Despite the promising features of liquid atomization, the electrospray technique currently has few practical applications, mainly because it is restricted to electrical conducting liquids and hampered by low throughput. To overcome these limitations, we have developed a multi-jet electrospray technique for non-conducting fluids. To obtain stable multi-jet operation, a grooved coaxial nozzle is employed to enhance the exterior electrical field. The multi-jet coaxial electrospray mechanism is identical to a single cone-jet coaxial electrospray, and multi-jet operation for a non-conducting fluid has the same features as a single cone-jet for a conducting liquid. The droplet size can be controlled by adjusting the flow rates, and the droplets are monodispersed with good stability and uniformity.
To broaden the applications of the electrospinning technique, high throughput is one of the primary goals of many researchers. To overcome the throughput limitation, we have introduced coaxial grooved nozzles. By using a coaxial grooved nozzle and two fluids, one of which is polyethylene oxide (PEO), we are able to achieve stable multi-jet operation and relatively high throughput. The multi-jets are initiated by the multi-jet mode of the inner fluid, and share the total flow rate of the polymer solution. We have investigated the operating conditions for various flow rate combinations of two fluids. The morphology of the resulting nanofibers is uniform without bead formation. The fibers have an average diameter of about 350 nm.
정전분무법은 전기력을 이용하여 미세액적을 제조하는 방식으로 다른 액적 제조 방법들에 비해 간단한 방법으로 미세 액적을 제조 할 수 있으며, 또한 생성된 액적의 크기는 단분산 분포를 가지고 있어, 미세 액적 제조법에 있어 많은 장점을 가지고 있는 기술이다. 전기방사법은 폴리머 용액을 전기력을 이용해 노즐 밖으로 분사시켜 나노크기의 직경을 갖는 섬유를 연속적으로 생산할 수 있는 방법이다. 하지만 정전분무법과 전기방사법은 기술적으로 액적의 공급유량이 시간당 수 밀리리터 범위의 극 저유량에 한정되어있는 단점을 가지고 있다. 이러한 제한된 유량조건으로 인해, 정전분무법과 전기방사법은 큰 장점에도 불구하고 매우 한정적인 응용분야에 이용되고 있다. 유량의 제한조건을 극복하는 방법의 연구의 필요성이 대두됨에 따라 많은 방법들이 제시되고 연구되었다. 본 연구에서는 동축 홈노즐을 이용하여, 2종의 유체를 서로 각각 공급하여, 비전도성 액체에 대한 고유량 정전분무와 고유량 전기방사를 목적으로 하여 연구하였다. 먼저 비전도성 액체에 대한 정전분무를 위해, 정전분무의 특성 모드 중 하나인 멀티 젯 모드를 이용하였다. 사용된 액체는 전도성 액체인 에탄올과 비전도성 액체인 올리브 오일을 이용하였다. 불안정한 멀티 젯의 거동은 노즐 끝의 홈의 형상으로 인해 안정되게 생성되고, 동축의 내측에서 공급되는 전도성액체는 노즐의 끝에서 비전도성액체와 2유체의 계면을 만들고, 외부 전기장으로부터 생성된 전도성 액체 내부의 전기 응력은 유체의 상호 계면에서 점성전단응력으로 확산되어 2종의 액체가 함께 분무되는 원리로 정전분무하였다. 이 때의 작동조건은 실험된 모든 유량범위에 대해서 약 1kV 범위의 안정된 멀티 젯 모드 구간이 확인 되었고, 분무되는 형상 가시화를 통해, 제시한 분무원리에 맞게 정전분무됨을 관찰할 수 있었다. 생성된 액적은 단분산분포를 갖는 정전분무의 고유 장점을 잃지 않았으며, 생성액적의 크기는 2종의 유체의 공급유량을 조정함에 따라 쉽게 조절 가능하였다.
고유량 전기방사법은 동축노즐에서 내측에 전도성 액체인 에탄올을 공급하고, 외측의 노즐에 Poly(ethylene oxide)(PEO)용액을 공급하였다. PEO용액은 6wt%로 물에 용해시켜 준비하였다. 방사원리는 인가전압에 증가에 따라 내측의 전도성액체가 정전분무법의 멀티 젯 모드로 분화되는 현상을 이용하여, 고유량으로 공급되는 PEO액주를 여러 개의 멀티 젯으로 분열시키는 방법이다. 이때 PEO용액의 공급유량에 따라 안정된 전기방사를 위해 필요한 젯의 개수가 달라지게 되는데, 다양한 유량조건에서 가장 최적화된 젯의 개수와 방사특징에 대하여 관찰 하였다. 방사된 섬유는 주사전자현미경(SEM)을 통해 그 특성을 관찰하였다. 방사된 섬유는 200~500nm정도의 크기를 갖는 것이 확인되었으며, 방사된 섬유는 깨짐이나 비드의 형성없이 매우 안정된 형태로 생성되었음을 확인하였다.
동축 홈노즐과 2종의 유체를 이용하여, 정전분무법에서 고유량과 비전도성액체에대한 정전분무를 동시에 달성하였고, 전기방사법에서 고유량을 달성하였다. 이 때 생성된 액적과 섬유는 각각 기존의 방식에서의 장점이 모두 유지되는 것을 확인하였다.
