JP5323101B2 - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、ナノファイバの製造装置、ナノファイバの製造方法に関し、特に、装置の耐久性を向上させ、ナノファイバの生産効率を向上させることのできるナノファイバ製造装置、ナノファイバの製造方法に関する。

高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（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とは、溶剤中に高分子物質など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（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させる方法である。そして、空間を飛行中の原料液が電気的に延伸することにより、ナノファイバが製造される。

より具体的にエレクトロスピニング法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剤が蒸発していく。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、溶剤は、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高分子溶液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の高分子から成るナノファイバが製造される。

以上のようなエレクトロスピニング法を採用する場合、原料液を空間中に多量に流出させることで、ナノファイバの収量を向上させることができる。しかし、特許文献１に記載の装置のように多数のノズルを並べるなどした場合、高電圧が印加されるノズルの電位が安定せず、空間中に流出した原料液の一部のみからしかナノファイバが製造されないなどの問題が有る。そこで、本願発明者らは原料液を流出させるための円筒容器状の流出体を回転させ、前記流出体の周方向に設けられた孔から遠心力で原料液を流出させることで、原料液の大量流出を実現させた。そして、大量流出した原料液の多くに静電延伸現象が発生し、ナノファイバが製造されることを実験などにより確認している。そして、遠心力で空間中に流出する原料液を帯電させるには、回転する流出体を介して電荷を原料液に供給する必要があるため、本願発明者らは、モータに備えられるようなブラシを流出体に接触させる構造を採用して、原料液に電荷を供給している。

特開２００２−２０１５５９号公報

ところが、本願発明者が鋭意実験を重ねたところ、ブラシと流出体との摩擦部分が磨耗することにより、流出体が回転状態における導電性が悪化し、製造されるナノファイバの品質が磨耗の進行に比例して悪化することを見いだした。磨耗を低減するために、耐久性の高いブラシなどを採用することが考えられるが、材料自体の価格や採用しなければならない複雑な構造により装置コストが向上する問題もある。また、いずれの場合においても、ブラシや流出体の交換は回避できず、装置のランニングコストも上昇する。さらに、磨耗部分において粉塵が発生し、製造されるナノファイバに悪影響を及ぼしかねないことも見いだすに至った。

そこで、さらに本願発明者は、研究と実験を重ね、摩擦が生じることなく流出体に電荷を供給することのできる構造と方法とを見いだすに至り、本願発明を完成させるに至った。すなわち、本願発明は、回転する流出体に電荷を供給する部分において磨耗が発生することのないナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法の提供を目的としている。

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、原料液を空間中で延伸させ、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、原料液を遠心力により空間中に流出させる流出体と、前記流出体を回転させる駆動源と、前記流出体に対し所定距離離れて配置され、前記流出体を介して原料液に電荷を供給する供給電極と、前記流出体に対し所定距離離れて配置され、前記流出体とは逆極性の電位が印加される帯電電極と、前記供給電極と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備えることを特徴としている。

これにより、流出体と供給電極とは接触することなく所定の距離離れて配置されているため、電荷を供給する部分において、摩擦が発生することがない。

なお、所定距離離れた供給部から流出体に電荷が供給される理由は完全には明かではないが、次のようにして電荷が流出体に供給されると考える。すなわち、供給電極と帯電電極との間に電圧が印加されると、流出体の中で電荷（電子）が偏在する。供給電極の近傍の流出体の部分には、供給電極と逆極性の電荷が集中する。高電圧が印加される供給電極からはイオン風が発生する。供給電極と逆極性の流出体の部分はイオン風を引き寄せてイオン風から電荷を奪う。奪った電荷は帯電電極と逆極性であるから帯電電極側に引き寄せられる。引き寄せられた電荷は原料液に付与され、原料液とともに空間中に流出する。従って、流出体は当該電荷が欠乏することになり、供給電極から発生するイオン風から当該電荷をさらに奪う。

以上が繰り返されることにより、流出体には常に電荷が供給されると考える。つまり、所定距離隔てられた供給電極と流出体の間であって、接触状態で無くとも空気中に発生するイオン風が媒介となって電荷を供給し続けることができると考える。

