JP4831350B2 - 電界紡糸方法 - Google Patents

Description

この発明は、貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、その溶液を電位差に基づいて引き延ばして極細繊維を紡糸し、フィルタ等に用いられるウェブを作製するようにした電界紡糸方法に関するものである。

従来、この種の電界紡糸装置としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような構成のものが提案されている。特許文献１の従来装置では、ポリマ溶液を射出するノズルとポリマ溶液を貯留するバレルとをヒーティングバンドで加熱して、それらの内部のポリマ溶液の温度を摂氏４０度から溶媒の沸点以下の温度範囲に維持する。また、操業空間（ノズルとバレルとの間の空間）の相対湿度を所定値（例えば２５％）に調整して、この状態で紡糸を行うようになっている。

特許文献２の従来装置では、紡糸に際して、ポリマ溶液が吐出される出糸ノズルに向かって加熱された空気をエアノズルから噴射させるようになっている。
特開２００２−２４９９６６号公報 特表２００５−５２００６８号公報

ところが、これらの従来の電界紡糸装置においては、次のような問題があった。
まず、特許文献１の従来装置では、貯留ケース及びノズルの全体が加熱される。このため、ポリマ溶液に対する加熱時間が長くなり、熱に対して不安定で変質しやすいポリマ溶液を使用して、極細繊維を紡糸することが困難であった。従って、使用可能なポリマの種類に制限を受ける結果となり、多種類のポリマに対応できない。また、貯留ケース内でポリマ溶液が加熱されると、その貯留ケース内におけるポリマ溶液の粘度が低下するため、ポリマ溶液に機能材料（例えば活性炭やセラミック）等の微細粉末を混入させて紡糸する場合、微細粉末の凝集が生じやすくなって、機能材料を均一な分散状態で含有させた繊維を紡糸することが困難であった。さらに、微細粉末の凝集によって、ノズルが詰まるおそれもあった。

また、特許文献２の従来の電界紡糸方法においては、出糸されたポリマ溶液に対して熱風が噴射されるため、ノズルの射出部付近を含む紡糸空間（操業空間）においてポリマ溶液中の溶媒の揮発が促進される。このため、出糸されたポリマ溶液の粘度が高くなり、その出糸された溶液の引き延ばしを充分に行うことができなくなって、極細繊維の紡糸が困難である。ちなみに、紡糸されたウェブをエアフィルタ等のフィルタに用いる場合、そのウェブを構成する繊維は細いほうがフィルタの圧力損失を低下させずに、フィルタの目を細かくできて、濾過機能が高いフィルタとすることができる。従って、特許文献２の方法によれば、濾過機能の高いフィルタとすることが困難になる。また、特許文献２の方法によれば、ポリマ溶液の粘度が高くなることから、ノズルの射出部が詰まりやすくなるとともに、射出部付近において固化したポリマの塊等により樹脂の飛び方が不安定になって、均一な密度のウェブを作成することが困難である。

これに対し、熱風の噴射等を行わないように構成した場合は、溶剤が揮発しにくいため、コレクタ上において繊維が扁平状になり、特に繊維同士の交差部において扁平状に広がる。この傾向は、揮発しにくい高沸点溶媒を用いたポリマ溶液において顕著である。このように、繊維が扁平状になると、ウェブをフィルタとして用いた場合、空隙率が低下して、圧力損失が高くなるとともに、目詰まりしやすい。

さらには、機能材料（例えば活性炭やセラミック）等を有する基材へ繊維を紡糸する場合、未揮発溶剤の残留があると、その溶剤のために機能材料が変質（例えば活性炭の微細孔が目詰まりする）してしまい、同材料の機能が低下するおそれがある。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。この発明の目的は、コレクタ上における溶媒の揮発を促進して、前述した従来の問題点を解消できる電界紡糸方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明の電界紡糸方法においては、貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することによりコレクタ上の捕集面に対して電界紡糸を行うようにした電界紡糸方法において、前記捕集面をポリマ溶液の溶媒の沸点以上の温度に加熱することを特徴としている。従って、捕集面をポリマ溶液の溶媒の沸点以上の温度に加熱するため、捕集面における溶媒の揮発を促進することができる。よって、高沸点溶媒等の揮発しにくい溶媒を使用したポリマ溶液であっても、捕集面上で扁平状になることを防止できる。

前記の電界紡糸方法において、前記捕集面が前記コレクタの周囲に位置する紡糸基材の表面であって、その紡糸基材の表面を同紡糸基材の軟化温度まで加熱すれば、紡糸された極細繊維と紡糸基材との接着性を向上させることができる。

さらに、前記の電界紡糸方法において、前記射出部とコレクタとの間の紡糸空間を常温にすれば、射出部付近における溶媒の揮発を抑制できる。よって、射出部付近に形成されるポリマの塊等を防止でき、このため、出糸されたポリマ溶液の飛び方が不安定になったりするおそれがなく、極細繊維が均一な密度のウェブを作成することができる。

以上のように、この発明によれば、捕集面上における溶媒の揮発を促進して、揮発しにくい溶媒を使用したポリマ溶液であっても、極細繊維を加工できる電界紡糸が可能となる等の効果を発揮する。

