JP5237712B2 - 静電紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電紡糸装置に関する。

静電紡糸は、ノズルのノズル孔から吐出させた紡糸用の溶液に電界を作用させて繊維化する紡糸である。静電紡糸は、繊維径がサブミクロンあるいはナノオーダーの繊維を得ることが可能であり、また溶融紡糸が困難な樹脂でも繊維化が可能なので、従来の繊維を用いては実現できなかった用途分野への展開が期待されている。

静電紡糸による繊維ウエブの製造は、例えば図７に示すように、分配整流ブロック２０２へ計量ポンプ２０１で送られた、紡糸原液であるポリマー溶液を、口金部２０４へ送り、微細なノズル孔２０８を通して押出しながら同時に直流高圧電源２０６により電場をかけて繊維化し、捕集コンベアからなる集積装置２０７上に集積させることにより行われる。この繊維は、３次元のネットワーク構造を成しており、集積装置２０７で集積されて繊維ウエブ２１０となる。（例えば、特許文献1参照）
特開昭６３−１４５４６５号公報

図７に示すような静電紡糸においては、直流高圧電源２０６の電極をノズル孔２０８に接続することによりポリマー溶液が印加される。従って、ノズル孔２０８は金属のような導電性の素材からなる。また、口金部２０４も金属製であり導電性を有する。

ノズル孔２０８が導電性であることによりノズル孔２０８の外周壁面も高電位にあるので、繊維化し空中に放出されたポリマーがその外周壁面に引きつけられて堆積し、ノズル孔２０８の外周壁面が汚れノズル孔の出口近傍にもはみだして紡出の障害になることがある。また、口金部２０４も金属製であり導電性を有するので直流高圧電源２０６の電極に接続された、ノズル孔２０８や口金部２０４のような導電性物質の表面積が大きくなり、その導電性物質の表面から漏洩する電流が多く、直流高圧電源２０６の消費電力が多くなるという問題も生ずる。

本発明の目的は、ノズル孔の外表面が汚れず、直流高圧電源の消費電力の少ない静電紡糸装置を提供しようとすることである。

本発明の要旨とするところは、紡糸用原液を、ノズルを備えた紡糸ヘッドに導入して前記ノズルから吐出させ、吐出された紡糸用原液に電界を作用させて延伸し繊維化し、捕集面で捕集する静電紡糸装置であって、
前記紡糸ヘッドにエラストマーからなる連結管を介して導通する原液貯留槽を備え、
前記紡糸ヘッドの素材が絶縁材からなり、
前記紡糸ヘッドが液槽と、該液槽に直結し紡糸用原液を該液槽に導入する導入口と、該液槽に導通する前記ノズルとを含んでなり、
前記紡糸ヘッドに前記導入口となる管先が設けられ、
該管先に前記連結管が差し込まれて前記原液貯留槽と前記紡糸ヘッドとが連結され、
前記管先と前記連結管との間を通って針金状あるいはリボン状の導電性物の先端部が前記液槽内部に導入され、該導電性物を介して前記紡糸用原液と前記捕集面との間に直流高電圧が印加されることを特徴とする静電紡糸装置であることにある。

また、本発明の要旨とするところは、紡糸用原液を、ノズルを備えた紡糸ヘッドに導入して前記ノズルから吐出させ、吐出された紡糸用原液に電界を作用させて延伸し繊維化し、捕集面で捕集する静電紡糸装置であって、
前記紡糸ヘッドにエラストマーからなる連結管を介して導通する原液貯留槽を備え、
前記紡糸ヘッドの素材が絶縁材からなり、
前記紡糸ヘッドが液槽と、該液槽に直結し紡糸用原液を該液槽に導入する導入口と、該液槽に導通する前記ノズルとを含んでなり、
前記紡糸ヘッドが液槽上部と液槽下部とに着脱自在に分割され、前記液槽上部に前記導入口となる管先が設けられ、前記液槽下部に前記ノズル接続部が設けられ、
該管先に前記連結管が差し込まれて前記原液貯留槽と前記紡糸ヘッドとが連結され、
前記液槽上部と液槽下部との間を通って針金状あるいはリボン状の導電性物の先端部が前記液槽内部に導入され、該導電性物を介して前記紡糸用原液と前記捕集面との間に直流高電圧が印加されることを特徴とする静電紡糸装置であることにある。

本発明によると、ノズル孔の外表面が汚れず、直流高圧電源の消費電力の少ない静電紡糸方法及び静電紡糸用紡糸ヘッドが提供される。

本発明においては、図1に示す紡糸ヘッド２が用いられる。紡糸ヘッド２は、液槽４と、液槽４に直結し紡糸用原液を液槽４に導入する導入口６と、液槽４に導通する複数のノズル８を備える。導入口６には管先１１が取りつけられている。

