JP2011157643A - ナノファイバ製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノファイバを均等な膜厚となるように堆積させる。
【解決手段】複数の流出孔２１６から原料液３００を空間に放射方向に流出させる流出体２１１と、環状の環状電極１２１であって、当該環状電極１２１が囲む空間を流出体２１１に対向するように配置される環状電極１２１と、流出体２１１と環状電極１２１との間に所定の電圧を印加して原料液３００やナノファイバ３０１を誘引する電界を環状電極１２１に発生させる誘引電源１２２とを備え、流出体２１１から流出した原料液３００やナノファイバ３０１を誘引する誘引手段１２０と、誘引手段１２０よりも流出体２１１側に配置され、製造されるナノファイバ３０１を堆積させる被堆積部材１０１とを備える。
【選択図】図５

Description

本願発明は、静電延伸現象によりサブミクロンオーダーやナノオーダーの細さである繊維（ナノファイバ）を製造するナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法に関する。

樹脂などから成り、サブミクロンスケールやナノスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質を製造する方法として、静電延伸現象（エレクトロスピニング）を用いた方法が知られている。

この静電延伸現象とは、溶媒中に樹脂などの溶質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（噴射）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。

より具体的に静電延伸現象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媒が蒸発していく。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、溶媒は、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原料液が爆発的に線状に延伸される現象が生じる。これが静電延伸現象である。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オーダーやナノオーダーの樹脂から成るナノファイバが製造される。

以上のような静電延伸現象を用いてナノファイバを効率よく製造しようとする場合、ナノファイバが製造される密度を向上させて多量にナノファイバを収集する必要がある。例えば、特許文献１や特許文献２に記載のナノファイバ製造装置は、円筒形状の流出体の周壁に放射方向に流出孔を多数設け、当該流出体を回転させることにより、遠心力で多量の原料液を空間中に流出させる構成を採用している。その際に、原料液は帯電された状態で流出される。例えば、特許文献２では、流出体の周囲に設けた円環状の帯電電極により原料液が帯電される。そして、これらに記載のナノファイバ製造装置は、放射方向に流出した原料液から製造されたナノファイバを収集するために電界や気体流を用いて原料液やナノファイバを流出体の回転軸の方向に離間して一箇所に配置した収集手段に誘引している。

このような構成のナノファイバ製造装置を採用すれば、空間中に流出する原料液の密度を高めて、ナノファイバを効率よく製造することが可能となる。

特開２００８−１５０７６９号公報 特開２００９−４１１２８号公報

ところが、特許文献１や特許文献２に記載されるナノファイバ製造装置は、放射方向に流出させた原料液の飛翔経路を電界や風によって変更し、原料液やナノファイバを同じ方向（収集手段の方向）に向けて飛翔させて、収集手段に設けた被堆積部材に堆積させるものとなっている。その際、被体積部材の裏側に平板状の電極を設けて電界によりナノファイバを被堆積部材に向けて誘引させるものとなっている。従って、製造されたナノファイバは、流出体の円筒形状（特許文献１）や環状の帯電電極（特許文献２）に対向した位置に円環状に堆積することとなり、堆積したナノファイバで不織布などを製造する場合、均一な膜厚の不織布を製造することは困難であった。

本願発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、放射方向に原料液を流出させてナノファイバを大量に生産することのできるナノファイバ製造装置および製造方法であって、ナノファイバを堆積させて製造する不織布の膜厚を均一にできるナノファイバ製造装置および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、原料液を空間中で電気的に延伸させて、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、複数の流出孔から原料液を空間に放射方向に流出させる流出体と、環状の環状電極であって、当該環状電極が囲む空間を前記流出体に対向するように配置される環状電極と、原料液やナノファイバを誘引する電界を前記環状電極に発生させる誘引電源とを備え前記流出体から流出した原料液やナノファイバを誘引する誘引手段と、前記誘引手段よりも流出体側に配置され、製造されるナノファイバを堆積させる被堆積部材とを備えることを特徴とする。

これによれば、誘引手段として環状電極を採用することで、ナノファイバを誘引するための電気力線が環状電極に集中して発生するものと考えられる。また、環状電極に集中する電気力線が通過する被堆積部材が帯電し、その帯電状況は、電気力線が通過する位置が最も強く、環状電極の中心側に向けて次第に弱く帯電した状況となる。このような電気力線の状態、被堆積部材の帯電状況となることで、製造されたナノファイバは、環状電極の形状に沿って堆積すると共に、環状電極で囲まれる部分の中心に向かってひろがるように堆積する。つまり、ナノファイバを面状に堆積させることができ、ナノファイバを堆積させて得られる不織布の膜厚を均一にすることが可能となる。また、環状電極の大きさや形状を調整することで、原料液やナノファイバの飛翔経路を容易に調整することができ、堆積するナノファイバの広がり状態を容易に調整することが可能となる。

