(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界内において、粘性液体からナノファイバを製造するための静電紡糸装置であって、
中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつ、前記中心軸に沿って軸方向に間隔を設けている複数の幅の狭い環状ループを備え、前記環状ループが、らせんコイルを形成するように略一体的に接続されている、少なくとも１つの紡糸口金を含む帯電電極と、
前記帯電電極から間隔を設けている対電極と、
粘性液体を保持するための液体容器であって、前記紡糸口金の少なくとも１つの表面と液体連通する液体容器と、
前記帯電電極と前記対電極との間において電気的に接続される電源であって、前記帯電電極を電気的に帯電させ、かつ、前記帯電電極と前記対電極との間に電位差を供給可能な電源と、
前記液体容器が、前記紡糸口金の一部が浸漬される液槽を備え、前記紡糸口金が、前記紡糸口金の表面上に前記粘性液体の一部をコーティングし、そのコーティングされた表面を液体容器の外へ移動させるために、前記中心軸に関して回転するように構成される、静電紡糸装置。
【請求項２】
前記コイルが、前記中心軸に関して半径方向に中心設定され、略管状に成形されたコイルを備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
【請求項３】
前記管状に成形されたコイルの先端、および／または、前記管状に成形されたコイルの先端の近傍における前記紡糸口金の前記環状ループの半径が、前記管状に成形されたコイルの中心に近い前記環状ループの半径より小さい、請求項２に記載の静電紡糸装置。
【請求項４】
前記紡糸口金が、
５ｍｍと１０００ｍｍとの間である前記環状ループの平均半径、
２ｍｍより長い前記コイルの長さ、および
０．５ｍｍと２００ｍｍとの間である前記コイルのワイヤの直径、
少なくとも１ｍｍである隣接する前記環状ループの間の間隔、
のうちの少なくとも１つの特徴を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項５】
前記紡糸口金が、
２０ｍｍと６０００ｍｍとの間である前記コイルの長さ、
０．７ｍｍと５０ｍｍとの間である前記コイルのワイヤの直径、および
５ｍｍと８００ｍｍとの間である隣接する前記環状ループの間の間隔、
のうちの少なくとも１つの特徴を有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項６】
それぞれの前記紡糸口金の各環状ループが、各隣接環状ループの間に隙間が形成されるように、前記中心軸に関して隣接する環状ループに近接して配置され、
前記ループの間の間隔が、前記紡糸口金と対電極との間における電界が臨界強度に満たない場合に、粘性液体の表面力が前記液体を前記ループの間に実質的に保持することを可能にするように選択される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項７】
前記対電極が、前記紡糸口金の前記中心軸に対して略平行に向けられている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項８】
前記対電極が、前記紡糸口金の長さに沿って実質的に延びる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項９】
前記対電極が、ナノファイバ製品を収集することが可能な回転する管状本体を備える、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項１０】
さらに、少なくとも２つの紡糸口金を備え、前記紡糸口金のそれぞれが中心軸を含み、各前記紡糸口金のそれぞれの前記中心軸が互いに関して半径方向に間隔を設けている、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項１１】
前記電源が、前記帯電電極と前記対電極との間に、３０ｋＶより大きい電位差を生成する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項１２】
前記帯電電極が、１００ｍｍと６００ｍｍとの間の間隔を前記対電極から設けている、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項１３】
前記粘性液体がポリマ溶液である、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【請求項１４】
さらに、排出口が前記紡糸口金に近接して位置する流体源含み、前記流体源が、前記紡糸口金から前記対極へ向って流れるよう指向される流体流を有する、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の静電紡糸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ポリマ溶液、ゾル‐ゲル、粒子懸濁液、または溶融液等の粘性液体からナノファイバを製造するための静電紡糸アセンブリ、およびこのアセンブリを使用してナノファイバを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下に記載の本発明に対する背景技術の内容は、本発明の理解を容易にすることを意図し、記載されている。しかしながら、ここで認識されるものとするが、この背景技術の内容は、参照されている材料のいずれかが本出願の優先日において公開されていること、周知であること、あるいは共通する一般的な知識の一部であるといった承認でも容認でもない。
【０００３】
従来的な静電紡糸システムは、中空針の紡糸口金、紡糸口金を通じてその先へポリマ溶液を供給するためのポンプ、電極の収集器プレート（ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ  ｐｌａｔｅ）、および紡糸口金と収集器プレートの間に接続される高電圧電源からなる。ポリマ液が紡糸口金に供給されて高電圧で帯電される。紡糸口金と収集器プレートの間に結果としてもたらされる静電力が、溶液をテイラー・コーン（ａ  Ｔａｙｌｏｒ  ｃｏｎｅ）へと引入れる。液体が充分な凝集力を有していれば、液体がジェット（ａ  ｊｅｔ）として引出される。このジェット、外部電界、およびジェット内側の電荷斥力の間における相互作用が、ジェットを撓ませて紡ぎ、したがってより細く引き伸ばす。溶剤の蒸発がジェットを凝固させ、収集器プレート上にランダムに堆積させて不織ナノファイバ・マットを形成させる。
【０００４】
しかしながら、各紡糸口金が１ニードル当り毎時３００ミリグラムまでのファイバを製造する単一ポリマ・ジェットを生成するに過ぎないことから、この製造システムが提供するファイバ生産性は限定的である。また、小さい針の直径は、結果として高度に集中された電界を紡糸口金表面の近傍にもたらすが、これが高い印加電圧の下におけるコロナ放電の影響を受けやすい。そのため電圧が、概して３０ｋＶ未満に制限される。この低い動作電圧によってもまた、粗悪なナノファイバとなってしまう。
【０００５】
ナノファイバの製造レートは、広い液体表面から静電気的に生成されるナノファイバによって増加することが可能である。たとえば、特許文献１は、ポリマ溶液の容器内に部分的に浸漬される紡糸円筒電極（または『紡糸口金』）を含む電気紡糸デバイスを開示している。対電極は、当該円筒電極から距離を離して配置される。ポリマ溶液は、容器から薄膜として円筒の表面上において、紡糸電極と収集電極の間の電界内に運ばれる。電極間の静電界強度が溶液をテイラー・コーンへと引入れるのに充分となると、表面の特定箇所においてナノファイバが作り出される。結果として得られるナノファイバは、対電極上にランダムに堆積され、不織ナノファイバ・マットを形成する。
