JP7157559B2 - 電界紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明は電界紡糸装置に関する。

電界紡糸法（エレクトロスピニング法）は、機械力や熱力を使わずにナノサイズの直径の繊維（以下、ナノファイバという）を比較的簡単に製造できる技術として注目を浴びている。本出願人は、先に、電界紡糸法に用いる装置として、原料液を噴射するノズルと、ノズルに対して電気的に絶縁されている電極とを備え、該電極における該ノズルとの対向面が絶縁材料の被覆体で覆われている電界紡糸装置を提案している（特許文献１及び２）。

特許文献１及び２に記載の電界紡糸装置によれば、電極におけるノズルとの対向面が絶縁材料の被覆体で覆われているので、原料液の帯電量を増加させることができ、ナノファイバ製造の生産性を高めることができる。

特開２０１７－３１５１７号公報 特開２０１５－５２１９３号公報

近年、ナノファイバ製造の生産性を更に向上させたいとのニーズが高まっている。そこで、ナノファイバの生産性を更に向上させるために、単に、原料液のノズルからの噴射量を増加させただけでは、噴射する原料液の単位質量あたりの帯電量が減少することから噴射された原料が延伸し難くなり、製造できる繊維の繊維径が太くなってしまう。したがって、繊維径が太くなるのを防ぐために原料液の帯電量を更に増加させる必要がある。このような問題を解決することに関して、特許文献１及び２には何らの記載もない。

したがって本発明の課題は、原料液の帯電量を更に増加させることができ、繊維径の細いファイバの生産性が向上する電界紡糸装置を提供することにある。

前記の課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した結果、原料液を吐出するための原料噴射部に存在する導電性部位を通じて電荷が漏れ、そのことに起因して原料液を十分に帯電させられないことを知見した。

本発明は前記の知見に基づきなされたものであり、原料液を噴射する導電性のノズル及び該ノズルを支持するとともに内部に該ノズルへ原料液を供給する供給路を有する柱状支持部を備える原料噴射部と、
前記ノズルを囲む電極、及び該電極における前記ノズルに臨む面を覆う電気絶縁性の被覆絶縁部を備える電極ユニットと、
前記ノズルと前記電極との間に電圧を発生させる電圧発生部とを有する電界紡糸装置であって、
前記柱状支持部は、その表面の一部に導電性部位を備え、
前記電極ユニットの前記被覆絶縁部と前記柱状支持部の前記導電性部位との間が、空隙を介して、該柱状支持部の全周にわたって隔絶されている、電界紡糸装置を提供するものである。

本発明によれば、原料噴射部からの電荷の漏れを抑制することで原料液の帯電量を更に増加させることができ、繊維径の細い繊維の生産性を向上させることができる。

図１は、本発明の電界紡糸装置の好ましい一実施形態を示す概略図である。 図２は、図１に示す電界紡糸装置の要部を斜め下方から視た状態を示す斜視図である。 図３は、図２に示す電界紡糸装置の要部を、電極の開口端側から視た状態を示す概略平面図である。 図４は、本発明の電界紡糸装置の別の実施形態を示す概略図である。

以下本発明を、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には、本発明の電界紡糸装置の好ましい一実施形態の概略図が示されている。図２には、図１に示す電界紡糸装置１の斜視図が示されている。図３には、図２に示す電界紡糸装置１の概略平面図が示されている。電界紡糸装置１は、基本的にはＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｐｒａｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と高速噴出気流（ジェット）を組み合わせたジェットＥＳＤ法を採用したものである。ナノファイバとは、その太さを円相当直径で表した場合、一般に１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、特に１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の繊維のことである。ナノファイバの太さは、例えば走査型電子顕微鏡観察によって測定することができる。

電界紡糸装置１は、図１及び図２に示すように、原料液を噴射するノズル２１を備える原料噴射部２と、電極３を備える電極ユニット１１０と、ノズル２１と電極３との間に電圧を発生させる電圧発生部４とを備えている。電界紡糸装置１は更に捕集部２００を備えている。

