(57)【要約】  ポリマー流れが前送りガス流れを補助として紡糸口金の紡糸ノズルから出され、得られるナノ繊維ウェブが収集手段に収集される、ナノ繊維の繊維状ウェブを形成する改善されたエレクトロブロー法が提供されている。本方法には、高電圧を収集手段に印加し、紡糸口金を接地して、紡糸口金と収集手段との間に、ポリマー流れが紡糸ノズルから出るときポリマー流れに電荷を付与するのに十分な強度の電界を生成することが含まれる。
2008506864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状ウェブを形成するエレクトロブロー法であって、
（ａ）紡糸口金の紡糸ノズルからポリマー流れを出して、正極または負極の電荷を有する繊維状ウェブを形成し、
（ｂ）収集手段に繊維状ウェブを収集することを含んでなり、
収集手段に繊維状ウェブとは反対の極性の電圧を印加し、紡糸口金を実質的に接地し、紡糸口金と収集手段との間に、ポリマー流れが紡糸ノズルから出るときポリマー流れに電荷を付与するのに十分な強度の電界を生成する、エレクトロブロー法。
【請求項２】
ポリマー流れがポリマー溶液の流れである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ポリマー流れが溶融ポリマーの流れである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ポリマー流れが導電性である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
収集手段が収集表面を有する導電性の可動収集ベルトである請求項１に記載の方法。
【請求項６】
導電性の可動収集ベルトが多孔性であり、該方法が、収集表面の反対側で収集ベルトを吸引することをさらに含んでなる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
収集手段が、非導電性支持構造により支持された導電性要素に重ねられた非導電性の可動収集基材であり、電圧が導電性要素に印加されている請求項１に記載の方法。
【請求項８】
非導電性の可動収集基材が通気性であり、導電性要素が多孔性であり、該方法が、収集基材の反対側で非導電性支持基材を吸引することをさらに含んでなる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
紡糸口金から収集表面までの距離が約１〜約２００ｃｍの間である請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
紡糸口金から収集表面までの距離が約１０〜約５０ｃｍの間である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
電圧が約１〜約５００ｋＶの間である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
電圧が約１０〜約１００ｋＶの間である請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
帯電したウェブの極性が負であり、収集手段に印加された電圧の極性が正である請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
帯電したウェブの極性が正であり、収集手段に印加された電圧の極性が負である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
紡糸ノズルと収集表面との間の距離が紡糸口金と収集手段との間の距離より短い請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
導電性要素が固定されている請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
収集手段が、導電性の可動収集ベルトにフィードされる供給ロールから供給された非導電性の可動収集基材をさらに含んでなる請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマー流れが紡糸ノズルから紡糸され、ポリマーに電荷を付与するのに十分な強度の電界に入れられて、ポリマーが紡糸ノズルから離れて移動するのを前送りガス流れが補助する、繊維状ウェブを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ナノ繊維ウェブを製造する装置および方法が開示されている。その方法は、高電圧が印加される紡糸ノズルにポリマー溶液をフィードし、圧縮ガスを用いてポリマー溶液を、ノズルから出るときに、前送りガス流れ中に包み、得られるナノ繊維ウェブを接地された吸引コレクタに収集することを含んでなる。
【０００３】
