(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長分子配列を有する高分子材料を高温加熱して溶融し、溶融した前記高分子材料を加圧して紡糸ノズルの中心吐出口から紡糸し、
該紡糸ノズルの前記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熱風吹出口を設け、該熱風吹出口からの熱風が前記中心吐出口の直後の紡糸した前記高分子材料繊維を延伸するように高分子材料繊維と交差する方向に吹出し、
前記交差範囲で紡糸された高分子材料繊維が高温を保ち溶融状態を維持しながら高分子材料繊維を吹飛して延伸する溶融状態維持手段を設け、
該溶融状態維持手段は、前記紡糸ノズルの中心吐出口の先端より更に下流に前記熱風吹出口を包むように延びる熱風収束円筒部を設け、
該溶融状態維持手段を経て更に吹飛ばされた高分子材料のナノファイバーを捕集する捕集部を設けたことを特徴とする高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項２】
前記高分子材料は、ポリプロピレンであることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料繊維のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項３】
前記高分子材料は、ナイロンであることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項４】
前記熱風吹出口の吹出方向は、前記中心吐出口の中心軸線に対して１５°〜２５°の角度であることを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項５】
前記熱風収束円筒部は、前記紡糸ノズルの中心吐出口の先端より更に下流に１５mmから３０mmまで延びることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
【請求項６】
前記溶融状態維持手段は、前記紡糸した高分子材料繊維と前記熱風との交差範囲の近傍に、別途に更に前記中心吐出口からの吐出方向と直交する方向から熱風を吹き出す熱風吹出ノズルを設けて、該熱風吹出ノズルからの熱風により高分子材料繊維の溶融状態を維持しながら高分子材料繊維を吹飛ばして延伸することを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリプロピレンやナイロン等の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法に関し、特に、溶媒や高電圧を使用しないで、加熱溶融による高分子材料のナノファイバー積層体を製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、一般的に直径が1ミクロン（＝1,000nm）以下の太さの繊維であると定義されるナノファイバーが開発され、ナノファイバーの製造法としては、ＥＳＤ（Electro−Spray Deposition）法、或いは、エレクトロ・スピンニング法と呼ばれる技法が最も注目され、その技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
このＥＳＤ法によるナノファイバーの製造は、先ず溶剤で溶解した各種生体高分子やポリマー（以下、単に「高分子」ということもある。）溶液をシリンジに充填し、シリンジに装着されているニードル型電極と、ナノ繊維を堆積させるコレクター電極との間に、高圧直流電源から数ｋＶ〜数十ｋＶの直流高電圧を印加して、ニードル型電極とコレクター電極との間に強い電界場を発生させる。
この環境下で、ニードル型電極から紡糸溶液をコレクター電極に向けて放出すると、高分子を溶解していた溶剤等は電界場中で瞬間的に蒸発し、高分子は凝固しながらクーロン力で延伸され、ナノオーダーのファイバーが、室温、大気圧下というおだやかな条件で形成される。
【０００３】
ナノファイバーにおいては、ナノ構造による特異な機能発現が期待でき、例えば、ナノファイバーは、同一体積での表面積が通常の繊維に比べ非常に大きいことから、従来の繊維が持つポリマー固有の性質の他に、吸着特性や接着特性などの新機能が発現し、従来にない新素材の開発が期待できる。警察官、消防士、医師、看護師が着用する多機能な特殊な防護服の研究が始められており、軍需用途は、従来より軽量で従来にない機能を持つ軍服、ナノメートル単位の集まりで、異なる機能をもつ積層新素材の開発が進んでいる。さらに、特許文献４に示すように、ナノファイバーで作ったフィルターは、繊維の占有面積が小さい割に空間を大きくすることができるので、低圧力損失で高捕集効率の良い特性が期待できることから、エアフィルターやマスク等が開発され、また、ナノファイバーを応用したバイオケミカルハザード防御用超軽量高機能防御服やナノファイバーを培地にした再生医療の開発も活発に行なわれている。
