(57)【要約】【課題】ノズルのメンテナンスを容易にするとともに、紡糸を安定的に行うことができるナノファイバの製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】ナノファイバ製造装置において、空間中に原料液を流出させる流出体が、原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されたノズルを有し、ノズルが第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、第１合わせ面が、入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、第１合わせ面と、第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、第１溝に対応する流出孔が形成され、第１溝の出口側端部が、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭだけ、重なり形状の外側に位置している、ナノファイバ製造装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノファイバの原料液を、空間中で静電気力により延伸させて、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、
前記空間中に前記原料液を流出させる流出体と、
前記空間中に流出される前記原料液を帯電させる電源と、
前記流出体と所定距離をおいて対向配置される対向電極と、を備え、
前記流出体が、前記原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されたノズル、を有し、
前記ノズルが、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、
前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、
前記第１合わせ面と、前記第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する前記流出孔が形成され、
前記第１溝の前記出口側端部が、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置している、ナノファイバ製造装置。
【請求項２】
前記開口部が、一定のピッチＬＣで一次元的に並んで配置されている、請求項１記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
前記開口部において、前記第１溝は、前記重なり形状の周囲境界線から前記出口側端部に向かって幅が狭くなるように形成されている、請求項１または２記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
前記所定長さＸＭが、１〜５ｍｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項５】
前記ピッチＬＣが、２〜５０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
前記第１溝の全長が、２〜５０ｍｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項７】
前記第１溝の最大幅が、０．５〜２ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項８】
前記第１溝の最大深さが、０．１〜２ｍｍである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項９】
前記第２合わせ面に、前記複数の第１溝とそれぞれ協働して前記複数の流出孔を形成する、複数の第２溝が形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１０】
ナノファイバの原料液を、空間中で静電気力により延伸させて、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、流出体から前記空間中に流出させる工程、
前記空間中に流出される前記原料液を帯電させる工程、
を含み、
前記流出体が、前記原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されたノズル、を有し、
前記ノズルが、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、
前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、
前記第１合わせ面および前記第２合わせ面は、互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する前記流出孔が形成され、
前記第１溝の前記出口側端部は、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置しており、
