JP2008202178A - ナノファイバ製造装置、不織布製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電爆発を用いてナノファイバを製造するナノファイバ製造装置において、引火性のある溶剤を使用しても爆発のおそれの低い製造装置を提供する。
【解決手段】ナノファイバ製造用の原料液２００を噴射する、電圧が印加される噴射孔１１２を備えるナノファイバ製造装置１０１であって、外空間の雰囲気よりもナノファイバ製造空間１０７を低酸素雰囲気に維持する隔壁１０２と、前記ナノファイバ製造空間１０７の低酸素雰囲気を形成する低酸素ガスを供給するガス供給源１０３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子物質からなるナノファイバを堆積し、不織布を製造する方法、及び、不織布の製造装置に関する。

高分子物質から成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状物質（以下、「ナノファイバ」と記す。）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。

このエレクトロスピニング法とは、高電圧を印加した針状のノズルから溶媒中に高分子物質を分散させた高分子溶液を空間中に流出（射出）させることにより、ナノファイバを得る方法である。より具体的には、高電圧により帯電した高分子溶液の溶媒が蒸発するに伴い電荷密度が上昇する。そして、高分子溶液中に発生する反発方向のクーロン力が高分子溶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（静電爆発）が生じる。この静電爆発が、空間において次々と発生することで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバが製造される。

また、前述の方法で製造されたナノファイバを基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブ（不織布）を製造することができる。

このようにエレクトロスピニング法を採用して製造されたウェブは、ナノオーダーの孔からなる高多孔性であり表面積が広いため、フィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に適用され、高い効果を得ることが期待されている。

従来、ナノファイバを多量に製造してナノファイバからなる実用的なウェブを製造する方法として、複数のノズルを並列に配置し、多量のナノファイバを堆積させてウェブを製造する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０１５５９号公報

ところが、前述の通りナノファイバを製造するに当たっては、ナノファイバ製造空間には原料液を構成する揮発性の溶媒が所定の濃度滞留することとなる。一方、原料液を噴射するノズルには高電圧が印加されており、放電の可能性を完全に回避することは困難である。従って、前記溶媒が引火性のある物質からなる場合、爆発の危険性が常に存在することとなる。

一方、引火性のない溶媒を採用することは可能ではあるが、環境問題などを勘案すると溶媒として採用しうる物質の選択肢が狭くなり、コストにも影響することとなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、ナノファイバを製造するに当たり爆発の危険性を回避しうると共に、選択される溶媒の種類を拡げることのできるナノファイバ製造装置の提供などを目的とする。

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、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する、電圧が印加される噴射孔を備えるナノファイバ製造装置であって、ナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気にする低酸素ガスを供給するガス供給源と、外空間の雰囲気よりもナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気に維持するための隔壁とを備える。

これにより、ナノファイバ製造空間が低酸素雰囲気に維持されるため、引火性のある溶剤が当該空間に存在している場合であっても爆発の危険性を可及的に回避することが可能となる。

また、前記ガス供給源は、前記外空間よりも窒素濃度の高いガスをナノファイバ製造空間に供給するものとしても良い。

窒素濃度の高いガスを導入することで相対的にナノファイバ製造空間の酸素濃度を低下させることができる。また、窒素ガスは不活性で入手容易であるため、容易に低酸素濃度の雰囲気をナノファイバ製造空間に形成することが可能となる。なお、窒素濃度の高いガスとは、大気よりも窒素濃度が高ければ良く、窒素濃度が１００％に近いガスでも良い。

また、前記ガス供給源は、過熱水蒸気をナノファイバ製造空間に供給するものとしても良い。

隔壁の内空間に供給するガスとして過熱水蒸気を導入すると、過熱水蒸気は輻射伝熱と、対流伝熱と、凝集伝熱とにより、噴射される原料液を容易に昇温させることができる。従って、難揮発性の溶剤を原料液の溶媒として使用しても、容易に静電気爆発を生じさせることができる。従って、引火性はないが難揮発性の溶剤など使用できる溶剤の幅を拡げることが可能となり、溶剤選定の段階で防爆を考慮することができる。さらに、過熱水蒸気は低酸素濃度であるから、ナノファイバ製造空間を低酸素状態として爆発を防止することが可能となる。

ここで、爆発とは、原料液の溶媒が揮発してナノファイバ製造空間に滞留し、何らかの原因（例えば放電など）により溶媒が引火することにより発生する爆発を意味する。また、防爆とは当該爆発が発生しない状態とすることを指す。また、当該爆発は、ナノファイバを製造するために必要な静電気爆発とは異なるものである。

さらに、前記ガス供給源からナノファイバ製造空間へのガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、前記ナノファイバ製造空間のガスの組成を測定するガス組成測定手段と、前記ガス組成測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間の低酸素雰囲気を維持するように前記ガス供給量変更手段を制御する制御手段とを備えてもよい。

