JP2016117959A - ナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

ナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造時間が短縮されると共に量産性が向上されたナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、吐出部と、電源部と、を備えたナノファイバ製造装置が提供される。前記吐出部は、先端部分から被堆積部材に向かって原料液を吐出する。前記電源部は、前記先端部分と、前記被堆積部材と、の間に電位差を発生させる。前記先端部分は、第１面と、前記第１面との間に、前記原料液が保持される間隙を介して設けられた第２面と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法に関する。
ナノ単位の直径を有する繊維物質を製造する装置として、ナノファイバ製造装置が医療分野等の広い分野に用いられている。ナノファイバ製造装置において、エレクトロスピニング技術が広く用いられている。
エレクトロスピニング技術とは、高分子物質等が溶解した原料液と、ワークと、を帯電させ、原料液及びワークの電位差によって原料液をワークに向かって吐出する技術である。原料液が電気的に延伸することでナノファイバが製造される。このようなナノファイバ製造装置において、製造時間を短縮すると共に生産性を向上することが望まれる。
特開２０１０−１８９７８２号公報
本発明の実施形態は、製造時間が短縮されると共に量産性が向上されたナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、吐出部と、電源部と、を備えたナノファイバ製造装置が提供される。前記吐出部は、先端部分から被堆積部材に向かって原料液を吐出する。前記電源部は、前記先端部分と、前記被堆積部材と、の間に電位差を発生させる。前記先端部分は、第１面と、前記第１面との間に、前記原料液が保持される間隙を介して設けられた第２面と、を有する。
本実施形態に係るナノファイバ製造装置を示す模式図である。 本実施形態に係るノズルヘッドを示す模式図である。 本実施形態に係るノズルヘッドを示す断面図である。 本実施形態に係るノズルヘッドの一部を示す拡大断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態に係る別のノズルヘッドの一部を示す拡大断面図である。 本実施形態に係るノズルヘッドの一部を示す拡大図である。 本実施形態に係るナノファイバ製造方法を示すフローチャートである。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（本実施形態）
図１は、本実施形態に係るナノファイバ製造装置を例示する模式図である。
図１に表すように、ナノファイバ製造装置１００は、電源部１０と、制御部２０と、吐出部３０と、を備える。図１の矢印の方向は、吐出部３０が原料液を吐出する方向を示している。
ナノファイバ製造装置１００は、高分子物質等が溶解した原料液を吐出部３０から吐出し、吐出液Ｌを空間中で電気的に延伸させることで、被堆積部材４０の上にナノファイバＮを形成する。本実施形態のナノファイバ製造装置１００によって、平滑表面、多孔表面、ビーズ状、芯鞘状、中空状、極細ファイバー等の形状を有するナノファイバＮが被堆積部材４０の上に堆積される。例えば、本実施形態のナノファイバ製造装置１００によって、電池のセパレータが成膜される。
電源部１０は、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に高電圧を印加する電源装置である。電源部１０は、直流電源を用いた電源装置である。例えば、電源部１０の一方の端子は、吐出部３０に電気的に接続され、電源部１０の他方の端子は、接地されている。また、被堆積部材４０の一端は、接地されている。このような接続によって、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に電位差を発生させることができる。
制御部２０は、電源部１０及び吐出部３０の動作を制御する。制御部２０は、電源部１０及び吐出部３０に電気的に接続されている。例えば、制御部２０は、吐出液Ｌに印加される電圧値を決定するように電源部１０を制御する。また、制御部２０は、吐出液Ｌの量を決定するように吐出部３０を制御する。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリー等を備えたコンピュータである。
吐出部３０は、例えば、ナノファイバＮを形成する材料である原料液を吐出するノズルである。吐出部３０は、先端部分３１と、本体部分３２と、を有する。原料液は、先端部分３１から吐出される。先端部分３１は、本体部分３２に着脱可能に接続されている。
例えば、原料液は、吐出部３０とは別に設けられたタンク等に蓄えられ、タンクからパイプを介して吐出部３０に供給される。つまり、ナノファイバ製造装置１００に、吐出部３０に原料液を供給する供給部が設けられても良い。また、吐出部３０は、複数設けられても良い。複数の吐出部３０は、任意の方向に沿って直線状に並んで配置することができる。
