JP4602121B2

JP4602121B2 - 静電紡糸用捕集装置

Info

Publication number: JP4602121B2
Application number: JP2005058316A
Authority: JP
Inventors: 隆明天笠; 雅章川部; 嘉朗村本
Original assignee: Japan Vilene Co Ltd
Current assignee: Japan Vilene Co Ltd
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2006241629A

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が、フッ素系樹脂を添加した電気メッキ浴又は無電解メッキ浴中で導電部材を処理することにより、導電部材の表面にメッキ皮膜中にフッ素系樹脂を分散、共析させた後に加熱硬化させて形成した、金属とフッ素系樹脂との複合層からなり、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に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、「フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレンからな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、フッ素系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。なお、フッ素系樹脂は耐熱性にも優れているため、繊維を集積させた後に乾燥して、紡糸原液の溶媒を十分に除去できるため、繊維集合体を巻き取ったとしても、繊維集合体同士が接着することがなく、また、別工程として乾燥工程を必要としないため、生産性に優れている。また、繊維集積面を構成する複合層には金属が存在しているため、耐久性、電気電導性にも優れている。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、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。

本発明の請求項３にかかる発明によれば、特に前記性能に優れている。

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。更に、集積部材は耐熱性にも優れ、繊維を集積させた後に乾燥して、紡糸原液の溶媒を十分に除去できるため、繊維集合体を巻き取ったとしても、繊維集合体同士が接着することがなく、また、別工程として乾燥工程を必要としないため、生産性を高めることができる。

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、この集積部材は金属とフッ素系樹脂との複合層Ｈと導電性を有する導電部材Ｃからなる層とからなる。この複合層Ｈ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、集積部材の複合層Ｈ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の捕集装置は金属とフッ素系樹脂との複合層Ｈを備えており、繊維集合体の剥離性、耐久性及び耐熱性に優れているため、繊維集合体を熱処理したとしても、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。金属とフッ素系樹脂との複合層は、例えば、フッ素系樹脂を添加した電気メッキ浴又は無電解メッキ浴中で導電部材Ｃを処理することにより、導電部材Ｃの表面にメッキ皮膜中にフッ素系樹脂を分散、共析させた後に加熱硬化させて、メッキ金属とフッ素系樹脂の複合層を形成することができる。なお、金属としては、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、銅、銀、金などを挙げることができる。また、フッ素系樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体、四フッ化エチレン−パーフロロアルコキシエチレン共連合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、クロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレンなどを挙げることができる。これらの中でも剥離性や耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレンが好適である。

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、複合層Ｈの厚さを０．２５ｍｍ以下（好ましくは０．１ｍｍ以下）と薄くしたり、複合層Ｈにおける金属比率を高くしたり、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の捕集装置はロールＲの表面に金属とフッ素系樹脂との複合層Ｈを備えた集積部材を備えているため、繊維を直接捕集できる。また、複合層Ｈを担持するロール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、集積部材の複合層Ｈ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２の捕集装置は集積部材表面が複合層Ｈからなり、繊維集合体の剥離性、耐久性及び耐熱性に優れているため、繊維集合体を熱処理したとしても、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。更に、複合層Ｈは図１の集積部材と同様にして製造することができ、本発明のような電導度とする方法も図１の集積部材と同様である。

本発明の捕集装置を説明する図１、２の捕集装置においては、集積部材の繊維集積面全体に複合層Ｈを備えるものであるため、繊維集合体の剥離性、耐久性及び耐熱性に優れているため、繊維集合体を熱処理したとしても、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複合層Ｈを備えている必要はなく、部分的に複合層Ｈ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、複合層Ｈを形成した場合には、繊維集積面全体に複合層Ｈ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３、捕集装置を上から見た平面図である図４、及び図３の捕集装置の部分拡大断面模式図（図３におけるＡ）である図５を基に説明する。図３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５に示すように、表面に導電層Ｃ_Ｌを備えた補強ベルトＢの上に複合層Ｈを備えている。この複合層Ｈ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４に示すように、集積部材は集積部材の流れ方向Ｄと平行な直線状に複合層Ｈを備えておらず、この複合層Ｈ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も複合層Ｈを備えており、繊維集合体の剥離性、耐久性及び耐熱性に優れているため、繊維集合体を熱処理したとしても、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、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、更にその上に複合層Ｈ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３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に接触する複合層Ｈは図１の集積部材と同様にして製造することができ、本発明のような電導度とする方法も図１の集積部材と同様である。

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）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を添加した無電解メッキ浴中に浸漬し、ニッケルメッキ皮膜中にＰＴＦＥを分散、共析させた後に加熱硬化させて製造した、ニッケルとＰＴＦＥの複合層Ｈを表面に有するベルトコンベア状ステンレススチール（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、複合層Ｈの厚さは約２０μｍで、複合層Ｈ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１０^３Ｓ以上であった。

（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、前記集積部材の複合層Ｈ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って従動回転させるだけで繊維集合体を剥離させ、巻き取ることができ、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。

（比較例２）
捕集装置として、ＰＴＦＥ層を表面に有するベルトコンベア状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。

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図３の捕集装置を上から見た平面図図３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
Ｈ複合層
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が、フッ素系樹脂を添加した電気メッキ浴又は無電解メッキ浴中で導電部材を処理することにより、導電部材の表面にメッキ皮膜中にフッ素系樹脂を分散、共析させた後に加熱硬化させて形成した、金属とフッ素系樹脂との複合層からなり、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に記載の静電紡糸用捕集装置。
フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレンからな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。