JP2014062351A - 電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システム - Google Patents
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Abstract
【課題】電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムを提供する。
【解決手段】繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するものである。
【選択図】図3
【解決手段】繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するものである。
【選択図】図3
Description
本発明は、ナノ繊維製造のための電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するもので、より詳細には高電圧電極体が電気紡糸ノズルパック内部の溶液収容空間に内蔵された電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するものである。
ここでは、本開示に関する背景技術を提供するが、それらが必ず公知技術を意味するのではない。
電気紡糸(Electro-spinning)は、繊維原料溶液を荷電状態で紡糸して微細直径の繊維を製造する技術である。電気紡糸は、最近はナノメートル級繊維を製造するための技術に用いられていて、それに対する研究が活発に進められている。電気紡糸によって製造される繊維は、直径がマイクロメートル厚さからナノメートル厚さになる。このように厚さが薄い場合、体積に対する表面積の比率の増加、表面機能性向上、張力を含めた機械的物性の向上など、新しい優れた特性が現れる。このような優れた特性によってナノ繊維は多くの重要な応用分野で用いることができる。例えば、このようなナノ繊維で構成されたウェブは、多孔性を有する分離膜形素材として各種フィルター類、透湿防水用衣類の原緞、創傷治療用ドレッシング、人工支持体などの多様な分野で応用することができる。
図9は、電気紡糸装置の一例を示す図である。
電気紡糸装置40は、供給ユニット110、紡糸ユニット120、コレクター130、制御ユニット140、誘導ユニット150そして空調ユニット160を含む。
供給ユニット110は、繊維原料用高分子溶液を供給する。紡糸ユニット120は、供給ユニット110から供給された高分子溶液を荷電されたフィラメントまたは繊維形態で吐出させるための複数の紡糸ノズル122を備える。コレクター130は、紡糸ノズル122と所定間隔離隔して配置され、紡糸ユニット120から紡糸されたフィラメントを所定厚さで累積させる。制御ユニット140は、紡糸ユニット120の少なくとも両側に設置される。誘導ユニット150は、制御ユニット140とコレクター130との間に設置されてフィラメントストリームを取り囲む。空調ユニット160は、紡糸ユニット120とコレクター130の間の空間に空気を注入して、その空間内の溶媒を蒸発させて外部に排出させる。
供給ユニット110は、貯蔵容器112、ポンプ114、分配器116及び移送管118を含む。
貯蔵容器112は、繊維原料になる高分子物質が溶解した溶液を貯蔵する。ポンプ114は、貯蔵容器112に貯蔵された溶液を加圧して紡糸ユニット120側に定量供給する。分配器116及び移送管118は、溶液をそれぞれのノズルに分配する。
紡糸ユニット120は、供給ユニット110から供給される繊維原料溶液を荷電させた状態で微細フィラメント形態でコレクター130方向に紡糸する。紡糸ユニット120は、複数の紡糸ノズル122が配置された少なくとも一つ以上の紡糸ノズルパック126を備える。紡糸ノズルパック126を構成する紡糸ノズル122の個数または紡糸ユニット120を構成する紡糸ノズルパック126の個数は、製造するウェブのサイズや厚さ、生産速度などを総合的に考慮して決定される。多くの高分子物質を紡糸する場合には、別途の紡糸ノズルパックを具備することができる。
コレクター130は、紡糸ユニット120に印加される電圧に対して電位差を有するように接地するか、あるいは陰極性(−)の電圧を印加することができる。コレクター130は、紡糸ユニット120から吐出された荷電フィラメントを集積する。例えば、コレクター130は、連続的な移動のためにローラー132のような移送手段を備えたコンベヤーベルト方式で構成することができる。
