JP2020050986A - ナノファイバー製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノファイバーをより細く製造する。【解決手段】ナノファイバー製造装置１１２は、樹脂吐出ノズル１１８から吐出された溶融樹脂を側方から囲む囲み領域１３０を形成する囲み部材１２６と、雰囲気よりも高温の保温気体を囲み領域１３０に噴射する保温気体噴射部材１２８とを有する。さらに、ナノファイバー製造装置１１２は、雰囲気よりも高温の延伸気体を、囲み領域１３０よりも吐出方向下流側で下流側に向けて噴射する延伸気体噴射部材１３８を有する。【選択図】図１

Description

本願は、ナノファイバー製造装置に関する。

特許文献１には、噴出ノズルから吐出した溶融ポリマーが、エアーノズルからの高速エアーにより延伸される構成のナノファイバーの製造装置が記載されている。

特開２０１６−１５６１１４号公報

特許文献１に記載の技術では、吐出された溶融ポリマーが高速エアーに単に合流されて延伸される構造であるが、実際に溶融ポリマーを延伸してナノファイバーを製造するにあたっては、ナノファイバーをより細くすることが求められる。

本願では、ナノファイバーをより細く製造できるナノファイバー製造装置を得ることが目的である。

第一態様では、溶融樹脂を吐出口から吐出する樹脂吐出部材と、前記樹脂吐出部材から吐出された前記溶融樹脂を、前記吐出口から吐出方向下流側へと連続し吐出方向の側方から囲む囲み領域を形成する囲み部材と、雰囲気よりも高温の保温気体を、保温気体噴射口から前記囲み領域に噴射する保温気体噴射部材と、雰囲気よりも高温の延伸気体を、前記囲み領域よりも前記吐出方向下流側で延伸気体噴射口から前記吐出方向下流側に向けて噴射する延伸気体噴射部材と、を有する。

このナノファイバー製造装置では、樹脂吐出部材の吐出口から吐出された溶融樹脂を、吐出方向下流側で側方から囲み部材が囲むことで、囲み領域を形成する。囲み領域は、吐出口から、吐出方向下流側へ連続している。囲み領域には、保温気体噴射部材が保温気体噴射口から、保温気体を噴射する。さらに、囲み領域よりも吐出方向下流側では、延伸気体噴射部材の延伸気体噴射口から、延伸気体が溶融樹脂の吐出方向下流側に向けて噴射され、溶融樹脂が延伸されてナノファイバーが形成される。

延伸気体が溶融樹脂に向けて噴射される位置は、囲み領域よりも吐出方向下流側、すなわち、吐出口から吐出方向に離れた位置である。吐出口から吐出された溶融樹脂が垂下した位置で延伸気体を吹き付けるので、たとえば、吐出口の位置で延伸気体を溶融樹脂に吹き付ける構成と比較して、より細いナノファイバーが得られる。

しかも、囲み領域に噴射された保温気体は雰囲気よりも高温であり、囲み領域では、吐出された溶融樹脂に対し外気の接触が抑制されて高温の状態に維持される。溶融樹脂の温度低下が抑制されるので、溶融樹脂を効果的に延伸することができる。

なお、保温気体は、雰囲気よりも高湿となるように水蒸気を含有していてもよい。保温気体が水蒸気を含有することで、得られたナノファイバーでは、ナノファイバーどうしの結合や絡まりが抑制される。

第二態様では、第一態様において、前記囲み部材が、前記樹脂吐出部材の外周面との間に間隙をあけて対向し前記保温気体噴射部材を形成する対向部を有している。

すなわち、囲み部材の対向部と樹脂吐出部材の外周面とで保温気体噴射部材を形成でき、囲み部材及び樹脂吐出部材とは別体の保温気体噴射部材を設ける必要がない。そして、樹脂吐出部材の外周面の外側に第一噴射部材が位置している構造を実現できる。

