JP2005171421A - 微粒子製造装置および微粒子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 繊維状材料を切断部へ供給する際に、繊維軸を一方向に揃えることができ、均一な長さに切断することが可能な微粒子製造装置、および粒子の大きさが均一な微粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】 微粒子製造装置は、繊維状材料を所定の長さに切断し、微粒子を製造する微粒子製造装置であって、繊維状材料を一定の間隔で連続して切断する切断部１と、繊維状材料を所定の速度で切断部１へ送る搬送部２と、切断部１において繊維状材料の搬送方向に沿った気流を作り出す排気部４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繊維状材料を均一な長さに切断することができる微粒子製造装置、および粒子の大きさが均一な微粒子の製造方法に関する。

材料を印刷用のトナーや粉体塗料に用いるためには、できるだけ均一に微粒子化することが必要であり、これまで様々な検討がなされてきている。

この種の技術としては、太さが揃った繊維状材料を作製し、一定の長さに切断することにより、均一な大きさの微粒子を製造すること（例えば、特許文献１参照）が知られている。さらには、繊維状材料を切断する際に切断角度を変えることや、切断部に層流エアを流すこと等の改良技術（例えば、特許文献２参照）についても検討されている。

また、チョップドストランドを製造する場合においては、エアガイドに供給する空気の気流によって繊維材料を切断部に供給し、切断すること（例えば、特許文献３参照）が知られている。

特開平６−１３８７０４号公報

特開２００１−８８１号公報

特開平６−２８７８１７号公報

しかし、繊維状材料を切断することにより微粒子を製造する技術に関して、様々な材料を繊維化する技術や、繊維状材料を切断する技術については種々検討されているが、繊維化した繊維状材料を切断部へ供給する方法については、これまで検討されていない。

一方、チョップドストランドを製造する技術に関しては、上記のように切断部に空気を供給する方法が開示されているが、供給する空気の気流に煽られて繊維状材料の並びが乱れるため、チョップドストランドよりも高い精度が必要なミクロンオーダーの微粒子に対しては切断する長さの誤差が大きくなり、得られる微粒子の大きさが不揃いになるという問題がある。さらに、微粒子は、チョップドストランドに比べて質量が軽いため気流に流されて回収し難いという問題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、繊維状材料を切断部へ供給する際に、繊維軸を一方向に揃えることができ、かつ均一な長さに切断することが可能な微粒子製造装置、および粒子の大きさが均一な微粒子の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明に係る微粒子製造装置の第１特徴構成は、繊維状材料を所定の長さに切断し、微粒子を製造する微粒子製造装置であって、前記繊維状材料を一定の間隔で連続して切断する切断部と、前記繊維状材料を所定の速度で前記切断部へ送る搬送部と、前記切断部において前記繊維状材料の搬送方向に沿った気流を作り出す排気部と、を備える点にある。

この第１特徴構成によれば、搬送部から排気部への気流の流れを作り出すことができるため、繊維軸が一方向に揃った繊維状材料が切断部に供給することができる。これにより切断部において一定間隔で連続切断することによって、長さの揃った微粒子を製造することができる。また、繊維状材料を予め揃えておく必要がなく、搬送部において搬送中に繊維状材料の並びが乱れたとしても、切断部においては整列し一定の長さに切断することができる。これにより繊維状材料の取扱いも容易になる。さらに、気流は切断後の微粒子を搬送することができるため、回収もし易くなる。

また、繊維状材料に一定の張力を付与することもできるので、繊維状材料を紡糸した後に巻取や捕集することなくそのまま切断することも可能である。このため、工程を短縮することができ、製造コストを減らすことができる。

さらに、排気部の排気量を制御して気流の速度を調節することにより、強度の低い繊維状材料についても、破断させることなく好適に整列させることができる。複数の繊維状材料を整列させる場合には、気流は繊維状材料の間に入り込んで、全ての繊維状材料に均一に作用を及ぼすことができるため、繊維状材料の整列斑を無くすことができる。

