JP5815228B2 - 電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置に関する。

従来、ノズルを接地した状態でコレクターに高電圧を印加して電界紡糸をする電界紡糸装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図９は、特許文献１に記載された電界紡糸装置９００を説明するために示す図である。特許文献１に記載された電界紡糸装置９００は、図９に示すように、ポリマー溶液を貯蔵する原料タンク９０１と、ポリマー溶液を吐出する紡糸ノズル９０４及びガス流れを形成するガスノズル９０６を有するノズルブロック９０２と、導電性要素からなるコレクター９２０と、収集基材９１８を搬送するための繰り出しロール９２４及び巻き取りロール９２６とを備える。なお、図９中、符号９１２は吸引ブロアを示し、符号９１４はガス収集管を示し、符号９２２は支持部材を示す。

特許文献１に記載された電界紡糸装置９００においては、コレクター９２０に負の高電圧を印加するとともにノズルブロック９０２を接地した状態で紡糸ノズル９０４からポリマー溶液を吐出することにより、搬送されていく収集基材上にナノ繊維を電界紡糸する。

特許文献１に記載された電界紡糸装置９００によれば、ノズルブロック９０２をはじめとして「紡糸ノズル９０４から吐出される前のポリマー溶液」、「ポリマー溶液を貯蔵する原料タンク９０１」、「ポリマー溶液を原料タンク９０１からノズルブロック９０２まで移送するポリマー溶液移送機構（例えば、配管や送りポンプなど。）」のすべてが接地電位となるため、原料タンク９０１やポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にする必要がなくなる。従って、原料タンク９０１やポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にものにすることに起因して電界紡糸装置の機構が複雑化することがなくなる。

また、特許文献１に記載された電界紡糸装置９００によれば、比較的単純な形状・構造にすることが可能なコレクター９２０に高電圧を印加するとともに、比較的複雑な形状・構造を有するノズルブロック９０２を接地した状態で電界紡糸するため、望ましくない放電や電圧降下を起こし難くなり、常に安定した条件の下で電界紡糸することが可能となる。

特開２００８−５０６８６４号公報

しかしながら、本発明の発明者の研究によれば、特許文献１に記載された電界紡糸装置のように、コレクターに高電圧を印加するとともにノズルブロックを接地した状態で電界紡糸する機構を有する電界紡糸装置であっても、実際上、コレクターと筐体その他の部材との間の絶縁が不十分になり易く、所望の性能を有するナノ繊維を製造するためにノズルブロックとコレクターとの間に極めて高い電圧（例えば３５ｋＶ）を印加して電界紡糸を行うような場合には、コレクターと筐体その他の部材との間で絶縁破壊が起こったり、絶縁破壊が起こらないまでもリーク電流が望ましくないレベルにまで大きくなったりする場合があることがわかった。そうなると、結局、電界紡糸装置の運転を停止する必要が生じてしまうため、電界紡糸装置を長時間にわたって連続して運転することが困難となり、ひいては、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが困難となる。

そこで、本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能な電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置を提供することを目的とする。

［１］本発明の電界紡糸装置は、導電性を有する筐体と、前記筐体に絶縁部材を介して取り付けられたコレクターと、前記コレクターに対向する位置に位置し、ポリマー溶液を吐出する複数のノズルを有するノズルブロックと、前記ノズルブロックと前記コレクターとの間に高電圧を印加する電源装置とを備え、前記電源装置の正電極及び負電極のうち一方の電極は、前記コレクターに接続され、前記電源装置の正電極及び負電極のうち他方の電極は、前記ノズルブロック及び前記筐体に接続された電界紡糸装置であって、前記ノズルブロック側から前記コレクターを見たとき、前記絶縁部材の外周は、前記コレクターの外周よりも外側に位置し、前記絶縁部材の厚さを「ａ」とし、前記絶縁部材の外周と前記コレクターの外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たすことを特徴とする。

本発明の電界紡糸装置によれば、筐体又はノズルブロックを接地することにより、ノズルブロックをはじめとして「ノズルから吐出される前のポリマー溶液」、「ポリマー溶液を貯蔵する原料タンク」、「ポリマー溶液を原料タンクからノズルブロックまで移送するポリマー溶液移送機構（例えば、配管や送りポンプなど。）」のすべてが接地電位となるため、特許文献１に記載された電界紡糸装置の場合と同様に、原料タンクやポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にする必要がなくなる。従って、原料タンクやポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にものにすることに起因して電界紡糸装置の機構が複雑化することがなくなる。

また、本発明の電界紡糸装置によれば、ノズルブロック側からコレクターを見たとき、絶縁部材の外周は、コレクターの外周よりも外側に位置し、絶縁部材の厚さを「ａ」とし、絶縁部材の外周と前記コレクターの外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たすため、コレクターと筐体その他の部材との間の絶縁が十分良好なものとなり、後述する試験例からも明らかなように、ノズルブロックとコレクターとの間に３５ｋＶを印加して電界紡糸を行うような場合であっても、コレクターと筐体その他の部材との間で絶縁破壊が起こらなくなる。また、リーク電流を所定範囲内にとどめることができる。その結果、本発明の電界紡糸装置によれば、電界紡糸装置の運転を停止する必要が生じる頻度を極めて低いレベルにまで低減することが可能となるため、電界紡糸装置を長時間にわたって連続して運転することが可能となり、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

