JP2015209600A - 溶融エレクトロスピニング装置及び繊維の製造方法 - Google Patents
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Description
・吐出ノズルのノズル穴部へ高電圧を直接印加することは、ノズル穴部とノズル本体間に絶縁体を配置しても、ノズル穴部とノズル本体間でスパーク発生の可能性があり、ノズル本体と結合する装置本体の故障の恐れが考えられる。
・同一平面上にノズル穴部とノズル本体が存在する場合、電圧印加用配線のノズル本体への接触トラブルなどによりノズル本体と接続する装置本体へ電気が流れることで、故障の原因になり得る。
・溶融エレクトロスピニング装置における電気絶縁性部品は、原料樹脂の炭化物の除去のために定期的な洗浄が必要であり、簡便な取り外しができる構造が求められる。
・溶融液状の原料樹脂の漏れを防ぐため、電気絶縁性部品をノズル本体に強固に固定する必要があるが、セラミックスやガラス等の電気絶縁性部品への固定用のネジの機械加工は微細なクラックの発生を伴い、割れ欠けの恐れがある。
・セラミックスやガラス等の電気絶縁性部品と金属製のノズル本体及びノズル穴部の螺合による締め付け結合を行った場合、締め付け力により電気絶縁性部品の脆性破壊を引き起こすため、強固な固定が困難である。
・セラミックスやガラス等の電気絶縁性部品を金属製のノズル本体及びノズル穴部に強固に固定するためには、脆性破壊を引き起こさないために電気絶縁性部品に結合加工部を持たない特別な固定方法が必要である。
前記筐体と前記吐出ノズルとが、一端が該筐体に通じ、かつ他端が該吐出ノズルに通じる連通路を介して連通しており、
前記吐出ノズルは、前記筐体と接続するノズルベースと、連通部と、前記原料樹脂を吐出するノズル先端部から構成され、
前記連通部は絶縁性部材から構成され、該連通部は前記ノズルベースから前記ノズル先端部へ向かう方向に突出するように設けられており、
前記ノズル先端部は帯電電極と離間して向かい合わせに配置されている、
溶融エレクトロスピニング装置を提供するものである。
<1>
溶融した原料樹脂を内部に含む筐体と、該筐体内から供給された該原料樹脂を吐出する吐出ノズルと、帯電電極とを備え、
前記筐体と前記吐出ノズルとが、一端が該筐体に通じ、かつ他端が該吐出ノズルに通じる連通路を介して連通しており、
前記吐出ノズルは、前記筐体と接続するノズルベースと、連通部と、前記原料樹脂を吐出するノズル先端部から構成され、
前記連通部は絶縁性部材から構成され、該連通部は前記ノズルベースから前記ノズル先端部へ向かう方向に突出するように設けられており、
前記ノズル先端部は帯電電極と離間して向かい合わせに配置されている、
溶融エレクトロスピニング装置。
前記連通部は内筒及び外筒から構成され、
前記連通部はその一端が前記筐体と結合する前記ノズルベースの流路に通じており、かつその他端が前記ノズル先端部の流路に通じている前記<1>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<3>
前記ノズル先端部は、前記帯電電極の前記ノズル先端部と向かい合わせの面の中央部に向かって離間して配置されているか、又は電界の集中点に配置されている前記<1>又は<2>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<4>
前記帯電電極は前記ノズル先端部から所定距離を隔てた位置に、該ノズル先端部と向かい合わせに離間して設置され、
前記ノズル先端部は、高電圧を印加した前記帯電電極からの静電誘導によって帯電するものである前記<1>ないし<3>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<5>
前記連通部をセラミックスから構成した前記<1>ないし<4>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<6>
前記セラミックスとして、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ケイ素又は窒化ホウ素などを用いた前記<5>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
前記ノズル先端部にアースを施した前記<1>ないし<6>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<8>
前記連通部と前記ノズル先端部とを結合するノズル結合部が、前記連通路における前記吐出ノズルに通じる一端側の位置に、前記連通部内に固定されて配置されている前記<1>ないし<7>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<9>
