JP4523013B2 - 不織布製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子物質からなるナノファイバを堆積し、不織布を製造する不織布の製造装置に関する。

高分子物質から成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状物質（以下、「ナノファイバ」と記す。）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。

このエレクトロスピニング法とは、コレクタ（収集電極）に対し高電圧を印加した針状のノズルから溶媒中に高分子物質を分散させた高分子溶液をコレクタに向かって噴射（流出）させることにより、ナノファイバを得る方法である。より具体的には、噴射ノズルを高電圧にすることにより帯電した高分子溶液が空間中に噴射され、溶媒が蒸発するに伴い空間中を飛翔中の高分子溶液の電荷密度が上昇する。そして、高分子溶液中に発生する反発方向のクーロン力が高分子溶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発生することで、サブミクロンの直径の高分子から成るナノファイバが製造される。

また、前述の方法で製造されたナノファイバを基板上に堆積させることで、立体的な網目を持つ３次元構造の薄膜を得ることができ、さらに厚く形成することでサブミクロンの網目を持つ高多孔性ウェブ（不織布）を製造することができる。

このようにエレクトロスピニング法を採用して製造されたウェブは、ナノオーダーの孔からなる高多孔性であり、ウェブ全体としての表面積が広いため、フィルタや電池のセパレータや燃料電池の高分子電解質膜や電極等に適用され、高い効果を得ることが期待されている。

従来、ナノファイバを多量に製造してナノファイバからなる実用的なウェブを製造する方法として、複数のノズルを並列に配置し、多量のナノファイバを堆積させてウェブを製造する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０１５５９号公報

従来、実験や研究により下記の知見が得られている。
すなわち、コレクタ上に堆積されるナノファイバの堆積方向の均一性や堆積量の空間的均一性等を高める為には高分子溶液を噴射するためのノズルと製造されたナノファイバを収集するコレクタとの距離を出来る限り短くする方が望ましい。また、ノズルとコレクタとの間の電圧が高ければ高いほど、１次爆発ばかりでなく２次爆発以降の高次の静電爆発が発生する回数が増加し、製造されるナノファイバの径が微細になる。

一方、ノズルとコレクタとの距離を長くするほど、溶媒の蒸発量が増加し、高次の静電爆発が発生する回数が増加する。また、ノズルとコレクタとの間の電圧が低いほど、また、ノズルとコレクタとの距離を長くするほどノズルとコレクタとの間で発生する異常放電を抑制することができる。

ナノファイバにより不織布を製造する場合、上記相反する観点に鑑み、妥協点としてノズルとコレクタとの距離、及び、電圧が決定されている。

ところが、前記特許文献１に記載されているように複数のノズルを配置し、多量のナノファイバを製造し、不織布を得ようとした場合、従来決定されていたノズルとコレクタとの距離や電圧では、堆積方向の均一性や堆積量の空間的均一性等を確保することが困難になる状況を見出した。

上記問題に鑑み、本願発明者らは鋭意研究と実験との結果、図８に示すように、ノズル１からコレクタ２に向かって発生する電気力線４とコレクタ２の表面との幾何学的関係、特にコレクタ２のエッジ部分５の形状がナノファイバの堆積方向の均一性や堆積量の空間的均一性等と関係するとの考えに至り、ナノファイバの堆積性能に好適なコレクタ形状やノズルの配置などを見出した。なお、図８には、コレクタ２の上にシート３が配置されている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ナノファイバからなる不織布を製造するに当たり、ナノファイバの体積方向の均一性や堆積量の空間的均一性を確保することができる不織布製造装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために本願発明にかかる不織布製造装置は、電圧が印加され、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射孔を有する噴射手段と、前記噴射手段と異なる電圧が印加され、ナノファイバを収集する収集電極を備える不織布製造装置であって、前記収集電極は、前記噴射孔から望む前記収集電極の面の周縁部に前記噴射孔から遠ざかる方向に曲がる曲面部を備えることを特徴とする。

これにより、収集電極１２０のエッジ部分がなだらかに噴射孔から遠ざかり、電場の急激な変化を回避することができる。従って、電気力線の極端な偏在などを抑止して、ナノファイバの堆積方向の均一性や、堆積量の空間的均一性を確保することが可能となる。

