ナノファイバー製造装置
【課題】簡単な構成の回転容器にて高分子溶液に確実に電荷を帯電させ、ナノファイバーを効率的に製造することができるナノファイバー製造装置を提供する。
【解決手段】複数の小穴２を外周に有しかつ少なくとも小穴２の周囲が導電性を有する回転容器１と、回転容器１を回転駆動するモータ１２と、回転容器１内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液１５を供給する溶液供給管１９と、回転容器１の回転により小穴２から流出する高分子溶液１５に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段２６とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器１の小穴２を、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板３０に形成した貫通開口にて構成し、あるいは小穴２の内周に突出する突起を設けて小穴２の周縁又は内周に突出する突起に電荷が集中するようにした。
【解決手段】複数の小穴２を外周に有しかつ少なくとも小穴２の周囲が導電性を有する回転容器１と、回転容器１を回転駆動するモータ１２と、回転容器１内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液１５を供給する溶液供給管１９と、回転容器１の回転により小穴２から流出する高分子溶液１５に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段２６とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器１の小穴２を、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板３０に形成した貫通開口にて構成し、あるいは小穴２の内周に突出する突起を設けて小穴２の周縁又は内周に突出する突起に電荷が集中するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造するナノファイバー製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法）が知られている。従来のエレクトロスピニング法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給することで、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電され、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次等と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。
【０００３】
また、こうして製造されたナノファイバーを電気的に接地された基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブを製造することができる。こうして製造された高多孔性ウェブはフィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用することができるとともに、このナノファイバーから成る高多孔性ウェブを適用することによってそれぞれの性能を飛躍的に向上させることが期待できる。
【０００４】
ところが、従来の電荷誘導紡糸法では、１本のノズルの先から１本から数本のナノファイバーしか製造されないので、高多孔性の高分子ウェブを生産しようとしても、生産性が上がらないために実現できないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に生成して高分子ウェブを製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記特許文献１に記載された高分子ウェブ製造装置の構成を、図８を参照して説明すると、複数のノズル４１を有する紡糸部４２にバレル４３内の液状高分子物質をポンプ４４にて送給し、高電圧発生部４５からノズル４１に５〜５０ｋＶの高電圧を印加し、接地又はノズル４１と異なる極性に帯電させたコレクタ４６上にノズル４１から排出されたファイバーを堆積させてウェブを形成するとともに、形成されたウェブをコレクタ４６にて移送して高分子ウェブを製造するように構成されている。また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設してノズル４１間の電気的干渉を最小化させるとともに、コレクタ４６との間に高電圧を印加し、帯電したファイバーをコレクタ４６に向けて付勢する電界を付与することも記載されている。さらに、紡糸部４２に、単一のノズル４１を複数設けるのではなく、複数本のノズルからなるマルチノズルを複数設けて構成し、各マルチノズルからそれぞれ複数本のナノファイバーを生成させるようにすることも開示されている。
【０００６】
ところが、図８に示された構成で、一層生産性よく高分子ウェブを製造するため、紡糸部４２におけるノズル４１の配置間隔を小さくし、単位面積当たりのノズル本数を多くしようとすると、各ノズル４１から流出した高分子物質が同極の電荷を帯電しているため互いに反発し合い、中央部のノズル４１からの流出が阻害されるとともに、周辺部のノズル４１からの流出方向が外側に向き、コレクタ４６上でのナノファイバーの堆積分布が中央部で極端に少なく、周辺部に集中してしまい、均一な高分子ウェブを製造することができないという問題がある。
【０００７】
また、ノズル１の先端近傍に電荷分配板４７を配設すると、ノズル４１間の電気的干渉を低減させるとともに、電荷分配板４７からコレクタ４６に向かう電界が形成されることで、各ノズル４１から流出した高分子物質をコレクタ４６に向けて加速させる作用が得られることで、中央部と周辺部とのナノファイバーの堆積分布の均一化をある程度図ることができるが、その一方でノズル４１の配置パターンがそのまま堆積分布に投影されるようになり、堆積分布の均一化に十分な効果を発揮するものではないという問題がある。
【０００８】
また、ノズル４１の配置密度を高くした場合、溶媒が十分に蒸発しない状態でファイバー同士が接触して互いに溶着してしまう恐れがあり、またノズル近傍の空間で蒸発した溶媒濃度が高くなって絶縁性が低下し、コロナ放電が発生してファイバーが形成されない恐れがあるという問題がある。また、多数のノズル４１を配設した場合に、各ノズル４１に対して均等に液状高分子物質を供給するのが困難であり、そのため装置構成が複雑になって設備コストが高くなるという問題がある。また、ノズル４１から流出した液状高分子物質に静電爆発を起させるためには電荷を集中させる必要があり、そのため各ノズル４１は細くて長い形状に形成されているが、多数の細くて長いノズル４１を常に適正な状態に維持するためのメンテナンスも極めて困難であるという問題がある。
【０００９】
そこで、本出願人は、先に図９に示すような構成のナノファイバーの製造装置を提案している（特願２００６−１８５８３３号参照）。図９において、円筒状の回転容器５１には、高電圧発生手段５３にて、１〜１００ｋＶの高電圧が印加され、内部に収容された高分子溶液５２に電荷を帯電させるように構成されている。回転容器５１の周面には、直径が０．０１〜２ｍｍ程度の小穴５４が数ｍｍピッチ間隔で多数形成され、かつ回転容器５１を高速で回転駆動するように構成されている。
【００１０】
具体構成としては、回転容器５１の軸芯部を貫通させた中心軸体５９の両端部を回転容器５１の両側に立設された支持部材５８に固定し、回転容器５１を軸受６０を介して中心軸体５９の回りに回転自在に支持し、かつ駆動モータ６１、駆動プーリ６２、従動プーリ６３及びベルト６４からなる回転駆動手段６５にて回転容器５１を回転駆動するように構成されている。支持部材５８、５８間には、回転容器５１の下部に適当距離あけて対向するように電気的に接地されたコレクタ６６が配設され、このコレクタ６６と回転容器５１との間に高電圧発生手段５３が介装され、回転容器５１に高電圧を印加するとともに、回転容器５１とコレクタ６６間に大きな電位差を付与し、帯電したナノファイバーがコレクタ６６に向けて移動してその上に堆積するように構成されている。また、中心軸体５９は一端が閉鎖された中空軸からなり、その中空部が高分子溶液５２の供給通路６７を構成しており、その下部に軸芯方向に適当間隔置きに配置形成された材料供給口６８から回転容器５１内にほぼ均等に所定量の高分子溶液５２を供給するように構成されている。
