(57)【要約】  外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させて、高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により容器内の空間からこの空間と連通した複数の細孔を介して外部に放出する。これにより、帯電した原料液から繊維状物質が生成される。このとき、原料液が細孔から所定圧力で押し出されるように、原料液が充填された空間に、原料液ポンプにより原料液を所定圧力で供給する。つまり、空間内の原料液を加圧する。また、容器内の空間は原料液に働く遠心力が一定となるように形状が設定される。
2010038362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法。
【請求項２】
前記原料液に印加される前記遠心力による前記細孔からの放出圧力が一定となるように、前記容器の内部の形状が設定されている請求項１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項３】
前記細孔から放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質の進む方向を、前記遠心力の方向から偏向させる請求項１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項４】
高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
とを備えるナノファイバ製造装置。
【請求項５】
前記空間は、前記外周壁と、前記外周壁の内側に設けられた内周壁とで規定されており、前記複数の細孔から前記内周壁までの前記空間の径方向の奥行きが等しい請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
前記細孔から径方向の外側に向かって放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質を、前記径方向とは異なる方向に偏向させる偏向装置を備えた請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項７】
前記開口部の回転軸からの距離が一定である請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項８】
前記開口部の回転軸からの距離が、前記細孔の前記回転軸と平行な方向における位置に応じて設定される請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項９】
前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項７記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１０】
前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項８記載のナノファイバ製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバ製造方法、及び製造装置に関し、さらに詳しくはエレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直径がサブミクロンスケールの繊維状物質であるナノファイバを容易に製造できることから、エレクトロスピニング法（電荷誘導紡糸法）が注目を集めている。エレクトロスピニング法では、溶媒中に高分子材料を分散または溶解させた原料液を空中に放出する。放出の際に原料液を高電圧で帯電させると、原料液が空中で電気的に延伸されてナノファイバが得られる（例えば特許文献１参照）。【０００３】
より詳細には、電界により帯電されて空気中に放出された原料液が空中を飛翔する間に、溶媒が蒸発し、原料液の体積が減少していく。一方、原料液に付与された電荷は溶媒の蒸発にかかわらず維持される。よって、原料液の電荷密度は、溶媒の蒸発とともに増大していく。やがて、原料液内部の反発方向のクーロン力は原料液の表面張力より大きくなる。そのときに原料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中において連続的に発生し、原料液が幾何級数的に線状に細分化されていくことで直径がサブミクロンスケールの微細な繊維が形成される。【０００４】
また、特許文献２には、回転式の容器から原料液を放出して、エレクトロスピニング法によりナノファイバを製造する製造装置が提案されている。この装置は、図９に示すように、少なくとも１つの押出エレメント１０１を周壁に有するスプレーヘッド１０２と、スプレーヘッド１０２を内部に配置した円筒状の収集体１０３とを有する。スプレーヘッド１０２と、収集体１０３との間には、その間に電場が発生するように高電圧電源１０４により電圧が印加される。その状態でスプレーヘッド１０２を回転させる。これにより、管１０５を介してスプレーヘッド１０２の内部に供給される原料液１０６が、押出エレメント１０１の先端から電場によって抽出されて、ナノファイバが生成される。生成されたナノファイバは、収集体１０３の内周面に堆積して収集される。【０００５】
また、特許文献３には、周壁に多数の細孔が穿設された円筒形状の容器を回転させ、その遠心力によりナノファイバの原料液を上記細孔から放出させる技術が提案されている。特許文献３においては、図１０に示すように、周壁に多数の細孔１１３が設けられた円筒状の容器１１１の内部に、周壁に孔１１２ａを有する供給管１１２によりナノファイバの原料液１１４を供給する。そして、容器１１１を回転させて、その遠心力により細孔１１３から原料液１１４を放出する。【０００６】
また、本発明者等は、特許文献４に示すように（図１１参照）、接地された円筒状の容器１２１の周囲に環状電極１２２を配置し、これらの間に高電圧を印加する技術を開発し、これを実施してきた。これにより、容器１２１に、より大きな電荷を誘導することができる。よって、容器１２１の細孔から噴出される原料液に、その噴出量の多少の変動に係わらず静電延伸現象のための十分な電荷を与えることができる。したがって、原料のままの高分子物質の塊の含まれない高品質のナノファイバを製造することが可能となる。【０００７】
容器１２１の径方向に放射状に放出された原料液は、これと略垂直な方向の気流１２３により進む方向が偏向される。偏向された原料液が進む先には、接地されたドラム１２４が配置されている。ドラム１２４は、環状電極１２２への高電圧の印加により帯電しており、上記原料液、ないしはそれから生成された繊維状物質はドラム１２４に引き寄せられる。容器１２１とドラム１２４との間には長尺帯状の収集体１２５が配されている。ドラム１２４に引き寄せられた繊維状物質は、長手方向に送られる収集体１２５の上に堆積して収集される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３３０６２４号公報
【特許文献２】特開２００７−５３２７９０号公報
【特許文献３】特開２００８−３１６２４号公報
【特許文献４】ＷＯ２００８−０６２７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、特許文献２の装置においては、ナノファイバの原料液が円筒型の容器（スプレーヘッド１０２）の周壁に設けられたノズル（押出エレメント１０１）を介して放出される。このため、電荷が集中するノズルの先端部において原料液に十分な電荷が与えられる。したがって、静電延伸現象を生じさせるのに十分な電荷を原料液に比較的容易に与えることができる。【００１０】
しかしながら、スプレーヘッド１０２が回転し、その回転により、押出エレメント１０１から遠心力により原料液が放出される。このとき、押出エレメント１０１の内側には原料液が多量に存在するために、その内側の原料液そのものにも遠心力が働く。その遠心力により、一時に多量の原料液が押し出されることがしばしば起こり、原料液の放出に途切れが頻繁に発生する。途切れが発生すると、その直後に押出エレメント１０１から放出される原料液に、電荷が溜まりにくくなったり、液溜まりが発生して、電荷が集中し難くなったりする等の不都合が生じる。その結果、原料液の延伸が起こりにくくなったり、全く起こらずに、周囲の収集体に原料液そのものが、付着したりする。【００１１】
また、特許文献３の技術においても、各細孔１１３から放出される原料液１１４の量を一定にするのが困難であるため、同様の問題が生じる。【００１２】
すなわち、図１０に示すように、原料液１１４は、供給管１１２の孔１１２ａから容器１１１の内部に垂らすようにして供給される。原料液１１４は、流動性が低いが故に、不均一な厚みで容器１１１の内周壁の上に集積する。内周壁上の原料液１１４の厚みが不均一であると、細孔１１３から放出される原料液１１４に掛かる遠心力も不均一となる。これにより、各細孔１１３から放出される原料液１１４の量が変動し、放出が途切れたり、想定した量以上の原料液１１４が放出されたりすることがある。この結果、原料液１１４に与えられる電荷の密度が不十分なものとなることがある。そして、原料液１１４が静電延伸現象を経ない液滴の状態のままで固まり、その塊がナノファイバに混入してしまう。【００１３】
特許文献４の方法による場合にも、容器１２１の内部に供給される原料液の量は変動する。その変動が設定された範囲内である場合にも、放出される原料液の量は大きく変動してしまう。しかも、容器は高速で回転しており、回転による遠心力と重力による力とが、加算されて、容器内の原料液に加わる。よって、容器内で原料液が偏在してしまう。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊が生成されるのを完全に防止することは困難であった。【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、生産効率良く製造することができるナノファイバ製造方法、及び製造装置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】
【００１５】
そこで、本発明は、外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法を提供する。【００１６】
また、本発明は、高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
とを備えるナノファイバ製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、容器の周壁に設けられた複数の細孔と連通する容器の内部空間に原料液を充填させた状態でこの内部空間の原料液を加圧して細孔から放出する。これにより、原料液を途切れさせることなく、一定量の原料液を放出させることができる。したがって、原料液に付与される電荷の密度を均一なものとすることができる。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図２】図２は、図１の装置に使用される容器の詳細を示す断面図である。