前記ノズル結合部の曲げ強度を、前記連通部の曲げ強度よりも高くした前記<8>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<10>
前記連通部は内筒及び外筒から構成され、
前記連通部は、その一端が前記筐体と結合するノズルベースの流路に通じており、かつその他端が前記ノズル先端部の流路に通じている前記<1>ないし<9>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<11>
前記連通部と前記ノズル先端部とを結合するノズル結合部が、前記連通路における前記吐出ノズルに通じる一端側の位置に、前記連通部内に固定されて配置されており、
前記連通部は、内筒及び外筒から構成され、
前記内筒は、前記外筒17によってその全体が覆われており、
前記外筒は、略円筒形をした本体部と、鍔部とを有しており、
前記本体部は、その高さ方向の一端が、前記ノズルベースに備えられた円環壁の内側に位置する底面に当接するように設置されており、
前記本体部の内部は、該本体部の高さ方向に延びる中空部になっており、
前記中空部は、前記ノズルベース側の端部で開口しているとともに、前記ノズル先端部14側の端部でも開口しており、
前記中空部は3つの部位から構成されており、
前記3つの部位は、前記内筒を収容する第1中空部と、前記ノズル結合部を収容する第2中空部と、前記ノズル先端部が挿入される第3中空部とから構成されており、
前記第1中空部は、前記ノズルベースに最も近い側に位置しており、
前記第3中空部は、前記ノズル先端部に最も近い側に位置しており、
前記第2中空部は、前記第1中空部と前記第3中空部との間に位置しており、
前記第1中空部、前記第2中空部及び前記第3中空部はこの順で連通している前記<1>ないし<10>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
前記第1中空部の形状は、前記内筒の外形と相補形状になっており、
前記内筒が前記外筒内に挿入された状態では、前記内筒と前記外筒との間に空間が生じておらず、
前記第2中空部の形状は、前記ノズル結合部の外形と相補形状になっており、
前記第3中空部の形状は、前記ノズル先端部に備えられた後端結合部の外形と相補形状になっている前記<11>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<13>
前記外筒は、それを構成する前記本体部の側面の位置において、該本体部の高さ方向と直交する横方向に延びる前記鍔部を備えており、
前記鍔部は、所定厚みを有する円環状の形状をしており、
前記鍔部は、前記外筒が前記ノズルベースの前記円環壁の内部に設置された状態において、該円環壁の上面と、該鍔部の下面とが当接する位置に設けられている前記<11>又は<12>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<14>
前記鍔部は、その直径が、前記ノズルベースの前記円環壁の直径とほぼ同じになっているか、又はそれよりも小さくなっており、
前記外筒が前記ノズルベースの前記円環壁の内部に設置された状態において、前記鍔部は、前記円環壁よりも横方向に張り出さないようになっている前記<11>ないし<13>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<15>
前記外筒の前記第2中空部は、その横方向の寸法が、前記第1中空部よりも小さくなっており、かつ前記第3中空部よりも大きくなっている前記<11>ないし<14>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<16>
前記外筒の内部の前記第2中空部に収容される前記ノズル結合部は、平面視して矩形の形状をしている前記<11>ないし<15>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
前記ノズル結合部は、矩形の略中央域に貫通孔が設けられており、該貫通孔の内面にネジ山が設けられており、それによって該貫通孔はネジ穴になっており、
前記ネジ穴に、前記ノズル先端部に備えられた後端結合部に設けられたネジ山が螺合するようになっている前記<16>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<18>
前記ノズル結合部は、その下面が、前記内筒の上面によって支持されている前記<11>ないし<17>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<19>
前記外筒は、外筒結合部によって前記ノズルベースに固定されており、
前記外筒結合部は、その外観が六角ナットに類似の形状をしており、ネジ穴を有しており、
前記ネジ穴は、前記ノズル先端部寄りの端部が開口しており、かつ前記ノズルベース寄りの端部も開口しており、
前記ネジ穴は、前記ノズルベースの前記円環壁に設けられたネジ山と螺合するようになっており、
