JP2011168949A - 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】単位時間あたり単位面積あたりのナノファイバの生産量を高い状態に維持し、イオン風の影響を抑制してナノファイバの質の向上と均一化を図るナノファイバ製造装置の提供。
【解決手段】原料液３００を空間中に流出させる流出孔１１８を複数有する流出体１１５であり、流出孔１１８の先端である開口部１１９が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部１１６と、先端部１１６から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、先端部１１６から流出孔１１８を挟むように延設される二つの側面部１１７とを有する流出体１１５と、流出体１１５と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極１２１と、流出体１１５と帯電電極１２１との間に所定の電圧を印加する帯電電源１２２とを備え、先端部１１６は、細長い平面であり、その幅は開口部１１９の周囲に発生する円錐状の液溜まり３０３の底面の直径以上である。
【選択図】図３

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製造する装置の専らの課題として生産効率の向上が挙げられる。例えば、原料液を空間中に流出させる円筒状のノズルをマトリクス状に配置し、単位時間あたり単位面積あたりのナノファイバの発生量を増加させ、ナノファイバの生産効率を向上させることが考えられる。しかし、単位面積あたりのナノファイバの発生量を増加させるためには、ノズルの配置間隔を狭めればよいが、間隔が狭まると隣接するノズル同士が電界干渉を起こして発生するナノファイバに不具合が発生する。そこで当該課題を解決するために特許文献１に記載の発明は、ノズルの間に格子状に隔離板を配置し、該隔離板に交流電圧を印加することで、電界干渉を防止している。

特開２００８−１７４８６７号公報

ところが、特許文献１の発明では、ノズルの間に隔離板を設ける必要があるため、その分ノズルの間隔が広くなり、生産効率低下を招くことになる。また、ノズルを隔離板で囲うことになるため、当該囲われた空間に帯電蒸気が滞りやすくなり製造されるナノファイバに悪影響を及ぼすことが懸念される。また、各ノズルに供給される原料液の圧力を均一にするのは難しく、製造されるナノファイバの質にムラが発生することが考えられる。

さらに、本願発明者らは、隔離板が設けられていたとしても、ノズルの外周壁などからイオン風が発生し、該イオン風が製造されるナノファイバに悪影響を及ぼすことを見いだすに至った。

ここで、イオン風は、次のような現象で発生すると考えられている。すなわち、外周壁面のある部分に電荷が溜まると、該部分の周辺に存在する空気がイオン化する。そして、イオン化した空気が壁面の電荷に反発して飛び出すことで、イオンを含んだ空気の流れであるイオン風が発生する。特にイオン風は、例えば、突起部の先端や角の先端など、外周壁の形状の特異な部分で発生し易いという知見を得ている。

また、当該イオン風が空間中を飛行している原料液と交差すると、原料液や製造されつつあるナノファイバの飛行経路を乱したり、原料液の帯電状態に悪影響を及ぼしたりして製造されるナノファイバの品質が低下していた。また、ナノファイバの生産効率の低下にもつながっていた。

本願発明は、前記問題点や知見に基づくものであり、電界干渉を抑制して単位時間あたり単位面積あたりのナノファイバの生産量を高い状態に維持し、イオン風の影響を抑制してナノファイバの質の向上と均一化を図るナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法の提供を目的としている。

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、原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体であり、前記流出孔の先端である開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部から前記流出孔を挟むように延設される二つの側面部とを有する流出体と、前記流出孔に所定の圧力で原料液を供給する供給手段と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備え、前記先端部は、細長い平面であり、その幅は前記開口部の周囲に発生する円錐状の液溜まりの底面の直径以上でることを特徴としている。

これにより、所定間隔で配置される流出孔の開口部の隙間が先端部によって埋め尽くされた状態となるため、電界干渉が発生しにくい状態となる。したがって、原料液が流出する開口部の間隔を可及的に狭めることができ、単位面積あたりのナノファイバの生産量を増加させることが可能となる。

