JP2009013537A

JP2009013537A - 不織布製造装置

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Publication number: JP2009013537A
Application number: JP2007177848A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Tsutsumi; 一弘堤
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: JP5036427B2

Abstract

【課題】小型・軽量で、長寿命であり、安全性が高く、長期に亘って安定して稼動可能なエレクトロスピニング法を用いた不織布製造装置を提供すること。
【解決手段】離間配置された駆動ローラ１２０及び従動ローラ１３０と、駆動ローラ１２０及び従動ローラ１３０間に無端循環状に掛架された樹脂ベルト１１０と、樹脂ベルト１１０の走行面の表側に向けて設置した円筒状の吐出針１５０と、吐出針１５０の開口部から不織布を構成する材料を含有した液状素材を噴射させる噴射手段１６２と、吐出針１５０と駆動ローラ１２０又は従動ローラ１３０との間、あるいは、吐出針１５０と樹脂ベルト１１０の走行面の裏側に近接して配置した電極板１８０との間に高電圧を印加する高電圧電源１４０とを有することによって、上記の課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子溶液や金属化合物分散液等からエレクトロスピニング法を用いて数ｎｍ〜数μｍの直径を有する繊維を不織布として形成する不織布製造装置に関する。さらに詳しくは、小型化・軽量化・長寿命化を図ったエレクトロスピニング法を用いた不織布製造装置に関する。

近年、簡単にナノオーダの直径を有する繊維からなる不織布を製造する技術として、エレクトロスピニング法が注目されている。この手法は、次のようなものである。
円筒状の吐出針と基板との間に高電圧を印加した状態で導電性を有する高分子溶液や金属化合物分散液等の液状素材を基板に向けて噴射（ジェット）させると、液滴が帯電すると同時に電気力線に沿って基板方向に引き伸ばされて筋状に伸びる。この時、液滴の表面張力を帯電した電荷による反発力が上回ったとき、液滴の状態が不安定になりフラッシュ的に広がる現象、すなわちジェットのブレークアップが発生する。その結果、ジェットが微細繊維状になって基板上に連続して堆積し、立体的な網目を有する三次元構造の不織布が得られるというものである。

この時に基板上に堆積される繊維の太さや長さは、吐出針と基板との間に印加される電圧、噴射される溶液の濃度、吐出針と基板との距離等に依存し、これらの条件を調整することでさまざまな機能を有する不織布を製造することができるので、電池用セパレータや人工皮膚等、様々な分野における応用が期待されている（例えば、特許文献１参照）。

このエレクトロスピニング法を用いた不織布製造装置としては、例えば、図４に示したような装置が知られている。この不織布製造装置４００は、離間配置された金属製の駆動ローラ４２０と従動ローラ４３０との間に、無端循環状の金属ベルト４１０が掛架されている。そして、金属ベルト４１０の走行面に向けて金属製で円筒状の吐出針４５０が設置されており、この吐出針４５０に不織布を構成する材料を含有した液状素材がポンプ等の噴射手段４６２によりパイプ４６０を通じて供給される。液状素材は、タンク４６６に備蓄されており、パイプ４６４を通じて噴射手段４６２に供給される。

吐出針４５０は、往復動アクチュエータ４７０に固設されており、金属ベルト４１０の幅方向に往復移動できるようになっており、例えば、幅１２００ｍｍの金属ベルト４１０の表面全体に繊維を吹き付けることが可能になっている。吐出針４５０と金属ベルト４１０の間には、高電圧電源４４０により３０ＫＶ程度の電圧が掛けられている。

また、駆動ローラ４２０には、同軸上に従動プーリ４２２が固設されており、この従動プーリ４２２と駆動モータ４２８の回転軸に固設された駆動プーリ４２６との間に伝動ベルト４２４が掛架されている。その結果、駆動モータ４２８を稼動することによって、駆動ローラ４２０と従動ローラ４３０に両端を支持された金属ベルト４１０が無端循環走行する。この時、金属ベルト４１０が蛇行しないように蛇行防止部材４８０により金蔵ベルト４１０の側端面をガイドしている。図５は、図４の矢視Ｖ方向から見たときの概略正面図である（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００６−２８３２４０号特開２００５−２６４３８６号特開２００６−３２８５７８号

