JP4939478B2 - ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、エレクトロスピニング法（静電爆発）を用いてナノファイバを製造するナノファイバ製造造方法に関し、特に、製造されるナノファイバの材質に基づき製造方法が変更されるナノファイバ製造方法に関する。

高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質（ナノファイバ）を製造する方法として、エレクトロスピニング（電荷誘導紡糸）法が知られている。

このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより流出（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的には、帯電され流出された原料液は、空間を飛行中の原料液から溶媒が蒸発するに伴い原料液の体積は減少していく。一方、原料液に付与された電荷は原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液は、電荷密度が上昇することとなる。そして、原料液中の溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（静電爆発）が生じる。この静電爆発が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される。

以上のようにして空間中で製造されるナノファイバは、正または負の電荷が残存しているため、電界を用いて堆積部材に誘引されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０１５５９号公報

ところが、空間中で製造されたナノファイバを気体流で所定の場所に搬送する場合、ナノファイバを電界で誘引することが困難な場合が発生することを見いだした。さらに、鋭意研究と実験の結果、ナノファイバを構成する高分子の種類により、帯電を維持できる性能に差異があることを見いだした。

本願発明は、上記知見に基づき創作されたものであり、ナノファイバの性質に対応した方法でナノファイバを堆積させ収集するナノファイバ製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明にかかるナノファイバ製造方法は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、搬送中のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程とを含むことを特徴とする。

これによれば、ナノファイバの材質に適した方法で堆積部材にナノファイバを誘引することができ、ナノファイバを均等に堆積させる効率を高めることが可能となる。

前記帯電状態調整工程は、帯電しやすい材質からなるナノファイバの場合は、帯電しているナノファイバと同極性のイオンや帯電粒子を空間中に放出することにより、ナノファイバの帯電量が増加するように調整し、帯電し難い材質からなるナノファイバの場合は、帯電しているナノファイバと逆極性のイオンや帯電粒子を空間中に放出することにより、ナノファイバの帯電量が減少するように調整することが好ましい。

これによれば、帯電を維持しやすい材質からなるナノファイバであれば、帯電量を増加させることで、電界によりナノファイバをより誘引しやすくすることができる。一方、帯電を維持しにくい材質からなるナノファイバであれば、帯電量を減少させることで、ナノファイバ同士の反発を抑えて気体流によりナノファイバをより誘引しやすくすることができる。

さらに、気体流で搬送されるナノファイバの空間密度が高まるように圧縮する圧縮行程を含み、前記帯電状態調整工程は、圧縮された状態のナノファイバの帯電状態を調整してもよい。

これによれば、ナノファイバが空間中に高密度状態で存在することになりナノファイバの帯電状態が調整しやすくなる。

さらに、気体流で搬送されるナノファイバの帯電状態を検出する帯電状態検出工程を含み、帯電状態調整工程では、検出された帯電状態が閾値未満であればナノファイバの帯電量が減少するように調整し、検出された帯電状態が前記閾値以上であればナノファイバの帯電量が増加するように調整してもよい。

これによれば、性質が未知の材質からなるナノファイバを製造する場合にも、適切な方法でナノファイバを製造することが可能となる。

本願発明によれば、気体流による搬送中に帯電量が著しく減少する材質からなるナノファイバを製造する場合は、帯電を中和して気体流によりナノファイバを誘引して効率よくナノファイバを堆積して収集することができる。一方、帯電量をある程度維持できる材質からなるナノファイバを製造する場合は、帯電をより増強して電界によるナノファイバの誘引を強力なものとすることができる。

次に、本願発明にかかるナノファイバ製造装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本願発明を実施可能とするナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、ナノファイバを製造し製造されたナノファイバを放出する放出装置２００と、放出装置２００から放出されたナノファイバを収集する収集装置１１０とを備えている。

放出装置２００は、原料液流出手段２０１と、原料液帯電手段２０２と、案内手段２０６と、気体流発生手段２０３とを備えている。

ここで、ナノファイバを製造するための原料液については原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が静電爆発しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。

