JP2018123434A - 繊維集合体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高分子樹脂を有機溶媒で溶かした高分子樹脂溶液を用い、繊維径の小さな繊維集合体を製造できる安全で設備小型化可能な繊維集合体製造方法を提供する。【解決手段】この繊維集合体製造方法は、高分子樹脂を水溶性有機溶媒で溶かした高分子樹脂溶液Ｌを溶液噴射孔から噴射するとともに、気体噴射孔から気体Ｇを噴射し高分子樹脂溶液Ｌに当ててそれを運搬し、高分子樹脂溶液Ｌを水３１及び／又は粒子状水分３２に接触させて前記水溶性有機溶媒を除去することにより硬化させて繊維にする。【選択図】図６

Description

本発明は、繊維集合体製造方法に関する。

近年、サブミクロンから数ミクロンと径の小さい繊維の繊維集合体を製造できる方法が盛んに研究されている。その主なものとして、エレクトロスピニング法（例えば、特許文献１）を挙げることができる。

エレクトロスピニング法は、ノズルから液状の高分子物質を噴射させ、その高分子物質を、ノズルとの間に高電圧を生じさせているコレクター板（ターゲット板）に静電力で引き寄せながら引き伸ばして付着させることで、繊維集合体を形成するものである。液状の高分子物質としては、高分子樹脂を溶媒で溶かした高分子樹脂溶液が広く用いられる。液状の高分子物質として、高分子樹脂を高温にして溶融した高分子樹脂溶融物も可能であるが、高分子樹脂溶融物となる高分子樹脂は限定される。

高分子物質が高分子樹脂溶液の場合、ノズルから噴射された高分子樹脂溶液は、空中で引き伸ばされつつ溶媒が蒸発する。溶媒としては、有機溶媒が広く用いられる。溶媒として、高分子樹脂によっては水が可能な場合もあるが、コレクター板に到達するまでに蒸発し難い。

また、エレクトロスピニング法に類似した方法として特許文献２に開示の方法を挙げることができる。この方法は、溶液吐出孔から高分子樹脂溶液を吐出し、吐出した高分子樹脂溶液に交差するように気体を吹付け、高分子樹脂溶液に含まれる有機溶媒を空中で蒸発させながら繊維にしてコレクター板で繊維集合体を形成するものである。ここでは、静電力は用いられない。

特開２０１２−１２２１７６号公報 特開２００９−９７１２３号公報

しかしながら、エレクトロスピニング法において有機溶媒を用いる方法や特許文献２に開示される方法など、有機溶媒を空中で蒸発させるもの（及び高電圧を取り扱うもの）は、それを安全に実施し、また、蒸発した溶媒を安全に処理するには、非常に大きな設備が必要である。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、高分子樹脂を有機溶媒で溶かした高分子樹脂溶液を用い、繊維径の小さな繊維集合体を製造できる安全で設備小型化可能な繊維集合体製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の繊維集合体製造方法は、高分子樹脂を水溶性有機溶媒で溶かした高分子樹脂溶液を溶液噴射孔から噴射するとともに、気体噴射孔から気体を噴射し前記高分子樹脂溶液に当ててそれを運搬し、前記高分子樹脂溶液を水及び／又は粒子状水分に接触させて前記水溶性有機溶媒を除去することにより硬化させて繊維にすることを特徴とする。

請求項２に記載の繊維集合体製造方法は、請求項１に記載の繊維集合体製造方法において、前記高分子樹脂溶液は、回転するスクリューによって溶液運搬孔の中を前記溶液噴射孔に向かって運搬されていることを特徴とする。

請求項３に記載の繊維集合体製造方法は、請求項１又は２に記載の繊維集合体製造方法において、前記水は、流水であることを特徴とする。

請求項４に記載の繊維集合体製造方法は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維集合体製造方法において、前記高分子樹脂溶液は、前記粒子状水分に接触してから前記水に接触することを特徴とする。

