JP2010084306A - 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均質な糸条を安定して生産性よく製造する。
【解決手段】所定の芯糸移動経路５に芯糸６回転させながら供給し、芯糸移動経路５の周囲に配置したナノファイバー生成手段２にて、少なくとも１つの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、電荷誘導紡糸現象にて延伸させてナノファイバー３を生成し、芯糸帯電手段１０にて芯糸６にナノファイバー３の帯電極性とは逆極性の電圧を印加若しくは接地し、生成されたナノファイバー３を回転する芯糸６に巻き付け、芯糸６にナノファイバー３が巻き付いた糸条８を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、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（以下、このような現象を、電荷誘導紡糸現象と記載する。）。

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。

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。

さらに、このような問題を解決するため、図１４に示すようなナノファイバー合糸装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。図１４において、ナノファイバー合糸装置７１は、ナノファイバー生成手段７２と、収集電極７３と、芯糸供給手段７４と、回収手段７５を備えている。ナノファイバー生成手段７２は、垂直な軸芯周りに回転自在に支持され、周面に小穴７７が多数形成されている円筒容器７６と、円筒容器７６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７６に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段７８と、円筒容器７６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７６の上部に配設された反射電極７９と、反射電極７９に円筒容器７６と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段８０とを備え、円筒容器７６の小穴７７から流出した高分子溶液を遠心力と電荷誘導紡糸現象にて延伸させてナノファイバー８１を生成し、生成されたナノファイバー８１を反射電極７９にて円筒容器７６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７３は円板状で、円筒容器７６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８１が貫通する貫通孔８２を有しており、第３の高電圧発生手段８３にて円筒容器７６や反射電極７９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７３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７４は、ナノファイバー生成手段７２の上方に配設され、芯糸８４を繰り出して円筒容器７６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７５は、収集電極７３の下方に配設され、撚られて収束した糸条８５を収集電極７３の貫通孔８２を貫通させて回収するように構成されている。

作用を説明すると、ナノファイバー生成手段７２の円筒容器７６内に高分子溶液を供給しつつ円筒容器７６を高速で回転駆動すると、円筒容器７６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７７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〜三次等に至る電荷誘導紡糸現象にて爆発的に延伸されてナノファイバー８１が効率的に製造され、生成されたナノファイバー８１は反射電極７９にて円筒容器７６の下方に向けて円筒容器７６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８１は、下方に配設された収集電極７３に向けて強く吸引され、かつその収集電極７３がナノファイバー８１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８１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８５が形成される。形成された糸条８５は、収集電極７３の中心部の貫通孔８２を通り、回収手段７５にて回収される。
特開２００２−２０１５５９号公報 特表２００６−５０７４２８号公報 特開２００８−１６３５３９号公報

ところが、図１４に示したような構成でも、ナノファイバー生成手段７２に対向させて大きな面積の平板状の収集電極７３を配置しているので、ナノファイバー生成手段７２と収集電極７３間に発生する電気力線が収集電極７３の全面に広がって形成され、この電気力線に沿ってナノファイバー８１が流動しようとすることで、芯糸８４に巻き付くナノファイバー８１の量が少なく糸条８５の製造効率が悪く、かつナノファイバー８１が芯糸８４に巻き付く位置が一定せず、そのため生成される糸条８５の太さが一定せず、糸条８５の太さにばらつきが発生するという問題のあることが判明した。

さらに、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しかつ最大外径が紡糸ヘッドとの間の距離の１／１０以下の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、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ようにし、紡糸ヘッドから収集電極の軸芯部の周囲に収束する電気力線を安定して形成し、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をこの電気力線に沿って流動させて収集電極の軸芯部に安定して集束させ、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合糸する方法も提案されている（特願２００７−２３４７６２号参照）。

このように生成されたナノファイバーを紡糸ヘッドとの間の距離の１／１０以下の最大外径の収集電極に向けて集束しつつ流動させると、上記問題をかなり改善することができるが、やはりナノファイバーの一部が芯糸に巻き付かずに周囲に飛散し、芯糸に巻き付くナノファイバーの量を所望量まで増加させることができず、また集束箇所が面状ないし線状に連続しているために集束点が安定せず、その結果ナノファイバーの集束状態が不安定となって芯糸への巻き付きにばらつきが発生し、均質な糸条を安定して生産性よく製造することができず、また小穴を回転させてその遠心力で原料溶液を流出させてナノファイバーを生成する構成では、原料溶液の組成や粘度等に応じてナノファイバーを効率的に生成できる回転数が規制され、その回転数によって芯糸に対する巻き付き状態が規制され、所望の性状の糸条を得ることができない等の問題のあることも判明した。

