WO2018199353A1 - 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 2성분 복합 나노섬유의 제조방법 - Google Patents

2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 2성분 복합 나노섬유의 제조방법 Download PDF

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WO2018199353A1
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spinning
spinning tube
solution
tube body
spinning solution
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김학용
김태우
채수형
박미라
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주식회사 우리나노
전북대학교산학협력단
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/28—Formation of filaments, threads, or the like while mixing different spinning solutions or melts during the spinning operation; Spinnerette packs therefor
    • D01D5/30—Conjugate filaments; Spinnerette packs therefor
    • D01D5/34—Core-skin structure; Spinnerette packs therefor

Definitions

  • the present invention relates to a spinning tube for producing two-component composite nanofibers (hereinafter abbreviated as "spinning tube”) and a method for producing a two-component composite nanofibers using the same.
  • the present invention relates to a spinning tube capable of producing a component composite nanofiber web, and also to a method of manufacturing a high quality two-component composite nanofiber web using the spinning tube.
  • bicomponent composite nanofiber of the present invention is used to mean both core-sheath composite nanofibers and side-by-side composite nanofibers, and the "core-sheath composite nanofibers” The term is used with the meaning including eccentric core-cis type composite nanofibers.
  • the production of nanofibers through electrospinning is 0.1 ⁇ 1 g per hour and the solution discharge is very low, 1.0 ⁇ 5.0 mL per hour [D. H. H. Renecker et al., Nanptechnology 2006, VOl 17, 1123].
  • Nano Letter, 2007, Vol 7 (4) 1081 is another conventional technique in which the two nozzles are arranged in a side-by-side of the composite nozzles are SnO 2 in one nozzle having an internal diameter of 0.4 mm Supply the precursor solution and TiO 2 to the remaining nozzles with an internal diameter of 0.7 mm
  • a method of manufacturing TiO 2 / SnO 2 composite inorganic nanofibers in a side-by-side form by electrospinning after supplying a precursor solution is disclosed.
  • the conventional method depends only on electrostatic force, the discharge amount per nozzle per unit time This very low productivity is low, there was a problem that the nozzle replacement and cleaning is difficult.
  • Teflon needles with an internal diameter of 0.7 mm and a thickness of 0.2 mm were used and two solutions were simultaneously pumped with a cylinder pump so that the two solutions merged in the needle section.
  • a method of producing a composite side-side composite nanofiber by electrospinning by supplying a platinum electrode in a solution is disclosed.
  • the conventional method also depends only on electrostatic force, the discharge amount per nozzle per unit time is very low, thus improving productivity. Falling, there was a problem that the nozzle replacement and cleaning is difficult.
  • the present invention can minimize the work risk due to high voltage application, can greatly improve the productivity of the two-component composite nanofibers, and prevent the droplet phenomenon when manufacturing nanofibers to improve the quality of the two-component composite nanofiber web It is to provide a spin tube for producing a two-component composite nanofibers that can be improved.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing a high quality two-component composite nanofibers with high productivity using the spinning tube for producing a two-component composite nanofibers.
  • the spinning tube 1 for producing a two-component composite nanofiber is (i) a spinning tube main body (1a) having one form selected from a cylindrical shape and a conical shape;
  • the radiation tube in each of the corners of the polygonal tube-like hollow portion (1b) and (iii) the polygonal tube-like hollow portion (1b) formed in the longitudinal direction of the radiation tube body (1a) inside (1a) It consists of the nozzle 1c provided along the longitudinal direction of the main body 1a.
  • corner portions of the polygonal tubular hollow part 1b are formed to be in contact with the outer circumferential surface of the radiating tube body 1a.
  • the present invention (i) a high voltage to the two-component composite nanofiber spinning tube (1) with a voltage generator (6) while rotating the spinning tube (1) for the production of two-component composite nanofibers with a motor (7) Then, (ii) the polygon forming the spinning tube (1) for the bicomponent composite nanofiber production while supplying the first spinning solution into the nozzle (1c) forming the spinning tube (1) for the bicomponent composite nanofiber production
  • the second spinning solution different from the first spinning solution is supplied into the tubular hollow part 1b, and then (iii) the first spinning solution supplied into the nozzle 1c and into the polygonal tubular hollow part 1b are supplied.
