JP6393793B2

JP6393793B2 - ナノファイバ製造装置用ノズルヘッド、及び、これを備えたナノファイバ製造装置

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Publication number: JP6393793B2
Application number: JP2017054247A
Authority: JP
Inventors: 中川　泰忠; 泰忠中川; 具道中; 育生植松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: JP2017125294A

Description

本発明の実施形態は、ナノファイバ製造装置用ノズルヘッド、及び、これを備えたナノファイバ製造装置に関する。

ナノ単位の直径を有する繊維物質を製造する装置として、ナノファイバ製造装置が医療分野等の広い分野に用いられている。ナノファイバ製造装置において、エレクトロスピニング技術が広く用いられている。

エレクトロスピニング技術とは、高分子物質等が溶解した原料液と、ワークと、を帯電させ、原料液及びワークの電位差によって原料液をワークに向かって吐出する技術である。原料液が電気的に延伸することでナノファイバが製造される。このようなナノファイバ製造装置において、生産性を向上することが望まれる。

特開２０１３−１２４４２６号公報

本発明の実施形態は、生産性が向上されたナノファイバ製造装置用ノズルヘッド、及び、これを備えたナノファイバ製造装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、複数の孔を備えたナノファイバ製造装置用ノズルヘッドが提供される。前記複数の孔は、原料液を吐出する。前記複数の孔は、ノズルヘッドの矩形状の面の中心から端部に向かって配置される。隣接する孔の間隔は、前記中心から離れるにつれて小さくなる。

本実施形態に係るナノファイバ製造装置を示す模式図である。本実施形態に係るノズルヘッドを示す模式図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ノズル孔の配置を説明する図である。ノズル孔の間隔とノズル孔の間隔番号との関係を示すグラフである。ノズルと基材との間に形成されるナノファイバの参考例を示す図である。ナノファイバ製造方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の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。

（本実施形態）
図１は、本実施形態に係るナノファイバ製造装置を例示する模式図である。
図２は、本実施形態に係るノズルヘッドを示す模式図である。
図２は、原料液を吐出する側からみたノズルヘッド５０の正面図を示している。
図１に表すように、ナノファイバ製造装置１００は、電源部１０と、制御部２０と、吐出部３０と、を備える。図１の矢印の方向は、吐出部３０が原料液を吐出する方向を示している。

ナノファイバ製造装置１００は、高分子物質等が溶解した原料液を吐出部３０から吐出し、吐出液を空間中で電気的に延伸させることで、被堆積部材４０の上にナノファイバＮを形成する。本実施形態のナノファイバ製造装置１００によって、平滑表面、多孔表面、ビーズ状、芯鞘状、中空状、極細ファイバー等の形状を有するナノファイバＮが被堆積部材４０の上に堆積される。

電源部１０は、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に高電圧を印加する電源装置である。電源部１０は、例えば、直流電源を用いた電源装置である。例えば、電源部１０の一方の端子は、吐出部３０に電気的に接続され、電源部１０の他方の端子は、接地されている。また、被堆積部材４０の一端は、接地されている。このような接続によって、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に電位差を発生させることができる。

制御部２０は、電源部１０及び吐出部３０の動作を制御する。制御部２０は、電源部１０及び吐出部３０に電気的に接続されている。例えば、制御部２０は、吐出液に印加される電圧値を決定するように電源部１０を制御する。また、制御部２０は、吐出液の量を決定するように吐出部３０を制御する。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリー等を備えたコンピュータである。

吐出部３０は、例えば、ナノファイバＮを形成する材料である原料液を吐出するノズルである。吐出部３０は、先端部分３１と、本体部分３２と、を有する。原料液は、先端部分３１から吐出される。先端部分３１は、本体部分３２に着脱可能に接続されている。

吐出部３０がノズルである場合、先端部分３１は、ノズルヘッド５０である。図２に表すように、例えば、ノズルヘッド５０は、吐出部３０から被堆積部材４０に向かう方向に対して垂直な平面に投影したときに、矩形状を有する。ノズルヘッド５０の断面視による形状は、略円形状や略楕円形状等の形状を有しても良い。

