TWI628322B - Method for producing resin fiber, nozzle head and manufacturing device used in the method for producing resin fiber - Google Patents

Method for producing resin fiber, nozzle head and manufacturing device used in the method for producing resin fiber Download PDF

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Abstract

本發明的課題為提供一種能以高的操作性提高生產量之樹脂纖維的製造方法、使用於該樹脂纖維的製造方法之噴嘴頭及製造裝置。 本發明的解決手段為一種藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造方法。其特徵在於：來自高壓氣體噴出口的氣流給予吐出口負壓並一邊使吐出口內部的熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使熔融樹脂放出到空中一邊使熔融樹脂冷卻一邊拉伸。製造裝置包含：藉由筒內的螺旋一邊使樹脂熔融，一邊由筒頂端的噴嘴擠壓出熔融樹脂之擠壓機；以及安裝於噴嘴的頂端之噴嘴頭，噴嘴頭在略鉛直的面部包含：將熔融樹脂擠壓出之吐出口；以及以一邊使吐出口內部的熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使熔融樹脂放出到空中的方式設置於吐出口近旁且略水平地形成氣流之高壓氣體噴出口，吐出口的直徑以0.5mm以上。

Description

樹脂纖維的製造方法、使用於該樹脂纖維的製造方法之噴嘴頭及製造裝置
本發明是關於以高壓氣體將擠壓出的熱塑性樹脂(thermoplastic resin)拉伸當作長纖維(long fiber)的集合體之樹脂纖維的製造方法、使用於該樹脂纖維的製造方法之噴嘴頭(nozzle head)及製造裝置，特別是關於由奈米級(nano-order)的直徑的極細長纖維的集合體構成之樹脂纖維的製造方法、製造裝置及使用於該樹脂纖維的製造方法、製造裝置之噴嘴頭。
由直徑數微米(micron)到次微米(submicron)的極細長纖維的集合體構成的樹脂纖維被當作各種過濾器(filter)或不織布使用。作為如此的樹脂纖維的製造方法自古以來提出了電紡絲(electrospinning)法，而藉由噴嘴部噴出高壓氣體並將由擠壓機擠壓出的熱塑性樹脂放出到空中當作長纖維的集合體之熔噴(melt-blow)法也在近幾年因其生產性或安全性高而多數被研究(參照非專利文獻1)。
例如在專利文獻1中揭示有由利用熔噴法的聚丙烯(polypropylene)極細長纖維的集合體構成的樹脂纖維的製造方法。在該實施例2中，以熱風吹出口包圍熔融樹脂之被擠壓出的中心吐出口的頂端，並且在延伸到下游的熱風收斂圓筒部內於維持樹脂的熔融狀態下拉伸，自開口部將樹脂放出到空中並藉由配置於水平方向的捕集部捕集長纖維的集合體。此處也敘述了，中心吐出口的直徑應為0.1~0.2mm，但因控制用以在熱風收斂圓筒部將樹脂拉伸的熔融狀態，故由於其內徑或內部的溫度調整而不能吐出，或者只能得到微米級(micron order)的極細纖維。
進而在專利文獻2中也揭示有由利用熔噴法的熱塑性樹脂極細長纖維的集合體構成的樹脂纖維的製造方法。在將被加熱到比熔融樹脂的溫度還高溫的氣體朝裝置外部噴射於水平方向的最擴徑開口的周圍設置複數個小的熔融樹脂噴射口，施加壓力而被噴射的熔融樹脂由氣體噴射口被噴射，被捲入到自最擴徑開口噴射到裝置外部的氣體的流動而被拉伸於噴射方向。此處敘述了，作為一個實施例，就熔融樹脂噴射口將3mm的管徑縮成0.4mm並給予壓力，自2mm直徑的氣體噴射口噴射氣體，由22mm直徑的最擴徑開口使氣體噴出到裝置外部。
