JP2009013535A - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、高い品質のナノファイバを製造できる装置の提供。
【解決手段】ナノファイバ製造用の原料液２００を噴射する噴射孔１２７を有する噴射手段１０３と、噴射手段１０３の近傍に配置される誘導体１１０と、誘導体１１０に交流電圧を印加する第１交流電源１３１と、噴射手段１０３に接続され、一方方向にのみ電流を流しうる第１整流器１０１と、噴射手段１０３に接続され、前記第１整流器１０１と逆の方向にのみ電流を流しうる第２整流器１０２と、第１整流器１０１を介して噴射手段１０３を接地するか、第２整流器１０２を介して噴射手段１０３を接地するかを選択可能な第１選択手段１０４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子物質などからなるナノファイバの製造装置、及び、製造方法に関する。

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法が知られている。

このエレクトロスピニング法とは、例えば、コレクタ（収集電極）に対し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コレクタに向かって噴射（流出）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、噴射ノズルを高電圧にすることにより帯電した高分子溶液が空間中に噴射され、溶媒が蒸発するに伴い空間中を飛翔中の高分子溶液の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、ウェブ全体としての表面積が広いため、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）。

当該装置は、前記ノズルとコレクタとの間に５ＫＶ以上の高電圧を付与し、コレクタを接地するか、ノズルと反対の極性の電圧を付与してナノファイバを製造している。
特開２００２−２０１５５９号公報

ところが従前は、ノズルに直接高電圧（例えば５ＫＶ以上）を印加することで高分子溶液が帯電し、静電爆発が発生するものと考えられていた。

従って、ノズルを高電圧で維持するため、ノズルに接続される部材、例えば、ノズルに原料液を供給するためのパイプや原料液のタンク、原料液を圧送するためのポンプ、各種情報を取得するためのセンサなどとの間に高耐圧の絶縁を施している。さらに、安全上の問題から、高電圧になるノズルやこれと同電位の部材などの全体を囲いで覆い、人の手などが触れないようにしている。

また、一方の極性に帯電した高分子溶液が飛翔しているため、前記囲いなどノズルや高分子溶液の飛翔空間に存在する部材が高電圧に帯電してしまい、前記部材の尖った部分等から耐電によるイオン風が発生することが確認されている。前記イオン風により発生した高電圧に帯電した埃やゴミは、周辺機器に付着し、周辺機器に使用されている部品や半導体素子等を破壊して、装置そのものを使用できない状態にしてしまう場合もある。

さらに、前記帯電した埃やゴミ等が所定の場所に集まった場合には、その場所は高電位になり、瞬間的に放電が起こり、火花が発生するような現象も起こっている。このような場合には、原料液の中に、有機溶媒を使用している場合には、前記発生した火花が引き金となって、発火してしまうということにもつながる危険性を有している。

また、常に一方の極性に帯電したナノファイバを収集しようとしても、既に収集されたナノファイバにより新たなナノファイバの収集が妨げられてしまい、うまくナノファイバを堆積させることができないという問題もある。

上記問題点を解決する方法として、ノズルに印加する電圧の極性を定期的に変換することが考えられるが、高電圧を印加する点は変わりなく、絶縁等の設備は必須となる。また、高電圧の極性を定期的に変更するには、技術的に困難であり、実現できたとしても設備が非常に大型化するなど産業的に用いるには些か問題がある。

そこで、本発明者らは、鋭意研究と実験の結果、ノズルに高電圧を直接印加することなく、つまり、ノズルの電位を原則的には接地電位としつつ、静電爆発によりナノファイバを製造することができ、さらに、簡単な装置でナノファイバの帯電極性を変更可能とする装置を見出だした。

本発明は、上記課題に鑑み、新たな理論を構築した上でなされたものであり、簡易的な絶縁処理や安全対策を採用した簡単な装置構成とすることができ、ナノファイバ製造空間近傍に存在する部材の帯電を防止し、ナノファイバの収集を容易とするナノファイバ製造装置等の提供を目的とする。