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かつ均質な糸条を安定して生産性よく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、芯糸を回転させながら所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給工程と、芯糸移動経路の周囲に配置した少なくとも１つの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、前記原料溶液を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、芯糸にナノファイバーの帯電極性とは逆極性の電圧を印加する若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを回転する芯糸に巻き付ける合糸工程と、芯糸にナノファイバーが巻き付いた糸条を回収する回収工程とを有するものである。

なお、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。さらに、原料溶液に無機質固体材料を混入することも可能である。また、小穴は、固定配置しても、芯糸の回転方向と逆方向に芯糸の回りに回転させても良い。

上記構成によれば、芯糸が回転しながら芯糸移動経路に供給されて移動している状態で、芯糸移動経路の周囲の小穴から原料溶液が帯電して流出することで、前記原料溶液が延伸されてナノファイバーが生成されるとともに、芯糸がナノファイバーとは逆極性の電圧を印加若しくは接地されていることで、生成されたナノファイバーは直に安定して芯糸に向けて移動し、回転している芯糸に絡んで確実に巻き付くので、生成されたナノファイバーが確実にかつ均等に芯糸に巻き付いた糸条が合糸され、こ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安定して生産性よく製造することができる。

また、ナノファイバー生成工程において、芯糸移動経路の周囲に配置した複数の小穴から、または芯糸移動経路の移動方向に沿って配置した複数の小穴から原料溶液を流出させてナノファイバーを生成すると、多量のナノファイバーを芯糸に一度に巻き付けることができて糸条の製造効率を向上することができる。

また、芯糸移動経路の周囲に複数の小穴を配置した場合に複数の小穴から異なった組成の原料溶液を流出させると、性質の異なるナノファイバーが混紡された糸条を製造することができ、芯糸移動経路の移動方向に沿って複数の小穴を配置した場合に複数の小穴から異なった組成の原料溶液を流出させると、性質の異なる複数のナノファイバー層が積層された糸条を製造することができる。

また、複数の非導電性の糸を撚り合わせた芯糸を使用し、芯糸に導電性溶液を浸み込ませて芯糸に導電性を付与する工程を有すると、芯糸として非導電性の糸を用いながら芯糸を帯電若しくは接地することができ、芯糸が導電性を有する材質に限定されず、芯糸の性状に制限を受けないため、制約を受けずに所望の特性の糸条を製造することができる。

また、合糸工程後に、糸条を乾燥させる乾燥工程を有すると、導電性溶液が蒸発されて回収時には糸条の導電性が無くなっているので、高電圧が印加されず、安全上問題のない糸条を回収することができて好適である。

また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、芯糸を回転させながら所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給手段と、芯糸移動経路の周囲に配置されて原料溶液を流出させる少なくとも１つの小穴を有し、流出する原料溶液に電荷を帯電させ、前記原料溶液を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手段と、芯糸に原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加する芯糸帯電手段若しくは芯糸を接地する接地手段と、芯糸にナノファイバーが巻き付いた糸条を回収する回収手段とを備えたものである。

この構成によると、芯糸供給手段にて芯糸を回転させながら所定の芯糸移動経路に供給し、ナノファイバー生成手段にて芯糸の周囲の小穴から原料溶液を帯電して流出させることで、前記原料溶液が延伸されてナノファイバーが生成され、生成したナノファイバーが、その帯電電荷とは逆極性の電圧を印加され若しくは接地されている芯糸に向けて流動し、回転している芯糸に絡んで確実に巻き付くので、生成されたナノファイバーが確実にかつ均等に芯糸に巻き付いた糸条が合糸され、この糸条を回収手段にて回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を安定して生産性よく製造することができる。

また、ナノファイバー生成手段が、複数の小穴が芯糸の周囲若しくは芯糸の移動方向又は芯糸の周囲及び芯糸の移動方向の両方に配置された構成であると、多量のナノファイバーを芯糸に一度に巻き付けることができて糸条の製造効率を向上することができる。また、複数の小穴から異なった組成の原料溶液を流出させると、性質の異なるナノファイバーが混紡された糸条や性質の異なる複数のナノファイバー層が積層された糸条を製造することができる。

