JP2009035854A - 微細高分子材料製造方法、微細高分子材料製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨潤微細化され低粘度となされた高分子材料の製造装置の提供。
【解決手段】過熱水蒸気を過熱水蒸気発生手段１０１により発生させる過熱水蒸気発生ステップと、前記過熱水蒸気発生手段１０１で発生した過熱水蒸気の圧力を圧力調整手段１０２により調整する圧力調整ステップと、高分子材料を取得手段１０３により取得する材料取得ステップと、前記材料取得ステップにより取得された前記高分子材料を昇温手段１０４により所定の温度に昇温する材料昇温ステップと、昇温された前記高分子材料を第１吐出口１１１より吐出する第１吐出ステップと、前記第１吐出口１１１の周縁に配置され、前記第１吐出口１１１と同一の吐出方向である第２吐出口１２１より前記過熱水蒸気を前記第１吐出ステップと同時期に吐出する第２吐出ステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細化され膨潤化された高分子材料の製造方法、及び、製造装置に関し、特にナノファイバを製造する原材料となる微細化され膨潤された高分子材料の製造方法、及び、製造装置などに関する。

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、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

上記のように、ナノファイバを製造するために用いられる原料液は、高分子物質を溶媒に溶解（または分散）して得られており、前記溶媒には主として有機溶媒が用いられている。この原料液に含まれる有機溶媒は、ナノファイバの製造過程において蒸発するものであり、人体や環境に対し十二分に配慮しなければならい。従って、ナノファイバ製造装置を閉鎖空間に設置し、蒸発した有機溶媒を回収するなどの対策を施す必要が生じる。

また、前記有機溶媒には引火性を有するものもあり、ナノファイバ製造装置に防爆対策などを施す必要もある。

以上から、ナノファイバを製造するための装置が複雑化、大型化することになり、製造コストや空間コストが上昇することになる。

さらに、原料液に占める有機溶媒の重量比は、５０％〜９５％にもなり、所定量のナノファイバを製造するためには、有機溶媒が大量に必要となり、当該有機溶媒がコスト増加の要因ともなっている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、安全でコストを抑制しうる高分子材料の製造方法、製造装置、及び、これらを用いたナノファイバの製造装置などの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる微細高分子材料製造方法は、過熱水蒸気を過熱水蒸気発生手段により発生させる過熱水蒸気発生ステップと、前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を圧力調整手段により調整する圧力調整ステップと、高分子材料を取得手段により取得する材料取得ステップと、前記材料取得ステップにより取得された前記高分子材料を昇温手段により所定の温度に昇温する材料昇温ステップと、昇温された前記高分子材料を第１吐出口より吐出する第１吐出ステップと、前記第１吐出口の周縁に配置され、吐出方向が前記第１吐出口と同一である第２吐出口より前記過熱水蒸気を前記第１吐出ステップと同時期に吐出する第２吐出ステップとを含むことを特徴とする。

これにより、高分子材料を微細化し膨潤化させることができ、当該膨潤微細化された高分子材料を収集することで全体としては低粘度の高分子材料を提供することが可能となる。

さらに、前記第１吐出ステップで吐出された高分子材料を前記取得手段に再供給する再供給ステップを含んでもよい。

これにより、高分子材料を複数回にわたって微細化し、膨潤化することができ、高分子材料の均質化を図ることが可能となる。

また、上記高分子材料を用いてナノファイバを製造すれば、安全にナノファイバを製造することができる。

上記目的を達成するために、本発明にかかる微細高分子材料製造装置は、過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生手段と、前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を調整する圧力調整手段と、高分子材料を取得する取得手段と、高分子材料を所定の温度に昇温する昇温手段と、昇温された前記高分子材料を吐出する第１吐出口と、前記第１吐出口の周縁に配置され、前記第１吐出口と同一の方向を向き、前記過熱水蒸気を吐出する第２吐出口とを備えることを特徴とする。

以上のように、二つの吐出口の内一方から吐出される流体を過熱水蒸気としているため、高分子材料を加熱し微細化しつつ、高分子材料の分子間に水を浸潤させることが可能となる。

