JP4312090B2

JP4312090B2 - 静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置

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Publication number: JP4312090B2
Application number: JP2004078901A
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Inventors: 隆多羅尾; 雅章川部
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Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2009-08-12
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Description

本発明は静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置に関し、特に、繊維同士が接着していないか、或いは極めて弱く接着した低密度で綿状の繊維集合体を製造する静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置に関するものである。

従来、静電紡糸による高分子繊維集合体の製造は、原料となる高分子溶液を微細な孔を通して押出しながら同時に電場を掛けると、高分子溶液中の溶媒が揮発し、凝固して高分子繊維を形成し、一定距離離れた場所に位置する回収装置等に集積される。この高分子繊維集合体は、数ｎｍ〜数千ｎｍの間の直径を有する繊維が３次元のネットワーク構造を成して集積した形態であり、単位体積当たりの表面積が非常に大きい。従って、他の製造方法により製造した高分子繊維集合体と比べて非常に大きな気孔度と比表面積を有する。

このような繊維集合体の製造方法及び装置は、液状ポリマーを紡糸空間に供給できるノズル部を有する液だめ（高電圧に印加される、又は接地される）と、集積用対向電極（平板，ロール）とを備えている。ノズル部から電界により紡糸された繊維は、集積用対向電極上に集積され、その後、集積された繊維集合体を掻き取り装置等により回収している（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第２，０４８，６５１号明細書（第２−３頁、第２図）

しかしながら、この特許文献１では、繊維が集積用対向電極上に直接電界の力で集積するので、帯電繊維による集積用対向電極との静電気力によりペーパー状の繊維集合体になり、低密度な綿状の繊維集合体として回収できないという問題点があった。また、電極上に掻きとり装置を設けた場合も、掻きとり後の繊維集合体は嵩高くはなく、断熱材などの嵩高な繊維集合体として利用できるものではない。さらに、集積した繊維同士が強固に接着している場合があった。

本発明はこのような従来の問題点を解決するためになされたもので、繊維同士が接着していないか、或いは極めて弱く接着した低密度で綿状の繊維集合体を製造することができる静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る静電紡糸法による繊維集合体の製造方法は、紡糸するポリマー溶液を紡糸空間へ供給するステップと、ポリマー溶液を供給する方向に第１の気流を供給するステップと、供給して形成した繊維に、繊維の電荷とは反対極性のイオンを照射するステップと、ポリマー溶液を供給する方向と交差する方向であって紡糸した繊維を回収する方向に第２の気流を供給しながら、該繊維を回収するステップと、を含むことを特徴とする。

この方法では、紡糸空間へ供給して形成した繊維に、この繊維とは反対極性のイオンを照射することで、繊維の帯電が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力によって落下し、低密度で綿状の繊維集合体が得られる。このとき、第１の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、ポリマー溶液を供給する部分に付着するのを防止することができる。また、第２の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、電気的に繊維を吸引するための対向電極に付着するのを防止することができる。従って、繊維集合体の安定した製造が可能となる。

ここで、第１の気流の流速は、第２の気流の流速よりも速いのが好ましい。これにより、電気的に中和された繊維が、ポリマー溶液を供給する部分に付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

本発明に係る静電紡糸法による繊維集合体の製造方法は、対向した第１及び第２の位置から、互いに反対極性のポリマー溶液を紡糸空間へ供給するステップと、第１の位置からポリマー溶液を供給する方向に、第１の気流を供給するステップと、第２の位置からポリマー溶液を供給する方向に、第２の気流を供給するステップと、第１の位置と第２の位置とが対向する方向と交差する方向であって紡糸した繊維を回収する方向に第３の気流を供給しながら、該繊維を回収するステップと、を含むことを特徴とする。

この方法では、対向した位置から、互いに反対極性のポリマー溶液を紡糸空間へ供給することで、反対の極性に帯電した繊維は互いに接触及び接近して電荷が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力によって落下し、低密度で綿状の繊維集合体が得られる。このとき、第１及び第２の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、それぞれ第１及び第２の位置のポリマー溶液を供給する部分に付着するのを防止することができる。また、第３の気流を供給することにより、第１及び第２の位置のポリマー溶液を供給する部分から供給され中和された繊維が、それぞれ対向する第２及び第１の位置のポリマー溶液を供給する部分に付着するのを防止できる。従って、繊維集合体を安定して製造することが可能となる。

ここで、第１及び第２の気流の流速は、第３の気流の流速よりも速いのが好ましい。これにより、電気的に中和された繊維が、第１及び第２の位置のポリマー溶液を供給する部分に付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

また、第１の気流の流速と第２の気流の流速とは、実質的に等しいのが好ましい。これにより、紡糸空間における気流を乱さずに繊維を安定して捕集できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

