(57)【要約】【課題】極細繊維を作製することができる電界紡糸装置を提供する。【解決手段】ポリマ溶液１４を射出することにより、電位差に基づいてシリンジポンプ１３の先端のニードル１５からコレクタ１２に向かって紡糸を行うように構成する。ニードル１５の先端部１５ａの外周には、ポリマ溶液１４を他の部分のポリマ溶液１４よりも高温で、かつポリマ溶液１４の溶媒の沸点以下の温度に加熱するためのヒータ２３を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、電位差に基づいて紡糸を行うようにした電界紡糸装置において、
前記射出部内のポリマ溶液を貯留ケース内のポリマ溶液よりも高温で、かつ前記ポリマ溶液の溶媒の沸点以下の温度に加熱するための加熱手段を射出部に設けたことを特徴とする電界紡糸装置。
【請求項２】
前記加熱手段は前記射出部の外周に設けられたヒータよりなることを特徴とする請求項１に記載の電界紡糸装置。
【請求項３】
前記射出部を金属によって形成するとともに、その射出部に電圧を印加し、さらに射出部は断熱材を介して前記貯留ケースに支持されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電界紡糸装置。
【請求項４】
前記射出部を絶縁材よりなる貯留ケースと一体に形成するとともに、その貯留ケースの内部に電位差形成用の電極を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電界紡糸装置。
【請求項５】
前記貯留ケースはポリマ溶液を冷却するための冷却手段を有することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項６】
前記ヒータの外殻を絶縁材により構成したことを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項７】
前記射出部の先端をヒータよりもコレクタ側に突出させたことを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項８】
貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、電位差に基づいて紡糸を行うようにした電界紡糸方法において、
前記ポリマ溶液を前記射出部において貯留ケース内のポリマ溶液よりも高温で、かつ前記ポリマ溶液の溶媒の沸点以下の温度に加熱することを特徴とした電界紡糸方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、その溶液を電位差に基づいて引き延ばして極細繊維を紡糸し、フィルタ等に用いられるウェブを作製するようにした電界紡糸装置及び電界紡糸方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電界紡糸装置としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような構成のものが提案されている。特許文献１の従来装置では、ポリマ溶液を射出するノズルとポリマ溶液を貯留するバレルとをヒーティングバンドで加熱して、それらの内部のポリマ溶液の温度を４０℃から溶媒の沸点以下の温度範囲に維持する。また、操業空間（ノズルとバレルとの間の空間）の相対湿度を所定値（例えば２５％）に調整して、この状態で紡糸を行うようになっている。
【０００３】
特許文献２の従来装置では、紡糸に際して、ポリマ溶液が吐出される出糸ノズルに向かって加熱された空気をエアノズルから噴射させるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２４９９６６号公報（発明の詳細な説明の段落００５２及び［要約］の欄）
【特許文献２】特表２００５−５２００６８号公報（発明の詳細な説明の段落００１３及び図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、これらの従来の電界紡糸装置においては、次のような問題があった。
まず、特許文献１の従来装置では、貯留ケース及びノズルの全体が加熱される。このため、ポリマ溶液に対する加熱時間が長くなり、熱に対して不安定で変質しやすいポリマ溶液を使用して、極細繊維を紡糸することが困難であった。従って、使用可能なポリマの種類に制限を受ける結果となり、多種類のポリマに対応できない。また、貯留ケース内でポリマ溶液が加熱されると、そのポリマ溶液の粘度が低下するため、ポリマ溶液に機能材料（例えば活性炭やセラミック）等の微細粉末を混入させて紡糸する場合、微細粉末の凝集が生じやすくなって、機能材料を均一な分散状態で含有させた繊維を紡糸することが困難であった。さらに、微細粉末の凝集によって、ノズルが詰まるおそれもあった。