  • the second spinning solution is spun in the direction of the collector 2 in which the high voltage is applied by the voltage generator 6 by using the centrifugal force and the electric force to produce the two-component composite nanofibers.
  • the bicomponent composite nanofibers can be manufactured with high productivity (discharge amount), solvent volatilization and recovery are easy, and the spinning solution falls on the collector in a solution state instead of fibrous. It also effectively prevents (drop phenomenon) to improve the quality of the two-component composite nanofiber web.
  • FIG. 1 is a process schematic diagram of producing a bicomponent composite nanofiber according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective schematic view of the spinning tube 1 for producing a two-component composite nanofiber of the present invention.
  • 3 to 4 are schematic diagrams showing a state in which a nozzle 1c is formed at a corner portion of a polygonal tubular hollow 1b formed in the spinning tube 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a transmission electron microscope photograph of the bicomponent composite nanofibers prepared in Example 1.
  • Spinning tube for producing a two-component composite nanofiber as shown in Figure 1 and 2 (i) the spinning tube body having a shape selected from one of the cylindrical and conical (1a), (ii) the spinning tube The spinning on each of the corners of the polygonal tube-like hollow portion (1b) and (iii) the polygonal tube-like hollow portion (1b) formed in the interior of the body (1a) along the longitudinal direction of the spinning tube body (1a) It consists of a nozzle 1c provided along the longitudinal direction of the tube main body 1a, Comprising: The edge part of the said polygonal tube-shaped hollow part 1b has the structure which contact
  • One or two or more nozzles 1c are provided along the longitudinal direction of the main body 1a of the spinning tube at each corner portion of the polygonal tubular hollow portion 1b.
  • the second spinning solution different from the first spinning solution is supplied into the polygonal tubular hollow portion 1b constituting the spinning tube 1 for producing the two-component composite nanofibers while supplying the spinning solution, and then (iii) the nozzle ( 1c) Using the centrifugal force and the electric force, the first spinning solution supplied into the first spinning solution and the second spinning solution supplied into the polygonal tubular hollow part 1b toward the collector 2 subjected to the high voltage by the voltage generator 6. Spinning produces bicomponent composite nanofibers.
  • the first spinning liquid is supplied into the nozzle 1c by using the first spinning liquid distribution plate 3a, and the second spinning liquid into the polygonal tube-shaped hollow part 1b using the second spinning liquid distribution plate 3b.
  • Supply spinning solution is supplied.
  • the two-component composite nanofibers are core-sheath type composite nanofibers or side by side type composite nanofibers, and the core-sheath composite fiber is an eccentric core-sheath type. It may be a composite nanofiber.
  • the core 1 is supplied with a spinning solution (first spinning solution) for forming a core into the nozzle 1c, and a spinning solution (second spinning solution) for forming a sheath is supplied into the hollow tube 1b having a polygonal tube shape.
  • first spinning solution for forming a core into the nozzle 1c
  • second spinning solution for forming a sheath is supplied into the hollow tube 1b having a polygonal tube shape.
  • a cis-type composite nanofiber is produced.
  • one of two different polymer solutions is used as the first spinning solution supplied into the nozzle 1c, and the other one is used as the second spinning solution supplied into the polygonal tubular hollow part 1b.
  • the core-sheath composite nanofibers or the side by side composite nanofibers are prepared.
  • a hollow fiber is prepared by dissolving the core of the core-sheath composite nanofiber prepared as described above with an organic solvent or the like.
  • one of two precursors containing different inorganic materials is used as the first spinning solution supplied into the nozzle 1c, and the other one is supplied into the polygonal tubular hollow part 1b. It is used as a second solution to prepare a two-component composite inorganic nanofibers.
  • the polymer solution is used as the first spinning solution supplied into the nozzle 1c, and the precursor containing the inorganic material is used as the second spinning solution supplied into the polygonal tubular hollow part 1b.
  • Core-sheath composite nanofibers are prepared in which the component is a polymer and the sheath component is an inorganic material.
  • an inorganic hollow fiber is prepared.
