JP2005515316A - ナノファイバを製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

圧縮ガス流を用いることによってナノファイバの不織マットを形成する装置は、平行な間隔を設けた第１（１２）、第２（２２）及び第３（３２）部材を含み、各々は、供給端部（１４，２４，３４）及び対向出口端部（１６，２６，３６）を有する。第２部材（２２）は第１部材（１２）に隣接する。第２部材（２２）の出口端部（２６）は、第１部材（１２）の出口端部（１６）を越えて延びる。第１（１２）及び第２（２２）部材は、第１供給スリット（１８）を画成する。第３部材（３２）は、第１部材（１２）の第２部材（２２）から反対側で第１部材（１２）に隣接して位置する。第１（１２）及び第３（３２）部材は第１ガススリット（３８）を画成し、第１（１２）、第２（２２）及び第３（３２）部材の出口端部（１６，２６，３６）はガスジェット空間（２０）を画成する。圧縮ガス流を用いることによってナノファイバの不織マットを形成する方法も含まれる。

Description

本発明は、米国陸軍、米国空軍、及び米国科学財団によって与えられた協力契約の下に政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に対してある種の権利を有することができる。

ナノファイバ技術は未だ商業的には開発されておらず、従って、エンジニア及び企業家はその設計に取り入れるためのナノファイバの源を有していなかった。ナノファイバの用途はコスト的に有利な製造のための見通しが改善されると共に成長し、ナノファイバについての重要な市場の発展は今後数年間でほとんど確かである。有用な製品へのナノファイバの導入におけるリーダーは、高性能フィルタ産業では既に進行中である。生体材料の分野においては、生細胞を支持するための構造の開発に強い産業的関心がある。ナノファイバの保護服及びテキスタイルへの適用はスポーツウェアのデザイナー、及び軍隊にとって興味がある。というのは、ナノファイバの単位質量当たりの高表面積は、化学及び生物兵器に対して有用なレベルの保護を備えたかなり快適な衣服を提供することができるからである。

カーボンナノファイバは、高温反応における触媒の支持体、熱管理、エラストマの補強、液体及び気体用のフィルタ、及び保護服の構成要素として、補強複合体で潜在的に有用である。カーボン又はポリマーナノファイバは、補強複合体、酵素及び触媒に対する基質、植物への殺虫剤の適用、改良された快適性及び保護を備えたテキスタイル、ナノメートル規模の寸法を持つエアロゾル又は粒子のための進歩したフィルタ、宇宙空間熱管理、及び温度及び化学的環境の変化に対して応答時期が速いセンサーにおいて適用を見出される。ポリマー中間体から作成されたセラミックナノファイバは、触媒支持体、高温で用いられる補強繊維、及び高温反応性ガス及び液体のためのフィルタの構築として有用である。

エレクトロスピニング技術を用いることによってナノファイバを製造するのは知られている。しかしながら、これらの技術は問題があった。なぜならば、いくつかの紡糸可能な流体は非常に粘性であって、スパーキングが起こる、すなわち、空気中で誘電破壊がある前に、電場よりも高い力が供給されることを必要とするからである。同様に、これらの技術はより高い温度が必要とされる場合に問題であった。何故ならば、高温は構造部分の導電率を増加させ、高い電場の制御を複雑化するからである。

メルト−ブローイング技術によってポリマーファイバを作るのに圧縮ガスを用いるのは知られている。これらの技術によると、溶融ポリマーの流れをガスのジェットに押し出す。しかしながら、これらのポリマーファイバは、ファイバが典型的には直径が１０００ナノメートルを超え、より典型的には直径が１００００ナノファイバを超える点でむしろ大きい。Butinらに対する米国特許第３,８４９,２４１号は、約０．５ミクロン及び５ミクロンの間の直径を有するファイバを製造するメルト−ブローイング装置を開示している。

ナノファイバを形成するために圧縮ガスを用いるノズルは、引用によりその開示をここに援用する米国特許出願第０９／４１０,８０８号から公知である。

また、エレクトロスピニング技術をメルト−ブローイング技術と組み合わせることも公知である。しかし、電場の組合せは、電場はファイバを引くのに十分な大きさの延伸力を生じさせないので、ナノファイバを製造するのに成功すると証明されていない。何故ならば、電場は空気の誘電破壊強度によって制限されるからである。

圧縮ガスと組み合わせて用いられる多くのノズル及び同様の装置も当該分野で公知である。例えば、小さな液滴を生じさせるための技術は、エアブラシ又は殺虫剤スプレーで用いられるものを含めた多数の噴霧装置を含む。しかしながら、ナノファイバの不織マットを製造することができる装置又はノズルに対する要望が存在する。

従って、本発明の様相は、ナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することである。

本発明の他の様相は、ナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することであり、該ナノファイバは約３，０００ナノメートル未満の直径を有する。

本発明のさらなる様相は、ナノファイバの不織マットを形成するための経済的かつ商業的に有用な方法を提供することである。

本発明のさらに他の様相は、圧縮ガスと組み合わせてナノファイバの不織マットを生産する装置を提供することである。

本発明のさらに他の様相は、ファイバ−形成性ポリマーからナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することである。