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噴射孔を有する噴射手段と、前記噴射手段の近傍に配置される誘導体と、前記誘導体に交流電圧を印加する第１交流電源と、前記噴射手段に接続され、一方方向にのみ電流を流しうる第１整流器と、前記噴射手段に接続され、前記第１整流器と逆の方向にのみ電流を流しうる第２整流器と、前記第１整流器を介して前記噴射手段を接地するか、前記第２整流器を介して前記噴射手段を接地するかを選択可能な第１選択手段とを備える。

これにより、誘導体に印加された交流電圧により噴射手段に電荷が誘導される。ただし、整流器により誘導される電荷の極性が正または負に制限されるため、噴射手段から噴射される原料液は所定の期間一方の極性のみになる。従って、交流電源を用いているにもかかわらず、直流電源により電荷が付与されているような状態を創出することができ、また、原料液が帯電する電荷の極性を任意かつ容易に選択することが可能となる。従って、ナノファイバ製造装置全体や、ナノファイバが製造される雰囲気が一方の極性に帯電し高電圧となることを抑止することができ、性能の高いナノファイバを安定して製造することが可能となる。

前記誘導体は、交流電圧が直接印加される印加電極と、前記噴射手段から望む印加電極の表面に配置される誘電体からなる絶縁層と、前記噴射手段から望む前記絶縁層の表面に配置される導体からなる導体層とを備えることが望ましい。

これにより、交流電圧が直接印加される印加電極に絶縁層が配置されるため、人体が印加電極に接触して感電する危険性を低減することが可能となる。

さらに、前記製造されたナノファイバを収集する収集体と、前記収集体を接地電位とする接地手段とを備えるか、または、さらに、前記製造されたナノファイバを収集する収集体と、前記収集体に交流電圧を印加する第２交流電源と、前記収集体と第２交流電源との間に介在接続され、一方方向にのみ電流を流しうる第３整流器と、前記収集体と第２交流電源との間に介在接続され、前記第３整流器と逆の方向にのみ電流を流しうる第４整流器と、前記第３整流器を介して前記収集体に交流電圧を印加するか、前記第４整流器を介して前記収集体に交流電圧を印加するかを選択可能な第２選択手段とを備えることが好ましい。

これにより、効率よく空間中で製造されたナノファイバを収集することが可能である。

また、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の製造方法は、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射ステップと、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射手段の近傍に配置される誘導体に交流電圧を印加する第１交流電圧印加ステップと、アースから前記噴射手段に正電荷のみ供給される状態と、アースから前記噴射手段に負電荷のみ供給される状態との２状態を所定の間隔で交互に選択する第１選択ステップとを含む。

さらに、前記製造されたナノファイバを収集する収集体に、交流電圧の正の電圧のみ供給する状態と、交流電圧の負の電圧のみ供給する状態との２状態を前記第１選択ステップに対応する間隔で交互に選択する第２選択ステップとを含むことが好ましい。

以上の方法の作用、効果は、前記ナノファイバ製造装置とほぼ同様である。

本発明によれば、低電位の噴射手段から原料液が噴射され、製造されるナノファイバの帯電極性が定期的に変換されるため、安全かつ簡便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の実施の形態を説明する。
図１は、ナノファイバ製造装置を模式的に示す図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、噴射手段１０３と、誘導体１１０と、第１交流電源１３１と、第１整流器としての第１サイリスタ１０１と、第２整流器としての第２サイリスタ１０２と、第１選択手段としての選択手段１０４と、収集体１２０とを備えている。なお、噴射される原料液と、製造されつつあるナノファイバとは明確に区別できないため、いずれにも２００の符号を付している。

噴射手段１０３は、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射孔を有するノズルであり、原料液２００が噴射手段１０３に圧送される圧送路としての供給パイプ１３０が接続されている。

誘導体１１０は、噴射手段１０３の近傍に配置され、また、噴射されるナノファイバ２００の飛翔の妨げにならない位置に配置される部材であり、導体で構成されている。また、誘導体１１０の形状は、特に限定されるものではないが、電荷の分布に偏りが生じないように、噴射手段１０３から望む部分に鋭利な箇所が無く、噴射手段１０３に対しできる限り等距離となる形状が好ましい。

