JP5135638B2 - ナノファイバーの合糸方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子物質から成るナノファイバーを製造してこれを糸条にするナノファイバーの合糸方法及び装置に関するものである。

従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法とも称される）が知られている。従来の電荷誘導紡糸法は、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給し、この針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷を帯電させることで、この電荷を帯電された線状の高分子溶液中の溶媒が蒸発するのに伴って帯電電荷間の距離が小さくなり、帯電電荷間に作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次等と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。

従来の電荷誘導紡糸法では、１本ノズルの先から１〜数本のナノファイバーしか製造されないので、生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に製造する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、バレルに貯蔵された高分子溶液をポンプにて帯電された多数のニードル状のノズルに供給して吐出させることで多量のナノファイバーを作り出し、これをノズルと異なる極性に帯電されたコレクタにて回収し積層しながら搬送することで、ナノファイバーが３次元のネットワーク構造に積層した空隙率が非常に高い高多孔性の高分子ウエブを製造する技術が開示され、従来の実験的レベルから実用性レベルに高められている。

また、従来、電荷誘導紡糸法によるナノファイバーがウエブとして製造され、人造皮革、フィルター、おむつ、生理用ナプキン、癒着紡糸剤、ワイピングクロス、人造血管、骨固定器具など多様に活用されているが、１０ＭＰａ以上の力学物性を得るのが困難で広範囲な用途への利用に限界があること、このように製造されたナノファイバーのウエブを連続した糸条にして力学物性を高めようとすると、ウエブを一定長さに切断して短繊維を製造し、この短繊維から紡績糸を製造する別途の紡績工程を経なければならない問題があることを指摘した上で、電子紡糸法にて製造されたナノファイバーのウエブを用いて連続的に糸条を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、列をなして帯電されたノズルからノズルと逆極性に帯電されたコレクタ内の水または有機溶媒の静的な表面上にナノファイバーを紡糸してウエブをなすように堆積させ、この堆積するウエブを、ノズルの列方向で見た一方の末端側より１ｃｍ以上離れた地点から一定の線速度で回転する回転ローラによって引き上げて連続した糸条とし、圧搾、延伸、乾燥および巻取りを行って連続した糸条を得ている。また、連続した糸条は撚糸することもできるとしている。
特開２００２−２０１５５９号公報 特表２００６−５０７４２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、各ノズルから真下にナノファイバーを生成してコレクタ上のノズルに対応した位置へ静的に堆積させながら、その堆積域の広がりにより各ノズルから生成されたナノファイバー同士を絡み合わせて細帯状のウエブを形成し、このウエブの一端からナノファイバー群を引出すことでウエブの他端側に連続しているナノファイバー群を順次引き出し、連続した糸条に集束させるものであり、そのため各ノズルから紡糸されたナノファイバーの堆積が静的でほぼ同等であるのに対し、引き出し作用が引き出し側に近い堆積域に集中しやすくなる関係から、引き出し側に近い堆積域と遠い堆積域とでナノファイバーの引出し量とに差が生じる恐れがあり、その場合引出し量の差が堆積量の差を来たし、堆積量に差を生じた状態で引き出されることで連続した糸条の太さや力学物性を適正に制御するのは困難で安定しないという問題がある。さらに、引出し作用が引き出し側から遠い側の堆積域にも均等に及ぶようにするのに引出し速度を抑える必要があり大量に製造するのも困難であるという問題がある。

そこで、このような問題を解決するため、図８に示すようなナノファイバー合糸装置５１が考えられた。図８において、ナノファイバー合糸装置５１は、ナノファイバー生成手段５２と、収集電極５３と、芯糸供給手段５４と、回収手段５５を備えている。ナノファイバー生成手段５２は、垂直な軸芯周りに回転自在に支持され、周面に小穴５７が多数形成されている円筒容器５６と、円筒容器５６内に高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段（図示せず）と、円筒容器５６に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段５８と、円筒容器５６を矢印ａ方向に回転駆動する回転駆動手段（図示せず）と、円筒容器５６の上部に配設された反射電極５９と、反射電極５９に円筒容器５６と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段６０とを備え、円筒容器５６の小穴５７から流出した高分子溶液を遠心力と静電爆発にて延伸させてナノファイバー６１を生成し、生成されたナノファイバー６１を反射電極５９にて円筒容器５６の下方に向けて旋回しつつ流動させるように構成されている。