【０００６】
これらのタイプの大規模電気紡糸構成におけるジェットの形成および結果としてもたらされるファイバの形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）は、紡糸口金の周囲の電界強度、および電気紡糸ゾーン内の電界強度プロファイルによる影響を高度に受ける。たとえば、円筒状に形作られた電極の長さは、円筒の全表面にわたってジェットの生成に必要な量および臨界電圧に影響を与える。いくつかの電圧においては、ジェットが円筒のエンドにおいてのみ生成される。円筒の長さにわたって製造されるナノファイバの厚さもまた、その長さに沿った電界強度における変動に起因して変動し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２４１０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、上記の欠点のうちの１つまたは複数を解決するナノファイバの製造のための静電紡糸デバイス用代替紡糸口金を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、電界内において、粘性液体からナノファイバを製造するための静電紡糸装置であって、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつ中心軸に沿って軸方向に間隔を設けている複数の幅の狭い環状ループを備え、この環状ループが、らせんコイルを形成するように略一体的に接続されている、少なくとも１つの紡糸口金を含む帯電電極と、帯電電極から間隔を設けている対電極と、粘性液体を保持するための液体容器であって、紡糸口金の少なくとも１つの表面と液体連通する液体容器と、帯電電極と対電極との間において電気的に接続される電源であって、帯電電極を電気的に帯電させ、かつ、帯電電極と対電極との間に電位差を供給可能な電源と、液体容器が、紡糸口金の一部が浸漬される液槽を備え、紡糸口金が、該紡糸口金の表面上に粘性液体の一部をコーティングし、そのコーティングされた表面を液体容器の外へ移動させるために、中心軸に関して回転するように構成される静電紡糸装置を提供する。
【００１０】
本発明の静電紡糸装置における紡糸口金は、環状ループの形状で、１つまたは複数の幅の狭い環状体から形成される。本明細書の内容において、幅の狭い環状体という表現は、概して、幅（または厚さ）と直径の比率が１：３より小さい環状体を言い、好ましくは１：５より小さいものとし、さらに好ましくは１：１０より小さいものとする。この狭い幅は、より高い電界を紡糸口金表面の周囲に生成し、円筒等の幅の広い本体と比較したとき、紡糸口金の形状に対する依存度がより低い電界強度プロファイルを電気紡糸ゾーン内に有すると考えられる。これらのタイプの紡糸口金からのジェットの形成および結果としてもたらされるファイバの形態は、既存の円筒タイプの紡糸口金を超える利点を有するはずである。
【００１１】
環状体が、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつ中心軸に沿って軸方向に間隔を設けている環状ループを備える。これらの環状ループは、概して、軸方向において略一体的に接続されて、コイルを、好ましくは、らせんコイルを形成することができる。
【００１２】
紡糸口金がコイルとなる場合には、電気紡糸中、ナノファイバを形成する液体ジェットを、ワイヤ・ループの湾曲した表面上の特定のエリアにおいて、その表面の静電界強度が溶液をテイラー・コーンへと引入れるに充分な場合に、作り出すことができる。上で示したとおり、コイルのワイヤ・ループは、電界内に幅の狭い環状体を備え、いくつかの実施態様においては、それを、その電界への隣接したループの影響を最小化および／または最適化するべく配置することができる。
【００１３】
紡糸口金のために使用されるコイルは、管状、円錐形状、球体状、立方体状、プリズム状、またはこれらの類を含めた多様な構成を有することが可能である。これらの構成のコイルは、ナノファイバ製造のための単一の環状ループを備えることができる。しかしながら、コイルが２つの、好ましくは複数の環状ループを備え、それらの間隔がコイルの中心軸に沿って軸方向に設けられていることが好ましい。複数のループは、単一のループと比較して、複数の液体ジェットを生成するためのより大きなワイヤ表面積を提供する。コイルの環状ループのうちの２つもしくはそれより多くのループの間隔を、好ましくはワイヤの直径より大きい距離によって設けることができる。さらに、またはそれに代えて、コイルの２つもしくはそれより多くの環状ループを接近した間隔で一緒にすることができる。環状ループのそれぞれは、類似するワイヤ直径および／またはループ直径を有してもよく、あるいはそれらの寸法をループの間で変更してもよい。たとえば、いくつかの実施態様においては、環状ループの平均半径が５ｍｍと１０００ｍｍとの間となる。いくつかの実施態様においては、コイルの長さが２０ｍｍより長く、好ましくは２０と６０００ｍｍとの間となる。いくつかの実施態様においては、コイルのワイヤの直径が０．５ｍｍと２００ｍｍとの間、好ましくは０．７ｍｍと５０ｍｍとの間となる。
【００１４】
１つの実施態様においては、環状ループが、紡糸口金の中心軸に関して略管状に成形されたコイルを形成する。この実施態様においては、管状に成形されたコイルの先端領域が、当該先端からコイルの領域が離れる前に印加された電界の中で臨界電界強度まで到達することが可能であることが明らかにされた。管状コイルの長さにわたる、より一様な電界は、管状に形作られたコイルの先端において、および／またはその近傍において、当該管状に成形されたコイルの中央に近い環状ループより小さい半径を伴う環状ループを構成することによって達成することが可能である。したがって管状に形作られたコイルは、いくつかの実施態様において、コイルの先端領域に略テーパー付きのプロファイルを有することができる。
【００１５】
管状に形作られたコイルの中心軸に沿って各隣接環状ループの間には、広い軸方向の間隔が好適に存在する。この構成は、好ましくは、各ループが有する隣接するループ周りの電界への相互作用を最小にする。各ループの間の間隔（『ｄ』）は、別々に調整することが可能であり、コイルの長さ、ワイヤのサイズ、ループの直径、および対電極の構成は、ワイヤ周りの電界に影響を与える。好ましい実施態様においては、隣接する環状ループの間の間隔が少なくとも１ｍｍであり、好ましくは５ｍｍと８００ｍｍとの間となる。
【００１６】
別の実施態様においては、らせんワイヤ・コイルの環状ループが、中心軸に関して略円錐状に成形されたコイルを形成する。円錐状に成形されたコイルは、好ましくは９０°と１４０°との間の円錐角を伴って、より好ましくは１１０°と１３０°との間の円錐角を伴って好適に構成されている。この実施態様においては、各環状ループが、中心軸に関して隣接する環状ループに近接して間隔を設けることが可能であり、各隣接環状ループの間に小さな隙間を形成する。隣接するループの間の間隔は、紡糸口金と対電極の間における電界が臨界強度に満たない場合に、ループの間を流れる液体を粘性液体の表面力が実質的に妨げることを可能にするべく好適に選択される。液体は、概して、電界が臨界強度に到達すると、液体ジェットの形成に起因してループの間に引入れられることになる。らせんワイヤ・コイルは、この接近した間隔を使用して環状ループ内において粘性液体のための液体容器を形成することができる。
