WO2020075774A2 - ナノファイバー製造装置、及びナノファイバー製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シート全面に亘って均質なナノファイバーシートを製造する。ナノファイバー生成装置でポリマー溶液がナノファイバーになり損ね、液滴や小さなポリマー塊となってナノファイバー捕集装置に向かって直線的に飛翔し、ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面を直撃しないようにする。 【解決手段】溶媒で溶解したポリマー溶解液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルを備えたナノファイバー生成装置と、ナノファイバー生成装置で生成したナノファイバーを吸引捕集する捕集装置とを備え、ナノファイバー生成装置とナノファイバー捕集装置との間に、ナノファイバー生成装置で生成したナノファイバー流が直接的にナノファイバー捕集装置に直線的に飛翔せず、ナノファイバー生成装置で生成したナノファイバーを浮遊させる流路抑制手段を設ける。

Description

ナノファイバー製造装置、及びナノファイバー製造方法

　本発明は、ポリマー溶液からナノファイバーを製造するナノファイバー製造装置及びナノファイバー製造方法に関する。特に、原料ポリマーを溶媒で溶解したポリマー溶解液からナノファイバーを製造するナノファイバー製造装置及びナノファイバー製造方法に関するものである。さらに具体的には、本発明は、原料ポリマーを溶媒で溶解したポリマー溶解液から均質なナノファイバーシートを製造するナノファイバーシート製造装置及びナノファイバーシート製造方法に関するものである。

　本明細書中で「ナノファイバー」との用語は、製造されたファイバーの平均繊維径が数ナノメーターから数百ナノメーターの微細径繊維であり、その集合体も含むものであって、集合体では適宜に繊維径が分布している。
　また、本明細書では、具体的には、原材料ポリマーを熱で溶融した溶融液、又は原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液を原料として使用するものであるが、両方を含む溶液を意味する場合には、単に「溶液」又は「ポリマー溶液」との用語を用いる。

　繊維径が細いナノファイバーは近年注目を浴び、医療分野、自動車分野、建材分野、油吸着材分野等での広い技術分野で利用が広まっている。このナノファイバーを製造する方法としては、原材料ポリマーを熱で溶融した溶融液を熱噴射ガス流に吐出して製造する方法（溶融紡糸方法）と、原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液を熱噴射ガス流に吐出して製造する方法（乾式紡糸方法）が一般的に知られている。また、原材料ポリマーを溶解液中で吐出してナノファイバーを製造する方法（湿式紡糸方法）も知られているが、本発明では対象とするものではない。

　ここで、溶融紡糸方法と乾式紡糸方法では、液状の樹脂溶液を熱噴射ガス流に向けて吐出することによりナノファイバーを製造する点では共通している。特許文献１、特許文献２には原料ポリマーを熱で溶融した溶融液でナノファイバーを製造する装置について記載されており、特許文献３、特許文献４には原料ポリマーを溶剤で溶解した溶解液でナノファイバーを製造する装置について記載されている。

　原材料ポリマーを熱で溶融して製造するナノファイバーの繊維径は、凡そ数１００ナノメーター～１０マイクロメーターであるが、原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液で製造する方法では、溶解液の粘性は低く、繊維径が凡そ数１０ナノメーター～数マイクロメーターのより細いナノファイバーを製造できる。したがって、より極細繊維径のナノファイバーを製造する場合には溶解液で製造する方法（乾式紡糸方法）が採用されている。

　特許文献３、特許文献４には原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液で製造する技術が開示されており、特許文献３には電荷誘導紡糸法（または電界紡糸法）と呼ばれる高電圧をかけて紡糸する方法が、特許文献４には高電圧をかけないで紡糸する異なる方法が開示されている。

　特許文献３は、効率的に均一なナノファイバー不織布を製造できるナノファイバー不織布の製造方法及び装置を提供することを課題としている。そして、送風機及び排風機を作動させ、ハウジング内のノズルと捕集材との間に電圧を印加し、ノズルからポリマー溶液を吐出させると、ノズルからポリマー溶液が細い線状体として吐出される。静電爆発が生じて爆発的に延伸され、サブミクロンの直径を有するポリマーから成るナノファイバーが効率的に生成されるものである。

　より具体的には、不織布製造時に、送風機の風量が排風機の風量の３０％以上となるように該送風機及び排風機を作動させるため、捕集材に堆積したナノファイバーの毛羽立ちを抑えることができ、これにより捕集材上のナノファイバーの堆積厚さのムラを小さくすることができるとしている。このように、送風機の風量を排風機の風量の１００％以下とすることにより、捕集材のノズル側の風量が過剰となることが防止され、ナノファイバーの飛散を防止することができるとしている。

　特許文献４では、ナノファイバー生成装置の下流側、かつ、捕集装置の上流側にガイドボックスを設けられて、吸引ボックスが作動した際にナノファイバー生成装置から吸引ボックスに向かう気流の生成を助けるとともに、ナノファイバー生成装置により製造されたナノファイバーが周囲に飛散することを防止する装置が開示されている。これに対して、ガイドボックスを設けていない場合には、ナノファイバー生成装置のエアーノズルから噴出される高速高温エアーが周囲の空気を巻き込むため、気流が不安定になる。これに対して、ガイドボックスを用いることにより、安定した気流を生成させることができる。このため、細径のナノファイバーを安定して製造できるとしている。

