JP5178927B1 - ナノ・ファイバ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材とコレクタのくっつきを解消し、ナノ・ファイバの量産に適した装置を提供する。
【解決手段】紡糸口２ａとコレクタ７間に高電圧を印加し、紡糸口２ａから、荷電されたファイバ原料と溶剤の溶液を紡糸ジェット３としてコレクタに向かって噴射、吸引することによりコレクタ上にナノ・ファイバを集積させるエレクトロスピニング法を用いたナノ・ファイバ製造装置において、コレクタを導電性の無端ベルト４からなるコンベア式コレクタ７とし、このコレクタ７の紡糸口２ａ側表面に中途部が密着する長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材８をコレクタ７の走行速度と同期して供給および巻き取る基材駆動装置１１を設けたナノ・ファイバ製造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エレクトロスピニング方式のナノ・ファイバ製造装置に関し、さらに詳しくは、ナノ・ファイバを高品質、高効率で量産化するに適した装置に関する。

再生医療工学、創傷材料、ドラッグデリバリ等のヘルスケアの分野、生体分子の精製や汚染水質の浄化を目的としたアフィニティ膜、センサ等のバイオテクノロジー・環境工学の分野、ポリマーバッテリ、色素増感太陽電池、高分子膜燃料電池等のエネルギ分野、あるいは、複合材料の強化材、対バイオテロ攻撃、ガス攻撃を想定した防護服等の防護・セキュリティの分野等の広い分野において、ミクロン（μｍ）未満のナノオーダの径（例えば数ｎｍ〜数百ｎｍ）を有する繊維（ナノ・ファイバ）が注目されている。

このようなナノ・ファイバを製造する技術の一つに、エレクトロスピニング法がある。
このエレクトロスピニング法の概要を図３に示す。図３に示すように、エレクトロスピニング装置の基本構成としては、紡糸口４０ａを有し、繊維の素材となるポリマーと揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズル４０と、平板状のコレクタ４１と、ノズル４０とコレクタ４１との間に高電圧を印加する高圧電源４２とを備える。高電圧が印加されていない状態では、ポリマー溶液は、ノズル４０の先端の紡糸口４０ａの先端部において、表面張力で留まっている。紡糸口４０ａとコレクタ４１との間に、数ｋＶ〜１００ｋＶの電圧を印加すると、紡糸口４０ａ先端のポリマー溶液の液滴は＋（または−）に帯電し、異極に帯電（アース）しているコレクタ４１に向かう電気力線に沿って作用する静電力（クーロン力）により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、ポリマー溶液の紡糸ジェット４３がコレクタ４１に向かって連続的に噴射される。このとき、ポリマー溶液中の溶媒は揮発し、コレクタ４１に到達する際には、ほぼポリマーの繊維のみとなり、ナノレベルの細さのナノ・ファイバとなる。なお、ナノ・ファイバの原料としては、有機物のポリマーのみならず、金属酸化物、セラミック等の無機物をゾル−ゲル法によって、ナノ・ファイバ形状に紡糸することも可能である。

紡糸口４０ａから噴射される紡糸ジェット４３は、紡糸口４０ａからコレクタ４１に到達する間に、紡糸口４０ａとコレクタ４１との間の電気力線の分布の影響により、螺旋軌道を描くことが知られている（例えば、非特許文献１，２参照）。その結果、コレクタ上に集積されたナノ・ファイバは不織布状となる。

この図３の例では、コレクタ４１は平板状で固定式であるが、その他の例では、回転ドラム式のコレクタ（特許文献１参照）、ベルトコンベア式のコレクタ（特許文献２、特許文献３参照）等の移動式があり、特にベルトコンベア式のコレクタは、ベルトを長尺化できるため量産に向いている。

特許文献２には、荷電フィラメント（紡糸ジェット）は、ベルトコンベア式のコレクタ表面に直接集積されることもできるが、コレクタの上部に、供給ローラ、巻取ローラのような走行ユニットによって移動される集積対象物を設け、この集積対象物の表面に荷電フィラメントがコーティングされるようにすることもできることが開示されている。

また、特許文献３の図４の（Ａ）には、コレクタが一対の回転ローラおよび回転ベルトによって駆動され、ノズルブロックに設置された紡糸ノズルによって紡糸された繊維が基材に集束される構成が開示されている。

