JP4939467B2 - ナノファイバ製造方法、ナノファイバ製造装置 - Google Patents

Description

本願発明は、エレクトロスピニング法（静電爆発）を用いてナノファイバを製造するナノファイバ製造装置に関し、特に、ナノファイバに種々の機能を付加することのできるナノファイバ製造方法、及び、ナノファイバ製造装置に関する。

高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質（ナノファイバ）を製造する方法として、エレクトロスピニング（電荷誘導紡糸）法が知られている。

このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより噴射（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的には、帯電され噴射された原料液は、空間を飛行中の原料液の粒から溶媒が蒸発するに伴い原料液の体積は減少していく。一方、原料液に付与された電荷は原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液の粒は、電荷密度が上昇することとなる。そして、原料液中の溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の粒の電荷密度がさらに高まり、原料液の粒の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（静電爆発）が生じる。この静電爆発が、空間において次々とねずみ算式に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される（例えば、特許文献１参照）。

前記エレクトロスピニング法により製造されるナノファイバは、糸や不織布の原料として用いられるが、さらに、ナノファイバに触媒や吸湿剤などの機能性物質を担持させ、糸や不織布の機能向上を図る試みがなされている。

例えば、本願出願人は、先に原料液に機能性の担持材を混入させ、当該原料液からエレクトロスピニング法によりナノファイバを製造することで担持材が担持されたナノファイバの製造方法などを出願している。
特開２００５−３３０６２４号公報

ところが、本願発明者は、前記ナノファイバ製造方法に関しさらに研究を進めたところ、ナノファイバを構成する樹脂の種類や担持させる担持材の種類によっては、所望の性能のナノファイバを製造することが困難な場合があることを見いだすに至った。そして、さらに鋭意研究を進めたところ、担持材がナノファイバの中に含まれてしまっているため担持材の機能が発揮できない場合や、担持材がナノファイバの中に入り込みすぎて、ナノファイバの機械的強度が低下してしまう場合があることを突き止めるに至った。

本願発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ナノファイバ自体の機械的強度の低下を抑止しつつ担持材の機能を十分に発揮し得るナノファイバの製造方法、及び、製造装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造方法は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射工程と、原料液に電荷を付与してを帯電させる原料液帯電工程と、帯電され噴射される原料液が静電爆発し、ナノファイバが製造されるナノファイバ製造工程と、ナノファイバに担持させる担持材を前記ナノファイバが帯電する極性とは逆極性に帯電させる担持材帯電工程と、製造された前記ナノファイバと帯電した担持材とを空間中で混合させる混合工程とを含むことを特徴とする。

これにより、製造されたナノファイバと担持材とが所定の空間中で混合される。さらに、ナノファイバと担持材とが相互に逆極性で帯電しているため、ナノファイバの表面に担持材が付着する。従って、ナノファイバの機械的特性に与える影響を抑止しつつ、担持材による新たな機能を付与することが可能となる。しかも、担持材がナノファイバの表面にのみ存在するため、担持材の機能を殺すことなく十分に発揮させることのできるナノファイバを製造することが可能となる。

さらに、製造された前記ナノファイバを気体流により搬送する搬送工程を含み、前記混合工程は、前記搬送工程中のナノファイバと担持材とを混合させることが好ましい。

これによれば、気体流で分散された状態で搬送されるナノファイバに対し担持材が混合されるため、空間全体として均一、かつ、ナノファイバに対しても均一に担持材を担持させることが可能となる。従って、安定して機能を発揮しうるナノファイバを製造することが可能となる。

さらに、前記気体流と前記担持材を担持した前記ナノファイバとを分離し、前記ナノファイバを堆積させて収集する収集工程を含んでもよい。

これによれば、均一に担持材が担持されたナノファイバを効率よく収集することができ、収集されたナノファイバを不織布の製造や紡糸に供給することが可能となる。

また、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射手段と、前記原料液に電荷を付与して帯電させる原料液帯電手段と、製造されたナノファイバを案内する風洞を形成する案内手段と、前記案内手段内部に前記ナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段と、ナノファイバに担持させる担持材を前記ナノファイバが帯電する極性とは逆極性に帯電させる担持材帯電手段と、製造された前記ナノファイバと帯電した担持材とを混合させる混合手段とを備えるナノファイバ製造装置を用いることにより、上記方法を実現することが可能となる。

