電紡絲裝置和具有其的納米纖維制造裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電紡絲裝置和具有該電紡絲裝置的納米纖維制造裝置。
【背景技術】
[0002]電紡絲法(ES法)作為不使用機械力或熱力就能夠比較簡單地制造納米尺寸的粒子或纖維等的技術而備受關注。目前為止進行的電紡絲法中，將成為納米纖維的原料的物質的溶液充填于注射器中，在安裝于該注射器的針狀噴嘴和與噴嘴相對的收集用電極之間施加直流高電壓的狀態下，進行從該噴嘴的前端排出溶液的操作。排出的溶液中的溶劑在電場中瞬間蒸發，原料一邊凝固一邊在庫侖力的作用下延伸而形成納米纖維。而且，納米纖維堆積在收集用電極的表面。
[0003]但是，上述電紡絲法中，從I個噴嘴只能制造I條?數條程度的納米纖維。這樣，納米纖維的量產化技術還沒有確立，現狀是實用化幾乎沒有任何進展。
[0004]作為提尚納米纖維制造的生廣率的以往的技術，已知有以下敘述的專利文獻I?5所記載的電紡絲法。專利文獻I所記載的電紡絲法中，對作為具有多個小孔的導電性旋轉容器的圓筒狀容器內供給在溶劑中溶解有高分子物質的高分子溶液，使圓筒狀容器旋轉，而使帶電荷的高分子溶液從該小孔流出。而且，利用離心力和伴隨溶劑的蒸發的靜電爆炸使線狀地流出的高分子溶液延伸，而生成由高分子物質構成的納米纖維。而且，利用配設于圓筒狀容器的軸心方向一側部的反射電極或鼓風裝置，使生成的納米纖維向圓筒狀容器的軸心方向另一側偏轉流動。
[0005]專利文獻I中還記載有另一電紡絲法。該另一電紡絲法中，對具有多個小孔的導電性旋轉容器內供給有原料溶液。另外，在以包圍旋轉容器周圍的方式配設的環狀電極與該旋轉容器的小孔附近之間施加高電壓，而成為在它們之間產生電場的狀態。在該狀態下使旋轉容器旋轉，通過離心力和電場的作用使原料溶液從小孔流出，對帶電的纖維進行紡織。進而，從旋轉容器與環狀電極間的紡絲空間排出纖維，同時通過伴隨溶劑的蒸發的靜電爆炸使纖維延伸，而生成納米纖維。
[0006]專利文獻2和3所記載的電紡絲法中，在對金屬球與金屬制的紡絲噴嘴開口之間施加高電壓的狀態下，從該紡絲噴嘴排出高分子材料的溶液。此時，以與金屬球和紡絲噴嘴開口的路徑正交的方式噴出高速氣流。由此，改變從紡絲噴嘴紡出的納米纖維的軌跡，并通過高速氣流使之飛散。飛散的納米纖維被收集在納米纖維收集部。
[0007]專利文獻4所記載的電紡絲法中，使用噴射紡絲溶液的樹脂制的噴嘴和使紡絲溶液帶電的電極，在電場中噴射紡絲溶液進行紡絲。在存留紡絲溶液的容器中，內置有用于使該紡絲溶液帶電的由導電性材料構成的電極。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:US2010/0072674A1
[0011]專利文獻2:(日本)特開2011-127234號公報
[0012]專利文獻3:國際公開第2012-066929號小冊子
[0013]專利文獻4:(日本)特開2011-102455號公報
【發明內容】
[0014]但是，上述各種電紡絲法，有時還不能說量產性充分。另外，由于制造設備復雜，或制造設備的占有空間大，所以不能說在經濟方面有利。
[0015]本發明提供一種電紡絲裝置，其包括具有凹曲面的電極和以被該電極的凹曲面包圍的方式配置的針狀的紡絲液排出用噴嘴，在該電極與該噴嘴之間產生了電場的狀態下，由從該噴嘴的前端排出的紡絲液形成納米纖維。