また、高分子材料を取得する取得手段と、取得された前記高分子材料を所定の温度に昇温する昇温手段と、昇温された前記高分子材料を吐出する第１吐出口と、前記第１吐出口の周縁に配置され、前記第１吐出口と同一の方向を向き、水を含む流体を吐出する第２吐出口と、吐出される前記高分子材料に電荷を付与する付与電極と、前記噴射孔を通過し製造されたナノファイバを収集する収集電極と、前記付与電極と前記収集電極との間に電界を発生させるための電源とを備えるナノファイバ製造装置としてもよい。

これにより、膨潤微細化された高分子材料を製造し、静電爆発でナノファイバを製造することができ、安全かつ容易にナノファイバを製造することが可能となる。

本発明によれば、ナノファイバの原材料となる微細化膨潤状態の高分子材料を容易に提供することができ、当該原材料を用いると、安全に、かつ、コストを抑えてナノファイバを製造することが可能となる。

次に、本発明にかかる微細高分子材料製造装置を説明する。
図１は、本発明にかかる微細高分子材料製造装置の断面図である。

同図に示すように、微細高分子材料製造装置１００は、過熱水蒸気発生手段としての過熱水蒸気発生装置１０１と、圧力調整手段としての圧力調整装置１０２と、取得手段としての取得タンク１０３と、昇温手段としての加熱ヒータ１０４と、昇温手段としての電源１０５と、第１吐出口１１１を備える内側ノズル１１０と、第２吐出口１２１を備える外側ノズル１２０と、ポンプ１０６と、貯蔵タンク１０７と、制御装置１０８とを備えている。

過熱水蒸気発生装置１０１は、飽和水蒸気発生用のボイラを備え、当該飽和水蒸気発生装置で発生した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、供給する過熱水蒸気の温度を５００度まで任意に設定できるものとなされている。

ここで過熱水蒸気とは、１００℃よりも高温の水蒸気をいう。特に、本実施の形態における過熱水蒸気の語は、Ｈ₂Ｏガスとみなせる状態の水蒸気の意味で用いている。

飽和水蒸気を過熱し過熱水蒸気を発生させる方法は、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。

圧力調整手段としての圧力調整装置１０２は、過熱水蒸気発生装置１０１により発生した常圧の過熱水蒸気を所定の圧力に昇圧する装置である。所定の圧力とは、第２吐出口１２１から吐出した過熱水蒸気によって、第１吐出口１１１から高分子材料を膨潤微細化しうる圧力である。

取得手段としての取得タンク１０３は、高分子材料が投入されることにより高分子材料を取得し、取得した高分子材料を貯蔵することのできるタンクである。

昇温手段としての加熱ヒータ１０４は、取得タンク１０３の外周壁を覆い、取得タンク１０３内に貯蔵されている高分子材料を、第１吐出口１１１から吐出できる粘度になるまで加熱するものであり、電気ヒータからなるものである。

昇温手段としての電源１０５は、前記加熱ヒータ１０４に電力を供給する装置である。また、供給する電力は任意に調整可能である。

第１吐出口１１１は、過熱水蒸気により昇温され粘度が低下した高分子材料が吐出される開口部である。また、第１吐出口１１１を備える内側ノズル１１０は、高分子材料の搬送路１１２の先端に一体に接続され、第１吐出口１１１に向かって縮径されるノズルである。

第２吐出口１２１は、圧力調整装置１０２によって昇圧された過熱水蒸気が吐出される開口部であり、第１吐出口１１１を囲む円環形状となっている。また、第２吐出口１２１を備える外側ノズル１２０は、内側ノズル１１０と同心状に配置される円筒形状となされ、第２吐出口１２１の反対側の端部は、搬送路１１２の外周と密着し閉塞状態となっている。また、外側ノズル１２０の周壁には、昇圧された過熱水蒸気が導入される導入孔１２２が設けられている。