前記誘引手段はさらに、前記環状電極の前記流出体側に架橋状に配置される棒状の第一棒状電極と、前記環状電極の前記流出体側に架橋状に配置され、前記第一棒状電極と平行に配置される第二棒状電極とを備えてもよい。

これによれば、環状電極から内方に向かって広く分布して堆積するナノファイバを、更に第一棒状電極と第二棒状電極とに沿わせて分布させることができる。従って、環状電極から内方に向かってより均等にナノファイバを堆積させることが可能となり、環状の堆積領域を工業的に用いやすい矩形形状の堆積領域に変形させることができる。また、第一棒状電極と第二棒状電極との距離や第一棒状電極や第二棒状電極の長さなどを変化させることで、ナノファイバの分布を容易に調整することが可能となる。

前記誘引手段はさらに、前記第一棒状電極と前記第二棒状電極とに架橋状に配置される棒状の第三棒状電極と、前記第一棒状電極と前記第二棒状電極とに架橋状に配置され、前記第三棒状電極と平行に配置される第四棒状電極とを備えてもよい。

これによれば、更に第三棒状電極と第四棒状電極とに沿わせてナノファイバを環状電極の中心方向に分布させることができる。従って、環状電極から内方に向かってより均等にナノファイバを堆積させることが可能となり、第一棒状電極と第二棒状電極の働きをより強くすることができる。つまり、より矩形形状の堆積領域に変形させることができる。

また、前記被堆積部材は、前記第一棒状電極と前記第二棒状電極との並び方向に長い長尺のシート状の部材であり、当該ナノファイバ製造装置はさらに、前記第一棒状電極と前記第二棒状電極との並び方向に前記被堆積部材を移送する移送手段を備えてもよい。

これによれば、膜厚が均等で長尺のナノファイバからなる不織布を製造することが可能となる。

前記誘引手段はさらに、前記環状電極が囲む空間を覆う板状の板体を備えてもよい。
これによれば、環状電極に集中する電気力線をある程度維持しつつ、板体にもナノファイバを誘引するための電気力線を発生させることが可能となる。これにより、被堆積部材の帯電状況について、環状電極に接触する位置から環状電極の中心側に向かって帯電が弱まる傾きが緩やかになる。従って、環状電極から内方に向かってより均等にナノファイバを堆積させることが可能となる。

前記板体は、厚さ方向に貫通する多数の貫通孔が備えられてもよい。
これによれば貫通孔を利用して流出体側から反対側に向けて板体を通過する気体流により、当該気体流を用いて板体の方向にナノファイバを誘引することも可能となる。

特に、前記板体が、導体である場合、前記板体は、前記環状電極の前記流出体側の端部よりも前記流出体から遠い位置に配置されることが好ましい。

これによれば、板体が導体であっても、環状電極と流出体との間に発生する電気力線を強い状態で維持しつつ、板体にも電気力線を分布させることができるため、環状電極から中心に向かって均一にナノファイバを堆積させることが可能となる。

また、前記環状電極の前記流出体側の端部は、前記流出体に向かって徐々に厚さが薄くなるものでもよい。

これによれば、環状電極の流出体側の端部に電気力線を集中させることができる。
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、原料液を空間中で電気的に延伸させて、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、複数の流出孔を備える流出体から帯電した原料液を空間に放射方向に流出させ、誘引電源を用いた電界により原料液やナノファイバを誘引する電界を環状の環状電極に発生させ、前記流出体から流出した原料液やナノファイバを誘引することを特徴とする。

これによれば、環状電極にナノファイバを誘引するための電界を発生させるため、環状電極に電気力線が集中して発生するものと考えられる。また、環状電極に集中する電気力線が通過する被堆積部材が帯電し、その帯電状況は、電気力線が通過する位置が最も強く、環状電極の中心側に向けて次第に弱く帯電した状況となる。このような電気力線の状態、被堆積部材の帯電状況となることで、製造されたナノファイバは、環状電極の形状に沿って堆積すると共に、環状電極で囲まれる部分の中心に向かってひろがるように堆積する。つまり、ナノファイバを面状に堆積させることができ、ナノファイバを堆積させて得られる不織布の膜厚を均一にすることが可能となる。

