JP4927168B2 - 回転紡糸電極 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマー溶液から静電紡糸法によってナノ・ファイバーを製造する装置のための、一対の端面部材を含む細長い形状の回転紡糸電極であって、前記端面部材間に、ワイヤーで形成された複数の紡糸部材が円周方向に等間隔に、かつ、回転紡糸電極の回転軸線と平行に配設されて成る前記回転紡糸電極に関するものである。

ポリマー溶液から静電紡糸法によってナノ・ファイバーを製造するための長方形状の枢動紡糸電極を含む従来公知の装置が、例えば、ＷＯ２００５／０２４１０１ Ａ１に記載されている。この装置は、シリンダ形状の紡糸電極を含み、該紡糸電極は、主軸線の周囲で回転し、その表面の下側部分がポリマー溶液に浸される。ポリマー溶液は、シリンダの表面によって紡糸電極と捕集電極との間の電場へ運ばれ、そこでナノ・ファイバーが形成され、該ナノ・ファイバーは、捕集電極に向かって運ばれ、捕集電極の前で、基板材料の上に堆積する。この装置は、ポリマー水溶液からナノ・ファイバーを非常に良好に製造することができるが、基板材料上に堆積したナノ・ファイバーの層が紡糸電極の全長にわたって均一に分布しない。

製造されたナノ・ファイバー層の優れた均一性は、ＣＺ−ＰＶ−２００５−３６０に記載された装置によって達成される。この特許は紡糸電極について説明しており、該紡糸電極は、その回転軸線の周囲で半径方向かつ長手方向に配設された薄板システムを含み、紡糸電極の軸線を通り基板材料面に直角である平面における電場にポリマー溶液を運ぶ働きを有する紡糸電極の被覆表面部分が、紡糸電極と捕集電極との間の最強電場の等電位線によって形成される形状を有する。このような紡糸電極は、紡糸電極と捕集電極との間の電場の最適箇所に十分な量のポリマー溶液を運ぶことができ、それと同時に、無水ポリマー溶液も紡糸して均一なナノ・ファイバー層を作ることができる。それにもかかわらず、そのような紡糸電極の製造上の要求と、その結果としての価格が欠点になっている。

ＤＥ−１０１３６２５５−Ｂ４は、ポリマー溶液または溶融ポリマーからファイバーを製造する装置を開示しており、該装置は、少なくとも２つの紡糸電極機構を含み、各紡糸電極機構が、上下に配置された２つのガイドシリンダを取囲む一対の連続ベルト上に装架された平行ワイヤーシステムによって形成され、下側ガイドシリンダがポリマー溶液または溶融ポリマー中に延在している。これら２つの紡糸電極機構の間に対向電極として織布が通され、紡糸電極機構は織布の表裏両面に同時に被覆を形成する。

紡糸電極は、導電性循環ベルトで形成された対向電極と共に高電圧源に接続されている。ポリマー溶液または溶融ポリマーが、ワイヤーによって紡糸電極と対向電極との間の電場に運ばれ、そこでポリマー溶液または溶融ポリマーからファイバーが形成され、それらのファイバーが対向電極に向けて運ばれて、対向電極上に配置された織製体に衝突する。ポリマー溶液および溶融ポリマーは非常に速く経時変化するため、また、紡糸工程の間に特性が変化し、これも製造されたファイバーのパラメータ特に直径に変化を生じるため、ポリマー溶液または溶融ポリマーが電場に長時間にわたって滞留することは不利である。その他の欠点は、一対の無端ベルト上への紡糸電極ワイヤーの装架にあり、それらのベルトは導電性で紡糸電極と対向電極との間に発生する電場に対して非常に悪い影響を与えるか、または非導電性で、スライド接触することで１〜３本の紡糸電極のワイヤーに高電圧が印加され、これは紡糸装置を無駄に複雑化させてしまう。

ＷＯ２００５／０２４１０１ Ａ１ ＣＺ−ＰＶ−２００５−３６０ ＤＥ−１０１３６２５５−Ｂ４

本発明の目的は、捕集電極と紡糸電極との間に生じる電場で静電紡糸法によってポリマー溶液からナノ・ファイバーを製造する装置のための簡単で信頼できる紡糸電極を作ることである。

