JP2013227688A - ナノファイバ製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電界紡糸法により、端部まで一定の厚みを有するナノファイバの不織布を製造する。
【解決手段】原料液を空間中で静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを生成するナノファイバ生成手段、空間中で生成されたナノファイバを帯状の基材に堆積させて帯状の不織布に形成して回収する回収手段、および不織布の幅方向の端部を除去する端面処理手段、を備えたナノファイバ製造装置。
【選択図】図１

Description

高分子を含む原料液から静電気力によりナノファイバを生成させる電界紡糸法によりナノファイバの不織布を製造する装置および方法の改良に関する。

サブミクロンオーダーまたはナノオーダーの直径（繊維径）を有するナノファイバと称される糸状（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）を利用する方法（以下、電界紡糸法という）が知られている。

電界紡糸法においては、例えば高分子材料を揮発性の液体に溶解または分散させて原料液を調製する。その原料液を高い電圧により帯電させて、ノズル等から空間中に流出ないしは放出させる。そして、原料液が空間を飛行している間に原料液を静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを得る。

より具体的に静電延伸現象によるナノファイバの生成過程を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され、電荷が付与されて空間中に放出された原料液は、空間を飛行している間に徐々に溶媒または分散媒が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は減少していく。溶媒等の蒸発にも拘わらず、原料液に付与された電荷は原料液に留まる。その結果、原料液の電荷密度は原料液が空間中を飛行している間に上昇する。

溶媒等が蒸発を続け、原料液の電荷密度がさらに高まると、原料液の内部で発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力を上回る。それにより、原料液が爆発的に線状に延伸される。そのような現象を静電延伸現象という。静電延伸現象は、空間中で連鎖的に引き起こされ、それにより、原料液は幾何級数的に細分化されて延伸される。その結果、サブミクロンオーダーないしはナノオーダーの直径を有する糸状物質（ナノファイバ）が生成される。

特許文献１では、静電延伸現象を利用して、繊維径５０〜９００ｎｍのナノファイバを生成させ、目付質量０．０１〜１．０ｇ／ｍ²の不織布を形成し、これを内燃機関などに用いられる燃料用フィルタとして用いることを提案している。より具体的には、空間中で生成されたナノファイバを、長手方向に送られる帯状の基材シートの表面に一定の厚みで堆積させることで、所定幅の不織布を順次形成していく。静電延伸現象を利用する従来の不織布の製造工程は、電界紡糸により生成させたナノファイバを、長手方向に送られる基材シートの表面に一定の厚みで堆積させた後、基材シートを巻き取る等して、不織布を回収している。このとき、製品の品質を一定とするために、原料液を空間中に放出するための放出体を水平方向に移動させる等して、基材シートの幅方向でナノファイバの堆積量を一定にしている。

特開２００９−２８６１７号公報

しかしながら、基材シートの幅方向の端部では、ナノファイバの堆積量を中央部と同等にするのが困難であるために、不織布の厚みが端に向かって徐々に減少してしまう。このため、従来、端部まで一定の厚みを有するナノファイバの不織布を得ることは困難であった。

そこで、本発明は、電界紡糸法により、端部まで一定の厚みを有するナノファイバの不織布を製造することができる、ナノファイバ製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記に鑑み、本発明の一局面は、原料液を空間中で静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを生成するナノファイバ生成手段、
前記空間中で生成された前記ナノファイバを帯状の基材に堆積させて帯状の不織布に形成して回収する回収手段、および
前記不織布の幅方向の端部を除去する端面処理手段、を備えたナノファイバ製造装置に関する。

本発明の他の一局面は、原料液からナノファイバを生成する工程、
帯状の基材を長手方向に送り、前記基材に前記ナノファイバを堆積させて帯状の不織布として回収する工程、
前記不織布の幅方向の端部をテープ状の切断片に切断する工程、および
前記切断片を、前記不織布の幅方向の中央寄りの本体部分から分離する工程、を備えたナノファイバ製造方法に関する。

