JP5804344B2 - 繊維マットの製造方法、及び、繊維マット - Google Patents
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Description
ナノ繊維を製造する方法としては、例えば、高分子溶液又は高分子融液に高電圧を作用させて繊維を形成する静電紡糸法が提案されている。
また、溶融型静電紡糸法は、溶媒がいらないので原料樹脂の選択の自由度が高い利点も有する。
そして、本発明者らは、更に検討を重ね、構成繊維の繊維径が細く、生産性に優れた繊維マットの製造方法を完成した。
なお、本明細書においては、熱可塑性樹脂からなる繊維を熱可塑性繊維と称する。
本発明の繊維マットの製造方法は、その出発材料として、少なくとも2種類の熱可塑性樹脂材料からなるシート状物を使用しているため、紡糸と同時に繊維マットを製造することができ、棒状の出発材料を使用する場合に比べて格段に生産性に優れる。
また、溶媒を使用することなく、繊維マットを製造することも可能であるため、安全性にも優れる。
本発明の繊維マットでは、特に、汎用溶媒に不溶な熱可塑性樹脂をその材料として選択することにより、耐溶剤性に極めて優れた繊維マットとなる。
本発明の繊維マットの製造方法では、少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなるシート状物の端部にレーザー光を照射して上記シート状物の端部を線状に加熱溶融させるとともに、上記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクターとの間に電位差を設けることにより、繊維を上記金属コレクター方向に飛翔させて形成する。
図1は、本発明の繊維マットの製造方法の一例を模式的に示す概略図である。
その結果、レーザー光の照射により、シート状物17の端部17aが加熱溶融されるとともに、この加熱溶融した部分に電荷が付与されることとなる。そして、電荷が付与された加熱溶融部には、その表面に電荷が集まり反発することによって、次第に複数の針状突出部(以下、テーラーコーンともいう)が形成され、電荷の反発力が表面張力を超えると、溶融した熱可塑性樹脂は、テーラーコーン先端から静電引力により金属コレクター29に向かって繊維として吐出され、即ち、針状突出部から繊維が形成され、金属コレクター29方向に飛翔する。その結果、伸長した繊維は金属コレクター29上に位置し、経時的に移動する捕集部材19で捕集される。
ここで、金属コレクター29と捕集部材19とは別の部材で構成されているが、両者は一体化された一つの部材で構成されていてもよく、例えば、金属コレクター29が移動可能に構成され、捕集部材としても機能するようになっていてもよい。
その形状は特に限定されないが、板状、ローラー状、ベルト状、ネット状、鋸状、波状、針状、線状などが挙げられる。
上記シート状物を連続的に送り出す場合、その供給速度は特に限定されないが、通常、0.01〜150.0mm/min程度であり、好ましくは0.05〜100.0mm/min、さらに好ましくは0.1〜60.0mm/minである。速度を速くすれば生産性が高まるが、速すぎると、レーザー光照射部近傍での熱可塑性樹脂が充分溶融しないので繊維が紡糸されにくい。一方、速度が遅いと、熱可塑性樹脂が分解したり、生産性が低くなることがある。
ただし、本発明の繊維マットの製造方法において、捕集部材はシート状物の端部に対して相対的に移動すれば良いため、必ずしも、捕集部材自身を移動させる必要はなく、例えば、シート状物の保持位置を移動させて良い。また、捕集部材がシート状物の端部に対して相対的する態様には、テーラーコーンから捕集部材に向かって飛翔中の繊維に、力学的、磁力的又は電気的な力を作用させることで捕集位置を移動させる態様、例えば、飛翔中の繊維にエアーを吹き付ける態様も含む。
もちろん、これらの捕集部材をシート状物の端部に対して相対的に移動させる態様は、組合せて使用してもよい。
また、捕集部材が移動させる場合、その移動速度は、一定であってもよいし、経時的に変化してもよく、さらには、移動と停止とを繰り返してもよい。
上記捕集部材の移動速度は特に限定されず、製造する繊維シートの目付等を考慮して適宜決定すればよい。
例えば、目付100g/m2のシート状物の供給速度が0.5mm/minである場合、捕集部材の移動速度を100mm/min程度に設定することにより、目付0.5g/m2程度の繊維マットを連続的に製造することができる。
図2は、加熱溶融部に形成されたテーラーコーンの写真である。