特開２０１６－１８３４３５号公報 特開２０１６－０２３３９９号公報 特開２０１２－１２７００８号公報 再表２０１５－１４５８８０号公報

　従来のナノファイバー製造方法においては、ナノファイバー生成装置から下流側の捕集装置に向けた安定した空気流を形成してナノファイバーを捕集することを目的とするものであるが、それだけでは、捕集装置によりナノファイバーを捕集したとしても、均質な繊維径分布のナノファイバーを捕集することは難しい。

　本発明は、従来のように、ナノファイバー生成装置からナノファイバーを空気流に乗せて搬送して捕集するのではなく、ナノファイバー生成装置により生成されるナノファイバーの搬送流を抑制して筐体内で自由に浮遊させ、筐体内のガスを吸引して、浮遊するナノファイバーを捕集装置により捕集することにより、均質なナノファイバーシートを得ることを目的とするものである。このようにすると、ナノファイバー生成装置によって所望のナノファイバー繊維になり損ねたポリマー溶液の微細粒が、空気流に乗って液滴状態又は小さなポリマーの塊粒となって捕集装置のナノファイバー捕集面に飛翔して捕集されたナノファイバーを直撃することを抑制することができる。すなわち、本発明は、捕集済みのナノファイバーに損傷を与えることを抑制する手段を備えたことを特徴とするナノファイバー製造装置及びナノファイバー製造方法を提供することを目的とするものである。この課題は、平板状の捕集面によってシート状ナノファイバーの製造装置及び製造方法を製造する際には、完成品の均質性に大きく影響するものである故に、さらに重要である。

　本発明のナノファイバー製造装置は、筐体と、該筐体内に設けられたナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置であって、
　前記ナノファイバー生成装置は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルとを有し、
　前記ナノファイバー捕集装置は、前記筐体の一面に形成されたナノファイバー捕集面と該ナノファイバー捕集面の裏面側から前記筐体内のガスを吸引する吸引装置とを有し、
　前記ナノファイバー生成装置により生成されるナノファイバー吐出流の下流側には、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流を抑制する少なくとも一つの流路抑制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製造装置は、前記流路抑制手段により、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流の生成を抑制して、生成されたナノファイバーを前記筐体内に浮遊させて、前記ナノファイバー捕集面を介して、前記筐体内のガスを前記吸引装置により吸引して、当該ナノファイバー捕集面上にナノファイバーを捕集するように構成したことを特徴とする。

　さらに、本発明のナノファイバー製造装置は、前記流路抑制手段が、前記ナノファイバー生成装置で吐出される直線的なナノファイバー吐出流の生成を抑制し、ナノファイバーに生成し損ねて生じた液滴等の塊粒が前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面に直線的に飛翔して直撃するのを抑制するために、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間に少なくとも一つ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製造装置は、前記流路抑制手段の大きさが、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面の各頂点とを結んだ想定線で形成される直線的飛翔領域の外周より大きく構成したことを特徴とする。

　さらに、本発明のナノファイバー製造装置は、前記流路抑制手段を設置する位置が、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間の距離をｄとしたとき、前記流路抑制手段をナノファイバー捕集面からｄ／２以上離した位置に設置したことを特徴とする。

　本発明のナノファイバー製造方法は、筐体と、該筐体内に設けられたナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置を用いたナノファイバー製造方法であって、
　前記ナノファイバー生成装置は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルと、を有しており、
　前記ナノファイバー捕集装置は、前記筐体の一面に形成されたナノファイバー捕集面と該ナノファイバー捕集面の裏面側から前記筐体内のガスを吸引する吸引装置と、を有しており、
　前記ナノファイバー生成装置により生成されるナノファイバー吐出流の下流側であって前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面の間に、少なくとも一つの流路抑制手段を備え、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流を抑制することによって、自由に浮遊するナノファイバーを捕集することを特徴とする。

　本発明のナノファイバー製造方法は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルから成るナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置を用いたナノファイバー製造方法において、
　前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間に少なくとも一つの流路抑制手段を備えて、前記ナノファイバー生成装置で吐出されるナノファイバー吐出流の直線的な飛翔を抑制し、ナノファイバーに生成し損ねて生じる液滴等の塊粒が前記捕集装置のナノファイバー捕集面に飛翔して直撃するのを抑制するようにしたことを特徴とする。

　本発明においては、ナノファイバー生成装置により生成されたナノファイバーを筐体内を自由に浮遊させて捕集装置により捕集することによって、均質性の高いナノファイバー集合体を捕集することができるものである。つまり、本発明においては、ナノファイバー生成装置により生成されて高温高速ガス流に乗ってナノファイバー捕集装置に向かって直線的に飛翔するナノファイバー吐出流を抑制して、生成ナノファイバーを分散して筐体内に飛散させ、自由に浮遊させることができる。