  • hollow carbon nanofibers using the spinning tube (1) of the present invention using a water-soluble polyvinyl alcohol solution as the first spinning solution supplied into the nozzle (1c), using a polyacrylonitrile solution A core-sheath composite nanofiber was prepared using the second spinning solution supplied into the polygonal tubular hollow part 1b, and then the water-soluble polyvinyl alcohol forming the core part was removed with water to prepare a hollow polyacrylonitrile fiber. Next, the hollow polyacrylonitrile fiber is stabilized and carbonized to prepare hollow carbon nanofibers.
  • porous carbon nanofibers are manufactured by using a spinning tube provided with two or more nozzles 1c at each corner portion of the polygonal tubular hollow part 1b.
  • the hollow carbon nanofibers or porous carbon nanofibers prepared as described above are useful as filter materials, secondary battery membrane materials, electrode materials, high functional clothing materials, drug delivery materials, and the like.
  • Polymethyl methacrylate was dissolved in dimethylformamide as a solvent to prepare a polymethyl methacrylate solution (first spinning solution) having a solid content of 10% by weight.
  • Polyacrylonitrile was dissolved in dimethylformamide as a solvent to prepare a polyacrylonitrile solution (second spinning solution) having a solid content of 12% by weight.
  • the spinning tube body (1a) having one form selected from the cylindrical and conical, (ii) the spinning tube inside the spinning tube body (1a) The longitudinal direction of the radiating tube main body 1a at each corner portion of the 12 polygonal tubular hollow part 1b and (iii) the 12 polygonal tubular hollow part 1b formed along the longitudinal direction of the main body 1a.
  • the nozzle (1c) having a diameter of 0.7mm installed along the length is composed of 12, the radiation having a structure in which the corner portions of the polygonal tube-like hollow portion (1b) abuts the outer peripheral surface of the spinning tube body (1a) Rotating the tube 1 at 350 rpm with the motor 7 while applying a voltage of 35 kV to the radiating tube 1 with the voltage generator 6, and then into the nozzle 1c forming the radiating tube 1.
  • the spinning while supplying a polymethyl methacrylate solution (the first spinning solution)
  • second spinning solution polyacrylonitrile solution
  • the electrospinning yielded a cis-core bicomponent composite nanofiber.
  • the polyacrylonitrile solution (second spinning solution), which is a polymer solution, was supplied at 0.25cc per minute, and the polymethylmethacrylate solution (first spinning solution) was supplied at 0.20cc per minute. At this time, the distance between the collector 2 and the spinning tube 1 was 35 cm.
  • FIG. 5 shows a structure in which a sheath component of polyacrylonitrile is wrapped around the polymethylmethacrylate component of the core component having a diameter of about 300 nm.
  • a spinning tube body 1a having one shape selected from a cylindrical shape and a conical shape, and (ii) the spinning tube body 1a inside the spinning tube body 1a. Is installed along the longitudinal direction of the radiating tube body 1a at each corner portion of the 12 polygonal tubular hollow part 1b and (iii) the 12 polygonal tubular hollow part 1b formed along the longitudinal direction of Spinning tube (1) having a structure consisting of 12 nozzles (1c) having a diameter of 0.7 mm, the corner portion of the polygonal tube-like hollow portion (1b) abuts the outer peripheral surface of the spinning tube body (1a) Is rotated at 350 rpm by a motor (7) while applying a voltage of 35 kV to the radiation tube (1) with a voltage generator (6), and then containing polyvinyl alcohol into the nozzle (1c) forming the radiation tube (1)
  • the spinning tube 1 is formed at the same time as supplying a solution (first spinning solution).
  • the supplied spinning solution was electrospun in the direction of the collector 2 subjected to a voltage of 35 kV, and the sheath-core A type bicomponent composite nanofiber was prepared.
  • the polyacrylonitrile solution (second spinning solution) which is a polymer solution, was supplied at 0.25 cc / min and the polyvinyl alcohol solution (first spinning solution) was supplied at 0.18 cc / min.
  • the collector 2 and the spinning tube The distance between the collector 2 and the spinning tube 1 was 35 cm.
  • the hollow ciacrylonitrile fiber was prepared by removing the water-soluble polyvinyl alcohol forming the core by washing the cis-core bicomponent composite nanofiber prepared as described above with water, and then stabilizing and carbonizing the hollow carbon nanofiber.
