JP6904787B2

JP6904787B2 - 電界紡糸装置

Info

Publication number: JP6904787B2
Application number: JP2017101191A
Authority: JP
Inventors: 斉藤　公二; 公二斉藤
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: JP2018193658A

Description

本発明は、電界紡糸装置に関する。

電界紡糸法（エレクトロスピニング法）は、機械力や熱力を使わずにナノサイズの直径のファイバ（以下、ナノファイバという）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、ナノファイバの原料となる物質の溶液をシリンジに充填しておき、該シリンジに取り付けられている針状のノズルと、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溶液を吐出する操作を行う。吐出された溶液はクーロン力で延伸されるとともに溶媒が瞬時に蒸発し、原料は凝固しながら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。

このナノファイバ製造の生産性を高めることを目的として、多数の企業や研究機関において、ナノファイバ製造の生産性を向上させるための技術開発が行われている。
例えば、電界解紡糸装置の紡糸能力を向上させるために、ノズルの近傍から、該ノズルに沿うように空気流を噴射させることで、該ノズルからの溶液の吐出を促進させる技術が知られている（特許文献１）。

特開２０１７−３１５１７号公報

空気流の噴射により紡糸能力を向上させる場合、溶媒を蒸発させる時間を確保したり、捕集コンベア等の捕集部上に積層された紡糸繊維の状態が風圧によって乱されないようするために、空気流の噴射をしない場合に比して、ノズルと捕集部との間の距離を大きくすることが望まれる。しかしながら、その場合、ノズルから離れた部位における電場低減に伴い紡糸繊維の捕集部への捕集性が低下し、それを補うためには、吐出した溶液の延伸に必要な風力以上の風力が必要とされる。しかし、風力を増加させると、繊維切れが発生しやすくなり、連続繊維を得たい場合であっても、連続繊維が得られなくなり、また繊維切れの発生を起因として紡糸される繊維の性状にも乱れが生じやすくなる。また、切れた繊維が、捕集コンベア等の捕集部に堆積されずに、空間を浮遊し、装置に付着し汚染する恐れもある。

したがって本発明の課題は、従来技術の電界紡糸装置が有する欠点を解消し得る電界紡糸装置を提供することにある。

本発明は、原料液を噴射する導電性のノズルを備えた原料噴射部と、前記ノズルと電気的に絶縁して配置された凹曲面を有する電極と、前記ノズルと前記電極の間に電圧を発生させる電圧発生部とを備えた電界紡糸装置であって、前記ノズルが延びる方向と直交する方向における、前記ノズルと前記電極の間又は前記電極の配置位置に第１空気流噴射口を備えており、第１空気流噴射口より外側であって且つ前記電極の配置位置又はそれより外側に第２空気流噴射口を備えている、電界紡糸装置を提供するものである。

本発明は、前記の電界紡糸装置を用いてナノファイバを製造するナノファイバの製造方法であって、前記電圧発生部により前記ノズルと前記電極の間に電圧を発生させ且つ前記第１空気流噴射口及び前記第２空気流噴射口のそれぞれから空気流を噴射させた状態下に、前記原料噴射部に前記原料液を供給して前記ノズルから噴射させ、噴射させた前記原料液から生じたナノファイバを捕集する、ナノファイバの製造方法を提供するものである。

本発明の電界紡糸装置は、安定してナノファイバ等の紡糸が可能であり、紡糸能力が高く、繊維切れも発生しにくい。
本発明のナノファイバの製造方法によれば、安定してナノファイバの紡糸が可能であり、紡糸能力が高く、繊維切れも発生しにくい。

図１は、本発明の電界紡糸装置の一実施形態であるナノファイバ製造装置を示す概略図である図２は、図１に示すナノファイバ製造装置の紡糸ユニットを、斜め下方から視た状態を示す斜視図である。図３は、図１に示すナノファイバ製造装置の紡糸ユニットを、電極のノズルと対向する面（凹曲面）の開口端部側から視た状態を示す平面図である。図４は、図１に示すナノファイバ製造装置を用いてナノファイバを紡糸している状態を示す図である。図５は、本発明の電界紡糸装置の他の実施形態を示す図１相当図である。図６は、本発明の電界紡糸装置の更に他の実施形態を示す図１相当図である。

