JP2010144290A - ナノファイバ製造方法、および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 容器2と対向して帯電用電極3が配置される。原料Fは、帯電用電極3により容器2に誘導された電荷により帯電されて空中に放出される。放出された原料から静電延伸現象により繊維状物質F1が生成され、収集体12により収集される。収集体12の上方には収集用電極18が配されている。繊維状物質は、収集体12の下側の面に堆積されて収集される。
【選択図】図1
Description
一方、原料放出手段と収集体等との距離を小さくした場合には、ノズル等の数量が多い場合は特に、良質なナノファイバを大量に生産することが困難となる。以下その理由を説明する。
ところが、多数のノズルを原料放出手段に設けると、ノズルの配設間隔は小さくなる。ノズルの配設間隔が小さくなると、ノズルのそれぞれに誘導された同じ極性の電荷が互いに干渉し、強い電界が生じなくなって、原料に十分な電荷が付与されなくなる。
また、原料放出手段と収集体との距離が小さいと、その間の小さな空間に帯電した原料と繊維状物質とが充満することになり、それらの電荷と、ノズル等から放出されようとする原料の電荷とが反発して、原料の放出が阻害される。また、充満した原料および繊維状物質の電荷により、ノズルの先端に誘導される電荷も小さくなり、ますます原料に十分な電荷を付与することが困難となる。
前記原料を空中に放出するための孔を有するとともに、前記孔から放出される原料が通過する空間を内部に有する原料放出部と、
前記原料放出部と所定距離をおいて対向するように配置され、前記原料を帯電させるための電荷を前記原料放出部に誘導するための帯電用電極と、
前記原料放出部から放出された原料の進む向きを気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する移送手段と、
前記繊維状物質に帯電される電荷と逆極性に帯電するように、電圧が印加されまたは接地されるとともに、前記移送手段により移送される繊維状物質を重力に抗して電磁力により引き寄せるように配設された収集用電極と、
繊維状物質を下側の面に堆積させて収集するように、前記移送手段による前記繊維状物質の移送経路と前記収集用電極との間に配設されたシート状の収集体と、
前記原料放出部および前記帯電用電極の一方、または前記原料放出部と前記帯電用電極との間に電圧を印加して、前記原料放出部と前記帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせるとともに、前記繊維状物質に帯電される電荷と逆極性の電圧を、必要に応じて前記収集用電極に印加する電圧印加手段
とを備えたナノファイバ製造装置である。
前記収集体を長手方向に送る送り機構を備え、
前記送り機構が、前記収集体を巻き出す巻き出し装置、並びに前記繊維状物質が堆積された収集体を巻き取る巻き取り装置を含む。
前記収集用電極は、前記案内体の出口開口の上方に配設される。
前記帯電用電極が、前記回転容器の周囲に配設される環状の電極である。
前記複数の収集用電極のうちの少なくとも一組の収集用電極は、それぞれの長手方向が、前記収集体の上側の面と略平行且つ互いに異なる方向となるように配置されており、
前記複数の収集用電極のそれぞれに対応して少なくとも一つの原料放出部が設けられる。
前記原料を空中に放出する工程a、
前記原料を空中に放出するための原料放出部と、それと所定の距離をおいて対向配置された帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせて、前記空中に放出される原料を帯電させる工程b、
前記空中に放出された原料の進む向きを気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する工程c、
前記移送される繊維状物質を重力に抗して、収集用電極に付与された電荷によって生じる電磁力により引き寄せる工程d、並びに
前記電磁力により引き寄せられる繊維状物質をシート状の収集体の下側の面に堆積させて収集する工程e
を含むナノファイバ製造方法を提供する。
このように、収集用電極とは別個の帯電用電極を設け、さらに移送手段により、放出された原料の進む向きを偏向するものとすることによって、帯電用電極を原料放出部により近接して配置することが可能となり、より電圧の高い電源を適用することなく、原料により大きな電荷を付与することが可能となる。このとき、移送手段が原料、ないしは繊維状物質を気流により移送するので、帯電用電極と原料放出部との間の空間に滞留することがなく、その電荷により原料の放出が妨げられたり、原料への電荷の付与が妨げられたりするのを防止することができる。
《実施の形態1》
図1は、本発明の実施の形態1に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
容器2の一つの壁部には、所定圧力で送られてくる原料Fを空中に放出するための図示しない多数の細孔が形成されており、その細孔は、容器2の上記壁部の外側面に設けられた多数の突起2aの先端部に開口している。
また、容器2の突起2aの先端から水平方向に放出された原料F、ないしはそれから生成された繊維状物質F1(以下、両者を区別する必要がない場合は原料F等と総称する)は、送風機7が発生する気流により運動の向きが変えられて、上に向かって移送される。
