KR101164947B1

KR101164947B1 - 자가융착형 나노섬유 웹 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 나노섬유 웹 복합재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101164947B1
Application number: KR1020100015393A
Authority: KR
Inventors: 김찬; 이상욱
Original assignee: 주식회사 아모메디; 주식회사 아모그린텍
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2012-07-12
Also published as: KR20110095753A

Abstract

본 발명은 융점이 서로 다른 고분자를 전기방사하여 얻어진 나노섬유를 열 압착 공정을 수행하여 저융점 나노섬유가 용융되면 자가융착이 이루어지므로 공기 및 수분 투과성이 우수한 자가융착형 나노섬유 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 나노섬유 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 저융점 고분자 성분의 나노섬유; 및 고융점 고분자 성분의 나노섬유를 포함하며, 상기 저융점 고분자성분의 나노섬유가 적어도 부분적으로 용융되어 자가융착된 것을 특징으로 한다.

Description

자가융착형 나노섬유 웹 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 나노섬유 웹 복합재 및 그 제조방법{Nano-Fiber Web for Self-sealing and Method for Manufacturing the Same, and Composite Material Using the Same and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 나노섬유 웹 및 이를 이용한 나노섬유 웹 복합재에 관한 것으로, 융점이 서로 다른 고분자를 전기방사하여 얻어진 나노섬유를 열 압착 공정을 수행하여 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되면서 자가융착이 이루어지는 나노섬유 웹 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 나노섬유 웹 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

범용 합성섬유는 용융방사(melt-spinning)나 용액방사(solution-spinning)에 의해 고분자 용융체나 용액을 노즐을 통해 압출시킨 후, 연신, 응고, 혹은 고화과정을 거쳐 직경이 수십~수백 ㎛ 정도의 섬유로 제조된다.

극세 섬유(fine denier fiber)의 필라멘트사(filament fiber)는 직접방사나 복합방사에 의해 제조되며, 스테이플사(staple fiber)의 경우 멜트 블로운(melt-blown spinning), 제트(jet)방사, 원심방사, 피브릴화, 플래쉬 방사(flash spinning), 전기방사(electro-spinning) 등에 의해 제조되는 것이 일반적이다.

그러나 섬유의 직경을 1㎛미만으로 줄이는 나노섬유(nano fiber)의 제조에 가장 효과적인 기술은 전기방사이며, 전기방사는 고분자 용융물에 고전압을 인가하여 형성된 전계(電界)에 의해 방사와 동시에 3차원 적층구조의 나노섬유를 얻는 기술이다.

이러한 제조과정에 의해 생산된 복합 나노섬유는 기존 범용 합성섬유에 비해 섬유의 굵기를 수백에서 수천 배까지 가늘게 조절하여 나노사이즈의 직경을 갖는 나노섬유의 제조는 가능하였으나, 나노섬유가 접착되어 고정되어 있지 않아 박리되거나 스크래치(scratch)가 발생하게 되고, 강도 등 기계적 물성이 종래의 소재에 비해 현저하게 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해 나노섬유를 베이스 재료인 직물지, 부직포, 폼, 종이, 메쉬 등과 라미네이션 내지는 초음파 부착, 핫멜트, 캘린더링과 같은 열 접합방식 등의 복합화 과정을 거쳐 물성한계를 극복하려는 많은 시도가 있었다.

그러나 접합 등의 2차 공정인 라미네이션이나 초음파 접합, 열 접합 (hot-melt bonding) 등의 방법은 접착제를 도포하는 과정을 거치므로 나노섬유가 갖는 세공을 막아 적절한 투습도나 통기성을 나타내지 못하는 단점과 함께 환경부하 등의 2차적인 문제점이 있다.

또한, 접착제의 도포량이 적을 경우 적층된 나노섬유의 구조적 특징으로 인해 접착제가 도포되지 않는 부분에서 박리가 되거나, 수압이 가해질 경우 공극이 벌어져 내수도가 떨어지는 단점도 있다.