【００１１】
このような構成のナノファイバーの製造装置によれば、回転容器５１を高速で回転させると、高分子溶液５２に遠心力が作用して各小穴５４から高分子溶液５２が線状に流出するとともに、その線状の高分子溶液５２が遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成される。この高分子線状体がさらに遠心力の作用で大きく延伸されるとともにその溶媒が蒸発することで、高分子線状体の径が細くなり、その結果帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーが効率的に製造される。
【００１２】
また、回転容器５１には小穴５４を高密度に多数配設することができるので、多量のナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができ、また小穴５ ４から流出した高分子溶液５２をまず遠心力で延伸させるので、小穴５４を極端に小さくする必要がなく、かつ上記のように電荷を集中させるために長く形成する必要もないので、回転容器５１に小穴５４を設けるだけで良く、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴５４を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができる。
【００１３】
なお、図９の構成に一見類似したナノファイバー製造装置として、円筒形容器の外周から細長いノズルを突出させるとともに、その周囲を取り囲むようにリング状の収集体を配設し、円筒形容器と収集体との間に高電圧を印加し、円筒形容器内に高分子溶液を圧送してノズルから流出させ、電荷誘導紡糸法にてナノファイバーを生成し、かつ生成したナノファイバーを円筒形容器を回転させてリング状収集体に堆積させるようにした構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、このナノファイバー製造装置におけるナノファイバーの生成方法は、図８の例と基本的に同じであり、円筒形容器の回転はナノファイバーの配向を整えることを目的とするものである。又、ノズルを使用している為に、高分子溶液の粘度が高くなると、流路抵抗が大きくなり、ナノファイバーそのものが小穴から流出しないという問題も有していた。
【特許文献１】特開２００２−２０１５５９号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／１００６５４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、図９に示したナノファイバー製造装置の構成において、高分子溶液に対する電荷の帯電を確実に行うために、回転容器５１に設ける小穴５４を短寸のノズル部材にて構成すると、回転容器５１にノズル部材を取り付けるため回転容器５１の構成が複雑になってしまうという問題があり、また回転容器５１の構成部材とノズル部材の間に隙間が生じ、その隙間から高分子溶液が漏れるという問題があった。また、強度上必要な厚さの回転容器５１の外周壁に円孔を貫通形成して小穴５４とした場合には、遠心力で流出する高分子溶液に十分かつ確実に電荷を帯電させるのが困難で、効率的にナノファイバーを生成することができないという課題があることが判明した。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成の回転容器にて流出する高分子溶液に確実に電荷を帯電させることができて、ナノファイバーを効率的に製造することができるナノファイバー製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のナノファイバー製造装置は、複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴を、５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成したものである。
【００１７】
なお、高分子溶液としては、各種の合成樹脂材料に限らず、核酸や蛋白質などの生体高分子などの各種高分子物質（本発明では、分子量が１００００以上の一般的な高分子物質に限らず、分子量が１０００〜１００００の準高分子物質も含める）を溶媒に溶解したものが適用される。また、上記高分子物質は単体物に限らず、各種物質の混合物であっても良い。さらに、粒径がナノオーダーの微粉末を混合させた混合物であっても良く、その場合製造されるナノファイバー中に微粉末を含むことになる。また、高分子物質と溶媒の混合比率は、それらの種類によって異なるが、高分子物質の量が約５％から４０％の間が好ましく、さらに５％から２０％の間がより好ましい。また、高分子溶液に電荷を帯電させる電界は、回転容器の少なくとも小穴近傍と、この回転容器との間でナノファイバー生成空間を形成する収集体又は地球等の接地電位体との間に、高電圧発生手段にて電位差を発生させることで形成され、そのため高電圧発生手段による高電圧を回転容器と収集体の少 なくとも何れか一方に印加すればよく、回転容器は接地電位であっても良い。
【００１８】
この構成によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成されているので、その小穴の周縁に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生してナノファイバーを効率的に製造することができる。また、回転容器に小穴を設けた簡単な構成であるため、容易かつ安価に製作できるとともに、多数の小穴を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができるという利点がある。このような薄い金属製板材にすることで、小穴から流出する高分子溶液の流路抵抗を大きく減らすことができ、小穴の径を従来よりも小さくしても、安定してナノファイバーの生成を行うことができる。さらに、高分子溶液の粘度が高くなっても、小穴での流路抵抗が小さいので、安定して小穴から高分子溶液が流出するというメリットがある。
【００１９】
また、もう１つの本発明のナノファイバー製造装置は、上記のように回転容器の小穴を５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成する代わりに、回転容器の小穴の内周に少なくとも１つの突起を突設したものである。
【００２０】
この構成においても、小穴の内周に突設された突起の先端に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電されるため、上記と同様にナノファイバーを効率的に製造することができる。また、回転容器に小穴を設けた簡単な構成であることによる効果も同様に得られる。上記小穴は、その軸芯方向寸法が５０μｍ〜２．０ｍｍであると、上記作用が確実に得られて好適である。軸芯方向寸法が５０μｍ未満であると、必要な強度を確保することができず、２．０ｍｍを超えると電荷の集中が低減して高分子溶液に対する帯電性が低下してしまうことによる。
【００２１】
また、以上のナノファイバー製造装置において、小穴は、その開口断面積が、０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 であると、この小穴から流出する高分子溶液に確実に電荷を帯電させることができる。小穴の開口断面積は、高分子溶液の粘度と回転容器の径及び回転速度によって適切に設定されるが、０．０００１ｍｍ2 未満では、遠心力にて高分子溶液を円滑に流出させるのが困難になり、４．０ｍｍ2 を超えると、ナノファイバーを生成する静電爆発を高分子溶液に生じさせるのに必要な電荷を確実に帯電させるのが困難になる。
【００２２】
また、小穴は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工にて形成すると、所望の形状と大きさの複数の小穴を、精度良くかつ生産性良く形成することができて好適である。
【００２３】