制御ユニット140は、紡糸ノズルパック126の少なくとも長さ方向の両側に設置される。制御ユニット140は、それぞれの紡糸ノズル122から紡糸されるフィラメントストリームが互いに反発して広がることとともに経路を逸脱することを防止する。
誘導ユニット150には、制御ユニット140と同じ極性の電圧が印加される。誘導ユニット150は、延伸される荷電フィラメントストリームの周囲に設置されてフィラメントストリームの進行方向をガイドする。誘導ユニット150は、導体板あるいは導体棒の形態を有することができる。誘導ユニット150は、荷電フィラメントと同一極性に帯電することによってコレクター130上面の制限された領域にフィラメントが集積されるように誘導する。
空調ユニット160は、例えば、吸入ファン、排気ファンのような溶媒吸気、排気手段と多数の空気流入スロット162を備える。空調ユニット160は、紡糸ユニット120とコレクター130間の空間で荷電フィラメントに溶解している溶媒を揮発させて外部に排気する。
高電圧ユニット170は、10kV〜120kVの範囲の直流電圧を出力する。陽極性(+)電圧は、高電圧ユニット170の出力電圧によって励起される。
供給ユニット110に貯蔵された原料溶液が、ポンプ114及び分配器116によって紡糸ユニット120に定量供給されると、紡糸ユニット120のそれぞれの紡糸ノズルパック126内部の通電部によって溶液が荷電される。続いて、荷電状態の溶液は、紡糸ノズル122のキャピラリチューブを通過しながら微細フィラメント形態でコレクター130側に吐出される。ここで、コレクター130と荷電フィラメントとの間に形成される強力な電場によってフィラメントはナノ級の直径になるように延伸されながら紡糸される。
このような紡糸過程において、制御ユニット140は、フィラメント間の反発力によって進行経路を逸脱して外郭に広がろうとするフィラメントストリームがもとの位置に戻るようにして正しい進行経路を維持することができるようにする。
一方、誘導ユニット150は、コレクター130の上側に吐出するフィラメントストリームを取り囲むように設置されている。誘導ユニット150は、経路を逸脱しようとするフィラメントストリームをコレクター130上の制限された集積領域に誘導する。前記のように誘導されたフィラメントは、コンベヤーベルトあるいは回転ドラム形態のコレクター130上に連続的に集積されるか、ローラー180によって移送されるフィルム、模造紙、不織布のような基材182の上面に集積してナノ繊維からなる多孔膜を備えたウェブが製造される。このような電気紡糸装置の一例が、特許文献1に提示されている。
従来技術による電気紡糸システムでは、電極が紡糸ノズルパックの筐体に直接連結されて溶液収容空間内に供給される溶液に電流が流れるようにする。それにより、紡糸ノズルパックの筐体から外部に磁場が漏出して電気紡糸が円滑にならず不安定になる。また、磁場の漏出に対する補完として相対的により高い高電圧を印加しなければならないという問題点がある。
また、従来技術による電気紡糸システムでは、大容量では多数の溶液噴射ノズルに直接電線を連結することができず、紡糸ノズルパックに注入される溶液の配管に電線を接地する方式を用いた。このような方式は、高分子溶液自体が電気抵抗体の役割をして溶液噴射ノズルまで電気が印加されるためには、低抗体を経なければならないのでさらに高い電圧を印加しなければならない。したがって、高い電圧による事故の危険性と紡糸の安定性が落ちるという問題があった。さらに、溶液に印加された電圧が溶液噴射ノズルの噴射方向だけでなく、溶液配管を伝わって逆流して安全事故及び漏洩電流を発生させるという問題も伴った。
また、既存の電気紡糸システムでは、一つ以上の噴射ノズルで時間当り数グラム以下の溶液を紡糸して繊維を製造する。そのため、生産速度が非常に遅いという問題があった。
また、溶液注入口及び気体注入口の位置が紡糸ノズルパックの筐体の長さ方向の両端部に配置されて、紡糸ノズルパックの長さ方向への拡張性が良くなかった。例えば、大量生産のために紡糸ノズルパックを長さ方向に連結した時、隣接した2個の紡糸ノズルパックの末端にそれぞれ具備されて互いに接するようになる二つの噴射ノズルの配置間隔が、紡糸ノズルパックに具備される噴射ノズルの間隔より大きくて大面積方式で均一なナノ繊維の大量製造が事実上難しかった。
特にナノ級繊維は、非常に少ない溶液を放出させて製造するので非常に少ない溶液を用いて製造されるウェブの面積及び生産速度などの問題がともなう。
これに対しては、「発明を実施するための形態」の後段に記述する。
ここでは、本開示の全体的な要約を提供し、それが本開示の外縁を制限するものと理解されてはならない。
