JP2009531561A - 繊維の溶液紡糸方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、高速回転噴霧器（１０）を用いて紡糸液から繊維を形成するための方法に関する。この繊維を収集して、選択的バリアの最終用途のための均一なウェブにすることが可能である。１，０００ｎｍ未満の平均繊維径を有する繊維を製造することが可能である。

Description

本発明は、繊維および繊維ウェブを形成するための方法に関する。特に、微細繊維を、フィルタ、電池セパレータ、および通気性の医療衣などの選択的バリアの最終用途に有用な繊維ウェブへと作製および収集することが可能である。

成形用流体および電場とともに用いられる回転噴霧器は、目的とする装置をコーティングするために、塗料を霧化するのに有用である。回転噴霧器によって与えられる遠心力により、塗料を霧化させるのに十分なせん断が生成され、成形用流体および電場により、霧化された塗料が目的とする装置に吸い付けられる。この方法は、霧化された液滴を生成するために最適化されている。多過ぎる霧化された液滴が凝集して比較的大きな物体になると欠陥が生じる。先行技術では、霧化された液滴および大きくない物体の作製に向けて教示している。

微細繊維と、微細繊維から作製された繊維ウェブに対する必要性が高まっている。これらのタイプのウェブは、選択的バリアの最終用途に有用である。現在、微細繊維は、溶融紡糸「海島」断面繊維、スプリット繊維、いくつかのメルトブロー法、および電界紡糸法から作製される。微細繊維および均一な繊維ウェブを作製するための高処理量の方法が必要とされている。

本発明は、高速回転噴霧器を使用することによって、微細繊維および均一なウェブを作製するための高処理量の方法を提供する。

第１の実施形態では、本発明は、少なくとも１種の溶媒に少なくとも１種のポリマーを溶解させた紡糸液を、回転する円錐ノズルを有する回転噴霧器に供給する工程であって、ノズルが、窪んだ内側面と前方面吐出縁部とを有する工程と、ノズルの吐出縁部の前方面に向かって前記紡糸液を分配するように、窪んだ内側面に沿って回転噴霧器から紡糸液を放出する工程と、紡糸液から分離された繊維流れを形成する一方、溶媒が蒸発して、電場の非存在下でポリマー繊維を生成する工程とを含む繊維形成方法に関する。紡糸液を回転噴霧器から離れる方向に向けるために、成形用流体をノズルの周りに流すことが可能である。繊維をコレクタ上に収集して繊維ウェブを形成することが可能である。

第２の実施形態では、本発明は、少なくとも１種の溶媒に少なくとも１種のポリマーを溶解させた紡糸液を、回転する円錐ノズルを有する回転噴霧器に供給する工程であって、ノズルが、窪んだ内側面と前方面吐出縁部とを有する工程と、ノズルの吐出縁部の前方面に向かって前記紡糸液を分配するように、窪んだ内側面に沿って回転噴霧器から紡糸液を放出する工程と、紡糸液から分離された繊維流れを形成する一方、溶媒が蒸発して電場の存在下でポリマー繊維を生成する工程とを含む繊維形成方法に関する。紡糸液を回転噴霧器から離れる方向に向けるために、成形用流体をノズルの周りに流すことが可能である。繊維をコレクタ上に収集して繊維ウェブを形成することが可能である。

本発明は、回転噴霧器を用いて紡糸液から繊維を形成するための方法に関する。

この紡糸液は、少なくとも１種の溶媒に溶解された少なくとも１種のポリマーを含む。蒸発され得る溶媒に溶解することが可能な任意の繊維形成ポリマーを使用することができる。好適なポリマーとしては、ポリアルキレンオキシド、ポリ（メタ）アクリレート、ポリスチレンベースのポリマーおよびコポリマー、ビニルポリマーおよびコポリマー、フルオロポリマー、ポリエステルおよびコポリエステル、ポリウレタン、ポリアルキレン、ポリアミド、ポリアラミド、熱可塑性ポリマー、液晶ポリマー、エンジニアリングポリマー、生分解性ポリマー、バイオベースポリマー、天然ポリマー、ならびにタンパク質ポリマーが挙げられる。この紡糸液は、紡糸液中約１重量％〜約９０重量％のポリマーというポリマー濃度を有し得る。また、紡糸液の紡糸を助けるために、紡糸液を加熱または冷却することができる。一般に、約１０ｃＰ〜約１００，０００ｃＰの粘度を有する紡糸液が有用である。

