JP2015209601A - 溶融電界紡糸装置及びこれを用いた繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維の生産性がこれまでよりも更に向上した溶融電界紡糸装置を提供すること。
【解決手段】溶融電界紡糸装置１０は、誘電体で被覆されており、かつ略半円筒状凹曲面２１を有する帯電電極２０と、帯電電極２０と対向配置されたノズル先端部３０とを有する。溶融電界紡糸装置１０は、帯電電極２０とノズル先端部３０との間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、ノズル先端部３０の先端３１より吐出させた紡糸液から繊維を形成するようにしたものである。ノズル先端部３０は、紡糸液の吐出方向が、帯電電極２０の凹曲面２１に向かうように配置されている。帯電電極２０を構成する略半円筒の中心軸に沿ってエアーが噴出するように、搬送用エアーの噴射部４０を設置した。
【選択図】図１

Description

本発明は溶融電界紡糸装置に関する。また本発明は該溶融電界紡糸装置を用いた繊維の製造方法に関する。

電界紡糸法は、原料液を吐出するためのノズルと、帯電電極との間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、該ノズルから該帯電電極に向けて該原料液を吐出することで、該原料液から極細の繊維を生じさせる方法である。電界紡糸法では、繊維の原料となる樹脂の溶液又は溶融液に高電圧を作用させて繊維を形成する。樹脂の溶液を原料液として用いる場合、溶媒を揮発させる必要があるので、製造効率を高くすることが容易でない。また、揮発した溶媒の回収を行う必要があるので製造コストが高くなることがある。これに対して、樹脂溶融液を用いた溶融エレクトロスピニング法では溶媒を使用しないことから、上述した樹脂溶液を用いた場合に生じる不都合が生じない。そこで近年、溶融電界紡糸法に関する検討が盛んに行われている。

ところで電界紡糸法において極細の繊維を得るためには、ノズルから吐出させる原料液の量を少なくすることが有利である。しかし原料液の吐出量を少なくすることは、目的とする繊維の生産性の向上の点からはマイナスに作用する。そこで、電界紡糸法を用いた繊維の製造において、繊維の生産性を高めるための提案が種々なされている。

例えば特許文献１においては、帯電電極及びこれに対向する対向電極を有する電界紡糸装置において、対向電極が、その全長に沿って帯電電極外周の自由部を取り囲んでいることが記載されている。このような構成にすることで、全空間に同じ強度の電場が生じると、同文献には記載されている。

特許文献２には、リング状の電極を用い、放射状の原料液吐出部の前方の位置に該電極を配置した電界紡糸装置が記載されている。原料液から形成された繊維は搬送用エアーによって搬送されるようになっている。

特許文献３に記載の電界紡糸装置では、ダイに供給された熱可塑性樹脂の溶融液を、該ダイ内に設けられたマニホールドによって幅方向に分配して、ノズルから吐出させている。ノズルとコレクターとの間には高電圧が印加されている。コレクターとしては、円柱の外面をなす曲面から構成される電極が用いられている。

特許文献４に記載の電界紡糸装置では、電場の干渉や、イオン風の干渉を防ぐことで繊維の生産性の向上を目指している。この装置は、開口部１１９が一次元的に並んで配置される先端部１１６と、先端部１１６から離れるにしたが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２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とを備えている。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の底面の直径以上になっている。

特表２００７−５０５２２４号公報 特開２０１１−１４０７２５号公報 特開２０１３−６４２０３号公報 特開２０１３−４７４１０号公報

上述した各文献に記載の技術によれば、電界紡糸法を用いた繊維の製造の生産性を或る程度は向上させることが可能ではあるが、満足すべき生産性にまでは至っていないのが現状である。

したがって本発明の課題は、繊維の生産性がこれまでよりも更に向上した溶融電界紡糸装置を提供することにある。

本発明は、誘電体で被覆されており、かつ略半円筒状凹曲面を有する帯電電極と、該帯電電極と対向配置された吐出用ノズルとを有し、該帯電電極と該吐出用ノズルとの間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、該吐出用ノズルの先端より吐出させた紡糸液から繊維を形成するようにした溶融電界紡糸装置であって、
前記吐出用ノズルは、前記紡糸液の吐出方向が、前記帯電電極の凹曲面に向かうように配置されており、
前記帯電電極を構成する略半円筒の中心軸に沿ってエアーが噴出するように、搬送用エアーの噴射部を設置した、溶融電界紡糸装置を提供するものである。

本発明によれば、吐出された紡糸液の帯電量を増加させることができるので、これまでよりも多量の液を吐出させることが可能となる。それによって、繊維の生産性が向上する。

図１は、本発明の溶融電界紡糸装置の一実施形態を示す概略斜視図である。 図２（ａ）は、図１に示す溶融電界紡糸装置における帯電電極を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＹ方向に沿った断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、帯電電極の別の実施形態を示す断面図（図２（ｂ）相当図）である。 図４は、図１に示す溶融電界紡糸装置における樹脂溶融液吐出装置を示す斜視図である。 図５は、図１に示す溶融電界紡糸装置における各部材の配置状態を示す側面図である。 図６は、図１に示す溶融電界紡糸装置における各部材の配置状態を示す上面図である。 図７は、図１に示す溶融電界紡糸装置における帯電電極の凹曲面と、吐出用ノズルの配置関係を示す側面図である。 図８は、図１に示す溶融電界紡糸装置を用いた繊維の製造方法を示す概略図である。 図９は、本発明の溶融電界紡糸装置の別の実施形態を示す概略斜視図（図１相当図）である。 図１０は、実施例１で得られた繊維の走査型電子顕微鏡像である。 図１１は、比較例１で得られた繊維の走査型電子顕微鏡像である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の溶融電界紡糸装置の概略斜視図が示されている。同図に示すとおり、溶融電界紡糸装置１０は、帯電電極２０、及びノズル先端部３０を有する吐出用ノズルを備えている。紡糸装置１０は更に搬送用エアーの噴射部４０を備えている。紡糸装置１０においては、帯電電極２０とノズル先端部３０との間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、ノズル先端部３０の先端より吐出させた紡糸液から繊維を形成するようにしている。

