ナノファイバー製造方法
【課題】
1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に大きく増やして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
【解決手段】
高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、金属球と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を噴出する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高速気流噴射ノズルにより飛散させるナノファイバー生成部を構成し、ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更してナノファイバー捕集部に向けて飛散させて、捕集部の捕集面で捕集する。
1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に大きく増やして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
【解決手段】
高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、金属球と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を噴出する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高速気流噴射ノズルにより飛散させるナノファイバー生成部を構成し、ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更してナノファイバー捕集部に向けて飛散させて、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、ナノファイバー製造方法に関し、特に、ナノファイバーを大量生産することができるナノファイバ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】
このとき、高分子溶液の場合、スプレーがノズルから直進するストレートジェットと呼ばれる部分とスプレーが広がるブレイクポイントと呼ばれる部分が存在するが、ストレートジェットが長いほど繊維構造が形成されやすい。繊維構造が形成されるときはブレイクポイントから液滴が広がるのではなく、繊維が螺旋を描くように基板上にデポジットされる報告もなされている。こうして形成されたナノファイバーは、コレクター電極上にランダムに繊維が交錯した状態で堆積され、不織布状のウェブが得られる。
エレクトロスプレーの際のスプレー条件を変えることにより、ナノ〜ミクロンスケールのファイバーやナノ粒子が形成される。さらに、紡糸溶液も高分子(合成高分子ポリマー)担体溶液に限られず、高分子で長分子配列を有する生体高分子、有機高分子、長分子配列が可能な無機物質などの材料のブレンド溶液も用いることができるため、マテリアルのハイブリッド化はもちろんのこと、ナノパーティクル／ナノファイバーコンポジットのように薄膜の積層構造制御も可能となる。
【０００４】
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、ナノファイバーで作った高性能エアフィルターがエンジンフィルターに実用化され、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。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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μρ1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。
本発明の第１の課題は、このような問題点に鑑みてなされたもので、1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に大きく増やして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
また、本発明の第２の課題は、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、ランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
更に、本発明の第３の課題は、従来、ポリマー等を溶融して供給する際に引火性有機溶媒を使用するが、この溶媒による爆発や火災の危険性があったが、この有機溶媒を使用することないナノファイバーの製造方法、或いは、有機溶媒を使用するにしてもノズル噴出した直後に希釈するナノファイバ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、ナノファイバー製造方法において、長分子配列を有する高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、該紡出ノズルと該紡出ノズル開口方向に対向して金属球とを所定間隔を隔てて配置し、前記金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、該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を噴出する高速気流噴射ノズルを設け、該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により飛散させるナノファイバー生成部を構成し、該ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、前記ナノファイバー捕集部は前記ナノファイバー生成部から分離して所定距離を隔てて配置し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更してナノファイバー捕集部に向けて飛散させて、捕集部の捕集面で捕集するようにしたことを特徴する。
