JP4538308B2

JP4538308B2 - 静電紡糸用捕集装置

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Publication number: JP4538308B2
Application number: JP2004359521A
Authority: JP
Inventors: 隆明天笠; 幸夫小島; 雅章川部
Original assignee: Japan Vilene Co Ltd
Current assignee: Japan Vilene Co Ltd
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-12-13
Also published as: JP2006169644A

Description

本発明は静電紡糸法により紡糸された繊維を集積できる捕集装置に関する。

繊維集合体を構成する繊維の繊維径が小さいと、分離性能、液体保持性能、払拭性能、隠蔽性能、絶縁性能、或いは柔軟性など、様々な性能に優れているため、繊維集合体を構成する繊維の繊維径は小さいのが好ましい。このような繊維径の小さい繊維からなる繊維集合体の製造方法として、紡糸原液をノズルから吐出するとともに、吐出した紡糸原液に電界を作用させて紡糸原液から溶媒を揮発させるとともに延伸し、繊維径の小さい繊維とした後に直接捕集して繊維集合体とする、いわゆる静電紡糸法が知られている。

このような静電紡糸法により繊維集合体を製造する場合、繊維を直接捕集する捕集装置を必要とするが、このような捕集装置の集積部材を構成する材料として、アルミニウム（特許文献１）やステンレススチール（特許文献２）からなるものが一般的であった。このような集積部材を備えた捕集装置を使用した場合、静電紡糸した繊維が集積部材に固着してしまい、剥離するのが困難で、連続的に繊維集合体を製造することが困難であった。そのため、集積部材に集積した繊維集合体をドクターブレードによって機械的に剥離させ、連続的に繊維集合体を製造できるようにした捕集装置が知られている（特許文献３）が、ドクターブレードによって剥離する際に繊維集合体が裂けたり、皺が入るなど、少なからず繊維集合体へ影響を及ぼすため、所望性能をもった繊維集合体を連続して製造できないものであった。

特願２００４−２５６９７４号公報（実施例）特願２００３−７３９６４号公報（実施例）米国特許第２０４８６５１号明細書（第４欄第１２行〜第１５行）

本発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、繊維集合体の剥離性に優れ、所望の繊維集合体を連続して製造できる静電紡糸用捕集装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる発明は、「静電紡糸法により紡糸された繊維を集積する集積部材と、前記集積部材に接触するとともに電位差形成手段に接続された電位差形成媒体を備える捕集装置であり、前記集積部材の繊維集積面にシリコーン樹脂を備えており、前記集積部材の繊維集積面における任意の単位領域と、前記電位差形成媒体と電位差形成手段との接続部との間の電導度が１０^−１０Ｓ以上であることを特徴とする静電紡糸用捕集装置。」である。

本発明の請求項２にかかる発明は、「集積部材の繊維集積面全体にシリコーン樹脂を備えていることを特徴とする、請求項１記載の静電紡糸用捕集装置。」である。

本発明の請求項３にかかる発明は、「集積部材がベルトコンベア形態であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の静電紡糸用捕集装置。」である。

本発明の請求項１にかかる発明によれば、シリコーン樹脂は他の有機材料に比べて表面張力が低く、繊維集合体の剥離性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。このように剥離性に優れているため、例えば、目付が０．５ｇ／ｍ^２という低目付の繊維集合体であっても、裂けたり、皺が入ることなく安定して巻取り、連続的に製造することができる。また、シロキサン結合は比較的高い結合エネルギーをもっているため耐久性にも優れている。更に、集積部材の繊維集積面における任意の単位領域と、電位差形成媒体と電位差形成手段との接続部との間の電導度が１０^−１０Ｓ以上であることによって、集積部材がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造することができる。

本発明の請求項２にかかる発明によれば、シリコーン樹脂を備えていることによる前記効果を最大限に発揮することができる。

本発明の請求項３にかかる発明によれば、ノズルユニットが複数組ある場合でも、紡糸環境（ノズルとコンベアとの距離、ノズルの向き、温湿度環境、蒸発溶媒の除去状態など）を同条件にしやすく、安定して繊維集合体を製造できる。また、量産化のためにノズルユニットを複数組設けた場合であっても、集積部材の長さを長くするだけで対応できる、という効果がある。

