KR101060918B1 - Electrospinning multi-nozzle spinning pack and electrospinning apparatus comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리머 방사액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 고전압이 인가되는 방사 노즐을 복수 개 포함하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩으로서, 각각의 방사 노즐 직하에 설치되어 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 복수의 가열 유니트들; 가열 유니트 끝부분에 관상으로 부착되고 에어에 의해 방사구역에서 나오는 필라멘트를 필라멘트가 토출되는 방향으로 당겨서 유도하는 복수의 에어 가이드들 및 복수의 에어 가이드들에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다. 본 발명의 방사 팩은 나노섬유 제조에 이용시 방사되는 나노섬유의 물성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있고, 나노섬유의 굵기를 더욱더 가늘게 하면서도 생산량을 증가시킬 수 있다.The present invention is an electrospinning multi-nozzle spinning pack including a plurality of spinning nozzles that are supplied with a polymer spinning liquid and discharged in a filament form, and are provided with a plurality of spinning nozzles, which are installed under each spinning nozzle to maintain a constant temperature in the spinning zone. A plurality of heating units to promote fiberization; A plurality of air guides attached tubularly to the end of the heating unit and guides the filaments coming out of the radiation zone by the air in a direction in which the filaments are discharged, and an air supply for supplying air to the plurality of air guides It relates to an electrospinning multi-nozzle spinning pack and an electrospinning apparatus comprising the same. The spinning pack of the present invention can improve the physical and mechanical properties of the nanofibers are used when manufacturing the nanofibers, and can increase the yield while thinning the thickness of the nanofibers.
방사 팩, 다중 노즐, 전기방사장치, 나노섬유, 가열 유니트, 에어 가이드, 에어 공급부Spinning Pack, Multiple Nozzle, Electrospinning Device, Nanofiber, Heating Unit, Air Guide, Air Supply
Description
본 발명은 전기방사용 다중 노즐 방사 팩 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 방사 노즐을 복수 개 포함하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩으로서, 각각의 방사 노즐에 대해서 가열 유니트와 에어 가이드가 독립적으로 설치되어, 제조되는 섬유의 굵기를 더욱 가늘게 하고 생산량을 증가시킬 수 있는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩 및 이를 포함하는 전기방사장치에 관한 것이다. The present invention relates to an electrospinning multi-nozzle spinning pack and an electrospinning apparatus comprising the same. More specifically, an electrospinning multi-nozzle spinning pack including a plurality of spinning nozzles, in which a heating unit and an air guide are independently installed for each spinning nozzle, to further reduce the thickness of the fabric to be produced and increase the yield. The present invention relates to an electrospinning multi-nozzle spinning pack and an electrospinning apparatus including the same.
전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 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 다공성 분리막 소재로서 각종 필터류, 상처 치료용 드레싱, 인공 지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.Electrospinning (Electrospinning) is a technique for producing a fine diameter fiber by spinning the fiber raw material solution in a charged state, recently used as a technology for producing nanometer-class fibers, and the research on this is being actively conducted. Fibers produced by electrospinning have a diameter ranging from micrometers to nanometers, which in turn exhibits completely new properties. For example, an increase in the ratio of the surface area to the volume, an improvement in surface functionality, and an improvement in mechanical properties including tension. These superior properties allow nanofibers to be used in many important applications. For example, the web composed of such nanofibers may be applied to various fields such as various filter materials, wound dressings, artificial supports, and the like as a porous membrane material.
대한민국 공개특허공보 제2003-0077384호에는, 폴리머 용액을 고전압이 인가된 방사 노즐을 통하여 토출시키면서 방사 노즐의 하단으로 압축공기를 분사시켜 하부의 접지된 콜렉터에 방사 섬유를 웹 상태로 포집하는 것을 특징으로 하는 일렉트로-브로운 방사법에 의한 초극세 나노섬유 웹의 제조방법이 기재되어 있다. 그러나, 당해 방법은, 고압, 고속의 압축공기에 의해 토출된 섬유가 콜렉터와 충돌하여 되 튀어오르게 됨으로써 노즐을 오염시키는 문제점을 가지고 있다. 또한, 용액 방사의 경우에는 용매의 회수로 섬유가 취화될 가능성이 높고, 용매가 회수되는 만큼 토출량이 감소하고 그에 따라서 생산량이 감소하는 문제점이 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0077384, while spraying compressed air to the lower end of the spinning nozzle while discharging the polymer solution through the spinning nozzle is applied with a high voltage to collect the spinning fibers in a web state to the grounded collector at the bottom The manufacturing method of ultra-fine nanofiber web by the electro-blown spinning method is described. However, this method has a problem that the fibers discharged by the high pressure and high speed compressed air collide with the collector and bounce back, contaminating the nozzle. In addition, in the case of solution spinning, there is a high possibility that the fibers are embrittled by the recovery of the solvent, and the discharge amount decreases as the solvent is recovered, thereby reducing the yield.
