JP2008248422A

JP2008248422A - Electrospinning apparatus

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Publication number: JP2008248422A
Application number: JP2007090287A
Authority: JP
Inventors: Tokiaki Shiratori; 世明白鳥; Yoshito Hiroe; 美都廣江; Naoki Abe; 直樹阿部
Original assignee: SNT Co
Current assignee: SNT Co
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means for efficiently making a uniform nanofiber web. <P>SOLUTION: In the electrospinning apparatus composed of a fluid supply device having nozzles for jetting a fluid, a collector device for accumulating the fluid jetted from the nozzles as extra fine fibers and a high-voltage feeder system for impressing a voltage on between the nozzle and the collector device, the nozzles are arranged in a ring-shaped manner. The nozzle intervals are ≥2 mm. The fibers are made by the fluid supply apparatus in the electrospinning apparatus. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ナノファイバーウエブ製造用のエレクトロスピニング装置に関する。より詳細には、効率よく、かつ均一なナノファイバーウエブを製造するために適するノズルに関する。 The present invention relates to an electrospinning apparatus for producing nanofiber webs. More particularly, it relates to a nozzle suitable for producing an efficient and uniform nanofiber web.

エレクトロスピニング法は、高分子溶液あるいは高分子溶融物などの流体をノズルから噴出させて電圧を印加してドラムなどのコレクター上に集積することによって、微細なナノファイバーウエブを製造する方法である。
エレクトロスピニング法によって得られたナノファイバーウエブは、ｎｍ〜μｍオーダーの微細なファイバーの集積体であるので、体積に対する表面積比の大きなウエブであることが特徴であり、包帯などの医療用途、再生医療における細胞のスキャフォールド（足場）など種々の用途が期待されている。 The electrospinning method is a method for producing a fine nanofiber web by ejecting a fluid such as a polymer solution or a polymer melt from a nozzle and applying a voltage to accumulate on a collector such as a drum.
The nanofiber web obtained by the electrospinning method is an assembly of fine fibers on the order of nm to μm, and is characterized by a large surface area ratio to the volume. It is characterized by medical applications such as bandages and regenerative medicine. Various uses such as cell scaffolds (scaffolds) are expected.

このように、種々の用途が期待されるエレクトロスピニング法ではあるが、エレクトロスピニングによって、効率よく実用的にナノファイバーウエブを製造することは、未だあまり研究されていない。
特許文献１では、高効率にエレクトロスピニング法を行なうための方法として、流体供給部の、ノズル間隔を１ｍｍ未満という極限までせばめてファイバーを集積する方法が開示されている。
また、特許文献２では、複数のノズル間に補助電極を設置し、ノズルと補助電極とに異なる電位を印加する方法が開示されている。
しかしながら、いずれの方法も、ファイバーの集積速度について満足のいくものではなかった。
特開２００６−１５２４７９号公報特開２００６−２８３２４０号公報 As described above, although the electrospinning method is expected to have various uses, it has not been studied so far to efficiently and practically produce nanofiber webs by electrospinning.
In Patent Document 1, as a method for performing the electrospinning method with high efficiency, there is disclosed a method of collecting fibers by narrowing the nozzle interval of the fluid supply unit to the limit of less than 1 mm.
Patent Document 2 discloses a method in which an auxiliary electrode is installed between a plurality of nozzles and different potentials are applied to the nozzle and the auxiliary electrode.
However, none of the methods was satisfactory with respect to the fiber integration rate.
JP 2006-152479 A JP 2006-283240 A

本発明の課題は、前記のような問題点を解決することで、エレクトロスピニングにおいて、ファイバーの集積速度を高め効率よくナノファイバーウエブを製造するための手段を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a means for efficiently producing a nanofiber web by increasing the fiber integration speed in electrospinning by solving the above-described problems.

