JP4877140B2 - ナノファイバーの製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電荷誘導紡糸法によるナノファイバーの製造方法及び装置に関するものである。

従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法）が知られている。従来の電荷誘導紡糸法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給するように構成されており、針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電されることで、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次等と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。

こうして製造されたナノファイバーを電気的に接地された基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブを製造することができる。こうして製造された高多孔性ウェブはフィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用することができるとともに、このナノファイバーから成る高多孔性ウェブを適用することによってそれぞれの性能を飛躍的に向上させることが期待できる。

ところが、従来の電荷誘導紡糸法では、１本のノズルの先から１本〜数本程度のナノファイバーしか製造されないので、ナノファイバー製造の生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に生成する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載された高分子ウェブ製造装置の構成を、図９を参照して説明すると、複数のノズル４１を有する紡糸部４２にバレル４３内の液状高分子物質をポンプ４４にて送給し、高電圧発生部４５からノズル４１に５〜５０ｋＶの高電圧を印加し、接地又はノズル４１と異なる極性に帯電させたコレクタ４６上にノズル４１から排出されたファイバーを堆積させてウェブを形成するとともに、形成されたウェブをコレクタ４６にて移送して高分子ウェブを製造するように構成されている。また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設してノズル４１間の電気的干渉を最小化させるとともに、コレクタ４６との間に高電圧を印加し、帯電したファイバーをコレクタ４６に向けて付勢する電界を付与することも記載されている。

さらに図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、紡糸部４２に、単一のノズルを複数設けるのではなく、複数本のノズル４１からなるマルチノズル４１Ａを複数設けて構成し、各マルチノズル４１Ａからそれぞれ複数本のナノファイバーを生成させるようにすることも開示されている。

また、ノズルと接地側との間で第１の電界を形成して高分子溶液を電荷誘導紡糸するときに、上記電荷分配板４７とは異なる各種手段にて第２の電界を形成し、この第２の電界で第１の電界を制御することでノズル間の電界干渉を防止することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２０１５５９号公報 米国特許第６７１３０１１号明細書

ところが、図９や図１０に示された構成で、一層生産性よくナノファイバーを製造するため、紡糸部４２におけるノズル４１及び各マルチノズル４１Ａにおけるノズル４１の配置間隔を小さくし、単位面積当たりのノズル本数を多くしようとすると、図１１に示すように、各ノズル４１から流出した高分子物質が同極の電荷を帯電しているため、矢印Ｆで示すように互いに反発し合い、中央部のノズル４１からの流出が阻害されるとともに、周辺部のノズル４１からの流出方向が外側に向き、コレクタ４６上でのナノファイバーの堆積分布が中央部で極端に少なく、周辺部に集中してしまい、均一な高分子ウェブを製造することができないという問題がある。

また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設した場合、図１２に示すように、ノズル４１間の電気的干渉を低減させるとともに、電荷分配板４７からコレクタ４６に向かう電界Ｅが形成されることで、各ノズル４１から流出した高分子物質をコレクタ４６に向けて加速させる作用が得られることで、図１１の場合に比して、中央部と周辺部とのナノファイバーの堆積分布の均一化をある程度図ることができる一方で、ノズル４１の配置パターンがそのまま堆積分布に投影されるようになり、堆積分布の均一化に十分な効果を発揮するものではないという問題がある。

また、ノズル４１の配置密度を高くした場合、溶媒が十分に蒸発しない状態でファイバー同士が接触して互いに溶着してしまう恐れがあり、またノズル近傍の空間で蒸発した溶媒濃度が高くなって絶縁性が低下し、コロナ放電が発生してファイバーが形成されない恐れがあるという問題がある。

また、多数のノズル４１を配設した場合に、各ノズル４１に対して均等に液状高分子物質を供給するのが困難であり、そのため装置構成が複雑になって設備コストが高くなるという問題がある。また、ノズル４１から流出した液状高分子物質に静電爆発を起させるためには電荷を集中させる必要があり、そのため各ノズル４１は細くて長い形状に形成されているが、多数の細くて長いノズル４１を常に適正な状態に維持するためのメンテナンスも極めて困難であるという問題がある。

また、特許文献２に記載された構成のように、ノズル間の電界干渉を第２の電界で防止するようにした場合にも、実際上その効果を十分に発揮させて堆積分布の均一化を図るのは困難であり、さらにその他の上記問題を解消することもできない。