【０００５】
一方、特許文献２の従来装置では、出糸ノズルから吐出されるポリマ溶液に加熱空気が吹き付けられるため、溶剤の揮発が促進される。この結果、出糸されたポリマ溶液の粘性が高くなって、その出糸を引き延ばし難くなり、出糸された繊維が太くなって、極細繊維の紡糸が困難であった。また、ポリマ溶液が加熱空気の吹き付けにより不安定に飛走されるため、意図した均一な密度の繊維層を作製することが困難であった。加えて、加熱空気によってポリマ溶液の溶媒が揮発し易くなるため、出糸ノズルやその周囲にポリマの塊が形成されるおそれもある。そして、このように塊が生じた場合は、この塊によって加熱空気流がさらに乱れたり、塊が紡糸の障害になったりして、高品質な紡糸が困難である。
【０００６】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。この発明の主な目的は、ポリマ溶液を充分に引き延ばして極細繊維よりなるウェブを作製することができるようにすることにある。
【０００７】
この発明の他の目的は、ポリマ溶液に機能材料等の微細粉末を混入させた場合にも、微細粉末の凝集を抑制して、機能材料が均一に分散された繊維を作製することができるようにすることにある。
【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、電界紡糸装置に係る発明は、貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、電位差に基づいて紡糸を行うようにした電界紡糸装置において、前記射出部内のポリマ溶液を貯留ケース内のポリマ溶液よりも高温で、かつ前記ポリマ溶液の溶媒の沸点以下の温度に加熱するための加熱手段を射出部に設けたことを特徴としている。
【０００９】
従って、この発明の電界紡糸装置においては、射出部のみが局部的に加熱されるため、貯留ケースが加熱される従来装置に比較して、貯留状態のポリマ溶液の加熱を抑制することができる。このため、熱によって変質しやすいポリマ溶液を使用して、極細繊維を紡糸することも可能になる。さらに、貯留ケース内でポリマ溶液が加熱されないため、ポリマ溶液に機能材料等の微細粉末を混入させて紡糸する場合でも、そのポリマ溶液の加熱に伴う粘度低下を防止でき、微細粉末の凝集を抑制できる。このため、機能材料を均一に分散させた繊維を作製することができる。しかも、紡糸に際して微細粉末の凝集に起因した射出部の詰まりが生じるおそれもない。
【００１０】
また、前記の構成において、前記加熱手段は前記射出部の外周に設けられたヒータより構成するとよい。
さらに、前記の構成において、前記射出部を金属によって形成するとともに、その射出部に電圧を印加し、さらに射出部は断熱材を介して前記貯留ケースに支持されるようにするとよい。このように構成した場合には、射出部を金属によって構成しても、貯留ケース側に熱が伝達されることを防止することができる。
【００１１】
さらに、前記の構成において、前記射出部を絶縁材よりなる貯留ケースと一体に形成するとともに、その貯留ケースの内部に電位差形成用の電極を設けるとよい。このように構成した場合には、貯留ケースの熱伝導率が低いため、前記のように断熱材を用いなくても、射出部から貯留ケース側に熱が伝達されることを抑制することができる。
【００１２】
さらに、前記の構成において、前記貯留ケースにポリマ溶液を冷却するための冷却手段を設けるとよい。このように構成した場合には、貯留ケース内のポリマ溶液の加熱を効果的に抑制することができる。
【００１３】
また、前記の構成において、前記ヒータの外殻を絶縁材により構成するとよい。このようにすれば、ヒータの外殻を通る漏電を防止できる。
さらに、前記の構成において、前記射出部の先端をヒータよりもコレクタ側に突出させるとよい。このように構成しても、射出部から射出されるポリマ溶液をコレクタに向かって適切に出糸できる。
【００１４】
電界紡糸方法に係る発明は、貯留ケースの先端の射出部からコレクタに向かってポリマ溶液を射出することにより、電位差に基づいて紡糸を行うようにした電界紡糸方法において、前記ポリマ溶液を前記射出部において貯留ケース内のポリマ溶液よりも高温で、かつ前記ポリマ溶液の溶媒の沸点以下の温度に加熱することを特徴とした。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、この発明によれば、多種類のポリマに対応することができて、極細繊維よりなるウェブを効率よく作製することができる等の優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下に、この発明の第１実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。
