JP2018536779A - ナノスケールの直径を有する連続ファイバーを生成する方法及び装置並びに生成されるナノスケールファイバー - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス噴射とレーザー照射とを組み合わせて適用することによってナノスケールの直径を有する長いファイバーを生成する方法を記載する。本発明はまた、前述の方法によって生成されるナノスケールファイバー、及びその実施に好適な装置にも関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ナノ材料、すなわち材料の寸法のうち少なくとも１つがナノスケールである材料を製造するための材料加工技術の分野に含まれる。

本発明において記載される技術は、直径がナノスケールでありかつ長さが無限長の、連続した別個のファイバーの製造を可能にする。

様々な技術分野において著しい飛躍的進歩をもたらすことを可能にする、独特な特性を有する新規材料に対し、非常に大きな需要がある。この需要は、これらの新しい必要性を満たす新規ナノ材料の合成及び応用の動機となっている。研究されてきた異なる種類のナノ材料のうち、ほぼ一次元である材料、例えば結晶性ナノチューブ及びナノワイヤー、または非晶質ナノファイバーが、最も着目されているものとして挙げられる。これは、体積に対する表面積の比が極めて高いこと、及び直径を小さくしたことによりもたらされる優れた特性による。さらに、もしナノファイバーがマクロ的長さに達したならば、マクロ的用途とナノスケール特性との間の価値ある架け橋としての役割を果たすことができ、ナノ材料の有益な範囲の応用が可能となる。

しかしながら、長さの長いナノワイヤーまたはナノファイバーの合成、及び機能性材料の持続可能な作製におけるそれらの組み込みには、かなりの難題が未だ立ちはだかっている。マイクロスケール範囲の直径を有する無機ガラスファイバーまたはポリマーガラスファイバー（マイクロファイバー）を得るためには、いくつかの工業的方法がある。それらの方法はすべて、以下の３つの基本技術のうちの１つによって延伸することができるように、前駆体材料を溶融することを含む。１）高速で回転しているドラムに作製された穴を通して溶融前駆体を遠心処理することに基づく、回転繊維化；２）ガス噴射によりフィラメントを連行し冷却しながら、前駆体材料溶融物を、穴を通して押し出すことに基づく、メルトブロー；３）異なる種類の機械システムを使用して、溶融プリフォームにおいて軸応力を引き起こし、一軸伸長させて、均一なフィラメントを形成する、機械けん引方法。しかしながら、これらの方法のいずれかを用いて無限の長さを有する連続ナノファイバーを得ることは可能ではない。

一方、電界紡糸は、高生産力を有する大規模化可能なナノファイバー作製技術である。これは、液体状態である必要がある材料からナノファイバーを得ることを可能にする単純かつ効率的な技術である。結果として、ポリマーナノファイバーを得るために使用されている。しかしながら、この方法を用いたセラミックナノファイバーの作製は、それらが高融点であることから非常に複雑である。結果として、ゾル−ゲル材料を前駆体として使用しなければならない。しかしながら、この方法の結果は必ずしも完全に満足いくものとは限らない。その理由は、ナノファイバーがプロセス後に高多孔質となり、それにより機械的特性が乏しくなるため、ゾル−ゲル前駆体のか焼には、ある特定の欠点が伴うからである。他の場合においては、ファイバーは硬化プロセス及びか焼プロセス中に一緒に接合されるが、これからは分離、配列、または織ることができない結合ウェブが作られる。さらに、一部のゾル−ゲルの前駆体化合物の間での不適合性により、最終製品の組成の範囲が制限される。

あるいは、レーザー紡糸技術（特許文献ＥＳ２２２３２９０Ｂ１に開示されている）が、非晶質セラミックナノファイバーを作製する効果的な方法として提示されている。この技術は、高融点を有するもの、及び壊れやすい溶融物を生成するかまたは高い失透傾向を有するものを含めた、様々な組成を有するナノファイバーの作製を可能にするので、ガラスファイバーを作製する従来の方法の制限を克服している。「レーザー紡糸」技術を用いて作製されるナノファイバーは、互いに分離した多孔性のない円柱形の固体の形態を有するので、分離、配列、及び織ることができる。「レーザー紡糸」技術は、超音速ガス噴射を溶融区域に導入しながら、強力レーザーによって小さい体積の固体前駆体を溶融することから本質的になる。このガス噴射は溶融材料を連行し、それを伸長させ、極めて急速に冷却し、これによって前駆体材料と同じ組成を有する非晶質ナノファイバーを非常に短い時間で大量に作製する。しかしながら、この技術もいくつかの制限を有する。それは、作製されたファイバーが全て同じ直径を有するわけではなく、むしろ互いに異なることである。一方、ナノファイバーの長さはセンチメートル範囲に限定されている。さらに、得られるナノファイバーは、溶融材料の小さな滴下物と混合しており、これは使用前に除去しなければならない。

したがって、ナノスケール範囲に制御された直径と無限長の長さとを有する固体の連続した非多孔質ファイバーを製造することを可能にする新しい方法のための技術水準が必要とされている。

