JP4915258B2

JP4915258B2 - 高分子ウェブの製造装置

Info

Publication number: JP4915258B2
Application number: JP2007064435A
Authority: JP
Inventors: 崇裕黒川; 寛人住田; 和宜石川; 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: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008223179A

Description

本発明は、高分子物質から成る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ことで、この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、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。

高分子ウェブの製造方法としては、高電圧に帯電された高分子溶液を並列配置された複数のノズルから流出させて電荷誘導紡糸法にてナノファイバーを製造し、このナノファイバーを電気的に接地された収集体上を移動するシート上に堆積させることで製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、図７に示すように、紡糸部３１から帯電した高分子化合物溶液を吐出させ、電荷誘導紡糸法により繊維を生成し、紡糸部３１とは逆極性に帯電させた板状の電極３２に向けて紡出し、繊維構造体を堆積させる不織布の製造方法において、孔があいていないと均一な電荷分布が得られないため、好ましくは５μｍ〜１ｍｍの複数の孔を設けた、ステンレスの金網や打抜金網や多孔板等から成る平面状構造体３３を紡糸部３１と電極３２の間に配置することで、高電圧が印加される電極３２とは別に配置した平面状構造体３３上に高分子化合物の繊維構造体を良好な秩序を保ちながら堆積させ、均一な不織布を得るようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、図７において、３４は紡糸部３１及び電極３２に印加する電圧を発生する高電圧発生部である。
米国特許第６７１３０１１号明細書特開２００５−２７３０６７号公報

ところが、特許文献１に示された構成では、効率的に高分子ウェブを製造するために、複数のノズルを近距離で並列配置しているが、ノズルには高電圧を印加しているため、隣り合うノズル間で電界干渉が発生し、ナノファイバーがシート上に均一に堆積せず、均一な高分子ウェブを製造できないという問題があり、またシートから外れて収集体の側面や裏面側にもナノファイバーが付着堆積し易く、シートの円滑な移動に障害となる場合があるという問題も生じる。

また、特許文献２に示された図７の構成では、紡糸部３１と電極３２の間に平面状構造体３３を配置するようにしているため、紡糸部３１と平面状構造体３３との間の距離をナノフアイバーの生成に必要な距離を確保しようとすると、紡糸部３１と電極３２の間の距離が大きくなり、紡糸部３１と電極３２間の電界強度が低下してナノフアイバーが確実かつ効率的に堆積せず、高分子ウェブを効率的に製造することができず、またこの構成で効率的に高分子ウェブを製造しようとすると、より高い電圧を印加する必要があり、紡糸部３１から帯電して出た高分子溶液の電界干渉によって均一な高分子ウェブを製造できないという問題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、効率的に均一な高分子ウェブを製造できる高分子ウェブの製造装置を提供することを目的とする。

本発明の高分子ウェブの製造装置は、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を紡糸ヘッドの複数の小穴から流出させ、流出する高分子溶液に高電圧を印加し、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するナノファイバー生成手段と、ナノファイバー生成手段と間隔をあけて対向して配設され、高分子溶液に印加する高電圧とは逆極性の高電圧を印加され又は接地された導電性でかつ通風開口を有する収集体と、生成されたナノファイバーを堆積させてウェブを生成する通風可能な担持シートと、担持シートを収集体上に沿って移動させる移動手段と、収集体のナノファイバー生成手段とは反対側面から気体を吸引する吸引手段とを備え、ナノファイバー生成手段と担持シートとが対向する空間の側部に、前記ナノファイバー及び前記担持シート上に堆積される高分子ウェブの中に含まれる溶媒が蒸発し易くなる温風を送風する温風送風手段を配設し、前記温風は前記紡糸ヘッドと前記収集体の間の空間に向けて前記担持シートの移動方向と直交する方向の両側部から送風されるものである。

この構成によると、吸引手段を動作させると、収集体及び担持シートを通して、生成されたナノファイバーを担持シートに向けて一方向に流動させる気体流が形成され、この気体流にてナノファイバーを均一な分布状態を乱すことなく、担持シート上に確実にかつ効率的に堆積させることができ、均一な高分子ウェブを効率的に製造することができる。

また、温風を送風する温風送風手段を配設すると、生成されるナノファイバーや製造される高分子ウェブの中に含まれる溶媒が蒸発し易くなるので、効率的に品質の良い高分子ウェブを製造できて好適である。

