JP6378229B2 - ノズルヘッド、および電界紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ノズルヘッド、および電界紡糸装置に関する。

エレクトロスピニング法（電界紡糸法、電荷誘導紡糸法などとも称される）により、微細なファイバを部材の表面に堆積させる電界紡糸装置がある。
電界紡糸装置には、原料液を排出するノズルが設けられている。この場合、ノズルの数を増やせば生産性を向上させることができる。そのため、複数の針状ノズルを備えたニードル型ノズルヘッドが提案されている。

針状を呈するノズルは、ノズルの先端において電界集中が生じ易いので、電界強度を高めることができる。そのため、ニードル型ノズルヘッドとすれば、駆動電圧を低くすることができる。
しかしながら、複数のノズルを設けると、ノズル同士の間の電場干渉により、ノズルの先端の電界強度が揃わなくなるという問題がある。ノズルの先端の電界強度が揃っていないと、ファイバの形成が不安定になる。
そこで、ノズルの先端の電界強度を揃えることができる技術の開発が望まれていた。

特許第３５２５３８２号公報

本発明が解決しようとする課題は、ノズルの先端の電界強度を揃えることができるノズルヘッド、および電界紡糸装置を提供することである。

実施形態に係るノズルヘッドは、原料液が収納される空間を内部に有する本体部と、導電性を有し、前記本体部と接続され、前記本体部の内部に収納された前記原料液を排出する複数のノズルと、を備えている。
前記複数のノズルのうちの少なくとも１つは、前記ノズルが延びる方向に直交する方向における外形寸法が異なる。

本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。 複数のノズル２０の先端の電界強度を例示するためのグラフ図である。 ノズル２０の外形寸法Ｄと、ノズル２０の先端の電界強度との関係を例示するためのグラフ図である。 ノズル２０の外形寸法Ｄを変化させた場合における複数のノズル２０の先端の電界強度を例示するためのグラフ図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。
図１に示すように、電界紡糸装置１には、ノズルヘッド２、原料液供給部３、電源４、収集部５、および制御部６が設けられている。

ノズルヘッド２は、ノズル２０、接続部２１、および本体部２２を有する。
ノズル２０は、所定の間隔を空けて複数設けられている。ノズル２０の数には特に限定がなく、収集体５１の大きさなどに応じて適宜変更することができる。

ノズル２０は、針状を呈している。ノズル２０の内部には、原料液を排出するための孔が設けられている。原料液を排出するための孔は、ノズル２０の接続部２１側の端部と、ノズル２０の原料液が排出される側の端部（先端）との間を貫通している。ノズル２０の内部に設けられた孔の、原料液が排出される側の開口が排出口２０ａとなる。

ここで、複数のノズル２０を設けると、ノズル２０同士の間の電場干渉により、ノズル２０の先端の電界強度が揃わなくなる。
図２は、複数のノズル２０の先端の電界強度を例示するためのグラフ図である。
ノズル２０の数は８としている。中央に設けられたノズル２０の番号を「１」とし、左側に設けられたノズル２０の番号を３、５、７とし、右側に設けられたノズル２０の番号を２、４、６、８としている。また、図２に例示をしたものの場合は、電界強度の分布が、ノズルヘッドの中心に対して線対称となるので、左側に設けられたノズル２０のみ（奇数番号のノズル２０のみ）を表している。

また、ノズル２０のピッチ寸法（間隔）は１５ｍｍとしている。ノズル２０の外形寸法Ｄは、全て０．９ｍｍとしている。

図２から分かるように、複数のノズル２０を設けると、ノズル２０の先端の電界強度が揃わなくなる。ノズル２０の先端の電界強度が揃っていないと、ファイバ１００の形成が不安定になる。例えば、端部側に設けられたノズル２０（ノズル番号が７のノズル２０）において適切なファイバ１００が形成されるように印加電圧を設定すると、中央側に設けられたノズル２０（ノズル番号が１のノズル２０）においてファイバ１００が形成されず液滴状の原料液が滴下するおそれがある。

本発明者の得た知見によれば、ノズル２０が延びる方向に直交する方向におけるノズル２０の外形寸法Ｄ（ノズル２０が円筒状の場合には外径寸法）により、ノズル２０の先端の電界強度を制御することができる。
図３は、ノズル２０の外形寸法Ｄと、ノズル２０の先端の電界強度との関係を例示するためのグラフ図である。
図３は、一本のノズル２０における電界強度を示すものである。
図３から分かるように、ノズル２０の外形寸法Ｄを変化させれば、ノズル２０の先端の電界強度を変化させることができる。
例えば、ノズル２０の外形寸法Ｄを長くすれば、ノズル２０の先端の電界強度を低下させることができる。
そのため、図２に例示をしたような電界強度の分布に応じてノズル２０の外形寸法Ｄを変化させれば、ノズル２０の先端の電界強度を揃えることができる。

