(57)【要約】【課題】高さ位置が異なる複数の液体吐出部における吐出能力を均一化することが可能な電界紡糸装置を提供する。【解決手段】実施形態にかかる電界紡糸装置は、液体吐出ユニットを、高さ方向に異なる位置に複数備える。液体吐出ユニットは、液体吐出部と、送液部と、流路と、を備える。液体吐出部は液体を吐出する。送液部は、前記液体吐出部に接続され、前記液体吐出部に向けて前記液体を送る。流路は、前記送液部と前記液体吐出部とを接続する。複数の前記液体吐出ユニットの、前記液体吐出部と前記送液部との高さ方向の相対的な距離の差が等しい。【選択図】      図１
2019060040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する液体吐出部と、前記液体吐出部に接続され、前記液体吐出部に向けて前記液体を送る送液部と、前記送液部と前記液体吐出部とを接続する流路と、を備える液体吐出ユニットを、高さ方向に異なる位置に複数備え、
複数の前記液体吐出ユニットの、前記液体吐出部と前記送液部との高さ方向の相対的な距離の差が等しい、電界紡糸装置。
【請求項２】
前記液体吐出部は、前記液体を吐出するノズルであり
複数の前記液体吐出ユニットの、前記流路を構成する配管の長さが、等しい、請求項１に記載の電界紡糸装置。
【請求項３】
前記液体吐出部は、前記液体を吐出するノズルであり
前記液体吐出ユニットは、前記送液部の二次側に接続される流入口と、前記流入口から複数に分岐する分岐流路と、前記分岐流路に接続される複数の流出口と、を有するマニフォルドと、複数の前記流出口にそれぞれ接続されるとともに前記ノズルを備える複数のノズルヘッドと、を備え、
前記マニフォルドは、前記流入口から前記分岐流路を通って複数の前記流出口にそれぞれ至る複数の流路の圧損が、等しく構成された、請求項１または２に記載の電界紡糸装置。
【請求項４】
前記液体吐出部は、導電性のノズルであり、導電性材料で構成された基材に対向配置され、
複数の前記液体吐出ユニットの前記送液部の一次側に接続され、原料液を収容する、収容部と、
前記ノズルに電圧を印加する電源と、
前記基材を、高さ方向に沿う縦経路を有する搬送経路に沿って送る、搬送装置と、
を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界紡糸装置。
【請求項５】
前記送液部は定量ポンプである、請求項１記載の電界紡糸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電界紡糸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロスピニング法（電界紡糸法、電荷誘導紡糸法）により、例えば直径がナノオーダーの微細なファイバをコレクタである基材の表面に形成する電界紡糸装置が知られている。例えば、電界紡糸装置は、原料液を収容する収容部と、配管を介して収容部に接続されるとともに基材に対向配置された液体吐出部と、送液部と、液体吐出部に電圧を印加する電源と、を備える。このような電界紡糸装置において、高さ位置が異なる複数の液体吐出部を備える電界紡糸装置が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８９７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、高さ位置が異なる複数の液体吐出部における吐出能力を均一化することが可能な電界紡糸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】
【０００５】
実施形態にかかる電界紡糸装置は、液体吐出ユニットを、高さ方向に異なる位置に複数備える。液体吐出ユニットは、液体吐出部と、送液部と、流路と、を備える。液体吐出部は液体を吐出する。送液部は、前記液体吐出部に接続され、前記液体吐出部に向けて前記液体を送る。流路は、前記送液部と前記液体吐出部とを接続する。複数の前記液体吐出ユニットの、前記液体吐出部と前記送液部との高さ方向の距離が等しい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態にかかる電界紡糸装置の構成を示す側面図。