また、本発明の電界紡糸装置によれば、リーク電流を所定範囲内にとどめることができることが可能となるため、電源装置からの供給電流を常時監視することによって、電界紡糸装置の異常を早期発見することが可能となるという効果も得られる。

［２］本発明の電界紡糸装置においては、「ａ≧８ｍｍ」を満たすことが好ましい。

このような構成とすることにより、後述する試験例からも明らかなように、ノズルブロックとコレクターとの間に４０ｋＶを印加して電界紡糸を行うような場合であっても、コレクターと筐体その他の部材との間で絶縁破壊が起こらなくなる。また、リーク電流を所定範囲内にとどめることができる。

［３］本発明の電界紡糸装置においては、「ａ＋ｂ≧８０ｍｍ」を満たすことが好ましい。

このような構成とすることにより、後述する試験例からも明らかなように、ノズルブロックとコレクターとの間に４０ｋＶを印加して電界紡糸を行うような場合であっても、コレクターと筐体その他の部材との間で絶縁破壊が起こらなくなる。また、リーク電流を所定範囲内にとどめることができる。

［４］本発明の電界紡糸装置においては、前記絶縁部材は、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン又はポリエチレンからなることが好ましい。

これらの材料は、高い絶縁性能、高い機械的強度及び高い加工性とを兼ね備えた材料であり、本発明の電界紡糸装置の絶縁部材として好適に用いることができる。

［５］本発明の電界紡糸装置においては、前記電界紡糸装置は、温度２０℃〜４０℃、湿度２０％〜６０％の雰囲気に調整された部屋に設置されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、リーク電流を安定して低いレベルに維持することが可能となる。

［６］本発明の電界紡糸装置においては、前記複数のノズルの上端から前記コレクターまでの距離を「ｃ」としたとき、「ｃ≧６０ｍｍ」を満たすことが好ましい。

このような構成とすることにより、極めて極細のナノ繊維を製造することが可能となる。なお、本発明の電界紡糸装置においては、「３００ｍｍ≧ｃ≧１００ｍｍ」を満たすことがより好ましい。

［７］本発明の電界紡糸装置においては、前記ノズルブロックは、前記複数のノズルとして、ポリマー溶液を吐出口から上向きに吐出する複数の上向きノズルを有し、前記電界紡糸装置は、前記複数の上向きノズルの吐出口からポリマー溶液をオーバーフローさせながら前記複数の上向きノズルの吐出口から前記ポリマー溶液を吐出してナノ繊維を電界紡糸するとともに、前記複数の上向きノズルの吐出口からオーバーフローした前記ポリマー溶液を回収して前記ナノ繊維の原料として再利用することが可能であることが好ましい。

このような構成とすることにより、複数の上向きノズルの吐出口からポリマー溶液を吐出してナノ繊維を電界紡糸することが可能となるため、特許文献１に記載された下向きノズルを用いた電界紡糸装置の場合に見られるようなドロップレット現象が発生することがなく、高品質なナノ繊維を製造することが可能となる。
また、複数の上向きノズルの吐出口からポリマー溶液をオーバーフローさせながらナノ繊維を電界紡糸することが可能となるため、常に十分な量のポリマー溶液が上向きノズルに供給され、均一な品質を有するナノ繊維を製造することが可能となる。
また、複数の上向きノズルの吐出口からオーバーフローしたポリマー溶液を回収してナノ繊維の原料として再利用することが可能となるため、原料の使用料を減らすことが可能となる結果、安価な製造コストでナノ繊維を製造することが可能となる。また、このことは省資源化の流れにも沿うものとなる。

なお、このような上向きノズルを有するノズルブロックはポリマー溶液を回収するための機構が必要となるが、これらの機構も高耐電圧仕様にする必要がないため、これらの機構を高耐電圧仕様にものにすることに起因してこれらの機構が特別に複雑化することもない。

［８］本発明のナノ繊維製造装置は、繰り出し機構と、巻き取り機構を有し、長尺シートを搬送する搬送装置と、前記搬送装置により搬送されていく長尺シートにナノ繊維を堆積させる電界紡糸装置とを備えるナノ繊維製造装置であって、前記電界紡糸装置は、本発明の電界紡糸装置であることが好ましい。

本発明のナノ繊維製造装置によれば、本発明の電界紡糸装置を備えるため、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

［９］本発明のナノ繊維製造装置においては、前記電界紡糸装置として、前記長尺シートの搬送方向に沿って直列に配置された複数の電界紡糸装置を備えることが好ましい。

本発明のナノ繊維製造装置によれば、複数の電界紡糸装置を備えるため、当該複数の電界紡糸装置を用いてナノ繊維を製造することが可能となり、高い生産性でナノ繊維を大量生産することが可能となる。

