JP2009068121A - ナノファイバーの合糸方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷誘導紡糸法により製造したナノファイバーから成る高強度でかつ太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて製造する。
【解決手段】高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を紡糸ヘッド２に設けられた複数の小穴７から流出させるとともに帯電させ、静電爆発にて延伸させて複数本のナノファイバー２０を生成し、生成されたナノファイバー２０を、帯電したナノファイバー２０に対して電位差を有するとともに軸芯部に貫通孔を有する収集電極３にて吸引しつつ旋回させて集束することで撚りをかけ、撚られたナノファイバー２０を収集電極３の貫通孔を通して回収するようにし、かつ収集電極３の最大外径ｄを、紡糸ヘッド２と収集電極３の間の距離をＬとして、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００、好適にはｄ＝Ｌ／５０〜Ｌ／１５とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造してこれを糸条にするナノファイバーの合糸方法及び装置に関するものである。

従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法とも称される）が知られている。従来の電荷誘導紡糸法は、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給し、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷を帯電させることで、この電荷を帯電された線状の高分子溶液中の溶媒が蒸発するのに伴って帯電電荷間の距離が小さくなり、帯電電荷間に作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次等と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。

従来の電荷誘導紡糸法では、１本ノズルの先から１〜数本のナノファイバーしか製造されないので、生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、バレルに貯蔵された高分子溶液をポンプにて帯電された多数のニードル状のノズルに供給して吐出させることで多量のナノファイバーを作り出し、これをノズルと異なる極性に帯電されたコレクタにて回収し積層しながら搬送することで、ナノファイバーが３次元のネットワーク構造に積層した空隙率が非常に高い高多孔性の高分子ウエブを製造する技術が開示され、従来の実験的レベルから実用性レベルに高められている。

また、従来、電荷誘導紡糸法によるナノファイバーがウエブとして製造され、人造皮革、フィルター、おむつ、生理用ナプキン、癒着紡糸剤、ワイピングクロス、人造血管、骨固定器具など多様に活用されているが、１０ＭＰａ以上の力学物性を得るのが困難で広範囲な用途への利用に限界があること、このように製造されたナノファイバーのウエブを連続した糸条にして力学物性を高めようとすると、ウエブを一定長さに切断して短繊維を製造し、この短繊維から紡績糸を製造する別途の紡績工程を経なければならない問題があることを指摘した上で、電子紡糸法にて製造されたナノファイバーのウエブを用いて連続的に糸条を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、列をなして帯電されたノズルからノズルと逆極性に帯電されたコレクタ内の水または有機溶媒の静的な表面上にナノファイバーを紡糸してウエブをなすように堆積させ、この堆積するウエブを、ノズルの列方向で見た一方の末端側より１ｃｍ以上離れた地点から一定の線速度で回転する回転ローラによって引き上げて連続した糸条とし、圧搾、延伸、乾燥および巻取りを行って連続した糸条を得ている。また、連続した糸条は撚糸することもできるとしている。
特開２００２−２０１５５９号公報 特表２００６−５０７４２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、各ノズルから真下にナノファイバーを生成してコレクタ上のノズルに対応した位置へ静的に堆積させながら、その堆積域の広がりにより各ノズルから生成されたナノファイバー同士を絡み合わせて細帯状のウエブを形成し 、このウエブの一端からナノファイバー群を引出すことでウエブの他端側に連続しているナノファイバー群を順次引き出し、連続した糸条に集束させるものであり、そのため各ノズルから紡糸されたナノファイバーの堆積が静的でほぼ同等であるのに対し、引き出し作用が引き出し側に近い堆積域に集中しやすくなる関係から、引き出し側に近い堆積域と遠い堆積域とでナノファイバーの引出し量とに差が生じる恐れがあり、その場合引出し量の差が堆積量の差を来たし、堆積量に差を生じた状態で引き出されることで連続した糸条の太さや力学物性を適正に制御するのは困難で安定しないという問題がある。さらに、引出し作用が引き出し側から遠い側の堆積域にも均等に及ぶようにするのに引出し速度を抑える必要があり大量に製造するのも困難であるという問題がある。

