(57)【要約】【課題】テイラーコーンを安定的に維持して製造効率を向上させるようにしたナノファイバ製造方法及び装置を提供する。【解決手段】セルロース系ポリマーを溶媒に溶解させた溶液２５を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズル１３の先端から出して、先端開口１３ａにテイラーコーン４４を形成する。電源により、溶液２５とコレクタとの間に電圧をかけて、テイラーコーン４４からコレクタにファイバを紡糸ジェット４５として噴出する。送風管２０により、ノズル１３の外周面との間の送風スリット２１から、テイラーコーン４４の周面に、５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度の冷却気体４３を送る。テイラーコーン４４からの溶媒の蒸発が抑えられ、表面が固化して皮が形成される液玉の発生が抑えられる。液玉に起因する製造不良が無くなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、前記溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、前記溶液から前記コレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造方法において、
前記ノズルの先端から出た前記溶液の周面に５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度の気体を送るナノファイバ製造方法。
【請求項２】
前記ノズルの外側に前記ノズルと同心で配され前記ノズルの外周面との間に送風スリットが形成される送風管を有し、前記送風スリットから前記気体が送風される請求項１記載のナノファイバ製造方法。
【請求項３】
前記送風管の先端は前記ノズルの先端よりも突出し、前記送風管の突出している先端部により前記ノズルから出た前記溶液を覆う請求項２記載のナノファイバ製造方法。
【請求項４】
前記送風管の突出している先端部は内部に冷却媒体が循環される冷却部を有する請求項３記載のナノファイバ製造方法。
【請求項５】
前記送風スリットからの前記気体の流速は５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内の一定流速である請求項２から４いずれか１項記載のナノファイバ製造方法。
【請求項６】
セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、前記溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、前記溶液から前記コレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造方法において、
前記ノズルの先端から出た前記溶液の周面を冷却管で覆って、前記溶液の周面の温度を５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度に保持するナノファイバ製造方法。
【請求項７】
前記冷却管は、前記ノズルの外側に前記ノズルと同心で配され、内部に冷却媒体が循環され、前記冷却管の先端は前記ノズルの先端よりも突出し、前記冷却管の突出している先端部により前記ノズルの先端から出ている前記溶液を覆う請求項６記載のナノファイバ製造方法。
【請求項８】
セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、前記溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、前記溶液から前記コレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造装置において、
前記ノズルの外側に前記ノズルと同心で配され前記ノズルの外周面との間に送風スリットが形成されている送風管と、
前記送風スリットから５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度の気体を送る冷却気体供給部と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項９】
前記送風管の先端は前記ノズルの先端よりも突出し、前記送風管の突出している先端部により前記ノズルから出ている前記溶液を覆う請求項８記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１０】
前記送風管の突出している先端部は内部に冷却媒体が循環される冷却部を有する請求項９記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１１】
