ナノファイバー積層体の製造方法
【課題】
通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として使用できるナノファイバー積層体を大量に製造する製造方法を提供する。
【解決手段】
強い電界場を発生させてナノファイバーの生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、形成したナノファイバー積層体を平面部から離脱部に移送させ、離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と離脱空気を送風する離脱部で構成され、ナノファイバー積層体を捕集帯から離脱させるとともに、離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移す。
通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として使用できるナノファイバー積層体を大量に製造する製造方法を提供する。
【解決手段】
強い電界場を発生させてナノファイバーの生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、形成したナノファイバー積層体を平面部から離脱部に移送させ、離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と離脱空気を送風する離脱部で構成され、ナノファイバー積層体を捕集帯から離脱させるとともに、離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移す。
【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積層体の製造方法に関し、特に、ナノファイバーだけで自立して積層体を形成することができるナノファイバー積層体の製造方法に関する。
【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の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も挙げられる。
【０００４】
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。そこで、前記特許文献５や特許文献６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積層体の製造方法を開発し提供している。
これらナノファイバー積層体の製造方法では、ナノファイバーの捕集が、吹きつけと静電気によって、板やドラムに吹き付けて捕集であるので、捕集力が弱く大量のナノファイバー積層体の製造には難点があった。
そこで、本出願人は、特許文献７に示すように、ナノファイバー積層体の捕集面を平面板にして、通気性の基材を移動ベルトにしてナノファイバー積層体の捕集側の裏側から吸引によって効率よく吸い寄せて、大量のナノファイバー積層体の製造方法を提供している。
【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】特開２０１０−１２１２２１
【特許文献６】特開２０１１−１２７２３４
【特許文献７】特願２０１１−９０５３４
【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、ナノファイバー積層体の製造において、捕集面の裏面から空気吸引する構成によって、飛躍的に効率良くナノファイバー積層体を捕集できるようなったが、ナノファイバーだけで自立しないので必ず強度のある基材が必要であり、
かつ、基材が大量の空気を通気する通気性がなければならず、通常の不織布やフィルム等の通気性な小さな素材は使用できないといった問題点があった。
本発明は、前述の問題点に鑑みてなされたもので、通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として使用できるナノファイバー積層体を大量に製造する製造方法を提供しようとするものであり、かつ、ナノファイバー積層体を効率的に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、強い電界場を発生させてナノファイバーを生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、前記捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、該捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを該捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、形成した前記ナノファイバー積層体を前記平面部から離脱部に移送させ、該離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と捕集帯から剥離するように空気を送風する送風機とから構成され、ナノファイバー積層体を前記捕集帯から離脱させるとともに、該離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移すことを特徴とするナノファイバー積層体の製造方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のナノファイバー積層体の製造方法において、前記離脱部の下流の直後には、除電器を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のナノファイバー積層体の製造方法によれば、ナノファイバー積層体はナノファイバー自体の占有率が低いことから、厚くなって空気の通過抵抗が少ないことから吸引力が低下することが少ないので、空気を吸引する吸引機構によって効率よくナノファイバー積層体を形成することができ、また、強い電界場を発生させて生成したナノファイバー積層体が帯電状態であることを利用して、 ナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と送風機を設けて、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性な小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材として用いることができる。このように、ナノファイバー積層帯を安価で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積層体の製造方法の上流側の主にナノファイバー生成部の概念概略図、
【図２】図１の下流側の主にナノファイバー積層体の捕集部、離脱部、基材添付部、仮止め部、製品巻き取り部の概念概略図、
【図３】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４】図４(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４(b)は図４(a)の側面からの説明図、
【図５】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６】図２の８−８線からの側面図、
【図７】図２の離脱部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴は、強い電界場を発生してナノファイバーを製造するエレクトロ・スピンニング法において、ナノファイバー積層体の捕集方法として吸引を利用し、同時に、ナノファイバー積層体だけを捕集帯から離脱させて、所望の基材を移すようにしたことを特徴としたものであり、かつ、離脱として帯電状態あるナノファイバー積層体を利用して、反対電荷にさせた離脱板を設けてナノファイバー積層体を無理なく簡単に所望の基材に移すことができるようにしたものである。
以下に、本発明のナノファイバー積層体の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】
【００１１】
本発明の実施例１のナノファイバー積層体Ｎの製造方法を説明するが、図１、及び図２の概略を示した概念説明図に示すように、図１と図２は連続した装置で、図１は上流の主にナノファイバーの生成部で、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とその下流のナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋであり、図２は図１の下流のナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋと捕集部Ｋからナノファイバー積層体Ｎを剥離する離脱部Ｌ、フィルム等の基材をナノファイバー積層体Ｎの表面に添付する基材添付部Ｐ、添付した基材を仮止めする仮止部(スポット溶接)Ｑ、及び製品巻き取り部Ｒとから構成されている。