ポンプ１０６は、取得タンク１０３内で加熱され所定の粘度になった高分子材料を第１吐出口１１１に向かって圧送するためのポンプである。

貯蔵タンク１０７は、微細化され膨潤状態となった高分子材料を受け止め、水と共に貯蔵するタンクである。

制御装置１０８は、圧力調整装置１０２や、電源１０５や、ポンプ１０６等を制御するコンピュータである。制御装置１０８は、温度計１０９等から取得したデータを解析し、圧力調整装置１０２で昇圧する過熱水蒸気の圧力や、電源１０５で加熱ヒータ１０４に投入する電力や、ポンプ１０６で圧送する高分子材料の圧力に関しフィードバック制御などを行い所定の温度や圧力になるような調整を行っている。

次に、前記微細高分子材料製造装置１００を用いた微細高分子材料製造方法を説明する。

まず、取得タンク１０３に所望の高分子材料を投入する。高分子材料はペレット状の高分子材料など、任意の形態で良い。また、高分子材料を構成する高分子物質は１種類である必要はなく、複数種類を投入しても構わない。

加熱ヒータ１０４により、取得タンク１０３に投入された高分子材料は、所定の温度にまで昇温される。高分子材料の温度は、常に温度計１０９により制御装置１０８でモニタリングされており、高分子材料が所定の温度を維持するように制御装置１０８は電源１０５の供給電力量を制御している。

次に、高分子材料が所定の温度に達したと制御装置１０８が判断すると、制御装置１０８はポンプ１０６を稼働させ、所定の圧力で高分子材料を搬送するようにポンプ１０６を制御する。これにより、高分子材料は、第１吐出口１１１に向けて圧送される。

以上により、高分子材料は、第１吐出口１１１から所定の圧力で吐出される。

一方、過熱水蒸気発生装置１０１は、所定の温度の過熱水蒸気を発生させる。圧力調整装置１０２は、制御装置１０８によって制御され、過熱水蒸気発生装置１０１で発生する過熱水蒸気を所定の圧力まで昇圧する。

そして、所定圧力の過熱水蒸気は、外側ノズル１２０に供給され、第１吐出口１１１の周囲に存在する第２吐出口１２１から吐出される。

前記第１吐出口１１１からの高分子材料の吐出と第２吐出口１２１からの過熱水蒸気の吐出とは同時に行われ、２流体ノズルの効果により高分子材料が微小な粒子状になり噴霧される。

ここで、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、第１吐出口１１１から吐出される高分子材料を加熱し、高分子材料の粘度を低下させる機能も併有している。そして、吐出された高分子材料は、同時期に吐出された過熱水蒸気と相俟って、高分子が壊れない程度に加熱されつつ微細化されると共に、図２（ｂ）に示すように、微細化された高分子材料の粒４０１を構成する分子の間に水が浸潤していく。なお、図２（ａ）は、水が分子間に浸潤しない状態の高分子材料の粒４０１を示している。

以上２流体ノズルの効果と過熱水蒸気の効果とにより高分子材料は粒４０１の直径が５〜１００ミクロンに微細化され、さらに、微細化された高分子材料の粒は、膨潤状態となる。なお、高分子材料の大きさは、過熱水蒸気の温度、及び、圧力、また、高分子材料の温度（粘度）、圧力を調整することにより３０ミクロンや５０ミクロンなど任意に変化させることが可能である。

最後に、前記微細化され膨潤状態となった高分子材料を過熱水蒸気と共に収集され、貯蔵タンク１０７に貯蔵される。

貯蔵された高分子材料は、水中に分散状態で存在し、あたかも乳化（擬似エマルジョン化）した状態となる。

以上のような装置、及び、方法で微細化され膨潤状態となされた高分子材料を製造することにより、有機溶媒を用いることなく、低粘度の高分子材料を提供することができる。しかも、微細な高分子材料の粒４０１は、分子間に水が浸潤して分子間力が弱まり、さらに分解しやすい状態となっている。

また、高分子材料を微細化する方法として、超音波振動を用いる方法があるが、超音波振動により、高分子が切れて低分子になるという問題が超音波振動を用いる方法には存在している。これに対し、上記装置、及び、方法では、投入された高分子材料の分子は切れることなく維持されるため、高分子としての所望の性能を維持したままの状態で低粘度の高分子材料を、有機溶剤を用いることなく提供することが可能となる。