本発明は、ナノスケール範囲に制御された直径と無限長の長さとを有する固体の連続した非多孔質ファイバーを製造する方法を提供する。この方法は、前駆体材料から作製されたプリフォームを、高出力レーザーを用いてマイクロ溶融して、溶融材料で作製されたマイクロフィラメントを生成することに基づく。同時に、マイクロフィラメントに対し同軸的に高速度で供給されたガス噴射が、マイクロフィラメントを伸長させ冷却する。

第１の態様においては、本発明は、連続ナノファイバーを製造するのに好適な方法であって、以下の工程：
ａ）細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを用意して、プリフォームを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させる工程と、
ｂ）前駆体材料から作製されたプリフォームが、一定速度を維持しながら加工領域に達したときに、好適な溶融温度に加熱するため、加工領域に入るプリフォームの領域にレーザー照射を連続的に適用する工程と、
ｃ）前駆体材料溶融物に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを連続的に付与する工程であって、
レーザー照射によって生じる加熱と、ガスを同軸的に付与することとの組合せ作用によって、加工領域において前駆体材料溶融物の移動方向の一軸延伸が生じ、これによりその直径が小さくなるように、ガスを連続的に付与する工程と、
ｄ）直径が減少した前駆体材料溶融物が加工領域を出るときに、ナノファイバーが形成するまで前述の溶融物を同軸的なガスの作用によって延伸し続け、冷却して固化する工程とを含むことを特徴とする、方法を提供する。

メルトブロー法と比較して、この方法の利点は、本発明においてレーザー光線加熱プロセス及びガス噴射冷却プロセスがメルトブロー法よりもかなり急速に生じることである。その結果、不安定性または毛細管力の影響による流れの中断なしでより高い温度まで加熱を行うことができ、これは、加熱及び冷却プロセスが流れの中断よりもずっと速いことによる。より高い温度で方法を行うことにはさらに、流体フィラメントの粘度がより低いという利点を含み、したがって伸長は非常に急速で起こり、前駆体材料から作製されたプリフォームの直径は、したがって１／１０００倍未満に減らすことができる。これにより、フィラメントの中断または結晶化なしでナノスケールの直径を達成することができる。

レーザー紡糸技術に関しては、それを行う方法、実施構成、及びその結果において著しく差がある。第１に、レーザー紡糸技術においては、前駆体材料は、本発明のように、平面で細長くないプレート形状（例えば、円柱）を有する必要がある。レーザー紡糸技術においては、レーザー光線とガス噴射の組合せ作用により、前駆体材料で作製された固体プレートにおいて切断部または溝が作製される。レーザー光線は前駆体材料で作製された平面プレートに垂直にぶつかり、ガス噴射はプレートに斜めにぶつかり、そして次にレーザー光線とある特定の角度をなす。上記方法においては、ナノファイバーは、前駆体材料で作製されたプレートの上記切断部または溝において生成する小さい体積の溶融材料から作製される。これは、前駆体材料をわずかしか使用しないことがあり、ナノファイバーの直径の制御が曖昧なことがある。対照的に、本発明の方法においては、一定速度で与えられる１つ以上のレーザー光線が、細長い（例えば、円柱形または実質的に円柱形の）プリフォームに、１方向以上から垂直にまたはわずかに斜めに照射する。その間、溶融フィラメントに対して同軸方向で流れるガス噴射が加工領域を取り囲む。加工領域に到達した、前駆体材料から作製されたプリフォームの全体積がこれによりナノファイバーに変形され、したがって前駆体材料の１００％が使用される。

一方、レーザー紡糸技術によって得られるファイバーは、ファイバーの実使用前に除去しなければならない溶融材料の小さな滴下物が同時に生じる。

一例としては、直径６００マイクロメートルの円形断面を有し、長さが１メートルの円柱状プリフォームは、直径が３００ナノメートルで４×１０^６メートルのファイバーに変形し得る。さらに、本発明の方法は、前駆体材料、レーザー光線加熱、並びに冷却及び伸長を生じさせる同軸ガス噴射の状況のパラメーターを好適に選択することによって、作製されるファイバーの直径の精密な制御を可能にする。

結果に関して、これは、生成物とは化学的に異なる前駆体を使用せずに高融点の材料から無限長の長さを有する連続ナノファイバーを得ることを可能にする、現在までに知られている唯一の技術である。この点で、電界紡糸技術では低融点の材料またはゾル−ゲル形態の化学物質前駆体を使用しなければならないことを考えると、これは電界紡糸技術に対して明らかな利点を示している。対照的に、本発明の対象の方法においては、ファイバーは、生成物と同じ化学組成を有する前駆体材料を溶融することを含むプロセスから直接得られ、したがってゾル−ゲル前駆体を硬化及びか焼することに由来する欠点が生じない。

第２の態様においては、本発明は、１〜９００ｎｍに含まれる直径、及び１ｃｍ〜４×１０^６ｍに含まれる長さを有する、規定された方法に従って得られるナノファイバーに関する。上述の通り、本発明の方法によって得られるナノファイバーは、有利なことに、固体の連続した非多孔質ナノファイバーである。

