JP2022034310A - ノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紡糸電極から紡糸液への電荷付与効率を向上させることができるノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置を提供する。【解決手段】ノズルヘッド２０は、内部に紡糸液３１を充填し、紡糸液３１を噴射させるための紡糸孔３６を有する筒状の溶液槽３０と、紡糸液３１に接触した状態で溶液槽３０内に配置されるワイヤ状の紡糸電極５０と、を備える。紡糸電極５０は、溶液槽３０の中心軸の長さよりも長い。【選択図】図４

Description

本開示は、ノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置に関する。

特許文献１に開示されるシート製造装置は、電解紡糸法によりナノファイバで構成されるシートを製造する装置である。シート製造装置は、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造し、シート状の収集部材にナノファイバを堆積させてシートを製造する。シート製造装置は、流出体（溶液槽）と、供給電極（紡糸電極）と、帯電電極と、を備えている。流出体は、三角柱を水平方向に延在させた中空の部材である。流出体は、下方に向かって開口した複数の流出孔が長手方向に直線的に並べられた状態で設けられている。流出体は、複数の流出孔に連通する円柱形状の貯留空間を内方に有している。貯留空間には、原料液が貯留されている。供給電極は、流出体の貯留空間内に、流出体の軸に沿って延びるように配置されている。供給電極は、貯留空間内で原料液に浸漬されている。帯電電極は、流出体と所定の間隔を隔てて配置され、供給電極に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、原料液に電荷を誘導する。

特開２０１４－２２４３２７号公報

特許文献１のシート製造装置において、供給電極が流出体の軸に沿って延びる直線状のワイヤ形状であるため、供給電極と原料液との接触が供給電極の延出長さ分（流出体の軸と同等の長さ分）に限られてしまう。流出体の軸の長さが変わらなければ、供給電極と原料液との接触面積が変わらない。そのため、供給電極から原料液に対する電荷付与効率を高めることができず、紡糸効率を高めることができない。そこで、供給電極と原料液との接触面積を大きくして、供給電極から原料液への電荷付与効率を向上させる構成が求められている。

本開示は、紡糸電極から紡糸液への電荷付与効率を向上させることができるノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置を提供することを目的としている。

本開示のノズルヘッドは、内部に紡糸液を充填し、前記紡糸液を噴射させるための紡糸孔を有する筒状の溶液槽と、前記紡糸液に接触した状態で前記溶液槽内に配置されるワイヤ状の紡糸電極と、を備えるノズルヘッドであって、前記紡糸電極は、前記溶液槽の中心軸の長さよりも長い。

本開示の紡糸方法は、紡糸電極とコレクタ電極との間に電圧が印加されることにより、帯電した紡糸液のジェットが前記紡糸電極から前記コレクタ電極に向けて噴射されて繊維にされ、前記コレクタ電極の前記紡糸電極側の面に沿って配置された捕集部材により、繊維集合体として捕集される紡糸方法であって、前記紡糸液が充填された筒状の溶液槽の内部に、前記溶液槽の中心軸の長さよりも長いワイヤ状の前記紡糸電極を配置し、前記溶液槽に設けられた紡糸孔から前記紡糸液を噴射させる。

本開示の紡糸装置は、上記ノズルヘッドと、前記紡糸電極から離れて配置されるコレクタ電極と、を備え、前記紡糸電極及び前記コレクタ電極の間に電圧が印加されることにより、帯電した紡糸液のジェットが前記コレクタ電極に向けて噴射されて繊維にされ、前記コレクタ電極の前記紡糸電極側の面に沿って配置された捕集部材により、繊維集合体として捕集される。

本開示によれば、紡糸電極から紡糸液への電荷付与効率を向上させることができるノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置を提供することができる。

図１は、実施形態１におけるエレクトロスピニング装置の概略構成図である。 図２は、紡糸装置を、図１とは異なる方向から見た部分構成図である。 図３は、ノズルヘッドの一部を省略して示す平面図である。 図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。 図５は、図４の紡糸孔及びその周辺を拡大して示す部分拡大図である。 図６は、実施形態２におけるノズルヘッドの断面を説明する断面概略図である。 図７は、実施形態３におけるノズルヘッドの断面を説明する断面概略図である。

＜実施形態１＞
本実施形態は、図１に示す紡糸装置１０に本発明を適用したものである。

（紡糸装置の構成）
以下、本実施形態の紡糸装置１０について、図１～図５を参照して説明する。図１、図２に示す紡糸装置１０は、エレクトロスピニング装置として構成されている。紡糸装置１０は、紡糸液３１から極細繊維を紡糸し、極細繊維からなる繊維集合体１４、例えば不織布を連続して形成する装置である。

