JP5234355B2 - ナノファイバ製造装置、および製造方法 - Google Patents
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例えば、特許文献2の実施例においては、原料放出部とコレクタとの距離を8cmまたは10cmとしている。しかしながら、このように両者間の距離を小さくしてしまうと、生成されるナノファイバの量が次第に少なくなり、継続的に大量のナノファイバを製造することができないという問題が生じる。
しかしながら、この構成においても、容器からコレクタに向かう電気力線が均一なものとならず、厚みの均一な不織布からなる高品質のナノファイバを得ることが困難であるという問題は残る。
前記原料を空中に放出するための孔を有するとともに、前記原料が通過する空間を内部に有する原料放出部と、
前記原料放出部と所定距離をおいて対向するように配置され、前記原料放出部に電荷を誘導するための帯電用電極と、
前記生成された繊維状物質を偏向して所定方向に移送するための気流を発生する気流発生手段と、
前記生成された繊維状物質を表面に堆積させて収集する収集体と、
一定の距離をおいて対向配置される一対の移送用電極を含み、前記気流により移送される繊維状物質をさらに偏向して前記収集体まで移送するための電界を発生する電界発生手段と、
前記原料放出部と前記帯電用電極との間に所定の電位差を発生させる電位差発生手段
とを備え、
前記原料放出部から放出された原料の運動の向きが気流により偏向され、さらに一定の距離をおいて対向配置された前記複数の移送用電極の間の電界により、前記生成された繊維状物質の運動の向きが偏向されることにより、均一な電気力線を有する電界により繊維状物質を移送して、収集体の上に堆積させて収集することを特徴とするナノファイバ製造装置である。
前記収集体を長手方向に送る送り機構が備えられ、
前記送り機構が、前記収集体を巻き出す巻き出し装置、並びに前記繊維状物質が表面に堆積された収集体を巻き取る巻き取り装置を含む。
前記帯電用電極が、前記回転容器の周囲に配設される環状の電極である前記気流により移送される繊維状物質の運動を案内する筒状の案内体を備える。
前記原料を原料放出部から空中に放出する工程a、
前記原料放出部と、それと所定の距離をおいて対向配置された帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせて、前記空中に放出される原料を帯電させる工程b、
前記空中に放出された原料を気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する工程c、
前記生成された繊維状物質を収集体の表面に堆積させて収集する工程d、並びに
前記気流により移送される繊維状物質を、さらに一定の距離をおいて対向配置された複数の移送用電極の間に発生される電界により前記収集体まで移送する工程eを含み、
前記放出された原料の運動の向きが気流により偏向され、さらに前記複数の移送用電極の間の電界により、前記生成された繊維状物質の運動の向きが偏向されることにより、均一な電気力線を有する電界により繊維状物質を移送して、収集体の上に堆積させて収集することを特徴とするナノファイバ製造方法を提供する。
《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。
容器2の下側の壁部には、所定圧力で送られてくる原料Fを空中に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の上記壁部の外側面に設けられた多数の突起2aの先端部に開口している。
また、容器2の突起2aの先端から下に向かって放出された原料F、ないしはそれから生成された繊維状物質F1(以下、両者を区別する必要がない場合は原料F等と総称する)は、送風機7が発生する気流により運動の向きが変えられて、水平方向に移送される。
また、下側の移送用電極(以下、送り出し側電極という)17は、その上面が帯電用電極3の上面と面一となるように配設されている。
一方、送り出し側電極17は接地されており、これによって、送り出し側電極17には繊維状物質F1に帯電される電荷と同じ極性の電荷が誘導される。
収集装置10は、下側の面に繊維状物質F1を堆積させて収集する長尺帯状の収集体12と、収集体12を長手方向に送る送り機構としての巻き出しロール14および巻き取りロール16とを備えている。
