JP4981747B2 - ナノファイバ製造装置、および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナノファイバ製造装置、および製造方法に関し、さらに詳しくは静電爆発を利用してナノファイバを製造する技術に関する。

近年、直径がサブミクロンスケールの繊維状物質であるナノファイバを容易に製造できることから、エレクトロスピニング法（電荷誘導紡糸法）が注目を集めている。エレクトロスピニング法は、溶媒中に高分子材料を分散または溶解させた原料液を空中に放出するとともに、放出の際に原料液を高電圧で帯電させ、原料液を空中で静電爆発させてナノファイバを得る方法である。

より詳細には、高電圧により帯電されて空気中に放出された原料液は空中を飛翔する間に溶媒が蒸発し、体積が減少していく。一方、原料液に付与された電荷は溶媒の蒸発にかかわらず維持されるために、原料液の電荷密度は溶媒の蒸発とともに増大していく。そして、原料液内部の反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より大きくなったときに原料液が爆発的に線状に延伸される現象（静電爆発）が生じる。この静電爆発が空中において連続的に発生し、原料液がねずみ算式に線状に細分化されていくことで直径がサブミクロンスケールの微細な繊維が形成される（例えば特許文献１参照）。

図１１に、エレクトロスピニング法を利用した紡糸装置の一例を示す。この紡糸装置においては、放出器５１と、対向電極であるグリッド５５との間に電源５８により電位差が与えられている。長尺帯状の繊維集合体からなる収集用媒体５４が、搬送ローラ５６、５７により、グリッド５５と接触しながら搬送される。紡糸原液は、タンク５２からポンプ５３により、回転ユニオン５９により回転される放出器５１に送られ、紡糸原液供給孔から吐出されて紡糸される。紡糸された繊維状物質は、収集用媒体５４上に集積され、これにより繊維集合体層を備えた複合シートが製造される（特許文献２）。

このような方法により複合シートを製造する場合、収集用媒体がグリッドと密着して搬送されている場合には特に問題は生じない。しかしながら、収集用部材としてエンボス加工されたものを使用するなど、グリッドとの接触面が凹凸を有する収集用部材を使用する場合や、搬送ローラによって収集用部材にかかるテンションが不均一になった場合など、何らかの原因によって収集用部材の一部がグリッドと密着していない状態で搬送されると、収集用部材は絶縁性であるために、収集用部材のグリッドと密着していない部分の静電容量が低下する。これにより、その密着していない部分には繊維が集積しにくくなり、繊維量が均一な繊維集合体層を形成できない、という問題があった。

そのような問題に対処するために、基材と密着するように配置されるグリッドに代えて、基材と若干の距離をおいて、収集用部材に向けて繊維とは逆極性のイオンを照射するための電極を配置することが提案されている（特許文献３）。

特開２００５−３３０６２４号公報 米国特許第４６５０５０６号公報 特開２００７−９２２５７号公報

上述したとおり、特許文献３記載の従来技術においては、収集用部材と距離をおいて配設された電極から収集用部材に向けてイオンを照射して、繊維状物質が収集用部材上に均一に堆積するようにしている。ところが、上記従来技術においては、電気力線を均一化するために収集用部材と電極との間にある程度大きな距離をおく必要があり、電極から収集用部材に至る電気力線が弱くなってしまう。収集用部材に向けてイオンを照射する為に、生成するイオンを均一に発生させ、それを距離をおいて配置された収集用部材に均一に送ることが難しく、収集用部材上に堆積する繊維状物質が安定して均一にならないという問題を有していた。そのため、例えば幅広の収集用部材上に多量の繊維状物質を堆積させる必要がある場合には、均一な厚みで繊維状物質を集積させることができないという別の問題を生じてしまう。

また、特許文献２記載の従来技術について、本発明者等は図１１と同様の装置を試作した。その結果、図１２に簡略化して示すように、グリッド６３と収集用部材６２とが接触する接触部分の周縁の角部に、電気力線が集中し、その角部にのみ繊維状物質Ｆ１が多量に集積してしまい、生成される繊維状物質Ｆ１の不織布の厚みが均一にならない、という別の問題が存在することも判明した。

これを避けるために、図１３に示すように、角部のない球状ないしは円筒状のグリッド（電極）６０を収集用部材５４と接触させることも試みた。しかしながら、この場合にも、収集用部材５４とグリッド６０とが接触している部分にのみ電気力線が集中し、その部分に繊維状物質が集中して堆積するために、例え収集用部材５４を送っても、均一な厚みに繊維状物質を集積することは困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、収集用部材に繊維状物質をむらなく堆積させて集積量を均一とすることができるナノファイバ製造方法、および製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のナノファイバ製造装置は、高分子材料を含む原料液から静電爆発により繊維状物質を生成するように、前記原料液を帯電させて空中に放出する原料液放出手段と、
前記放出された原料液から空中で生成された繊維状物質を表面に堆積して収集するための繊維状物質収集用部材と、
ブラシ状電極もしくは前記収集用部材を前記原料液と逆極性に帯電させる前記ブラシ状電極を含む収集用部材帯電手段と、を備え、
前記収集用部材は、前記空中で生成された繊維状物質を一方の面に堆積して収集するように配設されたシート状の部材であり、
前記ブラシ状電極が、前記収集用部材の他方の面と接触、または近接して配置されている。

