JP7472550B2 - 溶液紡糸口金 - Google Patents

Description

本発明は多列の吐出孔を有する溶液紡糸口金に関する。

近年、繊維径がミクロンオーダーからナノオーダーの不織布膜がフィルター、電子材料、電池などの環境・エネルギー分野や、おむつ、マスク、細胞培養などの衛生材、医療材、再生医療用途などの様々な分野で利用されている。これらの不織布を製造する技術としては、メルトブロー法、スパンポンド法、エレクトロスピニング法での製造が一般的であり、製品用途に合わせて製造方法が選択されている。

中でもエレクトスピニング法は繊維径がナノオーダーの繊維を作ることができ、多くの用途での使用が期待されている。エレクトロスピニング法は溶液にしたポリマーをノズルから押し出し、ノズルに数ｋＶ～１００ｋＶの高圧電圧をかけて接地した捕集部に向けてポリマーが引き出される。そして、クーロン力がポリマーの表面張力を越えるとポリマー中の溶媒が爆発的に揮発して繊維状となる。そして周囲から噴射する高速エアーにより吐出したポリマーを引き延ばして、吐出したポリマーを繊維化する。

エレクトロスピニング法で用いられる口金は特許文献１～３に示すようにシリンジの装着した針の先端から吐出する方式や、多数の孔があるプレートから吐出する構成がポリマーを吐出する方法が一般的に用いられている。また、溶液の原料液体を吐出して紡糸する方法には特許文献４に示すように多数の針状のノズルから吐出した原料液体をブローで延伸して繊維化する方法も知られている。

特開２００８－２２３１８７号広報 特開２０１０－１９６２３６号広報 特開２０１４－１７７７２８号広報 特許第６２４６０５５号号広報

しかしながら、特許文献１に開示されている口金の構成は、生産量を増やす場合はシリンジを多数並べる必要があり、原料液体の吐出直進性はシリンジの取り付け精度にも大きく依存するため、シリンジ１本１本の設置が非常に手間である。

一方、特許文献２～４に開示されている口金は設置作業の手間を軽減するため、多数の孔が空いたプレートやノズルから原料液体が吐出するため、孔の部分を分解洗浄することができないため、原料液体の吐出性能に大きく関わる、孔の洗浄や孔状態管理に大きな労力が必要となる。

本発明は、多数孔を有する口金でありながら従来技術同様に原料液体の流動性や均一性を保ちつつ安定的な吐出ができ、孔の洗浄等の孔管理を軽減化できる生産性の高い溶液紡糸口金を提供する。

上記の課題を解決する本発明の溶液紡糸口金は、
対向する第１のリップおよび第２のリップ、ならびに第１のリップと第２のリップに挟まれた櫛歯状シムを有し、
上記第１のリップには、上記櫛歯状シムと接する面に櫛歯状シムと共になって原料液体を拡幅するためのマニホールド、および第１のリップの外部からマニホールドに至る原料液体を供給するための供給路が形成され、
上記櫛歯状シムには、櫛歯状シムの１つの辺から上記マニホールドに至るまで延びた複数のスリットが形成され、
さらに、上記櫛歯状シムのスリットから外部に吐出される原料液体に、原料液体を挟むように、かつ原料液体の吐出方向に傾けたブローエアーを吹き付けるためのブローブロックを有する。

本発明の溶液紡糸口金は、以下の（１）～（４）のいずれかを満たしていることが好ましい。
（１） 上記櫛歯状シムのスリットが形成された辺が、上記第１のリップおよび上記第２のリップから１０～５００μｍ突出している。
（２） 上記櫛歯状シムのスリットの幅が、スリットが形成されている１辺で２０～１００μｍ拡がっている。
（３） 上記櫛歯状シムのスリットが、スリットの幅方向の中心を通る線を対称の軸として、線対称の形状である。
（４） 上記櫛歯状シムのスリットが形成された辺が、スリットが形成されているそれぞれの部分で突出しており、その辺とスリットの各辺とが交わる部分が鋭角の角形状である。

