JP6757650B2 - ナノファイバ製造装置及びナノファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナノファイバの製造装置に関する。また本発明は、この装置を用いたナノファイバの製造方法に関する。

電界紡糸法は、機械力や熱力を使わずにナノサイズの粒子やファイバなどを比較的簡単に製造できる技術として注目を浴びている。これまで行われてきた電界紡糸法では、針状のノズルと、これに対向する捕集用電極との間に直流高電圧を印加した状態下に、該ノズルの先端からナノファイバの原料となる物質の溶液又は溶融液を吐出する操作を行う。吐出された原料は凝固しながらクーロン力で延伸されてナノファイバが形成される。そしてナノファイバは捕集用電極の表面に堆積する。

しかし上述の電界紡糸法では、１本のノズルから１本ないし数本程度のナノファイバしか製造できない。そこで特許文献１においては、電界紡糸法に用いられる装置を二次元状に複数配置し、各装置に備えられた各ノズルから原料を吐出することで、ナノファイバの生産性を向上させることが提案されている。

特開２０１４−９５１７４号公報

しかし、複数のノズルを用いると、ノズル間での相互作用に起因して、ノズルの先端での紡糸性が悪化することがある。したがって本発明の課題は、ナノファイバの製造の改良にあり、更に詳しくは複数のノズルを用いてナノファイバの製造を行う場合に生じ得る不都合を解消し得することにある。

本発明は、ナノファイバ生成部及びナノファイバ捕集部を備えたナノファイバ製造装置であって、
前記ナノファイバ生成部は、
ナノファイバの原料液を紡出するノズルと、
前記原料液に電荷を付与して帯電させる帯電電極と、
紡出されたナノファイバを搬送する気体流を噴出させる気体流噴出部と、
を有するナノファイバ生成ユニットが複数並べて配置されたものであり、
前記ナノファイバ捕集部は、前記気体流噴出部に対向するように配置されており、
前記ナノファイバ製造装置は、前記ナノファイバ生成部と前記ナノファイバ捕集部との間の空間に、前記ナノファイバ及び前記気体流を案内する整流体と、該整流体の外方の位置に、該ノズルに印加される電圧と該ナノファイバ捕集部に印加される電圧との間の電圧が印加される電極体とを有する、ナノファイバ製造装置を提供することによって前記の課題を解決したものである。

本発明によれば、複数のノズルを用いてナノファイバを製造する場合に、各ノズルからの原料の吐出が安定化する。したがってノズルからの原料の吐出量を増加させることができ、それによってナノファイバの生産性が向上する。

図１（ａ）は、本発明のナノファイバ製造装置の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す製造装置を模式的に示す平面図である。 図２は、図１に示すナノファイバ製造装置におけるナノファイバ生成ユニットの一実施形態を示す斜視図である。 図３は、図２に示すナノファイバ生成ユニットの断面構造を示す模式図である。 図４は、本発明のナノファイバ製造装置の別の実施形態を模式的に示す平面図（図１（ｂ）相当図）である。 図５は、実施例１で用いたナノファイバ製造装置の各部の寸法を示す平面図である。 図６は、比較例１で用いたナノファイバ製造装置を示す平面図である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１（ａ）及び（ｂ）には、本発明のナノファイバ製造装置の一実施形態が模式的に示されている。これらの図に示すナノファイバ製造装置１０は、ナノファイバ生成部２０及びナノファイバ捕集部３０に大別される。

ナノファイバ生成部２０は、複数のナノファイバ生成ユニット２１，２１，・・を備えている。ナノファイバ生成ユニット２１は、その複数個が並べて配置されている。

一方、ナノファイバ捕集部３０は、ナノファイバの捕集用電極３１を備えている。またナノファイバ捕集部３０は、捕集用電極３１に隣接するように、該捕集用電極３１とナノファイバ生成部２０との間に、ナノファイバが捕集される捕集体３２が配置されている。

図２及び図３には、ナノファイバ生成部２０を構成するナノファイバ生成ユニット２１の詳細が示されている。ナノファイバ生成ユニット２１は、ナノファイバの原料液を紡出するノズル２２を備えている。またナノファイバ生成ユニット２１は、原料液に電荷を付与して帯電させる帯電電極２３を備えている。帯電電極２３はノズル２２を囲う形状になっている。具体的には、帯電電極２３は全体として略椀形をしており、その内面に凹曲面２４を備えている。帯電電極２３は、その内面が凹曲面２４となっている限りにおいて、その全体の形状は略椀形になっていることを要せず、その他の形状となっていてもよい。凹曲面２４は導電性材料から構成されており、一般には金属製である。帯電電極２３は、電気絶縁性材料からなる基台２５に固定されている。また帯電電極２３は、図３に示すとおり接地されている。

各ナノファイバ生成ユニット２１は基台２５の板面の面内方向にわたり一方向に延びるように隙間なく配置されている。これに代えて、各ナノファイバ生成ユニット２１を、基台２５の板面の面内方向にわたり二次元状に並べて配置することもできる。いずれの配置形態であっても、各電界紡糸装置１は、ノズル２２がいずれも同方向を向くように配置されている。

