JP2008190055A - Electrospinning apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は極細繊維(特に、いわゆる「ナノファイバー」とよばれる超極細繊維)からなる繊維集合体をエレクトロスピニング(Electrospinning)によって製造するためのエレクトロスピニング装置に関する。 The present invention relates to an electrospinning apparatus for producing a fiber assembly made of ultrafine fibers (particularly, so-called “nanofibers”) by electrospinning.
最近、極細繊維の集合体からなるウェブを得るエレクトロスピニングという紡糸技術が注目されている。この紡糸技術は、静電界場が形成された雰囲気中へ荷電した紡糸液を紡出して、これを繊維集合体として捕集することにより、繊維径がサブミクロン・オーダーもしくはミクロン・オーダーのウェッブを得る技術であり、近年においては、ナノメータ・オーダーの繊維径を持った繊維集合体を得ることができるようにもなってきた。 Recently, a spinning technique called electrospinning for obtaining a web composed of an assembly of ultrafine fibers has attracted attention. This spinning technology spins a charged spinning solution into an atmosphere where an electrostatic field is formed and collects it as a fiber assembly, thereby creating a web with a fiber diameter of submicron order or micron order. In recent years, it has become possible to obtain a fiber assembly having a fiber diameter of nanometer order.
ここで、エレクトロスピニングについて簡単に説明すると、非特許文献1などに記載されているように、エレクトロスピニングでは、高電圧を用いて紡糸を行う。このため、高電圧によって紡糸液の表面に電荷が誘発され蓄積される。この電荷はお互いに反発し合い、その反発力は紡糸液の表面張力に対抗する。そして、電場力が表面張力の臨界値を超えると、電荷の反発力が表面張力に打ち克って、荷電した紡糸液のジェットが噴射される。
Here, the electrospinning will be briefly described. As described in
このようにして噴射された紡糸液からなるジェットは、その体積に比較して表面積が大きいため、溶媒が効率良く蒸発する。また、体積が減少することにより電荷密度がより高くなるため、荷電した紡糸液の反発力が増して、更に細いジェットへと分裂して行く。そして、このような過程を経ながら、数十nm〜数百nmの単繊維径(フィラメント径)を有する均一なフィラメント(いわゆる「ナノファイバー」)からなる繊維集合体がウェブとしてコレクター(捕集手段)上に最終的に捕集される。 Since the jet composed of the spinning solution thus ejected has a large surface area compared to its volume, the solvent is efficiently evaporated. Further, since the charge density is increased by decreasing the volume, the repulsive force of the charged spinning solution is increased, and the jet liquid is further divided into thinner jets. Through such a process, a fiber assembly made of uniform filaments (so-called “nanofibers”) having a single fiber diameter (filament diameter) of several tens to several hundreds of nanometers is collected as a web collector (collecting means). ) Finally collected on top.
なお、このエレクトロスピニングは、米国特許第1975504号明細書(特許文献1)に現れたのが最初と言われている。また、このエレクトロスピニングは、従来、「静電場紡糸」、「静電紡糸」、あるいは「電荷誘導紡糸」などと様々な名称で呼ばれ、古くから行われてきた紡糸方法である。したがって、我が国においても、例えば、下記の特許文献2〜特許文献9等において、その様々な応用技術が提案されている。
It is said that this electrospinning first appeared in US Pat. No. 1975504 (Patent Document 1). In addition, this electrospinning is a spinning method that has been used for a long time and has been called by various names such as “electrostatic field spinning”, “electrostatic spinning”, or “charge-induced spinning”. Therefore, in Japan, for example, the following
このように、エレクトロスピニングの歴史は古いが、得られるウェブの製造速度が遅いという大きな問題を有している。このため、工業的な規模でウェブを製造できない故に、近年まで工業的な規模の紡糸方法としては使用されてこなかった。 Thus, although the history of electrospinning is old, it has the big problem that the production speed of the obtained web is slow. For this reason, since a web cannot be manufactured on an industrial scale, it has not been used as an industrial scale spinning method until recently.
しかしながら、このような原理を使用したエレクトロスピニングが、一躍注目を浴びるようになったのは、最近において高分子溶融物、高分子溶液などの様々な種類の高分子が適用可能であって、数nm(ナノメートル)の直径を有する繊維からなるウェブの製造も可能であることが報告されたことによる。 However, electrospinning using this principle has attracted a great deal of attention recently because various types of polymers such as polymer melts and polymer solutions can be applied. This is because it has been reported that it is also possible to produce webs made of fibers having a diameter of nm (nanometers).
例えば、エレクトロスピニングによって製造されたウェブは、その特性から人工血管や人工臓器等の素材として応用できることがわかり、医療・バイオテクノロジー等へ応用が精力的に研究され始められた。また、1990年代初頭にアメリカで、生物兵器用のガスフィルターを製造するための軍事研究として取り上げられ、また、ガスタービンや自動車用の特殊エアフィルターとして実用化もされている。 For example, webs manufactured by electrospinning have been found to be applicable as materials for artificial blood vessels, artificial organs and the like because of their characteristics, and their application to medical and biotechnology has begun to be studied energetically. Also, in the United States in the early 1990s, it was taken up as military research for producing gas filters for biological weapons, and it has been put into practical use as a special air filter for gas turbines and automobiles.
以上に説明したように、エレクトロスピニングによるウェブの製造は、様々な分野で大きな可能性を秘めているが、その製造速度の遅さに起因する生産効率の悪さに関しては依然として大きな問題として残されている。ただし、この問題を解決するために、紡糸液から繊維を形成するためのノズルを紡糸ヘッドに多数設けて、これらのノズルから一斉に繊維を紡出することにより生産性を向上させようとする試みもなされてきた。 As explained above, the production of webs by electrospinning has great potential in various fields, but the poor production efficiency due to the slow production speed still remains a big problem. Yes. However, in order to solve this problem, an attempt was made to improve productivity by providing a number of nozzles for forming fibers from the spinning solution in the spinning head and spinning the fibers simultaneously from these nozzles. Has also been made.
しかしながら、エレクトロスピニングのような静電界場での紡糸技術において、ノズルを多数設けると、ノズル間で電界干渉を起こすという不具合が発生する。そこで、この欠点を克服するための試みとして、特許文献16及び特許文献17などに見られるように、紡糸ヘッドと紡出された繊維を捕集するコレクターとの間に平板電極を設けたり、走査電極や静電四極子レンズを設けたりすることが提案されている。また、多数配列したノズルの中間に電荷分配板を用いることにより、加工速度を向上させることも提案されている。確かに、これらの従来技術によれば、同じ電荷を帯びた繊維(フィラメント)同士が互いにその斥力によって反発し合って広がってしまうという事態を防止することはできる。
However, in a spinning technique using an electrostatic field such as electrospinning, when a large number of nozzles are provided, there is a problem that electric field interference occurs between the nozzles. Therefore, as an attempt to overcome this drawback, as seen in
しかしながら、多数のノズルが並設された中央部では、隣り合うノズルの電界が互いに干渉する影響が大きくなって、紡出する繊維の量が減少し、場合によっては繊維が全く紡出されないといった事態も生じる。また、これとは逆に、ノズルの設置個数が少ない端部では、隣接するノズルから受ける電界の影響が小さくなって、中央部とは逆に多量の繊維が紡出されてしまうという事態を招く。そうすると、当然のことながら、得られたウェブの幅方向における目付け分布に関して言うと、中央部で目付けが小さくなり、端部へ行くに従って目付けが大きくなるという製品品質上の問題を惹起する。 However, in the center where a large number of nozzles are arranged side by side, the influence of the electric fields of adjacent nozzles interfering with each other increases, the amount of fibers to be spun decreases, and in some cases, no fibers are spun at all. Also occurs. On the other hand, at the end portion where the number of nozzles is small, the influence of the electric field received from the adjacent nozzle is reduced, causing a situation where a large amount of fiber is spun on the contrary to the central portion. . Then, as a matter of course, in terms of the weight distribution in the width direction of the obtained web, the weight per unit area becomes small, and the weight per unit area increases toward the end part.