収集用電極18は、収集体12の上側の面と摺接または所定距離を置いて対向するように配設されており、高電圧電源4Bの一方の端子(図示例では負極端子)と接続されている。高電圧電源4Bの他方の端子(図示例では正極端子)は接地されている。収集用電極18が接続される高電圧電源4Bの端子の極性は、原料Fに帯電される電荷の極性とは逆となるように設定される。
原料供給管5を介して、図示しないポンプにより所定圧力で容器2の内部に供給される原料Fは、突起2aの先端部から上記細孔を介して空中に放出される。また、所定の電圧が電源4Aにより印加された帯電用電極3と、接地された容器2との間には電界が発生し、容器2と帯電用電極3とには、それぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、容器2には正電荷、帯電用電極3には負電荷が誘導される。
このようにして、高分子材料の塊の混入量が少ない良質のナノファイバを製造することが可能となる。
また、製造装置1においては、収集用電極18とは別に帯電用電極3が設けられるとともに、容器2から放出された原料Fが気流により偏向されるので、容器2と帯電用電極3との距離は小さくする一方で、容器2と収集体12との間に十分な広さの空間を確保することができる。これにより、帯電用電極3を容器2に近接配置して、容器2に十分な大きさの電荷を誘導しながら、容器2と収集体12との間の空間に帯電した原料Fおよび繊維状物質F1が充満して、容器2の上記細孔を介した原料Fの放出が妨げられたり、原料Fへの帯電が妨げられたりするのを防止することができる。このように構成することで、容器2と収集体12との間の空間には、常に新たな空気が流入するので、継続的に安定して繊維状物質F1を生成し続けることができる。
また、収集力は弱くなるが、収集用電極18を接地することによっても、生成された繊維状物質F1を収集することができる。したがって、電圧印加手段により収集用電極18に電圧を印加することは、本発明に必須の要件ではない。
また、繊維状物質F1が正電荷に帯電されるものとすれば、案内体6の素材も正電荷に帯電されやすいものとするのが好ましい。例えば、ガラス、石綿およびナイロン等が好ましい。逆に、繊維状物質F1が負電荷に帯電されるものとすれば、案内体6の素材も負電荷に帯電されやすいものとするのが好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニルおよびポリエチレン等が好ましい。
このように、案内体6を繊維状物質F1に帯電している電荷と同じ極性の電荷に帯電されやすい素材から構成することによって、繊維状物質F1が案内体6の内面に付着するのを防止することができる。
次に、図2を参照して本発明の実施の形態2を説明する。実施の形態2は、実施の形態1を改変したものであり、以下に、実施の形態1とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態2においては、容器2、帯電用電極3、高電圧電源4A、送風機7、並びに案内体6からなる繊維状物質生成手段が複数組(図示例では2組)設けられており、収集用電極18もそれに対応した数だけ設けられて、高電圧電源4Bの一方の端子(図示例では負極端子)に接続されている。
各組の繊維状物質生成手段および収集用電極18の配置は、実施の形態1と同様である。また、各組の繊維状物質生成手段および収集用電極18は、収集体12の送りの方向に並べて配置される。
つまり、高電圧の電源は、非常に高価なものであるために、その数を増加させることなく、比較的安価な他の構成要素の数を増加させるだけで、ナノファイバの製造量を増加させることが可能となる。これにより、コストダウンが図れる。
また、帯電用電極3に電圧を印加するための高電圧電源4Aを各組の共用とすれば、更にコストダウンが図れる。
次に、図3を参照して本発明の実施の形態3を説明する。実施の形態3は、実施の形態1を改変したものであり、以下に、実施の形態1とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態3においては、突起2aが設けられる容器2の外側面は、下方に向けられており、それに対応して、帯電用電極3は、容器2の下方に設けられている。また、送風機7は、収集体12の送りの方向と平行な水平方向に原料F等を移送するための気流を発生するように配置されている。また、案内体6は、上記気流により移送される原料F等を収集体12の送りの方向と平行な水平方向に案内するように配設される。収集用電極18は、案内体6の出口開口の上方に配置されている。
また、上記高分子材料の塊が落下する位置に、その回収装置を配置して、上記高分子材料の塊を容易に回収することができる。
次に、図4を参照して本発明の実施の形態4を説明する。実施の形態4は、実施の形態1を改変したものであり、以下に、実施の形態1とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態4においては、突起2aが設けられる容器2の外側面が、水平方向に対して所定角度θ(θは、0°よりも大きく、且つ90°よりも小さい角度)だけ傾くように、容器2が配設されている。これに対応して、帯電用電極3は、突起2aが設けられる容器2の外側面と平行に設けられる。また、送風機7は、水平方向よりも所定角度θだけ上向きに原料F等を移送するための気流を発生するように配置される。また、案内体6は、上記気流により移送される原料F等を水平方向よりも所定角度θだけ上向きに案内するように配設される。収集用電極18は、案内体6の出口開口の上方に配置される。