本発明の静電紡糸用捕集装置（以下、単に「捕集装置」という）を適用できる繊維集合体の製造装置について、製造装置の概念的断面図である図１をもとに説明する。図１の製造装置は、紡糸原液をノズルへ供給できる紡糸原液供給装置１と、紡糸原液を吐出できるノズル２と、ノズル２を介して紡糸原液に電圧を印加することのできる電圧印加装置３と、紡糸された繊維を直接集積して繊維集合体を形成できる捕集装置４、繊維集合体をロール状に巻き取ることのできる巻取り装置５、ノズル２や捕集装置４等を収納した紡糸容器６、紡糸容器６へ所望気体を供給できる気体供給装置７、及び紡糸容器６内の気体を排気できる排気装置８、を備えている。

このような製造装置においては、紡糸原液が紡糸原液供給装置１によりノズル２へ供給され、ノズル２から紡糸原液が吐出される。この吐出された紡糸原液は、ノズル２に接続された電圧印加装置３による印加、及びノズル２に対向する捕集装置４がアースされていることによって形成されるノズル２と捕集装置４との間に電位差によって、捕集装置４の方向へ延伸されながら飛翔し、同時に紡糸原液の溶媒を揮発させて繊維化し、捕集装置４によって捕集され、集積する。なお、ノズル２、捕集装置４等は紡糸容器６内に収納され、紡糸容器６には気体供給装置７及び排気装置８が接続されており、紡糸容器６内を所望紡糸環境に維持できるため、所望の繊維集合体を製造できる。このように集積して捕集された繊維集合体は巻取り装置５によって巻き取られる。

本発明の捕集装置は上述のような静電紡糸法による繊維集合体の製造装置に適用できるもので、繊維集合体の剥離性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度も高く、ノズルに対向する対向電極としても作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造することができる。

本発明の捕集装置について、より詳細に説明する。捕集装置４は、図１に示すように、一対のロールＲ_１、Ｒ_２間に橋渡されたベルトコンベア形態の集積部材からなり、この集積部材はシリコーン樹脂Ｓからなる層と導電性を有する導電部材Ｃからなる層とからなる。このシリコーン樹脂Ｓからなる層は紡糸された繊維と当接して繊維を直接捕集できるように、ノズル側に配置している。また、図１の捕集装置４においては、集積部材と接触するとともにアース線に接続されたロールＲ_２が電位差形成媒体として作用し、集積部材の電位を０とすることができる。

なお、集積部材のシリコーン樹脂Ｓ層における任意の単位領域Ａ_Ｓと、ロールＲ_２（電位差形成媒体）とアース線との接続部Ｅとの間の電導度が１０^−１０Ｓ以上（好ましくは１０^−８以上、より好ましくは１０^−６以上）であるため、集積部材はノズルの対向電極として作用できる。

このような図１の捕集装置はシリコーン樹脂Ｓの層を備えており、繊維集合体の剥離性及び耐久性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度が高く、集積部材がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造できる。更に、集積部材がベルトコンベア形態であるため、量産化のためにノズルユニットを複数組設けた場合であっても、紡糸環境を同条件とし、安定して繊維集合体を製造でき、また、集積部材の長さを長くするだけで対応できる。

なお、導電部材Ｃ又はロールＲ_１、Ｒ_２は、体積固有抵抗値が１０^９Ω・ｃｍ以下の導電性材料からなるのが好ましく、例えば、アルミニウム、ステンレススチール、スチール（防錆処理を施したものが好ましい）、カーボン粒子や金属粒子などの導電性粒子を混合した導電性樹脂などから構成することができる。また、図１においては、アース線によってアースすることを電位差形成手段としているが、ノズルとの間に電位差を形成することができるのであれば、電位差形成媒体であるロールＲ_２に電圧印加装置を接続して印加することもできる。シリコーン樹脂Ｓの層は、例えば、シリコーン樹脂塗料を塗布したり、シリコーン樹脂を積層するなどの方法により形成することができる。