収集電極５３は円板状で、円筒容器５６の下方に間隔をあけて同軸状にかつ回転自在に配設され、その中心部に収束されたナノファイバー６１が貫通する貫通孔６２を有しており、第３の高電圧発生手段６３にて円筒容器５６や反射電極５９とは逆極性の高電圧を印加するように構成され、かつ回転駆動手段（図示せず）にて収集電極５３を矢印ａ方向とは逆の矢印ｂ方向に回転駆動するように構成されている。芯糸供給手段５４は、ナノファイバー生成手段５２の上方に配設され、芯糸６４を繰り出して円筒容器５６の軸芯位置直上から下方に供給するように構成され、回収手段５５は、収集電極５３の下方に配設され、撚られて収束した糸条６５を収集電極５３の貫通孔６２を貫通させて回収するように構成されている。

以上の構成において、ナノファイバー生成手段５２の円筒容器５６内に高分子溶液を供給しつつ円筒容器５６を高速で回転駆動すると、円筒容器５６内の電荷を帯電された高分子溶液に遠心力が作用し、各小穴５７から流出するとともに遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成され、さらに一次〜三次等に至る静電爆発にて爆発的に延伸されてナノファイバー６１が効率的に製造され、生成されたナノファイバー６１は反射電極５９にて円筒容器５６の下方に向けて円筒容器５６の軸芯回りに旋回しながら流動する。さらに、旋回しながら下方に向けて流動されたナノファイバー６１は、下方に配設された収集電極５３に向けて強く吸引され、かつその収集電極５３がナノファイバー６１の旋回流動方向とは逆方向に回転していることで、旋回流動しているナノファイバー６１がより強く撚りをかけられて収束・合糸され、効率的に高強度の糸条６５が形成される。形成された糸条６５は、収集電極５３の中心部の貫通孔６２を通り、回収手段５５にて回収される（特願２００７−１４１９０７号参照。）。

しかし、図８に示したような構成では、ナノファイバー生成手段５２に対向させて大きな面積の平板状の収集電極５３を配置しているので、ナノファイバー生成手段５２と収集電極５３間に発生する電気力線が収集電極５３の全面に広がって形成され、この電気力線に沿ってナノファイバー６１が流動しようとすることで、ナノファイバー６１が芯糸６４ に巻き付く位置が一定せず、そのため生成される糸条６５の太さが一定せず、糸条６５の太さにばらつきが発生するという問題のあることが判明した。

そこで、生成されたナノファイバーを、帯電したナノファイバーに対して電位差を有するとともに、軸芯部に貫通孔を有しかつ最大外径が紡糸ヘッドとの間の距離の１／１０以下の収集電極にて吸引しつつ旋回させて集束することで撚りをかけ、撚られたナノファイバーを、収集電極の貫通孔を通して回収するようにし、紡糸ヘッドから収集電極の軸芯部の周囲に収束する電気力線を安定して形成し、それによって旋回して流動するすべてのナノファイバーをこの電気力線に沿って流動させて収集電極の軸芯部に安定して集束させ、太さにばらつきのない均質な糸条を安定して生産性よく低コストにて合糸する方法が提案されている（特願２００７−２３４７６２号参照）。

ところが、このような合糸方法においても、生成されたナノファイバーが、紡糸ヘッドとの間の距離の１／１０以下の最大外径の収集電極に向けて集束しつつ流動しても、集束箇所が面状ないし線状に連続しているために集束点が安定せず、その結果ナノファイバーの集束状態が不安定となって芯糸への絡みつきにばらつきが発生し、均質な糸条を安定して生産性よく製造することができないという問題のあることが判明した。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電荷誘導紡糸法により製造したナノファイバーから成る高強度でかつ均質な糸条を安定して生産性よく製造することができるナノファイバーの合糸方法と装置を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバーの合糸方法は、芯糸を所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給工程と、芯糸移動経路の周囲に配置した少なくとも１つの小穴から原料溶液を流出させるとともに流出する原料溶液に電荷を帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、芯糸移動経路の回りに複数の凸部が配置された収集電極に帯電したナノファイバーが向かうように電界を形成するとともに、小穴と収集電極とを芯糸移動経路の回りに相対的に回転させ、ナノファイバーを芯糸に絡ませる合糸工程と、芯糸にナノファイバーが絡まった糸条を回収する回収工程とを有し、前記回収工程において、前記収集電極の軸芯部に形成された前記芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引するものである。