図２（ａ）は、図１における帯電電極２０のみを抜き出して示している。帯電電極２０は、略半円筒の内面を構成する凹曲面２１を有している。略半円筒とは、（イ）横断面が真円である円筒の略半部、及び（ロ）真円と見なせる程度に真円度が高い楕円円筒の略半部の双方を包含する。（ロ）の真円と見なせる程度に真円度が高い楕円とは、例えば短軸長／長軸長が０．８６以上、１未満である楕円のことである。また、略半部とは、（イ）図２（ｂ）に示すとおり、円筒又は楕円円筒の中心軸Ｃを通る平面Ｐで該円筒又は該楕円円筒を二分したときの半部、又は（ロ）図３（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、円筒又は楕円円筒の中心軸Ｃを通り、中心軸Ｃと直交する直線Ｌ上であって、かつ中心軸Ｃに近接する位置Ｄを通る、中心軸Ｃと平行で直線Ｌと垂直に交わる平面Ｐで該円筒又は該楕円円筒を二分したときの半部の双方を包含する。位置Ｄが中心軸Ｃに近接する程度は、図３（ａ）及び（ｂ）において平面Ｐ上に位置する電極上の点の中で最も直線Ｌに近い点をＱとしたとき （ａ）の場合では、ＱＣＤのなす角は、６０°以上、特に７０°以上であることが好ましい。これよりも小さいと帯電電極２０から溶融樹脂押出しユニット部５０の筐体５１に放電することがある。またＱＣＤのなす角は９０°未満であることが好ましい。例えばＱＣＤのなす角は、６０°以上９０°未満であることが好ましく、７０°以上９０°未満であることが更に好ましい。（ｂ）の場合では、ＱＣＤのなす角は、６０°以上、特に７０°以上であることが好ましい。またＱＣＤのなす角は９０°未満であることが好ましい。これよりも小さいと帯電電極２０に電圧を印加したときに生じる電場が一点に集中せず、ノズル先端部３０から吐出される紡糸液である樹脂溶融液の帯電量を効率的に増加させないことがある。例えばＱＣＤのなす角は、６０°以上９０°未満であることが好ましく、７０°以上９０°未満であることが更に好ましい。

凹曲面２１は、そのいずれの位置においても曲面になっている。ここで言う曲面とは、（イ）平面部を全く有していない曲面のことであるか、又は（ロ）平面部を有する複数のセグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面２１と見なせる形状となっていることのいずれかを言う。（ロ）の場合は、例えば縦及び横の長さが０．５〜３００ｍｍ程度の矩形となっている、同一の又は異なる大きさの平面部を有するセグメントを繋ぎ合わせて凹曲面２１を形成することが好ましい。

凹曲面２１は、図２中、長手方向Ｘに沿って延びている。凹曲面２１の長手方向Ｘに沿う両端部は開口している。長手方向Ｘに沿う凹曲面２１の長さを２１Ｌとしたとき、長さ２１Ｌは凹曲面２１の深さ２１Ｄよりも十分に大きくなっている。例えば長さ２１Ｌは、深さ２１Ｄの １倍以上であることが好ましい。また長さ２１Ｌは、深さ２１Ｄの４倍以下、特に３倍以下であることが好ましい。例えば長さ２１Ｌは、深さ２１Ｄの１倍以上４倍以下であることが好ましく、１倍以上３倍以下であることが更に好ましい。凹曲面２１の寸法をこのように設定することで、吐出された樹脂溶融液を十分に帯電させることができる。なお深さ２１Ｄは凹曲面２１の半径に等しい。

凹曲面２１の長さ２１Ｌは、１５ｍｍ以上であることが好ましい。また長さ２１Ｌは３００ｍｍ以下、特に１２０ｍｍ以下であることが好ましい。例えば凹曲面２１の長さ２１Ｌは、１５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であることが更に好ましい。一方、凹曲面２１の深さ２１Ｄは、深さ２１Ｄに対する長さ２１Ｌの比が上述の範囲であることを条件として、１５ｍｍ以上であることが好ましく、また７５ｍｍ以下、特に ４０ｍｍ以下であることが好ましい。例えば凹曲面２１の深さ２１Ｄは、１５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが更に好ましい。

帯電電極２０が凹曲面２１を有することで、該帯電電極２０に電圧を印加したときに生じる電場が一点に集中するようになる。一点に集中した電場は、ノズル先端部３０から吐出される紡糸液である樹脂溶融液の帯電量を効率的に増加させる。したがって、従来の方法で製造されていた繊維と同じ太さの繊維を製造する場合、従来の方法よりも樹脂溶融液の吐出量を増加させることができる。この理由は、帯電量の増加に起因して、（ｉ）吐出された樹脂溶融液の帯電電極２０への引力が強くなり繊維が細化しやすくなること、及び（ii）吐出された樹脂溶融液から生じた繊維どうしの電気的反発が大きくなり繊維が細化しやすくなることによるものである。吐出量の増加は、繊維の生産量の増加につながる。

