(57)【要約】【課題】簡単な構成にて均一なナノファイバーを生産性良く製造することができるナノファイバーの製造方法及び装置を提供する。【解決手段】複数の小穴３を有する導電性の回転容器としての円筒状容器１内に、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液１１を供給し、円筒状容器１を回転させ、小穴３から流出した高分子溶液に電界を印加して遠心力と溶媒の蒸発に伴う静電爆発にて延伸させて高分子物質から成るナノファイバーｆを生成するナノファイバーの製造方法において、円筒状容器１内の高分子溶液１１の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液１１を円筒状容器１から流出させ、流出した高分子溶液１１を回収して再度円筒状容器１内に供給し、簡単な構成にて略一定の遠心力を作用させて均一なナノファイバーｆを製造するようにした。【選択図】図１
2008285792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の小穴を有する導電性の回転容器内に、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給し、回転容器を回転させ、小穴から流出した高分子溶液に電界を印加して遠心力と溶媒の蒸発に伴う静電爆発にて延伸させて高分子物質から成るナノファイバーを生成するナノファイバーの製造方法において、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させ、流出した高分子溶液を回収して再度回転容器内に供給することを特徴とするナノファイバーの製造方法。
【請求項２】
回転容器が周面に複数の小穴を有する円筒状容器からなるとともにその一側面に設けられた環状の堰を通して所定量を超えた高分子溶液を流出させることを特徴とする請求項１記載のナノファイバーの製造方法。
【請求項３】
回転容器から所定距離の位置に収集体を配置し、回転容器と収集体との間に高電圧を印加し、生成されたナノファイバーを収集体に向けて流動させることを特徴とする請求項１又は２記載のナノファイバーの製造方法。
【請求項４】
回転容器の軸心方向一側部に配設した反射電極に、回転容器の帯電電荷と同極の電圧を印加して生成工程中のナノファイバーを回転容器の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のナノファイバーの製造方法。
【請求項５】
回転容器の軸心方向一側から送風して生成工程中のナノファイバーを回転容器の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のナノファイバーの製造方法。
【請求項６】
回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有する導電性の回転容器と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させる手段と、流出した高分子溶液を回収して高分子溶液供給手段に供給する回収手段と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段と、回転駆動手段と第１の電圧発生手段と高分子溶液供給手段を制御する制御部とを備えたことを特徴とするナノファイバーの製造装置。
【請求項７】
回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有する導電性の回転容器と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させる手段と、流出した高分子溶液を回収して高分子溶液供給手段に供給する回収手段と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器から所定距離の位置に配置した収集体と、回転容器と収集体との間に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段と、回転駆動手段と第１の電圧発生手段と高分子溶液供給手段を制御する制御部とを備えたことを特徴とするナノファイバーの製造装置。
【請求項８】
回転容器を周面に複数の小穴を有する円筒状容器にて構成するとともに、円筒状容器の一側面に所定量を超えた高分子溶液を流出させる環状の堰を設けたことを特徴とする請求項６または７記載のナノファイバーの製造装置。
【請求項９】
回転容器の軸心方向一側部に配設した反射電極と、反射電極に回転容器の帯電電荷と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段とを備え、制御部により反射電極に高電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のナノファイバーの製造装置。
【請求項１０】
回転容器の軸心方向一側部に送風ファンを配設したことを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載のナノファイバーの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子物質から成るナノファイバーの製造方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子物質から成るサブミクロンスケールの直径を有するナノファイバーを製造する方法として、電荷誘導紡糸法（エレクトロスピニング法）が知られている。従来の電荷誘導紡糸法では、高電圧を印加した針状のノズルに高分子溶液を供給するように構成されており、針状のノズルから線状に流出する高分子溶液に電荷が帯電されることで、高分子溶液の溶媒蒸発に伴って帯電電荷間の距離が小さくなって作用するクーロン力が大きくなり、そのクーロン力が線状の高分子溶液の表面張力より勝った時点で線状の高分子溶液が爆発的に延伸される現象が生じ、この静電爆発と称する現象が、一次、二次、場合によっては三次と繰り返されることで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバーが製造されるものである。