また、芯糸が、導電性を有する糸にて構成されていると、芯糸を容易かつ安定して所要の電圧を印加した状態若しくは接地した状態とすることができて、ナノファイバーの巻き付き作用を安定して確保することができる。なお、導電性を有する糸としては、導電性アクリル系合成繊維のマルチフィラメントから成る糸や、カーボンナノチューブ製のフィラメントから成る糸などが好適であるが、導電性のない繊維から成る芯糸の中に１本以上の導電性の繊維状体を配置したものでも良い。

また、芯糸が、複数の非導電性の糸を撚り合わせて構成され、その芯糸に導電性溶液を浸み込ませる導電性溶液付与手段を有した構成としても、芯糸を容易かつ安定して所要の電圧を印加した状態若しくは接地した状態とすることができて、ナノファイバーの巻き付き作用を安定して確保することができる。なお、導電性溶液としては、例えばカルキを含んだ水で良く、その他、電解質を溶解した水溶液が好適に適用される。また、その導電性とは、ある程度の抵抗が有していても、適所で数ｋＶ〜数１０ｋＶの高電圧を印加することで、芯糸移動経路上の芯糸がその近傍の電位となるものであれば良い。

また、導電性溶液付与手段を有している場合に、糸条を乾燥させる乾燥手段を設けると、導電性溶液が蒸発されて回収時には糸条の導電性が無くなっているので、高電圧が印加されず、安全上問題のない糸条を回収することができて好適である。

本発明のナノファイバーの合糸方法及び装置によれば、芯糸が回転しながら芯糸移動経路を移動し、かつその芯糸に電圧が印加され若しくは接地されている状態で、芯糸移動経路の周囲の小穴から原料溶液を帯電させて流出させることで、流出した原料溶液に電荷誘導紡糸現象が生じてナノファイバーが生成されるとともに、生成されたナノファイバーが直に安定して芯糸に向けて移動し、回転している芯糸に絡み、確実に巻き付いて糸条が合糸されるので、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生産性よく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及び装置の各実施形態について、図１〜図１３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５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、電荷誘導紡糸現象によってナノファイバー３を生成するナノファイバー生成手段２と、上部ガイド４ａと下部ガイド４ｂとの間に形成された垂直な芯糸移動経路５とを備え、ナノファイバー生成手段２は、芯糸移動経路５の周囲の一側方に配設されて、芯糸移動経路５に向けてナノファイバー３を生成して送出するように構成されている。上部ガイド４ａの上部には、芯糸６を回転させながら芯糸移動経路５に供給する芯糸供給手段７が配設され、下部ガイド４ｂの下部には、芯糸６にナノファイバー３を巻き付けて合糸された糸条８を上記芯糸６と糸条８の回転を確保しつつ回収する回収手段９が配設されている。

上部ガイド４ａの下部には、芯糸６に数ｋＶ〜数１０ｋＶの高電圧を帯電させる芯糸帯電手段１０が配設されている。芯糸６を帯電させるため、芯糸６には導電性アクリル系合成繊維のマルチフィラメントから成る糸や、カーボンナノチューブ製のフィラメントから成る糸などが好適に用いられる。なお、導電性のない繊維から成る芯糸の中に１本以上の導電性の繊維状体を配置したものを用いることもできる。芯糸帯電手段１０は、芯糸６に接触して帯電させる帯電電極１１と高電圧を発生する第１の高電圧発生手段１２にて構成されている。また、芯糸移動経路５におけるナノファイバー生成手段２に対向する領域１３の上部と下部には、それぞれ絶縁手段１４ａ、１４ｂが配設され、帯電された芯糸６とナノファイバー生成手段２との間に発生する電界が外部に漏れ難いようにして、ナノファイバー生成手段２から芯糸６に直に向かう電気力線が形成されるように構成されている。絶縁手段１４ａ、１４ｂは、芯糸移動経路５の周囲を取り囲む絶縁筒体１５とその外周からナノファイバー生成手段２に向けて延設された遮蔽板１６にて構成され、それぞれ絶縁材料から成っている。