そこで、このような問題を解決するため、図７に示すようなナノファイバー合糸装置４１が考えられた。図７において、ナノファイバー合糸装置４１は、ナノファイバー生成手段４２と、収集電極４３と、芯糸供給手段４４と、回収手段４５を備えている。ナノファイバー生成手段４２は、垂直な軸心周りに回転自在に支持され、周面に小穴４７が多数形成されている円筒容器４６と、円筒容器４６内に高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段（図示せず）と、円筒容器４６に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段４８と、円筒容器４６を矢印ａ方向に回転駆動する回転駆動手段（図示せず）と、円筒容器４６の上部に配設された反射電極４９と、反射電極４９に円筒容器４６と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段５０とを備え、円筒容器４６の小穴４７から流出した高分子溶液を遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー５１を生成し、生成されたナノファイバー５１を反射電極４９にて円筒容器４６の下方に向けて旋回しつつ流動させるように構成されている。

収集電極４３は円板状で、円筒容器４６の下方に間隔をあけて同軸状にかつ回転自在に配設され、その中心部に収束されたナノファイバー５１が貫通する貫通孔５２を有しており、第３の高電圧発生手段５３にて円筒容器４６や反射電極４９とは逆極性の高電圧を印加するように構成され、かつ回転駆動手段（図示せず）にて収集電極４３を矢印ａ方向とは逆の矢印ｂ方向に回転駆動するように構成されている。芯糸供給手段４４は、ナノファイバー生成手段４２の上方に配設され、芯糸５４を繰り出して円筒容器４６の軸芯位置直上から下方に供給するように構成され、回収手段４５は、収集電極４３の下方に配設され、撚られて収束した糸条５５を収集電極４３の貫通孔５２を貫通させて回収するように構成されている。

以上の構成において、ナノファイバー生成手段４２の円筒容器４６内に高分子溶液を供給しつつ円筒容器４６を高速で回転駆動すると、円筒容器４６内の電荷を帯電された高分子溶液に遠心力が作用し、各小穴４７から流出するとともに遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成され、さらに一次〜三次等に至る静電爆発にて爆発的に延伸されてナノファイバー５１が効率的に製造され、生成されたナノファイバー５１は反射電極４９にて円筒容器４６の下方に向けて円筒容器４６の軸芯回りに旋回しながら流動する。さらに、旋回しながら下方に向けて流動されたナノファイバー５１は、下方に配設された収集電極４３に向けて強く吸引され、かつその収集電極４３がナノファイバー５１の旋回流動方向とは逆方向に回転していることで、旋回流動しているナノファイバー５１がより強く撚りをかけられて収束・合糸され、効率的に高強度の糸条５５が形成される。形成された糸条５５は、収集電極４３の中心部の貫通孔５２を通り、回収手段４５にて回収される（特願２００７−１４１９０７号参照。）。

ところが、図７に示したような構成では、ナノファイバー生成手段４２に対向させて大きな面積の平板状の収集電極４３を配置しているので、図８に示すように、ナノファイバー生成手段４２と収集電極４３間に発生する電気力線５６が収集電極４３の全面に広がって形成され、この電気力線５６に沿ってナノファイバー５１が流動しようとすることで、ナノファイバー５１が芯糸５４に巻き付く位置が一定せず、そのため生成される糸条５５ の太さが一定せず、糸条５５の太さにばらつきが発生するという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電荷誘導紡糸法により製造したナノファイバーから成る高強度でかつ太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて製造することができるナノファイバーの合糸方法と装置を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバーの合糸方法は、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を紡糸ヘッドに設けられた複数の小穴から流出させるとともに帯電させ、静電爆発にて延伸させて複数本のナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、生成されたナノファイバーを、帯電したナノファイバーに対して電位差を有するとともに軸芯部に貫通孔を有する収集電極にて吸引しつつ旋回させて集束することで撚りをかける撚り工程と、撚られたナノファイバーを収集電極の貫通孔を通して回収する回収工程とを有し、収集電極の最大外径ｄを、紡糸ヘッドと収集電極の間の距離をＬとして、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００、好適にはｄ＝Ｌ／２０〜Ｌ／８０とするものである。

