JP4805957B2 - コロイド状分散液のエレクトロスピニングによるナノ繊維およびメソ繊維の製造方法 - Google Patents

コロイド状分散液のエレクトロスピニングによるナノ繊維およびメソ繊維の製造方法 Download PDF

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Description

本発明はエレクトロスピニング法によるポリマー繊維、特にナノ繊維およびメソ繊維の製造方法およびこの方法により得られる繊維に関する。
ナノ繊維およびメソ繊維を製造するために、当業者に多くの方法が知られ、そのうちエレクトロスピニング法は現在最も重要である。例えばD.H.Reneker、H.D.Chun、Nanotechn.7(1996)、216頁以降に記載されるように、この方法において、ポリマー溶融物またはポリマー溶液を電極として使用される縁部で高い電場にさらす。これは例えばポリマー溶融物またはポリマー溶液を電場中で低い圧力下で電圧源の一方の極に接続されたカニューレにより押出すことにより達成できる。これにより行われるポリマー溶融物またはポリマー溶液の静電的充電により、対抗電極に向けられた物質流が生成し、物質流は対抗電極への通路上で固定される。電極の形状に依存して、この方法を使用して、フリースもしくはいわゆる不織布またはアンサンブルで配置された繊維が得られる。
ドイツ特許(DE−A1)第10133393号において、内径1〜100nmを有する中空繊維の製造方法が開示され、その際水不溶性ポリマーの溶液、例えばジクロロメタン中のポリ−L−ラクチド溶液またはピリジン中のポリアミド−46−溶液をエレクトロスピニングする。同様の方法がWOA101/09414およびドイツ特許(DE−A1)第10355665号から公知である。
ドイツ特許(DE−A1)第19600162号から芝刈り機線材または織物平面形状物の製造方法が公知であり、その際糸形成ポリマーとしてポリアミド、ポリエステルまたはポリプロピレン、無水マレイン酸変性ポリエチレン/ポリプロピレンゴムおよび1個以上の老化安定剤を一緒に供給し、溶融し、互いに混合し、この溶融物を溶融紡糸する。
ポリマー溶融物のエレクトロスピニングにより1μmより大きい直径を有する繊維のみが製造できる。しかし多くの用途、例えば濾過の用途のために、1μm未満の直径を有するナノ繊維および/またはメソ繊維が必要であり、これらの繊維は公知のエレクトロスピニング法を使用してポリマー溶液の使用によってのみ製造できる。
しかしこの方法は紡糸するポリマー溶液をまず溶解しなければならないという欠点を有する。従って水不溶性ポリマー、例えばポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリウレタン等のために、非水性溶剤、規則的に有機溶剤を使用しなければならず、これは一般に有毒であり、可燃性であり、刺激的であり、爆発性でありおよび/または腐食性である。
水溶性ポリマー、例えばポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシプロピルセルロース等において、非水性溶剤の使用を省くことができる。しかしこの方法で得られる繊維は当然ながら水に溶解し、それゆえその技術的使用は強く制限される。この理由からこれらの繊維はエレクトロスピニング後に少なくとも1種の他の処理工程により、例えば化学的架橋により水に対して安定化しなければならず、これがかなりの技術的費用を生じ、繊維の製造費用を増加する。
本発明の目的は、ポリマー溶液を製造するための非水性溶剤の使用を省き、エレクトロスピニングした繊維を水に対して安定化するための前記繊維の後処理を省くことができる、技術水準のこれらおよび他の欠点を回避する、エレクトロスピニング法による、水に安定なポリマー繊維、特にナノ繊維およびメソ繊維の製造方法を提供することである。
本発明の主な特徴は特許請求の範囲に記載の独立請求項の特徴部分に示される。従属請求項の対象は実施態様である。
本発明により、前記課題は、水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングする方法の提供により解決される。
意想外にも、本発明の範囲で、公知のエレクトロスピニング法に使用されるポリマー溶融物またはポリマー溶液の代わりに、水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングする場合に、高い耐水性を有する繊維が得られることが判明した。本発明の方法を使用して1μm未満の直径を有するナノ繊維およびメソ繊維を製造できることは当業者には特に意想外なことであり、これは従来公知の方法を使用してポリマー溶液の使用によってのみ達成できたことである。水不溶性ポリマーの溶液の使用にもとづく公知の方法に比較して有利なことに、本発明の方法において、非水性の、有毒な、可燃性の、刺激的な、爆発性のおよび/または腐食性の溶剤を省ける。更に本発明の方法において、水溶性ポリマーの水溶液の使用にもとづく公知の方法と異なり、繊維の水安定化のための引き続く処理工程を省くことができる。
本発明により、ポリマー繊維の製造方法において、水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングし、その際主に水不溶性ポリマーの語は本発明の意味で特に0.1質量%未満の水中の溶解度を有するポリマーである。