凹曲面２４をその開口端側から見たとき、該開口端は円形をしている。この円形は、真円形でもよく、あるいは楕円形でもよい。ノズル２２の先端に電荷を集中させる観点からは、凹曲面２４の開口端は真円形であることが好ましい。凹曲面２４は、そのいずれの位置においても曲面になっていることが好ましい。ここで言う曲面とは、（イ）平面部を全く有していない曲面のことであるか、（ロ）平面部を有する複数のセグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面とみなせる形状となっていることであるか、又は（ハ）互いに直交する三軸のうち一軸が曲率を有さない帯状部を有する複数の環状セグメントを繋ぎ合わせて全体として凹曲面とみなせる形状となっていることのいずれかを言う。（ロ）の場合は、例えば縦及び横の長さが０．５〜５ｍｍ程度の矩形となっている、同一の又は異なる大きさの平面部を有するセグメントを繋ぎ合わせて凹曲面２４を形成することが好ましい。（ハ）の場合は、例えば半径が種々異なり、かつ高さが０．００１〜５ｍｍである扁平な複数種類の円筒からなる環状セグメントを繋ぎ合わせて凹曲面２４を形成することが好ましい。この環状セグメントにおいては、互いに直交する三軸、すなわちＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち、円筒の横断面を含むＸ軸及びＹ軸が曲率を有し、かつ円筒の高さ方向であるＺ軸が曲率を有していない。

凹曲面２４は、その任意の位置における法線がノズル２２の先端又はその近傍を通るような値となっていることが好ましい。この観点から、凹曲面２４は、真球の球殻の内面と同じ形状をしていることが特に好ましい。

図２及び図３に示すとおり、凹曲面２４の最底部は開口しており、その開口部にノズルアセンブリ２７が取り付けられている。ノズルアセンブリ２７は、先に述べたノズル２２と、該ノズル２２を支持する支持部２８とを有している。ノズル２２は導電性材料から構成されており、一般には金属から構成されている。一方、支持部２８は電気絶縁性材料から構成されている。したがって、先に述べた電極２３とノズル２２とは、支持部２８によって電気的に絶縁されている。ノズル２２は支持部２８を貫通しており、ノズル２２の先端２２ａは凹曲面２４からなる帯電電極２３内に露出している。ノズル２２の後端２２ｂは、帯電電極２３の背面側（すなわち、凹曲面２４と反対側）において露出している。ノズル２２の後端２２ｂは、原料液の供給源（図示せず）に接続されている。

導電性材料からなるノズル２２は、針状の直管から構成されている。ノズル２２内には、原料液が流通可能になっている。ノズル２２の内径は、その下限値を好ましくは２００μｍ以上、更に好ましくは３００μｍ以上に設定することができる。一方、その上限値を好ましくは３０００μｍ以下、更に好ましくは２０００μｍ以下に設定することができる。好ましくは２００μｍ以上３０００μｍ以下、更に好ましくは３００μｍ以上２０００μｍ以下に設定することができる。ノズルの内径をこの範囲内に設定することで、高分子である原料液を容易に、かつ定量的に送液できるとともに、原料液を効率よく帯電させられるので好ましい。

ノズル２２が導電性材料から構成されていることは先に述べたとおりであるところ、該ノズル２２は図３に示すとおり直流高圧電源２６に接続され、正電圧が印加されている。これに対して帯電電極２３は先に述べたとおり接地されており、電位がゼロになっている。したがって、帯電電極２３とノズル２２との間には電界が生じる。ノズル２２及び帯電電極２３に印加される電圧はこれに限らず、ノズル２２が接地され、帯電電極２３に正電圧又は負電圧が印加されていてもよく、ノズル２２と帯電電極２３との間に電位差が生じていればよい。帯電電極２３とノズル２２との間に加わる電位差は、１ｋＶ以上、特に１０ｋＶ以上とすることが、原料液を十分に帯電させる点から好ましい。一方、この電位差は１００ｋＶ以下、特に５０ｋＶ以下とすることが、ノズル２２と帯電電極２３間における放電を防止する点から好ましい。電位差は例えば１ｋＶ以上１００ｋＶ以下、特に１０ｋＶ以上５０ｋＶ以下とすることが好ましい。

ノズル２２の先端に電荷が一層集中するようにするために、該ノズル２２は、その延びる方向が、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円の中心か、又はその中心の近傍を通り、かつ該ノズル２２の先端２２ａが、該開口端によって画成される円を含む平面内に位置するか、又は該平面の近傍に位置するように配置されることが有利である。

特にノズル２２は、その延びる方向が、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円の中心か、又はその中心の近傍と、該凹曲面２４における最底部とを通るように配置されることが好ましい。とりわけ、凹曲面２４の開口端によって画成される円を含む平面と、ノズル２２の延びる方向とが直交していることが好ましい。このようにノズル２２を配置することで、ノズル２２の先端に電荷が更に一層集中するようになる。この観点から、帯電電極２３の凹曲面２４は、真球の球殻の略半球面の形状をしていることが特に好ましい。