[非專利文獻1] 進士國廣著、[奈米纖維(nanofiber)的世界]、電功能材料工業會、電材期刊、第626號、2015.5~7、16~18頁
[專利文獻1]：日本國特開2013-185272號公報 [專利文獻2]：日本國特開2016-23399號公報
在利用熔噴法的熱塑性樹脂極細長纖維的製造方法中，藉由將樹脂拉伸而減小其直徑。可藉由穩定控制如此的樹脂的拉伸製程並以高的操作性提高生產量，惟在專利文獻1中為了將拉伸製程與外部隔絕而配設熱風收斂圓筒部，而且在專利文獻2中形成熱容量比樹脂的容量大的高溫氣流，將樹脂噴射到其內部，將外部與其隔絕。
本發明是鑑於如以上的狀況所進行的創作，其目的為提供一種能以高的操作性更大大地提高生產量之樹脂纖維的製造方法、使用於該樹脂纖維的製造方法之噴嘴頭及製造裝置。
依照本發明的樹脂纖維的製造方法，為藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造方法，其特徵在於：在對自吐出口擠壓出的熔融樹脂給予來自設於前述吐出口近旁的高壓氣體噴出口的氣流並使前述熔融樹脂放出到空中，一邊使前述熔融樹脂冷卻，一邊拉伸的方法中，來自前述高壓氣體噴出口的前述氣流給予前述吐出口負壓並一邊使前述吐出口內部的前述熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使前述熔融樹脂放出到空中。
依照如此的發明，因透過由氣流造成的負壓將熔融樹脂引出使其拉伸成極細長纖維，對應樹脂的擠出量僅藉由調整氣流而使操作穩定，可得到高的操作性，也容易使擠出量增加，故能以高的操作性更大大地提高生產量。
在上述的發明中，其特徵在於：由前述吐出口擠壓出的前述熔融樹脂被由擠壓機供給，在使來自前述擠壓機的前述熔融樹脂的供給停止時殘留於前述吐出口內部的前述熔融樹脂也藉由負壓而被引出拉伸到外部也可以。依照如此的發明，透過由來自高壓氣體噴出口的氣流造成的負壓可確實將熔融樹脂引出使其拉伸成極細長纖維。
在上述的發明中，其特徵在於：前述吐出口的直徑為使前述熔融樹脂的流動阻力(flow resistance)降低，以便可透過由前述氣流造成的負壓將前述熔融樹脂引出也可以。而且，在上述的發明中，其特徵在於：前述吐出口的直徑為0.5mm以上也可以。依照如此的發明，透過由來自高壓氣體噴出口的氣流造成的負壓可確實將熔融樹脂引出使其拉伸成極細長纖維，並且可更提高生產量。
進而依照本發明的樹脂纖維的製造裝置，為藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造裝置，其特徵在於包含：藉由筒(barrel)內的螺旋(screw)一邊使樹脂熔融，一邊由前述筒頂端的噴嘴擠壓出熔融樹脂之擠壓機；以及安裝於前述噴嘴的頂端之噴嘴頭，前述噴嘴頭在略鉛直的面部給予：將前述熔融樹脂擠壓出之吐出口；以及位於前述吐出口近旁且略水平地形成氣流之高壓氣體噴出口，以一邊使前述吐出口內部的前述熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使前述熔融樹脂放出到空中的方式使前述高壓氣體噴出口位於前述吐出口近旁，並且前述吐出口的直徑以0.5mm以上。
依照如此的發明，可透過由氣流造成的負壓將熔融樹脂引出使其拉伸成極細長纖維，對應樹脂的擠出量僅藉由調整氣流的量而使操作穩定，可得到高的操作性，並且可增加擠出量並可更大大地提高生產量。
在上述的發明中，其特徵在於：以前述高壓氣體噴出口及前述吐出口為一對，將複數對給予前述面部也可以。而且，在上述的發明中，其特徵在於：前述複數對沿著水平線給予前述面部也可以。進而在上述的發明中，其特徵在於：前述複數對的前述高壓氣體噴出口是使各自的軸線朝向噴出方向互相擴展成扇狀而被設置也可以。依照如此的發明，能以高的操作性更提高生產量。