【００１２】
[ナノファイバー生成部Ｊ]
先ず、上流側の図１のナノファイバー生成部Ｊから説明する。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。この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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
上記マイナス側の電極を金属球３１としたのは、図３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。
【００１６】
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るが、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。
【００１７】
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４(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。
【００１８】
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こと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。
【００１９】
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４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４でのＣ)は、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好ましい。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。
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、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好ましい。また、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離れた位置がよい。
【００２０】
また、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が、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３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。したがって、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
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。
ここで、大量にナノファイバーを生産するには、図５に示すように、図４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Ｋで集約して一括で捕集すれば良い。
【００２１】
[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
【００２２】
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。
【００２３】
ところで、本実施例では、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。
【００２４】
[ナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋ(５)]
次に、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバーを、その下流でナノファイバーを積層するナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋ(５)を図２を参照して説明する。
ナノファイバー積層体Ｎの捕集部５は、主に図２に示すように、エンドレスで移動する網状で捕集帯５１であり、材質は非電導体の合成樹脂で形状はネット或いは網であり、大量に空気が通過できることができるものであればよい。本実施例では合成樹脂として直径０.４〜０.６mmのポリプロピレン(ＰＰ）のモノフィラメントの網で、密度１５〜２０本／inchを使用したので、貫通する空気の空気抵抗は十分に少ない。
この捕集帯５１は、駆動ローラ５２によって反時計回りに移動し、従動支持ローラ５３a〜fによって所定位置で支持され所定の箇所を通過する。図２においてナノファイバー生成部Ｊに対向した位置に従動支持ローラ５３e,５３fによってほぼ平面の捕集面５４を形成しており、この捕集面５４でナノファイバー積層体Ｎを連続的に捕集し、後述する離脱部Ｌに移動してナノファイバー積層体Ｎを剥離して駆動５２かによって上方に方向転回し、更に従動支持ローラ５３aによって、温水槽５５に案内して温水槽５５内の一対の従動支持ローラ５３b,cに案内され、元の従動支持ローラ５３eに案内され循環する。
【００２５】
捕集面５４の裏側には、吸引室５６１と上下方向に複数(本実施例では上段・中段・下段の３個)の吸引ダクト５６２a,b,cとこれらに連なる空気の吸引機構５６が設けられ、該吸引ダクト５６２a,b,cにはそれぞれ風量を調整する風量調整シャッター５６３a,b,cが付随して設けられ、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバー及びナノファイバー積層体Ｎを捕集帯５１に吸い寄せている。
捕集帯５１を平面に保つためにその裏面に合成樹脂等の平面保持部材５４１が間隔を隔てて設けられている。なお、捕集面５４の表側には、効率よくナノファイバーを捕集面５４に誘導するために捕集面５４に収束するようにラッパ状の案内部材５４２が設けられいる。
吸引ダクト５６２a,b,cにはそれぞれ風量を調整する風量調整シャッター５６３a,b,cが付随して設けられているが、捕集面５４でのナノファイバー積層体Ｎの吸い付き量は、吸引ダクト５６２a,b,cの開口面積が同じであると、捕集帯５１の移動の上流(上方側)ほどナノファイバーの積層量は少なくなり風速は速くなるので、捕集帯５１の平面で全面で風速をほぼ均一にするために、開口面積を調整するためであり、開口面積は上段の吸引ダクト５６２aでは風量調整シャッター５６３aにより小さく、下段の吸引ダクト５６２cでは風量調整シャッター５６３cにより大きく、中段の吸引ダクト５６２bでは吸引ダクト５６２bによりその中間の開口面積になるように調整されている。
こうして、捕集帯５１上に垂直で連続的に形成したナノファイバー積層体Ｎは、捕集帯５１の下方への移動に伴って、移動し右方向に水平に移動し離脱部Ｌでナノファイバー積層体Ｎを離脱して、温水槽５５に案内させる。
この温水槽５５は、温水で満たされ、その温水中を捕集帯５１が通過する間に、駆動モータ５５２によって回転する一対の回転ブラシ５５１によって、捕集帯５１に残ったナノファイバーを剥離して除去し、綺麗な状態の捕集帯５１を再び捕集面５４に送り出す。
【００２６】
[ナノファイバー積層体Ｎの離脱部Ｌ(６)]
前述した離脱部Ｌ(６)は、形成した前記ナノファイバー積層体Ｎを移送し、この移送されたナノファイバー積層体Ｎのを捕集帯５１から剥離して所望の基材に移す作用を有するものである。
ナノファイバーの生成は、基本的にはＥＳＤ（Electro−Spray Depos)方であるので、噴射されたナノファイバー自体は、通常、正(マイナス)電荷を有しており、従来の捕集方法では金属ドラムを接地してドラム自体を正(プラス)電荷にして、捕集していた。
これに対して、本発明の捕集は空気の吸引方法であるので、金属板ではなく金属の網を使用すればナノファイバーを捕集できるが、ナノファイバーが強固に金属網に絡まり、剥離が容易ではなくなる。これは、上述したように、ナノファイバーが負(マイナス)電荷を有しているので、金属の網を用いるとどうしても接地箇所を生じ、ナノファイバー自体の電荷も消失してしまい、かえって、ナノファイバーが強固に金属網に絡まり、剥離しがたくなると考えられる。