図１は、紡糸液から繊維を形成するのに適した回転噴霧器１０のノズル部分の図である。紡糸液が、１種以上のポリマーを１種以上の溶媒に溶解させることによって調製される。この紡糸液は、回転噴霧器１０を通って軸方向に延在する供給管２０を通って送られる。紡糸液の処理量は、約１ｃｃ／分〜約５００ｃｃ／分である。紡糸液は、供給管２０を出ると、回転する円錐ノズル３０と接触するように向けられ、ノズルの前方面吐出縁部３４に達するまでノズルの窪んだ内側面３２に沿って移動する。円錐ノズル３０の回転速度は、約１０，０００ｒｐｍ〜約１００，０００ｒｐｍである。円錐ノズル３０は、本明細書で例示されるような釣鐘形状、カップ形状またはさらに切頭円錐形状を含む、一般に窪んだ内側面を有する任意の円錐様の形状であり得る。ノズルの窪んだ内側面３２の形状は、繊維の製造に影響を与え得る。ノズルの窪んだ内側面３２の断面は、直線状であってもまたは湾曲していてもよい。ノズルの前方面吐出縁部３４の形状もまた、繊維の製造に影響を与え得る。ノズルの前方面吐出縁部３４は、尖っていてもまたは丸みを帯びていてもよく、鋸歯状の縁またはギザギザ状の突起（ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｒｉｄｇｅ）を含み得る。任意に、円形の分配器４０を用いて、紡糸液を供給管２０からノズル３０の窪んだ内側面３２に向けるのを助けることができる。ノズルの回転速度は、紡糸液を、ノズルの窪んだ内側面３２に沿って、ノズルの前方面吐出縁部３４を越えて推進させて、分離した繊維流れを形成し、この繊維流れを遠心力によって吐出縁部から放出する。同時に、溶媒は、本発明の繊維が形成されるまで蒸発する。繊維をコレクタ（図示せず）上に収集して繊維ウェブを形成することが可能である。

任意に、図１は、（矢印によって示される）成形用流体をノズル３０の周りに誘導して、紡糸液を回転噴霧器１０から離れる方向に向ける成形用流体ハウジング５０を示す。成形用流体は気体であり得る。様々な気体を様々な温度で用いて、溶媒蒸発の速度を遅くしたりまたは速めたりして、製造される繊維のタイプに影響を与えることが可能である。このように、成形用気体は、溶媒蒸発の速度を最適化するために加熱または冷却することができる。使用するのに適した気体は空気であるが、繊維の形成に悪影響を与えない任意の他の気体を用いることができる。

任意に、本方法に電場を加えることができる。回転噴霧器とコレクタとの間に電位差を加えることができる。回転噴霧器またはコレクタのいずれかを、実質的に接地された他の部品を用いて帯電させることが可能であり、あるいは、それらの間に電位差がある限り、それらの両方を帯電させることが可能である。さらに、電極を回転噴霧器とコレクタとの間に配置することが可能であり、ここで、電極は、電極と回転噴霧器および／またはコレクタとの間に電位差が生じるように帯電される。電場は、約１ｋＶ〜約１５０ｋＶの電位差を有する。意外にも、電場は、平均繊維径にほとんど影響を与えないようであるが、より均一な繊維ウェブを生成するように、繊維が分離され、コレクタに向かって移動するのを助ける。