前記冷却気体供給部は、前記送風スリットからの前記気体の流速を５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内の一定流速にして供給する請求項８から１０いずれか１項記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１２】
セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、前記溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、前記溶液から前記コレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造装置において、
前記ノズルの外側に前記ノズルと同心で配され、内部に冷却媒体が循環される冷却管を有し、
前記冷却管の先端は前記ノズルの先端よりも突出し、前記冷却管の突出している先端部により、前記ノズルから出ている前記溶液を覆い、前記溶液の周面の温度を５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度に保持する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、ナノファイバ製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば数ｎｍ以上１０００ｎｍ未満のナノオーダの径を有する繊維（ナノファイバ）は、バイオフィルタ、センサ、燃料電池電極材、精密フィルタ、電子ペーパ、あるいはヒートパイプのウィック等の製品の素材として利用することができ、工学や医療等の各分野においての用途開発が盛んに行われている。
【０００３】
ナノファイバを製造する方法の一つに、電界紡糸法（エレクトロスピニング法）がある。電界紡糸法は、ノズルとコレクタと電源とを有する電界紡糸装置(エレクトロスピニング装置）を用いて行われる（特許文献１参照）。この電界紡糸装置では、電源によりノズルとコレクタとの間に電圧を印加し、例えば、ノズルをマイナス、コレクタをプラスに帯電させる。
【０００４】
電圧を印加した状態でノズルから原料である溶液を出すと、ノズルの先端の開口（以下、先端開口と称する）にテイラーコーンと呼ばれる溶液で構成される円錐状の突起が形成される。印加電圧を徐々に増加し、クーロン力が溶液の表面張力を上回ると、テイラーコーンの先端から溶液が飛び出し、紡糸ジェットが形成される。紡糸ジェットはクーロン力によってコレクタまで移動し、コレクタ上でナノファイバとして収集される。
【０００５】
ノズルから送られる溶液に、揮発性の高い溶媒を使用する場合には、先端開口で溶液が固化し、詰まることがある。また、ある程度固化した溶液が先端開口から離れると、コレクタ上に集積されたナノファイバの収集面に、固化した溶液が落ちてしまうことがある。このように溶液の詰まりや固化によって、製品の品質の低下や、製品としての使用が不可能になる。このため、特許文献２では、クリーニング手段を用いて、先端開口に柔軟部材を接触させて固化した溶液を除去したり、先端開口を吸引して固化した溶液を除去したりしている。
【０００６】
特許文献３では、ノズルの先端開口から所定距離だけ離した位置にエア吹付部を設け、紡糸ジェットの進行方向にエア吹付部によりエアを吹き付けて、紡糸ジェットのコレクタへの移動を促進させ、ナノファイバの製造量を増加させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３０６２４号公報
【特許文献２】特開２００８−２０２１６９号公報
【特許文献３】特開２０１４−４７４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に示されるように、ノズルをクリーニングステーションに移動させて先端開口に柔軟部材を接触させて固化した溶液を除去する方法では、先端開口に柔軟部材を接触させることにより、柔軟部材やノズルが撓む。そして、柔軟部材が先端開口から離れた際に撓んだ部材やノズルが元の姿勢に戻り、この戻る際の勢いで柔軟部材や先端開口に付着している固化した溶液を跳ね飛ばしてしまうことがあり、長時間の安定した製造が難しいことがある。
【０００９】
また、吸引による先端開口のクリーニングでは、蒸発の早い溶媒の場合には固化した溶液がかなり硬くなるため、強い吸引が必要になる。そのために紡糸エリア（紡糸装置内の紡糸が行われるエリア）の風の流れに乱れが生じて、コレクタ上に積層するナノファイバが均一でなくなり、製品の品質が著しく低下することがある。
