ナノファイバーを用いたフィルター製造方法
【課題】
ナノファイバーの生成部のユニットを小さくして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供する。
【解決手段】
長分子配列を有する高分子材料を紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、金属球と紡出ノズル開口との経路に直交するように高速気流噴射ノズルを設け、紡出ノズルから紡出するナノファイバーを前記高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更し、ナノファイバー捕集部に向けて飛散させるナノファイバー生成部であって、金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、金属球と紡出ノズル開口との距離を小さくするとともに、高電圧の電圧を小さくして、金属球と紡出ノズルのユニットを複数並列に並べて、複数のユニットの該紡出ノズルからの飛散するナノファイバーを集約して捕集するナノファイバー捕集部の捕集面で捕集する。
ナノファイバーの生成部のユニットを小さくして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供する。
【解決手段】
長分子配列を有する高分子材料を紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、金属球と紡出ノズル開口との経路に直交するように高速気流噴射ノズルを設け、紡出ノズルから紡出するナノファイバーを前記高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更し、ナノファイバー捕集部に向けて飛散させるナノファイバー生成部であって、金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、金属球と紡出ノズル開口との距離を小さくするとともに、高電圧の電圧を小さくして、金属球と紡出ノズルのユニットを複数並列に並べて、複数のユニットの該紡出ノズルからの飛散するナノファイバーを集約して捕集するナノファイバー捕集部の捕集面で捕集する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバーを用いたフィルター製造方法に関し、特に、ナノファイバーを用いて、その性能を効率良く発揮するフィルターを大量生産することができるナノファイバーを用いたフィルター製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、一般的に直径が1ミクロン（＝1,000nm）以下の太さの繊維であると定義されるナノファイバーが開発され、ナノファイバーの製造法としては、ＥＳＤ（Electro−Spray Deposition）法、或いは、エレクトロ・スピンニング法と呼ばれる技法が最も注目され、その技術が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
このＥＳＤ法によるナノファイバーの製造は、先ず溶剤で溶解し、または溶融した各種生体高分子やポリマー（以下、単に「高分子」ということもある。）溶液をシリンジに充填し、シリンジに装着されているニードル型電極と、ナノ繊維を堆積させるコレクター電極との間に、高圧直流電源から数ｋＶ〜数十ｋＶの直流高電圧を印加して、ニードル型電極とコレクター電極との間に強い電界場を発生させる。
この環境下で、ニードル型電極から紡糸溶液をコレクター電極に向けて放出すると、高分子を溶解していた溶剤等は電界場中で瞬間的に蒸発し、高分子は凝固しながらクーロン力で延伸され、ナノオーダーのファイバーが、室温、大気圧下というおだやかな条件で形成される。
【０００３】
ナノファイバーにおいては、ナノ構造による特異な機能発現が期待でき、例えば、ナノファイバーは、同一体積での表面積が通常の繊維に比べ非常に大きいことから、従来の繊維が持つポリマー固有の性質の他に、吸着特性や接着特性などの新機能が発現し、従来にない新素材の開発が期待できる。警察官、消防士、医師、看護師が着用する多機能な特殊な防護服の研究が始められており、軍需用途は、従来より軽量で従来にない機能を持つ軍服、ナノメートル単位の集まりで、異なる機能をもつ積層新素材の開発が進んでいる。さらに、特許文献４に示すように、ナノファイバーで作ったフィルターは、繊維の占有面積が小さい割に空間を大きくすることができるので、低圧力損失で高捕集効率が良い特性が期待できることから、エアフィルターやマスク等が開発され、また、ナノファイバーを応用したバイオケミカルハザード防御用超軽量高機能防御服やナノファイバーを培地にした再生医療の開発も活発に行なわれている。
そのほか、可視光に対して透明であること、ナノオーダーで空孔サイズを制御できること、高度な分子組織化が可能なこと、生体がナノファイバーを異物として感じず生体適合性が良いこと等が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、ＥＳＤ法でのナノファイバーの製造方法或いは装置は、1本のノズルからのスプレー量が非常に少ないため、大量生産に向かないという欠点がある。ＥＳＤ法では、化合物やスプレー条件によって異なるが、通常1本のノズルからのスプレー速度は、約毎分数μρ程度であるので、大量生産をする場合には、ノズルを多数配置して、この多数のノズルから静電噴霧するという方法が採用されている。このような多数のノズルを使用するＥＳＤのナノファイバーの製造方法は、ノズルの数が多数必要とすることから、品質的に不十分であり、保守も困難であり、製造コストが高いものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４９９６６
【特許文献２】特開２００４−６８１６１
【特許文献３】特開２００８−２７４４８７
【特許文献４】特開２００６−２８９２０９
【特許文献５】特願２０１０−２５８３２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来からナノファイバーを用いたフィルターも開発されているが、ナノファイバーが高価であることやナノファイバーを基材で挟んで保持する為、ナノファイバーの固定に問題が有る等の不都合があり普及されない等の問題点があった。
本発明の課題は、このような問題点に鑑みてなされたもので、このナノファイバーを用いたフィルターは、ナノファイバー自体が未だ高価なため特殊な用途に限られており、また、大きなエアフィルターとなると強度も問題となり、一般のフィルターとしては普及していないのが現状である。
そこで、本発明者は、前記特許文献５に開示するように、1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に増やし、ナノファイバーのフィルターを一度に簡単な製造方法で接着剤もナノファイバーの特性を生かすように散布して、十分な強度を有するナノファイバーを用いたフィルターの製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ナノファイバー生成部の金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、前記金属球と紡出ノズル開口との距離を短くするとともに、高電圧の電圧を低くして、前記金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並列に並べるとともに、粗い隙間を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、その上に前記ナノファイバー生成部の紡出ノズルから紡出するナノファイバーを均一の厚さになるように吹き付け、その後に基材とナノファイバーと接着剤を加熱及び加圧して接着するとともに、該加熱及び加圧は接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体とすることを特徴とするナノファイバーを用いたフィルターの製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のナノファイバーを用いたフィルターの製造方法によれば、電極である金属球の直径を小さくすることによって、両電極である金属球と紡出ノズル開口との距離を短くでき、また、加える高電圧も低くできるので、必要とするナノファイバーのフィルター層を簡単に製造することができ、ナノファイバー生成部のユニットを小型にすることができるとともに、複数のユニットを集約して幅広のナノファイバーの不織布を製造でき、安定的に大量のナノファイバーが製造できる。
更に、粗い目を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、ナノファイバーを基材に加熱及び加圧し、接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないように接着したので、簡単な方法で接着剤がナノファイバーの特性を阻害せず、ナノファイバーを用いた高捕集率と低圧力損失を兼ね備え、かつ、基材からナノファイバーがずれることがない強度のあるナノファイバーを用いたフィルターを製造できる。
このように、ナノファイバーを用いた安価なフィルターの大量生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例のナノファイバーを用いたフィルターの製造方法の概念概略図、
【図２】本発明の金属球と紡出ノズルとの電気力線を示す説明図、
【図３】図３(a)は図１での金属球、高速気流噴射ノズル、紡出ノズルの関係を示す説明図、図３(b)は図３(a)の側面からの説明図、
【図４】ナノファイバーの生成部の金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並べて１つのナノファイバー製造装置とした説明図、
【図５】高速気流噴射ノズルと紡出ノズルとの距離Ｃとナノファイバー生成状態との関係の[表１]の図、
【図６】紡出ノズルと金属球との軸線と高速気流噴射ノズルとの距離Ｄとナノファイバー生成状態との関係の[表２]の図、
【図７】電極間の距離Ｂ及び電圧と金属球(電極)の大きさによるナノファイバー生成状態との関係の[表３]の図、
【図８】接着剤を噴出するノズル部の概略断面図、
【図９】図８のノズル部の先端の拡大断面図、
【図１０】実施例1の加熱ローラを７０℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、
【図１１】実施例1の加熱ローラを７１℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、
【図１２】実施例1の加熱ローラを７５℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴は、ナノファイバー生成部のユニットを小さくして複数を必要なナノファイバーのフィルター層を形成し、同時に、強度のある基材に接着し、その接着の形態がフィルター機能を低下させないようにしたものである。
