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KR100283551B1 - 세라믹재료로이루어진중공미세섬유,이의제조방법및용도 - Google Patents

세라믹재료로이루어진중공미세섬유,이의제조방법및용도 Download PDF

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KR100283551B1 KR1019980705575A KR19980705575A KR100283551B1 KR 100283551 B1 KR100283551 B1 KR 100283551B1 KR 1019980705575 A KR1019980705575 A KR 1019980705575A KR 19980705575 A KR19980705575 A KR 19980705575A KR 100283551 B1 KR100283551 B1 KR 100283551B1
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Abstract

본 발명은, 벽두께가 약 0.01 내지 15㎛이고, 외경이 약 0.5 내지 35㎛인 세라믹 재료로 이루어진 중공(hollow) 미세 섬유에 관한 것이다. 상기 중공 미세 섬유는 바람직하게, 세라믹 재료의 선구 물질 및 열작용하에서 제거 가능한 결합제를 포함하는 분산제를 공지된 방식으로 녹색의 중공 미세 섬유로 만들고 필요한 경우에는 상기 결합제를 열작용하에서 제거하는 방법에 의해 제조된다.

Description

세라믹 재료로 이루어진 중공 미세 섬유, 이의 제조 방법 및 용도 {HOLLOW MICROFIBER OF CERAMIC MATERIAL, A PROCESS FOR ITS MANUFACTURE AND ITS USE}
촘촘한 세라믹 섬유, 다시 말해서 빈 곳, 즉 섬유의 종방향 중간에 공동부가 없는 섬유의 제조는 이미 공지되어 있다. 상기 섬유는 대부분 광범위하게 또는 전체적으로 유리 상태로 이루어지며, 예를 들어 직물, 편물 및 방직 양모로서 절연 재료에 사용되고, 금속 공작물 보강용 열 차단 실드로서, 그리고 합성 재료에 사용된다. 상기 섬유들은 예컨대 탄성, 휨강도 및 절연 작용과 같은 면을 고려할 때 상이한 적용 분야에는 부적당하다. 또한, 공지된 섬유의 중량을 줄이고 방적 속도를 증가시키는 것이 바람직하다.
전술한 단점들은 폴리머 합성 수지로 이루어진 공지된 중공 섬유에 의해서는 제거되지 않는다. 상기 섬유는 그것의 특성으로 인해 의복, 지붕 포장, 텐트, 멤브레인(membrane) 등과 같은 얇은 막 표면 직물에 사용된다. 그러나 상기 섬유들은 일반적으로 생물학적인 적합성 및 화학적이고 열적인 안정성이 불충분하다. 상기 섬유들의 단점은 또한, 상기 섬유로 이루어진 멤브레인은 침투 속도가 비교적 낮고 헹굼(rinse) 또는 세척이 불가능하다는 점이다.
벽두께가 두껍고 외경이 크며, 사이즈의 변동이 비교적 크고 부분적으로는 짧은 길이로도 제조될 수 있는 세라믹 중공 섬유가 공지되어 있다. WO 94/23829에는 예를 들어 외경이 0.5 내지 10㎜이고, 벽두께가 30 내지 500㎛인 세라믹 중공 섬유가 기술되어 있는데, 상기 섬유는 세라믹 가루를 함유하는 페이스트를 압출하고, 결합제를 제거하여 소결함으로써 만들어진다. 그러나 상기 방식의 세라믹 중공 섬유는 강도가 제한되고, 탄성이 작으며, 비(比)표면이 적고, 반투성이 없다. 또한, 두꺼운 섬유는 단지 낮은 속도에서만 제조 및 감겨질 수 있다. 상기 방식의 섬유는 직물, 편물 및 다른 직물 표면 형성체에는 적합하지 않은데 , 그 이유는 상기와 같은 적용 분야에서는 특히 높은 유연성이 요구되기 때문이다.
EP-A-0195353 에서는 중공 미세 섬유의 외경이 50μm 이하이고 벽두께가 약 0.05 내지 20μm 의 범위임을 공지하고 있다. 그러나, 상기 공지된 중공 미세 섬유는 외경뿐만 아니라 벽두께에 관련하여, 현저한 편차 간격을 나타낸다. 평균치의 편차는 외경의 경우 33%, 벽두께의 경우앤 심지어 66% 에 달한다. 상기 공지된 중공 미세 섬유는 그 비균일성 때문에 여러 분야에서의 사용은 적합하지않다.
또한 US-A-4268278 에서는 외경이 약 2,000μm, 특히 바람직하게는 100 내지 550μm 의 범위인 중공 섬유가 공지되어 있다. 상기 중공 섬유의 벽두께는 20 내지 300μm, 특히 50 내지 200 μm 이다. 상기 섬유 역시 단지 낮은 속도에서만 제조되고 감겨질 수 있다.