本発明によれば、電界紡糸法により、端部まで一定の厚みを有するナノファイバの不織布を製造することができる。

本発明の一実施形態に係るナノファイバ製造装置の構成を概略的に示す斜視図である。 同製造装置が具備する放出体の構成を概略的に示す正面図である。 放出体の側面図である。 放出体の断面図である。 不織布の製造中の回収用部材の上面図である。 切断手段の一例の構成を概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 分離手段の一例の構成を概略的に示す側面図である。 ガス流分配部の一例の構成を概略的に示す側面図である。 分離手段の一例の動作を説明するための分離手段の側面図である。 本発明の他の実施形態に係るナノファイバ製造装置に具備されるナノファイバ生成手段の構成を概略的に示す一部断面図である。

本発明のナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを生成するナノファイバ生成手段、空間中で生成されたナノファイバを帯状の基材に堆積させて帯状の不織布に形成して回収する回収手段、および不織布の幅方向の端部を除去する端面処理手段、を備えている。これにより、幅方向の端部まで一定の厚みを有するナノファイバの不織布を得ることができる。

ここで、「ナノファイバ」とは、高分子物質からなる繊維径数１０〜数１００ｎｍの糸状物質を言う。基材としては、特に限定されないが、例えば、帯状の樹脂シート、紙シート、布シート、ガラス繊維などが用いられる。樹脂シートを構成する樹脂としては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、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などを用いることができる。基材が、例えば集塵などに用いられるフィルタの一部を構成する場合には、基材自身が多孔質構造を有していてもよい。

本発明のナノファイバ製造装置の一形態においては、回収手段は、基材を長手方向に送る送り手段を含む。そして、端面処理手段は、不織布の端部をテープ状の切断片に切断する切断手段、および、切断片を、不織布の幅方向の中央寄りの本体部分から分離する分離手段、を含む。

基材に一定の厚みで堆積されたナノファイバは、例えば基材と共に巻き取り装置により巻き取られ、不織布として回収される。上述したとおり、本発明では、不織布の幅方向の端部を、例えば基材の端部と共に一定幅（例えば、数ｍｍ〜数１０ｍｍの幅）で切断する端面処理が実行される。このとき、ナノファイバの不織布は非常に軽量であるために、一定の幅でテープ状ないしは紐状に切断した切断片が、不織布の中央寄りの本体部分に付着したまま、本体部分と共に巻き取り装置に巻き取られてしまうことを防止することが望まれる。

本形態によれば、分離手段により、切断片を不織布の本体部分から分離することで、切断片が付着したまま不織布の本体部分が回収されてしまうのを防止することができる。これにより、切断片が付着した部分だけ、不織布の厚みが変化したり、付着した切断片を除去するときに、不織布の表面が毛羽立ったりするのを防止することができる。これにより、製造される不織布の品質を向上させることができる。

本発明の一形態においては、分離手段は、切断片が本体部分とともに送られてくる位置に配置され、切断片を保持した状態で一定距離だけ移送する移送手段と、一定距離の移送後に、切断片を移送手段および回収手段から強制的に離間させる離間手段とを含む。これにより、移送手段による切断片の移送を適宜の距離および態様に設定することで、確実に切断片を本体部分から分離することができる。

より具体的には、本発明の一形態においては、移送手段は、切断片を、通気孔を有する周面に沿わせて回転する回転体と、回転体を回転駆動する駆動手段と、回転体が第一角度範囲にあるとき、通気孔を介した吸気により切断片を回転体の周面に付着させるように吸気する吸気手段とを含む。そして、離間手段は、回転体が第二角度範囲にあるとき、通気孔を介した排気により切断片を回転体の周面から離間させるように給気する給気手段を含む。

分離手段としては、例えば、切断片をエアで吹き飛ばすことが考えられる。または、切断片を巻き取るための別の巻き取り装置により、テープ状ないしは紐状の切断片を巻き取ることが考えられる。ところが、そのような切断片は切れやすく、不織布の製造の途中で切断片が切れてしまうと、再び切断片を切断片の巻き取り装置に掛け直す必要性が生じる。その作業を行う間は、不織布の製造を中断する必要があり、生産性が低下する。また、切断片の掛け直しのための作業者が必要となりコストが増大する。また、エアで切断片を吹き飛ばす方法に関しては、その切断片が再び不織布の本体部分に付着してしまうことがあり、確実に切断片を本体部分から分離することは困難である。

