(57)【要約】【課題】製造されるナノファイバの品質を維持しつつナノファイバ製造装置の生産効率を向上させる。【解決手段】所定の回転軸の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となり、前記回転軸に臨み前記回転軸との距離が前記先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有し、前記回転軸を臨む内面に遠心力を用いて原料液３００を沿わせつつ前記先端から原料液を空間に流出させる流出体１１５と、流出体１１５の内面に原料液を供給する供給装置１４１と、流出体１１５を回転させる駆動装置１１７と、原料液３００を帯電させる帯電装置１１１と、原料液３００を搬送する気体流を発生させる気体流発生装置１１３とを備える。【選択図】図２
2010180499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
所定の回転軸の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となり、前記回転軸に臨み前記回転軸との距離が前記先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有し、前記回転軸を臨む内面に遠心力を用いて原料液を沿わせつつ前記先端から原料液を空間に流出させる流出体と、
前記流出体の内面に原料液を供給する供給装置と、
前記流出体を回転させる駆動装置と、
原料液を帯電させる帯電装置と、
原料液を搬送する気体流を発生させる気体流発生装置と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項２】
前記流出体は、内面に原料液を案内する溝部を有する
請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
前記流出体は、先端に尖った突出部を備える
請求項１または請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
前記帯電装置は、前記流出体の先端を囲む環状の帯電電極を備える
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項５】
前記供給装置は、周壁に供給孔を有し、遠心力により前記供給孔から原料液を供給する供給部を備える
請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
さらに、
ナノファイバを収集する収集装置と、
前記収集装置にナノファイバを誘引する誘引装置と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項７】
前記誘引装置は、電界によりナノファイバを誘引するための誘引電極を備える
請求項６に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項８】
原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、
供給装置から原料液を放射方向に供給し、
所定の回転軸の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となり、前記回転軸に臨み前記回転軸との距離が前記先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有し、前記回転軸を臨む内面に遠心力を用いて原料液を沿わせつつ前記先端から原料液を空間に流出させる流出体により原料液が流出する方向を前記放射方向と交差する方向に変更し、
気体流発生装置により発生する気体流によりさらに原料液の流出方向と異なる飛行方向に変更する
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、ナノファイバの製造方法に関し、特に、メンテナンス性を向上させてナノファイバの生産効率を向上させることのできるナノファイバ製造装置、ナノファイバの製造方法に関する。
【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、溶剤中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより流出（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させる方法である。そして、空間を飛行中の原料液が電気的に延伸することにより、ナノファイバが製造される。
【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剤が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、原料液に付与された電荷は、原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液は、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶剤は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（以下、静電延伸現象と述べる）が生じる。この静電延伸現象が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される。
【０００５】
以上のようなエレクトロスピニング法を採用する場合、細いナノファイバを製造するには空間中にできる限り細く原料液を流出させた方が効率がよい。また、原料液を吐出する部分が尖っている方が電荷が集中しやすく、原料液を効率的に帯電させることも可能である。さらに、安定した飛行方向で原料液を吐出させるには、ある程度の長さの孔が好ましい。従って、ナノファイバ製造装置は、従来、特許文献１に記載されるように、細いノズルの先端から原料液を空間中に吐出する場合があった。