【００１０】
ところで、たとえばポリビニルアルコールの希薄水溶液のような原料を用いると、テイラーコーンが安定的に形成され、紡糸ジェット及びファイバの飛翔も安定する。しかし、溶媒の揮発速度が速い溶液では、テイラーコーンがうまく形成できず、ノズルから押し出された溶液の表面の溶媒が早く蒸発することによって、液玉が発生することがある。液玉は、テイラーコーンが変形して略球状になっており、表面は溶媒蒸発により粘度が上昇して皮が形成され、内部は溶媒濃度の高い溶液のままになっている。液玉が発生してしまうと、十分に電荷がかかっていても、表面からの溶液の吹き出しが困難になり、紡糸ジェットが噴出しても飛翔が不連続になって均一な太さのナノファイバの形成が困難になる。
【００１１】
また、液玉は装置の振動などによって落下することがある。この場合には、集積したナノファイバが製品として使用できなくなったり、例えば不織布としての品質が低下したりする。
【００１２】
このように、特許文献２の電界紡糸方法では、ノズル先端での溶液の固化が原因で液玉が発生しているのに、対症療法的に液玉を洗浄して取り除くだけであり、根本的な解決には至っていない。
【００１３】
特許文献３の電界紡糸装置では、紡糸ジェットの進行方向にエア吹付部によりエアを吹き付けて、紡糸ジェットのコレクタへの移動を促進させ、ナノファイバの製造量を増加させている。しかし、目的は紡糸ジェットのコレクタへの移動促進であり、液玉の抑制については考慮されていない。
【００１４】
以上のように、従来の電界紡糸装置においては、テイラーコーンの液玉に関して十分な検討がなされていないのが現状である。本発明は、上記問題点に鑑み、テイラーコーンを安定的に維持して製造効率を向上させることができるナノファイバ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】
【００１５】
本発明のナノファイバ製造方法は、セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、溶液からコレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造方法であって、ノズルの先端から出た溶液の周面に５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度の気体を送るものである。
【００１６】
なお、ノズルの外側にノズルと同心で配されノズルの外周面との間に送風スリットが形成される送風管を有し、送風スリットから気体が送風されることが好ましい。また、送風管の先端はノズルの先端よりも突出し、送風管の突出している先端部によりノズルから出た溶液を覆うことが好ましい。送風管の突出している先端部は内部に冷却媒体が循環される冷却部を有することが好ましい。送風スリットからの気体の流速は５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内の一定流速であることが好ましい。
【００１７】
本発明のナノファイバ製造方法は、セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、溶液からコレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造方法であって、ノズルの先端から出た溶液の周面を冷却管で覆って、溶液の周面の温度を５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度に保持するものである。
【００１８】
なお、冷却管は、ノズルの外側にノズルと同心で配され、内部に冷却媒体が循環され、冷却管の先端はノズルの先端よりも突出し、冷却管の突出している先端部によりノズルの先端から出ている溶液を覆うことが好ましい。
【００１９】
本発明のナノファイバ製造装置は、セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、溶液からコレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造装置であって、ノズルの外側にノズルと同心で配されノズルの外周面との間に送風スリットが形成されている送風管と、送風スリットから５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度の気体を送る冷却気体供給部とを備えるものである。
【００２０】