本発明に係る繊維集合体製造装置は、ポリマー溶液を紡糸空間へ供給できるポリマー供給部と、ポリマー溶液に対して電荷を与えることのできる電荷付与手段と、ポリマー供給部に対向しており、ポリマー溶液の供給により形成された繊維を電気的に吸引することのできる対向電極と、ポリマー供給部と対向電極間を飛翔中の繊維に対して、繊維の電荷と反対極性のイオンを照射できる手段と、紡糸した繊維を回収できる繊維回収装置と、ポリマー供給部から対向電極に向かう方向に、第１の気流を供給できる第１の送風装置と、ポリマー供給部から対向電極に向かう方向と交差し繊維回収装置に向かう方向に、第２の気流を供給できる第２の送風装置と、を備えることを特徴とする。

ポリマー溶液の紡糸空間への供給により形成された繊維に、この繊維とは反対極性のイオンを照射することで、繊維の帯電が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力によって落下し、低密度で綿状の繊維集合体が得られる。このとき、第１の送風装置により第１の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、ポリマー供給部に付着するのを防止することができる。また、第２の送風装置により第２の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、対向電極に付着するのを防止することができる。従って、繊維集合体を安定して製造することが可能となる。

ここで、イオン照射手段は電離放射線源としてもよい。これにより、電離放射線源によりポリマー供給部と対向電極間の電位差の形成とは独立してイオンを発生させ照射することができるため、イオンの照射量の制御が容易であり、低密度で綿状の繊維集合体を安定して製造することができる。

また、第１の送風装置が供給する第１の気流の流速は、第２の気流の流速よりも速いのが好ましい。これにより、電気的に中和された繊維が、ポリマー供給部に付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

本発明に係る繊維集合体製造装置は、ポリマー溶液を紡糸空間へ供給できる第１のポリマー供給部と、第１のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液に対して電荷を与えることができる第１の電荷付与手段と、第１のポリマー供給部に対向しており、ポリマー溶液を紡糸空間へ供給できる第２のポリマー供給部と、第２のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液に対して第１のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液とは反対極性の電荷を与えることができる第２の電荷付与手段と、紡糸した繊維を回収できる繊維回収装置と、第１のポリマー供給部から第２のポリマー供給部に向かう方向に、第１の気流を供給できる第１の送風装置と、第２のポリマー供給部から第１のポリマー供給部に向かう方向に、第２の気流を供給できる第２の送風装置と、第１のポリマー供給部と第２のポリマー供給部とが対向する方向と交差し繊維回収装置に向かう方向に、第３の気流を供給できる第３の送風装置と、を備えることを特徴とする。

この装置では、対向した位置から、互いに反対極性のポリマー溶液を紡糸空間へ供給することで、反対の極性に帯電された繊維は互いに接触及び接近して電荷が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力によって落下し、低密度で綿状の繊維集合体が得られる。このとき、第１及び第２の気流を供給することにより、電気的に中和された繊維が、第１及び第２のそれぞれのポリマー供給部に付着するのを防止することができる。また、第３の気流を供給することにより、第１及び第２の位置のポリマー溶液を供給する部分から供給され中和された繊維が、それぞれ対向する第２及び第１の位置のポリマー溶液を供給する部分に付着するのを防止できる。従って、繊維集合体を安定して製造することが可能となる。

さらに、第１及び第２のポリマー供給部を使用することにより繊維量を増やすことができるため、繊維集合体の生産性に優れている。また、繊維径が異なる、繊維構成材の組成が異なるなど、異種の繊維が混在する繊維集合体を製造することができる。

ここで、第１及び第２の気流の流速は、第３の気流の流速よりも速いのが好ましい。これにより、電気的に中和された繊維が、第１及び第２のポリマー供給部に付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

本発明によれば、繊維同士が接着していないか、或いは極めて弱く接着した低密度で綿状の繊維集合体を安定的に製造することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る繊維集合体製造装置を示す概略図である。

繊維集合体製造装置１は、図１に示すように、繊維を紡糸する紡糸室３を備えている。紡糸室３は、主室３１と副室３２とを有している。主室３１は、略直方体状の筐体から構成されており、鉛直方向に対向する底壁部３１ｄと上壁部３１ｂと、水平方向に対向する右側壁部３１ｃと左側壁部３１ａとを含んでいる。副室３２は、主室３１よりも小さい略直方体状の筐体から構成されており、主室３１の左側壁部３１ａに連続して設けられている。副室３２が設けられる主室３１の左側壁部３１ａの部位には連通孔４０が設けられており、主室３１と副室３２とが連通されている。

副室３２内には、繊維の原料となるポリマー溶液を主室３１内の紡糸空間へ供給するための紡糸ノズル２（ポリマー供給部）が設けられている。この紡糸ノズル２には、ポリマー溶液を供給するポリマー供給機６と、ポリマー溶液に対して電荷を与えることのできる第１高電圧電源７（電荷付与手段）と、が接続されている。

また主室３１内で右側壁部３１ｃの近傍には、紡糸ノズル２に水平方向に対向するように、対向電極５が設けられている。この対向電極５には、第２高電圧電源８が接続されている。対向電極５は、ポリマー溶液の供給により形成された繊維を電気的に吸引すると共に、紡糸空間を飛翔中の繊維に対して、繊維の電荷と反対極性のイオン５ａを照射する。