ところで、複数の電界紡糸装置を備えるナノ繊維製造装置においては、複数の電界紡糸装置のうちいずれか１つの電界紡糸装置についてでも、コレクターと筐体その他の部材との間で絶縁破壊が起こったり、絶縁破壊が起こらないまでもリーク電流が望ましくないレベルにまで大きくなったりすると、電界紡糸装置の運転を停止する必要が生じてしまうため、ナノ繊維製造装置を長時間にわたって連続して運転することが難しいと考えられる。しかしながら、本発明のナノ繊維製造装置によれば、従来よりも長時間にわたって連続して運転することが可能な本発明の電界紡糸装置を備えるため、ナノ繊維製造装置を長時間にわたって連続して運転することが可能となり、ひいては、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

本発明の電界紡糸装置又はナノ繊維製造装置によれば、高機能・高感性テキスタイルなどの衣料品、ヘルスケア、スキンケアなど美容関連用品、ワイピングクロス、フィルターなど産業資材、二次電池のセパレーター、コンデンサーのセパレーター、各種触媒の担体、各種センサー材料などの電子・機械材料、再生医療材料、バイオメディカル材料、医療用ＭＥＭＳ材料、バイオセンサー材料などの医療材料、その他の幅広い用途に使用可能なナノ繊維を製造することができる。

実施形態に係るナノ繊維製造装置１を説明するために示す図である。 実施形態に係る電界紡糸装置２０を説明するために示す図である。 実施形態に係る電界紡糸装置２０の要部拡大図である。 実施形態における主制御装置６０の動作を説明するために示す図である。 実施形態における主制御装置６０の動作を説明するために示す図である。 試験例１における実験結果を示す図である。 試験例２における実験結果を示す図である。 電界紡糸装置２０ａを説明するために示す図である。 従来の電界紡糸装置９００を説明するために示す図。

以下、本発明の電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置について、図に示す実施形態に基づいて説明する。

１．実施形態に係る電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置
図１は、実施形態に係るナノ繊維製造装置１を説明するために示す図である。図１（ａ）はナノ繊維製造装置１の正面図であり、図１（ｂ）はナノ繊維製造装置１の平面図である。図２は、実施形態における電界紡糸装置２０を説明するために示す図である。図３は、実施形態に係る電界紡糸装置２０の要部拡大図である。図３（ａ）は電界紡糸装置２０の要部拡大断面図であり、図３（ｂ）は電界紡糸装置２０の要部拡大平面図である。
図４は及び図５は、実施形態における主制御装置６０の動作を説明するために示す図である。なお、図１及び図２においては、ポリマー溶液供給部及びポリマー溶液回収部の図示を省略してある。また、図１（ａ）においては、一部の部材は断面図で示している。

実施形態に係るナノ繊維製造装置１は、図１に示すように、長尺シートＷを所定の搬送速度Ｖで搬送する搬送装置１０と、搬送装置１０により長尺シートＷが搬送されていく所定の搬送方向Ａに沿って直列に配置された複数の電界紡糸装置２０と、通気度計測装置４０と、「搬送装置１０、電界紡糸装置２０、後述する加熱装置３０、通気度計測装置４０、後述するＶＯＣ処理装置７０、後述する不活性ガス供給装置１９０、ポリマー供給装置及びポリマー回収装置」を制御する主制御装置６０とを備える。

実施形態に係るナノ繊維製造装置１においては、電界紡糸装置として、長尺シートＷが搬送されていく所定の搬送方向Ａに沿って直列に配置された４台の電界紡糸装置２０を備える。

実施形態に係るナノ繊維製造装置１は、電界紡糸装置２０と通気度計測装置４０との間に配置され、ナノ繊維を堆積させた長尺シートＷを加熱する加熱装置３０と、長尺シートＷにナノ繊維を堆積させる際に発生する揮発性成分を燃焼して除去するＶＯＣ処理装置７０と、主制御装置６０からの信号を受信し、異常が検出された電界紡糸装置２０における電界紡糸室１０２に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置１９０（図４参照）とをさらに備える。

搬送装置１０は、図１に示すように、長尺シートＷを繰り出す繰り出しローラー１１及び長尺シートＷを巻き取る巻き取りローラー１２並びに繰り出しローラー１１と巻き取りローラー１２との間に位置する補助ローラー１３，１８及び駆動ローラー１４，１５，１６，１７を備える。繰り出しローラー１１、巻き取りローラー１２及び駆動ローラー１４，１５，１６，１７は、図示しない駆動モーターにより回転駆動される構造となっている。

電界紡糸装置２０は、図２に示すように、導電性を有する筐体１００と、筐体１００に絶縁部材１５２を介して取り付けられたコレクター１５０と、コレクター１５０に対向する位置に位置し、ポリマー溶液を吐出する複数のノズル１１２を有するノズルブロック１１０と、コレクター１５０とノズルブロック１１０との間に高電圧（例えば１０ｋＶ〜５０ｋＶ）を印加する電源装置１６０と、コレクター１５０とノズルブロック１１０とを覆う所定の空間を画定する電界紡糸室１０２と、長尺シートＷが搬送されるのを補助する補助ベルト装置１７０とを備える。

