説明

ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法

【課題】製造するナノファイバの品質を向上させ、生産効率も向上させる。
【解決手段】原料液300を空間中に流出させる複数個の流出孔216を有する流出体211と、流出体211に対し所定の電圧が印加される帯電電極221と、流出体211と帯電電極221との間を所定の電圧にする帯電電源222と、製造されるナノファイバ301を搬送する気体流を発生させる気体流発生手段203とを備え、帯電電極221は、流出孔216よりも風上側に配置され、流出孔216の開口端と帯電電極221との距離が相互に等しくなるように流出孔216の開口端が配置される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明はナノファイバの製造装置に関し、特に、ナノファイバを収集する位置とは異なる位置に帯電用の電極を備えるナノファイバ製造装置、及び、当該ナノファイバ製造措置を用いたナノファイバ製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状(繊維状)物質(ナノファイバ)を製造する方法として、エレクトロスピニング(電荷誘導紡糸)法が知られている。
【0003】
このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより流出(吐出)させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を電気的に延伸させることにより、ナノファイバを得る方法である。
【0004】
より具体的にエレクトロスピニング法を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され空間中に流出された原料液は、空間を飛行中に徐々に溶媒が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、原料液に付与された電荷は、原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液は、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象(以下、静電延伸現象と述べる)が生じる。この静電延伸現象が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される(例えば特許文献1参照)。
【0005】
以上のようなエレクトロスピニング法で製造されるナノファイバの生産効率を向上させるためには、空間中に流出させる原料液を多くすれば良い。そこで、本願発明者らは、多数の孔から原料液を空間中に流出させ、流出した原料液の飛行方向を気体流により変更させることで、空間中に多量の原料液を存在させることのできるナノファイバ製造装置を先に提案している。
【特許文献1】特開2008−31624号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、本願発明者らは、前述のナノファイバ製造装置を使用していくうちに、空間中に流出した原料液の一部が静電延伸現象を起こさなかったり、静電延伸現象が起きても所望の細さに到達するほど静電延伸現象の連鎖が起こらない現象を見いだした。
【0007】
そこで、本願発明者らは、さらに実験と研究とを進め、流出する原料液に付与する電荷の量が流出する孔の位置によって偏ることで前記現象が発生することを見いだすに至った。
【0008】
本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、原料液に付与する電荷の量を平均化させナノファイバの生産効率を向上させることのできるナノファイバ製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で電気的に延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に流出させる複数個の流出孔を有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、前記流出体と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段とを備え、前記帯電電極は、前記流出孔よりも前記気体流発生手段が発生させる気体流の風上側に配置され、前記流出孔の開口端と前記帯電電極との距離が相互に等しくなるように前記流出孔の開口端が配置されることを特徴とする。
【0010】
これにより、帯電電極と流出孔の開口端との距離が同じになるため、流出孔を通過して流出する原料液に付与する電荷を平均化できる。従って、空間中に流出する原料液の多くが電気的に延伸し、ナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。
【0011】
また、前記流出体は、前記流出孔を形成する孔近傍部を有し、前記孔近傍部は、前記流出体の前記孔近傍部以外の部分よりも前記帯電電極との距離が近いものとするのが好ましい。
【0012】
これにより、個々の孔近傍部にそれぞれ電荷が集中するため効率よく原料液を帯電させることができ、また、原料液を高い電荷密度で帯電させることができる。しかも、原料液に付与する電荷量が平均化されるため、空間中に流出する原料液の多くが高い次元で連鎖的に静電延伸現象を起こし、品質の高いナノファイバを高い生産効率で製造することが可能となる。
【0013】
また、前記流出孔は、円筒の周面上に放射状に開口した状態で複数箇所に配置されると共に、円筒の軸方向にも配置され、前記帯電電極は、円環状であり、前記気体流発生手段は、前記帯電電極で囲われた空間に気体流が流れるように配置されてもよい。
【0014】
これにより、効率的に原料液を空間に流出させることができ、原料液やナノファイバを所定の場所に搬送することが可能となる。
【0015】
さらに、前記流出孔と前記帯電電極との距離の関係を維持した状態で、前記流出体を回転させる駆動手段を備えることが好ましい。
【0016】
これにより、ポンプなどを用いることなく単純な構成で流出体を空間中に放射状に流出させることができる。
【0017】