前記ネジ穴の2つの開口のうち、前記ノズル先端部寄りの開口の端部には、該端部から内方に張り出す内方張り出し部が設けられており、
前記内方張り出し部が形成されていることで、前記ネジ穴の2つの開口のうち、前記ノズル先端部寄りの開口の直径が、前記ノズルベース寄りの開口の直径よりも小さくなっており、
前記ノズル先端部寄りの開口の直径は、前記外筒の直径とほぼ同じになっており、
前記ノズル先端部寄りの開口の直径は、前記外筒を構成する前記鍔部の直径よりも小さくなっており、それによって前記外筒結合部が、前記ノズルベースの前記円環壁に設けられた前記ネジ山と螺合した状態においては、前記外筒結合部の前記内方張り出し部によって、前記外筒を構成する前記鍔部が押し付けられ、該外筒が前記ノズルベースの前記円環壁内に保持固定される前記<11>ないし<17>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<20>
前記外筒の内部に前記ノズル結合部を挿入して、該外筒の前記第2中空部に設置し、
次いで、前記外筒の内部に前記内筒を挿入して、該外筒の前記第1中空部に設置することで、前記外筒の下端面と、前記内筒の下端面とを面一の関係となし、
次いで、前記外筒の前記第3中空部内に前記ノズル先端部の前記後端結合部を挿入することで、該後端結合部に設けられているネジ山と、前記外筒内に設置されている前記ノズル結合部のネジ穴とを螺合し、これによって、前記ノズル先端部の固定が完了させて、前記ノズル先端部に設けられている前記流路と、前記内筒に設けられている前記中空部とを連通させ、それによって前記吐出ノズルが完成する前記<11>ないし<19>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<21>
前記外筒及び前記内筒を、前記ノズルベースの前記円環壁の内部に組み付け、
前記組み付けは、前記外筒の下端面と、前記内筒の下端面とが、前記円環壁で囲まれた内側の底面に当接するように行い、
前記組み付けによって、前記外筒を構成する前記鍔部の下面を、前記円環壁の上面と当接させ、また、前記内筒の前記中空部を、前記ノズルベースの流路と連通させ、
この状態下に、前記外筒を前記外筒結合部18のネジ穴に通し、該外筒結合部を、前記ノズルベースの前記円環壁のネジ山と螺合させ、それによって前記吐出ノズルが完成する前記<20>に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
前記外筒の露出部分の寸法は、10mm以上、特に20mm以上であることが好ましく、100mm以下、特に90mm以下であることが好ましく、
前記寸法は例えば10mm以上100mm以下であることが好ましく、20mm以上90mm以下であることが更に好ましい前記<11>ないし<21>のいずれか1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
<23>
請求項1に記載の溶融エレクトロスピニング装置を用い、前記ノズル先端部にアースを施した状態で、前記原料樹脂の溶融液の吐出方向と交差する方向から該溶融液に向けて空気流を吹き付けて、該溶融液を繊維状に紡糸する工程を有する繊維の製造方法。
<24>
加熱された空気の温度は、100℃以上、特に200℃以上であることが好ましく、500℃以下、特に400℃以下であることが好ましく、100℃以上500℃以下であることが好ましく、200℃以上400℃以下であることが更に好ましい前記<23>に記載の繊維の製造方法。
<25>
空気流を噴出させるときの空気流の流速は、50m/sec以上、特に100m/sec以上であることが好ましく、800m/sec以下、特に600m/sec以下であることが好ましく、
前記流速は50m/sec以上800m/sec以下であることが好ましく、特に100m/sec以上600m/sec以下であることが更に好ましい前記<23>又は<24>に記載の繊維の製造方法。
図1ないし図3に示す溶融エレクトロスピニング装置10を用いてポリプロピレン(PP)樹脂からなる微細繊維を製造した。溶融エレクトロスピニング装置10におけるノズルベース13、ノズル先端部14、ノズル結合部15はステンレス製(SUS303)のものであった。溶融エレクトロスピニング装置10における内筒16及び外筒17としてアルミナセラミックス(アルミナ99)を用い、これによって筐体11及びノズルベース13とノズル先端部14とを電気的に絶縁した。外筒結合部18の樹脂原料R吐出側の端面から外筒17の上面17cまでの絶縁部分の寸法は20mmとした。溶融エレクトロスピニング装置10の筐体11におけるシリンダの加熱温度は280℃とした。PP樹脂の質量に対して10%のステアリルアルコールのエチレンオキサイド付加物を添加して筐体11内で溶融混練を行った。溶融したPP樹脂を、5g/minの吐出量でノズル先端部14から吐出した。