前記供給電極は、前記流出体に向かって先が尖る尖端部を備えることが好ましい。

これによれば、尖端部分からイオン風が多量に発生し、効率よく電荷を供給することができると考える。

前記尖端部は、流出体の方向に向かって伸び、針状または糸状の複数本の棒体で構成されることが好ましい。

これによれば、針状体のそれぞれの尖端からイオン風が発生するため、より効率的に電荷を供給することができると考える。

また、前記流出体は、前記供給電極に対向する部分に放射方向に突出し先端が尖った受給部を備えてもよい。

この場合においても、受給部からイオン風が発生し、当該イオン風を媒介として電荷が供給されると考えられる。

さらに、前記流出体から流出する原料液の方向を変更すると共に、空間中で製造されたナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、前記気体流発生装置により発生した気体流が、前記供給電極と前記流出体との間を通過しないように気体流を制御する制御部とを備えることが好ましい。

これにより、気体流がイオン風に悪影響を及ぼすことを回避することができ、イオン風により電荷を供給する効率を維持することが可能となる。

本願発明によれば、流出体に電荷を供給する供給電極と流出体との接触を廃止し、摩擦を生じることなく流出体に電荷を供給することが可能となる。

図１は、ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。 図２は、放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。 図３は、放出装置の外観を示す斜視図である。 図４は、供給電極の近傍を示す斜視図である。 図５は、供給電極の尖端部を示す側面図である。 図６は、案内体近傍を示す斜視図である。 図７は、他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。 図８は、尖端部のバリエーションを示す斜視図である。 図９は、流出体の他の形態を切り欠いて示す平面図である。

次に、本願発明に係るナノファイバ製造装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出装置１０１と、案内体１０２と、収集装置１０３と、誘引装置１０４と、気体流発生装置１１３とを備えている。

ここで、ナノファイバを製造するための原料液については、原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が電気的に延伸しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。

放出装置１０１は、帯電した原料液３００や製造されるナノファイバ３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットである。

図２は、放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。

図３は、放出装置の外観を示す斜視図である。

これら図に示すように放出装置１０１は、流出装置１１０と、帯電装置１１１と、風洞体１１２と、気体流発生装置１１３と、供給装置１４１とを備えている。

流出装置１１０は、原料液３００を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に流出させる装置である。流出装置１１０は、流出体１１５と、回転軸体１１６と、駆動源１１７とを備えている。

流出体１１５は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、原料液３００が通過する流出孔１１８が多数設けられる部材である。本実施の形態の場合、流出体１１５は、原料液３００が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を流出させることのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔１１８を多数備えている。流出体１１５は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されている。流出体１１５は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

具体的には、流出体１１５の直径は、１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると後述の気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからであり、また、流出体１１５の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体１１５を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体１１５の直径は、２０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。

また、流出孔１１８の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体１１５の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔１１８があまりに小さすぎると原料液３００を流出体１１５の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔１１８から流出する原料液３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する原料液３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径のナノファイバ３０１を製造することが困難となるからである。

なお、遠心力により原料液３００を流出させる流出体１１５の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔１１８が回転することにより、流出孔１１８から原料液３００が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔１１８の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。

回転軸体１１６は、流出体１１５を回転させ遠心力により原料液３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体１１５の他端から流出体１１５の内部に挿通され、流出体１１５の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端は駆動源である駆動源１１７の回転軸と接続されている。回転軸体１１６は、駆動源１１７と絶縁体１２０を介して接続されており、流出体１１５と駆動源１１７とが電気的に絶縁状態となっている。

これは、流出体１１５のアースとの接続が事故などにより切れた場合、駆動源１１７を保護するためである。回転軸体１１６は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

駆動源１１７は、遠心力により原料液３００を流出孔１１８から流出させるために、回転軸体１１６を介して流出体１１５に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体１１５の回転数は、流出孔１１８の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のように駆動源１１７と流出体１１５とが直動の時は駆動源１１７の回転数は、流出体１１５の回転数と一致する。

