(57)【要約】【課題】電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムを提供する。【解決手段】繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するものである。【選択図】図３
2014062351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、
供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、
前記溶液収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、
前記溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパック。
【請求項２】
前記筐体が、気体を収容する溶液収容空間下部の気体収容空間を具備し、
前記気体収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の気体噴射ノズルとして、気体噴射ノズルと一対一に対応する前記溶液噴射ノズルが気体噴射ノズル各々の中心を貫通するように設置された多数の気体噴射ノズルをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気紡糸ノズルパック。
【請求項３】
前記筐体が、前記気体収容空間と連通して前記溶液収容空間を迂回して前記筐体の上面側に延長される気体注入管を具備することを特徴とする、請求項２に記載の電気紡糸ノズルパック。
【請求項４】
前記高電圧電極体が、長さ方向に沿って配列される多数の開口部を具備することを特徴とする、請求項１に記載の電気紡糸ノズルパック。
【請求項５】
多数の前記開口部が、溶液注入口下部で最も広い間隔で配列され、溶液注入口から遠くなるほど漸進的に狭い間隔で配列されることを特徴とする、請求項４に記載の電気紡糸ノズルパック。
【請求項６】
前記溶液噴射ノズルの中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと前記筐体の長さ方向の両端面間の間隔が、各々隣接した２個の溶液噴射ノズル間の間隔の半分であることを特徴とする、請求項１に記載の電気紡糸ノズルパック。
【請求項７】
繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックであって、
供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体、
前記溶液収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の溶液噴射ノズル、及び
前記溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電させる高電圧電極体を含む電気紡糸ノズルパックと、
前記溶液収容空間に溶液を供給する溶液供給部と、
前記高電圧電極体に高電圧を印加する高電圧提供部と、
多数の前記溶液噴射ノズルから電気紡糸される繊維が集積されるコレクターと、を含むことを特徴とする電気紡糸システム。
【請求項８】
前記電気紡糸ノズルパックの筐体が、気体を収容する溶液収容空間下部の気体収容空間を具備して、
前記電気紡糸ノズルパックは、前記気体収容空間と連通するように前記筐体に設置される多数の気体噴射ノズルとして、一対一に対応する前記溶液噴射ノズルが各々の中心を貫通する多数の気体噴射ノズルを含み、
前記気体収容空間に気体を供給するエア供給部をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の電気紡糸システム。
【請求項９】
前記筐体が、前記気体収容空間と連通して前記溶液収容空間を迂回して前記筐体の上面側に延長される気体注入管を具備することを特徴とする、請求項８に記載の電気紡糸システム。
【請求項１０】
前記高電圧電極体が、長さ方向に沿って配列される多数の開口部を具備することを特徴とする、請求項７に記載の電気紡糸システム。
【請求項１１】
多数の前記開口部が、溶液注入口下部で最も広い間隔で配列されて、溶液注入口から遠くなるほど漸進的に狭い間隔で配列されることを特徴とする、請求項１０に記載の電気紡糸システム。
【請求項１２】
