JP2010189771A - エレクトロスピニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数のノズルをターゲット電極に対向して配置した場合にも、各ノズルに均一量のポリマー溶液を安全に供給することができ、ナノファイバの繊維径を一定に維持しつつ処理速度の高速化を実現する。
【解決手段】それぞれが８０本のノズル１１１を水平方向に沿って配列した５個のノズルダイ１１を、ノズル１１１の配列方向に直交する方向に沿って積層して配置した。各ノズルダイ１１に個別のギアポンプ２１を介してポリマー溶液を供給する。ギアポンプ２１は、全体を絶縁性材料で形成した。各ノズルダイ１１を分割し、２０本のノズル１１１毎に電源部５から高電圧を印加する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、エレクトロスピニング法によるナノファイバの製造に用いられるエレクトロスピニング装置に関する。

単繊維径がナノオーダーの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法が知られている。エレクトロスピニング法では、プラス極性の高電圧が印加されたポリマー溶液をマイナス極性に帯電したターゲット電極に飛散させ、この間にポリマーを繊維化させる。ターゲット電極に対するポリマー溶液の飛散を継続することで、ターゲット電極の表面にナノファイバの不織布が形成される。また、ターゲット電極の前面に配置された基布の繊維が、ナノファイバによってコーティングされる。

エレクトロスピニング法を用いたナノファイバの製造装置として、導電性のノズルからポリマー溶液をターゲットに向けて吐出させるものがある（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、チューブポンプ又はシリンジにより、ポリマー溶液がノズルに供給される。高圧電源にノズルを接続することで、ノズルを介してポリマー溶液にプラス極性の高電圧を印加し、ポリマー溶液をノズルからターゲット電極に飛散させる。

また、周囲から電極が放射状に延出した回転体をポリマー溶液槽の上部で回転させ、各電極に付着したポリマー溶液を回転体の上方のターゲット電極に向けて飛散させるものもある（例えば、引用文献２参照。）。

特開２００８−２４８４２２号公報 特表２００８−５４２５７１号公報

ナノファイバの製造速度は、ターゲットに対するポリマー溶液の飛散量に影響される。このため、導電性のノズルを用いた装置でナノファイバの製造速度を高速化しようとすると、ノズルの本数を増やす必要があるが、チューブポンプ又はシリンジによっては、多数のノズルのそれぞれに均一量のポリマー溶液を供給することが難しい。特に、チューブポンプやシリンジは、溶液の粘度によってポリマー溶液の供給量が変化し易く、高粘度のポリマー溶液を安定して供給することができない。一方、ポリマー溶液槽の上部で電極を回転させる装置では、回転体に設ける電極数を増やすことでナノファイバの製造速度を高速化できるが、各電極へのポリマー溶液の付着量を制御することが難しい。また、電極の回転位置によってターゲット電極との距離が変化するため、ナノファイバの繊維径の均一化が難しい。

この発明の目的は、多数のノズルをターゲット電極に対向して配置した場合にも、各ノズルに均一量のポリマー溶液を安全に供給することができ、ナノファイバの繊維径を一定に維持しつつ製造速度の高速化を実現できるエレクトロスピニング装置を提供することにある。

この発明に係るエレクトロピニング装置は、複数のノズルダイ、複数の定量ポンプ、ターゲット電極、高圧電源を備えている。複数のノズルダイのそれぞれは、絶縁性材料を素材として形成され、複数の導電性のノズルを所定の配列方向に沿って配置し、各ノズルに至るポリマー溶液の供給経路が形成されている。複数のノズルダイは、ノズルの配列方向に直交する方向に積層して配置されている。また、複数のノズルダイのそれぞれは、各ノズルを高圧電源に接続する電極部材を備えている。複数の定量ポンプは、それぞれ絶縁性材料を素材として形成されている。複数の定量ポンプのそれぞれは、各ノズルダイに対応して配置され、各ノズルダイにナノファイバの材料となるポリマー溶液を供給する。ターゲット電極は、ノズルダイとの間に所定の間隔で配置される。高圧電源は、各ノズルダイの電極部材をプラス側としてターゲット電極との間に高電圧を印加する。

