JP2009185393A - 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均質な糸条を安定して製造する。
【解決手段】小穴１０から原料溶液を流出させるとともに流出する原料溶液に電荷を帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバー２を生成し、小穴１０に対して所定距離をあけて配置されるとともに小穴１０に対向する部位に少なくとも１つの突起部２３を有する環状の電極２２を接地又は原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加してその中心回りに回転させ、生成されたナノファイバー２を回転する電極２２に向けて旋回流動させるとともに、電極２２の突起部２３にて生成されたイオン風にてナノファイバー２の帯電電荷を中和させつつ集束して撚り、撚られたナノファイバー２から成る糸条７を回収手段８にて回収するようにした。
【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。

また、高多孔性の高分子ウエブを製造する方法として、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知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記のように電荷誘導紡糸法にて製造されたナノファイバーの高分子ウエブは、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、電荷誘導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。

さらに、電荷誘導紡糸法にてノズルから紡糸したナノファイバーをコレタタ上に堆積させてリボン形態のナノファイバーウェブを生成し、このリボン形態のウェブをエア撚り糸装置に通して撚り糸を製造する方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−２０１５５９号公報 特表２００６−５０７４２８号公報 特表２００７−５１８８９１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。

また、特許文献３に記載の技術は、エアにより撚りをかけて撚り糸を製造する点で特許文献２と異なっているが、特許文献２と基本的構成を共有していて同様の問題があり、形態や力学的物性の均一な糸を製造することができないという問題がある。また、エア撚り糸装置を通過させて撚り糸を製造するので、エア撚り糸装置における作用の安定性も問題になる。

そこで、このような問題を解決するため、本出願人は先に、小穴を有する回転容器内に高分子溶液を供給するとともに回転容器を回転し、かつ回転容器と後述の収集電極との間に高電圧を印加して電界を発生させ、小穴から電荷を帯電させた高分子溶液を遠心力の作用で流出させ、さらに一次〜三次等に至る静電爆発にて爆発的に延伸させることでナノファイバーを効率的に生成し、回転容器に対して同軸状に間隔をあけて配設され、中心部に貫通穴を有する収集電極を回転させることで、生成されたナノファイバーを収集電極に向けて偏向流動させるとともに旋回させながら集束することでナノファイバーを撚り、撚られたナノファイバーの糸条を収集電極の貫通穴を通して回収し、また必要に応じて回転容器及び収集電極の軸心部を貫通して芯糸を供給することでナノファイバーを芯糸に絡ませて撚り、芯糸にナノファイバーを絡ませて撚られた糸条を回収するようにしたナノファイバーの合糸方法及び装置を提案している（特願２００７−１４１９０７号や特願２００７−２３４７６２号を参照。）。

ところが、上記本出願人の先願に係るナノファイバーの合糸方法及び装置においては、生成されたすべてのナノファイバーが完全に集束されて糸条に撚られるとは限らず、一部のナノファイバーが収集電極の表面に付着して徐々に堆積し、その結果収集電極に向けて旋回しながら流動してきたナノファイバーを、最後に集束させて撚り、糸条にする作用に悪影響を与え、糸条の製造効率を低下させたり、糸条の製造自体を不安定にする恐れのあることが判明した。

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均質な糸条を安定し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、小穴から原料溶液を流出させるとともに流出する原料溶液に電荷を帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、小穴に対して所定距離をあけて配置されるとともに小穴に対向する部位に少なくとも１つの突起部を有する環状の電極を接地又は原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加してその中心回りに回転させ、生成されたナノファイバーを回転する電極に向けて旋回流動させるとともに、電極の突起部にて生成されたイオン風にてナノファイバーの帯電電荷を中和させつつ集束して撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを回収する回収工程とを有するものである。

なお、ナノファイバーの原料溶液としては、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。また、原料溶液に電荷を帯電させるには、小穴と電極間に電位差を与えるように何れか一方又は両方に高電圧発生手段を接続してそれらの間に電界を発生させれば良く、そのため電極は上記のように接地又は原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧が印加される。また、原料溶液に対して静電気発生装置などの電荷発生手段で発生させた電荷を印加するようにしても良い。