主室３１内で底壁部３１ｄ上には、例えばネットやコンベア等の捕集部材４（繊維回収装置）が設けられている。この捕集部材４により、紡糸された繊維が捕集される。

また繊維集合体製造装置１は、紡糸室３内に気流を送り温度や湿度を制御する温湿度制御装置３０を備えている。この温湿度制御装置３０と副室３２との間に第１の送風管３０１が設けられており、また温湿度制御装置３０と主室３１の上壁部３１ｂとの間に第２の送風管３０２が設けられている。

温湿度制御装置３０から第１の送風管３０１を通して副室３２内に気流を供給すると、この気流は上記の連通孔４０を通って対向電極５に向けて主室３１内に供給される。このようにして、温湿度制御装置３０と第１の送風管３０１とにより、第１の送風装置が構成されている。また、温湿度制御装置３０から第２の送風管３０２を通して主室３１内に気流を供給すると、この気流は上壁部３１ｂから主室３１内の底壁部３１ｄに向けて鉛直下方に供給される。このようにして、温湿度制御装置３０と第２の送風管３０２とにより、第２の送風装置が構成されている。

また、本実施形態に係る繊維集合体製造装置１では、主室３１の底壁部３１ｄに吸引機９が接続されている。この吸引機９を作動させると、主室３１内で捕集部材４に向かう気流が生成される。従って、吸引機９を作動させる場合は、温湿度制御装置３０と第２の送風管３０２と吸引機９とにより、第２の送風装置が構成される。

なお、本実施形態では、第１の送風装置と第２の送風装置とで温湿度制御装置３０を共通化したが、第１の送風装置と第２の送風装置とで送風のためのブロア等の装置を別々に設けてもよい。

ここで、紡糸ノズル２としては、内径０．０１〜５ミリ程度の金属・非金属パイプを使用できる。また、図２に示すように、ポリマー溶液２１を収容したポリマー溶液容器２２中に回転するノコギリ状歯車２０を浸漬させ、対向電極５に向かうノコギリ状歯車２０の先端部２０ａを電極とするエッジ電極を使用できる。同様に図３に示すように、ワイヤ２０ｂをローラー２３によってポリマー溶液容器２２内を回転させ、ポリマー溶液を載せたコンベア状のワイヤ２０ｂを電極として使用することもできる。なお、図３においては、対向電極（図示しない）は、紙面に垂直に配置されている。さらに、従来の種々の静電紡糸用電極を利用することもできる。

対向電極５としては、コロナ放電用ニードル（高電圧印加あるいは接地でもよい）、コロナ放電用ワイヤ（高電圧印加あるいは接地でもよい）、交流放電素子などが使用できる。また、交流放電素子として、図４に示すような沿面放電素子を使用できる。すなわち図４において、沿面放電素子２５は、誘電体基板２６（例えば、アルミナ膜）を挟んで放電電極２７及び誘起電極２８を設け、これらの電極間に交流の高電圧を印加することにより、放電電極２７部分で沿面放電を起こし、正及び負のイオンを生成させることができる。

本実施形態に係る繊維集合体製造装置１に使用可能なポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリメタクリル酸メチル、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、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン１２、ナイロン−４，６などのナイロン系、アラミド、ポリベンズイミダゾール、ポリビニルアルコール、セルロース、酢酸セルロース、酢酸セルロースブチレート、ポリビニルピロリドン−酢酸ビニル、ポリ（ビス−（２−（２−メトキシ−エトキシエトキシ））ホスファゼン）(poly(bis-(2-(2-methoxy-ethoxyethoxy))phosphazene)；MEEP)、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミド(PEI)、ポリこはく酸エチレン(poly(ethylenesuccinate))、ポリアニリン、ポリエチレンサルファイド、ポリオキシメチレン−オリゴ−オキシエチレン(poly(oxymethylene-oligo-oxyethylene))、ＳＢＳ共重合体、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンオキサイド、コラーゲン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリＤ，Ｌ−乳酸−グリコール酸共重合体、ポリアリレート、ポリプロピレンフマラート(poly(propylene fumalates))、ポリカプロラクトンなどの生分解性高分子、ポリペプチド、タンパク質などのバイオポリマー、コールタールピッチ、石油ピッチなどのピッチ系などの溶融または適正溶媒に溶解可能な様々なポリマーが適用可能であり、これらの共重合体及び混合物なども使用可能である。また、金属アルコキシドを加水分解した曳糸性のゾル溶液も使用可能である。