この構成によれば、それぞれが複数のノズルを所定の配列方向に沿って配置した複数のノズルダイが所定の配列方向に直交する方向に積層して配置され、ターゲット電極に多数のノズルがマトリックス状に対向する。複数のノズルダイのそれぞれには、個別の定量ポンプからポリマー溶液が供給されるとともに、個別の電極部材を介して高圧電源から高電圧が印加される。このため、各ノズルダイに配置されている複数のノズルのそれぞれにはポリマー溶液が均一に供給されるとともに高電圧が均一に印加され、各ノズルから均一な量のポリマー溶液がターゲット電極に飛散し、均一の繊維径のナノファイバが多量に形成される。複数のノズルダイ及び複数の定量ポンプが絶縁性材料で構成されているため、電極部材を介してノズルに印加された高電圧が漏電することがない。

この構成において、定量ポンプをギアポンプで構成することが好ましい。ギアポンプは比較的簡単な構成であるため、全体を絶縁性材料で形成することが容易になる。また、ギアの回転速度を制御することで、ノズルダイに対するポリマー溶液の供給量を粘度に拘らず容易に調整することができる。

また、各ノズルダイに配置される電極部材は、複数のノズルが嵌合する複数の孔部を備えた電極板であって、各ノズルダイにおけるターゲット電極に対向する面に配置される電極板とすることが好ましい。高圧電源と各ノズルダイに配置された複数のノズルのそれぞれとを容易に接続できるとともに、各ノズルダイに配置されている複数のノズルを一組として各ノズルのそれぞれに、単一の電極板から高電圧を安定して印加することができる。

さらに、複数のノズルダイをノズルの配列方向に沿って往復移動させる移動機構を備えることが好ましい。多数のノズルからポリマー溶液を飛散させている間に複数のノズルダイをノズルの配列方向に沿って往復移動させることで、ノズルの配列方向におけるナノファイバの形成量を均一化することができる。

加えて、ノズルダイとターゲット電極との間でシート体を複数のノズルダイの積層方向に沿って移動させる搬送手段を備えることが好ましい。シート体の表面にナノファイバの不織布を高速で形成することができる。

この搬送手段は、供給軸と巻取軸とをノズルの配列方向に平行にして回転自在に配置し、供給軸から繰り出した基布をノズルダイとターゲット電極との間を経由して巻取軸に巻き取るものとすることができる。基布の繊維をナノファイバによって被覆する処理を高速で行うことができる。

この発明によれば、多数のノズルをターゲット電極に対向して配置した場合にも、各ノズルに均一量のポリマー溶液を安全に供給することができ、ナノファイバの繊維径を一定に維持しつつ製造速度の高速化を実現できる。

この発明の実施形態に係るエレクトロスピニング装置の平面図及び側面図である。 同エレクトロスピニング装置のノズル部を構成するノズルダイ部品の側面図及び正面図である。 同ノズルダイ部品の要部の平面図である。 同エレクトロスピニング装置の供給部の平面図及び側面図である。 この発明の別の実施形態に係るエレクトロスピニング装置の側面図である。

図１は、この発明の実施形態に係るエレクトロスピニング装置の側面断面図である。エレクトロスピニング装置１０は、一例として、基布を構成する繊維をナノファイバでコーティング処理するものであり、ノズル部１、供給部２、ターゲット部３、基布搬送機構４、電源部５によって構成されている。

ノズル部１は、一例として５個のノズルダイ１１、支持台１２、リニアガイド１３、エアーノズル１４を備えている。５個のノズルダイ１１は、上下方向に積層されている。各ノズルダイ１１は、水平方向（この発明の配列方向である。）に一例として８０本のノズル１１１を一列に配置して備えている。支持台１２は、５個のノズルダイ１１を支持し、リニアガイド１３に沿って前後方向に移動自在にされている。エアーノズル１４は、５個のノズルダイ１１の左右側方に配置されており、ノズル１１１からのポリマー溶液の飛散方向を制限する。

供給部２は、ギアポンプ２１、タンク２２を５個ずつ備えている。各ギアポンプ２１は、ナノファイバの材料となるポリマー溶液を各タンク２２を介してノズル部１に供給する。ギアポンプ２１及びタンク２２は、５個のノズルダイ１１のそれぞれに対応して備えられている。