図2に示すように、電圧を印加した状態のシート状物31の端部を走査するようにレーザー光を照射すると、シート状物31の端部に線状の加熱溶融部32が形成され、さらに、加熱溶融部32の先端に波状の摂動(メニスカス不安定現象)が発生し、この摂動(メニスカス)が発達してテーラーコーン33が形成され、電荷の反発力が表面張力を超えると、テーラーコーンから金属コレクター側(図中、下側)に向かって繊維が吐出される。
図2に示した写真中の目盛りは、テーラーコーン間隔を測定するために取り付けたものである。
そして、上記シート状物の厚さを適宜変更することにより、テーラーコーンの数(テーラーコーンの間隔)を調整することができるのである。具体的には、シート状物の厚さが厚いほど、テーラーコーンの数が少なく(テーラーコーンの間隔が大きく)なる傾向にある。
この理由は定かではないが、シート状物の厚さが厚くなると、シート状物の端部における溶融体の体積が増加することとなり、その結果、テーラーコーンがよく発達し、各テーラーコーン間の静電反発が大きくなるため、テーラーコーンの間隔が大きくなると考えられる。
なお、テーラーコーンが発達するとは、テーラーコーンの高さ(図2中、h)が大きくなることを意味する。
また、その形状は、特に限定されず、例えば、フィルム、プレート、ボード等が挙げられる。
上記(1)のシートは、熱可塑性樹脂の組合せの選択の自由度が極めて高いとの利点を有す。即ち、各熱可塑性樹脂成分の融点が大きく異なり、混練によりフィルムとして成形することが困難である場合であっても、繊維集合体であれば、容易にシート状物を作製することができるからである。
上記(2)のシートは、少なくとも2種類の熱可塑性樹脂が小粒子状でシート状物中に存在するので、より細い繊維マットを形成することができる、との利点を有する。
上記(3)のシートは、少なくとも1種類の別の熱可塑性樹脂が繊維化しにくい熱可塑性樹脂であっても容易に2種類の熱可塑性樹脂を複合でき、また融点の大きく異なる熱可塑性樹脂を容易に複合できる、との利点を有する。
ポリエチレングリコールやエチレン−ビニルアルコール共重合体系樹脂、ポリアミド系樹脂と組合せることにより、テーラーコーンの形成しにくい樹脂、例えば、ポリプロピレン等であっても確実に繊維化することができるからである。
生分解性プラスチックやエンジニアリングプラスチックは、これらを溶解させる溶媒の種類が少なく、また、そのような溶媒は、高価で、取り扱いに注意を要するものが多いため、溶媒を必要としていない本発明の繊維マットの製造方法に適している。
即ち、シート状物に高電圧を印加して電荷を注入する際、熱可塑性樹脂からなるシート状物は電気絶縁性が高く、電気抵抗の低くなる熱溶融部までに電荷を注入しにくい。しかし、熱可塑性樹脂の繊維からなる繊維集合体は、電気絶縁性の大きい繊維の表面に界面活性剤などを付与することでシート状物の電気抵抗が低下し、熱溶融部まで十分に電荷を注入できる。また、界面活性剤などの付与は、シート状物に高電圧を印加して電荷を注入する際、シートが複数成分で構成されている場合の相分離に有効である。
また、加熱溶融部の温度は、熱可塑性樹脂の融点以上で、発火点以下の温度であれば特に限定されないが、通常100〜600℃程度であり、好ましくは200〜400℃である。
走査速度が30m/s未満では、シート状物の端部全体を同時に加熱溶融することができないことがあるからである。
また、上記不活性ガスの使用により、加熱溶融部における酸化反応を抑制することができる。
加熱方法としては、例えば、ヒーター(ハロゲンヒーター等)を用いた方法や、レーザー光を照射する方法等が挙げられる。加熱温度は、熱可塑性樹脂の融点に応じて、例えば、50℃以上の温度から熱可塑性樹脂の発火点未満までの温度範囲から選択できるが、紡糸性の点から、熱可塑性樹脂の融点未満の温度が好ましい。
このような工程を行うことにより、繊維マットを構成する各繊維の繊維径をより極細化することができる。
また、本工程を行うことにより、繊維マットを構成する各繊維の表面積を増大させることができるため、本工程を経て製造された繊維マットは、気体・液体用各種高性能フィルターとして特に好適に使用することができる。
例えば、除去する熱可塑性樹脂成分が、ポリエチレングリコールではあれば温水を含む水やジメチルスルホキシドを選択すればよく、ナイロン6、ナイロン6/12、ナイロン12等の脂肪族ポリアミド系樹脂であれば蟻酸を選択すればよい。
即ち、レーザー光源と、熱可塑性シート状物の端部を走査するようにレーザー光を照射できるレーザー光走査部材と、上記シート状物をレーザー照射部に供給する装置と、繊維を捕集する捕集部材と、レーザー光により溶融したシート状物と金属コレクター間に高電圧を印加できる一対の電極と、高電圧印加できる電源と、を備える装置を用いることができる。