ノズル先端部14にはアースを施しておいた。ノズル先端部14に対向する平板状帯電電極21には、高電圧発生装置22によって、以下の表1に示す高電圧を印加した。ノズル先端部14は、平板状帯電電極21の中央部に対向するように配置した。平板状帯電電極21は80mm×80mmの寸法を有する矩形状のものであった。ノズル先端部14と帯電電極21との間の距離は35mmに設定しておいた。ノズル先端部14と帯電電極21との間に噴射部23を配置し、該噴射部23から、400℃に加熱された空気流を流速200m/secで噴出させた。空気流に搬送された繊維は、ポリプロピレンフィルムからなる捕集シート24の表面に堆積した。捕集シート24は、1m/minで周回する搬送コンベア25によって搬送させた。搬送コンベア25には、高電圧発生装置26によって高電圧を印加した。このようにして、微細繊維からなるシートを製造した。印加電圧が30kVである場合に得られた微細繊維の走査型電子顕微鏡像を図6に示す。
実施例1において、ノズル先端部14にアースを施さなかった。これ以外は実施例1と同様にして微細繊維を製造した。
実施例1において、内筒16及び外筒17をステンレス(SUS303)から構成した。したがって、筐体11とノズル先端部14とは電気的に導通していた。これ以外は実施例2と同様にして微細繊維を製造した。
実施例及び比較例において、印加電圧を種々変更して原料樹脂を帯電させたときの帯電量を測定した。帯電量は、春日電機製ファラデーケージKQ1400内に帯電した溶融状態の原料樹脂を捕集し、該ファラデーケージに接続した春日電機製クーロンメーターMK−1002により測定した。
帯電量の測定とは別に、溶融エレクトロスピニング装置による連続帯電運転の良否について評価した。
連続帯電運転は、実施例1と同様の条件で、表1に示す高電圧印加条件毎に微細繊維を連続で10分間製造した。評価は以下の基準で行った。
○: 帯電電極からノズルベース及び筐体への放電が見られず溶融した原料樹脂の帯電が行われ、正常な吐出及び紡糸ができている。
×: 帯電電極からノズルベース及び筐体への放電が発生し、溶融した原料樹脂の正常な吐出及び紡糸ができていない。
以上の結果を、以下の表1に示す。
11 筐体
12 吐出ノズル
13 ノズルベース
13a 流路
13b 円環壁
13c ネジ山
13d 底面
14 ノズル先端部
14a ノズル部
14b 張り出し部
14c 後端結合部
14d 流路
15 ノズル結合部
15a ネジ穴
16 内筒
16a 中空部
17 外筒
17a 本体部
171a 第1中空部
171b 第2中空部
171c 第3中空部
17b 鍔部
17c 上面
18 外筒結合部
Claims (7)
- 溶融した原料樹脂を内部に含む筐体と、該筐体内から供給された該原料樹脂を吐出する吐出ノズルと、帯電電極とを備え、
前記筐体と前記吐出ノズルとが、一端が該筐体に通じ、かつ他端が該吐出ノズルに通じる連通路を介して連通しており、
前記吐出ノズルは、前記筐体と接続するノズルベースと、連通部と、前記原料樹脂を吐出するノズル先端部から構成され、
前記連通部は絶縁性部材から構成され、該連通部は前記ノズルベースから前記ノズル先端部へ向かう方向に突出するように設けられており、
前記ノズル先端部は帯電電極と離間して向かい合わせに配置されている、
溶融エレクトロスピニング装置。 - 前記ノズル先端部は、前記帯電電極の前記ノズル先端部と向かい合わせの面の中央部に向かって離間して配置されているか、又は電界の集中点に配置されている請求項1に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
- 前記連通部をセラミックスから構成した請求項1又は2に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
- 前記ノズル先端部にアースを施した請求項1ないし3のいずれか一項に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
- 前記連通部と前記ノズル先端部とを結合するノズル結合部が、前記連通路における前記吐出ノズルに通じる一端側の位置に、前記連通部内に固定されて配置されている請求項1ないし4のいずれか一項に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
- 前記ノズル結合部の曲げ強度を、前記連通部の曲げ強度よりも高くした請求項5に記載の溶融エレクトロスピニング装置。
- 請求項1に記載の溶融エレクトロスピニング装置を用い、前記ノズル先端部にアースを施した状態で、前記原料樹脂の溶融液の吐出方向と交差する方向から該溶融液に向けて空気流を吹き付けて、該溶融液を繊維状に紡糸する工程を有する繊維の製造方法。
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