　本発明は、具体的には、ナノファイバー生成装置とナノファイバー捕集装置の間に後段で説明する大きさの流路抑制手段を設ければ、ナノファイバー生成装置で生成され高温高速ガス流に乗ってナノファイバー捕集装置に向かって直線的に飛翔するナノファイバーの流れを抑制できる。且つ、ナノファイバー生成装置で生じた液滴等の塊粒も流路抑制手段で抑止することができるので、液滴等はナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面を直撃せず、均質なナノファイバーを製造することができる。本発明は、特に、ナノファイバーシートを製造する際に効果を発揮する。

溶融又は溶解したポリマー溶液でナノファイバーを製造する本発明のナノファイバー製造装置の一実施例を示す図 本発明のナノファイバー製造装置により捕集したナノファイバーシートの均質な外観形状を説明するための図 本発明の主要な構成要件である流路抑制手段の設置位置、及び形状・大きさを説明するための図 本発明の主要な構成要件である流路抑制手段の別形態の実施例を例示する図 本発明のナノファイバー製造装置のナノファイバー生成装置の機能を詳しく説明するための図 溶解したポリマー溶解液でナノファイバーを製造する従来技術の装置の基本的な構成を示す図 従来技術におけるナノファイバー製造装置で製造されるナノファイバーシートの外観形状を示す図 従来のナノファイバー製造装置によりナノファイバーを製造する際に、ナノファイバーになり損ねたポリマー溶液の液滴等がナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面に飛翔することを説明する図（従来技術） ナノファイバーになり損ねたポリマー溶液の液滴等の塊粒がナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面に飛翔することを抑制する流路抑制手段を設ける位置を説明する図（本願発明）

　本発明のナノファイバー製造装置１００は、図１，図５に示すように、原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解したポリマー溶解液の溶液吐出ノズル１１と高圧の高温高速ガスの熱風吐出ノズル１２を備えたナノファイバー生成装置１０と、当該ナノファイバー生成装置１０で生成したナノファイバーを自由に浮遊させる筐体６０と、該筐体６０内に浮遊しているナノファイバーを吸引捕集するナノファイバー捕集装置５０を備えている。本発明のナノファイバー製造装置１００においては、ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１との間に、ナノファイバー生成装置１０で生成されたナノファイバー吐出流の直線的な流れを抑制する少なくとも１つの流路抑制手段９０を設けている。これにより、ナノファイバー吐出流の直線的な飛翔を抑制し、ナノファイバーになり損ねた液滴や小さなポリマー塊粒４５の飛翔をも抑制して、液滴や小さなポリマー塊から成る塊粒４５がナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１を直撃しないようにしているので、ナノファイバー繊維がナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１上に捕集され、均質な繊維径分布のナノファイバーシート５２が生成される。

　以下、添付図面を用いて、本発明の発明思想及び実施例を説明するが、本発明はその具体的実施例の構造にのみに限定されるものではなく、当業者が容易に成し得る程度の設計変更は当然に可能なものであり、本発明の技術的思想の範囲内のものである。

　以下、本発明の説明においては、原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液を熱噴射流に吐出して製造するもの（乾式紡糸方法）を実施例として説明するが、原材料ポリマーを熱で溶融した溶融液を熱噴射流に吐出して製造するもの（溶融紡糸方法）にも適用できるものである。また、以下の本発明の説明においては、ナノファイバーシートを製造する場合に限定して説明するが、捕集面の形状を立体的に構成すれば立体的なナノファイバー捕集体も生成できる。

　図５は、ナノファイバー生成装置１０の構成を説明するための図であり、これは従来から知られているものである。ナノファイバー生成装置１０は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズル１１と高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズル１２とを備えている。この図には示していないが、原材料ポリマーを揮発性溶媒で溶解した溶解液を溶液吐出ノズル１１に供給する装置、及び高温高速ガスを熱風吐出ノズル１２に供給する装置がそれぞれに接続されていることを前提としている。溶液吐出ノズル１１から吐出されるポリマー溶液２０は、熱風吐出ノズル１２から吐出される高温高速ガス流３０の下流側で交差し、高温高速ガス流３０の風速で延伸され、その過程で溶媒が揮発し、ポリマー繊維のナノファイバー流４０が生成される。

　ナノファイバー生成装置１０により生成されたナノファイバー流４０は、熱風吐出ノズル１２で生成された高温高速ガス流３０の流れの飛翔中心軸３１上近傍では所望の繊維径で比較的繊維長が長いナノファイバーの分布密度が高く、飛翔中心軸３１からずれるにしたがって流体の力学作用により、ナノファイバーの繊維径が小さく繊維長も短くて軽いナノファイバーが多くなってゆく。繊維長の長いナノファイバーの分布密度は飛翔中心軸３１からずれるにしたがって下がる傾向を示す。その様子を図５の網掛けの濃淡を変えて表している。ナノファイバーは、繊維長の相違だけでなく、相違した繊維径のファイバーも生成される。