한편, 용융 전기방사의 경우, 용액 전기방사에 비해서 용매가 회수되지 않아 섬유가 상대적으로 굵은 단점이 있고, 또한, 강한 전기장으로 인해 용액 토출시 방사 노즐의 하단에는 응집물이 형성되어 직경이 균일한 섬유를 제조하기가 곤란한 문제가 있다. 특히, 다중 노즐이 구성되는 경우에는 동일한 극성으로 하전(荷電)된 필라멘트간의 반발로 인해 스트림이 퍼지게 되어 콜렉터의 집적지점으로 제대로 유도되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 더욱이 각 노즐 사이의 거리가 매우 짧아서 이웃하는 노즐로부터 방사되는 필라멘트들과 서로 뭉쳐버리는 문제점이 발생한다. On the other hand, in the case of molten electrospinning, the solvent is not recovered as compared to the solution electrospinning, and thus the fiber is relatively thick.In addition, due to the strong electric field, agglomerates are formed at the bottom of the spinning nozzle when the solution is discharged, so that the fiber is uniform in diameter. There is a problem that is difficult to manufacture. In particular, when multiple nozzles are configured, a problem may occur in that the stream spreads due to repulsion between charged filaments having the same polarity and may not be properly guided to the collector's accumulation point, and the distance between the nozzles is very short. A problem arises in which the filaments radiated from neighboring nozzles merge with each other.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 더욱 더 가는 필라멘트가 방사 노즐로부터 콜렉터로 안정적으로 방사될 수 있도록 하면서도 단위시간당 토출량을 증가시킬 수 있는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to enable more and more thin filament can be stably radiated from the spinning nozzle to the collector, while increasing the discharge amount per unit time To provide a multi-nozzle spinning pack.
본 발명의 다른 목적은 고품위의 초극세 나노섬유를 높은 생산성으로 생산할 수 있는 전기방사장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an electrospinning device capable of producing high quality ultra-fine nanofibers with high productivity.
본 발명의 그 밖의 목적, 이점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 자명해질 것이다.Other objects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 가지 구현예에 따르는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩은 폴리머 방사액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 고전압이 인가되는 방사 노즐을 복수 개 포함하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩으로서, 각각의 방사 노즐 직하에 설치되어 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 복수의 가열 유니트들; 각각의 가열 유니트 끝부분에 개별적으로 하나씩 관상(管狀)으로 부착되고, 에어에 의해 방사구역에서 나오는 필라멘트를 필라멘트가 토출되는 방향으로 당겨서 유도하는 복수의 에어 가이드들 및 복수의 에어 가이드들에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩에 관한 것이다. Electrospinning multi-nozzle spinning pack according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is an electrospinning comprising a plurality of spinning nozzles are supplied with a high voltage is supplied to the polymer spinning liquid and discharged in the form of filament A multi-nozzle spinning pack, comprising: a plurality of heating units installed directly below each spinning nozzle to maintain a constant temperature of the spinning zone to promote fiberization; A plurality of air guides and a plurality of air guides are attached to each end of each heating unit individually in a tubular manner and guide the filaments coming out of the radiation zone by air in the direction in which the filaments are discharged. It relates to an electrospinning multi-nozzle spinning pack comprising an air supply for supplying.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 폴리머 방사액을 공급하는 폴리머 공급부, 폴리머 공급부로부터 이송된 폴리머 방사액이 토출되는 방사 팩, 방사 팩으로부터 토출된 섬유를 집적하는 콜렉터, 및 방사 팩과 콜렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 전기방사장치에 있어서, 방사 팩이 복수 개의 방사 노즐을 포함하고, 각각의 방사 노즐 직하에 설치되어 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 복수의 가열 유니트들; 각각의 가열 유니트 끝부분에 개별적으로 하나씩 관상으로 부착되고 에어에 의해 방사구역에서 나와 콜렉터로 향하는 필라멘트들을 콜렉터 방향으로 당겨서 유도하는 복수의 에어 가이드들 및 복수의 에어 가이드들에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사장치에 관한 것이다. Another aspect of the present invention for achieving the above object is a polymer supply for supplying a polymer spinning solution, a spin pack for discharging the polymer spinning liquid transported from the polymer supply, a collector for collecting the fibers discharged from the spinning pack, and a spinning pack An electrospinning apparatus comprising a high voltage generator for applying a voltage between a collector and a collector, wherein a spinning pack includes a plurality of spinning nozzles and is installed directly below each spinning nozzle to maintain a constant temperature in the spinning zone to promote fiberization. A plurality of heating units; Air supply for supplying air to a plurality of air guides and a plurality of air guides, which are attached tubularly, one at each end of each heating unit, and pull the filaments out of the radiation zone towards the collector by air in the direction of the collector The present invention relates to an electrospinning apparatus comprising an electrospinning multi-nozzle spinning pack comprising a portion.
본 발명의 방사 팩 및 전기방사장치를 이용하여 폴리머를 전기방사하는 경우에는, 다수의 노즐들을 매우 좁은 공간 내에 방사 팩의 횡방향 또는 종방향으로 배열할 수 있어서 전기방사에 의하면서도 단위시간당 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 방사 노즐로부터 콜렉터로 안정적으로 필라멘트를 집적시킴으로써 인접한 필라멘트끼리의 간섭 또는 융착을 방지하여 제조공정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 각각의 방사 노즐 끝부분의 방사구역에 취부되는 가열 유니트에 의해 방사구역의 온도를 일정하게 유지하므로, 폴리머 방사액의 상 안정을 도모하여 전기방사되는 섬유의 물성을 제어할 수 있고 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. In the case of electrospinning the polymer using the spin pack and the electrospinning device of the present invention, a plurality of nozzles can be arranged in the transverse direction or the longitudinal direction of the spin pack in a very narrow space, so that the productivity per unit time can be improved by electrospinning. It is possible to improve significantly, and by stably integrating the filament from the spinning nozzle to the collector, it is possible to prevent interference or fusion between adjacent filaments, thereby improving manufacturing processability. In addition, since the temperature of the spinning zone is kept constant by the heating unit attached to the spinning zone at the end of each spinning nozzle, the physical properties of the electrospun fibers can be controlled by controlling the phase stability of the polymer spinning liquid and the mechanical properties. Can improve.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known general functions or configurations will be omitted.