【図３】図３は、同上の容器に代替可能な別の容器の詳細を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態２に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態３に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図６】図６は、図４の装置の変形例の一部を断面にした側面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態６に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施例及び比較例の細孔径と回転数との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、従来のナノファイバ製造装置の一例の側面図である。
【図１０】図１０は、従来のナノファイバ製造装置の他の一例の構造を示す断面図である。
【図１１】図１１は、従来のナノファイバ製造装置の更に他の一例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。図２は、容器の詳細を示す断面図である。
【００２０】
製造装置１は、金属などの導体からなる概略円筒形状の容器２を備えている。容器２は、ナノファイバの原料である高分子材料を所定の分散媒または溶媒に分散または溶解してなる原料液Ｆを、内部の空間に一時的に保持するものである。容器２の周壁には、内部の空間と連通し、その空間に保持された原料液Ｆを外部に放出するための多数の細孔２ａ（図２参照）が形成されている。容器２は、その円筒形状の軸心を中心軸として回転可能に支持された回転容器である。その遠心力により、容器２の内部の空間に保持された原料液Ｆは、細孔２ａから放出される。
【００２１】
また、容器２の周囲には、長板の長手方向の両端部を接合して輪にしたような形状の環状電極３が、内周面を容器２の外周面と一定の距離をおいて対向するように同軸に配設されている。環状電極３は、高電圧電源４の一方の端子（図示例では負極端子）と接続されている。また、高電圧電源４の他方の端子（図示例では正極端子）は接地されている。一方、容器２は接地されており、これにより容器２の外周面と、環状電極３の内周面とには、逆極性の電荷がそれぞれ誘導され、両者の間には電界が発生する。
【００２２】
細孔２ａから放出される原料液Ｆは、細孔２ａの開口部において電荷が付与される。電荷が付与された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に溶媒が蒸発し、内部の反発方向のクーロン力が増大し、連続的に静電延伸現象が引き起こされて繊維状に細分化される。このようにして、原料液Ｆから静電延伸現象により繊維状物質Ｆ１が形成される。
ここで、細孔２ａは、容器２の周壁に規則的に形成されるのが好ましい。例えば、容器２の軸方向に等間隔で並び、周方向に等ピッチで形成されるのが好ましい。
【００２３】
図２に容器２の詳細を示す。図２に示すように、容器２は、内部に空間を有する、二重壁構造の円筒形状の周壁部１１と、内部に空間を有する、二重壁構造の円形壁部１２とを備える。周壁部１１の一端部は、円形壁部１２の外周部と接続されており、周壁部１１の内部の空間と、円形壁部１２の内部の空間とは、その接続部分において連通されている。そして、連通されたそれらの空間が、原料液が導入される原料液導入空間７を構成している。
【００２４】
さらに、容器２は、円形壁部１２の中央に、円形壁部１２と垂直に、回転軸を兼ねる原料液供給管１３の一端部が取り付けられている。原料液供給管１３の管路１３ａと容器２の原料液導入空間７とは、円形壁部１２の外側壁１２ａの中央に穿設された連通孔１２ｂを介して連通されている。
【００２５】
原料液供給管１３は、図１に示すように、支持部６により回転自在に支持されている。支持部６は、回転継手８と、電動機１６とを含んでいる。原料液供給管１３の他端部は、回転継手８の一端部と接続されている。回転継手８の他端部は、原料液配管１０の一端部と接続されている。原料液供給管１３と、原料液配管１０とは、回転継手８を介して連通されている。また、原料液供給管１３には受動ギア１４が外装されている。受動ギア１４は、電動機１６の出力軸１６ａに取り付けられた能動ギア１８と噛合している。この構成により、電動機１６の回転出力により原料液供給管１３が回転されて、容器２が回転駆動される。
【００２６】
原料液配管１０の他端部は、原料液タンク１９に接続されている。また、原料配管１０には、原料液ポンプ２０及び圧力センサ２２が配設されている。原料液ポンプ２０により、原料液タンク１９内の原料液Ｆが、回転継手８及び原料液供給管１３を介して容器２に送られる。圧力センサ２２は、原料液配管１０における原料液ポンプ２０の下流側に配設されており、原料液ポンプ２０の吐出圧力を検出し、その検出結果に応じた信号を出力する。圧力センサ２２の出力信号は制御部２４に入力される。
【００２７】
制御部２４は、原料液ポンプ２０の吐出圧力が所定圧力となるように、圧力センサ２２の検出結果に基づいて原料液ポンプ２０を制御する。ここで、原料液ポンプ２０としては、低沸点の溶媒または分散媒を含む原料液Ｆを一定圧力で容器２に供給し得るように、圧力調整弁を内蔵したものを使用するのが好ましい。また、原料液ポンプ２０としては、インバータ装置を使用して、原料液ポンプ２０を構成する交流電動機（誘導電動機・同期電動機）の可変速・可変トルク制御を行うことにより制御し得るものが好ましい。
以上の構成により、原料液配管１０、回転継手８及び原料液供給管１３を介して、原料液Ｆが、原料液タンク１９から容器２の原料液導入空間７に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間７内の原料液Ｆが加圧される。
【００２８】
また、図２に示すように、容器２の原料液導入空間７は、細孔２ａから放出される原料液Ｆに掛かる遠心力が一定となるように、特に細孔２ａに対応する部位である周壁部１１の内部の空間において径方向の奥行きが一定に形成されるのが好ましい。これにより、遠心力による原料液の細孔からの放出圧力が一定となる。その結果、原料液の放出量を一定なものとすることが可能となる。つまり、それぞれの細孔２ａから放出される原料液Ｆの量が、時系列的に変動せず、一定となるとともに、それぞれの細孔２ａから放出される原料液Ｆの量が、互いに等しく、均一なものとなる。
また、細孔の開口部の近傍の原料液が所定量に抑えられるので、回転による遠心力がその近傍の原料液に不均一に働くことの影響を小さくすることができる。その結果、原料液の放出量をより一定なものとすることが可能となる。
【００２９】
なお、図１においては、原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１とを便宜的に区別している。しかしながら、実際のナノファイバの製造においては原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１との区別は曖昧であり、その存在領域の明確な線引きは困難である。したがって、以下の説明では、特に区別の必要のある場合にのみ、原料液Ｆ、繊維状物質Ｆ１と記載し、それ以外の場合は原料液Ｆ及び繊維状物質Ｆ１を総称して原料液Ｆ等と記載する。
【００３０】
容器２に対して原料液供給管１３が設けられた側（図示例では左側）には、１以上の送風機２３が配設されており、それが発生する気流２６により、原料液Ｆ等の進む方向は、放出方向（容器２の径方向）と略垂直な方向（容器２の軸方向）に偏向される。原料液Ｆ等が偏向される方向（図示例では右方向）には、繊維状物質Ｆ１を収集する図示しないコレクタが配されている。このコレクタは、後の実施の形態３におけるコレクタ５と同様の構成であり、その詳細は実施の形態３において説明する。
【００３１】
次に、以上の構成のナノファイバ製造装置の動作を説明する。
原料液タンク１９内の原料液Ｆは、原料液ポンプ２０により原料液配管１０、回転継手８及び原料液供給管１３を介して容器２の原料液導入空間７に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間７の内部で原料液Ｆが加圧される。また、容器２は、電動機１６の回転出力により所定速度で回転される。容器２の原料液導入空間７に供給された原料液Ｆは、容器２の回転による遠心力、及び原料ポンプ２０による原料液Ｆの供給圧力により細孔２ａから押し出される。また、接地された容器２と、電源４により高電圧が印加された環状電極３には、それぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、容器２には、正の電荷が、環状電極３には、負の電荷が誘導される。
【００３２】
遠心力及び原料液Ｆの供給圧力により細孔２ａから押し出される原料液Ｆは、容器２に誘導された電荷により帯電される。帯電された原料液Ｆには、容器２と環状電極３との間の電界により環状電極３に向かわせる力が働く。
【００３３】
原料液Ｆは、供給圧力、遠心力、及び電界により、細孔２ａから環状電極３に向かって放射状に放出される。細孔２ａから放出された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に分散媒または溶媒が蒸発し、原料液Ｆの体積が減少すると共に、電荷密度が次第に高くなっていく。原料液Ｆ内部の反発方向のクーロン力がその表面張力を超えたときに静電延伸現象が発生し、それを繰り返すことによって原料液Ｆは繊維状に細分化されて、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）が形成される。
【００３４】
一方、細孔２ａから放出された原料液Ｆ、ないしはそれから形成された繊維状物質Ｆ１は、気流２６により、進む方向が放出方向（容器２の径方向）とは略垂直な方向（容器２の軸方向）に変えられて上記コレクタに移送される。
【００３５】
このように、本実施の形態１においては、原料液Ｆが原料液ポンプ２０により一定圧力で原料液導入空間７に供給されることにより、細孔２ａを介して遠心力により放出される原料液Ｆが原料液ポンプ２０の供給圧力により加圧される。このため、原料液Ｆを途切れることなく細孔２ａから放出させることが可能となる。また、複数の細孔２ａに連通する原料液導入空間７に一定の圧力が加えられるので、各細孔２ａからの原料液Ｆの放出量を均一にすることができる。更に、図２に示すように、細孔２ａが設けられた全ての位置において、原料液導入空間７は、容器２の回転軸から等距離にあり、かつ径方向の奥行きも一定に形成されている。このため、細孔２ａから放出される原料液Ｆに働く遠心力が一定となるのみならず、細孔２ａの内側に存在する原料液Ｆに働く遠心力をも一定とすることができる。これにより、細孔２ａを介して放出される原料液Ｆの流量を一定とすることができる。
【００３６】
したがって、原料液Ｆに付与される電荷の密度も一定とすることができ、原料液の一部分に静電延伸現象が発現せずに、その部分の原料液が塊のままでコレクタにより収集されるという不具合を起こり難くすることができる。そのような不具合は、容器２の回転数が高くなるほどに起こりやすくなる。一方、容器２の回転数を高くすれば、放出される原料液Ｆの量が増大する。したがって、生産性は向上する。
【００３７】
以上の結果、図１の装置によれば、原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、より高い生産性で製造することが可能となる（後の実施例参照）。
【００３８】
ここで、容器２は、図２に示した構成に限らず、本発明の範囲内で様々に改変することができる。例えば、容器２を、図３に示す容器２Ａと代えることもできる。容器２Ａは、周壁に１列に細孔２ａが形成された原料液放出部３２と、原料液放出部３２の内部の空間３２ａに原料液Ｆを所定圧で供給するように原料液Ｆを加圧する加圧部３４とを含む。
