CN106062259A - 纳米纤维制造装置以及纳米纤维制造方法 - Google Patents

Abstract

提供具备喷出部和电源部的纳米纤维制造装置。上述喷出部从顶端部分向被堆积部件喷出原料液。上述电源部使上述顶端部分与上述被堆积部件之间产生电位差。上述顶端部分具有第一面(51a)以及与上述第一面(51a)之间隔着用于保持上述原料液(M)的间隙(50s)而设置的第二面(52a)。

Description

纳米纤维制造装置以及纳米纤维制造方法

技术领域

本发明的实施方式涉及纳米纤维制造装置以及纳米纤维制造方法。

背景技术

作为制造具有纳米单位的直径的纤维物质的装置，在医疗领域等广泛领域中使用了纳米纤维制造装置。在纳米纤维制造装置中，广泛使用了静电纺丝技术。

静电纺丝技术指的是，使高分子物质等溶解后的原料液和工件带电、利用原料液以及工件的电位差将原料液朝向工件喷出的技术。通过使原料液电延伸来制造纳米纤维。在这样的纳米纤维制造装置中，期望缩短制造时间并且提高生产率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－189782号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明的实施方式提供一种缩短了制造时间并且提高了量产性能的纳米纤维制造装置以及纳米纤维制造方法。

用于解决课题的手段

根据本发明的实施方式，提供了一种具备喷出部和电源部的纳米纤维制造装置。上述喷出部从顶端部分朝向被堆积部件喷出原料液。上述电源部使上述顶端部分与上述被堆积部件之间产生电位差。上述顶端部分具有第一面、以及与上述第一面之间隔着用于保持上述原料液的间隙而设置的第二面。

附图说明

图1是表示本实施方式的纳米纤维制造装置的示意图。

图2是表示本实施方式的喷嘴头的示意图。

图3是表示本实施方式的喷嘴头的剖视图。

图4是表示本实施方式的喷嘴头的一部分的放大剖视图。

图5(a)～图5(c)是表示本实施方式的另一喷嘴头的一部示放大剖视图。

图6是表示本实施方式的喷嘴头的一部分的放大图。

图7是表示本实施方式的纳米纤维制造方法的流程图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的各实施方式。

此外，附图是示意性质或者概念性质的，各部分的厚度与宽度的关系、部分之间的大小的比例等并非一定与现实相同。另外，即使是表示相同的部分的情况下，有时也通过附图将彼此的尺寸、比例表示为不同。

此外，在本申请说明书与各图中，对与前图中已经描述的要素相同的要素标注相同的附图标记，并适当地省略详细的说明。

(本实施方式)

图1是例示本实施方式的纳米纤维制造装置的示意图。

如图1所示，纳米纤维制造装置100具备电源部10、控制部20、以及喷出部30。图1的箭头的方向示出了喷出部30喷出原料液的方向。

纳米纤维制造装置100将高分子物质等溶解后的原料液从喷出部30喷出，使喷出液L在空间中电延伸，在被堆积部件40上形成纳米纤维N。利用本实施方式的纳米纤维制造装置100，将具有平滑表面、多孔表面、串珠状、芯鞘状、中空状、极细纤维等的形状的纳米纤维N堆积在被堆积部件40上。例如，利用本实施方式的纳米纤维制造装置100形成电池的隔膜。

电源部10是向喷出部30和被堆积部件40之间施加高电压的电源装置。电源部10是使用了直流电源的电源装置。例如，电源部10的一个端子与喷出部30电连接，电源部10的另一个端子接地。另外，被堆积部件40的一端接地。通过这样的连接，能够使喷出部30和被堆积部件40之间产生电位差。

控制部20控制电源部10以及喷出部30的动作。控制部20与电源部10以及喷出部30电连接。例如，控制部20以决定施加于喷出液L的电压值的方式控制电源部10。另外，控制部20以决定喷出液L的量的方式控制喷出部30。控制部20是例如具备CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)以及存储器等的计算机。