ノズルブロック１１０は、図２及び図３に示すように、複数のノズル１１２として、ポリマー溶液を吐出口から上向きに吐出する複数の上向きノズル１１２を有する。そして、ナノ繊維製造装置１は、複数の上向きノズル１１２の吐出口からポリマー溶液をオーバーフローさせながら複数の上向きノズル１１２の吐出口からポリマー溶液を吐出してナノ繊維を電界紡糸するとともに、複数の上向きノズル１１２の吐出口からオーバーフローしたポリマー溶液を回収してナノ繊維の原料として再利用することが可能となるように構成されている。複数の上向きノズル１１２は、例えば、１．５ｃｍ〜６．０ｃｍのピッチで配列されている。複数の上向きノズル１１２の数は、例えば、３６個（縦横同数に配列した場合、６個×６個）〜２１９０４個（縦横同数に配列した場合、１４８個×１４８個）である。また、ノズルブロック１１０は、直接接地されているか、筐体１００を介して接地されている。本発明の電界紡糸装置には様々な大きさ及び様々な形状を有するノズルブロックを用いることができるが、ノズルブロック１１０は、例えば、上面から見たときに一辺が０．５ｍ〜３ｍの長方形（正方形を含む）に見える大きさ及び形状を有する。

コレクター１５０は、上記したように、導電性を有する筐体１００に絶縁部材１５２を介して取り付けられている。電源装置１６０の正極は、コレクター１５０に接続され、電源装置１６０の負極は、ノズルブロック１１０及び筐体１００に接続されている。そして、図３に示すように、ノズルブロック１１０側からコレクター１５０を見たとき、絶縁部材１５２の外周はコレクター１５０の外周よりも外側に位置し、絶縁部材１５２の厚さを「ａ」とし、絶縁部材１５２の外周とコレクター１５０の外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たす。

絶縁部材１５２は、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン又はポリエチレンからなる。

複数のノズル１１２の上端からコレクター１５０までの距離を「ｃ」としたとき、「ｃ≧６０ｍｍ」を満たす。

電源装置１６０は、図４及び図５に示すように、電流供給部１６４と、電流供給部１６４からの電流を計測する電流計測部１６６と、電流供給部１６４の動作を制御するとともに電流計測部１６６からの計測結果を処理する制御部１６２とを備える。そして、電源装置１６０は、コレクター１５０と複数のノズル１１２との間に高電圧を印加するとともに、電源装置１６０から供給される電流量を計測し、計測値を主制御装置６０へ送信する。また、主制御装置６０から電流供給停止信号を受信したときには電力供給を停止する。

補助ベルト装置１７０は、図２に示すように、長尺シートＷの搬送速度に同期して回転する補助ベルト１７２と、補助ベルト１７２の回転を助ける５つの補助ベルト用ローラー１７４とを有する。５つの補助ベルト用ローラー１７４のうち１つ又は２つ以上の補助ベルト用ローラー１７４が駆動ローラーであり、残りの補助ベルト用ローラーが従動ローラーである。コレクター１５０と長尺シートＷとの間に補助ベルト１７２が配設されているため、長尺シートＷは、正の高電圧の印加されているコレクター１５０に引き寄せられることなくスムーズに搬送されるようになる。

電界紡糸装置２０は、温度２０℃〜４０℃、湿度２０％〜６０％の雰囲気に調整された部屋に設置されている。

加熱装置３０は、電界紡糸装置２０と通気度計測装置４０との間に配置され、ナノ繊維を堆積させた長尺シートＷを加熱する。加熱温度は、長尺シートＷやナノ繊維の種類によって異なるが、例えば、長尺シートＷを５０℃〜３００℃の温度に加熱することができる。

通気度計測装置４０は、図５に示すように、ナノ繊維の堆積した長尺シートＷの通気度Ｐを計測する通気度計測部４２と、通気度計測部４２を長尺シートＷの幅方向に沿って所定の周期Ｔで往復移動させる駆動部４３と、駆動部４３及び通気度計測部４２の動作を制御するとともに、通気度計測部４２からの計測結果を受けて処理する制御部４４を備える。駆動部４３及び制御部４４は、本体部４１に配設されている。通気度計測装置４０としては、例えば、一般の通気度計測装置を使用することができる。

不活性ガス供給装置１９０は、図４に示すように、不活性ガスを供給する不活性ガスボンベ１９２と、不活性ガスを各電界紡糸室１０２に供給する不活性ガス供給ライン１９４と、主制御装置６０からの信号に応じて不活性ガスの供給制御を行う開閉バルブ１９６とを備える。

主制御装置６０は、搬送装置１０、電界紡糸装置２０、加熱装置３０、通気度計測装置４０、ＶＯＣ処理装置７０、不活性ガス制御装置１９２、ポリマー供給装置及びポリマー回収装置を制御する。

ＶＯＣ処理装置７０は、長尺シートにナノ繊維を堆積させる際に発生する揮発性成分を燃焼して除去する。

２．実施形態に係るナノ繊維製造装置を用いたナノ繊維製造方法
以下、上記のように構成された実施形態に係るナノ繊維製造装置１を用いてナノ繊維不織布を製造する方法について説明する。

まず、長尺シートＷを搬送装置１０にセットし、その後、長尺シートＷを繰り出しローラー１１から巻き取りローラー１２に向けて所定の搬送速度Ｖで搬送させながら、各電界紡糸装置２０において長尺シートＷにナノ繊維を順次堆積させる。その後、加熱装置３０により、ナノ繊維を堆積させた長尺シートＷを加熱する。これにより、ナノ繊維が堆積した長尺シートからなるナノ繊維不織布が製造される。

