(57)【要約】【課題】回転体コレクタが回転するときに生じる空気流を抑制し、配向性の高いナノ・ファイバを得ることのできるナノ・ファイバ製造装置を提供する。【解決手段】繊維の素材と揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、回転体コレクタと、ノズルと回転体コレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたナノ・ファイバ製造装置において、回転体コレクタ６の回転により生じる回転体コレクタ６表面の空気流によって、ノズルから吐出される回転体コレクタ６に向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたナノ・ファイバ製造装置。前記空気流制限手段は、回転体コレクタ６のノズルに面した側が露出するような開口３０ａを有し、開口３０ａから突出する部分とその他の部分を空間的に区画するフードカバー３０とすることができる。【選択図】図２
2008202168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維の素材と揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、回転体コレクタと、前記ノズルと前記回転体コレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたナノ・ファイバ製造装置において、
前記回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流によって、前記ノズルから吐出される前記回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたことを特徴とするナノ・ファイバ製造装置。
【請求項２】
前記空気流制限手段は、前記回転体コレクタの前記ノズルに面した側が露出するような開口を有し、前記開口から突出する部分とその他の部分を空間的に区画するフードカバーである請求項１記載のナノ・ファイバ製造装置。
【請求項３】
前記空気流制限手段は、前記回転体コレクタの側部に、同回転体コレクタ表面よりも突出する状態に形成した羽根である請求項１記載のナノ・ファイバ製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ・ファイバ製造装置に関し、特に、エレクトロスピニング法を用いて紡糸口から吐出される紡糸ジェットを回転体コレクタ上に集積する際の空気流の影響を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生医療工学、創傷材料、ドラッグデリバリー等のヘルスケアの分野、生体分子の精製や汚染水質の浄化を目的としたアフィニティ膜、センサー等のバイオテクノロジー・環境工学の分野、ポリマーバッテリー、色素増感太陽電池、高分子膜燃料電池等のエネルギー分野、あるいは、複合材料の強化材、対バイオテロ攻撃、ガス攻撃を想定した防護服等の防護・セキュリティーの分野等の広い分野において、ミクロン（μｍ）未満のナノオーダーの径（例えば数ｎｍ〜数百ｎｍ）を有する繊維（ナノ・ファイバ）が注目されている。
【０００３】
このようなナノ・ファイバを製造する技術の一つに、エレクトロスピニング法がある。このエレクトロスピニング法は、例えば特許文献１に開示されているように、繊維の素材となるポリマーと揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、平板状のコレクタと、ノズルとコレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたものである。
【０００４】
この装置において、ノズルとコレクタとの間に高電圧を印加した状態でノズル先端の紡糸口から溶液を押し出すと、紡糸口先端のポリマー溶液の液滴は＋（または−）に帯電し、異極に帯電（アース）しているコレクタに向かう電気力線に沿って作用する静電力（クーロン力）により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、ポリマー溶液の紡糸ジェットがコレクタに向かって連続的に噴射される。このとき、ポリマー溶液中の溶媒は揮発し、コレクタに到達する際には、ポリマーの繊維のみとなり、ナノレベルの細さのナノ・ファイバとなる。なお、ナノ・ファイバの原料としては、有機物のポリマーのみならず、金属酸化物、セラミック等の無機物をゾルーゲル法によって、ナノ・ファイバ形状に紡糸することも可能である。
【０００５】
紡糸口から噴射される紡糸ジェットは、紡糸口からコレクタに到達する間に、紡糸口とコレクタとの間の電気力線の分布の影響により、螺旋軌道を描くことが知られている（例えば、非特許文献１，２参照）。その結果、コレクタ上に集積されたナノ・ファイバはランダムに配向し、これがコレクタ上で集積されると不織布状となる。