本発明の溶液紡糸口金の上記ブローブロックは、
上記第１のリップおよび上記第２のリップのそれぞれに取り付けられ、
上記第１のリップおよび第２のリップから順に、エアー整流シム、エアー拡幅シムおよびブローリップが積層されて構成されており、
上記エアー拡幅シムには、上記エアー整流シムおよび上記ブローリップと共になってエアーを拡幅するための開口が形成されており、
上記ブローリップには、外部から前記エアー拡幅シムの開口に至るエアーを供給するための供給路が形成されており、
上記エアー整流シムには、エアー整流シムの１つの辺から上記エアー拡幅シムの開口に至るまで延びたエアーの流路が形成されていることが好ましい。

さらに、上記エアー整流シムのエアーの流路が複数のスリットであり、これらスリットが、
溶液紡糸口金を上記櫛歯状シムのスリットが形成されている辺側から観察したとき、櫛歯状シムのスリットと１対１で対応する位置に形成されており、
幅が上記櫛歯状のシムのスリットの幅よりも広いことが好ましい。

本発明の溶液紡糸口金は、多数孔を有する口金でありながら原料液体の流動性や均一性を保ちつつ安定的な吐出ができ、孔の洗浄や孔管理の手間を軽減化できる。

本発明の溶液紡糸口金の構造を示す断面模式図である。 櫛歯状シムの模式図である。 図１の実施形態で原料液体が流入する状態を示す模式図である。 櫛歯状シムの別の実施形態を示した模式図である。 櫛歯状シムのさらに別の実施形態を示した模式図である。 溶液紡糸口金の別の実施形態の構造を示す断面模式図である。 図６の実施形態のエアー拡幅シムを示した模式図である。 図６の実施形態のエアー整流シムを示した模式図である。 図６の矢視Ａを示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し本発明はこれらに限定されない。

まず本発明の溶液紡糸口金の実施形態の一例について、図１を用いて説明する。図１は
本発明の紡糸口金の構造を示す断面模式図である。

図１を参照する。本発明の溶液紡糸口金は、第１のリップ２、第２のリップ３、第１のリップ２および第２のリップ３に挟まれた原料液体を複数に分配する櫛歯状シム７、分配されて吐出した原料液体を延伸するブローブロック８から構成される。以下、各構成要素について詳述していく。

第１のリップ２には、櫛歯状シム７に対向する面に凹みが形成されている。この凹みと櫛歯状シム７の壁面とで、原料液体を幅方向に均一に拡幅するためのマニホールド５になる。第１のリップ２の櫛歯状シム７に対向する面の一部は、マニホールド５と一続きの原料液体を整流するランド部６になる。さらに第１のリップ２には、第１のリップ２の外部からマニホールド５に至る原料液体を供給するための原料液体供給路４が形成されている。第１のリップ２と第２のリップ３との間に櫛歯状シム７を挟み込むこみことで、後述する櫛歯状シム７に形成されているスリット１４、第１のリップ２の壁面、および第２のリップ３の壁面とで、マニホールド５に連通した多数の閉じた流路となり原料液体を流動させる。マニホールド５は流入した原料液体を拡幅する部分であり、半円状の凹部が図１のＹ方向に均一な形状を有している。ただし、原料液体を均一に拡幅する形状であればよいので、図１の形状には限定されない。また、原料液体の流動性を高めるため、マニホールド５の面粗度はＲａ０．２以下にすることが好ましい。ランド部６はマニホールド５で拡幅された原料液体を整流するために、Ｙ方向に平面度が０．００５ｍｍ以下に加工することが好ましく、表面粗さはＲａ０．２以下が好ましい。また、第１のリップ２と櫛歯状シム７を挟んで対向する第２のリップ３の面も、間に挟む櫛歯状シム７との合わせ面を気密状態にするために、Ｙ方向に平面度が０．００５以下に加工することが好ましく、表面粗さはＲａ０．２以下が好ましい。

