KR20110077891A - 전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치 - Google Patents

전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 노즐의 외측에 설치되고, 각 단의 항온챔버의 온도가 일정한 온도구배를 갖도록 조절될 수 있는 온도제어용 매질이 이동하는 다단 항온챔버를 구비하여, 방사재료의 물성저하를 방지하여 방사되는 극세섬유의 품질을 향상시킬 수 있는 전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.
전기방사, 노즐블록, 다단 항온챔버, 매질유입구, 매질공급부, 매질배출구

Description

전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치{NOZZLE BLOCK FOR ELECTROSPINING AND ELECTROSPINNING DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노즐의 외주연에 일정 온도의 온도제어용 매질이 이동하는 다단 항온챔버를 구비하여 방사재료의 상태를 일정하게 유지시켜 방사되는 극세섬유의 품질을 향상시킬 수 있는 전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다.
전기방사(Electrospinning)는 방사재료를 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 전극의 하나의 전극은 방사노즐부에, 다른 하나의 전극은 컬렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 방사 재료를 방사노즐부를 거쳐 공기 중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 극세화된다.
전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
전기방사를 위한 전기방사장치는 통상적으로 액상의 방사재료를 보관하는 방사액 주탱크, 방사액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐팩, 상기 노즐팩과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 고전압을 발생시키는 고전압발생장치들로 구성된다.
이러한 전기방사장치를 이용하여 나노 섬유를 제조하는 경우, 나노 섬유의 특성을 결정하는 요인으로는 방사액의 점도, 유전특성, 표면장력 등의 물질 특성과, 노즐과 컬렉터 사이의 거리, 노즐과 컬렉터 사이의 전압, 전기장 전하밀도, 노즐 내에서의 정전기적 압력, 고분자 용액의 주입속도와 같은 제어변수 등을 들 수 있다.
상기의 여러 요인 중 특히 전기방사 중 방사재료의 물성을 일정하게 하여야만 방사되는 극세섬유의 품질을 향상시킬 수 있는데, 종래의 전기방사장치에서는 용융된 방사재료가 노즐팩으로 공급되어 이동될 때 온도가 일정하게 유지되지 않기 때문에 방사재료의 물성이 변화되어 양질의 나노섬유를 얻을 수가 없었다. 또한, 방사재료가 고화되어 방사노즐의 방사공이 막히는 경우가 발생하여 작업성이 저하되고 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
상기 문제를 극복하기 위해 방사노즐 주위의 온도를 일정하게 유지한다고 하더라도 장시간 방사시 용융체의 열화현상 발생으로 인하여 물성의 저하가 초래되며, 용융체의 분해 등으로 인하여 비드가 발생하여 제품의 불량이 유발된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 절연노즐 주위에 각각 온도가 독립적으로 제어될 수 있는 다단의 유리챔버 또는 세라믹 챔버를 설치하여 온도구배를 줌으로써 용융체의 열화를 방지하여 물성향상 및 제품불량을 최소화하고 섬유의 직경 또한 더 가는 극세 섬유를 제조할 수 있는 전기방사용 노즐블럭을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방사 효율을 향상시킬 수 있고, 더욱 더 가는 섬유를 전기방사할 수 있는 전기방사장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
방사재료를 전기방사하는 노즐이 설치되어 있는 전기방사용 노즐블록에 있어서, 상기 노즐블록이 상기 노즐블록을 수용하고, 에어 또는 오일에 의해 노즐블록 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단으로 구획된 다단 항온챔버들을 구비하며, 상기 각단의 다단 항온챔버들의 온도는 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록에 관한 것이다.
상기 노즐블록은 상기 다단 항온챔버의 각 단의 항온챔버의 유입구로 온도제어용 매질을 공급하는 송풍기; 및 상기 송풍기와 상기 매질유입구들 사이에 설치되어 각 단의 항온챔버 내로 공급되는 온도제어용 매질을 가열하는 히팅부를 포함할 수 있다. 상기 전기방사용 노즐블록은 다단 항온챔버의 매질배출구들과 상기 송풍기 사이에 연결되어, 각 단의 항온챔버에서 배출된 온도제어용 매질을 상기 송풍기로 재순환시키는 바이패스관을 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,
방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부; 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기; 상기 압출기 선단에 연결된 노즐팩, 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐팩을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터; 상기 노즐팩과 컬렉터 사이에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치로서,
상기 노즐팩은 상기 노즐팩을 수용하고, 온도제어용 매질에 의해 노즐팩 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단으로 구획된 다단 항온챔버들을 구비하며, 상기 각단의 항온챔버들의 온도는 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 전기방사장 치에 관한 것이다.