【特許文献１】特表２００７−５３２７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のナノファイバ製造装置を用いてナノファイバを製造する場合、ナノファイバ製造装置の使用時間が長くなると、ナノファイバの原料となる樹脂などが固まってナノファイバを吐出するための孔を塞ぐことがある。特に、このような場合、ナノファイバの生産効率が低下するばかりでなく、製造されたナノファイバが偏った状態で収集されるため、当該孔を塞いでいる塊を除去するために、定期的にメンテナンスをする必要がある。
【０００７】
ところが、細いノズルなどの場合、原料液を吐出する孔から樹脂の塊を取り除くことが困難な場合があった。
【０００８】
本願発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、製造されるナノファイバの品質を維持しつつメンテナンス性を向上させ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】
【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、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、所定の回転軸の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となり、前記回転軸に臨み前記回転軸との距離が前記先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有し、前記回転軸を臨む内面に遠心力を用いて原料液を沿わせつつ前記先端から原料液を空間に流出させる流出体と、前記流出体の内面に原料液を供給する供給装置と、前記流出体を回転させる駆動装置と、原料液を帯電させる帯電装置と、原料液を搬送する気体流を発生させる気体流発生装置とを備えることを特徴とする。
【００１０】
これにより、細いナノファイバを生成させたい場合において、原料液を細い孔から流出させなくても、原料液を空間中に一度に流出させることが可能となる。しかも、原料液は、開放された面に沿って空間中に流出するため、途中で樹脂が固まってもメンテナンス時に容易に塊を除去することができる。従って、ナノファイバの品質を維持、または、向上させながら、メンテナンス性を向上することができ、ナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
また、前記流出体は、内面に原料液を案内する溝部を有することが好ましい。
【００１２】
この溝部により、原料液の流れを制御することができる。例えば、原料液を複数本の溝部に分けて流すことで、複数の細い流れとして原料液を空間中に流出させることが可能となる。従って、製造されるナノファイバの品質を任意に制御することが可能となる。
【００１３】
また前記流出体は、先端に尖った突出部を備えることが好ましい。
【００１４】
これにより、突出部に電荷を集中させることができ、突起に沿って流出する原料液を効率的に帯電させることが可能となる。従って、原料液の電荷密度が高くなり、静電延伸現象が早期に発生すると共に、多段に発生し、品質の高い微細なナノファイバを製造することが可能となる。
【００１５】
特に、溝部に対応した位置に突出部を設けることで、空間中に流出する原料液の形状を制御し、原料液の帯電密度を向上させることができるため、より高い品質の微細なナノファイバを任意に製造することが可能となる。
【００１６】
また前記帯電装置は、前記流出体の先端を囲む環状の帯電電極を備えることが好ましい。
【００１７】
これにより、流出体と帯電電極との距離を比較的短く設定することができるため、流出体と帯電電極との間に印加する電圧が比較的低い場合でも、流出体と帯電電極との間の電界強度は比較的強くすることができる。従って、効率よく原料液を帯電させることが可能となる。
【００１８】
特に、流出体の一端に突出部を備えている場合、突出部と帯電電極との間に強い電界が生成するため、より効率的に原料液を帯電させることが可能となる。
【００１９】
また前記供給装置は、周壁に供給孔を有し、遠心力により前記供給孔から原料液を供給する供給部を備えることが好ましい。
【００２０】
これにより、原料液を周方向に均等に供給することができ、空間中で製造されるナノファイバの品質の分布を均一にすることが可能となる。また、原料液を供給する遠心力を調整することで、原料液の供給状態を任意に調整することができ、製造されるナノファイバの品質を調整することが可能となる。
【００２１】
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方法は、原料液を空間中で延伸させ、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、供給装置から原料液を放射方向に供給し、所定の回転軸の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となり、前記回転軸に臨み前記回転軸との距離が前記先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有し、前記回転軸を臨む内面に遠心力を用いて原料液を沿わせつつ前記先端から原料液を空間に流出させる流出体により原料液が流出する方向を前記放射方向と交差する方向に変更し、気体流発生装置により発生する気体流によりさらに原料液の流出方向と異なる飛行方向に変更することを特徴とする。