KR10-0871440B

따라서, 본 발명의 목적은 융점이 서로 다른 고분자를 블렌드(blend) 전기방사하여 얻어진 나노섬유가 열 압착 공정에서 접착제를 사용하지 않고서도 저융점 나노섬유가 용융되어 융착됨으로써 환경부하가 적은 자가융착형 나노섬유 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 융점이 서로 다른 고분자를 각각 전기방사하여 열 압착 공정에서 저융점 나노섬유가 용융되어 기계적 물성이 향상됨과 동시에 기공의 크기를 다양하게 조절할 수 있는 자가융착형 나노섬유 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 자가융착형 나노섬유와 베이스 물질을 복합화시에 열 압착 공정에서 저융점 나노섬유가 용융되어 지지체인 베이스 물질과 나노섬유가 균일하게 접합될 수 있는 나노섬유 복합재 및 그 제조방법을 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 저융점 고분자 성분의 나노섬유; 및 고융점 고분자 성분의 나노섬유를 포함하며, 상기 저융점 고분자성분의 나노섬유가 적어도 부분적으로 용융되어 자가융착된 것을 특징으로 하는 나노섬유를 제공한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 방사하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 나노섬유 웹 내에 상기 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 적어도 부분적으로 용융되도록 열압착하여 자가융착된 나노섬유를 생성하는 단계를 포함하는 나노섬유 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 저융점 고분자 성분의 나노섬유; 고융점 고분자 성분의 나노섬유; 및 하나 이상의 베이스 물질을 포함하며, 상기 저융점 고분자성분의 나노섬유가 적어도 부분적으로 용융되어 자가융착된 것을 특징으로 하는 나노섬유 복합재를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계; 상기 방사용액을 방사하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및 하나 이상의 베이스물질과 함께 상기 나노섬유 웹 내에 상기 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 적어도 부분적으로 용융되도록 열압착하여 자가융착된 나노섬유를 생성하는 단계를 포함하는 나노섬유 복합재 제조방법을 제공한다.

상기 저융점 및 고융점 고분자로는 저중합체 폴리우레탄(polyurethane), 고중합체 폴리우레탄, PS(polystylene), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(PLA:polylacticacid), PEO(polyethyleneoxide), PVAc(polyvinylacetate), PAA(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(PCL:polycaprolactone), PAN(polyacrylonitrile), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVC(polyvinylchloride), 나일론(Nylon), PC(polycarbonate), PEI(polyetherimide), PVdF(polyvinylidenefluoride), PES(polyesthersulfone) 중에서 융점이 서로 다른 고분자를 선택하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 용매는 DMAc(dimethyl acetamide), DMF(N,N-dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 개미산(formic acid), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane) 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 방사는 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 베이스 물질은 직물지, 부직포, 폼, 종이, 메쉬 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 저융점 고분자는 융점이 30 내지 170℃이고, 상기 고융점 고분자는 융점이 80 내지 250℃인 것을 특징으로 한다.

상기 열압착은 캘린더링(calendering)인 것을 특징으로 한다.

상기 방사용액을 제조하는 단계는 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 동일 용매에 용해하여 혼합 제조한다.

상기 방사용액을 제조하는 단계는 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 서로 다른 용매에 용해하여 제1 및 제2 방사용액을 각각 제조한다.

상기 베이스 물질이 나노섬유 웹과 상하 2중 구조(2 layer)로 구성된다.

상기 나노섬유 웹이 베이스 물질 사이에 들어간 3중 구조(3 layer)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서는 융점이 서로 다른 고분자를 전기방사하여 얻어진 나노섬유를 열 압착 공정에서 접착제를 사용하지 않고서도 저융점 나노섬유가 용융되어 자가융착되므로 환경 친화적 나노섬유를 제작할 수 있다.

본 발명에 있어서는 융점이 서로 다른 고분자를 전기방사하여 열 압착 공정에서 저융점 나노섬유가 용융되어 기계적 물성이 향상됨과 동시에 기공의 크기를 다양하게 조절할 수 있어 투습, 방수 및 보온성 경량소재의 제조에 용이하다.

본 발명에 있어서는 자가융착된 나노섬유와 베이스 물질을 복합화시에 저융점 나노섬유가 용융되어 베이스 물질과 나노섬유가 균일하게 접합될 수 있어 투습 방수 기능과 발수기능을 동시에 확보할 수 있으며 다양한 분야에서 섬유소재로 활용가능하다.