図４は、ノズル２０の外形寸法Ｄを変化させた場合における複数のノズル２０の先端の電界強度を例示するためのグラフ図である。
なお、ノズル２０の配置などは、図２の場合と同じである。
図２の場合と同様に、ノズル番号が１、３のノズル２０の外形寸法Ｄは０．９ｍｍとしている。
そして、ノズル番号が５のノズル２０の外形寸法Ｄは１．０ｍｍとし、ノズル番号が７のノズル２０の外形寸法Ｄは１．２ｍｍとした。
すなわち、本体部２２の端部側に設けられたノズル２０の外形寸法Ｄは、本体部２２の中央側に設けられたノズル２０の外形寸法よりも長くした。
また、複数のノズル２０の外形寸法Ｄは、本体部２２の端部側になるに従い長くなる様にした。なお、図４に例示をした場合は、外形寸法Ｄが同じノズル２０が設けられているが、後述するように外形寸法Ｄが全て異なる場合もあり得る。

図４から分かるように、図２に例示をしたようなノズル２０の先端の電界強度の分布に応じてノズル２０の外形寸法Ｄを変化させれば、ノズル２０の先端の電界強度を揃えることができる。ノズル２０の先端の電界強度を揃えることができれば、ファイバ１００の形成を安定化させることができる。

なお、図４に例示をした場合は、端部側になるに従いノズル２０の外形寸法Ｄを長くしたがこれに限定されるわけではない。ノズル２０の先端の電界強度が揃うように、ノズル２０の外形寸法Ｄを変化させればよい。
一般的には、図２に例示をしたようなノズル２０の先端の電界強度の分布となる。図２は、ノズル２０同士の間の電場干渉によりノズル２０の先端の電界強度が変動した場合である。
しかしながら、例えば、外部からの電場干渉により図２に例示をしたような電界強度の分布とならない場合もある。
そのため、ノズル２０の先端の電界強度を揃えることができるのであれば、外形寸法Ｄの異なるノズル２０の配置には特に限定はない。

すなわち、複数のノズル２０のうちの少なくとも１つは、ノズル２０が延びる方向に直交する方向における外形寸法Ｄが異なっていればよい。
この場合、ノズル２０の外形寸法Ｄおよび外形寸法Ｄの異なるノズル２０の配置は、実験やシミュレーションなどを行うことで決定することができる。

ノズル２０の原料液が排出される側の開口寸法、すなわち排出口２０ａの寸法（ノズル２０が円筒状の場合には内径寸法）には特に限定はない。排出口２０ａの寸法は、形成したいファイバ１００の断面寸法に応じて適宜変更することができる。排出口２０ａの寸法は、例えば、２００μｍ以上とすることができる。
この場合、排出口２０ａの寸法は、ノズル２０の外形寸法Ｄに応じて変化させてもよいし、一定としてもよい。
なお、排出口２０ａの寸法が一定とは、排出口２０ａの寸法が完全に一致する場合のみならず、例えば、ノズル２０の製造誤差範囲をも含むものである。

ノズル２０は、導電性材料から形成されている。ノズル２０の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。ノズル２０は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

接続部２１は、ノズル２０と本体部２２の間に設けられている。接続部２１は、必ずしも必要ではなく、ノズル２０が本体部２２に直接設けられるようにしてもよい。すなわち、複数のノズル２０は、本体部２２と接続されていればよい。接続部２１の内部には、原料液を本体部２２からノズル２０に供給するための孔が設けられている。接続部２１の内部に設けられた孔は、ノズル２０の内部に設けられた孔、および、本体部２２の内部に設けられた空間と繋がっている。
接続部２１は、導電性材料から形成されている。接続部２１の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。接続部２１は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

本体部２２は、板状を呈している。本体部２２の内部には、原料液が収納される空間が設けられている。本体部２２の一方の端部には、接続部２１を介してノズル２０が複数設けられている。複数のノズル２０は、所定の間隔を空けて並べて設けられている。なお、複数のノズル２０の配設形態は例示をしたものに限定されるわけではない。例えば、複数のノズル２０は、一列に並べて設けることもできるし、円周上あるいは同心円上に並べて設けることもできるし、マトリクス状に並べて設けることもできる。

また、本体部２２には、供給口２２ａが設けられている。原料液供給部３から供給された原料液は、供給口２２ａを介して本体部２２の内部に導入される。供給口２２ａの配設位置と数には、特に限定はない。供給口２２ａは、例えば、本体部２２の、ノズル２０が設けられる側とは反対側に設けることができる。