【００３９】
原料液放出部３２及び加圧部３４は、それぞれ概略円筒状であり、内部の空間３２ａ及び３４ａが連通部３６により互いに連通されている。加圧部３４の内部には、外径が加圧部３４の内径よりもわずかに小さい円形の加圧用部材３８が配されている。加圧用部材３８は、図示しないエアポンプから供給される空気の圧力により、加圧部３４の内部の原料液Ｆを加圧して、原料放出部３２の空間３２ａに送る。原料放出部３２の空間３２ａに送られた原料液Ｆは、原料液放出部３２の周壁に設けられた細孔２ａから外部に放出される。
【００４０】
なお、原料液Ｆの加圧は、空気の圧力による他、容器２（図２）の場合と同様に、ポンプ２０による原料液Ｆの供給圧力によることも可能である。この場合には、加圧用部材３８は不要となる。
【００４１】
ここで、容器２または２Ａ（以下、容器２と総称する）は外径を１０ｍｍ〜３００ｍｍとするのがよい。容器２の直径が３００ｍｍを超えると、上記気流により原料液Ｆ等を適度に集中させることが困難となる。また、容器２の直径が３００ｍｍを超えると、容器２を安定して回転させるためには容器２を支持する支持構造の剛性をかなり高くする必要が生じ、装置が大型化する。一方、容器の直径が１０ｍｍより小さいと、原料液を放出させるのに十分な遠心力を得るためには回転数を高くする必要がある。そのため、モータの負荷及び振動が増大し、振動対策等を施す必要が生じる。以上の点を考慮すると、より好ましい容器２の外径は、２０〜１００ｍｍである。
【００４２】
また、細孔２ａの径は、０．０１〜２ｍｍとするのがよい。また、細孔２ａの形状は円形であることが好ましいが、多角形形状や星形状等であってもよい。また、容器２の回転数は、原料液Ｆの粘度、原料液Ｆの組成（高分子物質の種類）、並びに細孔２ａの径に応じて例えば１ｒｐｍ以上１０，０００ｒｐｍ以下の範囲で調節することができる。
【００４３】
また、環状電極３は、内径は例えば２００〜１０００ｍｍとするのがよい。
また、環状電極３には、電源４から１〜２００ｋＶの電圧を印加するのが好ましい。より好ましくは、１０ｋＶ以上２００ｋＶ以下の高電圧を印加するのがよい。高品質のナノファイバを得るためには、特に容器２と環状電極３との間の電界強度が重要であり、１ｋＶ／ｃｍ以上の電界強度となるように、印加電圧を設定するとともに、環状電極３の配置を行うことが好ましい。これにより、容器２と環状電極３との間に均等且つ強い電界を発生させることができる。
【００４４】
なお、環状電極３は、必ずしも円環状である必要はなく、例えば、軸方向から見た形状を多角形としてもよい。また、環状電極３は、容器２の周面から所定の距離をおいて容器２を囲むように配置されてさえいればよく、例えば、環状の金属線を、容器２を囲むように配置してもよい。
【００４５】
また、原料液Ｆ等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料液Ｆから繊維状物質Ｆ１を速やかに生成することができるように、気流２６を発生させる送風機と容器２との間に、気流２６を加熱するための図示しないヒータを設けるのが好ましい。このようにすることで、帯電した原料液Ｆの蒸発が促進されて、静電爆発が早期に起こるようにすることができる。その結果、生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径がより細くなり、微細な繊維状物質Ｆ１を安定して生成することができる。
【００４６】
また、容器２及び環状電極３と、コレクタとの間には送風による原料液Ｆ等の流路を規定するための筒体（図示しない）を設けるのがよい。筒体は、容器２に向けて開口する開口部がコレクタに向けて開口する開口部よりも小さく、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされているのがよい。このように、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされている筒体を容器２とコレクタとの間に配置して原料液Ｆ等の流路を徐々に拡大するように規定することによって、繊維状物質Ｆ１を高密度でむら無く均一に収集することが可能となる。
【００４７】
なお、本実施の形態１においては、容器２を接地する一方、電源４により環状電極３に高電圧を印加するものとしている。これに限らず、電源４により容器２に高電圧を印加し、環状電極３を接地するものとしてもよい。ただし、この場合には、回転する容器２に高電圧が印加されることになるために、容器２を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。
また、容器２と環状電極３とを電源４の２つの端子にそれぞれ接続して、容器２と環状電極３との双方に電圧を印加するようにしてもよい。要するに、容器２と環状電極３との間に電位差を与えて、その間に電界を発生させ、それにより細孔２ａから流出する原料液Ｆに電荷を付与し得る構成であれば、どのような構成であってもよい。
【００４８】
ここで、原料液Ｆに含ませる高分子材料は、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、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、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、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、ナイロン、アラミド、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、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに含ませることができる高分子材料はこれらに限られるものではなく、既存の物質であってもナノファイバの原料としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質でナノファイバの原料としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
【００４９】
また、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、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、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、ピリジン、水等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、これらに限られるものではなく、既存の物質であってもエレクトロスピニング法における高分子材料の分散媒または溶媒としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質で分散媒または溶媒としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
【００５０】
また、原料液Ｆには無機質固体材料を混入することも可能である。混入可能な無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物などを挙げることができる。耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。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等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに混入される無機質固体材料はこれらに限定されるものではない。
【００５１】
高分子材料と分散媒または溶媒との混合比率は、それらの種類にもよるが、分散媒または溶媒の比率が６０〜９８質量％となるように混合されるのが好ましい。
【００５２】
〈実施の形態２〉
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係るナノファイバ製造装置の一部を断面にした側面図である。なお、この実施の形態２においても、容器２を容器２Ａにより置き換えることができる。
【００５３】
実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａは、容器２の細孔２ａを介して放出される原料液Ｆが環状電極３に付着するのをより確実に防止するために、２段階の気流発生手段を設けたものである。すなわち、実施の形態１においては、容器２から放出される原料液Ｆに十分な電荷が付与されるように、容器２の周囲に環状電極３を配置する構成とした。しかしながら、環状電極３は、容器２からの原料液Ｆの放出方向に配されるものであるために、送風機が発生する気流２６により原料液Ｆ等を偏向するだけでは、その一部が環状電極３に付着するおそれがある。原料液Ｆ等が環状電極３に付着すると、それを取り除くために定期的にメンテナンスを行う必要が生じ、生産効率が低下する。
本実施の形態２は、２段階の気流発生手段を設けることにより、原料液Ｆ等が環状電極３に付着する量を極力小さくし、これにより、メンテナンスの頻度を小さくして、生産効率の向上を図ろうとするものである。
【００５４】
ここで、２段階の気流発生手段の１つは、実施の形態１における気流２６を発生するのに用いた送風機２３である。そして、他の１つは、気体噴射機構２７である。気体噴射機構２７は、容器２の外径よりも内径が若干大きいリング状の気体噴出部２８と、噴出される気体（例えば空気）を気体噴出部２８に供給する例えばエアポンプからなるエア源３０とから構成される。気体噴出部２８は、中空の角材の両端を接合して輪にしたような構造を有している。
【００５５】
より詳細には、気体噴出部２８は、エア源３０からの気体が導入される中空部２８ａと、軸方向の一方向に気体を噴出するように一方の側面に所定ピッチで形成された複数の噴出孔２８ｂと、中空部２８ａにエア源３０からの気体を導入するためのエア導入孔２８ｃとを有している。エア源３０から気体噴出部２８に所定圧力で供給された気体は、各噴出孔２８ｂを通して、容器２の細孔２ａから放出された原料液Ｆに向かって噴射される。
【００５６】
このような構成の気体噴射機構２７は、噴射される気体の流速を容易に大きくすることができるので、容器２の細孔２ａから放射状に放出された原料液Ｆを効果的に偏向することができる。
【００５７】
このように、２段階の気流発生手段を設けることによって、原料液Ｆ等が環状電極３に付着するのをより確実に防止することができる。なお、複数の噴出孔２８ｂに代えて、気体噴出部２８の一方の側面を一周するように設けられた隙間（図示しない）から気体を噴射する構成としても同様の効果を奏することができる。
【００５８】
〈実施の形態３〉
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態３を説明する。本実施の形態３は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す側面図である。なお、この実施の形態３においても、容器２を容器２Ａにより置き換えることができる。
本実施の形態３のナノファイバ製造装置１Ｂにおいては、環状電極３は使用されておらず、繊維状物質Ｆ１を収集するためのコレクタ５のドラム２８が容器２と対となる電極として使用されている。
【００５９】