原料噴射部２は、ノズル２１と該ノズル２１を支持する柱状支持部２０を備えている。ノズル２１は導電性のものであり、その全体が導電性材料により形成されている。ノズル２１は一般には金属から構成されている。ノズル２１は針状の直管から構成されていることが好ましい。ノズル２１内には、原料液が流通可能になっている。ノズル２１の内径は、例えば１００μｍ以上３０００μｍ以下で、好ましくは２００μｍ以上２０００μｍである。ノズル２１の外径は、例えば３００μｍ以上４０００μｍ以下で、好ましくは４００μｍ以上３０００μｍ以下である。ノズル２１の内径及び外径をこの範囲内に設定することで、原料液を容易に、且つ定量的に送液できるとともに、ノズル周辺の狭い領域に電界が集中し、原料液を効率よく帯電させることができる。

柱状支持部２０はノズル２１を支持する部材である。柱状支持部２０はその内部にノズル２１へ原料液を供給する供給路を有する。柱状支持部２０はパイプ２３を備えている。パイプ２３の内部に形成された空間は、原料液の供給路として機能する。柱状支持部２０は、その延びる方向の先端の位置に、パイプ２３の一端を閉塞するキャップ部２１ｂを備えている。キャップ部２１ｂはノズルを支持している。キャップ部２１ｂ内には、原料液が流通可能になっている。キャップ部２１ｂは、後述する導電部材２３ｂを介してノズル２１に電圧を加えるために導電性の材料で形成されている。ノズル２１とキャップ部２１ｂとは一体に形成されていてもよい。キャップ部２１ｂが導電性材料から構成されているので、柱状支持部２０はその表面の一部に導電性部位を備えることになる。

柱状支持部２０は、その延びる方向の後端の位置に、パイプ２３の他端を閉塞する接続コネクタ２２を備えている。接続コネクタ２２は導電性のものであり、導電性材料により形成されている。接続コネクタ２２は一般に金属から構成されている。接続コネクタ２２は、原料液の供給管１３０と接続可能になっている。

パイプ２３は、電気絶縁性のパイプ本体２３ａと、パイプ本体２３ａの内部に配された導電部材２３ｂとを備えている。導電部材２３ｂは、キャップ部２１ｂを介してノズル２１と接続コネクタ２２とを電気的に接続している。パイプ本体２３ａは、ノズル２１の延びる方向Ｘに沿って延びる円筒状のものである。パイプ本体２３ａを構成する電気絶縁材料としては、合成樹脂等の非導電性の材料であれば特に制限なく用いることができる。導電部材２３ｂは、螺旋状に延びるばね形状のものであるが、ノズル２１と接続コネクタ２２とを電気的に接続できる限りこの形状に制限されない。導電部材２３ｂは導電性材料により形成されており、一般的には金属から構成されている。

上述したノズル２１、キャップ部２１ｂ、パイプ２３及び接続コネクタ２２は、これらが連通して柱状支持部２０内に原料液の供給路を形成し、原料噴射部２内に原料液が流通可能になっている。供給管１３０から供給された原料液は、接続コネクタ２２を介してパイプ本体２３ａ内に供給される。供給された原料液は導電部材２３ｂに沿ってキャップ部２１ｂへ向かって流通し、ノズル２１の先端２１ａから吐出される。

図１に示すように、電界紡糸装置１は電極ユニット１１０を備えている。電極ユニット１１０は、ノズル２１を囲む電極３と、電極３を支持する電気絶縁性の壁部５とを備えている。電極３は、ノズル２１を帯電させ、ノズル２１との間に電界を生じさせるためのものである。電極３は導電性材料から構成されている。電極３は、図１に示すように、ノズル２１に臨む電極面３ｆを有している。同図における電極３は略椀形状となっており、該電極３におけるノズル２１に臨む面が凹曲面状になっている。ノズル２１に臨む面とは、電極面３ｆにおけるノズル２１に対向する面のことであり、電極面３ｆの内面のことである。電極面３ｆが凹曲面状になっていると、ノズル２１から噴射する原料液の帯電量を増加させることができる。

