CN106133213A - 纳米纤维制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种和现有的ESD方式相比，不使用高电压、安全性高、不受生产场地的温度以及湿度的影响的纳米纤维制造装置。该纳米纤维制造装置(1)包含：具备形成高速高温气体的气体喷嘴以及向由气体喷嘴形成的高速高温气体喷出聚合物溶液的喷出用喷嘴的纳米纤维生成装置(2)、设在纳米纤维生成装置(2)的下游侧且收集纳米纤维生成装置(2)形成的纳米纤维的收集装置(6)、设在收集装置(6)的下游侧用于吸引气体的吸引装置(8)、以及设在纳米纤维生成装置(2)的下游侧且未与收集装置(6)的上游侧，使高速高温气体通过其内部的筒状引导部件(4)。

Description

纳米纤维制造装置

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维制造装置。

背景技术

含有纳米纤维的纳米纤维产品被应用在衣料、电气、汽车、医疗、建材等各种领域。近年，随着纳米纤维产品的用途的多样化，人们需要纤维直径更小的纳米纤维。

因使用了纤维直径较小的纳米纤维的纳米纤维产品具有表面积大、空间率高、孔径小、通气性好以及流体通过速度快等特征，故经常在过滤器领域、衣料领域、医疗材料领域、生物技术领域、汽车领域、建材领域等特殊领域中使用。

发明内容

作为制造含有纳米纤维的纳米纤维材料的方法，主要使用熔喷(Melt Blown)方式和电场纺丝(ESD)方式。

在熔喷方式中，通过喷嘴喷出聚合物溶液，同时从周围向被喷出的聚合物溶液吹送热风，借此使聚合物溶液延伸，制造纳米纤维。

但是因熔喷方式中的喷嘴将高温气体从外周吹响内周，高温气体在喷嘴的前端冲突并被压缩，故在喷嘴的下方会产生高温气体的压缩膨胀震动，因该震动纤维会被切断，制造出的纤维成为短纤维。进而无法提高气体喷出用喷嘴喷出的高温气体的喷出速度。

因无法提高气体喷出用喷嘴喷出的高温气体的喷出速度，故熔喷方式具有难以获得1μm以下的纳米纤维，且通过单位喷嘴无法获得纤维的大量生产的问题。

且，在熔喷方式中，因用于吹出高温气体的部分成为大开口部，故无法提高温气体的速度。这个也成为无法大量生产纳米纤维的理由之一。

下面，对使用了用溶剂稀释的聚合物的ESD(电场纺丝)方式的纳米纤维制造方法进行说明。图13是表示采用ESD方式的纳米纤维制造装置的一例的概略图。如图13所示，采用ESD方式的纳米纤维制造装置401具备注入有用溶剂稀释的聚合物的喷出用喷嘴402、以面对喷出用喷嘴402的前端的方式设置的收集部404、向喷出用喷嘴402的前端和收集部404之间施加高电压的高电压电源406以及、使通过溶剂稀释的聚合物以一定的流量从喷出用喷嘴402的前端喷出的注射泵(图未示)。

采用ESD(电场纺丝)方式的纳米纤维制造方法以以下方式进行。首先，向注射泵内注入用溶剂稀释的聚合物溶液，通过高电压电源406向喷出用喷嘴402的前端和收集部404之间施加高电压。之后，启动注射泵，使聚合物溶液以一定的速度从喷出用喷嘴402喷出。因从喷出用喷嘴402喷出的聚合物溶液带有和高电压电源同极的电，故可以因静电排斥力而进行延伸。之后，因溶剂从聚合物溶液中蒸发，电荷密度上升，故可进一步进行延伸，进而形成纳米纤维。带电的纳米纤维因电压差会向收集部404移动，并附着在带有不同极性的电的收集部上。借此可将纳米纤维堆积在收集部404上，形成纳米纤维产品。

如采用ESD方式，通过一个喷出用喷嘴402的前端只能制造出微量的纳米纤维。为实现纳米纤维的大量生产，人们尝试过用多个喷出用喷嘴402喷出聚合物溶液的方法。但是在采用如上所述的设置多个喷嘴402的方法时，为避免喷嘴和喷嘴之间的电场干涉，需要巨大的喷雾面积。

作为聚合物溶剂如使用引火性有机溶剂，溶剂有因高电压发生***的风险。因此，作为溶剂有必要使用水或者不会引火或不易引火的溶剂，但是采用此类溶剂会破坏ESD方式的优点，即可在常温常压下进行生产的优点。

因此，通过ESD方式制造的纳米纤维产品的制造成本会非常高。

在狭小的空间采用ESD方式大量生产纳米纤维时，无法使聚合物溶液纤维化，滴状或者球状的聚合物块会附着在基座上。因形成如上所述的滴状或者球状的聚合物块，故材料利用率会降低，且滴状或者球状的聚合物块会成为成型的纳米纤维层发生堵塞的原因，有深度破坏纳米纤维层的机械特性的风险。将此类纳米纤维层作为中高性能过滤器、HEPA、ULPA、袋式过滤器的过滤材料使用时，因下述理由会发生过滤器的性能降低的问题。