芯糸供給手段７は、図２に示すように、芯糸６を巻回した芯糸リール１７と、モータなどの回転手段１８と、回転手段１８の下方に突出された回転軸１８ａの下端に装着され、先端にガイドローラ１９ａが設けられた巻戻しアーム１９とを備えている。芯糸リール１７は、回転軸１８ａに軸受２０を介して回転自在に支持されるとともに、連動手段２１を介して連動して回転しかつ所定の回転力を受けると相対回転するように構成されている。連動手段２１は、芯糸リール１７に固定されたフランジ２２と、フランジ２２の内周と回転軸１８ａの外周との間に圧縮状態で介装されたＯリングなどの摩擦部材２３にて構成されている。かくして、芯糸リール１７から引き出した芯糸６をガイドローラ１９ａに巻き掛けて上部ガイド４ａに向けて繰り出した状態で、回転手段１８を回転させると、巻戻しアーム１９が同期回転してその回転数で芯糸６が回転し、かつ芯糸６が引き出されると供給リール１７が摩擦力に抗して回転軸１８ａに対して相対回転する。回転手段１８の回転速度は、例えば数１００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ程度で、芯糸６はその回転速度で回転する。

回収手段９は、図３に示すように、製造された糸条８を巻き取って回収する回収リール２４と、中空回転軸２５ａを有するモータなどの回転手段２５と、中空回転軸２５ａ内に軸受２６を介して回転自在に支持された回転軸２７と、中空回転軸２５ａと回転軸２７を変速可能に連動させる無段変速機などの可変連動手段２８と、中空回転軸２５ａよりも上方に突出した回転軸２７の上端に装着され、先端にガイドローラ２９ａが設けられた巻取りアーム２９とを備えている。回収リール２４は、回転手段２５の上方に突出された中空回転軸２５ａの上部に固定され、可変連動手段２８は、回転手段２５の下部に配設されるとともに、中空回転軸２５ａの回転を入力とし、その回転速度を適宜に減速して回転軸２７に出力するように構成されている。かくして、回転手段２５を、芯糸供給手段７の回転手段１８の回転速度よりも若干高速で回転させ、可変連動手段２８にて減速して回転軸２７を回転手段１８と同じ回転速度で回転させることにより、巻戻しアーム１９と巻取りアーム２９が同期して回転し、上部ガイド４ａと下部ガイド４ｂの間の芯糸移動経路５で芯糸６及び糸条８が回転し、かつそれより高速で回転する中空回転軸２５ａにて回収リール２４が回転することで糸条８及び芯糸６が回収リール２４に巻き取られ、またその分だけ供給リール１７が巻き戻す方向に回転軸１８ａに対して相対回転することで芯糸６及び糸条８が芯糸移動経路５を下方に向けて移動し、芯糸６が回転しながら芯糸移動経路５に供給される。回転手段２５の回転速度は、回収リール２４による糸条８の巻取り速度が、例えば数ｍｍ〜数１００ｃｍ／ｓｅｃ程度になるように回収リール２４の巻取径に応じて調整設定され、かつ可変連動手段２８にて回転軸２７の回転速度が回転手段１８と同速となるように制御される。

ナノファイバー生成手段２は、図４に示すように、ナノファイバー３の原料溶液を下方に向けて線状に流出する小穴を形成する複数のノズル部材３１を備えた紡糸ヘッド３０と、紡糸ヘッド３０の下方に対向して配設された電界生成電極３２と、第１の高電圧発生手段１２とは逆極性の高電圧を発生する第２の高電圧発生手段３３と、紡糸ヘッド３０と電界生成電極３２の間の空間に対して芯糸移動経路５とは反対側の側部に配設され、芯糸移動経路５に向かう気流を形成する送風手段３４と、紡糸ヘッド３０にナノファイバー３の原料溶液を供給する原料溶液供給手段３５とを備えている。原料溶液供給手段３５は、貯留容器３６内に貯留されている原料溶液を送給ポンプ３７にて供給管３８を通して紡糸ヘッド３０に供給するように構成されている。図示例では、第２の高電圧発生手段３３で発生した高電圧を紡糸ヘッド３０に印加し、電界生成電極３２を接地してそれらの間に電界を発生させている。また、紡糸ヘッド３０と電界生成電極３２の間の空間と芯糸移動経路５と間には、風洞形成部材３９が配設されている。この風洞形成部材３９は遮蔽板１６と兼用することができる。