さらに、前記流出体の内方に原料液を供給する供給路と、前記流出体の内周の前記供給路から吐出される原料液を受ける部分であって、原料液の吐出方向に対し斜めに交差する面で原料液を受ける受液部とを備えることが好ましい。
【0018】
これにより、原料液を流出体内方に供給する際に、原料液が流出体の内面で跳ねることにより、原料液が複数の流出孔に均等に供給されないような状況を回避することが可能となる。
【0019】
また、前記流出孔は、前記受液部から原料液が流れる方向に配置され、原料液の液溜まりが形成される凹部に配置され、前記供給路は複数の前記受液部に対しそれぞれ原料液を吐出する複数の供給口を備えることが好ましい。
【0020】
これにより、多数の流出孔に対し効率よく原料液を供給することができ、安定した状態で原料液を空間中に流出させることができる。従って、流出する原料液の状態が安定し、品質の高いナノファイバを効率よく生産することが可能となる。
【0021】
また、上記目的を達成するための本願発明に係るナノファイバ製造方法は、原料液を空間中で電気的に延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、複数個の流出孔を有する流出体から原料液を空間中に流出させる流出工程と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を気体流発生手段により発生させる気体流発生工程と、前記流出体と所定の間隔を隔て、前記流出孔よりも気体流の風上側に配置される帯電電極に、前記流出体に対し所定の電圧が印加して原料液を帯電させる帯電工程とを含み、前記流出工程において、前記帯電電極との距離が等しい前記流出孔の開口端から原料液を流出させることを特徴とする。
【0022】
これにより、帯電電極と流出孔の開口端との距離が同じであるため、流出孔を通過して流出する原料液に付与する電荷を平均化できる。従って、空間中に流出する原料液の多くが静電延伸現象を起こし、ナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【0023】
本願発明によれば、複数の流出孔から空間中に流出する原料液を均等な電荷量で帯電させることができる。その結果、流出した原料液の多くが電気的に延伸してナノファイバを製造することができ、ナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
図1は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に正面から示す断面図である。
【0025】
図2は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に上面から示す断面図である。
【0026】
これらの図に示すように、ナノファイバ製造装置100は、放出手段200と、案内体206と、拡散手段240と、収集手段110と、誘引手段120とを備えている。
【0027】
ここで、ナノファイバを製造するための原料液については、原料液300と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ301と記すが、製造に際しては原料液300が電気的に延伸しながらナノファイバ301に変化していくため、原料液300とナノファイバ301との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。
【0028】
図3は、放出手段を示す断面図である。
図4は、放出手段を示す斜視図である。
【0029】
これらの図に示すように、放出手段200は、帯電した原料液300や製造されるナノファイバ301を気体流に乗せて放出することができるユニットであり、流出手段201と、帯電手段202と、風洞体209と、気体流発生手段203、供給路217とを備えている。
【0030】
帯電手段202は、原料液300に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、帯電手段202は、帯電電極221と、帯電電源222と、接地手段223とを備えている。
【0031】
帯電電極221は、自身がアースに対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、接地されている流出体211に電荷を誘導するための部材である。本実施の形態の場合、帯電電極221は、流出体211の周囲を取り囲むように配置される円環状の部材である。また、図1、図2や図3に示すように、帯電電極221の断面は円形となっている。帯電電極221に正の電圧が印加されると流出体211には、負の電荷が誘導され、帯電電極221に負の電圧が印加されると流出体211には、正の電荷が誘導される。
【0032】
なお、帯電電極221と流出体211との位置関係は後述する。
帯電電極221の大きさは、流出体211の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、50mm以上、1500mm以下の範囲から採用されることが好適である。なお、帯電電極221の形状は、円環状に限ったものではなく、流出体211の形状との関係によって、多角形の環状や平板状などであってもよい。
【0033】
接地手段223は、流出体211と電気的に接続され、流出体211を接地電位に維持することができる部材である。接地手段223の一端は、流出体211が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。
【0034】
帯電電源222は、帯電電極221に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源222は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ301の帯電極性に影響受けないような場合、生成したナノファイバ301の帯電を利用して、電極上に回収するような場合には、直流電源が好ましい。また、帯電電源222が直流電源である場合、帯電電源222が帯電電極221に印加する電圧は、10KV以上、200KV以下の範囲の値から設定されるのが好適である。帯電電源222に負の電圧が印加される場合には、前記の印加する電圧の極性は、負になる。特に、流出体211と帯電電極との間の電界強度が重要であり、帯電電極221と流出体211との距離が最も近い空間において1KV/cm以上の電界強度になるように印加電圧を調整するのが好ましい。
