KR20220021437A - 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법 및 그것의 용도 - Google Patents

폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법 및 그것의 용도 Download PDF

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KR20220021437A
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매르트-에릭 마텐스
라이도 엔
산데르 어운
마르쿠스 베인라
카를 마르티 토츠
마르틴 얘르베퀼그
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젤라텍스 테크놀로지즈 오위
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Abstract

튜브형 섬유 방사 바늘을 갖는 하나 이상의 노즐을 포함하는 장치, 및 광범위한 합성 폴리머 및 생물 기반 폴리머를 사용하여 무독성 폴리머 섬유 및 마이크로섬유 및 나노섬유 폴리머 재료를 소규모 내지 대규모로 제조하는 방법. 본 장치 및 방법은, 높은 섬유 제조 속도로, 에너지 효율적이고 안전하게, 폴리머 섬유를 연속적인 인-라인(in-line) 방식으로 제조하는 것을 가능하게 한다. 증가된 폴리머 섬유 제조 속도는, 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 운동 및 노즐당 더 높은 폴리머 주입 속도를 야기하는 튜브형 섬유 방사 바늘에 작용하는 원심력을 가능하게 하는 적어도 하나의 노즐에 의해 달성된다.

Description

폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법 및 그것의 용도 {DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING POLYMER FIBERS AND ITS USES THEREOF}
본 개시는 통상적으로 폴리머 섬유 제조에 관한 것으로, 더욱 특히, 폴리머 용액-기반의 방사 기술(spinning technology)을 기반으로 하는 폴리머 섬유를 제조하는 장치 및 방법, 그리고 폴리머 섬유를 기반으로 하는 부직 폴리머 재료에 관한 것이다.
다양한 고객의 최종 사용 요구 사항에 맞게 다양한 폴리머로 만든 섬유 제품에 대한 요구가 증가하고 있다. 따라서, 폴리머 미세 섬유 구조(polymeric　fine fiber structures)는, 비표면적이 크기 때문에, 섬유재료, 의료용 보철물, 건축 재료, 보강재, 및 흡수재 등 다양한 용도로 활용하기 위한 연구가 증가하고 있다. 대부분의 부직포 마이크로- 또는 나노-섬유 웹은 전기방사(electrospinning), 용융 방사(melt spinning), 용융 블로잉(melt blowing) 또는 블로우 방사에 의해 제조된다. 전기방사는 나노섬유를 제조하기 위한 전하-유도 방사법(charge-induced spinning method)이다. 느린 섬유 제조 속도(즉, 단위 시간당 제조된 섬유의 질량) 외에, 전기방사의 추가적인 단점은, 수집된 재료가 재료에 전하 축적을 일으키지 않도록 전도성이어야 한다는 것이다. 전기방사에는 높은 전압이 필요하므로, 이 기술은 위험하다. 따라서, 더 안전한 솔루션이 필요하다. 또한, 전기방사에 사용되는 용매는 적어도 어느 정도의 전도성이 있어야 하므로, 가능한 용매의 범위가 제한된다. 용융 블로잉 및 용융 방사를 통해 24시간당 약 수백 킬로그램 내지 수 톤에 이르는 제조 속도로 나노섬유 재료를 산업적 또는 상업적 규모로 제조할 수 있으므로, 훨씬 더 많은 자본 투자가 필요하다. 용융 블로잉 및 용융 방사 모두 방사 절차 전에 폴리머의 용융이 요구된다. 이것은 방사될 수 있는 폴리머의 수를 제한하는데, 많은 폴리머, 특히 생물학적 기원의 폴리머가 용융 전에 분해되기 때문에, 용융시킬 수 없기 때문이다. 또한, 용융 블로잉 및 용융 방사는 또한, 폴리머의 점도에 의해 제한되는데, 폴리머의 점도는, 폴리머 용융물이 압출가능하고, 공기 흐름이 폴리머 용융물을 섬유 모폴로지로 이끌 수 있도록, 충분히 낮아야 한다. 전기방사 공정에 의해 만들어진 것과 비슷한 직경을 갖는 마이크로 및 나노섬유의 부직포 웹을 만들기 위한 대안적인 방법으로서, 전기방사 및 용융 블로잉 기술 둘다의 요소를 사용하여 용액 블로우 방사 기술(solution blow spinning technique)이 개발되었다. 블로우 방사법은 용액 흐름이 느리기 때문에, 섬유 제조량이 적다.
폴리머 미세 섬유 또는 나노섬유 재료를 제조하려는 기존의 장치 및 방법은 섬유 제조 속도가 낮다. 또한, 알려진 방법에 의해서는, 대량 제조에 대한 제한된 옵션으로 인해 마이크로섬유 및 나노섬유의 최대 잠재력을 달성하기가 어렵다. 생물 기반의 친환경적인 마이크로섬유 및 나노섬유에 대한 수요가 증가하고 있지만, 현재, 생물 기반의 마이크로섬유 및 나노섬유를 대규모로 제조할 수 있는 빠르고 경제적인 방법은 없다. 현재, 알려진 방법은 비용이 많이 들거나 또는 느리거나 하여서 일부 폴리머 및 용매에만 국한된다. 따라서, 광범위한 폴리머를 사용하는 저렴하고 간단한 기계 요구사항을 갖고, 더 높은 섬유 제조 속도로 폴리머 섬유를 제조하기 위해, 기존 기술에 있어서, 앞에서 언급한 기술적 결점을 해결할 필요가 있다.
본 개시는 광범위한 폴리머(예를 들어, 합성 폴리머, 생물 기반 폴리머, 등)를 사용하여 저렴하고 간단한 기계 요구사항으로 폴리머 섬유를 연속적으로 제조하기 위한 효율적인 장치 및 방법을 제공하고자 한다. 본 개시의 목적은 선행 기술에서 직면한 문제를 적어도 부분적으로는 극복하는 솔루션을 제공하고, 합성 폴리머 섬유 및 생물 기반 폴리머 섬유를, 더 높은 섬유 제조 속도로 제조하기 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하며, 제조 허용 오차가 낮은 정밀 공학 부품이나 독성 화학물질의 사용을 필요로 하지 않는다. 본 개시의 목적은 첨부된 독립 청구항에서 제공된 솔루션에 의해 달성된다. 본 개시의 유리한 구현은 종속 청구항에서 추가적으로 정의된다.
제1 측면에 따르면, 본 개시는 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치를 제공하며, 이 장치는: 폴리머 용액 및 압축 가스 제트(jet of compressed gas)를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 노즐로서, 적어도 하나의 노즐은 중공 공간을 갖는 몸체, 개방된 제1 단부, 개방된 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 제2 단부에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구, 및 제2 단부 및 중공 공간을 통해 장착되는 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 포함하고, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘은 개방된 제1 단부로부터 돌출하는 비고정 원단부(unfixed distal end), 비고정 원단부에 대향하는 근단부(proximal end), 근단부에서 있는 폴리머 용액의 입구, 를 포함하고, 및 비고정 원단부에 있는 폴리머 용액의 출구를 포함하고, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 근단부는 적어도 하나의 노즐의 제2 단부에 고정되는, 적어도 하나의 노즐; 적어도 하나의 노즐의 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 통해 폴리머 용액을 펌핑하도록 구성된 펌프; 적어도 하나의 노즐의 압축 가스 제트의 제1 입구 내로 압축 가스 제트를 이송(directing)하도록 구성된 가스 압축기; 및 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 제1 운동 수단(moving means);을 포함한다.
본 개시에 따른 장치는 저렴하고 간단한 기계 요건을 갖고 높은 섬유 제조 속도로 폴리머 섬유의 연속 인라인(in-line) 제조를 가능하게 하며; 폴리머 섬유 제조에 사용되는 다양한 범위의 폴리머들(예를 들어, 합성 폴리머, 생물 기반 폴리머) 및 용매를 사용하는 것은 고전압을 필요로 하지 않아 에너지 효율적이다. 본 개시의 장치에 의해 제조된 폴리머 섬유는 무독성인데, 이 장치는 폴리머 섬유 제형 후에 모든 용매를 증발시킬 수 있어 무독성 폴리머 섬유를 얻을 수 있기 때문이다. 기존 솔루션과 비교하여 증가된 제조 속도는, 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 운동(rotational movement)을 일으키는 튜브형 섬유 방사 바늘에 작용하는 원심력 및 알려진 기술보다 노즐당 10배보다 더 높은 폴리머 주입 속도를 가능하도록 하는 적어도 하나의 노즐에 의해 달성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 운동은 폴리머 용액 제트를 액적으로 분해한다. 그 다음, 액적들은 공기흐름 중에서 가속되고 연신되어, 각각의 액적으로부터 섬유를 형성한다. 이러한 장치 구성은 알려진 장치보다 더 빠르게 섬유를 형성할 수 있으므로, 더 높은 제조 속도를 제공한다. 또한, 다른 구현예에 있어서, 장치는 동시에 여러 섬유를 형성할 수 있는 하나보다 많은 노즐을 구현할 수 있어, 단일 노즐로부터 한 번에 단 하나의 섬유만 형성되는 장치와 비교하여 훨씬 더 높은 섬유 제조 속도를 발생시킨다.
제2 측면에 따르면, 폴리머 섬유를 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은: 폴리머 용액을, 적어도 하나의 노즐의 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 폴리머 용액의 입구를 통해, 적어도 하나의 노즐 내로, 펌핑하는 단계; 압축 가스 제트를, 압축 가스의 제1 입구를 통해, 적어도 하나의 노즐 내로, 전달하는 단계; 전달된 압축 가스의 제트에 의해, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 운동을 인가하는 단계; 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부의 팁(tip)에, 폴리머 용액의 액적을 형성시키는 단계; 및 형성된 액적으로부터 폴리머 섬유를 얻는 단계로서, 폴리머 섬유의 직경은 0.2 내지 10 마이크로미터, 보다 특히, 0.1 내지 10 마이크로미터이인 단계;를 포함한다.
본 개시에 따른 방법은 연속적인 인라인 제조에 의해 섬유 제조 속도를 증가시킬 수 있고, 큰 비표면적을 초래하는 독특한 모폴로지의 폴리머 섬유를 달성할 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘에 운동, 예를 들어, 진동을 인가함으로써, 진동하는 튜브형 섬유 방사 바늘은, 튜브형 섬유 방사 바늘의 팁에서 폴리머 용액으로부터 폴리머가 석출(precipitation)되지 않는 것을 보장한다. 이 방법을 사용하면, 다양한 유형의 재료 및 적용 분야에 대한 다양한 유형의 폴리머 나노섬유 웹을 제조할 더 많은 가능성을 제공하는 폴리머 섬유를 제조하기 위해, 합성 및 생물 기반 폴리머를 둘다 사용할 수 있다. 본 개시에 따른 방법의 추가적인 이점은, 이 방법이 마이크로섬유 및 나노섬유 재료를 소규모에서 대규모로(즉, 실험실 규모 제조와 대량 제조 사이에서) 제조할 수 있다는 점이다. 본 개시의 구현예는 폴리머 섬유 제조 공정에서 사용되는 폴리머가 용융될 것을 요구하지 않는다. 따라서, 고온을 견디지 못하는 생물 기반 폴리머로부터 또한 섬유를 방사하는 것이 가능하다. 이 방법은 현재 존재하는 기술보다 훨씬 더 높은 폴리머 섬유 제조 속도를 가능하게 한다.
예를 들어, 생물 기반 폴리머를 사용하면 몇 가지 중요한 효과를 얻을 수 있다. 생물 기반 폴리머로부터 만들어진 재료는 생분해성 및 생체흡수성을 갖는다. 생물 기반 폴리머는 통상적으로 용융되지 않기 때문에, 그들의 유일한 제형은 용매에 그 자신을 용해시키는 것이다. 예를 들어, 젤라틴 섬유 제조의 큰 장점은 물을 용매로 사용할 수 있다는 것이다. 따라서, 젤라틴 섬유 제조에 독성 화학물질이 사용되지 않는다. 다른 종류의 용매와 함께 사용하는 경우, 본 개시에 따른 방법은 모든 용매를 증발시킬 수 있어, 무독성 폴리머 섬유를 얻을 수 있다. 무독성 폴리머 섬유로 만들어진 재료는, 예를 들어, 의료 분야에서 요구된다. 또한, 생물 기반 폴리머는 몇 가지 추가적인 이유로 중요하다. 생물 기반 폴리머는 전 세계적으로 증가하는 비-생분해성 플라스틱 폐기물에 대한 솔루션을 제공한다. 많은 합성 폴리머와 달리, 생물 기반 폴리머는 재생 불가능한 자원으로부터 유래되지 않는다. 셋째로, 생물 기반 폴리머의 주요 활용 분야 중 하나는, 사용된 재료가 임무를 완수한 후 체내에서 분해되는 것이 유리할 수 있는 의료 분야이다. 생분해성은 이러한 경우에 대해 중요한 측면이다.
제3 측면에 따르면, 적어도 하나의 용매에 용해된 적어도 하나의 폴리머를 포함하는 폴리머 섬유를 제조하기 위한 폴리머 용액이 제공되고, 적어도 하나의 폴리머의 농도는 적어도 하나의 용매의 9wt% 내지 45 wt%이고, 폴리머 용액의 점도는 1 밀리파스칼·초 내지 5,000 파스칼·초이다. 본 개시에 따른 폴리머 용액, 장치 및 방법의 구현예는, 마이크로 및 나노 스케일 모두로 폴리머 섬유를 제조할 수 있게 한다. 방법 파라미터를 변경하여, 나노섬유만, 마이크로 섬유만, 또는 부분적으로 마이크로 및 나노 규모 둘 다를 동시에, 제조할 수 있다. 실현되는 옵션은 특정 재료 및 조건의 조합에 따라 달라진다. 더욱이, 폴리머 섬유를 제조하기 위한 폴리머 용액의 추가 이점은, 폴리머 용액의 성분이 증발될 수 있고, 따라서, 얻어진 폴리머 섬유는 어떠한 독성 화학물질도 포함하지 않는다는 것이다.