前記溶液噴射ノズルの中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと前記筐体の長さ方向の両端面の間の間隔が、各々隣接した２個の溶液噴射ノズル間の間隔の半分であることを特徴とする、請求項７に記載の電気紡糸システム。
【請求項１３】
エア供給部が、気体を圧送するブロワー及び気体の温度を調節するヒーターを含むことを特徴とする、請求項７に記載の電気紡糸システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ繊維製造のための電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するもので、より詳細には高電圧電極体が電気紡糸ノズルパック内部の溶液収容空間に内蔵された電気紡糸ノズルパック及びそれを含む電気紡糸システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ここでは、本開示に関する背景技術を提供するが、それらが必ず公知技術を意味するのではない。
【０００３】
電気紡糸（Electro-spinning）は、繊維原料溶液を荷電状態で紡糸して微細直径の繊維を製造する技術である。電気紡糸は、最近はナノメートル級繊維を製造するための技術に用いられていて、それに対する研究が活発に進められている。電気紡糸によって製造される繊維は、直径がマイクロメートル厚さからナノメートル厚さになる。このように厚さが薄い場合、体積に対する表面積の比率の増加、表面機能性向上、張力を含めた機械的物性の向上など、新しい優れた特性が現れる。このような優れた特性によってナノ繊維は多くの重要な応用分野で用いることができる。例えば、このようなナノ繊維で構成されたウェブは、多孔性を有する分離膜形素材として各種フィルター類、透湿防水用衣類の原緞、創傷治療用ドレッシング、人工支持体などの多様な分野で応用することができる。
【０００４】
図９は、電気紡糸装置の一例を示す図である。
【０００５】
電気紡糸装置４０は、供給ユニット１１０、紡糸ユニット１２０、コレクター１３０、制御ユニット１４０、誘導ユニット１５０そして空調ユニット１６０を含む。
【０００６】
供給ユニット１１０は、繊維原料用高分子溶液を供給する。紡糸ユニット１２０は、供給ユニット１１０から供給された高分子溶液を荷電されたフィラメントまたは繊維形態で吐出させるための複数の紡糸ノズル１２２を備える。コレクター１３０は、紡糸ノズル１２２と所定間隔離隔して配置され、紡糸ユニット１２０から紡糸されたフィラメントを所定厚さで累積させる。制御ユニット１４０は、紡糸ユニット１２０の少なくとも両側に設置される。誘導ユニット１５０は、制御ユニット１４０とコレクター１３０との間に設置されてフィラメントストリームを取り囲む。空調ユニット１６０は、紡糸ユニット１２０とコレクター１３０の間の空間に空気を注入して、その空間内の溶媒を蒸発させて外部に排出させる。
【０００７】
供給ユニット１１０は、貯蔵容器１１２、ポンプ１１４、分配器１１６及び移送管１１８を含む。
【０００８】
貯蔵容器１１２は、繊維原料になる高分子物質が溶解した溶液を貯蔵する。ポンプ１１４は、貯蔵容器１１２に貯蔵された溶液を加圧して紡糸ユニット１２０側に定量供給する。分配器１１６及び移送管１１８は、溶液をそれぞれのノズルに分配する。
【０００９】
紡糸ユニット１２０は、供給ユニット１１０から供給される繊維原料溶液を荷電させた状態で微細フィラメント形態でコレクター１３０方向に紡糸する。紡糸ユニット１２０は、複数の紡糸ノズル１２２が配置された少なくとも一つ以上の紡糸ノズルパック１２６を備える。紡糸ノズルパック１２６を構成する紡糸ノズル１２２の個数または紡糸ユニット１２０を構成する紡糸ノズルパック１２６の個数は、製造するウェブのサイズや厚さ、生産速度などを総合的に考慮して決定される。多くの高分子物質を紡糸する場合には、別途の紡糸ノズルパックを具備することができる。
【００１０】
コレクター１３０は、紡糸ユニット１２０に印加される電圧に対して電位差を有するように接地するか、あるいは陰極性（−）の電圧を印加することができる。コレクター１３０は、紡糸ユニット１２０から吐出された荷電フィラメントを集積する。例えば、コレクター１３０は、連続的な移動のためにローラー１３２のような移送手段を備えたコンベヤーベルト方式で構成することができる。
【００１１】