凹曲面２１は、平面部２２ａ，２２ｂと連接している。平面部２２ａ，２２ｂは、凹曲面２１の長手方向Ｘに対して直交するＹ方向に沿って、該凹曲面２１を挟んで上下に位置している。２つの平面部２２ａ，２２ｂは同一平面上にある。しかし場合によっては、２つの平面部２２ａ，２２ｂが同一平面上に位置していなくてもよい。また２つの平面部２２ａ，２２ｂのうちのいずれか一方又は双方が平面でなくてもよい。

凹曲面２１を含む帯電電極２０は、導電性材料、例えば金属から構成されている。この導電性材料は略半円筒形状を持ち、略半円筒形状の内面の部分は帯電電極２０の形状と相似の形状である。そして、この導電性材料はその表面が誘電体で被覆されている。導電性材料を誘電体で被覆することで、ノズル先端部３０から吐出された樹脂溶融液の帯電量を増加させ得ることが本発明者らの検討結果判明した。この観点から、誘電体は、少なくとも凹面部２１の全域を被覆していることが好ましい。特に、帯電電極２０のうち、ノズル先端部３０と対向する部位の全域が誘電体によって被覆されていることが好ましい。

帯電電極２０においては、その外面が前記の誘電体で構成されており、該誘電体よりも外側には何らの材料も存在していないことが好ましい。すなわち、帯電電極２０においては、その最外面に誘電体が露出しており、該誘電体が該最外面を構成していることが好ましい。

誘電体としては、絶縁材料であるマイカ、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム等のセラミック材料や、ベークライト（フェノール樹脂）、ナイロン（ポリアミド）、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂系材料が挙げられる。これらのうち、アルミナ、ベークライト、ナイロン、塩化ビニル樹脂の中から選ばれる少なくとも１種以上の絶縁材料を用いることが好ましく、特にナイロンを用いることが好ましい。ナイロンとしては、６ナイロンや６６ナイロンなどの各種のポリアミドを用いることができる。またナイロンとして市販品を用いることもできる。そのような市販品としては、例えばＭＣナイロン（登録商標）が挙げられる。

誘電体には帯電防止剤を含有させることができる。帯電防止剤を含有させることによって、帯電した樹脂溶融液や繊維等が誘電体に付着したとき、該誘電体の帯電を低減することができる。帯電防止剤としては公知の市販品を使用することができ、例えばペレクトロン（三洋化成工業（株））、エレクトロストリッパー（花王（株））、エレクトロマスター（花王（株））、リケマール（理研ビタミン（株））、リケマスター（理研ビタミン（株））などを用いることができる。

誘電体は凹曲面２１を均一な厚みで被覆していることが好ましい。誘電体の厚みは、０．８ｍｍ以上、特に８ｍｍ以上であることが好ましい。これよりも薄いと、樹脂溶融液の帯電量を高められない場合がある。誘電体の厚みの上限値は、２０ｍｍ以下、特に１５ｍｍ以下であることが好ましい。これよりも厚いと、繊維状になった樹脂溶融液が誘電体に付着しやすくなる。例えば誘電体の厚みは０．８ｍｍ以上２０ｍｍ以下、特に８ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、図２（ａ）に示す実施形態では、帯電電極２０は、その凹曲面２１の長手方向Ｘが水平方向と一致するように設置されているが、これに代えて凹曲面２１の長手方向Ｘが鉛直方向と一致するように帯電電極２０を設置してもよい。

図４には、上述した帯電電極２０とともに用いられるノズル先端部３０を備えた溶融樹脂押出しユニット部５０が示されている。溶融樹脂押出しユニット部５０は筐体５１を有している。筐体５１は内部にシリンダ（図示せず）を備えている。該シリンダ内にはスクリュー（図示せず）が挿入されている。シリンダとスクリューは、樹脂を溶融混練して押し出すための押出機の構造となっている。筐体５１内にはヒーターが備えられており、該ヒーターによってシリンダの壁面が加熱されるようになっている。スクリューの一端は、筐体５１に付設されているか、又は筐体５１の外に別途に設置された駆動源（図示せず）に接続されており、該駆動源の回転によって軸周りに一方向に回転可能になっている。筐体５１にはホッパー（図示せず）が付設されており、該ホッパー内には繊維の原料となる樹脂が充填されるようになっている。ホッパーはシリンダと連通している。ホッパー内に充填された原料樹脂のペレットは、スクリューの回転に連れて徐々にシリンダ内に供給される。シリンダ内に供給された原料樹脂のペレットは、シリンダの内壁とスクリューとの間で熱及び圧力を受けて次第に溶融しながら、スクリューの回転軸方向に向けて前進する。筐体５１は、この熱及び圧力に耐え得る材料から構成されており、一般に金属製である。つまり導電性の材料から構成されている。

筐体５１におけるスクリューの回転軸の先端には、筐体５１の一部としてのノズルベース５３が取り付けられている。ノズルベース５３は筐体５１のシリンダと連通している。シリンダ内で溶融混練された原料樹脂は、シリンダ内を前進し、ノズルベース５３へ送られる。ノズルベース５３の内部には、溶融した原料樹脂が流通する流路（図示せず）が形成されている。筐体５１と同様にノズルベース５３にも熱及び圧力が加わることから、ノズルベース５３はこれらに耐え得る材料である金属製であることが好適である。ノズルベース５３は例えばボルトによって筐体５１に固定されている。

ノズルベース５３にはノズル先端部３０が取り付けられる。ノズル先端部３０は、溶融した原料樹脂を装置外へ吐出するために用いられる。この目的のため、ノズル先端部３０は、熱及び圧力に耐え得る材料から構成されており、一般に金属製である。つまり導電性の材料から構成されている。ノズル先端部３０は、例えばボルトによってノズルベース５３に固定されている。

