JP5285667B2

JP5285667B2 - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法

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Publication number: JP5285667B2
Application number: JP2010176411A
Authority: JP
Inventors: 和宜石川; 裕之辻; 崇裕黒川; 寛人住田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-08-05
Also published as: JP2012036522A

Description

本願発明は、静電延伸現象によりサブミクロンオーダーやナノオーダーの細さである繊維（ナノファイバ）を製造するナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法に関する。

樹脂などから成り、サブミクロンスケールやナノスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質を製造する方法として、静電延伸現象（エレクトロスピニング）を用いた方法が知られている。

この静電延伸現象とは、溶媒中に樹脂などの溶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（噴射）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気的に延伸させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的に静電延伸現象を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され空間中に流出された原料液は、空間を飛行中に徐々に溶媒が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、原料液に付与された電荷は、原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液は、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で原料液が爆発的に線状に延伸される現象が生じる。これが静電延伸現象である。この静電延伸現象が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンオーダーからナノオーダーの樹脂から成るナノファイバが製造される。

以上のような静電延伸現象を用いてナノファイバを製造する場合、蒸発した溶媒の濃度が問題となる。つまり、原料液が飛翔する空間中の溶媒の濃度が高ければ原料液から溶媒が蒸発し難くなり、製造されるナノファイバの品質に影響が出ることとなる。

そこで例えば特許文献１に記載の装置は、ナノファイバを堆積させて収集する被堆積部材を備えており、当該被堆積部材のナノファイバが堆積しない側である裏側から気体を吸引することにより、ナノファイバを被堆積部材に誘引するとともに、蒸発した溶媒を吸引排気する装置である。

特開２００８−２２３１７９号公報

ところが、特許文献１の装置では、ナノファイバが堆積する被堆積部材の裏側から気体を吸引するため、原料液が飛翔する空間にある溶媒蒸気を効率的に吸引することは困難である。

また、広範囲に広がる溶媒蒸気を吸引しようとすると、強く空気を吸引する必要が生じるが、この場合、気体流が渦巻くなどの乱流が発生し、ナノファイバの製造に悪影響をおよぼし、製造されるナノファイバの品質が低下する恐れがある。

本願発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、溶媒蒸気を原料液の飛翔経路上から効率よく排出すると共に、製造されるナノファイバの品質を高い状態で維持しうるナノファイバ製造装置、および、ナノファイバ製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に一方向に流出させる複数の流出孔を有し、前記流出孔の開口部が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列される流出体と、前記流出体から流出する原料液を帯電させる帯電手段と、前記流出体から原料液が流出する方向である流出方向と同じ方向で原料液に沿って流れ、かつ、前記配列範囲の長手方向全体に略均一に広がる幕状の気体流を発生させる送風手段とを備えることを特徴とする。

これによれば、配列範囲の長手方向に広がって一方向に流れる原料液の流れに沿って幕状の気体流を略均一に流すため、空間中を飛翔する原料液やナノファイバに影響をおよぼすことなく、原料液やナノファイバが飛翔する飛翔空間から溶媒蒸気を排出することが可能となる。

さらに、前記送風手段が発生させた幕状の気体流を前記配列範囲の長手方向全体に渡って略均一に吸気する吸気手段を備えてもよい。

これによれば、略均一な幕状の気体流を略均一に吸気するため原料液やナノファイバが飛翔する空間に乱流が発生することを可及的に抑制できる。従って、製造されるナノファイバの品質を高い状態で維持しつつ溶媒蒸気を効率的に飛翔空間から排出することが可能となる。

さらに、前記配列範囲の長手方向全体に広がり、空間中で製造されたナノファイバを堆積状態で収集する被堆積部材と、前記流出体と前記被堆積部材とを前記長手方向と交差する方向に相対的に移送する移送手段とを備えてもよい。

