JP4511565B2 - Nano-fiber manufacturing equipment - Google Patents
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本発明はナノ・ファイバ製造装置に関し、特に、エレクトロスピニング法を用いて紡糸口から吐出される紡糸ジェットを回転体コレクタ上に集積する際の空気流の影響を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a nano-fiber manufacturing apparatus, and more particularly to a technique for suppressing the influence of an air flow when a spinning jet discharged from a spinning port using an electrospinning method is accumulated on a rotating body collector.
再生医療工学、創傷材料、ドラッグデリバリー等のヘルスケアの分野、生体分子の精製や汚染水質の浄化を目的としたアフィニティ膜、センサー等のバイオテクノロジー・環境工学の分野、ポリマーバッテリー、色素増感太陽電池、高分子膜燃料電池等のエネルギー分野、あるいは、複合材料の強化材、対バイオテロ攻撃、ガス攻撃を想定した防護服等の防護・セキュリティーの分野等の広い分野において、ミクロン(μm)未満のナノオーダーの径(例えば数nm〜数百nm)を有する繊維(ナノ・ファイバ)が注目されている。 Healthcare fields such as regenerative medicine engineering, wound materials, drug delivery, biotechnology and environmental engineering fields such as affinity membranes and sensors for the purification of biomolecules and contaminated water, polymer batteries, dye-sensitized solar Less than micron (μm) in energy fields such as batteries, polymer membrane fuel cells, etc., or in a wide range of fields such as composite material reinforcement, protection against bioterrorism, and protection / security such as gas clothes A fiber (nanofiber) having a nano-order diameter (for example, several nm to several hundred nm) has attracted attention.
このようなナノ・ファイバを製造する技術の一つに、エレクトロスピニング法がある。このエレクトロスピニング法は、例えば特許文献1に開示されているように、繊維の素材となるポリマーと揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、平板状のコレクタと、ノズルとコレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたものである。
One technique for producing such nanofibers is the electrospinning method. For example, as disclosed in
この装置において、ノズルとコレクタとの間に高電圧を印加した状態でノズル先端の紡糸口から溶液を押し出すと、紡糸口先端のポリマー溶液の液滴は+(または−)に帯電し、異極に帯電(アース)しているコレクタに向かう電気力線に沿って作用する静電力(クーロン力)により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、ポリマー溶液の紡糸ジェットがコレクタに向かって連続的に噴射される。このとき、ポリマー溶液中の溶媒は揮発し、コレクタに到達する際には、ポリマーの繊維のみとなり、ナノレベルの細さのナノ・ファイバとなる。なお、ナノ・ファイバの原料としては、有機物のポリマーのみならず、金属酸化物、セラミック等の無機物をゾルーゲル法によって、ナノ・ファイバ形状に紡糸することも可能である。 In this apparatus, when a solution is pushed out from the spinning nozzle at the tip of the nozzle while a high voltage is applied between the nozzle and the collector, the droplet of the polymer solution at the tip of the spinning nozzle is charged to + (or-), and the different polarity It is attracted by the electrostatic force (Coulomb force) acting along the electric force line toward the collector that is charged (grounded). When the electrostatic force exceeds the surface tension, a spinning jet of polymer solution is continuously jetted toward the collector. At this time, the solvent in the polymer solution is volatilized, and when it reaches the collector, only the polymer fiber is formed, and the nano-fiber is of a nano level. In addition, as a raw material of the nanofiber, not only an organic polymer but also an inorganic material such as a metal oxide or ceramic can be spun into a nanofiber shape by a sol-gel method.
紡糸口から噴射される紡糸ジェットは、紡糸口からコレクタに到達する間に、紡糸口とコレクタとの間の電気力線の分布の影響により、螺旋軌道を描くことが知られている(例えば、非特許文献1,2参照)。その結果、コレクタ上に集積されたナノ・ファイバはランダムに配向し、これがコレクタ上で集積されると不織布状となる。
It is known that a spinning jet ejected from a spinner draws a spiral trajectory due to the influence of the distribution of electric lines of force between the spinneret and the collector while reaching the collector from the spinneret (for example, Non-patent
この配向を制御するため、円筒状の回転体コレクタが使用されている(例えば、特許文献2参照)。この回転体コレクタを用い、紡糸ジェットの移動速度よりも速い回転速度で紡糸ジェットを巻き取ることで、配向性ファイバサンプルの作製が可能となる。 In order to control this orientation, a cylindrical rotating body collector is used (for example, see Patent Document 2). By using this rotating body collector and winding the spinning jet at a rotational speed faster than the moving speed of the spinning jet, it becomes possible to produce an oriented fiber sample.
