JP5216551B2 - 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において、液相の流体と気相の流体とを同方向に吐出し、気相の流体により液相の流体を空間中で微細化する２流体ノズルにより原料液を空間中に噴霧する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。また、２流体ノズルを複数個並べ、広範囲にわたって大量のナノファイバを収集する方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。
特開２００８−３１６２４号公報 特表２００５−５２００６８号公報 米国特許出願公開第２００５／００７３０７５号明細書

ところが、２流体ノズルを用いて原料液を空間中に流出させた場合、空間中における原料液の分布がドーナツ状になり、当該原料液から製造されるナノファイバもドーナツ状の分布となるため、空間的均一にナノファイバを収集することが困難である。

また、２流体ノズルを複数個配置してナノファイバを大量に製造しようとする場合、帯電したナノファイバが高密度状態となるため、ナノファイバ同士が電気的に反発し合い、空間的な均一性を確保することが困難である。

本願発明は上記課題に鑑みなされたものであり、２流体ノズルを用いて原料液を空間中に流出させた場合でも、製造されるナノファイバを空間的均一に分散させることの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している。

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、原料液を吐出する第一吐出口と、前記第一吐出口の近傍に配置され、前記第一吐出口の吐出方向と同方向に気体を吐出する第二吐出口と、原料液を帯電させる帯電装置と、前記第一吐出口から吐出され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を備えることを特徴とする。

これによれば、気体流によって搬送されるナノファイバが、案内装置で案内される間に、均等に分散し、空間に占めるナノファイバの濃度を均一化することが可能となる。

また、前記第一吐出口は、吐出する原料液と気体流発生装置により発生する気体流とが交差し、原料液の飛行方向が変更されるように配置されることが望ましい。

これによれば、第一吐出口から吐出された原料液の空間分布が気体流により打ち消されるため、製造されるナノファイバの空間分布を容易に均一化することが可能となる。

また、前記帯電装置は、前記第一吐出口に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、前記第一吐出口と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源とを備え、前記帯電電極は、前記第一吐出口よりも前記気体流発生装置が発生させる気体流の風上側に配置されることが好ましい。

第一吐出口から流出する原料液は霧状に広範囲に広がる傾向を備えるが、当該位置関係を採用することにより、帯電電極に原料液が付着することを可及的に回避することが可能となる。

さらに、前記第一吐出口が先端に設けられるノズルを複数備え、全ての前記第一吐出口と前記帯電電極との距離が等しくなるように前記ノズルが配置されることが好ましい。

これにより、個々の第一吐出口の近傍部にそれぞれ電荷が集中するため効率よく原料液を帯電させることができる。しかも、原料液に付与する電荷量が個々の第一吐出口に対し平均化されるため、空間中に流出する原料液の静電延伸現象も均一に発生し、製造されるナノファイバの品質を均一化することが可能となる。

また、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、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、第一吐出口から原料液を吐出する第一吐出工程と、前記第一吐出口の近傍に配置される第二吐出口から前記第一吐出口の吐出方向と同方向に気体を吐出する第二吐出工程と、原料液に電荷を付与して帯電させる帯電工程と、前記第一吐出口から吐出される原料液から製造されるナノファイバを気体流により搬送する搬送工程と、気体流によって搬送されるナノファイバを所定の場所に案内する案内工程とを含むことを特徴とする。

これによれば、気体流によって搬送されるナノファイバが、案内装置で案内される間に、均等に分散し、空間に占めるナノファイバの濃度を均一化することが可能となる。

本願発明によれば、２流体ノズルから空間中に流出した原料液から製造されたナノファイバであっても、空間中に均等に分散させることができる。そして、当該ナノファイバを収集すれば、品質が安定した不織布や、糸を得ることが可能となる。

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、帯電した原料液３００を空間中に流出させ、原料液３００を静電延伸現象により延伸させ、製造されたナノファイバ３０１を気体流に乗せて搬送する装置であって、放出装置１０１と、案内装置１０２と、収集装置１０３と、誘引装置１０６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、原料液３００を帯電させると共に、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、ノズル１３６と、帯電装置１１１と、風洞体１１２と、気体流発生装置１１３と、原料供給路１１４と、気体供給路１１５とを備えている。