溶融樹脂押出しユニット部５０は、筐体５１とノズル先端部３０とが電気的に絶縁した構造になっていることが好ましい。こうすることで、樹脂溶融液の帯電量を増加させる目的でノズル先端部３０と帯電電極２０との間に高電圧を印加しても放電が発生しづらく、安定的に溶融エレクトロスピニング法を実施することができるという利点が生じる。筐体５１とノズル先端部３０とを電気的に絶縁するためには、例えば筐体５１とノズル先端部３０との間にノズル先端部３０を固定することが可能で、熱及び圧力に耐え得る絶縁材料からなる部材３２を介在させておけばよい。

図５及び図６には、本実施形態の溶融電界紡糸装置１０における各部材の配置状態が示されている。これらの図に示すとおり、ノズル先端部３０は帯電電極２０と対向配置されている。具体的には、ノズル先端部３０は、紡糸液である樹脂溶融液の吐出方向が、帯電電極２０の凹曲面２１に向かうように配置されている。図５及び図６では、樹脂溶融液の吐出方向と、凹曲面２１の長手方向Ｘとが直交するようにノズル先端部３０が配置されている。尤も、樹脂溶融液の吐出方向と、凹曲面２１の長手方向Ｘとは直交していることを要せず、両者が所定の角度をもって交差するようにノズル先端部３０が配置されていればよい。

図５及び図６に示すとおり、搬送用エアーの噴射部４０は細長いノズル形状をしている。噴射部４０は、帯電電極２０を構成する略半円筒の中心軸に沿って、すなわち長手方向Ｘに沿って搬送用エアーが噴出するように配置されている。この場合、搬送用エアーの噴出方向は、略半円筒の中心軸と平行であることが望ましいが、完全に平行であることは要しない。例えば搬送用エアーの噴出方向が、略半円筒の中心軸に対して右方向又は左方向に４５度以内で傾斜するように噴射部４０を設置することは許容される。

図５に示すとおり、ノズル先端部３０の延びる方向、すなわち図５中、Ｚ方向に沿ってみたとき、噴射部４０は、エアーの噴出口４１が、ノズル先端部３０の延長線上に位置するように配置されることが好ましい。また、噴射部４０は、エアーの噴出口４１の全部又は一部が、凹曲面２１で画成される空間Ｓ内に位置するように配置されることが好ましい。このように噴射部４０を配置することで、溶融電界紡糸法によって生じた繊維が凹曲面２１に意図せず付着することを効果的に抑制することができる。

図６に示すとおり、噴射部４０は、エアーの噴出口４１が、帯電電極２０の凹曲面２１が存在する領域に位置することが好ましい。特に噴射部４０は、同図に示すとおり、エアーの噴出口４１が、ノズル先端部３０の延長線に近接する位置に配置されることが、生成した繊維が帯電電極２０に付着することを一層効果的に抑制する点から好ましい。ただし、噴射部４０が、ノズル先端部３０の延長線と交差するほどに帯電電極２０の凹曲面２１に延出することは望ましくない。この理由は、溶融電界紡糸法によって生じた繊維が噴射部４０に付着する可能性が高いからである。

噴射部４０は、搬送用エアーの噴出口４１を含む先端部の噴出部位４２が絶縁体で構成されていることが好ましい。絶縁体で構成されているとは、（イ）噴出部位４２の全体が絶縁体で構成されていること、及び（ロ）導電性材料から構成される噴出部位４２の表面に絶縁体が被覆されていて、該導電性材料が露出されていない状態であることの双方を包含する。（ロ）の場合、噴出部位４２は、その外面及びエアーが通過する内面の双方が絶縁体で被覆されていることが好ましい。噴射部の噴出部位４２を絶縁体で構成することで、帯電電極２０とノズル先端部３０との間に高電圧を印加したときに、噴射部４０と帯電電極２０又はノズル先端部３０との間に意図せず放電が発生することを効果的に抑制することができる。絶縁体としては、帯電電極２０の表面に配置された誘電体と同様のものを用いることができる。

図７には、帯電電極２０の凹曲面２１と、ノズル先端部３０の配置関係が示されている。ノズル先端部３０はその先端が、帯電電極２０の凹曲面２１の焦点Ｔ又はその近傍の位置に位置するように配置されることが好ましい。このようにノズル先端部３０を配置することで、一点に集中した電場の位置から樹脂溶融液が吐出されるので、該樹脂溶融液を効率的に帯電させることが可能になる。ノズル先端部３０の先端３１は、凹曲面２１の焦点Ｔの位置に存在することが最も好ましい。ノズル先端部３０の先端３１が焦点近傍に位置するように配置される場合、樹脂溶融液の帯電を十分効率的に行うためには、ノズル先端部３０の先端３１は焦点から凹曲面までの距離の１／３程度、焦点Ｔから離れた近傍に位置することが好ましく、焦点から凹曲面までの距離の１／５程度、焦点Ｔから離れた近傍に位置することが更に好ましい。凹曲面２１の焦点Ｔとは、凹曲面２１を図７に示す状態で見たときに、該凹曲面２１の任意の位置における法線が一箇所で交わる位置のことである。凹曲面２１が、真円の半円筒の凹曲面でない場合の焦点Ｔは、該凹曲面２１の任意の位置における複数の法線が一箇所で交わる位置のうち、交わる法線の数が最も多くなる当該位置と定義する。