この構成においては、紡糸ヘッド３０に対して第２の高電圧発生手段３３にて正極の高電圧が印加され、電界生成電極３２が接地されているので、それらの間に生成した電界によってノズル部材３１から線状に流出する原料溶液に正極の電荷が帯電され、原料溶液中の溶媒の蒸発に伴って１次〜３次、場合によってはそれ以上の次数の電荷誘導紡糸現象が発生して正極に帯電したナノファイバー３が生成されつつ電界生成電極３２に向けて流動するとともに、送風手段３４にて流動方向が偏向されて負極に帯電した芯糸６に向けて流動する。なお、紡糸ヘッド３０を接地し、電界生成電極３２を負極の高電圧を印加しても良い。

また、ナノファイバー生成手段２としては、図５に示すような構成のものを採用することもできる。図５において、紡糸ヘッド４０は、水平な軸芯周りに回転自在に支持され、周面に直径が０．０１〜２ｍｍ程度の小穴４２が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている円筒容器にて構成された回転容器４１にて構成されている。小穴４２に代えて短寸のノズル部材を配置し、そのノズル穴を小穴４２としても良い。この回転容器４１を、支持体（図示せず）に軸受け（図示せず）で支持された回転軸４３を介してモータなどの回転手段４４にて高速で回転させるように構成されている。回転容器４１内に原料溶液供給手段３５にて原料溶液を供給して高速回転させることで、回転容器４１内の原料溶液が遠心力にて小穴４２から線状に流出される。回転容器４１の周囲には、その周面から適当な距離をあけて対向するようにリング状の電界生成電極４５が配設されている。図示例では、回転容器４１が接地されるとともに、電界生成電極４５に第３の高電圧発生手段４６で発生した高電圧が印加されており、回転容器４１と電界生成電極４５の間の空間に生成された電界によって、小穴４２から流出した線状の原料溶液に電荷誘導紡糸現象が生じ、ナノファイバー３が生成される。回転手段４４の前面には送風ファン４７が配設され、発生された気流が送風路４８を通して回転容器４１と電界生成電極４５の間の空間に導入され、生成されつつある若しくは生成されたナノファイバー３が芯糸移動経路５に向けて流動される。電界生成電極４５と芯糸移動経路５の間には、風洞形成部材４９が配設されている。この風洞形成部材４９は遮蔽板１６と兼用することができる。

この構成においては、回転容器４１の少なくとも小穴４２の近傍と電界生成電極４５との間に生成した電界によって小穴４２に正極の電荷が誘導され、その電荷が小穴４２から流出する原料溶液に帯電され、原料溶液中の溶媒の蒸発に伴って１次〜３次、場合によってはそれ以上の次数の電荷誘導紡糸現象が発生して正極に帯電したナノファイバー３が生成され、負極に帯電した芯糸６に向けて流動する。なお、第３の高電圧発生手段４６にて回転容器４１に正極の高電圧を印加し、電界生成電極４を接地電位としても良いが、回転手段４４に連結されている回転容器４１を接地電位にした方が絶縁構成が簡単となるので好ましい。

原料溶液は、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、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、溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量が約６０％から９８％の間が望ましい。

また、原料溶液には、高分子物質と溶媒のほかに無機質固体材料を混入することも可能である。この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が、耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。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。このようにＴｉＯ２などの無機質固体材料を混入することで、防臭・抗菌機能や各種触媒機能を奏する機能性ナノファイバーから成る糸条８を製造することができ、衣類やその他の繊維製品に有用である。

以上の構成によれば、芯糸供給手段７と回収手段９にて芯糸６を回転させながら芯糸移動経路５に供給するとともに、芯糸移動経路５を移動する芯糸６に対して芯糸帯電手段１０にて負極の高電圧を帯電させているので、芯糸移動経路５の側部に配設されたナノファイバー生成手段２にて正極に帯電して生成されたナノファイバー３は芯糸移動経路５に向けて流動し、直に安定して芯糸６に向けて移動し、回転している芯糸６に絡んで確実に巻き付くことになる。かくして、生成されたナノファイバー３が確実にかつ均等に芯糸６に巻き付いた糸条８が合糸され、この糸条８が回収手段９にて回収されることで、ナノファイバー３から成る高強度で均質な糸条８が安定して生産性よく製造される。

