(57)【要約】【課題】静電爆発により製造されるナノファイバの空間分布を均一にする。【解決手段】原料液３００を空間中で静電爆発させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置１００であって、原料液３００を空間中に流出させる流出体２１１と、流出体２１１に電荷を誘導する誘導電極２２１と、誘導電極２２１に所定の電位を印加する誘導電源２２２と、ナノファイバ３０１を搬送する気体流を発生させる気体流発生手段２０３と、ナノファイバ３０１の搬送方向と垂直な断面の開口面積が連続して拡大する形状を有する拡散体２４０とを備える。【選択図】図１
2010018898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料液を空間中で静電爆発させ、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、
前記原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、
前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に電荷を誘導する誘導電極と、
前記流出体と前記誘導電極との間を所定の電圧にする誘導電源と、
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手段と、
ナノファイバを気体流と共に拡散させつつ案内する風洞であって、ナノファイバの搬送方向と垂直な断面の開口面積が連続して拡大する形状を有する拡散体と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項２】
前記拡散体は、ナノファイバの搬送方向に対する傾斜が１／４以上、１／２以下の範囲となる形状である請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
前記拡散体は、断面開口形状が滑らかで閉じた形状である請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
さらに、
前記流出体と前記拡散体との間に配置され、ナノファイバを気体流と共に前記拡散体に案内する案内体を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項５】
さらに、
ナノファイバを堆積する堆積対象部材と、
ナノファイバを前記堆積対象部材に誘引する誘引手段と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
原料液を空間中で静電爆発させ、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、
前記原料液を空間中に流出させる流出工程と、
前記原料液を帯電させる帯電工程と、
ナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生工程と、
ナノファイバを気体流と共に所定の拡散率で拡散させつつ搬送する拡散工程と
を含むナノファイバ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ナノファイバ製造装置に関し、特に、空間的に均等に分散した状態のナノファイバを製造することができるナノファイバ製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このエレクトロスピニング法とは、溶媒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静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。
【０００４】
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媒が蒸発していく。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、溶媒は、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（静電爆発）が生じる。この静電爆発が、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）。
【０００５】
以上のように空間中で製造されるナノファイバは、堆積されて不織布として用いられる事がある。この場合、不織布の厚さの均一性や不織布を構成するナノファイバの径の均一性などが要求されるため、本願発明者らは、ナノファイバを気体流で搬送し、気体流と共にナノファイバを拡散させることで、ナノファイバを空間的に均一に分布させることのできるナノファイバ製造装置を先に提案している。このように、空間的に均一に分布したナノファイバを堆積させることで、品質が二次元的に均一な不織布を製造することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２３８７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、本願発明者らが研究を進めていく中で、従来のナノファイバ製造装置では得られた不織布の均一性に問題が生じる場合があった。例えば、ナノファイバの製造条件を変更した場合、所望の均一性を確保できないなどの不具合が発生する事があり、製造装置としての製造品質の安定性を確保することが困難な場合があった。
【０００７】
そこで、鋭意研究と実験を重ねたところ、ナノファイバを空間中で拡散させる部分の形状を所定の形状とすることで、製造品質の向上が図れることを見いだすに至った。
【０００８】
