JP6489297B2 - Manufacturing method of three-dimensional structure and three-dimensional structure - Google Patents

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Description

本発明は、ナノファイバーの3次元構造体およびその製造法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional structure of nanofibers and a method for producing the same.

近年、繊維径が1μm未満、すなわちナノメータ(数ナノメータから数百ナノメータ)範囲のファイバーが、バイオ、環境分野などの幅広い分野で注目されている。そして、そのナノファイバーの製造手段として、エレクトロスピニング法(以下ES法と略す場合がある)が代表的である。しかし、このES法は、ポリマーを溶剤に溶解する必要があることや出来た製品も脱溶剤が必要であることから、製法において煩雑であり、また、フィラメントの分子配向がないこと、出来たファイバー集積体にダマやショットと呼ばれる樹脂の小さい固まりが混在するなど、品質的にも問題点が多かった。
ES法によるナノファイバーの構造体としては、例えば特許文献1、2、3に開示されているが、ES法の特徴として、嵩方向に目詰まりするなど、空隙の分散性が均一でない、溶剤に溶解性のポリマーでなければ、製造できないなどの課題を有している。
In recent years, fibers having a fiber diameter of less than 1 μm, that is, in the nanometer (several nanometers to several hundreds nanometers) range have attracted attention in a wide range of fields such as biotechnology and environmental fields. As a means for producing the nanofiber, an electrospinning method (hereinafter sometimes abbreviated as ES method) is representative. However, this ES method requires the polymer to be dissolved in a solvent, and the product that is produced also requires desolvation. Therefore, the production method is complicated, and there is no molecular orientation of the filament. There were many problems in terms of quality, such as small masses of resin called lumps and shots mixed in the aggregate.
The nanofiber structure by the ES method is disclosed in, for example, Patent Documents 1, 2, and 3. However, as a feature of the ES method, it is clogged in the bulk direction and the dispersibility of the voids is not uniform. If it is not a soluble polymer, it has a problem that it cannot be produced.

特開2006-312794号公報JP 2006-312794 JP 特開2006-328562号公報JP 2006-328562 A 特開2008-261064号公報JP 2008-261064

本発明の目的は、空隙の分散性に優れたナノファイバーの3次元構造体とし、さらにこれを簡便な手段でナノファイバー領域の極細フィラメントの3次元構造体を得ることができるようにすることにある。さらに本発明は、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、ポリ乳酸やポリグリコール酸などの生分解性ポリマー、およびテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素系ポリマーなどからなる太いフィラメントより、得られるナノフィラメントに関し、それらをメディカル用やフィルターなど多方面の用途に使用される3次元構造体を提供することにある。   An object of the present invention is to make a three-dimensional structure of nanofibers excellent in dispersibility of voids, and further to obtain a three-dimensional structure of ultrafine filaments in the nanofiber region by simple means. is there. Furthermore, the present invention includes polyesters such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate, biodegradable polymers such as polylactic acid and polyglycolic acid, and fluorine-based polymers such as tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). An object of the present invention is to provide a three-dimensional structure that can be used for various purposes such as medical use and filters with respect to nanofilaments obtained from thick filaments.

本発明の3次元構造体は、フィラメント径が1μm未満であるナノフィラメントの長繊維により空隙を形成している。
3次元構造体は、1本または複数本の長繊維からなるナノフィラメントを集積し、綿状に捕集され、該綿状のナノフィラメントを金型に入れ、加熱圧縮成形されることにより製造される。
また金型による加熱圧縮成形は、成形後に除去できる賦形剤をナノフィラメントと混合した後、加熱圧縮成形することができる。
このとき賦形剤は、無機塩を用いることができる。
さらに集積されるナノフィラメントは、フィラメントの送出手段により送り出された原フィラメントが、P1 気圧下でオリフィスに供給され、オリフィスの前後における気圧の差が、P1≧2P2であるP2気圧下の延伸部に導かれ、該延伸部において赤外線光束により加熱されて延伸される超音速延伸法により製造される。
本発明における原フィラメントとは、既にフィラメントとして製造されて、リール等に巻き取られたものである。また紡糸過程において、溶融または溶解フィラメントが冷却や凝固によりフィラメントとなったものを紡糸過程に引き続き使用され、本発明の原フィラメントとなる。ここでフィラメントとは、実質的に連続した繊維であり、数ミリメータから数十ミリメータの長さである短繊維とは区別される。
本発明において延伸されたフィラメントは、全てフィラメントと表現するが、延伸された結果、上記ファイバーの領域に属するものも含まれる。本発明における延伸されたフィラメントは、殆どの場合、延伸切れすることなく数分以上延伸されるので、フィラメントの長さも数m以上であり、フィラメント径dが小さいことを考慮すると、実質的の連続フィラメントと見なすことができる場合が殆どである。
In the three-dimensional structure of the present invention, voids are formed by long fibers of nanofilaments having a filament diameter of less than 1 μm.
A three-dimensional structure is manufactured by accumulating nanofilaments composed of one or a plurality of long fibers, collected in a cotton shape, and placing the cotton-like nanofilament in a mold, followed by heat compression molding. The
Moreover, the heat compression molding by a metal mold | die can be heat compression molding, after mixing the excipient | filler which can be removed after shaping | molding with a nanofilament.
At this time, an inorganic salt can be used as the excipient.
Further, the nanofilaments to be accumulated are supplied to the orifice under the P1 atmospheric pressure by the original filament delivered by the filament delivery means, and the difference in atmospheric pressure before and after the orifice is P1 ≧ 2P2 in the extending portion under the P2 atmospheric pressure. It is guided and manufactured by a supersonic stretching method in which the stretched portion is heated and stretched by an infrared light beam.
The original filament in the present invention is already manufactured as a filament and wound on a reel or the like. In the spinning process, the melted or melted filaments that have become filaments by cooling or coagulation are subsequently used in the spinning process and become the original filament of the present invention. Here, the filament is a substantially continuous fiber, and is distinguished from a short fiber having a length of several millimeters to several tens of millimeters.
In the present invention, all the filaments drawn are expressed as filaments, but those that belong to the fiber region as a result of drawing are also included. In most cases, the stretched filament in the present invention is stretched for several minutes without being stretched. Therefore, considering that the length of the filament is several meters or more and the filament diameter d is small, it is substantially continuous. In most cases, it can be regarded as a filament.