本発明のなおさらなる他の様相は、ファイバ−形成性セラミック前駆物質からナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することである。

本発明のなおさらなる他の様相は、ファイバ−形成性カーボン前駆物質からナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することである。

本発明の他の様相は、圧縮ガスを用いることによってナノファイバの不織マットを形成する方法を提供することである。

本発明のさらに他の様相は、圧縮ガスと組み合わせてナノファイバの不織マットを製造する装置を提供することであり、該ナノファイバは３，０００ナノメートル未満の直径を有する。

ナノファイバの不織マットの製造に関する公知の技術よりも優れた利点と共に、前記様相の少なくとも１以上は、以下の明細書から明らかとなり、以下に記載し、特許請求する発明によって達成される。

一般に、本発明は、第１部材及び第２部材の間の第１スリットにファイバ形成材料を供給する工程であって、前記第１及び第２部材が各々出口端部を有し、前記第２部材の出口端部が前記第１部材の出口端部から突出していて、前記第１スリットから出るファイバ形成材料が、前記第１部材から突出する前記第２部材の部分にフィルムを形成する工程、及び、前記第１部材及び第３部材の間の第２スリットを通じて圧縮ガスを供給する工程であって、前記第２スリットが前記第１スリットに隣接して位置されていて、前記第２スリットから出る圧縮ガスが、前記フィルムと接触し、固化しナノファイバのマットを形成するファイバ形成材料の複数のストランドの形態で、前記第２部材の前記出口端部からファイバ形成材料を排出し、前記ナノファイバが約３０００ナノメートルまでの直径を有する工程を包含する、ナノファイバの不織マットを形成する方法を提供する。

また、本発明は、第１部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第１部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有する第１部材；第２部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第２部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、第１部材から間隔を設けそれに隣接して位置された第２部材であって、第２部材の長さが第１部材の長さに沿って延び、第２部材の出口端部が第１部材の前記出口端部を越えて延び、第１及び第２部材が第１供給スリットを画成している第２部材；及び、第３部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第３部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、第１部材の第２部材から反対側で、第１部材から間隔を設けそれに隣接して位置された第３部材であって、第３部材の長さが第１部材の長さに沿って延び、第１及び第３部材が第１ガススリットを画成し、第１、第２及び第３部材がガスジェット空間を画成している第３部材を包含する、圧縮ガス流を用いることによってナノファイバの不織マットを形成する装置を提供する。

ナノファイバの不織マットは、圧縮ガスを用いることによって製造できることが判明している。これは、一般に、膨張ガスジェットによって供給された機械力が装置を通って流れる流体からナノファイバを生じさせるプロセスによって達成される。このプロセスをガスジェットによるナノファイバ（ＮＧＪ）ということができる。ＮＧＪは、いずれの紡糸可能な流体又はファイバ形成材料からナノファイバを生じさせるプロセスに広く適用することができる。

一般に、紡糸可能な流体又はファイバ形成材料は、延伸しそして当該流体又は材料を固化させることによって、円筒又は他の長い形状に機械的に形成することができるいずれの流体又は材料である。この固化は、例えば、冷却、化学的反応、合体、又は溶媒の除去によって起こり得る。紡糸可能な流体の例は溶融ピッチ、ポリマー溶液、ポリマー溶融体、セラミックスに対する前駆物質であるポリマー、溶融ガラス状材料を含む。いくつかの好ましいポリマーはナイロン、フルオロポリマー、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリエステル、及び他のエンジニアリングポリマー又はテキスタイル形成性ポリマーを含む。用語「紡糸可能な流体」及び「ファイバ形成材料」は、用いられる流体又は材料に関するいずれの制限もなくして、本明細書を通じて、相互交換的に用いることができる。当業者が認識するごとく、純粋な液体、ファイバの溶液、小粒子との混合物、及び生物学的ポリマーを含めた、種々の流体又は材料を使用してファイバを作成することができる。

本発明は、ファイバ形成材料の複数のストランドを当該装置から排出するように、ファイバ形成材料を当該装置内のガスと接触させるための手段を含み、ファイバ形成材料のストランドを固化し、約３０００ナノメートルまでの直径を有するナノファイバを形成する、ナノファイバの不織マットを形成する装置を提供する。

本発明の製法を実施するのに使用される好ましい装置１０は、図１を参照して最良に記載されている。重力は本発明の装置の操作に影響しないが、本発明を説明する目的で、図面に示されるごとく装置が垂直に位置されたものとして参照されることが理解されるべきである。装置１０は、プレートの幅を横切る一側によって規定される供給端部１４及びプレートの幅を横切る一側によって規定される対向出口端部１６を有する第１プレート又は部材１２を含む。第１プレート１２は、図１に示すごとく、端部１６にテーパを施すことができるか、そうでなければ、特定の実施例の設計拘束に従って出口端部１６をできる限り薄くすることができる。