【０００３】
こうして製造されたナノファイバーを電気的に接地された基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブを製造することができる。こうして製造された高多孔性ウェブはフィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用することができるとともに、このナノファイバーから成る高多孔性ウェブを適用することによってそれぞれ性能を飛躍的に向上させることが期待できる。
【０００４】
ところが、従来の電荷誘導紡糸法では、１本のノズルの先から１本から数本程度のナノファイバーしか製造されないので、ナノファイバー製造の生産性が上がらないという問題があった。そこで、ナノファイバーを多量に生成する方法として、複数のノズルを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記特許文献１に記載された高分子ウェブ製造装置の構成を、図７を参照して説明すると、複数のノズル４１を有する紡糸部４２にバレル４３内の液状高分子物質をポンプ４４にて送給し、高電圧発生部４５からノズル４１に５〜５０ｋＶの高電圧を印加し、接地又はノズル４１と異なる極性に帯電させたコレクタ４６上にノズル４１から排出されたファイバーを堆積させてウェブを形成するとともに、形成されたウェブをコレクタ４６にて移送して高分子ウェブを製造するように構成されている。また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設してノズル４１間の電気的干渉を最小化させるとともに、コレクタ４６との間に高電圧を印加し、帯電したファイバーをコレクタ４６に向けて付勢する電界を付与することも記載されている。
【０００６】
さらに図８（ａ）、（ｂ）に示すように、紡糸部４２に、単一のノズルを複数設けるのではなく、複数本のノズル４１からなるマルチノズル４１Ａを複数設けて構成し、各マルチノズル４１Ａからそれぞれ複数本のナノファイバーを生成させるようにすることも開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０１５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、図７や図８に示された構成で、一層生産性よくナノファイバーを製造するため、紡糸部４２におけるノズル４１及び各マルチノズル４１Ａにおけるノズル４１の配置間隔を小さくし、単位面積当たりのノズル本数を多くしようとすると、図９に示すように、各ノズル４１から流出した高分子物質が同極の電荷を帯電しているため、矢印Ｆで示すように互いに反発し合い、中央部のノズル４１からの流出が阻害されるとともに、周辺部のノズル４１からの流出方向が外側に向き、コレクタ４６上でのナノファイバーの堆積分布が中央部で極端に少なく、周辺部に集中してしまい、均一な高分子ウェブを製造することができないという問題がある。
【０００８】
また、ノズル４１の先端近傍に電荷分配板４７を配設した場合、図１０に示すように、ノズル４１間の電気的干渉を低減させるとともに、電荷分配板４７からコレクタ４６に向かう電界Ｅが形成されることで、各ノズル４１から流出した高分子物質をコレクタ４６に向けて加速させる作用が得られることで、図９の場合に比して、中央部と周辺部とのナノファイバーの堆積分布の均一化をある程度図ることができる一方で、ノズル４１の配置パターンがそのまま堆積分布に投影されるようになり、堆積分布の均一化に十分な効果を発揮するものではないという問題がある。
【０００９】
また、ノズル４１の配置密度を高くした場合、溶媒が十分に蒸発しない状態でファイバー同士が接触して互いに溶着してしまう恐れがあり、またノズル近傍の空間で蒸発した溶媒濃度が高くなって絶縁性が低下し、コロナ放電が発生してファイバーが形成されない恐れがあるという問題がある。
【００１０】
また、多数のノズル４１を配設した場合に、各ノズル４１に対して均等に液状高分子物質を供給するのが困難であり、そのため装置構成が複雑になって設備コストが高くなるという問題がある。また、ノズル４１から流出した液状高分子物質に静電爆発を起させるためには電荷を集中させる必要があり、そのため各ノズル４１は細くて長い形状に形成されているが、多数の細くて長いノズル４１を常に適正な状態に維持するためのメンテナンスも極めて困難であるという問題がある。
【００１１】
