KR100679073B1

KR100679073B1 - 나노섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR100679073B1
Application number: KR1020060048037A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 명 섭 길; 종 훈 박; 철 기 김
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-02-06

Abstract

본 발명은 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 고분자 방사액을 높은 전압이 걸려 있고 컬렉터(6)와 평행되게 배열된 노즐판(2)에 위치하여 컬렉터의 수평면과 이루는 각도(θ₂)가 0.1∼89°인 방사노즐(3)을 통해, 고전압이 걸려 있으며 지면의 수평면과 0.1∼89°의 각도(θ₁)를 이루며 표면이 고분자 방사액의 제트 스트림 밖에 위치하는 컬렉터(6)위를 통과하는 기재(7)를 향하여 전기방사하여 나노섬유(4)를 형성한 다음, 상기 기재(7)를 이용하여 제조된 나노섬유(4)를 컬렉터로 부터 분리한 후 건조 및 권취하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기방사시 드롭렛(Droplet) 현상을 방지할 수 있고, 나노섬유의 집속이 용이하고, 나노섬유를 보다 간소한 공정으로 연속해서 제조 가능하다.

나노섬유, 전기방사, 컬렉터, 용액, 드롭렛, 집속성, 정전기력.

Description

나노섬유의 제조방법 {Method of manufacturing for nanofibers}

도 1 및 도 2는 하향식 전기방사방식을 채택한 본 발명의 공정 개략도.

도 3 및 도 4는 상향식 전기방사 방식을 채택한 본 발명의 공정 개략도.

도 5는 전기방사에 의해 나노섬유가 형성되는 것을 나타내는 모식도.

*도면 중 주요부분에 대한 부호설명

1: 방사액 공급 용기 2: 노즐판

3: 노즐 4: 나노섬유

5: 고전압 발생 장치 6 : 컬렉터

7 : 기재 8 : 기재 공급로울러

9, 10 : 이송 로울러 11 : 건조기

12: 권취로울러 13 : 나노섬유 웹과 기재의 적층체

14 : 나노섬유 웹

θ₁: 컬렉터와 지면의 수평면과 이루는 각도

θ₂: 컬렉터의 수평면과 노즐이 이루는 각도

본 발명은 전기방사를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기방사시 드롭렛(Droplet) 현상을 방지할 수 있으며, 나노섬유의 집속이 용이하며 나노섬유를 간소한 공정으로 연속해서 제조할 수 있는 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 나노 섬유란 섬유 직경이 1,000 nm 이하인, 보다 바람직하기로는 500 nm 이하인 섬유를 의미한다.

나노 섬유로 구성된 매트는 일반 의류, 인조피혁, 필터, 기저귀, 생리대, 봉합사, 유착방지제, 와이핑 클로스(Wiping cloth), 인조혈관, 뼈 고정용 기구 등으로 다양하게 활용 가능하며, 특히 인공피혁 제조에 매우 유용하다.

인공피혁 등의 제조에 적합한 극세섬유 또는 나노섬유를 제조하기 위한 종래 기술로서는 해도형 복합방사 방식, 분할형 복합방사 방식 및 블랜드 방사 방식 등이 알려져 있다.

그러나, 해도형 복합방사 방식이나 블랜드 방사방식의 경우에는 섬유의 극세화를 위해 섬유를 구성하는 2개 고분자 성분 중 1개 고분자 성분을 용출, 제거해야 하며, 이들 방식으로 제조된 섬유로 인공피혁을 제조하기 위해서는 용융방사, 단섬유 제조, 부직포 제조, 우레탄 함침, 1개 성분 용출과 같은 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었다. 그럼에도 불구하고 상기 종래 방식으로는 직경 1,000 nm 이 하의 섬유를 제조할 수 없었다.

한편, 분할형 복합방사 방식의 경우에는 염색특성이 상이한 2개 고분자 성분(예를 들면, 폴리에스테르와 폴리아미드)들이 섬유 내에 공존하기 때문에 염색반이 나타나고, 인공피혁 제조공정도 복잡한 문제점이 있었다. 또한, 상기 방법으로는 직경 2,000 nm 이하의 섬유를 제조하기 어려웠다.