[0016]該電紡絲裝置中，以所述噴嘴的延伸方向通過由所述電極的凹曲面的開口端劃出的圓的中心或該中心附近，并且該噴嘴的前端位于包括由該開口端劃出的圓的平面內或位于該平面附近的方式，配置該噴嘴。
[0017]本發明還提供一種納米纖維制造裝置。
[0018]該納米纖維制造裝置包括:
[0019]所述電紡絲裝置；
[0020]氣流噴出部，其位于所述電紡絲裝置的所述噴嘴的基部附近，沿著該噴嘴的延伸方向，且向該噴嘴的前端方向噴出氣流；
[0021]納米纖維收集用電極，其以與所述噴嘴的前端相對的方式配置；和
[0022]紡絲液供給部，其向所述噴嘴供給所述紡絲液。
【附圖說明】
[0023]圖1是表示本發明的電紡絲裝置的一實施方式的立體圖。
[0024]圖2是表示圖1所示的電紡絲裝置的截面構造的示意圖。
[0025]圖3(a)?⑷是表示電紡絲裝置的電極的開口端的各種形狀的平面圖。
[0026]圖4是表示電紡絲裝置的電極的開口端的另一形狀的平面圖。
[0027]圖5是表示電紡絲裝置的另一實施方式的截面構造的示意圖(相當于圖2的圖)。
[0028]圖6是表示噴嘴的在橫截面視圖中的構造的示意圖。
[0029]圖7(a)是表示本發明電紡絲裝置的原理的模型圖，圖7(b)是表示現有技術的電紡絲裝置的原理的模型圖。
[0030]圖8是表示具有圖1所示的電紡絲裝置的納米纖維制造裝置的示意圖。
[0031]圖9是表示本發明的電紡絲裝置的另一實施方式的立體圖。
[0032]圖10是表示本發明的電紡絲裝置的另一實施方式的立體圖。
[0033]圖11是表示電紡絲裝置的又另一實施方式的截面構造的示意圖(相當于圖2的圖)。
[0034]圖12(a)是實施例1中得到的納米纖維的掃描電子顯微鏡圖像，圖12 (b)是圖12(a)的放大圖像。
[0035]圖13(a)是比較例I中得到的納米纖維的掃描電子顯微鏡圖像，圖13(b)和圖13(c)是圖13(a)的放大圖像。
[0036]圖14(a)是比較例2中得到的納米纖維的掃描電子顯微鏡圖像，圖14(b)是圖14(a)的放大圖像。
【具體實施方式】
[0037]本發明人進行了銳意研宄，結果發現，為了使由納米纖維的紡絲液制造的納米纖維的粗細變細，對紡絲液作用的庫侖力成為極其重要的因素。進一步進行了研宄，發現通過提高紡絲液的平均單位質量的帶電量，能夠提高每個排出用噴嘴的納米纖維的制造能力，能夠抑制制造設備的大型化，并且提高納米纖維的生產率。
[0038]以下，基于優選的實施方式并參照【附圖說明】本發明。圖1是表示本發明的電紡絲裝置的一實施方式的立體圖。圖2是表示圖1所示的電紡絲裝置的截面構造的示意圖。圖1所示的電紡絲裝置I包括電極10和紡絲液排出用噴嘴20。
[0039]作為整體，電極10形成大致碗形，在其內表面具有凹曲面11。電極10只要其內表面成為凹曲面11，其整體的形狀就不需要成為大致碗形，也可以成為其它形狀。凹曲面11由導電性材料構成，通常為金屬制。電極10固定于由電絕緣性材料構成的基臺30上。另夕卜，電極10如圖2那樣與直流高壓電源40連接。
[0040]從凹曲面11的開口端側觀察凹曲面11時，該開口端形成圓形。該圓形也可以為正圓形或橢圓形。如后述，從使電荷集中于噴嘴20的前端的觀點來看，凹曲面11的開口端優選為正圓形。在開口端的形狀不是正圓的情況下，作為該開口端的形狀，如圖3(a)和(b)所示，能夠設為組合圓C和橢圓E而成的形狀。在圖3(a)中，組合有直徑Dl的圓C和短徑Dl的橢圓形E。上半部分成為將短徑Dl的橢圓E沿著其短徑軸平分的形狀，下半部分成為直徑Dl的圓C的半圓形狀。在圖3(b)中，組合有直徑D2的圓C和長徑D2的橢圓形E。