본 발명의 한 가지 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩은 폴리머 방사액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하는 고전압이 인가되는 방사 노즐을 복수 개 포함하는 전기방사용 다중 노즐 방사 팩으로서, 각각의 방사 노즐 직하에 설치되어 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 복수의 가열 유니트들; 각각의 가열 유니트 끝부분에 개별적으로 하나씩 관상으로 부착되고 에어에 의해 방사구역에서 나오는 필라멘트를 필라멘트가 토출되는 방향으로 당겨서 유도하는 복수의 에어 가이드들 및 복수의 에어 가이드들에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함한다. The electrospinning multi-nozzle spinning pack according to an embodiment of the present invention is an electrospinning multi-nozzle spinning pack including a plurality of spinning nozzles to which a high voltage is applied to receive a polymer spinning solution and discharge the filament into a filament. A plurality of heating units installed directly below the spinning nozzle to maintain the temperature of the spinning zone to promote fiberization; Air supply for supplying air to a plurality of air guides and a plurality of air guides, which are attached tubularly to each end of each heating unit individually and guide the filament coming out of the radiation zone by air in the direction in which the filament is discharged. Contains wealth.
본 발명에서 “방사 노즐 직하(直下)”라 함은 반드시 물리적으로 아래쪽을 의미하는 것은 아니고, 방사 노즐의 직하, 직상(直上), 수평 방향 또는 사선 방향 등, 콜렉터 쪽으로의 모든 방향을 포함하는 의미이다. In the present invention, "directly below the radiation nozzle" does not necessarily mean physically downward, but includes all directions toward the collector, such as directly below, directly upward, horizontally or diagonally, of the spinning nozzle. to be.
본 발명의 방사 팩을 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터 소재, 광화학 센서 소재, 카본 나노튜브 등의 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초 소재 및 미용 소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에, 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성 고분자를 나노섬유로 제조하여 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지하여 창문의 색상을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬 이온 전지의 전해질로 사용하는 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한, 생체조직과 흡사하게 만든 인공 단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조 피부의 제조에도 이용될 수 있다.Nanofibers that can be produced using the radiation pack of the present invention is a filter material, photochemical sensor material, carbon material such as carbon nanotube, electronic device material, biomedical material, tissue engineering material, drug delivery material, DNA It can be widely applied as a manufacturing base material and cosmetic material. For example, nanofibers have a very large surface area compared to their volume, so they show an excellent effect when applied to filters. When nanoconductive conductive polymers are made of nanofibers and coated on glass, they change the color of windows by detecting the amount of sunlight. can do. When the conductive nanofibers are used as electrolytes for lithium ion batteries, the size and weight of the conductive paper can be greatly reduced while preventing leakage of the electrolyte. In addition, if nanofibers are made of artificial proteins made similar to biological tissues, they can be used in the manufacture of bandages or artificial skins that are directly absorbed into the body as the wound heals.
먼저, 도 1은 본 발명의 한 가지 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩을 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 한 가지 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩은 폴리머 방사액이 토출되는 복수의 방사 노즐들(10, 10‘ 및 10“), 각각의 방사 노즐(10) 바로 아래에 독립적으로 설치되어 방사구역(20)의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 가열 유니트들(30, 30’ 및 30”), 각각의 가열 유니트(30) 하단에 관상으로 부착되고 각각의 방사 노즐 끝부분의 방사구역에서 토출되는 필라멘트들을 에어에 의해 필라멘트가 방사되는 방향으로 당겨서 유도하는 에어 가이드(40, 40‘ 및 40“) 및 에어를 복수의 에어 가이드들에 공급하는 에어 공급부(50)를 포함한다. First, FIG. 1 schematically illustrates an electrospinning multi-nozzle spinning pack according to one embodiment of the invention. The electrospinning multi-nozzle spinning pack according to one embodiment of the present invention is a plurality of spinning
본 발명의 한 가지 구현예의 방사 팩을 구성하는 방사 노즐의 개수는 전기장 간섭 방지, 토출 스트림간의 접촉 방지, 방사 노즐의 가용 공간 등을 고려하여 임의로 결정될 수 있는데, 일례로 방사 팩은 10개 이상의 방사 노즐들이 일렬로 배열되거나 2열 이상의 다중 열로 배열될 수 있다. 한편, 방사 노즐 사이의 간격은 2 내지 500mm가 바람직하고, 3 내지 300mm가 보다 바람직하다.The number of spinning nozzles constituting the spinning pack of one embodiment of the present invention may be arbitrarily determined in consideration of the prevention of electric field interference, the prevention of contact between the discharge streams, the available space of the spinning nozzles, and the like. The nozzles may be arranged in a row or in multiple rows of two or more rows. On the other hand, 2-500 mm is preferable and, as for the space | interval between spinning nozzles, 3-300 mm is more preferable.