前述のように、ナノ・ファイバの配向性を高めるためには、回転体コレクタの回転速度を上げる必要がある。しかし、回転体コレクタの回転数を上げても、回転体コレクタ上に集積されるナノ・ファイバの配向性が思うように高くならないという問題が生じた。その原因を究明した結果、回転体コレクタの回転速度を上げると、回転数と比例して回転体コレクタの周囲に起こる空気流が大きくなることが判明した。この空気流が、紡糸ジェットの回転体コレクタ表面への進行およびコレクタ上での配向を乱す原因となる。特に、エレクトロスピニング装置を筐体で囲んだ装置においては、限られた筐体内での空気の流れが不規則になって、この影響が大きくなる。
そこで本発明は、回転体コレクタが回転するときに生じる空気流を抑制し、配向性の高いナノ・ファイバを得ることのできるナノ・ファイバ製造装置を提供することを目的とする。
As described above, in order to increase the orientation of the nanofiber, it is necessary to increase the rotation speed of the rotator collector. However, even if the number of rotations of the rotator collector is increased, the orientation of the nanofibers integrated on the rotator collector does not increase as expected. As a result of investigating the cause, it has been found that when the rotational speed of the rotating collector is increased, the air flow around the rotating collector increases in proportion to the rotational speed. This air flow causes the spinning jet to travel to the rotor collector surface and disturb the orientation on the collector. In particular, in an apparatus in which the electrospinning apparatus is surrounded by a casing, the air flow in the limited casing becomes irregular, and this influence increases.
Therefore, an object of the present invention is to provide a nano-fiber manufacturing apparatus that can suppress the air flow generated when the rotating body collector rotates and obtain nano-fibers with high orientation.
前記課題を解決するため、本発明は、繊維の素材と揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、回転体コレクタと、前記ノズルと前記回転体コレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたナノ・ファイバ製造装置において、前記回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流によって、前記ノズルから吐出される前記回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a nozzle that injects a solution of a fiber material and a volatile solvent, a rotating body collector, and a high voltage that applies a high voltage between the nozzle and the rotating body collector. In a nano-fiber manufacturing apparatus equipped with a power source, the trajectory of the spinning jet that is discharged from the nozzle toward the rotor collector is disturbed by the air flow on the surface of the rotor collector caused by the rotation of the rotor collector. An air flow restriction means for suppressing this is provided.
ナノ・ファイバ製造装置において、回転体コレクタが回転すると、回転体コレクタ表面に接している空気も、空気の粘性により回転体コレクタとともに回転しようとする(回転体コレクタの表面から距離が離れるにつれて、空気は動かなくなる)。一方、ノズルから噴射される荷電された紡糸ジェットは、異極電位または接地電位である回転体コレクタに向かって進行する。このとき、紡糸ジェットの進行方向と、回転体コレクタ表面の空気流の進行方向が交差するため、紡糸ジェットの軌道が乱され、回転体コレクタ上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性が悪くなる。 In the nano-fiber manufacturing apparatus, when the rotator collector rotates, the air in contact with the rotator collector surface also rotates with the rotator collector due to the viscosity of the air (as the distance from the surface of the rotator collector increases, the air Will not work). On the other hand, the charged spinning jet ejected from the nozzle travels toward a rotating body collector having a different polarity potential or ground potential. At this time, since the traveling direction of the spinning jet and the traveling direction of the air flow on the surface of the rotating body collector intersect, the trajectory of the spinning jet is disturbed, and the orientation of the nanofiber wound on the rotating body collector is deteriorated. .
そこで、本発明のように、空気流制限手段を設けることで、紡糸ジェットの進行方向と交差する空気流を制限し、配向性の悪化を低減する。これにより、配向性の高いナノ・ファイバを得ることができる。 Therefore, as in the present invention, by providing an air flow restricting means, the air flow intersecting with the traveling direction of the spinning jet is restricted, and deterioration of orientation is reduced. Thereby, a highly oriented nanofiber can be obtained.