請求項５に記載の繊維集合体製造方法は、請求項４に記載の繊維集合体製造方法において、前記粒子状水分は、粒子状水分噴出孔から下方に向かって噴出していることを特徴とする。

請求項６に記載の繊維集合体製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維集合体製造方法において、前記粒子状水分は、前記気体噴射孔から噴射する前記気体に含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、繊維径の小さな繊維集合体を製造できる安全で設備小型化可能な繊維集合体製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る繊維集合体製造方法を実現する繊維集合体製造システムの模式図である。 同上の繊維集合体製造システムの高分子樹脂溶液噴射装置を示す平面図である。 同上の繊維集合体製造システムの高分子樹脂溶液噴射装置の溶液運搬部を示す模式的な側面視断面図である。 同上の繊維集合体製造システムの高分子樹脂溶液噴射装置の噴射部を拡大して示すものであって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面視断面図である。 同上の繊維集合体製造システムの高分子樹脂溶液噴射装置においてＡ−Ａで示す位置で切断した噴射部とそれに接続される気体流制御部を示す正面視断面図である。 同上の繊維集合体製造システムの変形例の模式図である。 同上の繊維集合体製造システムの更なる変形例の模式図である。 同上の繊維集合体製造方法によって製造した繊維集合体の例を示す写真である。

以下、本発明の実施形態に係る繊維集合体製造方法を、図１に示す繊維集合体製造システム１を用いて説明する。この繊維集合体製造システム１は、高分子樹脂溶液噴射装置２と繊維収集装置３を備えている。

高分子樹脂溶液噴射装置２は、図２に示すように、溶液運搬部２１と気体流制御部２２と噴射部２３を有している。

溶液運搬部２１は、高分子樹脂溶液Ｌを噴射部２３の後述する溶液噴射孔２３ａに向かって運搬する部分である。溶液運搬部２１は、図３に示すように、溶液運搬孔２１ａが中心部分に形成された大略円筒状の溶液運搬部本体２１ｂを有している。溶液運搬部本体２１ｂの外側面の上部には、高分子樹脂溶液Ｌを溶液運搬孔２１ａの中に投入するための略漏斗状の溶液投入部２１ｃが設けられている。溶液運搬孔２１ａの中には、溶液運搬孔２１ａの中を溶液噴射孔２３ａに向かって高分子樹脂溶液Ｌを運搬するためのスクリュー２１ｄが配置されている。スクリュー２１ｄの一方側には、スクリュー２１ｄを回転させるスクリュー駆動機２１ｅが配置されている。

高分子樹脂溶液Ｌは、高分子樹脂を水溶性有機溶媒で溶かした溶液である。

高分子樹脂は、水溶性有機溶媒に溶かすことができるならば、限定されることはなく、様々な高分子樹脂が可能である。例えば、ポリアクリロニトリル樹脂などがあげられる。また、それぞれの樹脂の前駆体、共重合体なども可能である。例えば、ポリアクリロニトリル樹脂の場合は、アクリロニトリルのホモポリマー（単独重合体）とすることができるが、水溶性有機溶媒との溶解性向上のため、アクリル酸メチルなど他の樹脂との共重合体とすることもできる。

水溶性有機溶媒は、限定されることはなく、様々な水溶性有機溶媒が可能である。例えば、高分子樹脂がポリアクリロニトリル樹脂の場合、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの有機アミド系溶媒等があげられる。水溶性有機溶媒は、単独種類の溶媒でもよく２種以上の混合溶媒でもよい。