図3に示すように、製造装置100は、レーザー光源111と、レーザー光走査部材115と、シート状物117を連続的に送り出せるシート状物供給装置108と、シート状物117を保持する保持部材118、シート状物117に電荷を付与する電極128、繊維を捕集するための捕集部材119、電極128とシート状物117の端部117a及び捕集部材119を介して対向配置された金属コレクター129、及び、加熱装置121が配設された筐体101と、電極128、金属コレクター129のそれぞれに電圧を印加する電源120a、120bと、捕集部材119を移動させるためのプーリー109とを備えている。
筐体101の上部には、モータとモータの回転運動を直線運動に変換する機構とを備えたシート状物供給装置108が取り付けられており、シート状物117は、このシート状物供給装置108に取り付けられ、連続的に筐体101内へ送り出されることとなる。
一方、シート状物117の他端近傍は、スリット部118aを備え、スリット部118aに電極128が取り付けられた保持部材118により保持されている。ここで、シート状物117は、スリット部118aに挿入されて保持されている。また、スリット部118aに挿入されたシート状物117と電極128とは常に接触しているため、電極128に電圧が印加されると、シート状物117に電荷が付与されることとなる。
捕集部材119は、プーリー109とコンベアベルトとからなるベルトコンベアであり、コンベアベルト自体が、捕集部材119に相当する。そのため、プーリー109の駆動に伴って、捕集部材119(コンベアベルト)は所定の方向(例えば、図中、右方向)に移動する。
そして、シート状物117を連続的に供給しつつ(連続的に繊維を吐出させつつ)、捕集部材119を移動させることにより、捕集部材119上に繊維マットを製造することができるのである。
そして、本発明の繊維マットの製造方法を行うことにより、繊維や繊維マットを高い生産性で作製することができる。
なお、本発明の繊維マットの製造方法で製造した繊維マットもまた、本発明の1つである。
さらに、上記繊維マットの目付も、用途に応じて選択でき、通常、0.001〜100g/m2程度であり、好ましくは0.05〜50g/m2、さらに好ましくは0.1〜10g/m2程度である。
下記PP(ポリプロピレン)繊維に下記PEG(ポリエチレングリコール)を複合したシート状物1、及び、下記PP繊維のみからなるシート状物2のそれぞれを下記の方法により作製した。
PP繊維:クラレ社製、メルトブローン不織布(目付40g/m2)
PEG:和光純薬工業社製、ポリエチレングリコール(Mw70000)
また、PP繊維のみをシート状物1と同様の条件でメルトプレスし、厚さ0.2mm、幅150mm、目付40g/m2のシート状物2を作製した。
図3に示した製造装置100のレーザー光源111として、CO2レーザー(Universal Laser Systems社製、UL−50、波長10.6μm、出力定格50W、空冷型、ビーム径5mm)を使用した。レーザー光走査部材115として、Auコートミラー12Aと、Cuコートミラー12Bと、倍率0.4倍のビームエキスパンダー(住友電工ハードメタル社製、BX38.1−25.4−2.0)と、ポリゴンミラー(レーザックス社製、15面体、外接円径40mm)とをこの順で所定の位置に配置したものを使用した。
このとき、電極128の下端と捕集部材119の上面との距離は10cmとし、電極128及び金属コレクター129の間の電位差は40kVとした。また、シート状物1の供給速度は、20mm/min、捕集部材の移動速度は、120cm/sとした。
これにより、PP/PEG繊維からなる複合繊維マットを製造した。
なお、本発明で製造する繊維マットについて、繊維マットを構成する繊維が2種類以上の熱可塑性樹脂からなる場合、その繊維マットは、複合繊維マットとも称する。
即ち、PP/PEG繊維からなる複合繊維マットを50℃の温水中で24時間攪拌し、その後、吸引ろ過による繊維マットとろ液の分離により、PEGを除去した。
シート状物1に代えてシート状物2を用いた以外は、実施例1と同様にしてPP繊維からなる繊維マットを製造した。
走査型電子顕微鏡(キーエンス社製、VE−9800)を用いて比較例1のPP繊維からなる繊維マット(×2000)、実施例1におけるPEGを除去する前の複合繊維マット(×2000)、及び、実施例1のPEGを除去した後の繊維マット(×2000、×5000)を観察した。なお、電子顕微鏡観察に先立ち、前処理として、イオンコータ(サンユー電子社製、SC−701)を用いて、繊維に金を蒸着した。
図5−1は、実施例1で製造したPEGを除去する前の複合繊維マットの観察画像(×2000)である。
図5−2は、実施例1で製造したPEGを除去する前の複合繊維マットの観察画像(×5000)である。
