JP2009024296A - エレクトロデポジション装置、材料適用基材の製造方法及びそれから製造される材料適用基材 - Google Patents

Abstract

【課題】 エレクトロデポジション法において、所望形状のファイバ積層体を得ることが可能な手段の提供。
【解決手段】 いわゆる電子写真法と同原理で基材上に潜像を形成させた後、当該基材上に材料を適用させるエレクトロデポジション装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エレクトロデポジション法（エレクトロスピニング法）により、所望の基材（例えばフィルムや不織布）上に所望の材料（例えば高分子ウェブや金属粒子）を選択的に適用する技術に関し、より具体的には、材料適用基材（例えば高分子ウェブが付着したフィルム）の製造方法、前記製造方法により得られる材料適用基材、前記製造方法が実施可能であるエレクトロデポジション装置に関する。

単繊維の直径がナノオーダーの繊維からなる高分子ウェブを作製するのに使用されている一般的な方法として、エレクトロスピニング法が知られている。この方法では、ポリマー溶液を調製した後、ポリマー溶液に高電圧を印加して口金から押し出し、極細な繊維を形成する。当該方法により、一般的には数百ｎｍレベルの繊維径の高分子ウェブを製造することができる。また、エレクトロスピニング法による高分子ウェブの製造方法については、マルチノズル式の連続製造方法も知られている。これは高分子溶液タンクからマルチノズルにポンプで溶液を供給し、ノズル−適用対象物間に電圧を印加し、適用対象物上に高分子ウェブを適用する方法である（特許文献１）。

ここで、特許文献２には、このようなエレクトロデポジション法を利用した、極細繊維を繊維構造体の表面に選択的に積層させる技術が開示されている。当該技術は、極細繊維を繊維構造体に積層させる際、極細繊維の電荷と相反する電荷を繊維構造体に付与し帯電させることを本質とする（段落番号０００６）。ここで、繊維構造体に電荷を付与し、極細繊維と引き合うように帯電させる具体的な方法は、極細繊維を捕集する基板電極上に繊維構造体（例えば導電性無機又は有機繊維）を静置し、印加電極の電荷と相反する電荷を繊維構造体に印加する方法である（段落番号００１６）。
特開２００２−２０１５５９号公報 特開２００６−６９１４１号公報

しかしながら、特許文献２記載の発明では、所望形状のファイバ積層体を得ることができないという問題があった。そこで、本発明は、エレクトロデポジション法において、所望形状のファイバ積層体を得ることが可能な手段を提供することを目的とする。

本発明者は、エレクトロデポジション法において、適用対象物に帯電処理を施すことにより、静電荷を有する適用対象物上に選択的に構造体が構築されることに着目し、このような性質を更に応用すべく、適用対象物上に所望形状を有する静電潜像を構築し、当該潜像部分に選択的に構造体が構築されることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明（１）は、材料液供給部（吐出部１００）、コレクタ電極部（コレクタ電極部１１０）及び基材供給部（基材供給部１３０）を有するエレクトロデポジション装置であって、前記材料液供給部（吐出部１００）と前記コレクタ電極部（コレクタ電極部１１０）との間に電圧を印加してこれら両部間の空間に電界を形成した状況下で、前記コレクタ電極（コレクタ電極部１１０）上に前記基材供給部（基材供給部１３０）から基材（フィルムＦ）を供給すると共に、前記材料液供給部（吐出部１００）から前記コレクタ電極部（コレクタ電極部１１０）に向けて前記材料液を供給することにより、前記基材（フィルムＦ）上に前記材料を適用させるエレクトロデポジション装置において、
暗所にある場合には絶縁体であり、光が当たっているときには導電体となる物質により表面が構成される感光体（感光ドラム１４１）と、
前記感光体（感光ドラム１４１）の表面に均一に帯電処理を施すための帯電処理手段（帯電処理装置１４２）と、
前記帯電処理が施された前記感光体（感光ドラム１４１）に露光処理を施して静電潜像を形成するための露光手段（露光装置１４３）と、
静電潜像を形成する静電電荷を前記基材（フィルムＦ）上に転写するための転写手段（転写装置１４４）と
を有すると共に、前記静電潜像が形成された前記基材（フィルムＦ）が前記コレクタ電極（コレクタ電極部１１０）上に供給されるよう構成されていることを特徴とするエレクトロデポジション装置である。