본 발명은 세라믹 재료로 이루어진 중공 미세 섬유, 상기 미세 섬유의 제조 방법 및 사용에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 공지된 섬유의 전술한 단점들을 갖지 않으면서도 특히 높은 탄성, 높은 휨강도, 우수한 절연 효과 및 우수한 생물학적 적합성을 가지며, 또한 높은 생산 속도로 제조될 수 있는, 세라믹 재료로 이루어진 중공 미세 섬유를 제공하는 것이다. 또한, 상기 섬유를 제조하기 위한 화학 섬유 방적 장치가 사용될 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 벽두께가 약 0.01 내지 15㎛이고, 외경이 약 0.5 내지 35㎛ 이며, 이때 벽두께와 외경의 변동이 6% 이하인 세라믹 재료로 이루어진 중공 미세 섬유에 의해 달성된다.
0.01㎛ 미만의 벽두께는 제조 기술적으로 매우 어렵고, 가능하다 하더라도 중공 섬유의 내부 표면 및 외부 표면이 균일하지 않고, 경우에 따라서는 나중에 제공되는 층이 호울 또는 통일적이지 않은 두께와 같은 결함(fault) 장소를 갖는다는 단점이 나타난다. 벽두께가 15㎛를 초과하면, 본 발명에 따른 중공 섬유를 침투에 의한 물질 분리를 위해 사용하는 경우 침투 흐름이 악화되는데, 그 이유는 상기 침투는 보다 큰 구간을 커버해야만 하는 반면, 선택성은 더 개선되지 않기 때문이다. 벽두께는 약 0.3 내지 6㎛, 특히 약 0.5 내지 3㎛인 것이 바람직하다.
외경이 0.5㎛에 미달되면, 중공 섬유가 지나치게 작은 공동을 갖게 되어 상기 섬유를 통과하는 액체의 흐름이 저지된다. 외경이 35㎛를 초과하면, 중공 섬유의 유연성은 제한되고, 경우에 따라서, 본 발명에 따른 다수의 중공 섬유로 구성되는 물질 분리 모듈은 그것의 침투 흐름량과 관련해서 부피가 커진다. 외경은 약 1 내지 25㎛, 특히 약 1 내지 10㎛ 및 매우 특별하게는 5 내지 10㎛가 바람직하다.
본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 바람직하게는 엔들리스(endless) 섬유로 제조되며, 상기 섬유의 벽두께 및 외경이 ±6%, 특히 ±2.5% 이상으로 변동되지 않는 것이 매우 중요하다. 다시 말해서, 중요한 점은 균일하게 형성된 중공 미세 섬유가 바람직하다는 것이다. 이것은 실제로 적용하는 경우에, 본 발명에 따른 중공 섬유가 그것의 길이를 따라 통일된 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 엔들리스 섬유를 길이로 커팅하여 얻어지는 숏컷 섬유는 바늘상 섬유, 즉 건강을 해치는 3㎛ 이하의 길이를 갖는 섬유가 없다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 중공 미세 섬유의 외경은 통상적으로 크기가 약 7㎛이고, 벽두께는 약 1㎛이며, 공동의 외경에 상응하는 내경의 크기는 5㎛이다. 따라서 공동이 없는 촘촘한 섬유에 비해서 약 10 내지 95%, 통상적으로는40 내지 60%의 재료가 절약되고 중량이 절감된다. 이것은 또한 재료비용 및 제조 비용면에서의 높은 비용 절감과 연결된다.
본 발명의 틀내에서 "세라믹 재료"를 언급하는 경우에는 넓은 의미에서 이해되어야 한다. 유기 및 특히 비금속 화합물 또는 원소로 구성되고, 특히 30 부피% 이상의 결정 재료를 의미하는 집합적 명칭이다. 이러한 관계는 "Roempp Chemie Lexicon, 9. 제 3 판, 1990, P. 2193 내지 2195"를 참조하라. 본 발명에 따른 세라믹 중공 섬유는 산화물, 규산염, 질화물 및/또는 탄화물 세라믹 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 세라믹 중공 섬유는 산화 알루미늄, 인산 칼슘(인회석) 또는 사용된 인산염, 자기 형태의 또는 코르디라이트(cordierite) 형태의 조성물, 뮬라이트(mullite), 산화티탄, 티탄산염, 산화지르코늄, 지르콘규산염, 지르콘 산염, 첨정석(spinel), 에메랄드(취옥), 사파이어(청옥), 코런덤(강옥), 질화물 또는 실리콘의 탄화물 또는 다른 화학적 원소 또는 그것의 혼합물로 이루어지는 것이 특히 바람직하다. 도펀트로서는 경우에 따라 세라믹에서 공지된 물질, 예컨대 MgO, CaO, ZrO2, ZrSiO4, Y2O3등 또는 상기 물질들의 선구 물질이 유기 주성분에 첨가된다.
