KR20160020310A - 온도조절 장치를 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노섬유의 제조용 전기방사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 전기방사 온도인 상온보다 고온인 온도에서 고농도의 폴리머를 포함하는 방사용액을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 장치에 관한 것이다.
또한, 나노섬유화 되지 못한 방사용액을 재사용하는 오버플로우 시스템을 구비하고 전기방사되는 방사용액의 농도를 유지하는 대신 방사용액의 점도를 유지하는 온도조절 장치를 포함함으로써, 희석제를 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조장치에 관한 것이다

Description

온도조절 장치를 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사 장치 {Electrospinning device containing temperature control system for manufacturing nano fiber}

본 발명은 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노섬유화 되지 못한 폴리머 용액을 재사용하는 오버플로우 시스템을 구비하고 전기방사되는 폴리머 용액의 농도를 유지하는 대신 폴리머 용액의 점도를 유지하는 온도조절 장치를 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것이다.

일반적으로, 나노섬유(Nano Fiber)란, 지름이 수십에서 수백 나노미터에 불과한 초극세사를 지칭하는 것으로서, 나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인 및 브레이드 등의 제품은 생활용품, 농업용, 의류용 및 산업용 등으로 널리 사용된다.

뿐만 아니라, 인조 피혁, 인조 스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재 및 방탄 조끼 등 국방용 소재에 적용되는 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

상술한 바와 같은 나노섬유는 전기장에 의해 생산된다. 즉, 나노섬유는 원료인 고분자 물질에 고전압의 전기장을 걸어서 원료인 고분자 물질 내부에 전기적인 반발력을 발생시키고, 이로 인해 분자들이 뭉쳐 나노 크기의 실 형태로 갈라짐으로써 나노섬유가 제조 및 생산된다.

이때, 전기장이 강할수록 원료인 고분자 물질이 가늘게 찢어지기 때문에 10 내지 1000nm의 가늘기를 갖는 나노섬유를 얻을 수 있다.

이러한 가늘기를 갖는 나노섬유를 제조 및 생산하기 위한 전기방사장치는 방사용액이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량 펌프, 방사용액을 토출하기 위한 노즐이 다수개 배열설치되는 노즐블록, 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 전압을 발생시키는 전압 발생장치를 포함하여 구성된다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어지는 전기방사장치는 방사용액이 충진되는 방사용액 주탱크와 상기 방사용액 주탱크 내에 충진된 고분자 방사용액의 정량 공급을 위한 계량 펌프와 상기 방사용액 주탱크 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐이 다수개 배열설치되는 노즐 블록과 상기 노즐의 상단에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐에서 일정간격 이격되는 컬렉터 및 상기 컬렉터에 고전압을 발생시키는 전압 발생장치를 포함하는 유닛으로 구성된다.

이러한 전기방사장치를 통한 나노섬유의 제조방법은 방사용액이 충진되는 방사용액 주탱크 내의 방사용액이 계량 펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내에 연속적으로 정량 공급되고, 노즐로 공급되는 방사용액은 높은 전압이 걸려있는 컬렉터상에 노즐을 통하여 방사, 집속되어 나노섬유 웹이 형성되되, 상기 전기방사장치의 유닛들로 이송되는 장척시트상에 나노섬유 웹을 형성하고, 상기 나노섬유가 적층형성되는 장척시트가 각 유닛을 통과하여 반복적으로 나노섬유가 적층된 후 라미네이팅, 엠보싱 또는 heat and pressing, 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.

여기서, 전기방사장치는 컬렉터 상의 위치하는 방향에 따라 상향식 전기방사장치, 하향식 전기방사장치 및 수평식 전기방사장치로 나뉜다. 즉, 전기방사장치는 컬렉터가 노즐의 상단에 위치하는 구성으로 이루어지고, 균일하고 상대적으로 가는 나노섬유를 제조할 수 있는 상향식 전기방사장치, 컬렉터가 노즐의 하단에 위치하는 구성으로 이루어지고, 상대적으로 굵은 나노섬유를 제조할 수 있으며, 단위시간 당 나노섬유의 생산량을 증대시킬 수 있는 하향식 전기방사장치 및 컬렉터와 노즐이 수평방향으로 배열되는 구성으로 이루어지는 수평식 전기방사장치로 나뉜다.

상향식 전기방사장치는 상향 노즐 블록의 노즐을 통하여 방사용액이 분사되고, 분사되는 방사용액이 지지체의 하부면에 적층되면서 나노섬유를 형성하는 구성으로 이루어진다.