特に、特許文献１に開示された方法が商業的な規模で実施される場合には、この方法にはいくつかの欠点がある。１つは、紡糸ノズル、ノズルが構成要素である紡糸口金および紡糸パック、および関連する蒸留溶液装置の全てが、紡糸プロセス中高電圧に維持されることである。ポリマー溶液は導電性であるため、ポリマー溶液と接触する機器が全て高電圧となり、ポリマー溶液ポンプを駆動するモータおよびギヤボックスがポンプから電気的に分離されていない場合には、短絡して、ポリマー溶液に電荷を付与するのに必要な電界を形成するのに不十分なレベルまでパックの電位が減少する。
【０００４】
特許文献１に開示された方法の他の欠点は、この方法の溶液および／または溶剤の供給が、プロセスの高電圧から分離するために物理的に妨げなければならないということである。そうしないと、溶液および／または溶剤供給システムが、パックに接地して、ポリマー溶液に電荷を付与するのに必要な高い電界を除去してしまう。
【０００５】
さらに、帯電したポリマー溶液と接触する設備を全て、適切かつ安全な操作のために絶縁しなければならない。この絶縁要件を満たすことは非常に難しい。というのは、紡糸パック、移送ライン、計量ポンプ、溶液貯蔵タンク、ポンプ、ならびに、圧力および温度ゲージのような制御機器および器具といった大きな設備が含まれるからである。さらに面倒なのは、接地に対して高電圧で操作可能な器具類およびプロセス変量通信システムを設計するのが煩雑なことである。さらに、高電圧で保持される露出した尖った角または隅部を全て丸めなければならず、そうしないと、そのポイントで強力な電界が形成されて、放電が起きる恐れがあるからである。尖った角／隅部となるものとしては、ボルト、山形鋼等が挙げられる。さらに、高電圧は、人間に危険を及ぼすため、現在の製造方法のサポートにおいて帯電した機器に対する日常保守を要す。処理されるポリマー溶液および溶剤は可燃性であることが多く、高電圧の存在によりさらなる潜在的な危険性を募らせる恐れがある。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０３／０８０９０５Ａ号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、繊維状ウェブを形成するエレクトロブロー法（ｅｌｅｃｔｒｏｂｌｏｗｉｎｇ）であって、（ａ）紡糸口金の紡糸ノズルからポリマー流れを出して、正極または負極の電荷を有する繊維状ウェブを形成し、（ｂ）収集手段に繊維状ウェブを収集することを含み、収集手段に繊維状ウェブとは反対の極性の電圧を印加し、紡糸口金を実質的に接地し、紡糸口金と収集手段との間に、紡糸ノズルから出るポリマー流れに電荷を付与するのに十分な強度の電界を生成するようにする、エレクトロブロー法に関する。
【０００８】
定義
「エレクトロブロー」および「エレクトロブローン紡糸」という用語は、本明細書において区別なく用いられ、通常前送りガス流れを収集手段に向けて、ガス流れ、ポリマー流れが紡糸ノズルから注入されることにより繊維状ウェブを形成し、これによって、これを収集手段で収集する繊維状ウェブを形成する方法であって、電圧差が紡糸ノズルと収集手段との間で維持され、電圧差が、ポリマー流れが紡糸ノズルから出るときにポリマーに電荷を付与するのに十分な強度である方法のことを指す。
【０００９】
「ナノ繊維」という用語は、１，０００ナノメートル未満の直径を有する繊維のことを指す。
【００１０】
本明細書に組み込まれ一部を構成する添付の図面は、本発明の現在考えられる実施形態を示すものであり、明細書の記載と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態について詳細を述べ、その例を添付の図面に示す。図面全体にわたって、同様の要素を指すのに同様の参照番号を用いている。
【００１２】
繊維状ウェブを形成するエレクトロブロー法が、ここに参考文献として組み込まれる国際公開第０３／０８０９０５Ａ号パンフレットに開示されている（図１）。背景技術で既に記載した通り、この方法にはいくつかの欠点がある。
【００１３】
これらの欠点を排除する改善されたエレクトロブロー法が望まれている。
【００１４】
本発明の方法において、本発明の一実施形態による図２を参照すると、ポリマーと溶剤、またはポリマー溶融物を含んでなるポリマー流れを、貯蔵タンクからフィードする。あるいは、ポリマー溶融物の場合には、押出し機１００から、ポリマー流れが放出される紡糸口金１０２に配置された紡糸ノズル１０４（「ダイ」とも呼ばれる）までフィードする。場合によりガス温度コントローラ１０８において加熱または冷却してもよい圧縮ガスを、紡糸ノズル１０４に近接またはその周囲に配置されたガスノズル１０６から出す。ガスは、通常、新たに出されたポリマー流れが前に送られ、繊維状ウェブの形成を補助する前送りガス流れにおいて下方に向けられる。
【００１５】
理論に拘束されることは望むところではないが、出されたポリマー流れから繊維を延伸する初期段階において、前送りガス流れが前送り力の大半を与え、ポリマー溶液の場合には、個々の繊維表面に沿って塊の境界層から同時に剥がれて、それによって、繊維状ウェブの形成中、ガスの形態にあるポリマー溶液からの溶剤の拡散速度が大幅に増大するものと考えられる。