ところが、前述したような不織布製造装置４００は、不織布を形成させる母材として金属ベルト４１０を用いているため、装置の小型化・軽量化が妨げられていた。例えば、図５に示すように幅Ｗ２が１２００ｍｍであるような幅の広い金属ベルト４１０を用いるとベルトの厚みＤ２は、１ｍｍほどの厚みが要求される。この時、金属ベルト４１０を掛架する駆動ローラ４２０及び従動ローラ４３０の直径Ｒ２が小さいと疲労破壊を起こすため寿命が短くなる。そのため、経験値によれば、ローラの直径Ｒ２は、金属ベルト４１０の厚みＤ２の少なくとも６００倍ほどの大きなもの、すなわち、６００×Ｄ２≦Ｒ２の条件を満たすことが要求される。したがって、直径が６００ｍｍ以上ものローラを使用することが余儀なくされていた。

また、金属ベルト４１０のバネ力のため、金属ベルト４１０を平らに張るには、数千ｋｇｆの力Ｆでローラを牽引することが必要となるので、装置を強固なものにしなければならず、装置構成が大掛かりになっていた。さらに、金属ベルト４１０は、無端循環走行中に蛇行しやすいため、蛇行防止部材４８０により金蔵ベルト４１０の側面をガイドする必要があった。その結果、金属ベルト４１０の側端面と蛇行防止部材４８０が摺接し摩耗の原因となるとともに、耳障りな金属音が発生していた。

しかも、前述のように大きな力Ｆで牽引しているため、蛇行時に蛇行防止部材４８０に加わる力も大きく、強固な蛇行防止部材４８０を設置する必要があった。さらに、一方のローラ（図４においては、従動ローラ４３０）が図示はされていないが牽引手段（張力機構）に取り付けられているため、駆動ローラ４２０と従動ローラ４３０との配置を変更することが容易でなく、金属ベルト４１０の架け替えやベルト長の違うものへの変更が容易ではなかった。さらに金属ベルト４１０全体に高電圧が印加されているため作業者が誤って装置に接触すると感電し危険であった。

そのため、エレクトロスピニング法を用いて不織布の製造を工業規模で実現するには、前述したような金属ベルトを用いた装置では不十分であり、市場に高機能の不織布を安価に安定供給できる不織布製造装置の実用化が嘱望されている。

そこで、本発明の第１の目的は、小型・軽量で、長寿命であり、安全性の高いエレクトロスピニング法を用いた不織布製造装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、ベルトが蛇行することなく長期に亘って安定して稼動可能なエレクトロスピニング法を用いた不織布製造装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、エレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置において、前記不織布製造装置が、離間配置された駆動ローラ及び従動ローラと、前記駆動ローラ及び従動ローラ間に無端循環状に掛架された樹脂ベルトと、前記樹脂ベルトの走行面の表側に向けて設置した円筒状の吐出針と、前記吐出針の開口部から前記不織布を構成する材料を含有した液状素材を噴射させる噴射手段と、前記吐出針と前記駆動ローラ又は従動ローラとの間、あるいは、前記吐出針と前記樹脂ベルトの走行面の裏側に近接して配置した電極板との間に高電圧を印加する高電圧電源とを有することによって、前述した課題を解決するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、樹脂ベルトの走行面の表側に帯電防止層を設けたことによって、前述した課題をさらに解決するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明の構成に加えて、樹脂ベルトの走行面の裏側に走行方向に沿って蛇行防止ガイドを設けると共に、駆動ローラ及び／又は従動ローラに前記蛇行防止ガイドと係合する蛇行防止溝を設けたことによって、前述した課題を一層解決するものである。