ここで、前記収集用部材が、長尺帯状であり、
前記収集用部材をその長手方向に送る送り機構を備えるのも好ましい。

また、前記ブラシ状電極が、棒状の基材に多数の繊維状導体を植設して構成されるのも好ましい。
また、前記基材の長手方向が前記収集用部材の送りの方向と略垂直になるように配設されるのも好ましい。

また、前記ブラシ状電極が、平板状の基材に多数の繊維状導体を植設して構成されるのも好ましい。
また、前記ブラシ状電極が、前記収集用部材の幅の内側に収まるように配設されるのも好ましい。

また、前記原料液放出手段が、
前記原料液を放出させる放出孔を有し、前記原料液を一時的に保持する、少なくとも前記放出孔の開口部が導体から形成される、接地された容器と、
前記原料液の前記放出孔からの放出を補助する力を前記原料液に加えるように動作する力印加機構と、を含むのも好ましい。

また、前記容器の前記放出孔と対向して配設された誘導電極と、
前記誘導電極に電圧を印加するための電源と、を備えるのも好ましい。
また、前記原料液放出手段が、
前記原料液を放出させる放出孔を有し、前記原料液を一時的に保持する、少なくとも前記放出孔の開口部が導体から形成された容器と、
前記原料液の前記放出孔からの放出を補助する力を前記原料液に加えるように動作する力印加機構と、を含むのも好ましい。

また、前記容器に電圧を印加するための電源を備えるのも好ましい。
また、前記容器の前記放出孔と対向して配設される、接地された被誘導電極を備えるのも好ましい。

また、前記ブラシ状電極が接地されているのも好ましい。
また、前記ブラシ状電極に電圧を印加するための電源を備えるのも好ましい。

また、前記放出孔から放出された原料液を、前記収集用部材の方向に移送するための気流を発生させる気流発生手段を備えるのも好ましい。
また、前記容器は、少なくとも一端が塞がれた円筒形状を有しており、
前記放出孔は、前記容器の周壁に形成されており、
前記力印加機構は、前記原料液が遠心力により前記放出孔から放出されるように前記容器を回転する回転駆動機構から構成されるのも好ましい。

また、前記誘導電極または前記被誘導電極が、前記容器の周囲に同軸に配された円筒状部材から構成されるのも好ましい。
また、前記容器は、１つの面に前記放出孔が形成された箱形状を有しており、
前記力印加機構は、前記原料液が前記放出孔から放出されるように前記原料液を加圧する加圧機構から構成されるのも好ましい。

また、前記誘導電極または前記被誘導電極が、前記容器の１つの面と対向して配設される平板状部材から構成されるのも好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明のナノファイバ製造方法は、
（ａ）高分子材料を含む原料液を帯電させる工程、
（ｂ）前記帯電させた原料液を空中に放出する工程、
（ｃ）静電爆発により、前記放出された原料液から繊維状物質を空中で生成する工程、
（ｄ）ブラシ状電極もしくは、前記空中で生成された繊維状物質を一方の面に堆積して収集するように配設されたシート状の繊維状物質収集用部材を、前記ブラシ状電極を含む収集用部材帯電手段により、前記ブラシ状電極を、前記収集用部材の他方の面と接触、または近接して配置することで、前記原料液と逆極性に帯電させる工程、並びに
（ｄ）前記空中で生成された繊維状物質を前記帯電させた収集用部材の前記一方の面に堆積して収集する工程、
を含む。

本発明によれば、ブラシ状電極を含む収集用部材等帯電手段により、収集用部材におけるブラシ状電極との接触部分が原料液と逆極性に均一に帯電される。これにより、収集部材に堆積して収集される繊維状物質の集積量（厚み）を均一にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。図２は、図１の一部の拡大図である。
図１および図２に示す製造装置は、導体からなる概略円筒形状の、接地された容器２を備えている。容器２は、ナノファイバの原料である高分子材料を分散または溶解してなる原料液Ｆを一時的に保持するものであり、周壁に原料液Ｆを外部に放出するための多数の細孔からなる放出孔２ａを有している。また、容器２の周囲には、環状電極（誘導電極）３が、内周面を容器２の外周面と一定の距離をおいて対向するように同軸に配設されている。環状電極３は、一方の端子が接地された高電圧電源７の他方の端子（図示例では、負極）と接続されており、これにより容器２の周面には、環状電極３とは逆極性の電荷（図示例では、正電荷）が誘導される。

