(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射手段と、
前記原料液を帯電させる原料液帯電手段と、
前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを所定の場所に誘引する誘引手段と、
前記誘引手段により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積させる堆積部材と、
前記堆積部材に堆積したナノファイバの表面電位を測定する表面電位測定手段と、
前記表面電位測定手段の測定結果に基づき堆積するナノファイバの帯電極性を前記表面電位とは逆の極性に変更する極性変更手段と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項２】
さらに、
ナノファイバを搬送する気体流を発生させる送風手段と、
搬送されるナノファイバを所定の場所に案内する案内手段と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
さらに、
気体流に搬送されるナノファイバをさらに帯電させる追加帯電手段を備える請求項２に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
前記誘引手段は、
所定の電位が印加されて発生する電界でナノファイバを誘引する誘引電極と、
前記誘引電極に所定の電位を印加する誘引電源と、
前記表面電位測定手段の測定結果に基づき、堆積するナノファイバの帯電極性とは逆の極性に前記誘引電極がなるように、前記誘引電源の設定を変更する誘引極性変更手段と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項５】
ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射工程と、
前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、
前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを所定の場所に誘引する誘引工程と、
前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と、
前記堆積部材に堆積したナノファイバの表面電位を測定する表面電位測定工程と、
前記表面電位測定工程の測定結果に基づき堆積するナノファイバの帯電極性を前記表面電位とは逆の極性に変更する極性変更工程と
を含むナノファイバ製造方法。
【請求項６】
前記誘引工程は、誘引電極に電位を印加することにより発生する電界でナノファイバを誘引し、
さらに、
前記極性変更工程終了後、堆積するナノファイバの帯電極性とは逆の極性に前記誘引電極を所定の時間をおいて変更する誘引極性変更工程
を含む請求項５に記載のナノファイバ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、エレクトロスピニング法（静電爆発）を用いてナノファイバを製造するナノファイバ製造装置及び、ナノファイバ製造方法に関し、特に、製造されたナノファイバを厚く堆積させて回収することのできるナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質（ナノファイバ）を製造する方法として、エレクトロスピニング（電荷誘導紡糸）法が知られている。
【０００３】
このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中にノズルなどにより噴射（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。
【０００４】
より具体的には、帯電され噴射された原料液は、空間を飛行中の原料液の粒から溶媒が蒸発するに伴い原料液の体積は減少していく。一方、原料液に付与された電荷は原料液に留まる。この結果として、空間を飛行中の原料液の粒は、電荷密度が上昇することとなる。そして、原料液中の溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の粒の電荷密度がさらに高まり、原料液の粒の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（静電爆発）が生じる。この静電爆発が、空間において次々とねずみ算式に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される。
【０００５】
例えば、以上のようにして製造されるナノファイバを不織布状態で回収するためには、特許文献１に記載されているように、製造されたナノファイバをベルトコンベアなどに堆積させればよい。
【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】
【０００６】
ところが前述したように、ナノファイバは静電爆発により製造されているため、製造されたナノファイバは正または負のいずれか一方に帯電している。従って、このような帯電しているナノファイバを堆積させていくと、ナノファイバが堆積している部分では電荷が蓄積し、ナノファイバが帯電している極性と同極性で高電位となる。
【０００７】
上記のような状態になると、堆積しているナノファイバと堆積しようと飛来してくるナノファイバとがクーロン力により反発し、ある一定の厚さ以上ナノファイバを堆積させて回収することが困難となる。
【０００８】