본 발명의 전기방사용 노즐블록 및 이를 포함하는 전기방사장치에 의하면, 용융된 방사재료가 방사공을 통해 방사되기 직전까지 체류시간에 따른 용융체 분해를 방지하여, 지속적인 운전을 하여도 물성 저하 및 분해에 의한 기화현상으로 발생되는 토출량의 변화 등 방사조건의 불량을 최소화하여 균일한 품질의 극세섬유를 제조할 수 있다. 또한 전기방사장치의 장기운행시 방사재료의 고화로 인해서 방사공이 막히는 등의 장애를 극복하여 생산수율을 향상시킬 수 있다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예들에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일구현예의 전기방사용 노즐블록에서는 노즐블록 주위에 다단 항온챔버가 설치된다. 상기 다단 항온챔버는 유리 챔버 또는 세라믹 챔버로 구성되며, 일정 온도의 온도제어용 매질을 노즐블록 주위로 순환시켜 노즐블록 주위의 온도를 일정하게 유지하며, 상기 항온쳄버는 멀티챔버로 구성되어 2개 이상의 구획으로 분할되며, 각 구간의 온도는 방사재료의 체류시간을 감안하여 일정한 온도구배를 갖도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블록의 단면개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예의 전기방사용 노즐블록(10)은 노즐팩(100)을 수용하고, 에어 또는 오일과 같은 온도제어용 매질에 의해 노즐팩(100) 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단 항온챔버(300)를 포함한다. 상기 항온 챔버(300)는 2 개 이상의 항온챔버들이 연결되어 다단으로 구성된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 항온챔버(300)는 제 1 항온챔버(310), 제2 항온챔버(320) 및 제 3 항온챔버(330)를 포함할 수 있다. 각단의 항온챔버(310, 320, 330)에는 온도제어용 매질을 공급하고 회수하는 파이프 라인이 연결된다.
상기 다단 항온챔버(300)는 각 챔버(310, 320, 330) 내에 에어 또는 오일과 같은 온도제어용 매질을 공급하는 매질공급부(200); 상기 매질공급부(200)로부터의 온도제어용 매질이 상기 다단 항온챔버의 각각의 챔버 내로 주입되는 매질유입구(312, 322, 332); 온도제어용 매질이 유동하는 온도제어용 매질 유로(311, 321, 331); 및 상기 각각의 항온챔버의 상기 온도제어용 매질 유입구(312, 322, 332)로 공급되어 유로(311, 321, 331)를 따라 이동해 온 온도제어용 매질을 배출시키는 매질배출구(313, 323, 333)를 포함한다. 상기 유입구에는 유량을 조절할 수 있는 밸브들(미도시)이 설치될 수 있다.
상기 매질공급부(200)는 상기 다단 항온챔버의 각각의 매질유입구(312, 322, 332)로 온도제어용 매질을 공급하는 송풍기(223); 및 상기 송풍기(223)에 인접하여 다단 항온챔버(310, 320, 330) 내로 공급되는 온도제어용 매질을 가열하는 히팅부(227)를 포함할 수 있다.
상기 노즐팩(100)은 방사재료가 공급되는 압출기에 결합되어 전기방사하는 것으로, 압출기에 연결되는 전도성 재료로 구성된 압출기 연결부(150)와, 상기 압출기 연결부에 연결되는 노즐 본체(110); 및 상기 노즐 본체의 선단부에 결합되고, 방사재료가 방사되는 방사공을 포함하는 노즐부(120)를 포함한다.