進而依照本發明的噴嘴頭，為用於在藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造裝置中，藉由筒內的螺旋一邊使樹脂熔融，一邊由前述筒頂端的噴嘴擠壓出熔融樹脂之擠壓機，安裝於前述噴嘴的頂端之噴嘴頭，其特徵在於：於在安裝於前述製造裝置時成為略鉛直的面部給予：將前述熔融樹脂擠壓出之吐出口；以及位於前述吐出口近旁且略水平地形成氣流之高壓氣體噴出口，以一邊使前述吐出口內部的前述熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使前述熔融樹脂放出到空中的方式使前述高壓氣體噴出口位於前述吐出口近旁，並且前述吐出口的直徑以0.5mm以上。
依照如此的發明，藉由安裝於樹脂纖維的製造裝置，可透過由氣流造成的負壓將熔融樹脂引出使其拉伸成極細長纖維，對應樹脂的擠出量僅藉由調整氣流的量而使操作穩定，可得到高的操作性。而且，可增加擠出量並可更大大地提高生產量。
在上述的發明中，其特徵在於：以前述高壓氣體噴出口及前述吐出口為一對，將複數對給予前述面部也可以。而且，在上述的發明中，其特徵在於：以在安裝於前述製造裝置時前述複數對沿著水平線的方式給予前述面部也可以。進而在上述的發明中，其特徵在於：前述複數對的前述高壓氣體噴出口是使各自的軸線朝向噴出方向互相擴展成扇狀而被設置也可以。依照如此的發明，能以高的操作性更提高生產量。
就作為依照本發明的一個實施例的樹脂纖維的製造裝置，使用圖1至圖7進行說明。
如圖1所示，樹脂纖維的製造裝置9為藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造裝置，包含：由噴嘴2a將熔融的樹脂擠壓出之擠壓機1；安裝於噴嘴2a的頂端之噴嘴頭10。
擠壓機1包含將由熱塑性樹脂構成的小丸(pellet)等的原料加熱並使其熔融同時混練，朝向噴嘴2a運送的筒2及螺旋3，具備用以將原料供給至筒2內部的加料斗(hopper)4。而且，筒2在其外周具備加熱器(heater)5，可將內部加熱。於在筒2的樹脂的擠出方向所具備的噴嘴2a的頂端固定有用以吐出樹脂的噴嘴頭10。噴嘴頭10藉由配管等連接於氣體加熱部7，在將由連接於其前面的氣體壓縮機(gas compressor)等的氣體供給部6供給的高壓氣體加熱之後供給高壓氣體。氣體加熱部7例如可在氣體壓送管的周圍具備加熱器等的加熱部而構成。
如圖2所示，噴嘴頭10包含：用以將噴嘴頭10安裝於擠壓機1的外周側之安裝部19；在被安裝於擠壓機1時將主面略鉛直地配置(使主面的法線朝向水平)之中央側的面部11。安裝部19具備用以將噴嘴頭10固定於擠壓機1之未圖示的螺栓孔(bolt hole)等。而且，面部11以對安裝部19突出於樹脂的擠出方向的方式被設置。
在面部11具備有：吐出樹脂之吐出口12及噴出高壓氣體之氣體噴出口13。吐出口12及氣體噴出口13在彼此的近旁構成配置各一個的對。在本實施例中具備複數對吐出口12及氣體噴出口13的對，可提高樹脂纖維的每一單位時間的生產量，故較佳。
吐出口12連通於樹脂流入室16。樹脂流入室16藉由在將噴嘴頭10安裝於擠壓機1時對筒2的噴嘴2a位於樹脂的擠出方向，而成為由噴嘴2a供給的熔融的樹脂的流道，可將熔融的樹脂導引至吐出口12。樹脂流入室16藉由間壁15與成為氣體的流道的氣體流入室14隔開。氣體流入室14連接於氣體噴出口13，並且連接於自噴嘴頭10的外部導入的高壓氣體的流入口14a。此外，流入口14a連接於上述的氣體加熱部7。據此，氣體流入室14可將流入的高壓氣體導引至氣體噴出口13。而且，氣體噴出口13被略水平地配置其軸線，以便藉由高壓氣體使氣流形成於略水平方向。吐出口12也配合成對的氣體噴出口13的方向而朝向略水平方向被配置。
氣體噴出口13如上述配置於吐出口12的近旁。特別是氣體噴出口13以可藉由形成的氣體所產生的負壓自吐出口12的內部將熔融的樹脂引出到外部，一邊使熔融的樹脂拉伸，一邊使熔融的樹脂放出到空中的方式接近吐出口12而被配置。而且，吐出口12決定其內徑，以使熔融的樹脂的流動阻力降低，並透過由氣流造成的負壓自內部將樹脂引出。熔融的樹脂的流動阻力為內徑越大越低落。例如吐出口12的出口部分(面部11的表面近旁)的內徑以0.5mm以上較佳。在本實施例中吐出口12的內徑以1.0mm，氣體噴出口13的內徑以1.5mm，彼此的中心的距離以1.75mm。
