JP2010159510A - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノファイバの生産効率を向上させつつ、ナノファイバ製造装置のメンテナンス性も向上させる。
【解決手段】原料液３００を空間中で延伸させ、ナノファイバ３０１を製造するナノファイバ製造装置１００であって、原料液３００を空間中に流出させる流出孔１１８を有する流出体１１５と、原料液３００を帯電させる帯電装置１１１と、ナノファイバ３０１を搬送する気体流を発生させる気体流発生装置１１３と、気体流と共にナノファイバ３０１を案内する筒状の案内体１０２とを備え、案内体１０２の肉厚は、内方に流通する気体流により案内体１０２が撓む厚みである。
【選択図】図１

Description

本願発明はナノファイバの製造装置、製造方法に関し、特に、製造するナノファイバを気体流により搬送するナノファイバ製造装置、製造方法に関する。

高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質（ナノファイバ）を製造する方法として、エレクトロスピニング（電荷誘導紡糸）法が知られている。

このエレクトロスピニング法とは、溶剤中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより流出（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を電気的に延伸させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的にエレクトロスピニング法を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され空間中に流出された原料液は、空間を飛行中に徐々に溶剤が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、原料液に付与された電荷は、原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液は、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶剤は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（以下、静電延伸現象と述べる）が生じる。この静電延伸現象が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される（例えば特許文献１参照）。

以上のようなエレクトロスピニング法で製造されるナノファイバを、一箇所で大量に製造し、空間的に均等に分散させた状態でナノファイバを収集すると、当該収集されたナノファイバから紡がれる糸は、性能が均一となり、高い生産効率を実現することが可能となる。また、空間的に均等に分散させた状態でナノファイバを堆積させると、膜厚が均一な不織布を得ることも可能となる。

そこで、本願出願人は、原料液を流出させる部分と製造されるナノファイバを収集する部分との間に電圧を印加して電界を発生させるのではなく、所定の空間で帯電させた原料液や製造されるナノファイバを気体流で搬送し、前記空間から離れた所に配置される収集装置で収集させることで、ナノファイバを空間中に均等に分散させ、ナノファイバの生産効率を向上させることができるナノファイバ製造装置を先に出願している（未公開）。
特開２００８−３１６２４号公報

前述したように、製造されたナノファイバを気体流で任意の場所に搬送するためには、気体流の流路を形成する案内体が必要となる。ところが、本願発明者らがナノファイバの製造装置に関し、実験と研究とを重ねた結果、搬送中のナノファイバが案内体の内壁に付着するため、ナノファイバの生産効率を向上させることが困難であることを見いだした。また、ナノファイバが内壁に付着した案内体を清掃することは困難な作業であり、案内体を交換するには費用がかさむなどの問題もあった。

本願発明は上記知見に基づきなされたものであり、気体流で搬送されるナノファイバを案内体で案内するナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法であって、案内体内壁へのナノファイバの付着を回避して、ナノファイバの生産効率を向上させることのできるナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、原料液を帯電させる帯電装置と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、気体流と共にナノファイバを案内する筒状の案内体とを備え、前記案内体の肉厚は、内方に流通する気体流により前記案内体が撓む厚みであることを特徴とする。

これによれば、案内体の帯電量が少ないため、気体流により搬送されるナノファイバが案内体の内壁に誘引されにくい、または、気体流により案内体が撓み、気体流の流れが変化する、または、これらの相乗効果のため（現在の所、詳細には不明である）、案内体の内壁にナノファイバが付着するのを可及的に回避することが可能となる。

また、肉厚の薄い案内体を使用するため、低いコストで案内体を交換することも可能となる。

さらに、ナノファイバを搬送する気体流の風上側に配置され、前記案内体の一端部を所定の形状に維持した状態で前記案内体を保持する第一保持体と、ナノファイバを搬送する気体流の風下側に配置され、前記案内体の他端部を所定の形状に維持した状態で前記案内体を保持する第二保持体とを備えることが好ましい。

これにより、気体流により案内体が撓んだ場合でも、気体流により搬送されるナノファイバの入口と出口とを所定の形状に維持することができるため、ナノファイバを漏らすことなく案内体に導入し、一定の空間的な分布状態で、かつ、一定の位置にナノファイバを吐出することが可能となる。