なお、高分子溶液としては、各種の合成樹脂材料や核酸や蛋白質などの生体高分子などの高分子物質（本発明では、分子量が１００００以上の一般的な高分子物質に限らず、分子量が１０００〜１００００の準高分子物質も含める）を溶媒に溶解したものが好適に適用される。また、上記高分子物質は単体物に限らず、各種高分子物質の混合物であっても良い。

上記構成によれば、紡糸ヘッドの複数の小穴から高分子溶液が流出して電荷誘導紡糸法にて高分子物質から成る複数本のナノファイバーが生成されるとともに、生成された複数本のナノファイバーを旋回させつつ、収集電極にて吸引して集束することで、複数本のナノファイバーに撚りがかけられるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を収集電極の軸芯部の貫通孔を通してそのまま回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を生産性よく低コストにて製造することができる。特に、収集電極の最大外径を、紡糸ヘッドと収集電極の間の距離Ｌの１／１０以下としていることで、紡糸ヘッドから収集電極に向かう電気力線が収集電極の軸芯部の周囲に収束するように安定して形成され、それによって旋回して流動するすべてのナノファイバーがこの電気力線に沿って流動して収集電極に吸引され、収集電極の軸芯部に安定して集束されることで、ナノファイバーを均一に撚りをかけて太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よくすることができる。なお、収集電極の最大外径が距離Ｌの１／１００未満まで小さくなると、形成される電気力線が不均等かつ不安定になる恐れがある。好適には、ｄをＬ／２０〜Ｌ／８０とすることで、上記作用がより効果的に安定して得られる。

また、収集電極は、紡糸ヘッド側の端部に拡大頭部を有する軸体からなり、かつその拡大頭部の形状が、軸芯部に貫通孔を有する断面ハート形の回転体であると、収集電極の軸芯部の周囲に均等に安定した電気力線が形成されるので、上記作用がより確実にかつ安定して得られる。

また、撚り工程が、収集電極に向けて流動するナノファイバーをその流動方向に沿う軸心回りに旋回させ、旋回して流動するナノファイバーを収束することで撚りをかけるものであると、旋回して流動してきたナノファイバーを収束されることで強い撚りをかけることができて、高強度の糸条を生産性よく製造することができる。このように生成されたナノファイバーを旋回させて流動させる方法としては、複数の小穴を有する回転容器の小穴から線状の高分子溶液を流出させて遠心力で延伸させるとともに静電爆発にて延伸させて ナノファイバーを生成し、かつ生成されたナノファイバーを気体流を送風する送風手段や反射電極等の流動手段にて回転容器の軸心方向一側方に向けて強制的に流動させる方法が、効率的に大量のナノファイバーを生成しながらそのナノファイバーを一方向に旋回して流動させることができるので好適である。また、複数の小穴から高分子溶液を流出させてナノファイバーを一方向に流動させて生成するとともに、その高分子溶液を流出させる複数の小穴をナノファイバーの流動方向に沿う軸心回りに回転させるようにしても良い。

また、撚り工程を、収集電極をその軸芯回りに回転させることで撚りをかけるようにすることもできる。すなわち、生成されたナノファイバーが収集電極に吸引されている状態でその収集電極を回転させることで、ナノファイバーが収集電極に向けて流動しつつ旋回されて確実に撚りをかけることができるのである。さらに、上記生成されたナノファイバーを旋回させて流動させる方法と組み合わせ、収集電極を旋回流動してくるナノファイバーの旋回方向と逆方向に回転させることで、より強い撚りをかけることができる。

また、少なくとも合糸初期に、ナノファイバーの旋回軸芯部及び収集電極の貫通孔を通して芯糸を供給し、この芯糸を回収工程でナノファイバーとともに回収するようにすると、芯糸にナノファイバーが絡むことで、特に合糸作用の不安定な合糸初期においても確実に合糸することができる。