【０００６】
この配向を制御するため、円筒状の回転体コレクタが使用されている（例えば、特許文献２参照）。この回転体コレクタを用い、紡糸ジェットの移動速度よりも速い回転速度で紡糸ジェットを巻き取ることで、配向性ファイバサンプルの作製が可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３０６２４号公報（段落００３６〜００４０、図３）
【特許文献２】特開２００５−２６４３８６号公報（段落０００２、図１）
【非特許文献１】エー．エル．ヤリン（A. L. Yarin）ら, "ベンディング・インスタビリティ・イン・エレクトスピニング・オブ・ナノファイバ（Bending instability in electrospinning of nanofibers）", ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）, 89巻, 第５号, ２００１年３月１日，ｐ．3018-3026
【非特許文献２】エー．エル．ヤリン（A. L. Yarin）ら, "テイラー・コーン・アンド・ジェッティング・フロム・リキッド・ドロップレッツ・イン・エレクトロスピニング・オブ・ナノファイバ（Taylor cone and jetting from liquid droplets in electrospinning of nanofibers）", ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）, ９０巻, 第９号，２００１年９月１日，ｐ．4836-4846
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、ナノ・ファイバの配向性を高めるためには、回転体コレクタの回転速度を上げる必要がある。しかし、回転体コレクタの回転数を上げても、回転体コレクタ上に集積されるナノ・ファイバの配向性が思うように高くならないという問題が生じた。その原因を究明した結果、回転体コレクタの回転速度を上げると、回転数と比例して回転体コレクタの周囲に起こる空気流が大きくなることが判明した。この空気流が、紡糸ジェットの回転体コレクタ表面への進行およびコレクタ上での配向を乱す原因となる。特に、エレクトロスピニング装置を筐体で囲んだ装置においては、限られた筐体内での空気の流れが不規則になって、この影響が大きくなる。
そこで本発明は、回転体コレクタが回転するときに生じる空気流を抑制し、配向性の高いナノ・ファイバを得ることのできるナノ・ファイバ製造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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、繊維の素材と揮発性の溶媒との溶液を噴射するノズルと、回転体コレクタと、前記ノズルと前記回転体コレクタとの間に高電圧を印加する高圧電源とを備えたナノ・ファイバ製造装置において、前記回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流によって、前記ノズルから吐出される前記回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
ナノ・ファイバ製造装置において、回転体コレクタが回転すると、回転体コレクタ表面に接している空気も、空気の粘性により回転体コレクタとともに回転しようとする（回転体コレクタの表面から距離が離れるにつれて、空気は動かなくなる）。一方、ノズルから噴射される荷電された紡糸ジェットは、異極電位または接地電位である回転体コレクタに向かって進行する。このとき、紡糸ジェットの進行方向と、回転体コレクタ表面の空気流の進行方向が交差するため、紡糸ジェットの軌道が乱され、回転体コレクタ上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性が悪くなる。
【００１１】
そこで、本発明のように、空気流制限手段を設けることで、紡糸ジェットの進行方向と交差する空気流を制限し、配向性の悪化を低減する。これにより、配向性の高いナノ・ファイバを得ることができる。
【００１２】
前記空気流制限手段は、回転体コレクタのノズルに面した側が露出するような開口を有し、開口から突出する部分とその他の部分を空間的に区画するフードカバーとすることができる。このようなフードカバーを回転体コレクタに被せることで、回転体コレクタの回転とともに回転しようとする空気流を低減する。
【００１３】
また、前記空気流制限手段は、回転体コレクタの側部に、同回転体コレクタ表面よりも突出する状態に形成した羽根とすることができる。
【００１４】