制御ユニット１４０は、紡糸ノズルパック１２６の少なくとも長さ方向の両側に設置される。制御ユニット１４０は、それぞれの紡糸ノズル１２２から紡糸されるフィラメントストリームが互いに反発して広がることとともに経路を逸脱することを防止する。
【００１２】
誘導ユニット１５０には、制御ユニット１４０と同じ極性の電圧が印加される。誘導ユニット１５０は、延伸される荷電フィラメントストリームの周囲に設置されてフィラメントストリームの進行方向をガイドする。誘導ユニット１５０は、導体板あるいは導体棒の形態を有することができる。誘導ユニット１５０は、荷電フィラメントと同一極性に帯電することによってコレクター１３０上面の制限された領域にフィラメントが集積されるように誘導する。
【００１３】
空調ユニット１６０は、例えば、吸入ファン、排気ファンのような溶媒吸気、排気手段と多数の空気流入スロット１６２を備える。空調ユニット１６０は、紡糸ユニット１２０とコレクター１３０間の空間で荷電フィラメントに溶解している溶媒を揮発させて外部に排気する。
【００１４】
高電圧ユニット１７０は、１０ｋＶ〜１２０ｋＶの範囲の直流電圧を出力する。陽極性（＋）電圧は、高電圧ユニット１７０の出力電圧によって励起される。
【００１５】
供給ユニット１１０に貯蔵された原料溶液が、ポンプ１１４及び分配器１１６によって紡糸ユニット１２０に定量供給されると、紡糸ユニット１２０のそれぞれの紡糸ノズルパック１２６内部の通電部によって溶液が荷電される。続いて、荷電状態の溶液は、紡糸ノズル１２２のキャピラリチューブを通過しながら微細フィラメント形態でコレクター１３０側に吐出される。ここで、コレクター１３０と荷電フィラメントとの間に形成される強力な電場によってフィラメントはナノ級の直径になるように延伸されながら紡糸される。
【００１６】
このような紡糸過程において、制御ユニット１４０は、フィラメント間の反発力によって進行経路を逸脱して外郭に広がろうとするフィラメントストリームがもとの位置に戻るようにして正しい進行経路を維持することができるようにする。
【００１７】
一方、誘導ユニット１５０は、コレクター１３０の上側に吐出するフィラメントストリームを取り囲むように設置されている。誘導ユニット１５０は、経路を逸脱しようとするフィラメントストリームをコレクター１３０上の制限された集積領域に誘導する。前記のように誘導されたフィラメントは、コンベヤーベルトあるいは回転ドラム形態のコレクター１３０上に連続的に集積されるか、ローラー１８０によって移送されるフィルム、模造紙、不織布のような基材１８２の上面に集積してナノ繊維からなる多孔膜を備えたウェブが製造される。このような電気紡糸装置の一例が、特許文献１に提示されている。
【００１８】
従来技術による電気紡糸システムでは、電極が紡糸ノズルパックの筐体に直接連結されて溶液収容空間内に供給される溶液に電流が流れるようにする。それにより、紡糸ノズルパックの筐体から外部に磁場が漏出して電気紡糸が円滑にならず不安定になる。また、磁場の漏出に対する補完として相対的により高い高電圧を印加しなければならないという問題点がある。
【００１９】
また、従来技術による電気紡糸システムでは、大容量では多数の溶液噴射ノズルに直接電線を連結することができず、紡糸ノズルパックに注入される溶液の配管に電線を接地する方式を用いた。このような方式は、高分子溶液自体が電気抵抗体の役割をして溶液噴射ノズルまで電気が印加されるためには、低抗体を経なければならないのでさらに高い電圧を印加しなければならない。したがって、高い電圧による事故の危険性と紡糸の安定性が落ちるという問題があった。さらに、溶液に印加された電圧が溶液噴射ノズルの噴射方向だけでなく、溶液配管を伝わって逆流して安全事故及び漏洩電流を発生させるという問題も伴った。
【００２０】
また、既存の電気紡糸システムでは、一つ以上の噴射ノズルで時間当り数グラム以下の溶液を紡糸して繊維を製造する。そのため、生産速度が非常に遅いという問題があった。
【００２１】
また、溶液注入口及び気体注入口の位置が紡糸ノズルパックの筐体の長さ方向の両端部に配置されて、紡糸ノズルパックの長さ方向への拡張性が良くなかった。例えば、大量生産のために紡糸ノズルパックを長さ方向に連結した時、隣接した２個の紡糸ノズルパックの末端にそれぞれ具備されて互いに接するようになる二つの噴射ノズルの配置間隔が、紡糸ノズルパックに具備される噴射ノズルの間隔より大きくて大面積方式で均一なナノ繊維の大量製造が事実上難しかった。
