KR101354509B1 - 나노섬유 필라멘트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 나노섬유 필라멘트의 제조방법은 (ⅰ) 원통상 형태 및 원추형 형태 중에서 선택된 1종의 형태를 구비하고 내부 표면에 홈 및 돌기 중에서 선택된 1종의 형상물이 형성되어 있는 방사튜브내로 고분자 용액 및 고분자 용융체 중에서 선택된 1종으로 이루어진 방사용액을 공급하는 공정; (ⅱ) 상기 방사튜브를 3,000rpm 이상으로 회전시켜 원심력으로 상기 방사용액을 나노섬유 형태로 방사하는 공정; (ⅲ) 상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속하는 공정; 및 (ⅳ) 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하는 공정;을 포함한다.
본 발명은 고분자 용액은 물론 고분자 용융체로부터도 나노섬유 필라멘트를 높은 생산성(토출량)으로 제조할 수 있고, 노즐교체나 노즐청소 등의 번거로운 작업을 생략할 수 있고 드롭발생 현상도 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

나노섬유 필라멘트의 제조방법{Method of manufacturing nanofiber filament}

본 발명은 나노섬유 필라멘트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원심력만을 이용하여 방사용액이 나노섬유 형태가 아니라 용액방울 상태로 방사되는 드롭발생 현상 없이 높은 생산성으로 안전하고 간소한 공정으로 나노섬유 필라멘트의 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에서는 나노섬유로 구성된 필라멘트를 "나노섬유 필라멘트"라고 통칭한다.

종래 나노섬유는 주로 전기방사방식으로 제조되어 왔다.

종래 나노섬유를 제조하는 경우 대한민국 등록특허 제10-0420460호 등에 게재된 바와 같이 방사액을 토출하는 기구로 고정된 노즐(Nozzle)을 주로 채택해 왔었다.

그러나, 상기 노즐을 방사액 토출용 기구로 사용하는 종래기술의 경우에는 고정된 노즐을 통해 방사액을 전기방사(토출)하기 때문에 정전기력에만 의존하여 전기방사가 실시되어 단위시간당 노즐 단위홀당 토출량이 0.01g 수준으로 매우 낮아 생산성이 떨어져 결국 양산화가 어려운 문제점과, 노즐 교체 및 청소가 매우 복잡하고 번거로운 문제점 등이 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].

나노섬유를 제조하는 또 다른 종래기술로는 50rpm으로 회전하는 원추형 용기에 고전압들을 걸어주면서 폴리비닐피릴리돈 용액을 공급하여 정전기력과 원심력을 동시에 이용하여 노즐 없이 나노섬유를 전기방사하는 방법이 Nanzhou 대학의 Jinyuan Zhou 등이 2010년 스몰(Small)지에 발표한 논문(Small, 2010 Vol 6, 1612-1616)에 게재되어 있다.

그러나, 상기 종래방법은 원심력과 정전기력을 활용하여 노즐이 없는 형태로 단위시간당 생산량을 향상시킬 수 있지만 상기 원추형 용기 내에 방사액을 연속 공급하여 연속 생산이 어려운 문제점과, 상기 원추형 용기 하부에 컬렉터가 위치하여 방사액이 섬유형태가 아니라 용액상태로 떨어지는 현상(이하 "드롭발생 현상"이라고 한다)이 일어나는 문제점이 있었다.

나노섬유를 제조하는 또 다른 종래기술로서 다량의 노즐을 노즐판상에 배열하여 전기방사하는 방법 등도 이미 잘 알려져 있다[H. Y. Kim, WO2005073441, WO2007035011].

기존의 전기방사 방식으로 나노섬유를 제조하는 방법들의 단점은 전기방사장치에 고전압을 걸어 주어야 하므로 위험하고, 단위 홀당 나노섬유의 생산량이 매우 낮고 또한 노즐을 사용함으로써 노즐의 청소 등이 번거로운 문제점이 있으며, 고분자를 용매에 녹인 고분자 용액은 전기방사가 가능하지만 고분자를 용융시킨 고분자 용융체는 전기방사가 불가능한 문제점이 있었다.