第１交流電源１３１は、誘導体１１０に交流電圧を印加する交流電源である。第１交流電源１３１は、実効値で５ＫＶ以上、１００ＫＶ以下の範囲から選定される電圧値の交流電圧を誘導体１１０に印加する。また、第１交流電源１３１は、１０Ｈｚ以上、９００ＫＨｚ以下の範囲から選定される周波数の交流電圧を誘導体１１０に印加する。これは、周波数が１０Ｈｚより小さいと、高電圧の交流を発生させ難くなり、また、高電圧を発生させようとすると電源の大きさが大きくなる、９００ＫＨｚより大きいと、このような周波数の交流電圧の発生自体が困難であり、また、ノイズなどによる他の機器への影響が大きくなるためである。特に、前記選定される周波数の好ましい範囲は、１０ＫＨｚ以上、９０ＫＨｚ以下の範囲であることが実験的に確かめられている。これは、採用する第１サイリスタ１０１や第２サイリスタ１０２の性能によるものであると考えられる。

整流器として機能する第１サイリスタ１０１と、第２サイリスタ１０２とは、ゲートからカソードへ向けてゲート電流を流すことにより、アノードからカソードに向けての電流を通過させることが出来る３端子の半導体素子である。つまり、ゲート電流を流すか流さないかにより、電流を流すか流さないかを決定することができるスイッチとしての機能と、一方方向の電流しか流さない整流器（ダイオード）としての機能を併有する半導体素子である。

第１サイリスタ１０１のアノードは噴射手段１０３と接続され、カソードはアース１４０に接続されている。第２サイリスタ１０２は、第１サイリスタ１０１とは逆に接続され、カソードは噴射手段１０３と接続され、アノードはアース１４０に接続されている。なお、同図中、ゲート電流を流すラインは破線で示してある。

選択手段１０４は、第１サイリスタ１０１を介して噴射手段１０３を接地するか、第２サイリスタ１０２を介して噴射手段１０３を接地するか、換言すれば、噴射手段１０３に供給する電荷を正電荷にするか負電荷にするかを定期的に交互に選択できる装置である。

収集体１２０は、製造されたナノファイバ２００を収集する部材であり、導体で構成されアース１４０に接続されている。

次に、ナノファイバ２００の製造方法を説明する。
まず、供給パイプ１３０を通じて原料液を噴射手段１０３に向けて圧送する。

ここで、原料液とは、高分子物質を溶媒に溶解または分散させたものである。
ナノファイバ製造用の高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が例示できる。また、ナノファイバ製造に用いられる高分子物質は１種類に限定されるわけではなく、前記例示の高分子物質などから任意の複数種類を選定して用いても構わない。

また、原料液を製造するために用いられる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示することができる。また、ナノファイバ製造に用いられる溶媒は１種類に限定されるわけではなく、前記例示の溶媒などから任意の複数種類を選定し、混合して用いても構わない。

また、原料液に無機質固体材料を混入しても構わない。これら無機質固体材料は、製造されるナノファイバの骨材として機能したり、ナノファイバに担持させる触媒等として機能するものである。当該無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができる。また、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。

当該酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｋ₂Ｏ、Ｃｓ₂Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ₂Ｏ₃、Ａｓ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＭｎＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅ 等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

また、ナノファイバを形成する樹脂材料としては、前記高分子物質ばかりでなく、低分子物質でも構わない。低分子物質でも原料液の内容は高分子物質と変わるわけではなく、低分子物質を溶媒に溶解すればよい。この場合、ナノファイバが長く連なる状態になるのでなく、微粒子の状態のナノファイバが製造される。このような微粒子状のナノファイバの応用例としては、有機ＥＬや液晶用のカラーフィルタの顔料を溶媒に溶解して、顔料そのものを微細化するような場合が考えられる。