本願発明は、前記知見に基づきなされたものであり、製造されるナノファイバの空間的な均一性を確保し、当該均一性を安定して実現しうるナノファイバ製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で静電爆発させ、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、前記原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に電荷を誘導する誘導電極と、前記流出体と前記誘導電極との間を所定の電圧にする誘導電源と、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手段と、ナノファイバを気体流と共に拡散させつつ案内する風洞であって、ナノファイバの搬送方向と垂直な断面の開口面積が連続して拡大する形状を有する拡散体とを備えることを特徴としている。
【００１０】
これにより、ナノファイバの空間的な分布を均一とすることができる。また、ナノファイバの空間的な分布の均一性を維持して安定した操業を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
製造されるナノファイバの空間的な均一性を確保して、品質が二次元的に均一な不織布を製造することが可能となる。また、当該品質が二次元的に均一な不織布を安定して製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本願発明にかかるナノファイバ製造装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【００１４】
図２は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す斜視図である。
【００１５】
これらの図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出手段２００と、案内体２０６と、拡散体２４０と、収集手段１１０と、誘引手段１１５とを備えている。
【００１６】
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が静電爆発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。
【００１７】
図３は、放出手段を示す断面図である。
図４は、放出手段を示す斜視図である。
【００１８】
放出手段２００は、帯電した原料液３００や製造されるナノファイバ３０１を気体流に乗せて放出することができるユニットであり、流出手段２０１と、帯電手段２０２と、風洞体２０９と、気体流発生手段２０３とを備えている。
【００１９】
これらの図に示すように、流出手段２０１は、原料液３００を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に流出させ、誘導電極２２１の内方に原料液を流出させる装置である。流出手段２０１は、流出体２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。
【００２０】
流出体２１１は、原料液３００を空間中に流出させる流出孔２１６を有する部材である。本実施の形態の場合、流出体２１１は、原料液３００が内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を流出させることのできる容器である。流出体２１１は、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔２１６を多数備えている。流出体２１１は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されている。流出体２１１は支持体（図示せず）に設けられるベアリング２１５により回転可能に支持されている。
【００２１】
具体的には、流出体２１１の直径は、１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると後述の気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからであり、また、流出体２１１の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体２１１を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体２１１の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。
【００２２】
また、流出孔２１６の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体２１１の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出孔２１６があまりに小さすぎると原料液３００を流出体２１１の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出孔２１６から流出する原料液３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する原料液３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径のナノファイバ３０１を製造することが困難となるからである。
【００２３】
なお、流出体２１１の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。また、流出孔２１６の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。
【００２４】