일반적인 전기방사법에서는 하나 또는 소수의 노즐에서 시간당 수 그램(g) 이하의 용액을 토출하여 섬유를 제조하고, 특히 나노섬유는 매우 적은 방사액을 방출시켜 제조하기 때문에, 생산속도가 매우 낮아 경제성이 낮은 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 다수의 방사 노즐을 가깝게 배치하더라도 이웃하는 방사 노즐로부터 방사되는 필라멘트들이 서로 간섭을 받지 않고 안정적으로 콜렉터로 방사될 수 있기 때문에, 전기방사에 의하면서도 생산량을 획기적으로 증가시킬 수 있다. In the general electrospinning method, fibers are produced by discharging a solution of several grams per hour (g) or less from one or a few nozzles, and in particular, nanofibers are produced by emitting very little spinning solution, so the production rate is very low and economic efficiency is low. There is a problem. However, according to the present invention, the filaments radiated from neighboring radiating nozzles can be stably radiated to the collector without being interfered with each other even if a plurality of radiating nozzles are placed close to each other. Can be.
본 발명의 구현예의 방사 팩에서 복수의 방사 노즐들은 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열될 수 있고, 더 나아가 상향(上向)으로 배열될 수도 있다. 즉, 본 발명의 방사 팩은 하향식 방사장치 뿐만 아니라 상향식 또는 횡방향식 방사장치에 적용될 수 있다. In the spinning pack of the embodiment of the present invention, the plurality of spinning nozzles may be arranged in the horizontal direction or in the vertical direction, and may further be arranged upward. That is, the radiation pack of the present invention can be applied not only to the top-down radiator but also to the bottom-up or lateral radiator.
각각의 가열 유니트(30, 30’, 30”)는 복수의 방사 노즐들(10, 10’, 10”) 바로 아래에 각각 독립적으로 각각의 방사 노즐들 둘레로 형성되며, 방사 노즐로부터 토출된 필라멘트가 콜렉터로 집적되는 동안에 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하고 필라멘트를 안정적으로 유도한다. 용액 전기방사는 용매가 휘발하면서 섬유의 굵기를 가늘게 하는 효과가 발생할 수 있다. 용융방사의 경우는 섬유의 굵기를 조절할 수 있는 방법 중에 섬유의 결정화도를 조절하여 섬유의 굵기를 가늘게 조절할 수 있다. 특히 빠른 결정화는 섬유의 굵기 조절에 어려움을 주며, 위핑(whipping) 모션을 유도할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 결정화 속도를 늦추며, 점도를 낮추어 좀더 많은 위핑 모션을 유도하여 섬유의 굵기를 더욱더 가늘게 하기 위하여 콜렉터에 집적되는 동안 용융온도 근처까지 일정한 온도를 유지하는 것이 나노섬유화를 촉진하고 분포도가 우수한 섬유를 안정적으로 얻기 위해 바람직하다. Each
이러한 가열 유니트들(30, 30’, 30”)의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니나, 직사각형 또는 원통형으로 구성될 수 있고, 세라믹, 강화 유리, 또는 기타 전기절연성 무기재 하우징 내에 열선이 설치되는 전기적인 방식으로 구현되거나, 전기적인 방식 이외에 열풍으로 가열하는 방식도 채용될 수 있다. The type of
본 발명에서 가열 유니트(30, 30’, 30”)의 규격은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일례로 폭은 1 내지 15cm의 범위 내이고 높이는 5 내지 20㎝의 범위 내일 수 있다.In the present invention, the size of the
가이드 유니트들(30, 30’, 30”)에 의해서 유지되는 방사구역(20)의 온도(TH)는 하기 수학식 1의 범위 내이다. The temperature T H of the radiation zone 20 maintained by the
위의 수학식 1에서,
TH는 방사구역의 온도이고, In Equation 1 above,
T H is the temperature of the spinning zone,
Tm은 방사하는 폴리머의 융융온도이다. T m is the melting temperature of the spinning polymer.
이러한 방사구역의 온도(TH)는 방사하고자 하는 폴리머의 특성에 따라 결정되지만, 방사구역의 온도가 Tm + 15℃를 초과하는 경우에는 폴리머의 열분해가 일어나 분자량이 저하되어 사절(絲切)이 발생하기 쉽고, 이와는 반대로 방사구역의 온도가 Tm - 15℃ 미만이면, 가열 유니트가 제대로 작동하지 않아 종래 기술과 같은 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 위핑 모션을 유도할 수 없거나 미약하여 섬유의 굵기가 굵고 불균일하며 나노섬유화가 일어나지 않는 문제점이 있으며, 원하는 방향으로 방사하기가 어렵고, 방사 후 얻게 될 웹의 두께 또한 두꺼운 형태로 제조될 우려가 있다.The temperature (T H ) of the spinneret is determined by the characteristics of the polymer to be spun, but when the temperature of the spinneret exceeds T m + 15 ° C, thermal decomposition of the polymer occurs and the molecular weight decreases, which means This is easy to occur, on the contrary, if the temperature of the radiation zone is less than T m -15 ° C, the heating unit may not operate properly, which may cause problems as in the prior art. That is, there is a problem that the thickness of the fiber is too thick or uneven and nanofiberization does not occur due to the inability or weakness of the whipping motion, it is difficult to spin in a desired direction, and the thickness of the web to be obtained after spinning is also feared to be manufactured in a thick form. have.
