JP2009293137A - Nanofiber production apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、エレクトロスピニング法(静電爆発)を用いてナノファイバを製造しうるナノファイバ製造装置に関する。 The present invention relates to a nanofiber manufacturing apparatus capable of manufacturing nanofibers using an electrospinning method (electrostatic explosion).
高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状(繊維状)物質(ナノファイバ)を製造する方法として、エレクトロスピニング(電荷誘導紡糸)法が知られている。 An electrospinning (charge-induced spinning) method is known as a method for producing a filamentous (fibrous) material (nanofiber) made of a polymer material or the like and having a submicron-scale diameter.
このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質など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(吐出)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静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。 In this electrospinning method, a raw material liquid in which a polymer substance or the like is dispersed or dissolved in a solvent is discharged (discharged) into the space by a nozzle, etc. This is a method for obtaining nanofibers by electrostatically exploding the raw material liquid therein.
より具体的にエレクトロスピニング法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高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象(静電爆発)が生じる。この静電爆発が、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の高分子から成るナノファイバが製造される。 A more specific description of the electrospinning method is as follows. That is, the raw material liquid that has been charged and discharged into the space gradually evaporates the solvent while flying through the space. As a result, the volume of the raw material liquid in flight gradually decreases, but the charge imparted to the raw material liquid remains in the raw material liquid. As a result, the charge density of the raw material liquid in flight through the space gradually increases. Since the solvent continues to evaporate, the charge density of the raw material liquid further increases, and the polymer solution explodes when the repulsive Coulomb force generated in the raw material liquid exceeds the surface tension of the raw material liquid. Phenomenon (electrostatic explosion) occurs. The electrostatic explosions occur one after another in the space, and nanofibers made of a polymer having a submicron diameter are manufactured.
以上のようなエレクトロスピニング法を実現するためには、空間を隔てて配置され、高電圧に維持される二つの電極の一方に原料液を接触させ、大量の電荷を原料液に付与して帯電させる必要がある(例えば、特許文献1参照)。 In order to realize the electrospinning method as described above, the raw material liquid is brought into contact with one of two electrodes that are spaced apart and maintained at a high voltage, and a large amount of charge is applied to the raw material liquid for charging. (For example, refer to Patent Document 1).
そこで、従前のナノファイバ製造装置は、前記電極から異常放電が発生しないように、電極の配置や形状が工夫されている。
本願発明者は、異常放電の発生が抑制されたナノファイバ製造装置について、更なる生産効率の向上を目指し、鋭意実験と研究とを重ねたところ、ナノファイバの製造空間に存在するイオンがナノファイバの生産効率に悪影響を及ぼすことを見いだした。そしてさらに研究を重ねたところ、ナノファイバの製造空間にイオンが存在する原因は、電極から放射されるイオン風であるとの知見を得た。 The inventor of the present application has conducted intensive experiments and research with the aim of further improving the production efficiency of the nanofiber manufacturing apparatus in which the occurrence of abnormal discharge is suppressed. Has been found to have a negative impact on the production efficiency. As a result of further research, we have learned that the cause of the presence of ions in the nanofiber manufacturing space is the ionic wind emitted from the electrodes.
本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、電極からのイオン風の発生を可及的に抑止しうるナノファイバ製造装置の提供を目的とする。 The present invention has been made on the basis of the above findings, and an object of the present invention is to provide a nanofiber manufacturing apparatus capable of suppressing the generation of ion wind from electrodes as much as possible.
上記課題を解決するために、本願発明にかかるナノファイバ製造装置は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中で静電爆発させ、製造されたナノファイバを収集するナノファイバ製造装置であって、前記原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に電荷を誘導する誘導電極と、前記流出体と前記誘導電極との間を所定の電圧にする誘導電源と、前記誘導電極の端部に設けられ、前記誘導電極からのイオン風の発生を抑止する抑止手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a nanofiber manufacturing apparatus according to the present invention is a nanofiber manufacturing apparatus that collects manufactured nanofibers by electrostatically exploding a raw material liquid as a raw material of nanofibers in a space. An outflow body having an outflow hole for allowing the raw material liquid to flow out into the space; an induction electrode disposed at a predetermined interval from the outflow body; and an outflow body and the induction electrode. An induction power source for setting a voltage between the induction electrode and a suppression means provided at an end of the induction electrode for suppressing the generation of ion wind from the induction electrode.
これにより、ナノファイバの製造空間に対して発生するイオン風を可及的に抑止することができ、ナノファイバ製造装置の生産効率を向上させることが可能となる。 Thereby, the ion wind generated with respect to the nanofiber manufacturing space can be suppressed as much as possible, and the production efficiency of the nanofiber manufacturing apparatus can be improved.
また、前記抑止手段は、滑らかな曲面で構成される誘導電極の部分であってもよい。
これにより、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。
Further, the suppression means may be a portion of the induction electrode configured with a smooth curved surface.