なお、原料溶液としては、各種の合成樹脂材料や核酸や蛋白質などの生体高分子などの高分子物質（本発明では、分子量が１００００以上の一般的な高分子物質に限らず、分子量が１０００〜１００００の準高分子物質も含める）を溶媒に溶解したものが好適に適用される。また、上記高分子物質は単体物に限らず、各種高分子物質の混合物であっても良い。さらに、原料溶液に無機質固体材料を混入することも可能である。

上記構成によれば、供給される芯糸の回りの小穴から原料溶液が帯電して流出することで静電爆発が生じてナノファイバーが生成され、生成したナノファイバーが、小穴と収集電極の間に形成されている電界によって収集電極に向けて流動するとともに、収集電極に複数の凸部が設けられていることで流動するナノファイバーの集束点がこれらの凸部に集中し、かつ小穴と収集電極とが芯糸移動経路の回りに相対的に回転していることで、複数の凸部に向けて安定して集束されたナノファイバーが芯糸の全周に均等に絡まり、芯糸にナノファイバーが均等に絡んだ糸条を合糸することができるので、この糸条を回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を安定して生産性よく製造することができる。

また、ナノファイバー生成工程において、小穴を芯糸移動経路の回りに回転させ、合糸工程において収集電極を小穴とは逆方向に回転させると、ナノファイバーが芯糸により強く巻き付いて絡まり、より強度の高い芯糸を合糸することができる。

また、回収工程において、収集電極の軸芯部に形成された芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引すると、貫通孔を通る吸引気流によっても収集電極の軸芯に向けてナノファイバーが寄せられ、芯糸にナノファイバーがより強く絡んだより強度の高い糸条を合糸できるとともに、貫通孔を通してそのまま回収することができる。

また、本発明のナノファイバーの合糸装置は、芯糸を所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給手段と、芯糸移動経路の周囲に配置されて原料溶液を流出させる少なくとも１つの小穴を有し、流出する原料溶液に電荷を帯電させて静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成手段と、原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加され若しくは接地され、ナノファイバー生成手段に対向する面の芯糸移動経路の回りに複数の凸部が配置された収集電極と、ナノファイバー生成手段の小穴と収集電極を芯糸移動経路の回りに相対的に回転させる回転手段と、芯糸にナノファイバーが絡まった糸条を回収する回収手段と、前記収集電極の軸芯部に形成された前記芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引する吸引手段を備えたものである。

この構成によると、芯糸供給手段にて芯糸を供給し、ナノファイバー生成手段にて芯糸の回りの小穴から原料溶液を帯電して流出させることで静電爆発が生じてナノファイバーが生成され、生成したナノファイバーが、その帯電電荷とは逆極性の電圧を印加され若しくは接地されている収集電極に向けて流動するとともに、収集電極に複数の凸部が設けられていることで流動するナノファイバーの集束点がこれらの凸部に集中し、かつ回転手段にて小穴と収集電極とが芯糸移動経路の回りに相対的に回転していることで、複数の凸部に向けて安定して集束されたナノファイバーが芯糸の全周に均等に絡まり、芯糸にナノファイバーが均等に絡んだ糸条が合糸され、この糸条を回収手段にて回収することで、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を安定して生産性よく製造することができる。

また、回転手段は、少なくとも小穴を芯糸移動経路の回りに回転させる小穴回転手段若しくは収集電極を芯糸移動経路の回りに回転させる電極回転手段を備えているのが好適である。

また、回転手段は、小穴回転手段と電極回転手段の両方を備え、かつ両方の回転手段は互いに回転方向が逆であると、収集電極と小穴が逆方向に回転することでナノファイバーが芯糸により強く巻き付いて絡まるため、より強度の高い芯糸を合糸することができて好適である。

また、収集電極の軸芯部に形成された芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引する吸引手段を設けると、貫通孔を通して吸引することで貫通孔を通して吸引気流が形成され、この吸引気流によっても収集電極の軸芯に向けてナノファイバーが寄せられ、芯糸にナノファイバーがより強く絡んだより強度の高い糸条を合糸できるとともに、貫通孔を通してそのまま回収することができる野で好適である。

本発明のナノファイバーの合糸方法及び装置によれば、芯糸の回りの小穴から流出した原料溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーが収集電極に向けて流動するとともに、収集電極に複数の凸部が設けられていることで流動するナノファイバーの集束点がこれらの凸部に集中し、かつ小穴と収集電極とが芯糸移動経路の回りに相対的に回転していることで、複数の凸部に向けて安定して集束されたナノファイバーが芯糸の全周に均等に絡まって合糸されるので、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を安定して生産性よく製造することができる。