일례로, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 방사 노즐(310, 310’, 310”)의 둘레로 방사구역의 온도를 일정하게 조절하기 위한 가열 유니트(330, 330’, 330”)들이 별개로 독립적으로 구성되거나, 대안으로 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 가열 유니트들이 각각의 방사 노즐 둘레로 독립적인 방사구역을 형성하고 그러한 방사구역의 온도를 조절하지만, 가열 유니트 자체는 서로 연결되어 일체로 형성될 수도 있다.
에어 가이드(40, 40’, 40”)는 불소계 폴리머, 폴리에테르 에테르 케톤, 나일론과 같은 폴리아미드계 폴리머 등의 엔지니어링 플라스틱으로 제작될 수 있다.에어 가이드(40, 40’, 40”)는 방사구역(20)에서 가열 유니트(30, 30’, 30”)에 의해 가열된 섬유를 에어로 원하는 방사 방향으로 당겨서 내려 보내는 것으로, 가열 유니트(30, 30’, 30”)의 말단에서 부드럽게 아래로 흐르도록 유선형의 완만한 경사를 이루며 아래쪽으로 좁아지도록 구성될 수 있다. 이때, 수평면에 대해서 에어 가이드가 콜렉터 방향으로 굽어지는 각도(θ)는 5도 내지 80도의 범위 내일 수 있고, 에어 가이드가 방사되는 필라멘트를 따라서 내려오는 부분의 길이는 약 0.5 내지 7.5㎝의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 방사 팩은 가열 유니트(30, 30’, 30”)에 의해 조절되는 방사구역(20)의 온도 및 에어 가이드(40, 40’, 40”) 내의 에어의 온도를 조절하는 온도조절장치(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 온도조절장치는 가열 유니트와 에어 가이드에 각각 독립적으로 설치되거나, 가열 유니트를 열풍 가열방식으로 가열하는 경우에는 가열 유니트와 에어 가이드 내의 에어의 온도를 함께 제어하도록 구성될 수도 있다. 이러한 온도조절장치는 에어의 온도를 감지하는 센서와 감지된 온도에 따라 에어의 온도를 제어하는 제어 보드를 포함할 수 있다. 온도 센서는 전압 미터(voltage meter), 전류 미터(amphare meter), 온도계 등, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 사용되는 임의의 센서를 사용할 수 있다. As an example, as shown in FIG. 2,
The air guides 40, 40 ', 40 "can be made of engineering plastics such as fluorine-based polymers, polyether ether ketones, polyamide-based polymers such as nylon. The air guides 40, 40', 40" are spun In the zone 20, the fibers heated by the
The radiation pack of the present invention is a thermostat that regulates the temperature of the radiation zone 20 and the air in the air guides 40, 40 ', 40 "controlled by the
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방사 노즐(10)은 세라믹 화합물, 금속 또는 금속 합금, 폴리머 또는 코폴리머 등을 포함하는 재료로 제작될 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
에어 공급부(50)는 각각의 가열 유니트(30, 30’, 30”) 하단에 취부되는 각각의 에어 가이드(30, 30’, 30”)에 에어가 전달될 수 있도록 연결되어, 에어 가이드에 의해서 분사될 에어를 공급한다. 에어 가이드에 의해서 방사되는 필라멘트로 분사되는 에어의 유속은 1 내지 10,000m/min, 바람직하게는 1 내지 3,000m/min이고, 에어의 온도는 상온에서 350℃, 바람직하게는 상온에서 150℃이다. The spinning
The
본 발명의 방사 팩은 용액 방사와 용융 방사에 모두 사용될 수 있으나, 용융 방사의 경우, 보다 나은 효과를 제공할 수 있다. 일반적인 용융 전기방사의 경우, 섬유의 굵기가 굵어지는 한계가 있는데, 본 발명에 의하면, 용융 전기방사에 의하면서도 수십 ㎚ 내지 수백 ㎚ 스케일로 나노섬유의 굵기를 더욱더 가늘게 제조할 수 있고, 에어 가이드가 에어를 분사하여 방사구역에서 빠져 나와서 콜렉터로 집적되는 필라멘트들을 콜렉터 방향으로 당겨서 토출시키기 때문에 토출량을 증가시킬 수 있다. The spinning pack of the present invention can be used for both solution spinning and melt spinning, but in the case of melt spinning can provide a better effect. In general melt electrospinning, there is a limitation that the thickness of the fiber is thick, according to the present invention, the nanofibers can be made even thinner on the scale of several tens of nm to several hundreds nm by the melt electrospinning, and the air guide The amount of discharge can be increased because the filaments which are discharged from the spinning zone by the air injection and are pulled in the direction of the collector to discharge the filaments accumulated in the collector.
