电纺丝装置和具有其的纳米纤维制造装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电纺丝装置和具有该电纺丝装置的纳米纤维制造装置。
【背景技术】
[0002]电纺丝法(ES法)作为不使用机械力或热力就能够比较简单地制造纳米尺寸的粒子或纤维等的技术而备受关注。目前为止进行的电纺丝法中，将成为纳米纤维的原料的物质的溶液充填于注射器中，在安装于该注射器的针状喷嘴和与喷嘴相对的收集用电极之间施加直流高电压的状态下，进行从该喷嘴的前端排出溶液的操作。排出的溶液中的溶剂在电场中瞬间蒸发，原料一边凝固一边在库仑力的作用下延伸而形成纳米纤维。而且，纳米纤维堆积在收集用电极的表面。
[0003]但是，上述电纺丝法中，从I个喷嘴只能制造I条?数条程度的纳米纤维。这样，纳米纤维的量产化技术还没有确立，现状是实用化几乎没有任何进展。
[0004]作为提尚纳米纤维制造的生广率的以往的技术，已知有以下叙述的专利文献I?5所记载的电纺丝法。专利文献I所记载的电纺丝法中，对作为具有多个小孔的导电性旋转容器的圆筒状容器内供给在溶剂中溶解有高分子物质的高分子溶液，使圆筒状容器旋转，而使带电荷的高分子溶液从该小孔流出。而且，利用离心力和伴随溶剂的蒸发的静电爆炸使线状地流出的高分子溶液延伸，而生成由高分子物质构成的纳米纤维。而且，利用配设于圆筒状容器的轴心方向一侧部的反射电极或鼓风装置，使生成的纳米纤维向圆筒状容器的轴心方向另一侧偏转流动。
[0005]专利文献I中还记载有另一电纺丝法。该另一电纺丝法中，对具有多个小孔的导电性旋转容器内供给有原料溶液。另外，在以包围旋转容器周围的方式配设的环状电极与该旋转容器的小孔附近之间施加高电压，而成为在它们之间产生电场的状态。在该状态下使旋转容器旋转，通过离心力和电场的作用使原料溶液从小孔流出，对带电的纤维进行纺织。进而，从旋转容器与环状电极间的纺丝空间排出纤维，同时通过伴随溶剂的蒸发的静电爆炸使纤维延伸，而生成纳米纤维。
[0006]专利文献2和3所记载的电纺丝法中，在对金属球与金属制的纺丝喷嘴开口之间施加高电压的状态下，从该纺丝喷嘴排出高分子材料的溶液。此时，以与金属球和纺丝喷嘴开口的路径正交的方式喷出高速气流。由此，改变从纺丝喷嘴纺出的纳米纤维的轨迹，并通过高速气流使之飞散。飞散的纳米纤维被收集在纳米纤维收集部。
[0007]专利文献4所记载的电纺丝法中，使用喷射纺丝溶液的树脂制的喷嘴和使纺丝溶液带电的电极，在电场中喷射纺丝溶液进行纺丝。在存留纺丝溶液的容器中，内置有用于使该纺丝溶液带电的由导电性材料构成的电极。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:US2010/0072674A1
[0011]专利文献2:(日本)特开2011-127234号公报
[0012]专利文献3:国际公开第2012-066929号小册子
[0013]专利文献4:(日本)特开2011-102455号公报
【发明内容】
[0014]但是，上述各种电纺丝法，有时还不能说量产性充分。另外，由于制造设备复杂，或制造设备的占有空间大，所以不能说在经济方面有利。
[0015]本发明提供一种电纺丝装置，其包括具有凹曲面的电极和以被该电极的凹曲面包围的方式配置的针状的纺丝液排出用喷嘴，在该电极与该喷嘴之间产生了电场的状态下，由从该喷嘴的前端排出的纺丝液形成纳米纤维。