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は、本発明の電界紡糸装置の一実施形態であるナノファイバ製造装置の概略図が示されている。本実施形態のナノファイバ製造装置１は、基本的にはＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＳｐｒａｙＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と高速噴出気流（ジェット）を組み合わせたジェットＥＳＤ法を採用したものである。製造装置１は、ナノファイバ製造用の原料液を噴射する導電性のノズル２１を備えた原料噴射部２と、ノズル２１と電気的に絶縁して配置された凹曲面３ｆを有する電極３と、ノズル２１と電極３の間に電圧を発生させる電圧発生部４と、第１空気流噴射口５と、第２空気流噴射口６とを備えている。

製造装置１は、ノズル２１、第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６を備えた紡糸ユニット１０を備えている。紡糸ユニット１０は、捕集部８に向かって開口する凹部１１を有している。電極３は、ノズル２１に対向する面が凹曲面３ｆとなっており、該凹曲面３ｆは、紡糸ユニット１０の前記凹部１１の内面に沿った形状を有している。

本実施形態の製造装置１において、第１空気流噴射口５は、図１及び図３に示すように、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおいて、ノズル２１と電極３の間Ｐ１に位置しており、第２空気流噴射口６は、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおいて、第１空気流噴射口５より外側であって且つ電極３の配置位置Ｐ２より外側Ｐ３に位置している。「ノズルが延びる方向と直交する方向」とは、図１に示すように、ノズル２１の中心線を含む平面による断面において、ノズルが延びる方向と直交する方向という意味である。

製造装置１では、電極３はノズル２１と対向する面３ｆの略全面が、表面に誘電体の露出した被覆体７で被覆されている。電極３のノズル２１と対向する面３ｆとは、ノズル２１の先端２１ａ（原料液が噴射する開口部）から臨むことのできる電極３の表面のことを意味し、製造装置１では、凹曲面３ｆと同じ面である。製造装置１では、電極３はノズル２１と対向する（凹曲面）３ｆは、全体として凹球面形状をしており、特に略椀形をしている。そして電極３は、その略椀形の内面であるノズル２１と対向する面３ｆが凹曲面に形成されている。電極３は、その内面が凹曲面３ｆとなっている限りにおいて、その外面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。電極３は、導電性材料から構成されている。電極３は、電気絶縁性材料からなる基台３０に固定されている。

図３に示すように、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆを、その開口端部３１側から見たとき、該開口端部３１の周縁３１ａ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が、ノズル２１の先端に電界を集中させる観点からは、開口端部３１の周縁３１ａは、真円形であることが好ましい。一方、ノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆは、内面のいずれの位置においても曲面になっている。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０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下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０．００１ｍｍ以上５ｍｍ以下程度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３ｆ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ことが好ましい。

電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆは、その任意の位置における法線がノズル２１の先端又はその近傍を通るような形状となっていることが好ましい。この観点から、該凹曲面３ｆ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。

製造装置１では、図１に示すように、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆの最底部は開口しており、その開口部３２の内側に、原料噴射部２を構成するノズルアセンブリ２０が取り付けられている。ノズルアセンブリ２０は、ノズル２１と、ノズル２１を支持する支持部２２とを有している。

製造装置１では、原料噴射部２のノズル２１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。好適には、ノズル２１は、針状の直管から構成されている。ノズル２１内には、原料液が流通可能になっている。ノズル１３の内径は、例えば１００μｍ以上３０００μｍ以下で、好ましくは３００μｍ以上２０００μｍである。ノズル１３の外径は、例えば３００μｍ以上４０００μｍ以下で、好ましくは５００μｍ以上３０００μｍ以下である。ノズル１３の内径及び外径をこの範囲内に設定することで、原料液を容易に、かつ定量的に送液できるとともに、ノズル周辺の狭い領域に電界が集中し、原料液を効率よく帯電させることができる。

製造装置１では、ノズル２１は、その延びる方向ｄに沿う中央線又はその延長線が、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆにおける開口端部３１によって画成される円の中心又はその中心の近傍と、該対向する面（凹曲面）３ｆにおける底部に設けられた開口部３２の中心又はその中心の近傍とを通るように配置されることが好ましい。また、ノズル２１に対向する面（凹曲面）３ｆの開口端部３１によって画成される円を含む平面と、ノズル２１の延びる方向ｄとが直交していることが好ましい。このようにノズル２１を配置することで、ノズル２１の先端２１ａに電界が更に一層集中するようになる。