如上所述，因ESD方式的溶媒比例接近90％，且使用高电压，故进行大量生产时，会有***的危险。且，ESD方式具有因温度湿度而放电量变化，电场干涉等较多的问题。

因ESD方式用电位差使聚合物延伸，故纳米纤维带有电荷。带有电荷的纳米纤维落到基底上时，直径为300nm以下的纳米纤维的刚性较低，其贴付在基底上时，如图14所示，其以出现较大孔部的稀疏状态且以平面状堆积在基底上。为防止如上孔部的发生，可以考虑大量吹出纳米纤维的方法，但是大量吹出纳米纤维时，如图15所示，也会产生较大的孔部，压力损失会增大。因通过ESD方式制造的纳米纤维材料1140呈平面状，故容易产生如图16所示的垃圾(污染物)1150引起的堵塞。因此，即使用ESD方式制造直径为300nm以下的纳米纤维，也没有开发出因纳米纤维而应具有的高效率、低压力损失的过滤器。

本发明属于用于解决上述课题的发明，其目的在于提供和现有的ESD方式相比，不使用高电压、安全性高、不受生产场地的温度以及湿度的影响的纳米纤维制造装置。

本发明的纳米纤维制造装置，其特征在于，具有：具备形成高速高温气体的气体喷嘴、以及向由气体喷嘴形成的高速高温气体或者向高速高温气体的附近喷出聚合物溶液的喷出用喷嘴的纳米纤维生成装置；设在纳米纤维生成装置的下游侧，收集纳米纤维生成装置形成的纳米纤维的收集装置；设在收集装置的下游侧，用于吸引气体的吸引装置；以及设在纳米纤维生成装置的下游侧且位于收集装置的上游侧，使高速高温气体通过其内部的筒状引导部件。

如采用本发明的上述结构，通过引导部件可以形成从气体喷嘴至吸引装置的稳定的气流。其不使用高电压、可以防止纳米纤维向周围飞散，且可以稳定地制造纤细的纳米纤维。因其不使用高电压，故可以提高安全性，不易受生产场地的温度以及湿度的影响。

本发明优选方式为，聚合物溶液通过在溶媒中溶解聚合物的方式获得或者聚合物溶液通过加热溶解聚合物的方式获得。

本发明优选方式为，引导部由木材、SUS、铝、PET制成。

如采用本发明的上述结构，上述的木材、SUS、铝、PET等不易带静电，故可以防止纳米纤维附着在引导部件上。

本发明优选方式为，进一步包含设在收集装置的上游侧的整流装置。

如采用本发明的上述结构，可以在引导部件内形成更为稳定的气流。

本发明优选方式为，收集装置支撑过滤基材，将通过纳米纤维生成装置形成的纳米纤维堆积在过滤基材上。

通过本发明可以提供不使用高电压、安全性高、不受生产场地的温度以及湿度的影响的纳米纤维制造装置。

附图说明

图1是表示第一实施方式的纳米纤维制造装置的结构的概略图；

图2是表示第一实施方式的纳米纤维制造装置的纳米纤维生成装置的结构的图；

图3是表示是用于说明纳米纤维生成装置的动作的概略图；

图4是表示通过第一实施方式的制造装置获得的纳米纤维材料的结构的示意图；

图5是表示第二实施方式的纳米纤维制造装置的结构的图；

图6是表示通过第二实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维材料的图；

图7是表示使用了通过第二实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料的ULPA的收集效率的图；

图8是表示现有的过滤材料中的气体分子的冲突状态的图；

图9是表示第二实施方式的纳米纤维过滤材料的气体分子的滑流效果的图；

图10是表示第三实施方式的纳米纤维制造装置的结构的图；

图11是表示第三实施方式的纳米纤维制造装置中的纳米纤维生成装置的结构的图；

图12是表示纳米纤维生成装置的其他结构的断面图；

图13是表示采用ESD方式的纳米纤维制造装置的一例的概略图；

图14是表示通过ESD方式制造的纳米纤维材料的结构的概略图(其一)；

图15是表示通过ESD方式制造的纳米纤维材料的图(其二)；

图16是表示通过ESD方式制造的纳米纤维材料的图。

具体实施方式

首先，对本发明的纳米纤维制造装置的第一以及第二实施方式，参考附图进行详细说明。

本发明的第一以及第二实施方式和纳米纤维制造方法相关，其系通过将高速气体加热至高温的方法制造体积膨胀的高速高温气体，并用该高速气体使基于溶媒制备的聚合物溶液延伸的方法来形成纳米纤维的方式(发明者们将该方式称为采用溶剂熔融型泽它纺<zetta spinning>的纳米纤维形成手段)。

本发明的第一以及第二实施方式和纳米纤维的制造方法相关，其包含纳米纤维生成装置和收集部构成，其中，所述纳米纤维生成装置由用于吐出通过溶媒膨润的熔融聚合物的喷出用喷嘴、以及形成用于使从该喷出用喷嘴喷出的熔融聚合物延伸的高速高温气体的气体喷嘴构成，所述收集部收集通过用高速高温气体的载置聚合物溶液并使其延伸的方法形成的纳米纤维。

本发明的第一以及第二实施方式和中高性能纤维、HEPA、ULPA等纳米纤维过滤材料相关，该等材料通过，在由纤维直径为0.3～50μm，厚度为0.1～1.1mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布型过滤基材的一面上，以积层通过上述方法制造的纳米纤维并使之一体化的方式获得。