[0016]该电纺丝装置中，以所述喷嘴的延伸方向通过由所述电极的凹曲面的开口端划出的圆的中心或该中心附近，并且该喷嘴的前端位于包括由该开口端划出的圆的平面内或位于该平面附近的方式，配置该喷嘴。
[0017]本发明还提供一种纳米纤维制造装置。
[0018]该纳米纤维制造装置包括:
[0019]所述电纺丝装置；
[0020]气流喷出部，其位于所述电纺丝装置的所述喷嘴的基部附近，沿着该喷嘴的延伸方向，且向该喷嘴的前端方向喷出气流；
[0021]纳米纤维收集用电极，其以与所述喷嘴的前端相对的方式配置；和
[0022]纺丝液供给部，其向所述喷嘴供给所述纺丝液。
【附图说明】
[0023]图1是表示本发明的电纺丝装置的一实施方式的立体图。
[0024]图2是表示图1所示的电纺丝装置的截面构造的示意图。
[0025]图3(a)?⑷是表示电纺丝装置的电极的开口端的各种形状的平面图。
[0026]图4是表示电纺丝装置的电极的开口端的另一形状的平面图。
[0027]图5是表示电纺丝装置的另一实施方式的截面构造的示意图(相当于图2的图)。
[0028]图6是表示喷嘴的在横截面视图中的构造的示意图。
[0029]图7(a)是表示本发明电纺丝装置的原理的模型图，图7(b)是表示现有技术的电纺丝装置的原理的模型图。
[0030]图8是表示具有图1所示的电纺丝装置的纳米纤维制造装置的示意图。
[0031]图9是表示本发明的电纺丝装置的另一实施方式的立体图。
[0032]图10是表示本发明的电纺丝装置的另一实施方式的立体图。
[0033]图11是表示电纺丝装置的又另一实施方式的截面构造的示意图(相当于图2的图)。
[0034]图12(a)是实施例1中得到的纳米纤维的扫描电子显微镜图像，图12 (b)是图12(a)的放大图像。
[0035]图13(a)是比较例I中得到的纳米纤维的扫描电子显微镜图像，图13(b)和图13(c)是图13(a)的放大图像。
[0036]图14(a)是比较例2中得到的纳米纤维的扫描电子显微镜图像，图14(b)是图14(a)的放大图像。
【具体实施方式】
[0037]本发明人进行了锐意研宄，结果发现，为了使由纳米纤维的纺丝液制造的纳米纤维的粗细变细，对纺丝液作用的库仑力成为极其重要的因素。进一步进行了研宄，发现通过提高纺丝液的平均单位质量的带电量，能够提高每个排出用喷嘴的纳米纤维的制造能力，能够抑制制造设备的大型化，并且提高纳米纤维的生产率。
[0038]以下，基于优选的实施方式并参照【附图说明】本发明。图1是表示本发明的电纺丝装置的一实施方式的立体图。图2是表示图1所示的电纺丝装置的截面构造的示意图。图1所示的电纺丝装置I包括电极10和纺丝液排出用喷嘴20。
[0039]作为整体，电极10形成大致碗形，在其内表面具有凹曲面11。电极10只要其内表面成为凹曲面11，其整体的形状就不需要成为大致碗形，也可以成为其它形状。凹曲面11由导电性材料构成，通常为金属制。电极10固定于由电绝缘性材料构成的基台30上。另夕卜，电极10如图2那样与直流高压电源40连接。
[0040]从凹曲面11的开口端侧观察凹曲面11时，该开口端形成圆形。该圆形也可以为正圆形或椭圆形。如后述，从使电荷集中于喷嘴20的前端的观点来看，凹曲面11的开口端优选为正圆形。在开口端的形状不是正圆的情况下，作为该开口端的形状，如图3(a)和(b)所示，能够设为组合圆C和椭圆E而成的形状。在图3(a)中，组合有直径Dl的圆C和短径Dl的椭圆形E。上半部分成为将短径Dl的椭圆E沿着其短径轴平分的形状，下半部分成为直径Dl的圆C的半圆形状。在图3(b)中，组合有直径D2的圆C和长径D2的椭圆形E。