제4 측면에 따르면, 본 방법에 의해 제조된 폴리머 섬유를 포함하는 재료가 제공되며, 이것은 부직포 필터 재료, 가죽 유사 텍스타일, 뼈 재생용 생체 재료, 상처 케어 재료, 세포 배양 및 조직 공학을 위한 3D 지지체(3D scaffold), 축전기용 전극 재료, 세라믹 나노섬유(예를 들어, Al2O3 나노섬유), 세포 배양육(cell-cultured meat)을 만드는데 사용된다. 본 개시에 따른 폴리머 섬유로부터 제조된 재료의 장점은, 폴리머 섬유를 포함하는 재료가, 나노 섬유의 꼬인 리본형 메쉬 모폴로지를 가져, 공기가 잘 통하고 푹신하다는 점이다. 폴리머 섬유 기반 재료는 또한, 종래의 방사 기술로 가능한 것보다 더 우수한 인장 강도와 기계적 특성을 가지고 있다.
본 개시의 구현예는 폴리머 섬유를 제조하기 위한 기존의 공지된 접근법에 있어서 앞에서 언급한 단점을 제거한다. 본 개시에 따른 실시예의 이점은, 구현예가 저렴하고 간단한 기계 요구사항을 가지며 더 높은 제조 속도로 폴리머 섬유의 연속적인 인라인 제조를 가능하게 한다는 점이다. 구현예들은 폴리머 섬유 제조에 사용되는 광범위한 합성 폴리머, 생물 기반 폴리머 및 용매와 호환된다. 본 구현예는 고전압을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 효율적이다. 본 개시의 추가적인 측면, 이점, 특징 및 목적은, 도면, 및 뒤따르는 첨부된 청구범위와 관련하여 해석되는 예시적인 구현예의 상세한 설명으로부터 명백해진다. 본 개시의 특징은, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 조합들로 조합될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
위의 요약은, 뿐만 아니라 예시적 구현예들에 대한 다음의 상세한 설명은, 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해된다. 본 개시를 예시하기 위해, 본 개시의 예시적인 구성들을 도면에 나타내었다. 그러나, 본 개시는 여기에 개시된 특정 방법 및 수단에 제한되지 않는다. 더욱이, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 도면이 축척대로 그려지지 않았다는 것을 이해할 것이다. 가능한 한 동일한 요소는 동일한 번호로 표시하였다. 이하에서는, 본 개시의 구현예들이, 단지 예로서, 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 개시의 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치를 도식적으로 보여준다.
도 2a는 본 개시의 일 구현예에 따라 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 원통형 몸체를 갖는 도 1의 노즐의 평면도를 도식적으로 보여준다.
도 2b는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 원뿔형 몸체를 갖는 도 1의 노즐의 평면도를 도식적으로 보여준다.
도 3a는 본 개시의 일 구현예에 따른 원통형 중공 공간을 갖는 도 2a의 노즐의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다.
도 3b는 본 개시의 일 구현예에 따른 원뿔형 중공 공간을 갖는 도 2a의 노즐의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다.
도 3c는 본 개시의 일 구현예에 따른 원통원뿔형 중공 공간을 갖는 도 2a의 노즐의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다.
도 3d는 본 개시의 일 구현예에 따른 원뿔형 몸체 및 원뿔형 중공 공간을 갖는 도 2b의 노즐의 B-B 단면도를 도식적으로 보여준다.
도 3e는 본 개시의 구현예들에 따른 슬리브를 포함하는 노즐을 도식적으로 보여준다.
도 4a는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유 방사 공정, 및 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동을 도식적으로 보여준다.
도 4b는, 본 개시의 상기 구현예에 따른 도 4a의 원형 운동 폴리머 용액 액적으로부터의 폴리머 섬유 방사 공정, 및 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동을 도식적으로 보여준다.
도 5는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유 재료의 제조 장치를 도식적으로 보여준다.
도 6은 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유 재료를 제조하기 위한 가열 유닛 및 용매 증발 챔버를 구비한 장치를 도식적으로 보여준다.
도 7은 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 방사구를 포함하는 장치를 도식적으로 보여준다.
도 8a는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 방사구를 도식적으로 보여준다.
도 8b는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 방사구를 도식적으로 보여준다.
도 9는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 개시에 따른 폴리머 섬유의 모폴로지의 예시이다.
다음의 상세한 설명은 본 개시의 구현예들 및 그것들이 구현될 수 있는 방식들을 예시한다. 본 개시를 수행하는 몇몇 모드가 개시되었지만, 당해 기술 분야의 통상의 기술자들은 본 개시를 수행하거나 실시하기 위한 다른 구현예들도 또한 가능하다는 것을 인식할 것이다.
제1 측면에 따르면, 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치가 제공되며, 본 장치는: 폴리머 용액 및 압축 가스 제트(jet of compressed gas)를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 노즐로서, 적어도 하나의 노즐은 중공 공간을 갖는 몸체, 개방된 제1 단부, 개방된 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 제2 단부에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구, 및 제2 단부 및 중공 공간을 통해 장착되는 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 포함하고, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘은 개방된 제1 단부로부터 돌출하는 비고정 원단부(unfixed distal end), 비고정 원단부에 대향하는 근단부(proximal end), 근단부에 있는 폴리머 용액의 입구, 및 비고정 원단부에 있는 폴리머 용액의 출구를 포함하고, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 근단부는 적어도 하나의 노즐의 제2 단부에 고정되는, 적어도 하나의 노즐; 적어도 하나의 노즐의 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 통해 폴리머 용액을 펌핑하도록 구성된 펌프; 적어도 하나의 노즐의 압축 가스 제트의 제1 입구 내로 압축 가스 제트를 이송하도록 구성된 가스 압축기; 및 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 제1 운동 수단(moving means);을 포함한다.
본 구현예의 장점은 저렴하고 간단한 기계 요구 사항을 가지며 높은 제조 속도로 폴리머 섬유의 연속적인 인라인(in-line) 제조를 가능하게 한다는 것이다. 본 구현예에 따른 장치는 폴리머 섬유 제조에 사용되는 광범위한 폴리머(예를 들어, 합성 폴리머, 생물 기반 폴리머, 등) 및 용매를 사용하는 것이 가능하다. 이 장치는 고전압을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 효율적이다. 또한, 이 장치는 저온 저항성(low temperature tolerances)을 갖는 폴리머의 사용 및 폴리머 섬유를 제조하기 위해 용매 중에 용해된 상기 폴리머의 사용을 용이하게 한다. 따라서, 폴리머 섬유를 제조하기 위해 폴리머의 용융이 필요하지 않다.
따라서, 이 장치는 증가된 폴리머 섬유 제조 속도와 함께, 보다 더 효율적으로 폴리머 용액으로부터의 폴리머 섬유의 제조를 가능하게 한다. 본 개시의 구현예에서, 압축 가스 제트는 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 작용하는 토크를 유발한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘"은, 본 개시의 구현예의 하나 이상의 튜브형 섬유 방사 바늘들을 지칭하고, 이하 본 개시 내용 전체에 걸쳐, 튜브형 섬유 방사 바늘로 사용된다. 본 개시의 일 구현예에 따르면, 튜브형 섬유 방사 바늘은 주사기 바늘 유형의 배열일 수 있다. 회전하는 공기 소용돌이(spinning air vortex)에 의해 가해지는 토크는, 차례로 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동을 유발한다. 이것은 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에 진동 효과를 일으켜, 튜브형 섬유 방사 바늘의 끝에 있는 폴리머 용액의 석출을 방지하는 데 도움이 된다.
이 장치는 또한 재생가능한 자원(예를 들어, 젤라틴, 콜라겐, 등과 같은 생물 기반 폴리머)으로부터 폴리머 섬유를 제조할 수 있도록 하기 때문에, 증가하는 비-생분해성 플라스틱 폐기물에 대한 솔루션을 제공한다. 이 장치는 또한, 동시에 부분적으로 마이크로- 및 나노- 영역의 섬유의 직경의 분포를 포함하는, 마이크로 섬유 및 나노 섬유 모두의 제조를 가능하게 한다. 또한, 이 장치는 높은 섬유 제조 속도와 저렴한 제조 비용으로, 소규모, 중규모 및 대규모의 폴리머 섬유의 제조를 가능하게 한다.
압축 가스 제트는 압축 가스의 제1 입구를 통해 노즐의 중공 공간으로 전달된다. 본 개시의 구현예들에 따르면, 노즐은 예를 들어, 원통형 또는 원뿔형의 외형을 가질 수 있다. 원뿔형 노즐은, 압축 가스 제트의 가스 흐름이 노즐로부터 빠져 나가, 벤츄리 효과(Venturi effect)를 사용하여, 노즐 측면들로부터 추가의 공기를 얻는 것을 가능하게 한다. 벤츄리 효과는 압축 가스 제트가 원뿔 모양의 노즐을 통해 흐를 때 발생하는 압력의 감소이다. 또한, 원뿔형 외형은 재료를 절약할 수 있게 한다.
압축 가스의 입구는 노즐 축으로부터 벗어나도록(offset) 형성되고, 또한 노즐 몸체를 관통하도록 형성되되, 중공 공간의 원위 에지(distal edge) 및 압축 가스의 제1 입구의 에지(edge)가 접하도록(tangential), 즉 정렬되도록(aligned) 형성된다. 이것은 압축 가스 제트의 회전 소용돌이를 만드는 데 필요하다. 압축 가스 제트는 노즐의 개방된 제1 단부로부터 빠져 나온다. 노즐의 중공 공간으로 보내질 때, 압축 가스 제트는 노즐의 개방된 제1 단부를 향해 이동하고, 튜브형 섬유 방사 바늘로부터 폴리머 용액을 당기고, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에 있는 폴리머 용액 주위에서 원형 운동(circular movement)으로 움직이기 시작한다. 압축 가스 제트의 전진 운동과 원형 운동의 조합은, 압축 가스 제트의 나선형 궤적(예를 들어, 나선형 운동)을 유발하고, 이는 차례로 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부가 공전(revolve)(즉, 회전 운동(rotational movement)), 또는 진동하도록 한다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 이러한 회전 또는 진동 운동은, 폴리머 용액에 작용하는 원심력을 생성하고, 폴리머 용액의 출구에 있는 폴리머 용액을 폴리머 용액 액적으로 분해한다. 폴리머 용액 액적이 압축 가스 제트에 의해 제공되는 가스 흐름에서 가속되고 연신(elongate)될 때, 폴리머 용액 액적로부터 폴리머 섬유가 형성된다. 성형 중 폴리머 섬유는 압축 가스 제트에 의해 신장된다.
폴리머 섬유는, 압축 가스 제트가 폴리머 용액 액적으로부터 폴리머 섬유를 분리할 때까지, 비고정 원단부의 회전 또는 진동 운동으로 인해 계속 성장할 수 있다. 폴리머 용액에 작용하는 원심력은 폴리머 섬유의 모폴로지를 개선하는데, 이는, 원심력이 폴리머 섬유가 통기성(airy)이거나 푹신하도록(fluffy) 만드는 데 도움이 되기 때문이며, 이러한 폴리머 섬유는 다른 고밀도 재료보다 더 우수한 성능을 발휘한다.
노즐의 중공 공간은 튜브형 섬유 방사 바늘을 위한 공간을 제공하고, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부를 진동시키거나 회전시킨다. 중공 공간은 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 회전 또는 진동 운동 반경을 한정한다.
압축 가스 제트는, 노즐의 중공 공간 내로 향하기 전에, 노즐 어셈블리를 워밍업하기 위해 가열될 수 있다. 이것은 용해도를 향상시키고, 폴리머 용액의 점도를 낮춘다. 가열된 압축 공기의 또 다른 이점은, 가스가 대기압으로 팽창할 때, 냉각 효과를 감소시키는 것이다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동은, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에서, 폴리머 용액으로부터 폴리머가 석출되지 않는 것을 보장한다.
일 구현예에서, 원심력을 가하는 제1 운동 수단에 의해 발생된 회전 또는 진동 운동으로 인해, 적어도 하나의 노즐의 개방된 제1 단부 및 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부가 동시에 운동한 다음, 이는 적어도 하나의 노즐에 존재하는 폴리머 용액에 작용하여, 폴리머 용액 액적을 생성한다. 일부 구현예에서, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 회전 또는 진동 운동은, 폴리머 용액 액적을 생성하기 위해 적어도 하나의 노즐에 존재하는 폴리머 용액에 원심력을 가하기에 충분할 수 있다. 제1 운동 수단은, 회전(rotational), 진동, 회전(revolving), 원형 운동(circular movement), 또는 다른 유형의 운동의 조합 중 적어도 하나를 포함하는, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 운동을 생성할 수 있다.
적어도 하나의 노즐의 개방된 제1 단부의 회전 운동(revolving movement), 및 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 회전 또는 진동 운동은, 나선형 궤적으로 움직이는 압축 가스 제트에 의해 생성되어, 적어도 하나의 노즐에 존재하는 폴리머 용액에 원심력을 가할 수 있다. 이 장치는 폴리머 용액에 작용하는 추가적인 원심력 성분을 포함할 수 있다. 이 추가적인 원심력은, 생성되는 폴리머 섬유의 모폴로지, 및 장치의 섬유 제조 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에 있는 적어도 하나의 노즐로부터 나오는 폴리머 용액에 작용하는 원심력은, 원단부의 팁에 있는 폴리머 용액을 액적으로 분해하고, 이는 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부와 함께 원형으로 진동한다.
튜브형 섬유 방사 바늘은 선택적으로(optionally) 다양한 기하학적 배열로 적어도 하나의 노즐의 제2 단부 및 중공 공간을 통해 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘은, 원형 배열로, 적어도 하나의 노즐의 제2 단부 및 중공 공간을 통해 장착될 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘은 선택적으로(optionally) 적층 배열(stacked configuration)로 적어도 하나의 노즐의 제2 단부 및 중공 공간을 통해 장착된다.