【０００４】
従来の合成繊維のマイクロオーダーの製造法として、非特許文献１には、前掲のエレクトロ・スピンニング法の他に、現在、海島複合紡糸法、低粘度の溶融ポリマーを吹き飛ばすメルトブロー紡糸法、ポリマー溶液を急激に膨脹させてポリマーを吹き飛ばしながら固化・繊維化させるフラッシュ紡糸法が開発されていることが開示されている。
ところで、高分子繊維のナノファイバーを製造するには、開発が進んでいる前掲のエレクトロ・スピンニング法においては、高分子材料を溶剤に溶かして、低粘度にして使用しなければならいないが、ポリプロピレン(ＰＰ)については適当な溶剤がないので、溶融だけで紡糸しなければならない。
この溶融だけの極細繊維の製造方法として、上記の非特許文献１には、溶液に溶かして紡糸する方法としてポリマーブレンド紡糸法があり、これは２種のポリマーをブレンドしておき、これを繊維化した後に、海ポリマーを溶出する極細紡糸法であり、μｍが限界とされている。
また、非特許文献２には、高電圧を印加するエレクトロ・スピンニング法によって、ポリプロピレン(ＰＰ)の繊維製作を試みたが、平均直径が１μｍ以下の繊維が得られないことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２７２３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】SEN'I GAKKAISHI(繊維と工業)Vol.63,No.12(2007)423〜425P[溶融紡糸型ナノファイバーの開発]越智隆志
【非特許文献２】SEN'I GAKKAISHI(繊維と工業)Vol.64,No.2(2008)81〜84P[エレクトロ・スピンニング法(溶融法)]小杉信男・島田直樹
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、エレクトロ・スピンニング法によるナノファイバーの製造は開発されているものの、高分子材料の溶媒は引火性のものが多く、エレクトロ・スピンニング法では高電圧を取り扱うことから、発火等を防止する構造にしなければならす、取り扱いがやっかいであった。特に、適当な溶媒（溶液)がないポリプロピレン(ＰＰ)についてはエレクトロ・スピンニング法のポリプロピレン(ＰＰ)では、満足な結果が得られていないといった問題点があった。
本発明は、前述の問題点に鑑みてなされたもので、高電圧を使用せず、また、溶媒を用いず、加熱溶融だけで高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法を提供しようとするものであり、特に、適当な溶媒（溶液)がないポリプロピレン(ＰＰ)についても、従来のエレクトロ・スピンニング法のポリプロピレン(ＰＰ)のように高電圧をする紡糸方法ではなく、高電圧を使用しないでポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバー積層体の製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、長分子配列を有する高分子材料を高温加熱して溶融し、溶融した前記高分子材料を加圧して紡糸ノズルの中心吐出口から紡糸し、
該紡糸ノズルの前記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熱風吹出口を設け、該熱風吹出口からの熱風が前記中心吐出口の直後の紡糸した前記高分子材料繊維を延伸するように高分子材料繊維と交差する方向に吹出し、
前記交差範囲で紡糸された高分子材料繊維が高温を保ち溶融状態を維持しながら高分子材料繊維を吹飛して延伸する溶融状態維持手段を設け、
該溶融状態維持手段は、前記紡糸ノズルの中心吐出口の先端より更に下流に前記熱風吹出口を包むように延びる熱風収束円筒部を設け、
該溶融状態維持手段を経て更に吹飛ばされた高分子材料のナノファイバーを捕集する捕集部を設けたことを特徴とする高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の高分子材料繊維のナノファイバー積層体の製造方法において、前記高分子材料は、ポリプロピレンであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の高分子材料繊維のナノファイバー積層体の製造方法において、前記高分子材料は、ナイロンであることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は２又は３に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法において、前記熱風吹出口の吹出方向は、前記中心吐出口の中心軸線に対して１５°〜２５°の角度であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項５に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法において、前記熱風収束円筒部は、前記紡糸ノズルの中心吐出口の先端より更に下流に１５mmから３０mmまで延びることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法。