原料液供給部３は、収納部３１、供給部３２、制御部３３、および配管３４を有する。
収納部３１は、原料液を収納する。収納部３１は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。収納部３１は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

原料液は、高分子物質を溶媒に溶解したものである。
高分子物質には特に限定がなく、形成したいファイバ１００の材質に応じて適宜変更することができる。高分子物質は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ナイロン、アラミドなどとすることができる。

溶媒は、高分子物質を溶解することができるものであればよい。溶媒は、溶解させる高分子物質に応じて適宜変更することができる。溶媒は、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、ベンゼン、トルエンなどとすることができる。 なお、高分子物質および溶媒は、例示をしたものに限定されるわけではない。

後述するように、原料液は、表面張力により排出口２０ａの近傍に留まる様にされる。そのため、原料液の粘度は、排出口２０ａの寸法などに応じて適宜変更することができる。原料液の粘度は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。また、原料液の粘度は、溶媒と高分子物質の混合割合により制御することができる。

供給部３２は、収納部３１に収納されている原料液を本体部２２に供給する。供給部３２は、例えば、原料液に対する耐性を有するポンプなどとすることができる。また、供給部３２は、例えば、収納部３１にガスを供給し、収納部３１に収納されている原料液を圧送するものとすることもできる。

制御部３３は、本体部２２に供給される原料液の流量、圧力などを制御して、新しい原料液が本体部２２の内部に供給された際に、本体部２２の内部にある原料液が排出口２０ａから押し出されないようにする。なお、制御部３３に対する制御量は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。制御部３３に対する制御量は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。
また、制御部３３は、原料液の供給の開始と、供給の停止を切り替えるものとすることもできる。

なお、供給部３２および制御部３３は、必ずしも必要ではない。例えば、本体部２２の位置より高い位置に収納部３１を設けるようにすれば、重力を利用して原料液を本体部２２に供給することができる。そして、収納部３１の高さ位置を適宜設定することで、新しい原料液が本体部２２の内部に供給された際に、本体部２２の内部にある原料液が排出口２０ａから押し出されないようにすることができる。この場合、収納部３１の高さ位置は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。収納部３１の高さ位置は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。

配管３４は、収納部３１と供給部３２との間、供給部３２と制御部３３との間、制御部３３と本体部２２との間に設けられている。配管３４は、原料液の流路となる。配管３４は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。

電源４は、本体部２２および接続部２１を介してノズル２０に電圧を印加する。なお、複数のノズル２０と電気的に接続された図示しない端子を設けるようにしてもよい。この場合、電源４は、図示しない端子を介してノズル２０に電圧を印加する。すなわち、電源４から複数のノズル２０に電圧が印加できるようになっていればよい。

ノズル２０に印加する電圧の極性は、プラスとすることもできるし、マイナスとすることもできる。なお、図１に例示をした電源４は、ノズル２０にプラスの電圧を印加する。 ノズル２０に印加する電圧は、原料液に含まれる高分子物質の種類、ノズル２０と収集体５１との間の距離などに応じて適宜変更することができる。例えば、電源４は、ノズル２０と収集体５１との間の電位差が１０ｋＶ以上となるように、ノズル２０に電圧を印加するものとすることができる。
電源４は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源４は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

収集部５は、収集体５１、堆積調整部５２、および電源５３を有する。
収集体５１は、複数のノズル２０の原料液が排出される側に設けられている。収集体５１は、接地されている。収集体５１には、ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加するようにしてもよい。収集体５１は、導電性材料から形成することができる。収集体５１の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。収集体５１の材料は、例えば、ステンレスなどとすることができる。
収集体５１は、例えば、板状やシート状を呈するものとすることができる。シート状の収集体５１の場合には、ロール等に巻きつけられた収集体５１にファイバ１００を堆積させるようにしてもよい。

また、収集体５１は、移動するものであってもよい。例えば、一対の回転ドラムと、回転ドラムを回転させる駆動部を設け、ベルトコンベアのように一対の回転ドラムの間をシート状の収集体５１が移動するようにしてもよい。この様にすれば、ファイバ１００を堆積させる領域を移動させることができるので、連続的な堆積作業が可能となる。そのため、ファイバ１００からなる堆積体１１０の生産効率を向上させることができる。

収集体５１の上に形成された堆積体１１０は、収集体５１から取り外される。堆積体１１０は、例えば、不織布やフィルタなどに用いられる。なお、堆積体１１０の用途は例示をしたものに限定されるわけではない。

また、収集体５１は、省くこともできる。例えば、導電性を有する部材の表面に、ファイバ１００からなる堆積体１１０を直接形成することもできる。この様な場合には、導電性を有する部材を接地したり、導電性を有する部材にノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加したりすればよい。