そこで、本出願人は先に、図１１に示すように、周面に複数の小穴５２を有する導電性の円筒状容器５１の一側面に同一軸芯状に回転筒体５３を固定してその回転筒体５３を回転駆動可能に支持し、高分子溶液供給手段５４にて回転筒体５３内に挿通した溶液供給管５５を通して回転容器５１内に高分子溶液５０を供給し、回転筒体５３を回転駆動して回転容器５１を回転させるとともに第１の高電圧発生手段５６にて回転容器５１に電荷を帯電させ、小穴５２から流出した線状の高分子溶液を遠心力と溶媒の蒸発に伴う静電爆発にて延伸させて高分子物質から成るナノファイバーを生成し、かつ回転容器５１の軸心方向一側部に配設した反射電極５７に第２の高電圧発生手段５８にて回転容器５１と同極の電圧を印加して生成されるナノファイバーを回転容器５１の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させ、さらに回転容器５１に対してその軸心方向他側方に間隔をあけて配置した導電性のコレクタ５９に第３の高電圧発生手段６０にて回転容器５１の電荷に対して電位差を有する電圧を印加して、コレクタ５９上にナノファイバーを堆積させるように構成したものを提案している（特願２００６−３１７００３号参照）。
【００１２】
ところが、図１１の構成では、円筒容器５１の小穴５２から押し出される高分子溶液５０に作用する遠心力を常に一定させて高分子溶液５０を均一に線状に流出させ、均一なナノファイバーを製造するためには、回転容器５１内に収容されている高分子溶液５０の量を検出し、回転容器５１内にほぼ一定量の高分子溶液５０が収容されている状態となるように、高分子溶液供給手段５４を高精度に制御する必要があり、構成が複雑になり、コスト高になるという課題があることが判明した。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成にて均一なナノファイバーを生産性良く製造することができるナノファイバーの製造方法及び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】
【００１４】
本発明のナノファイバーの製造方法は、複数の小穴を有する導電性の回転容器内に、高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液を供給し、回転容器を回転させ、小穴から流出した高分子溶液に電界を印加して遠心力と溶媒の蒸発に伴う静電爆発にて延伸させて高分子物質から成るナノファイバーを生成するナノファイバーの製造方法において、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させ、流出した高分子溶液を回収して再度回転容器内に供給するものである。なお、本発明において、回転容器の小穴から流出した線状の高分子溶液に電界を印加するには、回転容器との間でナノファイバーを生成する場を構成する物体又は部材との間に高い電位差を持たせれば良く、例えば回転容器との間でナノファイバーを生成する場を構成する物体又は部材が地球又は地球に接地された収集体などの部材である場合には、回転容器に接地電位に対して正又は負の高電圧を印加すれば良く、回転容器との間でナノファイバーを生成する場を構成する収集体などの部材に接地電位に対して正又は負の高電圧を印加するようにした場合には、回転容器を接地しても良い。また、小穴は回転容器の周壁に直接穴を開けたものに限らず、回転容器の周壁に装着したノズル部材にて構成しても良いことは言うまでもない。
【００１５】
この構成によれば、高分子溶液が回転容器の小穴から遠心力の作用によって流出するとともに印加された電界にて電荷が帯電される。その際に、まず遠心力の作用によって、高分子溶液が小穴から安定して流出して延伸される。また、回転容器を回転させることで電界干渉が非常に発生し難いという作用が得られる。その理由は、隣り合う小穴から高分子溶液が流出する場合に、遠心力で流出することで、流出する線状の方向が互いに平行でなく、放射状に広がる方向となることで電界干渉が発生し難いものと考えられる。このように電界干渉に左右されないために小穴を高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸され、その後延伸されて径が細くなるとともに溶媒が蒸発することで帯電された電荷が集中し、そのクーロン力が表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発等が生じて延伸されることで、複数の小穴から流出した線状の高分子溶液からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて多量に効率的に製造することができ、また小穴から流出した高分子溶液をまず遠心力で延伸させるので、小穴を極端に小さくする必要がなく、かつ上記のように電荷を集中させるために長く形成する必要もないので、回転容器に小穴を設けるだけで良く、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができ、さらに回転容器内で所定量を超えた高分子溶液が回転容器から流出するので、単純に十分な量の高分子溶液を供給するだけで、回転容器内の高分子溶液の量を常に一定にでき、円筒容器の小穴から押し出される高分子溶液に作用する遠心力を常に一定させることができて常に均一なナノファイバーを製造することができ、かつ流出した高分子溶液を回収して再度回転容器内に供給し、流出した高分子溶液を再使用するので、高分子溶液が無駄に消費されることもない。したがって、装置コスト及び材料コストの低下を図りながら、均一なナノファイバーを生産性良く製造することができる。
【００１６】
また、回転容器が周面に複数の小穴を有する円筒状容器からなるとともにその一側面に設けられた環状の堰を通して所定量を超えた高分子溶液を流出させると、円筒状容器の全周から均一に多量のナノファイバーを一度に製造することができ、高い生産性を確保することができ、かつ円筒状容器の一側面の環状の堰を通して所定量を超える高分子溶液を流出させることで、極めて簡単な構成にて上記作用効果を奏することができる。
【００１７】