상기 노즐 본체(110)는 그 안에 용융된 방사재료가 이동되는 이동로(130)가 형성되어 있으며, 상기 노즐 본체(110)를 구성하는 재질은 특별히 한정하지는 않으며, 본 발명이 속하는 분야에 공지된 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 노즐부(120)는 방사재료에 전기장을 형성하기 위하여 전압이 인가되기 때문에, 전도성이 우수한 강철재로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 노즐부(120)는 상기 이동로(130)를 통해서 전달된 방사재료를 전기방사하는 것으로, 방사재료가 토출되는 방사공(121)이 구비되어 있으며, 상기 방사공(121)의 내경은 방사되는 섬유의 재료, 방사하고자 하는 섬유의 직경 등을 감안하여 적의 선택될 수 있는 것으로, 예를 들어, 0.06 mm~0.5 mm로 형성할 수 있다.
상기 노즐부(120)에 인가되는 전압은 10~200kV 의 범위 내의 전압이 인가되는 것이 바람직하며, 인가된 전압은 노즐부(120) 내부의 방사재료를 하전시키고, 하전상태의 방사재료는 상기 방사공(121)을 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 방사된다.
상기 다단 항온챔버(300)는 상기 노즐팩(100)의 외측에 설치되는데, 도 2는 이러한 노즐팩 및 다단 항온챔버의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 사시도이 고, 도 2b는 일부절개사시단면도이이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 다단 항온챔버(300)는 상기 노즐팩(100)을 감싸는 형태로 형성되는데, 일정 온도의 온도제어용 매질이 매질유입구(312, 322, 332)로 공급되어 상기 노즐팩(100)의 외주연을 이동하도록 하는 유로(311, 321, 331)가 형성되어 있으며, 온도제어용 매질이 배출되는 매질배출구(313, 323, 333)가 구비되어 있다. 상기 다단 항온챔버의 각 단은 노즐블록 내에서의 방사재료의 체류 시간 등을 조절하여 개별적으로 온도가 제어되도록 구획된 2개 이상의 단으로 구성된다.
예를 들어, 상기 다단 항온챔버(300)는 상기 노즐부(120)를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 1 항온챔버(310), 상기 노즐 본체(110)를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 2 항온챔버(320); 및 상기 압출기 연결부(150)를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 3 항온챔버(330)를 구비한다.
상기 제 1 항온챔버의 온도(T1), 상기 제2 항온챔버의 온도(T2) 및 상기 제 3 항온챔버의 온도(T3)는 하기 수학식으로 표현되는 조건을 만족시키는 것이 좋다.
T1 = Tm + (40~50℃)
T2 = Tm + (10~20℃)
T3 = Tm + (5~10℃)
상기 다단 항온챔버(300)는 상기 노즐부(120)에 인가되는 전압이 전도되지 않도록 유리로 형성되는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 세라믹이나 테프론, 베이클라이트 등의 소재가 사용될 수 있다. 또한 상기 각각의 항온챔버(310, 320, 330)들은 단열재 재질의 격벽에 의하여 구획되어 안정적 온도유지가 가능하다.
상기 송풍기(223)는 상기 각 단의 항온챔버(310, 320, 330)에 온도제어용 매질을 공급하여 주는 것으로, 송풍기(223)의 형태는 특별히 제한하지 않으며, 축류형이나 반경류형 등 본 발명이 속하는 분야에 널리 알려진 임의의 구성이 채택될 수 있다.
상기 히팅부(227)는 송풍기와 다단 항온챔버의 매질유입구들(313, 323, 333) 사이에 설치되어, 상기 송풍기(223)에서 각 단의 항온챔버들(310, 320, 330)로 공급되는 온도제어용 매질을 소정의 온도로 가열한다.
한편, 상기 다단 항온챔버(300)에는 경우에 따라서 상기 각단의 항온챔버의 매질배출구들(313, 323, 333)과 상기 송풍기(223)의 흡기구(미도시)를 연결하는 바이패스관(240)이 구비될 수 있다.
상기 바이패스관(240)은 상기 매질배출구(313, 323, 333)로부터 배출되는 온도제어용 매질을 상기 송풍기(223)의 흡기구로 재순환시켜줌으로써, 온도제어용 매질의 열손실을 막아 적은 에너지만으로 다단 항온챔버 내에 일정 온도의 온도제어용 매질을 공급할 수 있게 한다.