나노섬유를 제조하기 위한 또 다른 종래기술로서 미국 4,323,525호 등에서는 전기방사 방식을 제안하고 있다.

상기 전기방사 방식은 방사액 주 탱크 내의 고분자 방사액을 계량펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급하고, 계속해서 노즐에 공급된 방사액을 노즐을 통해 5kV 이상의 높은 전압이 걸려있고 지면과 수평을 이루는 앤드레스(Endless) 벨트 타입의 컬렉터 상으로 방사, 집속하여 나노섬유 웹을 제조하는 방식이다.

종래의 전기방사 방식은 지면과 수평을 이루는 컬렉터 상에 바로 고분자 방사액을 노즐을 통해 전기방사하기 때문에 전기방사시 고분 방사액이 방울형태로 떨어지는 현상(이하"드롭렛 현상"이라고 한다)이 빈번하게 발생되어 나노섬유 웹이 불균일해지고, 나노섬유의 집속이 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 나노섬유를 전기방사방식에 의해 간단한 공정으로 연속해서 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 나노섬유의 집속이 용이한 나노섬 유 제조방법을 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명은 전기방사 과정에서 형성되는 고분자 방사액의 제트 스트림 영역 밖에 위치하는 컬렉터 표면 위를 통과하는 기재(7)를 향하여 고분자 방사용액을 노즐(3)을 통해 전기방사하여 나노섬유를 제조한 다음 상기 기재(7)를 이용하여 제조된 나노섬유를 컬렉터로부터 분리한 후 건조 및 권취하는 방법을 제공한다.

본 발명은 컬렉터를 지면의 수평면과 일정한 각도(θ₁)를 이루게 하여 방지된 나노섬유가 자연스럽게 중력에 의하여 낙하되게 한다.

노즐판(2) 내에 배열된 노즐(3)을 컬렉터와 일정한 각도(θ₂)를 이루게 하여 전기방사시의 드롭렛(Droplet) 현상을 방지해 준다.

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노섬유의 제조 방법은, 고분자 방사액을 높은 전압이 걸려 있고 컬렉터(6)와 평행되게 배열된 노즐판(2)에 위치하여 컬렉터의 수평면과 이루는 각도(θ₂)가 0.1∼89°인 방사노즐(3)을 통해, 고전압이 걸려 있으며 지면의 수평면과 0.1∼89°의 각도(θ₁)를 이루며 표면이 고분자 방사액의 제트 스트림 밖에 위치하는 컬렉터(6)위를 통과하는 기재(7)를 향하여 전기방사하여 나노섬유(4)를 형성한 다음, 상기 기재(7)를 이용하여 제조된 나노섬유(4)를 컬렉터로 부터 분리한 후 건조 및 권취하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.

통상적으로, 고분자 방사액을 노즐(3)을 통해 전기방사하면 도 5와 같이 전기방사된 고분자 방사액은 테일러 콘을 형성한 후, 상기 테일러 콘은 전기력에 의해 제트 스트림으로 변하고, 제트 스트림에 포함된 고분자 쇄와 용매가 분리되는 불완전 영역에서 고분자 쇄가 일정 크기로 분리되어 나노섬유가 형성된다. 도 5는 전기방사에 의해 나노섬유가 형성되는 것을 나타내는 모식도이다.

이하, 도 1 내지 도 4를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 하향식 전기방사 방식을 채택한 본 발명의 공정개략도이고, 도 3 및 도 4는 상향식 전기방사 방식을 채택한 본 발명의 공정 개략도이다. 고전압 발생장치(5)를 통하여 고분자 방사액 공급 용기(1)에 (+) 또는 (-) 전하를 걸고, 고분자 방사액 공급 용기(1)와 연결된 노즐판(2)내에 있는 노즐(3)를 통하여 일정량의 고분자 방사액을 토출한다. 노즐(3)을 통하여 토출된 방사액은 일단 테일러 콘을 형성하고 이어서 전기력에 의하여 제트 스트림으로 변한 다음 나노섬유를 형성한다. 상기와 같이 형성된 나노섬유(4)를 고전압이 걸려 있는 컬렉터(6)의 표면 위를 통과하는 기재(7)상에 집적한다. 상기 컬렉터(6)에는 고전압 발생 장치(5)로부터 - 혹은 + 로 하전된다.