喷出部30是例如将作为形成纳米纤维N的材料的原料液喷出的喷嘴。喷出部30具有顶端部分31和主体部分32。原料液被从顶端部分31喷出。顶端部分31以能够拆装的方式连接于主体部分32。

例如，原料液存储于与喷出部30相独立设置的罐等中，并从罐经由管供给到喷出部30。即，也可以在纳米纤维制造装置100中设置向喷出部30供给原料液的供给部。另外，喷出部30也可以设有多个。多个喷出部30能够沿任意的方向呈直线状排列地配置。

原料液是使成为纳米纤维N的基材的溶质分散或者溶解于溶媒中而成的液体，并且是纳米纤维N的材质或利用纳米纤维N的性质等适当地调整后的液体。例如，作为分散或者溶解于原料液的溶质，有树脂。另外，作为原料液中使用的溶媒，有具有挥发性的有机溶剂。也可以向原料液添加无机固体材料。

被堆积部件40使在被堆积部件40与喷出部30之间形成的空间中制造出的纳米纤维N堆积并收集。例如，被堆积部件40是基板。被堆积部件40也可以是片状的部件。在被堆积部件40是片状的部件的情况下，也可以在被堆积部件40卷绕于辊等的状态下使纳米纤维堆积并收集。

被堆积部件40也可以设为可动。例如，被堆积部件40也可以是旋转鼓、带式输送机等。带式输送机能够使带纵长化，因此适合纳米纤维N的量产。

被堆积部件40具有第一面40a以及第二面40b。第一面40a是第二面40b的相反的一侧的面。纳米纤维N堆积于被堆积部件40的第一面40a。另外，也可以在被堆积部件40的第二面40b设有电极。在由电源部10施加了电压的喷出液L与设于第二面40b的电极之间产生电位差，从而向电极引导喷出液L。然后，纳米纤维N堆积于被堆积部件40的第一面40a。被堆积部件40也可以是电极，在这样的情况下，纳米纤维N堆积在电极上。

以下，对喷出部30是喷嘴的情况进行说明。顶端部分31是喷嘴头，主体部分32是喷嘴主体。

图2是表示本实施方式的喷嘴头的示意图。

图3是表示本实施方式的喷嘴头的剖视图。

图4是表示本实施方式的喷嘴头的一部分的放大剖视图。

图2的箭头的方向与图1的箭头的方向对应。图3是图2的A1－A2线的剖视图。图4是放大了图2的B1－B2线的剖面后的图。

如图2以及图3所示，喷嘴头50具有将原料液喷出的顶端部50p。例如，向相对于从喷嘴主体朝向喷嘴头50的方向(图2的箭头的方向)而垂直的平面进行了投影时，顶端部50p具有大致圆形状。顶端部50p的形状也可以是大致椭圆形状。

另外，也可以是，向相对于从喷嘴主体朝向喷嘴头50的方向而垂直的平面进行了投影时，顶端部50p的形状是在一部分具有大致圆弧状的形状。例如，顶端部50p的形状是具有大致圆弧状的部分和大致直线状的部分的形状。

在喷嘴头50中了使用例如铁、铝、或者不锈钢等金属材料。喷嘴头50例如也可以使用树脂材料等。若在喷嘴头50中使用金属材料，则能够使喷嘴头50的耐久性提高。

例如，喷嘴头50也可以由主体、覆盖主体的外壁面的罩体、以及对主体与罩体进行支承的支承体形成。在这样的情况下，喷嘴头50经由支承体与喷嘴主体连接。

另外，喷嘴头50在内部具有开口(未图示)。通过在喷嘴头50的内部设置开口，能够蓄积经由喷嘴主体从供给部等供给的原料液。例如，在向相对于从喷嘴主体朝向喷嘴头50的方向而垂直的平面进行了投影时，开口的形状为大致圆环状。