このとき、主制御装置６０は、例えば、コレクター１５０とノズルブロック１１０との間に３５ｋＶの電圧を印加した状態で電界紡糸を行っているとき、例えば０．２４ｍＡよりも大きい電流が複数の電源装置１６０のうち１又は複数の電源装置１６０から供給されていることを検知したときには、当該１又は複数の電源装置１６０に対して電流供給を停止させる電流供給停止信号を送信する。

また、主制御装置６０は、当該１又は複数の電源装置１６０に対して電流供給を停止させる電流供給停止信号を送信するときには、長尺シートＷに堆積する単位面積当たりのナノ繊維の累積堆積量を所定の範囲内に収めるために搬送装置１０に対して搬送速度を減速させる搬送速度減速信号を送信する。

このとき、主制御装置６０は、搬送速度を減速させる前の第１期間に電流供給を行っていた電源装置１６０の台数をｎ台とし、搬送速度を減速させた後の第２期間に電力供給を行なう電源装置１６０の台数をｍ台としたとき、第２期間における搬送速度を第１期間における搬送速度の「ｍ／ｎ」倍に制御する。その後、主制御装置６０は、通気度計測装置４０により計測された通気度に基づいて搬送速度をさらに細かく制御する。

なお、搬送速度Ｖの制御は、駆動ローラー１４，１５，１６，１７の回転速度を制御することにより行うことができる。

また、主制御装置６０は、０．２４ｍＡよりも大きい電流が複数の電源装置１６０のうち１又は複数の電源装置１６０から供給されていることを検知したときには、不活性ガス供給装置１９０に対して当該１又は複数の電源装置１６０が属する電界紡糸装置２０における電界紡糸室１０２に不活性ガスを供給させる信号を送信することとしてもよい。

また、主制御装置６０は、例えば０．１８ｍＡよりも小さい電流が複数の電源装置１６０のうち１又は複数の電源装置１６０から供給されていることを検知したときには、当該１又は複数の電源装置１６０が異常状態にある旨の警告（警告音又は警告表示）を出す。

以下に、実施形態に係るナノ繊維製造方法における紡糸条件を例示的に示す。

長尺シートとしては、各種材料からなる不織布、織物、編物などを用いることができる。長尺シートの厚さは、例えば５μｍ〜５００μｍのものを用いることができる。長尺シートの長さは、例えば１０ｍ〜１０ｋｍのものを用いることができる。

ナノ繊維の原料となるポリマーとしては、例えば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリ乳酸グリコール酸（ＰＬＧＡ）、シルク、セルロース、キトサンなどを用いることができる。

ポリマー溶液に用いる溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、クロロホルム、アセトン、水、蟻酸、酢酸、シクロヘキサン、ＴＨＦなどを用いることができる。複数種類の溶媒を混合して用いてもよい。ポリマー溶液には、導電性向上剤などの添加剤を含有させてもよい。

製造するナノ繊維不織布の通気度Ｐは、例えば０．１５ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓ〜２００ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓに設定することができる。搬送速度Ｖは、例えば０．２ｍ／分〜１００ｍ／分に設定することができる。ノズルとコレクター１５０とノズルブロック１１０に印加する電圧は、１０ｋＶ〜８０ｋＶに設定することができる。

紡糸区域の温度は、例えば２５℃に設定することができる。紡糸区域の湿度は、例えば３０％に設定することができる。

３．実施形態に係る電界紡糸装置及びナノ繊維製造装置の効果
実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、筐体１００又はノズルブロック１１０を接地することにより、ノズルブロック１１０をはじめとして「ノズル１１２から吐出される前のポリマー溶液」、「ポリマー溶液を貯蔵する原料タンク」、「ポリマー溶液を原料タンクからノズルブロック１１０まで移送するポリマー溶液移送機構（例えば、配管や送りポンプなど。）」のすべてが接地電位となるため、特許文献１に記載された電界紡糸装置の場合と同様に、原料タンクやポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にする必要がなくなる。従って、原料タンクやポリマー溶液移送機構を高耐電圧仕様にものにすることに起因して電界紡糸装置の機構が複雑化することがなくなる。

また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、ノズルブロック１１０側からコレクター１５０を見たとき、絶縁部材１５２の外周は、コレクター１５０の外周よりも外側に位置し、絶縁部材１５２の厚さを「ａ」とし、絶縁部材１５２の外周とコレクター１５０の外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たすため、コレクター１５０と筐体１００その他の部材との間の絶縁が十分良好なものとなり、後述する試験例からも明らかなように、ノズルブロック１１０とコレクター１５０との間に３５ｋＶを印加して電界紡糸を行うような場合であっても、コレクター１５０と筐体１１０その他の部材との間で絶縁破壊が起こらなくなる。また、リーク電流を所定範囲内にとどめることができる。その結果、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、電界紡糸装置の運転を停止する必要が生じる頻度を極めて低いレベルにまで低減することが可能となるため、電界紡糸装置を長時間にわたって連続して運転することが可能となり、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、リーク電流を所定範囲内にとどめることができることが可能となるため、電源装置１６０からの供給電流を常時監視することによって、電界紡糸装置の異常を早期発見することが可能となるという効果も得られる。