【0035】
本実施の形態のように帯電手段202に誘導方式を採用すれば、流出体211を接地電位に維持したまま原料液300に電荷を付与することができる。流出体211が接地電位の状態であれば、流出体211に接続される回転軸体212やモータ213などの部材を流出体211から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出手段201として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
【0036】
なお、帯電手段202として、流出体211に電源を接続し、流出体211を高電圧に維持し、帯電電極221を接地することで原料液300に電荷を付与してもよい。また、流出体211を絶縁体で形成すると共に、流出体211に貯留される原料液300に直接接触する電極を流出体211内部に配置し、当該電極を用いて原料液300に電荷を付与するものでもよい。このような流出体211に直接もしくは原料液に直接電極を配置する場合には、原料液に帯電する電荷の極性は、印加する電圧の極性と同じ極性になる。
【0037】
流出手段201は、原料液300を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液300を遠心力により放射状に流出させ、帯電電極221の内方に原料液を流出させる装置である。流出手段201は、流出体211と、回転軸体212と、駆動手段としてのモータ213とを備えている。回転軸体212は、ベアリング215を介して支持体(図示せず)に回転可能に支持されている。
【0038】
流出体211は、原料液300を空間中に流出させるための部材であり、一時的に原料液300を貯留できる容器である。流出体211は、原料液300が内方から外方に向けて通過する流出孔216が多数設けられる部材である。流出体211は、流出孔216を形成する孔近傍部218を有している。また、孔近傍部218は、孔近傍部218以外の流出体211の部分よりも帯電電極221との距離が近くなるように配置されている。本実施の形態の場合、流出体211は、円筒形の基体219と、基体219の端部に設けられ、基体219の全周にわたって径方向に張り出した突出部220を備えており、突出部220は、孔近傍部218を含んでいる。また、突出部220は、軸方向に複数個並べて設けられている。
【0039】
突出部220は、円環状であり、断面は、外方に向かって尖る三角形状である。従って、突出部220は、外方端に環状の稜線部を備えており、当該稜線部が孔近傍部218となる。また、孔近傍部218には流出孔216が稜線に沿って複数個設けられている。
【0040】
従って、流出孔216を形成する孔近傍部218と、流出体211を囲むように配置される帯電電極221との距離は、流出体211の孔近傍部218以外の部分と帯電電極221との距離よりも短い。特に突出部220において流出体211の孔近傍部218以外の部分は、孔近傍部218から離れるに従い、徐々に帯電電極221との距離が長くなるように設定されている。
【0041】
つまり、流出体211は、流出孔216の開口端部が帯電電極221に最も近くなるような形状が採用されており、全ての流出孔216の開口端部と帯電電極221との距離が等しくなるような形状が採用されている。また、流出体211は、流出孔216の開口端部が帯電電極221に最も近くなるように、帯電電極221との位置関係において、配置されている。本実施の形態の場合、流出体211は、帯電電極221の断面を中心とする円周上に流出孔216の開口端が位置するような形状が採用され、流出孔216の開口端が配置される円内には、流出体211の部分は存在しない形状が採用されている。
【0042】
なお、本実施の形態では流出体211の外形は円筒状の基体219と円環状の突出部220が組み合わされた形状として説明したが、本願発明はこれに限定される訳ではない。例えば、流出体211の外形は、筒形状の基体219と、筒、円錐、角錐等の形状の複数の突出部220とを組み合わせた形状でもかまわない。この場合、突出部220は、基体219の周壁に放射方向に設けられ、突出部220の先端に流出孔216が設けられる。このような外形の流出体211でも、流出孔216の開口端部が帯電電極221に最も近くなるように配置することが可能となる。
【0043】
本実施の形態の場合、流出体211は、原料液300が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液300を流出させることのできる容器であり、流出体211は支持体(図示せず)に設けられるベアリング215により回転可能に支持されている。なお、回転軸体212は、支持体(図示せず)にベアリング(図示せず)により回転可能に支持されてもよい。
【0044】
流出体211は、内部形状において、受液部224を複数箇所に備えている。受液部224は、後述の供給路217から供給される原料液300が当たる部分であって、供給路217から吐出される原料液300の供給方向と斜めに交差する面を備えた流出体211の部分である。本実施の形態の場合、受液部224は、突出部220の内方に設けられており、突出部220の外方に有る斜面と平行に設けられている。
【0045】
また、供給路217は、複数箇所に設けられる受液部224にそれぞれ原料液300を供給できるように複数個の供給口228が備えられている。
【0046】
さらに、流出体211は、内部形状において、凹部225を備えている。凹部225は、流出体211が回転する際に発生する遠心力の方向に窪んでおり、流出体211が回転している状態においては原料液300が溜まる液溜まりとして機能している。凹部225の遠心力方向の先端には流出孔216が設けられている。
【0047】
また、受液部224は、凹部225の一部を形成しており、受液部224に当たった原料液300が、遠心力によりスムーズに凹部225内部に溜まるようになっている。
【0048】
また、流出体211は、貯留する原料液300に電荷を付与するため、導電体で形成されており、流出体211も帯電手段202の一部として機能している。