ターゲット部３は、５個のターゲット電極３１、絶縁板３２を備えている。５個のターゲット電極３１は、それぞれ導電性の帯状材料で構成され、絶縁板３２のノズル部１に対向する面に上下方向に並べて貼着されている。５個のターゲット電極３１のそれぞれは、５個のノズルダイ１１のそれぞれに配置されたノズル１１１に対向する。

基布搬送機構４は、供給軸４１、巻取軸４２、複数の搬送ローラ４３、モータ４４〜４６を備えている。供給軸４１、巻取軸４２、複数の搬送ローラ４３は、ノズルダイ１１における複数のノズル１１１の配列方向に平行に配置されている。モータ４４は供給軸４１に回転を供給する。モータ４５は、巻取軸４２に回転を供給する。モータ４６は、複数の搬送ローラ４３に回転を供給する。モータ４４〜４６を駆動すると、供給軸４１、巻取軸４２、複数の搬送ローラ４３の回転により、供給軸４１の周面に巻回されている未処理の基布Ｗが、ノズル１１１とターゲット電極３１との間を上方から下方に向かって通過しつつ巻取軸４２の周面に巻き取られる。

電源部５は、ノズル１１１とターゲット電極３１との間に、ノズル１１１をプラス側にして所定の高電圧を印加する。

基布搬送機構４によって基布Ｗを搬送し、かつ供給部２からノズル部１にポリマー溶液を供給し、電源部５によってノズル１１１とターゲット電極３１との間に高電圧を印加すると、各ノズル１１１からターゲット電極３１に向かってポリマー溶液が飛散する。この間にポリマー溶液がナノオーダーの径の繊維に分散し、基布Ｗを構成する繊維の表面をコーティングする。

各ノズルダイ１１における複数のノズル１１１の配列方向は基布Ｗの搬送方向に直交しており、複数のノズル１１１の配列範囲は基布Ｗの搬送方向に直交する方向の全幅をカバーしている。また、それぞれが複数のノズル１１１を備えた複数のノズルダイ１１が基布Ｗの搬送方向に沿って積層して配置されている。したがって、マトリクス状に配置された多数のノズル１１１から基布Ｗに対してナノファイバを飛散させることができ、基布Ｗの搬送速度を速くしても、基布Ｗの繊維を十分な量のナノファイバでコーティング処理できる。

なお、ノズル部１及びターゲット部３は、ダクト７，８を介して図示しない排気装置に接続されている。飛散中及び基布Ｗに付着後にポリマー溶液から蒸発した溶剤は、ダクト７，８を経由して排気装置によって排気される。

また、ターゲット部３には、ヒータ９が配置されている。ヒータ９は、基布Ｗの繊維にコーティングされたナノファイバからの溶剤の蒸発を促し、コーティング処理済みの基布Ｗを乾燥させる。

さらに、支持台１２は、５個のノズルダイ１１を一体的に水平方向に往復移動自在に支持しており、移動機構１５を備えている。移動機構１５は、モータ１５１の回転を、例えば図示しないピニオンギア及びラックギアを介して、５個のノズルダイ１１を固定した固定台１６に伝達する。基布に対するコーティング処理中にモータ１５１を正逆転方向に回転させることで、５個のノズルダイ１１を固定台１６とともに水平方向に往復移動させ、ノズル１１１の配列方向におけるナノファイバの形成量を均一化することができる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、エレクトロスピニング装置のノズル部を構成するノズルダイ部品の側面図及び正面図である。上述のように、ノズル部１は、５個のノズルダイ１１を上下５段に積層して備えている。各ノズルダイ１１は、４個のノズルダイ部品１１２を水平方向に並設して構成されている。各ノズルダイ部品１１２は、ともに例えばテトラフルオロエチレン等の絶縁性材料を素材とする上側部材１１２Ａ及び下側部材１１２Ｂで構成されている。

上側部材１１２Ａは、前面に一例として２０個のノズル１１１、電極板１１３を備えている。電極板１１３は、導電性平板で構成され、それぞれにノズル１１１が嵌合する２０個の孔部１１３１を備え、上側部材１１２Ａの前面に貼着されている。

ノズル１１１は、上側部材１１２Ａの前面に孔部１１３１を貫通した状態で止め具１１１Ａを介して固定される。ノズル１１１は、例えばステンレス等の導電性材料を素材とする一例として内径０．８ｍｍの円筒体である。