第１プレート１２に隣接しそれから間隔を設けられて、第２プレート又は部材２２が位置する。第２プレート２２の長さは第１プレート１２の長さに沿って延びる。第２プレート２２は、該プレートの幅を横切る一側によって規定される供給端部２４及び該プレートの幅を横切る一側によって規定される対向出口端部２６を有する。第１プレート１２及び第２プレート２２は第１供給キャビティ又はスリット１８を画成する。好ましい実施例において、第１プレート１２の出口端部１６における第１供給キャビティ又はスリット１８の幅は約０.０２ｍｍないし約１ｍｍであり、より好ましくは約０.０５ｍｍないし約０.５ｍｍである。第１プレート１２及び第２プレート２２は相互に平行であるように示されるが、出口端部１６におけるプレート１２及び２２の間の距離が前記範囲内にあることを条件として、これは要求されない。

第２プレート２２の出口端部２６は第１プレート１２の出口端部１６を越えて延びる。出口端部２６及び出口端部１６の間の距離は壁流の長さ２８である。第１供給スリット１８は、ファイバ形成材料を運ぶように特に適合させることができる。

装置は、さらに、第３プレート３２の幅を横切る一側によって規定される供給端部３４及び第３プレート３２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部３６を有する第３プレート又は部材３２を含む。第３プレート３２の長さは第２プレート２２の長さに沿って延びる。第１プレート１２及び第３プレート３２は第１ガスカラム又はスリット３８を画成する。第３プレート３２は、（図１に示すごとく）出口端部２６又は（図２に示すごとく）出口端部１６いずれかと同一平面にある出口端部３６で終了するか、あるいは、（図３に示すごとく）端部１６及び２６いずれかとは異なる平面で終了することができる。好ましい実施例において、出口端部１６における第１プレート１２及び第３プレート３２の間の距離は約０.５ｍｍないし約５ｍｍであり、より好ましくは、約１ｍｍないし約２ｍｍである。第３プレート３２は、第１ガスカラム又はスリット３８が第１供給スリット１８に向かって角度を付けてあるような形状とすることができる。

端部１６、端部２６及び端部３６はガスジェット空間２０を画成する。プレート１２，２２及び３２の位置は、要因の中でも、用いるファイバ形成材料、ファイバが形成される温度、ガス流速、及び得られるナノファイバの所望の直径に依存して、壁流の長さ２８を含めたガスジェット空間２０の寸法が調整可能なように、出口端部１６，２６及び３６に対して調整可能とすることができる。１つの特定の実施例において、壁流の長さ２８は約０.１ミリメートルから約１０ミリトートルまで調整可能である。同様に、プレート１２，２２及び３２の全長は、プレート２２の端部２６がプレート１２の端部１６の面から突出するという条件で、構築の便宜、熱流考慮、及び流体における剪断流に依存して変化せることができる。さらに、プレート１２，２２及び３２は、特定の適用の要求、得られたナノファイバマットの所望の幅、製造の便宜、又は他の要因に従っていずれの幅とすることもできる。

本発明によると、ナノファイバの不織マットは、以下の方法により、図１の装置を用いることによって製造される。ファイバ形成材料は源２１により供され、第１供給キャビティ又はスリット１８を通って供給される。ファイバ形成材料はガスジェット空間２０に向けられる。同時に、第１ガスキャビティ又はスリット３８を通ってガス源３０から圧縮ガスがガスジェット空間２０に送られる。

ガスジェット空間２０内では、ファイバ形成材料はフィルムの形態であると考えられる。換言すれば、スリット１８から出てガスジェット空間２０に入るファイバ形成材料は、ガスジェット空間２０内の第２プレート２２の側面にファイバ形成材料の薄い層を形成する。ファイバ形成材料のこの層は、それが端部２６に到達するまで、スリット３８から出るガスジェットによる剪断変形を受ける。フィルムは種々の厚みとすることができ、一般に、端部２６に向かって厚みが減少すると予測される。第１ガスカラム又はスリット３８が第１供給スリット１８に向かって角度を付けてある実施例において、ガスは、高相対速度でガスジェット空間２０中のファイバ形成材料上を流れる。リップ近くでは、ファイバ形成材料の層は駆動され、ガスの剪断力によって運ばれ、膨張ガスによって吹き飛ばされて多数の小さなストランド４０となり、図１に示したファイバ形成材料層の表面の破壊波の山に発射されたファイバ形成材料のいずれのジェットに沿って端部２６から排出される。一旦装置１０から排出されれば、これらのストランドは固化し、ナノファイバを形成する。この固化は、冷却、化学的反応、合体、電離放射線又は溶媒の除去によって起こり得る。また、固化したフィルム形成性材料は、ガスジェット空間２０内に存在し得ると考えられる。

前記したごとく、この製法に従って製造されたファイバはナノファイバであり、約３０００ナノメーター未満、より好ましくは約３ないし約１０００ナノメーター、なおより好ましくは約１０ないし約５００ナノメーターの平均直径を有する。これらのファイバの直径は、限定されるものではないが、温度及びガス圧を含めた種々の条件を制御することによって調整することができる。これらのファイバの長さは、約０.０１ｍｍと短いファイバから、何ｋｍもあるファイバまでを含めるように広く変化させることができる。この範囲内では、ファイバは約１ｍｍないし約１ｋｍ、より狭くは約１ｍｍないし約１ｃｍの長さを有することができる。これらのファイバの長さは、固化速度を制御することによって調整することができる。