그 이유는 기존의 전기방사방식의 종래 나노섬유 제조방법은 고분자 용융체의 분자량 감소 없이 점도만 낮추기 위해 필요한 고전단력을 전기방사되는 고분자 용융체에 부여할 수 없었기 때문이다.

그 결과, 고분자 용액은 물론 고분자 용융체를 사용하여 나노섬유를 제조할 수 있는 새로운 나노섬유의 제조방법 개발이 요구되었다.

나노섬유를 제조하는 또 다른 종래방법으로 3,000rpm 이상으로 고속회전하는 원통을 이용하여 상기 원통 내에 투입된 방사액(클로로벤젠에 용해된 폴리메틸메타아크릴레이트 용액)을 원심력만을 이용하여 나노섬유를 방사하는 방법이 K. Kern 등이 나노레터(Nano Letters)에 발표한 논문(Nano Letters, 2008, Vol 8, No.4, 1187-1191)에 게재되어 있다.

그러나, 상기 종래의 나노섬유 제조방법은 원통 내에서 고분자 용액과 용매의 분리가 어려워 나노섬유 형성능이 떨어지고, 원통 내에 방사액을 연속적으로 공급하기 어려워 연속생산이 곤란한 문제점이 있었다.

또한, 상기 종래의 나노섬유 제조방법은 원심력이 원통의 원주 방향으로 작용하기 때문에 원통에서 방사된 나노섬유는 원통의 원주방향으로 날아가게 된다.

그로 인해 상기 종래방법에서는 나노섬유를 집적하는 컬렉터를 원통 상부에 설치하여 방사된 나노섬유를 집적하는 상향식 전기방사방법은 채택할 수 없게 되며, 불가피하게 나노섬유를 집적하는 컬렉터를 원통하부에 설치하여 방사된 나노섬유를 집적하는 하향식 전기방사방식을 채택할 수밖에 없었고, 그 결과 나노섬유 제조시 드롭발생 현상을 효과적으로 방지할 수 없었다.

한편, 방적 공정을 별도로 거치지 않고 전기방사장치에서 전기방사되는 나노섬유를 바로 일방향, 다시 말해 섬유축 방향으로 배열하여 나노섬유 필라멘트를 제조하는 방법도 시도되어 왔다.

상기와 같은 방법으로 나노섬유 필라멘트를 제조하는 종래기술로서 Dan Li등은 비전도성 재료들 사이에 전도성 재료를 일축 방향으로 배열시킨 컬렉터 상에 나노섬유를 전기방사하여 전기방사된 나노섬유를 컬렉터 상의 전도성 재료를 따라 일축 방향으로 배열시켜 나노섬유 필라멘트를 제조하는 방법을 제안하였다. (Advanced Materials 2004,Vol 16, No. 4, 361~366).

Lisa S. Carnell 등은 보조 전극을 회전하는 주 컬렉터 상부에 위치시켜서 주 컬렉터가 회전하는 방향으로 전기방사한 섬유가 배열되도록 유도하여 섬유 축 방향으로 배열하는 방법을 제안하였다. 또한 이들은 한쪽 방향으로 배열된 전기방사한 매트를 제조하고 이를 90도 회전하여 여기에 섬유를 적층하여 상호 직교가 되는 매트의 제조를 제안하였다(macromolecules Vol 41, No 14, 5345-5349, 2008).

Daoheng Sun 등은 3mm 이하의 전기방사거리(노즐과 컬렉터 사이의 거리)에서 노즐로 25마이크론 텅스텐 팁을 사용하였고 가한 전압의 세기는 10⁷V/m로 가하였고 용액공급은 노즐로 사용한 텅스텐 팁을 고분자 용액에 담가서 꺼내서 전기방사를 행하였다. 컬렉터로는 SiO₂가 코팅된 실리콘 컬렉터를 이용하여 원하는 방향으로 300nm 정도의 나노섬유의 배열 방법을 제시하였다(Nano Letters, Vol. 6, N0.4, 839-842, 2006).

P. Katta 등은 구리 와이어로 구성된 약 13 cm 정도는 드럼을 이용하여 1 rpm 정도의 낮은 속도로 하여 회전방향으로 나노섬유의 배열 방법을 제시하였다( Nano Letters, Vol. 4, No. 11, 2215-2218, 2004).