原料液流出手段２０１は、原料液３００を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に流出する装置が原料液流出手段２０１として採用されている。原料液流出手段２０１は、図２や図３に示すように、流出容器２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。

流出容器２１１は、原料液３００を内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を流出させることのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔２１６を多数備えている。流出容器２１１は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されており、原料液帯電手段２０２の構成要素としても機能している。流出容器２１１は支持体（図示せず）に設けられるベアリング（図示せず）により回転可能に支持されており、高速で回転してもぶれないものとなされている。

具体的には、流出容器２１１の直径は、１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからであり、また、流出容器２１１の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出容器２１１を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を流出させるための回転を高めなければならず、モータの負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出容器２１１の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。また、流出孔２１６の形状は円形が好ましく、その直径は、０．０１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。

なお、流出容器２１１の形状は、円筒形状に限定するものではなく、側面が多角形状の多角柱形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔２１６が回転することにより、流出孔２１６から原料液３００が遠心力で、流出するようにできればよい。また、流出口２１６の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。

回転軸体２１２は、流出容器２１１を回転させ遠心力により原料液３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出容器２１１の他端から流出容器２１１の内部に挿通され、流出容器２１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ２１３の回転軸と接合されている。回転軸体２１２は、流出容器２１１と後述のモータ２１３とが導通しないように絶縁体の部分である絶縁体部（図示せず）を備えている。

モータ２１３は、遠心力により原料液３００を流出孔２１６から流出させるために、回転軸体２１２を介して流出容器２１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出容器２１１の回転数は、流出孔２１６の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ２１３と流出容器２１１とが直動の時はモータ２１３の回転数は、流出容器２１１の回転数と一致する。

原料液帯電手段２０２は、原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、原料液帯電手段２０２は、誘導電荷を発生させ当該電荷を原料液３００に付与する装置であり、誘導電極２２１と、誘導電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、流出容器２１１も原料液帯電手段２０２の一部として機能している。

誘導電極２２１は、自身がアースに対し高い電圧となることで、近傍に配置され接地されている流出容器２１１に電荷を誘導するための部材であり、流出容器２１１の先端部分を取り囲むように配置される円環状の部材である。また、誘導電極２２１は、気体流発生手段２０３からの気体流を案内手段２０６に案内する風洞体２０９としても機能している。

誘導電極２２１の大きさは、流出容器２１１の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、２０ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、誘導電極２２１の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。

誘導電源２２２は、誘導電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。なお、誘導電源２２２は、直流電源であり、誘導電極２２１に印加する電圧（接地電位を基準とする）や、その極性を設定することができる装置である。

誘導電源２２２が誘導電極２２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。特に、流出容器２１１と誘導電極２２１との間の電界強度が重要であり、１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧や誘導電極２２１の配置を行うことが好ましい。なお、誘導電極２２１の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。

接地手段２２３は、流出容器２１１と電気的に接続され、流出容器２１１を接地電位に維持することができる部材である。接地手段２２３の一端は、流出容器２１１が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。

本実施の形態のように原料液帯電手段２０２に誘導方式を採用すれば、流出容器２１１を接地電位に維持したまま原料液３００に電荷を付与することができる。流出容器２１１が接地電位の状態であれば、流出容器２１１に接続される回転軸体２１２やモータ２１３などの部材は、流出容器２１１との間で高電圧に対する対策をする必要が無くなり、原料液流出手段２０１として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。

なお、原料液帯電手段２０２として、流出容器２１１に直接電源を接続し、流出容器２１１を高電圧に維持し、誘導電極２２１を接地することで原料液３００に電荷を付与してもよい。また、流出容器２１１を絶縁体で形成すると共に、流出容器２１１に貯留される原料液３００に直接接触する電極を流出容器２１１内部に配置し、当該電極を用いて原料液３００に電荷を付与するものでもよい。