本発明における原フィラメントは、複屈折で測定した配向度が30%、あるいは50%以上といった、高度に分子配向したフィラメントでも使用できることに特徴がある。このように原フィラメントが高配向している場合は、延伸開始点において、原フィラメント径以上の膨張部をもって延伸されることが多い。   The original filament in the present invention is characterized in that a highly molecularly oriented filament having an orientation degree measured by birefringence of 30% or 50% or more can be used. Thus, when the original filament is highly oriented, it is often drawn with an expanded portion that is larger than the original filament diameter at the drawing start point.

本発明の原フィラメントは、ポリエチレンテレフタレート、脂肪族ポリエステルおよびポリエチレンナフタレートを含むポリエステル、ナイロン(含むナイロン6、ナイロン66)を含むポリアミド、ポリプロピレンやポリエチレンを含むポリオレフィン、ポリビニルアルコール系ポリマー、アクリロニトリル系ポリマー、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などを含むフッ素系ポリマー、塩化ビニル系ポリマー、スチレン系ポリマー、ポリオキシメチレン、エーテルエステル系ポリマーなどの熱可塑性ポリマーからなるフィラメントであれば使用することができる。特に、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン(含むナイロン6、ナイロン66)、ポリプロピレンは、延伸性もよく、分子配向性もよく、本発明の極細フィラメントの3次元構造体の製造に特に適する。また、ポリ乳酸やポリグリコール酸等の生分解性ポリマーや生体内分解吸収性ポリマー等、さらにポリアリレートやアラミド等の高強度、高弾性ポリマーなども本発明の赤外線ビームによる延伸性もよく、本発明による極細フィラメントを用いた3次元構造体の製造に特に適する。また原フィラメントには、これらのポリマーからなる芯鞘型フィラメントなどの複合フィラメントも使用することができる。なお、上記ポリマーを85%(重量パーセント)以上含む場合は、ポリエステル「系」やポリエステルを「主成分」とするなどと表現する場合がある。   The raw filament of the present invention includes polyethylene terephthalate, polyester containing aliphatic polyester and polyethylene naphthalate, polyamide including nylon (including nylon 6, nylon 66), polyolefin including polypropylene and polyethylene, polyvinyl alcohol polymer, acrylonitrile polymer, Use filaments made of thermoplastic polymers such as fluoropolymers including tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinyl chloride polymers, styrene polymers, polyoxymethylene, ether ester polymers can do. In particular, polyethylene terephthalate, nylon (including nylon 6, nylon 66) and polypropylene have good stretchability and good molecular orientation, and are particularly suitable for the production of the three-dimensional structure of the ultrafine filament of the present invention. In addition, biodegradable polymers such as polylactic acid and polyglycolic acid, biodegradable and absorbable polymers, and high-strength and high-elastic polymers such as polyarylate and aramid also have good stretchability by the infrared beam of the present invention. It is particularly suitable for the production of a three-dimensional structure using ultrafine filaments according to the invention. In addition, composite filaments such as core-sheath filaments made of these polymers can also be used as the original filament. When the polymer is contained in an amount of 85% (weight percent) or more, it may be expressed as a polyester “system” or a polyester “main component”.

本発明において、フィラメントの送出手段から送り出された原フィラメントについて延伸が行われる。送出手段は、ニップローラや数段の駆動ローラの組み合わせなどの一定の送出速度でフィラメントを送り出すことが出来るものであれば種々のタイプのものが使用できる。また、一定長さのフィラメントだけを延伸したい場合は、原フィラメントをチャックで把持し、一定速度で下降させてオリフィスに供給してもよい。
フィラメントの送出手段より送り出された原フィラメントは、さらにオリフィスを通して、オリフィス中を原フィラメントの走行方向に流れる気体によって送られる。原フィラメントがこのフィラメント送出手段を経てオリフィスに送り込まれるまでは、P1気圧の雰囲気下で行われ、P1気圧下の状態に保たれている場所を原フィラメント供給室とする。
In the present invention, the original filament sent out from the filament sending means is stretched. As the delivery means, various types can be used as long as the filament can be delivered at a constant delivery speed, such as a combination of a nip roller and several stages of driving rollers. When it is desired to stretch only a certain length of filament, the original filament may be gripped by a chuck, lowered at a constant speed, and supplied to the orifice.
The original filament sent out from the filament delivery means is further sent through the orifice and by the gas flowing in the original filament in the traveling direction. Until the original filament is sent to the orifice through this filament delivery means, it is performed in an atmosphere of P1 atmospheric pressure, and the place kept under the P1 atmospheric pressure is defined as the original filament supply chamber.

