JP2004530054A - 不織材料の機械的特性を改良する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
液化重合体から不織材料を製造する装置であって、
(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えてなり、その射出機と電極システムが、液化重合体が射出機から射出されて、沈着電極の方に移動する複数の絡み合わされた繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている装置。
(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えてなり、その射出機と電極システムが、液化重合体が射出機から射出されて、沈着電極の方に移動する複数の絡み合わされた繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている装置。
Description
【0001】
発明の技術分野と背景
本発明は不織材料を製造する方法と装置に関し、さらに詳しく述べると、電気射出(electroejection)を利用して不織材料を製造する方法と装置に関する。
【0002】
とりわけ、液化された重合体を電気紡糸(electrospinning)する方法を使用して重合体繊維を含有する製品が得られる繊維製品の製造法が各種の特許に記述されている。電気紡糸法は、極細の合成繊維の製造方法であり、技術操作を減らしかつ製造される製品の特性の安定性を高める方法である。
【0003】
電気紡糸法は、液体の細い流れ又はジェットを生成し、この液体の細い流れ又はジェットの溶媒または液体を適切に蒸発させて固体の遷移状態にすると不織構造体が得られる。液体の上記細い流れは、少量の重合体溶液を、電気力を使って空間を通してひっぱることによって製造される。より詳しく述べると、電気紡糸法は、液化された物質、例えば重合体を電界中に入れ、その結果、その液体は、電気力によって電極の方に引き伸ばされ次いで硬化工程にかけられる繊維を生成する方法である。室温で通常固体である液体の場合、その硬化工程は単なる冷却でよいが、化学的硬化(重合)又は溶媒の蒸発も利用できる。製造された繊維は適切に配置された沈着装置(precipitation deviceあるいはsedimentation device)上に集められ、次にそれからはがしとられる。その沈着装置は、例えば管形の、平板形の又は任意の形態の製品でもよい最終製品の所要の形態にしたがって一般に形成される。
【0004】
電気紡糸で製造できる管形繊維製品の例は、血管プロテーゼ特に合成血管、及びワイヤなどの器具又は構造体が通過できるか又は位置しうる管である。また管形繊維製品は、各種の人工管例えば尿管、空気管(air duct)又は胆管などとしても使用することができる。
【0005】
電気紡糸によって製造される不織布材料は、創傷ドレッシングとして使用するのに適切な形態に成形できる。電気紡糸された材料を使用する場合の特別の利点は、その繊維の直径が非常に小さいので、隙間が小さく表面積が大きいマットが得られることである。
【0006】
電気紡糸繊維で製造された不織製品の最終用途の追加例は、濾過材、おむつカバー、医療用及び個人用の衛生製品、断熱製品、及び生体保護衣料などの予め定められた特性を有する衣料である。
【0007】
いくつもの電気紡糸の用途、特に医療実施の際の用途では、予め定められた強さと弾性の組み合わせが必要である。例えばステントの繊維コーティングは、強さの特性を落とさずに直径を数百%大きく膨張し、しかも長期間使用できる性能を維持できなければならない。血管移植体、心臓弁などを設計する際に同様の問題が起こる。重合体繊維の不織ウェブの強さは、その繊維の配向、使用されている重合体の機械的特性、繊維の幾何学的大きさと形態、及び繊維の延伸度によって左右される。
【0008】
これまで、電気紡糸は各種製品をつくるため有効に利用されてきた。しかし、これまでの不織製品は、横方向の強さが最適な値ではなく、そして横方向の強度が最適の値ではなくしかも伸度が高い。従来の電気紡糸法の性質は、最適の機械的特性を有する製品を効率的に製造することを妨げ、特に従来技術の電気紡糸方法は、充分な強さと弾性を有する製品を製造するのに有効に使用できない。
【0009】
したがって、上記限界のない不織材料を製造する方法に対する要望があることは広く知られており、そしてこのような製造方法が得られれば極めて有利であろう。
【0010】
発明の要約
本発明の一側面によって、(a)沈着電極;(b)沈着電極から離れて位置していて沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機(dispenser)であって、液化重合体を射出して複数の繊維を提供するように設計され、構築されている射出機、及び(c)沈着電極の方へ移動する少なくとも一つの重合体繊維束を提供して沈着電極上に不織材料を形成するように、上記複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡め合わせる機構を備えてなる、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0011】
以下に述べる本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる機構は、重合体繊維を、第一軸のまわりで撚り合わせるよう構築された少なくとも一つのブロワーを備えている。
【0012】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる機構は、射出機に接続されて、射出機が第一軸のまわりを運動するように作動する運動機構を備えている。
【0013】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機の運動は、円運動、楕円運動及び不規則なパターンの運動からなる群から選択される。
【0014】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせる機構は、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えている。
本発明の別の側面によって、(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えてなり、その射出機と電極システムが、液化重合体が射出機から射出されて、沈着電極の方に移動する複数の絡み合わされた繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0015】
本発明のさらに別の側面によって、(a)沈着電極の方に液化重合体を射出して、複数の重合体繊維を提供し、(b)少なくとも一つの重合体繊維の束を提供するように複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせ、次いで(c)沈着電極を使用して、その上に少なくとも一つの重合体繊維束を集め、不織材料をつくることを含んでなる、液化重合体を不織材料に成形する方法が提供される。
【0016】
本発明のさらに別の側面によって、(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され沈着電極に対して第二電位差を有しかつ第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を備えてなり、その射出機と少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体の射出機から射出されて沈着電極の方に移動する複数の絡み合った繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0017】
本発明の追加の側面によって、(a)沈着電極を提供し、(b)沈着電極に対して第一電位差を有する射出機を提供し、(c)その射出機を沈着電極から第一距離をおいて配置して沈着電極との間に第一軸を画成させ、次いで(d)沈着電極に対して第二電位差を有する、第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を射出機の横に離して配置することを含んでなり、その射出機と少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体を射出機から射出して、沈着電極の上に不織材料を形成するように、沈着電極の方に移動可能な複数の絡み合った繊維を形成することができるよう設計され構築されている、不織材料を液化重合体から形成する装置を製造する方法が提供される。
【0018】
下記の本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によって、上記方法はさらに、射出するステップの前に、液化重合体に電荷制御剤を混合することを含んでいる。
【0019】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出するステップは、沈着電極に対して第一電位差を有する射出機から液化重合体を射出することを含んでいる。
【0020】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、絡み合わせるステップは、沈着電極と射出機の間に画成された第一軸のまわりに、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供することを含んでいる。
【0021】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供するステップが、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有しかつ第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を提供することによって行われる。
【0022】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供するステップが、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有しかつ時間依存性の電界を提供するように作動する電極システムを提供することによって行われる。
【0023】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、上記方法は、電界の不均一性を低下させることをさらに含んでいる。
【0024】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、電界の不均一性を低下させるステップは、沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、沈着電極の近くに配置することによって行われる。
【0025】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、上記方法は、さらに、沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御することを含んでいる。
【0026】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、繊維の配向を制御するステップは、沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、沈着電極の近くに配置することによって行われる。
【0027】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、電極システムは、第一軸のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転する電極を備えている。
【0028】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する。
【0029】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、第一軸と第二軸は実質的に直交している。
【0030】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、第一軸と第二軸は実質的に平行である。
【0031】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される。
【0032】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機と少なくとも一つの回転する電極は、沈着電極にそって同期して移動するように作動する。
【0033】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機と少なくとも一つの回転する電極は、沈着電極にそって独立して移動するように作動する。
【0034】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている。
【0035】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、液化重合体のジェットを形成する機構は、射出する電極を備えている。
【0036】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、装置はさらに、液化重合体を入れるための浴を備えている。