本願発明によれば、製造された、または、製造されつつあるナノファイバの表面にのみ担持材を担持させることができるため、ナノファイバ自体の機械的強度の低下を抑止しつつ担持材の機能を十分に発揮し得るナノファイバを提供することが可能となる。

次に、本願発明にかかるナノファイバ製造装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液放出手段２００から放出されたナノファイバ３０１と、担持液放出手段２５０から放出された担持材３１１とを空間中で混合し、ナノファイバ３０１の表面に担持材３１１を担持させる装置であり、当該ナノファイバを収集する装置である。原料液放出手段２００は、原料液噴射手段２０１と、原料液帯電手段２０２と、案内手段２０６と、気体流発生手段２０３とを備えている。一方、担持液放出手段２５０は、担持液噴射手段２５１と、担持材帯電手段２５２と、第二案内手段２５６と、第二気体流発生手段２５３とを備えている。さらに、ナノファイバ製造装置１００は、混合手段１３０と、加速手段２３０と、収集手段１１０とを備えている。

原料液放出手段２００は、帯電した原料液３００や当該原料液３００が飛行中に静電爆発により製造されるナノファイバ３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットである。なお、原料液放出手段２００の詳細については後述する。

ここで、ナノファイバを製造するための原料液については原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が静電爆発しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。

混合手段１３０は、原料液放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１（原料液３００）と担持液放出手段２５０から放出される担持材（後述）とを気体流と共に混合させる部材である。混合手段１３０は、異なる場所場所で発生するナノファイバ３０１と担持材３１１とが一箇所で合流するように案内し、合流したナノファイバ３０１と担持材３１１とを混合できるようにＹ字状に接続される管状の部材である。混合手段１３０は、大径の主円筒体１３１の端部から小径の副円筒体１３２が２本連接された構造を有しており、２本の副円筒体１３２は異なる方向に向いた状態となっている。なお、本実施の形態では主円筒体１３１および副円筒体１３２は円筒形状のパイプを用いているが、混合手段１３０の形状は任意であり、断面矩形の筒体などを採用してもよい。また、混合手段１３０は、Ｙ字状に接続される管状の部材に限定するものではなく、Ｔ字状に接続される管状の部材でもよく、ナノファイバ３０１と担持材３１１とが一箇所で合流するように案内できるようになればよい。

収集手段１１０は、担持材３１１が表面に付着したナノファイバ３０１を収集するための装置であり、堆積手段１０１と、搬送手段１０４と、吸引手段１０２と、吸引制御手段１０５と、領域規制手段１０３とを備えている。

堆積手段１０１は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ３０１が堆積する対象となる部材である。堆積手段１０１は、気体流により案内されるナノファイバ３０１を気体流と分離して収集する部材であり、気体流を挿通可能でナノファイバ３０１を挿通しない微細な孔を多数備えている。本実施の形態の場合、堆積手段１０１は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的には、堆積手段１０１として、アラミド繊維からなる長尺の網を例示することができる。さらに、堆積手段１０１の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を堆積手段１０１から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、堆積手段１０１は、ロール状に巻き付けられた状態で供給ロール１１１から供給されるものとなっている。

搬送手段１０４は、長尺の堆積手段１０１を巻き取りながら供給ロール１１１から引き出し、加速手段２３０の導出口近傍をゆっくりと移動させ、堆積するナノファイバ３０１と共に堆積手段１０１を搬送するものとなっている。搬送手段１０４は、ナノファイバ３０１が堆積している不織布を堆積手段１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。

吸引手段１０２は、堆積手段１０１のナノファイバ３０１が堆積される側と反対側、すなわち、加速手段２３０が配置される側と反対側に配置され、原料液放出手段２００から加速手段２３０を経て流れ来る気体流を堆積手段１０１に強制的に通過させて吸引する装置である。本実施の形態では、ナノファイバ製造装置１００は、吸引手段１０２として、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機が採用されており、領域規制手段１０３からダクト１２１に向かう気体流を発生させている。また、吸引手段１０２は、ダクト１２１と連通状態で配置されており、加速手段２３０から導出される気体流であって、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、ダクト１２１を通過して溶剤回収装置１０６まで搬送することができるものとなっている。