さらに、前記ガス供給源からナノファイバ製造空間へのガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、前記ナノファイバ製造空間の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間の圧力を陽圧に維持するように前記ガス供給量変更手段を制御する制御手段とを備えてもよい。

さらに、前記ガス供給源から供給されるガスの温度を変更するガス温度変更手段と、前記ナノファイバ製造空間の温度を測定する温度測定手段と、前記圧力測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間を所定温度に維持するように前記ガス温度変更手段を制御する制御手段とを備えてもよい。

上記のようにナノファイバ製造空間の雰囲気を一定にコントロールすることで、高い品質のナノファイバを製造することが可能となる。

さらに、前記ナノファイバ製造空間の雰囲気を形成するガスを排気する排気手段を備えてもよい。

以上のようにナノファイバ製造空間を排気することで、ナノファイバ製造空間の雰囲気を一定の場所に導出することができる。従って、ナノファイバ製造装置が設置されている環境に配慮することが可能となる。特に、ナノファイバ製造空間を隔壁により密閉した場合、隔壁内部の雰囲気をコントロールする場合に特に有用である。つまり、ナノファイバ製造用の原料液の噴射量を考慮した上で、ガス供給源からのガスの供給量と排気手段による雰囲気の排気量とをバランスさせることで、隔壁により密閉されたナノファイバ製造空間の雰囲気を一定に保つことが可能となる。

また、上記目的はまた、本願発明にかかるナノファイバ製造方法により達成できる。すなわち、ナノファイバ製造用の原料液を電圧が印加される噴射孔から噴射し、ナノファイバ製造空間において静電爆発にてナノファイバを製造するナノファイバ製造方法において、前記ナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気とする低酸素ガスを前記ナノファイバ製造空間に供給し、前記低酸素雰囲気でナノファイバを製造することによっても達成することができ、その効果は上記と同様である。

本発明によれば、安全にナノファイバを製造することが可能となる。

次に、本発明にかかるナノファイバ製造装置、及び、不織布製造装置の実施の形態を合わせて説明する。

図１は、本発明にかかる不織布製造装置を概略的に示す斜視図である。
同図に示すように、不織布製造装置１００は、ナノファイバ製造装置１０１を備え、隔壁１０２と、ガス供給源１０３と、排気手段としての排気装置１０５と、圧縮手段３００とを備えている。なお、製造されているナノファイバ、または、その原料液には明確に区別できないためいずれにも２００の符号を付し、製造された不織布には２１０を付している。

ナノファイバ２００は、ポリフッ化ビニリデン（FVDF）、ポリフッ化ビニリデンーコーヘキサフルオロプロピレン、ポリアクリロニトリル等の石油系高分子材料、また、これらの共重合体及び混合物などから選択可能であり、最終製造物の性質や性能等の所望の機能によって前記材料やその組合せを任意に選択すればよい。

また、溶媒としてはアセトンやＤＭＦ（N,N-ジメチルホルムアミド）を例示することができる。

なお、上記ナノファイバの材料、および、溶媒の種類は例示である。特に、溶媒の種類は、後述する導入ガスの種類や雰囲気温度によって種々選択される。

隔壁１０２は、不織布製造装置１００のほぼ全体を覆う通気性のない部材である。例えば樹脂製のパネルを組み立てて箱状としたものや、金属製の枠体に柔軟性があり通気性のほぼないシートを張り渡したものが挙示できる。なお、不織布製造装置１００が載置される床を隔壁１０２として用いてもよい。

また、隔壁１０２により閉ざされた内空間は、ナノファイバが製造されるナノファイバ製造空間１０７を含み、前記内空間と隔壁１０２で囲われた空間以外の外空間とは、気密状態で隔絶されているわけではない。

ガス供給源１０３は、隔壁１０２で囲われた内空間にガスを供給する装置である。ガス供給源１０３が供給するガスとしては、空気から酸素を樹脂膜（中空糸膜）によりある程度除去した低酸素濃度ガスや、過熱水蒸気を挙示することができる。ここで、低酸素濃度とは、通常の地表近傍の大気内で、隔壁１０２で囲むことなく、また、ガスの供給を行うことなくナノファイバを製造する際のナノファイバ製造空間１０７における酸素濃度よりも低い濃度を意味する。なお、本記載は酸素の含有がほとんどない高純度なガスなどの使用を除外するものではなく、液体や気体等の状態でボンベに封印された高純度な窒素やドライアイスから供給される二酸化炭素なども利用可能である。

以下本実施の形態では、低酸素ガスとして過熱水蒸気を採用した場合として説明する。
排気装置１０５は、隔壁１０２の内空間に存在する雰囲気を排気することができる装置である。本実施の形態の場合、排気される雰囲気中に含まれる溶剤などを回収することができる回収装置が排気装置１０５に取り付けられている。