高分子材料を構成する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、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投入することで、複合素材からなる高分子材料を提供することも可能となる。

次に、上記装置、方法により製造された膨潤微細化された高分子材料を用いたナノファイバの製造方法、装置、および、製造されたナノファイバが堆積されて形成される不織布の製造方法、装置を説明する。

図３は、ナノファイバ製造装置を備える不織布製造装置を概念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、噴射手段２１０と、収集電極２２０とで構成されるナノファイバ製造装置２００と、被堆積手段としてのシート３６０とを備えている。なお、噴射される高分子材料と、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４００の符号を付し、製造された不織布には４１０を付している。

噴射手段２１０は、ナノファイバを製造するための高分子材料を噴射（流出）する噴射孔を備えた装置であり、第１電源２５０により、接地電位に対し所定の電位が印加されるものとなっている。

また、噴射手段２１０は、高分子材料を貯蔵する貯蔵タンク１０７とパイプ２１１で接続されており、所定の圧力で膨潤微細化された高分子材料が供給されるようになっている。

収集電極２２０は、噴射手段２１０に対し所定の電圧が印加されるように第２電源２５１に接続され、製造されたナノファイバ４００を収集するための装置である。

なお、第１電源２５０、第２電源２５１は、噴射手段２１０を直接接地させることができる機能を併せ持っている。また、ナノファイバ製造装置２００は、噴射手段２１０と収集電極２２０との間に電界（電気力線）を発生させれば良く、第１電源２５０、第２電源２５１により直接電位を印加するばかりでなく、第３の電極を配置し、当該電極に電位を与えることで噴射手段２１０や収集電極２２０に電荷を誘導し、これにより電界を発生させても構わない。

また、高分子材料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。

シート３６０は、空間中で製造されたナノファイバ４００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４００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３６０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４００が堆積する部分をゆっくりと移動手段３７０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３６０上で製造された不織布４１０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。

移動手段３７０は、シート３６０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３６０を移動させるものである。

なお、噴射手段２１０と、収集電極２２０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３においては、噴射手段２１０、及び、収集電極２２０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の実施の形態において具体的に説明する。

図４は、噴射手段および収集電極の具体例を示す図である。
なお、図４は、噴射手段２１０と、収集電極２２０との関係を示すため、噴射手段２１０を大きく示しているが、実際は、収集電極２２０の径が数メートルの大きさであるのに対し、ロータリーシリンダ２１６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。

収集電極２２０は、円筒形状となされており、シート３６０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、収集電極２２０は、収集電極２２０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、噴射手段２１０から望む収集電極２２０の周縁部を噴射手段２１０から遠ざかるような曲面とすることで、収集電極２２０のエッジによる電場の乱れを抑止し、ナノファイバ４００の堆積状態を良好とすることができる。

図４に示すように、噴射手段２１０は、遠心力により高分子材料を噴射（流出）する装置であり、ロータリーシリンダ２１６と、高分子材料４００を供給するためのパイプ２１１と兼用される回転軸となるシャフト２１７と、モータ２１８と、基体２１９と、ベルト２１５と、プーリー２１４とを備えている。

ロータリーシリンダ２１６は、一端が封止された円筒の周壁に噴射孔２１２を備えたノズル２１３を複数個放射状に備えている。ロータリーシリンダ２１６の他端中央部分にはシャフト２１７が取り付けられている。ロータリーシリンダ２１６は、シャフト２１７を介して基体２１９に回転自在に取り付けられている。

また、モータ２１８とシャフト２１７に固着されているプーリー２１４とはベルト２１５で接続されており、モータ２１８は、基体２１９に取り付けられている。モータ２１８を回転させることにより、ロータリーシリンダ２１６を基体２１９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２１７とロータリーシリンダ２１６の他端とは液体を挿通可能に接続されている。また、シャフト２１７とロータリーシリンダ２１６とはいずれも導体で構成されており、シャフト２１７は、ブラシを介して第１電源２５０と接続されている。ブラシを用いているため、ロータリーシリンダ２１６が回転状態であっても、所定の電位を維持できるものとなっている。

