JP2010133038A - 溶融物吐出装置および繊維製造装置ならびに繊維製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維径のばらつきが少ない繊維をエレクトロスピニング法により高い生産性で製造することのできる繊維製造装置を提供する。
【解決手段】高分子物質またはピッチ系物質の溶融物を繊維原料として貯蔵する繊維原料貯蔵部１と、繊維原料貯蔵部１に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する複数の溶融物吐出ノズル８を有する溶融物吐出装置２と、溶融物吐出ノズル８から吐出された溶融物を電気的に引き寄せて捕集するコレクタ３とを備え、溶融物吐出ノズル８が溶融物を細糸状に吐出する第１のノズル部と、第１のノズル部から吐出された溶融物を加圧ガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部とを有する繊維製造装置において、溶融物吐出ノズル８をコレクタ３に対して環状に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により紡糸する技術に関する。

近年、半導体基盤上の電線・発光体用電子銃や各種センサなどのエレクトロニクス分野、高性能フィルターなど環境対応分野、再生医療用スキャッフォールドや傷口保護材などのメディカル分野などへの応用を期待して、サブマイクロメータ以下の直径を持つ極細繊維の要求が高まっている。
直径がサブマイクロメータ以下の極細繊維を製造する方法としては、紡糸口金内の紡糸ノズルを通じてポリマー溶液を吐出し、吐出されたポリマー溶液をコレクタにより電気的に引き寄せて捕集することで極細繊維を製造する方法（例えば、特許文献１参照）が知られているが、この方法はポリマーを溶解するのに使用される溶剤が不安定であり、大量生産には限界があって、生産性も悪いという問題がある。そこで、ポリマー溶融液をエアノズルに供給される加熱空気と共に紡糸口金内の紡糸ノズルを通じてコレクタ上に吐出して極細繊維を製造する方法（特許文献２参照）が提案されている。
特開平０３−１６１５０２号公報 大韓民国特許ＫＲ４５３６７０Ｂ特許公報

上述した方法によると、ナノメータレベルの極細繊維を高い生産性で製造することが可能であるが、特許文献２には、ナノメータレベルの極細繊維を高い生産性で製造するための設備に関しては詳細に開示されていない。したがって、ナノメータレベルの極細繊維を高い生産性で製造することは実際には困難である。
本発明の目的は、繊維径のばらつきが少ない繊維を高い生産性で製造するときに好適な溶融物吐出装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、繊維径のばらつきが少ない繊維をエレクトロスピニング法により高い生産性で製造することのできる繊維製造装置および繊維製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を細糸状に吐出する複数の溶融物吐出ノズルを有する溶融物吐出装置であって、前記溶融物吐出ノズルが、前記溶融物を細糸状に吐出する第１のノズル部と、該第１のノズル部から細糸状に吐出された溶融物をガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部とを有し、かつ前記第２のノズル部から吐出された溶融物を電気的に引き寄せて捕集するコレクタに対して環状に配置されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を繊維原料として貯蔵する繊維原料貯蔵部と、該繊維原料貯蔵部に貯蔵された前記溶融物を細糸状に吐出する複数の溶融物吐出ノズルを有する溶融物吐出装置と、前記溶融物吐出ノズルから吐出された溶融物を電気的に引き寄せて捕集するコレクタとを備えた繊維製造装置であって、前記溶融物吐出ノズルが、前記溶融物を細糸状に吐出する第１のノズル部と、該第１のノズル部から吐出された溶融物を加圧ガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部とを有し、かつ前記コレクタに対して環状に配置されていることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２記載の繊維製造装置であって、前記繊維原料貯蔵部が前記加圧ガスを前記溶融物吐出ノズルに分配するためのヘッダー部と、該ヘッダー部の中央部に前記加圧ガスを供給するためのガス供給管とを有することを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項３記載の繊維製造装置であって、前記ヘッダー部の中央部に向けて開口する加圧ガス流入口を前記溶融物吐出ノズルに設けたことを特徴とするものである。

請求項５の発明は、高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するに際して、請求項２〜４のいずれか一項記載の繊維製造装置を用いて繊維を製造することを特徴とするものである。
請求項６の発明は、請求項５記載の繊維製造方法であって、前記繊維製造装置のコレクタで捕集された繊維を不融化した後、炭素化または黒鉛化することを特徴とするものである。
請求項７の発明は、請求項５記載の繊維製造方法であって、前記繊維製造装置のコレクタで捕集された繊維を不融化した後、炭素化および黒鉛化することを特徴とするものである。

