JP5395831B2 - ナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、静電延伸現象によりサブミクロンオーダーやナノオーダーの細さである繊維（ナノファイバ）を製造するナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法に関する。

樹脂などから成り、サブミクロンスケールやナノスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質を製造する方法として、静電延伸現象（エレクトロスピニング）を用いた方法が知られている。

この静電延伸現象とは、溶媒中に樹脂などの溶質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流出（噴射）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電気的に延伸させることにより、ナノファイバを得る方法である。

より具体的に静電延伸現象を説明すると次のようになる。すなわち、帯電され空間中に流出された原料液は、空間を飛行中に徐々に溶媒が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は、徐々に減少していくが、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は、電荷密度が徐々に上昇することとなる。そして、溶媒は、継続して蒸発し続けるため、原料液の電荷密度がさらに高まり、原料液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原料液が爆発的に線状に延伸される現象が生じる。これが静電延伸現象である。この静電延伸現象が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンオーダーやナノオーダーの樹脂から成るナノファイバが製造される。

以上のような静電延伸現象を用いてナノファイバを製造する装置の専らの課題として生産効率の向上が挙げられる。例えば、原料液を空間中に流出させる円筒状のノズルをマトリクス状に配置し、単位時間あたり単位面積あたりのナノファイバの発生量を増加させ、ナノファイバの生産効率を向上させることが考えられる。単位面積あたりのナノファイバの発生量を増加させるためには、ノズルの配置間隔を狭めればよいが、間隔が狭まると隣接するノズル同士が電界干渉を起こして発生するナノファイバに不具合が発生する。そこで当該課題を解決するために特許文献１に記載の発明は、ノズルの間に格子状に隔離板を配置し、該隔離板に交流電圧を印加することで、電界干渉を防止している。

しかし、特許文献１に記載の発明ではノズルの間に隔離板を設ける必要があるため、その分ノズルの間隔が広くなり、生産効率低下を招くことになる。また、ノズルを隔離板で囲うことになるため、当該囲われた空間に帯電蒸気が滞りやすくなり製造されるナノファイバに悪影響を及ぼすことが懸念される。また、各ノズルに供給される原料液の圧力を均一にするのは難しく、製造されるナノファイバの質にムラが発生することが考えられる。

さらに、隔離板が設けられていたとしても、ノズルの外周壁や隔離版などからイオン風が発生し、該イオン風が製造されるナノファイバに悪影響を及ぼすこともある。

ここで、イオン風とは、次のような現象で発生するものであると考えられている。すなわち、ノズルなどの外周壁面のある部分に電荷が溜まると、該部分の周辺に存在する空気がイオン化する。そして、イオン化した空気が壁面の電荷に反発して飛び出すことで、イオンを含んだ空気の流れであるイオン風が発生する。特にイオン風は、例えば突起部の先端や角の先端など、高電圧が印加される外周壁の形状の特異な部分で発生し易いという知見を得ている。

また、当該イオン風が空間中を飛行している原料液と交差すると、原料液や製造されつつあるナノファイバの飛行経路を乱したり、飛行中の原料液の帯電状態に悪影響を及ぼしたりして製造されるナノファイバの品質が低下していた。また、ナノファイバの生産効率の低下にもつながっていた。

そこで本出願人は先に、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体であり、前記流出孔の先端である開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部から前記流出孔を挟むように延設される二つの側面部とを有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備えるナノファイバ製造装置に関する発明を出願している（特願２０１０−１７４９２８号）。

これによれば、ナノファイバの生産効率を向上させると共にイオン風の発生を抑制することができ、製造されるナノファイバの品質の向上を図ることが可能となる。

特開２００８−１７４８６７号公報

前述のように開口部が一次元的に並んで配置される先端部を有する前記流出体では、イオン風の発生を抑制して生産効率を高めることができる。しかし、ナノファイバの生産効率をさらに向上させるためには、ナノファイバ製造装置に複数の流出体を設ければ良いが、各流出体によって製造されるナノファイバの品質に差が生じる場合を見出すに至った。

そこで、本願発明者らは鋭意実験と研究との結果、各流出体に供給される原料液の供給状態の相違や、各流出体から発生する電界の状態の相違、その他周囲の環境の相違により、それぞれの流出体から流出する原料液から製造されるナノファイバの品質が流出体毎に相違することを見出すに至った。