製造装置１では、原料噴射部２の支持部２２及び電極３の基台３０は、電気絶縁性材料から構成されている。したがって、電極３とノズル２１とは、支持部２２及び基台３０によって、電気的に絶縁されている。ノズル２１の後端２１ｂは、例えばナノファイバ製造用の原料液の供給源（図示せず）に接続されている。ノズルアセンブリ２０は、原料の供給源を構成するとともに原料噴射部２を構成する。
製造装置１では、ノズル２１の先端２１ａと、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆとの間の距離（最短距離）は、絶縁破壊による電極３とノズル２１間の放電防止の観点から、１０ｍｍ以上、特に２０ｍｍ以上が好ましく、電極３とノズル２１間の適正な距離による安定な電圧印加及び実用的な電極サイズの観点から、２００ｍｍ以下、特に１００ｍｍ以下が好ましい。

製造装置１では、図１に示すように、電極３が接地されている一方、ノズル２１には電圧発生部４の直流高圧電源４１により正電圧が印加されている。従って、電極３が陰極になり、かつノズル２１が陽極になり、電極３とノズル２１との間に電圧が発生し、電界が形成される。電極３とノズル２１との間に電界を生じさせるためには、図１に示す電圧の印加のしかたに代えて、ノズル２１を接地し、電極３に負電圧を印加してもよい。
製造装置１では、電圧発生部４に高圧電源装置などの公知の装置を用いることができる。電極３とノズル２１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得る点から好ましい。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２１と電極３との間における放電を防止する点から好ましい。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。なお電圧発生部４で印加した電圧が変動電圧である場合は、電極３とノズル２１との間に発生する電位差の時間平均が前記範囲内とすることが好ましい。

製造装置１では、第１空気流噴射口５は、図１及び図３に示すように、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおける、ノズル２１と電極３の間Ｐ１に位置している。より具体的には、ノズル２１の支持部２２は、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆから突出する小径の突出部２２ａと、該突出部２２ａより大径で基台３０内に位置する埋没部２２ｂとを有しており、第１空気流噴射口５は、図３に示すように、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆを、その開口端部３１側から見たときに、支持部２２（突出部２２ａ）の周縁の外側であって、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆの底部に形成された開口部３２の周縁より内側に位置している。
他方、第２空気流噴射口６は、図１及び図３に示すように、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおける、第１空気流噴射口５より外側であって且つ電極３の配置位置Ｐ２より外側Ｐ３に位置している。より具体的には、電極３の基台３０は、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆの開口端部３１の周縁３１ａより外方に、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向に延在する環状の平坦面３３を有しており、該環状の平坦面３３に第２空気流噴射口６が開口している。

第１空気流噴射口５は、基台３０内に設けられた空気供給路５１を介して、空気流の供給源（図示せず）に接続されており、この供給源から空気が供給されることで、ノズル２１の周囲から空気を噴射する。空気供給路５１は、第１空気流噴射口５の近傍における軸心線が、ノズル２１が延びる方向ｄと略平行であり、図４に示すように、ノズル２１の先端２１ａより後方の位置から該先端２１ａの近傍を通って前方に流れるように、空気流Ａ１を噴射させることが可能なように形成されている。
第２空気流噴射口６も、基台３０内に設けられた空気供給路６１を介して、空気流の供給源（図示せず）に接続されており、この供給源から空気が供給されることで、図４に示すように、ノズル２１の周囲における第１空気流噴射口５よりも外側の位置から空気流Ａ２を噴射する。空気供給路６１も、第２空気流噴射口６の近傍における軸心線が、ノズル２１が延びる方向ｄと略平行であり、ノズル２１が延びる方向ｄと略平行に、空気流Ａ２を噴射させることが可能なように形成されている。
第１空気流噴射口５から空気流を噴射させる空気流の供給源は、第２空気流噴射口６から空気流を噴射させる空気流の供給源とは、共通する単一のものであっても良いし、独立に設けられていても良い。