이 장치는 마이크로 섬유 및 나노 섬유 중 적어도 하나를 제조할 수 있다. 본 장치는 공정 파라미터를 변화시켜 나노 섬유 및 마이크로 섬유 중 적어도 하나를 제조할 수 있다. 공정 파라미터는 조건에 따라 달라질 수 있으며, 폴리머 용액의 주입 속도, 주입되는 폴리머 용액의 압력, 압축 가스의 분사 압력 및 폴리머 섬유 제조 속도 중 적어도 하나로부터 선택할 수 있다. 이 장치는, 작동 조건의 조합에 따라, 제조에 사용되는 특정 유형의 폴리머를 기반으로 마이크로 영역 또는 나노 영역 중 적어도 하나로 폴리머 섬유 제조의 분포를 가능하게 한다. 장치의 작동 조건에는 압축 가스 제트의 온도가 포함될 수 있다. 장치는 펌프, 가스 압축기, 및 기계식 또는 전기기계식 장치 중 적어도 하나의 작동을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 장치의 폴리머 섬유 제조 속도는 1 내지 1.5 kg/시간이다. 이 속도로 폴리머 섬유를 제조하면 폴리머 섬유의 모폴로지가 개선되어, 다른 고밀도 폴리머 재료보다 성능이 우수하다. 폴리머 섬유 제조 속도는 1, 1.1, 1.2, 1.3 또는 1.4 kg/시간 내지 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 또는 1.5 kg/시간일 수 있다. 예를 들어, 장치의 폴리머 섬유 제조 속도는 시간당 노즐 오리피스당 21 g이다. 이 속도로 폴리머 섬유를 제조하면 형성되는 폴리머 섬유의 모폴로지가 개선되고, 폴리머 섬유의 대규모 제조에도 또한, 도움이 된다. 폴리머 섬유 제조 속도는 예를 들어, 노즐당 시간당 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 또는 28 g일 수 있다.
본 개시의 일 구현예에 따르면, 얻어진 폴리머 섬유의 단면은, 섬유의 더 작은 범위(extent)에서 타원형, 덤벨형 또는 원형일 수 있다. 폴리머 섬유의 타원형 단면은, 폴리머 섬유에 평평한 테이프와 같은 외관을 제공한다. 덤벨형 단면은 폴리머 섬유에 평평한 테이프와 같은 외관을 제공한다. 방사 과정에서, 폴리머 섬유의 일부는 먼저 폴리머 용액의 표면 상에서 고체가 되어, 내부가 빈 폴리머 원통의 구조를 생성할 수 있다. 폴리머 섬유 내부에 형성된 빈 폴리머 원통형 구조는 붕괴되어 타원형 또는 덤벨형 단면을 생성할 수 있다. 폴리머 섬유의 단면은, 섬유 형성 과정에서 폴리머 섬유의 회전 운동에 의해 유발되는 폴리머 섬유의 꼬임으로 인해, 나선과 유사한 구조를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 장치는 2개 이상의 노즐들 및 방사구를 더 포함하고, 방사구는 압축 가스 제트의 제2 입구를 갖는 중공 몸체를 포함하며, 2개 이상의 노즐들은 제2 단부에 의해 중공 몸체에 연결되며, 가스 압축기는, 압축 가스 제트를, 압축 가스 제트의 제2 입구를 통해 방사구의 중공 몸체 내로, 그리고, 중공 몸체를 통해 2개 이상의 노즐들 중 각각의 노즐의 압축 가스 제트의 제1 입구로 이송하도록 구성된다. 구현예에서, 장치는 2개 이상의 노즐들을 포함하는 방사구를 포함하거나, 2개 이상의 노즐들은 방사구에 연결되고, 각각의 노즐들은 폴리머 섬유 형성을 위한 튜브형 섬유 방사 바늘을 갖는다. 방사구에 부착된 2개 이상의 노즐들은, 예를 들어, 원통형 노즐 또는 원뿔형 노즐일 수 있다. 방사구는 폴리머 섬유를 제조하기 위한 방사 공정을 수행하도록 구성된다.
구현예에 따르면, 장치는 세트를 형성하기 위해 함께 부착되는 2개 이상의 방사구들을 더 포함할 수 있으며, 각각의 방사구들은 2개 이상의 노즐들을 포함한다. 이러한 구현예는 복수의 방사구를 서로의 상단부에, 한 줄로 또는 다른 배열로 적층할 수 있게 하여, 섬유 제조 속도를 배가시킬 수 있게 한다.
튜브형 섬유 방사 바늘은 방사구의 중공 몸체에 고정될 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘이 압축 가스 제트에 의해 유발된 진동 운동으로 인해 진동할 때, 방사구는 또한, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에서 폴리머 용액으로부터 폴리머 용액이 석출되지 않는 것을 보장하기 위해 진동하도록, 구성될 수 있다.
구현예에 따르면, 방사구의 중공 몸체는 삼각형, 평평한 삼각형, 원형 또는 피라미드 형상을 가질 수 있으며, 각각의 방사구는 방사구의 중공 몸체로부터 돌출하는 하나 이상의 노즐들, 및 압축 가스 제트의 하나 이상의 제2 입구를 포함할 수 있다. 실시예에서, 각각의 방사구는, 원형 중공 몸체로부터 돌출하는 적어도 4개의 노즐들, 및 압축 가스 제트의 적어도 4개의 제2 입구를 갖는, 원형 중공 몸체를 포함할 수 있다.
구현예에 따르면, 폴리머 용액은 방사구의 중공 몸체에 연결된 2개 이상의 노즐을 통해 방사구 내로 펌핑된다. 폴리머 용액은 2개 이상의 노즐들을 통해 들어가기 전에 가열될 수 있다. 압축 가스 제트의 제2 입구를 통해, 그리고 2개 이상의 노즐들 각각의 압축 가스 제트의 제1 입구를 통해, 방사구의 중공 몸체 내로 향하는 압축 가스 제트는, 방사구의 중공 몸체로 유입되기 전에 가열될 수 있다. 압축 가스 제트는 감압으로 인한 냉각 효과를 줄이기 위해 가열될 수 있다. 압축 가스 제트는 2개 이상의 노즐들을 통해 이송되며, 그 결과, 2개 이상의 노즐들 각각의 개방된 제1 단부에서 압축 가스 제트의 가스 흐름은, 폴리머 용액의 흐름 방향에 평행한 성분 및 폴리머 용액 제트의 표면에 접하면서 폴리머 용액의 흐름 방향에 수직인 성분을 포함한다. 이로 인해 튜브형 섬유 방사 바늘이 진동하고, 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동이 원심력을 생성하며, 이는 폴리머 용액에 작용하고 폴리머 용액을 폴리머 용액 액적로 분해하여, 폴리머 섬유를 생성한다.
폴리머 용액은 폴리머 용액의 입구를 통해 2개 이상의 노즐들 내부에 제공되는 각각의 튜브형 섬유 방사 바늘로 이송된다. 용액의 입구는 선택적으로(optionally) 입구 하우징 상에 배치될 수 있다. 입구 하우징은 폴리머 용액의 제2 입구로부터 폴리머 용액을 수용하도록 구성되고, 폴리머 용액을 폴리머 용액의 입구 내로 이송하도록 추가로 구성된다.
장치는 선택적으로(optionally) 2개 이상의 노즐들 또는 2개 이상의 방사구들이 부착된 프레임을 포함하고, 기계식 또는 전기기계식 장치에 의해 2개 이상의 노즐들 또는 2개 이상의 방사구들을 운동시키도록 구성된다. 2개 이상의 노즐들 또는 2개 이상의 방사구들은 프레임 상에 수평 방향으로, 고정된 프레임 상에 수직 방향으로, 부착될 수 있다. 2개 이상의 노즐들 또는 2개 이상의 방사구들은, 2개 이상의 노즐들 또는 2개 이상의 방사구들이 고정된 프레임 상에서 전후 방향으로, 상하 방향으로 운동할 수 있도록 프레임에 연결되어, 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 폴리머 섬유를 퇴적시킬 수 있다. 방사구의 2개 이상의 노즐들은, 프레임 상에서 상하 방향으로 운동하면서 회전하도록 구성되어, 공기 투과성 섬유 수집 표면의 표면 상에 폴리머 섬유를 퇴적시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 제1 운동 수단은, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부를 운동시키는 기계식 또는 전기기계식 장치, 적어도 하나의 노즐을 진동시키는 기계식 또는 전기기계식 장치 및 적어도 하나의 노즐의 제2 단부에서 압축 가스 제트의 제1 입구에 의해 형성된 제1 운동 수단을 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 제1 운동 수단은, 나선형 궤적으로 이동하는 압축 가스 제트에 의해, 노즐의 개방된 제1 단부에서, 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부 또는 노즐의 회전(rotational), 진동, 회전(revolving), 원형 운동 또는 다른 유형의 운동의 조합을 생성할 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전(rotational), 진동, 회전(revolving), 원형 운동 또는 다른 유형의 운동의 조합은, 노즐, 방사구에 부착된 기계식 또는 전기기계식 장치를 사용하여 비고정 원단부를 운동시키거나, 또는 튜브형 섬유 방사 바늘에 직접 진동을 제공함으로써 개시될 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전(rotational), 진동, 회전(revolving), 원형 운동 또는 다른 유형의 운동의 조합은, 노즐의 중공 공간을 통해 방사구에 고정된 튜브형 섬유 방사 바늘의 제2 단부에 의해 달성될 수 있으며, 방사구는 기계식 또는 전기기계식 장치에 의해 튜브형 섬유 방사 바늘에 상기 운동들을 전달하도록 구성된다.
일 구현예에 따르면, 상기 장치는 폴리머 섬유를 수집하기 위한 수집 유닛을 더 포함하고, 여기서, 수집 유닛은: 공기 투과성 섬유 수집 표면; 및 공기 투과성 섬유 수집 표면을 통해 공기를 끌어들이고 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 폴리머 섬유를 퇴적시키기 위한 흡입 압력을 생성하도록 구성된 흡입 유닛;을 포함한다. 일 구현예에서, 수집 유닛은, 적어도 하나의 노즐 또는 적어도 하나의 방사구로부터 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 또는 1.9 미터 내지 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9 또는 2 미터의 거리를 두고 배치되며, 흡입 압력은 주위 압력보다 적어도 10 파스칼 더 낮다. 공기 투과성 섬유 수집 표면은 폴리머 섬유 재료의 기재 재료로서 기능할 수 있다. 공기 투과성 섬유 수집 표면은, 얻어진 폴리머 섬유를 수집하기 위한, 공기 투과성 섬유 수집 표면에 부착된 공기 투과성 섬유 수집 재료(예를 들어, 텍스타일)를 포함할 수 있다. 공기 투과성 섬유 수집 표면은 적어도 하나의 노즐 또는 적어도 하나의 방사구의 방사 방향에 수직인 방향으로 이동할 수 있다. 폴리머 섬유 재료의 두께는, 공기 투과성 섬유 수집 표면이 이동하는 속도를 변화시킴으로써, 제어된다. 흡입 유닛은 공기 투과성 섬유 수집 표면을 통해 공기를 흡입할 수 있다. 적어도 하나의 노즐을 따라 흐르는 압축 가스 제트는, 폴리머 섬유가 공기 투과성 섬유 수집 표면 상으로 이동하는 것을 가능하게 한다. 압축 가스 제트는 수집된 폴리머 섬유 재료를 통해 흐를 수 있으며, 이에 따라, 폴리머 섬유 재료에 남아 있을 수 있는 용매 증기를 건조시켜 제거할 수 있다. 폴리머 섬유 재료를 통해 압축 가스 제트를 흡입함으로써, 폴리머 섬유로부터 용매의 증발 속도를 증가시킬 수 있다. 폴리머 섬유 재료 내로 끌어들여지는 압축 가스 제트는 공기로 운반되는 폴리머 섬유를 공기 투과성 섬유 수집 표면 상으로 안내할 수 있으며, 폴리머 섬유가 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에서 서로 부착되어 폴리머 섬유 재료를 형성하게 만드는 추가적인 힘을 생성한다.