ところが、従来技術では、ウェブの生産性を向上させるために、どうしてもより多くのノズルを設けなければならず、それ故に、装置サイズが極端に大きくなる。しかも、このような技術では、得られるウェブに関する前述の目付け斑の悪化もより顕著になる。したがって、従来のエレクトロスピニングでは、生産速度を向上させようとしたときに生じる目付け斑が解消されず、そのために、生産効率が良いウェブの生産方法の確立という目標は未だに満足するレベルにまで達していないのが現状である。 However, in the prior art, in order to improve the productivity of the web, more nozzles are inevitably provided, and therefore the apparatus size becomes extremely large. In addition, with such a technique, the above-described deterioration of the spot weight on the obtained web becomes more remarkable. Therefore, the conventional electrospinning does not eliminate the uneven spots that occur when trying to improve the production speed, and as a result, the goal of establishing a web production method with high production efficiency has still reached a satisfactory level. There is no current situation.
以上に述べた従来のエレクトロスピニング技術に係る諸問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、従来技術のように多数のノズルを立設して多数の繊維を紡出する生産効率の悪い技術に代えて、繊維の生産効率を飛躍的に向上でき、しかも、得られる繊維集合体の目付け分布を大幅に改善できるエレクトロスピニング装置を提供することにある。 In view of the problems related to the conventional electrospinning technique described above, the problem to be solved by the present invention is that the production efficiency of spinning a large number of fibers by standing a large number of nozzles as in the prior art is poor. Instead of technology, it is an object of the present invention to provide an electrospinning apparatus that can drastically improve the production efficiency of fibers and that can greatly improve the distribution of the weight of the resulting fiber aggregate.
前記課題を達成するための本発明として、下記(1)〜(8)に係るエレクトロスピニング装置が提供される。 As the present invention for achieving the above object, an electrospinning apparatus according to the following (1) to (8) is provided.
(1) 繊維を紡出する紡糸ヘッドと紡出された繊維を捕集するコレクターとの間に大きな電位差を付与して強電界場を形成した雰囲気中に荷電した紡糸液を紡出して極細繊維からなる集合体を前記コレクター上に形成するためのエレクトロスピニング装置において、
前記紡糸液を拡幅して薄膜状に吐出する吐出孔と、前記吐出孔から吐出された紡糸液を薄膜状に流下させる傾斜面と、前記傾斜面に対して垂直に延在した方向に前記傾斜面と平行かつ対向して設けられたコレクターとを備え、前記傾斜面を流下する紡糸液から極細繊維を紡出してコレクター上に捕集することを特徴とするエレクトロスピニング装置。
(2) 前記コレクターが延在する方向へ先細に形成した先細突起を前記傾斜面に多数形成した、(1) に記載のエレクトロスピニング装置。
(3) 前記傾斜面に形成された多数の窪み部を有し、前記窪み部に前記先細突起を設けた、(2) に記載のエレクトロスピニング装置。
(4) 前記先細突起の先端部が針状形状を有する、(1)〜(3)の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
(5) 前記傾斜面へ供給前の紡糸液に対して電荷を付与する高電圧電源を備えた、(1) 〜(4) の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
(6) 前記先細突起に紡糸液に電荷を付与するための高電圧電源を接続した、(1)〜(5)の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
(7) 前記吐出孔が、紡糸液を貯留する貯留室と、前記貯留室から流出する紡糸液を横方向に拡幅しながら薄膜状に流すスリット流路と、前記貯留室に貯留された紡糸液に背圧を生じさせると共に前記スリット流路上に設けられた均圧部材とを備えた、(1)〜(6)の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
(8) 前記吐出孔が、前記傾斜面の幅方向に沿って水平方向に横一列に並設された細孔群からなる、(1)〜(7)の何れかに記載のエレクトロスピニング装置。
(1) Extra fine fibers are produced by spinning a charged spinning solution in an atmosphere in which a strong electric field is formed by applying a large potential difference between a spinning head for spinning fibers and a collector for collecting the spun fibers. In an electrospinning apparatus for forming an assembly comprising:
A discharge hole for widening and discharging the spinning solution in a thin film shape, an inclined surface for allowing the spinning solution discharged from the discharge hole to flow down in a thin film shape, and the inclination in a direction extending perpendicularly to the inclined surface An electrospinning apparatus comprising: a collector provided in parallel to and opposite to the surface, wherein ultrafine fibers are spun from a spinning solution flowing down the inclined surface and collected on the collector.
(2) The electrospinning device according to (1), wherein a number of tapered protrusions that are tapered in a direction in which the collector extends are formed on the inclined surface.
(3) The electrospinning device according to (2), wherein the electrospinning device according to (2) has a large number of depressions formed on the inclined surface, and the tapered protrusions are provided in the depressions.
(4) The electrospinning device according to any one of (1) to (3), wherein a tip portion of the tapered protrusion has a needle shape.
(5) The electrospinning device according to any one of (1) to (4), further comprising a high-voltage power supply for applying a charge to the spinning solution before being supplied to the inclined surface.
(6) The electrospinning device according to any one of (1) to (5), wherein a high voltage power source for imparting electric charge to a spinning solution is connected to the tapered protrusions.
(7) The discharge hole stores a spinning chamber in which the spinning solution is stored, a slit channel that flows the spinning solution flowing out from the storage chamber in a thin film shape while being laterally widened, and the spinning solution stored in the storage chamber The electrospinning device according to any one of (1) to (6), further including a back pressure generating member and a pressure equalizing member provided on the slit channel.
(8) The electrospinning device according to any one of (1) to (7), wherein the discharge holes are formed of a group of pores arranged in a horizontal row in a horizontal direction along the width direction of the inclined surface.
以上に述べた本発明によれば、紡糸液を吐出孔から吐出して均一に傾斜面へ供給して、この傾斜面から一斉に繊維を紡出することができる。しかも、従来技術のように、強い電界を形成する先細ノズルを多数併設することが無いため、ノズルが有する強い電界間の相互干渉を抑制することができる。 According to the present invention described above, the spinning solution can be discharged from the discharge holes and supplied uniformly to the inclined surface, and the fibers can be spun simultaneously from the inclined surface. Moreover, unlike the prior art, since there are not many tapered nozzles that form a strong electric field, mutual interference between the strong electric fields of the nozzles can be suppressed.
したがって、従来のエレクトロスピニング装置によるウェブ(繊維集合体)の製造と比較すると、本発明のエレクトロスピニング装置によって得られる不織布ウェブなどの形態を有するナノファイバーの集合体の生産効率を飛躍的に向上させることができる。 Therefore, compared with the production of a web (fiber assembly) by a conventional electrospinning apparatus, the production efficiency of nanofiber aggregates having a form such as a nonwoven web obtained by the electrospinning apparatus of the present invention is dramatically improved. be able to.
しかも、本発明のエレクトロスピニング装置では、従来のようにノズル間の強い電界の相互干渉を抑制することができる。このために、得られるナノファイバーからなる集合体の目付け分布を大幅に改善できる。 Moreover, in the electrospinning apparatus of the present invention, it is possible to suppress mutual interference of strong electric fields between the nozzles as in the prior art. For this reason, the basis weight distribution of the aggregate composed of the obtained nanofibers can be greatly improved.