本発明に係る微粒子製造装置の第２特徴構成は、前記流体が冷却機能を有する点にある。

この第２特徴構成によれば、繊維状材料を整列させる際に切断部を冷却して、切断時の摩擦による温度上昇を抑えることができる。このため、装置の連続運転が可能となり微粒子の製造効率が高まる。また、紡糸した繊維状材料を巻取や捕集をすることなくそのまま切断させる場合には、紡糸直後の繊維状材料の冷却による固化と整列とを一つの工程で行うことができる。これにより製造コストを減らすことができる。

本発明に係る微粒子製造装置の第３特徴構成は、前記切断部に整流板が設けてある点にある。

この第３特徴構成によれば、気流を制御することができるため、繊維状材料をより整列させることができる。

本発明に係る微粒子製造装置の第４特徴構成は、前記切断部へ気体を供給する供給部を備える点にある。

この第４特徴構成によれば、気体を供給することによっても気流を制御することができる。これにより繊維状材料を整列させ易くなる。

本発明に係る微粒子製造装置の第５特徴構成は、前記切断部における切断手段が、円柱面の円周方向に一定の間隔をおいて複数の切断部材を配置した円柱状の回転体と、当該回転体の回転軸に平行に設けた支持部とを有する点にある。

この第５特徴構成によれば、回転体を一定速度で回転させることにより、支持部との間で等間隔に切断することができるため、装置の運転、制御が容易となる。

本発明に係る微粒子製造装置の第６特徴構成は、前記支持部の少なくとも一部を多孔体で形成する点にある。

この第６特徴構成によれば、気流が多孔体を通って排気部へ流れるため、繊維状材料と支持部との摩擦抵抗が小さくなり、繊維状材料の並びが乱れることがない。

本発明に係る微粒子製造装置の第７特徴構成は、前記回転体の内部に気体を取り込み可能に構成した点にある。

この第７特徴構成によれば、回転体の内部に気体を取り込み可能にすることによって、繊維状材料は搬送部から回転体まで直線状になるため、より整列した状態で切断することが可能となる。

本発明に係る微粒子製造装置の第８特徴構成は、前記回転体が、前記微粒子の分級機能を有する点にある。

この第８特徴構成によれば、繊維状材料を切断する際に、万一設定よりも長い微粒子ができてしまった場合でも、所定長さに切断された微粒子を分級することができるため、均一の微粒子を得ることができる。

本発明に係る微粒子製造装置の第９特徴構成は、前記複数の切断部材を、前記回転体の回転軸に対して螺旋状に配置する点にある

この第９の特徴構成によれば切断部材が繊維状材料に対して斜めに接触するため、切断部材と繊維状材料との間で、気流を完全に遮断することがない。このため回転体の回転抵抗を軽減させることができる。

本発明に係る微粒子の製造方法の特徴手段は、繊維状材料を所定の搬送速度で搬送しながら、外部の気体を取り込みつつ装置内の気体を排気することにより、前記搬送速度より速い流速の気流を発生させて前記繊維状材料の繊維軸を一方向に整列させた後、前記搬送速度に対応する切断速度で連続して切断する点にある。

この特徴手段によれば、搬送速度よりも速い流速の気流を発生させることにより、繊維状材料に張力を付与することができる。このため、整列した状態で繊維状材料を切断することができる。また、繊維軸が一方向に揃った繊維状材料を、搬送速度に対応する切断速度で切断するため、搬送速度に関わらず、長さの揃った微粒子を製造することができる。さらに、気体の取り込みから排気までの一連の気流を発生させることができるため、繊維状材料の並びは乱れ難く、切断後の微粒子は回収し易い。

以下、本発明の微粒子製造装置および微粒子の製造方法について、図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
本実施形態に係る微粒子製造装置は、図１に示すように切断部１、搬送部２、分別部３、排気部４を有して構成される。切断部１、分別部３は、外部とは閉鎖されており、切断部１と搬送部２との間に、搬送部２に対向して開口部５が設けられているのみである。また、分別部３と排気部４とはダクトで接続され、開口部５から空気を取込み、排気部４から装置内の空気を排出することによって、搬送部２から排気部４への気流を発生させるものである。

切断部１は、繊維状材料を所定の長さに切断する部分であって、切断手段６と支持部７とから構成される。切断部１へ送り込まれた繊維状材料は、切断手段６と支持部７とによって上下から挟まれて切断される。切断する繊維状材料の長さは、切断の際に支持部先端から出ている繊維状材料の長さによって決まり、切断部１へ送り込む速度を制御することによって調整することができる。

