KR101382572B1 - 속도 제어가 가능한 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방사 과정에서 정전기적 인력으로 인해 발생할 수 있는 장척시트의 원활하지 못한 이송문제를 해결하기 위해, 방사용액이 토출되는 노즐블록 및 컬렉터로 구성되는 복수의 방사구역 앞과 뒤에 장척시트의 처짐을 감지하는 장치를 구비하여 상기 감지신호를 바탕으로 장척시트의 이송속도를 조절할 수 있는 나노섬유 제조용 전기방사장치를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 전기방사장치는 장척시트의 처짐을 자동적으로 감지하고 해결함으로써, 장척시트의 이송문제로 인한 나노섬유의 불균일적인 방사를 방지하여 균일한 물성가진 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.

Description

속도 제어가 가능한 전기방사장치{Electrospinning with speed control device}

본 기술은 전기방사에 의한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사용액이 토출되는 노즐블록 및 컬렉터로 구성되는 방사구역이 복수로 구비되고, 각 방사구역의 앞과 뒤 영역에 장척시트의 처짐을 감지하는 장치를 구비하여 상기 감지신호를 바탕으로 장척시트의 이송속도를 조절할 수 있는 나노섬유 제조용 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명은 하나의 노즐블록 상에 배열된 노즐을 통해 폴리머 방사용액을 동시에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 섬유(이하 "나노섬유"라고 한다)를 동시에 대량 생산할 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 나노섬유로 구성된 부직포 및 필라멘트를 대량 생산할 수 있는 전기방사장치에 관한 것이다.

나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 필라멘트 등의 제품은 생활용품, 농업, 의류, 산업용 등에 널리 사용되고 있으며, 구체적으로는 인조피혁, 인조스웨이드, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

종래 전기방사장치 및 이를 이용한 나노섬유의 제조방법은 미국 4,044,404호 등에 기재되어 있는 것과 같이, 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록, 상기 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 전압을 발생시키는 전압 발생장치들로 구성되어 있다.

하지만, 이와 같은 종래의 전기방사장치 및 이를 이용한 제조방법에 있어서, 높은 전압이 걸려있는 노즐로 방사액이 연속적으로 공급되기 때문에 부여되는 전기력 효과가 저하되는 문제가 있다. 보다 구체적으로, 노즐에 부여된 전기력이 방사액으로 분산됨으로써 전기력이 방사액의 계면장력을 극복하지 못하게 되어, 전기력에 의한 섬유 형성효과가 저하되어 방사용액이 물방울 형태로 낙하하는 드롭렛(Droplet) 현상이 발생하여 제품의 품질이 저하되고 대량생산이 어려워 상업화가 불가능한 문제가 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 전기방사 노즐블록에 부여되는 전기력 효과를 극대화시켜, 전기력을 방사액의 계면장력 보다 크게 함으로써 섬유형성효과를 증진시켜 나노섬유를 대량 생산할 수 있고, 드롭렛 현상을 효과적으로 방지하여 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있는 상향식 및 하향식 전기방사장치를 수차례 제시한 바 있다.

하지만, 컬렉터와 방사용액이 토출되는 노즐블록에 고전압을 각각 걸어줌으로써 섬유형성 효과가 증진되는 이면에는 고전압에 의한 정전기력 인력이 증대되고, 이는 나노섬유가 퇴적되는 장척시트가 컬렉터에 부착되어 전기방사장치에 포함된 장척시트 이송장치만으로는 이러한 정전기력 인력을 극복하기 어려워 나노섬유를 대량생산하는데 또다른 문제점으로 부각되었다. 컬렉터에 부착된 장척시트가 처지는 문제가 발생하면, 나노섬유의 불균일한 퇴적으로 품질이 저하되는 문제와 함께 처짐을 갖는 시트를 권취하였을 때, 감은 단단함에 차이가 발생하여 감아올린 롤이 변형되거나 주름이 생기게 된다.

이를 해결하기 위해 이송 중인 시트의 처짐을 감지하는 방법의 하나로, 시트에 압축공기를 송출하여 시트의 처짐을 평가하는 일본공개특허 제2001-33229호가 소개되어 있으나, 이 방법은 압축공기를 송출하는 공기 취출구에 공기 중의 오염성분이 부착되고 구멍직경이 변화되며 측정 오차가 발생하는 문제점이 있다.