本発明における「電導度」は集積部材の繊維集積面に当接する端子として、１ｃｍ^２の面積をもつ円形の端子を使用して測定した値をいう。このように、本発明における「単位領域」は１ｃｍ^２の面積をもつ円形領域をいう。このような電導度は、例えば、シリコーン樹脂Ｓの層の厚さを０．２５ｍｍ以下（好ましくは０．１ｍｍ以下）と薄くしたり、シリコーン樹脂内にカーボン粒子等の導電性粒子を分散させたり、或いはこれらを併用することによって達成できる。

本発明の別の捕集装置について、捕集装置の概念的断面図である図２を基に説明する。図２の捕集装置は一対のロールＲ_１、Ｒ_２間に橋渡されたベルトコンベア形態のシリコーン樹脂Ｓを集積部材としているため、繊維を直接捕集できる。また、一対のロールＲ_１、Ｒ_２の間に位置し、集積部材であるシリコーン樹脂Ｓと接触するとともにアース線に接続された導電部材Ｃが電位差形成媒体として作用するため、集積部材の電位を０とすることができる。

なお、集積部材のシリコーン樹脂Ｓにおける任意の単位領域Ａ_Ｓと、導電部材Ｃ（電位差形成媒体）とアース線との接続部Ｅとの間の電導度が１０^−１０Ｓ以上（好ましくは１０^−８以上、より好ましくは１０^−６以上）であるため、集積部材はノズルの対向電極として作用できる。

このような図２の捕集装置は集積部材がシリコーン樹脂Ｓからなり、繊維集合体の剥離性及び耐久性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度が高く、集積部材がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造できる。更に、集積部材がベルトコンベア形態であるため、量産化のためにノズルユニットを複数組設けた場合であっても、紡糸環境を同条件とし、安定して繊維集合体を製造でき、また、集積部材の長さを長くするだけで対応できる。

なお、導電部材Ｃ又はロールＲ_１、Ｒ_２は図１の捕集装置と同様の導電性材料から構成することができ、また、図１の捕集装置と同様に別の電位差形成手段とすることもできる。

また、集積部材であるシリコーン樹脂Ｓは、例えば、シリコーンゴムから構成することができる。本発明のような電導度とするには、例えば、シリコーン樹脂内にカーボン粒子等の導電性粒子を分散させることによって達成できる。なお、シリコーン樹脂Ｓを補強するために、シリコーン樹脂Ｓ内部に繊維、網、織物などを介在させても良い。この場合であっても前記電導度は１０^−１０Ｓ以上である。また、シリコーン樹脂Ｓをシリコーン樹脂よりも強度のあるゴムベルトや布ベルトなどの補強ベルトによって補強しても良い。この場合であっても前記電導度は１０^−１０Ｓ以上であり、このような電導度であるように、シリコーン樹脂Ｓ及び／又は補強ベルトにカーボン粒子や金属粒子などの導電性粒子を混合して導電性を付与するのが好ましい。

本発明の更に別の捕集装置について、捕集装置の概念的断面図である図３を基に説明する。図３の捕集装置は一対のロールＲ_１、Ｒ_２間に橋渡されたベルトコンベア形態のシリコーン樹脂Ｓを集積部材としているため、繊維を直接捕集できる。また、シリコーン樹脂Ｓと接触するロールＲ_２は導電部材Ｃから構成されているとともにアース線に接続されているため、ロールＲ_２が電位差形成媒体として作用し、集積部材の電位を０とすることができる。

なお、集積部材のシリコーン樹脂Ｓにおける任意の単位領域Ａ_Ｓと、ロールＲ_２とアース線との接続部Ｅとの間の電導度が１０^−１０Ｓ以上（好ましくは１０^−８以上、より好ましくは１０^−６以上）であるため、集積部材はノズルの対向電極として作用できる。