  • the hollow ciacrylonitrile fiber was prepared by removing the water-soluble polyvinyl alcohol forming the core by washing the cis-core bicomponent composite nanofiber prepared as described above with water, and then stabilizing and carbonizing the hollow carbon nanofiber. was prepared.
  • d distance between the nozzle 1c and the corner vertex of the polygonal tubular hollow part 1b nearest to the nozzle.
  • the present invention can be used to produce high quality bicomponent composite nanofibers with high productivity.

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Abstract

본 발명의 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)는 (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 노즐(1c)로 구성되며, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿아 있는 구조를 구비한다. 본 발명은 (i) 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 회전시켜 주면서 고전압을 걸어준 다음, (ii) 상기 노즐(1c) 내로 제1방사용액을 공급함과 동시에 상기 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 상기 제1방사용액과 상이한 제2방사용액을 공급한 다음, (iii) 상기 제1방사용액과 제2방사용액을 원심력과 전기력을 이용하여 고전압이 걸려 있는 컬렉터(2) 방향으로 방사하여 2성분 복합 나노섬유를 제조한다. 본 발명은 정전기력과 원심력을 동시에 이용하기 때문에 2성분 복합 나노섬유를 높은 생산성(토출량)으로 제조할 수 있고, 용매 휘발 및 회수가 용이하고, 방사액이 섬유상이 아닌 용액상태로 컬렉터 상에 떨어지는 현상(드롭 현상)도 효과적으로 방지하여 2성분 복합 나노섬유 웹의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Description

2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브 및 이를 이용한 2성분 복합 나노섬유의 제조방법
본 발명은 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(이하 "방사튜브" 라고 약칭한다) 및 이를 이용한 2성분 복합 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 높은 단위시간당 생산성과 공정성으로 고품질의 2성분 복합 나노섬유 웹을 제조할 수 있는 방사튜브에 관한 것이며, 또한, 상기 방사튜브를 이용하여 고품질의 2성분 복합 나노섬유 웹을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 "2성분 복합 나노섬유"라는 용어는 코어-시스형 복합 나노섬유와 사이드-바이-사이드형 복합 나노섬유 모두를 포함하는 의미로 사용되며, 상기 "코어-시스형 복합 나노섬유"라는 용어는 편심형 코어-시스형 복합 나노섬유도 포함하는 의미로 사용된다.
시스-코어형 복합 나노섬유를 제조하는 종래기술로서는 시스/코어 형태(2중관 형태)의 노즐을 통해 시스 형성용 방사용액과 코어 형성용 방사용액을 정전기력만으로 전기방사 하는 방법이 널리 사용되어 왔다.
그러나, 상기 종래방법은 정전기력에만 의존하여 전기방사를 하기 때문에 단위시간당 노즐 단위홀당 토출량이 0.01g 수준으로 매우 낮아 생산성이 떨어져 결국 양산화가 곤란하였고, 노즐 교체 및 청소도 매우 번거로운 문제점이 있었다.
일반적으로 전기방사를 통한 나노섬유의 생산량은 시간당 0.1~1 g 수준이고 용액 토출량은 시간당 1.0~5.0 mL 수준으로 매우 낮다[D. H. H. Renecker 등, Nanptechnology 2006, VOl 17, 1123]
구체적으로, 나노레터(Nano Letter), 2007, Vol7(4) 1081에는 또 다른 종래기술로서 2개의 노즐이 사이드 바이 사이드 형태로 배열된 복합노즐 중 내부직경이 0.4㎜인 하나의 노즐에 SnO2인 프리커서 용액을 공급하고, 내부 직경이 0.7㎜인 나머지 노즐에 TiO2 프리커서 용액을 공급한 후 전기방사하여 사이드-바이-사이드 형태인 TiO2/SnO2 복합 무기나노섬유를 제조하는 방법을 게재하고 있으나, 상기 종래방법은 정전기력만 의존하기 때문에 단위시간당 노즐 1개당 토출량이 매우 낮아 생산성이 떨어지고, 노즐교체 및 청소가 어려운 문제점이 있었다.