さらに、前記収集電極の曲面部の曲率半径方向に前記噴射孔を備えてもよい。
これにより、ナノファイバの堆積性能を向上させることが可能となる。

また、前記曲面部の曲率半径は、前記曲率半径方向に向く噴射孔の内、前記曲面部と最も近い前記噴射孔と前記曲面部との距離の４分の１以上１０倍以下であることが望ましい。

これにより、有効な曲面部を実現することが可能となる。
さらに、前記収集電極の前記噴射孔側に配置され、製造されたナノファイバを堆積状に保持する被堆積手段と、前記被堆積手段を所定方向に移動させる移動手段とを備え、前記収集電極は、前記堆積手段の移動方向と交差する方向を軸方向とする円筒形状であっても良い。

これにより、長尺の不織布を製造することが可能となり、しかも製造された不織布の幅方向の厚さの均一性などを確保することが可能となる。

さらに、前記堆積手段の移動方向と垂直に複数個広がって配設される前記噴射孔であって、隣接する噴射孔は前記移動方向に相互にずれて配設されてもよい。

これにより、噴射孔相互の影響による電気力線の乱れを可及的に防止することができ、噴射孔側から製造される不織布の幅方向の均一性を担保することが可能となる。

本発明によれば、ナノファイバの体積方向の均一性や堆積量の空間的均一性を確保することができ、均質な不織布を製造することが可能となる。さらに、高い効率で不織布を製造しても、前記不織布の均一性を確保することが可能となる。

次に、本発明にかかる不織布製造装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかる不織布製造装置を概略的に示す斜視図である。

同図に示すように不織布製造装置１００は、噴射手段１１０と、収集電極１２０と、被堆積手段としてのシート１６０とを備えている。なお、噴射される原料液と、製造されつつあるナノファイバとは明確に区別できないため、いずれにも２００の符号を付し、製造された不織布には２１０を付している。

噴射手段１１０とは、ナノファイバを製造するための原料液を噴射（流出）する噴射孔を備えた装置であり、電源１５０ａに接続されて所定の電位に維持されるものとなっている。また、原料液を貯蔵するタンク（図示せず）と接続されるパイプ１１１が噴射手段１１０に接続されており、所定の圧力で原料液が供給されるようになっている。

収集電極１２０は、噴射手段１１０に対し所定の電圧が印加されるように電源１５０ｂに接続され、製造されたナノファイバを収集するための装置である。なお、噴射手段１１０と収集電極１２０とは種々の態様があり、また、それらの組み合わせ態様も種々存在する。図１においては、噴射手段１１０及び収集電極１２０については一点鎖線で象徴的に示しており、これらの具体的態様については後述する。

シート１６０は、空間中で製造されたナノファイバ２００が堆積する対象となる部材であり、堆積したナノファイバ２００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である。シート１６０は、ロール状に巻き付けられた状態で供給され、ナノファイバ２００が堆積する部分をゆっくりと移動手段１７０により図中矢印方向に移動するものとなっている。そして、シート１６０上で製造された不織布２１０とともに再びロール状に巻き付けられるようになっている。

移動手段１７０は、シート１６０を所定の張力を維持しつつ一方方向に送ることができる装置であり、モータ（図示せず）などの駆動により図に示されるローラーを回転させてシート１６０を移動させるものである。

（噴射手段と収集電極との具体例１）
図２は、噴射手段および収集電極の具体例を示す図である。

なお、同図は、噴射手段１１０と収集電極１２０との関係を示すため、噴射手段１１０を大きく示しているが、実際は、収集電極１２０の径が数メートルの大きさであるのに対し、ノズル１１３の先端の径は数ミリ程度である。

同図に示す収集電極１２０は、円筒形状となされており、シート１６０の移動に伴い、または同期して回転しうるものとなされている。また、収集電極１２０は、収集電極１２０の端面に向かって徐々に縮径するように、円筒形状のエッジ部分にアール面取りが施されている。