次に、図5および図6を参照して本発明の実施の形態5を説明する。実施の形態5は、実施の形態1を改変したものであり、以下に、実施の形態1とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態5においては、容器2、帯電用電極3、案内体6および送風機7は、支持部材20により支持されている。支持部材20は、収集体12の下面に垂直、且つ収集体12の送りの方向に垂直な軸22により回動可能に支持されるとともに、図示しない電動機により駆動されて、所定範囲で揺動する。
このように、繊維状物質F1が収集体12の下面に堆積される位置を変動させることによって、繊維状物質F1が収集体12の下面に到達するまでの経路を変えることが可能となる。これにより、次々と送り出される繊維状物質F1は、先を進む繊維状物質F1が存在しない空間を通過させることが可能となる。その結果、先行する繊維状物質F1の電荷により、後続の繊維状物質F1の運動が妨げられて、繊維状物質F1が移送過程で滞留し、収集体12の下面への堆積が妨げられるのを防止することができる。
次に、図7を参照して本発明の実施の形態6を説明する。実施の形態6は、実施の形態3を改変したものであり、以下に、実施の形態3とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態6においては、送風機7の気流による繊維状物質F1の移送の方向が、平面視で収集体12の送りの方向(図に矢印で示す方向)と平行ではなく、その送りの方向に対して所定角度θ1(θ1は、0°よりも大きく、且つ180°よりも小さい角度)だけ斜めとなるように、送風機7が配設されている。
これに対応して、案内体6Aもその軸が、収集体12の送りの方向に対して所定角度θ1だけ斜めとなるように配設される。また、案内体6Aの出口開口は、その端面が収集体12の送りの方向と垂直となるように形成される。
次に、図9を参照して本発明の実施の形態7を説明する。実施の形態7は、実施の形態1を改変したものであり、以下に、実施の形態1とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態7においては、容器2Aは、一端が閉塞された概略円筒形状の外形を有する。そして、容器2Aは、その円筒形状の軸心に一致する回転軸2bに接続された電動機24により回転駆動される回転容器として構成される。原料Fは、容器2Aの回転による遠心力により、周壁に設けられた細孔(図示せず)を通して放出される。そして、容器2Aは、回転軸2bが鉛直方向と平行となるように配設される。
また、フード28内の送風機7の直下流の位置には、環状のヒータ30が配設されている。これにより、原料F等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料Fから繊維状物質F1を速やかに生成することができる。また、静電延伸減少が早期に引き起こされることから、生成される繊維状物質F1の繊維径はより細くなり、微細な繊維状物質F1を安定して生成することができる。
次に、図10を参照して本発明の実施の形態8を説明する。実施の形態8は、実施の形態7を改変したものであり、以下に、実施の形態7とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態8においては、容器2Bは、全体が有底円筒型の碗形状の外形を有している。容器2Bの周壁部32および底面壁部34は二重構造となっており、その二重構造の内部が、原料Fの導入される原料導入空間36となっている。また、周壁部32の二重構造の外側壁に、原料Fを空中に放出するための細孔が設けられている。
以上の構成により、原料液配管42、回転継手40および原料供給管5Aを介して、原料Fが、原料ポンプ60により原料タンク50から容器2Bの原料導入空間36に所定圧力で供給される。
次に、図11を参照して本発明の実施の形態9を説明する。実施の形態9は、実施の形態7を改変したものであり、以下に、実施の形態7とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態9においては、容器2A、帯電用電極3A、案内体6、送風機7、電動機24、および電熱器30からなる繊維状物質生成部58が、複数個一列に並べられて、生成部群60を構成するとともに、その生成部群60が収集体12の送りの方向に複数個並べられている。
また、収集用電極18E、18Fおよび18Gは、両端部の位置が、収集体12の側端部から収集体12の全幅の10%以下の範囲に位置するように、その全長が設定される。このように、収集用電極18E、18Fおよび18Gを配置することで、収集体12の上面に確実に繊維状物質を堆積させるようにすることができる。
例えば、図12に示すように、長手方向が互いに所定角度だけ異なっている、それぞれが2本ずつ以上である2種類の電極18Aと18Bとが1本ずつ交互に並ぶように、生成部群60と収集用電極とを並べてもよい。
