JP2017137604A - 電界紡糸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】堆積させたい領域にファイバを効率よく堆積させることができる電界紡糸装置の提供。
【解決手段】第１のノズル２０と、第１のノズル２０に隣接して設けられた第２のノズルと、第１のノズル２０および第２のノズルに原料液を供給する原料液供給部３と、第１のノズル２０及び第２のノズルに所定の極性の電圧を印加する電源４と、を備え、第１のノズルの軸線２０ｃと、第２のノズルの軸線２０ｃが交差している電界紡糸装置１。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電界紡糸装置に関する。

エレクトロスピニング法（電界紡糸法、電荷誘導紡糸法などとも称される）により、微細なファイバを部材の表面に堆積させる電界紡糸装置がある。
この様な電界紡糸装置において、原料液を排出するノズルの数を増やせば生産性を向上させることができる。この場合、ノズル同士の間の距離を短くすると、装置内に設置可能なノズルの数を増加させることができる。
ところが、ノズル同士の間の距離を短くすると、ノズル同士の間の電場干渉が大きくなる。ノズル同士の間の電場干渉が大きくなると、電界がノズルの先端に集中し難くなりファイバが形成されなくなるおそれがある。
また、ファイバは、同極性に帯電している。そのため、ファイバ同士の間に斥力が生じる。ノズル同士の間の距離を短くすると、ファイバ同士の間の距離が短くなるので、斥力が大きくなる。斥力が大きくなれば、堆積させたい領域にファイバが堆積しなくなるおそれがある。

特開２００８−２７４５２２号公報

本発明が解決しようとする課題は、堆積させたい領域にファイバを効率よく堆積させることができる電界紡糸装置を提供することである。

実施形態に係る電界紡糸装置は、第１のノズルと、前記第１のノズルに隣接して設けられた第２のノズルと、前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに原料液を供給する原料液供給部と、前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに所定の極性の電圧を印加する電源と、を備えている。
前記第１のノズルの軸線と、前記第２のノズルの軸線が交差している。

本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。 比較例に係る電界紡糸装置１１を例示するための模式図である。 ノズル２０の他の配設形態を例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成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。
図１は、本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。
図１に示すように、電界紡糸装置１には、紡糸部２、原料液供給部３、電源４、収集部５、および制御部６が設けられている。

紡糸部２は、ノズル２０および保持部２１を有する。
ノズル２０の内部には、原料液が収納される空間が設けられている。
ノズル２０の、原料液が排出される側の先端には、排出口２０ａが設けられている。排出口２０ａの寸法には特に限定はなく、形成したいファイバ１００の断面寸法に応じて適宜変更することができる。排出口２０ａの寸法は、例えば、２００μｍ以上としてもよい。排出口２０ａは、１つ設けられるようにしてもよいし、複数設けられるようにしてもよい。また、ノズル２０の、原料液が排出される側の形状は、針状とすることもできる。排出口２０ａが設けられる部分の形状を針状とすれば、排出口２０ａの近傍における電界の強度を高めることができる。そのため、ノズル２０と収集体５１の間に電界を形成するのが容易となる。

また、ノズル２０には、供給口２０ｂが設けられている。原料液供給部３から供給された原料液は、供給口２０ｂを介してノズル２０の内部に導入される。供給口２０ｂの配設位置と数には、特に限定はない。供給口２０ｂは、例えば、ノズル２０の、排出口２０ａが設けられる側とは反対側に設けることができる。

ノズル２０は、導電性材料から形成されている。ノズル２０の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。ノズル２０の材料は、例えば、導電性のあるアルミニウムなどとすることができる。
ノズル２０は、複数設けられている。ノズル２０の数には特に限定がなく、収集体５１の大きさなどに応じて適宜変更することができる。

ここで、ノズル２０の配設形態について説明する。
図２は、比較例に係る電界紡糸装置１１を例示するための模式図である。
図２に示すように、電界紡糸装置１１には、紡糸部２、原料液供給部３、電源４、収集体５１、および制御部６が設けられている。
ただし、複数のノズル２０は、軸線２０ｃが互いに平行となるように設けられている。すなわち、隣接するノズル２０の軸線２０ｃが互いに平行となっている。