Thereby, it becomes possible to improve the production efficiency of nanofibers.
また、前記抑止手段は、前記誘導電極の端部を覆う誘電体からなる抑止部材を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said suppression means is provided with the suppression member which consists of a dielectric material which covers the edge part of the said induction electrode.
これにより、誘導電極からのイオン風の発生を容易かつ効果的に抑止することができ、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。 Thereby, generation | occurrence | production of the ion wind from an induction electrode can be suppressed easily and effectively, and it becomes possible to improve the production efficiency of nanofiber.
また、前記流出体は、筒型で、その周壁に複数の前記流出孔が設けられ、前記誘導電極は、筒型で、前記流出体の周壁を取り囲み、前記流出孔を覆うように配置され、前記抑止手段は、前記誘導電極の一方端部もしくは両端部に設けられ、さらに、前記流出体と前記誘導電極との間を通過し、製造されるナノファイバの飛行方向を変更する気体流を発生させる気体流発生手段を備えることが好ましい。 Further, the outflow body is cylindrical, and a plurality of the outflow holes are provided in a peripheral wall thereof, and the induction electrode is cylindrical and is disposed so as to surround the peripheral wall of the outflow body and cover the outflow hole, The suppression means is provided at one end or both ends of the induction electrode, and further generates a gas flow that passes between the outflow body and the induction electrode and changes the flight direction of the manufactured nanofiber. It is preferable to provide a gas flow generating means.
これによれば、一度に多量のナノファイバを製造することができる。しかも、ナノファイバの製造空間に近接している誘導電極に抑止手段が設けられているため、より効果的に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。 According to this, a large amount of nanofibers can be manufactured at a time. Moreover, since the suppression means is provided in the induction electrode close to the nanofiber manufacturing space, it is possible to improve the production efficiency of the nanofiber more effectively.
さらに、前記誘導電極とは別体であって、ナノファイバを誘引する電界を形成する誘引電極と、前記誘引電極を所定の電位とする誘引電源とを備えることが好ましい。 Furthermore, it is preferable to include an induction electrode that is separate from the induction electrode and that forms an electric field that induces nanofibers, and an induction power source that sets the induction electrode to a predetermined potential.
これにより、流出体と誘導電極との間で発生する電界とは異なる電界を誘引電極で発生させ、原料液に電荷を付与するための電界とナノファイバを誘引するための電界とを別々に制御することができる。従って、ナノファイバの状態に応じて適切にナノファイバを誘引することができる。 As a result, an electric field different from the electric field generated between the effluent and the induction electrode is generated at the attracting electrode, and the electric field for imparting electric charge to the raw material liquid and the electric field for attracting the nanofiber are controlled separately. can do. Therefore, it is possible to attract the nanofiber appropriately according to the state of the nanofiber.
さらに、ナノファイバを気体流により誘引する吸引手段を備えてもよい。
これにより、製造されるナノファイバの帯電が弱まったり、帯電が0となるような場合でも、ナノファイバを所望の位置に誘引することが可能となる。
Furthermore, you may provide the attraction | suction means to attract a nanofiber by a gas flow.
This makes it possible to attract the nanofiber to a desired position even when the manufactured nanofiber is weakly charged or has zero charge.
本願発明によれば、ナノファイバの製造工程、特に静電爆発に悪影響を与えると考えられるイオン風の発生を抑止し、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。 According to the present invention, it is possible to suppress the production of nanofibers, in particular, the generation of ion wind, which is considered to have an adverse effect on electrostatic explosion, and improve the production efficiency of nanofibers.
次に、本願発明にかかる実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
まず、ナノファイバ製造装置の概要を説明する。
Next, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an outline of the nanofiber manufacturing apparatus will be described.
図1はナノファイバ製造装置を概略的に示す断面図である。
同図に示すように、ナノファイバ製造装置100は、ナノファイバ301を製造し製造されたナノファイバ301を放出する放出装置200と、放出装置200から放出されたナノファイバを収集する収集装置110とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a nanofiber manufacturing apparatus.
As shown in the figure, the
放出装置200は、原料液流出手段201と、原料液帯電手段202と、案内手段206と、気体流発生手段203とを備えている。
The
ここで図中において、ナノファイバを製造するための原料液については、“300”の符号を付し、製造されたナノファイバについては、“301”の符号を付すが、ナノファイバを製造するに際しては、原料液300が静電爆発しながらナノファイバ301に変化していくため、原料液300とナノファイバ301との境界は曖昧であり、明確に区別できるものではない。
Here, in the figure, the reference numeral “300” is assigned to the raw material liquid for manufacturing the nanofibers, and the reference numeral “301” is assigned to the manufactured nanofibers. Since the
原料液流出手段201は、原料液300を空間中に流出させる装置であり、本実施の形態では、原料液300を遠心力により放射状に流出する装置が原料液流出手段201として採用されている。
The raw material liquid outflow means 201 is an apparatus that causes the
図2は、原料液流出手段201を概略的に示す断面図である。
図3は、原料液流出手段201を概略的に示す斜視図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the raw material liquid outflow means 201.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the raw material liquid outflow means 201.