【0037】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、装置はさらに、沈着電極の近くに配置されかつその沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、その補助電極は、沈着電極、射出機及び電極システムが生成する電界を修正するための電極である。
【0038】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は電界の不均一性を低下させる働きをしている。
【0039】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は、沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている。
【0040】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である。
【0041】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は第二軸にそって移動するように作動する。
【0042】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は第二軸に対して角度をなして傾斜している。
【0043】
本発明のさらに追加の側面によって、互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束の少なくとも一つの層を含む不織材料が提供される。
【0044】
本発明のさらに追加の側面によって、互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束を含む不織材料の少なくとも一つの層を含む管形エレメントが提供される。
【0045】
下記の本発明の好ましい実施態様の別の特徴によって、予め定められた配向はランダム配向である。
【0046】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、繊維は重合体繊維である。
【0047】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、重合体は生体適合性重合体である。
【0048】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、管形エレメントは、(a)直径が0.01mm〜100mmの範囲内にある;(b)少なくとも150%膨張できる;(c)多孔度が少なくとも60%である;(d)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している;及び(e)透過する液体の透過性が予め定められている;からなる群から選択される少なくとも一つの特性をもっている。
【0049】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、液体は、血液、血液成分、尿、燃料、油及び水からなる群から選択される。
【0050】
本発明は、不織材料の機械的特性を改良できる電気射出装置と電気射出法を提供することによって、現在知られている配置構成の欠点を処理するのに成功している。
【0051】
本発明の方法を実行し本発明の装置を作動させるには、選択されたタスク又はステップを相互に、自動的に又は組み合わせて実行又は完了する必要がある。さらに、本発明の方法と装置の好ましい実施態様の実際の計装と施設によって、いくつもの選択されたステップを、ハードウェアによって、又はファームウェアの操作装置のソフトウェアによって、又は両者の組み合わせによって実行することができる。例えば、ハードウェアの場合、本発明の選択されたステップはチップ又は回路で実行できる。ソフトウェアの場合、本発明の選択されたステップは、適切な操作装置を使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェアの指示で実行できる。いずれにしろ、本発明の方法と装置の選択されたステップは、複数の指示を実行する計算プラットフォームなどのデータプロセッサによって実行されると言える。
【0052】
図面の簡単な説明
本明細書では、本発明を、添付図面を参照して、単に例示することによって説明する。詳細な図面をここで参照することについては、示されている詳細が、例示として示されかつ本発明の好ましい実施態様を例示説明することだけを目的とし、最も有用でありかつ容易に理解されると考えられる本発明の原理と概念の側面の説明を行うために提供されることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するために必要である以上に詳細に本発明の構造を示そうとしていないが、図面について行った説明によって、いくつもの形態の本発明をどのようにして実行できるかを当業技術者に対して明らかにした。
【0053】
図1は従来技術の電気紡糸装置の模式図である。
図2は本発明の電気射出装置の模式図である。
図3は本発明にしたがって、少なくとも一つのブロアーとして製造された、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
図4は本発明による射出機に接続された運動機構の形態の、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
図5は重合体繊維を絡み合わせる機構が本発明による電気システムである電気射出装置の模式図である。
図6は本発明の回転電極の模式図である。
図7は本発明の固定電極システムの模式図である。
図8は本発明にしたがって、さらに補助電極を含む電気射出装置の模式図である。
好ましい実施態様の説明
本発明は電気射出を利用して不織材料を製造する方法と装置の発明である。具体的に述べると、本発明は、電気射出によって改良された機械的特性を有する不織材料を製造するのに利用できる。
【0054】
図2〜4に示されている本発明をより充分に理解するため、図1に示されている従来の(すなわち従来技術の)電気紡糸装置の構造と作動を、第一に参照する。
【0055】
図1は、従来の電気紡糸装置を使用する不織材料の製造装置(図中、装置10と呼ぶ)を示す。
【0056】
装置10は、例えば1又は2以上の毛管孔(capillary aperture)14を備えた浴であることができる射出機12を備えている。射出機12は、液体形態すなわち溶解されているか又は溶融されている形態の紡糸すべき重合体を貯蔵する働きをする。射出機12は、沈着電極16から予め定められた距離を置いて配置され、沈着電極との間に第一軸線17を画成している。沈着電極16はその上に構造体を形成する働きがある。沈着電極16は、一般に、製造すべき最終製品の幾何学的特性に応じて製造される。
【0057】
射出機12は一般に地絡されるが、沈着電極16は、高電圧の電圧源、好ましくは負極の電圧源に接続され、その結果、射出機12と沈着電極16の間に電界が生成する。あるいは、沈着電極16を地絡してもよいが、射出機12は、正極の高電圧の電圧源に接続される。
【0058】
不織材料を製造するには、液体重合体(例えば溶融重合体又は溶解重合体)を、例えば、静水圧の作用下で又はポンプを使用して(図1には図示せず)、射出機12の毛管孔14を通じて押し出す。押し出された液化重合体のメニスカスが生成されると、直ちに、溶媒蒸発又は冷却の工程が始まり、これに伴い、半硬質の外皮又はクラストを有するカプセルが生成する。射出機12の領域における単極コロナ放電に付随して時々起こる電界は、射出機12と沈着電極16の間の電位差によって生成する。上記液化重合体はある程度の導電度を持っているので、上記カプセルが帯電する。これらカプセル内の電気反発力によって、静水圧が激しく増大するに至る。上記半硬質の外皮が延伸され、次に各外皮の表面に多数の微小破裂点が形成されて、射出機12から液化重合体の極細ジェットが噴霧されるに至る。
【0059】
クーロン力の作用によって上記ジェットは射出機12から離れて、逆の極性の電極すなわち沈着電極16の方に進む。電極間の空間を高速で移動すると、ジェットが冷却するか又はその中の溶媒が蒸発するので、繊維が形成されて沈着電極16の表面上に集められる。
【0060】
典型的な電気紡糸法(例えば装置10が採用するような紡糸法)では、射出機12と沈着電極16の間に生成する電界は、静電気の電界であり、その電界線(field line)は、電極間の空間内で一般に実質的に平行である。したがって、帯電した重合体繊維は電界線と一直線上に並ぶ傾向があるが、交差しない曲線にそって移動して、沈着電極16上でのみ互いに接触する。その作用は、繊維間の相互の静電気反発力によって増大し、繊維が、電極間の空間を移動しながら、互いに絡み合うのを妨害する。
【0061】
生成した不織材料の強さは、その電気紡糸法で使用される重合体の機械的特性、例えば弾性率と破断強さ及び重合体繊維の幾何学的特性例えばその断面積と断面の形態によって左右される。したがって例えば、太い単一繊維の方が細い単一繊維より強さが高いことは分かっている。
【0062】
しかし、集めて束にした複数の細い繊維の強さは、その束の直径より大きい直径を有する単一繊維の強さより有意に高いことは知られている。さらに、このような束の強さは、集めて束にされていない複数の繊維(例えば繊維が物理的に接触することなく事実上互いに平行に配向されている場合)の強さより有意に高い。このように強さが高くなることは、摩擦力によって、負荷が束に均一に分布されることによって説明され、その摩擦力の大きさは束の中の繊維間の交差する点の数と大きさとともに増大する。換言すれば、束の中の繊維間の表面接触全体が大きければ大きいほど、その束の強さは大きい。
【0063】
不織材料の技術分野において、特に電気紡糸を利用して製造される不織材料の場合、強さ以外の有利な特徴、例えば小さい坪量、比較的薄い厚さ、多孔性、生体適合性、濾過性能などを維持しながら、最終製品の強さを高めるのに課題が次々に起こっている。多くの用途で重要な追加の特徴は、最終製品の伸びる性質である。従来技術の電気紡糸装置例えば装置10を使用して製造される不織材料の強さは、重合体材料及び繊維の太さと形態によって決まることは分かるであろう。これらのパラメータは、一般に、最終製品の所望の特徴にしたがって選択され、1又は2以上のパラメータについて妥協がなされることが多い。
【0064】
回転電界を利用する電気紡糸装置(以後、電気射出装置20と呼ぶ)を提供して本発明を実施すると、不織材料の強さを有意に高めることができることが予想外にも発見されたのである。
【0065】
本発明の少なくとも一つの実施態様を詳細に説明する前に、本発明の用途は、以下の説明に述べられているか又は添付図面に例示されている要素の構造や配置の詳細に限定されないと解すべきである。本発明は、他の実施態様を実施できるか又は、各種の方式で実行することができる。また、本願で利用される語法や用語は、説明を目的とするものであり、限定とみなすべきではないと解すべきである。
【0066】
ここで図面にもどると、図2は液化重合体から不織材料を製造する装置20を示す。装置20は、沈着電極22及び沈着電極22から間隔をおいて離れて位置する射出機24を備えかつそれらの間に第一軸26を画成している。射出機24は、沈着電極22に対して第一電位差をもっていることが好ましい。本発明の好ましい実施態様によれば、射出機24は、以下にさらに説明するように、沈着電極22を完全に又は予め定められたように被覆することを保証するため、沈着電極22にそって移動するように作動できる。さらに、沈着電極22は、第一軸26に対して角度をなす第二軸27のまわりを回転するように作動できる。したがって、例えば、第二軸27と第一軸26は実質的に直交しているか又は実質的に平行であってもよい。
【0067】
装置20はさらに、沈着電極22の方に少なくとも一つの重合体繊維の束を移動させて、沈着電極22の上に不織材料をつくるため、重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせる機構28を備えている。機構28は、図3−5を参照して以下にさらに詳細に説明するように、「オンザフライ(on the fly)」重合体繊維を絡み合わせることができる機械部品及び/又は電子部品を備えている。
【0068】
したがって、図3は、機構28が、重合体繊維を、第一軸26のまわりで撚り合わせるように構築された少なくとも一つのブロアー29として実現されている本発明の一実施態様を示す。ブロアー29は、射出機24が射出する繊維を絡ませることができる充分な乱流であることを特徴とする空気流を電極間の空間に送るように設計されて構築されている。空気流は減衰する特性があるので、ブロアーの数、形態及び配向は、重合体繊維が、電極間の空間での全運動にわたって乱流の作用を受けるように選はねばならない。
【0069】
図4は、機構28が、射出機24に接続されて射出機24に第一軸のまわりを運動させるように作動できる運動機構として実現できる本発明の別の実施態様を示す。本発明の好ましい一実施態様によれば、射出機24の運動は、その運動が射出機24が射出する重合体繊維を絡ませるならば、円運動、楕円運動又は不規則なパターンによる運動であってもよい。このような運動の顕著な作用は、接線加速度がゼロでない運動によって達成できることは分かるであろう。このようにして、異なる繊維が異なる運動特性で運動して、結局互いに絡み合うことが保証される。
【0070】
