KR20140069511A - 전기방사 장치 - Google Patents

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KR20140069511A
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박대근
한진규
신상진
천석원
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(주)우리나노필
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Abstract

본 개시는 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 나노섬유를 방사하는 적어도 하나의 방사노즐; 방사되는 나노섬유가 나노섬유 웹층 형태로 집적되며, 집적 도중의 나노섬유가 그 위에서 이동하는 컬렉터; 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 상에 위치하여 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 적어도 하나의 열 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치에 관한 것이다.

Description

전기방사 장치{AN APPARATUS FOR ELECTROSPINNING}
본 개시는 전체적으로 전기방사 장치에 관한 것으로, 특히 집적되는 나노섬유 웹층에서 나노섬유 간의 결합을 강화할 수 있는 전기방사 장치에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
투습방습 원단으로 나노섬유로 이루어진 웹층이 고려되고 있다. 이러한 나노섬유 웹층은 전기방사(electrospinning) 또는 전기브로우 방사(electroblow-spinning)에 의해 제조될 수 있다. 그러나 이러한 기술을 이용하여 제조된 기존의 투습방수 원단은 기공 크기가 작다고 하더라도 모세관 현상으로 인하여 물이 스며들어 충분한 방수 성능을 얻을 수 없으며, 강도가 약한 단점도 있다. 또한 세탁과 같은 물리적인 힘이 가해질 경우 섬유 간 슬립의 발생으로 인하여 기공이 벌어져 방수도가 저하되는 단점이 있으며, 방사 공정에서 부득이하게 발생하는 핀홀에 의해서도 방수성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 나노섬유 웹층의 표면에 얇은 PU 혹은 PVdF 층을 코팅하여 제작된 투습방수 원단이 제작되고 있다. 한국 등록특허공보 제10-0993943호에는 전기방사된 나노섬유 웹층에 수분산 폴리우레탄(PUD)을 부분 코팅하여 방수성 및 내구성이 향상된 투습방수 원단 제조기술이 제시되어 있다. 그러나 이 기술에서는 나노섬유 웹층으로 제조된 원단의 가장 중요한 특징인 기공을 막아 통기도 및 투습도가 감소하는 단점이 있으며, 나노섬유의 경량성 또한 감소하여 쾌적성이 감소하며 추가 코팅공정을 통한 제조 단가가 증가하는 등의 문제가 있다. 또한 나노섬유 웹층 이면에 코팅층을 추가할 경우 나노섬유 웹층 내부에 남아있는 서로 물리적인 힘에 의해 교락되지 않은 섬유상에 의하여 세탁 후 나노섬유 웹층의 기공 및 모폴로지 변화에 의하여 방수성이 현격히 감소하는 단점이 있다.
도 1은 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 전기방사 장치(40)는 용융 상태의 섬유 원료용 고분자 물질을 공급하기 위한 공급 유니트(110)와, 공급 유니트(110)로부터 공급된 고분자 용액을 하전된 필라멘트 또는 섬유 형태로 토출시키기 위한 복수의 방사노즐들(122)을 구비하는 방사 유니트(120)와, 방사 유니트(120)로부터 방사된 필라멘트를 소정 두께로 누적시키기 위해 방사노즐들(122)과 소정간격 이격 배치된 컬렉터(130)와, 방사 유니트(120)의 적어도 양측에 설치된 제어 유니트(140)와, 필라멘트 스트림을 둘러싸도록 제어 유니트(140)와 컬렉터(130) 사이에 설치된 유도 유니트(150)와, 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간으로 공기를 주입하고, 이 공간 내의 용매를 증발시켜 외부로 배출시키기 위한 공조 유니트(160)를 구비한다. 공급 유니트(110)는 섬유 원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액이 저장되는 저장 용기(112)와, 저장 용기(112)에 저장된 용액을 가압하여 방사 유니트(120)측으로 정량 공급하기 위한 펌프(114) 및 용액을 각각의 노즐들로 분배하기 위한 분배기(116) 및 이송관(118)을 구비한다. 방사 유니트(120)는 공급 유니트(110)로부터 공급되는 섬유 원료 용액을 하전시킨 상태에서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 방향으로 방사하는 기능을 수행한다. 방사 유니트(120)는 복수의 방사노즐들(122)이 배치된 적어도 하나 이상의 방사노즐팩(126)을 구비한다. 