KR101527928B1 - 미세 섬유 전기 방사 장치, 필터 매체 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

폴리머 용액으로부터 나노 섬유 등을 형성하는 정전 미세 섬유 제조 장치가 제공된다. 미세 섬유 제조 장치는 스테인레스강 비드형 체인의 형태를 한 스트랜드를 포함한다. 비드형 체인은 2개의 가이드 휠로 운반되고 수집 매체에 대해 직각인 순환 경로 둘레로 구동될 수 있다.

Description

미세 섬유 전기 방사 장치, 필터 매체 시스템 및 방법{FINE FIBER ELECTRO-SPINNING EQUIPMENT, FILTER MEDIA SYSTEMS AND METHODS}

본 발명은 방사 전극과 수집 전극 사이의 전압차에 의해 형성된 정전기장 내의 중합체 용액으로부터 미세 섬유를 정전 방사하는 것에 관한 것이며, 구체적으로는 신규한 방사 전극 장치 및/또는 전기 방사 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다른 양태는 미세 섬유를 필터 매체에 적용하여 유체 흐름에서 오염물을 여과하기 위한 여과 매체 표면에 고효율층을 형성하는 필터 매체 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수집 전극과 방사 전극 사이의 전압차에 의해 형성된 전기장을 통한 정전 방사(＂전기 방사＂라고도 함)에 의해 폴리머 용액으로부터 미세 섬유를 생산하는 것이 공지되어 있다. 예컨대, 미국특허 제6,743,273호에 개시된 바와 같이, 폴리머 용액은 회전형 이미터 형태의 방사 전극에 펌핑되며, 펌프 용액은 저장기로부터 펌핑되어 이미터 내의 구멍을 통과한다. 배출될 때, 격자와 이미터 사이의 정전기 전위는 전하를 인가하여, 얇은 미세 섬유로서 "방사"되게 하여, 액이 효율층인 기층에 수집되게 한다. 이 공정 동안, 용매는 미세 섬유로부터 증발하며 그 동안 섬유 직경을 감소시킨다.

정전 방사 장치의 다른 예가 특허공개 US2006/0290031과 WO2006/131081에 제시되어 있다. 이들 출원에 개시된 방사 전극 설계는 몇 개의 서로 다른 형태를 가질 수 있는 회전 드럼 형태의 본체로 구성된다. 드럼은 폴리머 용액 저장기 내부에 위치하여 잠겨있고, 수집 매체의 경로에 대해 수직인 축을 중심으로 회전한다. 드럼을 폴리머 용액을 통해 회전시키면, 하전된 전극의 방사면이 폴리머 용액으로 코팅된다. 다양한 드럼 형태 본체의 변형이 이 2건의 특허 공개에 제시되고, 미세 섬유가 형성되는 불연속의 방사 위치를 형성하도록 다수의 뾰족한 말단을 제공한다.

본 발명은 정전 미세 섬유 제조와 방사 전극 설계 및/또는 미세 섬유 필터 매체의 제조와 관련하여 해당 분야의 현재 기술에 대한 개선을 제공한다.

본 발명은 후술하는 내용을 포함하여 개별적으로 또는 조합하여 청구된 특허 가능한 상태인 몇 가지 형태를 갖지만, 아래 내용으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 한 형태는 적절한 수집 매체 표면에 미세 섬유를 제조하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 서로 이격된 2개의 전극을 포함하며, 방사 전극은 2 이상의 가이드로 운반되는 스트랜드를 포함한다. 이 장치는 수집 매체가 제2 전극으로부터 이격된 상태로 입구 구역으로부터 제1 경로를 따라 출구 구역으로 구동되도록, 제1 경로를 따라 이격된 입구 구역과 출구 구역을 갖는다. 구동 유닛은 제1 경로에 횡단 방향인 (즉, 교차하며 일 실시예에 따라서는 수직일 수 있는) 제2 경로를 따라 이동하도록, 2 이상의 가이드를 따라 스트랜드를 구동한다. 전압원이 미세 섬유의 방사를 발생시키기 위해 제1 및 제2 전극 사이에 전압차를 발생시킨다.

스트랜드는 체인, 밴드, 스트립, 또는 다른 스트랜드 구조일 수 있다. 스트랜드는 순환 경로 둘레로 구동되는 순환 스트랜드 형태일 수 있다. 제2 경로는 순환 경로의 일부이다. 상기 순환 경로는 제2 경로로부터 이격된 귀환 경로를 더 포함하며, 순환 스트랜드는 미세 섬유의 전기 방사가 생기는 제2 경로에 비해 귀환 경로를 따라 제1 전극으로부터 더 멀다. 또한, 일 실시예에서, 적절한 폴리머 용액을 담는 디핑 베이슨이 제공된다. 귀환 경로 둘레의 순환 스트랜드는 폴리머 용액 안으로 디핑되도록 디핑 베이슨을 통과함으로써 폴리머 용액으로 코팅된다.

본 발명의 다른 형태는 필터 매체 제조 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 기재 시트를 미세 섬유 형성 기구의 입구 구역을 통해 출구 구역으로 제1 경로를 따라 공급하는 기재의 롤을 포함한다. 시트는 제1 경로에 대체로 평행한 대향된 측면 가장자리를 갖는다. 미세 섬유 형성 기구는 하나 이상의 스트랜드와 스트랜드를 제1 가이드로부터, 제1 경로에 대해 횡단 방향인 제2 가이드로, 제2 경로를 따라 구동하는 구동 유닛을 포함한다. 스트랜드는 폴리머 용액으로 적셔지고 기재 상에 부착되는 미세 섬유를 형성하도록 전압차를 부여받는다.

일 실시예에 따르면, 순환 경로를 따라 진행하는 순환 스트랜드를 더 포함할 수 있으며, 주어진 시간에 순환 스트랜드의 일부를 폴리머 용액의 베이슨 내부에서 적심으로써 순환 스트랜드 표면의 폴리머 용액의 코팅을 보충할 수 있다.