回転軸体２１２は、流出体２１１を回転させ遠心力により原料液３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体２１１の他端から流出体２１１の内部に挿通され、流出体２１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ２１３の回転軸と接合されている。
【００２５】
モータ２１３は、遠心力により原料液３００を流出孔２１６から流出させるために、回転軸体２１２を介して流出体２１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体２１１の回転数は、流出孔２１６の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ２１３と流出体２１１とが直動の時はモータ２１３の回転数は、流出体２１１の回転数と一致する。
【００２６】
帯電手段２０２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、帯電手段２０２は、誘導電極２２１と、誘導電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、流出体２１１も帯電手段２０２の一部として機能している。
【００２７】
誘導電極２２１は、自身がアースに対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、近傍に配置され接地されている流出体２１１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、誘導電極２２１は、流出体２１１の先端部分を取り囲むように配置される円環状の部材である。誘導電極２２１に正の電圧が印加されると流出体２１１には、負の電荷が誘導され、誘導電極２２１に負の電荷が印加されると流出体２１１には、正の電荷が誘導される。また、誘導電極２２１は、気体流発生手段２０３からの気体流を案内体２０６に案内する風洞体２０９としても機能している。
【００２８】
誘導電極２２１の大きさは、流出体２１１の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、２００ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。
【００２９】
誘導電源２２２は、誘導電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。なお、誘導電源２２２は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ３０１の帯電極性に影響受けないような場合、生成したナノファイバ３０１の帯電を利用して、電極上に回収するような場合には、直流電源が好ましい。また、誘導電源２２２が直流電源である場合、誘導電源２２２が誘導電極２２１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。誘導電源２２２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。
【００３０】
接地手段２２３は、流出体２１１と電気的に接続され、流出体２１１を接地電位に維持することができる装置である。接地手段２２３の一端は、流出体２１１が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。
【００３１】
なお、流出体２１１と誘導電極との間の電界強度が重要であり、１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧や誘導電極２２１の形状や流出体２１１と誘導電極との配置を行うことが好ましい。誘導電極２２１の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。
【００３２】
本実施の形態のように帯電手段２０２に誘導方式を採用すれば、流出体２１１を接地電位に維持したまま原料液３００に電荷を付与することができる。流出体２１１が接地電位の状態であれば、流出体２１１に接続される回転軸体２１２やモータ２１３などの部材を流出体２１１から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出手段２０１として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
【００３３】
なお、帯電手段２０２として、流出体２１１に電源を接続し、流出体２１１を高電圧に維持し、誘導電極２２１を接地することで原料液３００に電荷を付与してもよい。また、流出体２１１を絶縁体で形成すると共に、流出体２１１に貯留される原料液３００に直接接触する電極を流出体２１１内部に配置し、当該電極を用いて原料液３００に電荷を付与するものでもよい。このような流出体２１１に直接もしくは原料液に直接電極を配置する場合には、原料液に帯電する電荷の極性は、印加する電圧の極性と同じ極性になる。
【００３４】
気体流発生手段２０３は、流出体２１１から流出される原料液３００の飛行方向を案内体２０６で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段２０３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から流出体２１１の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段２０３は、流出体２１１から径方向に流出される原料液３００が誘導電極２２１に到達するまでに前記原料液３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図３において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段２０３として、放出手段２００の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。