特開２００５−２６４３８６号公報（図１） 特許第４１２９２６１号公報（図１） 特開２００８−２７４５２２号公報（図４）

エー．エル．ヤリン(A. L. Yarin)ら，"ベンディング・インスタビリティ・イン・エレクトスピニング・オブ・ナノファイバ(Bending instability in electrospinning of nanofibers)"，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Applied Physics)，８９巻，第５号，２００１年３月１日，ｐ．３０１８−３０２６ エー．エル．ヤリン(A. L. Yarin)ら，"テイラー・コーン・アンド・ジェッティング・フロム・リキッド・ドロップレッツ・イン・エレクトロスピニング・オブ・ナノファイバ(Taylor cone and jetting from liquid droplets in electrospinning of nanofibers)"，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Applied Physics)，９０巻，第９号，２００１年９月１日，ｐ．４８３６−４８４６

前掲の特許文献２では、ベルトコンベア式のコレクタの上部でローラのような走行ユニットによって移動される集積対象物の表面に繊維をコーティングすることが開示されているが、集積対象物とコレクタ間の間隔は実質的に１〜１００ｍｍの範囲であるとされており、コレクタ上に集積対象物が密着する構成となっていない。

また、前掲の特許文献３では、ノズルブロックの上部にベルト式のコレクタが配置され、そのコレクタの下面に密着して基材が走行駆動されるため、基材の重量により基材を水平に走行することが非常に困難で、さらにコレクタのベルトも、重量で弛まないように張力および密着性を調節するために補助基材を設ける必要があるなど、難点がある。

基材を水平に保つために基材に無理な張力を掛けると、基材が伸びたり破れたりし、基材の上に集積されているナノ・ファイバも伸びて皺が入ったり破れたりして、製品の品質を保持できない。

特に、エレクトロスピニング法によるナノ・ファイバの紡糸では、繊維化したナノ・ファイバは電荷を帯びており、そのファイバとコレクタは、ＧＮＤ電位かマイナス電圧（プラス電位の場合もある。）印加に関わらず基材を挟んでくっつき、基材を巻き取りモータで引っ張っても、基材が動かない状況となる。基材が幅広になると接着面積が増え、さらにくっつき力が増える。

そこで、本発明は、基材とコレクタのくっつきを解消し、ナノ・ファイバの量産に適した装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、紡糸口とコレクタ間に高電圧を印加し、前記紡糸口から、荷電されたファイバ原料と溶剤の溶液を前記コレクタに向かって噴射、吸引することにより前記コレクタ上にナノ・ファイバを集積させるエレクトロスピニング法を用いたナノ・ファイバ製造装置において、
前記コレクタを導電性の無端ベルトからなるコンベア式コレクタとし、この無端ベルトの前記紡糸口側表面に中途部が密着する長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材を前記コレクタの走行速度と同期して供給および巻き取る基材駆動装置を設けたことを特徴とする。

この第１の構成においては、コンベア式コレクタを用い、また長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材をこのコンベア式コレクタの無端ベルトの表面に中途部が密着するように設けたことにより、ナノ・ファイバがしわなく集積され、かつコンベア式コレクタの巻き取りロール側で基材と無端ベルトとが無理なく分離し、巻き取られる。

本発明の第２の構成は、前記コンベア式コレクタの無端ベルトは、ステンレススチール製であることを特徴とする。ナノ・ファイバの原料の溶剤としては、ゴム等の樹脂材を溶解させるものがあるので、耐溶剤性、清掃容易性の材質としてステンレススチールとすることが好ましい。また、無端ベルトの平面性を出すために無端ベルトに大きな張力をかける必要があるが、ステンレススチール製であれば、大きな張力に耐えるものを作ることができる。

本発明の第３の構成は、前記紡糸口は正電位または負電位に、前記コンベア式コレクタは負電位または正電位（同順）に印加されることを特徴とする。紡糸口とコレクタ間には高電圧を印加するが、コレクタはＧＮＤ電位とするほか、紡糸口の電位とは逆の極性の電位とすることにより、基材表面に幾層にも集積するナノ・ファイバの層間で同電位となって層間のファイバ同士が反発し合うことを防ぎ、層状の集積がむら無くできるようにする。