本発明のエレクトロスピニングに使用可能な「高分子物質」には、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、ポリメタクリル酸メチル、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、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン12、ナイロン−4,6などのナイロン系、アラミド、ポリベンズイミダゾール、ポリビニルアルコール、セルロース、酢酸セルロース、酢酸セルロースブチレート、ポリビニルピロリドン−酢酸ビニル、ポリ(ビス−(2−(2−メトキシ−エトキシエトキシ))ホスファゼン)、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミド、ポリこはく酸エチレン、ポリアニリン、ポリエチレンサルファイド、ポリオキシメチレン−オリゴ−オキシエチレン、SBS共重合体、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンオキサイド、コラーゲン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリD,L−乳酸−グリコール酸共重合体、ポリアリレート、ポリプロピレンフマラート、ポリカプロラクトンなどの生分解性高分子、ポリペプチド、タンパク質などのバイオポリマー、コールタールピッチ、石油ピッチなどのピッチ系などの溶融または適正溶媒に溶解可能な様々な高分子が適用可能である。それだけでなく、上記高分子にエマルジョンや有機、無機物の粉末状を混合して用いることも可能である。
The “polymeric substance” that can be used for electrospinning of the present invention includes polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-methacrylate copolymer, polymethyl methacrylate, polychlorinated chloride. Vinyl, polyvinylidene chloride-acrylate copolymer, nylon, such as polyethylene, polypropylene,
また、前記「高分子物質」を溶解する溶媒として「揮発性溶媒」を用いて「紡糸液」を製造するが、この「揮発性溶媒」は、揮発性が高い下記(a)群から選ばれた溶媒の少なくとも1種と、揮発性が揮発性が相対的に低い下記(b)群から選ばれた少なくとも1種の溶媒との混合溶媒を使用することが好ましい。 Further, a “spinning solution” is produced using a “volatile solvent” as a solvent for dissolving the “polymer substance”, and the “volatile solvent” is selected from the following group (a) having high volatility. It is preferable to use a mixed solvent of at least one of the above solvents and at least one solvent selected from the following group (b), which is relatively low in volatility.
ここで、揮発性の高い前記(a)群の溶媒としては、アセトン、クロロホルム、エタノール、イソプロパノール、メタノール、トルエン、テトラヒドロフラン、水、ベンゼン、ベンジルアルコール、1,4−ジオキサン、プロパノール、四塩化炭素、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、塩化メチレン、フェノール、ピリジン、トリクロロエタン、酢酸を例示することができる。 Here, as the solvent of the group (a) having high volatility, acetone, chloroform, ethanol, isopropanol, methanol, toluene, tetrahydrofuran, water, benzene, benzyl alcohol, 1,4-dioxane, propanol, carbon tetrachloride, Examples include cyclohexane, cyclohexanone, methylene chloride, phenol, pyridine, trichloroethane, and acetic acid.
また、揮発性が相対的に低い前記(b)群の溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、アセトニトリル、N−メチルモルホリン−N−オキシド、ブチレンカーボネート、1,4−ブチロラクトン、ジエチルカーボネート、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジオキソラン、エチルメチルカーボネート、メチルホルマート、3−メチルオキサゾリジン−2−オン、メチルプロピオネート、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホランを例示することができる。 Further, as the solvent of the group (b) having relatively low volatility, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, ethylene carbonate, propylene carbonate, Dimethyl carbonate, acetonitrile, N-methylmorpholine-N-oxide, butylene carbonate, 1,4-butyrolactone, diethyl carbonate, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 1, Examples include 3-dioxolane, ethyl methyl carbonate, methyl formate, 3-methyl oxazolidine-2-one, methyl propionate, 2-methyl tetrahydrofuran, and sulfolane.
本発明で使用される「高分子物質」を「溶媒」で溶解した紡糸液の粘度は、得られる繊維の繊維径に影響し、一般に、粘度が低ければ繊維径が細くなり、高ければ太くなる。したがって、紡糸液の粘度は、1cps〜10000cpsであることが好ましく、10cps〜1000cpsとすることがより好ましい。これよりも粘度が高いと、エレクトロスピニングによって効率的に繊維を得ることが困難となり、生産性が極めて低下すると共に、細い繊維が得られ難くなり、逆に、粘度が低すぎると、紡糸液の流量制御が困難となる。 The viscosity of the spinning solution in which the “polymeric substance” used in the present invention is dissolved in the “solvent” affects the fiber diameter of the obtained fiber. In general, the fiber diameter becomes smaller if the viscosity is low, and thicker if the viscosity is high. . Therefore, the viscosity of the spinning solution is preferably 1 cps to 10000 cps, and more preferably 10 cps to 1000 cps. If the viscosity is higher than this, it will be difficult to obtain fibers efficiently by electrospinning, and the productivity will be extremely reduced, and it will be difficult to obtain fine fibers. Conversely, if the viscosity is too low, the spinning solution Flow control becomes difficult.
また、エレクトロスピニングは、電荷の反発力が紡糸液の表面張力に打ち勝って生じるので、紡糸液の表面張力は、得られる繊維の繊維径に影響し、一般に表面張力が低ければ繊維径が細くなり、高ければ太くなる。また、紡糸液の表面張力は、大きすぎるとエレクトロスピン現象が生じ難くなって繊維径が大きくなるばかりか、液球の飛散を生じるため、70ダイン以下が好ましい。同様により好ましくは60ダイン以下、最も好ましくは50ダイン以下である。 In electrospinning, the repulsive force of electric charges overcomes the surface tension of the spinning solution, so the surface tension of the spinning solution affects the fiber diameter of the resulting fiber, and generally the fiber diameter becomes smaller if the surface tension is low. If it is high, it will be thick. In addition, if the surface tension of the spinning solution is too large, the electrospin phenomenon is difficult to occur and the fiber diameter is increased, and liquid balls are scattered. Similarly, it is preferably 60 dynes or less, and most preferably 50 dynes or less.
本発明では、以上に述べた紡糸液を用いてエレクトロスピニングを行うのであるが、以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明のエレクトロスピニング装置の一つの実施形態例を模式的に示した概略の装置構成図である。
In the present invention, electrospinning is performed using the spinning solution described above. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic apparatus configuration diagram schematically showing one embodiment of the electrospinning apparatus of the present invention.
この図1において、参照符号1はエレクトロスピニング装置である。そして、このエレクトロスピニング装置1は、参照符号2の紡糸ヘッド、参照符号3の高圧電源、参照符号4のコレクター、参照符号5の貯留容器、参照符号6の計量供給装置、参照符号7の紡糸室、参照符号8の排気装置、参照符号9の吸気装置、参照符号10の接地端子、参照符号11の紡糸液の回収容器、参照符号12の紡糸液の回収配管、参照符号13の紡糸液の供給配管、参照符号15の基材の巻出装置、参照符号16の巻取装置などを含んで構成されている。なお、参照符号Bは基材、参照符号Fは紡出された繊維、そして、参照符号Pは紡糸液をそれぞれ示す。
In FIG. 1,
その際、前記高圧電源3は参照符号31の第1高圧電源と参照符号32の第2高圧電源を備えている。このとき、第1高圧電源31は、紡糸ヘッド2とコレクター4との間の紡糸領域に強い静電界場を形成するために使用し、第2高圧電源32は、紡糸液Pに予め所定の量の電荷を付与しておくために使用する。
In this case, the high-voltage power source 3 includes a first high-
なお、第1高圧電源31と第2高圧電源32は、一つの高圧電源3からそれぞれ電極を分岐させて共用しても良い。ただし、共用の高圧電源3を用いたとしても、第1高圧電源31と第2高圧電源32とで、付与する電位差を同じにする必要は無く、付与する電位差を異ならせることができるのは言うまでもない。
The first high-
また、図1の排気装置8は、参照符号81の排気フード、参照符号82の排気配管、参照符号83の流量調節装置、参照符号84の気体吸引手段、そして、参照符号85の溶媒除去装置を含んで構成される。更に、吸気装置9は、参照符号91のフィルター、参照符号92の吸気孔などを含んで構成される。
