JP4598083B2 - 静電噴霧装置及び静電噴霧方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子物質を含む溶液を静電噴霧する静電噴霧装置及び静電噴霧方法に関するものである。

静電噴霧（エレクトロスピニング）とは塗布させたい材料である高分子物質を溶媒と混合して溶液とし、その溶液を注射器の針先や細いガラス管の様に先端が尖った容器に収納して、その容器と噴霧対象物との間に高電圧を印加することにより行われる。静電噴霧においては、容器内の高分子物質に電荷が与えられ、電荷を帯びた高分子物質が電荷の反発力によって霧状になって容器の先端から、クーロン力を利用して噴霧側（容器先端側）と異極となるコレクタと称される側、又は接地側（グランド側）に出射して、そのコレクタ側に捕集され積層される。静電噴霧を用いたものに静電塗装があり、静電塗装の用途としては、一般的に自動車等の車体に対する静電塗装が知られている。静電塗装は、車体塗装に限らず、様々なものに応用可能である。本発明においては、特に人工高分子物質を材料として静電噴霧をさせる装置に関し、１００ナノメートル［ｎｍ］より細い繊維、すなわちナノファイバーと呼ばれる繊維サイズからなる不織布を容易に製造しうる装置に関するものである。そのように製造された不織布はフィルタ等の広い範囲に使用可能である。

従来の不織布の製造方法の一つである「溶融法」などを用いてもフィルタは製造可能である。しかし、そのような従来の製法では数１０マイクロメートルサイズの直径を有する繊維により製造されたフィルタが主流であり、数１００ナノメートルサイズの繊維によるフィルタを作るのが限界である。前述のように、静電噴霧を使った製造方法では、従来の「溶融法」などを用いた製法より１桁も２桁も細い繊維径の不織布を製造することが可能である。静電噴霧において、噴霧口を有するノズルが１本だけであれば、数センチメートル角の小片のフィルタしか製造することが出来ないため、量産性及び生産性の観点から、噴霧口となるノズルが１本である構成は、現実的ではない。繊維メーカやフィルム原反メーカにおいては、従来の製法で製造されている不織布やフィルムと同様に、幅１００センチメートル、またはそれに準ずる大きさのものを作る場合、複数のノズルを用いて製造する必要があった。

しかし、複数のノズルを使用する場合、電荷の干渉や反発などの影響により静電噴霧の動作状態が安定しないという問題があり、配置された複数のノズルの一部または大部分から静電噴霧が行えない場合が生じていた。したがって、複数のノズルを有する静電噴霧装置の実用化及び製品量産化のためには、複数のノズルを用いて安定した静電噴霧を行わせることが課題であった。

上記の課題を達成するために、日本の特開２００２−２０１５５９号公報には電荷分配板と称された、電荷の干渉や反発を抑えるための機構が提案されている。しかし、その電荷分配版の位置は、静電噴霧のために印加される電圧の大きさによって、変更せねばならず、取り扱いが容易ではなかった。また、複数のノズルが縦横に複数×複数の状態で配置されている場合においては、電荷分配版を用いることにより、噴霧量に対する塗布量（積層量）の割合、いわゆる捕集効率が悪くなるという問題があった。

また、日本の特開平８−１５３６６９号公報にはノズルと噴霧対象物の載置面に電極を設けて高電圧を印加する方式が開示されている。このようにノズルと載置面とに電極を設けて噴霧対象物に対して静電噴霧する方式では、静電噴霧された材料が載置面である対向電極の表面を覆うように積層されていくため、静電噴霧の能力が徐々に弱まっていく。したがって、特開平８−１５３６６９号公報に開示された製造方法では、長時間にわたって高精度に静電噴霧を行うことが困難であり、大量生産に適した製法ではなかった。
特開２００２−２０１５５９号公報 特開平８−１５３６６９号公報

電荷を帯びて静電噴霧された材料は、異極の電荷を有する捕集面（積層面）であるコレクタに吸引されて、コレクタに捕集（積層）される。なお、噴霧された材料は同一極性であるため、クーロン力により互いに反発し、拡散して均一な状態でコレクタに到達する。材料がコレクタに捕集（積層）されると同時に、コレクタに電荷が放出される。コレクタは電荷が放出された後も常に材料の電荷と異なる極の電荷を同等量保持するか、接地されている必要がある。何故ならば、次々に噴霧された材料がコレクタに吸引捕集されたとき、コレクタが異極の電荷を同等量保持しているか接地されていれば、ノズルの噴霧口とコレクタとの間に電荷が溜まることがなく、円滑に噴霧口から捕集面（積層面）へ向かって材料が吸引され、静電噴霧が行われる。しかし、噴霧された材料が帯びる電荷の量が大きくなってくると、噴霧口とコレクタとの間に電荷が溜まる状態が生じる。そのように溜まった電荷と噴霧されようとする材料が帯びる電荷は同一極であるため、クーロンの法則により、反発しあい、噴霧口からの噴霧動作を抑えてしまい、ノズル噴霧口からの静電噴霧が行えないという現象が発生する。このような現象は、１本のノズルを設けた構成でも複数本のノズルを設けた構成でも同様に発生する。発明者らは、１本のノズルを設けた構成と複数本のノズルを設けた構成の両方の構成の静電噴霧装置を用いて実験を行い、徐々に印加電圧を上昇させて、高分子材料の電荷の量を増やすことにより、静電噴霧が停止するという現象を確認している。ただし、１本のノズルを設けた静電噴霧装置の場合のほうが、複数のノズルを設けた静電噴霧装置の場合に比較して、噴霧される高分子材料が帯びる電荷の量が少ないので、静電噴霧を行い易い構成である。

