JP5548672B2 - 静電界中でのポリマー母材の紡糸方法と紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明は、紡糸電極と集電極との間の紡糸空間に誘起された静電界中でポリマー母材を紡糸する方法に係り、この方法では、ポリマー母材が、母材貯溜槽から、紡糸電極の表面上の、または、紡糸電極の紡糸部材によって静電界中に給送される。

また、本発明は、集電極と、紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材との間に誘起された静電界中でのポリマー母材の静電紡糸によってナノファイバを製造するための装置に関するものである。

現在、ポリマー・ナノファイバは、液体状態の各種ポリマー溶液および溶融ポリマーの、通常は周囲温度で実行する静電紡糸によって製造される。或る場合（特に、溶融ポリマーの紡糸の場合）には、溶融ポリマーを常に維持して装置の幾つかの部品上での溶融ポリマーの凝固および固着（このことは、装置全体の生産高を次第に低下させるだろう）を回避するために、装置の幾つかの部品の温度を上昇させる必要がある。これら部品の温度を上昇させることは、幾つかの種類のポリマー溶液の紡糸にも有利である。というのは、温度が上昇すると、これら溶液の粘性が低下することによって静電紡糸プロセスの初期化および維持が支援され、また、幾つかの種類のポリマー溶液の場合、それらの紡糸を可能にするからである。

現在、そのような暖機は、とりわけ熱搬送媒体（例えば、熱風または熱油）によって実現されるが、これらの場合、熱伝達損失が大きく、また、熱搬送媒体を循環させる必要性が、静電紡糸装置の内部空間形状および装置構成部品の配置をかなり大きく制限する。熱搬送媒体の暖機および循環のための手段、および、オイルまたはその他の液体の場合にはその貯溜手段もが、これら装置の空間に対する要求のみでなく、その保守管理のための要求条件もかなり大きくなり、同時に、これらの装置の取得費用および運転費用もかなり増大する。別の欠点は、温度調節の精度、および温度調節の応答性が低いことである。

暖機の別の手法は、貯溜槽内のポリマー母材の誘導加熱である。この場合、誘導加熱板が貯溜槽の下部領域に配置される。しかしながら、この構成は、温度損失が比較的大きく、大きな空間を必要とする他、貯溜槽内のポリマー母材の温度変化が必要な時の応答性が低く、その温度設定が不正確であることを示す。

ＣＺ−ＰＶ−２００７−７２７ ＣＺ−ＰＶ−２００６−５４５ ＣＺ−ＰＶ−２００７−４８５ ＣＺ特許第２９４２７４号 ＥＰ−００２７７７７ ＫＲ−２００６００７１５３０

本発明の目的は、静電紡糸によるナノファイバ製造装置の幾つかの部品（特に、ポリマー母材に接する部品、すなわち紡糸電極の紡糸部材）の温度を、前記背景技術として知られている方法以外の効率的かつ簡単な構造を用いた方法によって、容易に調節可能で、一時的または恒久的に上昇させことを確実にすることである。

本発明は、幾つかの部品の温度を上昇させる前記方法を用いる、ポリマー母材の静電紡糸によってナノファイバを製造するための装置の提供をも目的とする。

本発明の目的は、紡糸電極と集電極との間の紡糸空間に誘起された静電界中でポリマー母材を紡糸する方法によって達成される。本方法では、ポリマー母材が、該ポリマー母材の貯溜槽から、紡糸電極の表面上の静電界中に、または、紡糸電極の紡糸部材によって静電界中に給送される。本方法の原理は、紡糸中、前記装置の幾つかの部品（特に、ポリマー母材に接する幾つかの部品、例えば、紡糸電極、または紡糸電極の紡糸部材および／または貯溜槽および／またはポリマー母材）の温度を、直接抵抗加熱によって周囲温度よりも高くすることにある。

前記部品の温度は、交流電圧を用いた直接抵抗加熱により有効に上昇せしめられる。該交流電圧は、温度を上昇させるべき部品に直接加えられ、同時に熱エネルギーに変換される。したがって、条件は前記部品の導電率である。