상술한 바와 같은 구성에 의하여 상기 상향식 전기방사장치의 어느 한 유닛 내부에서 노즐을 통하여 방사용액을 분사하여 나노섬유 웹이 적층형성되는 장척시트는 다른 한 유닛 내부로 이송되고, 다른 한 유닛 내부로 이송되는 장척시트에 노즐을 통하여 방사용액을 분사하여 또 다시 나노섬유를 적층형성하는 등 상기한 공정을 반복적으로 수행하면서 나노섬유 웹을 제조한다.

여기서, 노즐 블록의 노즐을 통하여 분사되는 방사용액은 고분자 폴리머 및 용매를 포함하여 이루어진다.

이때, 전기방사장치 노즐 블록의 노즐을 통하여 방사용액의 방사 시 방사용액에 포함되는 고분자는 폴리머 장척시트 상에 적층형성되어 나노섬유를 형성하나, 방사 과정에서 노즐 끝으로 토출된 고분자 폴리머가 섬유화되지 못하고 노즐블록으로 떨어지는 경우가 발생한다. 통상의 전기방사에 있어서 노즐을 통하여 방사되었으나 섬유화되지 못하고 오버플로우되는 고분자 폴리머는 전체 전기방사되는 폴리머 고분자 중 70 내지 90중량%이며, 오버플로우 시스템을 통해 다시 저장탱크로 공급되고, 저장탱크로 부터 다시 노즐블록으로 전기방사를 위해 공급되는 구성을 가지는 바 오버플로우된 방사용액을 회수하여 나노섬유의 원료로 재사용이 가능하기 때문에, 원료를 절약하게 되고 원료 사용료를 줄일 수 있어 나노섬유 제조비용을 절감할 수 있다.

한편, 기존의 전기방사와 관련된 선행문헌들에는 전기방사를 위한 폴리머 용액의 농도를 고정시킨후 전기방사를 실시하였다. 그러나 폴러머 용액의 농도를 고정시키기 위해서는 농도고정을 위한 장치들과 기술적 공정들이 필요하며, 특히 섬유화되지 못하고 노즐블록으로 떨어지는 폴리머 용액을 재사용하는 오버플로우 시스템을 포함하는 전기방사의 경우 희석제등의 사용이 필요하고, 희석제를 추가함으로 인해 발생하는 생산속도의 저하, 폭발의 위험성 및 생산단가의 문제등이 발생한다.

또한, 용융방사가 아닌 전기방사의 특성상 기존 전기방사 기술을 사용하여 나노섬유를 제조하는 분야에서는 일정수준의 용매를 사용하여 농도를 유지하게 된다. 이 때 통상적으로 저농도의 폴리머 용액으로 전기방사를 수행하고, 전기방사시 용매의 사용으로 인해 컬렉터에 집적되는 고형분의 상대적 감소로 생산성이 낮아 목표하는 생산량을 달성하는데 있어 많은 시간을 필요로 한다.

이에 더해, 저농도의 폴리머 용액의 사용으로 인해 발생하는 문제로 컬렉터에 집적되는 나노섬유층에 폴리머 고분자가 아닌 잔존 용매가 비교적 높은 수준으로 남아있어, 나노섬유의 품질이 떨어지는 문제가 발생한다.

한국 등록특허 10-1162033호 한국 등록특허 10-1382571호

이에 본발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 오버플로우 시스템이 포함된 전기방사장치에 있어서 전기방사되지 못하고 노즐블럭으로 떨어지는 폴리머 용액을 회수하여 전기방사로 재사용함은 물론, 점도 조절 시스템을 포함함으로써 나노섬유직경의 굵기가 기존 전기방사를 통한 나노섬유의 직경에 비해 커지지 않으면서도, 오버플로우 시스템을 통해 재사용되는 고농도의 폴리머 용액으로 인해 컬렉터에 집적되는 나노섬유의 생산성이 높은 우수한 품질의 나노섬유를 제조할 수 있는 전기방사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 폴리머 용액을 저장하는 저장탱크, 폴리머 용액이 토출되는 노즐블록, 나노섬유를 집적하는 컬렉터, 상기 컬렉터와 노즐블록 사이에 고전압을 부여하는 전원장치 및 오버플로우 시스템을 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사장치에 있어서, 방사되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절할 수 있는 온도조절 장치를 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사장치를 제공한다.