第１空気流噴射口５は、空気供給路５１を介して、空気流の供給源から空気が供給されることで、ノズル２１の周囲から空気が噴射されるようになっている。噴射した空気は、空気流Ａ１として、ノズル２１の先端２１ａの後方から該先端２１ａの近傍を通って前方に流れることで、ノズル２１の先端２１ａから噴射される原料液の単位時間当たりの量を、空気流を噴射させない場合に比して増大させることができ、また、噴射された原料液を、電界の作用のみによって引き伸ばした場合に比して一層効率よく引き延ばすことができる。このような作用により、本実施形態の製造装置１は、ナノファイバ等の繊維の紡糸能力に優れている。ここでいう紡糸能力とは、単位時間当たりに製造される紡糸繊維の質量であり、大きい程、紡糸能力に優れている。紡糸能力は、単位時間当たりの原料液の噴射量、又は単位時間当たりの原料液の供給量等によって判断又は評価することもできる。
しかも、第１空気流噴射口５よりもノズル２１からの距離が長い第２空気流噴射口６からも、空気流Ａ２を噴射させることにより、第１空気流噴射口５から噴射させる空気流の風速や風圧を、ノズル２１から吐出された原料液が、引き伸ばされすぎて切断されないように抑制しつつ、引き伸ばした原料液を、第２空気流噴射口６から噴射される空気流の風速や風圧によって、効率よく捕集部８まで搬送することができるため、連続繊維であるナノファイバ（紡糸繊維）を、効率よく製造することができ、その捕集部８での捕集も容易である。
更に、ノズルから吐出された原料液を、延ばしすぎて繊維切れを生じさせることを防止することができるので、紡糸繊維の繊維径の不安定化や、切れた繊維が、捕集部８に堆積されずに空間を浮遊し、装置や紡糸繊維を用いた製品を汚染することを防止することもできる。

製造装置１を用いたナノファイバの製造方法においては、電圧発生部４によりノズル２１と電極３の間に電圧を発生させ且つ第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６のそれぞれから空気流を噴射させた状態下に、原料噴射部２に原料液を供給してノズル２１から噴射させ、噴射させた原料液から生じたナノファイバを、捕集部８等において捕集する。斯かるナノファイバの製造方法は、本発明のナノファイバの製造方法の好ましい一実施態様である。

本実施形態の製造装置１においては、図１に示すように、ノズル２１が延びる方向ｄと平行な前後方向Ｘにおいて、第２空気流噴射口６が、第１空気流噴射口５より原料液吐出方向における前方（図１中下側）に位置している。斯かる構成により、空気流Ａ２が紡糸性に与える影響が極めて少なくなる。
本実施形態の製造装置１においては、図１に示すように、ノズル２１が延びる方向と平行な前後方向Ｘにおいて、第１空気流噴射口５は、ノズルの先端２１ａより後方に位置し、第２空気流噴射口６は、該ノズル２１の先端２１ａより前方に位置している。斯かる構成により、空気流Ａ１は紡糸性制御、空気流Ａ２は紡糸された繊維の搬送というように役割を明確に分けることができる。
前後方向Ｘにおける「前方」又は原料液吐出方向における「前方」とは、ノズルが延びる方向と平行な前後方向Ｘのうちの、ノズルから原料液が吐出される側の方向であり、前後方向Ｘにおける「後方」とは、前後方向Ｘにおいて、「前方」の反対側である。

また、前後方向Ｘにおける第２空気流噴射口６と第１空気流噴射口５との間の距離ｄ１は、電極３のノズル２１と対向する面（凹曲面）３ｆにおける開口端部３１によって画成される円の直径ｄ３１（楕円の場合円相当径）に対して、１０．３％以上であることが好ましく、より好ましくは２３．３％以上であり、また好ましくは７３．３％以下、より好ましくは６０．３％以下であり、また好ましくは１０．３％以上７３．３％以下、より好ましくは２３．３％以上６０．３％以下である。

本実施形態の製造装置１においては、図３に示すように、第１空気流噴射口５と第２空気流噴射口６とは、それぞれ複数形成されており、複数の第１空気流噴射口５と複数の第２空気流噴射口６とが、ノズル２１を囲み、中心を共有し直径が相異なる２つの同心円上に配されている。より具体的には、複数の第１空気流噴射口５と複数の第２空気流噴射口６とは、ノズル２１を中心とする直径が相異なる２つの同心円上に配されている。更に具体的には、第１空気流噴射口５は、第２空気流噴射口６が配置された円よりも小径の第１仮想円Ｃ１上に、その周方向に一定の間隔をおいて複数形成されており、第２空気流噴射口６は、第１空気流噴射口５が配置された第１仮想円Ｃ１円よりも大径の第２仮想円Ｃ２上に、その周方向に一定の間隔をおいて複数形成されている。

第１空気流噴射口５と第２空気流噴射口６とは、ノズル２１を囲み、中心を共有し直径が相異なる同心円上、より好ましくはノズル２１を中心とする同心円上に位置することが好ましい。斯かる構成を有すると、第１空気流噴射口５から噴射される空気流Ａ１の外側に、該空気流Ａ１を囲むように、第２空気流噴射口６から噴射される環状の空気流Ａ２を形成することができ、紡糸中の繊維搬送の乱れを抑制し、紡糸効率の向上が一層確実となる。