これらの図に示すように、原料液流出手段201は、流出体211と、回転軸体212と、駆動源213とを備えている。
As shown in these drawings, the raw material liquid outflow means 201 includes an
流出体211は、原料液300を内方に注入されながら自身の回転による遠心力により空間中に原料液300を流出させることのできる容器であり、一端が閉塞された円筒形状となされ、周壁には流出孔216を多数備えている。流出体211は、貯留する原料液300に電荷を付与するため、導電体で形成されており、原料液帯電手段202の構成要素としても機能している。流出体211は、ベアリング208により回転可能に支持されており、高速で回転してもぶれないものとなされている。
The
具体的には、流出体211の直径は、10mm以上、300mm以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると気体流により原料液300やナノファイバ301を集中させることが困難になるからであり、また、流出体211の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体211を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液300を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体211の直径は、20mm以上、100mm以下の範囲から採用することが好ましい。また、流出孔216の形状は円形が好ましく、その直径は、0.01mm以上、3mm以下の範囲から採用することが好適である。
Specifically, it is preferable that the diameter of the
なお、流出体211の形状は、円筒形状に限定するものではなく、断面が多角形状の多角筒形状のようなものや円錐形状のようなものでもよい。流出孔216が回転することにより、流出孔216から原料液300が遠心力で流出可能な形状であればよい。また、流出孔216の形状は、円形に限定することなく、多角形状や星形形状などであってもよい。
The shape of the
回転軸体212は、流出体211を回転させ、遠心力により原料液300を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体211の他端から流出体211の内部に挿通され、流出体211の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端は駆動源213の回転軸と接合されている。回転軸体212は、流出体211と後述の駆動源213とが導通しないように絶縁体の部分である絶縁体部(図示せず)を備えている。
The rotating
駆動源213は、遠心力により原料液300を流出孔216から流出させるために、回転軸体212を介して流出体211に回転駆動力を付与する装置であり、本実施の形態の場合、駆動源213として電動モータが採用されている。なお、流出体211の回転数は、流出孔216の口径や使用する原料液300の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数rpm以上、10000rpm以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のように駆動源213と流出体211とが直動の時は駆動源213の回転数は、流出体211の回転数と一致する。
The driving
原料液帯電手段202は、原料液300に電荷を付与して帯電させる装置である。本実施の形態の場合、原料液帯電手段202は、誘導電荷を発生させ当該電荷を原料液300に付与する装置であり、誘導電極221と、誘導電源222と、接地手段223とを備えている。また、流出体211も原料液帯電手段202の一部の電極として機能している。
The raw material
誘導電極221は、円筒型で、流出体211の周壁を同心円状に取り囲み、前記流出孔を覆うように配置される導体からなる部材である。誘導電極221は、自身がアースに対し大きな電圧(絶対値として)に維持されることで、軸心近傍に配置され接地されている流出体211に電荷を誘導するための部材である。また、誘導電極221は、気体流発生手段203からの気体流を案内手段206に案内する風洞体209としても機能している。
The
誘導電極221の内径は、流出体211と所定の間隔を隔てて配置されるものであり、流出体211の外径よりも大きい必要があり、流出体211との間で1KV/cm以上の電界強度になるような内径が望ましい。また、流出体211から流出される原料液300が誘導電極221に到達するまでに、原料液300の飛行方向を変更する必要もある。従って、誘導電極221の内径は、誘導電源222が印加できる電圧と、原料液300の流出速度とに基づき総合的に決定される。
The inner diameter of the
具体的には、誘導電極221の内径は、200mm以上、800mm以下の範囲から採用されることが好適である。なお、誘導電極221の形状は、円環状に限ったものではなく、多角形状を有する多角形環状の部材であってもよい。
Specifically, the inner diameter of the
誘導電極221の両端部には抑止部材224が取り付けられている。抑止部材224は、樹脂やゴムなどの誘電体からなる部材であり、誘導電極221の端部に存在する角を覆う部材である。以上のように設けられる抑止部材224は、イオン風を抑止する抑止手段225として機能している。なお、抑止部材224の取り付けは、これに限定するものではなく、誘導電極221の一方端部のみに、抑止部材224を取り付けても同様の効果が得られる。特に、案内手段206側の誘導電極221の一方端部からは、イオン風が出た後、直ぐに生成されたナノファイバ301と混合する為に、その効果は大きいものがある。
本実施の形態の場合、抑止部材224は、柔軟性があるチューブ形状となっており、周壁を軸方向に1本の切れ目で切断されるものとなっている。そして、抑止部材224は、当該切断部に誘導電極221の端部を突き入れた状態で誘導電極221に取り付けられている。また、抑止部材224の表面は、滑らかな面で構成されており、電気的に特異な点や線ができる限り存在しないものとなっている。
In the case of the present embodiment, the
