JP5215136B2 - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Description

本願発明はナノファイバの製造装置、製造方法に関し、特に、製造するナノファイバを気体流により搬送するナノファイバ製造装置、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、溶剤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電気的に延伸させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的にエレクトロスピニング法を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され空間中に流出された原料液は、空間を飛行中に徐々に溶剤が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、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、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶剤は、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（以下、静電延伸現象と述べる）が生じる。この静電延伸現象が、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（例えば特許文献１参照）。

以上のようなエレクトロスピニング法で製造されるナノファイバを、一箇所で大量に製造し、空間的に均等に分散させた状態でナノファイバを収集すると、当該収集されたナノファイバから紡がれる糸は、性能が均一となり、高い生産効率を実現することが可能となる。また、空間的に均等に分散させた状態でナノファイバを堆積させると、膜厚が均一な不織布を得ることも可能となる。

そこで、本願出願人は、原料液を流出させる部分と製造されるナノファイバを収集する部分との間に電圧を印加して電界を発生させるのではなく、所定の空間で帯電させた原料液や製造されるナノファイバを気体流で搬送し、前記空間から離れた所に配置される収集装置で収集させることで、ナノファイバを空間中に均等に分散させ、ナノファイバの生産効率を向上させることができるナノファイバ製造装置を先に出願している（未公開）。
特開２００８−３１６２４号公報

ところが、大量のナノファイバを発生させる場合、原料液から大量の溶剤を蒸発させる必要があり、溶剤蒸気の濃度を所定値以下に維持するためには大量の気体流が必要となる。また、溶剤が引火性を有する場合、溶剤蒸気の濃度を所定値以下にコントロールする必要がある。さらに、大量のナノファイバを気体流で搬送しようとする場合、大量の気体流が必要となる。このような大量の気体流を発生させる場合、大型の気体流発生装置が必要となり、ランニングコストが大きくなる。これに加え、このようなナノファイバ製造装置を一つの工場内で複数台稼動させると、気体の供給不足となる懸念がある。また、排出される気体流には原料液から蒸発した溶剤が含まれているため、大量の気体流からこれら溶剤成分を除去する必要もある。

本願発明は上記課題に鑑みなされたものであり、大量の気体流でナノファイバを搬送することができ、なおかつ、全体として気体の消費を抑制することができるナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法の提供を目的とする。また、原料液から蒸発する溶剤の漏れを可及的に低減することができるナノファイバ製造装置、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装置は、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、原料液を帯電させる帯電装置と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、気体流と共にナノファイバを案内する案内装置と、気体流とナノファイバとを分離してナノファイバを収集する収集装置と、気体流を前記気体流発生装置に戻す返還装置と、原料液から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収する回収装置とを備えることを特徴とする。

これにより、ナノファイバの搬送に利用された気体は、原料液から蒸発する溶剤を回収装置で回収された後、気体流発生装置に戻され、再びナノファイバの搬送に供されるため、気体流発生装置は、気体流の圧損を補填するだけで、大量の気体流を発生し続けることが可能となる。従って、ナノファイバ製造装置のランニングコストを低減することが可能となる。また、搬送に使用された気体を再度利用するため、外部から大量の気体を新たに導入する必要が無く、工場内に複数台のナノファイバ製造装置を設置し、稼動させても、気体の供給量が不足することが無くなる。

またさらに、前記案内装置と返還装置とを備える循環回路に外部から気体を導入する導入装置を備えることが好ましい。

これにより、循環回路から漏れる気体を補って、常に大量の気体流を安定して流し続けることが可能となる。

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装置は、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、原料液を空間中に流出させる流出工程と、原料液を帯電させる帯電工程と、前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生工程と、気体流と共にナノファイバを案内する案内工程と、気体流とナノファイバとを分離してナノファイバを収集する収集工程と、気体流を前記気体流発生装置に戻す返還工程と、原料液から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収する回収工程とを含むことを特徴とする。

これにより、ナノファイバの搬送に利用された気体は、原料液から蒸発する溶剤を回収装置で回収された後、気体流発生装置に戻され、再びナノファイバの搬送に供されるため、気体流発生装置は、気体流の圧損を補填するだけで、大量の気体流を発生し続けることが可能となる。従って、ナノファイバ製造装置のランニングコストを低減することが可能となる。また、搬送に使用された気体を再度利用するため、外部から大量の気体を新たに導入する必要が無く、工場内に複数台のナノファイバ製造装置を設置し、稼動させても、気体の供給量が不足することが無くなる。

