JP2013506768A

JP2013506768A - 紡糸領域の温度および湿度を調節できるナノ繊維製造用の電界紡糸装置

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Publication number: JP2013506768A
Application number: JP2012533098A
Authority: JP
Inventors: 金河哲
Original assignee: Fibrane Co Ltd
Current assignee: Fibrane Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: KR20110107218A; JP5580901B2; WO2011118893A1; US8562326B2; CN102597341B; US20130011508A1; EP2520695B1; EP2520695A4; EP2520695A1; CN102597341A; KR101166675B1

Abstract

本発明は、ナノ繊維製造用の電界紡糸装置に関するものであり、紡糸溶液供給部（１０）と、複数個の紡糸ノズル（３２）と、複数個の紡糸ノズル（３２）を一定間隔に配置して支持するノズルブロック（３１）で構成される紡糸ユニット（３０）と、紡糸ユニット（３０）から紡糸されるナノ繊維を収集するナノ繊維収集部（４０）と、紡糸領域（Ｚ）に電界を形成する電源装置（５０）と、紡糸領域（Ｚ）をナノ繊維の電界紡糸条件に合う温度および湿度の範囲に制御するための工程気体を発生させて供給する工程気体供給部（２０）と、工程気体供給部（２０）から提供される工程気体を内部で層流によって分類して、紡糸ユニット（３０）の上部から紡糸領域（Ｚ）に向かって分配する工程気体層流分配器具（１００）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナノ繊維製造用の電界紡糸(エレクトロスピニング)装置に関し、特に、紡糸領域（ｓｐｉｎｎｉｎｇｚｏｎｅ）の温度および湿度を、電界紡糸によるナノ繊維の製造に適した一定範囲内に調節できるよう、層流の工程気体（プロセスガス）を紡糸領域に提供する電界紡糸装置に関する。

ナノ繊維を製造するための電界紡糸装置は、一般的に、紡糸溶液（ポリマー溶液）貯蔵タンク、紡糸溶液定量移送装置、ノズルブロック、ノズルブロックに配置された複数個のノズル、ノズルを通じて紡糸されるナノ繊維を集積するコレクタ、及びノズルブロックとコレクタとに電圧を印加するための電源部を備える。

上記した従来の電界紡糸装置でナノ繊維を製造する際、使用する高分子と溶媒（ｓｏｌｖｅｎｔ）の種類、高分子溶液の濃度、紡糸室の温度と湿度は、紡糸されるナノ繊維の繊維直径と紡糸性に影響を及ぶ要件として知られている。以下、「湿度」とは「相対湿度」を意味することとする。

一般的に、高分子溶液の場合、高分子の分子量が大きいほど高分子溶液の粘度が高くなり、紡糸されるナノ繊維の直径が増加する傾向がある。そして高分子溶液の溶媒の沸点（揮発温度）は紡糸高分子溶液の固化速度に影響を与えるので、高分子溶液がジェットストリーム（ｊｅｔｓｔｒｅａｍ）を経てナノ繊維を形成する区間（つまり、紡糸領域）においてナノ繊維直径に直接的な影響を与える。即ち、溶媒の沸点が低いと溶媒の揮発速度が速くて、繊維直径が相対的に太い繊維が製造されることになり、逆に沸点が高いと、繊維直径が相対的に細い繊維が製造されることになる。

溶液の濃度に関して、濃度が高いほど溶液の表面張力が増加し、活性エネルギーが上昇することから、繊維直径が相対的に太いナノ繊維が製造され、逆に濃度が低いほど、繊維直径が相対的に細い繊維が製造される。

電界紡糸領域における温度と湿度に関して、電界紡糸が行われる領域（以下、「紡糸領域」という）における温度は、紡糸溶液の粘度を変化させることで紡糸溶液の表面張力が変化するので、紡糸された繊維直径に影響を与えることになる。