本願発明によれば、ナノファイバの生産効率を高く維持しつつ、ナノファイバを堆積させて均等な膜厚の不織布を製造することが可能となる。

ナノファイバ製造装置を、模式的に一部を切り欠いて正面から示す平面図である。 ナノファイバ製造装置を、模式的に一部を切り欠いて側面から示す平面図である。 流出体とその近傍を切り欠いて示す正面から示す平面図である。 流出体とその近傍を示す斜視図である。 誘引手段を示す斜視図である。 環状電極の断面を、一部を省略して示す平面図である。

次に、本願発明に係るナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、ナノファイバ製造装置を、模式的に一部を切り欠いて正面から示す平面図である。

図２は、ナノファイバ製造装置を、模式的に一部を切り欠いて側面から示す平面図である。

これらの図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、流出体２１１と、誘引手段１２０と、被堆積部材１０１とを備えている。本実施の形態の場合、ナノファイバ製造装置１００は更に、本願発明に必須の構成では無いが、調整電極２２１と、調整電源２２２と、移送手段１０４と、保持手段２１５と、駆動源２１３と、加圧手段１３０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。

図３は、流出体とその近傍を切り欠いて示す正面から示す平面図である。
図４は、流出体とその近傍を示す斜視図である。

流出体２１１は、内方に原料液３００が流通し放射状に配置される複数の流出孔２１６から原料液３００を空間に流出させるための部材である。

また、流出体２１１は、流出する原料液３００に電荷を供給する電極としても機能しており、原料液３００と接触する部分の少なくとも一部は導電性を備えた部材で形成される。本実施の形態の場合、流出体２１１全体が金属で形成されている。なお、金属の種類は導電性を備えておれば、特に限定されるものではなく、黄銅やステンレス鋼など任意の材料を選定しうる。

流出体２１１は、原料液３００に電荷を付与する必要があるため、電源やアースと電気的に接続されている。本実施の形態の場合、流出体２１１は、接地手段２２３を用いて接地されており、接地電位を維持することができるものとなっている。

接地手段２２３は、流出体２１１と電気的に接続され、流出体２１１を接地電位に維持することができる部材である。接地手段２２３の一端は、流出体２１１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、他端はアースと接続されている。

また、本実施の形態の場合、流出体２１１は、回転によって原料液３００を流出させるものとなっており、筒部２３１と、フランジ部２３２とを備えている。

筒部２３１は、内方に原料液３００が流通する筒形状の部材であり、流出体２１１の胴体となる部分である。また、流出体２１１は、回転による遠心力により原料液３００を流出させるものであり、筒部２３１は、流出体２１１の回転軸体としても機能している。また、筒部２３１は、内方に原料液３００を貯留する貯留空間を備えており、一端部は圧力を調整するための比較的細い孔である供給孔２３６が設けられ、他方はピストン２３５で閉塞されている。筒部２３１は、内方の貯留空間に貯留された原料液３００がピストン２３５によって圧縮されることで、フランジ部２３２側に供給孔２３６を通して原料液３００を吐出できるものとなっている。

フランジ部２３２は、筒部２３１を通過する原料液３００を空間中に流出させる流出孔２１６が放射方向に設けられる部材であり、流出孔２１６の先端である開口部が円周上に並んで配置される外周部１１６と、外周部１１６から中央方向に向かって相互の間隔が徐々に広がるように配置され、外周部１１６から流出孔２１６を挟むように延設される二つの側面部１１７とを備える。

本実施の形態の場合、フランジ部２３２は、外に向かって厚みが徐々に薄くなる断面三角形状の円板である。具体的には、フランジ部２３２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、流出体２１１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２１１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。また、ナノファイバ製造装置１００の大きさや流出させる原料液３００の密度などを考慮すると、フランジ部２３２の直径は、５０ｍｍ以上、８５ｍｍ以下の範囲から選定することが好ましい。

流出孔２１６の孔長や孔径は、特に限定されるものではなく、原料液３００の粘度などにより適した形状を選定すれば良い。具体的には、孔長は、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。孔径は、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。また、流出孔２１６の形状は、円筒形状に限定されるわけではなく、任意の形状を選定しうる。特に開口部の形状は、円形に限定されるわけではなく、三角形や四角形などの多角形、星形など内側に突出する部分のある形状などでもかまわない。