本願発明によれば、閉じた回路内で気体を循環させることで、少ないエネルギーで大量の気体流を発生させ、大量のナノファイバを搬送することが可能となる。

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について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出装置１０１と、案内装置１０２と、収集装置１０３と、返還装置１０４と、回収装置１０５と、導入装置１０６と、隔離体１０７と、排気装置１０８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が電気的に延伸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。

放出装置１０１は、帯電した原料液３００や製造されるナノファイバ３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットである。

図２は、放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。

図３は、放出装置の外観を示す斜視図である。

これら図に示すように放出装置１０１は、流出装置１１０と、帯電装置１１１と、風洞体１１２と、気体流発生装置１１３と、供給路１１４とを備えている。

流出装置１１０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させる装置である。流出装置１１０は、流出体１１５と、回転軸体１１６と、モータ１１７とを備えている。

流出体１１５は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、原料液３００が通過する流出孔１１８が多数設けられる部材である。本実施の形態の場合、流出体１１５は、原料液３００が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１１８を多数備えている。流出体１１５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いる。流出体１１５は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

具体的には、流出体１１５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後述の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、流出体１１５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体１１５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、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体１１５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１１８の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体１１５の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔１１８があまりに小さすぎると原料液３００を流出体１１５の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔１１８から流出する原料液３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する原料液３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径のナノファイバ３０１を製造することが困難となるからである。

なお、流出体１１５は、自身の回転による遠心力により原料液３００を空間中に流出させる部材ばかりでなく、自身は静止しており、圧力がかけられた原料液３００が流出孔１１８から流出する部材でもかまわない。また、遠心力により原料液３００を流出させる流出体１１５の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒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１１８が回転することにより、流出孔１１８から原料液３００が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔１１８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１１６は、流出体１１５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、流出体１１５の他端から流出体１１５の内部に挿通され、流出体１１５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１１７の回転軸と接続されている。回転軸体１１６は、モータ１１７と絶縁体１２０を介して接続されており、流出体１１５とモータ１１７とが電気的に絶縁状態となっている。

これは、流出体１１５のアースとの接続が事故などにより切れた場合、モータ１１７を保護するためである。回転軸体１１６は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。

モータ１１７は、遠心力により原料液３００を流出孔１１８から流出させるために、回転軸体１１６を介して流出体１１５に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体１１５の回転数は、流出孔１１８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１１７と流出体１１５とが直動の時はモータ１１７の回転数は、流出体１１５の回転数と一致する。

帯電装置１１１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、帯電装置１１１は、帯電電極１２１と、帯電電源１２２と、接地装置１２３とを備えている。

帯電電極１２１は、自身がアースに対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、接地されている流出体１１５に電荷を誘導するための部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、流出体１１５の周囲を取り囲むように配置される円環状の部材である。帯電電極１２１に正の電圧が印加されると流出体１１５には、負の電荷が誘導され、帯電電極１２１に負の電圧が印加されると流出体１１５には、正の電荷が誘導される。

帯電電極１２１の大きさは、流出体１１５の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、５０ｍｍ以上、１５００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、帯電電極１２１の形状は、円環状に限ったものではなく、流出体１１５の形状との関係によって、多角形の環状や平板状などであってもよい。また、帯電電極１２１の断面形状も矩形ばかりでなく丸形でもかまわない。

接地装置１２３は、流出体１１５と電気的に接続され、流出体１１５を接地電位に維持することができる部材である。接地装置１２３の一端は、流出体１１５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。

帯電電源１２２は、帯電電極１２１に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源１２２は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ３０１の帯電極性に影響受けないような場合、生成したナノファイバ３０１の帯電を利用して、逆極性の電位を印加した電極でナノファイバ３０１を誘引するような場合には、直流電源を採用することが好ましい。また、帯電電源１２２が直流電源である場合、帯電電源１２２が帯電電極１２１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。帯電電源１２２に負の電圧が印加される場合には、前記の印加する電圧の極性は、負になる。特に、流出体１１５と帯電電極との間の電界強度が重要であり、帯電電極１２１と流出体１１５との距離が最も近い空間において１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧を調整するのが好ましい。