本発明によると、複数の溶融物吐出ノズルをコレクタに対して直線状に配置した場合と比較して、各溶融物吐出ノズルから吐出される繊維原料の温度、吐出圧力などがほぼ同じとなるので、繊維径のばらつきが少ない繊維を高い生産性に製造することができる。また、炭素ナノ繊維の製造による水素貯蔵材料、キャパシターや燃料電池の電極材料、太陽電池電極材料、各種高性能フィルターや電池用セパレータなどの具体的な応用分野に展開できるという効果もある。

以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の概略構成を示す図であり、本発明の一実施形態に係る繊維製造装置は、図１に示されるように、繊維原料貯蔵部１、溶融物吐出装置２およびコレクタ３を備えている。
繊維原料貯蔵部１は高分子物質またはピッチ系物質の溶融物（以下「繊維原料」という）貯蔵するものであり、ステンレス鋼からなる密閉構造の繊維原料貯蔵容器４を有している。また、繊維原料貯蔵部１は原料貯蔵容器４を加熱して原料貯蔵容器４に貯蔵された繊維原料の粘度を例えば１〜１００ポイズに保つためのヒータ５と、繊維原料貯蔵容器４に繊維原料を供給する繊維原料供給管６と、繊維原料貯蔵容器４の内部を０．３ＭＰａ程度の窒素ガスで加圧するための窒素ガス供給管７とを有しており、繊維原料貯蔵容器４の数は特に限定されるものでなく、１個でもよいし複数個でもよい。

溶融物吐出装置２は繊維原料貯蔵部１の繊維原料貯蔵容器４に貯蔵された繊維原料を細糸状に吐出するものであり、複数の溶融物吐出ノズル８から構成されている。ここで、溶融物吐出ノズル８の数は特に限定されるものではないが、高い生産性で繊維を製造するためには、１０個以上であることが好ましい。また、溶融物吐出ノズル８の数が多過ぎると繊維原料貯蔵容器４の外径が大きくなり、繊維原料貯蔵容器４をヒータ５により均一に加熱することが困難となる可能性があるため、１０００個以下であることが好ましい。

コレクタ３は溶融物吐出装置２の溶融物吐出ノズル８から吐出された繊維原料を電気的に引き寄せて捕集するものであり、例えば導電性材料を平板状に成形して形成されている。また、コレクタ３は溶融物吐出ノズル８の先端から１０〜２００ｍｍ離れた位置に配置されており、溶融物吐出ノズル８とコレクタ３との離間距離を１０〜２００ｍｍとした理由は、１０ｍｍ未満であると溶融物吐出ノズル８とコレクタ３との間に放電が生じやすくなり、２００ｍｍを超えると溶融物吐出ノズル８から吐出された繊維原料を電気的に引き寄せる力が弱くなるためである。

さらに、コレクタ３はアースされており、溶融物吐出装置２とコレクタ３との間には、繊維原料貯蔵容器４を介して溶融物吐出装置２に正極が接続された電圧発生器９から０．５〜１００ｋＶの電圧が印加されるようになっている。ここで、溶融物吐出装置２とコレクタ３との間に印加される電圧を０．５〜１００ｋＶとした理由は、０．５ｋＶ未満であると繊維原料が溶融物吐出ノズル８から離脱し難くなり、１００ｋＶを超えるとコレクタ３と溶融物吐出装置２との間に放電が発生しやすくなるためである。

図２は溶融物吐出ノズル８の軸方向断面を示す図であり、溶融物吐出ノズル８は、図２に示されるように、溶融物吐出ノズル８は繊維原料貯蔵部１に貯蔵された繊維原料を細糸状に吐出する第１のノズル部８ａと、第１のノズル部８ａから吐出された繊維原料を空気、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の加圧ガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部８ｂとを有している。

図３は繊維原料貯蔵部１の一部を示す縦断面図であり、繊維原料貯蔵部１は、図３に示されるように、溶融物吐出ノズル８の第２のノズル部８ｂに加圧ガスを供給するためのヘッダー部１０を原料貯蔵容器４の下端部に有している。また、繊維原料貯蔵部１はヘッダー部１０の中央部に加圧ガスを供給するための加圧ガス供給管１１を有しており、加圧ガス供給管１１からヘッダー部１０に供給された加圧ガスは、ヘッダー部１０の中央部に向けて溶融物吐出ノズル８に開設された加圧ガス流入口１２から第２のノズル部８ｂに流入するようになっている。