特に、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円の半径をｒとしたとき、該円を含む平面上に中心を同じくして描かれる、半径がｒ／５である仮想円を考えた場合、ノズル２２は、その延びる方向が、該仮想円の内側と、凹曲面２４における最底部とを通るように配置されることが好ましい。とりわけ、前記仮想円として、半径がｒ／１０であるものを考えた場合、ノズル２２は、その延びる方向が、半径がｒ／１０である該仮想円の内側と、凹曲面２４における最底部とを通るように配置されることが好ましい。更に好ましい形態として、ノズル２２は、その延びる方向が、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円の中心と、該凹曲面２４における最底部とを通るように配置される形態が挙げられる。

ノズル２２の先端２２ａの位置に関しては、該先端２２ａが、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円を含む平面内に位置するか、又は該平面よりも該凹曲面２４の内側に位置するように該ノズル２２を配置することが好ましい。具体的には該平面よりも１〜１０ｍｍ内側に配置することが好ましい。ノズル２２の先端２２ａの位置をこのようにすることで、ノズル２２の先端２２ａから吐出された原料液が、帯電電極２３の凹曲面２４に引き寄せられにくくなり、該凹曲面２４が該原料液によって汚染されづらくなる。

ナノファイバ生成ユニット２１においては、図２及び図３に示すとおり、ノズルアセンブリ２７におけるノズル２２の基部の近傍に、貫通孔からなる気体流噴出部２９が設けられている。気体流噴出部２９は、ノズル２２の延びる方向に沿って形成されている。更に気体流噴出部２９は、ノズル２２の先端２２ａの方向に向けて気体流を噴出させることが可能なように形成されている。帯電電極２３の開口端側から見たとき、気体流噴出部２９は、ノズル２２を取り囲むように２個設けられている。各気体流噴出部２９は、ノズル２２を挟んで対称な位置に形成されている。貫通孔からなる気体流噴出部２９は、その後端側の開口部が気体流の供給源（図示せず）に接続されている。この供給源から気体が供給されることで、ノズル２２の周囲から気体が噴出されるようになっている。噴出した気体は、ノズル２２の先端２２ａから吐出され、かつ電界の作用によって細長く引き伸ばされた原料液を、後述する捕集用電極に向けて搬送する。なお、図２及び図３においては、気体流噴出部２９が２個設けられている状態が示されているが、気体流噴出部２９を設ける個数はこれに限られず、１個又は３個以上であってもよい。更に気体流噴出部２９の形状は円形に限られず（矩形、楕円、二重円環、三角、ハニカム）、均一な気体流を得る観点からはノズルを囲む環状が望ましい。また、気体流噴出部２９から噴出させる気体としては、空気を用いることが簡便である。

以上は、ナノファイバ製造装置１０におけるナノファイバ生成部２０のナノファイバ生成ユニット２１に関するものであったところ、ナノファイバ捕集部３０は、以下の構成となっている。すなわち、ナノファイバ捕集部３０は、先に述べたとおりナノファイバの捕集用電極３１を備えている。捕集用電極３１は金属等の導体から構成されている平板状のものである。捕集用電極３１の板面と、ノズル２２の延びる方向とは略直交している。捕集用電極３１には、ノズル２２に印加されている電圧と異なる電圧が印加される。例えばノズルに正の電圧が印加されている場合には、捕集用電極３１に負の電圧を印加することができる。

捕集用電極３１とノズル２２の先端との距離は、その下限値を好ましくは１００ｍｍ以上、更に好ましくは５００ｍｍ以上とすることができる。上限値は好ましくは３０００ｍｍ以下、更に好ましくは１５００ｍｍ以下とすることができる。例えば好ましくは１００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下、更に好ましくは５００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下とすることができる。

ナノファイバ捕集部３０においては、捕集用電極３１とノズル２２との間に、ナノファイバが捕集される捕集体３２が配置されている。捕集体３２は、搬送コンベア３３によって搬送される。捕集体３２は例えば長尺帯状のものであり、ロール状の原反（図示せず）から繰り出されるようになっている。繰り出された捕集体３２は、ノズル２２と対向する位置を通過して、ワインダー（図示せず）に巻き取られるようになっている。捕集体３２としては、例えばフィルム、メッシュ、不織布、紙などを用いることができる。

本実施形態のナノファイバ製造装置１０は、これまで説明してきたナノファイバ生成部２０及びナノファイバ捕集部３０を備えることに加えて、整流部４０を更に備えている。整流部４０は、ナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０との間に位置している。整流部４０は、整流体４１及び電極体４２を備えている。