これに対して、本形態の分離手段によれば、本体部分とともに送られてくる切断片を、その送りの位置で、回転体の周面に、通気孔を介した吸気により付着させることで捕らえる。そして、その状態で、回転体の所定の角度範囲だけ切断片を移送する。その移送後に、通気孔を介した排気により、周面に付着させた切断片を周面から強制的に離間させる。これにより、切断片を不織布の本体部分から確実に分離することができる。このとき、通気孔を介して吸気を開始する回転体の角度位置と、通気孔を介して排気を開始する回転体の角度位置との角度差は、１８０°であるのが好ましいといえる。しかしながら、これに限られず、回転体の径や、分離後の切断片を回収する回収容器の配置等を考慮して、第一角度範囲と第二角度範囲との間の位置関係は、適宜設定することができる。

ここで、切断手段には、回転刃を含ませることができる。そして、その回転刃は、上記の回転体を回転駆動する駆動手段により回転駆動することができる。これにより、切断手段と分離手段の駆動手段を共通にすることができ、機構を簡素化することができる。これにより、ナノファイバ製造装置の小型化を可能とし、ナノファイバの製造コストを低減できる。

このとき、回転刃と回転体とを、ギアを介して接続することで、両者の動きを連動させることができる。これにより、端部を切断する速度と、切断片を移送する速度とを一致させることができる。その結果、テープ状の切断片を分断させること無くできるだけ一纏まりの状態で回収することができる。これにより、細切れになった切断片が再び本体部分に付着するのを防ぐのが容易となる。また、そのような連動機構には、プーリを含ませることもできる。

一例として、ナノファイバ生成手段は、原料液を空間中に放出する放出体と、放出体により放出される原料液を帯電させる帯電手段と、を含んでいる。このとき、放出体には、原料液を収容する収容部と、収容部に収容された原料液を一定方向に放出するように一方向に沿って配列された複数の放出孔とを含ませることができる。または、放出体には、原料液を収容する収容部と、収容部に収容された原料液を放射状に放出するように複数の放出孔が形成された周部とを有する、回転容器を含ませることもできる。

一方、本発明のナノファイバ製造方法は、原料液からナノファイバを生成する工程、帯状の基材を長手方向に送り、基材にナノファイバを堆積させて帯状の不織布として回収する工程、不織布の幅方向の端部をテープ状の切断片に切断する工程、および切断片を、不織布の幅方向の中央寄りの本体部分から分離する工程、を備える。

ここで、上記の分離する工程は、切断片を、通気孔を有する周面に沿わせて回転する回転体により、回転体が第一角度範囲にあるときに、通気孔を介した吸気により周面に付着させて移送する工程、および、回転体が第二角度範囲にあるときに、通気孔を介した排気により、切断片を回転体から強制的に離間させる工程、を含む。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に、本発明の一実施形態に係るナノファイバ製造装置を斜視図により示す。図２に、放出体を正面図により示す。図３に、放出体を側面図により示す。図４に、放出体の構造を断面図により示す。

図示例のナノファイバ製造装置１は、原料液を空間中で静電気力により延伸させて、ナノファイバを製造する装置であり、原料液を空間中に放出する放出体２と、原料液を帯電させる帯電手段３と、空間中で生成されたナノファイバを帯状の不織布２２に形成して回収する回収ユニット４と、不織布２２の端部を除去する端面処理ユニット５とを備えている。放出体２は、フレーム８２に取り付けられた複数の桟部材８２ａにより支持されている。

フレーム８２は、例えば、四本の棒状の脚部８２ｂと、その四本の脚部８２ｂを二本ずつ上端部で連結する、比較的短い一対の水平材８２ｃと、一対の水平材８２ｃで連結された二対の脚部８２ｂを互いに連結するように、一対の水平材８２ｃの両端部にそれぞれの端部が接合される、比較的長い一対の水平材８２ｄとを含む。

図２および図３に示すように、放出体２は、複数の桟部材８２ａに取り付けられたバッファ８４に固定されている。バッファ８４には、放出体２から放出される原料液からの溶媒または分散媒の蒸発を促進するための圧縮エアが供給されている。バッファ８４に供給された圧縮エアは、バッファ８４の例えば下部に儲けられた図示しないノズルから原料液の流れに沿って放出される。放出体２の長手方向の外側端部には、放出体２に、原料液ＲＦを供給するための導管８６が接続されている。図示例の装置では、２本の導管８６により放出体２に原料液ＲＦが供給されている。これに限られず、１本の導管８６だけで放出体２に原料液ＲＦを供給してもよいし、３本以上の導管８６により放出体２に原料液ＲＦを供給してもよい。