以下に、本発明のナノファイバー製造方法の好適な実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１のナノファイバー製造方法を説明するが、図１の概略を示した概念説明図に示すように、基本的にはＥＳＤ（Electro−Spray Deposition）と高速噴出気流(ジェット)を組み合わせたジェットＥＳＤ法を採用したものであり、ナノファイバー生成部Ｊとナノファイバー接着剤生成部Ｋとナノファイバー捕集部Ｌ１及びフィルター形成部Ｌ２の捕集部Ｌとから構成されている。
[ナノファイバー生成部Ｊ]
本発明の長分子配列を有する高分子材料としては、たんぱく質などの生体高分子溶液・有機高分子溶液、或いはポリマー溶液などであるが、本実施例１のナノファイバー製造装置(製造方法)では高分子材料としてポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を用いている。
フィルターの素材としてポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を用いたのは、耐熱性が優れていることに加え、本発明で開示した製造装置でもより細い、１００nm〜５０nmのナノファイバーが製造できるからである。
図１の材料供給部１には、材料であるポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を有機溶媒であるＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)で溶かして液状化した高分子溶液Ｎ１を収納している。
この材料供給部１内の高分子溶液Ｎ１はギヤポンプ１１で押し出しの圧力を受けている。高分子溶液Ｎ１は所定量を正確に送り出すことが可能なギヤポンプ１１により、所定量を供給配管１２を介して、紡出ノズル２１に押し出すように供給される。高分子溶液Ｎ１は供給配管１２によって金属製の紡出ノズル部２に導入し、紡出ノズル部２には紡出ノズル２１の先端の開口２１１から紡出される。ここで、高分子溶液Ｎ１を紡出する速度を調整する前述のギヤポンプ１１を適宜調整することにより、後述するように複数紡出ノズル２１から均等にナノファイバーが生成されるように、適切な吐出速度に調整する。
【００１２】
ところで、ＥＳＤ法の原理は、ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)等の長分子配列を有する高分子材料が引火性有機溶媒で膨潤状態になってバラバラ状態に存在し、この状態で紡出ノズルから紡出されると、表面積が大きいため溶媒が急速に蒸発して、横方向に縮み高分子の分子鎖の長手方向に整列していく。そして、溶媒の蒸発とそれに伴うクーロン力の増加により高分子が伸びることになる。これを繰り返すことにより徐々に伸長してナノファイバーに成長していくのである。高分子が伸長するにしたがってバラバラであった高分子は絡み合いながら整列していくものと考えられる。なお、材料が低分子の場合は、分子の長さ自体が短いため、絡み合うことがなく、ナノ粒子が生成される。
したがって、高分子溶液Ｎ１の吐出速度の調整によって、過剰な速度で形成されるウェットなデポジットではなく、乾燥したデポジットを得ることが可能となる。即ち、ウェットなデポジットが生じないような、限界の吐出速度に調整することが必要である。
【００１３】
図１において、生成部装置枠体Ｍには、紡出ノズル２１と紡出ノズルの開口２１１の開口方向に対向して球状の電極部３を形成する金属製の金属球３１を配置し、開口２１１と金属球３１の最短表面距離とは所定間隔を隔てて設置される。
そして、紡出ノズル２１も導電性の金属製として、この紡出ノズル２１と前記金属球３１とには高電圧電源３３が印加され、金属球３１には高電圧電源３３のマイナス側の電圧がリード線を介して供給され、プラス側はリード線を介して接地Ｇされている。
高電圧電源３３により高電圧を印加することで、紡出ノズル２１を経由して高分子溶液Ｎ１にはプラスの電圧が印加され、紡出される高分子溶液Ｎ１中の高分子はプラスに帯電される。なお、このプラス及びマイナスは上記の実施例１に限定されることはなく、高分子材料に電荷を付与すればよく、逆に、高分子溶液Ｎ１に与える電圧の極性はマイナスであってもよい。
また、紡出ノズル部２の紡出ノズル２１までの金属の誘導筒２２は、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）の粘度をなるべく下げるためにヒーター等の加熱器２３で誘導筒２２及び紡出ノズル２１を約８０℃にまで加熱している。
【００１４】
上記プラス側の電極を金属球３１としたのは、図２に示すように、電気力線Ｅが紡出ノズル２１の先端部の開口２１１に最大に集中するからであり、帯電した高分子溶液中の高分子材料Ｎ１は金属球３１に向かって直線的に飛び出すことになる。 したがって、金属球３１の直径は、最も効率よく電気力線Ｅが紡出ノズル２１に集中するようにすればよいが、先行技術では球の直径は帯電状態が生じることを想定して直径２５mmとして、高電圧を３０Kvとしたが、前記の紡出ノズル２１と金属球３１の間隔も、高圧電源の電圧等によっても最適値は異なるが、放電しない程度の５５mm〜６５mm とした。ところで、この金属球の直径が余り小さいく針のようにすると放電を起こしてショートしてしまい、紡出ノズル２１と金属球３１との間が帯電の状態とはならない。
また、紡出ノズル２１と金属球３１との中間に位置する高速気流噴射ノズル部４は、帯電しないように金属ではなく、絶縁物質の合成樹脂製等にしておく必要がある。
【００１５】
ここで、電荷を有するナノファイバーが紡出ノズル２１から浮遊する途中で静電誘導され、紡出ノズル２１の開口２１１の＋電荷の量が中和されていくので、付与する電荷が不十分な場合は液滴のまま浮遊することになりますが、後述する高速気流の噴射ノズル４１(図１参照)によって、紡出するナノファイバーの進路を変更して紡出ノズル２１と金属球３１の間から除去することで、両者が依然としてコンデンサー結合を保つことができ、かつ、生産量が増大することもでき、これも本発明の重要な特徴の１つでもある。
また、本実施例では、金属球３１と紡出ノズル２１の間を高電圧電源３３で印加し、紡出ノズル２１を接地Ｇとしているので、金属球３１の印加によって紡出ノズル２１(接地Ｇ)からの電荷が静電誘導され、ナノファイバーの高分子に電荷が供給されているが、基本的には金属球３１は静電誘導しているだけで、電流は接地側から供給され消費電力は零である。このことも本発明の重要な特徴の１つで、紡出ノズル２１の数を十分増やして並列にしても小型の高電圧電源だけで十分である。したがって、金属球３１と高速気流の噴射ノズル４１の生成ユニットＹを小型にして単位面積あたりの生成ユニットＹを密集させて生産量を大幅に向上させることができる。
【００１６】
次に、前記金属球３１と紡出ノズル開口２１１との経路に、直交するように高速気流を噴出する高速気流噴射ノズル部４が配置される。この高速気流噴射ノズル部４の噴射ノズル４１からの高圧ポンプ４２等により発生する高速気流Ｘは、紡出ノズル開口２１１において低気圧を発生させ、高分子溶液Ｎ１を開口２１１から吸い上げる力を発生させる。したがって、高速気流Ｘは金属球３１と紡出ノズル開口２１１とを結ぶ線上(経路)である必要がある。
そこで、本実施例では図３(ｂ)に示すように、高速気流の噴射ノズル４１の開口４１１は水平に複数(図１では３個)設けて、空気流の層が水平方向に所定の幅を保つようにしたので、高速気流Ｘは金属球３１と紡出ノズル開口２１１とを結ぶ線上(経路)に位置させることが容易である。
【００１７】
また、この高速気流Ｘは、本実施例ではドライヤーによって湿度３０％以下に乾燥させた空気で、かつ、ナノファイバーの状態が一定に維持されるように温度が一定に保たれ、風速が２００m/sec以上として、ナノファイバーのアスペクト比が大きい状態にすることで溶媒の蒸発を促進させ、その結果、高分子材料が硬化するが、硬化するまでにクーロン力で引き伸ばすことができなくなるまで最大限伸びることになる。
したがって、ノズル開口２１１からナノファイバー捕集部Ｌ１の捕集面までの距離もナノファイバーが伸びきってナノ単位にするための距離が必要であり、実施例１では装置内の温度等にもよるが、その距離は１ｍ程度以上である。実際にはこの距離を４ｍ以上にして捕集面での積層状態を均一にしており、距離を長くすることで、基材の背面から空気を吸引させ、目の粗い箇所で吸引力が大きくなることを利用し、その箇所にナノファイバーが吸い寄せられるより均一に積層する。
また、本発明の重要な特徴の１つは、金属球３１からのクーロン力と、前記高速気流噴射ノズル部４と噴射ノズル４１の開口４１１によって、開口２１１の付近で発生する低気圧で電荷を有する高分子を直線的に飛び出させ、ナノファイバー生成に必要な一定温度で乾燥した２００m/sec以上の高速気流を付与することである。
【００１８】
ここで、高速気流の噴射ノズル４１の開口４１１の配置について図３と図５の[表１]及び図６の[表２]を参照して説明する。
紡出ノズル２１と金属球３１を結ぶ線Ｂ上から、噴射ノズル４１の開口４１１までの距離Ｃ(図３でのＣ)は、図５の[表１]に示すように、金属球３１の直径に拘わらず、前記線上から直角に３mm〜４mm程度離れた位置Ｃでナノファイバーの生成が「良」で最適であるが、これは３mm以下の距離では繊維にならず液滴になってしまうからであり、これより離れると噴射噴射ノズル部４側に吸い寄せられて戻るような現象が起きたり、捕集部Ｌに飛散しないで金属球３１に付着するからである。なお、噴射ノズル４１の開口４１１から噴射する空気速度は３mm位置でも急速に減速するので２００m/sec以上に大幅に速度を速めても効果が薄い。
【００１９】
次に、高速気流噴射ノズル部４の噴射ノズルの開口４１１から距離Ｄは、図６の[表２]に示すように、金属球３１の直径に拘わらず、前記線上紡出ノズル開口２１１から水平距離(距離Ｄ)で８.５mmから１０mmでナノファイバーの生成が「良」で最適であるが、これは６.５mm以下の距離では繊維にならず液滴になったり、噴射ノズル４１側に戻ったりするからであり、これより離れても液滴になってしまうからである。
これらを纏めると、高速気流噴射ノズルの開口４１１は、紡出ノズル開口２１１から水平距離(距離Ｄ)が８.５mmから１０mmであり、かつ、開口４１１は金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１を結ぶ線Ｂと平行で、紡出ノズル開口２１１から垂直距離(距離Ｃ)で３mm〜４mm離れた位置に在ることが判る。なお、本ナノファイバーの製造方法は、１つの紡出ノズル２１から生成されるナノファイバーは、生成される量に拘わらず、１本のナノファイバーであるが、高速空気で移送される際には、ランダムな綾振り作用により、捕集面には不織布状に集積される。
【００２０】
ここで、大量にナノファイバーを生産するには、図４に示すように、図３に示す多くの紡出ノズル２１の複数を並列して配置し、これを捕集部Ｌで集約して一括で捕集すれば良いが、問題となるのは、噴射ノズル４１の開口４１１の紡出ノズル２１と金属球３１との距離Ｂが大きいと装置が大きく成るばかりか、噴射ノズル４１と紡出ノズル２１と高速気流の噴射ノズル４１のユニットＹと、隣り合うユニットＹの距離が大きくなることにより捕集部Ｌでの不織布に斑が生じてしまう。