상기 다단 항온챔버(300)의 유로(311, 321, 331)로 이동하는 일정 온도의 온도제어용 매질은 상기 노즐팩(100)의 이동로(130)에 공급된 방사재료의 온도를 일정하게 유지시켜 줄뿐만 아니라, 일정한 온도구배를 주어 방사재료가 열화되지 않 도록 하며, 때문에 방사재료는 물성의 변화없이 노즐부(120)의 방사공(121)을 통해 안정적으로 전기방사된다.
본 발명의 또 다른 양상은, 전기방사용 방사재료를 공급하기 위한 공급부, 상기 공급부로부터 이송된 방사재료를 방사하는 노즐팩을 포함하는 노즐블록, 상기 노즐블록으로부터 방사된 섬유를 집적하기 위한 컬렉터, 상기 노즐블록과 컬렉터 사이에 고압의 전압을 인가하기 위한 고전압발생기를 포함하는 전기방사장치에 있어서, 상기 노즐블록은 전술한 본 발명에 따른 전기방사용 노즐블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 다단의 항온챔버가 구비된 전기방사용 노즐팩을 포함하는 전기방사장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 방사장치는 방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부(1); 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기(2); 상기 압출기 선단에 연결된 노즐팩(10), 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐팩을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터(4); 상기 노즐팩과 컬렉터 사이에 고전압을 인가하는 고전압 발생기(5)를 포함하고, 상기 노즐팩(10)은 상기 노즐팩을 수용하고, 에어 또는 오일에 의해 노즐팩 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단으로 구획된 다단 항온챔버들을 구비하며, 상기 각단의 다단 항온챔버들의 온도는 온도 구배를 갖는다.
각 단의 항온챔버들은 각 단의 항온챔버 내에 온도제어용 매질을 공급하는 매질공급부; 상기 매질공급부로부터의 온도제어용 매질이 상기 항온챔버 내로 주입 되는 매질유입구; 온도제어용 매질이 유동하는 온도제어용 매질 유로; 및 상기 온도제어용 매질 유입구로 공급되어 유로를 따라 이동해 온 온도제어용 매질을 배출시키는 매질배출구를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전기방사장치에서 상기 방사재료 공급부(1)는 섬유 원료가 되는 방사재료가 공급되어 용매에 용해되거나 용융액으로 상변화되는 부분이다. 도시된 구현예에서, 방사재료 공급부(1)는 고분자칩을 용융하는 가열수단(미도시), 용융된 폴리머 용융액을 이송하는 이송수단(미도시)을 구비할 수 있다.
방사재료 공급부(1)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 대안으로, 압출기에 공급할 폴리머를 저장하는 방사재료 저장탱크, 저장된 폴리머를 시간당 일정한 양으로 방사구금에 공급해주는 조절장치인 정량펌프 및 공급관을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 고분자 재료는 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서 사용가능한 대표적인 고분자 재료의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용할 수도 있다. 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머의 물성 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.
상기 공급부(1)에서 이송된 방사재료를 섬유상으로 방사하는 노즐블록(10)은 상기 압출기(2)에 설치되며, 경우에 따라 단수 또는 다수개가 설치되는 구성이다.
여기서, 상기 노즐블록(10)은 방사재료가 방사되는 노즐팩 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단 항온챔버가 결합된다. 상기 다단 항온챔버에 일정 온도의 온도제어용 매질을 공급하는 송풍기 및 히팅부가 구비되어 상기 노즐팩의 온도를 유지시켜, 상기 노즐팩 내부에 공급된 방사재료의 물성이 유지되도록 한다.
온도가 유지된 방사재료는 노즐팩의 노즐부에 형성된 방사공을 통해 방사되는데, 이때 상기 노즐부에는 전압이 인가되어 방사되는 방사재료에 전기장을 형성한다. 한편, 상기 각각의 항온챔버로부터 배출된 온도제어용 매질은 바이패스관을 통해 상기 송풍기로 재순환된다.
상기 컬렉터(4)는 상기 노즐팩에 인가된 전압의 극성과 반대의 극성이 인가되거나 접지시켜 걸어주는 것으로, 상기 노즐부의 방사공을 통해 방사된 미세 필라멘트 형태의 고분자재료와 강력한 전기장을 형성하여 필라멘트가 나노급의 직경으로 방사되어 집적되도록 한다.