ここで、本発明において、駆動ローラ及び従動ローラ間に掛架された樹脂ベルトを無端循環状に走行させる駆動源としては、特に限定されるものではないが、例えば、駆動ローラに同軸上に従動プーリを固設し、この従動プーリと駆動モータの回転軸に固設された駆動プーリとの間に伝動ベルトを掛架し、駆動モータを稼動することによって、駆動ローラと従動ローラに掛架されたされた樹脂ベルトを無端循環走行させることができる。

請求項１に係る発明によれば、エレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置において、前記不織布製造装置が、離間配置された駆動ローラ及び従動ローラと、前記駆動ローラ及び従動ローラ間に無端循環状に掛架された樹脂ベルトと、前記樹脂ベルトの走行面の表側に向けて設置した円筒状の吐出針と、前記吐出針の開口部から前記不織布を構成する材料を含有した液状素材を噴射させる噴射手段と、前記吐出針と前記駆動ローラ又は従動ローラとの間、あるいは、前記吐出針と前記樹脂ベルトの走行面の裏側に近接して配置した電極板との間に高電圧を印加する高電圧電源とを有することによって、樹脂ベルトの高弾力性という特性のため駆動ローラ及び従動ローラの径が小さな場合であっても金属ベルトのように疲労破壊を起こすことがないので、製造装置の長寿命化が図られる。

また、樹脂ベルトの弾力性を利用して、駆動ローラ及び従動ローラ間に適度な張力を有する無端循環状の走行面を構成することができ、金属ベルトを用いた時のように牽引手段（張力機構）を必要としないので、製造装置の小型・軽量化が図られる。さらに、ベルトの変更や架け替え時における作業負担が著しく軽減される。しかも、製造装置を頑強なものとする必要がないため、樹脂ベルトの幅や長さを大きくすることも可能であり、不織布製造上の自由度が格段に向上する。

請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、樹脂ベルトの走行面の表側に帯電防止層を設けたことによって、液状素材の噴射に伴い、樹脂ベルトが帯電することを防止できるので、微細繊維が樹脂ベルト表面に堆積する効率、すなわち繊維捕集効率が長期に亘って高効率に保たれる。また、帯電防止層は、１００ｋΩｃｍ以下の導電性を有しているが、走行面の裏側は絶縁体で構成されているため、樹脂ベルトには、直接高電圧が掛かることがないので、作業者が誤って樹脂ベルトを触ったとしても感電することがなく、安全性が飛躍的に向上する。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に係る発明が奏する効果に加えて樹脂ベルトの走行面の裏側に走行方向に沿って蛇行防止ガイドを設けると共に、駆動ローラ及び／又は従動ローラに蛇行防止ガイドと係合する蛇行防止溝を設けたことによって、樹脂ベルトが無端循環走行中に蛇行することが防止されるので、長期に亘って安定して稼動可能となる。しかも、樹脂ベルトの側端面をガイドする蛇行防止部材が必要がないので部品点数が減り装置の小型化が図られる。
さらに、蛇行防止ガイドと蛇行防止溝は、樹脂ベルトの走行面の裏側において係合しているだけで、ほとんど摺動しないので摩耗粉の発生及び飛散が抑制される。

本発明は、エレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置において前記不織布製造装置が、離間配置された駆動ローラ及び従動ローラと、前記駆動ローラ及び従動ローラ間に無端循環状に掛架された樹脂ベルトと、前記樹脂ベルトの走行面の表側に向けて設置した円筒状の吐出針と、前記吐出針の開口部から前記不織布を構成する材料を含有した液状素材を噴射させる噴射手段と、前記吐出針と前記駆動ローラ又は従動ローラとの間、あるいは、前記吐出針と前記樹脂ベルトの走行面の裏側に近接して配置した電極板との間に高電圧を印加する高電圧電源とを有した製造装置であって、小型・軽量で、長寿命であり、安全性が高く、前記樹脂ベルトが蛇行することなく長期に亘って安定して稼動可能な装置であれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。