本発明の第４の構成は、前記紡糸口は、前記コンベア式コレクタの走行方向に複数、設置されていることを特徴とする。紡糸口を複数設けることにより、基材上に集積される繊維の量を多くし、生産効率を上げることができる。

本発明によれば、コレクタを導電性の無端ベルトからなるコンベア式コレクタとし、この無端ベルトの紡糸口側表面に中途部が密着する長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材をコレクタの走行速度と同期して供給および巻き取る基材駆動装置を設けたことにより、基材とコレクタのくっつきを解消し、ナノ・ファイバの量産に適した装置が提供できる。

本発明の実施の形態に係るナノ・ファイバ製造装置の概要を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係るナノ・ファイバ製造装置の概要を示す平面図である。 平板状コレクタを用いたエレクトロスピニング法の概要を紡糸ジェットと共に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。
本発明の実施の形態に係るナノ・ファイバ製造装置は、図１および図２に示すように、繊維の素材となる原料と揮発性の溶媒との溶液を入れた溶液供給源１と、溶液供給源１から圧送された溶液を紡糸ジェット３として空気中に吐出する紡糸口２ａを有するノズル２と、ステンレススチール製の無端ベルト４および無端ベルト４を駆動するアイドルプーリ５とドライブプーリ６とからなるコンベア式コレクタ７と、コンベア式コレクタ７の上部側表面に中途部が密着する長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材（以下、単に「基材」と称することがある。）８をコンベア式コレクタ７の走行速度と同期して供給する供給ドラム９および基材８を巻き取る巻取ドラム１０とからなる基材駆動装置１１と、ノズル２とコンベア式コレクタ７の無端ベルト４との間に高電圧を印加する高圧電源１２とを有している。高圧電源１２の一方の電極端子（本例では負極端子）とステンレススチール製の無端ベルト４とは、ブラシ１３で接触させ、無端ベルト４に電位（ＧＮＤ電位の場合もある。）を印加している。

コンベア式コレクタ７を構成するアイドルプーリ５およびドライブプーリ６のそれぞれの軸受２０，２１の一方の軸受２１は取付フレーム２２の一端に固定され、他方の軸受２０は、張力調整機構２３を介して取付フレーム２２の他端に取り付けられている。張力調整機構２３はねじやばねによって構成され、軸受２０の位置を調整することにより、ステンレススチール製の無端ベルト４の張力を調整することができる。取付フレーム２２は、ＭＣナイロン（商標）等の絶縁材からなる架台２４により床面から絶縁状態で設置されている。架台２４は、床面からの高さによっては、沿面距離を稼ぐためにヒダが設けられることがある。

ドライブプーリ６の近傍には、プーリ駆動用モータ２５が設置されており、ドライブプーリ６の回転軸とプーリ駆動用モータ２５の出力軸との間は、ＭＣナイロン（商標）製のギヤ２６，２７で動力伝達され、プーリ駆動用モータ２５とドライブプーリ６との間が絶縁されるようにしている。

基材駆動装置１１を構成する巻取ドラム１０の近傍には、ドラム駆動用モータ２８が設置されており、巻取ドラム１０の回転軸とドラム駆動用モータ２８の出力軸との間は、ＭＣナイロン（商標）製のギヤ２９，３０で動力伝達され、ドラム駆動用モータ２８と巻取ドラム１０との間が絶縁されるようにしている。また、供給ドラム９の軸受３１と巻取ドラム１０の軸受３２は、それぞれＭＣナイロン（商標）等の絶縁材からなる基台３３，３４により床面から絶縁状態で設置されている。

無端ベルト４は、ＧＮＤ電位（０電位）とすることもあるが、積層するナノ・ファイバの厚みによっては、基材８上に吸着される紡糸ジェット３が正の電荷を帯びていて反発し合うので、負電位とすることにより、正の電荷を０または負にして、積層厚が厚くできるようにする。

無端ベルト４の材質は、耐溶剤性、清掃容易性の材質としてステンレススチールとしている。また、無端ベルト４の平面性を出すために無端ベルト４に大きな張力をかける必要があるが、ステンレススチール製であれば、大きな張力に耐える