本発明の意味の分散液は教科書に一致して互いに混合できない少なくとも2種の相の混合物の意味であり、その際少なくとも2つの相の一方が液体である。第2のまたは他の相の凝結状態に依存して分散液はエーロゾル、エマルションおよび懸濁液に分かれ、その際第2のまたは他の相はエーロゾルの場合は気体であり、エマルションの場合は液体であり、懸濁液の場合は固体である。本発明により使用されるコロイドポリマー分散液は専門用語でラテックスと呼ばれる。
本発明のコロイドポリマー分散液は基本的にこの目的のために当業者に知られたすべての方法により製造することができ、その際特に乳化重合により製造されるラテックスのエレクトロスピニングにより特に良好な結果が得られる。
本発明の有利な実施態様により、本発明の方法に、ポリ(p−キシリレン)、ポリビニリデンハロゲニド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(エチレン/プロピレン)(EPDM)、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリウレタン、天然ポリマー、ポリカルボン酸、ポリスルホン酸、硫酸化された多糖類、ポリラクチド、ポリグリコシド、ポリアミド、ポリ−α−メチルスチレン、ポリメタクリレート、ポリアクリルニトリル、ポリアクリルアミド、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリシラン、ポリシロキサン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリオキサゾール、ポリスルフィド、ポリエステルアミド、ポリアリーレンビニレン、ポリエーテルケトン、ポリウレタン、ポリスルホン、オルモセレン、ポリアクリレート、シリコーン、完全芳香族コポリエステル、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメタクリルニトリル、ポリビニルアセテート、ネオプレン、ブナN、ポリブタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、変性セルロースおよび非変性セルロース、α−オレフィンのホモポリマーおよびコポリマーからなる群から選択される水不溶性ポリマーのコロイド水性分散液を使用する。前記のすべてのポリマーは本発明により使用されるラテックスにそれぞれ単独にまたは互いの任意の組合せで、それぞれ任意の混合比で使用できる。
主にアクリレート、スチレン、ビニルアセテート、ビニルエーテル、ブタジエン、イソプレン、メタクリレート、α−メチルスチレン、アクリルアミド、ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸エステル、ビニルエステル、ビニルアルコール、アクリルニトリル、ビニルスルホンおよび/またはビニルハロゲニドをベースとするホモポリマーまたはコポリマーを使用して特に良好な結果が得られる。
前記のすべてのポリマーは、水中の溶解度が0.1質量%未満である限りで、架橋されていないかまたは架橋されて使用することができる。
コロイドポリマー懸濁液を使用して特に良好な結果が得られ、少なくとも1種の、主に水不溶性ポリマーの平均粒子直径が1nm〜1μmである。ラテックス粒子の平均粒子直径は一般に0.03〜2.5μmであり、有利に0.05〜1.2μmである(W.Scholtan und H.Lange、Kolloid−Z.undPolymer250(1972)、782−796頁により、超遠心分離により測定)。
本発明により使用されるラテックスが2種以上のモノマーをベースとする場合は、ラテックス粒子は当業者に知られたすべての形式および方法で配置することができる。例として勾配構造、コア−シェル構造、サラミ構造、多核構造、多層構造およびラズベリーの形が挙げられるが、この構造は副次的な意義しかない。
ラテックスの語は2種以上のラテックスの混合物である。混合物の製造はこれに関して知られたすべての方法により、例えば紡糸の前のすべての時点で2種のラテックスの混合により行うことができる。
本発明の他の有利な実施態様により、コロイド分散液は少なくとも1種の水不溶性ポリマーのほかに更に少なくとも1種の水溶性ポリマーを含有し、その際水溶性ポリマーは本発明の意味で少なくとも0.1質量%の水中の溶解度を有するポリマーであると理解される。
水溶性ポリマーは、ホモポリマー、コポリマー、ブロックポリマー、グラフトコポリマー、星形ポリマー、高分枝ポリマー、デンドリマー、または前記ポリマータイプの2種以上からなる混合物であってもよい。本発明の認識により、少なくとも1種の水溶性ポリマーの添加は繊維形成のみを促進しない。むしろ得られた繊維の特性を明らかに改良する。こうして製造した繊維を水と接触した場合に、水溶性ポリマーが繊維を分解することなく消失する。
水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液に、基本的に当業者に知られたすべての水溶性ポリマーを添加することができ、その際特にポリエチレンオキシド、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、マレイン酸、アルギネート、コラーゲン、ポリビニルアルコール、ポリ−N−ビニルピロリドン、これらの組合せ物、これらのコポリマー、これらのグラフトコポリマー、これらの星形ポリマー、これらの高分枝ポリマー、およびこれらのデンドリマーからなる群から選択される水溶性ポリマーを使用して特に良好な結果が達成される。
