JP5185090B2

JP5185090B2 - ナノファイバ製造方法、および製造装置

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Publication number: JP5185090B2
Application number: JP2008307808A
Authority: JP
Inventors: 寛人住田; 崇裕黒川; 和宜石川; 善章冨永; 幹夫竹澤; 光弘高橋; 政秀横山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP2010133039A

Description

本発明は、ナノファイバ製造方法、および製造装置に関し、さらに詳しくは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、液体中に高分子材料を分散または溶解させた液状の原料を空中に放出するとともに、放出の際に原料を高電圧で帯電させ、原料を空中で電気的に延伸させてナノファイバを得る方法である（例えば特許文献１参照）。

より詳細には、電界により帯電されて空気中に放出された原料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、原料内部の反発方向のクーロン力が原料の表面張力より大きくなったときに原料が爆発的に線状に延伸される現象（以下、静電延伸現象と述べる）が生じる。この静電延伸現象が空中において連続的に発生し、原料が幾何級数的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。

ここで、特許文献２および３には、ノズルから噴射された高分子材料から生成されるナノファイバを、長手方向に送られる長尺帯状のシートからなる収集体の上に、堆積させて不織布を得る方法が示されている。特許文献２においては、図１４に示すように、複数のノズル１０１が高電圧発生部１０２の一方の電極端子に接続される一方、収集体１０３が接地されて、ノズル１０１と収集体１０３との間に高電位差が与えられている。

また、特許文献３においては、２列に並べられた複数のノズルに高電圧が印加される一方、収集体の繊維状物質が堆積される面と反対側に、接地された平板状の電極が配設されている（特許文献３の図８参照）。

上記特許文献２および３に示されるような、電磁力を利用して、空中で生成された繊維状物質を収集し、不織布を得る方法の他には、空気の流れを利用して繊維状物質を収集する方法も行われている。

特開２００５−３３０６２４号公報特開２００２−２０１５５９号公報米国特許第６７１３０１１号公報

上述したとおり、従来のエレクトロスピニング法によるナノファイバの製造方法では、空中で生成された繊維状物質を収集体の上に堆積させて、不織布を得る方法が一般的である。しかしながら、例えば電磁力により繊維状物質を収集する方法では繊維の配向が一方向のみに揃ってしまうことがあった。また、風を利用して繊維状物質を収集する方法では、繊維が長く伸びた状態ではなく丸まった状態で堆積して、繊維の配向方向が一定方向にならず揃わない等の問題があった。このため、従来の製造方法では、十分な強度の不織布を得ることが困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、交叉した配向で繊維状物質を積層させて、より強度の大きいナノファイバの不織布を得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の本発明は、高分子材料を含む液状の原料を帯電させて空中に放出し、静電延伸現象により前記原料から繊維状物質を生成し、生成された繊維状物質を、長手方向に送られる長尺帯状のシート状の収集体の上に堆積させて不織布を得るナノファイバ製造方法であって、
帯電した前記繊維状物質を電磁力により引き寄せるように電位が設定された、それぞれが長手方向を有する複数の電極を、前記収集体の前記繊維状物質が堆積される面の反対側に、その反対側の面と接触または所定距離を置いて対向させて配置するとともに、
前記不織布が、前記繊維状物質の配向が互いに異なる少なくとも１組の層を含む層状構造を有するように、前記配置される前記複数の電極のそれぞれの長手方向の向きを設定するナノファイバ製造方法である。

本発明の製造方法において、好ましい形態においては、前記複数の電極が、それぞれの長手方向が前記収集体の前記反対側の面と略平行となり且つ少なくとも１組の前記電極のそれぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置される。

また、本発明の製造方法において、別の好ましい形態においては、前記配置された複数の電極のそれぞれの長手方向の両端部の位置が、前記収集体の側端部から前記収集体の全幅の１０％以下の位置となるように、前記複数の電極のそれぞれの全長が設定される。