ノズルヘッド５０は、その先端に原料液を吐出する複数のノズル孔５１（孔）を有する。ノズルヘッド５０が断面視において矩形状を有する場合、ノズル孔５１は、ノズルヘッド５０の長手方向に沿って並んで配置されている。ノズル孔５１は、短手方向に沿って並んで配置されても良い。また、ノズル孔５１は、ノズルヘッド５０の断面視の形状に関わらず、任意の方向に沿って直線上に配置されることができる。また、ノズル孔５１は、任意の方向に沿って複数の直線上に配置されても良い。

ノズル孔５１は、隣接するノズル孔５１の間隔を維持できるのであれば、直線上に配置されていなくても良い。例えば、隣接するノズル孔５１の間隔を維持するように、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから端部５０ｔに向かってノズル孔５１を配置することができる。
ノズル孔５１の間隔とノズル孔５１の位置については、後に詳細に説明する。

例えば、原料液は、吐出部３０とは別に設けられたタンク等に蓄えられ、タンクからパイプを介して吐出部３０に供給される。つまり、ナノファイバ製造装置１００に、吐出部３０に原料液を供給する供給部が設けられても良い。また、吐出部３０は、複数設けられても良い。複数の吐出部３０は、任意の方向に沿って直線上に並んで配置することができる。

原料液とは、ナノファイバＮの基材となる溶質を溶媒中に分散または溶解させた液体であり、ナノファイバＮの材質やナノファイバＮの性質等により適宜調整される液体である。例えば、原料液に分散または溶解する溶質として樹脂がある。また、原料液に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤がある。原料液に無機質固体材料を添加しても良い。

被堆積部材４０は、吐出部３０との間に形成された空間に製造されたナノファイバＮを堆積させて収集する。例えば、被堆積部材４０は、基板である。被堆積部材４０は、シート状の部材でも良い。被堆積部材４０がシート状の部材である場合、被堆積部材４０がロール等に巻きつけられた状態でナノファイバＮを堆積させて収集しても良い。例えば、被堆積部材４０がシート状の部材である場合、シート状の部材にナノファイバＮを堆積させるために、被堆積部材４０の第２面４０ｂに対向するようにターゲットを設けることができる。このような場合、電源部１０によって吐出部３０とターゲットとの間に電位差を発生させることができる。

被堆積部材４０は、第１面４０ａ及び第２面４０ｂを有する。第１面４０ａは、第２面４０ｂの反対側の面である。ナノファイバＮは、被堆積部材４０の第１面４０ａに堆積される。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ノズル孔の配置を説明する図である。
図４は、ノズル孔の間隔とノズル孔の間隔番号との関係を示すグラフである。
図５は、ノズルと基材との間に形成されるナノファイバの参考例を示す図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、原料液を吐出する側からみたノズルヘッド５０の正面図を示している。

図３（ａ）に表すように、複数のノズル孔５１がノズルヘッド５０の中心５０ｃに対して対称に配置され、ノズルヘッド５０に設けられたノズル孔５１の個数が偶数である場合、隣接するノズル孔５１の間隔は、中心５０ｃから離れるにつれて小さくなっている。ここで、ノズルヘッド５０の中心５０ｃとは、複数のノズル孔５１が直線上に配置されている場合、直線の中心に相当する。ノズルヘッド５０に設けられたノズル孔５１の個数が偶数である場合、中心５０ｃにはノズル孔５１が配置されない。

例えば、６つのノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられ、ノズルヘッド５０の中心５０ｃを挟んで隣接するノズル孔５１ａの間隔をＰ１とする。また、ノズル孔５１ａと、ノズル孔５１ａより中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１ｂと、の間隔をＰ２とし、ノズル孔５１ｂと、ノズル孔５１ｂより中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１ｃと、の間隔をＰ３とする。このような場合、間隔Ｐ２が間隔Ｐ１より小さく、間隔Ｐ３が間隔Ｐ２より小さくなるように複数のノズル孔５１を配置する。つまり、中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくする。