상기 컬렉터(4)는 전도성이 우수한 금속재가 사용되며, 이송롤러와 같은 이송수단으로 상기 노즐팩(10)에 대하여 연속적으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 컬렉터는 플레이트 형태 또는 드럼 형태가 될 수 있다. 나노 섬유를 연속적으로 생산하기 위해서는 컬렉터는 회전 가능한 드럼 형태인 것이 유리하다.
한편, 하전되어 방사된 필라멘트는 직물, 부직포, 종이 등과 같은 비금속성기재 위에 집적시킬 수도 있는데, 이 경우에는 상기 컬렉터의 전면에 기재를 위치시켜 집적시켜 웹을 형성할 수 있으며, 웹이 형성된 기재는 이동수단을 통해 이동 되어 상, 하 히팅장치(미도시)를 통과하면서 가열되어 칼렌더링(calendaring)되며, 최종적으로 권취롤러(미도시)에 권취된다.
한편, 도 3에 도시된 구현예에서, 상기 노즐블록(10)과 컬렉터(4)는 수평방향으로 대향하여 배치되어 있으나, 여기에 한정되지 않으며 수직방향으로도 대향하여 배치될 수 있다. 즉 본 발명의 노즐블록 및 전기방사장치는 횡방향식 방사장치뿐만 아니라 상방식 또는 하방식 방사장치에도 적용될 수 있다.
상기 고전압발생기(5)는 당업계에서 공지된 방식을 제한없이 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 고전압발생기(5)에서 인가되는 전압은 10 ~ 200kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다.
그러면 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 전기방사장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 먼저, 방사재료 공급부(1)로부터 압출기(2) 측으로 원료 용액이 정량공급되면, 압출기(2) 내의 히터 및 스크류에 의해 폴리머 재료가 용융되면서 노즐팩(10)를 통해서 압출되고, 이 때 제어부에 의해 온도가 조절될 수 있다.
압출기(2) 내에 공급된 중합 재료는 압출기 내의 스크류의 회전에 의해 공급되면서 압축탈포 또는 혼합용융되어 균일한 용융액이 되어 다음 단으로 공급된다. 압출되는 동안에는 중합 재료의 융융 상태를 유지하기 위해 가열되는데, 가열은 압출기 외벽에 장착된 히터에 의해 이루어진다. 중합 재료는 여과장치에 의해 여과되어 방사시 사절의 원인이 되는 이물질을 제거한다. 필터에 의해 여과된 중합 재료는 노즐팩에 공급되어 공기 중으로 토출된다.
본 발명의 전기방사장치에서는 노즐팩 주위에 장착된 다단 항온챔버 내의 유 로를 따라서 일정 온도의 온도제어용 매질이 순환되면서 노즐팩 주위의 온도를 일정하게 유지하여 용융된 폴리머가 최적의 용융 상태를 유지하도록 한다. 또한 다단의 항온챔버 내에서 각 챔버 별로 일정한 온도 구배를 갖도록 온도가 독립적으로 제어되기 때문에 방사재료의 분해 또는 장기운행시의 방사재료의 고화를 방지할 수 있다. 압출기(2) 선단의 노즐팩(10)에서 방사되는 방사액은 고전압발생기(5)를 통해 하전된다. 상기 방사재료 공급부(1)의 폴리머 방사액은 절연되고 노즐팩(10)를 통해서 토출된다. 방사액은 노즐부를 거치면서 미세 필라멘트 형태로 연신되어 대향하는 컬렉터(4) 측으로 토출된다. 이때 컬렉터(4)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 방사 섬유 (700)가 테일러 콘 형상의 위핑 모션에 의해 나노급의 직경이 되도록 연신되며 방사된다.