回転体コレクタ表面に接する空気は、回転体コレクタとともに回転するとき、遠心力で回転体コレクタの表面から法線方向に飛ばされようとするため、回転体コレクタの表面の空気密度が小さくなり、陰圧状態となる。その陰圧状態を解消しようとして、回転体コレクタの側部の空気が回転体コレクタの表面に向かって入り込むような空気の流れとなる。この空気の流れを制限するために、回転体コレクタの側部に突出状態に羽根を設ける。これによって、回転体コレクタの表面に補充される空気流を制限し、回転体コレクタの回転によって生じる空気流による紡糸ジェットの軌道の乱れを低減して、回転体コレクタ上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ナノ・ファイバ製造装置において、回転体コレクタの回転により生じる同回転体コレクタ表面の空気流によって、ノズルから吐出される回転体コレクタに向かう紡糸ジェットの軌道が乱されることを抑制する空気流制限手段を設けたことにより、配向性の高いナノ・ファイバを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係るナノ・ファイバ製造装置の概要を示す正面図、図２は本発明の空気流制限手段の実施の形態１に係るフードカバーを示す説明図であり、（ａ）は正断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側断面図、図３は本発明の空気流制限手段の実施の形態２に係る羽根を示す説明図である。
【００１７】
図１において、本実施の形態のナノ・ファイバ製造装置は、扉（図示せず）によって密閉・開放される筐体１の内部に、繊維の素材となるポリマーと揮発性の溶媒との溶液を入れたシリンジ２と、シリンジ２内の原料と溶媒との溶液を押し出すシリンジモータ３と、可撓性の溶液供給チューブ４と、紡糸口５ａを有するノズル５と、回転軸６ａの回りに回転駆動される回転体コレクタ６と、ノズル５の導電部と高圧電源（図示せず）の出力端子とを接続する高圧ケーブル７とを設置している。
【００１８】
シリンジ２はシリンジ固定台８に取り外し可能に固定され、シリンジ２内の溶液を押し出すプランジャーを押圧する押板１０は、シリンジモータ３によって回転駆動されるネジ軸９により駆動される。
【００１９】
ノズル５は、導電体からなる取付ベース１１に導通状態に装着され、高圧ケーブル７を取付ベース１１にコネクタ接続することにより、ノズル５に高電圧を印加できるようにする。取付ベース１１はベースホルダ１２に取り付けられ、ベースホルダ１２は、電気的に絶縁された状態で水平方向スライドレール１３に移動自在に設置される。ベースホルダ１２は、水平駆動装置（図示せず）により、水平方向スライドレール１３に沿って水平動自在に駆動される。
【００２０】
回転体コレクタ６は、回転軸６ａを回転自在に受ける軸受を有する基台１４により支持され、カップリング１５を介して駆動モータ（図示せず）の出力軸１６と連結される。回転体コレクタ６は、軸受等を介してアースに接続され、ノズル５との間に高電圧が掛かるようになっている。
【００２１】
なお、図中１７は、紡糸開始時にノズル５の紡糸口５ａの目詰まりを清掃するノズルクリーナ、１８は水平方向スライドレール１３を昇降自在に支持するためのサポートシャフト、１９は水平方向スライドレールを昇降駆動するための３０度台形ネジ、２０は電源入切スイッチ、２１は電源ケーブルが接続されていることを表示するためのプライマリーランプ、２２は電源入切スイッチ１９が投入されたときに点灯するパワーオンランプ、２３は各種設定や動作プログラムを入力するためのテンキー及び演算キー、２４は設定内容や動作状況を表示するディスプレイ、２５はパワーボタン、２６はリセットキー、２７は非常時に全ての動作を停止させる緊急停止ボタン、２８は筐体１内の空気を浄化して外部に排気するための排気筒である。
【００２２】
なお、本実施の形態において、溶液供給チューブ４は、水平方向に移動する取付ベース１１に取り付けられているノズル５と、シリンジ固定台８に固定されているシリンジ２とを屈曲自在に接続するために設けられるが、ノズル５に直接シリンジ２を結合することで、溶液供給チューブ４を省略することができる。この場合、シリンジ２のプランジャーを押圧するエアーポンプ等の動力源を筐体１側に固定し、その動力源であるエアーポンプ等とシリンジ２のプランジャーとの間をエアーチューブ等で接続する構成とすることができる。そうすることで、溶液供給チューブ４内に滞留する溶液が無駄になったり内部の清掃が必要になったりすることを防止できる。
【００２３】
次に、このナノ・ファイバ製造装置の動作について説明する。
まず、ノズル５を回転体コレクタ６上の所定の位置に移動させ、回転体コレクタ６を所定の回転数で回転させ、シリンジモータ３を駆動してシリンジ２内のポリマー溶液をノズル５に供給する。ノズル５と回転体コレクタ６間に高電圧が印加されていない状態では、ポリマー溶液は、ノズル５の先端の紡糸口５ａの先端部において、表面張力で留まっている。紡糸口５ａと回転体コレクタ６との間に、例えば数ｋＶ〜３０ｋＶの高電圧を印加すると、紡糸口５ａ先端のポリマー溶液の液滴は＋に帯電し、異極（またはアース電位）に帯電している回転体コレクタ６に向かう静電力により吸引される。静電力が表面張力よりも越えると、ポリマー溶液の紡糸ジェットが回転体コレクタ６に向かって連続的に噴射される。