なお、本願発明に係る流出体２１１に置いて、筒部２３１やフランジ部２３２は必須の構成ではないが、フランジ部２３２の形状が示すように複数の流出孔２１６が滑らかな面で囲まれ電気的に特異な部分が存在することをできる限り抑制しているため、イオン風の発生を抑制し、安定した状態でナノファイバ３０１を製造することが可能となる。また、側面部１１７は外周部１１６に向かって徐々に細くなるように配置されているため、外周部１１６に電荷を集中させやすく、原料液３００に効率的に電荷を供給することができる。

保持手段２１５は、流出体２１１を回転可能に保持する部材である。本実施の形態の場合、保持手段２１５は、ベアリングなどの軸受である。

駆動源２１３は、開口部から遠心力により原料液３００を流出させる回転力を流出体２１１に付与する装置である。

本実施の形態の場合、流出体２１１は、図３に示すように、筒部２３１が保持手段２１５で回転可能に固定されており、駆動源２１３によって軸を中心に回転するものとなっている。一方、流出体２１１は、加圧手段１３０により筒部２３１の内部に配置されるピストン２３５に力が与えられ、筒部２３１の内部に貯留される原料液３００がフランジ部２３２の内方に供給することができるものとなっている。

以上により流出体２１１は、回転による遠心力と加圧手段１３０による圧力により原料液３００を流出させることができるものとなっている。なお、ここで説明する原料液３００の流出方法は、単に一例を示したに過ぎない。さらに、当該記載は、本願発明を特定するための必須の事項ではなく、当業者が選択しうるあらゆる流出方法を採用することができる。例えば、回転による遠心力のみで原料液３００を流出させてもよく、加圧手段１３０のみで原料液３００を流出させてもよい。

加圧手段１３０は、筒部２３１の内方に配置されるピストン２３５に力を付与する装置である。本実施の形態の場合、気体の圧力でピストン２３５に力を付与するものとなっている。なお、加圧手段１３０は、流出体２１１の回転を維持したままピストン２３５に力を加えることができるものであれば、ステムなどを利用して機械的に力をピストン２３５に付与するものでもよい。また、加圧手段１３０は、筒部２３１の内部に原料液３００を圧送するポンプなどでもよい。この場合、ポンプにより原料液３００に対して与えられる供給圧力が原料液３００を流出させる圧力となる。

図５は、誘引手段を示す斜視図である。
誘引手段１２０は、流出体２１１から流出した原料液３００やナノファイバ３０１を誘引する装置である。同図に示すように、誘引手段１２０は、環状電極１２１と誘引電源１２２とを備えている。本実施の形態の場合、誘引手段１２０はさらに、第一棒状電極１４１と、第二棒状電極１４２と、第三棒状電極１４３と、第四棒状電極１４４と、板体１２３とを備えている。

環状電極１２１は、導電性を有する環状の部材であって、環状電極１２１が囲む空間を流出体２１１に対向するように配置されている（図１参照）。環状電極１２１は、誘引電源１２２と協働することにより流出体２１１と環状電極１２１との間に電界を発生させ、流出体２１１から流出した原料液３００やナノファイバ３０１を環状電極１２１が配置される場所に誘引する機能を有している。本実施の形態の場合、環状電極１２１は円環形状となっており、流出体２１１の軸（回転軸）と環状電極１２１の軸とが一致するように配置されている。これにより、流出体２１１の各部分と環状電極１２１の各部分との距離が均一となり、均等な電界が発生し易い状態が創出されるものとなる。また、誘引手段として環状電極１２１を採用することで、環状電極１２１の流出体２１１側の端部の全周に電気力線が集中して発生するものと考えられる。また、環状電極１２１と直接、または、間接的に接続される被堆積部材１０１が帯電し、その帯電状況は、環状電極１２１に集中する電気力線が通過する位置が最も強く環状電極１２１の中心側に向けて次第に弱く帯電した状況となる。このような電気力線の状態、被堆積部材１０１の帯電状況となることで、製造されたナノファイバは、環状電極１２１の形状に沿って堆積すると共に、環状電極１２１で囲まれる部分の中心に向かってひろがるように堆積する。つまり、ナノファイバ３０１を面状に堆積させることができ、ナノファイバ３０１を堆積させて得られる不織布の膜厚を均一にすることが可能となる。また、環状電極１２１の大きさや形状を調整することで、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を容易に調整することができ、堆積するナノファイバ３０１の広がり状態を容易に調整することが可能となる。

また、環状電極１２１の径を、流出体２１１の径（開口部までの径）より十分大きくすることにより、原料液３００やナノファイバ３０１の飛散領域を大きくすることができ、飛翔経路を長くすることができる。

