JP6427518B2 - ノズルヘッドモジュール、および電界紡糸装置 - Google Patents
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Description
電界紡糸装置には、原料液を排出するノズルヘッドが設けられている。
原料液は、ノズルヘッドと収集部との間の電気力線に沿って作用する静電力(クーロン力)により吸引される。そして、原料液に含まれる溶媒が揮発することでファイバが形成され、形成されたファイバが収集部や部材の上に堆積することで堆積体が形成される。
この場合、ファイバは、静電力により空中を移動するので、ファイバの堆積状態の制御が困難となっていた。
また、以下においては、一例として、いわゆるニードル型ノズルヘッドを例示するが、ノズルヘッドの形式はこれに限定されるわけではない。ノズルヘッドは、例えば、いわゆるブレード型ノズルヘッドなどであってもよい。
図2および図3は、電極30の他の移動形態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100には、ノズルヘッドモジュール1、原料液供給部4、電源5、収集部6、および制御部7が設けられている。
ノズルヘッド2は、原料液を排出するための孔を有する。ニードル型ノズルヘッドであるノズルヘッド2の場合には、原料液を排出するための孔はノズル20の内部に設けられる。ブレード型ノズルヘッドの場合には、ノズル20および接続部21は設けられておらず、原料液を排出するための孔は本体部22の内部に設けられる。
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の収集部6側の端部(先端)との間を貫通している。原料液を排出するための孔の、収集部6側の開口が排出口20aとなる。
複数のノズル20を設ける場合には、複数のノズル20は、所定の間隔を空けて並べて設けられる。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、本実施形態においては、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、千鳥状あるいはマトリクス状に並べて設けることもできる。
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、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。本体部22は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。
電界制御部3は、電極30、保持部31、案内部32、移動部33、伝導部34、駆動部35、および電源36を有する。
電極30は、ノズルヘッド2の少なくとも一方の側面側に設けられていればよい。
ただし、電極30の数や、電極30を設ける位置の数を増やせば、ファイバ200の堆積状態の制御に関するバリエーションを増やすことができる。
すなわち、原料液を排出する孔が延びる方向において、電極30の先端は、ノズルヘッド2の先端よりも原料液を排出する側とは反対側(原料液を排出する方向からより遠ざかる方向)にあるようにすることができる。
この様にすれば、必要に応じて、ノズル20の周辺の電界への影響を抑制するように制御し、ノズル20から引き出された原料液が電極30に付着することなども抑制することができる。
また、電極30は、尖った先端部を有するものとすることもできる。この場合、先端部の外径寸法は、例えば、0.3mm〜1.3mm程度とすることができる。
電極30は、導電性を有する。電極30は、例えば、銅合金やステンレスなどの金属から形成することができる。
その他、電極30の位置を直接的または間接的に検出する検出器などを適宜設けることができる。
また、図2に示すように、電極30が、ノズルヘッド2の周囲を回転方向(θ方向)に移動するようにしてもよい。この場合、電極30は保持部31を介して、ノズルヘッド2に設けられている。保持部31は、ノズルヘッド2において、孔から原料液を排出する方向に略沿った方向を軸として回動するように構成されている。このようにすることで、ノズルヘッド2において、電極30の先端が、孔から原料液が排出される方向に略沿った方向の周りを円弧状に回動することが可能となる。即ち、図2に示すように、電極30は、ノズルヘッド2の周囲をθ方向において回転移動することが可能に構成されている。
また、図3に示すように、電極30が、ノズルヘッド2に対して揺動するようにしてもよい。この場合、電極30は保持部31を介して、ノズルヘッド2に設けられており、保持部31は、原料液を排出する孔が配列される方向と交差する方向を軸として回動するように構成されている。このようにすることで、ノズルヘッド2は、電極30の先端が、原料液を排出する孔が配列される方向と交差する方向を軸として円弧状に回動し、前記原料液が排出される孔との距離間隔が変化するように移動可能に構成されている。
ここでは、電極30の移動の制御は、一軸制御であってもよいし、多軸制御であってもよい。