また、流出体は、先端部の幅が最も狭く、開口部から遠ざかるに従って徐々に広がるように側面部を備えているため、たとえ側面部からイオン風が発生したとしても、該イオン風が製造されるナノファイバに悪影響を与える方向に飛翔し難い構造となっている。さらに、側面部は開口部が配置される方向に広く延びる面であるため、イオン風が発生しにくい。従って、流出体はイオン風がナノファイバに与える影響を抑制することが可能となる。さらに、開口部が空気と直接接触しないので、開口部から発生するイオン風を抑制することが可能となる。

前記流出体はさらに、前記供給手段から供給される原料液を貯留し、複数の前記流出孔に接続され、前記流出孔に同時に原料液を供給する貯留槽を備えていてもよい。

これによれば、供給手段により供給される原料液を一旦貯留し、同時に原料液を流出孔に供給することができる為、流出孔に供給する原料液の圧力をできる限り均等にすることが可能となる。また、当該効果を簡単な構造でかつ、部品点数を増加させることなく享受することが可能となる。

また、前記先端部は、所定幅の矩形であり、前記先端部に配置される対応する前記開口部の径よりも広い幅であってもよい。

これによれば開口部の周囲に発生する液溜まり（液溜まりについては実施の形態の項参照）を先端部により充分に保持される。そして、液溜まりから原料液が空間中に細く流出し、そこから静電延伸現象が発生する。以上によって、流出孔と先端部との接合部分を原料液が覆い隠すため、イオン風の発生を抑制することが可能となる。

さらに、空間中で製造されるナノファイバを収集する収集手段と、前記収集手段にナノファイバを誘引する誘引手段とを備えてもよい。

これにより、製造されたナノファイバを堆積する対象を限定して、機能的な材料などを製造することが可能となる。

さらに、前記流出体と、前記収集手段とを相対的に移動させる移動手段を備えてもよい。

これにより、広範囲にわた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、前記流出体は、前記流出孔の形成する面が露出するように分割可能で、かつ、分割された流出体を組立可能に構成されることが好ましい。

これにより、流出体のメンテナンス性が向上する。

また、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、原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体であり、前記流出孔の先端である開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部から前記流出孔を挟むように延設される二つの側面部とを有する流出体から原料液を流出させる流出工程と、供給手段により前記流出孔に所定の圧力で原料液を供給する供給工程と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体との間に所定の電圧を印加する帯電工程とを含むことを特徴としている。

これにより、所定間隔で配置される流出孔の開口部の隙間が先端部によって埋め尽くされた状態となるため、電界干渉が発生しにくい状態となる。したがって、原料液が流出する開口部の間隔を可及的に狭めることができ、単位面積あたりのナノファイバの生産量を増加させることが可能となる。

また、流出体は、先端部の幅が最も狭く、開口部から遠ざかるに従って徐々に広がるように側面部を備えているため、たとえ側面部からイオン風が発生したとしても、該イオン風が製造されるナノファイバに悪影響を与える方向に飛翔し難い構造となっている。さらに、側面部は開口部が配置される方向に広く延びる面であるため、イオン風が発生しにくい。従って、流出体はイオン風がナノファイバに与える影響を抑制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向上させると共に、製造されるナノファイバの品質の向上を図ることが可能となる。

図１は、ナノファイバ製造装置を示す斜視図である。 図２は、流出体を切り欠いて示す斜視図である。 図３は、先端部側から見た流出体を示す斜視図である。 図４は、先端部のバリエーションを示す参考図である。 図５は、他の実施形態に係るナノファイバ製造装置を示す斜視図である。 図６は、分解可能な流出体を示す分解斜視図である。 図７は、他の形態の流出体を切り欠いて示す斜示図である。 図８は、他の形態の流出体を切り欠いて示す斜示図である。 図９は、他の形態の流出体を切り欠いて示す斜示図である。 図１０は、他の形態の流出体を切り欠いて示す斜示図である。

（実施の形態１）
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示す斜視図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液３００を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバ３０１を製造する装置であって、流出体１１５と、供給手段１０７と、帯電電極１２１と、帯電電源１２２とを備えている。本実施の形態の場合さらに、ナノファイバ製造装置１００は、収集手段１２８と、誘引手段１０４とを備えている。さらに、ナノファイバ製造装置１００は、移動手段１２９を備えている。