본 발명의 전기방사용 다중 노즐 방사 팩은 반드시 본 발명의 전기방사장치에 적용되는 것에 한정되지 않으며, 전기방사 방식으로 나노섬유를 제조하기 위한 통상적인 전기방사장치의 방사수단으로서 적용될 수도 있음이 이해되어야 한다. The electrospinning multi-nozzle spinning pack of the present invention is not necessarily limited to those applied to the electrospinning apparatus of the present invention, it is understood that it may be applied as a spinning means of a conventional electrospinning apparatus for producing nanofibers in an electrospinning manner. Should be.
본 발명의 또 다른 양상은 전기방사장치에 관한 것이다. 본 발명의 전기방사장치는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 폴리머 방사액을 공급하는 폴리머 공급부(100), 폴리머 공급부로부터 이송된 폴리머 방사액이 토출되는 방사 팩(300), 방사 팩으로부터 토출된 섬유를 집적하는 콜렉터(500), 및 방사 팩과 콜렉터 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생기(400)를 포함한다. 본 발명에서 방사 팩(300)은 복수 개의 방사 노즐들(310, 310’, 310”)을 포함하고, 각각의 방사 노즐들 바로 아래에 독립적으로 설치되고, 방사구역의 온도를 일정하게 유지하여 섬유화를 촉진하는 복수의 가열 유니트들(330, 330’, 330”); 각각의 가열 유니트 끝부분에 개별적으로 하나씩 관상으로 부착되고 에어에 의해 방사구역에서 나와 콜렉터로 향하는 필라멘트들을 콜렉터 방향으로 당겨서 유도하는 복수의 에어 가이드들(340, 340’, 340”) 및 복수의 에어 가이드들(340, 340’, 340”)에 에어를 공급하는 에어 공급부(350)를 포함한다.Another aspect of the invention relates to an electrospinning apparatus. As shown in FIG. 4, the electrospinning device of the present invention is a
방사 팩(300)은 복수 개의 방사 노즐(310, 310', 310")을 포함하여 구성된다. 방사 팩(300)을 구성하는 방사 노즐(310, 310', 310")의 개수 또는 방사 팩(300)의 수는 제조될 나노섬유 웹의 사이즈나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 설정될 수 있다. 전기장 간섭 방지, 토출 스트림간의 접촉 방지, 방사 노즐의 가용 공간 등을 고려하면, 방사 팩(300)에 설치되는 방사 노즐 사이의 간격은 2 내지 500mm가 바람직하고, 3 내지 300mm가 보다 바람직하다.The
본 발명의 전기방사장치에서 방사 팩은 10개 이상의 방사 노즐들이 일렬로 배열되거나 2열 이상의 다중 열로 배열될 수 있고, 복수의 방사 노즐들이 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열될 수 있다.In the electrospinning apparatus of the present invention, the radiation pack may have ten or more spinning nozzles arranged in a row or two or more rows, and a plurality of spinning nozzles may be arranged in a horizontal direction or a vertical direction.
본 발명에서 가열 유니트와 에어 가이드는 각각의 방사 노즐에 대하여 독립적으로 설치되는데, 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일례로, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 방사 노즐(310, 310’, 310”)의 둘레로 방사구역의 온도를 일정하게 조절하기 위한 가열 유니트(330, 330’, 330”)들이 별개로 독립적으로 구성되거나, 대안으로 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 가열 유니트들이 각각의 방사 노즐 둘레로 독립적인 방사구역을 형성하고 그러한 방사구역의 온도를 조절하지만, 가열 유니트 자체는 서로 연결되어 일체로 형성될 수도 있다.In the present invention, the heating unit and the air guide are installed independently for each spinning nozzle, and can be implemented in various ways. As an example, as shown in FIG. 2,
종래의 전기방사에서는 방사 노즐과 콜렉터 사이에 전기장(電氣場)만이 형성되어 나노섬유가 방사되어 나노섬유 웹을 형성하게 되므로, 제조된 웹의 두께와 기공의 크기를 조절하는 것이 곤란하였다. 그러나 본 발명에서는 방사 노즐과 콜렉터 사이에 전류가 통하지 않는 절연재로 제작된 직사각형의 가열 유니트(330, 330’, 330”)가 취부되고, 각각의 가열 유니트(330, 330’, 330”)의 말단에는 방사 노즐로부터 방사되는 나노섬유에 고온의 에어를 분사하는 에어 가이드(340, 340', 340")가 장착된다. 따라서, 각각의 가열 유니트(330, 330’, 330”) 내에서는 나노섬유가 형성되고, 형성된 나노섬유는 가열 유니트(330, 330’, 330”) 끝에서 발생된 기류(air flow)에 의해 가이드(안내)되어 섬유가 손상되지 않고 콜렉터(500)에 수집될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 가열 유니트의 온도, 에어 가이드 내의 에어의 유속, 에어의 온도 등을 조절함으로써 나노섬유의 특성을 제어할 수 있다.In the conventional electrospinning, only an electric field is formed between the spinning nozzle and the collector so that the nanofibers are radiated to form a nanofiber web, and thus it is difficult to control the thickness and the size of pores. However, in the present invention,
각각의 가열 유니트(330, 330’, 330”)는 직사각형 또는 원통형 쳄버이고, 전기적인 방식 등 다양한 방식에 의해 가열되어 방사구역의 온도를 일정하게 유지함으로써 나노섬유의 형성을 돕는다. 이러한 가열 유니트(330, 330’, 330”)는 전류가 통하지 않는 세라믹, 강화 유리, 전기절연성 무기재 등의 재질로 구성될 수 있다.Each
에어 가이드(340, 340’, 340”)는 가열 유니트(330, 330’, 330”)의 하단 양측으로 소정 온도의 에어가 분사되는 원뿔형이며, 에어를 운반하는 관의 내부 직경은 약 0.5 내지 약 4cm의 범위 내일 수 있다. 각각의 가열 유니트(330, 330’, 330”)의 폭은 특별히 제한되지 않고 방사 조건에 따라서 조절될 수 있는데, 일반적으로 1 내지 15cm의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 가열 유니트(330, 330’, 330”)의 높이는 5 내지 20cm의 범위 내인 것이 안정적인 섬유화를 위해 바람직하다. The air guides 340, 340 ′, and 340 ″ have a conical shape in which air of a predetermined temperature is injected to both sides of the lower ends of the
에어 가이드에 의해서 방사되는 섬유로 분사되는 에어의 유속은 1 내지 10,000m/min, 바람직하게 1 내지 3,000m/min이고, 에어의 온도는 상온에서 350℃, 바람직하게는 상온에서 150℃이다. 에어를 운반하는 관의 내부 직경은 약 0.5 내지 약 4㎝의 범위 내일 수 있다. The flow rate of air injected into the fiber spun by the air guide is 1 to 10,000 m / min, preferably 1 to 3,000 m / min, and the temperature of the air is 350 ° C. at room temperature, preferably 150 ° C. at room temperature. The inner diameter of the tube carrying the air may be in the range of about 0.5 to about 4 cm.