生産性を上げるために複数本のノズルを使うと、必然的に、電荷の量は多くなり、電荷同士の反発が強くなるため、静電噴霧が行えない場合が多く発生する。そのため、電荷の量を抑える操作、具体的には印加する電圧を下げる必要がある。しかし、このように印加電圧を低下させると、噴霧速度が落ちてしまい生産性が悪くなるという問題が発生する。また、ノズル先端の噴霧口からの噴霧には電荷の反発力が必要であるが、印加電圧を下げて電荷を少なくすると、噴霧に必要な反発力が足りず、噴霧できない場合が生じる。

したがって、１本のノズルを設けた構成において効率的に静電噴霧が行える条件、例えば電圧や噴霧距離などを同じに設定した条件でも、複数ノズルを設けた構成で実施した場合には、ノズルの一部または大部分からの静電噴霧が行えない場合が多く発生する。このため、１本のノズルを設けた構成で静電噴霧が効率的に行える条件で、複数ノズルを設けた構成においても静電噴霧を行う場合には、特別な構成が必要となる。

例えば、従来の静電噴霧装置において、コレクタを複数のノズルの噴霧口に対して平行に配置し、且つ噴霧口とコレクタとの間に電荷が溜らないように、コレクタの材質をアルミ箔のように導電性の良いものを使用し、及び／又はコレクタの面積を可能な限り大きく構成する。しかし、このような構成であっても、ある程度の効果は期待できるが、飛躍的に改善されるわけではなく、根本的な解決策ではない。

また、従来の静電噴霧装置においては、静電噴霧が行われる場合でも捕集効率が悪く、意図した箇所のみへの捕集（積層）が出来ず、装置周辺に捕集されないものが飛散するという問題を有する。このような飛散という問題は、本発明者らが装置にアクリルなどのカバーで覆って静電噴霧を行うことにより確認した。このように噴霧された材料を捕集（積層）できないという問題は、材料の損失にもつながるのは当然であるが、それだけではなく、繊維径が数ナノメートル〜数十ナノメートルである繊維の大量の飛散は、作業者の健康被害にも留意が必要となる。

本発明は、複数の噴霧手段を用いて安定して静電噴霧を行うことができ、捕集効率が高く生産性に優れ、精度の高い製品を量産することが可能であり、且つ安全性の高い静電噴霧装置及び静電噴霧方法を提供することを目的とする。

本発明に係る静電噴霧装置及び静電噴霧方法は、上記の従来の静電噴霧装置における種々の問題を解決するため、以下のように構成している。

本発明の静電噴霧装置は、高分子物質を含み溶剤を用いて液状に形成した高分子溶液を静電噴霧するために二次元状に配置された複数のノズルと、前記複数のノズルに対向して絶縁シートを介して配置され、前記ノズルに印加される電圧と異なる極性の電圧又はアース電位に接地された第１のコレクタと、を有する複数の紡糸ユニット、
前記ノズルに所定の高電圧を印加する第１の電源、及び
前記紡糸ユニットが装着され、移動可能に捕集シートを保持する捕集部、を具備し、
前記紡糸ユニットが、前記ノズルから前記第１のコレクタへの噴霧方向と直交し、前記捕集シートの方向への空気流を形成する空気流形成手段を有する。上記のように構成された本発明の静電噴霧装置は、安定して、且つ捕集効率の高い静電噴霧を連続的に行うことができる。

本発明の静電噴霧方法は、高分子物質を含み溶剤を用いて液状に形成した高分子溶液を二次元状に配置された複数のノズルに供給する工程、
前記ノズルから高分子溶液を静電噴霧するために前記ノズルに高電圧を印加する工程、
前記ノズルを有する紡糸ユニットにおいて静電噴霧方向と実質的に直交する方向に流れる空気流を生成する工程、及び
静電噴霧され帯電した高分子物質に対して空気流を当てることにより、前記空気流の流れの方向と実質的に直交する方向に配置された捕集シートに前記高分子物質が積層される工程、を有する。上記の本発明の静電噴霧方法は、安定して、且つ捕集効率の高い静電噴霧を確実に行うことができる。

本発明によれば、複数の噴霧手段として二次元状に配置されたノズルを使用して、捕集効率が高く生産性に優れ、精度の高い製品を量産することが可能な静電噴霧装置及び静電噴霧方法を提供することができる。
また、本発明によれば、静電噴霧処理において発生する有機溶媒を確実に回収できるため、安全性の高い静電噴霧装置及び静電噴霧方法を提供することができる。