本実施の形態のように帯電装置１１１に一方の電極を接地電位とする誘導方式を採用すれば、流出体１１５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。流出体１１５が接地電位の状態であれば、流出体１１５に接続される回転軸体１１６やモータ１１７などの部材を流出体１１５から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出装置１１０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、帯電装置１１１として、流出体１１５に電源を接続し、流出体１１５を高電圧に維持し、帯電電極１２１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、流出体１１５を絶縁体で形成すると共に、流出体１１５に貯留される原料液３００に直接接触する電極を流出体１１５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。このような流出体１１５に直接もしくは原料液に直接電極を配置する場合には、原料液に帯電する電荷の極性は、印加する電圧の極性と同じ極性になる。

気体流発生装置１１３は、流出体１１５から流出される原料液３００の飛行方向を変更し、ナノファイバ３０１を搬送して案内装置１０２の内方を通過させるための気体流を発生させる装置である。本実施の形態の場合、気体流発生装置１１３は、モータ１１７の背部に備えられ、モータ１１７から流出体１１５の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生装置１１３は、流出体１１５から径方向に流出される原料液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。気体流発生装置１１３としては、軸流ファンを備える送風機等を例示することができる。

なお、気体流発生装置１１３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、後述する返還装置１０４により風洞体１１２の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気体流発生装置１１３を有しないこととなるが、何らかの装置により、風洞体１１２などの内方に気体流が発生していることをもってナノファイバ製造装置１００が気体流発生装置１１３を備えているものとする。

風洞体１１２は、気体流発生装置１１３で発生した気体流を帯電電極１２１と流出体１１５との間に案内する導管である。本実施の形態の場合、風洞体１１２により案内された気体流は、帯電電極１２１の内側を通過しつつ、流出体１１５の流出孔１１８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、放出装置１０１は、気体流制御装置１２４と、加熱装置１２５とを備えている。

気体流制御装置１２４は、気体流発生装置１１３により発生する気体流が流出孔１１８の開口端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る。本実施の形態の場合、気体流制御装置１２４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御装置１２４により、気体流が直接流出孔１１８に当たらないため、流出孔１１８から流出される原料液３００が早期に蒸発して流出孔１１８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、気体流制御装置１２４は、流出孔１１８の風上に配置され気体流が流出孔１１８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。

加熱装置１２５は、気体流発生装置１１３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、加熱装置１２５は、案内体１２６の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱装置１２５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。加熱装置１２５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３０１を製造することが可能となる。

供給路１１４は、外部にある原料液３００用タンク（図示せず）から流出体１１５内方に原料液３００を供給するための経路である。本実施の形態の場合、供給路１１４は管体で形成されている。

図４は、案内装置の近傍を模式的に示す斜視図である。

案内装置１０２は、放出装置１０１から放出され、気体流によって搬送されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞である。本実施の形態の場合、案内装置１０２は両端のみ開放された管体であり、案内体１２６と拡散体１２７とを備えている。

案内体１２６は、円筒形状を成し、放出装置１０１のナノファイバ３０１が放出される側の開口形状と同じ開口形状を備え、放出装置１０１と一連に配置されている。

拡散体１２７は、案内体１２６に接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。本実施の形態の場合、拡散体１２７は、案内体１２６の高さをそのまま維持し、幅のみ徐々に広がるフード形状となっている。

収集装置１０３は、案内装置１０２から放出されるナノファイバ３０１を収集するための装置である。本実施の形態の場合、収集装置１０３は、被堆積部材１２８と、巻回装置１２９と、供給装置１３０とを備えている。

被堆積部材１２８は、静電延伸現象により製造され気体流により搬送されるナノファイバ３０１と気体流とを分離し、ナノファイバ３０１のみが堆積する部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１２８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り、気体流を容易に透過でき、ナノファイバ３０１を捕集しうる網状の部材である。具体的に被堆積部材１２８としては、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、被堆積部材１２８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を被堆積部材１２８から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、被堆積部材１２８は、ロール状に巻き付けられた状態で供給装置１３０から供給されるものとなっている。

巻回装置１２９は、被堆積部材１２８を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１２８を巻き取りながら供給装置１３０から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に被堆積部材１２８を搬送するものとなっている。巻回装置１２９は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を被堆積部材１２８とともに巻き取ることができるものとなっている。

また、ナノファイバ製造装置１００は、帯電しているナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引するための誘引電極１３４と、誘引電源１３５とを備えている。

誘引電極１３４は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、誘引電極１３４には気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。誘引電極１３４は、拡散体１２７の開口部全体に広がって設けられている。

誘引電源１３５は、誘引電極１３４を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１３５は、０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。特に、帯電したナノファイバ３０１の帯電極性と異なる電圧を誘引電極１３４に印加することで、帯電したナノファイバ３０１の誘引電極１３４方向への回収を加速できる。