본 발명의 다른 형태는 수집 매체 표면에 미세 섬유를 제조하되, 하나 이상의 방사 전극이 평탄한 수집 전극에 대해 일정한 간격으로 유지되는 선형 세그먼트를 갖는, 미세 섬유 제조 장치에 관한 것이다. 본 형태에 따르면, 수집 전극이 수집 매체를 지지하기 위한 평탄한 지지면을 갖고, 하나 이상의 방사 전극이 평탄한 지지면에 인접한 선형 세그먼트를 갖고, 구동 유닛이 방사 전극을 구동하고 구동되면 평탄한 지지면으로부터 일정한 간격을 유지한다. 전압원이 미세 섬유의 방사를 발생시키기 위해 제1 및 제2 전극 사이에 전압차를 발생시키도록 배치된다.

일 실시예에 따르면, 장치는 제1 경로를 따라 이격된 입구 구역과 출구 구역을 포함하고, 수집 매체는 제2 전극으로부터 이격된 상태로 입구 구역으로부터 제1 경로를 따라 수집 전극과 교차하여 출구 구역으로 구동된다. 방사 전극은 순환 경로 둘레로 구동되고, 폴리머 용액을 담는 디핑 베이슨이 제공된다. 한편, 방사 전극의 일부는 폴리머 용액 안으로 디핑되도록 디핑 베이슨을 통과하여 진행하여 방사 전극이 폴리머 용액으로 코팅되고, 방사 전극의 일부는 미세 섬유 형성을 위해 노출된다.

본 발명의 또 다른 형태는 일정 간격을 유지하면서 미세 섬유를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 형태에 따른 방법은 전극을 코팅하는 폴리머 용액으로부터 선형 배열로 배치된 복수의 방사 위치에서 전극으로부터 미세 섬유를 전기 방사하고, 수집 매체로부터 이격된 상태의 방사 위치들과 수집 매체 사이의 상대적인 선형 이동을 촉진하고, 수집 매체에 미세 섬유를 부착시키고, 방사 위치들과 수집 매체 사이에 일정한 간격을 유지하며, 각각의 방사 위치를 폴리머 용액 코팅으로 주기적으로 재생시킨다.

본 발명의 또 다른 형태는 미세 섬유 형성 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제1 전극과 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 제2 전극을 이격된 상태로 배치하고, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압차를 발생시키고, 스트랜드를 폴리머 용액으로 적시고, 수집 매체를 제1 경로를 따라 제2 전극과 이격된 상태로 진행시키고, 전압차에 의해 하나 이상의 스트랜드를 따른 복수의 방사 위치를 따라 수집 매체에 폴리머 재료의 미세 섬유를 방사하며, 스트랜드를 제1 경로에 측방향인 제2 경로를 따라 진행시킨다.

일 실시예에 따르면, 전술한 방법들은 순환 스트레인을 2 이상의 가이드로 운반하고, 순환 스트레인을 2 이상의 가이드 둘레의 순환 경로를 따라 진행시키고, 노출되어 수집 매체를 향한 순환 스트랜드의 제1 부분으로부터 미세 섬유를 형성하며, 순환 스트랜드의 제2 부분을 폴리머 용액 안에 디핑한다. 더욱이, 복수의 방사 위치에서 통상 각각의 불연속 세그먼트로부터 미세 섬유를 형성할 수 있다. 또, 순환 스트랜드가 제2 경로를 따라 진행할 때, 방사 위치가 제1 경로에 대해 측방향으로 매체와 교차하여 이동할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점을 더 잘 이해할 수 있도록 아래의 상세한 설명을 첨부 도면과 연계하여 기술할 것이다.

첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 사상을 설명하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 여과 매체의 제조에 사용될 수 있는 미세 섬유 형성 장치를 개략적으로 나타내는 부분 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 장치를 개략적으로 나타내는 부분도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 폴리머 용액 베이슨과 전기 방사 전극 및 이를 구동하기 위한 적절한 구동 기구의 사시도로서, 도 1의 개략적인 도면과 결합해서 사용할 수 있는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 장치의 일부의 확대도이다.
도 5는 구동 유닛의 예를 더 잘 도시하도록 도 3에 도시된 장치의 일부를 확대한 다른 방향의 사시도이다.
도 6은 도 3에 도시한 장치의 개개 유닛들 중의 하나의 확대도이다.
도 7은 도 3에 도시한 전기 방사 셀 또는 유닛들 중의 하나의 단면도이다.
도 8은 2 이상의 방사 위치가 작동 중에 각각의 개별 체인 세그먼트 상의 폴리머 용액 코팅으로부터 형성되는 방식을 설명하기 위한, 전술한 도면에서 사용된 순환 체인 전극의 일부의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 S자형 벨트 전기 방사 장치의 사시도이다.
도 10은 작동 중에 폴리머 용액으로 벨트를 적시기 위한 단일의 니들 토출 위치로 순환 벨트를 구동하는 2개의 가이드 휠 풀리를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예의 도면이다.

본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하지만, 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다. 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상과 범위에 속하는 모든 변형물, 수정물 및 등가물을 포함한다.

예시를 목적으로, 본 발명에 따른 실시예로서, 필터 매체 제조 시스템(12)의 일부인 미세 섬유 제조 장치(10)가 도 1과 2에 일부 개략적인 형태로 도시된다. 제조 시스템은 미세 섬유 수집 매체 기재의 교체 가능한 마스터 롤(14)을 포함하며, 이 마스터 롤(14)은 언와인딩 기구(16)에 배치된 필터 매체 기재 롤(14) 형태로 도시된다. 연속적인 기재 시트(18)가 필터 매체 기재 롤(14)로부터 미세 섬유 수집용 미세 섬유 제조기를 통해 공급되어, 리와인딩 기구(20)에 의해 필터 매체 기재층(24)과 고효율 미세 섬유층(26)을 갖는 필터 매체 롤(22)에 되감긴다. 마스터 기재 롤(14)이 소진되면, 필요에 따라 신규 필터 매체 기재 롤로 교체한다.