上記構成によれば、小穴から原料溶液が帯電して流出することで電荷誘導紡糸法にてナノファイバーが生成され、かつこの生成されたナノファイバーは、環状の電極が回転していることで電極に向けて旋回しつつ流動して来て、電極の手前位置で集束されるため、ナノファイバーが撚りをかけられて糸条となる。その際に、電極の突起部からイオン風が発生することで、電極に向けて旋回流動して来て集束されるナノファイバーの帯電電荷がイオン風によって中和されるため電極表面に付着することなく、電極の手前位置で集束されて撚られることになる。これにより、長期にわたって電極にナノファイバーが付着することがなく、そのため上記作用が安定して得られて高強度で均質な糸条が形成され、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均質な糸条を生産性よくかつ安定して製造することができる。

また、小穴を、電極の回転軸心を延長した軸心回りに電極の回転方向と逆方向に回転させると、小穴から流出して生成されるナノファイバーが電極の回転方向と逆方向に旋回しながら電極に向けて流動してくるので、ナノファイバーがより強く旋回し、その旋回して流動してきたナノファイバーを電極にて収束させることでより強い撚りをかけることができて、さらに高強度の糸条を製造することができる。

また、原料溶液を、電極の回転軸心を延長した軸心回りに回転する回転容器の外周に形成された複数の小穴から回転容器の回転に伴う遠心力の作用で流出させると、複数の小穴から原料溶液が流出して遠心力で延伸されるとともに静電爆発にて延伸されてナノファイバーが生成されることで、効率的に大量のナノファイバーを生成することができて糸条の生産性を格段に向上することができる。なお、この場合、回転容器の小穴から放射状に流出して生成過程にある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偏向流動手段にて回転容器の径方向から軸心方向一側の電極に向けて強制的に偏向流動させるのが好ましい。しかし、必ずしもそうする必要はなく、回転容器と電極間の電界によっても偏向させて流動させることは可能である。

また、電極の回転軸心を通る直線経路を通して芯糸を供給する芯糸供給工程を有し、撚り工程は、集束するナノファイバーを芯糸に絡ませて撚りをかけ、回収工程は芯糸に絡まったナノファイバーを芯糸とともに回収すると、ナノファイバーが芯糸に絡むことでより効果的に撚ることができ、確実にかつ安定して糸条を製造できるとともに、芯糸とナノファイバーの複合糸を得ることができる。

また、芯糸は、小穴側から供給し、電極の中心部を通して回収するようにすればよいが、逆に電極の中心部を通して供給し、小穴側で回収するようにすることもできる。前者の場合、広い範囲の製造条件でも安定して糸条を製造でき、後者の場合ナノファイバーが電極に付着するのをさらに確実に防止することができる。

また、電極が、小穴側の端部に拡大頭部を有する軸状電極からなり、かつその拡大頭部の形状が、軸心部に貫通孔を有する断面ハート形の回転体であると、電極の軸心部の周囲に均等に安定した電気力線が形成され、上記作用がより確実にかつ安定して得られる。

また、電極が、外周部に小穴側に向けて立ち上がる筒状壁を有するとともに、その内部空間の底部に突起部を有すると、電極の筒状壁の内部で安定して発生したイオン風が内部に充満した状態から周辺部に流出するので、ナノファイバーが電極に近寄って付着するのをより効果的に防止することができる。

また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、小穴から原料溶液を流出させる紡糸ヘッドと、小穴に対して所定距離をあけて配置されるとともに小穴に対向する部位に少なくとも１つの突起部を有する環状の電極と、紡糸ヘッドの小穴と電極の間に電位差を発生させて紡糸ヘッドから流出する原料溶液に電荷を帯電させ、帯電して流出した原料溶液を静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するとともに生成されたナノファイバーを電極に向けて流動させる電界発生手段と、電極をその中心回りに回転させる電極回転手段と、回転する電極にて集束されて撚りをかけられたナノファイバーを回収する回収手段とを備えたものである。

この構成によれば、上記ナノファイバーの合糸方法を実施してその作用効果を奏し、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かつ安定して製造することができる。

また、紡糸ヘッドが、小穴を有する回転容器と、回転容器を電極とは逆方向に回転させる容器回転手段とを備えると、小穴から流出して生成されるナノファイバーが電極の回転方向と逆方向に旋回しながら電極に向けて流動してくるので、ナノファイバーがより強く旋回し、その旋回して流動してきたナノファイバーを電極にて収束させることで強い撚りをかけることができて、より高強度の糸条を製造することができる。

