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WO2010038362A1 - ナノファイバ製造方法、及び製造装置 - Google Patents

ナノファイバ製造方法、及び製造装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2010038362A1
WO2010038362A1 PCT/JP2009/004480 JP2009004480W WO2010038362A1 WO 2010038362 A1 WO2010038362 A1 WO 2010038362A1 JP 2009004480 W JP2009004480 W JP 2009004480W WO 2010038362 A1 WO2010038362 A1 WO 2010038362A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
raw material
material liquid
container
pores
space
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/004480
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
黒川崇裕
住田寛人
石川和宜
横山政秀
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Priority to US13/062,123 priority Critical patent/US8524140B2/en
Priority to CN2009801346540A priority patent/CN102084043B/zh
Priority to JP2010531713A priority patent/JPWO2010038362A1/ja
Publication of WO2010038362A1 publication Critical patent/WO2010038362A1/ja

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    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0069Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the spinning section, e.g. capillary tube, protrusion or pin
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/18Formation of filaments, threads, or the like by means of rotating spinnerets
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4382Stretched reticular film fibres; Composite fibres; Mixed fibres; Ultrafine fibres; Fibres for artificial leather
    • D04H1/43838Ultrafine fibres, e.g. microfibres
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning

Definitions

  • the present invention relates to a nanofiber manufacturing method and manufacturing apparatus, and more particularly to a technique for manufacturing nanofibers using an electrospinning method.
  • the electrospinning method charge-induced spinning method
  • a raw material liquid in which a polymer material is dispersed or dissolved in a solvent is discharged into the air.
  • the raw material liquid is charged with a high voltage at the time of discharge, the raw material liquid is electrically stretched in the air to obtain a nanofiber (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 2 proposes a manufacturing apparatus that discharges a raw material liquid from a rotary container and manufactures nanofibers by an electrospinning method.
  • this apparatus has a spray head 102 having at least one extrusion element 101 on the peripheral wall, and a cylindrical collection body 103 having the spray head 102 disposed therein.
  • a voltage is applied between the spray head 102 and the collector 103 by the high voltage power source 104 so that an electric field is generated therebetween.
  • the spray head 102 is rotated.
  • the raw material liquid 106 supplied to the inside of the spray head 102 via the tube 105 is extracted from the tip of the extrusion element 101 by an electric field, and nanofibers are generated.
  • the generated nanofibers are deposited and collected on the inner peripheral surface of the collection body 103.
  • Patent Document 3 proposes a technique for rotating a cylindrical container having a large number of pores in the peripheral wall and discharging the nanofiber raw material liquid from the pores by centrifugal force.
  • a nanofiber raw material liquid 114 is supplied into a cylindrical container 111 having a large number of pores 113 on a peripheral wall by a supply pipe 112 having holes 112 a on the peripheral wall. Supply. And the container 111 is rotated and the raw material liquid 114 is discharge
  • Patent Document 4 the present inventors have arranged a technique in which an annular electrode 122 is arranged around a grounded cylindrical container 121 and a high voltage is applied between them. Developed and implemented this. As a result, a larger charge can be induced in the container 121. Therefore, sufficient charge for the electrostatic stretching phenomenon can be given to the raw material liquid ejected from the pores of the container 121 regardless of some variation in the ejection amount. Therefore, it is possible to manufacture a high-quality nanofiber that does not contain a lump of polymer material as a raw material.
  • the raw material liquid discharged radially in the radial direction of the container 121 is deflected in the traveling direction by the air flow 123 in a direction substantially perpendicular thereto.
  • a grounded drum 124 is disposed ahead of the deflected raw material liquid.
  • the drum 124 is charged by applying a high voltage to the annular electrode 122, and the raw material liquid or the fibrous material generated therefrom is attracted to the drum 124.
  • a long band-shaped collection body 125 is disposed between the container 121 and the drum 124.
  • the fibrous material drawn to the drum 124 is collected by being deposited on the collector 125 that is fed in the longitudinal direction.
  • the nanofiber raw material liquid is discharged through the nozzle (extrusion element 101) provided on the peripheral wall of the cylindrical container (spray head 102). For this reason, sufficient charge is given to the raw material liquid at the tip of the nozzle where the charge is concentrated. Therefore, a sufficient charge to cause the electrostatic stretching phenomenon can be given to the raw material liquid relatively easily.
  • the spray head 102 rotates, and the raw material liquid is discharged from the extrusion element 101 by centrifugal force due to the rotation.
  • centrifugal force also acts on the inner raw material liquid itself. Due to the centrifugal force, a large amount of the raw material liquid is often pushed out at a time, and the discharge of the raw material liquid is frequently interrupted. When the interruption occurs, there are inconveniences such as that it is difficult to accumulate charges in the raw material liquid discharged from the extrusion element 101 immediately after that, or that liquid accumulation occurs and it is difficult to concentrate charges. As a result, stretching of the raw material liquid does not easily occur, or the raw material liquid itself adheres to the surrounding collection body without occurring at all.
  • the raw material liquid 114 is supplied so as to hang down from the hole 112 a of the supply pipe 112 into the container 111. Since the raw material liquid 114 has low fluidity, it accumulates on the inner peripheral wall of the container 111 with a non-uniform thickness. When the thickness of the raw material liquid 114 on the inner peripheral wall is not uniform, the centrifugal force applied to the raw material liquid 114 discharged from the pores 113 is also nonuniform. As a result, the amount of the raw material liquid 114 released from each pore 113 may fluctuate, and the release may be interrupted, or the raw material liquid 114 may be discharged in an amount greater than the expected amount. As a result, the charge density applied to the raw material liquid 114 may become insufficient. Then, the raw material liquid 114 is solidified in a droplet state without undergoing the electrostatic stretching phenomenon, and the lump is mixed into the nanofiber.
  • the amount of the raw material liquid supplied into the container 121 varies. Even when the fluctuation is within the set range, the amount of the raw material liquid to be released greatly fluctuates. Moreover, the container rotates at high speed, and the centrifugal force due to rotation and the force due to gravity are added and added to the raw material liquid in the container. Therefore, the raw material liquid is unevenly distributed in the container. As a result, it was difficult to completely prevent the formation of a lump of raw material liquid in a state where no electrostatic stretching phenomenon occurred.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is a nanofiber capable of producing a high-quality nanofiber that does not contain a lump of raw material liquid in a state where no electrostatic stretching phenomenon has occurred, with high production efficiency.
  • An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus.
  • the present invention is a step of rotating a container having a plurality of pores formed on the outer peripheral wall, A step of discharging a charged raw material liquid containing a polymer material from the inside of the container to the outside through the pores by centrifugal force; and a step of generating a fibrous substance from the discharged raw material liquid.
  • a fiber manufacturing method comprising: The nanofiber manufacturing method, wherein the releasing step includes pressurizing the raw material liquid in the space in a state where the raw material liquid is filled in a space inside the container that communicates with the plurality of pores. provide.
  • the present invention has a cylindrical outer peripheral wall provided with a plurality of pores for discharging a raw material liquid containing a polymer material toward the outside in the radial direction by centrifugal force, and the plurality of pores
  • a rotating vessel having a space communicating with the at least the opening of the pore formed from a conductor;
  • a rotational drive device for rotationally driving the container;
  • a pressurizing device that pressurizes the raw material liquid in the space in a state where the raw material liquid is filled in the space;
  • An electrode disposed at a predetermined distance from the container;
  • a potential difference applying device that applies a potential difference between the container and the electrode so as to generate an electric field between the container and the electrode;
  • a collecting device that collects the fibrous material generated from the raw material liquid charged by the electric charge generated in the container and released from the pores;
  • a nanofiber manufacturing apparatus is provided with a plurality of pores for discharging a raw material liquid containing a polymer material toward the outside in the radial
  • the raw material liquid in the internal space is pressurized and released from the pores in a state where the raw material liquid is filled in the internal space of the container communicating with the plurality of fine holes provided on the peripheral wall of the container.
  • a certain amount of raw material liquid can be discharged without interrupting the raw material liquid. Therefore, the density of the charge given to the raw material liquid can be made uniform.
  • FIG. 1 is a side view, partly in section, showing a schematic configuration of a nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the container used in the apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of another container that can replace the same container.
  • FIG. 4 is a side view, partly in section, showing a schematic configuration of a nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view, partly in section, showing a schematic configuration of a nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a side view, partly in section, of a variation of the apparatus of FIG. FIG.
  • FIG. 7 is sectional drawing which shows the detail of the container of the nanofiber manufacturing apparatus concerning Embodiment 6 of this invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the pore diameter and the rotational speed in the examples and comparative examples of the present invention.
  • FIG. 9 is a side view of an example of a conventional nanofiber manufacturing apparatus.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of another example of a conventional nanofiber manufacturing apparatus.
  • FIG. 11 is a side view of still another example of a conventional nanofiber manufacturing apparatus.
  • FIG. 1 is a side view, partly in section, showing a schematic configuration of a nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the container.
  • the manufacturing apparatus 1 includes a substantially cylindrical container 2 made of a conductor such as metal.