また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を複数の小穴から流出させる紡糸ヘッドと、紡糸ヘッドから流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界発生手段と、紡糸ヘッドから帯電して流出した高分子溶液が静電爆発にて延伸されて生成されたナノファイバーを、帯電したナノファイバーと電位差のある電圧が印加されて生成されたナノファイバーを吸引する軸芯部に貫通孔を有する収集電極と、収集電極に吸引されるナノファイバーを旋回させて撚りをかけて集束するナノファイバー旋回手段と、撚りをかけて集束されたナノファイバーを収集電極の貫通孔を通して回収する回収手段とを備え、収集電極の最大外径ｄを紡糸ヘッドと収集電極の間の距離をＬとして、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００としたものである。

この構成によれば、紡糸ヘッドから帯電して流出した高分子溶液にてナノファイバーが生成され、そのナノファイバーが収集電極にて吸引されつつナノファイバー旋回手段にて旋回されることで撚りをかけて集束されて糸条が形成され、回収手段にて回収されるので、上記合糸方法を実施してナノファイバーから成る高強度でかつ太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて製造することができる。

また、紡糸ヘッドとナノファイバー旋回手段を、周面に複数の小穴を有する円筒容器と、円筒容器内に高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器をナノファイバーの流動方向に沿う軸心回りに回転させる回転駆動手段と、円筒容器の小穴から放射状に流出した高分子溶液及び生成されたナノファイバーを収集電極に向けて流動させる流動手段にて構成すると、効率的に大量のナノファイバーを生成するとともに旋回流動させることができるので、生産性良く高強度の糸条を製造することができて好適である。

また、ナノファイバー旋回手段を、収集電極に向けて流動するナノファイバーの流動方向に沿う軸心回りに紡糸ヘッドを回転させる手段にて構成することもできる。

また、ナノファイバー旋回手段を、収集電極をその軸芯回りに回転させる手段にて構成すると、生成されたナノファイバーが収集電極に吸引されている状態でその収集電極を回転させることで、ナノファイバーが収集電極に向けて流動しつつ旋回されて確実に撚りをかけることができる。また、上記ナノファイバー側の旋回流動を組み合わせて、収集電極の回転を旋回方向と逆方向とすることで、より強い撚りをかけることができる。

また、旋回して集束するナノファイバーの旋回軸芯部を通して回収手段に芯糸を送給する芯糸供給手段を配設すると、上記のように少なくとも合糸初期に芯糸を旋回軸芯部を通して回収することにより、この芯糸にナノファイバーが絡んで確実且つ安定して合糸することができ、特に合糸作用の不安定な合糸初期に適用すると効果的である。

本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、紡糸ヘッドから高分子溶液を流出させ電荷誘導紡糸法にて生成した複数本のナノファイバーを旋回させつつ小さな収集電極にて吸引することで、ナノファイバーが紡糸ヘッドと収集電極間の電気力線に沿って流動して確実に集束して撚りがかけられるので、均質で高強度の糸条が形成され、その糸条を収集電極の軸芯部の貫通孔を通してそのまま回収することで、ナノファイバーから成る高強度でかつ太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて製造することができる。

以下、本発明のナノファイバーの合糸方法と装置の各実施形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバー合糸装置の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１において、１はナノファイバー合糸装置であって、ナノファイバー２０を生成する紡糸ヘッド２と、収集電極３と、芯糸供給手段４と、回収手段５とを備えている。

紡糸ヘッド２は、図１及び図２に示すように、水平な軸心周りに回転自在に支持され、周面に直径が０．０２〜２ｍｍ程度の小穴７が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている円筒容器からなる回転容器 6を備え、この回転容器６を回転駆動手段８にて矢印ａ方向に回転駆動するように構成されている。回転駆動手段８としては、中空軸からなる出力軸を貫通して配設したＤＣモータが好適に適用される。回転容器６は、一端が閉鎖壁６ａにて閉鎖され、その閉鎖壁６ａの内面の軸芯部に、大径のテーパ嵌合孔９ａと小径の貫通孔９ｂを有する支持ボス９が設けられている。回転駆動手段８の出力軸又はそれに同一軸芯状に連結された中空回転軸１０の先端部に、支持ボス９のテーパ嵌合孔９ａにテーパ嵌合する大径の取付部１１が設けられている。かくして、中空回転軸１０の先端部を覆うように回転容器６を配置し、取付部１１にテーパ嵌合孔９ａを嵌合させた状態で、取付ボルト１２にて閉鎖壁６ａと取付部１１を締結固定することで中空回転軸１０に回転容器６が取付けられる。