なお、収集電極１２０は、真円ばかりでなく、円に近似できるような多角形でも構わない。

噴射手段１１０は、原料液を噴射する噴射孔（図示せず）を先端に備えたノズル１１３を複数個備えている。ノズル１１３は、シート１６０の移動方向と垂直な方向（図中Ｘ方向、シート１６０の幅方向）に等間隔に広がって配置されている。ノズル１１３は、Ｙ方向に対し斜め直線上に配置されている。従って、隣接するノズル１１３同士は、Ｙ方向にずれて配置されている状態となる。また、ノズル１１３は、収集電極１２０の回転軸に向かって原料液２００を噴射できるように前記回転軸を中心とする放射方向に配置されている。Ｘ方向の最端部にあるノズル１１３と他の最端部にあるノズル１１３と（シート１６０の幅方向両端部にあるノズル１１３）は、Ｘ方向の距離がシート１６０の幅よりも狭く設定され、また、曲面部の曲率中心ｃに向かうように傾いている（図３参照）。

以上のようにノズル１１３を配置することにより、収集電極１２０とノズル１１３とを所定の距離に維持したまま、ノズル１１３相互の距離を長くすることができるとともに、隣接するノズル１１３から製造されるナノファイバ２００のシート１６０上の堆積位置を任意に重ね合わせることができる。

従って、ノズル１１３同士が影響し合うことによる電気力線の乱れを抑止し、シート１６０の幅方向におけるナノファイバ２００の堆積量の位置的な偏りを防止して、シート１６０の幅方向において厚さの均一な不織布を製造することが可能となる。

図３(ａ)は、噴射手段及び収集電極をＹ方向から望み、収集電極とシートを切断して示す図である。

同図に示すように、ノズル１１３から望む収集電極１２０のＸ方向両端部は、Ｒ面取りが施され曲面部１２２を形成している。つまり、ノズル１１３から望む収集電極１２０の周縁部は、ノズル１１３からなだらかに遠ざかり収集電極１２０の周端に達する。従って、所定の電圧が印加される収集電極１２０とノズル１１３との関係が急激に変化する状態を回避することができ、仮想的にはノズル１１３から収集電極に至る電気力線乱れ（例えば電気力線の局所的な集中）が発生しにくい状態を創出することができる。これは、Ｙ方向についても同様の状態であり同様の効果を奏することができる。

これにより、ノズル１１３から原料液２００が噴射され製造されるナノファイバ２００がシート１６０に堆積する際、ナノファイバ２００の堆積方向の均一性や堆積量の均一性を確保することができる。引いては、不織布２１０を安定して製造することができるとともに、不織布２１０自体の性能を向上させることが可能となる。

また、収集電極１２０の曲面部１２２の表面の曲率半径Ｌ１と、ノズル１１３先端から曲面部１２２の表面までの最短距離Ｌ０との関係は、Ｌ０×１０≧Ｌ１≧Ｌ０／４が望ましい。さらには、Ｌ０×５≧Ｌ１≧Ｌ０／２の範囲が好適である。さらに、収集電極１２０の最大径をＬ２とした場合もＬ０×１０≧Ｌ２≧Ｌ０／４を満たすことが望ましい。

曲率半径Ｌ１がＬ０の１０倍より大きい場合、ノズル１１３が配置されるＸ方向の最大幅よりも収集電極１２０の幅をかなり大きくしないと、ノズル１１３に対し収集電極１２０が十分に遠ざからない。この場合、収集電極１２０の幅をある程度短く設定し省スペース化を図るものとすると、従来の平板形状の収集電極と同じようにノズル１１３から収集電極１２０の端縁部分のエッジが望めるようになり、この部分で電気力線が乱れ、ナノファイバ２００の堆積状態が悪化する。

一方、曲率半径Ｌ１がＬ０の４分の１より小さい場合、ノズル１１３に対し収集電極１２０が急激に遠ざかるため、従来の平板形状の収集電極と同じように電気力線の乱れが生じやすくなる。従って、ナノファイバ２００の堆積状態の悪化が考えられる。