도시한 바와 같이, 매체의 시트(18)는 미세 섬유 제조 장치(10)를 통해 제1 방향(30)을 따라, 대체로 입구 구역(32)으로부터 출구 구역(34)으로 진행한다. 필터 매체 시트의 측면(36)은 원래 이 제1 방향과 대체로 평행하게 뻗어 있다.

미세 섬유 제조 장치는 하나 이상의 방사 전극(40)과 수집 전극(42)을 포함하는 제1 및 제2 전극 사이에 정전기장이 발생되며, 방사 전극(40)은 한편으로는 미세 섬유가 형성되고, 수집 전극(42)에는 미세 섬유가 정전기장에 의해 제공되는 힘을 받아 견인된다. 도시한 바와 같이, 매체 시트(18)는 미세 섬유가 대체로 수집 전극(42)에 부착되지 않고 필터 매체 시트(18)에 부착되는 방식으로 통상 방사 전극(40)과 수집 전극(42) 사이로 진행한다. 수집 전극(42)은 쓰레드가 수집되는 위치를 최대화하기 위한 실질적인 표면적의 천공된 전도성 판이다. 시설 외부와 같은 외부 위치로 증발 용매를 배출하는 송풍기-구동형 통풍 후드 시스템(48)을 통한 증발 용매의 진공 흡입을 촉진하도록, 많은 소공(46)이 천공된 판에 형성되어 있다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 통풍 후드 시스템(48)과 마찬가지로, 수집 전극(42)은 적어도 매체의 폭과 방사 전극(40)의 길이 폭에 걸쳐 집합적으로 형성된다. 필터 매체 기재층은 중력 반대 방향의 흡입 압력을 받아 수집 전극(42)에 접촉하여 진행하며 이에 지지된다. 바람직하게는, 이 지지 배치체는 도시한 바와 같이 평탄하고 평면이다.

정전기장을 발생시키기 위해, 고전압원이 제공되고, 이 고전압원은 높은 전압차를 전극(40, 42) 사이에 발생시키기 위한 전극(40, 42) 중의 적어도 하나에 연결되며, 전압차는 비록 다른 전압 범위가 가능하지만 대체로 10,000 내지 150,000 볼트 이상(더 바람직하게는 필터 매체용 미세 섬유의 제조를 위한 75,000 내지 120,000 볼트)이다. 통상, 수집 전극(42)은 단순히 접지되지만, 전원 발생원은 방사 전극이 접지에 비해 높은 전위를 가질 필요가 없도록 접지 전극에 접지 이외에 전위를 제공할 수 있다. 각각의 경우에, 정전기장을 통해 폴리머 용액으로부터 미세 섬유의 방사를 발생하기 위한 제1 및 제2 전극 사이의 전압차를 발생시키도록 전압원이 배치된다.

일 실시예에서, 장치는 단일의 방사 전극(40)을 포함한다. 예컨대 도 7의 단일 전극을 사용하여 장치를 구성할 수 있다. 다른 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 방사 전극(40)을 입구 구역(32)과 출구 구역 사이에 제공할 수 있다. 개개의 미세 섬유 제조 셀(50) 내에 하나 이상의 방사 전극이 일체로 조립될 수 있다. 예컨대, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 다수의 미세 섬유 제조 셀(50)을 입구 구역과 출구 구역 사이에 배치할 수 있다. 각각의 미세 섬유 제조 셀(50)은 전선(52)을 통해 고전압 공급 장치(44)에 결합되고, 각각의 셀은 수집 전극(42)에 대해 동일한 전기 전위 및 전압차를 갖는다.

도 7을 참조하여 개개의 제조 셀(50)을 더 상세히 살펴보면, 각각의 셀(50)은 플라스틱 벽으로 된 상자와 같은 용기 구조의 형태를 가질 수 있는 디핑 베이슨(54)을 포함한다. 디핑 베이슨(54)의 각각의 벽(56)은 고전압 공급 장치(46)로부터 베이슨(54) 안으로 통전되는 전위의 의도치 않은 방전을 방지하도록 플라스틱 등의 절연재료(채용되도록 예정된 용매에 용해된다고 파악되지 않은 플라스틱 또는 다른 절연재료)로 구성된다. 디핑 베이슨(54)은 미세 섬유의 전기 방사에 적절한 용매와 적절한 폴리머를 포함하는 폴리머 용액(58)을 수용한다.

금속 전기 단자(60)가 플라스틱 벽(56) 중의 하나에 장착되어, 벽(56) 중의 하나를 통해 연장되고 전선(52)에 의해 고전압 공급 장치(44)에 연결된다. 단자(60)는 폴리머 용액(58)과 연결됨으로써, 방사 전극(40)으로의 전위의 통전을 위해 용액을 하전한다.

또한, 폴리머 용액의 주기적인 보충을 제공하기 위해, 통상 일방향 체크 밸브를 포함하는 신속 연결 커플링(62)과 같은 유체 커플링이 벽(56) 중의 하나 안에 또 이를 통해 연결됨으로써, 폴리머 용액을 더 추가하여 주기적으로 보충할 수 있다. 이는 더 많은 폴리머 용액을 베이슨에 주기적으로 보충하고, 유체 계량 유닛(64)과 저장기(66)를 포함하는 유체 보충 시스템에 체결될 수 있다. 각각의 셀 내의 용액을 각각 제어하도록 (각각의 셀에 하나씩 지정된) 제어 밸브들 또는 개개의 계량 유닛들이 제공될 수 있다.