紡糸液３１は、極細繊維を形成する樹脂材料を溶質とし、この溶質を揮発性の溶媒に溶解又は分散させたものである。溶質としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の合成樹脂が用いられる。溶媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等の化合物が用いられる。

紡糸装置１０は、図１、図２に示すように、捕集部材１１と、コレクタ電極１７と、ノズルヘッド２０と、タンク４１と、ポンプ４３と、電源４４と、を備えている。捕集部材１１は、可撓性を有する材料、例えば不織布等の捕集布によって形成されている。捕集部材１１は、送り出しローラ１２に巻き付けられることにより、ロール１３の形態となる。この捕集部材１１は、送り出しローラ１２及び巻き取りローラ１５の間で水平状態にされ、下側の面に繊維集合体１４が積層される。繊維集合体１４が積層された捕集部材１１は、巻き取りローラ１５によって巻き取られて、ロール１６の形態になる。なお、繊維集合体１４の使用に際しては、繊維集合体１４の積層された捕集部材１１がロール１６から引き出されつつ、捕集部材１１から繊維集合体１４が剥離される。

コレクタ電極１７は、図１に示すように、送り出しローラ１２と巻き取りローラ１５との間に配置されている。コレクタ電極１７は、金属等の導電性材料によって形成されている。コレクタ電極１７は、捕集部材１１の幅方向（図２の左右方向）に延びる平板状に形成されている。コレクタ電極１７は、捕集部材１１の上面に接触又は接近している。捕集部材１１は、コレクタ電極１７の後述する紡糸電極５０（図４参照）側（溶液槽３０側）の面に沿って配置されている。

ノズルヘッド２０は、貯留した紡糸液３１を外部に噴射させるための部材である。ノズルヘッド２０は、図１～図４に示すように、溶液槽３０と、紡糸電極（供給電極）５０（図３、図４参照）と、を備えている。溶液槽３０は、紡糸に必要な量の紡糸液３１を貯留するためのものである。溶液槽３０は、図２に示すように、中心軸（軸線Ｌ１）に沿って直線状に延びる円管状のチューブによって構成されている。溶液槽３０は、例えば、耐溶剤性樹脂によって形成されている。耐溶剤性樹脂は、例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などの合成樹脂である。溶液槽３０は、図１、図２に示すように、軸線Ｌ１を捕集部材１１の幅方向に合致させた状態で配置されている。

溶液槽３０は、図４に示すように、内管３２と、外管３３と、を備えている。外管３３は、軸線Ｌ１に沿って直線状に延びる円管状のチューブである。外管３３の一端（図４では右端）は、閉塞されている。外管３３の他端（図４では左端）の中心には、外管３３の軸線Ｌ１に沿う方向に貫通する貫通孔３４が形成されている。外管３３の外径は、例えば１０ｍｍである。内管３２の外周面と外管３３の内周面との間の空間は、紡糸液３１が貯留される貯留空間３５となっている。

外管３３の上部には、図３、図４に示すように、円形の紡糸孔３６が設けられている。紡糸孔３６は、紡糸液３１を噴射させるための孔である。紡糸孔３６の径は、例えば１．５ｍｍである。紡糸孔３６は、外管３３の上部のうち、最も高い部分（頂部）に設けられている。紡糸孔３６は、軸線Ｌ１に沿う方向に互いに一定間隔（例えば１０ｍｍ間隔）で離間した複数箇所に設けられている。複数の紡糸孔３６は、軸線Ｌ１に沿って列をなすように配列されている。

内管３２は、紡糸液３１を貯留空間３５に供給する管である。内管３２は、図４に示すように、軸線Ｌ１に沿って直線状に延びる円管状のチューブである。内管３２の径は、外管３３の径よりも小さい。内管３２は、外管３３内に、外管３３と同軸（軸線Ｌ１と同軸）となるように挿入されている。内管３２の一端（図４では右端）は、閉塞されている。内管３２の他端（図４では左端）は、外管３３の貫通孔３４から他端側に突出している。内管３２の他端（図４では左端）は、後述する配管４２に接続されている。

内管３２の上部には、図４に示すように、円形の供給孔３７が設けられている。供給孔３７は、内管３２の上部のうち、最も高い部分（頂部）に設けられている。供給孔３７は、軸線Ｌ１に沿う方向に互いに一定間隔（例えば１０ｍｍ間隔）で離間した複数箇所に設けられている。複数の供給孔３７は、軸線Ｌ１に沿って列をなすように配列されている。供給孔３７は、紡糸孔３６および軸線Ｌ１を含む面でノズルヘッド２０を切断したときに、切断面に含まれる位置に設けられている。供給孔３７は、軸線Ｌ１方向において、隣接する一対の紡糸孔３６の間（例えば両紡糸孔３６の間の中心）に設けられている。