これによれば、配列範囲の長手方向全体を幅とするナノファイバからなる不織布を製造することが可能となる。しかも、溶媒蒸気が略均一な幕状の気体流により排出されるため、高品質でムラのないナノファイバによって形成される不織布を製造することが可能となる。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造方法は、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、複数の流出孔の開口部が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列される流出体から原料液を空間中に一方向に流出させる流出工程と、前記流出体から流出する原料液を帯電手段により帯電させる帯電工程と、前記流出体から原料液が流出する方向である流出方向と同じ方向で原料液に沿って流れ、かつ、前記配列範囲の長手方向全体に略均一に広がる幕状の気体流を送風手段により発生させる送風工程とを含むことを特徴とする。

本願発明によれば、製造されるナノファイバの品質の向上を図ることが可能となる。

図１は、ナノファイバ製造装置を示す斜視図である。図２は、流出体を切り欠いて示す斜視図である。図３は、流出体から原料液が流出している状態を流出体の先端部側から示す斜視図である。図４は、ナノファイバ製造装置を気体流と共にＹ軸方向から示す側面図である。図５は、送風手段の別例を示す斜示図である。図６は、送風手段の別例を示す斜示図である。図７は、送風手段の別例を示す斜示図である。図８は、送風手段の別例を示す斜示図である。図９は、送風手段の別例を示す斜示図である。図１０は、送風手段の別例を示す斜示図である。図１１は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１２は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１３は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１４は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１５は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１６は、吸気手段の別例を示す斜示図である。図１７は、ナノファイバ製造装置の別例を気体流と共にＹ軸方向から示す側面図である。図１８は、ナノファイバ製造装置を気体流と共にＹ軸方向から示す側面図である。図１９は、ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を示す斜示図である。

次に、本願発明に係るナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、ナノファイバ製造装置を示す斜視図である。
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液３００を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバ３０１を製造する装置であって、流出体１０１と、帯電手段１０２と、送風手段１０３とを備えている。さらに、ナノファイバ製造装置１００は、吸気手段１０４と、収集手段１０５と、供給手段１０６とを備えている。

図２は、流出体を切り欠いて示す斜視図である。
流出体１０１は、原料液３００を空間中に一方向に流出させる複数の流出孔１１８を備え、流出孔１１８の先端に存在する開口部１１９が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列される部材であり、原料液３００の圧力（重力も含む場合がある）により原料液３００を空間中に流出させるものである。

ここで、「配列範囲」の語は、前述した通り、流出孔１１８の先端にある開口部１１９が配置され得る帯状の仮想的な２次元範囲の意味であり、本願明細書、および、特許請求の範囲全体において同様の意味で使用している。例えば図２において、配列範囲は、先端部１１６（後述）に該当する範囲となる。上記のように、配列範囲は、帯状の仮想的な２次元範囲であるが、図２のように、物理的な形状から示される領域（先端部１１６）と一致する場合がある。しかし、本願発明において、仮想的な配列範囲と物理的な領域とが一致する必要は無い。

また、流出体１０１は、流出する原料液３００に電荷を供給する電極としても機能しており、原料液３００と接触する部分の少なくとも一部は導電性を備えた部材で形成される。本実施の形態の場合、流出体１０１全体が金属で形成されており、さらに、先端部１１６と、側面部１１７と、貯留槽１１３とを備えている。

流出孔１１８は、原料液３００を一方向（図１において、Ｚ軸方向下向き）に向かって空間中に流出させる孔であり、流出体１０１の一部を占める領域である細い帯状の配列範囲内に複数個設けられている。本実施の形態の場合、流出孔１１８は、相互に平行となるようにＹ軸方向に一直線上に並べて配置されており、流出孔１１８の先端にある開口部１１９は、所定の間隔で一列に並んで配置されている。

流出孔１１８の孔長や孔径は、特に限定されるものではなく、原料液３００の粘度などにより適した形状を選定すれば良い。具体的には、孔長は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。孔径は、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。また、流出孔１１８の形状は、円筒形状に限定されるわけではなく、任意の形状を選定しうる。特に開口部１１９の形状は、円形に限定されるわけではなく、三角形や四角形などの多角形、星形など内側に突出する部分のある形状などでもかまわない。