図6−1は、実施例1で製造したPEGを除去した後の繊維マットの異なる2箇所の観察画像(×2000)である。
図6−2は、実施例1で製造したPEGを除去した後の繊維マットの異なる2箇所の観察画像(×5000)である。
図4、図5−1及び図6−1の比較から、PP不織布にPEGを散布複合したシート状物(シート状物1)を用いることにより、PP繊維のみからなるシート状物(シート状物2)を用いる場合に比べて繊維マットを構成する繊維を極細化でき、また、PEGを除去することにより、繊維マットを構成する繊維を更に極細化できることが明らかとなった。
実施例1で製造した繊維マット(PEGを除去した後の繊維マット)を上述した方法で撮影した複数枚のSEM画像から合計50本の繊維を選び、各繊維の繊維径をアドビシステムズ社製、Adobe Photoshop CS3 Extended を用いて測定し、その平均及び標準偏差を求めた。
その結果、平均繊維径が0.89μm、標準偏差が0.82μmであった。
また、実施例1におけるPEGを除去する前の複合繊維マット、及び、比較例1で製造したPP繊維からなる繊維マットについても、同様に、平均繊維径及び標準偏差を測定した。
その結果、実施例1におけるPEGを除去する前の複合繊維マットは、平均繊維径が2.12μm、標準偏差が0.67μmであり、比較例1で製造したPP繊維からなる繊維マットは、平均繊維径が5.09μm、標準偏差が2.11μmであった。
PermPolometer(PMI社製)を用いて、完成した繊維マットの平均細孔径と細孔径の分布とを測定した。
平均細孔径は、14.8μmであった。また、細孔径分布の測定結果は、図7に示した。
捕集部材の移動速度を、60cm/sとした以外は、実施例1と同様にして、PP繊維からなる、目付1.0g/m2の繊維マットを製造した。
この繊維マットについて、実施例1と同様にして平均細孔径と細孔径の分布とを測定したところ、平均細孔径は、12.7μmであった。また、細孔径分布の測定結果は、図7に示した。
捕集部材の移動速度を、330cm/sとした以外は、実施例1と同様にして、PP繊維からなる、目付2.0g/m2の繊維マットを製造した。
この繊維マットについて、実施例1と同様にして平均細孔径と細孔径の分布とを測定したところ、平均細孔径は、10.2μmであった。また、細孔径分布の測定結果は、図7に示した。
下記の方法でシート状物3及びシート状物4を作製した。
下記PP(ポリプロピレン)と下記PEG(ポリエチレングリコール)を混合したシート状物3、及び、下記PPのみからなるシート状物4のそれぞれを下記の方法により作製した。
PP:チッソ社製、ポリプロピレン(メルトフローレート1500dg/min)
PEG:アルドリッチ社製、ポリエチレングリコール(Mw100000)
また、PPのみをシート状物3と同様の条件で溶融混練及びメルトプレスし、厚さ0.4mm、目付200g/m2のシート状物4を作製した。
シート状物3を使用し、電極128及び金属コレクター129の間の電位差は35kVとした以外は、実施例1と同様にして、PP/PEG繊維からなる目付1g/m2の複合繊維マットを製造した。
即ち、PP/PEG繊維からなる複合繊維マットを50℃のジメチルスルホキシド中で12時間攪拌し、その後、吸引ろ過による繊維マットとろ液の分離により、PEGを除去した。
シート状物3に代えてシート状物4を用いた以外は、実施例1と同様にしてPP繊維からなる目付1g/m2の繊維マットを製造した。
図9は、実施例4で製造したPEGを除去する前の複合繊維マットの異なる2箇所の観察画像(×2000)である。
図10−1は、実施例4で製造したPEGを除去した後の繊維マットの異なる2箇所の観察画像(×2000)である。
図10−2は、実施例4で製造したPEGを除去した後の繊維マットの異なる2箇所の観察画像(×5000)である。
図8、図9及び図10−1の比較から、PPとPEGとの溶融混練により作製したシート状(シート状3)を用いることにより、PPのみの溶融混練により作製したシート状(シート状4)を用いる場合に比べて繊維マットを構成する繊維を極細化でき、また、PEGを除去することにより、繊維マットを構成する繊維を更に極細化できることが明らかとなった。
実施例4で製造した繊維マット(PEGを除去した後の繊維マット)について、実施例1と同様にして平均繊維径及び標準偏差を求めた。
その結果、平均繊維径が0.65μm、標準偏差が0.45μmであった。
また、実施例4におけるPEGを除去する前の繊維マット、及び、比較例2で製造したPP繊維からなる繊維マットについても、同様に、平均繊維径及び標準偏差を測定した。
