JP5201117B2 - ナノファイバ膜製造装置およびナノファイバ膜製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造するナノファイバ膜製造装置およびナノファイバ膜製造方法に関するものである。

サブミクロンスケールの直径を有する繊維状物質（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においては、溶媒中に樹脂などの高分子物質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流出させるとともに、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電荷相互に作用するクーロン力によって電気的に延伸させることによりナノファイバを生成する。

このようにして生成されたナノファイバを捕集シートによって捕集することにより、高分子物質より成るナノファイバが不織布状に堆積された高分子ウエブ（ナノファイバ膜）が形成される（例えば特許文献１参照）。この特許文献に示す先行技術例においては、捕集シートに対向して２次元に配列された複数のノズルを備え、ナノファイバの生成に際して、捕集シートを水平方向に送りながら複数のノズルにより捕集シートに対して高分子溶液を吐出させる例が記載されている。

特開２００８−１７４８６７号公報

ところで、良好な品質の高分子ウエブを製造するためには、生成されたナノファイバを捕集シート上において均一に分布させるとともに、ナノファイバが堆積した堆積膜の電気的・化学的な組成が、使用目的に応じた適正なものとなるよう、製造過程における種々の条件を設定することが求められる。すなわち、ノズルから吐出された原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバは、電気的には正の電荷を帯び、また化学組成としては高分子物質を溶解させるための溶媒を含有している。

そしてこのように電荷を帯び溶媒を含んだナノファイバが堆積されて、電荷や溶媒が堆積膜の内部に残留したまま膜形成が完了すると、電荷によってナノファイバが反発することによる密集度の低下や、溶媒が残留することによる固化不良が発生し、適正な品質要件を満たさないナノファイバ膜が形成される。このため、ナノファイバ膜の製造においては、このような電荷や溶媒成分の残留に対して充分考慮することが必要となる。

しかしながら、上述の特許文献においては、捕集シートは送り手段により微小速度で送られるものの、ノズルによって捕集シートに対して同一位置から吐出された原料液は落下中にナノファイバとなり、これらのナノファイバは間断なく捕集シートに降り注がれて堆積される。すなわち、降り注がれた直後のナノファイバーの層内に残存する電荷や溶媒が十分に抜け切らない状態で、その上にナノファイバーの堆積層が順次形成され、製品としての適正な品質要件を満たさないものとなる。このように、従来のナノファイバ膜の製造においては、残留する電荷や溶媒成分などに起因して適正な品質要件を満たすことができないという課題があった。

そこで本発明は、残留する電荷や溶媒成分などに起因する品質不良を防止することができるナノファイバ膜製造装置およびナノファイバ膜製造方法を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバ膜製造装置は、高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造するナノファイバ膜製造装置であって、前記高分子物質を溶媒に溶解させた原料液を吐出させる吐出手段と、前記原料液を前記吐出手段を介して帯電させる帯電手段と、前記吐出手段に対向して配置され吐出された前記原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバをシート状の捕集面によって捕集する捕集部と、前記吐出手段を前記捕集面に対して平行な平面内で往復動させる移動機構と、前記吐出手段、帯電手段および移動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期で、前記移動機構によって前記吐出手段を移動させるものであり、前記所定のインターバル時間は、前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から電荷を除去するのに必要な除電時間および前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から前記溶媒を蒸散させるのに必要な溶媒蒸散時間に基づいて設定され、かつ前記除電時間、溶媒蒸散時間のうち、いずれか長い方の時間よりも、往復動周期の半周期が長くなるように設定される。

本発明のナノファイバ膜製造方法は、高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造するナノファイバ膜製造方法であって、前記高分子物質を溶媒に溶解させた原料液を吐出手段によって吐出させるとともに、帯電手段によって前記原料液を帯電させる吐出・帯電工程と、前記吐出され帯電した前記原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバをシート状の捕集面によって捕集する捕集工程とを含み、前記捕集工程において、前記吐出手段を前記捕集面に対して平行な平面内で前記堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期で移動させるものであり、前記所定のインターバル時間は、前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から電荷を除去するのに必要な除電時間および前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から前記溶媒を蒸散させるのに必要な溶媒蒸散時間に基づいて設定され、かつ前記除電時間、溶媒蒸散時間のうち、いずれか長い方の時間よりも、往復動周期の半周期が長くなるように設定される。

本発明によれば、吐出手段によって吐出され帯電した原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバをシート状の捕集面によって捕集する捕集工程において、吐出手段を捕集面に対して平行な平面内で、堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期で移動させることにより、堆積膜を構成する単位堆積膜の正常な形成が担保され、残留する電荷や溶媒成分などに起因する品質不良を防止することができる。

本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造装置の構成説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造装置の制御系の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第１実施例）の工程説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第１実施例）における堆積膜の形成過程の説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第２実施例）における捕集シートおよび支持部材の説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第２実施例）の工程説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第３実施例）における捕集シートおよび支持部材の説明図 本発明の一実施の形態の本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造方法（第３実施例）の工程説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造装置の構成説明図 本発明の一実施の形態のナノファイバ膜製造装置の構成説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して、ナノファイ
バ膜製造装置１の構成を説明する。図１において、高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造する機能を有するナノファイバ膜製造装置１は、ナノファイバ生成部２ａ、捕集部２ｂより成る機構部２を備えている。ナノファイバ生成部２ａは、金属板など導電性を有する平板状の移動プレート３に、複数（ここでは５本）の溶液供給容器５を、Ｘ方向に列状に配置した構成となっている。