시트의 처짐을 감지하는 한국공개특허 제10-2010-0123820호에서는 이송중인 시트의 처짐을 감지하기 위해 시트 표면에 터치롤러를 눌러서 대고, 상기 터치롤러의 변위량을 측정함으로써 시트의 처짐을 평가하는 기술을 발안하였다. 하지만, 이 특허의 경우에는 접촉식 롤러를 사용하여 시트의 장력을 평가하기 때문에 전기방사 방향에 따라서는 방사된 나노섬유에 롤러가 닿음으로써 오염 및 나노섬유 물성 변화의 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명자는 상기와 같은 시트의 처짐으로 인한 문제를 효과적으로 예방하기 위해, 전기방사 나노섬유의 제조단계에서 장척시트의 처짐을 감지하고, 장척시트의 이송을 보조하는 장치에 그 신호를 전달함으로써 컬렉터와 정전기적 인력으로 고정되어 있는 장척시트의 이송속도를 조절하여 시트처짐을 자동적으로 개선하는 장치를 개발하였고, 이러한 장치를 통해 균일한 품질의 나노섬유를 대량생산할 수 있게 하였다.

본 발명은 전기방사 과정에서 정전기적 인력으로 인해 발생할 수 있는 장척시트의 원활하지 못한 이송문제를 해결하기 위해, 방사구역 전후에 장척시트의 처짐을 감지하는 장치를 배치하고, 이 감지신호를 바탕으로 장척시트의 이송속도를 제어하는 자동화장치를 포함한 전기방사장치를 제공한다.

본 발명은 전압 발생 장치, 상기 전압 발생 장치의 음극 단자에 연결되어 방사 용액을 방사하는 복수의 노즐을 구비한 노즐 블록, 상기 전압 발생 장치의 양극 단자에 연결되어 노즐 블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터, 상기 노즐 블록과 컬렉터 사이에 위치하며 노즐 블록에서부터 방사토출된 나노섬유가 퇴적되는 장척시트, 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치, 컬렉터를 둘러싸고 컬렉터와 장척시트 사이를 통과하며 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트, 상기 보조벨트를 지지하는 롤러 및 상기 롤러의 회전속도를 제어하는 구동장치로 이루어진 전기방사장치 구역이 직렬로 배열된 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 상기 각 장치 구역의 전후에서 장척시트의 처짐을 감지하는 감지장치 및 감지장치의 신호를 수신하여 각 유닛의 보조벨트 속도를 제어하는 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 감지장치는 광센서, 초음파센서, 이미지센서 및 텐션미터 중 어느 하나이고, 상기 구동장치는 모터인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전압 발생 장치, 상기 전압 발생 장치의 음극 단자에 연결되어 방사 용액을 방사하는 복수의 노즐을 구비한 노즐 블록, 상기 전압 발생 장치의 양극 단자에 연결되어 노즐 블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터, 상기 노즐 블록과 컬렉터 사이에 위치하며 노즐 블록에서부터 방사토출된 나노섬유가 퇴적되는 장척시트, 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치, 컬렉터를 둘러싸고 컬렉터와 장척시트 사이를 통과하며 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트, 상기 보조벨트를 지지하는 롤러 및 상기 롤러의 회전속도를 제어하는 구동장치로 이루어진 전기방사장치 구역이 직렬로 배열된 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 상기 각 장치 구역의 전후에서 장척시트의 처짐을 감지하는 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 감지장치는 광센서, 초음파센서, 이미지센서 및 텐션미터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제조된 전기방사장치는 장척시트의 처짐을 자동적으로 감지하고 해결함으로써, 장척시트의 이송문제로 인한 나노섬유의 불균일적인 방사를 방지하여 균일한 물성을 가지는 고품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 장척시트처짐 감지장치 및 3개의 보조벨트 롤러와 이송속도 제어장치를 구비한 전기방사장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 장척시트처짐 감지장치 및 5개의 보조벨트 롤러와 이송속도 제어장치를 구비한 전기방사장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 장척시트처짐 감지장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전기방사 나노섬유 제조장치의 공정모식도이다.

다음과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하고, 실시예를 사용하여 상세하게 설명하도록 하겠다. 다만, 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하지는 아니한다.

[실시예 1]

도 1은 실시예 1에 관한 전기방사 나노섬유 제조장치 유닛(이하, "유닛"이라고 한다)(20)의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에서 폴리머 용액 공급부, 폴리머 용액 회수부 및 장척시트 투입, 권취, 이송롤러에 대한 도시는 생략하고 있다.

