JP5347113B2 - 紡糸用口金および紡糸装置 - Google Patents

Description

本発明は、人造繊維、合成繊維等の製糸分野の乾式紡糸、溶融紡糸、溶液紡糸などあらゆる紡糸に使用できる紡糸用口金、およびその紡糸用口金を使用した紡糸装置に関するものである。

紡糸は、原料素材である高分子を、加熱溶融したり、あるいは溶媒に溶解して流動化させた粘調体を連続的に供給し小径のノズルから噴出して糸を製造する技術である。紡糸素材の粘調体の形態により溶融紡糸、溶液紡糸がある。粘調体をノズルから噴出した後に糸の形に固定する形態により湿式紡糸、乾式紡糸、エレクトロスピニング、メルトブローンなど、一般に知られた紡糸法がある。

極細糸の製造などでは、紡糸用口金のノズル孔が小径であるため、ノズルが詰まりやすくなる。一旦ノズルが詰まると防止作業が中断するだけではなく、詰まったノズルの口金を取り外して洗浄し、樹脂や異物を抜かなければならない。

このようなノズルの詰まりを防止するため、原料素材の高分子を溶媒に溶かす濃度を低くするなどして粘度を下げ流動性を向上させていた。あるいは特許文献１に示されたように、紡糸素材粘調体とともに高圧ガスを噴出させるなどの方法が採用されている。

例えば電界紡糸（エレクトロスピニング）は、ファイバー化したい材料の原料溶液とナノファイバーを堆積させる基板との間に高電圧を印加して，原料溶液面を帯電させることによって、帯電した原料溶液をノズル先端から噴出させて紡糸する技術である。溶液面を帯電させることにより分子同士の静電的力が溶液表面に振動を励起し、静電反発力が溶液の表面張力を上回ったところで急激に原料溶液が噴出する。堆積させる基板に到達する間にファイバーはナノメートルオーダに細くなって紡糸される。この紡糸原理では、帯電した原料用溶液の分子同士の静電的力で液面振動が励起される。そのためには液面が十分に流動的でなければならない。現状のエレクトロスピニング技術では、原料溶液を溶媒に溶かして粘度を下げて使用している。この場合、基板に堆積するまでに溶媒が蒸発しないため、基板に堆積したときファイバー同士の接着力が弱くなり、不織布あるいは不織布コーティングの強度低下が起こる。溶媒を多用するとこのような不都合が起こる。

また、溶媒を多用すると、周囲の環境に溶媒が飛散するため作業環境の悪化を招くため、溶媒回収装置が必要となる。健康被害をもたらすVOC規制は世界的な動向である。溶媒を少なくすると、粘度が高くなり紡糸ノズルが詰まりやすくなる。

一方、紡糸において超音波振動の技術を利用した例が特許文献２に示されている。この文献によれば、湿式紡糸の紡糸浴中に配置されるガイドの堆積物を超音波振動を与えて除去している。特許文献３には、ランジュバン型超音波振動子の例が示されているが、かかる振動子を紡糸技術に利用したという記載のある文献はない。

特開２００４−１０７８５１号公報 特開平１０−２１９５１６号公報 特開平８−３３２４５７号公報

本発明は、前記のごとき紡糸の際に口金のノズルが詰まることを回避するためになされたもので、どのような紡糸素材や形式、あるいは糸径の紡糸にも使用できる、紡糸用口金、およびその紡糸用口金を使用した紡糸装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された紡糸用口金は、電極を挟んで配置された二つのピエゾ素子の一方に、保持固定部材を介して配された略円錐形のＡホーンと、前記ピエゾ素子の他方に配されたＢホーンとを備えたランジュバン型超音波振動子と、前記ランジュバン型超音波振動子の各部材を貫通する貫通孔を通過した紡糸素材粘調体を吐出する紡糸ノズルが開けられた口金キャップとを備えた紡糸用口金であって、前記超音波振動子からの振動で前記口金キャップが振動するように、前記口金キャップが前記Ａホーンの先端部に装着され、且つ前記Ａホーンの先端部の側周面にリングヒータが巻き付けられていることを特徴とする。