ノズル先端部３０から吐出される樹脂溶融液の帯電を一層効率的に行う観点からは、ノズル先端部３０の先端３１の開口径を３０Ｄとしたとき、３０Ｄと、帯電電極２０の長手方向Ｘに沿う長さ２１Ｌとの比、すなわち３０Ｄ：２１Ｌを１：５０以上に設定することが好ましい。また、３０Ｄ：２１Ｌは、１：１０００ 以下、特に１：４００以下であることが好ましい。例えば３０Ｄ：２１Ｌは、１：５０以上１：１０００以下であることが好ましく、１：５０以上１：４００以下であることが更に好ましい。ノズル先端部３０の先端３１の開口が円形でない場合には、先端開口の面積に基づく円相当直径の値を先端開口径の値とする。なお、先端開口径である３０Ｄの値自体は、樹脂溶融液の帯電量に影響を及ぼさないことを本発明者は確認している。

次に、以上の構成を有する溶融電界紡糸装置を用いた繊維の製造方法について図８を参照しながら説明する。本製造方法においては、同図に示すとおり、ノズル先端部３０にアースを施し、かつノズル先端部３０に対向する位置に設置された帯電電極２０に、高電圧発生装置２３によって正の電圧を印加しておく。

溶融樹脂押出しユニット部５０のホッパー５４内に充填された原料樹脂のペレットは、筐体５１内に設置されたスクリュー（図示せず）を回転させることでシリンダ（図示せず）内に供給される。シリンダ内に供給された原料樹脂のペレットは、シリンダの内壁とスクリューとの間で熱及び圧力を受けて次第に溶融しながら、スクリューの回転軸方向に向けて前進する。そして、ノズル先端部３０の先端３１から、溶融した樹脂Ｒが吐出される。吐出された原料樹脂Ｒは、ノズル先端部３０と帯電電極２０との間に印加された電圧によって、溶融状態のまま帯電電極２０に向けて引き寄せられる。そのときに原料樹脂Ｒが引き延ばされて極細化する。原料樹脂Ｒの引き延ばしを効果的に行う観点から、吐出される原料樹脂Ｒの流動性指数を、ノズル先端部３０の出口においてＭＦＲ（Ｍｅｌｔ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）１０ｇ／ｍｉｎ以上、特にＭＦＲ１００ｇ／ｍｉｎ以上に設定することが好ましい。流動性指数（ＭＦＲ）は、ＪＩＳＫ７２１０−１９９９に従い、２３０℃、２．１６Ｋｇの荷重下に、穴径２．０９５ｍｍ、長さ８ｍｍのダイを用いて測定される。

ノズル先端部３０の先端３１と帯電電極２０との間には、両者を結ぶ方向と交差する方向に向けて空気流Ａが噴出している。空気流Ａは噴射部４０から噴出している。ノズル先端部３０から吐出された原料樹脂は、帯電電極２０に到達する前に空気流Ａに搬送され、その飛翔方向が変化する。空気流Ａに搬送されることで、原料樹脂は一層引き延ばされて一層極細化する。この目的のために空気流Ａとして、加熱された空気を用いることが好ましい。噴出口近傍のエアー温度は、原料樹脂の種類にもよるが、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い。例えば加熱された空気の温度は、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。同様の目的のために、空気流Ａを噴出させるときの流量は５０Ｌ／ｍｉｎ以上、特に１５０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、３５０Ｌ／ｍｉｎ以下、特に２５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。例えば空気流Ａの流量は、５０Ｌ／ｍｉｎ以上３５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１５０Ｌ／ｍｉｎ以上２５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが更に好ましい。

空気流Ａに搬送され更に引き延ばされて形成された繊維Ｆは、捕集シート６０上に捕集される。捕集シート６０は、例えば長尺帯状のものとすることができる。長尺帯状の捕集シート６０は、原反ロール６０ａから繰り出されて搬送コンベア６１に搬送される。搬送コンベア６１には高電圧発生装置６２が接続されており、該高電圧発生装置６２によって搬送コンベア６１に高電圧が印加される。搬送コンベア６１に高電圧が印加されることで、捕集シート６０は正の電荷に帯電される。それによって、繊維Ｆは搬送コンベア６１に引き寄せられてその表面に堆積する。

溶融電界紡糸装置１０に供給される原料樹脂としては、熱可塑性のものが好適である。例えばポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等のポリエステル繊維、ポリアクリル酸エステルやポリメタクリル酸エステルなどのアクリル系樹脂、ポリ塩化ビニルやポリスチレンなどのビニル系樹脂などが挙げられる。これらの原料樹脂を筐体５１内で溶融混練する場合、該原料樹脂の帯電量を増加させる添加剤を、該原料樹脂中に練り込むことができる。そのような添加剤としては、例えば各種の界面活性剤、などが挙げられる。

前記の各種樹脂を原料として製造される繊維は、溶融電界紡糸法を実施する条件に応じて様々な太さのものとすることができる。特に、ナノファイバと呼ばれる極細繊維を製造することができる。ナノファイバとは、その太さを円相当直径で表した場合、一般に１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、特に１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のものである。ナノファイバの太さは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって、繊維を１００００倍に拡大して観察し、その二次元画像から欠陥（ナノ繊維の塊、ナノ繊維の交差部分、ポリマー液滴）を除いた繊維を任意に１０本選び出し、繊維の長手方向に直交する線を引き繊維径を直接読み取ることで測定することができる。

図９には本発明の別の実施形態が示されている。同図においては、先に説明した図１に示す溶融電界紡糸装置１０を複数用いている。詳細には、複数の溶融電界紡糸装置１０を、噴射部４０からの搬送用エアーの噴出方向が同方向となるように配置している。このように複数の溶融電界紡糸装置を配置することで、繊維の生産能力を一層向上させることができる。

