JP2008248422A - エレクトロスピニング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率的に均一なナノファイバーウエブを作製する手段を提供すること。
【解決手段】流体を噴射するノズルを有する流体供給装置と、ノズルから噴射された流体が極細繊維として集積されるコレクター装置と、ノズルとコレクター装置との間に電圧を印加する高電圧給電装置とからなるエレクトロスピニング装置において、ノズルをリング状に配置する。ノズル間隔が２ｍｍ以上である。該エレクトロスピニング装置における流体供給装置、それら装置によって作製されたファイバーである。
【選択図】図１
【解決手段】流体を噴射するノズルを有する流体供給装置と、ノズルから噴射された流体が極細繊維として集積されるコレクター装置と、ノズルとコレクター装置との間に電圧を印加する高電圧給電装置とからなるエレクトロスピニング装置において、ノズルをリング状に配置する。ノズル間隔が２ｍｍ以上である。該エレクトロスピニング装置における流体供給装置、それら装置によって作製されたファイバーである。
【選択図】図１
Description
本発明は、ナノファイバーウエブ製造用のエレクトロスピニング装置に関する。より詳細には、効率よく、かつ均一なナノファイバーウエブを製造するために適するノズルに関する。
エレクトロスピニング法は、高分子溶液あるいは高分子溶融物などの流体をノズルから噴出させて電圧を印加してドラムなどのコレクター上に集積することによって、微細なナノファイバーウエブを製造する方法である。
エレクトロスピニング法によって得られたナノファイバーウエブは、ｎｍ〜μｍオーダーの微細なファイバーの集積体であるので、体積に対する表面積比の大きなウエブであることが特徴であり、包帯などの医療用途、再生医療における細胞のスキャフォールド（足場）など種々の用途が期待されている。
エレクトロスピニング法によって得られたナノファイバーウエブは、ｎｍ〜μｍオーダーの微細なファイバーの集積体であるので、体積に対する表面積比の大きなウエブであることが特徴であり、包帯などの医療用途、再生医療における細胞のスキャフォールド（足場）など種々の用途が期待されている。
このように、種々の用途が期待されるエレクトロスピニング法ではあるが、エレクトロスピニングによって、効率よく実用的にナノファイバーウエブを製造することは、未だあまり研究されていない。
特許文献１では、高効率にエレクトロスピニング法を行なうための方法として、流体供給部の、ノズル間隔を１ｍｍ未満という極限までせばめてファイバーを集積する方法が開示されている。
また、特許文献２では、複数のノズル間に補助電極を設置し、ノズルと補助電極とに異なる電位を印加する方法が開示されている。
しかしながら、いずれの方法も、ファイバーの集積速度について満足のいくものではなかった。
特開２００６−１５２４７９号公報
特開２００６−２８３２４０号公報
特許文献１では、高効率にエレクトロスピニング法を行なうための方法として、流体供給部の、ノズル間隔を１ｍｍ未満という極限までせばめてファイバーを集積する方法が開示されている。
また、特許文献２では、複数のノズル間に補助電極を設置し、ノズルと補助電極とに異なる電位を印加する方法が開示されている。
しかしながら、いずれの方法も、ファイバーの集積速度について満足のいくものではなかった。
本発明の課題は、前記のような問題点を解決することで、エレクトロスピニングにおいて、ファイバーの集積速度を高め効率よくナノファイバーウエブを製造するための手段を提供することにある。
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究した結果、従来のノズルを直線状に配列したり、矩形内に複数列配置するような場合（図２の上図参照）には、ノズル近傍での電場分布が均一でないために、ファイバーの生成量に不均一な分布ができ、よって、ファイバーを殆ど生成しないノズルが出てしまい、集積効率に問題が生じることを発見した。電場分布を均一にするためにはさらなる改良が必要であり、ノズルをリング状に配置することによって、課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、次の発明に関する。
すなわち、本発明は、次の発明に関する。
（１）流体を噴射するノズルを有する流体供給装置と、ノズルから噴射された流体が極細繊維として集積されるコレクター装置と、ノズルとコレクター装置との間に電圧を印加する高電圧給電装置とからなるエレクトロスピニング装置において、ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置。
（２）ノズル間隔が２ｍｍ以上である上記（１）に記載のエレクトロスピニング装置。
（３）ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置における流体供給装置。
（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載の装置によって作製されたファイバー。
（２）ノズル間隔が２ｍｍ以上である上記（１）に記載のエレクトロスピニング装置。
