JP7010689B2 - 電界紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界紡糸装置に関する。

溶融紡糸法は、原料樹脂の溶融液を吐出して、ナノサイズの直径の繊維（以下、繊維ともいう）を有する繊維シートを簡便且つ高い生産性で製造できる技術として注目を浴びている。特に、樹脂の溶融液を用いた電界紡糸法においては、溶融液を吐出するためのノズルと、ノズルから所定距離を隔てた位置に対向して設置された捕集用電極との間に高電圧を印加して、その状態下で溶融液を吐出する。ノズルの先端から吐出された樹脂液は、クーロン力で延伸されながら冷却固化することによって、より細径の繊維が形成されるものである。

溶融紡糸法による細径繊維の生産性をより高める方法として、特許文献１及び２に記載の製造装置には、溶融樹脂を吐出するノズル部に沿って高温且つ高速の熱風を吹き出すための高温気体流路や熱風吹き出し部が設けられている。このような構成を有していることによって、溶融液の溶融状態を維持しながら、熱風の吹き付けによって生じた外力によって溶融液が引き伸ばされ、より細径の繊維が製造できると、これらの文献には記載されている。

特開２０１１－８９２４０号公報 特開２０１６－１３０３７７号公報

特許文献１及び２に記載の製造装置は、溶融液を吐出するノズル近傍では溶融液の加熱状態が維持できているので、溶融液が延伸されやすい状態となっている。しかしながら、ノズルから吐出された後は、溶融液が外気にさらされ、溶融液の冷却固化が促進しやすくなっている。その結果、熱風による溶融液の延伸を十分に行うことができず、所望の細径繊維が得られない場合があった。

したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を解消し得る電界紡糸装置及びこれを用いた電界紡糸方法を提供することにある。

本発明は、溶融樹脂を吐出するノズルと、
前記ノズルとの間に電界を生じさせるための電極と、
前記電極における前記ノズルに臨む面に配置された電気絶縁性の壁部と、
気体噴出部と、を備えた電界紡糸装置であって、
前記電極が、前記ノズルを囲み、且つ該ノズルの先端側に開口端を有する電極面部を有し、
前記壁部が、前記電極における少なくとも前記電極面部に配置されており、
前記気体噴出部は、前記ノズルを囲むように配置され、且つ該ノズルの延びる方向に沿って且つ該ノズルの後端から先端方向に向けて、加熱された第１気体流を噴出可能に形成されている第１気体噴出部と、
前記ノズルの先端から後端方向に向けて、且つ第１気体流を取り囲むように、加熱された第２気体流を噴出可能に形成されている第２気体噴出部とを備える、電界紡糸装置を提供するものである。

本発明によれば、紡糸時における樹脂の溶融状態を維持して、より細径の繊維を製造できる。

図１は、本発明の電界紡糸装置の構成を示す斜視概略図である。 図２は、図１の電界紡糸装置のＩ－Ｉ面での断面模式図である。 図３は、図１の電界紡糸装置の別の実施形態のＩ－Ｉ面での断面模式図である。 図４は、本発明の電界紡糸装置の第２実施形態の構成を示す斜視概略図である。 図５は、図４の電界紡糸装置のＩＩ－ＩＩ面での断面模式図である。 図６は、図４の電界紡糸装置の別の実施形態のＩＩ－ＩＩ面での断面模式図である。

以下に本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１及び図２には、本発明の電界紡糸装置の第１実施形態の構造が示されている。図２に示すように、電界紡糸装置１０は、混練装置２０と、紡糸ユニット３０とを備えている。

電界紡糸装置１０は、混練装置２０を備えている。混練装置２０は、繊維の原料となる樹脂を溶融し、後述する紡糸ユニット３０へ吐出するものである。混練装置２０は、その内部に、ヒーターを備えたシリンダ及びスクリュー（図示せず）を有しており、混練装置２０内に供給された原料樹脂を溶融混練して、紡糸ユニット３０へ押し出して供給できる構造となっている。混練装置２０は一般的には導電性の材料から構成されている。

電界紡糸装置１０は、紡糸ユニット３０を備えている。紡糸ユニット３０は、混練装置２０から供給された溶融樹脂を外部へ吐出して紡糸するものである。紡糸ユニット３０は、混練装置２０と連通している中空のノズル３１を備えている。ノズル３１は、混練装置２０から供給された溶融樹脂を、後述する樹脂流路３８を介してノズル３１の先端３１ａから吐出できるようになっている。ノズル３１の帯電性向上の観点から、ノズル３１は金属等の導電体から構成されていることが好ましい。