２ｎ個（ただし、ｎは正の整数である。）のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられ、ノズルヘッド５０の中心５０ｃを挟んで隣接するノズル孔５１の間隔をＰ１とすると、中心５０ｃから最も離れて配置された隣接するノズル孔の間隔は、Ｐｎで表される。また、ノズル孔５１の間隔は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３〜Ｐｎ−１、及びＰｎで表されることになる。このような場合、間隔Ｐ１が最も大きく、間隔Ｐｎが最も小さくなる。つまり、中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔は小さくなる。Ｐ１からＰｎにつれて小さくなる。

図３（ｂ）に表すように、複数のノズル孔５１がノズルヘッド５０の中心５０ｃに対して対称に配置され、ノズルヘッド５０に設けられたノズル孔５１の個数が奇数である場合、隣接するノズル孔５１の間隔は、中心５０ｃから離れるにつれて小さくなっている。ノズルヘッド５０に設けられたノズル孔５１の個数が奇数である場合、中心５０ｃにはノズル孔５１が配置される。

例えば、７つのノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられ、ノズルヘッド５０の中心５０ｃに配置されたノズル孔５１ａと、ノズル孔５１ａより中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１ｂと、の間隔をＰ１とする。また、ノズル孔５１ｂと、ノズル孔５１ｂより中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１ｃと、の間隔をＰ２とし、ノズル孔５１ｃと、ノズル孔５１ｃより中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１ｄと、の間隔をＰ３とする。このような場合、間隔Ｐ２が間隔Ｐ１より小さく、間隔Ｐ３が間隔Ｐ２より小さくなるように複数のノズル孔５１を配置する。つまり、中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくする。

２ｎ＋１個（ただし、ｎは正の整数である。）のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられ、ノズルヘッド５０の中心５０ｃに配置されたノズル孔５１と、中心５０ｃに配置されたノズル孔５１より中心５０ｃから離れて配置されたノズル孔５１と、の間隔をＰ１とすると、中心５０ｃから最も離れて配置された隣接するノズル孔の間隔は、Ｐｎで表される。また、ノズル孔５１の間隔は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３〜Ｐｎ−１、及びＰｎで表されることになる。このような場合、間隔Ｐ１が最も大きく、間隔Ｐｎが最も小さくなる。つまり、中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔は小さくなる。Ｐ１からＰｎにつれて小さくなる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、ノズル孔５１の個数が偶数及び奇数のいずれであっても、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくなるように、ノズルヘッド５０にノズル孔５１を配置する。ノズルヘッド５０の中心から端部に向かうにつれて、隣接するノズル孔５１の間隔が小さくなる。また、複数のノズル孔５１がノズルヘッド５０の中心５０ｃに対して対称に配置されているので、ノズル孔５１の間隔は、中心５０ｃに対して対称になるように設けられている。このようなノズル孔５１の配置によって、被堆積部材４０にナノファイバＮを均一に堆積させることができる。

例えば、１２個のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられている場合（ｎ＝６である場合）、ノズル孔５１の間隔（ミリメートル）について、Ｐ１が３１．０ミリメートル、Ｐ２が３０．９ミリメートル、Ｐ３が２９．７ミリメートル、Ｐ４が２６．２ミリメートル、Ｐ５が２１．１ミリメートル、Ｐ６が１６．６ミリメートルに設定される。

このようにノズル孔５１の間隔を設定した場合、各ノズル孔５１から被堆積部材４０に堆積されるナノファイバＮの被堆積部材４０における繊維軌道の中心Ｎｃの間隔が３３．３ミリメートルとほぼ均一になる。例えば、ナノファイバＮの間隔は、各ノズル孔５１から被堆積部材４０に堆積されるナノファイバＮの中心位置の間隔によって算出される。

例えば、１６個のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられている場合（ｎ＝８である場合）、ノズル孔５１の間隔（ミリメートル）について、Ｐ１が２２．６６ミリメートル、Ｐ２が２２．６６ミリメートル、Ｐ３が２２．５ミリメートル、Ｐ４が２１．５ミリメートル、Ｐ５が１９．４ミリメートル、Ｐ６が１６．７ミリメートル、Ｐ７が１４．１ミリメートル、Ｐ８が１１．８ミリメートルに設定される。