以下に、本発明の静電噴霧装置及び静電噴霧方法の好適な実施の形態を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明に係る好適な実施例１の静電噴霧装置の概略構成を示す側面図である。実施例１の静電噴霧装置は、静電噴霧により高分子物質を含む溶液をノズルから出射して、１００ナノメートル［ｎｍ］より細い繊維、すなわちナノファイバーと呼ばれる繊維を作製し、ナノファイバー不織布を製造するものである。

先ず、図１を用いて本発明に係る実施例１の静電噴霧装置の静電噴霧によるナノファイバー不織布の作成の概要について説明する。ナノファイバーの繊維を捕集し積層してナノファイバー不織布を製造するためには、ベースとなるサブストレートが必要である。サブストレートとしては、例えばポリエチレンなどの絶縁性を有する樹脂シートである捕集シート８が用いられる。この捕集シート８は、供給ローラ２０から送り出され、搬送速度の制御が可能な複数の中間ローラ１８を経由して、巻取りローラ２１により巻き取られる。実施例１の静電噴霧装置において、捕集シート８の搬送速度は、不織布の厚み、ナノファイバーの繊維径や材料等によって決定され、毎分数メートルから数１００メートルと広い範囲に対応出来るよう構成されている。

サブストレートとしての捕集シート８は、供給ローラ２０から複数の中間ローラ１８を経由して巻取りロール２１までの区間を搬送される。複数の紡糸ユニット２２は、捕集シート８の搬送経路に沿って設けられている。紡糸ユニット２２は、ナノファイバーの繊維が捕集され積層される捕集シート８を内部に有する捕集部１３のダクトに装着されている。捕集シート８が捕集部１３の内部を通過することにより、紡糸ユニット２２からのナノファイバーの繊維が捕集シート８上に数百ナノメートルから数１００マイクロメートルの厚みで積層される。

図１に示すように、紡糸ユニット２２は、鉛直方向或いは水平方向に延設された捕集部１３のダクトの側面に直交するように略水平に装着されており、各々が独立した構成を有している。紡糸ユニット２２の装着個数は、製造されるナノファイバー不織布の生産速度や仕様などに応じて任意に設定される。実施例１の静電噴霧装置においては、紡糸ユニット２２の装着個数が１個の場合から捕集部１３に装着可能な最大個数の間で自由に選択して装着出来る構成である。また、各紡糸ユニット２２は独立して稼働可能な構成であるため、紡糸ユニット２２を装着した状態で、選択した任意の紡糸ユニット２２だけを稼動させることが可能である。したがって、実施例１の静電噴霧装置においては、生産を止めること無く、特定の紡糸ユニット２２を取り外して、その紡糸ユニット２２の故障やメンテナンスに対応することが出来る。また、生産中において、一部の紡糸ユニット２２内に突発的に事故が発生した場合には、該当する紡糸ユニット２２を停止するだけで、装置全体を止めること無く、生産を続行することが可能である。

また、実施例１の静電噴霧装置においては、各々の紡糸ユニット２２へ供給される材料は同一にする必要が無い。各々の紡糸ユニット２２にはノズルへ材料を供給するための後述する材料保持タンク１５（図２参照）が設けられているため、紡糸ユニット２２毎に異なる材料を供給して、異なった材料が積層された不織布を製造することが可能である。勿論、各々の紡糸ユニット２２へ同一の材料を供給して各材料保持タンク１５に同一の材料を保持させることも可能であり、また共通の供給パイプを各紡糸ユニット２２に接続して同一の材料を常時供給する構成も可能である。

次に、実施例１の静電噴霧装置における紡糸ユニット２２の構成及び動作について説明する。

図２は捕集部１３に装着された複数の紡糸ユニット２２の構成を示す側面断面図である。図３から図５は紡糸ユニット２２の構成を示す図であり、図３は紡糸ユニット２２を示す斜視図、図４は紡糸ユニット２２の装着面である正面図、図５は紡糸ユニット２２の背面図である。

図２に示すように、各紡糸ユニット２２には高分子物質を含む溶液を収納する材料保持タンク１５が設けられており、その溶液は材料保持タンク１５から材料供給パイプ１４を介して紡糸ユニット２２の内部に設けられた複数のノズル１に供給される。複数のノズル１は、導電性材料の金属ブロックである導電板２とともに一体成形されており、二次元状で縦横が直線上（格子状）に配置されている。実施例１の静電噴霧装置においては、導電板２が材料となる高分子物質を含む溶液を一旦溜める溶液溜めの機能を有し、その溶液溜めの下側に複数のノズル１が設けられている。上記の複数のノズル１と導電板２とにより噴霧部分となるスプレーブロック３０が構成されている。

上記のように構成されたスプレーブロック３０の導電板２には、ナノファイバーの材料となるポリウレタンなどの高分子物質をトルエンなどの溶剤を混合して作製した溶液が、紡糸ユニット２２毎に独立して配設された材料保持タンク１５から材料供給パイプ１４を通して供給される。

実施例１の静電噴霧装置においては、複数のノズル１と導電板２とを有するスプレーブロック３０が、金属ブロック、例えばアルミニウム材、ステンレス材のプレス加工による一体成形であるが、切削加工により製作しても良い。ノズル１は所定の口径の噴霧口を有して先端が尖った円錐形に形成されており、導電板２の溶液溜めと噴霧口が連通するよう構成されている