また、紡糸ヘッドが、外周に複数の小穴が形成された回転容器と、回転に伴う遠心力の作用で原料溶液を小穴から流出させるように回転容器を回転させる容器回転手段とを備えると、複数の小穴から原料溶液が流出して遠心力で延伸されるとともに静電爆発にて延伸されてナノファイバーが生成されることで、効率的に大量のナノファイバーを生成することができて糸条の生産性を格段に向上することができる。

また、電極の回転軸心を通る直線経路に沿って、紡糸ヘッドと電極を通して回収手段に向けて芯糸を供給する芯糸供給手段を設けると、ナノファイバーが芯糸に絡むことでより効果的に集束させて撚ることができ、確実にかつ安定して糸条を製造できるとともに、芯糸とナノファイバーの複合糸を得ることができる。

また、芯糸供給手段が、芯糸を紡糸ヘッド側からその中心を通り、電極の中心を通して、電極に対して紡糸ヘッドとは反対側に配設された回収手段に向けて供給するものであると、広い範囲の製造条件でも安定して糸条を製造できる。

また、芯糸供給手段が、芯糸を電極側からその中心を通り、紡糸ヘッドの中心を通して、紡糸ヘッドに対して電極とは反対側に配設されて回収手段に向けて供給するものであると、ナノファイバーが電極に付着するのをさらに確実に防止することができる。

また、電極が、小穴側の端部に拡大頭部を有する軸状電極からなり、かつその拡大頭部の形状が、軸心部に貫通孔を有する断面ハート形の回転体であると、電極の軸心部の周囲に均等に安定した電気力線が形成され、上記作用がより確実にかつ安定して得られる。

また、電極が、外周部に小穴側に向けて立ち上がる筒状壁を有するとともに、その内部空間の底部に突起部を有すると、電極の筒状壁の内部で安定して発生したイオン風が内部に充満した状態から周辺部に旋回しながら流出するので、ナノファイバーが電極に近寄るのをより効果的に防止することができるとともに、ナノファイバーの集束効果を高めることができる。

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されたナノファイバーを回転する環状の電極に向けて旋回しつつ流動させて集束し、ナノファイバーに撚りをかけて糸条を製造するとともに、その際に電極の突起部から発生したイオン風にてナノファイバーの帯電電荷を中和させることで、電極にナノファイバーが付着するのを防止できるため、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かつ安定し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７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３を参照して説明する。

図１、図２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２を生成する紡糸ヘッド３と、回転電極部４と、芯糸５を供給する芯糸供給手段６と、製造された糸条７を回収する回収手段８とを備えている。

ナノファイバー生成手段としての紡糸ヘッド３は、鉛直な軸心周りに回転自在に支持された円筒容器状の回転容器９の下面に、先端に小穴１０を有する１又は複数のノズル部材１１を装着して構成されている。回転容器９の上壁には、電気絶縁性を有する上部回転筒体１２の下端部が一体的に固定され、その上部回転筒体１２の中間部が上部支持フレーム１３にて軸受１４を介して回転自在に支持されるとともに、上部回転筒体１２の上部は容器回転手段１５に接続されている。回転容器９又は少なくともノズル部材１１は導電性を有し、上部回転筒体１２に設けた導電部材１２ａと軸受１４を介してノズル部材１１が電気的に接地されている。なお、ノズル部材１１にて小穴１０を構成する代わりに、回転容器９に直接小穴１０を形成しても良い。小穴１０の直径は、０．０１ｍｍから２ｍｍ程度が好適である。容器回転手段１５は、上部回転筒体１２の外周に固定された従動プーリ１５ａと、上部支持フレーム１３に設置されたモータ１５ｄと、モータ１５ｄの出力軸に固定された駆動プーリ１５ｃと、プーリ１５ａと１５ｃ間に巻き掛けれたベルト１５ｂにて構成され、モータ１５ｄにて回転容器９をＲ方向に回転させるように構成されている。回転容器９（及びその小穴１０）の回転速度は、数１００〜１００００ｒｐｍ程度に設定される。