ロータリーシリンダ２１６は、シャフト２１７を介して高分子材料４００が貯蔵されている貯蔵タンク１０７と接続されている。また、高分子材料４００の流通経路上にはポンプが取り付けられており、高分子材料４００をロータリーシリンダ２１６に向かって圧送することができるようになっている。

次に、噴射手段２１０と収集電極２２０とで構成されるナノファイバ製造装置２００によるナノファイバ４００の製造方法と、製造されたナノファイバ４００を堆積させて不織布を製造する不織布の製造方法を説明する。

まず、高分子材料４００の貯蔵タンク１０７からロータリーシリンダ２１６に向かって高分子材料４００が圧送される。本実施の形態の場合、当該圧力により高分子材料４００を噴射するものではないため、圧送の圧力は比較的低い。

高分子材料４００は、シャフト２１７（パイプ２１１）を通過してロータリーシリンダ２１６の内部に注入される。ロータリーシリンダ２１６は、モータ２１８により回転しており、注入された高分子材料４００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２１６の周壁に穿設される孔を介して高分子材料４００が遠心力によりロータリーシリンダ２１６外部に放射状に噴射される。

高分子材料４００は、回転する噴射孔２１２から噴射されるので、各噴射孔２１２の形状に多少のばらつきがあったとしても全空間を総合すると均等な量で高分子材料４００が噴射される。以上のような噴射手段２１０を採用すれば、比較的大量のナノファイバ４００を一度に、かつ、均質に製造することができ、製造されたナノファイバが均等に分布した不織布４１０を製造することが可能となる。

収集電極２２０には、＋１０ＫＶ以上、＋２００ＫＶ以下、または、−１０ＫＶ以下、−２００ＫＶ以上の範囲内から選定される電圧が第２電源２５１により印加されている。そして、接地電位となされたロータリーシリンダ２１６には、収集電極の電圧に対応した誘導電荷が生じると共に、ロータリーシリンダ２１６と収集電極２２０との間に電界（電気力線）が発生する。

以上の状態で、ロータリーシリンダ２１６から高分子材料４００が噴射されるため、高分子材料４００に対しては静電爆発に必要な電荷が付与されると共に、前記電界（電気力線）に沿って高分子材料４００が飛翔し、静電爆発を繰り返してナノファイバ４００が製造される。

ここで、高分子材料４００は、膨潤状態であり、分子間に水が存在するため、高分子材料４００のみの体積に比べ高分子材料４００全体の体積は大きくなっている。従って、より多くの電荷を保持することが可能となる。また、付与された電荷は、水が蒸発するにつれて高分子材料４００の粒の内部まで侵入し、静電爆発の際は分子同士が引きはがされるように爆発する。従って、前記装置、方法で準備された高分子材料４００を用いれば、有機溶剤を用いることなくナノファイバを製造することが可能となる。

次に、製造されたナノファイバ４００は、シート３６０上に堆積しつつシート３６０は徐々に移動するため、シート３６０上に長尺の不織布が製造されていく。

なお、本実施の形態では、噴射手段２１０を接地電位としたが、噴射手段２１０に−１ＫＶ〜＋１ＫＶの範囲の電圧など任意の出電圧を印加しても構わない。

また、図４においては、噴射手段２１０は、一つのみを記載されているが、複数個並べて配置すれば、シート３６０の幅が広くなった場合や、堆積させたい厚みを増やす場合には、有効な手段である。

なお、噴射手段２１０は、上記実施の形態に記載した構造に限定されるわけではない。例えば、図５に示すように、ノズル２１３を収集電極２２０に対して固定的に配置するものであっても構わない。この場合、シート３６０の移動方向に対して複数個のノズル２１３を斜めに配置することで、各ノズル２１３の間隔を広くすることができ、シート３６０に対してナノファイバ４００を均等に堆積することが可能となる。

