(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズルと、前記溶融物吐出ノズルと対向して配置されたコレクタと、前記コレクタと前記溶融物吐出ノズルとの間に電圧を印加して前記溶融物吐出ノズルから吐出される溶融物を帯電せしめる溶融物帯電手段とを備えてなる繊維製造装置において、
前記コレクタと電気的に接続された導電性メッシュ部材を前記溶融物吐出ノズルと前記コレクタとの間に配置したことを特徴とする繊維製造装置。
【請求項２】
ピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するに際して、
前記溶融物を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズルと、前記溶融物吐出ノズルと対向して配置されたコレクタと、前記コレクタと前記溶融物吐出ノズルとの間に電圧を印加して前記溶融物吐出ノズルから吐出される溶融物を帯電せしめる溶融物帯電手段とを備え、かつ前記コレクタと電気的に接続された導電性メッシュ部材を前記溶融物吐出ノズルと前記コレクタとの間に配置した繊維製造装置を用いて繊維を製造することを特徴とする繊維製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロスピニング法を用いた繊維の製造装置と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体基盤上の電線・発光体用電子銃、各種センサなどのエレクトロニクス分野、高性能フィルターなどの環境対応分野、再生医療用スキャッフォールド、傷口保護材などのメディカル分野などへの応用を期待して、サブマイクロメータ以下の直径を持つ極細繊維に対する要求が高まりつつある。
このような極細繊維を製造する手法としては、例えば、海島複合紡糸やポリマーブレンドから海成分を適当な溶媒で溶解して除去し、島成分をサブマイクロメータオーダの繊維として取り出す手法があるが、海成分を溶解可能な溶媒を使用しなければならないため、ポリマーの種類に制限を受け、汎用性に乏しいという欠点がある。
【０００３】
そこで、複合紡糸法やブレンド紡糸法を使わずに繊維径がサブマイクロメータ以下の極細繊維を紡糸する方法として、エレクトロスピニング法（静電紡糸法）の重要性が見直され、注目が集まっている。このエレクトロスピニング法を利用した極細繊維の紡糸方法としては、流体供給部とコレクタとの間に電圧を印加して流体供給部からコレクタに流体（溶融物）を細糸状に吐出して極細繊維を紡糸する方法が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１５２４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、コールタールピッチや石油ピッチなどのピッチ系物質は溶融粘度の温度依存性が大きいため、紡糸条件のひとつである紡糸温度が振れると、得られる繊維の繊維径に大きなばらつきが生じやすいという問題があった。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、コレクタに向けて細糸状に吐出される溶融物がコ−ルタ−ルピッチや石油ピッチなどのピッチ系物質である場合には、その分子構造が平面的で固まり状の分子構造であり、高分子物質のように分子の絡み合いがほとんど無いため、細い繊維は長繊維とならずに切れて短繊維となることを見い出し、その目的は、コレクタに向けて細糸状に吐出される溶融物がピッチ系物質の溶融物であっても繊維径のばらつきが少ない繊維を得ることのできる繊維製造装置と繊維製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る繊維製造装置は、ピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するときに用いられ、前記溶融物を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズルと、前記溶融物吐出ノズルと対向して配置されたコレクタと、前記コレクタと前記溶融物吐出ノズルとの間に電圧を印加して前記溶融物吐出ノズルから吐出される溶融物を帯電せしめる溶融物帯電手段とを備えてなる繊維製造装置において、前記コレクタと電気的に接続された