本開示による一態様によると、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパックが提供される。
本開示による他の一態様によると、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズル、及び溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体を含む電気紡糸ノズルパックと、溶液収容空間に溶液を供給する溶液供給部と、高電圧電極体に高電圧を印加する高電圧提供部と、多数の溶液噴射ノズルから電気紡糸される繊維が集積されるコレクターと、を含むことを特徴とする電気紡糸システムが提供される。
これに対しては、「発明を実施するための形態」の後段に記述する。
以下、本開示を添付した図を参照して詳しく説明する。
図1は、本開示による電気紡糸システムの一例を概略的に示す図である。本開示による電気紡糸システムは、電気紡糸ノズルパック50、溶液供給部10、高電圧提供部20、エア供給部30及びコレクター60を含む。
電気紡糸ノズルパック50は、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する。溶液供給部10は、電気紡糸ノズルパック50に溶液を供給する。高電圧提供部20は、電気紡糸ノズルパック50の溶液を荷電するための高電圧を印加する。エア供給部30は、温度調節された高圧気体を供給する。コレクター60は、電気紡糸ノズルパック50の下部に設置されて、電気紡糸ノズルパック50から電気紡糸される繊維がコレクター60の上面に集積される。
図2は、本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を示す図で、図3は図2のA−A’ラインに沿った断面図であり、図4は図2のB−B’ラインに沿った断面図で、図5は本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を分解して示した図である。
電気紡糸ノズルパック50は、図2〜図5に示されたように、筐体55、多数の溶液噴射ノズル65、多数の気体噴射ノズル75及び高電圧電極体85を含む。
筐体55は、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間41及び高圧気体を収容する気体収容空間43を内部に具備する。気体収容空間43は、溶液収容空間41の下部に位置する。多数の溶液噴射ノズル65は、溶液収容空間41と連通するように筐体55に設置され、例えば、筐体55の長さ方向に沿って設置することができる。多数の気体噴射ノズル75は、気体収容空間43と連通するように筐体55に設置される。高電圧電極体85は、溶液収容空間41内部に配置されて溶液を荷電する。
溶液収容空間41の内壁は、溶液がスムーズに下方に流れるように流線形の緩やかな傾斜を成して下側が細くなるように形成することが好ましい。
筐体55は、一方向に細長い形状に形成される。筐体55は、下部ブロック51及び上部カバー53からなり、使用後の洗浄が容易である。筐体55は、耐化学性のためにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ナイロンのようなポリアミド(PA)系高分子などのエンジニアリングプラスチックを素材に採用することが好ましい。
また、注入された紡糸溶液が漏出しないように、下部ブロック51と上部カバー53との間に密封のためのガスケット54が具備される。ガスケット54は、ゴム、シリコン、石綿、合成樹脂などの各種有機および無機材料グループから選択される材料であって、耐溶剤性を有することが好ましい。
図6は、図2のC−C’ラインに沿った断面図であり、図7は図2のD−D’ラインに沿った断面図で、図8は本開示による高電圧電極体の一例を拡大して示した図である。
本例による筐体55は、溶液収容空間41と連通する溶液注入口56及び気体収容空間43と連通する気体注入口57を具備する。溶液注入口56及び気体注入口57は、筐体55を構成する上部カバー53に形成される。溶液注入口56は、直下方向に延長されて溶液収容空間41と連通して、気体注入口57は筐体55内から下方に延長された後、水平に延長することで溶液収容空間41を迂回する構造で気体収容空間43と連通する。溶液注入口56は溶液供給部10と連結され、気体注入口57はエア供給部30と連結される。
このように、溶液注入口56だけでなく気体注入口57も筐体55の端部、例えば、長さ方向の両端部を用いないで筐体55の上部に露出するように形成することによって、広幅の繊維ウェブを製造するために2個以上の電気紡糸ノズルパック50を連結して、例えば、長さ方向に連結して使用する場合にも形状的な干渉が発生しないなど、優れた拡張性を有することができる。
