JP2014523492A - ナノ繊維又はミクロ繊維によって構成される異方性材料の製造方法及び前記方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明はミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径の繊維（５）の二次元又は三次元繊維材料の製造方法に関し，まず，前記繊維（５）は溶液（１）から連続的に引き出され，静電場によりｎ個の電極（６）の回転集合体（１１）へと引かれる。前記集合体（１１）の個々の電極（６）は互いに等間隔で，前記電極（６）の前記集合体（１１）の回転軸から等距離で，且つ，前記回転軸と平行に配置される。前記繊維（５）は，前記電極（６）の回転集合体（１１）上に巻き取られる。繊維（５）の層（８）が形成された後，静電場が遮断されると共に，前記電極（６）の集合体（１１）の回転が停止し，２つの隣接する電極（６）間の領域に形成された繊維（５）の層（８）が除去される。後続の段階において，前記電極（６）の回転集合体（１１）は３６０／ｎの角度回転し，前段階で層（８）が除去された領域に隣接する領域において，２つの隣接する電極（６）間に形成された繊維（５）の層（８）が除去される。この段階が合計ｎ回繰り返される。本手段は更に前記方法を実施するための製造装置に関し，この装置は第１の電位に接続される少なくとも１つの紡糸口金（３）と，紡糸口金に対向する，枢着された電極（６）の集合体（１１）と，２つの隣接する電極（６）間に堆積する繊維（５）を回収するアキュムレータ（７）を含む。前記アキュムレータ（７）は，２つの隣接する電極（６）間に堆積する前記繊維（５）を回収するため，前記電極（６）に対して，前記電極（６）の長手方向に移動可能に配置され，２つの隣接する電極（６）間に堆積した繊維（５）を回収するために係合状態に至ると共に，２つの隣接する電極（６）間に堆積した繊維（５）の前記回収を終えた後に係合状態から脱することができるように，前記電極（６）に対して，前記電極（６）の前記長手軸に垂直な方向に移動可能に配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は，ミクロ繊維又はナノ繊維の二次元又は三次元繊維材料の製造方法に関する。本製造方法では，最初にナノ繊維又はミクロ繊維が溶液から連続的に引き出され、このナノ繊維又はミクロ繊維は静電場により，ｎ個の電極の回転集合体へと引っ張られる。この工程において，個々の電極は，互いに等間隔で，電極の集合体の回転軸から等距離で，且つ，前記回転軸と平行に配置される。この電極の集合体が回転することにより，ナノ繊維又はミクロ繊維がそれに巻き付けられる。ナノ繊維又はミクロ繊維が巻き付けられた後に，静電場が遮断されて電極の集合体は回転を停止し，隣接する２つの電極間に形成されたミクロ繊維又はナノ繊維の層が除去される。本発明は更に，ミクロ繊維又はナノ繊維の二次元又は三次元繊維材料の製造装置に言及するものである。本装置には，第１の電位に接続された少なくとも１つの紡糸口金と，互いに一定の間隔に配置され，第２の電位に接続された，前記紡糸口金に対向する電極の集合体を備えている。更に本装置は，隣接する各電極間に堆積したミクロ繊維及びナノ繊維を収集するアキュムレータを有する。

ミクロ繊維又はナノ繊維は，静電紡糸法によって作製される。この方法は，学術文献において「エレクトロスピニング」として紹介されている。この方法においてポリマーの溶融液又は溶液から繊維構造物が形成されるのは，強静電場の効果のためである。この電場の力により，ポリマー溶液又は溶融液の液滴は，まず細流として噴出し，次いで，対向する電極への移動を促進する。この移動中にポリマーの細化，延伸，及び固化が起こり，固体繊維の形状をしたポリマーが対向する電極，いわゆる「コレクタ」上に落下する。２つの電極間における繊維の動き全体は非常に複雑であり，その軌跡は全くのランダムである。繊維が全くのランダムな動きで飛翔するため，対向する電極上にランダムに堆積し，繊維の直径が１０ナノメートルから数十ナノメートルの不織繊維材料が形成される。この製造方法は，米国特許第２０４８６５１号により既知となっている。

非常に微細な構造を有するナノ繊維又はミクロ繊維材料は，先進医療に限らず，マイクロエレクトロニクス，光学及び電力工学の多くの分野においても数多くの用途がある。相対的に非常に小さい体積に対して巨大な表面が形成されることがこれらの材料の基本的な利点の１つであり，これらの材料の繊維間空隙（間隙）のサイズは非常に小さい。内部に微細なナノ構造又はミクロ構造を有する材料には全く新しい特性があり，その特性は同材料，同体積の物質とは大幅に異なることもある。更に，管理された製造により，これらの固有の特性を制御可能であると共に，それらを特定の用途における要求に適合させることが可能である。このような材料は，生体組織の細胞に成長と運動と再生のための非常に好適且つ自然な条件を提供するため，将来の用途として，先進医療の様々な分野における使用が期待される。しかし残念なことに，このような材料はその内部構造が無秩序であるために，有用性が大幅に制限されている。組織工学へ応用する場合は，後に軟骨，骨及び神経，血管及び心血管移植片等の代替物となる，標準的な三次元構造に関する要件が規定されている。材料の内部における軸の秩序性が高いだけで，細胞や組織の指向的な成長と運動，更には長期間の神経障害の再生に対して大きな助けとなる。秩序性が高い構造を持つことにより，筋肉や結合組織の代替といった用途において，応力を受けた場合に材料に要求される柔軟性を確保することができる。材料の物理特性は，単に内部構造における軸の秩序性を変えるだけで，非常によく制御される。精密な内部形態を有する新規材料は，先進医療の分野に限らず数多くの用途で必要とされている。秩序性の高い構造は，例えば，微小な電子的又は光学的接続においても極めて重要であり，このような接続は，本発明において開示される方法により製造されるナノ繊維又はミクロ繊維によって得ることができる。