そこで、本出願人は先に、図１３に示すように、周面に複数の小穴５２を有する導電性の回転容器５１の一側面に同一軸芯状に回転筒体５３を固定してその回転筒体５３を回転駆動可能に支持し、高分子溶液供給手段５４にて回転筒体５３内に挿通した溶液供給管５５を通して回転容器５１内に高分子溶液５０を供給し、回転筒体５３を回転駆動して回転容器５１を回転させるとともに第１の高電圧発生手段５６にて回転容器５１に電荷を帯電させ、小穴５２から流出した線状の高分子溶液を遠心力と溶媒の蒸発に伴う静電爆発にて延伸させて高分子物質から成るナノファイバーを生成し、かつ回転容器５１の軸心方向一側部に配設した反射電極５７に第２の高電圧発生手段５８にて回転容器５１と同極の電圧を印加して生成されるナノファイバーを回転容器５１の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させ、さらに回転容器５１に対してその軸心方向他側方に間隔をあけて配置した導電性のコレクタ５９に第３の高電圧発生手段６０にて回転容器５１の電荷に対して電位差を有する電圧を印加して、コレクタ５９上にナノファイバーを堆積させるように構成したものを提案している（特願２００６−３１７００３号参照）。

ところが、図１３の構成では、回転容器５１の周面の小穴５２に対してコレクタ５９が対向配置されていず、回転容器５１の軸芯方向側方にコレクタ５９が配置されているので、各小穴５２とコレクタ５９間で電界の強さにばらつきを生じ、各小穴５２間で均等に電荷を発生することができないという問題があり、かつ回転容器５１とコレクタ５９間に静電爆発を繰り返す空間を確保するためにそれらの間に十分な距離をあけて配置されているので、回転容器５１の小穴５２とコレクタ５９間に所要の強さの電界を確保するのが困難であるという問題があった。すなわち、十分に高い電界を確保しようとすると、距離の２乗に比例した高電圧を印加する必要があり、回転容器５１とコレクタ５間に極端に高い電圧を印加する必要があるが、その場合に装置の絶縁構成が大掛かりで複雑になってしまうという問題があった。また、ナノファイバーの生成出力を上げると、回転容器５１とコレクタ５９間に電荷を有した多量のナノファイバーが浮遊した状態となり、回転容器５１とコレクタ５９間の電界誘導を阻害し、小穴５２に電荷が集中せず、流出する線状の高分子溶液に十分に電荷を帯電できず、ナノファイバーが生成されずに液滴になってしまう恐れがあるという問題があった。これらの問題のために、遠心力と静電爆発を利用するナノファイバーの製造方法において、簡易な構成にてナノファイバーを一層効率的に製造するのに限界があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡易な構成にてナノファイバーを一層効率的に製造することができるナノファイバーの製造方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバーの製造装置は、回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有しかつ少なくとも小穴近傍が導電性を有する回転容器と、回転容器内に原料溶液を供給する原料溶液供給手段と、回転容器の回転軸芯方向一側に配置されて回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器の周囲を取り囲むように配設された環状電極と、回転容器と環状電極の間に高電圧を印加して電界を発生させる高電圧発生手段と、回転容器と環状電極の間の紡糸空間で生成されたファイバーを紡糸空間から回転駆動手段配設方向とは逆方向に排出する排出手段とを備えたものである。

なお、小穴は回転容器の周壁に直接穴を開けたものに限らず、回転容器の周壁に装着したノズル部材にて構成しても良いことは言うまでもない。また、原料溶液としては、各種の合成樹脂材料や核酸や蛋白質などの生体高分子などの高分子材料（本発明では、分子量が１００００以上の一般的な高分子材料に限らず、分子量が１０００〜１００００の準高分子材料も含める）からなるファイバー構成材料を溶媒に溶解したものが好適に適用される。また、上記ファイバー構成材料は単体物に限らず、各種材料の混合物であっても良い。さらに、粒径がナノオーダーの微粉末を混合させた混合物であっても良く、その場合製造されるナノファイバー中に微粉末を含むことになる。また、環状電極は、導電性部材からなる円筒体や網状リング体や線状リング体等にて構成することができる。