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究した結果、従来のノズルを直線状に配列したり、矩形内に複数列配置するような場合（図２の上図参照）には、ノズル近傍での電場分布が均一でないために、ファイバーの生成量に不均一な分布ができ、よって、ファイバーを殆ど生成しないノズルが出てしまい、集積効率に問題が生じることを発見した。電場分布を均一にするためにはさらなる改良が必要であり、ノズルをリング状に配置することによって、課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、次の発明に関する。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have found that when conventional nozzles are arranged linearly or arranged in a plurality of rows within a rectangle (see the upper diagram of FIG. 2). Since the electric field distribution in the vicinity of the nozzles is not uniform, it has been found that the generation amount of fibers can be non-uniform, so that nozzles that hardly generate fibers are produced, resulting in a problem in integration efficiency. It has been found that further improvement is necessary to make the electric field distribution uniform, and that the problem can be solved by arranging the nozzles in a ring shape.
That is, the present invention relates to the following invention.

（１）流体を噴射するノズルを有する流体供給装置と、ノズルから噴射された流体が極細繊維として集積されるコレクター装置と、ノズルとコレクター装置との間に電圧を印加する高電圧給電装置とからなるエレクトロスピニング装置において、ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置。
（２）ノズル間隔が２ｍｍ以上である上記（１）に記載のエレクトロスピニング装置。
（３）ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置における流体供給装置。
（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載の装置によって作製されたファイバー。 (1) From a fluid supply device having a nozzle that ejects fluid, a collector device in which fluid ejected from the nozzle is accumulated as ultrafine fibers, and a high-voltage power supply device that applies a voltage between the nozzle and the collector device In the electrospinning apparatus, the nozzles are arranged in a ring shape.
(2) The electrospinning device according to (1), wherein the nozzle interval is 2 mm or more.
(3) The fluid supply device in the electrospinning device, wherein the nozzles are arranged in a ring shape.
(4) A fiber produced by the apparatus according to any one of (1) to (3) above.

本発明のエレクトロスピニング装置によれば、効率よくナノファイバーウエブを製造することができる。 According to the electrospinning apparatus of the present invention, a nanofiber web can be produced efficiently.

以下に、本発明を具体的に説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。
本発明のエレクトロスピニング装置によるナノファイバーウエブの製造方法の一例を説明する。
水または溶媒に高分子化合物が溶解されて、あるいは、高分子化合物が溶融されて得た原料流体がエレクトロスピニングされる。エレクトロスピニング装置の一例を図１に示す。ドラム（コレクター）に導電性のコンベアベルトを架け、ベルトは０．５〜２８ｍ／分の速度で回転される。流体供給装置が０〜９０ｍ／分のスピードでドラムに対して平行に往復移動可能なスタンド（スライダー）にクランプされる。ベルトの回転速度とスライダーの移動速度はコンピューター制御される。原料流体は原料槽から流体供給装置に入れられる。高電圧給電装置の電極は金属製のノズルに連結される。導電性のコンベアベルトはアースに接続される。電圧は０〜３０ｋV、流体供給装置とコレクター（ドラム）の距離（TCD)は１０〜２５ｃｍに設定される。ナノファイバーウエブが導電性ベルトの表面もしくは導電性ベルト上に貼り付けた基材表面に積層される。 Hereinafter, the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited thereto.
An example of a method for producing a nanofiber web by the electrospinning apparatus of the present invention will be described.
The raw material fluid obtained by dissolving the polymer compound in water or a solvent or melting the polymer compound is electrospun. An example of an electrospinning apparatus is shown in FIG. A conductive conveyor belt is placed on the drum (collector), and the belt is rotated at a speed of 0.5 to 28 m / min. The fluid supply device is clamped to a stand (slider) that can reciprocate in parallel with the drum at a speed of 0 to 90 m / min. The belt rotation speed and slider movement speed are computer controlled. The raw material fluid is put into the fluid supply device from the raw material tank. The electrode of the high voltage power supply device is connected to a metal nozzle. The conductive conveyor belt is connected to ground. The voltage is set to 0 to 30 kV, and the distance (TCD) between the fluid supply device and the collector (drum) is set to 10 to 25 cm. The nanofiber web is laminated on the surface of the conductive belt or the surface of the base material pasted on the conductive belt.