回転容器９の中心部の貫通開口を形成する内側筒壁１６は、その上部が全周にわたって開口され、回転容器９の外周壁と内側筒壁１６との間の環状収容空間１７に原料溶液供給手段１８にて供給された原料溶液２０を収容し、ノズル部材１１を通して小穴１０から流出させるように構成されている。原料溶液供給手段１８は、貯留容器１８ａ内の原料溶液２０を供給ポンプ１９にて取り出し、上部回転筒体１２を貫通させて回転容器９内に挿入配置された溶液供給管２１の先端のＬ字屈曲部２１ａから環状収容空間１７内に原料溶液２０を供給するように構成されている。図示例では、原料溶液２０に作用する重力と回転容器９の回転による遠心力と小穴１０と回転電極部４の間の電界の作用で、小穴１０から原料溶液２０を流出させるようにしているが、環状収容空間１７内を加圧可能な構成として、原料溶液２０を圧力で押し出して流出させるようにしても良い。さらには、紡糸ヘッド３を容器形態とせずに、回転体に小穴１０を有するノズル部材１１を配置し、そのノズル部材１１に対して原料溶液２０を供給するようにしても良い。

原料溶液としては、高分子物質を溶媒に溶解したものが好適である。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。また、原料溶液中の溶媒の占める割合は、６０％位から９８％位が好適で、使用する高分子物質の種類、溶媒の種類、生成するファイバーの径等に応じて適切に決定する。

回転電極部４は、導電性の環状の電極２２の上面の適所１箇所、又は複数箇所に先端が鋭く尖った突起部２３が設けられ、この電極２２が電気絶縁性を有する下部回転筒体２４の上端に一体固定され、下部回転筒体２４の中間部が軸受２６を介して下部支持フレーム２５にて回転自在に支持され、下部回転筒体２４の下部が電極回転手段２７に接続されている。電極２２は、下部回転筒体２４に設けられた導電部材２４ａと軸受２６を介して電界発生手段である高電圧発生手段２８に接続され、１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの正又は負（図示例では負）の高電圧が印加され、回転容器９と電極２２の間に電界を発生させている。電極回転手段２７は、下部回転筒体２４の外周に固定された従動プーリ２７ａと、下部支持フレーム２５に設置されたモータ２７ｄと、モータ２７ｄの出力軸に固定された駆動プーリ２７ｃと、プーリ２７ａと２７ｃ間に巻き掛けれたベルト２７ｂにて構成され、モータ２７ｄにて環状の電極２２を上記Ｒ方向とは逆方向のＳ方向に回転駆動するように構成されている。電極２２の回転速度は、数１００〜１００００ｒｐｍ程度に設定される。

芯糸供給手段６は、上部支持フレーム１３に配設され、芯糸５を所定の速度で供給する芯糸供給リール２９と、芯糸５の供給位置を回転容器９及び電極２２の回転軸心を通る直線経路３１の上端に位置決めするガイドローラ３０にて構成されている。回収手段８は、下部支持フレーム２５に配設され、芯糸５にナノファイバー２を撚って製造された糸条７を巻き取って回収する糸条巻取リール３２と、直線経路３１の下端を位置決めし、製造された糸条７を直線経路３１から側方に取り出すためのガイドローラ３３にて構成されている。かくして、ガイドローラ３０、３３にて、それらの間に直線経路３１が設定され、この直線経路３１に対して回転容器９、電極２２が同一軸芯状態となるように配設されている。

芯糸５としては、繊維の種類は限定されるものではなく、木綿のような天然繊維や、ナイロンなどの合成繊維などを例示することができる。線径が１μｍ以下のモノフィラメントを用いるのが好適であるが、複数の繊維が束となったマルチフィラメントを採用することができる。その際の繊維の径は特に限定するものではないが、５００ｎｍ以下の繊維から成る撚糸を用いることができる。また、芯糸５の送り速度は、生成するナノファイバーの量や生成する糸条７の径等にも依存するが、１ｍｍ／ｓｅｃから１００ｍｍ／ｓｅｃ程度が好適である。

直線経路３１と回転容器９の小穴１０と電極２２の突起部２３との配置関係を説明すると、回転容器９の小穴１０と電極２２の間の距離は、それらの間でナノファイバーを生成するのに必要な距離（例えば１００〜１０００ｍｍ程度）に設定され、直線経路３１と小穴１０の径方向の距離は特に限定されず、直線経路３１と突起部２３の径方向の距離は、電極２２に向けて吸引されて流動してくるナノファイバー２を突起部２３から出る旋回するイオン風３４（図３参照）にて芯糸５に確実に絡ませるために、５０ｍｍ以下、より好適には２５ｍｍ以下に設定するのが好ましい。