また、本発明の製造方法において、別の好ましい形態においては、前記電極として、棒状の基部導体と、それに植設された多数の繊維状導体とから構成されたブラシ状電極が使用される。

また、本発明は、高分子材料を含む液状の原料を帯電させて空中に放出する原料放出手段と、
前記放出された原料から静電延伸現象により生成される繊維状物質を収集する収集手段とを備えたナノファイバ製造装置であって、
前記収集手段は、
前記繊維状物質が一方の面に堆積される長尺帯状のシート状の収集体と、
前記収集体を長手方向に送る送り手段と、
それぞれが長手方向を有し、帯電した前記繊維状物質を電磁力により引き寄せるように電位が設定されるとともに、前記収集体の前記繊維状物質が堆積される面の反対側に、その反対側の面と接触または所定距離を置いて対向させて配置された複数の電極、
とを備え、
前記複数の電極が、それぞれの長手方向が前記収集体の前記反対側の面と略平行となり且つ少なくとも１組の前記電極のそれぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置されているナノファイバ製造装置を提供する。

本発明の製造装置において、好ましい形態においては、前記複数の電極は、隣り合う少なくとも１組の電極が、それぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置されている。

また、本発明の製造装置において、別の好ましい形態においては、前記複数の電極の少なくとも一つの電極が、棒状の基部導体と、それに植設された多数の繊維状導体とから構成されたブラシ状電極である。

本発明によれば、空中に放出された原料から静電延伸現象により生成された繊維状物質が、長手方向に送られる長尺帯状のシート状の収集体の一方の面に堆積されて、不織布として収集される。このとき、収集体の他方の面側には、長手方向の配向を異にする少なくとも１組の電極を含む複数の電極が配置されているので、不織布は、繊維の配向を異にする少なくとも１組の層を含むものとなる。これにより、不織布の強度が向上する。

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、一部を断面にした正面図である。

製造装置１は、金属などの導体からなる略箱形の容器２と、高分子材料を分散媒または溶媒と混合してなる液状の原料Ｆを貯留するタンク３とを備えている。タンク３に貯留された原料Ｆは、配管５Ａおよび５Ｂを介してポンプ４により容器２に所定圧力で送られる。
容器２の下側壁には、所定圧力で送られてくる原料Ｆを下方に向かって放出するための図示しない多数の細孔が形成されており、その細孔は、容器２の下面に設けられた突起２ａの先端部に開口している。そして、容器２は、高電圧電源６Ａの一方の端子（図示例では正極端子）と接続されている。高電圧電源６Ａの他方の端子（図示例では負極端子）は接地されている。

また、容器２の下方には、原料Ｆから生成される繊維状物質（ナノファイバ）Ｆ１を収集するためのコレクタ１０が配設されている。コレクタ１０は、容器２の下面と所定距離をおいて対向するように配置された電極７Ａおよび７Ｂを含んでいる。電極７Ａおよび７Ｂはそれぞれ、高電圧電源６Ｂおよび６Ｃのそれぞれの一方の端子（図示例では負極端子）と接続されている。高電圧電源６Ｂおよび６Ｃのそれぞれの他方の端子（図示例では正極端子）は接地されている。電極７Ａおよび７Ｂが接続される高電圧電源６Ｂおよび６Ｃの端子の極性は、容器２が接続された高電圧電源６Ａの端子の極性とは逆になっている。

また、コレクタ１０は、電極７Ａおよび７Ｂと、容器２との間に配置される長尺帯状のシート状の収集体８を含んでいる。収集体８は、電極７Ａおよび７Ｂと摺接するか、または所定距離をおいて対向するように配設される。ここで、収集体８と電極７Ａおよび７Ｂとの距離は特に限定されるものではなく、例えば収集体８と電極７Ａおよび７Ｂとを１００ｍｍ近く離した場合にも、本願発明で開示した内容の効果を得ることができた。
また、コレクタ１０は、収集体８を長手方向に送るための、巻き出しロール９Ａおよび巻き取りロール９Ｂと、一対のガイドロール９Ｃおよび９Ｄとからなる送り機構を含んでいる。ここで、収集体８は、一対のガイドロール９Ｃおよび９Ｄによりガイドされる区間の上面が容器２の下面と正対している。