本発明のこの目的は、ポリマー溶液から静電紡糸法によってナノ・ファイバーを製造する装置のための、一対の端面部材を含む細長い形状の回転紡糸電極であって、前記端面部材間に、ワイヤーで形成された複数の紡糸部材が円周方向に等間隔に、かつ、前記回転紡糸電極の回転軸線と平行に配設されて成る前記回転紡糸電極において、前記端面部材が非導電性材料で作られ、全ての前記紡糸部材が導電状態で互いに接続されている回転紡糸電極によって達成される。
このように作られた回転紡糸電極は、ポリマー水溶液および非水ポリマー溶液から紡糸可能であり、また、その電極の全長に沿って非常に高い均一紡糸効果を達成できる一方、紡糸のための電場はポリマー溶液から出た後捕集電極に接近する個々の紡糸部材の間に形成される。

全ての紡糸部材の電気的な相互接続は、それらの紡糸部材が端面部材の周縁に沿って形成された溝または開口内を一方の端面部材から他方の端面部材へと交互に張架された１本の金属コードで作られることで達成される。

これは、片方の端面部材上でコードを次の溝または開口へと継ぎ、その溝または開口を通して第２の端面部材へ向けて張架するか、または片方の端面部材上で円周方向反対側の溝または開口へと交差させてガイドして、特許請求の範囲の請求項３または請求項４に記載された回転紡糸電極を構成することで達成される。請求項３に記載された実施例ではコードの使用量は少なくなり、請求項４に記載された実施例では紡糸部材が一体部材（ワンピース）で作られるだけでなく両端面部材上で交差されることによっても全ての紡糸部材の相互接続が得られる。

請求項５に記載された実施例では、紡糸部材は対をなす組に分けられ、それぞれが１本の金属コードで形成され、それらのコードは両端面部材上で交差される。

紡糸電極の紡糸部材を形成する１本または複数本のコードが端面部材間に張架される相互位置を固定するために、請求項６によればそれらの端面部材は１つのシャフトに配置される。

紡糸工程のさらに有利な状態は、請求項７または請求項８に記載された紡糸電極を実施例に使用し、導電性シャフトを取り替えるか、または端面部材間のシャフト部分を非導電性のスペ―サーチューブで覆うことによって達成される。

同様な効果は、端面部材間の空間部分から導電性シャフトを取外し、紡糸電極の駆動装置に連結されている独立したヒンジに対して各端面部材を取付けることによっても達成できる。端面部材を駆動装置に連結することで、端面部材は同じ方向へ等しい速度で回転することになり、また、これらの端面部材の相対位置が変化されないこと、したがって端面部材の溝または穴に取付けられた紡糸手段が端面部材の回転軸線と平行な位置関係であることを保証される。
この回転紡糸装置は、添付図面に模式的に示されている。

本発明による電極の不等角投影図である。 両端面部材を横断する１本のコードで形成された紡糸部材を有する実施例の電極の不等角投影図である。 紡糸部材が複数対に分けられ、各対が端面部材上で交差する１本のコードによって形成されている実施例の電極の図面である。 シャフトがポリマー溶液槽内に無い代替例に係る紡糸電極の装架状態を示す。

本発明による回転紡糸電極１の一実施例において、この回転紡糸電極１は２つの端面部材２，３を含み、それらの各々の端面部材は、例えばプラスチックのような非導電材料のディスクで形成され、シャフト４に対してその長手方向軸線４１に直角に同芯的に取付けられており、したがって長手方向軸線４１は同時にシャフト４および回転紡糸電極１の回転軸線と成っている。端面部材２の全周に沿って等間隔に半径方向溝２１，２２，２３，２４，２５，２６が形成され、また、端面部材２の直径と同じ直径の端面部材３の全周に沿って等間隔に半径方向溝３１，３２，３３，３４，３５，３６が形成されている。両端面部材２，３の周縁の半径方向溝は互いに対応させて配置されている。端面部材２の周縁の半径方向溝内および端面部材３の周縁の半径方向溝内には、無端ループとして形成された導電性材料のコード５が取付けられている。