본 발명의 전기방사장치는 가열 유니트(330, 330’, 330”)에 의해 조절되는 방사구역의 온도 및 에어 가이드(340, 340’, 340”) 내의 에어의 온도를 조절하는 온도조절장치(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 온도조절장치는 가열 유니트와 에어 가이드에 각각 독립적으로 설치되거나 가열 유니트를 열풍 가열방식으로 가열하는 경우에는 가열 유니트와 에어 가이드 내의 에어의 온도를 함께 제어하도록 구성할 수도 있다. 이러한 온도조절장치는 에어의 온도를 감지하는 센서와 감지된 온도에 따라 에어의 온도를 제어하는 제어 보드를 포함할 수 있다. 온도 센서는 전압 미터(voltage meter), 전류 미터(amphere meter), 온도계 등, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 사용되는 임의의 센서를 사용할 수 있다. The electrospinning apparatus of the present invention controls the temperature of the radiation zone controlled by the
폴리머 공급부(100)는 섬유 원료가 되는 폴리머 재료가 공급되어 용매에 용해되거나 용융액으로 상 변화되는 부분으로서, 방사액 저장부(130)와 이러한 폴리머 방사액을 방사 팩(300) 쪽으로 정량공급하기 위한 정량 펌프(150)를 포함하여 구성된다. The
방사 노즐(310, 310', 310")의 재료로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 폴리머, 폴리에테르 에테르 케톤, 나일론과 같은 폴리아미드계 폴리머 등의 내화학성 엔지니어링 플라스틱이 채용되며, 대안으로는 스테인레스 강(SUS)과 같은 내부식성 금속이 채용될 수 있다. 방사 노즐들(310, 310', 310")은 긴 원뿔형 또는 막대형일 수 있다. 본 발명의 섬유의 지름은 노즐(310, 310', 310")에 형성된 미세구멍의 크기를 포함하는 다양한 상태를 조절하여 조정하는 것이 가능하다. The materials of the spinning
본 발명에서 사용가능한 폴리머 재료는 폴리머 용액, 폴리머 용해물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서 사용가능한 대표적인 폴리머의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤 , 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하며, 이들을 단독으로 사용하거나 둘 이상이 혼합된 상태로 사용할 수도 있다. 또한, 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성을 향상시키기 위하여 기타의 첨가제를 첨가할 수도 있다. Polymeric materials usable in the present invention include polymer solutions, polymer melts, dissolved glass materials, and mixtures thereof. Non-limiting examples of representative polymers usable in the present invention include fluoropolymers, polyolefins, polyimides, polylactides, polyesters, polycaprolactones, polyvinylidene fluorides, polyacrylonitriles, polysulfones, polyimides, polyethylenes Oxides, and these may be used alone or in a mixture of two or more thereof. In addition, in the present invention, other additives may be added to the polymer solution or the molten polymer in order to improve physical properties.
