JP5067657B2 - 積層高分子ウェブの製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、物性の異なる複数種類の高分子物質から成るナノファイバーを積層堆積した積層高分子ウェブの製造方法及び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等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の高分子ウェブを製造することができる。この高分子ウェブの製造方法として、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、繊維径が異なる等の物性の異なる繊維を積層・堆積させて積層ウェブを構成することで、高い機能性を持たせることができることは知られている。例えば、平均繊維径の異なるウェブを積層した積層ウェブは、単層のウェブに比較して液体又は気体中における固形分の分離性能を長期にわたって維持できることが知られている。そして、このような積層ウェブを製造する方法として、静電紡糸法により紡糸した繊維を直接堆積して第１のウェブを形成した後、第１のウェブ上に、静電紡糸法により紡糸した第１のウェブとは繊維径の異なる繊維を直接堆積して第２のウェブを形成することで、積層ウェブを製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この種の積層ウェブの製造装置の構成例を図１６を参照して説明すると、一端開口の第１と第２の紡糸容器６１ａ、６１ｂ内にそれぞれ第１と第２の紡糸ノズル６２ａ、６２ｂを配設し、これら紡糸ノズル６２ａ、６２ｂに対してそれぞれ高分子溶液供給手段６３ａ、６３ｂにて、組成は同じてあるが分子量若しくは濃度の異なる高分子溶液を供給するとともに、高電圧発生手段６４ａ、６４ｂにて発生させた高電圧を印加し、紡糸容器６１ａ、６１ｂの一端開口に対向して収集体６５を接地して配設し、収集体６５上を移動する担持シート６６上に第１の紡糸ノズル６２ａにて生成されたナノファイバー６７ａと第２の紡糸ノズル６２ｂにて生成されたナノファイバー６７ｂを順次堆積させることで、積層ウェブ６８を製造するように構成されている。

なお、図１６の構成では、複数の高分子溶液供給手段６３ａ、６３ｂを配設し、複数の高分子溶液を調製する必要があるため、設備が大掛かりになるとともに、配管清掃等にも手間がかかるために製造効率が低いという課題があるとして、特許文献２では、第１と第２の紡糸容器６１ａ、６１ｂ内の相対湿度をそれぞれ第１と第２の気体供給手段によって変えることで、共通の高分子溶液供給手段を用いて同一の組成と濃度の高分子溶液を供給しながら、紡糸ノズルから流出する高分子溶液の粘度を異ならせ、異なる繊維径のナノファイバーを生成することが開示されている。
米国特許第６７１３０１１号明細書 特開２００５−２１３６６８号公報

ところで、上記のように並列配置された複数の紡糸ノズル６２ａ、６２ｂにてそれぞれナノファイバー６７ａ、６７ｂを生成し、生成されたナノファイバー６７ａ、６７ｂを収集体６５上を移動する担持シート６６上に順次堆積させて積層ウェブ６８を製造する方法では、各紡糸ノズル６２ａ、６２ｂに印加された高電圧にて生成されたナノファイバー６７ａ、６７ｂが帯電しているため、収集体６５との間の電界によって収集体６５に向けて流動する一方で、たとえ紡糸ノズル６２ａ、６２ｂがそれぞれの紡糸容器６１ａ、６１ｂ内に配設されていても、隣接する紡糸ノズル６２ａ、６２ｂに印加された高電圧の影響を受けることになり、各紡糸ノズル６２ａ、６２ｂで生成されたナノファイバー６７ａ、６７ｂが担持シート６６上に均一に積層されず、品質の高い積層ウェブ６８を製造することができないという課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、並列配置された複数のナノファイバー生成手段にて生成した物性の異なるナノファイバーを、隣接するナノファイバー生成手段に印加される高電圧の影響を受けることなく、順次均一に堆積させて積層でき、高品質の積層ウェブを製造することができる積層高分子ウェブの製造方法と装置を提供することを目的とする。