即ち、紡糸領域の温度が相対的に高くて溶液の粘度が低くなると、繊維直径が相対的に細いナノ繊維が製造され、温度が相対的に低くて溶液の粘度が高くなると、繊維直径が相対的に太いナノ繊維が製造される。

繊維直径が細いナノ繊維を製造するために紡糸領域の湿度を高く維持すると、直径の細いナノ繊維が製造できるが、溶媒の揮発速度が遅くなって溶媒の揮発が十分に行われないので、綺麗な製品を製造することができず、湿潤現象（ｆｉｌｍｄｅｆｅｃｔ）が生じやすい。この湿潤現象を解決するためには溶液の吐出量を減らさなければならないが、これによってナノ繊維の生産性が下がる結果を招く。逆に、紡糸領域の湿度を下げると、ナノ繊維の生産性は増加されるものの、溶媒の揮発速度が速くて繊維の固化速度が速くなるので、相対的に直径の太いナノ繊維が製造される。

以上で説明したように、電界紡糸で均一な品質のナノ繊維を製造するためには、電界紡糸が行われる空間、つまり紡糸領域の温度と湿度とを一定に維持することが非常に重要である。

一方、高分子溶液が紡糸される紡糸ノズルの周囲に高速のエアを噴射するエア噴射口を具備して、紡糸ノズルから紡糸されるナノ繊維に高速の圧縮空気を噴射する、いわゆる電界‐ブロー式紡糸（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｂｌｏｗｉｎｇｓｐｉｎｎｉｎｇ）技術が特許文献１に開示されている。

しかし、上記した従来の電気‐ブロー式紡糸装置（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｂｌｏｗｉｎｇｓｐｉｎｎｉｎｇ）の場合、ナノ繊維の大量生産には適合するかもしれないが、空気の噴射流速が乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｆｌｏｗ）及び転位区域に位置するので、紡糸領域において乱流（ａｉｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）が生じて繊維の固化速度が不均一になる。その結果、図７及び図８に示すように、製造されるナノ繊維の繊維直径の変化が激しくて、繊維直径が太くなる短所があった。

また、上記した従来の電界紡糸装置の場合、繊維直径の分布が一定のナノ繊維を得るためには、紡糸室（ｓｐｉｎｎｉｎｇｒｏｏｍ）全体の温度および湿度を決められた条件に従って一定に維持するよう制御しなければならない。このため、紡糸室の空調システムを別に設置する。この空調システムは設備費用およびエネルギー費用が高いという短所があった。

大韓民国特許出願第−５４９１４０号

本発明は、均一の繊維直径のナノ繊維を高い生産性で製造できるよう、一定の温度および湿度に制御された工程気体を紡糸領域に層流の工程気体として提供して、紡糸領域の温度および湿度を制御するナノ繊維製造用の電界紡糸装置を提供することに目的がある。

また、本発明は、紡糸ノズル先端から紡糸されるナノ繊維が紡糸方向の逆方向に逆流して紡糸ノズルブロックに付着される問題を解消したナノ繊維製造用の電界紡糸装置を提供することに他の目的がある。

前記目的を達成すべく、本発明は、
ナノ繊維原料を溶媒で溶解した紡糸溶液を供給する紡糸溶液供給部と、紡糸溶液供給部から供給される紡糸溶液を下側の紡糸領域に紡糸する複数個の紡糸ノズル、前記複数個の紡糸ノズルを一定間隔に配置して支持するノズルブロックで構成される紡糸ユニットと、前記紡糸ユニットの紡糸ノズルと対向して配置されて紡糸ユニットから紡糸されるナノ繊維を収集するナノ繊維収集部と、前記紡糸ユニットから紡糸される繊維に電気的な引張力を加えるために、前記紡糸ユニットとナノ繊維収集部との間の紡糸領域に電界を形成する電源装置と、前記紡糸領域をナノ繊維の電界紡糸条件に合う温度および湿度の範囲に制御するための工程気体を発生させて供給する工程気体供給部と、前記工程気体供給部から提供される工程気体を内部で層流に分類して、前記紡糸ユニットの上部から紡糸領域に向かって分配する工程気体層流分配器具と、を備える。