電極７Ａおよび７Ｂは、図２に示すように、長棒状の外形を有しており、その長手方向が収集体８の下面と略平行となるように、収集体８の送りの方向に並べて配置されている。また、電極７Ａと７Ｂとは、それぞれの長手方向が所定角度θ（θは、０°よりも大きく、且つ１８０°よりも小さい角度）だけ互いに異なる向きとなるように配置される。
また、電極７Ａおよび７Ｂは、両端部の位置が、収集体８の側端部から収集体８の全幅の１０％以下の範囲に位置するように、その全長が設定される。このように、電極７Ａおよぶ７Ｂを配置することで、収集体８の上面に確実に繊維状物質を堆積させるようにすることができる。

また、下流側のガイドロール９Ｃの近傍には、ガイドロール９Ｃと所定の間隙をおいて、その間隙に収集体８を挟み込むようにして、圧縮用ロール９Ｅがガイドロール９Ｃと平行に配設されている。

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。
配管５Ａおよび５Ｂを介して、ポンプ４により所定圧力で容器２の内部に供給される原料Ｆは、突起２ａの先端部から放出される。また、所定の電圧が電源６Ａにより印加された容器２と、これとは逆極性の電圧が電源６Ｂおよび６Ｃにより印加された電極７Ａおよび７Ｂとの間には電界が発生し、容器２と電極７Ａおよび７Ｂとには、それぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、容器２には正電荷、電極７Ａおよび７Ｂには負電荷が誘導される。

突起２ａの先端部から放出される原料Ｆは、容器２に誘導された電荷により帯電される。帯電された原料Ｆには、容器２と電極７Ａおよび７Ｂとの間の電界により電極７Ａおよび７Ｂに向かう力が働く。

このようにして、原料Ｆは、上記ポンプ４による供給圧力および電界により、電極７Ａおよび７Ｂに向かって空中を飛翔する。空中を飛翔する間に、原料Ｆからは、分散媒または溶媒が蒸発し、原料Ｆの体積は減少する。原料Ｆの体積が減少すると、それに連れて電荷密度は高くなり、原料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延伸現象が発生し、それを繰り返すことによって原料Ｆは繊維状に細分化されて、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）が生成される。

生成された繊維状物質Ｆ１は、電極７Ａおよび７Ｂに引き寄せられて、その繊維の配向が電極７Ａまたは７Ｂの長手方向と略一致するように収集体８の上面に堆積する。より具体的には、図３に示すように、収集体８の送りの方向における上流側の電極７Ｂに引き寄せられた繊維状物質Ｆ１は、繊維の配向が電極７Ｂの長手方向と略平行となる。これにより、第１層１１Ａが形成される。
これに対して、収集体８の送りの方向における下流側の電極７Ａに引き寄せられた繊維状物質Ｆ１は、繊維の配向が電極７Ａの長手方向と略平行となる。これにより、第２層１１Ｂが形成される。
なお、本願発明で開示した内容の効果を得るためには、全ての繊維状物質Ｆ１が電極７Ａまたは７Ｂの長手方向と略平行に配向される必要はなく、所定の割合以上の繊維状物質Ｆ１が電極７Ａまたは７Ｂの長手方向と略平行に配向されればよい。例えば、６０％以上の繊維状物質Ｆ１が電極７Ａまたは７Ｂの長手方向と略平行に配向されればよい。

以上のようにして、繊維の配向が角度θだけ異なる第１層１１Ａおよび第２層１１Ｂからなる不織布１２が形成される。なお、図３において、第１層１１Ａおよび第２層１１Ｂの中に図示された多数の斜線は、繊維の方向を示している。