詳細には、本発明の方法によって得られるナノファイバーは、固体の非多孔質の連続ナノファイバーであり、さらに、前駆体の不適合性の理由による生成物の化学組成に関する制限がない。電界紡糸と比較して、本発明を用いて得られる生成物の他の利点は、得られるファイバーが互いから完全に分離しており、長く、可撓性であり、したがってそれらを配列し、整列させ、織ることができる。

別の態様においては、本発明は、本発明の方法に従ってファイバーを製造する装置であって、
ａ）加工ヘッドであって、
細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを収容して、それを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させるための手段、及び
加工領域において、及びそこを出るときに、材料に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを付与する手段
を備えた加工ヘッドと、
ｂ）前駆体材料が加工領域に入るときに、前駆体材料にレーザー照射の焦点を合わせるのに好適な一式の光学システムと、
を備える装置を提供する。

本発明の対象の方法によって得られるナノスケールファイバーは、耐火性布地を作製するため、複合体を製造するためのポリマー補強材として、組織工学における異なる種類の細胞用の基材として、骨再生ため、粘膜再生ため、皮膚再生のため、軟骨再生のため、または活性な二機能性の再生可能フィルターを製造するために、使用することができる。

これから行われる説明を補足するため、及び本発明の特徴のより深い理解を補助する目的で、上記説明の必須部分として以下の図面が添付されている。図面では、実施組立体の主要な要素が、異なる実施例に従って例示的かつ模式的に図示されている。

前駆体材料（１）の流れに対して同軸的（８）にガス（４）を導入するための、本発明の実施形態による装置の加工ヘッド（２）を断面によって模式的に示す図である。加工領域（３）において、前駆体材料から作製されたプリフォームに反対方向から照射してマイクロフィラメントを得る、２つのレーザー光線（６及び７）も図示している。排出部で連続ナノスケールファイバー（９）を製造するまでの、加工領域（５）におけるプリフォームの直径の減少も模式的に示されている。

本発明の実施形態による装置の実施組立てを行うために必要とされる光学素子の構成の２つの平面図及び立面図を模式的に示す図である。図において、２つのレーザー照射光線（１０）及び（１１）はそれぞれ全反射ミラー（１２）及び（１３）に向けられている。両方の光線（１６）及び（１７）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（１８）及び（１９）によって調整されて、プリフォーム（１４）における所望の放射照度を達成する。図は、加工ヘッド（１５）から出てくるプリフォームと、反対方向（水平面で互いに対し１８０°の角度）の２つの光線によって照射する加工領域とを示しており、加工領域では、前駆体材料から作製されたプリフォームの、連続したナノスケールファイバー（２０）への変形が起こる。

３つの同じレーザー光線（２１）、（２２）、及び（２３）によって加工領域を照射する、本発明の実施形態による装置の実施組立体の平面図を模式的に示す図である。３つの光線は、水平面で互いに対し１２０°の角度をなす方向からプリフォーム（２４）に向けられる。プリフォーム（２４）は、加工ヘッド（２５）に対して同心円状に位置している。３つの光線（２１）、（２２）、及び（２３）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（２６）、（２７）、及び（２８）によって調整される。前駆体材料から作製されたプリフォームは、連続したナノスケールファイバー（２９）に変形する。

水平面で互いに対し９０°の角度をなしている４つの同じレーザー光線（３０）、（３１）、（３２）、及び（３３）によって加工領域を照射する、本発明の実施形態による装置の実施組立体の平面図を模式的に示す図である。レーザー照射は、加工ヘッド（３５）に対して同心円状に位置しているプリフォーム（３４）に向けられる。４つの光線（３０）、（３１）、（３２）、及び（３３）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（３６）、（３７）、（３８）、及び（３９）によって調整される。前駆体材料から作製されたプリフォームは、連続したナノスケールファイバー（４０）に変形する。

方法
本発明は、無限長の長さを有する連続ナノファイバーを製造するのに好適な方法であって、以下の工程
ａ）細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを用意して、プリフォームを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させる工程と、
ｂ）前駆体材料から作製されたプリフォームが、一定速度を維持しながら加工領域に達したときに、好適な溶融温度に加熱するため、加工領域に入るプリフォームの領域にレーザー照射を連続的に適用する工程と、
ｃ）前駆体材料溶融物に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを連続的に付与する工程であって、
レーザー照射によって生じる加熱と、ガスを同軸的に付与することとの組合せ作用によって、加工領域において前駆体材料溶融物の移動方向の一軸延伸が生じ、これによりその直径が小さくなるように、ガスを連続的に付与する工程と、及び
ｄ）直径が減少した前駆体材料溶融物が加工領域を出るときに、ナノファイバーが形成するまで前述の溶融物を同軸ガスの作用によって延伸し続け、冷却して固化する工程と、を含むことを特徴とする、方法を提供する。