なお、上記において曲面部１２２の形状を曲率半径で規定しているが、曲面部１２２の形状は円に限定されるものではない。同図（ｂ）において、斜線で示す範囲内に含まれる断面形状を有する曲面であれば、曲面部１２２の形状は楕円等任意の曲面であっても上記範囲内にある曲面とする。

（噴射手段と収集電極との具体例２）
図４は、噴射手段および収集電極の他の具体例を示す図である。

なお、同図は、噴射手段１１０と収集電極１２０との関係を示すため、噴射手段１１０を大きく示しているが、実際は、収集電極１２０が数メートルの大きさであるのに対し、ロータリーシリンダ１１４の径は数センチ程度である。

同図に示す収集電極１２０は、平板の全周に渡って周縁部が噴射孔１１２から遠ざかるような滑らかな曲面を備える形状となっている。

収集電極１２０は、不織布製造装置１００に対して固定状に配置されており、移動するシート１６０とは摺擦状態となる。

このような収集電極１２０とすれば、収集電極１２０を回転させる必要が無いため、収集電極１２０の電位を容易に安定させることができ、また、容易に小型化が可能になる。

噴射手段１１０は、多数の噴射孔１１２を備えるノズル１１３が周壁に多数個備えられた円筒形のロータリーシリンダ１１４を備えている。

図５(ａ)は、噴射手段の斜視図、（ｂ）は、断面図である。
同図に示すように、噴射手段１１０は、遠心力により原料液を噴射（流出）する装置であり、ロータリーシリンダ１１４と、原料液２００を貯蔵するタンク１１５と、タンク１１５とロータリーシリンダ１１４とを接続するパイプ１１１と、パイプ１１１と兼用される回転軸となるシャフト３０１と、回転体支持体３１２と、ベアリング３１０と、ギア３０７、３０８と、回転手段３０６とを備えている。

ロータリーシリンダ１１４は、回転体支持体３１２に対しシャフト３１１とベアリング３１０とを介して回転可能に軸支されている。また、ブラシ３１５を介し電源１５０ａにより所定の電位に維持される。ロータリーシリンダ１１４は、回転体支持体３１２に取り付けられている回転手段３０６とギア３０７、３０８を介して接続されており、回転手段３０６から付与される駆動力により回転するものとなっている。

また、シャフト３０１の一方には原料液２００流通用のパイプが接続され、タンク１１５から供給される原料液２００をポンプ１１７で圧送され、シャフト３０１の周壁に穿設される孔を通ってロータリーシリンダ１１４内部に原料液２００が供給されるものとなっている。このように、シャフト３０１の周壁に設けられる孔を介して原料液がロータリーシリンダ１１４に供給されることで、原料液２００が軸方向に均等に供給され、均等な量で原料液２００を噴射することができるようになっている。

以上のような噴射手段１１０を採用すれば、比較的大量のナノファイバ２００を一度に製造することができ、効率よく不織布２１０を製造することが可能となる。

（噴射手段と収集電極との具体例３）
図６は、噴射手段および収集電極の他の具体例を示す斜視図である。

図７は、噴射手段および収集電極の他の具体例を示す正面図である。
なお、同図は、噴射手段１１０と収集電極１２０との関係を示すため、噴射手段１１０を大きく示しているが、実際は、収集電極１２０の径が数メートルの大きさであるのに対し、縦型シリンダ１１６の径は数センチ程度である。

同図に示す収集電極１２０は、球面の一部であり、不織布製造装置１００に対して固定状に配置されている。従って、移動するシート１６０とは摺擦状態となる。

このような収集電極１２０とすれば、収集電極１２０を回転させる必要が無いため、収集電極１２０の電位を容易に安定させることができ、また、容易に小型化が可能になる。

噴射手段１１０は、多数の噴射孔１１２を備えるノズル１１３が周壁に多数個備えられた円筒形の縦型シリンダ１１６を備えている。

縦型シリンダ１１６は、モータ１１８によって回転駆動され、遠心力により原料液２００を水平方向に噴射するものとなっている。

この縦型シリンダ１１６によれば、収集電極１２０に対して小さな径のシリンダ１１６でも比較的広範囲に多量のナノファイバ２００を製造することが可能となる。

また、小さな縦型シリンダ１１６に対して収集電極１２０を大きくすることができるため、縦型シリンダ１１６から望む収集電極１２０の端縁を遠方に設定することができ、収集電極１２０の端縁部に備える曲面部の効果をさらに高めて、ナノファイバ２００の堆積性能を向上させることができる。また、当該縦型シリンダ１１６は小型でも十分なナノファイバ２００製造能力を備えているため、ナノファイバ２００の堆積性能を維持しつつ、高い生産性を確保することも可能である。