不織布１２は、加熱された圧縮用ロール９Ｅによりガイドロール９Ｃとの間で圧縮されて、その厚みが所定厚とされた後に、巻き取りロール９Ｂにより巻き取られる。

このように、本実施の形態１においては、容器２の下側壁に設けられた細孔を介して突起２ａの先端から放出された原料Ｆから繊維状物質Ｆ１が生成され、生成された繊維状物質Ｆ１がそれぞれの電極７Ａおよび７Ｂに引き寄せられ、それぞれの電極７Ａおよび７Ｂの長手方向の配向と略等しい配向の繊維状物質Ｆ１からなる第１層１１Ａおよび第２層１１Ｂが形成されて、不織布１２が得られる。すなわち、異なる方向の配向性を有する繊維状物質Ｆ１が多層に積層されることにより、繊維の配向が一方向のみである従来の不織布や、繊維が伸びずに丸まったまま堆積された従来の不織布と比較して、いずれの方向への引っ張り力に対しても強靱である不織布を得ることが可能となる。

なお、実施の形態１では、電極の数を７Ａおよび７Ｂの２つとしたが、本発明においては、電極の数は２以上であり、その少なくとも１組の電極が、長手方向を互いに所定角度だけ異なる向きに配設されていればよい。例えば、図４に示すように、長手方向が互いに所定角度だけ異なっている、それぞれが２本ずつ以上である２種類の電極７Ａと７Ｂとを１本ずつ交互に並べてもよい。

また、例えば、図５に示すように、上述した電極７Ａと７Ｂとを２本ずつ交互に並べて配置するとともに、長手方向が収集体８の幅方向と平行な電極７Ｃをそれぞれの電極７Ａおよび７Ｂの間に配置してもよい。

また、例えば、図６に示すように、上述した電極７Ａと７Ｂとを１本ずつ交互に並べて配置するとともに、上記電極７Ｃをそれぞれの電極７Ａおよび７Ｂの間に配置してもよい。

また、例えば、図７に示すように、収集体８の長手方向に並ぶ各電極７Ｄの長手方向と、収集体８の幅方向とのなす角度が周期的に変動するように、各電極７Ｄを配設してもよい。

《実施の形態２》
次に、図８を参照して本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は、実施の形態１を改変したものであり、以下に、実施の形態１とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態２においては、容器２は接地され、その下面と対向するように、所定距離をおいて平板状の電極７Ｅが配設される。電極７Ｅは、高電圧電源６Ａの一方の端子（図示例では、負極端子）と接続される。高電圧電源６Ａの他方の端子は接地される。この構成により、容器２と電極７Ｅとの間には所定の電位差が生じ、図示例では、容器２の下面には正電荷、電極７Ｅの上面には負電荷が生じる。その結果、容器２の下面の突起２ａの先端部から放出される原料Ｆには、正電荷が与えられる。

また、容器２の下面と電極７Ｅとの間隙の側方には、送風機１４が、その間隙に向かって送風するように配設されている。また、その反対側には、実施の形態１と同様のコレクタ１０が配設されている。送風機１４の発生する気流１６により、容器２の下面に設けられた突起２ａの先端部から放出された原料Ｆ、およびそれから生成される繊維状物質Ｆ１はコレクタ１０の方向に偏向される。
これと対応して、実施の形態２においては、収集体８の一方の面（繊維状物質Ｆ１が堆積される側の面）が気流１６の向きと垂直となるように、コレクタ１０の全体が実施の形態１の状態から９０°だけ回転されている。

以上の構成の実施の形態２のナノファイバ製造装置によれば、コレクタ１０を構成する電極７Ａおよび７Ｂとは別に、容器２に電荷を生じさせるための電極７Ｅが設けられているので、電極７Ｅと容器２との距離を、繊維状物質の生成状態とは無関係に設定することができる。そのために、電極７Ｅと容器２との距離をより適切な距離に設定することができる。すなわち、電極７Ｅを容器２に、より近い位置に配置することが可能となる。その結果、電極７Ｅに印加する電圧を大きくすることなく、容器２に誘導される電荷をより大きくすることが可能となる。これにより、静電延伸現象の効果をより増大させて、より径の小さい繊維状物質Ｆ１を生成することが可能となる。