　図６は、従来公知の溶解したポリマー溶解液でナノファイバーを製造するナノファイバー製造装置の基本的な構成を示す。ここで、図面中の符号は、本発明と同じ機能の構成部品については同じ符号を付している。図５で示したナノファイバー生成装置１０で吐出されたポリマー溶液２０と高圧の高温高速ガス流３０は、製造装置全体の外周部を包囲する筒状ハウジング６２内にナノファイバー流４０となって、ナノファイバー捕集面５１に向けて直線的に飛翔する。生成されたナノファイバー流４０は、熱風吐出ノズル１２から吐出された高圧の高温高速ガス流３０の流れと、ナノファイバー捕集装置５０の下流に設けられた吸引装置７０の吸引流８０に乗ってナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に向かって飛翔する。既に説明したように、高温高速ガス流３０の飛翔中心軸３１上のナノファイバーの分布密度は高く、ナノファイバー繊維長が長いものほど風力の影響を受けてナノファイバー捕集装置５０に向かって直進的に飛翔する。ナノファイバー流４０の繊維径は数１０ナノメーターから数マイクロメーターと細くて軽いので、高温高速ガス流３０の飛翔中心軸３１上から離れるにしたがって、流体の力学作用によりナノファイバー流４０はガスの流れに攪乱されながら塵埃のように筒状ハウジング６２内に飛散する。ナノファイバー流４０は、筒状ハウジング６２の外に吸引装置７０を配置してナノファイバー捕集装置５０の後方（ナノファイバー捕集面５１の下流側）から筒状ハウジング６２内のガスを吸引力を制御して吸引し、筒状ハウジング６２内の吸引気流に乗せて浮遊ナノファイバー４０を効率よく捕集するようにしている。吸引装置７０の枠内のＭはファンモーターを表し、吸引装置７０の外に示す矢印８０は筒状ハウジング６２内の気体が吸引されて外に放出されている気流（吸引流）を表している。

　図７は、従来のナノファイバー捕集装置５０で捕集されたナノファイバーシート５５を示す模式図である。（Ａ）はナノファイバーシート５５を正面から見た図であり、（Ｂ）はナノファイバーシート５５を（ａ）（ｂ）を結ぶ一点鎖線で切って横から見た断面を示す図である。図７（Ａ）に示すように、捕集されたナノファイバーシート５５はその厚みにおいても均質ではない。また、ナノファイバーシート５５の中心近辺５６は繊維長が長く質量が重いナノファイバーが多く、外側になるにつれ外側部分５７、５８のようにナノファイバー繊維径が小さく繊維長も短くなったナノファイバー繊維が多くなり、７図（Ｂ）に示すようにナノファイバーシート５５の厚さも中心付近が厚く、外側になるにつれ薄くなり、ナノファイバーシート５５の全体を均質に生成できないとする課題がある。このような状況を、網掛けの濃淡により表した。すなわち、図７（Ａ）において、色が濃いほど厚みが厚く、色が薄いほど厚みが薄いことを示す。

　また、従来のナノファイバー捕集装置５０においては、ナノファイバー生成装置１０の溶液吐出ノズル１１から吐出されるポリマー溶液の微弱な粘度の変動や、筒状ハウジング６２内の気流の乱れで熱風吐出ノズル１２から吐出される高圧の高温高速ガス流の揺らぎが生じる。このこと等が要因で、僅かではあるが、溶液吐出ノズル１１から吐出されたポリマー溶液が所望の繊維径のナノファイバーとしては生成されずに、液滴状態のまま熱風吐出ノズル１２から吐出されて、高温高速ガス流３０に乗って吹き飛ばされることが起きる。その場合、特に、液滴等の塊粒４５はナノファイバーに比べ質量があるため、ナノファイバー流４０のように、筒状ハウジング６２内を浮遊・分散することなく、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に向けて塊粒４５が弾丸のごとく直線的に飛翔することになり、捕集済みのナノファイバーシートに損傷を与えることが生じる。図８は、その様子を示す図である。液滴等の塊粒４５はどの方向に飛翔するかは分からないが、気流に乗ってほぼ直線的に飛翔すると仮定すると、ガス流の中心部でナノファイバーとして生成されずに出来た液滴等の塊粒４５は、高温高速ガス流の飛翔中心軸３１に沿ってナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の真ん中の周縁に飛ぶことになる。しかし、液滴等の塊粒４５は必ずしもナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の中心で生ずるとは限らず、どの方向に飛ぶかは分からない。ただ、液滴等の塊粒４５は直線的に飛翔すると仮定すると、多くはナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の４端（頂点）を結んだ飛翔軌跡外周線３２，３３で囲まれた範囲（直線的飛翔領域１１０）内に飛んでナノファイバー捕集面５１に当たると推定できる。したがって、ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の外縁を結んだ飛翔軌跡外周線３２，３３に囲まれた直線的飛翔領域１１０内に飛ぶ液滴等の塊粒４５が、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に当たらないようにすれば、捕集済みのナノファイバーシートに損傷を与えないで済む。ここで、ナノファイバー捕集面５１の外縁とは、ナノファイバー捕集面５１を形成する捕集面の形状の外周縁部をいう。

