特許 7761875 ノズルヘッド及び紡糸装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-10-21

(45)【発行日】2025-10-29

(54)【発明の名称】ノズルヘッド及び紡糸装置

(51)【国際特許分類】

   D01D 4/00 20060101AFI20251022BHJP

   D01D 5/04 20060101ALI20251022BHJP

   D04H 1/728 20120101ALI20251022BHJP

【ＦＩ】

D01D4/00 A

D01D5/04

D04H1/728

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022005109

(22)【出願日】2022-01-17

(65)【公開番号】P2023104240

(43)【公開日】2023-07-28

【審査請求日】2024-06-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松浦 良樹

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 修次

(72)【発明者】

【氏名】糟谷 昌弘

【審査官】斎藤 克也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０８４３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４８７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０３４３１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｄ０１Ｄ １／００ － １３／０２

Ｄ０４Ｈ １／７２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に紡糸液を充填可能であり、前記紡糸液を噴射させるための紡糸孔を有する筒状の溶液槽と、
前記紡糸液に接触した状態で前記溶液槽内に配置される紡糸電極と、を備え、
前記溶液槽の周面を導電性材料で形成することによって、前記紡糸電極が構成され、
前記溶液槽が、
連通孔を有し、前記紡糸液の供給源に接続された内管と、
前記内管を包囲する外管と、を備えて構成され、
前記内管の内周面、前記内管の外周面及び前記外管の内周面のうち少なくとも１つの周面が、前記紡糸電極として機能するノズルヘッド。

【請求項2】

前記外管が絶縁性材料からなる請求項１に記載のノズルヘッド。

【請求項3】

前記紡糸電極は、金属製の筒状部材によって構成されている請求項１又は請求項２に記載のノズルヘッド。

【請求項4】

前記紡糸電極がステンレスからなる請求項３に記載のノズルヘッド。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のノズルヘッドと、
前記紡糸電極から離隔した位置に配置されるコレクタ電極と、
前記紡糸電極と前記コレクタ電極との間に配置した捕集部材と、を備え、
前記紡糸電極と前記コレクタ電極の間に電圧を印加することによって、前記溶液槽内の紡糸液を、帯電させた状態で前記コレクタ電極に向けて噴射して繊維状とし、
前記紡糸液からなる繊維を、前記捕集部材によって捕集して不織布を得る紡糸装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルヘッド及び紡糸装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、電解紡糸法によりナノファイバで構成されるシートを製造するシート製造装置が開示されている。シート製造装置は、細長い中空部材である流出体（溶液槽）と、供給電極（紡糸電極）と、帯電電極とを備えている。流出体の内部には、原料液と供給電極が収容されている。流出体には、流出体の内部から外面に連通する複数の流出孔が形成されている。供給電極は、原料液に電荷を供給する。帯電電極は、流出体の外部に配置され、供給電極に対し高い電圧もしくは低い電圧となることで、原料液に電荷を誘導する。流出体内で帯電した原料液は、流出孔から帯電電極に向かって延伸することによってナノファイバとなり、シート状の収集部材に堆積する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２２４３２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

供給電極から原料液への電荷付与効率は、供給電極と原料液との接触面積が大きいほど高くなる。しかし、特許文献１のシート製造装置の供給電極が、流出体の長手方向に沿って直線状に延びた細長いワイヤ形状であるため、供給電極の表面積が小さい。そのため、供給電極から原料液への電荷付与効率が低く、紡糸効率を高めることができない。

【0005】

本開示は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、電荷付与効率の高いノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のノズルヘッドは、
内部に紡糸液を充填可能であり、前記紡糸液を噴射させるための紡糸孔を有する筒状の溶液槽と、
前記紡糸液に接触した状態で前記溶液槽内に配置される紡糸電極と、を備え、
前記溶液槽の周面を導電性材料で形成することによって、前記紡糸電極が構成されている。