なお、以上の説明では芯糸６を負極に帯電させ、ナノファイバー生成手段２にて生成されるナノファイバー３は正極に帯電される例を示したが、逆に芯糸６を正極に帯電させ、ナノファイバー３は負極に帯電されるようにしても良く、その場合、図４、図５に示したナノファイバー生成手段２の構成における紡糸ヘッド３０や電界生成電極４５に対する印加電圧の極性を逆極性とすればよい。また、回収手段９の手前に除電手段を配置して、回収手段９にて糸条８を回収する前に帯電した電荷を除去するようにしてもよい。

（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６〜図８を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、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。

本実施形態は、上記第１の実施形態と芯糸供給手段７及び回収手段９の構成が異なるとともに、上部ガイド４ａと下部ガイド４ｂに代えて上部と下部の回転手段５０ａ、５０ｂを配設している。本実施形態において、芯糸供給手段７は、芯糸リール５１に巻回した芯糸６を引き出し、芯糸移動経路５の直上に配置したガイドローラ５２を介して芯糸移動経路５に芯糸６を供給するように構成され、回収手段９は、芯糸移動経路５の直下に配置したガイドローラ５３を介して芯糸移動経路５を移動してきた糸条８を回収リール５４に巻き取って回収するように構成され、回収リール５４若しくは芯糸リール５１と回収リール５４の両方を回転手段（図示せず）にて芯糸６の移動速度に対応した速度で回転駆動するように構成されている。

上部と下部の回転手段５０ａ、５０ｂは、図７に示すように、支持筒体５５にて軸受５６を介して中空回転軸５７が回転自在に支持されるとともに、中空回転軸５７に固定したプーリ５８に巻掛回転手段５９のベルト５９ａを巻き掛けることで、中空回転軸５７を回転するように構成されている。芯糸移動経路５が中空回転軸５７の軸芯位置を通って芯糸６や糸条８が貫通され、かつ中空回転軸５７の内周に、芯糸６や糸条８の軸芯方向の移動は許容し、特に回転方向の移動に対して適当な摩擦抵抗を与える弾性摩擦部材６０が設けられている。かくして、巻掛回転手段５９を駆動することで中空回転軸５７が回転し、それに伴って芯糸移動経路５上の芯糸６や糸条８が回転される。

上部と下部の回転手段５０ａ、５０ｂの他の構成例として、図８に示すように、中空回転軸６２を有するモータ６１を適用し、その中空回転軸６２の内周に弾性摩擦部材６０を配設した構成とし、芯糸６や糸条８の軸芯方向の移動は許容し、回転方向の移動に対して適当な摩擦抵抗を与えるようにしても良い。

本実施形態の構成によっても、第１の実施形態と同様にナノファイバー３が確実にかつ均等に芯糸６に巻き付いた糸条８が合糸され、この糸条８が回収手段９にて回収されることで、ナノファイバー３から成る高強度で均質な糸条８が安定して生産性よく製造される。

（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９を参照して説明する。

上記第１の実施形態では、芯糸６が導電性を有し、芯糸６に帯電電極１１を接触させて帯電させるようにした例を示したが、本発明は芯糸６が導電性を有するものに限定されるものではなく、本実施形態では、図９に示すように、芯糸６として複数の非導電性の糸を撚り合わせたものを使用し、その芯糸６に導電性溶液６３を浸み込ませる導電性溶液付与手段６４が上部ガイド部４ａと帯電手段１０の帯電電極１１との間に配設されている。導電性溶液付与手段６４は、具体的には、導電性溶液６３を貯留した容器６４ａと、容器６４ａに一部が浸漬されるとともに外周面が芯糸６に接して回転する塗布ローラ６４ｂと、塗布ローラ６４ｂとの間で芯糸６を挟持するバックアップローラ６４ｃにて構成されている。導電性溶液６３としては、例えばカルキを含んだ水で良く、その他、電解質を溶解した水溶液が好適に適用される。なお、ここで言う導電性とは、ある程度の抵抗が有していても、数ｋＶ〜数１０ｋＶの高電圧を印加した状態でその近傍の電位となるものであれば良い。また、本実施形態では、糸条８に向けて熱風を吹き付けて糸条８を乾燥させる乾燥手段６５が、下部の絶縁手段１４ｂと下部ガイド４ｂの間に配設され、乾燥した糸条８を回収するように構成している。

