JP2020050987A - 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３１２は、雰囲気よりも高温の延伸気体を延伸気体噴射口１４４から溶融樹脂の吐出方向に沿って噴射する延伸気体噴射部材１３８と、雰囲気よりも高温の誘導気体を、吐出口１４４よりも下流側の誘導気体噴射口３２０から噴射し溶融樹脂を延伸気体へ誘導する誘導気体噴射ノズル３１８と、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、雰囲気よりも高温の延伸気体を、前記吐出口と異なる位置の延伸気体噴射口から前記溶融樹脂の吐出方向に沿って噴射する延伸気体噴射部材と、雰囲気よりも高温の誘導気体を、前記吐出口よりも吐出方向下流側の誘導気体噴射口から前記溶融樹脂に向けて噴射し前記溶融樹脂を前記延伸気体へ誘導する誘導気体噴射部材と、を有する。

このナノファイバー製造装置では、延伸気体噴射部材の延伸気体噴射口が、樹脂吐出部材の吐出口と異なる位置にあり、延伸気体を噴射する。吐出口から吐出された溶融樹脂に対し、誘導気体噴射部材の誘導気体噴射口から誘導気体を噴射し、溶融樹脂を延伸気体へ誘導するので、溶融樹脂が延伸気体により延伸されてナノファイバーが形成される。

誘導気体を噴射する誘導気体噴射口の位置は、吐出口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誘導気体が溶融樹脂を延伸気体に誘導するので、たとえば、吐出口の位置で溶融樹脂を延伸気体に誘導する構成と比較して、より細いナノファイバーが得られる。

しかも、雰囲気よりも高温の誘導気体が溶融樹脂に接触した状態で溶融樹脂が誘導気体と共に延伸気体に誘導されるので、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。

第二態様では、第一態様において、前記誘導気体噴射口が、前記延伸気体噴射口よりも前記溶融樹脂の吐出方向の下流側に位置している。

すなわち、誘導気体噴射口は、吐出口よりも吐出方向の下流側にあり、かつ、延伸気体噴射口よりも吐出方向の下流側にある。これにより、吐出口から吐出された溶融樹脂を、延伸気体噴射口から噴射された延伸気体へ、誘導気体によって確実に誘導す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、前記吐出方向と平行である。

これにより、吐出口から吐出された溶融樹脂に対し延伸気体が直接的に接触しない、あるいは接触しづらい構造を、誘導気体噴射口を吐出口に近づけた構造により実現できる。

第四態様では、第二又は第三態様において、前記誘導気体噴射口からの前記誘導気体の噴射方向が、前記吐出方向と直交している。

誘導気体の噴射方向が、吐出方向に対し斜めに交差している構造と比較して、誘導気体において吐出方向と直交する成分を用いて、溶融樹脂を延伸気体に効率的に誘導できる。

第五態様では、第一〜第四のいずれか１つの態様において、前記誘導気体噴射口からの前記誘導気体の噴射圧が、前記延伸気体噴射口からの前記延伸気体の噴射圧よりも低い。

誘導気体の噴射圧を過度に大きくしないので、誘導気体噴射部材の構造を簡素化できる。また、誘導気体に誘導された溶融樹脂が、延伸気体を通過してしまうことを抑制し、延伸気体と共に噴射方向に確実に延伸される構造を実現できる。

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４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延伸気体を噴射している状態を示す断面図である。 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つつ延伸気体及び誘導気体を噴出している状態を示す断面図である。 図６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７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８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１０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３１２と、このナノファイバー製造装置３１２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３１２は、吐出ユニット３１４を有している。図２に詳細に示すように、吐出ユニット３１４は、長尺状のブロック３１６を有している。ブロック３１６には、複数の樹脂吐出ノズル１１８がブロック３１６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３１６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３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。

以下において、ブロック３１６の長手方向及び幅方向をそれぞれ単に「長手方向」及び「幅方向」といい、矢印Ｌ、矢印Ｗで示す。本実施形態では、ブロック３１６は、幅方向で複数の部分に分割された構造である。図１に示す例では、ブロック３１６は、幅方向右側から順に右ブロック３１６Ｒ、中央ブロック３１６Ｍ及び左ブロック３１６Ｌの３つを有している。樹脂吐出ノズル１１８は、中央ブロック３１６Ｍから下方に延出されている。