請求項６の発明は、請求項１又は２に記載の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法において、前記溶融状態維持手段は、前記紡糸した高分子材料繊維と前記熱風との交差範囲の近傍に、別途に更に前記中心吐出口からの吐出方向と直交する方向から熱風を吹き出す熱風吹出ノズルを設けて、該熱風吹出ノズルからの熱風により高分子材料繊維の溶融状態を維持しながら高分子材料繊維を吹飛ばして延伸することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、従来のように高電圧を使用することなく、溶媒(溶剤)を用いることなしに加熱溶融だけで製造するので危険性が少なく、さらに引火性の溶媒(溶剤)液を一切使用しないことと相俟って、取り扱いが極めて容易となる。
また、従来のようなエレクトロ・スピンニング法ではないので、高価な高電圧を用いなくてすみ、さらにナノファイバーに静電気等が帯電していなので、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性の小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材として用いることができる。
このように、熱だけで溶融するので、危険で有害な溶媒を使用しないばかりか、高電圧を使用しないので、ポリプロピレンやナイロン等の高分子材料のナノファイバー積層体を安価で大量生産が可能となる。
請求項２の発明によれば、従来製造が難しいとされていたポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバーを製造することができ、また、引火性の溶液を一切使用することなく、ポリプロピレンを加熱により溶融して、加圧と高熱吹き出し風より延伸して繊維とするので、取り扱いが容易な製造方法で高分子材料であるポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバー積層体が得られる。
請求項３の発明によれば、蟻酸のように環境に悪影響のある溶媒(溶剤)や、ベンゼン等の引火点の低い危険な溶剤を必要するナイロン(Nylon)において、このように有害な溶媒や危険な溶剤を使用しないで、熱溶融だけでのナノファイバー積層体の製造方法が可能となる。
請求項４の発明によれば、熱風吹出口の高速高温気流の吹出方向を、中心吐出口の中心軸線に対して１５°〜２５°の角度の範囲にすることによって、溶融ポリプロピレン（N）との接触力を適切に作用し、溶融ポリプロピレン（N）に延伸作用が効率的に作用する。
請求項５及び６の発明によれば、請求項７のように別途に熱風吹出ノズルを設ける必要がなく、コンパクトな構成にすることができ、更に効率的に紡糸ノズルからの高分子材料を溶融状態に維持し、高速熱風により更に高分子材料をナノファイバー状に延伸させることができる。
請求項７の発明によれば、溶融状態維持手段として、中心吐出口からの吐出方向と直交する方向から熱風を吹き出す熱風吹出ノズルを設けたので、簡単に紡糸ノズルからの高分子材料を高温の溶融状態に維持して更に高分子材料を延伸させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１のポリプロピレンのナノファイバー積層体の製造方法の概念概略図、
【図２】図１の実施例１の紡糸ノズルと高熱風吹出ノズルの断面図、
【図３】図２の実施例１の紡糸ノズルと高熱風吹出ノズルの先端部分の拡大図、
【図４】本発明の実施例２のポリプロピレンのナノファイバー積層体の製造方法の概念概略図、
【図５】図４の実施例２の紡糸ノズルと高熱風吹出ノズルの断面図、
【図６】図５の実施例２の紡糸ノズル及びその先端部分の熱風収束円筒部の拡大図、
【図７】本発明の実施例１のポリプロピレンのナノファイバー積層体の×1000の電子顕微鏡写真、
【図８】本発明の実施例１のポリプロピレンのナノファイバー積層体の×200の電子顕微鏡写真、
【図９】本発明の実施例２のポリプロピレンのナノファイバー積層体の×1000の電子顕微鏡写真、
【図１０】本発明の実施例２のポリプロピレンのナノファイバー積層体の×200の電子顕微鏡写真、