本発明の他の実施態様による少なくとも1種の水溶性ポリマーを更に含有する水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液の製造は当業者に知られたすべての方法で、例えば乳化重合により行うことができる。
実施態様に関係なく、本発明により使用されるコロイド分散液の固形分は分散液に対して有利に5〜80質量%、特に10〜70質量%、特に有利に10〜65質量%である。
本発明の他の実施態様において、水性媒体中の少なくとも1種の水不溶性ポリマーおよび少なくとも1種の水溶性ポリマーからなる本発明の方法に使用されるコロイド分散液は分散液の固形分に対して0〜120質量%、特に10〜80質量%、特に有利に17〜70質量%の少なくとも1種の水溶性ポリマーを含有する。
本発明により使用されるコロイド分散液は当業者に知られたすべての方法で、例えばカニューレ出口に対して間隔をおいて配置された対抗電極上の電圧源の一方の極に接続されたカニューレによる、減圧下のラテックスの押出によりエレクトロスピニングすることができる。有利にカニューレとコレクターとして機能する対抗電極の間隔および電極間の電圧は電極の間に有利に0.5〜2kV/cm、特に0.75〜1.5kV/cm、特に有利に0.8〜1kV/cmの電場が形成されるように調節する。
カニューレの内径が50〜500μmである場合に、特に良好な結果が得られる。
製造される繊維の使用目的に応じて繊維を事後に互いに化学的に結合するか、または例えば化学的媒介物により互いに架橋することが有利である。これにより例えば繊維から形成される繊維の位置の安定性を、特に耐水性および温度安定性に関して更に改良することができる。
本発明の他の対象は本発明の方法を使用して得られる繊維、特にナノ繊維およびメソ繊維である。
本発明の繊維の直径は有利に10nm〜50μm、特に50nm〜2μm、特に有利に100nm〜1μmである。繊維の長さは使用目的に依存し、一般に50μm〜数kmである。
本発明の方法を使用して、緻密な繊維だけでなく、特に中空繊維、特に1μm未満、特に有利に100nm未満の内径を有する中空繊維を製造することができる。この中空繊維を製造するために、本発明による前記方法を使用して製造した繊維を、例えば無機化合物、ポリマーおよび金属からなる群から選択される物質で被覆し、引き続き内部に存在する水不溶性ポリマーを例えば熱により、化学的に、生物的に、放射線誘導により、光化学的に、プラズマ、超音波または溶剤での抽出により分解することができる。被覆に適した材料および繊維内部材料の分解に適した方法は、例えばドイツ特許(DE−A1)第10133393号に記載され、この明細書は参考として本発明に導入され、開示内容の一部とみなされる。
本発明は更に水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液に関し、前記分散液は更に少なくとも0.1質量%の水中の溶解度を有する水溶性ポリマー少なくとも10質量%を含有する。
本発明の他の目的、特徴、利点および使用可能性は以下の実施例の説明および図面から得られる。その際発明の説明および/または図面に示されたすべての特徴はそれ自体または任意の組合せで、請求の範囲またはその引用での統合に関係なく、本発明の対象を形成する。
図1は本発明によるエレクトロスピニング法を実施するために適した装置の図であり、
図2は2つの異なるポリマーから形成され、本発明によるラテックスに使用できる種々の粒子の構造であり、
図3は例1で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真であり、
図4は例2で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真であり、
図5は例3で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真であり、
図6は(A)の前および水処理(B,C)後の例4で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真である。
図1に示される、本発明による方法を実施するために適した、エレクトロスピニングのための装置は、コロイド分散液を取り入れるために、装置の尖端に、電圧源1の一方の極に接続された毛管ノズル2を備えた尖端3を有する。毛管ノズル2の出口に対して、約20cmの間隔をおいて、電圧源1の他方の極に接続された正方形の対抗電極5が配置され、対抗電極は形成される繊維のコレクターとして機能する。
装置の運転中に、電極2、5に、18kV〜35kVの電圧を設定し、コロイド分散液4を減圧下で尖端3の毛管ノズル2により塗布する。コロイド分散液中の主に水不溶性ポリマーの0.9〜2kV/cmの強い電場により行われる静電的充電により、対抗電極5に向けられた物質流が形成され、前記物質流は対向電極5への通路上に繊維を形成しながら6硬化し、その結果として、対抗電極5の上にμmおよびnmの範囲の直径を有する繊維7が堆積する。