本実施形態においては、複数の非導電性の糸を撚り合わせた芯糸６を用いながら、導電性溶液６３を付与することで芯糸６を容易かつ安定して所要の電圧を印加した状態若しくは接地した状態とすることができ、したがってナノファイバー３の巻き付き作用を安定して確保することができる。また、糸条８を乾燥させる乾燥手段６５を配設しているので、帯電のために付与された導電性溶液６３が蒸発されて回収時には糸条８の導電性が無くなっているので、高電圧は印加されず、安全上問題のない糸条８を回収することができて好適である。

（第４の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第４の実施形態について、図１０を参照して説明する。

本実施形態は、上記図６に示した第２の実施形態を基本構成とし、第３の実施形態と同様に芯糸６として複数の非導電性の糸を撚り合わせたものを使用して、その芯糸６に導電性溶液６３を浸み込ませる導電性溶液付与手段６４を配設し、かつ芯糸帯電手段１０を、導電性溶液６３を浸み込ませた芯糸６に対して帯電するのではなく、芯糸６に浸み込ませる前の導電性溶液６３を帯電する構成としたものである。具体的には、図１０に示すように、導電性溶液付与手段６４は、芯糸リール５１とガイドローラ５２の間に配設され、その間の芯糸６に対して塗布ローラ６４ｂを接触させるとともに、バックアップローラ６４ｃの間で芯糸６を挟持するように構成されている。また、導電性溶液６３を収容した容器６４ａを導電性部材にて構成して第１の高電圧発生手段１２で発生した高電圧が印加し、帯電電極１１を兼ねる構成としている。また、乾燥手段６５も配設している。

本実施形態においても、第３の実施形態と同様に複数の非導電性の糸を撚り合わせた芯糸６を用いながら、芯糸６を容易かつ安定して所要の電圧を印加した状態若しくは接地した状態にしてナノファイバー３の巻き付き作用を安定して確保することができ、かつ回収時には導電性溶液６３が蒸発され、糸条８の導電性が無くなっているので、安全上問題のない糸条８を回収することができる。

なお、以上の実施形態では、芯糸移動経路５の一側部に単一のナノファイバー生成手段２を配設した例を示したが、図１０に仮想線で示すように、芯糸移動経路５の周囲に複数のナノファイバー生成手段２を配設しても良い。このように複数のナノファイバー生成手段２を配設すると、多量のナノファイバー３を芯糸６に一度に巻き付けることができて糸条８の製造効率を向上することができる。また、複数のナノファイバー生成手段２において、互いに異なる組成の原料溶液を流出させるように構成すると、性質の異なるナノファイバー３が混紡された糸条８を製造することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第５の実施形態について、図１１を参照して説明する。

上記実施形態では、芯糸移動経路５の一側部に単一の又は周囲に複数のナノファイバー生成手段２を配設した例を示したが、本実施形態では、図１１に示すように、芯糸移動経路５における芯糸６の移動方向に複数のナノファイバー生成手段２を配設している。このように複数のナノファイバー生成手段２を設けることで、多量のナノファイバー３を芯糸６に一度に巻き付けることができて糸条８の製造効率を向上することができ、特に芯糸６の移動方向に複数のナノファイバー生成手段２を配設して各ナノファイバー生成手段２において、互いに異なる組成の原料溶液を流出させるように構成すると、芯糸６の周囲に互いに性質の異なるナノファイバー３の層が順次積層された多層構造の糸条８を製造することができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第６の実施形態について、図１２を参照して説明する。

以上の実施形態においては、複数のノズル部材３１を備えた紡糸ヘッド３０や、複数の小穴４２を形成した回転容器４１を備えた紡糸ヘッド４０から成る１又は複数のナノファイバー生成手段２を有する例を示したが、本実施形態では、図１２に示すように、単一の小穴を構成するノズル部を有する複数の紡糸ヘッド６６を、芯糸移動経路５の周囲に周方向に等間隔に配設してナノファイバー生成手段２を構成している。このような構成によっても、多量のナノファイバー３を芯糸６に一度に巻き付けることができて糸条８の製造効率を向上することができる。