本方法により、１，０００ｎｍ未満およびより好ましくは約１００ｎｍ〜５００ｎｍの平均繊維径を有する微細繊維、好ましくは連続繊維を作製することが可能である。この繊維をコレクタ上に収集して繊維ウェブにすることが可能である。このコレクタは、自身と回転噴霧器または電極との間に電場を生成するために導電性であり得る。また、このコレクタは、真空装置の使用を可能にして、蒸発された溶媒および任意に成形用気体を繊維から引き離して、繊維ウェブを作製するために繊維をコレクタに固定するのを助けるために、多孔性であってもよい。スクリム上に直接繊維を収集できるようにスクリム材料をコレクタ上に置いて、それによって複合材料を作製することが可能である。例えば、スパンボンド不織布をコレクタ上に置いて、繊維をスパンボンド不織布上に付着させることが可能である。このようにして、複合不織布材料を製造することが可能である。

試験方法
上記の説明および次の非限定的な実施例では、以下の試験方法を用いて、様々な報告された特徴および特性を測定した。

２０ｍｍの平行板が装備されたＴｈｅｒｍｏ ＲｈｅｏＳｔｒｅｓｓ ６００レオメータで粘度を測定した。２３℃において０秒^-1から１，０００秒^-1まで連続的にせん断速度を上昇させて４分間にわたってデータを収集し、１０秒^-1におけるｃＰで報告した。

以下のように繊維径を測定した。各ナノ繊維層試料の５，０００倍の倍率における１０枚の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を撮影した。各ＳＥＭ画像から１１個の明らかに区別できるナノ繊維の直径を測定し、報告した。欠陥（すなわち、ナノ繊維の塊、ポリマー液滴、ナノ繊維の交差部分）は含まれていなかった。各試料の平均繊維径を計算し、ナノメートル（ｎｍ）で報告した。

これより、以下の実施例において本発明をより詳細に説明する。

実施例１には、電場を用いない、ポリ（エチレンオキシド）連続繊維の作製が記載されている。実施例２には、電場を用いた、ポリ（エチレンオキシド）連続繊維の作製が記載されている。実施例３には、電場を用いた、ポリ（ビニルアルコール）連続繊維の作製が記載されている。

実施例１
高い電圧、タービン速度および成形用空気制御のための標準Ａｅｒｏｂｅｌｌ回転霧化器ならびに制御エンクロージャ（ＩＴＷ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ製）を用いて連続繊維を作製した。用いられる釣鐘形状のノズルは、ＩＴＷ Ｒａｎｓｂｕｒｇ部品番号ＬＲＰＭ４００１−０２であった。粘度平均分子量（Ｍｖ）が約３００，０００の、１０．０重量％のポリ（エチレンオキシド）の紡糸液、０．１重量％の塩化ナトリウム、および８９．９重量％の水を均一になるまで混合し、供給管を通って回転霧化器に送達するためにＢｉｎｋｓ ８３Ｃ−２２０圧力タンクに注ぎ入れた。圧力タンクへの圧力を、一定の１５ｐｓｉに設定した。これにより約２ｃｃ／分の流量が生じた。成形用空気を一定の３０ｐｓｉに設定した。軸受空気を一定の９５ｐｓｉに設定した。タービン速度を一定の４０，０００ｒｐｍに設定した。この試験中に電場を用いなかった。ステンレス鋼の板金によって釣鐘形状のノズルから１０インチ離れて所定の位置に保持されたＲｅｅｍａｙ不織布収集スクリーン上に繊維を収集した。走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を用いて画像から繊維の大きさを測定し、決定したところ、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であり、平均繊維径が約４１５ｎｍであった。繊維のＳＥＭ画像は図２ａに見られる。図２ｂは、この実施例にしたがってＲｅｅｍａｙスクリム上に紡糸された繊維の分布を示すＳＥＭ画像である。

実施例２
電場をかけた以外は実施例１と同様に実施例２を調製した。高電圧ケーブルを回転霧化器の後部の高電圧ラグに取り付けることによって、回転霧化器に直接電場をかけた。釣鐘形状のノズルへの最も近いグランドがＲｅｅｍａｙ収集ベルトを裏打ちしているステンレス鋼の板金であるように、大きなＴｅｆｌｏｎスタンドを用いて回転霧化器をグランドから完全に絶縁した。電流制御モードで＋５０ｋＶの電源を用いて、電流を０．０２ｍＡに設定した。約３５ｋＶの高電圧をかけた。繊維の配置（ｌａｙ ｄｏｗｎ）は、被覆範囲が収集領域にわたって非常に均一であった点で実施例１よりはるかに良好であった。ＳＥＭを用いて画像から繊維の大きさを測定し、決定したところ、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であり、平均繊維径が約３５０ｎｍであった。繊維のＳＥＭ画像は図３ａに見られる。図３ｂは、この実施例にしたがってＲｅｅｍａｙスクリム上に紡糸された繊維の分布を示すＳＥＭ画像である。

