(57)【要約】【課題】ナノファイバ製造装置において、ナノファイバの捕集率を向上させる。【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３０１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と所定の間隔を隔てて配置され、所定の電圧が印加される帯電電極２２１と、流出体２１１に対向する面に設けられる絶縁体層２０７と、流出体２１１と帯電電極２２１との間を所定の電圧にする帯電電源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とを備える。【選択図】図１
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【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、前記流出体に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、
前記流出体に対向する前記帯電電極の面に設けられる絶縁体層と、
前記流出体と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源と、
前記流出体から流出する前記原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項２】
前記絶縁体層は、レーヨンよりも正に帯電しやすい、または、ポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体からなる請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
前記絶縁体層は、フッ素系樹脂からなる請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
さらに、
空間中で製造されるナノファイバを収集する収集手段と、
前記収集手段にナノファイバを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５】
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、
流出孔を有する流出体から前記原料液を空間中に流出させる流出工程と、
前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極であって、前記流出体に対向する前記帯電電極の面に絶縁体層が設けられる帯電電極に、前記流出体に対し所定の電圧を印加する帯電工程と、
前記原料液が空間中で静電爆発することにより製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生工程と
を含むナノファイバ製造方法。
【請求項６】
さらに、
前記案内体により案内されるナノファイバを収集手段により収集する収集工程と、
前記収集手段にナノファイバを誘引する誘引工程と
を含む請求項５に記載のナノファイバ製造方法。
【請求項７】
さらに、
原料液にレーヨン、または、レーヨンより正に帯電しやすい樹脂が含まれている場合、前記帯電工程において、原料液を正に帯電させ、
原料液にポリエステル、または、ポリエステルより負に帯電しやすい樹脂が含まれている場合、前記帯電工程において、原料液を負に帯電させる
請求項５に記載の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の製造装置に関し、特に、ナノファイバを収集する位置とは異なる位置に帯電用の電極を備えるナノファイバ製造装置、及び、当該ナノファイバ製造措置を用いたナノファイバ製造方法に関する。
【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】
以上のようなエレクトロスピニング法で製造されるナノファイバの生産効率を向上させるためには空間中に流出させる原料液を多くすれば良い。しかし、原料液が同電位に帯電している等の理由から、小さな空間に多量の原料液を一度に流出させることは困難であり、また、ナノファイバを空間的に均一に製造することも困難であった。
【０００６】
そこで、本願発明者らは、原料液を流出する部分と製造されるナノファイバを収集する部分との間に電圧を印加して電界を発生させるのではなく、所定の空間で帯電させた原料液や製造されるナノファイバを気体流で搬送し、前記空間から離れた所に配置される収集手段で収集させることで、ナノファイバの生産効率を向上させることができるナノファイバ製造装置を先に提案している。
【特許文献１】特開２００８−３１６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、本願発明者らは、ナノファイバ製造装置を使用していくうちに、原料液を帯電させるために設けられた電極に一部のナノファイバが付着して、ナノファイバの生産効率が低下することを見いだした。
【０００８】
さらに、本願発明者らは、鋭意努力と研究の結果、空間中に流出され製造されるナノファイバの帯電状態を、電極に到達するまでに０にしたり逆極性にすることで、ナノファイバの電極への付着を回避できることを見いだすに至った。
【０００９】
本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、ナノファイバの帯電状態を電極に到達する前に変更することのでき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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で静電爆発させ、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、前記流出体に対し所定の電圧が印加される帯電電極と、前記流出体に対向する前記帯電電極の面に設けられる絶縁体層と、前記流出体と前記帯電電極との間を所定の電圧にする帯電電源と、前記流出体から流出する前記原料液から製造されるナノファイバを搬送する気体流を発生させる気体流発生手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、ナノファイバを安定して製造することができるため、ナノファイバの生産効率を高い状態で維持することが可能となる。
【００１２】
また、前記絶縁体層は、レーヨンよりも正に帯電しやすい、または、ポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体からなることが好ましい。
【００１３】
これにより、正または負の電荷が高密度状態で存在する高い帯電状態に帯電電極近傍を維持することができ、ナノファイバをより安定して搬送することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明によれば、製造されたナノファイバは、帯電電極に付着することなく安定した状態で搬送される。従って、ナノファイバの高い生産効率を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出手段２００と、案内体２０６と、拡散手段２４０と、収集手段１１０と、誘引手段１２０とを備えている。