気体流発生手段２０３は、流出容器２１１から流出される原料液３００の飛行方向を案内手段２０６で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段２０３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から流出容器２１１の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段２０３は、流出容器２１１から径方向に流出される原料液３００が誘導電極２２１に到達するまでに前記原料液３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段２０３として、放出装置２００の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。

気体流発生手段２０３は、発生した気体流を発散させることなく流出容器２１１の近傍に案内する導管である風洞体２０９を備えている。風洞体２０９により案内された気体流が流出容器２１１から流出された原料液３００と交差し、原料液３００の飛行方向を変更する。

さらにまた、気体流発生手段２０３は、気体流制御手段２０４と、加熱手段２０５とを備えている。

気体流制御手段２０４は、気体流発生手段２０３により発生する気体流が流出孔２１６に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段２０４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風洞体が採用されている。気体流制御手段２０４により、気体流が直接流出孔２１６に当たらないため、流出孔２１６から流出される原料液３００が早期に蒸発して流出孔２１６を塞ぐことを可及的に防止し、原料液３００を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段２０４は、流出孔２１６の風上に配置され気体流が流出孔２１６近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。

加熱手段２０５は、気体流発生手段２０３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段２０５は、風洞体２０９の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段２０５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段２０５により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。

なお、気体流発生手段２０３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより流出された原料液３００の方向を変更するものでもかまわない。また、後述の第二気体流発生手段２３２や収集装置１１０などにより案内手段２０６内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、ナノファイバ製造装置１００は、積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、風洞体２０９の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段２０３が存在しているものとする。

案内手段２０６は、製造されたナノファイバ３０１を収集装置１１０の近傍に案内する風洞を形成する導管である。案内手段２０６の端部は、風洞体２０９の端部に接続され、原料液流出手段２０１から流出し製造されるナノファイバ３０１と気体流との全てを案内することのできる管状の部材である。本実施の形態の場合、後述の圧縮手段２３０もナノファイバ３０１を案内するという意味においては案内手段２０６に含まれる。

圧縮手段２３０は、気体流により搬送されるナノファイバ３０１が存在する空間（案内手段２０６の内方部分）を圧縮し、ナノファイバ３０１が空間中に存在する密度を上昇させる機能を備える装置であり、第二気体流発生手段２３２と、圧縮導管２３４とを備えている。

圧縮導管２３４は、案内手段２０６内方を搬送されるナノファイバ３０１が存在する空間を徐々に狭くしていく筒状の部材であり、第二気体流発生手段２３２で発生する気体流を圧縮導管２３４内方に導入することが可能な気体流導入口２３３を周壁に備えている。圧縮導管２３４の案内手段２０６と接続される部分は、案内手段２０６の導出側端部の面積に対応する面積で構成されており、圧縮導管２３４の導出側端部は、前記導出側端部の面積より小さくなっている。従って、圧縮導管２３４は、全体として漏斗形状となっており、圧縮導管２３４に導入されたナノファイバ３０１を気体流と共に圧縮できる形状となっている。

また、圧縮手段２３０の上流側（導入側）の端部形状は、案内手段２０６の端部形状と合致する円環状である。一方、圧縮手段２３０の下流側（吐出側）の端部形状も円環状である。

第二気体流発生手段２３２は、高圧ガスを圧縮導管２３４内部に導入することで気体流を発生させる装置である。本実施の形態では、第二気体流発生手段２３２は、高圧ガスを貯留しうるタンク（ボンベ）と、タンク内の高圧ガスの圧力を調節するバルブ２３５を有するガス導出手段を備える装置が採用されている。なお、圧縮導管２３４の周壁には気体流導入口２３３が複数箇所設けられており、それぞれの気体流導入口２３３に第二気体流発生手段２３２が接続されているが、図１、図５においては、一部だけを示し、他の記載を省略している。