前記工程気体層流分配器具は、前記紡糸ユニットのノズルブロックが内部の下端に設けられて、前記工程気体供給部から供給される工程気体を受容するチャンバーを前記紡糸ノズルの上側に形成し、前記工程気体供給部の供給気体をチャンバー内に流入させる流入口を具備したケースと、前記ケースの下部に設けられて、前記ケースの内部空間に受容された工程気体を層流の流れによって分類して、前記ノズルブロックの下端から下方に延長された紡糸ノズルに向かって均一に分配する複数個の排出口を具備した層流分配板と、を備える。

本発明の層流分配器具は、前記ケースの内部に横切るように設けられて、前記工程気体分配チャンバーを、前記流入口と連通する上側の第１分配チャンバーおよび下側の第２分配分配チャンバーに分け、前記第１分配チャンバーの工程気体を１次に分類して前記第２分配チャンバーに分配する複数個の第１気体分配穴を具備した中間分類板を更に備える。

前記ケースの内部に配置される紡糸ユニットのノズルブロックは、前記ケースの下部内側に横方向に設けられる支持プレートに取り付けられてケースの内部に固定され、前記支持プレートは、前記チャンバー内の工程気体を層流分配板側に通過させるための複数個の貫通穴を具備する。

好ましくは、前記層流分配板は、前記紡糸ノズルの先端から２〜２０ｃｍの距離を置いて配置される。

また、前記工程気体供給部から供給される工程気体は、４０〜７０℃の温度と２０〜５０％の相対湿度とを維持するよう制御されることが好ましい。

前記層流分配板の排出口は、直径に対する長さの比が２〜５の範囲に維持されることが好ましい。

前記紡糸ノズルの先端側領域に分配される工程気体を層流状態に維持させるよう、前記ケースの下部先端は、前記紡糸ノズルの先端まで垂直に延長される。

本発明によると、電界紡糸領域に層流に分配される工程気体として、紡糸領域の温度および湿度を最適条件に調節して、直径が均一で直径の細いナノ繊維製品を得ることができる。また工程気体の分配領域、つまり紡糸領域において気体の流れが層流（Ｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗ）であるので、溶媒（ｓｏｌｖｅｎｔ）の揮発が均一に生じ、その結果、均一の直径の繊維を得ることができる。紡糸領域に分配される工程気体によって、溶媒（ｓｏｌｖｅｎｔ）の揮発による排出が容易になるため、生産性が著しく増加される。紡糸ユニットが一定の温度に調節される工程気体供給部内部に存在するので、供給される溶液の温度を一定に維持することができる。これによって、紡糸溶液の粘度が一定に維持できるので、工程中に溶液の粘度変化が生じても常に均一の直径の繊維を得ることができる。紡糸室中の一部領域、つまり紡糸領域の雰囲気温度および湿度のみを制御すればよいので、従来の、紡糸領域の温度および湿度を調節するために紡糸室（ｓｐｉｎｎｉｎｇｒｏｏｍ）全体の空調システムを運転することに比べると、空気調和に要する費用を大きく節減できる。工程気体を紡糸領域に分配する２次分配板の位置が、紡糸ノズルの先端から一定の距離ほど離隔されているので、紡糸繊維が逆方向に吹き飛ばされて２次分配板に付着する問題を解決することができる。