また、回転容器の小穴を形成した部材に接して補強筒体を配設し、補強筒体には小穴に対向して小穴の最大径と同径又はそれ以上の径の貫通孔を設けると、小穴を形成する部材を上記のように厚さの薄い部材にて構成しても、高速にて回転駆動される回転容器に必要な強度を補強筒体にて確保することができる。補強筒体は、小穴を形成した部材の内周に接して配設しても、外周に接して配設しても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のナノファイバー製造装置によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成され、又は内周に突起が突設されているので、その小穴の周縁又は突起に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生し、簡単な構成にてナノファイバーを効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のナノファイバー製造装置の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
【００２６】
図１において、１は直径が２０〜５００ｍｍの円筒容器からなる回転容器であり、外周に小穴２が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている。回転容器１の一端は閉鎖板３にて閉鎖され、その閉鎖板３の軸芯部内面に結合ボス部４が突設されている。回転容器１の他端には環状堰部材５が配設され、その内側に開口６が形成されている。回転容器１の他端の開口６から回転容器１の軸芯位置を貫通して一端の閉鎖板３に向けて回転軸７が挿入され、その先端部が結合ボス部４のテーパ嵌合部８に嵌合されるとともに締結ボルト９にて締結されて結合固定されている。
【００２７】
回転軸７は、支持筒体１０の一端部に配設された軸受部１１にて水平軸芯回りに回転自在に支持されている。支持筒体１０の他端部には回転駆動手段としてのモータ１２が配設され、モータ１２の出力軸と回転軸７の他端とが軸継手１３を介して連結され、モータ１２にて回転軸７を介して回転容器１をその軸芯回りに数１００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ程度の範囲の回転速度で回転駆動可能に構成されている。支持筒体１０は、支持フレーム１４の上部に配設されている。
【００２８】
支持フレーム１４上には、ナノファイバーの材料である高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液１５を収容した収容容器１６が配置され、収容容器１６内の高分子溶液１５を、供給ポンプ１７にて吸入管１８を通して吸引し、先端部が開口６を通して回転容器１内に挿入された高分子溶液供給手段としての溶液供給管１９にて回転容器１内に所定流量で送給するように構成されている。
【００２９】
高分子溶液１５を構成する高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、さらには核酸や蛋白質などの生体高分子なども例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３０】
また、使用できる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくと も一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３１】
また、高分子溶液１５には無機質固体材料を混入することも可能である。その無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３２】
回転容器１内に高分子溶液１５を供給しつつモータ１２にて回転容器１を回転させることで、過剰に供給された高分子溶液１５は環状堰部材５を越して外部に流出し、回転容器１の内周全周に均一に上記環状堰部材５の高さ寸法に対応する厚さの高分子溶液１５の層が形成される。支持筒体１０の一端部外周に、回転容器１の他端部外周を取り囲むように回収手段２０が取り付けられている。この回収手段２０にて回転容器１から外部に流出した高分子溶液１５を回収し、回収した高分子溶液１５を戻し管２０ａを介して収容容器１６に戻すように構成されている。
【００３３】
収容容器１６には、高分子溶液１５の液面レベルを検出する液面センサ２１が設けられ、検出した液面レベルが一定レベルに低下すると、ギヤポンプなどの補給ポンプ２３にて貯留容器２２から収容容器１６に向けて送給管２４を通して高分子溶液１５を送給し、収容容器１６内の高分子溶液１５の液面レベルをほぼ一定範囲内に維持するように構成されている。これによって消費された高分子溶液１５に相当する量の高分子溶液１５が自動的に補給される。
【００３４】
回転容器１の一端側の側方には、適当距離あけて対向するように導電性を有するコレクタ２５が配設され、高電圧発生手段２６にて発生させた負（又は正）の１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧が印加されている。一方、回転容器１は接地手段２７にて接地電位とされている。この回転容器１とコレクタ２５との間の大きな電位差によってそれらの間に電界が形成されている。この電界によって、回転容器１の回転に伴う遠心力にて小穴２から流出する高分子溶液１５に電荷が帯電され、静電爆発にてナノファイバーが生成されるとともに、生成されたナノファイバーがコレクタ２５に向けて流動し、コレクタ２５上に収集・堆積される。このように回転容器１とコレクタ２５間に高電圧を印加することで、回転容器１とコレクタ２５の間に、例えば２ｍ程度の距離が離れていても、生成されたナノファイバーをコレクタ２５上に収集・堆積させることができる。なお、高電圧発生手段２６としては、スイッチ（ＳＷ）２６ａにて必要に応じて任意にオン・オフ切替できるものが好適である。
【００３５】
また、支持筒体１０の回転容器１とは反対側の側部に送風ファン２８が配設され、この送風ファン２８にて形成された矢印で示す気体流２９によって、回転容器１から流出・延伸されて生成されたナノファイバーをコレクタ２５に向けて流動させるとともに、蒸発した溶媒をナノファイバーを生成する場から速やかに排除してナノファイバーの生成作用を促進するように構成されている。
【００３６】
以上のような全体構成のナノファイバー製造装置において、回転容器１、特にその小穴２の構成について、図２〜図５を参照して説明する。図２、図３において、小穴２は、厚さｔが、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板３０（具体例としては酸やアルカリに強く、錆難いステンレス薄鋼板）に形成した、開口面積が０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 の円形又は 異形の貫通開口（図示例では円形）にて構成されている。金属薄板３０に対する小穴２の形成は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工等にて形成される。このように、厚さｔを大幅に薄くしたので、小穴から流出する高分子溶液の流路抵抗を大きく減らすことができ、小穴の径を従来よりも小さくしても、安定してナノファイバーの生成を行うことができる。さらに、高分子溶液の粘度が高くなっても、小穴での流路抵抗が小さいので、安定して小穴から高分子溶液が流出するというメリットがある。
【００３７】
回転容器１の周壁をこのような金属薄板３０のみで構成すると必要な強度を確保することができないので、金属薄板３０の内周に接して所要の肉厚を有する補強筒体３１を配設し、この補強筒体３１の両端を閉鎖板３と環状堰部材５に離脱可能に結合固定して回転容器１を構成している。具体的には、閉鎖板３及び環状堰部材５の内側面に突設した環状突部３ａ、５ａの外周に形成した螺合部３２に補強筒体３１の両端部内周を螺合させて固定している。螺合部３２の奥端には適宜シール手段（図示せず）が配設されている。補強筒体３１の材質は特に限定されず、金属製でも、合成樹脂等の非導電性材料でも良い。補強筒体３１には、小穴２に対向して小穴２の最大径ｄと同径又はそれ以上の径Ｄの貫通孔３３が形成され、回転容器１内の高分子溶液１５が抵抗なく円滑に小穴２に向けて流動するように構成されている。