より詳しく説明すれば、容器２とコレクタ１０との距離は、原料Ｆが繊維状物質Ｆ１に変わるのに十分な距離を確保する必要があることからある程度以上は小さくすることができない。このため、より大きい電荷を容器２に誘導するためには、より大きな電位差を容器２と、コレクタ１０に含まれる電極との間に生じさせる必要がある。その結果、極めて高価である、より高電圧の電源を用意する必要が生じ、コストが増大する。
これに対して、実施の形態２においては、送風により原料Ｆ等を偏向するものとすることで、コレクタ１０を構成する電極７Ａ、７Ｂとは別個に容器２に電荷を誘導するための電極７Ｅを容器２と対向配置することを可能としている。これにより、電極７Ｅを容器２により近接して配置することが可能となり、より低電圧の電源を採用することが可能となる。したがって、コストダウンが図れる。

さらに、実施の形態２においては、容器２を接地するものとしているので、絶縁が極めて容易となる。すなわち、容器２は、配管５Ａおよび５Ｂを介してタンク３およびポンプ４と接続されている。その容器２に高電圧が印加されると漏電が引き起こされる危険性が高くなることから、漏電を防止するための配慮が重要となる。容器２に印加されるべき電圧は、後で説明するように極めて高い電圧であることから、漏電が発生したときの危険性は非常に大きく、また絶縁をすること自体も非常に困難である。

また、本実施の形態２においては、電極７Ｅを容器２に近接配置することができることから、電極７Ｅに電圧を印加するだけで、電極７Ｅと容器２との間に、容器２に所望の大きさの電荷を誘導させるのに十分な電位差を生じさせることが可能となっている。
一方、実施の形態１の構成では、電極７Ｅと容器２とを近接配置することができず、したがって、電極７Ｅと容器２との間に、容器２に所望の大きさの電荷を誘導させるのに十分な電位差を生じさせるためには、電極７Ｅのみならず容器２にも電極７Ｅとは逆極性の電圧を印加する必要がある。容器２に電圧を印加しないものとすると、より高電圧の電源を用意する必要が生じ、コストアップを招くからである。

《実施の形態３》
次に、図９および図１０を参照して本発明の実施の形態３を説明する。実施の形態３は、実施の形態２を改変したものであり、以下に、実施の形態２とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態３においては、容器２Ａは、その円筒形状の軸心に一致する回転軸２ｂに接続された電動機１８により回転駆動される回転容器として構成される。原料Ｆは、その容器２Ａの回転による遠心力により、周壁に設けられた細孔（図示せず）を通して放出される。

また、容器２Ａの周囲には、長板の長手方向の両端部を接合して輪にしたような形状の環状の電極７Ｆが、内周面を容器２Ａ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。電極７Ｆは、高電圧電源６Ａの一方の端子と接続されている。高電圧電源６Ａの他方の端子は接地されている。一方、容器２Ａは接地されており、これにより容器２Ａの外周面と、電極７Ｆの内周面とには、それぞれ逆極性の電荷が誘導され、両者の間に電界が発生する。

また、容器２Ａの回転軸２ｂを、電動機１８を超えて更に延長した位置には前側送風機２０が配設されている。前側送風機２０と、後で説明する吸引用の後側送風機２２とにより発生される気流１６は、環状のフード２４により容器２Ａと電極７Ｆとの間に導かれる。
また、フード２４内の前側送風機２０の直下流の位置には、環状のヒータ２６が配設されている。これにより、原料Ｆ等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料Ｆから繊維状物質Ｆ１を速やかに生成することができる。また、静電延伸減少が早期に引き起こされることから、生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径はより細くなり、微細な繊維状物質Ｆ１を安定して生成することができる。

前側送風機２０等が発生する気流１６により、原料Ｆ等の進む方向は、放出方向（容器２Ａの径方向）と略垂直な方向（容器２Ａの軸方向）に偏向される。原料Ｆ等が偏向される方向（図示例では右方向）には、繊維状物質Ｆ１を収集するコレクタ１０Ａが配されている。