도시된 바와 같이, 방사 전극(40)은 스트랜드(가닥) 형태일 수 있고, 실시예에 도시된 바와 같이, 순환 체인(70) 형태의 순환 스트랜드일 수 있다. 순환 체인(70)은 폴리머 용액(58)에 의해 그리고 이를 통해 제공되는 전기 통전에 의해 고전압 공급 장치(44)와 전기를 통하고 전기 회로를 형성하도록 금속 또는 다른 전도성 재료로 구성되면 좋다. 순환 체인(70)은 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이 복수의 개별적인 불연속 세그먼트(72)를 포함하면 좋다. 각각의 불연속 세그먼트는 갭(74)과 간격 세그먼트(76)에 의해 다른 인접 세그먼트에 연결 및 분리된다. 본 실시예에서, 이들 세그먼트(72)는 개개의 비드가 대체로 둥근 공(78) 형태를 갖는 비드 체인을 형성하는 비드들이다. 예컨대, 방사 전극을 위해 스테인리스강 금속 비드형 체인을 제공할 수 있다.

순환 체인(70)은 2개의 가이드 둘레로 순환 경로(80)를 따라 장착되며, 이들 가이드는 디핑 베이슨(54)의 양단에 이격된 이동 가능한 가이드 휠(82) 형태를 할 수 있다. 이들 가이드 휠(82)은 도시된 바와 같이 도르래 형태의 구조일 수 있고, 금속, 플라스틱 또는 다른 적절한 재료일 수 있다. 가이드 휠(82)은 플라스틱 재료 축들과 같은 복수의 절연 축(84)에 회전 장착되어 디핑 베이슨(54) 내부의 전위를 절연한다. 이들 축(84)은 디핑 베이슨(54)의 벽에 대해 회전 가능하다. 순환 체인(70)은 폴리머 용액(58)의 외부로 노출된 선형 방사 경로(86)를 포함하도록 가이드 휠(82) 둘레로 운반된다. 방사 경로(86)는 수집 전극(42)을 향해 가장 가까이 있다. 순환 체인(70)은 선형 귀환 경로(88)도 역시 갖는데. 이 경로는 체인을 침지하고 폴리머 용액을 통과시킴으로써 순환 체인의 세그먼트를 주기적으로 재생할 목적으로 디핑 베이슨(54)과 폴리머 용액(58)을 통과한다. 한편, 체인의 일부는 용액으로 재생되고 있고 일부는 전기 방사에 노출된다.

순환 체인(70)을 가이드 휠(82) 둘레로 순환 경로(80)를 따라 구동하기 위해, 출력 샤프트(92)에 회전 출력을 갖는 회전 모터(90)를 포함하는 적절한 구동 유닛이 제공된다. 이어서 출력은 기어 장치를 통해 전동 샤프트(94)로 전달되어, 체인-스프로켓 기구(96)를 통해 복수의 전기 격리 구동 장치(98)로 전달된다. 이들 구동 장치(98)는 분리되었지만 인접 배치된 복수의 하우징(100)(도 6 참조)을 포함하며, 이들 하우징(100)은 복수의 영구 자석(102)을 수용한다. 이들 영구 자석은 작동되어 하나의 하우징(100)이 회전하면 2개의 하우징 사이에 산재된 상태인 영구 자석(102)과 그에 따라 발생되는 척력 또는 인력에 의해 다른 하우징(100)이 회전하게 되도록, 도시된 바와 같이 오프셋 배치체(서로 개재된 자석들)로 구성된다. 구동 하우징(100) 중의 하나는, 가이드 휠이 순환 체인(70)을 순환 경로(80) 둘레로 구동하는 구동 휠 겸용도 되도록, 각각의 디핑 베이슨 셀을 위한 가이드 휠(86) 중의 적어도 하나에 장착된다. 물론, 순환 체인(70)을 순환 경로(80) 둘레로 구동하도록 다른 적절한 구동 유닛이 제공될 수 있다.

도 1, 2, 및 7에 알 수 있는 바와 같이, 순환 체인(70)의 선형 방사 경로(86) 부분은 제1 방향(30)에 대해 바람직하게는 횡단 방향인(수직이거나, 대각선 또는 사선을 따라 십자형으로 놓인) 제2 방향(104)을 따른 이동을 위해 제1 방향에 대해 횡단 방향으로 연장된다. 그 결과, 매체의 시트가 입구 구역(32)으로부터 출구 구역(34)으로 제1 방향(30)으로 이동할 때, 순환 체인(70)의 개개의 세그먼트(72)는 대향 측면(36) 사이의 기재 시트와 교차하여 제2 방향(104)으로 이동한다.

또한, 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 개개의 세그먼트(72)가 일단으로부터 타단으로 전체 선형 방사 경로(86)와 교차하여 이동할 때, 수집 전극(42) 및/또는 매체 시트(18)로부터 세그먼트(72)까지가 일정한 간격 거리(106)일 수 있다. 그와 같은 일정한 타깃 거리는 미세 섬유 제조에 실질적으로 영향을 주지 않는 순환 체인 내의 처짐에 따라 작은 변형을 포함할 수 있다. 그 결과, 방사 타깃 간격 거리(106)는 엄격하게 제어될 수 있고, 드럼 용례를 회전하는 경우에서와 같이 넓게 변형되지 않는다. 선형 방사 경로(86)를 따라 바람직하지 않은 순환 체인의 처짐이 있는 정도에서는, 순환 체인 표면에 폴리머 코팅을 주기적으로 재생하기도 할 수 있는 경로를 따라 중간 가이드 지지체(도시 생략)가 제공될 수 있다. 그와 같은 추가의 중간 지지 장치는 훨씬 더 긴 폭에 걸친 전기 방사가 요망되는 경우에 제공될 수 있다. 중간 재생은 폴리머 용액을 니들로부터 체인 상으로 그리고/또는 전사 휠을 통해 펌핑하는 것에 의해 달성될 수 있으며, 전사 휠은 용액을 받아 순환 체인 표면으로 전달한다. 어떠한 경우라도, 선형 방사 경로를 따라 순환 체인의 처짐이 있는 정도는, 문언상으로는, 본 발명과 첨부된 청구범위의 취지 및 문맥 내에서 일정한 간격 거리(106)를 포함하는 것으로 간주되며, 방사 경로(86)를 따른 이동은 본 발명과 첨부된 청구범위의 취지 및 문맥 내에서 선형인 것으로 문언상으로 간주된다.