請求項２の発明は、請求項１のナノファイバー製造方法において、前記ナノファイバー捕集部はドラム状又は板状であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１のナノファイバー製造方法において、前記高速気流噴射ノズルからの気流を包含するように、該気流速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流噴射ノズルを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の請求項１及び２のナノファイバー製造方法によれば、1つのノズルからのナノファイバーを紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となり、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法である。
請求項３のナノファイバー製造方法によれば、二次高速気流噴射ノズルの大量の気流で引火性有機溶媒を希釈することができるので爆発、火災の危険性がない。
【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説明する説明図、
【図３】図３(a)は図１での一次高速気流がマイナーループが生じることを説明する説明図、図３(b)は二次高速気流がマイナーループを解消することを説明する説明図、
【図４】実施例１で製造したポリウレタン(ＰＵ)のナノファイバーの５千倍率の顕微鏡写真の図、
【図５】実施例１で製造したポリウレタン(ＰＵ)のナノファイバーの千倍率の顕微鏡写真の図、
【図６】実施例２で製造したポリフッ化ビニリデン(PVDF）の５千倍率のナノファイバーの顕微鏡写真の図、
【図７】実施例２で製造したポリフッ化ビニリデン(PVDF）のナノファイバーの千万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Ａとナノファイバー捕集部Ｂとから構成されている。
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・有機高分子溶液ある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ウレタン(ＰＵ)を用いている。
図１の材料容器のシリンジ１には、材料であるポリウレタンを引火性有機溶媒であるＤＭＡc(ジメチルアセトアミド)で溶かして液状した高分子溶液Ｍ１を収納している。
このシリンジ１内の高分子溶液Ｍ１はプランジャー(吐出手段)１１で押し出しの圧力を受けている。押し出しの圧力は、例えば、ステッピング・モータとネジ送り機構（図示せず）によって、所定量を押し出すように構成されてもよい。押し出し圧力を受けた高分子溶液Ｍ１は、シリンジ１内で内圧が増加し、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Ｍ１を紡出する速度を調整する前述の調整手段(ステッピング・モータとネジ送り機構等)によって、適切な吐出速度に調整することが可能となる。
【００１２】
ところで、ＥＳＤ法の原理は、ポリウレタン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、比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、分子長自体が短いため、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Ｍ１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。また、高分子溶液Ｍ１は図１のようなシリンジ１ではなく、材料タンク、キャピラリー、箱形容器のいずれの形状でも良いことは勿論である。
【００１３】
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直径が約３cm程度の電極部３を形成する金属製の金属球３１と配置し、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４１が印加され、金属球３１には高電圧電源４１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４１により−３０KV程度の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Ｍ１にはプラスの電圧が印加され、紡出される高分子溶液Ｍ１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Ｍ１に与える電圧の極性はマイナスであってもよい。
【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３１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Ｍ１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く、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異なるが、効率良く帯電するような距離にすればよい。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、後述する高速気流噴射ノズル５(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ができ、これが本発明の重要な特徴の１つでもある。