【0049】
具体的には、流出体211の流出孔216が配置される部分の直径は、10mm以上、300mm以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると後述の気体流により原料液300やナノファイバ301を集中させることが困難になるからであり、また、流出体211の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体211を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液300を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体211の流出孔216が配置される部分の直径は、20mm以上、100mm以下の範囲から採用することが好ましい。
【0050】
また、流出孔216の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体211の肉厚にもよるが、おおよそ0.01mm以上、3mm以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔216があまりに小さすぎると原料液300を流出体211の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔216から流出する原料液300の単位時間当たりの量が多くなりすぎ(つまり、流出する原料液300が形成する線の太さが太くなりすぎ)て所望の径のナノファイバ301を製造することが困難となるからである。
【0051】
なお、流出体211は、自身の回転による遠心力により原料液300を空間中に流出させる部材ばかりでなく、自身は静止しており、圧力がかけられた原料液300が流出孔216から流出する部材でもかまわない。また、遠心力により原料液300を流出させる流出体211の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔216が回転することにより、流出孔216から原料液300が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔216の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。
【0052】
回転軸体212は、流出体211を回転させ遠心力により原料液300を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体211の他端から流出体211の内部に挿通され、流出体211の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ213の回転軸と接合されている。
【0053】
モータ213は、遠心力により原料液300を流出孔216から流出させるために、回転軸体212を介して流出体211に回転駆動力を付与する駆動装置である。なお、流出体211の回転数は、流出孔216の口径や使用する原料液300の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数rpm以上、10000rpm以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ213と流出体211とが直動の時はモータ213の回転数は、流出体211の回転数と一致する。
【0054】
気体流発生手段203は、流出体211から流出される原料液300の飛行方向を案内体206で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段203は、モータ213の背部に備えられ、モータ213から流出体211の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段203は、流出体211から径方向に流出される原料液300を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図3において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段203として、放出手段200の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。
【0055】
なお、気体流発生手段203は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより流出された原料液300の方向を変更するものでもかまわない。また、吸引手段102などにより案内体206内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、気体流発生手段203は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、案内体206の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段203が存在しているものとする。また、気体流発生手段203を有しない状態で、吸引手段102により吸引することで、風洞体209や案内体206の内方に気体流を発生させるようにすることも気体流発生手段が存在しているものとする。また、気体流発生手段203を有しない状態で、吸引手段102により吸引することで、風洞体209や案内体206の内方に気体流が発生する場合、吸引手段102が気体流発生手段として機能しているとみなす。
【0056】
ここで、帯電電極221と流出体211に設けられる流出孔216との位置関係を説明する。
【0057】
帯電電極221は、流出体211に設けられる流出孔216よりも気体流発生手段203が発生させる気体流(図1、図2および、図3において白抜きの矢印で示す)の風上側に配置される。つまり、帯電電極221と流出孔216との位置関係において、気体流発生手段203は、帯電電極221から流出孔216に向けて気体流が流れるように気体流を発生させる。
【0058】