방사노즐팩(126)을 구성하는 방사노즐들(122)의 개수 또는 방사 유니트(120)를 구성하는 방사노즐팩(126)의 개수는 제조될 웹의 사이즈나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 결정된다. 여러 고분자 물질이 방사될 경우에, 별도의 방사노즐팩이 구비될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)에 인가되는 전압에 대하여 전위차를 갖도록 접지되거나, 혹은 음극성(-)의 전압으로 인가될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)로부터 토출된 하전 필라멘트를 집적하기 위한 것으로서, 예컨대, 롤러(132)와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 연속적으로 이동되도록 구성할 수 있다. 제어 유니트(140)는 각각의 방사노즐들(122)로부터 방사되는 필라멘트 스트림이 서로 반발하여 퍼지는 것과 같이 경로를 벗어나는 경우를 방지하기 위한 것이며, 제어 유니트(140)는 방사노즐팩(126)의 적어도 길이 방향의 양측에 설치된다. 유도 유니트(150)는 제어유니트(140)와 동일한 극성의 전압이 인가된다. 유도 유니트(150)는 연신되는 하전 필라멘트 스트림의 둘레에 설치되어 스트림의 진행 방향을 가이드하기 위한 것이다. 유도 유니트(150)는 도체판 혹은 도체봉의 형태로 마련된다. 유도 유니트(150)는 하전 필라멘트와 동일 극성으로 대전됨으로써 컬렉터(130) 상면의 제한된 영역에 필라멘트가 집적되도록 유도한다. 공조 유니트(160)는 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간에서 하전 필라멘트에 용해되어 있는 용매를 휘발시켜 외부로 배기시키기 위한 것으로서, 예를 들어, 흡입팬, 배기팬과 같은 용매 흡,배기 수단과 다수의 공기유입슬롯(162)을 구비한다. 양극성(+) 전압은 고전압 유니트(170)의 출력 전압에 의해 여기된다. 고전압 유니트(170)는 10kV 내지 120kV 범위의 직류 전압을 출력한다. 공급 유니트(110)에 저장된 원료 용액이 펌프(114)와 분배기(116)를 통해 방사 유니트(120)로 정량공급되면, 방사 유니트(120)의 각각의 방사노즐팩(126) 내부의 통전부를 통해 용액이 하전 된다. 이어서, 하전 상태의 용액은 방사노즐(122)의 캐피러리 튜브를 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 측으로 토출된다. 여기서, 컬렉터(130)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장에 의해 필라멘트는 나노급의 직경이 되도록 연신되면서 방사된다. 이러한 방사과정에 있어서, 필라멘트간의 반발력으로 인해 진행 경로를 벗어나 외곽으로 퍼지려는 스트림은 제어 유니트(140)에 의해 원위치로 돌아가게 되고 올바른 진행 경로를 유지할 수 있게 된다. 한편, 컬렉터(130) 상측에는 토출되는 스트림을 둘러싸도록 유도 유니트(150)가 설치되어 있으므로, 유도 유니트(150)에 의해 경로를 벗어나려고 하는 스트림은 컬렉터(130) 상의 제한된 집적 영역에 유도된다. 상기와 같이 유도된 필라멘트들은 컨베이어 벨트 혹은 회전드럼 형태의 컬렉터(130) 상에 연속적으로 집적되거나, 아니면, 롤러(180)에 의해 이송되는 필름, 모조지, 부직포와 같은 기재(182)의 상면에 집적되어 나노섬유로 이루어지는 웹상의 다공막으로 제조된다. 이러한 전기방사 장치의 일 예가 미국 등록특허공보 제7,351,052호에 제시되어 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다.(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 나노섬유를 방사하는 적어도 하나의 방사노즐; 방사되는 나노섬유가 나노섬유 웹층 형태로 집적되며, 집적 도중의 나노섬유가 그 위에서 이동하는 컬렉터; 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 상에 위치하여 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 적어도 하나의 열 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 따른 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 후처리 되지 않은 나노섬유 웹층 표면의 전자현미경 사진,
도 4는 100℃ 온도의 열풍으로 후처리된 나노섬유 웹층 표면의 전자현미경 사진,
도 5는 150℃ 온도의 열풍으로 후처리된 나노섬유 웹층 표면의 전자현미경 사진,
도 6은 250℃ 온도의 복사열로 후처리된 나노섬유 웹층 표면의 전자현미경 사진,
도 7은 본 개시에 따른 전기방사 장치를 사용하여 제조된 나노섬유 웹층의 투습도, 내수압, 공기투과도의 측정결과를 나타내는 표.