なお、電極30に対してノズルヘッド2を移動させる場合には、電気絶縁性を有するブラケットなどを介して、電界紡糸装置100の図示しない筐体にノズルヘッド2を取り付け、電気絶縁性を有するブラケットなどを介して、筐体に電極30、保持部31、案内部32、移動部33、伝導部34、駆動部35、および電源36などを取り付ければよい。
一方、ノズルヘッド2に対して電極30が移動するようにすれば、プロセス条件を固定した状態でファイバ200の堆積状態を制御することができる。
また、電源36は、電極30に印加する電圧を変化させることができるものとすることもできる。電極30に印加する電圧を変化させることができれば、ファイバ200の堆積状態の制御に関するバリエーションを増やすことができる。
電源36は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源36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。
収納部41は、原料液を収納する。収納部41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41は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。
高分子物質には特に限定がなく、形成したいファイバ200の材質に応じて適宜変更することができる。
また、原料液制御部43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。
また、電源36が設けられない場合には、電源5は、電極30にも電圧を印加する。
電源5は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源5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6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。シート状を呈する収集部6の場合には、ロール等に巻きつけられた収集部6にファイバ200を堆積させるようにしてもよい。
この場合、基材は、収集部6の上を移動するものであってもよい。例えば、シート状の基材が巻き付けられた回転ドラムと、堆積体210が形成されたシート状の基材を巻き取る回転ドラムとを設け、収集部6の上をシート状の基材が通過するようにすることができる。この様にすれば、連続的な堆積作業が可能となる。そのため、ファイバ200からなる堆積体210の生産効率を向上させることができる。
制御部7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。
撮影装置8は、後述するファイバ200の堆積状態を撮影し、撮影した画像データを制御部7に送信する。制御部7は、受信した画像データに基づいて、電極30の位置、移動方向、移動速度、印加電圧などを制御して、ファイバ200の堆積状態が所定のものとなるようにする。
電極30の位置、移動方向、移動速度、印加電圧などの電極30に関する制御量は、原料液の成分、ノズル20に印加される電圧、ノズル20と収集部6との間の距離などのプロセス条件の影響を受ける。そのため、電極30に関する制御量は、実験やシミュレーションを行うことで決定することが好ましい。
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5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。
そこで、本実施の形態に係る電界紡糸装置100においては、電界制御部3により、ノズルヘッド2と収集部6との間に形成される電界を制御して、ファイバ200の堆積状態を制御するようにしている。
図5は、電極30がノズルヘッド2から離れる方向に移動した場合の等電位線220を例示するための模式図である。
ノズル20と収集部6の間に形成される電界は、電極30と収集部6の間に形成される電界の影響を受けて変化する。この場合、前述したように、電極30には、ノズル20に印加する電圧と同じ極性の電圧が印加されるので、ノズル20から出て収集部6に向かう電気力線と、電極30から出て収集部6に向かう電気力線は反発し合う。すなわち、電極30から出て収集部6に向かう電気力線により、ノズル20と収集部6の間に形成される電界が画される。
なお、図6は、ノズルヘッド2を上方から見た図である。
図6に示すように、電極30を移動すると、ファイバ200を堆積させる位置が逆方向に移動する。そのため、ファイバ200を堆積させる位置230を移動させることができる。この場合、ファイバ200を堆積させる位置230と堆積時間とにより、所定の領域における堆積量を制御することができる。すなわち、局所的な厚膜化や局所的な薄膜化が可能となる。
なお、図7(a)は、ノズルヘッド2を上方から見た図である。