1 includes an exhaust hood indicated by reference numeral 81, an exhaust pipe indicated by
以上のように構成される、本発明に係るエレクトロスピニング装置1は、図示したように、傾斜面22が形成された紡糸ヘッド2を有しており、この紡糸ヘッド2に対して貯留容器5に貯えられた紡糸液Pが計量供給装置6によって連続的に計量されながら供給される。なお、このとき使用する計量供給装置6としては、ギアポンプ、シリンジポンプ、チューブポンプなどの計量機能を有する装置を例示することができる。
The
なお、図1には、貯留容器5及び計量供給装置6はそれぞれ1つずつ記載しているが、複数の貯留容器5及び計量供給装置6を使用することも可能である。例えば、複数の貯留容器5に各々別の高分子物質を貯蔵して、移送途中の流路内で静止混練器などを使用して混合したり、また複数の紡糸ヘッド2を設けて、各紡糸ヘッド2毎に異なる高分子物質を供給して繊維集合体を製造することも可能である。
In FIG. 1, one storage container 5 and one metering supply device 6 are shown, but a plurality of storage containers 5 and metering supply devices 6 can also be used. For example, different polymer substances are stored in a plurality of storage containers 5 and mixed by using a stationary kneader or the like in a flow path in the middle of transfer, or a plurality of spinning
このとき、前記紡糸ヘッド2の傾斜面22には、直流高電圧電源3からの正電極が接続されており、これによって、正の高電位が傾斜面22に印加されている。これに対して、紡糸ヘッド2の傾斜面22から紡出された繊維Fを捕集する側のコレクター4は、接地端子10を介して接地(アース)されている。したがって、当然のことながら、このコレクター4の電位は、接地によって接地端子10と同じ電位、すなわち、0Vとなっている。
At this time, a positive electrode from the DC high-voltage power supply 3 is connected to the
このようにして、前記紡糸ヘッド2の傾斜面22とコレクター4との間に大きな電位差が生じさせ、これによって強い静電界場を繊維Fの紡糸領域に形成する。なお、図1に例示した実施形態では、紡糸ヘッド2の傾斜面22とコレクター4との間に大きな電位差を付与するために、コレクター4を接地する場合を示しているが、陽極性(+)を有する傾斜面22に対して、逆の陰極性(−)を有する電圧をコレクター4に印加するようにしても良い。
In this way, a large potential difference is generated between the
以上に説明した静電界場において、前記計量供給装置6によって連続的に計量されながら紡糸ヘッド2に供給された紡糸液Pは、予め第2高圧電源32から吐出孔21部に設けられた電極、紡糸液P中に設けられた電極(図示せず)、及び/又は第1高圧電源31から傾斜面22に設けられた電極によって印加された正電圧によって、当然のことながら、その表面に正電荷が誘発され蓄積される。
In the electrostatic field described above, the spinning solution P supplied to the spinning
このようにして紡糸液Pに帯びた正電荷は、同種の電荷間に作用する斥力によってお互いに反発し合い、その反発力は紡糸液Pの表面張力に対抗するまでのレベルにまで達する。そして、その反発力が表面張力の臨界値を超えると、紡糸液Pの反発力が表面張力に打ち克って、荷電した紡糸液Pがジェットとなって紡糸液Pの表面から噴射される。 In this way, the positive charges on the spinning solution P repel each other due to repulsive force acting between the same type of charges, and the repulsive force reaches a level until it counters the surface tension of the spinning solution P. When the repulsive force exceeds the critical value of the surface tension, the repulsive force of the spinning liquid P overcomes the surface tension, and the charged spinning liquid P is jetted from the surface of the spinning liquid P.
このようにして紡糸液Pから噴射された最初のジェットは、初期段階においてその直径が大きくても、高分子物質を溶解する溶媒が急激に揮発するため、その径も急激に小さくなる。そうすると、噴射されたジェットはその体積に比較して表面積が幾何級数的に大きくなって、高分子物質を溶解している溶媒が極めて効率良く蒸発する。それとともに、ジェットの体積が急激に減少することにより、ジェット自身が帯びている電荷密度がより高くなる。 Thus, even if the initial jet ejected from the spinning solution P has a large diameter in the initial stage, the solvent that dissolves the polymer substance volatilizes abruptly, so the diameter also decreases abruptly. Then, the jetted jet has a surface area that is geometrically larger than its volume, and the solvent in which the polymer substance is dissolved evaporates very efficiently. At the same time, the charge density carried by the jet itself becomes higher due to the rapid decrease in the volume of the jet.
そうすると、密度を増した電荷の作用によってジェット内の反発力が更に急激に増して、より細いジェットへと更に分裂を重ねて行く。そして、このようなジェットの再分裂過程を経ながら、ジェットを構成する高分子物質は、最終的に数十nm〜数百nmの単繊維径(フィラメント径)を有する均一なフィラメントF(いわゆる「ナノファイバー」)からなる繊維集合体を形成してコレクター4上に捕集される。 Then, the repulsive force in the jet increases more rapidly due to the action of the charge having increased density, and further splits into thinner jets. The polymer substance constituting the jet finally undergoes such a re-fission process of the jet, so that the uniform filament F having a single fiber diameter (filament diameter) of several tens to several hundreds of nanometers (so-called “ A fiber assembly composed of “nanofibers” is formed and collected on the collector 4.
本発明において、繊維集合体からなるウェブを製造するために使用する前述の「高分子物質」としては、5μS/cm〜500mS/cm(ここに記載の計量単位「S」は「ジーメンス」を表す)、好適には5μS/cm〜50mS/cmの導電率を有するものを用いることが好ましい。このような範囲の導電率を持つ高分子物質を用いることで、紡糸液Pの表面張力に打ち克って急激に紡出されて形成されたジェットの先端での電界集中を強め、より細くかつ良好な形状に分裂したナノファイバーFを得ることが可能であり、その上、製造速度も向上する。 In the present invention, the above-mentioned “polymeric substance” used for producing a web composed of fiber aggregates is 5 μS / cm to 500 mS / cm (the measurement unit “S” described here represents “Siemens”). ), Preferably having a conductivity of 5 μS / cm to 50 mS / cm. By using a polymer substance having an electric conductivity in such a range, the electric field concentration at the tip of a jet formed by overcoming the surface tension of the spinning liquid P and abruptly spun up is increased, It is possible to obtain nanofibers F split into a good shape, and the production speed is improved.
何故ならば、エレクトロスピニング技術では、繊維Fが形成される過程で、急激に紡出された高分子物質を含む紡糸液Pのジェットが分裂する際、このジェットの導電性が5μS/cm未満であると、ジェット先端の電位が下がる。そうすると、ジェットへの電界強度の集中が弱くなって、ナノファイバーFへの分裂がうまく生じない恐れがあるからである。 This is because, in the electrospinning technique, when the jet of the spinning solution P containing a rapidly spun polymer material is split in the process of forming the fiber F, the conductivity of the jet is less than 5 μS / cm. If there is, the jet tip potential drops. In this case, the concentration of the electric field strength on the jet becomes weak, and there is a possibility that the splitting into the nanofibers F does not occur well.
他方、導電率が500mS/cmを超えると、エレクトロスピニング現象が不安定になり易い。しかも、導電率が大きくなると、前述のジェットの表面に生じた電荷の集中が、流体力学的に緩衝されるのではなく、その高い電気伝導の故に、電荷がジェット内に分散してしまう。そうすると、ジェットが分裂する現象が起き難くなって、目標とするナノファイバーFを得ることができない。 On the other hand, if the electrical conductivity exceeds 500 mS / cm, the electrospinning phenomenon tends to become unstable. Moreover, when the conductivity increases, the concentration of charges generated on the surface of the jet is not buffered hydrodynamically, but charges are dispersed in the jet because of its high electrical conductivity. If it does so, the phenomenon which a jet breaks up will become difficult to occur, and the target nanofiber F cannot be obtained.