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명은 상세하게 설명한다.
도 2는 본 개시에 따른 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 전기방사 장치는, 각각 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 나노섬유를 방사하는 복수의 방사노즐(122)을 구비하는 복수의 방사노즐팩(126), 방사되는 나노섬유가 나노섬유 웹층 형태로 집적되며 집적 도중의 나노섬유가 그 위에서 이동하는 컬렉터(130), 나노섬유 웹층의 이동 흐름 상에 위치하여 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 2개의 열 공급기(84), 나노섬유 웹층을 건조시키는 건조기(90)를 포함한다.
방사노즐팩(126)은 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 복수의 방사노즐(122)을 구비한다. 방사노즐팩(126)은 복수로 제공되며, 복수의 방사노즐팩(126)은 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향을 따라 배열된다. 각 방사노즐팩(126)에 구비되는 방사노즐(122)의 개수와 제공되는 방사노즐팩(126)의 개수는 제조될 나노섬유 웹층의 사이즈나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 결정된다. 여러 고분자 물질이 별도로 방사될 필요가 있는 경우에, 별도의 방사노즐팩이 구비될 수 있다. 방사노즐팩(126)은 저장 용기(112)로부터 섬유 원료물질이 용해된 용액을 펌프(114)를 통해 공급받아, 고전압 유니트(170)에 의해 인가되는 고전압으로 용액을 하전시킨 다음 복수의 방사노즐(122)을 통해 나노섬유 형태로 컬렉터(130) 방향으로 방사하는 기능을 수행한다.
컬렉터(130)는, 방사노즐들(122)로부터 방사된 나노섬유를 소정 두께로 집적시켜 나노섬유 웹층을 형성하기 위한 것으로서, 방사노즐들(122)과 소정간격 이격 배치된다. 컬렉터(130)는 방사노즐(122) 측에 인가되는 전압에 대하여 전위차를 갖도록 접지되거나, 혹은 음극성(-)의 전압으로 인가될 수 있다. 컬렉터(130)는 롤러(132: 도 1 참조)와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 연속적으로 이동되도록 구성할 수 있다.
열 공급기(84)는, 나노섬유를 리멜팅하여 나노섬유간의 결합을 강화하기 위한 것으로서, 컬렉터(130) 상에서 나노섬유 웹층의 흐름을 가로지는 방향으로 설치되어 열 에너지를 나노섬유 웹층으로 공급하는 것이 바람직하다. 열 공급기(84) 보호 캡(86)에 의해 자체를 보호하고, 전기방사 장치를 구성하는 주변의 다른 구성요소들을 고열로부터 보호한다.
열 공급기(84)는 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터(130) 하류 측에 위치하여 집적완료된 나노섬유 웹에 열 에너지를 공급하도록 할 수도 있고, 경우에 따라 열 공급기(84)는 컬렉터(130) 하류 측에 나노섬유 웹층을 건조하기 위해 설치되는 건조기(90)보다도 더 하류 측에 설치될 수도 있다. 한편, 열 공급기(84)는 방사노즐팩들(126) 사이에 배치되어 집적 도중의 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하도록 할 수도 있다.