図４に示すように、図示例の放出体２は、全体として細長い管状であり、その内部には、径：Ｄ１の円筒形の収容部１２が形成されている。放出体２の下部には、収容部１２に収容された原料液を放出するための、貫通孔を含む放出部１４が放出体２の軸方向に等しいピッチＰＴで形成されている。放出部１４の開口は下方を向いている。

放出体２の上部は、支持が容易なように、断面が方形に形成されており、その被把持部２ａの下端から放出部１４の開口端に向かって断面形状の幅が徐々に小さくなるテーパ状部２ｂが形成されている。このように、放出体２の放出部１４の周囲の部分にテーパ状部２ｂを形成することで、放出体２の表面からシャープな角部を排除できる。これにより、電荷の過度の集中によるイオン風の発生を抑えることができる。

また、放出部１４の開口端に向かって放出体２の断面形状の幅を徐々に小さくすることで、電荷を適度に集中させることができ、放出部１４から放出される原料液に効率的に電荷を供給することができる。放出部１４を形成する貫通孔の径は、例えば０．２５〜０．４ｍｍの所定径に設定することができる。また、貫通孔の長さは、０．１〜５ｍｍの範囲に設定されるのが好ましい。また、貫通孔の形状は、円筒形状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任意の形状を選択することができる。

放出体２は、放出部１４から流出ないしは放出させる原料液に電荷を供給するための電極としても機能する。したがって、放出体２の原料液と接触する部分の少なくとも一部分（例えば放出部１４）は導体（黄銅やステンレス鋼などの金属）から形成される。そして、放出体２は、帯電手段３を構成するアース線３ａにより接地されるとともに、回収ユニット４に設けられた他方電極８８と所定距離（例えば、５０ｍｍ前後〜６００ｍｍ前後）で対向するように配置されている。放出体２と、他方電極８８との距離を、そのような距離に設定することで、放出部１４から放出された原料液から静電延伸現象によりナノファイバを確実に生成することができる。

他方電極８８は、帯電手段３を構成する電源９０の正極および負極の一方の極の端子に接続されている。電源９０の他方の極の端子は接地されている。電源９０としては、原料液に与える電荷を一定とする観点から直流電源が好ましいが、整流器を介することで交流電源でも使用することができる。電源９０は、放出体２と他方電極８８との距離を考慮して、５ＫＶ以上の出力を有するのが好ましい。これにより、上記の距離を確保しながら、十分な電荷を原料液に与えることができる。より好ましい電源９０の出力電圧は、２０ＫＶ以上であり、５０ＫＶ以上がさらに好ましい。

以上の構成の帯電手段３（アース線３ａおよび電源９０）により、放出体２と他方電極８８との間には例えば５ＫＶ以上の電位差が発生しており、放出体２には電荷が生じる。その電荷により放出部１４から放出される原料液が帯電される。なお、上記の場合と反対に、電源９０を放出体２と接続し、他方電極８８を接地しても、放出部１４から放出される原料液を帯電させることができる。

回収ユニット４は、さらに、他方電極８８と近接する位置で、放出体２の長手方向と垂直な水平方向に送られる帯状の回収用部材（基材）４２と、回収用部材４２を放出体２の下方で長手方向に送る送り機構４４とを含む。そして、回収ユニット４には、回収用部材４２へのナノファイバの堆積を補助するための気流を発生させる、図示しない気流発生手段を設けることができる。

回収用部材４２は、上記の気流の流通を容易にするために、網状のシートにより形成することができる。さらに、表面に堆積したナノファイバを容易にはがせるように、回収用部材４２をシリコンでコーティングするのも好ましい。送り機構４４は、巻き出し装置４４ａおよび巻き取り装置４４ｂ（図５参照）と、ローラ駆動機構４４ｃとを含む。さらに、回収用部材４２を、水平面内で、送りの方向と垂直な方向に往復動させる機構を設けることで、より均一な不織布の厚みを実現することもできる。

さらに、回収用部材４２を最終的な製品（例えばフィルタ）の一部分として利用する場合には、回収用部材４２にナノファイバを堆積させる前に回収用部材４２に接着剤等を付与するためのディスペンサを製造装置１に備えさせることができる。

