JP6517900B2 - ナノファイバーの堆積・成形装置及びその堆積・成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、吐出ノズルから吐出する合成樹脂の溶融液又は溶解液のポリマー溶液を微細径繊維状に伸長したナノファイバーを堆積させながら所定形状に成形するナノファイバーの堆積・成形装置及びその堆積・成形方法に関する。特に、吐出ノズルから吐出するポリマー溶液の吐出流の方向を、周囲に配置したエアノズルからの偏向風により偏向させながら堆積させることにより、シート状或いはマット状或いはブロック状の所定形状形成体に成形することが可能なナノファイバーの堆積・成形装置及びその堆積・成形方法に関する。

従来、ナノファイバーは、それが微細径繊維であることの特性を活かし、さまざまな分野で利用されている。そして、微細径繊維を製造し、それを捕集する技術が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、高速高温エアーを発生するエアノズル、及び、ポリマー溶液をエアノズルにより発生された高速高温エアーに向けて又は高速高温エアーの近傍に向けて吐出する噴出ノズルを備えたナノファイバー発生装置と、前記ナノファイバー発生装置の下流側に設けられ、前記ナノファイバー発生装置により発生されたナノファイバーを捕集する捕集装置と前記捕集装置の下流側に設けられ、気体を吸引する吸引装置と、前記ナノファイバー発生装置の下流側、かつ、前記捕集装置の上流側に、前記高速高温エアーが内部を通過するように設けられた筒状のガイド部材と、を備えることを特徴とするナノファイバー製造装置が記載されている。

ところで、従来、単独の吐出ノズルから捕集装置側へナノファイバーを吐出してシート状のナノファイバーを捕集する際には、当該ナノファイバーは吐出ノズルの延長線を中心に円形状に堆積されることとなる。そのため捕集装置側では、ナノファイバーの堆積を効果的に行わせるために吹き付け面の背後よりエアーで吸引する方式（特許文献１）等がある。しかしこの方式では、ナノファイバーの堆積量とともに吹き付け面の外周部への吸引力が低下してしまう。また、ナノファイバーは中心付近に堆積し易いため、均一な所定形状形成体の成形は困難となる。

また、ローラー型のシート加工装置のように広範囲にナノファイバーを吹き付ける場合もある。この場合は、ナノファイバーの吐出ノズルを広範囲に複数設置する方法や、溶融部、駆動部を含む吐出ノズルを移動させる方式を採用する方法も考えられるが、装置が大型化となり高価格となるという問題があった。また、吐出ノズルは一軸方向のみに移動させる機構が一般的であり、複数方向へ移動させる機構は非常に複雑な構造となってしまう。

国際公開第２０１５／１４５８８０号公報

特許文献１のナノファイバー製造装置においては、ナノファイバーが堆積したフィルタ基材は、熱圧着ローラーにて加熱処理され積層されて一体化され、ナノファイバーフィルタ材として巻き取りロールに巻き取られる、と記載されている。このように、捕集装置のフィルタ基材上に堆積させたナノファイバー材料を、捕集装置の巻き取りロールにより巻き取り捕集することについて記載があるが、捕集によりナノファイバーを正方形等の所望する形状に成形する技術についての記載はない。従って、ナノファイバーを製品として大量に流通させるためには、所定形状形成体に成形されるナノファイバーを所望する自由な形状に成形することが可能な技術が望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、吐出されるナノファイバーを堆積させながら捕集しつつ、正方形等の所定形状に成形することができるナノファイバーの堆積・成形装置、及びその堆積・成形方法を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバー堆積・成形装置は、
熱風流に対して溶融又は溶解樹脂を吐出して微細径繊維状に延伸してナノファイバーを製造するナノファイバー吐出装置の吐出ノズルからナノファイバーが吐出され、当該吐出されたナノファイバーをナノファイバー捕集手段に捕集させ堆積させるナノファイバー堆積・成形装置であって、
前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段へのナノファイバーの吐出流の方向を偏向する吐出流方向偏向手段を備えており、該吐出流方向偏向手段は、前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段への流路中で前記ナノファイバーの吐出流の側面方向より偏向風を当てることにより前記ナノファイバーの吐出流の方向を偏向するエアノズルを備えており、当該エアノズルは複数備えられており、当該複数のエアノズルを前記吐出ノズルに対して同心円状に等間隔角度で配設したことを特徴とする。