  • the container 2 temporarily holds a raw material liquid F obtained by dispersing or dissolving a polymer material, which is a raw material of nanofibers, in a predetermined dispersion medium or solvent in an internal space.
  • a large number of pores 2a are formed in the peripheral wall of the container 2 so as to communicate with the internal space and discharge the raw material liquid F held in the space to the outside.
  • the container 2 is a rotating container that is rotatably supported with its cylindrical axis as a central axis. Due to the centrifugal force, the raw material liquid F held in the space inside the container 2 is released from the pores 2a.
  • annular electrode 3 shaped like a ring formed by joining both ends of the long plate in the longitudinal direction is opposed to the outer peripheral surface of the container 2 at a certain distance. It is arrange
  • the annular electrode 3 is connected to one terminal (a negative terminal in the illustrated example) of the high voltage power supply 4.
  • the other terminal (positive terminal in the illustrated example) of the high voltage power supply 4 is grounded.
  • the container 2 is grounded, whereby charges of opposite polarity are induced on the outer peripheral surface of the container 2 and the inner peripheral surface of the annular electrode 3, and an electric field is generated between the two.
  • the raw material liquid F released from the pores 2a is given a charge at the opening of the pores 2a.
  • the solvent evaporates while flying in the air, the internal coulomb force in the repulsion direction increases, and the electrostatic stretching phenomenon is continuously caused to be subdivided into fibers. .
  • the fibrous substance F1 is formed from the raw material liquid F by the electrostatic stretching phenomenon.
  • the pores 2 a are regularly formed on the peripheral wall of the container 2. For example, it is preferable that they are arranged at equal intervals in the axial direction of the container 2 and at equal pitches in the circumferential direction.
  • Fig. 2 shows the details of the container 2.
  • the container 2 includes a cylindrical peripheral wall portion 11 having a double wall structure having a space inside, and a circular wall portion 12 having a double wall structure having a space inside.
  • One end portion of the peripheral wall portion 11 is connected to the outer peripheral portion of the circular wall portion 12, and the space inside the peripheral wall portion 11 and the space inside the circular wall portion 12 are communicated at the connection portion.
  • These connected spaces constitute a raw material liquid introduction space 7 into which the raw material liquid is introduced.
  • the container 2 is attached to the center of the circular wall portion 12 at one end portion of the raw material liquid supply pipe 13 that also serves as the rotation axis, perpendicular to the circular wall portion 12.
  • the conduit 13 a of the raw material liquid supply pipe 13 and the raw material liquid introduction space 7 of the container 2 are communicated via a communication hole 12 b drilled in the center of the outer wall 12 a of the circular wall portion 12.
  • the raw material liquid supply pipe 13 is rotatably supported by a support portion 6 as shown in FIG.
  • the support 6 includes a rotary joint 8 and an electric motor 16.
  • the other end of the raw material liquid supply pipe 13 is connected to one end of the rotary joint 8.
  • the other end of the rotary joint 8 is connected to one end of the raw material liquid pipe 10.
  • the raw material liquid supply pipe 13 and the raw material liquid pipe 10 are communicated with each other through the rotary joint 8.
  • the raw material liquid supply pipe 13 is covered with a passive gear 14.
  • the passive gear 14 meshes with an active gear 18 attached to the output shaft 16 a of the electric motor 16. With this configuration, the raw material liquid supply pipe 13 is rotated by the rotation output of the electric motor 16 and the container 2 is driven to rotate.
  • the other end of the raw material liquid pipe 10 is connected to a raw material liquid tank 19.
  • the raw material pipe 10 is provided with a raw material liquid pump 20 and a pressure sensor 22.
  • the raw material liquid F in the raw material liquid tank 19 is sent to the container 2 via the rotary joint 8 and the raw material liquid supply pipe 13 by the raw material liquid pump 20.
  • the pressure sensor 22 is disposed on the downstream side of the raw material liquid pump 20 in the raw material liquid pipe 10, detects the discharge pressure of the raw material liquid pump 20, and outputs a signal corresponding to the detection result. An output signal from the pressure sensor 22 is input to the control unit 24.
  • the control unit 24 controls the raw material liquid pump 20 based on the detection result of the pressure sensor 22 so that the discharge pressure of the raw material liquid pump 20 becomes a predetermined pressure.
  • the raw material liquid pump 20 it is preferable to use a pump with a built-in pressure regulating valve so that the raw material liquid F containing a low boiling point solvent or dispersion medium can be supplied to the container 2 at a constant pressure.
  • the raw material liquid pump 20 is preferably one that can be controlled by performing variable speed / variable torque control of an AC motor (induction motor / synchronous motor) constituting the raw material liquid pump 20 using an inverter device.
  • the raw material liquid F is supplied from the raw material liquid tank 19 to the raw material liquid introduction space 7 of the container 2 through the raw material liquid pipe 10, the rotary joint 8 and the raw material liquid supply pipe 13 at a predetermined pressure. Thereby, the raw material liquid F in the raw material liquid introduction space 7 is pressurized.
  • the raw material liquid introduction space 7 of the container 2 is a part that particularly corresponds to the pores 2a so that the centrifugal force applied to the raw material liquid F discharged from the pores 2a is constant. It is preferable that the radial depth is formed constant in the space inside the peripheral wall portion 11. Thereby, the discharge
  • the raw material liquid in the vicinity of the opening of the pores is suppressed to a predetermined amount, the influence of the centrifugal force due to rotation acting on the raw material liquid in the vicinity thereof can be reduced. As a result, it becomes possible to make the discharge amount of the raw material liquid more constant.
  • the raw material liquid F and the fibrous substance F1 are distinguished for convenience.
  • the distinction between the raw material liquid F and the fibrous substance F1 is ambiguous, and it is difficult to draw a clear line of the existence area. Therefore, in the following description, the raw material liquid F and the fibrous substance F1 are described only when there is a need for distinction. In other cases, the raw material liquid F and the fibrous substance F1 are collectively referred to as the raw material liquid F and the like. It describes.
  • One or more blowers 23 are disposed on the side where the raw material liquid supply pipe 13 is provided with respect to the container 2 (left side in the illustrated example).
  • the direction is deflected in a direction (axial direction of the container 2) substantially perpendicular to the discharge direction (radial direction of the container 2).
  • a collector (not shown) for collecting the fibrous substance F1 is arranged in the direction in which the raw material liquid F or the like is deflected (right direction in the illustrated example).
  • This collector has the same configuration as the collector 5 in the third embodiment which will be described later, and details thereof will be described in the third embodiment.
  • the raw material liquid F in the raw material liquid tank 19 is supplied by the raw material liquid pump 20 to the raw material liquid introduction space 7 of the container 2 through the raw material liquid pipe 10, the rotary joint 8, and the raw material liquid supply pipe 13 at a predetermined pressure. Thereby, the raw material liquid F is pressurized inside the raw material liquid introduction space 7.
  • the container 2 is rotated at a predetermined speed by the rotation output of the electric motor 16.
  • the raw material liquid F supplied to the raw material liquid introduction space 7 of the container 2 is pushed out from the pores 2 a by the centrifugal force due to the rotation of the container 2 and the supply pressure of the raw material liquid F by the raw material pump 20.
  • charges having opposite polarities are induced in the grounded container 2 and the annular electrode 3 to which a high voltage is applied by the power source 4.
  • a positive charge is induced in the container 2 and a negative charge is induced in the annular electrode 3.
  • the raw material liquid F pushed out from the pores 2a by the centrifugal force and the supply pressure of the raw material liquid F is charged by the charge induced in the container 2.
  • a force directed toward the annular electrode 3 by the electric field between the container 2 and the annular electrode 3 acts on the charged raw material liquid F.
  • the raw material liquid F is discharged radially from the pores 2a toward the annular electrode 3 by supply pressure, centrifugal force, and electric field.
  • the raw material liquid F released from the pores 2a evaporates the dispersion medium or solvent while flying in the air, the volume of the raw material liquid F decreases, and the charge density gradually increases.
  • the coulomb force in the repulsive direction inside the raw material liquid F exceeds its surface tension, an electrostatic stretching phenomenon occurs, and by repeating this, the raw material liquid F is subdivided into fibers, and the fibrous substance F1 (nano Fiber).
  • the raw material liquid F released from the pores 2a or the fibrous substance F1 formed from the raw material liquid F1 is moved in a direction substantially perpendicular to the discharge direction (the radial direction of the container 2) by the air flow 26 (in the container 2). (Axial direction) and transferred to the collector.
  • the raw material liquid F is supplied to the raw material liquid introduction space 7 by the raw material liquid pump 20 at a constant pressure, so that the raw material liquid is released by centrifugal force through the pores 2a.
  • F is pressurized by the supply pressure of the raw material liquid pump 20. For this reason, it becomes possible to discharge the raw material liquid F from the pores 2a without interruption.
  • a constant pressure is applied to the raw material liquid introduction space 7 communicating with the plurality of pores 2a, the amount of the raw material liquid F released from each of the pores 2a can be made uniform. Furthermore, as shown in FIG.