本発明の第三の実施態様を示す図5を見ると、その機構28は、射出機24の横に離して配置された好ましくは沈着電極22に対して第二電位差を有する電極システム31を備えている。本発明の好ましい実施態様によれば、電極システム31は、第一軸26のまわりに回転する電界を提供するように、当該技術分野で知られている方法で構築することができる。
【0071】
図6を参照すると、電極システム31が、第一軸26のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転電極32として製造されている。沈着電極22(図6には示していない)に対して第二電位差を有する回転電極32は、回転電極32の運動をフォローする方向の電界を生成するので、少なくとも一つの回転成分を有する電界が生成する。
【0072】
ここで図7を見ると、本発明の別の好ましい実施態様の電極システム31が示されている。かくして、電極システム31は、少なくとも一つの電源34に接続された2以上の定置電極33を備え、その結果、電極システム31と沈着電極22の間(及び電極システム31と射出機24の間)の電位差は適時に変化する。電源34は、電極33間の相対位相を同期化するため、互いに電気的に連通している。したがって、定置電極33は各々、一定方向の時間依存性電界を生成する。このように電源34間が電気的に連通していると、すべての(時間依存性)電界ベクトルの全体が第一軸26のまわりを回転することを保証する。
【0073】
本発明の好ましい一実施態様によれば、回転電界が電極間空間の異なる位置に作用することを保証するため、電極システム31は、沈着電極22にそって移動するように作動することができる。射出機24と電極システム31の両者がこのような縦方向の運動を行える好ましい実施態様では、このような運動は独立させるか又は同期化することができることは分かるであろう。
【0074】
装置20の作動モードでは、液化された重合体が射出機24によって射出されて電界にさらされ、電極間の空間を移動する。電極間空間の電界は、第一軸26のまわりを回転する少なくとも一つの成分(電極システム31と沈着電極22の間の電位差によって生成する)と定置電界(射出機24と沈着電極22の間の電位差によって生成する)を有している。したがって、液化重合体のジェットは、電界の回転成分の作用下では、沈着電極22の方向に向かう運動に加えて、第一軸26のまわりに撚り合わされる。その回転頻度は、電極システム31の配置構成及び利用する電位差の値を適切に選ぶことによって制御することができる。
【0075】
与えられた時点において、電極システム31に隣接するジェットに対する電界の回転成分の作用は、電極システム31から離れて位置しているジェットに対する作用より大きい。したがって、繊維の射出経路は互いに交差し始めて、沈着する前に繊維が物理的に接触して絡み合う。
したがって、装置20は、噴射ジェットの基本繊維から繊維束の高水準成形体(higher−order formation)を生成する。生成した繊維束の構造は、不均一であり、繊維束の、電極システム31からの距離によって左右される。具体的に述べると、繊維の撚りと絡み合いの程度及び束の中の繊維の数は、電極システム31からの距離の増加関数である。繊維の束は、電極間の空間を移動中、互いに絡み合ってより太い束を生成する。その繊維束の典型的な直径は0.5μm〜15μmであり、その直径は、使用される重合体の化学的性質に左右される。
【0076】
それら繊維束は、形成されている間、電極間の空間を、沈着電極22に向かって移動し続け、沈着電極上に不織材料を形成する。その形成された材料は、三次元の網状構造を有し、繊維間に多数の摺動接触点があることが特徴である。先に説明したように、このような接触点は、繊維間の摩擦力によって、その材料の強さを有意に高める。本発明の好ましい実施態様によれば、繊維が相互に変位できるので、負荷がかかったときの不織材料の弾性が増大し、生成した材料は、少なくとも150%膨張できる。繊維束に基づいた不織材料の別の独得の特徴は、得られる多孔性が、大きい孔と小さい孔の両者が存在することを特徴とすることである。大きい孔は一般に直径が10μmであり、比較的太い束の絡み合いによって生成するが、一方小さい孔は一般に直径が0.1μmであり、繊維束の中に形成される。典型的な状態は、大きい孔の数が小さい孔の数より大きい状態である。その孔の平均の大きさが、本発明の好ましい実施態様によって製造される不織材料が、優れた機械的特性を有するフィルターとして又はフィルターに対するキャリアとして使用できることを保証する。
【0077】
本発明の好ましい実施態様によれば、沈着電極22は、製造される不織材料の所望の構造に応じて、異なる形態であってもよい。例えば、沈着電極22は、円筒、平板(すなわち平坦な沈着電極)として製造することができ、又は入り込んだ形態であってもよい。
【0078】
上記電気射出装置を有効に使用して、大きな曲率半径を有する沈着電極例えば平坦な沈着電極(無限大の曲率半径を有しているとみなされる)上又は大直径の管形沈着電極上に不織材料を生成させることができる。しかし、少なくとも部分的に曲率半径が小さい沈着電極を使うと、電界の最大強度ベクトルの配向は、沈着電極22が繊維束によって同軸でコートされる配向である。従って、小直径の製品は、限定された半径方向の強さを示す。
【0079】
沈着電極22が、鋭利な端縁及び/又は各種の形態と大きさの凹部を備えている場合、沈着電極22の近くの電界のマグニチュードが空気の電気的強度(約30kV/cm)を超えてコロナ放電が沈着電極22の領域に発生することがある。コロナ放電の作用は、本明細書でさらに詳細に説明するように、電気射出法のコーティング効率を低下させる。
【0080】
コロナ放電が始まると、帯電繊維とは符号が逆の電荷を有するかなりの量の空気イオンが生成する。電気力は、それが作用する電荷の極性に対して向かうので、これらのイオンは繊維の移動する方向と反対の方向すなわち、沈着電極22から射出機24へ移動し始める。その結果、これらイオンの一部は体積電荷(volume charge)(イオン雲)を生成し、これは電極間の空間に不均一に分布するので、電界線(electric field line)が沈着電極22ではなくて上記体積電荷を部分的に覆うことになる。さらに、電極間空間に逆の体積電荷が存在すると、繊維に対する電気力が低下して、多量の繊維が電極間空間にたまることになる。このような作用は、繊維コーティングの工程の効率を低下させて、沈着電極22上に、繊維束を全く集めることができなるくなることさえある。
【0081】
本発明は、電界の固定成分と回転成分の両者を制御するため、装置20内に補助電極を設けることによって、上記問題の両方をうまく処理する。具体的に述べると、補助電極は、電界成分の不均一さを実質的に低下させ及び/又は堆積時の繊維束の配向を制御することができる。
【0082】
図8を参照すると、本発明の別の好ましい実施態様が示されているが、この実施態様は、直径が小さく及び/又はこみいった輪郭の不織シェルをつくるのに利用できる。したがって、装置20は、沈着電極22に対して第三電位差を保持している補助電極36を備えていてもよい。補助電極36は、電極間空間の電界の方向とマグニチュードを制御する働きをするので、沈着電極22上に堆積される重合体繊維の束の配向を制御するのに使用できる。いくつかの実施態様で、補助電極36は補助遮へい電極(supplementary screening electrode)として働く。おおまかに述べると、遮へいを利用すると、コーティング沈着率(coating precipitation factor)が低下し、このことは、曲率半径の小さい部分を少なくとも有する沈着電極にとって特に重要である。本発明の好ましい実施態様によれば、補助電極36の大きさ、形態、位置及び数は、沈着電極22の領域におけるコロナ放電の作用を最小限にしながら、コーティング沈着率を最大にし及び/又は堆積時の繊維束の配向を制御するように選択される。したがって補助電極36は、特定の目的に役立つ各種の形態につくることができる。本発明の装置20で使用できる電極の形態としては、限定されないが、平板形、円筒形、トーラス(torus)形、ロッド形、ナイフ形、アーク形又は環形がある。
【0083】
本発明の現在の好ましい実施態様によれば、補助電極36は、第二軸27に沿って移動するように作動する。このような移動は、繊維の配向に対する制御を高める必要があるとき利用される。補助電極36の縦方向の移動は、射出機24及び電極システム31の別の縦方向の移動のいずれかに対して独立しているか又はこれら移動と同期化されていてもよい。また、補助電極36は、第二軸27に対して45°〜90°の角度を付けて傾斜させてもよく、その傾斜は、堆積時の繊維束の配向を制御するのに利用することができる。具体的に述べると、角度が大きいと、繊維束が著しく極性(横)配向[polar(transverse)orientation]する。
【0084】
上記電気射出法は、管形エレメントを効率的に製造することを保証し、このエレメントはいくつもの機械的特性と物理的特性を有している。
【0085】
したがって、本発明の好ましい実施態様によって、絡み合った繊維の束を含む不織材料の層を少なくとも一つ含む管形エレメントが提供される。互いに予め定められた配向で配列されている繊維束は、その配向がその管形エレメントの縦軸に対して、ランダム配向、軸方向配向、横(極性)配向又はその外の配向であってもよい。本発明の管形エレメントは、以下の特性を組合わせた各種の物理的特性と機械的特性を有している。すなわち、その特性は、(a)直径が0.01mm〜100mmの範囲内である、(b)少なくとも150%膨張可能であり、(c)多孔度が少なくとも60%である、(d)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している。及び(e)予め定められた液体透過性を有している、という特性である。
【0086】
本発明の管形エレメントは、産業界の各種の用途で、特に合成血管又は液体/気体チューブとして使用することができる。またこのエレメントは、このような形態が必要な用途の容器又は袋として役立つ。したがってこの管形エレメントは、例えば血液、尿、燃料、油及び水が通過して漏洩するのを防止することができる。
【0087】
本発明の好ましい実施態様で、射出機24に入れる液化重合体は、例えばポリウレタン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニル芳香族、ポリビニルエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリ(L−乳酸)、ポリ(ラクチド−CD−グリコシド)、ポリカプロラクトン、ポリリン酸エステル、ポリ(グリコール酸)、ポリ(DL−乳酸)、及びいくつかの共重合体である。DNA、絹、キトサン及びセルロースなどの生体分子も使用できる。重合体の帯電を改良することも必要である。本発明による帯電の改良は、液化重合体に電荷制御剤(例えば双極性添加剤)を混合して、例えば、電界の作用下で生成するイオン化空気分子と明らかにうまく相互作用する重合体−双極性添加剤複合体を生成することによって行われる。上記電荷制御剤は、重合体のそれぞれの分子量及び使用される電荷制御剤に応じて、1l当たり当量のグラム数すなわち約0.001N〜約0.1Nの範囲内で一般に添加される。
【0088】
米国特許第5726107号、同第5554722号及び同第5558809号は、永久電荷を特徴とする繊維であるエレクトレット繊維を、沈着電極を使用しない溶融紡糸法などの方法を使って製造する場合に、縮合重合法と組合わせて電荷制御剤を使用することを教示している。電荷制御剤は、溶融繊維又は部分的に溶融された繊維に組み込んで繊維中にとどめて、長期間、例えば数週間又は数ヶ月間にわたって消散しない静電荷を繊維に付与する方法で添加される。本発明の好ましい実施態様で、前記電荷制御剤は、繊維の外表面に一時的に結合するので、その電荷はその後、すぐに消散する。これは、縮合重合が全く行われないので、電荷制御剤と重合体の間の化学的相互反応がなくさらに、使用される電荷制御剤の濃度が低いからである。したがって得られる不織材料は、必要に応じて、実質的に電荷がない。
【0089】
適切な電荷制御剤としては限定されないが、例えば−C=C−基、=C−SH−基又は−CO−NH−基を通じて重合体分子に結合できるモノ環式ラジカル及びポリ環式ラジカルを含み、ビスカチオンアミド類、フェノールとウリールスルフィド(uryl sulfide)誘導体、金属錯体化合物類、トリフェニルメタン類、ジメチルイミダゾール及びエトキシトリメリメチルシラン類がある。
【0090】
本発明の追加の目的、利点及び新規な特徴は、本発明を限定するものではない以下の実施例を検討することによって、当業技術者には明らかになるであろう。さらに、先に記述されかつ本願の特許請求の範囲で主張されている本発明の各種実施態様と側面は各々、下記実施例で、実験によって支持されていることがわかる。
【0091】
実施例
上記記述とともに下記実施例を参照して本発明を示す。なおこの実施例によって本発明は限定されない。
【0092】
直径が6mmで長さが200mmの血管プロテーゼを製作した。直径が6mmで長さが300mmのロッドを沈着電極として使用し、そして中央部分200mmを周囲温度(24℃)でコートした。その沈着電極は100RPMという角速度で回転させた。
【0093】
シリコンポリカーボネートウレタン共重合体のCarboSil 20をPolymer Technology Group Incorporatedから購入して、プロテーゼを製造するのに使用した。この重合体は満足すべき繊維形成性能を有し、生体適合性であり強さがかなり高い。全実験で、ジメチルホルムアミドとトルエンの1:1〜1:2の範囲内の比率の混合物を溶媒として使用した。