上述したとおり、コレクタ５は、気流２６により原料液Ｆ等が偏向される方向に配されており、導体から成るドラム２８を有している。ドラム２８は、一方の端子（図示例では正極端子）が接地された高電圧電源４の他方の端子（図示例では負極端子）と接続されている。また、容器２は接地されており、容器２とドラム２８との間に電界が発生する。これにより、容器２及びドラム２８にはそれぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、ドラム２８に負電荷、容器２に正電荷が誘導される。
【００６０】
容器２とドラム２８との間には、長尺帯状の収集体３０が配されている。収集体３０は、送り機構３２によりドラム２８の周面と摺接するようにして長手方向に送られる可撓性のある部材である。原料液Ｆから生成された繊維状物質Ｆ１は、長手方向に送られる収集体３０の表面に堆積して、不織布として収集される。送り機構３２は、収集体３０を巻き出す巻き出しロール３４及び繊維状物質Ｆ１を収集した収集体３０を巻き取る巻き取りロール３６を含んでいる。
【００６１】
収集体３０は、原料液Ｆから生成された繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）を移送する気流２６が通過可能であり、且つ堆積した繊維状物質Ｆ１を容易に分離することができるように、薄くて柔軟性を有する素材から構成されるのが好ましい。好ましい素材の例として、アラミド繊維から形成された網状のシートを挙げることができる。これにテフロン（登録商標）コートを行うと、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）の分離性がさらに向上するためにより好ましい。
一般的には、収集体３０は、絶縁性材料から構成されるが、これに限定するものではなく、長尺のシート状の部材の中に、カーボンナノファイバ等の導電性材料を混合し、収集体３０に導電性を持たせるようにしてもよい。
【００６２】
以上のように、環状電極３の代わりに、繊維状物質Ｆ１を収集するためのコレクタ５のドラム２８を、容器２と対となる電極として使用することによって、環状電極３に原料液Ｆ、ないしはそれから形成された繊維状物質Ｆ１が環状電極３に付着することがなくなり、メンテナンスの必要がなくなる。したがって、生産効率が向上する。反面、容器２と電極とを近接配置することは困難となるので、実施の形態１と比較して生産性が若干低下する可能性はある。
【００６３】
なお、図６に示すように、本実施の形態３においても、容器２に電源４により高電圧を印加し、ドラム２８を接地するものとしてもよい。ただし、この場合にも容器２を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。また、実施の形態２の構成と本実施の形態３の構成を組み合わせることも勿論可能である。
【００６４】
〈実施の形態４〉
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態４を説明する。本実施の形態４は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。図７は、本発明の実施の形態４に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。
【００６５】
本実施の形態４において使用される容器２Ｂは、回転の軸方向に外径が直線的に変化する、円錐の頂部を切除した外形とされている。容器２Ｂの原料液導入空間７Ａは、周壁９の表面から一定の深さに形成された、径方向の奥行きが一定である隙間、並びに円錐の底面に相当する円形壁１５の表面から一定の深さに形成された、軸方向の奥行きが一定である隙間として構成されている。周壁９の内側にある原料液導入空間７Ａは、その位置が、容器２Ｂの先端側（図の右側）にいくにしたがって、容器２Ｂの回転軸に近づいている。
そして、円形壁１５の中央の外側表面に原料液供給管１３が接続されている。原料液供給管１３の管路１３ａと、容器２Ａの原料液導入空間７Ａとは円形壁１５の中央に設けられた連通孔１５ａを介して連通されている。
【００６６】
本実施の形態４の容器２Ｂを使用した場合には、気流２６の下流側にいくにしたがって、細孔２ａから放出される原料液Ｆに働く遠心力は小さくなる。このため、気流２６の下流側にいくにしたがって、気流２６により偏向される原料液Ｆ等の軌跡は径方向の内側となる。これにより、各細孔２ａから放出される原料液Ｆ等の軌跡が容器２Ａの径方向に分散される。原料液Ｆ等の軌跡が容器２Ａの径方向に分散されずに集中してしまうと、それが有する電荷により下流側の細孔２ａから放出される原料液Ｆの帯電が阻害されたり、下流側の細孔２ａからの原料液Ｆの放出が阻害されたりする等の弊害が生じる。したがって、原料液Ｆ等の軌跡を容器２Ｂの径方向に分散させることによって、これらの弊害を除去することができる。
【００６７】
ここで、図７のように気流２６の下流側にいくにしたがって容器２Ｂの外径を小さくする場合には、各細孔２ａから放出される原料液Ｆの流量を一定とするように、気流２６の下流側にいくにしたがって細孔２ａの径を大きくするのが好ましい。これにより、生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径を一定とすることが可能となる。
【００６８】
なお、本実施の形態の容器２Ｂは、実施の形態１に対してのみならず、実施の形態２及び３に対しても適用することができ、その場合にも同様の効果を奏することが可能である。
また、容器２Ｂの外径は気流２６の下流側にいくにしたがって直線的に小さくなるものとしたが、大きくなるようにすることも可能であり、この場合にも気流２６により偏向される原料液Ｆ等の軌跡を容器２Ａの径方向に分散させることができる。
【実施例】
【００６９】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
外径が６０ｍｍ、内径が５７ｍｍである略円筒状の容器２の周壁に、細孔２ａを容器２の軸方向に６個並べて１列とし、容器２の周方向に１８列が並ぶように、計１０８個の細孔２ａを形成した。このとき、細孔２ａの容器２の周方向のピッチは約２０ｍｍであった。また、細孔２ａの容器２の軸方向のピッチも１０ｍｍであった。
そして、細孔２ａの径が０．２０ｍｍ（実施例１）、０．３０ｍｍ（実施例２）及び０．５０ｍｍ（実施例３）の３通りである、３種類の容器２を作成した。【００７０】
これら３種類の容器２をそれぞれ組み込んだ図１のナノファイバ製造装置（以下、実施例装置という）を使用し、様々な回転数により容器２を２０分間回転させて、ナノファイバを製造した。ここで、環状電極３の直径は、４００ｍｍとし、電源７の電圧は６０ｋＶとし、その負極を環状電極３に接続し、正極を接地した。また、収集体３０の送り量は、５ｍｍ／分とした。高分子材料としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を使用し、溶媒として水を使用し、両者を混合して、濃度が１０質量％であるポリビニルアルコールの溶液を原料液Ｆとして調製した。【００７１】
一方、図１０に示した容器１１１及び供給管１１２を含む従来のナノファイバ製造装置（比較例装置という）を使用して、上記実施例１〜３と同様の条件でナノファイバを製造した。ここで、容器１１１は、細孔１１３の径が上記３種類（０．２０ｍｍ（比較例１）、０．３０ｍｍ（比較例２）、及び０．５０ｍｍ（比較例３））である、３種類の容器を用意した。【００７２】
そして、上記実施例１〜３、及び比較例１〜３について、製造されたナノファイバを顕微鏡により観察し、高分子物質の塊が混入していない高品質なナノファイバが製造できているかを調査した。その結果を、図８に示す。同図においては、上記高品質のナノファイバを製造することのできた容器２または容器１１１の回転数の上限が、白抜きの双頭の矢印で示されている。【００７３】
図８に示すように、実施例１〜３においては、細孔２ａの径が同一であるそれぞれの比較例１〜３に対して、より高い回転数で容器２を回転させても静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊の混入していない高品質のナノファイバを製造することができた。このことは、より大量の原料液Ｆを細孔２ａから放出させながら高品質のナノファイバを製造することが可能なことを意味する。このように、本発明によれば、高品質のナノファイバをより大量に生産し得ることが分かる。【００７４】
その理由は、実施例１〜３においては、容器２の各細孔２ａから放出される原料液Ｆの流量を一定とすることができるためであると考えられる。つまりより高い回転数にいたるまで、各細孔２ａから放出される原料液Ｆの中に電荷の密度が少なすぎる原料液Ｆが混入しないからである。また、より高い回転数にいたるまで、原料液が細孔から流出する場合に塊となって流出する頻度が少なくなるからである。【００７５】
また、本発明者等は、上記実施例１〜３の各容器２を実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａに適用し、上記実施例１〜３におけると同様の条件でナノファイバを製造した。そして、環状電極３の原料液Ｆ等の付着量を調査した。その結果、上記実施例１〜３においては、２０分間の運転により環状電極３に若干の原料液Ｆ等の付着が認められたのに対して、実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａを用いた実験では、２０分間の運転後にも環状電極３への原料液Ｆ等の付着はほとんど認められなかった。このように、本発明のより好ましい形態においては、環状電極３への原料液Ｆ等の付着を軽減することができた。【００７６】
なお、上記実施の形態及び実施例においては、外周壁に複数の細孔が直接的に形成された容器の場合について記載したが、外周壁にノズル等の突起部を設けて、その突起部の先端に細孔を開口させて、その細孔から原料液を流出させるようにしても、本願発明の効果は得ることができる。すなわち、細孔の近傍にある容器内の原料液の量を所定量に制限し、容器の内部に原料液を所定圧力で供給し、しかも、上記所定量の原料液にかかる遠心力を一定にすることで、細孔から流出する原料液を安定的に一定量に制御することができる。これにより、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のナノファイバ製造装置及び製造方法によれば、エレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する場合に、高品質のナノファイバを高い生産性で製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１    ナノファイバ製造装置
２    容器
２ａ  細孔
３    環状電極
４    高圧電源
５    コレクタ
７    原料液導入空間
８    回転継手
１６  電動機
１９  原料液タンク
２０  原料液ポンプ
２２  圧力センサ
２４  制御部
２６  気流
Ｆ    原料液
Ｆ１  繊維状物質
【図１】
2010038362.tif 000003
【図２】
2010038362.tif 000004
【図３】
2010038362.tif 000005
【図４】
2010038362.tif 000006
【図５】
2010038362.tif 000007
【図６】
2010038362.tif 000008
【図７】
2010038362.tif 000009
【図８】
2010038362.tif 000010
【図９】
2010038362.tif 000011