【００２７】
そこで、図７は、図２での離脱部６の拡大図に示すような機構を設けたもので、本発明でのナノファイバー自体が、電荷を有していることに着目して、また、ナノファイバー積層体Ｎが帯電器の加荷によって引き寄せ、又は、離反することに着目して、捕集帯５１からナノファイバー積層体Ｎを離すようにしている。
捕集帯５１を上述したように絶縁体で合成樹脂のポリプロピレン(ＰＰ）のモノフィラメントの網して、捕集帯５１ではナノファイバーが電荷を保持した状態で捕集して、そのまま次の離脱部Ｌ(６)移送し、ここで、ナノファイバー積層体Ｎを移送する捕集帯５１の適所には帯電器６１を設けており、この帯電器６１の帯電エッジ６１１はナノファイバー積層体Ｎの幅方向の全幅に亘って延びており、ナノファイバー積層体Ｎを下方に引き寄せ、捕集帯５１から離反させるようにしている。
この場合に、この帯電器６１を電荷を付与すると、本実施例では帯電器６１の帯電エッジ６１１を高電圧電源６１２により−１８Kv(使用範囲は±15Kv〜±20Kvが好ましい。)すると、ナノファイバー積層体Ｎ及び下側フィルム添付Ｆ１が吸い寄せられ、簡単の捕集帯５１からナノファイバー積層体Ｎが剥離できることが判った。
なお、帯電器６１の加電は、上流のナノファイバー生成部での荷電の状態、極性、捕集帯５１の材質等によって、極性や電圧値は変わる場合もあるので、実際に組上がった装置において、捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎとが最も効率よく離反する極性や電圧値に設定すればよい。
離脱部の設定条件(本実施例)
捕集帯５１の速度：０.５ｍ／分
帯電器６：−１５Kv〜−２０Kv(最適値．−１８Kv)
Ｘ１の間隔：５〜１５mm(同１０mm)
Ｘ２の間隔：１５〜２５mm(同２０mm)
Ｘ３の間隔：３０〜５０mm(同４０mm)
帯電器と下側フィルムＦ１下面との間隔：３０〜７５mm(同５０mm)
送風機の送風圧力：０.１ＭＰa
【００２８】
本実施例においては、捕集帯５１から帯電器６１の荷電だけでもナノファイバー積層体Ｎの剥離可能であるが、これを支援するために捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎの上方から送風装置６３によって捕集帯５１の網目を貫通する下方に剥離空気を吹き付けてもよい。本実施例での送風装置６３の風圧は０.１ＭＰaとした。
また、離反したナノファイバー積層体Ｎが、再び捕集帯５１に付着しないうに、帯電器６１の下流直後に除電気６４を設けると、よりスムースに捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎの離脱作業が行われるこことも実験に結果判った。この除電気６４の構成は、AC５〜７Kvを交流電源６４１で印加して捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎ上の荷電をゼロにするものである。
図７において、捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎとの間隔は、上流の第１の絶縁案内ローラ７５ｂのＸ１の位置において１０mmとしたが、これは送風機６３の剥離空気が逆流(図７で左方向)しなようするためで５〜１５mmの範囲が好ましく、帯電器６２の帯電エッジ６２１のＸ２の位置において２０mmとし好ましくは１５mm〜２５mmの範囲であり、帯電エッジ６２１とナノファイバー積層体Ｎとの間隔は５０mmとしたが、好ましくは、３０〜７５mmの範囲がよい。また、下流の第２の絶縁案内ローラ７５ｃのＸ３の位置において剥離空気がスムーズに逃げられるように４０mmと広く開口させたが、好ましくは３０mm〜５０mmが好ましい。
なお、上記の絶縁案内ローラ７５ｂ,７５cの高さ調整は調整部によって、帯電エッジ６２１の高さは調整部６２によって調整できるようになってなっている。
【００２９】
[基材添付部Ｐ(７)]
(下側フィルム添付)
前記離脱部６は、基材添付部Ｐ(７)の一部も兼ねており、帯電器６１の上方に下側の基材である下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１を送り出してナノファイバー積層体Ｎに添付している。
図２において、下側の送り出しフィルムを巻き取った繰出しロール７１aには駆動モータ７２aで送り出すように間欠駆動されるが、駆動モータ７２aの駆動間隔は、固定位置の案内ローラ７４aと７４bとのに間に駆動モータ７２aと同軸のダンサアーム７３a及びその先端揺動ローラ７３１aを設け、この揺動ローラ７３１aの位置によって貯留状態を感知している。そして、ダンサーアーム７３aが反時計方向に移動して貯留量が少なくなると、繰出しロール７１aをフィルムＦ１が送り出すように駆動し、ダンサーアーム７３aが時計方向に移動して貯留量が十分になると繰出しロール７１の駆動を止めている。
下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１は、案内ローラ７４bから案内ローラ７４ｃに案内され、離脱部６の案内金属ローラ７５a、絶縁案内ローラ７５bによって、帯電器６１の上側に案内され、帯電器６１による加電によってナノファイバー積層体Ｎが捕集帯５１から下側に剥離されると同時に、下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１が添付され、ナノファイバー積層体Ｎの下側に下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１が添付された状態で案内絶縁ローラ７５cから次の工程に移送される。
案内ローラ７４bの下流に下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１の幅方向の両端位置を検知するエッジセンサー７４１が設けられ、このエッジセンサー７４１の出力により、繰出しロール７１aや駆動モータ７２aからなる繰出しユニット７aが繰出しロール７１aの軸方向に移動して下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１の蛇行を防止している。
【００３０】
(上側フィルム添付)
次に、下側フィルムを添付したナノファイバー積層体Ｎに上側の基材である上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２を送り出してナノファイバー積層体Ｎに添付する工程を説明するが、製品に下側フィルムだけででも十分に強度があり、巻き戻しの際に絡まないで分離スムースであれば、上側フィルムＦ２の添付は必ずしも必要ではない。
図２において、上側フィルムの送り出し機構とほぼ同じ構成であるが、上側の送り出しフィルムの繰出しロール７１bには駆動モータ７２bで送り出すように間欠駆動され、駆動モータ７２bの駆動間隔は、固定位置の案内ローラ７６aと７６bとのに間に駆動モータ７２bと同軸のダンサアーム７３b及びその先端揺動ローラ７３１bを設け、この揺動ローラ７３１bの位置によって貯留状態を感知している。そして、ダンサーアーム７３bが反時計方向に移動して貯留量が少なくなると、繰出しロール７１bをフィルムＦ２が送り出すように駆動し、ダンサーアーム７３bが時計方向に移動して貯留量が十分になるとロール７１bの駆動を止めている。
上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２は、案内ローラ７６bから７６ｃに案内され、案内ローラ７６dによって、上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２がナノファイバー積層体Ｎの上面に添付される。
案内ローラ７６bの下流に上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２の幅方向の両端位置を検知するエッジセンサー７６１が設けられ、このエッジセンサー７６１の出力により、繰出しロール７１bや駆動モータ７２bからなる繰出しユニット７ｂが繰出しロール７１bの軸方向に移動して上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２の蛇行を防止している。
【００３１】
（駆動工程）