本発明に関しては、前駆体材料は、無機ガラス、ポリマー、セラミック材料、金属、または金属酸化物であることが好ましく、そのレオロジー挙動は、レーザー照射によって加熱されたときに好適な粘度対表面張力の比に達するように、温度とともに変化する。特定の実施形態においては、前駆体材料は、シリカ、リン酸塩ガラス、及びポリマー、例えばポリ乳酸（ＰＬＡ）またはポリカプロラクトン（ＰＣＬ）からなる群から選択される。さらに特定の実施形態においては、前駆体材料はシリカである。ナノスケールファイバーを形成するための前駆体材料から作製されたプリフォームの延伸に有利である最適な粘度は、各前駆体材料の特性に依存する。上記の最適な粘度は、加工ガスによって生じる連行効果によるプリフォームの一軸伸長の急速な流れを可能にするために充分低いものである必要がある。同時に、粘度は、表面張力によって毛細管力の作用に起因したフィラメントの中断が生じないように、充分に高いまま維持する必要がある。

前駆体材料は、液体、半固体、または固体状態としてもよい。好ましい実施形態においては、前駆体材料は、固体または半固体状態である。しかしながら、前駆体材料は、完全に溶融した状態で提供することもでき、この場合これは液体とみなされる。

前駆体材料は、細長い形状を有する。本発明に関しては、「細長い形状」とは、１つの寸法が他の２つの寸法よりも大きい、伸ばされた形状と理解される。上記の細長い形状は、例えば円形断面、三角形断面、楕円形断面、正方形断面、長方形断面、または他の任意の多角形断面を有することができる。特定の実施形態においては、前駆体材料から作製されたプリフォームは、実質的に円柱形の形状または実質的に直方体の形状を有する。

特定の実施形態においては、前駆体材料から作製されたプリフォームは、約１μｍ〜約１０ｍｍ、好ましくは約５μｍ〜約５ｍｍ、より好ましくは約１０μｍ〜約１ｍｍに含まれる直径の円形断面を有する円柱体である。好ましい実施形態においては、断面の直径は、約１００μｍ〜約７００μｍ、好ましくは約２００μｍ〜約６００μｍ、より好ましくは約３００μｍ〜約６００μｍに含まれる。好ましい実施形態においては、前駆体材料から作製されたプリフォームは、直径約６００μｍの円形断面を有する円柱体である。別の好ましい実施形態においては、前駆体材料は、直径約６００μｍの円形断面を有するシリカ円柱体である。

前駆体材料から作製されたプリフォームは、一定速度で加工領域に提供されるか、または加工領域内に供給される。本発明に関しては、一定速度とは、全プロセスを通して一定に保たれる速度と理解される。特定の実施形態においては、プリフォームが提供される一定速度は、約０．０１〜約１００μｍ／ｓ、好ましくは約０．１〜約５０μｍ／ｓ、より好ましくは約０．５〜約１０μｍ／ｓに含まれる。好ましい実施形態においては、プリフォームがもたらされる一定速度は、約１μｍ／ｓである。

前駆体材料から作製されたプリフォームが、一定速度を維持しながら加工領域に達したときに、好適な溶融温度に加熱してマイクロスケールの溶融物の体積を得るため、加工領域に入ってくるプリフォームの領域にレーザーを連続的に照射する。特定の実施形態においては、前駆体材料は、１０〜９００平方マイクロメートルに含まれるマイクロスケール体積、好ましくは１００〜８００平方マイクロメートル、より好ましくは２００〜６００平方マイクロメートル、さらにより好ましくは３００〜５００平方マイクロメートルに含まれるマイクロスケール体積になるよう溶融及び／または加熱する。

特定の実施形態においては、本発明の方法の工程ｂ）において、強力レーザーを使用して前駆体材料を溶融し、かつ／または前駆体材料の温度を上げる。レーザー照射は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：バナデート、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、ダイオード、ファイバー、ディスク、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨｅＣｄ、銅蒸気レーザー、ヨウ素レーザー、アルゴンレーザー、クリプトンレーザー、及び化学レーザー（ＨＦ、ＤＦ）から選択されるレーザー源から発生することが好ましい。レーザー源の出力は、少なくとも３００Ｗであることが好ましい。好ましい実施形態においては、使用するレーザー機器は、放射束９５０Ｗを発するＣＯ_２レーザー（λ＝１０．６μｍ）である。

レーザー照射は、前駆体材料の対称軸に対して均一に前駆体材料内に吸収され得るように、１つ以上の方向から前駆体材料にぶつかる。特定の実施形態においては、工程ｂ）のレーザー照射は、２つのレーザー光線によってもたらされる。２つのレーザー光線は、同じであることが好ましい。好ましい実施形態においては、２つのレーザー光線は、約１８０°の角度をなして互いと向かい合う。より好ましくは、方法の工程ｂ）のレーザー照射は、約１８０°の角度をなして向かい合う２つの同じレーザー光線によってもたらされる。図１は、２つのレーザー光線が、前駆体材料から作製されたプリフォームを加工領域において反対方向から照射する、本発明の方法を行う加工ヘッドを模式的に図示している。同様に、図２は、２つの光線によって反対方向から照射されている加工領域を模式的に図示している。