또한, 상기 온도조절 장치는 오버플로우 시스템을 통해 회수되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절할 수 있는 가열시스템 또는 냉각시스템을 포함하거나, 가열시스템과 냉각시스템 모두를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방사되는 폴리머 용액의 점도는 1,000 cps 내지 2,000 cps로 일정하게 조절되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조용 전기방사 장치를 제공한다.

또한, 상기 가열 시스템은 전열히터, 온수순환장치 및 온풍순환장치 중 하나이상 선택 이며, 상기 냉각 시스템은 칠링장치인 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조용 전기방사 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

이에 더해, 상기 온도조절 장치는 저장탱크, 노즐블록 및 오버플로우 시스템 중 어느 하나 이상에 설치되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조용 전기방사 장치를 제공한다.

본 발명은 온도조절 장치를 포함한 나노섬유 제조용 전기방사장치를 제공함으로써, 나노섬유의 직경은 일정하게 유지함과 동시에 폴리머 용액 농도를 증가시켜 나노섬유 제조의 생산성을 높일 수 있는 장치를 제공한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기방사장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 오버플로우 시스템과 온도조절 장치를 구비한 나노섬유 제조방법에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 코일 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 4는 상기 도 3의 A-A'선 측단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 선형 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 6은 상기 도 5의 B-B'선 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, U자 형태의 파이프를 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 8은 상기 도 7의 C-C'선 측단면도이다.
도 9 및 도 10은 폴리우레탄과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 온도별 점도값을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

1. 오버플로우 시스템이 구비된 전기방사방법

본 발명에 의한 나노섬유 제조방법은 전기방사장치(1) 노즐블럭(110)에서 방사되었으나 나노섬유화되지 못한 방사용액을 재사용하는 오버플로우 시스템(200)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 전기방사장치(1)는 케이스(102), 노즐블록(110), 컬렉터(150), 전원장치(160)와 보조 벨트장치(170)와 이들을 내부에 수용하는 유닛(100, 100')과, 주저장탱크(210), 제2 이송배관(216), 제2 이송제어장치(218)와 재생탱크(230)와 이들로 이루어진 오버플로우 시스템(200)으로 구성되어 있다.

이때 상기 케이스(102)는 도전체로 이루어지는 것이 바람직하나, 상기 케이스(102)가 절연체로 이루어지거나, 상기 케이스(102)가 도전체 및 절연체가 혼용되어 적용되는 것도 가능하고, 기타 다양한 재질로 이루어지는 것도 가능하다.

노즐블록(110)의 노즐(42)은 상향식과 하향식 그리고 수평식이 모두 가능하며, 특히 오버플로우 시스템(200)이 적용된 전기방사 장치에 있어서는 상향식 전기방사가 바람직하다. 노즐(42)은 상향식, 하향식 또는 수평식으로 다수개 배열설치되며, 주저장탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 방사용액을 공급받는다. 이하 상향식 전기방사를 기본으로 발명을 설명하며, 하기 상향식 방사는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

상향식 전기방사의 노즐(42)의 선단부는 원통을 해당원통의 축과 비스듬히 교차하는 평면을 따라서 절단한 형상으로 이루어지는 것이 바람직하나, 노즐블록(110) 일부분의 노즐(42) 선단부가 나팔관 모양의 형상을 가지는 것도 가능하다.

컬렉터(150)는 노즐블록(110) 보다 위쪽에 배치되어 있으며, 도전체로 이루어지고, 절연부재(152)를 통하여 케이스(102)에 취부되어 있다. 이때 상기 케이스(102)가 절연체로 이루어지거나, 케이스(102)의 상부는 절연체로, 하부는 도전체로 혼용되어 적용되는 경우에는 절연부재(152)를 삭제하는 것도 가능하다.

전원장치(160)는 노즐블록(110)에 상향식으로 다수개 배열설치된 노즐(42)과 컬렉터(150)와의 사이에 고전압을 인가한다. 전원장치(160)의 정극은 컬렉터(150)에 접속되고, 전원장치(160)의 부극은 케이스(102)를 통하여 노즐블록(110)에 접속되어 있다.

상기 노즐블록(110)의 방사용액을 토출구로부터 상향의 컬렉터(150)를 향하여 나노섬유를 토출하는 노즐(42)을 통해 제작된 나노섬유는 장척시트에 퇴적되어 균일한 두께를 유지하면서 이동한다.