コード５は端面部材２の周縁の半径方向溝、例えば２１、から出発して、シャフト４の軸線４１と平行に端面部材３の周縁の対向する溝３１へと張架され、溝２１および対向溝３１の間のコード５の部分が紡糸電極１の紡糸部材の１つを形成する。

溝３１を通してコード５は端面部材２とは逆側の端面部材３の外側へ導かれ、また、この溝を経て隣の溝３２へ導かれ、その溝からコード５はシャフト４の軸線４１と平行に端面部材２の周縁の対向溝２２を通してその外側へ張架される。溝３２と対向溝２２との間のコード５の部分が紡糸電極１の他の紡糸部材を形成する。

溝２２を経てコード５は端面部材３とは逆側の端面部材２の外側へ導かれ、外側にて隣の溝２３へ導かれる。溝２３からコード５はシャフト４の軸線４１と平行に端面部材３の周縁の対向溝へと張架され、溝２３および溝３３の間のコード５の部分が紡糸電極１の他の紡糸部材を形成する。

同様に、コード５はさらに端面部材３の周縁の半径方向溝３４，３５，３６を順次経て導かれ、また、端面部材２の周縁の半径方向溝２４，２５，２６を順次経て導かれ、端面部材２および端面部材３の間の軸線４１に平行なコード５の部分が紡糸電極１の個々の紡糸部材を形成し、両端面部材２，３の外側に沿って導かれるコード５の部分が導通して紡糸部材を相互に接続する。

コード５は幾つかの異なるやり方で端面部材２，３の周縁の半径方向溝に取付けることができ、その１つが図２に示されている。この実施例では、コード５はこれまでの実施例と同様に無端ループとして形成され、この例では端面部材２の周縁および端面部材３の周縁の半径方向溝に対する取付け方によってコード５は両端面部材２，３の外側で交差される。

端面部材２の周縁の半径方向溝、例えば２１、を通してコード５はシャフト４の軸線４１と平行に端面部材３の周縁の対向溝３１へと張架され、溝２１と溝３１との間のコード５の部分が紡糸電極１の紡糸部材の１つを形成する。溝３１を経てコード５は端面部材２と逆側の端面部材３の外側へ導かれ、端面部材３の周縁における反対側の部分に形成されている溝３４へと導かれる。

溝３４を通った後、コード５はシャフト４の軸線４１と平行状態で端面部材２の周縁の対向溝２４内に入り、溝３４、２４間のコード５の部分が紡糸電極１の別の紡糸部材を形成する。溝２４を通してコード５は端面部材２の外側へ導かれ、その外面上を端面部材２の周縁における反対側の部分に形成されている溝２６へ導かれる。

溝２６を出た後、コード５はシャフト４の軸線４１と平行に端面部材３の周縁の対向溝３６へ張架され、溝２６、３６の間でコード５は紡糸電極１の他の紡糸部材を形成する。溝３６を通してコード５は端面部材３の外側へ導かれ、その外面上を端面部材３の周縁における反対側の部分に形成されている溝３３へ導かれ、端面部材３上でコード５は交差する。

溝３３からコード５はさらにシャフト４の軸線４１と平行に端面部材２の周縁の対向溝２３へ張架され、これにより溝３３、２３間のコード５の部分が紡糸電極１の他の紡糸部材を形成する。溝２３を通してコード５は端面部材２の外側へ導かれ、その外面上をさらに端面部材２の周縁における反対側の部分に形成されている溝２５へ導かれ、端面部材２の外面上でコード５は交差する。

溝２５を通った後、コード５はシャフト４の軸線４１と平行に端面部材３の周縁の対向溝３６へ張架され、溝２５と溝３５との間のコード５の部分が他の紡糸部材を形成する。溝３５を通してコード５は端面部材３の外側へ導かれ、その外面上を端面部材３の周縁における反対側の部分に形成されている溝３２へ導かれ、端面部材３上でコード５は再び交差する。

溝３２を出てコードはさらにシャフト４の軸線４１と平行に端面部材２の周縁の対向溝２２へ張架されて、コードは紡糸電極１の他の紡糸部材を形成する。溝２２を通してコード５は端面部材２の外側へ導かれ、その外面上を溝２１へ導かれる。