（第１実施形態）
以下に、この発明の第１実施形態を、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、ハウジング１１内には、ステンレススチールやアルミニウム合金等の金属ローラよりなり、図示しないモータにより一方向に連続回転されるコレクタ１２が支持されている。ハウジング１１内においてコレクタ１２の側方にはガラス等の絶縁材よりなる貯留ケースとしてのシリンジポンプ１３が対向配置され、そのシリンジポンプ１３の内部にはポリマ溶液１４が収容されている。シリンジポンプ１３の先端には、ポリマ溶液１４を射出するための金属よりなる射出部としてのニードル１５が取り付けられている。そして、シリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４がニードル１５の先端開口からコレクタ１２の方向に向かって射出される。前記ニードル１５には電源１６が接続されて高電圧が印加され、ポリマ溶液１４に電荷が与えられる。前記コレクタ１２はアースされている。このため、前記ニードル１５とコレクタ１２との間には空間を介して電位差が与えられる。そして、ニードル１５の先端部１５ａから射出されたポリマ溶液１４が電位差に基づいて出糸されて、電界紡糸される。

なお、前記シリンジポンプ１３は１基あるいは複数基設置され、複数基の場合は、コレクタ１２の軸線方向に沿って図１の紙面と直交する方向に相互間隔をおいて設置される。
前記ハウジング１１の外側部には、濾紙や不織布等の紡糸基材２１を繰り出してハウジング１１内のコレクタ１２の外周に供給するための繰り出しローラ２２が配設されている。そして、コレクタ１２の外周に周回された紡糸基材２１の表面に、ニードル１５からのポリマ溶液１４が極細繊維となって捕集されて集積され、極細繊維よりなるウェブ状の繊維層１９が形成される。従って、コレクタ１２上において、前記紡糸基材２１と、その表面の繊維層１９とよりなる繊維積層体２０が作製される。従って、紡糸基材２１の表面が極細繊維を捕集して集積する捕集面となる。ハウジング１１の外側部には巻き取りローラ２５が配設され、前記繊維積層体２０がガイドローラ２６を介してこの巻き取りローラ２５に巻き取られる。

前記コレクタ１２の中心部には、加熱手段としてのヒータ１８が設けられている。そして、このヒータ１８によりコレクタ１２上における捕集面としてしての紡糸基材２１の表面がポリマ溶液１４の溶媒の沸点以上であって、紡糸基材２１の軟化温度に加熱される。例えば、紡糸基材２１の捕集面の表面温度が５０〜２５０℃の範囲となるように、ヒータ１８によりコレクタ１２が加熱される。

この場合、ハウジング１１内におけるニードル１５とコレクタ１２との間の紡糸空間は、常温に維持される。
なお、ポリマ溶液１４からフィルタ用に紡糸を行う場合、前記ポリマ溶液１４のポリマとしては、ポリビニルアルコール等に代表される水溶性ポリマのほか、ポリ乳酸，ゼラチン等のタンパク質，デンプン等の多糖類等の生分解性ポリマがある。これらのポリマの溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、水、もしくは水とアルコールとの混合溶媒が一般的である。従って、溶剤の沸点は摂氏１００度以下である。そして、例えば、紡糸基材２１がポリプロピレンの場合は、その軟化温度は、分子量等によって異なるが、例えば摂氏１５０度である。従って、捕集面は摂氏１５０度に加熱される。また、ポリマがポリアクリルニトリル、ポリウレタン、ポリスチレンの場合、溶剤はジメチルホルムアミド（沸点摂氏１５３度）、ジメチルアセトアミド（沸点摂氏１６５度）、ジメチルスルホキド（沸点摂氏１８９度）が用いられる。この場合は、紡糸基材２１として例えばポリエステル（軟化温度摂氏２００〜２３０度程度）が好ましい。

次に、前記のように構成された電界紡糸装置の動作を説明する。
さて、この電界紡糸装置の作動時には、ニードル１５とコレクタ１２との間の紡糸空間が常温に設定されるとともに、コレクタ１２が加熱された状態において、コレクタ１２の回転により、繰り出しローラ２２から紡糸基材２１が繰り出されて、コレクタ１２の外周に周回される。このとき、ニードル１５の先端部１５ａからコレクタ１２の外周の紡糸基材２１に向かってポリマ溶液１４が射出される。そして、この射出されたポリマ溶液１４が電位差に基づいて紡糸されながら飛走され、基材２１の表面に紡糸によるウェブ状の繊維層１９が形成される。この繊維層１９の形成により、繊維積層体２０が作製されて、その繊維積層体２０がガイドローラ２６を介して巻き取りローラ２５に巻き取られる。

ここで、この第１実施形態においては、以下の効果がある。
（１） 紡糸基材２１の表面，すなわち捕集面がポリマ溶液１４の溶媒の沸点以上の温度に加熱されているため、捕集された状態において溶媒が揮発されることを促進することができる。よって、高沸点溶媒等の揮発しにくい溶媒を使用したポリマ溶液の紡糸が可能になって、紡糸可能なポリマ溶液の種類を増やすことができる。また、捕集面上において溶剤を短い時間で揮発させることができるため、機能材料の変質を防止できる。