さらに、前記ポリマー溶液に合成樹脂などのエマルジョン或いは有機、無機物の粉末を混合して用いることも可能である。ポリマーの溶媒には、例えば、(ａ)揮発性の高いアセトン、クロロホルム、エタノール、イソプロパノール、メタノール、トルエン、テトラヒドロフラン、水、ベンゼン、ベンジルアルコール、１，４−ジオキサン、プロパノール、四塩化炭素、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、塩化メチレン、フェノール、ピリジン、トリクロロエタン、酢酸などと、(ｂ)揮発性が相対的に低いＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド(DMAc)、１−メチル−２−ピロリドン(NMP)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、アセトニトリル(AN)、Ｎ−メチルモルホリン−Ｎ−オキシド、ブチレンカーボネート(BC)、１，４−ブチロラクトン(BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジエチルエーテル(DEE)、１，２−ジメトキシエタン(DME)、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン(DMI)、１，３−ジオキソラン(DOL)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルホルマート(MF)、３−メチルオキサゾリジン−２−オン(MO)、メチルプロピオネート(MP)、２−メチルテトラヒドロフラン(MeTHF)、スルホラン(SL)などがある。

好ましくは、ポリマーを溶解させる溶媒として、前記揮発性の高い溶媒または揮発性の高い溶媒と相対的に低い揮発性を有する溶媒とを混合した混合溶媒を用いれば、溶媒の揮発性を増加させたり溶液の粘度を低下させることができるので、個々のノズルからの吐出量を増加させて生産性を向上させることができる。

続いて、本実施形態に係る繊維集合体製造装置１における静電紡糸法による繊維集合体の製造方法について説明する。まず、紡糸する繊維の原料となるポリマー溶液をポリマー供給機６から紡糸ノズル２に供給する。次に、紡糸ノズル２及び対向電極５間に高電圧を印加した状態で、紡糸ノズル２先端からポリマー溶液を吐出する。すると、帯電した液状のポリマーはその溶媒が揮発し、凝固して繊維となり対向電極５に向かって進行する。このとき、紡糸ノズル２に対向して配置された対向電極５から、繊維に向かってイオン５ａが照射される。このイオンによって繊維の帯電が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力に従って落下して繊維が捕集部材４で回収される。従って、低密度で綿状の繊維集合体を得ることができる。

このとき、温湿度制御装置３０から第１の送風管３０１を通して副室３２から主室３１内に第１の気流３０ａを供給することにより、電気的に中和された繊維が、紡糸ノズル２に付着するのを防止することができる。また、温湿度制御装置３０から第２の送風管３０２を通して主室３１内に第２の気流３０ｂを供給することにより、電気的に中和された繊維が、対向電極５に付着するのを防止することができる。従って、繊維集合体を安定して製造することができる。

ここで、第１の送風装置が供給する第１の気流３０ａの流速は、第２の送風装置が供給する第２の気流３０ｂの流速よりも速いのが好ましい。これにより、電気的に中和された繊維が、紡糸ノズル２に付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

また、第１の気流３０ａの流速は５〜１００ｃｍ／ｓｅｃ．が好ましく、１５〜６０ｃｍ／ｓｅｃ．がより好ましい。５ｃｍ／ｓｅｃ．未満の場合、繊維が紡糸ノズル２に付着しやすくなる傾向にあり、一方、１００ｃｍ／ｓｅｃ．を超えた場合、繊維が対向電極５に付着しやすくなる傾向があるためである。

さらに、第２の気流３０ｂの流速は３〜１００ｃｍ／ｓｅｃ．が好ましく、１０〜４０ｃｍ／ｓｅｃ．がより好ましい。３ｃｍ／ｓｅｃ．未満の場合、繊維が対向電極５に付着しやすくなる傾向にあり、一方、１００ｃｍ／ｓｅｃ．を超えた場合、捕集部材４に繊維が強く叩きつけられると共に、気流の吸引力を高める必要があるため、繊維同士が接着していないか、低密度で綿状の（嵩高な）繊維集合体を製造することが困難となる傾向があるためである。

さらに、第１の気流３０ａの流速（ｆ１とする）と第２の気流３０ｂの流速（ｆ２とする）の差（ｆｄ＝|ｆ１−ｆ２|）の、流速の遅い方の気流（好ましくは第２の気流３０ｂ）の流速に対する百分率が、１０〜２００％であるのが好ましく、５０〜１００％であるのがより好ましい。これは、１０％未満の場合でも、２００％を超えた場合でも、気流のバランスが崩れやすく、紡糸ノズル２や対向電極５を含めて様々な所に繊維が付着しやすくなり、繊維集合体を安定して製造することが困難となる傾向があるためである。

なお、イオン５ａの発生及び照射は、連続的に又は不連続的に行うことができる。また、紡糸ノズル２と対向電極５との間に電界が生じれば良く、いずれか一方のみに高電圧を印加し、他方を接地しても良い。また、紡糸ノズル２は加熱されていても、加熱されていなくても良い。

また、図５に示すように、図１の対向電極５に替えて、電離放射線１０ａを照射できる電離放射線源１０と、繊維を電気的に吸引できるネット状の対向電極５を用いても良い。この場合、対向電極５に第３高電圧電源１１が接続される。