  • the raw material liquid introduction space 7 is equidistant from the rotation axis of the container 2 and has a constant radial depth at all positions where the pores 2a are provided. Yes. For this reason, not only the centrifugal force acting on the raw material liquid F released from the pores 2a becomes constant, but also the centrifugal force acting on the raw material liquid F existing inside the pores 2a can be made constant. Thereby, the flow volume of the raw material liquid F discharge
  • the density of the electric charge applied to the raw material liquid F can also be made constant, and the electrostatic stretching phenomenon does not appear in a part of the raw material liquid, and the raw material liquid in that part is collected as a lump by the collector. It can be made difficult to occur. Such a malfunction is more likely to occur as the rotational speed of the container 2 increases. On the other hand, if the rotation speed of the container 2 is increased, the amount of the raw material liquid F to be released increases. Therefore, productivity is improved.
  • the container 2 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, but can be variously modified within the scope of the present invention.
  • the container 2 can be replaced with the container 2A shown in FIG.
  • the container 2A adds the raw material liquid F so as to supply the raw material liquid F to the space 32a inside the raw material liquid discharging part 32 at a predetermined pressure, with the raw material liquid discharging part 32 having pores 2a formed in a row on the peripheral wall.
  • a pressurizing part 34 for pressing is not limited to the configuration shown in FIG. 2, but can be variously modified within the scope of the present invention.
  • the container 2 can be replaced with the container 2A shown in FIG.
  • the container 2A adds the raw material liquid F so as to supply the raw material liquid F to the space 32a inside the raw material liquid discharging part 32 at a predetermined pressure, with the raw material liquid discharging part 32 having pores 2a formed in a row on the peripheral wall.
  • a pressurizing part 34 for pressing is arranged in FIG.
  • the raw material liquid discharge part 32 and the pressurization part 34 are each substantially cylindrical, and the internal spaces 32 a and 34 a are communicated with each other by a communication part 36.
  • a circular pressure member 38 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the pressure unit 34 is disposed inside the pressure unit 34.
  • the pressurizing member 38 pressurizes the raw material liquid F inside the pressurizing unit 34 by the pressure of air supplied from an air pump (not shown) and sends it to the space 32 a of the raw material discharge unit 32.
  • the raw material liquid F sent to the space 32 a of the raw material discharge part 32 is discharged to the outside from the pores 2 a provided on the peripheral wall of the raw material liquid discharge part 32.
  • the pressurization of the raw material liquid F can be performed not only by the pressure of air but also by the supply pressure of the raw material liquid F by the pump 20 as in the case of the container 2 (FIG. 2). In this case, the pressing member 38 is not necessary.
  • the outer diameter of the container 2 or 2A (hereinafter collectively referred to as the container 2) is preferably 10 mm to 300 mm.
  • the diameter of the container 2 exceeds 300 mm, it becomes difficult to appropriately concentrate the raw material liquid F or the like by the air flow.
  • the diameter of the container 2 exceeds 300 mm, in order to rotate the container 2 stably, it is necessary to considerably increase the rigidity of the support structure that supports the container 2, thereby increasing the size of the apparatus.
  • the diameter of the container is smaller than 10 mm, it is necessary to increase the rotation speed in order to obtain a centrifugal force sufficient to discharge the raw material liquid. Therefore, the load and vibration of the motor increase, and it is necessary to take measures against vibration.
  • a more preferable outer diameter of the container 2 is 20 to 100 mm.
  • the diameter of the pore 2a is preferably 0.01 to 2 mm.
  • the shape of the pores 2a is preferably circular, but may be a polygonal shape or a star shape.
  • the rotation speed of the container 2 is adjusted within a range of, for example, 1 rpm or more and 10,000 rpm or less according to the viscosity of the raw material liquid F, the composition of the raw material liquid F (type of polymer substance), and the diameter of the pores 2a. Can do.
  • the inner diameter of the annular electrode 3 is preferably 200 to 1000 mm, for example.
  • the annular electrode 3 is preferably applied with a voltage of 1 to 200 kV from the power source 4. More preferably, a high voltage of 10 kV to 200 kV is applied.
  • the electric field strength between the container 2 and the annular electrode 3 is particularly important.
  • the applied voltage is set so that the electric field strength is 1 kV / cm or more, and the annular electrode It is preferable to perform the arrangement of 3. Thereby, an equal and strong electric field can be generated between the container 2 and the annular electrode 3.
  • the annular electrode 3 does not necessarily have an annular shape.
  • the shape seen from the axial direction may be a polygon.
  • the annular electrode 3 only needs to be disposed so as to surround the container 2 at a predetermined distance from the peripheral surface of the container 2.
  • an annular metal wire is disposed so as to surround the container 2. Also good.
  • produces the airflow 26 so that evaporation of the dispersion medium or solvent from the raw material liquid F etc. can be accelerated
  • a heater (not shown) for heating the airflow 26. By doing so, the evaporation of the charged raw material liquid F is promoted, and electrostatic explosion can occur at an early stage. As a result, the fiber diameter of the generated fibrous substance F1 becomes smaller, and the fine fibrous substance F1 can be stably generated.
  • a cylinder (not shown) for defining a flow path for the raw material liquid F or the like by blowing air between the container 2 and the annular electrode 3 and the collector.
  • the cylindrical body preferably has an opening that opens toward the container 2 smaller than an opening that opens toward the collector, and the diameter gradually increases from the upstream side toward the downstream side.
  • a cylinder whose diameter is gradually increased from the upstream side toward the downstream side is arranged between the container 2 and the collector so that the flow path of the raw material liquid F and the like is gradually expanded.
  • the fibrous substance F1 can be uniformly collected at high density without unevenness.
  • the container 2 is grounded and a high voltage is applied to the annular electrode 3 by the power source 4.
  • a high voltage may be applied to the container 2 by the power source 4 and the annular electrode 3 may be grounded.
  • the container 2 and the annular electrode 3 may be connected to two terminals of the power source 4 so that a voltage is applied to both the container 2 and the annular electrode 3.
  • any configuration can be used as long as a potential difference is applied between the container 2 and the annular electrode 3 to generate an electric field therebetween and thereby charge the raw material liquid F flowing out from the pores 2a. It may be.
  • the polymer material included in the raw material liquid F is polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyethylene oxide, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, poly-m-phenylene terephthalate, poly-p-phenylene isophthalate, polyfluoride.
  • the polymer materials that can be included in the raw material liquid F are not limited to these, and even existing substances that have been newly recognized as being suitable as raw materials for nanofibers or that will be developed in the future. Any material that is recognized as being suitable as a raw material for nanofibers can be suitably used.
  • the dispersion medium or solvent for dispersing or dissolving the polymer material is methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, hexafluoroisopropanol, tetraethylene glycol, triethylene glycol, dibenzyl alcohol, 1,3- Dioxolane, 1,4-dioxane, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl-n-hexyl ketone, methyl-n-propyl ketone, diisopropyl ketone, diisobutyl ketone, acetone, hexafluoroacetone, phenol, formic acid, methyl formate, ethyl formate, Propyl formate, methyl benzoate, ethyl benzoate, propyl benzoate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate
  • the dispersion medium or solvent for dispersing or dissolving the polymer material is not limited to these, and even if it is an existing substance, the suitability of the polymer material as a dispersion medium or solvent in the electrospinning method is new. Or materials that will be developed in the future and that are suitable for use as a dispersion medium or solvent can be suitably used.
  • the raw material liquid F can be mixed with an inorganic solid material.
  • the inorganic solid material that can be mixed include oxides, carbides, nitrides, borides, silicides, fluorides, and sulfides. From the viewpoint of heat resistance, workability, etc., it is preferable to use an oxide.
  • the oxide include Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , P 2 O 5 , SnO 2 , ZrO 2 , K 2.
  • the mixing ratio of the polymer material and the dispersion medium or solvent depends on the kind thereof, but the mixing ratio is preferably such that the ratio of the dispersion medium or solvent is 60 to 98% by mass.
  • FIG. 4 is a side view, partly in section, of the nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the container 2 can be replaced with the container 2A.
  • the nanofiber manufacturing apparatus 1A is a two-stage airflow generating means for more reliably preventing the raw material liquid F discharged through the pores 2a of the container 2 from adhering to the annular electrode 3.
  • the annular electrode 3 is arranged around the container 2 so that a sufficient charge is imparted to the raw material liquid F released from the container 2.
  • the annular electrode 3 is arranged in the discharge direction of the raw material liquid F from the container 2, a part of the annular electrode 3 is formed only by deflecting the raw material liquid F or the like by the air flow 26 generated by the blower. 3 may adhere.
  • the raw material liquid F or the like adheres to the annular electrode 3, it is necessary to perform maintenance periodically to remove it, and the production efficiency is lowered.
  • the amount of the raw material liquid F or the like attached to the annular electrode 3 is minimized, thereby reducing the frequency of maintenance and improving the production efficiency. It is going to plan.
  • one of the two-stage airflow generation means is the blower 23 used to generate the airflow 26 in the first embodiment.
  • the other one is a gas injection mechanism 27.
  • the gas injection mechanism 27 includes a ring-shaped gas ejection portion 28 having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the container 2, and an air source 30 including, for example, an air pump that supplies the ejected gas (for example, air) to the gas ejection portion 28.