【００１７】
紡糸口金のコイル・ループは、導体および不導体材料の両方から好適に構成される。１つの好ましい形状においては、紡糸口金のループが、銅、鋼、アルミニウムの金属から形成される。不導体材料の場合には、プラスチック、たとえば（限定ではないが）アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、セラミクス、木等を使用することが可能である。どのようなタイプの材料が使用されるかによらず、好ましくはコイル材料が、電気紡糸のために使用されるポリマ溶液に対して実質的に不活性である（たとえば、それによって溶解されない）。
【００１８】
本願により考慮されるその他の形状においては、環状体が、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつそれに沿って軸方向に間隔を設けているディスクまたはリングを備える。ここで、紡糸口金が、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつそれに沿って軸方向に間隔を設けているディスクおよびリングの混合を含む。この実施態様の紡糸口金を使用した電気紡糸中、ディスクまたはリングの湾曲した表面上の特定のエリアにおいて、その表面の静電界強度が溶液をテイラー・コーンへと引入れるに充分な場合に、ナノファイバを形成する液体ジェットを作り出すことが可能である。この場合においてもまた、ディスクおよび／またはリングが、電界内に幅の狭い環状体を形成し、いくつかの実施態様においては、それを、その電界への隣接したディスクまたはリングの影響を最小化および／または最適化するように配置することができる。
【００１９】
紡糸口金がディスクを含む場合には、それらのディスクが、中実半径本体、スポーク付きの本体、キャビティを伴う本体、またはこれらの類を含むことが可能である。
【００２０】
離散的な環状リングについては、環状ループのグループを軸に沿って平行に設定し、紡糸口金を形成することができる。この場合においては、各ループの間の間隔、紡糸口金の長さ、ワイヤの直径、およびループの半径が、すべてらせんワイヤ・コイルの場合と類似の手段で調整可能である。
【００２１】
紡糸口金は、任意の望ましい数のディスクまたはリングを含むことが可能である。１つの実施態様においては、紡糸口金が、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつそれに関して回転することができる単一のディスクまたはリングを備える。別の実施態様においては、紡糸口金が、中心軸に関して半径方向に中心設定され、かつそれに関して回転することができる２つまたはそれより多くの数のディスクを備え、各ディスクが、中心軸に沿って軸方向に間隔を設けている。複数のディスクまたはリングを使用する場合には、ディスクまたはリングの集合の中心に近いディスクまたはリングより小さい半径を有するディスクまたはリングを集合の先端領域において使用すると有利となることがある。これは、ディスクまたはリングの集合の長さにわたって達成することが可能な、より一様な電界を提供することができる。
【００２２】
好ましくは、紡糸口金の中心軸に沿って各隣接ディスクおよび／またはリングの間に広い軸方向の間隔が存在する。この構成は、好ましくは、各ディスクまたはリングが有する隣接するディスクまたはリング周りの電界への相互作用を最小にする。各ループの間の間隔（『ｄ』）は、各ディスクまたはリングの寸法、紡糸口金およびそのほかのパラメータと関連付けされる対電極の構成に依存する。しかしながら、好ましい実施態様においては、隣接する環状ディスクまたはリングの間の間隔が少なくとも１ｍｍであり、好ましくは５ｍｍと８００ｍｍとの間となる。
【００２４】
本発明の静電紡糸装置を使用し、紡糸口金（１つまたは複数）の表面を粘性液体でコーティングすること、および電源を使用して、粘性液体と対電極との間（電気紡糸ゾーン）に電位差を生成することによってナノファイバが製造される。電気紡糸ゾーン内の静電界強度が溶液をテイラー・コーンへと引入れるのに充分となると、表面の特定のエリアにおいてナノファイバを形成する液体ジェットが生成される。
【００２５】
臨界電界強度と同じ、もしくはそれを超える電界を生成するために必要とされる電位差は、紡糸口金および対電極のサイズならびに構成、紡糸口金と対電極との間の距離（収集距離）および粘性液体の物理特性を含む多くの要因に依存する。概して言えば、らせんワイヤ・コイルについては、電源が使用されて、帯電電極と対電極との間に、３０ｋＶより大きい、好ましくは４０ｋＶより大きい、より好ましくは６０ｋＶより大きい電位差が生成される。管状コイル紡糸口金については、使用される印加電圧を好ましくは４０ｋＶと８０ｋＶとの間とする。円錐状コイル紡糸口金については、使用される印加電圧を好ましくは７０ｋＶより低くする。このコイル構成については、７０ｋＶより電圧が高くなると、場合によってはコロナ放電が生じ得ることが明らかになった。ディスクまたはリング・タイプの紡糸口金については、使用される印加電圧を好ましくは４０ｋＶより高くする。
【００２６】
収集距離、すなわち帯電電極と対電極との間における間隔は、それらの間に生成された電界、装置によって製造されるナノファイバの寸法、および臨界電界強度を生成するために必要とされる電圧に影響を与え得る。ここでもまた、その間隔が、紡糸口金および対電極のサイズならびに構成、電位差、および粘性液体の組成を含む多くの要因に依存する。いくつかの実施態様においては、帯電電極と対電極との間に１００ｍｍと６００ｍｍとの間の間隔を設けている。
【００２７】
粘性液体は、電界内においてナノファイバとして電気紡糸を行うことが可能な任意の液体とすることができる。適切な粘性液体には、ポリマ溶液、ゾル‐ゲル、粒子懸濁液、および／または溶融液が含まれる。好ましい形状においては、粘性液体が、通常、少なくとも１つのポリマおよび少なくとも１つの揮発性溶剤を含むポリマ溶液になる。合成ポリマ、天然ポリマ、および生体高分子、熱可塑性ポリマ、および／または反応性ポリマ等のポリマを、電気紡糸のための粘性液体として使用することができる。使用される溶剤は、ポリマの可溶性によって好適に決定される。いくつかの実施態様においては、溶剤が、水、エタノール、クロロホルム、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、またはそのほかの揮発性液体を含むことができる。溶剤は、電気紡糸中に蒸発し、液体が凝固して固体のナノファイバとなることを促進する。
【００２８】
静電紡糸装置の帯電電極は、２つまたはそれより多くの紡糸口金を含むことができる。追加の紡糸口金は、装置内に追加のファイバ形成表面を提供する。紡糸口金のそれぞれは、中心軸を含むことができ、各紡糸口金のそれぞれの中心軸は、概して、互いに関して半径方向に間隔を設けている。隣接するシャフト間の間隔は、好ましくは少なくとも環状体の半径とし、好ましくは環状体の半径からその半径の１０倍までの範囲内とする。
【００２９】
たとえば、紡糸口金がディスクまたはリングを備える場合には、２つまたはそれより多くのリングを使用し、それらの中心軸を液体容器の上方に配置して、半径方向に間隔を設けることができる。いくつかの形式においては、複数のディスクまたはリングもまた、各中心軸に沿って軸方向に間隔を設け、複数の軸方向ならびに半径方向に間隔を設けているディスクまたはリングを有する静電紡糸装置を提供することができる。中心軸に沿ってディスク／リングの間隔を設け、各中心軸は、互いに関して平行に、もしくは多様な角度で間隔を設けることができる。いくつかの形式においては、第１の中心軸に沿って隣接するディスクを、隣接する中心軸上の隣接するディスクに関してジグザグ状（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）にすることができる。