本发明的第一以及第二实施方式和袋式过滤器的纳米纤维材料相关，其通过，在由纤维直径为1.0～100μm，厚度为0.1～1.0mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布型过滤基材的一面上，涂敷粘合剂、熔融纤维或者粘合粉的接合媒介后，在其上积层通过上述方法制造的纳米纤维并使之一体化的方式获得。

(第一实施方式)

下面，对本发明的纳米纤维制造装置的第一实施方式，参考附图进行详细说明。

图1是表示第一实施方式的纳米纤维制造装置的结构的概略图。如该图表示，纳米纤维制造装置1具备纳米纤维生成装置2、引导盒4、收集装置6、吸引盒8以及整流部件9。

本实施方式的纳米纤维制造装置和ESD方式不同，不会使纳米纤维带电。因此，本实施方式的纳米纤维制造装置通过吸引气体的方式，使纳米纤维生成装置生成的纳米纤维延伸并干燥。

引导盒4是被设计成筒状的部件，其设在纳米纤维生成装置2和吸引盒8之间，即设在纳米纤维生成装置2的下游侧且位于收集装置6的上游侧。引导盒4在吸引盒8工作时促进从纳米纤维生成装置2向吸引盒8侧流动的气流的生成，并防止由纳米纤维生成装置2制造的纳米纤维向周围飞散。例如将引导盒4设计成构件间相互嵌套的可伸缩的形式较好。这是因为例如在聚合物溶液没有充分干燥时，通过延长引导盒4的方法，可以增加至收集装置6之间的距离，充分干燥聚合物溶液(纳米纤维)。没有设置引导盒4时，纳米纤维生成装置2的气体喷嘴喷出的高速高温气体会卷入周边的空气，进而气流成为不稳定状态。因此通过设置如上所述的引导盒4的方法，可以生成稳定的气流。进而可以稳定制造细径纳米纤维。

引导盒4由木材、SUS、铝、PET等不易带静电的材料构成较好。因本实施方式没有采用ESD方式，故纳米纤维几乎不带电。如引导盒4带静电，会产生纳米纤维被引导盒吸引，在收集装置6中无法均匀堆积纳米纤维的问题。因此通过用不易带静电的材料制造引导盒4的方法，可在收集装置6中均匀堆积纳米纤维。

吸引盒8设在收集装置6的下游侧。吸引盒8上设有风扇8A，其可以吸引引导盒4的空气，在引导盒4内形成从纳米纤维生成装置2向收集装置6侧流动的气流。位于吸引盒8的上游侧的吸引盒8的吸入口上设有蜂窝状的整流部件9，吸引盒8吸入气体时，通过整流部件9可以使导盒4内的各位置的气流均匀。

收集装置6设在纳米纤维生成装置2的下游侧，且位于引导盒4和整流部件9之间，其保持过滤基材的不弯曲状态。过滤基材的透气性很好，其不会妨碍通过吸引盒8在引导盒4内形成的气流。且，在制造中高性能过滤器、HEPA、ULPA等过滤材料时，作为过滤基材使用由纤维直径为0.3～50μm，厚度为0.1～1.1mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布较好。形成袋式过滤器的过滤材料时，使用由纤维直径为1.0～100μm，厚度为0.1～1.0mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布较好。且，在过滤基材的一面涂敷粘合剂、熔融纤维或者粘合粉的接合媒介较好。作为用在过滤基材上的无纺布或者织布，可以使用聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、人造丝、聚丙烯纤维等有机纤维或者玻璃纤维、植物纤维。上述材料可以单独使用，也可以合并使用两种以上。

图2是表示纳米纤维生成装置2的结构的图。如该图表示，纳米纤维生成装置2具备喷出熔融聚合物的喷出用喷嘴10、生成高速高温空气流(高速高温气体)12A的气体喷嘴12以及、支撑上述喷出用喷嘴10和气体喷嘴12的支撑部件14。

喷出用喷嘴10被提供聚合物溶液，其向通过气体喷嘴12形成的高速高温气体喷出聚合物溶液10A。喷出用喷嘴10没有必要一定要向高速高温气体喷出聚合物溶液10A，也可以向高速高温气体的附近喷出聚合物溶液。聚合物溶液10A例如可以通过在溶媒中溶解纳米纤维素材的方法制造。在下面的说明中，作为聚合物溶液10A，对通过在溶媒中溶解纳米纤维素材的方法制造的聚合物溶液进行说明，但是如第三实施方式中的说明，也可以使用通过加热熔融纳米纤维素材的方法获得的聚合物溶液。

气体喷嘴12被提供高温高速空气(高温高压空气)，其将高温高速空气进一步加热以及压缩后可以喷出高速高温气体12A。在本实施方式中，高速高温气体12A的速度，即气体刚从气体喷嘴12喷出时的速度为200～350m/s较好。高速高温气体12A的温度为250～350℃较好。

支撑部件14是支撑喷出用喷嘴10和气体喷嘴12，且可以调节该等喷嘴的位置关系的装置。在本实施方式中，喷出用喷嘴10与气体喷嘴12喷出的高速高温气体12A相距规定的距离较好。这是因为，高速高温气体12A是高压气体，从喷出用喷嘴10喷出的聚合物溶液10A若直接和高速高温气体12A接触，会招致聚合物溶液10A的粒子化，进而无法制造纳米纤维。