この構成では、第１高電圧電源７及び／又は第３高電圧電源１１により所定の電圧を紡糸ノズル２及び／又は対向電極５に印加することにより、紡糸ノズル２と対向電極５との間に電位差が生じ、繊維は第１の気流３０ａに押されながら電気的に吸引されて、対向電極５に向かって飛翔する。この飛翔する繊維に対して、電離放射線１０ａが照射され、気体をイオン化し、イオン源として作用する。これにより、繊維の帯電が中和され、静電気力による飛翔力を失い、第２の気流３０ｂに押されながら重力に従って落下し、繊維が捕集部材４で回収される。従って、低密度で綿状の繊維集合体を安定的に得ることができる。

なお、電離放射線１０ａの発生及び照射は、連続的に又は不連続的に行うことができる。また、紡糸ノズル２と対向電極５との間に電界が生じれば良く、いずれか一方のみに高電圧を印加し、他方を接地しても良い。また、紡糸ノズル２は加熱されていても、加熱されていなくても良い。

また、電離放射線源１０を使用した場合には、その線量を紡糸ノズル２と対向電極５との間の電位差の形成とは独立して調節できるため、繊維集合体を安定して得ることが可能である。

また、電離放射線源１０としては種々の放射線源を使用することができ、特にＸ線照射装置が望ましい。なお、対向電極５は紡糸ノズル２との間に電位差が生じていれば良く、接地されていても電圧が印加されていても良い。また、電離放射線源１０は、繊維に対して放射線を照射できれば良く、対向電極５の背後に位置している必要はない。さらに、対向電極５はネット状である必要はなく、電離放射線が透過できれば種々の部材が使用でき、金属蒸着フィルムであっても使用可能である。

なお、図５とは異なり、電離放射線源１０に替えて、対向電極と同様の沿面放電素子を、紡糸ノズル２と、ネット状対向電極５との間に配置して、沿面放電素子からイオンを飛翔する繊維に作用させ、中和することもできる。この場合も、紡糸ノズル２と対向電極５との間の電位差の形成とは独立してイオンを発生させ照射することができるため、イオンの照射量の制御が容易であり、低密度で綿状の繊維集合体を安定して製造することができるという効果を奏する。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上記した第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図６は、第２実施形態に係る繊維集合体製造装置を示す概略図である。

繊維集合体製造装置１Ａは、図６に示すように、繊維を紡糸する紡糸室３を備えている。紡糸室３は、主室３１と副室３２，３３とを有している。主室３１は、略直方体状の筐体から構成されており、鉛直方向に対向する底壁部３１ｄと上壁部３１ｂと、水平方向に対向する右側壁部３１ｃと左側壁部３１ａとを含んでいる。副室３２，３３はそれぞれ、主室３１よりも小さい略直方体状の筐体から構成されている。副室３２は、主室３１の左側壁部３１ａに連続して設けられている。副室３３は、主室３１の右側壁部３１ｃに連続して設けられている。副室３２が設けられる主室３１の左側壁部３１ａの部位と、副室３３が設けられる主室３１の右側壁部３１ｃの部位とには、連通孔４１，４２が設けられており、主室３１及び副室３２と、主室３１及び副室３３とが連通されている。

副室３２，３３内にはそれぞれ、第１紡糸ノズル２ａ（第１のポリマー供給部）及び第２紡糸ノズル２ｂ（第２のポリマー供給部）が、水平方向に互いに対向するように設けられている。第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂは、繊維の原料となるポリマー溶液を主室３１内の紡糸空間へ供給する。ここで、第１紡糸ノズル２ａには、ポリマー溶液を供給する第１ポリマー供給機６ａと、ポリマー溶液に対して電荷を与えることのできる第１高電圧電源７（第１の電荷付与手段）と、が接続されている。また、第２紡糸ノズル２ｂには、第２ポリマー供給機６ｂと、第１高電圧電源７とは反対極性の高電圧を印加する第２高電圧電源８（第２の電荷付与手段）と、が接続されている。

また繊維集合体製造装置１Ａは、紡糸室３内に気流を送り温度や湿度を制御する温湿度制御装置３０が設けられている。この温湿度制御装置３０と副室３２，３３との間にそれぞれ、第１の送風管３０１及び第２の送風管３０３が設けられており、また温湿度制御装置３０と主室３１の上壁部３１ｂとの間に第３の送風管３０４が設けられている。

温湿度制御装置３０から第１の送風管３０１及び第２の送風管３０３を通して副室３２，３３内それぞれに気流を供給すると、この気流は上記の連通孔４１，４２を通ってそれぞれ対向する第２紡糸ノズル２ｂ及び第１紡糸ノズル２ａに向けて主室３１内に供給される。このようにして、温湿度制御装置３０と第１の送風管３０１とにより、第１の送風装置が構成され、温湿度制御装置３０と第２の送風管３０３とにより、第２の送風装置が構成されている。また、温湿度制御装置３０から第３の送風管３０４を通して主室３１内に気流を供給すると、この気流は上壁部３１ｂから主室３１内の底壁部３１ｄに向けて鉛直下方に供給される。このようにして、温湿度制御装置３０と第３の送風管３０４とにより、第３の送風装置が構成されている。