如图4所示，在顶端部50p，喷嘴头50具有第一板51和第二板52。另外，在顶端部50p，在第一板51的外壁面51a与第二板52的内壁面52a之间设有间隙部50s。即，在喷嘴头50的顶端部50p设有狭缝。

间隙部50s是经由流路而与内部的开口连通、并将高分子物质等溶解后的原料液M进行保持的部分。另外，第一板51的外壁面51a是第一面，第二板52的内壁面52a是第二面。也可以是，喷嘴头50的主体以及罩体分别具有第一板51以及第二板52。在这样的情况下，主体的外壁面是第一面，罩体的内壁面是第二面。

在向相对于从喷嘴主体朝向喷嘴头50的方向而垂直的平面进行了投影时，间隙部50s的形状为大致圆环状。即，向相对于从第一板51朝向第二板52的方向而平行的平面进行了投影时，间隙部50s具有大致圆环状。间隙部50s的形状也可以是大致椭圆环状。例如，间隙部50s的宽度W1为0.1mm以上且5.0mm以下。

也可以是，向相对于从喷嘴主体朝向喷嘴头50的方向而垂直的平面进行了投影时，间隙部50s的形状是在一部分具有大致圆弧状的形状。即，也可以是，向相对于从第一板51朝向第二板52的方向而平行的平面进行了投影时，间隙部50s的一部分具有大致圆弧状。例如，间隙部50s的形状是具有大致半圆环状的部分和大致矩形状的部分的形状。

在本实施方式的纳米纤维制造装置100中，在未通过电源部10施加电压的情况下，原料液M由于表面张力而停留于喷嘴头50的间隙部50s的顶端。若向喷嘴头50与被堆积部件40之间施加电压，则停留于间隙部50s的顶端的原料液M带正(或者负)电，被沿着朝向带异极电(接地)的被堆积部件40的电力线作用的静电力被吸引。此外，施加于喷嘴头50与被堆积部件40之间的电压为10～100kV程度。

若静电力大于表面张力，则原料液M被从喷嘴头50的间隙部50s喷出。从间隙部50s喷出的喷出液L从间隙部50s朝向被堆积部件40沿着间隙部50s的形状(例如，大致圆环状)被连续地喷射。此时，喷出液L所包含的溶媒挥发，聚合物的纤维体到达被堆积部件40。这样的纤维体沿间隙部50s的形状连续地形成，相对于从间隙部50s朝向被堆积部件40的方向描绘螺旋轨道。由此，纳米纤维N被堆积在被堆积部件40上。本实施方式的纳米纤维制造装置100使用静电纺丝法形成纳米纤维N。

图5(a)～图5(c)是表示本实施方式的另一喷嘴头的一部分的放大剖视图。

图5(a)～图5(c)示出了在喷嘴头50的顶端部50p且在第一板51的外壁面51a与第二板52的内壁面52a之间设置的间隙部50s。

如图5(a)所示，在第一板51的端部51t与第二板52的端部52t之间设有台阶差。即，间隙部50s的一部分倾斜。另外，间隙部50s保持原料液M。

这里，如以下那样说明从间隙部50s喷出原料液M的机械装置。若向喷嘴以及被堆积部件40之间施加高电压，则在喷嘴头50的顶端部50p的原料液M的表面聚集具有与施加于喷嘴的电压的极性相同极性的电荷的离子。利用原料液M的表面的电荷和施加于喷嘴以及被堆积部件40之间的电压引起的电场之间的相互作用，在喷嘴头50的顶端部50p，原料液M呈半圆球状鼓起。这样的原料液M的形状被称作泰勒锥(Taylor-Cone)。

通过形成泰勒锥，从间隙部50s喷出的喷出液L从间隙部50s朝向被堆积部件40沿间隙部50s的形状被连续地喷射。另外，若喷嘴头50的顶端部50p附近产生电位梯度，则容易形成泰勒锥。