また、圧縮導管２３４の内方には帯電状態調整手段２０７が取り付けられている。

帯電状態調整手段２０７は、帯電しているナノファイバ３０１の帯電を増強する機能を備え、一方、帯電しているナノファイバ３０１の帯電を除電する機能も合わせて備える装置である。帯電状態調整手段２０７としては、帯電しているナノファイバ３０１の極性と同極性を備えるイオンや粒子を空間中に放出することでナノファイバ３０１の帯電を増強させ、一方、逆極性を備えるイオンや粒子を空間中に放出することでナノファイバ３０１の帯電を弱化することができる装置を挙示することができる。具体的には、コロナ放電方式や電圧印加方式、交流方式、定常直流方式、パルス直流方式、自己放電式、軟Ｘ線方式、紫外線式、放射線方式など任意の方式からなる帯電状態調整手段２０７が例示できる。

また、案内手段２０６の内方には帯電状態検出手段１１４が設けられ、帯電状態検出手段１１４からの信号に基づき帯電状態調整手段２０７を制御する帯電制御手段１１５が備えられている。

帯電状態検出手段１１４は、空間中を気体流により搬送されるナノファイバの帯電状態を電位として測定する装置であり、帯電制御手段１１５に測定結果を送信する装置である。帯電状態検出手段１１４は、いわゆる静電気の状態（電位）を極性も含めて非接触で測定することのできる装置であり、電位を測定することによってナノファイバ３０１の表面電位に極力影響が及ばないものとなっている。

帯電制御手段１１５は、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が閾値未満であればナノファイバ３０１の帯電量が減少するように帯電状態調整手段２０７を制御し、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が前記閾値以上であればナノファイバ３０１の帯電量が増加するように帯電状態調整手段２０７を制御する処理装置である。帯電制御手段１１５は、コンピュータとプログラムなどにより実現されるものである。

ナノファイバ製造装置１００は、電界でナノファイバ３０１を誘引する第一の収集装置１１０と、気体流でナノファイバ３０１を誘引する第二の収集装置１１０とを備えている。

第一の収集装置１１０は、図１および図４に示すように、堆積部材１０１と、供給手段１１１と、回収手段１０４と、誘引手段としての誘引電極１１２と、誘引手段としての誘引電源１１３と、基体１１７とを備えている。

堆積部材１０１は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ３０１が堆積される対象となる部材である。堆積部材１０１は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的には、堆積部材１０１として、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、堆積部材１０１の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を堆積部材１０１から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。

供給手段１１１は、巻付部材に巻き付けられた状態の堆積部材１０１を順次供給することのできる装置であり、所定のテンションで堆積部材１０１を供給できるようテンショナーが設けられている。

回収手段１０４は、長尺の堆積部材１０１を巻き取りながら供給手段１１１から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に堆積部材１０１を回収する装置である。回収手段１０４は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を堆積部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。

誘引電極１１２は、誘引電源１１３によりアースに対し所定の電位に維持される導体の部材である。誘引電極１１２に電位が印加されると、空間中に電界が発生する。誘引電極１１２は、矩形の板状の部材であり、放電防止のため突起部分がなく、また、角は全て丸められている。

誘引電源１１３は、誘引電極１１２をアースに対し所定の電位に維持することができる直流電源である。また、誘引電源１１３は、誘引電極１１２に印加する電位の正負（接地電位を含む）を変更することが可能である。

基体１１７は、堆積部材１０１と供給手段１１１と回収手段１０４と誘引電極１１２と誘引電源１１３とが一体となるように取り付けられる部材である。本実施の形態の場合、基体１１７は、堆積部材１０１と供給手段１１１と回収手段１０４と誘引電極１１２と誘引電源１１３とを内方に収容しうる箱状の部材となっている。