図１に示すように、ハウジング１１内には、ステンレススチールやアルミニウム合金等の金属ローラよりなり、図示しないモータにより一方向に連続回転されるコレクタ１２が支持されている。ハウジング１１内においてコレクタ１２の側方にはガラス等の絶縁材よりなる貯留ケースとしてのシリンジポンプ１３が対向配置され、そのシリンジポンプ１３の内部にはポリマ溶液１４が収容されている。シリンジポンプ１３の先端には、ポリマ溶液１４を射出するための金属よりなる射出部としてのニードル１５が取り付けられている。そして、シリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４がニードル１５の先端開口からコレクタ１２の方向に向かって射出される。前記ニードル１５には電源１６が接続されて高電圧が印加されて、ポリマ溶液１４に電荷が与えられる。前記コレクタ１２はアースされている。このため、前記ニードル１５とコレクタ１２との間には空間を介して電位差が与えられている。そして、ニードル１５の先端部１５ａから射出されたポリマ溶液１４が電位差に基づいて出糸されて、電界紡糸される。
【００１７】
なお、前記シリンジポンプ１３は１基あるいは複数基設置され、複数基の場合は、コレクタ１２の軸線方向に沿って図１の紙面と直交する方向に間隔をおいて設置される。
前記ハウジング１１の外側部には、濾紙や不織布等の紡糸基材１７を繰り出してハウジング１１内のコレクタ１２の外周に供給するための繰り出しローラ１８が配設されている。そして、コレクタ１２の外周に周回された紡糸基材１７の表面に、ニードル１５からのポリマ溶液１４が紡糸されて集積され、極細繊維よりなるウェブ状の繊維層１９が形成される。従って、コレクタ１２上において、前記紡糸基材１７と、その表面の繊維層１９とよりなる繊維積層体２０が作製される。ハウジング１１の外側部には巻き取りローラ２１が配設され、前記繊維積層体２０がガイドローラ２２を介してこの巻き取りローラ２１に巻き取られる。
【００１８】
図２に示すように、前記ニードル１５の先端部１５ａの外周には、加熱手段としてのヒータ２３が同先端部１５ａのほぼ全長にわたって設けられている。このヒータ２３は、中空円環状の絶縁材よりなる外殻としての容器２４内に加熱用オイル２５を収容して構成されている。そして、このヒータ２３により、ニードル１５の先端部１５ａ内のポリマ溶液１４が他の部分よりも高温で、かつポリマ溶液１４の溶媒の沸点以下の温度に加熱される。ここで、前記加熱用オイル２５は、図示しない熱源と前記容器２４の内部との間において循環される。そして、ポリマ溶液１４に対する加熱温度は、そのポリマ溶液１４の種類に応じて設定されるが、ポリマ溶液１４の溶媒の沸点よりも１０〜３０℃程度低い温度に設定することが好ましい。
【００１９】
なお、ポリマ溶液１４からフィルタ用に紡糸を行う場合、前記ポリマ溶液１４のポリマとしては、ポリエチレンテレフタレート，ナイロン等に代表される非水溶性ポリマや、ポリビニルアルコール等に代表される水溶性ポリマ，ポリ乳酸，ゼラチン等のタンパク質，デンプン等の多糖類等の生分解性ポリマがある。これらのポリマの溶媒としては、ギ酸，ジメチルホルムアシド，ジクロロメタン，クロロホルムのほか、水、もしくは水とアルコールとの混合溶媒がある。
【００２０】
前記シリンジポンプ１３の先端外周とニードル１５の基端内周との間には、円環状の断熱材２６が介装されている。そして、この断熱材２６を介してニードル１５がシリンジポンプ１３の先端に支持されており、このため、ニードル１５からシリンジポンプ１３側への熱の伝達が抑制される。
【００２１】
ニードル１５は、その先端がコレクタ１２の方向に向かって前記ヒータ２３の端面よりも突出している。
次に、前記のように構成された電界紡糸装置の動作を説明する。
【００２２】
さて、この電界紡糸装置の作動時には、コレクタ１２の回転により、繰り出しローラ１８から紡糸基材１７が繰り出されて、コレクタ１２の外周に周回される。このとき、ニードル１５の先端部１５ａからコレクタ１２の外周の紡糸基材１７に向かってポリマ溶液１４が射出される。そして、この射出されたポリマ溶液１４がニードル１５とコレクタ１２との電位差に基づいて紡糸されながら飛走され、基材１７の表面に紡糸によるウェブ状の繊維層１９が形成される。この繊維層１９の形成により、繊維積層体２０が作製されて、その繊維積層体２０がガイドローラ２２を介して巻き取りローラ２１に巻き取られる。