【００３０】
紡糸口金が管状に成形されたコイルを備える場合には、２つまたはそれより多くのコイルを使用し、それらの中心軸を液体容器の上方に配置して、半径方向に間隔を設けることができる。これらのコイルのループは、隣接する１つまたは複数のコイルのそれぞれのコイルの空間内に適合するべく配向することができる。帯電電極内において使用されるコイル紡糸口金の数は、２と２００との間において多様なものとすることが可能である。隣接するコイル間の距離は、好ましくは、コイルの半径と等しい値からコイルの半径の１０倍までとする。帯電電極のコイルのそれぞれは、互いに関して同一の方向に、または異なる方向に回転するように配置することが可能である。
【００３１】
粘性液体は、多くの異なる構成を使用してワイヤ・コイルの表面上に載せることができる。いくつかの実施態様においては、紡糸口金が可動であり、紡糸口金の部分が液体容器と接触し、かつ電気紡糸のためにその部分を対電極と帯電電極との間の電界内へ移動させることを可能にする。別の実施態様においては、液体容器が紡糸口金のコイルと液体連通しており、粘性液体がコイルのループへ、および／またはコイルの間へ連続的に供給されることを可能にする。
【００３２】
本発明の静電紡糸装置の容器が液槽を備え、その中に紡糸口金の部分が浸漬される。この場合においては、紡糸口金が、紡糸口金の表面上に粘性液体の一部をコーティングし、そのコーティングされた表面を液体容器から外へ出して電気紡糸ゾーン内へ移動するために、液槽の上方に位置決めされ、かつその中心軸に関して回転可能に構成される。対電極は、紡糸口金の中心軸に対して略平行に好ましく向けられ、実質的に紡糸口金の長さに沿って好ましく延びる。紡糸口金のコーティングされた部分が、槽から外へ出て電気紡糸ゾーン内の電界の中へと回転する。
【００３３】
この実施態様における対電極は、回転管状本体を好ましく含み、それゆえ、製造されたナノファイバが電気紡糸プロセス中、連続的に収集される。さらに、またはそれに代えて、さらに装置がコンベヤ・ベルトを含むことができる。
【００３４】
紡糸口金が、好ましくは、円錐状コイル構成を有する別の実施態様においては、紡糸口金のコイルのループによって境界設定される液体閉鎖容器内に容器を形成することが可能である。コイルの隣接するループは、対電極と紡糸口金との間における電位差が臨界値より低い場合に、粘性液体の表面力がその液体をループの間に、および容器内に保持することを可能にする距離によって好ましく間隔を設けている。液体は、概して、その電位差が（したがって、対応する電界が）臨界強度に到達すると、液体ジェットの形成に起因してループの間に引入れられる。
【００３５】
この実施態様における対電極は、好ましくは紡糸口金の中心軸に対して略垂直に向けられる。好ましくは、対電極が紡糸口金の下方に配置される。したがって、粘性液体を、紡糸口金内の容器から当該紡糸口金の下方に位置する対電極へ、下向き方向に電気紡糸することができる。形成されたナノファイバを収集するために、この対電極が、その場所における紡糸口金の幅と少なくとも等しいエリア、より好ましくは紡糸口金の幅の４倍より大きいエリアと好ましく外接する。対電極の適切な構成は、紡糸口金の下方に配置されるプレートを含む。
【発明の効果】
【００３６】
本発明による静電紡糸装置は、排出口が電気紡糸ゾーン内に位置する流体源も含むことができ、好ましくはその排出口が紡糸口金の近傍に位置する。形成されるファイバに指向された電気紡糸ゾーン内の流体源を使用して、ファイバの直径等のファイバの特性を調整し、かつ紡糸口金から製造されるファイバ内において大きな割合で独立したファイバを提供することができる。流体源は、紡糸口金から対電極へと流れるべく概略で指向される流体流を有することができる。好ましくはこの流体源を、空気、窒素、またはそれらの類といった気体とする。流体は、温度において周囲の動作環境と異なるものとすることができる。いくつかの実施態様においては、紡糸口金と対電極との間に乾燥空気の供給を提供することができる。
【００３７】
以下、本発明の特に好ましい実施態様を図示した図面を参照して本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の１つの好ましい実施態様による管状コイル電気紡糸装置のための配置を示した概略図である。
【図２】図１に示されている装置内において使用される管状コイル紡糸口金をより詳細に示した斜視図である。
【図３】図１に示されている装置を使用し、１３ｃｍの収集距離において製造されたナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図４】図１に示されている装置を使用し、１８ｃｍの収集距離において製造されたナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図５】図１に示されている装置を使用した実験的な実行結果から得られた、ファイバ直径ならびに生産性に対する動作パラメータならびにコイル寸法の影響、すなわち（ａ）コイルの距離ｄ、（ｂ）紡糸口金の長さＤ、（ｃ）コイルの直径Φ、（ｄ）印加電圧、（ｅ）ワイヤの直径Φｗ、および（ｆ）収集距離Ｇの影響を図示したグラフである。
【図６】図２に示されている管状コイル紡糸口金について、印加電圧を６０ｋＶとして計算された電界強度プロファイルの断面図であり、（ａ）コイル全体についての断面図、および（ｂ）コイルの単一ループの拡大断面図である。
【図７】管状コイル紡糸口金についての電界強度を電気紡糸方向に沿ってプロットしたグラフである。
【図８】コイル電気紡糸の電界強度プロファイルをコイルの中心軸に沿って示したグラフである。
【図９】本発明の１つの好ましい実施態様による円錐状コイル電気紡糸装置のための配置を示した概略図である。
【図１０】図９に示されている円錐状コイル紡糸口金の２つのループのコイル表面上におけるジェット形成を図示した説明図である。
【図１１】６０ｋＶの電位差、９重量％のＰＶＡ濃度、および１５ｃｍの収集距離において、図９に示されている円錐状ワイヤ・コイル電気紡糸装置から電気紡糸された代表的なナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図１２】２２ｋＶの電位差、９重量％のＰＶＡ濃度、および１５ｃｍの収集距離において、従来的なニードル電気紡糸を使用して電気紡糸された代表的なナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図１３】図９に示されている装置を使用した実験的な実行結果から得られた、ファイバ直径ならびに生産性に対する動作パラメータならびにコイル寸法の影響、すなわち（ａ）印加電圧に対するボリューム・レート（ｖｏｌｕｍｅ  ｒａｔｅ）および平均ファイバ直径の依存度、および（ｂ）異なるＰＶＡ濃度を用いて伝統的なニードル電気紡糸および円錐状コイル電気紡糸から得られるナノファイバの直径を図示したグラフである。
【図１４】図９に示されている円錐状コイル紡糸口金について、印加電圧を６０ｋＶとして計算された電界強度プロファイルの断面図であり、（ａ）コイル全体についての断面図、および（ｂ）選択されたコイルのループの拡大断面図である。
【図１５】円錐状コイル紡糸口金についての電界強度を電気紡糸方向に沿ってプロットしたグラフである。
【図１６】本発明の１つの好ましい実施態様によるディスク電気紡糸装置のための配置を示した概略図である。