上記ガス供給源１０３のガス供給量と排気装置１０５のガス排気量とのバランスにより隔壁１０２の内空間を陽圧に維持することが可能となっている。なお、陽圧とは隔壁の外空間の圧力より内空間の圧力が高い状態を意味する。

ナノファイバ製造装置１０１は、ナノファイバ発生手段１１０と、収集電極１２０とを備えている。

ナノファイバ発生手段１１０は、ナノファイバを製造するための原料液を噴射（流出）する装置であり、電源１５０に接続されて所定の電位に維持されるものとなっている。また、原料液を貯蔵するタンク（図示せず）と接続されるパイプ１１１がナノファイバ発生手段１１０に接続されており、所定の圧力で原料液が供給されるようになっている。

図２はナノファイバ発生手段の具体例を示す図である。
同図（ａ）に示すナノファイバ発生手段１１０は、先端に噴射孔１１２を備えたノズル１１３を複数本備え、各ノズル１１３には電源１５０が接続されている。また、各ノズル１１３にはパイプ１１１がそれぞれ接続されており、原料液を貯蔵するタンクから所定の圧力で原料液が供給されるものとなっている。

同図（ａ）に示すナノファイバ発生手段１１０は、供給される圧力により噴射孔１１２から原料液２００を噴射するものであり、ノズル１１３に接続される電源１５０により、噴射する原料液２００が帯電するようになっている。

同図（ｂ）に示すナノファイバ発生手段１１０は、周壁に多数個の噴射孔１１２が設けられた円筒形のバレル１１４を備えている。バレル１１４は、回転可能であると共に、電源１５０により所定の電位に維持されるものである。また、回転軸上に設けられたシャフトの一方にはパイプ１１１が接続され、バレル１１４内部に原料液２００が供給されるものとなっている。

同図（ｂ）に示すナノファイバ発生手段１１０は、遠心力により噴射孔１１２から原料液２００を噴射するものであり、バレル１１４に接続される電源１５０により、噴射する原料液２００が帯電するようになっている。

シート１６０は、空間中で生成したナノファイバ２００が堆積する対象となる部材であり、堆積したナノファイバ２００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である。

当該シート１６０は、ロール状に巻き付けられた状態で供給され、ナノファイバ２００が堆積する部分をゆっくりと移動手段１７０により図中矢印方向に移動するものとなっている。そして、シート１６０上で製造された不織布２１０とともに再びロール状に巻き付けられるようになっている。シート１６０が巻き付けられた供給用のロール（図示省略）と不織布２１０と共に巻き取られたロール（図示省略）とは、隔壁１０２内空間に収容されるものとなっている。

移動手段１７０は、シート１６０を所定の張力を維持しつつ一方方向に送ることができる装置であり、モータ（図示せず）などの駆動により図に示されるローラを回転させてシート１６０を移動させるものである。

収集電極１２０は、ナノファイバ発生手段１１０と所定の電位差が生じるように電源１５０により電位が付与される金属製の電極である。この収集電極１２０は、シート１６０に対しナノファイバ発生手段１１０の反対側に、ナノファイバ発生手段１１０と対向して配置されている。また、収集電極１２０は、ナノファイバ発生手段１１０から噴射され生成した帯電状態のナノファイバ２００を電気的に吸引し、シート１６０上にナノファイバ２００を堆積させる機能を担っている。

なお、収集電極１２０については、堆積するナノファイバの密度分布を均一にするための複数の態様が存在する。以下収集電極１２０の各態様を説明する。

（収集電極＜１＞）
図３は、収集電極＜１＞を概念的に示す斜視図である。

同図に示すように、収集電極１２０は、複数の電極１２１と、複数の電極１２１それぞれに電位を付与する電源１５０と、電極１２１に印加する電圧を周期的に変化させることのできる電圧変化手段１５１と、絶縁体１３０とを備えている。

電極１２１は、シート１６０の移動方向（図中矢印）に延び、ナノファイバ２００が堆積する部分すなわち堆積部１６１にわたって配置される金属製の部材である。本収集電極＜１＞の場合、電極１２１は、シート１６０の移動方向に対し垂直に６個の電極１２１が配置されており、電極の間には絶縁体１３０が設けられている。なお、電極１２１のそれぞれを区別して示す場合には符号にａ〜ｆを添えて説明する。

電源１５０は、最大−５０ｋｖ〜−１００ｋｖの電位を付与することができる装置である。本収集電極＜１＞の場合、電極１２１ａ〜電極１２１ｆに対し、それぞれ電源１５０ａ〜電源１５０ｆが接続され、各電極１２１に独立して電位が付与されるようになっている。