導電性メッシュ部材を前記溶融物吐出ノズルと前記コレクタとの間に配置したことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２記載の発明に係る繊維製造方法は、ピッチ系物質の溶融物から繊維をエレクトロスピニング法により製造するに際して、前記溶融物を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズルと、前記溶融物吐出ノズルと対向して配置されたコレクタと、前記コレクタと前記溶融物吐出ノズルとの間に電圧を印加して前記溶融物吐出ノズルから吐出される溶融物を帯電せしめる溶融物帯電手段とを備え、かつ前記コレクタと電気的に接続された導電性メッシュ部材を前記溶融物吐出ノズルと前記コレクタとの間に配置した繊維製造装置を用いて繊維を製造することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、溶融物吐出ノズルから吐出された溶融物のうち径の比較的太い溶融物は導電性メッシュ部材に引っ掛かり、コレクタの表面に付着することを導電性メッシュ部材によって阻止される。これにより、コレクタの表面には径の比較的細い溶融物のみが付着することになるので、コレクタに向けて細糸状に吐出される溶融物がピッチ系物質の溶融物であっても繊維径のばらつきが少ない繊維を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図１〜図５を参照して本発明に係る繊維製造装置と繊維製造方法について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の概略構成を示す図、図２は本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の要部を示す図であり、図１に示される繊維製造装置はピッチ系物質の溶融物１として貯蔵する貯蔵容器２を備えている。
【０００９】
貯蔵容器２は例えばステンレス鋼で形成されており、この貯蔵容器２の外周面には、貯蔵容器２に貯蔵された溶融物１を溶融状態に保つために、加熱部としての電熱ヒータ３が巻装されている。
また、貯蔵容器２は密閉構造となっており、この貯蔵容器２には、例えば０．１ＭＰａ程度に加圧された窒素ガスが窒素ガス供給ライン４から供給されるようになっている。なお、貯蔵容器２に貯蔵される溶融物１は、貯蔵容器２とは別の容器で溶解された後、ギヤポンプ等により貯蔵容器２内に供給されるようになっている。
【００１０】
貯蔵容器２に貯蔵された溶融物１は、溶融物吐出ノズル５から細糸状に吐出されるようになっている。この溶融物吐出ノズル５は貯蔵容器２の図中下端部に設けられており、溶融物吐出ノズル５の図中下方には、溶融物吐出ノズル５から吐出された溶融物を繊維として捕集するコレクタ６が配置されている。
コレクタ６は溶融物吐出ノズル５と対向して配置されており、このコレクタ６と溶融物吐出ノズル５との間には、溶融物吐出ノズル５から吐出された溶融物１を帯電させるために、溶融物帯電手段としての電圧発生器７から電圧が印加されるようになっている。
【００１１】
溶融物吐出ノズル５からの溶融物１を受けるコレクタ６の表面近くには、図２に示すような導電性メッシュ部材８が溶融物吐出ノズル５と対向して配置されている。この導電性メッシュ部材８は例えば直径０．１ｍｍ程度のステンレス鋼線材を網目状に編んで形成されており、導電性メッシュ部材８の各メッシュの大きさは例えば１．５ｍｍ程度となっている。
また、導電性メッシュ部材８は方形状に形成されており、この導電性メッシュ部材８の四隅には、コレクタ６の表面に向かって突出する導電性支柱９が導電性メッシュ部材８と一体に形成されている。
【００１２】
導電性支柱９の先端はコレクタ６の表面に接触しており、これにより、導電性メッシュ部材８はコレクタ６の表面から例えば２ｍｍ程度浮いた状態でコレクタ６と電気的に接続されている。
なお、溶融物吐出ノズル５の外周面には、溶融物吐出ノズル５内に供給された溶融物１の溶融状態を保つために、電熱ヒータ（図示せず）が巻装されている。
【００１３】