また、回転容器から所定距離の位置に収集体を配置し、回転容器と収集体との間に高電圧を印加し、生成されたナノファイバーを収集体に向けて流動させるようにすると、回転容器と収集体の間に形成された電界にてナノファイバーを生成させて収集体上に回収することができる。
【００１８】
また、回転容器の軸心方向一側部に配設した反射電極に、回転容器の帯電電荷と同極の電圧を印加して生成工程中のナノファイバーを回転容器の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させると、生成工程中のナノファイバーが遠心力の作用でそのまま放射状に広がろうとするのを、反射電極によって回転容器の軸芯方向に偏向させ、生成されるナノファイバーを所要の範囲内に容易に収集することができ、しかも帯電した高分子溶液の流出方向に対向しない一側部に反射電極が配設されているので、反射電極の電荷によって高分子溶液の流出が阻害される恐れがなく、安定的かつ効率的にナノファイバーを製造でき、またファイバー化しなかった液滴などが生じても、それはそのまま遠心力で周囲に飛散し、適正なナノファイバーだけが偏向して流動するため、品質の良いナノファイバーだけを収集することができる。
【００１９】
また、回転容器の軸心方向一側から送風して生成工程中のナノファイバーを回転容器の軸心方向他側方に向けて偏向させて流動させると、蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われ、静電爆発作用が確実に得られて所望のナノファイバーが確実に生成され、かつ生成工程中のナノファイバーの流動方向を効果的に偏向させることができる。
【００２０】
また、本発明のナノファイバーの製造装置は、回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有する導電性の回転容器と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させる手段と、流出した高分子溶液を回収して高分子溶液供給手段に供給する回収手段と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段と、回転駆動手段と第１の電圧発生手段と高分子溶液供給手段を制御する制御部とを備えたものである。
【００２１】
この構成によれば、回転容器内に高分子溶液供給手段にて高分子溶液を供給するとともに回転駆動手段にて回転させ、かつ第１の高電圧発生手段にて回転容器に高電圧を印加することで、上記のようにナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて多量に効率的に製造することができ、さらに回転容器内で所定量を超えた高分子溶液は回転容器から流出するので、単純に十分な量の高分子溶液を供給するだけで、回転容器内の高分子溶液の量を常に一定にでき、回転容器内の高分子溶液に作用する遠心力を常に一定させることができて常に均一なナノファイバーを製造することができ、かつ流出した高分子溶液を回収して再使用できるので、高分子溶液が無駄に消費されることもなく、したがって装置コスト及び材料コストの低下を図りながら、均一なナノファイバーを生産性良く製造することができる。
【００２２】
また、本発明の別のナノファイバーの製造装置は、回転自在に支持されるとともに回転軸芯から径方向に距離をあけて複数の小穴を有する導電性の回転容器と、回転容器内に溶媒に高分子物質を溶解した高分子溶液を供給する高分子溶液供給手段と、回転容器内の高分子溶液の量が所定量以上になった場合に、所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させる手段と、流出した高分子溶液を回収して高分子溶液供給手段に供給する回収手段と、回転容器を回転駆動する回転駆動手段と、回転容器から所定距離の位置に配置した収集体と、回転容器と収集体との間に高電圧を印加する第１の高電圧発生手段と、回転駆動手段と第１の電圧発生手段と高分子溶液供給手段を制御する制御部とを備えたものであり、回転容器と収集体の間に形成された電界にてナノファイバーが生成されて収集体に向けて流動し、上記と同様に装置コスト及び材料コストの低下を図りながら、均一なナノファイバーを生産性良く製造することができるとともに、生成されたナノファイバーを収集体上に回収することができる。
【００２３】
また、回転容器を周面に複数の小穴を有する円筒状容器にて構成するとともに、円筒状容器の一側面に所定量を超えた高分子溶液を流出させる環状の堰を設けると、円筒状容器の全周から均一に多量のナノファイバーを一度に製造することができ、高い生産性を確保することができ、かつ円筒状容器の一側面の環状の堰を通して所定量を超える高分子溶液を流出させることで、極めて簡単な構成にて上記作用効果を奏することができる。
【００２４】
また、回転容器の軸心方向一側部に配設した反射電極と、反射電極に回転容器の帯電電荷と同極の高電圧を印加する第２の高電圧発生手段とを備え、制御部により反射電極に高電圧を印加するようにすると、生成工程中のナノファイバーが遠心力の作用でそのまま放射状に広がろうとするのを反射電極によって回転容器の軸芯方向に偏向させ、生成されるナノファイバーを所要の範囲内に容易に収集することができ、しかも帯電した高分子溶液の流出方向に対向しない一側部に反射電極が配設されているので、反射電極の電荷によって高分子溶液の流出が阻害される恐れがなく、安定的かつ効率的にナノファイバーを製造でき、またファイバー化しなかった液滴などが生じても、それはそのまま遠心力で周囲に飛散し、適正なナノファイバーだけが偏向して流動するため、品質の良いナノファイバーだけを収集することができる。