この構成によれば、回転容器の回転で発生する遠心力と、回転容器とその周囲にほぼ等距離で正対して配置されている環状電極との間の紡糸空間に発生している均等かつ強い電界の作用によって、原料溶液が複数の小穴から流出し、電荷を均等にかつ強く帯電されたファイバーが紡糸される。その際、回転容器と環状電極間に静電爆発を繰り返すのに必要な大きな距離を設定する必要がないので、それらの間に極端に高い高電圧を印加しなくても必要な強さの電界を発生させることができる。紡糸されたファイバーは、排出手段にて紡糸空間から排出され、引き続いてファイバー中の溶媒が蒸発することで帯電された電荷が集中し、そのクーロン力が表面張力を超えた時点で一次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、場合 によってはさらに三次静電爆発等を生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有するナノファイバーが多量に効率的に生成される。この静電爆発を繰り返すのに必要な大きさの空間は、紡糸空間の側方に容易にかつ上記紡糸作用に影響を与えることなく形成することができる。かくして、簡単かつコンパクトな構成にて多量のナノファイバーを効率的に製造することができる。また、原料溶液を遠心力で小穴から放射状に流出させるので、電界干渉の影響を受け難く、そのため小穴を高密度に配設することができてコンパクトな構成にて多量のナノファイバーを製造することができる。また、小穴を極端に小さくする必要がなく、かつ電荷を集中させるために長く形成する必要もないので、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができる。

また、排出手段を、回転駆動手段側から紡糸空間に向けて流動する気体流を発生する気流発生手段にて構成すると、紡糸されたファイバーを気体流に乗せて排出することで、容易かつ確実に排出することができるとともに、蒸発した溶媒ガスも気体流で確実に排出されるので、ナノファイバーを効率的に生成することができる。

また、排出手段を、回転容器の回転駆動手段側の側部に配設され、ファイバーの帯電極性と同極性の電圧が印加された反射電極にて構成しても、紡糸されたファイバーを効果的に排出することができる。また、上記気体流発生手段と組み合わせると、より効果的である。

また、気流発生手段に接続され気体流の流通路を構成する筒体内に回転駆動手段を配設した構成とすると、気流発生手段で発生させた気体流を筒体と回転駆動手段の間の筒状の送風空間を通して効果的に紡糸空間に送風することができ、紡糸されたファイバーをより効率的に排出することができる。

また、回転容器及び環状電極の回転駆動手段とは反対側に間隔をあけて、接地またはファイバーの帯電極性とは逆極性の電圧を印加されたナノファイバーの収集手段を配設すると、生成されたナノファイバーを確実に収集することができる。

また、環状電極の収集手段側の端縁に、電気力線制御用の電極棒を間隔をあけて配設すると、電極棒の先端に電荷が集中し、それに伴って収集手段の電極棒に対向した部分に逆極性の電荷が発生することで、環状電極と収集手段の間の電気力線が均一に安定して発生し、生成されたナノファイバーを安定して収集手段上に堆積収集することができる。

また、ナノファイバーを堆積させる堆積シートを、収集手段上に沿って移動させる堆積シート移動手段を設けると、所要量のナノファイバーが堆積した堆積シートを連続的に製造することができる。

また、本発明のナノファイバーの製造方法は、複数の小穴を有する導電性の回転容器内に原料溶液を供給し、回転容器の周囲を取り囲むように配設した環状電極と回転容器の少なくとも小穴近傍との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させた状態で回転容器を回転させ、遠心力と電界の作用で原料溶液を小穴から流出させて帯電したファイバーを紡糸し、さらに回転容器と環状電極間の紡糸空間からファイバーを排出しつつ溶媒の蒸発に伴う静電爆発にてファイバーを延伸させてナノファイバーを生成するものである。

この構成によれば、上記のようにサブミクロンの直径を有するナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて多量のナノファイバーを効率的に製造することができる。

また、気体流にて紡糸空間からファイバーを排出すると、紡糸空間から帯電したファイバーが円滑に効果的に排出されるので、帯電したファイバーにて紡糸作用が阻害される恐 れがなく、紡糸空間でのファイバーの紡糸作用を安定して得ることができる。

また、紡糸空間の一側方に配置された反射電極にファイバーの帯電極性と同極性の電圧を印加して紡糸空間からファイバーを排出しても、紡糸されたファイバーを効果的に排出することができる。また、上記気体流と組み合わせて排出すると、より効果的である。