溶液槽３０は、図１、図２に示すように、捕集部材１１の下側において、捕集部材１１に対し平行となる状態で配置されている。溶液槽３０は、紡糸孔３６がコレクタ電極１７の下方に位置するように配置されている。

溶液槽３０の内部空間は、図４に示すように、紡糸液３１で満たされている。タンク４１の内部空間は、溶液槽３０の内部空間よりも大きな容積を有している。タンク４１の内部には、溶液槽３０へ供給される紡糸液３１が貯留されている。タンク４１及び溶液槽３０は、配管４２によって接続されている。

ポンプ４３は、図１に示すように、配管４２の途中に配置されており、タンク４１内の紡糸液３１を溶液槽３０内に供給する。配管４２を介して内管３２の内部空間に充填された紡糸液３１は、供給孔３７を介して貯留空間３５に供給される。内管３２と外管３３との間には、紡糸液３１が充填される。ここで、紡糸の際には、溶液槽３０内の紡糸液３１が消費される。ポンプ４３としては、この消費分と同量、又は同量以上の量の紡糸液３１を溶液槽３０に供給することのできるものが用いられている。

紡糸電極５０は、金属等の導電性材料によって形成されている。紡糸電極５０は、例えばステンレス製の針金である。紡糸電極５０の線径は、例えば０．９ｍｍである。紡糸電極５０は、図４に示すように、内管３２の内径よりも小径の線材（ワイヤ状の部材）によって構成されている。溶液槽３０内では、紡糸電極５０の全体が紡糸液３１に浸漬されている。すなわち、紡糸電極５０の外面の全体が、溶液槽３０内で紡糸液３１に接触している。紡糸電極５０は、図示は省略するが、例えば、外管３３の一端（図４では右端）に設けられた貫通孔を介して電源４４に接続された配線に接続されている。

紡糸電極５０は、溶液槽３０内で溶液槽３０の軸線Ｌ１に沿って延びるらせん形状（コイル形状）である。紡糸電極５０は、軸線Ｌ１方向から見て円形に巻かれている。紡糸電極５０の長さは、溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）よりも長い。例えば、紡糸電極５０の長さは、溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）よりも２倍以上長くなっている。紡糸電極５０は、湾曲形状（軸線Ｌ１に対して交わるように延びる部分を有する形状）であるため、溶液槽３０の中心軸の長さよりも長くなっている。このように、紡糸電極５０は、溶液槽３０の中心軸の長さと同じ長さとなる構成（直線状の構成）に比べて、紡糸液３１との接触面積を大きくすることができる。そのため、紡糸電極５０から紡糸液３１への電荷付与効率を向上させることができる。

紡糸電極５０は、らせん形状であるため、ワイヤ状の電極部材を巻き回すことで容易に製造することができる。紡糸電極５０は、内管３２よりも大きな径で、内管３２の外周回りに巻かれている。紡糸電極５０は、外管３３の内周面に沿って延びている。紡糸電極５０の径（中心軸と後述する頂部５１との最短距離）は、外管３３の内周面の径と同程度である。紡糸電極５０は、紡糸孔３６に入り込む部分を除いて、湾曲部分全体が外管３３の内周面に接触している。紡糸電極５０のらせん形状のピッチは、例えば１０ｍｍである。すなわち、後述する頂部５１が軸線Ｌ１方向に例えば１０ｍｍ間隔で並んでいる。

紡糸孔３６は、図５に示すように、溶液槽３０において、軸線Ｌ１を含む平面で紡糸電極５０を切断したときにあらわれる頂部５１を内側に含む位置（頂部５１を囲む位置）に設けられている。例えば、軸線Ｌ１を含み上下方向に平行な面で紡糸電極５０を切断したときに、頂部５１があらわれる。紡糸孔３６から頂部５１が露出するため、帯電状態となる紡糸液３１が紡糸孔３６から直接噴射され易くなる。すなわち、紡糸液３１が帯電状態で噴出し易くなる。頂部５１は、紡糸孔３６の内側に位置している。頂部５１は、下方側から紡糸孔３６の中心まで入り込んでいる。紡糸電極５０における頂部５１に隣接する部分は、紡糸孔３６の下縁部に接触している。