추가적으로, 수집 유닛은, 적어도 하나의 노즐의 방사 방향에 수직인 방향으로 공기 투과성 섬유 수집 표면을 이동시키는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 롤러를 수집 유닛의 하류 측에 포함할 수 있다. 수집 유닛은 추가적으로 권취 롤러를 포함할 수 있으며, 폴리머 섬유 재료는 권취 롤러로 이송되고, 권취 롤러 상에 권취된다. 하나 이상의 롤러 및 권취 롤러는,예를 들어, 원통형 롤러일 수 있다. 권취 롤러는 1.2 미터 이하, 또는 1.2 미터 초과의 롤 폭을 가질 수 있거나, 또는 사용자 정의 가능한 롤 폭을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 공기 투과성 섬유 수집 표면은 공기 투과성 섬유 수집 재료를 더 포함한다. 공기 투과성 섬유 수집 재료는, 얻어진 폴리머 섬유를 수집하는 것을 용이하게 한다. 공기 투과성 섬유 수집 재료는, 스펀 본딩 부직포(spun-bonded nonwovens), 바늘로 펀칭된 부직포(needle punched nonwovens), 제직물(woven fabrics), 편직물(knit fabrics), 천공 필름(apertured films), 종이(paper), 또는 이들의 조합을 포함하는 다양한 다공성 재료들 중에서 선택될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 수집 유닛은 가열 및 용매 증발 챔버를 더 포함하고, 공기 투과성 섬유 수집 표면은 이동 가능한 공기 투과성 섬유 수집 표면이다. 가열 및 용매 증발 챔버는 가열 유닛을 구비할 수 있다. 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 수집된 얻어진 폴리머 섬유는 가열 및 용매 증발 챔버로 이송되어, 용매를 더욱 빠르게 증발시킨다. 얻어진 폴리머 섬유는, 사용되는 용매, 및 형성된 폴리머 섬유의 추가 용도에 따라, 가열 및 용매 증발 챔버로 이송될 수 있다. 수집 유닛은 가열 챔버를 더 포함할 수 있으며, 얻어진 폴리머 섬유는 폴리머 섬유의 가열을 위해 가열 챔버로 이송된 후, 수집 유닛으로 추가적으로 이송될 수 있다. 용매의 제거가 중요하지 않은 경우, 형성된 폴리머 섬유는 가열 및 용매 증발 챔버를 우회하여, 수집 유닛으로 직접 안내될 수 있다. 이동 가능한 공기 투과성 섬유 수집 표면은, 얻어진 폴리머 섬유가 수집 또는 용매 증발 단계로 이송되는 것을 가능하게 한다. 이동 가능한 공기 투과성 섬유 수집 표면은, 예를 들어, 공기 투과성 컨베이어, 연속 수집 벨트, 또는 수동식으로 이동 가능한 수집 표면일 수 있다. 예를 들어, 폴리머 섬유 재료는 연속 수집 벨트 상에 수집될 수 있으며, 연속 수집 벨트 상에 수집된 얻어진 폴리머 섬유로부터 용매를 증발시키기 위해, 용매 증발 구역을 통해 당겨질 수 있으며, 여기서, 용매는, 예를 들어, 팬(fan) 또는 가열을 사용하여 증발된다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 노즐의 직경은 1.5 mm 내지 5.0 mm이고, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경은 0.6 mm 내지 1.6 mm이다. 노즐 직경 1.5 mm 내지 5 mm는 노즐의 개방된 제1 단부의 중공 공간을 위한 충분한 공간을 제공하며, 그에 따라, 튜브형 섬유 방사 바늘이 회전 또는 진동하기에 충분한 공간을 제공한다. 직경이 너무 작으면, 튜브형 방사 형성 바늘의 원단부가 노즐의 중공 공간에서 진동 또는 회전하기에 충분한 공간을, 노즐의 개방된 제1 단부에 남기지 않는다. 직경이 너무 크면, 중공 공간에 충분한 압력이 축적되지 않는다. 노즐의 직경은 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 또는 4.5 mm 내지 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 5 mm일 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경은 0.6 mm 내지 1.6 mm일 수 있다. 더 큰 직경을 갖는 튜브형 섬유 방사 바늘은 충분히 진동하거나 회전하지 않으며, 더 작은 직경을 갖는 튜브형 섬유 방사 바늘은 충분한 폴리머 용액을 통과시키지 못한다. 따라서, 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경은 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 또는 1.5 mm 내지 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 또는 1.6 mm일 수 있다. 일 구현예에서, 노즐의 바람직한 직경은 3 mm이고, 튜브형 섬유 방사 바늘의 바람직한 직경은 0.8 mm이며, 이는 최상의 섬유 형성 결과를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 장치는, 적어도 하나의 노즐에 적어도 하나의 운동을 인가하기 위한, 적어도 하나의 노즐의 제2 운동 수단을 더 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 운동은, 적어도 하나의 노즐을 회전시키는 것, 적어도 하나의 노즐을 좌우로 운동시키는 것, 및 적어도 하나의 노즐을 공기 투과성 섬유 수집 표면에 대해 상하로 운동시키는 것으로부터 선택된다. 그러한 구현예에서, 제2 운동 수단은, 적어도 하나의 노즐을 운동시켜, 진동하는 튜브형 섬유 방사 바늘에, 추가적인 운동을 제공하도록 구성되며, 그에 따라, 형성되는 폴리머 섬유는 더욱 효과적으로 신장되고(elongated), 연신되고(stretched out), 최종적으로 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부로부터 분리될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 장치는 프레임을 포함할 수 있는데, 이때, 프레임에는 적어도 하나의 노즐이 부착될 수 있거나, 또는 프레임은 하나 이상의 방사구를 포함할 수 있고, 각각의 방사구는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, 제2 운동 수단은, 하나 이상의 노즐 또는 하나 이상의 방사구를 보유하는 프레임을, 전방 및 후방으로, 상방 및 하방으로, 회전 또는 진동하도록, 또는 상방, 하방, 전방 및 후방으로, 운동시키도록 구성될 수 있다.
또한, 제2 운동 수단은, 폴리머 섬유 수집 표면 상에서의 얻어진 폴리머 섬유의 퇴적을 제어하여, 퇴적된 폴리머 섬유의 더 높고 더 균일한 밀도를 달성함으로써, 폴리머 섬유 재료의 다양한 특성을 얻는 것을 가능하게 한다.
튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 및 진동 운동은, 제1 운동 수단(예를 들어, 적어도 하나의 노즐의 제2 단부에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구, 기계적 장치, 전기기계적 장치)을 사용하여 적어도 하나의 노즐의 비고정 원단부를 원형 동작으로 운동시킴으로써, 달성될 수 있다. 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 또는 진동 운동은, 제2 운동 수단을 이용하여 적어도 하나의 노즐을 상하좌우로 운동시킴으로써 달성될 수 있다. 제2 운동 수단은, 회전(rotational), 진동, 회전(revolving), 원형 운동(circular movement), 또는 다양한 유형의 운동들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 노즐의 운동을 발생시킬 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 장치는 압축 가스 가열 유닛을 더 포함한다. 압축 가스 가열 유닛은, 더 우수한 결과를 얻기 위해, 압축 가스를, 50 ℃, 52 ℃, 54 ℃, 56 ℃, 58 ℃, 60 ℃, 62 ℃, 64 ℃, 66 ℃ 또는 68 ℃ 내지 54 ℃, 56 ℃, 58 ℃, 60 ℃, 62 ℃, 64 ℃, 66 ℃, 68 ℃ 또는 70 ℃의 온도로 가열하도록 구성된 히터를 포함한다. 압축 가스는 선택적으로(optionally) 60 ℃의 온도로 가열된다. 압축 가스 제트는, 감압으로 인한 냉각을 보상하고, 적어도 하나의 방사 바늘 내의 용액의 점도를 낮추기 위해, 선택적으로(optionally) 가열된다. 압축 가스의 가열 온도는, 가스가 사용되는 본 개시에 따른 다양한 구현예들; 폴리머 용액의 농도, 및 폴리머 용액의 폴리머 및 용매의 농도; 장치가 작동 중일 때 장치의 환경 온도;에 따라 달라질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 중공 공간은 축대칭 중공 공간(axially symmetric hollow space)이다. 본 개시의 상기 구현예에 따르면, 축대칭 중공 공간은, 예를 들어, 원통형 중공 공간, 개방된 제1 단부를 향해 좁아지는 원뿔형 중공 공간, 또는 제2 단부에 원통형 중공 공간을 갖고 또한 개방된 제1 단부에 원뿔형 중공 공간을 갖는 원통원뿔형(cylindroconical) 중공 공간일 수 있다. 원뿔형 중공 공간 또는 원통원뿔형 중공 공간을 갖는 노즐은, 중공 공간의 제1 단부의 표면적 감소로 인해 더 많은 공기가 압축되기 때문에, 노즐에서 압축 효과를 생성하는 데 가장 효과적이다.
선택적으로(optionally), 일 구현예에서, 적어도 하나의 노즐은, 노즐의 마모를 감소시키기 위해, 제2 단부에 내마모성 인서트(abrasion resistant insert)를 더 포함할 수 있다. 본 개시의 구현예들에 따르면, 개방된 제1 단부에 있는 노즐의 중공 공간에도 내마모성 인서트가 부착될 수 있다. 개방된 제1 단부에 내마모성 인서트를 포함하는 노즐은 노즐의 마모를 훨씬 더 효과적으로 감소시키는데, 이는, 진동으로 인해, 튜브형 섬유 방사 바늘이, 개방된 제1 단부에 있는 원통형 중공 공간의 에지에 부딪히도록(against) 운동함으로써, 개방된 제1 단부에 있는 원통형 중공 공간의 에지가 마모되도록 만들게 되는데, 이때, 내마모성 인서트가 중공 공간의 에지가 마모되지 않도록 보호하기 때문이다. 내마모성 인서트는, 중공 공간의 에지와 튜브형 섬유 방사 바늘 사이의 마모을 방지하기 위한, 예를 들어, 슬리브이거나, 또는 얇은 벽을 갖는 원통형 또는 원뿔형의 다른 부품일 수 있다. 이러한 원통형 또는 원뿔형 부품을 개방된 제1 단부의 원통형 중공 공간에 부착함으로써, 노즐의 팁(tip)의 마모를 방지할 수 있으며, 그에 따라, 노즐의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 내구성을 더욱 향상시키기 위해, 원통형 또는 원뿔형 부품은, 마찰 특성이 낮은 재료(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)) 또는 내마모성 재료(예를 들어, 청동 합금)로 만들어진다.
원통원뿔형 중공 공간의 예에서, 중공 공간의 제1 부분이 원통형이고 중공 공간의 제2 부분이 원뿔형인 경우, 제2 단부의 원통형 부분은, 중공 공간의 길이의 1/4 내지 1/2일 수 있다. 예를 들어, 중공 공간의 길이의 1/4 부분은 원통형이고, 중공 공간의 제2 부분은 적어도 하나의 노즐의 개방된 제1 단부를 향해 좁아지는 원뿔형이다.
원뿔형 중공 공간의 효과는, 튜브형 섬유 방사 바늘의 팁 근처에서 가스 흐름의 속도를 높일 수 있다는 것이다. 압축 가스 제트는 중공 공간 내로 노즐 축에 수직으로 이송되어, 회전(revolving)하는 가스 흐름을 생성하며, 그에 따라, 튜브형 섬유 방사 바늘에 토크를 가하게 된다. 회전(revolving)하는 가스 흐름의 선속도는 중공 공간이 좁아짐에 따라 증가하고, 노즐을 빠져나갈 때 최대이다.
압축 가스 제트는 노즐의 중공 공간 내로 이송된다. 이는 튜브형 섬유 방사 바늘이 회전(revolving)할 수 있게 하여, 더 작은 직경(예를 들어, 0.2 마이크로미터 내지 10 마이크로미터)을 갖는 폴리머 섬유의 생성을 가져온다. 일 예에서, 압축 가스 제트는 노즐의 원뿔형 중공 공간 내로 노즐의 축에 수직으로 이송되어, 압축 가스 제트의 나선형 운동을 생성할 수 있다. 압축 가스 제트의 이러한 나선형 운동은 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부가 진동하면서 회전(revolve)하도록 만들어서, 폴리머 용액으로부터 섬유가 생성되도록 한다. 회전(revolving)하는 압축 가스 제트의 압축 가스 흐름의 선속도는, 원뿔형 중공 공간이 좁아짐에 따라 증가하고, 압축 가스 제트가 적어도 하나의 노즐로부터 빠져나갈 때 최대가 된다. 이는 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부에서 진동 운동을 일으켜, 폴리머 용액으로부터 섬유가 생성되도록 한다.
제2 측면에 따르면, 폴리머 섬유의 제조 방법이 제공되며, 이 제조 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 폴리머 용액을, 적어도 하나의 노즐의 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 폴리머 용액의 입구를 통해, 상기 적어도 하나의 노즐 내로, 펌핑하는 단계; 압축 가스 제트를, 압축 가스의 제1 입구를 통해, 상기 적어도 하나의 노즐 내로, 전달하는 단계; 상기 전달된 압축 가스 제트에 의해, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 운동을 인가하는 단계; 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부의 팁(tip)에, 상기 폴리머 용액의 액적을 형성시키는 단계; 및 상기 형성된 액적으로부터 폴리머 섬유를 얻는 단계로서, 상기 폴리머 섬유의 직경은 0.2 마이크로미터 내지 10 마이크로미터, 더욱 특히, 0.1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터인, 단계.
노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘의 폴리머 용액 입구를 통해 폴리머 용액을 펌핑하면, 폴리머 용액은 비고정 원단부에 있는 폴리머 용액의 출구로부터 빠져 나오고, 폴리머 용액 액적이 형성되기 시작하며, 용매가 증발하기 시작한다. 노즐의 중공 공간 내의 압축 가스(예를 들어, 공기) 제트는 튜브형 섬유 방사 바늘 주위에서 회전(rotating)하기 시작하고, 압축 가스 제트의 회전 운동(rotational movement)은 튜브형 섬유 방사 바늘의 팁이 진동하면서 회전하도록(vibrate and revolve) 만든다. 폴리머 용액에 작용하는 이러한 추가 원심력 성분은, 생성되는 섬유 모폴로지에 영향을 미치고, 섬유 제조 속도를 향상시킨다. 압축 가스 제트의 제1 입구를 통해 노즐의 중공 공간 내로 압축 가스를 이송함으로써, 노즐의 팁에서의 압축 가스 흐름은, 폴리머 용액 흐름의 방향에 평행한 성분, 및 폴리머 용액 제트의 표면에 접하고 폴리머 용액 제트의 흐름 방향에 수직인 성분으로 구성된다.
폴리머 용액의 제트는 처음에는 튜브형 섬유 방사 바늘의 회전 동작(rotating motion)(이는 폴리머 용액 제트를 액적으로 쪼갠다)에 의해 점차적으로 폴리머 용액 액적으로 변한다. 그 다음, 액적은 압축 가스 제트 중에서 가속 및 신장되며, 그 결과, 폴리머 용액 액적으로부터 섬유가 형성된다. 그 다음, 형성되는 폴리머 섬유는, 노즐의 중공 공간을 통해 안내되는 압축 가스 제트에 의해, 연신된다(stretched out).
폴리머 섬유는, 압축 가스 제트의 힘과 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 나선 운동(vibrational spiral movement)(이는 폴리머 용액 액적의 원형 운동(circular movement)을 추가적으로 유발한다)으로 인해, 폴리머 용액 액적으로부터 형성되기 시작하고 성장한다. 형성되는 폴리머 섬유는, 그것의 힘이 그것 자체를 폴리머 용액 액적으로부터 분리할 때까지, 폴리머 용액 액적과 함께 진동하고, 폴리머 섬유는 마침내 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부로부터 분리되며, 얻어진 폴리머 섬유는, 공기를 통해, 표면, 예를 들어, 섬유 수집 표면을 향해 날아간다. 섬유 수집 표면 상에서, 형성된 폴리머 섬유는 서로 부착되어 폴리머 섬유 재료를 형성한다. 공기 제트의 회전 운동(rotational movement)은 바늘의 팁이 진동하면서 회전하도록(vibrate and revolve) 만든다. 폴리머 용액에 작용하는 이러한 추가 원심력 성분은, 생성되는 섬유 모폴로지에 영향을 미치고, 섬유 제조 속도를 향상시킨다.