第三態様では、第一又は第二態様において、前記保温気体噴射口及び前記延伸気体噴射口が前記吐出口からの前記溶融樹脂の吐出方向に見て前記吐出口を取り囲んでいる。

保温気体噴射口が吐出口を取り囲んでいるので、吐出口から吐出された溶融樹脂に対し、その周囲に保温気体を確実に接触させることができる。

延伸気体噴射口が吐出口を取り囲んでいるので、囲み領域を通過した溶融樹脂に対し、その周囲に延伸気体を吹き付けて溶融樹脂を延伸させることができる。

第四態様では、第二又は第三態様において、前記延伸気体噴射部材が、前記囲み部材の外周面と間隙をあけて対向し前記囲み部材の前記吐出方向の下流端との間に前記延伸気体噴射口を形成している。

すなわち、囲み部材の外周面を用いて、延伸気体噴射部材を形成できるので、ナノファイバー製造装置の構造を簡素化できる。そして、延伸気体噴射部材によって、囲み部材の吐出方向の下流端との間に延伸気体噴射口を有する構造を実現できる。

第五態様では、第一〜第四のいずれか１つの態様において、前記延伸気体噴射口からの前記延伸気体の噴射方向が前記吐出口から吐出された前記溶融樹脂に漸近するように傾斜している。

これにより、囲み領域を通過した溶融樹脂の広がりを抑制し、より細いナノファイバーを得ることが可能となる。

本願では、ナノファイバーをより細く製造できる

図１は第一実施形態のナノファイバー製造装置を示す断面図である。 図２は第一実施形態のナノファイバー製造装置を備えたナノファイバーシート製造装置を示す斜視図である。 図３は第一実施形態のナノファイバー製造装置を示す図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図４は第一実施形態のナノファイバー製造装置を図１のＩＶ−ＩＶ方向に見た端面図である。 図５は第一実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出している状態を示す断面図である。 図６は第一実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出しつつ保温気体を噴射している状態を示す断面図である。 図７は第一実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出しつつ保温気体及び噴出気体を噴出している状態を示す断面図である。 図８は第二実施形態のナノファイバー製造装置を示す断面図である。 図９は第二実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出している状態を示す断面図である。 図１０は第二実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出しつつ延伸気体を噴射している状態を示す断面図である。 図１１は第二実施形態のナノファイバー製造装置において溶融樹脂を吐出しつつ延伸気体及び保温気体を噴出している状態を示す断面図である。 図１２は第一変形例のナノファイバー製造装置を図４と同様の方向で見た端面図である。 図１３は第二変形例のナノファイバー製造装置を図４と同様の方向で見た端面図である。 図１４は比較例のナノファイバー製造装置を示す断面図である。

以下、図面を参照して第一実施形態のナノファイバー製造装置１１２と、このナノファイバー製造装置１１２を備えたナノファイバーシート製造装置８２を説明する。

図１に示すように、ナノファイバー製造装置１１２は、吐出ユニット１１４を有している。図２に詳細に示すように、吐出ユニット１１４は、長尺状のブロック１１６を有している。ブロック１１６には、複数の樹脂吐出ノズル１１８がブロック１１６の長手方向（矢印Ｌ１方向）に一定の間隔で設けられている。

ブロック１１６には樹脂供給管１２０が接続されており、図示しない樹脂供給部材から、溶融樹脂ＭＲが供給されるようになっている。この溶融樹脂ＭＲは、図５に示すように、樹脂吐出ノズル１１８の樹脂流路１２４を通って、下端の吐出口１２２から下方へ吐出される。樹脂流路１２４は、樹脂吐出ノズル１１８において、下方へ向かう直線状の空洞部分である。

以下において、単に「上流」及び「下流」というときは、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向における「上流」及び「下流」をそれぞれ意味する。図１における上側が上流側であり、下側が下流側である。