これを避けるためには、ナノファイバーの生成が「良」であることを条件に前記距離Ｂをできる限り短くする必要がある。
なお、本実施例の装置ではユニットＹは横に６ユニットＹ、縦に平行に４ユニットＹとし、最上位の横を６ユニットＹ＋１ユニットＹと配列したので、合計６×４＋１＝２５ユニットを配列している。（図４は、その一部）
【００２１】
本発明の特徴の１つは、ナノファイバーが生成されることを条件に、金属球３１の直径を小さくすると、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂ(図３)が小さくできること、及び、高電圧の電圧も低くなることを発見したことに基づくものである。
ただし、金属球３１の直径をあまり小さくして針状に近づけると、（１）付近を帯電するのではなく、放電によるショートが起こってしまい、図２のような帯電した雰囲気にはならず、ナノファイバーは生成しない現象、及び、(２)液滴や液粒になってしまい、この場合もナノファイバーは生成しない現象となることが判った。
【００２２】
これを実験で検証したのが、図７の[表３]である。
[表３]において、図３での金属球３１の直径Ａを２５mm、１５mm、１０mm、８mm、６mm、５mm、４mm、１mmを用意し、それぞれの金属球３１毎に、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂを１１.５mm、１６.５mm、２２mm、２８mm、３５mm、先行技術の５５mmから６５mmに、それぞれにナノファイバーが生成可能な範囲と思われる電圧３kv、８kv、１３ｋｖ、１８ｋｖ、２３ｋｖをそれぞれに印加し、ナノファイバーの生成状態を検証した。また、これを５回繰り返して実験したが、ナノファイバーの生成状態について、紡出材料がナノファイバーに生成されて良好の状態を「◎」、良好ではないが生成可能な状態を「可」、紡出材料が繊維ではなく液滴になってしまう状態を「a」、液滴ではないが細かな液つぶになってしまう状態を「ｂ」、金属球に付着してしまう状態を「ｃ」、放電してショートしてしまう状態を「ｄ」、捕集部に飛散しないで高速気流噴射ノズル側に戻ってしまう状態を「e」で表している。
【００２３】
そこで説明すると、[表３]の右上欄は前掲の特許文献４での実施例であるが、球径２５mmで電圧が３０ｋｖ〜４０ｋｖであったが、この状態でナノファイバーは良好に生成するが、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂは５５mmから６５mmと大きかった。
この[表３]において、ナノファイバーの生成が可能の「可」、及び、良好の「良」の状態を太線の点鎖線で囲むと、左下方向の矢印Ｚの領域であることが判る。このことは、金属球３１の直径Ａを小さくすると、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂ(図３)が小さくできること、及び、高電圧の電圧も低くなることが判り、逆に、球径Ａが１mm以下となると、針状で１３ｋｖの電圧では放電が起こって生成不能であり、電圧を８ｋｖ以下にすると、液滴・液粒になってしまいナノファイバーを生成することはできない。
【００２４】
図７の[表３]において、ナノファイバーの生成が良好で、距離Ｂが比較的短く、電圧が比較的低いのは、(1)金属球３１の直径Ａが６mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合であり、(2)金属球３１の直径Ａが５mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合と距離Ｂが１６.５mmで電圧８kvの場合であり、(3)金属球３１の直径Ａが４mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合である。
良好ではなく「可能」で場合(放電ｄが起こる場合は、不安定な状態であるので全て不可とする。)を含めると、金属球３１の直径は８mmから４mmにすることによって、金属球３１と紡出ノズル開口２１１との距離を１１.５mmから２２mmにすることができ、高電圧は３ｋｖから１３ｋｖにすることができる。更に、作動が安定する条件を考慮すると、必ず「良好」である場合を含むようにするには、金属球３１の直径は６mmから４mmにすることによって、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離を１１.５mmから２２mmにし、高電圧は３ｋｖから１３ｋｖにすることができる。ただし、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離が１１.５mmの時は、金属球３１の直径Ａを６mm又は５mmとする方が良い。
このように、 安定してナノファイバーが生成できる範囲で、ナノファイバー生成部の金属球３１の直径を、放電(ショート)しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、金属球３１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂを小さくするとともに、高電圧の電圧を小さくしてこれらの生成ユニットＹを小型にしたものである。このことにより、単位面積に当たりの紡出ノズル開口２１１の数を多くすることが可能となり、結果として数多くの生成ユニットＹを複数並列に並べることが可能となり、ナノファイバー及びその不織布を大量に生産することができる。なお、上述したように、本実施例の装置では合計６×４＋１＝２５ユニットを配列している。
【００２５】
[実施例１のジェットＥＳＤ法の条件]
図１に示す実施例１では、安定してナノファイバーが良好に生成できる条件は、表３から金属球の直径が５mmであることも判ることから、直径Ａを５mmとし、距離Ｂを１６mmとし、電圧を１３kvに設定した。
設定条件
材料：ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)
溶媒：ＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)
ファイバー生成部電圧：−１３kv
高速気流の圧力：０.４ＭＰa
紡出量(吐出量)：０.５ｍＬ／min
金属球の直径：５mm
紡出ノズルと金属球の距離：１６mm
ノズル開口から捕集面までの距離：３ｍ
捕集面での吸収負圧：２００Pa
【００２６】
上記実施例での設定条件での実験装置では、直径が５０ｎｍ〜１００ｎｍのナノファイバーが製造できるが、これは、後述する図１０〜１２での電子顕微鏡写真での下側の細い繊維がポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーである。
図１の紡出ノズル２１からは１本のナノファイバーだけしか紡出しない場合のものであるが、ランダムな綾振り作用等によって、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーが不織布（ウェブ）状に積層する状態が判る。
なお、実施例１での材料のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）に代えて、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリウレタン(ＰＵ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)でもほぼ同様の結果が得られた。
【００２７】
ところで、実施例１では、ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)の溶剤としては、ＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)を使用したが、他のジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ)でも同様の結果が得られる。
また、他の高分子と溶媒との組み合わせとしては、ポリビニールアルコール(polyvinyl alcohol, PVA)と水、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride; PVDF）やポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile,PAN) やポリエーテルサルホン(Poly Ether Sulphone，PES）とジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ）もしくはＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）、ナイロン(Nylon)と蟻酸、キトサンと酢酸もしくはクエン酸等の弱酸、アクリル（polymethyl methacrylate, PMMA）とメタノール、ポリ乳酸とクロロホルムの組み合わせなどがナノファイバーの製造として可能である。
【００２８】
[ナノファイバー接着剤生成部Ｋ]
次に、ナノファイバー接着剤生成部Ｋは、図１に示すように、ナノファイバー生成部Ｊと接着剤とナノファイバーの捕集部Ｌとの間に位置し、ポリプロピレン(或いはポリプロエチレン）の目の粗い不織布（或いは織又は網）で本実施例のフィルターの基材Ｎ３となる表面に、ナノファイバー状の接着剤Ｎ２を吹き付けるものである。
基本的には接着剤Ｎ２は、ナノファイバーが基材Ｎ３に捕集される直前に、図８、図９に示すように、ノズル部６１からナノファイバー状にして基材Ｎ３に吹き付けるが、この接着剤Ｎ１がフィルム状になってナノファイバーの隙間を埋めてしまうと、折角のナノファイバーの良好な通気性が阻害されてしまう。したがって、接着剤Ｎ１はできるだけ細く、なるべくフィルム状にならないように、かつ、基材Ｎ３に確実に接着することが必要である。
図１において、ナノファイバー接着剤生成部Ｋの接着剤吹き付け部６は、中央の下部に配置され、上下に２個のノズル部６１が一緒に基材移動部７２の基材Ｎ３の面に対して平行に距離１１０cm(ナノファイバー生成幅)を往復移動させている。これは、接着剤Ｎ２はナノファイバー層のように積層させる必要がなく、強固にナノファイバーＮ１が基材Ｎ３に固着されるのであれば、むしろ少ないほうが良いからである。
【００２９】
本実施例では、接着剤としてＥＶＡ系ホットメルト接着剤（株式会社MORESCOモレスコメルトTN-111）を使用した。
この接着剤の組成は以下のようなものである。
エチレン−酸ビニル共重合体・・・１５〜２５％重量
粘着付与剤 ・・・５３〜６３％
固形パラフィン ・・・５ 〜１５％
鉱油 ・・・５ 〜１５％
オレフィン系共重合体 ・・・５％以下
添加剤 ・・・２％以下
【００３０】
上記接着剤の高温の方が粘度が低くなり、１８０℃での粘度は300(mPa・s）であるので、この状態で使用できるようにするため、ノズル部６１には加熱器６２を設けてある。