ノズル１３６は、原料液３００と気体とを同方向に吐出させ、原料液３００を空間中に霧状に流出させる装置であり、第一吐出口１３７と、第二吐出口１３８とを備えている。ノズル１３６は、円柱形状であり、先端は徐々に径が細くなるテーパ状となっている。ノズル１３６は、中心軸を通る第一経路１３９と、第一経路１３９を取り巻くように第二経路１４０を備えている。

第一経路１３９は、基端が原料供給路１１４と接続され、先端は第一吐出口１３７と接続される管路であり、原料液３００を原料供給路１１４から受け取り、原料液３００をノズル１３６の内部に挿通させ、第一吐出口１３７まで案内する機能を備えている。

第二経路１４０は、基端が気体供給路１１５と接続され、先端は第二吐出口１３８と接続される円環状の管路であり、気体を気体供給路１１５から受け取り、気体をノズル１３６の内部であって第一経路１３９の周りに挿通させ、第二吐出口１３８まで案内する機能を備えている。

第一吐出口１３７は、原料液３００を吐出する開口である。本実施の形態の場合、第一吐出口１３７は、ノズル１３６の先端に設けられる円状の開口であり、ノズル１３６の先端面の中央に配置されている。

第二吐出口１３８は、気体を吐出する開口である。本実施の形態の場合、第二吐出口１３８は、ノズル１３６の先端に設けられる円環状の開口であり、ノズル１３６の先端面に設けられる第一吐出口１３７を取り囲むように配置されている。

なお、本実施の形態では、第一吐出口１３７の外周部に第二吐出口１３８を配置したが、本願発明はこれに限定されるわけではない。第二吐出口１３８の外周部に第一吐出口１３７を配置してもかまわない。本願発明では第一吐出口１３７から吐出される原料液３００が第二吐出口１３８から吐出される気体によって微細化されるような第一吐出口１３７と第二吐出口１３８の位置関係であれば、配置、開口形状、数などいかなる態様も採用しうる。

ここで、原料液３００に含まれる溶剤としては、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。

原料液３００に溶質として含まれる高分子物質であり、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。

なお、溶剤や溶質と記載しているが、必ずしも溶質が溶媒に融けている必要はない。例えば微細化された溶質が溶剤中に分散状態で含まれていてもかまわない。また、エマルジョンとなっていてもかまわない。

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。

第二吐出口１３８から吐出される気体は、特に限定されるものではない。例えば、大気や、湿度や温度が調整された大気、窒素ガスや炭酸ガスなどを例示することができる。本実施の形態の場合、ナノファイバ製造装置１００の周りに存在し、湿度と温度を調整され、ポンプ（図示せず）により大気圧よりも圧力が高められた大気が使用されている。圧力範囲であるが、０．１Ｍｐａより高く、１Ｍｐａより低い圧力に設定することが望ましい。

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、付与電極１４１とを備えている。

帯電電極１２１は、付与電極１４１と所定の距離離れて配置され、付与電極１４１との間で所定の高電圧が印加される導体である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、自身がアースに接続されている付与電極１４１に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、接地されている付与電極１４１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、付与電極１４１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付与電極１４１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付与電極１４１には、正の電荷が誘導される。

また、本実施の形態においては、帯電電極１２１は、第一吐出口１３７よりも気体流発生装置１１３が発生させる気体流の風上側に配置されている。これは、原料液３００やナノファイバ３０１が帯電電極１２１に付着するのを回避するためである。しかしながら、これに限定するものではなく、第二吐出口１３８から気体を吐出する方向が、気体流発生装置１１３の発生する気体流の方向と略同じ方向であれば、帯電電極１２１は、第一吐出口１３７を囲むように配置するか、もしくは、第一吐出口１３７よりも気体流発生装置１１３が発生させる気体流の風下側に配置させても、原料液３００やナノファイバ３０１が帯電電極１２１に付着することは少なく、大きな問題にはならない。

なお、帯電電極１２１の形状は、円環状に限ったものではなく、付与電極１４１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やその他の形でもかまわない。

接地装置１２３は、付与電極１４１と電気的に接続され、付与電極１４１を接地電位に維持するための部材群である。接地装置１２３の一端は、付与電極１４１に接続され、他端は大地と接続されている。

帯電電源１２２は、帯電電極１２１と付与電極１４１との間を高電圧にすることのできる電源である。帯電電源１２２は、交流電源でも直流電源でも採用しうる。本実施の形態の場合、帯電電源１２２は、直流電源が採用されている。直流電源を採用することにより、製造されるナノファイバ３０１は一定の極性で帯電し、ナノファイバ３０１の帯電極性と逆極性の電位を印加した電極でナノファイバ３０１を容易に誘引することができるため好ましい。また、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。