以上の構成の本実施形態によれば、芯糸５を直線経路３１に沿って紡糸ヘッド３側から回転電極部４を貫通して回収手段８に向けて移動させつつ、Ｒ方向に回転する回転容器９の小穴１０から原料溶液２０を流出させると、電荷誘導紡糸法にてナノファイバー２が生成されるとともに、生成されたナノファイバー２は、Ｒ方向とは逆方向のＳ方向に回転する電極２２に向けて流動し、生成されたナノファイバー２が回転容器９と電極２２の間の電界の作用及び回転容器９と電極２２の逆方向の回転によって電極２２に向かって旋回しながら流動して集束することで、この旋回しながら流動してきたナノファイバー２が芯糸５に絡み、芯糸５に巻き付いて糸条７が製造される。

その際に、電極２２に設けられた先端が尖った突起部２３からイオン風が発生するとともに、その突起部２３が電極２２の中心回りに回転しているために、図３に示すように、旋回するイオン風３４が形成されているため、逆極性に帯電したナノファイバー２はそのイオンの流れに引き寄せられるとともにイオンと接触して帯電電荷が中和されることで、電極２２に付着することなく、電極２２の手前位置で集束されることになる。これにより、電極２２にナノファイバー２が付着することがないため、上記作用が安定して得られるとともに均質な糸条７が形成される。この糸条７を回収手段８にて回収することで、ナノファイバー２から成る高強度でかつ形態や力学的物性の均質な糸条７を安定して生産性よく製造することができる。

以上の説明では、紡糸ヘッド３として、下面に複数の小穴１０（ノズル部材１１）が配設された回転容器９をＲ方向（電極２２の回転方向Ｓと逆方向）に回転させるようにした例を示したが、電極２２のみを回転させて、紡糸ヘッド３は小穴１０を固定状態で配置した構成することもできる。また、小穴１０の配置状態も周方向に複数等配した構成でなくても良く、単一の小穴１０を配置した構成とすることもできる。さらに、直線経路３１に沿って芯糸５を供給し、その芯糸５にナノファイバー２を絡ませて糸条７を製造する例を示したが、芯糸５は供給せず、旋回流動してきたナノファイバー２を集束させて互いに撚り合わせることで芯糸５の無い糸条７を製造して回収手段８にて回収するようにすることも可能である。

本実施形態の具体実施例を示すと、高分子物質としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を用い、溶媒としての水の占める割合を９０％とした原料溶液を用い、直径が０．１ｍｍの小穴１０を有する回転容器９を３０００ｒｐｍの回転速度で回転させ、電極２２に５０ｋＶの高電圧を印加するとともに、電極２２を４０００ｒｐｍの回転速度で回転させ、芯糸５を１０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度で送給して糸条を製造した。

（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４を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の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、芯糸５を紡糸ヘッド３の上方に配設された芯糸供給手段６にて直線経路３１の上端に供給し、製造された糸条７を回転電極部４の直線経路３１の下端から回収手段８にて回収するようにした例を示したが、本実施形態では、図４に示すように、回転電極部４の下方に芯糸供給手段６を配設し、そのガイドローラ３０を直線経路３１の下端に配置し、回収手段８を紡糸ヘッド３の上方に配設し、そのガイドローラ３３を直線経路３１の上端に配置し、芯糸供給手段６にて芯糸５を直線経路３１の下端から回転電極部４を貫通して上方に供給し、電極２２の上部位置で突起部２３からの旋回するイオン風３４にてナノファイバー２を芯糸５に絡ませて糸条７を製造し、その糸条７を紡糸ヘッド３を貫通させて直線経路３１の上端のガイドローラ３３を介して回収手段８にて回収するように構成している。

本実施形態においては、電極２２側からその中心を通して芯糸５を供給して電極２２の上部で旋回するイオン風３４にて紡糸ヘッド３から電極２２に向けて流動してきたナノファイバー２を集束させて芯糸５に絡ませ、こうして製造された糸条７を紡糸ヘッド３の中心を通して回収手段８にて回収するので、紡糸ヘッド３から電極２２に向けて流動してきたナノファイバー２が電極２２に付着するのをより確実に防止することができて、一層安定して製造することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。

上記第２の実施形態では、紡糸ヘッド３として、回転容器９の下面に小穴１０を配設した構成のものを例示したが、本実施形態では、図５に示すように、周面に複数の小穴１０（ノズル部材１１）を有する回転容器９を用い、容器回転手段１５にて回転容器９を高速回転させて遠心力で原料溶液２０を放射状に流出させるようにしている。このように構成すると、回転容器９内の原料溶液２０が遠心力によって各小穴１０から線状に流出するとともに遠心力の作用で延伸され、その細く線状に延伸された原料溶液２０中の溶媒が蒸発することで一次静電爆発、二次静電爆発、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２が大量に効率的に生成される。