ここで、接着剤吹き付け部６とノズル部６１の詳細を、図１、図８及び図９に沿って説明するが、１８０℃程度に加熱した接着剤供給部６１２から供給ポンプ６１４によって、接着剤供給管６１３から先端ノズル直径が0.15mmの中心ノズル６１１に供給される。この中心ノズル６１１の先端の外筒を包むように筒状空気吹出ノズル６１５を設け、この筒状空気吹出ノズル６１５から高速空気を噴射して中心ノズル６１１から接着剤を引き抜くように基材Ｎ３に向かって噴射する。このとき空気を送風するエアポンプ６１７で５０リットル／分で空気供給管６１６を介して噴出面積約１mm2から、ノズル部６１全体を約２００℃に加熱器６２で加熱し、噴出空気も約１８０℃程度に加熱して噴出し、接着剤がノズル先端でも１８０℃を維持するようにしている。
このような構成により、特にＥＳＤ法を用いなくても、この方法よりは多少太くはなるが、直径２００nm〜４００nmの２本のナノファイバー状の接着剤が生成されることが判明し、このナノファイバー状に溶融した接着剤がポリプロピレンの基材Ｎ３にジグザグ状に貼り付くよう吹き付けられ、全体に均一に塗布される。
【００３１】
[ナノファイバー捕集部Ｌ１及びフィルター形成部Ｌ２(捕集部Ｌ)]
次に、ナノファイバーの捕集部Ｌを説明する。
ナノファイバーの捕集部Ｌのナノファイバー捕集部８(Ｌ１)は、図１に示すように、フィルターの基材７となる目が粗いが強度のあるポリプロピレンＰＰの不織布を、下から上にスクリーン状に移動させるための下フィードローラ８１と上フードローラ８２が設けられ、その両ローラの間には、ポリプロピレンの基材Ｎ３とナノファイバーＮ１を垂直に維持するために強度のある平面保持用金網８３が設けられ、その背後にはナノファイバーＮ１を基材Ｎ３に吸い寄せるために吸引ダクト８４が配置され、平面保持用金網８３と基材Ｎ３の各素材の目を介してナノファイバーＮ１を吸引ポンプ(図示せず)による吸引空気(吸引負圧２００Pa)を用いて吸い寄せ、かつ、下方位置の目の粗い箇所で吸引力が大きくなることを利用し、その箇所に上方位置でのナノファイバーが吸い寄せられ、その結果、ナノファイバー層の目の大きさが均一になり空気を通過する量も均一になるようにしている。
ここで、ナノファイバー捕集部Ｌ１とフィルター形成部Ｌ２(Ｌ)を動作を説明すると、基材７の基材供給部７１には、目の粗いポリプロピレンＰＰの不織布であって、空気通過にほとんどが支障がない基材７(Ｎ３)が巻き取られている。この基材供給部７１の軸が本装置の稼働時には基材７(Ｎ３)を巻き解くように回転し、フィードローラ８１により所定量の基材７を基材移動部７２の平面保持用金網８３に送り出す。
フィードローラ８１より送りだされた基材Ｎ３は、平面保持用金網８３上で上方に移動するが、先ず、上述したナノファイバー状の接着剤Ｎ２が吹き付けられ塗布されるが、接着剤の温度は冷めており接着機能はなく、次に、接着剤Ｎ２の上に、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバーＮ１が積層される。
【００３２】
次に、フィルター形成部Ｌ２について説明するが、一応、最下層がポリプロピレンの基材(Ｎ３）層、中間層が接着剤(Ｎ２)層、最上層がポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーＮ１の層となり、上フィードローラ８２により方向を変えて送りだされるが、未だ完全に接着されていないので、再び接着剤Ｎ２を加熱ローラ８５を通過させて加熱し接着機能を回復させ、加熱ローラ８５では所定の温度に接着剤(ＥＶＡ)Ｎ２を温めるともに、これら積層体を屈曲させることによって圧力を付与し、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を一体に接着にしてフィルター巻き取部７３で巻き取って製品を完成させる。
ここで、接着剤Ｎ２を加熱する加熱ローラ８５の加熱温度が重要となる。すなわち、加熱温度が低いと接着が完全ではなく、ナノファイバーＮ１と基材Ｎ３とが簡単に剥がれてしまい、加熱温度を高くしすぎると接着力は強くなるが、エチレン−酸ビニル共重合体等の接着剤はフィルム状になってしまいポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーの隙間(目)を塞いでしまい、フィルターの空気通過を阻害してしまいフィルター機能が低下する。
本実施例では加熱ローラ８５の加熱温度を７１℃に設定した。これは７０℃でのフィルターの図１０の千倍率の顕微鏡写真に示すように、ナノファイバー状で溶融しておらず余り接着していないが、７１℃ではフィルターの図１１の千倍率の顕微鏡写真に示すように、多少溶融して接着機能を発揮しており、７５℃ではフィルターの図１２の千倍率の顕微鏡写真に示すようにフィルム状になって、隙間を塞いでしまい、空気通過を阻害するようになっている。
【００３３】
ここで、本実施例で製造したナノファイバーを用いたフィルターの性能を、従来の市販のＨＥＰＡエアフィルターと比較した実験結果を示す。
[比較例フィルター]
日本無機(株)HEPAエアフィルター(アトモスＧＣ(商標)捕集効率Ｋ)、
厚さ29mm：１層
[本実施例のナノファイバーフィルター]
基材＋ナノファイバー：厚さ0.335mm〜0.42mm、１層
基材：ポリプロピレンの不織布,基材0.255mm〜0.36mm、目付0.007g／cm2、
接着剤：エチレン−酸ビニル共重合体,直径200nm〜400nm,目付0.00036g／cm2、
ナノファイバー素材：ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)
直径100nm〜50nm,目付0.0004g／cm2、
[実験の前提条件]
実験の測定条件は、JIS B 9927:2000の「クリーンルーム用エアフィルター性能試験方法」に準じて行い、各試料を１５cm×１５cmの面積にして、風圧が65.67リットル／分とし、パーティクルカウンタ(測定器：日本カノマックス株式会社、MSP1000XP（粒子からの光の散乱の強さを測定))で、0.3μmの塵の数を入口と出口で測定した。
[実験結果]
比較例：圧損９８Ｐa 捕集効率９０％
実施例：圧損３０Ｐa 捕集効率９５％
このように、本実施例のナノファイバー使用のフィルターは、従来の比較例のＨＥＰＡフィルターの29mmに比べて、厚さ0.335mm〜0.42mm（0.16mm〜0.08mm：ナノファイバーのみ)と薄く、かつ、捕集率が従来の比較例の９０％と比べて９５％と高いにも拘わらず、空気の圧損は従来の９８Ｐa に比べて３０Ｐaと低く、空調機に使用した場合にファンへの負担は著しく軽減される。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施例のナノファイバー製造方法は、静電誘導のＥＳＤ法と高速気流との組み合わせ、金属球を可能な限り小さくしたことにより、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂが短くできること、及び、高電圧の電圧１３ｋｖから３ｋｖと低くすることができる。以下、本実施例の利点は以下のようなものである。
１．紡出ノズル１本当たりの生産量は、従来の高速気流を用いない紡出ノズルの１０００本から３０００本相当の生産能力を有する。
２．金属球を小さくしたことにより、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂが短くできる。
３．高電圧の電圧１３ｋｖから３ｋｖと低くすることができる。
４．金属球３１と紡出ノズル２１と高速気流の噴射ノズル４１からなる生成ユニットＹのスペースを小さくすることができ、複数の生成ユニットＹを並列しても全体として小型になるので、装置１台当たりの紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となる。
【００３５】
５．ナノファイバー接着剤生成部Ｋは、接着剤を加熱して中心ノズルから噴射し、その周りから中心ノズルを包むように高温の高速空気を噴射したので、簡単な装置でナノファイバー状の接着剤を生成することができる。
６．基材Ｎ３とナノファイバーＮ１と接着には、接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体としたので、ナノファイバーを用いた高捕集率と低圧力損失を兼ね備え、かつ、強度のあるフィルターを製造できる。
このことは、従来のナノファイバーを用いたフィルターのように単にナノファイバーを基材で挟んだだけのものとは異なり、ナノファイバーの位置は時が経てもずれることがなく、しかも基材の強度と同じになり、かつ、ナノファイバーを用いたフィルターの特性である高捕集率と低圧力損失を有する機能を極力損なわない状態で製造することができる。
７．ナノファイバー生成部Ｊと、ナノファイバー接着剤生成部Ｋと、接着剤とナノファイバーの捕集部Ｌが従来のように連携して荷電させる必要がないのでそれぞれ分離可能であり、装置が簡単で、メンテナンスも簡単となり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストが安価で、拡張性も高い。
８．ナノファイバー捕集部Ｌ１の装置内部をダクトで吸引して負圧にして、希釈した引火性有機溶媒をスクラバに回収し外部に漏れない。
９．ナノファイバー捕集部Ｌ１の平面保持用金網の背面をダクトで吸引して負圧にしているので、下方位置のナノファイバーの目の粗い箇所で吸引力が大きくなる。その箇所に上方位置のナノファイバーが吸い寄せられ、その結果、ナノファイバー層の目の大きさが均一になり空気を通過する量が均一になる。
なお、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｊ・・ナノファイバー生成部、Ｋ・・ナノファイバー接着剤生成部、
Ｌ・・捕集部、Ｌ１・・ナノファイバー捕集部、
Ｌ２・・フィルター形成部、
Ｍ・・生成部装置枠体、
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、
Ｎ１・・高分子溶液(ＰＥＳ)、Ｎ２・・接着剤(ＥＶＡ)、
Ｎ３・・基材(ＰＰ不織布）
Ｘ・・ 高速気流、Ｙ・・生成ユニット、
１・・材料供給部(材料容器)、１１・・ギヤポンプ(吐出手段)、
１２・・供給配管、
２・・ 紡出ノズル部、２１・・紡出ノズル 、２１１・・紡出ノズル開口、
２２・・誘導筒、２３・・ヒーター（加熱器）、
３・・電極部、３１・・金属球、３１１・・底面、３３・・高電圧電源、
４・・高速気流噴射ノズル部、４１・・噴射ノズル、４１１・・開口、
４２・・高圧ポンプ
６・・接着剤吹き付け部、６１・・ノズル部、
６１１・・中心ノズル(接着剤)、６１２・・接着剤供給部、
６１３・・接着剤供給管、６１４・・供給ポンプ、
６１５・・筒状空気吹出ノズル、６１６・・空気供給管、６１７・・エアポンプ、
６２・・加熱器、
７・・基材、７１・・基材供給部、７２・・基材移動部、
７３・・フィルター巻き取部、
８・・ナノファイバー捕集部
８１・・下フィードローラ、８２・・上フィードローラ、８３・・平面保持用金網、