溶液噴射ノズル65は、溶液収容空間41の下部にその入口が位置し、下方に延長されて気体収容空間43を経由した後、その出口が筐体55の下部に露出するように配列される。
気体噴射ノズル75は、溶液噴射ノズル65と一対一で対応して、気体収容空間43の下部にその入口が位置し、下方に延長されてその出口が筐体55の下部に露出するように配列される。気体噴射ノズル75は、溶液噴射ノズル65を取り囲む形態で配置される。したがって、溶液噴射ノズル65は気体噴射ノズル75の中心を貫通するようになる。
溶液噴射ノズル65と一対一の対応方式で一定間隔で具備される気体噴射ノズル75は、溶液噴射ノズル65と密着しながら装着されるよう、溶液噴射ノズル65の外径に比べてわずかに大きい口径で形成される。ここで、気体噴射ノズル75は、紡糸されるナノ繊維に方向性を与えるために、流路を形成する加工ができるように形成される。また、電場干渉防止、吐出フィラメントストリーム間の接触防止、溶液噴射ノズル65の可溶空間などを考慮した時、電気紡糸ノズルパック50に設置される溶液噴射ノズル65間の間隔は1mm〜50mmが好ましく、3mm〜30mmで形成することがより好ましい。間隔がとても近ければ、電気的干渉がひどくなり、あまり遠くなれば生産効率性が落ちてナノ繊維ウェブが不均一に形成されて染みのように見えることも起こり得る。均一なナノ繊維を紡糸するためには、溶液噴射ノズル65が内径0.005mm〜1.0mm、外径0.01mm〜5mm、外部に露出した長さ0.1mm〜55mmの構造を有することが好ましい。気体噴射ノズル75は、内径0.1mm〜10mmであることが適当で、外径は特別に規定されないが、外部に露出した長さは0.01mm〜55mmであることが適当である。気体噴射ノズル75は、溶液噴射ノズル65を内部に含まなければならないことから溶液噴射ノズル65の外径より大きくなければならず、溶液噴射ノズル65の出口より上部で気体を噴射するか同じ高さで噴射しなければならないので、溶液噴射ノズル65の長さと同じかそれより短くなければならない。
電気紡糸ノズルパック50に設置される溶液噴射ノズル65の中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと電気紡糸ノズルパック50の長さ方向両端面の間の間隔は、隣接した2個の溶液噴射ノズル65間の間隔の半分であることが好ましい。したがって、2個以上の電気紡糸ノズルパックを長さ方向に連結して用いる時、電気紡糸ノズルパック間の境界部分でも溶液噴射ノズル65間の間隔が一定になるように維持することができ、それにより大面積基材に対する繊維紡糸時に均一なナノ繊維の大量製造を可能にする。
本開示による電気紡糸ノズルパックで製造される繊維の直径は、溶液噴射ノズル65に形成される微細孔の大きさを含む多様な状態を調節して調整することができる。
本開示による電気紡糸ノズルパック50を用いれば、直径が10nm〜5000nmに該当するナノ級繊維を得ることができ、このようなナノ繊維をコレクター60に集積してウェブを製造することができる。
本開示による電気紡糸ノズルパック50を用いて製造され得るナノ繊維は、フィルター素材、透湿防水及び保護服などの衣類素材、生体医学用素材、組織工学用素材、薬物伝達用素材、光化学センサー素材及び美容素材などに幅広く応用することができる。例えば、ナノ繊維は嵩に比べて表面積が非常に大きいためフィルター用に応用時、卓越した効果を示し、また、微細空隙が多いことから透湿防水素材としても優れた効果を示す。
溶液噴射ノズル65の材料としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ナイロンのようなポリアミド系ポリマーなど耐化学性を有するエンジニアリングプラスチック系を採用することができる。代案としては、ステンレススチール(SUS)のような耐腐蝕性の金属などを採用することができる。溶液噴射ノズル65は、長い円錐型または棒型の中空ノズルであり得る。