図９に示す実施形態では、同図中、Ｙ方向に沿って各溶融電界紡糸装置１０を配置したが、これに代えて、同図中、Ｚ方向に沿って各溶融電界紡糸装置１０を配置してもよい。あるいはＹ方向及びＺ方向の双方に沿って各溶融電界紡糸装置１０を配置してもよい。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、帯電電極２０における凹曲面２１はその全域が電極として作用するものであったが、凹曲面２１の一部のみが電極として作用するものであってもよい。

また、図８に示す繊維の製造方法においては、ノズル先端部３０にアースを施し、帯電電極２０に正の高電圧を印加したが、これに代えて、ノズル先端部３０にアースを施し、帯電電極２０に負の高電圧を印加してもよい。

上述した実施形態に関し、本発明は更に以下の溶融電界紡糸装置及びそれを用いた繊維の製造方法を開示する。
＜１＞
誘電体で被覆されており、かつ略半円筒状凹曲面を有する帯電電極と、該帯電電極と対向配置された吐出用ノズルとを有し、該帯電電極と該吐出用ノズルとの間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、該吐出用ノズルの先端より吐出させた紡糸液から繊維を形成するようにした溶融電界紡糸装置であって、
前記吐出用ノズルは、前記紡糸液の吐出方向が、前記帯電電極の凹曲面に向かうように配置されており、
前記帯電電極を構成する略半円筒の中心軸に沿ってエアーが噴出するように、搬送用エアーの噴射部を設置した、溶融電界紡糸装置。

＜２＞
前記帯電電極の凹曲面の焦点又はその近傍の位置に、前記吐出用ノズルの先端が位置するように該吐出用ノズルを配置した前記＜１＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜３＞
前記吐出用ノズルの先端開口径と、前記帯電電極の長手方向に沿う長さとの比を１：５０以上に設定した前記＜１＞又は＜２＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜４＞
前記吐出用ノズルの先端開口径と、前記帯電電極の長手方向に沿う長さとの比を１：５０以上に設定し、１：１０００ 以下、特に１：４００以下に設定し、例えば１：５０以上１：１０００以下、特に１：５０以上１：４００以下に設定する前記＜１＞ないし＜３＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜５＞
前記噴射部から１００℃以上５００℃以下の前記搬送用エアーが噴出するようになっている前記＜１＞ないし＜４＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。

＜６＞
前記噴射部の噴出口近傍の搬送用エアーの温度は、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、例えば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＜１＞ないし＜５＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜７＞
前記搬送用エアーの流量は５０Ｌ／ｍｉｎ以上、特に１５０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、３５０Ｌ／ｍｉｎ以下、特に２５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、例えば５０Ｌ／ｍｉｎ以上３５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１５０Ｌ／ｍｉｎ以上２５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが更に好ましい前記＜１＞ないし＜６＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜８＞
前記搬送用エアーの噴出口を含む噴射部における先端部の噴出部位が絶縁体で構成されている前記＜１＞ないし＜７＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜９＞
前記噴射部は、搬送用エアーの噴出口を含む先端部の噴出部位が絶縁体で構成されており、
絶縁体で構成されているとは、（イ）噴出部位の全体が絶縁体で構成されていること、及び（ロ）導電性材料から構成される噴出部位の表面に絶縁体が被覆されていて、該導電性材料が露出されていない状態であることの双方を包含する、
前記＜１＞ないし＜８＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１０＞
前記帯電電極は、略半円筒の内面を構成する凹曲面を有しており、
略半円筒とは、（イ）横断面が真円である円筒の略半部、及び（ロ）真円と見なせる程度に真円度が高い楕円円筒の略半部の双方を包含し、
（ロ）の真円と見なせる程度に真円度が高い楕円とは、例えば短軸長／長軸長が０．８６以上、１未満である楕円のことである、前記＜１＞ないし＜９＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１１＞
略半部とは、（イ）円筒又は楕円円筒の中心軸Ｃを通る平面Ｐで該円筒又は該楕円円筒を二分したときの半部、又は（ロ）円筒又は楕円円筒の中心軸Ｃを通る直線Ｌ上であって、かつ中心軸Ｃに近接する位置Ｄを通る、中心軸Ｃと垂直な平面Ｐで該円筒又は該楕円円筒を二分したときの半部の双方を包含する、前記＜１０＞に記載の溶融電界紡糸装置。

＜１２＞
前記凹曲面は、そのいずれの位置においても曲面になっており、
曲面とは、（イ）平面部を全く有していない曲面のことであるか、又は（ロ）平面部を有する複数のセグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面と見なせる形状となっていることのいずれかを言い、
（ロ）の場合は、縦及び横の長さが０．５〜３００ｍｍ程度の矩形となっている、同一の又は異なる大きさの平面部を有するセグメントを繋ぎ合わせて凹曲面を形成する、前記＜１＞ないし＜１１＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１３＞
前記凹曲面は、前記の略半円筒の長手方向Ｘに沿って延びており、
前記凹曲面の長手方向Ｘに沿う両端部は開口しており、
長手方向Ｘに沿う前記凹曲面の長さを２１Ｌとしたとき、長さ２１Ｌは前記凹曲面の深さ２１Ｄよりも十分に大きくなっており、
長さ２１Ｌは、深さ２１Ｄの １倍以上であることが好ましく、４倍以下、特に３倍以下であることが好ましく、
長さ２１Ｌは、深さ２１Ｄの１倍以上４倍以下であることが好ましく、１倍以上３倍以下であることが更に好ましい前記＜１０＞ないし＜１２＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１４＞
前記凹曲面の長さ２１Ｌは、１５ｍｍ以上であることが好ましく、また長さ２１Ｌは３００ｍｍ以下、特に１２０ｍｍ以下であることが好ましく、
前記凹曲面の長さ２１Ｌは、１５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であることが更に好ましく、
前記凹曲面の深さ２１Ｄは、深さ２１Ｄに対する長さ２１Ｌの比が上述の範囲であることを条件として、１５ｍｍ以上であることが好ましく、また７５ｍｍ以下、特に４０ｍｍ以下であることが好ましく、
前記凹曲面の深さ２１Ｄは、１５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが更に好ましい前記＜１３＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１５＞
前記凹曲面を含む前記帯電電極は、導電性材料、例えば金属から構成されており、
前記導電性材料は略半円筒形状を持ち、略半円筒形状の内面の部分は前記帯電電極の形状と相似の形状である、前記＜１＞ないし＜１４＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。