前記したごとく、圧縮ガスはスリット３８を通ってジェット空間２０に入る。このガスは、壁流の長さ２８を通ってファイバ形成材料を運びナノファイバを作成するように、十分な高圧でスリット３８を通すべきである。従って、１つの特定の実施例において、ガスは、約１０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（約０.７ｋｇ／ｃｍ^２）から約５０００ｐｓｉ（約３５１.６ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力下でスリット３８に通す。他の実施例において、ガスは、約５０ｐｓｉ（約３.５ｋｇ／ｃｍ^２）ないし約５００ｐｓｉ（約３５.２ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力下でスリット３８を通す。

本明細書を通じて用いられる用語「ガス」はいずれのガスも含む。非反応性ガスが好ましく、ファイバ形成材料に有害に影響しないガス類、又はその組合せをいう。これらのガスの例は、限定されるものではないが、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気、二酸化炭素、蒸気フルオロカーボン、フルオロクロロカーボン、及びその混合物を含む。本明細書の目的では、ガスは、また、圧力を放出した場合に装置で蒸発する過剰加熱液体、例えば、蒸気をいうことが理解されるべきである。さらに、これらのガスは、ポリマー溶液から作らされたナノファイバの乾燥速度を制御するように働く溶媒蒸気を含むことができるのが認識されるべきである。なおさらに、有用なガスは所望の方法で反応するものを含み、これは、ガス及び蒸気の混合物、又は所望の方法で反応する他の材料を含む。例えば、酸素を使用して、ピッチからのナノファイバの製造を安定化するのが有用であろう。また、ポリマーを架橋するように働く分子を含むガス流を使用するのが有用であろう。なおさらに、セラミックスの製造を改良するように働く金属又は金属化合物を含むガス流を使用するのが有用であろう。

他の実施例において、装置１０は、加えて、図２及び３に示した第４プレート又は部材４２を含む。プレート４２は、プレート２２のプレート１２から反対側で第２プレート２２と隣接し、それから間隔を設けて位置する。プレート４２の長さは、第２プレート２２の長さに沿って延びる。第４プレート４２は、第４プレート４２の幅を横切る一側によって規定される供給端部４４及び第４プレート４２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部４６を有する。第２プレート２２及び第４プレート４２は第２ガスカラム又はスリット４８を画成する。第４プレート４２は（図２に示すごとく）出口端部２６と同一平面にあるか、あるいは（図３に示すごとく）端部２６とは異なる平面で終了し得る。

ファイバは、前記したごとく図２に示される装置を用いて形成され、加えて、第２ガススリット４８を通って圧縮ガスを供給し、出口端部４６から出て、それにより、第２プレート２２の出口端部２６に蓄積し得る残存量のファイバ形成材料の形成を防止することを含む。ガススリット４８を通されるガスは、出口端部２６における過剰なファイバ形成材料の蓄積を妨げるように十分な高圧とすべきであるが、それがファイバの形成を破壊する程高くてはならない。従って、１つの好ましい実施例においては、ガスは、約０ないし約１０００ｐｓｉ（約７０.３ｋｇ／ｃｍ^２）、より好ましくは約１０ｐｓｉ（約０.７ｋｇ／ｃｍ^２）ないし約１００ｐｓｉ（約７.０ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力下で第２ガススリット４８を通される。ガススリット４８からのガス流は、また、端部２６から出るファイバ形成材料のストランドの出口角度に影響し、従って、この環境の第２ガススリット４８から流れるガスは、端部２６を洗浄するとともに、出るファイバストランドの流れを制御するように働く。

図３に示したさらに他の実施例において、第５プレート又は部材５２が、プレート３２のプレート１２から反対側で第３プレート３２に隣接し、それから間隔を設けて位置する。第５プレート５２の長さは、第３プレート３２の長さに沿って延びる。第５プレート５２は、第５プレート５２の幅を横切る一側によって規定される供給端部５４及び第５プレート５２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部５６を有する。第５プレート５２及び第３プレート３２は、第１シュラウドガスカラム又はスリット５８を画成する。第５プレート５２は、（図３に示すごとく）出口端部３６と同一平面にある出口端部５６で終了するか、あるいは端部３６とは異なる平面で終了することができる（図示せず）。第６プレート又は部材６２は、プレート４２のプレート２２から反対側で第４プレート４２に隣接し、それから間隔を設けて位置されることができる。プレート６２の長さは第４プレート４２の長さに沿って延びる。第６プレート６２は、第６プレート６２の幅を横切る一側によって規定される供給端部６４及び第６プレート６２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部６６を有する。第６プレート６２及び第４プレート４２は、第２シュラウドガスカラム又はスリット６８を画成する。第６プレート６２は出口端部２６と同一平面にある出口端部６６で終了する（図示せず）か、あるいは（図３に示すごとく）端部２６とは異なる平面で終了することができる。制御された温度の圧縮ガスは、第１及び第２シュラウドガススリット５８及び６８に通され、スリット５８及び６８から出て、それにより、ナノファイバの周りにガスの移動するシュラウドを作り出す。このガスのシュラウドは、冷却速度、流体の溶媒蒸発速度、又は流体内で起こる化学反応速度を制御するのを助けることができる。ガスシュラウドの一般的な形状は、スリット５８及び６８の幅、及び端部３６及び４６に対する端部５６及び６６の垂直位置によって制御されることが理解されるべきである。形状は、さらに、スリット５８及び６８を通って流れるガスの圧力及び容量によって制御される。従って、シュラウドガススリット５８及び６８の寸法は調整可能であろう。さらに、スリット５８及び６８を通って流れるガスは、好ましくは、スリット３８を通って流れるガスと比較して、比較的低い圧力下にあって、比較的高い体積流量であることが理解されるべきである。