本発明は、上記のようなエレクトロスピニング装置における流体供給装置に特徴を有する。図2には、本発明の流体供給装置の具体的態様の一つにつき、正面図と側面図とを示した。
従来の流体供給装置の一例では、図2左上図のように、ノズルが矩形内に均一に配置されていた。図２には、ノズルを４×４の１６本配置する例を示した。それに対して本発明では、図2左下図のように、ノズルをリング状に配置した。図2には、１６本のノズルを配置する例を図示したが、ノズルの本数は、得ようとするウエブの巾、供給装置の大きさによって変更できる。
本発明におけるリング状とは、ノズルが流体供給装置の中心からの距離が等しく、ノズル間の間隔も等しい正多角形状に配置されていることを意味する。 The present invention is characterized by a fluid supply apparatus in the electrospinning apparatus as described above. FIG. 2 shows a front view and a side view of one specific embodiment of the fluid supply apparatus of the present invention.
In an example of a conventional fluid supply apparatus, the nozzles are uniformly arranged in a rectangle as shown in the upper left diagram of FIG. FIG. 2 shows an example in which 16 nozzles of 4 × 4 are arranged. On the other hand, in the present invention, the nozzles are arranged in a ring shape as shown in the lower left diagram of FIG. FIG. 2 shows an example in which 16 nozzles are arranged, but the number of nozzles can be changed depending on the width of the web to be obtained and the size of the supply device.
The ring shape in the present invention means that the nozzles are arranged in a regular polygonal shape having the same distance from the center of the fluid supply device and the same interval between the nozzles.

図２において、（１）はノズル、（２）はノズル固定板（絶縁物）、（３）はノズル長さ（ノズル固定板から先端までの長さ）、（４）はノズル外径を示す。
ノズル長さは通常１０〜３０ｍｍ、ノズル外径は０．５〜２ｍｍ程度であるが、ノズル長さ、ノズル外径も効率に影響する。実施例に示すように、ノズル長さは、長いほうが効率が良いが、１５ｍｍを超えても殆ど効率は変わらないので、１５〜２０ｍｍ程度が適当である。ノズル外径は、細いほど効率は向上するが、細すぎるとノズルが詰まりやすくなるので、外径０．７〜０．８mm程度が適当である。そのときノズル内径は０．５〜０．６ｍｍ程度である。 2, (1) is the nozzle, (2) is the nozzle fixing plate (insulator), (3) is the nozzle length (length from the nozzle fixing plate to the tip), and (4) is the nozzle outer diameter. .
The nozzle length is usually 10 to 30 mm and the nozzle outer diameter is about 0.5 to 2 mm. However, the nozzle length and the nozzle outer diameter also affect the efficiency. As shown in the examples, the longer the nozzle length, the better the efficiency. However, the efficiency is almost the same even when the nozzle length exceeds 15 mm, so about 15 to 20 mm is appropriate. As the nozzle outer diameter is thinner, the efficiency is improved. However, if the nozzle outer diameter is too thin, the nozzle is likely to be clogged. Therefore, an outer diameter of about 0.7 to 0.8 mm is appropriate. At that time, the inner diameter of the nozzle is about 0.5 to 0.6 mm.

ノズルの材質は、ステンレス、銅、鉄、アルミおよびこれらの合金が挙げられるが、耐食性を考慮するとステンレス製が好ましい。
ノズル固定板は、絶縁物であることが必要であり、塩ビ、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート等のプラスチックやガラス、セラミック等が挙げられるが、加工性やコストを考慮するとプラスチックが好ましい。 Examples of the material of the nozzle include stainless steel, copper, iron, aluminum, and alloys thereof, but stainless steel is preferable in consideration of corrosion resistance.
The nozzle fixing plate needs to be an insulator, and examples thereof include plastics such as polyvinyl chloride, polypropylene, polystyrene, and polycarbonate, glass, ceramics, and the like, but plastics are preferable in consideration of workability and cost.