さらに、本発明のナノファイバー堆積・成形装置は、
前記エアノズルからの送風方向角度を調整するエアノズル送風角度変更手段を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明のナノファイバー堆積・成形装置は、
前記エアノズルの送風量を調整する送風量変更手段を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明のナノファイバー堆積・成形装置は、
前記同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を時計回り又は反時計回りに連続的に順番に送風を制御する送風制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明のナノファイバー堆積・成形方法は、
熱風流に対して溶融又は溶解樹脂を吐出して微細径繊維状に延伸してナノファイバーを製造するために、ナノファイバー吐出装置の吐出ノズルからナノファイバーが吐出し、当該吐出されたナノファイバーをナノファイバー捕集手段に捕集させ堆積させるナノファイバー堆積成形装置を用いたナノファイバーの堆積・成形方法であって、
前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段への流路中に前記ナノファイバーの吐出流に対して同心円状に配置されたエアノズルによって、前記吐出流の側面方向より偏向風を当てることにより前記ナノファイバーの吐出流の方向を偏向させるようにし、
当該同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を時計回り又は反時計回りに連続的に順番に送風制御することを特徴とする。

本発明によれば、ナノファイバー捕集手段に捕集され堆積されるナノファイバーの吐出流の方向を吐出流方向偏向手段により調整して偏向することが可能であることから、捕集される際に堆積され、成形されるナノファイバーを、正方形等の所望の所定形状に自由に成形することが可能となる。しかも、ナノファイバーを堆積量に関わらず、ナノファイバー捕集手段の吹き付け面へ均一に堆積させることができる。

さらに、ナノファイバー捕集手段に対して堆積されるナノファイバーの堆積位置は、エアノズルの送風のＯＮ／ＯＦＦや、送風角度や、送風量を調整することにより自在に制御することができるから、捕集装置の方式に制限されない自由度の高い形状のナノファイバーからなるシートを作成することができる。

さらに、吐出ノズルに対して同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を、例えば、時計回り又は反時計回りに連続的に順番に、或いはランダムに各エアノズルの送風制御（オン・オフ制御又は風量制御）を行うことにより、多数のエアノズルを設けずに済み、装置構造の簡略化を図ることができる。

本発明の一実施例としてのナノファイバー堆積・成形装置を示す概略側面図である。 本発明の一実施例としてのナノファイバー堆積・成形装置のナノファイバー捕集手段を示す斜視図である。 本発明の一実施例としてのナノファイバー吐出装置に構成される吐出ノズルと、吐出ノズルからナノファイバー捕集手段への吐出流を偏向する吐出流方向偏向手段とを示す斜視図である。 本発明の一実施例としてのナノファイバー吐出装置に構成される吐出ノズルと、吐出ノズルからナノファイバー捕集手段への吐出流を偏向する吐出流方向偏向手段との配置関係を示す側面図である。 本発明の一実施例としてのナノファイバー吐出装置に構成される吐出ノズルと、吐出ノズルからナノファイバー捕集手段への吐出流を偏向する吐出流方向偏向手段との配置関係を示す正面図である。

本願の発明者等は、先に、特願２０１７−１７０６４１において、ナノファイバー吐出装置の吐出ノズルから平行捕集棒へナノファイバーを吐出供給し、当該平行捕集棒で捕集する捕集装置に関する発明を出願している。
本願発明のナノファイバーの堆積成形装置及びその堆積成形方法は、上記特願２０１７−１７０６４１において開示された捕集装置に適用することにより、大きな効果を奏するものであり、本願においては、ナノファイバーの吐出ノズル及び捕集装置の実施態様としては、上記特願２０１７−１７０６４１に記載された捕集装置を記載しているが、これは吐出ノズル及び捕集装置を特願２０１７−１７０６４１のものに限定する意味ではない。

以下、本発明の実施形態としての実施例を図１乃至図５により説明する。図１に示した本発明の実施態様のナノファイバー吐出装置とナノファイバー捕集装置とから成るナノファイバー堆積・成形装置を示しており、吐出ノズルからのナノファイバーの吐出によりナノファイバー捕集手段がナノファイバーを捕集して堆積させている状態を示している。