図２は、流出体を切り欠いて示す斜視図である。

流出体１１５は、原料液３００の圧力（重力も含む場合がある）により原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、流出孔１１８と、先端部１１６と、側面部１１７とを備え、さらに、貯留槽１１３を備えている。また、流出体１１５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１１５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。

流出孔１１８は、原料液３００を空間中に流出させる孔であり、流出体１１５に複数個設けられている。また、流出孔１１８の先端にある開口部１１９は、所定の間隔で一次元的に並んで配置されている。本実施の形態の場合、流出孔１１８は、開口部１１９が同一平面内に直線的に並ぶように配置されており、開口部１１９が配置される方向に対し流出孔１１８の軸が直角に交わるように配置されている。

流出孔１１８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、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１１８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１１９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。

また、開口部１１９が並べられる間隔は、全てを等間隔としてもよく、また、流出体１１５の端部における開口部１１９の間隔は、流出体１１５の中央部における開口部１１９の間隔よりも広く（狭く）するなど任意に定めることができる。現在得られている知見において、開口部１１９の孔径が０．３ｍｍの場合、開口部１１９のピッチは、２．５ｍｍ程度までは短縮可能である。なお、これら孔径やピッチなどは、原料液３００の粘度など他の条件により変化することが考えられる。

また、開口部１１９は、同一直線上に配置されるばかりでなく、一次元的に並べられていればよい。ここで、一次元的とは、全ての開口部１１９が配置されるぎりぎりの領域を矩形で囲った場合、開口部１１９が前記矩形の幅方向には並ばない状態をいう。また、前記開口部１１９が配置される矩形の領域は、帯形状となる。この意味において、開口部１１９は、ジグザグに配置されてもよく、サインカーブなどの波を描くように配置されてもよい。

先端部１１６は、流出孔１１８の開口部１１９が配置される流出体１１５の部分であり、所定の間隔で配置される開口部１１９の間を滑らかな面で接続する部分である。本実施の形態の場合、先端部１１６は、細長い矩形の平面を表面に備え、その幅は、対応する開口部１１９の径よりも広くなるように設定されている。具体的に例えば、先端部１１６の幅は、流出孔１１８の孔径により異なるが、液溜まり３０３（後述、図３参照）の根元の径が１ｍｍ程となることを勘案して、１ｍｍ以上に設定することが好ましい。

図３に示すように、開口部１１９の周囲の全てにわたって表面が平面の先端部１１６が存在することにより、開口部１１９の周りに液溜まり３０３が発生する。この液溜まり３０３は、テーラーコーンと称されており、原料液３００の粘性により発生すると考えられ、開口部１１９よりも大きな円形の底面を備える円錐形状となっている。液溜まり３０３は、開口部１１９を覆うように流出体１１５の先端部１１６に付着する。そして、円錐状の液溜まり３０３から原料液３００が空間中に細く流出するものとなっている。これにより開口部１１９が空気と直接接触しないので、開口部１１９から発生するイオン風を抑制することが可能となる。

なお参考として、先端部１１６は、平面ではなくとも液溜まり３０３が発生する場合もある。例えば図４（ａ）に示すように、先端部１１６は曲面を備えてもよく、また、図４（ｂ）に示すように、端部がつきあわされた二つの平面を備えていてもよい。

また、先端部１１６は、上述したように開口部１１９がジグザグや波形に配置された場合、まっすぐな帯形状でもよく、開口部１１９の配置に追随したジグザグ形状や波形等であってもよい。

以上のように、先端部１１６は、複数存在する開口部１１９の間を面でつなげている（図４（ｂ）では、上記のように二つの平面でつなげている）ため、複数のノズルを並べたときに発生する電界干渉を抑制することが可能となる。また、開口部１１９と開口部１１９との間の領域で発生するイオン風を抑制することができる。従って、開口部１１９の間隔を狭めた状態で配置しても、良好にナノファイバ３０１を製造することができるため、単位時間、単位面積あたりのナノファイバ３０１の生産量を向上させることが可能となる。

また、先端部１１６により液溜まり３０３を良好な状態で保持することが可能であるため、イオン風の発生を抑制し、ナノファイバ３０１の品質向上や生産効率の向上が図れると考えられる。

