JP5480857B2 - 不織布製造装置および不織布製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界紡糸によって作製されたファイバーを基材シート上に堆積させて不織布を製造する装置、および不織布製造方法に関する。

従来より、電界紡糸によってナノオーダーまたはマイクロオーダーのファイバーを作製し、作製したファイバーを基材シートの表面に堆積させることが行われている。ファイバーは、帯電した状態のファイバーの原料液が静電爆発することによって作製される。

帯電した状態のファイバーを静電誘引して基材シートの表面に堆積させるために、基材シートの裏面には、ファイバーと逆極性の電圧が印加された電極部材が接触している。このような電極部材には、様々な形状が存在する。

例えば、特許文献１に記載の不織布製造装置の場合、電極部材は、基材シートの裏面と面接触する板状である。また、例えば、特許文献２に記載の不織布製造装置の場合、電極部材は、基材シートの裏面と面接触するベルト状である。

特開２０１１−８０１８６号公報 特開２００８−１９６０６１号公報

ところで、基材シートは、電極部材によって誘電分極し、その誘電分極によって電極部材に静電吸着する。このとき、基材シートと電極部材との間に気泡が発生することがある。気泡が発生すると基材シートが電極部材に密着できず、電極部材に密着する基材シートの部分と密着できない部分との間でファイバーの堆積量が異なり、最終的に、ファイバーの密度が部分によって異なる不織布が作製される。

そこで、本発明は、基材シートと電極部材とを一様に密着させた状態で、ファイバーを基材シートに堆積させることを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
電界紡糸によって生成されたファイバーを基材シートの表面に堆積させる不織布製造装置であって、
基材シートの裏面と接触する電極部材と、
ファイバーが基材シートに堆積する前に、電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートの表面を帯電させる帯電装置とを有する、不織布製造装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、
基材シートの裏面と電極部材の接触を維持しつつ、基材シートにファイバーが堆積されるファイバー堆積領域を通過するように、基材シートを搬送するシート搬送装置を有し、
ファイバー堆積領域の基材シート搬送方向上流側に、帯電装置が基材シートの表面を帯電する帯電領域が設けられている、第１の態様に記載の不織布製造装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、
電極部材が、基材シート裏面と接触した状態で基材シート搬送方向に移動するベルト状である、第２の態様に記載の不織布製造装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、
電極部材が、ファイバー堆積領域に配置された第１の電極部材と、帯電領域に配置された第２の電極部材とからなる、第２または第３の態様に記載の不織布製造装置が提供される。

本発明の第５の態様によれば、
帯電領域が、基材シート上方視で、基材シートの搬送方向上流側を頂点とするＶ字状または搬送方向上流側に凸の曲線状である、第２から第４の態様のいずれか一に記載の不織布製造装置が提供される。

本発明の第６の態様によれば、
電界紡糸によって生成されたファイバーを基材シートの表面に堆積させる不織布製造方法であって、
基材シートの裏面と接触する電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートの表面を帯電させ、
ファイバーを基材シートに堆積させる、不織布製造方法が提供される。

本発明によれば、電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートの表面が帯電されることにより、電極部材と基材シートとの間の静電吸着力が上がり、電極部材と基材シートとが一様に密着する。その結果、電極部材と基材シートとが一様に密着した状態で、ファイバーを基材シートに堆積させることができる。

本発明の実施の形態１に係る不織布製造装置の概略的構成図 帯電領域を示す、表面上方から基材シートを見た図 別の形態の帯電領域を示す、表面上方から基材シートを見た図 本発明の実施の形態２に係る不織布製造装置の概略的構成図 本発明の実施の形態３に係る不織布製造装置の概略的構成図 本発明の実施の形態４に係る不織布製造装置の概略的構成図 本発明の実施の形態５に係る不織布製造装置の概略的構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る不織布製造装置の構成を概略的に示している。図１に示す不織布製造装置１０は、電界紡糸されたファイバーを基材シートの表面に堆積させて不織布を作製するように構成されている。

