JP4903595B2

JP4903595B2 - ナノファイバー製造方法およびナノファイバー製造装置

Info

Publication number: JP4903595B2
Application number: JP2007029860A
Authority: JP
Inventors: 和宜石川; 寛人住田; 崇裕黒川; 光弘高橋; 幹夫竹澤; 善章冨永
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP2008196061A

Description

本発明は、高分子物質からなるナノファイバーおよびこのナノファイバーを堆積した高多孔性の高分子ウェブの製造方法と装置に関するものである。

特許文献１には、コレクタに対して高電圧を印加したノズルから高分子溶液を前記コレクタに向けて吐出させ、静電爆発にて延伸させて、前記コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置が示されている。
特開２００２−２０１５５９号公報

この場合、高分子溶液を連続噴射して運転している場合には問題がないが、規定量だけ高分子溶液を噴射し、この噴射を一旦停止し、その後に再び規定量だけ高分子溶液を噴射する工程を繰り返す製造方法を実施しようとした場合には、吐出口での液切れが悪く、吐出口から高分子溶液が漏れてしまうと言う問題がある。

本発明は吐出口における高分子溶液の液切れが良好なナノファイバー製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のナノファイバー製造方法は、高電圧を印加した吐出口から高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを堆積させるに際し、高分子溶液を充填した吐出シリンダに対してピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダの先端側の前記吐出口から高分子溶液を吐出してナノファイバーを堆積させ、ナノファイバーの堆積を停止する場合には、前記吐出口から吐出される高分子溶液が垂れないように前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止し、前記吐出シリンダの高分子溶液が規定量を下回ったことを検出した場合には、前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させることにより、前記吐出シリンダの後端側に連接された貯留部の内部に前記ピストンを移動させて、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜き、前記貯留部に予め溜まっている高分子溶液を前記吐出シリンダに充填し、その後に前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダ内に戻すことを特徴とする。

本発明の請求項２記載のナノファイバー製造装置は、高電圧を印加した吐出口から高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、高分子溶液が充填され先端側に前記吐出口が形成された吐出シリンダと、前記吐出シリンダの内部で前記吐出口から高分子溶液を押し出す溶液押し出し方向と溶液押し出し方向とは反対方向に移動するピストンと、前記吐出シリンダの後端側に連接した高分子溶液の貯留部と、前記吐出口から高分子溶液を吐出してナノファイバーを堆積させる期間には前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させ、ナノファイバーの堆積を停止する場合には、前記吐出口から吐出される高分子溶液が垂れないように前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止し、前記吐出シリンダの高分子溶液が規定量を下回ったことを検出した場合には、前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させることにより、前記ピストンを前記貯留部の内部に移動させて、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜き、その後に前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダに戻すコントローラとを設け、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜くことで、前記貯留部内に予め溜まっている高分子溶液を前記吐出シリンダに充填することを特徴とする。

この構成によれば、ナノファイバーの堆積を停止する場合には、ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させるので、吐出口における高分子溶液の液切れが良好である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。
図１は本発明のナノファイバー製造方法を実施しているナノファイバー製造装置を示す。帯状の長尺物でナノファイバーの堆積を受けようとする被処理物１の巻装体２は、送り出し軸３にセットされており、この送り出し軸３から引き出された被処理物１は、コレクタ４の上を通過して巻き取り軸５に掛け渡されている。６は送り出し駆動用モータ、７は巻き取り駆動用モータであって、矢印Ｆ１方向が被処理物１の送り方向である。

コレクタ４は、第１ロール８と第２ロール９との間に無端状の導電性ベルト１０が架張されており、第２ロール９はモータ１１によって駆動されて、導電性ベルト１０を矢印Ｆ２方向に回転駆動することができる。

コレクタ４に対向して配置された噴射装置１２は、ロボット１３を介して移動自在に取り付けられている。噴射装置１２には、必要に応じてタンク１４からポンプ１５を介して高分子溶液を供給できる。噴射装置１２の吐出口には第１電源部１６から正の直流高電圧Ｖ１が印加されており、コレクタ４の導電性ベルト１０には、第２電源部１７から負の直流高電圧Ｖ２が印加されており、コレクタ４に対して噴射装置１２の吐出口には“Ｖ１＋Ｖ２＝２０ＫＶ〜２００ＫＶ”が印加されている。