また、環状電極１２１上の被体積部材１０１（絶縁体）上の帯電状況は、環状電極１２１に接続される位置が最も強く帯電し、環状電極１２１の中心側に向かうにつれて次第に帯電が弱くなっている。一方、流出孔２１６の位置と被堆積部材１０１との距離を考えると、図１に示すように、流出孔２１６の直下の被堆積部材１０１上の位置が流出孔２１６の位置に近く、環状電極１２１に接続される被堆積部材１０１上の位置は、流出孔２１６の位置から遠い。原料液３００やナノファイバ３０１に作用する誘引手段１２０からの誘引力は、電荷が強く帯電している箇所（環状電極１２１に接続される位置）からのものが強くなり、一方、距離が近い箇所（流出孔２１６の直下の被堆積部材１０１上の位置）からのものが強くなる。つまり、帯電の強さおよび距離の近さの両方を総合的に見ると、やはり、環状電極に接続される位置が最も誘引力が強く、内側が少し弱くなるが全体的に均一な状況となる。これにより、均一な厚さでナノファイバ３０１を堆積することが可能となる。

なお、本願発明において環状電極１２１の形状は、円環形状に限定されるわけではなく、矩形を含む多角形の環形状であってもかまわない。

図６は、環状電極の断面を、一部を省略して示す平面図である。
本実施の形態の場合、環状電極１２１は、流出体２１１側（同図上側）の端部に流出体２１１に向かって徐々に厚さが薄くなる尖端部１２６を備えている。これにより、流出体２１１と環状電極１２１の尖端部１２６との間に集中して電界が発生することが可能となる。つまり、環状電極１２１の尖端部１２６に電気力線を集中させることが可能となる。また、環状電極１２１は、板体１２３（後述）を載置するための肩部１２４を備えている。板体１２３が載置された場合においても、板体１２３が環状電極１２１の流出体２１１側の端部である尖端部１２６よりも流出体２１１から遠い位置に配置されるように肩部１２４の位置が設定されている。

第一棒状電極１４１は、環状電極１２１の流出体２１１側に架橋状に配置される棒形状の導電性を有する部材である。本実施の形態の場合、第一棒状電極１４１は、環状電極１２１に直接接触して載置され、環状電極１２１と電気的に導通するものとなっている。

第二棒状電極１４２は、環状電極１２１の流出体２１１側に架橋状に配置され、第一棒状電極１４１と平行に配置される棒形状の導電性を有する部材である。本実施の形態の場合、第二棒状電極１４２は、第一棒状電極１４１と同様に環状電極１２１と接触状態で載置されている。

第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とは、環状電極１２１と流出体２１１との間に形成される電界を環状電極１２１の内方に広げる機能を備えている。また、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とを平行に配置することで、電界を均等に広げている。これにより、電界に引き寄せられるようにして飛翔する原料液３００やナノファイバ３０１が環状電極１２１の近傍から環状電極１２１の内方に至るまで均等に飛翔し、ナノファイバ３０１をより均等な厚さで堆積させることが可能となる。また、環状電極１２１から内方に向かってより均等にナノファイバ３０１を堆積させることが可能となり、円形状の堆積領域を工業的に用いやすい矩形形状の堆積領域に変形させることができる。また、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２との距離や第一棒状電極１４１や第二棒状電極１４２の長さなどを変化させることで、ナノファイバ３０１の分布を容易に調整することが可能となる。

第一棒状電極１４１および第二棒状電極１４２の長さは、環状電極１２１の直径よりも長いことが好ましい。これにより、堆積させるナノファイバ３０１の厚みをより均等にすることが可能となる。

第三棒状電極１４３は、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とに架橋状に配置される棒形状の導電性を有する部材である。本実施の形態の場合、第三棒状電極１４３の一端は、第一棒状電極１４１の周面に突き合わされた状態で第一棒状電極１４１と固定されており、他端は第二棒状電極１４２の周面に突き合わされた状態で第二棒状電極１４２と固定されている。

第四棒状電極１４４は、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とに架橋状に配置され、第三棒状電極１４３と平行に配置される棒形状の導電性を有する部材である。本実施の形態の場合、第四棒状電極１４４も第三棒状電極１４３と同様に第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とのそれぞれに突き合わされた状態で固定されている。

第三棒状電極１４３と第四棒状電極１４４とは、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２との距離を固定する機能を備え、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２とにより均等に広げられた電界を更に環状電極１２１の内方に広げる機能を備えている。従って、環状電極１２１から内方に向かってより均等にナノファイバ３０９１を堆積させることが可能となり、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２の働きをより強くすることができる。つまり、より矩形形状の堆積領域に変形させることができる。