加圧ガス供給管１１からヘッダー部１０に供給される加圧ガスの予熱温度は特に限定されるものではないが、加圧ガスが通常の酸素濃度を有する空気の場合は３００℃を超えると繊維原料が急激に酸化して発熱や発火する場合があるので、３００℃以下にすることが好ましい。
図４は溶融物吐出ノズル８をコレクタ側から視た図であり、溶融物吐出ノズル８は、図４に示されるように、コレクタ３に対して環状に配置されている。

なお、溶融物吐出ノズル８から吐出される繊維原料が高分子物質の場合は、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＦＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリアクリル酸、ポリメチルメタクリレ−ト（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド６１０，ポリアミド１２、ポリアミド４６、ポリアミド９Ｔなど）、ポリウレタン、アラミド、ポリイミド（ＰＩ）、ポリベンゾイミダゾ−ル（ＰＢＩ）、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリビニルアルコ−ル（ＰＶＡ）、セルロ−ス、酢酸セルロ−ス、酢酸酪酸セルロ−ス、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレンイミド（ＰＥＩ)、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリコハク酸エチレン、ポリ硫化エチレン、ポリ酸化プロピレン、ポリ酢酸ビニル、ポリアニリン、ポリテレフタル酸エチレン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酸化エチレン、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリカプロラクトン、ポリペプチド、タンパク質、コラーゲンなどが繊維原料貯蔵容器４に貯蔵される。
また、溶融物吐出ノズル８から吐出される繊維原料がピッチ系物質の場合は、例えばコ−ルタ−ルピッチ、石油ピッチなどが繊維原料貯蔵容器４に貯蔵されるが、上記の物質に有機物または無機物の粉末，ウイスカー等を混合したものを繊維原料として繊維原料貯蔵容器４に貯蔵してもよい。

［実施例１］
繊維原料貯蔵タンク（容量３００ｍｌ、タンク内窒素ガス圧０．３ＭＰａ）４に貯蔵された繊維原料（軟化点２００℃のコールタールピッチ）をコレクタ３に対して環状に配置された２０個の溶融物吐出ノズル８から３３０℃に予熱された窒素ガスと共に１０００ｍ／ｓの線速度で細糸状に吐出した。このとき、溶融物吐出ノズル８の先端から８０ｍｍ離れた位置にコレクタ３を配置すると共に、高電圧発生器９で発生した３５ｋＶの電圧を繊維原料貯蔵容器４に印加し、溶融物吐出ノズル８から吐出された繊維原料をコレクタ３にてピッチ繊維として捕集した。そして、コレクタ３で捕集されたピッチ繊維を不融化した後、炭素化し、さらに２７００℃の温度で黒鉛化した。

［比較例１］
溶融物吐出ノズル８をコレクタ３に対して環状に配置せず、直線状に配置した以外は、実施例１と同じ条件で紡糸し、黒鉛化処理まで行った。
実施例１及び比較例１で得られた炭素繊維を走査型電子顕微鏡（ScanningElectro Microscope）で観察したところ、実施例１で得られた炭素繊維は、図５に示すように、繊維径が５００ｎｍ前後であった。これに対し、比較例１で得られた炭素繊維は、図６に示すように、実施例１で得られた炭素繊維よりも繊維径のばらつきが大きかった。これは、複数の溶融物吐出ノズルをコレクタに対して環状に配置したほうが直線状に配置した場合よりも各溶融物吐出ノズルから吐出される繊維原料の温度、吐出圧力などが等価となるためと推測される。

したがって、複数の溶融物吐出ノズルをコレクタに対して環状に配置することで、複数の溶融物吐出ノズルをコレクタに対して直線状に配置した場合と比較して、繊維径のばらつきが少ない繊維を高い生産性で製造することができる。
なお、紡糸でまず得られるピッチ繊維の強度は弱いので、実施例１で得られる炭素繊維では短く折れてパッキングしたものと推測されるが、比較例１で得られれる炭素繊維では、太い繊維が若干あり、それがある程度の強度を有するため、パッキングが進まなかったものと推測される。

図１〜図４に示した本発明の一実施形態では、繊維原料貯蔵容器としてステンレス鋼からなるものを例示したが、繊維原料貯蔵容器の材質は特に限定されるものではなく、繊維原料の性質によって任意に選択することができる。例えば、繊維原料が腐食性の高い繊維原料である場合は、繊維原料貯蔵容器４の材質として白金、ニッケル等の貴金属やセラミックスを用いることが好ましい。