【0094】
射出電極(dispending electrode)として一つの紡糸口を使用したが、その紡糸口は内径が0.5mmであり、流量は3ml/hであった。その射出電極は地絡され、一方沈着電極は射出電極に対して−50kVの電位差に保持された。
【0095】
射出電極は、沈着電極から35cm離して配置した。射出電極の往復運動は、1分間当たり5回の運動の頻度でマンドレル縦軸にそって行えるようにした。
【0096】
二つの回転電極のシステムを、重合体繊維を絡み合わせる機構として使用した。その回転電極は、共通ベースに対して直角の方向にそのベースから70mm離して配置した金属製ロッドとして製造した。紡糸口は、前記二つの電極の間のそれら電極から等距離の前記ベース上に配置し、すなわち紡糸口は前記回転システムの中心に配置した。前記二つの金属ロッドは前記紡糸口より2〜5mm高くした。
【0097】
移植体を、三種の方法:(a)従来の電気紡糸法を使う方法、(b)頻度が100min−1である回転電界を利用する電気射出法を使う方法、及び(c)頻度が850min−1の回転電界を利用する電気射出法を使用する方法を利用して製造した。回転電界は、電位差をゼロに保持した回転電極を使って、利用した。
【0098】
比較するため、電気射出法の独特の特徴である回転電界を除いて、従来の電気紡糸法及び電気射出法のすべてのパラメータを同一にした。
【0099】
製造した移植体には、強さ(縦方向と半径方向)試験、水透過性試験、伸度試験及び破裂強さ試験を行った。さらに移植体の多孔度を、ANSI/AAMI VP20−1994にしたがって測定した。
【0100】
表1に、従来の電気紡糸法(すなわち静電界を使用する方法)及び回転電界内での電気射出法によって製造したプロテアーゼのいくつかの比較特性を列挙してある。
【0101】
【表1】
【0102】
表1から分かるように、本発明の教示にしたがって採用される回転電界は、移植体の縦方向と半径方向の引張り強さを有意に増大する。従来の電気紡糸法を利用して製造した移植体の水透過性と多孔度は、本発明の教示を利用して製造した移植体の水透過性と多孔度に比べて低い。さらに移植体の伸張性は、回転電界を採用すると増大する。
【0103】
分かりやすくするため、別個の実施態様の説明で述べられている本発明の特定の特徴を、単一の実施態様に組合わせて提供することもできることは明らかである。逆に、分かりやすくするため単一の実施態様の説明で述べられている本発明の各種特徴を、別個に又は適切な小さい組合せで提供することもできる。
【0104】
本発明を、その具体的実施態様で説明してきたが、多くの代替、修正及び変更は当業技術者には明らかであることは明白である。したがって、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲内に入っているこのような代替、修正及び変更のすべてを含むものである。本明細書に挙げた刊行物、特許及び特許願は、それら全体を、あたかも、個々の刊行物、特許又は特許願が各々具体的にかつ個々に組入れられているのと同じ程度に、本明細書に援用するものである。さらに、本願に文献を引用したことは、このような文献が、従来技術として本発明に利用できるという自白であるとみなしてはならない。
【図面の簡単な説明】
【0105】
【図1】従来技術の電気紡糸装置の模式図である。
【図2】本発明の電気射出装置の模式図である。
【図3】本発明にしたがって、少なくとも一つのブロアーとして製造された、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
【図4】本発明による射出機に接続された運動機構の形態の、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
【図5】重合体繊維を絡み合わせる機構が本発明による電気システムである電気射出装置の模式図である。
【図6】本発明の回転電極の模式図である。
【図7】本発明の固定電極システムの模式図である。
【図8】本発明にしたがって、さらに補助電極を含む電気射出装置の模式図である。
発明の技術分野と背景
本発明は不織材料を製造する方法と装置に関し、さらに詳しく述べると、電気射出(electroejection)を利用して不織材料を製造する方法と装置に関する。
【0002】
とりわけ、液化された重合体を電気紡糸(electrospinning)する方法を使用して重合体繊維を含有する製品が得られる繊維製品の製造法が各種の特許に記述されている。電気紡糸法は、極細の合成繊維の製造方法であり、技術操作を減らしかつ製造される製品の特性の安定性を高める方法である。
【0003】
電気紡糸法は、液体の細い流れ又はジェットを生成し、この液体の細い流れ又はジェットの溶媒または液体を適切に蒸発させて固体の遷移状態にすると不織構造体が得られる。液体の上記細い流れは、少量の重合体溶液を、電気力を使って空間を通してひっぱることによって製造される。より詳しく述べると、電気紡糸法は、液化された物質、例えば重合体を電界中に入れ、その結果、その液体は、電気力によって電極の方に引き伸ばされ次いで硬化工程にかけられる繊維を生成する方法である。室温で通常固体である液体の場合、その硬化工程は単なる冷却でよいが、化学的硬化(重合)又は溶媒の蒸発も利用できる。製造された繊維は適切に配置された沈着装置(precipitation deviceあるいはsedimentation device)上に集められ、次にそれからはがしとられる。その沈着装置は、例えば管形の、平板形の又は任意の形態の製品でもよい最終製品の所要の形態にしたがって一般に形成される。
【0004】
電気紡糸で製造できる管形繊維製品の例は、血管プロテーゼ特に合成血管、及びワイヤなどの器具又は構造体が通過できるか又は位置しうる管である。また管形繊維製品は、各種の人工管例えば尿管、空気管(air duct)又は胆管などとしても使用することができる。
【0005】
電気紡糸によって製造される不織布材料は、創傷ドレッシングとして使用するのに適切な形態に成形できる。電気紡糸された材料を使用する場合の特別の利点は、その繊維の直径が非常に小さいので、隙間が小さく表面積が大きいマットが得られることである。
【0006】
電気紡糸繊維で製造された不織製品の最終用途の追加例は、濾過材、おむつカバー、医療用及び個人用の衛生製品、断熱製品、及び生体保護衣料などの予め定められた特性を有する衣料である。
【0007】
いくつもの電気紡糸の用途、特に医療実施の際の用途では、予め定められた強さと弾性の組み合わせが必要である。例えばステントの繊維コーティングは、強さの特性を落とさずに直径を数百%大きく膨張し、しかも長期間使用できる性能を維持できなければならない。血管移植体、心臓弁などを設計する際に同様の問題が起こる。重合体繊維の不織ウェブの強さは、その繊維の配向、使用されている重合体の機械的特性、繊維の幾何学的大きさと形態、及び繊維の延伸度によって左右される。
【0008】
これまで、電気紡糸は各種製品をつくるため有効に利用されてきた。しかし、これまでの不織製品は、横方向の強さが最適な値ではなく、そして横方向の強度が最適の値ではなくしかも伸度が高い。従来の電気紡糸法の性質は、最適の機械的特性を有する製品を効率的に製造することを妨げ、特に従来技術の電気紡糸方法は、充分な強さと弾性を有する製品を製造するのに有効に使用できない。
【0009】
したがって、上記限界のない不織材料を製造する方法に対する要望があることは広く知られており、そしてこのような製造方法が得られれば極めて有利であろう。
【0010】
発明の要約
本発明の一側面によって、(a)沈着電極;(b)沈着電極から離れて位置していて沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機(dispenser)であって、液化重合体を射出して複数の繊維を提供するように設計され、構築されている射出機、及び(c)沈着電極の方へ移動する少なくとも一つの重合体繊維束を提供して沈着電極上に不織材料を形成するように、上記複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡め合わせる機構を備えてなる、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0011】
以下に述べる本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる機構は、重合体繊維を、第一軸のまわりで撚り合わせるよう構築された少なくとも一つのブロワーを備えている。
【0012】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる機構は、射出機に接続されて、射出機が第一軸のまわりを運動するように作動する運動機構を備えている。
【0013】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機の運動は、円運動、楕円運動及び不規則なパターンの運動からなる群から選択される。
【0014】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせる機構は、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えている。
本発明の別の側面によって、(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有し、そして第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えてなり、その射出機と電極システムが、液化重合体が射出機から射出されて、沈着電極の方に移動する複数の絡み合わされた繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0015】
本発明のさらに別の側面によって、(a)沈着電極の方に液化重合体を射出して、複数の重合体繊維を提供し、(b)少なくとも一つの重合体繊維の束を提供するように複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせ、次いで(c)沈着電極を使用して、その上に少なくとも一つの重合体繊維束を集め、不織材料をつくることを含んでなる、液化重合体を不織材料に成形する方法が提供される。
【0016】
本発明のさらに別の側面によって、(a)沈着電極、(b)沈着電極から間隔をおいて配置され沈着電極との間に第一軸を画成し、そして沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び(c)射出機の横に離して配置され沈着電極に対して第二電位差を有しかつ第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を備えてなり、その射出機と少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体の射出機から射出されて沈着電極の方に移動する複数の絡み合った繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている、液化重合体から不織材料を製造する装置が提供される。
【0017】
本発明の追加の側面によって、(a)沈着電極を提供し、(b)沈着電極に対して第一電位差を有する射出機を提供し、(c)その射出機を沈着電極から第一距離をおいて配置して沈着電極との間に第一軸を画成させ、次いで(d)沈着電極に対して第二電位差を有する、第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を射出機の横に離して配置することを含んでなり、その射出機と少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体を射出機から射出して、沈着電極の上に不織材料を形成するように、沈着電極の方に移動可能な複数の絡み合った繊維を形成することができるよう設計され構築されている、不織材料を液化重合体から形成する装置を製造する方法が提供される。
【0018】
下記の本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によって、上記方法はさらに、射出するステップの前に、液化重合体に電荷制御剤を混合することを含んでいる。
【0019】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出するステップは、沈着電極に対して第一電位差を有する射出機から液化重合体を射出することを含んでいる。
【0020】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、絡み合わせるステップは、沈着電極と射出機の間に画成された第一軸のまわりに、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供することを含んでいる。
【0021】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供するステップが、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有しかつ第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を提供することによって行われる。