ナノファイバ製造装置の所望部品の温度を上昇させる別の方法は、特定の部品が、直流高電圧電源と、その電圧が数十ボルトまたは数百ボルトの値だけ異なる補助直流高電圧電源とに接続された時の、直流電圧による直接抵抗加熱であり、前記電圧の僅かな差が、所定部品に加えられた後に熱エネルギーに変換される。この方法は、直流高電圧電源が交流電圧電源よりも有利に利用可能である時に、特に自動車用に適用可能である。

例えば或る部品が非導電性であるために、交流電圧または各種値の２つの直流電圧を、この部品に直接加えることができない場合、交流電圧電源に接続された加熱エレメントを温度上昇させるべき部品の近傍に配置するという有利な間接抵抗加熱の変形形態がある。交流電圧が抵抗器で熱エネルギーに変換され、これが所望所要部品に伝達される。

また、本発明の目的は、集電極と、紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材との間に誘起された静電界中でのポリマー母材の静電紡糸を経てナノファイバを製造する装置によって達成された。その原理は、紡糸電極および／または紡糸電極の紡糸部材が、高電圧に対して絶縁された変圧器２次巻線に接続され、この変圧器の１次巻線が交流電圧電源に接続されることにある。かかる手法に基づく前記装置によって、温度上昇させるべき該装置の部品に対する交流電圧の伝達が保証され、同時に、交流電圧電源からの直流高電圧に対する部品の絶縁が保証される。

さらに、本発明の目的は、紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材が直流高電圧電源の１つの極に接続されている状態で、集電極と、紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材との間に誘起された静電界中でのポリマー母材の静電紡糸を経てナノファイバを製造する装置によって達成された。その原理は、紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材が補助直流電圧電源に接続されることにある。直流高電圧電源による電圧と補助直流高電圧電源による電圧との差が、所定部品に加えられた後に、熱エネルギーに変換される。

変圧器の１次巻線が交流電圧電源に接続された状態で、前記装置の幾つかの部品が交流電圧電源または補助直流電圧電源に接続され、また、高電圧に対して絶縁された変圧器２次巻線に接続された少なくとも１つの加熱抵抗器が静電界中にさらに配設された場合、特に溶融ポリマーの紡糸に有利である。したがって、直接抵抗加熱によって温度を上昇させることが不可能であるか、または直接抵抗加熱が構造的に複雑になりすぎる「静電界中に配置された部品」の間接抵抗加熱に、加熱抵抗器が有用である。

本発明によるポリマー母材の静電紡糸方法を実行するための装置の例が、添付図面に模式的に示されている。

ポリマー母材の静電紡糸方法を実行するための装置の紡糸室を通る断面図。 ポリマー母材の静電紡糸方法を実行するための装置の変形形態の紡糸室の断面図。

本発明、およびその原理を、図１、図２に模式的に示されたポリマー母材の静電紡糸装置の実施例について説明する。図面の判り易さ、および読み易さをよくするために、静電紡糸装置の幾つかの部品は、それらの実際の構造または寸法とは無関係にく、簡易化した方法でのみ示されているが、本発明の原理を理解するために必須ではなく、その構造または相互構成関係が各当業者にとって自明である幾つかの他の部品は全く示されていない。

図１に示されたポリマー母材の静電紡糸用装置は、紡糸室１を有し、紡糸室１の上部に、直流高電圧電源３の、紡糸室１の外部に配置された１つの極に接続された集電極２が配設されている。図示された集電極２は、金属板で形成されているが、技術的必要条件または空間的可能性による、図示されていない別例では、任意のその他の公知構成の集電極２（可能性としては幾つかの任意タイプの集電極２、またはそれらを組合せたもの）を使用してもよい。

集電極２の下に、図示例では、布地である非導電基板４が、図示されない手段によって運ばれる。動き方および物理的特性性質（例えば、導電性等）について、特殊タイプの基板４は、それにもかかわらず、まず第１に、使用される集電極２のタイプおよび生産技術次第であるが、図示されていない別例では、基板４として、例えば静電表面仕上げが施され、あるいは金属箔等などが付された布地等などの導電性材料も使用可能である。例えば、ＣＺ ＰＶ ２００７−７２７で知られている特殊タイプの集電極を使用する場合には、それとは逆に、基板４は全く使用されず、ポリマー母材の静電紡糸によって生成されたナノファイバは、集電極の表面に直接堆積せしめられる。