【００２４】
紡糸ジェットの先端は、回転体コレクタ６により連続的に巻き取られる。このとき、ノズル５を回転体コレクタ６の回転軸６ａの長手方向に往復動させることにより、所定の長さの範囲で、ナノ・ファイバを回転体コレクタ６上に巻き取ることができる。
【００２５】
次に、本発明の空気流制限手段の実施の形態について説明する。
空気流制限手段の実施の形態１に係るフードカバー３０は、図２に示すように、回転体コレクタ６の基台１４に取り付けられるものであり、回転体コレクタ６のノズル５に面した側が露出するような開口３０ａを有し、開口３０ａから露出する部分とその他の部分を空間的に区画する。これにより、回転体コレクタ６が回転するとき、回転体コレクタ６の周囲の空気がノズル５下部の紡糸側領域に巻き込まれる量を減らし、ナノ・ファイバの配向性の乱れが低減するようにする。
【００２６】
空気流制限手段の実施の形態２に係る羽根３１は、図３に示すように、回転体コレクタ６の側部に、回転体コレクタ６表面よりも突出する状態に形成したものである。羽根３１は、回転体コレクタ６の側部から回転体コレクタ６の表面へ流れ込む空気を防ぐだけでなく、表面から側部へと流れる気流を発生させるような機能を果たす。
【００２７】
上述したように、回転体コレクタ６表面に接する空気は、回転体コレクタ６とともに回転するとき、遠心力で回転体コレクタ６の表面から法線方向に飛ばされようとするため、回転体コレクタ６の表面の空気密度が小さくなり、陰圧状態となる。その陰圧状態を解消しようとして、回転体コレクタ６の側部の空気が回転体コレクタ６の表面に向かって入り込むような空気の流れとなる。この空気の流れを制限するために、回転体コレクタ６の側部に突出状態に羽根３１を設ける。これによって、回転体コレクタ６の表面に補充される空気流を制限し、回転体コレクタ６の回転によって生じる空気流による紡糸ジェットの軌道の乱れを低減して、回転体コレクタ６上に巻き取られるナノ・ファイバの配向性を高めることができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態においては、ナノ・ファイバ製造装置を筐体１で囲んだ例について説明したが、筐体１で囲まないオープンな構造のナノ・ファイバ製造装置についても本発明を適用することができる。
【００２９】
本発明によれば、回転体コレクタ６表面（紡糸ジェット付着部）で生じる風の量を減らすことができ、その結果、紡糸ジェットの回転体コレクタへ６の進行を妨げることなく、高速で回転する回転体コレクタ６による巻き取りが可能となる。
【００３０】
実験結果によると、Ａ３版程度の面積の配向性ファイバサンプル作製が可能となった。用途によっては、配向性ファイバサンプルが必要となるため、本技術によりナノ・ファイバの用途拡大、また開発促進を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、回転体コレクタが回転するときに生じる空気流を抑制し、配向性の高いナノ・ファイバを得ることのできるナノ・ファイバ製造装置として、ヘルスケアの分野、バイオテクノロジー・環境工学の分野、エネルギー分野、あるいは、防護・セキュリティーの分野等の広い分野において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るナノ・ファイバ製造装置の概要を示す正面図である。
【図２】本発明の空気流制限手段の実施の形態１に係るフードカバーを示す説明図であり、（ａ）は正断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側断面図である。
【図３】本発明の空気流制限手段の実施の形態２に係る羽根を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  筐体
２  シリンジ
３  シリンジモータ
４  溶液供給チューブ
５  ノズル
５ａ  紡糸口
６  回転体コレクタ
６ａ  回転軸
７  高圧ケーブル
８  シリンジ固定台
９  ネジ軸
１０  押板
１１  取付ベース
１２  ベースホルダ
１３  水平方向スライドレール
１４  基台
１５  カップリング
１６  出力軸
１７  ノズルクリーナ
１８  サポートシャフト
１９  ３０度台形ネジ
２０  電源入切スイッチ
２１  プライマリーランプ
２２  パワーオンランプ
２３  テンキー及び演算キー
２４  ディスプレイ
２５  パワーボタン
２６  リセットキー
２７  緊急停止ボタン
２８  排気筒
３０  フードカバー
３０ａ  開口
３１  羽根
【図１】
2008202168.tif 000003
【図２】
2008202168.tif 000004
【図３】
2008202168.tif 000005