上述のように、溶融物吐出ノズル５からの溶融物１を受けるコレクタ６の表面近くに、コレクタ６と電気的に接続された導電性メッシュ部材８を配置すると、溶融物吐出ノズル５から吐出された溶融物１のうち径の比較的太い溶融物１は導電性メッシュ部材８に引っ掛かり、コレクタ６の表面に付着することを導電性メッシュ部材８によって阻止される。これにより、コレクタ６の表面には径の比較的細い溶融物１のみが付着することになるので、コレクタ６に向けて細糸状に吐出される溶融物がピッチ系物質の溶融物であっても繊維径のばらつきが少ない繊維を得ることができる。
なお、上述した本発明の一実施形態では、溶融物吐出ノズル５からの溶融物１を受けるコレクタ６の表面近くに導電性メッシュ部材８を配置したが、これに限定されるものではなく、溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に導電性メッシュ部材８が配置されていれば同様の効果を得ることができる。
【実施例１】
【００１４】
貯蔵容器２に貯蔵される溶融物１として軟化温度が１３０℃のコールタールピッチ系物質を用い、貯蔵容器：ステンレス鋼製貯蔵容器（容量：３０ｍＬ）、溶融物吐出ノズル口径：０．１６ｍｍ、貯蔵容器内原材料温度：２８０℃、溶融物吐出ノズル内原材料温度：２８０℃、電圧印加条件：コレクタをアース電極として貯蔵容器と溶融物吐出ノズルに３５ｋＶの電圧を印加、溶融物吐出ノズル先端からコレクタまでの距離：８０ｍｍ、コレクタ表面から導電性メッシュ部材までの距離：２ｍｍ、導電性メッシュ部材材質：直径０．１ｍｍのステンレス鋼線材、導電性メッシュ部材の各メッシュの大きさ：１．５ｍｍ、貯蔵容器内窒素ガス圧：０．１ＭＰａの条件で溶融物１を溶融物吐出ノズル５からコレクタ６に向けて細糸状に吐出したところ、導電性メッシュ部材８には、図３に示すように、繊維径が３〜６μｍ前後の溶融物１が引っ掛り、コレクタ６の表面には、図４に示すように、繊維径が４００〜６００ｎｍ前後の溶融物１が付着することが確認された。
【比較例１】
【００１５】
導電性メッシュ部材８の代りに底面の直径が２０ｍｍ、高さが３０ｍｍの円錐体をコレクタ６の表面上に配置した以外は、実施例１と同じ条件で溶融物１を溶融物吐出ノズル５からコレクタ６に向けて細糸状に吐出したところ、図５に示すように、繊維径が３〜６μｍ前後の溶融物と４００〜６００ｎｍ前後の溶融物がコレクタ６の表面に混在した状態で付着することが確認された。
【００１６】
以上のことからも明らかなように、コレクタ６と電気的に接続された導電性メッシュ部材８を溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に配置すれば、コレクタ６に向けて吐出される溶融物１がピッチ系物質の溶融物であっても繊維径のばらつきが少ない繊維を得ることができる。
図１に示した本発明の一実施形態では、貯蔵容器２とは別の容器で固体状態のピッチ系物質を融解しておき、これをギヤポンプ等で貯蔵容器２に供給するようにしたが、貯蔵容器２で固体状態のピッチ系物質を融解するようにしてもよい。
【００１７】
ピッチ系物質の溶融物１を貯蔵する貯蔵容器２として、図１に示した本発明の一実施形態では、ステンレス鋼で形成されたものを示したが、貯蔵容器２の材質は特に制限されるものではなく、ピッチ系物質の種類に応じて任意に選択可能である。さらに、貯蔵容器２をステンレス鋼やガラス等で形成すると、貯蔵容器２を安価に製作できるが、貯蔵容器２に貯蔵される溶融物１が腐食性の高い溶融物である場合には白金、ニッケル等の貴金属またはセラミック等で貯蔵容器２を形成してもよい。
【００１８】
ピッチ系物質の溶融物１を貯蔵する貯蔵容器２として、図１に示した本発明の一実施形態では、ステンレス鋼で一体的に形成されたものを示したが、これに限られるものではなく、例えばメンテナンスを考慮して複数のパーツから貯蔵容器２を構成してもよい。この場合、内圧によって溶融物１が漏れないように工夫することが望ましく、各パーツの間にアルミニウム製、銅製あるいはＰＴＦＥ製などのパッキンを介在させることが好ましい。
【００１９】
図１に示した本発明の一実施形態では、貯蔵容器２に貯蔵された溶融物１を一つの溶融物吐出ノズル５から細糸状に吐出するようにしたが、溶融物吐出ノズル５の数は単数または複数の何れでも構わない。ただし、生産性が向上するという点では複数のほうが好ましい。
実施例１では、貯蔵容器２に貯蔵された溶融物１を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズル５として、先端部が先細り状（凸形）のものを用いたが、溶融物吐出ノズル５の形状は特に限定されるものではない。ただし、先端部が先細り状の溶融物吐出ノズル５を用いると、溶融物１がコレクタ６に向かって直進するので、安定した紡糸を実現することができる。