前述したように、電極30を移動すると、ファイバ200を堆積させる位置が逆方向に移動する。そのため、図7(a)に示すように、電極30の往復移動を繰り返し行うことで、図7(b)に示すように、堆積させたファイバ200の延びる方向を揃えることができる。ここでは一例として、ノズルヘッド2においては、複数のノズル20が、接続部21を介して本体部22に設けられるようにして配列されているものとする。この場合は、各電極30は複数ノズル20が配列されている方向と交差する方向に往復運動させることができる。この場合、電極30の往復移動は、原料液の排出速度よりも速くする必要がある。
なお、図8(a)は、ノズルヘッド2を上方から見た図である。
図8(a)に示すように、一方の電極30を往復移動させる方向と、他方の電極30を往復移動させる方向とを変えれば、図8(b)に示すように、複数の方向において、堆積させたファイバ200の延びる方向を揃えることができる。また、両者が重なる領域においては、ファイバ200の編み込みを行うことができる。ここでは一例として、ノズルヘッド2においては、複数のノズル20が接続部21を介して本体部22に設けられるようにして配列されている。この場合は、各電極30は独立して、複数のノズル20が配列されている方向に沿った方向と、複数のノズル20が配列されている方向とは交差する方向に往復運動させることができる。
なお、図9(a)〜(d)は、堆積体210を上方から見た図である。
前述したように、電界制御部3により、ノズルヘッド2と収集部6との間に形成される電界を制御すれば、ファイバ200の堆積状態を変化させることができる。
例えば、図9(a)に示すように、収集部6の平面形状に合わせて堆積体210を形成することができる。
また、図9(b)、(c)に示すように、収集部6の上に任意の平面形状を有する堆積体210を形成することができる。
また、図9(c)に示すように、収集部6の上に、互いに離隔した複数の堆積体210を形成することができる。
その他、収集部6の上の任意の位置にファイバ200を堆積させたり、ファイバ200を堆積させなかったりすることで、局所的な厚膜化や局所的な薄膜化などを行うこともできる。
図10(a)、(b)に示すように、対向電極37、38a、38bは、収集部6の側面側に設けられている。対向電極37、38a、38bは、電極30と対向している。対向電極37、38a、38bの形状、大きさ、数などには特に限定はない。対向電極37、38a、38bの形状、大きさ、数などは、電極30の数、移動範囲などに応じて適宜変更することができる。
また、図10(b)に示すように、収集部6の近傍に設けられた対向電極38aを固定し、より離隔した位置に設けられた対向電極38bを所定の方向に移動できるものとすることもできる。
Claims (9)
- 原料液を排出する孔を有し、所定の極性の電圧が印加されるように構成されたノズルヘッドと、
前記ノズルヘッドに対して、三次元方向に相対的に移動可能に設けられ、前記ノズルヘッドに印加される電圧と同じ極性の電圧が印加されるように構成された電極と、
を備え、
前記電極の先端は、前記ノズルヘッドの前記原料液を排出する孔が配列される方向とは交差する方向において、前記ノズルヘッドの周囲を回転方向に移動可能に構成されている、
または、
前記電極の先端は、前記原料液を排出する孔が配列される方向とは交差する方向を軸として回動し、前記原料液が排出される孔との間隔を変化させるように移動可能に構成されているノズルヘッドモジュール。 - 前記電極は、前記ノズルヘッドの側面側に設けられている請求項1記載のノズルヘッドモジュール。
- 前記電極は、前記ノズルヘッドと電気的に接続されている請求項1または2に記載のノズルヘッドモジュール。
- 前記原料液を排出する孔が延びる方向において、前記電極の先端は、前記ノズルヘッドの先端よりも前記原料液を排出する方向とは反対側の位置にある請求項1〜3のいずれか1つに記載のノズルヘッドモジュール。
- 前記電極の先端は、前記ノズルヘッドの前記原料液を排出する孔が配列される方向に沿ってさらに移動可能に構成される請求項1〜4のいずれか1つに記載のノズルヘッドモジュール。
- 前記電極の先端は、前記ノズルヘッドの前記原料液を排出する孔が配列される方向と交差する方向、及び前記ノズルヘッドの前記原料液を排出する孔が配列される方向の少なくとも何れか一方に沿って往復移動することが可能に構成される請求項1〜5のいずれか1つに記載のノズルヘッドモジュール。
- 前記1〜6のいずれか1つに記載のノズルヘッドモジュールと、
前記ノズルヘッドに前記原料液を供給する原料液供給部と、
前記ノズルヘッドに前記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。 - 前記電極と対向して設けられ、接地、または前記電極に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される対向電極をさらに備えた請求項7記載の電界紡糸装置。
- 前記対向電極は、移動可能に設けられている請求項8記載の電界紡糸装置。
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