次に、微細高分子材料製造装置の別態様を説明する。
図６に示す微細高分子材料製造装置１００は、前述の微細高分子材料製造装置１００に加え、貯蔵タンク１０７に貯蔵されている高分子材料を取得タンク１０３に再供給するための再供給ポンプ１３６と再搬送路１３２とを備えている。

以上により、沈殿や凝集した高分子材料の再均一化を図ることができ、さらに、高分子材料の微細化や膨潤化を促進することができる。

また、図７に示すように、ホッパー１３１にペレット状の高分子材料や無機質材料を投入し、２軸押出機１３０等の混練機を用いて加熱ヒータ１０４で加熱しながら高分子材料や無機質材料を混練して押し出し、当該高分子材料等を第１吐出口１１１から吐出させても構わない。

さらに、前記内側ノズル１１０や外側ノズル１２０を接地して噴射手段２１０としても構わない。これにより、高分子材料は、２流体ノズルにより微細化され過熱水蒸気により膨潤し飛翔すると共に、アースに接続された内側ノズル１１０や外側ノズル１２０が吐出される前記高分子材料に電荷を付与する付与電極として機能する。そして、高電圧が印加された収集電極２２０と内側ノズル１１０や外側ノズル１２０との間に発生する電界中を高分子材料が飛翔しながら静電爆発が発生する。

以上により、高分子材料の投入からナノファイバの製造まで一連の工程で行うことが可能となる。

なお、上記実施の形態では、有機溶剤をまったく使用しない状態で説明を行ったが、本発明は有機溶剤の使用を完全に否定しているわけではなく、粘度の調整など必要に応じて適切な量の有機溶剤を使用し高分子材料を調整することは構わない。

なお、本願発明では、過熱水蒸気を使用して、水を溶媒として、高分子物質をエマルジョン化または擬似エマルジョン化する内容を開示したが、ナノファイバを製造するための原料液としては、このような物質に限定されるものではない。例えば、高分子物質の種類によっては、過熱水蒸気を使用しないで、２流体ノズルのみで、エマルジョン化や擬似エマルジョン化した原料液を用いても構わない。具体的には、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）のような高分子物質ではけん化度により水への解け具合が異なり、けん化度によっては、図１に示す装置構成を用い、過熱水蒸気を用いることなくＰＶＡのエマルジョン化または擬似エマルジョン化した原料液を製造することも可能である。

また、ナノファイバを作成するための水溶性の高分子物質をエマルジョン化する方法は、これに限定されるものではなく、ミキサー、コロイドミル、ホモジナイザー等があり、そのような方法によっても、エマルジョン化または擬似エマルジョン化した高分子材料が製作でき、ナノファイバ製造用の原料液として供することも可能である。

なお、エマルジョン化と擬似エマルジョン化との境界は明確ではない。擬似エマルジョン化には、所定の期間はエマルジョン化しているが、経時的に沈殿したり、溶解したりするような場合も含まれる。

次に、本願発明の実施例を従来の実施例と比較しつつ説明する。

（実験１）
まず、従来の実施例として、下記の方法でナノファイバ製造用の原料液を製造した。

高分子材料としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を準備し、溶媒として水（水道水）を準備した。

これらを攪拌用容器にＰＶＡ１０体積％、水９０体積％の割合で投入し、混合液を準備した。

上記混合液を、攪拌用羽を用い攪拌した。
そして、攪拌時間が２４時間の原料液、３６時間の原料液、４８時間の原料液を製造した。

一方、図６に示す微細高分子材料製造装置１００を用い、下記の方法でナノファイバ製造用の原料液を製造した。

液体のＰＶＡ（室温）を圧送して、第１吐出口１１１から吐出する。
過熱水蒸気（温度３００℃）を第２吐出口１２１から吐出する。

貯蔵タンク１０７に収集された液体を循環させながら吐出を繰り返す。
そして、循環時間が１０分の原料液、２０分の原料液、３０分の原料液を製造した。

上記各種液体を原料液とし、ナノファイバ製造装置を用いてナノファイバを製造したところ、４８時間攪拌した原料液と、微細高分子材料製造装置１００を用い、３０分間循環させた原料液とによれば、良好なＰＶＡからなるナノファイバが製造できた。このように過熱水蒸気を用いて、短時間で生成されたＰＶＡの原料液を使用しても良好なナノファイバが製造された。