【００２０】
また、先端部が平面状または凹形の溶融物吐出ノズルを用いると、ノズル先端部の等電位面が溶融物１の吐出方向に対して垂直な平面状になり、帯電した溶融物１が方向性を失って溶融物１の吐出方向を制御することが著しく困難となるため、安定した紡糸を実現するためには、先端部が先細り状の溶融物吐出ノズル５を用いることが好ましい。
溶融物吐出ノズル５の形状としては特に限定されないが、針状、棒状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、多角錘形状、ドーム形状、かまぼこ形状、楕円形状などの３次元形状であればよく、これらの形状を組み合せてもよい。また、溶融物吐出ノズル５の先端部付近の断面は丸である必要はなく、例えば正三角形、二等辺三角形などの三角形状、正方形、長方形などの方形形状、多角形状、Ｙ字形状、Ｃ字形状、中空形状、扁平形状などの各種形状を適用できる。この場合、溶融物はこれらの内部をキャピラリーで通ってもよいし、底面からの表面張力や重力、延伸張力などによってノズルの先端まで溶融物を誘導しても構わない。
【００２１】
溶融物吐出ノズル５から吐出された溶融物１を繊維して捕集するコレクタ６として、図２に示した本発明の一実施形態では、金属等の導電性材料で平板状に形成されたものを示したが、これに限られるものではなく、例えばコレクタ６を複数のユニットから構成してもよい。
実施例１では、安全性の観点からコレクタ６をグランドして溶融物吐出ノズル５に正電圧を印加するようにしたが、コレクタ６が正極であってもよいし負極であってもよい。
【００２２】
実施例１では、溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に３５ｋＶの電圧を印加して極細繊維を製造するようにしたが、これに限定されるものではない。ただし、溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に印加される電圧が０．５ｋＶ未満であると溶融物１が溶融物吐出ノズル５から離脱しにくくなり、１００ｋＶを超えると溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に放電が発生しやすくなるので、溶融物吐出ノズル５とコレクタ６との間に印加される電圧は０．５〜１００ｋＶであることが好ましい。
コレクタ６の表面上に配置される導電性メッシュ部材８として、実施例１では、直径０．１ｍｍのステンレス鋼線材からなり、メッシュの大きさが１．５ｍｍのものを示したが、導電性メッシュ部材８の材質やメッシュの大きさについては特に限定されるものではない。
【００２３】
貯蔵容器２に貯蔵される溶融物１として、実施例１では、軟化温度が１３０℃に調製されたコールタールピッチ系物質を用いたが、これに限られるものではない。例えば、コ−ルタ−ルピッチ、石油ピッチ、合成ピッチなどが挙げられる。また、上記の物質に有機物または無機物の粉末，ウイスカー等を混合させたものをピッチ系物質として用いてもよい。
コレクタ６により捕集される繊維集合体の形状は平面状不織布だけでなく、フィラメント、例えばチューブ状の構造体のような三次元構造体など特に制限はない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る繊維製造装置の要部を示す図である。
【図３】実施例１の導電性メッシュ部材に引っ掛かったピッチ系繊維の繊維径を示す図である。
【図４】実施例１のコレクタ表面に付着したピッチ系繊維の繊維径を示す図である。
【図５】比較例１のコレクタ表面に付着したピッチ系繊維の繊維径を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  溶融物
２  貯蔵容器
３  電熱ヒータ
４  窒素ガス供給ライン
５  溶融物吐出ノズル
６  コレクタ
７  電圧発生器
８  導電性メッシュ部材
９  導電性支柱
【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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