本実施の形態では、誘引電極１３４は、金属製の網が採用されたが、これに限定するものではなく、板状の誘引電極や金属板の上に多数のブラシを形成したブラシ形状の誘引電極でもよい。前記気体流が被堆積部材１２８を通過して、誘引電極近傍を通って、吸引装置１３２に回収できればよい。

（図１の参照に戻る。）
返還装置１０４は、被堆積部材１２８を通過した気体流を収集し、気体流発生装置１１３に前記気体流を戻す装置である。本実施の形態の場合、返還装置１０４は、集中体１３１と、吸引装置１３２と、返還体１３３とを備えている。

集中体１３１は、拡散体１２７で広がった気体流を受け取り、吸引装置１３２に至るまでの間に気体流を集中させる部材であり、拡散体１２７とは逆向きの漏斗形状となっている。

吸引装置１３２は、被堆積部材１２８を通過する気体流を強制的に吸引する送風機である。吸引装置１３２は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１２８を通過して速度が落ちた気体流を高い速度に加速することのできる装置である。

返還体１３３は、吸引装置１３２から気体流発生装置１１３に至るまで、気体流を案内することのできる管体である。

以上のように、気体流発生装置１１３と案内装置１０２と返還装置１０４とは、環状一連に接続されており、気体が循環する循環回路２００を形成している。なお、返還装置１０４には吸引装置１３２が備えられているが、気体流発生装置１１３か吸引装置１３２のいずれか一方で十分な気体流を循環回路２００内に発生させることができるのであれば、ナノファイバ製造装置１００は、いずれか一方のみを備えてもかまわない。この場合いずれか一方が、気体流発生装置１１３の機能と吸引装置１３２の機能との両方を併せ持つことになる。また、気体流発生装置１１３と吸引装置１３２とによっても十分な気体流を得ることができない場合は、気体流を発生させる送風機などを循環回路２００内に別途配置してもかまわない。

なお、十分な気体流とは毎分３０立米程度の風量であると考えられる。

回収装置１０５は、原料液３００から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収することのできる装置である。回収装置１０５に関しては、原料液３００に用いられる溶剤の種類によって異なるが、例えば、気体を低温にして溶剤を結露させて回収する装置や、活性炭やゼオライトを用いて溶剤のみを吸着させる装置、液体などに溶剤を溶け込ませる装置やこれらを組み合わせた装置を例示できる。

隔離体１０７は、気体流発生装置１１３と案内装置１０２と返還装置１０４とが環状一連に接続されて構成される循環回路２００を包囲し、前記循環回路２００が存在する空間とそれ以外の外空間とを隔離する壁や床や天井である。

隔離体１０７は、循環回路２００回路から漏れ出る気体を隔離体１０７で包囲された空間に封じ込める機能を果たしており、これにより隔離体１０７の外方空間の清浄性や安全性を高めることが可能となる。

導入装置１０６は、循環回路２００の外部から気体を循環回路２００の内方に導入し、循環回路２００の内方を循環する気体と混合する装置である。本実施の形態では、導入装置１０６は、隔離体１０７の外方の気体を導入できるように隔離体１０７を貫通して設置されている。また、導入装置１０６は、循環回路２００の内方に流通する気体の風量を計測する計測装置を備え（図示せず）、前記計測装置の計測結果が毎分２７立米未満となれば、気体を循環回路２００の外部から導入し、前記計測装置の計測結果が毎分３３立米を越えると、気体の導入を停止することができる制御装置（図示せず）を備えている。なお、導入装置１０６は、気体の導入量を一定に固定してもよい。また、導入装置１０６は、気体の逆流を防止する逆流防止機構だけを備え、気体の導入量は気体流発生装置１１３や吸引装置１３２の性能に依存するものでも良い。

排気装置１０８は、隔離体１０７で包囲された内空間から外空間へ気体を排気する装置である。本実施の形態の場合、排気装置１０８は、隔離体１０７の内空間の雰囲気に含まれる溶剤を除去する機能を備えている。

ここで、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。

原料液３００に使用される溶剤としては、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、本願発明は上記溶剤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、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。

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

上記のように、溶剤蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液３００は、上記のように溶剤を５０重量％以上含んでいても十分に蒸発し、静電延伸現象を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ３０１が製造されるため、より細いナノファイバ３０１をも製造することが可能となる。また、原料液３００の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ３０１の性能の範囲も広くすることが可能となる。