さらに、容器２は、支持部１１により軸受１２を介して回転自在に支持されるとともに、その内部を貫通して設けられた回転軸２ｃがモータ１３と接続されている。また、容器２の内部には、支持部１１の内部を通過して設けられた原料液供給配管１５を通して、図示しない原料液タンクから原料液Ｆが所定の圧力で供給されている。なお、支持部１１の内部には、原料液供給配管１５と平行にモータ１３に電力を供給するための導線等を挿通するための配管３１が設けられている。

容器２の内部に供給された原料液Ｆは、容器２に誘導された、環状電極３とは逆極性の電荷により帯電され、環状電極３と容器２との間の電界により容器２の放出孔２ａから環状電極３に向かって放出される。また、容器２をモータ１３により所定回転数で回転駆動することによって、原料液Ｆの放出孔２ａからの放出が補助される。容器２の回転数は、原料液の粘度などの性状や放出孔の径などに応じて例えば１０〜１０，０００ｒｐｍの範囲で調節することができる。

容器２の放出孔２ａから放出された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に、溶媒が蒸発して内部の反発方向のクーロン力が増大し、連続的に静電爆発が引き起こされて繊維状に細分化される。このようにして、原料液Ｆからクーロン力により繊維状物質Ｆ１が形成される。なお、図１においては、繊維状物質Ｆ１が正電荷により帯電している様子を、プラス（＋）を丸で囲った記号で示している。

また、容器２の軸方向の一側には、気流発生手段としての送風機４が配設されており、その発生する気流により、原料液Ｆないしはそれから生成された繊維状物質Ｆ１の飛翔する方向は、原料液Ｆの放出方向とは略垂直な方向（容器２の軸方向）に偏向される。一方、容器２の軸方向の他側には、原料液Ｆから静電爆発により生成される繊維状物質（ナノファイバ）Ｆ１を収集する収集手段としてのコレクタ５が配設されている。

ここで、図１においては、原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１とを便宜的に区別している。しかしながら、実際のナノファイバの製造においては原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１との区別は曖昧であり、その存在領域の明確な線引きは困難である。したがって、以下の説明では、特に区別の必要のある場合にのみ、原料液Ｆ、繊維状物質Ｆ１と記載し、それ以外の場合は原料液Ｆおよび繊維状物質Ｆ１を総称して原料液Ｆ等と記載する。

また、容器２の放出孔２ａは、環状電極３と対向する部分の容器２の周壁に軸方向に等間隔且つ周方向に所定ピッチで形成される。ここで、容器２は外径を例えば２０〜１００ｍｍとすることができる。放出孔は例えば内径を０．０１〜２ｍｍとすることができる。

環状電極（誘導電極）３は、容器２よりも大径の円筒状部材であり、環状電極３の内径は例えば２００〜８００ｍｍとすることができる。
また、環状電極３には、電源７から１〜２００ｋＶの電圧（図示例では負電圧）を印加するのが好ましい。より好ましくは、１０ｋＶ以上の高電圧を印加するのがよい。特に、容器２と環状電極３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の配置を行うことが好ましい。これにより、容器２と環状電極３との間に均等且つ強い電界を発生させることができる。

次に、コレクタ５を説明する。コレクタ５は、送風機４の送風による原料液Ｆの移送方向と垂直もしくは略垂直に配される、長尺帯状の収集用部材２１と、収集用部材２１をその長手方向に送る送り機構２２と、収集用部材２１を原料Ｆ等と逆極性に帯電させる収集用部材帯電機構２３とを含んでいる。

収集用部材２１は、その表面に原料液Ｆから形成される繊維状物質Ｆ１を堆積させて収集するための部材である。収集用部材２１は、原料液Ｆ等を移送する気流が通過可能であり、且つ堆積した繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）を容易に分離することができるように、薄くて柔軟性を有する素材から構成されるのが好ましい。好ましい素材の例として、アラミド繊維から形成された網状のシートを挙げることができる。これにテフロン（登録商標）コートを行うと、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）の分離性がさらに向上するためにより好ましい。
一般的には、収集用部材２１は、絶縁性材料から構成されるが、これに限定するものではなく、長尺のシート状の部材の中に、カーボンナノファイバ等の導電性材料を混合し、収集用部材２１に導電性を持たせるようにして、ブラシ状電極２４から収集用部材２１に電荷が移動できるようにしてもよい。

送り機構２２は、収集用部材２１を巻き出す巻き出しロール２２ａ、および収集用部材２１を巻き取る巻き取りロール２２ｂを備えている。巻き出しロール２２ａから巻き出された収集用部材２１は、一方の面を容器２と対向させた状態で送られ、巻き取りロール２２ｂにより巻き取られる。

収集用部材帯電機構２３は、接地されたブラシ状電極２４を、送り機構２２により送られる収集用部材２１の他方の面と常時接するように配置して構成されている。また、本実施の形態１のブラシ状電極２４は、図１の紙面に垂直な方向に延びる角棒状の導電体からなる基材２４ａに多数の繊維状導体２４ｂを植設して構成されている。