このような図３の捕集装置は集積部材がシリコーン樹脂Ｓからなり、繊維集合体の剥離性及び耐久性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度が高く、集積部材がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造できる。更に、集積部材がベルトコンベア形態であるため、量産化のためにノズルユニットを複数組設けた場合であっても、紡糸環境を同条件とし、安定して繊維集合体を製造でき、また、集積部材の長さを長くするだけで対応できる。

なお、ロールＲ_１、Ｒ_２は図１の捕集装置と同様の導電性材料から構成することができ、また、図１の捕集装置と同様に別の電位差形成手段とすることもできる。

また、集積部材であるシリコーン樹脂Ｓは、例えば、シリコーンゴムから構成することができる。本発明のような電導度とするには、例えば、シリコーン樹脂内にカーボン粒子等の導電性粒子を分散させることによって達成できる。なお、シリコーン樹脂Ｓを補強するために、シリコーン樹脂Ｓ内部に繊維、網、織物などを介在させることができる。この場合であっても、前記電導度は１０^−１０Ｓ以上である。また、シリコーン樹脂Ｓをシリコーン樹脂よりも強度のあるゴムベルトや布ベルトなどの補強ベルトによって補強しても良い。この場合であっても前記電導度は１０^−１０Ｓ以上であり、このような電導度であるように、シリコーン樹脂Ｓ及び／又は補強ベルトにカーボン粒子や金属粒子などの導電性粒子を混合して導電性を付与するのが好ましい。

本発明の更に別の捕集装置について、捕集装置の概念的断面図である図４を基に説明する。図４の捕集装置はロールＲの表面にシリコーン樹脂Ｓを備えており、シリコーン樹脂Ｓを集積部材としているため繊維を直接捕集できる。また、シリコーン樹脂Ｓと接触するロールＲは導電部材Ｃから構成されているとともにアース線に接続されているため、ロールＲ（導電部材Ｃ）が電位差形成媒体として作用し、集積部材の電位を０とすることができる。

なお、集積部材のシリコーン樹脂Ｓにおける任意の単位領域Ａ_Ｓと、ロールＲとアース線との接続部Ｅとの間の電導度が１０^−１０Ｓ以上（好ましくは１０^−８以上、より好ましくは１０^−６以上）であるため、集積部材はノズルの対向電極として作用できる。

このような図４の捕集装置は集積部材がシリコーン樹脂Ｓからなり、繊維集合体の剥離性及び耐久性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度が高く、集積部材がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造できる。

なお、ロールＲは図１の捕集装置と同様の導電性材料から構成することができ、また、図１の捕集装置と同様に別の電位差形成手段とすることもできる。

また、集積部材であるシリコーン樹脂Ｓは、例えば、シリコーン樹脂塗料を塗布したり、シリコーン樹脂を積層するなどの方法により形成することができる。本発明のような電導度とするには、例えば、シリコーン樹脂Ｓの層の厚さを０．２５ｍｍ以下（好ましくは０．１ｍｍ以下）と薄くしたり、シリコーン樹脂内にカーボン粒子等の導電性粒子を分散させたり、或いはこれらを併用することによって達成できる。

本発明の捕集装置を説明する図１〜図４の捕集装置においては、集積部材の繊維集積面全体にシリコーン樹脂Ｓを備えるものであるため、繊維集合体の剥離性に優れ、所望の繊維集合体を連続して製造することができるものである。例えば、目付が０．５ｇ／ｍ^２という低目付の繊維集合体であっても、裂けたり、皺が入ることなく巻き取ることができ、安定して繊維集合体を製造することができるものである。しかしながら、本発明の捕集装置においては、集積部材の繊維集積面全体にシリコーン樹脂を備えている必要はなく、部分的にシリコーン樹脂を備えていても良い。例えば、基材にブラスト処理をするなどして表面を粗面化した後に、シリコーン樹脂塗料を塗布した場合には、繊維集積面全体にシリコーン樹脂を備えていないが、この場合であっても、裂けたり、皺が入ることなく巻き取ることができ、安定して繊維集合体を製造できる。