図２にロボット１３の具体例を示す。
ロボット１３は、Ｘ軸送り装置１８とＹ軸送り装置１９およびＺ軸送り装置２０とで構成されている。Ｘ軸送り装置１８にＹ軸送り装置１９が電気的に絶縁して取り付けられており、Ｚ軸送り装置２０は電気的に絶縁してＹ軸送り装置１９に取り付けられている。噴射装置１２はＺ軸送り装置２０に取り付けられている。

被処理物１の上に形成しようとするナノファイバーの一つの堆積エリア２１の長さが図２の始端２２〜終端２３の間のＬ１、隣接する堆積エリア２１との間隔をＬ２とすると、被処理物１は距離“Ｌ１＋Ｌ２”だけ送られると、規定時間だけ搬送を停止し、前記規定時間後に搬送を再開する動作を繰り返している。

ロボット１３は、被処理物１が停止している期間に、噴射装置１２をジグザグ移動させて次のようにしてナノファイバーを堆積させる。
噴射装置１２の具体例を図３（ａ）に示す。

噴射装置１２は、電気絶縁性で筒状の吐出シリンダ２４の先端に吐出口２５を有する導電性の口金２６が取り付けられており、吐出シリンダ２４の後端には容量が吐出シリンダ２４よりも大きな貯留部２７が連接されている。貯留部２７には前記ポンプ１５を介してタンク１４から高分子溶液２８が供給される。吐出シリンダ２４の内側にはピストン２９が設けられており、このピストン２９は、パルスモータ３０の回転をネジ軸３１とこれに螺合するスライダ３２を介して直線移動に変換して昇降駆動されている。

図４は運転制御用のコントローラ３３を示している。図７（ａ）〜図７（ｆ）はそのタイミングを示している。
運転開始指示Ｓ１（図７（ａ））を検出したコントローラ３３は、送り出し駆動用モータ６と巻き取り駆動用モータ７ならびにモータ１１を運転して、被処理物１の“Ｌ１＋Ｌ２”だけの間欠送りを実施する。また、“Ｌ１＋Ｌ２”の間欠送りの終了を検出したコントローラ３３は、第１電源部１６と第２電源部１７に指示して図７（ｅ）（ｆ）に示すように口金２６への直流高電圧の印加を開始する。

“Ｌ１＋Ｌ２”だけの間欠送りして被処理物１が停止すると、図７（ｄ）に示すようにパルスモータ３０を回転させて噴射装置１２からの高分子溶液２８の吐出を開始するとともに、図７（ｃ）に示すようにＸ軸送り装置１８とＹ軸送り装置１９を運転して噴射装置１２をジグザグ運転する。パルスモータ３０の回転によって、ピストン２９が溶液押し出し方向としての下方に向かって移動し、吐出口２５から定流量の高分子溶液２８がコレクタ４上の被処理物１に向かって吐出される。吐出された高分子溶液２８は、電位差による静電爆発によって延伸し、被処理物１の上にナノファイバーが堆積する。吐出口２５からの定流量の高分子溶液２８の吐出は、一つの堆積エリア２１の全面にわたる前記ジグザグ運転が完了するまで継続される。

コントローラ３３は、パルスモータ３０によるピストン２９の下方に向かう移動を中止する際には、次の吐出停止処理を実行する。
この吐出停止処理を実行する吐出停止処理手段３３ａは、吐出停止（図７（ｂ））と判定されると、吐出口２５から吐出される高分子溶液が垂れないようにピストン２９を上方に向かって移動させる方向にパルスモータ３０を直ちに回転させてピストン２９を一旦後退４０させてからからパルスモータ３０を停止させる。

一つの堆積エリア２１へのナノファイバーの堆積が完了すると、コントローラ３３は第１電源部１６と第２電源部１７をオフするとともに、送り出し駆動用モータ６と巻き取り駆動用モータ７ならびにモータ１１を運転して、被処理物１の“Ｌ１＋Ｌ２”だけの間欠送りを再開する。以下、同様に被処理物１の上に堆積エリア２１ごとに次々とナノファイバーを堆積させ、ナノファイバーの付着した被処理物１は、巻き取り軸５に巻き取られていく。

また、高分子溶液の吐出を停止する場合には、図７（ｅ）（ｆ）に示すように電圧Ｖ１と電圧Ｖ２についての動作は、吐出停止と判断されるとともに、第１電源部１６と第２電源部１７をオフして、電圧Ｖ１，電圧Ｖ２をゼロにすると、吐出を停止する場合にナノファイバーの堆積がスムーズに停止できる。

