JP2010031398A - Electrostatic spinning method and spinning head for electrostatic spinning - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電紡糸方法に関する。 The present invention relates to an electrospinning method.
静電紡糸は、ノズルのノズル孔から吐出させた紡糸用の溶液に電界を作用させて繊維化する紡糸である。静電紡糸は、繊維径がサブミクロンあるいはナノオーダーの繊維を得ることが可能であり、また溶融紡糸が困難な樹脂でも繊維化が可能なので、従来の繊維を用いては実現できなかった用途分野への展開が期待されている。 Electrostatic spinning is spinning in which an electric field is applied to a spinning solution discharged from a nozzle hole of a nozzle to form a fiber. Electrospinning can obtain fibers with submicron or nano-order fiber diameters, and can be made into fibers even with resins that are difficult to melt-spin, so application fields that could not be realized using conventional fibers Expansion to is expected.
静電紡糸による繊維ウエブの製造は、例えば図7に示すように、分配整流ブロック202へ計量ポンプ201で送られた、紡糸原液であるポリマー溶液を、口金部204へ送り、微細なノズル孔208を通して押出しながら同時に直流高圧電源206により電場をかけて繊維化し、捕集コンベアからなる集積装置207上に集積させることにより行われる。この繊維は、3次元のネットワーク構造を成しており、集積装置207で集積されて繊維ウエブ210となる。(例えば、特許文献1参照)
図7に示すような静電紡糸においては、直流高圧電源206の電極をノズル孔208に接続することによりポリマー溶液が印加される。従って、ノズル孔208は金属のような導電性の素材からなる。また、口金部204も金属製であり導電性を有する。
In the electrostatic spinning as shown in FIG. 7, the polymer solution is applied by connecting the electrode of the DC high
ノズル孔208が導電性であることによりノズル孔208の外周壁面も高電位にあるので、繊維化し空中に放出されたポリマーがその外周壁面に引きつけられて堆積し、ノズル孔208の外周壁面が汚れノズル孔の出口近傍にもはみだして紡出の障害になることがある。また、口金部204も金属製であり導電性を有するので直流高圧電源206の電極に接続された、ノズル孔208や口金部204のような導電性物質の表面積が大きくなり、その導電性物質の表面から漏洩する電流が多く、直流高圧電源206の消費電力が多くなるという問題も生ずる。
Since the
本発明の目的は、ノズル孔の外表面が汚れず、直流高圧電源の消費電力の少ない静電紡糸方法及び静電紡糸用紡糸ヘッドを提供しようとすることである。 An object of the present invention is to provide an electrostatic spinning method and a spinning head for electrostatic spinning in which the outer surface of a nozzle hole is not soiled and the power consumption of a DC high-voltage power supply is low.
本発明の要旨とするところは、紡糸用原液を、ノズルを備えた紡糸ヘッドに導入して前記ノズルから吐出させ、吐出された紡糸用原液に電界を作用させて延伸し繊維化し、捕集面で捕集する静電紡糸方法において、前記紡糸ヘッドが液槽と、該液槽に直結し紡糸用原液を該液槽に導入する導入口と、該液槽に導通する前記ノズルとを含んでなり、前記紡糸ヘッドの素材が絶縁材からなり、紡糸用原液と前記捕集面との間に直流高電圧を印加することを特徴とする静電紡糸方法であることにある。 The gist of the present invention is that a spinning stock solution is introduced into a spinning head equipped with a nozzle and ejected from the nozzle, and an electric field is applied to the ejected spinning stock solution to draw and fiberize the collecting surface. In the electrospinning method collected by the above-mentioned method, the spinning head includes a liquid tank, an inlet port that is directly connected to the liquid tank and introduces a spinning stock solution into the liquid tank, and the nozzle that conducts to the liquid tank. In the electrostatic spinning method, the material of the spinning head is made of an insulating material, and a direct current high voltage is applied between the stock solution for spinning and the collection surface.
また、本発明の要旨とするところは、前記静電紡糸方法に用いられる前記紡糸ヘッドからなる静電紡糸用紡糸ヘッドであることにある。 The gist of the present invention resides in a spinning head for electrospinning comprising the spinning head used in the electrospinning method.