吸引制御手段１０５は、吸引手段１０２と電気的に接続され、吸引手段１０２の吸引量を制御する装置である。本実施の形態では吸引手段１０２として送風機が採用されており、吸引制御手段１０５は、前記送風機の回転数を制御することにより気体の吸引量を制御している。

領域規制手段１０３は、吸引手段１０２の吸引領域を規制する機能を有し、堆積手段１０１のナノファイバ３０１が収集される側と反対側にあって、堆積手段１０１と吸引手段１０２との間に配置される両端が開放状態の筒体である。領域規制手段１０３の形状は、ナノファイバ３０１が放出される端部形状に対応することが好ましい。本実施の形態の場合、加速手段２３０の導出端開口部の形状が矩形であるので、領域規制手段１０３も前記形状に対応する矩形の筒体が採用されている。なお、前記導出端部の形状が環状であれば、領域規制手段１０３も円筒形を採用すればよい。

加速手段２３０は、混合手段１３０で担持材３１１と混合され、表面に担持材３１１を担持したナノファイバ３０１の飛行速度を高める装置であり、加速流発生手段２３２と、加速風洞体２３４とを備えている。

加速風洞体２３４は、混合手段１３０の主円筒体１３１に接続され、混合手段１３０から放出されるナノファイバ３０１を堆積手段１０１まで案内する機能を有する筒状の部材であり、加速流発生手段２３２で発生する気体流を加速風洞体２３４内方に導入することが可能な気体流導入口２３３を周壁に備えている。加速風洞体２３４の混合手段１３０と接続される部分は、混合手段１３０の導出側端部の面積に対応する面積で構成されており、加速風洞体２３４の導出側端部は、前記導出側端部の面積より小さくなっている。従って、加速風洞体２３４は、全体として漏斗形状となっており、加速風洞体２３４に導入されたナノファイバ３０１を気体流と共に圧縮できる形状となっている。

加速流発生手段２３２は、高圧ガスを加速風洞体２３４内部に導入することで気体流を発生させる装置である。本実施の形態では、加速流発生手段２３２は、高圧ガスを貯留しうるタンク（ボンベ）と、タンク内の高圧ガスの圧力を調節するバルブ２３５を有するガス導出手段を備える装置が採用されている。

なお、加速流発生手段２３２が供給するガスは、空気でもかまわないが、酸素含有比率が空気よりも低い安全ガスが望ましい。原料液３００から蒸発する溶媒による爆発を回避するためである。安全ガスとしては、空気から樹脂膜（中空糸膜）により酸素をある程度除去した低酸素濃度ガスや、過熱水蒸気を挙示することができる。なお、本記載は酸素の含有がほとんどない高純度なガスなどの使用を除外するものではなく、液体や気体等の状態でボンベに封入された高純度な窒素やドライアイスから供給される二酸化炭素なども利用可能である。

また、加速流発生手段２３２により発生する気体流を加熱する加熱手段を設けてもかまわない。

図２は、原料液放出手段、及び、担持液放出手段を示す断面図である。

図３は、原料液放出手段、及び、担持液放出手段を示す斜視図である。

これらの図に示すように、原料液放出手段２００は、原料液噴射手段２０１と、原料液帯電手段２０２と、気体流発生手段２０３と、案内手段２０６とを備えている。

原料液噴射手段２０１は、原料液３００を空間中に噴射する装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に噴射する装置である。原料液噴射手段２０１は、噴射容器２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。

噴射容器２１１は、原料液３００が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を噴射することのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には噴射口２１６を多数備えている。噴射容器２１１は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されている。噴射容器２１１は支持体（図示せず）に設けられるベアリング（図示せず）により回転可能に支持されている。

具体的には、噴射容器２１１の直径は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を噴射させるための回転を高めなければならず、モータの負荷や振動など問題が発生するためである。さらに噴射容器２１１の直径は、２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。また、噴射口２１６の形状は円形が好ましく、その直径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。

回転軸体２１２は、噴射容器２１１を回転させ遠心力により原料液３００を噴射させるための駆動力を伝達するための軸体であり、噴射容器２１１の他端から噴射容器２１１の内部に挿通され、噴射容器２１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ２１３の回転軸と接合されている。