また、開口部１１９が並べられる間隔は、全てを等間隔としてもよく、また、流出体１０１の端部における開口部１１９の間隔は、流出体１０１の中央部における開口部１１９の間隔よりも広く、または、狭くするなど任意に定めることができる。現在得られている知見において、開口部１１９の孔径が０．３ｍｍの場合、開口部１１９のピッチは、２．５ｍｍ以上が好ましい。２．５ｍｍ未満の場合、隣接して流出する原料液が合体する可能性が高まるからである。なお、これら孔径やピッチなどは、原料液３００の粘度など他の条件により変化することが考えられる。

また、開口部１１９は、同一直線上に配置されるばかりでなく、細い帯状の配列範囲内であればどのように配置されも良い。例えば開口部１１９は、ジグザグに配置されてもよく、サインカーブなどの波を描くように配置されてもよい。

先端部１１６は、流出孔１１８の開口部１１９が配置される流出体１０１の部分であり、所定の間隔で配置される開口部１１９の間を滑らかな面で接続する部分である。本実施の形態の場合、先端部１１６は、細長い矩形の平面を表面に備え、その幅は、対応する開口部１１９の径よりも広くなるように設定されている。

なお、先端部１１６の形状が、図２のような帯状でない場合、例えば、先端部１１６の形状が、曲面形状の場合や、切り立った形状であっても、また、針状のノズルが並んだような先端部１１６が無い場合であっても、「配列範囲」は、開口部１１９が配列されうる帯状領域として仮想的に設定できるものであることは変わりない。

図３は、流出体から原料液が流出している状態を流出体の先端部側から示す斜視図である。

同図に示すように、開口部１１９の周囲の全てにわたって表面が滑らかな面（本実施の形態の場合、平面）の先端部１１６が存在することにより、開口部１１９の周りに液溜まり３０３（いわゆるテーラーコーン）が発生する。この液溜まり３０３は、原料液３００の粘性により発生すると考えられ、開口部１１９よりも大きな円形の底面を備える円錐形状となっている。液溜まり３０３は、開口部１１９を覆うように流出体１０１の先端部１１６に付着する。そして、円錐状の液溜まり３０３から原料液３００が空間中に細く流出するものとなっている。これにより開口部１１９が空気と直接接触しないので、開口部１１９から発生するイオン風を抑制することが可能となる。

以上のように、先端部１１６は、複数存在する開口部１１９の間を滑らかな面でつなげているため、複数のノズルを並べたときに発生する電界干渉を抑制することが可能となる。また、開口部１１９と開口部１１９との間の領域で発生するイオン風を抑制することができる。従って、開口部１１９の間隔を狭めた状態で配置しても、良好にナノファイバ３０１を製造することができるため、単位時間、単位面積あたりのナノファイバ３０１の生産量を向上させることが可能となる。

また、先端部１１６により液溜まり３０３を良好な状態で保持することが可能であるため、イオン風の発生を抑制し、ナノファイバ３０１の品質向上や生産効率の向上が図れると考えられる。

側面部１１７は、図２に示すように、流出孔１１８を挟むように配置される二つの面であり、先端部１１６から延設され、起立状態で配置される流出体１０１の部分である。また、側面部１１７は、配列範囲の長手方向（Ｙ軸方向）に延びた状態で設けられており、全ての流出孔１１８を二つの側面部１１７で挟むように設けられている。また、側面部１１７は、図２に示すように、先端部１１６から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置されている。

流出体１０１は、上記側面部１１７を備えることで、イオン風の発生を抑制し、また、イオン風が発生したとしても、空間中に流出する原料液３００と交差しない方向にイオン風を飛ばせることができるため、イオン風が影響を及ぼすことなく安定した状態でナノファイバ３０１を製造することが可能となる。

また、側面部１１７は先端部１１６に向かって徐々に細くなるように配置されているため、先端部１１６に電荷が集中させやすく、原料液３００に効率的に電荷を供給することができる。

さらに、開口部１１９の周囲の空間を広く開放することができるため、側面部１１７の側方に送風手段１０３によって発生する気体流によって効率よく溶媒蒸気を排出できると考えられる。