以下、本発明のナノファイバーの合糸方法及び装置の各実施形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバー合糸装置の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１において、１はナノファイバー合糸装置であって、ナノファイバー２の原料溶液を線状に流出する紡糸ヘッド３と、紡糸ヘッド３の周囲に配設されて紡糸ヘッド３との間に電界を生成する電界生成電極４とから成るナノファイバー生成手段５を備えている。また、生成されたナノファイバー２を収集する収集電極６と、紡糸ヘッド３及び収集電極６の軸芯部を通る所定の芯糸移動経路７に芯糸８を供給する芯糸供給手段９と、芯糸８にナノファイバー２を絡ませて生成された糸条１１を回収する回収手段１０とを備えている。

紡糸ヘッド３は、図１及び図２に示すように、垂直な軸芯周りに回転自在に支持され、周面に直径が０．１〜２ｍｍ程度の小穴１２が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている円筒容器からなる回転容器１３を備え、この回転容器１３を小穴回転手段１４にて矢印ａ方向に回転駆動するように構成されている。小穴回転手段１４としては、中空軸からなる出力軸を貫通して配設したＤＣモータが好適に適用され、その出力軸又はそれに同一軸芯状に連結された中空回転軸１５に回転容器１３が取付けられている。

原料溶液は、高分子物質を溶媒に溶解したものであり、その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−フェニレンイソフラテート、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、ナイロン、アラミド、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、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

また、使用できる溶媒としては、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、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、ピリジン、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。また、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、溶媒量が約６０％から９８％の間が望ましい。

また、原料溶液には、高分子物質と溶媒のほかに無機質固体材料を混入することも可能である。この無機質固体材料としては、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は酸化物を用いるのが好ましい。酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。このようにＴｉＯ２などの無機質固体材料を混入することで、防臭・抗菌機能や各種触媒機能を奏する機能性ナノファイバーから成る糸条１１を製造することができ、衣類やその他の繊維製品に有用である。

電界生成電極４は、紡糸ヘッド３を構成する回転容器１３の周面から所定間隔をあけてリング状に配設され、回転容器１３の小穴１２と電界生成電極４との間に高い電位差が印加されている。本実施形態では、回転容器１３の少なくとも周面あるいは小穴１２の近傍が導電性を有して接地電位とされるとともに、電界生成電極４に対して第１の高電圧発生手段１６にて発生された負極の高電圧が印加されている。かくして、回転容器１３の少なくとも小穴１２の近傍と電界生成電極４との間に電界が生成して小穴１２に正極の電荷が誘導され、その電荷が小穴１２から流出する原料溶液に帯電され、原料溶液中の溶媒の蒸発に伴って１次〜３次、場合によってはそれ以上の次数の静電爆発が発生してナノファイバー２が生成される。なお、第１の高電圧発生手段１６にて回転容器１３に正極又は負極の高電圧を印加し、電界生成電極４を接地電位としても良いが、小穴回転手段１４に連結されている回転容器１３を接地電位にした方が絶縁構成が簡単となるので好ましい。

小穴回転手段１４の回転容器１３とは反対側の上部には、生成されたナノファイバー２を収集電極６側に向けて偏向流動させる偏向流動手段としての送風手段１７が配設され、回転容器１３の周面と電界生成電極４の間の空間に向けて気体流１８を送風するように構成されている。偏向流動手段としては、この送風手段１７に代えて、若しくは送風手段１７と併用してナノファイバー２の帯電極性と同極性の高電圧を印加した反射電極を配設しても良い。

芯糸供給手段９は、送風手段１７のさらに上部に配設されている。芯糸供給手段９は、芯糸８を繰り出し可能に巻回した芯糸供給リール９ａと、繰り出した芯糸８を芯糸移動経路７の上端に供給するようにガイドするガイドローラ９ｂとを備えている。この芯糸供給手段９から繰り出された芯糸８が、芯糸移動経路７を通り、送風手段１７の軸芯位置に形成された貫通孔１７ａ、小穴回転手段１４の中空出力軸及び中空回転軸１５の中空部、及び回転容器１３の貫通孔を経て収集電極６の軸芯位置に向けて移動する。