実施例３
Ｂｅｈｒ回転霧化器の６５ｍｍの「Ｅｃｏ Ｂｅｌｌ」という鋸歯状の釣鐘形状のノズルを用いて連続繊維を作製した。１５重量％のＥｖａｎｏｌ ８０−１８ポリ（ビニルアルコール）の紡糸液および水を均一になるまで混合し、供給管を通って回転霧化器に送達するために圧力タンクに注ぎ入れた。紡糸液の粘度は、２３℃において２，０００ｃＰであった。圧力タンクへの圧力は、一定の圧力に設定され、その結果、流量を測定したところ、１７ｃｃ／分であった。成形用空気を１００ＳＬ／分に設定した。タービン速度を一定の５０，０００ｒｐｍに設定した。回転霧化器に直接電場をかけ、高電圧を５０ｋＶに設定した。接地されたステンレス鋼の板金によって釣鐘形状のノズルから２１インチ離れて所定の位置に保持されたスパンボンド／メルトブローン／スパンボンド（ＳＭＳ）複合不織布収集スクリーン上に繊維を収集した。ＳＥＭを用いて画像から繊維の大きさを測定し、決定したところ、１００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲であり、平均繊維径が４１５ｎｍであった。繊維のＳＥＭ画像は図４に見られる。

本発明に使用するのに適した繊維を形成するための回転噴霧器のノズル部分の図である。 本発明の方法にしたがって、電場を用いずに作製されたポリ（エチレンオキシド）繊維の走査電子顕微鏡写真である。 収集スクリム上に分布されたときの、図２ａの繊維の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の方法にしたがって、電場を用いて作製されたポリ（エチレンオキシド）繊維の走査電子顕微鏡写真である。 収集スクリム上に分布されたときの、図２ａの繊維の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の方法にしたがって、電場を用いて作製されたポリ（ビニルアルコール）繊維の走査電子顕微鏡写真である。

Claims (32)