【0007】

本開示の紡糸方法は、
紡糸電極とコレクタ電極との間に電圧を印加することによって、筒状をなす溶液槽内の紡糸液を、帯電させた状態で前記紡糸電極側から前記コレクタ電極側に向けて噴射して繊維状とし、
前記紡糸液からなる繊維を、前記紡糸電極と前記コレクタ電極との間に配置した捕集部材によって捕集して不織布を得る紡糸方法であって、
前記溶液槽の周面を導電性材料で形成することによって前記紡糸電極を構成し、前記溶液槽に設けた紡糸孔から前記紡糸液を噴射させる。

【0008】

本開示の紡糸装置は、
上記ノズルヘッドと、
前記紡糸電極から離隔した位置に配置されるコレクタ電極と、
前記紡糸電極と前記コレクタ電極との間に配置した捕集部材と、を備え、
前記紡糸電極と前記コレクタ電極の間に電圧を印加することによって、前記溶液槽内の紡糸液を、帯電させた状態で前記コレクタ電極に向けて噴射して繊維状とし、
前記紡糸液からなる繊維を、前記捕集部材によって捕集して不織布を得る。

【発明の効果】

【0009】

本開示のノズルヘッド、紡糸方法および紡糸装置は、紡糸電極における紡糸液との接触面積を広く確保することができるので、紡糸電極から紡糸液への電荷付与効率が高い。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１の紡糸装置の構成をあらわす側面図

【図2】紡糸装置の正面図

【図3】ノズルヘッドの平面図

【図4】ノズルヘッドの正断面図

【図5】図４のＡ－Ａ線断面図

【発明を実施するための形態】

【0011】

ここで、本開示の望ましい例を示す。
・前記紡糸電極が、金属製の筒状部材によって構成されているノズルヘッド、紡糸方法及び防止装置。
・前記紡糸電極がステンレスからなるノズルヘッド、紡糸方法及び防止装置。
・前記溶液槽が、連通孔を有し、前記紡糸液の供給源に接続された内管と、前記内嵌を包囲する外管と、を備えて構成され、前記内管の内周面、前記内管の外周面及び前記外管の内周面のうち少なくとも１つの周面が、前記紡糸電極として機能するノズルヘッド、紡糸方法及び防止装置。
・前記外管が、絶縁性材料からなるノズルヘッド、紡糸方法及び防止装置。

【0012】

［実施形態１］
本開示を具体化した実施形態１を、図１～図５を参照して説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。本実施形態１において、前後の方向については、図１におけるＸ軸の正方向を前方と定義する。左右の方向については、図２～４におけるＹ軸の正方向を右方と定義する。左右方向と幅方向を同義で用いる。上下の方向については、図１，２，４におけるＺ軸の正方向を上方と定義する。

【0013】

本実施形態１の紡糸装置は、紡糸液１０からナノレベルの極細繊維１５（ナノファイバー）を紡糸し、この極細繊維１５からなる繊維集合体１６、例えば不織布を連続して形成するエレクトロスピニング装置である。

【0014】

紡糸液１０は、極細繊維１５を形成する樹脂材料を溶質とし、この溶質を揮発性の溶媒に溶解又は分散させたものである。溶質としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の合成樹脂が用いられる。溶媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等の化合物が用いられる。

【0015】

紡糸装置は、図１に示すように、捕集部材１１と、コレクタ電極１７と、ノズルヘッド２０と、直流電源３１と、紡糸液１０の供給源３６と、ポンプ３８と、を備えている。捕集部材１１は、可撓性を有する材料、例えば不織布等の捕集布によって形成されている。捕集部材１１は、水平に張り渡された状態で、送り出しローラ１３から前方へ送り出されるとともに巻き取りローラ１４に巻き取られる。捕集部材１１のうち両ローラ１３，１４の間で水平に張り渡された領域を、捕集領域１２と定義する。紡糸された極細繊維１５からなる繊維集合体１６は、捕集部材１１の捕集領域１２の下面に対してシート状に積層される。繊維集合体１６の使用に際しては、繊維集合体１６が積層されている捕集部材１１を、巻取りロールから引き出した後、捕集部材１１から繊維集合体１６を剥離する。