帯電装置１１１は、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、図１〜図３に示すように、帯電装置１１１は、帯電電極１２１と、帯電電源１２２と、接地装置１２３と、供給電極１２４とを備えている。

帯電電極１２１は、流出体１１５に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、流出体１１５に電荷を誘導するための部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、流出装置１１０の先端の周囲を取り囲むように配置される円環状の部材であり、断面は円状となっている。帯電電極１２１に正の電圧が印加されると流出装置１１０には、負の電荷が誘導され、帯電電極１２１に負の電圧が印加されると流出装置１１０には、正の電荷が誘導される。

帯電電極１２１の大きさは、流出装置１１０の先端部分の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、５０ｍｍ以上、１５００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、帯電電極１２１の形状は、円環状に限ったものではなく、流出装置１１０の形状との関係によって、多角形の環状や平板状などであってもよい。また、帯電電極１２１の断面形状も丸形ばかりでなく矩形などでもかまわない。

接地装置１２３は、流出装置１１０と電気的に接続され、流出装置１１０を接地電位に維持することができる部材である。接地装置１２３の一端は、供給電極１２４と接続され、他端は大地と接続されている。

図４は、供給電極の近傍を示す斜視図である。

図５は、供給電極の尖端部を示す側面図である。

これらの図に示すように、供給電極１２４は、流出体１１５を介して原料液３００に電荷を供給する電極であり、流出体１１５に対し所定距離Ｄだけ離れて配置されている。また、供給電極１２４は、流出体１１５に対向する部分に尖端が尖った尖端部１２６を備えている。本実施の形態の場合、尖端部１２６は、針状または糸状の複数本の棒体１３６で構成されている。棒体１３６は、流出体１１５の方向に向かって伸びており、棒体１３６のそれぞれの先端が、流出体１１５に向かって尖る尖端部１２６として機能している。

供給電極１２４と流出体１１５との距離（本実施の形態の場合は、棒体１３６の先端と流出体１１５との距離）である距離Ｄは、２ｍｍ以下が好ましい。距離Ｄが２ｍｍより長いと、供給電極１２４から発生するイオン風が流出体１１５に到達する確率が減少し、原料液３００を有効に帯電させることが困難になるからである。つまり、距離Ｄを２ｍｍ以下にすることにより、離間していても、供給電極と流出体との間でほぼ導通が確保された状態となり、原料液３００を有効に帯電させることが可能になる。また、距離Ｄの下限は、供給電極１２４と流出体１１５が接触しなければよい。なお、最初は、供給電極１２４の棒体１３６と流出体１１５が接触している場合であっても、流出体１１５が回転することで、棒体１３６の流出体１１５に接触している先端部が磨耗し、供給電極１２４と流出体１１５が非接触になる場合も、本願発明の内容に含むものとする。また、回転軸体１１６と流出体１１５が接続され、電気的に導電性を有して接触している場合には、供給電極１２４を、回転軸体１１６に対向するように配置しても同じ効果が得られる。つまり、「流出体に対し所定距離離れて配置され、前記流出体を介して原料液に電荷を供給する供給電極」とは、流出体１１５の近傍に配置される供給電極１２４ばかりではなく、流出体１１５に電気的に接続され、流出体１１５と同じように回転する回転軸体１１６のような部材の近傍に配置される供給電極１２４も含むものとする。また、流出体１１５と電気的に接続され、かつ、回転する部材は全て流出体１１５に含むものと考えても良い。