なお、本願発明においては、付与電極１４１と帯電電極１２１との間の電界強度が重要であり、帯電電極１２１と付与電極１４１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付与電極１４１と帯電電極１２１との配置、及び、印加電圧を調整するのが好ましい。すなわち、前記帯電電極１２１と付与電極１４１間に所定の電位差が発生するように調整される。また、付与電極１４１と帯電電極１２１との間で放電が発生しないように調整する。

本実施の形態のように帯電装置１１１に誘導方式、すなわち付与電極１４１と帯電電極１２１との一方の電極を接地電位とする方式を採用することが好ましい。この方式を採用すれば、いずれか一方の電極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。例えば、付与電極１４１が接地電位の状態であれば、付与電極１４１に接続されるノズル１３６や、原料供給路１１４、気体供給路１１５などの部材や、これらに接続されるポンプ（図示せず）やタンク（図示せず）を付与電極１４１から電気的に絶縁する必要が無くなり、ノズル１３６として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。

気体流発生装置１１３は、第二吐出口１３８から吐出される気体流に加えて、第一吐出口１３７から吐出される原料液３００やナノファイバ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、放出装置１０１の基端部に備えられ、基端部からノズル１３６が配置される先端に向かう気体流を発生させる。具体的には、気体流発生装置１１３は、約毎分３０立米の風量を発生させている。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、後述する吸引装置１３２により風洞体１１２や案内装置１０２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とノズル１３６との間に案内する導管である。

さらにまた、放出装置１０１は、加熱装置１２５を備えている。

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。

原料供給路１１４は、外部にある原料液３００用タンク（図示せず）からノズル１３６の内方であって第一経路１３９に圧送される原料液３００を供給するための経路である。本実施の形態の場合、原料供給路１１４は管体で形成されている。

気体供給路１１５は、送風機（図示せず）からノズル１３６の内方であって第二経路１４０に所定の圧力を有した状態で、圧送される気体を供給するための経路である。本実施の形態の場合、気体供給路１１５は管体で形成されている。

図４は、案内装置と収集装置の近傍を抜き出して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。

（図１の参照に戻る。）
誘引装置１０６は、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引装置１０６は、異なる誘引方式を同時、または、選択的に実施できるように、気体誘引装置１４２と、電界誘引装置１３３とを備えている。

気体誘引装置１４２は、気体流を吸引することによりナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引する装置であり、被堆積部材１２８の後方に配置されている。本実施の形態の場合、気体誘引装置１４２は吸引装置１３２と集中体１３１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。

電界誘引装置１３３は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により被堆積部材１２８に誘引する装置であり、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。しかしながら、誘引電極１３４で使用している金属製の網は、これに限定するものではなく、所定の幅を有する板形状の電極やブラシ形状を有する電極等でもよい。被堆積部材１２８を通過した気体流が吸引装置１３２に吸引されるような間隙があればよい。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。

なお、帯電電源１２２が交流電源の場合は、誘引電源１３５を交流電源としても良い。

また、本実施の形態の場合、ナノファイバ製造装置１００は、吸引装置１３２の排気側に回収装置１０５を備えている。

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。

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を稼働させ、案内装置１０２の内方に一定方向の気体流を発生させる（気体流発生工程）。

次に、ノズル１３６内方の第一経路１３９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、ポンプ（図示せず）によって圧力が高められ、原料供給路１１４や第一経路１３９を通過して第一吐出口１３７から所定の圧力で吐出される（第一吐出工程）。具体的には、ナノファイバ３０１を構成する高分子材料は、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。

前記第一吐出工程とほぼ同時期に、ノズル１３６内方の第二経路１４０に気体を供給する（原料液供給工程）。気体は、ナノファイバ製造装置１００の近傍にある大気であり、送風機（図示せず）によって圧力が高められ、気体供給路１１５や第二経路１４０を通過して第二吐出口１３８から所定の圧力で吐出される（第二吐出工程）。

前記第一吐出工程とほぼ同時期に、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付与電極１４１には電荷が集中し、当該電荷が第一吐出口１３７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）。

具体的には、第一吐出口１３７の孔径は０．３ｍｍであった。また、原料液３００は、所定の圧力により圧送した。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、付与電極１４１には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液３００が第二吐出口１３８から吐出された気体により微細化され霧状に流出することとなる。