纳米纤维的纤维直径可以通过改变聚合物溶液10A的溶媒浓度、高速高温气体12A的速度、聚合物溶液10A的粘度以及高速高温气体12A的温度的方法进行调节。

作为可以成为本实施方式的装置使用的纳米纤维素材的聚合物，可以列举聚酯或者聚酰胺、聚烯烃、聚亚安酯(PU)等。作为聚酯可以列举聚对苯二甲酸乙二醇酯(PED)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚乳酸(PLA)等。作为聚酰胺可以列举尼龙6(N6)、尼龙66(N66)、尼龙11(N11)等。作为聚烯烃可以列举聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等。

作为制造聚合物溶液时使用的溶媒，可以使用甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、六氟异丙醇、四甘醇、三甘醇、二苯甲醇、1,3-二氧戊环、1,4-二氧六环、甲基乙基甲酮、甲基异丁基酮、甲基己基酮、甲基丙甲酮、二异丙基甲酮、二异丁基甲酮、丙酮、六氟丙酮、苯酚、甲酸、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙烯、苯甲酸甲酯、乙烷、酞酸二乙酯、邻苯二甲酸丙酯、氯甲烷、氯己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、甲基溴、乙基溴、丙基溴、醋酸、苯、甲苯、己烷、环己烷等，但是不局限于上述材料。

图3是用于说明纳米纤维生成装置2的动作的概略图。在图中简要示出喷出用喷嘴10和气体喷嘴12。如该图所示，向气体喷嘴12提供高温高速气体，高温高速气体被设在气体喷嘴12内的加热器12B加热，气体喷嘴12喷出高温高速气体。通过用上述加热器12B加热的方法，可以使高温高速气体的体积膨胀，使高温高速气体进一步加速。

喷出用喷嘴10向由气体喷嘴12喷出的高速高温气体喷出聚合物溶液。喷出用喷嘴10喷出的聚合物溶液会被高速高温气体载动，故会沿高速高温气体的方向延伸，进而形成纳米纤维。

聚合物溶液直接和高速高温气体接触时，因较大的气压差会产生粒子化。在本实施方式中，气体喷嘴12会喷出刚喷出时的速度为200～350m/s的高速高温气体，通过气体喷嘴12喷出的高速高温气体卷入周边空气，可在高速高温气体的周围形成比高温高压气体的气压更小的、缓和的缓气流层。

从喷出用喷嘴10喷出的聚合物溶液卷入上述缓气流层中，故不会产生粒子化，会逐渐延伸。被缓气流延伸的聚合物随后卷入高速高温气体内，并在高速高温气体内进一步被延伸。通过向溶媒内溶解聚合物的方法获得的聚合物溶液，在被缓气流和高速高温气体延伸时，溶媒会逐步蒸发。溶媒被蒸发后，聚合物无法继续被延伸。

为提高纳米纤维的制造效率，增加从喷出用喷嘴10喷出的聚合物溶液的喷出量时，在其到达收集装置之前，无法保证溶媒的充分蒸发，进而会产生液滴。在本实施方式中，因使用速度为200～350m/s、温度为250～350℃的高速高温气体，故可有效蒸发溶媒并防止液滴的发生，可以进行纳米纤维的大量制造。使用了热可朔性树脂作为聚合物溶液中的聚合物时，通过加热聚合物溶液的方法可以降低溶液的粘度，获得纳米纤维的进一步的纤细化。

通过上述方法形成的纳米纤维，通过吸引盒8吸引空气的动作，会通过引导盒4，并堆积在收集装置6的过滤基材上。启动纳米纤维生成装置2，直至在过滤基材上堆积了所需厚度的纳米纤维后，关闭纳米纤维生成装置2，并回收堆积在过滤基材上的纳米纤维材料。

使用了经本实施方式的制造装置制造的纳米纤维的过滤材料，可以获得如下效果。

相对于使用了高电压的EDS法，本实施方式的制造装置不使用高电压，故安全性高，不受生产场地的温度湿度的影响。且，通过本实施方式的制造装置，可以制造到现在为止无法获得的纳米纤维材料，即直径为200nm以上且具有三维结构纳米纤维材料。且，通过本实施方式的制造装置，可以抑制在ESD法中产生液滴的问题。且，如使用本实施方式的制造装置，不会发生电场的干涉，且通过强制蒸发溶媒的方法可以大幅度地提高生产量。

如使用本实施方式的制造装置，仅会使用高速高温气体，而不使用高电压，故不会产生电荷干涉。因此容易设置多个喷嘴进行大量的生产，且不需要去除制造纳米纤维的空间附近的机器的静电。且，因没有高电压引起的***的风险，故安全性高。

通过本实施方式的制造装置，可以制造具有三维结构的纳米纤维材料。将通过本实施方式的制造装置制造的纳米纤维材料用作过滤材料时，可以获得压力损失少、收集效率高、增加垃圾收集量的效果。如使用如上所述的过滤材料，通过逆流洗涤的方式可轻易去除垃圾。

和ESD方式的制造装置相比，因本实施方式的制造装置的结构简单，故可在维护方面降低成本。且，如使用热可朔性树脂制造纳米纤维，可通过高速高温气体降低其粘度，增大其纤细化程度，同时通过加热聚合物溶液，可以降低制造同一直径的纤维所需的溶媒浓度。