さらに、樹脂吐出ノズル１１８の外周側には、樹脂吐出ノズル１１８と一対一で対応する囲み部材１２６が設けられている。囲み部材１２６は円筒状に形成された円筒部１２６Ａと、この円筒部１２６Ａの下端から円錐台状に形成された円錐台部１２６Ｂと、を有している。

円筒部１２６Ａの内周面は、樹脂吐出ノズル１１８の外周面との間に間隙ＧＰ−１をあけて対向しており、円筒部１２６Ａは対向部の一例である。円筒部１２６Ａは、保温気体噴射部材１２８を形成している。

円錐台部１２６Ｂは、吐出口１２２よりも下流側に位置しており、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲ（図５参照）を部分的に側方からとり囲む囲み領域１３０を形成している。本実施形態では、円錐台部１２６Ｂは、下側に向けて径が漸減する円錐台形状であり、囲み領域１３０の幅は、下流側に向かって漸減されている。

また、囲み領域１３０の上流側では樹脂吐出ノズル１１８の先端面１１８Ｔが位置している。したがって、囲み領域１３０は、この先端面１１８Ｔ（吐出口１２２の位置）から離間することなく下流側へ連続し、囲み部材１２６で囲まれた領域である。

囲み部材１２６（囲み領域１３０）の下流側の端部は下流側に開放された開放部１３２である。吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲは、この開放部１３２から、さらに下流側に垂下する。円錐台部１２６Ｂは、このように垂下する溶融樹脂ＭＲに接触しない形状である。

囲み部材１２６の円筒部１２６Ａは樹脂吐出ノズル１１８に対し同心で固定されており、間隙ＧＰ−１は、軸方向（樹脂吐出ノズル１１８の長手方向）及び周方向では一定の幅を有している。

保温気体噴射部材１２８には、保温気体供給管１３４が接続されている。間隙ＧＰ−１の下流側は、囲み領域１３０に向けて開放された保温気体噴射口１３６である。保温気体供給管１３４からは、雰囲気よりも高温に調整された保温気体ＨＡが供給される。この保温気体ＨＡは、図６に示すように、保温気体噴射口１３６から、囲み領域１３０に噴射される。さらに保温気体ＨＡは、開放部１３２から下流側へと流れる。

図３に示すように、保温気体噴射口１３６は、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲを周方向に取り囲む環状である。

囲み部材１２６の外周側には、樹脂吐出ノズル１１８及び囲み部材１２６と一対一で対応する延伸気体噴射部材１３８が設けられている。延伸気体噴射部材１３８は、囲み部材１２６の円筒部１２６Ａ及び円錐台部１２６Ｂにそれぞれ対応する円筒部１３８Ａ及び円錐台部１３８Ｂを有している。

延伸気体噴射部材１３８の内周面は、囲み部材１２６の外周面との間に間隙ＧＰ−２をあけて対向しており、円筒部１２６Ａ及び円錐台部１２６Ｂとの間に、延伸気体噴射ノズル１４０を形成している。本実施形態では、延伸気体噴射部材１３８は、囲み部材１２６に対し同心で固定されている。

延伸気体噴射部材１３８には、延伸気体供給管１４２が接続されている。間隙ＧＰ−２の下流側は、開放部１３２と同位置（吐出方向での同位置）、すなわち囲み領域１３０よりも下流側で開放された延伸気体噴射口１４４である。延伸気体供給管１４２からは、雰囲気よりも高温に調整された延伸気体ＥＡが供給される。図６に示すように、この延伸気体ＥＡは、延伸気体噴射口１４４から、下流側に向けて噴射される。本実施形態では、延伸気体ＥＡの噴射圧は、保温気体ＨＡの噴射圧よりも高い。

図４に示すように、延伸気体噴射口１４４は、矢印ＩＶ方向に見て、囲み部材１２６をさらに外側から取り囲む環状である。

図１に示すように、樹脂吐出ノズル１１８の中心線ＣＬ−１を含む断面で見ると、延伸気体噴射ノズル１４０は、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲ（図５参照）に対し、次第に接近するように傾斜する先細り形状である。したがって、図７に示すように、延伸気体噴射口１４４から噴射される延伸気体ＥＡは、下流に向かうにしたがって溶融樹脂ＭＲに対し接近する。