電源４４は、直流電源によって構成されている。電源４４のプラス電極は紡糸電極５０に接続され、マイナス電極はコレクタ電極１７に接続されている。

（繊維集合体の製造方法）
図１、図２を用いて繊維集合体１４の製造方法について説明する。紡糸装置１０が動作すると、捕集部材１１は、コレクタ電極１７の下面に接触または接近した状態で、送り出しローラ１２から巻き取りローラ１５に向けて一定速度で送られる。そして、紡糸液３１を紡糸電極５０に塗布する。ポンプ４３が動作すると、図４の矢印に示すように、タンク４１内の紡糸液３１が溶液槽３０に供給される。これにより、紡糸液３１が紡糸電極５０に均一に塗布される。

続いて、紡糸電極５０とコレクタ電極１７との間に電圧を印加する。紡糸電極５０をプラス電極とし、コレクタ電極１７をマイナス電極として、両電極間に電源４４から電圧が印加される。これにより、溶液槽３０内の紡糸液３１の全体がプラスに帯電される。紡糸電極５０の周りの帯電の分布は、周方向に均一となるように紡糸液３１を帯電させる。

続いて、溶液槽３０の紡糸孔３６から繊維を噴出させる。紡糸孔３６において露出している紡糸液３１の表面には、電荷が誘発され蓄積される。この電荷は、互いに反発し合い、その反発力は紡糸液３１の表面張力に対抗する。紡糸液３１は、コレクタ電極１７に向かう電気力線に沿って作用する静電気力（クーロン力）により吸引される。静電気力が紡糸液３１の表面張力に打ち勝つと、帯電した紡糸液３１が複数の紡糸孔３６から噴出し始める。そして、帯電した紡糸液３１のジェット３８が複数の紡糸孔３６から一斉に、コレクタ電極１７に向けてそれぞれ噴射される。

続いて、繊維を分裂させ、捕集部材１１に捕集させる。各ジェット３８の表面積が体積に比較して大きいため、ジェット３８中の溶媒が効率良く蒸発する。また、この蒸発によりジェットの体積が減少し、電荷密度がより高くなる。そのため、帯電した紡糸液３１の反発力が増して、各ジェット３８がさらに細いジェットへ分裂していく。そして、このような過程を経ながら、極細繊維が紡糸されるとともに、極細繊維からなる繊維集合体１４が捕集部材１１の下側の面に捕集される。

（作用効果）
続いて、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態の紡糸装置１０において、ノズルヘッド２０が、紡糸液３１に接触した状態で溶液槽３０内に配置されるワイヤ状の紡糸電極５０を備えている。そのため、紡糸電極５０は、紡糸電極の長さが溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）と同じ構成（直線状の構成）に比べて、紡糸液３１との接触面積が大きくなる。そのため、紡糸電極５０から紡糸液３１への電荷付与効率を向上させることができる。したがって、紡糸装置１０は、紡糸効率を向上させることができる。

本実施形態のノズルヘッド２０では、紡糸電極５０が、溶液槽３０の中心軸（軸線Ｌ１）に沿って延びるらせん形状である。そのため、紡糸電極５０は、ワイヤ状の電極部材を巻き回すことで容易に製造することができる。

本実施形態のノズルヘッド２０では、紡糸孔３６が、溶液槽３０において、中心軸（軸線Ｌ１）を含む面で紡糸電極５０を切断したときにあらわれる頂部５１を内側に含む位置に設けられる。そのため、帯電状態となる紡糸液３１が紡糸孔３６から直接噴射され易くなる。すなわち、紡糸液３１が帯電状態で噴出し易くなる。

＜実施形態２＞
図６は、実施形態２を示す。実施形態２は、内管３２が設けられておらず、紡糸電極の形状が実施形態１とは異なり、その他は実施形態１と同様である。なお、実施形態２において、実施形態１と同一構造には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

ノズルヘッド２２０は、図６に示すように、紡糸電極２５０を備えている。紡糸電極２５０は、蛇腹状に折れ曲がっている。このような構成によっても、紡糸電極２５０は、紡糸電極の長さが溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）と同じ構成（直線状の構成）に比べて、紡糸液３１との接触面積が大きくなる。そのため、紡糸電極２５０から紡糸液３１への電荷付与効率を向上させることができる。したがって、紡糸装置１０は、紡糸効率を向上させることができる。

図６に示すように、軸線Ｌ１を含み上下方向に平行な面でノズルヘッド２２０を切断したときに、紡糸孔３６とともに、紡糸電極２５０の全体が切断面に含まれている。

＜実施形態３＞
図７は、実施形態３を示す。実施形態３は、内管３２が設けられておらず、紡糸電極の形状が実施形態１とは異なり、その他は実施形態１と同様である。なお、実施形態３において、実施形態１と同一構造には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