オリフィスの出口以降は、P2気圧下に保たれ、オリフィスから出てきた原フィラメントを赤外線光束によって加熱することによって延伸される延伸室となる。原フィラメントは、P1気圧の原フィラメント供給室とP2気圧下の延伸室との圧力差(P1−P2)によって生じるオリフィス中を流れる空気の流れによってオリフィス中を送られていく。P2が大気圧のときは、特に圧力を一定にする囲いは必要ないが、P2が加圧下や減圧下の場合は、その圧力を保つための囲い(部屋)が必要であり、加圧ポンプまたは減圧ポンプも必要となる。このとき、P1とP2の気圧の差は、P1>P2である。   After the outlet of the orifice, it is maintained at P2 atmospheric pressure, and becomes a drawing chamber that is drawn by heating the original filament that has come out of the orifice with infrared rays. The original filament is sent through the orifice by the flow of air flowing through the orifice caused by the pressure difference (P1-P2) between the original filament supply chamber at P1 atm and the stretching chamber at P2 atm. When P2 is at atmospheric pressure, an enclosure that keeps the pressure constant is not particularly necessary. However, when P2 is under pressure or pressure reduction, an enclosure (room) is required to maintain the pressure. A vacuum pump is also required. At this time, the pressure difference between P1 and P2 is P1> P2.

本発明は、P2が減圧下(大気圧未満の圧力)で行われることが特に望ましい。そうすることにより、P1を大気圧で実施でき、装置を著しく簡便にでき、また、減圧は比較的簡便な手段であるからである。さらに、オリフィスからエアーが減圧下に噴出されることにより、通常存在する大気圧のエアーに邪魔されることがないので、噴出されるエアーも、それに伴うフィラメントも非常に安定し、その結果、延伸性が安定し、ナノフィラメント領域までの延伸が可能になるものと思われる。また、また、通常、ノズルから高速流体が噴出すると、ノズルの周りで多量の随伴流を伴うが、減圧下では、この随伴流も少なくなり、ノズルから出たフィラメントの流れを乱さないために、安定した延伸を可能にするものと思われる。   In the present invention, it is particularly desirable that P2 is performed under reduced pressure (pressure less than atmospheric pressure). By doing so, P1 can be carried out at atmospheric pressure, the apparatus can be remarkably simplified, and reduced pressure is a relatively simple means. In addition, since air is ejected from the orifice under reduced pressure, it is not disturbed by the atmospheric air that normally exists, so the air that is ejected and the filament that accompanies it are very stable. It seems that the properties are stable, and it is possible to stretch to the nanofilament region. In addition, normally, when high-speed fluid is ejected from the nozzle, a large amount of accompanying flow is generated around the nozzle, but under reduced pressure, this accompanying flow is also reduced, so as not to disturb the flow of the filament emitted from the nozzle. It seems to enable stable stretching.

本発明における原フィラメント供給室と延伸室は、オリフィスによってつながっている。オリフィス中では、原フィラメントとオリフィス内径との間の狭い隙間にP1>P2の圧力差で生じた高速気体の流れが生じる。   In the present invention, the original filament supply chamber and the drawing chamber are connected by an orifice. In the orifice, a high-speed gas flow generated by a pressure difference of P1> P2 is generated in a narrow gap between the original filament and the inner diameter of the orifice.

本発明は、延伸が音速域で行われることが好ましく、延伸室での風速を、音速域にすることにより、延伸して得られたフィラメント径をナノメータ域までの極細フィラメントを得ることができた。   In the present invention, stretching is preferably performed in the sonic range, and by setting the wind speed in the stretching chamber to the sonic range, it was possible to obtain an ultrafine filament having a filament diameter of up to the nanometer range obtained by stretching. .