延伸気体噴射ノズル１４０は、中心線ＣＬ−１を中心として対称の形状であり、図１に示す断面において、左右対称に現れる。したがって、延伸気体噴射口１４４から噴射される延伸気体ＥＡは、実質的に１箇所に接近しつつ溶融樹脂ＭＲに接触する。

図２に示すように、吐出ユニット１１４の下方には、無端ベルト８４が配置され、複数の張架ローラ８６に張架されている。なお、図２では無端ベルト８４を部分的に示し、張架ローラ８６を１つのみ示している。

無端ベルト８４の平坦部分の上には、支持体８８が配置されて、巻き取りロール９０で巻き取られるようになっている。樹脂吐出ノズル１１８から吐出された細線状の溶融樹脂ＭＲは、支持体８８の矢印Ｍ１方向への移動に伴って、この支持体８８上で織り込まれるようにして支持される。そして、支持体８８上では、ナノファイバーシート（一例として不織布状のフィルタ）が形成される。

次に、本実施形態の作用を説明する。

第一実施形態のナノファイバー製造装置１１２によりナノファイバーを製造するには、まず、図５に示すように、吐出口１２２から溶融樹脂ＭＲを吐出する。この溶融樹脂ＭＲは、吐出方向下流側、すなわち下側に向けて垂下する。

この状態で、図６に示すように、囲み領域１３０に対し、保温気体噴射口１３６から保温気体ＨＡを噴射する。囲み領域１３０内の保温気体ＨＡは、開放部１３２から下流側へと流れる。

さらに、図７に示すように、延伸気体噴射口１４４からは、延伸気体ＥＡを噴射する。延伸気体噴射口１４４は、囲み領域１３０よりも下流側に位置している。この延伸気体ＥＡにより、溶融樹脂ＭＲが下流側に延伸されてナノファイバーが形成される。形成されたナノファイバーは、支持体８８（図２参照）上で支持される。

ここで、図１４には、比較例のナノファイバー製造装置３２が示されている。比較例のナノファイバー製造装置３２では、溶融樹脂ＭＲを吐出する吐出口３４と、延伸気体ＥＡを噴射する噴射口３６とが実質的に同位置である。また、比較例のナノファイバー製造装置３２においては、吐出口３４の下流側に、第一実施形態の囲み領域１３０（図１等参照）に相当する領域は設けられていない。

比較例のナノファイバー製造装置３２では、吐出口３４から吐出された溶融樹脂ＭＲが細長く垂下する前の段階で延伸気体ＥＡを吹き付ける。溶融樹脂ＭＲが吐出口３４から吐出されるのとほぼ同時に繊維化されるので、溶融樹脂ＭＲを効果的に延伸させてナノファイバーを細くするには限界がある。また、吐出口３４から吐出された溶融樹脂ＭＲに対し、延伸気体ＥＡが外気を巻き込みながら当たると、外気によって溶融樹脂ＭＲの温度低下を招くので、ナノファイバーを細く形成する点で不利である。

これに対し、第一実施形態のナノファイバー製造装置１１２では、延伸気体ＥＡが噴射される位置である延伸気体噴射口１４４は、囲み領域１３０よりも下流側、すなわち、吐出口１２２から下流側に離れた位置である。吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲが細長く垂下した位置で、延伸気体ＥＡが溶融樹脂ＭＲに吹き付けられる。このため、溶融樹脂ＭＲをより細く延伸させることができ、より細いナノファイバーを形成することが可能である。

また、第一実施形態のナノファイバー製造装置１１２では、保温気体噴射口１３６から保温気体ＨＡを囲み領域１３０に噴射する。吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲに、雰囲気よりも高温の保温気体ＨＡが接触する。溶融樹脂ＭＲに対し外気が接触して温度低下することが抑制され、溶融樹脂ＭＲが高温の状態に維持される。したがって、延伸気体ＥＡによって溶融樹脂ＭＲを延伸させる際に、粘度が低下した状態の溶融樹脂ＭＲを効果的に延伸して、より細いナノファイバーを形成することが可能である。