图4是表示通过本实施方式的制造装置获得的纳米纤维材料的结构的图。如图14以及图15所示，通过ESD方式制造的纳米纤维材料中会产生较大的孔部。相对于此，通过本实施方式的制造装置可以获得没有上述孔部的纳米纤维材料20。通过本实施方式的制造装置，可以获得使用比现有的纤维直径更小的纳米纤维的过滤材料。更为具体的是，如将通过本实施方式的制造装置获得的纳米纤维用在离子交换树脂上，还可以制造出能够去除水中的所有病毒以及有害物质的过滤材料。且，其还可以去除臭味成分，可以将其用在去除烟味的材料上。

由用ESD方式制造的直径为100nm左右的纳米纤维构成的纳米纤维材料为平面膜状。相对于此，通过本实施方式的制造装置制造的纳米纤维材料为叠高的层状结构。通过此类叠高的层状结构，可以获得压力损失小、垃圾的收集效率高、垃圾的收集量多的效果。

在用没有使用纳米纤维的过滤材料时，为提高垃圾的收集效率，需增加纤维量。但是增加了纤维量，压力损失会变大。使用纳米纤维时，可以通过滑流效果减小压力损失。但是在使用用ESD方式制造的纳米纤维时，纳米纤维的直径越细，则纳米纤维材料的厚度会越薄。这是因为，在用ESD方式制造纳米纤维时，因纳米纤维带有很强的电荷，故其会被很强的库仑力吸附在基底上。因此使用用ESD方式制造的纳米纤维的过滤材料，会发生收集效率低、压力损失增大的问题。

相对于此，在本实施方式的制造装置中，纳米纤维是软着陆在基底(过滤基材)上的所以构成层状。当纳米纤维的纤维直径为400nm以下时，因分子间的作用力变强等因素，垃圾不会附着在过滤材料的缝隙之间，而是因分子间的作用力而吸附在纤维上。因此，通过本实施方式的制造装置制造的纳米纤维材料具有收集效率高、压力损失小、垃圾收集量多的特点。

如果使用本实施方式的制造装置，即使是纤维直径比400nm更纤细的纳米纤维，也可以制造叠高的过滤材料。进而可以收集更细小的垃圾。

(第二实施方式)

下面，对本发明的纳米纤维制造装置的第二实施方式进行说明。对于和第一实施方式相同的结构，使用相同的符号并省略其说明。图5是表示第二实施方式的纳米纤维制造装置101的结构的图。如该图表示，纳米纤维制造装置101具备纳米纤维生成装置2、设在纳米纤维生成装置2的下游侧的收集装置106、设在收集装置106的下游侧的吸引盒108、设在纳米纤维生成装置2的下游侧且位于收集装置106的上游侧的引导盒4、以及过滤装置10。

纳米纤维生成装置2和引导盒4的结构和第一实施方式相同。作为聚合物溶液可以使用和第一实施方式相同的在溶媒中溶解纳米纤维素材而获得的聚合物溶液，也可以使用在第三实施方式中说明的加热溶解纳米纤维素材而获得的聚合物溶液。

吸引盒108具有风扇108A，其设在收集装置106的下游侧。吸引盒108使引导盒4内形成从纳米纤维生成装置向吸引盒的气流，用于吸引由纳米纤维生成装置2形成的纳米纤维。本实施方式的吸引盒108仅在引导盒4的断面中心部进行吸引，其他部分没有对引导盒开口。

过滤装置10是清洗器或者化学型过滤装置，其净化通过纳米纤维生成装置2制造纳米纤维时产生的含有有机溶剂的气体后排出气体。

收集装置106设在引导盒4的下游侧，具备过滤基材供给轮112、一对抽拉引导筒114、热压接轮116以及卷取轮118。

过滤基材供给轮112由被可旋转地支撑的圆筒状部件构成，其外周卷绕有过滤基材120。

一对抽拉引导筒114分别设在引导盒4的下游侧的开口的上下侧，其使过滤基材120在抽拉引导筒114的下游侧的开口端附近通过。

热压接轮116是内部藏有加热器的一对轮，其夹紧并加热过滤基材120。过滤基材120上预先附着有具有低熔点的粘结剂，表面堆积了纳米纤维的过滤基材120通过这一对轮之间时，纳米纤维通过粘结剂固定在过滤基材120上。

卷取轮118由和电机相连的圆筒状部件构成，其通过电机驱动而卷取过滤基材120。

下面，对纳米纤维过滤材料的制作进行说明。

首先，驱动过滤材料卷取轮118的电机。此时，卷绕在过滤基材供给轮112上的过滤基材120会向一对抽拉引导筒114之间移动。之后，驱动吸引盒108，在引导盒4内形成通过过滤基材120后流向吸引盒108的气流。由纳米纤维生成装置2的喷出用喷嘴喷出熔融聚合物的同时，由气体喷嘴喷出高速高温气体。此时，如第一实施方式中的详细说明，使熔融聚合物延伸使之成为纳米纤维，将延伸所得的纳米纤维堆积在过滤基材120上。堆积有纳米纤维的过滤基材120，通过热压接轮116加热并积层成为一体，之后将其作为纳米纤维过滤材料卷绕在卷取轮118上。制造纳米纤维时产生的含有有机溶剂的气体，被过滤装置10净化。

