JP2016504177A - ナノファイバーを基体に塗布するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ナノファイバーを基体Ｓに塗布するシステム１０が、出口を有するタンク１２と、タンク内に配置されている撹拌機２４と、タンク出口に位置付けられているポンプ１４と、基体Ｓに近接して配置されているアプリケーター１８とを備える。１つ又は複数の流体導管１６が、タンクからポンプに延びるとともにポンプからアプリケーターに延びる。流体導管は、湾曲及び干渉を最小限に抑えるように構成されている。システムはコントローラー２０を備える。タンク内の流体キャリア中のナノファイバー調合物Ｎが、所定の流量で基体に塗布されるようにタンクからアプリケーターに圧送される。ポンプ１４は、ポンプ１４の出力を変えて所定の流量と一致させるようにコントローラー２０によって制御され、ナノファイバー調合物は、アプリケーターヘッド１８によって基体上に所定の被覆量で塗布される。ナノファイバーを基体に塗布する方法も開示される。

Description

ナノファイバーは、直径が約１０００ｎｍ未満である繊維として一般に定義されており、数センチメートルから１ミリメートル未満の長さを有し得る。そのような繊維は、医療用途、保護材料、一般繊維及び濾過媒体を含む、様々な分野において用いられるようになってきている。

ナノファイバーの商業的製造に用いる現行プロセスとして、電界紡糸及びメルトブローが挙げられる。電界紡糸では、高電圧を液滴に印加し、その滴を帯電させる。静電反発により液体の表面張力が減殺し、滴が伸びる際、液体のストリームが液体の表面から液体ジェットとして噴出する。ジェットは乾燥すると繊維を形成し、その繊維がコレクター上に堆積する。

メルトブローでは、ポリマー等の液体が、空気等の高温ガスのストリームにより、非常に幅狭のスロットを有するダイを通して高温で押し出される。糸又は繊維が形成され、これらは乾燥され、コレクターを通じて印加される真空を用いることによりコレクター上に収集される。

これらのプロセスは双方とも、形成される繊維に対して機械的に苛酷である。加えて、これらのプロセスは、低い生産量で著しい量のエネルギーを消費し、その結果、単位生産量当たり高コストとなる。さらに、これらの既知の技法を用いてナノファイバーを製造する設備に必要とされる資本は著しいものとなる。

したがって、ナノファイバーを製造する方法及びシステムが必要とされている。

係る方法は、エネルギー要件が既知のシステムよりも低く、係るナノファイバーを形成するのに入熱が少なくて済むことが望ましい。係るシステム及び係る方法は、資本集約度が既知のシステムよりも低く、既知のシステムよりも高い産出量及び高い処理量をもたらす商業規模で、ナノファイバーを製造することが望ましい。

ナノファイバーを製造する例示的なシステムの概略図である。

本開示は様々な形態の実施形態が可能であるが、本開示は単なる例示とみなされるべきであるとともに、記載又は図示されているいずれかの特定の実施形態に本開示を限定することが意図されないことを了解事項として、１つ又は複数の実施形態が図に示されており、以下で説明される。

図、特に図１を参照すると、ナノファイバーＮを基体Ｓ上に塗布する例示的なシステム１０の概略図が示されている。システム１０は、液体高分子供給溶液Ｆ等の流体を貯蔵する供給タンク１２と、出口ポンプ１４と、配管、ホース等のような流体導管１６と、アプリケーターヘッド１８とを備える。制御システムすなわちコントローラー２０がシステム１０の動作全般を監視及び制御する。コンベヤ２２を用いて、基体Ｓをアプリケーターシステム１０及びアプリケーターヘッド１８に対して経路Ｐに沿って移動させることができる。

タンク１２は、供給溶液Ｆに適した及び／又は供給溶液Ｆと適合性のある任意の材料から形成することができる。そのような材料として、ステンレス鋼、ポリプロピレン等が挙げられるがそれらに限定されない。

システム１０は、ナノファイバーＮの溶液を基体Ｓに塗布するように構成されている。ナノファイバーＮは、例えば、粗ウェブ、微細ウェブ、不織布材料又は実質的に任意のタイプ若しくは任意の構造の適した基体に塗布することができる。

撹拌機２４が、ナノファイバーを溶液中に維持するようにタンク１２内に位置決めされている。１つの撹拌機２４は、可変速度ドライブ２８によって動力を与えられることが好ましい多ブレード回転撹拌機である。可変速度ドライブ２８により、溶液を過剰作用すなわち過剰撹拌させることを最小限に抑えるとともに撹拌機２４の電力消費を制御しつつ、溶液のコンシステンシーを制御すること、すなわち、ナノファイバーを溶液中で均一に分布かつ懸濁させて維持することが可能になる。当業者であれば、ナノファイバーを溶液中に維持するのに用いることができる他のタイプの撹拌機が分かるであろう。