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。

まず、気体流発生装置１１３、及び、吸引装置１３２を稼動させ、循環回路２００内方に一定方向の気体流を発生させる（気体流発生工程）（返還工程）。以上の状態で、循環回路２００内の風量が毎分３０立米となるようナノファイバ製造装置１００を調整した。これにより、気体流は次のように循環する。気体流発生装置１１３→案内体１２６→拡散体１２７→被堆積部材１２８→集中体１３１→吸引装置１３２→回収装置１０５→返還体１３３→導入装置１０６→気体流発生装置１１３

次に、流出体１１５の内方に原料液３００を供給する（原料液供給工程）。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１１４（図２、図３参照）を通過して流出体１１５の他端部から流出体１１５内部に供給される。具体的には、ナノファイバ３０１の材質はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を選定し、原料液３００は、溶媒を水とし、水にＰＶＡを１０重量％で溶解したものを用いた。

次に、帯電電源１２２により帯電電極１２１を正または負の高電圧とする。帯電電極１２１の中心に配置される流出体１１５には電荷が集中し、当該電荷が流出孔１１８を通過する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と同時期に流出体１１５をモータ１１７により回転させて、遠心力により流出孔１１８から帯電した原料液３００を流出する（流出工程）。

具体的には、外径がΦ６０ｍｍの流出体１１５を用いた。流出孔１１８は、周方向等間隔に１０８個設けられており、孔径は０．３ｍｍであった。また、原料液３００は、流出体１１５を２０００ｒｐｍで回転させることにより流出させた。一方、帯電電極１２１は内径Φ６００ｍｍのものを用い、帯電電源１２２により帯電電極１２１を接地電位に対して負の６０ＫＶとした。これにより、流出体１１５には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液３００が流出することとなる。

流出体１１５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、気体流に乗り案内装置１０２に案内される。ここで、原料液３００の帯電状態と帯電電極１２１とは逆極性であるため、クーロン力により引きつけられて帯電電極１２１の方向に向いて飛行しようとするが、帯電電極１２１に向かうほとんどの原料液３００が気体流により方向が変えられ、案内体に向かって飛行することとなる。

原料液３００は静電延伸現象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）放出装置１０１から放出される。ここで、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が容易に発生し、流出した原料液３００のほとんどがナノファイバ３０１に変化していく。また、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ３０１を大量に製造される。

また、前記気体流は、加熱装置１２５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静電延伸を促進している。

以上のようにして放出装置１０１から放出されるナノファイバ３０１は、案内装置１０２に導入される。そして、ナノファイバ３０１は、案内装置１０２の内方を気体流に搬送されながら収集装置１０３に向かって案内される（搬送工程）。

拡散体１２７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、均一な分散状態となる（拡散工程）。

この状態において、被堆積部材１２８の背方に配置される吸引装置１３２は、蒸発した蒸発成分である溶剤と共に気体流を吸引し、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８上に誘引する（誘引工程）。また、電圧が印加された誘引電極１３４により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ３０１が誘引される（誘引工程）。

以上により、被堆積部材１２８により気体流から分けられてナノファイバ３０１が収集される（収集工程）。被堆積部材１２８は、巻回装置１２９によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。

被堆積部材１２８を通過した気体流は、吸引装置１３２により加速され、回収装置１０５に到達する。回収装置１０５では、気体流から溶剤成分を分離回収する（回収工程）。

回収装置１０５を通過した気体流は、返還体１３３を通過して導入装置１０６を介して気体流発生装置１１３に返還される（返還工程）。これにより、溶剤の濃度が低下した気体流が再び気体流発生装置１１３によりナノファイバ３０１の搬送に供される。

また、気体流の風量が不足している場合は、導入装置１０６により外気が導入され（導入工程）不足分が補われる。

風量が不足した分は循環回路２００から外部に漏れだした気体の量である。当該気体は隔離体１０７の内方に放出され、排気装置１０８により、溶剤が回収されつつ外空間に排気される（排気工程）。

以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、以上のナノファイバ製造方法を実施することによって、原料液３００の飛行方向の変更や、ナノファイバ３０１の搬送に用いられる気体流がナノファイバ製造装置１００の外部に漏れにくくなる。従って、ナノファイバ製造装置１００が設置される工場等の環境を良好に維持することが可能となる。

また、気体を循環回路２００で循環させているため、気体流の風量を維持するには気体流発生装置１１３や吸引装置１３２により、理想的には損失分を補うだけでよい。従って、気体流を所定の風量で維持するためのランニングコストの上昇を抑え、省エネルギーに貢献することが可能となる。