그러나, 나노섬유 필라멘트를 제조하는 종래기술들 모두는 정전기력만을 이용하므로 고분자 용융체의 점도를 고분자 분해 없이 낮출 수 없어서 고분자 용융체로 부터는 나노섬유 필라멘트를 높은 생산성으로 제조할 수 없었고, 전기방사되는 나노섬유를 노즐 등의 전기방사기구 상부로 이송, 집속하기 어려워 컬렉터를 전기방사기구보다 높은 위치에 설치하는 상향식 전기방사방식은 채택하기 어려워 결국 컬렉터를 전기방사기구 보다 낮은 위치에 설치하는 하향식 전기방사방식을 채택해야하며 또한 방사용액내 용매를 효율적으로 휘발시키기 어려워서 결과적으로는 방사용액이 나노섬유 형태가 아니라 방울 형태로 떨어지는 드롭발생 현상이 심해지는 문제가 있었다.

특히 문제점으로는 연속적으로 나노섬유로 구성된 필라멘트의 제조가 어렵다. 그 이유는 연속적으로 제조된 나노섬유를 잡아당겨서 연속된 공정으로 이어지는 공정 자체가 어렵기 때문이다. 다음 단계인 연신공정 등을 통하여 섬유의 기계적 물성 등의 향상이 어렵다.

본 발명의 과제는 이와 같은 종래의 문제점들을 해결할 수 있도록 섬유형성능이 우수하여 고분자 용액은 물론 고분자 용융체까지도 고전압 인가 없이 원심력만으로 방사, 제조할 수 있고 단위시간당 단위 원통상 방사 튜브당 토출량이 높아져 생산성이 크게 향상되고, 노즐 교체 및 청소의 번거로움을 해소할 수 있고, 드롭 발생현상도 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연속적으로 일축 방향으로 배열된 나노섬유로 구성된 필라멘트의 제조가 가능하며 연속적으로 이어서 연신 공정을 도입하여 기계적 물성이 우수한 나노섬유 필라멘트의 제조방법을 제공하는 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위해서 본 발명에서는 (ⅰ) 원통상 형태 및 원추형 형태 중에서 선택된 1종의 형태를 구비하고 내부 표면에 홈 및 돌기 중에서 선택된 1종의 형상물이 형성되어 있는 방사튜브내로 고분자 용액 및 고분자 용융체 중에서 선택된 1종으로 이루어진 방사용액을 공급하는 공정; (ⅱ) 상기 방사튜브를 3,000rpm 이상으로 회전시켜 원심력으로 상기 방사용액을 나노섬유 형태로 방사하는 공정; (ⅲ) 상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속하는 공정; 및 (ⅳ) 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하는 공정;을 거쳐서 나노섬유 필라멘트를 제조한다.

본 발명은 정전기력 없이 순수한 원심력만을 이용하여 높은 전단력으로 고분자 용융체의 점도를 고분자의 분해 없이도 낮출 수 있기 때문에 고분자 용액은 물론 고분자 용융체로부터도 나노섬유를 높은 생산성(토출량)으로 제조할 수 있다.

또한 본 발명은 종래의 방사 노즐을 사용하지 않기 때문에 노즐교체나 노즐청소 등의 번거러운 작업을 생략할 수 있고, 컬렉터 등에 고전압을 인가하지 않아도 되기 때문에 작업 위험성도 피할 수 있고, 드롭발생 현상도 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 본 발명은 나노섬유를 일축 방향으로 배열시켜 기계적 물성이 우수한 나노섬유 필라멘트 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명의 공정 개략도.
도 2 내지 도 5는 본 발명에서 사용하는 방사튜브의 사시개략도.
도 6 내지 도 9는 본 발명에서 사용하는 방사튜브를 길이방향으로 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도.
도 10(a) 내지 도 10(d)은 방사튜브의 내부 표면에 형성된 형상물의 사시개략도.
도 11은 본 발명의 실시예 1로 제조한 나노섬유의 주사형 전자현미경 사진.
도 12는 본 발명의 실시예 2로 제조한 나노섬유의 주사형 전자현미경 사진.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 나노섬유의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이 (ⅰ) 원통상 형태 및 원추형 형태 중에서 선택된 1종의 형태를 구비하고 내부 표면에 홈 및 돌기 중에서 선택된 1종의 형상물이 형성되어 있는 방사튜브내로 고분자 용액 및 고분자 용융체 중에서 선택된 1종으로 이루어진 방사용액을 공급하는 공정; (ⅱ) 상기 방사튜브를 3,000rpm 이상으로 회전시켜 원심력으로 상기 방사용액을 나노섬유 형태로 방사하는 공정; (ⅲ) 상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속하는 공정; 및 (ⅳ) 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하는 공정;을 포함한다.