また、本発明の装置は、交互供給キャビティ又はスリット及びガスキャビティ又はスリットを画成するさらなるプレートを含むことができる。そのような配置の1つは図４に示される。そのような装置を用いて、１以上のタイプのファイバを含む不織ウェブ又はマットを製造することができる。例えば、ナノファイバの不織マットは、２以上のファイバ形成材料から製造することができよう。別法として、単一のファイバ形成材料を用いて、例えば、長さ又は直径のような物理的特徴が異なるファイバを同時に形成することができよう。そのような装置を用いて、単一タイプのファイバの製造速度を単純に増加させることもできる。図４に示した実施例において、装置７０は、前記したごとく配置した、第１プレート又は部材１２、第２プレート又は部材２２、第３プレート又は部材３２、及び第４プレート又は部材４２を含む。装置７０は、加えて、プレート４２のプレート２２から反対側で第４プレート４２に隣接し、所望により、それから間隔を設けて位置される第７プレート又は部材７２を含む。プレート７２の長さは、第４プレート４２の長さに沿って延びる。第７プレート７２は、第７プレート７２の幅を横切る一側によって規定される供給端部７４及び第７プレート７２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部７６を有する。第７プレート７２及び第４プレート４２は、所望により、熱流減少空間７８を画成することもできる。空間７８は、２以上のタイプのファイバが２以上の異なる温度で形成されている場合に望ましいであろう。別法として、第７プレート７２及び第４プレート４２は接触するか、あるいは、特には、熱移動に関係のない適用においては、単一のプレート又は部材は第７プレート７２及び第４プレート４２の位置を占めることができる。第７プレート７２は、図４に示すごとく、出口端部４６と同一平面にある出口端部７６で終了するか、あるいは端部４６とは異なる平面で終了することができる（図示せず）。

第８プレート又は部材８２は、プレート７２のプレート４２から反対側で第７プレート７２に隣接し、それから間隔を設けて位置される。プレート８２の長さは、第７プレート７２の長さに沿って延びる。第８プレートは、第８プレート８２の幅を横切る一側によって規定される供給端部８４及び第８プレート８２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部８６を有する。第８プレート８２及び第７プレート７２は、第３ガスカラム又はスリット８８を画成する。第８プレート８２は、図４に示すごとく、端部７６とは異なる平面で終了することができる。第８プレート８２は端部８６においてテーパを付すことができる。また、第７プレート７２は、第３ガスカラム又はスリット８８が端部８６における第８プレート８２のテーパにマッチするかあるいはガス出口スリット８８の方向に影響を及ぼす角度を付けるような形状とすることもできる。

第９プレート又は部材９２は、プレート８２のプレート７２から反対側で第８プレート８２に隣接し、それから間隔を設けて位置される。プレート９２の長さは、第８プレート８２の長さに沿って延びる。第９プレート９２は、プレート９２の幅を横切る一側によって規定される供給端部９４及び第９プレート９２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部９６を有する。第９プレート９２及び第８プレート８２は、第２供給カラム又はスリット９８を画成する。

この実施例においては、端部１６，２６及び３６、並びに端部７６，８６及び９６はガスジェット空間２０を画成する。プレート１２，２２及び３２、並びに７２，８２及び９２の位置は、ガスジェット空間２０の寸法が、要因の中でも、用いるファイバ形成材料、ファイバが形成される温度、ガス流速及び得られるナノファイバの所望の直径につき調整可能であるように、出口端部１６，２６及び３６、並びに出口端部７６，８６及び９６に対してそれぞれ調整可能であり得る。同様に、プレート１２，２２及び３２、並びにプレート７２，８２及び９２の全長は、プレート２２の端部２６がプレート１２の端部１６の面から突出することを条件とし、かつプレート９２の端部９６がプレート８２の端部８６の面から突出することを条件として、構築の便宜、熱流の考慮、及び流体における剪断流に依存して変化させることができる。さらに、プレート１２，２２，３２，７２，８２及び９２は、特定の適用の要求、得られるナノファイバマットの所望の幅、製造の便宜、又は他の要因に従っていずれの幅とすることができる。

第１０プレート又は部材１０２は、所望により、プレート９２のプレート８２から反対側で第９プレート９２に隣接し、それから間隔を設けて位置される。プレート１０２の長さは、第９プレート９２の長さに沿って延びる。第１０プレート１０２は、プレート１０２の幅を横切る一側によって規定される供給端部１０４及び第１０プレート１０２の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部１０６を有する。第１０プレート１０２及び第９プレート９２は、第４ガスカラム又はスリット１０８を画成する。第１０プレート１０２は、図４に示すごとく、出口端部９６と同一平面にある出口端部１０６で終了するか、あるいは端部９６とは異なる平面で終了することができる（図示せず）。