また、コレクタ１０Ａと容器２Ａとの間には、繊維状物質Ｆ１をコレクタ１０Ａまで案内するための筒状の案内体２８が配設されている。案内体２８は、電極７Ｆと略同径の円筒体からなる前部２８ａと、収集体８の長手方向に径が広がった後部２８ｂとから構成されている。

コレクタ１０Ａは、収集体８の一方の面を容器２Ａの端面と正対させながら収集体８を上から下に向かって送るように、巻き出しロール９Ａ、巻き取りロール９Ｂ、ガイドロール９Ｃおよび９Ｄが配置されている。また、収集体８の他方の面側には、長手方向の配向を異にする２種類の各２つの電極７Ｇおよび７Ｈが、１つずつ交互に収集体８の長手方向に並べられている。これら４本の電極は、１つの高電圧電源６Ｄの一方の端子に接続されている。高電圧電源６Ｄの他方の端子は接地されている。各電極７Ｇおよび７Ｈが接続される高電圧電源６Ｄの一方の端子は、環状の電極７Ｆが接続される高電圧電源６Ａの一方の端子と同じ極性の端子である。これにより、容器２Ａから放出される原料Ｆに付与される電荷とは逆極性の電圧が各電極７Ｇおよび７Ｈに印加され、容器２Ａから放出される原料Ｆは、各電極７Ｇおよび７Ｈの方に誘導される。

図１０に、各電極７Ｇおよび７Ｈの配向を、収集体８の平面図により示す。各電極７Ｇおよび７Ｈは、収集体８の長手方向に、交互に１本ずつ並べて配置されている。

また、ガイドロール９Ｃおよび９Ｄと当接した部位における収集体８と、案内体２８の後部２８ｂの終端開口部との隙間には、その隙間から案内体２８の内部の空気を吸引するように複数の後側送風機２２が配設されている。後側送風機２２の空気吹出し口には、溶媒または分散媒の回収装置３０が接続されている。

以上説明したように、本実施の形態３においては、ポンプによる供給圧力によるのではなく、容器２Ａの回転の遠心力により、容器２Ａから原料Ｆが放出される。このように、原料Ｆを放出させる方法の如何にかかわらず、本発明を適用して、同様の効果を達成することができる。
なお、実施の形態３の構成において、次のような条件で実験を行った結果、生成した不織布の強度が向上するという本願発明の効果を得ることができた。このとき、容器２Ａの外径は６０ｍｍとし、電極７Ｆの内径は６００ｍｍとし、容器２Ａの回転数は１５００ｒｐｍとし、容器２Ａの周壁の細孔の径は０．３ｍｍとした。また、電極７Ｆには６０ＫＶの負の電圧を印加し、コレクタ１０Ａの電極７Ｇおよび７Ｈには３０ＫＶの負の電圧を印加した。原料Ｆは、高分子材料としてポリウレタンを使用し、溶媒としてＤＭＡＣ（N,N-ジメチルアセトアミド）を使用した。その溶媒の比率を７５質量％として、両者を混合して原料Ｆを生成した。また、電極７Ｈの長手方向と７Ｇの長手方向とがなす角度（所定角度θ）は６０°とした。

《実施の形態４》
次に、図１１および図１２を参照して本発明の実施の形態４を説明する。実施の形態４は、実施の形態３を改変したものであり、以下に、実施の形態３とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態４においては、コレクタ１０Ｂにブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊが使用されている。ブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊは、図１２に示すように、角棒状の基部導体３２と、それに植設された多数の繊維状導体３４とを含んでいる。ブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊは、繊維状導体３４が収集体８の他方の面と摺接するか、または僅かの距離をおいて対向するように配設される。ブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊの長手方向の配向は、実施の形態１におけると同様である。