ナノファイバー積層体Ｎの下面に下側フィルムＦ１と、上面に上側フィルムＦ２とし添付したナノファイバー積層体Ｎは、案内ローラ７７から駆動モータ７８１により駆動される主駆動ローラ７８に引き寄せられ次工程に移送される。この主駆動ローラ７８の表面速度は、前述の捕集部５の駆動ローラ５２の表面速度と同期しており、一定速度でナノファイバー積層体Ｎを捕集帯５１から主駆動ローラ７８まで移動している。本実施例では互いに同期する駆動モータを用いている。
この主駆動ローラ７８の上側に自由回転するプレスローラ７８２が設けられ、このプレスローラ７８２の左右両端の近傍にプレスローラ７８２の下方への圧力が調整可能の一対の加圧調整器７８３が設けられ、一方、主駆動ローラ７８の上流にはエッジセンサー７８４が設けられ、このエッジセンサー７８４の出力を圧調整器７８３に入力し、加圧調整７８３により加圧されたプレスローラ７８２の側のナノファイバー積層体Ｎが抵抗力により若干遅くなることにより、ナノファイバー清掃帯積層体の全体の蛇行を修正するようにしている。
【００３２】
[ナノファイバー積層体Ｎの仮止め部(スポット溶接)Ｑ(８)]
上下の添付したフィルムＦ１,Ｆ２が添付されたナノファイバー積層体Ｎは、これだけでは添付したフィルムＦ１,Ｆ２が直ぐに剥がれたり、ずれたりするので、スポット溶接で仮止めしてナノファイバー積層体Ｎの製品とする。なお、この仮止めされたナノファイバー積層体Ｎは、そのご需要者の要望によって、更にプレス加工したり、添付する基材を追加するためである。
この仮止め部(スポット溶接)Ｑ(８)の機構を図２、図６で説明する。
仮止め部８は、幅方向に間隔をおいて配置したヒーター２３で高温した針部８１と、これを大まかな上下位置を制御する大上下動シリンダー８２と、微調整して正確に上下位置を制御する小上下動シリンダー８３の２段の上下シリンダーと、針受け部８４とからなり、仮止め部８のスポット溶接時には、針部８１の下降位置でナノファイバー積層体Ｎの移動を一時停止する一時停止機構８５とから構成される。
長さ方向の一定間隔で針部８１が下降し、ナノファイバー積層体Ｎの内部に高熱の針部８１が突き刺さり、この点部分で部分的フィルムＦ１,Ｆ２とナノファイバーが溶融して互いに接着して仮止めするが、このため、間欠駆動制御される間欠駆動ローラ８５１と間欠駆動モータ８５２が設けられ、間欠駆動ローラ８５１の回転が停止すると間欠駆動ローラ８５１と案内ローラ８５３の間のナノファイバー積層体Ｎの移動は停止し、この停止中に加熱した針部８１が小上下動シリンダー８３によって下降してスポット溶接して上昇する。
【００３３】
この時、主駆動ローラ７８からは常時一定量のナノファイバー積層体Ｎが供給されているので、これを吸収するために、主駆動ローラ７８と案内ローラ８５３との間に蓄積装置を設け、この蓄積装置は上下に移動するダンサローラ８５４が上下動することによって、弛んだナノファイバー積層体Ｎを一時蓄積する。
このスポット溶接が終了すると、間欠駆動ローラ８５１と間欠駆動モータ８５２が再び駆動し、蓄積されたナノファイバー積層体Ｎを高速で引き取り図２の点線の状態に戻す。
なお、この間欠駆動ローラ８５１の上側に自由回転するプレスローラ８５６が設けられ、このプレスローラ８５６の左右両端の近傍にプレスローラ８５６の下方への圧力が調整可能の一対の加圧調整器８５７が設けられ、一方、間欠駆動ローラ８５１の上流にはエッジセンサー８５８が設けられ、このエッジセンサー８５８の出力を圧調整器８５７に入力し、加圧調整８５７により加圧されたプレスローラ８５６の側のナノファイバー積層体Ｎが抵抗力により若干遅くなることにより、ナノファイバー清掃帯積層体の全体の蛇行を修正するようにしている。
【００３４】
[製品ナノファイバー積層体Ｎの製品巻き取り部Ｒ(９)]
図２、図６に示すように、仮止め部８の間欠駆動ローラ８５１から送り出された製品ナノファイバー積層体Ｎは、製品巻き取り部Ｒ(９)で巻き取られるが、製品巻き取りロール９１の回転軸９２は、パウダークラッチ９３を介して、巻き取り駆動モータ９４によって巻き取られる。この製品巻き取り部９は、巻取り径検出超音波センサー９５を設け、巻取り径の変化により巻取張力が変化するので、この張力を一定にするようにモーターの回転速度を制御するとともに、駆動源の巻き取り駆動モータ９４と回転軸９２の間にパウダークラッチ９３を設けたので、過剰な負荷がかかると滑りを生じて、製品ナノファイバー積層体Ｎを一定の張力で巻き取ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施例のナノファイバー積層体Ｎの製造方法は、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。
また、本発明のナノファイバー積層体Ｎの製造方法によれば、ナノファイバー積層体Ｎはナノファイバー自体の占有率が低いことから、厚くなって空気の通過抵抗が少ないことから吸引力が低下することが少ないので、空気を吸引する吸引機構によって効率よくナノファイバー積層体Ｎを形成することができ、
更に、強い電界場を発生させて生成したナノファイバー積層体Ｎが帯電状態であることを利用して、 ナノファイバー積層体Ｎを引きつけるような静電気を荷電しした離脱板を設けて、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として用いることができる。このように、ナノファイバー積層帯を安価で大量生産が可能となる。
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。例えば、本実施例ではナノファイバーの材料をポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)としたが、ナノファイバーを製造することができれば、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
Ｊ・・ナノファイバー生成部、Ｋ・・ナノファイバー積層体Ｎの捕集部、
Ｌ・・離脱部、Ｐ・・基材添付部、Ｑ・・仮止め部(スポット溶接)、
Ｒ・・製品巻き取り部、
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、Ｆ１・・下側フィルム、Ｆ２・・上側フィルム、
Ｎ・・ナノファイバー積層体
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、
５・・捕集部、
５１・・捕集帯、５２・・駆動ローラ、５３a〜f・・従動支持ローラ、
５４・・捕集面、５４１・・平面保持部材、５４２・・案内部材、
５５・・温水槽、５５１・・回転ブラシ、５５２・・駆動モータ、
５６・・吸引機構、５６１・・吸引室、５６２a,b,c・・吸引ダクト、
５６３a,b,c・・風量調整シャッター５６３、
６・・離脱部、
６１・・帯電器、６１１・・帯電エッジ、６１２・・高電圧電源、
６２・・調整部、６３・・送風装置、６４・・除電器、６５・・交流電源
７・・基材添付部、７a,７b・・繰出しユニット、
７１a,b・・繰出しロール、７２a,b・・駆動モータ、
７３a,ｂ・・ダンサーアーム、７３１a,b・・揺動ローラ、
７４a,b,c・・下側フィルムの案内ローラ、７４１,７６１・・エッジセンサー、
７５a,b,c・・離脱部の絶縁案内ローラ、
７６a,b,c,d・・上側フィルムの絶縁案内ローラ、
７７・・案内ローラ、
７８・・主駆動ローラ、７８１・・駆動モータ、７８２・・プレスローラ、
７８３・・加圧調整器、７８４・・エッジセンサー、
８・・仮止め部(スポット溶接)、８１・・針部、８２・・大上下動シリンダー、
８３・・小上下動シリンダー、８４・・針受け部、
８５・・一時停止機構、８５１・・間欠駆動ローラ、８５２・・間欠駆動モータ、
８５３・・案内ローラ、８５４・・ダンサローラ、８５６・・プレスローラ、
８５７・・加圧調整器、８５８・・エッジセンサー、
９・・製品巻き取り部、９１・・製品巻き取りロール、９２・・回転軸、
９３・・パウダークラッチ、９４・・巻き取り駆動モータ、
９５・・巻取り径検出超音波センサー、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバーを用いた積層体の製造方法に関し、特に、ナノファイバーだけで自立して積層体を形成することができるナノファイバー積層体の製造方法に関する。
【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の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も挙げられる。
【０００４】