整流部４０を構成する整流体４１は、ナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０との間の空間に配置されており、ノズル２２から紡出されたナノファイバ及び気体流噴出部２９から吹き出された気体流をナノファイバ捕集部３０に向けて案内するために用いられる。この目的のために、整流体４１は、例えばナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０とを結ぶ仮想軸線の両側の位置に対向して配置された一対の平板からなることが好ましい。一対の平板は同じものであってもよく、あるいは異なるものであってもよい。また、一対の平板は、前記の仮想軸線に対して対称に配置されていることが好ましい。

整流部４０における電極体４２は、整流体４１の外方に位置している。「整流体４１の外方」とは、整流体４１の面のうち、ナノファイバ生成部２０を臨む面と反対側、すなわち背面側の領域のことである。整流体４１の外方に位置している限り、電極体４２の配置位置に特に制限はない。図１（ａ）及び（ｂ）には、電極体４２が、整流体４１の背面側において該整流体４１に隣接して配置されている状態が示されているが、電極体４２の配置位置はこれに限られない。

整流部４０においては一対の整流体４１が用いられており、各整流体４１に対応して電極体４２も一対で配置されている。電極体４２は、整流体４１と同様に平板からなることが好ましい。尤も、整流体４１を構成する平板と、電極体４２を構成する平板とは同一の形状・寸法であることを要しない。また、一対の平板からなる電極体４２は同じものであってもよく、あるいは異なるものであってもよい。更に電極体４２は、前記の仮想軸線に対して対称に配置されていることが好ましい。

本発明者の検討の結果、複数のナノファイバ生成ユニット２１を備えたナノファイバ生成部２０を用い、複数のノズル２２からナノファイバを紡出する場合、整流部４０に整流体４１及び電極体４２を上述の配置状態で設置すると、意外にも各ノズル２２からの原料液の吐出性が安定化することが判明した。その結果、各ノズル２２からの原料液の吐出量を増加させることができ、それによってナノファイバの生産性が向上する。ここで言うナノファイバの生産性の向上とは、捕集体３２に捕集されるナノファイバの量が多くなることをいう。したがって、ノズル２２からは多量のナノファイバが紡出されたとしても、該ナノファイバが例えば整流体４１に多量に付着してしまい、捕集体３２に到達するナノファイバの量が少ない場合には、生産性が向上したことにはならない。

整流体４１と電極体４２とを組み合わせて用いることで、ノズル２２からのナノファイバの紡出が安定化する理由は完全には明確ではない。本発明者は、この理由を、整流体４１を用いた気体流の制御と、電極体４２を用いた電場の制御との相乗効果によるものではないかと考えている。

気体流を制御する観点からは、整流体４１におけるナノファイバ生成部２０に臨む面は平滑面であることが望ましいが、気体流を制御し得る範囲において該面は凹凸を有していてもよい。また気体流を制御し得る範囲において、整流体４１にその厚み方向を貫通する孔が形成されていてもよい。

ノズル２２からのナノファイバの紡出を安定化する観点から、整流体４１は少なくとも、ナノファイバ生成部２０に臨む面の表面が誘電体から構成されていることが好ましい。誘電体としては、例えば、絶縁材料であるマイカ、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム等のセラミックス材料や、アクリル樹脂、ベークライト（フェノール樹脂）、ナイロン（ポリアミド）、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂系材料が挙げられる。誘電体には帯電防止剤を含有させることができる。帯電防止剤を含有させることによって、帯電したナノファイバが整流体４１に付着したとき、整流体４１の帯電を低減することができる。帯電防止剤としては公知の市販品を使用することができ、例えばペレクトロン（登録商標、三洋化成工業（株））、エレクトロストリッパー（登録商標、花王（株））、リケマール（登録商標、理研ビタミン（株））などを用いることができる。

ナノファイバ生成部２０の気体流噴出部２９から吹き出された気体流の制御を首尾よく行い、ナノファイバを捕集体３２に確実に導く観点から、一対の平板からなる整流体４１は、ナノファイバ捕集部３０に向かうに連れて該平板間の距離が漸減するように配置されていることが好ましい。この場合、平板間の距離は、ナノファイバ捕集部３０に向かうに連れて連続的に減少していてもよく、あるいはステップ状に減少していてもよい。

本実施形態においては、電極体４２は、整流体４１の背面側において、該整流体４１に直接に接するように配されているので、整流体４１の距離がナノファイバ捕集部３０に向かうに連れて漸減することと連動して、一対の電極体４２の距離も、ナノファイバ捕集部３０に向かうに連れて漸減している。