導電板２には第１の電源４０から高電圧（例えば数キロボルトから数十キロボルトの高電圧）が印加される構成を有し、導電板２におけるノズル１が配置されていない上側部分は絶縁樹脂である絶縁カバー９により覆われている。この絶縁カバー９により、導電板２の溶液溜め内の溶液は塵埃等の混入が防止された状態で保持されている。また、紡糸ユニット２２において、スプレーブロック３０は絶縁カバー９により筐体１０から絶縁された状態で固着されている。

また、紡糸ユニット２２の内部における下側全面には、ノズル１に対向して絶縁シート５及び薄板金属で形成された第１のコレクタ４が上から順に積層されている。実施例１の静電噴霧装置において、第１のコレクタ４は接地されているが、スプレーブロック３０とは異なる電極の電圧が印加されるよう構成しても良い。

図６は、実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニット２２におけるスプレーブロック３０とそれを覆う絶縁カバー９等を有する噴霧部分の断面図である。この噴霧部分にはスプレーブロック３０と絶縁カバー９の他に材料供給パイプ１４及び材料保持タンク１５が設けられている。図７は、図６の噴霧部分の分解斜視図である。

複数のノズル１と一体的に形成された導電板２は受け皿状に形成され、その底面部分に円錐形で先端が尖った噴霧口を有する複数のノズル１は、二次元状で縦横の直線上に、即ち格子状の交点となる位置に互いに等間隔を有して配設されている。前述のように、導電板２と複数のノズル１とを有するスプレーブロック３０は、金属ブロックのプレス加工により一体的に形成されている。導電板２の凹み空間である受け皿部分の空間には高分子を含んだ溶液が収納されており、その溶液は材料保持タンク１５から材料供給パイプ１４を介して常に受け皿内の量が一定となるよう供給される。導電板２の底面に配置される複数のノズル１は、縦横のそれぞれの列における間隔が同じとなるよう配置されている。実施例１においては、２５０ｍｍ（幅）×５００ｍｍ（長さ）×１８０ｍｍ（高さ）の大きさの導電板２にノズル１を横４行×縦１２列の４８個形成した。この導電板２の大きさ及びノズル１の数は、一例であり製造される不織布の仕様や製造速度等、またノズル１に印加される電圧やノズル１の噴霧方向と実質的に直交して流れる空気流１７の強さに応じて適宜設定される。

スプレーブロック３０に用いられる材質としては、ステンレスなど一般的に加工しやすい導電性を有する材質が好ましい。ノズル１の噴霧口の内径は、細過ぎると液詰まりの恐れがあり、逆に太過ぎると液垂れを起こすため、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内が好ましい。ノズル１の噴霧口となる貫通孔は孔開け加工により高精度に加工される。また、プレス加工の際、ノズル１の高さ（円錐状のノズル１の噴霧口となる先端から根元までの距離）は、電荷が尖った部分に集中する性質を利用するため、少なくとも５ｍｍ以上に形成されている。上記のように形成された導電板２とノズル１を有するスプレーブロック３０は、その上面部分を絶縁樹脂で形成された絶縁カバー９により覆われて互いに固着されている。

絶縁カバー９は、導電板２に形成された受け皿状の凹部空間に対する蓋の役目を果たしており、材料保持タンク１５から材料供給パイプ１４を介して導電板２の凹部空間に注入された高分子物質を含む溶液に対して、汚染物質などの混入を防止している。導電板２の凹部空間に収納された溶液は、導電板２の底部に一体的に設けられた各ノズル１へ流れ込み、噴霧される。

実施例１の静電噴霧装置においては、高分子の材料等を溶液にするためにトルエン等の有機溶剤が溶媒として用いられているため、絶縁カバー９、材料供給パイプ１４、材料保持タンク１５等の溶液が接触する部分の材料には、対腐食性を有するフッ素樹脂、ＰＥ（ポリエチレン樹脂）やＰＰ（ポリプロピレン樹脂）などの樹脂材料が好ましい。

材料保持タンク１５から材料供給パイプ１４を介して導電板２に供給される高分子を含む溶液は、導電板２の凹部空間の底面に設けられた各ノズル１に一様に供給される。全てのノズル１が溶液により十分に満たされ、導電板２の凹部空間の所定レベルに溶液が保持されるように、一般的なレベル検出器を用いて溶液のレベルが常時検出されており、不足すると溶液が供給されるよう構成されている。

なお、図７に示したように、絶縁カバー９には、材料供給パイプ１４を装着するための取付け孔１２と、スプレーブロック３０の溶液溜めを密封するために嵌め合わすための凹部が形成されている。材料供給パイプ１４及びスプレーブロック３０は絶縁カバー９から容易に取り外すことが可能に構成されており、洗浄などのメンテナンス性に優れた構造を有している。