同じく請求項２に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該保持固定部材が、熱遮蔽板を兼ねることを特徴とする。

請求項３に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該保持固定部材が０振動位置の近傍にあることを特徴とする。

請求項４に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該保持固定部材から該口金キャップまでの距離が振動波長の１／４、またはその整数倍であることを特徴とする。

請求項５に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該保持固定部材が０振動位置の近傍にあり、該保持固定部材から該口金キャップまでの距離が振動波長の１／４、またはその整数倍であることを特徴とする。

請求項６に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該ランジュバン型超音波振動子が、中空のネジにより該ピエゾ素子、該Ａホーンおよび該Ｂホーンの固定がされており、該中空が該貫通孔を構成していることを特徴とする。

請求項７に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該ランジュバン型超音波振動子が、該貫通孔を囲む複数のネジにより該ピエゾ素子、該Ａホーンおよび該Ｂホーンの固定がされていることを特徴とする。

請求項８に記載された紡糸用口金は、請求項１に記載の紡糸用口金であって、該口金キャップの該紡糸ノズルが、多孔であることを特徴とする。

請求項９に記載された紡糸用口金は、エレクトロスピニングの紡糸用口金であって、該口金キャップが金属であり、該Ａホーンが絶縁体であることを特徴とする。

また、前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１０に記載された紡糸装置は、電極を挟んで配置された二つのピエゾ素子の一方に、保持固定部材を介して配された略円錐形のＡホーンと、前記ピエゾ素子の他方に配されたＢホーンとを備えたランジュバン型超音波振動子と、前記ランジュバン型超音波振動子の各部材を貫通する貫通孔を通過した紡糸素材粘調体を吐出する紡糸ノズルが開けられた口金キャップとを備え、前記超音波振動子からの振動で前記口金キャップが振動するように、前記口金キャップが前記Ａホーンの先端部に装着され、且つ前記Ａホーンの先端部の側周面にリングヒータが巻き付けられている紡糸用口金が、該紡糸素材粘調体の供給部に取り付けられていることを特徴とする。

同じく請求項１１に記載された紡糸装置は、請求項１０に記載の紡糸装置であり、該紡糸口金の前記供給部への取付けが、該ランジュバン型超音波振動子の０振動位置の近傍であることを特徴とする。

請求項１２に記載された紡糸装置は、請求項１０に記載の紡糸装置であり、溶融紡糸、湿式紡糸、溶液紡糸、乾式紡糸、エレクトロスピニング、メルトブローン、およびそれらの組合せによる複合から選ばれる装置であることを特徴とする。

本発明の紡糸用口金は、超音波振動子で構成されているから、紡糸中に紡糸素材粘調体が通過する貫通孔のノズルに超音波による微振動を与えることができる。超音波による微振動で、紡糸素材粘調体が貫通孔の内壁に付着することを防止でき、ノズルが詰まることはない。また本発明の紡糸用口金はあらゆる形態の紡糸に利用でき、それらの紡糸におけるノズルの詰まりを防止できる。

また、この紡糸用口金を使用した本発明の紡糸装置は、紡糸用口金のノズルの詰まりを防止できるから、紡糸作業が中断されることなく、効率良く紡糸できる。また紡糸用口金を装置から取り外して洗浄するという手間もなくなる。

発明を実施するための好ましい形態

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は本発明を適用する一実施例の紡糸用口金１０の一部断面側面図で、中心から下半分は紡糸用口金側面の外観を表し、上半分は中心断面を表している。この紡糸用口金１０の外観は、円錐部を有する円柱で、その円柱の円中心に関して対称である。紡糸用口金１０の各部材の円中心部分は貫通孔２２を形成し、紡糸素材粘調体が通過できるようになっている。

