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SPINNING METHOD, AND METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING FIBER USING THE SAME meetings

Patent code P09P007122
Posted date Dec 25, 2009
Application number P2008-153594
Publication number P2009-299212A
Patent number P5311455
Date of filing Jun 11, 2008
Date of publication of application Dec 24, 2009
Date of registration Jul 12, 2013
Inventor
  • (In Japanese)小形 信男
  • (In Japanese)島田 直樹
  • (In Japanese)山口 新司
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人福井大学
Title SPINNING METHOD, AND METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING FIBER USING THE SAME meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spinning method by which a fiber can be produced in good efficiency by efficiently irradiating a thermoplastic resin with a laser beam to melt the resin.
SOLUTION: The spinning method is carried out as follows. The laser beam in a line shape is formed by an optical system 2 based on the laser beam emit from a laser beam generator 1. The formed line-shaped laser beam is radiated along a prescribed irradiation line, and a material 9 formed of the thermoplastic resin material is continuously heated and melted on the irradiation line while moving the material 9 by a feed roller 10 so as to cross the irradiation line. The melted portion of the heated and melted material 9 is electrified by applying a high voltage to the material 9 by an electrode part 5 to electrify the material 9, and many needle-shaped protrusion parts are formed in the melted portion by the electrostatic force caused by the electrification to spin the fiber from the needle-shaped protruded parts to a collector 8.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


近年、ナノファイバーが着目されている。サブミクロン又はナノメータオーダの繊維径を有する繊維(ナノ繊維)は、高い比表面積と繊維形態とを活用した新規な材料を開発可能な点から注目されている。一般に、極細繊維を製造する方法としては、高分子の溶融液を高圧で押出すと共に熱風で吹き飛ばして極細(微細)繊維を製造するメルトブロー法がある。この方法においては、ノズル内の溶融物への圧力及び熱風によるせん断力によって極細繊維が製造される。しかし、このような方法では、数μm以上の直径を有する極細繊維を製造できるものの、ナノ繊維の製造は困難である。



そこで、ナノ繊維を製造する方法として、高分子溶液又は高分子融液に高電圧を作用させて繊維を形成する静電紡糸法が利用されている。以下、前者の高分子溶液を用いる方法を溶媒型静電紡糸法と称し、後者の高分子融液を用いる方法を溶融型静電紡糸法と称する。なお、溶融型静電紡糸法は溶媒型静電紡糸法から派生した方法であるため、これらの紡糸原理は基本的には同一である。



溶媒型静電紡糸法においては、先ず、高分子溶液をシリンジに入れ、シリンジ先端に取り付けられたノズルとコレクタ(捕集部)との間に高電圧を印加し、高い電位差を発生させる。その結果、電荷が導入された高分子溶液は、ノズル先端から反対の電荷を持ったコレクタ方向に静電引力を受けて飛翔し、ホイッピング振動(whipping motion)を起こしながら、この過程で溶媒が蒸発することによりナノ繊維が形成される。なお、ここで言うホイッピング振動(又はホイッピング振動)とは、静電引力で牽引された繊維がコレクタまでの間に1秒間に何百回~何万回もの回転を伴う綾振り運動をしながら繊維形成される挙動を意味する。このような溶媒型静電紡糸法の装置は簡単に作製できるため広く普及し、溶媒に溶解する多くの高分子材料からナノ繊維が開発されている。従って、現状では、静電紡糸法は溶媒型静電紡糸法を指すと言っても過言でない状況である。



他方、溶融型静電紡糸法は、前述のメルトブロー法と類似する方法であり、溶融高分子に電荷を付与し、この電荷を帯びた溶融物と異種の電荷を持つ電極(コレクタ)間での電気的引力により、溶融物を自発的に伸張させ、微細繊維を作製する方法である。溶融型静電紡糸法では、電荷が非常に小さいため、得られる繊維の径は、メルトブロー法で得られる繊維の径よりも小さくすることが可能であるものの、ホイッピング振動を起こしてナノ繊維を得るまでには至っていなかった。しかし、溶融型静電紡糸法では、溶媒を使用しないため、溶媒を回収する必要もなく、また、捕集された繊維から残存溶媒の除去も必要ない。従って、溶融型静電紡糸法は、溶媒型静電紡糸法に比較して、環境に優しく、高い生産性で極細繊維を製造できることが期待されていた。



このように、溶融型静電紡糸法は、その開発が切望されているにもかかわらず、現状ではあまり研究されていない。その理由としては、以下の理由が考えられる。
(1)静電紡糸は、コレクタ方向への電気的引力が高分子の表面張力や粘弾性力に勝ると生じる機構であるため、溶融型静電紡糸法の場合、より高い電圧とより高い温度とより低い粘度とが融液に要求されること。
(2)溶媒型静電紡糸法の場合、紡糸中に高分子溶液のドラフト延伸に加えて、溶液からの溶媒の揮発が生じ、ドラフト延伸と相まって繊維径がこの揮発により小さくなるのに対して、溶融型静電紡糸法の場合、溶媒を含まないため、繊維径はドラフト延伸のみに依存し、ナノ繊維の作製が原理上危惧されること。
(3)溶融型静電紡糸法の場合、高電圧を溶融物に付与可能な加熱装置を必要とするが、加熱装置として一般的に採用される電気加熱方式では、高電圧作用の際に電源部に放電を惹起し、このような放電を防止するために装置全体が複雑かつ不安定になること。
(4)固体状態の樹脂は電気伝導性が低いため、固体状態の樹脂に印加した高電圧が有効に溶融部に伝達し難いこと。