（３）ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置における流体供給装置。
（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載の装置によって作製されたファイバー。
本発明のエレクトロスピニング装置によれば、効率よくナノファイバーウエブを製造することができる。
以下に、本発明を具体的に説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。
本発明のエレクトロスピニング装置によるナノファイバーウエブの製造方法の一例を説明する。
水または溶媒に高分子化合物が溶解されて、あるいは、高分子化合物が溶融されて得た原料流体がエレクトロスピニングされる。エレクトロスピニング装置の一例を図１に示す。ドラム（コレクター）に導電性のコンベアベルトを架け、ベルトは０．５〜２８ｍ／分の速度で回転される。流体供給装置が０〜９０ｍ／分のスピードでドラムに対して平行に往復移動可能なスタンド（スライダー）にクランプされる。ベルトの回転速度とスライダーの移動速度はコンピューター制御される。原料流体は原料槽から流体供給装置に入れられる。高電圧給電装置の電極は金属製のノズルに連結される。導電性のコンベアベルトはアースに接続される。電圧は０〜３０ｋV、流体供給装置とコレクター（ドラム）の距離（TCD)は１０〜２５ｃｍに設定される。ナノファイバーウエブが導電性ベルトの表面もしくは導電性ベルト上に貼り付けた基材表面に積層される。
本発明のエレクトロスピニング装置によるナノファイバーウエブの製造方法の一例を説明する。
水または溶媒に高分子化合物が溶解されて、あるいは、高分子化合物が溶融されて得た原料流体がエレクトロスピニングされる。エレクトロスピニング装置の一例を図１に示す。ドラム（コレクター）に導電性のコンベアベルトを架け、ベルトは０．５〜２８ｍ／分の速度で回転される。流体供給装置が０〜９０ｍ／分のスピードでドラムに対して平行に往復移動可能なスタンド（スライダー）にクランプされる。ベルトの回転速度とスライダーの移動速度はコンピューター制御される。原料流体は原料槽から流体供給装置に入れられる。高電圧給電装置の電極は金属製のノズルに連結される。導電性のコンベアベルトはアースに接続される。電圧は０〜３０ｋV、流体供給装置とコレクター（ドラム）の距離（TCD)は１０〜２５ｃｍに設定される。ナノファイバーウエブが導電性ベルトの表面もしくは導電性ベルト上に貼り付けた基材表面に積層される。
本発明は、上記のようなエレクトロスピニング装置における流体供給装置に特徴を有する。図2には、本発明の流体供給装置の具体的態様の一つにつき、正面図と側面図とを示した。
従来の流体供給装置の一例では、図2左上図のように、ノズルが矩形内に均一に配置されていた。図２には、ノズルを４×４の１６本配置する例を示した。それに対して本発明では、図2左下図のように、ノズルをリング状に配置した。図2には、１６本のノズルを配置する例を図示したが、ノズルの本数は、得ようとするウエブの巾、供給装置の大きさによって変更できる。
本発明におけるリング状とは、ノズルが流体供給装置の中心からの距離が等しく、ノズル間の間隔も等しい正多角形状に配置されていることを意味する。
従来の流体供給装置の一例では、図2左上図のように、ノズルが矩形内に均一に配置されていた。図２には、ノズルを４×４の１６本配置する例を示した。それに対して本発明では、図2左下図のように、ノズルをリング状に配置した。図2には、１６本のノズルを配置する例を図示したが、ノズルの本数は、得ようとするウエブの巾、供給装置の大きさによって変更できる。
本発明におけるリング状とは、ノズルが流体供給装置の中心からの距離が等しく、ノズル間の間隔も等しい正多角形状に配置されていることを意味する。
図２において、（１）はノズル、（２）はノズル固定板（絶縁物）、（３）はノズル長さ（ノズル固定板から先端までの長さ）、（４）はノズル外径を示す。
ノズル長さは通常１０〜３０ｍｍ、ノズル外径は０．５〜２ｍｍ程度であるが、ノズル長さ、ノズル外径も効率に影響する。実施例に示すように、ノズル長さは、長いほうが効率が良いが、１５ｍｍを超えても殆ど効率は変わらないので、１５〜２０ｍｍ程度が適当である。ノズル外径は、細いほど効率は向上するが、細すぎるとノズルが詰まりやすくなるので、外径０．７〜０．８mm程度が適当である。そのときノズル内径は０．５〜０．６ｍｍ程度である。
ノズル長さは通常１０〜３０ｍｍ、ノズル外径は０．５〜２ｍｍ程度であるが、ノズル長さ、ノズル外径も効率に影響する。実施例に示すように、ノズル長さは、長いほうが効率が良いが、１５ｍｍを超えても殆ど効率は変わらないので、１５〜２０ｍｍ程度が適当である。ノズル外径は、細いほど効率は向上するが、細すぎるとノズルが詰まりやすくなるので、外径０．７〜０．８mm程度が適当である。そのときノズル内径は０．５〜０．６ｍｍ程度である。
ノズルの材質は、ステンレス、銅、鉄、アルミおよびこれらの合金が挙げられるが、耐食性を考慮するとステンレス製が好ましい。
ノズル固定板は、絶縁物であることが必要であり、塩ビ、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート等のプラスチックやガラス、セラミック等が挙げられるが、加工性やコストを考慮するとプラスチックが好ましい。