바람직하게, 도 2에 나타난 바와 같이, 열 공급기(84)는 방사노즐팩들(126) 사이 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터(130) 하류 측에 각각 위치하여, 집적완료된 나노섬유 웹층 뿐만 아니라 집적 도중의 나노섬유 웹층에도 나노섬유의 리멜팅을 위한 열 에너지를 공급하도록 할 수도 있다. 이와 같이, 나노섬유 웹층의 집적이 완료된 컬렉터(130) 하류 측 및 나노섬유 웹층이 집적되고 있는 도중의 위치인 컬렉터(130)의 중간부 위치에 각각 열 공급기(84)가 제공되는 경우, 한번에 과도하게 열이 공급되는 것을 막고, 또한 컬렉터(130)의 중간부에서 열이 공급됨으로써 집적 도중의 나노섬유 웹층에서도 리멜팅을 통한 나노섬유 간의 결합 강화를 가능하게 하여, 나노섬유 웹층 전체가 균일하게 리멜팅을 통해 결합 강화될 수 있다.
열 공급기(84)는, 열에너지 공급 과정에서 나노섬유의 손상을 최소화하기 위해 비접촉 방식으로 구성되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 열압착 캘린더 방식과 같이 접촉식으로도 구성될 수도 있다.
구체적으로, 비접촉 방식으로 구성되는 열 공급기(84)는 열풍에 의한 열전달 및 복사열에 의한 열전달 방식으로 구성될 수 있다.
열풍에 의한 열전달 방식의 열 공급기(84)는, 전기 히터 또는 열교환 장치를 구비한 열풍 발생기(82)를 통해 열전달하는 방식으로서, 고온고압의 열매체를 효율적으로 공급하여 열전달 효율을 높이기 위해, 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 복수의 에어노즐을 구비하는 에어노즐팩 형태 또는 두 장의 날을 일정 간격을 유지하며 나란히 마주보는 미세 틈(슬릿, slit) 유로를 가지는 에어나이프(Airknife) 형태 등으로 제공될 수 있으며 이러한 모든 형태를 에어팩이라 명칭한다. 이때 사용가능한 열매체로는 제습된 공기, 질소, 아르곤과 같은 불활성 기체가 사용가능하다. 에어노즐의 간격은 에어노즐의 크기에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 2~50mm 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 열 공급기(84)는 컬렉터(130) 상에서 나노섬유 웹층의 흐름을 가로지는 방향으로 설치되어 열 에너지를 나노섬유 웹층으로 공급하는 것이 바람직하다. 에어노즐간 간격이 너무 넓으면 열전달이 전체적으로 고르지 않아 제품의 균일성이 떨어진다. 에어노즐의 크기는 내경이 0.1~1mm 인 것이 적당하나 작업환경에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 제한하지는 않지만 내경이 0.1mm이하인 경우 공기저항이 커져 유량이 줄어들거나 에어 압력이 필요 이상으로 높아야 할 필요가 있을 수 있고, 내경이 1mm이상인 경우 에어 압력이 급격하게 줄어 많은 유량이 요구된다. 에어나이프의 경우는 슬릿의 간격이 아래의 에어량, 에어속도를 만족하게 설정하면 특별히 제한하지 않지만 일반적으로 0.05~5mm 간격으로 제작할 수 있다. 에어팩과 나노섬유 웹층과의 거리는 1~100cm, 바람직하게는 5~50cm로서, 에어팩과 나노섬유 웹층과의 거리는 1~100cm, 바람직하게는 5~50cm로서, 에어팩과 나노섬유 웹층이 너무 가까워지면 에어 압력으로 인해 나노섬유 웹층이 찢어질 가능성이 있어 적용이 힘들고, 너무 멀어지게 되면 열전달이 원활하지 않아 효과적인 리멜팅이 되지 않는다. 열풍의 온도는 나노섬유 소재의 열적 특성에 따라 달리 설정되어야 하여 특별히 한정하지 않지만 30~200℃가 적당하며 바람직하게는 50~150℃로 설정한다. 또한 열풍의 유속은 에어 토출 직전 에어노즐 내부기준으로 10~500m/sec가 적당하며 바람직하게는 20~300m/sec이다. 단위길이당 가해주는 에어량은 1~20/hr.m이 되도록 설정한다. 열풍의 온도나 속도가 낮으면 리멜팅 효과가 없고 너무 높으면 나노섬유 전체가 완전히 녹아 필름상으로 진행되거나 찢어질 우려가 높다.