上側部材１１２Ａには、内部に２０本の給液経路１１２１が形成されている。給液経路１１２１は、上側部材１１２Ａの内部で側面視において直角に屈曲しており、上側部材１１２Ａの底面と前面とに開放している。ノズル１１１は、上側部材１１２Ａの前面で給液経路１１２１に連通している。

２０本のノズル１１１には、１枚の電極板１１３を介して電源部５から高電圧が印加される。このため、２０本のノズル１１１のそれぞれに均一に高電圧を印加することができ、２０本のノズル１１１からのポリマー溶液の飛散状態を均一にすることができる。

ノズル部１に配置される合計２０個のノズルダイ部品１１２のそれぞれに備えられる電極板１１３を個別に電源部５に接続することで、ノズル部１に配置される合計４００本のノズル１１１を２０本ずつを１組として２０組に分割し、２０本ずつのノズル１１１を電源部５に接続する。これによって、合計４００本のノズル１１１のそれぞれから、均一な状態でポリマー溶液を飛散させることができる。

図３は、ノズルダイ部品を構成する下側部材の平面図である。下側部材１１２Ｂは、４本の内部給液経路１１２２、４組の上面給液経路１１２３を備えている。図２（Ａ）に示したように、各内部給液経路１１２２は、下側部材１１２Ｂの内部で側面視において直角に屈曲しており、下側部材１１２Ｂの背面１１２ＢＲと上面１１２ＢＴとに開放している。

各上面給液経路１１２３は、主経路１１２３Ａ、副経路１１２３Ｂ及び１１２３Ｃからなる。主経路１１２３Ａは、一例として半径２ｍｍの半円形断面を呈し、副経路１１２３Ｂ，１１２３Ｃは、一例として半径１．５ｍｍの半円形断面を呈している。上面給液経路１１２３は、上面１１２ＢＴに開放している。

主経路１１２３Ａは、上面１１２ＢＴで内部給液経路１１２２からノズル１１１の配列方向（矢印Ｘ方向）に沿って２方向に分岐した後、下側部材１１２Ｂの前後方向（矢印Ｙ方向）に沿って前面１１２ＢＦ側に屈曲している。図２に示すように、主経路１１２３Ａの背面１１２ＢＲ側には、給液パイプ２３が接続される。

副経路１１２３Ｂは、主経路１１２３Ａの２つの屈曲部のそれぞれから矢印Ｘ方向に沿って延出した後、矢印Ｙ方向に沿って前面１１２ＢＦ側に屈曲している。副経路１１２３Ｃは、主経路１１２３Ａの前面１１２ＢＦ側の２つ端部のそれぞれ矢印Ｘ方向に沿って延出した後、矢印Ｙ方向に沿って３箇所から前面１１２ＢＦ側に屈曲している。

図２に示すように、下側部材１１２Ｂの上面１１２ＢＴに上側部材１１２Ａが接合されると、上面給液経路１１２３の上面が上側部材１１２Ａの底面によって被覆される。また、副経路１１２３Ｂ，１１２３Ｃのそれぞれが、給液経路１１２１のそれぞれに連通する。

給液パイプ２３を経由して供給部２から供給されたポリマー溶液は、主経路１１２３Ａから副経路１１２３Ｂ及び副経路１１２３Ｃを経由して給液経路１１２１に導かれ、ノズル１１１に達する。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、エレクトロスピニング装置の供給部の平面図及び側面図である。供給部２は、前述のギアポンプ２１、タンク２２及び給液パイプ２３に加えて、モータ２４、給液管２５を備えている。

ギアポンプ２１は、ボディ及びギアを含む全体を例えばテトラフルオロエチレン等の絶縁性材料を素材として形成されている。ギアポンプ２１に代えて他の定量ポンプを用いることもできる。しかし、ギアポンプ２１は、構成が比較的単純で全体を絶縁性材料で構成することが容易であり、ギアの回転速度を制御することでポリマー溶液の供給量を容易に調整できるため、他の定量ポンプよりも好適である。

ギアポンプ２１は、吸込口が給液管２５を介してタンク２２に接続されており、吐出口が給液パイプ２３を介してノズル部１に接続されている。タンク２２は、ナノファイバの素材となるポリマー溶液を貯留している。