貯留槽１１３は、図２に示すように、流出体１０１の内部に形成され、供給手段１０６（図１参照）から供給される原料液３００を貯留するタンクである。また、貯留槽１１３は、複数の流出孔１１８に接続され、流出孔１１８に同時に原料液３００を供給するものとなっている。本実施の形態の場合、貯留槽１１３は、流出体１０１に一つ設けられており、流出体１０１の一端部から他端部にわたって広く設けられ、全ての流出孔１１８と接続されている。

以上のように貯留槽１１３は、原料液３００を流出孔１１８の近傍で一時的に貯留し、複数の流出孔１１８に均等な圧力で原料液３００を供給する機能を備えており、これにより、各流出孔１１８から均等な状態で原料液３００を流出させることが可能となる。従って、製造されるナノファイバ３０１の品質の空間的なムラを抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態では、流出体１０１は、細く長い先端部１１６を備え、かつ、先端部から徐々に広がるように配置される側面部１１７を備えるものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものでは無い。例えば、流出孔１１８の開口部１１９が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列されるものであれば、円形のパイプの周壁に流出孔１１８を設けたものや、矩形で箱形の流出体１０１の底面に行列状に流出孔１１８を並べるもの、一つの流出孔１１８が軸方向に沿って設けられる針状のノズルを複数個並べるものなどを他の形態として例示できる。

供給手段１０６は、図１に示すように、流出体１０１に原料液３００を供給する装置であり、原料液３００を大量に貯留するタンクと、当該タンクから原料液３００を圧送するポンプと、圧送される原料液３００を案内するパイプを備えている。

帯電手段１０２は、流出体１０１から流出する原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、帯電手段１０２は、帯電電極１２１と、帯電電源１２２とを備えている。また、流出体１０１も帯電手段１０２を構成する要素として機能している。

帯電電極１２１は、流出体１０１と所定の間隔を隔てて配置され、自身が流出体１０１に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、流出体１０１に電荷を誘導するための導電性を備える部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、ナノファイバ３０１を収集手段１０５に誘引する誘引手段１０７としても機能している。帯電電極１２１は、流出体１０１の先端部１１６と対向する位置に配置されており、帯電電源１２２を介して接地されている。一方、流出体１０１は、接地されている。従って、帯電電極１２１に正の電圧が印加されると流出体１０１には負の電荷が誘導され、原料液３００は負に帯電する。一方、帯電電極１２１に負の電圧が印加されると流出体１０１には正の電荷が誘導され、原料液３００は正に帯電する。

帯電電源１２２は、流出体１０１と帯電電極１２１との間に高電圧を印加して原料液３００を所望の電荷密度に帯電させることのできる電源である。帯電電源１２２は、一般には、直流電源が好ましいが交流電源の採用を妨げるものでは無い。

なお、流出体１０１に帯電電源１２２を接続して流出体１０１を帯電電極１２１に対し高い電圧もしくは低い電圧としてもかまわない。また、帯電電極１２１と流出体１０１とのいずれも接地しないような接続状態とし、帯電電源１２２の両極をそれぞれ帯電電極１２１と流出体１０１に接続してもかまわない。

収集手段１０５は、静電延伸現象により製造されるナノファイバ３０１を収集する装置である。収集手段１０５は、被堆積部材１５１と、被堆積部材１５１を移送することのできる移送手段１５２とを備えている。

被堆積部材１５１は、配列範囲の長手方向全体に広がり、空間中で製造されたナノファイバ３０１を堆積状態で収集する部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１５１は、配列範囲の長手方向を幅とする薄い帯状の長尺の部材でありロール１５３に巻き付けられた状態で供給されている。また、被堆積部材１５１は、表面に堆積したナノファイバ３０１と分離が容易なように、表面処理が施されている。

移送手段１５２は、流出体１０１と被堆積部材１５１とを配列範囲の長手方向（Ｙ軸方向）と交差する方向（Ｘ軸方向）に相対的に移送する装置である。本実施の形態の場合、流出体１０１は固定されており、被堆積部材１５１のみを流出体１０１に対して移送するものとなっている。移送手段１５２は、長尺の被堆積部材１５１を巻き取りながらロール１５３から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に被堆積部材１５１を移送して巻き取るものとなっている。