複数のノズル２０から引き出された原料液（ファイバ１００）のそれぞれは、同じ極性（例えば、プラス）に帯電している。そのため、ファイバ１００同士の間に斥力が生じる。ファイバ１００同士の間に斥力が生じると、収集体５１上の堆積させたい領域１２０にファイバ１００が堆積しなくなるおそれがある。その結果、堆積体１１０の厚みの均一化が図れなくなったり、ファイバ１００の局所的な堆積が図れなくなったりするおそれがある。

これに対して、本実施の形態に係る電界紡糸装置１においては、隣接するノズル２０の軸線２０ｃが交差している。すなわち、第１のノズルの軸線と、第１のノズルに隣接して設けられた第２のノズルの軸線が交差している。また、第２のノズルは、第１のノズルに対して、原料液が排出される側の先端同士が近づく方向に傾いている。
この様にすれば、ファイバ１００同士の間の距離が長くなるので、ファイバ１００同士の間に生じる斥力を小さくすることができる。なお、堆積させたい領域１２０の近傍においては、ファイバ１００同士の間の距離が短くなるので、斥力が大きくなる。しかしながら、堆積させたい領域１２０の近傍において斥力が大きくなったとしても、堆積させたい領域１２０までの距離が短いので、意図した堆積位置からのズレ量は少ないものとなる。 すなわち、本実施の形態に係る電界紡糸装置１によれば、堆積させたい領域１２０にファイバ１００を堆積させることができる。

ここで、ノズル２０同士の間の距離を短くすると、ノズル２０同士の間の電場干渉が大きくなる。ノズル２０同士の間の電場干渉が大きくなると、電界がノズル２０の先端に集中し難くなりファイバ１００が形成されなくなるおそれがある。
本発明者らの得た知見によれば、複数のノズル２０の原料液が排出される側の先端における電界強度をＥ１、ノズル２０を一つだけ設けた場合のノズル２０の原料液が排出される側の先端における電界強度をＥ２とした場合に、Ｅ１／Ｅ２が０．６４以上であれば、ファイバ１００の形成に支障は生じない。
そのため、Ｅ１／Ｅ２が０．６４以上となるように、ノズル先端同士の間の距離Ｌを設定することが好ましい。

また、第１のノズル２０の軸線２０ｃと、隣接する第２のノズル２０の軸線２０ｃとがなす角度θは、０°を超え、９０°以下とすることができる。
図３は、ノズル２０の他の配設形態を例示するための模式図である。
図３に示すように、第１のノズル２０の軸線２０ｃと、隣接する第２のノズル２０の軸線２０ｃとがなす角度θは、９０°とすることもできる。

ただし、本発明者らの得た知見によれば、角度θは、４５°以上、６０°以下とすることが好ましい。この様にすれば、ファイバ１００同士の間に発生する斥力の影響を抑制することができるとともに、スペース効率の向上、ひいては配設可能なノズル２０の数の増加を図ることができる。

図１に示すように、保持部２１は、複数のノズル２０を保持する。保持部２１は、例えば、板状を呈するものとすることができる。保持部２１の形状には特に限定はなく、前述したノズル２０の配設形態に応じて適宜変更することができる。

保持部２１は、導電性材料から形成されている。保持部２１の材料は、例えば、ノズル２０の材料と同じとすることができる。保持部２１の材料は、例えば、導電性のあるアルミニウムなどとすることができる。

原料液供給部３は、収納部３１、供給部３２、制御部３３、および配管３４を有する。 収納部３１は、原料液を収納する。収納部３１は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。
原料液は、高分子物質を溶媒に溶解したものである。
高分子物質には特に限定がなく、形成したいファイバ１００の材質に応じて適宜変更することができる。高分子物質は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ナイロン、アラミドなどとすることができる。

溶媒は、高分子物質を溶解することができるものであればよい。溶媒は、溶解させる高分子物質に応じて適宜変更することができる。溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、ベンゼン、トルエンなどとすることができる。
なお、高分子物質および溶媒は、例示をしたものに限定されるわけではない。