以上のように、ブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊをコレクタ１０Ｂに使用するものとすることによって、収集体８の上に均一に繊維状物質Ｆ１を堆積させることができる。より詳しく説明すると、収集体８は、多数の繊維状導体３４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２Ａ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、収集体８を一定の速度で送ることによって、繊維状物質Ｆ１を収集体８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７Ｉおよび７Ｊにより収集体８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７Ｉおよび７Ｊの繊維状導体３４は先端が点状であり、１つ１つの繊維状導体３４が収集体８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３４が収集体８と接触しているために、収集体８とブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊ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３４と収集体８との間で形成される容量成分が、繊維状導体３４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７Ｉおよび７Ｊが収集体８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。また、繊維状導体３４の先端からは、負の電荷を有したイオン風が前記先端の近傍の空間に放出され、その先端の近傍の空間全体が負に帯電することで、正に帯電した繊維状物質Ｆ１は、収集体８の上により均一に堆積されるからである。

ここで、繊維状導体３４の長さ（毛足）は数ｍｍ〜数十ｍｍが好ましい。繊維状導体３４が長すぎると収集用部材との接触により繊維状導体３４が変形し、繊維状導体３４のそれぞれと収集体８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３４が植設される密度は、１０〜１０００００本／ｃｍ²であるのが好ましい。

《実施の形態５》
次に、図１３を参照して本発明の実施の形態５を説明する。実施の形態５は、実施の形態１を改変したものであり、以下に、実施の形態１とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態５においては、コレクタ１０Ｃにブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊが使用される一方で、容器２Ｂの下面には突起が形成されておらず、原料Ｆを放出するための細孔は、容器２Ｂの下面に直接に開口している。また、容器２Ｂは接地されている。ブラシ状電極７Ｉおよび７Ｊの長手方向の配向は、実施の形態１におけると同様である。

このように、突起を有しない容器２Ｂを使用した構成においても、本発明によれば同様の効果を奏することが可能である。

以上、本発明を各実施の形態により説明したが、以下に、本発明の好ましいより具体的な形態を説明するとともに、上記各実施の形態の更なる変形例を説明する。
実施の形態３および４の容器２Ａは外径を１０ｍｍ〜４００ｍｍとするのがよい。容器２Ａの直径が４００ｍｍを超えると、上記気流により原料Ｆ等を適度に集中させることが困難となるからである。また、容器２Ａの直径が４００ｍｍを超えると、容器２Ａを安定して回転させるためには容器２Ａを支持する支持構造の剛性をかなり高くする必要が生じ、装置が大型化するからである。一方、容器の直径が１０ｍｍより小さいと、原料を放出させるのに十分な遠心力を得るためには回転数を高くする必要があり、その場合にはモータの負荷や振動が増大するために振動対策等を施す必要が生じるからである。以上の点を考慮すると、容器２Ａの外径は、２０〜１００ｍｍとするのがより好ましい。

また、上記各実施の形態において、細孔の径は、０．０１〜２ｍｍとするのがよい。また、細孔の形状は円形であることが好ましいが、多角形形状や星形状等であってもよい。
また、容器２Ａの回転数は、原料Ｆの粘度、原料Ｆの組成（高分子材料の種類）、溶媒の種類並びに細孔の径等に応じて例えば数ｒｐｍ以上１０，０００ｒｐｍ以下の範囲で調節することができる。

また、実施の形態３および４の電極７Ｆは、内径は例えば２００〜１０００ｍｍとするのがよい。
また、電極７Ｆおよび実施の形態２の電極７Ｅには、１〜２００ｋＶの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、容器と電極７Ｆおよび７Ｅ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電極７Ｆおよび７Ｅの配置を行うことが好ましい。これにより、容器２と電極７Ｆおよび７Ｅとの間に均等且つ強い電界を発生させることができる。この点については、コレクタに含まれる電極７Ａ〜７Ｄ、および７Ｇ〜７Ｊについても同様である。