따라서, 본 방법은 광범위한 생물 기반 폴리머 및 합성 폴리머로부터 제조된 폴리머 용액으로부터 폴리머 섬유의 제조를 가능하게 한다. 본 구현예에 따른 방법은, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 작용하는 원심력으로 인해, 폴리머 섬유의 제조 속도를 증가시킨다. 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부의 회전 또는 진동 운동(rotational or vibrational movement)은 폴리머 용액에 작용하는 원심력을 생성하고, 폴리머 용액을 폴리머 용액 액적으로 쪼갠다. 그 다음, 폴리머 용액 액적은 공기 흐름 중에서 가속 및 신장되며, 그 결과, 각각의 액적으로부터 섬유가 형성된다. 2개 이상의 노즐들을 포함하는 본 개시에 따른 구현예들에서, 여러 개의 섬유가 동시에 형성되며, 그에 따라, 섬유 제조 속도가 증가된다. 폴리머 섬유 제조 속도는 최적화된 작동 파라미터들에 추가적으로 의존한다. 최적화된 작동 파라미터에는 다음이 포함될 수 있다: 폴리머 용액을 하나 이상의 노즐로 펌핑하는 속도 및 압력; 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경; 장치에 통합된 노즐의 총 개수; 폴리머 용액의 점도; 압축 가스 및 폴리머 용액의 온도; 노즐의 중공 공간의 직경.
일 구현예에서, 예를 들어, 노즐의 직경은 3 mm이고 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경은 0.8 mm인 상태에서, 폴리머 용액은 0.8 bar의 압력으로 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑되고, 압축 가스 제트는 0.3 bar의 압력으로 노즐의 압축 가스의 제1 입구 내로 전달된다. 노즐 내부에서 회전(revolving)하는 튜브형 섬유 방사 바늘은, 직경이 0.2 마이크로미터 내지 10 마이크로미터 범위인 폴리머 섬유를 형성하게 된다.
얻어진 폴리머 섬유의 직경은 0.2 마이크로미터(㎛) 내지 10 마이크로미터, 더욱 특히 0.1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 따라서, 폴리머 섬유의 직경은, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5 또는 9 마이크로미터 내지 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9 또는 10 마이크로미터일 수 있다. 폴리머 섬유의 바람직한 직경은 0.1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이다. 예를 들어, 적어도 하나의 폴리머의 농도가 15%인 구현예에서, 얻어진 폴리머 섬유의 직경은 100 나노미터(nm)이다.
일 구현예에 따르면, 본 방법은, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘로의 폴리머 용액의 펌핑의 주입 속도는 노즐당 1 마이크로리터/분 내지 3.5 ml/분이며; 노즐당 폴리머 섬유의 방사 속도는 분당 0.2 g 내지 25 g이며; 압축 가스의 압력은 0.2 bar 내지 2 bar로 전달되며; 폴리머 용액을 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑하는 압력은 0.5 bar 내지 2 bar이며; 압축 가스의 온도는 20 ℃ 내지 120 ℃인; 조건 하에 수행되며, 여기서, 압축 가스는 공기, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된다. 튜브형 섬유 방사 바늘에 대한 폴리머 용액의 펌핑의 주입 속도는 노즐 당 0.001, 0.01, 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 또는 3 밀리리터/분 내지 노즐 당 0.005, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75, 2, 2.25, 2.5, 2.75, 3, 3.25, 또는 3.5 밀리리터/분일 수 있다. 상기 범위의 주입 속도는 섬유 제조 속도를 개선하는 데 도움이 되고, 폴리머의 연속적인 인-라인 제조(continuous in-line production)를 가능하게 한다. 노즐 당 폴리머 섬유의 방사 속도는 0.2, 0.5, 1, 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, 15, 17.5, 20 또는 22.5 g/분 내지 0.5, 1, 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 22.5 또는 25 g/분일 수 있으며, 이는 제조되는 폴리머 섬유의 모폴로지 및 장치의 섬유 제조 속도를 개선시킨다. 압축 가스의 압력은 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 또는 2 bar 내지 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 또는 2.1 bar일 수 있다. 폴리머 용액은 0.5 bar 내지 2 bar 범위의 압력으로 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑될 수 있다. 펌프가 폴리머 용액을 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑하는 압력은 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 또는 1.9 bar 내지 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 1.9 또는 2 bar일 수 있으며, 이는 폴리머 섬유의 연속 라인 제조를 가능하게 하여 섬유 제조 속도를 증가시킨다. 폴리머 용액은, 예를 들어, 0.8 bar의 압력 하에 폴리머 용액의 입구를 통해 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑될 수 있으며, 이는 폴리머 섬유의 연속 라인 제조를 가능하게 한다. 압축 가스의 온도는 20 ℃, 25 ℃, 30 ℃, 35 ℃, 40 ℃, 45 ℃, 50 ℃, 55 ℃, 60 ℃, 65 ℃, 70 ℃, 75 ℃, 80 ℃, 95 ℃, 90 ℃, 95 ℃, 100 ℃, 105 ℃, 110 ℃ 또는 115 ℃ 내지 25 ℃, 30 ℃, 35 ℃, 40 ℃, 45 ℃, 50 ℃, 55 ℃, 60 ℃, 65 ℃, 70 ℃, 75 ℃, 80 ℃, 95 ℃, 90 ℃, 95 ℃, 100 ℃, 105 ℃, 110 ℃, 115 ℃ 또는 120 ℃일 수 있다. 바람직하게는, 압축 가스는 최상의 결과를 달성할 수 있는 60℃의 온도로 가열된다. 증발을 증가시키기 위해, 압축 가스의 온도는 60℃ 초과, 즉 60℃ 내지 120℃일 수 있다. 압축 가스 제트는 감압으로 인한 냉각 효과를 줄이기 위해 가열될 수 있다.
제3 측면에 따르면, 적어도 하나의 용매에 용해된 적어도 하나의 폴리머를 포함하는, 폴리머 섬유를 제조하기 위한 폴리머 용액이 제공되며, 여기서, 적어도 하나의 폴리머의 농도는, 적어도 하나의 용매의 중량을 기준으로 하여, 9 wt% 내지 45 wt%이고, 폴리머 용액의 점도는 1 밀리파스칼-초 내지 5000 파스칼-초이다. 그러한 폴리머 용액은, 종래의 방법보다 마이크로 또는 나노섬유를 제조하는 더 높은 섬유 제조 속도를 달성하는 데 도움이 되는데, 이는, 원심력을 방사 바늘에 가하고, 노즐당 최대 3.5 ml/분의 폴리머 용액 주입 속도를 갖는 알려진 방법들보다 10배 이상 더 높은 주입 속도를 가능하게 함으로써, 달성된다. 상기 구현예에 따른 폴리머 용액의 폴리머는, 바늘의 팁에서 용액으로부터 석출(precipitate)되지 않고, 본 방법에 따른 폴리머 섬유 방사에 적합한 점도를 갖는다. 선택적으로(optionally), 폴리머 용액은, 잘 분산된 용액을 얻기 위해, 용매에 하나 이상의 의 폴리머를 용해시키도록 가열될 수 있다. 적어도 하나의 폴리머의 농도는 적어도 하나의 용매의 중량을 기준으로 하여 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39 또는 42　wt%, 내지, 적어도 하나의 용매의 중량을 기준으로하여 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 42 또는 45　wt%일 수 있다. 폴리머 용액의 점도는 0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 또는 7000 파스칼-초 내지 0.01, 0.1, 1, 10, 100, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 또는 8000 파스칼-초일 수 있다. 그러한 폴리머 용액은 독특한 꼬인 리본 유형의 메쉬 모폴로지(twisted ribbon type mesh morphology)를 갖는 폴리머 섬유를 형성하는 것을 가능하게 한다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 폴리머는, 젤라틴, 콜라겐, 키토산, 키틴, 단백질(예를 들어, 대두 단백질, 완두콩 단백질), 실크 단백질, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 알지네이트 및 조류 기반 다당류, 제인(zein), 글루텐, 폴리(l-락트산), 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리(락트-코-글리콜산), 이들의 혼합물, 및 이들로부터 유도된 화합물을 포함하는 일 군의 생물 기반 폴리머들로부터 선택되거나, 또는 적어도 하나의 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 폴리아닐린, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 스티렌-아세토니트릴 코폴리머, 천연 및 합성 고무, 이들의 혼합물, 및 이들로부터 유도된 화합물을 포함하는 일 군의 합성 폴리머들로부터 선택적으로(optionally) 선택된다. 생물 기반 폴리머는 합성 폴리머와 비교할 때 나노섬유를 생산하는 데 훨씬 더 지속 가능한 재료이다. 생물 기반 폴리머로 만든 폴리머 섬유 재료는 생분해성 및 생체 흡수성이다. 생물 기반 폴리머의 사용은 생분해되지 않는 플라스틱 폐기물의 사용을 감소시킨다. 생물 기반 폴리머 섬유 제조의 주요 이점은, 본 장치가 물을 용매로 사용한다는 것이다. 따라서, 본 장치는 생물 기반 폴리머 섬유(예를 들어, 젤라틴 섬유)를 제조하기 위해 독성 화학물질을 사용하지 않는다. 생물 기반 폴리머로 만들어진 폴리머 섬유는, 사용된 재료가 임무를 완수한 후 생체 내에서 분해되는 것이 이점이 되는 의료 분야에서 사용되고 있다. 알지네이트 및 조류 기반 다당류, 제인, 글루텐, 폴리(l-락트산), 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리(락트-코-글리콜산)의 생체 적합성 및 흡수성은 이러한 폴리머를 조직 공학 재료 제조에 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 개시의 구현예들에 따른 합성 폴리머를 사용함으로써 다공성 폴리머 섬유를 얻을 수 있다. 다공성 폴리머 섬유는, 예를 들어, 에너지 저장에 필요한 높은 비표면적 재료를 제조하는 것을 가능하게 한다. 본 개시의 구현예들에 따른 합성 폴리머를 사용하면, 더 작은 직경을 갖는 폴리머 섬유를 얻는 것이 가능해지고, 따라서, 이러한 폴리머 섬유로 만들어진 재료의 더 우수한 특성(예를 들어, 더 높은 강직성(stiffness))을 제공할 수 있다. 이는, 그러한 폴리머 섬유 재료가 다양한 적용 분야에서 사용되는 것을 가능하게 한다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 용매는, 물, 알코올, 에틸 아세테이트, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 아세트산, 포름산, 톨루엔, 클로로포름, 디메틸포름아미드, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된다. 이들 용매는 본 개시에 따른 무정전 섬유 방사 방법(non-electrostatic fiber spinning method)을 가능하게 하며, 그에 따라, 고전압을 필요로 하지 않아 더욱 안전하다. 본 개시의 방법은 폴리머 섬유를 제조하기 위해 앞에서 언급한 합성 폴리머와 생물 기반 폴리머를 둘 다 사용할 수 있기 때문에, 사용된 폴리머가 용매에 용해될 수 있는 것이 요구된다. 생물 기반 폴리머는 통상적으로 용융되지 않기 때문에, 그것들의 유일한 제형은 그것들을 용매에 용해시키는 것이다. 이러한 용매는, 본 개시에 따른 폴리머 섬유 방사 공정에 사용되는 폴리머 용액을 제조하기 위한 합성 폴리머 및 생물 기반 폴리머를 둘 다 효과적으로 용해시키는 것을 가능하게 한다. 폴리머가 상기 용매에 용해될 수 있기 때문에, 폴리머를 용융시키기 위한 추가 에너지를 사용할 필요가 없고, 이는 폴리머 섬유를 더욱 에너지 효율적으로 제조하는 것을 가능하게 한다.
용매가 노즐 또는 방사구의 부품들을 손상시킬 수 있는 본 개시의 구현예에서, 노즐 및 방사구는 내용매성 재료, 예를 들어, 금속, 또는 3D 인쇄된 플라스틱으로 형성될 수 있다.
추가적으로, 압축 공기의 제트에 의해 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부에 있는 폴리머 용액의 출구로부터 폴리머 용액이 빠져나올 때, 이러한 용매는 증발될 수 있으며, 이때, 폴리머 용액의 제트가 점차적으로 폴리머 용액 액적으로 변한 다음 폴리머 섬유로 변하기 시작한다. 더욱 구체적으로, 폴리머 섬유의 방사 공정 동안, 압축 공기의 제트는 폴리머 용액 액적으로부터의 폴리머 섬유를, 압축 가스 흐름 중에서, 연신 및 신장시켜서, 용매가 증발을 시작하는 것을 돕는다.
일 예에서, 13 wt% 폴리머 용액이 스티렌-아세토니트릴 코폴리머(SAN)를 에틸 아세테이트 중에 용해시킴으로써 생성된다. 그 다음, 폴리머 용액을 완전히 용해될 때까지 교반한다. 폴리머 용액은, 노즐 당 2.7 ml/분의 속도로, 적어도 하나의 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑된다. 압축 가스(예를 들어, 압축 공기)는 0.3 bar에서 노즐의 중공 공간 내로 전달된다. 폴리머 섬유 방사 공정이 수행되고, 얻어진 폴리머 섬유는, 적어도 하나의 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부로부터 약 70 cm에 배치된 수집 유닛의 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 수집된다.
다른 예에서, 33 wt% 폴리머 용액이 젤라틴을 물에 용해시킴으로써 생성된다. 폴리머 용액은 완전히 용해될 때까지 교반된다. 폴리머 용액은, 노즐 당 2.7 ml/분의 속도로, 적어도 하나의 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑된다. 압축 가스는 노즐의 중공 공간 내로 0.3 bar로 전달된다. 폴리머 섬유 방사 공정이 수행되고, 얻어진 폴리머 섬유는, 적어도 하나의 노즐의 튜브형 섬유 방사 바늘의 비고정 원단부로부터 약 70cm에 배치된 수집 유닛의 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 수집된다. 젤라틴 섬유와 같은 생물 기반 폴리머 제조의 장점은 물을 용매로 사용할 수 있다는 것이다. 따라서, 폴리머 섬유 제조에 독성 화학물질이 사용되지 않는다.