前記空気流制限手段は、回転体コレクタのノズルに面した側が露出するような開口を有し、開口から突出する部分とその他の部分を空間的に区画するフードカバーとすることができる。このようなフードカバーを回転体コレクタに被せることで、回転体コレクタの回転とともに回転しようとする空気流を低減する。 The air flow restricting means may be a hood cover that has an opening that exposes the side of the rotating body collector facing the nozzle, and that spatially divides a portion protruding from the opening and other portions. By covering such a hood cover on the rotator collector, the air flow to be rotated with the rotation of the rotator collector is reduced.
また、前記空気流制限手段は、回転体コレクタの側部に、同回転体コレクタ表面よりも突出する状態に形成した羽根とすることができる。 The air flow restricting means may be a blade formed on the side of the rotating body collector so as to protrude from the surface of the rotating body collector.
回転体コレクタ表面に接する空気は、回転体コレクタとともに回転するとき、遠心力で回転体コレクタの表面から法線方向に飛ばされようとするため、回転体コレクタの表面の空気密度が小さくなり、陰圧状態となる。その陰圧状態を解消しようとして、回転体コレクタの側部の空気が回転体コレクタの表面に向かって入り込むような空気の流れとなる。この空気の流れを制限するために、回転体コレクタの側部に突出状態に羽根を設ける。これによって、回転体コレクタの表面に補充される空気流を制限し、回転体コレクタの回転によって生じる空気流による紡糸ジェットの軌道の乱れを低減して、回転体コレクタ上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性を高めることができる。 When the air that contacts the surface of the rotating body collector rotates together with the rotating body collector, it tends to be blown away from the surface of the rotating body collector in the normal direction by centrifugal force. Pressure state. In an attempt to eliminate the negative pressure state, air flows such that the air on the side of the rotator collector enters the surface of the rotator collector. In order to restrict the air flow, vanes are provided in a protruding state on the side of the rotating body collector. This restricts the air flow replenished on the surface of the rotor collector, reduces the disturbance of the spinning jet trajectory caused by the air flow generated by the rotation of the rotor collector, and the nano fiber wound on the rotor collector The orientation of can be improved.
本発明によれば、ナノ・ファイバ製造装置において、回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流によって、ノズルから吐出される回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたことにより、配向性の高いナノ・ファイバを得ることができる。 According to the present invention, in the nano-fiber manufacturing apparatus, the trajectory of the spinning jet directed to the rotating body collector discharged from the nozzle is disturbed by the air flow on the surface of the rotating body collector generated by the rotation of the rotating body collector. By providing the air flow restricting means for suppressing, a highly oriented