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。そこで、前記特許文献５や特許文献６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積層体の製造方法を開発し提供している。
これらナノファイバー積層体の製造方法では、ナノファイバーの捕集が、吹きつけと静電気によって、板やドラムに吹き付けて捕集であるので、捕集力が弱く大量のナノファイバー積層体の製造には難点があった。
そこで、本出願人は、特許文献７に示すように、ナノファイバー積層体の捕集面を平面板にして、通気性の基材を移動ベルトにしてナノファイバー積層体の捕集側の裏側から吸引によって効率よく吸い寄せて、大量のナノファイバー積層体の製造方法を提供している。
【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】特開２０１０−１２１２２１
【特許文献６】特開２０１１−１２７２３４
【特許文献７】特願２０１１−９０５３４
【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、ナノファイバー積層体の製造において、捕集面の裏面から空気吸引する構成によって、飛躍的に効率良くナノファイバー積層体を捕集できるようなったが、ナノファイバーだけで自立しないので必ず強度のある基材が必要であり、
かつ、基材が大量の空気を通気する通気性がなければならず、通常の不織布やフィルム等の通気性な小さな素材は使用できないといった問題点があった。
本発明は、前述の問題点に鑑みてなされたもので、通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として使用できるナノファイバー積層体を大量に製造する製造方法を提供しようとするものであり、かつ、ナノファイバー積層体を効率的に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、強い電界場を発生させてナノファイバーを生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、前記捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、該捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを該捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、形成した前記ナノファイバー積層体を前記平面部から離脱部に移送させ、該離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と捕集帯から剥離するように空気を送風する送風機とから構成され、ナノファイバー積層体を前記捕集帯から離脱させるとともに、該離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移すことを特徴とするナノファイバー積層体の製造方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のナノファイバー積層体の製造方法において、前記離脱部の下流の直後には、除電器を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のナノファイバー積層体の製造方法によれば、ナノファイバー積層体はナノファイバー自体の占有率が低いことから、厚くなって空気の通過抵抗が少ないことから吸引力が低下することが少ないので、空気を吸引する吸引機構によって効率よくナノファイバー積層体を形成することができ、また、強い電界場を発生させて生成したナノファイバー積層体が帯電状態であることを利用して、 ナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と送風機を設けて、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性な小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材として用いることができる。このように、ナノファイバー積層帯を安価で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積層体の製造方法の上流側の主にナノファイバー生成部の概念概略図、
【図２】図１の下流側の主にナノファイバー積層体の捕集部、離脱部、基材添付部、仮止め部、製品巻き取り部の概念概略図、
【図３】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４】図４(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４(b)は図４(a)の側面からの説明図、
【図５】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６】図２の８−８線からの側面図、
【図７】図２の離脱部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴は、強い電界場を発生してナノファイバーを製造するエレクトロ・スピンニング法において、ナノファイバー積層体の捕集方法として吸引を利用し、同時に、ナノファイバー積層体だけを捕集帯から離脱させて、所望の基材を移すようにしたことを特徴としたものであり、かつ、離脱として帯電状態あるナノファイバー積層体を利用して、反対電荷にさせた離脱板を設けてナノファイバー積層体を無理なく簡単に所望の基材に移すことができるようにしたものである。
以下に、本発明のナノファイバー積層体の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】
【００１１】
本発明の実施例１のナノファイバー積層体Ｎの製造方法を説明するが、図１、及び図２の概略を示した概念説明図に示すように、図１と図２は連続した装置で、図１は上流の主にナノファイバーの生成部で、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とその下流のナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋであり、図２は図１の下流のナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋと捕集部Ｋからナノファイバー積層体Ｎを剥離する離脱部Ｌ、フィルム等の基材をナノファイバー積層体Ｎの表面に添付する基材添付部Ｐ、添付した基材を仮止めする仮止部(スポット溶接)Ｑ、及び製品巻き取り部Ｒとから構成されている。
【００１２】
[ナノファイバー生成部Ｊ]
先ず、上流側の図１のナノファイバー生成部Ｊから説明する。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。この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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
上記マイナス側の電極を金属球３１としたのは、図３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。
【００１６】
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るが、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。
【００１７】
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４(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。
【００１８】
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こと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。
【００１９】
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４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４でのＣ)は、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好ましい。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。