前記開口部は、前記重なり形状の周囲境界線から前記出口側端部に向かって径が小さくなる、前記原料液のテーラーコーンを形成する、ナノファイバ製造方法。
【請求項１１】
前記開口部が、一定のピッチＬＣで一次元的に並んで配置されている、請求項１０記載のナノファイバ製造方法。
【請求項１２】
前記開口部において、前記第１溝は、前記重なり形状の周囲境界線から前記出口側端部に向かって幅が狭くなるように形成されている、請求項１０または１１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項１３】
ナノファイバの原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置され、前記流出孔を介して前記原料液を空間中に流出させるナノファイバ製造用ノズルであって、
第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、
前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、
前記第１合わせ面と、前記第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する前記流出孔が形成され、
前記第１溝の前記出口側端部が、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置している、ナノファイバ製造用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバを製造するための製造装置および製造方法の改良に関し、特に流出体が有するノズルの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
サブミクロンオーダーまたはナノオーダーの繊維径を有するナノファイバを製造する方法として、静電延伸現象を利用する方法（以下、エレクトロスピニング法という）が知られている。
【０００３】
エレクトロスピニング法においては、例えば樹脂を揮発性の液体に溶解または分散させて原料液を調製する。その原料液を高い電圧により帯電させて、ノズル等から空間中に流出もしくは放出させる。そして、原料液が空間を飛行している間に原料液を静電気力により延伸させることにより、ナノファイバを生成させる。
【０００４】
すなわち、帯電され、電荷が付与されて空間中に放出された原料液は、空間を飛行している間に徐々に溶媒または分散媒が蒸発していく。これにより、帯電している樹脂分子同士の距離が短くなる。すると、静電気力は電荷間距離の２乗に反比例するため、静電気力が高まり、ついには原料液の表面張力を上回る。
【０００５】
静電気力が原料液の表面張力を上回ると、原料液が爆発的に線状に延伸される。そのような現象を静電延伸現象という。静電延伸現象は、空間中で連鎖的に引き起こされ、それにより、原料液は幾何級数的に細分化されて延伸される。その結果、サブミクロンオーダーもしくはナノオーダーの直径を有するナノファイバが生成する。
【０００６】
以上の原理を利用してナノファイバを製造するための具体的な装置として、特許文献１は、細長い管状の流出体に、一次元的に並ぶように流出孔の開口部が形成されたノズルを設け、それらの開口部から原料液を空間中に放出して、ナノファイバを生成している。
【０００７】
ここで、特許文献１の装置のノズルの先端は、滑らかな面に形成されている。これにより、開口の周りにテーラーコーンと称される原料液の液溜まりが形成される。液溜まりは、開口を覆うような底面を有する円錐形状となり、その先端から原料液が空間中に流出する。このような液溜まりが形成されることで、開口と空気との直接接触が防止され、開口から発生するイオン風を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−８０１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のノズルの流出孔は、１つの部材に形成された複数の貫通孔であることが多い。このような貫通孔を有するノズルの場合、全ての開口部から均一な流量の原料液を安定して流出させるためには、ある程度の流路抵抗が必要である。しかし、貫通孔を形成する加工では、開口部の直径に対して流出孔の長さを２０倍程度とすることが限界である。従って、流路抵抗を確保するためには、開口部の直径を小さくせざるを得ない。このため、ノズルが詰まりやすく、また、洗浄も困難であった。
【００１０】
そこで、流出孔の内壁面を露出させるように、２つに分割可能なノズルを用いることも提案されている。この方式では、流出孔を形成する溝の長さを、十分に長く加工することが可能であるため、開口部の直径に関わらず、流路抵抗を大きくすることができる。よって、溝の幅をある程度太くすることが可能となる。すなわち、溝加工を用いる方式によれば、流出孔の直径を太くすることが可能であるため、原料液が詰まりにくく、また、ノズルを分割することで、原料液の流路を露出させることができるため、洗浄も行いやすい。
【００１１】
しかし、その場合、２つのノズルの合わせ面に隙間を生じることがないように、高精度でノズルを作製することが要求される。従って、ナノファイバ製造装置の製造コストが高くなる。また、合わせ面に隙間を生じないようにノズルを作製できた場合でも、原料液が合わせ面を伝って滲みやすいため、テーラーコーンの状態が不安定になる。