  • Consists of The gas ejection part 28 has a structure in which both ends of a hollow square member are joined to form a ring.
  • the gas ejection part 28 includes a hollow part 28a into which gas from the air source 30 is introduced, and a plurality of gas ejection parts 28 formed at a predetermined pitch on one side surface so as to eject gas in one axial direction. It has an ejection hole 28b and an air introduction hole 28c for introducing gas from the air source 30 into the hollow portion 28a.
  • the gas supplied from the air source 30 to the gas ejection portion 28 at a predetermined pressure is injected toward the raw material liquid F discharged from the pores 2a of the container 2 through each ejection hole 28b.
  • the gas injection mechanism 27 having such a configuration can easily increase the flow velocity of the injected gas, the raw material liquid F released radially from the pores 2a of the container 2 can be effectively deflected. it can.
  • the provision of the two-stage airflow generation means can more reliably prevent the raw material liquid F and the like from adhering to the annular electrode 3.
  • it can replace with the several ejection hole 28b, and the same effect can be show
  • FIG. 5 is a side view showing a schematic configuration of the nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the container 2 can be replaced with the container 2A.
  • the annular electrode 3 is not used, and the drum 28 of the collector 5 for collecting the fibrous substance F1 is used as an electrode paired with the container 2. Yes.
  • the collector 5 is arranged in a direction in which the raw material liquid F or the like is deflected by the air flow 26 and has a drum 28 made of a conductor.
  • the drum 28 is connected to the other terminal (negative terminal in the illustrated example) of the high voltage power supply 4 whose one terminal (positive terminal in the illustrated example) is grounded.
  • the container 2 is grounded, and an electric field is generated between the container 2 and the drum 28.
  • charges having opposite polarities are induced in the container 2 and the drum 28, respectively.
  • a negative charge is induced in the drum 28 and a positive charge is induced in the container 2.
  • the collection body 30 is a flexible member that is fed in the longitudinal direction so as to be in sliding contact with the peripheral surface of the drum 28 by the feeding mechanism 32.
  • generated from the raw material liquid F accumulates on the surface of the collection body 30 sent to a longitudinal direction, and is collected as a nonwoven fabric.
  • the feed mechanism 32 includes an unwinding roll 34 for unwinding the collecting body 30 and a winding roll 36 for winding the collecting body 30 that collects the fibrous substance F1.
  • the collection body 30 is thin so that the air flow 26 for transferring the fibrous substance F1 (nanofiber) generated from the raw material liquid F can pass through and the deposited fibrous substance F1 can be easily separated.
  • the material is made of a flexible material.
  • a net-like sheet formed from aramid fibers can be given. If this is coated with Teflon (registered trademark), the separability of the fibrous substance F1 (nanofiber) is further improved, which is more preferable.
  • the collection body 30 is made of an insulating material, but is not limited thereto, and a conductive material such as carbon nanofiber is mixed in a long sheet-like member, The collector 30 may be made conductive.
  • the drum 28 of the collector 5 for collecting the fibrous substance F1 instead of the annular electrode 3 as an electrode paired with the container 2, the raw material liquid F or the The fibrous substance F1 formed therefrom does not adhere to the annular electrode 3, and maintenance is not necessary. Therefore, production efficiency is improved.
  • the productivity since it is difficult to place the container 2 and the electrode close to each other, the productivity may be slightly reduced as compared with the first embodiment.
  • the drum 28 may be grounded by applying a high voltage to the container 2 by the power source 4.
  • a special mechanism for insulating the container 2 from other members is required. It is of course possible to combine the configuration of the second embodiment and the configuration of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing details of the container of the nanofiber manufacturing apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the container 2B used in the fourth embodiment has an outer shape in which the outer diameter of the container changes linearly in the axial direction of rotation and the top of the cone is cut off.
  • the raw material liquid introduction space 7A of the container 2B has a constant depth from the surface of the circular wall 15 corresponding to the gap formed in a certain depth from the surface of the peripheral wall 9 and having a constant radial depth, and the bottom of the cone.
  • the gap is formed as a gap having a constant axial depth.
  • the position of the raw material liquid introduction space 7A inside the peripheral wall 9 approaches the rotational axis of the container 2B as it goes to the tip side (right side in the figure) of the container 2B.
  • a raw material liquid supply pipe 13 is connected to the center outer surface of the circular wall 15.
  • the pipe line 13a of the raw material liquid supply pipe 13 and the raw material liquid introduction space 7A of the container 2A are communicated with each other through a communication hole 15a provided in the center of the circular wall 15.
  • the centrifugal force acting on the raw material liquid F released from the pores 2a decreases as it goes downstream of the air flow 26. For this reason, as it goes to the downstream side of the air flow 26, the locus of the raw material liquid F or the like deflected by the air flow 26 becomes radially inward. Thereby, the locus
  • the air flow is set so that the flow rate of the raw material liquid F released from each pore 2a is constant. It is preferable to increase the diameter of the pores 2a toward the downstream side of H.26. Thereby, it becomes possible to make the fiber diameter of the produced fibrous substance F1 constant.
  • the container 2B of the present embodiment can be applied not only to the first embodiment but also to the second and third embodiments, and in that case, the same effect can be obtained. It is.
  • the outer diameter of the container 2B is linearly reduced toward the downstream side of the air flow 26. However, the outer diameter of the container 2B can be increased.
  • the trajectory such as F can be dispersed in the radial direction of the container 2A.
  • the present invention is not limited to the following examples.
  • a substantially cylindrical container 2 having an outer diameter of 60 mm and an inner diameter of 57 mm, six pores 2a are arranged in the axial direction of the container 2 to form one row, and 18 rows are arranged in the circumferential direction of the container 2, A total of 108 pores 2a were formed.
  • the pitch in the circumferential direction of the container 2 of the pores 2a was about 20 mm.
  • the pitch of the axial direction of the container 2 of the pore 2a was also 10 mm.
  • three types of containers 2 having three diameters of 0.20 mm (Example 1), 0.30 mm (Example 2), and 0.50 mm (Example 3) were prepared.
  • Example apparatus Using the nanofiber manufacturing apparatus of FIG. 1 (hereinafter referred to as Example apparatus) in which these three kinds of containers 2 were incorporated, the container 2 was rotated for 20 minutes at various rotational speeds to manufacture nanofibers.
  • the diameter of the annular electrode 3 was 400 mm
  • the voltage of the power source 7 was 60 kV
  • the negative electrode was connected to the annular electrode 3
  • the positive electrode was grounded.
  • the feeding amount of the collecting body 30 was 5 mm / min.
  • Polyvinyl alcohol (PVA) was used as the polymer material
  • water was used as the solvent, both were mixed, and a solution of polyvinyl alcohol having a concentration of 10% by mass was prepared as the raw material liquid F.
  • nanofibers were manufactured under the same conditions as in Examples 1 to 3 above using a conventional nanofiber manufacturing apparatus (referred to as a comparative example apparatus) including the container 111 and the supply pipe 112 shown in FIG.
  • the container 111 has three kinds of diameters of the fine pore 113 (0.20 mm (Comparative Example 1), 0.30 mm (Comparative Example 2), and 0.50 mm (Comparative Example 3)).
  • a container was prepared.
  • the manufactured nanofibers are observed with a microscope, and it is investigated whether high quality nanofibers that are not mixed with polymer masses can be manufactured. did.
  • the result is shown in FIG.
  • the upper limit of the rotational speed of the container 2 or the container 111 in which the high-quality nanofiber can be manufactured is indicated by a white double-headed arrow.
  • the flow rate of the raw material liquid F released from each pore 2a of the container 2 can be made constant. That is, the raw material liquid F having an excessively low charge density is not mixed into the raw material liquid F discharged from each pore 2a until reaching a higher rotational speed. Moreover, it is because the frequency which flows out as a lump when the raw material liquid flows out from the pores decreases until reaching a higher rotational speed.
  • the inventors applied each container 2 of Examples 1 to 3 to the nanofiber manufacturing apparatus 1A of Embodiment 2, and manufactured nanofibers under the same conditions as in Examples 1 to 3. .
  • the adhesion amount of the raw material liquid F etc. of the annular electrode 3 was investigated.
  • a slight amount of raw material liquid F or the like was observed on the annular electrode 3 after 20 minutes of operation, whereas the nanofiber manufacturing apparatus 1A of Embodiment 2 was used.
  • the adhesion of the raw material liquid F or the like to the annular electrode 3 was hardly observed even after the operation for 20 minutes.
  • adhesion of the raw material liquid F etc. to the annular electrode 3 was able to be reduced.
  • the effect of the present invention can also be obtained by opening a pore at the tip and allowing the raw material liquid to flow out from the pore. That is, the amount of the raw material liquid in the container near the pores is limited to a predetermined amount, the raw material liquid is supplied into the container at a predetermined pressure, and the centrifugal force applied to the predetermined amount of the raw material liquid is made constant. By doing so, the raw material liquid flowing out from the pores can be stably controlled to a constant amount. This makes it possible to produce a larger amount of high-quality nanofibers that do not contain a lump of raw material liquid in a state where no electrostatic stretching phenomenon has occurred.