また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、温度２０℃〜４０℃、湿度２０％〜６０％の雰囲気に調整された部屋に設置されているため、リーク電流を安定して低いレベルに維持することが可能となる。

また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、複数のノズル１１２の上端からコレクター１５０までの距離を「ｃ」としたとき、「ｃ≧６０ｍｍ」を満たすため、極めて極細のナノ繊維を製造することが可能となる。

また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、複数の上向きノズル１１２の吐出口からポリマー溶液を吐出してナノ繊維を電界紡糸することが可能となるため、特許文献１に記載された下向きノズルを用いた電界紡糸装置の場合に見られるようなドロップレット現象が発生することがなく、高品質なナノ繊維を製造することが可能となる。
また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、複数の上向きノズル１１２の吐出口からポリマー溶液をオーバーフローさせながらナノ繊維を電界紡糸することが可能となるため、常に十分な量のポリマー溶液が上向きノズルに供給され、均一な品質を有するナノ繊維を製造することが可能となる。
また、実施形態に係る電界紡糸装置２０によれば、複数の上向きノズル１１２の吐出口からオーバーフローしたポリマー溶液を回収してナノ繊維の原料として再利用することが可能となるため、原料の使用料を減らすことが可能となる結果、安価な製造コストでナノ繊維を製造することが可能となる。また、このことは省資源化の流れにも沿うものとなる。

なお、このような上向きノズルを有するノズルブロック１１２はポリマー溶液を回収するための機構が必要となるが、これらの機構も高耐電圧仕様にする必要がないため、これらの機構を高耐電圧仕様にものにすることに起因してこれらの機構が特別に複雑化することもない。

実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、実施形態に係る電界紡糸装置２０を備えるため、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、電界紡糸装置として、長尺シートの搬送方向に沿って直列に配置された複数の電界紡糸装置２０を備えるため、当該複数の電界紡糸装置を用いてナノ繊維を製造することが可能となり、高い生産性でナノ繊維を大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、従来よりも長時間にわたって連続して運転することが可能な本発明の電界紡糸装置を備えるため、ナノ繊維製造装置を長時間にわたって連続して運転することが可能となり、ひいては、所望の性能を有するナノ繊維を安定的に大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、上記した構成の主制御装置６０を備えるため、たとえ長時間にわたって複数の電界紡糸装置２０を連続して運転するうちに、複数の電界紡糸装置２０のうち１つの電界紡糸装置２０についてだけ異常が発生したような場合（所定の第１設定電流量よりも大きい電流が複数の電源装置のうち１又は複数の電源装置から供給されていることを検知した場合）であっても、当該異常を即座に検出することが可能となり、安全性の高いナノ繊維製造装置を実現することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、上記した構成の主制御装置６０を備えるため、たとえ長時間にわたって複数の電界紡糸装置を連続して運転するうちに、複数の電界紡糸装置のうち１つの電界紡糸装置についてだけ異常が発生したような場合であっても、異常が発生した電界紡糸装置の運転を停止させるだけで、残りの電界紡糸装置の運転は停止させないので、ナノ繊維の製造自体を停止しなくても済むようになる。

従って、実施形態に係るナノ繊維製造装置によれば、「電界紡糸装置が異常である」と判定する際の基準を甘く設定する必要がなくなる。よって、安全性を犠牲にすることなく、高い生産性でナノ繊維を大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、上記した構成の主制御装置６０を備えるため、異常が発生した電界紡糸装置の運転を停止させたとしても、それに応じて搬送速度を減速させることにより、長尺シートに堆積する単位面積当たりのナノ繊維の累積堆積量を所定の範囲内に収めることが可能となる。その結果、均一な通気度や均一な厚さを有するナノ繊維不織布を大量生産することが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、主制御装置６０は、第２期間Ｔ２における搬送速度Ｖ２を第１期間Ｔ１における搬送速度Ｖ１の「ｍ／ｎ」倍に減速するため、長尺シートに堆積する単位面積当たりのナノ繊維の累積堆積量を所定の範囲内に収めることが可能となる。

また、実施形態に係るナノ繊維製造装置１によれば、通気度計測装置４０により計測された通気度に基づいて搬送速度を制御することが可能となるため、各電界紡糸装置における単位面積当たりの堆積量に若干のばらつきがあるような場合であっても、均一な通気度を有するナノ繊維不織布を大量生産することが可能となる。

［試験例１］
試験例１は、リーク電流を所定範囲内にとどめるためには、絶縁部材１５２の厚さ「ａ」をどれくらいにすればよいかを明らかにするための試験例である。表１は、試験例１における実験結果を示す表である。図６は、試験例１における実験結果を示すグラフである。