上述のとおり、電極体４２は、ナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０との間の空間の電場を制御する目的で用いられる。この観点から電極体４２は導電性材料から構成されており、一般には金属製である。ナノファイバ製造装置１０の運転状態において、各電極体４２は、装置１０のグラウンドに対してある電位を有している。本発明者の検討の結果、各電極体は、ノズル２２に印加される電圧と、ナノファイバ捕集部３０に印加される電圧（すなわち捕集用電極３１に印加される電圧）との間の電圧が印加されていることが、電場の制御の観点から好ましいことが判明した。ノズル２２に印加される電圧とナノファイバ捕集部３０に印加される電圧との間の電圧には、ノズル２２に印加されている電圧又はナノファイバ捕集部３０に印加されている電圧と同電圧も含まれているものとする。更に、帯電電極２３と同電位となるよう各電極体に電圧を印加することが、生産性の向上の観点からより好ましい。すなわち、ノズル２２の電圧＞帯電電極２３の電圧≧電極体４２の電圧＞捕集用電極３１の電圧の関係が成立することが好ましい。また、ノズル２２の電圧＜帯電電極２３の電圧≦電極体４２の電圧＜捕集用電極３１の電圧の関係が成立することが好ましい。具体的には、ナノファイバ製造装置１０の運転状態において、ノズル２２に正の電圧が印加されており、且つナノファイバ捕集部３０に負の電圧が印加されている場合、帯電電極２３及び電極体４２が接地されて、その電圧がゼロであることが好ましい。また、ナノファイバ製造装置１０の運転状態において、ノズル２２に負の電圧が印加されており、且つナノファイバ捕集部３０に正の電圧が印加されている場合、帯電電極２３及び電極体４２が接地されて、その電圧がゼロであることが好ましい。電極体４２の電圧がゼロであることは必須ではなく、例えば電極体４２の電圧は、ノズル２２印加されている電圧とナノファイバ捕集部３０に印加されている電圧との間のいずれかの正又は負の電圧となっていてもよい。尤も、電極体４２を接地すればその電圧はゼロになるので、電極体４２の電圧をゼロに設定することは容易である。

図４には、本発明のナノファイバ製造装置１０の別の実施形態が示されている。なお図４に示す実施形態に関し、特に説明しない点については、先に説明した実施形態に関する説明が適宜適用される。また図４において、図１ないし図３と同じ部材には同じ符号を付してある。同図に示す実施形態においては、電極体４２を配置する位置が先の実施形態と相違している。詳細には、電極体４２は、整流体４１の外方、すなわち背面の位置であって、且つ該整流体４１から離間した位置に配置されている。つまり整流体４１と電極体４２とは直接に接しておらず、両者間には空間が存在している。また、電極体４２は、ナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０とを結ぶ仮想軸線の両側の位置に対向して配置された一対の平板から構成されている。一対の平板からなる電極体４２は、前記の仮想軸線に対して対称に配置されていることが好ましい。

図４に示すとおり、各電極体４２は、ナノファイバ生成部２０とナノファイバ捕集部３０とを結ぶ仮想軸線Ａと略平行に配置されている。尤も、各電極体４２が仮想軸線Ａに対して平行であることは要せず、電極体４２の面のうち、整流体４１と対向する面は、仮想軸線Ａに対して傾斜していてもよい。例えば一対の平板からなる電極体４２は、ナノファイバ捕集部３０に向かうに連れて該平板間の距離が漸減するように傾斜していてもよい。

また図４に示す実施形態においては、仮想軸線Ａに沿って見たとき、各電極体４２の端部４２Ｆ，４２Ｒのうち、前側の端部４２Ｆの位置は、各整流体４１の前側の端部４１Ｆの位置と略同じになっているが、これに代えて、電極体４２の前側の端部４２Ｆが、整流体４１の前側の端部４１Ｆの位置を越えてナノファイバ生成部２０寄りに位置していてもよく、逆に整流体４１の前側の端部４１Ｆが、電極体４２の前側の端部４２Ｆの位置を越えてナノファイバ生成部２０寄りに位置していてもよい。

同様に、図４に示す実施形態においては、仮想軸線Ａに沿って見たとき、各電極体４２の端部４２Ｆ，４２Ｒのうち、後側の端部４２Ｒの位置は、各整流体４１の後側の端部４１Ｒの位置と略同じになっているが、これに代えて、電極体４２の後側の端部４２Ｒが、整流体４１の後側の端部４１Ｒの位置を越えてナノファイバ捕集部３０寄りに位置していてもよく、逆に整流体４１の後側の端部４１Ｒが、電極体４２の後側の端部４２Ｒの位置を越えてナノファイバ捕集部３０寄りに位置していてもよい。