図１および図２に示された上述の実施例から、特にコード５を端面部材２，３の周縁の半径方向溝に対する取付け方によって異なる実施例を構成することができるが、コード５は常に無端で一体部材により作られ、その両端は端面部材２または端面部材３の一方に接続される。

ポリマー溶液の静電紡糸によるナノ・ファイバーの製造技術によれば、ナノ・ファイバーの製造装置におけるコード５は公知の方法により図示していない高電圧源の１つの極に接続され、したがって紡糸電極の全ての紡糸部材は同じ電圧となるが、接地されることもできる。

紡糸部材の保守、および損傷または欠陥のある紡糸部材の交換を可能にする観点のもとで構成された紡糸電極１の実施例の最適例が図３に示されている。この紡糸電極１は図１および図２によるこれまでの実施例と同じ方法で作られるが、唯一の相違点は、コード５の無端ループが図示実施例においては３つの独立した無端ループ５１４，５２５，５３６で形成され、それらのコードが端面部材上で相互に交差している点である。

コード５１４は端面部材２の周縁にある半径方向溝２１を出て、シャフト４の軸線４１と平行状態で端面部材３の周縁の対向溝３１内に入り、溝２１，３１間のコード部分が紡糸電極１の紡糸部材の１つを形成する。溝３１を経てコード５１４は端面部材３の外側へ導かれ、その外面上を端面部材３の周縁における反対側の部分の溝３４へ導かれ、その溝３４を経てシャフト４の軸線４１と平行状態で端面部材２の周縁の対向溝２４内に入り、溝３４、２４間に紡糸電極１の別の紡糸部材を形成する。コード５１４は、溝２４を経て端面部材２の外側に導かれ、その外面上を隣の溝２１に導かれる。

同様に、半径方向溝２２，３２，２５，３５に無端ループとして形成されたコード５２５が取付けられ、また、半径方向溝２３，３３，２６，３６に無限ループとして形成されたコード５３６が取付けられ、両端面部材２，３の外側で３本のコード５１４，５２５，５３６は交差して、それらの導電接続が保証される。

図３に示す例から派生した他の例とする実施例では、紡糸電極１の対をなす紡糸部材を形成するコード５１４，５２５，５３６の図示していないさらに異なる構造を作ることができ、これはそれらのコードの全てが例えば相互接触によって導通状態に相互接続されるならば有利となる。コードが交差しない場合には、端面部材２，３の何れか一方または両方の外側で他の公知の方法または手段によって導通接続が行われる。

コード５１４および／またはコード５２５および／またはコード５３６はナノ・ファイバーの製造技術に応じて、公知の方法によって図示していない高電圧源の１つの極に接続されるが、接地されることも可能である。

紡糸電極１の回転中（以下を参照）、静電場が紡糸電極１の紡糸部材と、紡糸電極１の上方空間の紡糸チャンバ内に位置する図示されていない捕集電極との間に順次発生されることを考慮すれば、両端面部材２，３の間のシャフト４が非導電性材料のスペーサーチューブと交換すれば有利となる。したがってスペーサーチューブは紡糸電極１の対向する紡糸部材の電場の遮蔽に寄与して紡糸工程を安定化させるのみならず、紡糸電極１の剛性を高めることに寄与する。

シャフト４は、図示された幾つかの例による紡糸電極１のスペーサーチューブであってよいが、ナノ・ファイバー製造装置において図示されないポリマー溶液槽内に水平かつ回転可能に取付けられ、捕集電極とは反対側である紡糸電極１の下側の幾つかの紡糸部材はポリマー溶液槽に収容されているポリマー溶液内に浸されるが、シャフト４をスペーサーチューブと取り替えた場合には、スペーサーチューブとポリマー溶液との望ましくない接触はなくなる。シャフト４は、スペーサーチューブまたは紡糸部材の他の部分とされることもできるが、周知の方法で紡糸電極１を回転駆動する図示しない駆動装置とさらに連結される。