【００１６】
あるポイントで、個々の繊維の局所電界は、電気力が顕著な延伸力となる。この電気力は、最終的に個々の繊維を、数百ナノメートル以下の直径まで延伸するのに十分な強度である。
【００１７】
「ダイ先端」とも呼ばれる紡糸ノズルの先端の幾何形状によって、ウェブに付与される電荷を生じる先端周囲の三次元空間に集中電界が形成されるものと考えられる。ダイ先端は、円筒毛管の形態、または円筒毛管の直線配列の形態であってもよい。ダイ先端が直線配列の実施形態において、前送りガス流れは、紡糸口金１０２の各側でガスノズル１０６から出る。ガスノズルは、直線配列の長さに沿って、紡糸口金の各側にある細長いナイフ端部と紡糸口金との間で形成されたスロットの形態にある。また、ダイ先端が円筒毛管の形態にある実施形態において、ガスノズル１０６は、紡糸口金１０２周囲の円周スロットの形態にあってもよい。繊維状ウェブの電荷と結合した電界が、ウェブの繊維およびフィブリルに作用する拡散力を与えて、ウェブを良好に分散して、収集手段の収集表面に置かれた極めて均一なウェブを与えるものと考えられる。
【００１８】
ガスノズル１０６から出た圧縮ガスの速度は、約１０ｍ／分〜約２０，０００ｍ／分であるのが有利であり、約１００〜約３０００ｍ／分であるのがより有利である。
【００１９】
ポリマー溶液は導電性であるのが有利である。本発明に用いるポリマーとしては、ポリイミド、ナイロン、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリプロピレン、ポリアニリン、酸化ポリエチレン、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ポリスチレン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ポリビニルアルコール、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ポリビニルブチレンおよびこれらのコポリマーまたは誘導された化合物が例示される。ポリマー溶液は、ポリマーを溶解するのに好適な溶剤を選択することにより調製する。ポリマー溶液は、関連のポリマー、可塑剤、紫外線安定化剤、架橋剤、硬化剤、反応開始剤等と相容性のある樹脂を含む添加剤と混合することができる。従来のエレクトロスピンニング法で用いるのに好適なことが知られているポリマー溶液を本発明の方法に用いてもよい。
【００２０】
本発明の他の実施形態において、紡糸パックにフィードされ、紡績口金のノズルを通して放出されるポリマー流れはポリマー溶融物である。溶融スピンニング法で用いるのに好適なことが知られているポリマーをポリマー溶融物の形態で本方法に用いてもよい。
【００２１】
本方法に用いるのに好適なポリマー溶融物およびポリマー溶剤の組み合わせは、ここに参考文献として組み込まれるＺ．Ｍ．（Ｚ．Ｍ．ホアンら（Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，）、「複合体の化学技術（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、６３巻（２００３年）、２２２６〜２２３０頁に開示されている。
【００２２】
紡績口金１０２の下に、ある距離で配置されているのは、生成された繊維状ウェブを収集する収集手段である。本発明の一実施形態において、図２に示す通り、収集手段は、繊維状ウェブを収集する、高電圧に接続された可動導電性ベルト１１０を含んでなる。ベルト１１０は、真空をベルトの下から、ブロワ１１２によりガス収集管１１４を通して引くことができるよう、金属スクリーンのような多孔性導電性材料で作製するのが有利である。本発明の本実施形態において、収集ベルトは、公知の手段により接地から分離しなければならない。収集されたナノ繊維の繊維状ウェブは、図示しない巻取りロールに送られる。
【００２３】
本発明の他の実施形態において、図３Ａおよび３Ｂに示す通り、可動収集基材１１８（図３Ｂ）は、高電圧に接続され、それ自体非導電性支持材料１２２に重ねられた導電性要素１２０に重ねられた非導電性基材である。導電性要素１２０および／または非導電性支持材料１２２は固定することができる。可動収集基材１１８は、供給ロール１２４から供給され、組み合わせた収集繊維状ナノ繊維ウェブと収集基材１１８は巻上げロール１２６に送られる。本発明の一実施形態において、ナノ繊維および前送りガス流れは、収集基材１１８に向けられて、そこで、ナノ繊維が、非導電性収集基材１１８に重ねられた繊維状ナノ繊維ウェブに付着されて、収集される。収集基材１１８、導電性要素１２０および支持材料１２２は、それぞれ極めて通気性であり、収集基材に衝突する際に前送りガス流れからのガスを、真空を用いて収集基材１１８、導電性要素１２０および支持材料１２２から排気してもよい。真空は、支持材料１２２の下から、ガス収集管１１４を通してブロワ１１２により引くことができる。収集基材１１８は、織布、不織布、スクリム等のような数多くの実質的に非導電性の通気性材料とすることができる。前送りガス流れガスが真空により排気されるとき、導電性要素１２０は多孔性材料、例えば、約５０を超える細目を有する細目スクリーンのような金属スクリーンであるのがより有利である。本実施形態において、高電圧導電性スクリーン１２０は、公知の手段により接地から分離しなければならない。