図２に示すように、紡糸用原液が原液貯留槽１２から連結管１４を介して紡糸ヘッド２の管先１１を経由して液槽４に導入される。原液槽１２には複数の連結管１４が接続されていてそれぞれが各紡糸ヘッド２に連結されている。連結管１４には本態様にあってはシリコーンゴムのようなエラストマーからなるフレキシブルなチューブ１５が用いられ、管先１１がそのチューブ１５の一端部に指し込まれている。紡糸用原液はノズル８から吐出され、繊維化して捕集面１０に捕集される。ノズル８における紡糸用原液の吐出圧の付与は、原液槽１２の水頭ヘッド圧によるものであってもよい。あるいは原液槽１２の下流に不図示の液送ポンプを設けてその液送圧によるものであってもよい。その他、ノズル８に吐出圧を発生させる手段であればとくに制限はない。

図２の図の拡大部に示すように、金属製の、径０．０５〜１ｍｍほどの細い導線１４の一端部１７が管先１１の外周と、その外周に接するチューブ１５の内周との間を通って液槽４の内部に導入されて、液槽４内の紡糸用原液と接触状態にある。導線１４の他端部１９は液槽４の外部にあって、直流高圧電源２０の正極２２に不図示のリード線を介して接続されている。ノズル８の、ノズル孔の貫通方向の延長方向に捕集面２４が設置され、捕集面２４が直流高圧電源２０のアース極２６に不図示のリード線を介して接続されている。これにより、紡糸ヘッド２内の紡糸用原液と捕集面２４との間に直流高電圧が印加される。図２に示す態様においては捕集面２４は捕集コンベアからなる集積装置２７の捕集面であり、紡出された繊維は、３次元のネットワーク構造を成しており、捕集面２４で集積されて繊維ウエブ２９となる。

紡糸ヘッド２の素材は、絶縁材からなる。絶縁材は、比抵抗が１×１０^１０Ω・ｃｍ以上の材料をいう。絶縁材としてはポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートのようなポリエステル系樹脂、ＡＢＳ（アクリル−スチレン−ブタジエン共重合物）などの樹脂が挙げられる。陶磁器のようなセラミックやガラスであってもよい。これらの複合物であってもよい。

本発明のかかる構成により、ノズル８の外周壁面に直流高圧電源２０の電圧が印加されることがないので、ノズル８の外周壁面へのポリマーの堆積やノズルつまりが防止される。さらに、針金状あるいはリボン状の細い導電性物の先端を紡糸用原液に接触させることにより紡糸用原液を印加しているので、導電部分の表面積が極めて小さく、これにより、電流の空中へのリークが少なくなり直流高圧電源２０の消費電力が極めて小さい。

本発明においては、図３に示す紡糸ヘッド２ａの要部断面図のように、ノズル８ａが液槽の底壁４ａに着脱自在に取りつけられてもよい。図３においては、ノズル８ａの根元部が円筒状であり、液槽４ａの円筒状のノズル接続部３０が、ノズル８ａの円筒状の根元部３２に着脱自在に嵌入されている。

本発明においては、図４に示すように、液槽を、液槽上部３４と液槽下部３６とに２つ割にして液槽上部３４と液槽下部３６とが着脱自在に嵌着する構成とすることができる。液槽上部３４には管先１１が一体的に取りつけられている。液槽下部３６にはノズル接続部３０が一体的に取りつけられている。図４は、液槽上部３４の上がわ外壁に補強リブ１５が設けられた態様である。

このような２つ割の液槽を用いる場合、図５に示すように、紡糸用原液に電圧を印加するための細長い導線（または薄いリボン状金属箔）４０を液槽上部３４ａと液槽下部３６ａとの嵌合部４１を通して液槽内部と挿通状態とし、導線４０の一端部４４を液槽内部の紡糸用原液と接触させ、他端部を直流高圧電源２０の極に不図示のリード線を介して接続してもよい。

本発明の他の態様においては、図６に示すように、原液貯留槽１２（図２）と管先１１（図１など）とを連結する、エラストマーを素材とする絶縁性の連結管１４の少なくとも一部を短い金属管５０に置き換えて、金属管５０と直流高圧電源２０の電極とをリード線５２を介して電気的に接続して、紡糸用原液に電圧を印加してもよい。

