ナノファイバーの合糸方法と装置
【課題】ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造するナノファイバーの合糸方法と装置を提供する。
【解決手段】高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を高速回転する円筒容器３に設けられた小穴４から電荷を帯電させて流出させ、遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー９を生成するナノファイバー生成手段２と、生成工程中のナノファイバー９を円筒容器３の軸心回りに旋回させつつ流動させる送風手段などの偏向流動手段１０と、芯糸２４を回転容器３側からその回転軸心を通して供給する芯糸供給手段２３と、旋回しつつ流動するナノファイバー９を集束して芯糸２４の回りに撚った糸条を回収する回収手段１３とを備えている。
【解決手段】高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を高速回転する円筒容器３に設けられた小穴４から電荷を帯電させて流出させ、遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー９を生成するナノファイバー生成手段２と、生成工程中のナノファイバー９を円筒容器３の軸心回りに旋回させつつ流動させる送風手段などの偏向流動手段１０と、芯糸２４を回転容器３側からその回転軸心を通して供給する芯糸供給手段２３と、旋回しつつ流動するナノファイバー９を集束して芯糸２４の回りに撚った糸条を回収する回収手段１３とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造してこれを糸条にするナノファイバーの合糸方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、エレクトロスピニング法（電子紡糸法や電荷誘導紡糸法とも称される）が知られている。従来のエレクトロスピニング法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給することで、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電され、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。
【０００３】
従来のエレクトロスピニング法では、１本のノズルの先から１本のナノファイバーしか製造されないので、生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、バレルに貯蔵された高分子溶液をポンプにて帯電された多数のニードル状のノズルに供給し吐出させることで多量のナノファイバーを作り出し、これをノズルと異なる極性に帯電されたコレクタにて回収し積層しながら搬送することで、ナノファイバーが３次元のネットワーク構造に積層した空隙率が非常に高い高多孔性の高分子ウエブを製造する技術が開示され、従来の実験的レベルから実用性レベルに高められている。
【０００４】
また、従来、電子紡糸法によるナノファイバーがウエブとして製造され、人造皮革、フィルター、おむつ、生理用ナプキン、癒着紡糸剤、ワイピングクロス、人造血管、骨固定器具など多様に活用されているが、１０ＭＰａ以上の力学物性を得るのが困難で広範囲な用途への利用に限界があること、このように製造されたナノファイバーのウエブを連続した糸条にして力学物性を高めようとすると、ウエブを一定長さに切断して短繊維を製造し、この短繊維から紡績糸を製造する別途の紡績工程を経なければならない問題があることを指摘した上で、電子紡糸法にて製造されたナノファイバーのウエブを用いて連続的に糸条を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、列をなして帯電されたノズルからノズルと逆極性に帯電されたコレクタ内の水または有機溶媒の静的な表面上にナノファイバーを紡糸してウエブをなすように堆積させ、この堆積するウエブを、ノズルの列方向で見た一方の末端側より１ｃｍ以上離れた地点から一定の線速度で回転する回転ローラによって引き上げて連続した糸条とし、圧搾、延伸、乾燥および巻取りを行って連続した糸条を得ている。また、連続した糸条は撚糸することもできるとしている。
【特許文献１】特開２００２−２０１５５９号公報
【特許文献２】特表２００６−５０７４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の技術は、各ノズルから真下にナノファイバーを生成してコレクタ上のノズルに対応した位置へ静的に堆積させながら、その堆積域の広がりにより各ノズルから生成されたナノファイバー同士を絡み合わせて細帯状のウエブを形成し、このウエブの一端からナノファイバー群を引出すことでウエブの他端側に連続しているナノファイバー群を順次引き出し、連続した糸条に集束させるものであり、そのため各ノズルから紡糸されたナノファイバーの堆積が静的でほぼ同等であるのに対し、引き出し作用が引き出し側に近い堆積域に集中しやすくなる関係から、引き出し側に近い堆積域と遠い堆積域とでナノファイバーの引出し量とに差が生じる恐れがあり、その場合引出し量の差が堆積量の差を来たし、堆積量に差を生じた状態で引き出されることで連続した糸条の太さや力学物性を適正に制御するのは困難で安定しないという問題がある。さらに、引出し作用が引き出し側から遠い側の堆積域にも均等に及ぶようにするのに引出し速度を抑える必要があり大量に製造するのも困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、エレクトロスピニング法により製造したナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができるナノファイバーの合糸方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のナノファイバーの合糸方法は、芯糸を供給する芯糸供給工程と、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を小穴から帯電させて流出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、前記小穴を前記芯糸の回りに回転させ、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回りに旋回させつつ集束し、ナノファイバーを芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを有するものである。
【０００８】
この構成によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーが生成されるとともに、その生成工程中にナノファイバーが旋回されつつ集束されて効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【０００９】
また、撚り工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させる偏向流動工程を有すると、生成工程中のナノファイバーが回収方向に向けて旋回させながら流動されるので、その旋回流動するナノファイバーを集束させることで、効果的に撚りがかけられて合糸され、均質で高強度の糸条をより生産性よく低コストにて製造することができる。
【００１０】
また、偏向流動工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させるように送風する送風工程を有すると、ナノファイバーの流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に規制することができるので好ましい。また、空気の流れについては、常温でも効果はあるが、空気を常温よりも加熱して温風を送ることで、ナノファイバーの中の溶媒の蒸発が加速され、さらなる効果が得られる。
【００１１】
また、撚り工程は、ナノファイバー生成工程と回収工程との間若しくは回収工程に配置した電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地し、生成工程中のナノファイバーを前記電極に向けて流動させつつ集束させる集束工程を有すると、電極を用いて集束することで、より効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１２】
また、芯糸を供給する芯糸供給工程と、供給された芯糸の回りを回転する小穴から高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を流出させて帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、前記小穴から適当な距離をあけた位置で前記芯糸が貫通するように配置された電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを前記電極方向に偏向流動させつつ集束し、前記ナノファイバーを前記芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを有しても、同様の作用効果を奏してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に芯糸が貫通するように配置された電極を用いて集束し、芯糸に絡ませることで、より効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１３】