【００２２】
これにより、細いファイバを生成させたい場合においても、細い孔に通過させることなく原料液を空間中に一度に流出させることが可能となる。しかも、原料液は、開放された面に沿って空間中に流出するため、途中で樹脂が固まってもメンテナンス時に容易に塊を除去することができる。さらに、気体流で原料液や製造されるナノファイバを搬送させることができるため、所定の場所でナノファイバを収集することが可能となる。従って、ナノファイバの品質を維持、または、向上させながら、メンテナンス性を向上することができ、ナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本願発明によれば、ナノファイバ製造装置のメンテナンス性を向上させつつ、製造されるナノファイバの細さなどの品質を維持、または、向上させることができ、ナノファイバの生産効率を維持、または、向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本願発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
図１は、ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。
【００２６】
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、放出装置１０１と、案内体１０２と、収集装置１０３と、誘引装置１０４とを備えている。
【００２７】
ここで、ナノファイバを製造するための原料液については、原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が電気的に延伸しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。
【００２８】
放出装置１０１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る。
【００２９】
図２は、放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。
【００３０】
図３は、放出装置の外観を示す斜視図である。
【００３１】
これら図に示すように放出装置１０１は、流出装置１１０と、帯電装置１１１と、風洞体１１２と、気体流発生装置１１３と、供給装置１４１とを備えている。
【００３２】
流出装置１１０は、帯電した原料液３００を空間中の所定の方向に流出させる装置である。流出装置１１０は、流出体１１５と、回転軸体１１６と、駆動装置１１７とを備えている。
【００３３】
流出体１１５は、原料液３００を空間中に流出させる方向を定める部材である。流出体１１５は、所定の回転軸を通る回転軸体１１６の周りを回転することによる軌跡が、先端が開口する円筒形状となる部材であり、本実施の形態の場合は、中空の半球形状（ドーム形状）となっており、先端が円形に開口した円筒形状となっている。また、流出体１１５は、回転軸体１１６に対し先端に向かって徐々に遠くなる傾斜面を有している。そして、当該傾斜面に供給された原料液３００は、遠心力を受けることによりその抗力として傾斜面（流出体１１５）から先端に向かう力が付与される。従って、流出体１１５は、回転軸体１１６を臨む内面（前記傾斜面を含む）に遠心力を用いて原料液３００を沿わせつつ流出体１１５の先端から原料液３００を空間中の所定方向に流出させるものである。
【００３４】
本実施の形態の場合、流出体１１５は、原料液３００を沿わせる内面を中空半球の内面で実現しており、内面全体が傾斜面となっている。また、流出体１１５は、原料液３００を供給するための円筒形状の供給部（後述）に固定されており、ベアリング１１９と供給部１４２とにより回転可能に支持されている。
【００３５】
なお、流出体１１５の形状は、本願発明に反しない限り任意の形状を採用することができる。例えば、本実施の形態のような回転体ばかりでなく、単に傾斜面を備える棒状の部材でもかまわない。棒状の部材を流出体１１５として採用した場合、流出体１１５を回転してできる軌跡が、円筒形状を備えておれば良い。また、原料液３００を流出させる先端部分については、先端に向かうほど縮径していてもかまわない。このように、先端の形状を調整することで、原料液３００が空間中に流出する方向を調整することが可能となる。
【００３６】
図４は、流出体の先端部の一部を示す斜視図である。
【００３７】
同図に示すように流出体１１５は、溝部１５３と、突出部１５１とを備えている。
【００３８】
溝部１５３は、流出体１１５の内面に沿って流れる原料液３００を案内する機能を備える流出体１１５の部分であり、本実施の形態の場合、溝部１５３は、流出体１１５の内方に向かって起立し、流出体１１５内面であって罫線方向に沿って設けられたリブ１５４と流出体１１５の内面との間に形成されている。
【００３９】
なお、溝部１５３の形状は限定されるものではなく、例えば、流出体１１５の内面を掘って設けてもかまわない。また、溝部１５３は、原料液３００の流出量を調整するため、流出体１１５の先端に行くほど溝部１５３の幅が狭くなる形状や、原料液３００の流れを緩めるために蛇行する形状が採用されてもかまわない。
【００４０】
突出部１５１は、流出体１１５の開口部先端に尖った状態で突設される部材である。本実施の形態の場合、突出部１５１は、先端部１５２が尖った円錐形状に溝部１５３を延長するように一部削った形状となっている。また、突出部１５１は、先端部１５２が点状に尖っている。
【００４１】