폴리머 섬유를 포함하는 재료를 제조하기 위한 예에서, 33 wt%의 고형분 용액이 물 중에서 만들어진다. 고형분은 14 wt%의 당(sugar) 및 86 wt%의 젤라틴을 포함한다. 고형분을 물에 혼합하고 가열하여 균질한 폴리머 용액을 얻는다. 폴리머 용액은 0.8 bar의 압력 하에서 하나 이상의 방사구 내로 펌핑되며, 여기서 각각의 방사구는 하나 이상의 노즐을 포함한다. 그 다음, 압축 가스(예를 들어, 압축 공기)는, 하나 이상의 노즐의 중공 공간 내부의 압력이 대략 0.3 bar가 되도록, 하나 이상의 노즐 내로 이송된다. 압축 공기의 온도는 50 ℃ 내지 70 ℃일 수 있으며, 압축 공기의 온도가 60℃일 때 최상의 결과를 얻을 수 있다. 폴리머 섬유 방사 속도는 노즐 당 대략 0.2 g/분이다. 폴리머 섬유를 수집하는 수집 유닛의 공기 투과성 섬유 수집 표면의 이동 속도는 시간 당 5 미터가 되도록 구성된다. 폴리머 섬유 방사 공정이 수행되고, 얻어진 폴리머 섬유는 수집 유닛의 이동하는 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 수집되고, 수집된 폴리머 섬유들은 서로의 위에 얹혀져 폴리머 섬유 재료를 형성한다. 얻어진 폴리머 섬유 재료는 76 g/m2의 표면 밀도를 갖는다.
폴리머 섬유를 제조하기 위해 스티렌-아세토니트릴 코폴리머와 같은 합성 폴리머와 함께, 쉽게 휘발되는 용매(예를 들어, 에틸 아세테이트)를 사용하는 것의 이점은, 낮은 끓는점 때문에 쉽게 휘발되는 용매가 폴리머 섬유 제형 후 빠르게 증발하여 무독성 폴리머 섬유를 발생시킨다는 점이다.
일 구현예에 따르면, 본 방법에 의해 제조된 폴리머 섬유를 포함하는 재료는 부직포 필터 재료, 가죽과 유사한 텍스타일, 뼈 재생을 위한 생체 재료, 상처 케어 재료, 세포 배양 및 조직 공학을 위한 3D 스캐폴드, 축전기용 전극 재료, 세라믹 나노섬유(예를 들어, Al2O3 나노섬유), 세포 배양육을 제조하는 데 사용된다. 폴리머 섬유를 포함하는 재료는 나노섬유의 꼬인 리본형 메쉬 모폴로지(nanofibrous twisted ribbon type mesh morphology)를 가져서 통기성이고 푹신하며, 그에 따라, 종래의 방사 기술이 가능했던 것보다 월등한 재료의 인장 강도 및 더욱 우수한 기계적 특성을 발생시킨다. 폴리머 섬유로부터 형성된 폴리머 재료의 두께는 10 g/m2(grams per square meter) 내지 400 g/m2일 수 있다. 따라서, 폴리머 재료의 두께는 10, 50, 100, 150, 200, 250, 300 또는 350 g/m2 내지 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 or 400 g/m2일 수 있다.
일 구현예에서, 얻어진 폴리머 섬유는 1 기가파스칼(GPa) 내지 3 GPa 범위의 인장 강도, 및 50 GPa 내지 170 GPa 범위의 강직성(stiffness)을 갖는다. 폴리머 섬유는 선택적으로(optionally), 1.3 GPa의 인장 강도, 및 95 GPa의 강직성을 갖는다. 폴리머 섬유는 선택적으로(optionally), 2.3 GPa의 인장 강도, 및 160 GPa의 강직성을 갖는다. 폴리머 재료의 인장 강도는 0.5, 1, 1.5, 2 또는 2.5 GPa 내지 1, 1.5, 2, 2.5 또는 3 GPa일 수 있다. 따라서, 폴리머 재료의 강직성은 2.3, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120 또는 140 GPa 내지 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 또는 160 GPa일 수 있다. 폴리머 섬유의 이러한 인장 강도 및 강직성은, 다른 고밀도 폴리머 재료보다 더 우수한 성능을 발휘하는 폴리머 섬유의 개선된 모폴로지를 제공한다. 폴리머 섬유 재료는 60 g/m2 내지 120 g/m2 범위의 표면 밀도를 가질 수 있다. 폴리머 섬유 재료는 선택적으로(optionally), 약 76 g/m2의 표면 밀도를 갖는다.
본 폴리머 섬유 재료는 선택적으로(optionally), 고효율 입자상 공기(high-efficiency particulate air: HEPA) 필터, 산업용 집진기, 안면 마스크 및 호흡기와 같은 공기 여과 장치를 만드는 데 사용된다. 폴리머 섬유 재료는 선택적으로(optionally), 식수 정화, 폐수 처리, 및 연료 및 오일 여과에 사용되는 액체 여과 장치를 만드는 데 사용된다. 폴리머 섬유 재료는, 배터리 세퍼레이터에서, 촉매 지지체로서 배터리 전극 및 연료전지에서, 상처 치료 및 근골격 조직 공학(예를 들어, 뼈, 연골, 인대 및 골격근)을 위한 3D 스캐폴드 제작을 위해, 피부 조직 공학, 혈관 조직 공학, 신경 조직 공학, 및 약물, 단백질 및 DNA의 제어된 전달을 위한 캐리어로서, 사용될 수 있다. 폴리머 섬유 재료는 선택적으로(optionally), 소음 제어를 위한 응용 음향공학 분야에서, 탄화수소 오염물질을 포집하기 위한 음료, 물 정제 장비와 같은 다양한 산업 장비에서, 그리고 광범위한 스포츠 의류 제조용으로, 사용된다. 본 폴리머 섬유 재료로 제조되는 스포츠 의류는 편안함, 공기 투과성, 및 방풍/방수성(극도로 차가운 날씨 스포츠를 위한)의 최적 균형을 포함할 수 있다.
본 폴리머 섬유 재료는 선택적으로(optionally), 미끄럼 방지 신발 밑창, 추위와 비로부터 보호하기 위해 위킹(wicking)이 증가된 스포츠 의류, 극한 기후에서 체온을 조절하는 통기성 의류를 제조하기 위해, 그리고, 실험실에서 성장된 배양육 제품을 생산하기 위한 식용 스캐폴드를 만들기 위해, 사용된다. 본 폴리머 섬유 재료는, 가죽보다 저렴하고, 또한 자연적으로 발생하는 나노입자(예를들어, 바이러스), 마이크론 크기 입자(예를 들어, 박테리아) 또는 인공 입자(예를 들어, 디젤 배기가스의 그을음)를 포획하기 위한 필터 성능을 향상시킬 수 있는 안면 마스크 및 호흡기에 사용될 수 있는, 젤라틴 기반 가죽 유사 텍스타일을 제조하기 위해, 사용될 수 있다. 본 폴리머 섬유 재료는 치과에서 치과 조직 재생을 위한 생체 재료를 제조하기 위해 선택적으로(optionally) 사용되며, 또한, 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 슈퍼축전기 전극 재료에 사용될 수 있다.
도면의 자세한 설명
도 1은, 본 개시의 구현예에 따른, 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치(124)를 도식적으로 보여준다. 장치(124)는, 중공 공간(128)을 갖는 몸체(102), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함하는 적어도 하나의 노즐(100)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 근단부(114)에 있는 폴리머 용액의 입구(116), 및 비고정 원단부(112)에 있는 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 장치(124)는, 폴리머 용액의 입구(116)를 통해 튜브형 섬유 방사 바늘(110) 내로 폴리머 용액을 펌핑하도록 구성된 펌프(120), 및 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 중공 공간(128) 내로 압축 가스 제트를 이송하도록 구성된 가스 압축기(122)를 포함한다. 적어도 하나의 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 적어도 하나의 노즐(100)의 제2 단부(106)를 관통하고 또한 적어도 하나의 노즐(100)의 중공 공간(128)을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 개방된 제1 단부(104)로부터 돌출한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 근단부(114)는 적어도 하나의 노즐(100)의 제2 단부(106)에 고정된다. 압축 가스 제트는 소용돌이형 또는 나선형 궤적으로 이동할 수 있고, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)가 회전(revolve)하도록 만들 수 있으며, 폴리머 용액의 출구(118)를 통해 폴리머 용액 액적이 빠져나가게 만들 수 있다. 폴리머 용액 액적이 압축 가스 제트에 의해 제공되는 가스 흐름 중에서 가속되고 신장될 때, 폴리머 용액 액적으로부터 폴리머 섬유가 형성된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 노즐(100)의 평면도를 도식적으로 보여준다. 도 2a는, 노즐(100)이 본 개시의 상기 구현예에 따라 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 원통형 몸체(102a)를 포함하는 구현예를 보여준다. 도 2b는, 노즐(100)이 본 개시의 상기 구현예에 따라 폴리머 섬유를 제조하도록 구성된 원추형 몸체(102b)를 포함하는 구현예를 보여준다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 구현예들에서, 적어도 하나의 노즐(100)은, 중공 공간을 갖는 몸체(102a, 102b), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 폴리머 용액의 입구(116), 및 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 압축 가스의 제1 입구(108)는 노즐 축(126)으로부터 떨어져 형성되고, 노즐의 노즐 몸체(102a, 102b)를 관통하도록 형성되되, 노즐의 중공 공간(128)의 원위 에지(distal edge)(130)와 압축 가스의 제1 입구(108)의 에지가 접하도록(tangential), 즉 정렬되도록(aligned), 형성된다. 이는 압축 가스의 회전 와류(rotating vortex)를 형성하는 데 필요하다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 노즐(100)의 제2 단부(106)와 노즐(100)의 중공 공간을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 개방된 제1 단부(104)로부터 돌출한다. 폴리머 용액의 입구(116)는, 폴리머 용액을 수용하기 위해, 근단부(114)에 제공된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 근단부(114)는 노즐(100)의 제2 단부(106)에 고정된다. 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)로부터 폴리머 용액이 빠져나가도록 하기 위해, 폴리머 용액의 출구(118)는 비고정 원단부(112)에 제공된다. 압축 가스 제트는 소용돌이형 또는 나선형 궤적으로 이동할 수 있고, 또한, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)가 진동하면서 회전하도록(revolve vibrationally) 만들 수 있다.
도 3a는, 본 개시의 일 구현예에 따른, 원통형 중공 공간(302)을 갖는 도 1의 노즐(100)의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다. 노즐(100)은, 원통형 중공 공간(302)을 갖는 원통형 몸체(102a), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 폴리머 용액의 입구(116), 및 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 노즐(100)의 제2 단부(106) 및 원통형 중공 공간(302)을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 개방된 제1 단부(104)로부터 돌출한다. 폴리머 용액의 입구(116)는 근단부(114)에 제공되고, 폴리머 용액의 출구(118)는 비고정 원단부(112)에 제공된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 근단부(114)는 노즐(100)의 제2 단부(106)에 고정된다. 압축 가스 제트는, 압축 가스 제트의 나선형 이동을 생성하도록, 원통형 중공 공간(302) 내로, 노즐(100)의 축(126)에 수직으로 이송된다. 압축 가스 제트의 나선형 이동은, 폴리머 용액으로부터 섬유를 생성하기 위해, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)가 진동하면서 회전하도록 만든다.
도 3b는, 본 개시의 일 구현예에 따른 원추형 중공 공간(304)을 갖는 도 1의 적어도 하나의 노즐(100)의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다. 노즐(100)은, 원추형 중공 공간(304)을 갖는 원통형 몸체(102a), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 폴리머 용액의 입구(116), 및 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 노즐(100)의 제2 단부(106) 및 원추형 중공 공간(304)을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 개방된 제1 단부(104)로부터 돌출한다. 폴리머 용액의 입구(116)는 근단부(114)에 제공되고, 폴리머 용액의 출구(118)는 비고정 원단부(112)에 제공된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 근단부(114)는 노즐(100)의 제2 단부(106)에 고정된다. 압축 가스 제트는, 압축 가스 제트의 나선형 이동을 생성하도록, 원추형 중공 공간(304) 내로, 노즐(100)의 축(126)에 수직으로 이송된다. 압축 가스 제트의 나선형 이동은, 폴리머 용액으로부터 섬유를 생성하기 위해, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)가 진동하면서 회전하도록 만든다.
도 3c는 본 개시의 일 구현예에 따른 원통원뿔형 중공 공간(306)을 갖는 도 1의 적어도 하나의 노즐(100)의 A-A 단면도를 도식적으로 보여준다. 노즐(100)은, 원통원뿔형 중공 공간(306)를 갖는 원통형 몸체(102a), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 폴리머 용액의 입구(116), 및 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은, 노즐(100)의 제2 단부(106) 및 원통원뿔형 중공 공간(306)을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 개방된 제1 단부(104)로부터 돌출한다. 폴리머 용액의 입구(116)는 근단부(114)에 제공되고, 폴리머 용액의 출구(118)는 비고정 원단부(112)에 제공된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 근단부(114)는 노즐(100)의 제2 단부(106)에 고정된다. 압축 가스 제트는, 압축 가스 제트의 나선형 이동을 생성하도록, 축대칭 중공 공간(axially symmetric hollow space)(306) 내로, 축(126)에 수직으로 이송된다. 압축 가스 제트의 나선형 운동은, 폴리머 용액으로부터 섬유를 생성하기 위해, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)가 진동하면서 회전하도록 만든다.