本実施の形態における帯電電極221と流出孔216との位置関係によれば、流出孔216から遠心力により径方向に流出する原料液300が帯電電極221に向かう場合、気体流発生手段203が発生させる気体流に逆らって飛行することになる。従って、原料液300は、気体流から大きな抗力を受け、帯電電極221に到達する前に飛行方向が変えられることとなる。従って、帯電電極221には原料液300やナノファイバ301が付着し難くなり、空間中に流出した原料液300の多くが静電延伸現象によりナノファイバ301となって回収されることとなる。つまり、ナノファイバ301の生産効率を高くすることが可能となる。
【0059】
風洞体209は、気体流発生手段203で発生した気体流を帯電電極221から流出体211の流出孔216近傍に案内する導管である。本実施の形態の場合、風洞体209により案内された気体流は、帯電電極221の内側を通過した後、流出体211の流出孔216から流出された原料液300と交差し、原料液300の飛行方向を変更する。
【0060】
さらにまた、放出手段200は、気体流制御手段204と、加熱手段205とを備えている。
【0061】
気体流制御手段204は、気体流発生手段203により発生する気体流が流出孔216の開口端に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものである。本実施の形態の場合、気体流制御手段204として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御手段204により、気体流が直接流出孔216に当たらないため、流出孔216から流出される原料液300が早期に蒸発して流出孔216を塞ぐことを可及的に防止し、原料液300を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段204は、流出孔216の風上に配置され気体流が流出孔216近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。
【0062】
加熱手段205は、気体流発生手段203が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段205は、案内体206の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段205を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段205により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液300は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。
【0063】
図1、図2の参照に戻る。
案内体206は、放出手段200から放出されるナノファイバ301を所定の場所に案内する風洞である。本実施の形態における案内体206は、円筒体であり、放出手段200のナノファイバ301が放出される側の開口形状と同じ開口形状を備え、放出手段200と一連に配置されている。
【0064】
拡散手段240は、案内体206に接続され、高密度状態のナノファイバ301を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ301が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ301を搬送する気体流の速度とナノファイバ301の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。
【0065】
収集手段110は、拡散手段240から放出されるナノファイバ301を収集するための装置であり、被堆積部材101と、移送手段104と、供給手段111とを備えている。
【0066】
被堆積部材101は、静電延伸現象により製造され飛来するナノファイバ301が堆積される対象となる部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材101は、堆積したナノファイバ301と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的に被堆積部材101としては、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、被堆積部材101の表面にテフロン(登録商標)コートを行うと、堆積したナノファイバ301を被堆積部材101から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、被堆積部材101は、ロール状に巻き付けられた状態で供給手段111から供給されるものとなっている。
【0067】
移送手段104は、被堆積部材101を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材101を巻き取りながら供給手段111から引き出し、堆積するナノファイバ301と共に被堆積部材101を搬送するものとなっている。移送手段104は、不織布状に堆積しているナノファイバ301を被堆積部材101とともに巻き取ることができるものとなっている。
【0068】
誘引手段120は、空間中を飛行するナノファイバ301を所定の場所に誘引するための装置である。ナノファイバ301を誘引する方法としては、気体流を吸引することでナノファイバ301を誘引する方法と、帯電しているナノファイバ301を電界(電場)により誘引する方法とを例示することができる。本実施の形態の場合、誘引手段120は、気体流を吸引する方式と電解で誘引する方式とを選択的に、また、同時に実施することができる装置が採用されており、吸引手段102と、誘引電極121と誘引電源122とを備えている。
【0069】
吸引手段102は、被堆積部材101を通過する気体流を強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段102は、漏斗状のフード103と送風機105とを備えている。送風機105は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材101から送風機105に向かう気体流を発生させることができる装置である。
【0070】