이때, 전기방사 나노섬유는 전기방사가 가능한 합성수지 재질을 방사하여 제조된 평균직경이 50~1000nm의 섬유로, 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등이 있으며, 그 중 폴리프로필렌(PP)재질의 소재와 내열성 고분자 물질인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리 비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]과 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 널리 사용되고 있다.

또한, 상기 유닛(100, 100') 내에서 노즐(42)을 통하여 공급되는 방사용액은 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질인 폴리머를 적당한 용매에 용해시킨 용액으로, 용매의 종류 또한 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 든다면 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 방사용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하여도 좋다.

한편, 상기 컬렉터(150)의 외측에는 보조 벨트장치가 구비되며, 상기 보조벨트장치(170)는 장척시트의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(172)와, 보조벨트(172)의 회전을 돕는 보조벨트용 롤러(174)와 보조벨트(172)의 구동을 위한 보조벨트 구동장치로 구성된다.

이때, 보조벨트용 롤러(174)는 보조벨트 구동장치에 의하여 보조벨트(172)를 회전시키는 것이 바람직하나, 마찰계수가 낮은 롤러를 사용하여 별도의 구동장치가 없이 장척시트의 이송을 보조하는 것도 가능하다.

주저장 탱크(210)는 나노섬유의 원료가 되는 방사용액을 저장한다. 주저장 탱크(210)내에는 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(211)를 내부에 구비한다.

제2 이송배관(216)은 상기 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)에 접속된 파이프와 밸브(233)로 구성되어 있고, 상기 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)에 방사용액을 이송한다.

제2 이송제어장치(218)는 상기 제2 이송배관(216)의 밸브(212, 213, 214)를 제어함으로써, 제2 이송배관(216)의 이송동작을 제어한다. 밸브(212, 213, 214)는 주저장 탱크(210)로부터 중간탱크(220)로의 방사용액의 이송을 제어하며, 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)로의 방사용액의 이송을 제어하고, 주저장 탱크(210) 및 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)에 유입하는 방사용액의 양을 제어한다.

상기와 같은 제어방법은 후술하는 중간탱크(220)의 구비된 제2 센서(222)로 계측된 방사용액의 액면높이에 따라서 제어된다.

중간탱크(220)는 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 공급된 방사용액을 저장하고, 노즐블록(110)으로 상기 방사용액을 공급하며, 공급된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제2 센서(222)를 구비하고 있다.

상기 제2 센서(222)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 중간탱크(220)의 하부에는 노즐블록(110)으로 방사용액을 공급하는 공급배관(24)과 공급제어밸브(242)가 구비되어 있는데, 상기 공급제어밸브(242)는 상기 공급배관(240)의 공급동작을 제어한다.

재생탱크(230)는 오버플로우되어 회수된 방사용액을 저장하고 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(231)를 내부에 갖고, 회수된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제1 센서(232)를 구비하고 있다.

상기 제1 센서(232)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 노즐블록(110)에서 오버플로우된 방사용액은 노즐블록(110) 하부에 구비된 방사용액 회수 경로(250)를 통하여 회수된다. 상기 방사용액 회수 경로(250)는 제1 이송배관(251)을 통해 재생탱크(230)로 방사용액을 회수한다.

한편, 제1 이송배관(251)은 상기 재생탱크(230)에 접속되는 파이프와 펌프를 구비하고, 상기 펌프의 동력으로 방사용액을 방사용액 회수경로(250)로부터 재생탱크(230)로 이송한다.

이때, 재생탱크(230)는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 2개 이상인 경우에는 상기 제1 센서(232)와 밸브(233)가 복수개로 구비되는 것도 가능하다.

이어서, 재생탱크(230)가 2개 이상인 경우, 재생탱크(230) 상부에 위치한 밸브(233)도 복수로 구비됨에 따라 제1 이송제어장치(미도시)는 상기 재생탱크(230)에 구비된 상기 제1 센서(232)의 액면높이에 따라서 상부에 위치한 2개 이상의 밸브를 제어하여 방사용액을 복수의 재생탱크(230) 중 어느 하나의 재생탱크(230)로 이송할지에 대하여 제어한다.