板体１２３は、環状電極１２１が囲む空間を覆う板状の部材である。板体１２３は、環状電極１２１に集中する電気力線をある程度維持しつつ、電気力線を環状電極１２１の内方に広げる機能を担う部材である。本実施の形態の場合、板体１２３は、導電性を備えており、環状電極１２１の肩部１２４に載置されることで電気的に接続された状態となっている。この場合においては、環状電極１２１と流出体２１１との間に生じる電界を維持するため、板体１２３は、流出体２１１から環状電極１２１の尖端部１２６よりも遠い位置に配置されている。

これにより、被堆積部材１０１の帯電状況について、環状電極１２１に集中する電気力線が通過する位置から環状電極１２１の中心側に向かって帯電が弱まる傾きが緩やかになる。従って、板体１２３を備えることにより、環状電極１２１から中心に向かってより均一にナノファイバ３０１を堆積させることが可能となる。

なお、板体１２３は、絶縁性の部材で構成されていてもよい。この場合、板体１２３の表面が帯電することで、電界を環状電極１２１の内方に広げることが可能となる。またこの場合、板体１２３の位置は特に限定されるものではなく、環状電極１２１の流出体２１１側に配置されていてもよい。また、板体１２３は、環状電極１２１の全体を覆うものでもかまわない。

また、板体１２３は、厚さ方向に貫通する多数の貫通孔１２５が備えられている。貫通孔１２５は、後述の吸引手段１０２により発生する気体流を通過させるための孔であり、板体１２３を通過する気体流により、ナノファイバ３０１を誘引するための孔である。

誘引電源１２２は、流出体２１１と環状電極１２１との間に所定の電圧を印加して原料液３００やナノファイバ３０１を誘引する電界を環状電極１２１に発生させる電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１２２は、環状電極１２１を所定の電圧に維持することができる直流電源であり、一方が環状電極１２１に接続され、他方が接地されている（誘引電源１２２は、接地されている流出体２１１とアースを介して接続されている）。これにより、環状電極１２１に０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で設定された電圧を印加することができるものとなっている。

調整電極２２１は、環状電極１２１により誘引される原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を調整する電界を発生させる導電性を有する部材である。本実施の形態の場合、調整電極２２１は、流出体２１１の筒部２３１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。

調整電源２２２は、流出体２１１と調整電極２２１との間に所定の電圧を印加して原料液３００やナノファイバ３０１との飛翔経路を調整する電界を調整電極２２１に発生させる電源である。本実施の形態の場合、調整電源２２２は、調整電極２２１を所定の電圧に維持することができる直流電源であり、一方が調整電極２２１に接続され、他方が接地されている（調整電源２２２は、接地されている流出体２１１とアースを介して接続されている）。これにより、調整電極２２１に０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で設定された電圧を印加することができるものとなっている。

なお、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を調整する必要が無い場合、調整電極２２１と調整電源２２２とをナノファイバ製造装置１００に設ける必要はない。

被堆積部材１０１は、静電延伸現象により製造され飛来するナノファイバ３０１を堆積させる部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１０１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る。

本実施の形態の場合、被堆積部材１０１は、第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２との並び方向に延びた状態で流出体２１１側に配置されており、移送手段１０４により第二棒状電極１４２から第一棒状電極１４１に向けて移送されるものとなっている。

移送手段１０４は、被堆積部材１０１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１０１を巻き取りながら供給手段１１１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１０１を搬送するものとなっている。移送手段１０４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１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。

本実施の形態の場合、誘引手段１２０は、気体流を吸引する方式と電界で誘引する方式とを選択的に、または、同時に実施することができる装置となっており、吸引手段１０２をさらに備えている。

吸引手段１０２は、被堆積部材１０１および板体１２３の貫通孔１２５を通過する気体流を強制的に発生させる装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２は、漏斗状のフード１０３と送風機１０５とを備え、環状電極１２１に対し流出体２１１と反対側に配置されて流出体２１１と環状電極１２１との間にある空気を吸引するものとなっている。

送風機１０５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１０１から送風機１０５に向かう気体流を発生させることができる装置である。

また、吸引手段１０２は、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１０２に接続される溶剤回収装置１０６まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて実現される別の実施の形態を本願発明の一例としてもよい。

例えば、誘引手段１２０が備える電極は、環状電極１２１のみで構成されていてもよい。更に、環状電極１２１と板体１２３との組合せでもよく、また、環状電極１２１と第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２との組合せでもよく、また、環状電極１２１と第一棒状電極１４１と第二棒状電極１４２と板体１２３との組合せなどでもよい。つまり、特許請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で任意に組み合わせることができる。