回転容器６の他端内周には環状の堰１３が設けられて、回転容器６を回転している状態で遠心力にて回転容器６内の外周部に所定厚さの高分子溶液１５の層が形成されるように構成されている。この回転容器６内に、供給ポンプ１６ａと供給管１６ｂから成る高分子溶液供給手段１６にて、貯留容器１４内に収容されている高分子溶液１５が所定流量で供給され、かつ過剰に供給された高分子溶液１５は堰１３を越して流出し、溶液回収手段１７にて回収されて貯留容器１４に戻される。

高分子溶液１５は、高分子物質を溶媒に溶解したものであり、そ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、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、さらには核酸や蛋白質などの生体高分子なども例示でき、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、使用できる溶媒としては、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。

回転駆動手段８の回転容器６とは反対側の背部には、生成されたナノファイバー２０を収集電極３側に向けて強制的に流動させる流動手段としての送風手段１８が配設され、回転容器６の外周部に向けて気体流２１を送風するように構成されている。流動手段としては、この送風手段１８に代えて、若しくは送風手段１８と併用してナノファイバー２０の帯電極性と同極性の高電圧を印加した反射電極を配設しても良い。

送風手段１８のさらに背部に芯糸供給手段４が配設されている。芯糸供給手段４は、芯糸１９を繰り出し可能に巻回した芯糸供給ロール４ａと、繰り出した芯糸１９を回転容器６の軸芯位置に供給するようにガイドするガイドローラ４ｂとを備えている。この芯糸供給手段４による芯糸１９の供給は、少なくとも合糸初期の一定期間であれば良い。この芯糸供給手段４から繰り出された芯糸１９が、送風手段１８の軸心位置に形成された貫通孔１８ａ、回転駆動手段８の中空出力軸及び中空回転軸１０の中空部、及び回転容器６の支持ボス９の貫通孔９ｂを通り、収集電極３の軸芯位置に向けて供給される。

紡糸ヘッド２の回転容器６に対して距離Ｌだけ離れた位置に回転容器６の回転軸芯と同一軸芯状に収集電極３が配設されている。距離Ｌは、回転容器６の小穴７から線状に流出した高分子溶液１５に一次〜三次等の静電爆発が生じてナノファイバー２０を生成されるのに必要な所要の距離である。収集電極３は、図１及び図３に示すように、紡糸ヘッド２側の一端部に拡大頭部２２ａを有する軸体２２にて構成され、かつその拡大頭部２２ａの形状は、軸芯部に貫通孔２２ｂを有する断面ハート形の回転体である。なお、収集電極３は、その拡大頭部２２ａの外表面が導電性を有するものであれば良く、他の部分は必ずしも導電性を有する必要はない。貫通孔２２ｂは、軸体２２を貫通して形成されている。収集電極３は、その軸体２２の他端部が軸受２３にてその軸芯回りに回転自在に支持され、かつ他端が絶縁材料から成る中空軸継手２４を介して回転駆動手段２５に連結され、回転容器６の回転方向ａとは逆の矢印ｂ方向に回転駆動される。この回転駆動手段２５も、中空軸からなる出力軸を貫通して配設したＤＣモータが好適に適用される。ナノファイバー ２０が収集電極３にて収束されて合糸された糸条３０は、収集電極３の貫通孔２２ｂ、中空軸継手２４、及び回転駆動手段２５の中空出力軸部を通して回収手段５に向けて移動して回収される。

収集電極３は、図４に示すように、その拡大頭部２２ａの最大外径ｄ及び軸芯方向の長さｍを、回転容器６と収集電極３の間の距離をＬとして、略Ｌ／２０に設定されている。このｄ及びｍは、Ｌ／２０〜Ｌ／８０に設定するのが好適であるが、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００の範囲で設定することができる。