本発明の積層高分子ウェブの製造方法は、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液に高
電圧を印加して小穴から流出させるナノファイバー生成手段と容器から前記高分子溶液をナノファイバー生成手段へ供給するポンプとを複数組備えるとともに複数の前記ナノファイバー生成手段を複数並列配置し、これらのナノファイバー生成手段から流出した高分子溶液にてそれぞれ物性の異なるナノファイバーを生成する生成工程と、複数のナノファイバー生成手段から生成されたナノファイバーをナノファイバー生成手段の配列方向に相対移動する担持部材上に順次積層させて堆積させる堆積工程と、ナノファイバーがナノファイバー生成手段から担持部材上に堆積される際に、ナノファイバー生成手段と担持部材の間の空間を各ナノファイバー生成手段の間で仕切るように配置した導電体に交流電圧を印加して各ナノファイバー生成手段を隔離する工程とを有するものである。なお、本発明において、高分子溶液に高電圧を印加するというときの「高電圧」とは相対的な概念であって、ナノファイバー生成手段との間でナノファイバーを生成する場を構成する物体又は部材との間に高い電位差を持たせることを意味する。例えば、ナノファイバー生成手段との間でナノファイバーを生成する場を構成する物体又は部材が地球又は地球に接地された収集体などの部材である場合には、ナノファイバー生成手段に接地電位に対して正又は負の高電圧を印加すればよい。また、ナノファイバー生成手段との間でナノファイバーを生成する場を構成する収集体などの部材に接地電位に対して正又は負の高電圧を印加するようにした場合には、ナノファイバー生成手段を接地し、もしくは収集体などの部材に対する印加電圧とは逆極性の高電圧を印加することで、相対的に高電圧を印加することになる。

上記構成によれば、並列配置されたナノファイバー生成手段と担持部材との間の空間が各ナノファイバー生成手段の間で、交流電圧を印加した導電体にて仕切られているので、ナノファイバー生成手段間で電界が遮断されるとともに、その導電体へのナノファイバーの付着による電界の乱れの発生も防止され、各ナノファイバー生成手段にて生成されて担持部材上に堆積されるナノファイバーが、隣接するナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響やその他の外乱を受けるのを確実に防止することができ、各ナノファイバー生成手段にて生成された物性の異なるナノファイバーを担持部材上に均一に順次堆積させて積層することができるため、高品質の積層ウェブを製造することができる。

また、ナノファイバー生成手段における高分子溶液を流出させる小穴をナノファイバー生成手段の配列方向と直交する方向に複数配列し、担持部材を一方向に連続的に移動させると、所要幅の積層高分子ウェブを一方向に移動する担持部材上に連続的に製造することができ、高い生産性をもって積層ウェブを製造することができる。

また、本発明の積層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に高電圧を印加して小穴から流出させるナノファイバー生成手段と容器から前記高分子溶液をナノファイバー生成手段へ供給するポンプとを複数組備えるとともに複数の前記ナノファイバー生成手段が複数並列配置されたナノファイバー生成部と、生成されたナノファイバーを吸引する接地もしくは電圧が印加された収集体と、ナノファイバー生成部と収集体の間の空間の電界を各ナノファイバー生成手段の間で隔離する、所定電圧の交流電圧を印加可能な導電体とこの導電体に交流電圧を印加する交流電源を含んだ隔離手段と、各ナノファイバー生成手段にて生成されたナノファイバーを堆積させる担持部材をナノファイバー生成手段の配列方向に収集体上を移動させる担持部材移動手段とを備えたものである。

この構成によると、各ナノファイバー生成手段にて生成されて担持部材上に堆積されるナノファイバーが、隣接するナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響を受けるのを隔離手段にて確実に防止することができ、各ナノファイバー生成手段にて生成された物性の異なるナノファイバーを担持部材上に均一に順次堆積させて積層することができるため、高品質の積層ウェブを製造することができる。

また、隔離手段は、複数のナノファイバー生成手段をそれぞれ内部に配置するとともに収集体の近傍まで延出されたブースと、ブースの内面に設けられた導電体と、導電体に所定電圧の交流電圧を印加する交流電源とから成っても良く、導電体への交流電圧の印加によって隣接するナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響を防止できるとともに、導電体へのナノファイバーの付着を防止できるという共通の効果が得られるとともに、前者の場合は構成が簡単で低コストであり、後者の場合は隣接するナノファイバー生成手段に印加される高電圧の影響をより受け難いという効果が発揮される。

また、ナノファイバー生成手段には、高分子溶液を流出させる複数の小穴が、少なくともナノファイバー生成手段の配列方向と直交する方向に配列されていると、ナノファイバー生成手段と担持部材をナノファイバー生成手段の配列方向に相対移動させることで所要幅の積層高分子ウェブを製造することができ、高い生産性をもって積層ウェブを製造することができる。上記相対移動は、担持部材を一方向に連続的に移動させても、ナノファイバー生成手段と担持部材の何れか又は両方を間欠的に往復移動させてもよい。

また、ナノファイバー生成手段は、内部に高分子溶液が供給され、かつ一定軸心回りに回転駆動されるとともにその外周に複数の小穴が設けられた回転容器を備えていると、高分子溶液が小穴から遠心力にて流出して遠心力で延伸されるので、小穴を多数並列配置しても電荷の相互干渉を受けずに品質の良いナノファイバーが生成されるため、多量のナノファイバーを効率的に生成でき、高品質の積層ウェブの製造効率を飛躍的に向上することができる。