【図１７】６２ｋＶの印加電圧、９．０重量％のＰＶＡ濃度、および１３ｃｍの紡糸距離において、図１６に示されている装置を使用して電気紡糸されたＰＶＡナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図１８】６２ｋＶの印加電圧、９．０重量％のＰＶＡ濃度、および１３ｃｍの紡糸距離において、従来的な円筒タイプの紡糸口金を使用して電気紡糸されたＰＶＡナノファイバのＳＥＭ画像である。
【図１９】図１６に示されている装置を使用した実験的な実行結果から得られ、また、等しい直径を有するが、長さが１００倍の円筒形紡糸口金から得られた、ファイバ直径ならびに生産性に対する動作パラメータならびにコイル寸法の影響、すなわち（ａ）印加電圧に対する平均ファイバ直径の依存度（ＰＶＡ＝９重量％）、（ｂ）ＰＶＡ濃度に対する平均ファイバ直径の依存度（収集距離＝１１ｃｍ、印加電圧＝５７ｋＶ）、および（ｃ）異なる印加電圧（ＰＶＡ＝９重量％）およびＰＶＡ濃度（印加電圧＝５７ｋＶ）の下におけるナノファイバの生産性を図示したグラフである。
【図２０】（ａ）円筒形紡糸口金および（ｂ）図１６に示されている装置内で使用されるディスク紡糸口金について計算された電界強度プロファイルの断面図である。
【図２１】本発明の１つの実施態様によるマルチディスク電気紡糸装置を示した概略図である。
【図２２】本発明の１つの実施態様によるマルチコイル電気紡糸装置を示した概略図である。
【図２３】本発明の１つの実施態様による空気流強化電気紡糸装置を示した概略図である。
【図２４】（ａ）空気流なし、および（ｂ）１２０ｍｌ／分の空気流量率の空気流を伴う場合において、図２３に示されている装置よって電気紡糸されたナノファイバの図３のＳＥＭ画像である。
【図２５】図２３に示されている装置を使用した実験的な実行についてファイバ直径と分布をプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
〔第１の実施形態−管状コイル紡糸口金〕
（実験装置）
まず、図１を参照すると、本発明の第１の実施態様による電気紡糸装置１０が示されている。この電気紡糸装置１０は、回転可能な管状らせんコイル紡糸口金１４を含む帯電電極１２、回転可能な管状対電極１６、ポリマ溶液２０が入れられた槽１８、および帯電電極１２と対電極１６の間に接続される高電圧電源２２（この場合は、ガンマ・ハイ・ボルテージ・リサーチ（Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）のモデルＥＳ１００Ｐの電源とする）を含む。対電極１６は、紡糸口金１４と平行であり、その長さにわたってその上方に位置決めされた金属ドラムを包含する。図示していないが、紡糸口金１４および対電極１６それぞれの回転は、紡糸口金１４および対電極１６のそれぞれを４０ｒｐｍの速度で回転する電気モータ等の駆動手段によって駆動される。
【００４０】
帯電電極１２をより詳細に図２に示す。図示されている紡糸口金１４は、金属ワイヤ・コイルから作られた管状に成形された、らせんコイルである。紡糸口金１４は、中心軸Ｘ‐Ｘに関して半径方向に中心設定され、かつ、それに沿って延びる５つの環状ワイヤ・ループを含む。コイルの先端のワイヤ部分は、金属の管状の軸２４に接続されている。紡糸口金１４は、軸２４に関して回転する。紡糸口金１４は、槽１８と対電極１６との間に位置決めされ、ボトム部分が、槽１８内のポリマ溶液２０の中に部分的に浸漬される。槽１８内における紡糸口金１４のゆっくりとした回転は、紡糸口金１４のワイヤの表面上にポリマ溶液の薄い層をコーティングする。これらのコーティングされた部分が、槽１８と対電極１６との間の位置へ、軸２４回りに回転する。
【００４１】
実験的な目的のため、ナノファイバの形成にアルドリッチ‐シグマ（Ａｌｄｒｉｃｈ‐Ｓｉｇｍａ）から入手可能なＰＶＡ（９６％加水分解された平均分子量１４６，０００〜１８６，０００のポリビニルアルコール）を包含する水溶性のポリマ溶液２０が使用された。そのほかのポリマ溶液もまた、図示された装置を使用するナノファイバ形成に使用することが可能である。槽１８内のポリマ溶液２０は、浸漬された電極（図示せず）を介して電源２２と電気的に接続される。対電極１６は、電源２２のグラウンド電極に接続されており、装置１０を使用して形成されるナノファイバの収集に使用される。
【００４２】
比較する目的のため、０．８２ｍｍの外径および０．５１ｍｍの内径のニードル規格（ｎｅｅｄｌｅ  ｇａｕｇｅ）を有する従来的なニードル電気紡糸装置（図示せず）が使用され、コイル装置１０のために使用されたポリマ溶液と同一のＰＶＡポリマ溶液を使用してナノファイバの電気紡糸が行われた。電気紡糸は、２２ｋＶの印加電圧および１５ｃｍの収集距離において行われた。
【００４３】
実験的な実行において製造されたナノファイバの平均のファイバ直径が、画像解析ソフトウエアのＩｍａｇｅＰｒｏ＋４．５を補助としてナノファイバのＳＥＭ写真から計算された。
【００４４】
（実験結果）
電気紡糸中、紡糸口金１４のゆっくりとした回転によってコイル紡糸口金１４のワイヤ表面上に粘性ＰＶＡ溶液が載せられた。その後、ポリマ溶液と収集ドラムとの間に高電圧が印加され、紡糸口金１４のらせんコイルのトップ部分に複数のポリマ・ジェットが形成された。これらのポリマ・ジェットは、紡糸口金１４のコイルのトップ部分上のポイントから生成され、コイル表面上の形成ポイントから垂直中心角に関して約９０°の広がりを有する。ポリマ・ジェット形成を導く最小印加電圧は約４０ｋＶであった。装置１０によって製造されたナノファイバは、従来的なニードル電気紡糸装置によって製造されたものと比べてはるかに細く、狭い直径分布を有していた。
【００４５】
らせんコイル電気紡糸についてのナノファイバ生産性は、１６ｇ／時の高さに至ることが明らかになった。比較すると、ニードル電気紡糸システムのナノファイバ生産性は、０．３ｇ／時より低かった。
【００４６】
図２および図３は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ライカ（Ｌｅｉｃａ）Ｓ４４０）の下における、１３ｃｍおよび１８ｃｍの収集距離Ｇにおいて収集された紡がれたままのナノファイバの形態を示している。示されているとおり、ファイバの大半はナノ単位の厚さを有し、不織布構造の形状で収集される。１３ｃｍの収集距離（図２）は、１８ｃｍの収集距離Ｇ（図３）にわたって収集されるナノファイバより細いナノファイバであるが、より多く相互接続された繊維性の構造を結果としてもたらした。形態における相違は、１８ｃｍと比較して１３ｃｍという短い収集距離によって溶剤蒸発時間が短くなった結果であると考えられる。
【００４７】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、コイルの寸法における変化がファイバの生産性に影響を与えることを示している。コイルの長さＤ（およびその長さの中に含まれるコイルの数）を増加すると、装置１０の全体的なナノファイバ生産性が増加するが、紡糸口金１４のコイル当りのナノファイバの生産性（ＰＰＣ）は減少する。コイルの距離（ｄ）を１ｃｍから２ｃｍまでの範囲内において増加すると、ナノファイバ形成の生産性が増加する。しかしながら、その距離が２ｃｍを超えると生産性が減少する。コイルの距離ｄの増加は、ＰＰＣを増加させ、電気紡糸の効率の増加を示唆する。
【００４８】
図５（ｃ）および図５（ｅ）に示されているとおり、全体的なナノファイバの生産性は、より大きなコイル直径Φに伴って増加する。これは、より大きいコーティングされた表面積が、ポリマ・ジェットの形成するためのより多くの場所を提供する結果であると見られる。より大きいワイヤ直径Φｗ（図５（ｅ））を使用してもナノファイバの生産性が増加する。