配向性ナノ繊維又はミクロ繊維の現行の方法及び製造技術は，高回転速度で駆動される回転コレクタにより達成される。このようなコレクタの表面は，殆どの場合，米国特許第４５５２７０７号や米国特許出願第２００２００８４１７８号に記載されているように円筒あるいは細い棒体の形状となっており，コレクタの表面が飛翔する繊維を捕捉し，これをコレクタ自身の運動方向に機械的に運搬する。即ち，繊維は回転するシリンダの周りに巻かれることとなる。ナノ繊維又はミクロ繊維は，シリンダの表面上に直接堆積されるか，又は１つの回転軸上に配置される２つの回転ロッド間の間隔に形成されるが，この内容は米国特許出願第２００７０２６９４８１号に記載されている。このようなコレクタの表面は一種の電極であるため，導電性材料により作製されなければならない。コレクタが高圧電源に直接接続されている場合（米国特許出願第２００９０１０８５０３号又は米国特許第４６８９１８６号参照）は別として，仮にコレクタ表面が非導電性の基質で覆われている場合には，事実上２つの主電極間に絶縁体が挿入された状態となるため，電場が弱くなると共に電場の均一性も乱され，製造プロセスにおける効率が大幅に低下してしまう。また，堆積層が厚くなった場合も望ましくない絶縁体として作用し，後続の繊維がコレクタから異なる方向へ逸れるため，長時間の堆積は効率の低下を示すことになる。それまでに繊維が堆積してきた部分には，繊維がコレクタに衝突する前に帯電していた電荷と同じ極性を有する電荷が蓄積される。これらの同極性の電荷間においては斥力が作用し，新しく堆積する繊維の秩序性に悪影響を与える。繊維層の堆積が厚くなる頃には，上層の繊維は既に無秩序な堆積となり，下層に堆積した繊維のような軸方向の秩序性はもはや保たれていないため，先述の電荷による悪影響が大きくなる。更に，回転するシリンダに対して正確に垂直な方向以外の方向で飛翔する繊維を捕捉することにより，生成した繊維層は部分的に秩序性の程度が限定される。上記の方法は原則的に十分機能するものであるが，生成される繊維の中には，好ましい方向の何れにも従わない繊維の割合が高いままであるため，繊維材料の内部構造において精密な配向性を得るということに関しては，結果は一般的に満足できるものではない。

繊維材料の後続操作及びコレクタ表面からの回収制御は非常に重要な問題であるが，現状の技術的解決手段のいずれにも含まれていない。繊維層はコレクタ上に堆積しており，その後の利用のためには，通常はこれを全く別の下地あるいは他の容器等に移さなければならない。そして，手で１つずつ切り取られた帯状の繊維材料をより厚い三次元構造に組み立てる実施例が，米国特許出願第２００８０２０８３５８Ａ１号に開示されている。このような繊維層は非常に繊細であり，コレクタから回収する時点で回復できない損傷が極めて容易に発生し得るため，ナノ繊維又はミクロ繊維材料の扱いは操作が困難である。特に，機械抵抗が非常に低い生体高分子繊維においては，比較的広い面積をもつ材料に対するいかなる操作も殆ど不可能である。現状では，適切な機械的操作とともに，ナノ繊維又はミクロ繊維層内の繊維の配向性を維持あるいは更には向上させながら，他部材，即ち何らかの下地へ移すことができるメカニズムは達成されていない。

国際特許出願第２００６１３６８１７Ａ１号に，回転軸の周りに長手方向に配置された電極を有する回転コレクタの使用が説明されている。コレクタの幾何学的寸法は記載されていない。発明者は，繊維をコレクタから注意深く回収する方法を示していない。回転するコレクタ上に堆積する繊維の回収メカニズムも達成されていない。記載された方法は，製造工程の全ての段階を達成しておらず，更に正確に言うと，工程は繊維の堆積で終了している。従って，オペレータの介入及び手動操作を伴わずに製造工程を完了させることは不可能であり，このことは材料の品質及び内部構造の大幅な劣化につながる。