ノズル３１の先端３１ａの直径は、その下限値を好ましくは５０μｍ以上、更に好ましくは１００μｍ以上に設定することができる。一方、その上限値を好ましくは３０００μｍ以下、更に好ましくは２０００μｍ以下に設定することができる。先端３１ａの直径は、好ましくは５０μｍ以上３０００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ以上２０００μｍ以下に設定することができる。先端３１ａの直径をこの範囲内に設定することで、溶融樹脂を容易に、且つ定量的に送液することができる。

図２に示すように、紡糸ユニット３０は、ノズル３１を帯電させ、ノズル３１との間に電界を生じさせるための電極３２を備えている。電極３２は導電性材料から構成されている。電極３２は、ノズル３１を囲む電極面部３２ａを有している。同図における電極面部３２ａは略椀形状となっており、該電極面部３２ａにおけるノズル３１に臨む面は凹曲面状に形成されている。したがって、以下の説明では、電極面部３２ａのことを便宜的に「凹曲面部３２ａ」ともいう。凹曲面部３２ａはノズル３１の先端側に開口端３２ｃを有しており、その開口端３２ｃの平面形状は、真円形でもよく、あるいは楕円形でもよい。ノズル３１に電荷を集中させて、吐出する溶融樹脂の帯電量を高める観点から、凹曲面部３２ａの開口端３２ｃは真円形であることが好ましい。電極３２は、高電圧発生装置（図示せず）に接続されており、該装置によって正又は負の電圧が印加されている。

凹曲面部３２ａは、そのいずれの位置においても曲面になっていることが好ましい。ここで言う曲面とは、（イ）平面部を全く有していない曲面のことであるか、（ロ）平面部を有する複数のセグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面とみなせる形状となっていることであるか、又は（ハ）互いに直交する三軸のうち一軸が曲率を有さない帯状部を有する複数の環状セグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面とみなせる形状となっていることのいずれかを言う。

凹曲面部３２ａは、その任意の位置における法線がノズル３１の先端３１ａ又はその近傍を通るように形成されていることが好ましい。この観点から、凹曲面部３２ａは、真球の球殻の内面と同じ形状をしていることが特に好ましい。

紡糸ユニット３０は、電気絶縁性の壁部３５を備えている。ノズル３１と電極３２との間の放電を防ぐ観点から、壁部３５は、電極３２におけるノズル３１に臨む面に配置されてることが好ましく、また、凹曲面部３２ａの少なくとも内面を覆うように配置されていることが好ましい。なお「内面」とは、ノズル３１に臨む面のことを言う。

図２に示す壁部３５は、電極３２と直接に接触して、電極３２の全面を被覆している。このような構成とすることによって、壁部３５は電極３２を支持する支持部材としても機能させることができる。壁部３５は、ノズル３１の先端側に開口端３５ｃを有している。壁部３５の開口端３５ｃの平面形状は、真円形でもよく、あるいは楕円形でもよい。壁部３５のうち、ノズル３１に臨む面は、開口端３５ｃ側に向かって傾斜する壁面３５ａをなしている。

特に壁部３５は、ノズル３１と電極３２とを電気的に絶縁するための誘電体からなることが好ましい。壁部３５を誘電体とすることで、ノズル３１の帯電量を一層高めることができる。壁部３５は単一種の誘電体から構成されていてもよく、複数種の誘電体が積層された積層体であってもよい。

壁部３５に使用する誘電体としては、絶縁材料であるマイカ、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム等のセラミックス材料や、ベークライト（フェノール樹脂）、ナイロン（ポリアミド）、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂系材料が挙げられる。これらのうち、アルミナ、ベークライト、ナイロン、塩化ビニル樹脂の中から選ばれる少なくとも１種以上の絶縁材料を用いることが好ましく、特にナイロンを用いることが好ましい。ナイロンとしては、６ナイロンや６６ナイロンなどの各種のポリアミドを用いることができる。またナイロンとして市販品を用いることもできる。そのような市販品としては、例えばＭＣナイロン（登録商標）が挙げられる。

また、壁部３５に用いる誘電体には、帯電防止剤を含有させることができる。帯電防止剤を含有させることによって、帯電した溶融樹脂や繊維等が壁部３５に付着したとき、壁部３５の意図しない帯電を低減することができる。帯電防止剤としては公知の市販品を使用することができ、例えばペレクトロン（登録商標、三洋化成工業（株））、エレクトロストリッパー（登録商標、花王（株））、リケマール（登録商標、理研ビタミン（株））などを用いることができる。