（実験２）
高分子材料としてナイロンを準備し、溶媒として蟻酸を準備した。

これらを攪拌用容器にナイロン１０体積％、蟻酸９０体積％の割合で投入し、混合液を準備した。

上記混合液を、攪拌用羽を用い攪拌した。
そして、攪拌時間が２４時間の原料液、３６時間の原料液、４８時間の原料液を製造した。

一方、図６に示す微細高分子材料製造装置１００を用い、下記の方法でナノファイバ製造用の原料液を製造した。

細かく砕いたナイロンが蟻酸内に分散した混合液を圧送して、第１吐出口１１１から吐出する。

過熱水蒸気（温度３００℃）を第２吐出口１２１から吐出する。
貯蔵タンク１０７に収集された液体を循環させながら吐出を繰り返す。

そして、循環時間が１０分の原料液、２０分の原料液、３０分の原料液を製造した。生成された原料液を測定した所、全体の原料液の中の蟻酸の占める比率が、９０体積％から７０体積％まで減少していた。

上記各種液体を原料液とし、ナノファイバ製造装置を用いてナノファイバを製造したところ、４８時間攪拌した原料液と、微細高分子材料製造装置１００を用い、３０分間循環させた原料液とによれば、良好なナイロンからなるナノファイバが製造できた。このように、過熱水蒸気を用いて圧送して混合を行って原料液を生成しても、良好なナノファイバが電界紡糸法で生成されることが分かった。しかも、使用する溶媒量は減少しており、高価な溶媒を多量に使用する必要のある樹脂の場合においては、溶媒量を大幅に削減できる効果的な方法である。

以上のように、本願発明では、第一吐出口から吐出される高分子材料は、有機溶媒に溶解された状態でもかまわない。この場合、一体となった高分子材料と有機溶媒の中に過熱水蒸気による水の分子が浸潤して、エマルジョン化することができる。この結果、エマルジョン化した液体を用いてナノファイバを製造することで、使用する有機溶媒の量を大幅に減らすことができ、その効果は非常に大きなものがある。しかも、安定した原料液を短時間で生成することができ、製造工程の短縮化も図ることができる。

本発明は、低粘度の高分子材料が必要な分野に利用可能であり、特に、ナノファイバの製造や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。

本発明にかかる微細高分子材料製造装置の断面図である。 高分子材料の粒を拡大して示す概念図である。 ナノファイバ製造装置を備える不織布製造装置を概念的に示す斜視図である。 噴射手段および収集電極の具体例を示す図である。 不織布製造装置の別態様を示す斜視図である。 微細高分子材料製造装置の別態様を示す断面図である。 微細高分子材料製造装置とナノファイバ製造装置とが一体となった装置を示す断面図である。

符号の説明

１００ 微細高分子材料製造装置
１０１ 過熱水蒸気発生装置
１０２ 圧力調整装置
１０３ 取得タンク
１０４ 加熱ヒータ
１０５ 電源
１０６ ポンプ
１０７ 貯蔵タンク
１０８ 制御装置
１０９ 温度計
１１０ 内側ノズル
１１１ 第１吐出口
１１２ 搬送路
１２０ 外側ノズル
１２１ 第２吐出口
１２２ 導入孔
１３０ ２軸押出機
１３１ ホッパー
１３２ 再搬送路
１３６ 再供給ポンプ
２００ ナノファイバ製造装置
２１０ 噴射手段
２１１ パイプ
２１２ 噴射孔
２１３ ノズル
２１４ プーリー
２１５ ベルト
２１６ ロータリーシリンダ
２１７ シャフト
２１８ モータ
２１９ 基体
２２０ 収集電極
２５０ 第１電源
２５１ 第２電源
３００ 不織布製造装置
３６０ シート
３７０ 移動手段
４００ ナノファイバ
４００ 高分子材料
４１０ 不織布