カッタらの文献（カッタＰ．，Ｍ．アレッサンドロら，「ナノレターズ」，４（１１）：２２１５〜２２１８，２００４年（Katta P., M. Alessandro et. al. NanoLetters, 4(11):2215-2218, 2004））においては，配向性繊維を生成するコレクタとして，長さのある導電性電極により構成される回転シリンダが用いられている。この文献で記述されているコレクタは約４０個の導電性電極を有し，これらの導電性電極は互いに１０ｍｍの距離を保ちつつ，直径１２０ｍｍの回転コレクタを形成している。堆積時間が長くなると繊維の一軸配向性が損なわれることが，ここに示されている。運転効率に重要なパラメータの最適化及び説明はここでは行なわれていない。発明者は，この種のコレクタ上に堆積した繊維層を処理するための更なる段階にも言及していない。

上述した従来技術の欠点は，本発明に係るナノ繊維又はミクロ繊維の直径を有する繊維の二次元又は三次元繊維材料の製造方法によってかなりの程度まで解消されており，ここにおいて静電界を用いて最初のナノ繊維又はミクロ繊維が連続的に溶液から引き出され，ナノ繊維又はミクロ繊維は，ｎ個の電極の回転集合体（ここで，ｎは１〜２００の自然数）に引っ張られる。集合体の個々の電極は，相互に規則的な間隔で，電極の集合体の回転軸から等距離に，且つ平行に配置されている。この電極の集合体が回転することにより，ナノ繊維又はミクロ繊維がそれに巻き取られる。ナノ繊維又はミクロ繊維の薄い層が形成された後に，静電場が遮断されて電極の集合体は回転を停止し，隣接する２つの電極間に形成されたミクロ繊維又はナノ繊維の層が除去される。その後，電極の回転集合体は３６０／ｎ°の角度回転し，前の段階で層が除去された領域に隣接する領域の２つの隣接する電極間に形成されたミクロ繊維又はナノ繊維の層が除去される。この段階は，隣接する電極間の全ての領域からミクロ繊維又はナノ繊維の層が除去されるまでｎ回繰り返される。

本発明に従った方法の有利な実施形態では，ミクロ繊維又はナノ繊維の層が新しい領域から除去される前に，アキュムレータが僅かに回転して，除去後の層のミクロ繊維又はナノ繊維の方向を，先に除去された層のミクロ繊維又はナノ繊維の方向とは異なる方向とする。

本発明に従った方法の他の有利な実施形態において，重ね合わされたミクロ繊維又はナノ繊維の重畳された層は共に圧縮されるが，これらの重畳された層を共に圧縮することにより，同時に最終製品を所要の三次元形状に形成することが可能である。この方法で形成される生成物を他の媒質に埋め込んで所要の特性の複合材料を作製することができる。

上記の従来技術の欠点は，ミクロ繊維又はナノ繊維の二次元又は三次元繊維材料を製造するための装置であって，第１の電位に接続される少なくとも１つの紡糸口金と，等間隔に配置されると共に第２の電位に接続された，紡糸口金に対向するｎ個の電極の集合体と，更に２つの隣接する電極間に堆積するミクロ繊維又はナノ繊維を回収するアキュムレータを含む装置により，かなりの程度まで解消される。電極の集合体は本装置内に軸着され，電極の集合体を構成する個々の電極は互いに等間隔で，電極の集合体の回転軸から等距離に，且つ，この回転軸と平行に配置される。本装置は，更に，電極に対して，電極の長手方向に移動可能であり，２つの電極間に堆積するミクロ繊維又はナノ繊維を回収することができるように構成されるアキュムレータを含む。更に，このアキュムレータは，電極に対して，電極の長手方向に垂直な方向に移動可能に配置され，２つの隣接する電極間に堆積したミクロ繊維又はナノ繊維を回収するために係合状態に至ると共に，２つの隣接する電極間に堆積したミクロ繊維又はナノ繊維の回収を終えた後に係合状態から脱する。

本発明に従った装置の有利な実施形態において，アキュムレータは平行四辺形の形状を有し，隣接する電極間に挿入可能とするために，その幅が１組の隣接する電極の最も広い表面間の距離より小さく形成されている。

本発明に従った装置の別の有利な実施形態において，アキュムレータは，コレクタの表面に対して垂直をなすと共にコレクタの表面の中心を通る線の周りを回転可能に配置され，アキュムレータを僅かに回転させることで，２つの隣接する電極間において，ミクロ繊維又はナノ繊維の更なる層を，ミクロ繊維又はナノ繊維の方向が前層のミクロ繊維又はナノ繊維の方向とは異なるように載置することができる。

本発明に従った装置の別の有利な実施形態において，アキュムレータは，１組の隣接する電極の最も近い表面間の距離より短い辺を有する正方形の形状を有しており，アキュムレータは，コレクタの表面に対して垂直をなすと共にコレクタの表面の中心を通る線の周りを回転可能に配置され，アキュムレータを９０°の角度回転させることで，２つの隣接する電極間において，ミクロ繊維又はナノ繊維の更なる層を，ミクロ繊維又はナノ繊維の方向が前層のミクロ繊維又はナノ繊維の方向に対して垂直をなすように載置することができる。