ノズル固定板は、絶縁物であることが必要であり、塩ビ、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート等のプラスチックやガラス、セラミック等が挙げられるが、加工性やコストを考慮するとプラスチックが好ましい。
本発明の流体供給装置を有するエレクトロスピニング装置によって得られるナノファイバーウエブの繊維材質は、限定されないが、ポリスチレン、ポリカ−ボネート、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、ナイロン６６、ナイロン４６、ポリアミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコール、ポリ乳酸グリコール、ポリエチレン・ビニルアセテート、ポリエチレン・ビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンオキシド、コラーゲン、ポリエチレン・ビニルアルコール / ポリ乳酸 ポリマーブレンド、ポリメタクリル酸メチル / アクリロニトリル ポリマーブレンド、ポリアニリン / ポリエチレンオキシド ポリマーブレンド、コラーゲン / ポリエチレンオキシド ポリマーブレンド、シルク / ポリエチレンオキシド ポリマーブレンド、ポリアニリン / ポリスチレン ポリマーブレンドなどが挙げられる。
以下には、実施例により、本発明をより詳細に説明する。
＜エレクトロスピニング装置＞
本発明のノズルの最適仕様を求めるために用いたエレクトロスピニング装置は、図１に示すもので、次の具体的仕様を有している。
コンベヤは導電性ゴムからなる。
ベルト速度：０．５３〜２８ｍ／分
ベルト幅：１３００ｍｍ
ベルト有効幅：１２００ｍｍ
ベルト長さ：４０００ｍｍmm
ドラム径：４００ｍｍ
スライダーの仕様は次のとおりである。
速度：０〜９０ｍ／分
ストローク：１２００ｍｍ
吐出距離：100〜250mm
本発明のノズルの最適仕様を求めるために用いたエレクトロスピニング装置は、図１に示すもので、次の具体的仕様を有している。
コンベヤは導電性ゴムからなる。
ベルト速度：０．５３〜２８ｍ／分
ベルト幅：１３００ｍｍ
ベルト有効幅：１２００ｍｍ
ベルト長さ：４０００ｍｍmm
ドラム径：４００ｍｍ
スライダーの仕様は次のとおりである。
速度：０〜９０ｍ／分
ストローク：１２００ｍｍ
吐出距離：100〜250mm
＜流体供給装置のノズル配置＞
実施例１に記載のエレクトロスピニング装置を用いて、ノズル配置、ノズル形状を変更したときのファイバー化効率を試験した。
表１にその結果を示す。
表１の結果から、ノズルを矩形内に４×４本配置するよりリング状の方がファイバー化効率（ファイバー集積速度）が高いことが分かる。
また、ノズル間隔、ノズル長さおよびノズル外径もファイバー化効率に影響することが分かる。リング状配置において、ノズル間隔が２ｍｍにおいても４×４本配置より効率は向上するが、ノズル間隔は長いほどさらに効率は向上する。ノズル間隔１０ｍｍにおいて最も効率が良かった。ノズル長さは長いほど効率が向上するが、１５ｍｍを超えるとほとんど変わらない。ノズル径は細いほど効率が向上する。ただし、ノズル内をポリマー溶液が通るので、細すぎるとノズルがつまりやすくなる。よって、あまり細くないほうがよく、外径０．８ｍｍ(内径０．５〜０．６ｍｍ)が最適である。
実施例１に記載のエレクトロスピニング装置を用いて、ノズル配置、ノズル形状を変更したときのファイバー化効率を試験した。
表１にその結果を示す。
また、ノズル間隔、ノズル長さおよびノズル外径もファイバー化効率に影響することが分かる。リング状配置において、ノズル間隔が２ｍｍにおいても４×４本配置より効率は向上するが、ノズル間隔は長いほどさらに効率は向上する。ノズル間隔１０ｍｍにおいて最も効率が良かった。ノズル長さは長いほど効率が向上するが、１５ｍｍを超えるとほとんど変わらない。ノズル径は細いほど効率が向上する。ただし、ノズル内をポリマー溶液が通るので、細すぎるとノズルがつまりやすくなる。よって、あまり細くないほうがよく、外径０．８ｍｍ(内径０．５〜０．６ｍｍ)が最適である。
図３には、矩形内に４×４のノズルを配置した比較例（左図）と、リング状にノズルを配置した本発明の実施例（右図：ノズル間隔10mm, ノズル長さ15mm, ノズル外径0.8mmの例）につき、集積したウエブの写真を示した。比較例では、四隅しかファイバーが生成されておらず、実施例では、リング状に均一にファイバーが生成していることが分かる。
この写真から、リング状では、全てのノズルから均一にファイバーが生成されるので、基材として用いたアルミ箔上にはノズルのレイアウトそのままの形でファイバーが積層していることが分かる。一方、４×４の配置では、４隅のノズルでのファイバー生成が主となり、他のノズルからはファイバーが殆ど生成されていないことが分かる。
なお、この実施例では、ファイバーの集積状態をみるために、ノズルを移動させなかったので、ファイバーはリング状に集積している。ファイバーを一面に均一に集積させるためには、ノズルをコレクターに対して平行方向に移動あるいは往復動させれば良い。