【００３５】
なお、気体流発生手段２０３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、高圧ガスを導入することにより流出された原料液３００の方向を変更するものでもかまわない。また、吸引手段１０２などにより案内体２０６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、気体流発生手段２０３は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、風洞体２０９の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段２０３が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、風洞体２０９や案内体２０６の内方に気体流を発生させるようにすることも気体流発生手段が存在しているものとする。また、気体流発生手段２０３を有しない状態で、誘引手段１１５が備える吸引手段１０２により吸引することで、風洞体２０９や案内体２０６の内方に気体流が発生する場合、吸引手段１０２が気体流発生手段として機能しているとみなす。
【００３６】
風洞体２０９は、気体流発生手段２０３で発生した気体流を流出体２１１の近傍に案内する導管である。風洞体２０９により案内された気体流が流出体２１１から流出された原料液３００と交差し、原料液３００の飛行方向を変更する。
【００３７】
さらにまた、放出手段２００は、気体流制御手段２０４と、加熱手段２０５とを備えている。
【００３８】
気体流制御手段２０４は、気体流発生手段２０３により発生する気体流が流出孔２１６に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段２０４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する漏斗形状の部材が採用されている。気体流制御手段２０４により、気体流が直接流出孔２１６に当たらないため、流出孔２１６から流出される原料液３００が早期に蒸発して流出孔２１６を塞ぐことを可及的に防止し、原料液３００を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段２０４は、流出孔２１６の風上に配置され気体流が流出孔２１６近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。
【００３９】
加熱手段２０５は、気体流発生手段２０３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、加熱手段２０５は、案内体２０６の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段２０５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。加熱手段２０５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を製造することが可能となる。
【００４０】
案内体２０６は、放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞を形成する部材であり、放出手段２００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、放出手段２００と一連に、かつ、所定の隙間を開けて配置されている。そして、放出手段２００と案内体２０６との隙間が導入口２０８となっている。
【００４１】
導入口２０８は、案内体２０６外方の雰囲気を案内体２０６内方に導入する為の開口であり、本実施の形態の場合、放出手段２００と案内体２０６との間に配置され、案内体２０６の全周にわたって均一に開口している。なお、図３中導入口２０８の部分に記載されている曲がった矢印は、案内体２０６の内方に導入される雰囲気を模式的に示したものである。
【００４２】
図１、図２の参照に戻る。
拡散体２４０は、案内体２０６に接続され、案内体２０６の内方を通過して案内されるナノファイバ３０１を気体流と共に広く拡散させ分散させる風洞であり、気体流に乗って搬送されるナノファイバ３０１の速度を減速させる部材である。拡散体２４０は、ナノファイバ３０１の搬送方向と垂直な断面の開口面積（図５中Ｃで示される面積）が連続して拡大する形状を有している。拡散体２４０の断面開口形状（図５中Ｃ）は、いずれの断面であっても滑らかで閉じた形状となっている。ここで、滑らかとは、二本の直線が交差する部分に存在する角部が無い場合をいう。また、滑らかとは、断面開口形状上のどの点をとっても微分係数が存在する場合をいうと考えてもよい。
【００４３】
本実施の形態の場合、拡散体２４０の気体流が導入される上流端側の開口形状は円形であり、下流端側の開口形状は長円（トラック形状）である。そして上流端側開口形状から下流端側開口形状に至るまで、直線でつながっている。つまり、拡散体２４０のどの断面をとっても断面開口形状は滑らかであり、かつ、凸の図形である。また、拡散体２４０に囲まれる立体形状も凸の形状である。ここで長円（トラック形状）とは、真円を直径で二分して第一半円と第二半円とを形成し、第一半円と第二半円との凹部を対向させ、第一半円と第二半円との端部同士を直線で接続した形状であり、陸上競技に用いられるレーストラックの形状である。また、凸の形状とは、閉じた形状内のいずれの２点を選んでも、当該２点を結ぶ線は、前記閉じた形状内に存在する形状をいう。
【００４４】