복사열에 의한 열전달 방식의 열 공급기(84)는, 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 것이 바람직하며, 복사열을 발생시키기 위한 열원으로서 적외선 히터, 라인형 전자빔 히터, 전기열선 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 복사열에 의한 열전달 방식의 열 공급기(84)는 100~300℃ 온도인 것이 바람직하며, 나노섬유 웹층과의 거리는 1~50cm 범위가 적당하지만 작업속도, 온도 및 나노섬유 웹층의 종류에 따라 설정되어야 한다.
이상과 같은 전기방사 장치는, 저장 용기(112)에 담긴 섬유 원료물질이 용해된 용액을 펌프(114)를 사용하여 방사노즐팩들(126)에 공급하고, 방사노즐팩(126)에 고전압을 인가한 상태에서, 방사노즐들(122)을 통해 컬렉터(130) 위로 나노섬유를 전기방사를 하여 나노섬유 웹층을 형성한다. 방사노즐들(122)에 의한 집적도중 및/또는 집적완료된 나노섬유 웹층은 열 공급기(84)를 통해 전달되는 열 에너지에 노출되어, 나노섬유 내·외부에 리멜팅 효과가 발생하며, 따라서 나노섬유 간 결합이 강화된 나노섬유 웹층을 제공하게 된다.
나노섬유 웹층을 사용하여 제조될 수 있는 투습방수 원단은 평균 직경이 50~1,000nm인 나노섬유에 의해 구성된다. 1,000nm 초과하는 섬유직경으로 구성된 웹은 기공 크기가 너무 커져 방수기능이 불량해서 투습방수원단으로 기능하기가 어렵고, 내수압 특성도 나빠질 수 있다. 또한 섬유직경이 50nm보다 작아지면, 기공 크기가 너무 작아지는 문제점을 가진다. 이러한 수치범위를 갖는 나노섬유들에 의해 형성된 투습방수 원단에는 직경 0.01~2um의 무수한 많은 기공들이 존재하며, 바람직하게는 0.05~1um 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 기공 직경이 0.05um이하로 너무 작으면 통기성 및 투습성이 떨어져 격한 운동에 의해 순간적으로 많은 땀이 발생할 때 짧은 시간에 땀 배출 기능이 떨어지며, 기공 직경이 1um이상으로 크면 높은 압력 범위에서 방수 기능이 떨어져 내수압 기능을 감소시킨다. 이에 따라 투습방수 원단은 인체에서 발생하는 직경 0.0004㎛의 땀이나 습기는 통과시키고, 자연 상태에서 발생하는 직경 50~600㎛의 안개나 빗방울 등의 수분 입자는 차단하여 투습 기능과 방수 기능을 모두 제공하게 된다. 여기에 전체 공극률은 투습방수 기능 및 보온성, 경량성을 감안할 때 50~90%인 것이 바람직하다. 50%이하의 공극률은 통기량이 낮아 나노섬유의 장점인 쾌적성 및 경량성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 두께가 얇아져야 하는데 그렇게 되면 내수압에 나쁜 영향으로 나타나며 기계적 강도가 떨어져 작업중 처리가 힘들어진다. 또한 공극률이 낮아지면 내부 공기층이 줄어들게 되고 내외부의 온도 차이에도 열손실을 막아주는 공기층이 줄어들면 보온성이 떨어지는 효과로 나타난다. 90%이상의 공극률은 기계적 강도가 떨어져 작업성이 나빠지며 내수압이 떨어지고 통기량이 너무 높아 보온성이 오히려 떨어진다. 투습방수 원단의 두께는 섬유의 적층량에 의해 결정되는데 투습도와 내수압 특성을 고려하여 2~50㎛ 정도가 적당하나, 이보다 바람직하게는 5~30㎛ 두께가 적당하다. 투습방수 원단의 전체적인 두께가 너무 얇으면 방수성을 보증할 수 없으며 기계적 강도가 약해져 작업 중 찢어지는 문제가 수반되며, 두께가 50um이상으로 두꺼워지면 제조단가가 급격하게 증가되고 단위면적당 원단 무게가 증가되어 경량화에 불리해진다.