また、吸引手段102は、原料液300から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段102に接続される溶剤回収装置106まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
【0071】
誘引電極121は、帯電したナノファイバ301を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。
【0072】
誘引電源122は、誘引電極121を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源122は、0V(接地状態)から200KV以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。
【0073】
次に、上記構成のナノファイバ製造装置100を用いたナノファイバ301の製造方法を説明する。
【0074】
まず、気体流発生手段203により、帯電電極221から流出体211の流出孔216に向かい、案内体206の内方を通過する気体流を発生させる(気体流発生工程)。一方、吸引手段102により、案内体206内に発生する気体流を吸引する。以上の状態で、案内体206内の風量が30m3/分となるよう調整した。
【0075】
次に、流出体211の内方に原料液300を供給する(原料液供給工程)。原料液300は、別途タンク(図示せず)に蓄えられており、供給路217(図3参照)を通過して流出体211の他端部から流出体211内部に供給される。供給路217の複数の供給口228から吐出される原料液300は、複数箇所に設けられる受液部224に当たり、受液部224に沿って流れ、流出体211の内側に設けられる凹部225に貯留される。具体的には、ナノファイバ301の材質はPVA(ポリビニルアルコール)を選定し、原料液300は、溶媒を水とし、水にPVAを10重量%で溶解したものを用いた。
【0076】
次に、帯電電源222により帯電電極221を正または負の高電圧とする。帯電電極221に最も近い流出体211の孔近傍部218に電荷が集中し、複数ある突出部220に備えられる孔近傍部218は、帯電電極221との距離が等しいため、均等に電荷が集中する。当該電荷が流出孔216を通過する原料液300に転移し、原料液300が帯電する(帯電工程)。このように、孔近傍部218に電荷が集中し、当該電荷で原料液300が帯電するため、原料液300は強い帯電状態(高い電荷密度)で空間中に流出することとなる。また、均等な電荷量で原料液300が帯電するため、原料液300は等しい電荷密度で空間中に流出することとなる。
【0077】
前記帯電工程と同時期に流出体211をモータ213により回転させて、遠心力により流出孔216から帯電した原料液300を流出する(流出工程)。
【0078】
具体的には、突出部220の外径がΦ60mmの流出体211を用いた。突出部220の遠心力方向の先端に設けられる流出孔216は、周方向等間隔に12個設けられており、孔径は0.3mmであった。また、原料液300は、流出体211を2000rpmで回転させることにより流出させた。一方、帯電電極221は内径Φ600mmのものを用い、帯電電源222により帯電電極221を接地電位に対して負の60KVとした。これにより、流出体211には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液300が流出することとなる。
【0079】
流出体211の径方向放射状に流出された原料液300は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り風洞体209により案内される。ここで、原料液300の帯電状態と帯電電極221とは逆極性であるため、クーロン力により引きつけられて帯電電極221の方向に向いて飛行しようとするが、帯電電極221に向かうほとんどの原料液300が気体流により押し戻され、案内体に向かって飛行することとなる。
【0080】
原料液300は静電延伸現象によりナノファイバ301を製造しつつ(ナノファイバ製造工程)放出手段200から放出される。ここで、原料液300は、強い帯電状態(高い電荷密度)で静電延伸現象が容易に発生し、流出した原料液300のほとんどがナノファイバ301に変化していく。また、原料液300は、強い帯電状態(高い電荷密度)で流出しているため、静電延伸現象が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ301を大量に製造される。さらに、原料液300は、等しい帯電状態で流出しているため、全ての原料液300が均等な状態で静電延伸現象を発生する。
【0081】
また、前記気体流は、加熱手段205により加熱されており、原料液300の飛行を案内しつつ、原料液300に熱を与えて溶媒の蒸発を促進し静電延伸現象を促進している。
【0082】
以上のようにして放出手段200から放出されるナノファイバ301は、案内体206に導入される。そして、ナノファイバ301は、案内体206の内方を気体流に搬送されながら案内される(搬送工程)。
【0083】
拡散手段240にまで搬送されたナノファイバ301は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一な分散状態となる(拡散工程)。
【0084】
この状態において、被堆積部材101の背方に配置される吸引手段102は、蒸発した蒸発成分である溶媒と共に気体流を吸引し、ナノファイバ301を被堆積部材101上に誘引する(誘引工程)。また、電圧が印加された誘引電極121により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ301が誘引される(誘引工程)。
【0085】
以上により、被堆積部材101上にナノファイバ301が堆積していく(堆積工程)。被堆積部材101は、移送手段104によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ301も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。
【0086】