ナノファイバの不織マットは、以下の方法によって、図４の装置を用いて製造することができる。１以上のファイバ形成材料を第１供給キャビティ又はスリット１８及び第２供給キャビティ又はスリット９８を通して供給する。ファイバ形成材料をガスジェット空間２０に向ける。同時に、圧縮ガスを、第１ガスキャビティ又はスリット３８及び第３ガスキャビティ又はスリット３８を通してガスジェット空間２０へ入れる。

ガスジェット空間２０内では、ファイバ形成材料はフィルムの形態にあると考えられる。換言すれば、スリット１８及び９８を出てガスジェット空間２０に入るファイバ形成材料は、第２プレート２２の側面、及びプレート９２の側面、及びガスジェット空間２０内にファイバ形成材料の薄い層を形成する。ファイバ形成材料のこれらの層は、スリット３８から出るガスジェットによって、それらが端部２６及び９６に到達するまで、剪断変形を受ける。フィルムは種々の厚みとすることができ、一般には、端部２６に向けて厚みは減少すると予測される。第１ガスカラム又はスリット３８が第１供給スリット１８に向かって角度を付けてある、あるいは第３ガスカラム又はスリット８８が第２供給スリット９８に向かって角度を付けてある実施例においては、ガスは、高い相対速度で、ガスジェット空間２０中のファイバ形成材料の上を流れる。端部２６及び９６の近くでは、ファイバ形成材料の層は駆動され、ガスの剪断力によって運ばれ、膨張するガスによって吹き飛ばされて多数の小さなストランドとなり、ファイバ形成材料層の表面の破壊波の山に発射されたファイバ形成材料のジェットと共に端部２６及び９６から排出される。一旦装置７０から排出されると、これらのストランドは固化し、ナノファイバを形成する。この固化は冷却、化学反応、合体、電離放射線又は溶媒の除去によって起こり得る。また、固化したフィルム形成性材料は、ガスジェット空間２０内に存在し得ると考えられる。

本発明を実施するにおいて、紡糸可能な流体又はファイバ形成材料は、当該分野で公知のいずれの適当な技術によってスリット１８まで給送することができる。例えば、ファイバ形成材料はバッチ方式操作で装置に供給するか、あるいはファイバ形成材料を連続ベースで給送することができる。適当な給送方法は、ここに引用してその内容を援用する、米国特許出願第０９／４１０８０８号及び国際公開第ＷＯ００／２２２０７号に記載されている。

本発明に従うファイバの形成に影響する多くの条件及びパラメータがあることを理解されるべきである。例えば、本発明の装置のカラムのいずれかを通って移動するガスの圧力は、使用するファイバ形成材料に基づいて操作される必要があろう。また、使用されるファイバ形成材料、又は得られたナノファイバの所望の特徴は、ファイバ形成材料それ自体又は種々のガス流が加熱されることを必要とするであろう。例えば、ナノファイバの長さは、シュラウド空気の温度を変化させることによって調整することができる。シュラウド空気がより冷たく、それにより、ファイバ形成材料のストランドを素早く冷凍するか固化させる場合、より長いナノファイバを製造することができる。他方、シュラウド空気がより熱く、それにより、ファイバ形成材料のストランドの固化を阻害する場合、得られるナノファイバは長さがより短いであろう。また、スリット３８及び４８を通って流れる圧縮ガスの温度は、同様に、これらの結果を達成し又はそれを助けるように操作することができることも認識すべきである。例えば、メソフェーズピッチの細く尖ったナノファイバは、シュラウド空気が約３５０℃に維持される場合に製造することができる。この温度は、メソフェーズピッチのストランドが十分に柔軟となり、それにより、引き伸ばされ細くされて短いセグメントとなるのに十分に熱いが、ストランドが崩壊して液滴となるほど熱くはならないように注意深く制御するべきである。好ましい細く尖ったナノファイバは、約１０００ないし約２０００ナノメートルの範囲の長さを有する。

当業者であれば、当該分野で慣用的な技術を用いて種々のガス流を加熱することができるであろう。同様に、ファイバ形成材料が、当該分野でよく知られた技術を用いて加熱することができる。例えば、第１供給スリット１８に入るファイバ形成材料に、スリット３８又はスリット４８に入る圧縮ガスに、又は供給チューブそれ自体に、熱源（図示せず）によって熱を加えることができる。特定の実施例において、熱源は、源によって加熱されるコイルを含むことができる。

本発明の１つの特定の実施例において、カーボンナノファイバ前駆物質の不織マットが製造される。具体的には、ポリアクリロニトリルのごときポリマーのナノファイバは、本発明の製法及び装置を用いることによって紡糸され、収集される。これらのポリアクリロニトリルファイバは、所望により、張力下で、空気中にて約２００℃ないし約４００℃の温度まで加熱されて、より高い温度における処理のために安定化される。次いで、これらの安定化されたファイバは、不活性ガス下でほぼ８００℃及び１７００℃の間まで加熱することによってカーボンファイバに変換される。この炭化プロセスにおいては、ＨＣＮ、ＮＨ_３、ＣＯ_２、Ｎ_２及び炭化水素のごとき全ての化学基を除去する。炭化の後、ファイバを約２０００℃ないし約３０００℃の範囲の温度まで加熱する。黒鉛化と呼ばれるこのプロセスは、黒鉛結晶子が整列したカーボンファイバを作り出す。