도 1은 본 발명의 공정 개략도이다.

구체적으로 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 방사용액 저장탱크(a)에 저장된 방사용액을 정량공급펌프(b)를 통해 모터(c)에 의해 3,000rpm이상 보다 바람직하기로는 5,000rpm 이상으로 회전하는 방사튜브(T)에 공급하여 방사튜브(T)의 원주방향으로 가해지는 원심력으로 나노섬유를 방사, 형성함과 동시에 상기 방사튜브(T) 외부에 설치된 기체분사용튜브(h)를 통해 기체를 상기 방사튜브(T)의 상부에 위치하는 나노섬유 유도관(i) 및 나노섬유 집속장치(ℓ) 방향으로 분사하여 방사/형성된 나노섬유를 나노섬유 집속장치(ℓ) 상에 집적한 후, 나노섬유 집속장치(ℓ)에 집적된 나노섬유를 연신로울러(n,o,p)로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취장치(q)에 권취한다.

상기 나노섬유 집속장치(ℓ)는 나팔관 형태인 것이 바람직하다.

상기 기체분사용튜브(h)는 방사튜브(T)의 외부에 방사튜브(T)와 동심원을 이루는 형태로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 기체분사용튜브(h)에는 기체저장탱크(g)에 보관중인 기체가 유량계(f)를 통해 공급된다.

상기 기체는 질소 압축공기, 질소 또는 아르곤등의 가스 등이다.

그러나, 본 발명에서는 상기 기체의 종류를 특별하게 한정하는 것은 아니다.

상기 방사튜브(T)의 회전으로 발생되는 원심력은 주로 방사튜브(T)의 원주방향으로 발생되기 때문에 원심력만으로는 형성된 나노섬유를 방사튜브(T) 상단에 위치하는 나노섬유 집속장치(ℓ) 상에 효과적으로 집적하기 매우 어렵다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 기체분사용튜브(h)를 통해 기체를 나노섬유 집속장치(ℓ) 방향으로 분사해 줌으로서 형성된 나노섬유(e)를 방사튜브(T) 상단에 위치하는 나노섬유 집속장치(ℓ) 방향으로 효과적으로 이송시키고, 또한 형성된 나노섬유(e)내에 잔존하는 용매가 잘 휘발되도록 하여 드롭발생 효과도 효과적으로 방지한다.

한편, 본 발명은 상기 나노섬유 유도관(i) 상부에 셕션블로우(Suction blower : k)를 설치하여 방사된 나노섬유(e)를 나노섬유 유도관(i) 및 나노섬유 집속장치(ℓ) 방향으로 포집하는 공정을 추가로 더 포함할 수도 있다.

상기 방사튜브(T)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 원통상 형태 또는 원추형 형태이며, 상기 방사튜브(T)의 내부 표면에는 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이 홈 또는 돌기와 같은 형상물이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 방사튜브(T)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 형상물이 방사튜브(T)의 내부 표면을 따라 연속되는 다수개의 나선상 곡선을 이루도록 형성된 구조일 수도 있고, 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 형상물이 서로 분리된 상태로 방사튜브의 내부 표면에 분산되게 형성된 구조일 수도 있으나, 방사시 형성되는 나노섬유와 방사용액내 용매를 효율적으로 분리하여 형성된 나노섬유를 상부에 위치하는 컬렉터 상에 효율적으로 집적하기 위해서는 상기 형상물이 방사튜브의 내부 표면을 따라 연속되는 다수개의 나선상 곡선을 이루도록 형성된 구조인 것이 보다 바람직하다.