本発明に従った装置の更に別の有利な実施形態において，アキュムレータは，回収されたナノ繊維又はミクロ繊維の層を載せる皿の形状に形成されており，装置は更にピストンを備える。このピストンは，繊維をアキュムレータ内に押し込むと共に各個回収されたナノ繊維又はミクロ繊維の層を圧縮して三次元の秩序構造を機械的に強化する。このような場合には更に，アキュムレータを，コレクタの表面に対して垂直をなすと共にコレクタの表面の中心を通る線の周りを，回転可能に配置すると有利である。このような配置とすることで，アキュムレータを僅かに回転させると，２つの隣接する電極間においてミクロ繊維又はナノ繊維の更なる層を，ミクロ繊維又はナノ繊維の方向が前層のミクロ繊維又はナノ繊維の方向とは異なるように載せることができる。

添付図面を参照して本発明の課題を詳細に説明する。

本発明に従った解決手段として提案する製造工程の特定の段階のフローチャートである。 異方性繊維材料の製造装置の好適な実施形態を示す。 回転コレクタの長手電極とアキュムレータの側面断面図を示す。 更に他の好適な実施形態を示し，図４ａ，図４ｂは，回転コレクタの４つ及び５つの長手電極の断面図であり，平行な秩序ある繊維の形成原理を示している。 図４と同様の方法で，回転コレクタの４つ及び５つの長手電極を好適に用いて２段階で直交する繊維を製造する原理を示す。 平行な秩序ある繊維の電子顕微鏡写真。 直交する秩序ある繊維の電子顕微鏡写真。

発明の詳細な説明
本発明の目的は，プロセスパラメータを変化させることにより生成材料の形態的及び異方的特性を管理し，高度な平面的（二次元）及び立体的（三次元）内部秩序を有するナノ繊維又はミクロ繊維材料の製造を制御することである。更に本発明の目的は，材料の内部構造の秩序性を保った状態で，新しい材料へ適切な機械的操作を与えること，また何らかの下地へ移送すること，あるいは同材料の梱包を行うことである。本発明の有利な実施形態において，移動可能なアキュムレータ７は，繊維材料に対する（例えば複合材料の製造において）更なる容易な処理を可能にする，好適な「皿」である。

本発明の課題は，特定のプロセス段階に分けられる，新規な材料の総合的な製造プロセスであって，その好適な一連の段階が図１に示されている。第１段階において，紡糸用混合物が調合される。その後，この溶液又は溶融液１は計量されて紡糸口金３内に送られ，然る後に高電圧が印加され，これによってミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径を有する繊維５が生成される。繊維５は静電場内をコレクタ９に向かって移動する。繊維５は回転コレクタ９上に１つの好ましい方向に堆積する。繊維５の層８がコレクタ９上において生成された後に，堆積した繊維５が回収され，次にこれらの繊維５の層８が重ね合わされ，この間，それらの秩序性の度合いは維持される。その後，繊維層８は圧縮され，これによって包装材料に包むことができる完成品が得られ，又は，適切な媒質と組み合わせて複合物質として，所要の特性を持たせるなどの後続処理が意図された半製品が得られる。完成品をトレイの形状を有する包装材料で包むことにより，扱いが容易になり，また，繊維５の層８を他の媒質に埋め込んで複合物質とするといった繊維層８の後続処理にも適したものとすることができ，これにより，最終製品が得られる。製品の除去及び移送が最終段階となる。有利なことに，これらの全ての段階は，堆積チャンバ内において，オペレータのいかなる介入も伴わず，外部環境に影響されることなしに自動的に行なわれ，このことにより，工程の無菌性と高品質の最終製品が確保される。製造プロセス段階は図１のフローチャートに示されており，ここには繰り返しのプロセス段階も示されている。「繊維の堆積」又は「重ね合わせ」の段階において貯留された溶液１が無くなった時点で，繊維５の十分な層８がアキュムレータ７により回収されていない場合は，工程は最初から繰り返される。

以下では繊維５と呼ばれるナノ繊維又はミクロ繊維によって構成される二次元又は三次元繊維材料の製造装置の好適な実施形態が図２に示されている。この装置は，ポリマーの溶液１により満たされると共に紡糸口金３を備えるジェット放出装置２を含む。簡略化のために１つのジェット放出装置２のみが図２に示されているが，実際の装置にはより多くのこうしたジェット放出装置２を設け得ることは明らかである。紡糸口金３は第１の電位に，即ち直流電圧源４の一方の極に接続される。直流電圧源４の第２の極は，紡糸口金３に対向するコレクタ９に接続される。コレクタ９は，長手方向に互いに等間隔で且つコレクタ９の回転軸ｘから等距離に配置される電極６によって構成される。アキュムレータ７は，電極６に対して，コレクタ９の回転軸ｘと平行な方向に移動可能に配置されて，アキュムレータ７が２つの隣接する電極６間に堆積した繊維５の層８を回収することができるようになっている。

図３に，平面状のアキュムレータ７を有する収集機構の概略側面図を示す。繊維５は静電紡糸法により，コレクタ９の電極６上に堆積する。その後，繊維５は秩序性が保たれた状態で，アキュムレータ７の表面上に載置される。好適な実施形態において，アキュムレータ７は平面状であり，コレクタ９の電極６の棒体に対して角度αをなして傾斜すると共に，コレクタの軸ｘと角度βをなす方向に並進運動して移動する。