溶融型静電紡糸法において、電気加熱方式における前記の弊害や溶融粘度を下げるための長期間の加熱滞留による樹脂の物性低下などを改良する目的で、特許文献1には、(1)ポリマーを供給する工程、(2)前記供給したポリマーに対してレーザーを照射してポリマーが変形可能な状態にする照射工程、(3)前記変形可能なポリマーを電気的に牽引し、細径化するとともに引き伸ばして繊維化する繊維化工程、及び(4)前記繊維を集積して繊維集合体を形成する繊維集合体形成工程を備えている繊維集合体の製造方法が提案されている。この文献には、ポリマーとしての繊維にレーザーの照射により熱を与え、変形可能(静電紡糸可能)な状態としているため、溶液静電紡糸法と異なり、溶媒を必要としないと記載されている。さらに、繊維を供給するのに替えて、棒状のポリマーを供給する方法も記載されている。



また、特許文献2には、原料繊維として熱可塑性高分子繊維あるいは紡糸後の繊維に赤外線を照射して低粘度化させ細化させる方法が開示されている。一方、特許文献3には、線状体樹脂の平均経の2~50倍のビーム径を有するレーザー光線で線状体樹脂を照射して、極細繊維を生成させる溶融型静電紡糸方法が開示されている。



これまでのレーザー光線を用いる静電紡糸法では、いずれも線状材料にビーム状のレーザー光を照射する技術であった。このことは、多数本の線状熱可塑性高分子に一本毎に焦点を合わせ、多数本のビームを精密に制御する技術が必要となり、他方、精度を下げて太い径のビーム径を用いると、実質的に照射に必要とする部分以外にもレーザー光が照射され、レーザー光の照射効率が著しく低いものとなる問題点を有していた。
【特許文献1】
特開2005-154927号公報(請求項1、段落[0006]、[0015]、[0018]~[0020]、[0025]、図1~3)
【特許文献2】
特開2007―262644号公報(請求項1、6、段落[0003]、[0004]、[0019]、図13)
【特許文献3】
特開2007-239114号公報(請求項4、段落[0014])

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、レーザー光を照射して素材を加熱溶融するとともに溶融部位を帯電して静電力により繊維を紡出する紡糸方法並びにそれを用いた繊維製造方法及び装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
光源から出射したレーザー光を所定の照射ラインに沿って照射し、熱可塑性樹脂材料からなる面状体を前記照射ラインを横切るように移動させながら前記照射ラインで当該面状体の幅方向に沿って全幅にわたってレーザー光を照射することで連続して加熱溶融し、加熱溶融された前記面状体の溶融部位を帯電させることで静電力により多数の針状突出部を生成して当該針状突出部より繊維を紡出させることを特徴とする紡糸方法。

【請求項2】
 
前記針状突出部は、前記照射ラインの幅2cm当り2本以上生成することを特徴とする請求項1に記載の紡糸方法。

【請求項3】
 
紡出された繊維を輻射熱線の照射により加熱してホイッピング振動により伸長細径化させることを特徴とする請求項1又は2に記載の紡糸方法。

【請求項4】
 
紡出された繊維を100回/秒以上の振動数でホイッピングさせることを特徴とする請求項3に記載の紡糸方法。

【請求項5】
 
前記照射ラインにおけるレーザー光の照射範囲の幅が0.5mm以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の紡糸方法。

【請求項6】
 
請求項1から5のいずれかに記載の紡糸方法により紡出された繊維をコレクタに捕集して互いに重層させることで繊維集合体を形成することを特徴とする繊維製造方法。

【請求項7】
 
光源から出射したレーザー光を所定の照射ラインに沿って照射するように制御するレーザー照射部と、熱可塑性樹脂材料からなる面状体を前記照射ラインを横切るように移動させて前記照射ラインで当該面状体の幅方向に沿って全幅にわたってレーザー光を照射することで連続して加熱溶融させる移動部と、加熱溶融された前記面状体の溶融部位を帯電させることで静電力により多数の針状突出部を生成して各針状突出部より繊維を紡出させる紡出部と、紡出された繊維を捕集する捕集部を備えていることを特徴とする繊維製造装置。

【請求項8】
 
前記紡出部は、前記溶融部位に近接配置された電極部と、前記電極部及び前記捕集部の間に電圧を印加する電圧印加部とを備えていることを特徴とする請求項7に記載の繊維製造装置。

【請求項9】
 
前記電極部及び前記捕集部の間には、前記針状突出部より紡出された繊維を輻射熱線により加熱する加熱部を備えていることを特徴とする請求項7又は8に記載の繊維製造装置。

【請求項10】
 
前記捕集部は、紡出された繊維をコレクタに捕集して互いに重層させることで繊維集合体を形成することを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の繊維製造装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2008153594thum.jpg
State of application right Registered
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