本願発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ナノファイバを厚く堆積させた状態で回収することのできるナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射手段と、前記原料液を帯電させる原料液帯電手段と、前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを所定の場所に誘引する誘引手段と、前記誘引手段により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積させる堆積部材と、前記堆積部材に堆積したナノファイバの表面電位を測定する表面電位測定手段と、前記表面電位測定手段の測定結果に基づき堆積するナノファイバの帯電極性を前記表面電位とは逆の極性に変更する極性変更手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、ナノファイバが堆積するにつれて高まる表面電位をモニタリングし、最適なタイミングでナノファイバの帯電極性を変更することができるため、ナノファイバを厚く堆積させる効率を高めることが可能となる。
【００１１】
さらに、ナノファイバを搬送する気体流を発生させる送風手段と、搬送されるナノファイバを所定の場所に案内する案内手段とを備えることが好ましい。
【００１２】
これによれば、気体流により多量のナノファイバを所定の場所に搬送することができるため、ナノファイバの帯電極性の変更とを組み合わせることにより、ナノファイバを厚く堆積させることを短時間で実現することが可能となる。さらに、気体流に搬送されるナノファイバをさらに帯電させる追加帯電手段を備えることが好ましい。
【００１３】
これによれば、ナノファイバに対し任意に電荷を付与することが可能となるため、気体流により長期に搬送され、電荷量が減少したナノファイバにも再度電荷を付与し、電界によりナノファイバが誘引される状態を創出することが可能となる。
【００１４】
また前記誘引手段は、所定の電位が印加されて発生する電界でナノファイバを誘引する誘引電極と、前記誘引電極に所定の電位を印加する誘引電源と、前記表面電位測定手段の測定結果に基づき、堆積するナノファイバの帯電極性とは逆の極性に前記誘引電極がなるように、前記誘引電源の設定を変更する誘引極性変更手段とを備えてもよい。
【００１５】
これによれば、帯電しているナノファイバを積極的に発生させた電界で誘引することができる。さらに、ナノファイバの帯電極性が変更される際に、誘引電極に印加する電位の極性も変更することができるため、ナノファイバが厚く堆積した後においても、飛来するナノファイバを誘引することが可能となる。
【００１６】
一方、上記課題を解決するために、本願発明にかかるナノファイバ製造方法は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に噴射する原料液噴射工程と、前記原料液を帯電させる原料液帯電工程と、前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを所定の場所に誘引する誘引工程と、前記誘引工程により誘引されるナノファイバを受け止めて堆積部材に堆積させる堆積工程と、前記堆積部材に堆積したナノファイバの表面電位を測定する表面電位測定工程と、前記表面電位測定工程の測定結果に基づき堆積するナノファイバの帯電極性を前記表面電位とは逆の極性に変更する極性変更工程とを含むことを特徴とする。
【００１７】
当該方法を採用することによる作用効果は、上記ナノファイバ製造装置が奏する作用効果と同様である。
【００１８】
また、前記誘引工程は、誘引電極に電位を印加することにより発生する電界でナノファイバを誘引し、さらに、前記極性変更工程終了後、堆積するナノファイバの帯電極性とは逆の極性に前記誘引電極を所定の時間をおいて変更する誘引極性変更工程を含むことが好ましい。
【００１９】
これによれば、ナノファイバの帯電極性を変更した直後であって、空間中に残存している変更前のナノファイバを有効に誘引することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、堆積部材の上に堆積されるナノファイバの電位状態を取得し、適当なところで製造するナノファイバの帯電極性を切り替えることができるため、ナノファイバを厚く堆積させた状態で回収することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本願発明にかかるナノファイバ製造装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【００２３】
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液噴射手段２０１と、原料液帯電手段２０２と、誘引手段１１０と、堆積部材１０１と、表面電位測定手段１１４と、帯電極性変更手段１１５と、誘引極性変更手段１１６と、送風手段２０３と、案内手段２０６と、追加帯電手段２０７とを備えている。
【００２４】
また、原料液噴射手段２０１と、原料液帯電手段２０２と、風洞体２０９、送風手段２０３とは放出手段２００を構成している。放出手段２００は、ユニット化されており案内手段２０６に対し着脱可能となっている。
【００２５】
ここで、ナノファイバを製造するための原料液については原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すが、製造に際しては原料液３００が静電爆発しながらナノファイバ３０１に変化していくため、原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。
【００２６】
図２は、放出手段を示す断面図である。
図３は、放出手段を示す斜視図である。
【００２７】
原料液噴射手段２０１は、原料液３００を空間中に噴射する装置であり、本実施の形態では、原料液３００を遠心力により放射状に噴射する装置が原料液噴射手段２０１として採用されている。これらの図に示すように、原料液噴射手段２０１は、噴射容器２１１と、回転軸体２１２と、モータ２１３とを備えている。