高電圧電極体85は、溶液に漬かるように溶液収容空間41内部に配置される。高電圧電極体85を、溶液噴射ノズル65の入口近くに置けるようにするために溶液収容空間41の底側に配置することが好ましい。高電圧電極体85は、電圧印加時に直接的に溶液を荷電させる。高電圧電極体85は、長さ方向に沿って伸びた導体板あるいは導体棒で構成することができ、特定部分への電場集中を防止するために尖った部分がない構造が好ましい。具体的に、図3、図4及び図8に示したように、高電圧電極体85は溶液収容空間41の平面形状に対応する少し長めの形状に形成されて溶液収容空間41内部に置かれる電極部82と電極部82の一端部で上方に延長して外部に引き出される連結部84とを具備することができる。また、電極部82には、多数の開口部81が形成される。溶液が注入される溶液注入口56下部では、開口部81間の間隔が広くて溶液注入口56から遠くなるほど開口部81間の間隔が漸進的に狭くなる方式で開口部81を形成することが好ましい。このように開口部81を形成すると、溶液が直接注入される部分の吐出量が周辺より多いことによって、発生する分配の不均一を大きく減らすことができる。
溶液注入口56下部に配列される最も広い2個の開口部81間の間隔は、最大10個の溶液噴射ノズル65の間隔に該当し得、溶液注入口56から最も遠い位置に配列される最も狭い2個の開口部81間の間隔は、最小2個の溶液噴射ノズル65間の間隔に該当し得る。高電圧電極体85の全体の大きさによって変わり得るが、開口部81の直径は0.5mm〜20mm、間隔は5mm〜50mmの構造を有することが好ましい。このように開口部81の間隔が、溶液注入口56に近いほど広くて遠くなるほど狭くなることによって、溶液の移送経路をもう少し長くして分配をより均一にさせる役割を遂行する。
図8には、多数の開口部81が1列に並んで配列された高電圧電極体85が図示されているが、2列以上の列に配列することも可能である。このように、多数の開口部81が2列以上の列に配列される場合、隣接した列の開口部は幅方向にいつも同一線上に置かれる必要がなく、互いに交互に配列することも可能である。
本例による電気紡糸ノズルパック50は、必ずしも本開示による電気紡糸システムに適用することに限定されるものではなく、電気紡糸方式でナノ繊維を製造するための一般的な電気紡糸システムの紡糸手段として適用することもできることを理解されなければならない。
溶液供給部10は、繊維原料になる高分子物質が溶解した溶液を供給する部分であって、溶液貯蔵部11と、その溶液を電気紡糸ノズルパックに定量供給するための定量移送ポンプ12と、を含む。
溶液を構成する高分子物質としては、例えば、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)のようなフッ素系高分子、ポリアクリロニトリル(PAN)のようなアクリル系高分子、ポリエチレンテレフタレート(PET)のようなポリエステル系高分子、ポリウレタン系高分子、ナイロン6のようなポリアミド系高分子、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンオキサイド(PEO)など、溶媒に溶解可能なすべての高分子物質を採用することができ、単一物質あるいは2以上の物質を混合した状態で採用することができる。
このような溶液が電気紡糸される基材としては、繊維原緞、不織布、紙、フィルム、ガラス板、セラミックス板、金属ベルトなどがある。
溶液を供給する定量移送ポンプ12としては、例えば溶液の移送量を一定に維持することができる通常の液体定量ポンプやチューブ連動式ポンプ、ギヤポンプなどを採用することができる。本開示において、溶液の移送量は、多数設置される溶液噴射ノズル65の個数及び単一溶液噴射ノズル65の吐出量によって決定される。ここで、吐出量はナノ及びマイクロリットル/分単位で設定することが好ましい。
前記溶液供給部10と電気紡糸ノズルパック50との間には、溶液供給ラインが介在して定量移送ポンプ12から移送される溶液を溶液注入口56を経由して電気紡糸ノズルパック50内部の溶液収容空間41に定量分配する。ここで、溶液供給ラインは、単一の電気紡糸ノズルパック50はもちろん、分岐した構造に形成された多数の電気紡糸ノズルパック50にも溶液を定量分配するようにできる。
本開示は、前記のような構造に限定されないで電気紡糸ノズルパック50ごとに独立的に溶液供給部10を連結してより定量的に溶液を供給するようにする構造に変形することもできる。
高電圧提供部20は、高電圧電極体85に高電圧を印加して溶液収容空間41内部に供給される溶液に電荷を付与する荷電処理を遂行する。溶液噴射ノズル65の出口とコレクター60間の距離と関連して、単位距離cm当たり0.5kV〜20kVの高電圧を印加することが好ましい。より好ましい印加電圧は、1kV/cm〜10kV/cmである。溶液噴射ノズル65の出口でコーンジェット(Cone jet:ある臨界場の強さで反発電気力が表面張力を克服するようになりながら形成される)を形成するためには、表面張力以上の電圧が必要である。電圧が非常に低ければスプリット(Split:互いに電気的な反発力によって繊維のよりが割れて形成される)が形成されず、反対に印加電圧が非常に高ければ急激な乾燥及び紡糸に不安定さが伴い得て、事故の危険性も高くなる。