【0016】

コレクタ電極１７は、金属等の導電性材料からなり、厚さ方向を上下方向に向けた平板形をなしている。図１に示すように、コレクタ電極１７は、送り出しローラ１３と巻き取りローラ１４との間に配置されている。コレクタ電極１７は、捕集部材１１の全幅範囲に亘り、捕集領域１２の上面に対して近接して対向した状態、又は接触した状態で配置されている。捕集部材１１の捕集領域１２は、コレクタ電極１７の下面（後述する紡糸電極３５との対向面）に沿って前方へ移動する。

【0017】

ノズルヘッド２０は、全体として左右方向に細長い部材であり、左右方向において捕集部材１１の全幅範囲をカバーするように配置されている。ノズルヘッド２０は、コレクタ電極１７及び捕集部材１１の捕集領域１２よりも下方の位置に配置され、紡糸液１０を捕集部材１１の捕集領域１２に向けて噴射する機能を有する。ノズルヘッド２０は、溶液槽２１と、紡糸電極３５（供給電極）と、を備えている。

【0018】

溶液槽２１は、図４，５に示すように、軸線を左右方向に向けて直線状に延びる円形断面の外管２２と、軸線を左右方向に向けて直線状に延びる円形断面の内管２３とを備えている。内管２３は、外管２２の内部に同心状に配置されている。溶液槽２１の内部空間のうち内管２３の内部を、第１貯留空間２４と定義する。溶液槽２１の内部空間のうち内管２３の外周面と外管２２の内周面との間の空間を、第２貯留空間２５と定義する。第１貯留空間２４と第２貯留空間２５には、紡糸に必要な量の紡糸液１０が、供給されるとともに貯留されるようになっている。溶液槽２１の径寸法の一例を示すと、外管２２の外径を１２ｍｍ、外管２２の内径を１０ｍｍ、内管２３の外径を６ｍｍ、内管２３の内径を４ｍｍとすることができる。

【0019】

外管２２は、例えば、耐溶剤性樹脂によって形成されている。耐溶剤性樹脂は、例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などの合成樹脂である。外管２２の左右両端壁のうち左端壁部２６（一方の端壁部）には、内管２３の端部を液密状に貫通させる貫通孔２７が形成されている。外管２２の右端壁部２８に形成した取付孔２９には、導電性を有する電極板３０が液密状に取り付けられている。電極板３０の外面は、外管２２の右端壁部２８の外面に露出し、電極板３０の内面は、外管２２の右端壁部２８の内面に露出している。電極板３０の外面には、直流電源３１のプラス電極が接続されている。直流電源３１のマイナス電極は、コレクタ電極１７に接続されている。

【0020】

外管２２には、図３～５に示すように、第２貯留空間２５を溶液槽２１（外管２２）の外部へ連通させる複数の紡糸孔３２が形成されている。複数の紡糸孔３２は、第２貯留空間２５内の紡糸液１０を捕集部材１１の捕集領域１２に向けて上方へ噴射させるための孔である。複数の紡糸孔３２は、外管２２における最も高い部位（頂部）に設けられている。複数の紡糸孔３２は、外管２２の軸線方向に一列に並び、一定間隔（例えば１０ｍｍ間隔）を空けた複数箇所に配されている。紡糸孔３２の開口形状は円形であり、紡糸孔３２の径寸法は、例えば１．０ｍｍである。

【0021】

内管２３は、導電性を有する金属材料からなる。具体的には、内管２３はステンレス製のパイプからなる。内管２３の左右方向における左端部は、外管２２の貫通孔２７を液密状に貫通して、溶液槽２１の外部に露出している。内管２３の左端部には、後述する供給管３７の下流端が接続されている。内管２３の右端部は、導電性を有する閉塞板３３によって液密状に閉塞されている。閉塞板３３は、外管２２に取り付けた電極板３０に対して電気的導通を可能に接触している。