また、収集体には、ほぼ全面に複数の通風開口が規則的に配置されていると、全面にわたって均一な気体流を形成できて上記効果がより確実に得られる。

また、担持シートは、ほぼ全面に均一に多数の孔が形成された樹脂シート又は樹脂フィルムにて構成されていると、担持シートの全面にわたって均一な気体流を形成できて上記効果がより確実に得られる。

本発明の高分子ウェブの製造装置によれば、高分子ウェブを効率的に製造するために複数の小穴からナノファイバーを生成するに際して、生成されたナノファイバーが気体流にて一方向に流動されることで、生成されるナノファイバーに高電圧が印加されていても電界干渉の影響が抑制されて均一な分布状態を維持しつつ担持シート上に確実に堆積させることができるので、均一な高分子ウェブを効率的に製造することができる。

以下、本発明の高分子ウェブの製造方法と装置の一実施形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。

図１〜図３において、１は紡糸部で、ナノファイバーの材料である高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液が内部に供給されるとともに、その高分子溶液を流出させる複数の小穴が並列配置された紡糸ヘッド部２と、１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には５ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧を発生させて紡糸ヘッド部２の小穴に印加する第１の高電圧発生手段３とを備えている。紡糸部１には、図１〜図３での図示は省略しているが、図５に示すように、高分子溶液を収容した収容容器４と、収容容器４から紡糸ヘッド部２に高分子溶液を供給するポンプ５が配設され、また第１の高電圧発生手段３から紡糸ヘッド部２への高電圧の印加をオンオフ制御する第１の接続手段６が設けられている。

高分子溶液を構成する高分子物質としては、ポリフッ化ビニリデン（ＦＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリアクリルニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン等の石油系ポリマーや、バイオポリマーなどの様々な高分子、それらの共重合体や混合物などが適用可能であり、溶媒はこれら高分子物質を溶解する任意の溶媒を適用できる。

このような構成の紡糸部１において、紡糸ヘッド部２から高分子溶液が電荷を帯電された状態で各小穴から線状に流出されて細い高分子線状体が生成され、その後高分子溶液の溶媒が蒸発することで高分子線状体の径が細くなり、それに伴って帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が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が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が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー７が効率的に製造される。

紡糸ヘッド部２の小穴を配置した面に対して適当距離あけて対向するように導電性を有する収集体８が配設されている。収集体８には、第２の高電圧発生手段９にて発生させた、紡糸ヘッド部２に対する印加電圧とは逆極性の高電圧が印加されている。なお、第２の高電圧発生手段９から収集体８への高電圧の印加は、第２の接続手段１０（図５参照）にてオンオフ制御される。また、収集体８と紡糸ヘッド部２との間に大きな電位差を付与すればよいので、単に収集体８を接地するだけでもよい。この紡糸ヘッド部２と収集体８との間の大きな電位差によって生じた電界によって、帯電したナノファイバー７が収集体８に向けて付勢されて流動する。

収集体８上には、帯状の担持シート１１が配置され、その上にナノファイバー７を堆積させて高分子ウェブＷを連続的に製造するように構成されている。担持シート１１は、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂シート又は樹脂フィルムにて構成され、その全面に多数の通気穴（図示せず）が均等に形成されている。通気穴の開口率（一定面積の担持シート１１における通気穴の合計面積の割合）は、２０％〜５０％程度が好適である。２０％未満では通風抵抗が大きくなり、５０％を超える担持シート１１の強度を確保するのが困難となる。また、通気穴の形状は任意でよく、通気穴の径は、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度が好適である。０．１ｍｍ以下では十分な通気性を確保するのが困難であり、１ｍｍを超えると、ナノファイバー７の一部が通過して堆積されない恐れがある。

担持シート１１は、収集体８の上面に沿って移動するように、収集体８の一側に配設された送り出しローラ１２と、収集体８の他側に配設された巻き取りローラ１３と、送り出しローラ１２と収集体８との間及び収集体８と巻き取りローラ１３との間に配置されたガイドローラ１４ａ、１４ｂからなる担持シート移動手段１５にて移動駆動される。ガイドローラ１４ａ、１４ｂは、担持シート１１の移動経路をほぼ収集体８の上面位置に規制するものである。