また、繊維原料貯蔵容器は一体ものである必要はなく、むしろメンテナンスを考慮して複数のパーツから構成されることが好ましい。この場合、繊維原料貯蔵容器の内圧によって繊維原料が漏れないように工夫することが好ましく、パーツ間にアルミニウム、ＰＴＦＥ等なるパッキンを介在させることが好ましい。
図１〜図４に示した本発明の一実施形態では、電圧発生器の正極を繊維原料貯蔵容器に接続して溶融物吐出装置とコレクタとの間に電圧を印加するようにしたが、電圧のかけ方は任意である。また、電圧発生器の正極をコレクタに接続しても構わないが、通常、コレクタ側をグランドして溶融物吐出装置側に正電圧を印加する方法が安全性の観点から好ましい。

電圧発生器で発生した電圧を溶融物吐出ノズルに付与する場合、溶融物吐出ノズルの先端部に電圧を付与する方法と溶融物吐出ノズル内の繊維原料に電圧を付与する方法とがあるが、溶融物吐出ノズル内の繊維原料に電圧を付与するほうが装置の簡易性の観点から好ましい。
図１〜図４に示した本発明の一実施形態では、溶融物吐出ノズルから吐出された繊維原料を電気的に引き寄せて捕集するコレクタとして平板状のものを例示したが、これに限られるものではなく、例えばドラム（ベルトコンベア）状のものを用いてもよい。また、生産効率の観点からは固定式のものより回転式のものが好ましい。
なお、不融化の温度は１００〜３００℃、炭化の温度は７００〜１５００℃、黒鉛化の温度は２５００〜３２００℃が好ましい。

本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る繊維製造装置における溶融物吐出ノズルの軸方向断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係る繊維製造装置における繊維原料貯蔵部の一部を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の溶融物吐出ノズルをコレクタ側から視た図である。 実施例１で得られたピッチ繊維のＳＥＭ写真を示す図である。 比較例２で得られたピッチ繊維のＳＥＭ写真を示す図である。

符号の説明

１ 繊維原料貯蔵部
２ 溶融物吐出装置
３ コレクタ
４ 繊維原料貯蔵容器
５ ヒータ
６ 繊維原料供給管
７ 窒素ガス供給管
８ 溶融物吐出ノズル
８ａ 第１のノズル部
８ｂ 第２のノズル部
９ 電圧発生器
１０ ヘッダー部
１１ 加圧ガス供給管
１２ 加圧ガス流入口

Claims (7)

1. 高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を細糸状に吐出する複数の溶融物吐出ノズルを有する溶融物吐出装置であって、
   前記溶融物吐出ノズルが、前記溶融物を細糸状に吐出する第１のノズル部と、該第１のノズル部から細糸状に吐出された溶融物をガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部とを有し、かつ前記第２のノズル部から吐出された溶融物を電気的に引き寄せて捕集するコレクタに対して環状に配置されていることを特徴とする溶融物吐出装置。
2. 高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を繊維原料として貯蔵する繊維原料貯蔵部と、該繊維原料貯蔵部に貯蔵された前記溶融物を細糸状に吐出する複数の溶融物吐出ノズルを有する溶融物吐出装置と、前記溶融物吐出ノズルから吐出された溶融物を電気的に引き寄せて捕集するコレクタとを備えた繊維製造装置であって、
   前記溶融物吐出ノズルが、前記溶融物を細糸状に吐出する第１のノズル部と、該第１のノズル部から吐出された溶融物を加圧ガスにより加圧しながら細糸状に吐出する第２のノズル部とを有し、かつ前記コレクタに対して環状に配置されていることを特徴とする繊維製造装置。
3. 前記繊維原料貯蔵部が、前記加圧ガスを前記溶融物吐出ノズルに分配するためのヘッダー部と、該ヘッダー部の中央部に前記加圧ガスを供給するための加圧ガス供給管とを有することを特徴とする請求項２記載の繊維製造装置。
4. 前記ヘッダー部の中央部に向けて開口する加圧ガス流入口を前記溶融物吐出ノズルに設けたことを特徴とする請求項３記載の繊維製造装置。
5. 高分子物質またはピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するに際して、請求項２〜４のいずれか一項記載の繊維製造装置を用いて繊維を製造することを特徴とする繊維製造方法。
6. 請求項５記載の繊維製造方法であって、前記繊維製造装置のコレクタで捕集された繊維を不融化した後、炭素化または黒鉛化することを特徴とする繊維製造方法。
7. 請求項５記載の繊維製造方法であって、前記繊維製造装置のコレクタで捕集された繊維を不融化した後、炭素化および黒鉛化することを特徴とする繊維製造方法。