本発明のナノファイバーの製造方法及び装置によれば、回転容器の回転で発生する遠心力と回転容器と環状電極の間の紡糸空間の均等かつ強い電界の作用によって、原料溶液が複数の小穴から流出してファイバーが紡糸されるとともにそのファイバーに電荷が強く帯電され、その後排出手段にて紡糸空間からファイバーが排出されつつ、ファイバー中の溶媒が蒸発することで帯電された電荷が集中し、そのクーロン力が表面張力を超えた時点で一次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等を生じて延伸されることで、簡易な構成にてサブミクロンの直径を有するナノファイバーを多量に効率的に製造することができる。

以下、本発明のナノファイバーの製造方法と装置の各実施形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバーの製造装置の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１において、１は直径が２０〜５００ｍｍの円筒容器から成る回転容器であり、図２に示すように、周壁に直径が０．０２〜２ｍｍ程度の小穴２が数ｍｍピッチ間隔で多数配設されている。本実施形態では、小穴２を回転容器１の周壁に一体的に設けた短寸のノズル部材２ａのノズル穴にて構成したが、周壁に形成した開口穴にて構成しても良い。回転容器１の一端は閉鎖され、その閉鎖壁３の軸芯部内面に結合ボス部４が突設されている。回転容器１の他端内周には環状堰５が設けられ、その内側に開口６が形成されている。

回転容器１の他端の開口６から回転容器１の軸芯位置を貫通して一端の閉鎖壁３に向けて回転軸７が挿入され、その先端部が結合ボス部４に結合されている。回転軸７は、図１に示す回転駆動部８にて回転駆動される。回転駆動部８には、回転軸７を回転自在に支持する軸受部（図示せず）と駆動用のモータ（図示せず）が内蔵されている。また、開口６を通して回転容器１内に原料溶液供給手段としての溶液供給管９の先端部が挿入されている。ナノファイバー構成材料を溶媒に溶解した原料溶液１０を収容した収容容器（図示せず）から供給ポンプ（図示せず）にて溶液供給管９に原料溶液１０を送給し、回転容器１内に原料溶液１０を所定流量で送給するように構成されている。円筒容器１の回転速度は数１００ｒｐｍから１００００ｒｐｍを越える速度まで対応することができ、小穴２の径や原料溶液１０の粘度等により、その回転速度は調整可能である。

回転容器１内に原料溶液１０を供給しつつ回転容器１を回転させることで、遠心力で小穴２から原料溶液１０が流出するとともに、環状堰５から過剰に供給された原料溶液１０が外部に流出し、回転容器１の内周全周に均一な厚さの原料溶液１０の層が形成される。なお、環状堰５を通して外部に流出した原料溶液１０は回収手段（図示せず）にて回収されて収容容器（図示せず）等に回収されて再使用される。

原料溶液１０のナノファイバー構成材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポ リスチレン、ポリエチレンオキサイド、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、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、さらには核酸や蛋白質などの生体高分子なども例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

また、使用できる溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

また、原料溶液１０には無機質固体材料を混入することも可能である。その無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

高分子材料と溶媒との混合比率は、高分子材料と溶媒の種類により異なるが、高分子材料の量が、約５〜４０％、より好適には５〜２０％の間が好ましい。

回転駆動部８の外周には、筒状の送風空間１２をあけて合成樹脂製の円筒状の筒体１１が配設されている。また、回転駆動部８の外周壁も合成樹脂製で、回転容器１側に向けて外径が大きくなるコーン形状の筒体にて覆われている。筒体１１は、その一端が回転駆動部８の回転容器１側の端と略一致し、他端は回転駆動部８の端から所定距離だけ離れた位置まで延出され、その他端に気流発生手段としてのジェットファン１３が接続して配設されている。回転容器１の外周には、図３に示すように、紡糸空間１４をあけて回転容器１の周囲を取り囲むように環状電極１５が配設されている。回転容器１及び環状電極１５の回転駆動部８とは反対側に所要の距離をあけて、生成されたナノファイバー２０を収集する収集手段としての収集ドラム１６が配設されている。さらに、環状電極１５の収集ドラム１６側の端縁に、電気力線制御用の先端の丸い電極棒１７が周方向に間隔をあけて配設さ れている。電極棒１７の先端を丸くしているのは、極端な電荷の集中により電気風が発生することを防ぐためである。