紡糸室１の下部には、ポリマー母材５１の貯溜槽５が配設されており、これは図示例では開放容器で形成され、また、ポリマー母材５１は液体状態のポリマー溶液である。本発明の原理による図示されていない例では、溶融ポリマーまたは適切な固体ポリマー母材５１も紡糸処理可能であり、これには、貯溜槽５および該貯溜槽内にポリマー母材５１を装入するための図示されない手段の構成上の変形形態も対応する。

貯溜槽５の近傍に、集電極２より高直流電圧の電源３の反対極に接続された、紡糸部材６を含む紡糸電極が配設されており、前記紡糸部材６は、塗布位置と紡糸位置との間で調節可能な間隔をもって変位可能である。塗布位置では、紡糸部材６またはその一部が集電極２から引き離されて、その上にポリマー母材５１が塗与され、紡糸位置では、紡糸部材６またはその一部が、塗与されたポリマー母材５１を伴って集電極２に近づけられ、ここで集電極２とともに静電紡糸電界を作ることによって、ポリマー母材５１が紡糸される。図１は、導電線で形成された紡糸部材６を示し、これは、塗布位置で、貯溜槽５内のポリマー母材５１の液面下に浸漬され、紡糸位置と塗布供給位置との間において、平面内で、両方向に可逆的に変位せしめられる。しかしながら、本発明の原理は、追加の変更を行なわずに紡糸電極の紡糸部材６のその他の公知構造にも適用可能であり、紡糸部材６は、例えばＣＺ−ＰＶ−２００６−５４５によれば、その紡糸位置と塗布位置との間で円形径路に沿って変位せしめられ、或いは、ＣＺ−ＰＶ−２００７−４８５によれば、その長手方向で変位せしめられる。

紡糸部材６は、直流高電圧電源３に加えて、高電圧に対して絶縁されている変圧器７の２次巻線７２に導電接続される。変圧器７の１次巻線７１は、レギュレータ８および過電圧保護器９を介して、例えば２３０Ｖの交流電圧の公共配電網である交流電圧電源１０に接続される。変圧器７は、数十キロボルトの電圧値を有する直流高電圧が供給される紡糸部材６に対して交流電圧電源１０をガルバニック分離するためのものであり、その機能原理により、１次巻線７１に供給される交流電圧を２次巻線７２に誘起される交流電圧に変換することを可能にするが、紡糸部材６から２次巻線７２に供給される直流高電圧を変換しない。１次巻線７１と２次巻線７２との巻数比および１次巻線７１に供給される電圧の値が、紡糸電極の紡糸部材６に供給される交流電圧の値を同時に決定し、その結果、交流低電圧電源１０として、ほぼ全ての要求交流電圧値が使用可能である（例：一定値を有する交流電圧の公共回線網で使用される交流低電圧電源１０と、適切な寸法の変圧器７）。

紡糸電極の紡糸部材６に供給される交流電圧の電気的入力は、電気抵抗に応じて変化し、例えば式Ｐ＝ＵＩ＝ＲＩ^２＝Ｕ^２／Ｒに従っていわゆるジュールレンツ熱になり、紡糸部材６の温度を上昇させる。

次いで、紡糸部材６の所望温度は、電源１０から変圧器７の１次巻線７１に供給される交流電圧の値をレギュレータ８が調節することによって簡単に調節でき、したがって２次巻線７２上に誘起される交流電流の値も適切に調節できる。図示されていない例において、レギュレータ８に首尾よくフィードバックを加え、これによって、紡糸部材６の所望温度を、より正確かつ迅速に達成すること、および長期間一定値に維持することが可能になる。過電圧保護器９は、交流電圧電源１０の出力の階段状変化に対して、変圧器７および紡糸電極の紡糸部材６を保護する。別の保護要素は、変圧器７の鉄心の接地である。