代替の実施形態においては、工程ｂ）のレーザー照射は、３つのレーザー光線によってもたらされる。３つのレーザー光線は、同じであることが好ましい。好ましい実施形態においては、３つのレーザー光線は、互いに対し約１２０°の角度をなして配置されている。より好ましくは、工程ｂ）のレーザー照射は、互いに対し約１２０°の角度をなしている３つの同じレーザー光線によってもたらされる。図３は、３つの同じレーザー光線によって照射されている加工領域を模式的に図示している。

代替の実施形態においては、工程ｂ）のレーザー照射は、４つのレーザー光線によってもたらされる。４つのレーザー光線は、同じであることが好ましい。好ましい実施形態においては、４つのレーザー光線は、互いに対し約９０°の角度をなして配置されている。より好ましくは、工程ｂ）のレーザー照射は、互いに対し約９０°の角度をなしている４つの同じレーザー光線によってもたらされる。図４は、４つの同じレーザー光線によって照射されている加工領域を模式的に図示している。

前駆体材料によるレーザー照射の吸収により、融点またはガラス転移温度を超える温度において固体または半固体前駆体材料の極めて急速な溶融が生じ、あるいは、既に液体状態である場合には前駆体材料の加熱が生じる。

本発明の方法の工程ｃ）によれば、ガス噴射は、前駆体材料溶融物に対して同軸的にかつ移動と同じ方向で連続的に付与する。ガス噴射は高速で同軸的に供給し、高速は超音速とすることができ、通常約３００〜約９００ｍ／ｓに含まれるものであり、例えば約５１５ｍ／ｓであり、これは音速の１．５倍に等しい。特定の実施形態においては、加工ガスは圧縮空気、例えばゲージ圧約３００ｋＰａで供給される圧縮空気である。レーザー照射によって生じる加熱と、ガスを同軸的に付与することとの組合せ作用によって、加工領域において前駆体材料溶融物の移動方向の一軸延伸が生じ、これにより、前駆体材料溶融物で作製されたマイクロフィラメントが得られるまでその直径が減少する。さらに、マイクロフィラメントの形成を有利にするよう力を加えてもよい。本発明に関しては、前駆体材料に加える力は、概して、重力または外部からのけん引力である。

本発明の方法の工程ｄ）においては、工程ｃ）において得られる溶融材料で作製されたマイクロフィラメントが加工領域を出るとき、マイクロフィラメントは、全周囲を取り囲んでいる同軸ガスの作用によって連続的に延伸し続ける。高速ガス噴射によって急速な伸長が生じ、溶融材料がレーザー照射の作用領域を出た後、溶融材料は冷却され、固体の連続したナノスケールサイズのファイバーが形成される。得られたファイバーは、ナノファイバー表面の高速ガス流の熱の対流によって冷却される。

特定の実施形態においては、加工領域への前駆体材料流の連続的な供給と、レーザー光線による連続的かつ均一な前駆体材料流の加熱と、同軸ガス噴射を連続的に流すこととを、全て好適な比で一緒にすることにより、加熱、伸長、及び冷却プロセスにおける変動のない状況が確立される。加工領域におけるこの変動のない状況には、前駆体材料から作製されたプリフォームの、ナノスケールの直径及び無限長を有するファイバーへの連続的な変形が伴い、長さはプロセスの持続期間及び速度によってのみ限定される。

ナノファイバー
別の態様においては、本発明は、本発明の方法に従って得られるナノファイバーに関する。特定の実施形態においては、本発明の方法に従って得られるナノファイバーは、ナノスケールの直径、例えば約１〜約９００ｎｍに含まれる直径と、「無限長の」長さ、例えば約１ｃｍ〜約４×１０^６ｍに含まれる長さとを有する。特定の実施形態によれば、本発明の方法に従って得られるナノファイバーは、直径が、約１、５０、または１００ｎｍから、約７００、５００、または３００ｎｍまでである。特定の実施形態においては、直径は約３００ｎｍである。特定の実施形態によれば、本発明の方法に従って得られるナノファイバーは、長さが、約１、１００、または１０００ｃｍから、約５、１０、１００、または１０００ｍまでである。本発明の方法に従って得られるナノファイバーは、約１〜約５００ｎｍに含まれる直径と、約１〜約５ｍに含まれる長さとを有することが好ましい。

本発明の方法によって得られるナノファイバーは、有利なことに、固体の連続した非多孔質のものである。

装置
本発明は、連続ファイバーを作製する本発明の方法を実施するための装置を提供する。したがって、特定の態様においては、本発明は、本発明の方法に従ってファイバーを製造する装置であって、
ａ）加工ヘッドであって、
細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを収容して、それを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させるための手段、及び
加工領域において、及びそこを出るときに、材料に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを付与する手段
を備える加工ヘッドと、
ｂ）前駆体材料が加工領域に入るときに、前駆体材料にレーザー照射の焦点を合わせるのに好適な一式の光学システムと
を備える装置に関する。