さらに、前記第二保持体に接続され、ナノファイバが搬送される方向に垂直な断面積が風下に向かって徐々に大きくなる拡散体を備えることが好ましい。

これによれば、ナノファイバが空間的に均等に分散し、均等な状態でナノファイバを収集することが可能となる。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造方法は、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、流出孔から原料液を空間中に流出させる流出工程と、原料液を帯電させる帯電工程と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生工程と、内方に流通する気体流により変形する案内体により気体流と共にナノファイバを案内する案内工程とを含むことを特徴とする。

これによれば、案内体の帯電量が少ないため、気体流により搬送されるナノファイバが案内体の内壁に誘引されにくい、または、気体流により案内体が撓み、気体流の流れが変化する、または、これらの相乗効果のため、案内体の内壁にナノファイバが付着するのを可及的に回避することが可能となる。これらの理由として考えられるのは、案内体の厚みが薄い為に、案内体の表面に電荷が蓄積されにくく、帯電したナノファイバが案内体の中を流動している場合においても、案内体の内壁には、付着しにくくなる為と思われる。

また、肉厚の薄い案内体を使用するため、低いコストで案内体を交換することも可能となる。

本願発明によれば、ナノファイバの生産効率を向上させることができ、かつ、設備コストなどの低下を図ることが可能となる。

図１は、ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出装置１０１と、案内体１０２と、収集装置１０３と、誘引装置１０４とを備えている。

ここで、ナノファイバを製造するための原料液については、原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が電気的に延伸しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。

放出装置１０１は、帯電した原料液３００や製造されるナノファイバ３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットである。

図２は、放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。

図３は、放出装置の外観を示す斜視図である。

これら図に示すように放出装置１０１は、流出装置１１０と、帯電装置１１１と、風洞体１１２と、気体流発生装置１１３と、供給路１１４とを備えている。

流出装置１１０は、帯電した原料液３００を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に流出させる装置である。流出装置１１０は、流出体１１５と、回転軸体１１６と、モータ１１７とを備えている。

流出体１１５は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、原料液３００が通過する流出孔１１８が多数設けられる部材である。本実施の形態の場合、流出体１１５は、原料液３００が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を流出させることのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔１１８を多数備えている。流出体１１５は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されている。流出体１１５は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

具体的には、流出体１１５の直径は、１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると後述の気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからであり、また、流出体１１５の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体１１５を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体１１５の直径は、２０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。

また、流出孔１１８の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体１１５の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔１１８があまりに小さすぎると原料液３００を流出体１１５の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔１１８から流出する原料液３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する原料液３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径のナノファイバ３０１を製造することが困難となるからである。

なお、流出体１１５は、自身の回転による遠心力により原料液３００を空間中に流出させる部材ばかりでなく、自身は静止しており、圧力がかけられた原料液３００が流出孔１１８から流出する部材でもかまわない。また、遠心力により原料液３００を流出させる流出体１１５の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔１１８が回転することにより、流出孔１１８から原料液３００が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔１１８の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。

回転軸体１１６は、流出体１１５を回転させ遠心力により原料液３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体１１５の他端から流出体１１５の内部に挿通され、流出体１１５の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ１１７の回転軸と接続されている。回転軸体１１６は、モータ１１７と絶縁体１２０を介して接続されており、流出体１１５とモータ１１７とが電気的に絶縁状態となっている。

これは、流出体１１５のアースとの接続が事故などにより切れた場合、モータ１１７を保護するためである。回転軸体１１６は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

モータ１１７は、遠心力により原料液３００を流出孔１１８から流出させるために、回転軸体１１６を介して流出体１１５に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体１１５の回転数は、流出孔１１８の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ１１７と流出体１１５とが直動の時はモータ１１７の回転数は、流出体１１５の回転数と一致する。

帯電装置１１１は、原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、帯電装置１１１は、帯電電極１２１と、帯電電源１２２と、接地装置１２３とを備えている。

帯電電極１２１は、自身がアースに対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、接地されている流出体１１５に電荷を誘導するための部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、流出体１１５の周囲を取り囲むように配置される円環状の部材である。帯電電極１２１に正の電圧が印加されると流出体１１５には、負の電荷が誘導され、帯電電極１２１に負の電圧が印加されると流出体１１５には、正の電荷が誘導される。

帯電電極１２１の大きさは、流出体１１５の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、５０ｍｍ以上、１５００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、帯電電極１２１の形状は、円環状に限ったものではなく、流出体１１５の形状との関係によって、多角形の環状や平板状などであってもよい。また、帯電電極１２１の断面形状も矩形ばかりでなく丸形でもかまわない。