次に、第二実施形態のナノファイバー製造装置について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、第二実施形態のナノファイバー製造装置を備えたナノファイバーシート製造装置は、第一実施形態と同様の構造なので、図示を省略する。

図８に示すように、第二実施形態のナノファイバー製造装置２１２では、吐出ユニット２１４のブロック２１６が、上下に分割されている。図８に示す例では上ブロック２１６Ｕ、中間ブロック２１６Ｍ及び下ブロック２１６Ｌの３つに分割されているが、４つ以上に分割されていてもよい。

囲み部材１２６は、中間ブロック２１６Ｍから下流側に延出されている。また、下ブロック２１６Ｌには、上下方向（厚み方向）に貫通する貫通孔２１６Ｈが形成されており、この貫通孔２１６Ｈの内面と囲み部材１２６との間に、延伸気体噴射部材２１８が構成されている。

このような構成とされた第二実施形態のナノファイバー製造装置２１２においても、第一実施形態のナノファイバー製造装置１１２と同様にして、ナノファイバーを製造することが可能である。

すなわち、図９に示すように、まず、吐出口１２２から溶融樹脂ＭＲを吐出する。そして、図１０に示すように、囲み領域１３０に対し、保温気体噴射口１３６から保温気体ＨＡを噴射する。さらに、図１１に示すように、延伸気体噴射口１４４（囲み領域１３０よりも下流側）から延伸気体ＥＡを噴射する。延伸気体ＥＡにより、溶融樹脂ＭＲがさらに下流側に延伸されてナノファイバーが形成される。

第二実施形態のナノファイバー製造装置２１２においても、延伸気体噴射口１４４は、囲み領域１３０よりも下流側（吐出口１２２から下流側に離れた位置）にある。このため、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲが細長く垂下した位置で、延伸気体ＥＡを溶融樹脂ＭＲに吹き付けて、溶融樹脂ＭＲをより細く延伸させることができる。

また、第二実施形態のナノファイバー製造装置２１２においても、囲み領域１３０において、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂に、雰囲気よりも高温の保温気体ＨＡに接触する。このため、溶融樹脂ＭＲの温度低下が抑制され、高温の状態に溶融樹脂ＭＲが維持されるので、延伸気体ＥＡによって溶融樹脂ＭＲを延伸させる際に、効果的に延伸することができる。

上記各実施形態において、囲み部材１２６は、対向部１２６Ｔを有している。この対向部１２６Ｔは、樹脂吐出ノズル１１８の外周面との間に間隙ＧＰ−１をあけて対向することで、保温気体噴射部材１２８が形成されている。すなわち、囲み部材１２６の対向部１２６Ｔと樹脂吐出ノズル１１８の外周面とで保温気体噴射部材１２８を形成でき、囲み部材１２６や樹脂吐出ノズル１１８とは別の部材を設けて保温気体噴射部材１２８を構成する必要がない。これにより、ナノファイバー製造装置１１２、２１２の構造を簡素化できる。

また、囲み部材１２６を樹脂吐出ノズル１１８に対し外周側から一体化して固定することで、樹脂吐出ノズル１１８の外周面の外側に、保温気体噴射部材１２８が位置している構造を容易に実現できる。

上記各実施形態において、延伸気体噴射部材１３８、２１８は、囲み部材１２６の外周面との間に間隙ＧＰ−２をあけて対向している。これにより、囲み部材１２６の外周面を用いて延伸気体噴射部材１３８を形成できるので、ナノファイバー製造装置１１２、２１２の構造を簡素化できる。そして、延伸気体噴射部材１３８は、囲み部材１２６の下流端との間に延伸気体噴射口１４４を形成しているので、延伸気体噴射口１４４が吐出口１２２よりも下流側にある構造を実現できる。