（２） 紡糸された極細繊維が紡糸基材の表面に捕集された状態において、熱によって直ちに溶媒が揮発される。このため、極細繊維１４ａ同士が必要以上に一体化したり、扁平になったりすることを防止できる。よって、繊維積層体２０をフィルタとして使用する場合、フィルタの目を細かくすることができる反面、空隙率を高くすることができて、フィルタの圧力損失が増大することを抑制することができるとともに、濾過機能を高めることができる。

（３） ポリマ溶液１４のポリマが熱硬化性樹脂やタンパク質である場合には、コレクタ１２の加熱温度を高く設定することにより、ポリマの硬化反応や変性を捕集と同時に行わせることができて、生産性を向上させることも可能である。

（４） コレクタ１２の周囲の紡糸空間が常温に維持されている。このため、ニードル１５の先端部１５ａ付近におけるポリマ溶液１４中の溶媒の揮発が抑制されて、ニードル１５の先端部１５ａを出たポリマ溶液１４が直ちに固化することが防止される。よって、ポリマ溶液１４を効果的に引き延ばすことができて、極細繊維よりなる紡糸が可能となる。また、紡糸空間における溶媒の揮発が抑制されることにより、先端部１５ａ付近で固化したポリマの塊等によりポリマ溶液１４の飛び方が不安定になったりするおそれがなく、極細繊維１４ａの加工性を維持することができて、均一な密度の極細繊維１４ａのウェブを作製することができる。

（５） シリンジポンプ１３を加熱する必要がないため、熱に対して不安定で変質しやすいポリマ溶液１４を使用して、極細繊維を紡糸することができるとともに、シリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４の粘度を高いレベルに維持できる。このため、ポリマ溶液１４に活性炭等の機能材料の微細粉末を混入させて紡糸する場合、微細粉末の凝集を防止できる。従って、機能材料を均一な分散状態で含有させた繊維を紡糸できるばかりでなく、ノズルが詰まるおそれを防止できる。

（６） 紡糸基材２１の表面温度が同紡糸基材２１の軟化温度まで昇温されているため、紡糸された極細繊維１４ａが紡糸基材２１の表面に対して容易に一体化される。従って、紡糸基材２１と極細繊維１４ａとが強固に接着された繊維積層体２０を作製することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
さて、この第２実施形態の電界紡糸装置においては、図２に示すように、ハウジング１１内におけるコレクタ１２の上流側に一対の予熱ローラ３１が配置されている。これらの予熱ローラ３１は、その内部にヒータ３２を有している。そして、これらの予熱ローラ３１はコレクタ１２に供給される紡糸基材２１を挟持し、紡糸基材２１に対して予め加熱を施す。

従って、この第２実施形態においては、紡糸基材２１が高い速度で移動されても、その紡糸基材２１を適切に加熱して、紡糸を実行することができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。

この第３実施形態においては、図３に示すように、コレクタ１２が一対のローラ２７と、その両ローラ２７間に掛け渡された薄板金属製の無端ベルト２８とにより構成されている。無端ベルト２８はアースに接続されている。そして、ニードル１５は、両ローラ２７間の部分における無端ベルト２８に対向していて、その両ローラ２７間における無端ベルト２８上の紡糸基材２１に対して紡糸が行われる。両ローラ２７間の部分における無端ベルト２８の裏面位置には捕集面を加熱するためのヒータ４３が配置されている。

従って、この第３実施形態においては、平面状態の紡糸基材２１に対して紡糸が実行されるため、繊維層１９の形成を紡糸基材２１の表面に沿って無理なく円滑に行うことができる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 極細繊維の捕集面を加熱する手段として、捕集面を輻射加熱したりする手段を用いること。

・ コレクタ１２を構成するローラとして、焼結金属等よりなる多孔質のものを用いること。このようにすれば、焼結金属の細隙からエアを吸引することにより、紡糸基材２１をコレクタ１２に密着させることが可能になる。

第１実施形態の電界紡糸装置を示す断面図。 第２実施形態の電界紡糸装置を示す断面図。 第３実施形態の電界紡糸装置を示す断面図。

符号の説明

１２…コレクタ、１３…貯留ケース、１４…ポリマ溶液、１４ａ…極細繊維、１５…ニードル、１５ａ…先端部、１６…高電圧、１８…加熱手段としてのヒータ、２１…紡糸基材、２３…繊維層、２４…繊維積層体。

Claims (2)

1. 貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することによりコレクタ上の捕集面に対して電界紡糸を行うようにした電界紡糸方法において、
   前記コレクタの周囲に位置する紡糸基材の表面を前記捕集面とし、
   前記紡糸基材の表面をポリマ溶液の溶媒の沸点以上であって、前記紡糸基材の軟化温度まで加熱することを特徴とした電界紡糸方法。
2. 前記射出部とコレクタとの間の紡糸空間を常温にすることを特徴とする請求項１に記載の電界紡糸方法。

Images