(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を吐出できる１箇所以上の溶液ノズルと、前記溶液ノズルから吐出されるポリマー溶液に熱風を吹き出して繊維状に延伸させる１箇所以上の熱風ノズルを備える紡糸口金であって、
前記溶液ノズルと前記熱風ノズルは、それぞれ一定の断面形状を有する柱状中空体であり、互いに近接し、
溶液ノズルの中心軸と前記熱風ノズルの中心軸は同一平面上に存在するとともに、前記溶液ノズルの中心軸の延長線と前記熱風ノズルの中心軸の延長線が前記口金下面の下方側において交差するように配置されることを特徴とする紡糸口金。
【請求項２】
前記熱風ノズルの吹き出し部の少なくとも一部がテーパー形状をなしていることを特徴とする、請求項１に記載の紡糸口金。
【請求項３】
複数の前記溶液ノズルが直径Ｄ１の円周上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の紡糸口金。
【請求項４】
複数の前記熱風ノズルが、前記溶液ノズルが配置されている円と同じ中心を有する直径Ｄ２の円周上に配置されているとともに、Ｄ２はＤ１よりも小さいか又は大きいことを特徴とする請求項３に記載の紡糸口金。
【請求項５】
複数の前記溶液ノズルが直線上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の紡糸口金。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の紡糸口金を備え、
前記溶液ノズルよりポリマー溶液を吐出するとともに、吐出されたポリマー溶液に対して前記熱風ノズルから熱風を吹き出して微細な繊維状に延伸させ捕集部に堆積させることを特徴とする極細繊維製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紡糸口金及びこの紡糸口金を備える極細繊維製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に直径が１μｍ以下の太さの微細な繊維であると定義されるナノファイバーが開発され、このような極細繊維の製造法としてＥＳＤ（Electro Spray Deposition）法が知られている。
このＥＳＤ法は、原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液に高電圧を作用させて繊維を作る方法である。すなわち、該ポリマー溶液をノズルから吐出させ、該ノズルと捕集部との間に直流高電圧を印加した状態下において、吐出されたポリマー溶液中の溶媒が瞬時に蒸発するとともにクーロン力で延伸されて捕集部表面にナノファイバーのような極細繊維が堆積する（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このように、一般にＥＳＤ法では高電圧を取り扱うことから、溶媒による発火等を防止する構造にする必要があり、取り扱いが面倒であった。
【０００４】
また、特許文献２には、こうした高電圧を使用しないで、紡糸ノズルから紡糸し、該紡糸ノズルの中心吐出口を囲むように、該中心吐出口と同軸にリング状の高速風吹出口を設けるナノファイバーの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２７００８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８５２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、特許文献１に示すような構成では、発火等を防止するため取り扱いが面倒であった。
一方、特許文献２に示す構成では、高電圧を使用しないことにより、特許文献１に示すような問題点は解消される。しかしながら、ポリマー溶液を吐出する中心吐出口のまわりに同軸にポリマー繊維を延伸する高速風吹出口を設けており、高速風吹出口の口径が大きく延伸に大量の熱風ガスを必要とすることや、吐出口や高速風吹出口を含む紡糸ノズル全体の構造が大型化・複雑化するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、高電圧を使用せず、少ない熱風ガスの量であっても吐出させたポリマー溶液を安定してナノファイバーのような極細繊維に紡糸することができ、かつ、小型化や軽量化が容易で製造コストを抑制できる紡糸口金及び極細繊維製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を吐出できる１箇所以上の溶液ノズルと、溶液ノズルから吐出されるポリマー溶液に熱風を吹き出して繊維状に延伸させる１箇所以上の熱風ノズルを備える紡糸口金であって、