接地装置１２３は、流出体１１５と電気的に接続され、流出体１１５を接地電位に維持することができる部材である。接地装置１２３の一端は、流出体１１５が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。

帯電電源１２２は、帯電電極１２１に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源１２２は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ３０１の帯電極性に影響受けないような場合、生成したナノファイバ３０１の帯電を利用して、逆極性の電位を印加した電極でナノファイバ３０１を誘引するような場合には、直流電源を採用することが好ましい。また、帯電電源１２２が直流電源である場合、帯電電源１２２が帯電電極１２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。帯電電源１２２に負の電圧が印加される場合には、前記の印加する電圧の極性は、負になる。特に、流出体１１５と帯電電極との間の電界強度が重要であり、帯電電極１２１と流出体１１５との距離が最も近い空間において１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧を調整するのが好ましい。

本実施の形態のように帯電装置１１１に一方の電極を接地電位とする誘導方式を採用すれば、流出体１１５を接地電位に維持したまま原料液３００に電荷を付与することができる。流出体１１５が接地電位の状態であれば、流出体１１５に接続される回転軸体１１６やモータ１１７などの部材を流出体１１５から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出装置１１０として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。

なお、帯電装置１１１として、流出体１１５に電源を接続し、流出体１１５を高電圧に維持し、帯電電極１２１を接地することで原料液３００に電荷を付与してもよい。また、流出体１１５を絶縁体で形成すると共に、流出体１１５に貯留される原料液３００に直接接触する電極を流出体１１５内部に配置し、当該電極を用いて原料液３００に電荷を付与するものでもよい。このような流出体１１５に直接もしくは原料液に直接電極を配置する場合には、原料液に帯電する電荷の極性は、印加する電圧の極性と同じ極性になる。

気体流発生装置１１３は、流出体１１５から流出される原料液３００の飛行方向を変更し、ナノファイバ３０１を搬送して案内体１０２の内方を通過させるための気体流を発生させる装置である。本実施の形態の場合、気体流発生装置１１３は、モータ１１７の背部に備えられ、モータ１１７から流出体１１５の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生装置１１３は、流出体１１５から径方向に流出される原料液３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。気体流発生装置１１３としては、軸流ファンを備える送風機等を例示することができる。

なお、気体流発生装置１１３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、後述する吸引装置１３２により風洞体１１２の内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、ナノファイバ製造装置１００は、積極的に気体流を発生させる気体流発生装置１１３を有しないこととなるが、何らかの装置により、風洞体１１２などの内方に気体流が発生していることをもってナノファイバ製造装置１００が気体流発生装置１１３を備えているものとする。

風洞体１１２は、気体流発生装置１１３で発生した気体流を帯電電極１２１と流出体１１５との間に案内する導管である。本実施の形態の場合、風洞体１１２により案内された気体流は、帯電電極１２１の内側を通過しつつ、流出体１１５の流出孔１１８から流出された原料液３００と交差し、原料液３００の飛行方向を変更する。

さらにまた、放出装置１０１は、気体流制御装置１２４と、加熱装置１２５とを備えている。

気体流制御装置１２４は、気体流発生装置１１３により発生する気体流が流出孔１１８の開口端に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものである。本実施の形態の場合、気体流制御装置１２４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御装置１２４により、気体流が直接流出孔１１８に当たらないため、流出孔１１８から流出される原料液３００が早期に蒸発して流出孔１１８を塞ぐことを可及的に防止し、原料液３００を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御装置１２４は、流出孔１１８の風上に配置され気体流が流出孔１１８近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。

加熱装置１２５は、気体流発生装置１１３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱装置１２５は、案内体１０２の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱装置１２５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱装置１２５により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバ３０１を製造することが可能となる。

供給路１１４は、外部にある原料液３００用タンク（図示せず）から流出体１１５内方に原料液３００を供給するための経路である。本実施の形態の場合、供給路１１４は、管体で形成されている。

図４は、案内体の近傍を模式的に示す斜視図である。

案内体１０２は、放出装置１０１から放出され、気体流によって搬送されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞であり、内方に流れる気体流により案内体１０２が撓む程度の厚みからなる部材で形成されている。本実施の形態の場合、案内体１０２は、厚みが０．１ｍｍのポリプロピレンのフィルム円筒形に成型した部材である。