また、本実施形態に係る繊維集合体製造装置１Ａでは、主室３１の底壁部３１ｄに吸引機９が接続されている。この吸引機９を作動させると、主室３１内で捕集部材４に向かう気流が生成される。従って、吸引機９を作動させる場合は、温湿度制御装置３０と第３の送風管３０４と吸引機９とにより、第３の送風装置が構成される。

なお、本実施形態では、第１〜３の送風装置とで温湿度制御装置３０を共通化したが、第１〜３の送風装置とで送風のためのブロア等の装置を別々に設けてもよい。

その他は第１実施形態における繊維集合体製造装置１と同様な構成であり、重複する説明は省略する。

続いて、本実施形態に係る繊維集合体製造装置１Ａにおける静電紡糸法による繊維集合体の製造方法について説明する。まず、第１高電圧電源７及び第２高電圧電源８により互いに反対極性の電圧をそれぞれ第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂに印加しながら、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂからポリマー溶液を吐出する。すると、互いに反対極性に帯電された繊維は、対向して吐出されることにより接触及び接近して電荷が中和され、静電気力による飛翔力を失い、重力に従って落下して繊維が捕集部材４で回収される。従って、低密度で綿状の繊維集合体を得ることができる。

このとき、温湿度制御装置３０から、第１の送風管３０１及び第２の送風管３０３を通してそれぞれ副室３２，３３から主室３１内にそれぞれ第１の気流３０ａ及び第２の気流３０ｃを供給することにより、電気的に中和された繊維が、それぞれ第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂに付着するのを防止することができる。また、温湿度制御装置３０から第３の送風管３０４を通して主室３１内に第３の気流３０ｄを供給することにより、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂから供給され中和された繊維が、それぞれ対向する第２紡糸ノズル２ｂ及び第１紡糸ノズル２ａに付着するのを防止できる。従って、繊維集合体を安定して製造することができる。

ここで、第１紡糸ノズル２ａからのポリマー溶液吐出条件と、第２紡糸ノズル２ｂからのポリマー溶液吐出条件とが異なるように調整することにより、繊維径が異なる、繊維構成材の組成が異なるなど、異種の繊維が混在する繊維集合体を製造できる。

また、第１の送風装置が供給する第１の気流３０ａの流速及び第２の送風装置が供給する第２の気流３０ｃの流速は、第３の送風装置が供給する第３の気流３０ｄの流速よりも速いのが好ましい。これにより、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂから供給され中和された繊維が、それぞれ第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂに付着するのを効果的に防止できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

また、第１の気流３０ａ及び第２の気流３０ｃの流速は５〜１００ｃｍ／ｓｅｃ．が好ましく、１５〜６０ｃｍ／ｓｅｃ．がより好ましい。５ｃｍ／ｓｅｃ．未満の場合、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂから吐出された繊維が、吐出後すぐにそれぞれ第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂに付着しやすくなる傾向にあり、一方、１００ｃｍ／ｓｅｃ．を超えた場合、吐出後、それぞれが対向する第２紡糸ノズル２ｂ及び第１紡糸ノズル２ａに繊維が付着しやすくなる傾向があるためである。

さらに、第３の気流３０ｄの流速は３〜１００ｃｍ／ｓｅｃ．が好ましく、１０〜４０ｃｍ／ｓｅｃ．がより好ましい。３ｃｍ／ｓｅｃ．未満の場合、繊維が第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂに付着しやすくなる傾向にあり、一方、１００ｃｍ／ｓｅｃ．を超えた場合、捕集部材４に繊維が強く叩きつけられると共に、気流の吸引力を高める必要があるため、繊維同士が接着していないか、低密度で綿状の（嵩高な）繊維集合体を製造することが困難となる傾向があるためである。

さらに、第１の気流３０ａの流速（ｆ１とする）と、第２の気流３０ｃの流速（ｆ２とする）と、第３の気流３０ｄの流速（ｆ３とする）との間において、以下の関係が成立するのが好ましい。すなわち、ｆ１とｆ３との差（ｆｄ１＝|ｆ１−ｆ３|）の、流速の遅い方の気流（好ましくは第３の気流３０ｄ）の流速に対する百分率、及びｆ２とｆ３との差（ｆｄ２＝|ｆ２−ｆ３|）の、流速の遅い方の気流（好ましくは第３の気流３０ｄ）の流速に対する百分率のいずれもが、１０〜２００％であるのが好ましく、５０〜１００％であるのがより好ましい。これは、１０％未満の場合でも、２００％を超えた場合でも、気流のバランスが崩れやすく、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂを含めて様々な所に繊維が付着しやすくなり、繊維集合体を安定して製造することが困難となる傾向があるためである。

さらに、第１の気流３０ａ及び第２の気流３０ｃの流速は、実質的に等しいのが好ましい。これにより、紡糸空間における気流を乱さずに繊維を安定して捕集できるため、繊維集合体をより安定して製造することができる。