このようにノズル孔５１の間隔を設定した場合、各ノズル孔５１から被堆積部材４０に堆積されるナノファイバＮの被堆積部材４０における繊維軌道の中心Ｎｃの間隔が２４．４ミリメートルとほぼ均一になる。

例えば、１３個のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられている場合（ｎ＝６である場合）、ノズル孔５１の間隔（ミリメートル）について、Ｐ１が２８．３ミリメートル、Ｐ２が２８．２ミリメートル、Ｐ３が２６．５ミリメートル、Ｐ４が２３．１ミリメートル、Ｐ５が１８．８ミリメートル、Ｐ６が１５．１ミリメートルに設定される。

このようにノズル孔５１の間隔を設定した場合、各ノズル孔５１から被堆積部材４０に堆積されるナノファイバＮの被堆積部材４０における繊維軌道の中心Ｎｃの間隔が３０．５ミリメートルとほぼ均一になる。

例えば、１５個のノズル孔５１がノズルヘッド５０に設けられている場合（ｎ＝７である場合）、ノズル孔５１の間隔（ミリメートル）について、Ｐ１が２４．３ミリメートル、Ｐ２が２４．１ミリメートル、Ｐ３が２３．５ミリメートル、Ｐ４が２１．５ミリメートル、Ｐ５が１８．５ミリメートル、Ｐ６が１５．３ミリメートル、Ｐ７が１２．７ミリメートルに設定される。

このようにノズル孔５１の間隔を設定した場合、各ノズル孔５１から被堆積部材４０に堆積されるナノファイバＮの被堆積部材４０における繊維軌道の中心Ｎｃの間隔が２６．２ミリメートルとほぼ均一になる。

また、ノズル孔５１の個数が偶数及び奇数のいずれであっても、ノズル孔５１の間隔と、間隔番号と、の間に所定の数値関係を有するように、ノズルヘッド５０にノズル孔５１を配置させることができる。

例えば、図４に表すように、ノズル孔５１の間隔の逆数１／Ｐｋと、間隔番号ｋと、は、所定の２次関数（ｆ（ｋ）＝ａｋ^２＋ｂｋ＋ｃ、ただし、ａ〜ｃは、任意の定数である。）の曲線ＣＬ１で表すことができる。ここで、間隔番号ｋとは、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから順に設けられるノズル孔５１の間隔の順番である。例えば、間隔番号ｋは、１からｎまでの値であって、ノズル孔５１が奇数個を有する場合、間隔の個数の半分の値である。ノズル孔５１が偶数個を有する場合、間隔番号ｋは、間隔の個数に１を加えた値の半分の値である。曲線ＣＬ１は、例えば、下方に凸部を有する曲線（下に凸の曲線）である。

本実施形態では、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくするように、ノズルヘッド５０にノズル孔５１を配置している。しかし、これに限定するものではない。少なくとも一部の間隔の値を同じにしても良く、例えば、間隔Ｐ１と間隔Ｐ２とを同じ値にして、間隔Ｐ３から間隔Ｐｎまでの数値を小さくなるようにしても良い。

本実施形態では、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくするように、一直線上にノズル孔５１を配置している。しかし、これに限定するものではない。例えば、ノズル孔５１は、任意の方向に沿って複数の直線上に配置されても良い。このような場合、各直線上に配置されたノズル孔５１について、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくするように、ノズル孔５１を配置することができる。

また、前述したように、ノズル孔５１は、隣接するノズル孔５１の間隔を維持できるのであれば、直線上に配置されていなくても良い。例えば、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくするように、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから端部に向かってノズル孔５１を配置することができる。このような場合、ノズルヘッド５０の中心５０ｃに対してノズル孔５１を対称に配置しても良く、非対称に配置しても良い。例えば、ノズル孔５１は、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから外側方向に曲線やジグザグ上に配置されることができる。