帯電電源１２２は、帯電電極１２１と供給電極１２４との間に高電圧を印加することのできる電源である。本実施の形態の場合、帯電電源１２２は、直流電源が採用されている。空間中で製造されたナノファイバ３０１の帯電を利用し、電界を用いてナノファイバ３０１を誘引するような場合には、直流電源を採用することが好ましい。また、帯電電源１２２が直流電源である場合、帯電電極１２１と供給電極１２４との間に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。なお、本実施の形態の場合は、帯電電極１２１と供給電極１２４との間に直接帯電電源１２２を接続するのではなく、供給電極１２４側を接地し、帯電電源１２２により接地電位に対して帯電電極１２１に電圧を印加することにより、帯電電極１２１と供給電極１２４との間に電圧を印加している。従って、帯電電極１２１は、帯電電源１２２と接続される極性により、供給電極１２４に対し負の高電圧になるか、正の高電圧になるかを選択することができる。例えば、ナノファイバ３０１が正に帯電しやすい場合、帯電電極１２１を負の極性とし、ナノファイバ３０１が負に帯電しやすい場合、帯電電極１２１を正の極性とするなど、任意に設定すればよい。

なお、帯電電極１２１と供給電極１２４とのいずれを接地するか、または、いずれも接地せずにフローティング状態とするかも任意に設定することが可能である。

また、流出体１１５と帯電電極１２１とは配置も任意に設定できるため、これらの位置関係と、帯電電源１２２が印加する電圧との関係も調整される。具体的には、帯電電極１２１と流出体１１５（流出孔１１８近傍）との距離が最も近い空間において１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧を調整するのが好ましい。

なお、供給電極１２４と帯電電極１２１との間に交流電圧を印加しても、ナノファイバ３０１を製造することができ、高電圧の直流電圧に交流電圧を重畳してもかまわない。

供給装置１４１は、流出装置１１０の内面に原料液３００を供給する装置であり、供給路１１４と、供給源１４４（図２参照）とを備えている。

供給路１１４は、外部にある供給源１４４から流出体１１５の内方に原料液３００を供給するための経路である。本実施の形態の場合、供給路１１４は、管体で形成されている。

供給源１４４は、原料液３００を貯留するためのタンクと、原料液３００を所定の圧力で圧送するためのポンプを備えた装置である。

気体流発生装置１１３は、流出装置１１０から空間中に流出した原料液３００や製造されるナノファイバ３０１を搬送するための気体流を発生させるための装置である。気体流発生装置１１３は、駆動源１１７の背部に備えられ、駆動源１１７から流出装置１１０の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生装置１１３は、流出装置１１０から流出される原料液３００の方向を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。気体流発生装置１１３としては、軸流ファンを備える送風機等を例示することができる。

なお、気体流発生装置１１３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、後述する吸引装置１３２により風洞体１１２の内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、ナノファイバ製造装置１００は、積極的に気体流を発生させる気体流発生装置１１３を有しないこととなるが、何らかの装置により、風洞体１１２などの内方に気体流が発生していることをもってナノファイバ製造装置１００が気体流発生装置１１３を備えているものとする。

風洞体１１２は、気体流発生装置１１３で発生した気体流を帯電電極１２１と流出装置１１０との間に案内する導管である。本実施の形態の場合、風洞体１１２により案内された気体流は、帯電電極１２１の内側を通過しつつ、流出装置１１０から流出された原料液３００を搬送する。

さらにまた、放出装置１０１は、風制御部１３７と、加熱装置１２５とを備えている。

風制御部１３７は、気体流発生装置１１３により発生する気体流が供給電極１２４と流出体１１５との隙間に流れ、電荷の輸送の妨げとならないよう気体流を制御する機能を有するものである。本実施の形態の場合、風制御部１３７として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。風制御部１３７により、気体流が直接供給電極１２４と流出体１１５との隙間に当たらないため、供給電極１２４と流出体１１５との隙間に発生するイオン風が流され、また、中和されにくくなり、安定して電荷を供給し続けることができる。

加熱装置１２５は、気体流発生装置１１３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱装置１２５は、風洞体１１２の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱装置１２５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱装置１２５により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバ３０１を製造することが可能となる。

図６は、案内体近傍を示す斜視図である。

同図に示すように、案内体１０２は、放出装置１０１から放出され、気体流によって搬送されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞である。

拡散体１２７は、案内体１０２と接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。本実施の形態の場合、拡散体１２７は、案内体１０２の高さをそのまま維持し、幅のみ徐々に広がるフード形状となっている。