それぞれの溶液供給容器５の下端部には、導電性の表面を有する吐出ノズル５ａが、移動プレート３の下面に突出して装着されており、溶液供給容器５の上部には、エア供給管５ｂがつなぎ込まれている。溶液供給容器５は内部にナノファイバの原料となる高分子材料を溶媒に溶解させた原料液１０が貯留されている。エア供給管５ｂは、開閉バルブ６、レギュレータ７を介してエア供給源８に接続されており、エア供給源８からエア供給管５ｂを介して溶液供給容器５に所定圧のエアを供給することにより、吐出ノズル５ａから原料液１０が吐出される。なお原料液１０が貯留された溶液供給容器５を用いる替わりに、溶液タンクに接続された溶液供給管から別途原料液１０を供給し、エア供給管５ｂからのエア圧によって原料液１０を吐出ノズル５ａから吐出させるように構成してもよい。

このとき、開閉バルブ６をオンオフすることにより、原料液１０の吐出を断接することができ、またレギュレータ７の設定圧力を調整することにより、原料液１０を吐出させるためのエア圧力を調整することができる。吐出ノズル５ａ、エア供給管５ｂを備えた溶液供給容器５およびエア供給源８は、高分子物質を溶媒に溶解させた原料液１０を吐出させる吐出手段を構成する。そしてこの吐出手段は、原料液１０を吐出する複数の吐出ノズル５ａを列状に配置したノズル列Ｌを備えた構成となっている。なお、ここでは複数の吐出ノズル５ａを備えた吐出手段の例を示しているが、膜形成対象物によっては、単一の吐出ノズル５ａを備えた構成であってもよい。

移動プレート３は高電圧印加装置９に電気的に接続されており、高電圧印加装置９を作動させることにより、移動プレート３には正側の高電圧（＋１０〜２０ＫＶ）が印加され、さらに導電性の表面を有する吐出ノズル５ａを介して原料液１０に高電圧が付与される。したがって吐出ノズル５ａから吐出される原料液１０は正電位に帯電しており、下方に噴射される過程において電荷相互に作用するクーロン力によって電気的に延伸され、ナノファイバ１０ａが生成される。すなわち、高電圧印加装置９は原料液１０を吐出手段の吐出ノズル５ａを介して帯電させる帯電手段となっている。なお、吐出ノズル５ａとしては、ノズル径が０．１〜２ｍｍ、ノズル長ｌが３〜１０ｍｍのものが用いられ、移動プレート３に最小５ｍｍの配列ピッチｐで配置される。また、移動プレート３に印加される高電圧は、負側の高電圧（−１０〜−２０ＫＶ）を印加するものであってもよい。

ここで、ナノファイバ１０ａ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、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、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、ポリペプチド等およびこれらの共重合体等の高分子物質を例示できる。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差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記樹脂に限定されるものではない。

原料液１０に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することがで
きる。具体的に例示すると、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、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を挙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差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明に用いられる原料液１０は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。

さらに、原料液１０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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｃｓ_２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ａｓ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５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差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明の原料液１０に添加される物質は、上記添加剤に限定されるものではない。原料液１０における溶媒と高分子材料との混合比率は、溶媒の種類と高分子材料の種類とにより異なるが、高分子材料の量が、約５〜４０％、より好適には５〜３０％の間が望ましい。

移動プレート３にはノズル往復動機構４が結合されており、ノズル往復動機構４を駆動することにより、移動プレート３は複数の溶液供給容器５とともにＹ方向（矢印ａ方向）に往復動する。これにより、ナノファイバ生成部２ａによって生成されたナノファイバ１０ａは、以下に説明する捕集部２ｂの表面１１ａに対して、Ｙ方向の往復動を伴って散布される。ノズル往復動機構４は、前述構成の吐出手段を捕集部２ｂの捕集面に対して平行な平面内で往復動させる移動機構となっている。そしてこの移動機構は、吐出手段を前述のノズル列Ｌに直交する方向（Ｙ方向）に往復動させるようにしている。

捕集部２ｂは、供給リール１３から繰り出される捕集シート１１を、シート送り駆動機構１５によって駆動される回収リール１４によって巻き取ることにより、Ｘ方向に送る（矢印ｂ）構成となっている。捕集シートは、樹脂などの絶縁体を板状に成形した支持部材１２によって下方から支持された状態で送られる。捕集シート１１の表面１１ａは、ナノファイバ生成部２ａの吐出ノズル５ａと対向しており、吐出ノズル５ａから吐出された原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａは、タングステン膜などの導電膜より成る捕集シート１１の表面１１ａ（シート状の捕集面）によって捕集される。捕集シート１１は接地線によって接地部１６に接続されており、正の電荷を帯びたナノファイバ１０ａを捕集することにより帯電した捕集シート１１の電荷は接地部１６に移動し、これにより捕集シート１１が徐電される。なお、接地部１６に接続する代わりに、捕集シート１１に電圧印加部（図示省略）によって負の電圧を印加するようにしてもよい。