壁部３５に使用する誘電体の厚みは、溶融樹脂の帯電量を高める観点から、０．８ｍｍ以上であることが好ましく、８ｍｍ以上であることがより好ましい。この厚みは、壁部３５が単一種又は複数種の誘電体から構成されている場合、壁部３５の厚みを指す（すなわち、誘電体の厚みは壁部３５の厚みに等しい。）ものとする。また壁部３５が内部（表面に露出しない部分）に金属の粒子又は空気の層等を含んだ複合体である場合は、該壁部３５の厚みから該壁部３５の厚み方向における金属の粒径や空気の層の厚みの合計を差し引いた誘電体のみの厚みを指すものとする。壁部３５の厚みは、電極３２の大きさ、及びノズル３１と電極３２との位置関係によるが、少なくともノズル３１と壁部３５とが直接接することのない値であることが好ましい。

図２に示すとおり、紡糸ユニット３０は、混練装置２０とノズル３１との間に、内筒３６と、内筒３６を覆う外筒３７とで形成された二重管の構造を有している。内筒３６の内部には、混練装置２０から吐出された溶融樹脂を流通させる樹脂流路３８が形成されている。混練装置２０と樹脂流路３８との間には、混練装置２０から吐出された溶融樹脂を樹脂流路３８へと送るための第２樹脂流路（図示せず）が形成されている。混練装置２０及び第２樹脂流路、並びに樹脂流路３８及びノズル３１はそれぞれ連通して接続されており、溶融樹脂が流通可能となっている。内筒３６と外筒３７との間に形成された空間は、第１気体流Ａが流通可能な第１気体噴出部４０となっている。このように、紡糸ユニット３０は、溶融樹脂を流通させる樹脂流路３８が形成されているとともに、樹脂流路３８の延びる方向に沿って、且つ樹脂流路３８を囲むように第１気体噴出部４０が形成された構造となっている。

細径の繊維を高い生産性で製造する観点から、第１気体噴出部４０は、ノズル３１の延びる方向に沿って、且つノズル３１を囲むように複数個配置されていることが好ましい。第１気体流Ａは、第１気体噴出部４０から、ノズル３１の後端から先端３１ａ方向に向けて、ノズル３１の延びる方向に沿って噴出される。このように第１気体噴出部４０が形成されていることで、一層極細化した繊維を形成することができる。細径繊維の形成性向上の観点から、第１気体噴出部４０から噴出される第１気体流Ａは、加熱された気体流を用いることが好ましい。気体流としては、利便性の観点から、例えば空気流を用いることができる。

加熱された気体流の温度は、原料樹脂の種類にもよるが、１００℃以上５００℃以下であることが好ましく、２００℃以上４００℃以下であることが更に好ましい。同様の目的のために、第１気体噴出部４０における気体流の流量は、５０Ｌ／ｍｉｎ以上５００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１５０Ｌ／ｍｉｎ以上２５０Ｌ／ｍｉｎ以下であることがより好ましい。このような条件の空気は、第１気体噴出部４０と連通して設けられた第１気体導入口５５から供給される。

第１気体導入口５５には、電界紡糸装置１０の外部に設置された第１気体供給源（図示せず）が接続されており、第１気体導入口５５を介して第１気体噴出部４０に第１気体流Ａが供給されるようになっている。第１気体噴出部４０へ供給される第１気体流Ａとしては、樹脂の溶融状態を維持する観点から、加熱空気を用いることが好ましい。

混練装置２０からの溶融樹脂の供給を首尾よく行う観点から、混練装置２０と樹脂流路３８との間には、溶融樹脂を加熱又は保温する加熱手段（図示せず）が備えられていることが好ましい。加熱手段としては、ヒーターなどの公知の手段を用いることができる。加熱又は保温する温度としては、繊維の製造に使用する原料樹脂の融点以上に加熱又は保温しておくことが好ましい。また混練装置２０と樹脂流路３８との間の第２樹脂流路は、熱伝導性及び機械的強度等の観点から、例えば金属で構成されていることが好ましく、溶融電界紡糸法において混練装置２０への電圧負荷を防止する観点から、接地されていることが好ましい。

ところで、前記課題を解決すべく本発明者が検討した結果、ノズルの延びる方向に沿って噴出する第１気体流Ａに加えて、ノズル３１の先端３１ａから後端方向に向けて、且つ該気体流Ａを取り囲むように、第２気体流Ｂを噴出させることによって、溶融樹脂の溶融状態を長時間維持できることを見出した。その結果、紡糸時における溶融樹脂の延伸時間を長くすることができ、より細径の繊維を製造できることを見出した。