溶液ノズルと熱風ノズルは、それぞれ一定の断面形状を有する柱状中空体であり、互いに近接し、
溶液ノズルの中心軸と前記熱風ノズルの中心軸は同一平面上に存在するとともに、溶液ノズルの中心軸の延長線と熱風ノズルの中心軸の延長線が口金下面の下方側において交差するように配置されることを特徴とする紡糸口金である。このように構成すると、少ない熱風ガスの量であっても吐出されたポリマー溶液を安定してナノファイバーのような極細繊維に紡糸することができる。また、紡糸口金内の溶液ノズルと熱風ノズルを配置するスペースが小さくて済み、配置の自由度が増すこととなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、少ない熱風ガスの量で原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を安定してナノファイバーのような極細繊維に紡糸することができることから、熱風ガスの使用量を削減できる。また、吐出ノズルや吹き出しノズルを備えるのに要するスペースが小さく、紡糸口金内にこうしたノズルを多数配置することができる。そのため、紡糸口金の小型化や軽量化が達成できるとともに、ひいては製造コストの抑制も達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態による紡糸口金の断面図とそれを備える極細繊維製造装置のブロックである。
【図２】図１に示す紡糸口金の平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による紡糸口金の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による紡糸口金の断面図である。
【図５】図４に示す紡糸口金の平面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による紡糸口金の平面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態による紡糸口金の平面図である。
【図８】図７のＡ―Ａ線に沿った紡糸口金の断面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態による紡糸口金の平面図である。
【図１０】図７の紡糸口金を備えた極細繊維製造装置の斜視図である。
【図１１】図９の紡糸口金を備えた極細繊維製造装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１と図２を参照して、第１の実施形態の紡糸口金２０及び極細繊維製造装置について説明する。
図１に示すように、極細繊維製造装置は、ポリマー溶液を供給するためのポリマー溶液供給装置２００と、熱風を生成する熱風生成装置３００と、ポリマー溶液供給装置２００から押し出されたポリマー溶液を繊維状にして吐出し紡糸するための紡糸口金２０とを備えている。
【００１２】
図１及び図２に示すように、紡糸口金２０の内部にはポリマー溶液を吐出する溶液ノズル２２と、熱風ガスを吹き出す熱風ノズル２４とが形成されている。
ここで、溶液ノズル２２と熱風ノズル２４は、それぞれ一定の断面を有する柱状中空体であり、互いに近接して配置されている。さらに、溶液ノズル２２の中心軸Ｏｒと熱風ノズル２４の中心軸Ｏｇが同一平面上に存在するとともに、紡糸口金２０において中心軸Ｏｒが傾斜し、中心軸Ｏｒの延長線と中心軸Ｏｇの延長線が口金下面２０ａの下方側の点Ｘにおいて角度θ１で交差するように構成されている。
これにより、熱風ノズル２４から吹き出される熱風ガスが少ない量であっても、溶液ノズル２２から吐出されたポリマー溶液が熱風ノズル２４から吹き出される熱風ガスにより瞬時に凝固しながら延伸されナノファイバーのような極細繊維が得られる。
【００１３】
溶液ノズル２２はポリマー溶液を吐出できるものであれば良く、断面の形状は特に限定するものではないが、例えば、円形、楕円形、四角形や六角形などの多角形であることができる。均一な加工のしやすさから、円形であることが好ましい。
【００１４】
また、溶液ノズル２２の断面の大きさは原料ポリマーや溶媒の種類、濃度などにより適宜選択されるが、円形の場合、直径は０．１ｍｍから１．０ｍｍが好ましく、０．２ｍｍから０．５ｍｍがより好ましい。
【００１５】
熱風ノズル２４は熱風ガスを吹き出すことができるものであれば良く、断面の形状は特に限定するものではないが、例えば、円形、楕円形、四角形や六角形などの多角形や四角形などを湾曲させた形状であっても良い。
【００１６】
また、熱風ノズル２４の断面の大きさは原料ポリマーや溶媒の種類、濃度などにより適宜選択されるが、円形の場合、直径は０．２ｍｍから３．０ｍｍが好ましく、０．５ｍｍから１．５ｍｍがより好ましい。
【００１７】