투습방수 원단을 이루는 섬유의 원료가 되는 고분자 물질로는 일반적으로 폴리우레탄(PU), TPU(Thermoplastic polyurethane) 또는 이들을 포함한 이성분 이상의 혼합 물질이 사용되어진다. 우레탄은 섬유간 마찰이 크고 표면 점착성이 있어 섬유가닥간 연결력이 형성되나 강한 힘에 의해 섬유가닥간 미끄럼이 발생되고 이때 부분적으로 기공이 열려 내수압이 떨어지는 현상이 나타난다. 뿐만 아니라 세탁 후에는 섬유간 변형이 더욱 심해져 기공이 불균일해지고 내수압은 현저히 떨어지는 원인이 된다. 이러한 이유로 표면 마찰 또는 점착성이 없는 소재로 형성된 나노섬유 웹층의 문제점들은 더욱 심각하여 나노섬유 웹층으로 투습방수 원단 적용이 불가능하지만 본 개시에 따른 전기방사 장치에 적용된 리멜팅 기술은 나노섬유 간 결합 강화를 유발시켜 이러한 문제점들을 현격하게 완화시키면서 다른 소재들이 지닌 장점을 활용할 수 있게 한다. 특히 불소계 수지는 발수성, 발오성이 우수하여 투습방수용 소재에 적합하지만 나노섬유 웹으로 제조된 불소계 섬유는 자기들끼리의 결합력이 없어 섬유간 미끌림 현상이 나타나 투습방수용으로 사용되기에 한계가 있었다. 본 개시에 의하면, 이러한 문제점을 해결함과 동시에 소재 장점을 살릴 수 있다. 폴리우레탄과 더불어 나노섬유에 사용될 수 있는 소재로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 등의 불소계 고분자, 나일론 등의 아미드(amide)계 고분자, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등의 아크릴계고분자, 폴리이서설폰(Poly ehtersulfone)과 같은 설폰계 고분자, 폴리에틸렌테레플탈레이트(PET)와 같은 폴리에스터계 고분자, 폴리비닐알코올(PVA), 및 이들의 혼합 물질(Blend) 등 용제에 녹을 수 있거나 또는 전기방사가 가능한 고분자는 모두 사용가능하다. 또한 이들의 각각의 물질을 교차방사 또는 멀티방사 하여 혼합 나노 웹을 제조하여서도 사용가능하다.
이하, 본 개시에 따른 전기방사 장치를 사용한 투습방수 원단용 나노섬유 웹층의 제작 예를 상세하게 설명한다.
제작예 1
나노섬유 웹층의 제조
열가소성 폴리우레탄수지(TPU; 수평균 분자량 90,000g/mol)를, N,N-디틸메틸포름아마이드(DMF)와 아세톤(Acetone)이 무게비 50:50으로 섞인 혼합 용매에 15중량% 농도를 갖도록 방사 용액을 제조하였다. 이때, 제조된 방사 용액을 레오미터(Rheometer DV, Brookfield co., USA)를 이용하며 측정한 점도가 280cps이었다. 또한 컨덕터비티미터 (Conductivity meter, CM-40G, TOA electronicsCo., Japan)로 측정한 전기전도도가 0.6 mS/m이다. 제조된 고분자 방사 용액을 도 2에 도시된 전기방사 장치를 이용하여 전기방사하였다. 인가전압은 50kV, 방사노즐들(122)과 컬렉트(130) 사이 거리는 20cm로 전기방사하여 직경 200 ~ 400nm, 두께 11㎛, 단위면적당 무게 5.7g/cm2의 섬유로 형성된 나노섬유 웹층을 제조하였다.
나노섬유 웹층의 후처리
상기 방법으로 제조되는 방사영역 중간부와 말단부에 각각, 내경 0.3mm의 다수의 에어노즐이 적용된 열풍 형태로 열 에너지를 공급하는 열 공급기(84)를 컬렉터(130)로부터 30cm 위에 두고, 노즐당 에어속도 50m/sec, 에어량 200㎤/min.hole(단위길이당 에어량 3.2㎥/hr.m)으로 열풍을 공급하였다. 이때의 온도는 100℃로 하여 투습방수 원단용 나노섬유 웹층을 제조하였다.