본 발명의 절연 노즐팩 및 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 광화학 센서소재, 카본 나노튜브 등 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 생체조직과 흡사하게 만든 인공단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조피부 제조에도 이용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다. 예를 들어, 본원에서는 압출기를 이용하는 전기방사장치에 관해서 주로 설명하였으나, 도 4에 도시한 바와 같이 방사팩이 폴리머 재료를 정량 공급하는 펌프, 상기 펌프로부터 공급된 폴리머 재료를 균일한 형태의 흐름으로 변환시키는 시린지 튜브 및 상기 시린지 튜브로부터의 폴리머 재료를 방사하는 하나 이상의 노즐블록을 포함하는 전기방사장치에서도 응용될 수 있다. 고전압 발생 장치(5)는 10 kV 내지 200 kV의 고전압을 방사노즐블록(10) 및 컬렉터(4) 사이에 발생시킬 수 있다. 그리고 마이크로 펌프(12)는 방사 용융물 공급부(11)로부터 공급된 방사 용융물을 일정한 압력으로 실린더 튜브로 공급할 수 있다. 필요에 따라 마이크로 펌프(12)는 양을 측정할 수 있는 계량 장치를 포함할 수 있다. 마이크로 펌프(12)로부터 공급되는 방사 용융물은 실린지 튜브(13)를 경유하여 노즐블록(10)에서 전기방사된다. 방사용융물은 방사 니들과 컬렉터 사이에 형성된 고전압으로 인하여 컬렉터로 수집이 된다.
실시예 1
열가소성 폴리우레탄 칩을 압출기 내에서 용융시킨 후 다단 항온 챔버 (300)가 장착된 노즐팩에 공급하고, 공급된 폴리 우레탄 용융체를 노즐 끝부분에 20 kV가 인가된 방사공(121)을 통해 방사시켜, 50 cm 의 거리에 위치한 컬렉터에 포집하 는 것으로 100두께의 폴리우레탄 웹을 제작하였다. 이때, 압출기내의 온도는 약 200℃를 유지하였으며, 방사공(121)의 내경은 0.25 mm 이었다. 다단항온 챔버 (300)의 온도는 T1= 310℃, T2= 280℃, T3= 270 ℃로 온도 구배를 갖도록 하였다. 포집된 폴리우레탄 웹의 주사전자현미경 사진을 도 5에 타내었으며, 인장강도를 측정하여 도 7에 나타내었다. 하기 표 1에는 섬유 평균 직경과 인장강도 및 신율을 나타내었다.
비교예 1
다단 항온 챔버가 장착되지 않은 일반 노즐팩을 이용하여 전기방사에 의해 폴리우레탄 웹을 제조하였다. 방사조건은 인가전압 25 kV, 컬렉터까지의 거리 50 cm,압출기 온도 약 200℃, 방사공 (121)내경은 0.25 mm로 하여 100 의 폴리우레탄웹을 제조하였다. 제작된 웹의 섬유 평균 직경, 인장강도, 신율을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다. 수득된 폴리우레탄 웹의 주사전자현미경 사진을 도 6에 나타내었고, 인장강도 측정 결과를 도 7에 나타내었다.
비교예 실시예
섬유 평균 직경 (㎛) 18.84 2.09
인장강도 (MPa) 1.06 4.0
신율 (%) 374 827
이상에서 본 발명을 실시예를 이용하여 상세하게 설명하였다. 그러나 제시된 실시예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않고 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기방사용 노즐블록의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 노즐블록의 다단 항온챔버를 나타내는 도면으로서, 도 2a는 사시도이고, 도 2b는 일부절개사시단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 노즐블록을 포함하는 전기방사장치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 노즐블록을 포함하는 전기방사장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 실시예 1에서 수득된 폴리우레탄 웹의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 비교예 1에서 수득된 폴리우레탄 웹의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 실시예 및 비교예에서 수득된 폴리우레탄 웹의 인장강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 전기방사용 노즐블록 100 : 노즐팩
110 : 노즐 본체 120 : 노즐부
121 : 방사공 130 : 이동로
150: 압출기 연결부
300 : 다단 항온챔버 310 : 제 1 항온챔버
320 : 제 2 항온챔버 330 : 제 3 항온챔버
311, 321, 331 : 유로 312, 322, 332 : 유입구
313, 323, 333 : 배출구 200: 매질공급부
223 : 송풍기 227 : 히팅부
240 : 바이패스관 1 : 방사재료 공급부
4 : 컬렉터 5 : 고전압발생기

Claims (10)

  1. 방사재료를 전기방사하는 노즐이 설치되어 있는 전기방사용 노즐블록에 있어서, 상기 노즐블록이 상기 노즐블록을 수용하고, 온도제어용 매질에 의해 노즐블록 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단으로 구획된 다단 항온챔버들을 구비하며, 상기 각단의 다단 항온챔버들의 온도는 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 노즐팩은 압출기에 연결되는 압출기 연결부와, 상기 압출기 연결부에 연결되는 노즐 본체; 및 상기 노즐 본체의 선단부에 결합되고, 방사재료가 방사되는 방사공을 포함하는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 각 단의 항온챔버들은 항온챔버 내에 온도제어용 매질을 공급하는 매질공급부; 상기 매질공급부로부터의 온도제어용 매질이 상기 각 단의 항온챔버 내로 주입되는 매질유입구; 온도제어용 매질이 유동하는 온도제어용 매질 유로; 및 상기 온도제어용 매질 유입구로 공급되어 유로를 따라 이동해 온 온도제어용 매질을 배출시키는 매질배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방 사용 노즐블록.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 다단 항온챔버는 상기 노즐부를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 1 항온챔버, 상기 노즐 본체를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 2 다단 항온챔버; 및 상기 압출기 연결부를 수용하고 그 주위의 온도를 일정하게 유지하는 제 3 항온챔버를 구비하며,
    상기 제 1 항온챔버의 온도(T1), 상기 제2 항온챔버의 온도(T2) 및 상기 제 3 항온챔버의 온도(T3)는 하기 수학식으로 표현되는 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록.