  • nanofiber manufacturing apparatus and manufacturing method of the present invention it is possible to manufacture high-quality nanofibers with high productivity when manufacturing nanofibers using electrospinning.

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Abstract

 外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させて、高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により容器内の空間からこの空間と連通した複数の細孔を介して外部に放出する。これにより、帯電した原料液から繊維状物質が生成される。このとき、原料液が細孔から所定圧力で押し出されるように、原料液が充填された空間に、原料液ポンプにより原料液を所定圧力で供給する。つまり、空間内の原料液を加圧する。また、容器内の空間は原料液に働く遠心力が一定となるように形状が設定される。

Description

ナノファイバ製造方法、及び製造装置
 本発明は、ナノファイバ製造方法、及び製造装置に関し、さらに詳しくはエレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する技術に関する。
 近年、直径がサブミクロンスケールの繊維状物質であるナノファイバを容易に製造できることから、エレクトロスピニング法(電荷誘導紡糸法)が注目を集めている。エレクトロスピニング法では、溶媒中に高分子材料を分散または溶解させた原料液を空中に放出する。放出の際に原料液を高電圧で帯電させると、原料液が空中で電気的に延伸されてナノファイバが得られる(例えば特許文献1参照)。
 より詳細には、電界により帯電されて空気中に放出された原料液が空中を飛翔する間に、溶媒が蒸発し、原料液の体積が減少していく。一方、原料液に付与された電荷は溶媒の蒸発にかかわらず維持される。よって、原料液の電荷密度は、溶媒の蒸発とともに増大していく。やがて、原料液内部の反発方向のクーロン力は原料液の表面張力より大きくなる。そのときに原料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中において連続的に発生し、原料液が幾何級数的に線状に細分化されていくことで直径がサブミクロンスケールの微細な繊維が形成される。
 また、特許文献2には、回転式の容器から原料液を放出して、エレクトロスピニング法によりナノファイバを製造する製造装置が提案されている。この装置は、図9に示すように、少なくとも1つの押出エレメント101を周壁に有するスプレーヘッド102と、スプレーヘッド102を内部に配置した円筒状の収集体103とを有する。スプレーヘッド102と、収集体103との間には、その間に電場が発生するように高電圧電源104により電圧が印加される。その状態でスプレーヘッド102を回転させる。これにより、管105を介してスプレーヘッド102の内部に供給される原料液106が、押出エレメント101の先端から電場によって抽出されて、ナノファイバが生成される。生成されたナノファイバは、収集体103の内周面に堆積して収集される。
 また、特許文献3には、周壁に多数の細孔が穿設された円筒形状の容器を回転させ、その遠心力によりナノファイバの原料液を上記細孔から放出させる技術が提案されている。特許文献3においては、図10に示すように、周壁に多数の細孔113が設けられた円筒状の容器111の内部に、周壁に孔112aを有する供給管112によりナノファイバの原料液114を供給する。そして、容器111を回転させて、その遠心力により細孔113から原料液114を放出する。
 また、本発明者等は、特許文献4に示すように(図11参照)、接地された円筒状の容器121の周囲に環状電極122を配置し、これらの間に高電圧を印加する技術を開発し、これを実施してきた。これにより、容器121に、より大きな電荷を誘導することができる。よって、容器121の細孔から噴出される原料液に、その噴出量の多少の変動に係わらず静電延伸現象のための十分な電荷を与えることができる。したがって、原料のままの高分子物質の塊の含まれない高品質のナノファイバを製造することが可能となる。
 容器121の径方向に放射状に放出された原料液は、これと略垂直な方向の気流123により進む方向が偏向される。偏向された原料液が進む先には、接地されたドラム124が配置されている。ドラム124は、環状電極122への高電圧の印加により帯電しており、上記原料液、ないしはそれから生成された繊維状物質はドラム124に引き寄せられる。容器121とドラム124との間には長尺帯状の収集体125が配されている。ドラム124に引き寄せられた繊維状物質は、長手方向に送られる収集体125の上に堆積して収集される。
特開2005-330624号公報 特開2007-532790号公報 特開2008-31624号公報 WO2008-062784号公報
 上述のように、特許文献2の装置においては、ナノファイバの原料液が円筒型の容器(スプレーヘッド102)の周壁に設けられたノズル(押出エレメント101)を介して放出される。このため、電荷が集中するノズルの先端部において原料液に十分な電荷が与えられる。したがって、静電延伸現象を生じさせるのに十分な電荷を原料液に比較的容易に与えることができる。
 しかしながら、スプレーヘッド102が回転し、その回転により、押出エレメント101から遠心力により原料液が放出される。このとき、押出エレメント101の内側には原料液が多量に存在するために、その内側の原料液そのものにも遠心力が働く。その遠心力により、一時に多量の原料液が押し出されることがしばしば起こり、原料液の放出に途切れが頻繁に発生する。途切れが発生すると、その直後に押出エレメント101から放出される原料液に、電荷が溜まりにくくなったり、液溜まりが発生して、電荷が集中し難くなったりする等の不都合が生じる。その結果、原料液の延伸が起こりにくくなったり、全く起こらずに、周囲の収集体に原料液そのものが、付着したりする。
 また、特許文献3の技術においても、各細孔113から放出される原料液114の量を一定にするのが困難であるため、同様の問題が生じる。
 すなわち、図10に示すように、原料液114は、供給管112の孔112aから容器111の内部に垂らすようにして供給される。原料液114は、流動性が低いが故に、不均一な厚みで容器111の内周壁の上に集積する。内周壁上の原料液114の厚みが不均一であると、細孔113から放出される原料液114に掛かる遠心力も不均一となる。これにより、各細孔113から放出される原料液114の量が変動し、放出が途切れたり、想定した量以上の原料液114が放出されたりすることがある。この結果、原料液114に与えられる電荷の密度が不十分なものとなることがある。そして、原料液114が静電延伸現象を経ない液滴の状態のままで固まり、その塊がナノファイバに混入してしまう。
 特許文献4の方法による場合にも、容器121の内部に供給される原料液の量は変動する。その変動が設定された範囲内である場合にも、放出される原料液の量は大きく変動してしまう。しかも、容器は高速で回転しており、回転による遠心力と重力による力とが、加算されて、容器内の原料液に加わる。よって、容器内で原料液が偏在してしまう。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊が生成されるのを完全に防止することは困難であった。
 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、生産効率良く製造することができるナノファイバ製造方法、及び製造装置を提供することを目的としている。
 そこで、本発明は、外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
 高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
 前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
 前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法を提供する。
 また、本発明は、高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
 前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
 前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
 前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
 前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
 前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
とを備えるナノファイバ製造装置を提供する。
 本発明によれば、容器の周壁に設けられた複数の細孔と連通する容器の内部空間に原料液を充填させた状態でこの内部空間の原料液を加圧して細孔から放出する。これにより、原料液を途切れさせることなく、一定量の原料液を放出させることができる。したがって、原料液に付与される電荷の密度を均一なものとすることができる。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
図1は、本発明の実施形態1に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。 図2は、図1の装置に使用される容器の詳細を示す断面図である。 図3は、同上の容器に代替可能な別の容器の詳細を示す断面図である。 図4は、本発明の実施形態2に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。 図5は、本発明の実施形態3に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。 図6は、図4の装置の変形例の一部を断面にした側面図である。 図7は、本発明の実施形態6に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。 図8は、本発明の実施例及び比較例の細孔径と回転数との関係を示すグラフである。 図9は、従来のナノファイバ製造装置の一例の側面図である。 図10は、従来のナノファイバ製造装置の他の一例の構造を示す断面図である。 図11は、従来のナノファイバ製造装置の更に他の一例の側面図である。
 以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〈実施の形態1〉
 図1は、本発明の実施の形態1に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。図2は、容器の詳細を示す断面図である。