特に、本実施の形態の場合のように、溝部１５３の先端に突出部１５１を設けることにより、突出部１５１に原料液３００を案内することができる。従って、電荷が集中する突出部１５１に原料液３００を接触させることができ、効率的に原料液３００を帯電させることが可能となる。
【００４２】
なお、突出部１５１は、流出体１１５の先端に点在しなくても良い。例えば、流出体１１５の先端部全周にわたって一連の突出部１５１を設けてもかまわない。この場合は、突出部１５１の先端を線状（エッジ状）に尖らせることで電荷を集中させやすくすることができる。
【００４３】
具体的には、流出体１１５の原料液３００が流出する先端部分の直径は、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高い密度でナノファイバを収集することが困難になるからであり、また、流出体１１５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１１５を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると空間中に大量の原料液３００を流出させることが困難となり、また、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１１５の先端部分の直径は、２０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。
【００４４】
供給装置１４１は、流出体１１５の内面に原料液３００を供給する装置であり、供給部１４２と供給路１１４とを備えている。
【００４５】
供給部１４２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であり、先端が閉塞した円筒形状で、周壁には原料液３００を吐出するための供給孔１１８が設けられている。本実施の形態の場合、供給部１４２は、回転軸が同軸となるように流出体１１５が取り付けられており、供給部１４２と流出体１１５とが一緒に回転するものとなっている。また、供給部１４２は、流出体１１５の内方に突き出した状態となっている。
【００４６】
供給路１１４は、外部にある原料液３００用タンク（図示せず）から供給部１４２の内方に原料液３００を供給するための経路である。本実施の形態の場合、供給路１１４は、管体で形成されている。
【００４７】
なお、供給装置１４１は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、供給装置１４１は、自身は静止しており、圧力がかけられた原料液３００が流出体１１５の回転軸部分から流出するものでもかまわない。
【００４８】
また、供給装置１４１の供給部１４２と流出体１１５とを別々に回転させても良く、回転方向を供給部１４２と流出体１１５とで逆にしても、回転数を別々にしてもかまわない。
【００４９】
回転軸体１１６は、流出体１１５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る。本実施の形態の場合、回転軸体１１６は、供給部１４２の他端から供給部１４２の内部に挿通され、供給部１４２の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端は駆動装置１１７の回転軸と接続されている。回転軸体１１６は、駆動装置１１７と絶縁体１２０を介して接続されており、流出体１１５と駆動装置１１７とが電気的に絶縁状態となっている。これは、流出体１１５のアースとの接続が事故などにより切れた場合、駆動装置１１７を保護するためである。回転軸体１１６は、ベアリング１１９により回転可能に支持されている。
【００５０】
駆動装置１１７は、遠心力により原料液３００を流出体１１５に沿わせて流出させるために、回転軸体１１６と供給部１４２とを介して流出体１１５に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体１１５の回転数は、流出体１１５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、数百ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましい。本実施の形態のように駆動装置１１７と流出体１１５とが直動の時は、駆動装置１１７の回転数は、流出体１１５の回転数と一致する。前記供給孔の形状は特に限定するものではなく、供給部１４２の周壁に、０．５ｍｍから５ｍｍ位の幅の隙間があればよい。例えば、その供給孔の形状は、円形や楕円形、長方形等でよく、前記隙間の幅があれば、その隙間から原料液が回転による遠心力で流出すればよい。
【００５１】
帯電装置１１１は、原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、図１〜図３に示すように、帯電装置１１１は、帯電電極１２１と、帯電電源１２２と、接地装置１２３とを備えている。
【００５２】
帯電電極１２１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、接地されている流出体１１５に電荷を誘導するための部材である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、流出体１１５の先端の周囲を取り囲むように配置される円環状の部材であり、断面は円状となっている。帯電電極１２１に正の電圧が印加されると流出体１１５には、負の電荷が誘導され、帯電電極１２１に負の電圧が印加されると流出体１１５には、正の電荷が誘導される。
【００５３】
なお本願実施の形態においては、帯電電極の断面は円状であったが、これに限定したものではなく、流出体１１５を覆うようにしたものであれば、断面が矩形の筒体のようなものでもよく、断面形状等は限定されるものではない。