도 1a는 본 발명에 따른 자가융착형 나노섬유를 제조하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 모식도,
도 1b는 본 발명에 따른 자가융착형 나노섬유 복합재를 제조하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 모식도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예1에 의해 제조된 나노섬유웹을 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예2에 의해 제조된 나노섬유웹을 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 4는 본 발명의 실시예3에 의해 제조된 나노섬유웹을 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 5a 및 도 5b는 베이스 직물의 주사전자 현미경 사진,
도 6은 본 발명의 실시예4에 의해 제조된 나노섬유 복합재의 단면을 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예5에 의해 50℃에서 자가융착된 나노섬유를 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예5에 의해 70℃에서 자가융착된 나노섬유를 보여주는 주사전자 현미경 사진,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예5에 의해 100℃에서 자가융착된 나노섬유를 보여주는 주사전자 현미경 사진.

먼저, 본 발명에 따라, 융점이 서로 다른 저융점 및 고융점 고분자를 동일한 용매에 용해한 방사용액을 전기방사(이하'블렌드 방사'라고도 한다)한 후, 형성된 나노섬유 웹을 열 압착 공정 예를 들면, 캘린더링을 수행하면 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 자가융착된 나노섬유를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 융점이 서로 다른 저융점 및 고융점 고분자를 서로 다른 용매를 사용하여 제1 및 제2 방사용액을 각각 제조하고 서로 다른 방사노즐을 사용하여 두 개의 방사용액을 전기방사(이하 '교차방사'라고도 한다)한 후, 랜덤하게 복합화되어 나노섬유웹을 형성하도록 하고, 열 압착 공정 예를 들면, 캘린더링을 수행하면 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 자가융착된 나노섬유를 제조할 수 있다.

이러한 본 발명의 자가융착된 나노섬유는 저융점 및 고융점 고분자를 이용한 전기방사에 의해 형성된 나노섬유웹을 캘린더링과 같은 열처리를 수행하면 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 나노섬유와 나노섬유간에 접착제 역할을 함으로서 별도의 접착제의 사용이 불필요한 것이다.

한편, 본 발명에서는, 저융점 및 고융점 고분자를 이용한 전기방사에 의해 형성된 나노섬유웹과 베이스 물질을 함께 캘린더링을 수행하면 나노섬유웹을 형성하고 있는 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 자가융착되어 접착제 역할을 함으로써 나노섬유웹과 베이스 물질이 접착된 나노섬유 복합재를 얻는 것도 가능하다.

본 발명에서 사용가능한 저융점 고분자 물질로는 융점이 30-170℃인 고분자 물질로 예를 들면, 저중합체 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스틸렌(polystylene), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(PLA:polylacticacid), PEO(polyethyleneoxide), PVAc(polyvinylacetate), PAA(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(PCL:polycaprolactone), PVdF(poly vinylidenefluoride) PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PAN(polyacrylonitrile), PC(polycarbonate)등의 고분자를 단독 내지는 복합화하여 사용할 수 있으나, 상기 물질에 한정하는 것은 아니며 전기방사에 의해 나노섬유를 형성할 수 있는 저융점을 갖는 고분자 물질이면 특별한 제한이 없다.

본 발명에서 사용가능한 고융점 고분자 물질로는 융점이 80-250℃인 고분자 물질로 예를 들면, 고중합체 폴리우레탄, PAN(polyacrylonitrile), PEI(polyetherimide), PES(polyesthersulfone), PMMA, PVdF, PVC(polyvinylchloride) 등의 섬유 성형성 고분자를 단독 내지는 복합화하여 구성될 수 있으나, 상기 물질에 한정하는 것은 아니며 전기방사에 의해 나노섬유를 형성할 수 있는 고융점을 갖는 고분자 물질이면 특별한 제한이 없다.

본 발명에서는 저융점 고분자와 고융점 고분자를 동일 용매에 용해한 후 블렌드 방사하여 나노섬유 웹 구조를 얻거나, 또는 각각의 고분자를 서로 다른 용매에 용해하여 각각의 방사노즐을 통해 교차방사하여 저융점 고분자 나노섬유와 고융점 고분자 나노섬유가 랜덤하게 적층되는 나노섬유웹 구조를 얻을 수도 있다.