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、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好ましい。また、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離れた位置がよい。
【００２０】
また、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が、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３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。したがって、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
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。
ここで、大量にナノファイバーを生産するには、図５に示すように、図４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Ｋで集約して一括で捕集すれば良い。
【００２１】
[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
【００２２】
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。
【００２３】
ところで、本実施例では、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。
【００２４】
[ナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋ(５)]
次に、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバーを、その下流でナノファイバーを積層するナノファイバー積層体Ｎの捕集部Ｋ(５)を図２を参照して説明する。
ナノファイバー積層体Ｎの捕集部５は、主に図２に示すように、エンドレスで移動する網状で捕集帯５１であり、材質は非電導体の合成樹脂で形状はネット或いは網であり、大量に空気が通過できることができるものであればよい。本実施例では合成樹脂として直径０.４〜０.６mmのポリプロピレン(ＰＰ）のモノフィラメントの網で、密度１５〜２０本／inchを使用したので、貫通する空気の空気抵抗は十分に少ない。
この捕集帯５１は、駆動ローラ５２によって反時計回りに移動し、従動支持ローラ５３a〜fによって所定位置で支持され所定の箇所を通過する。図２においてナノファイバー生成部Ｊに対向した位置に従動支持ローラ５３e,５３fによってほぼ平面の捕集面５４を形成しており、この捕集面５４でナノファイバー積層体Ｎを連続的に捕集し、後述する離脱部Ｌに移動してナノファイバー積層体Ｎを剥離して駆動５２かによって上方に方向転回し、更に従動支持ローラ５３aによって、温水槽５５に案内して温水槽５５内の一対の従動支持ローラ５３b,cに案内され、元の従動支持ローラ５３eに案内され循環する。
【００２５】
捕集面５４の裏側には、吸引室５６１と上下方向に複数(本実施例では上段・中段・下段の３個)の吸引ダクト５６２a,b,cとこれらに連なる空気の吸引機構５６が設けられ、該吸引ダクト５６２a,b,cにはそれぞれ風量を調整する風量調整シャッター５６３a,b,cが付随して設けられ、ナノファイバー生成部Ｊで生成されたナノファイバー及びナノファイバー積層体Ｎを捕集帯５１に吸い寄せている。
捕集帯５１を平面に保つためにその裏面に合成樹脂等の平面保持部材５４１が間隔を隔てて設けられている。なお、捕集面５４の表側には、効率よくナノファイバーを捕集面５４に誘導するために捕集面５４に収束するようにラッパ状の案内部材５４２が設けられいる。
吸引ダクト５６２a,b,cにはそれぞれ風量を調整する風量調整シャッター５６３a,b,cが付随して設けられているが、捕集面５４でのナノファイバー積層体Ｎの吸い付き量は、吸引ダクト５６２a,b,cの開口面積が同じであると、捕集帯５１の移動の上流(上方側)ほどナノファイバーの積層量は少なくなり風速は速くなるので、捕集帯５１の平面で全面で風速をほぼ均一にするために、開口面積を調整するためであり、開口面積は上段の吸引ダクト５６２aでは風量調整シャッター５６３aにより小さく、下段の吸引ダクト５６２cでは風量調整シャッター５６３cにより大きく、中段の吸引ダクト５６２bでは吸引ダクト５６２bによりその中間の開口面積になるように調整されている。
こうして、捕集帯５１上に垂直で連続的に形成したナノファイバー積層体Ｎは、捕集帯５１の下方への移動に伴って、移動し右方向に水平に移動し離脱部Ｌでナノファイバー積層体Ｎを離脱して、温水槽５５に案内させる。
この温水槽５５は、温水で満たされ、その温水中を捕集帯５１が通過する間に、駆動モータ５５２によって回転する一対の回転ブラシ５５１によって、捕集帯５１に残ったナノファイバーを剥離して除去し、綺麗な状態の捕集帯５１を再び捕集面５４に送り出す。
【００２６】
[ナノファイバー積層体Ｎの離脱部Ｌ(６)]
前述した離脱部Ｌ(６)は、形成した前記ナノファイバー積層体Ｎを移送し、この移送されたナノファイバー積層体Ｎのを捕集帯５１から剥離して所望の基材に移す作用を有するものである。
ナノファイバーの生成は、基本的にはＥＳＤ（Electro−Spray Depos)方であるので、噴射されたナノファイバー自体は、通常、正(マイナス)電荷を有しており、従来の捕集方法では金属ドラムを接地してドラム自体を正(プラス)電荷にして、捕集していた。
これに対して、本発明の捕集は空気の吸引方法であるので、金属板ではなく金属の網を使用すればナノファイバーを捕集できるが、ナノファイバーが強固に金属網に絡まり、剥離が容易ではなくなる。これは、上述したように、ナノファイバーが負(マイナス)電荷を有しているので、金属の網を用いるとどうしても接地箇所を生じ、ナノファイバー自体の電荷も消失してしまい、かえって、ナノファイバーが強固に金属網に絡まり、剥離しがたくなると考えられる。
【００２７】
そこで、図７は、図２での離脱部６の拡大図に示すような機構を設けたもので、本発明でのナノファイバー自体が、電荷を有していることに着目して、また、ナノファイバー積層体Ｎが帯電器の加荷によって引き寄せ、又は、離反することに着目して、捕集帯５１からナノファイバー積層体Ｎを離すようにしている。
捕集帯５１を上述したように絶縁体で合成樹脂のポリプロピレン(ＰＰ）のモノフィラメントの網して、捕集帯５１ではナノファイバーが電荷を保持した状態で捕集して、そのまま次の離脱部Ｌ(６)移送し、ここで、ナノファイバー積層体Ｎを移送する捕集帯５１の適所には帯電器６１を設けており、この帯電器６１の帯電エッジ６１１はナノファイバー積層体Ｎの幅方向の全幅に亘って延びており、ナノファイバー積層体Ｎを下方に引き寄せ、捕集帯５１から離反させるようにしている。
この場合に、この帯電器６１を電荷を付与すると、本実施例では帯電器６１の帯電エッジ６１１を高電圧電源６１２により−１８Kv(使用範囲は±15Kv〜±20Kvが好ましい。)すると、ナノファイバー積層体Ｎ及び下側フィルム添付Ｆ１が吸い寄せられ、簡単の捕集帯５１からナノファイバー積層体Ｎが剥離できることが判った。
なお、帯電器６１の加電は、上流のナノファイバー生成部での荷電の状態、極性、捕集帯５１の材質等によって、極性や電圧値は変わる場合もあるので、実際に組上がった装置において、捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎとが最も効率よく離反する極性や電圧値に設定すればよい。
離脱部の設定条件(本実施例)
捕集帯５１の速度：０.５ｍ／分
帯電器６：−１５Kv〜−２０Kv(最適値．−１８Kv)
Ｘ１の間隔：５〜１５mm(同１０mm)
Ｘ２の間隔：１５〜２５mm(同２０mm)
Ｘ３の間隔：３０〜５０mm(同４０mm)
帯電器と下側フィルムＦ１下面との間隔：３０〜７５mm(同５０mm)
送風機の送風圧力：０.１ＭＰa
【００２８】
本実施例においては、捕集帯５１から帯電器６１の荷電だけでもナノファイバー積層体Ｎの剥離可能であるが、これを支援するために捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎの上方から送風装置６３によって捕集帯５１の網目を貫通する下方に剥離空気を吹き付けてもよい。本実施例での送風装置６３の風圧は０.１ＭＰaとした。