８４・・吸引ダクト、８５・・加熱ローラ、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバーを用いたフィルター製造方法に関し、特に、ナノファイバーを用いて、その性能を効率良く発揮するフィルターを大量生産することができるナノファイバーを用いたフィルター製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、一般的に直径が1ミクロン（＝1,000nm）以下の太さの繊維であると定義されるナノファイバーが開発され、ナノファイバーの製造法としては、ＥＳＤ（Electro−Spray Deposition）法、或いは、エレクトロ・スピンニング法と呼ばれる技法が最も注目され、その技術が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
このＥＳＤ法によるナノファイバーの製造は、先ず溶剤で溶解し、または溶融した各種生体高分子やポリマー（以下、単に「高分子」ということもある。）溶液をシリンジに充填し、シリンジに装着されているニードル型電極と、ナノ繊維を堆積させるコレクター電極との間に、高圧直流電源から数ｋＶ〜数十ｋＶの直流高電圧を印加して、ニードル型電極とコレクター電極との間に強い電界場を発生させる。
この環境下で、ニードル型電極から紡糸溶液をコレクター電極に向けて放出すると、高分子を溶解していた溶剤等は電界場中で瞬間的に蒸発し、高分子は凝固しながらクーロン力で延伸され、ナノオーダーのファイバーが、室温、大気圧下というおだやかな条件で形成される。
【０００３】
ナノファイバーにおいては、ナノ構造による特異な機能発現が期待でき、例えば、ナノファイバーは、同一体積での表面積が通常の繊維に比べ非常に大きいことから、従来の繊維が持つポリマー固有の性質の他に、吸着特性や接着特性などの新機能が発現し、従来にない新素材の開発が期待できる。警察官、消防士、医師、看護師が着用する多機能な特殊な防護服の研究が始められており、軍需用途は、従来より軽量で従来にない機能を持つ軍服、ナノメートル単位の集まりで、異なる機能をもつ積層新素材の開発が進んでいる。さらに、特許文献４に示すように、ナノファイバーで作ったフィルターは、繊維の占有面積が小さい割に空間を大きくすることができるので、低圧力損失で高捕集効率が良い特性が期待できることから、エアフィルターやマスク等が開発され、また、ナノファイバーを応用したバイオケミカルハザード防御用超軽量高機能防御服やナノファイバーを培地にした再生医療の開発も活発に行なわれている。
そのほか、可視光に対して透明であること、ナノオーダーで空孔サイズを制御できること、高度な分子組織化が可能なこと、生体がナノファイバーを異物として感じず生体適合性が良いこと等が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、ＥＳＤ法でのナノファイバーの製造方法或いは装置は、1本のノズルからのスプレー量が非常に少ないため、大量生産に向かないという欠点がある。ＥＳＤ法では、化合物やスプレー条件によって異なるが、通常1本のノズルからのスプレー速度は、約毎分数μρ程度であるので、大量生産をする場合には、ノズルを多数配置して、この多数のノズルから静電噴霧するという方法が採用されている。このような多数のノズルを使用するＥＳＤのナノファイバーの製造方法は、ノズルの数が多数必要とすることから、品質的に不十分であり、保守も困難であり、製造コストが高いものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４９９６６
【特許文献２】特開２００４−６８１６１
【特許文献３】特開２００８−２７４４８７
【特許文献４】特開２００６−２８９２０９
【特許文献５】特願２０１０−２５８３２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来からナノファイバーを用いたフィルターも開発されているが、ナノファイバーが高価であることやナノファイバーを基材で挟んで保持する為、ナノファイバーの固定に問題が有る等の不都合があり普及されない等の問題点があった。
本発明の課題は、このような問題点に鑑みてなされたもので、このナノファイバーを用いたフィルターは、ナノファイバー自体が未だ高価なため特殊な用途に限られており、また、大きなエアフィルターとなると強度も問題となり、一般のフィルターとしては普及していないのが現状である。
そこで、本発明者は、前記特許文献５に開示するように、1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に増やし、ナノファイバーのフィルターを一度に簡単な製造方法で接着剤もナノファイバーの特性を生かすように散布して、十分な強度を有するナノファイバーを用いたフィルターの製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ナノファイバー生成部の金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、前記金属球と紡出ノズル開口との距離を短くするとともに、高電圧の電圧を低くして、前記金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並列に並べるとともに、粗い隙間を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、その上に前記ナノファイバー生成部の紡出ノズルから紡出するナノファイバーを均一の厚さになるように吹き付け、その後に基材とナノファイバーと接着剤を加熱及び加圧して接着するとともに、該加熱及び加圧は接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体とすることを特徴とするナノファイバーを用いたフィルターの製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のナノファイバーを用いたフィルターの製造方法によれば、電極である金属球の直径を小さくすることによって、両電極である金属球と紡出ノズル開口との距離を短くでき、また、加える高電圧も低くできるので、必要とするナノファイバーのフィルター層を簡単に製造することができ、ナノファイバー生成部のユニットを小型にすることができるとともに、複数のユニットを集約して幅広のナノファイバーの不織布を製造でき、安定的に大量のナノファイバーが製造できる。
更に、粗い目を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、ナノファイバーを基材に加熱及び加圧し、接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないように接着したので、簡単な方法で接着剤がナノファイバーの特性を阻害せず、ナノファイバーを用いた高捕集率と低圧力損失を兼ね備え、かつ、基材からナノファイバーがずれることがない強度のあるナノファイバーを用いたフィルターを製造できる。
このように、ナノファイバーを用いた安価なフィルターの大量生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例のナノファイバーを用いたフィルターの製造方法の概念概略図、
【図２】本発明の金属球と紡出ノズルとの電気力線を示す説明図、
【図３】図３(a)は図１での金属球、高速気流噴射ノズル、紡出ノズルの関係を示す説明図、図３(b)は図３(a)の側面からの説明図、
【図４】ナノファイバーの生成部の金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並べて１つのナノファイバー製造装置とした説明図、
【図５】高速気流噴射ノズルと紡出ノズルとの距離Ｃとナノファイバー生成状態との関係の[表１]の図、
【図６】紡出ノズルと金属球との軸線と高速気流噴射ノズルとの距離Ｄとナノファイバー生成状態との関係の[表２]の図、
【図７】電極間の距離Ｂ及び電圧と金属球(電極)の大きさによるナノファイバー生成状態との関係の[表３]の図、
【図８】接着剤を噴出するノズル部の概略断面図、
【図９】図８のノズル部の先端の拡大断面図、
【図１０】実施例1の加熱ローラを７０℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、
【図１１】実施例1の加熱ローラを７１℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、
【図１２】実施例1の加熱ローラを７５℃にした場合で製造したポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーと接着剤(ＥＶＡ)との千倍率の顕微鏡写真の図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴は、ナノファイバー生成部のユニットを小さくして複数を必要なナノファイバーのフィルター層を形成し、同時に、強度のある基材に接着し、その接着の形態がフィルター機能を低下させないようにしたものである。
以下に、本発明のナノファイバー製造方法の好適な実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１のナノファイバー製造方法を説明するが、図１の概略を示した概念説明図に示すように、基本的にはＥＳＤ（Electro−Spray Deposition）と高速噴出気流(ジェット)を組み合わせたジェットＥＳＤ法を採用したものであり、ナノファイバー生成部Ｊとナノファイバー接着剤生成部Ｋとナノファイバー捕集部Ｌ１及びフィルター形成部Ｌ２の捕集部Ｌとから構成されている。
[ナノファイバー生成部Ｊ]
本発明の長分子配列を有する高分子材料としては、たんぱく質などの生体高分子溶液・有機高分子溶液、或いはポリマー溶液などであるが、本実施例１のナノファイバー製造装置(製造方法)では高分子材料としてポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を用いている。
フィルターの素材としてポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を用いたのは、耐熱性が優れていることに加え、本発明で開示した製造装置でもより細い、１００nm〜５０nmのナノファイバーが製造できるからである。
図１の材料供給部１には、材料であるポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）を有機溶媒であるＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)で溶かして液状化した高分子溶液Ｎ１を収納している。
この材料供給部１内の高分子溶液Ｎ１はギヤポンプ１１で押し出しの圧力を受けている。高分子溶液Ｎ１は所定量を正確に送り出すことが可能なギヤポンプ１１により、所定量を供給配管１２を介して、紡出ノズル２１に押し出すように供給される。高分子溶液Ｎ１は供給配管１２によって金属製の紡出ノズル部２に導入し、紡出ノズル部２には紡出ノズル２１の先端の開口２１１から紡出される。ここで、高分子溶液Ｎ１を紡出する速度を調整する前述のギヤポンプ１１を適宜調整することにより、後述するように複数紡出ノズル２１から均等にナノファイバーが生成されるように、適切な吐出速度に調整する。
【００１２】