세라믹 재료로 이루어진 본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 비교적 약한 연소에서 다공성으로 그리고 반투과성으로 형성될 수 있다. 상기 방식의 중공 미세 섬유는 특히 질소 흡착 또는 수은 통기성 구조를 사용하여 BET에 따라 약 600 내지 2000㎡/g의 범위에서 측정된 내부 비표면을 갖는다. 상기 방식의 중공 미세 섬유는 그것의 유기 성질 때문에 일반적으로 친수성이고, 물질 분리에 사용될 수 있으며, 이 경우 침투는 바람직하게 외부로부터 반투과성 벽을 통해 내부 공동에 이르기까지 이루어지며, 물질 분리가 반대 방향으로 이루어질 수 있음에도 불구하고 상기 섬유의 단부에서 나타난다. 상기 중공 미세 섬유는 마이크로 범위, 울트라 범위 및 나노 범위에서 매우 우수한 분리 효과를 나타낸다. 분리된 물질들은 중공 미세 섬유에서 현미경적으로 감정할 때 관찰할 수 있다. 상기 방식의 물질 분리는 예를 들어 공기 또는 액체, 혈액 또는 물과 같은 가스/가스 혼합물의 세척 또는 분리에 사용될 수 있지만, 가열 가스 또는 용융물에도 사용 가능하다. 이를 위해서는 지금까지, 상기 중공 미세 섬유가 바람직하게 벽두께가 2.5㎛ 이하, 특히 0.5㎛이하 및 매우 바람직하게는 약 0.1㎛인 하나의 분리층을 갖는 것이 제안되었다. 상기 분리층은 예를 들어 제올라이트 재료로 이루어진 무기 또는 유기 분자 시이브(molecular sieve) 또는 예를 들어 에스테르, 실란 또는 실록산으로 이루어진 무기 또는 유기 분리층으로 구성된다. 상기 층의 적층은 공지된 방식으로, 예컨대 CVD(Chemical Vapour Deposition)-방법 또는 PVD(Physical Vapour Deposition)-방법에 의해 갈바닉적으로 이루어지고 및/또는 침강(sedimentation) 방법으로 이루어진다.
무기 분리층이 적층된 세라믹 중공 미세 섬유는 또한 연소될 수 있다. 그리고 또한, 나중에 외장 처리되는 녹색의 중공 미세 섬유에 상기 분리층을 제공하여 이 전체 결합체를 연소시키는 가능성도 있다.
상기 세라믹 중공 미세 섬유는 비교적 강한 연소시에는 조밀하고 비투과적으로 형성될 수 있다. 재료의 압착은 특히 소결 또는 유리화에 의해 이루어진다. 본 발명에 따른 상기 방식의 중공 미세 섬유는 조밀하게 연소된 벽 때문에 특히 고진공으로 밀봉되고, 우수한 광섬유 특성을 가지며 특히 부양성(buoyant)이 있고 분산성을 갖는다.
연소된 본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 또한 상기 섬유의 무기 성질 때문에 부식에 안정적이고, 연소 불가능하며, 분해가 불가능하고, 전천후적으로 견고하며, 생리학적으로 위험하지 않고, 생물학적으로 친하며, 투과성이고, 열절연적이며, 일반적으로 전기 절연적이고 산화에 안정적이다. 상기 방식의 섬유는 안전 섬유로서 평가될 수 있고, 일반적으로 전자기 광선을 투과한다. 상기 섬유는 또한 덩어리를 형성하는 침상 미네랄 특성을 갖지 않는다. 상기 섬유는 거의 투과성이고, 조성 및 제조 조건에 따라 무색 또는 유색으로 제조 가능하다. 상기 방식의 섬유는 또한 불투명할 수도 있다. 섬유 길이에 따른 섬유의 중량 (Titer) 은 약 10 내지 100 g/km(tex)이고, 통상적으로는 약 40g/km이다. 본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 통상적으로 1,000℃, 특히 1,300℃에서 그리고 심지어는 그 이상의 온도에서도 온도 안정적이거나 온도 변화에 안정적인데, 이러한 특성은 특히 화학적인 조성에 의존한다.
본 발명에 따른 중공 미세 섬유를 제조하기 위해서는, 유상액(emulsion), 분산제 및/또는 세라믹 재료의 선구 물질 및 가열 작용하에서 분리 가능한 결합제를 함유하는 현탁액이 공지된 방식으로 녹색 중공 미세 섬유로 형성되고, 결합제는 가열 작용하에서 분리된다. 대안적으로, 분산제는 촘촘한 유기 섬유로 이루어진 코어상에 제공될 수 있는데, 이 때는 코어뿐만 아니라 결합제가 가열 작용하에서 제거될 수 있다. 상기 분산제는 분산매의 량을 변동적으로, 예를 들어 95 중량%까지, 바람직하게는 약 40 내지 70 중량%까지 함유한다. 결합제가 예를 들어 열가소성이고 중요한 분해 없이 점성이 낮은 물질로 용융될 수 있는 경우는 분산매가 없어도 된다. 개별적인 경우에는, 이미 녹색의 중공 미세 섬유가 바람직한 적용 가능성을 가짐으로써 종결 단계인 가열 처리가 이루어진다.