【００２４】
他の実施形態において、図３Ｂによる非導電性の可動収集基材１１８は、供給ロールから供給し、これを図２の可動導電性ベルト１１０にフィードすることができる。このやり方で、ナノ繊維を含有する繊維状ウェブを収集基材に付着し、ナノ繊維ウェブと非導電性の可動収集基材の組み合わせを、従来の手段により可動の導電性ベルトから分離して巻上げロールに前送りする。
【００２５】
紡績口金と収集表面（「ダイからコレクタまでの距離」「ＤＣＤ」とも呼ばれる、図２および３Ａに図示する）との間の距離は、約１〜約２００ｃｍの範囲、約１０〜約５０ｃｍの範囲であるのがより有利であるということを見出した。
【００２６】
ノズルと収集表面との間の距離は、紡績口金と収集表面との間の距離より短くなるように、紡糸ノズルの先端またはダイ先端が、距離ｅだけ紡糸口金から突出していると（図２および３Ａ）、より均一な電界が得られるということをさらに見出した。理論に拘束されることは望むところではないが、突出しているノズルは、電界線の空間に鋭端または点を設けて周囲で集中するためと考えられる。
【００２７】
図２の可動導電性ベルト１１０か、図３の固定した導電性スクリーン１２０のいずれかの収集手段に印加された電圧は、約１〜約５００ｋＶ、約１０〜約１００ｋＶであるのがより有利である。
【００２８】
本発明の方法は、背景技術に記載した通り、紡糸口金を含む紡糸パック、およびその他上流機器を高電圧に維持する必要性をなくす。収集手段に電圧を印加することにより、パック、紡糸口金および全上流機器を接地または実質的に接地してもよい。「実質的に接地する」とは、紡糸口金を低電圧レベル、すなわち、−１００Ｖ〜＋１００Ｖの間に保持してもよいことを意味する。
【００２９】
ポリマー放出圧力は約０．０１ｋｇ／ｃｍ２〜約２００ｋｇ／ｃｍ２、約０．１ｋｇ／ｃｍ２〜約２０ｋｇ／ｃｍ２であるのがより有利であり、穴当りのポリマー溶液処理量は、約０．１ｃｃ／分〜約１５ｃｃ／分であるのが有利である。
【実施例】
【００３０】
実施例１
０．１メートルの紡糸パックにより試験を実施して、高電圧をコレクタに印加しながら、プロセスを実演した。この試験において、コレクタは、枠で支持された矩形金属スクリーンからなっていた。コレクタを固定し、テフロン（登録商標）サポートを用いて接地から絶縁した。−６０ｋＶの圧力をコレクタに印加し、紡糸パックを収集して接地した。
【００３１】
ギ酸（フィンランド、ヘルシンキのケミラインダストリアルケミカルズ（Ｋｅｍｉｒａ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｈｅｌｓｉｎｋｉ，Ｆｉｎｌａｎｄ）より入手）中ナイロン６（ニュージャージー州、マウントオリーブのＢＡＳＦコーポレーション（ＢＡＳＦ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｏｕｎｔ  Ｏｌｉｖｅ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）より入手したタイプＢＳ４００Ｎ）の２２ｗｔ％溶液を、幅１００ｍｍ、１１のノズルを有する紡糸口金を通して、１．５ｃｃ／穴の処理レートでエレクトロブローンした。前送り気流をエアノズルを通して、４ｓｃｆｍ（１秒当り２リットル）の流量で導入した。空気を約７０℃まで加熱した。紡糸口金からコレクタの上部表面までの距離は約３００ｍｍであった。プロセスを約１分間行った。
【００３２】
収集した製品から１９本の繊維の繊維直径を測定した。平均繊維サイズは３９０ｎｍで、標準偏差は８５であった。
【００３３】
比較例
紡糸パックに負電圧供給を取り付けて上述した通りに試験を繰り返した。その他のプロセス設定は全て同じであった。
【００３４】
高電圧を紡糸パックに印加し、収集表面を設置して行った試験におけるプロセスと同様にプロセスを実施した。細繊維を作製し、コレクタにピン留めした。
【００３５】
収集した製品から１９本の繊維の繊維直径を測定した。比較例の平均繊維サイズは５１１ｎｍで、標準偏差は１１５であった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術を示す。
【図２】本発明による方法の概略図である。
【図３Ａ】本発明による変形方法の概略図である。
【図３Ｂ】収集手段の図３Ａの詳細である。
【図１】
2008506864.tif 000003
【図２】
2008506864.tif 000004
【図３Ａ】
2008506864.tif 000005
【図３Ｂ】
2008506864.tif 000006
【国際調査報告】
2008506864.tif 000007
2008506864.tif 000008