ナノファイバー生成装置１０で生じた液滴等の塊粒４５が、捕集済みのナノファイバーシートに損傷を与えないで済む領域について、図３を用いてもう少し詳しく説明する。図３はナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１（図においては、ナノファイバー捕集面５１の外縁は、４辺と４つの頂点から成る四角形である）との関係を立体的に表した鳥瞰図で、ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の端（頂点）を結んだ想定線としての飛翔軌跡外周線３２，３２及び３３，３３で囲まれる領域が、想定される直線的な飛翔領域（つまり、直線的飛翔領域１１０）となる。ここでは、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１が四角形の場合の実施例を示しているので、想定される直線的飛翔領域１１０は四角錐形状であり、その断面は、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の四角形と相似形となる。つまり、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の形状が、例えば、円形、楕円形、多角形であれば、底面がそれらの形状の錐の形状となるものである。

　本発明のナノファイバー製造装置１００は、ナノファイバー生成装置１０からナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１を見て、ナノファイバー捕集面５１が見えなくなる大きさの流路を抑制する手段（流路抑制手段９０）を少なくとも１箇所に設けるものである。つまり、流路抑制手段９０の寸法は、飛翔中心軸３１を含み飛翔軌跡外周線３２、３３により囲まれる直線的飛翔領域１１０をカバーして、塊粒の直線的な流路を抑制するものである。これにより、飛翔軌跡外周線３２及び３３により囲まれた範囲内（直線的飛翔領域１１０）において、ナノファイバー生成装置１０で生成されるナノファイバー流４０の直線的に飛翔する流れを抑制し、且つ、ナノファイバー生成装置１０で発生した液滴等がナノファイバー捕集装置５０に直接飛翔することを抑止するようにしたことを特徴とする。

　図８は、従来のナノファイバー製造装置の縦断面図である。図９は、本発明のナノファイバー製造装置１００の縦断面図であり、ナノファイバー生成装置１０から直線的に飛翔する直線的飛翔領域１１０の飛翔軌跡外周線３２から３３までをカバーする面に配置された少なくとも１つの流路抑制手段９０との関係を示している。図９では、流路抑制手段９０を、ナノファイバー生成装置１０からの異なった配置距離で３つの流路抑制手段９１，９２，９３として同時に表示している。

　図１には、本発明の具体的な実施例であるナノファイバーシートを製造するナノファイバー製造装置１００を示す。ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０との間に少なくとも一つの流路抑制手段９０を設けている。それにより、ナノファイバー生成装置１０で生成され高温高速ガス流３０に乗って飛翔するナノファイバー流４０のナノファイバー捕集装置５０に向かう直線的な流れを抑制する。且つ、ナノファイバー生成装置１０でナノファイバーになり損ねた液滴等の塊粒４５も流路抑制手段９０で受け止め、液滴等の塊粒４５がナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に直接飛翔する吐出流を抑制するように構成している。

　筐体６０内のナノファイバー捕集装置５０の多角形状のナノファイバー捕集面５１の頂点とナノファイバー生成装置１０のナノファイバー生成位置とを結ぶ仮想線（図１及び図９の一点鎖線）の途中に流路抑制手段９０を配置している。例えば、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１が四角形であれば、その４つの頂点とナノファイバー生成装置１０のナノファイバー生成位置（本実施例では、ポリマー溶液２０と高圧の高温高速ガス流３０とが交わる位置）を結ぶ線が直線的飛翔領域１１０の飛翔軌跡外周線３２及び３３である。このような流路抑制手段９０を設けることによって、ナノファイバー生成装置１０で生成され高温高速ガス流３０に乗って飛翔するナノファイバー流４０は、流路抑制手段９０で抑制されて直進できなくなり、流路抑制手段９０の周りに押し流される。そして、飛散するナノファイバー流４０は、流路抑制手段９０の外側を回り込み、区域４２を流れて、筐体６０内をナノファイバー捕集装置５０の方向に拡散する。このようにすることで、ナノファイバー生成装置１０で生成されたナノファイバー流４０が流路抑制手段９０で抑制されて、さらに拡散されて、直進エネルギーを削がれたガス流に乗ってナノファイバー流は更に区域４３及び区域４４に拡散されて筐体６０内で浮遊した状態となる。そして、ナノファイバー捕集装置５０の吸引装置７０でゆっくりと吸引されて、ナノファイバー捕集面５１上に捕集される。筐体６０内に浮遊したナノファイバーを閉じ込めるために、筐体６０の前面はカーテン６１により、実質的に密閉空間を形成することが好ましい。この際には、熱風吐出ノズル１２からのガス吐出流量とナノファイバー捕集装置５０からのガス吸引量のバランスを考慮して、筐体６０内の気圧が真空状態を呈さないように注意をする必要がある。

　図２は、図１に示した本発明のナノファイバー製造装置１００で製造したナノファイバーシート５２であり、（Ａ）は、ナノファイバーシート５２の正面から見た外観図、（Ｂ）は、（ａ）（ｂ）を結ぶ一点鎖線で切って見た断面図である。これは、本発明の主要な構成要件である流路抑制手段９０を１箇所以上に設けることで、ナノファイバー捕集面５１全面に亘ってナノファイバー繊維が均質で、シート厚さも一定のナノファイバーシート５２を製造できる。