본 발명의 틀내에서는 특히 세라믹 선구 물질로서 하기의 물질들이 사용된다: 점토(clay) 미네랄, 특히 카올린, 일라이트(illite), 몬트모릴라이트(montmorillite), 알루미늄 수산화물과 같은 금속 수산화물, AlOOH와 같은 혼합된 금속 수산화물, 혼합 금속 산화물/금속 할로겐화물, BeO, MgO, Al2O3, ZrO2및 ThO2와 같은 금속 산화물, Al(NO3)3과 같은 금속 질화물, 금속 알코올화합물, 특히 Al(iPrO)3, Al(sec-BuO)3과 같은 알루미늄 알코올화합물, 마그네슘-알루미노실리케이트, 장석(feldspar), 제올라이트, 뵘석(boehmite) 또는 상기 재료들의 2가지 또는 그 이상의 혼합물.
Al2(OH)5Cl·2-3H2O의 열처리시에는 하기의 반응들이 이루어지며, 이 때 마지막으로 α-Al2O3이 얻어진다:
Al2(OH)5Cl·2-3H2O ⇒ Al(OH)3-겔 ⇒ γ-Al2O3⇒ α-Al2O3
세라믹 선구 물질의 평균 입자 크기는 바람직하게 약 2㎛이하, 특히 약 1㎛이하이고, 특히 바람직하게는 0.1㎛이하이다. 상기 세라믹 선구 물질은 바람직하게 콜로이드 상태, 즉 졸 또는 겔 상태 또는 분자 상태로 해체되어 제공된다. 졸 상태와 겔 상태 사이의 가역적인 변화는 가능하다. 본 발명의 틀내에서 사용된 결합제는 바람직한 실시예에서 콜로이드 세라믹 선구 물질을 위한 보호 콜로이드로서 작용한다. 예를 들자면, 폴리비닐알코올, 젤라틴 또는 단백질이다.
본 발명에 따른 방법의 틀내에서 가열 작용하에서 분리 가능한 결합제를 선택하는 경우에는 임계적인 제한이 없다. 물론 바람직한 것은 결합제가 막을 형성하는 것이다. 이 경우에는 예를 들어 요소, 폴리비닐알코올, 왁스, 젤라틴, 우뭇가사리, 단백질, 탄수화물이 사용될 수 있다. 경우에 따라서는, 결합제, 고착제, 제포제(anti-foamer) 및 방부제와 같은 유기 보조제가 부가적으로 사용될 수 있다. 세라믹 재료의 선구 물질 및 가열 작용하에서 분리 가능한 결합제로 이루어진 혼합물은 분산제의 형태로 존재하는데, 상기 분산제의 개념은 폭넓게 이해되어야 한다. 이 경우에는 특히 에멀션, 현탁액이 일반적으로 페이스트의 형태로 사용된다. 분산매를 선택할 때는 매우 자유롭다. 일반적으로는 물이 될 수 있다. 그러나 경우에 따라서는 알코올 또는 아세톤과 같은 유기 용매나 이들과 물의 혼합물도 용액으로서 생각할 수 있다. 본 경우에는 예를 들어 이미 언급한 폴리비닐알코올을 기초로 하는 소위 졸-겔-프로세스가 특히 바람직하다.
바람직한 분산제는 약 20 내지 70 중량%의 세라믹 선구 물질, 약 10 내지 40 중량%의 결합제, 0 내지 70 중량%의 분산매 및 약 30 중량%까지의 임의의 성분을 함유한다.
본 발명에 따른 중공 미세 섬유를 형성하기 위해서는 임의의 형성 방법이 적합한데, 특히 블로잉 방법(blowing method), 압출 방법, 진공 압출 방법 또는 WO 94/23829호에 서 언급되고, 중합체 결합 시스템을 포함하는 페이스트가 제조되는 방적 방법이 적합하다. 물론, 상기 방법에서는 세라믹 분말이 결정 형태로 사용되는데, 이것은 본 발명에 따른 방법을 실시할 때는 일반적으로 적합하지 않다. 오히려, 상기와 같은 미소 결정을 제외하면 본 발명에 따라 얻어진 결과는 신뢰할만하다.