本発明の装置の加工ヘッドは、前駆体材料を収容すること、及びそれを前駆体材料へのレーザー照射が行われる加工領域に向けて移動させることを可能にする。さらに、加工ヘッドは、前駆体材料流に対して同軸的に加工ガスを導入することを可能にする。特定の実施形態においては、加工ヘッドは環状の導管を備え、加工ガスはその導管を通って、マイクロフィラメントをその全周囲に沿って囲みながらマイクロフィラメントに対して同軸的に流れる。高速ガス噴射は溶融材料の急速な伸長及び冷却を引き起こし、固体の連続したナノスケールサイズのファイバーを形成する。

特定の実施形態においては、本発明の装置は、少なくとも１つのレーザー照射、好ましくは２つのレーザー照射、より好ましくは３つのレーザー照射の焦点を前駆体材料に合わせる一式の光学システムを備える。一式の光学システムは、レーザー照射を加工領域に向けるように方向付けられたミラーによって形成されていることが好ましい。

レーザー照射は、前駆体材料において吸収されて熱に変換されるのに好適な波長と、伸長プロセス全体を通してプリフォームの加熱を生じさせるのに充分大きな放射強度とを有する照射線を発生させる任意のレーザー機器によってもたらされるものとしてもよい。好適な波長及び作動モード（連続またはパルス）は、加工される材料に依存して選択されることになる。したがって、特定の実施形態においては、本発明の装置のレーザー照射は、連続またはパルスとなる。

特定の実施形態においては、本発明の装置のレーザー照射線は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：バナデート、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、ダイオード、ファイバー、ディスク、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨｅＣｄ、銅蒸気レーザー、ヨウ素レーザー、アルゴンレーザー、クリプトンレーザー、または化学レーザー（ＨＦ、ＤＦ）から選択される。

図１は、本発明の装置に好適な加工ヘッドを示している。前駆体材料（１）は、加工ヘッド（２）内部の導管に連続的に供給される。前駆体材料は、固体のまたは溶融した円柱体の形態で、図に記載または示されていない供給システムによって精密に制御した流速で供給される。加工ヘッドは、前駆体材料から作製されたプリフォームを加工領域（３）へと導き、ヘッドの軸線（８）に位置合わせされたプリフォームの同軸的位置を維持し、その振動を制限する。同時に、加工ヘッドの後部から、前駆体材料の導管と同軸でありかつ完全にそれを囲んでいる環状導管（４）へと、加工ガスを導入する。上記導管は、超音速としてもよい高流速に達するまでガスを膨張させるように設計されており、加工ヘッドの出口（５）で低乱流を有する噴射を形成する。加工ガス流は、加工領域においてプリフォームを取り囲み、プリフォーム表面における高速ガス流の高摩擦力及び高熱対流の効果による非常に急速の連行及び冷却効果を生成するように設計する。

特定の実施形態においては、本発明の装置において、レーザー照射は、２つの同じレーザー光線によってもたらされるものであり、２つの同じレーザー光線は、約１８０°の角度をなして互いに向かい合って配置されていることがより好ましい。同じ放射束と、レーザー光線のそれぞれの断面におけるレーザー照射の放射照度の同じ分布とを有する２つのレーザー光線（６）及び（７）は、加工領域のプリフォームに、直径の反対方向からぶつかることが好ましい。両方の光線は、軸線（８）を含みかつ両方の光線の入射面を横断する中央平面に対して放射照度の対称的分布をもたらすように、前駆体材料から作製されたプリフォームに適切に向けられる。プリフォームにおける両方の光線の放射照度の分布は、本発明の装置の一式の光学システムによって調節され、加工領域におけるプリフォームの加熱を達成する。２つのレーザー光線（６）及び（７）によって行われる加熱と、同軸ガス噴射（５）によって行われる連行との組合せ作用のもとで、プリフォームは、軸線（８）の方向に一軸伸長される。これによりその直径は、連続ナノスケールフィラメント（９）が生成されるまで、加工領域（３）において連続的に減少する。同様に、このフィラメントを急速に冷却することは、レーザー光線によって照射される区域を出るとすぐに行われ、流体フィラメントを固化し、密な連続したナノスケールファイバーを形成する。

図２は、加工領域におけるレーザー光線の放射照度の好適な分布をもたらしてプロセスの安定性を達成するために必要な光学素子の組立ての例を示している。同じ波長、同じ放射束、及び放射照度の同じ横断分布を有する２つのレーザー照射光線（１０）及び（１１）を、それぞれ全反射ミラー（１２）及び（１３）に向ける。上記ミラーは、両方の光線が、前駆体材料から作製されたプリフォーム（１４）に反対方向からその軸に対して対称的にぶつかるように、両方の光線を位置合わせすることを簡単にするために使用される。この図は、加工ヘッド（１５）から出てくるプリフォームを示している。両方の光線（１６）及び（１７）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（１８）及び（１９）によって調整され、加工領域における放射照度の好適な分布を達成する。両方の光学器械は、プリフォーム（１４）における放射照度の所望の分布が達成されるように配置された、収束及び／または発散、球面及び／または円柱レンズの組合せで作製されている。前駆体材料におけるレーザー光線の照射の吸収によって生じる加熱と、加工ガス流（この図には示されていない）によって生じる摩擦力及び冷却とを組み合わせることにより、前駆体材料から作製されたプリフォームの、連続したナノスケールファイバー（２０）への変形がもたらされる。