本発明のさらに他の態様においては、原液貯留槽１２（図２）内の紡糸用原液に電極小片を投入し、電極小片をリード線を介して直流高圧電源２０の極に接続して紡糸用原液に電圧を印加してもよい。

ポリエチレンを素材とする、図４に示す形状の液槽上部３４と液槽下部３６とからなる液槽と、図３に示すポリエチレンを素材とするノズル８ａを用い、図２に示す構成で紡出を行った。

液槽の下底に１０個のノズルを１０ｍｍ間隔で配した。各ノズルの出口の内径は０．６ｍｍ、長さは４０ｍｍである。ノズルと紡糸用原液との印加電圧を１０ｋＶとして紡出を行った。紡出開始時に吐出量が１ｃｃ／ｍｉｎ／ノズルとなるように原液槽１２の水頭高さを調整した。

捕集された繊維ウエブ２９の目付けが０．２ｇ／ｍ^２になるように紡出開始時に捕集面２４の速度を調整し、連続紡出を行った。３０分間の紡出後も、ノズルの外周壁面へのポリマーの付着はごく僅かであり、吐出量の減少もごく僅かであった。

比較例

実施例と同様にして紡出を行った。ただし、ノズルの素材をステンレスとし、導線１４を用いず、ノズルと直流高圧電源の極とを接続することにより紡糸用原液に電圧を印加した。

１０分間後に、ノズルの外周壁面へポリマーの付着が認められ吐出量の減少やノズル先端から液だれを生ずるなど紡出に支障をきたした。

表１に実施例、比較例それぞれにおける繊維ウエブの目付けの経時変化を示す。

その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の静電紡糸方法において用いられる紡糸ヘッドの態様の一例を示す構造説明図である。 本発明の静電紡糸方法における紡糸の態様の一例を示す装置レイアウトの説明図である。 本発明の静電紡糸方法において用いられる紡糸ヘッドの態様の他の一例を示す要部断面図である。 本発明の静電紡糸方法において用いられる紡糸ヘッドの態様のさらに他の一例を示し、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は要部正面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の静電紡糸方法における紡糸用原液に電圧を印加する態様の一例を示す要部断面模式図である。 本発明の静電紡糸方法における紡糸用原液に電圧を印加する態様の他の一例を示す要部断面模式図である。 従来の静電紡糸装置の態様を示す模式図である。

符号の説明

２：紡糸ヘッド
４：液槽
６：導入口
８：ノズル
１１：管先

Claims (2)

1. 紡糸用原液を、ノズルを備えた紡糸ヘッドに導入して前記ノズルから吐出させ、吐出された紡糸用原液に電界を作用させて延伸し繊維化し、捕集面で捕集する静電紡糸装置であって、
   前記紡糸ヘッドにエラストマーからなる連結管を介して導通する原液貯留槽を備え、
   前記紡糸ヘッドの素材が絶縁材からなり、
   前記紡糸ヘッドが液槽と、該液槽に直結し紡糸用原液を該液槽に導入する導入口と、該液槽に導通する前記ノズルとを含んでなり、
   前記紡糸ヘッドに前記導入口となる管先が設けられ、
   該管先に前記連結管が差し込まれて前記原液貯留槽と前記紡糸ヘッドとが連結され、
   前記管先と前記連結管との間を通って針金状あるいはリボン状の導電性物の先端部が前記液槽内部に導入され、該導電性物を介して前記紡糸用原液と前記捕集面との間に直流高電圧が印加されることを特徴とする静電紡糸装置。
2. 紡糸用原液を、ノズルを備えた紡糸ヘッドに導入して前記ノズルから吐出させ、吐出された紡糸用原液に電界を作用させて延伸し繊維化し、捕集面で捕集する静電紡糸装置であって、
   前記紡糸ヘッドにエラストマーからなる連結管を介して導通する原液貯留槽を備え、
   前記紡糸ヘッドの素材が絶縁材からなり、
   前記紡糸ヘッドが液槽と、該液槽に直結し紡糸用原液を該液槽に導入する導入口と、該液槽に導通する前記ノズルとを含んでなり、
   前記紡糸ヘッドが液槽上部と液槽下部とに着脱自在に分割され、前記液槽上部に前記導入口となる管先が設けられ、前記液槽下部に前記ノズル接続部が設けられ、
   該管先に前記連結管が差し込まれて前記原液貯留槽と前記紡糸ヘッドとが連結され、
   前記液槽上部と液槽下部との間を通って針金状あるいはリボン状の導電性物の先端部が前記液槽内部に導入され、該導電性物を介して前記紡糸用原液と前記捕集面との間に直流高電圧が印加されることを特徴とする静電紡糸装置。

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