ノズル往復動機構４、開閉バルブ６、レギュレータ７、高電圧印加装置９、シート送り駆動機構１５は制御部２０よって制御され、これによりナノファイバ膜製造装置１によるナノファイバ膜製造作業が実行される。ここで、制御部２０の構成および機能を図２を参照して説明する。図２において、制御部２０は、ノズル往復動制御部２１、往復動周期演算部２２、付与高電圧制御部２３、溶液供給制御部２４、シート送り制御部２５および記憶部２６より構成され、さらに制御部２０には、入力部２７、表示部２８が接続されている。

ノズル往復動制御部２１は、ノズル往復動機構４による移動プレート３のＹ方向への往復動、すなわち吐出ノズル５ａの往復動を制御する。往復動周期演算部２２は、吐出ノズル５ａの往復動における周期を、予め記憶部２６に記憶されたデータに基づいて演算する。付与高電圧制御部２３は高電圧印加装置９によって移動プレート３に印加される電圧を制御する。溶液供給制御部２４は、開閉バルブ６、レギュレータ７を制御し、これにより吐出ノズル５ａからの原料液１０の吐出のオンオフおよび圧力が制御される。シート送り制御部２５はシート送り駆動機構１５を制御し、これにより捕集部２ｂにおける捕集シート１１の送り動作が制御される。

記憶部２６には、往復動ストローク２６ａ、往復動周期２６ｂ、付与高電圧値２６ｃ、溶液供給圧力２６ｄおよびシート送り速度２６ｅが記憶されている。往復動ストローク２６ａは、ノズル往復動機構４による吐出ノズル５ａの往復動のストロークを示すデータであり、対象となる捕集シート１１の種類毎に記憶されている。往復動周期２６ｂは、往復動周期演算部２２によって演算された吐出ノズル５ａの往復動の周期を示す。付与高電圧値２６ｃは、高電圧印加装置９によって移動プレート３に印加される電圧値であり、対象となる捕集シート１１や原料液１０の種類毎に記憶される。

溶液供給圧力２６ｄは原料液１０を吐出するためのエア供給圧力であり、レギュレータ７の設定値として、対象となる捕集シート１１や原料液１０の種類毎に記憶される。シート送り速度２６ｅは捕集部２ｂにおける捕集シート１１の送り速度を示すデータであり、同様に対象となる捕集シート１１や原料液１０の種類毎に記憶される。入力部２７はキーボードやタッチパネルスイッチなどの入力装置であり、操作コマンドの指示入力や接地部１６へのデータ入力を行う。表示部２８は液晶パネルなどの表示装置であり、入力部２７による入力時の案内画面や報知画面の表示を行う。

このナノファイバ膜製造装置１は上記のように構成されており、次にナノファイバ膜製造装置１によるナノファイバ膜製造方法（第１実施例）について説明する。まず最初に、図３，図４を参照して、捕集シート１１の表面１１ａにナノファイバ１０ａの堆積膜を適正な品質で形成するために採用される膜形成動作、すなわち吐出ノズル５ａを予め設定される所定のインターバル時間で往復動させながら膜形成を行う方法について説明する。

ここでは、電荷を帯び溶媒を含んだナノファイバ１０ａが、電荷や溶媒が内部に残留したまま膜形成が行われることによる品質不良、すなわち電荷によってナノファイバ１０ａが相互に反発することによる密集度の低下や、溶媒が残留することによる固化状態の不良を防止するために、以下に説明するように、捕集シート１１の表面１１ａを２つの領域に区分し、これらの領域に予め設定された所定のインターバル時間で交互にナノファイバ１０ａを堆積させて複数の単位堆積層を積層するようにしている。この膜形成動作は、制御部２０が、堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される上述のインターバル時間に基づいた往復動周期Ｔで、吐出手段をノズル往復動機構４によって移動させることによって実行される。

すなわち図３（ａ）に示すように、幅寸法Ｂ１（Ｙ方向寸法）の捕集シート１１の捕集面である表面１１ａの幅方向の領域を、第１堆積領域Ａ１、第２堆積領域Ａ２の２つに等分に区分する。第１堆積領域Ａ１、第２堆積領域Ａ２のそれぞれの上方には、当該領域を対象としてナノファイバ１０ａを散布するための吐出ノズル５ａの位置が、それぞれ第１ノズル位置Ｐ１、第２ノズル位置Ｐ２として設定される。そしてナノファイバ膜形成動作においては、吐出ノズル５ａを第１ノズル位置Ｐ１、第２ノズル位置Ｐ２の間の距離、すなわち往復動ストロークＳだけ往復動させ、第１堆積領域Ａ１、第２堆積領域Ａ２に交互にナノファイバ１０ａを散布する。この吐出ノズル５ａの往復動における往復動周期Ｔは、後述するように、対象となるナノファイバ１０ａの種類や、付与高電圧値２６ｃ、溶液供給圧力２６ｄなどの膜形成条件に基づいて個別に設定される。