ブラシ状電極２４においては、繊維状導体２４ｂが、環状電極３により電荷が誘導された容器２と対向しており、これにより、繊維状導体２４ｂには容器２とは逆極性の電荷（図示例では、負電荷）が誘導される。この結果、収集用部材２１のブラシ状電極２４の繊維状導体２４ｂと接触する接触部分が、原料Ｆ等と逆極性に帯電される。なお、図１においては、繊維状導体２４ｂに負電荷が誘導された様子を、マイナス（−）の符号を丸で囲んだ記号により示している。

このとき、収集用部材２１は、多数の繊維状導体２４ｂと接しているので、その接触部分が均一な電荷を有するように帯電される。このため、その接触部分と容器２との間の電気力線が均等なものとなり、上記接触部分に繊維状物質Ｆ１が均一に堆積される。その結果、収集用部材２１を送り機構２２により一定の速度で送ることによって、繊維状物質Ｆ１を収集用部材２１の一方の面に均一に堆積させて、厚みの均一なナノファイバの不織布を製造することが可能となる。ここで、ブラシ状電極２４により収集用部材２１を帯電させると、なにゆえに繊維状物質Ｆ１を均一に堆積させることが可能となるかは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、ブラシ状電極２４の繊維状導体２４ｂは先端が点状であり、１つ１つの繊維状導体２４ｂが収集用部材２１と接触する接触面積は極めて小さく、且つ多数の密に植設された繊維状導体２４ｂが収集用部材２１と接触しているために、収集用部材２１とブラシ状電極２４との接触部分においては、電荷の偏在が起こりにくいからである。また、繊維状導体２４ｂと収集用部材２１との間で形成される容量成分が、繊維状導体２４ｂの先端が点状であるために殆どなく、それによる影響を受けずに、均一な電気力線をブラシ状電極２４が収集用部材２１と接している部分に発生させることができるからである。

ここで、繊維状導体２４ｂの長さ（毛足）は数ｍｍ〜数十ｍｍが好ましい。繊維状導体２４ｂが長すぎると収集用部材との接触により繊維状導体２４ｂが変形し、繊維状導体２４ｂのそれぞれと収集用部材２１との接触面積が変化して、繊維状物質Ｆ１の集積量にむらを生じることがあるからである。また、繊維状導体２４ｂが植設される密度は、１０〜１０００００本／ｃｍ²であるのが好ましい。

また、本実施の形態１においては、実機を、繊維状導体２４ｂの厚み（収集用部材２１の送りの方向と平行な方向の幅）を約３ｍｍとして製作した。しかしながら、繊維状導体２４ｂの厚みは、繊維状物質Ｆ１を堆積させようとする範囲によって適宜増減し得るものであり、繊維状導体２４ｂの厚みは、特に限定されない。
また、ブラシ状電極２４は、長手方向が収集用部材２４の送りの方向と垂直になるように配するとともに、その長手方向が収集用部材２４の幅の範囲内に収まるように配設するのがよい。ブラシ状電極２４が収集用部材２４の幅方向にはみ出てしまうと、はみ出した部分に繊維状物質Ｆ１が直接に堆積してしまうからである。

なお、原料液Ｆ等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料液Ｆから繊維状物質Ｆ１を速やかに生成することができるように、送風機４と容器２との間には、送風機４による送風を加熱するためのヒータ１０を設けるのが好ましい。このようにすることで、帯電した原料液Ｆの蒸発が促進され、静電爆発が早期に起こり生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径がより細くなり、微細な繊維状物質Ｆ１を安定して生成することができる。加えて、同じ径の繊維状物質Ｆ１を生成する場合においては、これにより、容器２と、収集用部材２１およびブラシ状電極２４との距離を短くすることができる。このため、ブラシ状電極２４を容器２に、より近接して配置することが可能となり、ブラシ状電極２４により大きな電荷を誘導することが可能となる。したがって、より強い電気力線を容器２と収集用部材２１との間に発生させることができ、繊維状物質Ｆ１の集積状態をより良好なものとすることができる。一方、容器２と、収集用部材２１およびブラシ状電極２４との距離が短くなることで、同じ電界強度を得る為に、印加する電圧値も小さい値にすることができ、使用する高電圧電源に最大電圧容量の小さいものを選定することができる。

次に、以上の構成のナノファイバ製造装置の動作を説明する。
原料液供給配管１５を通して原料液Ｆが内部に供給された容器２をモータ１３により回転させることで、原料液Ｆに、放出孔２ａからの放出を補助するような遠心力が働く。また、電源７により環状電極３に高電圧を印加することで、容器２の少なくとも放出孔２ａの開口部に環状電極３に印加される電圧とは逆極性の電荷が誘導される。
これにより、容器２と環状電極３との間で電界が発生し、環状電極３に印加された電圧により容器２に誘導された電荷により原料液Ｆは帯電される。この電界により、帯電した原料液Ｆに対して環状電極３に向かわせる力が生じる。