図２において、側面部１１７は、流出孔１１８を挟むように配置される二つの面であり、先端部１１６から延設され、起立状態で配置される流出体１１５の部分である。また、側面部１１７は、並んで配置されている流出孔１１８の配置方向に延びた状態で設けられており、全ての流出孔１１８を二つの側面部１１７で挟むように設けられている。また、側面部１１７は、図２に示すように、先端部１１６から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置されている。双方の側面部１１７の間の角度は、鋭角である程先端部に電荷を集中することができ、原料液３００を高い電荷密度として高品質なナノファイバ３０１を製造することが可能となる。一方、双方の側面部１１７の間の角度が鋭角になる程、流出体１１５に備えられる貯留槽１１３の容積が小さくなり、また、流出体１１５に貯留槽１１３を設ける際の加工が難しくなる。以上を勘案し、双方の側面部１１７の間の角度は６０度程度に設定することが好ましい。但し、流出体１１５における双方の側面部１１７の間の角度はこれに限定されるものでは無い。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように先端部１１６と側面部１１７との境界は曖昧である。また、側面部１１７の形状は、平面ばかりでなく、曲面であってもかまわない。例えば図７に示すように、円筒形の流出体１１５の周壁に流出孔１１８を設けた場合、円筒形の流出体１１５の周壁における流出孔１１８の配置箇所が先端部となり、その先端部（流出孔１１８の配置箇所）を挟む両端の周壁部が側面部１１７となる。この場合、流出体１１５を構成する部材を容易に入手することができ、また、加工も容易となる。一方、先端部１１６への電荷の集中が他の形状（例えば、図２に示す流出体１１５の形状）よりも劣るが、電圧を高くしたり、帯電電極１２１の位置や形状を工夫したりすることでカバー可能である。また、図８に示すように、側面部１１７は、平面であるが、貯留槽１１３が生成される部分は円筒形であってもかまわない。また、図９に示すように、側面部１１７は、先端部１１６を挟んで相互の間隔が曲面上に広がる形状となっており、また、貯留槽１１３を形成する部分は矩形の筒形状であってもかまわない。さらに、図１０に示すように、流出体１１５は、断面形状が卵形の筒体であってもかまわない。

以上に例示した側面部１１７は、先端部１１６から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置されている。また、先端部１１６から流出孔１１８を挟むように流出孔１１８の並び方向に沿って延設されている。また、例示した流出体１１５の各部分を組み合わせてできる流出体１１５も、本願発明に含まれる。また、先端部１１６から離れるに従い相互の間隔が広がるような連続的な面を備える流出体１１５の部分が側面部１１７である。

側面部１１７や先端部１１６は、全体にわたって滑らかな表面を備えており、できる限り特異な部分を設けることなく（開口部１１９は除く）イオン風の発生を抑制する形状とすることが望ましい。

流出体１１５は、上記側面部１１７を備えることで、イオン風の発生を抑制し、また、イオン風が発生したとしても、空間中に流出する原料液３００と交差しない方向にイオン風を飛ばせることができるため、イオン風が影響を及ぼすことなく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は先端部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、先端部１１６に電荷が集中させやすく、原料液３００に効率的に電荷を供給することができる。

さらに、開口部１１９の周囲の空間を広く開放することができるため、帯電蒸気が充満することを回避することが可能となる。また、側面部１１７に沿った気体の流れが発生し、帯電蒸気の充満を積極的に回避しているとも考えられる。

また例えば、開口部１１９近傍から原料液３００の流出方向の下流側に向かう風を発生させると、側面部１１７から原料液３００に沿って流出方向（下方）に帯電蒸気やイオン風を排除することができ、製造されるナノファイバ３０１の品質の向上を図ることが可能となる。

貯留槽１１３は、図２に示すように、流出体１１５の内部に形成され、供給手段１０７（図１参照）から供給される原料液３００を貯留するタンクである。また、貯留槽１１３は、複数の流出孔１１８に接続され、流出孔１１８に同時に原料液３００を供給するものとなっている。本実施の形態の場合、貯留槽１１３は、流出体１１５に一つ設けられており、流出体１１５の一端部から他端部にわたって広く設けられ、全ての流出孔１１８と接続されている。