溶液ノズル２２と熱風ノズル２４は、互いに近接して配置されており、両者の口金下面２０ａにおける最短距離ｔ1が０．１ｍｍから５ｍｍが好ましく、１ｍｍから４．５ｍｍがより好ましく、２ｍｍから４ｍｍがさらに好ましい。０．１ｍｍ未満では、接近しすぎて加工が難しくなり、５ｍｍを超えると熱風ガスによるポリマー溶液の延伸が不十分で微細な繊維が得られ難くなるためである。
【００１８】
図１において、中心軸Ｏｒの延長線と中心軸Ｏｇの延長線が成す角度θ１は、０度から３０度が好ましく、０度から２５度がより好ましく、５度から２０度がさらに好ましい。３０度を超えると、熱風ガスによるポリマー繊維の延伸が不十分で微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が得られ難くなるためである。なお、角度θ１が０度に近づくとともに、図１に示す点Ｘと口金下面２０ａとの距離は大きくなるが、この場合でも熱風ガスによるポリマー繊維の延伸がなされ微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が得られる。
【００１９】
図１では、紡糸口金２０において、溶液ノズル２２を傾斜させている。代わりに熱風ノズル２４を傾斜させても良いし、両方とも傾斜させても良い。ただし、これらの場合でも、中心軸Ｏｒの延長線と中心軸Ｏｇの延長線が成す角度θ１は、３０度以内が好ましい。
【００２０】
図３を参照して、第２の実施形態の紡糸口金３０について説明する。
【００２１】
図３に示すように、紡糸口金３０において、溶液ノズル３２の上流側に、溶液ノズル３２の断面より大きな断面を有する中空部である溶液保持部３２ｂを設けている。一般に、溶液ノズル３２の断面は、例えば直径が０．５ｍｍ程度と小さいため、紡糸口金の厚み全体を貫通する加工は困難な場合がある。そのため、このような溶液保持部３２ｂを設けることにより溶液ノズル３２の加工厚みを小さく抑えることができ好ましい。
【００２２】
図３では、溶液ノズル３２の上流側にこうした大きな断面を有する中空部３２ｂを設けているが、代わりに熱風ノズル３４の上流側に設けても良いし、互いに中空部がぶつからない範囲で両方に設けても良い。
【００２３】
図４及び図５を参照して、第３の実施形態の紡糸口金４０について説明する。
【００２４】
図４及び図５に示すように、紡糸口金４０の内部にはポリマー溶液を吐出する溶液ノズル４２と、熱風ガスを吹き出す熱風ノズル４４が形成されている。
ここで、紡糸口金４０において、溶液ノズル４２を傾斜させている。
一方、熱風ノズル４４は、口金下面４０ａ近くにおいて、その一部がテーパー形状からなるテーパー部４４ａを有している。
これにより、熱風ノズル４４から吹き出される熱風ガスが少ない量であっても、溶液ノズル４２から吐出されたポリマー溶液が熱風ノズルのテーパー部４４ａに沿って吹き出す熱風ガスにより瞬時に凝固し効果的に延伸して微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が得られる。
【００２５】
なお、テーパー部４４ａは、熱風ノズル４４の出口側の周囲全体に設ける必要はなく、少なくとも溶液ノズル４２に最も近い側に設けることが好ましく、熱風ノズル４４又は溶液ノズル４２の断面が円形の場合は、どちらかの直径と同程度の幅を有することが好ましい。
さらに、図４において、テーパー部４４ａにおいて、熱風ノズルの中心軸とテーパー方向の成す角度θ２は、３５度以内が好ましく、２５度以内がより好ましく、１５度以内がさらに好ましい。３５度を超えると、熱風ガスによるポリマー繊維の延伸が不十分で微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が得られ難くなるためである。
また、図４及び図５において、テーパー形状４４ａは、口金下面４０ａにおいて、溶液ノズル４２の出口とほぼ接するように設けているが、角度θ２を小さくして溶液ノズル４２の出口に近づけるように設けてもよい。
【００２６】
以上、図４及び図５では、第１の実施形態の紡糸口金を用いて熱風ノズルの吹き出し部の少なくとも一部がテーパー状をなす場合について説明したが、第２の実施形態の紡糸口金を用いた場合にも同様に適用できる。
【００２７】
図６を参照して、第４の実施形態の紡糸口金５０について説明する。
【００２８】
図６に示すように、紡糸口金５０の内部にはポリマー溶液を吐出する溶液ノズル５２が直径Ｄ１を有する円周上に多数設けられている。さらに、それぞれの溶液ノズル５２には図示していないが熱風を吹き出す熱風ノズルが配置されている。該熱風ノズルは溶液ノズル５２に近接し、熱風ノズルの吹き出し方向と溶液ノズル５２の吐出方向が口金下面５０ａの下方で交差するように設けられている。これにより、それぞれの熱風ノズルから吹き出される熱風ガスが少ない量であっても、それぞれの溶液ノズル５２から吐出されたポリマー溶液が吹き出す熱風ガスにより延伸され微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が多数得られるので生産性に優れている。また、熱風ノズルの配置に柔軟性を持たせることができるので溶液ノズルを高密度に備える場合に有利である。