上半部分成为将长径D2的椭圆E沿着其长径轴平分的形状，下半部分成为直径D2的圆C的半圆形状。作为开口端的形状，还能够采用图3(c)所示的组合了两个椭圆El和E2的形状。图3 (c)中，组合有短径D3的椭圆El和长径D3的椭圆E2。左半部分成为将短径D3的椭圆形沿着其短径轴平分的形状，右半部分成为将长径D3的椭圆形沿着其长径轴平分的形状。作为开口端的形状，还能够采用图3(d)所示的组合了两个圆Cl和C2的形状。图3(d)中，第一圆Cl的中心轴和第二圆C2的中心轴位于同一线上，且第一圆Cl的中心和第二圆C2的中心不一致。第一圆Cl的直径比第二圆C2的直径小。
[0041]凹曲面11的开口端为椭圆时，如图4所示，与椭圆E内接的圆Cl的直径Dl和与椭圆E外接的圆C2的直径D2的比即D1/D2的值优选为9/16以上，更优选为3/4以上，进一步优选为4/5以上。
[0042]另一方面，凹曲面11在其任意位置均成为曲面。这里所说的曲面是指以下任意情况:(A)完全不具有平面部的曲面；(B)如图5所示，为将具有平面部P的多个段片G接合起来整体可看作凹曲面11的形状；或(C)为将具有相互正交的三轴中的一个轴不具有曲率的带状部的多个环状段片接合起来整体可看作凹曲面的形状。在(B)的情况下，优选将例如段片的纵和横的长度为0.5?5_程度的矩形的、具有相同或不同大小的平面部P的段片G接合而形成凹曲面11。在(C)的情况下，优选将例如由半径分别不同且高度为0.001?5mm的扁平的多种圆筒所构成的环状段片接合而形成凹曲面11。该环状段片中，相互正交的三轴即X轴、Y轴和Z轴之中，包括圆筒的横截面的X轴和Y轴具有曲率，且圆筒的高度方向即Z轴不具有曲率。
[0043]凹曲面11(的曲率)优选为使得其任意位置的法线通过喷嘴20的前端或其附近的值。从该观点出发，凹曲面11特别优选形成为与球形球壳的内表面相同的形状。
[0044]如图1和图2所示，凹曲面11的最底部开口，在其开口部安装有喷嘴组件21。因此，在凹曲面11形成为与球形的内表面相同的形状的情况下，该凹曲面11成为与球体的球壳的内表面相同的形状。
[0045]喷嘴组件21包括已经叙述的喷嘴20和支承该喷嘴20的支承部22。喷嘴20由导电性材料构成，通常由金属构成。另一方面，支承部22由电绝缘性材料构成。因此，之前所述的电极10和喷嘴20通过支承部22而电绝缘。喷嘴20贯通支承部22，喷嘴20的前端20a露出到由凹曲面11构成的电极10内。喷嘴20的后端20b在电极10的背面侧(S卩，凹曲面11的相反侧)露出。喷嘴20的后端20b与纺丝液的供给源(未图示)连接。
[0046]由导电性材料构成的喷嘴20由针状的直管构成。在喷嘴20内可以流通纺丝液。喷嘴20的内径能够优选将其下限值设定为200 μ m以上，更优选设定为300 μ m以上。另一方面，能够优选将其上限值设定为3000 μ m以下，更优选设定为2000 μ m以下。能够优选设定为200 μπι以上3000 μπι以下，更优选设定为300 μπι以上2000 μπι以下。通过将喷嘴内径设定在该范围内，能够容易且定量地输送作为高分子的纺丝液，并且有效地使纺丝液带电，故优选。
[0047]也可以如图6所示那样在喷嘴20的横截面图中喷嘴20分隔为多个区域S，并使上述纺丝液在各区域S中流通。这样，能够增大纺丝液与喷嘴20的内壁的接触面积，并更易于使纺丝液带电。在喷嘴20的横截面视图中喷嘴20分隔为多个区域S的情况下，上述喷嘴20的内径是指各区域S