まず図３（ｂ）に示すように、吐出ノズル５ａを第１ノズル位置Ｐ１に位置させ、吐出ノズル５ａからナノファイバ１０ａを第１堆積領域Ａ１に散布する。次いで、往復動周期Ｔの半周期（Ｔ／２）が経過した後、図３（ｃ）に示すように、吐出ノズル５ａを第２ノズル位置Ｐ２に移動させる。このとき、第１堆積領域Ａ１には、図３（ｂ）において半周期の間に散布されたナノファイバ１０ａが表面１１ａに堆積して単位堆積層３０ａが形成されている。そしてこの後、半周期（Ｔ／２）経過毎に、吐出ノズル５ａを第１ノズル位置Ｐ１、第２ノズル位置Ｐ２の間で移動させ、第１堆積領域Ａ１、第２堆積領域Ａ２に交互にナノファイバ１０ａを散布・堆積させる。これにより吐出ノズル５ａの１回の往復動周期Ｔ毎に、捕集シート１１の表面１１ａにはナノファイバ１０ａの単位堆積層が形成され、この吐出ノズル５ａの往復動周期Ｔの往復動を予め定められた所定回数反復して実行することにより、表面１１ａには複数層の単位堆積層（ここでは、３層の単位堆積層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）より構成されるナノファイバ１０ａの堆積膜３０が形成される。

図４は、上述のナノファイバ膜形成における堆積膜の形成過程を示すものであり、ここでは、表面１１ａに単位堆積層３０ａを形成した後、その上層に次の単位堆積層３０ｂを形成する場合を示している。まず図４（ａ）は、第１堆積領域Ａ１を対象としてナノファイバ１０ａを堆積させる状態を示しており、吐出ノズル５ａから吐出される原料液１０は高分子物質を溶媒に溶解させた組成となっていることから、原料液１０が電気的に延伸して生成されるナノファイバ１０ａには溶媒３１とともに電荷３２が伴っている。このため、ナノファイバ１０ａが半周期の間継続して第１堆積領域Ａ１に散布されて、単位堆積層３０ａの上層に堆積している間には、単位堆積層３０ｂには溶媒３１、電荷３２が蓄積される。

図４（ｂ）は、半周期経過後に、吐出ノズル５ａを移動させて第２堆積領域Ａ２を対象としてナノファイバ１０ａを堆積させる状態を示している。ここでも同様に、ナノファイバ１０ａが半周期の間継続して第２堆積領域Ａ２に散布されて単位堆積層３０ａの上層に堆積している間には、単位堆積層３０ｂには溶媒３１、電荷３２が蓄積される。これに対し、第１堆積領域Ａ１においては、ナノファイバ１０ａの散布が中断された状態となっているため、単位堆積層３０ｂに蓄積された溶媒３１は蒸散して大気中に放出される。また電荷３２は、捕集シート１１と電気的に接続された接地部１６に移動し、単位堆積層３０ｂは除電された状態となる。これにより単位堆積層３０ｂにおいては、ナノファイバ１０ａの固化が促進されるとともに、ナノファイバ１０ａを相互に反発させる作用が消失するためナノファイバ１０ａの密着度が向上し、良好な品質特性を備えた単位堆積層３０ｂが形成される。

図４（ｃ）は、さらに半周期が経過して、吐出ノズル５ａを再び移動させて第１堆積領域Ａ１を対象としてナノファイバ１０ａを堆積させる状態を示している。この場合には、既に形成された単位堆積層３０ｂの上層に単位堆積層３０ｃが形成されるが、上述のように単位堆積層３０ｂは既に溶媒３１、電荷３２が放出されているため、従来方法において
生じていたような、単位堆積層３０ｃによって単位堆積層３０ｂからの溶媒３１、電荷３２の放出が阻害されることに起因する品質不良が生じない。また第２堆積領域Ａ２においては、ナノファイバ１０ａの散布が中断された状態となっているため、上述と同様に、単位堆積層３０ｂに蓄積された溶媒３１、電荷３２が放出され、良好な品質特性を備えた単位堆積層３０ｂが形成される。

すなわち、上述のナノファイバ膜製造方法においては、高分子物質を溶媒に溶解させた原料液１０を吐出手段の吐出ノズル５ａによって吐出させるとともに、高電圧印加装置９によって移動プレート３、吐出ノズル５ａを介して原料液１０を帯電させる（吐出・帯電工程）。次いで吐出され帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａをシート状の捕集面である捕集シート１１の表面１１ａによって捕集する（捕集工程）。