また、基体１１７の内方には拡散手段２４０が取り付けられており、基体１１７の下部には車輪１１８が設けられている。

拡散手段２４０は、圧縮手段２３０により一端圧縮されて高密度状態となったナノファイバ３０１を広く拡散させ分散させる導管であり、圧縮手段２３０で加速したナノファイバ３０１の速度を減速させるフード状の部材である。拡散手段２４０は、気体流が導入される上流端側の開口部と、気体流を放出する下流端側の矩形の開口部とを備え、下流端側の開口部の開口面積は、上流端側の開口部の開口面積よりも大きい設定となっている。拡散手段２４０は、上流端側の開口部から下流端側の開口部に向けて徐々に面積が大きくなるような形状が採用されている。下流端側の開口部は、堆積部材１０１の幅とほぼ同等の幅を備え、誘引電極１１２よりも長さが長い形状となっている。

拡散手段２４０の小面積の導入端側から大面積の導出端側に向かって気体流が流れると、高密度状態のナノファイバ３０１が一気に低密度状態となって分散すると共に、気体流の流速は拡散手段２４０の断面積に比例して落ちていく。従って、気体流に乗って搬送されるナノファイバ３０１も、気体流と共に速度が減速される。この際、ナノファイバ３０１は、拡散手段２４０の断面積の拡大に従い徐々に均等に拡散していく。従って、ナノファイバ３０１を堆積部材１０１上に均等に堆積させることが可能となる。また、気体流によってナノファイバ３０１が搬送されない状態、つまり、気体流とナノファイバ３０１とが分離された状態となるため、帯電しているナノファイバ３０１は、気体流に影響されることなく逆極性の状態にある誘引電極１１２に誘引される。

なお、拡散手段２４０は、収集装置１１０に備えられるのではなく、放出装置２００側に設けられていても良い。

車輪１１８は、第一の収集装置１１０を移動可能とするために設けられる車輪であり、基体１１７の下部に回転可能に取り付けられている。本実施の形態の場合車輪１１８はレールの上で回転するものとなされている。

第二の収集装置１１０は、図５および図６に示すように、堆積部材１０１と、供給手段１１１と、回収手段１０４と、誘引手段としての吸引手段１０２と、基体１１７とを備えている。

堆積部材１０１は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ３０１が堆積される対象となる部材である。堆積部材１０１は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的には、堆積部材１０１として、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、堆積部材１０１の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を堆積部材１０１から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。

また、堆積部材１０１は、気体流発生手段２０３が発生させた気体流の通気性を確保するための通気孔（図示せず）を多数備えており、ナノファイバ３０１は堆積するが気体流は通過するメッシュ状のフィルタである。

供給手段１１１は、巻付部材に巻き付けられた状態の堆積部材１０１を順次供給することのできる装置であり、所定のテンションで堆積部材１０１を供給できるようテンショナーが設けられている。

回収手段１０４は、長尺の堆積部材１０１を巻き取りながら供給手段１１１から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に堆積部材１０１を回収する装置である。回収手段１０４は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を堆積部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。

吸引手段１０２は、堆積部材１０１通過する気体流を原料液３００から蒸発した溶媒と共に、強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２として、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機が採用されている。また、吸引手段１０２は、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１０２に接続される溶剤回収装置１０６まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。

領域規制手段１０３は、堆積部材１０１側に拡散手段２４０の導出側開口端と同じ形状、同じ面積の開口部を備え、吸引手段１０２に接続される側の開口部は、吸引手段１０２に対応する円形となっている。これにより、拡散手段２４０で拡散されたナノファイバ３０１全体を堆積部材１０１の上に誘引すると共に、全ての気体流を吸引するものとなっている。

基体１１７は、堆積部材１０１と供給手段１１１と回収手段１０４と吸引手段１０２とが一体となるように取り付けられる部材である。本実施の形態の場合、基体１１７は、堆積部材１０１と供給手段１１１と回収手段１０４とを内方に収容しうる箱状の部材となっている。