図４ａに，４つの電極６を有するコレクタ９とアキュムレータ７との概略断面図を示す。繊維５は静電紡糸法によりコレクタ９の電極６の導電性の棒体上に堆積する。その後，繊維５は秩序性が保たれた状態で，アキュムレータ７の表面上に載置される。コレクタ９は４つの電極６を備える。正方形のアキュムレータ７は２つの上側電極間の領域から繊維５の層８を回収し終えている。右側に，次の段階が示されており，ここでコレクタ９は９０°の角度回転し，アキュムレータ７は繊維５の別の層８を同じ配向で回収する。

図４ｂに，５つの電極６を有するコレクタ９とアキュムレータ７の概略断面図を示す。繊維５は静電紡糸法によりコレクタ９の電極６の導電性の棒体上に堆積する。その後，繊維５は秩序性が保たれた状態で，アキュムレータ７の表面上に載置される。コレクタ９は，ここでは５つの電極６を備える。正方形のアキュムレータ７は２つの上側電極間の領域から繊維５の層８を回収し終えている。右側に，次の段階が示されており，ここでコレクタ９は３６０／５°，即ち７２°の角度回転し，アキュムレータ７は繊維５の別の層８を同じ配向で回収する。アキュムレータ７上には同じ配向を有する繊維５の２つの層８がある。

図５ａに，４つの電極６を有するコレクタ９とアキュムレータ７の概略断面図を示す。繊維５は静電紡糸法によりコレクタ９の電極６の導電性の棒体上に堆積する。その後，繊維５は秩序性が保たれた状態で，アキュムレータ７の表面上に載置される。コレクタ９は４つの電極６を備える。正方形のアキュムレータ７は２つの上側電極間の領域から繊維５の層８を回収し終えている。右側に，次の段階が示されており，ここでコレクタ９とアキュムレータ７との両方が９０°の角度回転し，アキュムレータ７は繊維５の別の層８を回収し終えている。このため，アキュムレータ７上には繊維５の２つの層８があるが，第１の層８の繊維５の配向は第２の層８の繊維５の配向に対して垂直をなす。

図５ｂに，５つの電極６を有するコレクタ９とアキュムレータ７の概略断面図を示す。繊維５は静電紡糸法によりコレクタ９の電極６の導電性の棒体上に堆積する。その後，繊維５は秩序性が保たれた状態で，アキュムレータ７の表面上に載置される。コレクタ９は，ここでは５つの電極６を備える。正方形のアキュムレータ７は２つの上側電極間の領域から繊維５の層８を回収し終えている。右側に，次の段階が示されており，ここでコレクタ９は３６０／５°，即ち７２°の角度回転し，アキュムレータ７は９０°の角度回転すると共に繊維５の別の層８を回収する。このため，アキュムレータ７上には繊維５の２つの層８があるが，第１の層８の繊維５の配向は第２の層８の繊維５の配向に対して垂直をなす。

図６は，倍率５０００倍の電子顕微鏡写真であり，同じ配向で重ね合わされた繊維５の幾つかの層８が示されている。

図７は，倍率１０００倍の電子顕微鏡写真であり，繊維５の幾つかの層８が示されているが，層８は，１つの層８の繊維５の配向が前層８の繊維５の配向に対して垂直をなすような態様で重ね合わされている。

二次元又は三次元繊維材料の製造装置の運転において，調合された紡糸用混合物はジェット放出装置２内へ投入される。その後，高電圧が印加され，これにより溶液又は溶融液が紡糸口金３から流出し，ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径を有する繊維５を生成する。この繊維５は，静電場内をコレクタ９に向かって移動する。繊維５は回転コレクタ９上に１つの好ましい方向に堆積する。繊維５の層８がコレクタ９上に形成された後に，高電圧は遮断され，繊維５の紡糸口金３からの流出が止まる。その後，アキュムレータ７が堆積した繊維５を回収し，これらの繊維５の層８が秩序性を保った状態で，順次重ね合わされる。生成される材料に求められる要件に従って，繊維５の配向が全ての層で同じになるように，あるいは後続の各層８における繊維５の配向がある角度（通常は９０度）になるように，繊維５の層８を重ね合わせることが可能である。十分な数の層８が重ね合わされた後に，繊維層８を圧縮し，これにより，包装材料に包まれる最終製品，あるいは，適切な媒質と組み合わせて複合物質として，所要の特性を持たせるなどの後続処理が意図された半製品のいずれかが出来上がる。

この実施形態の利点は，アキュムレータ７が移動するだけで繊維が更に１方向へまっすぐにされるため，アキュムレータ７の表面上に載置された繊維５が，回転シリンダの表面上に堆積した繊維５よりも高度の秩序性を有することである。このため，繊維材料の内部構造の秩序性の度合いは，回転シリンダの表面上において形成された材料のそれより高くなる。