本発明（２）は、材料液供給部（吐出部１００）とコレクタ電極部（コレクタ電極部１１０）との間に電圧を印加してこれら両部間の空間に電界を形成した状況下で、前記コレクタ電極（コレクタ電極部１１０）上に基材（フィルムＦ）を供給すると共に、前記材料液供給部（吐出部１００）から前記コレクタ電極部（コレクタ電極部１１０）に向けて前記材料液を供給することにより、前記基材（フィルムＦ）上に前記材料を適用する、前記材料が適用された前記基材（フィルムＦ）の製造方法において、
電子写真プロセスにより前記基材に静電潜像を形成させる工程と、
前記静電潜像が形成された前記基材（フィルムＦ）を前記コレクタ電極（コレクタ電極部１１０）上に供給し、前記静電潜像上に前記材料を選択的に適用する工程と、
を含むことを特徴とする製造方法である。

本発明（３）は、前記基材が、フィルム又は不織布である、前記発明（２）の方法である。

本発明（４）は、前記材料が、高分子又は粒子である、前記発明（２）又は（３）の方法である。

本発明（５）は、前記発明（２）〜（４）のいずれかの方法により得られる、前記材料が適用された基材である。

ここで、本特許請求の範囲及び本明細書中の各用語の定義を記載する。「材料液」とは、高分子溶液、高分子分散液、高分子溶融液、粒子分散液等のエレクトロデポジションにおいて原料として使用されうる液体を意味する。

本発明によれば、所望の形状を有するファイバ積層体等の材料が、適用された基材を得ることが可能であるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら、本発明の最良形態を説明する。尚、本発明の技術的範囲は本最良形態に限定されるものではない。具体的には、以下の最良形態では、材料液として高分子溶液を例に採る等、用語を限定的に使用しているが、本発明の技術的範囲は当該限定的用語に限定されるものではない。

装置全体の構成
図１は、本実施態様に係るエレクトロデポジション装置の全体構成の一態様を示した図である。ここで、エレクトロデポジション装置は、高分子溶液を後述するコレクタ電極１１０に向けて吐出するための吐出部１００と、当該吐出部１００と対向した位置に配されたコレクタ電極１１０と、当該吐出部１００とコレクタ電極１１０との間（正確には当該吐出部１００のノズル電極１０１とコレクタ電極１１０との間）に電圧を印加する電源部１２０と、フィルムＦを吐出部１００とコレクタ電極１１０との間に供給する基材供給部１３０と、基材供給部１３０の近傍（コレクタ電極１１０の上流）に設けられた、フィルムＦに帯電処理を施すための静電潜像形成部１４０と、を有している。以下、各構成要素について詳述する。

まず、エレクトロデポジション装置の一部を構成する吐出部１００は、高分子溶液を吐出可能に開口したノズル電極１０１と、当該ノズル電極１０１と液体導通関係にあり、当該高分子溶液をノズル電極１０１に供給するための、高分子溶液を保持するための液体コンテナ１０２と、液体コンテナ１０２内の高分子溶液を押し出してノズル電極１０１の開口部から外部に向けて吐出させる押圧装置（液体吐出装置、シリンジポンプ）１０３とを有する。ここで、押圧装置１０３を吐出方向に駆動制御した場合、高分子溶液が液体コンテナ１０２からノズル電極１０１へと移動し、一定量噴出されるように構成されている。高分子溶液の噴出量を一定に保つことにより、一定時間あたりに一定の高分子ウェブを構築することができる。以下、吐出部１００を構成する各要素を詳述する。

まず、ノズル電極１０１は、前述したように開口部を有しており、コレクタ電極１１０に向けて高分子溶液を吐出する機能を有すると共に、それ自体が導電性であり、かつ、電源１２０と電気的に接続しているために電極としての機能も有している。尚、図１に示した実施態様においては、ノズル電極は一つであるが、必ずしも一つのノズルである必要は無く、複数のノズルが設けられていてもよい。また、図１においては、ノズル電極１０１は電極の役割を担うものであるが、ノズルと電極が一体である必要は無く、ノズルの近傍に更に電極を設けて使用する形態であってもよい。