切断手段６は、繊維状材料を一定の間隔で連続して切断するもので、本実施形態では、図２に示すように円柱面の円周方向に一定の間隔をおいて複数の切断部材８を配置した円柱状の回転体９からなり、一定速度で回転させることにより繊維状材料を一定の間隔で連続して切断することができるものとした。もちろん、本発明に係る微粒子製造装置の切断手段は、本実施形態の回転体に限定されるものではなく、例えば刃物を上下に単振動させる所謂ギロチンカッター状の切断手段等、繊維状材料を一定間隔で連続して切断することができるものであればよい。

切断部材８は、繊維状材料に直接接触して切断する部材であって、具体的には、支持部７によって下から支えられた繊維状材料を、切断部材８が上から支持部７の前方を通過することによって切断するものである。切断する長さの精度を上げるためには、切断部材８が支持部７の前方を通過する際の切断部材８と支持部７との間の隙間を可能な限り小さくすることが好ましい。

切断部材８は、必ずしも刃状である必要はなく、特に切断手段が５０ｍ／秒以上の速い速度で回転する場合には、図３に示すように回転軸に直交する断面の形状が、三角形、四角形、五角形や半円形等であっても切断することが可能である。但し、前述のように切断部材８と支持部７との隙間を小さくすると、切断部材８が支持部７の前方を通過する度に気流が止まってしまう場合があり、このような場合には切断部材８と支持部７との間の隙間が小さくなる時間をできるだけ短くなるように、切断部材８の形状は、支持部７と対向する切断部材８の先端が細くなる三角形や五角形等が好ましい。

切断部材８の位置は、特に限定はなく、回転体９の円柱面の円周方向に一定の間隔をおいて配置されていれば、一定の長さに繊維状材料を切断することができるが、前述の通り気流を止めないようにするためには、図４に示すように切断部材８は回転体の回転軸に対して螺旋状に配置することが好ましい。すなわち、切断部材８の一部分が支持部７と対向している場合でも、他の部分が支持部７と対向しないようにできるため、気流を止めることはない。また、切断部材８の数や回転体９に配置する間隔は、任意に決めることができ、通常は、切断手段６の速度や切断したい長さに対応させて設定する。切断部材８に使用する素材は、一般に金属類のように切断する繊維状材料よりも硬いものであれば適用可能であり、特に、鋼やステンレス等が好ましく適用できる。

支持部７は、切断部１と搬送部２との間に位置し、切断手段６の回転軸に平行となるように設けられた板状部材であって、前述の通り繊維状材料を切断手段６によって切断する際に下から繊維状材料を支える部材であると共に、搬送部２から送り込まれた繊維状材料を整列させる際に、繊維状材料を支えるものである。このため、支持部７の素材は、切断する際に下から繊維状材料を支えるため、切断部材８と同様に繊維状材料よりも硬い素材であることが好ましく、一方で、支持部７の上で気流によって繊維状材料を整列させるため、繊維状材料が支持部７の上での抵抗を少なくして、自由に動くことができるような表面が平滑なものとするのが好ましい。このような観点から、例えば硬度があり、錆び難いため表面の平滑性を保つことができるステンレス等が好ましく適用できる。また、支持部７は、必ずしも一つの素材で構成する必要はなく、切断する部分と整列させる部分とに分けることも可能である。例えば、支持部７の少なくとも一部を多孔体で形成させることもでき、これにより、空気が支持部７内を通しで流入し、繊維状材料と支持部７との間に空気の層を作ることができるため、繊維状材料と支持部７との摩擦抵抗を小さくすることができる。

また、切断部１には、図５に示すように整流板２４を設けることもできる。整流板２４は気流をさらに制御するためのもので、必ずしも設置する必要はないが、整流板２４を設けると繊維状材料が整列し易くなる。例えば、図５（ａ）に示すように切断部１の上部に支持部７に平行となるように整流板２４を設けると、切断手段６の回転によって発生する気流を抑えることができる。このため、繊維状材料の並びが乱れることを防止できる。また、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように切断手段６の回転軸に直交するように支持部７の両端に整流板２４を設けると、支持部７から切断手段６の側方に流れる気流を抑えることができる。これにより繊維状材料が切断手段６の回転軸に巻き付くことを防ぐことができる。さらに、図５（ｄ）に示すように、切断手段６の回転軸に直交するように切断部１の上部に整流板２４を複数設けると、繊維状材料がより整列し易くなる。もちろん、整流板２４は、上記態様に限定されるものではなく、また複数を組み合わせることもできる。