【図１０】
2010038362.tif 000012
【図１１】
2010038362.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月23日(2011.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバ製造方法、及び製造装置に関し、さらに詳しくはエレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直径がサブミクロンスケールの繊維状物質であるナノファイバを容易に製造できることから、エレクトロスピニング法（電荷誘導紡糸法）が注目を集めている。エレクトロスピニング法では、溶媒中に高分子材料を分散または溶解させた原料液を空中に放出する。放出の際に原料液を高電圧で帯電させると、原料液が空中で電気的に延伸されてナノファイバが得られる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
より詳細には、電界により帯電されて空気中に放出された原料液が空中を飛翔する間に、溶媒が蒸発し、原料液の体積が減少していく。一方、原料液に付与された電荷は溶媒の蒸発にかかわらず維持される。よって、原料液の電荷密度は、溶媒の蒸発とともに増大していく。やがて、原料液内部の反発方向のクーロン力は原料液の表面張力より大きくなる。そのときに原料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中において連続的に発生し、原料液が幾何級数的に線状に細分化されていくことで直径がサブミクロンスケールの微細な繊維が形成される。
【０００４】
また、特許文献２には、回転式の容器から原料液を放出して、エレクトロスピニング法によりナノファイバを製造する製造装置が提案されている。この装置は、図９に示すように、少なくとも１つの押出エレメント１０１を周壁に有するスプレーヘッド１０２と、スプレーヘッド１０２を内部に配置した円筒状の収集体１０３とを有する。スプレーヘッド１０２と、収集体１０３との間には、その間に電場が発生するように高電圧電源１０４により電圧が印加される。その状態でスプレーヘッド１０２を回転させる。これにより、管１０５を介してスプレーヘッド１０２の内部に供給される原料液１０６が、押出エレメント１０１の先端から電場によって抽出されて、ナノファイバが生成される。生成されたナノファイバは、収集体１０３の内周面に堆積して収集される。
【０００５】
また、特許文献３には、周壁に多数の細孔が穿設された円筒形状の容器を回転させ、その遠心力によりナノファイバの原料液を上記細孔から放出させる技術が提案されている。特許文献３においては、図１０に示すように、周壁に多数の細孔１１３が設けられた円筒状の容器１１１の内部に、周壁に孔１１２ａを有する供給管１１２によりナノファイバの原料液１１４を供給する。そして、容器１１１を回転させて、その遠心力により細孔１１３から原料液１１４を放出する。
【０００６】
また、本発明者等は、特許文献４に示すように（図１１参照）、接地された円筒状の容器１２１の周囲に環状電極１２２を配置し、これらの間に高電圧を印加する技術を開発し、これを実施してきた。これにより、容器１２１に、より大きな電荷を誘導することができる。よって、容器１２１の細孔から噴出される原料液に、その噴出量の多少の変動に係わらず静電延伸現象のための十分な電荷を与えることができる。したがって、原料のままの高分子物質の塊の含まれない高品質のナノファイバを製造することが可能となる。
【０００７】
容器１２１の径方向に放射状に放出された原料液は、これと略垂直な方向の気流１２３により進む方向が偏向される。偏向された原料液が進む先には、接地されたドラム１２４が配置されている。ドラム１２４は、環状電極１２２への高電圧の印加により帯電しており、上記原料液、ないしはそれから生成された繊維状物質はドラム１２４に引き寄せられる。容器１２１とドラム１２４との間には長尺帯状の収集体１２５が配されている。ドラム１２４に引き寄せられた繊維状物質は、長手方向に送られる収集体１２５の上に堆積して収集される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３３０６２４号公報
【特許文献２】特開２００７−５３２７９０号公報
【特許文献３】特開２００８−３１６２４号公報
【特許文献４】ＷＯ２００８−０６２７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、特許文献２の装置においては、ナノファイバの原料液が円筒型の容器（スプレーヘッド１０２）の周壁に設けられたノズル（押出エレメント１０１）を介して放出される。このため、電荷が集中するノズルの先端部において原料液に十分な電荷が与えられる。したがって、静電延伸現象を生じさせるのに十分な電荷を原料液に比較的容易に与えることができる。
【００１０】
しかしながら、スプレーヘッド１０２が回転し、その回転により、押出エレメント１０１から遠心力により原料液が放出される。このとき、押出エレメント１０１の内側には原料液が多量に存在するために、その内側の原料液そのものにも遠心力が働く。その遠心力により、一時に多量の原料液が押し出されることがしばしば起こり、原料液の放出に途切れが頻繁に発生する。途切れが発生すると、その直後に押出エレメント１０１から放出される原料液に、電荷が溜まりにくくなったり、液溜まりが発生して、電荷が集中し難くなったりする等の不都合が生じる。その結果、原料液の延伸が起こりにくくなったり、全く起こらずに、周囲の収集体に原料液そのものが、付着したりする。
【００１１】
また、特許文献３の技術においても、各細孔１１３から放出される原料液１１４の量を一定にするのが困難であるため、同様の問題が生じる。
【００１２】
すなわち、図１０に示すように、原料液１１４は、供給管１１２の孔１１２ａから容器１１１の内部に垂らすようにして供給される。原料液１１４は、流動性が低いが故に、不均一な厚みで容器１１１の内周壁の上に集積する。内周壁上の原料液１１４の厚みが不均一であると、細孔１１３から放出される原料液１１４に掛かる遠心力も不均一となる。これにより、各細孔１１３から放出される原料液１１４の量が変動し、放出が途切れたり、想定した量以上の原料液１１４が放出されたりすることがある。この結果、原料液１１４に与えられる電荷の密度が不十分なものとなることがある。そして、原料液１１４が静電延伸現象を経ない液滴の状態のままで固まり、その塊がナノファイバに混入してしまう。
【００１３】
特許文献４の方法による場合にも、容器１２１の内部に供給される原料液の量は変動する。その変動が設定された範囲内である場合にも、放出される原料液の量は大きく変動してしまう。しかも、容器は高速で回転しており、回転による遠心力と重力による力とが、加算されて、容器内の原料液に加わる。よって、容器内で原料液が偏在してしまう。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊が生成されるのを完全に防止することは困難であった。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、生産効率良く製造することができるナノファイバ製造方法、及び製造装置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】
【００１５】
そこで、本発明は、外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は、高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
とを備えるナノファイバ製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、容器の周壁に設けられた複数の細孔と連通する容器の内部空間に原料液を充填させた状態でこの内部空間の原料液を加圧して細孔から放出する。これにより、原料液を途切れさせることなく、一定量の原料液を放出させることができる。したがって、原料液に付与される電荷の密度を均一なものとすることができる。その結果、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図２】図２は、図１の装置に使用される容器の詳細を示す断面図である。
【図３】図３は、同上の容器に代替可能な別の容器の詳細を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態２に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態３に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。
【図６】図６は、図４の装置の変形例の一部を断面にした側面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態６に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施例及び比較例の細孔径と回転数との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、従来のナノファイバ製造装置の一例の側面図である。
【図１０】図１０は、従来のナノファイバ製造装置の他の一例の構造を示す断面図である。
【図１１】図１１は、従来のナノファイバ製造装置の更に他の一例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す、一部を断面にした側面図である。図２は、容器の詳細を示す断面図である。
【００２０】
製造装置１は、金属などの導体からなる概略円筒形状の容器２を備えている。容器２は、ナノファイバの原料である高分子材料を所定の分散媒または溶媒に分散または溶解してなる原料液Ｆを、内部の空間に一時的に保持するものである。容器２の周壁には、内部の空間と連通し、その空間に保持された原料液Ｆを外部に放出するための多数の細孔２ａ（図２参照）が形成されている。容器２は、その円筒形状の軸心を中心軸として回転可能に支持された回転容器である。その遠心力により、容器２の内部の空間に保持された原料液Ｆは、細孔２ａから放出される。
【００２１】
また、容器２の周囲には、長板の長手方向の両端部を接合して輪にしたような形状の環状電極３が、内周面を容器２の外周面と一定の距離をおいて対向するように同軸に配設されている。環状電極３は、高電圧電源４の一方の端子（図示例では負極端子）と接続されている。また、高電圧電源４の他方の端子（図示例では正極端子）は接地されている。一方、容器２は接地されており、これにより容器２の外周面と、環状電極３の内周面とには、逆極性の電荷がそれぞれ誘導され、両者の間には電界が発生する。
【００２２】
細孔２ａから放出される原料液Ｆは、細孔２ａの開口部において電荷が付与される。電荷が付与された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に溶媒が蒸発し、内部の反発方向のクーロン力が増大し、連続的に静電延伸現象が引き起こされて繊維状に細分化される。このようにして、原料液Ｆから静電延伸現象により繊維状物質Ｆ１が形成される。
ここで、細孔２ａは、容器２の周壁に規則的に形成されるのが好ましい。例えば、容器２の軸方向に等間隔で並び、周方向に等ピッチで形成されるのが好ましい。
【００２３】