【００２８】
噴射容器２１１は、原料液３００を内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液３００を噴射することのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には噴射口２１６を多数備えている。噴射容器２１１は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されており、原料液帯電手段２０２の構成要素としても機能している。噴射容器２１１は支持体（図示せず）に設けられるベアリング（図示せず）により回転可能に支持されており、高速で回転してもぶれないものとなされている。
【００２９】
具体的には、噴射容器２１１の直径は、１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になることや噴射容器を回転される為に安定して回転させるには噴射容器を支持する構造が強固にさせる必要があるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を噴射させるための回転を高めなければならず、モータの負荷や振動など問題が発生するためである。さらに噴射容器２１１の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。また、噴射口２１６の形状は円形が好ましく、その直径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。しかしながら、噴射口２１６の形状は円形に限定することなく、多角形状や星形状等であってもよい。
【００３０】
なお、噴射容器２１１の形状は、円筒形状に限定するものではなく、側面が多角形状の多角柱形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。噴射口２１６が回転することにより、噴射口２１６から原料液３００が遠心力で、流出するようにできればよい。
【００３１】
回転軸体２１２は、噴射容器２１１を回転させ遠心力により原料液３００を噴射させるための駆動力を伝達するための軸体であり、噴射容器２１１の他端から噴射容器２１１の内部に挿通され、噴射容器２１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ２１３の回転軸と接合されている。回転軸体２１２は、噴射容器２１１と後述のモータ２１３とが導通しないように絶縁体の部分である絶縁体部（図示せず）を備えている。
【００３２】
モータ２１３は、遠心力により原料液３００を噴射口２１６から噴射させるために、回転軸体２１２を介して噴射容器２１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、噴射容器２１１の回転数は、噴射口２１６の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ２１３と噴射容器２１１とが直動の時はモータ２１３の回転数は、噴射容器２１１の回転数と一致する。
【００３３】
原料液帯電手段２０２は、原料液３００に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、原料液帯電手段２０２は、誘導電荷を発生させ当該電荷を原料液３００に付与する装置であり、誘導電極２２１と、誘導電源２２２と、接地手段２２３とを備えている。また、噴射容器２１１も原料液帯電手段２０２の一部として機能している。
【００３４】
誘導電極２２１は、自身がアースに対し高い電圧となることで、近傍に配置され接地されている噴射容器２１１に電荷を誘導するための部材であり、噴射容器２１１の先端部分を取り囲むように配置される円環状の部材である。また、誘導電極２２１は、送風手段２０３からの気体流を案内手段２０６に案内する風洞体２０９としても機能している。
【００３５】
従って、誘導電極２２１を正の電位とした場合、噴射容器２１１には負の電荷が誘導され、原料液３００には負の電荷が付与されることになる。逆に、誘導電極２２１を負の電位とした場合、噴射容器２１１には正の電荷が誘導され、原料液３００には正の電荷が付与されることになる。
【００３６】
誘導電極２２１の大きさは、噴射容器２１１の直径よりも大きい必要があるが、その直径は、２００ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。なお、誘導電極２２１の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。なお、誘導電極２２１は、噴射容器２１１から所定の距離を有して噴射容器２１１を囲むように配置されていればよく、噴射容器２１１を囲むような環状の金属線のようなものでもよい。
【００３７】
誘導電源２２２は、誘導電極２２１に高電圧を印加することのできる電源である。なお、誘導電源２２２は、直流電源であり、帯電極性変更手段１１５からの命令に基づき、誘導電極２２１に印加する電圧（接地電位を基準とする）や、その極性を設定することができる装置である。
【００３８】
誘導電源２２２が誘導電極２２１に印加する電圧は、１０ＫＶ以上、２００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。特に、噴射容器２１１と誘導電極との間の電界強度が重要であり、１ＫＶ／ｃｍ以上の電界強度になるように印加電圧や誘導電極２２１の配置を行うことが好ましい。
【００３９】
接地手段２２３は、噴射容器２１１と電気的に接続され、噴射容器２１１を接地電位に維持することができる部材である。接地手段２２３の一端は、噴射容器２１１が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。