そこで本発明においては、図２に示すとおり、紡糸ユニット３０におけるノズル３１の延びる方向の外方端に、ノズル３１の先端３１ａから後端方向に第２気体流Ｂを噴出するための複数の第２気体噴出部６０を具備させている。第２気体噴出部６０には、ノズル３１の先端よりも更に前方に位置し、且つノズル３１の先端方向から後端方向に向かって延びる噴出口６１と、第２気体流Ｂを紡糸ユニット３０へ供給する第２気体導入口６５とが設けられている。第２気体噴出部６０の構成材料は特に制限されないが、ノズル３１の帯電性を考慮して選択することが好ましく、例えば壁部３５と同様の材料を用いることができる。

第２気体導入口６５には、電界紡糸装置１０の外部に設置された第２気体供給源（図示せず）が接続されており、第２気体導入口６５を介して第２気体噴出部６０に第２気体流Ｂが供給されるようになっている。このような構成を有する第２気体噴出部６０によって、第２気体導入口６５から供給された第２気体流Ｂが、ノズル３１の延びる方向に沿うように、ノズル３１の先端３１ａから後端方向に向けて、且つ第１気体流Ａを取り囲むように噴出されるようになっている。樹脂の溶融状態を維持する観点から、第２気体流Ｂは、第１気体流Ａと同様に加熱空気を用いることが好ましい。なお、第２気体供給源は第１気体供給源と同一のものであってもよく、異なっていてもよい。

噴出口６１は、ノズル３１の延びる方向に沿って形成されているので、噴出された第２気体流Ｂは、壁部３５における壁面３５ａに沿って噴出されるとともに、ノズル３１の先端３１ａから後端方向に向けて、且つ第１気体流Ａを取り囲むように噴出されるようになっている。第２気体流Ｂは、その噴出方向が、壁部３５のノズル後端側の面３５ｂに当たることによって、第１気体流Ａと同一の方向となるように変化する。

このように噴出された第２気体流Ｂが、壁部３５を含む紡糸ユニット３０全体を加熱及び保温して、ノズル３１周囲の空間温度を高い状態で維持することができ、吐出された溶融樹脂の冷却固化を遅らせる。その結果、溶融樹脂の延伸状態を長時間維持し、より細径の繊維を製造することができる。このとき、壁部３５は紡糸ユニット３０を保温するための部材としても機能する。

第２気体流Ｂの噴出に起因してノズル３１周囲の空間温度を高い状態で維持して、溶融樹脂の延伸状態を長時間維持する観点から、壁部３５が直円錐台筒形状に形成されていることが好ましい。直円錐台筒形状の壁部３５を形成した場合、直円錐台筒の軸方向とノズルの延びる方向とが略一致するように形成されていることも好ましい。このとき、直円錐台筒における上底に相当する面は、ノズル先端側に配されていてもよく、ノズル後端側に配されていてもよい。特に、上述の観点に加えて、紡糸性を高める観点から、図２に示すように、壁部３５の形状は、壁部３５のノズル後端側の面３５ｂを上底とし、壁部３５の開口端３５ｃにおける平面を下底とするように配置して、上底及び下底の平面形状は略真円形であって、且つ図２における壁面３５ａ，３５ａ間の距離がノズル３１の先端３１ａから後端に向かって漸次減少するように構成されていることが更に好ましい。

また、ノズル３１に電荷を集中させて、吐出する溶融樹脂の帯電量を一層高める観点から、ノズル３１の先端３１ａが、直円錐台筒形状の壁部３５における上底の中心と下底の中心とを結ぶ仮想直線上に位置するか、又は該仮想直線の近傍に位置するように配置されていることが好ましい。

ノズル３１周囲の空間温度を保温して、溶融樹脂の延伸状態を長時間維持する観点から、紡糸ユニット３０は、壁部３５における開口端３５ｃから外方に延出する壁延出部３５ｅを備えていることが好ましい。また、溶融樹脂の帯電性を高める観点から、壁延出部３５ｅは、壁部３５と同様に、電気絶縁性の材料から構成されていることが好ましく、誘電体からなることが更に好ましい。壁延出部３５ｅが誘電体からなる場合、単一種の誘電体から構成されていてもよく、複数種の誘電体が積層された積層体であってもよい。

壁延出部３５ｅの形状は、壁部３５の開口端３５ｃから外方に延出していれば特に制限はなく、円筒形状に形成されていてもよく、壁延出部３５ｅのノズルに臨む側の壁面間の距離がノズル３１の先端方向に向けて漸次減少していてもよく、漸次増加していてもよい。溶融樹脂の紡糸を妨害しないようにする観点からは、図２に示すように、開口端３５ｃの全周縁から延出した円筒形状に形成されていることが好ましい。壁延出部３５ｅは、壁部３５と別の部材として形成されていてもよく、図２に示すように壁部３５と一体形成されていてもよい。