【００２３】
ここで、この実施形態においては、以下の効果がある。
（１）  前記ニードル１５からのポリマ溶液１４の射出に際して、ヒータ２３によりニードル１５の先端部１５ａのみのポリマ溶液１４が他の部分のポリマ溶液１４よりも高温で、かつポリマ溶液１４の溶媒の沸点以下の温度に加熱される。このため、先端部１５ａから射出されるポリマ溶液１４の粘度を低下させることができる。従って、射出されたポリマ溶液１４が細く引き延ばされて、極細繊維の繊維層１９を形成することができる。このため、この繊維層１９を有する繊維積層体２０をフィルタとして使用した場合には、フィルタの空隙率を大幅に低下させることなく、繊維層１９の繊維間の目を細かくすることができる。従って、フィルタに対して、低圧力損失であるにも関わらず、細かい塵埃等を有効に濾過できる機能を付与することができる。
【００２４】
（２）  しかも、紡糸に際して空気流を用いないため、繊維層１９は極細繊維が均一密度となるように形成される。
（３）  ニードル１５の基端内周とシリンジポンプ１３の先端外周との間に断熱材２６が介装されているため、ニードル１５の熱がシリンジポンプ１３側に伝達されることを抑制できる。よって、熱に不安定で変質しやすいポリマ溶液１４であっても、それを使用して、極細繊維を紡糸することが可能になる。このため、紡糸に使用できるポリマ溶液の種類を増やすことができる。
【００２５】
（４）  シリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４の加熱を抑制できるため、同ポンプ１３内のポリマ溶液１４を高粘度に維持することができる。従って、ポリマ溶液１４に機能材料等の微細粉末を混入させて紡糸する場合でも、そのポリマ溶液１４の粘度低下に起因する微細粉末の凝集のおそれがほとんどない。よって、機能材料を均一な分散状態で含有させて、その機能材料の機能を有効に発揮できる繊維層１９を形成することができる。また、微細粉末の凝集を抑制できるため、ニードル１５に詰まりが生じるおそれを防止することもできる。
【００２６】
（５）  紡糸に際して射出されるポリマ溶液１４の粘度を低くして、そのポリマ溶液１４を有効に引き延ばすことができるため、ニードル１５の先端等にポリマ溶液１４の塊等が形成されることを防止できる。このため、紡糸を塊等に邪魔されることなく、円滑に行うことができて、極細繊維を均一密度で紡糸することが可能となる。
【００２７】
（６）  ポリマ溶液１４を細いニードル１５の部分において、加熱するため、その加熱に要する熱量はわずかであって、省エネルギー運転が可能となる。
（７）  ヒータ２３の容器２４が絶縁材によって形成されているため、金属によって形成されている場合とは異なり、無駄な放熱の量が少なくなるばかりでなく、容器２４を介した漏洩電流の発生を防止できる。
【００２８】
（８）  ニードル１５の先端がヒータ２３よりもコレクタ１２側に突出しているため、ヒータ２３の一部とコレクタ１２との間の放電を防止できる。すなわち、ヒータ２３の外殻を構成する容器２４が絶縁材によって構成されたとしても、ヒータ２３の表面を電流が流れることがある。このような場合、ヒータ２３がコレクタに１２に向かって突出していると、ヒータ２３の外面とニードル１５の先端との間に電位差が生じ、ニードル１５の先端からのポリマ溶液１４がヒータ２３の外面を経由して出糸されおそれがある。このように、ヒータ２３の外面に向かって出糸されると、そのヒータ２３の外面にポリマの塊等が形成されることになるが、この実施形態においては、このような危惧は生じない。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を説明する。なお、以降の各実施形態及び変形例においては、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３０】
さて、この第２実施形態においては、図３に示すように、シリンジポンプ１３がガラス等の絶縁材により構成されるとともに、シリンジポンプ１３の先端に射出部としてのニードル１３ａが一体に形成されている。ニードル１３ａの外周には、その先端部から中間部付近にわたって延びるように、ヒータ２３が設けられている。シリンジポンプ１３の内部には電位差形成用の電極３１が配設され、この電極３１によって、ポリマ溶液１４に電荷が与えられる。
【００３１】