【００１８】
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。
【００１９】
図２は、放出手段を示す断面図である。
【００２０】
図３は、放出手段を示す斜視図である。
【００２１】
これらの図に示すように、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。
【００２２】
さらに、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、帯電電極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。回転軸体２１２は、ベアリング（図示せず）を介して支持体（図示せず）に回転可能に支持されている。
【００２３】
流出体２１１は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、原料液３００が通過する流出孔２１６が多数設けられる部材である。本実施の形態の場合、流出体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り、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
なお、流出体２１１は、自身の回転による遠心力により原料液３００を空間中に流出させる部材ばかりでなく、自身は静止しており、圧力がかけられた原料液３００が流出孔２１６から流出する部材でもかまわない。また、遠心力により原料液３００を流出させる流出体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。流出孔２１６が回転することにより、流出孔２１６から原料液３００が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、絶縁体層２０７が表面に設けられた帯電電極２２１と、帯電電源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。
【００３０】
帯電電極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り、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。帯電電極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、帯電電極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、帯電電極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。
【００３１】
帯電電極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。なお、帯電電極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】
絶縁体層２０７は、流出体２１１に対向する帯電電極２２１の内周面に設けられる絶縁体からなる層である。絶縁体層２０７は、帯電電極２２１の内周面近傍をナノファイバ３０１の帯電状態を変化させることのできる状態とするために設けられる部材である。本実施の形態の場合、絶縁体層２０７は、帯電電極２２１の内周面全体を覆う薄いシート状の部材である。絶縁体層２０７を構成する材料は、絶縁体であれば良いが、特に、レーヨンよりも正に帯電しやすい、または、ポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体からなるものが好ましい。
【００３３】
ここで、レーヨンよりも正に帯電しやすい絶縁体とは、レーヨンと絶縁体とを擦り合わせた結果、レーヨンが負に帯電し絶縁体が正に帯電した場合の絶縁体である。具体的にレーヨンよりも正に帯電しやすい絶縁体としては、羊毛、雲母、ガラス、人毛、アスベストなどが例示できる。または、ポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体とは、ポリエステルと絶縁体とを擦り合わせた結果、ポリエステルが正に帯電し絶縁体が負に帯電した場合の絶縁体を言う。具体的にポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体としては、アクリル、塩化ビニル、フッ素系樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体、四フッ化エチレン−パーフロロアルコキシエチレン共連合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、クロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレンなど）、テフロン（登録商標）が例示できる。
【００３４】
本実施の形態の場合、絶縁体層２０７の材質は、テフロン（登録商標）が採用され、絶縁体層２０７の厚みが０．２ｍｍであるものとして説明する。
【００３５】
本実施の形態のように、絶縁体層２０７を負に帯電しやすい絶縁体で形成し、帯電電極２２１に負の電位を印加すると、帯電電極２２１の内周面近傍であって絶縁体層２０７上方に飛来する正に帯電したナノファイバ３０１（原料液３００）が負の帯電状態に変換され、帯電電極２２１と反発しあうこととなる。
【００３６】
なお、本実施の形態では絶縁体層２０７は帯電電極２２１の内周面全体を覆っているが、絶縁体層２０７は帯電電極２２１の内周面の一部であってもかまわない。
【００３７】
帯電電源２２２は、帯電電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源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、帯電電源２２２が直流電源である場合、帯電電源２２２が帯電電極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。帯電電源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。特に、流出体２１１と帯電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帯電電極２２１の配置を行うことが好ましい。
【００３８】
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部材である。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、帯電電極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。