폴리머(Polymer), 2003, Vol.44, 6353에서는 내부 직경이 0.7mm 이고 두께가 0.2mmm인 테프론 니들을 사용하고 여기에 두 종류의 용액이 니들 부분에서 합쳐지도록 실린더 펌프로 동시에 두 종류의 용액을 공급하고 백금 전극을 용액 내에 설치하여 전기방사를 행하여 사이드 바이 사이드 형태의 복합 나노섬유를 제조하는 방법을 게재하고 있으나, 상기 종래방법 역시 정전기력에만 의존하기 때문에 단위시간당 노즐 1개당 토출량이 매우 낮아 생산성이 떨어지고, 노즐 교체 및 청소가 어려운 문제점이 있었다.
또한, 상기 종래방법들은 방사용액이 섬유상이 아닌 용액상태로 컬렉터 상에 떨어지는 현상(이하 "드롭렛 현상"이라고 한다)이 심하게 발생되어 2성분 복합 나노섬유 웹의 품질이 저하되는 문제도 있었다.
본 발명은 과제는 고전압 인가로 인한 작업 위험성을 최소화할 수 있고, 2성분 복합 나노섬유의 생산성을 크게 향상시킬 수 있고, 나노섬유 제조시 드롭렛 현상을 방지하여 2성분 복합 나노섬유 웹의 품질을 향상시킬 수 있는 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브를 사용해서 높은 생산성으로 고품질의 2성분 복합 나노섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 달성하기 위해서 본 발명에서는 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 노즐(1c)로 구성한다.
이때, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿도록 형성시켜 준다.
또한, 본 발명은 (i) 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 모터(7)로 회전시켜 주면서 전압발생장치(6)로 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)에 고전압을 걸어준 다음, (ii) 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 이루는 노즐(1c) 내로 제1방사용액을 공급함과 동시에 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 이루는 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 상기 제1방사용액과 상이한 제2방사용액을 공급한 다음, (iii) 노즐(1c) 내로 공급된 제1방사용액과 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급된 제2방사용액을 원심력과 전기력을 이용하여 전압발생장치(6)에 의해 고전압이 걸려 있는 컬렉터(2) 방향으로 방사하여 2성분 복합 나노섬유를 제조한다.
본 발명은 정전기력과 원심력을 동시에 이용하기 때문에 2성분 복합 나노섬유를 높은 생산성(토출량)으로 제조할 수 있고, 용매 휘발 및 회수가 용이하고, 방사액이 섬유상이 아닌 용액상태로 컬렉터 상에 떨어지는 현상(드롭 현상)도 효과적으로 방지하여 2성분 복합 나노섬유 웹의 품질을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2성분 복합 나노섬유를 제조하는 공정 개략도.
도 2는 본 발명의 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)의 사시개략도.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 방사튜브(1)에 형성된 다각형 튜브상 중공(1b)의 모서리 부분에 노즐(1c)이 형성된 상태를 나타내는 모식도.
도 5는 실시예 1로 제조한 2성분 복합 나노섬유의 투과전자현미경 사진.
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 노즐(1c)로 구성되며, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿아 있는 구조를 구비한다.
상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에는 1개 또는 2개 이상의 노즐(1c)이 방사튜브의 본체(1a) 길이방향을 따라 설치되어 있다.
다음으로는, 본 발명에 따른 2성분 복합 나노섬유의 제조방법을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 (i) 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 모터(7)로 회전시켜 주면서 전압발생장치(6)로 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)에 고전압을 걸어준 다음, (ii) 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 이루는 노즐(1c) 내로 제1방사용액을 공급함과 동시에 상기 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브(1)를 이루는 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 상기 제1방사용액과 상이한 제2방사용액을 공급한 다음, (iii) 노즐(1c) 내로 공급된 제1방사용액과 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급된 제2방사용액을 원심력과 전기력을 이용하여 전압발생장치(6)에 의해 고전압이 걸려 있는 컬렉터(2) 방향으로 방사하여 2성분 복합 나노섬유를 제조한다.
이때, 제1방사용액 분배판(3a)을 사용하여 노즐(1c) 내로 제1방사용액을 공급하고, 제2방사용액 분배판(3b)를 사용하여 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 제2방사용액을 공급한다.
상기 2성분 복합 나노섬유는 코어-시스형(Core-sheath type) 복합 나노섬유 또는 사이드 바이 사이드형(Side by side type) 복합 나노섬유이며, 상기 코어-시스형 복합섬유는 편심형 코어-시스형 복합 나노섬유일 수도 있다.