また、本実施例１では、金属球３１と紡出ノズル２１の間を高電圧電源４１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のノズルユニットを複数で、いくら数を並列にしても小型の高電圧電源だけで十分である。
【００１５】
次に、前記金属球３１と紡出ノズル開口２１１との経路に、この経路に直交するように高速気流を噴出する一次高速気流噴射ノズル部５が配置される。この一次高速気流噴射ノズル部５の噴射ノズル５１からの一次高速気流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Ｍ１を開口２１１から吸い上げる力を発生させる。したがって、一次高速気流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。なお、噴射ノズル５１の配置位置が重要となるので、噴射ノズル５１の位置調整手段５２が設けられている。
また、この一次高速気流Ｘは、本実施例１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から捕集部Ｂ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の径し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程度である。
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、前記一次高速気流噴射ノズル部５と噴射ノズル５１より開口２１１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の乾燥した２００m/sec以上の高速気流Ｘを付与することである。
以上の説明から判るように、本発明のナノファイバーの製造方法の特徴は、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。ただし、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。
【００１６】
ところで、上述したように、ナノファイバーは基本的に一次高速気流噴射ノズル部５の噴射ノズル５１により生成されるが、図３(ａ)に示すように、この一次高速気流Ｘは渦状に逆流するマイナーループ気流Ｘ１が発生し、生成されたナノファイバーの一部がクーロン力により金属球３１に付着して捕集機能が著しく損なうことが判った。
また、生産力を多くするために、紡出ノズル２１の数を多くすると、一次高速気流Ｘで後述するナノファイバー捕集部Ｂに届く距離では、溶媒の乾燥が不完全でナノファイバー捕集部Ｂで溶媒の凝集が発生し、ナノファイバーを再度溶解することがある。
更に、本実施例１の場合にはＤＭＡcで高分子であるポリウレタンを溶かして溶液を使用しているが、一次高速気流Ｘだけの気流量では、引火性有機溶媒であるＤＭＡｃ等を希釈するには不十分となる場合に、爆発、火災の危険性がある。
そこで、本実施例１では、図３(ｂ)に示すように、噴射ノズル５１からの一次高速気流Ｘを包含するように、この一次高速気流の速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流Ｙを噴射する噴射ノズル６を設け、大量の空気を供給して、前述したマイナーループＸ１を直進する気流Ｘ２とするようにして、上記の問題点を解決している。なお、この二次高速気流Ｙは大量でありナノファイバーの生成には関与しないので、本実施例１では外気を用いている。
以上がナノファイバーの生成部で、シリンジ(材料容器)１、紡出ノズル部２、金属球３１、高電圧電源４１、一次高速気流噴射ノズル部５、二次高速気流の噴射ノズル６等から構成される、これを生成部装置枠体Ｃにまとめてユニット化している。
【００１７】
次に、ナノファイバーの捕集部Ｂを説明する。
ナノファイバー捕集部Ｂは、図１に示すように、アルミ箔等の金属板７１で表面を覆った回転ドラム７を設けて金属板７１を接地Ｇし、回転ドラム７の一次高速気流Ｘの上流側を前方として、その前方上下側に一対の電極８１,８２を配置し、第２の高電圧電源４２のプラス側を接続し、高電圧電源４２のマイナス側を接地して回転ドラム７の金属(電極)７１と上下電極８１,８２との間でコンデンサー結合を構成して電界を発生させ、回転ドラム７の前方の上流に電荷を発生させる。また、図示しないが、捕集部Ｂの捕集部装置枠体Ｄの内部を負圧にして、回転ドラム７の左右、上下から常に溶媒を希釈した気流をスクラバに回収して、ＤＭＡｃ等の引火性有機溶媒を装置の外部に漏れないようにしている。なお、この場合も、静電誘導で電荷を発生しているため、高電圧電源の消費電力は基本的には零であり、小型の高電圧電源だけで十分である。
このように、ナノファイバー捕集部Ｂは、回転ドラム７、金属板７１、電極８１,８２、高電圧電源４２から構成されるが、従来の捕集網とシートの摩擦と静電気によってシート走行が困難になることを防ぎ、ナノファイバー捕集部Ｂで捕集するナノファイバーが厚くなっても対処可能となり、捕集したナノファイバーの電荷がスムーズに放電させることができ、ナノファイバーの電荷によって、浮遊している電荷を除き、捕集効率の低下を防ぐことができる。
【００１８】
以上説明した実施例１のナノファイバー製造方法により、図４、図５の写真に示すような、ナノファイバーが得られた。
この場合の製造条件は次のようなものである。
[実施例１のジェットＥＳＤ法の条件]
基材：アルミ箔
材料：ポリウレタンペレット
溶媒：DMAc（ジメチルアセトアミド）
ナノファイバー生成部電圧：−３０KV
一次高速気流の圧力：０.３ＭＰa
二次高速気流の圧力：０.１ＭＰa
紡出量(吐出量)：２ｍＬ／min
ノズル開口から捕集面までの距離：１ｍ
ナノファイバー捕集部電圧：２０KV