図５は、内方に気体流を流していない状態と、流した状態との案内体を模式的に示す断面図である。

これらの図に示すように、案内体１０２一端部は、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の風上側（図中矢印は、気体流の方向を示す）に配置され、剛性のある円環形状の第一保持体１４１により保持され、案内体１０２の他端部は、風下側に配置され、剛性のある円環形状の第二保持体１４２により保持されている。また、第一保持体１４１と、第二保持体１４２とは、案内体１０２の端部を第一保持体１４１や、第二保持体１４２に縛り付ける締結帯１４４を備えている。締結帯１４４は、一本の帯状部材を輪状にした部材であり、輪の径を小さくする方向、つまり縛り付ける方向には変形させることができるが、その逆はできない、いわゆるインシュロックと称されるものである。

案内体１０２は、同図（ａ）に示すように、内方に気体流が流れていない場合は、重力に従いある程度下方に撓んだ状態となる。一方、案内体１０２は、同図（ｂ）に示すように、内方に気体流（図中矢印）が流れている場合は、案内体１０２内方の圧力が外方の圧力（気圧）よりも低くなるため、案内体１０２の全体が内方に向かって押され、結果として中央部分が最も絞られ、第一保持体１４１及び第二保持体１４２に向かって徐々に径が大きくなるような形状となる。

なお、案内体１０２を構成する材料は、ポリプロピレンに限定されるわけではない。案内体１０２は、ナイロンも含むナイロンよりも負に帯電しにくい絶縁体、かつ、ポリエチレンを含むポリエチレンよりも正に帯電しにくい絶縁体の中から選定される１または２以上の材料により構成することが好ましい。

ここで、ナイロンも含むナイロンよりも負に帯電しにくい絶縁体、かつ、ポリエチレンを含むポリエチレンよりも正に帯電しにくい絶縁体とは、帯電列において、ナイロンからポリエチレンの範囲に含まれる絶縁体である。

また、帯電列とは、正に帯電しやすい材質から負に帯電しやすい材質（またはその逆）を序列をつけて並べたもので、実験的に定められたものである。具体的には、正に帯電しやすいものから順に列挙すると、アスベスト、ガラス、人毛、雲母、ナイロン、羊毛、レーヨン、鉛、木綿、絹、ビスコース、 人の皮膚、カゼイン、アセテート、アクリル、アルミニウム、亜鉛、カドミウム、クロム、紙、エボナイト、麻、鉄、銅、ニッケル、黄銅、銀、硫黄、ゴム、白 金、ビニロン、ポリスチレン、オーロン、サラン、ダクロン、ダイネル、ベロン、カーバイト、ポリエチレン、カネカロン、セルロイド、セロファン、塩化ビニール、テフロン（登録商標）、硝酸セルロース、となる。これらの内、先に記載された材質の部材とその後に記載された材質の部材を摩擦したり、一端密着させ重ね合わせた二つの材質からなるシートを剥離したりすると、先に記載された材質の部材が正に帯電し、後に記載された材質の部材が負に帯電する。

従って、ナイロン、羊毛、レーヨン、木綿、絹、ビスコース、 人の皮膚、カゼイン、アセテート、アクリル、アルミニウム、紙、エボナイト、麻、硫黄、ゴム、ビニロン、ポリスチレン、オーロン、サラン、ダクロン、ダイネル、ベロン、カーバイト、ポリエチレンである。なお、これらは例示であって、ここに記載されていない材質であっても、上記条件を満足する材質があれば本願発明に含まれる。

また、案内体１０２の厚みは、内方に流通する気体流により案内体１０２が撓む厚みであれば良い。具体的には、内径約６００ｍｍの円筒形の案内体１０２の内方に毎分３０立米の気体が流された時の圧力差により案内体１０２が撓む厚みであればよい。具体的には、案内体１０２の肉厚は、０．０１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。案内体１０２の肉厚が０．０１ｍｍ未満であると、ナノファイバ製造装置１００が操業中に、案内体１０２が破損するおそれが高くなる。一方、案内体１０２の肉厚が０．５ｍｍよりも厚い場合は、案内体１０２が撓みにくくなり、かつ案内体１０２が帯電する量もナノファイバ３０１の生産効率に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。

拡散体１２７は、案内体１０２と第二保持体１４２を介して接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。本実施の形態の場合、拡散体１２７は、案内体１０２の高さをそのまま維持し、幅のみ徐々に広がるフード形状となっている。