本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、製造されるナノファイバの品質のムラを可及的に抑えつつ、生産効率の向上を図ることのできナノファイバ製造装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備え、前記流出体は、複数の前記流出孔の一方の群に属する複数の第一流出孔の先端である第一開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第一先端部と、前記第一先端部と平行に配置され、複数の前記流出孔の他方の群に属する複数の第二流出孔の先端である第二開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第二先端部との２列で構成される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記流出孔を挟むように延設される二つの外側面部と、前記第一流出孔、および、前記第二流出孔と連通し、前記第一開口部、および、前記第二開口部から流出する原料液を当該流出体の内部に貯留する貯留槽とを備えることを特徴としている。

以上のように、流出孔の開口部が並んで配置される第一先端部と第二先端部との２列だけが流出体に設けられることで、先端部を一列だけ設ける場合に比べてナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。しかも、第一開口部、および、第二開口部から流出する原料液が同じ貯留槽に貯留されているため、原料液の流出状態をほぼ統一することができ、また、一つの流出体に第一開口部、および、第二開口部が設けられているため、原料液の帯電状態は、複数の流出体を設けるものと比較して帯電ムラを抑制することができる。従って、製造されるナノファイバの品質のムラを可及的に抑制することが可能となる。

また、第一先端部から流出する原料液と第二先端部から流出する原料液とは同電位（同極性）であるため相互に反発しあい、相互に離れるような軌跡を描く。従って、原料液の飛行距離を長くすることが可能となり、飛行中の原料液の揮発を促進することが可能となる。従って、流出体とナノファイバを収集する位置とを接近させることができ、ナノファイバ製造装置をコンパクト化して、より安定した状態でナノファイバを製造することが可能となる。

さらに、前記第一先端部に接続される外側面部である第一外側面部との間隔が前記第一先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第一流出孔を挟むように延設される第一内側面部と、前記第二先端部に接続される外側面部である第二外側面部との間隔が前記第二先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第二流出孔を挟むように延設される第一内側面部とを備えてもかまわない。

これにより、第一先端部と第二先端部との間に第一内側面部と第二内側面部とを側壁とする溝が形成されるため、第一先端部と第二先端部とのそれぞれに電荷を集中させやすくなる。従って、流出する原料液の電荷密度を向上させてナノファイバの生産効率や質のさらなる向上を図ることが可能となる。

また、上記目的を達成するために、本願発明に係るナノファイバ製造方法は、原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、複数の流出孔の一方の群に属する複数の第一流出孔の先端である第一開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第一先端部と、前記第一先端部と平行に配置され、複数の前記流出孔の他方の群に属する複数の第二流出孔の先端である第二開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第二先端部との２列で構成される先端部と、前記第一先端部、および、前記第二先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記第一先端部、および、前記第二先端部を挟むように延設される二つの外側面部と、前記第一流出孔、および、前記第二流出孔と連通し、前記第一開口部、および、前記第二開口部から流出する原料液を当該流出体の内部に貯留する貯留槽とを備える流出体から原料液を流出させる流出工程と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体との間に所定の電圧を印加する帯電工程とを含むことを特徴とする。

これによれば、流出孔の開口部が並んで配置される第一先端部と第二先端部との２列から原料液を流出させることで、先端部を一列だけ設ける場合に比べてナノファイバの生産効率を向上させることが可能となる。しかも、第一開口部、および、第二開口部から流出する原料液の状態をほぼ統一することができ、製造されるナノファイバの品質のムラを可及的に抑制することが可能となる。

また、第一先端部から流出する原料液と第二先端部から流出する原料液とは同電位（同極性）であるため相互に反発しあい、相互に離れるような軌跡を描く。従って、原料液の飛行距離を長くすることが可能となり、飛行中の原料液の揮発を促進することが可能となる。従って、流出体とナノファイバを収集する位置とを接近させることができ、ナノファイバ製造装置をコンパクト化して、より安定した状態でナノファイバを製造することが可能となる。