なお、電極７Ｆは、必ずしも円環状の電極である必要はなく、例えば、軸方向から見た形状を多角形としてもよい。また、電極７Ｆは、容器２Ａの周面から所定の距離をおいて容器２Ａを囲むように配置されてさえいればよく、例えば、環状の金属線を、容器２Ａを囲むように配置して構成してもよい。

原料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質量％となるように混合されるのが好ましい。

本発明のナノファイバ製造装置および製造方法によれば、エレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する場合に、高品質のナノファイバを高い生産性で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概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。同上装置のコレクタの詳細を示す平面図である。同上コレクタの収集体の上に不織布が形成される様子を示す、コレクタの平面図である。同上コレクタにおける電極の配置の他の例１を示す、コレクタの平面図である。同上コレクタにおける電極の配置の他の例２を示す、コレクタの平面図である。同上コレクタにおける電極の配置の他の例３を示す、コレクタの平面図である。同上コレクタにおける電極の配置の他の例４を示す、コレクタの平面図である。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構成を示す、一部を断面にした側面図である。本発明の実施の形態３に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。同上装置のコレクタの詳細を示す平面図である。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構成を示す、一部を断面にした側面図である。同上装置のコレクタに使用される電極の詳細を示す写真図である。本発明の実施の形態５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。従来の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。

符号の説明

１ナノファイバ製造装置
２容器
６高電圧電源
７電極
８収集体
１０コレクタ
Ｆ原料
Ｆ１繊維状物質

Claims

高分子材料を含む液状の原料を帯電させて空中に放出し、静電延伸現象により前記原料から繊維状物質を生成し、生成された繊維状物質を、長手方向に送られる長尺帯状のシート状の収集体の上に堆積させて不織布を得るナノファイバ製造方法であって、
帯電した前記繊維状物質を電磁力により引き寄せるように電位が設定された、それぞれが長手方向を有する複数の電極を、前記収集体の前記繊維状物質が堆積される面の反対側に、その反対側の面と接触または所定距離を置いて対向させて配置するとともに、
前記不織布が、前記繊維状物質の配向が互いに異なる少なくとも１組の層を含む層状構造を有するように、前記配置される前記複数の電極のそれぞれの長手方向の向きを設定するナノファイバ製造方法。
前記複数の電極を、それぞれの長手方向が前記収集体の前記反対側の面と略平行となり且つ少なくとも１組の前記電極のそれぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置する請求項１記載のナノファイバ製造方法。
前記配置された複数の電極のそれぞれの長手方向の両端部の位置が、前記収集体の側端部から前記収集体の全幅の１０％以下の位置となるように、前記複数の電極のそれぞれの全長を設定する請求項１または２記載のナノファイバ製造方法。
前記電極として、棒状の基部導体と、それに植設された多数の繊維状導体とから構成されたブラシ状電極を使用する請求項１〜３のいずれかに記載のナノファイバ製造方法。。
高分子材料を含む液状の原料を帯電させて空中に放出する原料放出手段と、
前記放出された原料から静電延伸現象により生成される繊維状物質を収集する収集手段とを備えたナノファイバ製造装置であって、
前記収集手段は、
前記繊維状物質が一方の面に堆積される長尺帯状のシート状の収集体と、
前記収集体を長手方向に送る送り手段と、
それぞれが長手方向を有し、帯電した前記繊維状物質を電磁力により引き寄せるように電位が設定されるとともに、前記収集体の前記繊維状物質が堆積される面の反対側に、その反対側の面と接触または所定距離を置いて対向させて配置された複数の電極、
とを備え、
前記複数の電極が、それぞれの長手方向が前記収集体の前記反対側の面と略平行となり且つ少なくとも１組の前記電極のそれぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置されているナノファイバ製造装置。
前記複数の電極は、隣り合う少なくとも１組の電極が、それぞれの長手方向が互いに異なる向きとなるように配置されている請求項５記載のナノファイバ製造装置。
前記複数の電極の少なくとも一つの電極が、棒状の基部導体と、それに植設された多数の繊維状導体とから構成されたブラシ状電極である請求項５または６記載のナノファイバ製造装置。