また、前記ナノファイバ２００の製造範囲は縦型シリンダ１１６の回転速度により調整することができ、この回転速度を経時的に変化させることによって、さらに、ナノファイバ２００の堆積性能を向上させることが可能である。

以上の構成にすると、縦型シリンダ１１６と収集電極１２０との空間的位置関係がＸＹ平面上等価となり、電気力線の偏在などを容易に回避することができる。従って、ナノファイバ２００のシート１６０上における堆積状態の空間的均一性を確保して、均一な不織布２１０を製造することが可能となる。

なお、収集電極１２０の形状は上記に限定されるわけではなく、楕円球など任意の曲面を有する収集電極１２０であってよい。また、平面を備えても良いことは勿論である。

本発明は、微小多孔性を利用したフィルタや表面積の広さを利用した触媒の担持体などに適用できる不織布の製造装置などに利用できる。

本発明にかかる不織布製造装置を概略的に示す斜視図である。 噴射手段および収集電極の具体例を示す図である。 (ａ)は、噴射手段及び収集電極をＹ方向から望み、収集電極とシートを切断して示す図、（ｂ）は曲面の形状の許容範囲を示す概念図である。 噴射手段および収集電極の他の具体例を示す図である。 (ａ)は、噴射手段の斜視図、（ｂ）は、断面図である。 噴射手段および収集電極の他の具体例を示す斜視図である。 図７は、噴射手段および収集電極の他の具体例を示す正面図である。 従来のノズルとコレクタとの関係を示す図である。

符号の説明

１００ 不織布製造装置
１１０ 噴射手段
１１１ パイプ
１１２ 噴射孔
１１３ ノズル
１１４ ロータリーシリンダ
１１５ タンク
１１６ 縦型シリンダ
１１７ ポンプ
１１８ モータ
１２０ 収集電極
１２２ 曲面部
１５０ 電源
１５０ａ 電源
１５０ｂ 電源
１６０ シート
１７０ 移動手段
２００ ナノファイバ
２００ 原料液
２１０ 不織布
３０１ シャフト
３０６ 回転手段
３０７ ギア
３０８ ギア
３１０ ベアリング
３１１ シャフト
３１２ 回転体支持体
３１５ ブラシ

Claims (5)

1. 電圧が印加され、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する噴射孔を有する噴射手段と、前記噴射手段と異なる電圧が印加され、ナノファイバを収集する収集電極を備える不織布製造装置であって、
   前記収集電極は、前記噴射孔から望む前記収集電極の面の周縁部に前記噴射孔から遠ざかる方向に曲がる曲面部を備える不織布製造装置。
2. 前記噴射手段は、前記収集電極の曲面部の曲率半径方向に前記噴射孔を備える請求項１に記載の不織布製造装置。
3. 前記曲面部の曲率半径は、前記曲率半径方向に向く噴射孔の内、前記曲面部と最も近い前記噴射孔と前記曲面部との距離の４分の１以上１０倍以下である請求項２に記載の不織布製造装置。
4. さらに、
   前記収集電極の前記噴射孔側に配置され、製造されたナノファイバを堆積状に保持する被堆積手段と、
   前記被堆積手段を所定方向に移動させる移動手段とを備え、
   前記収集電極は、前記堆積手段の移動方向と交差する方向を軸方向とする円筒形状である請求項１に記載の不織布製造装置。
5. さらに、
   前記堆積手段の移動方向と垂直に複数個広がって配設される前記噴射孔であって、隣接する噴射孔は前記移動方向に相互にずれて配設される請求項４に記載の不織布製造装置。

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