本願発明によれば、ナノファイバの生産効率を向上させると共に、製造されるナノファイバの品質のムラの発生を抑制することが可能となる。

図１は、ナノファイバ製造装置を示す斜視図である。 図２は、流出体をＸＺ平面で切断して示す斜視図である。 図３は、流出体をＸＺ平面で切断して示す断面図である。 図４は、先端部のバリエーションを示す斜視図である。 図５は、流出体を正面から示す平面図である。 図６は、他の形態の流出体を切り欠いて示す断面図である。 図７は、他の形態の流出体を切り欠いて示す断面図である。

次に、本願発明に係るナノファイバ製造装置、ナノファイバ製造方法の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、ナノファイバ製造装置を示す斜視図である。

同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、原料液３００を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバ３０１を製造する装置であって、流出体１１５と、供給手段１０７と、帯電電極１２１と、帯電電源１２２とを備えている。本実施の形態の場合さらに、ナノファイバ製造装置１００は、収集手段１２８と、誘引手段１０４と、移動手段１２９とを備えている。

図２は、流出体をＸＺ平面で切断して示す斜視図である。

流出体１１５は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、流出孔である第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８と、先端部である第一先端部１１６、および、第二先端部２１６と、外側面部である第一外側面部１１７、および、第二外側面部２１７と、内側面部である第一内側面部１２３、および、第二内側面部２２３と、貯留槽１１３とを備えている。

また、流出体１１５は、流出する原料液３００に電荷を供給する帯電手段の電極としても機能しており、原料液３００と接触する部分の少なくとも一部は導電性を備えた部材で形成される。本実施の形態の場合、流出体１１５全体が金属で形成されており、第一先端部１１６、および、第二先端部２１６の全体が均等に帯電することができるものとなっている。なお、流出体１１５を構成する金属の種類は、導電性を備えていれば特に限定されるものではなく、例えば黄銅やステンレス鋼、アルミニウムやその合金など任意の材料を選定しうる。

第一流出孔１１８は、原料液３００を空間中に流出させる孔の一の群であり、流出体１１５に複数個設けられている。また、第一流出孔１１８の先端にある開口部である第一開口部１１９は、所定の間隔で一次元的に並んで配置されている。本実施の形態の場合、第一流出孔１１８は、第一開口部１１９が同一平面内に直線的（図２中Ｙ軸方向）に並ぶように配置されており、第一開口部１１９が配置される方向（Ｙ軸方向）に対し第一流出孔１１８の軸が直角に交わるようにＺ軸方向に沿って配置されている。

第二流出孔２１８は第一流出孔１１８と同様、原料液３００を空間中に流出させる孔の他の群であり、流出体１１５に複数個設けられている。また、第二流出孔２１８の先端にある開口部である第二開口部２１９は、所定の間隔で一次元的に並んで配置されている。本実施の形態の場合、第二流出孔２１８は、第二開口部２１９が同一平面内に直線的（図２中Ｙ軸方向）に並ぶように配置されており、第二開口部２１９が配置される方向（Ｙ軸方向）に対し第二流出孔２１８の軸が直角に交わるようにＺ軸方向に沿って配置されている。

流出孔の孔長や孔径は、特に限定されるものではなく、原料液３００の粘度などにより適した形状を選定すれば良い。具体的には、孔長は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。孔径は、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲から選定されるのが好ましい。また、流出孔の形状は、円筒形状に限定されるわけではなく、任意の形状を選定しうる。特に開口部の形状は、円形に限定されるわけではなく、三角形や四角形などの多角形、星形など内側に突出する部分のある形状などでもかまわない。

また、第一開口部１１９や第二開口部２１９が並べられる間隔は、全てを等間隔としてもよく、また、流出体１１５の端部における間隔は、流出体１１５の中央部における間隔よりも広く（狭く）するなど任意に定めることができる。現在得られている知見において、開口部の孔径が０．３ｍｍの場合、開口部のピッチは、２．５ｍｍ程度までは短縮可能である。なお、これら孔径やピッチなどは、原料液３００の粘度など他の条件により変化することが考えられる。

また、第一開口部１１９は、同一直線上に配置されるばかりでなく、一次元的に並べられていればよい。ここで、一次元的とは、全ての第一開口部１１９が配置されるぎりぎりの領域を矩形で囲った場合、第一開口部１１９が前記矩形の幅方向（Ｘ軸方向）には並ばない状態をいう。また、前記第一開口部１１９が配置される矩形の領域は、帯形状となる。この意味において、第一開口部１１９は、ジグザグに配置されてもよく、サインカーブなどの波を描くように配置されてもよい。以上は第二開口部２１９も同様である。