なお、本明細書で言う「ファイバー」は、高分子物質から成り、ナノオーダーまたはミクロンオーダーの直径を有する糸状物質を言う。また、高分子物質としては、ポリフッ化ビニリデン（ＦＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリアクリルニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン等の石油系ポリマーやバイオポリマーなどの様々な高分子、それらの共重合体や混合物などが適用可能である。ナノファイバーの原料液は、これらの高分子物質を溶解した溶液（高分子溶液）である。

図１に示すように、不織布製造装置１０は、基材シートＳを搬送するシート搬送装置１２と、基材シートＳに向かって帯電されたファイバー原料液を噴射する複数のノズル１４と、基材シートＳにファイバーを静電誘引するコレクタ装置１６と、イオン風発生装置１８とを有する。

基材シートＳは長尺状であって、シート搬送装置１２は基材シートＳをその長尺方向である搬送方向Ｌに搬送するように構成されている。シート搬送装置１２は、例えば、基材シートＳを巻き取るローラ２０によって構成されている。

複数のノズル１４は、ファイバーを電界紡糸によって作製する電界紡糸装置の一部であって、基材シートＳの表面Ｓａ側に、且つ基材シートＳの表面Ｓａから所定の距離をあけて、基材シートＳの上方に配置されている。複数のノズル１４はまた、基材シートＳの幅方向（図面奥行き方向）に間隔をあけて並んでいる。複数のノズル１４それぞれは、電圧印加装置２２によって正極性の高電圧（例えば、＋５〜１００ｋＶの電圧）が印加される。これにより、ノズル１４から基材シートＳの表面Ｓａに向かって、正極性に帯電されたファイバー原料液が噴射される。

なお、ファイバー原料液を噴射するための噴射孔を１つ備える複数のノズル１４に代って、複数の噴射孔を備える１つのノズルであってもよい。

複数のノズル１４それぞれから噴射された、正極性に帯電した状態のファイバー原料液は、基材シートＳの表面Ｓａに到達するまでの間に、溶液が徐々に蒸発することによって電荷間距離が短くなることにより、静電爆発を繰り返す。静電爆発により、ファイバーが形成され、そのファイバーが基材シートＳの表面Ｓａ上に堆積する。

コレクタ装置１６は、基材シートＳの下方に配置されており、電極部材２４と、電極部材２４に電圧を印加する電圧印加装置２６とを有する。

このコレクタ装置１６は、帯電した状態のファイバー（またはファイバー原料液）を基材シートＳに誘引（静電誘引）する誘引手段として、また、ノズル１４に電荷を集中させてファイバー原料液を帯電させる帯電手段として、さらに、基材シートＳおよび基材シートＳに堆積したファイバーを除電する除電手段として機能する。

電極部材２４により、コレクタ装置１６は、誘引手段として、また帯電手段として、さらに除電手段として機能する。具体的には、電極部材２４は、金属材料などの導電性材料から作製されたベルト状の部材であって、駆動ローラ２８に駆動されることにより、基材シートＳの搬送方向Ｌに、基材シートＳと同一の速度で移動する。また、電極部材２４は、金属ローラ３０によって支持され、金属ローラ３０を介して電圧印加装置２６によって負極性の高電圧（例えば、−５〜−３５ｋＶの電圧）が印加されている。

負極性の電圧が印加された電極部材２４により、正極性の帯電した状態のファイバーが基材シートＳに向かって静電的に誘引される。また、ノズル１４の正極性の電荷が、ファイバー原料液を噴射する噴射孔が形成されたノズル１４の先端部に集中し、ファイバー原料液が正極性に帯電される。さらに、基材シートＳおよび基材シートＳの表面Ｓａに堆積したファイバーが除電される。