上記の図４、図５は、実施例１(図１で上記の条件)で製造したポリウレタンのナノファイバーの５千倍率の図４、千倍率の顕微鏡写真であるが、図１の紡出ノズル３１からは１本のナノファイバーだけしか紡出されないが、ランダムな綾振り作用等によって、特に、図５では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。
【００１９】
ところで、実施例１では、ポリウレタン（PU）の溶剤としては、ＤＭＡｃの他にジメチルホルムアミド(ＤＭＦ)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フォン(Poly Ether Sulphone、PES）とジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ）、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、ポリ乳酸とテトラヒドロフラン（Tetrahydrofuran,THF)もしくはジメチルホルムアミド(ＤＭＦ)の組み合わせナノファイバーの製造として可能である。
【実施例２】
【００２０】
前記の組み合わせうち、高分子がポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride; PVDF）で溶媒をＤＭＡｃ(ジメチルアセトアミド）とし、実施例１の製造装置で製造条件を次のようにして製造したポリフッ化ビニリデンのナノファイバーの５千倍率の顕微鏡写真を図６に、千倍率の顕微鏡写真を図７に示す。
[実施例２のジェットＥＳＤ法の条件]
基材：アルミ箔
材料：ポリフッ化ビニリデンペレット
溶媒：DMAc（ジメチルアセトアミド）
ナノファイバー生成部電圧：−３０KV
一次高速気流の圧力：０.３ＭＰa
二次高速気流の圧力：０.１ＭＰa
紡出量(吐出量)：２ｍＬ／min
ノズル開口から捕集面までの距離：１ｍ
ナノファイバー捕集部電圧：２０KV
この図６、図７においても、１本のナノファイバーだけしか紡出されないが、ランダムな綾振り作用等によって、特に、図７では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。
【００２１】
以上説明したように、本発明の実施例１及び実施例２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の構成により、次のような作用・効果を有するものである。
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．ナノファイバー生成部と捕集部とが分離可能であり、装置が簡単で、メンテナンスも簡単となり、拡張性も高い。
３．温度・湿度の管理が簡単で、ナノファイバー繊維径の変動を３０％以内とすることが可能であり、ランニングコストが極めて安価である。
４．二次高速気流噴射ノズルの大量の気流で引火性有機溶媒を２０００ppm以下に希釈することができるので爆発、火災の危険性がない。
５．捕集部８の装置内部を負圧にして、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ようにしている。
６．ナノファイバー生成部及び捕集部では、静電誘導を応用することで、高電圧電源の消費電力は極めて少なくなる。
【００２２】
以上のように、本発明の実施例では、1つのノズルからのナノファイバーを紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となり、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法である。
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、ナノファイバー捕集部を回転ドラムとしたが、板状の組み合わせやベルト状でも良いことは勿論である。
【符号の説明】
【００２３】
Ａ・・ナノファイバー生成部、 Ｂ・・ナノファイバー捕集部、
Ｃ・・生成部装置枠体、Ｄ・・捕集部装置枠体
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、
Ｍ１・・高分子溶液、
Ｘ・・ （一次)高速気流、Ｙ・・二次高速気流
１・・シリンジ(材料容器)、１１・・プランジャー(吐出手段)、
１２・・ 配管、
２・・ 紡出ノズル部、２１・・紡出ノズル 、２１１開口
３・・電極部、３１・・金属球、
４１・・高電圧電源、
５・・(一次)高速気流噴射ノズル部、５１・・噴射ノズル、
５２・・位置調整手段、
６・・二次高速気流の噴射ノズル、
７・・回転ドラム、７１・・金属板
８１,８２・・電極、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバー製造方法に関し、特に、ナノファイバーを大量生産することができるナノファイバ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】
このとき、高分子溶液の場合、スプレーがノズルから直進するストレートジェットと呼ばれる部分とスプレーが広がるブレイクポイントと呼ばれる部分が存在するが、ストレートジェットが長いほど繊維構造が形成されやすい。繊維構造が形成されるときはブレイクポイントから液滴が広がるのではなく、繊維が螺旋を描くように基板上にデポジットされる報告もなされている。こうして形成されたナノファイバーは、コレクター電極上にランダムに繊維が交錯した状態で堆積され、不織布状のウェブが得られる。
エレクトロスプレーの際のスプレー条件を変えることにより、ナノ〜ミクロンスケールのファイバーやナノ粒子が形成される。さらに、紡糸溶液も高分子(合成高分子ポリマー)担体溶液に限られず、高分子で長分子配列を有する生体高分子、有機高分子、長分子配列が可能な無機物質などの材料のブレンド溶液も用いることができるため、マテリアルのハイブリッド化はもちろんのこと、ナノパーティクル／ナノファイバーコンポジットのように薄膜の積層構造制御も可能となる。
【０００４】