なお、送風管の先端はノズルの先端よりも突出し、送風管の突出している先端部によりノズルから出ている溶液を覆うことが好ましい。また、送風管の突出している先端部は内部に冷却媒体が循環される冷却部を有することが好ましい。冷却気体供給部は、送風スリットからの気体の流速を５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内の一定流速にして供給することが好ましい。
【００２１】
本発明のナノファイバ製造装置は、セルロース系ポリマーが溶媒に溶解している溶液を、５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度としてノズルの先端から出し、溶液とコレクタとの間に電圧をかけて、溶液からコレクタにファイバを噴出するナノファイバ製造装置であって、ノズルの外側にノズルと同心で配され、内部に冷却媒体が循環される冷却管を有し、冷却管の先端はノズルの先端よりも突出し、冷却管の突出している先端部により、ノズルから出ている溶液を覆い、溶液の周面の温度を５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度に保持するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ノズル先端から出た溶液を冷却することができ、溶媒の蒸発速度が抑制される。したがって、蒸発速度の高い溶液であっても電界紡糸を安定的に行える。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のナノファイバ製造装置の概略を示す側面図である。
【図２】ノズル及び送風管の先端部を示す断面図である。
【図３】ノズル及び送風管の先端を同一位置とした別実施形態を示す断面図である。
【図４】送風管の外側にガイド筒を有する別実施形態を示す断面図である。
【図５】送風管の先端部内に冷却部を有する別実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明のナノファイバ製造装置１０は、セルロース系ポリマーが溶媒に溶解した溶液２５からナノファイバ４６を製造するためのものである。ナノファイバ製造装置１０は、紡糸室１１と、溶液供給部１２と、電界紡糸ノズル（以下、単にノズルと称する）１３と、冷却気体供給部１４と、集積部１５と、電源６２とを備える。紡糸室１１は、例えば、ノズル１３、溶液供給部１２の配管３２、冷却気体供給部１４及び集積部１５の一部などを収容して、密閉可能に構成されており、溶媒ガスが外部に洩れることを防止している。溶媒ガスは、溶液２５の溶媒が気化したものである。
【００２５】
紡糸室１１内の上部には、ノズル１３が配される。ノズル１３は、後述のように電源６２により例えばマイナス（−）に帯電された状態で溶液２５を出すためのものである。図２に示すように、ノズル１３は円筒から構成されている。ノズル１３の外側にはノズル１３と同心で送風管２０が配される。送風管２０は、ノズル１３の外周面との間に送風スリット２１を形成するように、内径がノズル１３の外径よりも大きく形成されている。
【００２６】
ノズル１３は、例えば外径が０．６ｍｍで内径が０．４ｍｍのステンレス製であり、先端開口１３ａの周りの先端開口縁部１３ｂが筒心方向に直交するように切断されている。この切断面である先端開口縁部１３ｂは、平坦に研磨されている。
【００２７】
送風管２０は例えば外径が１１ｍｍで内径が１０ｍｍのステンレス製であり、ノズル１３の筒心と送風管２０の筒心とが一致するように、図示省略のスペーサによりノズル１３を保持している。ノズル１３及び送風管２０の材質はステンレスの他に、例えばアルミニウム合金、銅合金、チタン合金等の導電性材料で構成してもよい。なお、電界紡糸のためには、溶液２５はいずれかの場所で金属部材に接し、電圧が印加されていればよい。したがって、いずれかの場所で電圧が印加されていれば、先端開口１３ａは必ずしも導電性材料である必要はない。
【００２８】
送風管２０の先端２０ａは、先端開口１３ａに対して例えば１０ｍｍ程度の突出量Ｌ１で突出している。この突出した送風管２０の先端部２０ｂによって、ノズル１３から出た溶液２５からなるテイラーコーン４４が覆われる。突出量Ｌ１はノズル１３及び送風管２０の内径の大きさに対応して変えることが好ましく、テイラーコーン４４を覆って、テイラーコーン４４が冷却気体４３により一定温度に保持されるような突出量Ｌ１とすることが好ましい。
【００２９】
図１に示すように、ノズル１３の基端には、溶液供給部１２の配管３２が接続されている。溶液供給部１２は、紡糸室１１のノズル１３に溶液２５を供給するためのものである。溶液供給部１２は、貯留容器３０とポンプ３１と配管３２とを備える。貯留容器３０は溶液２５を５℃以上４０℃以下の範囲内の一定温度として貯留する。これにより、ノズル１３から出る溶液２５の温度を、５℃以上４０℃以下の範囲内にしている。５℃未満では貯留容器３０内で結露によって水分が混入するため好ましくない。また、４０℃を超えると、溶液２５中の溶媒の蒸発が抑制しにくくなり、好ましくない。