以上の構成を有する各実施形態のナノファイバ製造装置１０を用いたナノファイバの製造方法においては、まず捕集体３２を繰り出して、所定の一方向（図１（ａ）では上下方向）に搬送する。また、例えば帯電電極２３を接地して電圧をゼロに設定するとともに、ノズル２２に正の電圧を印加し、且つ捕集用電極３１に負の電圧を印加する。これによって帯電電極２３とノズル２２との間に電界を生じさせた状態下に、ナノファイバ生成部２０に設けられた気体流噴出部２９から気体流を噴出させつつ、ノズル２２の先端２２ａから原料液を吐出する。原料液はノズル２２から吐出されるまでの間に静電誘導によって帯電し、帯電した状態で吐出される。ノズル２２の先端２２ａには電場が集中しているので、原料液の単位質量当たりの帯電量は極めて高くなる。帯電した状態で吐出された原料液は電界の作用によって、その液面が円錐状に変形する。帯電電極２３に引き付けられる力が原料液の表面張力を超えると、帯電電極２３の方向に原料液が一気に引き寄せられる。このとき、吐出した原料液に向けて気体流噴出部２９から気体流を噴出させていることで、原料液の自己反発の連鎖によってファイバはナノサイズにまで細くなる。原料液が溶媒を含む場合には、ファイバの細径化と同時に比表面積が大きくなることで、該溶媒の揮発が進行する。その結果、生成したナノファイバが、ノズル２２と対向する位置に配置された捕集体３２の表面にランダムに堆積する。ナノファイバ製造装置１０には複数のナノファイバ生成ユニット２１が配置されているので、多量のナノファイバを製造することができる。しかもナノファイバは、各ナノファイバ生成ユニット２１のノズル２２から安定的に紡出されるので、原料液の吐出量を従来よりも高めても、従来と同程度の太さを有するナノファイバを多量に製造することができる。

本発明のナノファイバ製造装置を用いてナノファイバを製造するときに使用される原料液としては、繊維形成の可能な高分子化合物が溶媒に溶解した溶液や、熱可塑性樹脂の溶融液などを用いることができる。高分子化合物としては、水溶性高分子化合物及び水不溶性高分子化合物のいずれもが用いられる。本明細書において「水溶性高分子化合物」とは、１気圧・常温（２０℃±１５℃）の環境下において、高分子化合物を、該高分子化合物に対して１０倍以上の質量の水に浸漬し、十分な時間（例えば２４時間以上）が経過したときに、浸漬した高分子化合物の５０質量％以上が溶解する程度に水に溶解可能な性質を有する高分子化合物をいう。一方、「水不溶性高分子化合物」とは、１気圧・常温（２０℃±１５℃）の環境下において、高分子化合物を、該高分子化合物に対して１０倍以上の質量の水に浸漬し、十分な時間（例えば２４時間以上）が経過したときに、浸漬した高分子化合物の８０質量％以上が溶解しない程度に水に溶解しづらい性質を有する高分子化合物をいう。

水溶性高分子化合物としては、例えばプルラン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ポリ−γ−グルタミン酸、変性コーンスターチ、β−グルカン、グルコオリゴ糖、ヘパリン、ケラト硫酸等のムコ多糖、セルロース、ペクチン、キシラン、リグニン、グルコマンナン、ガラクツロン、サイリウムシードガム、タマリンド種子ガム、アラビアガム、トラガントガム、変性コーンスターチ、大豆水溶性多糖、アルギン酸、カラギーナン、ラミナラン、寒天（アガロース）、フコイダン、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等の天然高分子、部分鹸化ポリビニルアルコール（後述する架橋剤と併用しない場合）、低鹸化ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸ナトリウム等の合成高分子などが挙げられる。これらの水溶性高分子化合物は単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの水溶性高分子化合物のうち、ナノファイバの製造が容易である観点から、プルラン、並びに部分鹸化ポリビニルアルコール、低鹸化ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンオキサイド等の合成高分子を用いることが好ましい。

一方、水不溶性高分子化合物としては、例えばナノファイバ形成後に不溶化処理できる完全鹸化ポリビニルアルコール、架橋剤と併用することでナノファイバ形成後に架橋処理できる部分鹸化ポリビニルアルコール、ポリ（Ｎ−プロパノイルエチレンイミン）グラフト−ジメチルシロキサン／γ−アミノプロピルメチルシロキサン共重合体等のオキサゾリン変性シリコーン、ツエイン（とうもろこし蛋白質の主要成分）、ポリエステル、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリメタクリル酸樹脂等のアクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリエチレンテフタレート樹脂、ポリブチレンテフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。これらの水不溶性高分子化合物は単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

本発明のナノファイバ製造装置によって製造されるナノファイバは、その太さを円相当直径で表した場合、一般に１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、特に１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のものである。ナノファイバの太さは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって測定することができる。このようなナノファイバをランダムに堆積させることでナノファイバシートが得られる。このナノファイバシートは、例えば高集塵性でかつ低圧損の高性能フィルタ、高電流密度での使用が可能な電池用セパレータ、高空孔構造を有する細胞培養用基材等として好適に用いられる。あるいはナノファイバシートを、ヒトの皮膚、歯、歯茎、毛髪、非ヒト哺乳類の皮膚、歯、歯茎、枝や葉等の植物表面等に付着させて用いることができる。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、整流体４１と平板を用いた例を挙げたが、整流体４１の形状はこれに限られない。例えば整流体４１として、円錐台又は角錐台の側面の形状をしているものを用いることができる。この形状の整流体は、ナノファイバ生成部２０から噴射される気体流を囲むように配置されることが好ましい。また、この形状の整流体は、円錐台又は角錐台の底面から截頭面に向けて気体流が通過するように配置されることが好ましい。