ノズル１３６から霧状に流出した原料液３００は、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に向かおうとするほとんどの原料液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）。

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、ナノファイバ３０１は、第二吐出口１３８から吐出される気体流と、気体流発生装置１１３により得られる気体流とが合わさって、大量の気体流により搬送され、案内装置１０２によって所定の空間に限定された状態で案内される。案内装置１０２の内方を案内されているナノファイバ３０１は、所定の空間内で均等に分散することとなる。従って、空間的に均等に分散したナノファイバ３０１を被堆積部材１２８で収集することで、被堆積部材１２８上にナノファイバ３０１を均等に堆積させることが可能となる。従って、厚さが均一で品質が安定したナノファイバ３０１からなる不織布を製造することができ、均等に収集されたナノファイバ３０１から糸を紡ぐことで、長さ方向に品質が安定した糸を得ることが可能となる。

なお、上記実施の形態では、放出装置１０１にノズル１３６を一つ備えて原料液３００を流出させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。

図５は、放出装置１０１の別態様を模式的に示す断面図である。

同図に示すように、放出装置１０１は、第一吐出口１３７と、第二吐出口１３８とを備えるノズル１３６を複数個備えており、第一吐出口１３７と球状の帯電電極１２１との距離が等しくなるようにノズル１３６が配置されている。なお、付与電極１４１は、第一吐出口１３７の先端にのみ取り付けられている。

気体流発生装置１１３は、第一吐出口１３７から吐出される原料液３００の吐出方向と交差する方向（図中矢印方向）に気体流を発生させている。

これにより、帯電電極１２１と複数ある付与電極１４１とは等距離にあるため、いずれの付与電極１４１にも均等に電荷が誘導される。従って第一吐出口１３７から吐出される原料液３００は、均等に帯電し、均等に静電延伸現象が発生する。

また、ノズル１３６から吐出される方向と交差する方向に原料液３００やナノファイバ３０１が搬送されるため、ノズル１３６の吐出特性（第一吐出口１３７前方部の原料液３００の密度が薄くなる等）がキャンセルされた状態で案内装置１０２に搬送される。しかも、複数のノズル１３６によって大量の原料液３００やナノファイバ３０１が搬送されるため、大量かつ均等にナノファイバ３０１を収集することができる。

なお、付与電極１４１と帯電電極１２１との距離は、電荷が付与電極１４１に集中するように、最短になるように設計することが望ましい。特に、付与電極１４１から原料液３００が流出する部分は、先端が尖っていることが望ましく、付与電極１４１の尖端部と帯電電極１２１間の距離が最短になるようにすることが望ましい。

以上によって、高品質のナノファイバ３０１を高い生産性で生産することが可能となる。

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。 案内装置と収集装置の近傍を抜き出して模式的に示す斜視図である。 放出装置１０１の別態様を模式的に示す断面図である。

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
１０５ 回収装置
１０６ 誘引装置
１１１ 帯電装置
１１２ 風洞体
１１３ 気体流発生装置
１１４ 原料供給路
１１５ 気体供給路
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２３ 接地装置
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 電界誘引装置
１３４ 誘引電極
１３５ 誘引電源
１３６ ノズル
１３７ 第一吐出口
１３８ 第二吐出口
１３９ 第一経路
１４０ 第二経路
１４１ 付与電極
１４２ 気体誘引装置
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (5)

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、
   原料液を吐出する第一吐出口と、
   前記第一吐出口の近傍に配置され、前記第一吐出口の吐出方向と同方向に気体を吐出する第二吐出口と、
   原料液を帯電させる帯電装置と、
   前記第一吐出口から吐出され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を備え、
   前記帯電装置は、
   前記第一吐出口に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、
   前記第一吐出口と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源とを備え、
   前記帯電電極は、前記第一吐出口よりも前記気体流発生装置が発生させる気体流の風上側に配置される
   ナノファイバ製造装置。
2. 前記第一吐出口は、吐出する原料液と気体流発生装置により発生する気体流とが交差し、原料液の飛行方向が変更されるように配置される請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. さらに、
   前記第一吐出口が先端に設けられるノズルを複数備え、
   全ての前記第一吐出口と前記帯電電極との距離が等しくなるように前記ノズルが配置される
   請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
4. さらに、
   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、
   ナノファイバを前記収集装置に誘引する誘引装置と
   を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記案内装置は、ナノファイバを案内する断面積が徐々に広がる拡散体を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。

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