도 10(a) 내지 도 10(d)에 도시된 바와 같이 방사튜브(T)의 내부 표면에 형성되어 있는 상기 형상물은 다각형돌기, 반원형돌기, 다각형홈 또는 반원형 돌기 등이다.

다각형 돌기의 일예로는 삼각형 돌기 또는 사각형 돌기 등이 사용될 수 있고, 다각형 홈의 일예로는 삼각형 홈 또는 사각형 홈 등이 사용될 수 있다.

상기 방사튜브(T)의 상부 단면에는 방사용액 토출구들이 천공되어 있는 방사튜브 뚜껑이 덮여져 있을 수도 있다.

방사튜브(T)의 내부 표면에 형성된 상기 홈 또는 돌기들은 고분자 용액으로 나노섬유를 제조시 방사튜브(T) 내에서 고분자 용액과 방사용액 내의 용매 분리를 용이하게 하여 (ⅰ) 고분자 쇄의 결합을 유도함으로써 나노섬유의 형성능을 향상시켜 줌과 동시에 (ⅱ) 형성된 나노섬유의 방향성 제어를 용이하게 하여, 다시 말해 형성된 나노섬유를 수평방향이 아니라 상부방향으로 진행되게 하여, 형성된 나노섬유를 방사튜브 상단부에 위치하는 컬렉터 상에 효과적으로 집적시켜주는 역할을 한다.

이하, 도면 등을 통하여 본 발명에서 사용하는 나노섬유 제조용 방사튜브(T)의 구체적인 구현 예를 설명한다.

본 발명의 제1구현 예에 따른 방사튜브(T)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(a)에 도시된 바와 같은 사각형 홈(형상물)이 도 2와 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)을 따라 동일 방향으로 연속되는 다수개의 나선상 곡선(S)을 이루도록 형성되어 있다. 상기 제1구현예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면개략도는 도 6과 같다.

본 발명의 제2구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(b)에 도시된 바와 같은 반원형 홈(형상물)이 도 2와 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)을 따라 동일 방향만으로 연속되는 다수개의 나선상 곡선(S)을 이루도록 형성되어 있다.

상기 제2구현예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 6과 같다.

본 발명의 제3구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(c)에 도시된 바와 같은 반원형 돌기(형상물)가 도 2와 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)을 따라 동일 방향만으로 연속되는 다수개의 나선상 곡선(S)을 이루도록 형성되어 있다.

상기 제3구현예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 6과 같다.

본 발명의 제4구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(d)에 도시된 바와 같은 삼각형 돌기(형상물)가 도 2와 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)을 따라 동일 방향만으로 연속되는 다수개의 나선상 곡선(S)을 이루도록 형성되어 있다.

상기 제4구현예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 6과 같다.

본 발명의 제5구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 3에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(a)에 도시된 바와 같은 사각형 홈(형상물)이 도 3과 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)을 따라 양쪽 방향으로 연속되어 서로 교차하는 다수개의 나선상 곡선(S)을 이루도록 형성되어 있다.

상기 제5구현 예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 7과 같다.

본 발명의 제6구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 4에 도시된 바와 같이 원통상 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(c)에 도시된 바와 같은 반원형 돌기(형상물)가 도 4와 같이 방사튜브의 내부 표면(Ti)에 서로 분리된 상태로 형성되어 있다.

상기 제6구현 예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 8과 같다.

본 발명의 제7구현 예에 따른 나노섬유 제조용 방사튜브(T)는 도 5에 도시된 바와 같이 원추형 형태를 구비하고, 방사튜브의 내부 표면(Ti)에는 도 10(b)에 도시된 바와 같은 반원형 홈(형상물)이 도 5와 같은 방사튜브의 내부 표면(Ti)에 서로 분리된 상태로 분산되게 형성되어 있다.

상기 제7구현 예의 방사튜브(T)를 절개하여 펼친 상태를 나타내는 평면 개략도는 도 9와 같다.