【００２２】
特にナノ級繊維は、非常に少ない溶液を放出させて製造するので非常に少ない溶液を用いて製造されるウェブの面積及び生産速度などの問題がともなう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第７３５１０５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
これに対しては、「発明を実施するための形態」の後段に記述する。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
ここでは、本開示の全体的な要約を提供し、それが本開示の外縁を制限するものと理解されてはならない。
【００２６】
本開示による一態様によると、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体と、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズルと、溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体と、を含むことを特徴とする電気紡糸ノズルパックが提供される。
【００２７】
本開示による他の一態様によると、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する電気紡糸ノズルパックにおいて、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間を具備する筐体、溶液収容空間と連通するように筐体に設置される多数の溶液噴射ノズル、及び溶液収容空間内部に配置されて溶液を荷電する高電圧電極体を含む電気紡糸ノズルパックと、溶液収容空間に溶液を供給する溶液供給部と、高電圧電極体に高電圧を印加する高電圧提供部と、多数の溶液噴射ノズルから電気紡糸される繊維が集積されるコレクターと、を含むことを特徴とする電気紡糸システムが提供される。
【発明の効果】
【００２８】
これに対しては、「発明を実施するための形態」の後段に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本開示による電気紡糸システムの一例を概略的に示した図である。
【図２】本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を示した図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’ラインに沿った断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’ラインに沿った断面図である。
【図５】本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を分解して示した図である。
【図６】図２のＣ−Ｃ’ラインに沿った断面図である。
【図７】図２のＤ−Ｄ’ラインに沿った断面図である。
【図８】本開示による高電圧電極体の一例を拡大して示した図である。
【図９】電気紡糸装置の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本開示を添付した図を参照して詳しく説明する。
【００３１】
図１は、本開示による電気紡糸システムの一例を概略的に示す図である。本開示による電気紡糸システムは、電気紡糸ノズルパック５０、溶液供給部１０、高電圧提供部２０、エア供給部３０及びコレクター６０を含む。
【００３２】
電気紡糸ノズルパック５０は、繊維原料物質が溶解された溶液の供給を受けて電気紡糸する。溶液供給部１０は、電気紡糸ノズルパック５０に溶液を供給する。高電圧提供部２０は、電気紡糸ノズルパック５０の溶液を荷電するための高電圧を印加する。エア供給部３０は、温度調節された高圧気体を供給する。コレクター６０は、電気紡糸ノズルパック５０の下部に設置されて、電気紡糸ノズルパック５０から電気紡糸される繊維がコレクター６０の上面に集積される。
【００３３】
図２は、本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を示す図で、図３は図２のＡ−Ａ’ラインに沿った断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ’ラインに沿った断面図で、図５は本開示による電気紡糸ノズルパックの一例を分解して示した図である。