次に、第１交流電源１３１を用い誘導体１１０に交流電圧を印加する。印加する交流電圧は、図２（ａ）に示すように、正弦波で変動する交流であり、電圧の実効値は５０ＫＶ、周波数は４０ＫＨｚとしている。

仮に、噴射手段１０３がアース１４０に直接接続されていると、誘導体１１０に印加される交流電圧に呼応して、理想的には図２（ｂ）の上側グラフ（破線含む）のように電荷が誘導される。

しかし、噴射手段１０３は、選択手段１０４によって、第１サイリスタ１０１か第２サイリスタ１０２かのいずれかを介してアース１４０と接続されることを定期的に変更されているため、図２（ｂ）で示すグラフに実線で示されるように電荷が誘導される。

そして、噴射手段１０３から原料液２００に供給される電荷の極性は、静電容量や噴出速度などの条件が影響し、図２（ｃ）に示すように、理想的には、矩形波のように転換される。

以上から、噴射手段１０３から噴射される原料液２００は、所定の間隔で極性が入れ替わる。従って、噴射手段１０３の近傍に配置されている部材や、噴射手段１０３を囲っている部材などが一定の極性に帯電することが無く、前記部材からイオン風や異常放電が発生しないため、ナノファイバ２００の製造に悪影響が及ぶことが無くなる。

また、噴射手段１０３から噴射された原料液２００は、いずれの極性に帯電していても静電爆発が１次爆発、２次爆発と順次発生し、ナノファイバ２００が製造されていく。

そして、収集体１２０に到達したナノファイバ２００は、収集体１２０上に堆積していく。この際においても、収集体１２０に堆積するナノファイバ２００は、定期的に極性が変わるため、収集体１２０上に既に堆積したナノファイバ２００の極性により、ナノファイバ２００の収集体１２０への新たな到達が阻害されることがない。

また、噴射手段１０３は、アース１４０に接続されているため、噴射手段１０３や噴射手段１０３と電気的に導通している部材に高度な絶縁を施す必要がない。従って、噴射手段１０３を簡単な構造とすることができる。

また、誘導される電荷の極性を変更するだけで良いため、サイリスタなど半導体素子を用いることができる。従って、選択手段１０４を簡単な構造で構成することができ、また、極性を高速で切り替えるような制御も簡単に行うことが可能となる。

次に、本発明にかかるナノファイバ製造装置の他の実施の形態を説明する。
図３は、ナノファイバ製造装置を模式的に示す図である。

同図に示すように、本実施の形態に示すナノファイバ製造装置１００は、前記ナノファイバ製造装置１００と構成上類似している。従って、以下では、前記ナノファイバ製造装置１００と異なる点を中心に説明する。

ナノファイバ製造装置１００は、誘導体１１０を備えている。誘導体１１０は、印加電極１１１と、絶縁層としての絶縁カバー１１２と、導体層としての導体板１１３とを備えている。

印加電極１１１は、第１交流電源１３１と直接接続され、交流電圧が直接印加される電極であり、導体で構成される部材である。

絶縁カバー１１２は、噴射手段１０３から望む印加電極１１１の表面ばかりでなく、印加電極１１１の裏面も覆うように配置され、印加電極１１１をカバーする絶縁体（誘電体）である。絶縁カバー１１２を構成する絶縁体の材料としては、マイカやアルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム等のセラミック材料や、スチロール、ポリエステル、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂系材料でも良く、コンデンサに用いられる絶縁材料が好適である。なお、絶縁カバー１１２は、印加電極１１１全体をカバーする必要はなく、噴射手段１０３から望むことができる面と、収集体１２０から望むことができる面とを覆えばよい。

導体板１１３は、噴射手段１０３から望む絶縁カバー１１２の表面に配置される導体からなる板体である。

以上のように誘導体１１０を構成することで、図３中右上に破線で区切った部分に記載するコンデンサが直列接続された回路と等価な回路が、噴射手段１０３と誘導体１１０とで形成される。

高電圧の交流が印加される印加電極１１１は、絶縁カバー１１２により覆われるため、人が直接印加電極１１１を触れることが無く、高電圧による人体への感電を防ぐことができる。