＜１６＞
前記導電性材料はその表面が誘電体で被覆されており、
前記誘電体は、少なくとも前記凹面部の全域を被覆しており、
前記帯電電極のうち、前記ノズル先端部と対向する部位の全域が前記誘電体によって被覆されていることが好ましい、前記＜１５＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１７＞
前記帯電電極においては、その外面が前記誘電体で構成されており、該誘電体よりも外側には何らの材料も存在しておらず、前記帯電電極においては、その最外面に前記誘電体が露出しており、該誘電体が該最外面を構成している、前記＜１６＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１８＞
前記誘電体として、絶縁材料であるマイカ、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム等のセラミック材料や、ベークライト（フェノール樹脂）、ナイロン（ポリアミド）、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂系材料が用いられ、
アルミナ、ベークライト、ナイロン、塩化ビニル樹脂の中から選ばれる少なくとも１種以上の絶縁材料を用いることが好ましく、特にナイロンを用いることが好ましい、前記＜１６＞又は＜１７＞に記載の溶融電界紡糸装置。
＜１９＞
前記誘電体が前記凹曲面を均一な厚みで被覆しており、
前記誘電体の厚みは、０．８ｍｍ以上、特に８ｍｍ以上であり、２０ｍｍ以下、特に１５ｍｍ以下であり、例えば誘電体の厚みは０．８ｍｍ以上２０ｍｍ以下、特に８ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、前記＜１６＞ないし＜１８＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２０＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記吐出用ノズルが溶融樹脂押出しユニット部に取り付けられており、
前記溶融樹脂押出しユニット部が筐体５１を有しており、
前記溶融樹脂押出しユニット部は、前記筐体と前記ノズル先端部とが電気的に絶縁した構造になっている、前記＜１＞ないし＜１９＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２１＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記紡糸液の吐出方向と、前記凹曲面の長手方向とが直交するように前記ノズル先端部３０が配置されているか、又は
前記紡糸液の吐出方向と、前記凹曲面の長手方向とが所定の角度をもって交差するように前記ノズル先端部が配置されている、前記＜１＞ないし＜２０＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。

＜２２＞
前記搬送用エアーの噴出方向は、略半円筒の中心軸と平行となるか、又は
前記搬送用エアーの噴出方向が、略半円筒の中心軸に対して右方向又は左方向に４５度以内で傾斜するように、前記噴射部を設置した、前記＜１＞ないし＜２１＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２３＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記ノズル先端部の延びる方向に沿ってみたとき、前記噴射部は、エアーの噴出口が、前記ノズル先端部の延長線上に位置するように配置されており、
前記噴射部は、エアーの噴出口の全部又は一部が、前記凹曲面で画成される空間内に位置するように配置されている、前記＜１＞ないし＜２２＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２４＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記噴射部は、エアーの噴出口が、前記帯電電極の凹曲面が存在する領域に位置しており、
好ましくは、前記噴射部は、エアーの噴出口４１が、前記ノズル先端部の延長線に近接する位置に配置されている、前記＜１＞ないし＜２３＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２５＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記ノズル先端部は、その先端が、前記帯電電極２０の凹曲面の焦点又はその近傍の位置に位置するように配置されている、前記＜１＞ないし＜２４＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。

＜２６＞
前記吐出用ノズルがノズル先端部を有し、
前記ノズル先端部にアースを施している、前記＜１＞ないし＜２５＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置。
＜２７＞
前記＜１＞ないし＜２６＞のいずれか１に記載の溶融電界紡糸装置を用いた繊維の製造方法。
＜２８＞
前記溶融電界紡糸装置を複数用い、
各溶融電界紡糸装置を、搬送用エアーの噴出方向が同方向となるように配置した前記＜２８＞に記載の繊維の製造方法。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲はかかる実施例に制限されない。

〔実施例１〕
図１に示す溶融電界紡糸装置を用いて溶融電界紡糸を行った。使用した樹脂はポリプロピレンである。ポリプロピレンにはＰｏｌｙＭｉｒａｅ社製のＭＦ６５０Ｙを用いた。帯電電極２０として、凹曲面２１の長手方向Ｘの長さ２１Ｌが１２０ｍｍで、半径が３５ｍｍであるものを用いた。帯電電極２０はステンレス製の基体の表面にＭＣナイロンからなる誘電体を厚み１０ｍｍで被覆したものである。ノズル先端部３０の開口径は０．３ｍｍであった。ノズル先端部３０の開口端は、凹曲面２１の焦点Ｔに位置させた。ノズル先端部３０の開口端と凹曲面２１の最深部との間の距離は約３５ｍｍであった。噴射部４０から噴出する加熱空気は、その噴出方向が、凹曲面２１の半円筒の中心軸と平行になるようにした。噴射部４０の噴出口４１の位置は、ノズル先端部３０の延長線上とした。この延長線と噴出口４１との距離は２０ｍｍに設定した。加熱空気の温度は３８０℃に設定した。加熱空気の噴出流量は２００Ｌ／ｍｉｎに設定した。ノズル先端部３０をアースに落とし、帯電電極２０に５ｋＶの電圧を印加した。この状態下に、２５０℃に溶融したポリプロピレンを５ｇ／ｍｉｎの吐出速度で吐出させ溶融電界紡糸を行った。このようにして得られた繊維の帯電量を測定したところ−２０ｎＣ／ｇであった。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。