なお、移送手段１５２は、被堆積部材１５１を移動させるばかりではなく、流出体１０１を収集手段１０５に対して移動させるものでもかまわない。また、移送手段１５２は、被堆積部材１５１を一定方向に移送し、流出体１０１を被堆積部材１５１の移送方向と交差する方向に往復動させるもの等でもよい。また、開口部１１９の並び方向と直交する方向に収集手段１０５を移動させているが、それに限定するものではなく、開口部１１９の並び方向に被堆積部材１５１を移動させ、流出体１０１を開口部１１９の並び方向と直交する方向に往復動させるものであってもかまわない。

送風手段１０３は、流出体１０１から原料液３００が流出する方向である流出方向（Ｚ軸方向）と同じ方向で原料液３００に沿って流れ、かつ、流出孔１１８の配列範囲の長手方向（Ｙ軸方向）全体に略均一に広がる幕状の気体流を発生させる装置である。

ここで、本願明細書、および、特許請求の範囲に記載する「略均一」の語は、完全な均一も含む意味で使用している。また、「略」の語は、本願発明を逸脱しない程度の誤差（公差）や広がりを含む意味で使用している。

本実施の形態の場合、送風手段１０３は、いわゆるエアーカーテンを発生させる装置であり、Ｙ軸方向に延びる長尺のシロッコファンをモータにより回転させて発生させた気体流をＹ軸方向に延びるスリット状の送風口１３１から吐出することにより幕状の気体流をＺ軸方向の下向きに発生させるものである。

これによれば、原料液３００の流れに沿って原料液３００の近傍に強制的に気体流を略均一に流すことができ、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔に悪影響をおよぼすことなく飛翔空間から溶媒蒸気を効果的に排出することが可能となる。

また、送風手段１０３の送風口１３１は、流出方向において流出孔の開口部１１９よりも上流側にある。これにより、流出体１０１から原料液３００が流出した直後の溶媒蒸気も含めて排出することができるため好ましい。

原料液３００の流出方向に沿って流れる気体流は、流出体１０１の先端部１１６に垂下状に出現する原料液３００の液溜まり３０３（テーラーコーン）にあまり影響を与えることなく液溜まり３０３近傍の溶媒蒸気を排出するため、製造されるナノファイバ３０１の品質を高い状態で維持させることが可能となる。

なお、送風手段１０３は、シロッコファンを備えるものに限定される訳ではない。例えば図５に示すように、複数の軸流ファンを配列範囲の長手方向（Ｙ軸方向）に並べたものでもかまわない。この場合、送風手段１０３は、前記軸流ファンを駆動する駆動手段を備えており、前記軸流ファンと前記駆動手段との組み合わせによる送風能力を前記駆動手段を調整することにより制御することで、長手方向に略均一な気体流を創出するものでもよい。

また、図６に示すように、コンプレッサなどにより昇圧された空気Ｂを送風口１３１の近傍に備えられたバッファ１３２に一旦蓄えたうえで、送風口１３１から幕状の気体流Ａを吐出するものでもかまわない。また、送風口１３１の形状も単なるスリット状ばかりでなく、気体流の発生源の種類や配置によって形状を変えてもかまわない。例えば、図７に示すように、気体流の発生源１３３が送風口１３１の中央部の近傍に配置されている場合において、送風口１３１として独立に開口する孔を並べて設け、中央部に配置される孔の開口面積よりも端部に配置される孔の開口面積が大きいものとしても良い。また、図８に示すように、スリット状の送風口１３１の幅を中央部より端部を長くして、開口面積が中央部と端部とで異なるものとしてもよい。

逆に、図９に示すように、気体流の発生源１３３が送風口１３１の両端部の近傍に接続されている場合において、送風口１３１として独立に開口する孔を並べて設け、中央部に配置される孔の開口面積よりも端部に配置される孔の開口面積が小さいものとしても良い。また、図１０に示すように、スリット状の送風口１３１の幅を中央部より端部を短くして、開口面積が中央部と端部とで異なるものとしてもよい。