電極３はノズル２１の先端２１ａ側に開口端３１を有している。開口端３１の平面視での形状は、例えば真円形や楕円形であり得る。ノズル２１に電荷を集中させて、吐出する原料液の帯電量を増加させる観点から、電極３の開口端３１は真円形であることが好ましい。ノズル２１の延びる方向Ｘに沿って視たとき、ノズル２１の先端２１ａは、電極３の開口端３１よりも後方に位置しており、その結果、ノズル２１はその全体が電極３で囲まれている。

ノズル２１は、その横断面における中心、又は該ノズル２１の延長線が、電極３の開口端３１によって画成される例えば円の中心又はその中心の近傍を通るように配置されることが好ましい。また、電極３の開口端３１によって画成される平面と、ノズル２１の延びる方向Ｘとが直交していることが好ましい。このようにノズル２１を配置することで、ノズル２１の先端２１ａに電界が更に一層集中するようになる。

ノズル２１の先端２１ａと、電極面３ｆとの間の最短距離は、絶縁破壊による電極３とノズル２１との間での放電防止の観点から、１０ｍｍ以上、特に２０ｍｍ以上が好ましく、電極３とノズル２１との間での適正な距離による安定な電圧印加及び実用的な電極サイズの観点から、２００ｍｍ以下、特に１００ｍｍ以下が好ましい。

電極面３ｆ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いう。

電極面３ｆは、その任意の位置における法線がノズル２１の先端２１ａ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、電極面３ｆ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。

電極３は壁部５によって支持されている。壁部５は電気絶縁性のものである。壁部５は原料噴射部２と電極３との間を電気的に絶縁している。壁部５は、図１～図３に示すように、原料噴射部２を囲むように配置されている。壁部５は、電極３におけるノズル２１に臨む電極面３ｆを覆う電気絶縁性の被覆絶縁部５ａを備えている。被覆絶縁部５ａは、電極面３ｆの全面を覆って電極３と直接接触している。

壁部５は、原料噴射部２の柱状支持部２０の周囲を囲むように被覆絶縁部５ａと柱状支持部２０との間に配置された筒状絶縁部５ｂを備えている。筒状絶縁部５ｂも電気絶縁性のものである。筒状絶縁部５ｂは被覆絶縁部５ａに連設されている。被覆絶縁部５ａと筒状絶縁部５ｂとは例えば所定の接合手段によって接合されて連設されていてもよく、あるいは両者が一体に形成されていることによって連設されていてもよい。

筒状絶縁部５ｂは例えば円筒状の形状であり得る。筒状絶縁部５ｂは、原料噴射部２のうち、表面が導電性である部位に対向する位置に少なくとも配置されており、該部位の全域を囲んでいる。原料噴射部２のうち、表面が導電性である部位は、キャップ部２１ｂ及び接続コネクタ２２であるところ、図１に示す実施形態においてはキャップ部２１ｂに対向する部位に筒状絶縁部５ｂが配置されている。筒状絶縁部５ｂは、キャップ部２１ｂの少なくとも一部と対向するように配置されており、好ましくはキャップ部２１ｂの全域と対向するように配置されている。図１には、筒状絶縁部５ｂが、キャップ部２１ｂの全域及びパイプ２３の一部と対向するように配置されている状態が示されている。

壁部５は、被覆絶縁部５ａ及び筒状絶縁部５ｂに加え、電極３のノズル２１に臨む面とは反対側の非対向面を覆う第２被覆絶縁部５ｃを備えている。そして、被覆絶縁部５ａ、筒状絶縁部５ｂ及び第２被覆絶縁部５ｃを備える壁部５によって、電極３の表面の全域が被覆されている。