【0022】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供するステップが、射出機の横に離して配置され、沈着電極に対して第二電位差を有しかつ時間依存性の電界を提供するように作動する電極システムを提供することによって行われる。
【0023】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、上記方法は、電界の不均一性を低下させることをさらに含んでいる。
【0024】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、電界の不均一性を低下させるステップは、沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、沈着電極の近くに配置することによって行われる。
【0025】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、上記方法は、さらに、沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御することを含んでいる。
【0026】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、繊維の配向を制御するステップは、沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、沈着電極の近くに配置することによって行われる。
【0027】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、電極システムは、第一軸のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転する電極を備えている。
【0028】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する。
【0029】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、第一軸と第二軸は実質的に直交している。
【0030】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、第一軸と第二軸は実質的に平行である。
【0031】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される。
【0032】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機と少なくとも一つの回転する電極は、沈着電極にそって同期して移動するように作動する。
【0033】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機と少なくとも一つの回転する電極は、沈着電極にそって独立して移動するように作動する。
【0034】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている。
【0035】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、液化重合体のジェットを形成する機構は、射出する電極を備えている。
【0036】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、装置はさらに、液化重合体を入れるための浴を備えている。
【0037】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、装置はさらに、沈着電極の近くに配置されかつその沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、その補助電極は、沈着電極、射出機及び電極システムが生成する電界を修正するための電極である。
【0038】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は電界の不均一性を低下させる働きをしている。
【0039】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は、沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている。
【0040】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である。
【0041】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は第二軸にそって移動するように作動する。
【0042】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、補助電極は第二軸に対して角度をなして傾斜している。
【0043】
本発明のさらに追加の側面によって、互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束の少なくとも一つの層を含む不織材料が提供される。
【0044】
本発明のさらに追加の側面によって、互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束を含む不織材料の少なくとも一つの層を含む管形エレメントが提供される。
【0045】
下記の本発明の好ましい実施態様の別の特徴によって、予め定められた配向はランダム配向である。
【0046】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、繊維は重合体繊維である。
【0047】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、重合体は生体適合性重合体である。
【0048】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、管形エレメントは、(a)直径が0.01mm〜100mmの範囲内にある;(b)少なくとも150%膨張できる;(c)多孔度が少なくとも60%である;(d)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している;及び(e)透過する液体の透過性が予め定められている;からなる群から選択される少なくとも一つの特性をもっている。
【0049】
上記好ましい実施態様のさらに別の特徴によって、液体は、血液、血液成分、尿、燃料、油及び水からなる群から選択される。
【0050】
本発明は、不織材料の機械的特性を改良できる電気射出装置と電気射出法を提供することによって、現在知られている配置構成の欠点を処理するのに成功している。
【0051】
本発明の方法を実行し本発明の装置を作動させるには、選択されたタスク又はステップを相互に、自動的に又は組み合わせて実行又は完了する必要がある。さらに、本発明の方法と装置の好ましい実施態様の実際の計装と施設によって、いくつもの選択されたステップを、ハードウェアによって、又はファームウェアの操作装置のソフトウェアによって、又は両者の組み合わせによって実行することができる。例えば、ハードウェアの場合、本発明の選択されたステップはチップ又は回路で実行できる。ソフトウェアの場合、本発明の選択されたステップは、適切な操作装置を使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェアの指示で実行できる。いずれにしろ、本発明の方法と装置の選択されたステップは、複数の指示を実行する計算プラットフォームなどのデータプロセッサによって実行されると言える。
【0052】
図面の簡単な説明
本明細書では、本発明を、添付図面を参照して、単に例示することによって説明する。詳細な図面をここで参照することについては、示されている詳細が、例示として示されかつ本発明の好ましい実施態様を例示説明することだけを目的とし、最も有用でありかつ容易に理解されると考えられる本発明の原理と概念の側面の説明を行うために提供されることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するために必要である以上に詳細に本発明の構造を示そうとしていないが、図面について行った説明によって、いくつもの形態の本発明をどのようにして実行できるかを当業技術者に対して明らかにした。
【0053】
図1は従来技術の電気紡糸装置の模式図である。
図2は本発明の電気射出装置の模式図である。
図3は本発明にしたがって、少なくとも一つのブロアーとして製造された、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
図4は本発明による射出機に接続された運動機構の形態の、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
図5は重合体繊維を絡み合わせる機構が本発明による電気システムである電気射出装置の模式図である。
図6は本発明の回転電極の模式図である。
図7は本発明の固定電極システムの模式図である。
図8は本発明にしたがって、さらに補助電極を含む電気射出装置の模式図である。
好ましい実施態様の説明
本発明は電気射出を利用して不織材料を製造する方法と装置の発明である。具体的に述べると、本発明は、電気射出によって改良された機械的特性を有する不織材料を製造するのに利用できる。
【0054】
図2〜4に示されている本発明をより充分に理解するため、図1に示されている従来の(すなわち従来技術の)電気紡糸装置の構造と作動を、第一に参照する。
【0055】
図1は、従来の電気紡糸装置を使用する不織材料の製造装置(図中、装置10と呼ぶ)を示す。
【0056】
装置10は、例えば1又は2以上の毛管孔(capillary aperture)14を備えた浴であることができる射出機12を備えている。射出機12は、液体形態すなわち溶解されているか又は溶融されている形態の紡糸すべき重合体を貯蔵する働きをする。射出機12は、沈着電極16から予め定められた距離を置いて配置され、沈着電極との間に第一軸線17を画成している。沈着電極16はその上に構造体を形成する働きがある。沈着電極16は、一般に、製造すべき最終製品の幾何学的特性に応じて製造される。
【0057】
射出機12は一般に地絡されるが、沈着電極16は、高電圧の電圧源、好ましくは負極の電圧源に接続され、その結果、射出機12と沈着電極16の間に電界が生成する。あるいは、沈着電極16を地絡してもよいが、射出機12は、正極の高電圧の電圧源に接続される。
【0058】
不織材料を製造するには、液体重合体(例えば溶融重合体又は溶解重合体)を、例えば、静水圧の作用下で又はポンプを使用して(図1には図示せず)、射出機12の毛管孔14を通じて押し出す。押し出された液化重合体のメニスカスが生成されると、直ちに、溶媒蒸発又は冷却の工程が始まり、これに伴い、半硬質の外皮又はクラストを有するカプセルが生成する。射出機12の領域における単極コロナ放電に付随して時々起こる電界は、射出機12と沈着電極16の間の電位差によって生成する。上記液化重合体はある程度の導電度を持っているので、上記カプセルが帯電する。これらカプセル内の電気反発力によって、静水圧が激しく増大するに至る。上記半硬質の外皮が延伸され、次に各外皮の表面に多数の微小破裂点が形成されて、射出機12から液化重合体の極細ジェットが噴霧されるに至る。
【0059】
クーロン力の作用によって上記ジェットは射出機12から離れて、逆の極性の電極すなわち沈着電極16の方に進む。電極間の空間を高速で移動すると、ジェットが冷却するか又はその中の溶媒が蒸発するので、繊維が形成されて沈着電極16の表面上に集められる。
【0060】
典型的な電気紡糸法(例えば装置10が採用するような紡糸法)では、射出機12と沈着電極16の間に生成する電界は、静電気の電界であり、その電界線(field line)は、電極間の空間内で一般に実質的に平行である。したがって、帯電した重合体繊維は電界線と一直線上に並ぶ傾向があるが、交差しない曲線にそって移動して、沈着電極16上でのみ互いに接触する。その作用は、繊維間の相互の静電気反発力によって増大し、繊維が、電極間の空間を移動しながら、互いに絡み合うのを妨害する。
【0061】
生成した不織材料の強さは、その電気紡糸法で使用される重合体の機械的特性、例えば弾性率と破断強さ及び重合体繊維の幾何学的特性例えばその断面積と断面の形態によって左右される。したがって例えば、太い単一繊維の方が細い単一繊維より強さが高いことは分かっている。
【0062】
しかし、集めて束にした複数の細い繊維の強さは、その束の直径より大きい直径を有する単一繊維の強さより有意に高いことは知られている。さらに、このような束の強さは、集めて束にされていない複数の繊維(例えば繊維が物理的に接触することなく事実上互いに平行に配向されている場合)の強さより有意に高い。このように強さが高くなることは、摩擦力によって、負荷が束に均一に分布されることによって説明され、その摩擦力の大きさは束の中の繊維間の交差する点の数と大きさとともに増大する。換言すれば、束の中の繊維間の表面接触全体が大きければ大きいほど、その束の強さは大きい。
【0063】
不織材料の技術分野において、特に電気紡糸を利用して製造される不織材料の場合、強さ以外の有利な特徴、例えば小さい坪量、比較的薄い厚さ、多孔性、生体適合性、濾過性能などを維持しながら、最終製品の強さを高めるのに課題が次々に起こっている。多くの用途で重要な追加の特徴は、最終製品の伸びる性質である。従来技術の電気紡糸装置例えば装置10を使用して製造される不織材料の強さは、重合体材料及び繊維の太さと形態によって決まることは分かるであろう。これらのパラメータは、一般に、最終製品の所望の特徴にしたがって選択され、1又は2以上のパラメータについて妥協がなされることが多い。