【００５４】
また、帯電電極１２１は、流出体１１５のどのような部分よりも突出部１５１との距離が近くなるように配置されるのが好ましい。特に、突出部１５１の先端と最も近くなる配置がよい。これにより、突出部１５１の先端に電荷が誘導されやすくなる。
【００５５】
帯電電極１２１の大きさは、流出体１１５の先端部分の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、５０ｍｍ以上、１５００ｍｍ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１２１の形状は、円環状に限ったものではなく、流出体１１５の形状との関係によって、多角形の環状や平板状などであってもよい。また、帯電電極１２１の断面形状も丸形ばかりでなく矩形などでもかまわない。
【００５６】
接地装置１２３は、流出体１１５と電気的に接続され、流出体１１５を接地電位に維持することができる部材である。接地装置１２３の一端は、流出体１１５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。
【００５７】
帯電電源１２２は、帯電電極１２１に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源１２２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の帯電極性に影響を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、逆極性の電位を印加した電極でナノファイバ３０１を誘引するような場合には、直流電源を採用することが好ましい。また、帯電電源１２２が直流電源である場合、帯電電源１２２が帯電電極１２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。帯電電源１２２に負の電圧が印加される場合には、前記の印加する電圧の極性は、負になる。特に、流出体１１５と帯電電極との間の電界強度が重要であり、帯電電極１２１と流出体１１５との距離が最も近い空間において１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧を調整するのが好ましい。
【００５８】
本実施の形態のように帯電装置１１１に一方の電極を接地電位とする誘導方式を採用すれば、流出体１１５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１１５が接地電位の状態であれば、流出体１１５に接続される回転軸体１１６や駆動装置１１７などの部材を流出体１１５から電気的に絶縁する必要が無くなり、流出装置１１０として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
【００５９】
なお、帯電装置１１１として、流出体１１５に電源を接続し、流出体１１５を高電圧に維持し、帯電電極１２１を接地することで原料液３００に電荷を付与してもよい。
【００６０】
気体流発生装置１１３は、原料液３００を搬送するための気体流を発生させるための装置である。本実施の形態の場合、気体流発生装置１１３は、流出体１１５から流出される原料液３００の飛行方向を変更すると共に、ナノファイバ３０１を搬送して案内体１０２の内方を通過させるための気体流を発生させる装置である。気体流発生装置１１３は、駆動装置１１７の背部に備えられ、駆動装置１１７から流出体１１５の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生装置１１３は、流出体１１５から流出される原料液３００の方向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。気体流発生装置１１３としては、軸流ファンを備える送風機等を例示することができる。
【００６１】
なお、気体流発生装置１１３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、後述する吸引装置１３２により風洞体１１２の内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、ナノファイバ製造装置１００は、積極的に気体流を発生させる気体流発生装置１１３を有しないこととなるが、何らかの装置により、風洞体１１２などの内方に気体流が発生していることをもってナノファイバ製造装置１００が気体流発生装置１１３を備えているものとする。
【００６２】
風洞体１１２は、気体流発生装置１１３で発生した気体流を帯電電極１２１と流出体１１５との間に案内する導管である。本実施の形態の場合、風洞体１１２により案内された気体流は、帯電電極１２１の内側を通過しつつ、流出体１１５の流出体１１５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。
【００６３】
さらにまた、放出装置１０１は、加熱装置１２５を備えている。
【００６４】
加熱装置１２５は、気体流発生装置１１３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱装置１２５は、案内体１０２の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱装置１２５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱装置１２５により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバ３０１を製造することが可能となる。
【００６５】
図６は、案内体近傍を示す斜視図である。
【００６６】