本発明の積層高分子ウェブの製造方法及び装置によれば、並列配置されたナノファイバー生成手段と担持部材との間の空間の電界を、隔離手段にてナノファイバー生成手段間で遮断し、若しくは各ナノファイバー生成手段を択一的に作動させるようにしているので、各ナノファイバー生成手段にて生成されて担持部材上に堆積されるナノファイバーが、隣接するナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響を受けるのを確実に防止でき、各ナノファイバー生成手段にて生成されたナノファイバーを担持部材上に均一に順次堆積させて積層することができ、高品質の積層ウェブを製造することができる。

以下、本発明の積層高分子ウェブの製造方法と装置の実施形態について、図１〜図１５を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第１の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１〜図３において、１はナノファイバー生成部で、第１と第２のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂが適当な距離をあけて並列配置されている。各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂは、その並列方向と直交する方向に複数の噴出ノズル３を一直線状に１列または複数列、あるいは千鳥状ないしマトリックス状に配列して構成されている。噴出ノズル３は、高分子溶液を流出させる小穴を構成するとともに、この噴出ノズル３に高電圧を供給することで、線状に流出する高分子溶液に高電圧の電荷を帯電させる機能を奏するものである。第１のナノファイバー生成手段２ａの噴出ノズル３には第１の高電圧発生手段４ａから第１の接続手段５ａ（図３参照）を介して高電圧が印加され、第２のナノファイバー生成手段２ｂの噴出ノズル３には第２の高電圧発生手段４ｂから第２の接続手段５ｂ（図３参照）を介して高電圧が印加されている。高電圧発生手段４ａ、４ｂには、１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には５ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧を発生させるものが適用される。

ナノファイバー生成部１に対して、噴出ノズル３の噴出方向に適当な距離をあけて導電体からなるドラム状の収集体６が配設され、駆動手段（図示せず）にて矢印の如く一方向に回転駆動可能に構成されている。この収集体６は接地手段７にて電気的に接地され、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂとの間の空間に電界が形成されるように構成されている。そのため、収集体６を接地するのではなく、高電圧発生手段４ａ、４ｂとは逆極性の高電圧発生手段（図示せず）に接続してもよい。なお、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂは、図示の如く、その噴出ノズル３がほぼ収集体６の軸芯に向かうように放射状に並列配設するのが好適である。

収集体６の外周面のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに対向する部分に接触若しくは近接して担持部材としての担持シート８が配置されている。この担持シート８を収集体６の回転と同期して移動させるように、担持シート８を収集体６に向けて供給する担持シート供給手段９と、収集体６から送出された担持シート８を巻き取る担持シート巻取手段１０が設けられ、これら担持シート供給手段９と担持シート巻取手段１０にて担持部材移動手段が構成されている。なお、本実施形態では、収集体６を回転させて担持シート８と同期して移動するようにしたが、収集体６を固定して配設し、担持部材のみをその上を移動させるようにしても良い。

図３に示すように、第１のナノファイバー生成手段２ａに対して、高分子物質を溶媒に溶解した所定の組成と濃度に調整された第１の高分子溶液が、第１の容器１１ａから第１の供給ポンプ１２ａにて供給され、同様に第２のナノファイバー生成手段２ｂに対して、第１の高分子溶液とは異なる所定の組成と濃度に調整された第２の高分子溶液が、第２の容器１１ｂから第２の供給ポンプ１２ｂにて供給される。

高分子溶液は、高分子物質を溶媒に溶解したものであり、その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−フェニレンイソフラテート、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、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

使用できる溶媒としては、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、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、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

また、ナノファイバーを生成するのに好適な高分子物質と溶媒の混合比率は、高分子物質と溶媒の種類によって異なるが、高分子溶液における高分子物質の量を約５〜２０重量％の範囲とするのが望ましい。

ナノファイバー生成部１と収集体６の間の空間には、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの間でこの空間を仕切るように導電体から成る隔壁板１３が配置され、この隔壁板１３に交流電源１４から第３の接続手段１５を介して交流電圧を印加するように構成されている。これら隔壁板１３と交流電源１４と第３の接続手段１５にて、ナノファイバー生成部１と収集体６の間の空間の電界を各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの間で隔離する隔離手段１６が構成されている。交流電源１４の出力電圧は、５０〜５００Ｖ程度の範囲が好適である。なお、隔壁板１３は、それ自体を導電体にて構成してもよいが、絶縁性の強度部材としての隔壁板の表面に銅箔などの導電体を設けたものでも良いことは言うまでもない。