本発明によると、ノズル孔の外表面が汚れず、直流高圧電源の消費電力の少ない静電紡糸方法及び静電紡糸用紡糸ヘッドが提供される。 According to the present invention, an electrostatic spinning method and a spinning head for electrostatic spinning are provided in which the outer surface of the nozzle hole is not soiled and the power consumption of the DC high-voltage power supply is low.
本発明においては、図1に示す紡糸ヘッド2が用いられる。紡糸ヘッド2は、液槽4と、液槽4に直結し紡糸用原液を液槽4に導入する導入口6と、液槽4に導通する複数のノズル8を備える。導入口6には管先11が取りつけられている。
In the present invention, the
図2に示すように、紡糸用原液が原液貯留槽12から連結管14を介して紡糸ヘッド2の管先11を経由して液槽4に導入される。原液槽12には複数の連結管14が接続されていてそれぞれが各紡糸ヘッド2に連結されている。連結管14には本態様にあってはシリコーンゴムのようなエラストマーからなるフレキシブルなチューブ15が用いられ、管先11がそのチューブ15の一端部に指し込まれている。紡糸用原液はノズル8から吐出され、繊維化して捕集面10に捕集される。ノズル8における紡糸用原液の吐出圧の付与は、原液槽12の水頭ヘッド圧によるものであってもよい。あるいは原液槽12の下流に不図示の液送ポンプを設けてその液送圧によるものであってもよい。その他、ノズル8に吐出圧を発生させる手段であればとくに制限はない。
As shown in FIG. 2, the stock solution for spinning is introduced from the stock
図2の図の拡大部に示すように、金属製の、径0.05〜1mmほどの細い導線14の一端部17が管先11の外周と、その外周に接するチューブ15の内周との間を通って液槽4の内部に導入されて、液槽4内の紡糸用原液と接触状態にある。導線14の他端部19は液槽4の外部にあって、直流高圧電源20の正極22に不図示のリード線を介して接続されている。ノズル8の、ノズル孔の貫通方向の延長方向に捕集面24が設置され、捕集面24が直流高圧電源20のアース極26に不図示のリード線を介して接続されている。これにより、紡糸ヘッド2内の紡糸用原液と捕集面24との間に直流高電圧が印加される。図2に示す態様においては捕集面24は捕集コンベアからなる集積装置27の捕集面であり、紡出された繊維は、3次元のネットワーク構造を成しており、捕集面24で集積されて繊維ウエブ29となる。
As shown in the enlarged portion of the drawing of FIG. 2, one
紡糸ヘッド2の素材は、絶縁材からなる。絶縁材は、比抵抗が1×1010Ω・cm以上の材料をいう。絶縁材としてはポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、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のようなポリエステル系樹脂、ABS(アクリル−スチレン−ブタジエン共重合物)などの樹脂が挙げられる。陶磁器のようなセラミックやガラスであってもよい。これらの複合物であってもよい。
The material of the spinning
本発明のかかる構成により、ノズル8の外周壁面に直流高圧電源20の電圧が印加されることがないので、ノズル8の外周壁面へのポリマーの堆積やノズルつまりが防止される。さらに、針金状あるいはリボン状の細い導電性物の先端を紡糸用原液に接触させることにより紡糸用原液を印加しているので、導電部分の表面積が極めて小さく、これにより、電流の空中へのリークが少なくなり直流高圧電源20の消費電力が極めて小さい。
According to the configuration of the present invention, the voltage of the DC high-
本発明においては、図3に示す紡糸ヘッド2aの要部断面図のように、ノズル8aが液槽の底壁4aに着脱自在に取りつけられてもよい。図3においては、ノズル8aの根元部が円筒状であり、液槽4aの円筒状のノズル接続部30が、ノズル8aの円筒状の根元部32に着脱自在に嵌入されている。
In the present invention, the
本発明においては、図4に示すように、液槽を、液槽上部34と液槽下部36とに2つ割にして液槽上部34と液槽下部36とが着脱自在に嵌着する構成とすることができる。液槽上部34には管先11が一体的に取りつけられている。液槽下部36にはノズル接続部30が一体的に取りつけられている。図4は、液槽上部34の上がわ外壁に補強リブ15が設けられた態様である。
In the present invention, as shown in FIG. 4, the liquid tank is divided into a liquid tank
このような2つ割の液槽を用いる場合、図5に示すように、紡糸用原液に電圧を印加するための細長い導線(または薄いリボン状金属箔)40を液槽上部34aと液槽下部36aとの嵌合部41を通して液槽内部と挿通状態とし、導線40の一端部44を液槽内部の紡糸用原液と接触させ、他端部を直流高圧電源20の極に不図示のリード線を介して接続してもよい。