原料液Ｆは、上記電界および遠心力により、放出孔２ａから環状電極３に向かって放射状に放出される。放出孔２ａから放出された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に分散媒または溶媒が蒸発し、電荷密度が次第に高くなっていく。原料液Ｆ内部の反発方向のクーロン力がその表面張力を超えたときに静電爆発が発生し、それを繰り返すことによって原料液Ｆは繊維状に細分化されて、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）が形成される。

一方、放出孔２ａから放出された原料液Ｆ、ないしはそれから形成された繊維状物質Ｆ１は、送風機４の送風による気流により、進む方向が放出方向（容器２の径方向）とは略垂直な方向（容器２の軸方向）に変えられてコレクタ５に向かって移送される。コレクタ５においては、送り機構２２により緩やかな速度で送られる収集用部材２１の上に繊維状物質Ｆ１が高密度でむら無く堆積し、不織布が形成される。

このとき、収集用部材２１は、ブラシ状電極２４を介して原料液Ｆ等とは逆極性に、ブラシ状電極２４との接触部分が電荷の偏りなく帯電されるために、その部分に均一に繊維状物質Ｆ１が堆積する。したがって、収集用部材２１を一定の速度で送ることで、集積量にむらのないナノファイバの不織布を製造することが可能となる。

なお、本実施の形態１においては、ブラシ状電極２４を収集用部材２１と接触して配置するものとしたが、これに限らず、ブラシ状電極２４を、収集用部材２１と僅かに離隔して配置し、ブラシ状電極２４から収集用部材２４に原料Ｆ等とは逆極性のイオンを照射して収集用部材２４を帯電させるようにしてもよい。このように、ブラシ状電極２４の多数の繊維状導体２４ｂから原料Ｆ等とは逆極性のイオンを照射して、収集用部材２１を帯電させるものとすることによって、ブラシ状電極２４を収集用部材２１と極めて近い距離に配置しても、上記特許文献３の場合とは異なり、収集用部材２１のブラシ状電極２４と対向する部分における電荷を均一なものとすることが可能となる。これにより、ブラシ状電極２４と収集用部材２１とを接触して配置した場合と同様の効果を得ることができる。このとき、ブラシ状電極２４と収集用部材２４との距離は、電気力線が弱まらないように、３０ｍｍ以下とするのがよい。

なお、本願発明では、帯電した繊維状物質Ｆ１を収集する為のブラシ状電極を接地したが、これに限定するものではなく、ブラシ状電極に帯電した繊維状物質Ｆ１の帯電極性とは逆の電圧を印加するように構成でき、この場合には、帯電した繊維状物質Ｆ１が、高効率にブラシ状電極上に収集され、回収効率が向上するという大きな効果もある。

また、本実施の形態１においては、電源７により環状電極３に電圧を印加して、容器２の周面に電荷を誘導するものとしたが、後述する絶縁等の問題が解消可能であれば、電源７により容器２に電圧を印加して、環状電極３に電荷を誘導するものとしてもよい。この場合は、環状電極３は、誘導電極ではなく被誘導電極として機能する。

実施形態においては、回転する容器２の直径は、６０ｍｍで、放出孔２ａの径は０．３ｍｍを１０８個前記容器２の表面に設け、前記容器２の回転数は、１５００ｒｐｍで回転させた。環状電極３の直径は、４００ｍｍで、使用した電源７は、負の６０ＫＶであった。収集用部材２１の送り量は、５ｍｍ／分で行った。使用する高分子材料は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）で、溶媒として水を使用し、溶媒量は、９０％で混合した。この場合において、ブラシを有しない電極の場合と、ブラシ状電極２４との場合で、同じ条件で収集用部材２１上に繊維状物質を堆積させたが、ブラシを有しない電極の場合では、平均堆積量に対する変動は、収集用部材２１の送り方向の電極幅内で、約１００％であった。前記変動は、収集用部材２１の送り方向の略垂直方向で、約３００％あった。特に、収集用部材２１の送りの方向と略垂直方向の場所によるばらつきが大きいものがあり、収集用部材２１と電極間の接触ズレ等が大きく影響していることが分かる。一方、ブラシ状電極２４を使用した場合には、その平均堆積量に対する変動率は、収集用部材２１の送り方向の電極幅内で、約１０％以下になり、収集用部材２１の送りの方向と略垂直方向でも、約２０％以下のばらつきになり、大きく改善された。

さらに、ブラシ状電極２４に負の電圧を３０ＫＶ印加して、同様の実験を行ったが、ブラシ状電極２４を接地した場合に比べて、同じ条件で、行った場合には、収集用部材２１上に堆積する繊維状物質の堆積量は、接地した場合に比べて、約３倍になり、回収効率が大幅に向上した。平均堆積量に対する変動率については、ブラシ状電極２４を接地した場合と負の電圧を印加した場合とでは、大きな違いはなかった。