【００３８】
金属薄板３０と補強筒体３１は、図４に示すように、補強筒体３１の外周に筒状に形成した金属薄板３０を外嵌させることで容易に組み合わされる。また、金属薄板３０は、図５（ａ）に示すように、平板状態で上記のようにエッチング若しくはパンチング又はレーザ加工等にて小穴２を加工した後、図５（ｂ）に示すように、円筒状に成形し、両側端縁の突き合せ部３４を溶接等で一体接合して構成するのが好適である。
【００３９】
なお、図示例では、金属薄板３０の内周に接して補強筒体３１を配設したが、金属薄板３０の外周に接するように補強筒体３１を配設しても良い。この場合、貫通孔３３の径を小穴２の最大径よりも大きくして、小穴２から流出した高分子溶液１５が補強筒体１の貫通孔３３に接することなく流出するようにするのが好ましい。また、この場合には金属薄板３０に作用する遠心力が補強筒体３１の内周で受けられるので、金属薄板３０の両側端縁の突き合せ部３４を必ずしも溶接等で一体接合する必要はなく、回転容器１の製造工程を簡略化できる。
【００４０】
以上の構成において、溶液供給管１９を通して所定量の高分子溶液１５を回転容器１内に供給し、コレクタ２５に対して高電圧発生手段２６にて所定の高電圧を印加して回転容器１とコレクタ２５間に電界を発生させることで、回転容器１の小穴２の周縁に電荷が帯電する。その際、小穴２が５０μｍ〜５００μｍの薄い板厚の金属薄板３０にて形成されているので、その小穴２の周縁に電荷が集中して帯電する。また、小穴２の開口断面積を０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 としているので、この小穴２から流出する高分子溶液１５に確実に電荷を帯電させることができる。この状態でモータ１２にて回転容器１を高速回転させることで、回転容器１内に収容された高分子溶液１５が遠心力の作用を受けて小穴２から線状に流出するとともに、その際に小穴２の周縁に集中した電荷よって高分子溶液１５が確実に帯電され、電荷を帯電された高分子線状体が形成される。この高分子線状体がさらに遠心力で大きく延伸されて径が細くなるとともに、溶媒が蒸発することで一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的にさらに延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、複数の小穴２から流出した高分子溶液線状体からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーが製造される。
【００４１】
ここで、小穴２を細長いノズルにて構成しなくても回転容器１の小穴２から流出して形成された高分子溶液線状体が遠心力で大きく延伸され、また高分子溶液線状体が小穴２から放射状に流出して電界干渉を受け難いために高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸させることができ、多量のナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができる。また、回転容器１の全周から均一に多量のナノファイバーを一度に製造することができ、高い生産性を確保することができるとともに、形状・構成が簡単であるため設備コストの低廉化を図ることができる。また、小穴２は金属薄板３０に形成したものであるため、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴２を設けていてもメンテナンスも簡単である。
【００４２】
また、小穴２に目詰まりを生じた場合などのメンテナンス時には、締結ボルト９を取り外すことによって、回転容器１を回転軸７から取り外して回転容器１を簡単に交換することができ、ナノファイバー製造の中断時間を短くできて高い生産性を確保することができ、また取り外した回転容器１においても、補強筒体３１から閉鎖板３又は環状堰部材５を取り外すことによって筒状の金属薄板３０を補強筒体３１から抜き出すことができ、作業性良く金属薄板３０を清掃して小穴２の目詰まり等を解消することができる。
【００４３】
以上の説明においては、小穴２の形状が円形の例を示したが、図６に示すように、小穴２の内周に少なくとも１つの突起３５を突設した異形の小穴形状としても良い。このように、小穴２の内周に突起３５を設けると、この突起３５の先端に電荷が集中するため、小穴２から流出する高分子溶液１５に対してより効果的に帯電させることができ、ナノファイバーを一層効率的に製造することができる。
【００４４】
また、図６の例では、円形の小穴２の内周の一部に突起３５を突設したが、小穴２と突起３５の形態はこれに限定されるものではなく、例えば図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、小穴２を手裏剣形状や星形状や十字形状や米印形状等の任意の形状に形成して、内側に突出する複数の突起３５を形成しても良い。
【００４５】
このように小穴２の内周に突出する突起３５を設けて電荷を集中させるようにした場合には、小穴２を形成する部材は、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板である必要はなく、小穴２の軸芯方向寸法が大きくても、上記作用効果を奏することができる。しかし、小穴２の軸芯方向寸法を５０μｍ〜２．０ｍｍとすることによって、上記作用がより確実に得られて好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のナノファイバー製造装置によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成され、又は内周に突起が突設されているので、その小穴の周縁又は突起に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生し、簡単な構成にてナノファイバーを効率的に製造することができ、各種高分子ナノファイバーの製造に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態におけるナノファイバー製造装置の縦断正面図。
【図２】同実施形態の回転容器の詳細縦断正面図。
【図３】同回転容器の小穴部分の拡大断面図。
【図４】同回転容器における金属薄板と補強筒体の組み合わせ工程の説明図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は同回転容器における金属薄板の製造工程の説明図。
【図６】同回転容器の小穴の他の構成例の正面図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は同回転容器の小穴の各種変形構成例の正面図。
【図８】従来例の高分子ウェブの製造装置の概略構成図。
【図９】本発明に先行して開発したナノファイバー製造装置の縦断正面図。
【符号の説明】
【００４８】
１ 回転容器
２ 小穴
１２ モータ（回転駆動手段）
１５ 高分子溶液
１９ 溶液供給管（高分子溶液供給手段）
２６ 高電圧発生手段
３０ 金属薄板
３１ 補強筒体
３３ 貫通孔
３５ 突起
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造するナノファイバー製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法）が知られている。従来のエレクトロスピニング法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給することで、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電され、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次等と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。
【０００３】
また、こうして製造されたナノファイバーを電気的に接地された基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブを製造することができる。こうして製造された高多孔性ウェブはフィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用することができるとともに、このナノファイバーから成る高多孔性ウェブを適用することによってそれぞれの性能を飛躍的に向上させることが期待できる。