同様の観点から、第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６は、それぞれ、ノズル２１を中心とする同心円Ｃ１，Ｃ２上に、所定の角度間隔を隔てて複数形成されていることが好ましい。また、周方向において隣り合う第１空気流噴射口５どうし間の角度間隔θ１（図３参照）は、５度以上９０度以下が好ましく、１０度以上４５度以下がより好ましい。また、周方向において隣り合う第２空気流噴射口６どうし間の角度間隔θ２（図３参照）は、５度以上９０度以下が好ましく、１０度以上４５度以下がより好ましい。同様の観点から、第２仮想円Ｃ２の直径Ｌ２は、第１仮想円Ｃ１の直径Ｌ１の１．２倍以上３．９倍以下であることが好ましく、より好ましくは１．４倍以上３．３倍以下である。第１仮想円Ｃ１及び第２仮想円Ｃ２の直径は、特に制限されるものではないが、例えば第１仮想円Ｃ１の直径Ｌ１は、５ｍｍ以上２８０ｍｍ以下であり、第２仮想円の直径Ｌ２は、１７ｍｍ以上４００ｍｍ以下である。

ノズル２１から原料液を効率よく吐出させるとともに吐出させた原料液を効率よく引き延ばすことができるようにする観点から、ノズル２１の先端２１ａと第１空気流噴射口５とを結ぶ直線Ｌ５と、該ノズル２１の中心線Ｌ３とのなす角度θ３（図４参照）は、好ましくは１５度以上、より好ましくは２０度以上であり、また好ましくは４５度以下、より好ましくは４０度以下であり、また、好ましくは１５度以上４５度以下、より好ましくは２０度以上４０度以下である。
また空気流Ａ２が紡糸性に与える影響を抑制し、かつ捕集部８まで安定的に繊維を搬送する観点から、ノズル２１の先端２１ａと第２空気流噴射口６とを結ぶ直線Ｌ６と、該ノズル２１の中心線Ｌ３とのなす角度θ４（図４参照）は、好ましくは６０度以上、より好ましくは７５度以上であり、また好ましくは１２０度以下、より好ましくは１０５度以下であり、また、好ましくは６０度以上１２０度以下、より好ましくは７５度以上１０５度以下である。

ノズル２１を囲むように設ける第１空気流噴射口５の数は、環状のもの一つであっても良いが、本実施形態の製造装置１のように、複数形成することが好ましい。また、第１空気流噴射口５の開口形状は円形に限られず、円弧形、矩形、楕円、三角等であっても良い。また、ノズル２１の周囲を囲むように、ノズル２１の周囲に複数の第１空気流噴射口５を間隔を開けて配置する場合（好ましくは周方向に環状に並べて配置する場合）の第１空気流噴射口５の個数は、例えば、２個以上１５０個以下であり、より好ましくは８個以上３６個以下である。
ノズル２１を囲むように設ける第２空気流噴射口６の数も、環状のもの一つであっても良いが、本実施形態の製造装置１のように、複数形成することが好ましい。第２空気流噴射口６の開口形状も円形に限られず、円弧形、矩形、楕円、三角等であっても良い。また、ノズル２１の周囲を囲むように、ノズル２１の周囲に複数の第２空気流噴射口６を配置する場合（好ましくは周方向に環状に並べて配置する場合）の第２空気流噴射口６の個数は、例えば、２個以上１５０個以下であり、より好ましくは８個以上３６個以下である。

第１空気流噴射口５又は第２空気流噴射口６から噴射される空気流としては、例えばドライヤー等によって湿度３０％ＲＨ以下に乾燥させたものを用いることができる。また空気流は、製造されるナノファイバ等の紡糸繊維の状態が一定に維持されるようにするために、温度が一定に保たれていることが好ましい。
第１空気流噴射口５から噴射させる空気流の風速は、紡糸能力を向上させる観点から、５０ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、９０ｍ／ｓｅｃ以上とすることが更に好ましく、また、過大な風力による繊維切れを抑制する観点から、１９０ｍ／ｓｅｃ以下とすることが好ましく、１４０ｍ／ｓｅｃ以下とすることが更に好ましい。
第２空気流噴射口６から噴射させる空気流の風速は、紡糸した繊維を捕集部８まで安定的に搬送する観点から、２４０ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、３３０ｍ／ｓｅｃ以上とすることが更に好ましく、また、捕集部８上に積層された紡糸繊維の状態が、空気流Ａ２の風圧によって乱されることを防止する観点から、４５０ｍ／ｓｅｃ以下とすることが好ましく、３８０ｍ／ｓｅｃ以下とすることが更に好ましい。