이상으로 명확한 바와 같이, 순환 체인(70)의 선형 방사 경로(86)와 이동 방향은 수집 매체 시트(18)의 이동 방향(30)에 대해 횡단 방향이다. 바람직하게는, 도시된 바와 같이, 이 횡단 방향 배치체는, 90° 이외의 각도를 포함하는 다른 횡단 방향 배치체를 사용할 수 있지만, 바람직하게는 직각 상태이다. 따라서, 본원의 문맥상, 횡단 방향은 직각 상태를 포함하지만 이로 한정되는 것은 아니며, 더 넓은 의미를 갖는다. 또, 전기 방사 발생용 스트랜드가 대체로 수집 매체 시트(18)의 양 측면(36) 사이의 방향으로 대체로 십자형으로 이동하는 것 또한 포함하는 의미이다.

작동 모드 실시예에 따르면, 작동 중에, 필터 매체 수집 시트(18)는 제1 방향을 따라 연속해서 진행하고 순환 체인(70)은 순환 경로(80) 둘레로 연속해서 이동한다. 하지만, 다양한 목적에서 요망된다면 각각의 단속적인 작동도 가능하다.

작동 중에, 도 7과 8에 도시된 것과 같이, 선형 방사 경로(86)를 따른 순환 체인(70)은 다수의 방사 위치(108)를 포함한다. 이들 방사 위치는 하나 이상의 열의 배열로 선형 정렬되는데, 도시된 것은 2개의 열이다. 방사 위치들은 복수의 갭(74)에 의해 이격되어 있으며, 본 실시예에서, 이들 갭(74)은 방사 위치(108)가 선형 방사 경로(86)를 따라 동일하게 이격되도록 동일한 간격을 갖는다. 그 이유는 둥근 공(78)이 미세 섬유(110)의 형성을 위한 통상 2개의 방사 위치를 형성하는 구성이기 때문이다. 도시한 바와 같이, 방사 위치(108)는 둥근 공(78)의 반대 측면에 있고, 전기적 척력 때문에 (즉, 하전된 방사 스레드는 서로 반발하므로) 선형 방사 경로(86)에 대해 직각인 측방향 축선(112)을 따라 이격되어 있다. 따라서, 개개의 세그먼트(72)의 만곡된 상태는 방사 위치들 사이에 요망되는 간격을 형성하고 개개의 세그먼트 당 다수의 방사 위치를 제공함으로써, 더 미세한 섬유를 제조하고 균일성 목적을 위해 미세 섬유의 제조를 제어하는데 유리하다. 하지만, 방사 위치 또는 세그먼트 형태 이외의 스트랜드의 제조를 위해 날카로운 가장자리를 제공하는 등의 다른 구성도 가능하다.

물을 용매로 사용하는 수용성 폴리머의 경우, 장치는 덮이지 않은 개방 상태로 사용될 수 있다. 하지만, 개시된 실시예는 다른 개방단(118)을 실질적으로 덮도록 배치된 중앙 커버(116)를 제공하는 것에 의해 종래의 디핑 시스템에 비해 현저한 장점을 제공하는, 의미 있고 바람직한 선택적인 특징을 갖는다. 이와 같은 배치에 의해, 디핑 베이슨 내부에 수용되고 커버에 의해 그 안에 실질적으로 봉입된 제1 부분과 노출되어 미세 섬유를 형성할 수 있는 제2 부분을 포함하는 순환 체인 전극이 커버 둘레로 구동되는 것을 알 수 있다. 커버(116) 도시된 바와 같이 방사 전극의 서로 다른 부분들 사이에 개재될 수 있고, 전극의 디핑을 실질적으로 포위할 수 있다. 커버(116)는 이격된 가이드 휠(82) 사이로 실질적으로 연장되며, 본 실시예에서는, 가이드 휠을 수용하고 순환 체인(70)이 통과할 수 있는 개구를 제공하는 복수의 가이드 휠 슬롯(120)을 포함할 수 있다. 셀(50) 당 2개의 순환 체인(70)을 포함하며 단지 2개의 가이드 휠(82)이 각각의 순환 체인(70)에 제공된 본 실시예의 경우, 합계 4개의 슬롯(120)이 제공될 수 있다. 다른 지지 장치가 요망되거나 필요한 경우 추가의 슬롯이 제공될 수 있다. 커버(116)는 폴리머 용액이 휘발성 용매와 물 이외의 용매 중의 하나 이상을 포함할 때 특히 유리하다. 예컨대, 일정한 용매 재료들은 물보다 빨리 증발됨으로써 바람직한 폴리머 대 용액 비를 유지하기 어렵게 한다. 한편, 커버(116)는 외부에 노출된 용매의 양을 최소화함으로써 용매 손실을 최소화한다. 이는 또한 재료 절감과 환경의 관점에서 더욱 유리하다.