また、所定軸心回りに回転する小穴から高分子溶液を流出させる工程と、前記小穴に対して所定軸心方向に距離をあけて配置した電極と前記小穴との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させ、前記小穴から流出する高分子溶液を帯電させて静電爆発にて前記電極に向けて旋回流動するナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、芯糸を前記小穴側から前記所定軸心を通り前記電極の略中心を貫通して供給し、旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませて集束する集束工程と、前記芯糸に絡んで集束したナノファイバーを前記芯糸とともに回収する回収工程とを有しても、同様の作用効果を奏してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に高分子溶液を帯電させるために小穴と電極間に電界を発生させる電極の略中心を貫通して芯糸を供給することで、生成されて旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませてより効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１４】
また、上記電極を配置する構成において、ナノファイバー生成工程で生成されたナノファイバーを前記電極方向に向かう送風により偏向する偏向流動工程を有すると、上記のようにナノファイバーの流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に規制することができるので好ましい。
【００１５】
また、前記電極が環状電極であると、生成工程中のナノファイバーを環状電極に向けて流動させつつ集束させ、環状電極内を通して回収手段に送出することができ、環状電極にてより効果的に集束して強く撚ることができるので、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１６】
また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、軸心まわりに回転自在に支持されるとともに回転軸心から径方向に距離をあけて１又は複数の小穴を有する導電性の回転容器と、前記回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、前記回転容器内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、前記回転容器に対してその軸心方向に距離をあけて同一軸心上に配置した電極と、前記回転容器と前記電極との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させる高電圧発生手段と、芯糸を前記回転容器側からその回転軸心を通り前記電極を貫通して供給する芯糸供給手段と、前記電極に向けて集束して芯糸に絡んだナノファイバーを芯糸とともに回収する回収手段とを備えたものである。
【００１７】
この構成によれば、上記ナノファイバーの合糸方法を実施してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に回転容器を用いることにより、高分子溶液が小穴から流出する際にまず遠心力の作用によって延伸されるので、電界干渉に左右されないために小穴を高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸され、その後静電爆発によって延伸されることでナノファイバーを効率的に生成できるとともに、その生成工程を利用して撚りをかけることができるため、均質で高強度の糸条をより生産性よく低コストにて製造することができる。
【００１８】
また、前記回転容器の前記小穴から流出した高分子溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーを前記電極に向けて偏向流動させる送風手段を備えると、送風手段による送風によって溶媒の蒸発が円滑に行われ、静電爆発作用が確実に得られて所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に偏向させて確実に旋回流動させることができる。
【００１９】
また、前記電極は、前記芯糸が中心位置を貫通する環状電極であると、生成工程中のナノファイバーを環状電極に向けて流動させつつ集束させ、環状電極内を通して回収手段に送出することができ、環状電極にてより効果的に集束して強く撚ることができるので、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーを生成し、その生成工程中にナノファイバーを旋回させつつ集束させることで効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明のナノファイバーの合糸方法と装置の各実施形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバー合糸装置の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００２３】
図１、図２において、１はナノファイバー合糸装置であって、ナノファイバー生成手段２と偏向流動手段１０と回収手段１３と芯糸供給手段２３を備えている。ナノファイバー生成手段２は、垂直な軸心周りに回転自在に支持され、周面に直径が０．０１〜２ｍｍ程度の小穴４が数ｍｍピッチ間隔で多数、あるいは場合によって１又は少数形成されている回転容器としての円筒容器３と、円筒容器３を回転駆動する回転駆動手段５と、円筒容器３内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液７を供給する高分子溶液供給手段６と、円筒容器３に１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧を印加して高分子溶液７に電荷を帯電させる第１の高電圧発生手段８とを備え、円筒容器３の小穴４から流出した高分子溶液７を遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー９を生成するように構成されている。
【００２４】
偏向流動手段１０は、円筒容器３の上部に配設された反射電極１１と、反射電極１１に円筒容器３と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段１２とを備え、反射電極１１にてナノファイバー生成手段２で生成されたナノファイバー９を円筒容器３の下方に向けて旋回しつつ流動させるように構成されている。また、回収手段１３は、偏向流動手段１０にて旋回しながら下方に向けて流動するナノファイバー９を集束して巻き取る回転部材１４と、回転部材１４に円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加する第３の高電圧発生手段１５とを備えている。なお、回転部材１４に第３の高電圧発生手段１５により高電圧を印加する代わりに、グランドに接続（接地）しても同様の効果が得られる。芯糸供給手段２３は、円筒容器３の下部の軸心位置に配設され、芯糸２４を下方に向けて供給し、その芯糸２４が回収手段１３の回転部材１４に巻き取られるように構成されている。
【００２５】
次に、各手段の詳細構成と作用について説明する。まず、ナノファイバー生成手段２について、図２を参照して説明する。円筒容器３の上端の軸心部に回転筒体１６の端部が貫通されて一体固定され、回転筒体１６にて円筒容器３がその軸心回りに矢印Ｒのように回転可能に支持されている。回転筒体１６は電気絶縁性の高い材料にて構成されている。円筒容器３の下端は閉鎖又は立ち上げ周壁を有する開口が軸心部に形成されている。回転筒体１６は、電気絶縁性の高い材料にて構成された支持フレーム１７にてベアリング１８を介して回転自在に支持され、回転駆動手段５にて３０〜１００００ｒｐｍの回転速度で回転駆動される。回転駆動手段５は、支持フレーム１７に設置されたモータ１９と、モータ１９の出力軸に設けられたプーリ２０と、回転筒体１６の外周に設けられたプーリ２１と、プーリ２０、２１間に巻回されたベルト２２にて構成されている。モータ１９としては、センサが高圧ノイズの影響を受けて誤動作する恐れがあるので、センサレスＤＣモータが好適に適用される。
【００２６】
円筒容器３内には、回転筒体１６を貫通して円筒容器３内に挿入された高分子溶液供給手段６を通して高分子溶液７が供給される。高分子溶液７を構成する高分子物質としてはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２７】