紡糸能力向上と捕集安定化とを両立させる観点から、第１空気流噴射口５から噴射させる空気流の風速は、第２空気流噴射口６から噴射させる空気流の風速に対する比が、好ましくは０．１以上０．８以下であり、より好ましくは０．２以上０．４以下である。
第１空気流噴射口５が複数ある場合、空気流の風速は、複数の第１空気流噴射口５から噴射される時間あたりの空気の合計量を第１空気流噴射口５の総面積で除して求める。
第２空気流噴射口６が複数ある場合、空気流の風速は、複数の第１空気流噴射口５から噴射される時間あたりの空気の合計量を第２空気流噴射口６の総面積で除して求める。

図１に示す製造装置１は、ノズル２１と対向する位置に、紡糸されたナノファイバを捕集する捕集部８を有する。捕集部８には、捕集用電極８１が配置されていることが好ましい。捕集用電極８１は、金属等の導電性材料から構成されている平板状のものとすることができる。捕集用電極８１の板面と、ノズル２１が延びる方向ｄとは略直交していることが好ましい。図１に示す捕集部８は、メッシュ等からなる通気性の無端ベルト８３と、無端ベルト８３が架け渡された２又は３以上の駆動又は従動ローラ８４とを備えたベルトコンベア８２と、無端ベルト８３の裏側に配された捕集用電極８１とを備えており、またベルトコンベア８２上に、シート材８５を供給する機構を備えている。シート材８５としては、例えば、不織布、薄葉紙、フィルム、これらの複合材等を用いることができる。ベルトコンベア８２を用いた捕集部８を設けることで、ナノファイバの連続生産が容易となる。
捕集用電極８１には、正に帯電したナノファイバを誘引するに、陽極であるノズル２１よりも低い（負の）電位を与えることが好ましく、また、誘引を更に効率的にするため、陰極である電極３よりも低い（負の）電位を与えることも好ましい。

本発明の電界紡糸装置においては、第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６から空気流Ａ１，空気流Ａ２を噴射することによって、捕集用電極（電極表面）８１とノズル２１の先端との距離（最短距離）を、比較的大きくしても、ナノファイバ等の紡糸繊維が捕集部８に効率的に搬送される。捕集用電極（電極表面）８１とノズル２１の先端との距離（最短距離）は、例えば１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であり、好ましくは５００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下である。

ナノファイバの製造に用いられる原料液としては、ファイバ形成の可能な高分子化合物が溶媒に溶解又は分散した溶液あるいは高分子化合物を加熱、溶融した溶融液を用いることができる。原料液に高分子溶液を用いるエレクトロスピニング法は溶液法、高分子融液を用いる方法は溶融法と呼ばれることがある。該溶液又は融液には適宜、無機物粒子、有機物粒子、植物エキス、界面活性剤、油剤、イオン濃度を調整するための電解質等を配合することができる。

ナノファイバ製造用の高分子化合物としては一般に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、ポリエチレンオキサイド、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、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフラテート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ナイロン、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等が例示できる。用いられる高分子化合物は１種類に限定されるわけではなく、前記例示した高分子化合物から任意の複数種類を組み合わせて用いることができる。

原料液に、高分子化合物が溶媒に溶解又は分散した溶液を用いる場合、該溶媒としては、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ピリジン等を例示することができる。用いる溶媒は１種類に限定されるわけではなく、前記例示した溶媒から任意の複数種類を選定し、混合して用いても構わない。

特に溶媒として水を用いる場合は、水への溶解度の高い下記のような天然高分子及び合成高分子を用いるのが好適である。天然高分子としては、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、ガラクツロン酸、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、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が挙げられる。合成高分子としては、例えば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、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸ナトリウム等が挙げられる。これらの高分子化合物は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの高分子化合物のうち、ナノファイバの調製が容易である観点から、プルラン等の天然高分子、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。

また、水への溶解度は高くないが、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の高分子化合物も用いることができる。これらの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。

本発明の電界紡糸装置でナノファイバを製造する場合、該ナノファイバは、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１０ｎｍ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。

本発明の電界紡糸装置を使用して製造したナノファイバは、それを集積させたナノファイバ成型体として各種の目的に使用することができる。成型体の形状としては、シート、綿（わた）状体、糸状体などが例示される。ナノファイバ成型体は他のシートと積層したり、各種の液体、微粒子、ファイバなどを含有させたりして使用してもよい。ナノファイバシートは、例えば医療目的や、美容目的等の非医療目的でヒトの肌、歯、歯茎等に付着されるシートとして好適に用いられる。また、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も好適に用いられる。ナノファイバの綿状体は防音材や断熱材等として好適に用いられる。