モータ２１３は、遠心力により原料液３００を噴射口２１６から噴射させるために、回転軸体２１２を介して噴射容器２１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、噴射容器２１１の回転数は、噴射口２１６の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ２１３と噴射容器２１１とが直動の時はモータ２１３の回転数は、噴射容器２１１の回転数と一致する。

原料液帯電手段２０２は、原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、原料液帯電手段２０２は、誘導電極２２１と、誘導電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、噴射容器２１１も原料液帯電手段２０２の一部として機能している。

誘導電極２２１は、自身がアースに対し高い電圧となることで、近傍に配置され接地されている噴射容器２１１に電荷を誘導するための部材であり、噴射容器２１１の先端部分を取り囲むように配置される円環状の部材である。また、誘導電極２２１は、気体流発生手段２０３からの気体流を混合手段１３０の副円筒体１３２に案内する案内手段２０６としても機能している。

誘導電極２２１の大きさは、噴射容器２１１の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、２００ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。

誘導電源２２２は、誘導電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。なお、誘導電源２２２は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ３０１の帯電極性に影響受けないような場合、生成したナノファイバ３０１の帯電を利用して、電極上に回収するような場合には、直流電源が好ましい。また、それ以外の場合には、交流電源でもかまわない。また、誘導電源２２２が直流電源である場合、誘導電源２２２が誘導電極２２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。特に、噴射容器２１１と誘導電極との間の電界強度が重要であり、１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧や誘導電極２２１の配置を行うことが好ましい。

接地手段２２３は、噴射容器２１１と電気的に接続され、噴射容器２１１を接地電位に維持することができる部材である。接地手段２２３の一端は、噴射容器２１１が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。

本実施の形態のように原料液帯電手段２０２に誘導方式を採用すれば、噴射容器２１１を接地電位に維持したまま原料液３００に電荷を付与することができる。噴射容器２１１が接地電位の状態であれば、噴射容器２１１に接続される回転軸体２１２やモータ２１３などの部材を噴射容器２１１から電気的に絶縁する必要が無くなり、原料液噴射手段２０１として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。

なお、原料液帯電手段２０２として、噴射容器２１１に電源を接続し、噴射容器２１１を高電圧に維持して原料液３００に電荷を付与してもよい。また、噴射容器２１１を絶縁体で形成すると共に、噴射容器２１１に貯留される原料液３００に直接接触する電極を噴射容器２１１内部に配置し、当該電極を用いて原料液３００に電荷を付与するものでもよい。

気体流発生手段２０３は、噴射容器２１１から噴射される原料液３００の飛行方向を案内手段２０６で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段２０３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から噴射容器２１１の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段２０３は、噴射容器２１１から径方向に噴射される原料液３００が誘導電極２２１に到達するまでに前記原料液３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段２０３として、原料液放出手段２００の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。

なお、気体流発生手段２０３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより噴射された原料液３００の方向を変更するものでもかまわない。また、吸引手段１０２や加速流発生手段２３２などにより案内手段２０６内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、気体流発生手段２０３は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、案内手段２０６の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段２０３が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、案内手段２０６の内方に気体流を発生させるようにすることも気体流発生手段が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、案内手段２０６の内方に気体流を発生させるようにすることも気体流発生手段が存在しているものとする。

案内手段２０６は、気体流発生手段２０３で発生した気体流を噴射容器２１１の近傍に案内する風洞体である。案内手段２０６により案内された気体流が噴射容器２１１から噴射された原料液３００と交差し、原料液３００の飛行方向を変更する。

さらにまた、原料液放出手段２００は、気体流制御手段２０４と、加熱手段２０５とを備えている。

気体流制御手段２０４は、気体流発生手段２０３により発生する気体流が噴射口２１６に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段２０４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御手段２０４により、気体流が直接噴射口２１６に当たらないため、噴射口２１６から噴射される原料液３００が早期に蒸発して噴射口２１６を塞ぐことを可及的に防止し、原料液３００を安定させて噴射させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段２０４は、噴射口２１６の風上に配置され気体流が噴射口２１６近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。

加熱手段２０５は、気体流発生手段２０３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段２０５は、案内手段２０６の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段２０５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段２０５により気体流を加熱することにより、空間中に噴射される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。