【００３４】
電気紡糸ノズルパック５０は、図２〜図５に示されたように、筐体５５、多数の溶液噴射ノズル６５、多数の気体噴射ノズル７５及び高電圧電極体８５を含む。
【００３５】
筐体５５は、供給を受けた溶液を収容する溶液収容空間４１及び高圧気体を収容する気体収容空間４３を内部に具備する。気体収容空間４３は、溶液収容空間４１の下部に位置する。多数の溶液噴射ノズル６５は、溶液収容空間４１と連通するように筐体５５に設置され、例えば、筐体５５の長さ方向に沿って設置することができる。多数の気体噴射ノズル７５は、気体収容空間４３と連通するように筐体５５に設置される。高電圧電極体８５は、溶液収容空間４１内部に配置されて溶液を荷電する。
【００３６】
溶液収容空間４１の内壁は、溶液がスムーズに下方に流れるように流線形の緩やかな傾斜を成して下側が細くなるように形成することが好ましい。
【００３７】
筐体５５は、一方向に細長い形状に形成される。筐体５５は、下部ブロック５１及び上部カバー５３からなり、使用後の洗浄が容易である。筐体５５は、耐化学性のためにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロンのようなポリアミド（ＰＡ）系高分子などのエンジニアリングプラスチックを素材に採用することが好ましい。
【００３８】
また、注入された紡糸溶液が漏出しないように、下部ブロック５１と上部カバー５３との間に密封のためのガスケット５４が具備される。ガスケット５４は、ゴム、シリコン、石綿、合成樹脂などの各種有機および無機材料グループから選択される材料であって、耐溶剤性を有することが好ましい。
【００３９】
図６は、図２のＣ−Ｃ’ラインに沿った断面図であり、図７は図２のＤ−Ｄ’ラインに沿った断面図で、図８は本開示による高電圧電極体の一例を拡大して示した図である。
【００４０】
本例による筐体５５は、溶液収容空間４１と連通する溶液注入口５６及び気体収容空間４３と連通する気体注入口５７を具備する。溶液注入口５６及び気体注入口５７は、筐体５５を構成する上部カバー５３に形成される。溶液注入口５６は、直下方向に延長されて溶液収容空間４１と連通して、気体注入口５７は筐体５５内から下方に延長された後、水平に延長することで溶液収容空間４１を迂回する構造で気体収容空間４３と連通する。溶液注入口５６は溶液供給部１０と連結され、気体注入口５７はエア供給部３０と連結される。
【００４１】
このように、溶液注入口５６だけでなく気体注入口５７も筐体５５の端部、例えば、長さ方向の両端部を用いないで筐体５５の上部に露出するように形成することによって、広幅の繊維ウェブを製造するために２個以上の電気紡糸ノズルパック５０を連結して、例えば、長さ方向に連結して使用する場合にも形状的な干渉が発生しないなど、優れた拡張性を有することができる。
【００４２】
溶液噴射ノズル６５は、溶液収容空間４１の下部にその入口が位置し、下方に延長されて気体収容空間４３を経由した後、その出口が筐体５５の下部に露出するように配列される。
【００４３】
気体噴射ノズル７５は、溶液噴射ノズル６５と一対一で対応して、気体収容空間４３の下部にその入口が位置し、下方に延長されてその出口が筐体５５の下部に露出するように配列される。気体噴射ノズル７５は、溶液噴射ノズル６５を取り囲む形態で配置される。したがって、溶液噴射ノズル６５は気体噴射ノズル７５の中心を貫通するようになる。
【００４４】
溶液噴射ノズル６５と一対一の対応方式で一定間隔で具備される気体噴射ノズル７５は、溶液噴射ノズル６５と密着しながら装着されるよう、溶液噴射ノズル６５の外径に比べてわずかに大きい口径で形成される。ここで、気体噴射ノズル７５は、紡糸されるナノ繊維に方向性を与えるために、流路を形成する加工ができるように形成される。また、電場干渉防止、吐出フィラメントストリーム間の接触防止、溶液噴射ノズル６５の可溶空間などを考慮した時、電気紡糸ノズルパック５０に設置される溶液噴射ノズル６５間の間隔は１ｍｍ〜５０ｍｍが好ましく、３ｍｍ〜３０ｍｍで形成することがより好ましい。間隔がとても近ければ、電気的干渉がひどくなり、あまり遠くなれば生産効率性が落ちてナノ繊維ウェブが不均一に形成されて染みのように見えることも起こり得る。均一なナノ繊維を紡糸するためには、溶液噴射ノズル６５が内径０．００５ｍｍ〜１．