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、図５に示すように、第１空気流噴射口５を、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおける、ノズル２１と電極３の間Ｐ１に形成する一方、第２空気流噴射口６を、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおける、第１空気流噴射口５より外側であって且つ電極３の配置位置Ｐ２に形成することもできる。第２空気流噴射口６を、電極３の配置位置Ｐ２に形成するには、電極３の基台３０に、電極３を貫通する貫通孔（図示せず）を設け、該貫通孔又は該貫通孔に配した非導電性の配管を、空気供給路６１とすればよい。
また、図６に示すように、第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６の両方を、ノズル２１が延びる方向ｄと直交する方向Ｙにおける、電極３の配置位置Ｐ２に形成することもできる。第１空気流噴射口５を、電極３の配置位置Ｐ２に形成するには、電極３の基台３０に、電極３を貫通する貫通孔（図示せず）を設け、該貫通孔又は該貫通孔に配した非導電性の配管を、空気供給路５１とすればよい。
図５及び図６に示す製造装置及びそれを用いたナノファイバの製造方法に関し、特に説明しない点は、図１に示す製造装置１及びそれを用いたナノファイバの製造方法と同様とすることができる。

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、「％」及び「部」はそれぞれ「質量％」及び「質量部」を意味する。

〔実施例１〕
図１に示す製造装置１を用いてナノファイバの製造を行った。
具体的には、電極３として、直径７０ｍｍの凹曲面３ｆを有するものを用いた。また、第１空気流噴射口５は、直径０．５ｍｍのものをノズル２１を中心とする直径１７ｍｍの円上に等間隔に３６個配置し、第２空気流噴射口６は、直径０．５ｍｍのものをノズル２１を中心とする直径７８ｍｍの同心円上に等間隔に３６個配置した。また、ノズル２１から第１空気流噴射口５までの距離は８．５ｍｍとし、また電極３から第２空気流噴射口６までの距離は３．５ｍｍとした。また、角度θ３及び角度θ４は、表１に示す角度に設定した。

原料液としては、化粧品用プルラン（株式会社林原）１７．１％、９５度エタノール（和光純薬工業株式会社）１０．２％、及びイオン交換水（オルガノ株式会社製純水器Ｇ−１０型通過水道水）７２．７％の混合溶液を用いた。
ノズル２１に原料液をシリンジポンプにて定量を送液した。ノズル２１から噴射する原料液の吐出量は２０ｍＬ／ｈに設定した。ノズル２１の内径は０．３ｍｍ、長さは１０ｍｍであった。また、第１空気流噴射口５の総面積は７．０７ｍｍ^２であり、第１空気流噴射口５から噴射する空気流Ａ１の流量は５０Ｌ／ｍｉｎ（風速１１８ｍ／ｓｅｃ）に設定し、第２空気流噴射口６の総面積は７．０７ｍｍ^２であり、第２空気流噴射口６から噴射する空気流Ａ２の流量は１５０Ｌ／ｍｉｎ（風速３５４ｍ／ｓｅｃ）に設定した。ノズル２１の先端２１ａと電極３との距離（最短距離）は３５ｍｍとし、ノズル２１の先端２１ａと捕集用電極（電極表面）との距離（最短距離）は９００ｍｍとした。そして、ノズル２１と電極３の間に３０ｋＶの電圧を印加し、紡糸をおこなった。捕集部８上の捕集物を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって繊維を５０００倍に拡大して観察したところ、平均繊維径が直径８００ｎｍのナノファイバが形成されていた。また、以下の基準により繊維切れの発生の有無を評価した。結果を表１に示した。尚、製造環境は、室温２５℃で、湿度３０％ＲＨであった。
〔評価基準〕
繊維切れ有り：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像観察によって、繊維を５０倍に拡大して観察し、拡大画像中に繊維の端部が見られれば繊維切れ有りとした。
繊維切れ無し：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像観察によって、繊維を５０倍に拡大して観察し、拡大画像中に繊維の端部が見られなければ繊維切れ無しとした。

〔比較例１〕
第１空気流噴射口５から噴射する空気流の流量を１５０Ｌ／ｍｉｎに設定し、第２空気流噴射口６に空気流を供給しなかった以外は、実施例１と同様にして、ナノファイバの紡糸を行った。その結果を表１に併せて示した。
〔比較例２〕
第２空気流噴射口６から噴射する空気流の流量を１５０Ｌ／ｍｉｎに設定し、第１空気流噴射口５に空気流を供給しなかった以外は、実施例１と同様にして、ナノファイバの紡糸を試みたが、ノズルから原料液がしずくとなって滴下し、ナノファイバの紡糸はできなかった。