搬送部２は、繊維状材料を所定の速度で切断部１へ搬送する部分で、搬送ローラー１０と圧着ローラー１１の対により構成される。搬送部を構成する搬送ローラー１０と圧着ローラー１１とは上下に対向して配置され、搬送ローラー１０と圧着ローラー１１との間に繊維状材料を挟んで搬送する。搬送速度は、搬送ローラー１０の駆動速度を変えることによって調整することができる。圧着ローラー１１は、搬送ローラー１０に一定の圧力で接触し、気流に引っ張られることよって、設定量以上の繊維状材料が、ローラー上を滑って切断部１に供給されないように調整している。

分別部３は、得られた微粒子と空気とを分別する部分で、従来の分別手段を適用することができる。例えば、分別部を一般的なサイクロンコレクタやバグフィルタ、もしくはそれらを組み合わせる手段等が適用できる。排気部４は、前述の通り、装置内の空気を装置外に排出する部分で、従来のブロア等の排気装置を使用することができる。開口部５は、搬送部２から切断部１へ繊維状材料や空気が通過できるようになっているもので、従来のものが適用可能である。

また、本発明の微粒子製造装置には、さらに切断部１に気体を供給するための供給部を設けることもできる。例えば、切断部１の上部から切断手段６と支持部７とが対向する部分に圧縮空気を供給できるようにして、気流の方向を制御することができる。また、開口部５から圧縮空気を供給する場合には、開口部５から空気が取り込まれ易くなるため繊維状材料が整列し易くなる。

以上のように構成された本実施形態の製造装置により、微粒子を製造する方法は、まず、排気部４の運転を開始して、排気部４から装置内の空気を排出するとともに、開口部５から空気を取込むことにより、搬送部２から排気部４への気流を作る。この状態で、繊維状材料を搬送ローラー１０と圧着ローラー１１との間から、気流よりも遅い速度で切断部１へ搬送し、繊維状材料に搬送方向への張力を付与することによって繊維状材料の繊維軸を搬送方向に整列させる。整列した繊維状材料を、切断手段６を一定速度で支持部７に対して上部から回転させて切断することによって、均一な長さの微粒子を連続して製造することができる。この際、開口部５から取り込んだ空気は、その流れによって繊維状材料を整列させると同時に、切断部１を冷却して切断手段６の温度上昇を抑えることも可能となる。さらに空気は、搬送機能を有することが好ましく、得られた微粒子は気流によって分別部３へ搬送することができ、そこで集められる。

製造する微粒子は、通常、搬送速度とそれに対応する切断速度を制御することによって、一定の長さにすることが可能であり、本実施形態においては、微粒子の長さは、搬送部２から切断部１への搬送速度、切断手段６の回転速度等によって調整できる。本実施形態において製造できる微粒子の長さは、特に制限はないが、製造、回収のし易さの観点からは３００μｍ以下とするのが好ましい。例えば、本実施形態において、搬送速度０．２８ｍ／秒で搬送する繊維状材料を、直径１２５ｍｍ、幅１０００ｍｍの回転体９に、切断部材８を回転軸に平行に１３０枚設置した切断手段６を回転速度１００〜１４０ｍ／秒で回転させて切断することで、長さ７μｍの微粒子を製造することができる。また、微粒子の形状は特に制限はないが、アスペクト比（縦横比）を１０以下とすると、適用できる用途が広がるため好ましい。