ところで、ＥＳＤ法の原理は、ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)等の長分子配列を有する高分子材料が引火性有機溶媒で膨潤状態になってバラバラ状態に存在し、この状態で紡出ノズルから紡出されると、表面積が大きいため溶媒が急速に蒸発して、横方向に縮み高分子の分子鎖の長手方向に整列していく。そして、溶媒の蒸発とそれに伴うクーロン力の増加により高分子が伸びることになる。これを繰り返すことにより徐々に伸長してナノファイバーに成長していくのである。高分子が伸長するにしたがってバラバラであった高分子は絡み合いながら整列していくものと考えられる。なお、材料が低分子の場合は、分子の長さ自体が短いため、絡み合うことがなく、ナノ粒子が生成される。
したがって、高分子溶液Ｎ１の吐出速度の調整によって、過剰な速度で形成されるウェットなデポジットではなく、乾燥したデポジットを得ることが可能となる。即ち、ウェットなデポジットが生じないような、限界の吐出速度に調整することが必要である。
【００１３】
図１において、生成部装置枠体Ｍには、紡出ノズル２１と紡出ノズルの開口２１１の開口方向に対向して球状の電極部３を形成する金属製の金属球３１を配置し、開口２１１と金属球３１の最短表面距離とは所定間隔を隔てて設置される。
そして、紡出ノズル２１も導電性の金属製として、この紡出ノズル２１と前記金属球３１とには高電圧電源３３が印加され、金属球３１には高電圧電源３３のマイナス側の電圧がリード線を介して供給され、プラス側はリード線を介して接地Ｇされている。
高電圧電源３３により高電圧を印加することで、紡出ノズル２１を経由して高分子溶液Ｎ１にはプラスの電圧が印加され、紡出される高分子溶液Ｎ１中の高分子はプラスに帯電される。なお、このプラス及びマイナスは上記の実施例１に限定されることはなく、高分子材料に電荷を付与すればよく、逆に、高分子溶液Ｎ１に与える電圧の極性はマイナスであってもよい。
また、紡出ノズル部２の紡出ノズル２１までの金属の誘導筒２２は、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）の粘度をなるべく下げるためにヒーター等の加熱器２３で誘導筒２２及び紡出ノズル２１を約８０℃にまで加熱している。
【００１４】
上記プラス側の電極を金属球３１としたのは、図２に示すように、電気力線Ｅが紡出ノズル２１の先端部の開口２１１に最大に集中するからであり、帯電した高分子溶液中の高分子材料Ｎ１は金属球３１に向かって直線的に飛び出すことになる。 したがって、金属球３１の直径は、最も効率よく電気力線Ｅが紡出ノズル２１に集中するようにすればよいが、先行技術では球の直径は帯電状態が生じることを想定して直径２５mmとして、高電圧を３０Kvとしたが、前記の紡出ノズル２１と金属球３１の間隔も、高圧電源の電圧等によっても最適値は異なるが、放電しない程度の５５mm〜６５mm とした。ところで、この金属球の直径が余り小さいく針のようにすると放電を起こしてショートしてしまい、紡出ノズル２１と金属球３１との間が帯電の状態とはならない。
また、紡出ノズル２１と金属球３１との中間に位置する高速気流噴射ノズル部４は、帯電しないように金属ではなく、絶縁物質の合成樹脂製等にしておく必要がある。
【００１５】
ここで、電荷を有するナノファイバーが紡出ノズル２１から浮遊する途中で静電誘導され、紡出ノズル２１の開口２１１の＋電荷の量が中和されていくので、付与する電荷が不十分な場合は液滴のまま浮遊することになりますが、後述する高速気流の噴射ノズル４１(図１参照)によって、紡出するナノファイバーの進路を変更して紡出ノズル２１と金属球３１の間から除去することで、両者が依然としてコンデンサー結合を保つことができ、かつ、生産量が増大することもでき、これも本発明の重要な特徴の１つでもある。
また、本実施例では、金属球３１と紡出ノズル２１の間を高電圧電源３３で印加し、紡出ノズル２１を接地Ｇとしているので、金属球３１の印加によって紡出ノズル２１(接地Ｇ)からの電荷が静電誘導され、ナノファイバーの高分子に電荷が供給されているが、基本的には金属球３１は静電誘導しているだけで、電流は接地側から供給され消費電力は零である。このことも本発明の重要な特徴の１つで、紡出ノズル２１の数を十分増やして並列にしても小型の高電圧電源だけで十分である。したがって、金属球３１と高速気流の噴射ノズル４１の生成ユニットＹを小型にして単位面積あたりの生成ユニットＹを密集させて生産量を大幅に向上させることができる。
【００１６】
次に、前記金属球３１と紡出ノズル開口２１１との経路に、直交するように高速気流を噴出する高速気流噴射ノズル部４が配置される。この高速気流噴射ノズル部４の噴射ノズル４１からの高圧ポンプ４２等により発生する高速気流Ｘは、紡出ノズル開口２１１において低気圧を発生させ、高分子溶液Ｎ１を開口２１１から吸い上げる力を発生させる。したがって、高速気流Ｘは金属球３１と紡出ノズル開口２１１とを結ぶ線上(経路)である必要がある。
そこで、本実施例では図３(ｂ)に示すように、高速気流の噴射ノズル４１の開口４１１は水平に複数(図１では３個)設けて、空気流の層が水平方向に所定の幅を保つようにしたので、高速気流Ｘは金属球３１と紡出ノズル開口２１１とを結ぶ線上(経路)に位置させることが容易である。
【００１７】
また、この高速気流Ｘは、本実施例ではドライヤーによって湿度３０％以下に乾燥させた空気で、かつ、ナノファイバーの状態が一定に維持されるように温度が一定に保たれ、風速が２００m/sec以上として、ナノファイバーのアスペクト比が大きい状態にすることで溶媒の蒸発を促進させ、その結果、高分子材料が硬化するが、硬化するまでにクーロン力で引き伸ばすことができなくなるまで最大限伸びることになる。
したがって、ノズル開口２１１からナノファイバー捕集部Ｌ１の捕集面までの距離もナノファイバーが伸びきってナノ単位にするための距離が必要であり、実施例１では装置内の温度等にもよるが、その距離は１ｍ程度以上である。実際にはこの距離を４ｍ以上にして捕集面での積層状態を均一にしており、距離を長くすることで、基材の背面から空気を吸引させ、目の粗い箇所で吸引力が大きくなることを利用し、その箇所にナノファイバーが吸い寄せられるより均一に積層する。
また、本発明の重要な特徴の１つは、金属球３１からのクーロン力と、前記高速気流噴射ノズル部４と噴射ノズル４１の開口４１１によって、開口２１１の付近で発生する低気圧で電荷を有する高分子を直線的に飛び出させ、ナノファイバー生成に必要な一定温度で乾燥した２００m/sec以上の高速気流を付与することである。
【００１８】
ここで、高速気流の噴射ノズル４１の開口４１１の配置について図３と図５の[表１]及び図６の[表２]を参照して説明する。
紡出ノズル２１と金属球３１を結ぶ線Ｂ上から、噴射ノズル４１の開口４１１までの距離Ｃ(図３でのＣ)は、図５の[表１]に示すように、金属球３１の直径に拘わらず、前記線上から直角に３mm〜４mm程度離れた位置Ｃでナノファイバーの生成が「良」で最適であるが、これは３mm以下の距離では繊維にならず液滴になってしまうからであり、これより離れると噴射噴射ノズル部４側に吸い寄せられて戻るような現象が起きたり、捕集部Ｌに飛散しないで金属球３１に付着するからである。なお、噴射ノズル４１の開口４１１から噴射する空気速度は３mm位置でも急速に減速するので２００m/sec以上に大幅に速度を速めても効果が薄い。
【００１９】
次に、高速気流噴射ノズル部４の噴射ノズルの開口４１１から距離Ｄは、図６の[表２]に示すように、金属球３１の直径に拘わらず、前記線上紡出ノズル開口２１１から水平距離(距離Ｄ)で８.５mmから１０mmでナノファイバーの生成が「良」で最適であるが、これは６.５mm以下の距離では繊維にならず液滴になったり、噴射ノズル４１側に戻ったりするからであり、これより離れても液滴になってしまうからである。
これらを纏めると、高速気流噴射ノズルの開口４１１は、紡出ノズル開口２１１から水平距離(距離Ｄ)が８.５mmから１０mmであり、かつ、開口４１１は金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１を結ぶ線Ｂと平行で、紡出ノズル開口２１１から垂直距離(距離Ｃ)で３mm〜４mm離れた位置に在ることが判る。なお、本ナノファイバーの製造方法は、１つの紡出ノズル２１から生成されるナノファイバーは、生成される量に拘わらず、１本のナノファイバーであるが、高速空気で移送される際には、ランダムな綾振り作用により、捕集面には不織布状に集積される。
【００２０】
ここで、大量にナノファイバーを生産するには、図４に示すように、図３に示す多くの紡出ノズル２１の複数を並列して配置し、これを捕集部Ｌで集約して一括で捕集すれば良いが、問題となるのは、噴射ノズル４１の開口４１１の紡出ノズル２１と金属球３１との距離Ｂが大きいと装置が大きく成るばかりか、噴射ノズル４１と紡出ノズル２１と高速気流の噴射ノズル４１のユニットＹと、隣り合うユニットＹの距離が大きくなることにより捕集部Ｌでの不織布に斑が生じてしまう。
これを避けるためには、ナノファイバーの生成が「良」であることを条件に前記距離Ｂをできる限り短くする必要がある。
なお、本実施例の装置ではユニットＹは横に６ユニットＹ、縦に平行に４ユニットＹとし、最上位の横を６ユニットＹ＋１ユニットＹと配列したので、合計６×４＋１＝２５ユニットを配列している。（図４は、その一部）
【００２１】
本発明の特徴の１つは、ナノファイバーが生成されることを条件に、金属球３１の直径を小さくすると、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂ(図３)が小さくできること、及び、高電圧の電圧も低くなることを発見したことに基づくものである。
ただし、金属球３１の直径をあまり小さくして針状に近づけると、（１）付近を帯電するのではなく、放電によるショートが起こってしまい、図２のような帯電した雰囲気にはならず、ナノファイバーは生成しない現象、及び、(２)液滴や液粒になってしまい、この場合もナノファイバーは生成しない現象となることが判った。
【００２２】
これを実験で検証したのが、図７の[表３]である。
[表３]において、図３での金属球３１の直径Ａを２５mm、１５mm、１０mm、８mm、６mm、５mm、４mm、１mmを用意し、それぞれの金属球３１毎に、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂを１１.５mm、１６.５mm、２２mm、２８mm、３５mm、先行技術の５５mmから６５mmに、それぞれにナノファイバーが生成可能な範囲と思われる電圧３kv、８kv、１３ｋｖ、１８ｋｖ、２３ｋｖをそれぞれに印加し、ナノファイバーの生成状態を検証した。また、これを５回繰り返して実験したが、ナノファイバーの生成状態について、紡出材料がナノファイバーに生成されて良好の状態を「◎」、良好ではないが生成可能な状態を「可」、紡出材料が繊維ではなく液滴になってしまう状態を「a」、液滴ではないが細かな液つぶになってしまう状態を「ｂ」、金属球に付着してしまう状態を「ｃ」、放電してショートしてしまう状態を「ｄ」、捕集部に飛散しないで高速気流噴射ノズル側に戻ってしまう状態を「e」で表している。
【００２３】