구현일례로서, 노즐(1c) 내로는 코어형성용 방사용액(제1방사용액)을 공급하고, 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로는 시스형성용 방사용액(제2방사용액)을 공급하여 코어-시스형 복합 나노섬유를 제조한다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 2개의 노즐(1c)들을 설치된 방사튜브(1)를 사용하면 코어성분이 2개인 코어-시스형 복합 나노섬유를 제조할 수 있다.
또 다른 구현일례로서, 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 꼭지점과 노즐(1c)간의 거리(d)를 적절하게 조절하게 되면 사이드 바이 사이드형 복합 나노섬유를 제조할 수 있게 된다.
구현일례로서, 서로 다른 고분자 용액 2종 중 1종을 노즐(1c) 내로 공급되는 제1방사용액으로 사용하고, 나머지 1종을 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급되는 제2방사용액으로 사용하여 코어-시스형 복합 나노섬유 또는 사이드 바이 사이드형 복합 나노섬유를 제조한다.
상기와 같이 제조된 코어-시스형 복합 나노섬유의 코어부를 유기용매 등으로 용해하며 중공섬유가 제조된다.
또 다른 구현일례로서, 서로 다른 무기물이 포함된 프리커서 2종 중 1종을 노즐(1c) 내로 공급되는 제1방사용액으로 사용하고, 나머지 1종을 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급되는 제2방용액으로 사용하여 2성분 복합 무기 나노섬유를 제조한다.
이와 같이 제조된 2성분 복합 무기 나노섬유를 안정화 및 탄화처리하면 단일성분 또는 2성분 무기 나노섬유가 제조된다.
또 다른 구현일례로서, 고분자 용액을 노즐(1c) 내로 공급되는 제1방사용액으로 사용하고, 무기물이 포함된 프리커서를 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급되는 제2방사용액으로 사용하여 코어성분이 고분자이고 쉬스 성분이 무기물로 구성된 코어-시스형 복합 나노섬유를 제조한다.
상기와 같이 제조된 코어-시스형 복합 나노섬유의 코어 성분을 유기용매 등으로 용해시키거나 탄화처리로 제거하게 되면 무기 중공섬유가 제조된다.
본 발명의 방사튜브(1)를 이용하여 중공 탄소 나노섬유를 제조하는 구현일례를 살펴보면, 수용성 폴리비닐알코올 용액을 노즐(1c) 내로 공급되는 제1방사용액으로 사용하고, 폴리아크릴로니트릴 용액을 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 공급되는 제2방사용액으로 사용하여 코어-시스형 복합나노섬유를 제조한 다음, 코어부를 형성하는 수용성 폴리비닐알코올을 물로 제거하여 중공 폴리아크릴로니트릴 섬유를 제조한 다음, 제조된 중공 폴리아크릴로니트릴 섬유를 안정화 및 탄화처리하여 중공 탄소 나노섬유를 제조한다.
이때, 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 2개 이상의 노즐(1c)들이 설치된 방사튜브를 사용하게 되면 다공성 탄소 나노섬유가 제조된다.
상기와 같이 제조된 중공 탄소 나노섬유 또는 다공성 탄소 나노섬유는 필터소재, 2차전지 멤브레인 소재, 전극재료, 고기능성 의류 소재, 약물전달 소재 등으로 유용하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.
그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 보호범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리메틸메타아크릴레이트를 용매인 디메틸포름아미드에 용해하여 고형분이 10중량%인 폴리메틸메타아크릴레이트 용액(제1방사용액)을 제조하였다.
폴리아크릴로니트릴을 용매인 디메틸포름아미드에 용해하여 고형분이 12중량%인 폴리아크릴로니트릴 용액(제2방사용액)을 제조하였다.
다음으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 12 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 12 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 직경이 0.7㎜인 노즐(1c)가 12개로 구성되며, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿아 있는 구조를 구비하는 방사튜브(1)를 모터(7)로 350rpm으로 회전시켜주면서 전압발생장치(6)로 상기 방사튜브(1)에 35kV의 전압을 걸어준 다음, 상기 방사튜브(1)를 이루는 노즐(1c)내로 폴리메틸메타아크릴레이트 용액(제1방사용액)을 공급함과 동시에 상기 방사튜브(1)를 이루는 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 폴리아크릴로니트릴 용액(제2방사용액)을 공급한 다음, 상기 공급된 상기 방사용액들을 35kV의 전압이 걸려 있는 컬렉터(2) 방향으로 전기방사하여 시스-코어형 2성분 복합 나노섬유를 제조하였다. 고분자 용액인 폴리아크릴로니트릴 용액(제2방사용액)은 분당 0.25cc로 공급하고 폴리메틸메타아크릴레이트 용액(제1방사용액)은 분당 0.20cc로 공급하였다. 이때 컬렉터(2)와 방사튜브(1) 간의 거리는 35㎝로 하였다.