【００１２】
本発明は、上記に鑑み、ノズルのメンテナンスを容易にするとともに、紡糸を安定的に行うことができるナノファイバの製造装置および製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一局面は、ナノファイバの原料液を、空間中で静電気力により延伸させて、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、前記空間中に前記原料液を流出させる流出体と、前記空間中に流出される前記原料液を帯電させる電源と、前記流出体と所定距離をおいて対向配置される対向電極と、を備え、前記流出体が、前記原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されたノズル、を有し、前記ノズルが、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、前記第１合わせ面と、前記第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する前記流出孔が形成され、前記第１溝の前記出口側端部が、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置している、ナノファイバ製造装置に関する。
【００１４】
本発明の他の一局面は、ナノファイバの原料液を、空間中で静電気力により延伸させて、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、流出体から前記空間中に流出させる工程、前記空間中に流出される前記原料液を帯電させる工程、を含み、前記流出体が、前記原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されたノズル、を有し、前記ノズルが、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、前記第１合わせ面および前記第２合わせ面は、互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する前記流出孔が形成され、前記第１溝の前記出口側端部は、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置しており、前記開口部は、前記重なり形状の周囲境界線から前記出口側端部に向かって径が小さくなる、前記原料液のテーラーコーンを形成する、ナノファイバ製造方法に関する。
【００１５】
本発明の更に他の一局面は、ナノファイバの原料液が通過する複数の流出孔を有するとともに、前記流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置され、前記流出孔を介して前記原料液を空間中に流出させるナノファイバ製造用ノズルであって、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成され、前記第１合わせ面が、前記流出孔への前記原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、前記第１合わせ面と、前記第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、前記第１溝に対応する流出孔が形成され、前記第１溝の前記出口側端部が、前記第１合わせ面と前記第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、前記重なり形状の外側に位置している、ナノファイバ製造用ノズルに関する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ナノファイバ製造装置が具備する流出体のノズルが、第１溝が形成された第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成されていることから、流出孔の長さを制御することにより流路抵抗を大きくすることが容易であるとともに、ノズルのメンテナンスが容易となる。また、第１溝の出口側端部が、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さだけ、重なり形状の外側に位置しているため、第１合わせ面と第２合わせ面との間を伝って原料液が滲んでも、紡糸を安定的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同ナノファイバ製造装置が具備する流出体の長さ方向に対して垂直な断面図である。
【図３】同流出体のノズル先端部分の拡大断面図である。
【図４】同流出体のノズル先端部分を図３のIV-IV線で切断したときの、ノズル先端部分の概略構成を示す斜視図（ａ）および合わせ面を引き離したときの斜視図（ｂ）である。
【図５】ノズル先端部分の要部を示す正面図（ａ）および同要部において原料液がテーラーコーンを形成する様子を示す図（ｂ）である。