生成されたナノファイバー２は回転容器９と電極２２間の電界の作用によって、電極２２に向けて旋回しつつ流動するが、放射線状に流出した原料溶液２０をより確実にかつ効果的に電極２２に向けて偏向流動させつつナノファイバー２を生成させるために、回転容器９の電極２２とは反対側の背部に、矢印で示すように、生成されたナノファイバー２を電極２２側に向けて強制的に偏向流動させる偏向流動手段３５を配設するのが好適である。偏向流動手段３５は、具体的には、生成されたナノファイバー２を電極２２側に向けて強制的に流動させる気体流を送風する送風手段や、ナノファイバー２の帯電極性と同極性の高電圧を印加した反射電極等にて構成することができる。特に、気体流を適用すると、蒸発した溶媒が速やかに排出されるので、ナノファイバー２の生成効果が促進され、さらに温風を適用すると、溶媒の蒸発を促進するので、ナノファイバー２の生成を促進できて好ましい。

以上の各実施形態では、回転電極部４の電極として、環状板から電極２２に突起部２２を突設した例のみを例示したが、電極の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、紡糸ヘッド３側の一端部に拡大頭部４２を有する軸状電極４１にて構成し、その拡大頭部４２の紡糸ヘッド３に対向する頂部に突起部４３を設けた構成のものが好適に適用される。拡大頭部４２の形状は、図示の如く、軸芯部に貫通孔４２ａを有する断面ハート形の回転体から成るものが好適である。なお、軸状電極４１は、その拡大頭部４２と突起部４３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。

このような軸状電極４１を適用すると、紡糸ヘッド３と軸状電極４１の拡大頭部４２の間の電界によって発生する電気力線が、回転容器９の小穴１０が配設されている面から出て拡大頭部４２の貫通孔４２ａの周囲の環状に突出した部分に収束するように形成される。そのため、生成されたナノファイバー２がその電気力線に沿って拡大頭部４２に向けて吸引され、かつその頂部の突起部４３から発生するイオン風３４にて確実に捕捉されて芯糸５に絡められるので、より効率的にかつより強く撚られた糸条７を製造することができる。

また、図７に示すように、環状板から成る電極２２の外周部に紡糸ヘッド３側に向けて立ち上がる筒状壁４５を設け、その内部空間４６の底部に突起部４７を配設した構成の電極４４を適用することもできる。このような電極４４によれば、電極４４の筒状壁４５の内部で突起部４７から安定して発生したイオン風が内部空間４６に充満した状態から周辺部に流出するので、ナノファイバー２が電極４４に近寄るのをより効果的に防止することができ、より安定して糸条７を製造することができる。

なお、以上の実施形態においては、紡糸ヘッド３の回転方向と環状の電極２２の回転方向を互いに逆方向にした例を示しが、これに限定されるものではなく、同方向に回転させる場合でも同様の効果が得られる。また、環状の電極２２の形状も、突起部２３を除いた断面形状が中心軸に対して対称形である必要はなく、電極の中心部に生成されたナノファイバーが導かれ、集束されて撚られた糸条が通過する穴を有するものであれば良い。

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されたナノファイバーを回転する環状の電極に向けて旋回しつつ流動させて集束し、ナノファイバーに撚りをかけて糸条を製造するとともに、その際に電極の突起部から発生したイオン風にてナノファイバーの帯電電荷を中和させることで、電極にナノファイバーが付着するのを防止できるため、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かつ安定して製造することができ、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。

本発明のナノファイバー合糸装置における第１の実施形態の全体概略構成を示す斜視図。 同実施形態の縦断正面図。 同実施形態における回転電極部の拡大縦断面図。 本発明のナノファイバー合糸装置における第２の実施形態の全体概略構成を示す斜視図。 本発明のナノファイバー合糸装置における第３の実施形態の全体概略構成を示す斜視図。 各実施形態における電極の他の構成例を示す斜視図。 各実施形態における電極のさらに別の構成例を示す縦断面図。