原料液の粘度は、排出口２０ａの寸法などに応じて適宜変更することができる。原料液の粘度は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。また、原料液の粘度は、溶媒と高分子物質の混合割合により制御することができる。

供給部３２は、収納部３１に収納されている原料液をノズル２０に供給する。供給部３２は、例えば、原料液に対する耐性を有するポンプなどとすることができる。また、供給部３２は、例えば、収納部３１にガスを供給し、収納部３１に収納されている原料液を圧送するものとすることもできる。

制御部３３は、ノズル２０に供給される原料液の流量、圧力などを制御して、新しい原料液をノズル２０の内部に供給する。原料液の供給が停止された際に、制御部３３は、ノズル２０の内部にある原料液が押し出されないようにする。なお、制御部３３に対する制御量は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。制御部３３に対する制御量は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。
また、制御部３３は、原料液の供給の開始と、供給の停止を切り替えるものとすることもできる。

なお、供給部３２および制御部３３は、必ずしも必要ではない。例えば、ノズル２０の位置より高い位置に収納部３１を設けるようにすれば、重力を利用して原料液をノズル２０に供給することができる。そして、収納部３１の高さ位置を適宜設定することで、ノズル２０の内部にある原料液が押し出されないようにすることができる。なお、収納部３１の高さ位置は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。収納部３１の高さ位置は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。

配管３４は、収納部３１と供給部３２との間、供給部３２と制御部３３との間、制御部３３とノズル２０との間に設けられている。配管３４は、原料液の流路となる。配管３４は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。

電源４は、保持部２１を介してノズル２０に電圧を印加する。ノズル２０に印加する電圧の極性は、プラスとすることもできるし、マイナスとすることもできる。なお、図１に例示をした電源４は、ノズル２０にプラスの電圧を印加する。
ノズル２０に印加する電圧は、原料液に含まれる高分子物質の種類、ノズル２０と収集体５１との間の距離などに応じて適宜変更することができる。例えば、電源４は、ノズル２０と収集体５１との間の電位差が１０ｋＶ以上となるように、ノズル２０に電圧を印加するものとすることができる。
電源４は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源４は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

収集部５は、収集体５１、堆積調整部５２、および電源５３を有する。
収集体５１は、複数のノズル２０の原料液が排出される側に設けられている。収集体５１は、接地されている。収集体５１には、ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加するようにしてもよい。収集体５１は、導電性材料から形成することができる。収集体５１の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。収集体５１の材料は、例えば、ステンレスなどとすることができる。
収集体５１は、例えば、板状やシート状を呈するものとすることができる。シート状を呈する収集体５１の場合には、ロール等に巻きつけられた収集体５１にファイバ１００を堆積させるようにしてもよい。

また、収集体５１は、移動するものであってもよい。例えば、一対の回転ドラムと、回転ドラムを回転させる駆動部を設け、ベルトコンベアのように一対の回転ドラムの間を収集体５１が移動するようにしてもよい。この様にすれば、ファイバ１００を堆積させる領域を移動させることができるので、連続的な堆積作業が可能となる。そのため、ファイバ１００からなる堆積体１１０の生産効率を向上させることができる。

収集体５１の上に形成された堆積体１１０は、収集体５１から取り外される。堆積体１１０は、例えば、不織布やフィルタなどに用いられる。なお、堆積体１１０の用途は例示をしたものに限定されるわけではない。

また、収集体５１は、省くこともできる。例えば、導電性を有する部材の表面に、ファイバ１００からなる堆積体１１０を直接形成することもできる。この様な場合には、導電性を有する部材を接地したり、導電性を有する部材にノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加したりすればよい。

堆積調整部５２は、収集体５１の、ノズル２０が設けられる側とは反対側に設けられている。
堆積調整部５２は、導電性材料から形成されている。堆積調整部５２は、例えば、ステンレスなどの金属から形成することができる。
堆積調整部５２の収集体５１側の端部は尖っている。堆積調整部５２の収集体５１側の端部が尖っていれば、電界集中が生じ易くなる。そのため、ノズル２０と堆積調整部５２の間に電界を形成するのが容易となる。