そこで説明すると、[表３]の右上欄は前掲の特許文献４での実施例であるが、球径２５mmで電圧が３０ｋｖ〜４０ｋｖであったが、この状態でナノファイバーは良好に生成するが、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂは５５mmから６５mmと大きかった。
この[表３]において、ナノファイバーの生成が可能の「可」、及び、良好の「良」の状態を太線の点鎖線で囲むと、左下方向の矢印Ｚの領域であることが判る。このことは、金属球３１の直径Ａを小さくすると、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂ(図３)が小さくできること、及び、高電圧の電圧も低くなることが判り、逆に、球径Ａが１mm以下となると、針状で１３ｋｖの電圧では放電が起こって生成不能であり、電圧を８ｋｖ以下にすると、液滴・液粒になってしまいナノファイバーを生成することはできない。
【００２４】
図７の[表３]において、ナノファイバーの生成が良好で、距離Ｂが比較的短く、電圧が比較的低いのは、(1)金属球３１の直径Ａが６mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合であり、(2)金属球３１の直径Ａが５mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合と距離Ｂが１６.５mmで電圧８kvの場合であり、(3)金属球３１の直径Ａが４mmの場合で、距離Ｂが２２mmで電圧１３kvの場合である。
良好ではなく「可能」で場合(放電ｄが起こる場合は、不安定な状態であるので全て不可とする。)を含めると、金属球３１の直径は８mmから４mmにすることによって、金属球３１と紡出ノズル開口２１１との距離を１１.５mmから２２mmにすることができ、高電圧は３ｋｖから１３ｋｖにすることができる。更に、作動が安定する条件を考慮すると、必ず「良好」である場合を含むようにするには、金属球３１の直径は６mmから４mmにすることによって、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離を１１.５mmから２２mmにし、高電圧は３ｋｖから１３ｋｖにすることができる。ただし、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離が１１.５mmの時は、金属球３１の直径Ａを６mm又は５mmとする方が良い。
このように、 安定してナノファイバーが生成できる範囲で、ナノファイバー生成部の金属球３１の直径を、放電(ショート)しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、金属球３１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂを小さくするとともに、高電圧の電圧を小さくしてこれらの生成ユニットＹを小型にしたものである。このことにより、単位面積に当たりの紡出ノズル開口２１１の数を多くすることが可能となり、結果として数多くの生成ユニットＹを複数並列に並べることが可能となり、ナノファイバー及びその不織布を大量に生産することができる。なお、上述したように、本実施例の装置では合計６×４＋１＝２５ユニットを配列している。
【００２５】
[実施例１のジェットＥＳＤ法の条件]
図１に示す実施例１では、安定してナノファイバーが良好に生成できる条件は、表３から金属球の直径が５mmであることも判ることから、直径Ａを５mmとし、距離Ｂを１６mmとし、電圧を１３kvに設定した。
設定条件
材料：ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)
溶媒：ＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)
ファイバー生成部電圧：−１３kv
高速気流の圧力：０.４ＭＰa
紡出量(吐出量)：０.５ｍＬ／min
金属球の直径：５mm
紡出ノズルと金属球の距離：１６mm
ノズル開口から捕集面までの距離：３ｍ
捕集面での吸収負圧：２００Pa
【００２６】
上記実施例での設定条件での実験装置では、直径が５０ｎｍ〜１００ｎｍのナノファイバーが製造できるが、これは、後述する図１０〜１２での電子顕微鏡写真での下側の細い繊維がポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーである。
図１の紡出ノズル２１からは１本のナノファイバーだけしか紡出しない場合のものであるが、ランダムな綾振り作用等によって、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーが不織布（ウェブ）状に積層する状態が判る。
なお、実施例１での材料のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）に代えて、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリウレタン(ＰＵ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)でもほぼ同様の結果が得られた。
【００２７】
ところで、実施例１では、ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)の溶剤としては、ＤＭＦ(ジメチルホルムアミド)を使用したが、他のジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ)でも同様の結果が得られる。
また、他の高分子と溶媒との組み合わせとしては、ポリビニールアルコール(polyvinyl alcohol, PVA)と水、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride; PVDF）やポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile,PAN) やポリエーテルサルホン(Poly Ether Sulphone，PES）とジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ）もしくはＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）、ナイロン(Nylon)と蟻酸、キトサンと酢酸もしくはクエン酸等の弱酸、アクリル（polymethyl methacrylate, PMMA）とメタノール、ポリ乳酸とクロロホルムの組み合わせなどがナノファイバーの製造として可能である。
【００２８】
[ナノファイバー接着剤生成部Ｋ]
次に、ナノファイバー接着剤生成部Ｋは、図１に示すように、ナノファイバー生成部Ｊと接着剤とナノファイバーの捕集部Ｌとの間に位置し、ポリプロピレン(或いはポリプロエチレン）の目の粗い不織布（或いは織又は網）で本実施例のフィルターの基材Ｎ３となる表面に、ナノファイバー状の接着剤Ｎ２を吹き付けるものである。
基本的には接着剤Ｎ２は、ナノファイバーが基材Ｎ３に捕集される直前に、図８、図９に示すように、ノズル部６１からナノファイバー状にして基材Ｎ３に吹き付けるが、この接着剤Ｎ１がフィルム状になってナノファイバーの隙間を埋めてしまうと、折角のナノファイバーの良好な通気性が阻害されてしまう。したがって、接着剤Ｎ１はできるだけ細く、なるべくフィルム状にならないように、かつ、基材Ｎ３に確実に接着することが必要である。
図１において、ナノファイバー接着剤生成部Ｋの接着剤吹き付け部６は、中央の下部に配置され、上下に２個のノズル部６１が一緒に基材移動部７２の基材Ｎ３の面に対して平行に距離１１０cm(ナノファイバー生成幅)を往復移動させている。これは、接着剤Ｎ２はナノファイバー層のように積層させる必要がなく、強固にナノファイバーＮ１が基材Ｎ３に固着されるのであれば、むしろ少ないほうが良いからである。
【００２９】
本実施例では、接着剤としてＥＶＡ系ホットメルト接着剤（株式会社MORESCOモレスコメルトTN-111）を使用した。
この接着剤の組成は以下のようなものである。
エチレン−酸ビニル共重合体・・・１５〜２５％重量
粘着付与剤 ・・・５３〜６３％
固形パラフィン ・・・５ 〜１５％
鉱油 ・・・５ 〜１５％
オレフィン系共重合体 ・・・５％以下
添加剤 ・・・２％以下
【００３０】
上記接着剤の高温の方が粘度が低くなり、１８０℃での粘度は300(mPa・s）であるので、この状態で使用できるようにするため、ノズル部６１には加熱器６２を設けてある。
ここで、接着剤吹き付け部６とノズル部６１の詳細を、図１、図８及び図９に沿って説明するが、１８０℃程度に加熱した接着剤供給部６１２から供給ポンプ６１４によって、接着剤供給管６１３から先端ノズル直径が0.15mmの中心ノズル６１１に供給される。この中心ノズル６１１の先端の外筒を包むように筒状空気吹出ノズル６１５を設け、この筒状空気吹出ノズル６１５から高速空気を噴射して中心ノズル６１１から接着剤を引き抜くように基材Ｎ３に向かって噴射する。このとき空気を送風するエアポンプ６１７で５０リットル／分で空気供給管６１６を介して噴出面積約１mm2から、ノズル部６１全体を約２００℃に加熱器６２で加熱し、噴出空気も約１８０℃程度に加熱して噴出し、接着剤がノズル先端でも１８０℃を維持するようにしている。
このような構成により、特にＥＳＤ法を用いなくても、この方法よりは多少太くはなるが、直径２００nm〜４００nmの２本のナノファイバー状の接着剤が生成されることが判明し、このナノファイバー状に溶融した接着剤がポリプロピレンの基材Ｎ３にジグザグ状に貼り付くよう吹き付けられ、全体に均一に塗布される。
【００３１】
[ナノファイバー捕集部Ｌ１及びフィルター形成部Ｌ２(捕集部Ｌ)]
次に、ナノファイバーの捕集部Ｌを説明する。
ナノファイバーの捕集部Ｌのナノファイバー捕集部８(Ｌ１)は、図１に示すように、フィルターの基材７となる目が粗いが強度のあるポリプロピレンＰＰの不織布を、下から上にスクリーン状に移動させるための下フィードローラ８１と上フードローラ８２が設けられ、その両ローラの間には、ポリプロピレンの基材Ｎ３とナノファイバーＮ１を垂直に維持するために強度のある平面保持用金網８３が設けられ、その背後にはナノファイバーＮ１を基材Ｎ３に吸い寄せるために吸引ダクト８４が配置され、平面保持用金網８３と基材Ｎ３の各素材の目を介してナノファイバーＮ１を吸引ポンプ(図示せず)による吸引空気(吸引負圧２００Pa)を用いて吸い寄せ、かつ、下方位置の目の粗い箇所で吸引力が大きくなることを利用し、その箇所に上方位置でのナノファイバーが吸い寄せられ、その結果、ナノファイバー層の目の大きさが均一になり空気を通過する量も均一になるようにしている。
ここで、ナノファイバー捕集部Ｌ１とフィルター形成部Ｌ２(Ｌ)を動作を説明すると、基材７の基材供給部７１には、目の粗いポリプロピレンＰＰの不織布であって、空気通過にほとんどが支障がない基材７(Ｎ３)が巻き取られている。この基材供給部７１の軸が本装置の稼働時には基材７(Ｎ３)を巻き解くように回転し、フィードローラ８１により所定量の基材７を基材移動部７２の平面保持用金網８３に送り出す。