下面，对将通过本实施方式的制造装置制造的纳米纤维积层在过滤基材上而获得的过滤材料进行说明。

和ESD法相比，通过本实施方式的制造装置制造的纳米纤维不带有电荷，故对纳米纤维的收集可通过吸引盒108的气体吸引进行。如过滤基材上的一部分区域附着有纳米纤维，该区域的压力损失会变大。但是即使因在过滤基材上的一部分区域附着纳米纤维而压力损失变大时，被吸引的气体也会流向附着较少的区域，故纳米纤维的附着会变得均匀。在本实施方式中，因设有引导盒4，故可将纳米纤维生成装置2形成的纳米纤维准确引向过滤基材120，有效堆积在过滤基材120上。

下面，对通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料的特性进行说明。

在ESD方式中，因利用电荷的反作用力制造纳米纤维，故纳米纤维带有电荷。现有技术中已有记载，如通过ESD方式制造纳米纤维材料，如图17所示，当纳米纤维的纤维直径为300nm以下时，只能制造由平板状单层结构的纳米纤维材料构成的过滤材料1140。

相对于此，通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维不带有电荷。因此如图6所示，收集时，纳米纤维141没有贴付在过滤基材120上，而是以保持三维结构的状态积层在后者上。因此通过本实施方式的纳米纤维制造装置可以制造收集效率高、压力损失低、且垃圾收集量多的纳米纤维过滤材料140。

在现有的过滤材料1140中，一般将垃圾收集在纤维的缝隙处，故会发生堵塞，施加反方向的压力也不易去除垃圾。相对于此，通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料140，因纤维的缝隙较小，垃圾不会进入缝隙内，而是附着在其表面，故通过施加反方向的压力容易去除垃圾。例如，在过滤器中使用两个***，通过在一侧驱动过滤器的同时在另一侧施加反方向的压力的方法，可容易去除垃圾，保持长时间的高效率，防止堵塞的发生。

作为纳米纤维过滤材料的过滤基材可以使用无纺布或者织布，作为无纺布或者织布可以使用聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、人造丝、聚丙烯纤维等有机纤维或者玻璃纤维、植物纤维。上述材料可以单独使用，也可以合并使用两种以上。作为上述无纺布或者织布的制造方法，可以使用用湿式抄纸法的方法或者干式法、纺粘法、熔喷法等。

作为纳米纤维过滤材料的接合媒介可以使用粘合剂、熔融纤维或者粘合粉等。作为粘合剂可以使用有机类粘合剂、无机类粘合剂或者混合二者获得的混合粘合剂。优选使用丙烯树脂。作为熔融纤维可以使用具有芯鞘结构的纤维等。作为粘合粉可以使用软化点较低的树脂粉末等。

下面，对使用了通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料的中高性能过滤器、HEPA、ULPA进行说明。该等过滤器通过进行将纳米纤维过滤材料折叠成波浪形状的皱纹状折叠加工，在已进行皱纹状折叠加工的纳米纤维过滤材料之间加入珠状粘结剂或者居间物后，在外框内用粘结剂密封安装的方法制造。作为过滤基材使用由纤维直径为0.3～50μm，厚度为0.1～1.1mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布较好。

图7是表示使用了通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料的ULPA的收集效率的图。

下面，对使用了通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料的袋式过滤器进行说明。本实施方式的袋式过滤器通过将纳米纤维过滤材料形成为圆筒状的方式制造，或者进行将纳米纤维过滤材料折叠成波浪形状的皱纹状折叠加工后，再将其做成圆形或者信封状。作为过滤基材使用由纤维直径为1.0～100μm，厚度为0.1～1.0mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布较好。且，在过滤基材的一面涂敷粘合剂、熔融纤维或者粘合粉等接合媒介后，在其上形成用上述方法制造的纳米纤维并使之一体化较好。图8是表示现有的过滤材料中的气体分子的冲突状态的图，图9是表示本实施方式的纳米纤维过滤材料的气体分子的滑流效果的图。如该等图所示，通过本实施方式的纳米纤维过滤材料的滑流效果，可以提高流体的流动，获得压力损失较小的效果。

研究高性能过滤器、HEPA、ULPA、袋式过滤器等过滤器的业界人员，一直在追求压力损失小、收集效率高且寿命长的过滤材料。但是因上述性能相互制约，一直没有获得理想的过滤材料。近年通过纤维业界人员的技术研究已开发出纳米纤维，以此为契机过滤器业界的人员一直在关注对具有理想性能的过滤材料的开发。通过本实施方式的纳米纤维制造装置制造的纳米纤维过滤材料是可以解决上述问题，且具有压力损失小、收集效率高且寿命长的效果的过滤材料。

(第三实施方式)

下面，对本发明的纳米纤维制造装置的第三实施方式，参考附图进行详细说明。

第三实施方式和纳米纤维的制造方法相关，其实现方式是，将高速气体加热至高温使其体积膨胀的方法制造高速高温气体，用该高速高温气体使被加热熔融的聚合物溶液延伸的方法制造纳米纤维(发明者们将该方式称为加热熔融型泽它纺(zetta spinning)方式)。

第三实施方式和纳米纤维的制造方法相关，其采用包含通过加热来熔融热可朔性聚合物的机构、用于吐出熔融的热可朔性聚合物的喷出用喷嘴、以及用于产生使从该喷出用喷嘴喷出的熔融聚合物延伸的高速高温气体的气体喷嘴构成的装置。