1. 少なくとも１種の溶媒に少なくとも１種のポリマーを溶解させた紡糸液を、回転する円錐ノズルを有する回転噴霧器に供給する工程であって、前記ノズルが、窪んだ内側面と前方面吐出縁部とを有する工程と、
   前記ノズルの吐出縁部の前方面に向かって前記紡糸液を分配するように、前記窪んだ内側面に沿って前記回転噴霧器から前記紡糸液を放出する工程と、
   前記紡糸液から分離された繊維流れを形成する一方、前記溶媒が蒸発して、電場の非存在下でポリマー繊維を生成する工程と
   を含む繊維形成方法。
2. 前記ポリマーが、ポリアルキレンオキシド、ポリ（メタ）アクリレート、ポリスチレンベースのポリマーおよびコポリマー、ビニルポリマーおよびコポリマー、フルオロポリマー、ポリエステルおよびコポリエステル、ポリウレタン、ポリアルキレン、ポリアミド、ポリアラミド、熱可塑性ポリマー、液晶ポリマー、エンジニアリングポリマー、生分解性ポリマー、バイオベースポリマー、天然ポリマー、ならびにタンパク質ポリマーを含む群から選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記紡糸液が、約１重量％のポリマーから約９０重量％のポリマーの、溶媒に溶解されたポリマーの濃度を有する請求項１に記載の方法。
4. 前記紡糸液が加熱または冷却可能である請求項１に記載の方法。
5. 前記紡糸液が約１０ｃＰ〜約１００，０００ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の方法。
6. 前記紡糸液が約１ｃｃ／分〜約５００ｃｃ／分の処理量で供給される請求項１に記載の方法。
7. 前記ノズルの回転速度が約１０，０００ｒｐｍ〜約１００，０００ｒｐｍである請求項１に記載の方法。
8. 前記繊維が約１，０００ｎｍ未満の平均繊維径を有する請求項１に記載の方法。
9. 前記平均繊維径が約１００ｎｍ〜約５００ｎｍである請求項８に記載の方法。
10. 前記紡糸液を前記回転噴霧器から離れる方向に向けるために前記ノズルの周りに成形用流体を流す工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
11. 前記成形用流体が気体を含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記気体が空気である請求項１１に記載の方法。
13. コレクタ上に前記繊維を収集して、繊維ウェブを形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
14. 前記コレクタに真空をかけて前記繊維を前記コレクタ上に引き付けて、繊維ウェブを形成する工程をさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 少なくとも１種の溶媒に少なくとも１種のポリマーを溶解させた紡糸液を、回転する円錐ノズルを有する回転噴霧器に供給する工程であって、前記ノズルが、窪んだ内側面と前方面吐出縁部とを有する工程と、
    前記ノズルの吐出縁部の前方面に向かって前記紡糸液を分配するように、前記窪んだ内側面に沿って前記回転噴霧器から前記紡糸液を放出する工程と、
    前記紡糸液から分離された繊維流れを形成する一方、前記溶媒が蒸発して電場の存在下でポリマー繊維を生成する工程と
    を含む繊維形成方法。
16. 前記ポリマーが、ポリアルキレンオキシド、ポリ（メタ）アクリレート、ポリスチレンベースのポリマーおよびコポリマー、ビニルポリマーおよびコポリマー、フルオロポリマー、ポリエステルおよびコポリエステル、ポリウレタン、ポリアルキレン、ポリアミド、ポリアラミド、熱可塑性ポリマー、液晶ポリマー、エンジニアリングポリマー、生分解性ポリマー、バイオベースポリマー、天然ポリマー、ならびにタンパク質ポリマーを含む群から選択される請求項１５に記載の方法。
17. 前記紡糸液が、約１重量％のポリマーから約９０重量％のポリマーの、溶媒に溶解されたポリマーの濃度を有する請求項１５に記載の方法。
18. 前記紡糸液が加熱または冷却可能である請求項１５に記載の方法。
19. 前記紡糸液が約１０ｃＰ〜約１００，０００ｃＰの粘度を有する請求項１５に記載の方法。
20. 前記紡糸液が約１ｃｃ／分〜約５００ｃｃ／分の処理量で供給される請求項１５に記載の方法。
21. 前記ノズルの回転速度が約１０，０００ｒｐｍ〜約１００，０００ｒｐｍである請求項１５に記載の方法。
22. 前記繊維が約１，０００ｎｍ未満の平均繊維径を有する請求項１５に記載の方法。
23. 前記平均繊維径が約１００ｎｍ〜約５００ｎｍである請求項２２に記載の方法。
24. 前記電場が約１ｋＶ〜約１５０ｋＶの電位差を有する請求項１５に記載の方法。
25. 前記紡糸液を前記回転噴霧器から離れる方向に向けるために前記ノズルの周りに成形用流体を流す工程をさらに含む請求項１５に記載の方法。
26. 前記成形用流体が気体を含む請求項２５に記載の方法。
27. 前記気体が空気である請求項２６に記載の方法。
28. コレクタ上に前記繊維を収集して繊維ウェブを形成する工程をさらに含む請求項１５に記載の方法。
29. 前記コレクタに真空をかけて前記繊維を前記コレクタ上に引き付けて、繊維ウェブを形成する工程をさらに含む請求項２８に記載の方法。
30. 電位差が前記回転噴霧器と前記コレクタとの間で維持される請求項２８に記載の方法。
31. 電位差が、前記回転噴霧器と、前記回転噴霧器と前記コレクタとの間に配置される電極との間で維持される請求項２８に記載の方法。
32. 電位差が、前記コレクタと、前記回転噴霧器と前記コレクタとの間に配置される電極との間で維持される請求項２８に記載の方法。

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