従って、この第２実施形態においては、特に、シリンジポンプ１３が金属よりも熱伝導率が低いガラス等の絶縁材により構成されているため、第１実施形態とは異なり、断熱材を用いなくても、ニードル１３ａからシリンジポンプ１３側へ熱が伝達されることを抑制することができる。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を説明する。
さて、この第３実施形態においては、図４に示すように、シリンジポンプ１３の周壁が内壁部３２と外壁部３３とによりジャケット構造となるように形成されている。そして、このシリンジポンプ１３の内壁部３２と外壁部３３との間に、シリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４を冷却するための冷却水３４が収容されている。この冷却水３４は、図示しない冷却源との間を循環され、一定温度に維持される。
【００３３】
従って、この第３実施形態においては、冷却手段を構成するジャケット構造の内部の冷却水３４によりシリンジポンプ１３内のポリマ溶液１４の加熱を積極的に抑制することができる。従って、特に熱によって変質しやすいポリマ溶液や、微細粉末を混入したポリマ溶液の紡糸に有効である。
【００３４】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。
この第４実施形態においては、図５に示すように、ニードル１５が金属製の場合、ニードル１５の先端の内周側がコレクタ１２側に向かって突出するように、同ニードル１５の先端を先鋭状に形成している。
【００３５】
従って、この第４実施形態においては、ニードル１５の先端がヒータ２３の容器２４から離隔するため、ニードル１５の先端からのポリマ溶液１４をコレクタ１２に向かって有効に出糸させることができる。
【００３６】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。
この第５実施形態においては、図６に示すように、コレクタ１２が一対のローラ２７と、その両ローラ２７間に掛け渡された薄板金属製の無端ベルト２８とにより構成されている。無端ベルト２８はアースに接続されている。そして、ニードル１５は、両ローラ２７間における無端ベルト２８に対向していて、その両ローラ２７間における無端ベルト２８上の紡糸基材１７に対して紡糸が行われる。
【００３７】
従って、この第５実施形態においては、平面状態の紡糸基材１７に対して紡糸が実行されるため、繊維層１９を紡糸基材１７の表面に沿って無理なく円滑に行うことができる。
（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
【００３８】
・  図７に示すように、ハウジング１１に対して複数のシリンジポンプ１３を、それらの先端のニードル１５のみがハウジング１１の内部に突出するように装着するとともに、ハウジング１１内には内部空間を加熱して、各ニードル１５を所定温度に維持するための加熱装置３５を設けること。このように構成すれば、シリンジポンプ１３に加熱手段を設ける必要がない。
【００３９】
・  前記各実施形態において、ニードル１５を加熱する加熱手段としてヒートバンド等の異なる構成を用いること。
・  前記第１及び第３実施形態において、ニードル１５自体を加熱手段としてのヒータによって構成すること。この場合は、例えば、チタン酸バリウム磁器等のセラミックヒータを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態の電界紡糸装置を示す断面図。
【図２】図１の電界紡糸装置におけるニードル部分を拡大して示す要部断面図。
【図３】第２実施形態においてニードル部分を示す要部断面図。
【図４】第３実施形態においてニードル部分を示す要部断面図。
【図５】第４実施形態においてニードル部分を示す要部断面図。
【図６】第５実施形態の電界紡糸装置を示す断面図。
【図７】電界紡糸装置の変更例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１２…コレクタ、１３…シリンジポンプ、１３ａ…射出部、１４…ポリマ溶液、１５…ニードル、１６…電源、２３…加熱手段としてのヒータ、２６…断熱材、３１…電極、３２…冷却手段としての内壁部、３３…冷却手段としての外壁部、３５…加熱手段としての加熱装置。
【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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