JP4913102B2 - 繊維製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロスピニング法を用いて紡糸する繊維製造装置に関し、特に、溶融繊維製造装置に関する。

近年、半導体基盤上の電線・発光体用電子銃や各種センサーなどのエレクトロニクス分野、高性能フィルターなど環境対応分野、再生医療用スキャッフォールドや傷口保護材などのメディカル分野などへの応用を期待して、サブマイクロメーター以下の直径を持つ極細繊維の要求が高まっている。
そこで、エレクトロスピニング技術を用いた繊維製造装置の重要性が見直されており、注目が集まっている。

エレクトロスピニング技術を用いた繊維製造装置の構成としては、流体供給部（通常は貯蔵タンク及びノズルを有する。）と、繊維受容部との間に電圧を印加して流体を繊維状に成形するものである。具体的には、ガス圧力又はポンプ等によって貯蔵タンクからノズル又はキャピラリー等に流体が送られ、該流体又は導電性のノズル若しくはキャピラリー等に高電圧を印加して接地された対電極の繊維受容部に繊維を吹き付ける。
このエレクトロスピニング技術によれば、複合紡糸法やブレンド紡糸法を使わずに、ポリマー溶液やサスペンジョンなどの流体を直接サブマイクロメーター以下の径の繊維に成形できる。また、シングルマイクロメーターの径の繊維を得ることもできる。

エレクトロスピニング技術を用いた繊維製造装置については、特許文献１に記載がある。特許文献１によれば、流体の種類はとくに限定されないが、曳糸性を持つことが重要であるとの記載があり、もっとも好ましい流体の粘度は、１００Ｐａ・ｓ以上１０００Ｐａ・ｓ以下と記載されている。また、この条件を満たしていれば、特に流体の種類に制限はなく、各種高分子融液、高分子溶液、サスペンション、無機ゾル、あるいはその混合体などをプロセスに供することができると記載されている。
特開２００６−１５２４７９号公報

高分子物質、あるいはピッチ系物質よりなる固体の原材料を溶解して溶解物を得る方法としては、前記固体の原材料が貯蔵されている貯蔵タンクを加熱する方法が、温度制御性、スケールアップ性、経済性を考慮すると優れている。
また、この場合、融点の高い高分子物質、あるいは軟化点の高いピッチ系物質を紡糸しようとすると、ノズル又はキャピラリー等を有する流体供給部等も同時、あるいは別個に加熱しなくてはならない。

そこで、前記貯蔵タンクや、ノズル等の材質は、耐熱性があり、加工性等が良好な金属製が望ましい。また、繊維径のばらつきが極めて少ない繊維を連続的に得ようとする場合には、一定圧力の不活性なガス雰囲気で、高精度の温度制御が必要となる。
これは、原材料が高温（加熱）で酸化されるのを防ぐためと、圧力と温度の変動により原材料の吐出量が変動して繊維径がばらつくのを防ぐためである。
ところが、圧力の保持のために、貯蔵タンクやノズル等を金属製の密閉容器にすると、ノズル等に印加した高電圧が原料の供給機へ流れ込み、供給機で用いているモーター・制御盤等を破損するという問題があった。

また、特許文献１では、原材料として、高分子物質（ポリマー）の他、コールタールピッチ、石油ピッチなどのピッチ系物質なども適用可能であるとの記載はあるが、装置を連続運転するために不可欠な原料の供給方法（補充方法）の記載はない。
従って、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズル及びコレクタに印加した高電圧が原料供給機に流れ込む漏電の発生を防ぎ、供給機の破損を防止した繊維製造装置を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明のうち請求項１に係る繊維製造装置は、高分子物質又はピッチ系物質である原材料からエレクトロスピニング法によって繊維を製造する繊維製造装置において、
固体の前記原材料を供給する固体原料供給部と、
前記固体原料供給部と電気的に絶縁されて接続されており、前記固体原料供給部から供給された前記原材料を溶融させ、該溶融物を貯蔵する溶融物貯蔵部と、
前記溶融物貯蔵部に連通し前記溶融物を吐出するノズルと、
前記溶融物が前記ノズルから吐出されることによって形成された繊維を捕集するコレクタと、
前記ノズルと前記コレクタとの間に電圧を印加して前記溶融物を帯電させる電圧発生部と、
を備えることを特徴としている。