そしてこの捕集工程においては、吐出ノズル５ａを表面１１ａに対して平行な平面内で、堆積膜３０を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期Ｔで移動させるようにしている。このインターバル時間は、本実施の形態においては、往復動周期毎に形成されるナノファイバ１０ａの単位堆積層から電荷３２を除去するのに必要な除電時間および溶媒３１を蒸散させるのに必要な溶媒蒸散時間に基づいて設定され、除電時間、溶媒蒸散時間のうち、いずれか長い方の時間よりも、往復動周期Ｔの半周期（Ｔ／２）が長くなるように設定される。ここで、上述の除電時間、溶媒蒸散時間は、対象とする原料液１０の種類毎に、付与高電圧値２６ｃ、溶液供給圧力２６ｄなどによって規定される膜形成条件で実際に膜形成動作を試行し、その試行結果を評価するいわゆる条件出し作業によって決定される。具体的な数値例を示すと、一般に上述の除電時間、溶媒蒸散時間は０．５ｓｅｃ．未満であり、このインターバル時間を半周期とする往復動周期Ｔとしては、約１ｓｅｃ．程度を選択することができる。

上記説明したように、図３，図４に示す第１実施例においては、吐出手段の吐出ノズル５ａによって吐出され帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａを捕集シート１１の表面１１ａによって捕集する捕集工程において、吐出ノズル５ａを表面１１ａに対して平行な平面内で、堆積膜３０を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期Ｔで移動させるようにしている。これにより、堆積膜３０を構成する単位堆積膜の正常な形成が担保され、残留する電荷や溶媒成分などに起因する品質不良を防止することができる。

次にナノファイバ膜製造装置１によるナノファイバ膜製造方法（第２実施例）について、図５，図６を参照して説明する。この第２実施例は、捕集シートとして導電膜を用いる場合において、導電膜の端部を完全に覆う形でナノファイバを付着させて、電気的な絶縁性を確保することが必要となる場合に適用されるナノファイバ膜製造方法を示している。

図５（ａ）において、捕集シート１１はタングステンなどの導電性の素材を膜状にした導電膜である。捕集シート１１においてナノファイバ１０ａの堆積膜３０を形成する対象となる堆積領域は、膜形成動作において吐出ノズル５ａと対向する表面１１ａの全範囲に設定された表堆積領域Ｃに加えて、端部１１ｃにおいて裏面１１ｂ側に回り込んで端部１１ｃの近傍に設定された裏堆積領域Ｄを含んでいる。この場合には、捕集部２ｂは、図５（ｂ）に示すように、捕集シート１１の裏面１１ｂにおいて裏堆積領域Ｄを除く範囲に当接して捕集シート１１を支持する支持部材１２を備えた構成となり、これにより、膜形成動作においては裏堆積領域Ｄが常に露呈した状態となる。

捕集シート１１は図１に示す例と同様に、接地部１６と電気的に接続され、捕集シート１１に降り注ぐ電荷を接地部１６に逃がすようにしている。なお、捕集シート１１を接地
する替わりに、捕集シート１１に原料液１０を帯電させた電荷と反対の極の電圧を印加する電圧印加部（図示省略）を設けるようにしてもよい。

次に図６を参照して、膜形成過程について説明する。図６（ａ）は、固定配置された１つの吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲によって、必要とされる堆積領域を全てカバー可能な場合の例を示している。この場合には、吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲が、幅寸法Ｂ２の表堆積領域Ｃの全てをカバーし、さらに端部１１ｃから外側に所定範囲Ｅだけはみ出した形態となるように、吐出ノズル５ａを配置する。

ここで所定範囲Ｅは、吐出ノズル５ａから吐出された帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成され、電荷３２を伴って降り注ぐナノファイバ１０ａが、端部１１ｃの外側を落下し、その一部が端部１１ｃを迂回して電荷３２の付着力によって裏堆積領域Ｄに付着堆積する条件を満たすような幅範囲に設定される。この所定範囲Ｅについても、ナノファイバ１０ａの種類および膜形成条件毎に試行を行い、堆積状態を評価する条件出し作業によって決定される。

すなわちこの第２実施例においては、吐出手段の吐出ノズル５ａは、生成されたナノファイバ１０ａが捕集シート１１の端部１１ｃの外側に降り注ぎ、且つ外側に降り注いだナノファイバ１０ａが裏堆積領域Ｄに電気的に吸着される位置に配置される。これにより、捕集シート１１の表堆積領域Ｃのみならず、端部１１ｃを覆って裏面１１ｂの裏堆積領域Ｄまで廻りこむ形で堆積膜３０が形成される。

図６（ｂ）は、固定配置された１つの吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲によっては、必要とされる堆積領域をカバーできないような幅寸法Ｂ２Ｌを有する捕集シート１１を対象とする場合の例を示している。この場合には、吐出ノズル５ａを固定配置せずに、ノズル往復動機構４によって吐出ノズル５ａを捕集シート１１の幅方向（Ｙ方向）に往復動させる（図１参照）。すなわち、図６（ｂ）に示すように、吐出ノズル５ａが捕集シート１１の端部１１ｃ側に移動した状態において、図６（ａ）に示す所定範囲Ｅが確保される位置を一方側の第１のストロークエンドＳＥ１とし、端部１１ｃの反対側に移動した状態において、表堆積領域Ｃの残余の範囲を吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲がカバーするように、第２のストロークエンドＳＥ２を設定する。