なお、電極部材２４に印加される電圧は、帯電した状態のファイバーを基材シートＳに誘引でき、且つノズル１４に電荷を集中させてファイバー原料液を帯電させることができる電位差を、ノズル１４と電極２４との間に付与できる電位であればよい。その結果、コレクタ装置１６は、誘引手段として、また帯電手段として機能することができる。したがって、例えば、本実施の形態のように、ノズル１４に正極性の高電圧が印加されている場合、電極部材２４はアースに接続されていてもよい。また例えば、ノズル１４がアースに接続され、電極部材２４に電圧が印加されてもよい。以後は、電圧印加装置２６によって電極部材２４に負極性の電圧が印加されているものとして説明する。

また、このような電極部材２４により、基材シートＳは誘電分極し、電極部材２４に静電吸着する。具体的には、負極性の電圧が印加された電極部材２４と接触する基材シートＳの裏面Ｓｂに正極性の電荷が集まり、基材シートＳの表面Ｓａに負極性の電荷が集まる。

基材シートＳが電極部材２４に静電吸着するときに、その間に気泡が発生することがある。発生した気泡を、基材シートＳと電極部材２４との間から排除するために、イオン風発生装置１８が、不織布製造装置１０に設けられている。

イオン風発生装置１８は、電極部材２４に印加された電圧と逆極性に、すなわち正極性に基材シートＳの表面Ｓａを帯電させるための装置である。イオン風発生装置１８は、例えばコロナ放電式であって、放電針３２と、放電針３２に正極性の高電圧を印加する電圧印加装置３４と、放電針３２によって発生した正極性のイオンＰを基材シートＳに向かって送風する送風ファン（図示せず）とを有する。

補足すると、送風ファンがなくても、放電針３２によって発生した正極性のイオンＰは、負極性の電荷が集まる基材シートＳの表面Ｓａに静電誘引されることにより、基材シートＳの表面Ｓａに向かって移動する。ここでの送風ファンは、送風によって正極性のイオンＰの移動方向を規制することにより、基材シートＳの表面Ｓａの所定の場所（後述の「帯電領域」）に向かって正極性のイオンＰを移動させるためのものである。したがって、送風ファンがなくても正極性のイオンＰが基材シートＳの表面Ｓａの所定の場所に向かって安定して移動するのであれば、送風ファンを省略することができる。

なお、ノズル１４と放電針３２にはともに正極性の電圧が印加されるため、電圧印加装置２２，３４に代って、ノズル１４と放電針３２の両方に正極性の電圧を印加する共用の電圧印加装置を設けてもよい。

イオン風発生装置１８はまた、ファイバーが堆積される前の基材シートＳの表面Ｓａに、正極性のイオン風を送風する。具体的には、図１に示すように、基材シートＳの表面Ｓａにファイバーが堆積されるファイバー堆積領域Ａ１に対して基材シート搬送方向Ｌの上流側で、イオン発生装置１８は正極性のイオン風を基材シートＳに送風する。

イオン風発生装置１８から送風されたイオン風に含まれる正極性のイオンは、誘電分極した状態の基材シートＳの表面Ｓａに付着する。具体的には、正極性のイオンは、誘電分極によって負極性の電荷が集まる基材シートＳの表面Ｓａに静電吸着する。

正極性のイオンが付着した基材シートＳの部分は、誘電分極が強まり、それにより電極部材２４との静電吸着力が大きくなる。すなわち、正極性のイオンが付着した部分では、電極部材２４よる誘電分極と、正極性のイオンによる誘電分極とが起こっている。これにより、基材シートＳと電極部材２４との間に発生した気泡が排除される。

具体的に、表面Ｓａの上方から見た基材シートＳを示す図２を参照しながら説明する。図２に示すように、ファイバー堆積領域Ａ１の基材シート搬送方向Ｌ上流側で、イオン風発生装置１８からのイオン風は基材シートＳの表面Ｓａに当たる。図２に示す領域Ａ２は、イオン風が当たることによって正極性のイオンが付着し、それにより基材シートＳの表面Ｓａが帯電される領域（以下、「帯電領域」と称する）を示している。この帯電領域Ａ２より基材シート搬送方向Ｌの下流側では、基材シートＳの表面Ｓａに正極性のイオンが付着した状態である。