回転容器６は少なくともその外周面あるいは小穴７の近傍が導電性を有するととともに接地されており、収集電極３の少なくとも拡大頭部２２ａは１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの正又は負（図示例では負）の高電圧を発生する高電圧発生手段２６に接続され、回転容器６の外周と収集電極３の間に電界を発生させている。この回転容器６と収集電極３の間の電界によって発生する電気力線２７は、図４に示すように、回転容器６の小穴７が配設されている外周面から出て収集電極３の拡大頭部２２ａの貫通孔２２ｂの周囲の環状突出部に収束するように形成される。かくして、負の高電圧に帯電した収集電極３に対して回転容器６の外周面の小穴７近傍に帯電した正の電荷が、小穴７から流出する高分子溶液１５に帯電され、帯電した高分子溶液１５及び静電爆発が発生して生成されたナノファイバー２０が収集電極３に向けて上記電気力線２７に沿って収集電極３に向けて吸引される。

以上の構成において、紡糸ヘッド２の回転容器６内に高分子溶液１５を供給しつつ回転容器６を高速で回転駆動する。すると、回転容器６内の高分子溶液１５が遠心力によって各小穴７から線状に流出するとともに電荷を帯電され、電荷を帯電した高分子線状体が遠心力の作用でさらに延伸されるとともに、高分子線状体中の溶媒が蒸発することで高分子線状体の径が細くなり、帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー２０が効率的に製造される。

生成されたナノファイバー２０は、送風手段１８にて送風される気体流２１にて回転容器６の外周から収集電極３に向けて、かつ回転容器６の高速回転により回転容器６の軸芯回りに旋回しながら流動することになる。なお、気体流２１を温風にすると、溶媒の蒸発を促進するので、ナノファイバー２０の生成を促進できて好ましい。気体流２１にて旋回しながら流動するナノファイバー２０は、収集電極３にて強く吸引され、かつその収集電極３がナノファイバー２０の旋回流動方向とは逆方向に回転していることで、旋回流動しているナノファイバー２０がより強く撚りをかけられて収束・合糸される。

ここで、収集電極３の拡大頭部２２ａの最大外径ｄが、紡糸ヘッド２の回転容器６と収集電極３の間の距離Ｌの１／１０以下、具体的には略１／２０としていることで、回転容器６から収集電極３に向かう電気力線２７が収集電極３の軸芯部の周囲に収束するように安定して形成されるので、旋回して流動してきたすべてのナノファイバー２０がこの電気力線２７に沿って流動して収集電極３に吸引されて収集電極３の軸芯部に安定して集束され、かくしてすべてのナノファイバー２０が均一に撚りをかけられて、太さにばらつきのない均質な糸条３０が生成され、高強度の糸条３０が安定して生産性よく形成される。形成された糸条３０は、収集電極３の貫通孔２２ｂを通り、回収手段５にて回収される。

また、旋回流動する複数本のナノファイバー２０を収束させ、撚りをかけて合糸する作用は、少なくとも合糸を開始するときから合糸初期の間は不安定となる場合がある。その ため、合糸を開始する前に、芯糸供給手段４から芯糸１９を繰り出し、紡糸ヘッド２及び収集電極３の軸芯部を貫通させ、その先端を回収手段５に結合しておく。その状態で紡糸ヘッド２及び収集電極３を作動させると、複数本のナノファイバー２０が生成されて旋回しながら収集電極３に向けて流動し、収集電極３に近づいて収束し始める。ここで、回収手段５を作動させることで、収束しつつ流動するナノファイバー２０が芯糸１９に絡み付いて一挙に収束され、芯糸１９の回りに確実に合糸されて糸条３０が形成され、回収手段５にて回収される。

なお、回収手段５による糸条３０の回収が安定すると、芯糸１９を供給しなくても、先に収束されて合糸されつつあるナノファイバー２０に後続するナノファイバー２０が絡みついて合糸され、芯糸１９の機能が合糸されつつあるナノファイバー２０によって果たされるようになるため、芯糸供給手段４から芯糸１９を供給することなく、合糸することができる。なお、中芯に芯糸１９のある糸条を製造したい場合には、当然のことながら芯糸１９を継続して供給すれば良い。