壁部５は、ノズル２１の先端側に開口内端５１を有している。平面視での開口内端５１の形状は、例えば真円形や楕円形であり得る。壁部５のうち、被覆絶縁部５ａは、電極面３ｆと概ね相似形をなしており、開口内端５１側に向かって拡開した形状をしている。

図１～図３に示すように、電界紡糸装置１においては、電極ユニット１１０の筒状絶縁部５ｂと、原料噴射部２における柱状支持部２０の導電性部位との間が、空隙６を介して、該柱状支持部２０の全周にわたって隔絶されている。空隙６は、電極３の開口端３１側から平面視して、柱状支持部２０の全周にわたる円環状をした空間である。したがって、柱状支持部２０と筒状絶縁部５ｂとは非接触の状態になっている。具体的には、原料噴射部２のうち、筒状絶縁部５ｂに対向する部位であるキャップ部２１ｂ及びパイプ２３が、筒状絶縁部５ｂと非接触の状態になっている。その結果、柱状支持部２０は、その全長にわたって、筒状絶縁部５ｂと隔絶されている。原料噴射部２におけるノズル２１は、筒状絶縁部５ｂの開口端よりも外方に延出しているので、該ノズル２１も筒状絶縁部５ｂと非接触の状態になっている。

上述の空隙６は、図１及び図２に示すように、原料噴射部２と電極ユニット１１０とが、それぞれ独立にベース部材１２０に支持されていることで形成される。これによって、筒状絶縁部５ｂと原料噴射部２との間の空隙６を容易に形成することができ、且つ容易に維持することができる。

電界紡糸装置１は、図１に示すように、ノズル２１と電極３との間に電圧を発生させる電圧発生部４を備えている。図１に示すように、電極３が接地されている一方、原料噴射部２の接続コネクタ２２には電圧発生部４の直流高圧電源４１により正電圧が印加されている。したがって、電極３が陰極になり、且つノズル２１が陽極になり、電極３とノズル２１との間に電圧が発生し、電界が形成される。電極３とノズル２１との間に電界を生じさせるためには、図１に示す電圧の印加のしかたに代えて、ノズル２１を接地し、電極３に負電圧を印加してもよい。

直流高圧電源４１としては、高圧電源装置などの公知の装置を用いることができる。電極３とノズル２１との間に加わる電位差は、１ｋＶ以上、特に１０ｋＶ以上とすることが、原料液を十分に帯電させ得る点から好ましい。一方、この電位差は１００ｋＶ以下、特に５０ｋＶ以下とすることが、ノズル２１と電極３との間における放電を防止する点から好ましい。例えば１ｋＶ以上１００ｋＶ以下、特に１０ｋＶ以上５０ｋＶ以下とすることが好ましい。なお電圧発生部４で印加した電圧が変動電圧である場合は、電極３とノズル２１との間に発生する電位差の時間平均が前記範囲内とすることが好ましい。

以上の構成を有する電界紡糸装置１によれば、原料噴射部２と電極ユニット１１０との間が空隙６を介して隔絶されているので、原料噴射部２における導電性部位、例えばキャップ部２１ｂを通じて電荷が電極ユニット１１０へ漏れることが効果的に防止される。その結果、原料液の帯電量を増加させることができ、ひいては繊維を細径化することができる。それによって細径の繊維の生産性が向上する。

キャップ部２１ｂを通じて電荷が電極ユニット１１０へ漏れることを効果的に防止するためには、キャップ部２１ｂの表面積は極力小さいことが好ましい。この観点から、柱状支持部２０におけるパイプ本体２３ａは、上述のとおり電気絶縁性の材料から構成されている。

上述した効果を一層顕著なものとする観点から、空隙６の幅Ｗ（図３参照）は、１ｍｍ以上、特に２．５ｍｍ以上が好ましく、５０ｍｍ以下、特に２０ｍｍ以下が好ましい。具体的には、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下、特に２．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。空隙の幅Ｗが一定でない場合には、その平均値が上述の範囲内であることが好ましい。