図５に、送り機構により送られる回収用部材を上面図により示す。図示例の状態では、回収用部材４２の上面には、空間中で生成されたナノファイバが堆積して、不織布２２が形成されている。図中の二点鎖線Ｌ１は、回収用部材４２の上方で、複数の放出部１４の開口が並ぶラインを示している。このラインは、別の二点鎖線Ｌ２により示すように、回収用部材４２の送りの方向（図の矢印ＳＤの方向）に対して斜めにすることもできる。そのような斜めのラインで放出部１４の開口を配列することで、回収用部材４２の幅方向のより端部に近い部分にまでナノファイバを一定の厚みで堆積させることができる。

そして、回収用部材４２の上面に形成された不織布２２は、幅方向の各端部が、巻き取り装置４４ｂの手前の位置Ｐ１で、端面処理ユニット５によりテープ状に切断される。これにより、テープ状の切断片２２ａが形成される。切断片２２ａは、端面処理ユニット５により不織布２２の幅方向の中央寄りの本体部分２２ｂと分離して回収される。

次に、図６〜図８を参照して、端面処理ユニットを説明する。図６に、端面処理ユニットに含まれる、端部切断機の一例を正面図（ａ）および側面図（ｂ）により示す。図７および図８に、端面処理ユニットに含まれる、分離機構の一例を示す。

端面処理ユニット５は、不織布２２の幅方向の端部をテープ状に切断して、切断片２２ａを形成するための端部切断機１６と、テープ状の切断片２２ａを本体部分２２ｂから分離する分離機構１８とを含む。

図６に示すように、端部切断機１６は、例えば一対の回転刃１７から形成することができる。各回転刃１７は、それぞれの回転軸Ｉ１を平行とし、回転軸Ｉ１と垂直な対向面で刃がわずかに触れ合うような状態で配置されている。そして、刃を擦れ合わせて互いに反対の方向（例えば図に矢印で示す回転方向）に回転することで、不織布２２の幅方向の端部を例えば回収用部材４２の端部とともに切断する。これにより、テープ状の切断片２２ａが形成される。

図７および図８に示すように、分離機構１８は、外周面２６ａに貫通孔からなる複数の通気孔２４が一定のピッチで開口するドーナツ状の回転体２６と、通気孔２４を通した吸気および排気を行うためのガス流切換部３４と、回転体２６を回転駆動する駆動機構３０とを含む。通気孔２４は、回転体２６の回転中心から放射状に、一定の間隔（例えば２２．５°の間隔）で設けられている。回転体２６の外周面２６ａおよび内周面２６ｂは、切断片２２ａの幅と同程度の幅を有する平滑面に形成されている。回転体２６の外周面２６ａが平滑面であることで、通気孔２４を通した吸気により、切断片２２ａが回転体２６の外周面に付着しやすくなる。これにより、切断片２２ａを確実に保持することが可能となる。

駆動機構３０の出力軸３０ａは、接続部材３０ｂにより回転体２６に接続されている。さらに、出力軸３０ａは、ギアおよび／またはプーリを含む接続機構３０ｃを介して端部切断機１６と接続することができる。これにより、端部切断機１６の一対の回転刃１７を、回転体２６の駆動機構３０により駆動することができ、装置の機構を簡素化することができる。さらに、駆動機構３０に別の出力軸３０ｄを設け、出力軸３０ｄに巻き取り装置４４ｂおよび巻き出し装置４４ａの少なくとも一方を接続することもできる。

ガス流切換部３４は、回転体２６の内周面２６ｂと、その外周面３４ａが摺接するように回転体２６の内周側の空間に配設された、円筒状のガス流分配部３４を含む。ガス流分配部３４は、外周面３４ａに開口する２つの扇形の凹部３２Ａおよび３２Ｂを有している。凹部３２Ａおよび３２Ｂの外周面３４ａの開口は、回転体２６の内周面２６ｂにおける各通気孔２４の開口と対向している。そして、各凹部３２Ａおよび３２Ｂは、回転体２６の回転中心に対して略点対称の形状を有する。

ガス流切換部３４は、支持部３１により例えばフレーム８２に対して支持させることができる。回転体２６は、ガス流切換部３４の外周面および軸受３３により回転可能に支持される。さらに、回転体２６の内周面２６ｂには、各通気孔２４の内周面２６ｂ側の開口を間に挟むように、環状のＯリング取り付け用溝２６ｃが形成されている。