또한, 본 발명에서 방사방법으로는 전기방사(electro-spinning), 전기분사(electro-spray), 전기분사방사(electro-brown spinning), 원심 전기방사(centrifugal electro-spinning), 플래쉬 전기방사(flash-electro-spinning) 등의 다양한 방식의 방사법을 적절히 채택하여 사용할 수 있다.

상기 베이스 물질 재료로는 직물지, 부직포, 폼, 종이, 메쉬 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 캘린더링은 전기방사된 융점이 서로 다른 고분자 나노섬유웹 중 한 성분이 적어도 일부 용융될 수 있는 온도범위인 30-170℃에서 실시하는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 상기 저융점 고분자와 고융점 고분자를 적절하게 전기방사하여 저융점 고분자 성분이 용융되어 베이스 물질과 나노섬유 간에 자가융착되는 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명을 구현하여 자가융착형 나노섬유를 제조하기 위한 과정을 도 1a 및 도 1b를 참고하여 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가융착형 나노섬유를 제조하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다. 도 1a를 참고하면, 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 동일의 용매에 용해한 방사용액(20)을 방사하기 위한 방사노즐(10)과, 방사노즐(10)로부터 방사되는 방사용액(20)을 집전판(30)위에 전기방사(블렌드방사)하여 나노섬유웹(40)을 얻는다.

이렇게 얻은 나노섬유웹(40)을 핫 롤(50)과 쿨 롤(60)을 차례로 통과시켜 캘린더링을 수행하면 자가융착된 나노섬유(70)가 얻어진다.

한편, 도 1b는 자가융착형 나노섬유 복합재를 제조하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다. 도 1b를 참고하면, 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 각각의 용매에 용해한 두 개의 방사용액(20a, 20b)을 방사하기 위한 각각의 방사노즐(10a,10b)과, 방사노즐(10a,10b)로부터 방사되는 방사용액(20a,20b)을 집전판(30)위에 교차하여 전기방사(교차방사)하여 나노섬유웹(40a)을 얻는다. 여기서 나노섬유웹(40a)은 전술한 도 1a의 블렌드방사에 의해서도 얻을 수 있음은 자명하다.

이렇게 얻은 나노섬유웹(40a)을 베이스 물질(90)과 함께 핫 롤(50)과 쿨 롤(60)을 차례로 통과시켜 캘린더링을 수행하면 자가융착된 나노섬유웹과 베이스 물질이 접합된 나노섬유 복합재(80)가 얻어진다.

한편, 나노섬유웹(40a)을 베이스 물질(90)을 배제하고 전술한 도 1a의 캘린더링을 수행하면, 자가융착된 나노섬유(70)를 얻을 수 있음도 자명하다.

전술한 도 1a 및 도 1b를 참고하여 이하 각 단계별로 좀 더 상세히 설명한다.

A. 저융점 고분자 및 고융점 고분자를 함유한 방사용액 제조

저융점 고분자와 고융점 고분자를 동일 용매를 사용하여 방사 가능한 농도로 용해하여 방사용액(20)을 준비한다. 상기 방사용액을 이루는 저융점 고분자와 고융점 고분자 물질의 함량비에 관하여는 고분자 물질 전체를 기준으로 저융점 고분자가 10 ~ 90 중량%의 범위가 적당하다.

저융점 고분자의 비율이 10 중량% 미만의 경우 나노섬유의 자가융착율이 낮아 최종 제품의 박리나 스크래치 등이 발생할 수 있으며, 90중량% 초과인 경우에는 저융점 고분자의 함량이 너무 많아 후속하는 열 압착 공정 후 나노섬유의 기공율이 현저하게 감소하는 필름상으로 형성되어 적절한 통기성을 확보하기 힘든 경우가 있다.

또한, 본 발명의 나노섬유의 제조시에는 섬유상 구조를 형성하기 위해 방사용액의 농도를 3~60중량%로 제조하여 섬유의 모폴러지(morphology)를 제어하는 것이 바람직하다. 이때 방사용액의 농도는 3중량% 미만의 경우 섬유상의 형성이 곤란하며, 60중량% 초과할 경우 점도가 상승하여 방사가 곤란하다.