【００４０】
本実施の形態のように原料液帯電手段２０２に誘導方式を採用すれば、噴射容器２１１を接地電位に維持したまま原料液３００に電荷を付与することができる。噴射容器２１１が接地電位の状態であれば、噴射容器２１１に接続される回転軸体２１２やモータ２１３などの部材は、噴射容器２１１との間で高電圧に対する対策をする必要が無くなり、原料液噴射手段２０１として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
【００４１】
なお、原料液帯電手段２０２として、噴射容器２１１に直接電源を接続し、噴射容器２１１を高電圧に維持し、誘導電極２２１を接地することで原料液３００に電荷を付与してもよい。また、噴射容器２１１を絶縁体で形成すると共に、噴射容器２１１に貯留される原料液３００に直接接触する電極を噴射容器２１１内部に配置し、当該電極を用いて原料液３００に電荷を付与するものでもよい。
【００４２】
送風手段２０３は、噴射容器２１１から噴射される原料液３００の飛行方向を案内手段２０６で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。送風手段２０３は、モータ２１３の背部に備えられ、モータ２１３から噴射容器２１１の先端に向かう気体流を発生させる。送風手段２０３は、噴射容器２１１から径方向に噴射される原料液３００が誘導電極２２１に到達するまでに前記原料液３００を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図２において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、送風手段２０３として、放出手段２００の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。
【００４３】
なお、送風手段２０３は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより噴射された原料液３００の方向を変更するものでもかまわない。また、吸引手段１０２や第二送風手段２３２などにより案内手段２０６内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、送風手段２０３は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、案内手段２０６の内方に気体流が発生していることをもって送風手段２０３が存在しているものとする。また、送風手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、案内手段２０６の内方に気体流を発生させるようにすることも送風手段が存在しているものとする。また、送風手段２０３を有しない状態で、吸引手段１０２により吸引することで、案内手段２０６の内方に気体流を発生させるようにすることも送風手段が存在しているものとする。
【００４４】
風洞体２０９は、送風手段２０３で発生した気体流を噴射容器２１１の近傍に案内する導管である。風洞体２０９により案内された気体流が噴射容器２１１から噴射された原料液３００と交差し、原料液３００の飛行方向を変更する。
【００４５】
さらにまた、放出手段２００は、気体流制御手段２０４と、加熱手段２０５とを備えている。
【００４６】
気体流制御手段２０４は、送風手段２０３により発生する気体流が噴射口２１６に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段２０４として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御手段２０４により、気体流が直接噴射口２１６に当たらないため、噴射口２１６から噴射される原料液３００が早期に蒸発して噴射口２１６を塞ぐことを可及的に防止し、原料液３００を安定させて噴射させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段２０４は、噴射口２１６の風上に配置され気体流が噴射口２１６近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。
【００４７】
加熱手段２０５は、送風手段２０３が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段２０５は、案内手段２０６の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段２０５を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段２０５により気体流を加熱することにより、空間中に噴射される原料液３００は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。
【００４８】
再び、図１を参照しつつ説明する。
誘引手段１１０は、原料液３００が静電爆発することにより製造されるナノファイバ３０１を所定の場所に誘引する装置である。図１に示す誘引手段１１０は、電界を用いてナノファイバを誘引する装置であり、誘引電極１１２と、誘引電源１１３とを備えている。
【００４９】
誘引電極１１２は、誘引電源１１３によりアースに対し所定の電位に維持される導体の部材である。誘引電極１１２に電位が印加されると、空間中に電界が発生する。誘引電極１１２は、矩形の板状の部材であり、放電防止のため突起部分がなく、また、角は全て丸められている。
【００５０】
誘引電源１１３は、誘引電極１１２をアースに対し所定の電位に維持することができる直流電源である。また、誘引電源１１３は、誘引極性変更手段１１６からの信号に基づき誘引電極１１２に印加する電位の正負（接地電位を含む）を変更することが可能である。