如图5(a)那样，若在端部51t与端部52t之间设置台阶差，则容易在端部51t以及端部52t的附近产生电位梯度。由此，容易在喷嘴头50的顶端部50p形成泰勒锥。因此，从间隙部50s喷出的喷出液L容易从间隙部50s朝向被堆积部件40沿间隙部50s的形状被连续地喷射。

如图5(b)所示，第一板51的端部51t倾斜。端部51t在喷嘴头50的内侧向下方向倾斜。另外，第二板52的端部52t倾斜。端部52t在喷嘴头50的外侧向下方向倾斜。另外，间隙部50s保持原料液M。

如图5(b)那样，若将端部51t以及端部52t设置为倾斜，则易于将原料液M保持于间隙部50s。另外，由于原料液M容易从间隙部50s喷出，因此能够抑制原料液M附着于端部51t以及端部52t。能够抑制原料液M堵塞于间隙部50s。

另外，如图5(c)那样，也可以在端部51t与端部52t之间设置台阶差，并且使端部51t以及端部52t倾斜。若如图5(c)那样设置端部51t以及端部52t，则从间隙部50s喷出的喷出液L容易从间隙部50s朝向被堆积部件40沿间隙部50s的形状被连续地喷射。另外，易于将原料液M保持于间隙部50s。进而，由于原料液M容易从间隙部50s喷出，因此能够抑制原料液M附着于端部51t以及端部52t。能够抑制原料液M堵塞于间隙部50s。

图6是表示本实施方式的喷嘴头的一部分的放大图。

图6是沿与图2的B1－B2线垂直的方向放大了喷嘴头50的顶端部50p的图。

如图6所示，在顶端部50p，在第二板52设有凹凸。若在第二板52设置凹凸，则容易将原料液M保持于间隙部50s。也可以在第一板51设置凹凸。即，在喷嘴头50的顶端部50p，能够在第一板51以及第二板52的至少某一方设置凹凸。

这里，在使用了静电纺丝法的纳米纤维制造装置中，关于被施加了电压的喷出液喷出的喷嘴，有时使用针形喷嘴或者具备具有在直线上排列配置的多个孔的喷嘴头的喷嘴。但是，在使用这样的喷嘴的情况下，在喷嘴的构造上，从喷嘴喷出的喷出液容易向喷嘴的外侧方向扩散。另外，喷出液在电场的影响下也容易向喷嘴的外侧方向扩散。由从喷嘴喷出的喷出液形成的纳米纤维难以均匀地堆积在被堆积部件上。

另一方面，在本实施方式的纳米纤维制造装置100中，在喷嘴头50的顶端设有具有大致圆环状的间隙部50s。通过这样的间隙部50s，使纳米纤维N所产生的数量增加。另外，纳米纤维N容易均匀地堆积在被堆积部件40上。

根据本实施方式，提供一种缩短了制造时间并且提高了量产性能的纳米纤维制造装置。

图7是表示本实施方式的纳米纤维制造方法的流程图。

对使用了纳米纤维制造装置100的纳米纤维N的制造方法进行说明。

将原料液M供给到喷出部30(步骤S110)。喷出部30是喷嘴。原料液M存储于喷嘴。

利用电源部10，向喷出部30与被堆积部件40之间施加电压(步骤S120)。若因高电压的施加而静电力比表面张力大，则原料液M被从喷嘴头50的间隙部50s喷出。从间隙部50s喷出的喷出液L从间隙部50s朝向被堆积部件40沿间隙部50s的形状被连续地喷射。间隙部50s的形状例如是大致圆环状。间隙部50s的形状也可以是大致椭圆环状。间隙部50s的形状也可以是一部分具有大致圆弧状的形状。