실시예 1의 유닛(20)은 전압발생장치(1)의 음극에 연결된 노즐(2) 및 노즐블록(3)과 양극에 연결된 컬렉터(4) 사이를 소정의 이송속도(V)로 통과하는 장척시트(5)를 구비한 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서, 컬렉터에 정전기적 인력으로 부착된 장척시트의 탈착 및 이송을 돕기위해 장척시트의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(6)와 상기 보조벨트를 지지하며 회전을 돕는 보조벨트 롤러(7)와 보조벨트 롤러에 포함된 보조벨트 구동장치(8)를 포함하는 보조벨트 장치를 구비한다. 상기 보조벨트 롤러 및 보조벨트 구동장치를 포함하는 보조벨트 롤러에 있어서, 하나 또는 2개 이상의 보조벨트 롤러가 구동롤러이고, 나머지 보조벨트 롤러는 종동롤러이다.

노즐블록(3)은 도 1에서 도시한 바와 같이, 복수의 노즐(2)로 구성되어 있으며, 보다 자세하게는 폴리머 용액을 토출구로부터 상향으로 토출하는 복수의 상향 노즐을 통해 나노섬유를 제작한다.

전기방사 나노섬유는 전기방사가 가능한 합성수지 재질을 방사하여 제조된 평균직경이 수~수천nm의 섬유로, 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 든다면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에티렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등이 있으며, 그중 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 프로피오네이트의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 널리 사용되고 있다.

폴리머 용액은 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, 글리콜군으로 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군인 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드를 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 폴리머 용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하여도 좋다.

방사구역의 온도는, 예를 들면 25℃로 설정할 수 있다. 방사구역의 습도는, 예를 들면 30%로 설정할 수 있다.

본 발명은 상기 유닛(20)의 보조벨트 구동장치에 장척시트의 처짐을 감지하여 속도를 제어하는 신호를 송신하는 시트처짐 감지장치(9)를 추가로 구비함으로써, 장척시트의 이송속도를 제어하여 시트처짐을 자동적으로 극복하는 장치를 구비한 나노섬유 대량생산 장치에 관한 것이다.

실시예 1의 유닛(20)은 3개의 보조벨트 롤러(7) 및 보조벨트 롤러에 포함된 보조벨트 구동장치(8)를 가지고 있는 것을 특징으로 하며, 상기 롤러들은 하나의 구동롤러와 두 개의 종동롤러로 이루어져 있다. 각 유닛 사이에 시트처짐 감지장치(9)를 통해 시트의 처짐을 감지하고, 보조벨트 구동장치의 속도를 가감하는 신호를 보낸다. 또한, 실시예 1은 상기 유닛을 2개 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 보조벨트 롤러에 포함된 보조벨트 구동장치(8)는 롤러 및 벨트를 회전시킬 수 있는 구동장치이면 어느 것을 사용하여도 무방하나, 보다 바람직하게는 모터인 것이 좋다.

상기 시트처짐 감지장치(9)는 접촉식 또는 비접촉식으로 장척시트의 처짐을 감지할 수 있는 장치이면 어느 것을 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 광센서, 초음파센서, 이미지센서 및 텐션미터 중에서 선택할 수 있다. 또한, 도 3에서 도시한 바와 같이 초음파 센서를 사용하는 것이 시트의 위치를 정확하게 감별하는데 보다 바람직할 수 있다.

[실시예 2]

도 2에 도시된 실시예 2의 유닛(20)은 5개의 보조벨트 롤러(7) 및 보조벨트 롤러에 포함된 보조벨트 구동장치(8)를 구비하며, 상기 롤러들은 하나의 구동롤러와 네 개의 종동롤러로 이루어져있다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 구성되어있다.

상기 유닛이 직렬로 3개 배열된 사이에 시트처짐 감지장치(9)가 위치하여 컬렉터에 장척시트가 부착되는 등의 문제로 인해 시트가 처지는 현상을 비접촉식으로 감지하고, 이러한 신호를 다음 유닛의 보조벨트 구동장치(8)로 송신하여 보조벨트 회전속도를 높임으로써, 전단에 처진 시트 및 컬렉터에 부착된 시트를 효과적으로 당겨 다음 유닛으로 전송할 수 있게 한다.

[실시예 3]

도 4에 도시된 실시예 3의 전기방사 나노섬유 제조장치(10)에 있어서는, 장척시트(5)가 소정의 이송속도(V)로 이송되어가는 소정의 이송방향(a)을 따라서 직렬로 배치된 4대의 유닛(20)을 구비하고, 각 유닛 사이에 시트처짐 감지장치(9)를 배치한다.