【0022】

内管２３には、第１貯留空間２４を第２貯留空間２５に連通させる複数の連通孔３４が形成されている。複数の連通孔３４は、第１貯留空間２４内に供給された紡糸液１０を第２貯留空間２５へ流出させるための孔である。複数の連通孔３４は、内管２３における最も高い部位（頂部）に設けられている。複数の連通孔３４は、内管２３の軸線方向に一列に並び、一定間隔（例えば１０ｍｍ間隔）を空けた複数箇所に配されている。溶液槽２１の長さ方向（左右方向）において、複数の紡糸孔３２と複数の連通孔３４は、異なる位置に配置されている。具体的には、各連通孔３４は、隣り合う紡糸孔３２の中間位置に配置されている。溶液槽２１を溶液槽２１の軸線を含む鉛直面に沿って切断したときに、その切断面内に複数の紡糸孔３２と複数の連通孔３４とが配置される。

【0023】

紡糸電極３５は、内管２３によって構成されている。換言すると、内管２３の全体が紡糸電極３５として機能する。詳細には、内管２３の内周面の全領域が、第１貯留空間２４内に貯留され又は第１貯留空間２４内を流動する紡糸液１０と接触する紡糸電極３５として機能する。内管２３の外周面の全領域は、第２貯留空間２５内に貯留され又は第２貯留空間２５内を流動する紡糸液１０に接触する紡糸電極３５として機能する。紡糸電極３５は、溶液槽２１の左右方向における全長に亘って配置され、溶液槽２１内の紡糸液１０に浸漬されている。紡糸電極３５は、内管２３の右端部に設けた導電性の閉塞板３３と、外管２２の右端壁部２８に設けた電極板３０を介すことによって、直流電源３１のプラス電極に接続されている。

【0024】

供給源３６は、供給管３７を介すことによって溶液槽２１に接続されている。供給管３７の下流端は、内管２３の左端部に接続されている。供給管３７にはポンプ３８が設けられている。供給源３６内に貯留されている紡糸液１０は、ポンプ３８の駆動によって第１貯留空間２４内に圧送される。第１貯留空間２４に圧送された紡糸液１０は、内管２３の連通孔３４を通って第２貯留空間２５内に流入し、更に、外管２２の紡糸孔３２から溶液槽２１の外部上方へ噴射される。

【0025】

次に、繊維集合体１６の製造方法について説明する。紡糸装置を起動すると、捕集部材１１が、コレクタ電極１７の下面に接触または接近した状態で、送り出しローラ１３から巻き取りローラ１４に向けて一定速度で送られる。溶液槽２１においては、供給源３６から圧送された紡糸液１０が第１貯留空間２４に供給され、連通孔３４を通って第２貯留空間２５内に流入する。紡糸液１０は、第１貯留空間２４内と第２貯留空間２５内を流動する間に紡糸電極３５に接触する。直流電源３１を起動することによって、紡糸電極３５とコレクタ電極１７との間に電圧を印加すると、溶液槽２１内の紡糸液１０の全体がプラスに帯電される。

【0026】

紡糸孔３２において溶液槽２１の外周面に露出している紡糸液１０の表面には、電荷が誘発され蓄積されている。この電荷は、互いに反発し合い、その反発力は紡糸液１０の表面張力に対抗する。帯電した紡糸液１０とコレクタ電極１７との間には、電気力線に沿った静電気力（クーロン力）が生じている。この静電気力が紡糸液１０の表面張力に打ち勝つことによって、帯電した紡糸液１０が、複数の紡糸孔３２からナノレベルの極細繊維１５となって噴出し、静電気力によってコレクタ電極１７に向かう。

【0027】

紡糸孔３２から噴射された紡糸液１０の極細繊維１５は、捕集部材１１の捕集領域１２の下面に付着する。ナノレベルの極細繊維１５の表面積は、その体積に比較して大きいため、極細繊維１５中の溶媒は効率良く蒸発する。溶媒の蒸発によって極細繊維１５の体積が減少し、極細繊維１５の電荷密度がより高くなる。電荷密度が高まることによって、帯電した紡糸液１０（極細繊維１５同士）の反発力が増して、各極細繊維１５がさらに細い極細繊維１５へ分裂していく。このような過程を経ることによって、極細繊維１５が紡糸されるとともに、極細繊維１５からなる繊維集合体１６が捕集部材１１の下側の面に捕集される。