電圧変化手段１５１は、電極１２１に付与する電位を１０ｋｖ〜１００ｋｖ程度の電圧の幅で変化させることのできる装置である。

以上の構成の収集電極１２０であれば、電圧変化手段１５１で各電極１２１の電位を変化させることによって、シート１６０の上に発生する電場の分布を任意に変化させることができる。従って、帯電したナノファイバ２００の収集が集中する位置を前記電場の分布に従って移動させることができ、堆積するナノファイバ２００の厚さの均一化を図ることが可能となる。

（収集電極＜２＞）
次に、他の収集電極１２０について説明する。

図４は、他の収集電極＜２＞を概念的に示す側面図である。
同図に示すように、収集電極１２０は、複数の電極１２１と、複数の電極１２１それぞれに電位を付与する電源１５０と、電極１２１を駆動する駆動手段１５７と、絶縁板１５９とを備えている。

電極１２１、電源１５０については収集電極＜１＞と同様であるため説明を省略する。
駆動手段１５７は、各電極１２１を独立して直線的に往復動作させることのできるものであり、空圧によって直線的に出没する移動軸１５８を備えている。なお、駆動手段１５７は、リニアアクチュエータであればよく、空圧や油圧を用いるもの、ボールねじを用いるもの、リニアモータなどを用いるもの、その駆動方法は問わない。また、駆動手段１５７は、電極１２１とナノファイバ発生手段１１０とを結ぶ線に沿って電極１２１を移動させるものとなっている。

絶縁板１５９は、電極１２１の移動時における振れを規制すると共に、電極１２１相互の接触や近接を阻害して異常な放電等を防止する働きを担うものである。

以上のような収集電極１２０であれば、電源１５０から出力される電圧は一定でよい。また、各電極１２１の移動を制御することにより、シート１６０の移動方向と垂直な方向で分割されたシート１６０の堆積部１６１の領域毎にアナログ的経時的に変化する電場を形成することが可能となる。

（収集電極＜３＞）
次に、その他の収集電極１２０について説明する。

図５は、他の収集電極＜３＞を概念的に示す斜視図である。
同図に示すように、収集電極１２０は、電極１２１と、電極１２１に電位を付与する電源１５０と、電極１２１を駆動する駆動手段１６７とを備えている。

電源１５０については収集電極＜１＞と同様であるため説明を省略する。
駆動手段１６７は、電極１２１をレールに沿って直線的に往復動作させることのできるものである。なお、駆動手段１５７は、前記と同様リニアアクチュエータであればよく、空圧や油圧を用いるもの、ボールねじを用いるもの、リニアモータなどを用いるもの、その駆動方法は問わない。また、駆動手段１６７は、シート１６０の幅方向、すなわち、シート１６０の移動方向と垂直な線に沿って電極１２１を移動させるものとなっている。

以上のような収集電極１２０であれば、電源１５０から出力される電圧は一定でよい。また、電極１２１の移動を制御することにより、シート１６０の堆積部１６１にシート１６０の移動方向と垂直な方向に変化する電場を形成することが可能となる。

本実施の形態のように収集電極１２０により電場を変化させた場合、各電極１２１の摺動部分等から放電する可能性が高まるため、特にナノファイバ製造空間１０７の防爆対策が必要となる。従って、ナノファイバ製造空間１０７を低酸素状態とすることは好ましい態様といえる。

図６は、圧縮手段を示す斜視図である。
図７は、圧縮手段を示す断面図である。

同図に示すように、圧縮手段３００は、堆積されたナノファイバ２００からなる不織布２１０を圧縮するものである。また、圧縮手段３００はガス供給源１０３から供給される過熱水蒸気３５０を前記不織布２１０（ナノファイバ２００）に吹き付けつつ、隔壁１０２の内空間に過熱水蒸気３５０を供給する事のできる装置である。

圧縮手段３００は、圧縮ローラ３０１と、ピンチローラ３０３と、押圧手段３０５と、駆動手段３０６と、ギア３０７、３０８と、シャフト３０９とを備えている。

圧縮ローラ３０１は、シート１６０と共に移動する不織布２１０を連続的に押圧する円筒状の筒体であり、筒体の周壁には放射状に吹き付け孔３０２が穿設されている。

シャフト３０９は、圧縮ローラ３０１の回転軸と同軸上に圧縮ローラ３０１を貫通して配置される一端が閉塞した筒状の部材である。シャフト３０９の周壁には、圧縮ローラ３０１と同様に過熱水蒸気３５０を放出するための孔が多数放射状に穿設されている。

シャフト３０９と圧縮ローラ３０１とは、シャフト３０９を固定した状態で圧縮ローラ３０１を回転可能に軸支するために、圧縮ローラ３０１の両端部に取り付けられるベアリング３１０を介して接続されている。