【0064】
回転電界を利用する電気紡糸装置(以後、電気射出装置20と呼ぶ)を提供して本発明を実施すると、不織材料の強さを有意に高めることができることが予想外にも発見されたのである。
【0065】
本発明の少なくとも一つの実施態様を詳細に説明する前に、本発明の用途は、以下の説明に述べられているか又は添付図面に例示されている要素の構造や配置の詳細に限定されないと解すべきである。本発明は、他の実施態様を実施できるか又は、各種の方式で実行することができる。また、本願で利用される語法や用語は、説明を目的とするものであり、限定とみなすべきではないと解すべきである。
【0066】
ここで図面にもどると、図2は液化重合体から不織材料を製造する装置20を示す。装置20は、沈着電極22及び沈着電極22から間隔をおいて離れて位置する射出機24を備えかつそれらの間に第一軸26を画成している。射出機24は、沈着電極22に対して第一電位差をもっていることが好ましい。本発明の好ましい実施態様によれば、射出機24は、以下にさらに説明するように、沈着電極22を完全に又は予め定められたように被覆することを保証するため、沈着電極22にそって移動するように作動できる。さらに、沈着電極22は、第一軸26に対して角度をなす第二軸27のまわりを回転するように作動できる。したがって、例えば、第二軸27と第一軸26は実質的に直交しているか又は実質的に平行であってもよい。
【0067】
装置20はさらに、沈着電極22の方に少なくとも一つの重合体繊維の束を移動させて、沈着電極22の上に不織材料をつくるため、重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせる機構28を備えている。機構28は、図3−5を参照して以下にさらに詳細に説明するように、「オンザフライ(on the fly)」重合体繊維を絡み合わせることができる機械部品及び/又は電子部品を備えている。
【0068】
したがって、図3は、機構28が、重合体繊維を、第一軸26のまわりで撚り合わせるように構築された少なくとも一つのブロアー29として実現されている本発明の一実施態様を示す。ブロアー29は、射出機24が射出する繊維を絡ませることができる充分な乱流であることを特徴とする空気流を電極間の空間に送るように設計されて構築されている。空気流は減衰する特性があるので、ブロアーの数、形態及び配向は、重合体繊維が、電極間の空間での全運動にわたって乱流の作用を受けるように選はねばならない。
【0069】
図4は、機構28が、射出機24に接続されて射出機24に第一軸のまわりを運動させるように作動できる運動機構として実現できる本発明の別の実施態様を示す。本発明の好ましい一実施態様によれば、射出機24の運動は、その運動が射出機24が射出する重合体繊維を絡ませるならば、円運動、楕円運動又は不規則なパターンによる運動であってもよい。このような運動の顕著な作用は、接線加速度がゼロでない運動によって達成できることは分かるであろう。このようにして、異なる繊維が異なる運動特性で運動して、結局互いに絡み合うことが保証される。
【0070】
本発明の第三の実施態様を示す図5を見ると、その機構28は、射出機24の横に離して配置された好ましくは沈着電極22に対して第二電位差を有する電極システム31を備えている。本発明の好ましい実施態様によれば、電極システム31は、第一軸26のまわりに回転する電界を提供するように、当該技術分野で知られている方法で構築することができる。
【0071】
図6を参照すると、電極システム31が、第一軸26のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転電極32として製造されている。沈着電極22(図6には示していない)に対して第二電位差を有する回転電極32は、回転電極32の運動をフォローする方向の電界を生成するので、少なくとも一つの回転成分を有する電界が生成する。
【0072】
ここで図7を見ると、本発明の別の好ましい実施態様の電極システム31が示されている。かくして、電極システム31は、少なくとも一つの電源34に接続された2以上の定置電極33を備え、その結果、電極システム31と沈着電極22の間(及び電極システム31と射出機24の間)の電位差は適時に変化する。電源34は、電極33間の相対位相を同期化するため、互いに電気的に連通している。したがって、定置電極33は各々、一定方向の時間依存性電界を生成する。このように電源34間が電気的に連通していると、すべての(時間依存性)電界ベクトルの全体が第一軸26のまわりを回転することを保証する。
【0073】
本発明の好ましい一実施態様によれば、回転電界が電極間空間の異なる位置に作用することを保証するため、電極システム31は、沈着電極22にそって移動するように作動することができる。射出機24と電極システム31の両者がこのような縦方向の運動を行える好ましい実施態様では、このような運動は独立させるか又は同期化することができることは分かるであろう。
【0074】
装置20の作動モードでは、液化された重合体が射出機24によって射出されて電界にさらされ、電極間の空間を移動する。電極間空間の電界は、第一軸26のまわりを回転する少なくとも一つの成分(電極システム31と沈着電極22の間の電位差によって生成する)と定置電界(射出機24と沈着電極22の間の電位差によって生成する)を有している。したがって、液化重合体のジェットは、電界の回転成分の作用下では、沈着電極22の方向に向かう運動に加えて、第一軸26のまわりに撚り合わされる。その回転頻度は、電極システム31の配置構成及び利用する電位差の値を適切に選ぶことによって制御することができる。
【0075】
与えられた時点において、電極システム31に隣接するジェットに対する電界の回転成分の作用は、電極システム31から離れて位置しているジェットに対する作用より大きい。したがって、繊維の射出経路は互いに交差し始めて、沈着する前に繊維が物理的に接触して絡み合う。
したがって、装置20は、噴射ジェットの基本繊維から繊維束の高水準成形体(higher−order formation)を生成する。生成した繊維束の構造は、不均一であり、繊維束の、電極システム31からの距離によって左右される。具体的に述べると、繊維の撚りと絡み合いの程度及び束の中の繊維の数は、電極システム31からの距離の増加関数である。繊維の束は、電極間の空間を移動中、互いに絡み合ってより太い束を生成する。その繊維束の典型的な直径は0.5μm〜15μmであり、その直径は、使用される重合体の化学的性質に左右される。
【0076】
それら繊維束は、形成されている間、電極間の空間を、沈着電極22に向かって移動し続け、沈着電極上に不織材料を形成する。その形成された材料は、三次元の網状構造を有し、繊維間に多数の摺動接触点があることが特徴である。先に説明したように、このような接触点は、繊維間の摩擦力によって、その材料の強さを有意に高める。本発明の好ましい実施態様によれば、繊維が相互に変位できるので、負荷がかかったときの不織材料の弾性が増大し、生成した材料は、少なくとも150%膨張できる。繊維束に基づいた不織材料の別の独得の特徴は、得られる多孔性が、大きい孔と小さい孔の両者が存在することを特徴とすることである。大きい孔は一般に直径が10μmであり、比較的太い束の絡み合いによって生成するが、一方小さい孔は一般に直径が0.1μmであり、繊維束の中に形成される。典型的な状態は、大きい孔の数が小さい孔の数より大きい状態である。その孔の平均の大きさが、本発明の好ましい実施態様によって製造される不織材料が、優れた機械的特性を有するフィルターとして又はフィルターに対するキャリアとして使用できることを保証する。
【0077】
本発明の好ましい実施態様によれば、沈着電極22は、製造される不織材料の所望の構造に応じて、異なる形態であってもよい。例えば、沈着電極22は、円筒、平板(すなわち平坦な沈着電極)として製造することができ、又は入り込んだ形態であってもよい。
【0078】
上記電気射出装置を有効に使用して、大きな曲率半径を有する沈着電極例えば平坦な沈着電極(無限大の曲率半径を有しているとみなされる)上又は大直径の管形沈着電極上に不織材料を生成させることができる。しかし、少なくとも部分的に曲率半径が小さい沈着電極を使うと、電界の最大強度ベクトルの配向は、沈着電極22が繊維束によって同軸でコートされる配向である。従って、小直径の製品は、限定された半径方向の強さを示す。
【0079】
沈着電極22が、鋭利な端縁及び/又は各種の形態と大きさの凹部を備えている場合、沈着電極22の近くの電界のマグニチュードが空気の電気的強度(約30kV/cm)を超えてコロナ放電が沈着電極22の領域に発生することがある。コロナ放電の作用は、本明細書でさらに詳細に説明するように、電気射出法のコーティング効率を低下させる。
【0080】
コロナ放電が始まると、帯電繊維とは符号が逆の電荷を有するかなりの量の空気イオンが生成する。電気力は、それが作用する電荷の極性に対して向かうので、これらのイオンは繊維の移動する方向と反対の方向すなわち、沈着電極22から射出機24へ移動し始める。その結果、これらイオンの一部は体積電荷(volume charge)(イオン雲)を生成し、これは電極間の空間に不均一に分布するので、電界線(electric field line)が沈着電極22ではなくて上記体積電荷を部分的に覆うことになる。さらに、電極間空間に逆の体積電荷が存在すると、繊維に対する電気力が低下して、多量の繊維が電極間空間にたまることになる。このような作用は、繊維コーティングの工程の効率を低下させて、沈着電極22上に、繊維束を全く集めることができなるくなることさえある。
【0081】
本発明は、電界の固定成分と回転成分の両者を制御するため、装置20内に補助電極を設けることによって、上記問題の両方をうまく処理する。具体的に述べると、補助電極は、電界成分の不均一さを実質的に低下させ及び/又は堆積時の繊維束の配向を制御することができる。
【0082】
図8を参照すると、本発明の別の好ましい実施態様が示されているが、この実施態様は、直径が小さく及び/又はこみいった輪郭の不織シェルをつくるのに利用できる。したがって、装置20は、沈着電極22に対して第三電位差を保持している補助電極36を備えていてもよい。補助電極36は、電極間空間の電界の方向とマグニチュードを制御する働きをするので、沈着電極22上に堆積される重合体繊維の束の配向を制御するのに使用できる。いくつかの実施態様で、補助電極36は補助遮へい電極(supplementary screening electrode)として働く。おおまかに述べると、遮へいを利用すると、コーティング沈着率(coating precipitation factor)が低下し、このことは、曲率半径の小さい部分を少なくとも有する沈着電極にとって特に重要である。本発明の好ましい実施態様によれば、補助電極36の大きさ、形態、位置及び数は、沈着電極22の領域におけるコロナ放電の作用を最小限にしながら、コーティング沈着率を最大にし及び/又は堆積時の繊維束の配向を制御するように選択される。したがって補助電極36は、特定の目的に役立つ各種の形態につくることができる。本発明の装置20で使用できる電極の形態としては、限定されないが、平板形、円筒形、トーラス(torus)形、ロッド形、ナイフ形、アーク形又は環形がある。
【0083】
本発明の現在の好ましい実施態様によれば、補助電極36は、第二軸27に沿って移動するように作動する。このような移動は、繊維の配向に対する制御を高める必要があるとき利用される。補助電極36の縦方向の移動は、射出機24及び電極システム31の別の縦方向の移動のいずれかに対して独立しているか又はこれら移動と同期化されていてもよい。また、補助電極36は、第二軸27に対して45°〜90°の角度を付けて傾斜させてもよく、その傾斜は、堆積時の繊維束の配向を制御するのに利用することができる。具体的に述べると、角度が大きいと、繊維束が著しく極性(横)配向[polar(transverse)orientation]する。
【0084】
上記電気射出法は、管形エレメントを効率的に製造することを保証し、このエレメントはいくつもの機械的特性と物理的特性を有している。
【0085】
したがって、本発明の好ましい実施態様によって、絡み合った繊維の束を含む不織材料の層を少なくとも一つ含む管形エレメントが提供される。互いに予め定められた配向で配列されている繊維束は、その配向がその管形エレメントの縦軸に対して、ランダム配向、軸方向配向、横(極性)配向又はその外の配向であってもよい。本発明の管形エレメントは、以下の特性を組合わせた各種の物理的特性と機械的特性を有している。すなわち、その特性は、(a)直径が0.01mm〜100mmの範囲内である、(b)少なくとも150%膨張可能であり、(c)多孔度が少なくとも60%である、(d)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している。及び(e)予め定められた液体透過性を有している、という特性である。
【0086】
本発明の管形エレメントは、産業界の各種の用途で、特に合成血管又は液体/気体チューブとして使用することができる。またこのエレメントは、このような形態が必要な用途の容器又は袋として役立つ。したがってこの管形エレメントは、例えば血液、尿、燃料、油及び水が通過して漏洩するのを防止することができる。
【0087】