第一先端部１１６は、第一流出孔１１８の第一開口部１１９が配置される流出体１１５の部分であり、所定の間隔で配置される第一開口部１１９の間を滑らかな面で接続する部分である。本実施の形態の場合、第一先端部１１６は、細長い矩形の平面を表面に備え、その幅は、対応する第一開口部１１９の径よりも広くなるように設定されている。具体的に例えば、第一先端部１１６の幅は、第一流出孔１１８の孔径により異なるが、液溜まり３０３（後述、図３参照）の根元の径が１ｍｍ程となることを勘案して、１ｍｍ以上に設定することが好ましい。

第二先端部２１６は、第二流出孔２１８の第二開口部２１９が配置される流出体１１５の部分であり、所定の間隔で配置される第二開口部２１９の間を滑らかな面で接続する部分である。本実施の形態の場合、第二先端部２１６は第一先端部１１６と同様細長い矩形の平面である。また、第二先端部２１６は、第一先端部１１６と平行に配置されている。

図３に示すように、第一先端部１１６が存在することにより、第一開口部１１９の周りに液溜まり３０３が安定して発生する。この液溜まり３０３は、テーラーコーンと称されており、原料液３００の粘性により発生すると考えられ、第一開口部１１９よりも大きな円形の底面を備える円錐形状となっている。液溜まり３０３は、第一開口部１１９を覆うように流出体１１５の第一先端部１１６に付着する。そして、円錐状の液溜まり３０３から原料液３００が空間中に細く流出するものとなっている。これにより第一開口部１１９が空気と直接接触しないので、第一開口部１１９から発生するイオン風を抑制することが可能となる。当該現象は第二先端部２１６も同様である。

なお、第一先端部１１６や第二先端部２１６は、矩形の平面を備えるものに限定されるわけではなく、また、平面ではなくとも液溜まり３０３が発生する場合もある。例えば図４（ａ）に示すように、第一先端部１１６や第二先端部２１６は、曲面を備えてもよく、また、図４（ｂ）に示すように、端部がつきあわされた二つの平面を備えていてもよい。

また、第一先端部１１６は、上述したように第一開口部１１９がジグザグや波形に配置された場合、まっすぐな帯形状でもよく、第一開口部１１９の配置に追随したジグザグ形状や波形等であってもよい。第二先端部２１６の形状や第二開口部２１９の配置も同様である。

以上のように、第一先端部１１６は、複数存在する第一開口部１１９の間を面でつなげている（図４（ｂ）では、上記のように二つの平面でつなげている）ため、形状的に特異な部分が少なく、イオン風の発生を抑制することができる。

また、第一先端部１１６により液溜まり３０３を安定した状態で保持することが可能であるため、イオン風が発生しやすい第一開口部１１９の周囲を液溜まり３０３により覆いイオン風の発生を抑制することが可能となる。従って、ナノファイバ３０１の品質向上や生産効率の向上が図れると考えられる。なお、第二先端部２１６も同様の効果を備えている。

外側面部である第一外側面部１１７、および、第二外側面部２１７は、先端部である第一先端部１１６、および、第二先端部２１６を挟むように配置される二つの面である。本実施の形態の場合、第一外側面部１１７は、第一先端部１１６から延設され、起立状態で配置され、第二外側面部２１７は、第二先端部２１６から延設され、起立状態で配置されている。第一外側面部１１７、第二外側面部２１７は、それぞれ並んで配置されている第一流出孔１１８、第二流出孔２１８の配置方向（Ｙ軸方向）に延びた状態で設けられており、全ての流出孔を第一外側面部１１７と第二外側面部２１７とで挟むように設けられている。また、第一外側面部１１７と第二外側面部２１７とは、図２、図３に示すように、第一先端部１１６、第二先端部２１６から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置されている。