【００２９】
紡糸口金５０の外形は、断面が必ずしも円形である必要はなく、楕円形、四角形や六角形などの多角形であっても良い。紡糸口金の加工のしやすさから、円形であることが好ましい。
【００３０】
また、図６では、溶液ノズル５２を円周上に１２箇所備えているが、紡糸口金５０の外形や寸法などに応じてさらに多数備えてもよい。
ここで、隣接する溶液ノズル５２間の距離は、２ｍｍから１２ｍｍが好ましく、３ｍｍから１０ｍｍがより好ましい。２ｍｍ未満では、接近しすぎて隣の溶液ノズルとの干渉により紡糸が安定せず、１２ｍｍを超えると溶液ノズルが少なく生産性が低下するためである。
【００３１】
図７及び図８を参照して、第５の実施形態の紡糸口金６０について説明する。
【００３２】
図７に示すように、紡糸口金６０の内部にはポリマー溶液を吐出する溶液ノズル６２が直径Ｄ１を有する円周上に多数設けられている。さらに、多数の熱風ノズル６４は、溶液ノズル６２が配置されている円と同じ中心を有する直径Ｄ２の円周上にそれぞれの溶液ノズル６２に近接して配置されている。
【００３３】
これにより、それぞれの熱風ノズルから吹き出される熱風ガスが少ない量であっても、それぞれの溶液ノズル６２から吐出されたポリマー溶液が吹き出された熱風ガスにより延伸され微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が多数得られるので生産性に優れている。
【００３４】
また、紡糸口金６０において、図８に示すように、ポリマー溶液の導入経路を直径Ｄ１の円周付近の厚み方向に、一方、熱風ガスの導入経路を直径Ｄ２の円周付近の厚み方向に、それぞれ分けて配置しており、直径Ｄ２は直径Ｄ１より小さくしている。
このような配置をとることにより、ポリマー溶液と熱風ガスのそれぞれの導入経路の切り分けが容易となり、紡糸口金の加工や小型化に有利となる。
【００３５】
なお、図７及び図８では、熱風ノズル６４の吹き出し部にテーパー部６４ａを設けている。それにより、吐出されるポリマー溶液が熱風ガスにより効果的に延伸される。
また、図７では、熱風ノズル６４に繋がる熱風導入口３００ｂを側面部から中心部に設けているため、それと干渉する位置にある液ノズルと熱風ノズルを省略している。それを避けるため、熱風導入口３００ｂを口金下面の反対面である口金上面に移しても良い。
【００３６】
図７において、熱風ノズル６４は断面を円形としたが、楕円形、四角形や六角形などの多角形であってもよい。また、細長い四角形を直径Ｄ２の円周上に沿うよう湾曲させた形状であっても良く、この場合、吐出された微細な繊維が直径Ｄ２の円周の内側に飛び込むことを防止でき好ましい。
【００３７】
以上述べてきた紡糸口金６０では、直径Ｄ２は直径Ｄ１より小さい場合の構成である。
逆に、直径Ｄ２が直径Ｄ１より大きい場合でも、同じく微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維を多数得ることができ、また、ポリマー溶液と熱風ガスのそれぞれの導入経路の切り分けが容易であることなど同様である。
【００３８】
図９を参照して、第６の実施形態の紡糸口金７０について説明する。
【００３９】
図９に示すように、紡糸口金７０の内部にはポリマー溶液を吐出する溶液ノズル７２が直線ｌ１上に多数設けられている。さらに、それぞれの溶液ノズル７２には、熱風を吹き出す熱風ノズル７４が配置されている。熱風ノズル７４は溶液ノズル７２に近接し、熱風ノズル７４の吹き出し方向と溶液ノズル７２の吐出方向が口金下面７０ａの下方で交差するように設けられている。これにより、それぞれの熱風ノズルから吹き出される熱風ガスが少ない量であっても、それぞれの溶液ノズル７２から吐出されたポリマー溶液が吹き出す熱風ガスにより延伸され微細な繊維からなるナノファイバーなどの極細繊維が多数得られるので生産性に優れている。また、熱風ノズルの配置に柔軟性を持たせることができるので溶液ノズルを高密度に備える場合に有利であり、ナノファイバーなどの極細繊維からなる幅広の不織布を製造する上で好ましい。
【００４０】
なお、紡糸口金７０の外形は、断面が細長い四角形の形状が好ましいが、特にそれに限定されない。
【００４１】
また、隣接する溶液ノズル７２間の距離は、２ｍｍから１２ｍｍが好ましく、３ｍｍから１０ｍｍがより好ましい。２ｍｍ未満では、接近しすぎて隣の溶液ノズルとの干渉により紡糸が安定せず、１２ｍｍを超えると溶液ノズルが少なく生産性が低下するためである。