また、基体１１７の内方には拡散手段２４０が取り付けられており、基体１１７の下部には車輪１１８が設けられている。

拡散手段２４０は、圧縮手段２３０により一端圧縮されて高密度状態となったナノファイバ３０１を広く拡散させ分散させる導管であり、圧縮手段２３０で加速したナノファイバ３０１の速度を減速させるフード状の部材である。拡散手段２４０は、気体流が導入される上流端側の開口部と、気体流を放出する下流端側の矩形の開口部とを備え、下流端側の開口部の開口面積は、上流端側の開口部の開口面積よりも大きい設定となっている。拡散手段２４０は、上流端側の開口部から下流端側の開口部に向けて徐々に面積が大きくなるような形状が採用されている。下流端側の開口部は、堆積部材１０１の幅とほぼ同等の幅を備える。

拡散手段２４０の小面積の導入端側から大面積の導出端側に向かって気体流が流れると、高密度状態のナノファイバ３０１が一気に低密度状態となって分散すると共に、気体流の流速は拡散手段２４０の断面積に比例して落ちていく。従って、気体流に乗って搬送されるナノファイバ３０１も、気体流と共に速度が減速される。この際、ナノファイバ３０１は、拡散手段２４０の断面積の拡大に従い徐々に均等に拡散していく。従って、ナノファイバ３０１を堆積部材１０１上に均等に堆積させることが可能となる。また、堆積部材１０１の面上には、吸引手段１０２により収集されたナノファイバが堆積する。

車輪１１８は、第一の収集装置１１０を移動可能とするために設けられる車輪であり、基体１１７の下部に回転可能に取り付けられている。本実施の形態の場合車輪１１８はレールの上で回転するものとなされている。

次に、上記構成のナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバ３０１の製造方法を説明する。

所定の材質からなるナノファイバ３０１を製造する。ここで、搬送中に帯電を維持できるナノファイバ３０１であれば、ナノファイバ製造装置１００に第一の収集装置１１０を取り付けておき、搬送中に帯電を維持し難いナノファイバ３０１であれば、ナノファイバ製造装置１００に第二の収集装置１１０を取り付けておく。

気体流発生手段２０３と第二気体流発生手段２３２とにより、案内手段２０６や風洞体２０９の内部に気体流を発生させる。

次に、原料液流出手段２０１の流出容器２１１に原料液３００を供給する。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図２参照）を通過して流出容器２１１の他端部から流出容器２１１内部に供給される。

なお、ナノファイバ３０１を構成する高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、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−フェニレンイソフタレート、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、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、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、ポリペプチド等およびこれらの共重合体を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。

また、帯電を維持しにくい高分子物質としては、高分子型帯電防止材を添加する場合を例示することができる。高分子型帯電防止材としてはエンティラ（登録商標、三井・デュポンポリケミカル株式会社製）を例示できる。また、帯電を維持しにくい高分子物質としては、無機高分子（ケイ素などを骨格とする）、天然高分子（二酸化ケイ素（水晶、石英）、雲母、長石、石綿）、合成高分子（シリコン樹脂（シリコンゴム、シリコンオイル）、ガラス、合成ルビー）も例示できる。

原料液３００に使用される溶媒としては、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、クロロホルム、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、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記溶媒に限定されるものではない。

さらに、原料液３００に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｃｓ_２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ａｓ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。

溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量は、約６０％から９８％の間が望ましい。

次に、誘導電源２２２により流出容器２１１に貯留される原料液３００に電荷を供給しつつ（原料液帯電工程）、流出容器２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により流出孔２１６から帯電した原料液３００を流出する（原料液流出工程）。

流出容器２１１の径方向放射状に流出された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り風洞体２０９により案内される。原料液３００は静電爆発によりナノファイバ３０１を製造しつつ（ナノファイバ製造工程）案内手段２０６へ放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。以上のようにしてナノファイバ３０１は、案内手段２０６の内方を気体流によって搬送される（搬送工程）。

次に圧縮手段２３０内方を通過するナノファイバ３０１は、高圧ガスの噴流により加速されつつ、圧縮手段２３０の内方が狭くなるにつれて徐々に圧縮され高密度状態となって拡散手段２４０に到達する（圧縮行程）。