高電圧電極体85は、高電圧提供部20から電荷の供給を受けて溶液を荷電する。高電圧電極体85は、溶液噴射ノズル65との距離を最大限に近くして外部に損失される電流を防止することによって不必要に電圧を高める必要がなく、安定的な紡糸環境を作ることができる。高電圧電極体85と溶液噴射ノズル65上端の入口との間の距離は0.1mm〜6mm間隔を維持することが好ましく、0.5mm〜4mm間隔がより好ましい。0.5mm以下の間隔に近くなれば、溶液噴射ノズル65の入口に溶液を注入するのに抵抗が大きくなったり詰まったりする可能性があり、あまり離れるようになると抵抗が大きくなる問題があるからである。
エア供給部30は、気体を圧送するブロワー31及び気体の温度を調節する温度調節機(例えば,ヒーター)32を含む。エア供給部30は、紡糸されるナノ繊維の乾燥度を高めてモフォロジ(表面形態)を制御することができる装置であり、電気紡糸ノズルパック50の筐体上部の気体注入口57に連結され、溶液噴射ノズル65と一対一に対応している多数の気体噴射ノズル75を通じて高温の圧縮気体を噴射することができるようにする。エア供給部30は、10℃〜200℃の高温圧縮空気を提供してナノ繊維の乾燥度及びモフォロジを制御できるようにする。10℃以下の空気は、乾燥効果が弱くて高湿条件の紡糸室内部で作業時に結露現象が伴う恐れがあり、200℃以上の温度では紡糸パック高分子材質の筐体に変形が発生する。
気体収容空間43に注入される気体としては、紡糸される溶液と同一の気化物を用いることが好ましいが、これに限定されないことはもちろんである。例えば、気体は酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、揮発性溶媒などを用いることができる。しかし、このような気体は除湿された状態であることが好ましい。
気体噴射ノズル75から噴射される気体の温度は、溶媒の揮発度を考慮して10℃〜200℃の範囲内で設定することが好ましい。併せて、気体噴射ノズル75から噴射される気体の風量は、紡糸されるナノ繊維の吐出量に影響を与えないように、例えば0.1kg/cm2〜10kg/cm2の範囲で設定する。
コレクター60は、紡糸されたナノ繊維が基材に均一に集積されるようにするためのもので、基材と電気的に接触して基材を一定速度で移送することができるようにする。コレクター60は、一般的なロ−ル型、コンベヤー型、ドラム型またはディスク型の構造で提供することができる。
コレクター60は接地するか、電気紡糸ノズルパック側に印加した電圧の極性と反対の極性の電圧を印加することができる。例えば、ローラーのような移送手段を通じてコンベヤーベルト方式で電気紡糸ノズルパック50の下側で連続的に基材を供給するように構成することが好ましい。コレクター60の素材としては、伝導性に優れた金属板が好ましく、その他に多様な種類の伝導性材料を採用することができる。
以下、本開示の多様な実施形態に対して説明する。
本開示による一態様の電気紡糸ノズルパックによると、高電圧電極体を溶液噴射ノズルと近接するように配置して溶液に漬かるようにすることで、外部に漏電する磁場を遮断して安定的な電気紡糸が可能になる。
本開示による他の一態様の電気紡糸ノズルパックによると、高電圧電極体、溶液注入口、気体注入口が電気紡糸ノズルパックに一体化され、作業性を高めることができるようになる。
本開示によるまた他の一態様の電気紡糸ノズルパックによると、2個以上の電気紡糸ノズルパックを連結して用いる時、電気紡糸ノズルパック間の境界部分でも溶液噴射ノズル間の間隔を一定に維持することができるので、大面積基材に対する繊維紡糸時に均一なナノ繊維の大量製造が可能になるなど、広幅及び大量生産に有利な拡張性を提供する。
本開示による一態様の電気紡糸システムによると、温度調節が可能なエア供給部を用いて電気紡糸ノズルパック内部の温度を所望する条件に変更することができるので、温度調節を通じて供給する溶液の粘度調節が可能で、円滑な溶液供給が可能になる。また、低温環境でエア供給系統の結露問題を解決することができる。
本開示による他の一態様の電気紡糸システムによると、温度調節が可能なエア供給部を用いて電気紡糸ノズルパック内部の温度を所望する条件に変更することができるので、溶液収容空間の温度を一定に維持することができ、繊維化を促進することができ、紡糸する繊維の乾燥度、繊維直径、モフォロジ、繊維密集度などの調節が可能になる。