同図に示すように、案内体１０２は、放出装置１０１から放出され、気体流によって搬送されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞である。
【００６７】
拡散体１２７は、案内体１０２と接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。本実施の形態の場合、拡散体１２７は、案内体１０２の高さをそのまま維持し、幅のみ徐々に広がるフード形状となっている。
【００６８】
収集装置１０３は、案内体１０２から放出されるナノファイバ３０１を収集するための装置である。本実施の形態の場合、収集装置１０３は、被堆積部材１２８と、巻回装置１２９と、部材供給装置１３０とを備えている。
【００６９】
被堆積部材１２８は、静電延伸現象により製造され気体流により搬送されるナノファイバ３０１と気体流とを分離し、ナノファイバ３０１のみが堆積する部材である。本実施の形態の場合、被堆積部材１２８は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材であり、気体流を容易に透過でき、ナノファイバ３０１を捕集しうる網状の部材である。具体的に被堆積部材１２８としては、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、被堆積部材１２８の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を被堆積部材１２８から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、被堆積部材１２８は、ロール状に巻き付けられた状態で部材供給装置１３０から供給されるものとなっている。
【００７０】
巻回装置１２９は、被堆積部材１２８を移送することができる装置である。本実施の形態の場合、長尺の被堆積部材１２８を巻き取りながら部材供給装置１３０から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に被堆積部材１２８を搬送するものとなっている。巻回装置１２９は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を被堆積部材１２８とともに巻き取ることができるものとなっている。
【００７１】
誘引装置１０４は、図１に示すように、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引装置１０４は、異なる誘引方式を同時、または、選択的に実施できるように、気体誘引装置１４３と、電界誘引装置１３３とを備えている。
【００７２】
気体誘引装置１４３は、気体流を吸引することによりナノファイバ３０１を被堆積部材１２８に誘引する装置であり、被堆積部材１２８の後方に配置されている。本実施の形態の場合、気体誘引装置１４３は吸引装置１３２と集中体１３１とを備えている。
【００７３】
集中体１３１は、拡散体１２７で広がった気体流を受け取り、吸引装置１３２に至るまでの間に気体流を集中させる部材であり、拡散体１２７とは逆向きの漏斗形状となっている。
【００７４】
吸引装置１３２は、被堆積部材１２８を通過する気体流を強制的に吸引する送風機である。吸引装置１３２は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、被堆積部材１２８を通過して速度が落ちた気体流を高い速度に加速することのできる装置である。
【００７５】
電界誘引装置１３３は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により被堆積部材１２８に誘引する装置であり、誘引電極１３４と、誘引電源１３５とを備えている。
【００７６】
誘引電極１３４は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。本実施の形態の場合、誘引電極１３４には気体流を通過させることのできる金属製の網が採用されている。誘引電極１３４は、拡散体１２７の開口部全体に広がって設けられている。
【００７７】
誘引電源１３５は、誘引電極１３４を所定の電圧及び極性に維持することができる直流電源である。本実施の形態の場合、誘引電源１３５は、０Ｖ（接地状態）から２００ＫＶ以下の範囲で自由に電圧と極性を変更することができる直流電源である。
【００７８】
なお、誘引電極１３４は、実施の形態において金属製の網が採用されているが、それに限定するものではなく、被堆積部材１２８の幅位の長さの所定の幅を有する誘引電極でもよい。吸引装置１３２により吸引することで、ナノファイバは、誘引電極に誘引されると共に、気体流によって、被堆積部材１２８に吸引される。そのようにすることで、引火性の高い溶剤を使用する場合においても、高密度の溶剤を使用しても、爆発する溶剤の濃度まで達することはなく、安心して装置の使用ができるようになる。
【００７９】
なお、帯電電源１２２が交流電源の場合は、誘引電源１３５を交流電源としても良い。
【００８０】
回収装置１０５は、原料液３００から蒸発した溶剤を気体流から分離して回収することのできる装置である。回収装置１０５に関しては、原料液３００に用いられる溶剤の種類によって異なるが、例えば、気体を低温にして溶剤を結露させて回収する装置や、活性炭やゼオライトを用いて溶剤のみを吸着させる装置、液体などに溶剤を溶け込ませる装置やこれらを組み合わせた装置を例示できる。
【００８１】
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。
【００８２】