此外，如上述因只要能將樹脂引出即可，故氣體噴出口13對吐出口12不管上方、下方、側方，任一方向都能配置。在本實施例中將在面部11中於吐出口12的下方配置了氣體噴出口13的對排列於上段，將於吐出口12的上方配置了氣體噴出口13的對排列於下段。
如圖3所示，在排列於面部11的下段的吐出口12及氣體噴出口13的複數對中，氣體噴出口13的各個軸線在水平面內朝向噴出方向(紙面上方)互相擴展成扇狀而被設置。例如在被兩個半徑與圓弧包圍的圓心角(central angle)α的扇形的兩半徑上，兩端的氣體噴出口13的軸線重疊，其他的氣體噴出口13的軸線也以通過該扇形的兩個半徑的交叉的中心點的方式被配置。同樣地，吐出口12的各個軸線以朝向吐出方向互相擴展成扇狀的方式被配設。藉由如此使其配置，因可進行調整以抑制被由各自的對引出而放出到空中的樹脂纖維彼此的過度的纏繞，故可增加樹脂的每一單位時間的吐出量，可增加每一單位時間的生產量，故較佳。在排列於面部11的上段的吐出口12及氣體噴出口13的複數對中也一樣。
此外，關於擠壓機1的其他的詳細由於是眾所周知，故省略說明。而且，樹脂纖維的製造裝置9適宜具備捕集放出的樹脂纖維的捕集部。
若再度參照圖1，則在藉由樹脂纖維的製造裝置9製造樹脂纖維的情形下，藉由擠壓機1將熔融的樹脂供給至噴嘴頭10並自吐出口12使熔融的樹脂吐出，同時將藉由氣體供給部6及氣體加熱部7加熱的高壓氣體供給至噴嘴頭10，由氣體噴出口13使氣體噴出形成氣流。據此，來自氣體噴出口13的氣流將負壓給予吐出口12的前方側並將吐出口12的內部的熔融樹脂引出到外部，一邊使熔融樹脂拉伸成極細長纖維，一邊使熔融樹脂放出到空中。也就是說，可藉由一邊使熔融樹脂放出到空中並使其冷卻，一邊拉伸之一種熔噴法製造樹脂纖維。此時，使樹脂的擠壓量一定，據此若調整氣流的量則可容易使操作穩定。
特別是即使在樹脂纖維的製造中使來自擠壓機1的熔融的樹脂的供給停止，僅藉由高壓氣體的供給也能暫時使樹脂纖維被連續製造。也就是說得知，殘留於吐出口12的內部的樹脂透過由來自氣體噴出口13的氣流造成的負壓被確實地引出拉伸到外部。
如圖4所示得知，藉由樹脂纖維的製造裝置9製造的樹脂纖維成為具有微米級至數百奈米(nanometer)左右的直徑之所謂的像奈米纖維的極細長纖維。而且，樹脂纖維彼此適度地互相纏繞，並且幾乎不產生被短短地切斷的纖維或粒子狀的樹脂。
如以上藉由樹脂纖維的製造裝置9，可藉由透過由來自氣體噴出口13的氣流造成的負壓將吐出口12內的熔融的樹脂引出使其放出到空中，一邊使熔融的樹脂冷卻，一邊使其拉伸而製造極細長纖維之樹脂纖維。因由吐出口12引出樹脂，故藉由依照來自擠壓機1的樹脂的擠壓量僅調整氣流的量就能使操作穩定，可得到高的操作性。如上述將吐出口12及氣體噴出口13的對排列複數對等而增加樹脂的吐出量時也只要配合樹脂的吐出量調整氣流的量即可，能以高的生產性更大大地提高生產量。
而且，樹脂纖維的製造裝置9可製造像奈米纖維的極細長纖維，而吐出口12的內徑遠大於纖維徑(fiber diameter)，如上述在本實施例中以1mm。也就是說可考慮為，藉由樹脂纖維的製造裝置9製造的樹脂纖維的直徑不是取決於吐出口12的直徑，而是取決於來自氣體噴出口13的氣流與所供給的樹脂的量的平衡。也就是說，藉由依照所供給的熔融的樹脂的量調整氣流的量，調整來自氣體噴出口13的流速及/或負壓。據此可考慮為，所引出的樹脂的量被調整，依照與氣流的流速的關係而調整直徑。可藉由依照所供給的熔融的樹脂的量使氣流的量平衡，製造所希望的直徑的極細長纖維。因此，吐出口12的直徑比較加大而使熔融的樹脂的流動阻力降低，可使如上述的熔融樹脂的引出容易，故較佳。而且，藉由比較加大吐出口12的直徑可使樹脂的吐出量增加，藉由配合樹脂的吐出量而調整氣流的量以更增加每一單位時間的生產量也容易。
此外，因吐出口12的直徑大，故堵塞少，維修保養(maintenance)也非常容易。
而且，更增加噴嘴頭10的吐出口12及氣體噴出口13的對，例如也可在面部11配設3列以上的由複數對構成的列等而更增加每一單位時間的生產量。