したがって、帯電領域Ａ２より基材シート搬送方向Ｌの上流側に比べて、下流側の方が、基材シートＳと電極部材２４との間の静電吸着力が強い。そのため、帯電領域Ａ２より上流側では存在する、基材シートＳと電極部材２４との間の気泡Ｂ（その内部の空気）は、基材シートＳと電極部材２４との移動にともない、帯電領域Ａ２に沿って幅方向に基材シートＳの側縁Ｓｃ，Ｓｄに向かって移動し、最終的に、その側縁Ｓｃ，Ｓｄから排除される。その結果、帯電領域Ａ２より下流側では、気泡Ｂは存在せず、基材シートＳと電極部材２４は一様に密着する。

基材シートＳと電極部材２４との間の気泡Ｂ（その内部の空気）を基材シートＳの側縁Ｓｃ，Ｓｄから排除しやすくするために、帯電領域Ａ２が、図２に示すように、基材シート搬送方向Ｌの上流側を頂点とするＶ字状になるように、イオン風発生装置１８を構成するのが好ましい。例えば、イオン風発生装置１８のイオン風を噴射する複数の噴射孔（図示せず）が、基材シートＳの表面Ｓａと平行に、基材シート搬送方向Ｌの上流側を頂点とするＶ字状に並べられる。

また、帯電領域Ａ２は、例えば、基材シート搬送方向Ｌの上流側に凸の曲線状であってもよく、さらに、図３に示すように、基材シート搬送方向Ｌに対して雁行状であってもよい。広義には、帯電領域Ａ２の下流側に気泡Ｂが移動しないように、帯電領域Ａ２は、基材シートＳの一方の側縁Ｓｃから他方の側縁Ｓｄにわたって形成されていればよい。

なお、基材シートＳが高い通気性を備える場合は、基材シートＳと電極部材２４の間の気泡Ｂの空気は、基材シートＳを介しても排除される。

本実施の形態によれば、電極部材２４に印加された電圧と逆極性に基材シートＳの表面Ｓａが帯電されることにより、電極部材２４と基材シートＳとの間の静電吸着力が上がり、電極部材２４と基材シートＳとが一様に密着する。その結果、電極部材２４と基材シートＳとが一様に密着した状態で、ファイバーを基材シートＳに堆積させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本実施の形態に係る不織布製造装置の構成を概略的に示している。図１に示す実施の形態１の不織布製造装置１０では、ファイバー堆積領域Ａ１と帯電領域Ａ２の両方を通過するように１つの電極部材２４が設けられているが、本実施の形態では、ファイバー堆積領域Ａ１と帯電領域Ａ２それぞれに電極部材が設けられている。この点を中心にして、本実施の形態を説明する。

図４に示すように、ファイバー堆積領域Ａ１においては、コレクタ装置１１６が配置され、基材シートＳの裏面Ｓｂに、電圧印加装置１２６によって負極性の高電圧が印加されたベルト状電極部材１２４が接触している。一方、帯電領域Ａ２においては、コレクタ装置１１６’が配置され、基材シートＳの裏面Ｓｂに、電圧印加装置１２６’によって負極性の高電圧が印加されたベルト状電極部材１２４’が接触している。

この場合、実施の形態１に比べて電極部材が１つ増えるものの、１つの電極部材の大きさは小さくなる。したがって、電極部材の取り扱い（メンテナンス）や電極部材の作製コストが小さくなる。

また、図４に示すように、ファイバー堆積領域Ａ１の電極部材１２４に電圧を印加する電圧印加装置１２６とは別の電圧印加装置１２６’によって帯電領域Ａ２の電極部材１２４’に電圧が印加される構成であるため、基材シートＳの表面Ｓａの帯電量を調節することができる。

説明すると、実施の形態１の不織布製造装置１０の場合、帯電した状態のファイバーを基材シートＳに誘引でき、且つノズル１４に電荷を集中させてファイバー原料液を帯電させることができる電圧を、電圧印加装置２６は電極部材２４に印加する必要がある。したがって、基材シートＳの表面Ｓａ上の帯電量を調節するために電極部材２４に印加する電圧を変更することはできない。