延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向は、溶融樹脂ＭＲに漸近するように傾斜している。延伸気体ＥＡは、溶融樹脂ＭＲに対し集中されて吹き付けられるので、囲み領域１３０を通過した溶融樹脂ＭＲの広がりを抑制し、ナノファイバーをより細くすることに寄与できる。

上記各実施形態では、図３に示すように、保温気体噴射口１３６は、矢印ＩＶ方向（図１参照）に見て周方向に連続する環状である。また、図４に示すように、延伸気体噴射口１４４も、矢印ＩＶ方向（図１参照）に見て周方向に連続する環状である。これにより、周方向で均等に保温気体ＨＡ及び延伸気体ＥＡを噴射することができる。ただし、保温気体噴射口１３６及び延伸気体噴射口１４４は、周方向に連続している必要はない。たとえば、図１２に示すように、延伸気体噴射口１４４が、周方向で複数（図１２に示す例では４つ）に分割された分割噴射孔１４４Ｄで構成されていてもよい、さらには、図１３に示すように、周方向に一定の間隔で、小孔状の噴射細孔１４４Ｈが並べて配置されている構造でもよい。図１２及び図１３では、延伸気体噴射口１４４の形状の変形例を示したが、保温気体噴射口１３６についても、同様に各種の変形例の形状とすることが可能である。

上記各実施形態において、保温気体ＨＡとしては、大気を加熱することで所定の温度範囲に昇温した空気を用いることが可能であるが、さらに、この空気を加湿して所定の湿度範囲とした空気を用いることが可能である。保温気体ＨＡが所定の湿度範囲にあれば、吐出口１２２から吐出される溶融樹脂ＭＲが細い繊維状のナノファイバーになる際に、不用意な結合や絡まりを抑制できる。

１１２ ナノファイバー製造装置
１１８ 樹脂吐出ノズル
１２２ 吐出口
１２６ 囲み部材
１２６Ｔ 対向部
１２８ 保温気体噴射部材
１３０ 囲み領域
１３６ 保温気体噴射口
１３８ 延伸気体噴射部材
１４０ 延伸気体噴射ノズル
１４４ 延伸気体噴射口
１５４ 誘導気体噴射口
２１２ ナノファイバー製造装置
２１８ 延伸気体噴射部材

Claims (5)

1. 溶融樹脂を吐出口から吐出する樹脂吐出部材と、
   前記樹脂吐出部材から吐出された前記溶融樹脂を、前記吐出口から吐出方向下流側へと連続し吐出方向の側方から囲む囲み領域を形成する囲み部材と、
   雰囲気よりも高温の保温気体を、保温気体噴射口から前記囲み領域に噴射する保温気体噴射部材と、
   雰囲気よりも高温の延伸気体を、前記囲み領域よりも前記吐出方向下流側で延伸気体噴射口から前記吐出方向下流側に向けて噴射する延伸気体噴射部材と、
   を有するナノファイバー製造装置。
2. 前記囲み部材が、前記樹脂吐出部材の外周面との間に間隙をあけて対向し前記保温気体噴射部材を形成する対向部を有している請求項１に記載のナノファイバー製造装置。
3. 前記保温気体噴射口及び前記延伸気体噴射口が前記吐出口からの前記溶融樹脂の吐出方向に見て前記吐出口を取り囲んでいる請求項１又は請求項２に記載のナノファイバー製造装置。
4. 前記延伸気体噴射部材が、前記囲み部材の外周面と間隙をあけて対向し前記囲み部材の前記吐出方向の下流端との間に前記延伸気体噴射口を形成している請求項２又は請求項３に記載のナノファイバー製造装置。
5. 前記延伸気体噴射口からの前記延伸気体の噴射方向が前記吐出口から吐出された前記溶融樹脂に漸近するように傾斜している請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のナノファイバー製造装置。