紡糸ユニット２２の外面を構成する筐体は、絶縁体である樹脂であり、自荷重を支えるために剛性を有する樹脂により形成されており、捕集部１３のダクトに装着するためのフランジ１１が設けられている。各紡糸ユニット２２は、筐体１０のフランジ１１をダクトにボルトにより螺子止めされ、容易に脱着される構成である。筐体１０の背面側、即ちフランジ１１と反対側の側面には空気流形成手段となる空気導入口６である開口が形成されている。この空気導入口６には筐体１０から電気的に絶縁された金属網１６が設けられている。金属網１６は第２の電源５０に接続されている。第２の電源５０からは前述の第１の電源４０から供給される電圧より低く、極性が同じである電圧が供給される。基準電位は、捕集部１３を構成するダクトの壁面であり、第１の電源４０、第２の電源５０の基準電位もダクトの壁面である。そして基準電位は、通常大地アースに接続される。

第１の電源４０からの高電圧が導電板２に印加されると、静電電界により、電荷が発生する。電荷は尖った部分に集中する性質があり、ノズル１の先端部分に電荷が集中する。導電板２に印加される高電圧は、溶液の材質や粘度、生成されるナノファイバーの材料や繊維径、製造環境（温度、湿度）等によって決定され、その範囲は数キロボルト〜数十キロボルトである。上記のようにノズル１の先端部分に電荷が集中することによって、ノズル先端部分の液体の表面張力部分が帯電状態となる。ノズル１に対向して絶縁シート５を介して配置された第１のコレクタ４との間に発生する強電界によりノズル先端部分の微少帯電粒子３がノズル１の先端部分から離れて帯電液滴となって噴霧される。噴霧された帯電液滴は、同一極性を有しているため互いのクーロン力により反発し、均一に拡散して第１のコレクタ４に吸引される。

ノズル１の先端部分から第１のコレクタ４までの距離は、１０数センチメートルから数１０センチメートルの距離が好ましく、実施例１においては２０センチメートルで行った。ノズル１の先端部分から第１のコレクタ４までの距離は、生成されるナノファイバーの仕様や印加電圧の値等を考慮して決められる。したがって、第１のコレクタ４及び絶縁シート５、若しくはノズル１の位置を相対的に変更可能に構成しても良い。

上記のようにノズル１の先端部分から噴霧された霧状の液粒は帯電しており、その電荷は異極に引かれるため、第１のコレクタ４の方向へ吸引される。電荷が第１のコレクタ４へ向かう途中において、液粒は帯びている電荷のため、何度か静電反発によって分裂を繰り返し、液粒の大きさは微細化していく。このように液粒が微細化していく時、材料を溶液にするために溶媒として使用されていた溶剤は、蒸発し、ナノファイバーの材料だけが残る。それらが数ナノメートル〜数十ナノメートルの繊維径の、ナノファイバーと呼ばれる繊維状態となる。

高分子物質を含んだ溶液は、このようにナノファイバーの状態、すなわち液体が固体の状態になっても、最初にノズル１から与えられた電荷は失われておらず、帯電した状態のままである。

実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニット２２においては、ノズル１と第１のコレクタ４との間に、第１のコレクタ４に対して数ミリメートルの距離を有して絶縁シート５が配置されている。なお、第１のコレクタ４と絶縁シート５との間の距離は、高分子の材料や帯電量等を考慮して数ミリメートルから数十ミリメートルの範囲内に設定される。絶縁シート５は誘電性の材料により構成されており、シート状または薄い板状である。

絶縁シート５は、誘電性材料の性質上、外部電界により電気分極を誘起する性質、すなわち誘起分極を示す性質を有しているので、金属ブロックである導電板２は高電圧が印加された時点でその表面は帯電して誘起分極する。その誘起分極において、絶縁シート５のノズル１の噴霧口に対向している面は、金属ブロックと同極となる。したがって、『同一極の電荷は反発をする』というクーロン力により、ノズル１の噴霧口から噴霧されてナノファイバーとなった材料は、絶縁シート５と同一極を有するため、帯電した絶縁シート５に対して反発する。その結果、ナノファイバー（繊維）となった材料は、ノズル１の噴霧口と絶縁シート５との間における絶縁シート５から１０数センチメートルから数１０センチメートルの空間を浮遊した状態となる。

実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニット２２においては、その背面に設けた金属網１６に第２の電源５０が接続されており、金属網１６に対して数十ボルトから数百ボルトの電圧が印加されている。金属網１６に印加される電圧の極性はノズル１に印加される電圧の極性と同一の極性である。一方、金属網１６に対向するように配置されている捕集部１３内の第２のコレクタ７には数Ｖの電圧が印加されており、その電圧の極性は金属網１６と異なる極性である。この第２のコレクタ７に印加される電圧は、高分子の材料やその帯電量等を考慮して、数Ｖから数百ボルトの範囲に設定されるか、若しくは基準電位であるアース電位に設定される。したがって、ノズル１の噴霧口と絶縁シート５との間の空間を浮遊した状態となって帯電したナノファイバーは、同極の金属網１６に反発し、クーロン力により異極の電位を有する第２のコレクタ７の方向に吸引される。

さらに、実施例１の静電噴霧装置においては、捕集部１３に装着された紡糸ユニット２２に対して金属網１６を通りダクト１３内部の第２のコレクタ７の方向に乾燥空気が送り込まれるよう構成されている。ダクト１３内部は周囲の空気圧力より低い圧力、即ち、負圧にして、ナノファイバーを確実に捕集するよう構成されている。また、紡糸ユニット２２に送り込まれる乾燥空気は、湿度４０％以下に設定されており、紡糸ユニット２２内に浮遊しているナノファイバーを乾燥状態のまま搬送する。