櫛歯状シム７から吐出された原料液体１３は、第１のリップ２、第２のリップ３に取り付けられたブローブロック８から吹き出されたエアーブローにより延伸し、原料液体の溶媒が揮発して繊維化する。エアーブローは、櫛歯状シム７から吐出された原料液体１３を挟むように、かつ原料液体１３の吐出方向に傾けて、ブローブロック８から吹き出される。ブローブロック８は、ブローリップ９およびエアー整流シム１１から構成されている。ブローリップ９には、ブローエアーを取り込むブローエアー供給路１０、ブローブローエアーを拡幅するエアーマニホールド１２が形成されている。エアーマニホールド１２は流入したブローエアーを拡幅する部分であり、半円状の凹部が図１のＹ方向に均一な形状を有している。ただし、ブローエアーを拡幅する形状であればよいので、図１に示す半円形状には限定されない。エアー整流シム１１には、エアーマニホールド１２に連通して、エアーマニホールド１２で拡幅されたブローエアーを外部へ吹き出すためのエアー流路が形成されている。エアー整流シム１１は、エアーマニホールド１２で拡幅したエアーブローを原料液体に均一に吹き付けることができるように厚み、形状が選択される。

次に図２を参照して櫛歯状シム７の詳細を説明する。図２は櫛歯状シム７の模式図である。櫛歯状シム７は厚みＴ１の板状体であり、幅Ｗ１で長さＬの貫通した切れ込みであるスリット１４が、板状体の一辺に一定のピッチＰで複数本形成されている。スリット幅Ｗ１、スリット長さＬ、シム厚みＴ１は原料液体１３の吐出量および粘度とのバランスによって決定されるが、スリット長さＬは、スリット１４をマニホールド５と連通させるために（スリット長さＬ）＞（ランド部６のランド長さＬＲ）としなければならない。また、複数あるスリット１４のスリット幅Ｗ１、スリット長さＬの寸法公差は各スリット１４から吐出する液体原料１３のバラツキを極小化するために±１０μｍ以下にすることが好ましい。また、スリット１４の加工方法は上記の寸法公差に収めるために、放電加工もしくはエッジング加工により形成することが好ましい。また、櫛歯状シム７の幅Ｘは第１のリップ２、第２のリップ３の幅と同じにすると端部を合わせて組立ができるので好ましい。

また、櫛歯状シム７の高さＨは第１のリップ２、第２のリップ３と組立時に櫛歯状シム７の先端が１０～５００μｍ飛び出す寸法にすることが好ましい。歯状シム７の先端が１０～５００μｍ飛び出すことで、原料液体１３が、第１のリップ２、第２のリップ３の先端から飛び出した櫛歯状シム７の先端でピンニングされ、第１のリップ２、第２のリップ３の先端で原料液体１３が濡れ広がることに起因する先端汚染を防止できる。

図３は、図１の実施形態で原料液体１３が流入する状態示す模式図である。原料液体供給路４から流入した原料液体１３がマニホールド５に流入して拡幅し、連通した櫛歯状シム７の各々のスリット１４に流入して均等に分配された後に、ランド部６で整流され、原料液体１３がスリット１４の先端から均一に吐出される。

図４は櫛歯状シム７の別の実施形態を示した模式図であり、拡大表示したスリット１４の先端部部分を除いては図２に示す櫛歯状シム７と同じである。図４の櫛歯状シム７では、スリット１４のスリット幅がＷ１からＷ２に拡幅している。スリット幅が一定であると、原料液体１３がスリット１４から吐出する時に表面張力で膨らみ、櫛歯状シム７の先端で汚れて吐出が不安定になる場合がある。スリット１４がＷ１からＷ２に拡幅することで、スリット１４の両辺の流速が低下し、スリット１４の中央部の流速が早くなることで、スリット１４の中央部の押し出し力は高くなり、両端部の押し出し力は低下するので、原料液体のピンニング効果を高めることができる。スリット１４の拡幅した後の幅Ｗ２は、拡幅する前の幅Ｗ１に対して２０～２００μｍ拡幅していることが好ましく、原料液体の流動性を損なわないためには、５０～１００μｍがさらに好ましい。また、スリット１４のスリット幅Ｗ１の中心を通る線を対称の軸として、対称形の形状であると原料液体の流速がスリット１４の両端で均等になり吐出が安定するのでさらに好ましい。

図５は櫛歯状シム７のさらに別の実施形態を示した模式図であり、スリット１４の先端に鋭角の角形状１５が形成されている以外は図４に示す櫛歯状シム７と同じである。図５の櫛歯状シム７では、スリット１４の各辺とスリット１４が形成されている辺との交わる部分を頂部として、切れ込み角度θが鋭角の角形状１５が形成されている。吐出した原料液体１３が鋭角の頂部でピンニングされるため、原料液体１３が先端で濡れ広がるのを防止できる。切れ込み角度θは８０°以下が好ましく、先端の剛性を保つために３０°以上６０°以下がさらに好ましい。