さらに本実施の形態の場合、流出体１１５は、第一先端部１１６に接続される第一外側面部１１７との間隔が第一先端部１１６から離れるに従い広がるように配置され、第一流出孔１１８を挟むように延設される第一内側面部１２３と、第二先端部２１６に接続される第二外側面部２１７との間隔が第二先端部２１６から離れるに従い広がるように配置され、第二流出孔２１８を挟むように延設される第二内側面部２２３とが設けられている。つまり、流出体１１５は、第一先端部１１６と第二先端部２１６との間に第一内側面部１２３と第二内側面部２２３とを側壁とし、第一先端部１１６、および、第二先端部２１６と平行に延びて配置される溝を備えている。

これにより、第一外側面部１１７と第一内側面部１２３との間の角度を鋭角にして第一先端部１１６に電荷を集中することができる。また、第二外側面部２１７と第二内側面部２２３との間の角度を鋭角にして第二先端部２１６に電荷を集中することができる。従って、第一先端部１１６、および、第二先端部２１６の両方から流出する原料液３００をいずれも高い電荷密度かつ均等とすることができ、製造されるナノファイバ３０１の質のムラを軽減することが可能となる。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように第一先端部１１６と第一外側面部１１７、および、第一内側面部１２３との境界は曖昧である。第二先端部２１６と第二外側面部２１７、および、第二内側面部２２３との境界は曖昧である。また、第一外側面部１１７、第二外側面部２１７、第一内側面部１２３、第二内側面部２２３の形状は、平面ばかりでなく、曲面であってもかまわない。

貯留槽１１３は、図２に示すように、流出体１１５の内部に形成され、供給手段１０７（図１参照）から供給される原料液３００を貯留するタンクである。また、貯留槽１１３は、複数の第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８に接続され、第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８に同時に原料液３００を供給するものとなっている。本実施の形態の場合、貯留槽１１３は、流出体１１５に一つ設けられており、流出体１１５のＹ軸方向の一端部から他端部にわたって延びて設けられ、全ての第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８と連通状態で接続されている。従って、第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８に均等な圧力で原料液３００を供給可能となり、第一流出孔１１８、および、第二流出孔２１８から流出する原料液３００の状態を均等にすることが可能となる。

貯留槽１１３は、流出孔の開口部が並ぶ方向（Ｙ軸方向）に延びて配置され、Ｙ軸方向に直交する貯留槽１１３の断面（ＸＺ平面）は、円形となっている。本実施の形態の場合、流出体１１５は、管形状（筒形状）となっており、貯留槽１１３として原料液３００を貯留するための空間は円柱形状となっている。

以上のように貯留槽１１３は、原料液３００を第一流出孔１１８の近傍で一時的に貯留し、複数の流出孔に均等な圧力で原料液３００を供給する機能を備えており、これにより、各流出孔から均等な状態で原料液３００を流出させることが可能となる。従って、製造されるナノファイバ３０１のＹ軸方向における品質の空間的なムラを抑制することが可能となる。

また、貯留槽１１３の内壁面が単純な曲面（円筒の内壁面）となっているため、構造的に特異な部分の存在が可及的に抑制されており、特異な部分を起点として成長する溶質の固化現象を効果的に抑止することが可能となる。

図５は、中間部分を省略して流出体を正面から示す図である。

同図に示すように、流出体１１５は、両端が開口し、流出孔（図示せず）が設けられる管形状の本体１３１と、本体１３１の開口の一方（同図中左側）を着脱可能に閉塞する蓋体１３２と、本体１３１の開口の他方（同図中右側）に着脱可能に取り付けられ、流出体１１５の内部に形成される貯留槽１１３に原料液３００を供給する供給口を有する供給体１３３とを備えている。

蓋体１３２は、円板状の閉塞用のフランジであり、本体１３１との間にＯリングなどの封止部材を配置し、ボルトなどの締結部材で本体１３１に取り付けることで本体１３１の開口を封止することができるものとなっている。

供給体１３３は、蓋体１３２とほぼ同じ構造を備え、円板の中心に厚さ方向に貫通する供給口が備えられている。また、供給口は、原料液を供給するための案内管１１４と接続することができるものとなっている。