次に、エレクトロデポジション装置の一部を構成するコレクタ電極１１０は、図１においては平面状の形状を有しているが、その形状には特に限定されず、例えば、円筒状の形状を有していてもよい。また、電界集中させる目的で、コレクタ電極１１０の形状を尖らしたものとしてもよい。

次に、エレクトロデポジション装置の一部を構成する電源部１２０は、ノズル電極１０１とコレクタ電極１１０と電気的に接続しており、両電極間に電圧を印加可能な電源である。ここで、電源部１２０に使用しうる電源は、特に限定されないが、例えば、直流電源等が挙げられる。

基材供給部１３０は、飛翔材料が未適用のフィルムＦを巻き付けた送り出し用ローラ１３１ａと、飛翔材料が適用されたフィルムＦを巻き取る巻き取り用ローラ１３１ｂと、これらを回転駆動する駆動部（図示せず）と、フィルムＦの円滑な搬送をアシストするガイドローラ１３２ａ〜ｃと、を有する。ここで、送り出し用ローラ１３１ａからのフィルムＦは、後述する静電潜像形成部１４０（詳細には、感光ドラム１４１と転写装置1４４との間）を通過し、その後、コレクタ電極１１０の真上を通過して巻き取り用ローラ１３１ｂで巻き取られるよう構成されている。尚、ガイドローラ１３２ｂ及び１３２ｃは、フィルムＦがコレクタ電極１１０上を当該電極と平行に通過するように配されている。

次に、本最良形態に係る装置において、本発明の特徴部分である静電潜像形成部１４０について説明する。本静電潜像形成部１４０は、表面が露光により導電性となる光半導体を有する感光ドラム１４１と、暗所において前記感光ドラム１４１の表面に対して均一に帯電処理を行う帯電処理装置１４２と、前記帯電処理装置１４２により表面が均一に帯電された感光ドラム１４１に対して画像部以外のところに光を当てて、光の当たった部分の帯電電荷を除去し、画像部に電荷を残した静電潜像を形成するための露光装置１４３と、前記静電潜像を構成する帯電電荷を感光ドラム１４１からフィルムＦに転写する転写装置１４４と、前記転写工程後に感光ドラム１４１の表面上に残った電荷を除去する帯電除去装置１４５と、を有する。以下、各構成要素を詳述する。

まず、感光ドラム１４１は、光が当たらないときは絶縁体としての性質を持ち、光が当たると導電性になり帯電電荷を逃す性質を必要とし、例えば、複写機、レーザプリンタ等の電子写真に用いられる感光ドラムを使用することができる。また、感光ドラム１４１は、図示しない駆動手段により自転可能に構成されており、その周速度は、フィルムＦの搬送速度と等速になるよう設定される。

帯電処理装置１４２は、電源１４６（図示しない）の一方の極側と電気的に導通関係にあり、電源１４６の他方の極側は接地されていることが好ましい。尚、帯電処理装置１４２は、感光ドラム１４１に対して帯電処理を行うことのできる位置に設けられている。ここで、帯電処理装置１４２は、感光ドラム１４１を帯電させることができるものであれば特に限定されず、例えば、コロナ帯電方式、固体放電方式、針電極方式等の非接触方式の帯電装置、ローラ帯電方式、ブレード帯電方式、ブラシ帯電方式、磁気ブラシ方式等の接触方式の帯電装置が挙げられる。

露光装置１４３は、一般的に用いられている複写光学系を使用することができ、例えば、光源として蛍光灯等を用い、原稿（形成させたい潜像に係る原稿）を照射し、その反射光を鏡及びレンズ等からなる光学系を用いて、感光体表面に露光する装置が挙げられる。その他にも、セルフォックスレンズ等のロッドレンズアレイ光学系や、プリンタ光源に用いられる半導体レーザ光学系、ＬＥＤ光学系、液晶シャッタ（ＬＣＳ）等の各種光源を用いることができる。