繊維状材料を整列させるための気流は、前述の通り搬送速度よりも速い流速で流れを作ることが好ましく、また、整列させる繊維状材料の種類によって、流速を制御することも可能である。繊維状材料がフィラメント状の場合には、当初から比較的整列しているため、搬送速度に対する気流の相対速度が低くなるように、例えば流速を搬送速度の１．５倍程度にして排気部４の運転コストを抑えることができ、ウェブ状のように繊維軸の方向がほとんど揃っていない場合には、搬送速度に対する気流の相対速度が高くなるように、例えば流速を搬送速度の６倍程度にして好適に整列させることができる。また、空気は搬送方向に対して交差する方向から取り込まれることが好ましい。交差する方向から取り込まれることで、空気が繊維状材料の間にまで入り込むことができるため、均一に整列させることができ、特に繊維状材料がトウ状やウェブ状の場合には、外部と内部との整列斑を無くすことができる。本実施形態では、空気は開口部５に、搬送方向に対して、上方および側方から取り込まれるようになっている。

本実施形態の微粒子製造装置に使用できる繊維状材料は、繊維状に加工できるものであれば、合成樹脂材料や天然の樹脂材料だけでなく、金属、セラミックス、黒鉛、ロックウール等の様々な無機材及び有機材料が適用でき、その太さは特に制限はない。また、繊維状材料の形状としては、フィラメント状やトウ状のものや、スパンボンド法やメルトブロー法によって作製、捕集されたウェブ状のもの等、さまざまな形状のものが適用できる。特にウェブ状の繊維状材料は、そのまま本実施形態の装置に送り込むことで、捲縮を伸ばしながら切断することができるため、好適に用いることができる。

（第二実施形態）
本発明に係る微粒子製造装置および微粒子の製造方法の第二実施形態について、図６および図７に示して説明する。第二実施形態の微粒子製造装置は、前記第一実施形態と比較して、切断部１２の構造が異なっている。すなわち、第一実施形態では、搬送部２から排気部４までの気流は、切断部１において切断手段６と支持部７との間を流れる構造としたが、第二実施形態では、気流は切断手段１３の内部を通る構造とした。その他の構成は、前記第一実施形態と同様である。

切断手段１３は、切断部材１４、回転体１５、吸引口１６からなり、吸引口１６は、回転体１５の内部に搬送部２と対向するように設けられており、気流は、搬送部２から吸引口１６まで切断部材１４の間を通って流れるようになっている。搬送部２から送られてきた繊維状材料は、気流によって整列されつつ、切断手段１３内部に導かれ、切断される。なお、吸引口１６は前記第一実施形態と同様の分別部３及び排気部４に接続され、同様の機能を有している。

切断部材１４は、前記第一実施形態と同様のものが適用できるが、回転体１５への配置については、切断手段１３の回転方向に傾斜、あるいは図７に示したように、切断手段１３の回転方向に対して反対側に傾斜するように配置してもよい。切断した微粒子は、回転体１５内部に気流と共に取込まれ分別部３へ送られるが、切断手段１３をこのような構造とすることで、万一設定よりも長い微粒子があった場合には、切断部材によって弾かれて、回転体１５の内部には取込まれなくなる。すなわち、このような構成にすることで、切断手段に分級機能を付与することが可能となり、より均一な微粒子を製造することができる。

また、本実施形態では、気流は切断部材１４の間を通って切断手段１３の内部に取り込まれるようになっているが、切断手段１３を例えば金網状の材料や焼結体のような多孔体で構成することによっても、気体を内部に取り込むことができる。

本実施形態の製造装置は、第一実施形態の製造装置と同様の操作および方法により、均一な長さの微粒子を製造することができ、第一実施形態の製造装置で使用できる繊維状材料が適用できる。

（第三実施形態）
本発明に係る微粒子製造装置および微粒子の製造方法の第三実施形態について、図８および図９に示して説明する。第三実施形態の微粒子製造装置は、紡糸した繊維状材料を巻取または捕集することなく、そのまま切断して微粒子を製造することができるものである。前記第一実施形態とは、搬送部１７、切断部１８が異なっており、その他の構成は同様である。

搬送部１７は、吐出孔１９と空気吹出部２０とから構成され、吐出孔１９から吐出された繊維状材料は、空気吹出部２０からの空気によって冷却されつつ、切断部１８へ送り出される。なお、吐出孔１９の上部には、従来の乾式紡糸装置（図示しない）が接続されている。