ブロック３１６には、樹脂吐出ノズル１１８に対し幅方向に離間した位置に、延伸気体噴射ノズル１４０が設けられている。図１に示した例では、延伸気体噴射ノズル１４０は、右ブロック３１６Ｒから、すなわち、樹脂吐出ノズル１１８よりも図面右側の位置で下方に延出されている。

延伸気体噴射ノズル１４０は、延伸気体噴射部材の一例である。延伸気体噴射ノズル１４０には、ブロック３１６を介して、延伸気体供給管１４２（図２参照）が接続されている。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。この延伸気体ＥＡは、図４に示すように、延伸気体噴射口１４４から、下流側に噴射される。本実施形態では、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向は平行（同方向）である。

延伸気体噴射口１４４は、溶融樹脂ＭＲの吐出方向で見ると、吐出口１２２と同位置（図１における同じ高さ位置）にある。

ブロック３１６には、樹脂吐出ノズル１１８に対し、延伸気体噴射ノズル１４０とは反対側に離間した位置（図１に示す例では樹脂吐出ノズル１１８よりも図面左側）に、誘導気体噴射ノズル３１８が設けられている。図１に示す例では、誘導気体噴射ノズル３１８は、左ブロック３１６Ｌから、すなわち、樹脂吐出ノズル１１８よりも図面左側の位置で下流側に延出されている。

誘導気体噴射ノズル３１８は、誘導気体噴射部材の一例である。誘導気体噴射ノズル３１８の先端は、誘導気体噴射口３２０である。

誘導気体噴射ノズル３１８の先端側は、吐出口１２２よりも下流側の位置にあり、溶融樹脂ＭＲに向かう方向に曲げられている。本実施形態では、上記したように、延伸気体噴射口１４４は、吐出口１２２と吐出方向で同位置（図１における同じ高さ位置）にあるので、誘導気体噴射口３２０は、延伸気体噴射口１４４と比較しても、相対的に下流側にある。

図５に示すように、誘導気体噴射口３２０からの誘導気体ＬＡの噴射方向は、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と交差する方向であり、本実施形態では直交する方向である。

誘導気体噴射ノズル３１８には、ブロック３１６を介して、誘導気体供給管３２２が接続されている（図２参照）。誘導気体供給管３２２からは、雰囲気よりも高温に調整された誘導気体ＬＡが供給される。図５に示すように、この誘導気体ＬＡは、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲに向けて、誘導気体噴射口３２０から噴射される。本実施形態では、誘導気体噴射ノズル３１８からの誘導気体ＬＡの噴射方向は、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と直交しているので、誘導気体ＬＡは溶融樹脂ＭＲに対し略垂直に吹き付けられる。

誘導気体ＬＡは、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに向かって誘導する。誘導気体ＬＡの噴射圧は、このように、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡ向かって誘導することが出来るように、所定の噴射圧に設定されている。ただし、誘導気体ＬＡの噴射圧は、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに向けて誘導できれば十分であり、誘導気体ＬＡの噴射圧を過度に高くする必要はない。このため、本実施形態では、誘導気体ＬＡの噴射圧は、延伸気体ＥＡの噴射圧よりも低く設定されている。そして、誘導気体ＬＡの噴射圧を低く設定しても、誘導気体噴射ノズル３１８を溶融樹脂ＭＲに対し接近して配置することで、誘導気体ＬＡによって溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに誘導できるようになっている。

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３１２によりナノファイバーを製造するには、まず、図３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４に示すように、延伸気体噴射口１４４から、延伸気体ＥＡを噴射する。本実施形態では、延伸気体ＥＡの噴射方向は、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と平行である。

さらに、図５に示すように、誘導気体噴射口３２０から、誘導気体ＬＡを噴射する。誘導気体ＬＡにより、溶融樹脂ＭＲの流れが延伸気体ＥＡに向かって曲げられ、延伸気体ＥＡに誘導される。そして、溶融樹脂ＭＲが延伸気体ＥＡによって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１０には、比較例のナノファイバー製造装置４２が示されている。比較例のナノファイバー製造装置４２では、溶融樹脂ＭＲを吐出する吐出口４４よりも吐出方向の下流側で、且つ溶融樹脂ＭＲから横方向に離れた位置に、噴射ノズル４６が設けられている。そして、この噴射ノズル４６からの延伸気体ＥＡにより、溶融樹脂ＭＲを横方向に延伸させる。比較例のナノファイバー製造装置４２においては、第一実施形態の誘導気体噴射ノズル３１８（図１参照）に相当する部材は設けられていない。