【図１１】本発明の実施例３のナイロンのナノファイバー積層体の×1000の電子顕微鏡写真、
【図１２】本発明の実施例３のナイロンのナノファイバー積層体の×200の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴の１つは、紡糸ノズルから紡糸する高分子材料繊維のファイバーに、所定の角度で加熱風を添えるとともに、さらに温度が下がらないように溶融状態維持手段を設けて、紡糸ノズルからの高分子材料を溶融状態に維持して更に高分子材料繊維を延伸させ、高分子材料繊維の溶融状態を維持さながら高分子材料を吹飛ばすもので、高電圧を印加することなく、溶媒を用いず加熱による溶融だけで高分子材料のナノファイバー積層体の製造を実現した。
以下に、本発明の高分子材料のナノファイバー積層体の製造方法の実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１の高分子材料としてポリプロピレンを使用したナノファイバー積層体Ｎの製造方法を説明するが、実施例１の図１の概略を示した概念説明図に示すように、図１に示すように、上流の主にナノファイバーの生成部Ａで、基本的には紡糸ノズル１の中心吐出口１１から高熱で溶融したポリプロピレンを延伸し、溶融状態維持手段としてこれに直角方向に高熱風吹出ノズル４からの高熱風を当てた溶融紡糸法であり、吹き飛ばされたポリプロピレンのナノファイバーを下流の捕集部Ｂのネット５で捕集する。
【００１３】
[ナノファイバー生成部Ａ]
前述したように、ナノファイバー生成部Ａは主に紡糸ノズル１と高熱風吹出ノズル４から構成されるが、先ず、紡糸ノズル１から説明する。
【００１４】
[紡糸ノズル1]
図２の紡糸ノズル１の拡大図に示すように、金属製の紡糸ノズル１はその中心に先端の吐出口１１に続く中心軸孔１２が設けられ、中心軸孔１２の反対側には送給口１３が設けられ、この送給口１３には溶融したポリプロピレン(Ｎ)が供給される。送給口１３までのポリプロピレン(Ｎ)の送給経路は、図１に示すように、材料供給容器２でポリプロピレン（N）を１９０℃程度に加熱し、その後、ギヤポンプ３までの供給配管３１の周りをヒーター等の加熱手段で２４０℃程度に加熱してギヤポンプ３によって送給し、さらに、送給後の送給配管３２も２７０℃に加熱して、この２７０℃に加熱した溶融したポリプロピレン（N）を前述した送給口１３に供給している。
【００１５】
図２に示すように、紡糸ノズル１は中心軸孔１２の周りには、中心軸孔１２を包むように同軸状にリング状の熱風吹出通路１４が設けられ、熱風吹出通路１４の先端には所定の吹出角度を有したリング状の熱風吹出口１５が設けられ、この熱風吹出口１５は前記吐出口１１より僅かにＸ３＝２mm程度(-2〜3mm)突出している。また、紡糸ノズル１の中間部には熱風吹出通路１４の他端に繋がる熱風供給部１６が設けられ、熱風供給部１６には３５０〜３８０℃程度の熱風が供給され、中心軸孔１２を温めるとともに、吐出口１１でのポリプロピレン（N）を包むように２７０℃に保ちながら、高速気流でポリプロピレン（N）を更に延伸する。
【００１６】
このことは高速高温気流で、ポリプロピレン（N）を更に延伸するのでリング状の熱風吹出口１５の吹出角度(中心軸孔１２の軸を中心としての左右の合算角度)が重要であるが、実験の結果、角度３０°〜５０°程度、すなわち、熱風吹出口１５の高速高温気流の吹出方向は、前記中心吐出口１１の中心軸線に対して１５°〜２５°の角度の範囲が好ましく、角度３０°(中心軸と角度１５°)以下だとポリプロピレン（N）との接触力が小さく延伸作用が小さく、角度５０°(中心軸と角度２５°)以上だと接触しての負圧が生じないのでやはり延伸作用が少なく、本実施例１では角度３８°(中心軸と角度１９°)することで延伸作用が効率的に作用した。
また、ポリプロピレン（N）を効率よく延伸するのは、溶融状態のポリプロピレン（N）を高温により低粘度にすることも重要であり、このため図２に示すようように、熱風吹出通路１４を周りにヒーター１７１による加熱器１７aを配置し、中心軸孔１２の外周部１２１及び吐出口１１側の外周部１１１と熱風吹出通路１４の内周壁１４１a,１４１bとの間には通路隙間を維持するスペーサー部１２２ａ,ｂが適所に設けられており、送給口１３側の中心軸孔１２の周りにもヒーター１７１による加熱器１７ｂを配置している。
このように、本発明の実施例１では、ギヤポンプ３で直径０.１mmの吐出口１１から溶融ポリプロピレン（N）の吐出を可能にしなければならないが、加熱が重要であり、吐出口１１でもポリプロピレン（N）を２７０℃以上を保持しなければならい。
【００１７】
[高熱風吹出ノズル４]
上述したように、吐出口１１でもポリプロピレン（N）を２７０℃以上に保持するが、吐出口１１から紡糸後も延伸させる必要があるが、そのままでは吐出口１１直後に急激に温度が低下するので、これを防ぐ必要がある。