フィードローラ８１より送りだされた基材Ｎ３は、平面保持用金網８３上で上方に移動するが、先ず、上述したナノファイバー状の接着剤Ｎ２が吹き付けられ塗布されるが、接着剤の温度は冷めており接着機能はなく、次に、接着剤Ｎ２の上に、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバーＮ１が積層される。
【００３２】
次に、フィルター形成部Ｌ２について説明するが、一応、最下層がポリプロピレンの基材(Ｎ３）層、中間層が接着剤(Ｎ２)層、最上層がポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーＮ１の層となり、上フィードローラ８２により方向を変えて送りだされるが、未だ完全に接着されていないので、再び接着剤Ｎ２を加熱ローラ８５を通過させて加熱し接着機能を回復させ、加熱ローラ８５では所定の温度に接着剤(ＥＶＡ)Ｎ２を温めるともに、これら積層体を屈曲させることによって圧力を付与し、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を一体に接着にしてフィルター巻き取部７３で巻き取って製品を完成させる。
ここで、接着剤Ｎ２を加熱する加熱ローラ８５の加熱温度が重要となる。すなわち、加熱温度が低いと接着が完全ではなく、ナノファイバーＮ１と基材Ｎ３とが簡単に剥がれてしまい、加熱温度を高くしすぎると接着力は強くなるが、エチレン−酸ビニル共重合体等の接着剤はフィルム状になってしまいポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）のナノファイバーの隙間(目)を塞いでしまい、フィルターの空気通過を阻害してしまいフィルター機能が低下する。
本実施例では加熱ローラ８５の加熱温度を７１℃に設定した。これは７０℃でのフィルターの図１０の千倍率の顕微鏡写真に示すように、ナノファイバー状で溶融しておらず余り接着していないが、７１℃ではフィルターの図１１の千倍率の顕微鏡写真に示すように、多少溶融して接着機能を発揮しており、７５℃ではフィルターの図１２の千倍率の顕微鏡写真に示すようにフィルム状になって、隙間を塞いでしまい、空気通過を阻害するようになっている。
【００３３】
ここで、本実施例で製造したナノファイバーを用いたフィルターの性能を、従来の市販のＨＥＰＡエアフィルターと比較した実験結果を示す。
[比較例フィルター]
日本無機(株)HEPAエアフィルター(アトモスＧＣ(商標)捕集効率Ｋ)、
厚さ29mm：１層
[本実施例のナノファイバーフィルター]
基材＋ナノファイバー：厚さ0.335mm〜0.42mm、１層
基材：ポリプロピレンの不織布,基材0.255mm〜0.36mm、目付0.007g／cm2、
接着剤：エチレン−酸ビニル共重合体,直径200nm〜400nm,目付0.00036g／cm2、
ナノファイバー素材：ポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)
直径100nm〜50nm,目付0.0004g／cm2、
[実験の前提条件]
実験の測定条件は、JIS B 9927:2000の「クリーンルーム用エアフィルター性能試験方法」に準じて行い、各試料を１５cm×１５cmの面積にして、風圧が65.67リットル／分とし、パーティクルカウンタ(測定器：日本カノマックス株式会社、MSP1000XP（粒子からの光の散乱の強さを測定))で、0.3μmの塵の数を入口と出口で測定した。
[実験結果]
比較例：圧損９８Ｐa 捕集効率９０％
実施例：圧損３０Ｐa 捕集効率９５％
このように、本実施例のナノファイバー使用のフィルターは、従来の比較例のＨＥＰＡフィルターの29mmに比べて、厚さ0.335mm〜0.42mm（0.16mm〜0.08mm：ナノファイバーのみ)と薄く、かつ、捕集率が従来の比較例の９０％と比べて９５％と高いにも拘わらず、空気の圧損は従来の９８Ｐa に比べて３０Ｐaと低く、空調機に使用した場合にファンへの負担は著しく軽減される。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施例のナノファイバー製造方法は、静電誘導のＥＳＤ法と高速気流との組み合わせ、金属球を可能な限り小さくしたことにより、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂが短くできること、及び、高電圧の電圧１３ｋｖから３ｋｖと低くすることができる。以下、本実施例の利点は以下のようなものである。
１．紡出ノズル１本当たりの生産量は、従来の高速気流を用いない紡出ノズルの１０００本から３０００本相当の生産能力を有する。
２．金属球を小さくしたことにより、金属球３１の底面３１１と紡出ノズル開口２１１との距離Ｂが短くできる。
３．高電圧の電圧１３ｋｖから３ｋｖと低くすることができる。
４．金属球３１と紡出ノズル２１と高速気流の噴射ノズル４１からなる生成ユニットＹのスペースを小さくすることができ、複数の生成ユニットＹを並列しても全体として小型になるので、装置１台当たりの紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となる。
【００３５】
５．ナノファイバー接着剤生成部Ｋは、接着剤を加熱して中心ノズルから噴射し、その周りから中心ノズルを包むように高温の高速空気を噴射したので、簡単な装置でナノファイバー状の接着剤を生成することができる。
６．基材Ｎ３とナノファイバーＮ１と接着には、接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体としたので、ナノファイバーを用いた高捕集率と低圧力損失を兼ね備え、かつ、強度のあるフィルターを製造できる。
このことは、従来のナノファイバーを用いたフィルターのように単にナノファイバーを基材で挟んだだけのものとは異なり、ナノファイバーの位置は時が経てもずれることがなく、しかも基材の強度と同じになり、かつ、ナノファイバーを用いたフィルターの特性である高捕集率と低圧力損失を有する機能を極力損なわない状態で製造することができる。
７．ナノファイバー生成部Ｊと、ナノファイバー接着剤生成部Ｋと、接着剤とナノファイバーの捕集部Ｌが従来のように連携して荷電させる必要がないのでそれぞれ分離可能であり、装置が簡単で、メンテナンスも簡単となり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストが安価で、拡張性も高い。
８．ナノファイバー捕集部Ｌ１の装置内部をダクトで吸引して負圧にして、希釈した引火性有機溶媒をスクラバに回収し外部に漏れない。
９．ナノファイバー捕集部Ｌ１の平面保持用金網の背面をダクトで吸引して負圧にしているので、下方位置のナノファイバーの目の粗い箇所で吸引力が大きくなる。その箇所に上方位置のナノファイバーが吸い寄せられ、その結果、ナノファイバー層の目の大きさが均一になり空気を通過する量が均一になる。
なお、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｊ・・ナノファイバー生成部、Ｋ・・ナノファイバー接着剤生成部、
Ｌ・・捕集部、Ｌ１・・ナノファイバー捕集部、
Ｌ２・・フィルター形成部、
Ｍ・・生成部装置枠体、
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、
Ｎ１・・高分子溶液(ＰＥＳ)、Ｎ２・・接着剤(ＥＶＡ)、
Ｎ３・・基材(ＰＰ不織布）
Ｘ・・ 高速気流、Ｙ・・生成ユニット、
１・・材料供給部(材料容器)、１１・・ギヤポンプ(吐出手段)、
１２・・供給配管、
２・・ 紡出ノズル部、２１・・紡出ノズル 、２１１・・紡出ノズル開口、
２２・・誘導筒、２３・・ヒーター（加熱器）、
３・・電極部、３１・・金属球、３１１・・底面、３３・・高電圧電源、
４・・高速気流噴射ノズル部、４１・・噴射ノズル、４１１・・開口、
４２・・高圧ポンプ
６・・接着剤吹き付け部、６１・・ノズル部、
６１１・・中心ノズル(接着剤)、６１２・・接着剤供給部、
６１３・・接着剤供給管、６１４・・供給ポンプ、
６１５・・筒状空気吹出ノズル、６１６・・空気供給管、６１７・・エアポンプ、
６２・・加熱器、
７・・基材、７１・・基材供給部、７２・・基材移動部、
７３・・フィルター巻き取部、
８・・ナノファイバー捕集部
８１・・下フィードローラ、８２・・上フィードローラ、８３・・平面保持用金網、
８４・・吸引ダクト、８５・・加熱ローラ、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノファイバー生成部の金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、前記金属球と紡出ノズル開口との距離を短くするとともに、高電圧の電圧を低くして、前記金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並列に並べるとともに、
粗い目を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、その上に前記ナノファイバー生成部の紡出ノズルから紡出するナノファイバーを均一の厚さになるように吹き付け、その後に基材とナノファイバーと接着剤を加熱及び加圧して接着するとともに、該加熱及び加圧は接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体とすることを特徴とするナノファイバーを用いたフィルターの製造方法。
【請求項１】
ナノファイバー生成部の金属球の直径を放電しない直前付近、或いは、液滴・液粒にならない直前付近まで小さくして、前記金属球と紡出ノズル開口との距離を短くするとともに、高電圧の電圧を低くして、前記金属球と前記紡出ノズルのユニットを複数並列に並べるとともに、
粗い目を有する基材面に、ナノファイバー状の接着剤を吹き付け、その上に前記ナノファイバー生成部の紡出ノズルから紡出するナノファイバーを均一の厚さになるように吹き付け、その後に基材とナノファイバーと接着剤を加熱及び加圧して接着するとともに、該加熱及び加圧は接着剤がナノファイバーの目をフィルム状になって塞がないような所定の温度及び圧力にして一体とすることを特徴とするナノファイバーを用いたフィルターの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２４９４６（Ｐ２０１２−２２４９４６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０５３４（Ｐ２０１１−９０５３４）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（５０９３４５５６７）ナノファクトリージャパン株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（５０９３４５５６７）ナノファクトリージャパン株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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