ポリマー溶液の静電紡糸によってナノ・ファイバーを製造する装置の作動中、紡糸電極１は駆動装置によりその長手方向軸線の周りに回転され、端面部材２，３の周縁に沿って等間隔に配置されている紡糸部材はポリマー溶液槽内のポリマー溶液レベルよりも低い位置へと順次浸され、その物理的特性によりポリマー溶液で覆われたレベルよりも上方位置へ取り出される。ポリマー溶液を伴って取り出された紡糸部材はその後捕集電極へ接近し、この捕集電極は静電紡糸に応じて接地されるか紡糸電極１の紡糸部材よりも高い電圧源の反対極に接続される。紡糸部材が捕集電極に十分近付いたとき、紡糸部材と捕集電極との間に電位差がある結果として十分に強力な電場が発生され、この電場は紡糸部材の全長に沿って紡糸工程を開始する。紡糸工程中、紡糸部材表面上のポリマー溶液からポリマーのナノ・ファイバーが形成され、このナノ・ファイバーは静電場の作用によって捕集電極へ向けて移動する。

紡糸部材はその表面上のポリマー溶液を紡糸する適当位置に或る時間にわたって留まり、その時間は軸線４１の回りの紡糸電極１の回転速度に見合う長さとされ、その時間経過後に捕集電極の近くから移動して離れた後、再びポリマー溶液槽のポリマー溶液内に浸される。その間、ポリマー溶液を有する他の紡糸部材が捕集電極付近へ順次位置されて、それらの表面で紡糸が行われる。紡糸部材が望まれるように配置された紡糸電極は、このようにしてナノ・ファイバーの連続製造を可能にする。

それにも拘らず紡糸電極１の構造は実施例およびそれらの変更例の上述した例に限られるものではない。紡糸電極において個々の部材を配置できる可能性は、ナノ・ファイバーの製造装置の他の部材の配置および構造によってさらに得られる。その一例が図４に示されている。この例における紡糸電極１は２つの端面部材２，３を含み、非導電性材料で作られたディスクによって各端面部材が形成されている。

端面部材２，３は外側にヒンジ２０，３０を備えており、このヒンジはポリマー溶液７の槽６の反対両壁に回転可能に軸線方向に取付けられている。ヒンジは、端部に歯車２０１，３０１を備え、取付けにおいてそれらの相互の軸線方向位置は幾つかある公知の方法、図示例ではヒンジ２０，３０のネックに取付けられてポリマー溶液槽６の外側壁に当接するスペーサーリング２０２，３０２によって固定されている。歯車２０１，３０１は駆動歯車８２，８３と噛合い、駆動歯車は駆動装置８に連結されている。歯車２０１，３０１および駆動歯車８２，８３の連結は端面部材２，３を同一方向および同速度で駆動するのみならず、端面部材２，３の一定した相互位置を保証する働きをしており、端面部材２，３の対応する溝は相対関係を有して配置され、それらの溝を経由する紡糸手段は端面部材２，３の回転軸線と平行である。端面部材２の全周に沿って等間隔に半径方向溝２１，２２，２３，２４，２５，２６が配置され、また、端面部材３の全周に沿って半径方向溝３１，３２，３３，３４，３５，３６が等間隔に配置され、上述した実施例の幾つかの例にしたがって端面部材２の周縁の半径方向溝および端面部材３の周縁の半径方向溝を通して、無端ループとして形成された１本または複数本のコード５が導かれ、張架される。

前記全実施例を基本として、ほぼ限りない数の多少異なる各種紡糸電極１の変形例が作り出せ、それらは上述した実施例から特に端面部材２，３の周縁の半径方向溝の個数、したがって紡糸電極１の紡糸部材の本数が相違するのであるが、１本または複数本のコード５が無端ループとして形成されずに、端面部材２，３の何れかの外側に始点および終点を有することも可能である。他の相違点もまた端面部材２，３のさまざまな実施例により得られ、基本的に何れかの三次元的な形態において作り出される。しかしながら端面部材２，３の最も都合のよい解決手段は非導電性材料のディスクと考えられ、その縁は１本または複数本のコード５の耐久性および安全性のために、ならびに紡糸工程におけるそれらの端面部材２，３の影響を最小限にするために、丸められる。

本発明による紡糸電極１の他の可能な変形例は、端面部材２，３に半径方向溝に替えて穿孔が配置され、穿孔内に１本または複数本のコード５が通される変形例である。それにも拘わらずにこの構造の紡糸電極１を使用すると、特に端面部材２，３の表面に担持されて捕集電極と紡糸電極１との間の静電場へ運ばれるポリマー溶液が影響する難問が生じる。端面部材上で紡糸工程が始まってしまう危険性は、端面部材に付いたポリマー溶液を払拭する適当な手段で防止することができる。