ノズル３１に電荷を一層集中させて、吐出する溶融樹脂の帯電量を高める観点から、紡糸ユニット３０には、電極３２における開口端３２ｃから外方に延出する電極延出部３２ｅが設けられていることが好ましい。電極延出部３２ｅは、電極３２と同様に導電性材料から構成されている。電極延出部３２ｅの形状は、電極３２の開口端３２ｃから外方に延出していれば、特に限定されない。図２に示す電極延出部３２ｅは、電極３２と一体形成されており、開口端３２ｃの全周縁から延出した円筒の形状をしている。なお、電極延出部３２ｅは、電極３２と別の部材として形成されていてもよい。電極延出部３２ｅがいずれの形態であっても、溶融樹脂の帯電量を高く維持する観点から、電極３２と電極延出部３２ｅとは同一の電圧が印加されていることが好ましい。

図３には、図１及び図２に示す実施形態の別の実施形態（第１Ａ実施形態）が示されている。本実施形態については、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、特に説明しない点については第１実施形態についての説明が適宜適用される。また、図３において、図２と同じ部材には同じ符号を付してある。

図３に示す実施形態では、電極の構造が図２に示す実施形態と異なる。図３に示すように、電極３０２は、ノズル３１に臨む電極面部３０２ａを有している。電極３０２は略円筒形状となっており、ノズルの延びる方向と、円筒の軸方向とが略一致するように配置されている。電極面部３０２ａは円筒内面となっている。したがって、以下の説明では、電極面部３０２ａのことを便宜的に「円筒内面部３０２ａ」ともいう。

円筒内面部３０２ａは、ノズル先端３１ａ方向側（前方側）に位置する前方開口端３０２ｃと、ノズル後端方向側（後方側）に位置する後方開口端３０２ｄを有している。各開口端３０２ｃ，３０２ｄの平面形状は、真円形でもよく、あるいは楕円形でもよい。ノズル３１に電荷を集中させて、吐出する溶融樹脂の帯電量を高める観点から、各開口端３０２ｃ，３０２ｄの平面形状はそれぞれ真円形であることが好ましい。電極３０２は、高電圧発生装置（図示せず）に接続されており、該装置によって正又は負の電圧が印加されている。

吐出する溶融樹脂の帯電量を高めて、繊維の紡糸性を一層高める観点から、電極３０２は、該電極の円筒内面における任意の位置とノズル３１の中心との間の距離がそれぞれ等距離になるように形成されていることが一層好ましい。つまり、電極３０２は真円筒形状に形成されており、且つ電極３０２における円筒軸とノズル３１の中心とが一致していることが一層好ましい。

図３に示す電極３０２はノズル３１全体を囲うように配置されているが、本発明の効果が奏される限り、電極３０２の前後方向における配置位置については特に限定されない。電極３０２の前後方向における配置位置としては、例えば、図３に示すように、各開口端３０２ｃ，３０２ｄの間にノズル先端３１ａが位置するように配置してもよく、前方開口端３０２ｃがノズル先端３１ａよりも後方に位置するように配置してもよく、後方開口端３０２ｄがノズル先端３１ａよりも前方に位置するように配置してもよく、又は前方開口端３０２ｃ若しくは後方側の開口端３０２ｄとノズル先端３１ａとがノズル３１の延びる方向において一致するように配置してもよい。なお、電極３０２に電極延出部を更に設ける場合、前方開口端３０２ｃから外方に延出するように設けられていればよい。

次に、本発明の電界紡糸装置１０における第２実施形態を、図４及び図５を参照しながら説明する。本実施形態については、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、特に説明しない点については第１実施形態についての説明が適宜適用される。また、図４及び図５において、図１及び図２と同じ部材には同じ符号を付してある。

第２実施形態における電界紡糸装置１０は、第２気体流Ｂを噴出する方向が第１実施形態と異なる。図４及び図５に示すように、本実施形態における紡糸ユニット３０は、一つの第２気体噴出部６０が備えられている。第２気体噴出部６０における噴出口６１は、ノズル３１の先端よりも更に前方に位置し、且つノズル３１の先端方向から後端方向に向かって延びている。また噴出口６１は、ノズル３１の延びる方向と交差するように配置されており、壁部３５のノズル側に臨む面の接線方向に第２気体流Ｂを噴出できるようになっている。このような構成を有することによって、第２気体噴出部６０から噴出された第２気体流Ｂは、ノズル３１を正面から見たときに、第２気体流Ｂが壁部３５におけるノズル側に臨む壁面に沿う一方向の旋回流となるように噴出される。