【００２５】
また、回転容器の軸心方向一側部に送風ファンを配設すると、回転容器の軸心方向一側から送風することで、生成工程中のナノファイバーの流動方向を効果的に偏向させることができ、かつ蒸発した溶媒が速やかに排出されて周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならず溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られて所望のナノファイバーを確実に製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のナノファイバーの製造方法及び装置によれば、複数の小穴から流出した線状の高分子溶液からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーを簡単かつコンパクトな構成にて多量に効率的に製造することができ、また小穴から流出した高分子溶液をまず遠心力で延伸させるので、小穴を極端に小さくする必要がなく、かつ上記のように電荷を集中させるために長く形成する必要もないので、回転容器に小穴を設けるだけで良く、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴を設けていてもメンテナンスを簡単に行うことができ、さらに回転容器内で所定量を超えた高分子溶液が回転容器から流出するので、単純に十分な量の高分子溶液を供給するだけで、回転容器内の高分子溶液の量を常に一定にでき、円筒容器の小穴から押し出される高分子溶液に作用する遠心力を一定させることができて常に均一なナノファイバーを製造することができ、かつ流出した高分子溶液を回収して再度回転容器内に供給するので流出した高分子溶液を再使用するので、高分子溶液が無駄に消費されることもない。したがって、装置コスト及び材料コストの低下を図りながら、均一なナノファイバーを生産性良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明のナノファイバー及び高分子ウェブの製造方法と装置の各実施形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、本発明のナノファイバーの製造装置の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００２９】
図１、図２において、１は回転容器としての、直径が３０〜４００ｍｍの円筒状容器であり、その一端の軸芯部に同一軸芯状態で筒体２の端部が貫通されて一体固定され、筒体２にて軸芯回りに矢印Ｒのように回転可能に支持されている。筒体２は電気絶縁性の高い材料にて構成されている。円筒状容器１の他端は閉鎖され、周面には、直径が０．１〜２ｍｍ程度の小穴３が数ｍｍピッチ間隔で多数形成されている。小穴３は、円筒状容器１の周壁に単純に穴を開けて形成したものでも良いが、周壁に短寸のノズルを装着してそのノズル穴にて構成しても良い。
【００３０】
筒体２は電気絶縁性の高い材料にて構成された支持フレーム４にてベアリング５を介して回転自在に支持され、かつその外周に設けられたプーリ６とモータ９の出力軸に設けられたプーリ７との間に巻回されたベルト８を介して回転駆動手段としてのモータ９にて、３０〜３０００ｒｐｍの回転速度で回転駆動される。モータ９としては、センサが高圧ノイズの影響を受けて誤動作する恐れがあるので、センサレスＤＣモータが好適に適用される。
【００３１】
筒体２の中心部を通して円筒状容器１内に高分子溶液供給手段としての溶液供給管１０が挿入され、その先端部にＬ字屈曲部１０ａが下向きに形成されている。この溶液供給管１０を通して円筒状容器１内にナノファイバーの材料である高分子物質を溶媒に溶解した高分子溶液１１が供給される。円筒状容器１内に高分子溶液１１を供給しつつ円筒状容器１を回転させることで、筒体２の内周を堰として、過剰に供給された高分子溶液１１が筒体２を通して外部に流出し、円筒状容器１の内周全周に均一な厚さの高分子溶液１１の層が形成される。すなわち、円筒状容器１の内径をＤ１、筒体２の内径をＤ２として、Ｔ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２の略一定の厚さの高分子溶液１１の層が円筒状容器１の内周に形成される。
【００３２】
筒体２を通して外部に流出した高分子溶液１１を回収するように、支持フレーム４上に回収手段としての回収容器１２が配設されている。なお、図１に仮想線で示すように、筒体２から流出した高分子溶液１１を受け、周囲に飛散させずに回収容器１２に案内する受け手段１３が配設される。また、この回収容器１２に対して溶液補給手段（図示せず）にて、消費された高分子溶液１１に相当する量の高分子溶液１１を補給するように構成されている。回収容器１２内の高分子溶液１１は、吸入管１４を通して高分子溶液供給手段としての供給ポンプ１５にて吸引され、溶液供給管１０を通して円筒状容器１内に向けて所定流量で送給される。
【００３３】
高分子溶液１１を構成する高分子物質としては、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−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−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、ポリペプチド等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３４】