【０００４】
ところが、従来の電荷誘導紡糸法では、１本のノズルの先から１本から数本のナノファイバーしか製造されないので、高多孔性の高分子ウェブを生産しようとしても、生産性が上がらないために実現できないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に生成して高分子ウェブを製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記特許文献１に記載された高分子ウェブ製造装置の構成を、図８を参照して説明すると、複数のノズル４１を有する紡糸部４２にバレル４３内の液状高分子物質をポンプ４４にて送給し、高電圧発生部４５からノズル４１に５〜５０ｋＶの高電圧を印加し、接地又はノズル４１と異なる極性に帯電させたコレクタ４６上にノズル４１から排出されたファイバーを堆積させてウェブを形成するとともに、形成されたウェブをコレクタ４６にて移送して高分子ウェブを製造するように構成されている。また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設してノズル４１間の電気的干渉を最小化させるとともに、コレクタ４６との間に高電圧を印加し、帯電したファイバーをコレクタ４６に向けて付勢する電界を付与することも記載されている。さらに、紡糸部４２に、単一のノズル４１を複数設けるのではなく、複数本のノズルからなるマルチノズルを複数設けて構成し、各マルチノズルからそれぞれ複数本のナノファイバーを生成させるようにすることも開示されている。
【０００６】
ところが、図８に示された構成で、一層生産性よく高分子ウェブを製造するため、紡糸部４２におけるノズル４１の配置間隔を小さくし、単位面積当たりのノズル本数を多くしようとすると、各ノズル４１から流出した高分子物質が同極の電荷を帯電しているため互いに反発し合い、中央部のノズル４１からの流出が阻害されるとともに、周辺部のノズル４１からの流出方向が外側に向き、コレクタ４６上でのナノファイバーの堆積分布が中央部で極端に少なく、周辺部に集中してしまい、均一な高分子ウェブを製造することができないという問題がある。
【０００７】
また、ノズル１の先端近傍に電荷分配板４７を配設すると、ノズル４１間の電気的干渉を低減させるとともに、電荷分配板４７からコレクタ４６に向かう電界が形成されることで、各ノズル４１から流出した高分子物質をコレクタ４６に向けて加速させる作用が得られることで、中央部と周辺部とのナノファイバーの堆積分布の均一化をある程度図ることができるが、その一方でノズル４１の配置パターンがそのまま堆積分布に投影されるようになり、堆積分布の均一化に十分な効果を発揮するものではないという問題がある。
【０００８】
また、ノズル４１の配置密度を高くした場合、溶媒が十分に蒸発しない状態でファイバー同士が接触して互いに溶着してしまう恐れがあり、またノズル近傍の空間で蒸発した溶媒濃度が高くなって絶縁性が低下し、コロナ放電が発生してファイバーが形成されない恐れがあるという問題がある。また、多数のノズル４１を配設した場合に、各ノズル４１に対して均等に液状高分子物質を供給するのが困難であり、そのため装置構成が複雑になって設備コストが高くなるという問題がある。また、ノズル４１から流出した液状高分子物質に静電爆発を起させるためには電荷を集中させる必要があり、そのため各ノズル４１は細くて長い形状に形成されているが、多数の細くて長いノズル４１を常に適正な状態に維持するためのメンテナンスも極めて困難であるという問題がある。
【０００９】
そこで、本出願人は、先に図９に示すような構成のナノファイバーの製造装置を提案している（特願２００６−１８５８３３号参照）。図９において、円筒状の回転容器５１には、高電圧発生手段５３にて、１〜１００ｋＶの高電圧が印加され、内部に収容された高分子溶液５２に電荷を帯電させるように構成されている。回転容器５１の周面には、直径が０．０１〜２ｍｍ程度の小穴５４が数ｍｍピッチ間隔で多数形成され、かつ回転容器５１を高速で回転駆動するように構成されている。
【００１０】
具体構成としては、回転容器５１の軸芯部を貫通させた中心軸体５９の両端部を回転容器５１の両側に立設された支持部材５８に固定し、回転容器５１を軸受６０を介して中心軸体５９の回りに回転自在に支持し、かつ駆動モータ６１、駆動プーリ６２、従動プーリ６３及びベルト６４からなる回転駆動手段６５にて回転容器５１を回転駆動するように構成されている。支持部材５８、５８間には、回転容器５１の下部に適当距離あけて対向するように電気的に接地されたコレクタ６６が配設され、このコレクタ６６と回転容器５１との間に高電圧発生手段５３が介装され、回転容器５１に高電圧を印加するとともに、回転容器５１とコレクタ６６間に大きな電位差を付与し、帯電したナノファイバーがコレクタ６６に向けて移動してその上に堆積するように構成されている。また、中心軸体５９は一端が閉鎖された中空軸からなり、その中空部が高分子溶液５２の供給通路６７を構成しており、その下部に軸芯方向に適当間隔置きに配置形成された材料供給口６８から回転容器５１内にほぼ均等に所定量の高分子溶液５２を供給するように構成されている。
【００１１】
このような構成のナノファイバーの製造装置によれば、回転容器５１を高速で回転させると、高分子溶液５２に遠心力が作用して各小穴５４から高分子溶液５２が線状に流出するとともに、その線状の高分子溶液５２が遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成される。この高分子線状体がさらに遠心力の作用で大きく延伸されるとともにその溶媒が蒸発することで、高分子線状体の径が細くなり、その結果帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーが効率的に製造される。
【００１２】
また、回転容器５１には小穴５４を高密度に多数配設することができるので、多量のナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができ、また小穴５ ４から流出した高分子溶液５２をまず遠心力で延伸させるので、小穴５４を極端に小さくする必要がなく、かつ上記のように電荷を集中させるために長く形成する必要もないので、回転容器５１に小穴５４を設けるだけで良く、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴５４を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができる。
【００１３】
なお、図９の構成に一見類似したナノファイバー製造装置として、円筒形容器の外周から細長いノズルを突出させるとともに、その周囲を取り囲むようにリング状の収集体を配設し、円筒形容器と収集体との間に高電圧を印加し、円筒形容器内に高分子溶液を圧送してノズルから流出させ、電荷誘導紡糸法にてナノファイバーを生成し、かつ生成したナノファイバーを円筒形容器を回転させてリング状収集体に堆積させるようにした構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、このナノファイバー製造装置におけるナノファイバーの生成方法は、図８の例と基本的に同じであり、円筒形容器の回転はナノファイバーの配向を整えることを目的とするものである。又、ノズルを使用している為に、高分子溶液の粘度が高くなると、流路抵抗が大きくなり、ナノファイバーそのものが小穴から流出しないという問題も有していた。