以上のように貯留槽１１３は、原料液３００を流出孔１１８の近傍で一時的に貯留し、複数の流出孔１１８に均等な圧力で原料液３００を供給する機能を備えており、これにより、各流出孔１１８から均等な状態で原料液３００を流出させることが可能となる。従って、製造されるナノファイバ３０１の品質の空間的なムラを抑制することが可能となる。

供給手段１０７は、図１に示すように、流出体１１５に原料液３００を供給する装置であり、原料液３００を大量に貯留する容器１５１と、原料液３００を所定の圧力で搬送するポンプ（図示せず）と、原料液３００を案内する案内管１１４とを備えている。

帯電電極１２１は、流出体１１５と所定の間隔を隔てて配置され、自身が流出体１１５に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、流出体１１５に電荷を誘導するための導電性を備える部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、ナノファイバ３０１を誘引する誘引手段１０４としても機能しており、流出体１１５の先端部１１６と対向する位置に配置されており、接地されている。従って、流出体１１５に正の電圧が印加されると帯電電極１２１には、負の電荷が誘導され、流出体１１５に負の電圧が印加されると帯電電極１２１には、正の電荷が誘導される。

帯電電源１２２は、流出体１１５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の帯電極性に影響を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、５ＫＶ以上、１００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。

本実施の形態のように、帯電電源１２２の一方電極を接地電位とし、帯電電極１２１を接地するものとすれば、比較的大型の帯電電極１２１を接地状態とすることができ、安全性の向上に寄与することが可能となる。

なお、帯電電極１２１に電源を接続して帯電電極１２１を高電圧に維持し、流出体１１５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、帯電電極１２１と流出体１１５とのいずれも接地しないような接続状態であってもかまわない。

収集手段１２８は、静電延伸現象により製造されるナノファイバ３０１を堆積させて収集する部材である。本実施の形態の場合、収集手段１２８は、電子デバイスであるコンデンサを形成する部材であるタングステンのシートであり、ロール１２７に巻き付けられた状態で供給されている。

なお、収集手段１２８はこれに限定されるわけではない。例えば、収集手段１２８は、剛性のある板状の部材からなるものでもかまわない。また、ナノファイバ３０１の堆積物のみを利用する場合には、収集手段１２８の表面にフッ素樹脂コート、または、シリコンコートを行うなど、ナノファイバ３０１を剥ぎ取る際の剥離性が高い収集手段１２８であってもよい。

誘引手段１０４は、空間中で製造されたナノファイバ３０１を収集手段１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引手段１０４は、帯電電極１２１としても機能する金属板であり、収集手段１２８の後方に配置されている。誘引手段１０４は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により収集手段１２８に誘引する。つまり、誘引手段１０４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。

移動手段１２９は、流出体１１５と、収集手段１２８とを相対的に移動させる装置である。本実施の形態の場合、流出体１１５は固定されており、収集手段１２８のみを移動するものとなっている。具体的に移送手段は、長尺の収集手段１２８を巻き取りながらロール１２７から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に収集手段１２８を搬送するものとなっている。

なお、移動手段１２９は、収集手段１２８を移動させるばかりではなく、流出体１１５を収集手段１２８に対して移動させるものでもかまわない、また、移動手段１２９は、収集手段１２８を一定方向に移動させ、流出体１１５を往復動させるなど、任意の動作状態を例示することができる。また、開口部１１９の並び方向と直交する方向に収集手段１２８を移動させているが、それに限定するものではなく、開口部１１９の並び方向に収集手段１２８を移動させ、流出体１１５を開口部１１９の並び方向と直交する方向に往復動させるものであってもかまわない。

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、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、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、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、Ｃｏ
Ｏ、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％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、供給手段１０７により流出体１１５に原料液３００を供給する（供給工程）。以上により、流出体１１５の貯留槽１１３に原料液３００が満たされる。

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と対向する流出体１１５の先端部１１６に電荷が集中し、当該電荷が流出孔１１８を通過して空間中に流出する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と供給工程とは同時期に実施され、流出体１１５の開口部１１９から帯電した原料液３００が流出する（流出工程）。