しかも、大量の気体を外部から導入し、大量の気体を排気する必要が無いため、工場に気体を導入するための大きなスペースを確保する必要もなく、ナノファイバ製造装置１００の設置スペースの小型化を図ることが可能となる。

回収装置１０５により常に溶剤が回収されるため、循環する気体の溶剤の濃度は所定値を超えることはなく、原料液３００の蒸発を妨げたり、爆発の濃度に達したりすることを可及的に回避することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、原料液３００を遠心力を用いて流出させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図５に示すように、原料液３００に加えた圧力により流出孔１１８から原料液３００を流出させるものでも良い。具体的に、ナノファイバ製造装置１００は、直方体で両端部が開口した風洞体１１２と、前記風洞体１１２の一壁面に設けられ、流出孔１１８が先端に設けられるノズルが多数マトリクス状に設けられた流出体１１５と、風洞体１１２の一端開口部に設けられる気体流発生装置１１３と、流出体１１５と対向する面に風洞体１１２の一部として設けられる帯電電極１２１とを備えてもよい。

図６に示すように、放出装置１０１と案内装置１０２と収集装置１０３とを複数台並べて配置し、前記複数台の装置に対し、返還装置１０４と回収装置１０５と導入装置１０６とを共通で用いてもかまわない。また、これらを隔離体１０７で包囲される一つの空間内に設置し、排気装置１０８を共通で用いてもかまわない。

また、循環回路２００の途中で、気体の湿度や温度を調整する調湿装置１４１や温度調整装置１４２を設けてもかまわない。

また、案内体１２６にナノファイバ３０１が流入するように、複数の放出装置１０１を配置して、大量のナノファイバ３０１を生成するように構成してもよい。このような場合には、導入装置１０６から各放出装置１０１に対して分岐通路を付けて、適当な風量が各放出装置１０１に流入するようにしてもよい。

なお、本願の実施形態においては、流出体１１５に対向する位置に帯電電極１２１を配置する構成を示したが、これに限定するものではなく、帯電電極１２１を取り除く、それに代わり、流出体１１５と誘引電極１３４間に電位差を設けて、流出体１１５の流出孔１１８から流出する原料液３００を帯電させるように構成してもよく、本願発明で開示した内容と同じ効果を得ることができる。

本願発明はナノファイバの製造やナノファイバからなる不織布の製造やナノファイバからなる糸の製造に利用可能である。

ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。 放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。 放出装置の外観を示す斜視図である。 案内装置の近傍を模式的に示す斜視図である。 放出装置の他の実施の形態を示す断面図である。 ナノファイバ製造装置の別例を示すブロック図である。

符号の説明

１００ ナノファイバ製造装置
１０１ 放出装置
１０２ 案内装置
１０３ 収集装置
１０４ 返還装置
１０５ 回収装置
１０６ 導入装置
１０７ 隔離体
１０８ 排気装置
１１０ 流出装置
１１１ 帯電装置
１１２ 風洞体
１１３ 気体流発生装置
１１４ 供給路
１１５ 流出体
１１６ 回転軸体
１１７ モータ
１１８ 流出孔
１１９ ベアリング
１２０ 絶縁体
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２３ 接地装置
１２４ 気体流制御装置
１２５ 加熱装置
１２６ 案内体
１２７ 拡散体
１２８ 被堆積部材
１２９ 巻回装置
１３０ 供給装置
１３１ 集中体
１３２ 吸引装置
１３３ 返還体
１３４ 誘引電極
１３５ 誘引電源
１４１ 調湿装置
１４２ 温度調整装置
２００ 循環回路
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (1)

1. 原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
   原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、
   原料液を帯電させる帯電装置と、
   前記流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と、
   気体流と共にナノファイバを案内する案内装置と、
   気体流とナノファイバとを分離してナノファイバを収集する収集装置と、
   気体流を前記気体流発生装置に戻す返還装置と、
   原料液から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収する回収装置と
   前記案内装置と前記返還装置とを備える循環回路に外部から気体を導入する導入装置と、
   前記循環回路を包囲し、前記循環回路が存在する空間とそれ以外の外空間とを隔離する隔離体と、
   前記隔離体で包囲される内空間から外空間へ気体を排気する排気装置とを備え、
   前記導入装置は、外空間から気体を前記循環回路に導入し、
   前記隔離体は前記循環回路から漏れ出る気体を前記隔離体で包囲された空間に封じ込めることを特徴とするナノファイバ製造装置。

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