ピンチローラ３０３は、圧縮ローラ３０１と協働し、不織布２１０及びシート１６０を挟持するローラであり、シート１６０の移動に伴って回転可能に軸支されている。

ここでガス供給源１０３は、シャフト３０９の開口端とフレキシブルなパイプで接続されており、ガス供給源１０３で発生した過熱水蒸気を、シャフト３０９に導入し、シャフト３０９に穿設された孔を介して、径大の圧縮ローラ３０１に過熱水蒸気を導入する構成になっている。

これにより、回転しないシャフト３０９に容易にパイプを接続し、過熱水蒸気を圧縮ローラ３０１に導入することができる。さらに、一端シャフト３０９を介して圧縮ローラ３０１に過熱水蒸気を導入することで、圧縮ローラ３０１から均等に不織布２１０および隔壁１０２の内空間に過熱水蒸気を放出することが可能となる。

押圧手段３０５は、エアの圧力により圧縮ローラ３０１をピンチローラ３０３に向けて押圧する装置であり、シリンダ３１１と移動軸３１２とを備えている。移動軸３１２は、シャフト３０９の両端部と接続されており、エアの圧力により移動軸３１２をシリンダ３１１から突出させることでシャフト３０９を介して圧縮ローラ３０１を回転可能に押圧している。

従って、圧縮ローラ３０１とピンチローラ３０３とに挟まれる不織布２１０は、押圧手段３０５のエアの圧力による力によって圧縮されることになる。

駆動手段３０６は、圧縮ローラ３０１を強制的に回転させる装置であり、ステッピングモータと、ギア３０８とを備えている。ギア３０８は、圧縮ローラ３０１の端面外方に向かって取り付けられているギア３０７とかみ合っている。従って、駆動手段３０６は、ステッピングモータの駆動を制御することにより圧縮ローラ３０１の回転を正確に制御することができるものとなっている。

駆動手段３０６を制御し、圧縮ローラ３０１の回転と不織布２１０（シート１６０）の移動とを同期させることで、不織布２１０がよれることなく不織布２１０を圧縮することが可能となる。

また、圧縮ローラ３０１には、図８に示すように、交流電源３６０により交流電圧が印加できるものとなっている。これは、帯電した不織布２１０と直接接触する圧縮ローラ３０１に交流電圧を印加することで、不織布２１０を除電することができ、圧縮ローラ３０１に不織布２１０が付着することを防止することが可能となる。なお、過熱水蒸気３５０により不織布２１０が除電される場合、除電のための交流電源３６０が不要となる場合もある。

図９は、不織布製造装置１００の機能構成を機構部と共に示すブロック図である。
同図に示すように、不織布製造装置１００は、前記構成の他に、ガス組成測定手段としてのガス組成センサ１９１と、温度測定手段としての温度センサ１９２と、圧力測定手段としての圧力センサ１９３とを隔壁１０２の内空間に備えている。また、不織布製造装置１００は、ガス供給量変更手段１０４と、排気ファン１０６とを備えている。

ガス組成センサ１９１は、隔壁１０２の内部空間に存在する雰囲気から少なくとも特定のガスを検出しその濃度に対応した信号を提供することのできる装置である。ガス組成センサ１９１としては、例えば酸素を検出し濃度を測定することのできるセンサや、窒素を検出し濃度を測定することができるセンサなどを用いることができる。また、雰囲気が有するガスの種類を区別して検出し、それらの割合を測定できるものでもよい。

温度センサ１９２は、隔壁１０２の内部空間の温度を測定し、温度に対応した信号を提供することができるセンサである。例えば、熱電対や赤外温度計などがあげられる。なお、赤外温度計なら、隔壁１０２の外空間からでも内空間の温度を測定することが可能である。

圧力センサ１９３は、隔壁１０２の内空間の圧力に対応した信号を提供することができるセンサである。例えば、ダイアフラムの微小変位を電気信号に変換できるセンサ等を例示することができる。

ガス供給量変更手段１０４は、ガス供給源１０３から隔壁１０２の内空間にまで挿通されている管の中間に配置され、バルブにより当該管の中を流れるガスの量、つまり、ガスの流量を調整し、ガス供給源１０３から隔壁１０２内空間へのガスの供給量を変更しうるものである。本実施の形態におけるガス供給量変更手段１０４は、前記管の内部を完全に閉状態にすることができるものである。

排気ファン１０６は、排気装置１０５の内部に備えられ、当該ファンを回転させることにより隔壁１０２内空間の雰囲気を、排気装置１０５から隔壁１０２の内空間にまで挿通されている管を通して吸引することができるものとなっている。また、排気装置１０５は、排気ファン１０６よりも隔壁１０２側に、排気するか否かを選択しうる開閉手段を備えている。

また、同図に示すように、不織布製造装置１００は、機能部４００として主制御部４０１と、排気量制御部４０２と、温度制御部４０３と、供給量制御部４０４と、組成信号取得部４１１と、温度信号取得部４１２と、圧力信号取得部４１３と、電圧制御部４２０とを備えている。