【００５１】
なお、誘引手段１１０は、電界を用いて誘引する装置ばかりでなく、気体流を用いて誘引する装置、例えば真空吸引装置などでもかまわない。
【００５２】
堆積部材１０１は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ３０１が堆積される対象となる部材である。堆積部材１０１は、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的には、堆積部材１０１として、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、堆積部材１０１の表面にテフロン（登録商標）コートを行うと、堆積したナノファイバ３０１を堆積部材１０１から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。また、堆積部材１０１は、ロール状に巻き付けられた状態で供給ロール１１１から供給されるものとなっている。
【００５３】
移送手段１０４は、長尺の堆積部材１０１を巻き取りながら供給ロール１１１から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に堆積部材１０１を搬送する装置である。移送手段１０４は、不織布状に堆積しているナノファイバ３０１を堆積部材１０１とともに巻き取ることができるものとなっている。
【００５４】
表面電位測定手段１１４は、堆積部材１０１に堆積したナノファイバ３０１の表面電位を測定する装置であり、帯電極性変更手段１１５や誘引極性変更手段１１６に測定結果を送信する装置である。表面電位測定手段１１４は、いわゆる静電気の状態（電位）を極性も含めて非接触で測定することのできる装置であり、電位を測定することによってナノファイバ３０１の表面電位に極力影響が及ばないものとなっている。
【００５５】
案内手段２０６は、製造されたナノファイバ３０１を堆積部材１０１の表面に案内する風洞を形成する導管である。案内手段２０６の端部は、放出手段２００の端部に接続され、放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１と気体流との全てを案内することのできる管状の部材である。本実施の形態の場合、後述の圧縮手段２３０や拡散手段２４０もナノファイバ３０１を案内するという意味においては案内手段２０６に含まれる。
【００５６】
圧縮手段２３０は、気体流により搬送されるナノファイバ３０１が存在する空間（案内手段２０６の内方部分）を圧縮し、ナノファイバ３０１が空間中に存在する密度を上昇させる機能を備える装置であり、第二送風手段２３２と、圧縮導管２３４とを備えている。
【００５７】
圧縮導管２３４は、案内手段２０６内方を搬送されるナノファイバ３０１が存在する空間を徐々に狭くしていく筒状の部材であり、第二送風手段２３２で発生する気体流を圧縮導管２３４内方に導入することが可能な気体流導入口２３３を周壁に備えている。圧縮導管２３４の案内手段２０６と接続される部分は、案内手段２０６の導出側端部の面積に対応する面積で構成されており、圧縮導管２３４の導出側端部は、前記導出側端部の面積より小さくなっている。従って、圧縮導管２３４は、全体として漏斗形状となっており、圧縮導管２３４に導入されたナノファイバ３０１を気体流と共に圧縮できる形状となっている。
【００５８】
また、圧縮手段２３０の上流側（導入側）の端部形状は、案内手段２０６の端部形状と合致する円環状である。一方、圧縮手段２３０の下流側（吐出側）の端部形状は、矩形である。また、圧縮手段２３０の下流側（吐出側）の端部形状は、堆積部材１０１の幅方向（同図紙面と垂直方向）全体に渡って延び、堆積部材１０１の移動方向に対応する長さは、前記幅方向に対して狭い。圧縮手段２３０は、環状の上流端から矩形状の下流端に向かって徐々に形状が変化するものとなっている。
【００５９】
第二送風手段２３２は、高圧ガスを圧縮導管２３４内部に導入することで気体流を発生させる装置である。本実施の形態では、第二送風手段２３２は、高圧ガスを貯留しうるタンク（ボンベ）と、タンク内の高圧ガスの圧力を調節するバルブ２３５を有するガス導出手段を備える装置が採用されている。
【００６０】
拡散手段２４０は、圧縮手段２３０に接続され、一端圧縮されて高密度状態となったナノファイバ３０１を広く拡散させ分散させる導管であり、圧縮手段２３０で加速したナノファイバ３０１の速度を減速させるフード状の部材である。拡散手段２４０は、気体流が導入される上流端側の矩形の開口部と、気体流を放出する下流端側の矩形の開口部とを備え、下流端側の開口部の開口面積は、上流端側の開口部の開口面積よりも大きい設定となっている。拡散手段２４０は、上流端側の開口部から下流端側の開口部に向けて徐々に面積が大きくなるような形状が採用されている。下流端側の開口部は、堆積部材１０１の幅によりも大きな幅を備え、後述の誘引電極１１２よりも長さが長い形状となっている。
【００６１】
拡散手段２４０の小面積の導入端側から大面積の導出端側に向かって気体流が流れると、高密度状態のナノファイバ３０１が一気に低密度状態となって分散すると共に、気体流の流速は拡散手段２４０の断面積に比例して落ちていく。従って、気体流に乗って搬送されるナノファイバ３０１も、気体流と共に速度が減速される。この際、ナノファイバ３０１は、拡散手段２４０の断面積の拡大に従い徐々に均等に拡散していく。従って、ナノファイバ３０１を堆積部材１０１上に均等に堆積させることが可能となる。また、気体流によってナノファイバ３０１が搬送されない状態、つまり、気体流とナノファイバ３０１とが分離された状態となるため、帯電しているナノファイバ３０１は、気体流に影響されることなく逆極性の状態にある誘引電極１１２に誘引される。
【００６２】