【特許文献１】特開２００２−２０１５５９号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／１００６５４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、図９に示したナノファイバー製造装置の構成において、高分子溶液に対する電荷の帯電を確実に行うために、回転容器５１に設ける小穴５４を短寸のノズル部材にて構成すると、回転容器５１にノズル部材を取り付けるため回転容器５１の構成が複雑になってしまうという問題があり、また回転容器５１の構成部材とノズル部材の間に隙間が生じ、その隙間から高分子溶液が漏れるという問題があった。また、強度上必要な厚さの回転容器５１の外周壁に円孔を貫通形成して小穴５４とした場合には、遠心力で流出する高分子溶液に十分かつ確実に電荷を帯電させるのが困難で、効率的にナノファイバーを生成することができないという課題があることが判明した。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成の回転容器にて流出する高分子溶液に確実に電荷を帯電させることができて、ナノファイバーを効率的に製造することができるナノファイバー製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のナノファイバー製造装置は、複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴を、５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成したものである。
【００１７】
なお、高分子溶液としては、各種の合成樹脂材料に限らず、核酸や蛋白質などの生体高分子などの各種高分子物質（本発明では、分子量が１００００以上の一般的な高分子物質に限らず、分子量が１０００〜１００００の準高分子物質も含める）を溶媒に溶解したものが適用される。また、上記高分子物質は単体物に限らず、各種物質の混合物であっても良い。さらに、粒径がナノオーダーの微粉末を混合させた混合物であっても良く、その場合製造されるナノファイバー中に微粉末を含むことになる。また、高分子物質と溶媒の混合比率は、それらの種類によって異なるが、高分子物質の量が約５％から４０％の間が好ましく、さらに５％から２０％の間がより好ましい。また、高分子溶液に電荷を帯電させる電界は、回転容器の少なくとも小穴近傍と、この回転容器との間でナノファイバー生成空間を形成する収集体又は地球等の接地電位体との間に、高電圧発生手段にて電位差を発生させることで形成され、そのため高電圧発生手段による高電圧を回転容器と収集体の少 なくとも何れか一方に印加すればよく、回転容器は接地電位であっても良い。
【００１８】
この構成によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成されているので、その小穴の周縁に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生してナノファイバーを効率的に製造することができる。また、回転容器に小穴を設けた簡単な構成であるため、容易かつ安価に製作できるとともに、多数の小穴を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができるという利点がある。このような薄い金属製板材にすることで、小穴から流出する高分子溶液の流路抵抗を大きく減らすことができ、小穴の径を従来よりも小さくしても、安定してナノファイバーの生成を行うことができる。さらに、高分子溶液の粘度が高くなっても、小穴での流路抵抗が小さいので、安定して小穴から高分子溶液が流出するというメリットがある。
【００１９】
また、もう１つの本発明のナノファイバー製造装置は、上記のように回転容器の小穴を５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成する代わりに、回転容器の小穴の内周に少なくとも１つの突起を突設したものである。
【００２０】
この構成においても、小穴の内周に突設された突起の先端に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電されるため、上記と同様にナノファイバーを効率的に製造することができる。また、回転容器に小穴を設けた簡単な構成であることによる効果も同様に得られる。上記小穴は、その軸芯方向寸法が５０μｍ〜２．０ｍｍであると、上記作用が確実に得られて好適である。軸芯方向寸法が５０μｍ未満であると、必要な強度を確保することができず、２．０ｍｍを超えると電荷の集中が低減して高分子溶液に対する帯電性が低下してしまうことによる。
【００２１】
また、以上のナノファイバー製造装置において、小穴は、その開口断面積が、０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 であると、この小穴から流出する高分子溶液に確実に電荷を帯電させることができる。小穴の開口断面積は、高分子溶液の粘度と回転容器の径及び回転速度によって適切に設定されるが、０．０００１ｍｍ2 未満では、遠心力にて高分子溶液を円滑に流出させるのが困難になり、４．０ｍｍ2 を超えると、ナノファイバーを生成する静電爆発を高分子溶液に生じさせるのに必要な電荷を確実に帯電させるのが困難になる。
【００２２】
また、小穴は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工にて形成すると、所望の形状と大きさの複数の小穴を、精度良くかつ生産性良く形成することができて好適である。
【００２３】
また、回転容器の小穴を形成した部材に接して補強筒体を配設し、補強筒体には小穴に対向して小穴の最大径と同径又はそれ以上の径の貫通孔を設けると、小穴を形成する部材を上記のように厚さの薄い部材にて構成しても、高速にて回転駆動される回転容器に必要な強度を補強筒体にて確保することができる。補強筒体は、小穴を形成した部材の内周に接して配設しても、外周に接して配設しても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のナノファイバー製造装置によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成され、又は内周に突起が突設されているので、その小穴の周縁又は突起に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生し、簡単な構成にてナノファイバーを効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のナノファイバー製造装置の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
【００２６】
図１において、１は直径が２０〜５００ｍｍの円筒容器からなる回転容器であり、外周に小穴２が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている。回転容器１の一端は閉鎖板３にて閉鎖され、その閉鎖板３の軸芯部内面に結合ボス部４が突設されている。回転容器１の他端には環状堰部材５が配設され、その内側に開口６が形成されている。回転容器１の他端の開口６から回転容器１の軸芯位置を貫通して一端の閉鎖板３に向けて回転軸７が挿入され、その先端部が結合ボス部４のテーパ嵌合部８に嵌合されるとともに締結ボルト９にて締結されて結合固定されている。
【００２７】
回転軸７は、支持筒体１０の一端部に配設された軸受部１１にて水平軸芯回りに回転自在に支持されている。支持筒体１０の他端部には回転駆動手段としてのモータ１２が配設され、モータ１２の出力軸と回転軸７の他端とが軸継手１３を介して連結され、モータ１２にて回転軸７を介して回転容器１をその軸芯回りに数１００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ程度の範囲の回転速度で回転駆動可能に構成されている。支持筒体１０は、支持フレーム１４の上部に配設されている。
【００２８】
支持フレーム１４上には、ナノファイバーの材料である高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液１５を収容した収容容器１６が配置され、収容容器１６内の高分子溶液１５を、供給ポンプ１７にて吸入管１８を通して吸引し、先端部が開口６を通して回転容器１内に挿入された高分子溶液供給手段としての溶液供給管１９にて回転容器１内に所定流量で送給するように構成されている。
【００２９】
高分子溶液１５を構成する高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、さらには核酸や蛋白質などの生体高分子なども例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３０】