堆積調整部５２は、収集体５１の、ノズル２０が設けられる側とは反対側に設けられている。
堆積調整部５２は、導電性材料から形成されている。堆積調整部５２は、例えば、ステンレスなどの金属から形成することができる。
堆積調整部５２の収集体５１側の端部は尖っている。堆積調整部５２の収集体５１側の端部が尖っていれば、電界集中が生じ易くなる。そのため、ノズル２０と堆積調整部５２の間に電界を形成するのが容易となる。

電源５３は、堆積調整部５２に電圧を印加する。電源５３は、ノズル２０に印加される電圧と逆極性の電圧を堆積調整部５２に印加する。電源５３は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源５３は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧が堆積調整部５２に印加されると、ノズル２０と堆積調整部５２の間にも電界が形成される。ノズル２０と収集体５１の間に形成された電界は、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成された電界の影響を受けて変化する。 後述するように、ノズル２０の排出口２０ａの近傍にある原料液は、電気力線に沿って作用する静電力によって引き出される。そのため、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させれば、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させることができる。 すなわち、堆積調整部５２は、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させて、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させる。

堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積させたい領域にファイバ１００を堆積させることが容易となる。
また、堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積体１１０の厚みの均一化、ファイバ１００の局所的な堆積、堆積体１１０に形成されたピンホール等の開口部分の補修などを行うことができる。

また、堆積調整部５２に印加される電圧を制御することで、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成される電界、ひいては、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を制御することができる。

また、図１中のＸ方向（複数のノズル２０が並ぶ方向）に堆積調整部５２を移動させる図示しない駆動装置を設けることができる。堆積調整部５２を移動させる様にすれば、電界の制御がより容易となる。
また、堆積調整部５２は、複数設けられる様にしてもよい。

制御部６は、供給部３２、制御部３３、電源４、および電源５３の動作を制御する。
制御部６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどを備えたコンピュータとすることができる。

次に、電界紡糸装置１の作用について説明する。
原料液は、表面張力によりノズル２０の排出口２０ａの近傍に留まっている。
電源４は、ノズル２０に電圧を印加する。すると、排出口２０ａの近傍にある原料液が所定の極性に帯電する。図１に例示をしたものの場合には、排出口２０ａの近傍にある原料液がプラスに帯電する。

収集体５１は、接地されているので、ノズル２０と収集体５１の間に電界が形成される。そして、電気力線に沿って作用する静電力が表面張力より大きくなると、排出口２０ａの近傍にある原料液が静電力により収集体５１に向けて引き出される。引き出された原料液は、引き伸ばされ、原料液に含まれる溶媒が揮発することでファイバ１００が形成される。形成されたファイバ１００が収集体５１の上に堆積することで、堆積体１１０が形成される。

本実施の形態に係る電界紡糸装置１においては、複数のノズル２０のうちの少なくとも１つのノズル２０の外形寸法Ｄを異なるものとすることで、ノズル２０の先端の電界強度が揃えられている。そのため、ファイバ１００の形成を安定化させることができ、ひいては堆積体１１０の品質や生産効率などを向上させることができる。

また、堆積調整部５２に印加する電圧、および堆積調整部５２の位置の少なくともいずれかを制御することで、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電界紡糸装置、２ ノズルヘッド、３ 原料液供給部、４ 電源、５ 収集部、６ 制御部、２０ ノズル、２０ａ 排出口、２１ 接続部、２２ 本体部、３１ 収納部、３２ 供給部、３３ 制御部、５１ 収集体、５２ 堆積調整部、５３ 電源、１００ ファイバ、１１０ 堆積体、Ｄ 外形寸法

Claims (5)

1. 原料液が収納される空間を内部に有する本体部と、
   導電性を有し、前記本体部と接続され、前記本体部の内部に収納された前記原料液を排出する複数のノズルと、
   を備え、
   前記複数のノズルのうちの少なくとも１つは、前記ノズルが延びる方向に直交する方向における外形寸法が異なるノズルヘッド。
2. 前記本体部の端部側に設けられた前記ノズルの外形寸法は、前記本体部の中央側に設けられた前記ノズルの外形寸法よりも長い請求項１記載のノズルヘッド。
3. 前記複数のノズルの外形寸法は、前記本体部の端部側になるに従い長くなっている請求項１または２に記載のノズルヘッド。
4. 前記複数のノズルの前記原料液が排出される側の開口寸法は、一定である請求項１〜３のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のノズルヘッドと、
   前記ノズルヘッドに原料液を供給する原料液供給部と、
   前記ノズルヘッドに所定の極性の電圧を印加する電源と、
   を備えた電界紡糸装置。
   
   
   
   

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