使用できる溶媒としては、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、水等を例示でき、これらより選ばれる少なくとも一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３５】
また、高分子溶液には、無機質固体材料を混入することも可能であり、その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、硫化物等を挙げるとができるが、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一種が用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３６】
円筒状容器１には、第１の高電圧発生手段１６にて発生させた１ｋＶ〜１００ｋＶ、好適には１０ｋＶ〜１００ｋＶの高電圧が、ベアリング５、導電部材１７を介して印加されている。それにより、内部に収容された高分子溶液１１にも高電圧が印加されている。円筒状容器１がモータ９にて高速で回転駆動されると、高分子溶液１１に遠心力が作用して各小穴３から線状に流出し、さらに遠心力の作用で延伸されて細い高分子線状体が生成される。この高電圧を印加された高分子線状体が、円筒状容器１の周囲に形成されている電界の作用を受けることで電荷を帯電した状態となるとともに、高分子溶液１１の溶媒が蒸発することで高分子線状体の径が細くなる。それに伴って、帯電した電荷が集中し、そのクーロン力が高分子溶液の表面張力を超えた時点で一次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的に延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発が生じて延伸されることで、サブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーｆが効率的に製造される。
【００３７】
円筒状容器１の一側部に適当間隔あけて対向するように支持フレーム４に反射電極１８が配設され、この反射電極１８に第２の高電圧発生手段１９にて発生させた高電圧が印加されている。この第２の高電圧発生手段１９は第１の高電圧発生手段１６と同極で、略同等の高電圧を発生して反射電極１８に印加するように構成され、図２に示すように、反射電極１８にて円筒状容器１から流出・延伸されて生成された高分子線状体及びその後に静電爆発にて生成されるナノファイバーｆを、矢印Ｄで示すように、円筒状容器１の他側方に向けて流動させるように構成されている。
【００３８】
円筒状容器１の他側方には、適当距離あけて対向するように導電性を有するコレクタ２０が配設され、第３の高電圧発生手段２１にて発生させた、円筒状容器１に対する印加電圧とは逆極性の高電圧が印加されている。なお、円筒状容器１や反射電極１８とコレクタ２０との間に大きな電位差を付与して、それらの間に電界を発生させればよいので、単にコレクタ２０を接地するだけでもよい。この円筒状容器１や反射電極１８とコレクタ２０との間の大きな電位差にて形成された電界によって、上記のようにナノファイバーｆを生成するとともに、図２に示すように、帯電したナノファイバーｆをコレクタ２０に向けて移動させ、その上に堆積させるように構成されている。コレクタ２０に円筒状容器１とは逆極性の高電圧を印加することで、円筒状容器１とコレクタ２０の間に、例えば２ｍ程度の距離が離れていても、生成されたナノファイバーｆをコレクタ２０上に堆積させることができる。なお、第１〜第３の高電圧発生手段１６、１９、２１としては、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３にて必要に応じて任意にオン・オフ切替できるものが好適である。
【００３９】
次に、制御構成を図３を参照して説明する。図３において、モータ９と、供給ポンプ１５と、第１〜第３の高電圧発生手段１６、１９、２１が制御部２２にて制御される。制御部２２は、操作部２３からの作業指令により、記憶部２４に記憶されている動作プログラムや操作部２３から入力されて記憶している各種データに基づいて動作制御し、その動作状態や各種データを表示部２５に表示する。
【００４０】
以上の構成において、供給ポンプ１５にて所定量の高分子溶液１１を円筒状容器１内に供給し、円筒状容器１に対して第１の高電圧発生手段１４から所定の高電圧を印加することで、円筒状容器１内に収容された高分子溶液１１を高電圧に帯電させる。この状態でモータ９にて円筒状容器１を高速回転させることで、上述のように高分子溶液１１が複数の小穴３から線状に流出して高分子線状体が形成されるとともに、さらに遠心力の作用によって大きく延伸され、かつ高電圧に帯電されている高分子線状体が電界の作用で電荷を帯電した状態となり、その後延伸されて径が細くなるとともに溶媒が蒸発することで電荷が集中し、一次静電爆発を生じて爆発的に延伸され、その後さらに溶媒が蒸発して同様に二次静電爆発が生じて爆発的にさらに延伸され、場合によってはさらに三次静電爆発が生じて延伸されることで、複数の小穴３から流出した高分子溶液線状体からサブミクロンの直径を有する高分子物質から成るナノファイバーｆが製造される。
【００４１】
ここで、円筒状容器１内の内周には、略一定の厚さＴの高分子溶液１１の層が形成され、それ以上の過剰な高分子溶液１１は堰として機能する筒体２から外部に流出して回収容器１２に回収されて再使用される。このように円筒状容器１内の高分子溶液１１の量が常にほぼ一定に制御されるので、円筒状容器１内の高分子溶液１１に一定の遠心力が作用し、円筒状容器１の小穴３から押し出される高分子溶液１１に作用する遠心力が一定し、高分子溶液１１を均一に線状に流出させることができ、その結果均一なナノファイバーｆを製造することができる。