以上のように、流出体１１５は、直管形状であって両端が開口した本体１３１と、両端開口をそれぞれ蓋体１３２と供給体１３３とで着脱自在に閉塞することで、内部に貯留槽１１３が形成されるものとなっている。従って、流出体１１５の内方に貯留槽１１３を形成することが容易となる。例えば、本体１３１の内部空間をドリルにより容易に切削加工することができ、さらに切削痕などの特異点を除去するための研磨なども容易に行うことができる。さらに、切削加工により内部空間を形成することが困難な長さの本体１３１であっても、引抜加工などにより容易に本体１３１を得ることが可能となる。特に、引抜加工により形成される本体１３１は、貯留槽１１３を形成する内面がなめらか（例えば表面粗度（Ｒａ）が５μｍ以下）であるため、溶質の固化現象を効果的に抑止することが可能となる。

また、蓋体１３２と、供給体１３３とを取り外せば、直管状の貯留槽１１３が露出し、貯留槽１１３の内面に特異な部分がないため、貯留槽１１３の清掃作業が容易となり、流出体１１５のメンテナンス性を向上させることが可能となる。

供給手段１０７は、図１に示すように、流出体１１５に原料液３００を供給する装置であり、原料液３００を大量に貯留する容器１５１と、原料液３００を所定の圧力で搬送するポンプ（図示せず）と、原料液３００を案内する案内管１１４とを備えている。

帯電電極１２１は、流出体１１５と所定の間隔を隔てて配置され、自身が流出体１１５に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、流出体１１５に電荷を誘導するための導電性を備える部材であり帯電手段を構成する要素である。本実施の形態の場合、帯電電極１２１は、空間中で製造されたナノファイバ３０１を誘引する誘引手段１０４としても機能しており、流出体１１５の先端部と対向する位置に配置されている。従って、帯電電極１２１が接地されており、流出体１１５に正の電圧が印加されると帯電電極１２１には、負の電荷が誘導され、流出体１１５に負の電圧が印加されると帯電電極１２１には、正の電荷が誘導される。

帯電電源１２２は、流出体１１５に高電圧を印加することのできる電源である。帯電電源１２２は、一般には、直流電源が好ましい。特に、発生させるナノファイバ３０１の帯電極性に影響を受けないような場合、生成したナノファイバ３０１の帯電を利用して、逆極性の電位を印加した電極でナノファイバ３０１を誘引するような場合には、直流電源を採用することが好ましい。また、帯電電源１２２が直流電源である場合、帯電電源１２２が帯電電極１２１に印加する電圧は、５ＫＶ以上、１００ＫＶ以下の範囲の値から設定されるのが好適である。

本実施の形態のように、帯電電源１２２の一方の電極を接地電位とし、帯電電極１２１を接地するものとすれば、比較的大型の帯電電極１２１を接地状態とすることができ、安全性の向上に寄与することが可能となる。

なお、帯電電極１２１に電源を接続して帯電電極１２１を高電圧に維持し、流出体１１５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、帯電電極１２１と流出体１１５とのいずれも接地しないような接続状態であってもかまわない。

収集手段１２８は、静電延伸現象により製造されるナノファイバ３０１を堆積させて収集する部材である。本実施の形態の場合、収集手段１２８は、ロール１２７に巻き付けられた状態で供給されている。

なお、収集手段１２８はこれに限定されるわけではない。例えば、収集手段１２８は、剛性のある板状の部材からなるものでもかまわない。また、ナノファイバ３０１の堆積物のみを利用する場合には、収集手段１２８の表面にフッ素樹脂コート、または、シリコンコートを行うなど、ナノファイバ３０１を剥ぎ取る際の剥離性が高い収集手段１２８であってもよい。

誘引手段１０４は、空間中で製造されたナノファイバ３０１を収集手段１２８に誘引するための装置である。本実施の形態の場合、誘引手段１０４は、帯電電極１２１としても機能する金属板であり、収集手段１２８の後方に配置されている。誘引手段１０４は、帯電しているナノファイバ３０１を電界により収集手段１２８に誘引する。つまり、誘引手段１０４は、帯電したナノファイバ３０１を誘引するための電界を発生させるための電極である。また、誘引手段１０４は、吸引装置などによって収集手段１２８に向かう気体流を発生させるものでもよい。