ここで、回転容器１を接地電位とし、環状電極１５に高電圧発生手段１８にて発生させた正又は負（図示例では負）の１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧を印加することで、回転容器１と環状電極１５との間の紡糸空間１４に電界を発生するように構成されている。また、収集ドラム１６は、紡糸空間１５で帯電した状態のナノファイバー２０を収集するため接地電位としている。なお、回転容器１と環状電極１５の間の紡糸空間１４に電界を発生させればよいので、回転容器１に正又は負の高電圧を印加し、環状電極１５に回転容器１とは逆極性の高電圧を印加し又は接地した構成としても良い。また、収集ドラム１６についてもナノファイバー２０の帯電極性とは逆極性の高電圧を印加しても良く、そうすることで収集効率を向上することができる。また、環状電極１５に電極棒１７を設けると、電極棒１７の先端に電荷が集中し、それに伴って収集ドラム１６の電極棒１７に対向した部分に逆極性の電荷が発生することで、環状電極１５と収集ドラム１６の間に図４に示すように電気力線１９が発生し、これによって、収集ドラム１６や回転容器１を接地電位とし、環状電極１５にのみ高電圧を印加するようにした簡単で安全な構成にて、電荷を帯電したナノファイバー２０を収集ドラム１６に誘導する作用がより強く安定して得られる。

以上の構成において、回転容器１内に原料溶液１０を供給しつつ回転駆動部８にて回転駆動し、環状電極１５に高電圧発生手段１８にて高電圧を印加すると、回転容器１の回転によって発生する遠心力と回転容器１と環状電極１５の間の紡糸空間１４に発生した強くかつ均一な電界の作用によって、回転容器１内の原料溶液１０が複数の小穴２から環状電極１５に向けて放射状に流出し、紡糸空間１４において電荷を強く帯電されたファイバーが多量に効率的に紡糸される。このファイバーが、排出手段としてのジェットファン１３にて、筒状の送風空間１２を通して紡糸空間１４に向けて送風された気体流によって紡糸空間１４から収集手段としての収集ドラム１６に向けて排出され、その間にファイバー中の溶媒が蒸発することで帯電された電荷が集中し、そのクーロン力が表面張力を超えた時点で一次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等を生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有するナノファイバー２０が多量に効率的に生成される。こうして生成されたナノファイバー２０は、接地またはファイバーの帯電極性とは逆極性の電圧を印加された収集ドラム１６上に収集される。

ここで、回転容器１内の内周には、略一定厚の原料溶液１０の層が形成され、それ以上の過剰な原料溶液１０は環状堰５から外部に流出して回収されて再使用される。このように回転容器１内の原料溶液１０の量が常にほぼ一定に制御されるので、回転容器１内の原料溶液１０に一定の遠心力が作用し、回転容器１の小穴２から流出する原料溶液１１に作用する遠心力が一定し、原料溶液１０を均一に線状に流出させて均一なファイバーを紡糸することができる。また、ジェットファン１３で発生させた気体流を筒状の送風空間１２を通して効果的に紡糸空間１４に送風することができるので、その気体流にて紡糸されて帯電したファイバーが紡糸空間１４から速やかに排出されることで、帯電したファイバーにて紡糸作用が阻害される恐れがなく、紡糸空間１４でのファイバーの紡糸作用を安定して得ることができ、さらに蒸発した溶媒ガスも気体流で確実に排出されるのでナノファイバーを効率的に生成することができ、その結果均一なナノファイバー２０を効率的に製造することができる。

なお、気体流として温風を適用すると、上記作用がより効果的に発揮されるので好ましい。また、紡糸されたファイバーが環状電極１５に付着するのを防止するために、環状電極１５の外周側から内周側に向けて収集ドラム１６側に傾斜した気体流を流出させるよう に構成するのが好ましい。

また、回転容器１内の原料溶液１０を、円筒容器１の回転による遠心力と強い電界の作用によって小穴２から流出させるので、回転容器１の小穴２の直径を０．０２〜２ｍｍ程度とすることができ、かつ最初から静電爆発を発生させる場合とは異なって小穴２を細長いノズルに形成する必要がなく、小穴２を高密度に配設しても確実にファイバーを紡糸して、多量のナノファイバー２０を簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができる。また、回転容器１の全周から均一に多量のナノファイバー２０を一度に製造することができ、高い生産性を確保することができるとともに、形状・構成が簡単であるため設備コストの低廉化を図ることができる。また、小穴２は長く形成する必要がないので、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴２を設けていてもメンテナンスも簡単である。

また、環状電極１５の収集ドラム１６側の端縁に、電気力線制御用の電極棒１７を間隔をあけて配設しているので、環状電極１５と収集ドラム１６間に発生する電気力線が均一に安定して形成され、その電気力線によってナノファイバー２０の帯電電荷が誘導されることで、生成されたナノファイバー２０を安定して収集ドラム１６上に堆積収集することができる。