第三实施方式和高性能过滤器、HEPA、ULPA等过滤材料相关，其通过，在由纤维直径为0.3～50μm，厚度为0.1～1.1mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布型过滤基材的一面上，积层通过上述方法制造的纳米纤维并使之一体化的方式获得。

第三实施方式和袋式过滤器的过滤材料相关，其通过，在由纤维直径为1.0～100μm，厚度为0.1～1.0mm的玻璃纤维、合成纤维或者天然纤维等构成的无纺布或者织布型过滤基材的一面上，涂敷粘合剂、熔融纤维或者粘合粉等的接合媒介后，在其上积层通过上述方法制造的纳米纤维并使之一体化的方式获得。

其中，熔融热可朔性聚合物的机构由卷有电加热器的活塞筒和在活塞筒内做往返运动的聚合物挤出机构构成，其具有通过手持加热将填入活塞筒内的热可朔性聚合物器融化后，通过聚合物挤出机构的往返运动将聚合物向喷出用喷嘴侧挤出的结构。作为聚合物挤出机构可以使用螺旋推进式、活塞推压式或者气动式等。

用于吐出熔融聚合物的喷出用喷嘴、和形成用于延伸从该喷出用喷嘴喷出的熔融聚合物的高速高温气体的气体喷嘴之间的位置关系优选为可调整状态。作为喷出用喷嘴也可以使用可变更喷嘴直径的市场上销售的喷针。作为气体喷嘴也可以使用在市场上销售的喷针。

本实施方式的重要的技术点在于，喷出熔融材料的喷出用喷嘴的前端从高速高温气体离开适当的距离。这是因为，高速高温气体的气压差很大，其直接和聚合物溶液接触时，会招致聚合物溶液的粒子化，无法制造纳米纤维。纳米纤维的纤维直径由高速高温气体的速度、聚合物溶液的粘度以及、高速高温气体的温度决定。

作为在本实施方式中使用的纳米纤维素材即热可朔性聚合物，可以使用和第一以及第二实施方式相同的聚合物。通过本实施方式可以获得和第一以及第二实施方式相同的效果。

下面，对本实施方式的纳米纤维制造方法以及使用了通过该制造方法制造的纳米纤维的过滤材料，参考附图进行详细的说明。在本实施方式中，对于和第一以及第二实施方式相同的构成，使用相同的符号并省略其说明。

首先，对本实施方式的纳米纤维制造装置进行说明。图10是表示本实施方式的纳米纤维制造装置的结构的图。如该图所示，纳米纤维制造装置201具备纳米纤维生成装置202、设在纳米纤维生成装置202的下游侧的收集装置106、设在收集装置106的下游侧的吸引盒108、设在纳米纤维生成装置202的下游侧且位于收集装置的上游侧的引导盒4、以及设在吸引盒108的下游侧的过滤装置110。引导盒4、收集装置106、吸引盒108以及过滤装置110的结构和第二实施方式相同。

图11是表示本实施方式的纳米纤维制造装置201中的纳米纤维生成装置202的结构的图。如该图所示，本实施方式的纳米纤维生成装置202具备活塞筒204、漏斗206、设在活塞筒204内的螺杆208、喷出用喷嘴210、气体喷嘴212以及引导盒214。

活塞筒204的周围卷绕有电加热器(图未示)，从漏斗206进入的热可朔性聚合物被电加热器加热溶解，借此制造聚合物溶液(熔融聚合物)。活塞筒204的前端连接有用于喷出聚合物溶液的喷出用喷嘴210。喷出用喷嘴210上连接有前端喷嘴(喷针)216，前端喷嘴216向引导盒214的外部延伸。通过上述结构，熔融聚合物可以从喷出用喷嘴210的前端喷嘴216喷向高速高温气体的附近。

漏斗206和活塞筒204的内部空间连通，其内装有热可朔性聚合物。

螺杆208在活塞筒204内做往返运动。通过螺纹部208在活塞筒204内进行的往返运动，可将活塞筒204内的熔融聚合物从前端喷嘴216挤出，且通过漏斗206向活塞筒204内补充相应量的热可朔性聚合物。

引导盒214设在活塞筒204的前端，前端喷嘴216的下方形成有吹气孔214A。

给气体喷嘴212提供高速(高压)气体。通过安装在气体喷嘴212上的加热器，可以加热被提供的高速(高压)气体。气体喷嘴212上连接有连接用管218，连接用管218的前端连接在引导盒214上。提供给气体喷嘴212的高速气体被加热器加热，作为高速高温气体从引导盒214的吹气孔214A吹出。在本实施方式中，从吹气孔214A喷出的高速高温气体的速度为200～350m/s较好。且，高速高温气体的温度为250～350℃较好。

下面，对通过本实施方式的纳米纤维生成装置202制造纳米纤维的方法进行说明。

在本实施方式的纳米纤维生成装置中，将高速(高压)气体提供给气体喷嘴212。提供给气体喷嘴212的高速气体会被加热器加热，故其达高温的同时体积也会膨胀，进而会成为高速(高压)气体。成高温且高速状态的气体(高速高温气体)通过连接用管218被送至引导盒214内，并从引导盒214的吹气孔214A吹出。

通过漏斗206提供至活塞筒204内的热可朔性聚合物，通过电加热器熔融进而成为聚合物溶液。通过螺纹部208的驱动，活塞筒204内的聚合物溶液从喷出用喷嘴210挤出，并通过前端喷嘴216喷出。因高速高温气体的流动，从上述前端喷嘴216喷出聚合物溶液被延伸，并成为纳米纤维。