【図６】第１合わせ面（ａ）および第２合わせ面（ｂ）の一例を示す正面図である。
【図７】第１合わせ面（ａ）および第２合わせ面（ｂ）の他の一例を示す正面図である。
【図８】従来の流出体の一例の長さ方向に対して垂直な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のナノファイバ製造装置は、原料液を、空間中で静電気力により延伸させて、ナノファイバを製造する装置である。この製造装置は、エレクトロスピニング法を利用しており、サブミクロンオーダーまたはナノオーダーの繊維径を有するナノファイバの製造に適する。原料液は、例えば、樹脂を揮発性の液体に溶解または分散させて調製される。その原料液を帯電させて、ノズルから空間中に流出もしくは放出させると、原料液が空間を飛行している間に静電爆発を起こし、ナノファイバが生成する。空間中で生成したナノファイバは、例えば、飛行方向に対して垂直方向に一定の速度で送られる帯状の収集材の表面に堆積させることで収集される。これにより、ナノファイバの不織布が得られる。
【００１９】
ナノファイバ製造装置は、空間中に流出させる原料液を保持する流出体と、空間中に流出される原料液を帯電させる電源と、流出体と所定距離をおいて対向配置される対向電極とを備える。対向電極は、原料液に帯電される電荷とは逆極性の電荷で帯電されているか、あるいは接地されている。逆に、流出体を接地するとともに、対向電極を帯電させてもよい。このようにして、流出体と対向電極との間に、電位差を生じさせることで、空間中に電界が形成され、エレクトロスピニングによるナノファイバの生成が可能となる。
【００２０】
流出体は、例えば細長い管状の容器であり、原料液収容部に収容された原料液をナノファイバが生成する空間中に流出させる、複数の流出孔を具備するノズルを有する。ノズルは、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成されている。なお、ノズルは、流出体と一体に形成されていてもよい。その場合、流出体が、第１分割体および第２分割体により形成されており、両分割体のそれぞれ一部がノズルを形成する。流出体は、例えば、原料液が通過する管路とノズルとで形成されているが、原料液収容部と一体に形成されていてもよい。
【００２１】
ノズルの先端には、流出孔の先端である開口部が一次元的に並んで配置されている。原料液は、流出孔を通過した後、開口部から空間中に放出される。ここで、開口部の一次元的な配置としては、同一直線上に開口部の中心が並ぶような配置が一例として挙げられるが、これに限定されるわけではない。一方向に沿って、開口部の中心がジグザグに配置されてもよく、開口部の中心が波形を描くように配置されてもよい。
【００２２】
第１合わせ面は、原料液収容部から供給される原料液の流出孔への入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する、互いに平行な複数の第１溝を有する。そして、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合うことで、第１溝に対応する流出孔（原料液通路）が形成される。これにより、第１溝の出口側端部に対応するノズルの開口部は、一次元的に並ぶように配置される。このような構成によれば、ノズルのメンテナンスの際には、第１分割体と第２分割体に分解して流出孔の細部まで洗浄することが可能であり、メンテナンスが容易となる。
【００２３】
ここで、第１溝の出口側端部は、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線（より具体的には、第２合わせ面のノズルの最先端に対応する直線部分）よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、重なり形状の外側に位置している。そして、第１溝の出口側端部が、原料液が放出されるノズルの開口部を形成する。これにより、第１合わせ面と第２合わせ面との間を伝って原料液が滲んでも、重なり形状の外側に位置する部分（第１分割体のうち第２分割体の第２合わせ面からはみ出た部分）を原料液が流れるときに、テーラーコーンが形成される。よって、紡糸を安定的に行うことができる。
【００２４】
ノズルの先端部分の形状は、横断面が三角形の柱状体であることが好ましい。これにより、ノズル先端部分をＶ字状に尖った形状にすることができる。ノズルの最先端が尖っているほど、その部分に電荷が集中するため、エレクトロスピニング法を利用する紡糸に有利となる。また、第１溝の出口側端部は、重なり形状の外側に位置していることから、ノズルの最先端は、第１分割体の最先端のみで形成される。従って、第１合わせ面と第２合わせ面とが完全に重なり合う場合に比べて、ノズルの最先端を、更に尖らせることが可能である。
【００２５】
なお、「横断面」とは、例えば流出体が細長い管状の容器である場合、その長手方向に対して垂直なノズルの先端部分の断面である。また、「三角形」とは、略三角形であり、互いに交わる３つの辺を有していればよい。
【００２６】