このエレクトロスピニングにおいては、前述のように繊維Fが形成される過程で、繊維化する高分子物質を溶解している溶媒が急激に揮発する。このため、揮発した溶媒が周囲に拡散して作業環境を悪化させないように、紡糸ヘッド2とコレクター4との間の紡糸領域を取り囲む紡糸室7を設け、この紡糸室7内を空調する空調手段(図1の実施形態では、排気装置8と吸気装置9が相当する)を備えることが望ましい。また、このような空調は、紡糸室7内の溶媒濃度、温度、あるいは湿度などを一定に保ち、それ故に、常に安定した紡糸条件を維持するためにも、紡糸室7に付設することが望ましい。
In this electrospinning, in the process of forming the fiber F as described above, the solvent that dissolves the polymer substance to be fiberized is rapidly volatilized. For this reason, an air conditioning means for providing a
その際、この紡糸室7内に揮散した溶媒については、排気装置8を紡糸室7に付設して、この紡糸室7内の空気を吸引して除去することが好ましい。また、排出する溶媒を含んだ空気とのマテリアル・バランスを維持調整するために、例えば吸気孔、ブロアー、ファンなどからなる吸気装置9を設けたりすることが好ましい。なお、図1の実施形態では、このような吸気装置9として、フィルター91を付設した吸気孔92を例示している。
At this time, it is preferable to remove the solvent volatilized in the
このさとき、前記吸気装置9を通じて紡糸室7へ吸気する空気の温度は、溶媒の揮発度や紡出する繊維群(フィラメント群)Fの集積度を考慮すると、5℃〜80℃の範囲内で調整することが好ましい。したがって、必要に応じて吸気装置9には、加熱器(図示せず)をが吸気配管の途中に設けられることがある。なお、溶媒を含んだ空気の排出風速は、紡出される紡糸液Pのジェットに悪影響が及ばないよう、紡糸領域内では、例えば、0.1m/s〜5m/sの範囲で調整することが望ましい。
At this time, the temperature of the air sucked into the spinning
以上に説明したように、吸気装置9から紡糸室7内に吸入された空気は、紡糸ヘッド2の傾斜面22から繊維化されて紡出される高分子物質を溶解する溶媒が揮発した溶媒含有空気となる。そして、この溶媒含有空気は、排気装置8によって紡糸室7の外へ排気される。なお、排気装置8は、例えば、ブロアー、ファン、真空吸引機、エジェクターなどからなる気体吸引手段84を排気配管82の途中に備えていることは言うまでもない。
As described above, the air sucked into the spinning
このようにして、排気装置8によって吸引された溶媒を含む空気は、コールドトラップ、あるいは溶媒吸着装置などからなる溶媒除去装置85を介して溶媒を回収あるいは分離除去した後、図示した矢印方向に、溶媒を含まない空気のみが放出される。このとき、排気装置8によって吸引する溶媒を含む空気量は、例えば排気装置8の排気配管82の途中にダンパーや流量調節弁などからなる流量調節装置83などを設けることによって、調整することが好ましい。
In this way, the air containing the solvent sucked by the
以上に述べたようにして、本発明に係るナノファイバーFからなる繊維集合体が形成されるのであるが、このナノファイバーFからなる繊維集合体の形成に際しては、前記紡糸ヘッド2の特徴的な構造が大きな役割を果たす。つまり、本発明のエレクトロスピニング装置1は、この紡糸ヘッド2の構造に大きな特徴を有するものである。そこで、以下に図2を参照しながら、本発明の紡糸ヘッド2の特徴について、更に詳細に説明する。
As described above, the fiber assembly composed of the nanofiber F according to the present invention is formed. In forming the fiber assembly composed of the nanofiber F, the characteristic of the spinning
図2は、本発明に係る紡糸ヘッド2の構造を説明するための説明図(斜視図)である。この図2において、前記紡糸ヘッド2は、少なくとも参照符号21の吐出孔と参照符号22の傾斜面とを備えている。更に、前記吐出孔21は、参照符号21aの上板、参照符号21bのスペーサー、参照符号21cの貯留室、参照符号21dの紡糸液の供給孔、そして、参照符号21eの基部を含んで構成される。また、この図2において、参照符号22は、前記吐出孔21から吐出された紡糸液Pがその上を流下する傾斜面を示し、本発明は、紡糸ヘッド2にこのような傾斜面22が形成されていることを大きな特徴とするものである。
FIG. 2 is an explanatory view (perspective view) for explaining the structure of the spinning
なお、図2において、図2(a)は、紡糸液Pが吐出される吐出孔21の吐出部の流路形状が横方向(水平方向)に広がったスリットを有するものを例示している。また、図2(b)は、図2(a)に例示した吐出孔21が有するスリット状の流路形状に代えて、多数の細孔群を水平方向へ横一列に並列させて穿設した吐出孔21’の実施形態例であって、本発明においては、前記吐出孔21に代えて、このような細孔群からなる吐出孔21’を使用することもできる。
In FIG. 2, FIG. 2A illustrates an example in which the flow path shape of the discharge portion of the
以上に説明したように構成される、本発明のエレクトロスピニング装置1の紡糸ヘッド2において、本発明者らは、強い静電界場が形成された紡糸雰囲気中において、前記吐出孔21から紡糸液Pを正電荷を帯びた状態で薄膜流となって前記傾斜面22を流下させた。そうすると、驚くべきことに、正電荷を帯びた紡糸液Pが傾斜面22を流下する過程において、紡糸液Pの一部が表面張力に打ち克って、強いクーロン力の作用で紡糸雰囲気中に繊維Fとして紡出されることを見出したのである。しかも、傾斜面22を流下する紡糸液Pから繊維Fが紡出され始めると、傾斜面22を薄膜状に流下する紡糸液Pの多くの部分から極めて多数の繊維Fが次々に紡出されることを見出した。
In the spinning
このような現象は従来技術では報告されておらず、従来技術では、本明細書の「背景技術」欄で説明したように、多数のノズル群を併設して、各ノズルの先端からそれぞれ紡糸液Pを吐出させるという方法を採用していた。しかしながら、このような方法では、先に説明したような数々の不利益が生じる。そこで、従来のエレクトロスピニング技術において、紡糸液Pを静電界場へ吐出させるための手段として使用されている先細ノズルに代えて、本発明では、前述のような傾斜面22を使用する。
Such a phenomenon has not been reported in the prior art, and in the prior art, as described in the “Background Art” section of this specification, a large number of nozzle groups are provided in parallel, and the spinning solution is respectively supplied from the tip of each nozzle. A method of discharging P was adopted. However, such a method has a number of disadvantages as described above. Therefore, in the present invention, the
図2に例示した本発明の紡糸ヘッド2の実施形態において、本発明に係る紡糸ヘッド2は、スリット状の紡糸液流路を有する吐出孔21を有している。なお、本発明で言う「吐出孔」は、従来技術のように、その先端から繊維Fを紡出するために用いるのではなく、紡糸液を単に均一に吐出する役割を果たしている。
In the embodiment of the spinning
この吐出孔21は、図2に例示したように、スリット状の紡糸液流路を有し、この紡糸液流路は、例えば上板21a、吐出孔21のスリット間隙を規定するためのスペーサー21b、紡糸液Pを貯留する貯留室21c、及び紡糸液Pの供給孔21dなどを含んで構成されている。なお、スリット状の吐出孔21の一部を構成する貯留室21cは、紡糸液Pを流下させる傾斜面22の流下部の幅方向に亘って水平に設けた横長の溝状の室から形成され、その底部には紡糸液Pの供給孔21dが単独又は複数個設けられている。
As illustrated in FIG. 2, the
以上のように構成された紡糸ヘッド2において、前記吐出孔21は、傾斜面22の幅方向に対して均一に紡糸液Pを供給して液膜の形成を均一にできるような状態で紡糸液Pを吐出する。このために、前記吐出孔21の構造として、紡糸液Pを一旦貯留する貯留室21cを設け、その底部には紡糸液Pの供給孔21dを開口させる。そうすると、吐出孔21から吐出された紡糸液Pの流動について、傾斜面22の幅方向での流動を均一にすることができる。また、これによって、傾斜面22の両端部や中央部を流れる紡糸液Pの液膜が均一になり、液膜が不均一に形成されることを抑制でき、さらには、紡糸液Pの吐出斑をも抑制できる。
In the spinning
本発明の紡糸ヘッド2には、図2の実施形態に例示したように、紡糸ヘッド2の基部21eと上板21aとの間にスペーサー21bを設けることで、紡糸液Pがそこを通過する狭隘なスリット状流路を形成させている。したがって、ギャポンプなどからなる計量供給装置6(図1参照)から紡糸ヘッド2へ供給された紡糸液Pは、連続的に計量されながら貯留室21cの底部に開口する供給孔21dへ定量供給される。