溶液運搬部２１においては、高分子樹脂溶液Ｌは、スクリュー２１ｄの回転数に応じた速度で噴射部２３の後述する溶液噴射孔２３ａに向かって送られる。

気体流制御部２２は、所要の気体Ｇの流れを発生させて噴射部２３の後述する気体噴射孔２３ｂに向かって送る部分である。気体Ｇは、空気又は窒素などを用いることができる。気体Ｇの流れは、気体流発生機２２ａで発生させられ、気体通過管２２ｂの気体通過孔２２ｂａ(図５参照)の中を通過して噴射部２３の気体噴射孔２３ｂに送られる。気体流発生機２２ａは、コンプレッサーなどを用いることができる。

噴射部２３は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、溶液噴射孔２３ａと気体噴射孔２３ｂを有している。噴射部２３では、高分子樹脂溶液Ｌを溶液噴射孔２３ａから噴射するとともに気体噴射孔２３ｂから気体Ｇを噴射する。溶液噴射孔２３ａは、通常、複数個（図においては３個）設けられる。気体噴射孔２３ｂは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、溶液噴射孔２３ａの下方の近傍に設けられている。図４（ｂ）に示す例では、溶液噴射孔２３ａは段付きであり、先端側２３ａａよりも後部側２３ａｂは直径が少し大きくなっている。溶液噴射孔２３ａ（詳しくは、その後部側２３ａｂ）は、溶液運搬部２１のスクリュー２１ｄの先端が入り込む凹部２３ｃに導通している。また、気体噴射孔２３ｂは、図５に示すように、気体導通孔２３ｄを介して気体流制御部２２の気体通過孔２２ｂａに導通する。なお、噴射部２３の溶液運搬部２１への固定は、正面からネジ（図示せず）などで行うことができる。

溶液噴射孔２３ａ（図４（ａ）、（ｂ）に示すような段付きの場合は、先端側２３ａａ）は、非常に直径が小さく、例えば、直径が１００〜５００μｍ程度とすることができる。スクリュー２１ｄの回転数に応じた速度で溶液運搬部２１の溶液運搬孔２１ａの中を運搬されて来た高分子樹脂溶液Ｌは、溶液運搬孔２１ａよりも直径が小さい溶液噴射孔２３ａの中を加速されて通過してから外方に噴射される。

気体噴射孔２３ｂは、通常、溶液噴射孔２３ａよりも直径が大きく、例えば、直径が１〜２ｍｍ程度とすることができる。気体通過孔２２ｂａの中を通って来た気体Ｇは、気体噴射孔２３ｂを通って外方に噴射される。噴射の圧力は、限定されることはないが、例えば、０．２〜２ＭＰａとすることができる。噴射された気体Ｇは、溶液噴射孔２３ａから噴射された高分子樹脂溶液Ｌに当たりそれを引き伸ばしながら運搬する。

詳細には、溶液噴射孔２３ａと気体噴射孔２３ｂは、通常、互いに平行になるように設けられている（図４（ｂ）参照）。そうすると、溶液噴射孔２３ａから噴射した高分子樹脂溶液Ｌは、重力により少し落下して、又は、以下に述べる気体Ｇの旋回により、気体Ｇに当たる。

気体Ｇは、気体流発生機２２ａのスクリュー（又は羽根）の回転、気体通過孔２２ｂの屈曲部、気体噴射孔２３ｂの屈曲部などによって、通常、旋回流となっているので、旋回ながら高分子樹脂溶液Ｌに当たりそれを運搬することになる。気体流発生機２２ａのスクリュー（又は羽根）の回転数などにより、旋回を調整することも可能である。また、強い旋回とするために、気体通過孔２２ｂ又は気体噴射孔２３ｂの途中或いは末端に、その側壁が自由に回転する部分を付加した構造とすることなども可能である。

後述のように高分子樹脂溶液Ｌが硬化して繊維になるとき、その繊維径は、高分子樹脂溶液Ｌの粘度、溶液噴射孔２３ａの直径、溶液噴射孔２３ａから噴射される高分子樹脂溶液Ｌの速度、気体噴射孔２３ｂから噴射される気体Ｇの速度、旋回の度合、などによって決まる。