すなわち図６（ｂ）に示す例においては、吐出手段の吐出ノズル５ａを捕集シート１１に対して平行な平面内で端部１１ｃと直交する方向（Ｙ方向）に往復動させるノズル往復動機構４を備えた構成を採用する。そしてノズル往復動機構４による往復動のストロークは、生成されたナノファイバ１０ａが端部１１ｃの外側に降り注ぎ且つ外側に降り注いだナノファイバ１０ａが裏堆積領域Ｄに電気的に吸着される位置に吐出ノズル５ａが移動するように設定される。

なお、ノズル往復動機構４によって吐出ノズル５ａを捕集シート１１に対してＹ方向に往復動させる替わりに、捕集シート１１を支持する支持部材１２を、部材移動機構（図示省略 ）によって固定配置された吐出ノズル５ａに対して平行な平面内で、捕集シート１１の端部１１ｃと直交する方向（Ｙ方向）に往復動させるようにしてもよい。この場合においても、部材移動機構による捕集シート１１の往復動のストロークは、生成されたナノファイバ１０ａが端部１１ｃの外側に降り注ぎ且つ外側に降り注いだナノファイバ１０ａが裏堆積領域Ｄに電気的に吸着される位置に、吐出ノズル５ａが捕集シート１１に対して相対移動するように設定される。

すなわち、上述のナノファイバ膜製造方法（第２実施例）においては、高分子物質を溶
媒に溶解させた原料液１０を吐出手段の吐出ノズル５ａによって吐出させるとともに、高電圧印加装置９によって移動プレート３、吐出ノズル５ａを介して原料液１０を帯電させる（吐出・帯電工程）。次いで吐出され帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａをシート状の捕集面である捕集シート１１の表面１１ａによって捕集する（捕集工程）。

そして吐出・帯電工程において、生成されたナノファイバ１０ａが端部１１ｃの外側に降り注ぎ、且つ端部１１ｃに降り注いだナノファイバ１０ａが裏堆積領域Ｄに電気的に吸着される位置に、吐出ノズル５ａを位置させるようにしている。これにより、エレクトロスピニングによってナノファイバ１０ａの堆積膜を導電膜に形成するナノファイバ膜形成において、簡便な方法で導電膜の端部にナノファイバ１０ａを裏面側まで回り込んで堆積させることができ、導電膜の端部の絶縁性を確保することが可能となっている。

次にナノファイバ膜製造装置１によるナノファイバ膜製造方法（第３実施例）について、図７，図８を参照して説明する。この第３実施例は、堆積膜形成の対象となる捕集シートの同一面において、ナノファイバを堆積させるべき領域とナノファイバを堆積すべきでない領域が混在している場合に適用されるナノファイバ膜製造方法を示している。

図７（ａ）において、捕集シート１１はタングステンなどの導電性の素材を膜状にした導電膜である。捕集シート１１においてナノファイバ１０ａの膜形成の対象面表面１１ａには、堆積膜３０を形成する対象となる表堆積領域Ｃと、堆積膜３０を形成する対象とならない非堆積領域Ｆが混在して設定されている。さらに図５（ａ）に示す例と同様に、表面１１ａに設定された表堆積領域Ｃに加えて、端部１１ｃにおいて裏面１１ｂ側に回り込んで端部１１ｃの近傍に設定された裏堆積領域Ｄを含んでいる。この場合には、捕集部２ｂは、図７（ｂ）に示すように、捕集シート１１の裏面１１ｂにおいて裏堆積領域Ｄを除く範囲に当接して捕集シート１１を支持する支持部材１２を備えた構成となり、これにより膜形成動作においては裏堆積領域Ｄが常に露呈した状態となる。

捕集シート１１を捕集部２ｂに装着するに先だって、表面１１ａの非堆積領域Ｆには、樹脂などの絶縁物３３を介してアルミニウムなどの導電体３４が載置される。このとき、図７（ｂ）中の拡大図に示すように、絶縁物３３において表堆積領域Ｃと非堆積領域Ｆの境界近傍に位置する部分には、傾斜部３３ａが設けられる。このため絶縁物３３上に載置される導電体３４の端部３４ａは、表堆積領域Ｃとの境界から幾分隔てられた形態となる。これにより、後述するように、表堆積領域Ｃに形成される堆積膜３０の厚さが非堆積領域Ｆとの境界近傍で減少する現象を防止することが可能となっている。

そして導電体３４には、原料液１０を帯電させた電圧（＋１０〜２０ＫＶ）よりも低い同極の電圧（例えば＋１〜５ＫＶ）が電圧印加部３５によって導電体３４に印加される。これとともに、図１に示す例と同様に、捕集シート１１は接地部１６と電気的に接続され、捕集シート１１に降り注ぐ電荷を接地部１６に逃がすようにしている。なお、捕集シート１１を接地する替わりに、捕集シート１１に原料液１０を帯電させた電荷と反対の極の電圧を印加する電圧印加部（図示省略）を設けるようにしてもよい。