上半部分成為將長徑D2的橢圓E沿著其長徑軸平分的形狀，下半部分成為直徑D2的圓C的半圓形狀。作為開口端的形狀，還能夠采用圖3(c)所示的組合了兩個橢圓El和E2的形狀。圖3 (c)中，組合有短徑D3的橢圓El和長徑D3的橢圓E2。左半部分成為將短徑D3的橢圓形沿著其短徑軸平分的形狀，右半部分成為將長徑D3的橢圓形沿著其長徑軸平分的形狀。作為開口端的形狀，還能夠采用圖3(d)所示的組合了兩個圓Cl和C2的形狀。圖3(d)中，第一圓Cl的中心軸和第二圓C2的中心軸位于同一線上，且第一圓Cl的中心和第二圓C2的中心不一致。第一圓Cl的直徑比第二圓C2的直徑小。
[0041]凹曲面11的開口端為橢圓時，如圖4所示，與橢圓E內接的圓Cl的直徑Dl和與橢圓E外接的圓C2的直徑D2的比即D1/D2的值優選為9/16以上，更優選為3/4以上，進一步優選為4/5以上。
[0042]另一方面，凹曲面11在其任意位置均成為曲面。這里所說的曲面是指以下任意情況:(A)完全不具有平面部的曲面；(B)如圖5所示，為將具有平面部P的多個段片G接合起來整體可看作凹曲面11的形狀；或(C)為將具有相互正交的三軸中的一個軸不具有曲率的帶狀部的多個環狀段片接合起來整體可看作凹曲面的形狀。在(B)的情況下，優選將例如段片的縱和橫的長度為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)的情況下，優選將例如由半徑分別不同且高度為0.001?5mm的扁平的多種圓筒所構成的環狀段片接合而形成凹曲面11。該環狀段片中，相互正交的三軸即X軸、Y軸和Z軸之中，包括圓筒的橫截面的X軸和Y軸具有曲率，且圓筒的高度方向即Z軸不具有曲率。
[0043]凹曲面11(的曲率)優選為使得其任意位置的法線通過噴嘴20的前端或其附近的值。從該觀點出發，凹曲面11特別優選形成為與球形球殼的內表面相同的形狀。
[0044]如圖1和圖2所示，凹曲面11的最底部開口，在其開口部安裝有噴嘴組件21。因此，在凹曲面11形成為與球形的內表面相同的形狀的情況下，該凹曲面11成為與球體的球殼的內表面相同的形狀。
[0045]噴嘴組件21包括已經敘述的噴嘴20和支承該噴嘴20的支承部22。噴嘴20由導電性材料構成，通常由金屬構成。另一方面，支承部22由電絕緣性材料構成。因此，之前所述的電極10和噴嘴20通過支承部22而電絕緣。噴嘴20貫通支承部22，噴嘴20的前端20a露出到由凹曲面11構成的電極10內。噴嘴20的后端20b在電極10的背面側(S卩，凹曲面11的相反側)露出。噴嘴20的后端20b與紡絲液的供給源(未圖示)連接。
[0046]由導電性材料構成的噴嘴20由針狀的直管構成。在噴嘴20內可以流通紡絲液。噴嘴20的內徑能夠優選將其下限值設定為200 μ m以上，更優選設定為300 μ m以上。另一方面，能夠優選將其上限值設定為3000 μ m以下，更優選設定為2000 μ m以下。能夠優選設定為200 μπι以上3000 μπι以下，更優選設定為300 μπι以上2000 μπι以下。通過將噴嘴內徑設定在該范圍內，能夠容易且定量地輸送作為高分子的紡絲液，并且有效地使紡絲液帶電，故優選。
[0047]也可以如圖6所示那樣在噴嘴20的橫截面圖中噴嘴20分隔為多個區域S，并使上述紡絲液在各區域S中流通。這樣，能夠增大紡絲液與噴嘴20的內壁的接觸面積，并更易于使紡絲液帶電。在噴嘴20的橫截面視圖中噴嘴20分隔為多個區域S的情況下，上述噴嘴20的內徑是指各區域S