本発明の流体供給装置を有するエレクトロスピニング装置によって得られるナノファイバーウエブの繊維材質は、限定されないが、ポリスチレン、ポリカ−ボネート、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、ナイロン６６、ナイロン４６、ポリアミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコール、ポリ乳酸グリコール、ポリエチレン・ビニルアセテート、ポリエチレン・ビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンオキシド、コラーゲン、ポリエチレン・ビニルアルコール / ポリ乳酸ポリマーブレンド、ポリメタクリル酸メチル / アクリロニトリルポリマーブレンド、ポリアニリン / ポリエチレンオキシドポリマーブレンド、コラーゲン / ポリエチレンオキシドポリマーブレンド、シルク / ポリエチレンオキシドポリマーブレンド、ポリアニリン / ポリスチレンポリマーブレンドなどが挙げられる。 The fiber material of the nanofiber web obtained by the electrospinning apparatus having the fluid supply apparatus of the present invention is not limited, but polystyrene, polycarbonate, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, cellulose, Nylon 66, nylon 46, polyamide, polyurethane, polyvinyl alcohol, polylactic acid, polycaprolactone, polyethylene glycol, polylactic glycol, polyethylene vinyl acetate, polyethylene vinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyethylene oxide, collagen, polyethylene vinyl alcohol / Polylactic acid polymer blend, polymethyl methacrylate / acrylonitrile polymer blend, polyaniline / polyethylene oxide poly Over blends, collagen / polyethylene oxide polymer blend, silk / polyethylene oxide polymer blend, and a polyaniline / polystyrene polymer blend.

以下には、実施例により、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.

＜エレクトロスピニング装置＞
本発明のノズルの最適仕様を求めるために用いたエレクトロスピニング装置は、図１に示すもので、次の具体的仕様を有している。
コンベヤは導電性ゴムからなる。
ベルト速度：０．５３〜２８ｍ／分
ベルト幅：１３００ｍｍ
ベルト有効幅：１２００ｍｍ
ベルト長さ：４０００ｍｍmm
ドラム径：４００ｍｍ
スライダーの仕様は次のとおりである。
速度：０〜９０ｍ／分
ストローク：１２００ｍｍ
吐出距離：100〜250mm <Electrospinning device>
The electrospinning apparatus used for obtaining the optimum specification of the nozzle of the present invention is shown in FIG. 1 and has the following specific specifications.
The conveyor is made of conductive rubber.
Belt speed: 0.53-28 m / min Belt width: 1300 mm
Belt effective width: 1200mm
Belt length: 4000mmmm
Drum diameter: 400mm
The specifications of the slider are as follows.
Speed: 0-90m / min Stroke: 1200mm
Discharge distance: 100-250mm

＜流体供給装置のノズル配置＞
実施例１に記載のエレクトロスピニング装置を用いて、ノズル配置、ノズル形状を変更したときのファイバー化効率を試験した。
表１にその結果を示す。
表１の結果から、ノズルを矩形内に４×４本配置するよりリング状の方がファイバー化効率（ファイバー集積速度）が高いことが分かる。
また、ノズル間隔、ノズル長さおよびノズル外径もファイバー化効率に影響することが分かる。リング状配置において、ノズル間隔が２ｍｍにおいても４×４本配置より効率は向上するが、ノズル間隔は長いほどさらに効率は向上する。ノズル間隔１０ｍｍにおいて最も効率が良かった。ノズル長さは長いほど効率が向上するが、１５ｍｍを超えるとほとんど変わらない。ノズル径は細いほど効率が向上する。ただし、ノズル内をポリマー溶液が通るので、細すぎるとノズルがつまりやすくなる。よって、あまり細くないほうがよく、外径０．８ｍｍ(内径０．５〜０．６ｍｍ)が最適である。 <Nozzle arrangement of fluid supply device>
The electrospinning apparatus described in Example 1 was used to test the fiberization efficiency when the nozzle arrangement and the nozzle shape were changed.
Table 1 shows the results.
From the results in Table 1, it can be seen that the ring-shaped one has higher fiberization efficiency (fiber integration speed) than the arrangement of 4 × 4 nozzles in a rectangle.
It can also be seen that the nozzle spacing, nozzle length, and nozzle outer diameter also affect the fiberization efficiency. In the ring arrangement, the efficiency is improved as compared with the 4 × 4 arrangement even when the nozzle interval is 2 mm. The highest efficiency was obtained at a nozzle interval of 10 mm. The longer the nozzle length, the better the efficiency, but it hardly changes when it exceeds 15 mm. As the nozzle diameter is thinner, the efficiency is improved. However, since the polymer solution passes through the nozzle, the nozzle becomes clogged if it is too thin. Therefore, it is better not to be too thin, and an outer diameter of 0.8 mm (an inner diameter of 0.5 to 0.6 mm) is optimal.