また、使用できる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２８】
このナノファイバー生成手段２の構成により、円筒容器３が回転駆動手段５にて高速で回転駆動されると、電荷を帯電された高分子溶液７に遠心力が作用して各小穴４から線状に流出し、さらに遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成されるとともにその溶媒が蒸発することで高分子線状体の径が細くなる。それに伴って、帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液７の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー９が効率的に製造される。
【００２９】
また、偏向流動手段１０の反射電極１１は、円筒容器３の上方に適当間隔あけて対向するように支持フレーム１７に配設され、この偏向流動手段１０にて円筒容器３から流出・延伸されて生成された高分子線状体及びその後に静電爆発にて生成されるナノファイバー９が、矢印Ｆで示すように円筒容器３の下方に向けて、さらに円筒容器３の高速回転により円筒容器３の軸心回りに旋回しながら下方に向けて流動することになる。なお、反射電極１１に付加して、若しくは反射電極１１に代えて送風手段（図示せず）を配設して、このナノファイバー９の流動方向に向けて反射電極１１側から送風するようにしても良い。そうすると、ナノファイバー９の流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず、溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバー９が確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバー９の流動方向をより効果的に規制でき、さらに旋回流動を強化するようにすることも可能である。また、空気の流れについては、常温でも効果はあるが、空気を常温よりも加熱して温風を送ることで、ナノファイバーの中の溶媒の蒸発が加速され、さらなる効果が得られる。
【００３０】
回収手段１３の回転部材１４は、矢印ｗのように、水平軸心回りに巻き取り方向に回転駆動可能に構成されており、図３（ａ）に示すように、第３の高電圧発生手段１５にて円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加するため、軸心部は導電性の円柱軸若しくは円筒軸から成る巻取軸体２５にて構成され、その両側に巻き取ったナノファイバー９を保持する合成樹脂製の保持鍔２６が設けられている。巻取軸体２５に、円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加されていることで、旋回しながら下方に向けて流動してきた複数本のナノファイバー９が図１に示すように収束され、その結果複数本のナノファイバー９に撚りがかけられて合糸され、図３（ｂ）に示すように、回転部材１４に巻き取られて回収されることになる。
【００３１】
また、上記回収手段１３にて旋回流動する複数本のナノファイバー９を収束させ、撚りをかけて合糸する作用は、少なくとも合糸を開始するときから合糸初期の間は不安定となる場合がある。そのため、図１に示すように、合糸を開始する前に、芯糸供給手段２３から芯糸２４を引き出してその先端を回収手段１３の回転部材１４に巻回した状態とし、その後ナノファイバー生成手段２及び偏向流動手段１０を作動させ、回収手段１３に逆極性の高電圧を印加すると、複数本のナノファイバー９が生成されて旋回しながら下方に向けて流動して回収手段１３に近づいて収束し始める。ここで、回収手段１３の回転部材１４を巻き取り回転することで、収束しつつ流動するナノファイバー９が芯糸２４に絡み付いて一挙に収束され、芯糸２４の回りに確実に合糸されて回収される。なお、回転部材１４に第３の高電圧発生手段１５により高電圧を印加する代わりに、グランドに接続（接地）しても同様の効果が得られる。逆に、第３の高電圧発生手段１５にて回収手段１３に高電圧を印加する場合、第１の高電圧発生手段８や第２の高電圧発生手段１２を設けずに、円筒容器３や反射電極１を接地しても良い。
【００３２】
また、芯糸２４を継続して供給することで、中芯に芯糸２４のある糸条が製造される。この場合には、図１の例では円筒容器３の下部に必要量の芯糸２４を収容した芯糸供給手段２３を配設したが、大量の芯糸２４を供給できる芯糸供給手段２３を円筒容器３の上方に配設し、回転筒体１６及び円筒容器３の軸心部を貫通させて回収手段１３に向けて供給するようにするのが好適である。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第２の実施形態について、図５、図６を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態の構成要素と共通する構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００３４】
上記実施形態のナノファイバー合糸装置１では、回転駆動される円筒容器３を備えたナノファイバー生成手段２と、反射電極１１若しくは送風手段又は両者を備えた偏向流動手段１０とを組み合わせて、複数本のナノファイバー９が旋回しながら流動するようにした例を示したが、本実施形態のナノファイバー合糸装置３１では、図５に示すように、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を高電圧を印加して複数の小穴から流出させ、静電爆発にて延伸させて生成された複数本のナノファイバー９を一方向に略ストレートに流動させるナノファイバー生成手段３２と、生成されたナノファイバー９を渦巻流に巻き込んで旋回させつつ集束させる旋回流発生手段３３とを備えている。なお、旋回されつつ集束されて撚られた状態のナノファイバー９を回転部材１４に巻き取る回収手段１３は第１の実施形態と同じである。
【００３５】
ナノファイバー生成手段３２の具体例としては、図６（ａ）に示すように、高分子溶液を高電圧を印加して流出させる複数のノズル部材３４を、１列又は複数列に配置したり、マトリックス状又は多重環状に配置したものや、図６（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様に回転駆動される円筒容器３５に高電圧発生手段３６から高電圧を印加するとともに、内部に高分子溶液７を供給して遠心力と静電爆発でナノファイバー９を生成するとともに、円筒容器３５に外周に配設した放物反射電極（図示せず）等にて一方向に流動させるようにしたものでも良い。
【００３６】
旋回流発生手段３３の具体例としては、回収手段１３側に向けて径が縮小するテーパ円筒体３７と、テーパ円筒体３７の上部にその周囲から略接線方向にかつ径小方向に傾斜した方向から内部にエア又はその他の気体を吹き出す１又は複数の気体送給手段３８を配置して構成されている。また、テーパ円筒体３７は導電性部材にて構成されており、このテーパ円筒体３７に電圧印加手段３９にて交番電圧又はナノファイバー９の帯電極性と同極性の比較的に低い電圧が印加され、テーパ円筒体３７の帯電によるナノファイバー９の付着堆積を防止し、さらにはナノファイバー９の収束を助長するように構成されている。なお、テーパ円筒体３７は、正確な接頭円錐形である必要はなく、むしろ多少ラッパ状に湾曲した形状の方が収束作用にとって好適である。
【００３７】
本実施形態においては、ナノファイバー生成手段３２にて生成されたナノファイバー９を、旋回流発生手段３３のテーパ円筒体３７内に発生する旋回流にて効果的に撚りをかけつつ集束することができ、それを回収手段１３の回転部材１４に巻き取ることで合糸して回収することができ、ナノファイバー９から成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【００３８】
本実施形態の変形構成例として、旋回流発生手段３３を配設する代わりに、又は旋回流発生手段３３と併用して、ナノファイバー生成手段３２をナノファイバー９の流動方向に沿う軸心回りに回転させる回転手段（図示せず）を設け、ナノファイバー生成手段３２で生成されて一方向に流動するナノファイバー９に旋回運動を与えるようにしても良い。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第３の実施形態について、図７を参照して説明する。
【００４０】
本実施形態は、図７に示すように、第１の実施形態に第２の実施形態の旋回流発生手段３３をさらに付加したものである。この実施形態によれば、ナノファイバー生成手段２と偏向流動手段１０の組み合わせにより、生成されて旋回しつつ流動するナノファイバー９を、さらに旋回流発生手段３３にて渦巻流に巻き込んで旋回させつつ集束することができるので、ナノファイバー９をさらに効果的に撚ることができ、高強度の糸条を製造することができる。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第４の実施形態について、図８を参照して説明する。