Ｏリング取り付け用溝２６ｃに取り付けられる二つのＯリング３６により、回転体２６の内周面２６ｂと、ガス流切換部３４の外周面３４ａとは、軸方向の中間部分を所定幅にシールした状態で接触している。これにより、各凹部３２Ａおよび３２Ｂと、各通気孔２４とが気密に連通される。そして、一方の凹部３２Ａは、図示しないエアポンプの吸気口に接続された吸気管３８と連通され、他方の凹部３２Ｂは、図示しないエアポンプの給気口に接続された給気管４０と連通されている。

そして、図８の状態で、回転体２６は、図の矢印の方向に回転しており、開口が水平面に対して垂直に上を向いている通気孔２４（２４Ａ）は、この角度位置で凹部３２Ａとの連通を開始している。上述したとおり凹部３２Ａは吸気管３８と連通しており、通気孔２４（２４Ａ）を介した吸気により、回転体２６の回転方向に沿って送られるテープ状の切断片２２ａが回転体２６の外周面２６ａに吸着される。その通気孔２４（２４Ａ）による切断片２２ａの吸着は、当該通気孔２４（２４Ａ）と凹部３２Ａとの連通が解除されるまで継続される。図示例では、回転体２６が略９０°回転する間、当該通気孔２４（２４Ａ）による切断片２２ａの吸着は継続される。

図８の状態で、当該通気孔２４（２４Ａ）から９０°回転した位置にある通気孔２４（２４Ｂ）は、凹部３２Ａとの連通がこの角度位置で終了する。その結果、当該通気孔２４（２４Ｂ）による切断片２２ａの吸着はこの角度位置で終了する。これらの通気孔２４（２４Ａおよび２４Ｂ）の間の角度範囲が第一角度範囲ＡＤ１（図９参照）である。しかしながら、切断片２２ａは非常に軽いために、通気孔２４を介した吸引が解除されても、切断片２２ａは、回転体２６の外周面に付着したまま回転体２６とともに回転することがある。そこで、以下の機構により切断片２２ａを回転体２６の外周面から離間させる。

すなわち、図８の状態で、開口が水平面に対して垂直に下を向いている通気孔２４（２４Ｃ）は、この角度位置で凹部３２Ｂとの連通を開始している。上述したとおり凹部３２Ｂは給気管４０と連通しており、通気孔２４（２４Ｃ）を介した排気ないしは気体（例えば空気）の噴出により、回転体２６の外周面２６ａに付着している切断片２２ａがその外周面から離間される。これにより、例えば回転体２６の下方に図示しない切断片回収用の容器を配置することで、その容器に切断片２２ａが回収される。当該通気孔２４（２４Ｃ）を介した排気ないしは気体の噴出は、回転体２６がさらに９０°回転する間継続される。

図８の状態で、当該通気孔２４（２４Ｃ）から９０°回転した位置にある通気孔２４（２４Ｄ）は、凹部３２Ｂとの連通がこの角度位置で終了する。これにより、当該通気孔２４（２４Ｄ）を介した気体の放出ないしは噴出は、この位置で終了する。これらの通気孔２４（２４Ｃおよび２４Ｄ）の間の角度範囲が第二角度範囲ＡＤ２（図９参照）である。

ここで、ナノファイバを構成する樹脂であって、原料液に溶解、または、分散させる樹脂組成物としては、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。

原料液に使用される溶媒または分散媒としては、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、原料液には、無機質固体材料を添加してもよい。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。

原料液における溶媒または分散媒と溶質または分散質との混合比率は、選定される媒体の種類と媒質の種類とにより異なるが、媒体量は、約７０質量％から９５質量％の間が望ましい。好適には媒質が５〜３０質量％となる。

次に、上記ナノファイバ製造装置１を用いてナノファイバを製造する製造方法について説明する。

まず、放出体２をフレーム８２に取り付ける。次に、放出体２の収容部１２に各導管８６を通して原料液を充填するとともに、帯電手段３により、放出体２と他方電極８８との間に所定の電位差を付与する。これにより、原料液を正電荷または負電荷により帯電させる。