原料噴射部２から電極ユニット１１０への電荷の漏れは、該原料噴射部２のうち、表面に位置する導電性部位から生じる。したがって、該導電性部位と電極ユニット１１０との間に空隙６が存在すれば、電荷の漏れを抑制することができる。この観点から、電界紡糸装置１には、図１に示す空隙６が形成されていることに代えて、図４に示す空隙６が形成されていてもよい。図４に示す空隙６は、筒状絶縁部５ｂと柱状支持部２０のキャップ部２１ｂとの間にのみ形成されており、柱状支持部２０のパイプ２３の周囲には空隙６は形成されていない。図４に示す実施形態においてもキャップ部２１ｂを通じて電荷が電極ユニット１１０へ漏れることが効果的に防止され、原料液の帯電量を増加させることができる。

図１及び図４に示すように、ノズル２１の延びる方向Ｘにおいて、筒状絶縁部５ｂの先端は、ノズル２１の先端２１ａよりも後方に位置しており、且つノズル２１を支持するキャップ部２１ｂの先端と略同位置にある。筒状絶縁部５ｂの先端には気体の気体噴射部７が設けられている。気体噴射部７には、原料液の噴射方向と同方向に気体の噴射可能な噴射孔７１が形成されている。噴射孔７１は、原料液の噴射方向であるノズル２１の延びる方向と同方向に延びるように、筒状絶縁部５ｂを貫通して形成されている。気体は、噴射孔７１に連通する気体導入口７２から供給され、噴射孔７１から噴射される。気体導入口７２は気体供給源（図示せず）に接続されている。原料液をノズル２１から噴射している間にわたり、噴射孔７１から気体を噴射することで、細径の繊維を高い生産性で製造することができる。この利点を一層顕著なものとする観点から、噴射孔７１はノズル２１を囲むように複数個配置されていることが好ましい。複数個の噴射孔７１は、ノズル２１を囲み、且つノズル２１の先端を中心とする同心円上に配されていることが好ましい。気体噴射部７の噴射孔７１の個数は、例えば、２個以上１５０個以下であることが好ましく、より好ましくは８個以上３６個以下である。

繊維を一層細径とする観点から、原料液に高分子化合物を加熱、溶融した溶融液を用いる場合は噴射孔７１から噴出される気体として、加熱された気体を用いることが好ましい。気体としては、利便性の観点から例えば空気を用いることができる。気体の温度は、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。同様の観点から、気体の流量は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。
また原料液に繊維形成の可能な高分子化合物が溶媒に溶解又は分散した溶液を用いる場合は噴射孔７１から噴出される気体として、常温の気体を用いることが好ましい。気体としては、利便性の観点から例えば空気を用いることができる。同様の観点から、気体の流量は１Ｌ／ｍｉｎ以上５００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、１０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下であることがより好ましい。

柱状支持部２０と筒状絶縁部５ｂとの間に空隙６を設けることの利点を一層顕著なものとするために、筒状絶縁部５ｂを含む壁部５は誘電体からなることが好ましい。壁部５を誘電体とすることで、ノズル２１の帯電量を一層増加させることができる。壁部５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５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。

壁部５に用いる誘電体には、帯電防止剤を含有させてもよい。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る。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５に使用する誘電体の厚みは、被覆絶縁部５ａ又は筒状絶縁部５ｂにおいて、原料液の帯電量を増加させる観点から、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。