【００４２】
本実施形態では、図８に示すように、芯糸供給手段２３として、芯糸供給リール４１から引き出した芯糸２４を円筒容器３の上方に配置したガイドローラ４２にて円筒容器３の回転軸心を通るように案内させ、円筒容器３の回転軸心位置を貫通して回収手段１３の回転部材１４に巻き取られるように構成し、かつ円筒容器３から適当な距離をあけた位置で、芯糸２４が中心位置を貫通するように環状電極４３を配設している。第３の高電圧発生手段１５による回収手段１３の回転部材１４への高電圧の印加に代えて、環状電極４３に第３の高電圧発生手段１５からナノファイバー９の帯電電荷の極性とは逆極性の高電圧を印加するように構成し、回転容器３と環状電極４３との間で電界を発生させるように構成している。この電界の作用にて小穴４から流出する高分子溶液が帯電されて静電爆発にてナノファイバー９が生成され、かつ環状電極４３に向けて偏向流動されるとともに集束され、芯糸２４に絡まって撚られ、芯糸２４に絡まって撚られたナノファイバー９が回収手段１３にて回収される。
【００４３】
本実施形態では、円筒容器３と環状電極４３との間の電界にてナノファイバー９を生成するとともに偏向流動させるので、図８に示すように、反射電極１１や送風手段は配設する必要がない。勿論、それらを付加的に設けることは構わない。また、円筒容器３と環状電極４３との間に電界を発生させればよいので、第３の高電圧発生手段１５を設ければ、第１の高電圧発生手段８を無くして円筒容器３を接地しても良く、逆に第１の高電圧発生手段８にて円筒容器３に高電圧を印加すれば、環状電極４３を接地しても良い。勿論、図８に示すように、円筒容器３と環状電極４３に互いに逆極性の高電圧を印加すると、高分子溶液に対する電荷の帯電作用や帯電したナノファイバーの偏向流動作用や集束作用をより強く得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーを生成し、その生成工程中にナノファイバーを旋回させつつ集束させることで効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収するので、ナノファイバーから成る均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、ナノファイバーから成る高強度の糸条の生産に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図２】同実施形態におけるナノファイバー生成手段と偏向流動手段の構成を示す斜視図。
【図３】同実施形態における回収手段を示し、（ａ）は構成を示す斜視図、（ｂ）は糸条の巻き取り状態を示す斜視図。
【図４】同実施形態の芯糸を使用しない合糸状態の全体斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は同実施形態のナノファイバー生成手段の構成例を示す正面図と斜視図。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図８】本発明の第４の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１ ナノファイバー合糸装置
２ ナノファイバー生成手段
３ 円筒容器（回転容器）
４ 小穴
５ 回転駆動手段
６ 高分子溶液供給手段
７ 高分子溶液
８ 第１の高電圧発生手段
９ ナノファイバー
１０ 偏向流動手段
１１ 反射電極
１２ 第２の高電圧発生手段
１３ 回収手段
１４ 回転部材
２３ 芯糸供給手段
２４ 芯糸
３１ ナノファイバー合糸装置
３２ ナノファイバー生成手段
３３ 旋回流発生手段
３７ テーパ円筒体
３８ 気体送給手段
３９ 電圧印加手段
４３ 環状電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造してこれを糸条にするナノファイバーの合糸方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、エレクトロスピニング法（電子紡糸法や電荷誘導紡糸法とも称される）が知られている。従来のエレクトロスピニング法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給することで、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電され、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。
【０００３】
従来のエレクトロスピニング法では、１本のノズルの先から１本のナノファイバーしか製造されないので、生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、バレルに貯蔵された高分子溶液をポンプにて帯電された多数のニードル状のノズルに供給し吐出させることで多量のナノファイバーを作り出し、これをノズルと異なる極性に帯電されたコレクタにて回収し積層しながら搬送することで、ナノファイバーが３次元のネットワーク構造に積層した空隙率が非常に高い高多孔性の高分子ウエブを製造する技術が開示され、従来の実験的レベルから実用性レベルに高められている。
【０００４】
また、従来、電子紡糸法によるナノファイバーがウエブとして製造され、人造皮革、フィルター、おむつ、生理用ナプキン、癒着紡糸剤、ワイピングクロス、人造血管、骨固定器具など多様に活用されているが、１０ＭＰａ以上の力学物性を得るのが困難で広範囲な用途への利用に限界があること、このように製造されたナノファイバーのウエブを連続した糸条にして力学物性を高めようとすると、ウエブを一定長さに切断して短繊維を製造し、この短繊維から紡績糸を製造する別途の紡績工程を経なければならない問題があることを指摘した上で、電子紡糸法にて製造されたナノファイバーのウエブを用いて連続的に糸条を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、列をなして帯電されたノズルからノズルと逆極性に帯電されたコレクタ内の水または有機溶媒の静的な表面上にナノファイバーを紡糸してウエブをなすように堆積させ、この堆積するウエブを、ノズルの列方向で見た一方の末端側より１ｃｍ以上離れた地点から一定の線速度で回転する回転ローラによって引き上げて連続した糸条とし、圧搾、延伸、乾燥および巻取りを行って連続した糸条を得ている。また、連続した糸条は撚糸することもできるとしている。
【特許文献１】特開２００２−２０１５５９号公報
【特許文献２】特表２００６−５０７４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の技術は、各ノズルから真下にナノファイバーを生成してコレクタ上のノズルに対応した位置へ静的に堆積させながら、その堆積域の広がりにより各ノズルから生成されたナノファイバー同士を絡み合わせて細帯状のウエブを形成し、このウエブの一端からナノファイバー群を引出すことでウエブの他端側に連続しているナノファイバー群を順次引き出し、連続した糸条に集束させるものであり、そのため各ノズルから紡糸されたナノファイバーの堆積が静的でほぼ同等であるのに対し、引き出し作用が引き出し側に近い堆積域に集中しやすくなる関係から、引き出し側に近い堆積域と遠い堆積域とでナノファイバーの引出し量とに差が生じる恐れがあり、その場合引出し量の差が堆積量の差を来たし、堆積量に差を生じた状態で引き出されることで連続した糸条の太さや力学物性を適正に制御するのは困難で安定しないという問題がある。さらに、引出し作用が引き出し側から遠い側の堆積域にも均等に及ぶようにするのに引出し速度を抑える必要があり大量に製造するのも困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、エレクトロスピニング法により製造したナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができるナノファイバーの合糸方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のナノファイバーの合糸方法は、芯糸を供給する芯糸供給工程と、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を小穴から帯電させて流出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、前記小穴を前記芯糸の回りに回転させ、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回りに旋回させつつ集束し、ナノファイバーを芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを有するものである。
【０００８】
この構成によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーが生成されるとともに、その生成工程中にナノファイバーが旋回されつつ集束されて効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【０００９】