図３には、矩形内に４×４のノズルを配置した比較例（左図）と、リング状にノズルを配置した本発明の実施例（右図：ノズル間隔10mm, ノズル長さ15mm, ノズル外径0.8mmの例）につき、集積したウエブの写真を示した。比較例では、四隅しかファイバーが生成されておらず、実施例では、リング状に均一にファイバーが生成していることが分かる。
この写真から、リング状では、全てのノズルから均一にファイバーが生成されるので、基材として用いたアルミ箔上にはノズルのレイアウトそのままの形でファイバーが積層していることが分かる。一方、４×４の配置では、４隅のノズルでのファイバー生成が主となり、他のノズルからはファイバーが殆ど生成されていないことが分かる。
なお、この実施例では、ファイバーの集積状態をみるために、ノズルを移動させなかったので、ファイバーはリング状に集積している。ファイバーを一面に均一に集積させるためには、ノズルをコレクターに対して平行方向に移動あるいは往復動させれば良い。 FIG. 3 shows a comparative example (left figure) in which 4 × 4 nozzles are arranged in a rectangle, and an embodiment of the present invention in which nozzles are arranged in a ring shape (right figure: nozzle interval 10 mm, nozzle length 15 mm, nozzle An example of an outer diameter of 0.8 mm) shows a photograph of the accumulated web. In the comparative example, fibers are generated only at the four corners, and in the example, it can be seen that the fibers are generated uniformly in a ring shape.
From this photograph, it can be seen that in the ring shape, fibers are uniformly generated from all the nozzles, so that the fibers are laminated in the form of the nozzle layout on the aluminum foil used as the base material. On the other hand, in the 4 × 4 arrangement, it is understood that fibers are mainly generated by nozzles at four corners, and fibers are hardly generated from other nozzles.
In this embodiment, since the nozzles were not moved in order to check the fiber accumulation state, the fibers are accumulated in a ring shape. In order to uniformly collect the fibers on one surface, the nozzle may be moved or reciprocated in a direction parallel to the collector.

図4には、上記で作成したウエブのＳＥＭ写真を示す。一番左には、1本のノズルで作成したウエブも参照例として示した。図４から、ノズルの配置は、ファイバーの繊維径には影響を与えないことが分かった。 FIG. 4 shows an SEM photograph of the web created above. On the far left, a web created with one nozzle is also shown as a reference example. FIG. 4 shows that the arrangement of the nozzles does not affect the fiber diameter of the fibers.

エレクトロスピニング装置の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of an electrospinning apparatus. 本発明のエレクトロスピニング装置の流体供給装置を示す概念図を示す。The conceptual diagram which shows the fluid supply apparatus of the electrospinning apparatus of this invention is shown. 実施例と比較例によって製造されたナノファイバーウエブの写真。The photograph of the nanofiber web manufactured by the Example and the comparative example. 実施例と比較例によって製造されたナノファイバーのＳＥＭ写真。The SEM photograph of the nanofiber manufactured by the Example and the comparative example.

Explanation of symbols

１ノズル
２ノズル固定板
３ノズル長さ
４ノズル外径
1 Nozzle 2 Nozzle fixing plate 3 Nozzle length 4 Nozzle outer diameter

Claims

Electrospinning comprising a fluid supply device having a nozzle for ejecting fluid, a collector device in which fluid ejected from the nozzle is accumulated as ultrafine fibers, and a high-voltage power supply device for applying a voltage between the nozzle and the collector device An electrospinning apparatus, wherein the nozzles are arranged in a ring shape.

The electrospinning apparatus according to claim 1, wherein the nozzle interval is 2 mm or more.

A fluid supply device in an electrospinning device, wherein the nozzles are arranged in a ring shape.

A fiber produced by the apparatus according to claim 1.