収集電極６は、紡糸ヘッド３の回転容器１３に対してその軸芯方向に適当距離だけ離れた位置に回転容器１３の回転軸芯と同一軸芯状に配設されている。回転容器１３と収集電極６の間の距離は、回転容器１３の小穴１２から線状に流出した原料溶液に一次〜三次ないしそれ以上の次数の静電爆発が生じてナノファイバー２を生成されるのに必要な所要の距離である。収集電極６は、図１、図２に示すように、軸芯部に貫通孔２０を有する中空軸体１９にて構成され、紡糸ヘッド３側の一端部に環状の拡大頭部２１を有するとともに、拡大頭部２１の紡糸ヘッド３に対向する面に複数、図示例では一対の上端が半球状の凸部２２が配設されている。収集電極６は、その中空軸体１９が軸受２３にてその軸芯回りに回転自在に支持され、かつ他端部を電極回転手段２４にて回転容器１３の回転方向ａとは逆の矢印ｂ方向に回転駆動するように構成されている。この電極回転手段２４としては、収集電極６を構成する中空軸体１９自体が出力軸であるＤＣモータが好適に適用される 。なお、収集電極６は、少なくともその拡大頭部２１の凸部２２が導電性を有するものであれば良く、他の部分は必ずしも導電性を有する必要はない。

収集電極６の少なくとも凸部２２は、１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの負（図示例では負の電圧を印加しているが、これは、ナノファイバー２が正の電荷を有するように帯電している為で、負の電荷を有するように帯電している場合には、収集電極６の印加電圧は、正の電圧が印加される。）の高電圧を発生する第２の高電圧発生手段２５に接続され、回転容器１３の少なくとも小穴１２の近傍と収集電極６の間に電界を発生させている。この回転容器１３の少なくとも小穴１２の近傍と収集電極６の凸部２２間の電界を発生させるように構成され、第２の高電圧発生手段２５が小穴１２と凸部２２間の電界発生手段を構成している。この電界によって発生する電気力線２６は、図２に示すように、回転容器１１の小穴１０の近傍から電界発生電極４に向かった後、収集電極６の拡大頭部２１の凸部２２に向けて偏向され、一対の凸部２２に収束するように形成される。

電極回転手段２４の外周部は筒体２７に結合され、筒体２７の下端に吸引手段２８が配設されており、吸引手段２８を作動させると、筒体２７内の空間を介して収集電極６の貫通孔２０を通して気体流が吸引されるように構成されている。

以上の構成において、紡糸ヘッド３の回転容器１３内に原料溶液を供給しつつ回転容器１３を回転駆動する。すると、回転容器１３内の原料溶液が各小穴１２で電荷を帯電され、電界生成電極４との間の電界の作用と遠心力の作用によって原料溶液が電界生成電極４に向けて確実に線状に流出するとともに遠心力の作用で延伸される。その後、線状に流出した原料溶液中の溶媒が蒸発することでその線状体の径が細くなり、その結果帯電されていた電荷が集中し、そのクーロン力が原料溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバー２が効率的に製造される。

生成途中ないし生成されたナノファイバー２は、送風手段１７にて送風される気体流１８にて回転容器１３の外周から収集電極６に向けて、かつ回転容器１３の回転により回転容器１３の軸芯回りに旋回しながら流動することになる。なお、気体流１８を温風にすると、溶媒の蒸発を促進するので、ナノファイバー２の生成を促進できて好ましい。気体流１８に乗って旋回しながら流動するナノファイバー２は、電気力線２６に沿って収集電極６に向けて強く吸引される。ここで、上記のように収集電極６に設けられた一対の凸部２２に電気力線２６が集束していることで、図３に示すように、流動してきたナノファイバー２の集束点がこれらの凸部２２に集中することになり、かつその収集電極６がナノファイバー２の旋回流動方向とは逆方向に回転しており、さらに吸引手段２８を作動させると収集電極６の貫通孔２０に向かって流れる吸引気流が形成され、この吸引気流によっても収集電極６の軸芯に向けてナノファイバー２が寄せられることで、複数の凸部２２に向けて安定して集束されたナノファイバー２が芯糸８に確実に絡み付いて一挙に集束され、芯糸８にナノファイバー２が均等に絡んだ糸条１１が合糸される。かくして、すべてのナノファイバー２が均一に撚りをかけられて芯糸８に絡み付いた太さにばらつきのない均質な糸条１１が生成され、高強度の糸条１１が安定して生産性よく形成される。形成された糸条１１は、収集電極６の貫通孔２０、筒体２７内の空間及び吸引手段２８の軸芯部を貫通して回収手段１０にて回収される。

なお、以上の説明では、収集電極６の拡大頭部２１に一対の凸部２２を設けた例を示したが、これに限定されるものではなく、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、３つ若しくは４つ、あるいはそれ以上の凸部２２を周方向に等間隔に配設しても良い。