このために溶融状態維持手段として金属製の高速高熱気流の高熱風吹出ノズル４を設けた。高熱風吹出ノズル４の高熱風が適正に紡糸ポリプロピレン（N）に当たらないと、μオーダーの極細繊維で終わってしまいナノファイバーにはならない。
図２、図３に示すように、高熱風吹出ノズル４は先端のノズル開口４１の内径は４mm程度で、ノズル開口４１の位置は吐出口１１から水平距離で３mm、吐出口１１の軸延長線と３mmの距離に配置され、３５０〜４００℃の熱風を吐出量１１０ｍ3/min(分)でポリプロピレン（N）に吹き付けている。この時の風速は、吐出量１１０ｍ3／min(分)であるが、余り風速が遅いと紡糸中のポリプロピレン（N）の雰囲気の温度が下がってしまい延伸を阻害し、余り風速が速くても風速で紡糸中のポリプロピレン（N）を冷ましてしまい延伸を阻害する。
【００１８】
[捕集部Ｂ]
図１に示すように、紡糸ノズル１及びこれに直角方向からの高熱風吹出ノズル４から吹き飛ばされたポリプロピレンのナノファイバー（N）を下流の捕集部Ｂで捕集する。
捕集部Ｂは、ナノファイバー捕集装置５とナノファイバー（N）を保持する基材Ｃとから構成され、ナノファイバー捕集装置５は吹き付けられるナノファイバー（N）に対向して細かな貫通孔を有する平面保持用グリッド(或いは金網)５１を設け、ナノファイバー（N）が吹き付けられる裏側には吸引ダクト５２が設けられている。
この上記の平面保持用グリッド(或いは金網)５１の両端にはフィードローラ５３が、一方には基材繰出ローラ軸５４、他方には基材・製品巻取軸５５が配置されている。
そして、ナノファイバー（N）を仮に担持する基材Ｃのローラを、基材繰出ローラ軸５４に取り付け、フィードローラ５３ａを介して不織布等の引き出した基材Ｃを平面保持用グリッド(或いは金網)５１に載せ、ナノファイバー（N）の積層体を基材Ｃの上面に載置しながら移動させ、フィードローラ５３ｂ,cを介して基材Ｃ及び製品であるナノファイバー積層体を製品巻取軸５５で巻き取る。
【００１９】
[実施例１の製品]
こうして、溶融だけでポリプロピレンのナノファイバー積層体の製造を完成する。
なお、紡糸ノズル１と高熱風吹出ノズル４との組み合わせを複数にすれば生産量は増加するが、本実施例１では平行に６組設けた。
本実施例１の下記条件で製造したのが、図７の×１０００倍の電子顕微鏡写真、及び、図８の×２００倍の電子顕微鏡写真であるが、写真中のμｍのスケールに対して、ナノオーダーのナノファイバーが積層させていることが判る。
設定条件(実施例１)
材料：ポリプロピレン(ＰＰ)(サンアロマー社製：品番PLB00A)
紡糸ノズル１のノズル径０.１(0.1〜0.2mm)
吐出口温度：２７０°
熱風吹出口内径：５mm(1.4〜６mm)(外径8mm)
熱風吹出口温度：３５０〜３７０°
熱風吹出角度：３８°(中心軸と角度19°)(30°〜50°)
高速気流の圧力：７０ｌ/min
高熱風吹出ノズル４のノズル径１.８mm
風速：１１０ｍ3／min
高熱風温度：３５０〜４００°
ノズル位置：熱風吹吐出口１５から水平距離でＸ２＝３mm(３〜５mm)、
吐出口１１の軸延長線からＸ１＝３mm(３〜５mm)、
【００２０】
以上説明したように、本発明の実施例１のポリポロピレンのナノファイバー積層体Ｎの製造方法では、従来製造が難しいとされていたポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバーを溶剤なしで製造することができ、また、引火性の溶液を一切使用することなく、ポリプロピレンを加熱により溶融して、加圧と高熱吹き出し風より防糸するので、取り扱いが容易な製造方法でポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバー積層体が得られる。
また、従来のように高電圧を使用することなく、溶融だけで製造するので高圧電源を使用することによる危険性がなく、また、溶融だけで引火性の溶媒も使用しないので、極めて取り扱いが容易となり、また、静電気等が帯電していなので、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性の小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材として用いることができる。
このように、ポリプロピレンのナノファイバー積層体を安価で大量生産が可能となる。
【実施例２】
【００２１】
次に、本発明の高分子材料としてポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバー積層体の製造方法の実施例２を図面を参照して説明する。