壁部３５のノズル側に臨む面の接線方向に噴出された第２気体流Ｂは、図５に示すように、第１気体流Ａを取り囲むように一方向に旋回しながら、ノズル３１の先端３１ａ側から後端側に流動する。ノズル３１の後端側に到達した第２気体流Ｂは、その流動方向が第１気体流Ａの噴出に伴って変化し、第１気体流Ａの噴出方向と同一の方向に噴出されるようになる。本実施形態の構成を有することによって、ノズル３１周囲の空間温度を保温して、溶融樹脂の延伸状態を長時間維持することができる。また、旋回流を形成している第２気体流Ｂは、ノズル３１の近傍で遠心力を発生させるので、ノズル３１から吐出された溶融樹脂を更に延伸させることができる。その結果、より一層細径の繊維を形成することができるという利点がある。

第２気体流Ｂが旋回流を形成しやすくする観点から、図５に示すように、壁部３５の開口端３５ｃから外方に壁延出部３５ｅが設けられていることが好ましい。また、ノズル３１に電荷を一層集中させて、吐出する溶融樹脂の帯電量を高める観点から、電極３２における開口端３２ｃから外方に延出する電極延出部３２ｅが設けられていることが好ましい。

図６には、図４及び図５に示す実施形態の別の実施形態（第２Ａ実施形態）が示されている。本実施形態において特に説明しない点については、第１実施形態、第１Ａ実施形態及び第２実施形態についての説明が適宜適用される。また、図６において、図３及び図５と同じ部材には同じ符号を付してある。

図６に示す実施形態では、電極の構造が図５に示す実施形態と異なる。図６に示すように、電界紡糸装置１０は、円筒形状の電極３０２を有しており、電極３０２におけるノズル３１側の面は円筒内面状の電極面部３０２ａ（円筒内面部３０２ａ）を有している。また、第２実施形態と同様に、第２気体流Ｂが壁部３５におけるノズル側に臨む壁面に沿う一方向の旋回流となるように噴出される。

以上は本発明の電界紡糸装置１０に関する説明であったところ、該装置１０を用いた電界紡糸方法は、ノズル３１と電極３２との間に電界を生じさせ、且つ第１気体流Ａ及び第２気体流Ｂを噴出させた状態下に、ノズル３１の先端３１ａから溶融樹脂を吐出する。吐出された溶融樹脂は、その内部で発生した電気的斥力と、第１気体流Ａ及び第２気体流Ｂの噴出とによって、溶融樹脂が微細化し、同時に、溶媒の揮発や高分子の凝固等が進行し、細径の繊維が形成される。

本発明の電界紡糸装置１０によって製造される繊維は、その太さを円相当直径で表した場合、一般に０．１μｍ以上１０μｍ以下のものである。繊維の太さは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって測定することができる。

本発明の電界紡糸装置１０において用いられる溶融樹脂は、融点を有する熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物である。なお、「融点を有する」とは、示差走査熱量測定法（ＤＳＣ法）において、樹脂を加熱していったときに、該樹脂が熱分解する前に、固体から液体へ相変化することに起因する吸熱ピークを示すことを言う。

熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－α－オレフィンコポリマー等のポリオレフィン樹脂；ポリエチレンテレフタレート及びポリブチレンテレフタレート、ポリ乳酸、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）等のポリエステル樹脂；ナイロン６及びナイロン６６等のポリアミド樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン及びポリスチレン等のビニル系ポリマー；ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸及びポリメタクリル酸エステル等のアクリル系ポリマー；ポリ酢酸ビニル、ポリ酢酸ビニル－エチレン共重合体；などが挙げられる。これらの樹脂は一種を単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。これらの熱可塑性樹脂のうち、低融点、高流動性、高延性といった性質に起因して紡糸し易いという観点から、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－α－オレフィンコポリマー等のポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。

溶融樹脂は、本発明の効果を損なわない限り、熱可塑性樹脂に加えて、添加剤を配合した樹脂組成物とすることもできる。添加剤としては、例えば帯電剤、酸化防止剤、中和剤、光安定剤、紫外線吸収剤、滑剤、帯電防止剤、金属不活性剤、親水化剤などが挙げられる。帯電剤としては、ステアリン酸、ラウリン酸、リシノール酸等の有機酸とＣａ、Ｌｉ、Ｚｎ、Ｂａ等の金属とが金属塩を形成している金属石鹸、アルキルスルホン酸塩及び第四級アンモニウム塩等のイオン性界面活性剤などが例示できる。酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、フォスファイト系酸化防止剤及びチオ系酸化防止剤などが例示できる。中和剤としては、ステアリン酸カルシウムやステアリン酸亜鉛などの高級脂肪酸塩類が例示できる。光安定剤及び紫外線吸収剤としては、ヒンダードアミン類、ニッケル錯化合物、ベンゾトリアゾール類、ベンゾフェノン類などが例示できる。滑剤としては、ステアリン酸アマイドなどの高級脂肪酸アマイド類が例示できる。帯電防止剤としては、グリセリン脂肪酸モノエステルなどの脂肪酸部分エステル類が例示できる。金属不活性剤としては、フォスフォン類、エポキシ類、トリアゾール類、ヒドラジド類、オキサミド類などが例示できる。親水化剤としては多価アルコール脂肪酸エステル、エチレンオキサイド付加物、アミンアノマイド系などのノニオン性界面活性剤などが例示できる。