図６は溶液紡糸口金の別の実施形態を示す断面模式図である。図１の溶液紡糸口金１と図６の溶液紡糸口金１０１との違いは、ブローブロックの構成である。溶液紡糸口金１０１のブローブロック１０８は、第１のリップ１０２から順に、エアー整流シム１１１、エアー拡幅シム１１０、ブローリップ１０９が積層して構成されている。第２のリップ１０３にも同じ構成のブローリップが設置されている。櫛歯状シム１０７から吐出された原料液体１０４をブローブロック１０８から噴出したブローエアーで延伸することで繊維化する。ブローブロック１０８では、ブローリップ１０９に形成されたブローエアー供給路１１２から流入したブローエアーがエアー拡幅シム１１０で均一に拡幅され、その後エアー整流シム１１１で整流されて、ブローエアーを吹き付ける。

エアー拡幅シム１１０、エアー整流シム１１１について図７、図８を用いて説明する。
図７はエアー拡幅シム１１０を示した模式図である。エアー拡幅シム１１０の幅Ｘ２と高さＨ２はエアーリップ１０９と同じ寸法にしておくと、端部を合わせて組立ができるので好ましい。また、エアー拡幅シム１１０には、ブローエアーを拡幅する疑似マニホールド開口１１５が形成されている。エアー拡幅シム１１０が、ブローリップ１０９とエアー整流シム１１１とで挟まれることで、疑似マニホールド開口１１５がマニホールドを形成する。疑似マニホールド開口１１５の高さＬＢとエアー拡幅シム１１０の厚みとの関係は、ブローエアーの拡幅のさせ方で決定される。

図８はエアー整流シム１１１を示した模式図である。エアー整流シム１１１の幅Ｘ３、高さＨ３はエアー拡幅シム１１０の幅Ｘ２、高さＨ２と同じであると組立がやり易くなるので好ましい。エアー整流シム１１１には、エアー拡幅シム１１０の疑似マニホールド１１５で拡幅したブローエアーを整流して複数に分配するためのブロースリット１１６が形成されている。ブロースリット１１６をエアー拡幅シム１１０の疑似マニホールド開口１１５と連通させるため、ブロースリット１１６の長さＬ３を、エアー拡幅シム１１０の疑似マニホールドのランド長ＬＣより長くする。

図９は、図６の溶液紡糸口金１０１の矢視Ａを示す模式図である。第１のリップ１０２に設置されているブローリップ１０９に着目すると、エアー拡幅シム１１０の各スリット１１６は、櫛歯状シム１０７のスリット１１７と１対１に対応した位置に形成されている。第２のリップ１０３に設置されているブローリップも同じである。このように、櫛歯状シム１０７のスリット１１７とエアー拡幅シム１１０のスリット１１６とが１対１で対応しているので、スリット１１７から吐出した原料液体に対して、スリット１１６からピンポイントにブローエアーを吹き付けて延伸することができる。そのため、原料液体が吐出していない箇所に向けて、スリット１１６からブローエアーを吹き付けることがなくなるので、ブローエアーの消費量を大幅に削減することができる。

再び図８を参照する。スリット１１６の幅Ｗ３は、ブローエアーを櫛歯状シム１０７から吐出された原料液体に確実に吹き付けて延伸するために、櫛歯状シム１０７のスリット状切れ込み１１７の幅よりも１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で広いことが好ましい。図４、５の実施形態のように、櫛歯状シム１０７のスリット１１７が途中で拡幅している場合は、拡幅した後のスリット１１７の幅よりも１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で広いことが好ましい。