図２に容器２の詳細を示す。図２に示すように、容器２は、内部に空間を有する、二重壁構造の円筒形状の周壁部１１と、内部に空間を有する、二重壁構造の円形壁部１２とを備える。周壁部１１の一端部は、円形壁部１２の外周部と接続されており、周壁部１１の内部の空間と、円形壁部１２の内部の空間とは、その接続部分において連通されている。そして、連通されたそれらの空間が、原料液が導入される原料液導入空間７を構成している。
【００２４】
さらに、容器２は、円形壁部１２の中央に、円形壁部１２と垂直に、回転軸を兼ねる原料液供給管１３の一端部が取り付けられている。原料液供給管１３の管路１３ａと容器２の原料液導入空間７とは、円形壁部１２の外側壁１２ａの中央に穿設された連通孔１２ｂを介して連通されている。
【００２５】
原料液供給管１３は、図１に示すように、支持部６により回転自在に支持されている。支持部６は、回転継手８と、電動機１６とを含んでいる。原料液供給管１３の他端部は、回転継手８の一端部と接続されている。回転継手８の他端部は、原料液配管１０の一端部と接続されている。原料液供給管１３と、原料液配管１０とは、回転継手８を介して連通されている。また、原料液供給管１３には受動ギア１４が外装されている。受動ギア１４は、電動機１６の出力軸１６ａに取り付けられた能動ギア１８と噛合している。この構成により、電動機１６の回転出力により原料液供給管１３が回転されて、容器２が回転駆動される。
【００２６】
原料液配管１０の他端部は、原料液タンク１９に接続されている。また、原料配管１０には、原料液ポンプ２０及び圧力センサ２２が配設されている。原料液ポンプ２０により、原料液タンク１９内の原料液Ｆが、回転継手８及び原料液供給管１３を介して容器２に送られる。圧力センサ２２は、原料液配管１０における原料液ポンプ２０の下流側に配設されており、原料液ポンプ２０の吐出圧力を検出し、その検出結果に応じた信号を出力する。圧力センサ２２の出力信号は制御部２４に入力される。
【００２７】
制御部２４は、原料液ポンプ２０の吐出圧力が所定圧力となるように、圧力センサ２２の検出結果に基づいて原料液ポンプ２０を制御する。ここで、原料液ポンプ２０としては、低沸点の溶媒または分散媒を含む原料液Ｆを一定圧力で容器２に供給し得るように、圧力調整弁を内蔵したものを使用するのが好ましい。また、原料液ポンプ２０としては、インバータ装置を使用して、原料液ポンプ２０を構成する交流電動機（誘導電動機・同期電動機）の可変速・可変トルク制御を行うことにより制御し得るものが好ましい。
以上の構成により、原料液配管１０、回転継手８及び原料液供給管１３を介して、原料液Ｆが、原料液タンク１９から容器２の原料液導入空間７に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間７内の原料液Ｆが加圧される。
【００２８】
また、図２に示すように、容器２の原料液導入空間７は、細孔２ａから放出される原料液Ｆに掛かる遠心力が一定となるように、特に細孔２ａに対応する部位である周壁部１１の内部の空間において径方向の奥行きが一定に形成されるのが好ましい。これにより、遠心力による原料液の細孔からの放出圧力が一定となる。その結果、原料液の放出量を一定なものとすることが可能となる。つまり、それぞれの細孔２ａから放出される原料液Ｆの量が、時系列的に変動せず、一定となるとともに、それぞれの細孔２ａから放出される原料液Ｆの量が、互いに等しく、均一なものとなる。
また、細孔の開口部の近傍の原料液が所定量に抑えられるので、回転による遠心力がその近傍の原料液に不均一に働くことの影響を小さくすることができる。その結果、原料液の放出量をより一定なものとすることが可能となる。
【００２９】
なお、図１においては、原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１とを便宜的に区別している。しかしながら、実際のナノファイバの製造においては原料液Ｆと繊維状物質Ｆ１との区別は曖昧であり、その存在領域の明確な線引きは困難である。したがって、以下の説明では、特に区別の必要のある場合にのみ、原料液Ｆ、繊維状物質Ｆ１と記載し、それ以外の場合は原料液Ｆ及び繊維状物質Ｆ１を総称して原料液Ｆ等と記載する。
【００３０】
容器２に対して原料液供給管１３が設けられた側（図示例では左側）には、１以上の送風機２３が配設されており、それが発生する気流２６により、原料液Ｆ等の進む方向は、放出方向（容器２の径方向）と略垂直な方向（容器２の軸方向）に偏向される。原料液Ｆ等が偏向される方向（図示例では右方向）には、繊維状物質Ｆ１を収集する図示しないコレクタが配されている。このコレクタは、後の実施の形態３におけるコレクタ５と同様の構成であり、その詳細は実施の形態３において説明する。
【００３１】
次に、以上の構成のナノファイバ製造装置の動作を説明する。
原料液タンク１９内の原料液Ｆは、原料液ポンプ２０により原料液配管１０、回転継手８及び原料液供給管１３を介して容器２の原料液導入空間７に所定圧力で供給される。これにより、原料液導入空間７の内部で原料液Ｆが加圧される。また、容器２は、電動機１６の回転出力により所定速度で回転される。容器２の原料液導入空間７に供給された原料液Ｆは、容器２の回転による遠心力、及び原料ポンプ２０による原料液Ｆの供給圧力により細孔２ａから押し出される。また、接地された容器２と、電源４により高電圧が印加された環状電極３には、それぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、容器２には、正の電荷が、環状電極３には、負の電荷が誘導される。
【００３２】
遠心力及び原料液Ｆの供給圧力により細孔２ａから押し出される原料液Ｆは、容器２に誘導された電荷により帯電される。帯電された原料液Ｆには、容器２と環状電極３との間の電界により環状電極３に向かわせる力が働く。
【００３３】
原料液Ｆは、供給圧力、遠心力、及び電界により、細孔２ａから環状電極３に向かって放射状に放出される。細孔２ａから放出された原料液Ｆは、空中を飛翔する間に分散媒または溶媒が蒸発し、原料液Ｆの体積が減少すると共に、電荷密度が次第に高くなっていく。原料液Ｆ内部の反発方向のクーロン力がその表面張力を超えたときに静電延伸現象が発生し、それを繰り返すことによって原料液Ｆは繊維状に細分化されて、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）が形成される。
【００３４】
一方、細孔２ａから放出された原料液Ｆ、ないしはそれから形成された繊維状物質Ｆ１は、気流２６により、進む方向が放出方向（容器２の径方向）とは略垂直な方向（容器２の軸方向）に変えられて上記コレクタに移送される。
【００３５】
このように、本実施の形態１においては、原料液Ｆが原料液ポンプ２０により一定圧力で原料液導入空間７に供給されることにより、細孔２ａを介して遠心力により放出される原料液Ｆが原料液ポンプ２０の供給圧力により加圧される。このため、原料液Ｆを途切れることなく細孔２ａから放出させることが可能となる。また、複数の細孔２ａに連通する原料液導入空間７に一定の圧力が加えられるので、各細孔２ａからの原料液Ｆの放出量を均一にすることができる。更に、図２に示すように、細孔２ａが設けられた全ての位置において、原料液導入空間７は、容器２の回転軸から等距離にあり、かつ径方向の奥行きも一定に形成されている。このため、細孔２ａから放出される原料液Ｆに働く遠心力が一定となるのみならず、細孔２ａの内側に存在する原料液Ｆに働く遠心力をも一定とすることができる。これにより、細孔２ａを介して放出される原料液Ｆの流量を一定とすることができる。
【００３６】
したがって、原料液Ｆに付与される電荷の密度も一定とすることができ、原料液の一部分に静電延伸現象が発現せずに、その部分の原料液が塊のままでコレクタにより収集されるという不具合を起こり難くすることができる。そのような不具合は、容器２の回転数が高くなるほどに起こりやすくなる。一方、容器２の回転数を高くすれば、放出される原料液Ｆの量が増大する。したがって、生産性は向上する。
【００３７】
以上の結果、図１の装置によれば、原料液の塊を含まない高品質のナノファイバを、より高い生産性で製造することが可能となる（後の実施例参照）。
【００３８】
ここで、容器２は、図２に示した構成に限らず、本発明の範囲内で様々に改変することができる。例えば、容器２を、図３に示す容器２Ａと代えることもできる。容器２Ａは、周壁に１列に細孔２ａが形成された原料液放出部３２と、原料液放出部３２の内部の空間３２ａに原料液Ｆを所定圧で供給するように原料液Ｆを加圧する加圧部３４とを含む。
【００３９】
原料液放出部３２及び加圧部３４は、それぞれ概略円筒状であり、内部の空間３２ａ及び３４ａが連通部３６により互いに連通されている。加圧部３４の内部には、外径が加圧部３４の内径よりもわずかに小さい円形の加圧用部材３８が配されている。加圧用部材３８は、図示しないエアポンプから供給される空気の圧力により、加圧部３４の内部の原料液Ｆを加圧して、原料放出部３２の空間３２ａに送る。原料放出部３２の空間３２ａに送られた原料液Ｆは、原料液放出部３２の周壁に設けられた細孔２ａから外部に放出される。
【００４０】
なお、原料液Ｆの加圧は、空気の圧力による他、容器２（図２）の場合と同様に、ポンプ２０による原料液Ｆの供給圧力によることも可能である。この場合には、加圧用部材３８は不要となる。
【００４１】
ここで、容器２または２Ａ（以下、容器２と総称する）は外径を１０ｍｍ〜３００ｍｍとするのがよい。容器２の直径が３００ｍｍを超えると、上記気流により原料液Ｆ等を適度に集中させることが困難となる。また、容器２の直径が３００ｍｍを超えると、容器２を安定して回転させるためには容器２を支持する支持構造の剛性をかなり高くする必要が生じ、装置が大型化する。一方、容器の直径が１０ｍｍより小さいと、原料液を放出させるのに十分な遠心力を得るためには回転数を高くする必要がある。そのため、モータの負荷及び振動が増大し、振動対策等を施す必要が生じる。以上の点を考慮すると、より好ましい容器２の外径は、２０〜１００ｍｍである。
【００４２】
また、細孔２ａの径は、０．０１〜２ｍｍとするのがよい。また、細孔２ａの形状は円形であることが好ましいが、多角形形状や星形状等であってもよい。また、容器２の回転数は、原料液Ｆの粘度、原料液Ｆの組成（高分子物質の種類）、並びに細孔２ａの径に応じて例えば１ｒｐｍ以上１０，０００ｒｐｍ以下の範囲で調節することができる。
【００４３】
また、環状電極３は、内径は例えば２００〜１０００ｍｍとするのがよい。
また、環状電極３には、電源４から１〜２００ｋＶの電圧を印加するのが好ましい。より好ましくは、１０ｋＶ以上２００ｋＶ以下の高電圧を印加するのがよい。高品質のナノファイバを得るためには、特に容器２と環状電極３との間の電界強度が重要であり、１ｋＶ／ｃｍ以上の電界強度となるように、印加電圧を設定するとともに、環状電極３の配置を行うことが好ましい。これにより、容器２と環状電極３との間に均等且つ強い電界を発生させることができる。
【００４４】
なお、環状電極３は、必ずしも円環状である必要はなく、例えば、軸方向から見た形状を多角形としてもよい。また、環状電極３は、容器２の周面から所定の距離をおいて容器２を囲むように配置されてさえいればよく、例えば、環状の金属線を、容器２を囲むように配置してもよい。
【００４５】
また、原料液Ｆ等からの分散媒または溶媒の蒸発を促進して、原料液Ｆから繊維状物質Ｆ１を速やかに生成することができるように、気流２６を発生させる送風機と容器２との間に、気流２６を加熱するための図示しないヒータを設けるのが好ましい。このようにすることで、帯電した原料液Ｆの蒸発が促進されて、静電爆発が早期に起こるようにすることができる。その結果、生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径がより細くなり、微細な繊維状物質Ｆ１を安定して生成することができる。