無端ベルト４の幅は、基材８の幅よりも広くして基材８の全幅を無端ベルト４で支持できるようにしている。基材８の材質は、ナイロン等の合成樹脂シート、紙、不織布等を用いることができ、その上に、ナノ・ファイバの繊維を集積する。
なお、本例では、ノズル２はコンベア式コレクタ７の走行方向に沿って複数個設置して生産効率を上げるようにしている。

次に、このナノ・ファイバ製造装置の動作について説明する。
ノズル２とコンベア式コレクタ７との間に高電圧が印加されていない状態では、原料溶液は、ノズル２の先端の紡糸口２ａの先端部において、表面張力で留まっている。紡糸口２ａとコンベア式コレクタ７との間に、例えば数ｋＶ〜８０ｋＶの高電圧を印加すると、紡糸口２ａ先端のポリマー溶液の液滴は＋に帯電し、異極（またはアース電位）に帯電しているコンベア式コレクタ７の無端ベルト４に向かう静電力により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、原料溶液の紡糸ジェット３が無端ベルト４に向かって連続的に噴射される。無端ベルト４上には基材８が設けられている（図１においては基材８と無端ベルト４との間にギャップがあるように描いているが、実際は密着している。）ので、紡糸ジェット３は基材８上に集積し、所定の厚みまで積層される。コンベア式コレクタ７の無端ベルト４は、所定速度で連続的に走行するか、紡糸中は静止しておいて、所定厚さに集積された時点で所定長さ移動する間欠運転で駆動され、その際、基材駆動装置１１も無端ベルト４の移動と同期するように基材８を駆動する。

基材８は供給ドラム９と巻取ドラム１０との間で巻き解き、巻き取りされる状態で移動し、途中で無端ベルト４のドライブプーリ６の表面と離れるが、無端ベルト４と基材８間に作用する吸着力の方向とは直交する方向であるので、無理なく分離され、基材８に無理な力は掛からない。したがって、基材８上に集積されたナノ・ファイバの繊維層に皺が入ったり伸びたり破れたりすることがない。

本発明は、量産性を高めたナノ・ファイバ製造装置として、ヘルスケアの分野、バイオテクノロジー・環境工学の分野、エネルギ分野、あるいは、防護・セキュリティの分野等の広い分野において利用することができる。

１ 溶液供給源
２ ノズル
２ａ 紡糸口
３ 紡糸ジェット
４ 無端ベルト
５ アイドルプーリ
６ ドライブプーリ
７ コンベア式コレクタ
８ 帯状ナノ・ファイバ集積基材（基材）
９ 供給ドラム
１０ 巻取ドラム
１１ 基材駆動装置
１２ 高圧電源
１３ ブラシ
２０，２１ 軸受
２２ 取付フレーム
２３ 張力調整機構
２４ 架台
２５ プーリ駆動用モータ
２６，２７ ギヤ
２８ ドラム駆動用モータ
２９，３０ ギヤ
３１，３２ 軸受
３３，３４ 基台

Claims (2)

1. 紡糸口とコレクタ間に、前記紡糸口とコレクタの一方が正電位、他方が負電位である高電圧を印加し、前記紡糸口から、荷電されたファイバ原料と溶剤の溶液を前記コレクタに向かって噴射、吸引することにより前記コレクタ上にナノ・ファイバを集積させるエレクトロスピニング法を用いたナノ・ファイバ製造装置であって、
   前記コレクタを導電性のステンレススチール製の無端ベルトからなるコンベア式コレクタとし、この無端ベルトの前記紡糸口側表面に中途部が密着する長尺の帯状ナノ・ファイバ集積基材を前記コレクタの走行速度と同期して供給および巻き取る基材駆動装置を設け、前記コンベア式コレクタの無端ベルトを支持するアイドルプーリとドライブプーリ間に前記無端ベルトの張力を調整する張力調整機構を設け、かつ前記アイドルプーリとドライブプーリを固定する取付フレームを、絶縁材からなる架台により床面から絶縁状態で設置するとともに、前記ドライブプーリを駆動するプーリ駆動用モータの出力軸と前記ドライブプーリの回転軸との間が、絶縁された状態で動力伝達される構成としたことを特徴とするナノ・ファイバ製造装置。
2. 前記紡糸口は、前記コンベア式コレクタの走行方向に複数、設置されている請求項１記載のナノ・ファイバ製造装置。

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