본 발명에서 고전압 발생기(400)는 폴리머 방사액에 잠기도록 설치되어 전압 인가시 폴리머 방사액을 하전시킨다. 바람직하게는, 고전압 발생기에 인가되는 전압은 10 내지 100kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다. In the present invention, the
방사 팩(300)으로부터 토출된 섬유는 하전된 콜렉터(500)에 수집된다. 콜렉터(500)는 접지되거나, 방사 팩(300) 쪽에 인가한 전압의 극성과 반대 극성(또는 접지)의 전압이 인가되고, 예컨대 롤러와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 방사 팩(300)의 끝부분으로 연속적으로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 콜렉터(500)의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하게 사용되며, 그밖에 다양한 종류의 전도성 재료가 채용될 수 있다. The fibers discharged from the
방사 노즐(310, 310', 310")의 끝부분과 콜렉터(500) 사이의 거리는, 콜렉터(500)에 대하여 바람직하게는 1 내지 25cm, 보다 바람직하게는 5 내지 20cm로 설정함으로써 필라멘트의 연신을 위한 적정 전기장(電氣場)이 형성되도록 한다.The distance between the ends of the spinning
본 발명의 전기방사장치는 하향식, 상향식, 횡방향식의 전기 방식에 적합하도록 개조될 수 있는데, 상향식이 대량생산 등의 면에서 보다 바람직하다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 전기방사장치는 방사 노즐과 콜렉터를 수평 방향으로 배치하여 횡방향으로 방사하는 횡방향식 전기방사장치로도 구현할 수 있다. 횡방향식 전기방사장치의 경우에는 방사 원액의 액적(液滴)이 기재를 오염시키는 현상을 방지할 수 있다. The electrospinning device of the present invention may be adapted to be suitable for a top-down, bottom-up, or transverse electric system, with bottom-up being more preferable in terms of mass production. As shown in FIG. 5, the electrospinning device of the present invention may be implemented as a lateral electrospinning apparatus in which the spinning nozzle and the collector are disposed in the horizontal direction to radiate in the lateral direction. In the case of the lateral electrospinning apparatus, it is possible to prevent the droplets of the spinning stock solution from contaminating the substrate.
이어서, 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따르는 전기방사장치의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 폴리머 공급부(100)로부터 방사 팩(300) 쪽으로 원료가 되는 폴리머 방사액이 정량공급되면, 방사 팩(300)에 구성된 고전압 발생기(400)를 통해 폴리머 방사액이 하전된다. Next, the operation of the electrospinning apparatus according to the present invention configured as described above is as follows. First, when the polymer spinning solution, which is a raw material, is supplied from the
폴리머 공급부(100)의 폴리머 방사액은 절연되고 고전압이 인가된 방사구금의 방사 노즐(310, 310', 310")을 통해 토출된다. 방사 노즐(310, 310', 310")은 상부에 폴리머 방사액이 들어와 끝부분에 형성된 모세관을 거치면서 방사되는 구조로, 이러한 구조의 방사 노즐(310, 310', 310")들은 다수 개가 일정 간격으로 일렬로 배치되므로, 여러 개의 방사 노즐(310, 310', 310")로 나노섬유를 방사할 수 있다. 하전상태의 방사액은 방사 노즐(310, 310', 310")의 모세관을 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 아래쪽의 콜렉터(500) 쪽으로 토출된다. The polymer spinning solution of the
이때 콜렉터(500)와 하전 필라멘트 사이에 형성되는 강력한 전기장으로 인해 필라멘트가 나노급 직경이 되도록 연신, 방사된다. 본 발명에서는 방사 노즐에서 토출된 하전 필라멘트가 가열 유니트(330, 330’, 330”)에 의해서 일정하게 온도가 제어되는 방사구역을 거치게 되는데, 이 과정에서 섬유화가 안정적으로 이루어진다. 각각의 가열 유니트(330, 330’, 330”)의 끝부분에 위치하는 에어 가이드(340, 340', 340")에는 에어 공급부(350)로부터 에어가 공급된다. 가열 유니트(330, 330’, 330”)를 통과하여 방사구역을 빠져나오는 필라멘트들에 에어 가이드(340, 340', 340")에 의해 소정 온도 및 압력의 에어가 분사되어 필라멘트를 콜렉터 방향으로 당기면서 콜렉터(500)에 안정적으로 집속시킨다. At this time, due to the strong electric field formed between the
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다. Although the above has been described in detail with reference to a preferred embodiment of the present invention, this description is merely to describe and disclose an exemplary embodiment of the present invention. Those skilled in the art will readily recognize that various changes, modifications and variations can be made from the above description and the accompanying drawings without departing from the scope and spirit of the invention.
도 1은 본 발명의 한 가지 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩을 나타내는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing an electrospinning multi-nozzle spinning pack according to one embodiment of the invention.
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도 2는 본 발명의 한 가지 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩을 나타내는 개략적인 사시도이다. Figure 2 is a schematic perspective view showing an electrospinning multi-nozzle spinning pack according to one embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 의한 전기방사용 다중 노즐 방사 팩을 나타내는 개략적인 사시도이다.Figure 3 is a schematic perspective view showing an electrospinning multi-nozzle spinning pack according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 한 가지 구현예에 의한 다중 노즐 방사 팩을 포함하는 전기방사장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view showing an electrospinning apparatus including a multi-nozzle spinning pack according to one embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 의한 다중 노즐 방사 팩을 포함하는 전기방사장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view showing an electrospinning apparatus including a multi-nozzle spinning pack according to another embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10: 방사 노즐 20: 방사구역10: spinning nozzle 20: spinning zone
30: 가열 유니트 40: 에어 가이드30: heating unit 40: air guide
100: 폴리머 공급부 130: 방사액 저장부100: polymer supply unit 130: spinning liquid storage unit
150: 정량 펌프 300: 방사 팩
310: 방사 노즐 330: 가열 유니트 150: metering pump 300: spinning pack
310: spinning nozzle 330: heating unit
340: 에어 가이드 340: air guide
400: 고전압 발생기 500: 콜렉터400: high voltage generator 500: collector
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