比較例のナノファイバー製造装置４２では、吐出口４４から吐出された溶融樹脂ＭＲに対し、噴射ノズル４６の噴射口が離間した位置にある。このため、延伸気体ＥＡが溶融樹脂ＭＲに達する迄に、矢印ＡＡで示すように周囲の空気を巻き込むと、外気によって延伸気体ＥＡの温度が低下するおそれがある。溶融樹脂ＭＲが温度低下した状態で延伸されるので、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３１２では、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲを、誘導気体噴射口３２０から噴射された高温の誘導気体ＬＡで延伸気体ＥＡに誘導する。すなわち、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誘導気体ＬＡ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。

また、第一実施形態のナノファイバー製造装置３１２では、誘導気体噴射口３２０は、吐出口１２２よりも下流側に位置している。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、誘導気体ＬＡが延伸気体ＥＡに向かって溶融樹脂ＭＲを誘導する。そして、延伸気体ＥＡが溶融樹脂ＭＲを延伸する。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。

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６に示すように、第二実施形態のナノファイバー製造装置４１２では、吐出ユニット４１４のブロック４１６が、右ブロック４１６Ｒ、中央ブロック４１６Ｍ及び左ブロック４１６Ｌの３つの分割ブロックを有している。そして、それぞれの分割ブロックは、第一実施形態と比較して、上下方向に大型化されている。特に、図６に示した例では、中央ブロック４１６Ｍは、右ブロック４１６Ｒ及び左ブロック４１６Ｌの上側に被さるように、幅方向（矢印Ｗ１方向）に大型化されている。

そして、樹脂吐出ノズル１１８、延伸気体噴射ノズル１４０及び誘導気体噴射ノズル４１８が、それぞれ中央ブロック４１６Ｃ、右ブロック４１６Ｒ及び左ブロック４１６Ｌの内部に設けられている。具体的には、中央ブロック４１６Ｍ及び右ブロック４１６Ｒのそれぞれに設けられた上下方向の流路が、それぞれのブロックの下端に達して吐出口１２２及び延伸気体噴射口１４４が形成されることで、樹脂吐出ノズル１１８及び延伸気体噴射ノズル１４０として機能するようになっている。

さらに、左ブロック４１６Ｌに設けられた上下方向の流路が、下端側で横方向に曲げられて誘導気体噴射口４２０が形成されることで、誘導気体噴射ノズル４１８として機能するようになっている。

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４１２においても、第一実施形態のナノファイバー製造装置３１２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７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８に示すように、延伸気体噴射口１４４から延伸気体ＥＡを噴射する。さらに、図９に示すように、誘導気体噴射口４２０から誘導気体ＬＡを噴射する。誘導気体ＬＡにより、溶融樹脂ＭＲが延伸気体ＥＡに誘導され、延伸気体ＥＡによって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４１２においても、誘導気体噴射口４２０から吐出された高温の誘導気体ＬＡによって、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに誘導する。誘導気体ＬＡは雰囲気よりも高温であり、溶融樹脂ＭＲの温度低下が抑制される。溶融樹脂ＭＲが高温の状態に維持されるので、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４１２においても、誘導気体噴射口４２０は、吐出口１２２よりも下流側にある。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、誘導気体ＬＡにより溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに誘導し、溶融樹脂ＭＲをより細く延伸させることができる。

上記各実施形態において、誘導気体噴射口３２０、４２０は、延伸気体噴射口１４４に対しても下流側に位置している。したがって、たとえば、誘導気体噴射口３２０、４２０が延伸気体噴射口１４４の上流側にある構造と比較して、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲを、延伸気体噴射口１４４から噴射された延伸気体ＥＡに確実に誘導する構造を実現できる。