　本発明の流路抑制手段９０が備えるべき構成は、流路抑制手段９０をナノファイバー生成装置１０側から見て、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１が見えないような大きさにするのが好ましい。つまり、ナノファイバー捕集装置５０の多角形のナノファイバー捕集面５１の頂点とナノファイバー生成装置１０のナノファイバー生成位置（ポリマー溶解液の溶液吐出ノズル１１と高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズル１２の交差点）とを結ぶ飛翔軌跡外周線３２，３３（図３の一点鎖線）で囲まれる範囲よりも流路抑制手段９０の大きさを大きくすることが好ましい。このようにすると、ナノファイバー生成装置１０でナノファイバーになり損ねて直線的に飛翔しようとする液滴等の塊粒４５は流路抑制手段９０で阻止できる。それにより、流路抑制手段９０とナノファイバー捕集装置５０の間を一点鎖線（想定飛翔軌跡外周線３２，３３）で示す軌跡内を飛ぶことが抑制され、液滴がナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に直撃することが抑制できる。液滴等の塊粒４５が流路抑制手段９０により抑制されると、液滴等の塊粒４５が持つ直進する運動エネルギーは激減し、吸引装置７０で吸引されてもナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に捕集されたナノファイバーシート５２に損傷を与えることはない。流路抑制手段９０の寸法が飛翔軌跡外周線３２、３３の外延の寸法よりも小さくとも、ナノファイバーの直線的な飛翔を抑制する効果は十分にある。

　流路抑制手段９０をナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０の間のどこに配置するかという点と、流路抑制手段９０の大きさは重要である。流路抑制手段９０をどの位置に配置するかと、流路抑制手段９０の大きさについて、図３を用いて詳しく説明する。

　まず、流路抑制手段９０を配置する位置について説明する。流路抑制手段９０をナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１の近くに配置する場合は、広い面積の流路抑制手段９０が必要になる。それに加え、早めの液滴等の捕捉ができないことと、浮遊してナノファイバー捕集装置５０により正常に捕集されるべきナノファイバーがナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１への流路の大部分を阻害することになってしまい、ナノファイバーの捕集に支障がでる。

　一方、ナノファイバー生成装置１０のナノファイバー生成位置近くに流路抑制手段９０を配置すれば、流路抑制手段９０は小さくて済むが、ポリマー溶解液に含まれる溶媒が揮発しきっていない状態、つまりナノファイバーに延伸生成するプロセス中で、まだ十分にナノファイバーになりきっていない繊維同士が溶着してポリマー繊維の塊粒４５となってしまう等の現象を招き、所望の繊維径のナノファイバーに生成できないという支障が生じる。したがって、流路抑制手段９０は、ナノファイバー生成装置１０から吐出されるポリマー溶液がナノファイバーに生成されるに十分な距離を確保する必要があり、また、ナノファイバー流４０が筐体６０内を十分に浮遊してナノファイバー捕集装置５０で捕集する空間を確保する必要がある。

　ナノファイバー生成装置１０から流路抑制手段９０までの距離をどのくらいにすればよいかは、ナノファイバー生成装置１０の性能に依存するので一概に数値的な目安を示せないが、試行錯誤により、吐出されるポリマー溶液がナノファイバーに延伸生成するに十分な距離を確保して配置しなければならないことは言うまでもない。

　図１には一つの流路抑制手段９０をナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０の間に配置した時の、筐体６０内のナノファイバー流４０の分布密度の様子も網掛けの濃さで表し、模式的に図で示している。図１において、網掛けの色が濃いほど分布密度が濃く、色が薄いほど分布密度が薄いことを示す。

　図１に示すように、ナノファイバー生成装置１０で生成されたナノファイバーの流路は流路抑制手段９０で遮られるので、流路抑制手段９０のすぐ後ろの区域４１のナノファイバー分布密度は図示のように薄くなる。一方、流路抑制手段９０で直線的な飛翔を抑制されたナノファイバーの直線的な流れは遮られて流路抑制手段９０の前で四方八方に広がる。ナノファイバー繊維は非常に軽く、ナノファイバーの流れが乱されるが、既に説明した高温高速ガス流３０の流れの飛翔中心軸３１上の密度の濃いナノファイバーと、高温高速ガス流３０の流れの飛翔中心軸３１上から離れたところの密度の薄いナノファイバーがかき乱され混然一体となって流路抑制手段９０の外側に流れ、区域４２のナノファイバーの分布密度は図示のように濃くなる。しかし、この区域４２の分布密度のナノファイバーは、筐体６０内のガス流に乗って拡散されて浮遊し、区域４３、区域４４のナノファイバーの分布密度は、徐々に薄くなり、最終的にはナノファイバー生成装置１０で生成されたナノファイバー全てが混然一体となった状態で筐体６０内を浮遊して、吸引装置７０で筐体６０内のガスを吸引することにより、ナノファイバー捕集装置５０で捕集される。したがって、捕集されたナノファイバーシート５２は図２に示すように、シート全面に亘って均質なシートを製造できることになる。