また、上記問題を解決するため、本発明のうち請求項２に係る繊維製造装置は、請求項１の繊維製造装置において、前記固体原料供給部が、
前記原材料を貯蔵する固体原料貯蔵タンクと、
該固体原料貯蔵タンクから前記溶融物貯蔵部へ前記原材料を供給する供給機と、を備えることを特徴としている。

本発明のうち請求項１に係る繊維製造装置によれば、固体原料供給部と、溶融物貯蔵部とを絶縁したので、前記固体原料供給部に高電圧が漏電して前記固体原料供給部を破損することがないという効果を奏する。その結果、安定して長時間、連続的に紡糸できるという効果を奏する。
本発明のうち請求項２に係る繊維製造装置によれば、固体原料供給部を固体原料貯蔵タンクと、供給機とによって構成したので、原料供給による圧力の上昇が皆無となり、溶融物貯蔵部２０での圧力保持が可能になるという効果を奏する。すなわち、固体原料貯蔵タンク１１を溶融物貯蔵部２０と同圧にしておけば、ロータリーバルブ１２により切り出された粉体の固体原料が溶融物貯蔵部２０の不活性ガスと置換するので、溶融物貯蔵部２０の圧力は保持される。

以下、本発明に係る繊維製造装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る繊維製造装置の一実施形態における構成を示す概略図である。
図１に示すように、繊維製造装置１は、固体原料供給部１０と、溶融物貯蔵部２０と、ノズル３０と、コレクタ４０と、電圧発生部５０と、絶縁部６０と、電熱ヒーター７０と、温度センサー８０と、温度制御部９０とを有する。

固体原料供給部１０は、粉体状態の原材料Ｍ１を貯蔵する固体原料貯蔵タンク１１と、該固体原料貯蔵タンク１１に貯蔵された原材料Ｍ１を溶融物貯蔵部２０に定量供給するロータリーバルブ１２（供給機）とを有する。
粉体状態の原材料Ｍ１は、高分子物質や、ピッチ系物質である。
溶融物貯蔵部２０は、ロータリーバルブ１２を介して固体原料貯蔵タンク１１から供給された原材料Ｍ１を貯蔵すると共に、原材料Ｍ１を溶融することによって得られる溶融物Ｍ２を貯蔵する手段である。溶融物貯蔵部２０は、絶縁性の材料よりなる絶縁部６０を介して固体原料供給部１０に接続されている。溶融物貯蔵部２０には、原材料Ｍ１を溶融して溶融物Ｍ２を得るための電熱ヒーター７０が設置されている。また、溶融物貯蔵部２０には、溶融物Ｍ２を吐出するために連通するノズル３０が設けられている。さらに、溶融物貯蔵部２０には、溶融物Ｍ２の温度を検出するための温度センサー８０が設けられている。

溶融物貯蔵部２０に用いられる材料としては、少なくとも電熱ヒーター７０によって加熱される部分は、金属が好ましく、安価で耐腐食性があるステンレスがより好ましい。なお、溶融物貯蔵部２０に貯蔵される溶融物Ｍ２が、金属腐食性が高い場合には、溶融物貯蔵部２０に用いられる材料として白金や、ニッケル等の貴金属を用いることが好ましい。
溶融物貯蔵部２０の上部は、ゴム製、ＰＴＦＥ製等のパッキンを使用することができるように、水冷等の強制冷却手段を設けて、あるいは電熱ヒーターによる加熱部分以外の部分を長くしておき自然空冷で冷却する。すなわち、使用するパッキンの耐熱温度以下まで充分冷却することが必要である。
絶縁部６０に用いられる材料としては、固体原料供給部１０と、溶融物貯蔵部２０との密閉性を維持し、電気的導通を妨げる材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、セラミック、ガラスが好ましい。