また、交流を使用することで周囲に配置される部材が帯電し難くなり、帯電放電によるスパークなどの異常放電の発生を防ぐことができる。

静電爆発を効率良く発生させるには、原料液に付与する電荷量が多ければよい。ここで、前述したように噴射手段１０３と誘導体１１０とはコンデンサと考えられるため、噴射手段１０３に発生する電荷（原料液に付与できる電荷）は下記式で求められる。

Q=CV---（１式）、 C=ε・S／d---（２式）

つまり、付与する電圧（Ｖ）には限度が有るため、このような状況下で多量の電荷（Ｑ）を得るのにはコンデンサの容量（Ｃ）を増やせばよい。つまり、噴射手段１０３から望む導体板１１３の面積（Ｓ）を広げればよい。さらに、導体板１１３の表面に多くの電荷が発生するように、導体板１１３と印加電極１１１との距離を短くすることが好ましい。また、導体板１１３と印加電極１１１との間に配置する絶縁カバー１１２の誘電率は大きい方が好ましい。εは、一般には、真空の誘電率ε₀と比誘電率の積で表される。

例えば、現行１００ＫＶ、４０ｃｍと同等の電荷を得るためには、１０ＫＶ、４ｃｍとすれば良いが空気の場合放電が発生するために間に誘電体を置くことも考えられる。ここで誘電体の誘電率を空気と同じとした場合同等になるが、一般的に誘電体の誘電率の方が空気より大きいためより大きな電荷を発生できる。例えば、現行１００ＫＶの電圧を印加電極１１１に印加している場合に、比誘電率が、１０の場合には、空気の比誘電率は、１であり、同じような電荷を蓄積するには、印加する電圧は、大雑把に計算して、１０分の１でよいことになる。すなわち、約１０ＫＶの電圧を印加すればよく、電源の小型化や使用する部品の耐電圧特性を下げることができる等の大きなメリットがある。

ナノファイバ製造装置１００は、また、第１整流器としての第１ダイオード１２１と、第２整流器としての第２ダイオード１２２と、第１選択手段の一部として機能するメカニカルスイッチ１２５とを備えている。第１ダイオード１２１のアノードは噴射手段１０３と接続され、カソードはメカニカルスイッチ１２５を介してアース１４０に接続されている。第２ダイオード１２２は、第１ダイオード１２１とは逆に接続され、カソードは噴射手段１０３と接続され、アノードはメカニカルスイッチ１２５を介してアース１４０に接続されている。

選択手段１０４は、第１ダイオード１２１を介して噴射手段１０３を接地するか、第２ダイオード１２２を介して噴射手段１０３を接地するか、換言すれば、噴射手段１０３に供給する電荷を正電荷にするか負電荷にするかを定期的に交互に選択できる装置であり、メカニカルスイッチ１２５を制御して、第１ダイオード１２１か第２ダイオード１２２かを選択できる機能を有している。

さらに、収集体１２０には、第３整流器としての第３ダイオード１２３と、第４整流器としての第４ダイオード１２４と、第２選択手段の一部として機能するメカニカルスイッチ１２６とを備えている。第３ダイオード１２３のアノードは収集体１２０と接続され、カソードはメカニカルスイッチ１２５を介して第２交流電源１３２に接続されている。第４ダイオード１２４は、第３ダイオード１２３とは逆に接続され、カソードは収集体１２０と接続され、アノードはメカニカルスイッチ１２６を介して第２交流電源１３２に接続されている。

第２選択手段としても機能する選択手段１０４は、第３ダイオード１２３を介して収集体１２０に負電荷を供給するか、第４ダイオード１２４を介して収集体１２０に正電荷を供給するかを定期的に交互に選択できる装置であり、メカニカルスイッチ１２６を制御して、第３ダイオード１２３か第４ダイオード１２４かを選択できる機能を有している。