Claims (9)

1. 過熱水蒸気を過熱水蒸気発生手段により発生させる過熱水蒸気発生ステップと、
   前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を圧力調整手段により調整する圧力調整ステップと、
   高分子材料を取得手段により取得する材料取得ステップと、
   前記材料取得ステップにより取得された前記高分子材料を昇温手段により所定の温度に昇温する材料昇温ステップと、
   昇温された前記高分子材料を第１吐出口より吐出する第１吐出ステップと、
   前記第１吐出口の周縁に配置され、吐出方向が前記第１吐出口と同一である第２吐出口より前記過熱水蒸気を前記第１吐出ステップと同時期に吐出する第２吐出ステップと
   を含む微細高分子材料製造方法。
2. さらに、
   前記第１吐出ステップで吐出された高分子材料を前記取得手段に再供給する再供給ステップを含む請求項１に記載の微細高分子材料製造方法。
3. 過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生手段と、
   前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を調整する圧力調整手段と、
   高分子材料を取得する取得手段と、
   取得された前記高分子材料を所定の温度に昇温する昇温手段と、
   昇温された前記高分子材料を吐出する第１吐出口と、
   前記第１吐出口の周縁に配置され、前記第１吐出口と同一の方向を向き、前記過熱水蒸気を吐出する第２吐出口と
   を備える微細高分子材料製造装置。
4. さらに、
   前記第１吐出口から吐出された高分子材料を前記取得手段に搬送する搬送手段を備える請求項３に記載の微細高分子材料製造装置。
5. ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射孔を有する噴射手段と、前記噴射孔から噴射され製造されたナノファイバを収集する収集電極とを備えるナノファイバ製造装置に適用するナノファイバ製造方法であって、
   微細高分子材料が水中に分散状に含有される前記原料液を前記噴射手段により噴射する噴射ステップと、
   噴射される前記原料液に電荷を付与する電荷付与ステップと、
   前記噴射手段と前記収集電極との間に電界を発生させる電界発生ステップと
   を含むナノファイバ製造方法。
6. さらに
   高分子材料を取得手段により取得する材料取得ステップと、
   前記材料取得ステップにより取得された前記高分子材料を昇温手段により所定の温度に昇温する材料昇温ステップと、
   昇温された前記高分子材料を第１吐出口より吐出する第１吐出ステップと、
   前記第１吐出口の周縁に配置され、吐出方向が前記第１吐出口と同一である第２吐出口より水を含む流体を前記第１吐出ステップと同時期に吐出する第２吐出ステップとを含み、
   前記噴射ステップでは、前記第1吐出ステップと、前記第２吐出ステップとで製造され
   る前記微細高分子材料が水中に分散状に含有される前記原料液を噴射する
   請求項５に記載のナノファイバ製造方法。
7. さらに、
   過熱水蒸気を過熱水蒸気発生手段により発生させる過熱水蒸気発生ステップと、
   前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を圧力調整手段により調整する圧力調整ステップとを含み、
   前記第２吐出ステップでは、前記水を含む流体として前記過熱水蒸気を吐出する
   請求項６に記載のナノファイバ製造方法。
8. 高分子材料を取得する取得手段と、
   取得された前記高分子材料を所定の温度に昇温する昇温手段と、
   昇温された前記高分子材料を吐出する第１吐出口と、
   前記第１吐出口の周縁に配置され、前記第１吐出口と同一の方向を向き、水を含む流体を吐出する第２吐出口と、
   吐出される前記高分子材料に電荷を付与する付与電極と、
   前記噴射孔を通過し製造されたナノファイバを収集する収集電極と、
   前記付与電極と前記収集電極との間に電界を発生させるための電源と
   を備えるナノファイバ製造装置。
9. さらに、
   過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生手段と、
   前記過熱水蒸気発生手段で発生した過熱水蒸気の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、
   前記第２吐出口は、前記水を含む流体として前記過熱水蒸気を吐出するものである請求項８に記載のナノファイバ製造装置。

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