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、ナノファイバーで作った高性能エアフィルターがエンジンフィルターに実用化され、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。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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μρ1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。
本発明の第１の課題は、このような問題点に鑑みてなされたもので、1つのノズルからの紡(吐)出量を大幅に大きく増やして大量生産するナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
また、本発明の第２の課題は、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、ランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法を提供しようとするものである。
更に、本発明の第３の課題は、従来、ポリマー等を溶融して供給する際に引火性有機溶媒を使用するが、この溶媒による爆発や火災の危険性があったが、この有機溶媒を使用することないナノファイバーの製造方法、或いは、有機溶媒を使用するにしてもノズル噴出した直後に希釈するナノファイバ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、ナノファイバー製造方法において、長分子配列を有する高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、該紡出ノズルと該紡出ノズル開口方向に対向して金属球とを所定間隔を隔てて配置し、前記金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、該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を噴出する高速気流噴射ノズルを設け、該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により飛散させるナノファイバー生成部を構成し、該ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、前記ナノファイバー捕集部は前記ナノファイバー生成部から分離して所定距離を隔てて配置し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、高速気流噴射ノズルの高速気流によって進路を変更してナノファイバー捕集部に向けて飛散させて、捕集部の捕集面で捕集するようにしたことを特徴する。
請求項２の発明は、請求項１のナノファイバー製造方法において、前記ナノファイバー捕集部はドラム状又は板状であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１のナノファイバー製造方法において、前記高速気流噴射ノズルからの気流を包含するように、該気流速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流噴射ノズルを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の請求項１及び２のナノファイバー製造方法によれば、1つのノズルからのナノファイバーを紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となり、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法である。
請求項３のナノファイバー製造方法によれば、二次高速気流噴射ノズルの大量の気流で引火性有機溶媒を希釈することができるので爆発、火災の危険性がない。
【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説明する説明図、
【図３】図３(a)は図１での一次高速気流がマイナーループが生じることを説明する説明図、図３(b)は二次高速気流がマイナーループを解消することを説明する説明図、
【図４】実施例１で製造したポリウレタン(ＰＵ)のナノファイバーの５千倍率の顕微鏡写真の図、
【図５】実施例１で製造したポリウレタン(ＰＵ)のナノファイバーの千倍率の顕微鏡写真の図、
【図６】実施例２で製造したポリフッ化ビニリデン(PVDF）の５千倍率のナノファイバーの顕微鏡写真の図、
【図７】実施例２で製造したポリフッ化ビニリデン(PVDF）のナノファイバーの千万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Ａとナノファイバー捕集部Ｂとから構成されている。
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・有機高分子溶液ある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ウレタン(ＰＵ)を用いている。
図１の材料容器のシリンジ１には、材料であるポリウレタンを引火性有機溶媒であるＤＭＡc(ジメチルアセトアミド)で溶かして液状した高分子溶液Ｍ１を収納している。
このシリンジ１内の高分子溶液Ｍ１はプランジャー(吐出手段)１１で押し出しの圧力を受けている。押し出しの圧力は、例えば、ステッピング・モータとネジ送り機構（図示せず）によって、所定量を押し出すように構成されてもよい。押し出し圧力を受けた高分子溶液Ｍ１は、シリンジ１内で内圧が増加し、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Ｍ１を紡出する速度を調整する前述の調整手段(ステッピング・モータとネジ送り機構等)によって、適切な吐出速度に調整することが可能となる。