예컨대, 도 1 내지 8의 개시에 따른 덮인 비드 모양의 순환 체인 실시예를 개방 구성을 갖는 상업적으로 입수 가능한 장치, 즉, El-Marco NANOSPIDER model NS-8A 1450 장치(El-Marco, s.r.o., Liberec, Czech-Republic)와 비교하였을 때, 16 시간의 시험 기간 동안 현저한 용매 절감이 나타났다. 특히, 1/3 포름산과 2/3 아세트산 용매를 사용하여 나일론 6과 같은 12% 폴리머 용액(폴리머 대 용액 비)으로부터 폴리머 미세 섬유를 방사하기 위해서, El-Marco 장치의 개방된 디핑 베이슨 내에서 국부적으로 폴리머 용액을 보충하는 것은 증발된 용매 손실에 따른 디핑 베이슨 내의 12% 용액을 유지하도록 다량의 희석된 폴리머 용액으로 디핑 베이슨을 보충해야 했다. 구체적으로, El-Marco 장치는 용매가 풍부한 보충 용액인 2% 용액을 필요로 하였다. 반면에, 실시예는 용매 증발이 더 적기에, 폴리머가 더 풍부한 용액인 7% 보충 용액으로 12% 폴리머 용액을 유지할 수 있었다. 이 비교에 있어서, 장치의 모든 파라미터가 동일하지는 않다. (예컨대, 다음과 같은 차이가 있다. 전극들은 서로 다르게 구성되고 서로 다르게 구동되며, 수집 매체 유량은 상이하고, 디핑 베이슨 통 크기는, 드럼 형태의 전극의 회전을 수용할 필요가 없으므로 수집 매체의 이동 방향으로 더 얇을 수 있다는 점을 고려할 때, 본 발명의 실시예에서 더 작다.)

그렇지만, 증발의 고려는 대체로 가용 표면적(과 예컨대 전극의 디핑부의 입구 및 출구 구역 주변의 표면 교란 및 기류)에 관계되고, 용매 절감은 본원에 개시된 베이슨과 전극 덮개 기술에 주로 기인한다. 예컨대, 도 1 내지 8의 실시예는 폴리머 용액의 표면을 실질적으로 덮고, 또한 전극 디핑 입구 및 출구 위치(교란 영역)도 실질적으로 덮는다. 그와 같이, 다른 파라미터가 증발 손실에 큰 영향을 주는 것으로 보이지 않는다. 교란 장치에서, 용매 증발 절감은 60% 이상일 수 있다고 계산되었다. 이러한 장점의 디핑 중에 전극을 덮는 것과 폴리머 용액을 실질적으로 둘러싸는 것에 상당히 기인한다고 생각된다. 그와 같이 해서, 용매 손실을 적어도 25%, 바람직하게는, 적어도 50% 줄이도록 충분히 바람직스러운 차폐가 제공된다.

일 실시예의 실행에 있어서, 커버(116)는 스크루나 다른 것에 의해 디핑 베이슨(54)의 벽에 견고히 체결될 수 있다. 커버의 구성과 부착은 전극 구성에 의존할 수 있다. 다른 배치체 또는 다른 형태의 전극 방사 시스템도 가능하다. 바람직하게는, 커버는 개방된 전극 방사 장치에 비해 폴리머 용액의 용매의 증발을 적어도 25%, 더 바람직하게는, 적어도 50% 감소시킨다. 예컨대, 전술한 예에서는 용매의 대략 2/3가 절감된 것으로 증명된다.

또한, 설명한 실시예는 셀(50)의 양단의 단부 커버(122)를 포함하고, 이들 단부 커버는 벽 연장부(124)에 장착된다. 벽 연장부는, 단부 커버(122)가 순환 체인(70)의 양단 위쪽에 위치하고 가이드 휠(82)의 위에 배치되도록, 커버(116) 위로 연장된다. 단부 커버(122)는 용매 증발을 감소시키는 역할과 미세 섬유 제조의 폭(스팬)을 한정하는 보호판 역할을 한다. 도시된 바와 같이, 대향된 단부 커버의 내부 가장자리 사이의 단부 커버 폭(126)은 대략 동일하고, 대향 측면(36) 사이에 형성된 대응하는 매체 시트(18)의 폭보다 아주 조금 더 크면 좋다. 단부 커버(122)는 미세 섬유 제조 장치(10)를 통과할 수 있는 상이한 폭의 수집 매체 시트(18)를 수용하도록 폭(126)을 조절할 수 있도록 조절 가능하면서 다른 더 긴 단부 커버와 호환 가능하거나, 어느 하나만 가능할 수 있다.

도 9로 돌아가면, 제1 실시예에 비해 많은 점에서 유사한 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 섬유 제조 장치(140)가 도시된다. 예컨대, 본 실시예는 폴리머 용액으로 적셔지고 수집 매체에 대해 일정한 간격의 방사 위치를 유지할 수 있는 스트랜드를 채용하는 것이 유사하다. 또한, 이 실시예는 방사 전극을 제공하도록 순환 경로 둘레로 구동되는 순환 스트랜드를 더 포함한다. 그와 같이, 몇몇의 더 두드러진 차이에 대해 상술할 것이다.

본 실시예에서, 미세 섬유 제조 장치는 다수의 가이드 휠(144) 둘레의 순환 경로를 따라 구동되는 S자형 순환 벨트(142)를 포함한다. S자형 벨트(142)는 전도성 재료로 구성되면 좋고, 도시된 바와 같이, 방사 전극을 제공하도록 연속된 순환 금속 밴드 형태를 할 수 있다. S자형 벨트(142)는 인접한 가이드 휠(144) 사이에 각기 다수의 방사 위치를 제공하는 몇 개의 선형 세그먼트(146)를 포함한다. 일반적으로, 수집 전극에 가장 인접하여 배치되는 가장자리(148)가 이들 방사 위치를 제공한다. 이 가장자리(148)는 다수의 불연속의 동일한 간격을 갖는 날카로운 가장자리(도시 생략)를 제공하도록 톱니 형태이면서 가장자리(148)를 따라 국부적인 폴리머 용액용 액체 저장기를 제공하도록 포켓 등의 형태이거나, 어느 하나만의 형태일 수 있다. 바람직하게는, 가이드 휠은 일정한 간격이 요망된다면 가장자리가 이 일정한 간격으로 유지되어 일정한 간격 거리(106)를 유지할 수 있도록, 구멍(152)과 맞물리는 나사나 다른 위치 설정 구조 및 벨트(142) 상의 다른 유사한 위치 설정 구조를 포함한다.