もちろん、本発明は、その発明の趣旨に反しない範囲で、本実施例において説明した具体的な実施態様に限らず、それ以外の当業者であれば容易に変更可能な構成のものに対しても容易に適用可能なことは説明を要するまでもない。特に、吐出ノズル及び捕集装置は、特願２０１７−１７０６４１に開示したものに限定されるというものではなく、一般的な技術への適用は当業者にとって容易なものである。

本実施例のナノファイバー堆積・成形装置１は、大別するとナノファイバー吐出装置２とナノファイバー捕集装置１５とからなり、溶融又は溶解樹脂を極微細径の繊維状に延伸してナノファイバーＦを製造するナノファイバー吐出装置２からナノファイバー捕集装置１５へとナノファイバーＦを吐出供給するものであり、図１に示すように、ナノファイバー吐出装置２の吐出口である吐出ノズル２Ａからナノファイバー捕集装置１５のナノファイバー捕集手段たる平行捕集棒３へナノファイバーＦが吐出され捕集される。

ナノファイバー堆積・成形装置１には、詳細な図示のないフレーム（筐体）９に同じ高さで平行に設けられた捕集手段回転軸４及び掻取り手段回転軸５、捕集手段回転軸４を回転駆動する捕集手段駆動モータ、掻取り手段回転軸５を回転駆動する掻取り手段駆動モータを設けている。捕集手段回転軸４は、９０°回転される毎に停止させられ、当該捕集手段回転軸４が停止された直後に掻取り手段回転軸５を３６０°回転させる回転制御手段を備える。吐出されたナノファイバーは、図１に示された下方位置に停止した捕集手段３により堆積されて捕集させる。捕集手段３により堆積・捕集されたナノファイバーＦは、捕集手段３がＭ方向に４５°回転し、掻取り手段回転軸５がＮ方向に回転することにより、掻取り手段回転軸５に取り付けられたＵ字型の掻取り棒１２により掻き落とされる。なお、前記捕集手段駆動モータ、掻取り手段駆動モータ、及び回転制御手段については、これらも本発明の要旨でないため図示を省略している。

図２にナノファイバーの捕集装置１５の詳細を示す。捕集手段回転軸４には、当該捕集手段回転軸４の軸線方向に１１本配列された平行捕集棒３が設けられている。平行捕集棒３の各々の先端には屈曲延長された脱落防止部１０が形成されている。

また、本実施例の１１本からなるナノファイバー捕集手段たる平行捕集棒３は、図１、２に示すように、捕集手段回転軸４の外周の４方向に設けられている。

１１本の平行捕集棒３のうち、左右に位置する1本ずつの平行捕集棒３には、図２に示すように、コ字型の所定形状保持部材１１が固着されている。当該所定形状保持部材１１と前述した脱落防止部１０とは、平行捕集棒３で捕集されたナノファイバーＦが回転に伴う遠心力等により、平行捕集棒３の外側にはみ出したり脱落してしまったりすることを防止する。

図１に示すように、掻取り手段回転軸５には、Ｕ字型の掻取り棒１２の両端部が固定されている。掻取り手段回転軸５に設けた掻取り棒１２は、当該掻取り手段回転軸５の軸線方向に６本配列されている。

当該掻取り棒１２は、回転制御手段により掻取り手段回転軸５が３６０°回転されるとき、平行捕集棒間の隙間を通過し、平行捕集棒３に捕集され堆積されたナノファイバーＦをはぎ落とす。なお、平行捕集棒３からはぎ落とされるナノファイバーＦの下方には、回収容器１３が設置されており、平行捕集棒３からはぎ落とされたナノファイバーＦはその自重により回収容器１３に自動的に回収される。

本実施例では、捕集手段回転軸４の外周の前後上下に平行捕集棒３が配置されたときに、回転制御手段が捕集手段回転軸４の回転駆動を停止させる（図１の状態）。そして、ナノファイバー吐出装置２の吐出ノズル２ＡからナノファイバーＦが吐出されるのは、捕集手段回転軸４の下方に位置する平行捕集棒３に対してのみであり、当該平行捕集棒３がそこから９０°回転され水平に配置された状態にあるときに、掻取り手段回転軸５が３６０°回転され、それに伴い掻取り棒１２が平行捕集棒３に捕集されたナノファイバーＦに対し接触されて、平行捕集棒３に捕集されたナノファイバーＦをはぎ落とす。そして、はぎ落されたナノファイバーＦは回収容器１３に自動回収される。