特定の実施形態においては、本発明の装置において、レーザー照射は、互いに対し約１２０°の角度をなしている３つの同じレーザー光線によってもたらされるものである。前述の構成の代替として、図３は、３つの同じレーザー光線によって加工領域を照射する、実施組立体の平面図を模式的に示している。図に示されているように、同じ波長、同じ放射束、及び放射照度の同じ横断分布を有する３つのレーザー照射光線（２１）、（２２）、及び（２３）を、水平面において互いに対し１２０°の角度をなす方向からプリフォーム（２４）に向ける。前述の２つの光線の構成で達成されたものよりも均一な、プリフォームの断面における放射照度の分布がこれにより達成される。この図は、加工ヘッド（２５）に対して同中心的であるプリフォームを示している。３つの光線（２１）、（２２）、及び（２３）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（２６）、（２７）、及び（２８）によって調整され、加工領域における放射照度の好適な分布を達成する。上記の光学器械は、プリフォーム（２４）における放射照度の所望の分布が達成されるように配置された、収束及び／または発散、球面及び／または円柱レンズの組合せで作製されている。前駆体材料におけるレーザー光線の照射の吸収によって生じる加熱と、加工ガス流（この図には示されていない）によって生じる摩擦力及び冷却とを組み合わせることにより、前駆体材料から作製されたプリフォームの、連続したナノスケールファイバー（２９）への変形がもたらされる。

別の特定の実施形態においては、本発明の装置において、レーザー照射は、互いに対し約９０°の角度をなしている４つの同じレーザー光線によってもたらされるものである。図４は、４つの同じレーザー光線によって加工領域を照射する、別の代替構成の平面図を模式的に示している。図に示されているように、同じ波長、同じ放射束、及び放射照度の同じ横断分布を有する４つのレーザー照射光線（３０）、（３１）、（３２）、及び（３３）を、水平面において互いに対し９０°の角度をなす方向からプリフォーム（３４）に向ける。前述の２つ及び３つの光線の構成で達成されたものよりも均一な、プリフォームの断面における放射照度の分布がこれにより達成される。この図は、加工ヘッド（３５）に対して同中心的であるプリフォームを示している。４つの光線（３０）、（３１）、（３２）、及び（３３）の伝搬はそれぞれ、同じ光学器械（３６）、（３７）、（３８）、及び（３９）によって調整され、加工領域における放射照度の好適な分布を達成する。上記の光学器械は、プリフォーム（３４）における放射照度の所望の分布が達成されるように配置された、収束及び／または発散、球面及び／または円柱レンズの組合せで作製されている。前駆体材料におけるレーザー光線の照射の吸収によって生じる加熱と、加工ガス流（この図には示されていない）によって生じる摩擦力及び冷却とを組み合わせることにより、前駆体材料から作製されたプリフォームの、連続したナノスケールファイバー（４０）への変形がもたらされる。

特定の実施形態においては、装置は、レーザー照射線源、好ましくは２つのレーザー照射線源、より好ましくは３つまたは４つのレーザー照射線源をさらに備える。

本明細書において使用する場合、用語「約」とは、特定された値のわずかな変動、好ましくは特定された値の１０パーセント以内の変動を意味する。しかしながら、用語「約」は、例えば使用する実施技術に応じて、より大きな変動許容誤差を意味し得る。当業者であれば、特定された値の上記変動を理解し、それらが本発明の関する範囲内であることを理解する。さらに、より簡単に説明するため、与えられている定量的な表現の一部は、本明細書において用語「約」と共に限定されていない。用語「約」が使用されていてもいなくても、所定の実際の値を指すために本明細書において与えられている全て量に対して意図され、また、そのような所定の値についての実験条件及び／または測定条件に起因した均等値及び近似値を含めた、当技術分野における通常の経験に基づいて合理的に推測されると思われるそのような所定の値の近似値を指すことも意図されることがわかる。

無限長の長さと、円柱形の断面と、３００ナノメートルの均一な直径とを有する、連続した純シリカナノファイバーを、速度４ｍ／ｓで製造した。前駆体材料は、直径が６００マイクロメートルの円柱形の純シリカプリフォームであり、これを加工領域に速度１μｍ／ｓで供給した。マッハ約１．５の超音速流が得られるまで加工ガスを膨張させるよう設計された上記加工ガス用導管を備えた加工ヘッドを使用した。加工ガスは、ゲージ圧３００ｋＰａで供給される圧縮空気である。使用したレーザー機器は、連続モードで放射照度のガウス分布を有する放射束９５０Ｗの光線を発するＣＯ_２レーザー（λ＝１０．６μｍ）であった。上記光線を、それぞれ４７５Ｗの同じ放射束を有する２つの光線に分割した。各光線をそれぞれ、（垂直面における）ミラー間角度１６０°のそれぞれの銅ミラーによって、前駆体材料の入口側の加工領域に向けた。加工領域にぶつかる前に各光線をそれぞれ同じ光学器械によって変換した。各光学器械は、球面レンズ及び別の円柱レンズで形成された。上記光学器械は、加工領域を中心にした３０ｍｍ及び２ｍｍのほぼ楕円の軸線断面において、各光線の照射の分布を生成し、上記楕円のより大きい側の方向が、プリフォームの軸線の方向と一致するようにした。