追加帯電手段２０７は、帯電しているナノファイバ３０１の帯電を増強したり、中和されて中性となっているナノファイバ３０１を帯電させる機能を備える装置である。本実施の形態の場合、追加帯電手段２０７は、圧縮手段２３０の内壁に取り付けらている。追加帯電手段２０７としては、帯電しているナノファイバ３０１の極性と同極性を備えるイオンや粒子を空間中に放出することができる装置を挙示することができる。具体的には、コロナ放電方式や電圧印加方式、交流方式、定常直流方式、パルス直流方式、自己放電式、軟Ｘ線方式、紫外線式、放射線方式など任意の方式からなる追加帯電手段２０７が例示できる。
【００６３】
拡散手段２４０と誘引電極１１２との隙間には吸引手段１０２が配置されている。吸引手段１０２は、ナノファイバ３０１と分離状態となり当該隙間から流出する気体流を原料液３００から蒸発した溶媒と共に、強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１０２として、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機が採用されている。また、吸引手段１０２は、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１０２に接続される溶剤回収装置１０６まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
【００６４】
さらに、ナノファイバ製造装置１００は、制御装置として、帯電極性変更手段１１５と、誘引極性変更手段１１６とを備えている。
【００６５】
帯電極性変更手段１１５は、表面電位測定手段１１４の測定結果が含まれる情報を取得し、当該情報から堆積部材１０１に堆積しているナノファイバ３０１の表面電位と極性を取得する装置である。そして、表面電位が所定の閾値を越えた場合、堆積部材１０１に向かって飛来するナノファイバ３０１の帯電極性を取得した極性とは逆の極性に変更することのできる装置である。本実施の形態の場合、ナノファイバ３０１の帯電極性を変更するために、原料液３００に付与する電荷の極性を変更するように誘導電源２２２を制御するものである。
【００６６】
誘引極性変更手段１１６は、表面電位測定手段１１４の測定結果が含まれる情報を取得し、当該情報から堆積部材１０１に堆積しているナノファイバ３０１の表面電位と極性を取得する装置である。そして、表面電位が所定の閾値を越えた場合、この情報に基づき堆積部材１０１に向かって飛来するナノファイバ３０１の帯電極性とは逆の極性に誘引電源１１３を変更することのできる装置である。
【００６７】
次に、上記構成のナノファイバ製造装置１００を用いたナノファイバ３０１の製造方法を説明する。
【００６８】
まず、送風手段２０３と第二送風手段２３２とにより、案内手段２０６や風洞体２０９の内部に気体流を発生させる。一方、吸引手段１０２により、案内手段２０６内に発生する気体流を吸引する。
【００６９】
次に、原料液噴射手段２０１の噴射容器２１１に原料液３００を供給する。原料液３００は、別途タンク（図示せず）に蓄えられており、供給路２１７（図２参照）を通過して噴射容器２１１の他端部から噴射容器２１１内部に供給される。
【００７０】
次に、誘導電源２２２により噴射容器２１１に貯留される原料液３００に電荷を供給しつつ（原料液帯電工程）、噴射容器２１１をモータ２１３により回転させて、遠心力により噴射口２１６から帯電した原料液３００を噴射する（原料液噴射工程）。
【００７１】
ここで、誘導電源２２２により誘導電極２２１は、負の電位になるように電位が印加されているとする。この場合、噴射容器２１１は、正の誘導電荷が接地手段２２３を介して誘導される。従って原料液３００に供給される電荷は正の電荷である。
【００７２】
噴射容器２１１の径方向放射状に噴射された原料液３００は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に乗り風洞体２０９により案内される。原料液３００は静電爆発によりナノファイバ３０１を製造しつつ（ナノファイバ製造工程）放出手段２００から放出される。また、前記気体流は、加熱手段２０５により加熱されており、原料液３００の飛行を案内しつつ、原料液３００に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。以上のようにして放出手段２００から放出されるナノファイバ３０１は、案内手段２０６の内方を気体流によって搬送される（搬送工程）。
【００７３】
次に圧縮手段２３０内方を通過するナノファイバ３０１は、高圧ガスの噴流により加速されつつ、圧縮手段２３０の内方が狭くなるにつれて徐々に圧縮され高密度状態となって拡散手段２４０に到達する（圧縮工程）。
【００７４】
ここで、これまで気体流により搬送されたナノファイバ３０１は、帯電が弱まっている可能性があるため、追加帯電手段２０７により、ナノファイバ３０１を同極性で強制的に帯電させる（追加帯電工程）。
【００７５】
拡散手段２４０にまで搬送されたナノファイバ３０１は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一に分散状態となる（拡散工程）。
【００７６】
この状態において、拡散手段２４０の開口部に配置されている誘引電極１１２は、ナノファイバ３０１の帯電極性とは逆極性（ここでは「負」）に帯電しているため、ナノファイバ３０１を引きつける（誘引工程）。ナノファイバ３０１と誘引電極１１２との間には堆積部材１０１が存在しているため、誘引電極１１２に引きつけられるナノファイバ３０１は、堆積部材１０１上に堆積していく（堆積工程）（図５（ａ）参照）。
【００７７】
ある程度、堆積部材１０１の上にナノファイバが堆積すると、正の電荷が堆積部材１０１の上に徐々に蓄積していくこととなる。この電荷による表面電位の変化は、逐一、表面電位測定手段１１４により測定されている（表面電位測定工程）。