なお、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂからのポリマー溶液の吐出は、連続的に又は不連続的に行うことができる。また、第１紡糸ノズル２ａと第２紡糸ノズル２ｂとの間に電界が生じれば良く、これらのいずれか一方のみに高電圧を印加し、他方を接地しても良い。また、第１紡糸ノズル２ａ及び第２紡糸ノズル２ｂは加熱されていても、加熱されていなくても良い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記した第１〜第２実施形態では、紡糸室３を備えているが、気流や温湿度の制御が可能であれば、紡糸室３は必ずしも必要ではない。

また、上記した第１〜第２実施形態においては、１本の紡糸ノズルを使用した態様であるが、紡糸ノズルは１本である必要はなく、生産性を高めるために、２本以上の紡糸ノズルを備えていてもよい。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１〜９）及び（比較例１〜３）
（実施例１〜９）及び（比較例１〜３）について、紡糸に使用したポリマー、紡糸条件及び繊維回収状態などを以下の表にまとめて示した。なお、（実施例１〜８）及び（比較例１〜３）については、第１実施形態に係る繊維集合体製造装置１を用い、（実施例９）については、第２実施形態に係る繊維集合体製造装置１Ａを用いた。また、紡糸ノズルとしては、内径０．４ｍｍの金属製注射針（先端はカットしたもの）を使用した。また、対向電極５としては、次のＡ〜Ｅを用いた。すなわち、
Ａ：先端の曲率半径が５μｍの金属針、
Ｂ：直径３０μｍのタングステンワイヤ、
Ｃ：図４に示すように、ステンレス板２８（誘起電極）上に厚さ１ｍｍのアルミナ膜２６（誘電体基板）を溶射し、その上に直径３０μｍのタングステンワイヤ２７（放電電極）を１０ｍｍの等間隔で張った沿面放電素子（タングステンワイヤ２７面を紡糸ノズルと対向させると共に接地し、ステンレス板２８とタングステンワイヤ２７間に交流高電圧電源２９により５０Ｈｚの交流高電圧を印加）、
Ｄ：直径０．１ｍｍ、目開き５ｍｍのステンレスメッシュ、
Ｅ：内径０．４ｍｍの金属製注射針（先端はカットしたもの）を使用した。

また、イオン照射手段として、次のＶ〜Ｚを使用した。すなわち、
Ｖ：対向電極Ａ（対向電極を兼ねる）、
Ｗ：対向電極Ｂ（対向電極を兼ねる）、
Ｘ：対向電極Ｃ（対向電極を兼ねる）、
Ｙ：９．５ｋｅＶの最大エネルギーをもつ軟Ｘ線（加速電子線平均出力１０Ｗ）を照射可能な電離放射線源、
Ｚ：対向電極Ｅ（対向電極を兼ねる）を使用した。

連続的に３０分間、紡糸することができるかどうかを判断することで評価した。

なお、表中、実施例７及び８、及び比較例１〜３における「ＳｉＯ₂ゾル」は、金属化合物としてテトラエトキシシラン、溶媒としてエタノール、加水分解のための水、及び触媒として１規定の塩酸を、１：５：２：０．００３のモル比で混合し、温度７８℃で１０時間の還流操作を行い、次いで、溶媒をロータリーエバポレーターにより除去して濃縮した後、温度６０℃に加温して形成した、粘度が２ポイズのゾル溶液である。また、表中の「ポリマー」は、それぞれＰＡＮ：ポリアクリロニトリル、ＤＭＦ：Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ＥｔＯＨ：エタノールである。また、表中の「気流」に関して、水平方向と鉛直方向の気流とは、（実施例１〜８）及び（比較例１〜３）については、それぞれ図１における第１の気流３０ａと、第２の気流３０ｂとを示し、（実施例９）については、それぞれ図６における第１及び第２の気流３０ａ，３０ｃと、第３の気流３０ｄとを示す。

表から明らかなように、実施例１〜９の静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置によれば、低密度で綿状の繊維集合体を、紡糸ノズルや対向電極に付着させることなく、安定して製造することができた。

（実施例１０）
実施例７及び実施例８の繊維集合体を１日室温で乾燥した後、温度８００℃で２時間焼成した。焼成後の繊維集合体も綿状の集合体であった。このように、実施例７及び実施例８の静電紡糸法による繊維集合体の製造方法及び繊維集合体製造装置により製造された繊維集合体は、焼成後においても、綿状の嵩高な状態を維持できることがわかった。

本発明の第１実施形態に係る繊維集合体製造装置を示す概略図である。ポリマー溶液中に浸したエッジ電極を示す概略図である。ポリマー溶液中に浸したコンベア状のワイヤ電極を示す概略図である。（ａ）は沿面放電素子を示す概略平面図であり、（ｂ）は沿面放電素子を示す概略側面図である。電離放射線源を示す概略図である。本発明の第２実施形態に係る繊維集合体製造装置を示す概略図である。