ノズルヘッド３２０は、図７に示すように、紡糸電極３５０を備えている。紡糸電極３５０は、渦巻状に折れ曲がっている。このような構成によっても、紡糸電極３５０は、紡糸電極の長さが溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）と同じ構成（直線状の構成）に比べて、紡糸液３１との接触面積が大きくなる。そのため、紡糸電極３５０から紡糸液３１への電荷付与効率を向上させることができる。したがって、紡糸装置１０は、紡糸効率を向上させることができる。

図７に示すように、軸線Ｌ１を含み上下方向に平行な面でノズルヘッド３２０を切断したときに、紡糸孔３６とともに、紡糸電極３５０の全体が切断面に含まれている。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態１において、紡糸電極５０は、らせん形状（コイル形状）であったが、溶液槽３０の中心軸の長さ（溶液槽３０の両端間の軸線Ｌ１に沿う長さ）よりも長ければ、その他の形状であってもよい。例えば、紡糸電極５０は、軸線Ｌ１方向から見て四角形状に折れ曲がるらせん形状であってもよい。また、紡糸電極５０は、例えば、のこぎり歯状に折れ曲がる形状であってもよい。
（２）上記実施形態１において、紡糸電極５０のらせん形状のピッチ（頂部５１間の間隔）が一定であったが、一定でなくてもよい。また、紡糸電極５０の径（中心軸と後述する頂部５１との最短距離）も、均一でなくてもよい。
（３）上記実施形態１において、紡糸孔３６は、溶液槽３０において、軸線Ｌ１を含む平面で紡糸電極５０を切断したときにあらわれる頂部５１を内側に含む位置に設けられていたが、頂部５１の近傍の位置に設けられていてもよい。紡糸孔３６は、頂部５１から離れた上方の位置に設けられていてもよい。近傍の位置とは、例えば、頂部５１から上方に０．５ｍｍ以内の距離だけ離れた位置である。
（４）上記実施形態１において、紡糸電極５０の頂部５１は、紡糸孔３６の下縁部に接触しつつ、下方側から紡糸孔３６の中心まで入り込んでいたが、紡糸孔３６と離間した状態で、紡糸孔３６内に入り込む構成であってもよい。
（５）上記実施形態１において、供給孔３７は、軸線Ｌ１方向において、一対の紡糸孔３６の間の中心に設けられていたが、その他の位置に設けられていてもよい。例えば、供給孔３７は、上下方向で紡糸孔３６と重なる位置や、その位置から軸線Ｌ１方向にわずかにずれた位置に設けられていてもよい。

前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または本質から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施形態を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。

１０…紡糸装置
１１…捕集部材
１４…繊維集合体
１７…コレクタ電極
２０，２２０，３２０…ノズルヘッド
３０…溶液槽
３１…紡糸液
３６…紡糸孔
５０，２５０，３５０…紡糸電極
５１…頂部

Claims (5)

1. 内部に紡糸液を充填し、前記紡糸液を噴射させるための紡糸孔を有する筒状の溶液槽と、前記紡糸液に接触した状態で前記溶液槽内に配置されるワイヤ状の紡糸電極と、を備えるノズルヘッドであって、
   前記紡糸電極は、前記溶液槽の中心軸の長さよりも長いノズルヘッド。
2. 前記紡糸電極は、前記溶液槽の前記中心軸に沿って延びるらせん形状である請求項１に記載のノズルヘッド。
3. 前記紡糸孔は、前記溶液槽において、前記中心軸を含む面で前記紡糸電極を切断したときにあらわれる頂部を内側に含む位置または前記頂部の近傍の位置に設けられる請求項１または請求項２に記載のノズルヘッド。
4. 紡糸電極とコレクタ電極との間に電圧が印加されることにより、帯電した紡糸液のジェットが前記紡糸電極から前記コレクタ電極に向けて噴射されて繊維にされ、前記コレクタ電極の前記紡糸電極側の面に沿って配置された捕集部材により、繊維集合体として捕集される紡糸方法であって、
   前記紡糸液が充填された筒状の溶液槽の内部に、前記溶液槽の中心軸の長さよりも長いワイヤ状の前記紡糸電極を配置し、
   前記溶液槽に設けられた紡糸孔から前記紡糸液を噴射させる紡糸方法。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のノズルヘッドと、
   前記紡糸電極から離れて配置されるコレクタ電極と、
   を備え、
   前記紡糸電極及び前記コレクタ電極の間に電圧が印加されることにより、帯電した紡糸液のジェットが前記コレクタ電極に向けて噴射されて繊維にされ、前記コレクタ電極の前記紡糸電極側の面に沿って配置された捕集部材により、繊維集合体として捕集される紡糸装置。

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