［実施例１］
図１の溶液紡糸口金１で紡糸を実施した。第１のリップ２および第２のリップ３のＹ方向の幅は８０ｍｍ、Ｚ方向の高さは５０ｍｍとし、第１のリップ２にはφ４．０ｍｍの原料液体供給路４および半径５ｍｍのマニホールド５を形成し、ランド６のランド長さＬＲ＝４．０ｍｍとした。第１のリップ２および第２のリップ３で櫛歯状シム７を挟みこみ、組み付けた。櫛歯状シム７は厚みＴ＝０．３ｍｍ、幅Ｘ＝８０ｍｍとし、第１のリップ２、第２のリップ３の先端から５０μｍ突き出るようにシム高さＨを決定した。また、櫛歯状シム７のスリット幅Ｗ１＝０．３ｍｍとし、スリット長さＬ＝７．０ｍｍ、ピッチＰ＝１０ｍｍとして、５箇所形成した。また、エアーブロック８は、厚み０．５ｍｍでコの字状のエアー整流シム１１を、マニホールドが形成されたブローリップ９と第１のリップ２との間に挟んで構成した。第２のリップ３にも同じ構成でエアーブロックを設置した。

上記構成の溶液紡糸口金１に、ポリ乳酸を酢酸エチルに１２．５質量％で溶かした、粘度３５０ｍＰａ・ｓのポリマーを、１ｍＬ／ｍｉｎで原料液体供給路４から供給した。そして、櫛歯状シム７の５箇所のスリット１３から吐出されたポリマーに対して、第１のリップ２、第２のリップ３の各々に取り付けたブローブロック８からブローエアーを各々９０Ｌ／ｍｉｎで吹き付けて紡糸を行った。得られた不織布の繊維径を電子顕微鏡で測定したところ、平均繊維径０．５９μｍであった。紡糸開始から１０分経過した時点で口金の先端が汚れ始めたが、１０分間は安定して紡糸ができた。

［実施例２］
櫛歯状シムを図５に示す櫛歯状シムに交換した以外は、実施例１と同じ構成および条件で紡糸を実施した。櫛歯状シム７は実施例１と同様に厚みＴ＝０．３ｍｍ、幅Ｘ＝８０ｍｍとし、第１のリップ２、第２のリップ３の先端から５０μｍ突き出るようにした。そして、スリット幅Ｗ１＝０．３ｍｍ、拡幅スリット幅Ｗ２＝０．３５μｍとし、スリット長さＬ＝７．０ｍｍ、ピッチＰ＝１０ｍｍとして５箇所形成した。また、切り込み角度θ＝４５°で鋭角な角形状１４を付与した。紡糸を実施したところ、口金先端が汚れることなく、１時間安定的に紡糸が可能であった。

［実施例３］
図６の紡糸口金１０１で紡糸を実施した。ブローブロック１０８以外の口金構成は実施例２と全く同じであった。ブローブロック１０８は、φ６ｍｍのブローエアー供給口１１２を設けたブローリップ１０９、厚みを０．５ｍｍ、疑似マニホールド１１５の開口高さＬＢ＝２０ｍｍ、疑似マニホールド開口幅ＬＢ＝５０ｍｍ、疑似マニホールドランドＬＣ＝３．０ｍｍとしたエアー拡幅シム１１０、および、エアー整流シム１１１から構成した。エアー整流シム１１１のスリット１１６は、幅Ｗ３を櫛歯状シム１０７のスリット１１７の拡幅した後のスリット幅Ｗ２＝０．３５ｍｍより広いＷ３＝０．７０ｍｍとし、長さＬ３を７．０ｍｍとし、ピッチＰ３は櫛歯状シムのピッチＰと同じＰ３＝１０ｍｍとした。

上記構成の溶液紡糸口金１０１に実施例１と同じポリ乳酸を酢酸エチルに溶解した原料液体を１ｍＬ／ｍｉｎで供給した。そして、櫛歯状シムの５箇所のスリット状切れ込みから吐出された原料液体に対して、第１のリップ１０２、第２のリップ１０３の各々に対向したブローブロック１０８からブローエアーを各２０Ｌ／ｍｉｎで吹き付けて紡糸を実施した。得られた不織布の繊維径を電子顕微鏡で測定したところ、平均繊維径０．３５μｍであり、少ない流量で実施例１より繊度が低い繊維を得ることができた。

本発明は、ポリマーの流動を均一化しつつ、口金の部品点数を削減することで、口金の分解、洗浄、組立の付帯作業を軽減し、安定的に紡糸が可能な紡糸口金として利用することができる。