本実施の形態にかかる拡散体２４０は、図５に示すように、半径Ｒの真円である上流端側開口形状Ａを備えており、拡散体２４０の下流端側開口形状Ｂは、上流端側開口形状Ａを第一半円Ａ１と第二半円Ａ２とに直径で二分して、それぞれを直線で結んだ長円形状となっている。拡散体２４０は、ナノファイバ３０１が搬送される方向に進むに従って、第一半円Ａ１と第二半円Ａ２との距離がリニアに離れていくものとなっている。また、拡散体２４０が有するナノファイバの搬送方向に対する傾斜Ｄ／Ｌ（Ｌは搬送方向の距離、Ｄは搬送方向に垂直な距離）は、１／４以上、１／２以下が好ましい。これはＤ／Ｌが１／４未満の場合、ナノファイバ３０１を所望の広さに分布させるためにナノファイバ３０１の搬送距離を長くしなければならず、ナノファイバ３０１の分布の均一性を確保することが困難になるからである。一方、Ｄ／Ｌが１／２より大きい場合、ナノファイバ３０１が急に拡散されることになり、この場合もナノファイバ３０１の分布の均一性を確保することが困難になるからである。本実施の形態の場合Ｄ／Ｌは、１／３が採用されている。
【００４５】
また、本実施の形態の場合、１／３の傾斜が拡散体２４０に対向するように二つ設けられている。従って、拡散体２４０の拡散率、すなわち、搬送方向の距離に対する断面開口面積の増加率Ｓ／Ｌは、２Ｒ／３となる。従って、拡散体２４０によれば、ナノファイバ３０１を気体流と共に２Ｒ／３の拡散率で拡散させつつ搬送することができる。
【００４６】
拡散体２４０は、次のような作用を奏すると考えられる。すなわち、拡散体２４０の上流端側から下流端側に向かって気体流が流れると、高密度状態のナノファイバ３０１が徐々に低密度状態となって分散すると共に、気体流の流速は、拡散体２４０の断面の開口面積に比例して落ちていく。従って、気体流に乗って搬送されるナノファイバ３０１も、気体流と共に速度が減速される。この際、ナノファイバ３０１は、断面開口面積の拡大に従い徐々に均等に拡散していく。従って、ナノファイバ３０１を堆積対象部材１０１上に均等に堆積させることが可能となる。しかも、拡散体２４０の断面開口形状が滑らかで閉じた形状であり、かつ、当該断面開口形状が連続して滑らかに拡大していっているため、気体流がスムーズに広がり、これに伴ってナノファイバ３０１も均等に拡散する。
【００４７】
なお、本実施の形態の場合、拡散体２４０は、上流端側の開口形状を一次元的に伸長したものを例示したが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば図６に示すように、上流端側の開口形状Ａを二次元的に徐々に伸長し、下流端側の開口形状Ｂを開口形状Ａの相似形としてもかまわない。この場合においても、拡散体２４０が有するナノファイバの搬送方向に対する傾斜Ｄ／Ｌは、１／４以上、１／２以下が好ましい。
【００４８】
また、拡散体２４０の内周面に、フッ素系樹脂をコーティングしてもかまわない。これによって、ナノファイバ３０１が拡散体２４０の内周壁に付着するのを回避することが可能となる。
【００４９】
図１、図２の参照に戻る。
収集手段１１０は、拡散体２４０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り、堆積対象部材１０１と、移送手段１０４とを備えている。
【００５０】
堆積対象部材１０１は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ３０１が堆積される対象となる部材である。堆積対象部材１０１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る。具体的には、堆積対象部材１０１として、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、堆積対象部材１０１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を堆積対象部材１０１から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、堆積対象部材１０１は、ロール状に巻き付けられた状態で供給ロール１１１から供給されるものとなっている。
【００５１】
移送手段１０４は、長尺の堆積対象部材１０１を巻き取りながら供給ロール１１１から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に堆積対象部材１０１を搬送するものとなっている。移送手段１０４は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を堆積対象部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。
【００５２】
誘引手段１１５は、飛来するナノファイバ３０１を堆積対象部材１０１に誘引する装置である。誘引手段１１５としては、帯電しているナノファイバ３０１を逆極性の電位（または、接地電位）が印加された電極を用いて電界により誘引する電界誘引方式と、気体流を吸引することにより、気体流と共にナノファイバ３０１を誘引する気体誘引方式が例示できる。
【００５３】
本実施の形態の場合、電界誘引方式と気体誘引方式との両方を備える誘引手段１１５が採用されている。誘引手段１１５は、誘引電極１１２と、誘引電源１１３と、吸引手段１０２とを備えている。
【００５４】
誘引電極１１２は、帯電しているナノファイバ３０１を電界（電場）により誘引する部材であり、拡散体２４０の下流側端部の開口部よりも一回り小さい矩形の板状の電極である。誘引電極１１２の拡散体２４０に向かう面の周縁部は尖った部分がなく、全体的にアールが施されており、異常放電が発生するのを防止している。また、誘引電極１１２は、吸引手段１０２が吸引する気体流を透過させるための透過孔が多数設けられている。
【００５５】
誘引電源１１３は、誘引電極１１２に電位を付与するための電源であり、本実施の形態の場合は直流電源が採用されている。
【００５６】