【００７８】
そして、図４（ａ）＜１＞に示すように、表面電位が閾値Ｖａを越えると、図４（ｂ）＜１＞に示すように、帯電極性変更手段１１５が誘導電源２２２を制御して、誘導電極２２１に印加する電位を負のＶ１から正のＶ２へと変更する（極性変更工程）。
【００７９】
一方、前記極性変更と同じタイミング、または、タイミングを若干遅らせて、図４（ｃ）＜１＞に示すように、誘引極性変更手段１１６が誘引電源１１３を制御して、誘引電極１１２に印加する電位を負のＶ３から正のＶ４へと変更する（極性変更工程）（図５（ａ）参照）。
【００８０】
以上のようにすることで、堆積したナノファイバ３０１の帯電極性と、飛来するナノファイバ３０１の帯電極性が逆になるので、ナノファイバ３０１同士も誘引し合いさらにナノファイバ３０１が堆積していく。
【００８１】
今度は、帯電極性が負のナノファイバが降り積もるので、図５（ｂ）に示すように、表面電位は０となる。そして、図５（ｃ）に示すように、堆積したナノファイバ３０１の表面電位は負となっていく。
【００８２】
そして、表面電位が負の閾値である−Ｖｂを越えると、図４の＜２＞に示すように、誘導電極２２１と誘引電極１１２との極性が反転する。
【００８３】
以上のサイクルを繰り返すことで、堆積しているナノファイバ３０１の表面電位から受ける影響を低く抑えつつ厚みの厚い状態で堆積部材１０１の上に堆積させることが可能となる。
【００８４】
（実施例）
上記構成の下、帯電極性を変更しない場合（従来）と、帯電極性を変更する場合とでナノファイバ３０１の堆積状況に違いがあるかを確認した。
【００８５】
具体的に、ナノファイバ製造装置１００としては、噴射容器２１１としては、直径が８０ｍｍの円筒容器とした。噴射口２１６は、直径が０．３ｍｍとした。また、噴射口２１６は、噴射容器２１１の周囲に１０８個開けた。原料液３００を流出させる際の噴射容器２１１の回転数は、１５００ｒｐｍとした。誘引電源１１３の電圧は、切替可能であるが、２０ＫＶに設定した。
【００８６】
また、原料液３００としては、高分子樹脂としてポリビニルアルコールと溶媒としての水を、溶媒９０ｖｏｌ％で混合して生成したものを準備した。
【００８７】
以上の構成、条件の下、表面電位が所定の電圧（設定値は、２０ＫＶで設定）になった時点で帯電極性を変更するものとした。この際、誘導電源２２２が誘導電極２２１に印加した電圧は６０ＫＶと、−６０ＫＶであった。
【００８８】
以上の結果、ナノファイバが先に堆積したナノファイバに影響されることなく安定して堆積することが確認できた。
【００８９】
一方、比較例として、誘導電源２２２が誘導電極２２１に印加する電圧を６０ＫＶで固定した。
【００９０】
この場合、堆積部材１０１上にナノファイバ３０１を安定して堆積できた厚みは、約２０μｍであった。２０μｍ以上堆積させようとすると、ナノファイバが分散してそれ以上堆積させるのは困難となった。なお、堆積が２０μｍの段階における堆積したナノファイバの表面電位は、約４０ＫＶであった。
【００９１】
（実施の形態２）
次に、本願発明にかかる他の実施の形態を説明する。
【００９２】
図６は、本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【００９３】
同図に示すナノファイバ製造装置１００は、上記実施の形態１で示したナノファイバ製造装置１００とほぼ同様である。上記実施の形態１との相違点は、放出手段２００が二つある点と、案内手段２０６が二股に分かれている点と、誘引手段１１０である。従って、本実施の形態２では相違点のみ説明する。
【００９４】
ナノファイバ製造装置１００は、放出手段２００として、第一放出手段２００ａと第二放出手段２００ｂを備えている。第一放出手段２００ａと第二放出手段２００ｂとは、上記実施の形態１における放出手段２００と同じ構成であるが。第一放出手段２００ａは、原料液３００を正のみに帯電させるものであり、第二放出手段２００ｂは、原料液３００を負のみに帯電させるものである。
【００９５】
案内手段２０６は、前記第一放出手段２００ａと第二放出手段２００ｂとの両方に接続でき、それぞれで製造されたナノファイバ３０１を同じ流路に案内するためのものである。従って、本実施の形態における案内手段２０６は、Ｙ字形状となっている。
【００９６】
誘引手段１１０は、本実施の形態の場合、気体流を真空吸引することにより気体流と共にナノファイバ３０１を堆積部材１０１の上に誘引するものである。また、誘引手段１１０は、堆積部材１０１と吸引手段１０２との間に領域規制手段１０３を備えている。
【００９７】
領域規制手段１０３は、堆積部材１０１側に拡散手段２４０の導出側開口端と同じ形状、同じ面積の開口部を備え、吸引手段１０２に接続される側の開口部は、吸引手段１０２に対応する円形となっている。これにより、拡散手段２４０で拡散されたナノファイバ３０１全体を堆積部材１０１の上に誘引するものとなっている。
【００９８】
つぎに、本実施の形態におけるナノファイバ３０１の製造方法を説明する。
まず、第一放出手段２００ａでナノファイバ３０１を製造し、堆積部材１０１の上に堆積していく。ナノファイバ３０１が堆積していくにつれ、誘引手段１１０の誘引効果が薄れてくる。その反面、堆積したナノファイバ３０１と、飛来するナノファイバ３０１とが反発しあうこととなる。
【００９９】
そして、表面電位が閾値Ｖａを越えると、帯電極性変更手段１１５が第一誘導電源２２２ａを停止させると共に、第一放出手段２００ａを停止させる。一方、帯電極性変更手段１１５が第二誘導電源２２２ｂを稼動させると共に、第二放出手段２００ｂを稼動させる（極性変更工程）。
【０１００】
後は、上記実施の形態１と同様の制御が行われ、ナノファイバ３０１が堆積部材１０１の上に堆積していく。
【０１０１】