ここで、エレクトロスピニング法を用いたナノファイバ製造装置において、電圧が印加された吐出液を吐出するノズルに、直線上に並んで配置した複数のノズル孔を有するノズルヘッドを具備したノズルを用いている場合がある。しかし、このようなノズルを用いた場合、ノズルの構造や、ノズル及び基材の寸法関係によって、吐出液がノズルの外側方向に広がり易くなる。また、吐出液は、電場の影響によってもノズルの外側方向に広がり易くなる。例えば、図５に表すように、ノズル３０ａからの吐出液によって形成されるナノファイバＮは、軌道（繊維軌道）の中心Ｎｃに対してスピンするように広がり、ノズル３０ａの端部から形成されるナノファイバＮは、基材４１の中心から離れて堆積される。これにより、基材の上にナノファイバを均一に堆積し難い。

本実施形態のナノファイバ製造装置１００においては、ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくなるように、ノズルヘッド５０にノズル孔５１を配置している。このようなノズル孔５１の配置によって、被堆積部材４０の上にナノファイバＮが均一に堆積され易くなる。

本実施形態によれば、生産性が向上されたナノファイバ製造装置を提供する。

図６は、ナノファイバ製造方法を示すフローチャートである。
ナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバＮの製造方法を説明する。

原料液が吐出部３０に供給される（ステップＳ１１０）。吐出部３０は、ノズルである。原料液は、ノズルに蓄えられる。

電源部１０によって、吐出部３０と、被堆積部材４０と、の間に電圧を印加する（ステップＳ１２０）。高電圧の印加によって静電力が表面張力より大きくなると、原料液がノズルヘッド５０のノズル孔５１から吐出される。

ノズルヘッド５０の中心５０ｃから離れるにつれて隣接するノズル孔５１の間隔を小さくなるように、ノズルヘッド５０にノズル孔５１を配置する。また、ノズル孔５１は、ノズルヘッド５０の中心５０ｃに対して対称になるように設けられている。このようなノズル孔５１の配置によって、被堆積部材４０にナノファイバＮを均一に堆積させることができる。

吐出部３０及び被堆積部材４０の間に製造されたナノファイバＮを、被堆積部材４０の上に堆積させる（ステップＳ１３０）。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。

１０…電源部、２０…制御部、３０…吐出部、３０ａ…ノズル、３１…先端部分、３２…本体部分、４０…被堆積部材、４０ａ…第１面、４０ｂ…第２面、４１…基材、５０…ノズルヘッド、５０ｃ…中心、５０ｔ…端部、５１、５１ａ〜５１ｄ…ノズル孔、１００…ナノファイバ製造装置、ＣＬ１…曲線、ｋ…間隔番号、Ｎ…ナノファィバ、Ｎｃ…軌道の中心、Ｐ１〜Ｐ３、Ｐｎ…間隔

Claims

原料液を吐出する複数の孔を備え、
前記複数の孔は、ノズルヘッドの矩形状の面の中心から端部に向かって配置され、
隣接する孔の間隔は、前記中心から離れるにつれて小さくなるナノファイバ製造装置用ノズルヘッド。
矩形状の面上を複数の孔が配列しているノズルヘッドにおいて、
前記配列する一端の孔と他端の孔を結んだ仮想の線分の中心から前記一端及び前記他端に向かう相対する２方向に向かって隣接する孔の間隔は、前記中心から離れるにつれて小さくなるナノファイバ製造装置用ノズルヘッド。
前記複数の孔は、前記中心に対して外側方向に同じ個数設けられている請求項１または２に記載のノズルヘッド。
前記複数の孔は、前記中心に対して対称に配置される請求項１から３のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
前記孔の間隔の逆数は、前記孔の間隔が前記中心から配置された順番に対する２次関数で表される請求項１から４のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
前記複数の孔の個数は、奇数個であって、
前記複数の孔の１つは、前記中心の上に配置される請求項１から５のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
前記複数の孔の個数は、偶数個であって、
前記中心は、隣接する孔の間に位置する請求項１から５のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
前記複数の孔は、前記中心に対して外側方向にジグザグ上に配置される請求項１から７のいずれか１つに記載のノズルヘッド。
請求項１から８のいずれか１つに記載のノズルヘッドを有し、前記複数の孔から被堆積部材に向かって前記原料液を吐出する吐出部と、
前記吐出部と、前記被堆積部材と、の間に電位差を発生させる電源部と、
を備えたナノファイバ製造装置。