以上のような構成のナノファイバ製造装置100を用いてナノファイバ301を製造することによって、ナノファイバ301を高い効率で製造し収集することができ、ナノファイバ301の高い生産効率を得ることが可能となる。また、製造されるナノファイバの線径を細くすることができ、製造されるナノファイバ全体にわたり、均一な線径のナノファイバを製造することが可能となる。
【0087】
ここで、ナノファイバ301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−フェニレンイソフタレート、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、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、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、ポリペプチド等およびこれらの共重合体を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【0088】
原料液300に使用される溶媒としては、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、クロロホルム、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、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記溶媒に限定されるものではない。
【0089】
さらに、原料液300に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、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酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、Al23、SiO2、TiO2、Li2O、Na2O、MgO、CaO、SrO、BaO、B23、P25、SnO2、ZrO2、K2O、Cs2O、ZnO、Sb23、As23、CeO2、V25、Cr23、MnO、Fe23、CoO、NiO、Y23、Lu23、Yb23、HfO2、Nb25等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。
【0090】
溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量は、約60重量%から98重量%の間が望ましい。
【0091】
上記のように、溶媒蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液300は、上記のように溶媒を50重量%以上含んでいても十分に蒸発し、静電延伸現象を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ301が製造されるため、より細いナノファイバ301をも製造することが可能となる。また、原料液300の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ301の性能の範囲も広くすることが可能となる。
【0092】
なお、上記実施の形態では、原料液300を遠心力を用いて流出させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図5に示すように、原料液300に加えた圧力により流出孔216から原料液300を流出させるものや、重力により落下させるものでも良い。具体的に、ナノファイバ製造装置100は、直方体で両端部が開口した風洞体209と、前記風洞体209の一壁面に設けられ、円錐形状の突出部220が多数マトリクス状に設けられた流出体211と、突出部220の先端に設けられる流出孔216と、風洞体209の一端開口部にまた設けられる気体流発生手段203と、風洞体209の対向面に配置される帯電電極221であって、気体流発生手段203により発生する気体流の最も風上にある流出孔216よりも風上に配置される帯電電極221とを備え、流出孔216の開口端と前記帯電電極221との距離が等しくなるように流出孔216を配置してもよい。
【0093】
また、流出体211は、図6に示すような、形状であってもかまわない。同図に示す流出体211は、流出体211の孔近傍部218以外の部分よりも帯電電極221との距離が近いような孔近傍部218は、備えていない。流出体211の突出した部分は、帯電電極221から距離が等しくなるように円弧を描いており、当該円弧の部分に流出孔216が設けられている。
【0094】
また、流出体211は、図7に示すような、形状、及び、配置であってもかまわない。同図に示す流出体211は、収集手段110の方向に向かって徐々に拡径するテーパ形状を備え、その広がる角度はβである。
【0095】
帯電電極221は、断面矩形の環状であり、帯電電極221と流出孔216の開口端との距離L2、L3は、ほぼ同一である。ここで、L2=L3であれば最もよいが、L2とL3が略同一であっても、同様の効果は得られる。L3×0.8<L2<L3×1.2の間であれば流出孔216の開口端近傍に誘導される電荷の均一性は許容できる。つまり、L3×0.8<L2<L3×1.2の間になるように流出体211と帯電電極221とが配置されれば、当該構成のナノファイバ製造装置100に基づき製造されるナノファイバ301の品質のばらつきは、許容範囲となる。また、帯電電極221は、気体流発生手段203が発生させる気体流の最も風上にある流出孔216よりも風上側に配置されている。具体的には、L2、L3が200mm位であり、流出体211の直径が60mmであると、角度βは10度位に設定できる。角度βを大きくすると、L2,L3を短くすることができ、放出手段200をコンパクトにすることが可能となる。
【0096】
なお、帯電電極の直径は、本願発明の形態を採用することで、生成されたナノファイバの付着を防止できるようになり、小さな径であっても、付着しにくくなったというメリットが出て、帯電電極221と孔近傍部218の距離は短くなり、その間に印加する電圧を従来に比べると低下させても電界強度は大きく維持することができ、電源の電圧定格等を下げることで、コストダウンも図れる。
【産業上の利用可能性】
【0097】