原料液とは、ナノファイバＮの基材となる溶質を溶媒中に分散または溶解させた液体であり、ナノファイバＮの材質やナノファイバＮの性質等により適宜調整される液体である。例えば、原料液に分散または溶解する溶質として樹脂がある。また、原料液に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤がある。原料液に無機質固体材料を添加しても良い。
被堆積部材４０は、吐出部３０との間に形成された空間に製造されたナノファイバＮを堆積させて収集する。例えば、被堆積部材４０は、基板である。被堆積部材４０は、シート状の部材でも良い。被堆積部材４０がシート状の部材である場合、被堆積部材４０がロール等に巻きつけられた状態でナノファイバを堆積させて収集しても良い。
被堆積部材４０は可動しても良い。例えば、被堆積部材４０は、回転ドラム、ベルトコンベア等でも良い。ベルトコンベアは、ベルトを長尺化できるためナノファイバＮの量産に向いている。
被堆積部材４０は、第１面４０ａ及び第２面４０ｂを有する。第１面４０ａは、第２面４０ｂの反対側の面である。ナノファイバＮは、被堆積部材４０の第１面４０ａに堆積される。また、被堆積部材４０の第２面４０ｂに電極が設けられても良い。電源部１０によって電圧が印加された吐出液Ｌと、第２面４０ｂに設けられた電極と、の間に電位差が発生し、吐出液Ｌは電極に導かれる。そして、ナノファイバＮは、被堆積部材４０の第１面４０ａに堆積される。被堆積部材４０は電極であっても良く、このような場合、ナノファイバＮは、電極上に堆積される。
以下において、吐出部３０がノズルである場合を説明する。先端部分３１は、ノズルヘッドであり、本体部分３２は、ノズル本体である。
図２は、本実施形態に係るノズルヘッドを示す模式図である。
図３は、本実施形態に係るノズルヘッドを示す断面図である。
図４は、本実施形態に係るノズルヘッドの一部を示す拡大断面図である。
図２の矢印の方向は、図１の矢印の方向に対応する。図３は、図２のＡ１−Ａ２線の断面図である。図４は、図２のＢ１−Ｂ２線の断面を拡大した図である。
図２及び図３に表すように、ノズルヘッド５０は、原料液を吐出する先端部５０ｐを有する。例えば、先端部５０ｐは、ノズル本体からノズルヘッド５０に向かう方向（図２の矢印の方向）に対して垂直な平面に投影したときに、略円形状を有する。先端部５０ｐの形状は、略楕円形状であっても良い。
また、先端部５０ｐの形状は、ノズル本体からノズルヘッド５０に向かう方向に対して垂直な平面に投影したときに、一部に略円弧状を有する形状であっても良い。例えば、先端部５０ｐの形状は、略円弧状の部分と、略直線状の部分と、を有する形状である。
ノズルヘッド５０には、例えば、鉄、アルミニウム、または、ステンレスなどの金属材料が用いられる。ノズルヘッド５０には、例えば、樹脂材料などを用いても良い。ノズルヘッド５０に金属材料を用いると、ノズルヘッド５０の耐久性を向上させることができる。
例えば、ノズルヘッド５０は、本体と、本体の外壁面を覆うカバー体と、本体とカバー体を支持する支持体と、によって形成されても良い。このような場合、ノズルヘッド５０は、支持体を介して、ノズル本体に接続する。
また、ノズルヘッド５０は、内部に開口（図示せず）を有する。ノズルヘッド５０の内部に開口を設けることによって、ノズル本体を介して供給部等から供給される原料液を溜めることができる。例えば、開口の形状は、ノズル本体からノズルヘッド５０に向かう方向に対して垂直な平面に投影したときに、略円環状である。
図４に表すように、先端部５０ｐにおいて、ノズルヘッド５０は、第１板５１と、第２板５２と、を有する。また、先端部５０ｐにおいて、第１板５１の外壁面５１ａと、第２板５２の内壁面５２ａと、の間に間隙部５０ｓが設けられる。つまり、スリットがノズルヘッド５０の先端部５０ｐに設けられている。
間隙部５０ｓは、流路を介して内部の開口に連通し、高分子物質等が溶解した原料液Ｍを保持する部分である。また、第１板５１の外壁面５１ａが第１面であり、第２板５２の内壁面５２ａが第２面である。ノズルヘッド５０の本体及びカバー体が第１板５１及び第２板５２をそれぞれ有しても良い。このような場合、本体の外壁面が第１面であり、カバー体の内壁面が第２面である。
間隙部５０ｓの形状は、ノズル本体からノズルヘッド５０に向かう方向に対して垂直な平面に投影したときに、略円環状である。つまり、間隙部５０ｓは、第１板５１から第２板５２に向かう方向に対して平行な平面に投影したときに、略円環状を有する。間隙部５０ｓの形状は、略楕円環状でも良い。例えば、間隙部５０ｓの幅Ｗ１は、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。
間隙部５０ｓの形状は、ノズル本体からノズルヘッド５０に向かう方向に対して垂直な平面に投影したときに、一部に略円弧状を有する形状でも良い。つまり、間隙部５０ｓは、第１板５１から第２板５２に向かう方向に対して平行な平面に投影したときに、一部に略円弧状を有しても良い。例えば、間隙部５０ｓの形状は、略半円環状の部分と、略矩形状の部分と、を有する形状である。