ここで、原料液Ｆに含ませる高分子材料は、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、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、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、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、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに含ませることができる高分子材料はこれらに限られるものではなく、既存の物質であってもナノファイバの原料としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質でナノファイバの原料としての適性が認められるものを好適に用いることができる。

また、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、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、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、水等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、これらに限られるものではなく、既存の物質であってもエレクトロスピニング法における高分子材料の分散媒または溶媒としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質で分散媒または溶媒としての適性が認められるものを好適に用いることができる。

また、原料液Ｆには無機質固体材料を混入することも可能である。混入可能な無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物などを挙げることができる。耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。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等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに混入される無機質固体材料はこれらに限定されるものではない。

高分子材料と分散媒または溶媒との混合比率は、それらの種類にもよるが、分散媒または溶媒の比率が６０〜９８重量％となるように混合されるのが好ましい。

〈実施の形態２〉
次に、本発明の実施の形態２を説明する。本実施の形態２は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係るナノファイバ製造装置の概略図である。実施の形態２のナノファイバ製造装置は、送風機４が省略されるとともに、１つの面（図の下面）に図示しない複数の放出孔が形成された箱状の導体からなる容器２Ｇを備えている。容器２Ｇは、上記１つの面が収集用部材２１と対向するように配設されるとともに、その内部には、原料供給用配管１５Ｇを介して所定圧力で原料Ｆが供給され、これにより原料液Ｆの上記放出孔から収集用部材２１に向けての放出が補助されている。

本実施の形態２においては、容器２Ｇは、スイッチ１７を介して、一方の端子が接地された低電圧電源７Ｇの他方の端子と接続されている。スイッチ１７は、容器２Ｇが上記電源７Ｇの上記他方の端子と接続されている状態と、容器２Ｇが接地されている状態との切り替えを行うように動作する。ここで、低電圧電源７Ｇは、端子電圧が例えば約１ｋＶの電源である。

また、ブラシ状電極２４Ｇは、一方の端子が接地された高電圧電源７の他方の端子と接続されている。高電圧電源７は、端子電圧が例えば２００ｋＶの電源である。このように、ブラシ状電極２４Ｇに高電圧を印加することで、これと対向して配置される容器２Ｇの上記１つの面にはブラシ状電極２４Ｇとは逆極性の電荷が誘導され、これにより原料Ｆが帯電される。
ここで、ブラシ状電極２４Ｇは、図４に示すように、基材２４ａ１の幅（収集用部材２１の送りの方向の長さ）が実施の形態１におけるよりも大きく、基材２４ａ１が平板状に形成されている。また、繊維状導体２４ｂは、基材２４ａ１の一方の面に幾筋かのラインを形成するように植設される。

このように、スイッチ１７を使用して、容器２Ｇに印加される電圧を低く、または容器２Ｇに電圧を印加しないように構成するのは、容器２Ｇが原料供給用配管１５Ｇなどを介して図示しない原料タンク等と接続されており、高電圧を印加した場合、それらの部材との絶縁が困難となるからであり、特にそれらの部材が電子部品やそれらを搭載した基板を含む場合には、それらに搭載されている電子部品や半導体素子等が破壊される可能性がある。また、容器２Ｇに高電圧を印加すると、箱形の容器２Ｇからイオン風が発生してしまい、そのイオン風の影響により繊維状物質Ｆ１の正常な生成が妨げられる等の不都合を生じるからである。

また、ブラシ状電極２４Ｇの基材２４ａ１を平板状とすることで、ブラシ状電極２４Ｇの容器２Ｇとの対向面の面積を大きくすることが可能となる。これにより、容器２Ｇの上記放出孔が設けられる部分の面積も大きくすることができ、上記放出孔の数を増加させることが容易となる。したがって、ナノファイバの生産性を向上させることができる。

なお、本実施の形態２おいては、スイッチ１７と低電圧電源７Ｇを省略して容器２Ｇを常に接地するものとすることも可能である。しかしながら、容器２Ｇに比較的低電圧を印加しておくことで、容器２Ｇの電位を接地電位に対して安定化することが可能となる。これにより、ブラシ状電極２４Ｇとの電位差を安定化することができるために、両者の間の電界（電気力線）を安定化することができる。したがって、繊維状物質Ｆ１の集積量を均一化することができる。

また、スイッチ１７を設けて、容器２Ｇを、接地状態と低電圧電源７Ｇと接続した状態との間で切替可能なように構成することによって、通常は接地状態としておき、繊維状物質Ｆ１の集積量の均一性をより向上させる必要が生じた場合などに低電圧電源７Ｇと接続した状態に切り替える等の運用が可能となる。