これに対して、本実施の形態の不織布製造装置１１０の場合、ファイバーの基材シートＳへの誘引やファイバー原料液の帯電に影響を与えることなく、電圧印加装置１２６’による電極部材１２４’への印加電圧を調節することにより、帯電量（すなわち正極性のイオンを基材シートに誘引する静電誘引力）を調節することが可能である。

なお、基材シートＳは、イオン風発生装置１８によって基材シートＳと電極部材１２４’との間の気泡が排除されることによって電極部材１２４’に一様に密着して平坦状態になり、その平坦状態を維持したまま、電極部材１２４に受け渡される。その結果、電極部材１２４と基材シートＳとが一様に密着した状態で、ファイバー堆積領域Ａ１において、ファイバーを基材シートＳに堆積させることができる。

（実施の形態３）
図５に示すように、本実施の形態の不織布製造装置２１０は、実施の形態２の変形型であって、帯電領域Ａ２にコレクタ装置１１６’が配置されていない点、すなわち、帯電領域Ａ２において、基材シートＳの裏面Ｓｂと接触する電極部材が配置されていない点で実施の形態２と異なる。

本実施の形態の場合、基材シートＳの表面Ｓａがイオン風発生装置１８によって帯電された後、基材シートＳは、ファイバー堆積領域Ａ１に配置された電極部材１２４上に搬送される。このような形態においては基材シートＳの表面Ｓａがイオン風発生装置１８によって帯電される帯電量が実施の形態２よりも少なくなるが、少ない帯電量で十分な吸着力を発揮する基材シートＳを用いる場合は、電極部材１２４’と電圧印加装置１２６’を省略することができるので装置を簡略化できる。

（実施の形態４）
本実施の形態は、コレクタ装置の電極部材の形態が異なる点で、上述の実施の形態と異なる。図６に示すように、本実施の形態の不織布製造装置３１０のコレクタ装置３２６は、ベルト状ではなく、基材シートＳの裏面Ｓｂと接触する、板状の電極部材３２４を有する。また、上述の実施の形態のベルト状電極部材と異なり、電極部材３２４は、固定された状態である。

上述の実施の形態のコレクタ装置はベルト状電極部材を駆動する駆動ローラ、ベルト状電極部材に電圧を印加するための金属ローラ、および電圧印加装置を有するが、本実施の形態のコレクタ装置３２６は、板状の電極部材３２４に電圧を印加する電圧印加装置３２６だけである。したがって、コレクタ装置の構造が簡素化される。

なお、本実施の形態の場合、固定された電極部材３２４に接触した状態で基材シートＳが搬送されるため、電極部材３２４と基材シートＳとの間に摩擦が生じる。その対策として、基材シートＳと接触する電極部材３２４の表面に、摩擦を低減する樹脂層を形成してもよい。この場合、電圧が印加された電極部材３２４によって樹脂層が誘電分極し、誘電分極した樹脂層によって基材シートＳが誘電分極される。

また、図４に示す第２の実施の形態においてファイバー堆積領域Ａ１と帯電領域Ａ２それぞれに別々のべルト状電極部材１２４，１２４’とが配置されるように、別々の板状の電極部材をファイバー堆積領域Ａ１と帯電領域Ａ２それぞれに配置してもよい。さらに、図５に示す第３の実施の形態においてファイバー堆積領域Ａ１のみにベルト状電極部材１２４が配置されるように、板状の電極部材３２４をファイバー堆積領域Ａ１のみに配置してもよい。

（実施の形態５）
上述の実施の形態の場合、不織布製造装置が基材シートＳを搬送する構成であるため、基材シートＳの搬送方向上流側で基材シートＳの表面Ｓａが帯電され、下流側でファイバーが基材シートＳの表面Ｓａに堆積される。これにより、ファイバーが基材シートＳに堆積する前に、基材シートＳが帯電され、電極部材と基材シートＳとが一様に密着される。