또한, 도 1b의 교차방사의 경우, 도 1a의 블렌드방사 시 방사용액(20)의 상분리나 동일 용매를 사용하지 못하는 경우 각각의 고분자를 단독 내지는 2종 이상 혼합하여 서로 다른 용매에 용해하여 전기방사가 가능하도록 각각의 방사용액(20a,20b)을 제조한다.

B. 나노섬유웹 형성

상기 제조된 방사용액(20,20a,20b)을 정량펌프(metering pump)를 사용하여 방사노즐(10,10a,10b)로 이송하고, 고전압 조절장치(미도시)를 사용하여 방사노즐(10,10a,10b)에 전압을 인가하여 전기방사를 실시한다.

이때 사용되는 전압은 0.5kV~100kV의 범위에서 방사가 가능한 전압으로 실시하며, 집전판(30)은 접지를 하거나 (-)극으로 대전하여 사용할 수 있다.

집전판(30)은 전기전도성 금속이나 박리지 등으로 구성되는 것이 바람직하다. 집전판의 경우 방사시 섬유의 집속을 원활하게 하기 위해 포집장치(suction collector)를 부착하여 사용하는 것이 바람직하며, 방사노즐(10)과 집전판(30)까지의 거리는 5~50㎝로 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.

방사시 토출량은 정량펌프를 사용하여 홀당 0.01~5cc/holeㅇmin으로 토출하여 방사하고, 방사시 온도 및 습도를 조절할 수 있는 챔버 내에서 상대습도 10-90%의 환경에서 방사하는 것이 바람직하다.

C. 캘린더링 가공

블렌드방사 또는 교차방사된 나노섬유 웹(40, 40a)을 온도 조절이 가능한 캘린더 롤(50,60)에 통과시켜 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 나노섬유를 접합시켜 자가융착형 나노섬유(70)를 제조한다.

이때 핫 롤(50)의 온도는 사용된 저융점 고분자가 적어도 일부 용융될 수 있는 온도로 예를 들면 30-170℃ 정도가 적당하다.

또한, 도 1b와 같이, 캘린더링 가공시 베이스 물질(90)과 나노섬유웹(40a)을 동시에 통과시켜 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 용융되어 고융점 고분자성분의 나노섬유 및 베이스 물질과 접합이 되어 나노섬유 복합재(80)를 제조한다.

한편, 상기에서는 베이스물질과 나노섬유웹을 적층하여 2중구조로 복합재를 제조하였으나, 베이스물질을 나노섬유웹의 상하로 적층하여 3중구조로 캘린더링 가공하여 나노섬유 복합재를 제조할 수도 있다.

이때 핫 롤(50)의 온도는 고융점 고분자 성분의 나노섬유와 베이스 물질(80)이 용융되지 않으며, 저융점 고분자 성분의 나노섬유만 용융될 수 있는 온도 범위인 30-170℃ 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 아래의 실시예들은 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며, 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 변경될 수 있다.

(실시예 1)

연화온도가 80-100℃인 저융점 고분자로 저중합도 폴리우레탄(습기경화형 수지)과 연화온도가 140℃ 이상인 고융점 고분자로 고중합도 폴리우레탄을 50:50 (중량%)의 비로 혼합하여 THF(tetrahydrofuran)와 DMAc(N,N-dimethylaceticamide) 50:50 (vol%)의 비로 혼합한 혼합용매에 15중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다.

상기 방사용액을 동일 노즐을 사용하여 인가전압 25kV, 방사노즐과 집전체와의 거리 20㎝, 토출량 분당 0.05cc/g?hole이 되도록 30℃, 상대습도 60%에서 전기방사(블렌드방사)를 실시하여 나노섬유 웹을 얻었다.

이때 블렌드 방사된 나노섬유 웹의 주사전자 현미경 사진을 도 2a 및 도 2b에 나타냈으며, 섬유경의 분포는 약 500-900㎚ 이었고, 평균 섬유경은 약 600㎚인 것이 제조되었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에서 사용된 저중합도 폴리우레탄 및 고중합도 폴리우레탄을 THF와 DMAc(50:50 vol%)의 혼합용매에 각각 20중량%, 15중량%가 되도록 용해하여 각각의 방사용액을 제조하였다.