 製造装置1は、金属などの導体からなる概略円筒形状の容器2を備えている。容器2は、ナノファイバの原料である高分子材料を所定の分散媒または溶媒に分散または溶解してなる原料液Fを、内部の空間に一時的に保持するものである。容器2の周壁には、内部の空間と連通し、その空間に保持された原料液Fを外部に放出するための多数の細孔2a(図2参照)が形成されている。容器2は、その円筒形状の軸心を中心軸として回転可能に支持された回転容器である。その遠心力により、容器2の内部の空間に保持された原料液Fは、細孔2aから放出される。
 また、容器2の周囲には、長板の長手方向の両端部を接合して輪にしたような形状の環状電極3が、内周面を容器2の外周面と一定の距離をおいて対向するように同軸に配設されている。環状電極3は、高電圧電源4の一方の端子(図示例では負極端子)と接続されている。また、高電圧電源4の他方の端子(図示例では正極端子)は接地されている。一方、容器2は接地されており、これにより容器2の外周面と、環状電極3の内周面とには、逆極性の電荷がそれぞれ誘導され、両者の間には電界が発生する。
 細孔2aから放出される原料液Fは、細孔2aの開口部において電荷が付与される。電荷が付与された原料液Fは、空中を飛翔する間に溶媒が蒸発し、内部の反発方向のクーロン力が増大し、連続的に静電延伸現象が引き起こされて繊維状に細分化される。このようにして、原料液Fから静電延伸現象により繊維状物質F1が形成される。
 ここで、細孔2aは、容器2の周壁に規則的に形成されるのが好ましい。例えば、容器2の軸方向に等間隔で並び、周方向に等ピッチで形成されるのが好ましい。
 図2に容器2の詳細を示す。図2に示すように、容器2は、内部に空間を有する、二重壁構造の円筒形状の周壁部11と、内部に空間を有する、二重壁構造の円形壁部12とを備える。周壁部11の一端部は、円形壁部12の外周部と接続されており、周壁部11の内部の空間と、円形壁部12の内部の空間とは、その接続部分において連通されている。そして、連通されたそれらの空間が、原料液が導入される原料液導入空間7を構成している。
 さらに、容器2は、円形壁部12の中央に、円形壁部12と垂直に、回転軸を兼ねる原料液供給管13の一端部が取り付けられている。原料液供給管13の管路13aと容器2の原料液導入空間7とは、円形壁部12の外側壁12aの中央に穿設された連通孔12bを介して連通されている。
 原料液供給管13は、図1に示すように、支持部6により回転自在に支持されている。支持部6は、回転継手8と、電動機16とを含んでいる。原料液供給管13の他端部は、回転継手8の一端部と接続されている。回転継手8の他端部は、原料液配管10の一端部と接続されている。原料液供給管13と、原料液配管10とは、回転継手8を介して連通されている。また、原料液供給管13には受動ギア14が外装されている。受動ギア14は、電動機16の出力軸16aに取り付けられた能動ギア18と噛合している。この構成により、電動機16の回転出力により原料液供給管13が回転されて、容器2が回転駆動される。
 原料液配管10の他端部は、原料液タンク19に接続されている。また、原料配管10には、原料液ポンプ20及び圧力センサ22が配設されている。原料液ポンプ20により、原料液タンク19内の原料液Fが、回転継手8及び原料液供給管13を介して容器2に送られる。圧力センサ22は、原料液配管10における原料液ポンプ20の下流側に配設されており、原料液ポンプ20の吐出圧力を検出し、その検出結果に応じた信号を出力する。圧力センサ22の出力信号は制御部24に入力される。
 制御部24は、原料液ポンプ20の吐出圧力が所定圧力となるように、圧力センサ22の検出結果に基づいて原料液ポンプ20を制御する。ここで、原料液ポンプ20としては、低沸点の溶媒または分散媒を含む原料液Fを一定圧力で容器2に供給し得るように、圧力調整弁を内蔵したものを使用するのが好ましい。また、原料液ポンプ20としては、インバータ装置を使用して、原料液ポンプ20を構成する交流電動機(誘導電動機・同期電動機)の可変速・可変トルク制御を行うことにより制御し得るものが好ましい。
 以上の構成により、原料液配管10、回転継手8及び原料液供給管13を介して、原料液Fが、原料液タンク19から容器2の原料液導入空間7に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間7内の原料液Fが加圧される。
 また、図2に示すように、容器2の原料液導入空間7は、細孔2aから放出される原料液Fに掛かる遠心力が一定となるように、特に細孔2aに対応する部位である周壁部11の内部の空間において径方向の奥行きが一定に形成されるのが好ましい。これにより、遠心力による原料液の細孔からの放出圧力が一定となる。その結果、原料液の放出量を一定なものとすることが可能となる。つまり、それぞれの細孔2aから放出される原料液Fの量が、時系列的に変動せず、一定となるとともに、それぞれの細孔2aから放出される原料液Fの量が、互いに等しく、均一なものとなる。
 また、細孔の開口部の近傍の原料液が所定量に抑えられるので、回転による遠心力がその近傍の原料液に不均一に働くことの影響を小さくすることができる。その結果、原料液の放出量をより一定なものとすることが可能となる。
 なお、図1においては、原料液Fと繊維状物質F1とを便宜的に区別している。しかしながら、実際のナノファイバの製造においては原料液Fと繊維状物質F1との区別は曖昧であり、その存在領域の明確な線引きは困難である。したがって、以下の説明では、特に区別の必要のある場合にのみ、原料液F、繊維状物質F1と記載し、それ以外の場合は原料液F及び繊維状物質F1を総称して原料液F等と記載する。
 容器2に対して原料液供給管13が設けられた側(図示例では左側)には、1以上の送風機23が配設されており、それが発生する気流26により、原料液F等の進む方向は、放出方向(容器2の径方向)と略垂直な方向(容器2の軸方向)に偏向される。原料液F等が偏向される方向(図示例では右方向)には、繊維状物質F1を収集する図示しないコレクタが配されている。このコレクタは、後の実施の形態3におけるコレクタ5と同様の構成であり、その詳細は実施の形態3において説明する。
 次に、以上の構成のナノファイバ製造装置の動作を説明する。
 原料液タンク19内の原料液Fは、原料液ポンプ20により原料液配管10、回転継手8及び原料液供給管13を介して容器2の原料液導入空間7に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間7の内部で原料液Fが加圧される。また、容器2は、電動機16の回転出力により所定速度で回転される。容器2の原料液導入空間7に供給された原料液Fは、容器2の回転による遠心力、及び原料ポンプ20による原料液Fの供給圧力により細孔2aから押し出される。また、接地された容器2と、電源4により高電圧が印加された環状電極3には、それぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、容器2には、正の電荷が、環状電極3には、負の電荷が誘導される。
 遠心力及び原料液Fの供給圧力により細孔2aから押し出される原料液Fは、容器2に誘導された電荷により帯電される。帯電された原料液Fには、容器2と環状電極3との間の電界により環状電極3に向かわせる力が働く。
 原料液Fは、供給圧力、遠心力、及び電界により、細孔2aから環状電極3に向かって放射状に放出される。細孔2aから放出された原料液Fは、空中を飛翔する間に分散媒または溶媒が蒸発し、原料液Fの体積が減少すると共に、電荷密度が次第に高くなっていく。原料液F内部の反発方向のクーロン力がその表面張力を超えたときに静電延伸現象が発生し、それを繰り返すことによって原料液Fは繊維状に細分化されて、繊維状物質F1(ナノファイバ)が形成される。
 一方、細孔2aから放出された原料液F、ないしはそれから形成された繊維状物質F1は、気流26により、進む方向が放出方向(容器2の径方向)とは略垂直な方向(容器2の軸方向)に変えられて上記コレクタに移送される。
 このように、本実施の形態1においては、原料液Fが原料液ポンプ20により一定圧力で原料液導入空間7に供給されることにより、細孔2aを介して遠心力により放出される原料液Fが原料液ポンプ20の供給圧力により加圧される。このため、原料液Fを途切れることなく細孔2aから放出させることが可能となる。また、複数の細孔2aに連通する原料液導入空間7に一定の圧力が加えられるので、各細孔2aからの原料液Fの放出量を均一にすることができる。更に、図2に示すように、細孔2aが設けられた全ての位置において、原料液導入空間7は、容器2の回転軸から等距離にあり、かつ径方向の奥行きも一定に形成されている。このため、細孔2aから放出される原料液Fに働く遠心力が一定となるのみならず、細孔2aの内側に存在する原料液Fに働く遠心力をも一定とすることができる。これにより、細孔2aを介して放出される原料液Fの流量を一定とすることができる。
 したがって、原料液Fに付与される電荷の密度も一定とすることができ、原料液の一部分に静電延伸現象が発現せずに、その部分の原料液が塊のままでコレクタにより収集されるという不具合を起こり難くすることができる。そのような不具合は、容器2の回転数が高くなるほどに起こりやすくなる。一方、容器2の回転数を高くすれば、放出される原料液Fの量が増大する。したがって、生産性は向上する。
 以上の結果、図1の装置によれば、原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、より高い生産性で製造することが可能となる(後の実施例参照)。
 ここで、容器2は、図2に示した構成に限らず、本発明の範囲内で様々に改変することができる。例えば、容器2を、図3に示す容器2Aと代えることもできる。容器2Aは、周壁に1列に細孔2aが形成された原料液放出部32と、原料液放出部32の内部の空間32aに原料液Fを所定圧で供給するように原料液Fを加圧する加圧部34とを含む。
 原料液放出部32及び加圧部34は、それぞれ概略円筒状であり、内部の空間32a及び34aが連通部36により互いに連通されている。加圧部34の内部には、外径が加圧部34の内径よりもわずかに小さい円形の加圧用部材38が配されている。加圧用部材38は、図示しないエアポンプから供給される空気の圧力により、加圧部34の内部の原料液Fを加圧して、原料放出部32の空間32aに送る。原料放出部32の空間32aに送られた原料液Fは、原料液放出部32の周壁に設けられた細孔2aから外部に放出される。
 なお、原料液Fの加圧は、空気の圧力による他、容器2(図2)の場合と同様に、ポンプ20による原料液Fの供給圧力によることも可能である。この場合には、加圧用部材38は不要となる。
 ここで、容器2または2A(以下、容器2と総称する)は外径を10mm~300mmとするのがよい。容器2の直径が300mmを超えると、上記気流により原料液F等を適度に集中させることが困難となる。また、容器2の直径が300mmを超えると、容器2を安定して回転させるためには容器2を支持する支持構造の剛性をかなり高くする必要が生じ、装置が大型化する。一方、容器の直径が10mmより小さいと、原料液を放出させるのに十分な遠心力を得るためには回転数を高くする必要がある。そのため、モータの負荷及び振動が増大し、振動対策等を施す必要が生じる。以上の点を考慮すると、より好ましい容器2の外径は、20~100mmである。