【００４１】
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が帯電電極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２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。
【００４２】
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、案内体２０６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、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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風路体が採用されている。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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である。本実施の形態における案内体２０６は、円筒体であり、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と一連に配置されている。
【００４８】
なお、ナノファイバ３０１の帯電状態を安定させるため、案内体２０６の内壁面にも絶縁体層２０７と同じ材質からなるシート状の部材が取り付けられている。
【００４９】
案内基体２０８の材質は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、透明の塩化ビニルが用いられている。これは、案内体２０６内方を搬送されるナノファイバ３０１の状態を目視するのに好適だからである。
【００５０】
図１の参照に戻る。
【００５１】
拡散手段２４０は、案内体２０６に接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。
【００５２】
収集手段１１０は、拡散手段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、被堆積部材１０１と、移送手段１０４と、供給手段１１１とを備えている。
【００５３】
被堆積部材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。本実施の形態の場合、被堆積部材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。具体的に被堆積部材１０１としては、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、被堆積部材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を被堆積部材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、被堆積部材１０１は、ロール状に巻き付けられた状態で供給手段１１１から供給されるものとなっている。
【００５４】
移送手段１０４は、被堆積部材１０１を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１０１を巻き取りながら供給手段１１１から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に被堆積部材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を被堆積部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。
【００５５】
誘引手段１２０は、空間中を飛行するナノファイバ３０１を所定の場所に誘引するための装置である。ナノファイバ３０１を誘引する方法としては、気体流を吸引することでナノファイバ３０１を誘引する方法と、帯電しているナノファイバ３０１を電界（電場）により誘引する方法とを例示することができる。本実施の形態の場合、誘引手段１２０は、気体流を吸引する方式と電界で誘引する方式とを選択的に、また、同時に実施することができる装置が採用されており、吸引手段１０２と、誘引電極１２１と誘引電源１２２とを備えている。
【００５６】
吸引手段１０２は、被堆積部材１０１を通過する気体流を強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２は、漏斗状のフード１０３と送風機１０５とを備えている。送風機１０５は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１０１から送風機１０５に向かう気体流を発生させることができる装置である。
【００５７】
また、吸引手段１０２は、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１０２に接続される溶剤回収装置１０６まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
【００５８】
誘引電極１２１は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。
【００５９】
誘引電源１２２は、誘引電極１２１を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１２２は、０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。
【００６０】
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。
【００６１】
まず、気体流発生手段２０３により、案内体２０６や風洞体２０９の内部に気体流を発生させる（気体流発生工程）。一方、吸引手段１０２により、案内体２０６内に発生する気体流を吸引する。以上の状態で、案内体２０６内の風量が３０ｍ3／分となるよう調整した。
【００６２】
次に、流出手段２０１の流出体２１１に原料液３００を供給する（原料液供給工程）。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図２参照）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。具体的には、ナノファイバ３０１の材質はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を選定し、原料液３００は、溶媒を水とし、水にＰＶＡを１０重量％で溶解したものを用いた。
【００６３】