2. 폴리머 용액(고분자)의 온도조절 시스템

전기방사를 위해 폴리머 용액을 사용한다. 일반적으로 기존의 발명들은 폴리머 용액의 농도를 일정하게 유지하기 위해 희석제, 농도 조절 장치들을 구비한다. 이러한 희석제로는 MEK(methyl ether ketone), THF(tetra hydro furan), Alcohol 등이 사용된다. 노즐블록(110)을 통해 전기방사되어 컬렉터(150)에 집적되는 폴리머 용액이외에 오버플로우 시스템(200)을 통해 회수되는 폴리머 용액의 농도는 주저장 탱크(210)로부터 최초에 공급되는 폴리머 용액의 농도보다 높은 농도를 가지게 되는데, 기존 전기방사시에는 이러한 폴리머 용액의 농도를 일정수준으로 유지하기 위하여 희석제를 첨가하였다. 또한 희석제로 사용되는 MEK 또는 THF 등은 끓는점(b.p)이 낮아(약 60℃) 전기방사시에 용매인 DMAc 단독으로 사용하는 경우보다 비산성이 좋아 나노섬유형성이 용이하다.

그러나 본원발명은 농도를 일정하게 유지하는 대신, 재사용되는 고농도의 폴리머 용액을 오버플로우 후에 다시 사용하되 폴리머 용액의 점도를 온도조절 제어장치(60)를 이용하여 일정하게 조절함으로써 전기방사의 효율을 높이는 수단을 제공하며 희석제의 사용이 없이도 높은 점도를 조절하기 위한 높은 온도조건에서 비산성이 우수하여 폴리머 용액의 나노섬유형성을 용히하게 할수 있다.

점도란 흐르는 액체 내에서 용질과 용매의 비뚤어짐 응력과 비뚤어짐 속도의 비율을 의미한다. 일반적으로 절단면적당 점탄율로 표시하며 단위는 dynscm-2gcm-1s-1또는 푸아즈(poise, P)이다. 점도는 온도 상승에 반비례하여 저하된다. 용해액의 점도가 용매의 점도보다 높은 것은 용질에 따라 액체의 흐름에 비뚤어짐이 생기며 그 양만큼 액체의 유속이 저하되기 때문이다.

용액의 점도를 각종 용액농도로 측정하여 그것을 농도 0에 외삽한 값, 고유점도(η)와 물질의 분자량M의 관계는 (η)=KMa로 표시할 수 있다. 이때의 K, a는 용질또는 용매의 종류, 온도에 의존하는 정수이다. 따라서, 점도값은 온도에 영향을 받으며 그 변화정도는 유체의 종류에 따라 다르다. 따라서, 점도를 이야기할 때에는 온도 및 점도의 값을 명시해야 한다.

전기방사장치(1)로 나노섬유를 제조할 때에, 사용되는 고분자와 용매(Solvent)의 종류, 고분자 용액의 농도, 방사실(Spinningroom)의 온도 및 습도 등이 제조되는 나노섬유의 섬유직경과 방사성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 즉, 전기방사에서 방사되는 고분자(폴리머 용액)의 물성이 중요하다. 통상적으로 전기방사시에 고분자의 점도는 일정 점도이하를 유지하는 것이 필요한 것으로 여겨져 왔다. 이는 점도가 높을수록 노즐(42)을 통해 나노 굵기의 섬유의 방사가 원활이 이루어지지 않는 특성에서 기인하며 점도가 높으면 전기방사를 통해 섬유화 하기에 부적당하다.

본원발명은 상기에서 설명한 바와 같이 전기방사에 적합한 섬유점도를 유지하기 위하여 온도조절 제어장치(60)로 점도를 조절하기 위한 온도조절 제어장치(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 온도조절 제어장치(60)로는 오버플로우를 통해 재사용되는 높은 점도의 폴리머 용액의 점도를 낮게 유지할 수 있는 가열장치와 상대적으로 낮은 점도의 폴리머 용액의 점도를 높게 유지할 수 있는 냉각장치 모두 또는 어느 하나를 구비할 수 있다.

전기방사 영역에서의 온도에 있어서, 전기방사가 일어나는 영역(이하, '방사영역'이라 한다)의 온도는 방사용액의 점도를 변화시킴으로써 방사 용액의 표면장력을 변화시키므로, 결국 방사된 나노섬유의 직경에 영향을 미치게 된다.

즉,방사영역의 온도가 상대적으로 높아서 용액의 점도가 낮으면 섬유직경이 상대적으로 가는 나노섬유가 만들어지고, 온도가 상대적으로 낮아서 용액의 점도가 높으면 섬유직경이 상대적으로 굵은 나노섬유가 만들어진다.