【００４９】
図５（ｄ）および図５（ｆ）は、より高い印加電圧の使用時に期待される生産性の増加を示している。より高い印加電圧もまた、より狭い直径分布を伴うより細いファイバを生産する。印加電圧が６０ｋＶのときは、平均のファイバ直径が２３７ｎｍであった。予測されたとおり、ナノファイバの生産性は、より大きな収集距離Ｇの使用時に減少した。また、より高いＰＶＡ濃度がファイバの直径を増加させ、ナノファイバの生産性を低減させることも明らかになった。
【００５０】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、有限要素解析（ＦＥＭＬＡＢ３．４を使用）を使用して計算された、らせんコイル紡糸口金１４の電界強度を図示している。この解析は、管状コイル紡糸口金１４についての電界線が、紡糸口金１４のコイルのワイヤ・ループの小さい曲率半径に起因して、ワイヤ表面の周囲に集中したことを示している。この電界は、電気紡糸中にポリマ・ジェットを開始する主要な駆動力である。これに関して言えば、より強い電界によって帯電されたポリマ溶液がより容易にジェットを生成し、より多く引き伸ばし、それによってより高いナノファイバの生産性が結果としてもたらされる。
【００５１】
電界強度プロファイルに対するコイル寸法の効果を図７および図８に示す。図７に示されているとおり、電界強度は、紡糸口金１４のコイル表面から対電極１６に向かって急激に減衰する。図８は、外側コイル（または紡糸口金の先端）における電界強度が、先端から離れているコイルより大きいことを示している。この強度における差は、外側コイルの少なくとも一部のコイル直径を小さくすることによって解決可能であった。
【００５２】
（結論）
管状らせんコイル紡糸口金１４のトップ部分において、多数のナノファイバ形成ジェットを同時に生成することが可能である。この装置１０を使用して製造されるナノファイバは、従来的なニードル電気紡糸システムによって製造されたものよりも細い平均ファイバ直径を有する。生産性およびファイバの形態は、コイルの形状ならびに装置１０の動作パラメータを調整することによって最適化可能である。
【００５３】
〔第２の実施形態−円錐状コイル紡糸口金〕
（実験装置）
図９を参照すると、本発明の第２の実施態様による電気紡糸装置５０が示されている。この電気紡糸装置５０は、円錐状ワイヤ・コイル紡糸口金５４を含む帯電電極５２、対電極５６、および帯電電極５２と対電極５６の間に接続される高電圧電源６２（この場合は、ガンマ・ハイ・ボルテージ・リサーチ（Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）のモデルＥＳ１００Ｐの電源とする）を含む。対電極５６は、紡糸口金５４の下方に位置決めされる金属メッシュのプレートを包含する。
【００５４】
図示されている紡糸口金５４は、１ｍｍのワイヤ直径を有する銅ワイヤから作られた円錐状に成形されたワイヤ・コイルを包含する。紡糸口金５４は、高さが１５ｍｍであり、約１２０°の円錐角を有する。紡糸口金５４のワイヤは、高電圧電源に接続されている。
【００５５】
紡糸口金５４は、開いたトップ表面から基点（ａ  ｂａｓｅ  ｐｏｉｎｔ）まで伸びる閉じた円錐であり、液体容器５８を円錐の内側に画定し、その中にポリマ溶液６０を保持することができる。図１０に示されているとおり、紡糸口金５４のコイルのループ６４、６５の間の間隔は約１ｍｍであり、対電極５６と紡糸口金５４との間における電位差が臨界値より低い場合、ポリマ溶液の表面力およびポリマ溶液の粘弾的な性質がそのループ６４、６５の間に、および容器５８内にポリマ溶液を実質的に保持することを可能にする（図１０（ａ）に示されている）。図１０（ｂ）に示されているとおり、ポリマ溶液は、対電極５６と紡糸口金５４との間の電気紡糸ゾーン内の電位差が臨界値に到達した場合、ループ６４、６５の表面上およびループ６４、６５の間の液体表面上において液体ジェットを（テイラー・コーンの形状で）形成する。
【００５６】
実験的目的のため、ナノファイバを形成するポリマ溶液として、アルドリッチ‐シグマ（Ａｌｄｒｉｃｈ‐Ｓｉｇｍａ）から入手可能なＰＶＡ（９６％加水分解された平均分子量が１４６，０００〜１８６，０００のＰＶＡ）が使用された。そのほかのポリマ溶液もまた、図示された装置を使用するナノファイバ形成に使用することが可能である。槽５８内のポリマ溶液６０は、紡糸口金５２を介して電源６２と電気的に接続される。対電極５６は、電源６２のグラウンド電極に接続されており、装置５０を使用して形成されるナノファイバの収集に使用される。
【００５７】
比較する目的のため、０．８２ｍｍの外径および０．５１ｍｍの内径のニードル規格（ｎｅｅｄｌｅ  ｇａｕｇｅ）を有する従来的なニードル電気紡糸装置（図示せず）が使用され、同一のＰＶＡポリマ溶液を使用し、２２ｋＶの印加電圧および１５ｃｍの収集距離を用いてナノファイバの電気紡糸が行われた。
【００５８】
実験的な実行において製造されたナノファイバの平均のファイバ直径が、画像解析ソフトウエアのＩｍａｇｅＰｒｏ＋４．５を補助としてナノファイバのＳＥＭ写真から計算された。
【００５９】
（実験結果）
電気紡糸のために、ワイヤ・コーン紡糸口金５４に粘性ＰＶＡ溶液が満たされた。続いて電源６２を使用して高電圧がワイヤ・コイル紡糸口金１４と対電極５６との間に印加された。これが、帯電されたポリマ溶液を紡糸口金１４のコイルのワイヤ・ループ６４、６５の間に移動させ、それが、図１０（ｂ）に示されているとおり、それらのループ６４、６５の外側表面を覆う。続いて多数のジェット６８が主としてループ６４、６５の円錐状ワイヤ表面上に生成された。これらのジェット６８は、表面上に充分なポリマ溶液を有するワイヤ表面上のエリアから生成された。ジェット６８は、そのエリアからの溶液が一時的に枯渇すると形成を停止し、表面上のポリマ溶液が充分な第２の隣接エリア内で開始した。これは、第１のエリアにポリマ溶液が補充されることを可能にし、ほかの隣接表面のポリマ溶液が枯渇したときにジェット６８を再形成することを可能にする。ジェット６８を生成する最小電圧が４５ｋＶであり、コロナ放電の発生を導く最小電圧が７０ｋＶであることがわかった。ナノファイバは、４５ｋＶと７０ｋＶとの間において、装置５０を使用して全く困難を伴うことなく電気紡糸することが可能であった。
【００６０】
円錐状コイル紡糸口金５４を使用してナノファイバ紡糸が行われた代表的なナノファイバ形態をＳＥＭ画像の形状で図１１に示す。異なる印加電圧において９重量％のＰＶＡ溶液から電気紡糸されるナノファイバは、すべてビードのない（ｂｅａｄ−ｆｒｅｅ）繊維性の形態を示した。比較する目的のため、ニードル・ベースの電気紡糸デバイスを使用して製造されたナノファイバのファイバ形態を図１２に示す。ニードル・ベースの電気紡糸デバイスを使用して製造された紡がれたままのファイバもまた、良好なファイバの一様性を示す。
【００６１】
図１３（ａ）は、円錐状コイル電気紡糸装置５０および従来的なニードル電気紡糸装置の印加電圧へのボリューム・レートならびに平均ファイバ直径の依存度を表示する。図は、印加電圧における変動が、コイル５０およびニードル装置の両方においてファイバの細かさに変化が導かれたことを示している。ワイヤ・コイル装置５０の場合には、印加電圧を４５ｋＶから５０ｋＶに増加すると、平均ファイバ直径が３２７±１２３ｎｍから２７５±１１３ｎｍに低減された。電圧をさらに増加すると、ファイバの直径ならびに分布におけるわずかな変化が結果としてもたらされた。それと比較して、ニードル装置については、印加電圧を８ｋＶから１６ｋＶに増加すると平均ファイバ直径が増加した。印加電圧の範囲（８〜２４ｋＶ）におけるファイバの直径の変動は、３５３．４±８５ｎｍと４１３±４８ｎｍとの間であった。全体として言えば、ワイヤ・コイル装置５０による電気紡糸ナノファイバについての平均ファイバ直径は、ニードル電気紡糸から製造されるナノファイバより小さかった。