また、離反したナノファイバー積層体Ｎが、再び捕集帯５１に付着しないうに、帯電器６１の下流直後に除電気６４を設けると、よりスムースに捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎの離脱作業が行われるこことも実験に結果判った。この除電気６４の構成は、AC５〜７Kvを交流電源６４１で印加して捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎ上の荷電をゼロにするものである。
図７において、捕集帯５１とナノファイバー積層体Ｎとの間隔は、上流の第１の絶縁案内ローラ７５ｂのＸ１の位置において１０mmとしたが、これは送風機６３の剥離空気が逆流(図７で左方向)しなようするためで５〜１５mmの範囲が好ましく、帯電器６２の帯電エッジ６２１のＸ２の位置において２０mmとし好ましくは１５mm〜２５mmの範囲であり、帯電エッジ６２１とナノファイバー積層体Ｎとの間隔は５０mmとしたが、好ましくは、３０〜７５mmの範囲がよい。また、下流の第２の絶縁案内ローラ７５ｃのＸ３の位置において剥離空気がスムーズに逃げられるように４０mmと広く開口させたが、好ましくは３０mm〜５０mmが好ましい。
なお、上記の絶縁案内ローラ７５ｂ,７５cの高さ調整は調整部によって、帯電エッジ６２１の高さは調整部６２によって調整できるようになってなっている。
【００２９】
[基材添付部Ｐ(７)]
(下側フィルム添付)
前記離脱部６は、基材添付部Ｐ(７)の一部も兼ねており、帯電器６１の上方に下側の基材である下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１を送り出してナノファイバー積層体Ｎに添付している。
図２において、下側の送り出しフィルムを巻き取った繰出しロール７１aには駆動モータ７２aで送り出すように間欠駆動されるが、駆動モータ７２aの駆動間隔は、固定位置の案内ローラ７４aと７４bとのに間に駆動モータ７２aと同軸のダンサアーム７３a及びその先端揺動ローラ７３１aを設け、この揺動ローラ７３１aの位置によって貯留状態を感知している。そして、ダンサーアーム７３aが反時計方向に移動して貯留量が少なくなると、繰出しロール７１aをフィルムＦ１が送り出すように駆動し、ダンサーアーム７３aが時計方向に移動して貯留量が十分になると繰出しロール７１の駆動を止めている。
下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１は、案内ローラ７４bから案内ローラ７４ｃに案内され、離脱部６の案内金属ローラ７５a、絶縁案内ローラ７５bによって、帯電器６１の上側に案内され、帯電器６１による加電によってナノファイバー積層体Ｎが捕集帯５１から下側に剥離されると同時に、下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１が添付され、ナノファイバー積層体Ｎの下側に下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１が添付された状態で案内絶縁ローラ７５cから次の工程に移送される。
案内ローラ７４bの下流に下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１の幅方向の両端位置を検知するエッジセンサー７４１が設けられ、このエッジセンサー７４１の出力により、繰出しロール７１aや駆動モータ７２aからなる繰出しユニット７aが繰出しロール７１aの軸方向に移動して下側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ１の蛇行を防止している。
【００３０】
(上側フィルム添付)
次に、下側フィルムを添付したナノファイバー積層体Ｎに上側の基材である上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２を送り出してナノファイバー積層体Ｎに添付する工程を説明するが、製品に下側フィルムだけででも十分に強度があり、巻き戻しの際に絡まないで分離スムースであれば、上側フィルムＦ２の添付は必ずしも必要ではない。
図２において、上側フィルムの送り出し機構とほぼ同じ構成であるが、上側の送り出しフィルムの繰出しロール７１bには駆動モータ７２bで送り出すように間欠駆動され、駆動モータ７２bの駆動間隔は、固定位置の案内ローラ７６aと７６bとのに間に駆動モータ７２bと同軸のダンサアーム７３b及びその先端揺動ローラ７３１bを設け、この揺動ローラ７３１bの位置によって貯留状態を感知している。そして、ダンサーアーム７３bが反時計方向に移動して貯留量が少なくなると、繰出しロール７１bをフィルムＦ２が送り出すように駆動し、ダンサーアーム７３bが時計方向に移動して貯留量が十分になるとロール７１bの駆動を止めている。
上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２は、案内ローラ７６bから７６ｃに案内され、案内ローラ７６dによって、上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２がナノファイバー積層体Ｎの上面に添付される。
案内ローラ７６bの下流に上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２の幅方向の両端位置を検知するエッジセンサー７６１が設けられ、このエッジセンサー７６１の出力により、繰出しロール７１bや駆動モータ７２bからなる繰出しユニット７ｂが繰出しロール７１bの軸方向に移動して上側フィルム(ＰＰフィルム)Ｆ２の蛇行を防止している。
【００３１】
（駆動工程）
ナノファイバー積層体Ｎの下面に下側フィルムＦ１と、上面に上側フィルムＦ２とし添付したナノファイバー積層体Ｎは、案内ローラ７７から駆動モータ７８１により駆動される主駆動ローラ７８に引き寄せられ次工程に移送される。この主駆動ローラ７８の表面速度は、前述の捕集部５の駆動ローラ５２の表面速度と同期しており、一定速度でナノファイバー積層体Ｎを捕集帯５１から主駆動ローラ７８まで移動している。本実施例では互いに同期する駆動モータを用いている。
この主駆動ローラ７８の上側に自由回転するプレスローラ７８２が設けられ、このプレスローラ７８２の左右両端の近傍にプレスローラ７８２の下方への圧力が調整可能の一対の加圧調整器７８３が設けられ、一方、主駆動ローラ７８の上流にはエッジセンサー７８４が設けられ、このエッジセンサー７８４の出力を圧調整器７８３に入力し、加圧調整７８３により加圧されたプレスローラ７８２の側のナノファイバー積層体Ｎが抵抗力により若干遅くなることにより、ナノファイバー清掃帯積層体の全体の蛇行を修正するようにしている。
【００３２】
[ナノファイバー積層体Ｎの仮止め部(スポット溶接)Ｑ(８)]
上下の添付したフィルムＦ１,Ｆ２が添付されたナノファイバー積層体Ｎは、これだけでは添付したフィルムＦ１,Ｆ２が直ぐに剥がれたり、ずれたりするので、スポット溶接で仮止めしてナノファイバー積層体Ｎの製品とする。なお、この仮止めされたナノファイバー積層体Ｎは、そのご需要者の要望によって、更にプレス加工したり、添付する基材を追加するためである。
この仮止め部(スポット溶接)Ｑ(８)の機構を図２、図６で説明する。
仮止め部８は、幅方向に間隔をおいて配置したヒーター２３で高温した針部８１と、これを大まかな上下位置を制御する大上下動シリンダー８２と、微調整して正確に上下位置を制御する小上下動シリンダー８３の２段の上下シリンダーと、針受け部８４とからなり、仮止め部８のスポット溶接時には、針部８１の下降位置でナノファイバー積層体Ｎの移動を一時停止する一時停止機構８５とから構成される。
長さ方向の一定間隔で針部８１が下降し、ナノファイバー積層体Ｎの内部に高熱の針部８１が突き刺さり、この点部分で部分的フィルムＦ１,Ｆ２とナノファイバーが溶融して互いに接着して仮止めするが、このため、間欠駆動制御される間欠駆動ローラ８５１と間欠駆動モータ８５２が設けられ、間欠駆動ローラ８５１の回転が停止すると間欠駆動ローラ８５１と案内ローラ８５３の間のナノファイバー積層体Ｎの移動は停止し、この停止中に加熱した針部８１が小上下動シリンダー８３によって下降してスポット溶接して上昇する。
【００３３】
この時、主駆動ローラ７８からは常時一定量のナノファイバー積層体Ｎが供給されているので、これを吸収するために、主駆動ローラ７８と案内ローラ８５３との間に蓄積装置を設け、この蓄積装置は上下に移動するダンサローラ８５４が上下動することによって、弛んだナノファイバー積層体Ｎを一時蓄積する。