これにより、イオン風が最も発生しやすい誘導電極221の角を覆うことができ、イオン風の発生を抑止することが可能となる。特に、本実施の形態における誘導電極221の角は、ナノファイバ301が製造される空間近傍に存在するため、当該角から発生するイオン風を抑止することで、ナノファイバ301の生産効率を効果的に向上させることが可能となる。
Accordingly, the corners of the
また、抑止部材224を設けることにより、ナノファイバ301の繊維径も細くすることが可能となる。
Further, by providing the restraining
なお、抑止部材224は、チューブ状である必要はなく、断面円形の中実の円環であってもかまわない。この場合、抑止部材224に誘導電極221の端部を差し入れることのできる溝を設け、当該溝に誘導電極221を差し込むことで抑止部材224を設けてもかまわない。
In addition, the
また、図4に示すように、誘導電極221の端部の表面を電気的に特異な点や線を無くし、滑らかな面で構成されるようにしてもかまわない。この場合、当該誘導電極221の端部が抑止手段225として機能する。
Further, as shown in FIG. 4, the surface of the end portion of the
誘導電源222は、誘導電極221に高電圧を印加することのできる電源である。なお、誘導電源222は、直流電源であり、誘導電極221に印加する電圧(接地電位を基準とする)や、その極性を設定することができる装置である。
The
誘導電源222が誘導電極221に印加する電圧は、10KV以上、200KV以下の範囲の値から設定されるのが好適である。特に、流出体211と誘導電極221との間の電界強度が重要であり、1KV/cm以上の電界強度になるように印加電圧や誘導電極221の配置を行うことが好ましい。
The voltage applied by the
接地手段223は、流出体211と電気的に接続され、流出体211を接地電位に維持することができる部材である。接地手段223の一端は、流出体211が回転状態であっても電気的な接続状態を維持することができるようにブラシとして機能するものであり、他端は大地と接続されている。
The grounding means 223 is a member that is electrically connected to the
本実施の形態のように原料液帯電手段202に誘導方式を採用すれば、流出体211を接地電位に維持したまま原料液300に電荷を付与することができる。流出体211が接地電位の状態であれば、流出体211に接続される回転軸体212や駆動源213などの部材は、流出体211との間で高電圧に対する対策をする必要が無くなり、原料液流出手段201として簡単な構造を採用しうることになり好ましい。
If the induction method is adopted for the raw material liquid charging means 202 as in the present embodiment, the
なお、原料液帯電手段202として、流出体211に直接電源を接続し、流出体211を高電圧に維持し、誘導電極221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、流出体211を絶縁体で形成すると共に、流出体211に貯留される原料液300に直接接触する電極を流出体211内部に配置し、当該電極を用いて原料液300に電荷を付与するものでもよい。
As the raw material liquid charging means 202, a charge may be imparted to the
気体流発生手段203は、流出体211から流出される原料液300の飛行方向を案内手段206(図1参照)で案内される方向に変更するための気体流を発生させる装置である。気体流発生手段203は、駆動源213の背部に備えられ、駆動源213から流出体211の先端に向かう気体流を発生させる。気体流発生手段203は、流出体211から径方向に流出される原料液300が誘導電極221に到達するまでに前記原料液300を軸方向に変更することができる風力を発生させることができるものとなっている。図2において、気体流は矢印で示している。本実施の形態の場合、気体流発生手段203として、放出装置200の周囲にある雰囲気を強制的に送風する軸流ファンを備える送風機が採用されている。
The gas
気体流発生手段203は、発生した気体流を発散させることなく流出体211の近傍に案内する導管である風洞体209を備えている。風洞体209により案内された気体流が流出体211から流出された原料液300と交差し、原料液300の飛行方向を変更する。
The gas flow generation means 203 includes a
さらにまた、気体流発生手段203は、気体流制御手段204と、加熱手段205とを備えている。
Furthermore, the gas
気体流制御手段204は、気体流発生手段203により発生する気体流が流出孔216に当たらないよう気体流を制御する機能を有するものであり、本実施の形態の場合、気体流制御手段204として、気体流を所定の領域に流れるように案内する風路体が採用されている。気体流制御手段204により、気体流が直接流出孔216に当たらないため、流出孔216から流出される原料液300が早期に蒸発して流出孔216を塞ぐことを可及的に防止し、原料液300を安定させて流出させ続けることが可能となる。なお、気体流制御手段204は、流出孔216の風上に配置され気体流が流出孔216近傍に到達するのを防止する壁状の防風壁でもかまわない。
The gas flow control means 204 has a function of controlling the gas flow so that the gas flow generated by the gas flow generation means 203 does not hit the
加熱手段205は、気体流発生手段203が発生させる気体流を構成する気体を加熱する加熱源である。本実施の形態の場合、加熱手段205は、風洞体209の内方に配置される円環状のヒータであり、加熱手段205を通過する気体を加熱することができるものとなっている。加熱手段205により気体流を加熱することにより、空間中に流出される原料液300は、蒸発が促進され効率よくナノファイバを製造することが可能となる。
The
なお、気体流発生手段203は、シロッコファンなど他の送風機により構成してもかまわない。また、高圧ガスを導入することにより流出された原料液300の方向を変更するものでもかまわない。また、後述の第二気体流発生手段232や収集装置110などにより案内手段206内方に気体流を発生させるものでもかまわない。この場合、気体流発生手段203は積極的に気体流を発生させる装置を有しないこととなるが、本願発明の場合、風洞体209の内方に気体流が発生していることをもって気体流発生手段203が存在しているものとする。