次に図８を参照して、膜形成過程について説明する。図８（ａ）は、固定配置された１つの吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲によって、必要とされる堆積領域を全てカバー可能な場合の例を示している。この場合には、吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲が、幅寸法Ｂ４の表堆積領域Ｃの全てをカバーして一部が非堆積領域Ｆの一部を含み、さらに端部１１ｃから外側に、図６（ａ）において示す所定範囲Ｅだけはみ出した形態となるように、吐出ノズル５ａを配置する。そして非堆積領域Ｆに絶縁物３３を介して載置された導電体３４には、原料液１０を帯電させた電荷と同極の正
の電圧を電圧印加部３５によって印加する。このとき、捕集シート１１は接地もしくは負の電圧が印加されている。

吐出ノズル５ａから吐出された帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａは、捕集シート１１の表面１１ａに降り注ぐとともに、図６に示す例と同様に、その一部が端部１１ｃを迂回して電荷３２の付着力によって裏堆積領域Ｄに付着堆積する。そして表面１１ａの表堆積領域Ｃに降り注いだナノファイバ１０ａは、捕集シート１１が接地もしくは負の電圧が印加されていることから、表堆積領域Ｃ内の表面１１ａに堆積して堆積膜３０を形成する。

これに対し、非堆積領域Ｆに載置された導電体３４にはナノファイバ１０ａを帯電させている電荷３２と同極の電圧が印加されていることから、表面１１ａの非堆積領域Ｆに降り注ぐナノファイバ１０ａは、導電体３４によって反発されて非堆積領域Ｆへの堆積が阻害される。この導電体３４によるナノファイバ１０ａの排除作用において、図７（ｂ）に示すように、導電体３４の端部３４ａは表堆積領域Ｃとの境界近傍に設けられた傾斜部３３ａの幅分だけ表堆積領域Ｃの端部から隔てられている。したがって表堆積領域Ｃの端部においては、導電体３４によるナノファイバ１０ａの排除作用は小さく、表堆積領域Ｃの端部近傍において堆積膜３０の膜厚が減少することに起因する堆積膜３０の形状不良が発生しない。

図８（ｂ）は、固定配置された１つの吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲によっては、必要とされる堆積領域をカバーできないような幅寸法Ｂ４Ｌを有する表堆積領域Ｃが設定された捕集シート１１を対象とする場合の例を示している。この場合には、図６（ｂ）に示す例と同様に、吐出ノズル５ａを固定配置せずに、ノズル往復動機構４によって吐出ノズル５ａを捕集シート１１の幅方向（Ｙ方向）に往復動させる（図１参照）。すなわち、図８（ｂ）に示すように、吐出ノズル５ａが捕集シート１１の端部１１ｃ側に移動した状態において、図６（ａ）に示す所定範囲Ｅが確保される位置を一方側の第１のストロークエンドＳＥ１とし、端部１１ｃの反対側に移動した状態において、表堆積領域Ｃの残余の範囲を吐出ノズル５ａによるナノファイバ１０ａの散布範囲がカバーするように、第２のストロークエンドＳＥ２を設定する。

すなわち図８（ｂ）に示す例においては、吐出手段の吐出ノズル５ａを捕集シート１１に対して平行な平面内で端部１１ｃと直交する方向（Ｙ方向）に往復動させるノズル往復動機構４を備えた構成を採用する。そしてノズル往復動機構４による往復動のストロークは、表堆積領域Ｃにナノファイバ１０ａが降り注ぐように設定されるとともに、生成されたナノファイバ１０ａが端部１１ｃの外側に降り注ぎ且つ外側に降り注いだナノファイバ１０ａが裏堆積領域Ｄに電気的に吸着される位置に吐出ノズル５ａが移動するように設定される。

すなわち、上述のナノファイバ膜製造方法（第３実施例）においては、高分子物質を溶媒に溶解させた原料液１０を吐出手段の吐出ノズル５ａによって吐出させるとともに、高電圧印加装置９によって移動プレート３、吐出ノズル５ａを介して原料液１０を帯電させる（吐出・帯電工程）。次いで吐出され帯電した原料液１０が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１０ａをシート状の捕集面である捕集シート１１の表面１１ａによって捕集する（捕集工程）。

そして捕集シート１１においてナノファイバの膜形成の対象面である表面１１ａには、堆積膜３０を形成する対象となる表堆積領域Ｃと堆積膜３０を形成する対象とならない非堆積領域Ｆが混在しており、表堆積領域Ｃを接地もしくは表堆積領域Ｃに原料液１０を帯電させた電荷と反対の極の電圧を印加し、非堆積領域Ｆに原料液１０を帯電させた電荷と
同極の電圧を印加するようにしている。これにより、エレクトロスピニングによってナノファイバ１０ａの堆積膜を導電膜に形成するナノファイバ膜形成において、簡便な方法でナノファイバの堆積の有無の切り替えを行うことができる。

なお上述の実施の形態の各実施例では、捕集部２ｂにおいて捕集シート１１を移動させて吐出ノズル５ａから連続的にナノファイバ１０ａを表面１１ａに対して散布して堆積させる例を示したが、静止状態の捕集シート１１に対して所定時間だけナノファイバ１０ａを散布して堆積膜を形成するようにしてもよい。