なお、図１、図２の図示例では、周面に小穴７を形成した回転容器６を適用した例を示したが、回転容器６の周面に適当なピッチ間隔で多数の短寸のノズル部材を配設し、そのノズル部材に形成されているノズル穴を小穴７として機能させるようにした構成としても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第２の実施形態について、図５、図６を参照して説明する。なお、この実施形態の説明においては、上記第１の実施形態の構成要素と同一の構成要素について同じ参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。

上記第１の実施形態では、紡糸ヘッド２として、周面に複数の小穴７を有する回転容器６を用い、回転容器６を高速回転させて遠心力で高分子溶液１５を放射状に流出させ、送風手段１８などの流動手段にて回転容器６の軸芯方向一側方の収集電極３に向けて流動させるようにした例を示したが、本実施形態では、図５に示すように、垂直軸芯周りに回転駆動可能で、その下側の端面３１ａに複数のノズル部材３２又は小穴を配設した円筒状の回転容器３１を適用している。ノズル部材３２の配設状態は、図６に示すように、端面３１ａの外周部に周方向に適当ピツチ間隔で配設するのが好適であるが、端面３１ａの全面に適当ピツチ間隔で分散配置しても良い。この回転容器３１の直下に所定距離をあけて同一軸芯状に収集電極３が配設されている。そして、回転容器３１を接地し、収集電極３を高電圧発生手段２６に接続している。

本実施形態においても、収集電極３に高電圧を印加して回転容器３１との間に電界を発生させ、回転容器３１を矢印ａ方向に回転させるとともに収集電極３を矢印ｂ方向に回転させ、回転容器３１に高分子溶液１５を送給することにより、高分子溶液１５がノズル部材３２から旋回しながら流出するとともに、静電爆発にて爆発的に延伸されてナノファイバー２０が生成され、生成されたナノファイバー２０は旋回して収集電極３に向けて流動するとともに、その際にすべてのナノファイバー２０が回転容器３１と収集電極３の間の発生している電気力線２７に沿って流動して収集電極３の拡大頭部２２ａの貫通孔２２ｂの周囲に吸引されるため、収集電極３の軸芯部に安定して集束され、かくしてすべてのナノファイバー２０が均一に撚りをかけられて、太さにばらつきのない均質な糸条３０が生成され、高強度の糸条３０が安定して生産性よく形成される。

以上の実施形態においては、紡糸ヘッド２の回転容器６、３１を矢印ａ方向に回転させ、収集電極３をａ方向とは逆の矢印ｂ方向に回転させるようにした例を示したが、紡糸ヘッド２は回転せずに、収集電極３側のみを回転させても、逆に収集電極３は回転させずに紡糸ヘッド２側のみを回転させても良い。

また、以上の実施形態においては、紡糸ヘッド２は接地し、収集電極３に高電圧を印加して紡糸ヘッド２と収集電極３間に電界を発生させるようにした例を示したが、紡糸ヘッド２に高電圧を印加して収集電極３を接地電位にしたり、紡糸ヘッド２と収集電極３に互いに逆極性の高電圧を印加するようにしても良く、要するに紡糸ヘッド２と収集電極３の間に高い電位差を印加してそれらの間に電界を発生するように構成すれば良い。

本発明のナノファイバーの合糸方法と装置によれば、電荷誘導紡糸法にて生成した複数本のナノファイバーを旋回させつつ小さな収集電極にて吸引することで、ナノファイバーが紡糸ヘッドと収集電極間の電気力線に沿って流動して確実に集束して撚りがかけられて均質で高強度の糸条が形成されるので、その糸条を回収することでナノファイバーから成る高強度でかつ太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて製造することができるので、ナノファイバーから成る高強度の糸条の生産に好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す部分断面正面図。 同実施形態における紡糸ヘッドの構成を示す断面図。 同実施形態における収集電極を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は外観斜視図。 同実施形態における紡糸ヘッドと収集電極間の電気力線の発生状態を示す説明図。 本発明の第２の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。 同実施形態における回転容器の下面図。 本発明に先行するナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。 同ナノファイバー合糸装置における紡糸ヘッドと収集電極間の電気力線の発生状態を示す説明図。