符号の説明

１，１Ａ…繊維集合体製造装置、２…紡糸ノズル、２ａ…第１紡糸ノズル、２ｂ…第２紡糸ノズル、３…紡糸室、４…捕集部材、５…対向電極、５ａ…イオン、６…ポリマー供給機、６ａ…第１ポリマー供給機、６ｂ…第２ポリマー供給機、７…第１高電圧電源、８…第２高電圧電源、９…吸引機、１０…電離放射線源、１０ａ…電離放射線、１１…第３高電圧電源、２０…ノコギリ状歯車、２０ａ…先端部、２０ｂ…ワイヤ、２１…ポリマー溶液、２２…ポリマー溶液容器、２３…ローラー、２５…沿面放電素子、２６…誘電体基板、２７…放電電極、２８…誘起電極、２９…交流高電圧電源、３０…温湿度制御装置、３１…主室、３１ａ…左側壁部、３１ｂ…上壁部、３１ｃ…右側壁部、３１ｄ…底壁部、３２，３３…副室、３０１…第１の送風管、３０２，３０３…第２の送風管、３０４…第３の送風管、３０ａ…第１の気流、３０ｂ，３０ｃ…第２の気流、３０ｄ…第３の気流、４０，４１，４２…連通孔。

Claims

紡糸するポリマー溶液を紡糸空間へ供給するステップと、
前記ポリマー溶液を供給する方向に第１の気流を供給するステップと、
前記供給して形成した繊維に、前記繊維の電荷とは反対極性のイオンを照射するステップと、
前記ポリマー溶液を供給する方向と交差する方向であって紡糸した繊維を回収する方向に第２の気流を供給しながら、該繊維を回収するステップと、
を含むことを特徴とする、静電紡糸法による繊維集合体の製造方法。
前記第１の気流の流速は、前記第２の気流の流速よりも速いことを特徴とする、請求項１に記載の静電紡糸法による繊維集合体の製造方法。
対向した第１及び第２の位置から、互いに反対極性のポリマー溶液を紡糸空間へ供給するステップと、
前記第１の位置からポリマー溶液を供給する方向に、第１の気流を供給するステップと、
前記第２の位置からポリマー溶液を供給する方向に、第２の気流を供給するステップと、
前記第１の位置と前記第２の位置とが対向する方向と交差する方向であって紡糸した繊維を回収する方向に第３の気流を供給しながら、該繊維を回収するステップと、
を含むことを特徴とする、静電紡糸法による繊維集合体の製造方法。
前記第１及び第２の気流の流速は、前記第３の気流の流速よりも速いことを特徴とする、請求項３に記載の静電紡糸法による繊維集合体の製造方法。
前記第１の気流の流速と前記第２の気流の流速とは、実質的に等しいことを特徴とする、請求項３または４に記載の静電紡糸法による繊維集合体の製造方法。
ポリマー溶液を紡糸空間へ供給できるポリマー供給部と、
前記ポリマー溶液に対して電荷を与えることのできる電荷付与手段と、
前記ポリマー供給部に対向しており、ポリマー溶液の供給により形成された繊維を電気的に吸引することのできる対向電極と、
前記ポリマー供給部と前記対向電極間を飛翔中の繊維に対して、前記繊維の電荷と反対極性のイオンを照射できる手段と、
紡糸した繊維を回収できる繊維回収装置と、
前記ポリマー供給部から前記対向電極に向かう方向に、第１の気流を供給できる第１の送風装置と、
前記ポリマー供給部から前記対向電極に向かう方向と交差し前記繊維回収装置に向かう方向に、第２の気流を供給できる第２の送風装置と、
を備えることを特徴とする、繊維集合体製造装置。
前記イオン照射手段が電離放射線源である、請求項６に記載の繊維集合体製造装置。
前記第１の気流の流速は、前記第２の気流の流速よりも速いことを特徴とする、請求項６または７に記載の繊維集合体製造装置。
ポリマー溶液を紡糸空間へ供給できる第１のポリマー供給部と、
前記第１のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液に対して電荷を与えることができる第１の電荷付与手段と、
前記第１のポリマー供給部に対向しており、ポリマー溶液を前記紡糸空間へ供給できる第２のポリマー供給部と、
前記第２のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液に対して前記第１のポリマー供給部から供給されるポリマー溶液とは反対極性の電荷を与えることができる第２の電荷付与手段と、
紡糸した繊維を回収できる繊維回収装置と、
前記第１のポリマー供給部から前記第２のポリマー供給部に向かう方向に、第１の気流を供給できる第１の送風装置と、
前記第２のポリマー供給部から前記第１のポリマー供給部に向かう方向に、第２の気流を供給できる第２の送風装置と、
前記第１のポリマー供給部と前記第２のポリマー供給部とが対向する方向と交差し前記繊維回収装置に向かう方向に、第３の気流を供給できる第３の送風装置と、
を備えることを特徴とする、繊維集合体製造装置。
前記第１及び第２の気流の流速は、前記第３の気流の流速よりも速いことを特徴とする、請求項９に記載の繊維集合体製造装置。
前記第１の気流の流速と前記第２の気流の流速とは、実質的に等しいことを特徴とする、請求項９または１０に記載の繊維集合体製造装置。