０ｍｍ、外径０．０１ｍｍ〜５ｍｍ、外部に露出した長さ０．１ｍｍ〜５５ｍｍの構造を有することが好ましい。気体噴射ノズル７５は、内径０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが適当で、外径は特別に規定されないが、外部に露出した長さは０．０１ｍｍ〜５５ｍｍであることが適当である。気体噴射ノズル７５は、溶液噴射ノズル６５を内部に含まなければならないことから溶液噴射ノズル６５の外径より大きくなければならず、溶液噴射ノズル６５の出口より上部で気体を噴射するか同じ高さで噴射しなければならないので、溶液噴射ノズル６５の長さと同じかそれより短くなければならない。
【００４５】
電気紡糸ノズルパック５０に設置される溶液噴射ノズル６５の中で両端部に位置する溶液噴射ノズルと電気紡糸ノズルパック５０の長さ方向両端面の間の間隔は、隣接した２個の溶液噴射ノズル６５間の間隔の半分であることが好ましい。したがって、２個以上の電気紡糸ノズルパックを長さ方向に連結して用いる時、電気紡糸ノズルパック間の境界部分でも溶液噴射ノズル６５間の間隔が一定になるように維持することができ、それにより大面積基材に対する繊維紡糸時に均一なナノ繊維の大量製造を可能にする。
【００４６】
本開示による電気紡糸ノズルパックで製造される繊維の直径は、溶液噴射ノズル６５に形成される微細孔の大きさを含む多様な状態を調節して調整することができる。
【００４７】
本開示による電気紡糸ノズルパック５０を用いれば、直径が１０ｎｍ〜５０００ｎｍに該当するナノ級繊維を得ることができ、このようなナノ繊維をコレクター６０に集積してウェブを製造することができる。
【００４８】
本開示による電気紡糸ノズルパック５０を用いて製造され得るナノ繊維は、フィルター素材、透湿防水及び保護服などの衣類素材、生体医学用素材、組織工学用素材、薬物伝達用素材、光化学センサー素材及び美容素材などに幅広く応用することができる。例えば、ナノ繊維は嵩に比べて表面積が非常に大きいためフィルター用に応用時、卓越した効果を示し、また、微細空隙が多いことから透湿防水素材としても優れた効果を示す。
【００４９】
溶液噴射ノズル６５の材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ナイロンのようなポリアミド系ポリマーなど耐化学性を有するエンジニアリングプラスチック系を採用することができる。代案としては、ステンレススチール（ＳＵＳ）のような耐腐蝕性の金属などを採用することができる。溶液噴射ノズル６５は、長い円錐型または棒型の中空ノズルであり得る。
【００５０】
高電圧電極体８５は、溶液に漬かるように溶液収容空間４１内部に配置される。高電圧電極体８５を、溶液噴射ノズル６５の入口近くに置けるようにするために溶液収容空間４１の底側に配置することが好ましい。高電圧電極体８５は、電圧印加時に直接的に溶液を荷電させる。高電圧電極体８５は、長さ方向に沿って伸びた導体板あるいは導体棒で構成することができ、特定部分への電場集中を防止するために尖った部分がない構造が好ましい。具体的に、図３、図４及び図８に示したように、高電圧電極体８５は溶液収容空間４１の平面形状に対応する少し長めの形状に形成されて溶液収容空間４１内部に置かれる電極部８２と電極部８２の一端部で上方に延長して外部に引き出される連結部８４とを具備することができる。また、電極部８２には、多数の開口部８１が形成される。溶液が注入される溶液注入口５６下部では、開口部８１間の間隔が広くて溶液注入口５６から遠くなるほど開口部８１間の間隔が漸進的に狭くなる方式で開口部８１を形成することが好ましい。このように開口部８１を形成すると、溶液が直接注入される部分の吐出量が周辺より多いことによって、発生する分配の不均一を大きく減らすことができる。
【００５１】
溶液注入口５６下部に配列される最も広い２個の開口部８１間の間隔は、最大１０個の溶液噴射ノズル６５の間隔に該当し得、溶液注入口５６から最も遠い位置に配列される最も狭い２個の開口部８１間の間隔は、最小２個の溶液噴射ノズル６５間の間隔に該当し得る。高電圧電極体８５の全体の大きさによって変わり得るが、開口部８１の直径は０．５ｍｍ〜２０ｍｍ、間隔は５ｍｍ〜５０ｍｍの構造を有することが好ましい。このように開口部８１の間隔が、溶液注入口５６に近いほど広くて遠くなるほど狭くなることによって、溶液の移送経路をもう少し長くして分配をより均一にさせる役割を遂行する。