本発明の好ましい実施態様で、射出機24に入れる液化重合体は、例えばポリウレタン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニル芳香族、ポリビニルエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリ(L−乳酸)、ポリ(ラクチド−CD−グリコシド)、ポリカプロラクトン、ポリリン酸エステル、ポリ(グリコール酸)、ポリ(DL−乳酸)、及びいくつかの共重合体である。DNA、絹、キトサン及びセルロースなどの生体分子も使用できる。重合体の帯電を改良することも必要である。本発明による帯電の改良は、液化重合体に電荷制御剤(例えば双極性添加剤)を混合して、例えば、電界の作用下で生成するイオン化空気分子と明らかにうまく相互作用する重合体−双極性添加剤複合体を生成することによって行われる。上記電荷制御剤は、重合体のそれぞれの分子量及び使用される電荷制御剤に応じて、1l当たり当量のグラム数すなわち約0.001N〜約0.1Nの範囲内で一般に添加される。
【0088】
米国特許第5726107号、同第5554722号及び同第5558809号は、永久電荷を特徴とする繊維であるエレクトレット繊維を、沈着電極を使用しない溶融紡糸法などの方法を使って製造する場合に、縮合重合法と組合わせて電荷制御剤を使用することを教示している。電荷制御剤は、溶融繊維又は部分的に溶融された繊維に組み込んで繊維中にとどめて、長期間、例えば数週間又は数ヶ月間にわたって消散しない静電荷を繊維に付与する方法で添加される。本発明の好ましい実施態様で、前記電荷制御剤は、繊維の外表面に一時的に結合するので、その電荷はその後、すぐに消散する。これは、縮合重合が全く行われないので、電荷制御剤と重合体の間の化学的相互反応がなくさらに、使用される電荷制御剤の濃度が低いからである。したがって得られる不織材料は、必要に応じて、実質的に電荷がない。
【0089】
適切な電荷制御剤としては限定されないが、例えば−C=C−基、=C−SH−基又は−CO−NH−基を通じて重合体分子に結合できるモノ環式ラジカル及びポリ環式ラジカルを含み、ビスカチオンアミド類、フェノールとウリールスルフィド(uryl sulfide)誘導体、金属錯体化合物類、トリフェニルメタン類、ジメチルイミダゾール及びエトキシトリメリメチルシラン類がある。
【0090】
本発明の追加の目的、利点及び新規な特徴は、本発明を限定するものではない以下の実施例を検討することによって、当業技術者には明らかになるであろう。さらに、先に記述されかつ本願の特許請求の範囲で主張されている本発明の各種実施態様と側面は各々、下記実施例で、実験によって支持されていることがわかる。
【0091】
実施例
上記記述とともに下記実施例を参照して本発明を示す。なおこの実施例によって本発明は限定されない。
【0092】
直径が6mmで長さが200mmの血管プロテーゼを製作した。直径が6mmで長さが300mmのロッドを沈着電極として使用し、そして中央部分200mmを周囲温度(24℃)でコートした。その沈着電極は100RPMという角速度で回転させた。
【0093】
シリコンポリカーボネートウレタン共重合体のCarboSil 20をPolymer Technology Group Incorporatedから購入して、プロテーゼを製造するのに使用した。この重合体は満足すべき繊維形成性能を有し、生体適合性であり強さがかなり高い。全実験で、ジメチルホルムアミドとトルエンの1:1〜1:2の範囲内の比率の混合物を溶媒として使用した。
【0094】
射出電極(dispending electrode)として一つの紡糸口を使用したが、その紡糸口は内径が0.5mmであり、流量は3ml/hであった。その射出電極は地絡され、一方沈着電極は射出電極に対して−50kVの電位差に保持された。
【0095】
射出電極は、沈着電極から35cm離して配置した。射出電極の往復運動は、1分間当たり5回の運動の頻度でマンドレル縦軸にそって行えるようにした。
【0096】
二つの回転電極のシステムを、重合体繊維を絡み合わせる機構として使用した。その回転電極は、共通ベースに対して直角の方向にそのベースから70mm離して配置した金属製ロッドとして製造した。紡糸口は、前記二つの電極の間のそれら電極から等距離の前記ベース上に配置し、すなわち紡糸口は前記回転システムの中心に配置した。前記二つの金属ロッドは前記紡糸口より2〜5mm高くした。
【0097】
移植体を、三種の方法:(a)従来の電気紡糸法を使う方法、(b)頻度が100min−1である回転電界を利用する電気射出法を使う方法、及び(c)頻度が850min−1の回転電界を利用する電気射出法を使用する方法を利用して製造した。回転電界は、電位差をゼロに保持した回転電極を使って、利用した。
【0098】
比較するため、電気射出法の独特の特徴である回転電界を除いて、従来の電気紡糸法及び電気射出法のすべてのパラメータを同一にした。
【0099】
製造した移植体には、強さ(縦方向と半径方向)試験、水透過性試験、伸度試験及び破裂強さ試験を行った。さらに移植体の多孔度を、ANSI/AAMI VP20−1994にしたがって測定した。
【0100】
表1に、従来の電気紡糸法(すなわち静電界を使用する方法)及び回転電界内での電気射出法によって製造したプロテアーゼのいくつかの比較特性を列挙してある。
【0101】
【表1】
【0102】
表1から分かるように、本発明の教示にしたがって採用される回転電界は、移植体の縦方向と半径方向の引張り強さを有意に増大する。従来の電気紡糸法を利用して製造した移植体の水透過性と多孔度は、本発明の教示を利用して製造した移植体の水透過性と多孔度に比べて低い。さらに移植体の伸張性は、回転電界を採用すると増大する。
【0103】
分かりやすくするため、別個の実施態様の説明で述べられている本発明の特定の特徴を、単一の実施態様に組合わせて提供することもできることは明らかである。逆に、分かりやすくするため単一の実施態様の説明で述べられている本発明の各種特徴を、別個に又は適切な小さい組合せで提供することもできる。
【0104】
本発明を、その具体的実施態様で説明してきたが、多くの代替、修正及び変更は当業技術者には明らかであることは明白である。したがって、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲内に入っているこのような代替、修正及び変更のすべてを含むものである。本明細書に挙げた刊行物、特許及び特許願は、それら全体を、あたかも、個々の刊行物、特許又は特許願が各々具体的にかつ個々に組入れられているのと同じ程度に、本明細書に援用するものである。さらに、本願に文献を引用したことは、このような文献が、従来技術として本発明に利用できるという自白であるとみなしてはならない。
【図面の簡単な説明】
【0105】
【図1】従来技術の電気紡糸装置の模式図である。
【図2】本発明の電気射出装置の模式図である。
【図3】本発明にしたがって、少なくとも一つのブロアーとして製造された、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
【図4】本発明による射出機に接続された運動機構の形態の、重合体繊維を絡み合わせる機構の模式図である。
【図5】重合体繊維を絡み合わせる機構が本発明による電気システムである電気射出装置の模式図である。
【図6】本発明の回転電極の模式図である。
【図7】本発明の固定電極システムの模式図である。
【図8】本発明にしたがって、さらに補助電極を含む電気射出装置の模式図である。
Claims (107)
- 液化重合体から不織材料を製造する装置であって
(a)沈着電極、
(b)前記沈着電極から間隔をおいて配置され前記沈着電極との間に第一軸を画成し、そして前記沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び
(c)前記射出機の横に離して配置され前記沈着電極に対して第二電位差を有しかつ前記第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極
を備えてなり、
前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体が前記射出機から射出されて前記沈着電極の方に移動する複数の絡み合った繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている装置。 - 前記沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する請求項1の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に直交している請求項2の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に平行である請求項2の装置。
- 前記沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される請求項1の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって同期して移動するように作動する請求項1の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって独立して移動するように作動する請求項1の装置。
- 前記射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている請求項1の装置。
- 液化重合体のジェットを形成する前記機構は、射出する電極を備えている請求項8の装置。
- さらに、液化重合体を入れるための浴を備えている請求項1の装置。
- さらに、前記沈着電極の近くに配置されかつ前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、前記補助電極は、前記沈着電極、前記射出機及び前記少なくとも一つの回転する電極が生成する電界を修正するための電極である請求項2の装置。
- 前記補助電極は前記電界の不均一性を低下させる働きをしている請求項11の装置。
- 前記補助電極は、前記沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている請求項11の装置。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項11の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項11の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項11の装置。
- 液化重合体を不織材料に成形する方法であって、
(a)沈着電極の方に液化重合体を射出して、複数の重合体繊維を提供し、
(b)少なくとも一つの重合体繊維の束を提供するように前記複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせ、次いで
(c)前記沈着電極を使用して、その上に前記少なくとも一つの重合体繊維束を集め、不織材料をつくること
を含んでなる方法。 - さらに、前記射出するステップの前に、液化重合体に電荷制御剤を混合することを含む請求項17の方法。
- 前記射出するステップは、前記沈着電極に対して第一電位差を有する射出機から液化重合体を射出することを含む請求項17の方法。
- 前記絡み合わせるステップは、前記沈着電極と前記射出機の間に画成された第一軸のまわりに、少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供することを含む請求項19の方法。
- 少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供することが、前記射出機の横に離して配置され、前記沈着電極に対して第二電位差を有しかつ前記第一軸のまわりを回転するよう作動する少なくとも一つの回転する電極を提供することによって行われる請求項20の方法。
- 少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供することが、前記射出機の横に離して配置され、前記沈着電極に対して第二電位差を有しかつ時間依存性の電界を提供するように作動する電極システムを提供することによって行われる請求項20の方法。
- 前記沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する請求項20の方法。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に直交している請求項23の方法。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に平行である請求項23の方法。
- 前記沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される請求項17の方法。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって同期して移動するように作動する請求項21の方法。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって独立して移動するように作動する請求項21の方法。
- 前記射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている請求項19の方法。