転写装置１４４は、感光ドラムに帯電させた極性と反対極の電圧を与えられた電極であり、転写手法としては、感光ドラム上の電荷をフィルムF上に転写させる静電転写法、感光ドラムとフィルムＦを押し当てる圧力転写法を用いることができる。具体的には、前者の例であれば、転写装置１４４は、表面に静電潜像を有する感光ドラムがフィルムＦと接触する際、フィルムＦの感光ドラムと接触する面と反対面側に、感光ドラム上の静電潜像の有する電荷とは反対極性の電圧を印加することのできる電極である。これにより、感光ドラム１４１上の静電潜像を構成する静電電荷はフィルムＦ上に移動する。また、後者の例であれば、転写装置１４４は、感光ドラム１４１とフィルムＦが接触する際、フィルムＦに対して、感光ドラムとの接触面とは反対の面から圧力を加える。これにより、感光ドラム１４１上の静電潜像を構成する静電電荷はフィルムＦ上に移動する。

帯電除去装置１４５は、感光ドラム１４１の表面に帯電した静電電荷を取り除くことができれば特に限定されず、複写機、プリンタ等の電子写真機において使用される公知の手段を用いることができ、例えば、磁気ブラシクリーナ、静電ブラシクリーナ、磁気ローラクリーナ、ブレードクリーナ等が挙げられる。その他、単に感光ドラム１４１の表面を接地する手段や、感光ドラム１４１の表面に均一に露光する手段を使用してもよい。

高分子ウェブの製造方法
続いて、本最良形態に係るエレクトロデポジション装置を用いた、エレクトロデポジションによる高分子ウェブを製造する方法について詳述する。

（高分子含有液体媒体）
まず、液体コンテナ１０２内に、材料液、例えば、高分子溶液又は高分子溶融液を充填する。尚、本最良形態に係る装置において使用できる材料液は、特に限定されないが、例えば、高分子溶液、高分子分散液、高分子溶融液、粒子分散液が挙げられる。高分子溶液、高分子分散液、高分子溶融液に使用する高分子は、特に限定されないが、ビニル系ポリマー、アクリル系ポリマー、ウレタン、ナイロン等の汎用高分子、導電性高分子、タンパク質等の天然高分子等を用いることができ、例えば、ポリビニルアルコール、ナイロン６６、ポリアクリルニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、セルロース、ポリエーテルウレタン、ポリ乳酸、ポリカプロラクタン、フィブロイン、コラーゲンが挙げられる。また、使用される高分子は、単一成分に限定されるものではなく、上述の高分子等を二種以上混合して使用してもよい。またさらに、材料は高分子だけに限られず、例えば金属、セラミックス等の無機物を主成分としたゾル、ゲルを用いてもよい。これらゾル、ゲルを高分子溶液として使用することにより、配向性を有する無機系材料からなるウェブを製造することが可能である。さらに、このウェブを焼結することで無機系焼結繊維からなるウェブを製造することが可能である。尚、材料として使用する粒子分散液は、金、チタニア等のナノ微粒子分散液が挙げられる。

ここで高分子溶液を使用する場合、溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、アセトン、クロロホルム、エタノール、メタノール、トルエン、キシロール、シクロヘキサン、ジメチルホルムアミド等を挙げることができる。使用する溶媒は、単一成分に限定されるものではなく、上述の溶剤等を二種以上混合して使用してもよい。さらに、高分子溶液の電気特性を改善するために、水に対して、水酸化ナトリウム、塩化リチウム等の電解質を添加してもよい。

次に、使用するフィルムＦは、絶縁性を有する限り特に限定されず、ビニル系ポリマー、アクリル系ポリマー、ウレタン、ナイロン等の汎用高分子、タンパク質等の天然高分子等のフィルムを用いることができる。また、上述の高分子等を二種以上混合したフィルムを使用してもよい。尚、上述のように、電界集中させる目的でコレクタ電極１１０の形状を尖らした装置を使用する場合には、フィルムの用途にもよるが、当該形状によっても影響を受けない強度を有するフィルムを使用することが好適である。また、巻き取りにより影響を受けないような素材であることが好適である。

本最良形態に係るエレクトロデボジション装置は、静電潜像形成部１４０の構成により、フィルムＦ上に適宜、静電潜像を構築することができる。ここで、当該静電潜像を構成する静電電荷がノズル電極１０１と反対極側である場合には、当該装置を使用することによりフィルムＦに形成された当該静電潜像上に高分子ウェブが選択的に形成される。一方、当該静電潜像を構成する静電電荷がノズル電極１０１と同極側である場合には、当該静電潜像を避けるようにして高分子ウェブが構築される。