압출 성형은 대략 실온에서 또는 용융된 유기 물질 또는 재료 혼합물의 용융 온도에서 습식 압출, 용융 압출 또는 건식 압출 방식으로 이루어질 수 있다. 특히 바람직한 것은 전술한 형성 방법 중에서 방적(spinning) 방법이다. 상기 방법은, 분산제가 방적 장치의 저장 용기 또는 압력 용기내에 제공되고, 분산제가 약 20 내지 400℃의 온도에서 상기 방적 장치를 통해 이송되어 노즐 링형 개구 또는 노즐 프로필 개구를 통과하면서 압축되며, 상기 개구의 직경 또는 폭은 바람직하게 약 0.1 내지 150㎛이고, 노즐 개구의 영역내에서 형성된 부분 흐름은 중간에 코어에 의해 및/또는 장치에 의해 가스를 공급하기 위해서 분리되며, 상기 부분 흐름은 가열, 방사 또는 반응 파트너의 첨가에 의해 녹색의 중공 미세 섬유로 경화되고, 경우에 따라서는 결합제가 가열 작용하에서 제거되는 것을 특징으로 한다. 언급된 방적 장치는 바람직하게 화학-섬유 필라멘트-생산 장치이지만, 열적으로 가열될 필요는 없다. 경우에 따라서는 노즐에 대해서 그리고 경우에 따라서는 경화 장치에 대해서 매칭되어야 하는 통상적인 방적 장치가 사용될 수 있다. 녹색 중공 미세 섬유의 경화는 예를 들어 노즐 개구로부터 외부로 배출될 때 방적 피스톤에 대해서 비교적 낮은 압력을 갖는 분산매를 증발시킴으로써 이루어진다. 상기 경화는 결합제 또는 세라믹 재료를 위한 반응 파트너를 첨가함으로써도 이루어질 수 있다. 상기 반응 파트너는 가스 형태일 수 있고, 배출된 섬유를 향해서 흐를 수 있거나, 또는 액체일 수 있고, 배출된 섬유가 통과되는 침전 배쓰일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 장점은, 세라믹 출발 물질의 가열은 일반적으로 필요하지 않거나 또는 단지 노즐 뒤에서 녹색 중공 미세 섬유와 관련하여 상기 출발 물질을 경화하기 위해서만 필요하다는 것이다. 방적 장치는 바람직하게 상기 장치가 다수의 노즐을 갖도록 형성된다. 상기 노즐을 포함하는 압출 성형 헤드 뒤에 연결된 채널은 대부분 매우 짧게, 바람직하게는 약 0.1 내지 0.3m의 길이로 유지될 수 있다. 화학-섬유-생산에 비해서 상기 방적 장치는 재료 흐름의 온도가 매우 낮음에도 불구하고 화학-섬유의 제조시와 동일한 압력 레벨에서 작동될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 재료 흐름의 온도는 통상적으로 실온보다 약간 더 높다.
용융 압출 성형 방법에서는 유기 용융물의 우수한 처리 가능성을 보장해주는 온도가 선택됨으로써, 온도는 개별적으로 400℃까지 선택될 수 있다. 주의할 점은, 방적 장치내에서의 재료의 흐름은 중단되지 않아야 한다는 점이다.
중공 미세 섬유의 공동은 노즐의 영역내에 있는 부분 흐름내로 제공된 코어 또는 산소, 질소, 공기 또는 다른 가스 혼합물과 같은 유체의 공급 장치에 의해 형성될 수 있다. 노즐의 개구는, 최대로 많은 수의 노즐, 예를 들어 최소로 좁은 공간상에 수천개의 노즐이 균일하게 배치되도록 형성된다. 예를 들어 코어 또는 예컨대 매우 얇은 섬유와 같은 다수의 드릴링된 코어가 유동 방향으로 노즐 중앙으로 안내되는 경우에는, 링형 개구 또는 링형 횡단면을 갖지 않는 프로필 개구가 핀형태의 지지부 없이도 충분할 수 있다. 송풍 방법에서는 코어가 없는 주입 노즐 또는 하나 또는 다수의 코어를 갖는 주입 노즐이 적용될 수 있다. 각 제조 방법에서 언급된 노즐 개구는 바람직하게 약 150㎛의 직경 또는 폭을 가지는데, 바람직하게는 약 120㎛ 그리고 특히 강하게 수축되는 재료를 연소할 때는 매우 바람직하게는 80 또는 심지어 50㎛이다. 특히 약간만 수축되는 재료에서는 바람직하게, 직경 또는 폭이 약 90㎛, 매우 바람직하게는 60㎛, 아주 매우 바람직하게는 30㎛인 개구가 사용된다. 상기 개구들은 경우에 따라서는 연소된 본 발명에 따른 중공 미세 섬유의 직경 또는 폭보다 수배 더 넓은데, 그 이유는 출발 치수에 대한 마지막 치수의 감소가 약 50 내지 95%인 매우 강한 수축이 연소시 나타나기 때문이다. 수축이 적은 경우에는 10 내지 60%의 범위이다.
본 발명에 따른 방적 방법에서 방적 속도는 바람직하게 400 내지 8000 m/min이다.
화학 섬유의 방적 방법에서와 달리 막을 형성하고 실을 형성하는 방적 물질은 단지 실온에서만 나타나고, 화학 섬유에서와 같이 약 200 내지 500℃의 온도에서는 방적 물질이 노즐로부터 나타나지 않는다. 형성될 중공 미세 섬유의 분기를 의미하는 방적 물질의 부분 흐름은 가열에 의해 또는 UV-광선, 가시 광선 또는 IR-광선에 의한 방사에 의해 또는 공기 첨가에 의해 녹색의 중공 미세 섬유로 경화될 수 있고, 경우에 따라서는 건조될 수 있다. 가열은 특히 고온의 공기에서, 뜨거운 대류 흐름에서 또는 방사 가열(radiant heat)에 의해 이루어질 수 있고, 일반적으로는 100℃까지의 온도에서만 이루어진다. 녹색의 중공 미세 섬유를 경화한 후에 상기 섬유는 벽의 두께 및 외경을 변화시키기 위해서 그리고 섬유의 특성, 강도 및 투과성을 개선하고 변화시키기 위해서 더욱 스트레칭 된다. 중공 미세 섬유를 형성하는 분기(부분 흐름)는 경화 전에는 바람직하게 약 0.5 내지 50㎛의 벽두께 및 약 1 내지 160㎛의 외경을 갖고, 경화 후에는 바람직하게 약 0.4 내지 45㎛, 특히 바람직하게는 약 1 내지 25㎛의 벽두께, 및 0.8 내지 155㎛, 특히 8 내지 55㎛ 및 매우 바람직하게는 12 내지 24㎛의 외경을 갖는다. 벽두께 및 외경의 변동은 바람직하게 ≤ ±5%, 특히 ≤ ±2%이다.