収集装置１０３は、案内体１０２から放出されるナノファイバ３０１を収集するための装置である。本実施の形態の場合、収集装置１０３は、被堆積部材１２８と、巻回装置１２９と、供給装置１３０とを備えている。

被堆積部材１２８は、静電延伸現象により製造され気体流により搬送されるナノファイバ３０１と気体流とを分離し、ナノファイバ３０１のみが堆積する部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１２８は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材であり、気体流を容易に透過でき、ナノファイバ３０１を捕集しうる網状の部材である。具体的に被堆積部材１２８としては、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、被堆積部材１２８の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を被堆積部材１２８から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、被堆積部材１２８は、ロール状に巻き付けられた状態で供給装置１３０から供給されるものとなっている。

巻回装置１２９は、被堆積部材１２８を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１２８を巻き取りながら供給装置１３０から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に被堆積部材１２８を搬送するものとなっている。巻回装置１２９は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を被堆積部材１２８とともに巻き取ることができるものとなっている。

（図１の参照に戻る。）
誘引装置１０４は、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引装置１０４は、異なる誘引方式を同時、または、選択的に実施できるように、気体誘引装置１４３と、電界誘引装置１３３とを備えている。

気体誘引装置１４３は、気体流を吸引することによりナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引する装置であり、被堆積部材１２８の後方に配置されている。本実施の形態の場合、気体誘引装置１４３は吸引装置１３２と集中体１３１とを備えている。

集中体１３１は、拡散体１２７で広がった気体流を受け取り、吸引装置１３２に至るまでの間に気体流を集中させる部材であり、拡散体１２７とは逆向きの漏斗形状となっている。

吸引装置１３２は、被堆積部材１２８を通過する気体流を強制的に吸引する送風機である。吸引装置１３２は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１２８を通過して速度が落ちた気体流を高い速度に加速することのできる装置である。

電界誘引装置１３３は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により被堆積部材１２８に誘引する装置であり、誘引電極１３４と、誘引電源１３５とを備えている。

誘引電極１３４は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、誘引電極１３４には気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。誘引電極１３４は、拡散体１２７の開口部全体に広がって設けられている。

誘引電源１３５は、誘引電極１３４を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１３５は、０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。

なお、誘引電極１３４は、実施の形態において金属製の網が採用されているが、それに限定するものではなく、被堆積部材１２８の幅位の長さの所定の幅を有する誘引電極でもよい。吸引装置１３２により吸引することで、ナノファイバは、誘引電極に誘引されると共に、気体流によって、被堆積部材１２８に吸引される。そのようにすることで、引火性の高い溶剤を使用する場合においても、高密度の溶剤を使用しても、爆発する溶剤の濃度まで達することはなく、安心して装置の使用ができるようになる。

なお、帯電電源１２２が交流電源の場合は、誘引電源１３５を交流電源としても良い。

回収装置１０５は、原料液３００から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収することのできる装置である。回収装置１０５に関しては、原料液３００に用いられる溶剤の種類によって異なるが、例えば、気体を低温にして溶剤を結露させて回収する装置や、活性炭やゼオライトを用いて溶剤のみを吸着させる装置、液体などに溶剤を溶け込ませる装置やこれらを組み合わせた装置を例示できる。

ここで、ナノファイバ３０１を構成する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−フェニレンイソフタレート、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、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、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、ポリペプチド等およびこれらの共重合体を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

原料液３００に使用される溶剤としては、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、クロロホルム、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、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記溶剤に限定されるものではない。

さらに、原料液３００に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、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酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、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等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。

溶剤と高分子物質との混合比率は、溶剤と高分子物質により異なるが、溶剤量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。

上記のように、溶剤蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液３００は、上記のように溶剤を５０重量%以上含んでいても十分に蒸発し、静電爆発を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ３０１が製造されるため、より細いナノファイバ３０１をも製造することが可能となる。また、原料液３００の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ３０１の性能の範囲も広くすることが可能となる。

次に、上記構成のナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバ３０１の製造方法を説明する。

まず、気体流発生装置１１３、及び、吸引装置１３２を稼働させ、風洞体１１２や、案内体１０２、拡散体１２７、集中体１３１の内方に一定方向の気体流を発生させる（気体流発生工程）。以上の状態で、案内体１０２内の風量が毎分３０立米となるようナノファイバ製造装置１００を調整した。