なお、図１に実線で示した例では、ナノファイバー２０を収集ドラム１６の外周面に堆積収集し、そうして製造された高分子ウェブを収集ドラム１６の回転方向下手位置で回収するように構成しているが、図１に仮想線で示すように、ナノファイバー２０を堆積させる堆積シート２１を収集ドラム１６の外周面上に配置し、収集ドラム１６の回転と同期して移動させ、堆積シート２１上にナノファイバー２０を堆積させて高分子ウェブを製造するようにしても良い。堆積シート２１は、シート供給手段２２から供給され、高分子ウェブを堆積された堆積シート２１をシート巻取手段２３にて巻き取って回収するように構成されている。

（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバーの製造装置の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

第１の実施形態では、収集手段が収集ドラム１６から成る例を示したが、本実施形態では、図５に示すように、接地電位に接続された平板状の収集体２４にて構成し、この収集体２４の回転容器１及び環状電極１５に対向する表面に沿って堆積シート２１を移動させるように構成している。本実施形態では、収集体２４の堆積シート２１移動方向両端にガイドローラ２５ａ、２５ｂを配設し、シート供給手段２２とシート巻取手段２３とガイドローラ２５ａ、２５ｂにて堆積シート２１の移動手段２６を構成している。なお、収集体２４表面と堆積シート２１の摺動抵抗を小さくするために、収集体２４に分散配置した微細穴から堆積シート２１の裏面に向けて気体を噴出させるようにしても良い。

（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバーの製造装置の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。

第１の実施形態では、紡糸されたファイバーを紡糸空間１４から排出する手段をジェットファン１３にて構成した例を示したが、本実施形態では、図６に示すように筒体１１と回転駆動部８の間の筒状の送風空間１２の、紡糸空間１４側の端部に、通風可能な網状の反射電極２７を配設し、この反射電極２７に対して、高電圧発生手段１８とは別の高電圧発生手段２８にて紡糸されたファイバーの帯電極性と同極性の高電圧を印加するように構 成されている。また、筒体１１の紡糸空間１４とは反対側に、回転羽根２９ａを有する送風ファン２９が配設され、この送風ファン２９にて生成した気体流を筒状の送風空間１２を通し、反射電極２７を通過して紡糸空間１４に送風し、この気体流と反射電極２７による電界作用の両者によって、紡糸されたファイバーを紡糸空間１４から回収ドラム１６や収集体２４に向けて排出するように構成されている。

本実施形態によれば、反射電極２７による電界作用と送風ファン２９による気体流の両者を併用するようにしているので、高出力の送風ファン２９を用いなくても紡糸されたファイバーを紡糸空間１４から確実に排出することができ、上述の作用効果をより確実に奏することができる。なお、場合によっては、送風ファン２９を無くして、反射電極２７による電界作用のみで紡糸されたファイバーを紡糸空間１４から排出するように構成しても良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明のナノファイバーの製造装置の第４の実施形態について、図７、図８を参照して説明する。

上記第１の実施形態では、回転容器１、回転駆動部８、筒体１１、ジェットファン１３、環状電極１５などから成る紡糸ユニット３０を、収集ドラム１６に対向して固定的に配設した例を示したが、その場合生成されたナノファイバー２０の収集ドラム１６上での堆積幅が限られ、幅広の収集ドラム１６上に幅広の高分子ウェブを生産性良く製造することができないという課題があった。そこで、本実施形態では、図７に示すように、紡糸ユニット３０を、矢印３１で示すように、実線で示す位置と仮想線で示す位置との間で収集ドラム１６の幅寸法に対応した範囲を往復移動可能に構成している。また、紡糸ユニット３０を往復移動可能に構成する代わりに、図８に示すように、紡糸ユニット３０を旋回軸芯３２回りに矢印３３で示すように首振り可能に構成しても、同様の作用を奏することができる。

なお、上記実施形態においては、環状電極１５を回転容器１の外周に対向してその周囲を取り囲むように配置したが、その配置位置は変更が可能であり、回転容器１に対して環状電極１５の配置を収集手段１６側にずらせても良い。また、環状電極１５の幅寸法については、回転容器１の軸芯方向の長さよりも短くても良く、最低限、棒状の電極が環状になっておれば、本発明の効果を奏することができる。