【００４６】
また、容器２及び環状電極３と、コレクタとの間には送風による原料液Ｆ等の流路を規定するための筒体（図示しない）を設けるのがよい。筒体は、容器２に向けて開口する開口部がコレクタに向けて開口する開口部よりも小さく、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされているのがよい。このように、上流側から下流側に向かって径が徐々に大きくされている筒体を容器２とコレクタとの間に配置して原料液Ｆ等の流路を徐々に拡大するように規定することによって、繊維状物質Ｆ１を高密度でむら無く均一に収集することが可能となる。
【００４７】
なお、本実施の形態１においては、容器２を接地する一方、電源４により環状電極３に高電圧を印加するものとしている。これに限らず、電源４により容器２に高電圧を印加し、環状電極３を接地するものとしてもよい。ただし、この場合には、回転する容器２に高電圧が印加されることになるために、容器２を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。
また、容器２と環状電極３とを電源４の２つの端子にそれぞれ接続して、容器２と環状電極３との双方に電圧を印加するようにしてもよい。要するに、容器２と環状電極３との間に電位差を与えて、その間に電界を発生させ、それにより細孔２ａから流出する原料液Ｆに電荷を付与し得る構成であれば、どのような構成であってもよい。
【００４８】
ここで、原料液Ｆに含ませる高分子材料は、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、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、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、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、ナイロン、アラミド、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、ポリペプチド等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに含ませることができる高分子材料はこれらに限られるものではなく、既存の物質であってもナノファイバの原料としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質でナノファイバの原料としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
【００４９】
また、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、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、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、ピリジン、水等が好適なものとして例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、高分子材料を分散または溶解させるための分散媒または溶媒は、これらに限られるものではなく、既存の物質であってもエレクトロスピニング法における高分子材料の分散媒または溶媒としての適性が新たに認められたものや、今後に開発される物質で分散媒または溶媒としての適性が認められるものを好適に用いることができる。
【００５０】
また、原料液Ｆには無機質固体材料を混入することも可能である。混入可能な無機質固体材料としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物などを挙げることができる。耐熱性、加工性などの観点からは酸化物を用いるのが好ましい。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等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも１種が使用される。しかしながら、原料液Ｆに混入される無機質固体材料はこれらに限定されるものではない。
【００５１】
高分子材料と分散媒または溶媒との混合比率は、それらの種類にもよるが、分散媒または溶媒の比率が６０〜９８質量％となるように混合されるのが好ましい。
【００５２】
〈実施の形態２〉
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係るナノファイバ製造装置の一部を断面にした側面図である。なお、この実施の形態２においても、容器２を容器２Ａにより置き換えることができる。
【００５３】
実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａは、容器２の細孔２ａを介して放出される原料液Ｆが環状電極３に付着するのをより確実に防止するために、２段階の気流発生手段を設けたものである。すなわち、実施の形態１においては、容器２から放出される原料液Ｆに十分な電荷が付与されるように、容器２の周囲に環状電極３を配置する構成とした。しかしながら、環状電極３は、容器２からの原料液Ｆの放出方向に配されるものであるために、送風機が発生する気流２６により原料液Ｆ等を偏向するだけでは、その一部が環状電極３に付着するおそれがある。原料液Ｆ等が環状電極３に付着すると、それを取り除くために定期的にメンテナンスを行う必要が生じ、生産効率が低下する。
本実施の形態２は、２段階の気流発生手段を設けることにより、原料液Ｆ等が環状電極３に付着する量を極力小さくし、これにより、メンテナンスの頻度を小さくして、生産効率の向上を図ろうとするものである。
【００５４】
ここで、２段階の気流発生手段の１つは、実施の形態１における気流２６を発生するのに用いた送風機２３である。そして、他の１つは、気体噴射機構２７である。気体噴射機構２７は、容器２の外径よりも内径が若干大きいリング状の気体噴出部２８と、噴出される気体（例えば空気）を気体噴出部２８に供給する例えばエアポンプからなるエア源３０とから構成される。気体噴出部２８は、中空の角材の両端を接合して輪にしたような構造を有している。
【００５５】
より詳細には、気体噴出部２８は、エア源３０からの気体が導入される中空部２８ａと、軸方向の一方向に気体を噴出するように一方の側面に所定ピッチで形成された複数の噴出孔２８ｂと、中空部２８ａにエア源３０からの気体を導入するためのエア導入孔２８ｃとを有している。エア源３０から気体噴出部２８に所定圧力で供給された気体は、各噴出孔２８ｂを通して、容器２の細孔２ａから放出された原料液Ｆに向かって噴射される。
【００５６】
このような構成の気体噴射機構２７は、噴射される気体の流速を容易に大きくすることができるので、容器２の細孔２ａから放射状に放出された原料液Ｆを効果的に偏向することができる。
【００５７】
このように、２段階の気流発生手段を設けることによって、原料液Ｆ等が環状電極３に付着するのをより確実に防止することができる。なお、複数の噴出孔２８ｂに代えて、気体噴出部２８の一方の側面を一周するように設けられた隙間（図示しない）から気体を噴射する構成としても同様の効果を奏することができる。
【００５８】
〈実施の形態３〉
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態３を説明する。本実施の形態３は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係るナノファイバ製造装置の概略構成を示す側面図である。なお、この実施の形態３においても、容器２を容器２Ａにより置き換えることができる。
本実施の形態３のナノファイバ製造装置１Ｂにおいては、環状電極３は使用されておらず、繊維状物質Ｆ１を収集するためのコレクタ５のドラム２８が容器２と対となる電極として使用されている。
【００５９】
上述したとおり、コレクタ５は、気流２６により原料液Ｆ等が偏向される方向に配されており、導体から成るドラム２８を有している。ドラム２８は、一方の端子（図示例では正極端子）が接地された高電圧電源４の他方の端子（図示例では負極端子）と接続されている。また、容器２は接地されており、容器２とドラム２８との間に電界が発生する。これにより、容器２及びドラム２８にはそれぞれ逆極性の電荷が誘導される。図示例では、ドラム２８に負電荷、容器２に正電荷が誘導される。
【００６０】
容器２とドラム２８との間には、長尺帯状の収集体３０が配されている。収集体３０は、送り機構３２によりドラム２８の周面と摺接するようにして長手方向に送られる可撓性のある部材である。原料液Ｆから生成された繊維状物質Ｆ１は、長手方向に送られる収集体３０の表面に堆積して、不織布として収集される。送り機構３２は、収集体３０を巻き出す巻き出しロール３４及び繊維状物質Ｆ１を収集した収集体３０を巻き取る巻き取りロール３６を含んでいる。
【００６１】
収集体３０は、原料液Ｆから生成された繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）を移送する気流２６が通過可能であり、且つ堆積した繊維状物質Ｆ１を容易に分離することができるように、薄くて柔軟性を有する素材から構成されるのが好ましい。好ましい素材の例として、アラミド繊維から形成された網状のシートを挙げることができる。これにテフロン（登録商標）コートを行うと、繊維状物質Ｆ１（ナノファイバ）の分離性がさらに向上するためにより好ましい。
一般的には、収集体３０は、絶縁性材料から構成されるが、これに限定するものではなく、長尺のシート状の部材の中に、カーボンナノファイバ等の導電性材料を混合し、収集体３０に導電性を持たせるようにしてもよい。
【００６２】
以上のように、環状電極３の代わりに、繊維状物質Ｆ１を収集するためのコレクタ５のドラム２８を、容器２と対となる電極として使用することによって、環状電極３に原料液Ｆ、ないしはそれから形成された繊維状物質Ｆ１が環状電極３に付着することがなくなり、メンテナンスの必要がなくなる。したがって、生産効率が向上する。反面、容器２と電極とを近接配置することは困難となるので、実施の形態１と比較して生産性が若干低下する可能性はある。
【００６３】
なお、図６に示すように、本実施の形態３においても、容器２に電源４により高電圧を印加し、ドラム２８を接地するものとしてもよい。ただし、この場合にも容器２を他部材と絶縁するための特別の機構が必要となる。また、実施の形態２の構成と本実施の形態３の構成を組み合わせることも勿論可能である。
【００６４】
〈実施の形態４〉
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態４を説明する。本実施の形態４は、実施の形態１を改変したものであり、以下、実施の形態１とは異なる部分のみを説明する。図７は、本発明の実施の形態４に係るナノファイバ製造装置の容器の詳細を示す断面図である。
【００６５】