また、使用できる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくと も一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３１】
また、高分子溶液１５には無機質固体材料を混入することも可能である。その無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３２】
回転容器１内に高分子溶液１５を供給しつつモータ１２にて回転容器１を回転させることで、過剰に供給された高分子溶液１５は環状堰部材５を越して外部に流出し、回転容器１の内周全周に均一に上記環状堰部材５の高さ寸法に対応する厚さの高分子溶液１５の層が形成される。支持筒体１０の一端部外周に、回転容器１の他端部外周を取り囲むように回収手段２０が取り付けられている。この回収手段２０にて回転容器１から外部に流出した高分子溶液１５を回収し、回収した高分子溶液１５を戻し管２０ａを介して収容容器１６に戻すように構成されている。
【００３３】
収容容器１６には、高分子溶液１５の液面レベルを検出する液面センサ２１が設けられ、検出した液面レベルが一定レベルに低下すると、ギヤポンプなどの補給ポンプ２３にて貯留容器２２から収容容器１６に向けて送給管２４を通して高分子溶液１５を送給し、収容容器１６内の高分子溶液１５の液面レベルをほぼ一定範囲内に維持するように構成されている。これによって消費された高分子溶液１５に相当する量の高分子溶液１５が自動的に補給される。
【００３４】
回転容器１の一端側の側方には、適当距離あけて対向するように導電性を有するコレクタ２５が配設され、高電圧発生手段２６にて発生させた負（又は正）の１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧が印加されている。一方、回転容器１は接地手段２７にて接地電位とされている。この回転容器１とコレクタ２５との間の大きな電位差によってそれらの間に電界が形成されている。この電界によって、回転容器１の回転に伴う遠心力にて小穴２から流出する高分子溶液１５に電荷が帯電され、静電爆発にてナノファイバーが生成されるとともに、生成されたナノファイバーがコレクタ２５に向けて流動し、コレクタ２５上に収集・堆積される。このように回転容器１とコレクタ２５間に高電圧を印加することで、回転容器１とコレクタ２５の間に、例えば２ｍ程度の距離が離れていても、生成されたナノファイバーをコレクタ２５上に収集・堆積させることができる。なお、高電圧発生手段２６としては、スイッチ（ＳＷ）２６ａにて必要に応じて任意にオン・オフ切替できるものが好適である。
【００３５】
また、支持筒体１０の回転容器１とは反対側の側部に送風ファン２８が配設され、この送風ファン２８にて形成された矢印で示す気体流２９によって、回転容器１から流出・延伸されて生成されたナノファイバーをコレクタ２５に向けて流動させるとともに、蒸発した溶媒をナノファイバーを生成する場から速やかに排除してナノファイバーの生成作用を促進するように構成されている。
【００３６】
以上のような全体構成のナノファイバー製造装置において、回転容器１、特にその小穴２の構成について、図２〜図５を参照して説明する。図２、図３において、小穴２は、厚さｔが、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板３０（具体例としては酸やアルカリに強く、錆難いステンレス薄鋼板）に形成した、開口面積が０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 の円形又は 異形の貫通開口（図示例では円形）にて構成されている。金属薄板３０に対する小穴２の形成は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工等にて形成される。このように、厚さｔを大幅に薄くしたので、小穴から流出する高分子溶液の流路抵抗を大きく減らすことができ、小穴の径を従来よりも小さくしても、安定してナノファイバーの生成を行うことができる。さらに、高分子溶液の粘度が高くなっても、小穴での流路抵抗が小さいので、安定して小穴から高分子溶液が流出するというメリットがある。
【００３７】
回転容器１の周壁をこのような金属薄板３０のみで構成すると必要な強度を確保することができないので、金属薄板３０の内周に接して所要の肉厚を有する補強筒体３１を配設し、この補強筒体３１の両端を閉鎖板３と環状堰部材５に離脱可能に結合固定して回転容器１を構成している。具体的には、閉鎖板３及び環状堰部材５の内側面に突設した環状突部３ａ、５ａの外周に形成した螺合部３２に補強筒体３１の両端部内周を螺合させて固定している。螺合部３２の奥端には適宜シール手段（図示せず）が配設されている。補強筒体３１の材質は特に限定されず、金属製でも、合成樹脂等の非導電性材料でも良い。補強筒体３１には、小穴２に対向して小穴２の最大径ｄと同径又はそれ以上の径Ｄの貫通孔３３が形成され、回転容器１内の高分子溶液１５が抵抗なく円滑に小穴２に向けて流動するように構成されている。
【００３８】
金属薄板３０と補強筒体３１は、図４に示すように、補強筒体３１の外周に筒状に形成した金属薄板３０を外嵌させることで容易に組み合わされる。また、金属薄板３０は、図５（ａ）に示すように、平板状態で上記のようにエッチング若しくはパンチング又はレーザ加工等にて小穴２を加工した後、図５（ｂ）に示すように、円筒状に成形し、両側端縁の突き合せ部３４を溶接等で一体接合して構成するのが好適である。
【００３９】
なお、図示例では、金属薄板３０の内周に接して補強筒体３１を配設したが、金属薄板３０の外周に接するように補強筒体３１を配設しても良い。この場合、貫通孔３３の径を小穴２の最大径よりも大きくして、小穴２から流出した高分子溶液１５が補強筒体１の貫通孔３３に接することなく流出するようにするのが好ましい。また、この場合には金属薄板３０に作用する遠心力が補強筒体３１の内周で受けられるので、金属薄板３０の両側端縁の突き合せ部３４を必ずしも溶接等で一体接合する必要はなく、回転容器１の製造工程を簡略化できる。
【００４０】
以上の構成において、溶液供給管１９を通して所定量の高分子溶液１５を回転容器１内に供給し、コレクタ２５に対して高電圧発生手段２６にて所定の高電圧を印加して回転容器１とコレクタ２５間に電界を発生させることで、回転容器１の小穴２の周縁に電荷が帯電する。その際、小穴２が５０μｍ〜５００μｍの薄い板厚の金属薄板３０にて形成されているので、その小穴２の周縁に電荷が集中して帯電する。また、小穴２の開口断面積を０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 としているので、この小穴２から流出する高分子溶液１５に確実に電荷を帯電させることができる。この状態でモータ１２にて回転容器１を高速回転させることで、回転容器１内に収容された高分子溶液１５が遠心力の作用を受けて小穴２から線状に流出するとともに、その際に小穴２の周縁に集中した電荷よって高分子溶液１５が確実に帯電され、電荷を帯電された高分子線状体が形成される。この高分子線状体がさらに遠心力で大きく延伸されて径が細くなるとともに、溶媒が蒸発することで一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的にさらに延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、複数の小穴２から流出した高分子溶液線状体からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーが製造される。
【００４１】
ここで、小穴２を細長いノズルにて構成しなくても回転容器１の小穴２から流出して形成された高分子溶液線状体が遠心力で大きく延伸され、また高分子溶液線状体が小穴２から放射状に流出して電界干渉を受け難いために高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸させることができ、多量のナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができる。また、回転容器１の全周から均一に多量のナノファイバーを一度に製造することができ、高い生産性を確保することができるとともに、形状・構成が簡単であるため設備コストの低廉化を図ることができる。また、小穴２は金属薄板３０に形成したものであるため、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴２を設けていてもメンテナンスも簡単である。