次に、制御構成について、図３を参照して説明する。第１と第２の高電圧発生手段４ａ、４ｂ、第１と第２の接続手段５ａ、５ｂ、第１と第２の供給ポンプ１２ａ、１２ｂ、及び第３の接続手段１５が制御部１７にて制御される。制御部１７は、操作部１９からの作業指令により、記憶部１８に記憶されている動作プログラムや操作部１９から入力されて記憶している各種データに基づいて動作制御し、その動作状態や各種データを表示部２０に表示する。

以上の構成において、ナノファイバー生成部１の各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂで噴出ノズル３から、組成と濃度のいずれか又は両方の異なる高分子溶液が電荷を帯電された状態で噴出され、各噴出ノズル３から１又は複数本の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等が生じて延伸されることで、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂにて互いに物性の異なる高分子物質から成るナノファイバー２１ａ、２１ｂが効率的に生成される。

生成されたナノファイバー２１ａ、２１ｂは、それぞれナノファイバー生成手段２ａ、２ｂと収集体６との間の電界によって収集体６に向かって流動し、担持シート８の移動方向上手側のナノファイバー生成手段２ａにて生成されたナノファイバー２１ａが先に担持シート８上に堆積され、次いでその上に下手側のナノファイバー生成手段２ｂにて生成されたナノファイバー２１ｂが堆積され、担持シート８上に物性の異なるナノファイバー２１ａ、２１ｂが順次積層された積層高分子ウェブ２２が製造される。その際に、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂと担持シート８の間の空間が、交流電圧が印加された隔壁板１３にて、第１のナノファイバー生成手段２ａと第２のナノファイバー生成手段２ｂの間で隔離されていることで、両ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂにて生成されて担持シート８上に堆積されるナノファイバー２１ａ、２１ｂが、隣接するナノファイバー生成手段２ｂ、２ａに印加された高電圧の影響を受けることなく、担持シート８上に均一に順次堆積し、高品質の積層高分子ウェブ２２が製造される。

以上の説明においては、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂとして、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噴出ノズル３を直線状ないし平面的に配置した例を示したが、図４に示すように、収集体６や担持シート８と平行でかつ担持シート８の移動方向に対して直交する軸芯回りに回転駆動され、周面に複数の小穴又はノズル部材２４が設けられた円筒容器２３に、高電圧発生手段４ａ、４ｂ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、遠心力と静電爆発でナノファイバー２１ａ、２１ｂを生成し、生成されたナノファイバー２１ａ、２１ｂを円筒容器２３の外周に配設された放物反射電極（図示せず）等にて収集体６に向けて流動させるようにした構成のものを適用しても良い。

また、図５に示すように、収集体６や担持シート８に対して垂直な軸芯回りに回転駆動され、周面に複数の小穴２６又はノズル部材が設けられた円筒容器２５と、円筒容器２５の軸芯方向の収集体６や担持シート８の配設方向とは反対側の一側に配置した反射電極２７とを組み合わせ、円筒容器２５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２１ａ、２１ｂを反射電極２７によって収集体６や担持シート８に向けて流動させるようにした構成のものを適用しても良い。２８は、円筒容器２５の回転駆動手段である。

このように円筒容器２３、２５などの回転容器を用いたナノファアバー生成手段２ａ、２ｂを適用すると、高分子溶液がノズル部材２４や小穴２６から遠心力にて流出して遠心力で延伸されるので、ノズル部材２４や小穴２６を多数並列配置しても電荷の相互干渉を受けずに品質の良いナノファイバー２１ａ、２１ｂが生成されるため、多量のナノファイバー２１ａ、２１ｂを効率的に生成でき、高品質の積層高分子ウェブ２２の生産性を飛躍的に向上することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、同じ構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点について説明する。

本実施形態では、複数のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを適当間隔あけて並列配置するとともに、これらナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの噴出ノズル３に対して所定距離あけて対向するように平板状の収集体３１を配設し、担持シート８をナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの配列方向に収集体３１上を移動させるように構成している。そして、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂをそれぞれブース３２ａ、３２ｂの内部に配置し、各ブース３２ａ、３２ｂは収集体３１の近傍まで延出して開口させている。これらのブース３２ａ、３２ｂの内面に導電体３３ａ、３３ｂを設け、両導電体３３ａ、３３ｂに交流電源１４から第３の接続手段１５を介して交流電圧を印加している。すなわち、上記実施形態では、隔離手段１６を、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの間に配置した隔壁板１３に交流電源１４から交流電圧を印加するように構成したが、本実施形態では、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを内部に配置したブース３２ａ、３２ｂの内面に設けた導電体３３ａ、３３ｂに交流電源１４から交流電圧を印加するように構成している。