【0028】

本実施形態１の紡糸装置は、紡糸電極３５を有するノズルヘッド２０と、紡糸電極３５から離隔した位置に配置したコレクタ電極１７と、紡糸電極３５とコレクタ電極１７との間に配置した捕集部材１１と、を備えている。この紡糸装置を用いた紡糸方法では、紡糸電極３５とコレクタ電極１７の間に電圧を印加することによって、筒状の溶液槽２１内の紡糸液１０を、帯電させた状態でコレクタ電極１７に向けて噴射して繊維状とする。そして、この紡糸液１０からなる極細繊維１５を、捕集部材１１によって捕集して不織布を得る。

【0029】

ノズルヘッド２０は、筒状をなす溶液槽２１と、紡糸電極３５とを備えている。溶液槽２１は、内部に紡糸液１０を充填可能である。溶液槽２１は、溶液槽２１内の紡糸液１０を噴射させるための紡糸孔３２を有する。紡糸電極３５は、紡糸液１０に接触した状態で溶液槽２１内に配置されている。紡糸電極３５は、溶液槽２１の周面を導電性材料で形成して構成したものである。

【0030】

紡糸電極３５は、１本の細長い直線状のワイヤからなる従来の電極に比べると、表面積、即ち紡糸液１０との接触面積が大きい。したがって、紡糸電極３５から紡糸液１０への電荷付与効率は、従来の電極よりも優れている。よって、本実施形態１の紡糸装置によれば、紡糸効率を向上させることができる。

【0031】

紡糸電極３５は、金属製の筒状部材（内管２３）によって構成されている。金属は合成樹脂よりも剛性が高く、筒形状の部材は中実形状の部材よりも曲げ剛性が高い。このように本実施形態１の紡糸電極３５は剛性が高いので、紡糸電極３５が湾曲変形することに起因して紡糸液１０からなる繊維の太さにバラツキが生じることを防止できる。紡糸電極３５は、ステンレスからなるので、紡糸液１０との接触によって腐食する虞がない。

【0032】

溶液槽２１は、内管２３と外管２２とを備えた多重筒構造である。内管２３は、複数の連通孔３４を有し、紡糸液１０の供給源３６に接続されたものである。外管２２は、内嵌を同軸状に包囲している。内管２３の内周面と内管２３の外周面が、紡糸電極３５として機能する。内管２３の第１貯留空間２４内に圧送された紡糸液１０は、連通孔を通過して内筒と外筒との間の第２貯留空間２５に流入することによって、紡糸液１０の圧力の均一化を図ることができる。溶液槽２１内の紡糸液１０は、第１貯留空間２４と第２貯留空間２５を流動する間に、内管２３の内周面と、内管２３の外周面に接触することによって、帯電される。外管２２を絶縁性材料としたので、外管２２の外周面からの放電を防止できる。

【0033】

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
紡糸電極を構成する筒状部材は、非金属材料からなるものであってもよい。
紡糸電極は、筒状部材の周面にメッキや溶着等によって形成した金属層であってもよい。
紡糸電極は、ステンレス以外の金属材料からなるものや、導電性樹脂材料からなるものでもよい。
内管の内周面、内管の外周面及び外管の内周面の全ての周面を、紡糸電極として機能させてもよい。
内管の内周面、内管の外周面及び外管の内周面のうちいずれか１つの周面のみを紡糸電極として機能させてもよい。
内管の内周面と外管の内周面のみを紡糸電極として機能させてもよい。
内管の外周面と外管の内周面のみを紡糸電極として機能させてもよい。
外管は、導電性材料からなるものでもよい。

【符号の説明】

【0034】

１０…紡糸液
１１…捕集部材
１５…極細繊維（繊維）
１７…コレクタ電極
２０…ノズルヘッド
２１…溶液槽
２２…外管
２３…内管
３２…紡糸孔
３４…連通孔
３５…紡糸電極
３６…供給源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】