紡糸されたナノファイバは、図１及び図４に示すように捕集部２００において捕集される。捕集部２００は、ノズル２１と対向する位置に配置されている。捕集部２００には捕集用電極２０１が配置されていることが好ましい。捕集用電極２０１は、金属等の導電性材料から構成されている平板状のものとすることができる。捕集用電極２０１の板面と、ノズル２１の延びる方向Ｘとは略直交していることが好ましい。捕集部２００は、メッシュ等からなる通気性の無端ベルト２０３と、無端ベルト２０３が架け渡された２又は３以上の駆動又は従動ローラ２０４とを備えたベルトコンベア２０２と、無端ベルト２０３の裏側に配された捕集用電極２０１とを備えている。捕集部２００は更に、ベルトコンベア２０２上へシート材２０５を供給する機構を備えている。シート材２０５としては、例えば、不織布、薄葉紙、フィルム、これらの複合材等を用いることができる。ベルトコンベア２０２を用いた捕集部２００を設けることで、ナノファイバの連続生産が容易となる。

ノズル２１に正電位が印加されている場合には、ナノファイバも正に帯電する。正に帯電したナノファイバを誘引するためには、捕集用電極２０１にノズル２１よりも低い電位を与えることが好ましい。また、誘引を更に効率的にするため、陰極である電極３よりも低い電位を捕集用電極２０１に与えることも好ましい。

捕集部２００にナノファイバを効率的に捕集させる観点から、捕集用電極２０１の表面とノズル２１の先端２１ａとの距離は、例えば１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下、特に３００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下であることが好ましい。

ナノファイバの製造に用いられる原料液としては、繊維形成の可能な高分子化合物が溶媒に溶解又は分散した溶液あるいは高分子化合物を加熱、溶融した溶融液を用いることができる。原料液に高分子溶液を用いるエレクトロスピニング法は溶液法、高分子融液を用いる方法は溶融法と呼ばれることがある。該溶液又は融液には適宜、無機物粒子、有機物粒子、植物エキス、界面活性剤、油剤、イオン濃度を調整するための電解質等を配合することができる。

ナノファイバ製造用の高分子化合物としては一般に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ－ｍ－フェニレンテレフタレート、ポリ－ｐ－フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン－アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル－メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が例示できる。用いられる高分子化合物は１種類に限定されるわけではなく、前記例示した高分子化合物から任意の複数種類を組み合わせて用いることができる。

原料液に、高分子化合物が溶媒に溶解又は分散した溶液を用いる場合、該溶媒としては、水、メタノール、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３－ジオキソラン、１，４－ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル－ｎ－ヘキシルケトン、メチル－ｎ－プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ－クロロトルエン、ｐ－クロロトルエン、四塩化炭素、１，１－ジクロロエタン、１，２－ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ－キシレン、ｐ－キシレン、ｍ－キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、ピリジン等を例示することができる。用いる溶媒は１種類に限定されるわけではなく、前記例示した溶媒から任意の複数種類を選定し、混合して用いても構わない。

特に溶媒として水を用いる場合は、水への溶解度の高い下記のような天然高分子及び合成高分子を用いるのが好適である。天然高分子としては、例えばプルラン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ポリ－γ－グルタミン酸、変性コーンスターチ、β－グルカン、グルコオリゴ糖、ヘパリン、ケラト硫酸等のムコ多糖、セルロース、ペクチン、キシラン、リグニン、グルコマンナン、ガラクツロン酸、サイリウムシードガム、タマリンド種子ガム、アラビアガム、トラガントガム、大豆水溶性多糖、アルギン酸、カラギーナン、ラミナラン、寒天（アガロース）、フコイダン、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等が挙げられる。合成高分子としては、例えば部分鹸化ポリビニルアルコール、低鹸化ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸ナトリウム等が挙げられる。これらの高分子化合物は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの高分子化合物のうち、ナノファイバの調製が容易である観点から、プルラン等の天然高分子、並びに部分鹸化ポリビニルアルコール、低鹸化ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンオキサイド等の合成高分子を用いることが好ましい。