次に、流出体１１５の内方に原料液３００を供給する（原料液供給工程）。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路１１４を通過して流出体１１５の他端部から流出体１１５内部に供給される。具体的には、ナノファイバ３０１の材質はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を選定し、原料液３００は、溶剤（溶媒とも呼ばれている。）を水とし、水にＰＶＡを１０重量％で溶解したものを用いた。

次に、帯電電源１２２により帯電電極１２１を正または負の高電圧とする。帯電電極１２１の中心に配置される流出体１１５には電荷が集中し、当該電荷が流出孔１１８を通過する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と同時期に流出体１１５をモータ１１７により回転させて、遠心力により流出孔１１８から帯電した原料液３００を流出する（流出工程）。

具体的には、外径がΦ６０ｍｍの流出体１１５を用いた。流出孔１１８は、周方向等間隔に１０８個設けられており、孔径は０．３ｍｍであった。また、原料液３００は、流出体１１５を２０００ｒｐｍで回転させることにより流出させた。一方、帯電電極１２１は内径Φ６００ｍｍのものを用い、帯電電源１２２により帯電電極１２１を接地電位に対して負の６０ＫＶとした。これにより、流出体１１５には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液３００が流出することとなる。

流出体１１５の径方向放射状に流出された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り案内体１０２に案内される。ここで、原料液３００の帯電状態と帯電電極１２１とは逆極性であるため、クーロン力により引きつけられて帯電電極１２１の方向に向いて飛行しようとするが、帯電電極１２１に向かうほとんどの原料液３００が気体流により方向が変えられ、案内体に向かって飛行することとなる。

原料液３００は静電延伸現象によりナノファイバ３０１を製造しつつ（ナノファイバ製造工程）放出装置１０１から放出される。ここで、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が容易に発生し、流出した原料液３００のほとんどがナノファイバ３０１に変化していく。また、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ３０１を大量に製造される。

また、前記気体流は、加熱装置１２５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶剤の蒸発を促進し静電延伸を促進している。

以上のようにして放出装置１０１から放出されるナノファイバ３０１は、案内体１０２に導入される。そして、ナノファイバ３０１は、案内体１０２の内方を気体流に搬送されながら収集装置１０３に向かって案内される（案内工程）。

ここで、案内体１０２は、肉厚の薄い部材で構成されているため、案内体１０２の内方にナノファイバ３０１を搬送する気体流が流れると、内外間の気圧差により、中央に向かって徐々に径が小さくなる形状となる。当該形状においては、案内体１０２の内方で乱気流が発生し難くなり、ナノファイバ３０１を安定した状態で搬送することが可能となる。また、ナノファイバ３０１が案内体１０２の内壁に衝突し難くなり、案内体１０２の内壁にナノファイバ３０１が付着することによるナノファイバ３０１の生産効率の低下を回避することが可能となる。

また、案内体１０２は、帯電しにくい材質からなり、肉厚の薄い部材で構成されているため、案内体１０２が帯電する量はきわめて少ない。従って、案内体１０２と帯電したナノファイバ３０１との間で発生するクーロン力よりも、気体流による搬送力の方が遙かに上回るため、案内体１０２の内壁にナノファイバ３０１が付着することを回避できる。

拡散体１２７にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一な分散状態となる（拡散工程）。

この状態において、被堆積部材１２８の背方に配置される吸引装置１３２は、蒸発した蒸発成分である溶剤と共に気体流を吸引し、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８上に誘引する（誘引工程）。また、電圧が印加された誘引電極１３４により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ３０１が誘引される（誘引工程）。

以上により、被堆積部材１２８により気体流から分けられてナノファイバ３０１が収集される（収集工程）。被堆積部材１２８は、巻回装置１２９によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。

被堆積部材１２８を通過した気体流は、吸引装置１３２により加速され、回収装置１０５に到達する。回収装置１０５では、気体流から溶剤成分を分離回収する（回収工程）。

以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、以上のナノファイバ製造方法を実施することによって、気体流により搬送され案内体１０２に案内されるナノファイバ３０１が、案内体１０２の内壁に付着し難くなる。

これにより、ナノファイバ３０１の生産効率を向上させることが可能となる。また、案内体１０２に付着するナノファイバ３０１の量が少ないため、案内体１０２をメンテナンスする期間を長くとることができる。さらに、案内体１０２が比較的安価で入手することができるため、案内体１０２を取り替えるだけで案内体１０２のメンテナンスを終了させることができる。また、溶剤を用いて案内体１０２から付着したナノファイバ３０１を洗い落とすなどの作業が不要となり、メンテナンス作業者の安全性向上や環境に対する負荷などを低減することができる。