【００４２】
図１０は、図７に示す紡糸口金６０を複数備えた極細繊維製造装置である。ポリマー溶液供給装置から供給されたポリマー溶液は、溶液導入配管２００ａより溶液導入口２００ｂを経て紡糸口金６０に多数形成されている溶液ノズル６２から繊維状に吐出される。一方、熱風生成装置から出された熱風ガスは、熱風導入配管３００ａより熱風導入口３００ｂを経て紡糸口金６０に多数形成されている熱風ノズル６４より吹き出す。これにより、溶液ノズル６２から吐出されたポリマー溶液は瞬時に凝固しながら延伸され微細化されたナノファイバーなどの極細繊維が得られる。
【００４３】
また、図１０に示すように、紡糸口金６０の下方にはメッシュ状のベルトコンベアが設けられており、微細化されたナノファイバーなどの極細繊維が走行中のベルト上に挟まれながら集積されることで極細繊維の積層体が形成される。
【００４４】
なお、図１０では紡糸口金６０を幅方向に３台備えているが、生産性をアップさせるためより多数備えても良い。
また、複数の紡糸口金６０に同種の原料ポリマーからなるポリマー溶液を供給してもよい。一方、紡糸口金６０ごとに種類や特性が異なる原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を供給することで、複合化したナノファイバーからなる極細繊維とすることもできる。
【００４５】
図１１は、図９に示す紡糸口金７０を複数備えたナノファイバー製造装置である。ポリマー溶液供給装置から供給されたポリマー溶液は、溶液導入配管２１０ａより溶液導入口２１０ｂを経て紡糸口金７０に多数形成されている溶液ノズル７２から繊維状に吐出される。一方、熱風生成装置から出された熱風ガスは、熱風導入配管３１０ａより熱風導入口３１０ｂを経て紡糸口金７０に多数形成されている熱風ノズル７４より吹き出す。これにより、溶液ノズル７２から吐出されたポリマー溶液は瞬時に凝固しながら延伸され微細化されたナノファイバーが得られる。
【００４６】
また、図１１に示すように、紡糸口金７０の下方にはメッシュ状のベルトコンベアが設けられており、微細化されたナノファイバーが走行中のベルト上に挟まれながら集積されることで極細繊維の積層体が形成される。
【００４７】
なお、図１１では紡糸口金７０をベルトコンベアの進行方向に３台備えているが、生産性をアップさせるためより多数備えても良い。
また、複数の紡糸口金７０に同種の原料ポリマーからなるポリマー溶液を供給してもよい。一方、紡糸口金６０ごとに種類や特性が異なる原料ポリマーからなるポリマー溶液を供給することで、複合化したナノファイバーなどからなる極細繊維とすることもできる。
【符号の説明】
【００４８】
２０、３０、４０、５０、６０、７０：紡糸口金
２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ、７０ａ：口金下面
２２、３２、４２、５２、６２、７２：溶液ノズル
２４、３４、４４、６４、７４：熱風ノズル
３２ｂ：溶液保持部
４４ａ、６４ａ：熱風ノズルのテーパー部
２００：ポリマー溶液供給装置
２００ａ、２１０ａ：溶液導入配管
２００ｂ：溶液導入口
３００：熱風生成装置
３００ａ、３１０ａ：熱風導入配管
３００ｂ：熱風導入口
【要約】
【課題】高電圧を使用せず、少ない熱風ガスの量であってもポリマー溶液を安定して微細な繊維に紡糸することができ、かつ、小型化や軽量化が容易で製造コストを抑制できる紡糸口金及び極細繊維製造装置を提供する。
【解決手段】紡糸口金２０の内部に、原料ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を吐出できる１箇所以上の溶液ノズル２２と、溶液ノズル２２から吐出されるポリマー溶液に熱風を吹き出して繊維状に延伸させる１箇所以上の熱風ノズル２４を形成する。そして、熱風ノズル２２と溶液ノズル２４は互いに近接し、熱風ノズル２４の吹き出し方向と溶液ノズル２２の吐出方向が口金下面２０ａの下方で交差するように配置する。
【選択図】図１【図１】
0005946565.tif 000002
【図２】
0005946565.tif 000003
【図３】
0005946565.tif 000004
【図４】
0005946565.tif 000005
【図５】
0005946565.tif 000006
【図６】
0005946565.tif 000007
【図７】
0005946565.tif 000008
【図８】
0005946565.tif 000009
【図９】
0005946565.tif 000010
【図１０】
0005946565.tif 000011
【図１１】
0005946565.tif 000012