前記装置を使用して本発明により水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングする。分散液に使用されるポリマー粒子が2種以上の水不溶性ポリマーからなる場合は、ポリマーは粒子内部に、当業者に知られたすべての方法により、例えば図2に示された勾配構造(図2A)、コア−シェル構造(図2B)、サラミ構造(図2C)、多核構造(図2D)、多層構造(図2E)またはラズベリー形状(図2F)の形で配置することができる。
分散液内部の固形分の測定を、重量分析により、Mettler Toledo HR73、ハロゲン水分分析器(Halogen Moisture Analiser)を使用して、試料約1mlを2分以内で200℃に加熱し、試料を質量が一定になるまで乾燥し、引き続き計量することにより行う。
平均粒度は超遠心分離分析により測定した質量平均値d50である(W.Scholtan und H.Lange、Kolloid−Z. und Polymer250(1972)、782−796頁による)。
繊維の大きさ、すなわち繊維の直径および長さは電子顕微鏡写真の評価により決定する。
以下の実施例に使用されるラテックスは、純粋分散液の全質量に対して約40質量%の固形分を有する部分架橋したポリ(n−ブチルアクリレート)からなる。乳化剤として、C15アルキルスルホネートを使用する。平均粒度は約90nmである。
水溶性ポリマーとしてポリエチレンオキシド(PEO)を使用する。その分子量は900000g/モルである。
例1
(ポリアクリレートおよびPEO11質量%を有するエレクトロスピニングした繊維)
水1ml中にポリ(n−ブチルアクリレート)0.41gを溶解することにより、本発明の他の実施例による水溶性ポリマーを更に含有する水性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーの本発明によるコロイド分散液を製造した。分散液、すなわちポリ(n−ブチルアクリレート)ラテックスの固形分はそれゆえ約40質量%である。この混合物にポリエチレンオキシド(PEO)0.045gを添加した。
こうして製造した水性分散液を、図1に示される装置中でエレクトロスピニングした。その際分散液を20℃の温度で、弱い圧力下に、尖端3により、内径0.3mmを有する、尖端上に設けられた毛管ノズル2を使用して、試料の送り0.525ml/hで搬送し、その際電極2,5の間隔は約20cmであり、電極2,5の間に電圧18kVを印加した。
こうして得られた繊維の走査電子顕微鏡写真は図3に示される。
例2
(ポリアクリレートおよびPEO20質量%を有するエレクトロスピニングした繊維)
この例においてはポリ(n−ブチルアクリレート)ラテックス(水1mlに溶解したポリ(n−ブチルアクリレート)0.41g)にポリエチレンオキシド0.084gを添加した。このコロイド水性分散液を例1に記載される条件下にエレクトロスピニングした。
こうして得られた繊維の走査電子顕微鏡写真は図4に示される。
例3
(ポリアクリレートおよびPEO70質量%を有するエレクトロスピニングした繊維)
水1mlにポリ(n−ブチルアクリレート)0.34gを溶解することにより、少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーおよび主に水溶性ポリマーを有する他の本発明によるコロイド分散液を製造した。ポリ(n−ブチルアクリレート)ラテックスの固形分はそれゆえ約35質量%である。この混合物にポリエチレンオキシド(PEO)0.238gを添加した。
このコロイド水性分散液を例1に記載された条件下にエレクトロスピニングした。こうして得られた繊維の走査電子顕微鏡写真は図5に示される。
例4
(ポリアクリレートおよびPEO50質量%を有するエレクトロスピニングした繊維)
例1と同様にして、水溶性ポリマーとして、固形分に対してポリエチレンオキシド50質量%を有する、水中の40質量%の固形分を有するポリ(n−ブチルアクリレート)ラテックスのコロイド分散液を製造し、エレクトロスピニングした。引き続きこうして得られた繊維を水中、20℃でインキュベートした。
水処理前、水処理の1分後、30分後の得られた繊維の走査電子顕微鏡写真が図6に示される。写真から理解できるように、エレクトロスピニングした繊維は水中でインキュベートする際に溶解しない。
本発明は前記実施例に限定されず、多くの方法に使用できる。しかし本発明が、水性媒体中の場合により他の少なくとも1種の水溶性ポリマーを含有する少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングすることにより、エレクトロスピニングによるポリマー繊維、特にナノ繊維およびメソ繊維の製造方法に関することは認識される。本発明は更にこの方法を使用して得られる繊維に関する。
請求の範囲、発明の説明および図面から全体的に理解できる特徴および利点は、構造の詳細、空間的配置および処理工程を含めて、それ自体としてまたは種々の組み合わせで本発明にとって重要である。
本発明によるエレクトロスピニング法を実施するために適した装置の図である。 2つの異なるポリマーから形成され、本発明によるラテックスに使用できる種々の粒子の構造である。 例1で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真である。 例2で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真である。 例3で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真である。 (A)の前および水処理(B,C)後の例4で得られる繊維の走査電子顕微鏡写真である。