【図２】同電界紡糸装置の構成を示す正面図。
【図３】同電界紡糸装置の構成を示す平面図。
【図４】同電界紡糸装置の制御系の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、第１実施形態に係る電界紡糸装置１００について図１乃至図３を参照して説明する。図１乃至図３は本実施形態にかかる電界紡糸装置１００の構成を示す説明図であり、図１は側面、図２は正面、図３は上方から見た図をそれぞれ示す。図４は電界紡糸装置１００の制御系の構成を示すブロック図である。図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３方向を示す。Ｚ軸が第１方向、Ｘ軸は第２方向、Ｙ軸は第３方向に、それぞれ沿って配置される。
【０００８】
図１乃至図３に示すように、電界紡糸装置１００は、鉛直方向、すなわち高さ方向である第１方向において異なる位置に配された複数段の液体吐出ユニット１０と、液体吐出ユニット１０を支持する支持フレーム１１と、原料液Ｑ１を収容する収容部１２と、所定の搬送経路Ａ１に沿って基材Ｓ１を搬送する搬送装置１３と、各部の動作を制御する制御装置１４と、を備える。
【０００９】
電界紡糸装置１００は、第１方向と第２方向の２方向に複数列配されたノズルヘッド２３から、原料液Ｑ１を吐出し、基材Ｓ１の表面に微細なファイバを形成する装置である。本実施形態においては、帯状の基材Ｓ１を搬送経路Ａ１にて搬送しながら、基材Ｓ１の両面に対向配置されたノズルヘッド２３から原料液Ｑ１を吐出し、基材Ｓ１の両面にファイバを堆積させる。
【００１０】
原料液Ｑ１は、例えば、高分子物質が溶媒に溶解したものである。高分子物質として、例えば、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の例に、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリサルファン、ポリエーテルサルファン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンエーテル、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、が挙げられる。熱硬化性樹脂の例に、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂やこれらを含む共重合体などが挙げられる。高分子物質の種類は一種類または二種類以上にすることができる。
【００１１】
溶媒は、高分子物質を溶解できるものであり、例えば溶解させる高分子物質に応じて適宜選択できる。溶媒として例えば、揮発性の有機溶剤や水を用いることができる。揮発性の有機溶剤の例に、イソプロパノール、エチレングリコール、シクロヘキサノン、ジメチルホルムアミド、アセトン、酢酸エチル、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ヘキサン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ピリジンなどが挙げられる。また、溶媒としては上記溶媒より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもよい。なお、本実施形態に適用可能な溶媒は、上記溶媒に限定されるものではない。上記溶媒は、あくまでも例示である。また、原料液Ｑ１は、一種類の高分子物質と溶媒から生成されていてもよく、あるいは複数種類の高分子物質と溶媒を混合して構成されていてもよい。複数の液体吐出ユニット１０を異なる複数の収容部１２に接続し、異なる種類の原料液Ｑ１を吐出させることも可能である。
【００１２】
支持フレーム１１は、設置面に支持される台座部１１ａと、台座部１１ａから第１方向似沿って縦に延びる複数本の支柱１１ｂと、複数の支柱１１ｂ間に掛け渡されそれぞれ第２方向沿って横に延びる複数段のフレーム片１１ｃと、を備える。