【００４２】
さらに、上記ナノファイバーｆを生成する際に高分子溶液線状体が遠心力の作用で延伸された後、そのまま放射状に広がろうとするのを反射電極１８によって円筒状容器１の軸方向の他側方に偏向させて流動させるので、生成されるナノファイバーｆをコレクタ２０の所要の範囲内に容易に収集することができる。
【００４３】
しかも、反射電極１８が円筒状容器１の一側部に配設されているので、円筒状容器１の外周面に対向させて放物鏡状の反射電極を配設した場合のように反射電極１８が帯電した高分子溶液１１の流出方向に対向せず、高分子溶液１１の流出が反射電極１８の電荷によって阻害される恐れがないため、安定的かつ効率的にナノファイバーｆを製造できる。また、ファイバー化しなかった液滴などが生じても、それはそのまま遠心力で周囲に飛散し、適正なナノファイバーｆだけがコレクタ２０に向けて偏向して流動するため、品質の良いナノファイバーｆだけを収集することができる。こうして製造された帯電を有するナノファイバーｆがコレクタ１８上に堆積されることで高多孔性の高分子ウェブが生産性良く製造される。
【００４４】
また、円筒状容器１の小穴３から流出して形成された高分子溶液線状体が遠心力で大きく延伸されるので、小穴３の直径を０．１〜２ｍｍ程度とすることができて、極端に小さくする必要がなく、また最初に静電爆発を発生させる場合とは異なって電荷を集中させる必要がないため、小穴３は細長いノズルに形成する必要がなく、また電界干渉に左右されないために高密度に配設しても確実かつ効果的に延伸させることができるので、多量のナノファイバーｆを簡単かつコンパクトな構成にて効率的に製造することができる。また、円筒状容器１の全周から均一に多量のナノファイバーを一度に製造することができ、高い生産性を確保することができるとともに、形状・構成が簡単であるため設備コストの低廉化を図ることができる。また、小穴３は長く形成する必要がないので、円筒状容器１の外周壁に単純に小穴３を設けるだけで良く、容易かつ安価に製作でき、かつ多数の小穴３を設けていてもメンテナンスも簡単である。
【００４５】
また、モータ９は、円筒状容器１内に収容されている高分子溶液１１の粘度に基づいて円筒状容器１の回転速度を制御できるように構成されており、これによって高分子溶液１１の粘度に応じて必要な遠心力を高分子溶液１１に作用させて、確実にかつ効率的にナノファイバーｆを製造することができる。
【００４６】
なお、以上の図示例では、反射電極１８を円筒状容器１と絶縁された支持フレーム４に固定して配設し、第２の高電圧発生手段１９で発生された高電圧を印加するようにした例を示したが、反射電極１８を筒体２の外周に固定して円筒状容器１と電気的に接続し、第１の高電圧発生手段１６で発生された円筒状容器１と同じ高電圧がともに印加されるようにしても良い。この場合、反射電極１８も円筒状容器１と共に回転するが機能的には何ら影響はない。
【００４７】
また、反射電極１８と円筒状容器１との間に、円筒状容器１の他側方に向けて送風する送風手段を配設しても良い。そうすると、送風によって蒸発した溶媒が速やかに排出され、周辺の雰囲気中の溶媒濃度が高くならないため、溶媒の蒸発が円滑に行われて静電爆発作用が確実に得られ、所望のナノファイバーｆが確実に生成される。また、生成工程中のナノファイバーｆの流動方向をより効果的に偏向させる作用も得られる。
【００４８】
また、以上の構成例では、筒体２を回転駆動可能に構成し、この筒体２に円筒状容器１を固定した構成を示したが、筒体２を支持フレーム４に固定して設け、この筒体２にて円筒状容器１を回転自在に支持した構成としても良く、その場合には受け手段１３は設ける必要はない。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、本発明のナノファイバーの製造装置の第２の実施形態について、図４、図５を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００５０】
上記第１の実施形態では、支持フレーム４上に設置した回収容器１２から吸引管１４を通して供給ポンプ１５にて高分子溶液１１を吸引して円筒状容器１内に向けて高分子溶液１１を供給するようにした例を示したが、本実施形態では、図４、図５に示すように、回収容器１２とは別に大容量の貯留容器２６を設け、回収容器１２内に回収された高分子溶液１１を送出管２７を通して貯留容器２６に送出し、供給ポンプ１５の吸引口に接続された吸引管１４の先端を貯留容器２６内に挿入している。
【００５１】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができ、かつ円筒状容器１から流出した過剰の高分子溶液１１を支持フレーム４上の回収容器１２を介して大容量の貯留容器２６に回収するようにしているので、貯留容器２６から円筒状容器１内に高分子溶液１１を安定して送給することができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
次に、本発明のナノファイバーの製造装置の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。
【００５３】