以下、本発明の一実施形態であるエレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置について、図１乃至図３に基づき説明する。図１は、本発明の不織布製造装置１００の全体の構成を示す概略側面図であり、図２は、図１の矢視II方向から見たときの概略正面図であり、図３は、図２のIII−III線で切断したときの断面図である。

本実施例における不織布製造装置１００は、離間配置された駆動ローラ１２０と従動ローラ１３０との間に、無端循環状の樹脂ベルト１１０が掛架されている。樹脂ベルト１１０の材質・構成としては、十分な柔軟性を備えた樹脂ベルトであれば、特に限定されるものではないが、本実施例においては、図３にその断面を示したように、高強力、高弾性率、耐薬品性等の物性に優れたポリエステルの縦糸と横糸からなる幅剛性のある厚みが約０．７ｍｍの帆布を芯体１１２として用い、その表面、すなわち不織布が形成される面に帯電防止層１１６として機能する導電性ウレタンからなる約０．２ｍｍの層を熱溶着しており、芯体１１２と帯電防止層１１６の両者を併せて樹脂ベルト１１０は、約１ｍｍの厚みＤ１を有している。導電性ウレタンは、例えばポリウレタンを母材ゴムとして、導電性付与剤としてカーボンブラックや銀粉末を配合したものを用いることができる。

この帯電防止層１１６は、不織布を堆積させる母材（基板）にもなるため、表面の性状を平滑にして、堆積された不織布を剥がし易くしている。さらに、芯体１１２の裏面には、芯体１１２の両側端面から所定の距離を離間させて長手方向に沿って配置したウレタンからなる２本の蛇行防止ガイド１１４を熱溶着している。この時、芯体１１２の裏面に予めウレタンを含浸させておくことにより、ポリエステルからなる布目状の芯体１１２とウレタンからなる蛇行防止ガイド１１４との親和性が向上し、芯体１１２と蛇行防止ガイド１１４との接合強度が著しく向上する。

また、樹脂ベルト１１０の走行面の表側に向けて金属製で円筒状の吐出針１５０が設置されており、この吐出針１５０に不織布を構成する材料を含有した液状素材がポンプ等の噴射手段１６２によりパイプ１６０を通じて微量ずつ供給される。液状素材は、タンク１６６に備蓄されておりパイプ１６４を通じて噴射手段１６２に供給される。樹脂ベルト１１０上に堆積される繊維は、前述したように噴射された液状素材のブレークアップによって、微細繊維状になるため、樹脂ベルト１１０上に堆積される繊維の直径と、吐出針１５０の内径とは直接関係していない。本実施例では、吐出針１５０の内径を約１ｍｍにしている。

吐出針１５０は、往復動アクチュエータ１７０に固設されており、樹脂ベルト１１０の幅方向に往復移動できるようになっており、本実施例の場合、幅Ｗ１が１２００ｍｍの樹脂ベルト１１０の表面全体に繊維を吹き付けることが可能になっている。吐出針１５０と樹脂ベルト１１０の走行面の裏側に近接して配置した電極板１８０間には、高電圧電源１４０により３０ＫＶ程度の電圧が印加されている。

なお、本実施例においては、樹脂ベルト１１０の無端循環軌道における直線走行面上に不織布を形成させているが、ローラと接触している円弧面上に不織布を形成させる場合には、電極板１８０は必要なく、その代わりにローラを金属ローラにするか、ローラ表面に金属めっきを行い、ローラと吐出針１５０との間に高電圧電源１４０により電圧を印加する。

また、駆動ローラ１２０には、同軸上に従動プーリ１２２が固設されており、この従動プーリ１２２と駆動モータ１２８の回転軸に固設された駆動プーリ１２６との間に伝動ベルト１２４が掛架されている。そして、駆動モータ１２８を稼動することによって、駆動ローラ１２０と従動ローラ１３０に掛架された樹脂ベルト１１０が無端循環走行する。駆動ローラ１２０と従動ローラ１３０の直径Ｒ１は、樹脂ベルト１１０が高い弾力性を有しているため、樹脂ベルト１１０の厚みＤ１が約１ｍｍの場合、１００ｍｍ程度の細いローラを使用することが可能であり、その結果、装置の小型化・軽量化が図られる。