Note that the gas flow generating means 203 may be constituted by another blower such as a sirocco fan. Further, the direction of the
案内手段206は、製造されたナノファイバ301を収集装置110の近傍に案内する風洞を形成する導管である。案内手段206の端部は、誘導電極221の端部に接続され、原料液流出手段201から流出し製造されるナノファイバ301と気体流との全てを案内することのできる管状の部材である。本実施の形態の場合、後述の圧縮手段230もナノファイバ301を案内するという意味においては案内手段206に含まれる。
The guiding means 206 is a conduit that forms a wind tunnel that guides the manufactured
圧縮手段230は、気体流により搬送されるナノファイバ301が存在する空間(案内手段206の内方部分)を圧縮し、ナノファイバ301が空間中に存在する密度を上昇させる機能を備える装置であり、第二気体流発生手段232と、圧縮導管234とを備えている。
The
圧縮導管234は、案内手段206内方を搬送されるナノファイバ301が存在する空間を徐々に狭くしていく筒状の部材であり、第二気体流発生手段232で発生する気体流を圧縮導管234内方に導入することが可能な気体流導入口233を周壁に備えている。圧縮導管234の案内手段206と接続される部分は、案内手段206の導出側端部の面積に対応する面積で構成されており、圧縮導管234の導出側端部は、前記導出側端部の面積より小さくなっている。従って、圧縮導管234は、全体として漏斗形状となっており、圧縮導管234に導入されたナノファイバ301を気体流と共に圧縮できる形状となっている。
The
また、圧縮手段230の上流側(導入側)の端部形状は、案内手段206の端部形状と合致する円環状である。一方、圧縮手段230の下流側(吐出側)の端部形状も円環状である。
In addition, the end shape on the upstream side (introduction side) of the
第二気体流発生手段232は、高圧ガスを圧縮導管234内部に導入することで気体流を発生させる装置である。本実施の形態では、第二気体流発生手段232は、高圧ガスを貯留しうるタンク(ボンベ)と、タンク内の高圧ガスの圧力を調節するバルブ235を有するガス導出手段を備える装置が採用されている。なお、圧縮導管234の周壁には気体流導入口233が複数箇所設けられており、それぞれの気体流導入口233に第二気体流発生手段232が接続されているが、図1においては、一部だけを示し、他の記載を省略している。
The second gas flow generation means 232 is a device that generates a gas flow by introducing a high-pressure gas into the
また、案内手段206の内方には除電帯電手段207が取り付けられている。
除電帯電手段207は、帯電しているナノファイバ301の帯電を増強したり、中和されて中性となっているナノファイバ301を帯電させる機能を備え、一方帯電しているナノファイバ301の帯電を除電する機能も合わせて備える装置である。本実施の形態の場合、除電帯電手段207は、圧縮手段230の内壁に取り付けられている。除電帯電手段207としては、帯電しているナノファイバ301の極性と同極性を備えるイオンや粒子を空間中に放出することで帯電を増強させ、逆極性を備えるイオンや粒子を空間中に放出することでナノファイバ301を中和することができる装置を挙示することができる。具体的には、コロナ放電方式や電圧印加方式、交流方式、定常直流方式、パルス直流方式、自己放電式、軟X線方式、紫外線式、放射線方式など任意の方式からなる除電帯電手段207が例示できる。
Further, a
The neutralization charging means 207 has a function of enhancing the charging of the charged
収集装置110は、図1および図5に示すように、堆積部材101と、供給手段111と、回収手段104と、誘引手段としての誘引電極112と、誘引手段としての誘引電源113と、基体117とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 5, the collecting
堆積部材101は、静電爆発により製造され飛来するナノファイバ301が堆積される対象となる部材である。堆積部材101は、堆積したナノファイバ301と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシート状の部材である。具体的には、堆積部材101として、アラミド繊維からなる長尺の布を例示することができる。さらに、堆積部材101の表面にテフロン(登録商標)コートを行うと、堆積したナノファイバ301を堆積部材101から剥ぎ取る際の剥離性が向上するため好ましい。
The
供給手段111は、巻付部材に巻き付けられた状態の堆積部材101を順次供給することのできる装置であり、所定のテンションで堆積部材101を供給できるようテンショナーが設けられている。
The supply means 111 is a device that can sequentially supply the
回収手段104は、長尺の堆積部材101を巻き取りながら供給手段111から引き出し、堆積するナノファイバ301と共に堆積部材101を回収する装置である。回収手段104は、不織布状に堆積しているナノファイバ301を堆積部材101とともに巻き取ることができるものとなっている。
The collecting
誘引電極112は、誘引電源113によりアースに対し所定の電位に維持される導体の部材である。誘引電極112に電位が印加されると、空間中に電界が発生する。誘引電極112は、矩形の板状の部材であり、放電防止のため突起部分がなく、また、角は全て丸められている。
The attracting
誘引電源113は、誘引電極112をアースに対し所定の電位に維持することができる直流電源である。また、誘引電源113は、誘引電極112に印加する電位の正負(接地電位を含む)を変更することが可能である。
The