본 발명은 방사튜브의 내부 표면에 형성된 홈 또는 돌기들이 방사튜브 내에서 용매와 고분자를 효과적으로 분리하기 때문에 섬유 형성능이 우수하고, 기체분사용튜브에서 분사되는 기체에 의해 형성된 나노섬유를 방사튜브 상부에 위치하는 나노섬유 집속장치(ℓ) 방향으로 진행되게 하여 나노섬유의 포집성이 개선된다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 보호범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

중량평균분자량(Mw)이 150,000인 폴리아크릴니트릴(Aldrich 회사 제품)을 용매인 디메틸포름아미드에 용해하여 고형분이 9중량%이고 점도가 477센티포아스인 방사용액을 제조하였다.

다음으로는 제조된 방사용액을(ⅰ) 도 2와 같은 원통형 형태를 구비하고, (ⅱ) 내부 표면에 도 10(c)와 같은 반원형 돌기가 내부 표면을 따라 연속되는 4개의 나선상 곡선을 이루도록 형성되어 있고 (ⅲ) 상단부에는 방사도프 토출용 구멍이 천공되어 있는 뚜껑이 덮여져 있는 것을 사용하였고 방사튜브의 하단부로 공급한 다음, 상기 방사튜브를 12,000rpm으로 회전시키면서 상기 방사튜브의 상단부를 통해 방사도프를 원심력으로 방사함과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 컬렉터 방향으로 분사하여, 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유를 형성한 후 방사튜브 상단부에 위치하는 컬렉터 상에 형성된 나노섬유를 집적하였다. 이때 기체로는 공기를 사용하였고 분사속도는 30m/초로 하였다. 이때, 원통형 방사튜브의 내부직경은 18㎜로 하였고, 원통형 방사튜브의 길이는 21㎜로 하였고, 상기 나선상 곡선간의 피치간격은 5㎜로 하였고, 상기 반원형 돌기의 반경(R)은 3㎜로 하였다.

상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속한 다음, 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하여 나노섬유 필라멘트를 제조하였다. 상기 기체로는 공기를 사용하였고 기체의 분사속도는 30m/초로 하였다.

이때 나노섬유를 나노섬유 집속장치에 보다 효과적으로 집속하기 위해서 나노섬유 유도관 상부에 셕션블로우를 설치하여 공기 및 방사된 나노섬유를 나노섬유 집속장치 방향으로 이송하였다.이때, 원통형 방사튜브의 내부직경은 18㎜로 하였고, 원통형 방사튜브의 길이는 21㎜로 하였고, 상기 나선상 곡선간의 피치간격은 5㎜로 하였고, 상기 반원형 돌기의 반경(R)은 3㎜로 하였다.

상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속한 다음, 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하여 나노섬유 필라멘트를 제조하였다.

이때 나노섬유를 나노섬유 집속장치에 보다 효과적으로 집속하기 위해서 나노섬유 유도관 상부에 셕션블로우를 설치하여 공기 및 방사된 나노섬유를 나노섬유 집속장치 방향으로 이송하였다.

나노섬유 필라멘트를 구성하는 나노섬유의 평균직경은 350㎚이였다. 나노섬유 필라멘트에서 나노섬유가 섬유 축방향으로 잘 배열된 형태를 보인 도가 도 11이다.

이와 같이 제조된 나노섬유로 구성된 필라멘트를 230℃에서 1시간 동안 열안정 공정을 질서 가스 하에서 처리하고 1200℃에서 2시간 동안 열처리를 행하여 탄소 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조하였다. 탄소나노섬유의 직경은 180nm이었고 필라멘트의 굵기는 5.1tex 이었다. 필라멘트의 강도는 0.45 N/tex이었고 탄성률은 10N/tex 신도는 5.8%이었다. 이 나노섬유로 구성된 필라멘트를 아세톤 처리를 통하여 고밀도화를 행하였다. 그 결과 물성이 강도는 1.1N/tex이었고 탄성률은 45N/tex이었으면 신도는 3.5%이었다.