また、撚り工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させる偏向流動工程を有すると、生成工程中のナノファイバーが回収方向に向けて旋回させながら流動されるので、その旋回流動するナノファイバーを集束させることで、効果的に撚りがかけられて合糸され、均質で高強度の糸条をより生産性よく低コストにて製造することができる。
【００１０】
また、偏向流動工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させるように送風する送風工程を有すると、ナノファイバーの流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に規制することができるので好ましい。また、空気の流れについては、常温でも効果はあるが、空気を常温よりも加熱して温風を送ることで、ナノファイバーの中の溶媒の蒸発が加速され、さらなる効果が得られる。
【００１１】
また、撚り工程は、ナノファイバー生成工程と回収工程との間若しくは回収工程に配置した電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地し、生成工程中のナノファイバーを前記電極に向けて流動させつつ集束させる集束工程を有すると、電極を用いて集束することで、より効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１２】
また、芯糸を供給する芯糸供給工程と、供給された芯糸の回りを回転する小穴から高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を流出させて帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、前記小穴から適当な距離をあけた位置で前記芯糸が貫通するように配置された電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを前記電極方向に偏向流動させつつ集束し、前記ナノファイバーを前記芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを有しても、同様の作用効果を奏してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に芯糸が貫通するように配置された電極を用いて集束し、芯糸に絡ませることで、より効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１３】
また、所定軸心回りに回転する小穴から高分子溶液を流出させる工程と、前記小穴に対して所定軸心方向に距離をあけて配置した電極と前記小穴との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させ、前記小穴から流出する高分子溶液を帯電させて静電爆発にて前記電極に向けて旋回流動するナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、芯糸を前記小穴側から前記所定軸心を通り前記電極の略中心を貫通して供給し、旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませて集束する集束工程と、前記芯糸に絡んで集束したナノファイバーを前記芯糸とともに回収する回収工程とを有しても、同様の作用効果を奏してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に高分子溶液を帯電させるために小穴と電極間に電界を発生させる電極の略中心を貫通して芯糸を供給することで、生成されて旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませてより効果的に集束して強く撚ることができ、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１４】
また、上記電極を配置する構成において、ナノファイバー生成工程で生成されたナノファイバーを前記電極方向に向かう送風により偏向する偏向流動工程を有すると、上記のようにナノファイバーの流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に規制することができるので好ましい。
【００１５】
また、前記電極が環状電極であると、生成工程中のナノファイバーを環状電極に向けて流動させつつ集束させ、環状電極内を通して回収手段に送出することができ、環状電極にてより効果的に集束して強く撚ることができるので、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【００１６】
また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、軸心まわりに回転自在に支持されるとともに回転軸心から径方向に距離をあけて１又は複数の小穴を有する導電性の回転容器と、前記回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、前記回転容器内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、前記回転容器に対してその軸心方向に距離をあけて同一軸心上に配置した電極と、前記回転容器と前記電極との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させる高電圧発生手段と、芯糸を前記回転容器側からその回転軸心を通り前記電極を貫通して供給する芯糸供給手段と、前記電極に向けて集束して芯糸に絡んだナノファイバーを芯糸とともに回収する回収手段とを備えたものである。
【００１７】
この構成によれば、上記ナノファイバーの合糸方法を実施してナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、特に回転容器を用いることにより、高分子溶液が小穴から流出する際にまず遠心力の作用によって延伸されるので、電界干渉に左右されないために小穴を高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸され、その後静電爆発によって延伸されることでナノファイバーを効率的に生成できるとともに、その生成工程を利用して撚りをかけることができるため、均質で高強度の糸条をより生産性よく低コストにて製造することができる。
【００１８】
また、前記回転容器の前記小穴から流出した高分子溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーを前記電極に向けて偏向流動させる送風手段を備えると、送風手段による送風によって溶媒の蒸発が円滑に行われ、静電爆発作用が確実に得られて所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向をより効果的に偏向させて確実に旋回流動させることができる。
【００１９】
また、前記電極は、前記芯糸が中心位置を貫通する環状電極であると、生成工程中のナノファイバーを環状電極に向けて流動させつつ集束させ、環状電極内を通して回収手段に送出することができ、環状電極にてより効果的に集束して強く撚ることができるので、高強度の糸条を製造することができて好適である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーを生成し、その生成工程中にナノファイバーを旋回させつつ集束させることで効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明のナノファイバーの合糸方法と装置の各実施形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバー合糸装置の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００２３】
図１、図２において、１はナノファイバー合糸装置であって、ナノファイバー生成手段２と偏向流動手段１０と回収手段１３と芯糸供給手段２３を備えている。ナノファイバー生成手段２は、垂直な軸心周りに回転自在に支持され、周面に直径が０．０１〜２ｍｍ程度の小穴４が数ｍｍピッチ間隔で多数、あるいは場合によって１又は少数形成されている回転容器としての円筒容器３と、円筒容器３を回転駆動する回転駆動手段５と、円筒容器３内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液７を供給する高分子溶液供給手段６と、円筒容器３に１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧を印加して高分子溶液７に電荷を帯電させる第１の高電圧発生手段８とを備え、円筒容器３の小穴４から流出した高分子溶液７を遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー９を生成するように構成されている。
【００２４】