また、「平行」などの文言は、本願発明の趣旨を逸脱しない程度の誤差を許容する意味で使用している。

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。

本ナノファイバ製造方法に用いるナノファイバ製造装置１００は以下の通りである。流出体２１１のフランジ部２３２は外径がΦ６０ｍｍである。流出孔２１６は、フランジ部２３２の周方向等間隔に２４個設けられており、流出孔２１６の孔径は０．３ｍｍである。流出孔２１６と調整電極２２１との距離は、流出孔２１６と環状電極１２１との距離よりも長くなるようにそれぞれを配置した。誘引電源１２２により環状電極１２１と流出体２１１との間に印加する電圧は、−３０ＫＶ以上、−５０ＫＶの範囲から選定される電圧とした。調整電源２２２により調整電極２２１と流出体２１１との間に印加する電圧は、−２０ＫＶ以上、−３５ＫＶの範囲から選定し、かつ、環状電極１２１と流出体２１１との間に印加される電圧よりも小さくした。流出体２１１は、２０００ｒｐｍで回転させた。

ここで、ナノファイバ３０１を構成する樹脂であって、原料液３００に溶解、または、分散する溶質としては、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等の高分子物質を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、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、上記樹脂に限定されるものではない。

原料液３００に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することができる。具体的に例示すると、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、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、水等を挙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、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、本願発明に用いられる原料液３００は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。

さらに、原料液３００に無機質固体材料を添加してもよい。当該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、製造されるナノファイバ３０１の耐熱性、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、本願発明の原料液３００に添加される物質は、上記添加剤に限定されるものではない。

原料液３００における溶媒と溶質との混合比率は、選定される溶媒の種類と溶質の種類とにより異なるが、溶媒量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。好適には溶質が５〜３０重量％となる。

本実施の形態の場合、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、溶媒を水とし、水にＰＶＡを１０重量％で溶解したものを用いた。

次に、流出体２１１に加圧手段１３０からエアーを供給しピストン２３５を介して内部に貯留される原料液３００に圧力を加える。同時に、流出体２１１を駆動源２１３により回転させる。圧力と遠心力により原料液３００は、放射状に配置される複数の開口部から流出する（流出工程）。

前記流出工程に加え、流出体２１１と環状電極１２１との間に誘引電源１２２を用いて前記電圧を印加し、原料液３００やナノファイバ３０１を誘引する電界を発生させて流出体２１１から流出した原料液３００やナノファイバ３０１を環状電極１２１に誘引する（誘引工程）。

さらに、調整電極２２１と流出体２１１との間に調整電源２２２を用いて前記電圧を印加し、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を調整する電界を発生させて環状電極１２１により誘引される原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を調整する（調整工程）。

ここで、流出体２１１に対し、環状電極１２１および調整電極２２１は同極性で高電圧（負）となっているため、電荷（正）が流出体２１１を介して原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。なお、本実施の形態のように、開口部が尖った部分の先端に配置されると、先端部分に電荷が集中し、高い電荷密度で原料液３００を帯電させる事ができるため、原料液３００は強い帯電状態（高い電荷密度）で空間中に流出することとなる。

流出体２１１の径方向に流出された原料液３００やナノファイバ３０１は、環状電極１２１から発生する電界に誘引されながら、調整電極２２１から発生する電界により飛翔経路が調整され、放射方向にも所定距離分飛翔する。

原料液３００は、長く調整された飛翔経路の間で静電延伸現象によりナノファイバ３０１に変化しつつ（ナノファイバ製造工程）飛翔する。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、静電延伸現象が容易に発生し、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、静電延伸現象が何次にもわたって発生し、繊維径の細いナノファイバ３０１が大量に製造される。

以上により、環状電極１２１の流出体２１１側に配置された被堆積部材１０１上にナノファイバ３０１が堆積していく（堆積工程）。被堆積部材１０１は、移送手段１０４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。

以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、ナノファイバ製造方法を実施することにより、ナノファイバ３０１を均等な膜厚で堆積させることが可能となる。特に、第一棒状電極１４１や第二棒状電極１４２の軸方向に均等な膜厚で堆積させることができ、かつ、長尺の被堆積部材１０１を移送手段により第一棒状電極１４１や第二棒状電極１４２の軸と垂直に移送することができるため、幅方向に膜厚が均一で、かつ、長さ方向にも均一なナノファイバ３０１の堆積物である不織布を製造することが可能となる。