本実施形態では、円筒状容器１は、その一端に堰として機能する環状鍔３１を有してその内側が開口し、かつその一端開口から他端に向けて軸芯位置を貫通して他端閉鎖壁に一体結合された回転軸３２を有している。回転軸３２は支持フレーム４に設けられた支持筒体３３に設けられた軸受部３４にて回転自在に支持され、かつ回転軸３２の先端が軸継ぎ３２ａを介して回転支持筒３３に配設されたモータ９に連結され、モータ９にて回転駆動可能に構成されている。支持筒体３３の端部外周に、円筒状容器１の一端部外周を取り囲むように受け手段１３が取り付けられ、受け手段１３は、内部に回収された高分子溶液１１を回収容器１２に戻す戻し管路１３ａを有している。
【００５４】
回収容器１２内の高分子溶液１１は、ギヤポンプなどの供給ポンプ１５にて溶液供給管１０を通して円筒状容器１内に供給するように構成されている。また、回収容器１２内の高分子溶液１１の液面レベルを検出する液面センサ３５が設けられ、検出した液面レベルが一定レベルに低下すると、貯留容器２６から回収容器１２に向けてギヤポンプなどの補給ポンプ３６にて送給管３７を通して高分子溶液１１を送給し、回収容器１２内の高分子溶液１１の液面レベルをほぼ一定範囲内に維持するように構成されている。
【００５５】
また、支持筒体３３の円筒状容器１とは反対側の側部に送風ファン３８が配設され、円筒状容器１から流出・延伸されて生成されたナノファイバーｆを、反射電極１８にて形成した電界にて円筒状容器１の他側方に向けて流動させる代わりに、送風ファン３８にて形成された矢印で示す気体流Ｗによって円筒状容器１の他側方に向けて流動させるように構成している。なお、金網状の反射電極１８を支持筒体３３の外周に配設し、反射電極１８による電界と気体流Ｗの両方でナノファイバーｆを円筒状容器１の他側方に向けて流動させるようにしても良い。
【００５６】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができ、かつ円筒状容器１の回転機構をコンパクトに構成できるとともに、円筒状容器１内の過剰の高分子溶液１１が円筒状容器１の一端の環状鍔３１から直接円滑に流出するので、円筒状容器１内の高分子溶液１１の層厚さを応答性良く一定に維持することができ、また送風ファン３８による気体流Ｗにて円筒状容器１から生成されたナノファイバーｆを円筒状容器１の他側方に向けて円滑に流動させることができる。
【００５７】
なお、以上の実施形態の説明では、反射電極１８と送風ファン３８の何れか一方又は両方を配設した例を示したが、円筒状容器１に対する印加電圧とは逆極性の高電圧を印加するか、若しくは接地したコレクタ２０を設けただけでの構成でも、円筒状容器１から生成されるナノファイバーｆをコレクタ２０に向けて流動させ、コレクタ２０上に堆積させることもできる。
【００５８】
さらに、以上の各実施形態の説明では、円筒状容器１に第１の高電圧発生手段１６から高電圧を印加し、収集体２０を接地又は第３の高電圧発生手段２１にて逆極性の電圧を印加した例を示したが、収集体２０に第３の高電圧発生手段２１にて正又は負の高電圧を印加し、円筒状容器１側を接地した構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のナノファイバーの製造方法及び装置によれば、回転容器内で所定量を超えた高分子溶液を回転容器から流出させることで、単純に十分な量の高分子溶液を供給するだけで、回転容器内の高分子溶液の量を常に一定にできるため、円筒容器の小穴から押し出される高分子溶液に作用する遠心力を一定させることができ、常に均一なナノファイバーを製造することができるので、フィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に好適に適用される高品質のナノファイバーを高い生産性をもって製造するのに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態のナノファイバーの製造装置の縦断正面図。
【図２】同実施形態における高分子ウェブの製造状態を示す斜視図。
【図３】同実施形態の制御構成を示すブロック図。
【図４】本発明の第２の実施形態のナノファイバーの製造装置の縦断正面図。
【図５】同実施形態における高分子ウェブの製造状態を示す斜視図。
【図６】本発明の第３の実施形態のナノファイバーの製造装置の縦断正面図。
【図７】従来例の高分子ウェブの製造装置の概略構成図。
【図８】同従来例の他の構成例の要部構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は部分拡大下面図。
【図９】同従来例における問題点の説明図。
【図１０】同従来例における更なる問題点の説明図。
【図１１】本発明に先行するナノファイバーの製造装置の縦断正面図。
【符号の説明】
【００６１】
１  円筒状容器（回転容器）
２  筒体（堰）
３  小穴
９  モータ（回転駆動手段）
１０  溶液供給管（高分子溶液供給手段）
１１  高分子溶液
１２  回収容器（回収手段）
１５  供給ポンプ（高分子溶液供給手段）
１６  第１の高電圧発生手段
１８  反射電極
１９  第２の高電圧発生手段
２０  コレクタ（収集体）
２２  制御部
３１  堰
３８  送風ファン
ｆ  ナノファイバー
【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】
2008285792.tif 000009
【図８】
2008285792.tif 000010
【図９】
2008285792.tif 000011
【図１０】
2008285792.tif 000012
【図１１】
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