【００１３】
収容部１２は、原料液Ｑ１を保有するタンクである。収容部１２は、例えば原料液Ｑ１に対する耐性を有する材料で構成されている。収容部１２は配管を介して各液体吐出ユニット１０の一次側に接続されている。
【００１４】
複数の液体吐出ユニット１０は、第１方向において等間隔に複数段並列して配される。液体吐出ユニット１０は、送液部である送液ポンプ２１と、マニフォルド２２と、液体吐出部であるノズル２３ｂを有する複数のノズルヘッド２３と、配管ユニット３０と、を備える。本実施形態においては、各段の液体吐出ユニット１０が、それぞれ、例えば同じ高さで水平に並ぶ複数のノズルヘッド２３を備える。
【００１５】
送液ポンプ２１は、定量ポンプであり、例えばギアポンプである。送液ポンプ２１は、制御装置１４に接続されるモータ２１ａと、モータ２１ａの出力軸に接続されて回転可能に構成されたギアを有するポンプ部２１ｂと、を備える。ポンプ部２１ｂの一次側は第１配管３１を介して収容部１２に接続され、ポンプ部２１ｂの二次側は第２配管３２を介して、マニフォルド２２に接続される。送液ポンプ２１は制御装置１４によりモータ２１ａが駆動されると、ギアが回転することにより液体を二次側に圧送する。
【００１６】
マニフォルド２２は複数の液体吐出ユニット１０にそれぞれ１つずつ設けられている。マニフォルド２２は、送液ポンプ２１と各段のノズルヘッド２３との間に設けられる。
【００１７】
マニフォルド２２は、第２配管３２を介して送液ポンプ２１に接続される流入口２２ａと、第３配管３３を介して各ノズルヘッド２３に接続される複数の流出口２２ｂと、を備える。マニフォルド２２は原料液Ｑ１に対する耐性を有する材料で構成されている。マニフォルド２２の内部には、共通の流入口２２ａに接続されるメイン流路と、メイン流路から分岐して複数の流出口２２ｂに至る複数のサブ流路と、を有する分岐流路が形成されている。マニフォルド２２は、流入口２２ａから複数の流出口２２ｂまでの圧損が等しくなるように、構成されている。具体的には、複数のサブ流路の流路長や流路径が等しく構成されている。マニフォルド２２の、各流出口２２ｂには、第３配管３３を介してノズルヘッド２３がそれぞれ接続されている。各液体吐出ユニット１０において、ノズルヘッド２３は支持フレーム１１のフレーム片１１ｃに支持され、第２方向に複数配列されている。
【００１８】
本実施形態において、基材Ｓ１は上下の端部でそれぞれ湾曲して折り返され複数回往復するジグザグ状の搬送経路Ａ１に沿って配されており、配された基材Ｓ１の両面に、一対のノズルヘッド２３が対向配置されている。すなわち、各液体吐出ユニット１０において、基材Ｓ１を挟んで対向配置される一対のノズルヘッド２３が、複数組、第２方向に並んでいる。
【００１９】
各ノズルヘッド２３は、ヘッドベース２３ａとノズル２３ｂと、を備える。ノズル２３ｂは、例えばニードル型のノズルであり、筒状に構成されている。ノズル２３ｂは、先端に原料液Ｑ１を吐出する吐出口２３ｃを有する。ノズルヘッド２３の一次側のヘッド流入口は、第３配管３３を介してマニフォルド２２の流出口２２ｂに接続される。ノズル２３ｂは、基材Ｓ１に対向配置されている。
【００２０】
ノズルヘッド２３は、導電性材料であって原料液Ｑ１に対する耐性を有する材料で構成される。ノズルヘッド２３は、電源２４に接続されている。ノズルヘッド２３は、プロセッサ４１の制御により電源２４から所定のタイミングで電圧が印加されることにより、内部で帯電した原料液Ｑ１を、ノズル２３ｂの吐出口２３ｃから基材Ｓ１に向けて吐出し、対向配置された基材Ｓ１の表面にファイバを形成する。
【００２１】
配管ユニット３０は、収容部１２から送液ポンプ２１に至る第１配管３１と、送液ポンプ２１からマニフォルド２２に至る第２配管３２と、マニフォルド２２から各ノズルヘッド２３に至る複数の第３配管３３と、を備える。
【００２２】