次に、担持液放出手段２５０について説明する。なお、担持液放出手段２５０は、前記原料液放出手段２００と装置構成が同じであるため、図２、図３を用いて説明する。名称の異なる部材については異なる符号を付し、当該符号は図中において括弧内に記載している。また、同一名称の部材については同一の符号を付している。

担持液噴射手段２５１は、原料液噴射手段２０１と同様であり、噴射容器２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。これらについては、上記説明の「原料液３００」を「担持液３１０」と、「ナノファイバ３０１」を「担持材３１１」と読み替えれば、同じ説明となるため説明を省略する。

担持材帯電手段２５２は、担持液３１０に電荷を付与して帯電させる装置である。担持材帯電手段２５２は、原料液帯電手段２０２と同様、誘導電極２２１と、誘導電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、噴射容器２１１も担持材帯電手段２５２の一部として機能している。

第二案内手段２５６は、案内手段２０６と同様、第二気体流発生手段２５３で発生した気体流を噴射容器２１１の近傍に案内する風洞体である。第二案内手段２５６により案内された気体流が噴射容器２１１から噴射された担持液３１０と交差し、担持液３１０の飛行方向を変更する。

第二気体流発生手段２５３は、気体流発生手段２０３と同様、噴射容器２１１から噴射される担持液３１０の飛行方向を案内手段２０６で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。第二気体流発生手段２５３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から噴射容器２１１の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段２０３は、噴射容器２１１から径方向に噴射される担持液３１０が誘導電極２２１に到達するまでに前記担持液３１０を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、第二気体流発生手段２５３として、担持液放出手段２５０の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。

次に、上記構成のナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバ３０１の製造方法を説明する。

まず、気体流発生手段２０３と第二気体流発生手段２５３とにより、案内手段２０６や第二案内手段２５６の内部に気体流を発生させる。一方、吸引手段１０２により、堆積手段１０１よりも下流側から前記気体流を吸引する。

次に、原料液噴射手段２０１の噴射容器２１１に原料液３００を供給する。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図２参照）を通過して噴射容器２１１の他端部から噴射容器２１１内部に供給される。一方、担持液噴射手段２５１の噴射容器２１１に担持液３１０を供給する。担持液３１０は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図２参照）を通過して噴射容器２１１の他端部から噴射容器２１１内部に供給される。

次に、誘導電源２２２により噴射容器２１１に貯留される原料液３００に電荷を供給しつつ（原料液帯電工程）、噴射容器２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により噴射口２１６から帯電した原料液３００を噴射する（原料液噴射工程）。一方、誘導電源２２２により噴射容器２１１に貯留される担持液３１０に電荷を供給しつつ（担持材帯電工程）、噴射容器２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により噴射口２１６から帯電した担持液を噴射する（担持液噴射工程）。

ここで、原料液３００に供給される電荷の極性と、担持液３１０に供給される電荷の極性は相互に逆極性となっている。

噴射容器２１１の径方向放射状に噴射された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り案内手段２０６に案内されて搬送される（搬送工程）。原料液３００は静電爆発によりナノファイバ３０１を製造しつつ（ナノファイバ製造工程）原料液放出手段２００から放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。一方、担持液３１０は、噴射容器２１１の径方向放射状に噴射され、気体流により飛行方向が変更される。担持液３１０は、静電爆発により微小な液滴に分断されつつ担持液放出手段２５０から放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、担持液３１０の飛行を案内しつつ、担持液３１０に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。

次に、原料液放出手段２００から放出され静電爆発により製造されたナノファイバ３０１や原料液３００と、担持液放出手段２５０から放出され静電爆発により微小液滴となった担持液３１０や担持材３１１とは、混合手段１３０により気体流と共に合流して混合状態となる（混合工程）。

ここで、ナノファイバ３０１と担持液３１０とは相互に逆極性に帯電しているため、引力が発生し、ナノファイバ３０１の表面に担持液３１０や担持材３１１が付着しながら混合手段１３０の内方を気体流に乗って搬送される（搬送工程）。この段階で、ナノファイバ３０１は、担持材３１１を担持することとなる。