如聚合物溶液直接和高速高温气体接触，因较大的气压差会产生粒子化。在本实施方式中也和第一以及第二实施方式相同地，从引导盒214的吹气孔214A喷出的高速高温气体会将周边空气卷入，进而在高速高温气体的周围形成比高温高压气体的气压更小的、缓和的缓气流层。从前端喷嘴216喷出的聚合物溶液会卷入上述缓气流层中，因此会被逐步延伸，且被缓气流延伸的聚合物会被卷入高速高温气体中，并在高速高温气体中进一步被延伸。此时，因聚合物的分子之间的作用力会逐渐变强，故延伸会在该作用力和高速高温气体的延伸力相互平衡的阶段停止。在本实施方式中，因使用的材料为热可朔性聚合物，故通过加热熔融的方法可以降低粘度，获得纳米纤维的进一步的纤细化。

通过本实施方式的纳米纤维制造装置201，也可以制造和第二实施方式相同的纳米纤维。

首先，启动过滤材料卷取轮118的电机。此时，卷绕在过滤基材供给轮112上的过滤基材120会在一对抽拉引导筒114之间移动。之后，启动吸引盒108，在引导盒4内形成通过过滤基材120后流向吸引盒108的气流。由纳米纤维生成装置202的喷出用喷嘴喷出熔融聚合物的同时，由吹气孔214A喷出高速高温气体。此时，如第二实施方式中的详细说明，将熔融聚合物延伸为纳米纤维，将延伸的纳米纤维堆积在过滤基材120上。堆积了纳米纤维的过滤基材120，通过热压接轮116的加热以及积层处理成为一体，之后将其作为纳米纤维过滤材料卷绕在卷取轮118上。制造纳米纤维时形成的含有有机溶剂的气体，被过滤装置净化。

通过本实施方式的纳米纤维制造装置，也可以获得和第二实施方式的纳米纤维制造装置相同的效果。使用本实施方式的纳米纤维制造装置可以制造和第二实施方式相同的材料，即用在中高性能过滤器、HEPA、ULPA等上的过滤材料或者用在袋式过滤器上的过滤材料。

在本实施方式中，作为聚合物溶液使用了加热熔融纳米纤维素材的聚合物溶液，但不局限于此，也可以使用如第一实施方式那样在溶剂中溶解纳米纤维素材的聚合物溶液。

可在本实施方式中使用的纳米纤维生成装置，不局限于记载于上述实施方式中的装置。

图12是表示可在本发明中使用的纳米纤维生成装置302的其他结构的断面图。如该图所示，纳米纤维生成装置302具备中央的气体通路304、和设在外周的聚合物溶液通路306。向气体通路304提供高速气体(高压气体)。气体通路304上设有发热线，通过该发热线加热、压缩进入的高速气体，并通过喷出口吹出高速高温气体。

此外，向聚合物溶液通路306提供聚合物溶液，其前端连接有喷针308。向聚合物溶液通路306提供的聚合物溶液，可以是加热熔融聚合物而成的聚合物溶液，也可以是在溶媒中溶解聚合物的聚合物溶液。可将具有上述结构的纳米纤维生成装置302作为第一～第三实施方式的纳米纤维生成装置的代替物使用。【符号说明】

1、2、202、302 纳米纤维生成装置；

4、214 引导盒；

6、106 收集装置；

8、108 吸引盒；

8A、108A 风扇；

9 整流部件；

10、210 喷出用喷嘴；

10A 聚合物溶液；

12、212 气体喷嘴；

12A 高速高温气体；

12B 加热器；

14 支撑部件；

20 纳米纤维材料；

101、201 纳米纤维制造装置；

110 过滤装置；

112 过滤基材供给轮；

114 抽拉引导筒；

116 热压接轮；

118 卷取轮；

120 过滤基材；

140 纳米纤维过滤材料；

141 纳米纤维；

204 活塞筒；

206 漏斗；

208 螺杆；

216 前端喷嘴；

218 连接用管；

304 气体通路；

306 聚合物溶液通路；

308 喷针。

Claims (6)

1.一种纳米纤维制造装置，其特征在于，具有：

具备形成高速高温气体的气体喷嘴、以及向由气体喷嘴形成的高速高温气体或者向高速高温气体的附近喷出聚合物溶液的喷出用喷嘴的纳米纤维生成装置、

设在所述纳米纤维生成装置的下游侧，收集所述纳米纤维生成装置形成的纳米纤维的收集装置、

设在所述收集装置的下游侧，用于吸引气体的吸引装置、以及

设在所述纳米纤维生成装置的下游侧且位于所述收集装置的上游侧，使所述高速高温气体通过其内部的筒状引导部件。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中：

所述聚合物溶液通过在溶媒中溶解聚合物的方式获得。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维制造装置，其中：

所述聚合物溶液通过加热熔融聚合物的方式获得。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的纳米纤维制造装置，其中：

所述引导部件由木材、SUS、铝、PET制成。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的纳米纤维制造装置，其中：

进一步包含设在所述收集装置的上游侧的整流装置。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的纳米纤维制造装置，其中：

所述收集装置支撑过滤基材，将通过纳米纤维生成装置形成的纳米纤维堆积在所述过滤基材上。