도 3d는 본 개시의 일 구현예에 따른 도 2b의 노즐의 B-B 단면도를 도식적으로 보여주는데, 여기서, 노즐(310)은, 원뿔형 중공 공간(314)을 갖는 원뿔형 몸체(312), 개방된 제1 단부(316), 개방된 제1 단부(316)에 대향하는 제2 단부(318), 제2 단부(318)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(320), 튜브형 섬유 방사 바늘(322)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(322)은, 비고정 원단부(324), 비고정 원단부(324)에 대향하는 근단부(326), 폴리머 용액의 입구(328), 및 폴리머 용액의 출구(330)를 포함한다. 노즐(310)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(320)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(322)은, 노즐(310)의 제2 단부(318) 및 원뿔형 중공 공간(314)을 관통하도록, 장착된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(322)은 개방된 제1 단부(316)로부터 돌출한다. 폴리머 용액(328)의 입구는 근단부(326)에 제공되고, 폴리머 용액(330)의 출구는 비고정 원단부(324)에 제공된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(322)의 근단부(326)는 노즐(310)의 제2 단부(318)에 고정된다. 압축 가스 제트는, 압축 가스 제트의 나선형 이동을 생성하도록, 원뿔형 몸체(312)의 원뿔형 중공 공간(314) 내로, 축(126)에 수직으로 이송된다. 압축 가스 제트의 나선형 이동은, 폴리머 용액으로부터 섬유를 생성하기 위해, 튜브형 섬유 방사 바늘(322)의 비고정 원단부(324)가 진동하면서 회전하도록 만든다.
도 3e는, 본 개시의 구현예들에 따른 슬리브(340)를 포함하는 노즐(311)을 도식적으로 보여준다. 구현예들에 따르면, 노즐(311)은 개방된 제1 단부(104)에서 슬리브(340)를 포함하고, 슬리브(340)는 개방된 제1 단부(104)에서 원통형 몸체(102a) 내로 부착된다.
도 4a는 도 1의 노즐(100)의 개략도로서, 본 개시의 일 구현예에 따른 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 진동 운동, 및 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유(406) 방사 공정을 예시한다. 노즐(100)은 몸체(102), 개방된 제1 단부(104), 개방된 제1 단부(104)에 대향하는 제2 단부(106), 제2 단부(106)에 있는 압축 가스의 제1 입구(108), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)을 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 비고정 원단부(112), 비고정 원단부(112)에 대향하는 근단부(114), 폴리머 용액의 입구(116), 및 폴리머 용액의 출구(118)를 포함한다. 노즐(100)은, 압축 가스 제트의 제1 입구(108)를 통해 압축 가스 제트를 수용하도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)은 폴리머 용액의 입구(116)를 통해 폴리머 용액을 수용한다. 압축 가스 제트는 노즐(100)의 중공 공간(128) 내부에서, 전방 방향(forward direction)으로 그리고 원형 동작(circular motion) 상태로, 이동한다. 압축 가스 제트의 전방 및 원형 운동의 조합은, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)의 소용돌이형 또는 나선형 운동을 생성하여, 비고정 원단부(112)가 회전(revolve)(예를 들어, 진동하면서 회전(rotate))하도록 만든다. 폴리머 용액은 폴리머 용액의 출구(118)를 통해 빠져나오고, 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부의 진동 회전은 원심력을 생성하며, 이 원심력은 폴리머 용액에 작용하여, 폴리머 용액을 폴리머 용액 액적(404)이 되도록 쪼갠다. 폴리머 용액 액적이 압축 가스 제트에 의해 제공되는 가스 흐름 중에서 가속되고 신장될 때, 폴리머 용액 액적(404)으로부터 폴리머 섬유(406)가 성장하기 시작한다. 폴리머 섬유(406)는, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)에서의 회전 운동(rotational movement)에 의해, 폴리머 용액 액적(404)으로부터 성장한다. 노즐(100)은, 노즐(100)에 추가적인 운동을 제공하기 위해, 상하좌우 방향들 중 적어도 하나의 방향으로 운동하도록 구성될 수 있다.
도 4b는, 본 개시의 구현예에 따른 도 4a의, 노즐(100)의 튜브형 섬유 방사 바늘의 진동 운동(vibrational movement), 및 원형으로 운동하는 폴리머 용액 액적(circularly moving polymer solution droplet)으로부터 폴리머 섬유를 성장시키는 과정을 도식적으로 보여준다. 압축 가스 제트, 및 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)에서의 진동 운동은, 폴리머 용액 액적(404)의 원형 진동(circular vibration)을 추가적으로 발생시킨다. 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 원단부(112)의 진동 운동 동안, 폴리머 용액 액적(404), 및 성장하는 폴리머 섬유(406)는, 원단부(112)와 함께 원형으로 진동한다. 폴리머 섬유(406)는, 압축 가스 제트가 폴리머 용액 액적(404)으로부터 폴리머 섬유(406)를 분리할 때까지, 폴리머 용액 액적(404)으로부터 계속 성장한다. 폴리머 섬유(406)의 성장은, 튜브형 섬유 방사 바늘(110)의 비고정 원단부(112)에서의 진동 운동에 의해 개시된다. 그 다음, 폴리머 용액 액적으로부터 분리된 형성된 폴리머 섬유(406)는, 노즐(100)로부터 멀어지는 공기를 통해, 가스 흐름에 실려 날아간다. 폴리머 용액에 작용하는 원심력은, 폴리머 섬유(406)의 형태의 개선, 및 폴리머 섬유(406)의 제조 속도의 개선에 영향을 미친다.
도 5는, 본 개시의 일 구현예에 따른, 폴리머 섬유 재료(534)를 제조하기 위한 장치(500)를 도식적으로 보여준다. 장치(500)는 다음을 포함한다: 적어도 하나의 노즐(502), 폴리머 용액을 펌핑하는 펌프(504), 압축 가스 제트를 이송시키는 가스 압축기(506), 공기 투과성 섬유 수집 표면(508), 흡입부(510), 및 제1 롤러(512A), 제2 롤러(512b), 제3 롤러(512C) 및 권취 롤러(536). 적어도 하나의 노즐(502)은 다음을 포함한다: 몸체(514), 개방된 제1 단부(516), 개방된 제1 단부(516)에 대향하는 제2 단부(518), 제2 단부(518)에서 압축 가스 제트의 제1 입구(520), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(522). 튜브형 섬유 방사 바늘(522)은 다음을 포함한다: 비고정 원단부(524), 비고정 원단부(524)에 대향하는 근단부(526), 폴리머 용액의 입구(528), 및 폴리머 용액의 출구(530). 폴리머 용액은, 폴리머 용액(528)의 입구를 통해, 적어도 하나의 노즐(502)의 튜브형 섬유 방사 바늘(522) 내로 펌핑되고, 압축 가스 제트는, 압축 가스 제트의 제1 입구(520)를 통해, 노즐(502)의 중공 공간으로 이송되어, 비고정 원단부(524)에서 폴리머 섬유(532)를 생성한다. 얻어진 폴리머 섬유(532)는, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508)의 이면 상에 있는 흡입 유닛(510)에 의해, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508) 상에 수집되는데, 이때, 흡입 유닛(510)은 비고정 원단부(524)에서 생성되는 폴리머 섬유(532)의 방향과 반대의 방향으로 흡입 압력을 생성하며, 그에 따라, 생성된 폴리머 섬유(532)는 공기 투과성 섬유 수집 표면(508)을 향해 안내되고, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508) 상에 퇴적된다. 제1 롤러(512A), 제2 롤러(512b) 및 제3 롤러(512C)는, 적어도 하나의 노즐(502)의 방사 방향에 수직인 방향으로의, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508)의 운동을 가능하게 한다. 형성된 폴리머 섬유(532)는, 폴리머 섬유의 성장 및 진동, 및 비고정 원단부(524)로부터의 공기 흐름에 의해 야기되는 힘에 의해, 탈착되고, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508) 상에서 수집 및 퇴적되며, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508) 상에서 서로 부착되어 폴리머 섬유 재료(534)를 형성하며, 폴리머 섬유 재료(534)는 권취 롤러(536)에 수집된다. 압축 가스 제트는 노즐(502)의 중공 공간 내로 이송되고, 여기서 압축 가스 제트는 생성된 폴리머 섬유(532)를, 공기 투과성 섬유 수집 표면(508)을 향해, 추가적으로 안내한다.
도 6은, 본 개시의 일 구현예에 따른, 폴리머 섬유 재료(640)를 제조하기 위한 가열 및 용매 증발 챔버(616)를 갖는 장치(600)를 도식적으로 보여준다. 장치(600)는 다음을 포함한다: 적어도 하나의 노즐(602), 폴리머 용액을 펌핑하는 펌프(604), 압축 가스 제트를 이송시키는 가스 압축기(606), 공기 투과성 섬유 수집 표면(608), 흡입부(610), 제1 롤러(612A), 제2 롤러(612b), 제3 롤러(612C) 및 권취 롤러(642), 및 가열 및 용매 증발 챔버(616). 적어도 하나의 노즐(602)은 다음을 포함한다: 중공 공간을 갖는 몸체(618), 개방된 제1 단부(620), 개방된 제1 단부(620)에 대향하는 제2 단부(622), 제2 단부(622)에 있는 압축 가스 제트의 제1 입구(624), 및 튜브형 섬유 방사 바늘(626). 튜브형 섬유 방사 바늘(626)은 다음을 포함한다: 비고정 원단부(628), 비고정 원단부(628)에 대향하는 근단부(630), 폴리머 용액의 입구(632), 및 폴리머 용액(634)의 출구. 폴리머 용액은, 펌프(604)에 의해, 폴리머 용액(632)의 입구를 통해, 노즐(602)의 튜브형 섬유 방사 바늘(626) 내로 펌핑되고, 압축 가스 제트는, 압축 가스의 제트의 제1 입구(624)를 통해, 노즐(602)의 중공 공간으로 이송되어, 튜브형 섬유 방사 바늘(626)의 비고정 원단부(628)에서 폴리머 섬유(636)를 생성한다. 얻어진 폴리머 섬유(636)는, 공기 투과성 섬유 수집 표면(608)의 뒷면에 있는 흡입 유닛(610)에 의해, 공기 투과성 섬유 수집 표면(608) 상에 수집되는데, 흡입 유닛(610)은, 비고정 원단부(628)에서 생성되는 폴리머 섬유(636)의 방향과 반대의 방향으로 흡입 압력을 생성하며, 그에 따라, 생성된 폴리머 섬유(636)는 공기 투과성 섬유 수집 표면(608)을 향해 안내되고, 공기 투과성 섬유 수집 표면(608) 상에 퇴적된다. 제1 롤러(612A), 제2 롤러(612b) 및 제3 롤러(612C)는, 적어도 하나의 노즐(602)의 방사 방향에 수직인 방향으로의, 공기 투과성 섬유 수집 표면(608)의 운동을 가능하게 한다. 비고정 원단부(628)로부터 분리되고 공기 투과성 섬유 수집 표면(608) 상에 수집 및 퇴적된 얻어진 폴리머 섬유(636)는 공기 투과성 섬유 수집 표면(608) 상에서 서로 부착되어 폴리머 섬유 재료(638)를 형성한다. 공기 투과성 섬유 수집 표면(608) 상의 폴리머 섬유 재료(638)는 가열 및 용매 증발 챔버(616)를 더 통과하여, 용매를 보다 신속하게 증발시키고, 용매 및 독성 화학물질이 없는 폴리머 섬유 재료(640)를 생성한다. 용매 및 독성 화학물질이 없는 폴리머 섬유 재료(640)는 권취 롤러(642)에 수집된다.
도 7은 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 제조하기 위한 방사구(702)를 포함하는 장치(700)를 도식적으로 보여준다. 장치(700)는 다음을 포함한다: 제1 원통형 노즐(704A)을 포함하는 방사구(702), 제2 원통형 노즐(704B), 방사구(702)에 부착된 제3 원통형 노즐(704C), 방사구(702)로의 압축 가스 제트의 제2 입구(710), 공기 투과성 섬유 수집 표면(720), 흡입 유닛(722), 제1 롤러(726A), 제2 롤러(726B), 제3 롤러(726C), 및 권취 롤러(730). 원통형 노즐들(704A, 704B, 704C) 각각은, 튜브형 섬유 방사 바늘(706A, 706B, 706C), 및 이에 상응하는 압축 공기 제트의 제1 입구(712A, 712B, 712C)를 포함한다. 튜브형 섬유 방사 바늘들(706A, 706B, 706C) 각각은, 폴리머 용액의 입구(714A, 714B, 714C), 및 비고정 원단부(708A, 708B, 708C)를 포함한다. 방사구(702)는, 제1 원통형 노즐(704A), 제2 원통형 노즐(704B), 및 제3 원통형 노즐(704C)이 부착되는 중공 몸체(716)를 포함한다. 압축 가스(예를 들어, 공기) 제트는 압축 가스 제트의 제2 입구(710)를 통해 방사구(702) 내로 전달된다. 압축 가스 제트는 압축 가스 제트의 제2 입구(710)를 통하고, 압축 가스 제트의 제1 입구(712A, 712b, 712C)를 통해 원통형 노즐들(704A, 704B, 704C) 각각으로 추가적으로 이송되며, 폴리머 용액은 폴리머 용액의 입구(714A, 714B, 714C)를 통해 각각 제1 원통형 노즐(704A), 제2 원통형 노즐(704B) 및 제3 원통형 노즐(704C) 내로 이송되어, 튜브형 섬유 방사 바늘(706A, 706B, 706C)의 비고정 원단부(708A, 708B, 708C)에서 폴리머 섬유(718A, 718B, 718C)를 생성한다. 폴리머 섬유(718A, 718B, 718C)는, 공기 투과성 섬유 수집 표면(720)의 후면 상의 흡입 유닛(722)에 의해, 공기 투과성 섬유 수집 표면(720) 상에 수집되는데, 튜브형 섬유 방사 바늘(706A, 706B, 706C)의 비고정 원단부(708A, 708B, 708C)에서 생성되는 폴리머 섬유(718A, 718B, 718C)의 방향과 반대 방향으로 흡입 압력을 생성하며, 그에 따라, 생성된 폴리머 섬유(718A, 718B, 718C)는 공기 투과성 섬유 수집 표면(720)을 향해 안내되어, 공기 투과성 섬유 수집 표면(720) 상에 퇴적된다. 제1 롤러(726A), 제2 롤러(726B) 및 제3 롤러(726C)는, 방사구(702)의 방사 방향에 수직인 방향으로 공기 투과성 섬유 수집 표면(720)을 운동시키도록, 구성된다. 얻어진 폴리머 섬유(718A, 718B, 718C)는 비고정 원단부(708A, 708B, 708C)로부터 분리되고, 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 수집 및 퇴적되며, 공기 투과성 섬유 수집 표면(720) 상에서 서로 부착되어 폴리머 섬유 재료(724)를 형성한다. 폴리머 섬유 재료(724)는 권취 롤러(730)에 수집된다. 방사구(702)의 제2 운동 수단(728)은 방사구(702)를 상하좌우 방향들 중 적어도 하나의 방향으로 운동시키도록 구성되는데, 그에 따라, 방사구(702)에 추가적인 운동이 제공되고, 그에 따라, 퇴적된 폴리머 섬유의 더 높고 더 균일한 밀도가 달성되고, 그에 따라, 폴리머 섬유 재료의 다양한 특성들을 얻을 수 있다.