複数の液体吐出ユニット１０は、第１方向における位置、すなわち高さ位置が異なるが、各部の構成は同一である。例えば送液ポンプ２１、マニフォルド２２は、ノズルヘッド２３、配管ユニット３０、は全ての液体吐出ユニット１０において、同じ構成であり、その位置関係も同様である。
【００２３】
例えば、複数段の液体吐出ユニット１０における配管ユニット３０の配管径及び配管長は同一に設定されている。
【００２４】
複数段の液体吐出ユニット１０において、送液ポンプ２１とノズルヘッド２３との、高さ位置の相対関係は等しく構成され、圧損や水頭差が等しくなるように設定されている。例えば、送液ポンプ２１の設置高さと、ノズル２３ｂの設置高さとの差分、すなわち送液ポンプ２１とノズル２３ｂの高さ方向の相対的な距離の差Δｈは、全ての液体吐出ユニット１０で等しく設定されている。
【００２５】
なお、同一／等しいとは、実質的に同一／等しい範囲を含み、例えば誤差が１０ｍｍ以内の範囲を含む。
【００２６】
また、個々の液体吐出ユニット１０において、マニフォルド２２から複数のノズルヘッド２３へ至る配管条件も、等しく設定されている。例えば、個々の液体吐出ユニット１０において、共通のマニフォルド２２から、同じ段の複数のノズルヘッド２３に至る複数の配管は、同じ径及び長さであり、圧損が均一になるように設定されていることが好ましい。
【００２７】
さらに、全ての液体吐出ユニット１０において、送液ポンプ２１から、マニフォルド２２を通って、水平に並列する複数のノズルヘッド２３へ至る流路の条件も等しく構成されている。
【００２８】
したがって、縦横の２方向にそれぞれ複数並列するノズルヘッド２３は、全て、送液ポンプ２１からの圧損や水頭差が均一である。
【００２９】
搬送装置１３は、所定の搬送経路Ａ１に配される複数の搬送ローラ１３ａと、搬送ローラ１３ａを回転駆動するモータ１３ｂと、を備える。搬送装置１３は、複数の搬送ローラ１３ａに掛け渡される基材Ｓ１を支持する。搬送装置１３は、搬送ローラ１３ａを回転することで、基材Ｓ１を搬送経路Ａ１に沿って二次側に送る。
【００３０】
搬送経路Ａ１は、上昇と下降を複数回繰り返すジグザグ状の経路である。すなわち、第１方向沿って上下に延びる縦経路を複数本、水平に複数並列して備える。
【００３１】
基材Ｓ１は、例えば導電性を有する材料から構成され、例えばアルミ箔で構成される。基材Ｓ１は、例えば帯状に構成される。基材Ｓ１は、搬送装置１３によって所定の搬送経路Ａ１に沿って支持され、搬送される。すなわち、基材Ｓ１は、図２に矢印で示されるように、上端及び下端で交互に湾曲して折り返され、複数回昇降して、二次側へ搬送される。
【００３２】
基材Ｓ１は、電気的に接地され、コレクタとして機能する。あるいは、基材Ｓ１は、ノズルヘッド２３に印加される電圧と逆極性の電圧が印加される構成であってもよい。
【００３３】
電源２４は、例えば直流電源であり、例えば１０ｋｖ以上１００ｋｖ以下の直流電圧を出力可能に構成されている。電源２４は例えば制御装置１４に接続されるスイッチ機構を備え、ＯＮ／ＯＦＦの切替えや電圧の調整が可能に構成されている。例えば電源２４によりノズルヘッド２３に印加される電圧は、好ましくは、プラスの極性とし、基材Ｓ１との電位差を１０Ｖ以上とする。
【００３４】
図４に示すように、制御装置１４は、制御部であるプロセッサ４１と、ＲＡＭやＲＯＭを有するメモリ４２と、を備える。プロセッサ４１は、予め設定されたプログラムや各種条件にしたがって、所定のプログラムを実行することにより、電界紡糸装置１００の各部の動作を制御する。例えばプロセッサ４１は、搬送用のモータ１３ｂやポンプ用のモータ２１ａの運転動作、あるいは電源２４のＯＮ，ＯＦＦ状態や電圧の大きさを制御することで、搬送処理、送液処理、及び吐出処理を行わせる。
【００３５】
本実施形態にかかる電界紡糸方法は、基材Ｓ１を搬送する搬送処理と、ノズルヘッド２３から原料液Ｑ１を吐出させる吐出処理と、原料液Ｑ１をノズルヘッド２３に供給する供給処理と、を備える。
【００３６】
搬送処理として、プロセッサ４１は、モータ１３ｂを駆動して搬送ローラ１３ａを所定のタイミング及び回転速度で回転することで、基材Ｓ１を搬送経路Ａ１に沿って二次側へ搬送する。