ここで、帯電状態検出手段１１４により、気体流で搬送されるナノファイバ３０１の帯電電位を検出する（帯電状態検出工程）。

帯電制御手段１１５は、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が閾値未満であればナノファイバ３０１の帯電量が０、すなわち完全に中和するように帯電状態調整手段２０７を制御する（帯電状態調整工程）。この場合、気体流でナノファイバ３０１を誘引する第二の収集装置１１０を用いる。

一方、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が前記閾値以上であれば、ナノファイバ３０１の帯電電位が所定の電位になるように帯電状態調整手段２０７を制御する（帯電状態調整工程）。この場合、電界でナノファイバ３０１を誘引する第一の収集装置１１０を用いる。

なお、原料液３００の状態（溶媒の種類や高分子物質の種類など）により、ナノファイバ３０１の帯電状態の傾向が事前に把握できている場合は、原料液３００に基づき第一の収集装置１１０、または、第二の収集装置１１０に切り替えておけばよい（切換工程）。

拡散手段２４０にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一に分散状態となる（拡散工程）。

この状態において、第二の収集装置１１０がナノファイバ製造装置１００に取り付けられている場合には、ナノファイバ３０１は、吸引手段１０２により吸引される気体流により誘引される（誘引工程）。気体流は堆積部材１０１を通過して吸引されているため、ナノファイバ３０１は堆積部材１０１上に堆積していく（堆積工程）。

一方、第一の収集装置１１０がナノファイバ製造装置１００に取り付けられている場合に、拡散手段２４０の開口部に配置されている誘引電極１１２は、ナノファイバ３０１の帯電極性とは逆極性に帯電されており、ナノファイバ３０１を引きつける（誘引工程）。ナノファイバ３０１と誘引電極１１２との間には堆積部材１０１が存在しているため、誘引電極１１２に引きつけられるナノファイバ３０１は、堆積部材１０１上に堆積していく（堆積工程）。

以上の方法において、搬送中に帯電を維持できるナノファイバ３０１であれば、搬送中のナノファイバ３０１の電位を検出した上で帯電状態を調整できるため、ナノファイバ３０１の帯電電位を一定に維持することができる。これにより、電界によるナノファイバ３０１の誘引を安定して行うことができ、堆積部材１０１上に均等にナノファイバ３０１を堆積することが可能となる。さらに、維持する帯電電位を高い状態に維持するものとすれば、堆積部材１０１に効率的に堆積し、しかも、分厚い状態でナノファイバ３０１を堆積させることが可能となる。

一方、搬送中に帯電を維持し難いナノファイバ３０１であれば、ナノファイバ３０１を搬送中に中和することで、気体流でナノファイバ３０１を誘引する際に、ナノファイバ３０１同士の反発によるナノファイバ３０１の空間密度の乱れを抑えて、堆積部材１０１上に均等にナノファイバ３０１を誘引することが可能となる。

なお、帯電状態調整手段２０７や帯電状態検出手段１１４の配置は、これに限定するものではなく、堆積部材１０１にナノファイバが堆積する前の工程が実現されるいずれかの場所に配置をすればよい。

なお、本願実施の形態においては、第一の収集装置と第二の収集装置は、別々の基体１１７の中に内蔵されていたが、図７に示すように、電界でナノファイバ３０１を誘引する手段と、気体流でナノファイバ３０１を誘引する手段とを、一つの収集装置の中に並存させてもよい。すなわち、誘引電極１１２と誘引電源１１３並びに吸引手段１０２を同じ収集装置の中に配置し、使用する原料液や高分子物質の状況により、帯電状態検出手段１１４の検出状況に基づき、電界でナノファイバ３０１を誘引する手段と、気体流でナノファイバ３０１を誘引する手段とで切り替えるようにしてもよい（切換工程）。具体的には、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が閾値未満であれば気体流でナノファイバ３０１を誘引するように吸引手段１０２を制御し、帯電状態検出手段１１４により検出されたナノファイバ３０１の帯電電位の絶対値が前記閾値以上であれば電界でナノファイバ３０１を誘引するように誘引電源を制御すればよい。この場合、誘引電極１１２を、図８に示すように、気体流が通気可能な形状としておけば、電界による誘引と気体流による誘引との切換を容易に行うことが出来る。この方法を採用することでナノファイバ３０１の堆積をスムーズに行うことが可能な場合がある。