두개의 방사용액을 각각의 분사노즐을 통해 전기방사(교차방사)하여 나노섬유 웹을 얻었다. 이때 사용된 전압 및 방사량은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다.

도 3a 및 도 3b에는 교차방사된 나노섬유웹의 주사전자 현미경 사진을 나타냈다. 도 3a 및 도 3b에서 보는 바와 같이, 저융점 고분자(저중합도 폴리우레탄)성분의 나노섬유의 섬유경은 약 300-500㎚이었으며, 고융점 고분자(고중합도 폴리우레탄)성분의 나노섬유의 섬유경은 약 800-1000㎚로 저융점 고분자에 비해 굵게 방사가 되었다.

(실시예 3)

저융점 고분자로 저중합도 폴리우레탄과 고융점 고분자로 PAN(polyacrylonitrile)을 각각 50:50 (중량%)의 비로 혼합하여 THF와 DMAc (30:70 vol%)의 혼합용매에 15중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다.

이렇게 제조된 방사용액을 상기 실시예 1과 동일한 전기방사 조건으로 블렌드 방사를 실시하여 나노섬유 웹을 얻었다.

이렇게 하여 얻어진 나노섬유 웹의 주사전자 현미경 사진을 도 4에 나타냈다. 블렌드방사된 나노섬유의 평균직경은 약 300-500㎚이었으며, 방사용액의 상분리는 관찰되지 않았다.

(실시예 4)

상기 실시예 2에 의해 교차하여 전기방사된 나노섬유웹과 베이스 물질로 폴리에스테르 평직 직물을 100℃로 가열된 캘린더 롤을 통과시켜 저융점 고분자(저중합도 폴리우레탄)성분의 나노섬유가 용융되어 나노섬유와 베이스 직물간에 자가융착되도록 하였다.

도 5a 및 도 5b는 베이스 직물의 주사전자 현미경 사진이고 도 6은 자가융착된 나노섬유 복합재의 단면을 보여주는 주사전자 현미경 사진을 나타내었다.

(실시예 5)

상기 실시예 3에 의해 PAN과 저융점 폴리우레탄을 블렌드 방사하여 얻어진 나노섬유 웹을 캘린더 롤의 온도가 각각 50, 70, 100℃로 가열되었을 때 캘린더링을 수행하였다.

도 7a 내지 도 9c는 온도별 자가융착된 나노섬유의 주사전자 현미경사진이다. 도 7a 내지 도 7c에서는 캘린더 롤의 온도가 50℃의 경우 저융점 고분자성분의 나노섬유가 용융되지 않은 상태를 보여주고, 도 8a 내지 도 8c에서는 캘린더 롤의 온도가 70℃의 경우 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 부분적으로 용융되기 시작하는 상태를 보여준다.

아울러, 도 9a 내지 도 9c에서는 캘린더 롤의 온도가 100℃의 경우 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 충분히 용융되어 자가융착되는 상태를 보여준다. 그러나 이 경우에도 3차원의 기공 구조를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예 5의 결과로부터, 저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질로부터 얻어진 나노섬유 웹을 열 압착 공정을 수행할 때 70℃에서부터 저융점 고분자성분의 나노섬유가 부분적으로 융착되기 시작하여 100℃에서 저융점 고분자 성분의 나노섬유가 충분히 용융되어 자가융착하므로 열 압착 온도를 조절하여 나노섬유의 기공 크기를 조절하여 원하는 기능의 섬유를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 실시예 4에서와 같이 자가융착된 나노섬유와 베이스 물질을 복합화할때 저융점 나노섬유가 용융되어 베이스 물질과 나노섬유가 균일하게 접합될 수 있어 투습 방수 기능과 발수기능을 동시에 확보할 수 있으며 다양한 분야에서 섬유소재로 활용이 가능하다는 것도 시사한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예들을 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 나노섬유의 기공구조를 조절할 수 있어 투습, 방수, 보온, 통기성, 및 경량 등의 원하는 소재를 제조할 수 있어 필터소재, 바이오 메디칼, 흡습포, 하우징 랩, 아웃도어용 의복, 군복, 화생방 보호복, 극한 방한복, 차세대 와이퍼, 기능성 원단 등의 다양한 분야에 적용가능하다.