本発明の実施例２のポリプロピレンのナノファイバー積層体Ｎの製造方法を説明するが、図４の概略を示した概念説明図に示すように、図４に示すように、上流の主にナノファイバー(N)の生成部Ａで、基本的には金属製の紡糸ノズル１の中心吐出口１１から高熱で溶融したポリプロピレンを紡糸し、溶融状態維持手段として紡糸ノズル１の中心吐出口１１の先端より更に下流に前記熱風吹出口１５を包むように延びる熱風収束円筒部６を設け、この熱風収束円筒部６は紡糸ノズル１の中心吐出口１１の先端より更に下流に１５mmから３０mmの下流まで延び、更に好ましくは１６.５mm突出した円筒部内でポリプロピレンの溶融状態を維持さながら更に延伸し、開口部からポリプロピレンを、水平方向に配置され下流の捕集部Ｂのネット５に吹飛ばして捕集するもので、高電圧を印加することなく、溶融だけでポリプロピレンのナノファイバー積層体の製造を実現した。
【００２２】
[ナノファイバー生成部Ａ]
前述したように、実施例２のナノファイバー生成部Ａは、実施例１と同様に、主に紡糸ノズル１と高熱風吹出ノズル４から構成されるが、溶融状態維持手段として直交する方向から熱風を吹き出す熱風吹出ノズル４は無く、溶融状態維持手段として熱風吹出口１５を包むように延びる熱風収束円筒部６が設けられている。先ず、紡糸ノズル１から説明する。
【００２３】
[紡糸ノズル1]
実施例２は、図５の紡糸ノズル１の拡大図に示すように、大部分は実施例１と同様の構成であり、紡糸ノズル１はその中心に先端の吐出口１１に続く中心軸孔１２が設けられ、中心軸孔１２の反対側には送給口１３が設けられ、この送給口１３には溶融したポリプロピレン（N）が供給させる。送給口１３までのポリプロピレン（N）の送給経路は、図５に示すように、材料供給容器２でポリプロピレン（N）を１９０℃程度に加熱し、その後、ギヤポンプ２までの供給配管３１の周りをヒーター等の加熱手段で２４０℃程度に加熱してギヤポンプ３によって送給し、さらに、送給後の送給配管３２も２７０℃に加熱して、この２７０℃に加熱した溶融したポリプロピレン（N）を前述した送給口１３に供給している。
【００２４】
図５及び図６に示すように、紡糸ノズル１は中心軸孔１２の周りには、中心軸孔１２を包むように同軸状にリング状の熱風吹出通路１４が設けられ、熱風吹出通路１４の先端には所定の吹出角度を有したリング状の高速高温気流の熱風吹出口１５が設けられ、この熱風吹出口１５は前記吐出口１１より大きく突出し、後述する溶融状態維持手段を構成されている。また、紡糸ノズル１の中間部には熱風吹出通路１４の他端に繋がる熱風供給部１６が設けられ、熱風供給部１６には２００〜３００℃程度、好ましくは２２０℃の熱風が供給され、中心軸孔１２を温めるとともに、吐出口１１でのポリプロピレン（N）を包むように２２０℃に保ちながら、高速気流でポリプロピレン（N）を更に延伸する。
【００２５】
このことは高速高温気流で、ポリプロピレン（N）を更に延伸するのでリング状の熱風吹出口１５の吹出角度(中心軸孔１２の軸を中心としての左右の合算角度)が重要であるが、実験の結果、実施例１と同様、角度３０°〜５０°程度の範囲が好ましく、すなわち、熱風吹出口１５の高速高温気流の吹出方向は、前記中心吐出口１１の中心軸線に対して１５°〜２５°の角度の範囲が好ましく、角度３０°(中心軸と角度１５°)以下だとポリプロピレン（N）との接触力が小さく延伸作用が小さく、角度５０°(中心軸と角度２５°)以上だと接触しての負圧が生じないのでやはり延伸作用が少なく、本実施例１では角度３８°(中心軸と角度１９°)することで延伸作用が効率的に作用した。
また、ポリプロピレン（N）を効率よく延伸するのは、溶融状態のポリプロピレン（N）を高温により低粘度にすることも重要であり、このため図５に示すようように、熱風吹出通路１４を周りにヒーター１７１による加熱器１７aを配置し、中心軸孔１２の外周部１２１及び吐出口１１側の外周部１１１と熱風吹出通路１４の内周壁１４１a,１４１bとの間には通路隙間を維持するスペーサー部１２２ａ,ｂが適所に設けられており、送給口１３側の中心軸孔１２の周りにもヒーターによる加熱器１７ｂを配置している。
このように、本発明の実施例２では、ギヤポンプ３で直径０.１mmの吐出口１１から溶融ポリプロピレン（N）の吐出を可能にしなければならないが、加熱が重要であり、吐出口１１でもポリプロピレン（N）を２７０℃以上を保持しなければならい。
【００２６】
[溶融状態維持手段：熱風収束円筒部６]
上述したように、吐出口１１でもポリプロピレン（N）を２２０℃以上に保持するが、吐出口１１から紡糸後も延伸させる必要があるが、そのままでは吐出口１１直後に急激に温度が低下するので、これを防ぐ必要がある。
実施例２の前記溶融状態維持手段は、金属製の紡糸ノズル１の中心吐出口１１の先端より更に下流に熱風吹出口１５を包むように延びる熱風収束円筒部６を設け、この円筒の内周円筒部６１内を高温の雰囲気に維持するもので、この高速高温気流を吹き出す熱風収束円筒部６は、紡糸ノズル１の中心吐出口１１の先端より更に下流にＸ４＝１５mmから３０mmの下流まで延び、好ましくは、Ｘ４＝１６.５mm程度が良い。