収集装置１０３は、案内体１０２から放出されるナノファイバ３０１を収集するための装置である。本実施の形態の場合、収集装置１０３は、被堆積部材１２８と、巻回装置１２９と、部材供給装置１３０とを備えている。

被堆積部材１２８は、静電延伸現象により製造され気体流により搬送されるナノファイバ３０１と気体流とを分離し、ナノファイバ３０１のみが堆積する部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１２８は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材であり、気体流を容易に透過でき、ナノファイバ３０１を捕集しうる網状の部材である。具体的に被堆積部材１２８としては、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、被堆積部材１２８の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を被堆積部材１２８から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、被堆積部材１２８は、ロール状に巻き付けられた状態で部材供給装置１３０から供給されるものとなっている。

巻回装置１２９は、被堆積部材１２８を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１２８を巻き取りながら部材供給装置１３０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１２８を搬送するものとなっている。巻回装置１２９は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を被堆積部材１２８とともに巻き取ることができるものとなっている。

誘引装置１０４は、図１に示すように、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引装置１０４は、異なる誘引方式を同時、または、選択的に実施できるように、気体誘引装置１４３と、電界誘引装置１３３とを備えている。

気体誘引装置１４３は、気体流を吸引することによりナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引する装置であり、被堆積部材１２８の後方に配置されている。本実施の形態の場合、気体誘引装置１４３は吸引装置１３２と集中体１３１とを備えている。

集中体１３１は、拡散体１２７で広がった気体流を受け取り、吸引装置１３２に至るまでの間に気体流を集中させる部材であり、拡散体１２７とは逆向きの漏斗形状となっている。

吸引装置１３２は、被堆積部材１２８を通過する気体流を強制的に吸引する送風機である。吸引装置１３２は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１２８を通過して速度が落ちた気体流を高い速度に加速することのできる装置である。

電界誘引装置１３３は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により被堆積部材１２８に誘引する装置であり、誘引電極１３４と、誘引電源１３５とを備えている。

誘引電極１３４は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、誘引電極１３４には気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。誘引電極１３４は、拡散体１２７の開口部全体に広がって設けられている。

誘引電源１３５は、誘引電極１３４を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１３５は、０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。

なお、誘引電極１３４は、実施の形態において金属製の網が採用されているが、それに限定するものではなく、被堆積部材１２８の幅位の長さの所定の幅を有する誘引電極でもよい。吸引装置１３２により吸引することで、ナノファイバは、誘引電極に誘引されると共に、気体流によって、被堆積部材１２８に吸引される。そのようにすることで、引火性の高い溶剤を使用する場合においても、高密度の溶剤を使用しても、爆発する溶剤の濃度まで達することはなく、安心して装置の使用ができるようになる。

なお、帯電電源１２２が交流電源の場合は、誘引電源１３５を交流電源としても良い。

回収装置１０５は、原料液３００から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収することのできる装置である。回収装置１０５に関しては、原料液３００に用いられる溶剤の種類によって異なるが、例えば、気体を低温にして溶剤を結露させて回収する装置や、活性炭やゼオライトを用いて溶剤のみを吸着させる装置、液体などに溶剤を溶け込ませる装置やこれらを組み合わせた装置を例示できる。

ここで、ナノファイバ３０１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、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

原料液３００に使用される溶剤としては、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、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、本願発明は上記溶剤に限定されるものではない。

さらに、原料液３００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、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、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。

溶剤と高分子物質との混合比率は、溶剤と高分子物質により異なるが、溶剤量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。

上記のように、溶剤蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液３００は、上記のように溶剤を５０重量％以上含んでいても十分に蒸発し、静電延伸現象を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ３０１が製造されるため、より細いナノファイバ３０１をも製造することが可能となる。また、原料液３００の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ３０１の性能の範囲も広くすることが可能となる。

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。

まず、気体流発生装置１１３、及び、吸引装置１３２を稼働させ、風洞体１１２や、案内体１０２、拡散体１２７、集中体１３１の内方に一定方向の気体流を発生させる（気体流発生工程）。以上の状態で、案内体１０２内の風量が毎分３０立米となるようナノファイバ製造装置１００を調整した。