選択手段１０４は、噴射手段１０３に供給する電荷の符号と収集体１２０に供給する電荷の符号とが反対となるように制御している。これにより、製造されたナノファイバ２００が帯電している符号と、収集体１２０に供給される電荷の符号とが逆になり、ナノファイバ２００が収集体１２０により収集しやすくなる。

次に、上記ナノファイバ製造装置１００の応用例である不織布製造装置を説明する。
図４は、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。

同図に示すように不織布製造装置３００は、ナノファイバ製造装置１００と、シート１６０と、搬送手段１７０とを備えている。

シート１６０は、空間中で製造されたナノファイバ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。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搬送手段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。

搬送手段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ーを回転させてシート１６０を移動させるものである。

なお、噴射手段１０３と、誘導体１１０と、収集体１２０とは種々の態様があり、また、それらの組み合わせ態様も種々存在する。図４においては、噴射手段１０３、誘導体１１０、収集体１２０については一点鎖線で象徴的に示しており、これらの具体的態様については後述する。

次に、ナノファイバ製造装置１００、及び、不織布製造装置３００の具体例を説明する。

図５は、噴射手段、誘導電極、収集体の具体例を模式的に示す斜視図である。
なお、図５は、噴射手段１０３、収集体１２０、誘導体１１０の位置的関係を示すため、噴射手段１０３、誘導体１１０を大きく示しているが、実際は、収集体１２０の径が数メートルの大きさであるのに対し、噴射手段１０３（ロータリーシリンダ１１６）の径は数センチメートルから数十センチメートル程度である。

収集体１２０は、水平方向に回転軸を有する円筒形状となされており、シート１６０の移動に伴い、または同期して回転しうるものとなされている。また、収集体１２０は、収集体１２０の端面に向かって徐々に縮径するように、円筒形状のエッジ部分にアール面取りが施されている。

このように、誘導体１１０から望む収集体１２０の周縁部を誘導体１１０から遠ざかるような曲面とすることで、収集体１２０のエッジによる電場の乱れを抑止し、収集体１２０の表面近傍の誘導電荷の発生状態を良好とし、ナノファイバ２００の堆積状態を良好とすることができる。

噴射手段１０３は、遠心力により原料液を噴射（流出）する装置であり、ロータリーシリンダ１１６と、原料液２００を供給するためのパイプ１３０と兼用される回転軸となるシャフト１１７と、モータ１１８と、基体１１９と、ベルト１１５と、プーリー１１４とを備えている。

ロータリーシリンダ１１６は、一端が封止された円筒の周壁に噴射孔１２７を備えたノズル１２８を複数個放射状に備えている。ロータリーシリンダ１１６の他端中央部分にはシャフト１１７が取り付けられている。ロータリーシリンダ１１６は、シャフト１１７を介して基体１１９に回転自在に取り付けられている。

また、モータ１１８とシャフト１１７に固着されているプーリー１１４とはベルト１１５で接続されており、モータ１１８は、基体１１９に取り付けられている。モータ１１８を回転させることにより、ロータリーシリンダ１１６を基体１１９に対して回転させることができる構造となっている。

また、シャフト１１７とサイリスタ１０１、１０２との接続は、ブラシを用いて接続されている。従って、ロータリーシリンダ１１６が回転状態であっても、接地電位を維持しつつ電荷の供給が可能となっている。

ロータリーシリンダ１１６は、シャフト１１７を介して原料液２００が貯蔵されているタンクと接続されている。また、原料液２００の流通経路上にはポンプが取り付けられており、原料液２００をロータリーシリンダ１１６に向かって圧送することができるようになっている。

誘導体１１０は、円柱の先端に球体が取り付けられたような形状となされ、全体的に鋭利な部分のない曲面で構成されている。これは、鋭利な部分に電荷が集中することを抑止するためである。誘導体１１０は、ロータリーシリンダ１１６を取り囲むように配置されている。本実施の形態の場合、ナノファイバ製造装置１００は、４つの誘導体１１０（図中一つの誘導体１１０はロータリーシリンダ１１６に隠れている）を備えており、これらの誘導体１１０は、ナノファイバ発生領域２２０を取り囲む円周上均等に配置されている。また、誘導体１１０は、球体部分を内側に向け、かつ、球体部分が若干上がった状態で配置されている。