すなわち、Ｘ４＝１５mm以下であると、吐出口１１から紡糸されたポリプロピレンの周囲温度が急速に低下し、溶融状態からポリプロピレンの固化が進み、延伸しなくなりナノレベルの繊維が出来ず、この場合には実施例１のような高熱風吹出ノズル４(図２参照)が必要となる。逆にＸ４＝３０mm以上となると熱風収束円筒部６の内周円筒部６１の内壁に紡糸した繊維が付着したり、ナノファイバー自体がカールして絡み合うという不都合が生じるので、Ｘ４＝１６.５mm程度がナノファイバーの形成に適していた。こうして、溶融状態維持手段である熱風収束円筒部６１内での高速熱風による延伸が適切に行われナノオーダーのナノファイバーが形成される。逆に、溶融状態維持手段６が適切に作動しないと、紡糸ノズル１の吐出口１１の直径０.１〜０.２mm(100〜200μ)からの繊維はμオーダーの極細繊維で終わってしまい、高速熱風による延伸が適切に行われずナノファイバーにはならない。
【００２７】
このように構成することで、中心吐出口１１から紡糸したポリプロピレン(ＰＰ)の繊維は溶融状態にあるので、紡糸したポリプロピレン(ＰＰ)は熱風収束円筒部６の下流の開口部６２に向かって流出する熱風に引っ張られ、更に延伸されて効率良くナノファイバーを形成しながら、開口部６２からポリプロピレンを、水平方向に配置された捕集部Ｂのネット５に吹飛ばして捕集する。
実施例２の熱風収束円筒部６では、実施例１のように別途に熱風吹出ノズル４を設ける必要がなく、熱風吹出ノズル４の設定をする必要もなく、内周円筒部６１の内径が５mmの熱風収束円筒部６内で効率的に高温を維持でき、熱風供給部１６からの熱風も、実施例１の３５０〜３８０℃程度よりも低い２００〜３００℃程度、好ましくは２２０℃の熱風でよく、実施例１のような高熱風吹出ノズル４が必要がなく、極めてコンパクトな構成とすることができる。
なお、熱風収束円筒部６の内周円筒部６１の内径も１.４〜６mmが良く、６mm以上であると熱風収束円筒部６内での高温雰囲気が難しく、１.４mm以下であると、熱風収束円筒部６の内周円筒部６１に紡糸した繊維が内壁に付着する。
【００２８】
[捕集部Ｂ]
図４に示すように、紡糸ノズル１及び熱風収束円筒部６の内周円筒部６１からの水平方向から吹き飛ばされたポリプロピレンＰＰのナノファイバー（N）を下流の捕集部Ｂで捕集する。
捕集部Ｂは、実施例１とは垂直方向か水平方向かの違いだけであるので、実施例１の説明を援用することで、詳しい説明は省略する。
【００２９】
[実施例２の製品]
こうして、溶融だけでポリプロピレンのナノファイバー積層体の製造を完成する。
なお、紡糸ノズル１と高熱風吹出ノズル４との組み合わせを複数にすれば生産量は増加するが、実施例１と同様では平行に６組設けた。
本実施例２の下記条件で製造したのが、図９の×１０００倍の電子顕微鏡写真、及び、図１０の×２００倍の電子顕微鏡写真であるが、写真中のμｍのスケールに対して、ナノオーダーのナノファイバーが積層され、実施例１と同等、或いは更に細いナノファイバーが積層されていることが判る。
設定条件(実施例２)
材料：ポリプロピレン(ＰＰ)(サンアロマー社製：品番PLB00A)
紡糸ノズル１のノズル径０.１mm（0.1〜0.2mm)
吐出口温度：２７０°
熱風吹出口内径：５mm(1.4〜6mm)(外径8mm)
熱風吹出口温度：２００〜３００°
熱風吹出角度：３８°(中心軸と角度19°)(30°〜50°)
高速気流の圧力：７０ｌ/min
熱風収束円筒部長(６：Ｘ４)：
吐出口１１から開口部６２の距離Ｘ４＝１６.５mm(15〜30mm)
【００３０】
以上説明したように、本発明の実施例２のポリポロピレンのナノファイバー積層体Ｎの製造方法では、従来製造が難しいとされていたポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバーを溶媒等の溶剤を用いないで製造することができ、また、引火性の溶液を一切使用することなく、ポリプロピレンを加熱により溶融して、加圧と高熱吹き出し風により延伸紡糸するので、取り扱いが容易な製造方法でポリプロピレン(ＰＰ)のナノファイバー積層体が得られる。
また、従来のように高電圧を使用することなく、溶媒(溶剤)を用いず熱による溶融だけでナノファイバーを製造するので、高圧電源を使用することによる危険性がなく、取り扱いが容易となり、また、静電気等が帯電していなので、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材Ｃに移すことができ、所望の基材Ｃとして通気性のある基材Ｃは勿論のこと、通気性の小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材Ｃ(この場合は吹き付けるだけ)として用いることができる。