제작예 2
상기 제작예 1과 동일한 방법으로 전기방사하여 나노섬유 웹층을 제조하였고, 나노섬유 후처리 공정은 방사영역 중간부와 말단부에 각각, 내경 0.3mm의 다수의 에어노즐이 적용된 열풍 형태로 열 에너지를 공급하는 열 공급기(84)를 컬렉터(130)로부터 15cm 위에 두고, 노즐당 에어속도 100m/sec, 에어량 430㎤/min.hole(단위길이당 에어량 8.5㎥/hr.m)으로 열풍을 공급하였다. 이때의 온도는 150℃로 하여 투습방수 원단용 나노섬유 웹을 제조하였다.
제작예 3
상기 제작예 1과 동일한 방법으로 제조하되 방사영역 중간부와 말단부에 각각, 적외선 히터를 사용하여 복사열 형태로 열 에너지를 공급하는 열 공급기(84)를 사용하여 나노섬유 리멜팅을 위한 복사열을 공습하였다. 이때 온도는 250℃, 거리는 10cm로 하여, 투습방수 원단용 나노섬유 웹층을 제조하였다.
나노섬유 웹층이 후처리되는 조건은 나노섬유 웹층이 완전히 녹아 필름상 또는 그와 유사한 막이 되지 않는 범위 내에서 섬유상이 살아있으며 섬유간 결합이 형성되는 조건이어야 한다. 제조된 나노섬유 웹층으로 이루어진 투습방수 원단의 투습도 및 내수압을 KS 규격에 의거하여 측정 분석하였으며 Capillary Flow Porometer(PMI)로 공기투과도를 측정하였다.
제작예 1에 의해 제작된 나노섬유 웹층의 리멜팅 전의 표면을 도 3의 전자현미경(SEM) 결과에 나타내었다. 직경 200 ~ 400nm의 나노섬유로 집적된 망상구조 웹의 형상이 확인되었고 이를 제작예 1, 2 및 3의 방법에 의해 리멜팅된 결과를 도 4, 도 5 및 도 6으로 확인하였다. 제작예 1 및 2에 의해 제조된 나노섬유 웹층은 공기 열에 의해 나노섬유가 이웃하는 부분이 결합된 섬유상을 띄는 것이 확인되며, 보다 많은 열량이 전달되는 조건인 제작예 2에서 리멜팅 효과가 큰 것을 도 4와 도 5에서 비교 확인할 수 있다. 또한 적외선 히터의 복사열을 사용한 제작예 3의 경우에도 전체적으로 나노섬유 웹층이 리멜팅되어 나노섬유간 결합이 형성된 것을 도 6에 의해 확인할 수 있다.
상기 제작예를 통해 제작된 결합이 형성된 나노섬유 웹층의 물성 변화를 결합이 형성되기 전의 나노섬유 웹층과 비교하여 도 7에 나타내었다. 투습도는 KS K 0594중 염화칼슘(CaCl2 )법에 의해 40℃로 전 처리한 투습컵에 흡습제인 염화칼슘을 33g 넣은 다음 시험편과 흡습제의 거리가 3mm가 되도록 놓고 이 시험체를 온도40℃, 상대습도 90%의 공기가 순환하는 항온 항습장치에 넣고 측정하였으며, 내수압은 내수압법인 KS K ISO 811법에 의해 온도 20℃인 증류수를 사용하여 600mmH2O/mim으로 승압하며 측정하였으며, 공기투과도는 Capillary Flow Porometer(PMI)로 투습방수 원단용 나노섬유 웹층에 1 ~ 10PSI 공기압을 가해 Gas permeability 방법으로 하였다.