本実施形態の構成においても、収集体３１上を移動する担持シート８上に、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂにて生成されたナノファイバー２１ａ、２１ｂが順次積層されて堆積することで、積層高分子ウェブ２２が製造される。そして、その製造工程において、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂが、交流電圧が印加された導電体３３ａ、３３ｂを内面に有するブース３２ａ、３２ｂ内に収容配置されているので、隣接するナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに印加された高電圧の影響をほぼ完全に防止することができ、またその導電体３３ａ、３３ｂへのナノファイバー２１ａ、２１ｂの付着も防止できるため、高品質の積層高分子ウェブ２２を生産性良く製造することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第３の実施形態について、図７〜１５を参照して説明する。

上記実施形態では、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの間に隔離手段１６を配設することで、隣接するナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに印加された高電圧の影響をなくすようにしたが、本実施形態では、並列配置した複数のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂのうち、少なくとも互いに隣接するナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを択一的に作動、すなわちナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに対する高電圧の印加及び高分子溶液に流出を択一的に行うことで、隣接するナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに印加される高電圧の影響を防止してナノファイバー２１ａ、２１ｂを生成し、それらを担持シート８上に順次積層させて堆積することで積層高分子ウェブ２２を製造するようにしている。

図７において、複数のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂが囲い壁４１内に固定して並列配置され、それらの下方に所定距離をあけて収集体３１が配設され、その上を担持シート８がナノファイバー生成手段２ａ、２ｂの配列方向に往復移動を繰り返しつつ、一方向に移動させるように構成されている。各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂには、高電圧発生手段４ａ、４ｂから接続手段５ａ、５ｂを介して、作動するナノファイバー生成手段２ａ又は２ｂに対して択一的に高電圧を印加するように構成されている。また、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂには、容器１１ａ、１１ｂから供給ポンプ１２ａ、１２ｂにて高分子溶液が供給されるとともに、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂ内にそれぞれ高分子溶液の流出を任意に停止できる流出停止手段４２ａ、４２ｂが設けられ、作動時には択一的に高分子溶液を流出させるように構成されている。

図７では、模式的に収集体３１を平板状に図示し、担持シート８の移動手段については図示しなかったが、より具体的には、図８に示すように、囲い壁４１の一側部に担持シート供給手段９を、他側部に担持シート巻取手段１０を配設し、担持シート供給手段９から供給された担持シート８が囲い壁４１内を貫通して担持シート巻取手段１０に巻き取られるように構成されている。これら担持シート供給手段９と担持シート巻取手段１０にて担持シート８が適宜に往復移動しながら順次移動する。また、収集体３１は、金属製の導電性無端帯状体４３を一対のローラ４４ａ、４４ｂ間に巻回し、何れか一方又は両方のローラ４４ａ、４４ｂを回転駆動し、上記担持シート８の移動と同期して適宜往復移動しながら順次一方向に移動するように構成されている。なお、図７、図８の囲い壁４１の内側にも、図６に示したと同様に、導電体を設けて交流電源から交流電圧を印加するようにしても良い。

また、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに設けられる第１と第２の流出停止手段４２ａ、４２ｂの具体的な構成例としては、図９（ａ）に示すように、収容室４５内に供給された高分子溶液をシリンダ室４６を通して噴出ノズル３から流出させるようにするとともに、シリンダ室４６に摺動自在に嵌合されたピストン４７と、モータ４８にて駆動される送りねじ機構４９にて移動される移動体５０とを連結した構成が好適に適用される。この場合、モータ４８にてピストン４７を押して高分子溶液を噴出ノズル３から流出させるとともに、モータ４８を停止することで流出を停止させることができ、さらにモータ４８を少し逆回転して噴出ノズル３に溜まった高分子溶液を吸引し、垂れを防ぐのが好ましい。また、図９（ｂ）に示すように、一端に噴出ノズル３が設けられたシリンダ５１内に高分子溶液を供給するように構成するとともに、シリンダ５１内に摺動自在に配置されたピストン５２を圧力制御手段５３を介して供給される圧縮空気にて押圧して高分子溶液を噴出ノズル３から流出させ、圧力制御手段５３にて供給圧力を大気圧にすることで流出を停止させるように構成してもよい。