【００４２】
また、小穴２に目詰まりを生じた場合などのメンテナンス時には、締結ボルト９を取り外すことによって、回転容器１を回転軸７から取り外して回転容器１を簡単に交換することができ、ナノファイバー製造の中断時間を短くできて高い生産性を確保することができ、また取り外した回転容器１においても、補強筒体３１から閉鎖板３又は環状堰部材５を取り外すことによって筒状の金属薄板３０を補強筒体３１から抜き出すことができ、作業性良く金属薄板３０を清掃して小穴２の目詰まり等を解消することができる。
【００４３】
以上の説明においては、小穴２の形状が円形の例を示したが、図６に示すように、小穴２の内周に少なくとも１つの突起３５を突設した異形の小穴形状としても良い。このように、小穴２の内周に突起３５を設けると、この突起３５の先端に電荷が集中するため、小穴２から流出する高分子溶液１５に対してより効果的に帯電させることができ、ナノファイバーを一層効率的に製造することができる。
【００４４】
また、図６の例では、円形の小穴２の内周の一部に突起３５を突設したが、小穴２と突起３５の形態はこれに限定されるものではなく、例えば図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、小穴２を手裏剣形状や星形状や十字形状や米印形状等の任意の形状に形成して、内側に突出する複数の突起３５を形成しても良い。
【００４５】
このように小穴２の内周に突出する突起３５を設けて電荷を集中させるようにした場合には、小穴２を形成する部材は、５０μｍ〜５００μｍの金属薄板である必要はなく、小穴２の軸芯方向寸法が大きくても、上記作用効果を奏することができる。しかし、小穴２の軸芯方向寸法を５０μｍ〜２．０ｍｍとすることによって、上記作用がより確実に得られて好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のナノファイバー製造装置によれば、回転容器の回転に伴う遠心力にて高分子溶液が流出する小穴を、金属製板材に形成した貫通開口にて構成しているので、ノズル部材を取り付ける場合のように構成が複雑になったり、隙間から高分子溶液が漏れるようなことがなく、かつ小穴が５０μｍ〜５００μｍの薄い金属製板材にて形成され、又は内周に突起が突設されているので、その小穴の周縁又は突起に電荷が集中し、その電荷が小穴から流出する高分子溶液に対して確実に帯電され、それによって静電爆発が確実に発生し、簡単な構成にてナノファイバーを効率的に製造することができ、各種高分子ナノファイバーの製造に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態におけるナノファイバー製造装置の縦断正面図。
【図２】同実施形態の回転容器の詳細縦断正面図。
【図３】同回転容器の小穴部分の拡大断面図。
【図４】同回転容器における金属薄板と補強筒体の組み合わせ工程の説明図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は同回転容器における金属薄板の製造工程の説明図。
【図６】同回転容器の小穴の他の構成例の正面図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は同回転容器の小穴の各種変形構成例の正面図。
【図８】従来例の高分子ウェブの製造装置の概略構成図。
【図９】本発明に先行して開発したナノファイバー製造装置の縦断正面図。
【符号の説明】
【００４８】
１ 回転容器
２ 小穴
１２ モータ（回転駆動手段）
１５ 高分子溶液
１９ 溶液供給管（高分子溶液供給手段）
２６ 高電圧発生手段
３０ 金属薄板
３１ 補強筒体
３３ 貫通孔
３５ 突起
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴を、５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成したことを特徴とするナノファイバー製造装置。
【請求項２】
複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴の内周に少なくとも１つの突起を突設したことを特徴とするナノファイバー製造装置。
【請求項３】
小穴は、その軸芯方向寸法が５０μｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項２記載のナノファイバー製造装置。
【請求項４】
小穴は、その開口断面積が、０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【請求項５】
小穴は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工にて形成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【請求項６】
回転容器の小穴を形成した部材に接して補強筒体を配設し、補強筒体には小穴に対向して小穴の最大径と同径又はそれ以上の径の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【請求項１】
複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴を、５０μｍ〜５００μｍの金属製板材に形成した貫通開口にて構成したことを特徴とするナノファイバー製造装置。
【請求項２】
複数の小穴を外周に有しかつ少なくとも小穴の周囲が導電性を有する回転容器と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器の回転により小穴から流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界を形成する高電圧発生手段とを備えたナノファイバーの製造装置において、回転容器の小穴の内周に少なくとも１つの突起を突設したことを特徴とするナノファイバー製造装置。
【請求項３】
小穴は、その軸芯方向寸法が５０μｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項２記載のナノファイバー製造装置。
【請求項４】
小穴は、その開口断面積が、０．０００１ｍｍ2 〜４．０ｍｍ2 であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【請求項５】
小穴は、エッチング若しくはパンチング又はレーザ加工にて形成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【請求項６】
回転容器の小穴を形成した部材に接して補強筒体を配設し、補強筒体には小穴に対向して小穴の最大径と同径又はそれ以上の径の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載のナノファイバー製造装置。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【公開番号】特開２００９−９７１１３（Ｐ２００９−９７１１３Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６９６７４（Ｐ２００７−２６９６７４）
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的部材産業創出プログラム／新産業創造高度部材基盤技術開発／先端機能発現型新構造繊維部材基盤技術の開発」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的部材産業創出プログラム／新産業創造高度部材基盤技術開発／先端機能発現型新構造繊維部材基盤技術の開発」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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