なお、固体原料供給部１０及び／又は溶融物貯蔵部２０と、絶縁部６０との接続部分には上記パッキンを挟み込みシール性を確保することが好ましいが、室温程度まで溶融物貯蔵部２０の上部、すなわち絶縁部６０との接続部分を充分冷却しておけば、熱膨張による歪の発生がなくなるので、金属−セラミック接合、金属−ガラス接合等も採用できる。
なお、上部の金属部分、あるいは絶縁部分を、砂時計のように絞っておけば、粉体状態の原料が溶融物貯蔵部２０の中心に落下して、溶融物貯蔵部２０の内壁の下部の高温部に融着して付着しないので好ましい。すなわち、溶融物貯蔵部２０の底部にしっかり溶融した状態で貯留される。

ノズル３０は、溶融物貯蔵部２０の底部から溶融物Ｍ２を繊維受容部へ向けて離脱させる手段である。ノズル３０は、単数または複数の何れでもよいが、生産性を向上するという点では複数のほうが好ましい。ノズル３０の形状は、溶融物貯蔵部２０の底面２０ａから繊維受容部に向けて突出する形状であることが好ましい。このような形状とすることで、溶融物Ｍ２が繊維受容部に向かって直進し、安定な紡糸を実現することが可能となる。ここで、ノズル３０の形状が、溶融物貯蔵部２０の底面２０ａに略面一であったり、底面２０ａから凹んだ形状であると、溶融物Ｍ２の離脱部位付近の等電位面が流体走行方向に垂直な平面状になり、帯電した溶融物Ｍ２が方向性を失い、好ましくない。そして、その結果、溶融物Ｍ２の走行方向を制御することが著しく困難となり、紡糸は安定性を損なう結果となる。

溶融物貯蔵部２０の底面２０ａから突出したノズル３０の形状としては、特に制限はなく、例えば、針状、棒状、円錐、三角錐、四角錐、その他多角錘、ドーム型、かまぼこ型、及び楕円体、これらの組み合わせなどが挙げられる。
溶融物貯蔵部２０の底面２０ａから突出したノズル３０の先端部付近の断面形状としては、特に制限はなく、例えば、円形、三角形、四角形、その他の多角形、Ｙ字、Ｃ字、中空、扁平などが挙げられる。

また、溶融物Ｍ２はノズル３０の内部をキャピラリーで通ってもよいし、バレルにかけたガス圧力、底面２０ａからの表面張力や重力、延伸張力などによって先端まで流体を誘導してもよい。
コレクタ４０は、繊維受容部として、ノズル３０から供給された繊維（溶融物Ｍ２）を捕集する手段である。コレクタ４０は、溶融原料供給部としてのノズル３０から所定の間隔を有して対向するように設置される。コレクタ４０は、複数のユニットから構成されていてもよい。また、特開２００２−２０１５５９号公報に開示されたように、ベルトコンベアのように移動可能なコレクタとしてもよい。なお、繊維がノズル３０から離れ、実質的に最初に接触した部分はコレクタ４０に含まれる。

電圧発生部５０は、ノズル３０及びコレクタ４０の間に電圧を印加して、ノズル３０から吐出された溶融物Ｍ２を帯電させる手段である。すなわち、ノズル３０、又は溶融物Ｍ２と、コレクタ４０との間に電圧がかけられることによって、ノズル３０から吐出された溶融物Ｍ２はコレクタ４０において捕集される。
ノズル３０及びコレクタ４０の間に電圧を印加する方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、コレクタ４０側を接地してノズル３０を正電圧にする方法が装置の簡易性・安全性の観点から好ましい。

ノズル３０及びコレクタ４０の間に印加される電圧は、ノズル３０とコレクタ４０との距離によって適宜変更されるが、例えば、５００Ｖ以上１００ｋＶ以下である。ノズル３０及びコレクタ４０の間に印加される電圧を５００Ｖ以上とすることによって、溶融物Ｍ２がノズル３０から離脱し易くなる。ノズル３０及びコレクタ４０の間に印加される電圧を１００ｋＶ以下とすることによって、ノズル３０及びコレクタ４０の間の放電が抑制される。

電熱ヒーター７０は、高分子物質、又はピッチ系物質からなる原材料Ｍ１を溶融した溶融物Ｍ２を得るために、温度制御性と経済性が好ましいとして採用した温度制御装置である。
電熱ヒーター７０の構成は、５００℃程度まで昇温でき、印加する高電圧に応じて耐電圧性が確保されれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、例えば、非接触の電磁誘導式のヒーターが好ましい。また、加熱方式は、熱風式、熱媒式など、電熱ヒーター以外を用いたものでも構わない。