上記の連続運転中に、図３（ｂ）に示すように第１センサ３４がスライダ３２を検出すると、コントローラ３３は吐出シリンダ２４の高分子溶液２８の残量が少なくなったと判定して、次の補充処理を実行する。

この充填処理を実行する充填処理手段３３ｂは、吐出シリンダ２４の高分子溶液２８の残量が少なくなったとコントローラ３３が判定すると、前記吐出停止処理を実行して噴射装置１２による高分子溶液の吐出を中止すると共に、図５に示すように作業中の堆積エリア２１の上方位置にある運転中の噴射装置１２のロボット１３による前記ジグザク運転を先ず中止し、ロボット１３が噴射装置１２を図５に示すように被処理物１の搬送経路外の充填ステーション３５に移動させる。充填ステーション３５に移動が完了した噴射装置１２に対してコントローラ３３は、図６（ａ）に示すようにピストン２９を吐出シリンダ２４から抜ける位置まで上昇させて、ここでは第２センサ３６がスライダ３２を検出するまでピストン２９を上昇させて、貯留部２７に予め溜まっている高分子溶液２８を吐出シリンダ２４に流し込んで充填し、その後に図６（ｂ）に示すようにピストン２９を下降させて吐出シリンダ２４に挿入した充填完了位置にセットする。ピストン２９が充填完了位置にセットされた噴射装置１２は、ロボット１３によって図５に仮想線で示した運転中断位置に戻されて充填処理が完了する。

この充填処理が完了したことを検出したコントローラ３３は、前記ジグザグ運転の残りを実行するよう構成されている。
このようにして、噴射装置１２からの高分子溶液の液だれを解消して、帯状の被処理物１の上にナノファイバーの付着状態の品質が均一な堆積エリア２１を、所定間隔で繰り返し形成できる。

なお、運転停止指示Ｓ２を検出したコントローラ３３は、前記吐出停止処理を実行して噴射装置１２による高分子溶液の吐出を中止すると共に、図５に示すように作業中の堆積エリア２１の上方位置にある運転中の噴射装置１２のロボット１３による前記ジグザク運転を先ず中止し、ロボット１３が噴射装置１２を図５に示すように被処理物１の搬送経路外の充填ステーション３５に移動させる。

なお、本実施例では、第１センサ３４がスライダ３２を検出すると、コントローラ３３は吐出シリンダ２４の高分子溶液２８の残量が少なくなったと判定するようにしていたが、これに限定するものではなく、前記パルスモータ３０に取り付けられた位置検出器（図示せず）を用いて、ピストン２９の位置を検出して、高分子溶液２８の残量を判定してもよい。このようにすると、ナノファイバーの堆積中での停止や開始が起こらず、さらによい堆積結果が得られる。

上記の各実施の形態では、噴射装置１２の吐出口２５は単一であったが、図８に示すように複数の吐出口を設けて構成することもできる。ここでは、各吐出口の内部形状は、断面積が吐出シリンダ２４よりも小さく先端が細く形成されている。図８（ａ）はこの場合の口金２６の底面図を示し、図８（ｂ）はこの場合のピストン２９の斜視図を示している。図８（ｃ）は図８（ａ）（ｂ）の口金２６とピストン２９を吐出シリンダ２４にセットした状態の断面図を示しており、ピストン２９の底部には口金２６の吐出口に対応して複数の突部３７が形成されており、各突部３７の形状は、口金２６の各吐出口の内部形状に沿って先端が細くなった形状である。このように先端が細く形成されている複数の吐出口に、ピストン２９の先端が細くなった形状の突部３７を挿入して高分子溶液２８を吐出させる動作を実行し、前記吐出停止処理を実行することによって、より確実に液だれを解消することができる。

また、上記の各実施の形態では、被処理物１を停止させて噴射装置１２をロボット１３で動かせて堆積エリア２１にナノファイバーを堆積させたが、被処理物１を搬送方向に移動させながら噴射装置１２をロボット１３で動かせて堆積エリア２１にナノファイバーを堆積させることもでき、被処理物１と噴射装置１２との相対移動によって堆積エリア２１にナノファイバーを堆積させると言える。

上記の各実施の形態では、コントローラ３３は、堆積を停止する場合に、前記ピストンの停止と並行して吐出口２５に印加された高電圧の印加を中止したが、堆積を停止する場合に、前記ピストンの停止と並行して吐出口２５に印加された高電圧の印加を降圧することによっても同様の効果を期待できる。