組成信号取得部４１１は、ガス組成センサ１９１からの信号を取得し、当該信号をデジタル信号に変換して主制御部４０１に送信する処理部である。

温度信号取得部４１２は、温度センサ１９２からの信号を取得し、当該信号をデジタル信号に変換して主制御部４０１に送信する処理部である。

圧力信号取得部４１３は、圧力センサ１９３からの信号を取得し、当該信号をデジタル信号に変換して主制御部４０１に送信する処理部である。

主制御部４０１は、各センサ１９１、１９２、１９３からの信号を解析する処理部である。また、ガス供給量変更手段１０４や排気ファン１０６を供給量制御部４０４や排気量制御部４０２を介してフィードバック制御する処理部である。以上から主制御部４０１により、隔壁１０２の内空間を所定の雰囲気に維持することが可能となる。なお、主制御部４０１は、温度制御部４０３を介し、ガス供給源１０３に備えられる後述の過熱水蒸気発生装置を制御して、隔壁１０２の内空間に供給される過熱水蒸気３５０の温度を制御することが可能である。また、主制御部４０１は、電圧制御部４２０を介し、ナノファイバ発生手段１１０と、収集電極１２０とに電位を付与する電源１５０を制御し、ナノファイバ発生手段１１０と収集電極１２０との間に所定の電圧を発生させることが可能である。

排気量制御部４０２は、排気ファン１０６と接続され、排気ファン１０６のファンの回転数を制御することで、隔壁１０２内空間の雰囲気を吸引する量を制御することのできる処理部である。

温度制御部４０３は、後述の過熱水蒸気発生装置に接続され、隔壁１０２内空間に供給する過熱水蒸気３５０の温度を制御することのできる処理部である。

供給量制御部４０４は、ガス供給量変更手段１０４に接続され、ガス供給量変更手段１０４が備えるバルブの開閉状態を変化させてガス供給源１０３から供給されるガスの流量を制御することのできる処理部である。

電圧制御部４２０は、電源１５０に接続され、所定の電圧が発生するように電源を制御することのできる処理部である。

ガス供給源１０３としての過熱水蒸気発生装置は、飽和水蒸気を常圧のまま１００℃以上に加熱することができ、常圧過熱水蒸気を発生させることのできる装置である。本実施の形態の場合、温度制御部４０３により、隔壁１０２内空間に供給する過熱水蒸気３５０の温度を５００度まで任意に設定できるものとなされている。また、飽和水蒸気を過熱する方法は、電気ヒータで加熱するものや、燃料を燃焼させて加熱する方法があるが、本実施の形態では、複数の金属パイプを束ね、これらの金属パイプを誘導加熱で昇温し、各金属パイプに飽和水蒸気を挿通することで過熱水蒸気を発生させる方法を採用している。

さらに具体的には、金属パイプを加熱するのは高周波電源（１０KHｚ以上６０KHｚ以下の周波数）である。また、飽和水蒸気は、ボイラから供給される。

ここでガス供給源１０３として過熱水蒸気発生装置を用いれば、過熱水蒸気（H₂Oガス）が隔壁１０２内空間に供給されることになる。この場合、供給される過熱水蒸気の酸素濃度は０．１体積％〜１５体積％であり、通常は０．３体積％〜５．０体積％の範囲で維持される。このように、低酸素濃度の過熱水蒸気で充満させることで隔壁１０２内空間を低酸素雰囲気とすることが可能となる。

また、過熱水蒸気は、対流伝熱効果の他に放射伝熱効果も高いため、ナノファイバ製造用の原料液２００を構成する溶媒の揮発をより促すことができ、ナノファイバの製造を容易にすることができる。つまり、難揮発性の溶媒を採用した場合でも、ナノファイバ製造空間１０７中で過熱水蒸気３５０から付与される熱エネルギーにより難揮発性の溶媒が蒸発し、静電爆発を生じせしめナノファイバを製造することが可能となる。このことはつまり、選択される溶媒の種類を拡げることが可能であることを意味し、低コストや環境に配慮することのできる溶媒を採用することが可能となる。

次に、不織布製造装置１００の全体の配置を説明する。
図１０は、不織布製造装置を概略的に示す側面図である。

同図に示すように、不織布製造装置１００は、隔壁１０２で囲われている。また、ナノファイバ発生手段１１０は、下部に配置されるシート１６０に向かい、原料液が噴射されるものとなっている。また、ナノファイバ発生手段１１０とシート１６０の距離は、静電爆発が複数回発生し、所望の径のナノファイバが得られる距離に設定されている。