上記のように、実施例１の静電噴霧装置においては、捕集部１３の内部を負圧にすること、第２のコレクタ７を金属網１６の電極と異なる電極または接地電位に設定すること、そして乾燥空気を金属網１６からダクト１３に向かって送風することにより、ナノファイバーを捕集部１３の内部に確実に捕集できる構成となる。実施例１においては各紡糸ユニット２２にファンを設けて室内の乾燥空気（湿度４０％以下）を送り込むよう構成したが、ダクトを設けて所望の湿度を示す乾燥空気を装置外部から送り込む構成でも良い。

実施例１において金属網１６を用いた理由は、乾燥空気を紡糸ユニット２２の背面から送り込み、捕集部１３の方向への空気流１７の発生を確実にするためであり、このような機能を持つものであれば他のものでも良く、例えば筐体１０とは絶縁された金属板に複数の貫通孔を穿った構造の導電性部材であれば良い。

なお、実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニット２２においては、空気流形成手段として金網構造の空気導入口６を設けたが、本発明における空気導入口６は金網構造でなくても良く、例えば空気圧が調整された乾燥空気をスプレーブロック３０の背面側端部に形成された空気導入口から導入出来る構造でも良い。この場合、空気導入口６が形成された金属ブロックは第１の電源４０に接続されておりノズル１と同一極の電圧が印加されている。この結果、ノズル１と絶縁シート５との間の空間に対して空気導入口６から捕集部１３へ向かう空気流１７が生成され、空気導入口６から第２のコレクタ７への帯電したナノファイバーの吸引動作が生じる構成となる。

上記のように、紡糸ユニット２２内に浮遊しているナノファイバーは、捕集部１３の方向へ送り込まれ、第２のコレクタ７に沿って搬送されている捕集シート８の表面に吸引捕集され、積層されていく。この結果、ナノファイバーによる高分子ウェブを形成することが出来る。このため、捕集シート８の搬送速度が遅いほど、捕集シート８が紡糸ユニット２２を通過するのに時間がかかり、単位面積当たりに捕集され積層されるナノファイバーは多くなる。この結果、作製される不織布であるナノファイバーの高分子ウェブの厚みを厚くすることが可能となる。また、捕集部１３に装着される紡糸ユニット２２の数が多いほど不織布の厚みを厚くすることができる。このことを利用して、ナノファイバーの高分子ウェブの不織布の厚みを、装着される紡糸ユニット２２の数及び／又は捕集シート８の搬送速度により制御することが可能となる。

ノズル１から噴霧されたナノファイバーが第２のコレクタ７の面上に沿って搬送される捕集シート８に捕集され積層される構造であるため、ナノファイバーの微小荷電粒子３の電荷は、ノズル１の噴霧口と誘電性材料である絶縁シート５との間の空間には溜まることがなく、空気流１７に従って第２のコレクタ７の方向に搬送される。したがって、実施例１の静電噴霧装置においては、ノズル１から次々と材料が噴霧され、所望の不織布を製造することが可能となる。
上記のように、実施例１の静電噴霧装置は、前述の従来の装置の課題であった噴霧口とコレクタとの間に電荷が溜まり、その留まった電荷の反発によりノズルからの新たに電荷を帯びた材料の噴霧が行えないという問題を解決している。

実施例１の静電噴霧装置においては、捕集部１３に装着された紡糸ユニット２２の空気導入口６を通って乾燥空気が送り込まれ、捕集部１３の内部を周囲の空気圧力より低い圧力、即ち、負圧にして、ナノファイバーを捕集している。乾燥空気の送り込み速度は、ナノファイバーの捕集シート８への捕集をスムーズに行い、紡糸ユニット２２の内部空気の流れに乱れが生じないよう数センチメートル／秒程度の弱い風速を生む風量で良い。数１０センチメートル／秒以上の強い風速になると、その空気の圧力や余分な静電気発生のため、捕集状態を攪拌することになるので好ましいものではない。

実施例１における乾燥空気の送り込みの構造は、ナノファイバーの飛散対策だけではなく、材料の溶液に含まれる有機溶剤の回収を可能としている。実施例１において用いた材料は、前述のように高分子を溶液の状態で用いるため有機溶剤などを溶媒として用いており、生産とともに有機溶剤を大量に使用することになる。噴霧途中において気化する有機溶剤の回収は、従来装置では考えられておらず、ナノファイバーの飛散における人体への健康被害と同じく、気化した有機溶剤からの健康被害や火災などが重大な懸念事項であった。実施例１の静電噴霧装置においては、有機物などを有する乾燥空気を紡糸ユニット２２内部から捕集部１３を通って回収するように、捕集部１３の頂部に回収ユニット１９が設けられている。この回収ユニット１９は装置外部に設けられた回収装置（図示なし）にファンを使用して排出するよう構成されている。