出口ポンプ１４が、計量された又は正確な流体流量をアプリケーターヘッド１８に供給する。１つのタイプのポンプ１４は、正確な流量をアプリケーターヘッド１８に供給する１つの計量ポンプ（又は複数の計量ポンプ）である。

タンク１２とポンプ１４との間に延びる流体導管１６及びポンプ１４とアプリケーターヘッド１８との間に延びる流体導管１６は、ナノファイバーを溶液中に維持するように構成されているとともに、ナノファイバーが溶液から沈降しないように又は配管若しくはホース１６内に沈着しないように構成されている。例えば、種々のシステム部品同士間の配管又はホース１６は、湾曲を少なくするか若しくはなくすように真っ直ぐな水路を有して、又は、必要な場合、曲率半径が増した湾曲を有して設計することができる。流れの抵抗及び干渉と、空隙（すなわち流れのデッドスポット）等を最小限に抑える滑らかな内面を有する導管１６を用いて、導管１６を通る所望の流量及び／又は速度を維持することができる。システム１０内に適正に位置決めされた１つ又は複数の流量メーター３０により、タンク１２へのキャリア流体Ｃ（例えば、水）の流入の監視、及び、タンク１２からの溶液中のナノファイバーＮの流量の監視が行われる。導管１６の材料及び他の処理設備の材料がナノファイバー調合物に適するように及び／又はナノファイバー調合物と適合性があるように選択されることが理解されるであろう。

アプリケーターヘッド１８は、区画（sections）を基体Ｓの幅に応じて追加又は取り除くことができるビルディングブロック型の拡張可能な設計として構成されている。アプリケーターヘッド１８の区画は、基体Ｓ上におけるナノファイバーの特定の調合物及び意図した被覆量に応じて、多様なノズル設計から形成することができる。所望の場合、アプリケーターヘッド１８は、タンク１２の出口側でポンプ１４から生成された圧力により調合物を霧化することができる。そのようなアプリケーターの例は、Budaiの米国特許出願第１３／５４７６８５号に記載されているアプリケーターであり、この出願は、本出願と同じ譲渡人に譲渡されており、その全体が引用することにより本明細書の一部をなす。

システム１０は、コントローラー２０によって制御される。コントローラー２０は、例えば、基体Ｓのラインスピードを監視し、基体Ｓのラインスピード、ナノファイバー調合物が基体Ｓに塗布される濃度（被覆量）、ポンプ１４の出力及び入力、並びに同様のプロセスパラメーターに基づいて、ナノファイバー調合物排出流量を変えることができる。コントローラー２０は、撹拌機２４、プロセス温度等も監視及び制御することができる。コントローラー２０は、メニュー駆動型であることが見込まれる。

本システム１０は、ナノファイバーを広く多様な基体Ｓに塗布するように構成されている。例示的なナノファイバーは、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ乳酸、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル等から配合されるナノファイバーである。他の適したポリマーが当業者には理解されるであろう。ポリマーは、水等の広範の適した液体キャリアＣ中に担持することができる。例えばグリセリン等の界面活性剤を含む、他の添加剤を用いて、所望の粘性、すなわち、ナノファイバーの懸濁液（suspension）をつくり出すことができる。

ナノファイバーを基体Ｓに塗布する方法が、基体と、ナノファイバー溶液を基体に塗布するシステム１０とを準備することと、基体Ｓ及びシステム１０を互いに対して移動させることとを含む。基体Ｓは、アプリケーターヘッド１８に対して移動することが見込まれる。本方法は、懸濁液中のナノファイバーＮの液体調合物を、タンク１２等の貯蔵槽から１つ又は複数の流体導管１６を通してアプリケーターヘッド１８に移送することを更に含む。

流体の流れは、慎重に制御及び監視される。したがって、流れ（例えば、圧送された流体）を、１つ又は複数の流量メーター３０又は同様の装置により、タンク１２の出口において測定することができ、その流量を、所望の流量が維持されることを確実にするように監視することができる。タンク１２中の配合（例えば、溶液中のナノファイバーの濃度）が維持されることを確実にするために、タンク１２へのキャリアＣの流入も監視することができる。

好ましい方法では、懸濁液中のナノファイバーの液体調合物が、湾曲の数又は流れにおける他の干渉を低減させるシステムにより搬送される。本方法は、上述したアプリケーターヘッドのようなアプリケーターヘッド１８を通して調合物を基体に塗布することを更に含む。ナノファイバー調合物は、所定の被覆量で塗布され、用いる特定の配合と、得られる被覆基体の使用目的とに応じて決まり得る。調合物は、噴霧、（ポンプ圧によって行われる）霧化又は同様の方法によって塗布することができることが見込まれる。