基体117は、堆積部材101と供給手段111と回収手段104と誘引電極112と誘引電源113とが一体となるように取り付けられる部材である。本実施の形態の場合、基体117は、堆積部材101と供給手段111と回収手段104と誘引電極112と誘引電源113とを内方に収容しうる箱状の部材となっている。
The
また、基体117の内方には拡散手段240が取り付けられており、基体117の下部には車輪118が設けられている。
In addition, a diffusion means 240 is attached to the inside of the
拡散手段240は、圧縮手段230により一端圧縮されて高密度状態となったナノファイバ301を広く拡散させ分散させる導管であり、圧縮手段230で加速したナノファイバ301の速度を減速させるフード状の部材である。拡散手段240は、気体流が導入される上流端側の開口部と、気体流を放出する下流端側の矩形の開口部とを備え、下流端側の開口部の開口面積は、上流端側の開口部の開口面積よりも大きい設定となっている。拡散手段240は、上流端側の開口部から下流端側の開口部に向けて徐々に面積が大きくなるような形状が採用されている。下流端側の開口部は、堆積部材101の幅とほぼ同等の幅を備えている。
The diffusing means 240 is a conduit that diffuses and disperses the
拡散手段240の小面積の導入端側から大面積の導出端側に向かって気体流が流れると、高密度状態のナノファイバ301が一気に低密度状態となって分散すると共に、気体流の流速は拡散手段240の断面積に比例して落ちていく。従って、気体流に乗って搬送されるナノファイバ301も、気体流と共に速度が減速される。この際、ナノファイバ301は、拡散手段240の断面積の拡大に従い徐々に均等に拡散していく。従って、ナノファイバ301を堆積部材101上に均等に堆積させることが可能となる。また、気体流によってナノファイバ301が搬送されない状態、つまり、気体流とナノファイバ301とが分離された状態となるため、帯電しているナノファイバ301は、気体流に影響されることなく逆極性の状態にある誘引電極112に誘引される。
When the gas flow flows from the small area introduction end side of the diffusing means 240 toward the large area lead-out end side, the
車輪118は、収集装置110を移動可能とするために設けられる車輪であり、基体117の下部に回転可能に取り付けられている。本実施の形態の場合、車輪118はレールの上で回転するものとなされている。
The
なお、収集装置110は、図6、図7に示すように、誘引手段としての吸引手段102を備えるものでも良い。
Note that the
吸引手段102は、堆積部材101の裏面に配置され、堆積部材101を通過する気体流を原料液300から蒸発した溶媒と共に、強制的に吸引する装置である。例えば、吸引手段102として、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機が採用されている。また、吸引手段102は、原料液300から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段102に接続される溶剤回収装置まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
The suction means 102 is a device that is disposed on the back surface of the
また、電界で誘引する収集装置110と、気体流で誘引する収集装置110とをそれぞれユニット化し、これらのユニットを状況に応じて入れ替えて使用してもかまわない。
Further, the collecting
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の製造方法を図1から図5を参照しつつ説明する。
Next, a manufacturing method of the
まず、気体流発生手段203と第二気体流発生手段232とにより、案内手段206や風洞体209の内部に気体流を発生させる。
First, a gas flow is generated inside the
次に、原料液流出手段201の流出体211に原料液300を供給する。原料液300は、別途タンク(図示せず)に蓄えられており、供給路217(図2参照)を通過して流出体211の他端部から流出体211内部に供給される。
Next, the
ここで、ナノファイバ301を構成する高分子物質としては、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、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
Here, as the polymer substance constituting the
原料液300に使用される溶媒としては、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、本願発明は上記溶媒に限定されるものではない。
Solvents used for the
さらに、原料液300に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、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、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、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。
Furthermore, an additive such as an aggregate or a plasticizer may be added to the
溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量は、約60重量%から98重量%の間が望ましい。 The mixing ratio of the solvent and the polymer material varies depending on the solvent and the polymer material, but the amount of the solvent is preferably between about 60 wt% and 98 wt%.