一方、図８に示すような、第１分割体２０Ａの第１合わせ面２０ａと、第２分割体２０Ｂの第２合わせ面２０ｂとが完全に重なり合う流出体２０の場合、流出孔２２Ａを有するノズル２３Ａの最先端は、ある程度の幅を持つこととなる。具体的には、ノズルの最先端の幅は、第１分割体の最先端の肉厚と、第２分割体の最先端の肉厚と、開口部の直径との合計となる。一方、図２に示すような、本発明に係るノズル２は、図８に示すノズル２０に比べて、ノズルの最先端の角度をより小さくすることができる。電荷量は、曲率半径に反比例するため、尖った位置に集中しやすい。ノズルの最先端の角度が小さいほど、最先端に電荷が集中し、紡糸が安定する。よって、生産性およびナノファイバの品質が向上する。
【００２７】
また、図８のように、第１分割体２０Ａの第１合わせ面２０ａと、第２分割体２０Ｂの第２合わせ面２０ｂとが、完全に重なり合うノズルでは、原料液収容部２１Ａや流出孔２２Ａから、第１合わせ面２０ａと第２合わせ面２０ｂとの間を伝って原料液が滲むと、原料液が幅を有するノズル２３Ａの最先端を水平方向に移動しやすい。従った、テーラーコーンの形状が安定せず、紡糸が不安定になりやすい。
【００２８】
次に、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線において、意図的に原料液を滲ませることにより、原料液が空気中に流出する部分である重なり形状の周囲環境線は滲んだ溶液により覆われる。一方、表面張力とクーロン力により、第１溝の出口側端部に向かって、徐々に滲みは小さくなる。その結果、原料液は、紡糸位置である第１溝の出口側端部を頂点とする三角形状を形成する。このような状態では、空気に触れると固化しやすい原料液を用いても、固化は原料液が空気に触れる滲みの外縁部から開始する。従って、原料液が固化して原料液の供給が停止し、紡糸が停止するまでには、非常に長い時間が必要となる。これにより、従来では、紡糸が困難であった固化しやすい原料液の紡糸も可能となる。
【００２９】
複数の流出孔は、開口部と同様、柱状体の高さ方向（流出体が細長い管状の容器である場合には長手方向）に沿って、一定のピッチＬＣで並んでいる。複数の流出孔は、それぞれが柱状体の高さ方向に対して垂直に延びる筒状空間である。筒状空間の形状は、特に限定されないが、好ましい形状の一つは、後述するような横断面が三角形の柱状である。
【００３０】
流出孔の開口部において、第１溝は、上記の重なり形状の周囲境界線から出口側端部に向かって幅が狭くなるように形成されていることが好ましい。これにより、ノズル先端部分において、原料液のテーラーコーンが、より形成されやすくなる。
【００３１】
所定長さＸＭの好ましい範囲は、第１溝の最大幅、最大深さ、長さなどにより相違するが、概ね１〜５ｍｍの範囲内であり、１〜３ｍｍであることが、より好ましい。ＸＭを１ｍｍ以上とすることで、ノズル先端部分において、原料液のテーラーコーンが形成される領域を確保することが容易となる。また、ＸＭを５ｍｍ以下とすることで、原料液が空気に触れる面積が小さくなり、原料液が固化する量を減少させることができる。
【００３２】
隣接する流出孔間のピッチＬＣの好ましい範囲は、目的とするナノファイバの繊維径、流出孔の長さ、流出孔の横断面（筒状空間の横断面）の面積などにより相違するが、概ね２〜５０ｍｍの範囲内であり、２〜２０ｍｍであることが、より好ましい。ＬＣを２ｍｍ以上とすることで、原料液同士が互いの電荷により反発し合う状態となりやすい。また、ＬＣを５０ｍｍ以下とすることで、１つのノズルに設けられる流出孔の数を多く確保することができ、ナノファイバの生産性を向上させることができる。
【００３３】
第１溝の全長は、特に限定されないが、２〜５０ｍｍであることが好ましい。第１溝の全長を２ｍｍ以上とすることで、流出孔を流れる原料液の流れを安定化させることが容易となる。また、流出孔で原料液の流れに対して絞りの圧力が付与されることで、すべての開口部からの原料液の流量を均一化することができる。また、第１溝の全長を５０ｍｍ以下とすることで、ノズルの大型化を抑制することができる。
【００３４】
第１溝の最大幅は、特に限定されないが、０．５〜２ｍｍであることが好ましい。第１溝の最大幅を０．５ｍｍ以上とすることで、流出孔を詰まりにくくすることができる。また、第１溝の最大幅を２ｍｍ以下とすることで、流出孔を流れる原料液の流れを安定化させることが容易となる。上記と同様の理由により、また、溝幅Ｗを広く、深さＤを浅くする（例えばＤ＜Ｗとする）ことで、洗浄を容易にすることができることから、第１溝の最大深さは、０．１〜２ｍｍであることが好ましい。なお、第１溝の最大幅および最大深さが上記範囲内である場合、第２合わせ面の少なくともノズル先端部分に対応する部分は平坦面である。
【００３５】
第２合わせ面には、複数の第１溝とそれぞれ協働して複数の流出孔を形成する、複数の第２溝が形成されていてもよい。第２溝の最大幅および最大深さは、第１溝と第２溝との協働で形成される流出孔の最大径に規制される。具体的には、流出孔の最大径は、上記の第１溝の最大幅および最大深さの範囲内に制御される。
【００３６】