また前記実施形態においては、帯電電極２３は略椀形をしていたが、該電極２３の形状はこれに限られず、ノズル２２を囲う形状、又は、ノズル２２を囲い、且つ凹曲面を有する形状であれば他の形状であってもよい。例えば特許文献１の図９に記載されているとおり、略椀形の帯電電極の対向する２つの側部を、ノズルの延びる方向と平行な面に沿って切断した形状の電極を用いることができる。あるいは帯電電極２３は、特許文献１の図１０に記載されているとおり、円筒をその中心軸に沿って略二分したうちの一方の形状、換言すれば略半円筒の形状をしていてもよい。

更に前記実施形態では、複数のナノファイバ生成ユニット２１を鉛直方向に沿って直列に配置したが、これに代えて複数のナノファイバ生成ユニット２１を水平方向に沿って直列に配置してもよい。あるいは、鉛直方向及び水平方向の両方に沿って配置してもよい。更に前記実施形態では、ノズル２２が水平方向と平行に配置されていたが、これに代えてノズル２２を鉛直方向と平行に配置してもよい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。

〔実施例１〕
図４に示すナノファイバ製造装置１０を用いてナノファイバシートを製造した。装置１０における各部の寸法は図５に示すとおりとした。整流体４１として、幅５００ｍｍ、高さ１２００ｍｍ、厚さ５ｍｍのアクリル樹脂製平板を用いた。電極体４２として、幅６００ｍｍ、高さ１２００ｍｍ、厚さ０．０１２ｍｍのアルミニウム箔を用いた。

ナノファイバ生成ユニット２１における帯電電極２３の凹曲面２４は、真球の球殻の半球面の形状とした。凹曲面２４の開口端を画成する円の直径は９０ｍｍとした。電極の面積は８４７８ｍｍ²とした。ノズル２２の内径は３００μｍとした。ノズル２２の先端を、凹曲面２４の開口端を画成する円を含む平面から５ｍｍ内寄りに位置させた。ノズル２２を含むノズルアセンブリ２７は、帯電電極２３の凹曲面２４の最底部に配置した。ノズル２２はその延びる方向が、帯電電極２３の凹曲面２４における開口端によって画成される円の中心を通るように配置した。ナノファイバ生成ユニット２１を２基用い、これらを鉛直方向に沿って直列に配置した。

原料液としてポリビニルピロリドン（Ｋ３０）１８％、ポリビニルピロリドン（Ｋ９０）２％、エタノール４０％、及び水４０％を含む水性液を用いた。原料液の吐出量は４８ｍＬ／ｈ／基とした。また、ノズルアセンブリ２７の気体流噴出部２９から空気を２００Ｌ／ｍｉｎで噴出させた。周囲環境は２３℃、２０％ＲＨとした。

ナノファイバ製造装置１０における各部の印加電圧は以下のとおりとした。
・ノズル２２：＋２５ｋＶ
・帯電電極２３：０ｋＶ
・捕集用電極３１：−３０ｋＶ
・電極体４２：０ｋＶ

以上の条件でナノファイバ製造装置１０を運転した。捕集体３２として幅３００ｍｍ、厚さ２０μｍのポリプロピレンフィルムを０．１ｍ／ｍｉｎで走行させ、該フィルムにおけるナノファイバ生成部２０の対向面にナノファイバを堆積させた。堆積後に、フィルムを１ｍの長さに裁断し、その質量Ｗ１を測定した。ナノファイバを堆積させる前のフィルムの質量Ｗ０を予め測定しておき、Ｗ１からＷ０を減じることでナノファイバの堆積量を求めた。３つのサンプルについてナノファイバの堆積量を求め、その平均値を算出し、これをもってナノファイバの生成量Ｙ１とした。
この操作とは別に、１０分間に吐出された原料液の量から算出される理論上のナノファイバ生成量をＹ０とし、（Ｙ１／Ｙ０）×１００の計算式からナノファイバの捕集率を算出した。捕集率はその値が１００に近いほど、多量のナノファイバが捕集されたことを意味する。その結果、本実施例での捕集率は８９％であった。また、ナノファイバ生成ユニット１基当たりの原料液の吐出量を２０ｍＬ／ｈ／基から増加させていったところ、６０ｍＬ／ｈ／基でも安定した紡糸が可能であった。

〔実施例２〕
本実施例では、実施例１において用いた図４に示す装置に代えて、図１（ａ）及び（ｂ）に示す装置を用いてナノファイバシートを製造した。装置の各部の寸法は実施例１と同様とした。また、ナノファイバ製造装置１０の運転条件も実施例１と同様とした。この結果、本実施例での捕集率は７８％であった。また、ナノファイバ生成ユニット１基当たりの原料液の吐出量を２０ｍＬ／ｈ／基から増加させていったところ、６０ｍＬ／ｈ／基でも安定した紡糸が可能であった。