偏向流動手段１０は、円筒容器３の上部に配設された反射電極１１と、反射電極１１に円筒容器３と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段１２とを備え、反射電極１１にてナノファイバー生成手段２で生成されたナノファイバー９を円筒容器３の下方に向けて旋回しつつ流動させるように構成されている。また、回収手段１３は、偏向流動手段１０にて旋回しながら下方に向けて流動するナノファイバー９を集束して巻き取る回転部材１４と、回転部材１４に円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加する第３の高電圧発生手段１５とを備えている。なお、回転部材１４に第３の高電圧発生手段１５により高電圧を印加する代わりに、グランドに接続（接地）しても同様の効果が得られる。芯糸供給手段２３は、円筒容器３の下部の軸心位置に配設され、芯糸２４を下方に向けて供給し、その芯糸２４が回収手段１３の回転部材１４に巻き取られるように構成されている。
【００２５】
次に、各手段の詳細構成と作用について説明する。まず、ナノファイバー生成手段２について、図２を参照して説明する。円筒容器３の上端の軸心部に回転筒体１６の端部が貫通されて一体固定され、回転筒体１６にて円筒容器３がその軸心回りに矢印Ｒのように回転可能に支持されている。回転筒体１６は電気絶縁性の高い材料にて構成されている。円筒容器３の下端は閉鎖又は立ち上げ周壁を有する開口が軸心部に形成されている。回転筒体１６は、電気絶縁性の高い材料にて構成された支持フレーム１７にてベアリング１８を介して回転自在に支持され、回転駆動手段５にて３０〜１００００ｒｐｍの回転速度で回転駆動される。回転駆動手段５は、支持フレーム１７に設置されたモータ１９と、モータ１９の出力軸に設けられたプーリ２０と、回転筒体１６の外周に設けられたプーリ２１と、プーリ２０、２１間に巻回されたベルト２２にて構成されている。モータ１９としては、センサが高圧ノイズの影響を受けて誤動作する恐れがあるので、センサレスＤＣモータが好適に適用される。
【００２６】
円筒容器３内には、回転筒体１６を貫通して円筒容器３内に挿入された高分子溶液供給手段６を通して高分子溶液７が供給される。高分子溶液７を構成する高分子物質としてはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２７】
また、使用できる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２８】
このナノファイバー生成手段２の構成により、円筒容器３が回転駆動手段５にて高速で回転駆動されると、電荷を帯電された高分子溶液７に遠心力が作用して各小穴４から線状に流出し、さらに遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成されるとともにその溶媒が蒸発することで高分子線状体の径が細くなる。それに伴って、帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液７の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー９が効率的に製造される。
【００２９】
また、偏向流動手段１０の反射電極１１は、円筒容器３の上方に適当間隔あけて対向するように支持フレーム１７に配設され、この偏向流動手段１０にて円筒容器３から流出・延伸されて生成された高分子線状体及びその後に静電爆発にて生成されるナノファイバー９が、矢印Ｆで示すように円筒容器３の下方に向けて、さらに円筒容器３の高速回転により円筒容器３の軸心回りに旋回しながら下方に向けて流動することになる。なお、反射電極１１に付加して、若しくは反射電極１１に代えて送風手段（図示せず）を配設して、このナノファイバー９の流動方向に向けて反射電極１１側から送風するようにしても良い。そうすると、ナノファイバー９の流動方向に空気が流れることで、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず、溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバー９が確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバー９の流動方向をより効果的に規制でき、さらに旋回流動を強化するようにすることも可能である。また、空気の流れについては、常温でも効果はあるが、空気を常温よりも加熱して温風を送ることで、ナノファイバーの中の溶媒の蒸発が加速され、さらなる効果が得られる。
【００３０】
回収手段１３の回転部材１４は、矢印ｗのように、水平軸心回りに巻き取り方向に回転駆動可能に構成されており、図３（ａ）に示すように、第３の高電圧発生手段１５にて円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加するため、軸心部は導電性の円柱軸若しくは円筒軸から成る巻取軸体２５にて構成され、その両側に巻き取ったナノファイバー９を保持する合成樹脂製の保持鍔２６が設けられている。巻取軸体２５に、円筒容器３とは逆極性の高電圧を印加されていることで、旋回しながら下方に向けて流動してきた複数本のナノファイバー９が図１に示すように収束され、その結果複数本のナノファイバー９に撚りがかけられて合糸され、図３（ｂ）に示すように、回転部材１４に巻き取られて回収されることになる。
【００３１】
また、上記回収手段１３にて旋回流動する複数本のナノファイバー９を収束させ、撚りをかけて合糸する作用は、少なくとも合糸を開始するときから合糸初期の間は不安定となる場合がある。そのため、図１に示すように、合糸を開始する前に、芯糸供給手段２３から芯糸２４を引き出してその先端を回収手段１３の回転部材１４に巻回した状態とし、その後ナノファイバー生成手段２及び偏向流動手段１０を作動させ、回収手段１３に逆極性の高電圧を印加すると、複数本のナノファイバー９が生成されて旋回しながら下方に向けて流動して回収手段１３に近づいて収束し始める。ここで、回収手段１３の回転部材１４を巻き取り回転することで、収束しつつ流動するナノファイバー９が芯糸２４に絡み付いて一挙に収束され、芯糸２４の回りに確実に合糸されて回収される。なお、回転部材１４に第３の高電圧発生手段１５により高電圧を印加する代わりに、グランドに接続（接地）しても同様の効果が得られる。逆に、第３の高電圧発生手段１５にて回収手段１３に高電圧を印加する場合、第１の高電圧発生手段８や第２の高電圧発生手段１２を設けずに、円筒容器３や反射電極１を接地しても良い。
【００３２】
また、芯糸２４を継続して供給することで、中芯に芯糸２４のある糸条が製造される。この場合には、図１の例では円筒容器３の下部に必要量の芯糸２４を収容した芯糸供給手段２３を配設したが、大量の芯糸２４を供給できる芯糸供給手段２３を円筒容器３の上方に配設し、回転筒体１６及び円筒容器３の軸心部を貫通させて回収手段１３に向けて供給するようにするのが好適である。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第２の実施形態について、図５、図６を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態の構成要素と共通する構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００３４】
上記実施形態のナノファイバー合糸装置１では、回転駆動される円筒容器３を備えたナノファイバー生成手段２と、反射電極１１若しくは送風手段又は両者を備えた偏向流動手段１０とを組み合わせて、複数本のナノファイバー９が旋回しながら流動するようにした例を示したが、本実施形態のナノファイバー合糸装置３１では、図５に示すように、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を高電圧を印加して複数の小穴から流出させ、静電爆発にて延伸させて生成された複数本のナノファイバー９を一方向に略ストレートに流動させるナノファイバー生成手段３２と、生成されたナノファイバー９を渦巻流に巻き込んで旋回させつつ集束させる旋回流発生手段３３とを備えている。なお、旋回されつつ集束されて撚られた状態のナノファイバー９を回転部材１４に巻き取る回収手段１３は第１の実施形態と同じである。
【００３５】
ナノファイバー生成手段３２の具体例としては、図６（ａ）に示すように、高分子溶液を高電圧を印加して流出させる複数のノズル部材３４を、１列又は複数列に配置したり、マトリックス状又は多重環状に配置したものや、図６（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様に回転駆動される円筒容器３５に高電圧発生手段３６から高電圧を印加するとともに、内部に高分子溶液７を供給して遠心力と静電爆発でナノファイバー９を生成するとともに、円筒容器３５に外周に配設した放物反射電極（図示せず）等にて一方向に流動させるようにしたものでも良い。
【００３６】