電源５３は、堆積調整部５２に電圧を印加する。電源５３は、ノズル２０に印加される電圧と逆極性の電圧を堆積調整部５２に印加する。電源５３は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源５３は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧が堆積調整部５２に印加されると、ノズル２０と堆積調整部５２の間にも電界が形成される。ノズル２０と収集体５１の間に形成された電界は、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成された電界の影響を受けて変化する。 後述するように、ノズル２０の排出口２０ａの近傍にある原料液は、電気力線に沿って作用する静電力によって引き出される。そのため、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させれば、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させることができる。 すなわち、堆積調整部５２は、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させて、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させる。

堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積させたい領域１２０にファイバ１００を堆積させることがより容易となる。
また、堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積体１１０の厚みの均一化、ファイバ１００の局所的な堆積、堆積体１１０に形成されたピンホール等の開口部分の補修などを行うことができる。

また、堆積調整部５２に印加される電圧を制御することで、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成される電界、ひいては、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を制御することができる。

また、図１中のＸ方向（複数のノズルが並ぶ方向）に堆積調整部５２を移動させる図示しない駆動装置を設けることができる。堆積調整部５２を移動させる様にすれば、電界の制御がより容易となる。
また、堆積調整部５２は、複数設けられる様にしてもよい。

制御部６は、供給部３２、制御部３３、電源４、および電源５３の動作を制御する。
制御部６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどを備えたコンピュータとすることができる。

次に、電界紡糸装置１の作用について説明する。
原料液は、表面張力によりノズル２０の排出口２０ａの近傍に留まっている。
電源４は、保持部２１を介してノズル２０に電圧を印加する。すると、排出口２０ａの近傍にある原料液が所定の極性に帯電する。図１に例示をしたものの場合には、排出口２０ａの近傍にある原料液がプラスに帯電する。

収集体５１は、接地されているので、ノズル２０と収集体５１の間に電界が形成される。そして、電気力線に沿って作用する静電力が表面張力より大きくなると、排出口２０ａの近傍にある原料液が静電力により収集体５１に向けて引き出される。引き出された原料液は、引き伸ばされ、原料液に含まれる溶媒が揮発することでファイバ１００が形成される。形成されたファイバ１００が収集体５１の上に堆積することで、堆積体１１０が形成される。
本実施の形態に係る電界紡糸装置１においては、隣接するノズル２０の軸線２０ｃが交差している。そのため、ファイバ１００同士の間に生じる斥力を小さくすることができるので、堆積させたい領域１２０にファイバ１００を堆積させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電界紡糸装置、２ 紡糸部、３ 原料液供給部、４ 電源、５ 収集部、６ 制御部、２０ ノズル、２０ａ 排出口、２０ｂ 供給口、２０ｃ 軸線、２１ 保持部、３１ 収納部、３２ 供給部、３３ 制御部、５１ 収集体、５２ 堆積調整部、５３ 電源、１００ ファイバ、１１０ 堆積体、１２０ 堆積させたい領域

Claims (5)

1. 第１のノズルと、
   前記第１のノズルに隣接して設けられた第２のノズルと、
   前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに原料液を供給する原料液供給部と、
   前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに所定の極性の電圧を印加する電源と、
   を備え、
   前記第１のノズルの軸線と、前記第２のノズルの軸線が交差している電界紡糸装置。
2. 前記第２のノズルは、前記第１のノズルに対して、前記原料液が排出される側の先端同士が近づく方向に傾いている請求項１記載の電界紡糸装置。
3. 前記第１のノズルおよび前記第２のノズルの前記原料液が排出される側の先端における電界強度をＥ１、ノズルを一つだけ設けた場合の前記ノズルの前記原料液が排出される側の先端における電界強度をＥ２とした場合に、Ｅ１／Ｅ２が０．６４以上となる請求項１または２に記載の電界紡糸装置。
4. 前記第１のノズルおよび前記第２のノズルの前記原料液が排出される側に設けられ、前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに印加される電圧と逆極性の電圧が印加される堆積調整部をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の電界紡糸装置。
5. 前記第１のノズルおよび前記第２のノズルの前記原料液が排出される側に設けられ、接地、または、前記第１のノズルおよび前記第２のノズルに印加される電圧と逆極性の電圧が印加される収集体をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の電界紡糸装置。

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