紡糸電極の紡糸部材６の温度上昇は、とりわけ溶融ポリマーから成るポリマー母材５１の紡糸に有利である。理由は、貯溜槽５内の溶融物または紡糸部材６に塗布される溶融物５１を、その紡糸に必要な時間に亘って液体状態に維持することが、温度上昇によって支援され、もって、ポリマー母材５１の静電紡糸に対する利用適用可能性、および静電紡糸効率が向上するからである。次に、紡糸部材６の温度の適切な選択で、固体ポリマー母材５１を紡糸できるが、その量のほんの一部だけが紡糸部材６と接触して液体状態になり、同時に紡糸部材６の表面にくっついて、結果的に紡糸される。これによって、溶融ポリマーの全量を液体状態に維持する上で生じる熱損失が制限され、同時に貯溜槽５内の溶融物の好ましくない凝固に関する問題が除去される。

これとは逆の更に別の例では、本発明の原理が、貯溜槽５の温度を上昇させること、および／またはポリマー母材５１の温度を直接上昇させて、装置の全作動サイクルを通じて液体状態に維持することのためにも用いることができる。

或る種類のポリマー溶液を、紡糸する際に温度上昇させると、それらの粘性が低下して静電紡糸プロセスの開始が容易になる。したがって、温度を上昇させると、装置全体の出力向上に繋がるばかりでなく、現在まで困難性はあるが紡糸可能であったポリマー溶液、または、紡糸が全く不可能であったポリマー溶液のより容易な紡糸が可能になるので、紡糸可能な溶液のプラットフォームが拡大する。

図２は、補助直流高電圧電源１１から紡糸電極の紡糸部材６に直流高電圧が供給された時、その温度上昇を可能にする電気的結合のさらなる可能性を示す。この電圧値は、直流高電圧電源３から紡糸部材に供給される電圧値とは僅かに異なるが、これらの電圧値の差は、紡糸部材６に供給された後に数十ボルトまたは数百ボルトで示される熱出力に変化し、したがって、紡糸部材６の温度が上昇する。次いで、紡糸部材６の温度は、補助直流高電圧電源１１の出力のレギュレータ１２によって制御される。図示されていない例では、レギュレータ１２が、好適には、フィードバックを付与される。

ポリマー母材５が導電性であるために、補助電源１１からの直流高電圧が、ポリマー母材５の温度を上昇させるためにも直接利用可能であり、また、導電性貯溜槽５１を用いる場合には、温度を直接上昇させるためにも利用可能であり、このことが前記利点を支援、増大させる。

図示されないその他の例において、例えば、紡糸電極の紡糸部材６が非導電性材料で形成されている時、その温度を上昇させるために、交流電流による間接加熱が有利である。そのような場合には、紡糸電極の各紡糸部材６の近傍に、または、紡糸プロセスの間、紡糸部材６が移動する場合に少なくともその径路の一部に、１つまたは必要に応じてより多くの加熱抵抗器を配設し、これらを前記変圧器７の利用に際して交流電圧電源１０に接続する。交流電流は、加熱抵抗器でジュールレンツ熱に直接変換され、これが紡糸部材６に伝達される。同じ間接加熱法を、貯溜槽５および／またはその内部のポリマー母材５１の加熱にも利用できる。

間接抵抗加熱は勿論のこと直接抵抗加熱も、ナノファイバ製造用装置の前記変形形態の次に、その他の既知の広くに使われている装置（原則として、紡糸電極２の種類および構造にかかわらず）でも利用できる。本発明の原理は、例えば、チェコ共和国特許第２９４２７４号で知られている小型本体で形成された紡糸電極、または、毛細管（ノズル）または一群の毛細管（ノズル）で形成された紡糸電極を加熱するために、集電極２、および紡糸電極または紡糸電極の紡糸部材６に対する各種構成の直流電圧極性でも利用できる。間接加熱または直流電圧による加熱は、紡糸電極またはその紡糸部材６を接地した状態でも、集電極２に供給される電圧の極性にかかわらず利用できる。

１ 紡糸室
２ 集電極
３ 直流高電圧電源
４ 基板
５ 貯溜槽
５１ ポリマー母材
６ 紡糸部材
７ 変圧器
７１ 変圧器１次巻線
７２ 変圧器２次巻線
８ レギュレータ
９ 過電圧保護器
１０ 交流電圧電源
１１ 補助直流高電圧電源
１２ レギュレータ