【００３０】
ポンプ３１は、配管３２を介して溶液２５をノズル１３に送る。ポンプ３１の回転数を変えることにより、ノズル１３から送り出す溶液２５の流量を調節することができる。本実施形態においては、溶液２５の流量を４ｃｍ３／時としているが、流量はこれに限定されない。ポンプ３１によってノズル１３に溶液２５が送られると、図２に示すように、ノズル１３の先端開口１３ａには溶液２５によって略円錐状のテイラーコーン４４が形成される。なお、貯留容器３０やポンプ３１からなる溶液供給部１２を用いているが、ノズル１３に供給する溶液２５が少量である場合には、図示省略のシリンジを用いてもよい。
【００３１】
図１に示すように、送風管２０の基端には、冷却気体供給部１４の配管３８が接続されている。冷却気体供給部１４は、ブロア３５と、流量調節バルブ３６と、冷却器３７と、配管３８とを備える。ブロア３５は空気を圧縮する。なお、冷却気体４３として空気を用いているが、炭酸ガス等の不活性ガスを用いてもよい。不活性ガスを用いる場合にはブロア３５に代えて、不活性ガス供給源を接続する。冷却気体供給部１４の一部である冷却器３７は紡糸室１１内に配置しているが、紡糸室１１外に配置してもよい。
【００３２】
流量調節バルブ３６は、送風管２０の送風スリット２１からの冷却気体４３の送り量を調節する。送り量の調節によって、送風スリット２１から溶液２５の外周面への冷却気体４３の流速を５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内で一定流速にする。冷却気体４３の流速を５ｍｍ／秒以上５０ｍｍ／秒以下の範囲内にすることで、テイラーコーン４４を冷却気体４３により包んで冷却することができる。なお、冷却気体４３の速度が５ｍｍ／秒以上であると５ｍｍ／秒未満に比べてテイラーコーン４４の周囲を確実に冷却することができ、液玉の発生が抑えられる。また、テイラーコーン４４の表面の一部分が硬くなることによる紡糸ジェット４５の紡糸方向の不安定や、分布の不均一が抑えられる。冷却気体４３の速度が５０ｍｍ／秒以下であると、５０ｍｍ／秒を超える場合に比べて、テイラーコーン４４から飛翔した紡糸ジェット４５への過冷却が抑えられ、紡糸ジェット４５からの溶媒の蒸発が阻害されることがなく、ナノファイバ４６を確実に得ることができる。
【００３３】
冷却器３７は、流量調節バルブ３６を経た空気を５℃以上１５℃以下の範囲内の一定温度に冷却する。冷却器３７は、冷却媒体を用いるものや、その他の各種冷却方式を用いたものが使用可能である。５℃未満では、紡糸エリアでの温湿度条件によってはノズル１３から出す溶液２５に、紡糸エリアの気相（装置内の雰囲気ガス＝通常はエア）に含まれる水分が部分的に凝縮し、紡糸が不安定になる。１５℃を超えると、冷却による液玉抑制効果が低下する。
【００３４】
ノズル１３の下方には集積部１５が配される。集積部１５は、コレクタ５０、コレクタ回転部５１、支持体供給部５２、及び支持体巻取り部５３を有する。コレクタ５０はノズル１３から出た溶液２５をナノファイバ４６として収集するためのものである。コレクタ５０は帯状の金属製、例えばステンレス製の無端ベルトから構成されている。コレクタ５０はステンレス製に限定されず、電源６２による電圧の印加により帯電する素材から形成されていればよい。コレクタ回転部５１は、１対のローラ５５，５６、モータ５７などから構成されている。コレクタ５０は、１対のローラ５５，５６に水平に掛け渡されている。一方のローラ５５の軸には紡糸室１１の外に配されたモータ５７が接続されており、ローラ５５を所定速度で回転させる。この回転によりコレクタ５０は１対のローラ５５，５６間で循環し移動する。本実施形態においては、コレクタ５０の移動速度は、１０ｃｍ／時としているが、これに限定されない。
【００３５】