また、シート１６０の下側に配置される収集電極１２０は、ナノファイバ発生手段１１０と所定の電位差が発生するものとなされている。これらの電位差は、ナノファイバ発生手段１１０と収集電極１２０とにそれぞれ独立に接続される電源１５０により調整される。すなわち、電源１５０内では、ナノファイバ発生手段１１０に供給される電源と収集電極１２０に供給される電源とは、独立にそれぞれに供給できるように構成されている。

収集電極１２０に対し、シート１６０の移動方向（同図中矢印）の下流側には、圧縮ローラ３０１と、ピンチローラ３０３とがシート１６０および不織布２１０を挟むように配置されている。

また、シート１６０は、長尺のシート１６０が巻き付けられたシート供給ロール１６２から供給され、圧縮状態の不織布２１０は、シート１６０と共に巻き取りロール１６３に巻き取られる。

以上の構成の不織布製造装置１００による不織布の製造方法を次に説明する。
まず、隔壁１０２の内空間に過熱水蒸気３５０を供給する。一方、排気装置１０５により、隔壁１０２の内空間の雰囲気を吸引する。以上過熱水蒸気３５０を供給しつつ、雰囲気が吸引され、隔壁１０２の内空間は所定の温度、所定の圧力、所定の酸素濃度で平衡状態となる。これら、酸素濃度、温度、圧力はガス組成センサ１９１、温度センサ１９２、圧力センサ１９３でモニタされ、それぞれが所定の値になるようにガス供給量変更手段１０４、排気ファン１０６、ガス供給源１０３（過熱水蒸気発生装置）の過熱水蒸気の発生温度を制御する。

次に、ナノファイバ発生手段１１０の複数の噴射孔１１２から原料液を噴射する。これにより、隔壁１０２の内空間の雰囲気が変化するため、再度ガス供給量変更手段１０４、排気ファン１０６、ガス供給源１０３（過熱水蒸気発生装置）の過熱水蒸気の発生温度を制御する。

以上の雰囲気中でナノファイバ製造用の原料液から溶媒が蒸発し、静電爆発が繰り返されることでナノファイバ２００が製造される。そして、製造されたナノファイバ２００は、収集電極に吸引され、シート１６０上にナノファイバを堆積してゆく。

ナノファイバ２００が堆積するシート１６０は、一定の移動速度で移動している。またシート１６０の移動速度は、ナノファイバ２００が堆積する速さと、希望する不織布２１０の状態（例えば密度など）から計算により求められる。

以上のようにしてシート１６０の上に堆積し、形成された不織布２１０は、いわゆるふわふわの状態である。この状態の不織布２１０は、シート１６０と共に移動する。

シート１６０の移動方向の下流では、圧縮ローラ３０１とピンチローラ３０３とによりふわふわの状態の不織布２１０を圧縮しつつ圧縮ローラ３０１から不織布２１０に対して吹き付ける過熱水蒸気により圧縮されている部位を昇温し、不織布２１０に残存している溶剤をとばし乾燥させる。

ここで、不織布２１０の厚みは、堆積直後の不織布２１０の厚みと、押圧手段３０５の押圧力の設定により決まる。これらの設定は、ナノファイバ２００を構成するポリマーの種類、使用する溶媒等の条件に基づき決定される。

以上のように不織布を製造すれば、低酸素雰囲気中でナノファイバが製造されるため、ナノファイバ製造用の原料液の溶媒に引火性のある溶剤を使用していたとしても、収集電極１２０等からの放電等による爆発を防止することが可能となる。また、前記原料液は、過熱水蒸気により昇温されるため、難揮発性の溶剤を採用しても静電爆発を誘引することが可能となる。つまり、過熱水蒸気を用いれば、防爆を可能としつつ、採用しうる溶剤の種類の幅を拡げることが可能となる。

そして、爆発の心配のない状態で、所望の厚み、密度、機械的強度、単位体積当たりの表面積を備えた不織布２１０を容易に製造することが可能となる。

なお、上記実施の形態では圧縮ローラ３０１を支持するシャフト３０９とガス供給源１０３とを接続し、圧縮ローラ３０１の周壁に設けられた吹き付け孔（３０２）から、隔壁１０２の内空間に過熱水蒸気３５０を供給するものとしているが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図１０に示すように、隔壁１０２の内空間に直接ガスを供給するものでもよい。

また、低酸素雰囲気にするのは、ナノファイバ製造空間１０７、すなわち、ナノファイバ発生手段１１０と収集電極１２０で挟まれる空間であればよい。従って、図１１に示すように、隔壁１０２は、ナノファイバ製造空間１０７近傍のみを囲むものでもよい。

さらに、ナノファイバ製造空間１０７を隔壁１０２により密閉し、ガス供給源１０３から供給されるガス量と排気装置１０５による排気量、及び、ナノファイバ製造用原料液の噴射量をバランスさせることにより隔壁１０２で密閉された内空間の雰囲気を一定に維持し、低酸素状態を維持しても構わない。