次に、本発明のナノファイバ製造方法は、原料液を空間中で静電気力により延伸させて、ナノファイバを製造する方法であって、（i）原料液を、ノズルを介して空間中に流出させる工程と、（ii）空間中に流出される原料液を帯電させる工程とを含む。ここで、原料液を放出させるノズルとしては、上記のような構成を有するナノファイバ製造用ノズルを用いる。すなわち、ナノファイバ製造用ノズルは、第１合わせ面を有する第１分割体および第２合わせ面を有する第２分割体により形成されている。第１合わせ面は、原料液の入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する互いに平行な複数の第１溝を有し、第１合わせ面と、第２合わせ面とが互いに重なり合うことで第１溝に対応する流出孔が形成される。そして、第１溝の出口側端部が、第１合わせ面と第２合わせ面とが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけ、重なり形状の外側に位置している。
【００３７】
次に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す斜視図である。
ナノファイバ製造装置１は、原料液を空間中に放出する流出体２と、原料液を帯電させる帯電手段３と、空間中で生成されたナノファイバを収集するコレクタ４と、を備えている。流出体２は、フレーム８２に取り付けられた複数の桟部材８２ａにより支持されている。フレーム８２は、例えば、四本の棒状の脚部８２ｂと、その四本の脚部８２ｂを二本ずつ上端部で連結する、比較的短い一対の水平材８２ｃと、一対の水平材８２ｃで連結された二対の脚部８２ｂを互いに連結するように、一対の水平材８２ｃの両端部にそれぞれの端部が接合される、比較的長い一対の水平材８２ｄとを含む。
【００３８】
流出体２は、帯電手段３の電源９０と接続され、対向電極８８はアース線３ａにより接地されている。流出体２と対向電極８８は、所定距離を介して対向するように配置され、その間の対向電極８８の近傍に、コレクタ４が配置されている。流出体２のノズル最先端と、コレクタ４との距離（紡糸距離）は、流出体２から放出された原料液から静電延伸現象によりナノファイバが確実に生成されるように、例えば１００〜６００ｍｍに設定されている。
【００３９】
流出体２は、放出される原料液に電荷を供給するための電極としても機能するように、原料液と接触する部分の少なくとも一部分が導体（黄銅やステンレス鋼などの金属）から形成されている。その導体部分は、帯電手段３を構成する電源９０の正極端子または負極端子と接続されている。電源９０の他方の端子は接地されている。一方、対向電極８８は接地されているため、流出体２に高電圧を印加することにより、流出体２と対向電極８８との間に電位差を形成可能である。このような電位差により、流出体２に電荷が生じる。その電荷により原料液が帯電される。逆に、電源９０を対向電極８８と接続し、流出体２を接地しても、流出体２から放出される原料液を帯電させることができる。
【００４０】
電源９０としては、原料液に与える電荷を一定とする観点から直流電源が好ましいが、整流器を介することで交流電源でも使用することができる。電源９０は、流出体２と他方電極８８との距離を考慮して、例えば５ＫＶ以上の出力を有するのが好ましい。これにより、上記の距離を確保しながら、十分な電荷を原料液に与えることができる。より好ましい電源９０の出力電圧は、２０ＫＶ以上であり、５０ＫＶ以上がさらに好ましい。
【００４１】
ノズル周辺に、原料液から放出される帯電した溶媒および帯電手段３により帯電された空気が滞留している。そこで、紡糸が妨げられるのを防ぐため、複数の桟部材８２ａに、送風構造（図示せず）が備えられてもよい。送風構造は、送風ファンによるものでも圧縮エアによるものでもよい。流出体２には、原料液を供給するための導管（図示せず）が接続されており、導管を通して、所定の流量で原料液が流出体２に供給されるようになっている。
【００４２】
コレクタ４は、帯状の収集用部材４２と、これを一方向から他方向に移動させる送り機構４４とを含む。収集用部材４２としては、例えば樹脂製のシートが用いられる。送り機構４４は、巻き出し用ローラ４４ａおよび巻き取り用ローラ４４ｂと、ローラ駆動機構４４ｃとを含む。
【００４３】
流出体２は、細長い管状の容器である。図２に、流出体２の長手方向に対して垂直な断面図を示す。流出体２は、第１合わせ面２ａを有する第１分割体２Ａおよび第２合わせ面２ｂを有する第２分割体２Ｂとで構成されている。流出体２の内部空間は、原料液を収容する筒状の原料液収容部２１となっている。原料液収容部２１は、第１分割体２Ａ側、もしくは第２分割体２Ｂ側のどちらか片方のみに設けられてもよい。原料液は、原料液収容部２１から流出孔（原料液通路）２２を通過して、ナノファイバを生成させる空間に放出される。流出体２のうち、流出孔２２が形成されている部分（破線で囲まれた部分）は、ノズル２３として機能する。すなわち、図示例では、ノズル２３は、流出体２と一体に形成されている。更に、原料液収容部２１も、流出体２と一体に形成されている。
【００４４】
図３は、図２のノズル２３の先端部分の拡大図である。ノズル２３の先端部分の形状は、横断面が三角形の柱状体となっている。すなわち、ノズル先端部分はＶ字状に尖った形状である。そして、第１分割体２Ａの最先端は、第２分割体２Ｂの最先端よりも、所定長さＸＭ（ＸＭ＞０）だけはみ出している。そのため、ノズル２３の最先端は、第１分割体２Ａの最先端のみで形成されており、非常に尖った形状となっている。