コレクタ５０には支持体供給部５２によって帯状のアルミウムシートからなる支持体６０が供給される。本実施形態における支持体６０は、厚みが概ね２５μｍである。支持体６０は、ナノファイバ４６を収集させてナノファイバ層（不織布）４７として得るためのものである。コレクタ５０上の支持体６０は、支持体巻取り部５３によって巻き取られる。支持体供給部５２は送出軸５２ａを有する。送出軸５２ａには支持体ロール５４が装着される。支持体ロール５４は支持体６０が巻き取られて構成されている。支持体巻取り部５３は巻取り軸５８を有する。巻取り軸５８は図示省略のモータにより回転され、セットされる巻芯６１に、ナノファイバ層４７が形成された支持体６０を巻き取る。このように、ナノファイバ製造装置１０は、ナノファイバ４６を製造する機能に加え、ナノファイバ層４７からなる不織布を製造する機能を持ち、電界紡糸法によるナノファイバ製造方法が実施される。コレクタ５０の移動速度と支持体６０の移動速度は両者の間に摩擦が生じることがないように同じにすることが好ましい。なお、支持体６０をコレクタ５０上に載せて、コレクタ５０の移動によって移動させてもよい。また、支持体６０に巻取り張力をかけておくことにより、支持体６０をコレクタ５０に連動させてもよい。
【００３６】
電源６２は、ノズル１３とコレクタ５０との間に例えば３０ｋＶの電圧をかけてノズル１３をマイナス（−）に帯電させ、コレクタ５０をプラス（＋）に帯電させる。この帯電により、先端開口１３ａに形成されるテイラーコーン４４からは紡糸ジェット４５がコレクタ５０に向かって噴出される。なお、帯電の極性は逆にしてもよい。ノズル１３先端とコレクタ５０との距離Ｌ２は、ポリマーと溶媒の種類、溶液２５における溶媒の質量割合等によって適切な値が異なるが、３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内が好ましく、本実施形態では１７０ｍｍとしている。この距離Ｌ２が３０ｍｍ以上であることにより、３０ｍｍよりも短い場合に比べて、噴出される紡糸ジェット４５が、コレクタ５０に到達するまでに、自身の電荷による反発でより確実に分裂するので、細いナノファイバ４６がより確実に得られる。このように細く分裂することで溶媒がより確実に蒸発するから、べたついた不織布となることがより確実に防がれる。また、距離Ｌ２が３００ｍｍ以下であることにより、３００ｍｍを超えて長すぎる場合と比べて、印加する電圧を低く抑えることができる。従って、高電圧の印加により装置の絶縁が破れることがより確実に防止されるから、意図せぬ部分でのショートによる装置の破損が無い。
【００３７】
ノズル１３とコレクタ５０とに印加する電圧の大きさによって、得られるナノファイバ４６の太さが変わる。ファイバを細く形成する観点では電圧はなるべく低いほうが好ましいが、下げすぎると繊維状にならず玉状になってコレクタ５０上に付着する場合がある。逆に電圧を上げていくとファイバが太くなり、上げ過ぎると装置の絶縁が破れて思わぬところから漏電して、装置が損傷する場合がある。そこで、ノズル１３とコレクタ５０とにかける電圧は、２ｋＶ以上４０ｋＶ以下が好ましい。
【００３８】
セルロース系ポリマーとしては、本実施形態ではセルローストリアセテート（ＴＡＣ）を用いているが、これに限定されず、セルロースジアセテート（ＤＡＣ）、セルロースプロピオネート、セルロースブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、ニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロースの少なくともいずれかひとつ、またはそれらの混合物であればよい。
【００３９】
セルロース系ポリマーを溶解する溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、ベンジルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、ブチルアセテート、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ヘキサン、シクロヘキサン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、１−メトキシ−２−プロパノールなどが挙げられる。これらは、セルロース系ポリマーの種類に応じて単独で使用しても混合して使用してもよい。溶媒を単独で使用する場合には、溶媒の沸点がおおよそ５０℃以下になると、液玉の形成が顕著になる。また、沸点の低い溶媒は、溶媒の蒸発速度が速いため液玉を形成しやすい。これを抑制するために沸点の高い溶媒を混合して、溶媒の蒸発速度を調整することが好ましい。なお、本実施形態では、溶媒として、ジクロロメタンとＮＭＰとの混合物を用いている。
【００４０】
一般的にはポリマー溶液では、温度が下がると粘度が大きく変化してしまうことが多い。本実施形態では、溶液２５の濃度が２質量％以上１０質量％以下と十分希薄なため、溶液粘度が低く、冷却気体４３による溶媒蒸発の抑制効果が顕著に現れる。
【００４１】