When such a two-divided liquid tank is used, as shown in FIG. 5, an elongated conducting wire (or thin ribbon-like metal foil) 40 for applying a voltage to the spinning undiluted solution is provided with a liquid tank
本発明の他の態様においては、図6に示すように、原液貯留槽12(図2)と管先11(図1など)とを連結する、エラストマーを素材とする絶縁性の連結管14の少なくとも一部を短い金属管50に置き換えて、金属管50と直流高圧電源20の電極とをリード線52を介して電気的に接続して、紡糸用原液に電圧を印加してもよい。
In another aspect of the present invention, as shown in FIG. 6, an insulating connecting
本発明のさらに他の態様においては、原液貯留槽12(図2)内の紡糸用原液に電極小片を投入し、電極小片をリード線を介して直流高圧電源20の極に接続して紡糸用原液に電圧を印加してもよい。
In still another embodiment of the present invention, a small piece of electrode is put into the spinning stock solution in the stock solution storage tank 12 (FIG. 2), and the small piece of electrode is connected to the pole of the DC high-
ポリエチレンを素材とする、図4に示す形状の液槽上部34と液槽下部36とからなる液槽と、図3に示すポリエチレンを素材とするノズル8aを用い、図2に示す構成で紡出を行った。
Spinning with the structure shown in FIG. 2 using a liquid tank made of polyethylene as a raw material and comprising a liquid tank
液槽の下底に10個のノズルを10mm間隔で配した。各ノズルの出口の内径は0.6mm、長さは40mmである。ノズルと紡糸用原液との印加電圧を10kVとして紡出を行った。紡出開始時に吐出量が1cc/min/ノズルとなるように原液槽12の水頭高さを調整した。
Ten nozzles were arranged at 10 mm intervals on the bottom of the liquid tank. The inner diameter of each nozzle outlet is 0.6 mm and the length is 40 mm. Spinning was carried out at an applied voltage of 10 kV between the nozzle and the stock solution for spinning. The head height of the
捕集された繊維ウエブ29の目付けが0.2g/m2になるように紡出開始時に捕集面24の速度を調整し、連続紡出を行った。30分間の紡出後も、ノズルの外周壁面へのポリマーの付着はごく僅かであり、吐出量の減少もごく僅かであった。
The speed of the
実施例と同様にして紡出を行った。ただし、ノズルの素材をステンレスとし、導線14を用いず、ノズルと直流高圧電源の極とを接続することにより紡糸用原液に電圧を印加した。
Spinning was carried out in the same manner as in the Examples. However, the nozzle was made of stainless steel, and a voltage was applied to the spinning dope by connecting the nozzle and the pole of the DC high-voltage power source without using the
10分間後に、ノズルの外周壁面へポリマーの付着が認められ吐出量の減少やノズル先端から液だれを生ずるなど紡出に支障をきたした。 After 10 minutes, adhesion of the polymer was recognized on the outer peripheral wall surface of the nozzle, which caused problems in spinning, such as a decrease in the discharge amount and dripping from the nozzle tip.
表1に実施例、比較例それぞれにおける繊維ウエブの目付けの経時変化を示す。 Table 1 shows changes with time of the basis weight of the fiber web in each of the examples and comparative examples.
その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。 In addition, the present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications, and changes are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
2:紡糸ヘッド
4:液槽
6:導入口
8:ノズル
11:管先
2: Spinning head 4: Liquid tank 6: Inlet 8: Nozzle 11: Pipe tip
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