【００６２】
この電気紡糸システムについてのファイバの生産性は、ボリューム・レートに基づいて評価することが可能である。図１３（ａ）に与えられているボリューム・レート・データによれば、円錐状コイル電気紡糸装置５０を使用した乾燥ナノファイバを製造するためのもっとも高い生産率は、４５ｋＶにおいて０．８６ｇ／時、および７０ｋＶにおいて２．７５ｇ／時であると計算された。それと比較して、ニードル電気紡糸装置の場合の乾燥ナノファイバのもっとも高い製造率は、ボリューム・レート値に基づく計算によれば、８ｋＶにおいて０．０１８ｇ／時、および２４ｋＶにおいて０．２０７ｇ／時であった。
【００６３】
異なる濃度のＰＶＡ溶液から電気紡糸されたナノファイバの平均直径を図１３（ｂ）に示す。同一の印加電圧の下においては、ＰＶＡ濃度の増加とともに、平均ファイバ直径および直径の分布の両方がわずかに増加する。それと比較して、もっとも細いナノファイバを生成するのに最適化された条件の下において、ニードル電気紡糸によって電気紡糸されたナノファイバの直径データも図１３（ｂ）に示す。ＰＶＡ濃度が同一の場合には、円錐状コイル紡糸口金から製造されるナノファイバが常により小さい平均ファイバ直径を有していた。
【００６４】
図１４は、有限要素解析（ＦＥＭＬＡＢ３．４を使用）を使用して計算された、円錐状コイル紡糸口金５４の電界強度プロファイルを示している。これに示されているとおり、円錐状ワイヤ・コイル紡糸口金５４は、ループのワイヤの小さい曲率半径に起因してワイヤ表面の周囲に集中する電界線を与える。隣接するワイヤの間には、より弱い電界強度の集中電界曲線も形成される。この電界は、ポリマ溶液のジェットの形成を開始するための主要な駆動力である。より高い強度の電界によって帯電されたポリマ溶液は、より容易にジェットを生成し、それらのジェットが、より強い力の下に引き伸ばされ、したがってより細いファイバを製造することになる。
【００６５】
（結論）
円錐状ワイヤ・コイル紡糸口金５４を使用するＰＶＡナノファイバの電気紡糸は、円錐状コイル表面上に同時に、大量の液体ジェットを生成し、良好なファイバの生産性を提供する。さらにまた、結果として得られるナノファイバは、従来的なニードル電気紡糸システムによって製造されたものより細い平均ファイバ直径を有する。
【００６６】
〔第３の実施形態−ディスク紡糸口金〕
（実験装置）
まず、図１６を参照すると、本発明の第３の実施態様による電気紡糸装置１１０が示されている。この電気紡糸装置１１０は、回転可能なディスク紡糸口金１１４を含む帯電電極１１２、回転可能なドラム型対電極１１６、ポリマ溶液１２０が入れられた槽１１８、および帯電電極１１２と対電極１１６との間に接続される高電圧電源１２２（この場合は、ガンマ・ハイ・ボルテージ・リサーチ（Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）のモデルＥＳ１００Ｐの電源とする）を含む。対電極１１６は、紡糸口金１１４と平行であり、その長さにわたってその上方に位置決めされた金属ドラムを包含する。図示していないが、紡糸口金１１４および対電極１１６それぞれの回転は、電気モータ等の紡糸口金１１４および対電極１１６のそれぞれを４０ｒｐｍの速度で回転する駆動手段によって駆動される。
【００６７】
図示されている紡糸口金１１４は、長さが２ｍｍ、直径が８ｃｍのアルミニウム・ディスクである。紡糸口金１１４は、槽１１８と対電極１１６との間に位置決めされ、ボトム部分が、槽１１８内のポリマ溶液１２０の中に部分的に浸漬される。槽１１８内における紡糸口金１１４のゆっくりとした回転は、紡糸口金１１４のワイヤの表面上にポリマ溶液の薄い層をコーティングする。これらのコーティングされた部分が、槽１１８と対電極１１６との間の位置へ、軸１２４に関して回転する。
【００６８】
実験的目的のため、ナノファイバの形成にはアルドリッチ‐シグマ（Ａｌｄｒｉｃｈ‐Ｓｉｇｍａ）から入手可能なＰＶＡ（９６％加水分解された平均分子量が１４６，０００〜１８６，０００のＰＶＡ）を包含する水溶性のポリマ溶液１２０が使用された。そのほかのポリマ溶液もまた、図示された装置を使用するナノファイバ形成に使用することが可能である。槽１１８内のポリマ溶液１２０は、浸漬された電極（図示せず）を介して電源１２２と電気的に接続される。対電極１１６は、電源１２２のグラウンド電極に接続されており、装置１１０を使用して形成されるナノファイバの収集に使用される。
【００６９】
比較する目的のため、長さが２０ｃｍ、直径が８ｃｍのアルミニウム製の円筒紡糸口金が、図１６に示されているディスク紡糸口金１１４のために使用されたものと類似する実験装置において使用された。
【００７０】
実験的な実行において製造されたナノファイバの平均のファイバ直径が、画像解析ソフトウエアのＩｍａｇｅＰｒｏ＋４．５を補助としてナノファイバのＳＥＭ写真から計算された。
【００７１】
（実験結果）
電気紡糸中、紡糸口金１１４のゆっくりとした回転によってディスク紡糸口金１１４の表面上に粘性ＰＶＡ溶液が載せられた。その後、ポリマ溶液と収集ドラムとの間に高電圧が印加され、紡糸口金１１４のトップ表面上に複数のポリマ・ジェットが形成された。ジェット／フィラメントの形成は、主として印加電圧およびポリマ濃度による影響を受けた。
【００７２】
ディスク紡糸口金１１４については、印加電圧が４２ｋＶより低いとき、液体ジェットがまったく形成されなかった。印加電圧がこの臨界電圧より高くなると、ジェットが主としてディスク・エッジの両側から生成された。印加電圧の増加は、電気紡糸プロセスに対して殆ど影響を示さなかった。それと比較すると、円筒紡糸口金を使用する電気紡糸は、印加電圧へのより高い依存度を示した。円筒紡糸口金からジェットを生成するための臨界印加電圧は約４７ｋＶであった。高い印加電圧にもかかわらず、円筒の２つのエンド・エリアからだけジェットが生成されたに過ぎない。印加電圧が５７ｋＶに到達するまで、中央の円筒表面からジェット／フィラメントの生成がなかった。より高い印加電圧が、全体の円筒表面からのジェットの生成を導いた。円筒紡糸口金の軸方向の長さが、より幅の狭いディスク紡糸口金１１４と比較すると、より大きな効果を電界に対して有していたと考えられる。
【００７３】
図１７および図１８のＳＥＭ画像に示されているとおり、ファイバの形態もまた、印加電圧による影響を受けた。ＳＥＭ画像から計算された平均ファイバ直径の依存度を図１９（ａ）に示す。これに示されるとおり、ディスク紡糸口金１１４から電気紡糸されたナノファイバは、ビードのない繊維性の構造を示した。
【００７４】
図１９（ａ）には、４７ｋＶから６２ｋＶまでの印加電圧における増加によって平均ファイバ直径がわずかに減少し、直径の分布が狭くなったことが示されている。円筒紡糸口金については、平均ファイバ直径ならびに直径の分布が、印加電圧への非常に小さい依存度を示した。４７ｋＶと６２ｋＶとの間における印加電圧の変化は、ファイバの直径ならびに分布における変化を殆ど導かなかった。
【００７５】
印加電圧のほかに、紡糸口金と収集器との間の距離もまた、電気紡糸プロセスおよびファイバの形態に影響を与えた。なお、ディスク電気紡糸システムについての紡糸口金１１４と収集器との間の距離は、１１ｃｍと１９ｃｍとの間において調整可能であった。より短い紡糸距離は、濡れたファイバをもたらし、収集器上において混合してポリマの膜を形成し、これに対して、より長い紡糸距離は、弱い電界に起因して電気紡糸の杜絶を結果としてもたらした。円筒電気紡糸システムについては、電気紡糸距離の範囲が狭く、１１ｃｍから１５ｃｍまでの範囲であった。