オリフィスから送り出されてきた原フィラメントは、オリフィスの出口で、赤外線光束によって加熱され、オリフィスからの高速流体によってフィラメントに与えられる張力によって、原フィラメントは延伸される。オリフィスの直下とは、赤外線光束の中心がオリフィス先端より30mm以下、好ましくは10mm以下、5mm以下であることが最も好ましい。オリフィスから離れると、原フィラメントが振れ、定位置に収まらず、赤外線光束に安定して捉えられないからである。またオリフィスからの高速気体によってフィラメントに与えられる張力が、オリフィスから離れることによって弱くなり、また安定性も小さくなるからと思われる。
本発明は、原フィラメントが赤外線光束によって加熱されて延伸されることを特徴とする。赤外線は、波長0.78μmから1mmまでとされているが、高分子化合物のC−Cボンドは、3.5μmの吸収を中心としており、0.78μmから20μmが特に好ましい。これらの赤外線は、鏡やレンズにより点状または線状に焦点を絞り、原フィラメントの加熱域を絞り込むスポットヒータやラインヒータと呼ばれる加熱ヒータが使用できる。ラインヒータは、複数本の原フィラメントが並列して走行している場合に好適である。
The original filament sent out from the orifice is heated by the infrared light beam at the exit of the orifice, and the original filament is drawn by the tension applied to the filament by the high-speed fluid from the orifice. “Directly under the orifice” means that the center of the infrared light beam is 30 mm or less, preferably 10 mm or less and 5 mm or less from the orifice tip. This is because when the filament is separated from the orifice, the original filament swings and does not stay in a fixed position, and cannot be stably captured by the infrared light beam. Further, it is considered that the tension applied to the filament by the high-speed gas from the orifice is weakened by moving away from the orifice, and the stability is also reduced.
The present invention is characterized in that the original filament is heated and stretched by an infrared light beam. Infrared rays have a wavelength of 0.78 μm to 1 mm, but the C—C bond of the polymer compound is centered on absorption of 3.5 μm, and 0.78 μm to 20 μm is particularly preferable. These infrared rays can be spotted or linearly focused by a mirror or a lens, and a heater called a spot heater or a line heater that narrows the heating area of the original filament can be used. The line heater is suitable when a plurality of original filaments are traveling in parallel.

本発明の赤外線光束は、レーザー光であることが特に好ましい。中でも、10.6μmの波長の炭酸ガスレーザーと、1.06μmの波長のYAG(イットリウム、アルミニウム、ガーネット系)レーザーが特に好ましい。レーザーは、放射範囲(光束)を小さく絞り込むことが可能であり、また、特定の波長に集中しているので、無駄なエネルギーも少ない。本発明の炭酸ガスレーザーは、パワー密度が50W/cm以上、好ましくは100W/cm以上、最も好ましくは、180W/cm2以上である。狭い延伸領域に高パワー密度のエネルギーを集中することによって、本発明の超高倍率延伸が可能となるからである。 The infrared light beam of the present invention is particularly preferably laser light. Among these, a carbon dioxide laser with a wavelength of 10.6 μm and a YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser with a wavelength of 1.06 μm are particularly preferable. Lasers can narrow the radiation range (light flux) to a small size, and are concentrated on a specific wavelength, so there is little wasted energy. The carbon dioxide laser of the present invention has a power density of 50 W / cm 2 or more, preferably 100 W / cm 2 or more, and most preferably 180 W / cm 2 or more. This is because the ultrahigh magnification stretching of the present invention can be achieved by concentrating energy of high power density in a narrow stretching region.

本発明の原フィラメントは、赤外線加熱手段(レーザーを含む)により照射される赤外線光束により延伸適温に加熱される。本発明では赤外線光束によって原フィラメントは加熱されるが、延伸適温に加熱される範囲がフィラメントの中心でフィラメントの軸方向に沿って、上下4mm(長さ8mm)以内であることが好ましく、さらに好ましくは上下3mm以下、最も好ましくは上下2mm以下で加熱される。この光束の径は、走行するフィラメントの軸方向に沿って測定する。原フィラメントが複数本の場合は、スリット状の光束も使用されるが、その場合は一番狭い部分が原フィラメントの軸方向と一致することが好ましい。本発明は、狭い領域で急激に延伸することにより、高度に極細化され、ナノ領域までに細くした延伸を可能にし、しかも超高倍率延伸であっても、延伸切れを少なくすることができた。   The original filament of the present invention is heated to an appropriate stretching temperature by an infrared light beam irradiated by an infrared heating means (including a laser). In the present invention, the original filament is heated by the infrared light beam, but the range heated to an appropriate stretching temperature is preferably within 4 mm (up to 8 mm) in the vertical direction along the axial direction of the filament. Is heated up to 3 mm or less, most preferably up to 2 mm or less. The diameter of the luminous flux is measured along the axial direction of the traveling filament. When there are a plurality of original filaments, a slit-shaped light beam is also used. In this case, it is preferable that the narrowest portion coincides with the axial direction of the original filament. The present invention has been made extremely thin by abrupt stretching in a narrow region, enables stretching to a nano region, and can reduce stretching breakage even with ultra-high magnification stretching. .

従来のナノファイバーの生産方式であるES法は、ポリマーを溶剤に溶かす作業や出来た製品から脱溶剤をする必要があり、製造法において煩雑であり、コストがかかる。またできた製品も、ダマやショットと呼ばれる樹脂の固まりが生じること、フィラメント径の分布が広いなど、構造体としての品質にも問題であった。またできたファイバーも、短繊維で、長さ数ミリメータからせいぜい数10ミリメータと云われているが、本発明では、実質的な連続フィラメントによる3次元構造体が得られる。
本発明は、特殊で高精度・高レベルな装置を必要とせずに、簡便な手段で容易に分子配向が向上した極細フィラメントが得られ、捕集、成形することにより3次元構造体が得られる。
The ES method, which is a conventional production method of nanofibers, requires the solvent to be removed from the work of dissolving the polymer in the solvent or the finished product, and is complicated and costly in the manufacturing method. In addition, the resulting product also had a problem in quality as a structure, such as a mass of resin called lumps or shots, and a wide distribution of filament diameters. The resulting fiber is also a short fiber and is said to be several millimeters to several tens of millimeters in length. However, in the present invention, a three-dimensional structure composed of substantially continuous filaments can be obtained.
The present invention does not require a special high-precision and high-level apparatus, and can obtain ultrafine filaments with improved molecular orientation easily by simple means, and a three-dimensional structure can be obtained by collecting and molding. .