〔実施例２〕
実施例１の帯電電極２０に５ｋＶの電圧を印加することに代えて、帯電電極２０に１５ｋＶの電圧を印加した。また筐体５１とノズル先端部３０との間に絶縁材料からなる部材３２を介在させ筐体５１とノズル先端部３０の絶縁性を大きく高めた。絶縁材料にはアルミナセラミックス（アルミナ９９）を用いた。これら以外は実施例１と同様にして溶融電界紡糸を行った。このようにして得られた繊維の帯電量を測定したところ−８０ｎＣ／ｇであった。このようにして得られた繊維の走査型電子顕微鏡像を図１０に示す。１０サンプルの繊維径を測定してその平均値を算出した結果、平均繊維径は２．７μｍであった。

〔比較例１〕
実施例１で用いた凹曲面２１を有する帯電電極２０に代えて、誘電体で被覆されている平板の帯電電極を用いた。平板電極は８０ｍｍ×８０ｍｍの寸法を有する矩形状であり、ステンレス製の金属平板にＭＣナイロンが厚さ１０ｍｍで被覆されている。これ以外は実施例１と同様にして溶融電界紡糸を行った。このようにして得られた繊維の帯電量を測定したところ−１０ｎＣ／ｇであった。

〔比較例２〕
実施例２で用いた凹曲面２１を有する帯電電極２０に代えて、比較例１で用いた誘電体で被覆されている平板の帯電電極を用いた。これ以外は実施例２と同様にして溶融電界紡糸を行った。このようにして得られた繊維の帯電量を測定したところ―３９ｎＣ／ｇであった。また、このようにして得られた繊維の走査型電子顕微鏡像を図１１に示す。１０サンプルの繊維径を測定してその平均値を算出した結果、平均繊維径は４．０μｍであった。

[評価]
以上の結果をまとめると、以下の表１に示すとおり、実施例１と比較例１では、凹曲面２１を有する帯電電極２０を用いることにより（実施例１）、誘電体で被覆されている平板の帯電電極を用いる場合（比較例）よりも、吐出された樹脂溶融液の帯電量が増加することが確認された。
実施例２と比較例２では、筐体５１とノズル先端部３０との間に絶縁材料からなる部材３２を介在させることにより絶縁性を高めた状態下で、実施例１及び比較例１よりも高い電圧を加えた。凹曲面２１を有する帯電電極２０を用いることにより（実施例２）、誘電体で被覆されている平板の帯電電極を用いる場合（比較例２）よりも、吐出された樹脂溶融液の帯電量の増加及び繊維径の減少が確認された。
実施例２では実施例１に対して、筐体５１とノズル先端部３０との間に絶縁材料からなる部材３２を介在させ、絶縁性を高めた状態化で実施例１よりも高い電圧を加えた結果、印加電圧の増加に伴い、吐出された樹脂溶融液の帯電量の増加が確認された。

１０ 溶融電界紡糸装置
２０ 帯電電極
２１ 凹曲面
２２ａ，２２ｂ 平面部
２３ 高電圧発生装置
３０ ノズル先端部
４０ 噴射部
４１ 噴出口
５０ 溶融樹脂押出しユニット部
５１ 筐体
５３ ノズルベース
６０ 捕集シート
６１ 搬送コンベア
６２ 高電圧発生装置

Claims (7)

1. 誘電体で被覆されており、かつ略半円筒状凹曲面を有する帯電電極と、該帯電電極と対向配置された吐出用ノズルとを有し、該帯電電極と該吐出用ノズルとの間に静電誘導によって電界を生じさせた状態下に、該吐出用ノズルの先端より吐出させた紡糸液から繊維を形成するようにした溶融電界紡糸装置であって、
   前記吐出用ノズルは、前記紡糸液の吐出方向が、前記帯電電極の凹曲面に向かうように配置されており、
   前記帯電電極を構成する略半円筒の中心軸に沿ってエアーが噴出するように、搬送用エアーの噴射部を設置した、溶融電界紡糸装置。
2. 前記帯電電極の凹曲面の焦点又はその近傍の位置に、前記吐出用ノズルの先端が位置するように該吐出用ノズルを配置した請求項１に記載の溶融電界紡糸装置。
3. 前記吐出用ノズルの先端開口径と、前記帯電電極の長手方向に沿う長さとの比を１：５０以上に設定した請求項１又は２に記載の溶融電界紡糸装置。
4. 前記噴射部から１００℃以上５００℃以下の前記搬送用エアーが噴出するようになっている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の溶融電界紡糸装置。
5. 前記搬送用エアーの噴出口を含む噴射部における先端部の噴出部位が絶縁体で構成されている請求項１ないし４のいずれか一項に記載の溶融電界紡糸装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の溶融電界紡糸装置を用いた繊維の製造方法。
7. 前記溶融電界紡糸装置を複数用い、
   各溶融電界紡糸装置を、搬送用エアーの噴出方向が同方向となるように配置した請求項６に記載の繊維の製造方法。