연소되지 않은 상태에서 중공 직물 섬유로서 사용되어야 하는 중공 미세 섬유는 노즐로부터 배출된 후에 그리고 경화 후에 가열에 의해 보빈되고, 경우에 따라서는 부가 처리 없이 절단되어 계속 처리될 수 있다. 상기 섬유는 섞어 짜질 수 있고, 매듭지어질 수 있으며, 그밖에 직물 처리될 수 있고 필요하다면 금속화될 수도 있다.
연소되지 않은 또는 연소된 중공 미세 섬유는 휘스커 섬유, 축용 직물, 종방향 섬유, 스프 사(staple fibre), 체이프 사(chaff fibre), 필라멘트사, 직물, 부직포, 편물, 편성포(knitted fabric), 펠트(felt), 조방(roving), 포일(foil), 페이퍼층, 섬유, 로우프, 네트 등으로 가공될 수 있고, 필라멘트-모듈, 라미네이트, 프리폼(preform), 프리프레그(prepreg) 등으로 재가공될 수 있다. 예를 들어 필라멘트는 에멀션 캐리어로서 원형 플레이트 또는 직사각형층의 형태로 제조되고, 경우에 따라서는 다수의 필라멘트를 스태킹(stacking) 함으로써 모듈로 재가공될 수 있다. 상기 방식의 모듈은 특히 멤브레인-모듈로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 중공 미세 직물의 전체적인 제조 공정에서는 다른 방법 단계들이 중간 또는 나중에 연결될 수 있다. 중공 미세 직물의 가공 및 재가공은 공지된 방법 단계 후에 공지된 장치에 의해 이루어진다. 연소되지 않은 세라믹 중공 미세 섬유는 세라믹 제조 기술에서 공지된 방법에 따라 연소될 수 있고, 그럼으로써 세라믹 제작 재료가 완성된다. 이 경우에는 예를 들어 하기의 연소 방법이 이용된다: 가스 연소 방법, 불활성 가스 연소 방법 또는 전기 연소 방법.
본 발명에 따른 연소된 중공 미세 섬유는 이미 앞에서 다루었던 치수를 갖는다.
본 발명에 따른 연소되지 않은 또는 녹색의 중공 미세 섬유 및 연소된 세라믹 중공 미세 섬유는, 예를 들어 필라멘트, 직물, 편물, 펠트, 부직포 및 포일로 가공하기 위해 섬유에서 통상적으로 요구되는 모든 특성을 나타낸다. 본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 매우 적은 치수 변동을 가지기 때문에, 외경의 소산 폭이 매우 작다. 따라서, 적합한 방법을 도입하면 덩어리를 형성하는 것으로 간주될 수 있는 3㎛ 이하 직경의 중공 마이크로 섬유는 형성되지 않는다. 본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 소위 엔들리스 섬유로서 사용될 수 있고, 또한 구멍이 없다. 상기 섬유는 비교적 환경 친화적으로 제조될 수 있고, 환경에 유해하지 않으며, 또한 재생 가능하다. 상기 섬유는 공동이 없는 공지된 섬유 및 중공 섬유 그리고 와이어(wire) 및 특히 폴리머, 탄소 등으로 이루어진 잉아(heald)를 대체할 수 있다.
특히 놀라운 것으로 간주되어야 하는 것은, 경화된 녹색의 중공 미세 섬유는 섞어서 짜질 수 있으며, 통상적인 폴리머 섬유의 인장 강도와 일치하는 인장 강도를 갖는다는 사실이다. 또한, 본 발명에 따른 세라믹 중공 미세 섬유에는 연소시 분리층과 섬유벽 사이에 현저한 변화가 나타나지 않는 하나의 분리층이 제공될 수 있다는 사실도 놀랍다. 또한, 순수한 산화 알루미늄으로 이루어진 출발 물질로부터 압출 성형에 의해 제조되는 본 발명에 따른 세라믹 중공 미세 섬유는 약 0.9㎛의 벽두께 및 6㎛의 외경을 가지며, 세라믹 기술에서 통상적인 인장 테스트 장치에서 측정한 결과 3600 Mpa의 파괴까지 인장 강도가 나타났다.