この写真から、リング状では、全てのノズルから均一にファイバーが生成されるので、基材として用いたアルミ箔上にはノズルのレイアウトそのままの形でファイバーが積層していることが分かる。一方、４×４の配置では、４隅のノズルでのファイバー生成が主となり、他のノズルからはファイバーが殆ど生成されていないことが分かる。
なお、この実施例では、ファイバーの集積状態をみるために、ノズルを移動させなかったので、ファイバーはリング状に集積している。ファイバーを一面に均一に集積させるためには、ノズルをコレクターに対して平行方向に移動あるいは往復動させれば良い。
図4には、上記で作成したウエブのＳＥＭ写真を示す。一番左には、1本のノズルで作成したウエブも参照例として示した。図４から、ノズルの配置は、ファイバーの繊維径には影響を与えないことが分かった。
１ ノズル
２ ノズル固定板
３ ノズル長さ
４ ノズル外径
２ ノズル固定板
３ ノズル長さ
４ ノズル外径
Claims (4)
- 流体を噴射するノズルを有する流体供給装置と、ノズルから噴射された流体が極細繊維として集積されるコレクター装置と、ノズルとコレクター装置との間に電圧を印加する高電圧給電装置とからなるエレクトロスピニング装置において、ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置。
- ノズル間隔が２ｍｍ以上である請求項１に記載のエレクトロスピニング装置。
- ノズルがリング状に配置されていることを特徴とするエレクトロスピニング装置における流体供給装置。
- 請求項１から３のいずれかに記載の装置によって作製されたファイバー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007090287A JP2008248422A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | エレクトロスピニング装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2007090287A JP2008248422A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | エレクトロスピニング装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2008248422A true JP2008248422A (ja) | 2008-10-16 |
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ID=39973698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007090287A Pending JP2008248422A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | エレクトロスピニング装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008248422A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010106396A (ja) * | 2008-10-30 | 2010-05-13 | Japan Vilene Co Ltd | 不織布の製造装置 |
| CN102493000A (zh) * | 2011-11-30 | 2012-06-13 | 福建农林大学 | 用于静电纺丝设备中的低速传动带式收集器 |
| JP2015214709A (ja) * | 2015-07-07 | 2015-12-03 | 株式会社ブリヂストン | 接着剤組成物、接着剤被覆繊維、ゴム物品及び空気入りタイヤ |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59204957A (ja) * | 1983-05-04 | 1984-11-20 | 旭化成株式会社 | 不織布状物の製造法 |
| JP2002201559A (ja) * | 2000-12-22 | 2002-07-19 | Korea Inst Of Science & Technology | 電荷誘導紡糸による高分子ウェブ製造装置 |
| JP2004508167A (ja) * | 2000-09-05 | 2004-03-18 | ドナルドソン カンパニー，インコーポレイティド | 空気の流れを濾過してその流れの中に混入している粒子状物質を除去するためのエアフィルタ・アセンブリ |
| WO2005100654A2 (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-27 | Research Triangle Institute | Electrospinning of fibers using a rotatable spray head |
-
2007
- 2007-03-30 JP JP2007090287A patent/JP2008248422A/ja active Pending
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