次に、本発明の実施態様である吐出流方向偏向手段について説明する。ここで、ナノファイバー吐出装置２の吐出ノズル２Ａからナノファイバー捕集手段１５へナノファイバーＦを吐出するその流れを偏向する吐出流方向偏向手段１６について図３〜５に基づき以下に説明する。なお、本実施例の吐出流方向偏向手段１６はナノファイバー吐出装置２に付属して構成されているが、ナノファイバー補正装置１５側に構成するようにして良いものとする。

吐出流方向偏向手段１６は、吐出ノズル２Ａから吐出されるナノファイバーＦの吐出流の側面方向より、偏向風を当てることによりナノファイバーＦの吐出流を偏向して所望の方向への吐出流を形成するもの、つまり、ナノファイバーＦの吐出流をシフトするものである。この吐出流方向偏向手段１６には、吐出ノズル２ＡからのナノファイバーＦの吐出流に側方から偏向風を当てる複数のエアノズル１７を円周状に配置している。該偏向風を形成するエアノズル１７は、偏向角度調整プレート１８により偏向風の噴出角度は調整自在である。該偏向角度調整プレート１８は、半径方向（ナノファイバーＦの吐出流に対して近づく方向或いは遠ざかる方向）にスライド自在に中空円盤型の保持フレーム１９に対して装着されている。該偏向風のエアノズル１７に対しては、偏向エアーを供給するための配管が構成されているが、図面の簡略化のために配管は図示していない。これらの配管は、偏向風をエアノズル１７にまで導けば良いものである。配管に加えて、ポンプ、エアー供給のオン／オフ動作を行うソレノイドバルブを設けているが、これも適宜の構成に拠ることが可能であり、本明細書においては詳細の説明はしない。本発明の実施態様においては、各エアノズル１７の吐出時間の他に各種送風動作を制御する送風制御手段２１及びエアノズル１７の送風量を電気的に調整する送風量変更手段２０を備えている。

複数のエアノズル１７を円周状に装着した中空円盤型の保持フレーム１９は、吐出ノズル２Ａの下流側であって、当該吐出ノズル２Ａを取り巻くように同心円状に配置され、図示しない連結フレームを介してナノファイバー吐出装置２に一体的に構成されている。図３〜図５に示すように、複数からなるエアノズル１７は、吐出ノズル２Ａの配置を中心にして同心円状に等間隔角度（４５°間隔）で８つ配設されている。勿論、複数のエアノズル１７は、４５°間隔で８つの配置に限られるものではない。

また、保持フレーム１９に対しては、各エアノズル１７が偏向角度調整プレート１８を介して装着されている。この偏向角度調整プレート１８は、半径方向、つまり、ナノファイバーＦの吐出流に対して近づく方向或いは遠ざかる方向に、中空円盤型の保持フレーム１９に対してスライド自在に装着されている。偏向角度調整プレート１８は、エアノズル１７からの送風方向角度を調整するエアノズル送風角度変更手段である。

本発明のナノファイバーの堆積・成形方法は、熱風流に対して溶融又は溶解樹脂を吐出して微細径繊維状に延伸してナノファイバーを製造するナノファイバー吐出装置の吐出ノズルからナノファイバーが吐出し、当該吐出されたナノファイバーをナノファイバー捕集手段に捕集させ堆積させるナノファイバー堆積・成形装置を用いたものであり、
吐出ノズルからナノファイバー捕集手段へのナノファイバーの吐出流を偏向させる吐出流方向偏向手段１６により吐出流方向を偏向することにより、ナノファイバーの堆積位置を変えて所望の所定形状のナノファイバー堆積体を得るものである。

吐出流方向偏向手段１６により、吐出ノズルからナノファイバー捕集手段への流路中にナノファイバーの吐出流の側面方向より偏向風を当てることによりナノファイバーの吐出流の方向を偏向する。