nano-fiber can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明に係るナノ・ファイバ製造装置の概要を示す正面図、図2は本発明の空気流制限手段の実施の形態1に係るフードカバーを示す説明図であり、(a)は正断面図、(b)は平面図、(c)は側断面図、図3は本発明の空気流制限手段の実施の形態2に係る羽根を示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view showing an outline of a nanofiber manufacturing apparatus according to the present invention, FIG. 2 is an explanatory view showing a hood cover according to
図1において、本実施の形態のナノ・ファイバ製造装置は、扉(図示せず)によって密閉・開放される筐体1の内部に、繊維の素材となるポリマーと揮発性の溶媒との溶液を入れたシリンジ2と、シリンジ2内の原料と溶媒との溶液を押し出すシリンジモータ3と、可撓性の溶液供給チューブ4と、紡糸口5aを有するノズル5と、回転軸6aの回りに回転駆動される回転体コレクタ6と、ノズル5の導電部と高圧電源(図示せず)の出力端子とを接続する高圧ケーブル7とを設置している。
In FIG. 1, the nano-fiber manufacturing apparatus of the present embodiment applies a solution of a polymer as a fiber material and a volatile solvent inside a
シリンジ2はシリンジ固定台8に取り外し可能に固定され、シリンジ2内の溶液を押し出すプランジャーを押圧する押板10は、シリンジモータ3によって回転駆動されるネジ軸9により駆動される。
The
ノズル5は、導電体からなる取付ベース11に導通状態に装着され、高圧ケーブル7を取付ベース11にコネクタ接続することにより、ノズル5に高電圧を印加できるようにする。取付ベース11はベースホルダ12に取り付けられ、ベースホルダ12は、電気的に絶縁された状態で水平方向スライドレール13に移動自在に設置される。ベースホルダ12は、水平駆動装置(図示せず)により、水平方向スライドレール13に沿って水平動自在に駆動される。
The
回転体コレクタ6は、回転軸6aを回転自在に受ける軸受を有する基台14により支持され、カップリング15を介して駆動モータ(図示せず)の出力軸16と連結される。回転体コレクタ6は、軸受等を介してアースに接続され、ノズル5との間に高電圧が掛かるようになっている。
The rotating
なお、図中17は、紡糸開始時にノズル5の紡糸口5aの目詰まりを清掃するノズルクリーナ、18は水平方向スライドレール13を昇降自在に支持するためのサポートシャフト、19は水平方向スライドレールを昇降駆動するための30度台形ネジ、20は電源入切スイッチ、21は電源ケーブルが接続されていることを表示するためのプライマリーランプ、22は電源入切スイッチ19が投入されたときに点灯するパワーオンランプ、23は各種設定や動作プログラムを入力するためのテンキー及び演算キー、24は設定内容や動作状況を表示するディスプレイ、25はパワーボタン、26はリセットキー、27は非常時に全ての動作を停止させる緊急停止ボタン、28は筐体1内の空気を浄化して外部に排気するための排気筒である。
In the figure, 17 is a nozzle cleaner for cleaning clogging of the
なお、本実施の形態において、溶液供給チューブ4は、水平方向に移動する取付ベース11に取り付けられているノズル5と、シリンジ固定台8に固定されているシリンジ2とを屈曲自在に接続するために設けられるが、ノズル5に直接シリンジ2を結合することで、溶液供給チューブ4を省略することができる。この場合、シリンジ2のプランジャーを押圧するエアーポンプ等の動力源を筐体1側に固定し、その動力源であるエアーポンプ等とシリンジ2のプランジャーとの間をエアーチューブ等で接続する構成とすることができる。そうすることで、溶液供給チューブ4内に滞留する溶液が無駄になったり内部の清掃が必要になったりすることを防止できる。
In the present embodiment, the solution supply tube 4 flexibly connects the
次に、このナノ・ファイバ製造装置の動作について説明する。
まず、ノズル5を回転体コレクタ6上の所定の位置に移動させ、回転体コレクタ6を所定の回転数で回転させ、シリンジモータ3を駆動してシリンジ2内のポリマー溶液をノズル5に供給する。ノズル5と回転体コレクタ6間に高電圧が印加されていない状態では、ポリマー溶液は、ノズル5の先端の紡糸口5aの先端部において、表面張力で留まっている。紡糸口5aと回転体コレクタ6との間に、例えば数kV〜30kVの高電圧を印加すると、紡糸口5a先端のポリマー溶液の液滴は+に帯電し、異極(またはアース電位)に帯電している回転体コレクタ6に向かう静電力により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、ポリマー溶液の紡糸ジェットが回転体コレクタ6に向かって連続的に噴射される。
Next, operation | movement of this nano fiber manufacturing apparatus is demonstrated.