また本発明において適用対象となるナノファイバ膜製造装置の構成は、図１に示すナノファイバ膜製造装置１の構成には限定されるものではなく、以下に示すような、種々の変更形態のものに対して本発明を適用することができる。図９に示すナノファイバ膜製造装置１Ａは、図１に示すナノファイバ膜製造装置１において機構部２を構成する捕集部２ｂを、捕集シート１１を下方から支持する支持部材に上凸形状の支持面１１２ａを有する支持部材１１２を用いている。

そして供給リール１３から繰り出され、回収リール１４によって巻き取られる捕集シート１１を、支持部材１１２の両端に配置された押さえローラ１７Ａ、押さえローラ１７Ｂによって上方から押し付けて、支持面１１２ａに倣わせるようにしている。これにより、ナノファイバ膜形成対象の捕集シート１１に、予め上凸の反り変形を与えて、表面１１ａにナノファイバ１０ａを堆積することにより生じる捕集シート１１の上反り変形を相殺することができる。

さらに、図１０に示すナノファイバ膜製造装置１Ｂは、図１に示すナノファイバ膜製造装置１において機構部２を構成するナノファイバ生成部２ａを、ノズル往復動機構４によって移動する移動プレート３の下面に複数（ここでは５つ）の吐出孔５０ａを備えた３角柱形状のノズルヘッド５０を装着した構成のものを用いている。ノズルヘッド５０に結合された溶液配管５１は、ポンプ５２を介して溶液供給部５３に接続されており、ポンプ５２を駆動することにより、ノズルヘッド５０には原料液１０が供給される。

そしてこの状態で、エア供給管５ｂを介して溶液吐出用のエアをノズルヘッド５０内に供給することにより、吐出孔５０ａからは原料液１０が吐出され、同様にナノファイバ１０ａが生成される。このような方式を採用することにより、複数の吐出孔５０ａを備えた構成において、それぞれの吐出孔５０ａに作用するエア圧力を均一にすることができ、吐出孔５０ａからの原料液１０の吐出状態のばらつきを排除することができる。なおノズルヘッド５０に直接吐出孔５０ａを設ける替わりに、下方に突出した形状の吐出ノズルを設けるようにしてもよい。

本発明のナノファイバ膜製造装置およびナノファイバ膜製方法は、残留する電荷や溶媒成分などに起因する品質不良を防止することができるという効果を有し、高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造する分野に利用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ ナノファイバ膜製造装置
２ 機構部
２ａ ナノファイバ生成部
２ｂ 捕集部
５ 溶液供給容器
５ａ 吐出ノズル
９ 高電圧印加装置
１０ 原料液
１０ａ ナノファイバ
１１ 捕集シート
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 支持部材
１６ 接地部
３０ 堆積膜
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 単位堆積層
３１ 溶媒
３２ 電荷
Ｃ 表堆積領域
Ｄ 裏堆積領域
Ｆ 非堆積領域

Claims (3)

1. 高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造するナノファイバ膜製造装置であって、
   前記高分子物質を溶媒に溶解させた原料液を吐出させる吐出手段と、前記原料液を前記吐出手段を介して帯電させる帯電手段と、前記吐出手段に対向して配置され吐出された前記原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバをシート状の捕集面によって捕集する捕集部と、前記吐出手段を前記捕集面に対して平行な平面内で往復動させる移動機構と、前記吐出手段、帯電手段および移動機構を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期で、前記移動機構によって前記吐出手段を移動させるものであり、
   前記所定のインターバル時間は、前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から電荷を除去するのに必要な除電時間および前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から前記溶媒を蒸散させるのに必要な溶媒蒸散時間に基づいて設定され、
   かつ前記除電時間、溶媒蒸散時間のうち、いずれか長い方の時間よりも、往復動周期の半周期が長くなるように設定されることを特徴とするナノファイバ膜製造装置。
2. 前記吐出手段は、前記原料液を吐出する複数の吐出ノズルを列状に配置したノズル列を備え、前記移動機構は前記吐出手段を前記ノズル列と直交する方向に往復動させることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバ膜製造装置。
3. 高分子物質から成るナノファイバの堆積膜を製造するナノファイバ膜製造方法であって、
   前記高分子物質を溶媒に溶解させた原料液を吐出手段によって吐出させるとともに、帯電手段によって前記原料液を帯電させる吐出・帯電工程と、前記吐出され帯電した前記原料液が電気的に延伸して生成されたナノファイバをシート状の捕集面によって捕集する捕集工程とを含み、
   前記捕集工程において、前記吐出手段を前記捕集面に対して平行な平面内で前記堆積膜を適正な品質で形成するために予め設定される所定のインターバル時間に基づいた往復動周期で移動させるものであり、
   前記所定のインターバル時間は、前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から電荷を除去するのに必要な除電時間および前記堆積膜を構成し前記往復動周期毎に形成されるナノファイバの単位堆積層から前記溶媒を蒸散させるのに必要な溶媒蒸散時間に基づいて設定され、
   かつ前記除電時間、溶媒蒸散時間のうち、いずれか長い方の時間よりも、往復動周期の半周期が長くなるように設定されることを特徴とするナノファイバ膜製造方法。

Images