従って、ナノファイバ製造装置１００のランニングコストを低く抑えることが可能となる。

なお、上記実施の形態では、原料液３００を遠心力を用いて流出させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図６に示すように、原料液３００に加えた圧力により流出孔１１８から原料液３００を流出させるものでも良い。具体的に、ナノファイバ製造装置１００は、直方体で両端部が開口した風洞体１１２と、前記風洞体１１２の一壁面に設けられ、流出孔１１８が先端に設けられるノズルが多数マトリクス状に設けられた流出体１１５と、風洞体１１２の一端開口部に設けられる気体流発生装置１１３と、流出体１１５と対向する面に風洞体１１２の一部として設けられる帯電電極１２１とを備えてもよい。

この場合、第一保持体１４１は、風洞体１１２の出口形状に合致した矩形環状となる。一方、第二保持体１４２は、拡散体１２７の入口形状に合致した円形環状となる。そして、一端部が第一保持体１４１に保持され、他端部が第二保持体１４２に保持される案内体１０２は、断面形状が矩形から円形に変化する場合に乱気流が発生しないような形状となるように撓み、かつ、中間部が最も小さな断面となるように撓む。これにより、放出装置１０１の放出口が矩形であっても、容易にナノファイバ３０１を案内することが可能となる。

本願発明はナノファイバの製造やナノファイバからなる不織布の製造やナノファイバからなる糸の製造に利用可能である。

ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。 放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。 放出装置の外観を示す斜視図である。 案内装置の近傍を模式的に示す斜視図である。 内方に気体流を流していない状態と、流した状態との案内体を模式的に示す断面図である。 放出装置と案内体の別例を示す断面図である。

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 放出装置
１０２ 案内体
１０３ 収集装置
１０４ 誘引装置
１０５ 回収装置
１１０ 流出装置
１１１ 帯電装置
１１２ 風洞体
１１３ 気体流発生装置
１１４ 供給路
１１５ 流出体
１１６ 回転軸体
１１７ モータ
１１８ 流出孔
１１９ ベアリング
１２０ 絶縁体
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２３ 接地装置
１２４ 気体流制御装置
１２５ 加熱装置
１２７ 拡散体
１２８ 被堆積部材
１２９ 巻回装置
１３０ 供給装置
１３１ 集中体
１３２ 吸引装置
１３３ 電界誘引装置
１３４ 誘引電極
１３５ 誘引電源
１４１ 第一保持体
１４２ 第二保持体
１４３ 気体誘引装置
１４４ 締結帯
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (8)

1. 原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
   原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、
   原料液を帯電させる帯電装置と、
   前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、
   気体流と共にナノファイバを案内する筒状の案内体とを備え、
   前記案内体の肉厚は、内方に流通する気体流により前記案内体が撓む厚みである
   ナノファイバ製造装置。
2. 前記案内体の肉厚は、０．０１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記案内体は、ナイロンも含むナイロンよりも負に帯電しにくい絶縁体、かつ、ポリエチレンを含むポリエチレンよりも正に帯電しにくい絶縁体で形成される請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
4. さらに、
   ナノファイバを搬送する気体流の風上側に配置され、前記案内体の一端部を所定の形状に維持した状態で前記案内体を保持する第一保持体と、
   ナノファイバを搬送する気体流の風下側に配置され、前記案内体の他端部を所定の形状に維持した状態で前記案内体を保持する第二保持体と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
5. さらに、
   前記第二保持体に接続され、ナノファイバが搬送される方向に垂直な断面積が風下に向かって徐々に大きくなる拡散体を備える請求項４に記載のナノファイバ製造装置。
6. さらに、
   前記案内体により案内されるナノファイバを収集する収集装置と、
   前記収集装置にナノファイバを誘引する誘引装置と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
7. 原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、
   流出孔から原料液を空間中に流出させる流出工程と、
   原料液を帯電させる帯電工程と、
   前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生工程と、
   内方に流通する気体流により変形する案内体により気体流と共にナノファイバを案内する案内工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
8. さらに、
   前記案内体により案内されるナノファイバを収集装置により収集する収集工程と、
   前記収集装置にナノファイバを誘引する誘引工程と
   を含む請求項７に記載のナノファイバ製造方法。

Images