このように、ポリプロピレンのナノファイバー積層体を安価で大量生産が可能となる。
更に、実施例１のように別途に熱風吹出ノズルを設ける必要がなく、熱風収束円筒部６内で効率的に高温を維持でき、実施例１の熱風供給部１６からの熱風の３５０〜３８０℃程度よりも低い２００〜３００℃程度、好ましくは２２０℃の熱風でよく、更に効率的に紡糸ノズル１からのポリプロピレン(ＰＰ)を溶融状態に維持して更にポリプロピレン(ＰＰ)をナノファイバー状に延伸させることができ、かつ、極めてコンパクトな構成とすることができる。
【実施例３】
【００３１】
次に、本発明の高分子材料としてナイロン(Nylon)を使用したナノファイバー積層体の製造方法の実施例３を説明する。
実施例３の製造装置は、基本的には実施例２の溶融状態維持手段として熱風収束円筒部６を用いた製造装置を用い、材料としてナイロン(Nylon)を用いた。
本実施例３の下記条件で製造したのが、図１１の×１０００倍の電子顕微鏡写真、及び、図１２の×２００倍の電子顕微鏡写真であるが、写真中のμｍのスケールに対して、ナノオーダーのナノファイバーが積層され、細いナノファイバーが積層されていることが判る。
設定条件(実施例３)
材料：ナイロン(Nylon)(宇部興産社製：品番1022B)
紡糸ノズル１のノズル径０.１mm（0.1〜0.2mm)
吐出口温度：２８０°
熱風吹出口内径：３mm(1.4〜6mm)(外径8mm)
熱風吹出口温度：３００〜３８０°
熱風吹出角度：３８°(中心軸と角度19°)(30°〜50°)
高速気流の圧力：７０ｌ/min
熱風収束円筒部長(６：Ｘ４)：
吐出口１１から開口部６２の距離Ｘ４＝１６.５mm(15〜30mm)
【００３２】
[実施例３の製品]
本発明の実施例３のナイロン(Nylon)のナノファイバー積層体Ｎの製造方法は、実施例２の図４の概略を示した概念説明図と原則的に同じであるの省略するが、突出した円筒部内でナイロン(Nylon)の溶融状態を維持しながら更に延伸し、開口部６２からナイロン(Nylon)を、水平方向に配置され下流の捕集部Ｂのネット５に吹飛ばして捕集するもので、高電圧を印加することなく、加熱による溶融だけでナイロン(Nylon)のナノファイバー積層体の製造を実現した。
【００３３】
以上説明したように、本発明の実施例３のナイロン(Nylon)のナノファイバー積層体Ｎの製造方法では、蟻酸のように環境に悪影響のある溶媒(溶剤)や、ベンゼン等の引火点の低い危険な溶剤を必要するナイロン(Nylon)において、このように有害な溶媒や危険な溶剤を使用しないで、熱溶融だけでのナノファイバー積層体の製造方法が可能となる。
また、高圧電源を使用することによる危険性がなく、取り扱いが容易となり、また、静電気等が帯電していなので、無理なく捕集帯から離脱して、所望の基材に移すことができ、所望の基材として通気性のある基材は勿論のこと、通気性の小さな不織布や、或いは、通気性のないフィルムを基材として用いることができる。
このように、ナイロン(Nylon)のナノファイバー積層体を安価で大量生産が可能となる。
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、前述した各実施例に限定されないことは勿論であり、ポリプロピレン(ＰＰ)やナイロン(Ｎｙｌｏｎ)以外の危険な溶剤を必要する高分子材料等においても、加熱溶融する高分子材料であれば、危険な溶剤を使用しないで、加熱溶融だけでナノファイバー積層体の製造方法にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ・・ナノファイバー生成部、Ｂ・・(ナノファイバー積層体Ｎの)捕集部、
Ｃ・・基材、Ｎ・・材料およびその加工品
１・・紡糸ノズル、１１・・吐出口、１１１・・外周部、１２・・中心軸孔、
１２１・・外周部、１２２a,１２２b・・・スペーサー部、１３・・送給口、
１４・・熱風吹出通路、１４１a、１４１ｂ・・内周壁、
１５・・熱風吹出口、１６・・熱風供給部、１７,１７a,１７b・・加熱器、
１７１・・ヒーター、
２・・材料供給容器、
３・・ギヤポンプ(吐出手段)、
３１・・供給配管、３２・・送給配管、
４・・高熱風吹出ノズル(溶融状態維持手段)、４１・・ノズル開口、
５・・ナノファイバー捕集装置(ネット)、
５１・・平面保持用グリッド(又は金網)、５２・・吸引ダクト、
５３,５３a,５３b,５３c・・フィードローラ、
５４・・基材繰出ローラ軸、５５・・基材・製品巻取軸、
６・・熱風収束円筒部(溶融状態維持手段)、６１・・内周円筒部、６２・・開口部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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