全ての誘導体１１０は、第１交流電源１３１により交流電圧が印加される。誘導体１１０の外周を囲む線は、交流電圧を伝達する導線である。

次に、本実施の形態において不織布が製造される態様を説明する。
まず、誘導体１１０に交流電圧を印加する。当該誘導体１１０の電位により、噴射手段１０３、特にロータリーシリンダ１１６の表面および表面の内側近傍に電荷が静電誘導により発生する。ここで、噴射手段１０３に誘導される電荷の極性は、サイリスタ１０１、１０２を用い、選択手段１０４により選択可能となっている。

この状態で、原料液２００は、シャフト１１７（パイプ１３０）を通過してロータリーシリンダ１１６の内部に注入される。ロータリーシリンダ１１６は、モータ１１８により回転される。これに伴い、注入された原料液２００にも回転による遠心力が発生する。そしてロータリーシリンダ１１６の周壁に穿設される噴射孔１２７を介して原料液２００が遠心力によりロータリーシリンダ１１６外部に放射状に噴射される。所定の電荷を帯びたロータリーシリンダ１１６から原料液２００を噴射することで、所定の電荷を帯びた原料液２００が飛翔し、静電爆発を繰り返しつつナノファイバ２００が空間中で製造されていく。

次に、静電爆発を繰り返して製造されたナノファイバ２００は、シート１６０上に堆積していく。一方、シート１６０は徐々に移動するため、シート１６０上に長尺の不織布が製造されていく。収集体１２０は、シート１６０と接触状態で配置されており、シート１６０の移動に従って回転している。

以上のように、所定の極性で帯電したナノファイバ２００がシート１６０上に堆積するため、ナノファイバ２００の堆積量が増加すると、飛び込んでくるナノファイバ２００と堆積したナノファイバ２００とが反発し、うまくナノファイバが堆積できなくなる。しかし、本発明においては、ナノファイバ２００が帯電する極性が所定の間隔で変換されるため、良好な状態でナノファイバ２００を堆積することが可能となる。

また、噴射手段１０３を囲む部材や、絶縁状態のボルトやナットなどが、一定の極性に帯電することがないため、前記部材が高電圧になることを回避することができ、これらの部材から発生するイオン風や異常放電を抑止することができる。従って、イオン風や異常放電により、製造されるナノファイバ２００に悪影響が及ぼされることも無く、また、異常放電により蒸発する溶媒に印加する危険性も回避することが可能となる。

以上のように、誘導体１１０には交流電圧を印加している。交流電圧を利用すれば、トランスを用いることにより容易に高い電圧の交流を得ることができる。交流電圧を利用すれば、絶縁状態にある噴射手段１０３に対しても、容易に作用を及ぼすことができる。また、誘導体１１０が絶縁カバー１１２で覆われていても前記作用を及ぼすことができ、安全性を向上させることができる。

また、噴射手段１０３は、誘導体１１０に印加される交流電圧に誘導されて電荷が発生する。ここで、単に噴射手段１０３を接地するだけでは、誘導体１１０に印加される交流と同じ周期で極性のことなる電荷が噴射手段１０３に誘導されるが、本発明では、整流器を用い、誘導される電荷の極性を所定の間隔で変換する制御を行っている。従って、交流電源を用いながら、噴射手段１０３には直流高電圧を印加し、かつ、直流高電圧の極性を所定の間隔で変換する場合と同様の効果を得ることが可能となる。従って、簡易かつ小型の装置構成を採用することができる。

なお、上記実施の形態では、噴射手段１０３として、ノズルが１本の場合と、ロータリーシリンダ１１６の場合を説明したが、噴射手段１０３はこれに限定されるわけではない。例えば、複数のノズルやロータリーシリンダを縦横に配列し、ナノファイバを製造しても構わない。当該ノズルの構成により、多量のナノファイバを製造することが可能となる。また、噴射手段１０３を収集体１２０に対し静止した場合を説明したが、噴射手段１０３と収集体１２０とを相対的に移動させるものでも構わない。また、ロータリーシリンダ１１６の回転軸は収集体１２０に対し垂直に交わっていたが、前記回転軸は収集体１２０と平行でも構わない。