比較例１のように、第１空気流噴射口５のみから空気流を噴射した場合には、繊維切れが発生し、比較例２のように、第２空気流噴射口６のみから空気流を噴射した場合には、ナノファイバの紡糸ができなかったのに対して、実施例１のように、第１空気流噴射口５及び第２空気流噴射口６の両方から空気流を噴射した場合には、繊維切れを生じることなく、連続繊維としてのナノファイバを紡糸することができた。
しかも、実施例１における原料液の吐出量は２０ｍＬ／ｈであり、比較的多い量である。
以上のことから、本発明によれば、安定してナノファイバ等の紡糸が可能であり、紡糸能力が高く、繊維切れも発生しにくいことが判る。

１製造装置（電界紡糸装置）
２原料噴射部
２０ノズルアセンブリ
２１ノズル
２１ａ先端
２２支持部
３電極
３ｆ凹曲面
３１開口端部
３０基台
４電圧発生部
４１直流高圧電源
４２アース
５第１空気流噴射口
５１空気供給路
６第２空気流噴射口
６１空気供給路
７被覆体

Claims

原料液を噴射する導電性のノズルを備えた原料噴射部と、
前記ノズルと電気的に絶縁して配置された凹曲面を有する電極と、
前記ノズルと前記電極の間に電圧を発生させる電圧発生部とを備えた電界紡糸装置であって、
前記ノズルが延びる方向と直交する方向における、前記ノズルと前記電極の間又は前記電極の配置位置に第１空気流噴射口を備えており、第１空気流噴射口より外側であって且つ前記電極の配置位置又はそれより外側に第２空気流噴射口を備えており、
前記ノズルが延びる方向と平行な前後方向において、第１空気流噴射口が、前記ノズルの先端より後方に位置し、第２空気流噴射口が、該ノズルの先端より前方に位置する、電界紡糸装置。
前記ノズルが延びる方向と平行な前後方向において、第２空気流噴射口が、第１空気流噴射口より原料液吐出方向における前方に位置する、請求項１に記載の電界紡糸装置。
第１空気流噴射口と第２空気流噴射口とが、前記ノズルを囲み、中心を共有し直径が相異なる同心円上に配されている、請求項１又は２に記載の電界紡糸装置。
第１空気流噴射口及び第２空気流噴射口が、それぞれ、前記ノズルを中心とする同心円上に、所定の角度間隔を隔てて複数形成されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の電界紡糸装置。
前記ノズルの先端と第１空気流噴射口とを結ぶ直線と、該ノズルの中心線とのなす角度θ３が、１５度以上４５度以下であり、前記ノズルの先端と第２空気流噴射口とを結ぶ直線と、該ノズルの中心線とのなす角度θ４が、６０度以上１２０度以下である、請求項１〜４の何れか１項に記載の電界紡糸装置。
原料液を噴射する導電性のノズルを備えた原料噴射部と、
前記ノズルと電気的に絶縁して配置された凹曲面を有する電極と、
前記ノズルと前記電極の間に電圧を発生させる電圧発生部とを備えた電界紡糸装置であって、
前記ノズルが延びる方向と直交する方向における、前記ノズルと前記電極の間又は前記電極の配置位置に第１空気流噴射口を備えており、第１空気流噴射口より外側であって且つ前記電極の配置位置又はそれより外側に第２空気流噴射口を備えており、
前記ノズルの先端と第１空気流噴射口とを結ぶ直線と、該ノズルの中心線とのなす角度θ３が、１５度以上４５度以下であり、前記ノズルの先端と第２空気流噴射口とを結ぶ直線と、該ノズルの中心線とのなす角度θ４が、６０度以上１２０度以下である、電界紡糸装置。
請求項１〜６の何れか１項に記載の電界紡糸装置を用いてナノファイバを製造するナノファイバの製造方法であって、
前記電圧発生部により前記ノズルと前記電極の間に電圧を発生させ且つ前記第１空気流噴射口及び前記第２空気流噴射口のそれぞれから空気流を噴射させた状態下に、前記原料噴射部に前記原料液を供給して前記ノズルから噴射させ、噴射させた前記原料液から生じたナノファイバを捕集する、ナノファイバの製造方法。