収集体12は、吸引側電極18と摺接または所定距離をおいて、収集体12の下側の位置を上記送り機構により送られるように配設されている。図示例では、収集体12は容器2よりもさらに上の位置で送られるように配置されている。このようにすれば、巻き出しロール14と容器2との位置関係に特別の配慮を払うことなく収集体12の下側の面に繊維状物質F1を均一に堆積させることができる。しかしながら、巻き出しロール14を容器2と隣接するように配置して、収集体12を容器2の下側の面と同じ高さ、またはそれよりも低い位置で送るようにすることも可能である。
また、収集体12の素材は、絶縁性材料に限定されるものではなく、例えばカーボンナノファイバ等の導電性材料を混合して、収集体12に導電性を持たせるようにしてもよい。
原料供給管5を介して、図示しないポンプ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の先端部から上記細孔を介して空中に放出される。また、所定の電圧が高電圧電源4Aにより印加された帯電用電極3と、接地された容器2との間には電界が発生し、容器2と帯電用電極3とに、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、帯電用電極3には負電荷が誘導される。
また、繊維状物質F1が気流により移送される方向を、収集体12の送りの方向と平行にしていることから、収集体12の表面に繊維状物質F1をより均一に堆積させることが可能となる。
さらには、収集体12の送りの位置を容器2よりも高い位置に設定することで、容器2と干渉させないように収集体12の配置を行うことが容易となる。したがって、容器2の配置に依存しないで、収集体12の送りの位置を最適なものとすることができ、均一な良質のナノファイバの不織布を得ることができる。
また、送風機7により発生する気流の温度を、原料Fを偏向させる前に加熱装置等を用いて所定の温度まで上昇させることによって、さらに、揮発性の有機溶媒または有機分散媒の蒸発を加速することができる。これによって、静電延伸現象が促進されて、より微細なナノファイバを生成することができる。
このようにして、高分子材料の塊の混入量が少ない良質のナノファイバを製造することが可能となる。
また、実施の形態においては、容器2は、金属などの導体であったが、これに限定するものではなく、容器2が導電性を有しない材料で構成された場合においても、原料Fを空中に放出するための孔の近傍が導電性を有する材料から構成されていれば、その部分と帯電用電極3との間に電界を発生させて、その孔から放出される原料を帯電させることができる。
なお、実施の形態においては、収集体12の送り方向は巻き出しロール14および巻き取りロール16の配置により決定されるが、巻き出しロール14と巻き取りロール16の配置を入れ替えて、収集体12の送り方向を逆方向にしても同じような効果は得られる。
次に、図2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、帯電用電極3、および送風機7から構成されるナノファイバ生成部の設置される角度が、実施の形態1から変更されている。より具体的には、気流による繊維状物質F1の移送方向が所定角度θだけ斜め上向きに変更されている。
このように、気流による繊維状物質F1の移送方向は、電界による移送方向に対して垂直に交わる方向に限らず、電界による移送方向と斜めに交わる方向に設定してもよい。
次に、図3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3においては、送り出し側電極17は接地されておらず、吸引側電極18と逆極性の電圧が印加されている。より具体的には、送り出し側電極17は、さらに別の高電圧電源4C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4Cの他方の端子は接地されている。
次に、図4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4においては、収集装置10は、送風機7が発生する気流により移送される繊維状物質F1の移送経路の下側に配置されている。これに対応して、送り出し側電極17が上側に配置され、吸引側電極18が下側に配置されている。収集体12は、吸引側電極18の上側で送られるように配設されており、繊維状物質F1は収集体12の上側の面に堆積されて収集される。
次に、図5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、送風機7が発生する気流により移送される繊維状物質F1の運動を案内する筒状の案内体6が、容器2および帯電用電極3と、送り出し側電極17および吸引側電極18との間に配設されている。案内体6は好ましくは絶縁体から構成される。
これにより、帯電用電極3と送り出し側電極17とがショートする危険性が減少し、ショートの火花により原料の溶媒または分散媒が引火して、爆発する危険性を減少させることができる。また、ショートによる電源の損傷を回避することができる。したがって、安全性が向上するとともに、機器の耐久性が向上する。