本実施形態のナノファイバ製造装置１００において、電圧が電源部１０によって印加されていない場合、原料液Ｍは、ノズルヘッド５０の間隙部５０ｓの先端に表面張力で留まっている。ノズルヘッド５０と、被堆積部材４０と、の間に電圧を印加すると、間隙部５０ｓの先端に留まっていた原料液Ｍは正（または負）に帯電し、異極に帯電（アース）している被堆積部材４０に向かう電気力線に沿って作用する静電力によって吸引される。なお、ノズルヘッド５０と、被堆積部材４０と、の間に印加する電圧は、１０〜１００ｋＶ程度である。
静電力が表面張力より大きくなると、原料液Ｍがノズルヘッド５０の間隙部５０ｓから吐出される。間隙部５０ｓから吐出された吐出液Ｌは、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かって間隙部５０ｓの形状（例えば、略円環状）に沿って連続的に噴射される。このとき、吐出液Ｌに含まれる溶媒は揮発し、ポリマーの繊維体が被堆積部材４０に到達する。このような繊維体は、間隙部５０ｓの形状に沿って連続的に形成され、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かう方向に対して螺旋軌道を描く。これにより、ナノファイバＮが被堆積部材４０の上に堆積される。本実施形態のナノファイバ製造装置１００は、エレクトロスピニング法を用いてナノファイバＮを形成する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態に係る別のノズルヘッドの一部を示す拡大断面図である。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐにおいて、第１板５１の外壁面５１ａと、第２板５２の内壁面５２ａと、の間に設けられた間隙部５０ｓを示している。
図５（ａ）に表すように、第１板５１の端部５１ｔと、第２板５２の端部５２ｔと、の間に段差が設けられている。つまり、間隙部５０ｓの一部は、傾斜している。また、間隙部５０ｓは、原料液Ｍを保持する。
ここで、原料液Ｍが間隙部５０ｓから吐出されるメカニズムは、以下のように説明される。ノズル及び被堆積部材４０の間に高電圧を印加すると、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐの原料液Ｍの表面に、ノズルに印加されている電圧の極性と同じ極性の電荷を有するイオンが集まる。原料液Ｍの表面の電荷と、ノズル及び被堆積部材４０の間に印加されている電圧による電場と、の相互作用によって、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐにおいて、原料液Ｍが半円球状に隆起する。このような原料液Ｍの形状は、テイラーコーン（Taylor-Cone）と呼ばれている。
テイラーコーンを形成することで、間隙部５０ｓから吐出された吐出液Ｌは、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かって間隙部５０ｓの形状に沿って連続的に噴射される。また、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐ付近に電位勾配を生じさせると、テイラーコーンが形成され易い。
図５（ａ）のように、端部５１ｔと端部５２ｔとの間に段差を設けると、端部５１ｔ及び端部５２ｔの付近に電位勾配が生じ易くなる。これにより、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐにテイラーコーンが形成され易くなる。そのため、間隙部５０ｓから吐出された吐出液Ｌは、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かって間隙部５０ｓの形状に沿って連続的に噴射され易くなる。
図５（ｂ）に表すように、第１板５１の端部５１ｔは傾斜している。端部５１ｔは、ノズルヘッド５０の内側に下方向に傾斜している。また、第２板５２の端部５２ｔは傾斜している。端部５２ｔは、ノズルヘッド５０の外側に下方向に傾斜している。また、間隙部５０ｓは、原料液Ｍを保持する。
図５（ｂ）のように、端部５１ｔ及び端部５２ｔに傾斜を設けると、原料液Ｍは、間隙部５０ｓに保持され易くなる。また、原料液Ｍが間隙部５０ｓから吐出され易いので、原料液Ｍが端部５１ｔ及び端部５２ｔに付着することを抑制できる。原料液Ｍが間隙部５０ｓに詰まることを抑制できる。
また、図５（ｃ）のように、端部５１ｔと端部５２ｔとの間に段差を設けると共に、端部５１ｔ及び端部５２ｔを傾斜させても良い。図５（ｃ）のように、端部５１ｔ及び端部５２ｔを設けると、間隙部５０ｓから吐出された吐出液Ｌは、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かって間隙部５０ｓの形状に沿って連続的に噴射され易くなる。また、原料液Ｍは、間隙部５０ｓに保持され易くなる。さらに、原料液Ｍが間隙部５０ｓから吐出され易いので、原料液Ｍが端部５１ｔ及び端部５２ｔに付着することを抑制できる。原料液Ｍが間隙部５０ｓに詰まることを抑制できる。
図６は、本実施形態に係るノズルヘッドの一部を示す拡大図である。
図６は、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐにおいて、図２のＢ１−Ｂ２線に対して垂直方向に拡大した図である。