나노섬유 웹층을 리멜팅 처리한 제작예 1, 2 및 3의 경우 기공도가 감소하여 투습도와 공기투과도가 감소하는 경향을 보이지만 그에 반해 나노섬유 간 결합이 형성됨으로써 내수압 증가를 확인할 수 있었다. 리멜팅의 정도에 따라 변화폭도 차이가 나타났다. 보다 많은 열량을 공급한 제작예 2의 경우 투습도와 공기투과도 감소폭과 내수압의 증가폭이 제작예 1의 경우보다 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 인장력에서도 결합이 많이 형성될수록 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 나노섬유 웹층의 단점으로 지적되어온 세탁성과 마모성을 향상시켜줄 수 있는 의미 있는 결과이다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 나노섬유를 방사하는 적어도 하나의 방사노즐; 방사되는 나노섬유가 나노섬유 웹층 형태로 집적되며, 집적 도중의 나노섬유가 그 위에서 이동하는 컬렉터; 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 상에 위치하여 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 적어도 하나의 열 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(2) 열 공급기는 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(3) 열 공급기는 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터 하류 측에 위치하여 집적완료된 나노섬유 웹에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(4) 각각 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 적어도 하나의 방사노즐을 구비하며, 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향을 따라 배열되는 2개 이상의 방사노즐팩;을 포함하며, 열 공급기는 2개 이상의 방사노즐팩 사이에 배치되어 집적 도중의 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(5) 각각 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 적어도 하나의 방사노즐을 구비하며, 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향을 따라 배열되는 2개 이상의 방사노즐팩;을 포함하며, 열 공급기는 2개 이상의 방사노즐팩 사이 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터 하류 측에 각각 위치하여, 집적 도중의 나노섬유 웹층 및 집적완료된 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(6) 열 공급기는 복사열 형태로 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(7) 열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 50cm이하의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(8) 복사열은 100 내지 300℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(9) 열 공급기는 열풍 형태로 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(10) 열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 100cm이하의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하며, 열풍은 30 내지 200℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
(11) 열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 5 내지 50cm의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하며, 열풍은 50 내지 150℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
본 개시에 따른 하나의 전기방사 장치에 의하면, 별도의 라미네이팅, 폴리우레탄 표면 코팅 등 추가 공정 없이, 나노섬유 간 결합을 강화하여 세탁 후에도 원형유지능력이 탁월한 등 우수한 세탁성을 구비하고 내마모성이 우수할 뿐만 아니라, 모세관 현상의 발생이 적어 많은 양의 외부수분 유입에 대해서도 탁월한 내수압을 갖는 투습방수 원단용 나노섬유 웹층을 제공할 수 있다.
저장 용기(112) 펌프(114)
열 공급기(84) 방사노즐(122)
방사노즐팩(126) 컬렉터(130)

Claims (11)

  1. 섬유원료 물질이 용해된 용액을 공급받아 나노섬유를 방사하는 적어도 하나의 방사노즐;
    방사되는 나노섬유가 나노섬유 웹층 형태로 집적되며, 집적 도중의 나노섬유가 그 위에서 이동하는 컬렉터; 및
    나노섬유 웹층의 이동 흐름 상에 위치하여 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 적어도 하나의 열 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열 공급기는 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    열 공급기는 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터 하류 측에 위치하여 집적완료된 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    각각 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 적어도 하나의 방사노즐을 구비하며, 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향을 따라 배열되는 2개 이상의 방사노즐팩;을 포함하며,
    열 공급기는 2개 이상의 방사노즐팩 사이에 배치되어 집적 도중의 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    각각 나노섬유 웹층의 이동 흐름을 가로지르는 방향으로 길쭉하게 형성되는 몸체 및 몸체에 설치되는 적어도 하나의 방사노즐을 구비하며, 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향을 따라 배열되는 2개 이상의 방사노즐팩;을 포함하며,
    열 공급기는 2개 이상의 방사노즐팩 사이 및 나노섬유 웹층의 이동 흐름 방향에서 컬렉터 하류 측에 각각 위치하여, 집적 도중의 나노섬유 웹층 및 집적완료된 나노섬유 웹층에 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    열 공급기는 복사열 형태로 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 50cm이하의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    복사열은 100 내지 300℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    열 공급기는 열풍 형태로 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 100cm이하의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하며,
    열풍은 30 내지 200℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    열 공급기는 나노섬유 웹층으로부터 5 내지 50cm의 거리를 두고 나노섬유 웹층으로부터 떨어져서 위치하며,
    열풍은 50 내지 150℃의 온도인 것을 특징으로 하는 전기방사 장치.
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CN112981718A (zh) * 2021-02-05 2021-06-18 东华大学 一种静电纺纤维絮片及其制备方法

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