本発明の更に別の捕集装置について、捕集装置の概念的断面図である図５、捕集装置を上から見た平面図である図６、及び図５の捕集装置（図５におけるＡ）の部分拡大断面模式図である図７を基に説明する。図５の捕集装置４は、一対のロールＲ_１、Ｒ_２間に橋渡されたベルトコンベア形態の集積部材からなり、この集積部材は図７に示すように、表面に導電層Ｃ_Ｌを備えた補強ベルトＢの層の上にシリコーン樹脂Ｓからなる層を備えている。このシリコーン樹脂Ｓからなる層は紡糸された繊維と当接して繊維を直接捕集できるように、ノズル側に配置している。また、図６に示すように、集積部材は集積部材の流れ方向Ｄと平行な直線状にシリコーン樹脂Ｓを備えておらず、このシリコーン樹脂Ｓを備えていない領域、つまり導電層Ｃ_Ｌが露出した領域と接触し、集積部材の移動に従動するロールＲ_Ｅを備えており、このロールＲ_Ｅはアース線に接続されている。そのため、ロールＲ_Ｅが電位差形成媒体として作用し、集積部材の電位を０とすることができる。

なお、集積部材の繊維集積面における任意の単位領域Ａ_Ｓと、ロールＲ_Ｅとアース線との接続部Ｅとの間の電導度が１０^−１０Ｓ以上（好ましくは１０^−８以上、より好ましくは１０^−６以上）であるため、集積部材はノズルの対向電極として作用できる。

この捕集装置４もシリコーン樹脂Ｓを備えており、繊維集合体の剥離性及び耐久性に優れているため、所望の繊維集合体を連続して製造することができる。また、電導度が高く、捕集装置自体がノズルの対向電極として作用できるため、安定して静電紡糸を実施し、連続的に繊維集合体を製造できるものである。更に、ベルトコンベア形態であるため、量産化のためにノズルユニットを複数組設けた場合であっても、紡糸環境を同条件とし、安定して繊維集合体を製造でき、また、集積部材の長さを長くするだけで対応できる。なお、量産化のためにノズルユニットを複数組設ける場合、集積部材の幅を広げたり、長さを長くする必要があるが、ゴムベルトや布ベルトなど補強ベルトＢの表面に導電層Ｃ_Ｌが形成され、更にその上にシリコーン樹脂Ｓの層が形成された集積部材は屈曲性に優れているため、このような要請に対して対応することができる。

なお、導電層Ｃ_Ｌは体積固有抵抗値が１０^９Ω・ｃｍ以下の導電性材料からなるのが好ましく、例えば、補強ベルトＢに直接金属蒸着（アルミ、銀など）したり、金属蒸着したフィルムを補強ベルトＢに貼り付けたり、補強ベルトＢを金属メッキしたり、補強ベルトＢに金属箔を積層したり、補強ベルトＢにカーボン粒子や金属粒子などの導電性粒子を混合した導電性樹脂を塗布することによって形成できる。また、図５においては、ロールＲ_Ｅをアース線に接続してアースしているが、ノズルとの間に電位差を形成することができるのであれば、ロールＲ_Ｅに電圧印加装置を接続することもできる。導電層Ｃ_Ｌに接触するシリコーン樹脂Ｓは、例えば、シリコーン樹脂塗料を塗布したり、シリコーン樹脂を積層するなどの方法により形成することができる。なお、シリコーン樹脂Ｓの層の厚さを０．２５ｍｍ以下（好ましくは０．１ｍｍ以下）と薄くしたり、シリコーン樹脂内にカーボン粒子等の導電性粒子を分散させたり、或いはこれらを併用して、前記電導度とするのが好ましい。

以下に本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
（紡糸原液の準備）
重量平均分子量４０万のポリアクリロニトリルを、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに濃度１２ｍａｓｓ％となるように溶解させた紡糸原液（粘度：１２００ｍＰ・ｓ）を用意した。