【００５２】
図８には、多数の開口部８１が１列に並んで配列された高電圧電極体８５が図示されているが、２列以上の列に配列することも可能である。このように、多数の開口部８１が２列以上の列に配列される場合、隣接した列の開口部は幅方向にいつも同一線上に置かれる必要がなく、互いに交互に配列することも可能である。
【００５３】
本例による電気紡糸ノズルパック５０は、必ずしも本開示による電気紡糸システムに適用することに限定されるものではなく、電気紡糸方式でナノ繊維を製造するための一般的な電気紡糸システムの紡糸手段として適用することもできることを理解されなければならない。
【００５４】
溶液供給部１０は、繊維原料になる高分子物質が溶解した溶液を供給する部分であって、溶液貯蔵部１１と、その溶液を電気紡糸ノズルパックに定量供給するための定量移送ポンプ１２と、を含む。
【００５５】
溶液を構成する高分子物質としては、例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）のようなフッ素系高分子、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）のようなアクリル系高分子、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のようなポリエステル系高分子、ポリウレタン系高分子、ナイロン６のようなポリアミド系高分子、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）など、溶媒に溶解可能なすべての高分子物質を採用することができ、単一物質あるいは２以上の物質を混合した状態で採用することができる。
【００５６】
このような溶液が電気紡糸される基材としては、繊維原緞、不織布、紙、フィルム、ガラス板、セラミックス板、金属ベルトなどがある。
【００５７】
溶液を供給する定量移送ポンプ１２としては、例えば溶液の移送量を一定に維持することができる通常の液体定量ポンプやチューブ連動式ポンプ、ギヤポンプなどを採用することができる。本開示において、溶液の移送量は、多数設置される溶液噴射ノズル６５の個数及び単一溶液噴射ノズル６５の吐出量によって決定される。ここで、吐出量はナノ及びマイクロリットル／分単位で設定することが好ましい。
【００５８】
前記溶液供給部１０と電気紡糸ノズルパック５０との間には、溶液供給ラインが介在して定量移送ポンプ１２から移送される溶液を溶液注入口５６を経由して電気紡糸ノズルパック５０内部の溶液収容空間４１に定量分配する。ここで、溶液供給ラインは、単一の電気紡糸ノズルパック５０はもちろん、分岐した構造に形成された多数の電気紡糸ノズルパック５０にも溶液を定量分配するようにできる。
【００５９】
本開示は、前記のような構造に限定されないで電気紡糸ノズルパック５０ごとに独立的に溶液供給部１０を連結してより定量的に溶液を供給するようにする構造に変形することもできる。
【００６０】
高電圧提供部２０は、高電圧電極体８５に高電圧を印加して溶液収容空間４１内部に供給される溶液に電荷を付与する荷電処理を遂行する。溶液噴射ノズル６５の出口とコレクター６０間の距離と関連して、単位距離ｃｍ当たり０．５ｋＶ〜２０ｋＶの高電圧を印加することが好ましい。より好ましい印加電圧は、１ｋＶ／ｃｍ〜１０ｋＶ／ｃｍである。溶液噴射ノズル６５の出口でコーンジェット（Cone jet：ある臨界場の強さで反発電気力が表面張力を克服するようになりながら形成される）を形成するためには、表面張力以上の電圧が必要である。電圧が非常に低ければスプリット（Split：互いに電気的な反発力によって繊維のよりが割れて形成される）が形成されず、反対に印加電圧が非常に高ければ急激な乾燥及び紡糸に不安定さが伴い得て、事故の危険性も高くなる。
【００６１】
高電圧電極体８５は、高電圧提供部２０から電荷の供給を受けて溶液を荷電する。高電圧電極体８５は、溶液噴射ノズル６５との距離を最大限に近くして外部に損失される電流を防止することによって不必要に電圧を高める必要がなく、安定的な紡糸環境を作ることができる。高電圧電極体８５と溶液噴射ノズル６５上端の入口との間の距離は０．１ｍｍ〜６ｍｍ間隔を維持することが好ましく、０．５ｍｍ〜４ｍｍ間隔がより好ましい。０．５ｍｍ以下の間隔に近くなれば、溶液噴射ノズル６５の入口に溶液を注入するのに抵抗が大きくなったり詰まったりする可能性があり、あまり離れるようになると抵抗が大きくなる問題があるからである。