    [수학식 1]
    T1 = Tm + (40 ~ 50℃)
    T2 = Tm + (10 ~ 20℃)
    T3 = Tm + (5 ~ 10℃)
  5. 제 3항에 있어서, 상기 매질공급부는
    상기 각 단의 항온챔버의 매질유입구로 온도제어용 매질을 공급하는 송풍기; 및
    상기 송풍기와 상기 매질유입구들 사이에 설치되어 상기 송풍기로부터 상기 각 단의 항온챔버 내로 공급되는 온도제어용 매질을 가열하는 히팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 노즐블록은 각 단의 항온챔버의 매질배출구와 상기 송풍기 사이에 연결되어, 각 단의 항온챔버에서 배출된 온도제어용 매질을 상기 송풍기로 재순환시키는 바이패스관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 노즐블록.
  7. 방사 재료를 공급하는 방사 재료 공급부; 상기 방사 재료 공급부로부터 공급된 방사 재료를 압출하여 방사하는 압출기; 상기 압출기 선단에 연결된 노즐팩, 상기 압출기에 대향하여 위치되고 상기 압출기에서 노즐팩을 통해서 방사되는 섬유를 집적하는 컬렉터; 상기 노즐팩과 컬렉터 사이에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치로서,
    상기 노즐팩은 상기 노즐팩을 수용하고, 온도제어용 매질에 의해 노즐팩 주위의 온도를 일정하게 유지하는 다단으로 구획된 다단 항온챔버들을 구비하며, 상기 각단의 항온챔버들의 온도는 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 노즐팩은
    상기 압출기에 연결되는 압출기 연결부와,
    상기 압출기 연결부에 연결되는 노즐 본체; 및
    상기 노즐 본체의 선단부에 결합되고, 방사재료가 방사되는 방사공을 포함하는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 각 단의 항온챔버들은 항온챔버 내에 온도제어용 매질을 공급하는 매질공급부; 상기 매질공급부로부터의 온도제어용 매질이 상기 다단 항온챔버 내로 주입되는 매질유입구; 온도제어용 매질이 유동하는 온도제어용 매질 유로; 및 상기 온도제어용 매질 유입구로 공급되어 유로를 따라 이동해 온 온도제어용 매질을 배출시키는 매질배출구를 포함하며, 상기 매질공급부는
    상기 각 단의 항온챔버의 온도제어용 매질 유입구로 온도제어용 매질을 공급하는 송풍기; 및
    상기 송풍기와 상기 매질유입구들 사이에 설치되어 송풍기로부터 각 단의 항온챔버 내로 공급되는 온도제어용 매질을 가열하는 히팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 전기방사장치는 각 단의 항온챔버의 매질배출구와 상기 송풍기 사이에 연결되어, 각 단의 항온챔버에서 배출된 온도제어용 매질을 상기 송풍기로 재순환시키는 바이패스관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109554772A (zh) * 2018-12-29 2019-04-02 盐城工学院 静电纺丝装置及其工作方法
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