原料液３００に使用される溶剤としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記溶剤に限定されるものではない。
【００８３】
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。
【００８４】
溶剤と高分子物質との混合比率は、溶剤と高分子物質により異なるが、溶剤量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。
【００８５】
上記のように、溶剤蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液３００は、上記のように溶剤を５０重量％以上含んでいても十分に蒸発し、静電延伸現象を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ３０１が製造されるため、より細いナノファイバ３０１をも製造することが可能となる。また、原料液３００の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ３０１の性能の範囲も広くすることが可能となる。
【００８６】
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。
【００８７】
まず、気体流発生装置１１３、及び、吸引装置１３２を稼働させ、風洞体１１２や、案内体１０２、拡散体１２７、集中体１３１の内方に一定方向の気体流を発生させる（気体流発生工程）。以上の状態で、案内体１０２内の風量が毎分３０立米となるようナノファイバ製造装置１００を調整した。
【００８８】
次に、供給部１４２の内方に原料液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１１４を通過して供給部１４２の他端部から供給部１４２の内部に供給される。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、溶剤（溶媒とも呼ばれている。）を水とし、水にＰＶＡを１０重量％で溶解したものを用いた。
【００８９】
次に、帯電電源１２２により帯電電極１２１を正または負の高電圧とする。帯電電極１２１に最も近い距離に配置される流出体１１５の突出部１５１には特に電荷が集中し、当該電荷が流出体１１５の溝部１５３に沿って空間中に流出する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。
【００９０】
前記帯電工程と同時期に供給部１４２と流出体１１５とを駆動装置１１７により回転させて、遠心力により供給部１４２の供給孔１１８から原料液３００を放射方向に流出させる（供給工程）。
【００９１】
原料液３００は、空間中を飛行し、流出体１１５の傾斜面に到達する。そして、原料液３００は、流出体１１５の溝部１５３に案内され、流出体１１５の先端方向に遠心力で流れていく。次に、原料液３００は突出部１５１から空間中に流出する（流出工程）。ここで、原料液３００の流出方向は、流出体１１５の内面に沿った方向に進もうとする力のベクトルと、遠心力による力のベクトルとの和（理想的には）方向に向かって空間中を飛行する。当該原料液３００の飛行方向は、前記供給工程で供給部１４２から流出する放射方向とは異なっている。つまり、原料液３００は、流出体１１５により飛行方向が変換されている（第一変換工程）。
【００９２】
具体的には、先端の外径がΦ６０ｍｍの流出体１１５を用いた。流出体１１５は、周方向等間隔に２４個の溝部１５３が設けられており、溝部１５３を形成するリブ１５４の高さ０．５ｍｍであった。また、突出部１５１は、流出体１１５の表面から１．５ｍｍ突出させた。原料液３００は、流出体１１５を２０００ｒｐｍで回転させることにより流出させた。一方、帯電電極１２１は内径Φ６００ｍｍのものを用い、帯電電源１２２により帯電電極１２１を接地電位に対して負の６０ＫＶとした。これにより、流出体１１５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。
【００９３】
以上により、原料液３００は、流出体１１５の表面に滞留することなく突出部１５１に沿って空間中に流出した。
【００９４】
流出体１１５の先端から流出された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され（第二変換工程）、気体流に乗り案内体１０２に案内される。
【００９５】
ここで、原料液３００の帯電状態と帯電電極１２１とは逆極性であるため、クーロン力により引きつけられて帯電電極１２１の方向に向いて飛行しようとするが、帯電電極１２１に向かうほとんどの原料液３００が気体流により方向が変えられ、案内体に向かって飛行することとなる。
【００９６】
原料液３００は、静電延伸現象によりナノファイバ３０１を製造しつつ（ナノファイバ製造工程）放出装置１０１から放出される。ここで、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が容易に発生し、流出した原料液３００のほとんどがナノファイバ３０１に変化していく。また、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出し、溝部１５３によって細い状態で流出しているため、静電延伸が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ３０１が大量に製造される。
【００９７】
また、前記気体流は、加熱装置１２５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶剤の蒸発を促進し静電延伸を促進している。
【００９８】