（捕集装置の準備）
図１のように、ベルトコンベア状ステンレススチール（導電部材Ｃ）の外側表面にカーボン粒子分散シリコーン樹脂塗料を塗布した集積部材を、一対のアルミニウム製ロールＲ_１、Ｒ_２に橋渡した。次いで、ロールＲ_２（電位差形成媒体）にアース線を接続して、捕集装置を製造した。なお、シリコーン樹脂Ｓの層の厚さは平均０．０６ｍｍで、シリコーン樹脂Ｓの層における任意の単位領域Ａ_Ｓと、アース線の接続部Ｅとの間の電導度は１０^−４Ｓであった。

（紡糸装置の準備）
シリンジにポリテトラフルオロエチレン製チューブを接続し、更に前記チューブの先端に、内径が０．６ｍｍのステンレス製ノズルを取り付けて、紡糸装置とした。次いで、前記ノズルに高電圧電源を接続した。更に、前記ノズルと対向し、１０ｃｍ離れた位置に前記捕集装置を設置した。

（繊維集合体の製造）
前記紡糸原液を前記シリンジに入れ、マイクロフィーダーを用いて、重力の作用方向と直角の方向へ吐出する（吐出量：３ｃｃ／時間）とともに、前記捕集装置の集積部材を一定速度（表面速度：３ｃｍ／分）で移動させながら、前記高電圧電源からノズルに＋１５ｋＶの電圧を印加して吐出した紡糸原液に電界を作用させて繊維化し、前記集積部材のシリコーン樹脂Ｓの層に繊維を集積させて繊維集合体を形成した後、繊維集合体を集積部材から剥離した。この剥離は集積部材の下流に紙管を配置しておくだけで行なうことができ、非常に剥離性が良いため、繊維集合体組織を破壊することなく、連続的に繊維集合体を製造することができた。

（比較例１）
捕集装置として、ステンレススチールからなる集積部材を、一対のアルミニウム製ロール間に橋渡すとともに、一対のロールにアース線を接続してアースした捕集装置を使用したこと以外は、実施例１と全く同様にして集積部材上に繊維を集積させて繊維集合体を形成した。

その後、両面テープを貼り付けた紙管を用意し、この紙管の両面テープによって繊維集合体端部を接着固定した後に、紙管を集積部材の下流に配置し、集積部材の移動による従動回転により繊維集合体を剥離させ、巻き取ろうとしたが、層間剥離が生じ、つまり繊維集合体の表面層のみが剥離し、繊維集合体の集積部材との当接層は集積部材に残留してしまい、繊維集合体を完全に剥離することができなかった。

繊維集合体の製造装置の概念的断面図捕集装置の概念的断面図捕集装置の概念的断面図捕集装置の概念的断面図捕集装置の概念的断面図図５の捕集装置を上から見た平面図図５の捕集装置の部分拡大断面模式図

符号の説明

１紡糸原液供給装置
２ノズル
３電圧印加装置
４捕集装置
５巻取り装置
６紡糸容器
７気体供給装置
８排気装置
Ｒ、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_Ｅロール
Ｓシリコーン樹脂
Ｃ導電部材
Ｂ補強ベルト
Ｃ_Ｌ導電層
Ｅ接続部
Ａ_Ｓ単位領域

Claims

静電紡糸法により紡糸された繊維を集積する集積部材と、前記集積部材に接触するとともに電位差形成手段に接続された電位差形成媒体を備える捕集装置であり、前記集積部材の繊維集積面にシリコーン樹脂を備えており、前記集積部材の繊維集積面における任意の単位領域と、前記電位差形成媒体と電位差形成手段との接続部との間の電導度が１０^−１０Ｓ以上であることを特徴とする静電紡糸用捕集装置。
集積部材の繊維集積面全体にシリコーン樹脂を備えていることを特徴とする、請求項１記載の静電紡糸用捕集装置。
集積部材がベルトコンベア形態であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の静電紡糸用捕集装置。