吸引手段１０２は、拡散体２４０から堆積対象部材１０１と誘引電極１１２とを通過する気体流を吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２として、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機が採用されている。
【００５７】
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。
【００５８】
まず、気体流発生手段２０３と吸引手段１０２とにより、案内体２０６や風洞体２０９の内部に気体流発生手段２０３から堆積対象部材１０１に向かう気体流を発生させる。案内体２０６内を通過する気体流により、案内体２０６内方は、案内体２０６外方よりも圧力が低くなっているため、導入口２０８から案内体２０６外方の雰囲気（本実施の形態の場合は空気）が流入する。いわゆるベンチュリ効果である。
【００５９】
次に、流出手段２０１の流出体２１１に原料液３００を供給する。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図３参照）を通過して流出体２１１の他端部から流出体２１１内部に供給される。
【００６０】
次に、誘導電源２２２により誘導電極２２１を流出体２１１に対して高電圧とし、流出体２１１に貯留される原料液３００に電荷を供給しつつ（帯電工程）、流出体２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により流出孔２１６から帯電した原料液３００を流出する（流出工程）。
【００６１】
流出体２１１の径方向放射状に流出された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り風洞体２０９や誘導電極２２１により案内される。原料液３００は静電爆発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）放出手段２００から放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５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ている。
【００６２】
以上のようにして放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１は、案内体２０６に導入される。ここで、案内体２０６の端部に配置される導入口２０８からは空気が流入しているため、ナノファイバ３０１は、案内体２０６の軸心方向に押し付けられながら搬送される（搬送工程）。
【００６３】
従って、ナノファイバ３０１は案内体２０６の内壁に付着することなく案内体２０６の軸心に沿って案内される。
【００６４】
次に、拡散体２４０にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで徐々に速度が低下すると共に、均一に分散状態となる（拡散工程）。ここで、拡散体２４０は、いずれの断面においても開口形状が滑らかで閉じた形状となっているため、気体流が全体として均一に広がり、また、流速が均等に減少する。そして、部分的に渦流が発生し難い状態となっている。従って、気体流に搬送されるナノファイバ３０１も気体流に従い、均等に拡散する。特に、拡散体２４０の内方で形成される立体形状は凸形状であるため、前記作用効果が顕著に表れると考えられる。
【００６５】
この状態において、拡散体２４０の開口部に配置されている誘引電極１１２は、ナノファイバ３０１の帯電極性とは逆極性の電圧が印加されているため、ナノファイバ３０１を引きつける。また、吸引手段１０２によってもナノファイバ３０１は堆積対象部材１０１に誘引される。以上により、ナノファイバ３０１は、堆積対象部材１０１上に堆積していく（収集工程）。
【００６６】
以上により、原料液３００に含まれる溶媒の蒸発は、案内体２０６の内方で発生するが、案内体２０６内方は、気体流が存在し吸引手段１０２に吸引されて回収されるまで常に流れているため、案内体２０６内方に溶媒の蒸気が滞留することはない。従って、案内体２０６内方は、爆発限界を超えることがなく、安全な状態を維持しながらナノファイバ３０１を製造することが可能となる。
【００６７】
さらに、引火性のある溶媒を用いることが可能となるため、溶媒として用いることができる有機溶剤の種類の幅が広がり、人体に体して悪影響の少ない有機溶剤を溶媒として選定することも可能となる。また、蒸発効率の高い有機溶剤を溶媒として選定し、ナノファイバ３０１の製造効率を向上させることも可能となる。
【００６８】
さらに、ナノファイバ３０１は拡散体２４０により均一に拡散し分散した後に誘引電極１１２により引きつけられるため、ナノファイバ３０１は、堆積対象部材１０１上に均一に堆積する。従って、堆積したナノファイバ３０１を不織布として利用する場合には、面全体に渡って性能が安定した不織布を得ることが可能となる。また、堆積したナノファイバ３０１を紡糸する場合においても、性能が安定した糸を得ることが可能となる。
【００６９】
ここで、ナノファイバ３０１を構成する高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等およびこれらの共重合体を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【００７０】
原料液３００に使用される溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、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、本願発明は上記溶媒に限定されるものではない。すなわち、前記高分子物質により、それに対応した最適な溶媒を選定して、所定の粘度になるように構成比率を設定するようにしている。