First, the
紡糸ジェットの先端は、回転体コレクタ6により連続的に巻き取られる。このとき、ノズル5を回転体コレクタ6の回転軸6aの長手方向に往復動させることにより、所定の長さの範囲で、ナノ・ファイバを回転体コレクタ6上に巻き取ることができる。
The tip of the spinning jet is continuously wound up by the
次に、本発明の空気流制限手段の実施の形態について説明する。
空気流制限手段の実施の形態1に係るフードカバー30は、図2に示すように、回転体コレクタ6の基台14に取り付けられるものであり、回転体コレクタ6のノズル5に面した側が露出するような開口30aを有し、開口30aから露出する部分とその他の部分を空間的に区画する。これにより、回転体コレクタ6が回転するとき、回転体コレクタ6の周囲の空気がノズル5下部の紡糸側領域に巻き込まれる量を減らし、ナノ・ファイバの配向性の乱れが低減するようにする。
Next, an embodiment of the air flow restriction means of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, the
空気流制限手段の実施の形態2に係る羽根31は、図3に示すように、回転体コレクタ6の側部に、回転体コレクタ6表面よりも突出する状態に形成したものである。羽根31は、回転体コレクタ6の側部から回転体コレクタ6の表面へ流れ込む空気を防ぐだけでなく、表面から側部へと流れる気流を発生させるような機能を果たす。
As shown in FIG. 3, the
上述したように、回転体コレクタ6表面に接する空気は、回転体コレクタ6とともに回転するとき、遠心力で回転体コレクタ6の表面から法線方向に飛ばされようとするため、回転体コレクタ6の表面の空気密度が小さくなり、陰圧状態となる。その陰圧状態を解消しようとして、回転体コレクタ6の側部の空気が回転体コレクタ6の表面に向かって入り込むような空気の流れとなる。この空気の流れを制限するために、回転体コレクタ6の側部に突出状態に羽根31を設ける。これによって、回転体コレクタ6の表面に補充される空気流を制限し、回転体コレクタ6の回転によって生じる空気流による紡糸ジェットの軌道の乱れを低減して、回転体コレクタ6上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性を高めることができる。
As described above, when the air in contact with the surface of the
なお、以上の実施の形態においては、ナノ・ファイバ製造装置を筐体1で囲んだ例について説明したが、筐体1で囲まないオープンな構造のナノ・ファイバ製造装置についても本発明を適用することができる。
In the above embodiment, the example in which the nano-fiber manufacturing apparatus is surrounded by the
本発明によれば、回転体コレクタ6表面(紡糸ジェット付着部)で生じる風の量を減らすことができ、その結果、紡糸ジェットの回転体コレクタへ6の進行を妨げることなく、高速で回転する回転体コレクタ6による巻き取りが可能となる。
According to the present invention, the amount of wind generated on the surface of the rotating body collector 6 (spinning jet adhering portion) can be reduced. As a result, the spinning jet rotates at a high speed without impeding the progress of the spinning
実験結果によると、A3版程度の面積の配向性ファイバサンプル作製が可能となった。用途によっては、配向性ファイバサンプルが必要となるため、本技術によりナノ・ファイバの用途拡大、また開発促進を実現することができる。 According to the experimental results, it was possible to produce an oriented fiber sample having an area of about A3 size. Depending on the application, an oriented fiber sample is required, and therefore, the application of the nanofiber can be expanded and development can be promoted by this technology.
本発明は、回転体コレクタが回転するときに生じる空気流を抑制し、配向性の高いナノ・ファイバを得ることのできるナノ・ファイバ製造装置として、ヘルスケアの分野、バイオテクノロジー・環境工学の分野、エネルギー分野、あるいは、防護・セキュリティーの分野等の広い分野において利用することができる。 The present invention relates to a field of healthcare, biotechnology, and environmental engineering as a nano-fiber manufacturing apparatus that can suppress a flow of air generated when a rotating body collector rotates and obtain highly oriented nano-fibers. It can be used in a wide range of fields such as the energy field or the field of protection and security.
1 筐体
2 シリンジ
3 シリンジモータ
4 溶液供給チューブ
5 ノズル
5a 紡糸口
6 回転体コレクタ
6a 回転軸
7 高圧ケーブル
8 シリンジ固定台
9 ネジ軸
10 押板
11 取付ベース
12 ベースホルダ
13 水平方向スライドレール
14 基台
15 カップリング
16 出力軸
17 ノズルクリーナ
18 サポートシャフト
19 30度台形ネジ
20 電源入切スイッチ
21 プライマリーランプ
22 パワーオンランプ
23 テンキー及び演算キー
24 ディスプレイ
25 パワーボタン
26 リセットキー
27 緊急停止ボタン
28 排気筒
30 フードカバー
30a 開口
31 羽根
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの進行方向と交差する方向の、前記回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流を制限する空気流制限手段を設けたことを特徴とするナノ・ファイバ製造装置。 In a nano-fiber manufacturing apparatus comprising a nozzle that injects a solution of a fiber material and a volatile solvent, a rotating body collector, and a high-voltage power source that applies a high voltage between the nozzle and the rotating body collector ,
An air flow restricting means is provided for restricting the air flow on the surface of the rotating body collector caused by the rotation of the rotating body collector in the direction intersecting with the traveling direction of the spinning jet toward the rotating body collector. Fiber manufacturing equipment.
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