なお、図１、図２の図示例では、周面に小穴１２を形成した回転容器１３を適用した例を示したが、回転容器１３の周面に適当なピッチ間隔で多数の短寸のノズル部材を配設し 、そのノズル部材に形成されているノズル穴を小穴１２として機能させるようにした構成としても良い。

また、本実施形態においては、紡糸ヘッド３の回転容器１３を矢印ａ方向に回転させ、収集電極６をａ方向とは逆の矢印ｂ方向に回転させるようにした例を示したが、紡糸ヘッド３は回転せずに、収集電極６側のみを回転させても、逆に収集電極６は回転させずに紡糸ヘッド３側のみを回転させても良い。また、前記回転容器１３と前記収集電極６をどう方向に回転させる場合においても、回転数を異なるようにすることで、前記回転容器１３と前記収集電極６とを相対的に回転させるようにしてもよい。回転容器１３と収集電極６との回転方向については、本実施形態に限定するものではなく、以下の実施例においても同じように考えられる。

（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、先行する実施形態の構成要素と同一の構成要素について同じ参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。

本実施形態では、電界生成電極４と収集電極６との間の空間の周囲を取り囲む絶縁材料から成る風洞３０を配設している。風洞３０は、電界生成電極４の下縁から収集電極６の拡大頭部２１の下部の高さ位置まで延びる円筒部３０ａとその下端開口を閉鎖する端板３０ｂとを備え、その端板３０ｂの軸芯部を収集電極６の中空軸体１９が回転自在に貫通している。

本実施形態の構成によれば、生成されたナノファイバー２が気体流１８に乗って旋回流動する際に、その旋回範囲が風洞３０によって確実に規制されているので、ナノファイバー２を確実に芯糸８に絡ませることができて一層安定して糸条１１を製造することができる。特に、本実施形態においては、上記のように収集電極６の軸芯部の貫通孔２０を通して吸引手段２８にて吸引するようにしているので、生成されたナノファイバー２が気体流１８に乗って旋回流動し、さらにその気体流１８が収集電極６の軸芯部で吸引されることで、その旋回半径が小さくなり、ナノファイバー２がより強く撚りを掛けられて芯糸８に絡まり、一層高強度の糸条１１を製造することができる。

さらに、以上の第１、第２の実施形態の説明では、送風手段１７は紡糸ヘッド３の軸芯方向と略平行に送風するものとして説明したが、送風手段１７を紡糸ヘッド３側から収集電極６側に向けて旋回して流動する旋回気体流を送風するように構成しても良く、その場合生成されたナノファイバー２を旋回気体流に乗せて収集電極６側に向けて旋回流動させることができるとともに、その旋回気体流が収集電極６の軸芯部の貫通孔２０を通して吸引されることで旋回気体流の旋回半径が小さくなってより強い旋回気体流となるため、この旋回気体流に乗って旋回流動して来たナノファイバー２をより強く芯糸８に絡ませて強度の高い糸条１１を製造することができる。さらに、第２の実施形態のように風洞３０を設けて送風手段１７にて旋回気体流を送風し、収集電極６の軸芯部で吸引する構成した場合には、紡糸ヘッド３と収集電極６の何れか一方、若しくは両方共、回転させなくてもナノファイバー２を芯糸８に絡ませて糸条１１を製造することができる。

また、以上の第１、第２の実施形態のナノファイバー生成手段５では、回転容器１３の外周面の小穴１２に対向して電界生成電極４を配設した構成例を示したが、小穴１２と収集電極６間の電界にて、小穴１２から流出した原料溶液に静電爆発を発生させるようにすることもでき、その場合には電界生成電極４は必ずしも配設する必要はない。

（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。

上記実施形態では、紡糸ヘッド３として外周面に小穴１２を形成した回転容器１３から成り、回転容器１３の回転により発生する遠心力で回転容器１３内に収容された原料溶液を流出・延伸させるようにした例を示したが、本実施形態では、図６に示すように、紡糸ヘッド３を回転容器３１の下面に複数のノズル部材３２を配設し、そのノズル穴にて原料溶液を流出させる小穴３３を構成している。また、収集電極６は、中空軸体１９の上端部に断面ハート型の回転体形状の拡大頭部２１を設けた構成で、その拡大頭部２１の上端に複数の凸部２２が突設されている。