次に、繊維収集装置３を説明する。繊維収集装置３は、高分子樹脂溶液噴射装置２から気体Ｇにより運搬されている高分子樹脂溶液Ｌを水３１及び／又は粒子状水分３２に接触させて水溶性有機溶媒を除去することにより硬化させて繊維にするものである。水溶性有機溶媒を除去するためには、水３１だけを用いる場合（図１参照）、水３１と粒子状水分３２をともに用いる場合（図６及び図７参照）、粒子状水分３２だけを用いる場合がある。

水３１のみを用いる場合は、水面に当たったときに水３１の反力（抗力）によって高分子樹脂溶液Ｌが塊状（オタマジャクシの形状）になるのを抑制することが望ましい。このための望ましい対策は以下の通りである。なお、図１において、水３１は、容器３３の中に注入されている。

水面に高分子樹脂溶液Ｌが入射する角度は、小さいのが望ましい。具体的には、水面と気体噴射孔２３ｂが成す角度θは、０度よりも大きく４５度以下とすることができる。そうすることよって、水面に当たった瞬間に働く高分子樹脂溶液Ｌに対する水３１の反力を小さくすることができる。なお、図１においては、気体噴射孔２３ｂから噴射されて高分子樹脂溶液Ｌとともに水面に入射する気体Ｇは、実際は曲線となるが、直線で示している。

また、水３１は、流水であることが望ましい。そうすることよって、水３１の流れる向きを高分子樹脂溶液Ｌが当たる向きに合わせることで、水面に当たった瞬間に働く高分子樹脂溶液Ｌに対する水３１の反力を小さくすることができる。また、水３１の中で高分子樹脂溶液Ｌが硬化して生成された繊維を、水３１の流れの先で、連続して取集することができる。繊維が収集された水３１は、高分子樹脂溶液Ｌが当たるところに戻すようにして循環させることができる。

また、繊維が凝集しないように、水３１の水面を振動させたり水面に無数の小さな泡を発生させたりすることも可能である。

次に、水３１と粒子状水分３２をともに用いる場合について述べる。図６に示すのは、図１に示した水３１のみを用いる場合の構成に、粒子状水分３２をも用いるように構成を追加したものである。なお、図６においては、粒子状水分３２は粒子状水分噴出部３４から噴出させている。

粒子状水分３２は、高分子樹脂溶液Ｌが塊状になるのを抑制するのに非常に有効である。粒子状水分３２は、粒径が比較的大きく下方に向かって降下して行く状態（シャワー状態）のものと、粒径が小さく空中に浮遊している状態（ミスト状態）のものと、に大別される。粒子状水分３２は、その領域に突入した高分子樹脂溶液Ｌに当たると付着し、高分子樹脂溶液Ｌの水溶性有機溶媒を溶かし、それを高分子樹脂溶液Ｌから除去する。粒子状水分３２は、粒子状水分３２に高分子樹脂溶液Ｌが当たったときの反力が非常に小さく、特に、ミスト状態の粒子状水分３２は反力が極めて小さい。

このように、高分子樹脂溶液Ｌを粒子状水分３２に接触させてから水３１に接触させる（入射させる）と、高分子樹脂溶液Ｌがある程度以上硬化してから水面に当たるので、高分子樹脂溶液Ｌが塊状になるのを十分に抑制することが可能である。また、高分子樹脂溶液Ｌに付着した粒子状水分３２に溶けた水溶性有機溶媒を回収することも容易である。

粒子状水分３２は、その噴出に勢いを付けることで、高分子樹脂溶液Ｌを特定方向（例えば、下方）に向かわせることも可能である。

また、粒子状水分３２は、気体噴射孔２３ｂから噴射される気体Ｇに含ませることが可能である。こうすれば、高分子樹脂溶液Ｌに気体Ｇが当たった瞬間から硬化を始めさせることができ、また、粒子状水分噴出部３４を設ける必要がない。