次に、供給装置１４１により供給部１４２から流出体１１５の内方に原料液３００を供給する（原料液供給工程）。原料液３００は、供給源１４４から供給路１１４を通過して流出体１１５の内方に供給される。具体的には、ナノファイバ３０１の材質はポリウレタンを選定し、溶剤（溶媒とも呼ばれている。）は、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを選定した。混合比率はポリウレタンを２５重量％、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを７５重量％とした。

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。この状態において供給電極１２４と流出体１１５との間には隙間が生じているが、流出体１１５には電荷が集中しており、流出孔１１８から空間中に流出する原料液３００に電荷が転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と同時期に駆動源１１７により流出体１１５を回転させ、遠心力により原料液を空間中に流出する（流出工程）。

具体的には、先端の外径がΦ６０ｍｍの流出体１１５を用いた。流出体１１５は、周方向等間隔に７４個の流出孔１１８が設けられており、流出孔１１８の口径は０．３ｍｍである。一方、帯電電極１２１は内径Φ６００ｍｍのものを用い、帯電電源１２２により帯電電極１２１を接地電位に対して負の６０ＫＶとした。これにより、流出体１１５には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液３００が流出することとなる。流出体１１５の回転数は１５００ｒｐｍである。供給電極１２４と流出体１１５との隙間は０．５ｍｍ程度である。この状態において帯電電源１２２からは１０μＡの電流が流れている。

流出体１１５から流出された原料液３００は、気体流により搬送され（搬送工程）、気体流に乗り案内体１０２に案内される。

ここで、原料液３００の帯電状態と帯電電極１２１とは逆極性であるため、クーロン力により引きつけられて帯電電極１２１の方向に向いて飛行しようとするが、帯電電極１２１に向かうほとんどの原料液３００が気体流により方向が変えられ、案内体に向かって飛行することとなる。

また、前記気体流は、加熱装置１２５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶剤の蒸発を促進し静電延伸を促進している。

以上のようにして放出装置１０１から放出されるナノファイバ３０１は、案内体１０２に導入される。そして、ナノファイバ３０１は、案内体１０２の内方を気体流に搬送されながら収集装置１０３に向かって案内される（案内工程）。

拡散体１２７にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一な分散状態となる（拡散工程）。

この状態において、被堆積部材１２８の背方に配置される吸引装置１３２は、蒸発した蒸発成分である溶剤と共に気体流を吸引し、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８上に誘引する（誘引工程）。また、電圧が印加された誘引電極１３４により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ３０１が誘引される（誘引工程）。

以上により、被堆積部材１２８により気体流から分けられてナノファイバ３０１が収集される（収集工程）。被堆積部材１２８は、巻回装置１２９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。

被堆積部材１２８を通過した気体流は、吸引装置１３２により加速され、回収装置１０５に到達する。回収装置１０５では、気体流から溶剤成分を分離回収する（回収工程）。

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、高速で回転する流出体１１５と供給電極１２４とが非接触で有りながら、ナノファイバ３０１を製造することができる。

従って、流出体１１５と供給電極１２４との磨耗が無くなり、流出体１１５や供給電極１２４などを取り替えるなどの手間やコストを削減することが可能となる。また、摩擦によって発生する粉塵などにより製造されるナノファイバ３０１の品質に影響を及ぼすことも無くなり、ナノファイバ３０１の品質の向上を可能としている。

なお、図７に示すように、流出体１１５の周方向全体に先端の尖った尖端部１２６を設けてもかまわない。さらには、流出体１１５と供給電極１２４の両方に尖端部１２６を設けてもかまわない。また、尖端部１２６は、毛状に取り付けられた細い棒体１３６の集合体で構成されることに限定されるわけではなく、先端が尖っているかその状態とみなせて、電荷が集中しやすい形状であればよい。例えば、尖端部１２６は、図８（ａ）に示すようにナイフエッジのような形状でもよく、図８（ｂ）に示すような先が微小な球形となったものでもかまわない。