１ 溶液紡糸口金
２ 第１のリップ
３ 第２のリップ
４ 原料液体供給路
５ マニホールド
６ ランド部
７ 櫛歯状シム
８ ブローブロック
９ ブローリップ
１０ ブローエアー供給路
１１ エアー整流シム
１２ エアーマニホールド
１３ 原料液体
１４ スリット
１５ 鋭角な角形状
１０１ 溶液紡糸口金
１０２ 第１のリップ
１０３ 第２のリップ
１０４ 原料液体供給路
１０５ マニホールド
１０６ ランド部
１０７ 櫛歯状シム
１０８ ブローブロック
１０９ ブローリップ
１１０ エアー拡幅シム
１１１ エアー整流シム
１１２ ブローエアー供給路
１１３ スリット状切れ込み
１１４ 鋭角の角形状
１１５ 疑似マニホールド開口
１１６ ブロー用スリット
１１７ スリット状切れ込み
ＬＲ ランド部長さ
Ｘ 櫛歯状シムの幅
Ｈ 櫛歯状シムの高さ
Ｌ スリット長さ
Ｗ１ スリット幅
Ｗ２ 拡幅スリット拡幅
Ｔ シム厚み
Ｐ スリットピッチ
θ 切り込み角度
Ｘ２ エアー拡幅シム幅
Ｈ２ エアー拡幅シム高さ
ＬＢ 疑似マニホールド開口高さ
ＬＣ 疑似マニホールドランド長さ
ＬＷ 疑似マニホールド開口幅
ＬＨ 疑似マニホールドランド
Ｘ３ エアー整流シム幅
Ｈ３ エアー整流シム高さ
Ｗ３ ブロースリット幅
Ｌ３ ブロースリット長さ
Ｐ３ ブロースリットピッチ

Claims (6)

1. 対向する第１のリップおよび第２のリップ、ならびに第１のリップと第２のリップに挟まれた櫛歯状シムを有し、
   前記第１のリップには、前記櫛歯状シムと接する面に櫛歯状シムと共になって原料液体を拡幅するためのマニホールド、および第１のリップの外部からマニホールドに至る原料液体を供給するための供給路が形成され、
   前記櫛歯状シムには、櫛歯状シムの１つの辺から前記マニホールドに至るまで延びた複数のスリットが形成され、
   前記櫛歯状シムのスリットが形成された辺が、前記第１のリップおよび前記第２のリップから１０～５００μｍ突出しており、
   さらに、前記櫛歯状シムのスリットから外部に吐出される原料液体に、原料液体を挟むように、かつ原料液体の吐出方向に傾けたブローエアーを吹き付けるためのブローブロックを有する、
   溶液紡糸口金。
2. 前記櫛歯状シムの先端のスリットの幅が、スリットが形成されている１辺で２０～１００μｍ拡がっている、請求項１の溶液紡糸口金。
3. 前記櫛歯状シムのスリットが、スリットの幅方向の中心を通る線を対称の軸として、線対称の形状である、請求項１または２の溶液紡糸口金。
4. 前記櫛歯状シムのスリットが形成された辺が、スリットが形成されているそれぞれの部分で突出しており、その辺とスリットの各辺とが交わる部分が鋭角の角形状である、請求項１～３のいずれかの溶液紡糸口金。
5. 前記ブローブロックが、
   前記第１のリップおよび前記第２のリップのそれぞれに取り付けられ、
   前記第１のリップおよび第２のリップから順に、エアー整流シム、エアー拡幅シムおよびブローリップが積層されて構成されており、
   前記エアー拡幅シムには、前記エアー整流シムおよび前記ブローリップと共になってエアーを拡幅するための開口が形成されており、
   前記ブローリップには、外部から前記エアー拡幅シムの開口に至るエアーを供給するための供給路が形成されており、
   前記エアー整流シムには、エアー整流シムの１つの辺から前記エアー拡幅シムの開口に至るまで延びたエアーの流路が形成されている、
   請求項１～４のいずれかの溶融紡糸口金。
6. 前記エアー整流シムのエアーの流路が複数のスリットであり、
   前記エアー整流シムの各スリットが、
   前記溶融紡糸口金を前記櫛歯状シムのスリットが形成されている辺側から観察したとき、櫛歯状シムのスリットと１対１で対応する位置に形成されており、
   幅が前記櫛歯状シムのスリットの幅よりも広い、
   請求項５の溶融紡糸口金。
   

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