試験例１においては、実施形態における電界紡糸装置２０（但し、厚さ「ａ」は５ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ又は１２ｍｍとした。また、距離「ｂ」は３０ｍｍに固定した。）を用いて、ノズルブロック１１０にポリマー溶液を供給しない状態で、電源装置１６０から供給される電流（この場合リーク電流）が所定の電流（例えば、０．０１ｍＡ、０．０２ｍＡ、０．０３ｍＡ、０．０４ｍＡ、０．０５ｍＡ）となるようにコレクター１５０とノズルブロック１１０との間に電圧を印加する。そして、そのときのリーク電流と印加電圧とをグラフにプロットした。

表１及び図６からも分かるように、絶縁部材１５２の厚さ「ａ」が６ｍｍ以上であれば、コレクター１５０とノズルブロック１１０との間に３５ｋＶの電圧を印加した場合であっても、リーク電流を０．０１ｍＡ程度に抑えることが可能となる。また、絶縁部材１５２の厚さ「ａ」が８ｍｍ以上であれば、コレクター１５０とノズルブロック１１０との間に４０ｋＶの電圧を印加した場合であっても、リーク電流を０．０１ｍＡ程度に抑えることが可能となる。また、絶縁部材１５２の厚さ「ａ」が１２ｍｍ以上であれば、コレクター１５０とノズルブロック１１０との間に４５ｋＶの電圧を印加した場合であっても、リーク電流を０．０１ｍＡ程度に抑えることが可能となる。

［試験例２］
試験例２は、リーク電流を所定範囲内にとどめるためには、「絶縁部材１５２の表面に沿った絶縁部材１５２とコレクター１５０との間隔（ａ＋ｂ）」をどれくらいにすればよいかを明らかにするための試験例である。表２は、試験例２における実験結果を示す表である。図７は、試験例２における実験結果を示すグラフである。

試験例２においては、実施形態における電界紡糸装置２０（但し、間隔「ａ＋ｂ」は４５ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍ、１４０ｍｍ又は１６０ｍｍとした。また、厚さ「ａ」は４０ｍｍに固定した。）を用いて、ノズルプレート１１０にポリマー溶液を供給しない状態で、電源装置１６０から供給される電流（この場合リーク電流）が一定電流（例えば、０．０１ｍＡ、０．０２ｍＡ、０．０３ｍＡ、０．０４ｍＡ、０．０５ｍＡ）となるようにコレクター１５０とノズルブロック１１０との間に電圧を印加する。そして、そのときのリーク電流と印加電圧とをグラフにプロットする。

表２及び図７からも分かるように、「間隔（ａ＋ｂ）」が５０ｍｍ以上であれば、コレクター１５０と上向きノズル１１２との間に３５ｋＶの電圧を印加した場合であっても、リーク電流を０．０１ｍＡ程度に抑えることが可能となる。また、「間隔（ａ＋ｂ）」が８０ｍｍ以上であれば、コレクター１５０と上向きノズル１１２との間に４０ｋＶの電圧を印加した場合であっても、リーク電流を０．０１ｍＡ程度に抑えることが可能となる。

試験例１及び試験例２からも分かるように、絶縁部材１５２の厚さを「ａ」とし、絶縁部材１５２の外周とコレクター１５０の外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たす場合に、電界紡糸に寄与しないリーク電流を極めて低い値に抑制することが可能となる。このため、「電界紡糸装置が異常であると判断する上限の閾値電流量であるところの所定の第１設定電流量と、正常運転時の電流量との差」又は「電界紡糸装置が異常であると判断する下限の閾値電流量であるところの所定の第２設定電流量と、正常運転時の電流量との差」を極めて小さなものにすることが可能となる。その結果、異常の発見をより早期に行うことが可能となり、より一層安全性に優れたナノ繊維製造装置を実現することが可能となる。

以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態においては、電界紡糸装置として４台の電界紡糸装置を備えるナノ繊維製造装置を例にとって本発明のナノ繊維製造装置を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、１台〜３台又は５台以上の電界紡糸装置を備えるナノ繊維製造装置に本発明を適用することもできる。

（２）上記実施形態においては、上向きノズルを有する上向き式電界紡糸装置を用いて本発明のナノ繊維製造装置を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、下向きノズルを有する下向き式電界紡糸装置や横向きノズルを有する横向き式電界紡糸装置を備えるナノ繊維製造装置に本発明を適用することもできる。

（３）上記実施形態においては、電源装置１６０の正極がコレクター１５０に接続され、電源装置１６０の負極がノズルブロック１１０及び筐体１００に接続された電界紡糸装置を用いて本発明のナノ繊維製造装置を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、電源装置の負極がコレクター１５０に接続され、電源装置の正極がノズルブロック１１０及び筐体１００に接続された電界紡糸装置を備えるナノ繊維製造装置に本発明を適用することもできる。

（４）上記実施形態においては、１つの電界紡糸装置に１つのノズルブロックが配設されたナノ繊維製造装置を用いて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図８は、電界紡糸装置２０ａを説明するために示す図である。例えば、図８に示すように、１つの電界紡糸装置２０ａに２つのノズルブロック１１０ａ１，１１０ａ２が配設されたナノ繊維製造装置に本発明を適用することもできるし、２つ以上のノズルブロックが配設されたナノ繊維製造装置に本発明を適用することもできる。