도 8a는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 생성하도록 구성된 방사구(800)를 도식적으로 보여준다. 삼각형 형상의 방사구(800)는 다음을 포함한다: 중공 몸체(802), 제1 원뿔형 노즐(804A), 제2 원뿔형 노즐(804B), 중공 몸체(802)의 상단부로부터 돌출하는 제3 원뿔형 노즐(804C) 및 제4 원뿔형 노즐(804D), 압축 가스 제트의 제2 입구(808), 폴리머 용액의 제2 입구(818). 원뿔형 노즐들(804A, 804B, 804C, 804D) 각각은, 상응하는 폴리머 용액의 입구(810A, 810B, 810C, 810D)를 갖는 튜브형 섬유 방사 바늘(812A, 812b, 812C, 812D)을 포함한다. 폴리머 용액은, 상응하는 폴리머 용액의 입구(810A, 810B, 810C, 810D)를 통해, 튜브형 섬유 방사 바늘(812A, 812b, 812C, 812D)로 펌핑된다. 폴리머 용액의 입구들(810A, 810B, 810C, 810D)은 입구 하우징(816)에 배열된다. 입구 하우징(816)은 폴리머 용액의 제2 입구(818)로부터 폴리머 용액을 수용하도록 구성되고, 추가적으로, 폴리머 용액을 폴리머 용액의 입구(810A, 810B, 810C, 810D) 내로 이송시키도록 구성된다. 튜브형 섬유 방사 바늘들(812A, 812b, 812C, 812D) 각각은 비고정 원단부(814A, 814B, 814C, 814D)를 포함한다. 압축 가스 제트는 압축 가스 제트(808)의 제2 입구를 통해 방사구(800)의 중공 몸체(802) 내로 이송되고, 폴리머 용액은, 폴리머 섬유를 생성하기 위해, 폴리머 용액의 입구(810A, 810B, 810C, 810D) 내로 이송된다. 이러한 부분들의 기능은 위에서 설명한 바와 같다.
도 8b는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유를 생성하도록 구성된 방사구(840)를 도식적으로 보여준다. 원형 형상을 갖는 방사구(840)는 다음을 포함한다: 중공 몸체(822), 제1 원뿔형 노즐(824A), 제2 원뿔형 노즐(824B), 중공 몸체(822)에 연결된 제3 원뿔형 노즐(824C) 및 제4 원뿔형 노즐(824D), 압축 가스 제트의 제2 입구(826), 및 폴리머 용액의 제2 입구(834). 각각의 원뿔형 노즐(824A, 824B, 824C, 824D)은 튜브형 섬유 방사 바늘(828A, 828B, 828C, 828D)을 포함하고, 각각의 튜브형 섬유 방사 바늘은 상응하는 폴리머 용액의 입구(832A, 832b, 832C, 832D)를 포함한다. 폴리머 용액은, 폴리머 용액(832A, 832b, 832C, 832D)의 상응하는 입구를 통해, 튜브형 섬유 방사 바늘들(828A, 828B, 828C, 828D) 내로 펌핑된다. 폴리머 용액의 입구들(832A, 832b, 832C, 832D)은 입구 하우징(836)에 배열된다. 입구 하우징(836)은 폴리머 용액의 제2 입구(834)로부터 폴리머 용액을 수용하도록 구성되고, 추가적으로, 폴리머 용액을 폴리머 용액의 입구들(832A, 832b, 832C, 832D) 내로 이송시키도록 구성된다. 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘(828A, 828B, 828C, 828D)은 비고정 원단부(830A, 830B, 830C, 830D)를 포함한다. 압축 가스 제트는 압축 가스 제트의 제2 입구(826)를 통해 원형 방사구(840)의 중공 몸체(822) 내로 이송되고, 폴리머 용액은, 폴리머 섬유를 생성하기 위해, 폴리머 용액의 입구(832A, 832b, 832C, 832D) 내로 이송된다. 이러한 부분들의 기능은 위에서 설명한 바와 같다.
도 9는 본 개시의 일 구현예에 따른 폴리머 섬유의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 단계 902에서, 폴리머 용액은, 폴리머 용액 펌프로부터, 튜브형 섬유 방사 바늘의 폴리머 용액의 입구를 통해, 장치의 튜브형 섬유 방사 바늘을 포함하는 적어도 하나의 노즐 내로, 펌핑된다. 단계 904에서, 압축 가스 제트는, 가스 압축기에 의해, 압축 가스의 제1 입구를 통해, 적어도 하나의 노즐 내로 전달된다. 단계 906에서, 압축 가스 제트에 의해, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 운동이 가해진다. 단계 908에서, 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부의 팁에 액적이 형성된다. 단계 910에서, 형성된 액적으로부터 폴리머 섬유가 얻어진다. 일 구현예에서, 폴리머 섬유의 직경은 0.2 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이다.
도 10은 본 개시에 따른 폴리머 섬유의 모폴로지의 예시이며, 여기서, 본 개시에 따라 젤라틴 용액으로부터 얻어진 폴리머 섬유의 이미지가 도시된다. 젤라틴 섬유는 주사 전자 현미경(VEGA Tescan) 장치 및 인장 강도 시험에 의해 분석되었으며, 여기서 SEM 분석 파라미터는 다음과 같았다: 가속 전압(HV) 10.00 kV; 작동 거리(WD) 12.6480 mm; 시야 95.74 마이크로미터; 검출기: 2차 전자(SE). SEM 분석 결과는, 재료의 나노섬유 특성 및 개별 섬유의 꼬인 리본 유형 모폴로지(twisted ribbon type morphology)를 실증하였다. 인장 강도 시험은, 알려진 방사 기술에 비해, 상기 재료의 월등한 기계적 특성을 보여주었다.
앞에서 설명된 본 개시의 구현예들에 대한 변형은, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 개시의 범위를 벗어나지 않은 채 가능하다. 본 개시를 설명하고 청구하는 데 사용되는 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "포함하는(incorporating)", "갖다(have)", "이다(is)"와 같은 표현은, 비배타적 방식인 것으로 해석되어야 하며, 즉, 명시적으로 설명되지 않은 항목, 구성요소 또는 요소 또한 존재하는 것을 허용한다. 단수 용어에 대한 언급은 또한, 복수의 대상물에도 관련된 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 폴리머 섬유를 제조하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    폴리머 용액 및 압축 가스 제트(jet of compressed gas)를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 노즐로서,
    상기 적어도 하나의 노즐은 중공 공간을 갖는 몸체, 개방된 제1 단부, 상기 개방된 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 상기 제2 단부에 있는 상기 압축 가스 제트의 제1 입구, 및 상기 제2 단부 및 상기 중공 공간을 관통하도록 장착되는 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘은 상기 개방된 제1 단부로부터 돌출하는 비고정 원단부(unfixed distal end), 상기 비고정 원단부에 대향하는 근단부(proximal end), 상기 근단부에 있는 상기 폴리머 용액의 입구, 및 상기 비고정 원단부에 있는 상기 폴리머 용액의 출구를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 근단부는 상기 적어도 하나의 노즐의 상기 제2 단부에 고정되는,
    적어도 하나의 노즐;
    상기 적어도 하나의 노즐의 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘을 통해 상기 폴리머 용액을 펌핑하도록 구성된 펌프;
    상기 적어도 하나의 노즐의 상기 압축 가스 제트의 상기 제1 입구 내로 상기 압축 가스 제트를 이송하도록 구성된 가스 압축기; 및
    상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 비고정 원단부의 제1 운동 수단(moving means);을 포함하는,
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 2개 이상의 노즐들 및 방사구를 더 포함하고, 상기 방사구는 상기 압축 가스 제트의 제2 입구를 갖는 중공 몸체를 포함하며, 상기 2개 이상의 노즐들은 상기 제2 단부에 의해 상기 중공 몸체에 연결되며, 상기 가스 압축기는, 상기 압축 가스 제트를, 상기 압축 가스 제트의 상기 제2 입구를 통해 상기 방사구의 상기 중공 몸체 내로, 그리고, 상기 중공 몸체를 통해 상기 2개 이상의 노즐들 중 각각의 노즐의 상기 압축 가스 제트의 상기 제1 입구로, 이송하도록 구성되는, 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 비고정 원단부의 상기 제1 운동 수단은, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 비고정 원단부를 운동(moving)시키는 기계식 또는 전기기계식 장치, 및 상기 적어도 하나의 노즐, 및 상기 적어도 하나의 노즐의 상기 제2 단부에 있는 상기 압축 가스 제트의 상기 제1 입구에 의해 형성된 제1 운동 수단을 진동(vibrating)시키는 기계식 또는 전기기계식 장치를 포함하는 군으로부터 선택되는, 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 폴리머 섬유를 수집하기 위한 수집 유닛을 더 포함하고, 상기 수집 유닛은 공기 투과성 섬유 수집 표면 및 흡입 유닛을 포함하며, 상기 흡입 유닛은, 상기 공기 투과성 섬유 수집 표면을 통해 공기를 끌어들이도록, 그리고 상기 공기 투과성 섬유 수집 표면 상에 상기 폴리머 섬유를 퇴적(depositing)시키기 위한 흡입 압력을 생성하도록, 구성되는, 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 투과성 섬유 수집 표면은 공기 투과성 섬유 수집 재료를 더 포함하는, 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수집 유닛은 가열 및 용매 증발 챔버를 더 포함하고, 상기 공기 투과성 섬유 수집 표면은 이동식(movable) 공기 투과성 섬유 수집 표면인, 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐의 직경은 1.5 mm 내지 5.0 mm이고, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 직경은 0.6 mm 내지 1.6 mm인, 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는, 상기 적어도 하나의 노즐에 적어도 하나의 운동(movement)을 인가하기 위한, 상기 적어도 하나의 노즐의 제2 운동 수단을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 운동은, 상기 적어도 하나의 노즐을 회전시키는 것, 상기 적어도 하나의 노즐을 좌우로 운동시키는 것, 및 상기 적어도 하나의 노즐을 상기 공기 투과성 섬유 수집 표면에 대해 상하로 운동시키는 것으로부터 선택되는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 압축 가스 가열 유닛을 더 포함하는, 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 공간은 축대칭 중공 공간(axially symmetric hollow space)인, 장치.
  11. 폴리머 섬유의 제조 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 제조 방법:
    - 폴리머 용액을, 적어도 하나의 노즐의 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 상기 폴리머 용액의 입구를 통해, 상기 적어도 하나의 노즐 내로, 펌핑하는 단계;
    - 압축 가스 제트를, 압축 가스의 제1 입구를 통해, 상기 적어도 하나의 노즐 내로, 전달하는 단계;
    - 상기 전달된 압축 가스 제트에 의해, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘에 운동을 인가하는 단계;
    - 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘의 원단부의 팁(tip)에, 상기 폴리머 용액의 액적을 형성시키는 단계; 및
    - 상기 형성된 액적으로부터 폴리머 섬유를 얻는 단계로서, 상기 폴리머 섬유의 직경은 0.1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터인, 단계.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제조 방법은, 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘로의 상기 폴리머 용액의 펌핑의 주입 속도는 노즐당 1 마이크로리터/분 내지 3.5 ml/분이고; 노즐당 상기 폴리머 섬유의 방사 속도는 분당 0.2 g 내지 25 g이고; 상기 압축 가스의 압력은 0.2 bar 내지 2.1 bar에서 전달되고; 상기 폴리머 용액을 상기 적어도 하나의 튜브형 섬유 방사 바늘 내로 펌핑하는 압력은 0.5 bar 내지 2 bar이며; 그리고 상기 압축 가스의 온도는 20 ℃ 내지 120 ℃인; 조건하에서 수행되고, 상기 압축 가스는 공기, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는, 제조 방법.
  13. 적어도 하나의 용매에 용해된 적어도 하나의 폴리머를 포함하는 폴리머 섬유 제조용 폴리머 용액으로서, 상기 적어도 하나의 폴리머의 농도는, 상기 적어도 하나의 용매의 중량을 기준으로 하여, 9 wt% 내지 45 wt%이고, 상기 폴리머 용액의 점도는 1 밀리파스칼-초 내지 5000 파스칼-초인, 폴리머 용액.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 폴리머는, 젤라틴, 콜라겐, 키토산, 키틴, 단백질, 실크 단백질, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 알지네이트 및 조류 기반 다당류, 제인(zein), 글루텐, 폴리(l-락트산), 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리(락트-코-글리콜산), 이들의 혼합물, 및 이들로부터 유도된 화합물을 포함하는 일 군의 생물 기반 폴리머들로부터 선택되거나, 또는 상기 적어도 하나의 폴리머는, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 폴리아닐린, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 스티렌-아세토니트릴 코폴리머, 천연 및 합성 고무, 이들의 혼합물, 및 이들로부터 유도된 화합물을 포함하는 일 군의 합성 폴리머들로부터 선택되는, 폴리머 용액.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용매는, 물, 알코올, 에틸 아세테이트, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 아세트산, 포름산, 톨루엔, 클로로포름, 디메틸포름아미드, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는, 폴리머 용액.
  16. 제 11 항 또는 제 12 항에 따른 제조 방법을 사용하여 제조된 폴리머 섬유를 포함하는 재료로서, 부직포 필터 재료, 가죽 유사 텍스타일, 뼈 재생용 생체 재료, 상처 케어 재료, 세포 배양 및 조직 공학을 위한 3D 스캐폴드, 축전기용 전극 재료, 세라믹 나노섬유, 또는 세포 배양육(cell-cultured meat)을 제조하기 위한 재료.
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