他の特定の実施例において、カーボンナノファイバ前駆物質はメソフェーズピッチを用いることによって製造される。次いで、空気中で加熱して、高温処理の間の融解又は縮合を防止することによって、これらのピッチファイバを安定することができ、これは、高強度及び高弾性カーボンファイバを得るのに必要である。安定化されたファイバの炭化は、カーボンファイバの所望の特性に応じて、約１０００℃及び約１７００℃の間の温度で行う。

他の実施例において、ＮＧＪを電気紡糸技術と組み合わせる。これらの組み合わせたプロセスにおいて、ＮＧＪは製造速度を改良し、他方、電場はジェットにおける最適張力を維持して、配向を生じさせ、ファイバでのビードの出現を回避する。また、電場は、加工機械、加熱オーブンを通じて所望の軌跡に沿って、又はコレクター上の特定の位置にナノファイバを向ける方法を提供する。ファイバ上の電荷はループ状及びコイル状のナノファイバを製造することもでき、これはこれらのナノファイバから作成された不織布の嵩を増加させることができる。

また、金属含有ポリマーをナノファイバの不織マットに紡糸し、セラミックナノファイバに変換することができる。これは高性能セラミックスの製造に対するよく知られた経路である。ゾル−ゲルプロセスは同様の化学を利用するが、ここでは、線状ポリマーを合成し、従って、ゲルは回避される。いくつかの適用において、広い範囲の直径が有用であろう。例えば、混合直径を持つファイバの試料においては、容量を満足する要因はより高くすることができる。何故ならば、より小さなファイバはより大きなファイバの間の間隙に充填することができるからである。

ナノファイバとテキスタイルサイズのファイバとのブレンドは、例えば、耐久性不織布が、軍人又は環境作業者のごとき人に対して直接紡糸され、化学及び生物剤を吸収し、不活性化し、又はそれに対する障壁を作り出すのを可能とする特性を有することができる。

また、平均直径及び直径の範囲は、ガス温度、ガス流の流速、流体の温度及び流体の流速を調整することによって影響されるのも認識されるべきである。流体の流れは、用いる特定の装置に応じて、バルブ配置によって、押出機によって、又は容器中及び中央のチューブ中の圧力の別々の制御によって制御することができる。

かくして、本明細書中で開示したＮＧＪ方法及び装置は、プレートの側面にファイバ形成材料の薄い層を作り出すことによってナノファイバを提供することができるのは明らかであり、この層は、それがプレートの出口端部に到達するまで剪断変形を受ける。ここに、ファイバ形成材料の層は、膨張するガスによって吹き飛ばされて多数の小さなジェットとなる。圧縮ガスを用いることによってナノファイバの不織マットを作成するのに用いられた装置はこれまでなかった。さらに、ＮＧＪプロセスは、高強度、高弾性率、高熱伝導度の黒鉛ファイバに変換することができる、メソフェーズピッチのごとき紡糸可能な流体からファイバを作り出す。それは、溶液又は溶融体からナノファイバを製造することもできる。また、それは、小さな液滴又は液体の製造用の改良された装置に導くこともできる。また、ＮＧＪは、高い製造速度でナノファイバを製造するのは明らかである。ＮＧＪは単独、又はメルトブローイング又はエレクトロスピニングのいずれか又は双方と組み合わせて、ファイバの幾何学、直径及び長さの有用な混合物を製造することもできる。また、ＮＧＪは電場と組み合わせて用いることができるが、電場は要求されるものではないことが認識されるべきである。

本発明に従ってナノファイバの不織マットを製造する装置の概略図である。 さらなるリップクリーナープレートを含む、本発明の装置の他の実施例の概略図である。 外部ガスシュラウドアセンブリを含む、本発明の装置の他の実施例の概略図である。 複数のファイバ形成材料供給スリットを含む、本発明の装置の他の実施例の概略図である。

Claims (20)