본 발명에 따른 반투과성 중공 미세 섬유는 휘스커 섬유, 축용 직물, 종방향 섬유, 스프 사, 체이프 사, 필라멘트사, 직물, 부직포, 편물, 편성포, 펠트, 조방, 포일, 페이퍼층, 섬유, 로우프, 네트 등의 형태로 예를 들어 투석(dialysis)을 위해, 또한 마이크로 투석 및 전기 투석을 위해, 분자 중량 검출용 삼투압계를 위해 멤브레인으로서 사용될 수 있고, 액체 분리 및/또는 가스 분리용 분자 시이브로서, 촉매 캐리어로서, 예컨대 바이러스 필터, 박테리아 필터, 균류 필터, 곰팡이 필터, 먼지 필터, 고온 가스 필터, 플라이 애쉬 필터 또는 그을음 필터와 같은 필터로서, 예컨대 투석-, 뼈-, 치아- 또는 직물-캐리어 이식제와 같은 열전열을 위한 피에조 세라믹 또는 이식제로서 사용될 수 있다. 냉간 제조시에는 투석 잔류물이 연소된 중공 미세 섬유 패키지와 통합된 고정 바닥 반응기를 통과하게 된다: 이 경우에는 투과가 바람직하게 중공 미세 섬유의 내부로부터 공동의 개구를 통해 섬유 단부에서 나타나거나 또는 그 반대이다. 고온 가스 필터링의 필터링될 분리기, 예를 들어 발전소 설비를 위해서는 반투과성 또는 조밀하게 연소된 필터 직물이 적합하다.
본 발명에 따른 촘촘한 중공 미세 섬유는 열절연을 위해 휘스커 섬유, 축용 직물, 종방향 섬유, 스프 사, 체이프 사, 필라멘트사, 직물, 부직포, 편물, 편성포, 펠트, 조방, 포일, 페이퍼층, 섬유, 로우프, 네트 등으로 사용될 수 있고, 고온에 안정된 이송 벨트로서, 피에조 세라믹으로서, 예컨대 레이저에서와 같은 광전달용 고진공 밀봉 섬유로서, 스페이스 미사일(space missile)의 용융 보호층으로서, 전자 용접 장치의 밀봉 및 피복, 진공 챔버, 진공 펌프 및 다른 진공 장치를 위해, 결합 제작 재료를 위한 금속-세라믹 합성물로서, 건축 방식에서 강 대신의 보강제 및 다른 보강제로서, 전자 공학의 소자 분야에서 예컨대 액체 캐리어 및 액체 도체와 같이 특수 페이퍼 및 특수 박막용 안전 박막으로서, 예컨대 식료품 용기 및 혈액 용기용의 가스 충전된 박막으로서, 에러 없는 계산기를 위한, 연소 불가능한 및 분해 불가능한 페이퍼 재질을 위한 베이스 재료로서, 금속 용융물을 외장하기 위한 매트릭스로서 또는 예컨대 정지 로드와 같은 벽이 얇은 폴리머 성분의 매트릭스로서 사용될 수도 있다.
본 발명은 하기의 실시예를 참조하여 자세히 설명된다:
실시예 1:
세라믹 중공 미세 섬유를 제조하기 위해서 Firma Barnag, Deutschland의 정방(spinning) 장치를 사용하였는데, 상기 장치는 노즐의 직경, 코어 및/또는 가스 공급 장치를 노즐 개구 영역에 배치하는 것과 관련된 본 발명에 따른 바람직한 방법의 특수한 조건들 및 타래(skein)를 경화하기 위한 장치에 매칭되었다. 세라믹 출발 물질로서는 졸-겔-공정으로 이루어진 세라믹 물질을 사용하였으며, 상기 물질은 Al2(OH)5Cl·2.5H2O를 물에 혼합하고 폴리비닐알코올을 물에 혼합하여 얻어졌다. 이 경우에는 20㎏의 물에 40㎏의 폴리비닐알코올과 60㎏의 Al2(OH)5Cl·2.5H2O가 추천된다. 이 때 제조된 졸은 교반에 의해 겔 또는 졸-겔 상태로 변화되었다. 얻어진 점성 물질은 상기 정방 장치의 저장 용기내에 채워지고, 압출 성형 워엄에 의해 구멍 없이 압출 헤드내로 압축되었다. 이송 온도는 약 25℃였다. 상기 점성 물질은 압출 헤드의 3,000개 이상의 링형 노즐 개구에 의해 형성되며, 이 경우 각 노즐의 영역내에서는 동축의 배플(baffle)이 코어로서 사용되었다. 상기 압출 헤드의 하부면은 건조 샤프트에 대해서 열적으로 절연되었다. 타래는 건조 샤프트내에서 IR-광선 및 대류열에 의해 약 140℃로 가열됨으로써 건조되어 충분히 경화되며, 그 결과 보다 넓은 직물을 처리하는 경우에도 의도하지 않은 치수 변동이 나타나지 않았다. 배출 속도는 약 1,200m/min였다. 얻어진 녹색의 중공 미세 섬유의 벽두께는 약 5.5㎛였고, 외경은 약 33㎛였다. 도 1은 연소되지 않은 경우에 따라서는 녹색의 중공 미세 섬유를 보여주었다. 적은량의 잔류 습기를 포함하는 상기 녹색의 중공 미세 섬유를 드로잉(drawing) 함으로써 실온에서 1:1.2의 비율로 벽두께는 약 4.5㎛로, 외경은 약 28㎛로 변동되었다. 상기 중공 미세 섬유를 1,600℃까지 서서히 가열한 후에 1시간 이상 유지시켰다가 서서히 식혔다. 연소된 중공 미세 섬유는 약 0.9㎛의 벽두께 및 약 6㎛의 외경을 가졌다.