旋回流発生手段３３の具体例としては、回収手段１３側に向けて径が縮小するテーパ円筒体３７と、テーパ円筒体３７の上部にその周囲から略接線方向にかつ径小方向に傾斜した方向から内部にエア又はその他の気体を吹き出す１又は複数の気体送給手段３８を配置して構成されている。また、テーパ円筒体３７は導電性部材にて構成されており、このテーパ円筒体３７に電圧印加手段３９にて交番電圧又はナノファイバー９の帯電極性と同極性の比較的に低い電圧が印加され、テーパ円筒体３７の帯電によるナノファイバー９の付着堆積を防止し、さらにはナノファイバー９の収束を助長するように構成されている。なお、テーパ円筒体３７は、正確な接頭円錐形である必要はなく、むしろ多少ラッパ状に湾曲した形状の方が収束作用にとって好適である。
【００３７】
本実施形態においては、ナノファイバー生成手段３２にて生成されたナノファイバー９を、旋回流発生手段３３のテーパ円筒体３７内に発生する旋回流にて効果的に撚りをかけつつ集束することができ、それを回収手段１３の回転部材１４に巻き取ることで合糸して回収することができ、ナノファイバー９から成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。
【００３８】
本実施形態の変形構成例として、旋回流発生手段３３を配設する代わりに、又は旋回流発生手段３３と併用して、ナノファイバー生成手段３２をナノファイバー９の流動方向に沿う軸心回りに回転させる回転手段（図示せず）を設け、ナノファイバー生成手段３２で生成されて一方向に流動するナノファイバー９に旋回運動を与えるようにしても良い。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第３の実施形態について、図７を参照して説明する。
【００４０】
本実施形態は、図７に示すように、第１の実施形態に第２の実施形態の旋回流発生手段３３をさらに付加したものである。この実施形態によれば、ナノファイバー生成手段２と偏向流動手段１０の組み合わせにより、生成されて旋回しつつ流動するナノファイバー９を、さらに旋回流発生手段３３にて渦巻流に巻き込んで旋回させつつ集束することができるので、ナノファイバー９をさらに効果的に撚ることができ、高強度の糸条を製造することができる。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第４の実施形態について、図８を参照して説明する。
【００４２】
本実施形態では、図８に示すように、芯糸供給手段２３として、芯糸供給リール４１から引き出した芯糸２４を円筒容器３の上方に配置したガイドローラ４２にて円筒容器３の回転軸心を通るように案内させ、円筒容器３の回転軸心位置を貫通して回収手段１３の回転部材１４に巻き取られるように構成し、かつ円筒容器３から適当な距離をあけた位置で、芯糸２４が中心位置を貫通するように環状電極４３を配設している。第３の高電圧発生手段１５による回収手段１３の回転部材１４への高電圧の印加に代えて、環状電極４３に第３の高電圧発生手段１５からナノファイバー９の帯電電荷の極性とは逆極性の高電圧を印加するように構成し、回転容器３と環状電極４３との間で電界を発生させるように構成している。この電界の作用にて小穴４から流出する高分子溶液が帯電されて静電爆発にてナノファイバー９が生成され、かつ環状電極４３に向けて偏向流動されるとともに集束され、芯糸２４に絡まって撚られ、芯糸２４に絡まって撚られたナノファイバー９が回収手段１３にて回収される。
【００４３】
本実施形態では、円筒容器３と環状電極４３との間の電界にてナノファイバー９を生成するとともに偏向流動させるので、図８に示すように、反射電極１１や送風手段は配設する必要がない。勿論、それらを付加的に設けることは構わない。また、円筒容器３と環状電極４３との間に電界を発生させればよいので、第３の高電圧発生手段１５を設ければ、第１の高電圧発生手段８を無くして円筒容器３を接地しても良く、逆に第１の高電圧発生手段８にて円筒容器３に高電圧を印加すれば、環状電極４３を接地しても良い。勿論、図８に示すように、円筒容器３と環状電極４３に互いに逆極性の高電圧を印加すると、高分子溶液に対する電荷の帯電作用や帯電したナノファイバーの偏向流動作用や集束作用をより強く得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、エレクトロスピニング法により高分子物質から成るナノファイバーを生成し、その生成工程中にナノファイバーを旋回させつつ集束させることで効果的に撚りがかけられ、特に芯糸に絡ませることで確実に撚りをかけて合糸することができるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を回収するので、ナノファイバーから成る均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができ、ナノファイバーから成る高強度の糸条の生産に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図２】同実施形態におけるナノファイバー生成手段と偏向流動手段の構成を示す斜視図。
【図３】同実施形態における回収手段を示し、（ａ）は構成を示す斜視図、（ｂ）は糸条の巻き取り状態を示す斜視図。
【図４】同実施形態の芯糸を使用しない合糸状態の全体斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は同実施形態のナノファイバー生成手段の構成例を示す正面図と斜視図。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【図８】本発明の第４の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１ ナノファイバー合糸装置
２ ナノファイバー生成手段
３ 円筒容器（回転容器）
４ 小穴
５ 回転駆動手段
６ 高分子溶液供給手段
７ 高分子溶液
８ 第１の高電圧発生手段
９ ナノファイバー
１０ 偏向流動手段
１１ 反射電極
１２ 第２の高電圧発生手段
１３ 回収手段
１４ 回転部材
２３ 芯糸供給手段
２４ 芯糸
３１ ナノファイバー合糸装置
３２ ナノファイバー生成手段
３３ 旋回流発生手段
３７ テーパ円筒体
３８ 気体送給手段
３９ 電圧印加手段
４３ 環状電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯糸を供給する芯糸供給工程と、
高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を小穴から帯電させて流出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
前記小穴を前記芯糸の回りに回転させ、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回りに旋回させつつ集束し、ナノファイバーを芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、
撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項２】
撚り工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させる偏向流動工程を有することを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項３】
偏向流動工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させるように送風する送風工程を有することを特徴とする請求項２記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項４】
撚り工程は、ナノファイバー生成工程と回収工程との間若しくは回収工程に配置した電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地し、生成工程中のナノファイバーを前記電極に向けて流動させつつ集束させる集束工程を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項５】
芯糸を供給する芯糸供給工程と、
供給された芯糸の回りを回転する小穴から高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を流出させて帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
前記小穴から適当な距離をあけた位置で前記芯糸が貫通するように配置された電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを前記電極方向に偏向流動させつつ集束し、前記ナノファイバーを前記芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、
撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項６】
所定軸心回りに回転する小穴から高分子溶液を流出させる工程と、
前記小穴に対して所定軸心方向に距離をあけて配置した電極と前記小穴との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させ、前記小穴から流出する高分子溶液を帯電させて静電爆発にて前記電極に向けて旋回流動するナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