本発明の性質を、それを実施する方式と共に充分説明してきた。残されている追加すべきことは、形状、材料、その組立てに関する配置、及び形成している部品に対する変更を、上記変化が上記発明を実質的に変更しないならば、行ってもよいということである。

Claims (24)

1. 連続ナノファイバーを製造する方法であって、以下の工程：
   ａ）細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを用意して、前記プリフォームを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させる工程と、
   ｂ）前駆体材料から作製された前記プリフォームが、一定速度を維持しながら前記加工領域に達したときに、好適な溶融温度に加熱するために前記加工領域に入る前記プリフォームの領域にレーザー照射を連続的に適用する工程と、
   ｃ）前記前駆体材料溶融物に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを連続的に付与する工程であって、
   前記レーザー照射によって生じる加熱と、前記ガスを同軸的に付与することとの組合せ作用によって、前記加工領域において前記前駆体材料溶融物の前記移動方向の一軸延伸が生じ、これによりその直径が小さくなるように、前記ガスを連続的に付与する工程と、
   ｄ）直径が減少した前記前駆体材料溶融物が前記加工領域を出るときに、ナノファイバーが形成されるまで前記溶融物を前記同軸的なガスの作用によって延伸し続け、冷却して固化する工程と、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 工程ｂ）の前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約１８０°の角度をなして向かい合う２つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１に記載の方法。
3. 工程ｂ）の前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約１２０°の角度をなしている３つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１に記載の方法。
4. 工程ｂ）の前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約９０°の角度をなしている４つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１に記載の方法。
5. 前記前駆体材料が、無機ガラス、ポリマー、セラミック材料、金属、及び金属酸化物からなる群から選択される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記レーザー照射を発生させるのに使用するレーザー源が、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：バナデート、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、ダイオード、ファイバー、ディスク、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨｅＣｄ、銅蒸気レーザー、ヨウ素レーザー、アルゴンレーザー、クリプトンレーザー、または化学レーザー（ＨＦ、ＤＦ）から選択される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記同軸的なガスを、３００〜９００ｍ／ｓに含まれる速度で付与する、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記プリフォーム前駆体材料が、直径６００μｍの円形断面を有するシリカ円柱体である、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記プリフォームの前記加工領域への前記移動速度が、０．０１〜１００μｍ／ｓに含まれる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. １〜９００ｎｍに含まれる直径、及び１ｃｍ〜４×１０^６ｍに含まれる長さを有する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法に従って得られたナノファイバー。
11. １〜５００ｎｍに含まれる直径、及び１〜５ｍに含まれる長さを有する、請求項１０に記載のナノファイバー。
12. 請求項１〜６に記載の方法に従ってファイバーを製造する装置であって、
    ａ）加工ヘッドであって、
    細長い形状の前駆体材料から作製されたプリフォームを収容して、それを一定速度で加工領域に向けて長手方向に移動させるための手段、及び
    前記加工領域において、及びそこを出るときに、前記材料に対して同軸的に、かつ移動と同じ方向で、ガスを付与する手段
    を備える加工ヘッドと、
    ｂ）前記前駆体材料が前記加工領域に入るときに、前記前駆体材料にレーザー照射の焦点を合わせるのに好適な一式の光学システムと、
    を備える、装置。
13. 前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約１８０°の角度をなして向かい合う２つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１２に記載の装置。
14. 前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約１２０°の角度をなしている３つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１２に記載の装置。
15. 前記レーザー照射が、水平面において互いに対し約９０°の角度をなしている４つの同じレーザー光線によってもたらされる、請求項１２に記載の装置。
16. 前記レーザー照射が、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：バナデート、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、ダイオード、ファイバー、ディスク、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨｅＣｄ、銅蒸気レーザー、ヨウ素レーザー、アルゴンレーザー、クリプトンレーザー、及び化学レーザー（ＨＦ、ＤＦ）から選択されるレーザー源から発生する、請求項１２〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 耐火性布地を作製するための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
18. 複合体を製造するためのポリマー補強材としての、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
19. 骨再生ための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
20. 活性な二機能性の再生可能フィルターを製造するための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
21. 組織工学における異なる種類の細胞用の基材としての、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
22. 粘膜再生ための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
23. 皮膚再生ための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。
24. 軟骨再生ための、請求項１０及び１１に記載のナノファイバーの使用。

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