투입롤러(11)에서 전기방사 나노섬유 제조장치로 도입된 장척시트(5)는 보조롤러(13)를 통해 일정한 높이와 방향을 부여받고, 구동롤러(14, 15, 16, 17)에 의해 소정의 이송속도를 유지하며 권취롤러(12)를 향해 전진하게 된다. 장척시트가 이송하는 방향에 도 1에 도시한 실시예 1의 유닛(20)이 직렬로 4개 배치되며, 각 유닛의 사이에는 시트처짐 감지장치(9)를 배치한다. 각 유닛의 컬렉터와 장척시트 간의 정전기적 인력이 구동롤러의 이송력보다 커지면, 장척시트가 컬렉터에 부착되어 권취롤러로 원활하게 이송되지 못하는 문제가 발생하며, 시트가 부착된 상태에서 구동롤러로 무리하게 시트를 끌어당기면 장척시트가 파열되는 문제 또한 발생할 수 있다. 따라서 각 유닛에 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트 장치가 구비되어 있는데, 상기 시트처짐 감지장치(9)로 장척시트의 처짐을 감지하여 보조벨트 장치의 속도를 조절함으로써 장척시트가 원활하게 이송될 수 있도록 한다.

실시예 3은 전체 전기방사 나노섬유 제조장치의 모식도를 보여주며, 각 유닛에서 일어나는 현상은 실시예 1에서 설명한 바와 동일하다.

상기 나노섬유가 퇴적된 장척시트는 가열장치(19)를 통해 나노섬유의 제조가 마무리되며, 가열온도는 장척시트나 나노섬유의 종류에 따라 각각 다르게 설정될 수 있다. 예를 들면 상기 가열온도는 40 내지 400℃로 가열할 수 있다.

가열장치를 통과한 장척시트는 보조롤러를 통해 일정한 방향으로 위치를 변경하여 권취롤러(12)에 권취되며, 나노섬유가 퇴적된 장척시트로 이루어진 나노섬유 부직포가 제조된다.

본 발명은 상기의 실시예를 기초로 하여 보다 자세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 이탈하지 않는 범위에 있어서 여러 형태에서 실시하는 것이 가능하다.

1 : 전압 발생장치 2 : 노즐
3 : 노즐블록 4 : 컬렉터
5 : 장척시트 6 : 보조벨트
7 : 보조벨트 롤러 8 : 보조벨트 구동장치
9 : 시트처짐 감지장치 10 : 전기방사 나노섬유 제조장치
11 : 투입롤러 12 : 권취롤러
13,18 : 보조롤러 14, 15, 16, 17 : 구동롤러
19 : 가열장치 20 : 전기방사 나노섬유 제조장치 유닛

Claims (4)

1. 전압 발생 장치와, 상기 전압 발생 장치의 음극 단자에 연결되어 방사 용액을 방사하는 복수의 노즐을 구비한 노즐 블록과, 상기 전압 발생 장치의 양극 단자에 연결되어 노즐 블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터와, 상기 노즐 블록과 컬렉터 사이에 위치하며 노즐 블록에서부터 방사토출된 나노섬유가 퇴적되는 장척시트와, 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치와, 컬렉터를 둘러싸고 컬렉터와 장척시트 사이를 통과하며 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트와, 상기 보조벨트를 지지하는 롤러 및 상기 롤러의 회전속도를 제어하는 구동장치로 이루어진 전기방사장치 구역이 직렬로 배열된 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서,
   상기 각 전기방사장치 구역의 전후에서 장척시트의 처짐을 감지하는 감지장치; 및
   상기 감지장치의 신호를 수신하여 각 유닛의 보조벨트 속도를 제어하는 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 감지장치는 광센서, 초음파센서, 이미지센서 및 텐션미터 중 어느 하나이고, 상기 구동장치는 모터인 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
3. 전압 발생 장치와, 상기 전압 발생 장치의 음극 단자에 연결되어 방사 용액을 방사하는 복수의 노즐을 구비한 노즐 블록과, 상기 전압 발생 장치의 양극 단자에 연결되어 노즐 블록의 대응되는 위치에 설치되는 컬렉터와, 상기 노즐 블록과 컬렉터 사이에 위치하며 노즐 블록에서부터 방사토출된 나노섬유가 퇴적되는 장척시트와, 상기 장척시트를 소정의 이송속도로 이송하는 이송장치와, 컬렉터를 둘러싸고 컬렉터와 장척시트 사이를 통과하며 장척시트의 이송을 보조하는 보조벨트와, 상기 보조벨트를 지지하는 롤러 및 상기 롤러의 회전속도를 제어하는 구동장치로 이루어진 전기방사장치 구역이 직렬로 배열된 전기방사 나노섬유 제조장치에 있어서,
   상기 각 전기방사장치 구역의 전후에서 장척시트의 처짐을 감지하는 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 감지장치는 광센서, 초음파센서, 이미지센서 및 텐션미터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기방사 나노섬유 제조장치.

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