次に、誘導電源222により流出体211に貯留される原料液300に電荷を供給しつつ(原料液帯電工程)、流出体211を駆動源213により回転させて、遠心力により流出孔216から帯電した原料液300を流出する(原料液流出工程)。
Next, while supplying electric charge to the
流出体211の径方向放射状に流出された原料液300は、気体流により飛行方向が変更され、気体流に搬送され風洞体209により案内される。原料液300は、静電爆発によりナノファイバ301を変換されつつ(ナノファイバ製造工程)案内手段206へ放出される。また、前記気体流は、加熱手段205により加熱されており、原料液300の飛行を案内しつつ、原料液300に熱を与えて溶媒の蒸発を促進している。以上のようにしてナノファイバ301は、案内手段206の内方を気体流によって搬送される(搬送工程)。
The
次に圧縮手段230内方を通過するナノファイバ301は、高圧ガスの噴流により加速されつつ、圧縮手段230の内方が狭くなるにつれて徐々に圧縮され高密度状態となって拡散手段240に到達する(圧縮行程)。
Next, the
ここで、これまで気体流により搬送されたナノファイバ301は、帯電が弱まっている可能性があるため、除電帯電手段207により、ナノファイバ301を同極性で強制的に帯電させる(追加帯電工程)。
Here, since there is a possibility that the
拡散手段240にまで搬送されたナノファイバ301は、ここで急速に速度が低下すると共に、均一に分散状態となる(拡散工程)。
The
この状態において、拡散手段240の開口部に配置されている誘引電極112は、ナノファイバ301の帯電極性とは逆極性に帯電しているため、ナノファイバ301を引きつける(誘引工程)。ナノファイバ301と誘引電極112との間には堆積部材101が存在しているため、誘引電極112に引きつけられるナノファイバ301は、堆積部材101上に堆積していく(堆積工程)。
In this state, the attracting
以上のような工程により、ナノファイバが製造され回収される。
以上のような構成、及び、工程により、イオン風の発生を抑止しつつナノファイバ301を製造することができるため、ナノファイバ301の生産効率を向上させることが可能となる。
Nanofibers are manufactured and collected through the above process.
With the configuration and process as described above, the
なお、本願実施例では、ナノファイバを生成する原料液流出手段201は、流出体211が筒型である実施例で説明したが、これに限定するものではない。例えば、図8に示すように、平面にマトリクス状に配置される流出孔216(ノズル)から所定の圧力で原料液300を流出させ、前記流出孔216(ノズル)に対向するように配置した誘導電極221により原料液300を帯電させる放出装置200において、板状の誘導電極221の周縁に、イオン風を抑止する為に使用する抑止手段225を取り付けても、同様の効果が得えられる。
In the embodiment of the present invention, the raw material liquid outflow means 201 for generating nanofibers has been described in the embodiment in which the
つまり、ナノファイバを生成するために、原料液の静電爆発を利用するが、その時に使用する電極と原料液を内蔵する容器との間には、高電圧が印加されるが、その場合に、前記電極上から発生するイオン風が、生成されたナノファイバの帯電状況を変えるので、本願発明は、そのような現象を大きく抑える効果があり、大量に安定してナノファイバを生成する場合には、重要な手段である。 In other words, in order to generate nanofibers, electrostatic explosion of the raw material liquid is used, and a high voltage is applied between the electrode used at that time and the container containing the raw material liquid. Since the ion wind generated from the electrode changes the charging state of the generated nanofiber, the present invention has an effect of greatly suppressing such a phenomenon, and when nanofibers are stably generated in large quantities. Is an important means.
次に、本願発明の効果を実証すべく行った実験を説明する。
図1に示すナノファイバ製造装置100において、流出体211の直径を60mm、流出孔216の直径を0.3mm、流出孔216の数を108個、流出体211の回転数を1800rpm、誘導電極221の内径を600mmとしてナノファイバ301の製造を行った。使用した樹脂は、ポリビニルアルコール(PVA)で、溶媒としては水を使用し、溶媒比率90%で原料液を生成した。使用した電圧は、誘導電極221には、誘導電源222を用い、負の60KVを印加した。この場合には、流出孔216から流出する原料液300は正の電荷を帯びる。
Next, experiments conducted to verify the effects of the present invention will be described.