また、噴出ノズル３に対する高電圧の供給・停止を行う接続手段５ａ、５ｂについては、図１０（ａ）に示すように、高電圧発生手段４ａ、４ｂと噴出ノズル３との間に接続手段５ａ、５ｂを配置した構成としても良いが、接続手段５ａ、５ｂにリレーのような接点式スイッチを適用すると、高電圧発生手段４ａ、４ｂの発生電圧が余りに高電圧の場合には、接点間で異常放電を起こす場合があるので、図１０（ａ）に示すように、高電圧発生手段４ａ、４ｂにおける一次側供給電圧の供給・停止を行うように接続手段５ａ、５ｂを配設するのが好適である。

次に、制御構成について、図１１を参照して説明する。第１と第２の高電圧発生手段４ａ、４ｂ、第１と第２の接続手段５ａ、５ｂ、第１と第２の供給ポンプ１２ａ、１２ｂ、及び第１と第２の流出停止手段４２ａ、４２が制御部１７にて制御される。制御部１７は、操作部１９からの作業指令により、記憶部１８に記憶されている動作プログラムや操作部１９から入力されて記憶している各種データに基づいて動作制御し、その動作状態や各種データを表示部２０に表示する。

以上の構成による積層高分子ウェブ２２の製造工程について、図１２及び図１３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。まず、第１のナノファイバー生成手段２ａにおける第１の流出停止手段４２ａをオフ状態するとともに、第１の接続手段５ａをオン状態にして第１の高電圧発生手段４ａで発生された高電圧Ｖ１を印加し、第２のナノファイバー生成手段２ｂにおける第２の流出停止手段４２ｂをオン状態するとともに、第２の接続手段５ｂをオフ状態にすることで、図１３（ａ）に示すように、第１のナノファイバー生成手段２ａの噴出ノズル３のみから電荷を帯電された状態で高分子溶液が噴出され、１又は複数本の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静電爆発が生じて爆発的に延伸され、ナノファイバー２１ａが効率的に生成される。このナノファイバー２１ａが担持シート８上に堆積されるとともに、その堆積時に担持シート８を所定量移動させることで、その移動範囲にわたって所要厚さにナノファイバー２１ａが堆積される。担持シート８の移動は、一方向に低速で移動させても、上記移動範囲で往復させても良い。

こうして、担持シート８上に所定範囲にわたって所要厚さのナノファイバー２１ａが堆積されると、第１の流出停止手段４２ａをオン状態するとともに、第１の接続手段５ａをオフ状態にしてナノファイバー２１ａの生成堆積を停止し、担持シート８のナノファイバー２１ａが堆積された範囲が第２のナノファイバー生成手段２ｂに対向位置するように担持シート８を移動させる。

次に、第２のナノファイバー生成手段２ｂにおける第２の流出停止手段４２ｂをオフ状態するとともに、第２の接続手段５ｂをオン状態にして第２の高電圧発生手段４ｂで発生された高電圧Ｖ２を印加することで、図１３（ｂ）に示すように、第２のナノファイバー生成手段２ｂの噴出ノズル３のみから、第１のナノファイバー生成手段２ａとは組成と濃度のいずれか又は両方の異なる高分子溶液が電荷を帯電された状態で噴出され、その噴出ノズル３から１又は複数本の細い高分子線状体が生成され、ナノファイバー２１ａとは物性の異なる高分子物質から成るナノファイバー２１ｂが効率的に生成され、担持シート８上のナノファイバー２１ａの堆積層の上に、このナノファイバー２１ｂが堆積される。その堆積時に、ナノファイバー２１ａの堆積層が形成されている範囲にわたって担持シート８を移動させることで、その範囲にわたって所要厚さにナノファイバー２１ａが堆積され、担持シート８上に物性の異なるナノファイバー２１ａ、２１ｂが順次積層された積層高分子ウェブ２２が生成される。

こうして、担持シート８上に所定範囲にわたって所要の積層高分子ウェブ２２が製造されると、第２の流出停止手段４２ｂをオン状態するとともに、第２の接続手段５ｂをオフ状態にしてナノファイバー２１ｂの生成堆積を停止し、次いで担持シート８の積層高分子ウェブ２２が堆積されていない範囲が第１のナノファイバー生成手段２ａに対向位置するように担持シート８を移動させ、以上の動作を繰り返すことで、担持シート８上に連続した積層高分子ウェブ２２が製造される。