その結果、実施例4におけるPEGを除去する前の複合繊維マットは、平均繊維径が2.18μm、標準偏差が1.76μmであり、比較例2で製造したPP繊維からなる繊維マットは、平均繊維径が14.37μm、標準偏差が6.92μmであった。
下記の方法でシート状物5を作製した。
下記PP(ポリプロピレン)繊維と下記Nylon(ナイロン)繊維を混合したシート状物を作製した。
PP繊維:ダイワボウ社製、ポリプロピレン(3D×76mm)
Nylon繊維:ユニチカ社製、ナイロン(3D×76mm)
シート状物5を使用し、シート状物の供給速度を1mm/minとした以外は、実施例1と同様にして、PP/Nylon繊維からなる、目付0.2g/m2の複合繊維マットを製造した。
実施例5で製造した複合繊維マットについて、実施例1と同様にして平均繊維径及び標準偏差を求めた。
その結果、平均繊維径が0.53μm、標準偏差が0.10μmであった。
また、少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなる複合繊維マットから、少なくとも1種類の熱可塑性樹脂成分を溶媒により除去することで、より極細な繊維(ナノメータオーダーの繊維径)からなる繊維マットを製造することができることも明らかとなった。
15 レーザー光走査手段
17、117 シート状物
18、118 保持部材
19、119 捕集部材
20、120a、120b 電源
29、129 金属コレクター
115 レーザー光走査部材
121 加熱装置
128 電極
Claims (6)
- 少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなるシート状物の端部を走査するようにレーザー光を照射して前記シート状物の端部を線状に加熱溶融させるとともに、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクターとの間に電位差を設けることにより、繊維を前記金属コレクター方向に飛翔させ、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクター間に介在させた捕集部材上に捕集することを特徴とする繊維マットの製造方法。
- 前記シート状物は、少なくとも2種類の熱可塑性繊維からなる繊維集合体から作製されたシートである請求項1に記載の繊維マットの製造方法。
- 前記シート状物は、少なくとも2種類の熱可塑性樹脂から作製されたシートである請求項1に記載の繊維マットの製造方法。
- 少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなるシート状物の端部にレーザー光を照射して前記シート状物の端部を線状に加熱溶融させるとともに、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクターとの間に電位差を設けることにより、繊維を前記金属コレクター方向に飛翔させ、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクター間に介在させた捕集部材上に捕集することを特徴とする繊維マットの製造方法であって、
前記シート状物は、少なくとも1種類の熱可塑性繊維と、少なくとも1種類の熱可塑性樹脂とから作製されたシートである繊維マットの製造方法。 - 少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなるシート状物の端部にレーザー光を照射して前記シート状物の端部を線状に加熱溶融させるとともに、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクターとの間に電位差を設けることにより、繊維を前記金属コレクター方向に飛翔させ、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクター間に介在させた捕集部材上に捕集することを特徴とする繊維マットの製造方法であって、
前記捕集部材上で繊維を捕集した後、前記繊維を構成する熱可塑性樹脂成分のうち少なくとも1種類を溶媒により除去する繊維マットの製造方法。 - 少なくとも2種類の熱可塑性樹脂からなるシート状物の端部にレーザー光を照射して前記シート状物の端部を線状に加熱溶融させるとともに、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクターとの間に電位差を設けることにより、繊維を前記金属コレクター方向に飛翔させ、前記シート状物の加熱溶融した部分と金属コレクター間に介在させた捕集部材上に捕集することを特徴とする繊維マットの製造方法により製造された繊維マット。
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