In the spinning
次いで、このようにして供給孔21dへ供給された紡糸液Pは、供給孔21dから貯留室21cの底部から吐出され、紡糸ヘッド2の基部21eに溝状に刻説された貯留室21cの幅方向(溝幅方向)に十分に満たされるまで滞留する。そして、前記貯留室21cを満たした紡糸液Pは、スリット状流路を通過することで、吐出孔21の吐出口から吐出され、最終的に傾斜面22の全幅に亘って均一な液膜を形成しながら流下する。
Subsequently, the spinning solution P thus supplied to the supply hole 21d is discharged from the bottom of the storage chamber 21c through the supply hole 21d, and the width of the storage chamber 21c engraved in the base portion 21e of the spinning
このとき、紡糸ヘッド2の基部21eと上板21aとの間に形成された狭隘な間隙を有するスリット状流路は、その毛細管作用によって紡糸液Pの流れを拡幅して横方向に均一に流れ出させ、これによって、貯留室21cから流れ出る紡糸液Pの流れを傾斜面22の全幅に亘って均一に流下させる役割を果たしている。なお、紡糸液Pの流下面である傾斜面22には、必要に応じて紡糸液Pが流下方向に形成された細い溝、或いは細いメッシュ溝を刻設しておいても構わない。
At this time, the slit-like flow path having a narrow gap formed between the base portion 21e of the spinning
なお、紡糸ヘッド2の基部21eと上板21aとの間に形成された狭隘な間隙を有するスリット状流路は、紡糸液Pの吐出方向に対して先細形状を有する流路としても良い。なお、このような先細形状については、図2の実施形態例に示したスペーサー21bに対して、紡糸液Pの吐出方向に対してテーパーを付与することによって容易に形成することができる。
In addition, the slit-shaped flow path having a narrow gap formed between the base 21e of the spinning
更には、紡糸液Pの流れを傾斜面22の幅方向へ均一に吐出するために、前記スリット状流路部に金属細線などからなる不織布フィルター、金網フィルター、あるいは多孔質焼結金属などを均圧部材(図示せず)として設けるようにしても良い。このようにすることで、前記貯留室21c内に背圧を発生させて、前記均圧部材(図示せず)を介して、紡糸液Pを押し出すように吐出孔21からそのスリット状吐出口の全幅からより均一に紡糸液Pを吐出させることができる。
Furthermore, in order to uniformly discharge the flow of the spinning solution P in the width direction of the
ここで、前記吐出孔21のスリット間隙tとスリット幅Wについては、使用する紡糸液Pの粘度、吐出量と吐出圧力、電気伝導率などの紡糸液Pの性状、あるいは繊維Fの製造量と生産効率などの条件によって最適な範囲が決まる。したがって、これらの条件に適合させて最適な値を適宜選択使用すればよく、特に限定する必要はない。しかしながら、通常の条件下では、スリット間隙tは、0.05mm〜10mmの範囲が好ましく、スリット幅Wは、1cm〜100cmが好ましい。
Here, regarding the slit gap t and slit width W of the
なお、吐出孔21から吐出され、傾斜面22から紡出されて繊維化された紡糸液Pに対して、繊維化されずに傾斜面22を流下して通り過ぎた残余の紡糸液Pは、回収容器11へ流入する。そして、回収容器11へ流入した紡糸液Pは、回収配管12を介して紡糸液Pを貯留する貯留容器へと還流し、還流した紡糸液Pは供給配管13を経由して、計量供給装置6によって、再び紡糸ヘッド2へと供給される。
The remaining spinning solution P discharged from the
以上に説明したように、紡糸ヘッド2から繊維化されなかった紡糸液Pについては、循環使用することが理想である。しかしながら、紡糸液Pの循環使用を繰り返すと、高分子物質を溶解している紡糸液P中の溶媒が蒸発して不足したりするなどの事態が生じる。そうすると、この影響によって、紡糸液Pの成分組成の比が変化してしまったりする。そのため、図1には記載を省略したが、一度紡糸ヘッド2に供給して、繊維化されずに回収した紡糸液Pについては、貯留容器6とは別の容器に回収することが好ましい。そして、回収した紡糸液Pの成分組成を再度調製して、貯留容器6に戻すことが好ましい。
As described above, it is ideal to use the spinning solution P that has not been fiberized from the spinning
本発明の紡糸ヘッド2に形成する傾斜面22は、その上に供給された紡糸液Pを薄膜状で流下させる役割を果たしている。したがって、この紡糸液Pを流下させる機能を有する限りにおいて、その面形状は、曲率がゼロである平面であっても、あるいはある程度の曲率を有する曲面で構成されていても良い。要するに、本発明のエレクトロスピニング装置1は、帯電した紡糸液Pが薄膜状で強い静電場に曝されることによって、繊維化現象が発生するのを利用することを大きな特徴とするものである。
The
このようにして、本発明の紡糸ヘッド2は、実質的に傾斜面22上を薄膜状に広がって流下する紡糸液Pの全面を利用して、多数の紡糸液Pからなるジェットを形成させて、繊維化することができる。なお、本発明に係る傾斜面22は、その傾斜を利用して、紡糸液Pを連続的に供給可能とするための役割を果たしている。
In this way, the spinning
以上に説明したように、本発明のエレクトロスピニング装置1では、傾斜面22上に帯電した紡糸液Pを薄膜状に流すことによってナノファイバーからなる繊維集合体を得ることができる。しかしながら、このような単純な傾斜面22を使用するエレクトロスピニング装置1の実施形態の他に、下記に説明するような実施形態例を採用することができる。
As described above, in the
そこで、その他の実施形態例について説明する。本発明のエレクトロスピニング装置1の傾斜面22から形成する紡糸液Pのジェットは、紡糸液Pの表面張力に打ち克たなければならない。そのためには、傾斜面22を流下する紡糸液Pの一部に大きな電荷の蓄積(集中)を生じさせるか、紡糸液Pの表面張力を局所的に低下させることも有効である。
Therefore, other embodiments will be described. The jet of the spinning liquid P formed from the
以下、このような作用を使用する他の実施形態例について、図4を参照しながら詳細に説明する。
図4は、本発明に係る傾斜面22の実施形態例を説明するための説明図であって、図4(a)は、図1及び図2に例示した傾斜面22だけを取り出して、水平面上に静置した模式正断面図であって、図4(b)及び(c)は傾斜面22の他の実施形態例を示した模式正断面図である。なお、この図4において、参照符号22aは電気絶縁部材、参照符号22bは良導電部材、参照符号22cは先細突起、そして、参照符号22dは微小窪み部(凹部)をそれぞれ示す。
Hereinafter, another embodiment using such an action will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an embodiment of the
前記図4の実施形態例のように構成される本発明の傾斜面22において、この傾斜面22は、紡糸液Pと接触する部分が電気絶縁性を示す電気絶縁部材22aと、電気を良く通す良導電部材22bとのサンドイッチ構造を採る。なお、前述の実施形態例では、電気絶縁部材22aと良導電部材22bとのサンドイッチ構造を採用したが、本発明はこのような構造に限定されるものではなく、電気絶縁部材22aを半電気伝導部材としてもよく、また、良電気伝導部材としてもよい。
In the
このとき、前記先細突起22cは、図示したように、前記電気絶縁部材22aに設けられた微小窪み部(凹部)22dを貫いて良導電部材22bに植設されている。このとき、前記先細突起22cの先端部の形状としては、先細であれば特に限定する必要は無いが、特に好ましくは針状の形状である。何故ならば、針状形状の先端が最も電荷が集中しやすく、しかも、先細突起22cに沿って噴射するジェットの噴射方向を一方向に規制するために好適だからである。なお、傾斜面22に付与される正の高電圧(高電位)は、図4の実施形態例においては、前記良導電部材22bを介して付与されている。
At this time, as shown in the figure, the tapered
前述の図4に示した本発明の実施形態例においては、紡糸ヘッド2に設けられた傾斜面22の表面にコレクター4が延在する方向へ先細に形成した先細突起22cが多数形成されている。したがって、電荷が先細突起22cの鋭い先端に集中するという性質を利用して、先細突起22cの周囲に存在する紡糸液Pに対して局所的に強い電荷を先細突起22cから付与することができる。なお、図4(b)に示すように先細突起22cの先端は傾斜面22の上端面レベルからわずかに突出させても良いし、図4(c)に示すように傾斜面22の上端面レベルからへこませるようにしても良い。
In the embodiment of the present invention shown in FIG. 4 described above, a large number of tapered
本発明において、傾斜面22を流下しながら、必要に応じて設けられた前記微小窪み部22dに短時間滞留して、その表面張力によって先細突起22cを濡らす紡糸液Pは、先細突起22cの上では、必然的に平板上に位置する場合と比較してその濡れ角度が大きくなる。そうすると、その表面張力が相対的に低下して、紡糸液Pの表面張力に打ち克って紡糸液Pから離脱しやすい状態となり、前述のように局所的に強い電荷が先細突起22cを濡らす紡糸液Pへ付与されると、先細突起22cの先端方向に沿ってジェットとなった紡糸液Pが勢いよく紡出される。