Claims (7)

1. 紡糸電極の紡糸部材（６）と集電極（２）との間の紡糸空間内に誘起された静電界中でポリマー母材（５１）を紡糸する方法であって、
   前記紡糸部材（６）が、高電圧電源の１つの極に接続されて紡糸位置にあり、
   前記集電極（２）が、前記高電圧電源の第２の極に接続され、
   前記紡糸空間で、前記ポリマー母材（５１）が、該ポリマー母材（５１）の貯溜槽（５）から、前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）の表面上の紡糸用の前記静電界中に給送されるポリマー母材の紡糸方法において、
   前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）の温度が、高電圧に対して絶縁された変圧器（７）で、その１次巻線（７１）が交流低電圧電源（１０）に接続される変圧器（７）の２次巻線（７２）から供給される交流電圧による前記紡糸部材（６）の直接抵抗加熱によって周囲温度を超えて上昇せしめられることを特徴とするポリマー母材の紡糸方法。
2. ポリマー母材（５１）および／またはポリマー母材（５１）の貯溜槽（５）の温度が、高電圧に対して絶縁された変圧器（７）で、その１次巻線（７１）が交流低電圧電源（１０）に接続される変圧器（７）の２次巻線（７２）から供給される交流電圧による直接抵抗加熱によって同時に上昇せしめられることを特徴とする請求項１に記載されたポリマー母材の紡糸方法。
3. 紡糸電極の紡糸部材（６）と集電極（２）との間の紡糸空間内に誘起された静電界中でポリマー母材（５１）を紡糸する方法であって、
   前記紡糸部材（６）が、高電圧電源の１つの極に接続されて紡糸位置にあり、
   前記集電極（２）が、前記高電圧電源の第２の極に接続され、
   前記紡糸空間で、前記ポリマー母材（５１）が、該ポリマー母材（５１）の貯溜槽（５）から、前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）の表面上の紡糸用の前記静電界中に給送される前記ポリマー母材の紡糸方法において、
   前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）の温度が、補助直流電圧電源（１１）からの補助直流高電圧による前記紡糸部材（６）の直接抵抗加熱によって周囲温度を超えて上昇せしめられ、前記補助電源（１１）からの前記補助直流高電圧の値が、前記高電圧電源（３）から前記紡糸部材（６）に供給される高電圧の値とは異なることを特徴とするポリマー母材の紡糸方法。
4. 紡糸電極の紡糸部材（６）と集電極（２）との間に誘起された静電界中でポリマー母材（５１）の静電紡糸によってナノファイバを製造する装置であって、
   前記紡糸部材（６）が、高電圧電源（３）の１つの極に接続されて紡糸位置にあり、
   前記集電極（２）が、前記高電圧電源（３）の第２の極に接続されている前記装置において、
   前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）が、高電圧に対して絶縁された変圧器（７）の２次巻線（７２）に同時に接続され、前記変圧器（７）の１次巻線（７１）が交流電圧電源（１０）に接続されていることを特徴とするポリマー母材の静電紡糸によるナノファイバの製造装置。
5. 前記変圧器（７）が、過電圧保護器（８）およびレギュレータ（９）を介して前記交流電圧電源（１０）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載されたポリマー母材の静電紡糸によるナノファイバの製造装置。
6. 紡糸電極の紡糸部材（６）と集電極（２）との間に誘起された静電界中でポリマー母材（５１）の静電紡糸によってナノファイバを製造する装置であって、
   前記紡糸部材（６）が、高電圧電源（３）の１つの極に接続されて紡糸位置にあり、
   前記集電極（２）が、前記高電圧電源（３）の第２の極に接続されている前記装置において、
   前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）が、補助直流高電圧電源（１１）に同時に接続され、前記電源（１１）からの補助高電圧の値が高電圧電源（３）から前記紡糸部材（６）に供給される高電圧の値とは異なることを特徴とするポリマー母材の静電紡糸によるナノファイバの製造装置。
7. 前記紡糸電極の前記紡糸部材（６）が導電線で形成されていることを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載されたポリマー母材の静電紡糸によるナノファイバの製造装置。
   

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