本実施形態によれば、第１と第２のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂにおける高分子溶液の流出を停止する第１と第２の流出停止手段４２ａ、４２ｂと、第１と第２のナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに対する高電圧の供給・停止を行う第１と第２の接続手段５ａ、５ｂを動作制御し、並列配置したナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを択一的に作動させて、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂにて生成されたナノファイバー２１ａ、２１ｂを担持シート８上に順次堆積させることで、各ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに印加される高電圧の相互影響を受けることなく、それぞれの物性のナノファイバー２１ａ、２１ｂを均一に堆積させて積層することができるので、高品質の積層ウェブ２２を製造することができる。

本実施形態の図７、図８に示した構成例では、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを固定して配設し、担持シート８を移動させてナノファイバー２１ａ、２１ｂを順次堆積するようにした例を示したが、図１４に示すように、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂをその配列方向に独立して移動可能に配設し、ナノファイバー２１ａ、２１ｂの堆積時に、ナノファイバー生成手段２ａを所定範囲にわたって移動させてナノファイバー２１ａを堆積させた後、次いでナノファイバー生成手段２ｂを上記所定範囲にわたって移動させ、ナノファイバー２１ａの上にナノファイバー２１ｂを積層して堆積させることで、高品質の積層ウェブ２２を製造するようにしても良い。なお、図１４の例では、担持シート８上に被堆積物５４を載置搬送するように構成され、その被堆積物５４上に積層ウェブ２２を積層堆積するように構成されている。

さらに、図１５に示すように、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂを、その並列方向に沿うＸ方向と、それと直交するＹ方向と、上下方向のＺ方向の３軸方向に移動可能に支持した構成とすることもできる。具体的には、Ｘ方向移動手段５５にてＹ方向移動手段５６ａ、５６ｂがＸ方向に移動駆動可能に支持され、Ｙ方向移動手段５６ａ、５６ｂにてＹ方向に移動駆動可能な可動部５７ａ、５７ｂに、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂがＺ方向移動手段５８ａ、５８ｂにて上下移動可能に支持されている。

以上の各実施形態では、物性の異なるナノファイバー２１ａ、２１ｂを２層に積層した例についてのみ説明したが、３つ以上のナノファイバー生成手段を並列配置することで、３層以上の積層高分子ウェブ２２を製造することができる。その際には、上記第３の実施形態においては、ナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響を受ける少なくとも隣接したナノファイバー生成手段が同時に作動しないようにし、相互に印加された高電圧の影響を受けないナノファイバー生成手段は同時に作動させるようにしても良い。

また、以上の各実施形態では、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂに高電圧発生手段４ａ、４ｂから接続手段５ａ、５ｂを介して高電圧を印加し、収集体６、３１を接地した構成を例示したが、逆に収集体６、３１に高電圧発生手段にて正又は負の高電圧を印加し、ナノファイバー生成手段２ａ、２ｂ側を接地した構成としても良い。

以上のようにして製造された積層高分子ウェブは、フィルタ材やその他の種々の機能性素材に適用される。例えば、従来は４種類の材料を重ね、成型や圧縮工程を経て、一体の４層構造の素材を構成して製造されていたマスクの場合、各材料の物性を持つナノファイバーを積層した４層の積層高分子ウェブを用いることで、製造工程を大幅に削減することができる。また、内側層として親水性素材、中間層として断熱性素材、外側層として撥水性素材を用いた３層構造のスポーツウェアにおいても、そのような物性のナノファイバーを順次堆積させた積層高分子ウェブを用いることにより、その製造工程を大幅に削減することができる。

なお、上記実施形態の説明では、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を用いた例について説明したが、比較的分子量の小さい材料を溶媒に溶解させた溶液についても、本発明は適用することができる。その場合、ナノファイバーが生成される代わりに微細な微粒子が生成され、その微粒子が堆積された薄い多層膜を形成することができる。

なお、上記の実施形態の説明では、ナノファイバー生成手段は、固定状態で説明したが、ナノファイバー生成手段の配列方向と直交する方向に対して移動手段を設けて、移動可能にし、所定の周期等で動作させることで、幅の広い担持シートに対しても均一なナノファイバーの堆積を行うことができる。

本発明の積層高分子ウェブの製造方法及び装置によれば、並列配置されたナノファイバー生成手段にて生成されたナノファイバーを担持部材上に堆積させて積層高分子ウェブを製造する際に、隣接するナノファイバー生成手段に印加された高電圧の影響を受けるのを防止して均一に担持部材上に順次堆積させることで、高品質の積層ウェブを製造することができるので、各種物性のナノファイバーを組み合わせて積層した各種機能性ウェブの製造に好適に利用することができる。