この実施形態の別の利点は，平面状の電極を有する静止した分割型コレクタと比較すると，秩序性のあるナノ繊維が数倍の長さとなることであり，これにより，非常によく整った内部構造を有するより大きい面積又は体積の材料の製造が可能となる。まず，コレクタ９の回転速度が非常に低い場合は，コレクタ９の特定の電極６間において横方向に作用する静電場が繊維５の配向に寄与する。これに対して，回転速度が高い場合はさらに，飛翔する繊維５を捕捉しそれをコレクタ９の電極６へ，即ち一方向（電極６に対して垂直）に誘引する機械的な力も働き，静電力とともにコレクタ９上への繊維５の秩序ある堆積に寄与する。このようにして，重要な力成分である静電力と機械的な力とが足し合わされ，繊維５の一軸方向の秩序性の度合いが増加することとなる。この原理は長期間の実験と理論に裏付けされた結果により証明されており，これによると，分割型の回転コレクタ９を用いた場合は，同様の幾何学パラメータの静止した分割型コレクタを用いた場合よりも，ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径の高い配向性をもった繊維５が何倍もの長さで形成されることが示されている。繊維５の配向性を非常に良好なものとするため，本特許出願に記載のコレクタ９の回転速度は，静電力の寄与があることから，全体が導電性の表面を有するシリンダの最小回転速度よりも数十パーセント低い値に設定される。高速で回転するコレクタ９の周りには，飛翔する繊維５を制御不能な方向に引っ張るような空気流が発生するが，コレクタ９の回転速度を落とすことにより，空気流がより安定したものとなる。

更に別の利点は，全ての製造サイクル段階を単一の閉鎖された装置内，即ち堆積チャンバ内で実施することができることであり，オペレータの介入を伴わず且つ外部環境に影響されない自動製造が保証され，これにより工程の無菌性と生成される高品質の製品とを確保することが可能になる。

本装置の有利な実施形態において，第２の電位に接続される電極６の集合体１１を備える回転コレクタ９は，少なくとも３つの長手電極６，一般にＮ個の電極６と，アキュムレータ７を含む。アキュムレータ７は，２つの隣接する電極６の間を常に連続的に移動し，その移動方向は，コレクタ９の電極６に共通の回転軸ｘ方向への移動と，軸ｘとの間に所定の角度βをなす方向への移動との組み合わせによって決定される。アキュムレータの傾斜の度合いは角度αにより定義される。電極６の集合体１１を横切る平面上において，アキュムレータとコレクタ９との互いに対する角変位を特定する角度γが定義される。繊維５の次の回収は，コレクタの電極６をアキュムレータに対して角度γ＝３６０／Ｎ°回転させた後に行なわれる。

本装置の別の好適な実施形態において，第２の電位に接続される電極６を有する回転コレクタ９は，少なくとも３つの長手電極６，一般にＮ個の電極６と，アキュムレータ７を含む。アキュムレータ７は，２つの隣接する電極６の間を常に連続的に移動し，この移動は繊維の次の回収がコレクタ９の電極６をアキュムレータ７に対して角度γ＝９０＋３６０／Ｎ°回転させた後に行なわれる。しかし，この場合は，繊維５の層８の２回の連続する回収の間において，アキュムレータ７は，この場合は正方形であるアキュムレータ７の表面に対して垂直な自身の軸の周りを９０°の角度回転する。このようにして，繊維はそれぞれの層毎に載せられていき，１つの層の繊維はその前に回収された層の繊維に対して垂直をなす。

本装置の更に別の好適な実施形態は，４つの長手電極６を有する回転コレクタ９とアキュムレータ７を含み，アキュムレータ７は，前記電極６の軸に対して垂直な方向に移動することで，隣接する前記電極６の間に，傾斜可能な板を挿入および取り外すことが可能となっており，また，前記電極６の長手方向に移動する。アキュムレータ７は前記傾斜可能な板を４つ備えており，２つの最も近接する電極６間に堆積する繊維５を自身の表面上に捕捉する。アキュムレータ７の前記傾斜可能な板に繊維層を捕捉した後，前記傾斜可能な板は次々にコレクタ９の長手軸に最も近い傾斜可能な板の縁部に沿って１８０°傾けられ，傾斜可能な板から繊維層がコレクタ９の長手軸に対して垂直をなす回収板上に捕捉される。これにより，後続の傾斜可能な板から引き続き，それぞれの繊維層を捕捉した後には，互いに重なり合った４つの繊維層が生成され，各層の繊維５は隣接する層に対して垂直をなす。

更に，繊維５の非常に効果的な乾燥及び固化と，更にコレクタ９の付近では回収されない溶剤の効果的な蒸発もまた，長手電極６を有する回転コレクタ９の利点である。これは，コレクタ９の電極６間において形成される繊維５の直径に多大な影響を与える。それらの直径はプロセスのパラメータを調整することによって減少することが可能である。

本装置の別の有利な実施形態において，コレクタ９は，互いに等間隔に且つ共通の回転軸ｘから同じ距離に配置される３つを超える導電性の電極６によって構成される。アキュムレータ７は円板の形状を有すると共に，アキュムレータの長手電極６上での摺動を可能とし，回転軸ｘに沿って且つこれらの電極の付近における移動を可能と成す適切な切欠部を備える。この移動中に，隣接する電極６間において秩序ある態様で堆積した繊維５は，自動的に直接アキュムレータ７の表面上に載置され，高い配向性を有する一軸方向に整えられた繊維５によって構成される帯状の新しい材料が形成される。