符号の説明

１ ナノファイバー合糸装置
２ ナノファイバー
３ 紡糸ヘッド
４ 回転電極部
５ 芯糸
６ 芯糸供給手段
７ 糸条
８ 回収手段
９ 回転容器
１０ 小穴
１５ 容器回転手段
２０ 原料溶液
２２ 環状の電極
２３ 突起部
２７ 電極回転手段
２８ 高電圧発生手段（電界発生手段）
３１ 直線経路
３４ 旋回するイオン風
４１ 軸状電極
４２ 拡大頭部
４２ａ 貫通孔
４３ 突起部
４４ 電極
４５ 筒状壁
４６ 内部空間
４７ 突起部

Claims (16)

1. 小穴から原料溶液を流出させるとともに流出する原料溶液に電荷を帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、小穴に対して所定距離をあけて配置されるとともに小穴に対向する部位に少なくとも１つの突起部を有する環状の電極を接地又は原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加してその中心回りに回転させ、生成されたナノファイバーを回転する電極に向けて旋回流動させるとともに、電極の突起部にて生成されたイオン風にてナノファイバーの帯電電荷を中和させつつ集束して撚る撚り工程と、撚られたナノファイバーを回収する回収工程とを有することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
2. 小穴を、電極の回転軸心を延長した軸心回りに電極の回転方向と逆方向に回転させ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. 原料溶液を、電極の回転軸心を延長した軸心回りに回転する回転容器の外周に形成された複数の小穴から回転容器の回転に伴う遠心力の作用で流出させることを特徴とする請求項１又は２記載のナノファイバーの合糸方法。
4. 電極の回転軸心を通る直線経路を通して芯糸を供給する芯糸供給工程を有し、撚り工程は、集束するナノファイバーを芯糸に絡ませて撚りをかけ、回収工程は芯糸に絡まったナノファイバーを芯糸とともに回収することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
5. 芯糸は、小穴側から供給し、電極の中心部を通して回収することを特徴とする請求項４記載のナノファイバーの合糸方法。
6. 芯糸は、電極の中心部を通して供給し、小穴側で回収することを特徴とする請求項４記載のナノファイバーの合糸方法。
7. 電極は、小穴側の端部に拡大頭部を有する軸状電極からなり、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１〜６の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
8. 電極は、外周部に小穴側に向けて立ち上がる筒状壁を有するとともに、その内部空間の底部に突起部を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸方法。
9. 小穴から原料溶液を流出させる紡糸ヘッドと、小穴に対して所定距離をあけて配置されるとともに小穴に対向する部位に少なくとも１つの突起部を有する環状の電極と、紡糸ヘッドの小穴と電極の間に電位差を発生させて紡糸ヘッドから流出する原料溶液に電荷を帯電させ、帯電して流出した原料溶液を静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するとともに生成されたナノファイバーを電極に向けて流動させる電界発生手段と、電極をその中心回りに回転させる電極回転手段と、回転する電極にて集束されて撚りをかけられたナノファイバーを回収する回収手段とを備えたことを特徴とするナノファイバーの合糸装置。
10. 紡糸ヘッドは、小穴を有する回転容器と、回転容器を電極とは逆方向に回転させる容器回転手段とを備えていることを特徴とする請求項９記載のナノファイバーの合糸装置。
11. 紡糸ヘッドは、外周に複数の小穴が形成された回転容器と、回転に伴う遠心力の作用で原料溶液を小穴から流出させるように回転容器を回転させる容器回転手段とを備えていることを特徴とする請求項９又は１０記載のナノファイバーの合糸装置。
12. 電極の回転軸心を通る直線経路に沿って、紡糸ヘッドと電極を通して回収手段に向けて芯糸を供給する芯糸供給手段を設けたことを特徴とする請求項９又は１１の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸装置。
13. 芯糸供給手段は、芯糸を紡糸ヘッド側からその中心を通り、電極の中心を通して、電極に対して紡糸ヘッドとは反対側に配設された回収手段に向けて供給することを特徴とする請求項１２記載のナノファイバーの合糸装置。
14. 芯糸供給手段は、芯糸を電極側からその中心を通り、紡糸ヘッドの中心を通して、紡糸ヘッドに対して電極とは反対側に配設されて回収手段に向けて供給することを特徴とする請求項１２記載のナノファイバーの合糸装置。
15. 電極は、小穴側の端部に拡大頭部を有する軸状電極からなり、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９〜１４の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸装置。
16. 電極は、外周部に小穴側に向けて立ち上がる筒状壁を有するとともに、その内部空間の底部に突起部を有することを特徴とする請求項９〜１４の何れか１つに記載のナノファイバーの合糸装置。

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