また、水への溶解度は高くないが、ナノファイバ形成後に不溶化処理できる完全鹸化ポリビニルアルコール、架橋剤と併用することでナノファイバ形成後に架橋処理できる部分鹸化ポリビニルアルコール、ポリ（Ｎ－プロパノイルエチレンイミン）グラフト－ジメチルシロキサン／γ－アミノプロピルメチルシロキサン共重合体等のオキサゾリン変性シリコーン、ツエイン（とうもろこし蛋白質の主要成分）、ポリエステル、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリメタクリル酸樹脂等のアクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリエチレンテフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などの高分子化合物も用いることができる。これらの高分子化合物は単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

本発明の電界紡糸装置１を使用して製造されたナノファイバは、それを集積させたナノファイバ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（わた）状体、糸状体などが例示される。ナノファイバ成型体は他のシートと積層したり、各種の液体、微粒子、繊維などを含有させたりして使用してもよい。ナノファイバシートは、例えば医療目的や、美容目的等の非医療目的でヒトの肌、歯、歯茎等に付着されるシートとして好適に用いられる。また、高集塵性で且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。ナノファイバ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、前記実施形態における電極３は略椀形をしていたが、電極３の形状はこれに限られず、電極３におけるノズル２１に臨む面が凹曲面になっている限り、その外面の形状は略椀形になっていることを要せず、その他の形状となっていてもよい。

また、電極面３ｆの形状は図１及び図４に示すものに限られず、例えば電極３が略円筒形状となっており、電極面３ｆが円筒内面状であってもよい。

また、電極３はその全体が壁部５によって被覆されていたが、壁部５によって原料噴射部２と電極ユニット１１０との間が電気的に絶縁できれば、第２被覆絶縁部５ｃを設けなくてもよい。

また、前記実施形態においては、電極ユニット１１０の壁部５が筒状絶縁部５ｂを備えていたが、これに代えて、該壁部５の被覆絶縁部５ａと、柱状支持部２０の導電性部位（例えばキャップ部２１ｂ）とが空隙６によって隔絶されている限りにおいて、壁部５が筒状絶縁部５ｂを備えていることを要しない。

更に、壁部５の筒状絶縁部５ｂに気体の噴射孔７１を設けることは要しない。その場合には、捕集部２００におけるベルトコンベア２０２の背面にサクションボックス等の吸引手段（図示せず）を設け、該吸引手段による気体の吸引によって、ノズル２１から捕集部２００に向けて気流を生じさせることで、噴射孔７１から気体を噴射させる場合と同様の効果を得ることができる。

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。

〔実施例１ないし３及び比較例１〕
図１及び図２に示す電界紡糸装置１を用意した。原料噴射部と筒状絶縁部とを隔絶する空隙の幅を以下の表１に示すとおりに設定した。ノズルの延びる方向が鉛直下向きになるように装置全体を配置し、帯電量測定のためのモデル実験を行った。ノズル２１に5ｋＶの直流電圧を直流高圧電源により印加した。シリンダポンプを用いて、原料噴射部に１．０ｇ／ｍｉｎの流量で超純水を供給し、同じ速度で、ノズルの先端部から水を滴下させた。重力によって略鉛直下方に滴下した水滴を、ファラデーケージ（春日電機株式会社製、ＫＱ１４００）内に配置した金属容器に受けた。原料噴射部のノズルの先端部から１分間、超純水を滴下させ、金属容器内に溜まった水の電荷量（ｎＣ／ｇ）を、クーロンメータ（春日電機株式会社製 ＮＫ－１００２）により計測した。原料噴射部のノズルの先端から金属容器の縁までの距離は２５０ｍｍであった。金属容器はステンレス製のものを用いた。気体噴射部からの気体の噴射は行わなかった。測定環境は２２℃、３０％ＲＨであった。得られた結果を表１に示す。