本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第１の実施形態の要部概略構成を示す正面図。 同実施形態の概略構成を示す斜視図。 同実施形態の制御構成を示すブロック図。 同実施形態において、他のナノファイバー生成手段を適用した例の概略構成を示す斜視図。 同実施形態において、さらに別のナノファイバー生成手段を適用した例の概略構成を示す斜視図。 本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第２の実施形態の要部概略構成を示す縦断正面図。 本発明の積層高分子ウェブの製造装置の第３の実施形態の要部概略構成を示す正面図。 同実施形態における収集体と担持部材の配設構成を示す正面図。 （ａ）、（ｂ）は、同実施形態における高分子溶液の流出停止手段の２つの構成例を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）は、同実施形態における高電圧発生手段の接続手段の２つの構成例を示す断面図。 同実施形態の制御構成を示すブロック図。 同実施形態の動作タイミング図。 （ａ）、（ｂ）は、同実施形態における２つの動作状態を示す断面図。 同実施形態の変形構成例の正面図。 同実施形態の他の変形構成例の斜視図。 従来例の積層高分子ウェブの製造装置の概略構成を示す正面図。

符号の説明

１ ナノファイバー生成部
２ａ、２ｂ ナノファイバー生成手段
３ 噴出ノズル（小穴）
４ａ、４ｂ 高電圧発生手段
５ａ、５ｂ 接続手段
６ 収集体
８ 担持シート（担持部材）
９ 担持シート供給手段（担持部材移動手段）
１０ 担持シート巻取手段（担持部材移動手段）
１３ 隔壁板
１４ 交流電源
１６ 隔離手段
２１ａ、２１ｂ ナノファイバー
２２ 積層高分子ウェブ
２３ 円筒容器
２４ ノズル部材（小穴）
２５ 円筒容器
２６ 小穴
３１ 収集体
３２ａ、３２ｂ ブース
３３ａ、３３ｂ 導電体
４２ａ、４２ｂ 流出停止手段

Claims (6)

1. 高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液に高電圧を印加して小穴から流出させるナノファイバー生成手段と容器から前記高分子溶液をナノファイバー生成手段へ供給するポンプとを複数組備えるとともに複数の前記ナノファイバー生成手段を並列配置し、これらのナノファイバー生成手段から流出した高分子溶液にてそれぞれ物性の異なるナノファイバーを生成する生成工程と、複数のナノファイバー生成手段から生成されたナノファイバーを、ナノファイバー生成手段の配列方向に相対移動する担持部材上に順次積層させて堆積させる堆積工程と、ナノファイバーがナノファイバー生成手段から担持部材上に堆積される際に、ナノファイバー生成手段と担持部材の間の空間を各ナノファイバー生成手段の間で仕切るように配置した導電体に交流電圧を印加して各ナノファイバー生成手段を隔離する工程とを有することを特徴とする積層高分子ウェブの製造方法。
2. ナノファイバー生成手段における高分子溶液を流出させる小穴をナノファイバー生成手段の配列方向と直交する方向に複数配列し、担持部材を一方向に連続的に移動させることを特徴とする請求項１記載の積層高分子ウェブの製造方法。
3. 高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液に高電圧を印加して小穴から流出させるナノファイバー生成手段と容器から前記高分子溶液をナノファイバー生成手段へ供給するポンプとを複数組備えるとともに複数の前記ナノファイバー生成手段が並列配置されたナノファイバー生成部と、生成されたナノファイバーを吸引する接地もしくは電圧が印加された収集体と、ナノファイバー生成部と収集体の間の空間の電界を各ナノファイバー生成手段の間で隔離する、所定電圧の交流電圧を印加可能な導電体とこの導電体に交流電圧を印加する交流電源を含んだ隔離手段と、各ナノファイバー生成手段にて生成されたナノファイバーを堆積させる担持部材をナノファイバー生成手段の配列方向に収集体上を移動させる担持部材移動手段とを備えたことを特徴とする積層高分子ウェブの製造装置。
4. 隔離手段は、複数のナノファイバー生成手段をそれぞれ内部に配置するとともに収集体の近傍まで延出されたブースと、ブースの内面に設けられた導電体と、導電体に所定電圧の交流電圧を印加する交流電源とから成ることを特徴とする請求項３記載の積層高分子ウェブの製造装置。
5. ナノファイバー生成手段には、高分子溶液を流出させる複数の小穴が、少なくともナノファイバー生成手段の配列方向と直交する方向に配列されていることを特徴とする請求項３記載の積層高分子ウェブの製造装置。
6. ナノファイバー生成手段は、内部に高分子溶液が供給され、かつ一定軸心回りに回転駆動されるとともにその外周に複数の小穴が設けられた回転容器を備えていることを特徴とする請求項３記載の積層高分子ウェブの製造装置。

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