本実施の形態の不織布製造装置は、上述の実施の形態と異なり、基材シートＳを搬送せずに該基材シートＳにファイバーを堆積させる構成である。

図７に示すように、不織布製造装置４１０のイオン風発生装置４１８は、ノズル１４の下方の基材シートＳの表面Ｓａの部分にイオン風を送風するように構成されている。また、不織布製造装置４１０は、イオン風発生装置４１８によってイオン風を基材シートＳに一定時間送風し、その一定時間経過後（送風停止後）に、ノズル１４によるファイバー原料液の噴射を開始するように構成されている。これにより、基材シートＳが移動することなく電極部材４２４上に載置された状態であっても、電極部材４２４と基材シートＳとが密着した状態で、基材シートＳにファイバーを堆積させることができる。

以上の複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されない。

例えば、基材シートＳの表面Ｓに、電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートＳの表面Ｓａを帯電させる帯電装置は、コロナ放電式のイオン風発生装置に限らない。例えば、基材シートＳの表面Ｓａの上方の空気に向かって軟Ｘ線を照射し、その空気をイオン化することにより、基材シートＳの表面Ｓａにイオンを付着させる、軟Ｘ線照射式のイオン発生装置であってもよい。または、基材シートＳの表面Ｓａを摩擦帯電させてもよい。

また、例えば、上述の実施の形態の場合、ファイバー（原料液）は正極性に帯電されるが、負極性に帯電されてもよい。その場合、イオン発生装置は負極性のイオンを発生し、コレクタ装置の電極部材に正極性の電圧が印加されるまたはアースが接続される。

さらに、例えば、上述の実施の形態の場合、電圧が印加されたノズルからファイバー原料液を噴射することにより、ファイバー原料液を帯電させる構成であるが、本発明はこれに限らない。例えば、ノズルから噴射されたファイバー原料液を、高電圧が印加された一対の電極間を通過させることにより帯電させてもよい。

本発明は、上述の実施の形態のように、基材シートの裏面に接触する電極部材は、ベルト状や板状に限らない。電極部材が、基材シートとの間に気泡が発生しうる形状であれば、本発明は適用可能である。

１０ 不織布製造装置
１８ 帯電装置（イオン風発生装置）
２４ 電極部材
Ｓ 基材シート
Ｓａ 表面
Ｓｂ 裏面

Claims (6)

1. 電界紡糸によって生成されたファイバーを基材シートの表面に堆積させる不織布製造装置であって、
   基材シートの裏面と接触する電極部材と、
   ファイバーが基材シートに堆積する前に、電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートの表面を帯電させる帯電装置とを有する不織布製造装置。
2. 基材シートの裏面と電極部材の接触を維持しつつ、基材シートにファイバーが堆積されるファイバー堆積領域を通過するように、基材シートを搬送するシート搬送装置を有し、
   ファイバー堆積領域の基材シート搬送方向上流側に、帯電装置が基材シートの表面を帯電する帯電領域が設けられている、請求項１に記載の不織布製造装置。
3. 電極部材が、基材シート裏面と接触した状態で基材シート搬送方向に移動するベルト状である、請求項２に記載の不織布製造装置。
4. 電極部材が、ファイバー堆積領域に配置された第１の電極部材と、帯電領域に配置された第２の電極部材とからなる、請求項２または３に記載の不織布製造装置。
5. 帯電領域が、基材シート上方視で、基材シートの搬送方向上流側を頂点とするＶ字状または搬送方向上流側に凸の曲線状である、請求項２から４のいずれか一項に記載の不織布製造装置。
6. 電界紡糸によって生成されたファイバーを基材シートの表面に堆積させる不織布製造方法であって、
   基材シートの裏面と接触する電極部材に印加された電圧と逆極性に基材シートの表面を帯電させ、
   ファイバーを基材シートに堆積させる、不織布製造方法。

Images