제트 스트림 형성 직전에 컬렉터 위를 통과하는 기재(7)와 접촉하면 나노섬유의 제조는 불가하다. 따라서 노즐 끝과 컬렉터 용액 표면까지의 거리(이하 "방사거리"라고 한다)는 매우 중요함을 할 수가 있다.

제트 스트림의 길이는 사용하는 모든 고분자 종류마다 다르나 일반적으로 5cm 이하인 경우가 대부분이다. 전도성이 강한 고분자인 경우 일반적으로 제트 스트림의 길이는 길어진다.

따라서, 방사거리를 일률적으로 측정할 수는 없지만 제트 스트림의 길이 보다는 길어야 한다.

상기의 컬렉터(6)는 지면의 수평면과 0.1∼89°의 각도(θ₁)를 이루며, 보다 바람직하기로는 0.1∼60°의 각도(θ₁)를 이루는 것이 좋다.

상기와 같이 컬렉터(6)가 지면의 수평면과 0.1°보다 큰 각도를 이루는 경우에는 집적된 나노섬유가 중력에 의해 아래로 낙하하기 때문에 집속성이 크게 향상된다.

한편, 노즐과 컬렉터(6)의 수평면이 이루는 각도(θ₂)는 0.1∼89°, 보다 바람직하기로는 0.1∼60°인 것이 방사액이 전기방사할 경우에 방울형태로 떨어지는 드롭렛(Droplet) 현상을 방지하는데 바람직하다.

본 발명에서는 상기 컬렉터(6) 위를 통과하는 기재(7)를 이용하여 컬렉터 용액의 표면에 형성된 나노섬유 웹을 지면의 수평면과 일정한 각도(θ₁)를 이루는 컬렉터(6) 표면으로부터 분리한 후 건조 및 권취한다. 상기 기재(7)는 필름 또는 메쉬(Mesh) 등을 이용할 수 있다. 이와 같이 분리된 나노섬유는 건조기(11)을 통과하면서 건조하고 권취기(12)에 권취된다.

상기 기재(7)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 기재 공급로울러(8)로 부터 공급한 후 나노섬유 웹과 함께 권취로울러(12)에 권취될 수도 있고, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 앤드레스(Endless) 형태로 컬렉터(6)의 표면 위를 반복 통과할 수도 있다. 기재가 도 2 및 도 4와 같이 엔드레스 형태인 경우에는 건조기(11)를 통과하기 전에 기재와 나노섬유 웹은 분리되며, 권취로울러(12)에는 나노섬유 웹만 권취된다.

본 발명의 이용 가능한 고분자로는 (ⅰ) 셀룰로오스, 키토산 등의 천연고분자, 이들의 공중합체 또는 혼합물, (ⅱ) 폴리에스테르, 나일론, 불소수지 등의 열가소성 수지, 이들의 공중합체 또는 혼합물, (ⅲ) 멜라민, 에폭시 등의 열경화성 수지, 이들의 공중합체 또는 혼합물, (ⅳ) 알루미늄, 티탄늄 등의 무기물이 함유된 졸-겔(sol-gel) 등이다.

상기와 같이 본 발명의 제조방법은 전기방사되는 나노섬유를 경사진 컬렉터의 표면을 통과하는 기재(7)상에 집적함으로써, 나노섬유의 집속성을 향상시킬 수 있다.

또한 컬렉터와 지면의 수평면이 이루는 각도(θ₁)와 컬렉터 수평면의 노즐이 이루는 각도(θ₂)를 조절하여 드롭렛 현상을 방지한다.