【００４５】
図４は、ノズル２３の先端部分を図３のＩＶ−ＩＶ線で切断したときの、ノズル先端部分の概略構成を示している。第１分割体２Ａの第１合わせ面２ａには、原料液収容部２１から供給される原料液の流出孔への入口および出口に対応する入口側端部および出口側端部を有する、互いに平行な複数の第１溝２４が形成されている。第１合わせ面２ａと、第２合わせ面２ｂとが互いに重なり合うことで、第１溝２４に対応する流出孔２２がそれぞれ形成される。
【００４６】
第１溝２４の出口側端部２４ａは、第１合わせ面２ａと第２合わせ面２ｂとが互いに重なり合う重なり形状の周囲境界線２５よりも、所定長さＸＭだけ、重なり形状の外側に位置している。このような構成によれば、第１溝２４の出口側端部２４ａは、第１合わせ面と第２合わせ面との境界（周囲境界線２５）と一致することがなくなる。これにより、第１合わせ面と第２合わせ面との間を伝って原料液が滲んだとしても、繊維形成が行われる出口側端部２４ａには影響は無い。
【００４７】
図５（ａ）は、ノズル先端部分の要部を示す正面図であり、第１溝２４の出口側端部２４ａの状態を拡大して示している。図５（ｂ）は、出口側端２４ａにおいて、原料液２６がテーラーコーンを形成する様子を示している。図示されているように、原料液は、隣接する出口側端部２４ａの間を周囲境界線２５に沿って滲みやすい。しかし、原料液は、周囲境界線２５を伝って水平方向に移動するよりも、第１分割体２Ａの重なり形状の外側に位置する部分（所定長さＸＭの部分）を伝って下方に流れる。このように、所定長さＸＭの部分は、原料液のテーラーコーンを安定的に形成する場を提供している。
【００４８】
流出孔の開口部において、第１溝２４は、周囲境界線２５から出口側端部２４ａ（第１溝の出口側の最先端、すなわち第１分割体の最先端）に向かって幅が狭くなるように形成されている。原料液２６は、周囲境界線２５から出口側端部２４ａに至る溝の形状に沿って流れやすいため、原料液２６の流れの形状も、開口部の形状に沿って、次第に細くなる。よって、ナノファイバの生成に非常に適した状態で原料液を空間に放出することができる。
【００４９】
図示例では、流出孔２２は、それぞれがノズルの長手方向に対して垂直に延びる筒状空間であり、その形状は、具体的には、横断面が三角形の柱状である。このような形状の流出孔２２を形成するには、第１溝２４を、第１分割体２Ａの第１合わせ面２２ａに、くさび状に形成すればよい。なお、くさび状とは、第１合わせ面２２ａから第１溝２４の最深部向かって、溝幅が次第に狭くなるような形状である。このような第１溝２４を形成することにより、第１溝２４の出口側端部２４ａの付近の形状を、図５に示すように、周囲境界線２５から出口側端２４ａに向かって幅が狭くなるように形成することも容易となる。あるいは、流出孔２２の横断面を四角形の柱状としてもよい。このような形状とすると紡糸性能は若干低下するものの、ノズルの製造は容易となる。
【００５０】
図６（ａ）には、第１分割体２Ａの第１合わせ面２ａ（斜線部）の一例を示す。また、図６（ｂ）には、第２分割体２Ａの第２合わせ面２ｂ（斜線部）の一例を示す。第１合わせ面２ａには、複数の同じ長さの第１溝２４が互いに平行に設けられている。複数の第１溝２４の最大幅および最大深さは、全て同じである。第１溝の横断面の形状は、例えばくさび型（三角形）であり、第１溝２４の最大深さに対応する稜線は、入口側端部２４ｂから出口側開口端２４ａに至るまで直線状に延びている。一方、第２合わせ面２ｂは平坦面である。なお、第１分割体２Ａおよび第２分割体２Ｂの互いの合わせ面を付き合わせることで、原料液収容部２１が形成され、その一部には原料液収容部２１に送液するための注液孔２７が設けられている。注液孔２７には、所定の導管が接続され、導管を通して所定の流量で原料液が供給される。
【００５１】
図７（ａ）には、別の第１分割体２Ｃの第１合わせ面２ｃ（斜線部）の一例を示す。また、図７（ｂ）には、別の第２分割体２Ｄの第２合わせ面２ｄ（斜線部）の一例を示す。この図示例では、第２合わせ面２ｄに、複数の第１溝２４とそれぞれ協働して複数の流出孔２２を形成する複数の第２溝２８が形成されていている。
【００５２】
ナノファイバの原料液は、ナノファイバを構成する樹脂と、樹脂を溶解または分散させる揮発性の液体とを含んでいる。原料液には、様々な添加剤を加えてもよい。
【００５３】
樹脂の種類は、特に限定されないが、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、ポリペプチドおよびこれらの共重合体等を例示できる。
【００５４】
揮発性の液体としては、例えば、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、ピリジンおよび水を例示することができる。
【００５５】