　均質で品質が優れたナノファイバーシートを製造するためには、ナノファイバー捕集装置５０ではナノファイバー捕集面５１全体に亘って繊維径が均一に分布したナノファイバーを捕集することが求められ、ナノファイバー生成装置１０で生成したナノファイバーが筐体６０内で浮遊するに十分な空間を必要とする。試行錯誤的な検討により、生成されたナノファイバーの直線的な飛翔を抑制するには、図３に示すように、流路抑制手段９０からナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１までの距離ｌは、流路抑制手段９０からナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１までの空間が十分に確保できるように、筐体６０の全空間距離ｄ（ナノファイバー生成装置１０からナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１までの距離）の２分の１以上を確保する位置に配置することが望ましい。より好ましくは、距離ｌは、ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０の間の距離ｄの２／３～１／２以上の距離を確保することが望ましい。

　次に、流路抑制手段９０の大きさと形状について、図３及び図４を用いて説明する。ナノファイバー生成装置１０とナノファイバー捕集装置５０の多角形のナノファイバー捕集面５１の各頂点（捕集面が円形の場合は円周上の任意の点）を結ぶ一点鎖線で示す飛翔軌跡外周線３２、３２、及び３３，３３に囲まれた空間が、液滴等の塊粒４５が直進的に飛翔する想定空間（想定直線的飛翔領域１１０）である。したがって、この想定空間を飛ぶ液滴等の塊粒４５の飛翔を抑制すればよい。流路抑制手段９０の大きさは、流路抑制手段９０を配置する位置でナノファイバー捕集面５１と平行な面で、液滴等が直進的に飛翔する想定空間（想定直線的飛翔領域１１０）を塞ぐ面積以上の大きさがあればよい。つまり、ナノファイバー捕集面５１を底面とし、ナノファイバー生成装置１０を頂点とした四角錐の底面と平行な垂直断面積以上の大きさに構成すればよい。もちろん、前述したように、流路抑制手段の寸法は、上記した垂直断面積よりも小さくとも、その効果は十分にある。

　図３は、想定直線的飛翔領域１１０を塞ぐ流路抑制手段９０として、ナノファイバー捕集面５１からの設置距離として、遠くに配置した流路抑制手段９１、中程に配置した流路抑制手段９２、近くに配置した流路抑制手段９３を同時に表示している。本発明においては、これらの流路抑制手段９１，９２，９３は、少なくとも１箇所に設置するものであるが、必要に応じて同時に複数設置することもできる。

　図４は、流路抑制手段９０（９１，９２，９３）の大きさと形状例を示す図であり、（Ａ）は、ナノファイバー捕集面５１から遠く、ナノファイバー生成装置１０から近い距離に配置したもので、液滴等が直進的に飛翔する想定空間（直線的飛翔領域外周１１１）と流路抑制手段９１とが同じ大きさで同じ形状の場合を示している。（Ｂ）は、ナノファイバー生成装置１０から中程の距離に配置したもので、流路抑制手段９２が、液滴等が直進的に飛翔する想定空間（直線的飛翔領域外周１１２）と同じ形状（四角形）であり、サイズは大きくしている。（Ｃ）は、ナノファイバー生成装置１０から遠い距離（ナノファイバー捕集面５１に近い距離）に配置したもので、流路抑制手段９３が、液滴等が直進的に飛翔する想定空間（直線的飛翔領域外周１１３）とは異なる形状（円形）であり、サイズは大きくしている。つまり、（Ｂ）及び（Ｃ）の流路抑制手段は別実施例を示しており、（Ｂ）は、ナノファイバー捕集面５１と流路抑制手段９２で塞ぐ面１１２（直線的飛翔領域外周）とが相似な形状であり、（Ｃ）は、この面１１３（直線的飛翔領域外周）をカバーする流路抑制手段９３を円状の形状としている。つまり、流路抑制手段９０は、必ずしも流路抑制手段９０で塞ぐべき想定面１１３（直線的飛翔領域外周）と相似な形状である必要はない。流路抑制手段９２が、図４（Ｂ）の形状・大きさの場合、流路抑制手段９２の四隅が角張っていて、ナノファイバーの流れが四隅近辺で急変するが、図４（Ｃ）の形状の場合は四隅がないのでナノファイバーの流れの変化が柔らかくなる。

　流路抑制手段９０（９１，９２，９３）は直線的飛翔領域１１０（ナノファイバーの直線的飛翔が想定される飛翔領域）をカバーすればよく、流路抑制手段９０（９１，９２，９３）の形状は自由である。本発明の本質は、ナノファイバー生成装置１で生成吐出されたナノファイバーが、高温高速ガス流３０によりナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に直接的に飛翔することのないよう抑制することにあり、以上の説明ではその手段として板状の流路抑制手段９０を設けた実施例を説明しているが、板状部材に限定されるものではなく、直線的なナノファイバーの流れを抑制する手段であれば良い。

　図示はしないが、本発明の流路抑制手段９０は、高温高速ガス流の飛翔中心軸３１上に設置されるもののみに限らず、筐体６０の天井面、底面、上下側面から飛翔中心軸３１側に伸び、飛翔中心軸３１部分が開口部を形成した流路抑制手段を併用することも可能である。その際は、飛翔中心軸３１上に設置された流路抑制手段９０（９１，９２，９３）と、筐体６０の天井面、底面、上下側面から飛翔中心軸３１側に伸びた流路抑制手段は交互に設置するのが望ましい。さらにその際には、筐体６０の天井面、底面、上下側面から飛翔中心軸３１側に伸びた流路抑制手段の飛翔中心軸３１部分の開口部の大きさは、飛翔中心軸３１上に設置された流路抑制手段９０（９１，９２，９３）の大きさよりも小さく生成して、ナノファイバーの直線状の流路の形成をしないほうが良い。