加速手段２３０内方を通過する担持材３１１を担持したナノファイバ３０１は、高圧ガスの噴流により加速されつつ、加速手段２３０の内方が狭くなるにつれて徐々に圧縮され高密度状態となって堆積手段１０１に到達する。堆積手段１０１は、背部（下流側）から気体流が吸引手段１０２により吸引されているため、フィルタとして機能し、ナノファイバ３０１と気体流とを分離してナノファイバ３０１のみを堆積させながら収集する（収集工程）。ナノファイバ３０１が堆積する堆積手段１０１は、搬送手段１０４の巻き取りにより一定の移動速度で移動しており、堆積手段１０１の上に堆積したナノファイバ３０１は、不織布を形成しながら堆積手段１０１と共に移動し、搬送手段１０４に巻き取られる。

なお、ナノファイバ３０１を構成する高分子物質としては、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−フェニレンイソフタレート、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、ポリペプチド等を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

原料液３００に使用される溶媒としては、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、クロロホルム、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、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

さらに、原料液３００に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、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酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、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等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

溶媒と高分子との混合比率は、溶媒と高分子により異なるが、溶媒量は、約６０％から９８％の間が望ましい。

なお、担持材３１１としては、機能性を備える物質であれば特に限定されるものではない。例えば、光活性金属酸化物等を挙示することができる。例えば、酸化亜鉛及び酸化チタン等である。光活性金属酸化物は、可視光（例えば、酸化亜鉛）や紫外線（ＴｉＯ₂）などの光により、活性化して触媒機能を発揮する。従って、本願発明のようにナノファイバの表面に光活性金属酸化物の微粒子が付着し、当該ナノファイバが不織布状態となっていれば、光をその微粒子に効率よく到達させることができ、光活性金属酸化物の効果を十分に発揮させることができる。

また、担持材３１１としては、活性炭等の匂いの成分を吸収するものや、銀や銅など抗菌や殺菌性能のあるもの、親水性や疎水性を付与するものなどを列挙できる。

上記装置構成、及び、方法により、表面にのみ担持材３１１が担持されたナノファイバ３０１を製造することが可能となる。従って、担持材３１１のナノファイバ３０１内部への混入によってナノファイバ３０１の機械的強度が低下することがなく、しかも、図４に示すように、担持材３１１がナノファイバ３０１の表面にのみ担持されているため、担持材３１１の性能を十分に発揮することが可能となる。

しかも、ナノファイバ３０１と担持材３１１とが相互に逆極性で帯電しているため、ナノファイバ３０１の表面に担持材３１１が強固に担持される。

また、静電爆発で製造されるナノファイバ３０１に対し、静電爆発で微小液滴となった担持液３１０、または、担持材３１１が分散状態で混合されるため、均等に混ざり合い、全体的に性能の安定したナノファイバ３０１を製造することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本願発明にかかる他の実施の形態について説明する。

図５は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。なお、上記実施の形態１と同じ機能を有する部材、装置等には同じ符号を付し、説明を省略する。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液放出手段２００と、混合手段１３０と、担持材噴霧手段２７０と、加速手段２３０と、収集手段１１０とを備えている。なお、原料液放出手段２００と、加速手段２３０と、収集手段１１０とは上記と同じであるため、その説明を省略する。

担持材噴霧手段２７０は、担持材３１１を含む担持液３１０を超音波や２流体ノズルを用いて噴霧し、噴霧された担持液３１０に含まれる担持材３１１をイオナイザで帯電しているナノファイバ３０１の極性と逆の極性に帯電させる装置である。担持材噴霧手段２７０は、後述の混合手段１３０に臨んで取り付けられており、混合手段１３０内部に帯電した担持液３１０を噴霧できるものとなっている。

ここで、イオナイザとは、空間中に存在する微粒子を帯電させることができる装置であり、具体的には、コロナ放電方式や電圧印加方式、交流方式、定常直流方式、パルス直流方式、自己放電式、軟Ｘ線方式、紫外線式、放射線方式など任意の方式等を挙示することができる。

混合手段１３０は、原料液放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１と担持材噴霧手段２７０から噴霧される担持液３１０とを混合する部材である。本実施の形態の場合、混合手段１３０は、原料液放出手段２００と加速手段２３０とをまっすぐ結ぶ円筒形の管体であり、ナノファイバ３０１を原料液放出手段２００から加速手段２３０に向けて搬送する気体流を案内する案内管体である。また、混合手段１３０は、周壁に担持材噴霧手段２７０が取り付けられている。