本願発明は、ナノファイバの製造に利用可能である。

放出装置と第一の収集装置とが取り付けられた状態を模式的に示す断面図である。 流出装置近傍を示す断面図である。 流出装置近傍を示す斜視図である。 第一の収集装置を基体の一部を省略して示す斜視図である。 放出装置と第二の収集装置とが取り付けられた状態を模式的に示す断面図である。 第二の収集装置を基体の一部を省略して示す斜視図である。 他の実施の形態に係るナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。 誘引電極を示す斜視図である。

符号の説明

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 堆積部材
１０２ 吸引手段
１０３ 領域規制手段
１０４ 回収手段
１０６ 溶剤回収装置
１１０ 収集装置
１１１ 供給手段
１１２ 誘引電極
１１３ 誘引電源
１１４ 帯電状態検出手段
１１５ 帯電制御手段
１１７ 基体
１１８ 車輪
２００ 放出装置
２０１ 原料液流出手段
２０２ 原料液帯電手段
２０３ 気体流発生手段
２０４ 気体流制御手段
２０５ 加熱手段
２０６ 案内手段
２０７ 帯電状態調整手段
２０９ 風洞体
２１１ 流出容器
２１２ 回転軸体
２１３ モータ
２１６ 流出孔
２１７ 供給路
２２１ 誘導電極
２２２ 誘導電源
２２３ 接地手段
２３０ 圧縮手段
２３２ 第二気体流発生手段
２３３ 気体流導入口
２３４ 圧縮導管
２３５ バルブ
２４０ 拡散手段
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (5)

1. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、
   前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
   気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、
   帯電しやすい材質からなるナノファイバの場合は、帯電しているナノファイバと同極性のイオンや帯電粒子を空間中に放出することにより、ナノファイバの帯電量が増加するように調整し、帯電し難い材質からなるナノファイバの場合は、帯電しているナノファイバと逆極性のイオンや帯電粒子を空間中に放出することにより、ナノファイバの帯電量が減少するように搬送中のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、
   帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、
   前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
2. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、
   前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
   気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、
   気体流で搬送されるナノファイバの空間密度が高まるように圧縮する圧縮行程と、
   圧縮された状態のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、
   帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、
   前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
3. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、
   前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
   気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、
   気体流で搬送されるナノファイバの帯電状態を検出する帯電状態検出工程と、
   検出された帯電状態が閾値未満であればナノファイバの帯電量が減少するように搬送中のナノファイバの帯電状態を調整し、検出された帯電状態が前記閾値以上であればナノファイバの帯電量が増加するように搬送中のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、
   帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、
   前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
4. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、
   前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
   気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、
   搬送中のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、
   帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、
   ナノファイバを電界で誘引する収集装置と、ナノファイバを気体流で誘引する収集装置とを前記原料液の種類に基づき切り替える切換工程と、
   前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と
   を含むナノファイバ製造方法。
5. ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる原料液流出工程と、
   前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
   気体流発生手段により発生する気体流によりナノファイバを搬送する搬送工程と、
   搬送中のナノファイバの帯電状態を調整する帯電状態調整工程と、
   帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が増加する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを電界で誘引し、帯電状態調整工程によりナノファイバの帯電量が減少する場合には、ナノファイバを堆積させる堆積部材にナノファイバを気体流で誘引する誘引工程と、
   ナノファイバを電界で誘引する収集装置と、ナノファイバを気体流で誘引する収集装置とを前記帯電状態調整工程により検出したナノファイバの帯電状況に基づき切り替える切換工程と、
   前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と
   を含むナノファイバ製造方法。

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