次に、本実施形態の作用を説明する。図１において、ノズル１３と、循環して移動するコレクタ５０とには、電源６２により電圧が印加される。冷却気体供給部１４を作動させ、ノズル１３の送風スリット２１から冷却気体４３を送る（図２参照）。集積部１５を作動させて、コレクタ５０及び支持体６０を移動させる。また、溶液供給部１２を作動させて、図２に示すように、ノズル１３の先端開口１３ａから溶液２５を送り出すと、先端開口１３ａにテイラーコーン４４が形成される。電圧の印加によりプラスに帯電しているコレクタ５０は、マイナスに帯電した状態で先端開口１６ｂから出た溶液２５を誘引し、紡糸ジェット４５がコレクタ５０に向けて噴出される。マイナスに帯電している紡糸ジェット４５は、コレクタ５０に向かう間に、自身の電荷による反発でより細い径に分裂し、支持体６０上にナノファイバ４６として収集される。収集されたナノファイバ４６はナノファイバ層４７として支持体６０と共に支持体巻取り部５３に送られる。ナノファイバ層４７は、支持体６０と重なった状態で巻芯６１に巻かれる。
【００４２】
巻芯６１は巻取り軸５８から取り外された後に、支持体６０からナノファイバ層４７が分離される。この後、ナノファイバ層４７が所望のサイズに切断されて、ナノファイバ４６からなる不織布が得られる。
【００４３】
本実施形態では、図２に示すように、送風管２０とノズル１３との間の送風スリット２１から冷却気体４３が送り出され、この冷却気体４３がノズル１３先端のテイラーコーン４４を覆うため、溶液２５の溶媒の蒸発速度が抑えられる。これにより、テイラーコーン４４の表面が固くなることがなく、液玉の発生が抑えられる。したがって、液玉の発生に起因する均一な太さのナノファイバ４６の形成が困難になる問題や、液玉の落下による欠陥製品の発生の問題などが解消される。このように、蒸発速度の高い溶液であっても電界紡糸を安定的に行える。
【００４４】
上記第１実施形態では、ノズル１３の先端開口１３ａに対して、送風管２０の先端２０ａを突出させて、先端開口１３ａのテイラーコーン４４を送風管２０で覆うようにしたが、図３に示す第２実施形態のように、ノズル７０の先端７０ａに合わせて送風管７１の先端７１ａを位置させてもよい。この場合には、第１実施形態のように、ノズル７０の先端７０ａが送風管７１の先端部７１ｂ内に隠れることがないため、先端７０ａのクリーニングが容易に行える。なお、各実施形態において、同じ構成部材には同一符号を付して重複した説明を省略している。
【００４５】
図４に示すように、本発明の第３実施形態は、第２実施形態の送風管７１の先端部７１ｂに、ガイド管７５を筒心方向に移動自在に取り付けたものである。この第３実施形態の場合には、ガイド管７５を下ろしたガイド位置（図４参照）では、ガイド管７５及び送風管７１によって、送風スリット２１からの冷却気体４３がテイラーコーン４４を覆うため、テイラーコーン４４を確実に冷却気体４３で冷却することができる。また、クリーニングの際には、ガイド管７５をガイド位置から上方にスライドさせて退避位置にすることにより、ノズル７０の先端７０ａを露出させることができる。このため、ノズル１３の先端開口１３ａを確実にクリーニングすることができる。ガイド管７５は、図示省略のバネなどにより先端に向けて突出するように付勢してもよいし、同じく図示省略のクリック機構により突出位置と退避位置とに位置決め可能にしてもよい。
【００４６】
図５に示す第４実施形態では、第１実施形態の送風管２０の先端部２０ｂに、内部に冷却媒体８０が循環される冷却部８１を設けたものである。この場合には、冷却気体４３の他に送風管２０の冷却部８１によりテイラーコーン４４を冷却することができる。したがって、テイラーコーン４４の溶媒の蒸発速度を更に抑えることができ、液玉の発生が抑えられる。
【００４７】
第５実施形態では、第４実施形態の送風管２０からの送風を無くし、送風管２０の冷却部８１によって、テイラーコーン４４を冷却している。このように送風管２０を冷却管として用いた場合にも、テイラーコーン４４を冷却することができ、液玉の発生が抑えられる。また、冷却部８１を有する送風管２０に代えて、図示は省略したが、先端部２０ｂに冷却部８１を有する冷却管を用いてもよい。冷却管の冷却部８１は、冷却媒体８０を循環させて冷却させるものの他に、冷却機能を有する各種冷却装置を用いてもよい。
【００４８】
上記各実施形態では、ノズル１３，７０を１本のみとして説明しているが、ノズル１３，７０は複数用いてもよい。複数用いる場合には、支持体６０の送り方向に直交する方向にノズル１３，７０を離間して複数設けることが好ましい。また、支持体６０の送り方向、及び送り方向に直交する方向でノズル１３，７０をマトリックスに配置してもよい。ノズル１３，７０を複数化することで、得られるナノファイバ層４７の面積を増やすことができ、製造効率を上げることができる。また、ノズル１３，７０の本数が増加してノズル１３，７０からの総溶液吐出量が増加する場合には、紡糸室１１内に図示省略の溶媒回収部を設けることが好ましい。