さらに本発明は、通常の延伸では延伸性が悪いポリ乳酸やポリグリコール酸などの再生医療用材料として使用される生分解性ポリマーからなるフィラメントからナノフィラメント領域までの極細フィラメントの3次元構造体が得られる。従来のナノファイバーの製法であるES法では、クロロホルムなどの溶剤を使用しているので、溶解や脱溶剤が必要なばかりでなく、このような有害溶剤を使用していることで、再生医療分野での使用を困難にしている。
本発明におけるナノファイバーの3次元構造体は、従来のエアーフィルター分野におけるフィルター効率を画期的に向上させるばかりでなく、バイオ、環境分野における幅広い用途に適応できる素材として活用される。また本発明は、紡糸や延伸の条件範囲が狭いために、従来極細化が困難とされている、ポリアリレート系ポリマー、ポリエチレンナフタレート、フッ素系ポリマーなどからも、簡便にナノファイバーとし、3次元構造体が得られることを特徴とする。
Furthermore, the present invention provides a three-dimensional structure of ultrafine filaments from a filament made of a biodegradable polymer used as a regenerative medical material such as polylactic acid or polyglycolic acid, which has poor stretchability in normal stretching, to a nanofilament region. can get. The ES method, which is a conventional nanofiber manufacturing method, uses a solvent such as chloroform, so it not only needs to be dissolved and desolvated, but also uses such a harmful solvent, which Use in is difficult.
The three-dimensional nanofiber structure in the present invention not only dramatically improves the filter efficiency in the conventional air filter field, but also is utilized as a material that can be applied to a wide range of applications in the bio and environmental fields. In addition, the present invention can be easily converted into nanofibers from polyarylate-based polymers, polyethylene naphthalate, fluorine-based polymers, etc., which are conventionally difficult to be ultrafine due to a narrow range of spinning and stretching conditions, and is three-dimensional. A structure is obtained.

綿状ナノファイバー作製用装置の概略を示す。The outline of the apparatus for cotton-like nanofiber preparation is shown. ステンレス製円筒形金型の概略図を示す。A schematic view of a stainless steel cylindrical mold is shown. 温度および時間を変えて成形したときの3次元構造体の写真を示す。The photograph of the three-dimensional structure when it shape | molds by changing temperature and time is shown. 温度および時間を変えて成形したときの3次元構造体のSEM写真を示す。The SEM photograph of the three-dimensional structure when it shape | molds by changing temperature and time is shown. 3次元構造体のFT-IR測定から求めたTrans/Gauche比を示す。The Trans / Gauche ratio obtained from FT-IR measurement of a three-dimensional structure is shown. (a)成形時間を変えて成形した圧縮復元率と(b)嵩密度を変えて圧縮復元率を示す。(a) The compression recovery rate formed by changing the molding time and (b) the compression recovery rate changed by changing the bulk density. (a)NaClを添加して成形した3次元構造体、および(b)水洗・乾燥後の3次元構造体のSEM写真を示す。The SEM photograph of the three-dimensional structure formed by adding (a) NaCl and (b) the three-dimensional structure after washing and drying is shown.

以下、本発明の実施の形態の例を、図面に基づいて説明する。図1は、本発明の極細フィラメントを綿状に捕集する原理を示す概念図で、装置の断面図で示す。原フィラメント1は、リール2に巻かれた状態から繰り出され、一定速度で送り出され、オリフィス3へと導かれる。ここまでの工程は、原フィラメント供給側は気圧P1に保たれている。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of collecting the ultrafine filament of the present invention in a cotton shape, and shows a sectional view of the apparatus. The original filament 1 is unwound from the state wound on the reel 2, sent out at a constant speed, and led to the orifice 3. In the steps so far, the original filament supply side is kept at the pressure P1.