In the
以上の設備状況、製造条件の下、誘導電極221に抑止手段225の有無によるナノファイバ301の製造状態の差異を目視にて確認した。
Under the above equipment conditions and manufacturing conditions, the difference in the manufacturing state of the
(1)抑止手段225がない場合、すなわち抑止部材224が誘導電極221に取り付けられていない場合。
(1) When there is no inhibiting means 225, that is, when the inhibiting
誘導電極221には負の60KVの電圧が印加されており、誘導電極221の両端部は、尖っているので、負のイオン風が発生しやすい状況にある。この場合において、流出孔216から流出する原料液300が静電爆発せずに、液滴となって誘導電極221や案内手段206に付着することを確認した。また、ナノファイバ301の生産量を目視にて確認した。
Since a negative 60 KV voltage is applied to the
(2)抑止手段225がある場合、すなわち抑止部材224が誘導電極221に取り付けられている場合。
(2) When there is the suppression means 225, that is, when the
誘導電極221や案内手段206に付着する液滴の量が(1)の場合に比べて減少していることを確認した。また、ナノファイバ301の生産量が(1)の場合に比べて増加していることを確認した。
It was confirmed that the amount of droplets adhering to the
以上から、誘導電極221から発生する逆極性のイオン風が帯電している原料液300に対して作用し、静電爆発を抑制することが推認できる。そして、誘導電極221に抑止手段225を設けることで、イオン風の発生を可及的に抑止し、ナノファイバ製造装置100の生産効率を向上させることが確認できた。
From the above, it can be inferred that the reverse polarity ion wind generated from the
本願発明は、サブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブの製造や、ナノファイバからなる糸の製造などの分野に利用可能である。 The present invention can be used in fields such as the production of highly porous webs having submicron meshes and the production of yarns made of nanofibers.
100 ナノファイバ製造装置
101 堆積部材
104 回収手段
110 収集装置
111 供給手段
112 誘引電極
113 誘引電源
117 基体
118 車輪
200 放出装置
201 原料液流出手段
202 原料液帯電手段
203 気体流発生手段
204 気体流制御手段
205 加熱手段
206 案内手段
207 除電帯電手段
208 ベアリング
209 風洞体
211 流出体
212 回転軸体
213 駆動源
216 流出孔
217 供給路
221 誘導電極
222 誘導電源
223 接地手段
224 抑止部材
225 抑止手段
230 圧縮手段
232 第二気体流発生手段
233 気体流導入口
234 圧縮導管
235 バルブ
240 拡散手段
300 原料液
301 ナノファイバ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記原料液を空間中に流出させる流出孔を有する流出体と、
前記流出体と所定の間隔を隔てて配置され、前記流出体に電荷を誘導する誘導電極と、
前記流出体と前記誘導電極との間を所定の電圧にする誘導電源と、
前記誘導電極の端部に設けられ、前記誘導電極からのイオン風の発生を抑止する抑止手段と
を備えるナノファイバ製造装置。 A nanofiber manufacturing apparatus that collects manufactured nanofibers by electrostatically exploding a raw material liquid that is a raw material of nanofibers in a space,
An outflow body having an outflow hole for allowing the raw material liquid to flow out into the space;
An inductive electrode disposed at a predetermined interval from the effluent, and for inducing charges in the effluent;
An induction power source for setting a predetermined voltage between the outflow body and the induction electrode;
A nanofiber manufacturing apparatus provided with a deterring means provided at an end of the induction electrode and for suppressing generation of ion wind from the induction electrode.
前記誘導電極は、筒型で、前記流出体の周壁を取り囲み、前記流出孔を覆うように配置され、
前記抑止手段は、前記誘導電極の一方端部もしくは両端部に設けられ、
さらに、
前記流出体と前記誘導電極との間を通過し、製造されるナノファイバの飛行方向を変更する気体流を発生させる気体流発生手段を備える
請求項1に記載のナノファイバ製造装置。 The outflow body has a cylindrical shape, and a plurality of the outflow holes are provided in a peripheral wall thereof.
The induction electrode has a cylindrical shape, surrounds the peripheral wall of the outflow body, and is disposed so as to cover the outflow hole,
The suppression means is provided at one end or both ends of the induction electrode,
further,
2. The nanofiber manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising a gas flow generating unit that generates a gas flow that passes between the outflow body and the induction electrode and changes a flight direction of the manufactured nanofiber.
前記誘導電極とは別体であって、ナノファイバを誘引する電界を形成する誘引電極と、
前記誘引電極を所定の電位とする誘引電源と
を備える請求項1に記載のナノファイバ製造装置。 further,
An induction electrode that is separate from the induction electrode and forms an electric field that induces nanofibers;
The nanofiber manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising an attracting power source that sets the attracting electrode to a predetermined potential.
ナノファイバを気体流により誘引する吸引手段を備える請求項1に記載のナノファイバ製造装置。 further,
The nanofiber manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising suction means for attracting the nanofiber by a gas flow.
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