次に、帯電させた原料液を、放出体２ないしは放出部１４と、他方電極８８との間に生じた電界により、放出部１４から他方電極８８に向かう方向に放出する。この放出は、導管８６を介した原料液の供給圧により補助することができる。

以上により、原料液は、帯電された状態で放出体２から空間中に放出され、空間中で原料液から静電延伸現象によりナノファイバが生成される。空間中で生成されたナノファイバは、原料液とは逆極性の電荷を有する他方電極８８の方に引き寄せられ、他方電極８８よりも放出体２側の他方電極８８と近接する位置で送られている回収用部材４２の表面に到達する。

図５に示したように、回収用部材４２は他方電極８８の電荷により誘引されたナノファイバを上面に堆積させつつ、送り手段４４により徐々に送られる。これにより、所定幅のナノファイバの不織布２２が生成される。回収用部材４２の上面に形成された不織布２２は、幅方向の両端部が、それぞれ、回収用部材４２の送りの所定位置（位置Ｐ１）で端部切断機１６によりテープ状に切断される。これにより、テープ状の二本の切断片２２ａと、帯状の本体部分２２ｂとが形成される。帯状の本体部分２２ｂは、回収用部材４２と共に巻き取り装置４４ｂにより巻き取られて回収される。

一方、図９に示すように、二本のテープ状の切断片２２ａは、それぞれ、回転体２６の回転中心に対する角度範囲ＡＤ１では回転体２６の外周面に吸着され、角度範囲ＡＤ２では回転体２６の外周面から強制的に離間される。これにより、切断片２２ａ本体部分２２ｂから確実に分離される。

本実施形態では、回転体２６は、巻き取り装置４４ｂと独立に設けられているが、例えば、巻き取り装置４４ｂを構成するローラの周部に図８と同様に通気孔２４を形成することで、回転体２６を巻き取り装置４４ｂと一体に形成してもよい。この場合には、回転体の駆動機構と巻き取り装置４４ｂの駆動機構とを共通にすることもできる。

次に、図１０を参照して、本発明の他の実施形態を説明する。
図１０に、本発明の実施形態２のナノファイバ製造装置に使用される放出体を、装置の正面方向から見た断面図により示す。図示例の放出体２Ａは、円筒状の回転容器であり、その回転軸Ｉ２が鉛直上下方向と平行に配置されている。放出体２Ａの周壁には貫通孔を含む複数の放出部１４が形成されている。

図示例の放出体２Ａにおいても、少なくとも放出部１４は導体から形成されており、放出体２Ａは接地されている。そして、放出体２Ａの周囲には、環状の誘引電極９２が放出体２Ａの周部と所定距離をおいて、配置されている。誘引電極９２と放出体２Ａとの距離は、他方電極８８と放出体２Ａとの距離よりも小さくされている。誘引電極９２には、他方電極８８に正電荷または負電荷を供給している電源９０により、他方電極８８と同じ極の電荷が供給されている。放出体２Ａと誘引電極９２との上方には、送風機９４が、下方に向かって、放出体２Ａと誘引電極９２との間に送風するように配設されている。

以上のこと以外の本実施形態装置の構成は、実施形態１の装置と同様である。以下、本装置の動作を説明する。電源９０により誘引電極９２に与えられた電荷により放出体２Ａに電荷が誘引され、これにより原料液が帯電される。帯電された原料液は、放出体２Ａと誘引電極９２との間の電界により、誘引電極９２に向かって放出される。その放出は、放出体２Ａの回転および導管８６の原料液の供給圧により補助される。

送風機９４の送風により、放出部１４から放出された原料液は飛行の方向が下方に偏向され、放出体２Ａと他方電極８８との間の電界により、長手方向に送られている回収用部材４２に到達する。これにより、回収用部材４２の上面にナノファイバが堆積され、不織布２２が形成される。これ以降の本装置の動作は実施形態１と同様であるので、説明は省略する。

このように、本発明は、放出体が管状である場合のみならず、例えば回転容器から形成される場合にも適用できる。なお、実施形態２の装置では、放出体２Ａから放出されたナノファイバが回収用部材４２の上面にドーナツ状に堆積することがある。したがって、不織布２２の厚みをできるだけ均一にするためには、ナノファイバの生成中に放出体２Ａおよび誘引電極９２を水平方向に往復動、あるいは円弧状に移動させる水平移動機構を本装置に備えさせることが好ましい。