このように、案内体6を繊維状物質F1に帯電している電荷と同じ極性の電荷に帯電されやすい素材から構成することによって、繊維状物質F1が案内体6の内面に付着するのを防止することができる。これにより、案内体6に付着した繊維状物質F1等を取り除くためのメンテナンスの頻度を小さくすることができ、生産性が向上する。
次に、図6を参照して本発明の実施の形態6を説明する。実施の形態6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6においては、容器2、帯電用電極3および送風機7からなる繊維状物質生成部、並びに送り出し側電極17および吸引側電極18がそれぞれ複数組(図示例では、2組)、収集体12の送りの方向に沿って並ぶようにして、1つの収集装置10に対して設けられている。
ここで、複数の吸引側電極18は、1つの高電圧電源4Bの一方の端子(図示例では負極端子)と接続されている。
なお、図示例においては、吸引側電極18を2つ設けているが、これらを1つの大きな板状の電極から構成することも可能である。
次に、図7を参照して本発明の実施の形態7を説明する。実施の形態7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7においては、容器2、帯電用電極3および送風機7からなる繊維状物質生成部が2つ、対向して設けられている。また、送り出し側電極17および吸引側電極18から構成される電界発生部の上側に、電界による繊維状物質F1の移送を気流により補助する移送補助部が設けられている。それに対応して、収集体12Aを、より通気性の高い素材から構成している。
さらには、収集体12Aの上側には、例えば送風機からなる吸引装置20と、その吸引装置20の吸い込み口に接続された筒状のフード21とからなる移送補助部23が配設されている。
また、収集体12Aは、気体が通過しやすいように、網状の繊維から構成されるのが好ましい。
また、吸引式の移送補助部を設けたことによって、電界による繊維状物質F1の移送力が小さい場合、例えば一対の移送用電極17および18の間の電位差が小さい場合、電極間の距離が大きい場合、および繊維状物質F1からの電荷の消失量が大きい場合にも、繊維状物質F1をより確実に収集体12Aまで移送することができる。これにより、材料ロスの低減を図ることができる。
また、図9に示すように、送風機7が発生する気流により繊維状物質F1を移送する方向は、収集体12Aの送りの方向と平行な方向に限らず、その送りの方向と垂直な方向でもよい。しかしながら、この場合には、繊維状物質F1の集積密度が収集体12の幅方向の左右で等しくなるように、原料Fの放出量や気流の向きを調整する必要がある。
次に、図10を参照して本発明の実施の形態8を説明する。実施の形態8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8においては、容器2Aは、一端が閉塞された概略円筒形状の外形を有する。そして、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24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、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。そして、容器2Aは、回転軸2bが水平方向と平行となるように配設される。
また、フード28内の送風機7の直下流の位置には、環状のヒータ30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、静電延伸現象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。
次に、図11を参照して本発明の実施の形態9を説明する。実施の形態9は、実施の形態8を改変したものであり、以下に、実施の形態8とは異なる部分のみを主に説明する。
実施の形態9においては、容器2Bは、ソロバンの珠のような外形を有する回転容器であり、その最も外径の大きい部分の周壁に複数の孔が設けられている。
さらに、容器2Bには、回転軸を兼ねる原料液供給管33により回転自在に支持されている。
また、容器2Bの周囲には、丸棒の両端を繋いで輪にしたような形状の環状の帯電用電極3Bが配設されている。
液ポンプ42および圧力センサ44が配設されている。圧力センサ44は、原料液配管35における原料ポンプ42の下流側に配設されており、原料ポンプ42の吐出圧力を検出し、その検出結果に応じた信号を出力する。圧力センサ44の出力信号は制御部46に入力される。