ここで、開口部１１９から流出する原料液３００は、開口部１１９を覆い先端部１１６から垂れ下がる液溜まり３０３を形成する。この液溜まり３０３は、複数ある開口部１１９毎に形成され、その先端から原料液３００が糸状に垂れ下がる。このように液溜まり３０３が形成されることで、イオン風の発生を抑制し、製造されるナノファイバ３０１の品質を高めることが可能となる。

次にある程度空間中を飛行した原料液３００に静電延伸現象が作用することによりナノファイバ３０１が製造される（ナノファイバ製造工程）。ここで、原料液３００は、イオン風に影響されることなく強い帯電状態（高い電荷密度）で流出し、また、各開口部１１９から飛行する原料液３００がまとまることなく細い状態で流出する。これにより、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が大量に製造される。

この状態において、収集手段１２８の背方に配置される誘引手段１０４と流出体１１５との間に発生する電界により、ナノファイバ３０１が収集手段１２８に誘引される（誘引工程）。

以上により、収集手段１２８にナノファイバ３０１が堆積して収集される（収集工程）。収集手段１２８は、移動手段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。

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、高い生産効率を維持しつつ、品質の高いナノファイバ３０１を空間的にムラが発生することなく均一に製造することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるわけではない。例えば図５に示すように、流出体１１５の近傍であって、流出体１１５と収集手段１２８との間に、帯電電極１２１を配置してもかまわない。また、このような態様のナノファイバ製造装置１００とした場合、さらに、通気性を備えると共にナノファイバ３０１を堆積させることのできる収集手段１２８を備え、所定の場所に集まる気体流を発生させる誘引手段１０４を備えてもよい。具体的には、同図に示すように、真空吸引装置１４１を配置して収集手段１２８の背部から収集手段１２８に向かう気体流を発生させる誘引手段１０４とすれば良い。さらに、帯電電源１２２とは異なる（又は共用で）収集電源１２３を備え、ナノファイバ３０１を電界で誘引する電界方式と、気体流により誘引する気体流方式とを同時、または、選択的に実施できるようにしてもかまわない。

また、図６に示すように、流出体１１５を分割可能な構成としてもかまわない。特に、流出孔１１８の内壁面を露出できるような分割構造を採用すれば、流出孔１１８に付着した樹脂などの除去が容易になり好ましい。

本願発明は、ナノファイバの製造やナノファイバを用いた紡糸、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
１０４ 誘引手段
１０７ 供給手段
１１３ 貯留槽
１１４ 案内管
１１５ 流出体
１１６ 先端部
１１７ 側面部
１１８ 流出孔
１１９ 開口部
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２７ ロール
１２８ 収集手段
１２９ 移動手段
１５１ 容器
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (7)

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、
   原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体であり、前記流出孔の先端である開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部から前記流出孔を挟むように延設される二つの側面部とを有する流出体と、
   前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、
   前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備え、
   前記先端部は、細長い平面であり、その幅は前記開口部の周囲に発生する円錐状の液溜まりの底面の直径以上であることを特徴とするナノファイバ製造装置。
2. 前記流出体はさらに、
   前記流出孔に所定の圧力で原料液を供給する供給手段と、
   前記供給手段から供給される原料液を貯留し、複数の前記流出孔に接続され、前記流出孔に同時に原料液を供給する貯留槽
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. さらに、
   空間中で製造されるナノファイバを収集する収集手段と、
   前記収集手段にナノファイバを誘引する誘引手段と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
4. さらに、
   前記流出体と、前記収集手段とを相対的に移動させる移動手段
   を備える請求項３に記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記流出体は、前記流出孔の形成する面が露出するように分割可能で、かつ、分割された流出体を組立可能に構成される
   請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
6. 原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体であり、細長い平面に前記流出孔の先端である開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部から前記流出孔を挟むように延設される二つの側面部とを有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極とを備え、前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加することにより原料液を空間中で電気的に延伸させるナノファイバ製造方法であって、
   前記開口部の周囲に発生する原料液の円錐状の液溜まりを前記先端部の平面に保持しながら原料液を前記流出体と前記帯電電極の間の空間に流出させることを特徴とするナノファイバ製造方法。
7. さらに、
   空間中で製造されるナノファイバを収集手段により収集する収集工程と、
   前記収集手段にナノファイバを誘引する誘引工程と
   を含む請求項６に記載のナノファイバ製造方法。

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