本発明に係るナノ繊維製造用の電界紡糸装置の概略構成図である。本発明の工程気体層流分配装置の一実施形態の斜視図であり、一側壁を除去して示した図である。本発明の工程気体層流分配装置の一実施形態の断面図である。本発明の工程気体層流分配装置の一実施形態の側面図である。本発明に係る電界紡糸装置によって製造されたナノ繊維ウェブの断面の電子顕微鏡写真である。本発明に係る電界紡糸装置によって製造されたナノ繊維ウェブの製品表面の電子顕微鏡写真である。従来のブロー式の電界紡糸装置によって製造されたナノ繊維ウェブの断面の電子顕微鏡写真である。従来のブロー式の電界紡糸装置によって製造されたナノ繊維ウェブの製品表面の電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明に係るナノ繊維製造用の電界紡糸装置は、ナノ繊維原料を溶媒で溶解した紡糸溶液を貯蔵するための紡糸溶液貯蔵タンク１１と、紡糸溶液貯蔵タンク１１に貯蔵された紡糸溶液を定量的に供給する定量供給ポンプ１２で構成される紡糸溶液供給部１０と、定量供給ポンプ１２から供給される紡糸溶液を、ノズルブロック３１上に設けられた複数個の紡糸ノズル３２を通じて紡糸する紡糸ユニット３０と、複数個の紡糸ノズル３２を通じて紡糸されるナノ繊維を集積するナノ繊維収集部４０と、紡糸ユニット３０とナノ繊維収集部４０との間に電圧を印加して、紡糸ユニット３０とナノ繊維収集部４０との間の紡糸領域Ｚに電界を加える電源部５０と、紡糸されるナノ繊維から揮発する溶媒ガスを外に排出する溶媒ガス排出装置６０と、を備える。

図１に示すように、本発明の電界紡糸装置は、紡糸領域Ｚの雰囲気として作用する工程気体を発生させて、一定の温度および湿度に制御したうえ、供給する工程気体供給部２０を備える。ここで、「工程気体」とは、紡糸ユニット３０とナノ繊維収集部４０との間のナノ繊維紡糸領域Ｚの温度及び湿度を調節するために紡糸領域に提供される気体を称し、以下でも同じ意味で使用される。この工程気体としては、好ましくは空気であるが、これに限定されるものではなく他の種類の気体及びこれと空気との混合気体も含む。

工程気体供給部２０は、工程気体発生装置２１と、工程気体発生装置２１で生成した工程気体の温度および湿度を、ナノ繊維の電界紡糸に適合した範囲に制御して、紡糸ユニット３０とナノ繊維収集部４０との間の紡糸領域Ｚに提供する空気調和部２２とで構成される。

空気調和部２２は、使用する紡糸溶液の種類に応じて、工程気体の温度を２０〜１００℃の範囲、好ましくは、４０〜７０℃に制御し、相対湿度を１０〜９０％ＲＨ、好ましくは、２０〜５０％の範囲に制御する。

また、工程気体発生装置２１は、工程気体が空気である場合、送風ファン、またはコンプレッサ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）などの後述する工程気体層流分配装置の分配チャンバーで工程気体を供給する装置を示す。この工程気体発生装置２１は、工程気体を発生させて紡糸領域Ｚに供給する一方、紡糸溶液貯蔵タンク１１の中にも供給して、紡糸溶液貯蔵タンク１１内に充填された紡糸溶液を排出させることにも用いる。

そして、本発明の紡糸ユニット３０は、ノズルブロック３１と、ノズルブロック３１に一定の間隔に複数個配置された紡糸ノズル３２とで構成される。この紡糸ユニット３０では、定量供給ポンプ１２によって供給される紡糸溶液が供給管３３を通じて供給され、ノズルブロック３１を経て紡糸ノズル３２に排出される。

一方、図１に示すように、本発明は、工程気体供給部２０から提供される工程気体を内部で層流に分類して、紡糸ユニット３０の上部から紡糸領域Ｚに向かって分配する工程気体層流分配器具１００を備える。

工程気体層流分配器具１００は、図２乃至図４に示すように、工程気体供給部２０の供給気体を内部へ流入させる流入口１０３が形成されたケース１０１を備える。ケース１０１は、紡糸ユニット３０のノズルブロック３１を内部下端に設けて、紡糸ノズル３２の上側に工程気体供給部２０から供給される工程気体を受容するチャンバー１３０を形成する。また、層流分配器具１００は、ケース１０１の下部に設けられてチャンバー１３０の底面を構成する層流分配板１３１を具備し、層流分配板１３１は、チャンバー１３０に受容された工程気体を層流の流れで分類して（ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｎｇ）、ノズルブロック３１の下端から下方に延長された紡糸ノズル３２に向かって均一に分配するための複数個の排出口１３２を備える。