　以上のように、本発明は、特に、溶媒で溶解したポリマー溶解液からナノファイバーを製造する装置及び製造方法に関し、ポリマー溶解液がナノファイバーになり損ねた液滴や小さなポリマーの塊粒４５が、ナノファイバー捕集装置５０のナノファイバー捕集面５１に直撃飛翔して、捕集済みナノファイバー積層面に損傷を与えることがなく、均質なナノファイバーシートを製造するに好適なナノファイバー製造装置及び製造方法を提供するものである。

１００　ナノファイバー製造装置
１０　ナノファイバー生成装置
１１　溶液吐出ノズル
１２　熱風吐出ノズル
２０　ポリマー溶液
３０　高温高速ガス流
３１　高温高速ガス流の飛翔中心軸
３２、３３　飛翔軌跡外周線（高温高速ガス流によってポリマー液滴の直線状飛翔が想定される直線的飛翔領域１１０の外周の軌跡線）
４０　ナノファイバー流（ナノファイバーの飛翔状態）
４１，４２，４３，４４　飛散ナノファイバーの分布密度を示す区域
４５　塊粒
５０　ナノファイバー捕集装置
５１　ナノファイバー捕集面
５２　ナノファイバーシート（本願発明）
５５　ナノファイバーシート（従来技術）
６０　筐体
６１　カーテン
６２　筒状ハウジング（従来技術）
７０　吸引装置
８０　吸引流
Ｍ　ファンモーター
９０　流路抑制手段
９１，９２，９３　ナノファイバー捕集面と並行に別の位置に配置した流路抑制手段
１１０　直線的飛翔領域
１１１，１１２，１１３　直線的飛翔領域外周

Claims (7)

1. 　筐体と、該筐体内に設けられたナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置であって、
   　前記ナノファイバー生成装置は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルと、を有し、
   　前記ナノファイバー捕集装置は、前記筐体の一面に形成されたナノファイバー捕集面と該ナノファイバー捕集面の裏面側から前記筐体内のガスを吸引する吸引装置とを有し、
   　前記ナノファイバー生成装置により生成されるナノファイバー吐出流の下流側には、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流を抑制する少なくとも一つの流路抑制手段を備えたことを特徴とするナノファイバー製造装置。
2. 　前記流路抑制手段により、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流の生成を抑制して、生成されたナノファイバーを前記筐体内に浮遊させて、前記ナノファイバー捕集面を介して、前記筐体内のガスを前記吸引装置により吸引して、当該ナノファイバー捕集面上にナノファイバーを捕集するように構成したことを特徴とする請求項１記載のナノファイバー製造装置。
3. 　前記流路抑制手段は、前記ナノファイバー生成装置で吐出される直線的なナノファイバー吐出流の生成を抑制し、ナノファイバーに生成し損ねて生じた塊粒が前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面に直線的に飛翔して直撃するのを抑制するために、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間に少なくとも一つ備えたことを特徴とする請求項１記載のナノファイバー製造装置。
4. 　前記流路抑制手段の大きさは、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面の各頂点とを結んだ想定線で形成される直線的飛翔領域の外周より大きく構成したことを特徴とする請求項１記載のナノファイバー製造装置。
5. 　前記流路抑制手段を設置する位置は、前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間の距離をｄとしたとき、前記流路抑制手段をナノファイバー捕集面からｄ／２以上離した位置に設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のナノファイバー製造装置。
6. 　筐体と、該筐体内に設けられたナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置を用いたナノファイバー製造方法であって、
   　前記ナノファイバー生成装置は、原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルと、を有しており、
   　前記ナノファイバー捕集装置は、前記筐体の一面に形成されたナノファイバー捕集面と該ナノファイバー捕集面の裏面側から前記筐体内のガスを吸引する吸引装置と、を有しており、
   　前記ナノファイバー生成装置により生成されるナノファイバー吐出流の下流側であって前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面の間に、少なくとも一つの流路抑制手段を備え、前記ナノファイバー生成装置から前記ナノファイバー捕集面に直線的に向かうナノファイバー吐出流を抑制することによって、自由に浮遊するナノファイバーを捕集することを特徴とするナノファイバー製造装置。
7. 　原料ポリマー溶液を吐出する溶液吐出ノズルと高圧の高温高速ガスを吐出する熱風吐出ノズルから成るナノファイバー生成装置と、当該ナノファイバー生成装置で吐出生成されたナノファイバーを捕集するナノファイバー捕集装置と、を備えたナノファイバー製造装置を用いたナノファイバー製造方法において、
   　前記ナノファイバー生成装置と前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面との間に少なくとも一つの流路抑制手段を備えて、前記ナノファイバー生成装置で吐出されるナノファイバー吐出流の直線的な飛翔を抑制し、ナノファイバーに生成し損ねて生じる塊粒が前記ナノファイバー捕集装置のナノファイバー捕集面に飛翔して直撃するのを抑制することを特徴とするナノファイバー製造方法。

Images