 |
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ID=76140245
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190148515A KR20210061492A (ko) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 압전 스펀본드 부직포 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210061492A (ko) |
-
2019
- 2019-11-19 KR KR1020190148515A patent/KR20210061492A/ko not_active Application Discontinuation
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