本発明による紡糸電極は、ポリマー水溶液および非水ポリマー溶液の静電紡糸によってナノ・ファイバーを製造する装置に利用できる。

１ 紡糸電極
２ 端面部材
２０ ヒンジ
２０１ 歯車
２０２ スペーサーリング
２１ 半径方向溝
２２ 半径方向溝
２３ 半径方向溝
２４ 半径方向溝
２５ 半径方向溝
２６ 半径方向溝
３ 端面部材
３０ ヒンジ
３０１ 歯車
３０２ スペーサーリング
３１ 半径方向溝
３２ 半径方向溝
３３ 半径方向溝
３４ 半径方向溝
３５ 半径方向溝
３６ 半径方向溝
４ シャフト
４１ シャフト軸線
５ コード
５１４ コード
５２５ コード
５３６ コード
６ ポリマー溶液槽
７ ポリマー溶液
８ 駆動装置
８１ 駆動歯車
８２ 駆動歯車

Claims (9)

1. ポリマー溶液から静電紡糸法によってナノ・ファイバーを製造する装置のための、一対の端面部材（２，３）を含む細長い形状の回転紡糸電極（１）であって、前記端面部材間に、ワイヤーで形成された複数の紡糸部材が円周方向に等間隔に、かつ、前記回転紡糸電極（１）の回転軸線（４１）と平行に配置されており、ポリマー溶液槽から紡糸電場にポリマー溶液を運ぶ働きをする前記回転紡糸電極（１）において、前記端面部材（２，３）が非導電性材料で作られ、全ての前記紡糸部材が導電状態で互いに接続されていることを特徴とする回転紡糸電極（１）。
2. 前記紡糸部材が１本の金属コードで形成され、該金属コードが、前記端面部材（２，３）の周縁に形成された溝（２１，２２，２３，２４，２５，２６，３１，３２，３３，３４，３５，３６）または開口内で、前記端面部材（２，３）の一方から他方の端面部材に向けて交互に張架されていることを特徴とする請求項１に記載された回転紡糸電極（１）。
3. 前記金属コード（５）が、前記端面部材（２，３）上で次の前記溝（２１，２２，２３，２４，２５，２６，３１，３２，３３，３４，３５，３６）または開口に導かれ、それらを経て第２の前記端面部材（２，３）に張架されていることを特徴とする請求項２に記載された回転紡糸電極。
4. 前記金属コード（５）が、前記端面部材（２，３）上で、前記端面部材（２，３）の円周における反対側にある前記溝（２１，２２，２３，２４，２５，２６，３１，３２，３３，３４，３５，３６）または開口に向かって交差する態様で延在していることを特徴とする請求項２に記載された回転紡糸電極。
5. 前記紡糸部材が、それぞれ１本の金属コードで形成された複数対に分けられ、それらの金属コードが前記端面部材（２，３）上で交差していることを特徴とする請求項１に記載された回転紡糸電極。
6. 前記端面部材（２，３）がシャフト（４）に装着されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された回転紡糸電極。
7. 前記端面部材（２，３）が非導電性のスペーサーチューブに装着されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された回転紡糸電極。
8. 前記端面部材間の前記シャフト（４）の一部分が非導電性のスペーサーチューブで覆われていることを特徴とする請求項６に記載された回転紡糸電極。
9. 前記端面部材（２，３）が、それらの外側面でヒンジ（２０，３０）と軸線方向に連結され、前記ヒンジ（２０，３０）はポリマー溶液（７）の貯溜槽（６）の反対両側の壁に回転可能かつ軸線方向に整合して装架されており、また、前記端面部材（２）の前記半径方向溝（２１，２２，２３，２４，２５，２６）または開口が、第２の前記端面部材（３）の前記半径方向溝（３１，３２，３３，３４，３５，３６）または開口に対応して配置され、前記ヒンジ（２０，３０）が前記紡糸電極（１）の駆動装置（８）と連結されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された回転紡糸電極。

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