符号の説明
1 電圧源
2 毛管ノズル
3 尖端
4 コロイド分散液
5 対抗電極
6 繊維形成
7 繊維マット

Claims (13)

  1. 性媒体中の少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーのコロイド分散液をエレクトロスピニングするエレクトロスピニング法によるポリマー繊維の製造方法であって、前記コロイド分散液は、さらに、少なくとも0.1質量%の水中の溶解度を有する水溶性ポリマーを含有することを特徴とする、エレクトロスピニング法によるポリマー繊維の製造方法
  2. 少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーが0.1質量%未満の水中の溶解度を有する請求項1記載の方法。
  3. 少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーが、ポリ(p−キシリレン)、ポリビニリデンハロゲニド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(エチレン/プロピレン)(EPDM)、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリウレタン、天然ポリマー、ポリカルボン酸、ポリスルホン酸、硫酸化された多糖類、ポリラクチド、ポリグリコシド、ポリアミド、ポリ(アルキル)スチレン、ポリアクリルニトリル、ポリアクリルアミド、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリシラン、ポリシロキサン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリオキサゾール、ポリスルフィド、ポリエステルアミド、ポリアリーレンビニレン、ポリエーテルケトン、ポリウレタン、ポリスルホン、オルモセレン、シリコーン、完全芳香族コポリエステル、ポリ(アルキル)アクリレート、ポリ(アルキル)メタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメタクリルニトリル、ポリビニルアセテート、ポリイソプレン、ネオプレン、ブナN、ポリブタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、変性セルロースおよび非変性セルロース、α−オレフィンのホモポリマーおよびコポリマー、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項1または2記載の方法。
  4. 少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーが、主にアクリレート、スチレン、ビニルアセテート、ビニルエーテル、ブタジエン、イソプレン、メタクリレート、α−メチルスチレン、アクリルアミド、ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸エステル、ビニルエステル、ビニルアルコール、アクリルニトリル、ビニルスルホンおよび/またはビニルハロゲニドをベースとするホモポリマーまたはコポリマーである請求項3記載の方法。
  5. 少なくとも1種の主に水不溶性ポリマーの平均粒子直径が1nm〜1μmである請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 水溶性ポリマーがホモポリマー、コポリマー、グラフトコポリマー、星形ポリマー、高分枝ポリマーおよびデンドリマーからなる群から選択される請求項記載の方法。
  7. 水溶性ポリマーがポリエチレンオキシド、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、マレイン酸、アルギネート、コラーゲン、ポリビニルアルコール、ポリ−N−ビニルピロリドン、これらの組合せ物、これらのコポリマー、これらのグラフトコポリマー、これらの星形ポリマー、これらの高分枝ポリマー、およびこれらのデンドリマーからなる群から選択される請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. コロイド分散液の固形分が分散液に対して5〜80質量%である請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  9. コロイド分散液が分散液の固形分に対して120質量%までの水溶性ポリマーを含有する請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. エレクトロスピニング法により得られる繊維を互いに化学的に結合するかまたは架橋する請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  11. 請求項1からまでのいずれか1項記載の方法により得られた繊維。
  12. 繊維が10nm〜50μmの直径を有する請求項11記載の繊維。
  13. 繊維が少なくとも50μmの長さを有する請求項11または12記載の繊維。
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