In the present invention, the spinning solution P that stays for a short time in the
このとき、本発明においては、前述のように先細突起22cから紡糸液Pに電荷を付与することと合わせて、第2高圧電源32から予め紡糸液Pに所定量の電荷を付与しておくことが好ましい。このようにすれば、紡糸液Pの表面張力に打ち克つことができる量の電荷を先細突起22cのみから付与する必要がなくなる。つまり、予め第2高圧電源32から紡糸液Pに所定量の電荷を付与しておくと、その分だけ先細突起22cから付与する電荷量を減らすことができ、先細突起22cの負荷を減少させることができる。
At this time, in the present invention, a predetermined amount of charge is applied to the spinning solution P from the second high-
なお、微小窪み部は図4(b)及び(c)に例示したように、紡糸液Pが先細突起22cを良好に濡らす役割を果たすと共に、短時間ではあるが先細突起22cの周りに停滞することで、それ以外の紡糸液Pよりも強い電荷を蓄積させる役割を果たしている。このために、図4(a)及び(b)に例示したように、紡糸液Pが接触する傾斜面22は、碍子などに慣用されている周知のセラミックス製電気絶縁材料とすることが好ましく、逆に、紡糸液Pに電荷を付与する先細突起22cは良電導性を有する金属材料で形成することが好ましい。
In addition, as illustrated in FIGS. 4B and 4C, the micro-indented portion plays a role in favorably wetting the tapered
以上に述べた本発明のエレクトロスピニング装置1に対して、従来のエレクトロスピニング装置では、紡糸液をノズルの内部に穿設された小孔から吐出させて供給している。このため、どうしても、ノズルを設置するためのスペースを確保すると共に、ノズル間の間隔も確保しなければならない。また、ノズルの形状をできるだけ小さくしようとしても、最適な紡糸条件とするためには、その構造上どうしてもノズル形状を大きくしなければならないという限界が生じていた。したがって、個々独立に併設された多数のノズル間での電界の相互干渉が生じてしまい、これを解消することが極めて困難であった。
In contrast to the
しかしながら、本発明のエレクトロスピニング装置1では、従来のノズルに代えて微小な先細突起群が設けられ、しかも、紡糸液Pはノズルに穿設された小孔から吐出させるのではなく、傾斜面22上を流下させることによって供給する。このように、本発明では、従来のノズルのようにノズル内に穿設した小孔から紡糸液を吐出する構造ではないため、紡糸ヘッド2の構造を極めてシンプルにできる。
However, in the
その上、ある程度の大きさを持ったノズル群が多数突設された構造を採らないため、先細突起22cの設置間隔sをより小さくすることができる。例えば、このような先細突起の設置間隔sとして、紡糸液Pの粘度などの性状にもよるが、約0.1mm程度にまで短くできる。このため、非常に多くの先細突起22cから紡糸液Pのジェットを生成することができる。したがって、当然のことながら、繊維集合体の生産効率も従来のエレクトロスピニング装置と比較すると、飛躍的に向上する。
In addition, since a structure in which a large number of nozzle groups having a certain size are protruded is not employed, the installation interval s of the tapered
以上に説明したように、本発明の紡糸ヘッド2は、複雑な構造を有するノズル群を併設せずに、極めて多数の小さな先細突起22cを傾斜面22に形成している。この個々の先細突起22cは、その形状が小さいため、個々の先細突起22c自体が有する電荷容量は従来のノズルと比較して格段に小さくなる。また、図4(c)の実施形態例のような構造とすると、傾斜面22の平面レベルよりも引っ込んだ位置に先細突起22cが存在するので、更に、電界の干渉が少なくなる。もちろん、本発明に係る先細突起22cは、先細形状を有するため、その先端に大きな電荷を集中できるという利点はそのまま維持できる。
As described above, the spinning
したがって、先細突起22c同士による電界干渉の悪影響を解消しながら、ジェットとして紡出させる紡糸液Pに対して、大きな電荷を局所的に蓄積させることができる。したがって、本発明に係る傾斜面22上には、多数の従来型ノズルがその形状を極めて小さくした形で傾斜面22に併設されたと同じ状態であるとも考えられ、このようなノズルの小型化は従来技術では不可能であったものである。
Therefore, a large charge can be locally accumulated in the spinning solution P to be spun as a jet while eliminating the adverse effect of electric field interference caused by the tapered
つまり、本発明に係るエレクトロスピニング装置1は、最適な紡糸条件などを考慮すると従来技術では不可能であったノズルの極小化を実現したものであるとも言える。このように、本発明に係るエレクトロスピニング装置1は、静電界場の相互干渉を強く抑制することができる。したがって、本発明の紡糸ヘッド2から紡出されてコレクター4に捕集されたナノファイバーからなる繊維集合体(ウェブ)は、従来の多数のノズルを併設した方法で得られた繊維集合体と比較しても、その幅方向における目付け分布斑が大きく改善されており、その生産性も格段に向上している。
That is, it can be said that the
その際、本発明の紡糸ヘッド2に形成する前記傾斜面22の傾斜角度θとしては、紡糸液Pの粘度、流量、静電界場の強さ、面上を流れる紡糸液Pの厚みなどの紡糸条件に応じて適宜調整すればよく、それ故に、特に限定する必要はない。しかしながら、その傾斜角度θとして好ましくは5°〜65°、より好ましくは10°〜35°である。
At that time, the inclination angle θ of the
一般的に、傾斜角度θを5°未満にすると、傾斜面22がそれだけ水平面に近づくことになるため、エレクトロスピニングに適した粘度を有する紡糸液Pを傾斜面22から流下させる過程で多数の繊維Fを安定させて紡出させるという本発明の傾斜面22が奏する作用効果がなくなる。逆に、この傾斜角度θを65°より大きくすると、大部分の紡糸液Pが傾斜面22から紡出されずに、大部分の紡糸液Pが傾斜面22を単に流下するだけになってしまう。更には、傾斜角度θが急になり過ぎたため、傾斜面22上に常に安定した厚さの液膜を形成する膜厚の制御が難しくなり、また、エレクトロスピニング自体を行うことすらも困難となる場合がある。
In general, when the inclination angle θ is less than 5 °, the
なお、本発明の紡糸ヘッド2の材質としては、紡糸液Pとの接触面において腐食などが発生せず、しかも、導電性が良い金属材料を用いることが、紡糸液Pに望ましい帯電量を付与する上で好ましい。ただし、紡糸ヘッド2の材質は、金属材料に限定されるものではなく、用いられる紡糸液Pの電気伝導度が高ければ、半絶縁体あるいは絶縁体を使用することも可能である。
As the material of the spinning
しかしながら、電気伝導度が高い紡糸液Pは、高い電気伝導の故に内部に電荷が蓄積しがたく、それ故に、電界の集中が緩和されてしまう。このため、一般に、高い電気伝導性を有する紡糸液Pを用いると、エレクトロスピニングすることが難くなり、この点を考慮すると、紡糸液Pの電気伝導度を調整可能な範囲を広げる意味で、適度な導電性を有するものが好ましい。例えば、このような適度な導電性を有する材料としては、ガラス、プラスチックなどの絶縁体に導電性物質をコーティングあるいはライニング加工して適度な導電性を付与したものを例示することができる。 However, in the spinning solution P having a high electrical conductivity, electric charges are difficult to accumulate inside due to the high electrical conductivity, and therefore the concentration of the electric field is alleviated. For this reason, in general, when a spinning solution P having high electrical conductivity is used, it becomes difficult to perform electrospinning. In consideration of this point, in order to widen the range in which the electrical conductivity of the spinning solution P can be adjusted, Those having good conductivity are preferable. For example, as such a material having appropriate conductivity, a material obtained by coating or lining an insulating material such as glass or plastic with a conductive material to give appropriate conductivity can be exemplified.