실시예 2 및 3:
본 발명에 따른 중공 미세 섬유는 실시예 1에 상응하게 자기(porcelain) 또는 제올라이트 마그네슘-규산 알루미늄을 기재로 하는 물질로부터 제조되었다. 표 1에는 본 발명에 따라 연소된 중공 미세 섬유의 평균 치수 및 공지된 섬유와 비교한 상기 섬유의 특성들이 제시되어 있다.
표 1:
Al2O3(실시예 1) 자기-베이스(실시예2) 제올라이트(Mg-Al-실리케이트)(실시예 3) E-유리,S-유리 탄소 아라미드
외경(㎛) 6 7 7.5 12 6-8 12
공동부의 직경(㎛) 4.2 5 5.3 5 공동 없슴 공동 없슴
벽두께(㎛) 0.9 1 1.1 3.5 공동 없슴 공동 없슴
참밀도 g/㎤ 3.9 2.5 2.4 2.0 1.8-2.0 1.45
g/㎞(tex) 42 39 37 240
인장 강도(GPa) 3.6 1.7-3.5 1.86-5.6 3.0

Claims (19)

  1. 세라믹 재료로 이루어진 중공 미세 섬유에 있어서, 상기 섬유의 벽두께는 약 0.01 내지 15㎛이고, 외경은 약 0.5 내지 35㎛ 이며, 벽두께 및 외경의 변동은 ±6% 를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  2. 제 1항에 있어서, 벽두께는 약 0.3 내지 6㎛이고, 특히 약 0.5 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 외경은 약 1 내지 25㎛이고, 특히 약 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 섬유는 실제로 산화물, 규산염, 질화물 및/또는 탄화물 세라믹 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 섬유는 반투과성 벽을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  6. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 섬유는 밀봉 연소된 벽을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 벽의 외부면상에는 하나의 분리층이 존재하는 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 분리층의 벽두께는 2.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 중공 미세 섬유.
  9. 제 1항 또는 제 2 항에 따른 중공 미세 섬유의 제조 방법에 있어서, 세라믹 물질의 선구 물질 및 가열 작용하에서 제거 가능한 결합제를 함유하는 분산제를 블로잉 방법 (blowing method), 압출 방법, 진공 압출 방법 또는 방적 방법으로 녹색의 중공 미세 섬유로 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 섬유의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 분산제가 저장 용기 또는 압력 용기내로 제공되어 약 20 내지 400℃의 온도에서 유동 방식으로 상기 방적 장치를 관류하여 노즐 링형 개구 또는 노즐 프로필 개구에 의해 압축되며, 상기 노즐 개구의 영역내에서 형성된 부분 흐름은 중간에 코어 및/또는 가스를 공급하기 위한 장치에 의해 분기되어 상기 부분 흐름이 가열, 방사 또는 반응 파트너의 첨가에 의해 녹색의 중공 미세 섬유로 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 녹색의 중공 미세 섬유를 연소에 의해 반투과성 중공 미세 섬유로 압축하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 녹색의 중공 미세 섬유를 연소에 의해 압축된 중공 미세 섬유로 연소하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 녹색 중공 미세 섬유 또는 세라믹 중공 미세 섬유상에 하나의 분리층을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 유기 분리층으로 코팅된 상기 중공 미세 섬유를 연소하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 엔들리스 중공 미세 섬유가 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 중공 미세 섬유를 휘스커 섬유, 축용 직물, 종방향 섬유, 스프 사, 체이프 사, 필라멘트사, 직물, 부직포, 편물, 편성포, 펠트, 조방, 포일, 페이퍼층, 섬유, 로우프, 네트 등으로 가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 중공 미세 섬유를 필라멘트-모듈, 라미네이트, 프리폼, 프리프레그 등으로 재가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 멤브레인, 분자 시이브, 촉매 캐리어, 필터, 피에조 세라믹, 이식제, 고온 안정성 이송 벨트, 용융 보호층, 금속-세라믹 합성물 또는 다른 결합 제작 재료, 건축 외장, 전자 소자, 안전 박막, 가스 충전된 박막, 캐리어 재료, 연소 불가능한 및 분해 불가능한 종이 재질, 금속 용융 매트릭스 또는 벽이 얇은 폴리머 성분 및 냉간 형성용, 삼투압계용, 열절연용, 광전달용 또는 밀봉 및 피복용의 매트릭스를 제조하기 위해 사용되는 중공 미세 섬유.
  19. 제 9 항에 있어서, 결합제를 가열작용하에 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
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