【００１２】
ところで、ＥＳＤ法の原理は、ポリウレタン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、比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、分子長自体が短いため、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Ｍ１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。また、高分子溶液Ｍ１は図１のようなシリンジ１ではなく、材料タンク、キャピラリー、箱形容器のいずれの形状でも良いことは勿論である。
【００１３】
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直径が約３cm程度の電極部３を形成する金属製の金属球３１と配置し、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４１が印加され、金属球３１には高電圧電源４１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４１により−３０KV程度の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Ｍ１にはプラスの電圧が印加され、紡出される高分子溶液Ｍ１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Ｍ１に与える電圧の極性はマイナスであってもよい。
【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３１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Ｍ１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く、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異なるが、効率良く帯電するような距離にすればよい。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、後述する高速気流噴射ノズル５(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ができ、これが本発明の重要な特徴の１つでもある。
また、本実施例１では、金属球３１と紡出ノズル２１の間を高電圧電源４１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のノズルユニットを複数で、いくら数を並列にしても小型の高電圧電源だけで十分である。
【００１５】
次に、前記金属球３１と紡出ノズル開口２１１との経路に、この経路に直交するように高速気流を噴出する一次高速気流噴射ノズル部５が配置される。この一次高速気流噴射ノズル部５の噴射ノズル５１からの一次高速気流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Ｍ１を開口２１１から吸い上げる力を発生させる。したがって、一次高速気流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。なお、噴射ノズル５１の配置位置が重要となるので、噴射ノズル５１の位置調整手段５２が設けられている。
また、この一次高速気流Ｘは、本実施例１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から捕集部Ｂ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の径し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程度である。
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、前記一次高速気流噴射ノズル部５と噴射ノズル５１より開口２１１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の乾燥した２００m/sec以上の高速気流Ｘを付与することである。
以上の説明から判るように、本発明のナノファイバーの製造方法の特徴は、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。ただし、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。
【００１６】
ところで、上述したように、ナノファイバーは基本的に一次高速気流噴射ノズル部５の噴射ノズル５１により生成されるが、図３(ａ)に示すように、この一次高速気流Ｘは渦状に逆流するマイナーループ気流Ｘ１が発生し、生成されたナノファイバーの一部がクーロン力により金属球３１に付着して捕集機能が著しく損なうことが判った。
また、生産力を多くするために、紡出ノズル２１の数を多くすると、一次高速気流Ｘで後述するナノファイバー捕集部Ｂに届く距離では、溶媒の乾燥が不完全でナノファイバー捕集部Ｂで溶媒の凝集が発生し、ナノファイバーを再度溶解することがある。
更に、本実施例１の場合にはＤＭＡcで高分子であるポリウレタンを溶かして溶液を使用しているが、一次高速気流Ｘだけの気流量では、引火性有機溶媒であるＤＭＡｃ等を希釈するには不十分となる場合に、爆発、火災の危険性がある。
そこで、本実施例１では、図３(ｂ)に示すように、噴射ノズル５１からの一次高速気流Ｘを包含するように、この一次高速気流の速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流Ｙを噴射する噴射ノズル６を設け、大量の空気を供給して、前述したマイナーループＸ１を直進する気流Ｘ２とするようにして、上記の問題点を解決している。なお、この二次高速気流Ｙは大量でありナノファイバーの生成には関与しないので、本実施例１では外気を用いている。