次に、以上に述べた紡糸ヘッド2の傾斜面22から紡出された繊維Fを捕集する側のコレクター4について説明する。このコレクター4は、図1に例示したように、紡糸ヘッド2に設けられた傾斜面22に対して垂直に延在した方向に傾斜面22と平行かつ対向して設けられている。その際、紡糸ヘッド2(傾斜面22)とコレクター4との間に形成する電圧差(電位差)は、好ましくは1kV〜500kV、より好ましくは2kV〜200kV、さらに好ましくは5kV〜100kVである。なお、エレクトロスピニングによって得られる繊維Fは、一般に印加電圧が高いほど得られる繊維径は細くなる。
Next, the collector 4 on the side for collecting the fibers F spun from the
しかしながら、電圧差が500kVを越えると、電極間(紡糸ヘッド2の傾斜面22とコレクター4間)でショート(短絡)が発生しやすくなるため好ましくない。また、あまりにも高電圧になると、漏電や放電現象が発生し易くなるにもかかわらず、これらを防止するための絶縁が困難となる。逆に、電圧が1kV未満になるとエレクトロスピニング現象が発生し難くなり、目的とする繊維径を有するナノファイバーFも得られないため好ましくない。
However, if the voltage difference exceeds 500 kV, a short circuit is likely to occur between the electrodes (between the
本発明に係るエレクトロスピニング装置では、紡糸ヘッド2に形成した傾斜面22とコレクター4との間の距離を変化させることによって、得られる繊維Fの単繊維径や繊維長、あるいは、捕集された繊維F同士が交絡して形成される網目構造の形態などを変化させることができる。すなわち、この距離が長いほど繊維径は小さくなり、短いほど、繊維径は大きくなる。
In the electrospinning apparatus according to the present invention, by changing the distance between the
更に、距離を大きくし、紡出されたジェットの広がりを大きくして、コレクター4上での繊維Fの捕集範囲を大きくしたり、溶媒の蒸発を促進することによって繊維Fの乾燥度を向上させることができる。逆に、距離を短くすると、繊維Fの捕集面積は減少するが、繊維Fが弱い乾燥状態で捕集されるので、捕集した繊維F同士の密着性を向上させることができる。 Furthermore, the dryness of the fiber F is improved by increasing the distance, increasing the spread of the spun jet, increasing the collection range of the fiber F on the collector 4, and promoting the evaporation of the solvent. Can be made. Conversely, when the distance is shortened, the collection area of the fibers F decreases, but the fibers F are collected in a weak dry state, so that the adhesion between the collected fibers F can be improved.
以上に説明したように、本発明のエレクトロスピニングでは、その傾斜面22とコレクター4との間の距離Aは、その目的や製造する繊維集合体の形態などに応じて任意に調節可能である。しかしながら、捕集する繊維集合体の生産性、操業性、あるいは安全性などを考慮すると、その距離Aは、好ましくは1cm〜100cmの範囲であり、より好ましくは5cm〜30cmである。
As described above, in the electrospinning of the present invention, the distance A between the
以上の説明においては、紡糸ヘッド2から紡出された繊維Fが直接コレクター4に捕集されるように説明してきた。しかしながら、通常、コレクター4の上には、図1に例示したように、導電性を有する金属性薄板のような基材Bを設けて、この基材Bの上に繊維Fを捕集されており、このようにすることが好ましい。
In the above description, it has been described that the fiber F spun from the spinning
ただし、図3(a)に例示したように、コレクター4上に捕集した繊維集合体14が、コレクター4の表面を滑りながら移動できるような場合には、捕集した繊維集合体14を所定の速度で巻取装置16の方向へ移動させながら繊維集合体14を巻き取ることもできる。なお、この巻取に際して、巻き取った繊維集合体14を互いに容易に分離可能とするために、一般に慣用されている周知の巻取方法として、離型紙と共に巻き取る方法を使用するようにしても良い。
However, as illustrated in FIG. 3A, when the
この点に関して、更に敷衍するならば、長尺物の不織布ウェブ(繊維集合体)を製造する場合においては、図3(b)に例示したように、巻出装置15から基材Bをコレクター4上に所定の速度で巻き出してコレクター4と接触させ、これによって基材Bを接地する。そうすると、基材Bの電位は0Vとなるから、基材Bを新たにコレクターとして使用することができる。 In this regard, if further spreading is required, in the case of producing a long nonwoven fabric web (fiber assembly), the base material B is removed from the unwinding device 15 to the collector 4 as illustrated in FIG. The substrate B is unwound at a predetermined speed and brought into contact with the collector 4, whereby the base material B is grounded. If it does so, since the electric potential of the base material B will be 0V, the base material B can be newly used as a collector.
そして、このようにして巻出装置15から巻き出した基材Bの上にナノファイバーFからなる繊維集合体を連続的に形成し、この基材Bを巻取装置16で巻き取ることによって、ナノファイバーの集合体からなる「長尺物の不織布ウェブ」を製造することができる。このとき、新たにコレクターとなる前記基材Bとしては、導電性の良い金属製の不織布や織物、薄い金属板などを用いることができる。
And the fiber assembly which consists of nanofibers F is continuously formed on the base material B which has been unwound from the unwinding device 15 in this way, and the base material B is wound up by the winding
1 :エレクトロスピニング装置
2 :紡糸ヘッド
3 :高圧電源
4 :コレクター
5 :貯留容器
6 :計量供給装置
7 :紡糸室
8 :排気装置
9 :吸気装置
10 :接地端子
11 :紡糸液の回収容器
12 :紡糸液の回収配管
13 :紡糸液の供給配管
14 :繊維集合体
15 :基材の巻出装置
16 :巻取装置
21 :吐出孔
21a:上板
21b:スペーサー
21c:貯留室
21d:紡糸液の供給孔
21e:基部
22 :傾斜面
22a:電気絶縁部材
22b:導電部材
22c:先細突起
22d:微小窪み部(凹部)
81 :排気フード
82 :排気配管
83 :流量調節装置
84 :気体吸引手段
85 :溶媒除去装置
91 :フィルター
92 :吸気孔
B :基材
F :紡出された繊維
P :紡糸液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Electrospinning apparatus 2: Spinning head 3: High voltage power supply 4: Collector 5: Storage container 6: Measuring supply apparatus 7: Spinning chamber 8: Exhaust apparatus 9: Intake apparatus 10: Grounding terminal 11: Spinning liquid collection container 12: Spinning liquid recovery pipe 13: Spinning liquid supply pipe 14: Fiber assembly 15: Substrate unwinding device 16: Winding device 21: Discharge hole 21a: Upper plate 21b: Spacer 21c: Reserving chamber 21d: Spinning liquid Supply hole 21e: Base 22:
81: Exhaust hood 82: Exhaust pipe 83: Flow rate adjusting device 84: Gas suction means 85: Solvent removal device 91: Filter 92: Intake hole B: Base material F: Spinned fiber P: Spinning liquid
Claims (8)
前記紡糸液を拡幅して薄膜状に吐出する吐出孔と、前記吐出孔から吐出された紡糸液を薄膜状に流下させる傾斜面と、前記傾斜面に対して垂直に延在した方向に前記傾斜面と平行かつ対向して設けられたコレクターとを備え、前記傾斜面を流下する紡糸液から極細繊維を紡出してコレクター上に捕集することを特徴とするエレクトロスピニング装置。 An assembly consisting of ultrafine fibers by spinning a charged spinning solution in an atmosphere in which a strong electric field is formed by applying a large potential difference between the spinning head for spinning the fibers and the collector for collecting the spun fibers. In an electrospinning apparatus for forming a body on the collector,
A discharge hole for widening and discharging the spinning solution in a thin film shape, an inclined surface for allowing the spinning solution discharged from the discharge hole to flow down in a thin film shape, and the inclination in a direction extending perpendicularly to the inclined surface An electrospinning apparatus comprising: a collector provided in parallel to and opposite to the surface, wherein ultrafine fibers are spun from a spinning solution flowing down the inclined surface and collected on the collector.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2007-02-01 JP JP2007022829A patent/JP2008190055A/en active Pending
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