図７に示すのは、水面と気体噴射孔２３ｂが成す角度θを９０度として、水面に高分子樹脂溶液Ｌが垂直又は垂直に近い角度で入射するようにしたものである。ここでは、高分子樹脂溶液Ｌが塊状になるのを十分に抑制するように、高分子樹脂溶液Ｌが粒子状水分３２により十分に硬化してから水面に当たるようにする。図７に示すような縦型の構成にすると、非常に効果的な設備小型化が可能になる。なお、図示は省略するが、噴射部２３の溶液噴射孔２３ａは、気体噴射孔２３ｂのまわりにほぼ等間隔に複数個（例えば、４個）設けることができる。

また、図６及び図７に示すようにして粒子状水分３２を用いる場合、粒子状水分３２で十分に硬化して生成された繊維を、水３１を用いずに、背景技術で述べたコレクター板に付着させることも場合によっては可能である。

図８に示すのは、繊維集合体製造システム１を用いた繊維集合体製造方法によって製造した繊維集合体の例である。図８は、５０００倍率の写真であり、Ｓｃａｌｅ ｂａｒは２μｍを示している。高分子樹脂はポリアクリロニトリル樹脂、水溶性有機溶媒はＮ−メチル−２−ピロリドンを用いた。水３１だけを用いて（粒子状水分３２は用いず）、水溶性有機溶媒を除去した。温度（高分子樹脂溶液Ｌ及び気体Ｇなどの温度）は、常温である。図８より、繊維径が１００〜５００ｎｍ程度のものが生成できていることが分かる。なお、ポリアクリロニトリル樹脂から生成した繊維集合体は、炭化することにより、フィルターなどの材料として広く用いることができる。

このように本発明の実施形態に係る繊維集合体製造方法を用いて、繊維径の小さな繊維集合体を製造できる。また、この繊維集合体製造方法では、繊維になるとき高分子樹脂溶液Ｌの水溶性有機溶媒は、水３１及び／又は粒子状水分３２に接触してそれに溶けて除去されるので、回収され易い。よって、安全性を確保し易く、設備小型化が可能である。

以上、本発明の実施形態に係る繊維集合体製造方法について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での設計変更が可能である。

１ 繊維集合体製造システム
２ 高分子樹脂溶液噴射装置
２１ 溶液運搬部
２２ 気体流制御部
２３ 噴射部
２３ａ 溶液噴射孔
２３ｂ 気体噴射孔
３ 繊維収集装置
３１ 水
３２ 粒子状水分
３４ 粒子状水分噴出部
Ｇ 気体
Ｌ 高分子樹脂溶液

Claims (6)

1. 高分子樹脂を水溶性有機溶媒で溶かした高分子樹脂溶液を溶液噴射孔から噴射するとともに、気体噴射孔から気体を噴射し前記高分子樹脂溶液に当ててそれを運搬し、前記高分子樹脂溶液を水及び／又は粒子状水分に接触させて前記水溶性有機溶媒を除去することにより硬化させて繊維にすることを特徴とする繊維集合体製造方法。
2. 請求項１に記載の繊維集合体製造方法において、
   前記高分子樹脂溶液は、回転するスクリューによって溶液運搬孔の中を前記溶液噴射孔に向かって運搬されていることを特徴とする繊維集合体製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の繊維集合体製造方法において、
   前記水は、流水であることを特徴とする繊維集合体製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維集合体製造方法において、
   前記高分子樹脂溶液は、前記粒子状水分に接触してから前記水に接触することを特徴とする繊維集合体製造方法。
5. 請求項４に記載の繊維集合体製造方法において、
   前記粒子状水分は、粒子状水分噴出孔から下方に向かって噴出していることを特徴とする繊維集合体製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維集合体製造方法において、
   前記粒子状水分は、前記気体噴射孔から噴射する前記気体に含まれていることを特徴とする繊維集合体製造方法。