本実施形態の構成においては、小穴３３から原料溶液が流出して生成されたナノファイバー２は、最も近い凸部２２に向かう電気力線に従って流動するとともに、回転容器３１がａ方向に回転し、収集電極６が逆方向のｂ方向に回転しているので、凸部２２に向かって流動するナノファイバー２は回転体３１及び収集電極６の軸芯を通る芯糸移動経路７に沿って移動している芯糸８に絡んで確実にかつ安定して巻き付き、均質で高強度の糸条１１が形成される。なお、回転容器３１と収集電極６は、少なくとも何れか一方を回転させれば良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明のナノファイバー合糸装置の第４の実施形態について、図７を参照して説明する。

本実施形態は、上記第３の実施形態と基本構成は同じであるが、細部構成の異なった具体的な構成例を例示するものである。図７において、回転容器３１の上壁には、電気絶縁性を有する回転筒体３４の下端部が一体的に固定され、その回転筒体３４の中間部が上部支持フレーム３５にて軸受３６を介して回転自在に支持されるとともに、回転筒体３４の上部は小穴回転手段１４に接続されている。回転容器３１又は少なくともノズル部材３２は導電性を有し、回転筒体３４に設けた導電部材３４ａと軸受３６を介してノズル部材３２が電気的に接地されている。なお、軸受３６を介して接地する場合には、その間に抵抗値を有する場合には、導電部材３４ａに直接ブラシ等を介して接続させるように構成してもよい。

回転容器３１の中心部の貫通開口を形成する内側筒壁３７は、その上部が全周にわたって開口され、回転容器３１の外周壁と内側筒壁３７との間の環状収容空間に原料溶液供給手段３８にて供給された原料溶液を収容し、ノズル部材３２を通して小穴３３から流出させるように構成されている。原料溶液供給手段３８は、貯留容器３９内の原料溶液を供給ポンプ４０にて取り出し、回転筒体３４を貫通させて回転容器３１内に挿入配置された溶液供給管４１の先端のＬ字屈曲部４１ａから環状収容空間内に原料溶液を供給するように構成されている。図示例では、原料溶液に作用する重力と回転容器３１の回転による遠心力と小穴３３と収集電極６間の電界の作用で、小穴３３から原料溶液を流出させるようにしているが、環状収容空間内を加圧可能な構成として、原料溶液を圧力で押し出して流出させるようにしても良い。

収集電極６は、上記実施形態と同様に凸部２２を配設した環状の拡大頭部２１を上端に有する中空軸体１９の中間部が軸受２３を介して下部支持フレーム４２にて回転自在に支持され、中空軸体１９の下部が電極回転手段２４に接続されている。凸部２２には、拡大頭部２１と中空軸体１９に設けられた導電部材１９ａと軸受２３を介して第２の高電圧発生手段２５にて発生された高電圧が印加されている。芯糸供給手段９は、上部支持フレーム３５に配設されている。回収手段１０は、下部支持フレーム４２に配設され、製造された糸条１１を巻き取って回収する糸条巻取リール１０ａと、芯糸移動経路７の下端を位置決めし、製造された糸条１１を芯糸移動経路７から側方に取り出すためのガイドローラ１０ｂにて構成されている。

本実施形態においても、上記第３の実施形態と同様に、原料溶液供給手段３８にて回転 容器３１内に供給された原料溶液が小穴３３から流出し、静電爆発によって生成されたナノファイバー２は、最も近い凸部２２に向かう電気力線に従って流動するとともに、回転容器３１がａ方向に回転し、収集電極６が逆方向のｂ方向に回転しているので、凸部２２に向かって流動するナノファイバー２は回転体３１及び収集電極６の軸芯を通る芯糸移動経路７に沿って移動している芯糸８に絡んで確実にかつ安定して巻き付き、均質で高強度の糸条１１が形成され、回収手段１０にて回収される。なお、回転容器３１と収集電極６は、少なくとも何れか一方を回転させれば良い。

なお、以上の実施形態においては、紡糸ヘッド３を接地し、電界生成電極４と収集電極６若しくは収集電極６に高電圧を印加して紡糸ヘッド３と電界生成電極４との間及び紡糸ヘッド３と収集電極６との間、若しくは紡糸ヘッド３と収集電極６との間に電界を発生させるようにした例を示したが、紡糸ヘッド３に高電圧を印加して電界生成電極４や収集電極６を接地電位にしたり、紡糸ヘッド３と電界生成電極４や収集電極６に互いに逆極性や同極性の高電圧を印加するようにしても良く、要するに紡糸ヘッド３と電界生成電極４や収集電極６との間に高い電位差を印加してそれらの間に電界を発生するように構成すれば良い。