특히 폴리머 용액의 경우 오버플로우를 통해 재공급되는 폴리머 용액의 농도가 증가하는 경향을 보이는데 중간탱크(220)에서 폴리머 용액의 농도를 측정함으로써 해당농도에 따른 온도-점도 그래프를 이용하여 온도를 조절함으로써 점도를 일정하게 유지할 수 있다(도 9 참고).

농도를 측정하기 위한 농도측정장치는 용액에 직접 접촉하는 접촉식과 비접촉식이 있으며, 접촉식으로는 캐필리러식 농도측정장치, 디스크(DISC)식 농도측정장치 등이 사용될 수 있으며, 비접촉식으로는 자외선을 이용한 농도측정장치 또는 적외석을 이용한 농도측정장치 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 가열장치는 전열히터, 온수순환장치 또는 온풍 순환 장치등으로 이루어 질 수 있으며, 이외에 상기 장치들과 균등한 범위에서 온도를 높일수 있는 장치들을 차용할 수 있다.

가열장치의 일예로 전열히터는 열선형태로 사용될 수 있으며, 노즐블록(110)의 관체(43)내부에 코일형태의 열선(62a, 62b)을 장착할 수 있으며, 이는 자킷형태로도 변형가능하다(도 3 내지 도 8 참고).

또한, 선형형태의 열선(62a, 62b) 및 U자 형태의 파이프(63)의 구성을 지닌 것도 가능하다.

상기와 같은 가열장치는 폴리머 용액이 방사되는 노즐블록(110), 폴리머 용액이 저장되는 탱크(주저장 탱크, 중간탱크 또는 재생탱크) 및 오버플로우 시스템(200 : 특히 회수부로부터 재생탱크로 이송되는 이송배관)중 어느 하나 이상에 구비될 수 있다.

본 발명의 냉각장치는 칠링장치를 포함한 냉각수단등이 사용될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위한 수단은 통상적으로 적용이 가능하다. 냉각장치는 가열장치와 동일하게 노즐블록(110), 탱크 및 오버플로우 시스템(200) 중 어느 하나 이상에 구비될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위해 사용된다.

또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 농도를 측정하는 센서와 이에 따라 온도를 제어하는 온도조절 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 센서는 주저장 탱크(210), 중간탱크(220), 재생탱크(230), 노즐블록(110) 또는 오버플로우 시스템(200) 등에 설치되어 방사용액의 농도를 실시간으로 측정하여 이를 온도조절 제어장치(60)에서 점도가 일정하게 유지되도록 가열장치 및/또는 냉각장치를 작동한다.

본 발명의 오버플로우 시스템(200)을 통해 재공급 되는 폴리머 용액의 농도는 20 내지 40%이며, 이는 통상적인 전기방사에서 사용되는 폴리머 용액의 농도인 10 내지 18%에 비해 고농도의 용액이다.

또한, 본 발명의 재공급 되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 하기 위해, 폴리머 용액의 농도에 따른 폴리머 용액의 온도는 상온이 아닌, 45 내지 120 ℃로 조절되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 폴리머 용액은 점도는 1,000 내지 5,000 cps가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 3,000 cps 의 점도가 좋다. 점도가 1,000 cps 이하일 경우 전기방사되어 적층되는 나노섬유의 품질이 불량하며, 점도가 3,000 cps 이상일 경우 전기방사시 노즐(42)로부터 폴리머 용액의 토출이 용이하게 되지 않아 생산속도가 느려진다.

또한, 본원발명은 전기방사를 진행할수록 폴리머용액의 점도는 일정하여 전기방사시의 방사용이성이 우수함과 동시에 폴리머용액의 농도가 증가하여 콜렉터에 집적되는 나노섬유 중 용매를 제외한 고형분 양의 증가로 생산성이 증대되는 효과가 있다.

이에 더해, 전기방사를 이용한 나노섬유의 잔존 용매량이 기존의 전기방사를 이용한 경우 보다 적어 우수한 품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 오프라인 상으로 작업자가 중간탱크(220)의 농도를 측정하여 노즐블록(110)이나 주저장탱크(210)의 온도조절을 통해 폴리머 용액의 점도를 제어할 수 있는 수동식이 가능함과 동시에, 온라인상으로 자동제어 시스템을 통해 농도측정에 따라 해당 용액의 온도를 조절할 수 있는 자동식인 것을 포함한다.