以上の様に、気体流の発生源１３３からの距離が小さい気体流の圧力が高い部分では送風口１３１の開口面積を小さくし、気体流の発生源１３３からの距離が長くなることによる気体流の圧力の低下に伴って徐々に開口面積を大きくすることで、略均一な気体流を吐出することが可能となる。

吸気手段１０４は、送風手段１０３が発生させた幕状の気体流を流出孔１１８の配列範囲の長手方向全体に渡って略均一に吸気する装置である。

図４は、ナノファイバ製造装置を気体流と共にＹ軸方向から示す側面図である。
同図に示すように、吸気手段１０４は、送風手段１０３がＹ軸方向全体に広がってＺ軸方向の下向きに幕状に発生させた気体流ＡをＹ軸方向に広がった状態で略均一に吸気する。本実施の形態の場合、吸気手段１０４は、空間中を飛翔する原料液３００やナノファイバ３０１に対し、送風手段１０３の送風口１３１と反対側に配置されている。吸気手段１０４は、Ｙ軸方向に延びる長尺のシロッコファンをモータにより回転（送風手段１０３とは逆向き）させてＹ軸方向に延びるスリット状の吸気口１４１から気体流Ａを吸気するものである。

以上の様に、略均一な幕状の気体流Ａを吸気手段１０４が配列範囲の長手方向に略均一に吸気するため、原料液３００やナノファイバ３０１が飛翔する空間に乱流が発生することを可及的に抑制できる。従って、製造されるナノファイバ３０１の品質を高い状態で維持しつつ溶媒蒸気を効率的に飛翔空間から排出することが可能となる。

また、本実施の形態の場合、吸気手段１０４によって、気体流Ａの方向を変更し原料液３００やナノファイバ３０１と交差させることにより、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を曲げて長くしている。従って、溶媒の蒸発時間を稼ぐことができ、品質の高いナノファイバを製造することが可能となる。

また、流出体１０１と被堆積部材１５１との中間位置よりも被堆積部材１５１側、つまり、液溜まり３０３から遠い位置で気体流Ａと原料液３００やナノファイバ３０１とを交差させているため、液溜まり３０３に影響をおよぼすことなく、飛翔経路を変更するため、ナノファイバ３０１の品質を高い状態で維持することが可能となる。

なお、吸気手段１０４は、シロッコファンを備えるものに限定される訳ではない。例えば図１１に示すように、複数の軸流ファンを配列範囲の長手方向（Ｙ軸方向）に並べたものでもかまわない。この場合、吸気手段１０４は、前記軸流ファンを駆動する駆動手段を備えており、前記軸流ファンと前記駆動手段との組み合わせによる吸気能力を前記駆動手段を調整することにより制御することで、長手方向に略均一に気体流Ａを吸気してもかまわない。

また、図１２に示すように、真空排気などができる吸気源１４３により大気圧よりも低圧にすることができる真空槽１４２を備えて、吸気口１４１から幕状の気体流Ａを吸気するものでもかまわない。また、吸気口１４１の形状も単なるスリット状ばかりでなく、吸気源１４３の種類や配置によって形状を変えてもかまわない。例えば、図１３に示すように、気体流の吸気源１４３が吸気口１４１の中央部の近傍に配置されている場合において、吸気口１４１として独立に開口する孔を並べて設け、中央部に配置される孔の開口面積よりも端部に配置される孔の開口面積が大きいものとしても良い。また、図１４に示すように、スリット状の吸気口１４１の幅を中央部より端部を長くして、開口面積が中央部と端部とで異なるものとしてもよい。

逆に、図１５に示すように、気体流の吸気源１４３が吸気口１４１の両端部の近傍に接続されている場合において、吸気口１４１として独立に開口する孔を並べて設け、中央部に配置される孔の開口面積よりも端部に配置される孔の開口面積が小さいものとしても良い。また、図１６に示すように、スリット状の吸気口１４１の幅を中央部より端部を短くして、開口面積が中央部と端部とで異なるものとしてもよい。