駆動ローラ１２０及び／又は従動ローラ１３０の外周面には、図３に示したように樹脂ベルト１１０の走行面の裏側に走行方向に沿って設けた蛇行防止ガイド１１４と係合する蛇行防止溝１２１が設けられている。なお、本実施例では、蛇行防止ガイド１１４を２本設けているが、蛇行防止ガイド１１４の数は、１本又は３本以上であっても構わない。

本発明によるエレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置は、例えば、液状素材として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等からなる金属酸化物のナノ粒子をジメチルスルホキシドやジオキサン等の有機溶媒に溶解又は分散させた溶液を用いた次世代リチウムイオン電池用高機能セパレータの製造や、コラーゲン、ゼラチン、キトサン等の天然高分子溶液を用いた人工皮膚の製造等に適用することが可能である。

本発明は、エレクトロスピニング法を用いて、ナノオーダの直径を有する繊維からなる不織布の製造装置を小型・軽量で長寿命とし、安全性を向上させ長期に亘って安定して稼動可能とするものであって、ＩＣチップのナノ配線、有機ＥＬのナノ薄膜など、その産業上の利用可能性はきわめて高い。

本発明の不織布製造装置の全体の構成を示す概略側面図。図１の矢視II方向から見たときの概略正面図。図２のIII−III線で切断したときの断面図。従来の不織布製造装置の全体の構成を示す概略側面図。図４の矢視V方向から見たときの概略正面図。

符号の説明

１００、４００・・・不織布製造装置
１１０・・・樹脂ベルト４１０・・・金属ベルト
１１２・・・（樹脂ベルトの）芯体
１１４・・・（樹脂ベルトの）蛇行防止ガイド
１１６・・・（樹脂ベルトの）帯電防止層
１２０、４２０・・・駆動ローラ
１２１・・・（駆動ローラの）蛇行防止溝
１２２、４２２・・・従動プーリ
１２４、４２４・・・伝動ベルト
１２６、４２６・・・駆動プーリ
１２８、４２８・・・駆動モータ
１３０、４３０・・・従動ローラ
１４０、４４０・・・高電圧電源
１５０、４５０・・・吐出針
１６０、４６０・・・パイプ
１６２、４６２・・・噴射手段
１６４、４６４・・・パイプ
１６６、４６６・・・タンク
１７０、４７０・・・往復動アクチュエータ
１８０・・・電極板４８０・・・蛇行防止部材
Ｄ１・・・樹脂ベルトの厚みＤ２・・・金属ベルトの厚み
Ｗ１・・・樹脂ベルトの幅Ｗ２・・・金属ベルトの幅
Ｒ１、Ｒ２・・・駆動ローラ及び従動ローラの直径

Claims

エレクトロスピニング法を用いて不織布を製造する不織布製造装置において、
前記不織布製造装置が、離間配置された駆動ローラ及び従動ローラと、
前記駆動ローラ及び従動ローラ間に無端循環状に掛架された樹脂ベルトと、
前記樹脂ベルトの走行面の表側に向けて設置した円筒状の吐出針と、
前記吐出針の開口部から前記不織布を構成する材料を含有した液状素材を噴射させる噴射手段と、
前記吐出針と前記駆動ローラ又は従動ローラとの間、あるいは、前記吐出針と前記樹脂ベルトの走行面の裏側に近接して配置した電極板との間に高電圧を印加する高電圧電源とを有することを特徴とする不織布製造装置。
前記樹脂ベルトの走行面の表側に帯電防止層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の不織布製造装置。
前記樹脂ベルトの走行面の裏側に走行方向に沿って蛇行防止ガイドを設けると共に、前記駆動ローラ及び／又は従動ローラに前記蛇行防止ガイドと係合する蛇行防止溝を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の不織布製造装置。