1. 第１部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第１部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有する第１部材；
   第２部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第２部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、第１部材から間隔を設けそれに隣接して位置された第２部材であって、前記第２部材の長さが前記第１部材の長さに沿って延び、前記第２部材の出口端部が前記第１部材の前記出口端部を越えて延び、前記第１及び第２部材が第１供給スリットを画成している、第２部材；及び
   第３部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第３部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第１部材の前記第２部材から反対側で、前記第１部材から間隔を設けそれに隣接して位置された第３部材であって、前記第３部材の長さが第１部材の長さに沿って延び、前記第１及び第３部材が第１ガススリットを画成し、前記第１、第２及び第３部材がガスジェット空間を画成している、第３部材；
   を包含する、圧縮ガス流を用いることによってナノファイバの不織マットを形成する装置。
2. 前記ガスジェット空間のサイズが調整可能である、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
3. 前記ガスジェット空間が約０.１ないし約１０ミリメートルの間で調整可能である長さを有する、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
4. 前記第１ガススリットが、平方インチ当り約１０ないし約５０００ポンド（約０.７ないし約３５１.６ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力にて圧縮ガスを運ぶのに適合した、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
5. 前記第１供給スリットがファイバ形成材料を運ぶのに適合した、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
6. 前記圧縮ガスが窒素、ヘリウム、アルゴン、空気、二酸化炭素、蒸気フルオロカーボン、フルオロクロロカーボン、及びその混合物よりなる群から選択される、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
7. 前記第１ガススリットが前記第１供給スリットに向かって角度を付けてある、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
8. 第４部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第４部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第２部材の前記第１部材から反対側で、前記第２部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第４部材をさらに包含しており、さらに、前記第４部材の長さが前記第２部材の長さに沿って延び、前記第２部材及び前記第４部材が第２ガススリットを画成する、請求項１記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
9. 前記第４部材が、前記第２部材の前記出口端部と同一平面にある前記出口端部で終わる、請求項８記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
10. 前記第４部材が、前記第２部材の前記出口端部とは異なる平面にある前記出口端部で終わる、請求項８記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
11. 第５部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第５部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第３部材の前記第１部材から反対側で、前記第３部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第５部材であって、さらに、前記第５部材の長さが前記第３部材の長さに沿って延びて、前記第５部材及び前記第３部材が第１シュラウドガススリットを画成している、第５部材；及び
    第６部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第６部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第４部材の前記第２部材から反対側で、前記第４部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第６部材であって、さらに、前記第６部材の長さが前記第４部材の長さに沿って延びて、前記第６部材及び前記第４部材が第２シュラウドガススリットを画成している、第６部材；
    をさらに包含する、請求項８記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
12. 第７部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第７部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第４部材の前記第２部材から反対側で、前記第４部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第７部材であって、さらに、前記第７部材の長さが前記第４部材の長さに沿って延びている、第７部材；
    第８部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第８部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第７部材の前記第４部材から反対側で、前記第７部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第８部材であって、さらに、前記第８部材の長さが前記第７部材の長さに沿って延びて、前記第７部材及び前記第８部材が第３ガススリットを形成している、第８部材；
    第９部材の幅を横切る一側によって規定される供給端部及び第９部材の幅を横切る一側によって規定される対向出口端部を有し、前記第８部材の前記第７部材から反対側で、前記第８部材に隣接しそれから間隔を設けて位置された第９部材であって、前記第９部材の前記出口端部が前記第８部材の前記出口端部を越えて延び、さらに、前記第９部材の長さが前記第８部材の長さに沿って延びて、前記第９部材及び前記第８部材が第２供給スリットを画成している、第９部材；
    をさらに包含する、請求項８記載のナノファイバの不織マットを形成する装置。
13. ナノファイバの不織マットを形成する装置であって、前記装置が：
    ファイバ形成材料の複数のストランドが装置から排出されるように、装置内でファイバ形成材料をガスと接触させるための手段を包含し、ファイバ形成材料の前記ストランドが固化し、ナノファイバのウェブを形成し、前記ナノファイバが約３０００ナノメートルまでの直径を有することを特徴とする装置。
14. 第１部材及び第２部材の間の第１供給スリットにファイバ形成材料を供給する工程であって、前記第１及び第２部材が各々出口端部を有し、前記第２部材の出口端部が前記第１部材の出口端部から突出していて、前記第１供給スリットから出るファイバ形成材料が、前記第１部材の出口端部から突出する前記第２部材の部分にフィルムを形成する、工程と、
    前記第１部材及び第３部材の間の第１ガススリットを通じて圧縮ガスを供給する工程であって、前記第１ガススリットが前記第１供給スリットに隣接して位置されていて、前記第２スリットから出る圧縮ガスが、前記第１、第２及び第３部材の出口端部によって画成されるガスジェット空間において前記フィルムと接触し、固化しナノファイバのマットを形成するファイバ形成材料の複数のストランドの形態で、前記第２部材の前記出口端部からファイバ形成材料を排出し、前記ナノファイバが約３０００ナノメートルまでの直径を有する、工程と、
    を包含する、ナノファイバの不織マットを形成する方法。
15. 前記第２部材及び第４部材の間の第２ガススリットを通じて圧縮ガスを供給する工程であって、前記第２ガススリットが前記第１スリットから反対側で前記第１供給スリットに隣接して位置されていて、前記第２ガススリットから出る前記圧縮ガスが、前記第２部材の前記出口端部でのファイバ形成材料の蓄積を防止する工程をさらに包含する、請求項１４記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
16. 前記第１供給スリットから反対側で前記第１ガススリットに隣接して位置する第１ガスシュラウドスリットを通じてシュラウドガスを供給する工程と、前記第１供給スリットから反対側で前記第２ガススリットに隣接して位置する第２シュラウドガスを通じてシュラウドガスを供給する工程をさらに包含する、請求項１５記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
17. 前記圧縮ガスが、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気、二酸化炭素、蒸気フルオロカーボン、フルオロクロロカーボン及びその混合物よりなる群から選択される、請求項１４記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
18. ファイバ形成材料がポリアクリロニトリル及びメソフェーズピッチよりなる群から選択される、請求項１４記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
19. 約１０００℃及び約１７００℃の間の温度まで加熱することによってナノファイバのマットを炭化する工程をさらに包含する、請求項１４記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
20. 前記ファイバ形成材料が金属含有ポリマーである、請求項１４記載のナノファイバの不織マットを形成する方法。
    

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