層流分配板１３１から紡糸ノズル３２の先端までの距離は、２〜２０ｃｍの範囲に維持されることが好ましい。

ケース１０１は、下部先端が紡糸ノズル３２の先端まで垂直に延長されて、層流分配板１３１の排出口１３２を通じて排出される工程気体を層流状態に維持させる。また、ケース１０１の下部先端部は外側に拡張されて、工程気体が放射状に拡散されるように誘導する。

上述の工程気体層流分配器具１００によると、流入口１０３を通じてチャンバー１３０の内部に流入された工程気体が底面の層流分配板１３１の排出口１３２を通過する際、複数の層流の流れによって分類されて、ノズルブロック３１の下側の紡糸ノズル３２を経た後、紡糸領域Ｚで層流に分配される。この層流の工程気体の流れによって、紡糸領域Ｚは紡糸工程に適合した所定の温度と湿度とを維持することになる。

層流分配板１３１の各排出口１３２は、直径Ｄに対する長さＬの比Ｌ／Ｄが２〜５になることが好ましい。各排出口の直径に対する長さの比は、紡糸ノズル当り工程気体の分配流量が０．１〜１．０ｍ^３／ｍｉｎの範囲に維持されるよう調節することができる。

チャンバー１３０は、ケース１０１の内部を横切って設けられた中間分類板１１１によって、上側の第１分配チャンバー１１０と下側の第２分配チャンバー１２０とに分けられる。第１分配チャンバー１１０は流入口１０３と連通されて、工程気体供給部２０から提供される工程気体を受容する。中間分類板１１１は、全面にかけて一定間隔に配列された複数個の第１気体分配穴１１２を具備し、第１分配チャンバー１１０に流入した工程気体を第１気体分配穴１１２を通じて分類し、第２分配チャンバー１２０に分配する。これによって、工程気体は、ケース１０１内部で第１分配チャンバー１１０と第２分配チャンバー１２０とを経て安定的な層流に変換される。

一方、紡糸ユニット３０のノズルブロック３１は、ケース１０１の内側下部に横切って設けられる支持プレート１２１に締結されて、ケース１０１の内部に固定される。支持プレート１２１は、第２分配チャンバー１２０内の工程気体を層流分配板１３１側に通過させるための複数個の貫通穴１２２を具備する。第２分配チャンバー１２０の工程気体は、支持プレート１２１の貫通穴１２２を通過しつつ、さらに層流に分類されるように作用する。

本発明による好ましい一実施例として、以下に記載した工程条件下で電界紡糸を行った。

Ａ．紡糸溶液
分子量３５，０００Ｍｗのナイロン６６（Ｎｙｌｏｎ６６）をギ酸（ｆｏｒｍｉｃａｃｉｄ）に溶解して、濃度２５％の紡糸溶液を製造した。

Ｂ．紡糸ユニット
ノズル直径Ｄｔが０．５２ｍｍで長さＬｔが１２．５ｍｍである紡糸ノズル３２を、長さ５００ｍｍ、幅１２０ｍｍの直方体に構成されたノズルブロック３１に、長さ方向に沿って２０ｍｍの間隔に複数個設け、これら紡糸ノズルを収集部と２５０ｍｍの距離を置いて設けて、紡糸ノズルと収集部との間に紡糸領域を設けた。

Ｃ．工程条件
紡糸ユニットと収集部との間に５０ＫＶの電圧を印加して紡糸領域に電界を形成し、紡糸溶液を６．０Ｋｇ／ｃｍ^２で紡糸ユニットに供給して紡糸し、それに温度７０℃、相対湿度２０％ＲＨに制御した工程気体を、工程気体層流分配器具を通じて紡糸領域に供給した。