吐出流方向偏向手段１６は、同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を、例えば、時計回り又は反時計回りに連続的に順番に、或いはランダムに送風制御する。この場合の送風制御は、各エアノズルの送風のオン・オフ制御でも、送風量の制御でも良い。これにより、あたかも、偏向風の生成がナノファイバーの吐出流の周りを回るように生成することもできるし、吐出流の方向をランダムに変更することもできる。これにより、所定形状のナノファイバー成形体が形成できる。

以上のような本実施例のナノファイバー堆積・成形装置１によれば、ナノファイバー捕集手段に捕集され堆積されるナノファイバーの吐出方向を吐出流方向偏向手段１６により適宜調整することにより、ナノファイバー捕集手段に堆積して捕集されるナノファイバーＦを正方形等の所定形状に自由に堆積・成形することが可能となる。これにより、シート状或いはマット状或いはブロック状の所定形状形成体に成形することが可能である。また、ナノファイバーＦを堆積量に関わらず、平行捕集棒３の吹き付け面へ均一に堆積させることもできる。

さらに、捕集手段に堆積されるナノファイバーＦの堆積位置は、エアノズル１７の送風角度や送風量を調整することにより自在に制御することができるから、捕集手段の方式に制限されない自由度の高い形状のナノファイバーＦからなるシート形状を作成することができる。

さらに、送風制御手段２１が、同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズル１７の送風のＯＮ−ＯＦＦ動作を、例えば、時計回り又は反時計回りに連続的に順番に回転するように、或いはランダムに各エアノズル１７の送風制御することができることから、多数のエアノズルを設けずに済み、装置構造の簡略化を図ることができる。

１ ナノファイバー堆積・成形装置
２ ナノファイバー吐出装置
２Ａ 吐出ノズル（吐出口）
３ 平行捕集棒（ナノファイバー捕集手段）
４ 捕集手段回転軸
５ 掻取り手段回転軸
９ フレーム（筐体）
１０ 脱落防止部
１１ 所定形状保持部材
１２ 掻取り棒
１３ 回収容器
１５ ナノファイバー捕集装置
１６ 吐出流方向偏向手段
１７ エアノズル
１８ 偏向角度調整プレート（エアノズル送風角度変更手段）
１９ 保持フレーム
２０ 送風量変更手段
２１ 送風制御手段（制御手段）
Ｆ ナノファイバー

Claims (5)

1. 熱風流に対して溶融又は溶解樹脂を吐出して微細径繊維状に延伸してナノファイバーを製造するナノファイバー吐出装置の吐出ノズルからナノファイバーが吐出され、当該吐出されたナノファイバーをナノファイバー捕集手段に捕集させ堆積させるナノファイバー堆積・成形装置であって、
   前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段へのナノファイバーの吐出流の方向を偏向する吐出流方向偏向手段を備えており、該吐出流方向偏向手段は、前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段への流路中で前記ナノファイバーの吐出流の側面方向より偏向風を当てることにより前記ナノファイバーの吐出流の方向を偏向するエアノズルを備えており、当該エアノズルは複数備えられており、当該複数のエアノズルを前記吐出ノズルに対して同心円状に等間隔角度で配設したことを特徴とするナノファイバー堆積・成形装置。
2. 前記エアノズルからの送風方向角度を調整するエアノズル送風角度変更手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のナノファイバー堆積・成形装置。
3. 前記エアノズルの送風量を調整する送風量変更手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のナノファイバー堆積・成形装置。
4. 前記同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を時計回り又は反時計回りに連続的に順番に送風を制御する送風制御手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のナノファイバー堆積・成形装置。
5. 熱風流に対して溶融又は溶解樹脂を吐出して微細径繊維状に延伸してナノファイバーを製造するために、ナノファイバー吐出装置の吐出ノズルからナノファイバーが吐出し、当該吐出されたナノファイバーをナノファイバー捕集手段に捕集させ堆積させるナノファイバー堆積成形装置を用いたナノファイバーの堆積・成形方法であって、
   前記吐出ノズルから前記ナノファイバー捕集手段への流路中に前記ナノファイバーの吐出流に対して同心円状に配置されたエアノズルによって、前記吐出流の側面方向より偏向風を当てることにより前記ナノファイバーの吐出流の方向を偏向させるようにし、
   当該同心円状に等間隔角度で配設されたエアノズルの送風動作を時計回り又は反時計回りに連続的に順番に送風制御することを特徴とするナノファイバー堆積・成形方法。

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