以上の様に、吸気源１４３からの距離が小さい圧力が低い部分では吸気口１４１の開口面積を小さくし、吸気源１４３からの距離が長くなることによる圧力の上昇に伴って徐々に開口面積を大きくすることで、略均一に気体流を吸気することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、特許請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

例えば、図１において、吸気手段１０４がなくても構わない。また、図１７に示すように、送風手段１０３の送風口１３１を流出孔１１８の間に配置し、吸気手段１０４を複数備えて幕状の気体流Ａを二方向から吸引してもかまわない。なお、同図は、流出孔１１８を備える流出体１０１を複数備え、送風口１３１は、流出体１０１の間に配置されている。また、吸気手段１０４を備えず、単に、被堆積部材１５１の方向に気体流を発生させるだけでも良い。また、上記流出体１０１の説明においても記載したとおり、同図において流出体１０１のいずれか一方、または、両方を針状のノズルを並べた流出体１０１に置き換えたナノファイバ製造装置１００も本願発明に含まれる。

これによれば、狭い空間に流出孔１１８を多数備えた場合でも、流出孔１１８の間を流れる気体流Ａによって、効率的に溶媒蒸気を排出することが可能となる。従って、品質の高いナノファイバ３０１を生産効率の高い状態で生産することが可能となる。

また、図１８に示すように、流出体１０１の両脇に複数の送風手段１０３を配置し、複数の幕状の気体流Ａで飛翔する原料液３００やナノファイバ３０１を挟んでもかまわない。また、複数の気体流Ａを複数の吸気手段１０４で吸気してもかまわない。さらに、気体流Ａは、被堆積部材１５１や堆積したナノファイバ３０１を貫通した状態で吸気されてもかまわない。

また、図１９に示すように、吸気手段１０４が吸気した気体流Ａを送風手段１０３に案内する案内手段１４５を備えてもかまわない。同図に示される案内手段１４５は、吸気手段１０４の排気口と送風手段１０３の吸入口とをつなげるダクトである。このように、気体流Ａを案内手段１４５を用いて循環させることで、送風手段１０３のモータなどに係る負荷を軽減することが可能となる。さらに、吸気手段１０４は、モータやファンを備えることなく、単に吸気口１４１のみを備え、送風手段１０３の吸気力を用いて原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路と交差した気体流Ａを吸気するものでもかまわない。

次に、上記構成のナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバ３０１の製造方法を説明する。

ここで、ナノファイバを構成する樹脂であって、原料液に溶解、または、分散する溶質としては、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かまわない。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かまわない。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、原料液に無機質固体材料を添加してもよい。当該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、硫化物等を挙げることができるが、製造されるナノファイバの耐熱性、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、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かまわない。なお、上記は例示であり、本願発明の原料液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。

原料液における溶媒と溶質との混合比率は、選定される溶媒の種類と溶質の種類とにより異なるが、溶媒量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。好適には溶質が５〜３０重量％となる。

まず、供給手段１０６により流出体１０１に原料液３００を供給する（供給工程）。以上により、流出体１０１の貯留槽１１３に原料液３００が満たされる。

次に、帯電電源１２２により帯電電極１２１を正または負の高電圧とする。帯電電極１２１と対向する流出体１０１の先端部１１６に電荷が集中し、当該電荷が流出孔１１８を通過して空間中に流出する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と供給工程とは同時期に実施することにより、流出体１０１の開口部１１９から帯電した原料液３００が流出する（流出工程）。

また、送風手段１０３により、原料液３００の流れに沿った気体流Ａを送風口１３１から吐出する（送風工程）。

ここで、開口部１１９から流出する原料液３００は、開口部１１９を覆い先端部１１６から垂れ下がる液溜まり３０３を形成する。この液溜まり３０３は、複数ある開口部１１９毎に形成され、その先端から原料液３００が糸状に垂れ下がる（図３参照）。このように液溜まり３０３が形成されることで、イオン風の発生を抑制し、製造されるナノファイバ３０１の品質を高めることが可能となる。