以上がナノファイバーの生成部で、シリンジ(材料容器)１、紡出ノズル部２、金属球３１、高電圧電源４１、一次高速気流噴射ノズル部５、二次高速気流の噴射ノズル６等から構成される、これを生成部装置枠体Ｃにまとめてユニット化している。
【００１７】
次に、ナノファイバーの捕集部Ｂを説明する。
ナノファイバー捕集部Ｂは、図１に示すように、アルミ箔等の金属板７１で表面を覆った回転ドラム７を設けて金属板７１を接地Ｇし、回転ドラム７の一次高速気流Ｘの上流側を前方として、その前方上下側に一対の電極８１,８２を配置し、第２の高電圧電源４２のプラス側を接続し、高電圧電源４２のマイナス側を接地して回転ドラム７の金属(電極)７１と上下電極８１,８２との間でコンデンサー結合を構成して電界を発生させ、回転ドラム７の前方の上流に電荷を発生させる。また、図示しないが、捕集部Ｂの捕集部装置枠体Ｄの内部を負圧にして、回転ドラム７の左右、上下から常に溶媒を希釈した気流をスクラバに回収して、ＤＭＡｃ等の引火性有機溶媒を装置の外部に漏れないようにしている。なお、この場合も、静電誘導で電荷を発生しているため、高電圧電源の消費電力は基本的には零であり、小型の高電圧電源だけで十分である。
このように、ナノファイバー捕集部Ｂは、回転ドラム７、金属板７１、電極８１,８２、高電圧電源４２から構成されるが、従来の捕集網とシートの摩擦と静電気によってシート走行が困難になることを防ぎ、ナノファイバー捕集部Ｂで捕集するナノファイバーが厚くなっても対処可能となり、捕集したナノファイバーの電荷がスムーズに放電させることができ、ナノファイバーの電荷によって、浮遊している電荷を除き、捕集効率の低下を防ぐことができる。
【００１８】
以上説明した実施例１のナノファイバー製造方法により、図４、図５の写真に示すような、ナノファイバーが得られた。
この場合の製造条件は次のようなものである。
[実施例１のジェットＥＳＤ法の条件]
基材：アルミ箔
材料：ポリウレタンペレット
溶媒：DMAc（ジメチルアセトアミド）
ナノファイバー生成部電圧：−３０KV
一次高速気流の圧力：０.３ＭＰa
二次高速気流の圧力：０.１ＭＰa
紡出量(吐出量)：２ｍＬ／min
ノズル開口から捕集面までの距離：１ｍ
ナノファイバー捕集部電圧：２０KV
上記の図４、図５は、実施例１(図１で上記の条件)で製造したポリウレタンのナノファイバーの５千倍率の図４、千倍率の顕微鏡写真であるが、図１の紡出ノズル３１からは１本のナノファイバーだけしか紡出されないが、ランダムな綾振り作用等によって、特に、図５では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。
【００１９】
ところで、実施例１では、ポリウレタン（PU）の溶剤としては、ＤＭＡｃの他にジメチルホルムアミド(ＤＭＦ)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フォン(Poly Ether Sulphone、PES）とジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ）、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、ポリ乳酸とテトラヒドロフラン（Tetrahydrofuran,THF)もしくはジメチルホルムアミド(ＤＭＦ)の組み合わせナノファイバーの製造として可能である。
【実施例２】
【００２０】
前記の組み合わせうち、高分子がポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride; PVDF）で溶媒をＤＭＡｃ(ジメチルアセトアミド）とし、実施例１の製造装置で製造条件を次のようにして製造したポリフッ化ビニリデンのナノファイバーの５千倍率の顕微鏡写真を図６に、千倍率の顕微鏡写真を図７に示す。
[実施例２のジェットＥＳＤ法の条件]
基材：アルミ箔
材料：ポリフッ化ビニリデンペレット
溶媒：DMAc（ジメチルアセトアミド）
ナノファイバー生成部電圧：−３０KV
一次高速気流の圧力：０.３ＭＰa
二次高速気流の圧力：０.１ＭＰa
紡出量(吐出量)：２ｍＬ／min
ノズル開口から捕集面までの距離：１ｍ
ナノファイバー捕集部電圧：２０KV
この図６、図７においても、１本のナノファイバーだけしか紡出されないが、ランダムな綾振り作用等によって、特に、図７では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。
【００２１】
以上説明したように、本発明の実施例１及び実施例２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の構成により、次のような作用・効果を有するものである。
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．ナノファイバー生成部と捕集部とが分離可能であり、装置が簡単で、メンテナンスも簡単となり、拡張性も高い。
３．温度・湿度の管理が簡単で、ナノファイバー繊維径の変動を３０％以内とすることが可能であり、ランニングコストが極めて安価である。
４．二次高速気流噴射ノズルの大量の気流で引火性有機溶媒を２０００ppm以下に希釈することができるので爆発、火災の危険性がない。
５．捕集部８の装置内部を負圧にして、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ようにしている。
６．ナノファイバー生成部及び捕集部では、静電誘導を応用することで、高電圧電源の消費電力は極めて少なくなる。
【００２２】