別の有利な実施形態は，少なくとも２つの長手電極６，一般に合計Ｎ個（ここでＮは自然数）の平行に配置される電極によって構成される円筒状コレクタ９を含み，電極の距離は０．１ｍｍ〜（π・ｄ／Ｎ）ｍｍの範囲であり，ここでｄは共通の回転軸ｘから電極６までの距離の２倍である。第１の限定例において非常に細い導電性のワイヤが電極６として使用され，第２の限定例において電極６は円筒形の完全な導電性表面を形成する。第１の限定例において，繊維５は非常に細い電極６上に捕捉され，生成される材料は非常によく整った繊維５のみによって構成され，これらの繊維はミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径を有する。第２の限定例においては，繊維５は，上記と同じ方法で取り去られる一方で，繊維５の堆積中に，π・ｄの全長を有する複数の繊維５によって構成される糸又はフィラメントが形成される。

最後に，本装置の更に別の有利な実施形態において，アキュムレータ７は，回収される繊維５の層８を収集する皿の形状を有する。繊維５は単純なピストン運動により圧縮されて収集用皿内に入れられる。それぞれの層８は皿内において押し固められ，こうして，秩序のある三次元構造が更に機械的に強化される。皿は製品の更なる処理に役立ち，例えば繊維５を別の溶液，一般に別の媒質に埋め込むことにより，所要の特性の複合材料が製造される。

以下に，本発明に従った装置の具体的な実施例を説明する。

実施例１：平行な繊維によって構成される繊維層
ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の１６％水溶液１の繊維をジェット放出装置２から紡糸口金３を介して押し出し，分割コレクタ９（図２）上に堆積させた。コレクタ９の電極６は紡糸口金３から垂直方向に１２ｃｍ離した。コレクタ９は，０．８ｍｍの直径を有する円形断面の細いワイヤ形状の４つの長手電極６を備える。電極６の距離は互いに２５ｍｍであった。低直流電圧源を用いて，コレクタ９を毎分２０００回転（コレクタの表面線速度（毎分３．７メートル）に対応する）に設定した。また他の高電圧源４を紡糸口金３とコレクタ９の間に接続し，その出力を２８ｋＶに設定した。静電力が，ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径を有する繊維５を形成し，この繊維は次に秩序ある繊維５の層８の状態で電極６間に堆積した。３０秒後に繊維５の堆積を中断して，回転コレクタを停止させた（即ちコレクタ９のモータの電源と高圧電源４のスイッチを切った）。その後，アキュムレータ７をα＝７５°の角度で傾斜させる一方で，繊維５の層８を，コレクタ９の電極６に沿ったアキュムレータ７の緩やかな動きｖ（ｔ）により取り去った。この構成の側面図を図３に示す。繊維５の第１の層８をアキュムレータ上に載せた後に，コレクタ９を９０°の角度回転させた。アキュムレータ７の連続する動作で繊維５の別の層８をその表面上に載置した。この工程を，４つの長手電極６間に堆積した全ての繊維５が回収されるまで繰り返した（図４ａ）。その後，紡糸を再び開始し，全工程を繰り返した。この工程を繰り返すことにより，（２５×２５）mm²の面積上において略あらゆる厚さの層を作製することができる。このような層の表面が，倍率５０００倍の電子顕微鏡写真である図６に示されている。紡糸は，温度２４°Ｃ，相対湿度４０％の実験室条件下で行なわれた。

実施例２：互いに垂直な繊維によって構成される規則性三次元構造を有する材料
実施例１に記載の方法と同じ方法で，ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径の繊維５を４つの長手電極を有する回転コレクタ９上に堆積させた。紡糸工程と回転コレクタ９とを停止させた後に，繊維５をアキュムレータ７（図５ａ）により取り去った。アキュムレータ７をコレクタ９の導電性の棒状電極６に沿って移動させて，繊維５の第１の層がアキュムレータ７の表面上に形成されるようにした。その後，コレクタ９全体を９０°の角度回転させ，同時に２５×２５mmの大きさの正方形のアキュムレータ７も９０°の角度回転させた。アキュムレータ７をコレクタ９の導電性の棒状電極６に沿って移動させ，その移動期間中に繊維５の第２の層を載置した。第２の層８の繊維５は第１の，即ち前層８の繊維５に対して垂直に載置した。全ての繊維５がコレクタ９から取り去られるまで，この工程を４回繰り返した。その後，コレクタ９を紡糸に設定し，紡糸工程を開始した。この工程により作製された試料は，（２５×２５）mm²の面積の規則性のある三次元構造を有する。このような材料の表面の例を，倍率１０００倍の電子顕微鏡写真である図７に示す。

本発明は，巨視的に平面（２次元）あるいは立体（３次元）材料の製造に用いることができるものであり，同材料は，規則性のある一方向あるいは多方向に整った内部繊維構造をもつナノ繊維又はミクロ繊維により構成される。

Claims (11)

1. ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径の繊維（５）の二次元又は三次元繊維材料の製造方法であって，
   −段階ａ）において，
   前記繊維（５）が溶液（１）から連続的に引き出され，静電場によりｎ個の電極（６）（ここでｎは自然数）の回転集合体（１１）へと引かれ，前記集合体（１１）の個々の電極（６）は，互いに等間隔で，前記電極（６）の前記集合体（１１）の回転軸から等距離で，且つ，前記回転軸と平行に配置され，前記繊維（５）は，前記電極（６）の前記集合体（１１）を回転させることにより前記電極（６）の前記集合体（１１）上に巻き取られ，
   −その後の，段階ｂ）において，
   前記静電場が遮断されると共に，前記電極（６）の集合体（１１）の回転が停止し，２つの隣接する電極（６）間の領域に形成された前記繊維（５）の層（８）が除去される方法において，
   −後続の段階ｃ）において，
   前記電極（６）の回転する前記集合体（１１）は３６０／ｎの角度回転し，前の段階ｂ）で前記層（８）が除去された前記領域に隣接する領域において，２つの隣接する電極（６）間に形成された前記繊維（５）の層（８）が除去され，この段階が合計ｎ回繰り返されることを特徴とする，ミクロ繊維からナノ繊維までの範囲の直径の繊維（５）の二次元又は三次元繊維材料の製造方法。
2. ２つの隣接する電極（６）間の領域において形成された層（８）が除去される前記段階ｃ）の前に，前層（８）の繊維（５）の方向とは異なる繊維（５）の方向が得られるよう前記アキュムレータ（７）が僅かに回転する，ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記繊維（５）の重ね合わされた複数の層（８）は共に圧縮されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 最終製品の所要の立体形状が，前記繊維（５）の前記複数の層（８）を圧縮することによって形成されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記繊維（５）により形成される物体を別の媒質に埋め込んで，所要の特性の複合材料を製造することを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 第１の電位に接続される少なくとも１つの紡糸口金（３）と，紡糸口金に対向し，互いに等間隔に配置されると共に第２の電位に接続された電極（６）の集合体（１１）と，２つの隣接する前記電極（６）間に堆積した繊維（５）を回収するアキュムレータ（７）とを含む装置において，
   −前記電極（６）の前記集合体（１１）は枢着されており，
   −前記電極（６）の前記集合体（１１）の個々の電極（６）は互いに等間隔に且つ前記電極（６）の前記集合体（１１）の回転軸から等距離で，かつ前記回転軸と平行に配置され，
   前記アキュムレータ（７）は，
   −２つの隣接する電極（６）間に堆積する前記繊維（５）を回収するため，前記電極（６）に対して，前記電極（６）の長手方向に移動可能に配置され，
   −２つの隣接する電極（６）間に堆積した繊維（５）を回収するために係合状態に至ると共に，２つの隣接する電極（６）間に堆積した繊維（５）の前記回収を終えた後に前記係合状態から脱することができるように，前記電極（６）に対して，前記電極（６）の前記長手軸に垂直な方向に移動可能に配置されることを特徴とする，請求項１〜５いずれか１項記載の方法を実施するための，前記繊維（５）の二次元又は三次元繊維材料の製造装置。
7. 前記アキュムレータ（７）は，その幅が１対の隣接する電極（６）の最も近い表面間の距離より小さい平行四辺形の形状を有し，前記隣接する電極（６）間に挿入可能であることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記コレクタ（７）は，前記コレクタ（７）の表面に対して垂直をなすと共に前記コレクタ（７）の表面の中心を通る線の周りを回転可能に配置され，２つの隣接する電極（６）間において堆積した前記繊維（５）の次層（８）を，前層（８）の前記繊維（５）の方向とは異なる前記繊維（５）の方向にして載置することができることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記アキュムレータ（７）は，
   −２つの隣接する電極（６）の最も近い表面間の距離より短い辺を有する正方形の形状を有し，
   −前記コレクタ（７）の表面に対して垂直をなすと共に前記コレクタ（７）の表面の中心を通る線の周りを回転可能に配置され，２つの隣接する電極（６）間に堆積した前記繊維（５）の次層（８）を，前層（８）の前記繊維（５）の方向に対して垂直をなす前記繊維（５）の方向にして載置させることができることを特徴とする請求項７記載の装置。
10. 前記アキュムレータ（７）は回収された前記繊維（５）の複数の層（８）を載置する皿の形状を有し，前記繊維（５）を前記アキュムレータ（７）内に押し込むと共に回収された前記繊維（５）の前記複数の層（８）のそれぞれの層（８）を圧縮して三次元構造の秩序性を機械的に強化するピストンを更に備えることを特徴とする請求項６記載の装置。
11. 前記アキュムレータ（７）は，コレクタ（７）の表面に対して垂直をなすと共に前記コレクタ（７）の表面の中心を通る線の周りを回転可能に配置され，前記アキュムレータを僅かに回転させることで，２つの隣接する電極（６）間に堆積した前記繊維（５）の次層（８）を，前層（８）の前記繊維（５）の方向とは異なる前記繊維（５）の方向にして載置させることができることを特徴とする請求項１０記載の装置。

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