以上の構成によれば、原料液放出手段２００から放出されたナノファイバ３０１が加速手段２３０に向けて搬送されている間に、担持材噴霧手段２７０から噴霧された微小な担持液３１０が混合される。ここで、ナノファイバ３０１と担持材３１１とは相互に逆極性で帯電しているため、表面に担持材３１１が担持されたナノファイバ３０１を簡易な方法で製造することが可能となる。

上記実施の形態では、担持材３１１を含む液体を微細化してナノファイバ３０１の表面に担持させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、担持材３１１の微粉末を固体のまま帯電させ、空間中に分散させてナノファイバ３０１と混合させてもよい。

本発明は、光触媒や脱臭など機能性を備えた繊維や不織布などの製造に利用可能である。

本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。 原料液放出手段、及び、担持液放出手段を示す断面図である。 原料液放出手段、及び、担持液放出手段を示す斜視図である。 担持材を担持したナノファイバを模式的に示す図である。 本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 堆積手段
１０２ 吸引手段
１０３ 領域規制手段
１０４ 搬送手段
１０５ 吸引制御手段
１０６ 溶剤回収装置
１１０ 収集手段
１１１ 供給ロール
１２１ ダクト
１３０ 混合手段
１３１ 主円筒体
１３２ 副円筒体
２００ 原料液放出手段
２０１ 原料液噴射手段
２０２ 原料液帯電手段
２０３ 気体流発生手段
２０４ 気体流制御手段
２０５ 加熱手段
２０６ 案内手段
２１１ 噴射容器
２１２ 回転軸体
２１３ モータ
２１６ 噴射口
２１７ 供給路
２２１ 誘導電極
２２２ 誘導電源
２２３ 接地手段
２３０ 加速手段
２３２ 加速流発生手段
２３３ 気体流導入口
２３４ 加速風洞体
２３５ バルブ
２５０ 担持液放出手段
２５１ 担持液噴射手段
２５２ 担持材帯電手段
２５３ 第二気体流発生手段
２５６ 第二案内手段
２７０ 担持材噴霧手段
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ
３１０ 担持液
３１１ 担持材

Claims (6)

1. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射工程と、
   原料液に電荷を付与して帯電させる原料液帯電工程と、
   帯電され噴射される原料液が静電爆発し、ナノファイバが製造されるナノファイバ製造工程と、
   ナノファイバに担持させる担持材を前記ナノファイバが帯電する極性とは逆極性に帯電させる担持材帯電工程と、
   製造された前記ナノファイバと帯電した担持材とを空間中で混合させる混合工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
2. さらに、
   製造された前記ナノファイバを気体流により搬送する搬送工程を含み、
   前記混合工程は、
   前記搬送工程中のナノファイバと担持材とを混合させる
   請求項１に記載のナノファイバ製造方法。
3. さらに、
   前記気体流と前記担持材を担持した前記ナノファイバとを分離し、前記ナノファイバを堆積させて収集する収集工程を含む
   請求項２に記載のナノファイバ製造方法。
4. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射手段と、
   前記原料液に電荷を付与して帯電させる原料液帯電手段と、
   製造されたナノファイバを案内する風洞を形成する案内手段と、
   前記案内手段内部に前記ナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段と、
   ナノファイバに担持させる担持材を前記ナノファイバが帯電する極性とは逆極性に帯電させる担持材帯電手段と、
   製造された前記ナノファイバと帯電した担持材とを混合させる混合手段と
   を備えるナノファイバ製造装置。
5. さらに、
   前記気体流と前記担持材を担持した前記ナノファイバとを分離し、前記ナノファイバを堆積させて収集する収集手段を備える
   請求項４に記載のナノファイバ製造装置。
6. さらに、
   担持材を含む液体である担持液を空間中に噴射する担持液噴射手段と、
   前記噴射された担持液、または、担持材を案内する風洞を形成する第二案内手段と、
   前記第二案内手段内部に前記担持液、または、担持材を案内する気体流を発生させる第二気体流発生手段とを備え、
   前記担持材帯電手段は、前記担持液に電荷を付与することにより担持材を帯電させる
   請求項４に記載のナノファイバ製造装置。

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