以下、実施例１の静電噴霧装置におけるナノファイバーの捕集動作について、更に説明する。
湿度４０％以下の乾燥空気をパイプやダクトなどの搬送経路形成手段を用いて空気導入口６を介して各紡糸ユニット２２に送り込むとともに、各紡糸ユニット２２と連通した捕集部１３の内部を回収ユニット１９により負圧にすることにより、各紡糸ユニット２２内等で気化した有機溶剤を装置外部に排出させずに捕集部１３内に送り込み、回収ユニット１９で回収している。このように、実施例１の静電噴霧装置は、気化した有機溶剤を装置外部に漏らすことなく確実に回収できる構造を有している。実施例１における回収ユニット１９の内部には一般的なドラフトチャンバーと同じく排気用のファンが内蔵されており、捕集部１３内部における回収ユニット１９への風速は数センチメートルから１０センチメートル／秒程度の範囲内であり、捕集部１３内部は紡糸ユニット２２に対して、０．０２ＫＰａ程度の弱い負圧に設定されている。

上記のように、実施例１の静電噴霧装置においては、回収ユニット１９内を負圧に設定することにより、捕集部１３内を負圧としており、生成されたナノファイバーを捕集部１３内の捕集シート８に積層するとともに、紡糸ユニット２２等において気化した有機溶剤がダクト１３を介して回収される構造である。

実施例１の静電噴霧装置において、乾燥空気が各紡糸ユニット２２からダクト１３へ送り込みの構造は重要ではあるが、主に、空気導入口６から捕集シート８の方向へ、紡糸ユニット２２内において空気の流れが安定して発生する構造であれば良い。
なお、実施例１の静電噴霧装置には、それぞれの紡糸ユニット２２を単独で駆動できるよう制御装置が設けられており、製造される製品に応じて必要な紡糸ユニット２２を選択して、選択した紡糸ユニット２２のみを駆動できる構成である。

以上のように、本発明の静電噴霧装置は、複数のノズルを用いて安定した静電噴霧を行うことが可能であり、所望の製品に対応して量産化を図ることができる。
上記のように、本発明の静電噴霧装置を用いることにより、数ナノメートル［ｎｍ］〜数１０ナノメートル［ｎｍ］のナノファイバーの繊維で形成された不織布やフィルタを量産することが可能となる。したがって、本発明の静電噴霧装置により製造されたフィルタは、従来のフィルタの役割をカバーできることはもちろん、従来のフィルタでは除去できなかった粉塵や菌、例えば炭素菌なども除去することが可能となる。
また、本発明の静電噴霧装置により製造されたフィルタは、「除去」だけではなく「選別」という観点においても優れた効果を奏する。数ナノメートルの粒子をフィルタにより捕獲することは不要物の除去に留まらず、ナノ粒子を取り出すことが可能となる。例えば、ダイヤモンド砥粒などにおいては、数１０ナノメートル［ｎｍ］の砥粒だけを選別することができれば、従来の研磨精度が二桁以上も改善される。また薬剤の配送（ドラッグデリバリー）においても本発明の静電噴霧装置により製造されたフィルタを用いることが可能である。このように本発明の静電噴霧装置及び静電噴霧方法は、ナノレベルでの「選別」において優れた特徴を持つ。
加えて、本発明の静電噴霧装置により製造される製品においては、現在研究段階の「人工生体膜」など再生医療にも用いることが出来、このような特殊な分野からも本発明は期待をされている。

本発明の静電噴霧装置は、複数のノズルを用いて安定して静電噴霧を行い、量産化を図る装置において有用である。

本発明に係る実施例１の静電噴霧装置の概略構成を示す図 実施例１の静電噴霧装置における複数の紡糸ユニットがダクトに装着された状態を模式的に示す断面図 実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニットを示す斜視図 実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニットの装着面を示す図 実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニットの背面側を示す図 実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニットにおけるスプレーブロック近傍の断面図 実施例１の静電噴霧装置の紡糸ユニットにおけるスプレーブロック近傍の分解斜視図

符号の説明

１ ノズル
２ 導電板
３ 帯電粒子
４ 第１のコレクタ
５ 絶縁シート
６ 空気導入口
７ 第２のコレクタ
８ 捕集シート
９ 絶縁カバー
１０ 筐体
１１ フランジ
１２ 取付け孔
１３ 捕集部
１４ 材料供給パイプ
１５ 材料保持タンク
１６ 金属網
１７ 空気流
１８ 中間ローラ
１９ 回収ユニット
２０ 供給ローラ
２１ 巻取りローラ
２２ 紡糸ユニット
３０ スプレーブロック
４０ 第１の電源
５０ 第２の電源

Claims (20)