【００７１】
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。
【００７２】
溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。
【００７３】
上記のように、溶媒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、上記のように溶媒を５０重量％以上含んでいても十分に蒸発し、静電爆発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。
【００７４】
なお、上記実施の形態では、原料液３００を遠心力を用いて流出させたが、本願発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図７に示すような放出手段２００を採用してもかまわない。具体的には、放出手段２００は、断面矩形の風洞体２０９の一壁面を流出孔２１６が多数設けられた流出体２１１を配置し、風洞体２０９の対向面に誘導電極２２１を配置して前記流出孔２１６と誘導電極２２１間に電位差を持たせることで電界を発生させて前記原料液を帯電させることで、帯電手段２０２とする。また、風洞体２０９の開口端の一方には気体流発生手段２０３を設ける。また、このような放出手段２００と所定の間隔を隔てて、風洞体２０９と同じ断面形状（矩形）の案内体２０６を配置してもかまわない。この場合放出手段２００と案内体２０６との隙間が導入口２０８となる。
【００７５】
この場合、拡散体２４０は、図８に示すように、案内体２０６の形状と合致した上流端側の開口形状から、形状を徐々に変更しつつ、かつ、断面の開口面積が徐々に増加するようにしてもよい。
【００７６】
また、案内体２０６は、必要に応じ適宜省略することが可能である。この場合、放出手段２００に、直接拡散体２４０が接続されることとなる。
【００７７】
誘引電極１１２は、誘引電源１１３と接続を行っているが、誘引電極１１２を接地して、帯電したナノファイバを誘引するようにしても、本願発明に記載した効果は得られる。
【実施例】
【００７８】
次に、本願発明の実施例を説明する。
図１に示す、ナノファイバ製造装置１００を用い、ナノファイバからなる不織布を製造し、得られた不織布を評価した。
【００７９】
製造条件は以下の通りである。
１）流出体：直径はΦ６０ｍｍ
２）流出孔：数は１０８個、孔径は０．３ｍｍ
３）流出条件：回転数は２０００ｒｐｍ
４）ナノファイバの材質：ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）
５）原料液：溶媒は水、ＰＶＡとの混合率は、溶媒が９０重量％
６）誘導電極：内径はΦ６００ｍｍ
誘導電源は、負の６０ＫＶ
７）案内体：内径はΦ６００ｍｍ、断面開口形状は円形、長さは１０００ｍｍ
８）堆積対象部材：幅は４００ｍｍ、移動速度は１ｍｍ／分
誘引電源は、負の３０ＫＶ
９）案内体内の風量：３０ｍ3／分
１０）拡散体：傾きは１／３
１１）比較例としての拡散体：傾きは１／１
【００８０】
以上の条件により得られた不織布の厚みを幅方向に測定した。
【００８１】
結果は以下の通りである。
傾き１／３：最大厚みは３６μｍ、最小厚みは３０μｍ、平均厚みは３３μｍ
形態は図９（ａ）に示すとおり
傾き１／１：最大厚みは４５μｍ、最小厚みは２０μｍ、平均厚みは３０μｍ
形態は図９（ｂ）に示すとおり
【００８２】
以上により、本願発明にかかるナノファイバ製造装置によれば、ナノファイバを均一に堆積させることが可能であることが解った。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本願発明は、静電爆発（エレクトロスピニング法）によるナノファイバの製造や、当該ナノファイバを堆積させた不織布等の製造に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す斜視図である。
【図３】放出手段を示す断面図である。
【図４】放出手段を示す斜視図である。
【図５】拡散体を模式的に示す斜視図である。
【図６】拡散体の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図７】放出手段を模式的に示す断面図である。
【図８】拡散体の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図９】堆積されたナノファイバを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００  ナノファイバ製造装置
１０１  堆積対象部材
１０２  吸引手段
１０４  移送手段
１１０  収集手段
１１１  供給ロール
１１２  誘引電極
１１３  誘引電源
１１５  誘引手段
２００  放出手段
２０１  流出手段
２０２  帯電手段
２０３  気体流発生手段
２０４  気体流制御手段
２０５  加熱手段
２０６  案内体
２０８  導入口
２０９  風洞体
２１１  流出体
２１２  回転軸体
２１３  モータ
２１５  ベアリング
２１６  流出孔
２１７  供給路
２２１  誘導電極
２２２  誘導電源
２２３  接地手段
２４０  拡散体
３００  原料液
３０１  ナノファイバ
【図１】
2010018898.tif 000003
【図２】
2010018898.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010018898.tif 000006
【図５】
2010018898.tif 000007
【図６】
2010018898.tif 000008
【図７】
2010018898.tif 000009
【図８】
2010018898.tif 000010
【図９】
2010018898.tif 000011