切断手段２１は、二つのローラーにベルトが掛けられた所謂キャタピラー状のもので、切断部材２２が、ベルト上に一定間隔で配置されている。吸引口２３は、第二実施形態と同様に、切断手段２１の内部に吐出孔１９と対向するように設けられており、空気は、搬送部１７から吸引口２３まで切断部材２２の間を通って流れるようになっている。吸引口２３は、第二実施形態と同様に分別部３、排気部４に接続されている。

以上のように構成された本実施形態の製造装置により、微粒子を製造するためには、まず、排気部４の運転を開始して、吸引口２３から空気を吸引しつつ、切断手段２１を運転させる。この状態で、繊維状材料を吐出孔１９から吐出させつつ、空気吹出部２０から一定量の空気を吹出すことによって、繊維状材料を冷却しつつ、例えば１０〜３００ｍ／ｓ程度の一定速度で切断部に送り込む。この際、切断部に送り込まれる速度よりも、切断手段２１に取り込まれる速度が速くなるように調整し、繊維状材料に一定の張力を付与する。送り込まれた繊維状材料は、吸引口２２に吸い込まれると同時に、切断手段２１によって切断され、切断された微粒子は、第一実施形態と同様に分別部３に送られ、そこに集められる。

本実施形態の微粒子製造装置に適用できる繊維状材料は、第一および第二実施形態の場合と同様に制限はないが、特にフィラメント状、トウ状の繊維状材料を切断するのに適しており、紡糸した繊維状材料を巻取、捕集する必要がなく、そのまま切断することができる。このため、製造工程を短縮することが可能となり、微粒子の製造コストを削減することもできる。また、製造する微粒子の長さやアスペクト比は、特に限定されず、第一および第二実施形態と同様のものが好ましく製造できる。

本発明の微粒子製造装置および微粒子の製造方法は、均一な粒径の微粒子を製造することができるので、トナーや粉体塗料の製造に好適に用いることが可能である。さらに、本発明の製造装置により得られる微粒子は、他の種々の用途（例えば、医薬品、農薬、化粧品、食品、工業薬品、一般化学製品など）にも用いることができる。

第一実施形態の微粒子製造装置を説明する図 第一実施形態の切断手段を説明する図 切断部材の形状を説明する図 切断部材の配置を説明する図 整流板を説明する図 第二実施形態の微粒子製造装置を説明する図 第二実施形態の切断手段を説明する図 第三実施形態の微粒子製造装置を説明する図 第三実施形態の切断手段を説明する図

符号の説明

１ 切断部
２ 搬送部
４ 排気部
６ 切断手段
８ 切断部材
９ 回転体

Claims (10)

1. 繊維状材料を所定の長さに切断し、微粒子を製造する微粒子製造装置であって、
   前記繊維状材料を一定の間隔で連続して切断する切断部と、
   前記繊維状材料を所定の速度で前記切断部へ送る搬送部と、
   前記切断部において前記繊維状材料の搬送方向に沿った気流を作り出す排気部と、
   を備える微粒子製造装置。
2. 前記気流が冷却機能を有する請求項１に記載の微粒子製造装置。
3. 前記切断部に整流板が設けてある請求項１または２に記載の微粒子製造装置。
4. 前記切断部へ気体を供給する供給部を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子製造装置。
5. 前記切断部における切断手段が、円柱面の円周方向に一定の間隔をおいて複数の切断部材を配置した円柱状の回転体と、当該回転体の回転軸に平行に設けた支持部とを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子製造装置。
6. 前記支持部の少なくとも一部を多孔体で形成する請求項５に記載の微粒子製造装置。
7. 前記回転体の内部に気体を取り込み可能に構成した請求項５または６に記載の微粒子製造装置。
8. 前記回転体が、前記微粒子の分級機能を有する請求項７に記載の微粒子製造装置。
9. 前記複数の切断部材を、前記回転体の回転軸に対して螺旋状に配置する請求項５〜８のいずれか１項に記載の微粒子製造装置。
10. 繊維状材料を所定の搬送速度で搬送しながら、外部の気体を取り込みつつ装置内の気体を排気することにより、前記搬送速度より速い流速の気流を発生させて前記繊維状材料の繊維軸を一方向に整列させた後、前記搬送速度に対応する切断速度で連続して切断する微粒子の製造方法。