オリフィス3出口以降は、P2気圧下にある延伸室4となる。オリフィス3を出た原フィラメント1は、原フィラメント供給側と延伸室との気圧差P1−P2によってもたらされる高速エアーと共に延伸室4に導かれる。送り出された原フィラメント1は、オリフィス直下において、レーザー発振装置5より、走行する原フィラメント1に対して、一定幅の加熱域にレーザー光6が照射される。レーザー光6の届く先には、レーザー光のパワーメーター7が設けれ、レーザーパワーを一定に調節されていることが好ましい。レーザー光6により加熱され、P1−P2の気圧差によってもたらされる高速エアーが下方のフィラメントに与える張力により、原フィラメントは延伸されて、延伸されたフィラメントとなって下降し、下方で捕集容器内8に綿状フィラメント11として集積される。気圧P2は、真空ポンプ(図示されていない)へ導かれているバルブ10等で調整される。延伸室4にも、圧力計9が設けられている。   After the orifice 3 outlet, it becomes the stretching chamber 4 under P2 atmospheric pressure. The original filament 1 exiting the orifice 3 is guided to the drawing chamber 4 together with high-speed air caused by the pressure difference P1-P2 between the original filament supply side and the drawing chamber. The delivered original filament 1 is irradiated with a laser beam 6 from a laser oscillation device 5 to a heating region having a certain width from the laser oscillation device 5 immediately below the orifice. It is preferable that a laser beam power meter 7 is provided at the destination of the laser beam 6 and the laser power is adjusted to be constant. The original filament is drawn by the tension applied to the lower filament by the high-speed air heated by the laser beam 6 and brought about by the P1-P2 pressure difference, and descends as a drawn filament. 8 is accumulated as a cotton filament 11. The atmospheric pressure P2 is adjusted by a valve 10 or the like led to a vacuum pump (not shown). The stretching chamber 4 is also provided with a pressure gauge 9.

綿状ナノファイバー作製用装置(図1)は、レーザー発振器、繊維供給リール、繊維供給用オリフィス、ナノファイバー捕集容器およびZn-Se窓を有する真空チャンバー(延伸室)およびパワーメーターなどから構成される。本装置において、繊維供給速度、レーザー出力、レーザー照射位置およびチャンバー圧などの延伸条件を変えることで、種々の繊維径の綿状ナノファイバーを作製できる。
用いた試料は、溶融紡糸して得られたポリエチレンレテフタレート(PET)繊維であり、繊維径534μm、融点256.7℃、結晶化度11.7%であった。このPET原繊維をレーザー出力30w、繊維供給速度0.1m/min、真空チャンバー圧10kPa、オリフィス径0.3mm、レーザー照射位置20mmの条件で延伸し、捕集容器に捕集し、嵩高い綿状PETナノファイバーを作製した。その平均繊維径は534nm(最大750nm-最小360nm)であった。
ナノファイバーを加熱圧縮成形するための金型は、ステンレス製円筒形金型(図2)を使用した。この金型の寸法は直径1cm、高さ1cmであり、その体積は0.785cmである。3次元構造体の成形では、まず、所定量の綿状ナノファイバーを金型に詰め、270℃に設定したプレス機を用いて、1分間加熱して圧縮成形した。
繊維量を51.5mg(嵩密度0.0656g/cm)、41.5mg(0.0529g/cm)、30.4mg(0.0387g/cm)、19.0mg(0.0242g/cm)として作製した。繊維量の少ない30.4mgおよびで19.0mgでは、繊維量が少ないため、ナノファイバーの熱収縮により、構造体全体が収縮し、金型の形状を賦形できなかった。
図3は繊維量を51.5mgと一定にし、熱圧縮成形温度を150℃から270℃の範囲で熱圧縮成形時間を1、5、10分間と変えて熱圧縮成形した3次元構造体の写真を示す。成形温度150℃、成形時間1分間と5分間では加熱が不十分であるため、成型が不可能であった。また、成形温度270℃、成形時間5分間と10分間ではPETナノファイバーの熱収縮が顕著になり、形状を保持できなかった。また図4に、それぞれのSEM写真を示す。成形温度270℃、成形時間10分間では、繊維の融着が観られた。
図5は成形温度を150℃から270℃の範囲で成形時間を1、5、10分間と変えて熱圧縮成形した3次元構造体のFT-IR測定から求めたTrans/Gauche比を示す。成形温度が高くなるにつれTrans/Gauche比が高くなり、結晶性が増加したことを示唆する。しかし、270℃ではTrans/Gauche比が減少し、結晶の部分融解に起因する熱収縮により、分子鎖の配向緩和が起きていることを示す。図6は(a)成形温度250℃で成形時間を1、3、5、10分間と変えて成形した3次元構造体の圧縮復元率と(b)嵩密度を変えて成形温度250℃、成形時間10分間で成形した3次元構造体の圧縮復元率を示す。圧縮復元率は圧縮復元率[%]={(t−t)/(t−t)}×100から求めた。
ここで、tは圧縮前の試料の厚さ、tは圧縮した時の厚さ、tは圧縮から解放して24時間放置後の試料の厚さである。成形時間が長くなるにつれて復元率は高くなり、結晶性の向上に伴う繊維強度の増加が、復元率の向上に寄与している。また、3次元構造体の嵩密度が高くなるにつれて復元率は低くなる。これは嵩高さが高くなるにつれ、繊維が相互に絡み合い、復元を阻害していると考えられる。成形温度250℃、成形時間10分間で作製した嵩密度63.7mg/cmの3次元構造体の復元率は98.1%であり、最も高かった。
The apparatus for producing cotton-like nanofibers (Fig. 1) consists of a laser oscillator, fiber supply reel, fiber supply orifice, nanofiber collection container, vacuum chamber (stretching chamber) with Zn-Se window, and power meter. The In this apparatus, cotton-like nanofibers with various fiber diameters can be produced by changing the drawing conditions such as the fiber supply speed, laser output, laser irradiation position, and chamber pressure.
The sample used was a polyethylene terephthalate (PET) fiber obtained by melt spinning, and had a fiber diameter of 534 μm, a melting point of 256.7 ° C., and a crystallinity of 11.7%. This PET fiber is stretched under the conditions of a laser output of 30 w, a fiber supply rate of 0.1 m / min, a vacuum chamber pressure of 10 kPa, an orifice diameter of 0.3 mm, and a laser irradiation position of 20 mm, collected in a collection container, and bulky cotton. PET nanofibers were prepared. The average fiber diameter was 534 nm (maximum 750 nm-minimum 360 nm).
A stainless steel cylindrical mold (FIG. 2) was used as a mold for heat compression molding of nanofibers. The mold has a diameter of 1 cm, a height of 1 cm, and a volume of 0.785 cm 3 . In the formation of the three-dimensional structure, first, a predetermined amount of cotton-like nanofibers was packed in a mold, and heated using a press machine set at 270 ° C. for 1 minute to perform compression molding.
Fiber amount 51.5 mg (bulk density 0.0656 g / cm 3 ), 41.5 mg (0.0529 g / cm 3 ), 30.4 mg (0.0387 g / cm 3 ), 19.0 mg (0.0242 g / cm) 3 ). At 30.4 mg and 19.0 mg with a small amount of fiber, the amount of fiber was small, so that the entire structure contracted due to the thermal contraction of the nanofiber, and the shape of the mold could not be shaped.
Fig. 3 is a photograph of a three-dimensional structure that has been subjected to heat compression molding with a constant fiber amount of 51.5 mg, a heat compression molding temperature in the range of 150 ° C to 270 ° C, and a heat compression molding time of 1, 5, 10 minutes Indicates. Since the heating was insufficient at a molding temperature of 150 ° C. and a molding time of 1 minute and 5 minutes, molding was impossible. Further, when the molding temperature was 270 ° C. and the molding time was 5 minutes and 10 minutes, the thermal contraction of the PET nanofibers became remarkable and the shape could not be maintained. Moreover, each SEM photograph is shown in FIG. Fiber fusion was observed at a molding temperature of 270 ° C. and a molding time of 10 minutes.
FIG. 5 shows the Trans / Gauche ratio obtained from the FT-IR measurement of a three-dimensional structure formed by hot compression molding at a molding temperature ranging from 150 ° C. to 270 ° C. and changing the molding time to 1, 5, and 10 minutes. As the molding temperature increased, the Trans / Gauche ratio increased, suggesting that crystallinity increased. However, at 270 ° C., the Trans / Gauche ratio decreases, indicating that molecular chain orientation relaxation occurs due to thermal shrinkage caused by partial melting of the crystal. Fig. 6 shows (a) the compression recovery rate of a three-dimensional structure formed by changing the forming time to 1, 3, 5, and 10 minutes at a forming temperature of 250 ° C and (b) the forming temperature of 250 ° C by changing the bulk density. The compression recovery rate of the three-dimensional structure molded in 10 minutes is shown. The compression restoration rate was calculated from the compression restoration rate [%] = {(t 0 −t 1 ) / (t 0 −t 2 )} × 100.
Here, t 0 is the thickness of the sample before compression, t 1 is the thickness when compressed, t 2 is the thickness of the sample after 24 hours left to release from compression. As the molding time increases, the restoration rate increases, and the increase in fiber strength accompanying the improvement in crystallinity contributes to the improvement in the restoration rate. Further, the restoration rate decreases as the bulk density of the three-dimensional structure increases. It is considered that as the bulk increases, the fibers are entangled with each other to inhibit the restoration. The restoration rate of the three-dimensional structure having a bulk density of 63.7 mg / cm 3 produced at a molding temperature of 250 ° C. and a molding time of 10 minutes was 98.1%, the highest.