 また、細孔2aの径は、0.01~2mmとするのがよい。また、細孔2aの形状は円形であることが好ましいが、多角形形状や星形状等であってもよい。また、容器2の回転数は、原料液Fの粘度、原料液Fの組成(高分子物質の種類)、並びに細孔2aの径に応じて例えば1rpm以上10,000rpm以下の範囲で調節することができる。
 また、環状電極3は、内径は例えば200~1000mmとするのがよい。
 また、環状電極3には、電源4から1~200kVの電圧を印加するのが好ましい。より好ましくは、10kV以上200kV以下の高電圧を印加するのがよい。高品質のナノファイバを得るためには、特に容器2と環状電極3との間の電界強度が重要であり、1kV/cm以上の電界強度となるように、印加電圧を設定するとともに、環状電極3の配置を行うことが好ましい。これにより、容器2と環状電極3との間に均等且つ強い電界を発生させることができる。
 なお、環状電極3は、必ずしも円環状である必要はなく、例えば、軸方向から見た形状を多角形としてもよい。また、環状電極3は、容器2の周面から所定の距離をおいて容器2を囲むように配置されてさえいればよく、例えば、環状の金属線を、容器2を囲むように配置してもよい。
 また、原料液F等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料液Fから繊維状物質F1を速やかに生成することができるように、気流26を発生させる送風機と容器2との間に、気流26を加熱するための図示しないヒータを設けるのが好ましい。このようにすることで、帯電した原料液Fの蒸発が促進されて、静電爆発が早期に起こるようにすることができる。その結果、生成される繊維状物質F1の繊維径がより細くなり、微細な繊維状物質F1を安定して生成することができる。
 また、容器2及び環状電極3と、コレクタとの間には送風による原料液F等の流路を規定するための筒体(図示しない)を設けるのがよい。筒体は、容器2に向けて開口する開口部がコレクタに向けて開口する開口部よりも小さく、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされているのがよい。このように、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされている筒体を容器2とコレクタとの間に配置して原料液F等の流路を徐々に拡大するように規定することによって、繊維状物質F1を高密度でむら無く均一に収集することが可能となる。
 なお、本実施の形態1においては、容器2を接地する一方、電源4により環状電極3に高電圧を印加するものとしている。これに限らず、電源4により容器2に高電圧を印加し、環状電極3を接地するものとしてもよい。ただし、この場合には、回転する容器2に高電圧が印加されることになるために、容器2を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。
 また、容器2と環状電極3とを電源4の2つの端子にそれぞれ接続して、容器2と環状電極3との双方に電圧を印加するようにしてもよい。要するに、容器2と環状電極3との間に電位差を与えて、その間に電界を発生させ、それにより細孔2aから流出する原料液Fに電荷を付与し得る構成であれば、どのような構成であってもよい。
 ここで、原料液Fに含ませる高分子材料は、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、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、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、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1種が使用される。しかしながら、原料液Fに含ませることができる高分子材料はこれらに限られるものではなく、既存の物質であってもナノファイバの原料としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質でナノファイバの原料としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
 また、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、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1種が使用される。しかしながら、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、これらに限られるものではなく、既存の物質であってもエレクトロスピニング法における高分子材料の分散媒または溶媒としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質で分散媒または溶媒としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
 また、原料液Fには無機質固体材料を混入することも可能である。混入可能な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、硫化物などを挙げることができる。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、Al23、SiO2、TiO2、Li2O、Na2O、MgO、CaO、SrO、BaO、B23、P25、SnO2、ZrO2、K2O、Cs2O、ZnO、Sb23、As23、CeO2、V25、Cr23、MnO、Fe23、CoO、NiO、Y23、Lu23、Yb23、HfO2、Nb25等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも1種が使用される。しかしながら、原料液Fに混入される無機質固体材料はこれらに限定されるものではない。
 高分子材料と分散媒または溶媒との混合比率は、それらの種類にもよるが、分散媒または溶媒の比率が60~98質量%となるように混合されるのが好ましい。
 〈実施の形態2〉
 次に、図4を参照して、本発明の実施の形態2を説明する。実施の形態2は、実施の形態1を改変したものであり、以下、実施の形態1とは異なる部分のみを説明する。
 図4は、本発明の実施の形態2に係るナノファイバ製造装置の一部を断面にした側面図である。なお、この実施の形態2においても、容器2を容器2Aにより置き換えることができる。
 実施の形態2のナノファイバ製造装置1Aは、容器2の細孔2aを介して放出される原料液Fが環状電極3に付着するのをより確実に防止するために、2段階の気流発生手段を設けたものである。すなわち、実施の形態1においては、容器2から放出される原料液Fに十分な電荷が付与されるように、容器2の周囲に環状電極3を配置する構成とした。しかしながら、環状電極3は、容器2からの原料液Fの放出方向に配されるものであるために、送風機が発生する気流26により原料液F等を偏向するだけでは、その一部が環状電極3に付着するおそれがある。原料液F等が環状電極3に付着すると、それを取り除くために定期的にメンテナンスを行う必要が生じ、生産効率が低下する。
 本実施の形態2は、2段階の気流発生手段を設けることにより、原料液F等が環状電極3に付着する量を極力小さくし、これにより、メンテナンスの頻度を小さくして、生産効率の向上を図ろうとするものである。
 ここで、2段階の気流発生手段の1つは、実施の形態1における気流26を発生するのに用いた送風機23である。そして、他の1つは、気体噴射機構27である。気体噴射機構27は、容器2の外径よりも内径が若干大きいリング状の気体噴出部28と、噴出される気体(例えば空気)を気体噴出部28に供給する例えばエアポンプからなるエア源30とから構成される。気体噴出部28は、中空の角材の両端を接合して輪にしたような構造を有している。
 より詳細には、気体噴出部28は、エア源30からの気体が導入される中空部28aと、軸方向の一方向に気体を噴出するように一方の側面に所定ピッチで形成された複数の噴出孔28bと、中空部28aにエア源30からの気体を導入するためのエア導入孔28cとを有している。エア源30から気体噴出部28に所定圧力で供給された気体は、各噴出孔28bを通して、容器2の細孔2aから放出された原料液Fに向かって噴射される。
 このような構成の気体噴射機構27は、噴射される気体の流速を容易に大きくすることができるので、容器2の細孔2aから放射状に放出された原料液Fを効果的に偏向することができる。
 このように、2段階の気流発生手段を設けることによって、原料液F等が環状電極3に付着するのをより確実に防止することができる。なお、複数の噴出孔28bに代えて、気体噴出部28の一方の側面を一周するように設けられた隙間(図示しない)から気体を噴射する構成としても同様の効果を奏することができる。
 〈実施の形態3〉
 次に、図5を参照して、本発明の実施の形態3を説明する。本実施の形態3は、実施の形態1を改変したものであり、以下、実施の形態1とは異なる部分のみを説明する。図5は、本発明の実施の形態3に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す側面図である。なお、この実施の形態3においても、容器2を容器2Aにより置き換えることができる。
 本実施の形態3のナノファイバ製造装置1Bにおいては、環状電極3は使用されておらず、繊維状物質F1を収集するためのコレクタ5のドラム28が容器2と対となる電極として使用されている。
 上述したとおり、コレクタ5は、気流26により原料液F等が偏向される方向に配されており、導体から成るドラム28を有している。ドラム28は、一方の端子(図示例では正極端子)が接地された高電圧電源4の他方の端子(図示例では負極端子)と接続されている。また、容器2は接地されており、容器2とドラム28との間に電界が発生する。これにより、容器2及びドラム28にはそれぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、ドラム28に負電荷、容器2に正電荷が誘導される。
 容器2とドラム28との間には、長尺帯状の収集体30が配されている。収集体30は、送り機構32によりドラム28の周面と摺接するようにして長手方向に送られる可撓性のある部材である。原料液Fから生成された繊維状物質F1は、長手方向に送られる収集体30の表面に堆積して、不織布として収集される。送り機構32は、収集体30を巻き出す巻き出しロール34及び繊維状物質F1を収集した収集体30を巻き取る巻き取りロール36を含んでいる。
 収集体30は、原料液Fから生成された繊維状物質F1(ナノファイバ)を移送する気流26が通過可能であり、且つ堆積した繊維状物質F1を容易に分離することができるように、薄くて柔軟性を有する素材から構成されるのが好ましい。好ましい素材の例として、アラミド繊維から形成された網状のシートを挙げることができる。これにテフロン(登録商標)コートを行うと、繊維状物質F1(ナノファイバ)の分離性がさらに向上するためにより好ましい。
 一般的には、収集体30は、絶縁性材料から構成されるが、これに限定するものではなく、長尺のシート状の部材の中に、カーボンナノファイバ等の導電性材料を混合し、収集体30に導電性を持たせるようにしてもよい。