また、本実施の形態２においても、図５に示すように、上述した絶縁等の問題が解消可能であれば、容器２Ｇを高電圧電源７と接続する一方で、スイッチ１７をなくしてブラシ状電極２４Ｇを接地状態とするように構成することも可能である。なお、図５は、収集用部材２１の送りを止めて、静止させた状態で、収集用部材２１の一方の面に繊維状物質Ｆ１が堆積される場合を示しており、このようにしても繊維状物質Ｆ１の堆積状態を均一なものとすることができる。また、図５の図１２との比較から理解されるように、ブラシ状電極２４Ｇの周縁部には角部が存在しないことから、その部分に電気力線が集中せず、繊維状物質Ｆ１がその部分に集中して集積するのを避けることも可能である。

〈実施の形態３〉
次に、本発明の実施の形態３を説明する。本実施の形態３は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係るナノファイバ製造装置の概略図である。同図に示すように、実施の形態３のナノファイバ製造装置においては、実施の形態１における環状電極３が省略されている。また、実施の形態１のブラシ状電極２４に代えて、実施の形態２と同様のブラシ状電極２４Ｇが、収集用部材２１の他方の面に常に接触するように配置され、そのブラシ状電極２４Ｇが、正極端子が接地された高電圧電源７の負極端子に接続されている。なお、ブラシ状電極２４Ｇを高電圧電源７の負極端子に接続し、高電圧電源７の正極端子を接地するものとしてもよい。

実施の形態３においては、ブラシ状電極２４Ｇに高電圧が印加されることによって、接地された容器２にブラシ状電極２４Ｇとは逆極性の電荷が誘導され、誘導された電荷により原料Ｆが帯電され、容器２の回転により原料Ｆが放出孔２ａから放射状に放出される。放出された原料Ｆは、送風機４の送風、並びに容器２とコレクタ５との間の電界により飛翔の向きがコレクタ５の方に偏向されて、コレクタ５により収集される。
このように、環状電極（誘導電極）３ではなく、ブラシ状電極２４Ｇに高電圧を印加することによっても、容器２に電荷を誘導することが可能であり、これによって、ナノファイバ製造装置の部品数を減少させることが可能となる。

なお、上述したとおり、絶縁等の問題が解消可能であれば、図７に示すように、ブラシ状電極２４Ｇではなく、容器２を高電圧電源７と接続し、ブラシ状電極２４Ｇを接地する構成とすることも可能であり、これにより上述したのと同じ作用・効果を達成することができる。
また、図６では、容器２を接地し、ブラシ状電極２４Ｇに負の高電圧を印加したが、容器２の接地を止めて、正の高電圧電源７を接続し、容器２とブラシ状電極間に高電圧を印加するようにしても、同様の効果は得られる。

〈実施の形態４〉
次に、本発明の実施の形態４を説明する。本実施の形態４は、実施の形態２を改変したものであり、以下、実施の形態２とは異なる部分のみを説明する。図８は、本発明の実施の形態４に係るナノファイバ製造装置の概略図である。
実施の形態４においては、図８に簡略化して示すように、スイッチ１７が省略され、箱状の容器２Ｆは低電圧電源７Ｇと常に接続されるとともに、原料Ｆの放出孔にノズル１６が設けられている。

このように、本発明は、容器に設けられた単なる孔からだけではなく、容器の表面から突出して設けられたノズルから原料Ｆを放出するものとすることも可能である。

また、図９に示すように、箱状の容器のみならず、略円筒形状の容器２Ｈの周面にノズル１６を設けるとともに、その容器２Ｈを高電圧電源７と接続して、ナノファイバ製造装置を構成することも可能である。なお、この場合にも、容器２Ｈを接地し、環状電極またはブラシ状電極を電源７と接続する構成とすることも可能である。

また、図１０に示すように、略円筒形状の容器２Ｉの周面にノズル１６を設けるとともに、その容器２Ｉとその容器２Ｉから生成される繊維状物質Ｆ１をブラシ状電極方向に偏向させる為の環状の反射電極１８とを高電圧電源７と接続して、ナノファイバ製造装置を構成することも可能である。
なお、ブラシ状電極２４、２４Ｇの収集用部材２１の送り方向の幅は、所定の幅に変更することができ、広範囲にブラシ状電極を形成することで、その上を移動する収集用部材上に繊維状物質を広範囲に安定して堆積させることができる。

本発明のナノファイバ製造装置およびナノファイバ製造方法によれば、エレクトロスピニング法を利用してナノファイバの不織布を製造する場合に、厚みの均一なナノファイバを製造することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るナノファイバ製造装置の全体構造を示す一部を断面にした側面図である。 図１の装置の一部の拡大図である。 本発明の実施の形態２に係るナノファイバ製造装置の概略斜視図である。 図３の装置の動作原理を説明するために、同装置を簡略化した側面図である。 図３の装置の別の動作原理を説明するために、同装置を簡略化した側面図である。 本発明の実施の形態３に係るナノファイバ製造装置の全体構造を示す一部を断面にした側面図である。 図６の装置の変形例の側面図である。 本発明の実施の形態４に係るナノファイバ製造装置の概略図である。 本発明に適用可能な容器の他の一例を示す斜視図である。 本発明に適用可能な容器のさらに他の一例を示す斜視図である。 従来のナノファイバ製造装置の一例の概略図である。 図１１の装置の問題点を説明するための側面図である。 従来のナノファイバ製造装置の他の一例の概略図である。