【００７６】
図１９（ｂ）は、ポリマ濃度が電気紡糸プロセスおよびファイバの形態に影響を及ぼす重要な要因であったことを示している。印加電圧を５７ｋＶとして、両方のシステムから電気紡糸されたナノファイバは、高い濃度のＰＶＡ溶液が使用された場合に直径の増加を示した。ディスク紡糸口金によって電気紡糸された紡がれたままのファイバは、円筒紡糸口金によるものと比べて、はるかに狭い直径分布を伴った、より細いファイバを有していた。ディスク紡糸口金１１４から電気紡糸されたナノファイバは、円筒紡糸口金から電気紡糸されたナノファイバよりＰＶＡ濃度に対する依存度が低いことを示した。
【００７７】
図１９（ｃ）は、円筒電気紡糸ユニットの生産性が印加電圧およびポリマ濃度によって影響されたことを示している。両方の電気紡糸システムについて、製造率は、印加電圧の増加に伴って増加した。
【００７８】
図２０は、有限要素解析（ＦＥＭＬＡＢ３．４を使用）を使用して計算された、紡糸口金表面の周囲、および電気紡糸ゾーン（紡糸口金先端から収集器まで）内の電界プロファイルを、円筒紡糸口金（図２０ａ）およびディスク紡糸口金１１４（図２０ｂ）について示している。ディスク紡糸口金１１４は、円筒紡糸口金とは異なる電界プロファイルを有する。ディスク紡糸口金の周囲の電界線は、周辺のエッジ・エリアに集中した。しかしながら、円筒に関する電界は、円筒の先端に集中した。ナノファイバの形成を導くジェットの開始は、紡糸口金表面の周囲の電界強度によって強く影響される。円筒表面に沿う電界強度は、円筒の両端においてより高く、中央表面エリアに向かって漸進的に低くなる。円筒の端における電界強度が円筒の中央の表面より高いことは、印加電圧が低い時に円筒表面の両端だけからジェット／フィラメントが生成される主要な理由となり得る。円筒表面と同様に、ディスク紡糸口金１１４のディスク表面上における電界強度もディスクのトップから液体表面に向かって減衰する。印加電圧の増加とともに、表面全体にわたる電界強度が増加する。
【００７９】
（結論）
回転する金属ディスク表面からＰＶＡナノファイバの電気紡糸を行うことが可能である。電気紡糸中、ナノファイバが主としてエッジ・エリアから製造され、電気紡糸プロセスを開始するための電圧は、４２ｋＶ（ＰＶＡ、９重量％）であった。印加電圧の増加とともに、ディスク紡糸されるナノファイバがより細くなり、直径の分布がより狭くなった。同じ条件の下においては、ディスク紡糸口金から生成されたナノファイバの方が円筒紡糸口金によって製造されるものより細かった。さらに、ディスク紡糸口金の電気紡糸製造率は、同じ直径の円筒紡糸口金と類似である。
【００８０】
〔第４の実施形態−マルチディスク／マルチコイル紡糸口金〕
（マルチディスク装置）
図２１を参照すると、帯電マルチディスク紡糸口金２０４、ポリマ溶液２０３のための容器２０２、および対電極２０６を含む電気紡糸装置が示されている。紡糸口金２０４と対電極２０６との間に高電圧電源（図示せず）が接続されることになると理解されるものとする。対電極２０６は、紡糸口金２０４と長さ方向に平行であり、その上方に位置決めされた間隔を設けている２つの金属ドラム２１０およびベルト２１１を含む。
【００８１】
図示されているとおり、紡糸口金２０４は、金属製のディスク２１２を包含する複数の回転可能なファイバ生成器を含む。シャフト２０５に沿って隣り合う各２つのディスク２１２の間の距離は１５ｃｍである。隣り合う２つのシャフト（中心軸）の間の距離は５５ｃｍである。ディスク２１２の直径は８０ｃｍであり、それの厚さは２ｍｍである。
【００８２】
（実験結果）
電気紡糸中、ディスク２１２のゆっくりとした回転によってディスク紡糸口金２０４の表面上に粘性ＰＶＡ溶液（前述の実施例の中で述べた溶液に類似）が載せられた。その後、ポリマ溶液２０３と収集器２０６との間に高電圧が印加され、ディスク２１２のトップ表面上に複数のポリマ・ジェットが形成された。
【００８３】
ジェット／フィラメントの形成は、主として印加電圧およびポリマ溶液２０３のポリマ濃度による影響を受けることが明らかになった。
【００８４】
（複数のらせんコイル）
紡糸口金２１８が、１を超える数の管状コイルを含むことも可能であり、電気紡糸装置の生産性を増加できる。図２２に２コイル装置を図示する。図示された紡糸口金２１８は、２つの管状コイル２２０、２２１を含み、それぞれが別々の中心軸２２２、２２３の上に取付けられている。中心軸２２２、２２３は、コイルの半径と等しい距離からコイルの半径の１０倍までの距離によって半径方向に間隔を設けている。コイルは、同じ方向または反対の方向のいずれにも回転することが可能である。
【００８５】
紡糸口金２１８は、電気紡糸装置内において、図１および２に示されている電気紡糸装置１０との関係で単一コイルの紡糸口金１２について記載した態様と類似の態様で動作する。
【００８６】
〔第５の実施形態−空気流強化電気紡糸〕
（実験装置）
基本的な紡糸口金２３０の空気流装置を図２３に図示する。この紡糸口金２３０は、電気紡糸装置内の紡糸口金２１８内において、図１６に示されている電気紡糸装置１１０内のディスク紡糸口金１１４について記載した態様と類似の態様で動作する。しかしながら、この装置においては電気紡糸ゾーン内に管状のノズル２３２が含められており、それが、紡糸口金２３０から対電極（図示されていないが、一般に紡糸口金２３０の上方に配置される）に向う方向へ空気流を指向させる。
【００８７】
この装置においては、空気流が使用されて電気紡糸が強化される。空気流は、ノズル２３２または電気紡糸装置の周囲のほかのエリアから、ファイバ生成器（この場合はリング紡糸口金２３０）から収集器（図示せず）に向う方向の空気流を伴って適用することが可能である。全体的な空気流量率は、紡糸口金２３０の長さおよび構造に依存するが、概して６０ｍｌ／分と６Ｌ／分との間の範囲である。
【００８８】
（実験結果）
図２４に、管状のノズル２３２からの空気流の存在あり（図２４（ａ））およびなし（図２４（ｂ））の場合の、図２３に示した装置から電気紡糸されたナノファイバの形態を示す。
【００８９】
空気流の存在がない場合（図２４（ａ））には、電気紡糸中における不充分な溶剤の蒸発のために、収集されるファイバの相互のブリッジが生じ得るので、相互接続された繊維性の構造となる。
【００９０】
しかしながら、空気流が適用されると（図２４（ｂ））、収集されるファイバがより独立して現れる。
【００９１】
空気流は、ファイバの直径にも影響を与える。図２５に示されているとおり、空気流強化電気紡糸は、結果として、より狭い直径分布を伴うより細いファイバをもたらす。
【００９２】
当業者は認識することになるであろうが、本明細書に述べられている本発明は、特に記述されたもののほかにも変形ならびに修正が可能である。本発明が、本発明の要旨ならびに範囲内に入るその種のすべての変形および修正を含むことは理解されるものとする。
【００９３】
この明細書（請求項を含む）の中で『包含する』、『包含される』、『包含している』といった表現が使用されているとき、それらは、陳述されている特徴、完全体、ステップまたは構成要素の存在を指定すると解釈されるべきであるが、そのほかの特徴、完全体、ステップ、構成要素、および／またはそれらのグループのうちの１つまたは複数の存在を排除するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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