実施の形態6〜8の容器は外径を10mm〜300mmとするのがよい。容器2Aおよび2Bの直径が300mmを超えると、上記気流により原料F等を適度に集中させることが困難となるからである。また、容器2Aおよび2Bの直径が300mmを超えると、容器2Aおよび2Bを安定して回転させるためには容器2Aおよび2Bを支持する支持構造の剛性をかなり高くする必要が生じ、装置が大型化するからである。一方、容器2Aおよび2Bの直径が10mmより小さいと、原料を放出させるのに十分な遠心力を得るためには回転数を高くする必要があり、その場合にはモータの負荷や振動が増大するために振動対策等を施す必要が生じるからである。以上の点を考慮すると、容器2Aおよび2Bの外径は、20〜150mmとするのがより好ましい。
また、容器2Aおよび2Bの回転数は、原料Fの粘度、原料Fの組成(高分子材料の種類)、溶媒の種類並びに細孔の径等に応じて例えば数rpm以上10,000rpm以下の範囲で調節することができる。
2 容器
3 帯電用電極
4 高電圧電源
6 案内体
7 送風機
12 収集体
18 収集用電極
F 原料
F1 繊維状物質
Claims (8)
- 高分子材料を含む液状の原料を空中に放出して、静電延伸現象により繊維状物質を生成し、生成された繊維状物質を収集するナノファイバ製造装置であって、
前記原料を空中に放出するための孔を有するとともに、前記孔から放出される原料が通過する空間を内部に有する原料放出部と、
前記原料放出部と所定距離をおいて対向するように配置され、前記原料を帯電させるための電荷を前記原料放出部に誘導するための帯電用電極と、
前記原料放出部から放出された原料の進む向きを気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する移送手段と、
前記繊維状物質に帯電される電荷と逆極性に帯電するように、電圧が印加されまたは接地されるとともに、前記移送手段により移送される繊維状物質を重力に抗して電磁力により引き寄せるように配設された収集用電極と、
繊維状物質を下側の面に堆積させて収集するように、前記移送手段による前記繊維状物質の移送経路と前記収集用電極との間に配設されたシート状の収集体と、
前記原料放出部および前記帯電用電極の一方、または前記原料放出部と前記帯電用電極との間に電圧を印加して、前記原料放出部と前記帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせるとともに、前記繊維状物質に帯電される電荷と逆極性の電圧を、必要に応じて前記収集用電極に印加する電圧印加手段
とを備えたナノファイバ製造装置。 - 前記収集体が長尺帯状であり、
前記収集体を長手方向に送る送り機構を備え、
前記送り機構が、前記収集体を巻き出す巻き出し装置、並びに前記繊維状物質が堆積された収集体を巻き取る巻き取り装置を含む請求項1記載のナノファイバ製造装置。 - 前記移送手段により移送される繊維状物質の運動を案内する、入口開口と出口開口とを有する、筒状の案内体を備え、
前記収集用電極は、前記案内体の出口開口の上方に配設される請求項1または2記載のナノファイバ製造装置。 - 前記原料放出部が、前記孔を周壁に有する、所定の軸を中心として回転される、回転容器から構成されており、
前記帯電用電極が、前記回転容器の周囲に配設される環状の電極である請求項1〜3のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。 - 前記移送手段により移送される前記繊維状物質の運動の方向を、前記収集体の送りの方向と略垂直な軸を中心に所定範囲で周期的に変動させる移送方向変動手段を備えた請求項2〜4のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
- 少なくとも前記原料放出部の、前記収集体の送りの方向と略垂直な方向における位置を所定範囲で周期的に変動させる幅方向位置変動手段を備えた請求項2〜5のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
- それぞれが長手方向を有する複数の収集用電極を備え、
前記複数の収集用電極のうちの少なくとも一組の収集用電極は、それぞれの長手方向が、前記収集体の上側の面と略平行且つ互いに異なる方向となるように配置されており、
前記複数の収集用電極のそれぞれに対応して少なくとも一つの原料放出部を設けた請求項2〜6のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。 - 高分子材料を含む液状の原料から静電延伸現象により繊維状物質を生成するナノファイバ製造方法であって、
前記原料を空中に放出する工程a、
前記原料を空中に放出するための原料放出部と、それと所定の距離をおいて対向配置された帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせて、前記空中に放出される原料を帯電させる工程b、
前記空中に放出された原料の進む向きを気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する工程c、
前記移送される繊維状物質を重力に抗して、収集用電極に付与された電荷によって生じる電磁力により引き寄せる工程d、並びに
前記電磁力により引き寄せられる繊維状物質をシート状の収集体の下側の面に堆積させて収集する工程e
を含むナノファイバ製造方法。
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