また、気体流Ａは、液溜まり３０３に大きな影響を与えることなく、液溜まり３０３近傍も含めて溶媒蒸気を押し出す。

次にある程度空間中を飛行した原料液３００に静電延伸現象が作用することによりナノファイバ３０１が製造される（ナノファイバ製造工程）。ここで、原料液３００は、イオン風に影響されることなく強い帯電状態（高い電荷密度）で流出し、また、各開口部１１９から飛行する原料液３００がまとまることなく細い状態で流出する。これにより、原料液３００のほとんどがナノファイバ３０１に変化していく。また、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ３０１が大量に製造される。さらに、気体流Ａは、溶媒蒸気を飛翔経路から排出しつつ、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔経路を押し曲げるため、飛翔経路が長くなり、より溶媒の蒸発を促して静電延伸現象を促す。

この状態において、被堆積部材１５１の背方に配置される帯電電極１２１と流出体１０１との間に発生する電界により、ナノファイバ３０１が被堆積部材１５１に誘引される（誘引工程）。

一方、吸気手段１０４により、気体流Ａは幕状態を維持したままＹ軸方向全体にわたって略均一に吸気される（吸気行程）。

次に、被堆積部材１５１にナノファイバ３０１が堆積して収集される（収集工程）。被堆積部材１５１は、移送手段１５２によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。

以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、以上のナノファイバ製造方法を実施することによって、原料液３００やナノファイバ３０１の飛翔が気体流Ａによって乱されることなく、溶媒蒸気が効率よく排出され、高い生産効率を維持しつつ、品質の高いナノファイバ３０１を製造することが可能となる。

本願発明は、ナノファイバの製造やナノファイバを用いた紡糸、不織布の製造に利用可能である。

１００ナノファイバ製造装置
１０１流出体
１０２帯電手段
１０３送風手段
１０４吸気手段
１０５収集手段
１０６供給手段
１０７誘引手段
１１３貯留槽
１１６先端部
１１７側面部
１１８流出孔
１１９開口部
１２１帯電電極
１２２帯電電源
１３１送風口
１３２バッファ
１３３発生源
１４１吸気口
１４２真空槽
１４３吸気源
１４５案内手段
１５１被堆積部材
１５２移送手段
１５３ロール
３００原料液
３０１ナノファイバ

Claims

原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
原料液を空間中に一方向に流出させる複数の流出孔を有し、前記流出孔の開口部が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列される流出体と、
前記流出体から流出する原料液を帯電させる帯電手段と、
前記流出体から原料液が流出する方向である流出方向と同じ方向で原料液に沿って流れ、かつ、前記配列範囲の長手方向全体に略均一に広がる幕状の気体流を発生させる送風手段と
を備えるナノファイバ製造装置。
さらに、
前記送風手段が発生させた幕状の気体流を前記配列範囲の長手方向全体に渡って略均一に吸気する吸気手段を備える
請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
前記吸気手段は、前記配列範囲の長手方向全体に広がって配置される吸気口を備え、
吸気のための圧力が低い部分の前記吸気口の開口面積は、前記圧力が比較的高い部分の開口面積よりも小さい
請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
前記送風手段は、前記配列範囲の長手方向全体に広がって配置される送風口を備え、
気体流の圧力が高い部分の前記送風口の開口面積は、前記圧力が比較的低い部分の開口面積よりも小さい
請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
さらに、
前記吸気手段が吸気した気体を前記送風手段に案内する案内手段を備える
請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
さらに、
前記配列範囲の長手方向全体に広がり、空間中で製造されたナノファイバを堆積状態で収集する被堆積部材と、
前記流出体と前記被堆積部材とを前記長手方向と交差する方向に相対的に移送する移送手段と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、
複数の流出孔の開口部が細長い帯状の仮想的な二次元範囲である配列範囲内に配列される流出体から原料液を空間中に一方向に流出させる流出工程と、
前記流出体から流出する原料液を帯電手段により帯電させる帯電工程と、
前記流出体から原料液が流出する方向である流出方向と同じ方向で原料液に沿って流れ、かつ、前記配列範囲の長手方向全体に略均一に広がる幕状の気体流を送風手段により発生させる送風工程と
を含むナノファイバ製造方法。