なお、以上の実施形態においては、軸受を介して接続を行っている場合があるが、軸受が抵抗分を有する場合には、回転している軸に直接ブラシ等を介して接続するようにしてもよい。

なお、実施形態においては、収集電極６の貫通孔２０の周囲に複数の凸部を配置することで帯電したナノファイバーが確実に最も近い凸部に向かって収集されるために、安定して芯糸８の周囲にナノファイバーが絡みつくようになり、生成された糸条１１の形状が安定し、かつ、生成されたナノファイバーの回収率も大きく向上する。

本発明のナノファイバーの合糸方法及び装置によれば、芯糸の回りの小穴から流出させた原料溶液が静電爆発して生成されたナノファイバーが収集電極に向けて流動するとともに、収集電極に複数の凸部が設けられていることで流動するナノファイバーの集束点がこれらの凸部に集中し、かつ小穴と収集電極とが芯糸移動経路の回りに相対的に回転していることで、複数の凸部に向けて安定して集束されたナノファイバーが芯糸の全周に均等に絡まって合糸されるので、ナノファイバーから成る高強度で均質な糸条を安定して生産性よく製造することができるので、ナノファイバーから成る高強度の糸条の生産に好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す部分断面正面図。 同実施形態における紡糸ヘッドと収集電極間の電気力線の発生状態を示す説明図。 同実施形態におけるナノファイバーに対する電気力線の作用状態を説明する平面図。 （ａ）、（ｂ）は収集電極における凸部の他の配設例を示す平面図。 本発明の第２の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の要部構成を示す斜視図。 本発明の第４の実施形態におけるナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す縦断側面図。 本発明に先行するナノファイバー合糸装置の全体概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１ ナノファイバー合糸装置
２ ナノファイバー
５ ナノファイバー生成手段
６ 収集電極
７ 芯糸移動経路
８ 芯糸
９ 芯糸供給手段
１０ 回収手段
１１ 糸条
１２、３３ 小穴
１４ 小穴回転手段
２０ 貫通孔
２１ 拡大頭部
２２ 凸部
２４ 電極回転手段
２５ 第２の高電圧発生手段（電界発生手段）
２８ 吸引手段

Claims (5)

1. 芯糸を所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給工程と、
   芯糸移動経路の周囲に配置した少なくとも１つの小穴から原料溶液を流出させるとともに流出する原料溶液に電荷を帯電させ、静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成工程と、
   芯糸移動経路の回りに複数の凸部が配置された収集電極に帯電したナノファイバーが向かうように電界を形成するとともに、小穴と収集電極とを芯糸移動経路の回りに相対的に回転させ、ナノファイバーを芯糸に絡ませる合糸工程と、
   芯糸にナノファイバーが絡まった糸条を回収する回収工程とを有し、
   前記回収工程において、前記収集電極の軸芯部に形成された前記芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引することを特徴とするナノファイバーの合糸方法。
2. ナノファイバー生成工程において、小穴を芯糸移動経路の回りに回転させ、合糸工程において収集電極を小穴とは逆方向に回転させることを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの合糸方法。
3. 芯糸を所定の芯糸移動経路に供給する芯糸供給手段と、
   芯糸移動経路の周囲に配置されて原料溶液を流出させる少なくとも１つの小穴を有し、流出する原料溶液に電荷を帯電させて静電爆発にて延伸させてナノファイバーを生成するナノファイバー生成手段と、
   原料溶液の帯電電荷とは逆極性の電圧を印加され若しくは接地され、ナノファイバー生成手段に対向する面の芯糸移動経路の回りに複数の凸部が配置された収集電極と、
   ナノファイバー生成手段の小穴と収集電極を芯糸移動経路の回りに相対的に回転させる回転手段と、
   芯糸にナノファイバーが絡まった糸条を回収する回収手段と、
   前記収集電極の軸芯部に形成された前記芯糸移動経路が貫通する貫通孔を通して吸引する吸引手段を
   備えたことを特徴とするナノファイバーの合糸装置。
4. 回転手段は、少なくとも小穴を芯糸移動経路の回りに回転させる小穴回転手段若しくは収集電極を芯糸移動経路の回りに回転させる電極回転手段を備えていることを特徴とする請求項３記載のナノファイバーの合糸装置。
5. 回転手段は、小穴回転手段と電極回転手段の両方を備え、かつ両方の回転手段は互いに回転方向が逆であることを特徴とする請求項４記載のナノファイバーの合糸装置。

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