- 液化重合体のジェットを形成する前記機構は、射出する電極を備えている請求項29の方法。
- 前記電界の不均一性を低下させることをさらに含む請求項20の方法。
- 前記電界の不均一性を低下させることは、前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、前記沈着電極の近くに配置することによって行われる請求項31の方法。
- さらに、前記沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御することを含む請求項20の方法。
- 繊維の配向を制御することは、前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を、前記沈着電極の近くに配置することによって行われる請求項33の方法。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項32の方法。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項34の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項32の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項34の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項32の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項34の方法。
- 不織材料を液化重合体から製造する装置を製造する方法であって、
(a)沈着電極を提供し、
(b)前記沈着電極に対して第一電位差を有する射出機を提供し、
(c)前記射出機を前記沈着電極から第一距離をおいて配置して沈着電極との間に第一軸を画成させ、次いで
(d)前記沈着電極に対して第二電位差を有する、前記第一軸のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転する電極を前記射出機の横に離して配置すること
を含んでなり、
前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極が、液化重合体を前記射出機から射出して、沈着電極の上に不織材料を形成するように、前記沈着電極の方に移動可能な複数の絡み合った繊維を形成することができるよう設計され構築されている方法。 - 前記沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する請求項41の方法。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に直交している請求項42の方法。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に平行である請求項42の方法。
- 前記沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される請求項41の方法。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって同期して移動するように作動する請求項41の方法。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって独立して移動するように作動する請求項41の方法。
- 前記射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている請求項41の方法。
- さらに、液化重合体を入れるための浴を備えている請求項41の方法。
- 液化重合体のジェットを形成する前記機構は、射出する電極を備えている請求項48の方法。
- さらに、前記沈着電極の近くに配置されかつ前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、前記補助電極は、前記沈着電極、前記射出機及び前記少なくとも一つの回転する電極が生成する電界を修正するための電極である請求項41の方法。
- 前記補助電極は前記電界の不均一性を低下させる働きをしている請求項51の方法。
- 前記補助電極は、前記沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている請求項51の方法。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項51の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項51の方法。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項51の方法。
- 液化重合体から不織材料を製造する装置であって、
(a)沈着電極、
(b)前記沈着電極から間隔をおいて配置され前記沈着電極との間に第一軸を画成し、そして前記沈着電極に対して第一電位差を有する射出機、及び
(c)前記射出機の横に離して配置され、前記沈着電極に対して第二電位差を有し、そして前記第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システム
を備えてなり、
前記射出機と前記電極システムが、液化重合体が前記射出機から射出されて、前記沈着電極の方に移動する複数の絡み合わされた繊維を形成して、沈着電極の上に不織材料を形成するように設計され構築されている装置。 - 前記電極システムは、前記第一軸のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転する電極を備える請求項57の装置。
- 前記沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する請求項57の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に直交している請求項59の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に平行である請求項59の装置。
- 前記沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される請求項57の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって同期して移動するように作動する請求項58の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって独立して移動するように作動する請求項58の装置。
- 前記射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている請求項57の装置。
- 液化重合体のジェットを形成する前記機構は、射出する電極を備えている請求項65の装置。
- さらに、液化重合体を入れるための浴を備えている請求項57の装置。
- さらに、前記沈着電極の近くに配置されかつ前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、前記補助電極は、前記沈着電極、前記射出機及び前記電極システムが生成する電界を修正するための電極である請求項59の装置。
- 前記補助電極は前記電界の不均一性を低下させる働きをしている請求項68の装置。
- 前記補助電極は、前記沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている請求項68の装置。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項68の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項68の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項68の装置。
- 互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束の少なくとも一つの層を含む不織材料。
- 前記予め定められた配向はランダム配向である請求項74の不織材料。
- 前記繊維は重合体繊維である請求項74の不織材料。
- 前記重合体は生体適合性重合体である請求項76の不織材料。
- 請求項74の不織材料であって、
(a)少なくとも150%膨張できる;
(b)多孔度が少なくとも60%である;
(c)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している;
からなる群から選択される少なくとも一つの特性をもっている不織材料。 - 前記束は、直径が0.5μm〜15μmの範囲内にある請求項74の不織材料。
- 互いに予め定められた配向で配列されている絡み合った繊維の束を含む不織材料の少なくとも一つの層を含む管形エレメント。
- 前記予め定められた配向は管形エレメントの縦軸に対して、ランダム配向、軸方向配向、横配向及び任意の配向からなる群から選択される請求項80の管形エレメント。
- 前記繊維は重合体繊維である請求項80の管形エレメント。
- 前記重合体は生体適合性重合体である請求項82の管形エレメント。
- 請求項80の管形エレメントであって、
(a)直径が0.01mm〜100mmの範囲内にある;
(b)少なくとも150%膨張できる;
(c)多孔度が少なくとも60%である;
(d)直径が50nm〜20μmの範囲内にある孔を有している;及び
(e)透過する液体に対して予め定められた透過性を有する;からなる群から選択される少なくとも一つの特性をもっている管形エレメント。 - 前記液体は、血液、血液成分、尿、燃料、油及び水からなる群から選択される請求項84の管形エレメント。
- 前記束は、直径が0.5μm〜15μmの範囲内にある請求項80の管形エレメント。
- 液化重合体から不織材料を製造する装置であって、
(a)沈着電極;
(b)前記沈着電極から離れて位置していて前記沈着電極との間に第一軸を画成し、そして前記沈着電極に対して第一電位差を有する射出機であって、液化重合体を射出して複数の繊維を提供するように設計され構築されている射出機、及び
(c)前記沈着電極の方へ移動する少なくとも一つの重合体繊維束を提供して沈着電極上に不織材料を形成するように、前記複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡め合わせる機構
を備えてなる装置。 - 前記複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる前記機構は、前記重合体繊維を、前記第一軸のまわりで撚り合わせるよう構築された少なくとも一つのブロワーを備えている請求項87の装置。
- 前記複数の重合体繊維の少なくとも一部を絡み合わせる前記機構は、前記射出機に接続されて、射出機が前記第一軸のまわりを運動するように作動する運動機構を備えている請求項87の装置。
- 前記射出機の前記運動は、円運動、楕円運動及び不規則なパターンの運動からなる群から選択される請求項88の装置。
- 前記複数の重合体繊維の少なくとも一部分を絡み合わせる前記機構は、前記射出機の横に離して配置され、前記沈着電極に対して第二電位差を有し、そして前記第一軸のまわりに少なくとも一つの回転成分を有する電界を提供できる電極システムを備えている請求項87の装置。
- 前記電極システムは、前記第一軸のまわりを回転するように作動する少なくとも一つの回転する電極を備える請求項91の装置。
- 前記沈着電極は、第二軸のまわりを回転するように作動する請求項91の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に直交している請求項93の装置。
- 前記第一軸と前記第二軸は実質的に平行である請求項93の装置。
- 前記沈着電極は、円筒形沈着電極、平板形沈着電極及び込み入った輪郭の沈着電極からなる群から選択される請求項87の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって同期して移動するように作動する請求項92の装置。
- 前記射出機と前記少なくとも一つの回転する電極は、前記沈着電極にそって独立して移動するように作動する請求項92の装置。
- 前記射出機は液化重合体のジェットを形成する機構を備えている請求項87の装置。
- 液化重合体のジェットを形成する前記機構は、射出する電極を備えている請求項99の装置。
- さらに、液化重合体を入れるための浴を備えている請求項87の装置。
- さらに、前記沈着電極の近くに配置されかつ前記沈着電極に対して第三電位差を有する補助電極を備え、前記補助電極は、前記沈着電極、前記射出機及び前記電極システムが生成する電界を修正するための電極である請求項93の装置。
- 前記補助電極は前記電界の不均一性を低下させる働きをしている請求項102の装置。
- 前記補助電極は、前記沈着電極上に形成される不織材料の繊維の配向を制御する働きをしている請求項102の装置。
- 前記補助電極は、平板形、円筒形、トーラス形又はワイヤ形からなる群から選択される形態の電極である請求項102の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸にそって移動するように作動する請求項102の装置。
- 前記補助電極は前記第二軸に対して角度をなして傾斜している請求項102の装置。
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