さらに、排気装置１０５により排気されるガスを再度隔壁１０２内部に導入するものとしても良い。この場合、ガス供給源１０３から供給されるガス量を抑制することができ、また、隔壁１０２内空間の温度を容易に維持することができるため望ましい。

また、隔壁１０２内部にシースヒータなどヒータを備え、隔壁１０２内空間の温度を一定に保っても良く、また、ガス供給源１０３により供給されるガスをヒータにより加熱し当該昇温されたガスを隔壁１０２内空間に導入することにより、隔壁内空間の温度を所定の温度にするものでもよい。

また、上記実施の形態は、不織布を製造する場合を示したが、本願発明はナノファイバを利用した紡糸技術などにも適用可能である。

本発明は、ナノファイバ製造装置や、微小多孔性を利用したフィルタや表面積の広さを利用した触媒の担持体などに適用できる不織布の製造装置などに利用できる。

本発明にかかるナノファイバ製造装置を備える不織布製造装置を概略的に示す斜視図である。 ナノファイバ発生手段の具体例を示す図である。 収集電極＜１＞を概念的に示す斜視図である。 収集電極＜２＞を概念的に示す側面図である。 収集電極＜３＞を概念的に示す斜視図である。 圧縮手段を示す斜視図である。 圧縮手段を示す断面図である。 圧縮昇温ローラの除電構造を示す図である。 不織布製造装置の制御構成を示すブロック図である。 不織布の製造状態を概念的に示す側面図である。 隔壁の他の態様を概念的に示す側面図である。

符号の説明

１００ 不織布製造装置
１０１ ナノファイバ製造装置
１０２ 隔壁
１０３ ガス供給源
１０４ 供給量変更手段
１０５ 排気装置
１０６ 排気ファン
１０７ ナノファイバ製造空間
１１０ ナノファイバ発生手段
１１２ 噴射孔
１２０ 収集電極
１５０ 電源
１６０ シート
１６１ 堆積部
１９１ ガス組成センサ
１９２ 温度センサ
１９３ 圧力センサ
２００ ナノファイバ
２００ 原料液
２１０ 不織布
３００ 圧縮手段
３０１ 圧縮ローラ
３０９ シャフト
３５０ 過熱水蒸気
４００ 機能部
４０１ 主制御部
４０２ 排気量制御部
４０３ 温度制御部
４０４ 供給量制御部
４１１ 組成信号取得部
４１２ 温度信号取得部
４１３ 圧力信号取得部
４２０ 電圧制御部

Claims (9)

1. ナノファイバ製造用の原料液を噴射する、電圧が印加される噴射孔を備えるナノファイバ製造装置であって、
   ナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気にする低酸素ガスを供給するガス供給源と、
   外空間の雰囲気よりもナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気に維持するための隔壁と
   を備えるナノファイバ製造装置。
2. 前記ガス供給源は、前記外空間よりも窒素濃度の高いガスをナノファイバ製造空間に供給する請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記ガス供給源は、過熱水蒸気をナノファイバ製造空間に供給する請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
4. さらに、
   前記ガス供給源からナノファイバ製造空間へのガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、
   前記ナノファイバ製造空間のガスの組成を測定するガス組成測定手段と、
   前記ガス組成測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間の低酸素雰囲気を維持するように前記ガス供給量変更手段を制御する制御手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
5. さらに、
   前記ガス供給源からナノファイバ製造空間へのガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、
   前記ナノファイバ製造空間の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記圧力測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間の圧力を陽圧に維持するように前記ガス供給量変更手段を制御する制御手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
6. さらに、
   前記ガス供給源から供給されるガスの温度を変更するガス温度変更手段と、
   前記ナノファイバ製造空間の温度を測定する温度測定手段と、
   前記圧力測定手段からの信号に基づき前記ナノファイバ製造空間を所定温度に維持するように前記ガス温度変更手段を制御する制御手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
7. さらに、前記ナノファイバ製造空間の雰囲気を形成するガスを排気する排気手段を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
8. ナノファイバ製造用の原料液を電圧が印加される噴射孔から噴射し、ナノファイバ製造空間において静電爆発にてナノファイバを製造するナノファイバ製造方法において、
   前記ナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気とする低酸素ガスを前記ナノファイバ製造空間に供給し、
   前記低酸素雰囲気でナノファイバを製造するナノファイバ製造方法。
9. ナノファイバ製造用の原料液を噴射する、電圧が印加される噴射孔と、製造されたナノファイバが堆積される被堆積手段とを備える不織布製造装置であって、
   ナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気にする低酸素ガスを供給するガス供給源と、
   外空間の雰囲気よりもナノファイバ製造空間を低酸素雰囲気に維持するための隔壁と、
   前記被堆積手段上に堆積されたナノファイバを圧縮する圧縮手段と
   を備える不織布製造装置。

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