上述のような条件下で実施した結果、４００〜６００ｎｍの繊維直径と有効幅３００ｍｍのナノ繊維のウェブとを得た。上記したように本発明のナノ繊維製造装置によると、図５及び図６に示すように、均一の直径のナノ繊維を得ることができた。

これは、紡糸領域Ｚが、層流の工程気体の流れにより、ナノ繊維の電界紡糸に適合した温度と湿度とを維持することになるので、紡糸溶液が紡糸ノズル３２の先端から紡糸領域Ｚへ紡糸される際、紡糸領域Ｚにおいて最適の溶媒揮発と粘度とを維持するためである。

Claims

ナノ繊維原料を溶媒で溶解した紡糸溶液を供給する紡糸溶液供給部と、
紡糸溶液供給部から供給される紡糸溶液を下側の紡糸領域に紡糸する複数個の紡糸ノズルと、前記複数個の紡糸ノズルを一定間隔に配置して支持するノズルブロックからなる紡糸ユニットと、
前記紡糸ユニットの紡糸ノズルと対向して配置されて紡糸ユニットから紡糸されるナノ繊維を収集するナノ繊維収集部と、
前記紡糸ユニットから紡糸される繊維に電気的な引張力を加えるために、前記紡糸ユニットとナノ繊維収集部との間の紡糸領域に電界を形成する電源装置と、
前記紡糸領域をナノ繊維の電界紡糸条件に合う温度および湿度の範囲に制御するための工程気体を発生させて供給する工程気体供給部と、
前記工程気体供給部から提供される工程気体を内部で層流に分類して、前記紡糸ユニットの上部から紡糸領域に向かって分配する工程気体層流分配器具と、を備えることを特徴とするナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記工程気体層流分配器具は、
前記紡糸ユニットのノズルブロックが内部の下端に設けられて、前記工程気体供給部から供給される工程気体を受容するチャンバーを前記紡糸ノズルの上側に形成し、前記工程気体供給部の供給気体をチャンバー内に流入させる流入口を具備するケースと、
前記ケースの下部に設けられて、前記チャンバーに受容される工程気体を層流の流れによって分類して、前記ノズルブロックの下端から下方に延長された紡糸ノズルに向かって均一に分配する複数個の排出口が形成された層流分配板と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記ケースの内部に横切るように設けられて、前記工程気体分配チャンバーを、前記流入口と連通する上側の第１分配チャンバーおよび下側の第２分配チャンバーに分け、前記第１分配チャンバーの工程気体を１次に分類して前記第２分配チャンバーに分配する複数個の第１気体分配穴を具備した中間分類板を更に備えることを特徴とする請求項２に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記ケースの内部に配置される紡糸ユニットのノズルブロックは、前記ケースの下部内側に横方向に設けられる支持プレートに取り付けられてケースの内部に固定され、前記支持プレートは、前記チャンバー内の工程気体を層流分配板側に通過させるための複数個の貫通穴を具備することを特徴とする請求項３に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記層流分配板は、底面から前記紡糸ノズルの先端まで２〜２０ｃｍの距離を置いて配置されることを特徴とする請求項２に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記工程気体供給部から供給される工程気体は、２０〜１００℃、好ましくは、４０〜７０℃の温度と１０〜９０％、好ましくは２０〜５０％の相対湿度を維持するよう制御されることを特徴とする請求項１に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記層流分配板の排出口は、直径Ｄに対する長さＬの比Ｌ／Ｄが２〜５であることを特徴とする請求項２に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記ケースは、下部先端が前記紡糸ノズルの先端まで垂直に延長されて、前記層流分配板の排出口を通じて排出される工程気体を層流状態に維持させることを特徴とする請求項２に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。
前記工程気体は、空気であることを特徴とする請求項１に記載のナノ繊維製造用の電界紡糸装置。