本発明のナノファイバーの製造方法及び装置によれば、回転容器の回転で発生する遠心力と回転容器と環状電極の間の紡糸空間の強い電界の作用によって原料溶液を複数の小穴から流出させてファイバーを紡糸しかつそのファイバーを排出手段にて紡糸空間から排出するとともに静電爆発にて爆発的に延伸させることで、ナノファイバーを多量に効率的に製造することができるので、フィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用される高品質のナノファイバーを高い生産性をもって製造するのに好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態のナノファイバーの製造装置の縦断正面図。 同実施形態における回転容器の縦断正面図。 同実施形態の要部構成の斜視図。 同実施形態における環状電極に設けた電極棒の作用説明図。 本発明の第２の実施形態のナノファイバーの製造装置の縦断正面図。 本発明の第３の実施形態のナノファイバーの製造装置における要部構成の縦 断正面図。 本発明の第４の実施形態のナノファイバーの製造装置の平面図。 同実施形態の他の構成例の平面図。 従来例の高分子ウェブの製造装置の概略構成図。 同従来例の他の構成例の要部構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は部分拡大下面図。 同従来例における問題点の説明図。 同従来例における更なる問題点の説明図。 本発明に先行するナノファイバーの製造装置の縦断正面図。

符号の説明

１ 回転容器
２ 小穴
８ 回転駆動部（回転駆動手段）
９ 溶液供給管（原料溶液供給手段）
１０ 原料溶液
１１ 筒体
１３ ジェットファン（気流発生手段、排出手段）
１４ 紡糸空間
１５ 環状電極
１６ 収集ドラム（収集手段）
１７ 電極棒
１８ 高電圧発生手段
１９ 電気力線
２０ ナノファイバー
２１ 堆積シート
２４ 収集体（収集手段）
２６ 移動手段
２７ 反射電極

Claims (10)

1. 回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有しかつ少なくとも小穴近傍が導電性を有する回転容器と、回転容器内に原料溶液を供給する原料溶液供給手段と、回転容器の回転軸芯方向一側に配置されて回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器の周囲を取り囲むように配設された環状電極と、回転容器と環状電極の間に高電圧を印加して電界を発生させる高電圧発生手段と、回転容器と環状電極の間の紡糸空間で生成されたファイバーを紡糸空間から回転駆動手段配設方向とは逆方向に排出する排出手段とを備えたことを特徴とするナノファイバーの製造装置。
2. 排出手段は、回転駆動手段側から紡糸空間に向けて流動する気体流を発生する気流発生手段にて構成したことを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの製造装置。
3. 排出手段は、回転容器の回転駆動手段側の側部に配設され、ファイバーの帯電極性と同極性の電圧が印加された反射電極にて構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のナノファイバーの製造装置。
4. 気流発生手段に接続され気体流の流通路を構成する筒体内に回転駆動手段を配設したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のナノファイバーの製造装置。
5. 回転容器及び環状電極の回転駆動手段とは反対側に間隔をあけて、接地またはファイバーの帯電極性とは逆極性の電圧を印加されたナノファイバーの収集手段を配設したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のナノファイバーの製造装置。
6. 環状電極の収集手段側の端縁に、電気力線制御用の電極棒を間隔をあけて配設したことを特徴とする請求項５記載のナノファイバーの製造装置。
7. ナノファイバーを堆積させる堆積シートを、収集手段上に沿って移動させる堆積シート移動手段を設けたことを特徴とする請求項５記載のナノファイバーの製造装置。
8. 複数の小穴を有する導電性の回転容器内に原料溶液を供給し、回転容器の周囲を取り囲むように配設した環状電極と回転容器の少なくとも小穴近傍との間に高電圧を印加してそれらの間に電界を発生させた状態で回転容器を回転させ、遠心力と電界の作用で原料溶液を小穴から流出させて帯電したファイバーを紡糸し、さらに回転容器と環状電極間の紡糸空間からファイバーを排出しつつ溶媒の蒸発に伴う静電爆発にてファイバーを延伸させてナノファイバーを生成することを特徴とするナノファイバーの製造方法。
9. 気体流にて紡糸空間からファイバーを排出することを特徴とする請求項８記載のナノファイバーの製造方法。
10. 紡糸空間の一側方に配置された反射電極にファイバーの帯電極性と同極性の電圧を印加して紡糸空間からファイバーを排出することを特徴とする請求項８記載のナノファイバーの製造方法。

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