本願発明は、エレクトロスピニング(電荷誘導紡糸)法によるナノファイバの製造や、当該ナノファイバを堆積させた不織布等の製造に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0098】
【図1】本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に正面から示す断面図である。
【図2】本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に上面から示す断面図である。
【図3】放出手段を示す断面図である。
【図4】放出手段を示す斜視図である。
【図5】放出手段の別態様を示す断面図である。
【図6】流出体の別態様を示す断面図である。
【図7】流出体の別態様と帯電電極の別態様を示す断面図である。
【符号の説明】
【0099】
100 ナノファイバ製造装置
101 被堆積部材
102 吸引手段
103 フード
104 移送手段
105 送風機
106 溶剤回収装置
110 収集手段
111 供給手段
120 誘引手段
121 誘引電極
122 誘引電源
200 放出手段
201 流出手段
202 帯電手段
203 気体流発生手段
204 気体流制御手段
205 加熱手段
206 案内体
209 風洞体
211 流出体
212 回転軸体
213 モータ
215 ベアリング
216 流出孔
217 供給路
218 孔近傍部
219 基体
220 突出部
221 帯電電極
222 帯電電源
223 接地手段
224 受液部
225 凹部
228 供給口
240 拡散手段
300 原料液
301 ナノファイバ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料液を空間中で電気的に延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
原料液を空間中に流出させる複数個の流出孔を有する流出体と、
前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、
前記流出体と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源と、
前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段とを備え、
前記帯電電極は、前記流出孔よりも前記気体流発生手段が発生させる気体流の風上側に配置され、
前記流出孔の開口端と前記帯電電極との距離が相互に等しくなるように前記流出孔の開口端が配置される
ナノファイバ製造装置。
【請求項2】
前記流出体は、前記流出孔を形成する孔近傍部を有し、
前記孔近傍部は、前記流出体の前記孔近傍部以外の部分よりも前記帯電電極との距離が近い
請求項1に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項3】
前記流出孔は、円筒の周面上に放射状に開口した状態で複数箇所に配置されると共に、円筒の軸方向にも配置され、
前記帯電電極は、円環状であり、
前記気体流発生手段は、前記帯電電極で囲われた空間に気体流が流れるように配置される
請求項1に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項4】
さらに、
前記流出孔と前記帯電電極との距離の関係を維持した状態で、前記流出体を回転させる駆動手段を備える請求項3に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項5】
さらに、
前記流出体の内方に原料液を供給する供給路と、
前記流出体の内周の前記供給路から吐出される原料液を受ける部分であって、原料液の吐出方向に対し斜めに交差する面で原料液を受ける受液部と
を備える請求項4に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項6】
前記流出孔は、前記受液部から原料液が流れる方向に配置され、原料液の液溜まりが形成される凹部に配置され、
前記供給路は複数の前記受液部に対しそれぞれ原料液を吐出する複数の供給口を備える
請求項5に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項7】
さらに、
空間中で製造されるナノファイバを収集する収集手段と、
前記収集手段にナノファイバを誘引する誘引手段と
を備える請求項1に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項8】
原料液を空間中で電気的に延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、
複数個の流出孔を有する流出体から原料液を空間中に流出させる流出工程と、
前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を気体流発生手段により発生させる気体流発生工程と、
前記流出体と所定の間隔を隔て、前記流出孔よりも気体流の風上側に配置される帯電電極に、前記流出体に対し所定の電圧が印加して原料液を帯電させる帯電工程とを含み、
前記流出工程において、前記帯電電極との距離が等しい前記流出孔の開口端から原料液を流出させる
ナノファイバ製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−84295(P2010−84295A)
【公開日】平成22年4月15日(2010.4.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−256862(P2008−256862)
【出願日】平成20年10月1日(2008.10.1)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成20年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的部材産業創出プログラム/新産業創造高度部材基盤技術開発/先端機能発現型新構造繊維部材基盤技術の開発」にかかる委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】