また、流出体１１５の内空間は、図９に示すように、流出孔１１８に直接導通する導出空間１５１と原料液３００を供給する供給空間１５２により構成され、注入口１５３により供給空間１５２から導出空間１５１へ原料液３００が供給されるものであってもかまわない。また、原料液３００の供給は、エアコンプレッサなどを用いてエアにより供給空間１５２にある原料液３００に圧力Ａを加えることにより行うものでもよい。また、ステムなどの圧力供給部材により圧力Ａを原料液３００に加えるものでもかまわない。このような流出体１１５の場合でも、供給電極１２４は、流出体１１５に対して距離Ｄだけ離間して配置される。更にまた、図９に示すように、流出孔１１８が、流出体１１５の尖って突出する箇所に配置されてもかまわない。また、流出孔１１８は、流出体１１５の周囲１周に等間隔に配置され、回転軸方向には一列のみ配置されるものでもよい。

なお、実施の形態においては、流出体１１５を接地できるように、供給電極１２４を接地装置１２３に接続し、帯電電極１２１に所定の電圧を帯電電源１２２より印加したが、これに限定するものではなく、流出体１１５側に所定の電圧を流出体に対して所定距離離れて配置された供給電極１２４を介して供給し、帯電電極１２１を接地するようにしても、本願の実施形態で開示したものと、同様の効果を得ることができる。

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 放出装置
１０２ 案内体
１０３ 収集装置
１０４ 誘引装置
１０５ 回収装置
１１０ 流出装置
１１１ 帯電装置
１１２ 風洞体
１１３ 気体流発生装置
１１４ 供給路
１１５ 流出体
１１６ 回転軸体
１１７ 駆動源
１１８ 流出孔
１１９ ベアリング
１２０ 絶縁体
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２３ 接地装置
１２４ 供給電極
１２５ 加熱装置
１２６ 尖端部
１２７ 拡散体
１２８ 被堆積部材
１２９ 巻回装置
１３０ 部材供給装置
１３１ 集中体
１３２ 吸引装置
１３３ 電界誘引装置
１３４ 誘引電極
１３５ 誘引電源
１３６ 棒体
１３７ 風制御部
１４１ 供給装置
１４２ 供給部
１４３ 気体誘引装置
１４４ 供給源
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (8)

1. 原料液を空間中で延伸させ、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、
   原料液を遠心力により空間中に流出させる流出体と、
   前記流出体を回転させる駆動源と、
   前記流出体に対し所定距離離れて配置され、前記流出体を介して原料液に電荷を供給する供給電極と、
   前記流出体に対し所定距離離れて配置され、前記流出体とは逆極性の電位が印加される帯電電極と、
   前記供給電極と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源と
   を備えるナノファイバ製造装置。
2. 前記供給電極は、前記流出体に向かって先が尖る尖端部を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記尖端部は、流出体の方向に向かって伸び、針状または糸状の複数本の棒体で構成される請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
4. 前記流出体は、前記供給電極に対向する部分に放射方向に突出し先端が尖った受給部を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
5. さらに、
   前記流出体から流出する原料液の方向を変更すると共に、空間中で製造されたナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、
   前記気体流発生装置により発生した気体流が、前記供給電極と前記流出体との間を通過しないように気体流を制御する風制御部と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
6. さらに、
   ナノファイバを収集する収集装置と、
   前記収集装置にナノファイバを誘引する誘引装置と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
7. 前記供給電極は、当該供給電極と前記流出体との間でほぼ電気的な導通が確保される範囲で離間して配置される請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
8. 原料液を空間中で延伸させ、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、
   駆動源によって回転する流出体から原料液を遠心力により空間中に流出させ、
   前記流出体に対し所定距離離れて配置される供給電極から前記流出体を介して原料液に電荷を供給し、
   前記流出体に対し所定距離離れて配置される帯電電極と前記供給電極との間に帯電電源により所定の電圧を印加する
   ナノファイバ製造方法。

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