【００６２】
エア供給部３０は、気体を圧送するブロワー３１及び気体の温度を調節する温度調節機（例えば,ヒーター）３２を含む。エア供給部３０は、紡糸されるナノ繊維の乾燥度を高めてモフォロジ（表面形態）を制御することができる装置であり、電気紡糸ノズルパック５０の筐体上部の気体注入口５７に連結され、溶液噴射ノズル６５と一対一に対応している多数の気体噴射ノズル７５を通じて高温の圧縮気体を噴射することができるようにする。エア供給部３０は、１０℃〜２００℃の高温圧縮空気を提供してナノ繊維の乾燥度及びモフォロジを制御できるようにする。１０℃以下の空気は、乾燥効果が弱くて高湿条件の紡糸室内部で作業時に結露現象が伴う恐れがあり、２００℃以上の温度では紡糸パック高分子材質の筐体に変形が発生する。
【００６３】
気体収容空間４３に注入される気体としては、紡糸される溶液と同一の気化物を用いることが好ましいが、これに限定されないことはもちろんである。例えば、気体は酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、揮発性溶媒などを用いることができる。しかし、このような気体は除湿された状態であることが好ましい。
【００６４】
気体噴射ノズル７５から噴射される気体の温度は、溶媒の揮発度を考慮して１０℃〜２００℃の範囲内で設定することが好ましい。併せて、気体噴射ノズル７５から噴射される気体の風量は、紡糸されるナノ繊維の吐出量に影響を与えないように、例えば０．１ｋｇ／ｃｍ２〜１０ｋｇ／ｃｍ２の範囲で設定する。
【００６５】
コレクター６０は、紡糸されたナノ繊維が基材に均一に集積されるようにするためのもので、基材と電気的に接触して基材を一定速度で移送することができるようにする。コレクター６０は、一般的なロ−ル型、コンベヤー型、ドラム型またはディスク型の構造で提供することができる。
【００６６】
コレクター６０は接地するか、電気紡糸ノズルパック側に印加した電圧の極性と反対の極性の電圧を印加することができる。例えば、ローラーのような移送手段を通じてコンベヤーベルト方式で電気紡糸ノズルパック５０の下側で連続的に基材を供給するように構成することが好ましい。コレクター６０の素材としては、伝導性に優れた金属板が好ましく、その他に多様な種類の伝導性材料を採用することができる。
【００６７】
以下、本開示の多様な実施形態に対して説明する。
【００６８】
本開示による一態様の電気紡糸ノズルパックによると、高電圧電極体を溶液噴射ノズルと近接するように配置して溶液に漬かるようにすることで、外部に漏電する磁場を遮断して安定的な電気紡糸が可能になる。
【００６９】
本開示による他の一態様の電気紡糸ノズルパックによると、高電圧電極体、溶液注入口、気体注入口が電気紡糸ノズルパックに一体化され、作業性を高めることができるようになる。
【００７０】
本開示によるまた他の一態様の電気紡糸ノズルパックによると、２個以上の電気紡糸ノズルパックを連結して用いる時、電気紡糸ノズルパック間の境界部分でも溶液噴射ノズル間の間隔を一定に維持することができるので、大面積基材に対する繊維紡糸時に均一なナノ繊維の大量製造が可能になるなど、広幅及び大量生産に有利な拡張性を提供する。
【００７１】
本開示による一態様の電気紡糸システムによると、温度調節が可能なエア供給部を用いて電気紡糸ノズルパック内部の温度を所望する条件に変更することができるので、温度調節を通じて供給する溶液の粘度調節が可能で、円滑な溶液供給が可能になる。また、低温環境でエア供給系統の結露問題を解決することができる。
【００７２】
本開示による他の一態様の電気紡糸システムによると、温度調節が可能なエア供給部を用いて電気紡糸ノズルパック内部の温度を所望する条件に変更することができるので、溶液収容空間の温度を一定に維持することができ、繊維化を促進することができ、紡糸する繊維の乾燥度、繊維直径、モフォロジ、繊維密集度などの調節が可能になる。
【符号の説明】
【００７３】
１０  溶液供給部、２０  高電圧提供部、３０  エア供給部、５０  電気紡糸ノズルパック、６０  コレクター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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