上記各実施形態において、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向は、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と平行である。ただし、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向は、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と完全に平行である構成に限らず、たとえば、延伸気体ＥＡの噴射方向が、溶融樹脂ＭＲの吐出方向に沿った方向（一例として３０度程度の角度範囲で傾斜した方向）であってもよい。また、延伸気体ＥＡの噴射方向と、溶融樹脂ＭＲの吐出方向との成す角が１５度以内であれば、実質的に、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向が、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と平行であると言える。

ここで、たとえば、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向が、溶融樹脂ＭＲに向かって接近する方向に過度に傾斜している構造では、溶融樹脂が直接的に（誘導気体ＬＡに誘導される前に）延伸気体ＥＡに接触してしまうおそれがある。これを防止するためには、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向が、溶融樹脂ＭＲから離れる方向に傾斜している構造を採ることも考えられる。しかし、このような構成では、誘導気体ＬＡによって誘導された溶融樹脂ＭＲが延伸気体ＥＡに達するまでの距離が長くなる。これに対し、上記各実施形態では、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射方向が、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と平行である。このため、吐出口１２２から吐出された溶融樹脂ＭＲが、直接的に（誘導気体ＬＡに誘導される前に）延伸気体ＥＡに接触することを抑制しつつ、誘導気体ＬＡによって誘導された溶融樹脂ＭＲが延伸気体ＥＡに達するまでの距離を短くできる。

上記各実施形態では、誘導気体噴射口３２０、４２０からの誘導気体ＬＡの噴射方向が、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と直交している。したがって、誘導気体ＬＡの噴射方向が、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向に対し傾斜している構成と比較して、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに効率的に誘導できる。

なお、このように、誘導気体ＬＡを効果的に用いて溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに誘導するためには、誘導気体ＬＡの噴射方向が、溶融樹脂ＭＲの吐出方向に対し、９０度になっている構成に限定されない。たとえば、誘導気体ＬＳＡの噴射方向が、溶融樹脂ＭＲの吐出方向に対し７５度以上１０５度以下であれば、実質的に誘導気体ＬＡの噴射方向が、吐出口１２２からの溶融樹脂ＭＲの吐出方向と直交している構成であると言える。このため、誘導気体ＬＡを用いて、溶融樹脂ＭＲを延伸気体ＥＡに効果的に誘導できる。

上記各実施形態において、延伸気体噴射口３２０、４２０からの誘導気体ＬＡの噴射圧は、延伸気体噴射口１４４からの延伸気体ＥＡの噴射圧よりも低い。誘導気体ＬＡの噴射圧を過度に大きくしないので、誘導気体噴射ノズル３１８、４１８の構造を簡素化できる。また、誘導気体ＬＡに誘導された溶融樹脂ＭＲが、延伸気体ＥＡを通過してしまう事態を抑制し、延伸気体ＥＡと共に噴射方向に確実に延伸される構造を実現できる。

上記各実施形態において、誘導気体ＬＡ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。誘導気体ＬＡ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。

１１８ 樹脂吐出ノズル
１２２ 吐出口
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
３１２ ナノファイバー製造装置
３１８ 誘導気体噴射ノズル
３２０ 誘導気体噴射口
４１２ ナノファイバー製造装置
４１８ 誘導気体噴射ノズル
４２０ 誘導気体噴射口

Claims (5)

1. 溶融樹脂を吐出口から吐出する樹脂吐出部材と、
   雰囲気よりも高温の延伸気体を、前記吐出口と異なる位置の延伸気体噴射口から前記溶融樹脂の吐出方向に沿って噴射する延伸気体噴射部材と、
   雰囲気よりも高温の誘導気体を、前記吐出口よりも吐出方向下流側の誘導気体噴射口から前記溶融樹脂に向けて噴射し前記溶融樹脂を前記延伸気体へ誘導する誘導気体噴射部材と、
   を有するナノファイバー製造装置。
2. 前記誘導気体噴射口が、前記延伸気体噴射口よりも前記溶融樹脂の吐出方向の下流側に位置している請求項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、前記吐出方向と平行である請求項１又は請求項２に記載のナノファイバー製造装置。
4. 前記誘導気体噴射口からの前記誘導気体の噴射方向が、前記吐出方向と直交している請求項２又は請求項３に記載のナノファイバー製造装置。
5. 前記誘導気体噴射口からの前記誘導気体の噴射圧が、前記延伸気体噴射口からの前記延伸気体の噴射圧よりも低い請求項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。