実施例２及び比較例１に関しては、実際にナノファイバの製造を行った。製造は、温度２２℃、湿度３０％ＲＨの環境下で行った。捕集部のシート材は、ノズルの先端から４００ｍｍ隔てた位置に配置した。直流高圧電源により、ノズル２１に３０ｋＶ、捕集用電極に－３０ｋＶの直流電圧を印加した。電極ユニットの気体噴射部から気体を５０Ｌ／ｍｉｎで噴射させた状態下に、原料液を２０ｍｌ／ｈの吐出量で吐出させた。原料液として、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ；積水化学工業株式会社製）９％、グリセリン（花王株式会社製）２％、及びエタノール（日本アルコール販売(株)製）８９％の溶液を用いた。得られたナノファイバを走査型電子顕微鏡で観察し、平均繊維径を測定した。結果を表１に示す。

表１に示す結果から、実施例１～３の電界紡糸装置によれば、比較例１の電界紡糸装置よりも、超純水の帯電量が約３倍に増加することが分かる。また、実施例２の電界紡糸装置を用いてナノファイバを製造すると、比較例１の電界紡糸装置を用いてナノファイバを製造する場合よりも繊維が細径化することが分かる。これらの結果から、実施例１～３の電界紡糸装置を用いれば、細径のナノファイバの生産性が従来よりも更に高まることが期待できる。

１ 電界紡糸装置
２ 原料噴射部
２１ ノズル
２０ 柱状支持部
２１ｂ キャップ部
２２ 接続コネクタ
２３ パイプ
１１０ 電極ユニット
３ 電極
４ 電圧発生部
５ 壁部
５ａ 被覆絶縁部
５ｂ 筒状絶縁部
５ｃ 第２被覆絶縁部
６ 空隙
７ 気体噴射部

Claims (8)

1. 原料液を噴射する導電性のノズル及び該ノズルを支持するとともに内部に該ノズルへ原料液を供給する供給路を有する柱状支持部を備える原料噴射部と、
   前記ノズルを囲む電極、及び該電極における前記ノズルに臨む面を覆う電気絶縁性の被覆絶縁部を備える電極ユニットと、
   前記ノズルと前記電極との間に電圧を発生させる電圧発生部とを有する電界紡糸装置であって、
   前記柱状支持部は、その表面の一部に導電性部位を備え、
   前記電極が囲む空間において、前記電極ユニットの前記被覆絶縁部と前記柱状支持部の前記導電性部位における外面の全域との間が、空隙を介して、該柱状支持部の全周にわたって隔絶されている、電界紡糸装置。
2. 前記柱状支持部は、その全長にわたって、前記電極ユニットの前記被覆絶縁部と隔絶されている請求項１に記載の電界紡糸装置。
3. 前記原料噴射部と電極ユニットとがそれぞれ独立にベース部材に支持されている請求項１又は２に記載の電界紡糸装置。
4. 前記柱状支持部が、パイプと、該パイプの一端を閉塞するキャップ部と、該パイプの他端を閉塞する接続コネクタとを備え、
   前記キャップ部は導電性であり、且つ前記ノズルを支持し、
   前記接続コネクタは導電性であり、且つ前記原料液の供給管と接続可能になっており、 前記パイプは、電気絶縁性のパイプ本体、及び該パイプ本体の内部に配された、前記ノズルと前記接続コネクタとを電気的に接続する導電部材を備え、
   前記キャップ部、前記パイプ及び前記接続コネクタが連通して前記原料液の供給路を形成している請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
5. 前記空隙はその幅が１ｍｍ以上である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
6. 前記電極ユニットが、前記被覆絶縁部と前記柱状支持部との間に配置され、且つ該被覆絶縁部に連設されている電気絶縁性の筒状絶縁部を更に備え、
   前記筒状絶縁部と前記柱状支持部の前記導電性部位との間が、前記空隙を介して、該柱状支持部の全周にわたって隔絶されている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
7. 前記筒状絶縁部の先端は前記ノズルの先端よりも後方に位置しており、
   前記筒状絶縁部の先端に、前記原料液の噴射方向と同方向に気体の噴射可能な噴射孔が形成されている請求項６に記載の電界紡糸装置。
8. 前記電極における前記ノズルに臨む面が凹曲面状である請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。

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