以上のようにすれば、上記実施の形態１と同様の効果に加えて、誘導電源２２２を正の高電圧から負の高電圧に大幅に変更する必要がなく、誘導電源２２２に与える負担を軽減することができる。
【０１０２】
しかも、第一放出手段２００ａと、第二放出手段２００ｂとに、異なる種類の原料液３００を供給することで、ナノファイバ３０１を多層構造で積層することも可能となる。
【０１０３】
なお、圧縮導管２３４や拡散手段２４０を用いたが、本願発明においては、これらは必須の構成要素ではない。
【０１０４】
また、誘引手段は、電界で誘引する場合と、気体流で誘引する場合を例示したが、これらを組み合わせて、電界で誘引しつつ気体流で誘引するものでもかまわない。
【０１０５】
また、ナノファイバ３０１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−フェニレンイソフタレート、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る。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【０１０６】
原料液３００に使用される溶媒としては、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、クロロホルム、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、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【０１０７】
さらに、原料液３００に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、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等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【０１０８】
溶媒と高分子との混合比率は、前記ナノファイバを構成する高分子樹脂を１ｖｏｌ％以上、５０ｖｏｌ％未満の範囲から選定し、これに対応して蒸発性溶媒である有機溶剤を５０ｖｏｌ％以上、９９ｖｏｌ％未満の範囲から選定することが望ましい。
【０１０９】
上記のように、溶媒蒸気が気体流により滞留することなく処理されるため、原料液３００は、上記のように溶媒を５０vol%以上含んでいても十分に蒸発し、静電爆発を発生させることが可能となる。従って、溶質である高分子が薄い状態からナノファイバ３０１が製造されるため、より細いナノファイバ３０１をも製造することが可能となる。また、原料液３００の調整可能範囲が広がるため、製造されるナノファイバ３０１の性能の範囲も広くすることが可能となる。
【０１１０】
なお、実施の形態１においては、案内手段２０６から圧縮導管２３４や拡散手段２４０を通じて、誘引手段１１０に生成されたナノファイバ３０１が堆積されたが、圧縮導管２３４を取り除く、案内手段２０６から直接拡散手段２４０に接続してもよいし、また、案内手段２０６を徐々に拡大させて拡散手段２４０のような形状にして誘引手段１１０に接続してもよい。このような場合には、追加帯電手段２０７は、案内手段２０６の内方に配置すればよい。
【０１１１】
なお、実施の形態２においても、同様な内容にしてもよい。
なお、本願発明の実施の形態においては、堆積したナノファイバの表面電位を表面電位測定手段により、計測し、誘導電源２２２や誘引電源１１３の極性を切り替えたが、実験により、所定の時間堆積部材１０１の上にナノファイバ３０１が堆積した場合に、堆積しにくくなることが分かっている場合には、設定した時間毎に前記誘導電源２２２と誘引電源１１３の極性を切り替えるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本願発明は、ナノファイバの製造に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本願発明の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【図２】放出手段を示す断面図である。
【図３】放出手段を示す斜視図である。
【図４】表面電位の推移を示すグラフと、極性変更のタイミングを示すタイミングチャートを対応付けて示す図である。
【図５】ナノファイバの堆積状態を模式的に示す図である。
【図６】本願発明の他の実施の形態であるナノファイバ製造装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  製造装置
１０１  堆積部材
１０２  吸引手段
１０３  領域規制手段
１０４  移送手段
１０６  溶剤回収装置
１１０  誘引手段
１１１  ロール
１１２  誘引電極
１１３  誘引電源
１１４  表面電位測定手段
１１５  帯電極性変更手段
１１６  誘引極性変更手段
２００  放出手段
２００ａ  第一放出手段
２００ｂ  第二放出手段
２０１  原料液噴射手段
２０２  原料液帯電手段
２０３  送風手段
２０４  気体流制御手段
２０５  加熱手段
２０６  案内手段
２０７  追加帯電手段
２０９  風洞体
２１１  噴射容器
２１２  回転軸体
２１３  モータ
２１６  噴射口
２１７  供給路
２２１  誘導電極
２２２  誘導電源
２２２ａ  第一誘導電源
２２２ｂ  第二誘導電源
２２３  接地手段
２３０  圧縮手段
２３２  第二送風手段
２３３  気体流導入口
２３４  圧縮導管
２３５  バルブ
２４０  拡散手段
３００  原料液
３０１  ナノファイバ
【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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