製造される高分子ウェブとその用途
本発明に係る高分子ウェブは、用途に適合した形態（形状、径等）を備えているので、各種用途、例えば、半導体基板上の電線・発光体用電子銃等のエレクトロニクス分野、高性能フィルタ等の環境分野、傷口保護材や人工臓器等のメディカル分野で使用可能である。また、本最良形態に係る装置により、得られる粒子分散体は、光学、医療分野等への応用が可能である。

実施例１
感光ドラム１４１（電子写真用感光体）上に、帯電処理装置１４２（コロナ帯電装置）により、表面電位が−７００Vとなるように帯電させる。帯電部位に露光装置１４３により、所望の形状で露光することにより、非露光部位に所望の形状の静電潜像を得た。この静電潜像は、転写装置（＋３kＶの電圧を印加した電極）を通過することによりフィルムF（厚さ１５０μｍのポリエチレンテレフタレート製フィルム）上に転写された。
この静電潜像を印加したフィルムFを吐出部１００の下に移動させた。吐出部１００（容量１ｍｌのガラス製シリンジ［液体コンテナ１０２］に、内径０．５ｍｍのルアーロック付金属性ノズル［ノズル電極１０１］を装着した、シリンジポンプ［押圧装置１０３］からなる）の液体コンテナ１０２にポリビニルアルコール（MW２００，０００）の５％水溶液０．５ｍｌをいれ、毎分７５μｌ吐出するように調整した。
液体吐出装置のノズル電極１０１とフィルムFとの間隔を１８０ｍｍに調節し、ノズル電極１０１を正として１５kＶの電圧を印加した。このとき概略１５乃至２０μAの電流が観察された。
押圧装置１０３を駆動することにより、ノズルより放出されたポリビニルアルコール水溶液は、ファイバとなりフィルムF上の静電潜像が存在する部位に付着堆積した。その結果、フィルム上には、露光装置１４３によって露光されなかった非露光部の形状に応じたファイバ堆積体を得た。

本発明に係る装置により、用途に適合した、様々な形態の高分子ウェブを製造することができるので、各種用途（例えば、半導体基板上の電線・発光体用電子銃等のエレクトロニクス分野、高性能フィルタ等の環境分野、傷口保護材や人工臓器等のメディカル分野）で有用である。

図１は、本最良態様に係る装置を示した図である。

Claims (5)

1. 材料液供給部、コレクタ電極部及び基材供給部を有するエレクトロデポジション装置であって、前記材料液供給部と前記コレクタ電極部との間に電圧を印加してこれら両部間の空間に電界を形成した状況下で、前記前記コレクタ電極上に前記基材供給部から基材を供給すると共に、前記材料液供給部から前記コレクタ電極部に向けて前記材料液を供給することにより、前記基材上に前記材料を適用させるエレクトロデポジション装置において、
   暗所にある場合には絶縁体であり、光が当たっているときには導電体となる物質により表面が構成される感光体と、
   前記感光体の表面に均一に帯電処理を施すための帯電処理手段と、
   前記帯電処理が施された前記感光体に露光処理を施して静電潜像を形成するための露光手段と、
   静電潜像を形成する静電電荷を前記基材上に転写するための転写手段と
   を有すると共に、前記静電潜像が形成された前記基材が前記コレクタ電極上に供給されるよう構成されていることを特徴とするエレクトロデポジション装置。
2. 材料液供給部とコレクタ電極部との間に電圧を印加してこれら両部間の空間に電界を形成した状況下で、前記コレクタ電極上に基材を供給すると共に、前記材料液供給部から前記コレクタ電極部に向けて前記材料液を供給することにより、前記基材上に前記材料を適用する、前記材料が適用された前記基材の製造方法において、
   電子写真プロセスにより前記基材に静電潜像を形成させる工程と、
   前記静電潜像が形成された前記基材を前記コレクタ電極上に供給し、前記静電潜像上に前記材料を選択的に適用する工程と、
   を含むことを特徴とする製造方法。
3. 前記基材が、フィルム又は不織布である、請求項２記載の方法。
4. 前記材料が、高分子又は粒子である、請求項２又は３記載の方法。
5. 請求項２〜４のいずれか一項記載の方法により得られる、前記材料が適用された基材。

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