上記の実施の形態では、高分子溶液を充填した吐出シリンダ２４に対してピストン２９を溶液押し出し方向に移動させたり、ピストン２９を溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止させるように、高分子溶液の吐出時と吐出停止時のピストン駆動手段は、コントローラ３３がパルスモータ３０を介してネジ軸３１の回転を制御して実現したが、これは、ピストン２９を高分子溶液の吐出方向に押し出すように、例えば貯留部２７の圧力を調節する圧力制御手段を設け、この圧力制御手段をコントローラ３３で制御することで、高分子溶液を充填した吐出シリンダ２４に対してピストン２９を溶液押し出し方向に移動させたり、ピストン２９を溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止させるように構成することもできる。

本発明は、ナノファイバー製造装置の安全性の向上に寄与できる。

本発明の実施の形態１のナノファイバー製造装置の全体構成図同実施の形態の要部の斜視図同実施の形態の制御部の構成図同実施の形態の工程図同実施の形態の充填中の平面図同実施の形態の充填中の工程図同実施の形態のコントローラのタイミング図別の実施の形態の吐出口とピストンの形状の説明図

符号の説明

１被処理物
２被処理物１の巻装体
３送り出し軸
４コレクタ
５巻き取り軸
６送り出し駆動用モータ
７巻き取り駆動用モータ
８第１ロール
９第２ロール
１０導電性ベルト
１１第２ロール９の駆動モータ
１２噴射装置
１３ロボット
１４タンク
１５ポンプ
１６第１電源部
１７第２電源部
１８Ｘ軸送り装置
１９Ｙ軸送り装置
２０Ｚ軸送り装置
２１堆積エリア
２４吐出シリンダ
２５吐出口
２６口金
２７貯留部
２８高分子溶液
２９ピストン
３０パルスモータ
３１ネジ軸
３２スライダ
３３コントローラ
３３ａ吐出停止処理手段
３３ｂ充填処理手段
３４第１センサ
３５充填ステーション
３６第２センサ
３７突部
Ｆ１被処理物１の送り方向
Ｆ２導電性ベルト１０の回転駆動方向
Ｖ１正の直流高電圧
Ｖ２負の直流高電圧
Ｌ１堆積エリア２１の長さ
Ｌ２隣接する堆積エリア２１との間隔
Ｓ１運転開始指示
Ｓ２運転停止指示

Claims

高電圧を印加した吐出口から高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを堆積させるに際し、
高分子溶液を充填した吐出シリンダに対してピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダの先端側の前記吐出口から高分子溶液を吐出してナノファイバーを堆積させ、
ナノファイバーの堆積を停止する場合には、前記吐出口から吐出される高分子溶液が垂れないように前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止し、
前記吐出シリンダの高分子溶液が規定量を下回ったことを検出した場合には、前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させることにより、前記吐出シリンダの後端側に連接された貯留部の内部に前記ピストンを移動させて、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜き、前記貯留部内に予め溜まっている高分子溶液を前記吐出シリンダに充填し、その後に前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダ内に戻す
ことを特徴とするナノファイバー製造方法。
高電圧を印加した吐出口から高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、
高分子溶液が充填され先端側に前記吐出口が形成された吐出シリンダと、
前記吐出シリンダの内部で前記吐出口から高分子溶液を押し出す溶液押し出し方向と溶液押し出し方向とは反対方向に移動するピストンと、
前記吐出シリンダの後端側に連接した高分子溶液の貯留部と、
前記吐出口から高分子溶液を吐出してナノファイバーを堆積させる期間には前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させ、ナノファイバーの堆積を停止する場合には、前記吐出口から吐出される高分子溶液が垂れないように前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させてから前記ピストンを停止し、前記吐出シリンダの高分子溶液が規定量を下回ったことを検出した場合には、前記ピストンを溶液押し出し方向とは反対方向に移動させることにより、前記ピストンを前記貯留部の内部に移動させて、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜き、その後に前記ピストンを溶液押し出し方向に移動させて前記吐出シリンダに戻すコントローラと
を設け、前記吐出シリンダから前記ピストンを引き抜くことで、前記貯留部内に予め溜まっている高分子溶液を前記吐出シリンダに充填することを特徴とするナノファイバー製造装置。