この場合、全てのノズルブロックでノズル配列ピッチを同一にすることもできるし、各ノズルブロックでノズル配列ピッチを異ならせることもできる。また、すべてのノズルブロックでノズルブロックの高さ位置を同一にすることもできるし、各ノズルブロックでノズルブロックの高さ位置を異ならせることもできる。

（５）本発明のナノ繊維製造装置においては、長尺シートの幅方向に沿ってノズルブロックを所定の往復運動周期で往復運動させる機構を備えていてもよい。当該機構を用いてノズルブロックを所定の往復運動周期で往復運動させながら電界紡糸を行うことにより、長尺シートの幅方向に沿ったポリマー繊維の堆積量を均一化することができる。この場合、ノズルブロックの往復運動周期や往復距離を、電界紡糸装置毎又はノズルブロック毎に独立して制御可能としてもよい。このような構成とすることにより、すべてのノズルブロックを同じ周期で往復運動させることもできるし、各ノズルブロックを異なる周期で往復運動させることもできる。また、すべてのノズルブロックで往復運動の往復距離を同一にすることもできるし、各ノズルブロックで往復運動の往復距離を異ならせることもできる。

１…ナノ繊維製造装置、１０…搬送装置、１１…繰り出しローラー、１２…巻き取りローラー、１３，１８…補助ローラー、１４，１５，１６，１７…駆動ローラー、２０…電界紡糸装置、３０…加熱装置、３２…ヒーター、４０…通気度計測装置、６０…主制御装置、７０…ＶＯＣ処理装置、１００…筐体、１０２…電界紡糸室、１１０…ノズルブロック、１１２…ノズル、１５０…コレクター、１５２…絶縁部材、１６０…電源装置、１７０…補助ベルト装置、１７２…補助ベルト、１７４…補助ベルト用ローラー、１９０…不活性ガス供給装置、１９２…不活性ガスボンベ、１９４…不活性ガス供給ライン、１９６…開閉バルブ、Ａ…搬送方向、Ｗ…長尺シート

Claims (9)

1. 導電性を有する筐体と、
   前記筐体に絶縁部材を介して取り付けられたコレクターと、
   前記コレクターに対向する位置に位置し、ポリマー溶液を吐出する複数のノズルを有するノズルブロックと、
   前記ノズルブロックと前記コレクターとの間に高電圧を印加する電源装置とを備え、
   前記電源装置の正電極及び負電極のうち一方の電極は、前記コレクターに接続され、
   前記電源装置の正電極及び負電極のうち他方の電極は、前記ノズルブロック及び前記筐体に接続された電界紡糸装置であって、
   前記ノズルブロック側から前記コレクターを見たとき、前記絶縁部材の外周は、前記コレクターの外周よりも外側に位置し、
   前記絶縁部材の厚さを「ａ」とし、前記絶縁部材の外周と前記コレクターの外周との距離を「ｂ」としたとき、「ａ≧６ｍｍ」を満たし、かつ、「ａ＋ｂ≧５０ｍｍ」を満たすことにより、前記ノズルブロックと前記コレクターとの間に３５ｋＶ以下の電圧を印加したときリーク電流が０．０１ｍＡ以下となる電界紡糸装置。
2. 請求項１に記載の電界紡糸装置において、
   「ａ≧８ｍｍ」を満たすことを特徴とする電界紡糸装置。
3. 請求項１又は２に記載の電界紡糸装置において、
   「ａ＋ｂ≧８０ｍｍ」を満たすことを特徴とする電界紡糸装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電界紡糸装置において、
   前記絶縁部材は、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン又はポリエチレンからなることを特徴とするナノ電界紡糸装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電界紡糸装置において、
   前記電界紡糸装置は、温度２０℃〜４０℃、湿度２０％〜６０％の雰囲気に調整された部屋に設置されていることを特徴とする電界紡糸装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電界紡糸装置において、
   前記複数のノズルの上端から前記コレクターまでの距離を「ｃ」としたとき、「ｃ≧６０ｍｍ」を満たすことを特徴とする電界紡糸装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の電界紡糸装置において、
   前記ノズルブロックは、前記複数のノズルとして、ポリマー溶液を吐出口から上向きに吐出する複数の上向きノズルを有し、
   前記電界紡糸装置は、前記複数の上向きノズルの吐出口からポリマー溶液をオーバーフローさせながら前記複数の上向きノズルの吐出口から前記ポリマー溶液を吐出してナノ繊維を電界紡糸するとともに、前記複数の上向きノズルの吐出口からオーバーフローした前記ポリマー溶液を回収して前記ナノ繊維の原料として再利用することが可能であることを特徴とする電界紡糸装置。
8. 繰り出し機構と、巻き取り機構を有し、長尺シートを搬送する搬送装置と、
   前記搬送装置により搬送されていく長尺シートにナノ繊維を堆積させる電界紡糸装置とを備えるナノ繊維製造装置であって、
   前記電界紡糸装置は、請求項１〜７のいずれかに記載の電界紡糸装置であることを特徴とするナノ繊維製造装置。
9. 請求項８に記載のナノ繊維製造装置において、
   前記電界紡糸装置として、前記長尺シートの搬送方向に沿って直列に配置された複数の電界紡糸装置を備えることを特徴とするナノ繊維製造装置。

Images