상기와 같이 제조된 시스-코어형 2성분 복합 나노섬유의 투과전자현미경 사진은 도 5와 같았다.
도 5에서는 직경이 300㎚ 정도인 코아성분의 폴리메틸메타아크릴레이트 성분 외부를 쉬스성분의 폴리아크릴로니트릴이 감싸고 있는 구조를 보여준다.
실시예 2
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 12 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 12 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 직경이 0.7㎜인 노즐(1c) 12개로 구성되며, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿아 있는 구조를 구비하는 방사튜브(1)를 모터(7)로 350rpm으로 회전시켜주면서 전압발생장치(6)로 상기 방사튜브(1)에 35kV의 전압을 걸어준 다음, 상기 방사튜브(1)를 이루는 노즐(1c)내로 수용 폴리비닐알코올 용액(제1방사용액)을 공급함과 동시에 상기 방사튜브(1)를 이루는 다각형 튜브상 중공부(1b) 내로 폴리아크릴로니트릴 용액(제2방사용액)을 공급한 다음, 상기 공급된 상기 방사용액들을 35kV의 전압이 걸려 있는 컬렉터(2) 방향으로 전기방사하여 시스-코어형 2성분 복합 나노섬유를 제조하였다. 고분자용액인 폴리아크릴로니트릴 용액(제2방사용액)은 분당 0.25cc로 공급하고 폴리비닐알코올 용액(제1방사용액)은 분당 0.18cc로 공급하였다. 이때 컬렉터(2)와 방사튜브 이때 컬렉터(2)와 방사튜브(1) 간의 거리는 35㎝로 하였다.
상기와 같이 제조된 시스-코어형 2성분 복합 나노섬유를 물로 수세하여 코어부를 형성하는 수용성 폴리비닐알코올을 제거하여 중공 폴리아크릴로니트릴 섬유를 제조한 다음, 이를 안정화 및 탄화처리하여 중공 탄소 나노섬유를 제조하였다.
*부호의 설명*
1 : 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브
1a : 방사튜브의 본체
1b : 다각형 튜브상 중공부
1c : 노즐
2: 컬렉터
3: 방사용액 분배판
3a : 제1방사용액(코어 형성용 방사용액) 분배판
3b : 제2방사용액(쉬스 형성용 방사용액) 분배판
4 : 제2방사용액(쉬스 형성용 방사용액) 공급탱크
5 : 제1방사용액(코어 형성용 방사용액) 공급탱크
6 : 전압발생장치
7 : 모터
F : 2성분 복합 나노섬유
Fc : 2성분 복합 나노섬유의 코어부
Fs : 2성분 복합 나노섬유의 쉬스부
X : 폴리아크릴 니트릴
Y : 폴리메틸메타아크릴레이트
d : 노즐(1c)과 상기 노즐과 가장 인접하는 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 꼭지점 간의 거리.
본 발명은 고품질의 2성분 복합 나노섬유를 높은 생산성으로 제조하는데 사용될 수 있다.

Claims (2)

  1. (i) 원통형 및 원추형 중에서 선택된 하나의 형태를 구비하는 방사튜브 본체(1a), (ii) 상기 방사튜브 본체(1a)의 내부에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 형성되어 있는 다각형 튜브상 중공부(1b) 및 (iii) 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 상기 방사튜브 본체(1a)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 노즐(1c)로 구성되며, 상기 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분들이 방사튜브 본체(1a)의 외주면과 맞닿아 있는 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브.
  2. 제1항에 있어서, 다각형 튜브상 중공부(1b)의 모서리 부분 각각에 2개 이상의 노즐(1c)이 방사튜브의 본체(1)의 길이방향을 따라 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사튜브.
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