また、同様の構成のナノファイバ製造装置１００を用いれば、導電性を有する樹脂をナノファイバとして製造し、堆積させることができるため、イオン交換不織布などを製造することも可能となる。

また、図面には環状電極と流出体とを上下方向に記載しているが、これは単なる本願発明を実現しうる好ましい態様の一つを例示したに過ぎず、環状電極や流出体などをいかなる方向に配置するものでもかまわない。

また、ナノファイバ製造装置１００は、径の小さい環状電極１２１を内側に追加して備えることにより、径の異なる環状電極１２１を複数個備えてもかまわない。この場合、複数の環状電極１２１の軸が一致するように配置することが好ましい。これにより、環状電極１２１の中心側に向けて分布する帯電を強く維持することができ、ナノファイバ３０１をより均等に堆積することが可能となる。

また、特許文献１、特許文献２に記載の装置に、誘引手段１２０を適用しても構わない。つまり、ナノファイバ３０１を誘引するために環状電極１２１に発生させる電界は、流出体２１１との間に発生させる電界ばかりでなく、流出体２１１以外で電極として機能する部材と環状電極１２１との間で発生する電界によりナノファイバ３０１を誘引するものでもかまわない。

本願発明は、ナノファイバを用いた糸や不織布の製造に利用可能である。特に、膜厚の均一性が要求される導電性を備えた不織布の製造に利用可能である。

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 被堆積部材
１０２ 吸引手段
１０３ フード
１０４ 移送手段
１０５ 送風機
１０６ 溶剤回収装置
１１１ 供給手段
１１６ 外周部
１１７ 側面部
１２０ 誘引手段
１２１ 環状電極
１２２ 誘引電源
１２３ 板体
１２４ 肩部
１２５ 貫通孔
１２６ 尖端部
１３０ 加圧手段
１４１ 第一棒状電極
１４２ 第二棒状電極
１４３ 第三棒状電極
１４４ 第四棒状電極
２１１ 流出体
２１３ 駆動源
２１５ 保持手段
２１６ 流出孔
２２１ 調整電極
２２２ 調整電源
２２３ 接地手段
２３１ 筒部
２３２ フランジ部
２３５ ピストン
２３６ 供給孔
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (9)

1. 原料液を空間中で電気的に延伸させて、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、
   複数の流出孔から原料液を空間に放射方向に流出させる流出体と、
   環状の環状電極であって、当該環状電極が囲む空間を前記流出体に対向するように配置される環状電極と、原料液やナノファイバを誘引する電界を前記環状電極に発生させる誘引電源とを備え、前記流出体から流出した原料液やナノファイバを誘引する誘引手段と、
   前記誘引手段よりも流出体側に配置され、製造されるナノファイバを堆積させる被堆積部材と
   を備えるナノファイバ製造装置。
2. 前記誘引手段はさらに、
   前記環状電極の前記流出体側に架橋状に配置される棒状の第一棒状電極と、
   前記環状電極の前記流出体側に架橋状に配置され、前記第一棒状電極と平行に配置される第二棒状電極とを備える
   請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記誘引手段はさらに、
   前記第一棒状電極と前記第二棒状電極とに架橋状に配置される棒状の第三棒状電極と、
   前記第一棒状電極と前記第二棒状電極とに架橋状に配置され、前記第三棒状電極と平行に配置される第四棒状電極とを備える
   請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
4. 前記被堆積部材は、前記第一棒状電極と前記第二棒状電極との並び方向に長い長尺のシート状の部材であり、
   当該ナノファイバ製造装置はさらに、
   前記第一棒状電極と前記第二棒状電極との並び方向に前記被堆積部材を移送する移送手段
   を備える請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記誘引手段はさらに、
   前記環状電極が囲む空間を覆う板状の板体を備える
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のナノファイバ製造装置。
6. 前記板体は、厚さ方向に貫通する多数の貫通孔が備えられる
   請求項５に記載のナノファイバ製造装置。
7. 前記板体は、導体であって、前記環状電極の前記流出体側の端部よりも前記流出体から遠い位置に配置される
   請求項５に記載のナノファイバ製造装置。
8. 前記環状電極の前記流出体側の端部は、前記流出体に向かって徐々に厚さが薄くなる請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
9. 原料液を空間中で電気的に延伸させて、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、
   複数の流出孔を備える流出体から帯電した原料液を空間に放射方向に流出させ、
   誘引電源を用いた電界により原料液やナノファイバを誘引する電界を環状の環状電極に発生させ、前記流出体から流出した原料液やナノファイバを誘引する
   ナノファイバ製造方法。

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