図６に表すように、先端部５０ｐにおいて、凹凸が第２板５２に設けられている。第２板５２に凹凸を設けると、原料液Ｍは、間隙部５０ｓに保持され易くなる。第１板５１に凹凸を設けても良い。つまり、ノズルヘッド５０の先端部５０ｐにおいて、第１板５１及び第２板５２の少なくともいずれかに凹凸を設けることができる。
ここで、エレクトロスピニング法を用いたナノファイバ製造装置において、電圧が印可された吐出液を吐出するノズルに、ニードルノズル、又は、直線上に並んで配置した複数の孔を有するノズルヘッドを具備したノズルを用いている場合がある。しかし、このようなノズルを用いた場合、ノズルの構造上、ノズルから吐出された吐出液がノズルの外側方向に広がり易くなる。また、吐出液は、電場の影響によってもノズルの外側方向に広がり易くなる。ノズルから吐出された吐出液によって形成されるナノファイバは、被堆積部材の上に均一に堆積され難い。
一方で、本実施形態のナノファイバ製造装置１００においては、略円環状を有する間隙部５０ｓがノズルヘッド５０の先端に設けられている。このような間隙部５０ｓによって、ナノファイバＮが発生する数を増やすことができる。また、ナノファイバＮは、被堆積部材４０の上に均一に堆積され易くなる。
本実施形態によれば、製造時間が短縮されると共に量産性が向上されたナノファイバ製造装置を提供する。
図７は、本実施形態に係るナノファイバ製造方法を示すフローチャートである。
ナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバＮの製造方法を説明する。
原料液Ｍが吐出部３０に供給される（ステップＳ１１０）。吐出部３０は、ノズルである。原料液Ｍは、ノズルに蓄えられる。
電源部１０によって、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に電圧を印加する（ステップＳ１２０）。高電圧の印加によって静電力が表面張力より大きくなると、原料液Ｍがノズルヘッド５０の間隙部５０ｓから吐出される。間隙部５０ｓから吐出された吐出液Ｌは、間隙部５０ｓから被堆積部材４０に向かって間隙部５０ｓの形状に沿って連続的に噴射される。間隙部５０ｓの形状は、例えば、略円環状である。間隙部５０ｓの形状は、略楕円環状でも良い。間隙部５０ｓの形状は、一部に略円弧状を有する形状でも良い。
吐出部３０及び被堆積部材４０の間に製造されたナノファイバＮを、被堆積部材４０の上に堆積させる（ステップＳ１３０）。
本実施形態によれば、製造時間が短縮されると共に量産性が向上されたナノファイバ製造方法を提供する。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電源部、制御部、吐出部、被堆積部材、ノズルヘッドなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…電源部、 ２０…制御部、 ３０…吐出部、 ３１…先端部分、 ３２…本体部分、 ４０…被堆積部材、 ４０ａ…第１面、 ４０ｂ…第２面、 ５０…ノズルヘッド、 ５０ｐ…先端部、 ５０ｓ…間隙部、 ５１…第１板、 ５１ａ…外壁面、 ５１ｔ、５２ｔ…端部、 ５２…第２板、 ５２ａ…内壁面、 １００…ナノファイバ製造装置、 Ｌ…吐出液、 Ｍ…原料液、 Ｗ１…幅

Claims (8)

  1. 先端部分から被堆積部材に向かって原料液を吐出する吐出部と、
    前記先端部分と、前記被堆積部材と、の間に電位差を発生させる電源部と、
    を備え、
    前記先端部分は、第１面と、前記第１面との間に、前記原料液が保持される間隙を介して設けられた第２面と、を有するナノファイバ製造装置。
  2. 前記先端部分は、前記第１面を有する第１板と、前記第１板を囲み前記第２面を有する第２板と、を有する請求項１記載のナノファイバ製造装置。
  3. 前記第１板から前記第２板に向かう方向に対して平行な平面に投影したときに、前記間隙は、略円環状を有する請求項２記載のナノファイバ製造装置。
  4. 前記第１板から前記第２板に向かう方向に対して平行な平面に投影したときに、前記間隙の一部は、略円弧状を有する請求項２記載のナノファイバ製造装置。
  5. 前記第１板の端部、及び、前記第２板の端部は、傾斜している請求項２〜４のいずれか１つに記載のナノファイバ製造装置。
  6. 前記第１面の端部と、前記第２面の端部と、の間に段差が設けられる請求項１〜５のいずれか１つに記載のナノファイバ製造装置。
  7. 前記間隙の幅は、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれか１つに記載のナノファイバ製造装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のナノファイバ製造装置を用いたナノファイバ製造方法であって、
    前記吐出部に前記原料液を供給する工程と、
    前記吐出部と、前記被堆積部材と、の間に電圧を印加する工程と、
    前記被堆積部材の上にナノファイバを堆積する工程と、
    を備えたナノファイバ製造方法。
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