（第７の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第７の実施形態について、図１３を参照して説明する。本実施形態においては、複数の紡糸ヘッド６６を、芯糸移動経路５における芯糸６の移動方向に適当間隔おきに複数段に紡糸ヘッド６６を配設してナノファイバー生成手段２を構成している。このような構成によっても、多量のナノファイバー３を芯糸６に一度に巻き付けることができて糸条８の製造効率を向上することができるとともに、各段の紡糸ヘッド６６から流出する原料溶液の組成を異ならせることで、芯糸６の回りに多層に性質の異なるナノファイバー３の層が順次積層された多層構造の糸条８を製造することができる。

本発明のナノファイバーの合糸方法及び装置によれば、芯糸が回転しながら芯糸移動経路を移動し、かつその芯糸に電圧が印加され若しくは接地されている状態で、芯糸移動経路の周囲の小穴から原料溶液を帯電させて流出させることで、流出した原料溶液に電荷誘導紡糸現象が生じてナノファイバーが生成されるとともに、生成されたナノファイバーが直に安定して芯糸に向けて移動し、回転している芯糸に絡み、確実に巻き付いて糸条が合糸されるので、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図。 同実施形態における芯糸供給手段の構成を示す断面図。 同実施形態における回収手段の構成を示す部分断面図。 同実施形態におけるナノファイバー生成手段の構成を示す部分断面図。 同実施形態におけるナノファイバー生成手段の他の構成を示す断面図。 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部分断面図。 同実施形態における回転手段の構成を示す縦断面図。 同実施形態における回転手段の他の構成例を示す斜視図。 本発明の第３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図。 本発明の第４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図。 本発明の第５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図。 本発明の第６の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の要部構成を示す横断平面図。 本発明の第７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縦断面図。 従来例のナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１ ナノファイバー合糸装置
２ ナノファイバー生成手段
３ ナノファイバー
５ 芯糸移動経路
６ 芯糸
７ 芯糸供給手段
８ 糸条
９ 回収手段
１０ 芯糸帯電手段
１１ 帯電電極
１２ 第１の高電圧発生手段
３０ 紡糸ヘッド
３１ ノズル部材
４０ 紡糸ヘッド
４１ 回転容器
４２ 小穴
６３ 導電性溶液
６４ 導電性溶液付与手段
６５ 乾燥手段
６６ 紡糸ヘッド

Claims (11)

1. 芯糸を回転させながら所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給工程と、
   芯糸移動経路の周囲に配置した少なくとも１つの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、前記原料溶液を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、
   芯糸にナノファイバーの帯電極性とは逆極性の電圧を印加する若しくは接地することで、生成されたナノファイバーを回転する芯糸に巻き付ける合糸工程と、
   芯糸にナノファイバーが巻き付いた糸条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. ナノファイバー生成工程において、芯糸移動経路の周囲に配置した複数の小穴から原料溶液を流出させてナノファイバーを生成す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. ナノファイバー生成工程において、芯糸移動経路の移動方向に沿って配置した複数の小穴から原料溶液を流出させてナノファイバーを生成す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. 複数の小穴から、異なった組成の原料溶液を流出させることを特徴とする請求項２又は３記載のナノファイバーの合糸方法。
5. 複数の非導電性の糸を撚り合わせた芯糸を使用し、芯糸に導電性溶液を浸み込ませて芯糸に導電性を付与する工程を有す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。
6. 合糸工程後に、糸条を乾燥させる乾燥工程を有することを特徴とする請求項５記載のナノファイバーの合糸方法。
7. 芯糸を回転させながら所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給手段と、
   芯糸移動経路の周囲に配置されて原料溶液を流出させる少なくとも１つの小穴を有し、流出する原料溶液に電荷を帯電させて前記原料溶液を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手段と、
   芯糸に原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加する芯糸帯電手段若しくは芯糸を接地する接地手段と、
   芯糸にナノファイバーが巻き付いた糸条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。
8. ナノファイバー生成手段は、複数の小穴が芯糸の周囲若しくは芯糸の移動方向又は芯糸の周囲及び芯糸の移動方向の両方に配置されていることを特徴とする請求項７記載のナノファイバーの合糸装置。
9. 芯糸は、導電性を有する糸にて構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載のナノファイバーの合糸装置。
10. 芯糸は、複数の非導電性の糸を撚り合わせて構成され、芯糸に導電性溶液を浸み込ませる導電性溶液付与手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載のナノファイバーの合糸装置。
11. 糸条を乾燥させる乾燥手段を有することを特徴とする請求項１０記載のナノファイバーの合糸装置。

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