以上雖然說明了依照本發明的實施例及根據該實施例的變形例，但本發明未必限定於該等的例子。而且，只要是熟習該項技術者，在不脫離本發明的主旨或附加的申請專利範圍，就能找到各式各樣的代替實施例及改變例。
1：擠壓機 2：筒 2a：噴嘴 3：螺旋 4：加料斗 5：加熱器 6：氣體供給部 7：氣體加熱部 9：樹脂纖維的製造裝置 10：噴嘴頭 11：面部 12：吐出口 13：氣體噴出口 14：氣體流入室 14a：流入口 15：間壁 16：樹脂流入室 19：安裝部
圖1是依照本發明的一個實施例中的樹脂纖維的製造裝置的主要部分之剖面圖(部分方塊圖)。 圖2(a)是噴嘴頭之前視圖，(b)是噴嘴頭之側剖面圖。 圖3(a)、(b)是噴嘴頭之剖面圖。 圖4是藉由樹脂纖維的製造裝置製造的樹脂纖維之SEM(Scanning Electron Microscope：掃描電子顯微鏡)照片。

Claims (10)

  1. 一種樹脂纖維的製造方法，為藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造方法，其特徵在於： 來自設於熔融樹脂被擠壓出的吐出口近旁之高壓氣體噴出口的氣流給予該吐出口負壓並一邊使該吐出口內部的該熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使該熔融樹脂放出到空中。
  2. 如申請專利範圍第1項之樹脂纖維的製造方法，其中由該吐出口擠壓出的該熔融樹脂被由擠壓機供給，在使來自該擠壓機的該熔融樹脂的供給停止時殘留於該吐出口內部的該熔融樹脂也藉由負壓而被引出拉伸到外部。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之樹脂纖維的製造方法，其中該吐出口的直徑為使該熔融樹脂的流動阻力降低，以便可透過由該氣流造成的負壓將該熔融樹脂引出。
  4. 如申請專利範圍第3項之樹脂纖維的製造方法，其中該吐出口的直徑為0.5mm以上。
  5. 一種樹脂纖維的製造裝置，為藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造裝置，其特徵在於包含： 藉由筒內的螺旋一邊使樹脂熔融，一邊由該筒頂端的噴嘴擠壓出熔融樹脂之擠壓機；以及 安裝於該噴嘴的頂端之噴嘴頭， 該噴嘴頭在略鉛直的面部以一對而給予複數對： 將該熔融樹脂擠壓出之吐出口；以及 位於該吐出口近旁且略水平地形成氣流之高壓氣體噴出口， 以一邊使該吐出口內部的該熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使該熔融樹脂放出到空中的方式使該高壓氣體噴出口位於該吐出口近旁，並且該吐出口的直徑以0.5mm以上。
  6. 如申請專利範圍第5項之樹脂纖維的製造裝置，其中該複數對沿著水平線給予該面部。
  7. 如申請專利範圍第6項之樹脂纖維的製造裝置，其中該複數對的該高壓氣體噴出口是使各自的軸線朝向噴出方向互相擴展成扇狀而被設置。
  8. 一種噴嘴頭，為用於在藉由高壓氣流使熱塑性樹脂拉伸的極細長纖維之樹脂纖維的製造裝置中，藉由筒內的螺旋一邊使樹脂熔融，一邊由該筒頂端的噴嘴擠壓出熔融樹脂之擠壓機，安裝於該噴嘴的頂端之噴嘴頭，其特徵在於： 於在安裝於該製造裝置時成為略鉛直的面部以一對而給予複數對： 將該熔融樹脂擠壓出之吐出口；以及 位於該吐出口近旁且略水平地形成氣流之高壓氣體噴出口， 以一邊使該吐出口內部的該熔融樹脂引出拉伸到其外部，一邊使該熔融樹脂放出到空中的方式使該高壓氣體噴出口位於該吐出口近旁，並且該吐出口的直徑以0.5mm以上。
  9. 如申請專利範圍第8項之噴嘴頭，其中以在安裝於該製造裝置時該複數對沿著水平線的方式給予該面部。
  10. 如申請專利範圍第9項之噴嘴頭，其中該複數對的該高壓氣體噴出口是使各自的軸線朝向噴出方向互相擴展成扇狀而被設置。
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