【００３７】
吐出処理として、プロセッサ４１は、電源２４を動作させ、ノズルヘッド２３に電圧を印加することで、ノズルヘッド２３から原料液Ｑ１を吐出させ、基材Ｓ１に堆積させる。すなわち、ノズルヘッド２３に電圧が印加されかつ、基材Ｓ１が電気的に接地されるため、両者の間に電界が形成される。そして、電気力線に沿って作用する静電力が、ノズル２３ｂにおける原料液Ｑ１の表面張力よりも大きくなると、吐出口２３ｃ近くの原料液Ｑ１が静電力により基材Ｓ１に向けて引き出される。引き出された原料液Ｑ１は、引き伸ばされ、溶媒が揮発することで、ファイバが形成される。形成されたファイバが、基材Ｓ１の表面に堆積し、堆積体を形成する。形成された堆積体は、例えば不織布やフィルタに用いられる。
【００３８】
供給処理として、プロセッサ４１は、ポンプ用のモータ２１ａを駆動して、ポンプ部２１ｂを運転することにより、収容部１２内の原料液Ｑ１を二次側のノズルヘッド２３に向けて圧送する。供給処理において、プロセッサ４１はポンプ部２１ｂの駆動時間や駆動出力を制御することにより、原料液Ｑ１の流量、圧力、速度等を制御する。
【００３９】
本実施形態にかかる電界紡糸装置１００及び電界紡糸方法によれば、複数段に配された液体吐出ユニット１０は、送液ポンプ２１とノズル２３ｂの高さの差である高さ方向の相対的な距離の差Δｈが等しく構成されているため、複数の液体吐出ユニット１０のノズルヘッド２３からの液体吐出量のばらつきを抑制し、吐出量を均一化できる。さらに、マニフォルド２２は、流入口２２ａから複数の流出口２２ｂまでの圧損が等しく構成されている。またマニフォルド２２の流出口２２ｂから各ノズルヘッド２３までの第３配管３３の配管条件も等しく設定されている。このため、同じ段の複数のノズルヘッド２３の吐出性能も均一化できる。したがって、原料液Ｑ１の吐出量を安定させ、基材Ｓ１の表面に形成されるファイバの形状を安定させることができ、材料の機能性向上や生産管理の効率化が図れる。さらに、配管条件が等しい共通のマニフォルド２２を用いたことにより配管の継手数を減少することができるため、継手からの漏れ電流を低減できる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
【００４１】
例えばノズルヘッド２３の構成は、ニードル型に限られるものではない。例えば、円錐型、ブレード型、その他の形状を適用してもよい。
【００４２】
また複数のノズルヘッド２３は互いに直交する２方向に複数列等間隔で配列した例を示したが、これに限られるものではなく、例えば円形状や千鳥状、その他の形状に配列してもよい。
【００４３】
また、搬送経路Ａ１も上記実施形態に限られるものではない。例えば所定の一方向に延びる搬送経路であってもよいし、循環する経路であってもよい。あるいは、搬送装置１３を省略し、基材Ｓ１が搬送されない構成としてもよい。さらに、基材Ｓ１の形状も帯状に限られるものではない。例えば板状、円柱状、ブロック状など、他の構成であってもよい。また、様々の形状の物品の表面を基材Ｓ１とし、各種の物品の表面に、ファイバを形成することができる。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…液体吐出ユニット、１１…支持フレーム、１１ａ…台座部、１１ｂ…支柱、１１ｃ…フレーム片、１２…収容部、１３…搬送装置、１３ａ…搬送ローラ、１３ｂ…モータ、１４…制御装置、２１…送液ポンプ、２１ａ…モータ、２１ｂ…ポンプ部、２２…マニフォルド、２２ａ…流入口、２２ｂ…流出口、２３…ノズルヘッド、２３ｂ…ノズル、２４…電源、３０…配管ユニット、３１…第１配管、３２…第２配管、３３…第３配管、４１…プロセッサ、４２…メモリ、１００…電界紡糸装置、Ａ１…搬送経路、Ｑ１…原料液、Ｓ１…基材。
【図１】
2019060040.tif 000003
【図２】
2019060040.tif 000004
【図３】
2019060040.tif 000005
【図４】
2019060040.tif 000006