本実施の形態４において使用される容器２Ｂは、回転の軸方向に外径が直線的に変化する、円錐の頂部を切除した外形とされている。容器２Ｂの原料液導入空間７Ａは、周壁９の表面から一定の深さに形成された、径方向の奥行きが一定である隙間、並びに円錐の底面に相当する円形壁１５の表面から一定の深さに形成された、軸方向の奥行きが一定である隙間として構成されている。周壁９の内側にある原料液導入空間７Ａは、その位置が、容器２Ｂの先端側（図の右側）にいくにしたがって、容器２Ｂの回転軸に近づいている。
そして、円形壁１５の中央の外側表面に原料液供給管１３が接続されている。原料液供給管１３の管路１３ａと、容器２Ａの原料液導入空間７Ａとは円形壁１５の中央に設けられた連通孔１５ａを介して連通されている。
【００６６】
本実施の形態４の容器２Ｂを使用した場合には、気流２６の下流側にいくにしたがって、細孔２ａから放出される原料液Ｆに働く遠心力は小さくなる。このため、気流２６の下流側にいくにしたがって、気流２６により偏向される原料液Ｆ等の軌跡は径方向の内側となる。これにより、各細孔２ａから放出される原料液Ｆ等の軌跡が容器２Ａの径方向に分散される。原料液Ｆ等の軌跡が容器２Ａの径方向に分散されずに集中してしまうと、それが有する電荷により下流側の細孔２ａから放出される原料液Ｆの帯電が阻害されたり、下流側の細孔２ａからの原料液Ｆの放出が阻害されたりする等の弊害が生じる。したがって、原料液Ｆ等の軌跡を容器２Ｂの径方向に分散させることによって、これらの弊害を除去することができる。
【００６７】
ここで、図７のように気流２６の下流側にいくにしたがって容器２Ｂの外径を小さくする場合には、各細孔２ａから放出される原料液Ｆの流量を一定とするように、気流２６の下流側にいくにしたがって細孔２ａの径を大きくするのが好ましい。これにより、生成される繊維状物質Ｆ１の繊維径を一定とすることが可能となる。
【００６８】
なお、本実施の形態の容器２Ｂは、実施の形態１に対してのみならず、実施の形態２及び３に対しても適用することができ、その場合にも同様の効果を奏することが可能である。
また、容器２Ｂの外径は気流２６の下流側にいくにしたがって直線的に小さくなるものとしたが、大きくなるようにすることも可能であり、この場合にも気流２６により偏向される原料液Ｆ等の軌跡を容器２Ａの径方向に分散させることができる。
【実施例】
【００６９】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
外径が６０ｍｍ、内径が５７ｍｍである略円筒状の容器２の周壁に、細孔２ａを容器２の軸方向に６個並べて１列とし、容器２の周方向に１８列が並ぶように、計１０８個の細孔２ａを形成した。このとき、細孔２ａの容器２の周方向のピッチは約２０ｍｍであった。また、細孔２ａの容器２の軸方向のピッチも１０ｍｍであった。
そして、細孔２ａの径が０．２０ｍｍ（実施例１）、０．３０ｍｍ（実施例２）及び０．５０ｍｍ（実施例３）の３通りである、３種類の容器２を作成した。
【００７０】
これら３種類の容器２をそれぞれ組み込んだ図１のナノファイバ製造装置（以下、実施例装置という）を使用し、様々な回転数により容器２を２０分間回転させて、ナノファイバを製造した。ここで、環状電極３の直径は、４００ｍｍとし、電源７の電圧は６０ｋＶとし、その負極を環状電極３に接続し、正極を接地した。また、収集体３０の送り量は、５ｍｍ／分とした。高分子材料としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を使用し、溶媒として水を使用し、両者を混合して、濃度が１０質量％であるポリビニルアルコールの溶液を原料液Ｆとして調製した。
【００７１】
一方、図１０に示した容器１１１及び供給管１１２を含む従来のナノファイバ製造装置（比較例装置という）を使用して、上記実施例１〜３と同様の条件でナノファイバを製造した。ここで、容器１１１は、細孔１１３の径が上記３種類（０．２０ｍｍ（比較例１）、０．３０ｍｍ（比較例２）、及び０．５０ｍｍ（比較例３））である、３種類の容器を用意した。
【００７２】
そして、上記実施例１〜３、及び比較例１〜３について、製造されたナノファイバを顕微鏡により観察し、高分子物質の塊が混入していない高品質なナノファイバが製造できているかを調査した。その結果を、図８に示す。同図においては、上記高品質のナノファイバを製造することのできた容器２または容器１１１の回転数の上限が、白抜きの双頭の矢印で示されている。
【００７３】
図８に示すように、実施例１〜３においては、細孔２ａの径が同一であるそれぞれの比較例１〜３に対して、より高い回転数で容器２を回転させても静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊の混入していない高品質のナノファイバを製造することができた。このことは、より大量の原料液Ｆを細孔２ａから放出させながら高品質のナノファイバを製造することが可能なことを意味する。このように、本発明によれば、高品質のナノファイバをより大量に生産し得ることが分かる。
【００７４】
その理由は、実施例１〜３においては、容器２の各細孔２ａから放出される原料液Ｆの流量を一定とすることができるためであると考えられる。つまりより高い回転数にいたるまで、各細孔２ａから放出される原料液Ｆの中に電荷の密度が少なすぎる原料液Ｆが混入しないからである。また、より高い回転数にいたるまで、原料液が細孔から流出する場合に塊となって流出する頻度が少なくなるからである。
【００７５】
また、本発明者等は、上記実施例１〜３の各容器２を実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａに適用し、上記実施例１〜３におけると同様の条件でナノファイバを製造した。そして、環状電極３の原料液Ｆ等の付着量を調査した。その結果、上記実施例１〜３においては、２０分間の運転により環状電極３に若干の原料液Ｆ等の付着が認められたのに対して、実施の形態２のナノファイバ製造装置１Ａを用いた実験では、２０分間の運転後にも環状電極３への原料液Ｆ等の付着はほとんど認められなかった。このように、本発明のより好ましい形態においては、環状電極３への原料液Ｆ等の付着を軽減することができた。
【００７６】
なお、上記実施の形態及び実施例においては、外周壁に複数の細孔が直接的に形成された容器の場合について記載したが、外周壁にノズル等の突起部を設けて、その突起部の先端に細孔を開口させて、その細孔から原料液を流出させるようにしても、本願発明の効果は得ることができる。すなわち、細孔の近傍にある容器内の原料液の量を所定量に制限し、容器の内部に原料液を所定圧力で供給し、しかも、上記所定量の原料液にかかる遠心力を一定にすることで、細孔から流出する原料液を安定的に一定量に制御することができる。これにより、静電延伸現象を起こしていない状態の原料液の塊を含まない高品質のナノファイバをより大量に製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のナノファイバ製造装置及び製造方法によれば、エレクトロスピニング法を利用してナノファイバを製造する場合に、高品質のナノファイバを高い生産性で製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１    ナノファイバ製造装置
２    容器
２ａ  細孔
３    環状電極
４    高圧電源
５    コレクタ
７    原料液導入空間
８    回転継手
１６  電動機
１９  原料液タンク
２０  原料液ポンプ
２２  圧力センサ
２４  制御部
２６  気流
Ｆ    原料液
Ｆ１  繊維状物質
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周壁に複数の細孔が形成された容器を回転させる工程、
高分子材料を含む帯電した原料液を、遠心力により前記細孔を介して前記容器の内部から外部に放出する工程、並びに
前記放出された原料液から繊維状物質を生成する工程、を含むナノファイバ製造方法であって、
前記放出する工程が、前記複数の細孔と連通する、前記容器の内部の空間に、原料液を充填させた状態で、前記空間内の前記原料液を加圧することを含むナノファイバ製造方法。
【請求項２】
前記原料液に印加される前記遠心力による前記細孔からの放出圧力が一定となるように、前記容器の内部の形状が設定されている請求項１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項３】
前記細孔から放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質の進む方向を、前記遠心力の方向から偏向させる請求項１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項４】
高分子材料を含む原料液を遠心力により径方向の外側に向かって放出するための複数の細孔が設けられた筒状の外周壁を有し、前記複数の細孔と連通する空間を有し、かつ少なくとも前記細孔の開口部が導体から形成されている回転容器と、
前記容器を回転駆動する回転駆動装置と、
前記空間に原料液を充填させた状態で、前記空間内の原料液を加圧する加圧装置と、
前記容器と所定距離をおいて配設される電極と、
前記容器と前記電極との間に電界を発生させるように、前記容器と前記電極との間に電位差を与える電位差付与装置と、
前記容器に発生した電荷により帯電され、前記細孔から放出される前記原料液から生成された繊維状物質を収集する収集装置、
とを備えるナノファイバ製造装置。
【請求項５】
前記空間は、前記外周壁と、前記外周壁の内側に設けられた内周壁とで規定されており、前記複数の細孔から前記内周壁までの前記空間の径方向の奥行きが等しい請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
前記細孔から径方向の外側に向かって放出された原料液、ないしは前記放出された原料液から生成された繊維状物質を、前記径方向とは異なる方向に偏向させる偏向装置を備えた請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項７】
前記開口部の回転軸からの距離が一定である請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項８】
前記開口部の回転軸からの距離が、前記細孔の前記回転軸と平行な方向における位置に応じて設定される請求項４記載のナノファイバ製造装置。
【請求項９】
前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項７記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１０】
前記細孔は、前記外周壁の外側面に設けられた突起部の先端に開口している請求項８記載のナノファイバ製造装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
2010038362.tif 000015
【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】
2010038362.tif 000021
【図９】
2010038362.tif 000022
【図１０】
2010038362.tif 000023
【図１１】
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【国際調査報告】
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2010038362.tif 000026
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