本システム１０及び本方法は、ナノファイバーＮを基体Ｓに塗布するためのエネルギー要件を大幅に低減することができることが理解されるであろう。ナノファイバー製品のコスト全体を５０パーセントも減らすことができ、製造歩留まりが電界紡糸等の既知の方法よりも２０倍高いことが見込まれる。本プロセスは、室温にて又は約室温にて実行され、したがって、既知のシステム及び既知の方法に比してエネルギーコストを大幅に減らすことができる。さらに、シリカ、クレー、銀粒子、チタン及びアルミニウム系材料等の材料を選択的に取り入れることによって、機能的な複合材を作製することができる。

本システム及び本方法を用いて、ナノファイバーを、医療産業、エネルギー産業、濾過産業及び照明産業における使用のために、並びに一般繊維における使用のために製造することができる。

本開示の実施形態に対する様々な変更及び改変が当業者には明らかであることも理解すべきである。そのような変更及び改変は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、またその意図した利点を減ずることなく行うことができる。したがって、そのような変更及び改変は、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図される。

１０ アプリケーターシステム
１２ 供給タンク
１４ ポンプ
１６ 導管
１８ アプリケーターヘッド
２０ コントローラー
２２ コンベヤ
２４ 撹拌機
２８ 可変速度ドライブ
３０ 流量メーター

Claims (14)

1. ナノファイバーを基体に塗布するシステムであって、
   出口を有するタンクと、
   前記タンク内に配置されている撹拌機と、
   前記タンク出口に位置付けられているポンプと、
   前記基体に近接して配置されているアプリケーターと、
   前記タンクから前記ポンプに延びるとともに前記ポンプから前記アプリケーターに延びる１つ又は複数の流体導管であって、湾曲及び干渉を最小限に抑えるように構成されている流体導管とコントローラーとを具備し、
   前記タンク内の流体キャリア中のナノファイバー調合物が、前記基体に所定の流量で塗布されるように前記タンクから前記アプリケーターに圧送され、前記ポンプは、前記ポンプの出力を変えて前記所定の流量に一致させるように前記コントローラーによって制御され、前記ナノファイバー調合物は、前記アプリケーターヘッドによって所定の被覆量で前記基体上に塗布されるシステム。
2. 前記タンクに入る前記流体キャリアの流れ、及び／又は前記タンクからの前記ナノファイバー調合物の流れ、及び／又は前記ポンプの排出部におけるナノファイバー調合物の流れを監視する１つ又は複数の流量モニターを備える請求項１に記載のシステム。
3. 前記撹拌機は可変速度撹拌機であり、前記コントローラーは前記ポンプの前記速度を制御する請求項１に記載のシステム。
4. 前記アプリケーターは、前記ナノファイバー調合物を前記基体に塗布する１つ又は複数のノズルを有する請求項１に記載のシステム。
5. 前記ノズルは、前記ナノファイバー調合物を前記基体上に噴霧するように構成されている請求項４に記載のシステム。
6. 前記ノズルは、前記基体に塗布するために前記ナノファイバー調合物を霧化するように構成されている請求項４に記載のシステム。
7. 前記アプリケーターに対して前記基体を移動させるコンベヤを備える請求項１に記載のシステム。
8. 前記コントローラーは前記コンベヤの移動を制御する請求項７に記載のシステム。
9. ナノファイバーを基体に塗布する方法であって、
   貯蔵タンク内に貯蔵されるナノファイバー調合物を形成するようにキャリア中にナノファイバーを供給するステップと、
   前記貯蔵タンク内で前記ナノファイバー調合物を撹拌するステップと、
   前記貯蔵タンクからアプリケーターに前記ナノファイバー調合物を圧送するステップと、
   前記アプリケーターから前記基体上に所望の流量で前記ナノファイバー調合物を放出するステップとを含む方法。
10. 前記ポンプから前記アプリケーターへの放出の流量を制御するステップを含む請求項１０に記載の方法。
11. 前記ナノファイバー調合物は、前記基体上に噴霧として放出される請求項９に記載の方法。
12. 前記ナノファイバー調合物は、前記基体上に塗布するために霧化される請求項９に記載の方法。
13. 基体を移送させてアプリケーターに通すとともに前記基体の移送速度を制御するステップを含む請求項９に記載の方法。
14. 前記ポンプから前記アプリケーターへの放出の流量を制御するステップを含む請求項１３に記載の方法。

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