이하에서는 온도조절 제어장치(60)를 구비하여 점도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 전기방사전기방사를 이용한 나노섬유 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법은 본 발명의 일 제조방법에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

나노섬유 제조방법은 폴리머 용액이 저장된 주저장 탱크(210)로부터 폴리머 용액이 노즐블록(110)으로 공급되는 공급단계를 포함한다. 이때 주저장 탱크(210)에 유입되는 폴리머 용액의 종류는 상기에서 설명한 폴리머 용액이 다양하게 사용될 수 있다.

주저장 탱크(210)로부터 노즐블록(110)으로 공급된 폴리머 용액은 노즐(42)을 통해 컬렉터(150)에 전기방사되어 나노섬유층을 적층하는 전기방사단계를 포함한다. 전기방사단계에서는 노즐블록(110)과 컬렉터(150) 간의 거리를 평균적으로 20 내지 50 cm로 조절하고, 인가전압을 10 내지 40kV로 조절하고, 폴리머 용액의 유량, 온도 및 습도는 전기방사에 있어서 통상의 범위로 설정할 수 있다.

전기방사단계에서 노즐블록(110)에서 전기방사되는 폴리머 용액의 30 내지 10%만이 나노섬유화 되며 나머지 70 내지 90%의 폴러머 용액은 나노섬유화 되지 못한다. 이렇게 나노섬유화 되지 못한 폴리머 용액은 오버플로우 시스템(200)을 통해 재생탱크(230)로 수거 및 수집되는 회수단계를 거친다.

이후 재생탱크(230)에 저장된 폴리머 용액은 바로 노즐블록(110)으로 재공급될 수 있으며, 이에 더해 주저장 탱크(210)로부터 재생탱크(230)로 폴리머 용액이 유입되어 재생탱크(230)에 저장되는 저장단계를 거쳐 노즐블록(110)으로 재공급될 수 있다.

이 후 재생탱크(230)로부터 폴리머 용액이 노즐블록(110)으로 재공급되는 재공급단계를 거치게 되며 이때 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절하기 위해 노즐블록(110)에 온도조절 제어장치(60)가 설치된다. 또한, 온도조절 제어장치(60)는, 노즐블록(110) 뿐만 아니라 오버플로우 시스템(200)과, 재생탱크(230) 또는 주저장 탱크(210) 어느 하나에 설치 될 수 있다.

1 : 전기방사장치, 42: 노즐
43: 관체 60: 온도조절 제어장치
62a, 62b: 열선 63: 파이프
100, 100' : 유닛, 102 : 케이스,
110 : 노즐블록, 150 : 컬렉터,
152 : 절연부재, 160 : 전원장치,
170 : 보조벨트장치, 172 : 보조벨트,
174 : 보조벨트용 롤러, 200 : 오버플로우 시스템,
210 : 주저장 탱크, 211 : 교반장치,
212 : 밸브, 213 : 밸브,
214 : 밸브, 216 : 제2 이송배관,
218 : 제2 이송제어장치, 220 : 중간탱크,
222 : 제2 센서, 230 : 재생탱크,
231 : 교반장치, 232 : 제1 센서,
233 : 밸브, 240 : 공급배관,
242 : 공급제어밸브, 250 : 방사용액 회수 경로,
251 : 제1 이송배관,

Claims (6)

1. 폴리머 용액을 저장하는 주저장 탱크, 폴리머 용액이 토출되는 노즐블록, 나노섬유를 집적하는 컬렉터, 상기 컬렉터와 노즐블록 사이에 고전압을 부여하는 전원장치 및 오버플로우 시스템을 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사장치에 있어서,
   방사되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절할 수 있는 온도조절 장치를 포함하는 나노섬유 제조용 전기방사장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 온도조절 장치는 오버플로우 시스템을 통해 회수되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절할 수 있는 가열장치 및 냉각장치을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조용 전기방사 장치
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 방사되는 폴리머 용액의 점도는 1,000 cps 내지 3,000 cps로 일정하게 조절되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조용 전기방사 장치.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 가열 장치는 전열히터, 온수순환장치 및 온풍순환장치중 하나이상 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조용 전기방사 장치.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 냉각 장치는 칠링(Chilling) 장치인 것을 특징으로 하는 나노 섬유 제조용 전기방사 장치.
   
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 온도조절 장치는 저장탱크, 노즐블록 및 오버플로우 시스템 중 어느 하나 이상에 설치되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 제조용 전기방사 장치.
   

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