電熱ヒーター７０は、溶融物貯蔵部２０の中に設置（内熱式）されてもよいが、溶融物貯蔵部２０の構成を複雑にしないという点で、溶融物貯蔵部２０の外側に設置（外熱式）されるほうが好ましい。
温度センサー８０は、溶融物Ｍ２の温度を計測する手段として、熱電対などの接触式温度計でも構わないが、非接触の赤外放射温度センサー等が好ましい。

温度制御部９０は、温度センサー８０によって検出された溶融物Ｍ２の温度に基づいて電熱ヒーター７０を加熱制御する手段である。ここで、通常の接触する電熱ヒーターを用いる場合、高電圧発生部５０によって生じる高電圧が、電熱ヒーター７０に漏れてコンセント等の電源に逆流することを防ぐために、電熱ヒーター７０と温度制御部９０との間に絶縁変圧器（図示せず）を用いた閉回路が構成される。これによって、絶縁変圧器の一次側に高電圧が流入することがなくなり、コンセント等の電源のブレーカーがおちることがなくなるので、電熱ヒーター７０は温度調節器等の信号によって発生する電流で温度の保持が安定する。

以上説明したように、本実施形態によれば、絶縁部６０を設けることによって、ノズル３０等に印加している高電圧が固体原料供給部１０へ流れ込み、固体原料供給部１０で用いられているモーター（図示せず）の破損を回避できる。また、温度制御部９０によって、高分子物質、あるいはピッチ系物質からなる原材料Ｍ１及び溶融物Ｍ２の温度が一定に保持されるので、溶融物Ｍ２の粘度の変化がなく、安定した紡糸が可能となる。

図２は、本発明に係る繊維製造装置の他の実施形態における構成を示す概略図である。
上述の実施形態では、固体原料貯蔵タンク１１と、ロータリーバルブ１２とによって固体原料供給部１０を構成したが、本実施形態では、図２に示すように、ロータリーバルブ１２の代わりにスクリューフィーダー１３を用いている。なお、本実施形態では、固体原料供給部１０以外の構成は、上述の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、固体原料貯蔵タンク１１と、スクリューフィーダー１３とによって固体原料供給部１０を構成することによって、粉体原料が供給される一方、溶融物貯蔵部２０の不活性ガスが固体原料貯蔵タンク１１に抜け、固体原料貯蔵タンク１１での圧力保持が可能になるという効果を奏する。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

本発明に係る繊維製造装置の一実施形態における構成を示す概略図である。 本発明に係る繊維製造装置の他の実施形態における構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 繊維製造装置
１０ 固体原料供給部
１１ 固体原料貯蔵タンク
１２ ロータリーバルブ
１３ スクリューフィーダー
２０ 溶融物貯蔵部
３０ ノズル
４０ コレクタ
５０ 電圧発生部
６０ 絶縁部
７０ 電熱ヒーター
８０ 温度センサー
９０ 温度制御部

Claims (2)

1. 高分子物質又はピッチ系物質である原材料からエレクトロスピニング法によって繊維を製造する繊維製造装置において、
   固体の前記原材料を供給する固体原料供給部と、
   前記固体原料供給部と電気的に絶縁されて接続されており、前記固体原料供給部から供給された前記原材料を溶融させ、該溶融物を貯蔵する溶融物貯蔵部と、
   前記溶融物貯蔵部に連通し前記溶融物を吐出するノズルと、
   前記溶融物が前記ノズルから吐出されることによって形成された繊維を捕集するコレクタと、
   前記ノズルと前記コレクタとの間に電圧を印加して前記溶融物を帯電させる電圧発生部と、
   を備えることを特徴とする繊維製造装置。
2. 前記固体原料供給部が、
   前記原材料を貯蔵する固体原料貯蔵タンクと、
   該固体原料貯蔵タンクから前記溶融物貯蔵部へ前記原材料を供給する供給機と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の繊維製造装置。

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