移動手段１２９は、流出体１１５と、収集手段１２８とを相対的に移動させる装置である。本実施の形態の場合、流出体１１５は固定されており、収集手段１２８のみを移動するものとなっている。具体的に移送手段は、長尺の収集手段１２８を巻き取りながらロール１２７から引き出し、堆積するナノファイバ３０１と共に収集手段１２８を搬送するものとなっている。

なお、移動手段１２９は、収集手段１２８を移動させるばかりではなく、流出体１１５を収集手段１２８に対して移動させるものでもかまわない、また、移動手段１２９は、収集手段１２８を一定方向に移動させ、流出体１１５を往復動させるなど、任意の動作状態を例示することができる。また、第一開口部１１９（第二開口部２１９）の並び方向と直交する方向に収集手段１２８を移動させているが、それに限定するものではなく、第一開口部１１９（第二開口部２１９）の並び方向に収集手段１２８を移動させ、流出体１１５を第一開口部１１９（第二開口部２１９）の並び方向と直交する方向に往復動させるものであってもかまわない。

ここで、ナノファイバ３０１を構成する樹脂であって、原料液３００に溶解、または、分散する溶質としては、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、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、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、ポリペプチド等およびこれらの共重合体等の高分子物質を例示できる。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、本願発明は上記樹脂に限定されるものではない。

原料液３００に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することができる。具体的に例示すると、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、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を挙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、本願発明に用いられる原料液３００は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。

さらに、原料液３００に無機質固体材料を添加してもよい。当該無機質固体材料としては、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、製造されるナノファイバ３０１の耐熱性、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、本願発明の原料液３００に添加される物質は、上記添加剤に限定されるものではない。

原料液３００における溶媒と溶質との混合比率は、選定される溶媒の種類と溶質の種類とにより異なるが、溶媒量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。好適には溶質が５〜３０％となる。

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。

まず、供給手段１０７により流出体１１５に原料液３００を供給する（供給工程）。以上により、流出体１１５の貯留槽１１３に原料液３００が満たされる。

次に、帯電電源１２２により帯電電極１２１を正または負の高電圧とする。帯電電極１２１と対向する流出体１１５の第一先端部１１６、および、第二先端部２１６に電荷が均等に集中し、当該電荷が第一流出孔１１８や第二流出孔２１８を通過して空間中に流出する原料液３００に転移し、原料液３００が帯電する（帯電工程）。

前記帯電工程と供給工程とは同時期に実施され、流出体１１５の第一開口部１１９、および、第二開口部２１９から均等に帯電した原料液３００が流出する（流出工程）。ここで、第一開口部１１９、および、第二開口部２１９からそれぞれ流出している原料液３００には同極性の電荷が帯電しているため、原料液３００は、図３に模式的に示すように相互に反発し合う軌跡を描く。これにより、原料液３００の飛翔経路を長くすることができ、原料液３００が蒸発する時間を長く確保することが可能となる。

ここで、開口部から流出する原料液３００は、開口部を覆い先端部から垂れ下がる液溜まり３０３を形成する（図３参照）。この液溜まり３０３は、複数ある開口部毎に形成され、その先端から原料液３００が糸状に垂れ下がる。このように液溜まり３０３が形成されることで、イオン風の発生を抑制し、製造されるナノファイバ３０１の品質を高めることが可能となる。

また、流出体１１５の外観形状も先端部以外はなめらかな曲面で覆われているため、イオン風の発生の抑制に寄与している。

次にある程度空間中を飛行した原料液３００に静電延伸現象が作用することによりナノファイバ３０１が製造される（ナノファイバ製造工程）。ここで、原料液３００は、イオン風に影響されることなく強い帯電状態（高い電荷密度）で流出し、また、各第一開口部１１９や各第二開口部２１９から飛行する原料液３００がまとまることなく細い状態で流出する。これにより、原料液３００のほとんどがナノファイバ３０１に変化していく。また、原料液３００は、強い帯電状態（高い電荷密度）で流出しているため、静電延伸が何次にもわたって発生し、線径の細いナノファイバ３０１が大量に製造される。

この状態において、収集手段１２８の背方に配置される誘引手段１０４と流出体１１５との間に発生する電界により、ナノファイバ３０１が収集手段１２８に誘引される（誘引工程）。

以上により、収集手段１２８にナノファイバ３０１が堆積して収集される（収集工程）。収集手段１２８は、移動手段１２９によりゆっくり移送されているため、ナノファイバ３０１も移送方向に延びた長尺の帯状部材として回収される。