符号の説明

１ ナノファイバー合糸装置
２ 紡糸ヘッド
３ 収集電極
４ 芯糸供給手段
５ 回収手段
６ 回転容器
７ 小穴
８ 回転駆動手段
１５ 高分子溶液
１６ 高分子溶液供給手段
１８ 送風手段（流動手段）
１９ 芯糸
２０ ナノファイバー
２２ 軸体
２２ａ 拡大頭部
２２ｂ 貫通孔 ２５ 回転駆動手段
２６ 高電圧発生手段（電界発生手段）
３０ 糸条
３１ 回転容器

Claims (10)

1. 高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を紡糸ヘッドに設けられた複数の小穴から流出させるとともに帯電させ、静電爆発にて延伸させて複数本のナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、生成されたナノファイバーを、帯電したナノファイバーに対して電位差を有するとともに軸芯部に貫通孔を有する収集電極にて吸引しつつ旋回させて集束することで撚りをかける撚り工程と、撚られたナノファイバーを収集電極の貫通孔を通して回収する回収工程とを有し、収集電極の最大外径ｄを、紡糸ヘッドと収集電極の間の距離をＬとして、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００とすることを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
2. 収集電極は、紡糸ヘッド側の端部に拡大頭部を有する軸体からなり、かつその拡大頭部の形状が、軸芯部に貫通孔を有する断面ハート形の回転体であることを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの合糸方法。
3. 撚り工程は、収集電極に向けて流動するナノファイバーをその流動方向に沿う軸心回りに旋回させ、旋回して流動するナノファイバーを収束することで撚りをかけることを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの合糸方法。
4. 撚り工程は、収集電極をその軸芯回りに回転させることで撚りをかけることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のナノファイバーの合糸方法。
5. 少なくとも合糸初期に、ナノファイバーの旋回軸芯部及び収集電極の貫通孔を通して芯糸を供給し、この芯糸を回収工程でナノファイバーとともに回収することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のナノファイバーの合糸方法。
6. 高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を複数の小穴から流出させる紡糸ヘッドと、紡糸ヘッドから流出する高分子溶液に電荷を帯電させる電界発生手段と、紡糸ヘッドから帯電して流出した高分子溶液が静電爆発にて延伸されて生成されたナノファイバーを、帯電したナノファイバーと電位差のある電圧が印加されて生成されたナノファイバーを吸引する軸芯部に貫通孔を有する収集電極と、収集電極に吸引されるナノファイバーを旋回させて撚りをかけて集束するナノファイバー旋回手段と、撚りをかけて集束されたナノファイバーを収集電極の貫通孔を通して巻き取って回収する回収手段とを備え、収集電極の最大外径ｄを紡糸ヘッドと収集電極の間の距離をＬとして、Ｌ／１０≧ｄ≧Ｌ／１００としたことを特徴とするナノファイバーの合糸装置。
7. 紡糸ヘッドとナノファイバー旋回手段を、周面に複数の小穴を有する円筒容器と、円筒容器内に高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器をナノファイバーの流動方向に沿う軸心回りに回転させる回転駆動手段と、円筒容器の小穴から放射状に流出した高分子溶液及び生成されたナノファイバーを収集電極に向けて流動させる流動手段にて構成したことを特徴とする請求項６記載のナノファイバーの合糸装置。
8. ナノファイバー旋回手段を、収集電極に向けて流動するナノファイバーの流動方向に沿う軸心回りに紡糸ヘッドを回転させる手段にて構成したことを特徴とする請求項６記載のナノファイバーの合糸装置。
9. ナノファイバー旋回手段を、収集電極をその軸芯回りに回転させる手段にて構成したことを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のナノファイバーの合糸装置。
10. 旋回して集束するナノファイバーの旋回軸芯部を通して回収手段に芯糸を送給する芯糸 供給手段を配設したことを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載のナノファイバーの合糸装置。

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