モータ２４は、回転軸の回転をプーリー２４１，２３２及びベルト２４３を介して回転軸２４５に伝達する。回転軸２４は軸受２４４に軸支されており、ギアポンプ２１のギアに接続されている。モータ２４を駆動することによってギアポンプ２１のギアが回転し、タンク２２内のポリマー溶液がギアポンプ２１を介してインク部１に供給される。

タンク２２内の上部には、図示しないエアー供給部から精密減圧弁を介して一例として０．０２Ｍｐａの圧力でエアーが供給されている。精密減圧弁の圧力は、ポリマー溶液の粘度に応じて０〜０．１Ｍｐａの範囲で調整できる。タンク２２内のポリマー溶液は、エアー供給による加圧によって粘度に関係なく一定の流量で供給管２５を介してギアポンプ２１に供給される。

供給部２は、ギアポンプ２１及びテーブル２７を含めてモータ２４以外の部材が全て絶縁性材料で構成さており、ノズル部１に供給される高電圧が供給部２において漏電することがない。また、モータ２４は、絶縁性材料で形成された容器２６内に収納されており、漏電やスパークによる影響を容器２６外に与えることがない。これによって、ナノファイバによる基布のコーティング処理を安全に行うことができる。

図５は、この発明の別の実施形態に係るエレクトロスピニング装置の側面図である。この実施形態に係るエレクトロスピニング装置１００は、ナノファイバの不織布を形成するものである。このため、エレクトロスピニング装置１００は、エレクトロスピニング装置１０の基布搬送機構４を省略し、モータ４６の駆動による搬送ローラ４３の回転により、例えばアルミニウム等のシートＳをノズル部１とターゲット電極３１との間に往復搬送する。その他の構成は、エレクトロスピニング装置１０と同様である。

モータ４６の駆動により、シートＳを往復移動させつつ電源部５からノズル１１１をプラス側にしてノズル１１１とターゲット電極３１との間に高電圧を印加することで、シートＳの表面にナノファイバの不織布を形成することができる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１−ノズル部
２−供給部
３−ターゲット部
４−基布搬送機構
５−電源部
１０−エレクトロスピニング装置
１１−ノズルダイ
１５−移動機構
２１−ギアポンプ（定量ポンプ）
３１−ターゲット電極
１１１−ノズル
１１３−電極板

Claims (6)

1. それぞれが絶縁性材料を素材として形成され、前面に複数の導電性のノズルを所定の配列方向に沿って配置し、背面側から各ノズルに至るポリマー溶液の供給経路が形成された複数のノズルダイであって、前記配列方向に直交する方向に積層された複数のノズルダイと、
   前記複数のノズルダイのそれぞれに備えられ、前記複数のノズルに接続された電極部材と、
   それぞれ絶縁性材料を素材として形成され、前記複数のノズルダイのそれぞれに対応して配置され、各ノズルダイにナノファイバの材料となるポリマー溶液を供給する複数の定量ポンプと、
   前記複数のノズルダイの前面に対向して配置されたターゲット電極と、
   前記電極部材をプラス側にして前記電極部材と前記ターゲット電極との間に高電圧を印加する高圧電源と、を備えたエレクトロスピニング装置。
2. 前記定量ポンプは、ギアの回転速度に応じた量のポリマー溶液を吐出するギアポンプである請求項１に記載のエレクトロスピニング装置。
3. 前記電極部材は、前記複数のノズルダイのそれぞれの前面に配置され、前記複数のノズルのそれぞれが嵌合する複数の孔部を備えた電極板である請求項１又は２に記載のエレクトロスピニング装置。
4. 前記複数のノズルダイを前記配列方向に沿って往復移動させる移動機構を備えた請求項１乃至３の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
5. 前記ノズルダイと前記ターゲット電極との間でシート体を前記複数のノズルダイの積層方向に沿って移動させる搬送手段を備えた請求項１乃至４の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
6. 供給軸と巻取軸とを前記配列方向に平行にして回転自在に配置し、前記供給軸から繰り出した基布を前記ノズルダイと前記ターゲット電極との間を経由して前記巻取軸に巻き取る基布搬送手段を備えた請求項１乃至４の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。

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