次に、帯電電源２２２により流出体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）。具体的には、直径がΦ６０ｍｍの流出体２１１を用いた。流出体２１１に設けられる流出孔２１６の数は、１０８個であり、孔径は０．３ｍｍであった。また、原料液３００は、流出体２１１を２０００ｒｐｍで回転させることにより流出させた。一方、帯電電極２２１は内径Φ６００ｍｍのものを用い、帯電電源２２２により帯電電極２２１を接地電位に対して負の６０ＫＶとした。これにより、流出体２１１には正の電荷が誘導され、正に帯電した原料液３００が流出することとなる。
【００６４】
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。
【００６５】
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。そして、ナノファイバ３０１は、案内体２０６の内方を気体流に搬送されながら案内される（搬送工程）。
【００６６】
ここで、帯電電極２２１は、負の電圧が印加されているため、流出体２１１には正の電荷が誘導されている。従って、流出体２１１から流出する原料液３００は正に帯電している。また、正の電荷同士の反発力による静電爆発により製造されるナノファイバ３０１も正に帯電している。ナノファイバ３０１は、気体流発生手段２０３による気体流により、多くが被堆積部材１０１に向かう方向に飛行方向が変更されるが、ナノファイバ３０１の一部は逆極性である帯電電極２２１に向かう。このナノファイバ３０１は、絶縁体層２０７の近傍において、帯電が零、または、負の帯電に変化し、帯電電極２２１に付着することなく気体流に搬送されて被堆積部材１０１に向かうこととなる。
【００６７】
この現象の詳細なメカニズムは不明であるが、帯電電極２２１の内周面近傍にある雰囲気（空気）が、負に帯電しやすい材質からなる絶縁体層２０７の存在により強く負に帯電する。特に、帯電電極２２１は負の電圧が印加されており、その電圧を通じて絶縁体層２０７からは、負の電荷が放射され、帯電電極２２１の絶縁体層２０７近傍の空気は、放射された電荷で負の電荷を有する空気層が維持されていると考えられる。そして、当該負に帯電した雰囲気がナノファイバ３０１に作用し、帯電極性を変更するのではないかと考えている。
【００６８】
拡散手段２４０にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一に分散状態となる（拡散工程）。
【００６９】
この状態において、被堆積部材１０１の背方に配置される吸引手段１０２は、蒸発した蒸発成分である溶媒と共に気体流を吸引し、ナノファイバ３０１を被堆積部材１０１上に誘引する（誘引工程）。また、電圧が印加された誘引電極１２１により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ３０１が誘引される。
【００７０】
以上により、被堆積部材１０１上にナノファイバ３０１が堆積していく。被堆積部材１０１は、移送手段１０４によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。
【００７１】
以上のように、帯電電極２２１の内周面に絶縁体層２０７を設ければ、製造されたナノファイバ３０１が帯電電極２２１に付着することなく、ほとんどのナノファイバ３０１が被堆積部材１０１に到達する。従って、ナノファイバ３０１を高い効率で収集することができ、ナノファイバ３０１の高い生産効率を得ることが可能となる。
【００７２】
具体的には、投入した樹脂の量に対するナノファイバとして収集した樹脂の量の比である捕集率は、絶縁体層２０７が設けられていないナノファイバ製造装置１００の場合、３０から４０％であったのに対し、絶縁体層２０７が設けられている本実施の形態にかかるナノファイバ製造装置１００の場合、捕集率は９５％を超える値であった。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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４に示すように、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としてのノズルヘッド２１０を配置し、風洞体２０９の対向面に帯電電極２２１を配置して前記流出孔２１６と帯電電極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と同じ断面形状の案内体２０６を配置してもかまわない。
【００７９】
なお、本実施の形態においては、ナノファイバ３０１が正に帯電し、帯電電極２２１の内周面に設けられた絶縁体層２０７を負に帯電させる場合を説明したが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば、帯電電極２２１に正の電圧を印加することで流出体２１１を負に帯電させ、原料液３００やナノファイバ３０１を負に帯電させてもよい。この場合、絶縁体層２０７の材料をレーヨンもしくはレーヨンより正に帯電しやすい材料にすることで上記実施の形態と逆の帯電状態となり、ナノファイバ３０１は、帯電電極２２１に付着しないこととなる。
【００８０】
すなわち、流出孔２１６より流出したナノファイバ３０１の帯電極性から、帯電電極２２１の表面の絶縁体層２０７の材料を決定することができる。前記ナノファイバ３０１の帯電極性が正の場合には、ポリエステルよりも負に帯電しやすい絶縁体を選定し、前記ナノファイバ３０１の帯電極性が負の場合には、レーヨンよりも正に帯電しやすい絶縁体を選定することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
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】
【００８２】
【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】放出手段を示す断面図である。
【図３】放出手段を示す斜視図である。
【図４】放出手段の別態様を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１００  ナノファイバ製造装置
１０１  被堆積部材
１０２  吸引手段
１０３  フード
１０４  移送手段
１０５  送風機
１０６  溶剤回収装置
１１０  収集手段
１１１  供給手段
１２０  誘引手段
１２１  誘引電極
１２２  誘引電源
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
２０７  絶縁体層
２０９  風洞体
２１０  ノズルヘッド
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  帯電電極
２２２  帯電電源
２２３  接地手段
２４０  拡散手段
３００  原料液
３０１  ナノファイバ
【図１】
2010059558.tif 000003
【図２】
2010059558.tif 000004
【図３】
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【図４】
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