本発明は、ナノファイバの製造に利用可能であり、特に、ナノファイバを用いた紡糸や不織布の製造に利用可能である。

ナノファイバ製造装置を模式的に示す図である。 誘導体、噴射手段の電気的な状態を示すグラフであり、（ａ）は、誘導体に印加される交流電圧を示し、（ｂ）は、噴射手段に誘導される電荷の制御状態を示し、（ｃ）は、噴射される原料液の帯電状態を理想的な状態で示している。 他の携帯のナノファイバ製造装置を模式的に示す図である。 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。 噴射手段、誘導電極、収集体の具体例を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 第１サイリスタ
１０２ 第２サイリスタ
１０３ 噴射手段
１０４ 選択手段
１０５ 噴射孔
１１０ 誘導体
１１１ 印加電極
１１２ 絶縁カバー
１１３ 導体板
１１４ プーリー
１１５ ベルト
１１６ ロータリーシリンダ
１１７ シャフト
１１８ モータ
１１９ 基体
１２０ 収集体
１２１ 第１ダイオード
１２２ 第２ダイオード
１２３ 第３ダイオード
１２４ 第４ダイオード
１２５、１２６ メカニカルスイッチ
１２７ 噴射孔
１２８ ノズル
１３０ パイプ
１３１ 第１交流電源
１３２ 第２交流電源
１４０ アース
１６０ シート
１７０ 搬送手段
２００ ナノファイバ
２００ 原料液
２１０ 不織布
２２０ ナノファイバ発生領域
３００ 不織布製造装置

Claims (6)

1. ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射孔を有する噴射手段と、
   前記噴射手段の近傍に配置される誘導体と、
   前記誘導体に交流電圧を印加する第１交流電源と、
   前記噴射手段に接続され、一方方向にのみ電流を流しうる第１整流器と、
   前記噴射手段に接続され、前記第１整流器と逆の方向にのみ電流を流しうる第２整流器と、
   前記第１整流器を介して前記噴射手段を接地するか、前記第２整流器を介して前記噴射手段を接地するかを選択可能な第１選択手段と
   を備えるナノファイバ製造装置。
2. 前記誘導体は、
   交流電圧が直接印加される印加電極と、
   前記噴射手段から望む印加電極の表面に配置される誘電体からなる絶縁層と、
   前記噴射手段から望む前記絶縁層の表面に配置される導体からなる導体層と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. さらに、
   前記製造されたナノファイバを収集する収集体と、
   前記収集体を接地電位とする接地手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
4. さらに、
   前記製造されたナノファイバを収集する収集体と、
   前記収集体に交流電圧を印加する第２交流電源と、
   前記収集体と第２交流電源との間に介在接続され、一方方向にのみ電流を流しうる第３整流器と、
   前記収集体と第２交流電源との間に介在接続され、前記第３整流器と逆の方向にのみ電流を流しうる第４整流器と、
   前記第３整流器を介して前記収集体に交流電圧を印加するか、前記第４整流器を介して前記収集体に交流電圧を印加するかを選択可能な第２選択手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
5. ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射ステップと、
   ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射手段の近傍に配置される誘導体に交流電圧を印加する第１交流電圧印加ステップと、
   アースから前記噴射手段に正電荷のみ供給される状態と、アースから前記噴射手段に負電荷のみ供給される状態との２状態を所定の間隔で交互に選択する第１選択ステップと
   を含むナノファイバ製造方法。
6. さらに、
   前記製造されたナノファイバを収集する収集体に、交流電圧の正の電圧のみ供給する状態と、交流電圧の負の電圧のみ供給する状態との２状態を前記第１選択ステップに対応する間隔で交互に選択する第２選択ステップと
   を含む請求項５に記載のナノファイバ製造方法。