以上のようにして放出装置１０１から放出されるナノファイバ３０１は、案内体１０２に導入される。そして、ナノファイバ３０１は、案内体１０２の内方を気体流に搬送されながら収集装置１０３に向かって案内される（案内工程）。
【００９９】
拡散体１２７にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一な分散状態となる（拡散工程）。
【０１００】
この状態において、被堆積部材１２８の背方に配置される吸引装置１３２は、蒸発した蒸発成分である溶剤と共に気体流を吸引し、ナノファイバ３０１を被堆積部材１２８上に誘引する（誘引工程）。また、電圧が印加された誘引電極１３４により電界が発生し、当該電界によってもナノファイバ３０１が誘引される（誘引工程）。
【０１０１】
以上により、被堆積部材１２８により気体流から分けられてナノファイバ３０１が収集される（収集工程）。被堆積部材１２８は、巻回装置１２９によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。
【０１０２】
被堆積部材１２８を通過した気体流は、吸引装置１３２により加速され、回収装置１０５に到達する。回収装置１０５では、気体流から溶剤成分を分離回収する（回収工程）。
【０１０３】
以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、以上のナノファイバ製造方法を実施することによって、原料液３００が安定的に空間中に流出し、品質の高いナノファイバ３０１を安定した状態で長期間製造し続けることができる。また、流出体１１５に樹脂が付着した場合でも、流出体１１５から容易に樹脂などを除去することができる。
【０１０４】
なお、本実施の形態では、流出体１１５の周りに原料液３００を帯電させるための帯電電極１２１を配置したが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、帯電電極１２１の機能と誘引電極１３４との機能を一体化し、帯電装置１１１と電界誘引装置１３３とを一体化してもかまわない。
【０１０５】
また、図８に示すように、流出体１１５の内部に気体流Ｗ１を導入し、遠心力と共に原料液３００を搬送してもかまわない。この場合、流出体１１５の外方を流れ、流出体１１５から空間中に流出する原料液３００の飛行方向を変更する気体流Ｗ２と、前記気体流Ｗ１との発生源は一つでも良く、また、それぞれに気体流発生装置を設けてもかまわない。
【０１０６】
また、図９に示すように、流出体１１５の底面部にフィン１５５を取り付け、流出体１１５が回転することにより、フィン１５５で気体流を発生させ、当該気体流で原料液３００を搬送させてもかまわない。この場合、当該フィン１５５が気体流発生装置となる。
【０１０７】
なお、本実施の形態においては、原料液３００は、別途設けたタンクから供給路１１４を通過して供給部１４２の他端部から供給部１４２の内部に供給される内容を開示しているが、これに限定するものではなく、原料液３００を蓄積したタンクからポンプ等を用い、供給路を介して所定の圧力で供給孔以外は密閉された供給部に供給するように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本願発明はナノファイバの製造やナノファイバからなる不織布の製造やナノファイバからなる糸の製造に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】ナノファイバ製造装置の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。
【図２】放出装置の一部を切り欠いて示す平面図である。
【図３】放出装置の外観を示す斜視図である。
【図４】流出体の先端部の一部を示す斜視図である。
【図５】供給装置の別例を流出体と共に示す断面図である。
【図６】案内体近傍を示す斜視図である。
【図７】ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図である。
【図８】原料液を搬送する気体流の別の流れを流出体と共に示す断面図である。
【図９】気体流発生装置の別態様を流出体と共に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００  ナノファイバ製造装置
１０１  放出装置
１０２  案内体
１０３  収集装置
１０４  誘引装置
１０５  回収装置
１１０  流出装置
１１１  帯電装置
１１２  風洞体
１１３  気体流発生装置
１１４  供給路
１１５  流出体
１１６  回転軸体
１１７  駆動装置
１１８  供給孔
１１９  ベアリング
１２０  絶縁体
１２１  帯電電極
１２２  帯電電源
１２３  接地装置
１２５  加熱装置
１２７  拡散体
１２８  被堆積部材
１２９  巻回装置
１３０  部材供給装置
１３１  集中体
１３２  吸引装置
１３３  電界誘引装置
１３４  誘引電極
１３５  誘引電源
１４１  供給装置
１４２  供給部
１４３  気体誘引装置
１５１  突出部
１５２  先端部
１５３  溝部
１５４  リブ
１５５  フィン
３００  原料液
３０１  ナノファイバ
【図１】
2010180499.tif 000003
【図２】
2010180499.tif 000004
【図３】
2010180499.tif 000005
【図４】
2010180499.tif 000006
【図５】
2010180499.tif 000007
【図６】
2010180499.tif 000008
【図７】
2010180499.tif 000009
【図８】
2010180499.tif 000010
【図９】
2010180499.tif 000011