使在喷出部30以及被堆积部件40之间制造的纳米纤维N堆积在被堆积部件40上(步骤S130)。

根据本实施方式，提供一种缩短了制造时间并且提高了量产性能的纳米纤维制造方法。

以上，一边参照具体例一边说明了本发明的实施方式。但是，本发明并不被这些具体例限定。例如，对于电源部、控制部、喷出部、被堆积部件、喷嘴头等各要素的具体的构成，只要本领域技术人员能够从公知范围中进行适当地选择而同样地实施本发明并获得相同的效果，则也包含在本发明的范围内。

另外，将各具体例的任意两个以上的要素在技术上可能的范围内进行的组合，只要包含本发明的要旨则也包含在本发明的范围内。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式、其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明与及其等价的范围。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种纳米纤维制造装置，其中，具备：

喷出部，被设为能够从顶端部分朝向被堆积部件喷出原料液；以及

电源部，使上述顶端部分与上述被堆积部件之间产生电位差；

上述顶端部分具有第一板和第二板，该第一板具有第一面，该第二板具有与上述第一面之间隔着用于保持上述原料液的间隙而设置的第二面，

上述第一板以及上述第二板的至少一方在其顶端具有被设为能够保持上述原料液的保持部。

2.(修改后)根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中，

在上述第一板以及上述第二板的至少一方的顶端设有凹凸。

3.(修改后)根据权利要求1或2所述的纳米纤维制造装置，其中，

向相对于从上述第一板朝向上述第二板的方向而平行的平面进行了投影时，上述间隙具有大致圆环状。

4.(修改后)根据权利要求1或2所述的纳米纤维制造装置，其中，

向相对于从上述第一板朝向上述第二板的方向而平行的平面进行了投影时，上述间隙的一部分具有大致圆弧状。

5.(修改后)根据权利要求1至4中任一项所述的纳米纤维制造装置，其中，

上述第一板的端部以及上述第二板的端部倾斜。

6.(修改后)根据权利要求1至5中任一项所述的纳米纤维制造装置，其中，

在上述第一面的端部与上述第二面的端部之间设有台阶差。

7.(修改后)根据权利要求1至6中任一项所述的纳米纤维制造装置，其中，

上述间隙的宽度为0.1mm以上且5.0mm以下。

8.一种纳米纤维制造方法，使用了权利要求1至7中任一项所述的纳米纤维制造装置，其中，上述纳米纤维制造方法包括：

向上述喷出部供给上述原料液的工序；

向上述喷出部与上述被堆积部件之间施加电压的工序；以及

在上述被堆积部件上堆积纳米纤维的工序。

Claims (8)

1.一种纳米纤维制造装置，其中，具备：

喷出部，从顶端部分朝向被堆积部件喷出原料液；以及

电源部，使上述顶端部分与上述被堆积部件之间产生电位差；

上述顶端部分具有第一面以及与上述第一面之间隔着用于保持上述原料液的间隙而设置的第二面。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中，

上述顶端部分具有第一板和第二板，该第一板具有上述第一面，该第二板包围上述第一板并具有上述第二面。

3.根据权利要求2所述的纳米纤维制造装置，其中，

向相对于从上述第一板朝向上述第二板的方向而平行的平面进行了投影时，上述间隙具有大致圆环状。

4.根据权利要求2所述的纳米纤维制造装置，其中，

向相对于从上述第一板朝向上述第二板的方向而平行的平面进行了投影时，上述间隙的一部分具有大致圆弧状。

5.根据权利要求2所述的纳米纤维制造装置，其中，

上述第一板的端部以及上述第二板的端部倾斜。

6.根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中，

在上述第一面的端部与上述第二面的端部之间设有台阶差。

7.根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中，

上述间隙的宽度为0.1mm以上且5.0mm以下。

8.一种纳米纤维制造方法，使用了权利要求1至7中任一项所述的纳米纤维制造装置，其中，上述纳米纤维制造方法包括：

向上述喷出部供给上述原料液的工序；

向上述喷出部与上述被堆积部件之间施加电压的工序；以及

在上述被堆积部件上堆积纳米纤维的工序。