10 溶液供給部、20 高電圧提供部、30 エア供給部、50 電気紡糸ノズルパック、60 コレクター
Claims (13)
- 繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、
供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、
前記溶液収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、
前記溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパック。 - 前記筐体が、気体を収容する溶液収容空間下部の気体収容空間を具備し、
前記気体収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の気体噴射ノズルとして、気体噴射ノズルと一対一に対応する前記溶液噴射ノズルが気体噴射ノズル各々の中心を貫通するように設置された多数の気体噴射ノズルをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の電気紡糸ノズルパック。 - 前記筐体が、前記気体収容空間と連通して前記溶液収容空間を迂回して前記筐体の上面側に延長される気体注入管を具備することを特徴とする、請求項2に記載の電気紡糸ノズルパック。
- 前記高電圧電極体が、長さ方向に沿って配列される多数の開口部を具備することを特徴とする、請求項1に記載の電気紡糸ノズルパック。
- 多数の前記開口部が、溶液注入口下部で最も広い間隔で配列され、溶液注入口から遠くなるほど漸進的に狭い間隔で配列されることを特徴とする、請求項4に記載の電気紡糸ノズルパック。
- 前記溶液噴射ノズルの中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと前記筐体の長さ方向の両端面間の間隔が、各々隣接した2個の溶液噴射ノズル間の間隔の半分であることを特徴とする、請求項1に記載の電気紡糸ノズルパック。
- 繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックであって、
供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体、
前記溶液収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の溶液噴射ノズル、及び
前記溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電させる高電圧電極体を含む電気紡糸ノズルパックと、
前記溶液収容空間に溶液を供給する溶液供給部と、
前記高電圧電極体に高電圧を印加する高電圧提供部と、
多数の前記溶液噴射ノズルから電気紡糸される繊維が集積されるコレクターと、を含むことを特徴とする電気紡糸システム。 - 前記電気紡糸ノズルパックの筐体が、気体を収容する溶液収容空間下部の気体収容空間を具備して、
前記電気紡糸ノズルパックは、前記気体収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の気体噴射ノズルとして、一対一に対応する前記溶液噴射ノズルが各々の中心を貫通する多数の気体噴射ノズルを含み、
前記気体収容空間に気体を供給するエア供給部をさらに含むことを特徴とする、請求項7に記載の電気紡糸システム。 - 前記筐体が、前記気体収容空間と連通して前記溶液収容空間を迂回して前記筐体の上面側に延長される気体注入管を具備することを特徴とする、請求項8に記載の電気紡糸システム。
- 前記高電圧電極体が、長さ方向に沿って配列される多数の開口部を具備することを特徴とする、請求項7に記載の電気紡糸システム。
- 多数の前記開口部が、溶液注入口下部で最も広い間隔で配列されて、溶液注入口から遠くなるほど漸進的に狭い間隔で配列されることを特徴とする、請求項10に記載の電気紡糸システム。
- 前記溶液噴射ノズルの中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと前記筐体の長さ方向の両端面の間の間隔が、各々隣接した2個の溶液噴射ノズル間の間隔の半分であることを特徴とする、請求項7に記載の電気紡糸システム。
- エア供給部が、気体を圧送するブロワー及び気体の温度を調節するヒーターを含むことを特徴とする、請求項7に記載の電気紡糸システム。
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