溶融樹脂に添加剤を含む場合、添加剤の含有量は、電界紡糸を首尾よく行う観点から、好ましくは０．５質量％以上５０質量％以下、更に好ましくは１質量％以上４０質量％以下、一層好ましくは３質量％以上３０質量％以下である。つまり、本発明の繊維シートの製造に用いられる溶融樹脂は熱可塑性樹脂を主体とするものである。

溶融樹脂を製造する方法は特に制限はなく、例えば加熱して溶融させた熱可塑性樹脂に、必要に応じて添加剤を添加して、これらを加熱混練することによって製造することができる。このような溶融樹脂は、予め溶融混練したものをマスターバッチとして製造してもよく、製造時に熱可塑性樹脂と、必要に応じて添加剤とを混練装置２０へ供給し、該装置２０内で加熱溶融及び混練して製造してもよい。

本発明の電界紡糸装置１０を用いた電界紡糸方法によって製造された繊維又はその堆積体は、それを集積させた繊維成型体として各種の目的に使用することができる。成型体の形状としては、シート、綿状体、糸状体などが挙げられる。繊維成型体は、他のシートと積層したり、各種の液体、微粒子、ファイバなどを含有させたりして使用してもよい。繊維シートは、例えば医療目的や、美容目的、装飾目的等の非医療目的でヒトの肌、歯、歯茎、毛髪、非ヒト哺乳類の皮膚、歯、歯茎、枝や葉等の植物表面等に付着されるシートとして好適に用いられる。また、高集塵性でかつ低圧損の高性能フィルタ、高電流密度での使用が可能な電池用セパレータ、高空孔構造を有する細胞培養用基材等としても好適に用いられる。繊維の綿状体は防音材や断熱材等として好適に用いられる。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば、電界紡糸装置１０には、ノズル３１の先端３１ａと対向する位置に、紡糸された繊維を捕集する捕集部が配置されていてもよい。捕集部は金属等の導電性材料から構成され、且つ高電圧電源装置によって電圧が印加されていることが好ましい。この場合、捕集部には、ノズル３１に印加されている電圧と異なる電圧が印加されていることが好ましい。

また、捕集部によって捕集した繊維を容易に搬送する観点から、ノズル３１と捕集部との間にベルトコンベアなどの搬送手段を設けられていてもよい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。

〔実施例１〕
図４及び図５に示す電界紡糸装置１０を用いて、原料の熱可塑性樹脂としてポリプロピレン（ＰＰ；ＰｏｌｙＭｉｒａｅ社製、ＭＦ６５０Ｙ）を８０％含み、添加剤としてステアリン酸亜鉛を２０％含む樹脂組成物からなる溶融樹脂を、溶融電界紡糸法によって紡糸した。電界紡糸及び気体流の条件は、以下のとおりとした。

〔繊維の製造条件〕
・製造環境：２７℃、５０％ＲＨ
・溶融液の吐出量：１．２ｇ／ｍｉｎ
・ノズル先端３１ａ（ステンレス製）への印加電圧：－３０ｋＶ
・第１気体噴出部４０から噴出される第１気体流Ａの温度：３５０℃
・第１気体噴出部４０から噴出される第１気体流Ａの流量：１７０Ｌ／ｍｉｎ
・第２気体噴出部６０から噴出される第２気体流Ｂの温度：３００℃
・第２気体噴出部６０から噴出される第２気体流Ｂの流量：５０Ｌ／ｍｉｎ

〔実施例２ないし５〕
表１に示すように、溶融樹脂の吐出量、第１気体流Ａの温度及び流量、並びに第２気体流Ｂの温度及び流量を変更した他は、実施例１と同様の条件で電界紡糸を実施した。

〔比較例１〕
本比較例は、第２気体流Ｂの噴出を行わなかった他は、実施例２と同様に電界紡糸を行った。

〔比較例２〕
本比較例は、表１に示すように、溶融樹脂の吐出量及び第１気体流Ａの温度を変更した他は、比較例１と同様に電界紡糸を行った。なお、本比較例でも、第２気体流Ｂの噴出を行わなかった。