ナノファイバーを加熱圧縮成形するとき、金型に詰める繊維量が少ないと、ナノファイバーの熱収縮により金型通りの形状に成形できない。そこで、成形後に除去できる賦形剤を添加して、3次元構造体を成形した。ここでは、賦形剤として水洗除去できる食塩(NaCl)を用いた。賦形剤を用いて加熱圧縮成形するには、まず、粒径10〜30μmに粉砕したNaCl微粒子と所定量のナノファイバーをブレンダーで均一に混和させる。NaClを添加したナノファイバーを金型に詰め、270℃のプレスで5分間加熱して圧縮成形する。成形後、NaClを除去するために80℃温水中で6時間水洗し、水洗後100℃真空オーブン中で24時間乾燥させた。
繊維量31.7mgに賦形剤(NaCl)446.3mgを添加して円筒形PET-3次元構造体を成形したとき嵩密度は0.040g/cmであった。また繊維量16.6mgとし、賦形剤(NaCl)301.5mgを添加したときの嵩密度は0.021g/cmであった。賦形剤を添加することで、嵩密度の小さい3次元構造体も作製することができ、様々な嵩密度の3次元構造体を作製できる。図7は、(a)NaClを添加して成形した3次元構造体(繊維量:31.7mg、NaCl含む)および(b)水洗・乾燥後の3次元構造体のSEM写真を示す。NaClを添加して圧縮成形した試料では(図7a)、NaCl中でナノファイバーが均一の分散していることが観察される。また、水洗・乾燥後の3次元構造体では、NaClがほぼ完全に除去され、3次元の空孔を持つ構造体となっていた(図7b)。
炭酸ガスレーザー超音速延伸法で作製した綿状ナノファイバーは、円筒形以外にも様々な形状の3次元構造体に成形することができる。例えば、正四面体、球体の金型を用いて成形することができる。正四面体のように鋭角部分が存在する場合には、賦形剤を添加すると金型どおりに成形でき、複雑な形状の3次元構造体も作製できる。
When nanofibers are heat compression molded, if the amount of fibers packed in the mold is small, the nanofibers cannot be molded into the mold shape due to thermal shrinkage. Therefore, an excipient that can be removed after molding was added to mold a three-dimensional structure. Here, salt (NaCl) that can be removed by washing with water was used as an excipient. In order to perform heat compression molding using an excipient, first, NaCl fine particles pulverized to a particle size of 10 to 30 μm and a predetermined amount of nanofibers are uniformly mixed with a blender. The nanofibers to which NaCl is added are packed in a mold and heated by a press at 270 ° C. for 5 minutes for compression molding. After the molding, in order to remove NaCl, it was washed with warm water at 80 ° C. for 6 hours, washed with water and dried in a vacuum oven at 100 ° C. for 24 hours.
When a cylindrical PET-3D structure was molded by adding 446.3 mg of excipient (NaCl) to 31.7 mg of fiber, the bulk density was 0.040 g / cm 3 . The bulk density was 0.021 g / cm 3 when the fiber amount was 16.6 mg and the excipient (NaCl) 301.5 mg was added. By adding an excipient, a three-dimensional structure with a small bulk density can be produced, and three-dimensional structures with various bulk densities can be produced. FIG. 7 shows SEM photographs of (a) a three-dimensional structure formed by adding NaCl (fiber amount: 31.7 mg, containing NaCl) and (b) a three-dimensional structure after washing and drying. In the sample compression-molded with NaCl added (FIG. 7a), it is observed that nanofibers are uniformly dispersed in NaCl. In the three-dimensional structure after washing and drying, NaCl was almost completely removed, and the structure had three-dimensional pores (FIG. 7b).
Cotton-like nanofibers produced by a carbon dioxide laser supersonic stretching method can be formed into three-dimensional structures having various shapes other than a cylindrical shape. For example, it can be formed using a regular tetrahedron or sphere mold. When an acute angle part exists like a regular tetrahedron, when an excipient | filler is added, it can shape | mold according to a metal mold | die and a complicated-shaped three-dimensional structure can also be produced.