〔比較例１〕
本比較例では、実施例１において用いた図４に示す装置に代えて、図６に示す装置１００を用いてナノファイバシートを製造した。同図に示す装置では、整流体１４１として幅５００ｍｍ、高さ１２００ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム製平板を用いた。装置の各部の寸法は実施例１と同様とした。また、ナノファイバ製造装置１００の運転条件も実施例１と同様とした。この結果、本比較例での捕集率は６９％であった。また、ナノファイバ生成ユニット１基当たりの原料液の吐出量を２０ｍＬ／ｈ／基から増加させていったところ、６０ｍＬ／ｈ／基でも安定した紡糸が可能であった。

〔比較例２〕
本比較例では、実施例１において用いた図４に示す装置に代えて、整流体４１と電極体４２を取り外したナノファイバ製造装置１０を用いてナノファイバシートを製造した。装置の各部の寸法は実施例１と同様とした。また、ナノファイバ製造装置１０の運転条件も実施例１と同様とした。この結果、本比較例ではノズル先端において液溜まりが発生し紡糸が安定せず、十分に原料液が乾燥しないまま捕集体に堆積したため捕集率の測定ができなかった。また、ナノファイバ生成ユニット１基当たりの原料液の吐出量を２０ｍＬ／ｈ／基から増加させていったところ、３２ｍＬ／ｈ／基までは安定した紡糸が可能であったものの、それ以上に増加させると紡糸が不安定となった。

〔比較例３〕
本比較例では、実施例１において用いた図４に示す装置に代えて、電極体４２を取り外したナノファイバ製造装置１０を用いてナノファイバシートを製造した。装置の各部の寸法は実施例１と同様とした。また、ナノファイバ製造装置１０の運転条件も実施例１と同様とした。この結果、本比較例では比較例２と同様、ノズル先端において液溜まりが発生し紡糸が安定せず、十分に原料液が乾燥しないまま捕集体に堆積したため捕集率の測定ができなかった。また、ナノファイバ生成ユニット１基当たりの原料液の吐出量を２０ｍＬ／ｈ／基から増加させていったところ、３２ｍＬ／ｈ／基までは安定した紡糸が可能であったものの、それ以上に増加させると紡糸が不安定となった。

１０ ナノファイバ製造装置
２０ ナノファイバ生成部
２１ ナノファイバ生成ユニット
２２ ノズル
２３ 帯電電極
２４ 凹曲面
２５ 基台
２６ 直流高圧電源
２７ ノズルアセンブリ
２８ 支持部
２９ 気体流噴出部
３０ ナノファイバ捕集部
３１ 捕集用電極
３２ 捕集体
４０ 整流部
４１ 整流体
４２ 電極体

Claims (10)

1. ナノファイバ生成部及びナノファイバ捕集部を備えたナノファイバ製造装置であって、
   前記ナノファイバ生成部は、
   ナノファイバの原料液を紡出するノズルと、
   前記原料液に電荷を付与して帯電させる帯電電極と、
   紡出されたナノファイバを搬送する気体流を噴出させる気体流噴出部と、
   を有するナノファイバ生成ユニットが複数並べて配置されたものであり、
   前記ナノファイバ捕集部は、前記気体流噴出部に対向するように配置されており、
   前記ナノファイバ製造装置は、前記ナノファイバ生成部と前記ナノファイバ捕集部との間の空間に、前記ナノファイバ及び前記気体流を案内する整流体と、該整流体の外方の位置に、該ノズルに印加される電圧と該ナノファイバ捕集部に印加される電圧との間の電圧が印加される電極体とを有する、ナノファイバ製造装置。
2. 前記ノズルに正の電圧が印加されており、且つ前記ナノファイバ捕集部に負の電圧が印加されているか、又は
   前記ノズルに負の電圧が印加されており、且つ前記ナノファイバ捕集部に正の電圧が印加されており、
   前記電極体が接地されて電圧がゼロになっている請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
3. 前記整流体が誘電体からなる請求項１又は２に記載のナノファイバ製造装置。
4. 前記整流体が、前記ナノファイバ生成部と前記ナノファイバ捕集部とを結ぶ仮想軸線の両側の位置に対向して配置された一対の平板からなり、
   一対の前記平板は、前記ナノファイバ捕集部に向かうに連れて該平板間の距離が漸減するように配置されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
5. 前記整流体が、円錐台又は角錐台の側面の形状をしており、
   前記整流体は、前記ナノファイバ生成部から噴射される気体流を囲むように、且つ前記円錐台又は前記角錐台の底面から截頭面に向けて前記気体流が通過するように配置されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
6. 前記電極体が、前記整流体の背面側において該整流体に隣接して配置されている請求項１ないし５のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
7. 前記電極体が、前記整流体から離間した位置に配置されており、且つ前記ナノファイバ生成部と前記ナノファイバ捕集部とを結ぶ仮想軸線の両側の位置に対向して配置された一対の平板からなる請求項１ないし５のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
8. 前記帯電電極が、前記ノズルを囲う形状になっている請求項１ないし７のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置。
9. 前記帯電電極が、凹曲面を有する形状になっている請求項８に記載のナノファイバ製造装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のナノファイバ製造装置を用いるナノファイバの製造方法。