本発明の製造装置および製造方法によれば、ノズル最先端への効果的な電荷の集中や、テーラーコーンの安定により、細い繊維径のナノファイバを安定的に効率よく製造することができる。ナノファイバの繊維径は、一般に８００ｎｍ以下であるが、本発明によれば、４００ｎｍ以下、好ましくは３５０ｎｍ以下、更に好ましくは３００ｎｍ以下の平均繊維径を有するナノファイバを効率的に製造することができる。平均繊維径の下限は、例えば、６０ｎｍ以上、７５ｎｍ以上または１００ｎｍ以上である。これらの上限値と下限値とは、適宜選択して組み合わせることができる。平均繊維径は、例えば６０〜３５０ｎｍまたは１００〜４００ｎｍであってもよい。なお、ナノファイバの平均繊維径は、任意に選択した複数本（例えば１０本）のナノファイバの繊維径（繊維断面における最大径）の平均値を意味する。
【００５６】
なお、上記の実施形態では、第１分割体と第２分割体の先端部分の形状が異なる場合について説明したが、先端部分が同じ形状であってもよい。すなわち、第１分割体の先端部分を、所定長さＸＭだけ、同じ形状の第２分割体の先端部分からはみ出させるだけでもよい。このような場合でも、第１分割体の先端部分と第２分割体の先端部分とが重複する場合に比べると、ノズルの最先端の角度は半分になる。従って、ノズルの先端部分に効率的に電荷を集中させることができる。また、はみ出した部分が原料液のテーラーコーンを安定させる場を提供する点についても同様である。
【００５７】
《実施例１》
図１に示すようなナノファイバ製造装置を用いて、原料液であるアラミド（芳香族ポリアミド）のＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド溶液（アラミド含有量２０質量％）からナノファイバを製造した。ただし、流出体としては、図２〜６に示すようなノズルを具備するものを用いた。ノズルの材質は、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）であり、第１溝の形状は、最大幅０．８ｍｍ、最大深さ０．５ｍｍのくさび型とした。ピッチＬＣは１０ｍｍとし、所定長さＸＭは２ｍｍとした。流出孔（原料液通路）の数は２０本とした。
【００５８】
図１に示すように、流出体に７０ｋＶの電圧を印加し、対向電極を設置して、２６℃、湿度５０％の環境下で、紡糸距離（ノズルの最先端からコレクタまでの距離）を１７０ｍｍとして、電界紡糸を行った。
【００５９】
ナノファイバの生成速度が０．０５６ｇ／分となるように、原料液の放出量を設定したところ、コレクタには、平均繊維径４００ｎｍのナノファイバからなる不織布が形成された。不織布の表面を、電子顕微鏡写真を用いて観察したところ、繊維径のばらつきは非常に小さかった。
【００６０】
《実施例２》
ナノファイバの生成速度が０．０８４ｇ／分となるように、原料液の放出量を設定したこと以外、実施例１と同様にして、ナノファイバからなる不織布を製造した。ナノファイバの平均繊維径は４００ｎｍであり、繊維径のばらつきは非常に小さかった。
【００６１】
《実施例３》
ナノファイバの生成速度が０．１２２ｇ／分となるように、原料液の放出量を設定したこと以外、実施例１と同様にして、ナノファイバからなる不織布を製造した。ナノファイバの平均繊維径は６００ｎｍであり、繊維径には、ややばらつきが見られた。
【００６２】
《比較例１》
図８に示すような流出体を用いた。ノズルの材質は、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）であり、流出孔の横断面（開口部）は直径０．２５ｍｍの円形とした。ピッチＬＣは１０ｍｍとした。流出孔の数は２１本とした。上記ノズルを用いたこと以外、実施例１と同様にして、ナノファイバからなる不織布を製造した。従って、ナノファイバの生成速度が０．０５６ｇ／分となるように、原料液の放出量を設定した。ナノファイバの平均繊維径は実施例３とほぼ同じ６００ｎｍであり、繊維径には、ややばらつきが見られた。
【００６３】
以上の結果より、同じ品質のナノファイバ（実施例３と比較例１）であれば、本発明のナノファイバ製造装置および製造方法を用いることで、２倍の効率で製造可能であることが理解できる。また、同じ生成速度でナノファイバを製造するのであれば、本発明のナノファイバ製造装置および製造方法を用いることで、繊維径が細くなり、より高品質のナノファイバを製造できることが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、ナノファイバにより形成される綿密な不織布を素材とする各種製品、例えばフィルタ、電池用セパレータなどの製造において有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１：ナノファイバ製造装置、２：流出体、２ａ,２ｃ：第１合わせ面、２Ａ,２Ｃ：第１分割体、２ｂ,２ｄ：第２合わせ面、２Ｂ,２Ｄ：第２分割体、３：帯電手段、３ａ：アース線、４：コレクタ、２１：原料液収容部、２２：流出孔、２３：ノズル、２４：第１溝、２４ａ：出口側端部、２５：周囲境界線、２６：原料液、２７：注液孔、２８：第２溝、４２：収集用部材、４４：送り機構、４４ａ：巻き出し用ローラ、４４ｂ：巻き取り用ローラ、４４ｃ：ローラ駆動機構、８８：対向電極、９０：電源
【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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