以上の構成により、原料液配管35、回転継手34および原料液供給管33を介して、原料Fが、原料液タンク40から容器2Bの内部に所定圧力で供給される。
実施の形態8および9の容器2Aおよび2Bの外径は10mm〜300mmとするのがよい。容器2Aおよび2Bの外径が300mm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の外径が300mmを超えると、容器2Aおよび2Bを安定して回転させるためには容器2Aまたは2B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2Aおよび2B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および2Bの外径は、20〜150mmとするのがより好ましい。
また、容器2Aおよび2B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。
2 容器
3 帯電用電極
4 高電圧電源
6 案内体
7 送風機
12 収集体
17 送り出し側電極
18 吸引側電極
F 原料
F1 繊維状物質
Claims (6)
- 高分子材料を含む液状の原料を空中に放出して、静電延伸現象により繊維状物質を生成し、生成された繊維状物質を収集するナノファイバ製造装置であって、
前記原料を空中に放出するための孔を有するとともに、前記原料が通過する空間を内部に有する原料放出部と、
前記原料放出部と所定距離をおいて対向するように配置され、前記原料放出部に電荷を誘導するための帯電用電極と、
前記生成された繊維状物質を偏向して所定方向に移送するための気流を発生する気流発生手段と、
前記生成された繊維状物質を表面に堆積させて収集する収集体と、
一定の距離をおいて対向配置される一対の移送用電極を含み、前記気流により移送される繊維状物質をさらに偏向して前記収集体まで移送するための電界を発生する電界発生手段と、
前記原料放出部と前記帯電用電極との間に所定の電位差を発生させる電位差発生手段とを備え、
前記原料放出部から放出された原料の運動の向きが気流により偏向され、さらに一定の距離をおいて対向配置された前記複数の移送用電極の間の電界により、前記生成された繊維状物質の運動の向きが偏向されることにより、均一な電気力線を有する電界により繊維状物質を移送して、収集体の上に堆積させて収集することを特徴とするナノファイバ製造装置。 - 前記収集体が長尺帯状であり、
前記収集体を長手方向に送る送り機構を備え、
前記送り機構が、前記収集体を巻き出す巻き出し装置、並びに前記繊維状物質が表面に堆積された収集体を巻き取る巻き取り装置を含む請求項1記載のナノファイバ製造装置。 - 前記気流により移送される繊維状物質の運動を前記対向配置される一対の移送用電極間まで案内する筒状の案内体を備える請求項1または2記載のナノファイバ製造装置。
- 前記原料放出部、前記帯電用電極および前記気流発生手段から構成される繊維状物質生成手段を複数組備え、それらの繊維状物質生成手段により生成される前記繊維状物質を一対の前記移送用電極の間の空間に前記気流により移送する請求項1〜3のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。
- 前記原料放出部が、前記孔を周壁に有する、所定の軸を中心として回転される、回転容器から構成されており、
前記帯電用電極が、前記回転容器の周囲に配設される環状の電極である請求項1〜4のいずれかに記載のナノファイバ製造装置。 - 高分子材料を含む液状の原料から静電延伸現象により繊維状物質を生成するナノファイバ製造方法であって、
前記原料を原料放出部から空中に放出する工程a、
前記原料放出部と、それと所定の距離をおいて対向配置された帯電用電極との間に所定の電位差を生じさせて、前記空中に放出される原料を帯電させる工程b、
前記空中に放出された原料を気流により偏向して、前記生成された繊維状物質を所定方向に移送する工程c、
前記生成された繊維状物質を収集体の表面に堆積させて収集する工程d、並びに
前記気流により移送される繊維状物質を、さらに一定の距離をおいて対向配置された複数の移送用電極の間に発生される電界により前記収集体まで移送する工程eを含み、
前記放出された原料の運動の向きが気流により偏向され、さらに前記複数の移送用電極の間の電界により、前記生成された繊維状物質の運動の向きが偏向されることにより、均一な電気力線を有する電界により繊維状物質を移送して、収集体の上に堆積させて収集することを特徴とするナノファイバ製造方法。
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