1 原フィラメント
2 リール
3 オリフィス
4 延伸室
5 レーザー発振装置
6 レーザー光
7 パワーメーター
8 捕集容器
9 圧力計
10 バルブ
11 綿状フィラメント
12 金型蓋部、底部
13 金型円柱部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Original filament 2 Reel 3 Orifice 4 Stretch chamber 5 Laser oscillator 6 Laser light 7 Power meter 8 Collection container 9 Pressure gauge 10 Valve 11 Cotton filament 12 Mold lid part, bottom part 13 Mold cylinder part

Claims (3)

1本または複数本の長繊維からなるナノフィラメントを集積し、綿状に捕集され、該綿状のナノフィラメントを金型に入れ、加熱圧縮成形されることにより製造される3次元構造体の製造方法であって、
前記金型による加熱圧縮成形は、前記金型通りの形状に成形するための賦形剤を前記ナノフィラメントと混合した後、加熱圧縮成形し、
前記加熱圧縮成形された成形物から前記賦形剤を除去することにより空隙を形成し、
前記ナノフィラメントは、フィラメントの送出手段により送り出された原フィラメントが、P1気圧下でオリフィスに供給され、該オリフィスの前後における気圧の差が、P1≧2P2であるP2気圧下の延伸部に導かれ、該延伸部において赤外線光束により加熱されて延伸されることにより製造される
ことを特徴とする3次元構造体の製造方法。
A three-dimensional structure manufactured by accumulating nanofilaments composed of one or a plurality of long fibers, collected in a cotton shape, and placing the cotton-like nanofilament in a mold and heat compression molding. A manufacturing method comprising:
In the heat compression molding by the mold, the excipient for molding into the shape as the mold is mixed with the nanofilament, then the heat compression molding,
A void is formed by removing the excipient from the heat compression molded product ,
In the nanofilament, the original filament delivered by the filament delivery means is supplied to the orifice under P1 atmospheric pressure, and the difference in atmospheric pressure before and after the orifice is led to the extending portion under P2 atmospheric pressure where P1 ≧ 2P2. A manufacturing method of a three-dimensional structure, wherein the three-dimensional structure is manufactured by being heated and stretched by an infrared light beam in the extending portion .
前記賦形剤は、塩化ナトリウムであることを特徴とする請求項1に記載の3次元構造体の製造方法。   The method for producing a three-dimensional structure according to claim 1, wherein the excipient is sodium chloride. 請求項1または2に記載の3次元構造体の製造方法により製造される3次元構造体。   A three-dimensional structure manufactured by the three-dimensional structure manufacturing method according to claim 1.
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