1. 高分子物質を含み溶剤を用いて液状に形成した高分子溶液を静電噴霧するために二次元状に配置された複数のノズルと、前記複数のノズルに対向して絶縁シートを介して配置され、前記ノズルに印加される電圧と異なる極性の電圧又はアース電位に接地された第１のコレクタと、を有する複数の紡糸ユニット、
   前記ノズルに所定の高電圧を印加する第１の電源、及び
   前記紡糸ユニットが装着され、移動可能に捕集シートを保持する捕集部、を具備し、
   前記紡糸ユニットが、前記ノズルから前記第１のコレクタへの噴霧方向と直交し、前記捕集シートの方向への空気流を形成する空気流形成手段を有する静電噴霧装置。
2. 前記空気流形成手段は、前記紡糸ユニットの前記捕集部への装着面と対向する位置に形成された空気導入口を有し、前記空気導入口に前記ノズルに印加される同一極性の電源が接続された導電性部材が設けられており、
   前記捕集部の前記捕集シートの背面に導電性を有する第２のコレクタが配置され、前記第２のコレクタが前記空気導入口の導電性部材に印加される電圧と異なる極性の電圧又はアース電位に接地され、
   前記捕集シートが前記第２のコレクタの面に沿って搬送されるよう構成された請求項１に記載の静電噴霧装置。
3. 前記紡糸ユニットは、前記ノズルと一体的に導電性金属で形成された導電板を有し、前記導電板に形成された凹部に高分子溶液が収納されて前記ノズルに前記高分子溶液を供給するよう構成された請求項１に記載の静電噴霧装置。
4. 前記紡糸ユニットは、
   前記ノズルに対向して配置された第１のコレクタと、
   前記ノズルと前記第１のコレクタとの間に配置された絶縁シートと、
   前記捕集部への装着面と対向する面に形成され、高分子物質の噴霧方向に対して実質的に直交する方向で前記捕集部への空気流を生成するための空気導入口と、を有する請求項１に記載の静電噴霧装置。
5. 前記捕集シートをロール状に巻回した供給ローラと、
   前記供給ローラから供給されて、前記捕集部の内部を移動して高分子物質が積層された前記捕集シートを巻き取る巻取りローラと、
   をさらに備えた請求項１に記載の静電噴霧装置。
6. 前記複数の紡糸ユニットのそれぞれは、前記空気流の方向と実質的に直交する方向に配置された捕集シートを有する捕集部に装着され、前記捕集部の前記第２のコレクタが静電噴霧された高分子物質を誘引して前記捕集シートに高分子物質が積層する高分子ウェブを形成するよう構成された請求項２に記載の静電噴霧装置。
7. 前記捕集部内の圧力を周囲の空気圧より低い負圧に設定した請求項１に記載の静電噴霧装置。
8. 前記捕集部に前記紡糸ユニット内の空気が流れ込む回収ユニットが設けられ、高分子溶液の溶剤が回収されるよう構成された請求項１に記載の静電噴霧装置。
9. 前記複数の紡糸ユニットが、捕集シートの移動方向に連続的に配置された請求項１記載の静電噴霧装置。
10. 前記ノズルの高さが５ｍｍ以上であり、前記ノズル先端における内径は０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲である請求項１に記載の静電噴霧装置。
11. 前記捕集部に装着される紡糸ユニットは、脱着可能であるよう構成された請求項１に記載の静電噴霧装置。
12. 高分子物質を含み溶剤を用いて液状に形成した高分子溶液を二次元状に配置された複数のノズルに供給する工程、
    前記ノズルから高分子溶液を静電噴霧するために前記ノズルに高電圧を印加する工程、
    前記ノズルを有する紡糸ユニットにおいて静電噴霧方向と実質的に直交する方向に流れる空気流を生成する工程、及び
    静電噴霧され帯電した高分子物質に対して空気流を当てることにより、前記空気流の流れの方向と実質的に直交する方向に配置された捕集シートに前記高分子物質が積層される工程、
    を有する静電噴霧方法。
13. 前記ノズルから静電噴霧され帯電した高分子物質に対して噴霧方向と直交する方向にクーロン力により移動させて、前記捕集シートに前記高分子物質を積層する工程を有する請求項１２に記載の静電噴霧方法。
14. 高分子物質を含む溶剤を用いて液状にした高分子溶液を複数のノズルに供給する工程において、前記高分子溶液の保持量を常時検出しレベルを一定に保つ動作を有する請求項１２に記載の静電噴霧方法。
15. 前記ノズルに対向して配置された第１のコレクタは、前記ノズルから分離し、静電噴霧され微小荷電粒子となった帯電液滴に対して吸引力を生成するため、前記ノズルに印加される電圧と異なる極性の電圧又はアース電位に接地される請求項１２に記載の静電噴霧方法。
16. 高分子物質が積層される捕集シート面の逆側の面に沿って配置された第２のコレクタは、前記ノズルから静電噴霧された微小荷電粒子に対し吸引力を生成するために前記ノズルに印加される電圧と異なる極性の電圧又はアース電位に接地される請求項１２に記載の静電噴霧方法。
17. 前記紡糸ユニットの空気流から高分子溶液の溶剤を回収する工程を有する請求項１２に記載の静電噴霧方法。
18. 前記ノズルを有する紡糸ユニットが複数設けられており、それぞれが独立して同じ捕集シートに高分子物質を積層する工程を有する請求項１２に記載の静電噴霧方法。
19. 製造される高分子ウェブの仕様に応じて複数の紡糸ユニットの稼働状態を制御する工程を有する請求項１８に記載の静電噴霧方法。
20. 複数の紡糸ユニットの少なくとも１つが異なる高分子物質を捕集シートに積層する工程を有する請求項１８に記載の静電噴霧方法。

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