〔空間温度の測定〕
実施例４を除く各実施例及び各比較例の製造条件において、ノズル３１の延びる方向（紡糸方向）に沿う空間の温度分布を測定した。ノズル３１の紡糸方向の延長線上にＫ型熱電対（ミスミ社製、ＭＳＮＤ）を配して、ノズル３１の先端３１ａを０ｍｍとし、ノズル先端３１ａから０ｍｍ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ及び９０ｍｍ離間した位置の空間温度を測定した。その結果を表１に示す。

〔平均繊維径〕
各実施例及び各比較例の製造条件において、紡糸された繊維の繊維径を測定した。詳細には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察による二次元画像から繊維の塊、繊維の交差部分、ポリマー液滴といった欠陥を除いた繊維を任意に１０本選び出し、該繊維の長手方向に直交する線を引いたときの長さを繊維径（直径）として直接読み取ることで測定し、これらの平均値を平均繊維径（μｍ）とした。結果を表１に示す。

表１に示すように、第２気体流を噴出した各実施例では、各比較例と比較して、ノズル先端から９０ｍｍ離間した位置でも空間温度が高く維持されていることが判る。それに伴って、実施例において紡糸された繊維は、より細径のものであることが判る。このように、ノズル先端から離れた位置でも紡糸時における樹脂の溶融状態を維持しやすくなっており、細径の繊維が製造できることが判る。

１０ 電界紡糸装置
２０ 混練装置
３０ 紡糸ユニット
３１ ノズル
３１ａ ノズルの先端
３２，３０２ 電極
３２ａ 電極面部（凹曲面部）
３０２ａ 電極面部（円筒内面部）
３２ｅ 電極延出部
３５ 壁部
３５ａ 壁面
３５ｅ 壁延出部
４０ 第１気体噴出部
５５ 第１気体導入口
６０ 第２気体噴出部
６１ 噴出口
６５ 第２気体導入口
Ａ 第１気体流
Ｂ 第２気体流

Claims (9)

1. 溶融樹脂を吐出するノズルと、
   前記ノズルとの間に電界を生じさせるための電極と、
   前記電極における前記ノズルに臨む面に配置された電気絶縁性の壁部と、
   気体噴出部と、を有する紡糸ユニットを備えた電界紡糸装置であって、
   前記電極が、前記ノズルを囲み、且つ該ノズルの先端側に開口端を有する電極面部を有し、
   前記壁部が、前記電極における少なくとも前記電極面部に配置されており、
   前記気体噴出部は、前記ノズルを囲むように配置され、且つ該ノズルの延びる方向に沿って且つ該ノズルの後端から先端方向に向けて、加熱された第１気体流を噴出可能に形成されている第１気体噴出部と、
   前記ノズルの先端から後端方向に向けて、且つ第１気体流を取り囲むように、加熱された第２気体流を噴出可能に形成されている第２気体噴出部とを備え、
   前記第２気体噴出部は、前記ノズルの先端よりも更に前方に位置し、
   前記第２気体噴出部は、
   前記ノズルの先端よりも更に前方に位置し、且つ、前記ノズルの先端方向から後端方向に向かって延びる噴出口と、
   前記第２気体流を前記紡糸ユニットへ供給する第２気体導入口と、を有し、
   前記噴出口が、前記壁部に接して前記ノズルが延びる方向と交差するように配置されている、電界紡糸装置。
2. 前記壁部が直円錐台筒形状に形成されており、
   前記ノズルの先端が、前記壁部における上底の中心と下底の中心とを結ぶ仮想直線上に位置する、請求項１に記載の電界紡糸装置。
3. 前記壁部が、前記ノズルの先端側に開口端を有し、
   前記開口端から外方に延出する壁延出部を更に備える、請求項１又は２に記載の電界紡糸装置。
4. 前記電極における開口端から外方に延出する電極延出部を更に備える、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
5. 前記第２気体噴出部は、前記ノズルを正面から見たときに、第２気体流が前記壁部における前記ノズル側に臨む壁面に沿う旋回流となるように噴出可能に形成されている、請求項３又は４に記載の電界紡糸装置。
6. 前記壁延出部が円筒形状に形成されている、請求項５に記載の電界紡糸装置。
7. 前記壁部は、前記ノズルと前記電極とを電気的に絶縁するための誘電体からなる、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
8. 前記電極面部が凹曲面状又は円筒内面状に形成されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電界紡糸装置を用い、電界紡糸方法によって繊維を製造し、該繊維を集積させて繊維成型体を製造する方法。
   

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