このスポット溶接が終了すると、間欠駆動ローラ８５１と間欠駆動モータ８５２が再び駆動し、蓄積されたナノファイバー積層体Ｎを高速で引き取り図２の点線の状態に戻す。
なお、この間欠駆動ローラ８５１の上側に自由回転するプレスローラ８５６が設けられ、このプレスローラ８５６の左右両端の近傍にプレスローラ８５６の下方への圧力が調整可能の一対の加圧調整器８５７が設けられ、一方、間欠駆動ローラ８５１の上流にはエッジセンサー８５８が設けられ、このエッジセンサー８５８の出力を圧調整器８５７に入力し、加圧調整８５７により加圧されたプレスローラ８５６の側のナノファイバー積層体Ｎが抵抗力により若干遅くなることにより、ナノファイバー清掃帯積層体の全体の蛇行を修正するようにしている。
【００３４】
[製品ナノファイバー積層体Ｎの製品巻き取り部Ｒ(９)]
図２、図６に示すように、仮止め部８の間欠駆動ローラ８５１から送り出された製品ナノファイバー積層体Ｎは、製品巻き取り部Ｒ(９)で巻き取られるが、製品巻き取りロール９１の回転軸９２は、パウダークラッチ９３を介して、巻き取り駆動モータ９４によって巻き取られる。この製品巻き取り部９は、巻取り径検出超音波センサー９５を設け、巻取り径の変化により巻取張力が変化するので、この張力を一定にするようにモーターの回転速度を制御するとともに、駆動源の巻き取り駆動モータ９４と回転軸９２の間にパウダークラッチ９３を設けたので、過剰な負荷がかかると滑りを生じて、製品ナノファイバー積層体Ｎを一定の張力で巻き取ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施例のナノファイバー積層体Ｎの製造方法は、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。
また、本発明のナノファイバー積層体Ｎの製造方法によれば、ナノファイバー積層体Ｎはナノファイバー自体の占有率が低いことから、厚くなって空気の通過抵抗が少ないことから吸引力が低下することが少ないので、空気を吸引する吸引機構によって効率よくナノファイバー積層体Ｎを形成することができ、
更に、強い電界場を発生させて生成したナノファイバー積層体Ｎが帯電状態であることを利用して、 ナノファイバー積層体Ｎを引きつけるような静電気を荷電しした離脱板を設けて、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性な小さな或いは通気性のない不織布やフィルムを基材として用いることができる。このように、ナノファイバー積層帯を安価で大量生産が可能となる。
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。例えば、本実施例ではナノファイバーの材料をポリエーテルサルホン(ＰＥＳ)としたが、ナノファイバーを製造することができれば、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
Ｊ・・ナノファイバー生成部、Ｋ・・ナノファイバー積層体Ｎの捕集部、
Ｌ・・離脱部、Ｐ・・基材添付部、Ｑ・・仮止め部(スポット溶接)、
Ｒ・・製品巻き取り部、
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、Ｆ１・・下側フィルム、Ｆ２・・上側フィルム、
Ｎ・・ナノファイバー積層体
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、
５・・捕集部、
５１・・捕集帯、５２・・駆動ローラ、５３a〜f・・従動支持ローラ、
５４・・捕集面、５４１・・平面保持部材、５４２・・案内部材、
５５・・温水槽、５５１・・回転ブラシ、５５２・・駆動モータ、
５６・・吸引機構、５６１・・吸引室、５６２a,b,c・・吸引ダクト、
５６３a,b,c・・風量調整シャッター５６３、
６・・離脱部、
６１・・帯電器、６１１・・帯電エッジ、６１２・・高電圧電源、
６２・・調整部、６３・・送風装置、６４・・除電器、６５・・交流電源
７・・基材添付部、７a,７b・・繰出しユニット、
７１a,b・・繰出しロール、７２a,b・・駆動モータ、
７３a,ｂ・・ダンサーアーム、７３１a,b・・揺動ローラ、
７４a,b,c・・下側フィルムの案内ローラ、７４１,７６１・・エッジセンサー、
７５a,b,c・・離脱部の絶縁案内ローラ、
７６a,b,c,d・・上側フィルムの絶縁案内ローラ、
７７・・案内ローラ、
７８・・主駆動ローラ、７８１・・駆動モータ、７８２・・プレスローラ、
７８３・・加圧調整器、７８４・・エッジセンサー、
８・・仮止め部(スポット溶接)、８１・・針部、８２・・大上下動シリンダー、
８３・・小上下動シリンダー、８４・・針受け部、
８５・・一時停止機構、８５１・・間欠駆動ローラ、８５２・・間欠駆動モータ、
８５３・・案内ローラ、８５４・・ダンサローラ、８５６・・プレスローラ、
８５７・・加圧調整器、８５８・・エッジセンサー、
９・・製品巻き取り部、９１・・製品巻き取りロール、９２・・回転軸、
９３・・パウダークラッチ、９４・・巻き取り駆動モータ、
９５・・巻取り径検出超音波センサー、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強い電界場を発生させてナノファイバーを生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、
前記捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、
該捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを該捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、
形成した前記ナノファイバー積層体を前記平面部から離脱部に移送させ、該離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と捕集帯から剥離するように空気を送風する送風機とから構成され、ナノファイバー積層体を前記捕集帯から離脱させるとともに、該離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移すことを特徴とするナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項２】
前記離脱部の下流の直後には、除電器を設けたことを特徴とする請求項１に記載のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項１】
強い電界場を発生させてナノファイバーを生成し捕集部に吹き付けてナノファイバーを積層する製造方法において、
前記捕集部はほぼ平面の平面部を形成して、該平面部上として合成樹脂からなるエンドレスで移動する空気が通過する網状で捕集帯を形成し、
該捕集帯の裏面側には空気を吸引する吸引機構を設けてナノファイバーを該捕集帯上に吸い寄せてナノファイバー積層体を形成し、
形成した前記ナノファイバー積層体を前記平面部から離脱部に移送させ、該離脱部は荷電したナノファイバー積層体を引きつけるような静電気を荷電する帯電器と捕集帯から剥離するように空気を送風する送風機とから構成され、ナノファイバー積層体を前記捕集帯から離脱させるとともに、該離脱したナノファイバー積層体を所望の基材に移すことを特徴とするナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項２】
前記離脱部の下流の直後には、除電器を設けたことを特徴とする請求項１に記載のナノファイバー積層体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９１８６９（Ｐ２０１３−９１８６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４４０４（Ｐ２０１１−２３４４０４）
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【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２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【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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