符号の説明

２ 容器
２ａ 放出孔
３ 環状電極
４ 送風機
５ コレクタ
７ 電源
１３ モータ
２１ 収集用部材
２２ 送り機構
２３ 収集用部材帯電機構
２４ ブラシ状電極
２４ａ 基材
２４ｂ 繊維状導体

Claims (17)

1. 高分子材料を含む原料液から静電爆発により繊維状物質を生成するように、前記原料液を帯電させて空中に放出する原料液放出手段と、
   前記放出された原料液から空中で生成された繊維状物質を表面に堆積して収集するための繊維状物質収集用部材と、
   ブラシ状電極もしくは前記収集用部材を前記原料液と逆極性に帯電させる前記ブラシ状電極を含む帯電手段と、を備え、
   前記収集用部材は、前記空中で生成された繊維状物質を一方の面に堆積して収集するように配設されたシート状の部材であり、
   前記ブラシ状電極が、前記収集用部材の他方の面と接触、または近接して配置されているナノファイバ製造装置。
2. 前記収集用部材が、長尺帯状であり、
   前記収集用部材をその長手方向に送る送り機構を備える請求項１記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記ブラシ状電極が、棒状の基材に多数の繊維状導体を植設して構成される請求項１または２記載のナノファイバ製造装置。
4. 前記基材の長手方向が前記収集用部材の送りの方向と略垂直になるように配設される請求項３記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記ブラシ状電極が、平板状の基材に多数の繊維状導体を植設して構成される請求項１または２記載のナノファイバ製造装置。
6. 前記ブラシ状電極が、前記収集用部材の幅の内側に収まるように配設される請求項２〜５のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
7. 前記原料液放出手段が、
   前記原料液を放出させる放出孔を有し、前記原料液を一時的に保持する、少なくとも前記放出孔の開口部が導体から形成される、接地された容器と、
   前記原料液の前記放出孔からの放出を補助する力を前記原料液に加えるように動作する力印加機構と、
   を含む請求項１〜６のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
8. 前記容器の前記放出孔と対向して配設される誘導電極と、
   前記誘導電極に電圧を印加するための電源と、
   を備える請求項７記載のナノファイバ製造装置。
9. 前記原料液放出手段が、
   前記原料液を放出させる放出孔を有し、前記原料液を一時的に保持する、少なくとも前記放出孔の開口部が導体から形成された容器と、
   前記原料液の前記放出孔からの放出を補助する力を前記原料液に加えるように動作する力印加機構と、を含み、
   前記容器に電圧を印加するための電源を備える請求項１〜６のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
10. 前記容器の前記放出孔と対向して配設される、接地された被誘導電極を備える請求項９記載のナノファイバ製造装置。
11. 前記ブラシ状電極が接地されている請求項１〜１０のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
12. 前記ブラシ状電極に電圧を印加するための電源を備える請求項１〜１０のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
13. 前記放出孔から放出された原料液を、前記収集用部材の方向に移送するための気流を発生させる気流発生手段を備える請求項１〜１２のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
14. 前記容器は、少なくとも一端が塞がれた円筒形状を有しており、
    前記放出孔は、前記容器の周壁に形成されており、
    前記力印加機構は、前記原料液が遠心力により前記放出孔から放出されるように前記容器を回転する回転駆動機構から構成される請求項１〜１３のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
15. 前記誘導電極または前記被誘導電極が、前記容器の周囲に同軸に配された円筒状部材から構成される請求項１４記載のナノファイバ製造装置。
16. 前記容器は、１つの面に前記放出孔が形成された箱形状を有しており、
    前記力印加機構は、前記原料液が前記放出孔から放出されるように前記原料液を加圧する加圧機構から構成される請求項１〜１２のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
17. （ａ）高分子材料を含む原料液を帯電させる工程、
    （ｂ）前記帯電させた原料液を空中に放出する工程、
    （ｃ）静電爆発により、前記放出された原料液から繊維状物質を空中で生成する工程、
    （ｄ）ブラシ状電極もしくは、前記空中で生成された繊維状物質を一方の面に堆積して収集するように配設されたシート状の繊維状物質収集用部材を、前記ブラシ状電極を含む帯電手段により、前記ブラシ状電極を、前記収集用部材の他方の面と接触、または近接して配置することで、前記原料液と逆極性に帯電させる工程、並びに
    （ｄ）前記空中で生成された繊維状物質を前記帯電させた収集用部材の前記一方の面に堆積して収集する工程、
    を含むナノファイバ製造方法。

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