S자형 벨트(142)는 정전기장을 발생시켜 방사 전극의 역할을 하도록 전압원을 필요로 한다. 벨트(142)를 따라 폴리머 용액을 제공하기 위해, 본 실시예는 하나 이상의 니들(154)을 포함하는 습윤 공급 시스템을 포함하며, 니들(154)은 S자형 벨트(142)의 가장자리(148)에 인접하여 이격된 제어 오리피스(155)를 갖는다. 또한, 니들은 유체 라인을 따라 가압된 폴리머 용액 공급원에 연결되고, 이 폴리머 용액 공급원은 폴리머 용액을 저장기(158)로부터 전달하는 펌프(156)에 의해 제공된다. 따라서, 스트랜드 형성은 반드시 디핑을 필요로 하지 않으며, 본 실시예에 따른 다른 수단에 의해 선택적으로 습윤 처리될 수 있다. 또한, 본 실시예는 전극을 디핑 베이슨 내에서 디핑할 능력 또한 제공한다. 예컨대, S자형 벨트의 일부는 S자형 벨트의 가요성 특성 때문에 수평에 대향되어 수직으로 진행하도록 배치될 수 있다. 이와 달리, 우측 부분은 폴리머 용액이 담긴 디핑 용기에 디핑될 수 있고, 수집 매체는 수평에 대향되어 수직으로 진행하도록 배치될 수 있다.

도 10에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 섬유 제조 장치는 도 9의 선행 실시예와 매우 유사하다. 따라서, 일부만을 설명한다. 마찬가지로, 본 실시예는 니들 제어 오리피스, 펌프, 및 폴리머 용액 저장기를 포함하는 폴리머 공급 시스템을 채용할 수 있다. 본 실시예는 순환 스트랜드를 더 포함하며, 본 실시예에서 순환 스트랜드는 2개의 풀리(164) 둘레로 구동되는 더 단순한 금속 밴드(162)의 형태를 하고 있다. 섬유는 수집 매체(도시 생략)에 가장 인접하여 배치되도록 의도된 가장자리(166)로부터 형성될 수 있다. 또한 본 실시예는 밴드(162)의 양쪽 선형 세그먼트(168)가 섬유 제조를 위해 배치되고 폴리머 용액에 디핑되지 않을 수 있다는 것을 제외하면 제1 실시예와 매우 유사하다. 각각의 세그먼트(168)가 반드시 일정한 거리로 유지되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 수집 전극에 대해 상이한 거리로 배치된 상이한 섬유 형성용 방사 전극 스트랜드를 갖도록 상이한 특성의 상이한 섬유를 발생시키는 것이 유익할 수 있다. 본 실시예에서, 풀리(164)는 수집 매체에 대해 가장지리(166)의 위치 설정을 유지하는 다른 위치 설정 구조인 도르래 형태를 할 수 있다.

본원에 인용된 공보, 특허출원서, 및 특허를 포함한 모든 참조문헌은 각각의 참조문헌이 참조로서 포함되는 것으로 개별적이고도 구체적으로 특정되고 그 전체가 본원에 기재되는 것과 마찬가지로 본원에 참조로서 포함된다.

본 발명을 기술하는 문맥(특히 첨부된 특허청구범위)에 사용된 "하나" 및 "전술한(상기)" 등의 용어는 본원에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 단수 및 복수 형태를 모두 포함하는 것으로 해석해야 한다. "구비," "가짐," "포함" 및 "함유"라는 용어는 달리 언급하지 않는 한 "제한 없는 용어(open ended term)," 즉, (해당 내용을) 포함하지만 그에 한정되지 않는 용어로 해석해야 한다. 본원에서 여러 값들의 범위들을 기재하는 것은 그 범위에 속하는 각각의 값을 개별적으로 참조하는 축약방법일 뿐이며, 각각의 값은 본원에 개별적으로 개재되는 것과 마찬가지로 본원에 포함된다. 본원에 기재한 모든 방법들은 본원에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의 또는 모든 예 또는 바람직한 용어(예를 들면 "등" 또는 "~와 같은")의 사용은 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것일 뿐이며 달리 특허청구범위에 정의되지 않는 한 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 어떠한 용어라도, 특허청구범위에 정의되지 않은 것을 본 발명의 실시에 필수적인 요소로 나타내는 것은 없다.

본 발명의 실시를 위해 발명자가 인지하는 최선 모드를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자(당업자)는 전술한 상세한 설명으로부터 바람직한 실시예를 변형할 수 있을 것이다. 발명자는 당업자가 그와 같은 변형물을 적절하게 채용할 것을 예상하며, 본 발명은 본원에 특정된 것과 달리 실행되도록 의도되었다. 따라서, 본 발명은 적용 가능한 법이 허용하는 한 첨부한 특허청구범위에 정의된 주제의 모든 수정물과 등가물을 포함한다. 또한, 전술한 요소들의 모든 조합의 가능한 모든 변형물은 본원에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 본 발명에 포함된다.

Claims (25)