なお、図２、図３においては、収集体８と担持シート１１を模式的に示し、それらの間に間隔がある状態で図示しているが、実際には担持シート１１が収集体８に強く密着して担持シート１１の移動抵抗が大きくならず、かつ担持シート１１と収集体８の間の隙間から大量の外気が流入することがないように、収集体８に対して軽く当接又は微小な隙間をあけるように担持シート１１の移動経路を規制するのが好適である。また、図３に仮想線で示すように、収集体８の上面の外周縁全周と必要に応じてその間に、表面の摩擦係数の小さい支持リブ８ａを突設して、接触面積及び摩擦係数の小さい状態で担持シート１１を支持するようにすると、移動抵抗を小さくかつ外気の流入を防止できて好適である。さらに、支持リブ８ａから担持シート１１を微小量浮き上がらせるエア流を収集体８の外側に向けて吹き出すようにすると、移動抵抗を小さくできて好適である。

収集体８には、図３に示すように、その上面の担持シート１１の通過範囲の略全面にわたって配置された多数の通風開口１６が形成されている。収集体８の下部には、下端に向かって先細となる吸引ホッパー１７が気密状態で接合して配設され、その下端開口１７ａが吸引ダクト１８を介して排気用のブロア１９に接続され、これら吸引ホッパー１７と吸引ダクト１８とブロア１９にて、紡糸ヘッド部２と収集体８との間の領域に、図２、図３に矢印で示すように、収集体８に向かって流れる気体流２１を形成する吸引手段２０が構成されている。

収集体８に形成される通気開口１６はその配置領域の全面にわたって均等に配置され、均一性のある気体流２１を形成するようにしている。具体的には、図４（ａ）に示すように、収集体８に穴明けした比較的小径の穴１６ａにて通気開口１６を構成しても、図４（ｂ）に示すように、比較的大径の穴１６ｂにて通気開口１６を構成しても、図４（ｃ）に示すように、収集体８をメッシュ状体にて構成してその目穴１６ｃにて通気開口１６を構成しても良い。

また、図１に示すように、紡糸ヘッド部２と収集体８の間の空間内に向けて、担持シート１１の移動方向と直交する方向の両側部から、温風を発生して上記空間に向けて送風する温風送風手段２２が配設されている。

次に、制御構成を図５を参照して説明する。図５において、制御部２３にて、紡糸部１における高分子溶液を供給するポンプ５及び高電圧を供給する第１の接続手段６と、担持シート１１を移動する担持シート移動手段１５と、収集体８に紡糸部１とは逆極性の高電圧を供給する第２の接続手段１０と、吸引手段２０のブロア１９と、温風送風手段２２とを動作制御するように構成されている。

以上の構成において、紡糸部１で収容容器４からポンプ５にて所定量の高分子溶液を紡糸ヘッド部２内に供給し、第１の高電圧発生手段３から所定の高電圧を印加して紡糸ヘッド部２内に収容された高分子溶液に電荷を帯電させることで、上記のように電荷を帯電された高分子溶液が複数の小穴から線状に流出して高分子線状体が形成され、その高分子線状体中の溶媒が蒸発することで一次静電爆発が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が生じて爆発的にさらに延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発が生じて延伸されることで、複数の小穴から流出した高分子溶液線状体からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー７が製造される。

製造されたナノファイバー７は紡糸ヘッド部２にて帯電された状態となっているので、第１の高電圧発生手段３にて高電圧が印加された紡糸ヘッド部２と、第２の高電圧発生手段９にて逆極性の高電圧が印加された収集体８との間に作用する電界によって収集体８に向けて強く付勢されて流動し、収集体８上を担持シート移動手段１５にて移動する帯状の担持シート１１上に堆積され、高分子ウェブＷが担持シート１１上に連続的に高い生産性をもって製造される。

この高分子ウェブＷの堆積工程において、吸引手段２０を動作させると、収集体８の通風開口１６及び担持シート１１の通気穴（図示せず）を通して担持シート１１上の雰囲気が吸引され、担持シート１１に向けて一方向に流動させる気体流２１が形成され、この気体流２１によって、生成されたナノファイバー７が高電圧に帯電していてもその電界干渉の影響を抑制して均一な分布状態を維持しつつ、担持シート１１に向けて流動し、生成されたナノファイバー７が均一な分布状態を乱すことなく、また担持シート１１上からはみ出すことなく、確実にかつ効率的に担持シート１１上に堆積させることができ、均質な高分子ウェブＷを効率的に製造することができる
また、紡糸ヘッド部２と担持シート１１とが対向する空間の側部に温風送風手段２２を配設しているので、ナノファイバー７が担持シート１１に向かって流動する領域に上記気体流２１を確実に形成でき、さらにその送風が温風であるため、生成されたナノファイバー７や製造される高分子ウェブＷの中に含まれる溶媒が蒸発し易くなるので、さらに効率的に品質の良い高分子ウェブＷを製造することができる。