以上のように、本発明の実施例では、1つのノズルからのナノファイバーを紡出量を大幅に増やして大量生産が可能となり、ナノファイバーの生成部と捕集部を分離することができ、装置が簡単で、保守が容易であり、温度・湿度の管理が簡単でランニングコストの安価なナノファイバーの製造方法である。
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、ナノファイバー捕集部を回転ドラムとしたが、板状の組み合わせやベルト状でも良いことは勿論である。
【符号の説明】
【００２３】
Ａ・・ナノファイバー生成部、 Ｂ・・ナノファイバー捕集部、
Ｃ・・生成部装置枠体、Ｄ・・捕集部装置枠体
Ｅ・・電気力線、Ｇ・・接地、
Ｍ１・・高分子溶液、
Ｘ・・ （一次)高速気流、Ｙ・・二次高速気流
１・・シリンジ(材料容器)、１１・・プランジャー(吐出手段)、
１２・・ 配管、
２・・ 紡出ノズル部、２１・・紡出ノズル 、２１１開口
３・・電極部、３１・・金属球、
４１・・高電圧電源、
５・・(一次)高速気流噴射ノズル部、５１・・噴射ノズル、
５２・・位置調整手段、
６・・二次高速気流の噴射ノズル、
７・・回転ドラム、７１・・金属板
８１,８２・・電極、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長分子配列を有する高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、該紡出ノズルと該紡出ノズル開口方向に対向して金属球とを所定間隔を隔てて配置し、前記金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、該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を噴出する高速気流噴射ノズルを設け、該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により飛散させるナノファイバー生成部を構成し、
該ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、
前記ナノファイバー捕集部は前記ナノファイバー生成部から分離して所定距離を隔てて配置し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、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、捕集部の捕集面で捕集するようにしてナノファイバーを製造することを特徴とするナノファイバー製造方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のナノファイバー製造方法において、前記ナノファイバー捕集部はドラム状又は板状であることを特徴とするナノファイバー製造方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載のナノファイバー製造方法において、前記高速気流噴射ノズルからの気流を包含するように、該気流速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流噴射ノズルを設けたことを特徴とするナノファイバー製造方法。
【請求項１】
長分子配列を有する高分子材料を溶媒により溶融し加圧して金属製の紡出ノズルから紡出する紡出ノズルを設け、該紡出ノズルと該紡出ノズル開口方向に対向して金属球とを所定間隔を隔てて配置し、前記金属球と前記紡出ノズル開口との間に高電圧を印加し、該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を噴出する高速気流噴射ノズルを設け、該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により飛散させるナノファイバー生成部を構成し、
該ナノファイバー生成部からの飛散するナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集部を構成し、
前記ナノファイバー捕集部は前記ナノファイバー生成部から分離して所定距離を隔てて配置し、ナノファイバー生成部の紡出ノズル開口からの金属球に向かって紡出されるナノファイバーを、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、捕集部の捕集面で捕集するようにしてナノファイバーを製造することを特徴とするナノファイバー製造方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のナノファイバー製造方法において、前記ナノファイバー捕集部はドラム状又は板状であることを特徴とするナノファイバー製造方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載のナノファイバー製造方法において、前記高速気流噴射ノズルからの気流を包含するように、該気流速度よりは遅い気流を広範囲に噴射する二次高速気流噴射ノズルを設けたことを特徴とするナノファイバー製造方法。
【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２０１１−１２７２３４（Ｐ２０１１−１２７２３４Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８４５９５（Ｐ２００９−２８４５９５）
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【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２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【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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