상기 나노섬유는 집속성이 우수해 방적사 제조에 특히 유용하고, 부직포 제조에도 사용될 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴보고자 한다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

수평균 분자량이 80,000인 폴리(ε-카프로락톤) 고분자(미국 Aldrich 사 제품)를 테트라하이드로퓨란/N, N-디메틸포름아마이드(체적비: 60/40) 혼합용매에 9중량%의 농도로 용해하여 고분자 방사액을 제조하였다. 상기 고분자 방사액의 표면장력은 33mN/m, 용액점도는 상온에서 120센티포아스, 전기전도도는 0.4mS/m 이었다. 상기와 같이 제조된 고분자 방사액을 도 1과 같이 고전압이 걸려있는 방사노즐(3)을 통해 (ⅰ) 지면의 수평면과 이루는 각도(θ₁)가 45°이고, (ⅱ) 고전압이 걸려 있고, (ⅲ) 표면이 고분자 방사액의 제트 스트림(4)밖에 위치하는 컬렉터(6)위를 통과하는 폴리에틸렌필름(기재)를 향하여 전기방사하여 나노섬유를 형성하였다. 이와 같이 나노섬유를 제조 형성한 다음, 이 나노섬유를 상기 컬렉터 표면 위를 통과하는 폴리에틸렌 필름(기재)을 이용하여 제조된 나노섬유를 컬렉터로 부터 분리한 후 건조기(11)로 건조하고, 권취기(12)로 권취하였다.

이때 사용한 노즐의 직경은 0.8mm이고 노즐의 배열은 노즐간 간격을 2cm로 하고 폭 방향으로 110cm에 50개의 노즐이 배열된 단위 블록을 사용하였다. 노즐과 컬렉터가 이루는 각도(θ₂)는 45°로 하고, 상기 단위블록 10개로 구성된 노즐판을 사용하였고, 10개의 단위블럭에 배열된 노즐은 다공성 박막 진행방향(기계 방향)으로 노즐이 대각선으로 균일하게 배열하였다. 전기방사 거리는 5.5cm로 하였고, 나노섬유 웹의 두께 균일도를 확보하기 위하여 10개의 단위블럭을 폭 방향으로 1cm/분의 속도로 왕복 운동시켰다. 또한, 건조기(11)에서는 35℃의 공기를 이용하여 건 조하였고, 권취로울러(12)의 권취속도는 50㎝/분으로 하였다.

제조된 나노섬유의 섬유 직경은 615㎚이였고, 제조된 나노섬유 웹의 물성을 ASTM D 638 방법으로 측정한 결과, 강력은 2.2MPa이고, 신도는 530%이였다.

본 발명은 나노섬유를 전기방사방식에 따른 간단한 공정으로 제조할 수 있고, 나노섬유의 집속성을 향상시킬 수 있다.

Claims

고분자 방사액을 높은 전압이 걸려 있고 컬렉터(6)와 평행되게 배열된 노즐판(2)에 위치하여 컬렉터의 수평면과 이루는 각도(θ₂)가 0.1∼89°인 방사노즐(3)을 통해, 고전압이 걸려 있으며 지면의 수평면과 0.1∼89°의 각도(θ₁)를 이루며 표면이 고분자 방사액의 제트 스트림 밖에 위치하는 컬렉터(6)위를 통과하는 기재(7)를 향하여 전기방사하여 나노섬유(4)를 형성한 다음, 상기 기재(7)를 이용하여 제조된 나노섬유(4)를 컬렉터로 부터 분리한 후 건조 및 권취하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 컬렉터(6)와 지면의 수평면이 이루는 각도(θ₁)가 0.1∼60°인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 노즐(3)과 컬렉터(6)의 수평면이 이루는 각도(θ₂)가 0.1∼60°인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 고분자 방사액을 구성하는 고분자가 천연고분자 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 무기물을 함유하는 졸-겔(sol-gel)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 나노섬유와 기재(7)를 함께 권취하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 나노섬유와 기재(7)를 분리한 후 나노섬유만 권취하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.