以上の説明においては、ナノファイバー生成手段として、図６（ａ）に示すように、高分子溶液を高電圧を印加して流出させる小穴を構成するノズル部材２４を一平面上にマトリックス状に配置した紡糸ヘッド部２を適用した例を示したが、ノズル部材２４は１列又は複数列に配置したり、多重環状に配置してもよい。また、図６（ｂ）に示すように、ナノファイバーの生成方向と直交する軸芯回りに回転駆動され、周面に複数の小穴２５が設けられた円筒容器２６に第１の高電圧発生手段３から高電圧を印加するとともに、内部に高分子溶液を供給して遠心力と静電爆発でナノファイバーを生成し、生成されたナノファイバーを円筒容器２６の外周に配設された放物反射電極（図示せず）等にて一方向に流動させるようにしても良く、また図６（ｃ）に示すように、ナノファイバーの生成方向に沿う軸芯回りに回転駆動され、周面に複数の小穴２５が設けられた円筒容器２７と、円筒容器２７の軸芯方向のナノファイバーの生成方向とは反対側の一側に配置した反射電極２８とを組み合わせ、円筒容器２７から遠心力と静電爆発にて放射状に生成されたナノファイバーを反射電極２８によって一方向に流動させるようにしても良い。

本発明の高分子ウェブの製造装置によれば、生成されたナノファイバーが気体流にて一方向に流動されることで、生成されるナノファイバーに高電圧が印加されていても電界干渉の影響が抑制されて均一な分布状態を維持しつつ担持シート上に確実に堆積させることができるので、均一な高分子ウェブを効率的に製造することができ、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多孔性ウェブ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。

本発明の高分子ウェブの製造装置の一実施形態の概略構成を示す斜視図。同実施形態の全体構成を示す正面図。同実施形態における要部構成を示す縦断面図。（ａ）〜（ｃ）は各々同実施形態における収集体の構成例を示す斜視図。同実施形態の制御構成を示すブロック図。（ａ）〜（ｃ）は同実施形態の高分子ウェブの製造装置における紡糸ヘッド部の各種構成例を示す斜視図。従来例の高分子ウェブの製造装置の概略構成図。

符号の説明

２紡糸ヘッド部（ナノファイバー生成手段）
３第１の高電圧発生手段
７ナノファイバー
８収集体
９第２の高電圧発生手段
１１担持シート
１５担持シート移動手段
１６通風開口
２０吸引手段
２１気体流
２２温風送風手段
Ｗ高分子ウェブ

Claims

高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を紡糸ヘッドの複数の小穴から流出させ、流出する高分子溶液に高電圧を印加し、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するナノファイバー生成手段と、ナノファイバー生成手段と間隔をあけて対向して配設され、高分子溶液に印加する高電圧とは逆極性の高電圧を印加され又は接地された導電性でかつ通風開口を有する収集体と、生成されたナノファイバーを堆積させてウェブを生成する通風可能な担持シートと、担持シートを収集体上に沿って移動させる移動手段と、収集体のナノファイバー生成手段とは反対側面から気体を吸引する吸引手段とを備え、
ナノファイバー生成手段と担持シートとが対向する空間の側部に、前記ナノファイバー及び前記担持シート上に堆積される高分子ウェブの中に含まれる溶媒が蒸発し易くなる温風を送風する温風送風手段を配設し、
前記温風は前記紡糸ヘッドと前記収集体の間の空間に向けて前記担持シートの移動方向と直交する方向の両側部から送風されることを特徴とする高分子ウェブの製造装置。
収集体には、ほぼ全面に複数の通風開口が規則的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子ウェブの製造装置。
担持シートは、ほぼ全面に均一に多数の孔が形成された樹脂シート又は樹脂フィルムにて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子ウェブの製造装置。