실시예 2

실시예 1과 동일한 규격의 폴리아크릴니트릴를 사용하였고 동일한 조건으로 용액을 제조하였다. 실시예 1과 동일한 조건으로 방사를 행하였고 단지 방사된 나노섬유가 형성한 후 방사튜브 상단부에 위치하는 컬렉터 상에 형성된 나노섬유를 집적할 경우에 기체로 사용한 공기가스의 분사 속도를 15m/초로 하였다.

제조한 나노섬유 필라멘트의 주사형 전자현미경 사진은 도 12와 같았고, 나노섬유 필라멘트를 구성하는 나노섬유의 평균직경은 380㎚이였다. 나노섬유 필라멘트에서 나노섬유가 섬유 축방향으로 잘 배열된 형태를 보인 도가 도 12이다.

이와 같이 제조된 나노섬유로 구성된 필라멘트를 230℃에서 1시간 동안 열안정 공정을 질서 가스 하에서 처리하고 1200℃에서 2시간 동안 열처리를 행하여 탄소 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조하였다. 탄소나노섬유의 직경은 160nm이었고 필라멘트의 굵기는 5.3tex 이었다. 필라멘트의 강도는 0.42 N/tex이었고 탄성률은 8N/tex 신도는 6.5%이었다. 이 나노섬유로 구성된 필라멘트를 아세톤 처리를 통하여 고밀도화를 행하였다. 그 결과 물성이 강도는 0.95N/tex이었고 탄성률은 40N/tex이었으면 신도는 4.0%이었다.

a : 방사용액 저장탱크 b : 정량공급폄프
c : 모터 e : 나노섬유 f : 유량계
g : 기체저장 h : 기체분사용 튜브
i : 나노섬유 유도관 k : 셕션 블로우(Suction blower)
ℓ: 나노섬유 집속장치 m : 나노섬유 필라멘트
n : 제1연신로울러 o : 제2연신로울러
p : 제3연신로울러 q : 권취 장치
T : 방사튜브 S : 나선상 곡선
Ti : 방사튜브의 내부 표면 H : 4각형 홈 형태인 형상물의 홈 깊이
A : 나선상 곡선을 이루는 형상물의 일부분
W : 4각형 홈 형태인 형상물의 홈 넓이
P : 돌기 G : 홈
R : 반원홈 형태인 형상물의 홈 깊이
R' : 반원돌기 형태인 형상물의 돌기 높이

Claims (5)

1. (ⅰ) 원통상 형태 및 원추형 형태 중에서 선택된 1종의 형태를 구비하고 내부 표면에 홈 및 돌기 중에서 선택된 1종의 형상물이 형성되어 있는 방사튜브내로 고분자 용액 및 고분자 용융체 중에서 선택된 1종으로 이루어진 방사용액을 공급하는 공정;
   (ⅱ) 상기 방사튜브를 3,000rpm 이상으로 회전시켜 원심력으로 상기 방사용액을 나노섬유 형태로 방사하는 공정;
   (ⅲ) 상기 나노섬유 방사공정과 동시에 상기 방사튜브 외부에 설치된 기체분사용 튜브를 통해 기체를 방사튜브 보다 높은 상부 위치에 설치된 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 분사하여 방사된 나노섬유를 상기 나노섬유 유도관을 통해 나노섬유 집속장치에 집속하는 공정; 및
   (ⅳ) 나노섬유 집속장치에 집속된 나노섬유를 연신로울러로 연신하여 나노섬유로 구성된 필라멘트를 제조한 후 권취하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 나노섬유 유도관 상부에 셕션 블로우(Suction blower)을 설치하여 방사된 나노섬유를 나노섬유 유도관 및 나노섬유 집속장치 방향으로 포집하는 공정을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 형상물이 방사튜브의 내부 표면을 따라 연속되는 다수개의 나선상 곡선을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 형상물이 서로 분리된 상태로 방사튜브의 내부 표면에 분산되게 형성된 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 방사튜브의 내부 표면에 형성되어 있는 상기 형상물은 다각형 돌기, 반원형 돌기, 다각형 홈 및 반원형 홈 중에서 선택된 1종의 형태인 것을 특징으로 하는 나노섬유 필라멘트의 제조방법.
   
   

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