芯糸を前記小穴側から前記所定軸心を通り前記電極の略中心を貫通して供給し、旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませて集束する集束工程と、
前記芯糸に絡んで集束したナノファイバーを前記芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項７】
ナノファイバー生成工程で生成されたナノファイバーを前記電極方向に向かう送風により偏向する偏向流動工程を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項８】
前記電極は、環状電極である請求項４〜７の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項９】
軸心まわりに回転自在に支持されるとともに回転軸心から径方向に距離をあけて１又は複数の小穴を有する導電性の回転容器と、
前記回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、
前記回転容器内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、
前記回転容器に対してその軸心方向に距離をあけて同一軸心上に配置した電極と、
前記回転容器と前記電極との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させる高電圧発生手段と、
芯糸を前記回転容器側からその回転軸心を通り前記電極を貫通して供給する芯糸供給手段と、
前記電極に向けて集束して芯糸に絡んだナノファイバーを芯糸とともに回収する回収手段とを
備えたことを特徴とするナノファイバーの合糸装置。
【請求項１０】
前記回転容器の前記小穴から流出した高分子溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーを前記電極に向けて偏向流動させる送風手段を備えたことを特徴とする請求項９記載のナノファイバーの合糸装置。
【請求項１１】
前記電極は、前記芯糸が中心位置を貫通する環状電極であることを特徴とする請求項９又は１０記載のナノファイバーの合糸装置。
【請求項１】
芯糸を供給する芯糸供給工程と、
高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を小穴から帯電させて流出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
前記小穴を前記芯糸の回りに回転させ、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回りに旋回させつつ集束し、ナノファイバーを芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、
撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項２】
撚り工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させる偏向流動工程を有することを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項３】
偏向流動工程は、生成工程中のナノファイバーを前記芯糸の回収方向に向けて流動させるように送風する送風工程を有することを特徴とする請求項２記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項４】
撚り工程は、ナノファイバー生成工程と回収工程との間若しくは回収工程に配置した電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地し、生成工程中のナノファイバーを前記電極に向けて流動させつつ集束させる集束工程を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項５】
芯糸を供給する芯糸供給工程と、
供給された芯糸の回りを回転する小穴から高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を流出させて帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
前記小穴から適当な距離をあけた位置で前記芯糸が貫通するように配置された電極にナノファイバーの帯電の極性と逆極性の電圧を印加若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを前記電極方向に偏向流動させつつ集束し、前記ナノファイバーを前記芯糸に絡ませて撚る撚り工程と、
撚られたナノファイバーを芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項６】
所定軸心回りに回転する小穴から高分子溶液を流出させる工程と、
前記小穴に対して所定軸心方向に距離をあけて配置した電極と前記小穴との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させ、前記小穴から流出する高分子溶液を帯電させて静電爆発にて前記電極に向けて旋回流動するナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
芯糸を前記小穴側から前記所定軸心を通り前記電極の略中心を貫通して供給し、旋回流動するナノファイバーを前記芯糸に絡ませて集束する集束工程と、
前記芯糸に絡んで集束したナノファイバーを前記芯糸とともに回収する回収工程とを
有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
【請求項７】
ナノファイバー生成工程で生成されたナノファイバーを前記電極方向に向かう送風により偏向する偏向流動工程を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項８】
前記電極は、環状電極である請求項４〜７の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
【請求項９】
軸心まわりに回転自在に支持されるとともに回転軸心から径方向に距離をあけて１又は複数の小穴を有する導電性の回転容器と、
前記回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、
前記回転容器内に高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、
前記回転容器に対してその軸心方向に距離をあけて同一軸心上に配置した電極と、
前記回転容器と前記電極との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させる高電圧発生手段と、
芯糸を前記回転容器側からその回転軸心を通り前記電極を貫通して供給する芯糸供給手段と、
前記電極に向けて集束して芯糸に絡んだナノファイバーを芯糸とともに回収する回収手段とを
備えたことを特徴とするナノファイバーの合糸装置。
【請求項１０】
前記回転容器の前記小穴から流出した高分子溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーを前記電極に向けて偏向流動させる送風手段を備えたことを特徴とする請求項９記載のナノファイバーの合糸装置。
【請求項１１】
前記電極は、前記芯糸が中心位置を貫通する環状電極であることを特徴とする請求項９又は１０記載のナノファイバーの合糸装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２８０６６８（Ｐ２００８−２８０６６８Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８０１８７（Ｐ２００８−１８０１８７）
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【分割の表示】特願２００７−３１５０９３（Ｐ２００７−３１５０９３）の分割
【原出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的部材産業創出プログラム／新産業創造高度部材基盤技術開発／先端機能発現型新構造繊維部材基盤技術の開発」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【分割の表示】特願２００７−３１５０９３（Ｐ２００７−３１５０９３）の分割
【原出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的部材産業創出プログラム／新産業創造高度部材基盤技術開発／先端機能発現型新構造繊維部材基盤技術の開発」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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