10,10a,10b : 방사노즐 20,20a,20b : 방사용액
30 : 집전판 40,40a : 나노섬유웹
50 : 핫 롤 60 : 쿨 롤
70 : 나노섬유 80 : 나노섬유 복합재

Claims

각각의 나노섬유에는 저융점 고분자 성분과 고융점 고분자 성분이 혼합되어 있는 나노섬유 웹으로서,
상기 나노섬유는 전기방사 방법에 의해 형성되며,
상기 나노섬유 중의 상기 저융점 고분자 성분은 부분적으로 용융된 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹.
제1항에 있어서, 상기 저융점 고분자는
저중합체 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스틸렌(polystylene), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(PLA:polylactic acid), PEO(polyethyleneoxide), PVAc(polyvinylacetate), PAA(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(PCL:polycaprolactone), PVdF(poly vinylidene fluoride), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PAN(polyacrylonitrile), PC(polycarbonate) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노섬유.
제1항에 있어서, 상기 고융점 고분자는
고중합체 폴리우레탄, PAN(polyacrylonitrile), PEI(polyetherimide), PES(polyesthersulfone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVdF(polyvinylidene fluoride), PVC(polyvinyl chloride), PC(polycarbonate), 나일론(Nylon) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노섬유.
저융점 고분자 물질을 용매에 용해하여 제1 방사용액을 제조하는 단계;
고융점 고분자 물질을 용매에 용해하여 제2 방사용액을 제조하는 단계;
상기 제1 방사용액 및 제2 방사용액을 교차 전기방사하여 저융점 고분자 나노섬유와 고융점 고분자 나노섬유가 혼합된 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및
열 압착에 의해 상기 나노섬유 웹 중의 상기 저융점 고분자 나노섬유가 부분적으로 용융된 나노섬유 웹을 얻는 단계를 포함하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
저융점 고분자 물질과 고융점 고분자 물질을 동일 용매에 용해하여 혼합 고분자의 방사용액을 제조하는 단계;
상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 및
열 압착에 의해 상기 나노섬유 웹 중의 상기 저융점 고분자 성분이 부분적으로 용융된 나노섬유 웹을 얻는 단계를 포함하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 저융점 고분자는
저중합체 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스틸렌(polystylene), PVA(polyvinylalcohol), PMMA(polymethyl methacrylate), 폴리락트산(PLA:polylacticacid), PEO(polyethyleneoxide), PVAc(polyvinylacetate), PAA(polyacrylic acid), 폴리카프로락톤(PCL:polycaprolactone), PVdF(poly vinylidenefluoride), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PAN(polyacrylonitrile), PC(polycarbonate) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 고융점 고분자는
고중합체 폴리우레탄, PAN(polyacrylonitrile), PEI(polyetherimide), PES(polyesthersulfone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVdF(poly vinylidenefluoride), PVC(polyvinylchloride), PC(polycarbonate), 나일론(Nylon) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 용매는 DMA(dimethyl acetamide), DMF(N,N-dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), DMAc(di-methylacetamide), EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 개미산(formic acid), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane) 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
제4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 열압착은 캘린더링(calendering)인 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 저융점 고분자는 융점이 30 내지 170℃이고, 상기 고융점 고분자는 융점이 80 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹의 제조방법.
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베이스 물질; 및
상기 베이스 물질의 적어도 일면에 적층된 나노섬유 웹;을 포함하는 자가융착형 나노섬유 웹 복합재로서,
상기 나노섬유 웹을 구성하는 각각의 나노섬유는 저융점 고분자 성분과 고융점 고분자 성분이 혼합되어 있고, 상기 나노섬유는 전기방사 방법에 의해 형성되며, 상기 나노섬유 중의 상기 저융점 고분자 성분은 부분적으로 용융되어 있는 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹 복합재.
제13항에 있어서, 상기 베이스 물질은 직물지, 부직포, 폼, 종이, 메쉬 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹 복합재.
제13항에 있어서, 상기 저융점 고분자는 융점이 30 내지 170℃이고, 상기 고융점 고분자는 융점이 80 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 자가융착형 나노섬유 웹 복합재.
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