本発明によれば、均一な厚みおよび密度を有するナノファイバの不織布を容易に製造することができる。よって、本発明は、綿密な不織布を素材とする各種製品（電池用セパレータ、フィルタ等）の製造に有用である。

１…ナノファイバ製造装置、２、２Ａ…放出体、３…帯電手段、３ａ…アース線、４…回収ユニット、５…端面処理ユニット、１２…収容部、１４…放出部、１６…端部切断機、１７…回転刃、１８…分離機構、２２…不織布、２２ａ…切断片、２２ｂ…本体部分、２４…通気孔、２６…回転体、３０…駆動機構、３０ｃ…接続機構、３２Ａ…凹部、３２Ｂ…凹部、３４…ガス流分配部、３８…吸気管、４０…給気管、４２…回収用部材、８８…他方電極、９０…電源、９２…誘引電極、９４…送風機、ＡＤ１…第一角度範囲、ＡＤ２…第二角度範囲、

Claims (12)

1. 原料液を空間中で静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを生成するナノファイバ生成手段、
   前記空間中で生成された前記ナノファイバを帯状の基材に堆積させて帯状の不織布に形成して回収する回収手段、および
   前記不織布の幅方向の端部を除去する端面処理手段、を備えたナノファイバ製造装置。
2. 前記回収手段が、前記基材を長手方向に送る送り手段を含み、
   前記端面処理手段が、
   前記不織布の前記端部をテープ状の切断片に切断する切断手段、および、
   前記切断片を、前記不織布の幅方向の中央寄りの本体部分から分離する分離手段、を含む、請求項１記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記分離手段が、前記切断片が前記本体部分とともに送られてくる位置に配置され、前記切断片を保持して一定距離だけ移送する移送手段と、前記一定距離の移送後に、前記切断片を前記移送手段から強制的に離間させる離間手段とを含む、請求項２記載のナノファイバ製造装置。
4. 前記移送手段が、
   前記切断片を、通気孔を有する周面に沿わせて回転する回転体、
   前記回転体を回転駆動する駆動手段、および
   前記回転体が第一角度範囲にあるとき、前記通気孔を介した吸気により前記切断片を前記回転体の周面に付着させるように吸気する吸気手段、を含み、
   前記離間手段が、
   前記回転体が第二角度範囲にあるとき、前記通気孔を介した排気により前記切断片を前記回転体の周面から離間させるように給気する給気手段を含む、請求項３記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記切断手段が、回転刃を含み、
   前記回転刃が、前記回転体の前記駆動手段により回転駆動される、請求項４記載のナノファイバ製造装置。
6. 前記回転刃が前記回転体と連動するように、ギアを介して接続されている、請求項５記載のナノファイバ製造装置。
7. 前記回転刃が前記回転体と連動するように、プーリを介して接続されている、請求項５または６記載のナノファイバ製造装置。
8. 前記ナノファイバ生成手段が、前記原料液を前記空間中に放出する放出体と、前記放出体により放出される前記原料液を帯電させる帯電手段と、を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
9. 前記放出体が、前記原料液を収容する収容部と、前記収容部に収容された原料液を一定方向に放出するように一方向に沿って配列された複数の放出孔と、を含む、請求項８記載のナノファイバ製造装置。
10. 前記放出体が、前記原料液を収容する収容部と、前記収容部に収容された原料液を放射状に放出するように複数の放出孔が形成された周部とを有する、回転容器を含む、請求項８記載のナノファイバ製造装置。
11. 原料液からナノファイバを生成する工程、
    帯状の基材を長手方向に送り、前記基材に前記ナノファイバを堆積させて帯状の不織布として回収する工程、
    前記不織布の幅方向の端部をテープ状の切断片に切断する工程、および
    前記切断片を、前記不織布の幅方向の中央寄りの本体部分から分離する工程、を備えたナノファイバ製造方法。
12. 前記分離する工程が、前記切断片を、通気孔を有する周面に沿わせて回転する回転体により、前記回転体が第一角度範囲にあるときに、前記通気孔を介した吸気により前記周面に付着させて移送する工程、および
    前記回転体が第二角度範囲にあるときに、前記通気孔を介した排気により前記切断片を前記回転体から強制的に離間させる工程、を含む、請求項１１記載のナノファイバ製造方法。

Images