1. 수집 매체 표면에 미세 섬유를 제조하기 위한 장치에 있어서,
   제1 전극;
   상기 제1 전극으로부터 이격되고, 2 이상의 가이드로 운반되는 스트랜드를 포함하는 제2 전극;
   상기 수집 매체가 상기 제2 전극으로부터 이격된 상태로 입구 구역으로부터 제1 경로를 따라 출구 구역으로 구동되도록, 상기 제1 경로를 따라 이격된 상기 입구 구역과 상기 출구 구역;
   상기 제1 경로에 횡단 방향인 제2 경로를 따라 이동하도록, 상기 2 이상의 가이드를 따라 스트랜드를 구동하는 구동 유닛; 및
   미세 섬유의 방사를 발생시키도록 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전압차를 발생시키는 전압원;을 포함하되,
   상기 스트랜드는 순환 경로 둘레로 구동되는 순환 스트랜드이고, 상기 제2 경로는 상기 순환 경로의 일부이고, 상기 순환 경로는 상기 제2 경로로부터 이격된 귀환 경로를 더 포함하며, 상기 순환 스트랜드는 상기 제2 경로보다 상기 귀환 경로를 따라 상기 제1 전극으로부터 더 먼 것인, 미세 섬유 제조 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 폴리머 용액을 담는 디핑 베이슨을 더 포함하며, 상기 귀환 경로 둘레의 상기 순환 스트랜드는 상기 폴리머 용액 안으로 디핑되도록 상기 디핑 베이슨을 통과함으로써 폴리머 용액으로 코팅되는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 순환 스트랜드는 폭을 두고 이격된 복수의 불연속 세그먼트의 순환 체인이고, 각각의 세그먼트는 하나 이상의 불연속 방사 위치를 제공하며, 폴리머 미세 섬유는 작동 중에 전기 방사되는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
5. 제4항에 있어서, 각각의 상기 세그먼트는 대체로 둥근 공인 것인, 미세 섬유 제조 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 가이드는 상기 제1 경로에 대체로 평행한 축을 중심으로 회전 가능한 한 쌍의 이격된 휠을 포함하는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 스트랜드는 순환 경로를 따라 이동하도록 3개 이상의 가이드로 운반되는 S자형 순환 벨트이며, 상기 S자형 순환 벨트는 상기 제1 경로에 대해 횡단 방향으로 진행하는 복수의 대체로 선형의 폭을 포함하는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각 상기 입구 구역과 상기 출구 구역에 인접 배치된 언와인딩 기구와 리와인딩 기구, 그리고 상기 언와인딩 기구와 상기 리와인딩 기구 상의 여과 매체의 롤들을 더 포함하며, 상기 롤들은 상기 수집 매체에 의해 연결됨으로써, 작동 중에 필터 매체가 상기 언와인딩 기구로부터 풀려, 상기 입구 구역으로부터 상기 출구 구역으로 상기 제1 방향을 따라 진행하여, 상기 리와인딩 기구에 되감기는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
9. 제1항, 제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 전극은 상기 수집 매체를 지지하기 위한 평탄한 지지면을 갖고,
   상기 제2 전극은 상기 평탄한 지지면에 인접한 선형 세그먼트를 갖고;
   상기 선형 세그먼트는 상기 구동 유닛에 의해 구동되면, 상기 평탄한 지지면으로부터 일정한 간격을 유지하는 것인, 미세 섬유 제조 장치.
10. 제1항, 제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 기재된 장치; 및
    제1 경로에 대체로 평행한 대향된 측면 가장자리를 갖는 기재 시트를 미세 섬유 형성 기구의 입구 구역을 통해 출구 구역으로 상기 제1 경로를 따라 공급하는 기재의 롤;
    을 포함하며,
    미세 섬유가 기재 상에 부착되는 것인, 필터 매체 제조 시스템.
11. 제8항에 기재된 장치; 및
    제1 경로에 대체로 평행한 대향된 측면 가장자리를 갖는 기재 시트를 미세 섬유 형성 기구의 입구 구역을 통해 출구 구역으로 상기 제1 경로를 따라 공급하는 기재의 롤;
    을 포함하며,
    미세 섬유가 기재 상에 부착되는 것인, 필터 매체 제조 시스템.
12. 제9항에 기재된 장치; 및
    제1 경로에 대체로 평행한 대향된 측면 가장자리를 갖는 기재 시트를 미세 섬유 형성 기구의 입구 구역을 통해 출구 구역으로 상기 제1 경로를 따라 공급하는 기재의 롤;
    을 포함하며,
    미세 섬유가 기재 상에 부착되는 것인, 필터 매체 제조 시스템.
13. 미세 섬유 형성 방법으로서,
    전극을 코팅하는 폴리머 용액으로부터 선형 배열로 배치된 복수의 방사 위치에서 상기 전극으로부터 미세 섬유를 전기 방사하고,
    수집 매체로부터 이격된 상태의 방사 위치들과 수집 매체 사이의 상대적인 선형 이동을 촉진하고,
    수집 매체에 미세 섬유를 부착시키고,
    방사 위치들과 수집 매체 사이에 일정한 간격을 유지하며,
    각각의 방사 위치를 폴리머 용액 코팅으로 주기적으로 재생시키되,
    상기 선형 배열은 다수의 방사 위치 열을 포함하며,
    상기 미세 섬유 형성 방법은,
    하나 이상의 제1 열의 방사 위치를 제1 방향으로 이동시키고,
    하나 이상의 제2 열의 방하 위치를 제2 방향으로 이동시키는 것인, 미세 섬유 형성 방법.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 상기 주기적인 재생은,
    방사 위치들을 폴리머 용액 안으로 디핑시키고,
    상기 디핑 중에 수집 매체를 평탄한 지지체 위로 진행시키는 것인, 미세 섬유 형성 방법.
16. 제13항 또는 제15항에 있어서, 전극은 순환 스트랜드를 포함하고, 스트랜드는 폭을 두고 이격된 복수의 불연속 세그먼트를 갖고,
    상기 미세 섬유 형성 방법은,
    순환 스트랜드를 2 이상의 풀리로 운반하고,
    순환 스트랜드를 2 이상의 풀리 둘레로 순환 경로를 따라 진행시키고,
    순환 스트랜드가 제2 경로를 따라 진행할 때 방사 위치가 제1 경로에 대해 측방향으로 매체와 교차하여 이동하여, 통상 각각의 불연속 세그먼트로부터 미세 섬유를 방사하여 노출되어 수집 매체를 향한 순환 스트랜드의 제1 부분으로부터 미세 섬유를 형성하며,
    순환 스트랜드의 제2 부분을 폴리머 용액 안에 디핑하는 것인, 미세 섬유 형성 방법.
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
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21. 삭제
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