以上のような構成のナノファイバ製造装置１００を用い、以上のナノファイバ製造方法を実施することによって、二列に並んだ流出孔から大量の原料液３００を流出することができ、高い生産効率を確保することが可能となる。さらに、全ての第一開口部１１９、および、第二開口部２１９からから流出する原料液３００は、一つの貯留槽から流出するため、原料液３００の流出状態をほぼ統一することができる。また、一つの流出体に第一開口部１１９、および、第二開口部２１９が設けられているため原料液の帯電状態は、複数の流出体を設けるものと比較して帯電ムラを抑制することができる。従って、特に第一流出孔１１８や第二流出孔２１８が並ぶＹ軸方向にムラが発生することなく均一に製造することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

例えば、図６に示すように、第一内側面部１２３や第二内側面部２２３を備えない流出体１１５であってもよい。また、図７に示すように、流出体１１５の外観形状は特に限定されるものでは無い。

本願発明は、ナノファイバの製造やナノファイバを用いた紡糸、不織布の製造に利用可能である。

１００ ナノファイバ製造装置
１０４ 誘引手段
１０７ 供給手段
１１３ 貯留槽
１１４ 案内管
１１５ 流出体
１１６ 第一先端部
１１７ 第一外側面部
１１８ 第一流出孔
１１９ 第一開口部
１２１ 帯電電極
１２２ 帯電電源
１２３ 第一内側面部
１２７ ロール
１２８ 収集手段
１２９ 移動手段
１３１ 本体
１３２ 蓋体
１３３ 供給体
１５１ 容器
２１６ 第二先端部
２１７ 第二外側面部
２１８ 第二流出孔
２１９ 第二開口部
２２３ 第二内側面部
３００ 原料液
３０１ ナノファイバ

Claims (2)

1. 原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造装置であって、
   原料液を空間中に流出させる流出孔を複数有する流出体と、
   前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、
   前記流出体と前記帯電電極との間に所定の電圧を印加する帯電電源とを備え、
   前記流出体は、
   複数の前記流出孔の一方の群に属する複数の第一流出孔の先端である第一開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第一先端部と、前記第一先端部と平行に配置され、複数の前記流出孔の他方の群に属する複数の第二流出孔の先端である第二開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第二先端部との２列で構成される先端部と、
   前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記流出孔を挟むように延設される二つの外側面部と、
   前記第一流出孔、および、前記第二流出孔と連通し、前記第一開口部、および、前記第二開口部から流出する原料液を当該流出体の内部に貯留する貯留槽と、
   前記第一先端部に接続される外側面部である第一外側面部との間隔が前記第一先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第一流出孔を挟むように延設される第一内側面部と、
   前記第二先端部に接続される外側面部である第二外側面部との間隔が前記第二先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第二流出孔を挟むように延設される第二内側面部とを備える
   ナノファイバ製造装置。
2. 原料液を空間中で電気的に延伸させて、ナノファイバを製造するナノファイバ製造方法であって、
   複数の流出孔の一方の群に属する複数の第一流出孔の先端である第一開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第一先端部と、前記第一先端部と平行に配置され、複数の前記流出孔の他方の群に属する複数の第二流出孔の先端である第二開口部が所定の間隔で一次元的に並んで配置される第二先端部との２列で構成される先端部と、前記先端部から離れるに従い相互の間隔が広がるように配置され、前記先端部を挟むように延設される二つの外側面部と、前記第一流出孔、および、前記第二流出孔と連通し、前記第一開口部、および、前記第二開口部から流出する原料液を当該流出体の内部に貯留する貯留槽と、前記第一先端部に接続される外側面部である第一外側面部との間隔が前記第一先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第一流出孔を挟むように延設される第一内側面部と、前記第二先端部に接続される外側面部である第二外側面部との間隔が前記第二先端部から離れるに従い広がるように配置され、前記第二流出孔を挟むように延設される第二内側面部とを備える流出体から原料液を流出させる流出工程と、
   前記流出体と所定の間隔を隔てて配置される帯電電極と、前記流出体との間に所定の電圧を印加する帯電工程と
   を含むナノファイバ製造方法。

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