 以上のように、環状電極3の代わりに、繊維状物質F1を収集するためのコレクタ5のドラム28を、容器2と対となる電極として使用することによって、環状電極3に原料液F、ないしはそれから形成された繊維状物質F1が環状電極3に付着することがなくなり、メンテナンスの必要がなくなる。したがって、生産効率が向上する。反面、容器2と電極とを近接配置することは困難となるので、実施の形態1と比較して生産性が若干低下する可能性はある。
 なお、図6に示すように、本実施の形態3においても、容器2に電源4により高電圧を印加し、ドラム28を接地するものとしてもよい。ただし、この場合にも容器2を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。また、実施の形態2の構成と本実施の形態3の構成を組み合わせることも勿論可能である。
 〈実施の形態4〉
 次に、図7を参照して、本発明の実施の形態4を説明する。本実施の形態4は、実施の形態1を改変したものであり、以下、実施の形態1とは異なる部分のみを説明する。図7は、本発明の実施の形態4に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。
 本実施の形態4において使用される容器2Bは、回転の軸方向に外径が直線的に変化する、円錐の頂部を切除した外形とされている。容器2Bの原料液導入空間7Aは、周壁9の表面から一定の深さに形成された、径方向の奥行きが一定である隙間、並びに円錐の底面に相当する円形壁15の表面から一定の深さに形成された、軸方向の奥行きが一定である隙間として構成されている。周壁9の内側にある原料液導入空間7Aは、その位置が、容器2Bの先端側(図の右側)にいくにしたがって、容器2Bの回転軸に近づいている。
 そして、円形壁15の中央の外側表面に原料液供給管13が接続されている。原料液供給管13の管路13aと、容器2Aの原料液導入空間7Aとは円形壁15の中央に設けられた連通孔15aを介して連通されている。
 本実施の形態4の容器2Bを使用した場合には、気流26の下流側にいくにしたがって、細孔2aから放出される原料液Fに働く遠心力は小さくなる。このため、気流26の下流側にいくにしたがって、気流26により偏向される原料液F等の軌跡は径方向の内側となる。これにより、各細孔2aから放出される原料液F等の軌跡が容器2Aの径方向に分散される。原料液F等の軌跡が容器2Aの径方向に分散されずに集中してしまうと、それが有する電荷により下流側の細孔2aから放出される原料液Fの帯電が阻害されたり、下流側の細孔2aからの原料液Fの放出が阻害されたりする等の弊害が生じる。したがって、原料液F等の軌跡を容器2Bの径方向に分散させることによって、これらの弊害を除去することができる。
 ここで、図7のように気流26の下流側にいくにしたがって容器2Bの外径を小さくする場合には、各細孔2aから放出される原料液Fの流量を一定とするように、気流26の下流側にいくにしたがって細孔2aの径を大きくするのが好ましい。これにより、生成される繊維状物質F1の繊維径を一定とすることが可能となる。
 なお、本実施の形態の容器2Bは、実施の形態1に対してのみならず、実施の形態2及び3に対しても適用することができ、その場合にも同様の効果を奏することが可能である。
 また、容器2Bの外径は気流26の下流側にいくにしたがって直線的に小さくなるものとしたが、大きくなるようにすることも可能であり、この場合にも気流26により偏向される原料液F等の軌跡を容器2Aの径方向に分散させることができる。
 以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
 外径が60mm、内径が57mmである略円筒状の容器2の周壁に、細孔2aを容器2の軸方向に6個並べて1列とし、容器2の周方向に18列が並ぶように、計108個の細孔2aを形成した。このとき、細孔2aの容器2の周方向のピッチは約20mmであった。また、細孔2aの容器2の軸方向のピッチも10mmであった。
 そして、細孔2aの径が0.20mm(実施例1)、0.30mm(実施例2)及び0.50mm(実施例3)の3通りである、3種類の容器2を作成した。
 これら3種類の容器2をそれぞれ組み込んだ図1のナノファイバ製造装置(以下、実施例装置という)を使用し、様々な回転数により容器2を20分間回転させて、ナノファイバを製造した。ここで、環状電極3の直径は、400mmとし、電源7の電圧は60kVとし、その負極を環状電極3に接続し、正極を接地した。また、収集体30の送り量は、5mm/分とした。高分子材料としてポリビニルアルコール(PVA)を使用し、溶媒として水を使用し、両者を混合して、濃度が10質量%であるポリビニルアルコールの溶液を原料液Fとして調製した。
 一方、図10に示した容器111及び供給管112を含む従来のナノファイバ製造装置(比較例装置という)を使用して、上記実施例1~3と同様の条件でナノファイバを製造した。ここで、容器111は、細孔113の径が上記3種類(0.20mm(比較例1)、0.30mm(比較例2)、及び0.50mm(比較例3))である、3種類の容器を用意した。
 そして、上記実施例1~3、及び比較例1~3について、製造されたナノファイバを顕微鏡により観察し、高分子物質の塊が混入していない高品質なナノファイバが製造できているかを調査した。その結果を、図8に示す。同図においては、上記高品質のナノファイバを製造することのできた容器2または容器111の回転数の上限が、白抜きの双頭の矢印で示されている。
 図8に示すように、実施例1~3においては、細孔2aの径が同一であるそれぞれの比較例1~3に対して、より高い回転数で容器2を回転させても静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊の混入していない高品質のナノファイバを製造することができた。このことは、より大量の原料液Fを細孔2aから放出させながら高品質のナノファイバを製造することが可能なことを意味する。このように、本発明によれば、高品質のナノファイバをより大量に生産し得ることが分かる。
 その理由は、実施例1~3においては、容器2の各細孔2aから放出される原料液Fの流量を一定とすることができるためであると考えられる。つまりより高い回転数にいたるまで、各細孔2aから放出される原料液Fの中に電荷の密度が少なすぎる原料液Fが混入しないからである。また、より高い回転数にいたるまで、原料液が細孔から流出する場合に塊となって流出する頻度が少なくなるからである。
 また、本発明者等は、上記実施例1~3の各容器2を実施の形態2のナノファイバ製造装置1Aに適用し、上記実施例1~3におけると同様の条件でナノファイバを製造した。そして、環状電極3の原料液F等の付着量を調査した。その結果、上記実施例1~3においては、20分間の運転により環状電極3に若干の原料液F等の付着が認められたのに対して、実施の形態2のナノファイバ製造装置1Aを用いた実験では、20分間の運転後にも環状電極3への原料液F等の付着はほとんど認められなかった。このように、本発明のより好ましい形態においては、環状電極3への原料液F等の付着を軽減することができた。
 なお、上記実施の形態及び実施例においては、外周壁に複数の細孔が直接的に形成された容器の場合について記載したが、外周壁にノズル等の突起部を設けて、その突起部の先端に細孔を開口させて、その細孔から原料液を流出させるようにしても、本願発明の効果は得ることができる。すなわち、細孔の近傍にある容器内の原料液の量を所定量に制限し、容器の内部に原料液を所定圧力で供給し、しかも、上記所定量の原料液にかかる遠心力を一定にすることで、細孔から流出する原料液を安定的に一定量に制御することができる。これにより、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
 本発明のナノファイバ製造装置及び製造方法によれば、エレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する場合に、高品質のナノファイバを高い生産性で製造することが可能となる。
 1  ナノファイバ製造装置
 2  容器
 2a 細孔
 3  環状電極
 4  高圧電源
 5  コレクタ
 7  原料液導入空間
 8  回転継手
 16 電動機
 19 原料液タンク
 20 原料液ポンプ
 22 圧力センサ
 24 制御部
 26 気流
 F  原料液
 F1 繊維状物質

Claims (10)

  1.  外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
     高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
     前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
     前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法。
  2.  前記原料液に印加される前記遠心力による前記細孔からの放出圧力が一定となるように、前記容器の内部の形状が設定されている請求項1記載のナノファイバ製造方法。
  3.  前記細孔から放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質の進む方向を、前記遠心力の方向から偏向させる請求項1記載のナノファイバ製造方法。
  4.  高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
     前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
     前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
     前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
     前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
     前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
    とを備えるナノファイバ製造装置。
  5.  前記空間は、前記外周壁と、前記外周壁の内側に設けられた内周壁とで規定されており、前記複数の細孔から前記内周壁までの前記空間の径方向の奥行きが等しい請求項4記載のナノファイバ製造装置。
  6.  前記細孔から径方向の外側に向かって放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質を、前記径方向とは異なる方向に偏向させる偏向装置を備えた請求項4記載のナノファイバ製造装置。
  7.  前記開口部の回転軸からの距離が一定である請求項4記載のナノファイバ製造装置。
  8.  前記開口部の回転軸からの距離が、前記細孔の前記回転軸と平行な方向における位置に応じて設定される請求項4記載のナノファイバ製造装置。
  9.  前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項7記載のナノファイバ製造装置。
  10.  前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項8記載のナノファイバ製造装置。
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