【００４９】
上記実施形態では、ノズル１３，７０の断面形状を円形としたが、図示省略の細長い矩形状のスリット形としてもよい。この場合には、ノズルの断面形状に合わせて送風スリットも同様に細長いスリット形状にする。
【００５０】
次に、本発明の効果を確認するための実施例を説明する。実施例１は、セルローストリアセテートを混合溶媒に溶解した溶液２５を用いた。混合溶媒は、ジクロロメタンとＮＭＰとの混合比（質量）を、ジクロロメタン：ＮＭＰ＝８：２とし、セルローストリアセテート溶液の濃度は４質量％とした。
【００５１】
使用したノズル１３は１本で内径が０．４ｍｍで外径が０．６ｍｍのステンレス製円筒管を用い、先端開口縁部１３ｂを水平にカットしたのち、カット面を研磨して用いた。内径が１０ｍｍで外径が１１ｍｍの送風管２０をノズル１３に対して同心として、先端開口縁部１３ｂから、送風管２０の先端を突出させ、この時の突出量Ｌ１を１０ｍｍとした。
【００５２】
コレクタ５０上に支持体６０として厚さ約２５μｍのアルミニウムシートをセットし、ノズル１３からコレクタ５０までの距離Ｌ２を１７０ｍｍとした。コレクタ５０を１００ｍｍ/時の速度で移動させた。コレクタ５０上の支持体６０もコレクタ５０の移動に伴い同速度で移動させた。
【００５３】
送風管２０からの冷却気体４３として空気を用い、空気を１０℃に冷却し２０ｍｍ／秒で送風スリット２１から送り出した。ノズル１３とコレクタ５０との間に３５ｋＶの電圧を印加し、ノズル１３をマイナスに帯電させ、コレクタ５０をプラスに帯電させた。溶液２５を４ｃｍ３／時の速度でノズル１３に供給し、Ａ４版サイズのサンプルを採取した。
【００５４】
実施例２は実施例１のノズル１３に代えて、図３に示すノズル１３を用いた以外は実施例１と同一条件とした。実施例３は、図５に示す内部に冷却媒体８０が循環される冷却部８１を有する送風管２０を用いて送風せずに、テイラーコーン４４を１０℃に保持した以外は実施例１と同一条件とした。
【００５５】
比較例１は、実施例１において、送風管２０から冷却気体４３を供給しなかった以外は実施例１と同一条件とした。比較例２は、実施例１において、送風管２０から冷却気体４３を１００ｍｍ／秒として供給した以外は実施例１と同一条件とした。比較例３は、実施例１において、冷却気体４３を冷却せずに室温（２５℃）にて供給した以外は実施例１と同一条件とした。
【００５６】
Ａ４版サイズのサンプルを採取するまでの間のノズル詰まり回数、液玉（固化した溶液）の落下回数を測定し、実施例と比較例を評価した。ノズルが詰まった場合にはノズル先端の固化した部分を除去することによって紡糸が再開可能な場合と、固化した部分を取り除いてもつまりが完全に解消されず、再開不能の場合がある。再開可能な場合にはそのまま紡糸を続行した。再開不能の場合には紡糸を中断した。Ａ４版サイズのサンプルを採取することができた場合には合格と判定し、中断によりサンプルを採取することができない場合には不合格と判定した。
【００５７】
実施例１，３ではノズル詰まり回数、液玉の落下回数が共に０であり、合格であった。実施例２では、液玉の落下回数が１で、サンプルの欠陥も軽微であり、合格であった。これに対して、比較例１ではノズル詰まり回数が３回、液玉の落下回数が１３であり、紡糸が中断したため、不合格であった。また、比較例２では、ノズル詰まり回数が２、液玉の落下回数が１９であり、紡糸が中断したため、不合格であった。比較例３では、ノズル詰まり回数が５、液玉の落下回数が１７であり、紡糸が中断したため、不合格であった。このように、本発明では、ノズル詰まりや液玉の落下が殆ど無く、紡糸を円滑に行うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０  ナノファイバ製造装置
１２  溶液供給部
１３  ノズル
１３ａ  先端開口
１３ｂ  先端開口縁部
１４  冷却気体供給部
１５  集積部
２０  送風管
２０ａ  先端
２０ｂ  先端部
２１  送風スリット
２５  溶液
４３  冷却気体
４４  テイラーコーン
４５  紡糸ジェット
４６  ファイバ
４７  ナノファイバ層
５０  コレクタ
６２  電源
７０  ノズル
７１  送風管
７５  ガイド管
８０  冷却媒体
８１  冷却部
【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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