紡糸用口金１０の各部材は以下のとおり構成されている。圧電セラミックスからなる２つのピエゾ素子１１Ａと１１Ｂは電極板１７を挟んで配置される。ピエゾ素子１１Ａに接して熱遮蔽板を兼ねる保持固定板１５、略円錐形の金属のＡホーン１２が順に位置する。保持固定板１５には、ボルト１８が通る孔１６が均等分六ヶ所に明けられている。Ａホーン１２の先端には紡糸ノズル２４（図２参照）の開けられた口金キャップ２３が螺合されている。ピエゾ素子１１Ｂに接してねじ込みフランジを兼ねる金属のＢホーン１３が位置する。

順に接しているＢホーン１３、ピエゾ素子１１Ｂ、電極板１７、ピエゾ素子１１Ａ、保持固定板１５、およびＡホーン１２は、中心対称の均等分三箇所に孔が空けられ、ボルト１９が通ってナット２０により強く締めこまれて固定されランジュバン型超音波振動子を構成している。尚、ボルト１９およびナット２０は１組のみ示してあるが、残る２組は図示外である。

Ａホーン１２の長さは、保持固定板１５から口金キャップ２３の先端までが振動波長の４分の１（λ／４）となる長さにする。このようにして、紡糸用口金１０は、全体でランジュバン型振動子を構成する。また紡糸用口金１０の先端部分には、リングヒーター２６が巻かれる。

図１に示したこの紡糸用口金１０は、図３に示すように、溶融紡糸装置における紡糸素材の供給機であるエクストルーダー３０の樹脂吐出口に、ボルト１８で保持固定板１５を介して取り付けられる。エクストルーダー３０は、ジャケットヒーターの付された筒３２内にスクリュウ３５が配置され、スクリュウ３５は回転源３４に繋がっている。筒３２の途中には原料投入のためのホッパー３３が取り付けられている。筒３２の先端が前記樹脂吐出口であり、紡糸用口金１０が取り付けられる。さらに溶融紡糸装置は、紡糸用口金１０に対向する位置に巻取りリール３７が設置される。

このような溶融紡糸装置で、紡糸素材として例えばナイロン（登録商標）を以下のようにして紡糸する。紡糸用口金１０の電極板１７とＡホーン１２、およびＢホーン１３との間に交流電圧を印加して、ピエゾ素子１１Ａおよびピエゾ素子１１Ｂを振動させる。保持固定板１５は、振動源であるピエゾ素子１１Ａと１１Ｂとの近傍で強固に一体化しているので略０振動であるが、口金キャップ２３までの長さがλ／４であるから、Ａホーン１２を通じて伝達される振動は、口金キャップ２３で最大振幅ｈ（図１の波形参照）となる。

一方、筒３２のジャケットヒーターおよびリングヒーター２６を昇温させ所定の温度に調整する。そしてスクリュウ３５を回転させながらナイロン（登録商標）の樹脂チップをホッパー３３から投入する。すると樹脂チップが溶解した紡糸素材粘調体はスクリュウ３５で押し出されてから、紡糸用口金１０の貫通孔２２を通り、最大振幅ｈで振動しつつある口金キャップ２３の紡糸ノズル２４から吐出される。これを、ナイロン（登録商標）の長繊維としてリール３７に巻取ってゆく。

このように、紡糸用口金１０の貫通孔２２で最細部である紡糸ノズル２４に振動があるから、紡糸素材粘調体の詰まりを防止できる。さらに、紡糸の伸張方向の振動が加わることにより分子配向性が向上し、糸の強力は向上する。また、振動により紡糸ノズル２４から吐出される紡糸素材粘調体の流速が増して紡糸の生成速度が速くなる。さらに、振動により吐出された紡糸素材粘調体が広い範囲に飛散するため、大きな不織布等を容易に製造できる。

かかる紡糸工程で、紡糸用口金の超音波振動を有限要素法によりシミュレーションした結果を以下に示す。発振周波数（印加交流）は２０〜２００ｋＨｚが適切である。上記実施例の紡糸用口金では貫通孔の軸方向に伸縮するように振動する。シミュレーションの結果、一例として、発振周波数が２０ｋＨｚの場合、ノズル先端で７０μｍ程度の振幅で振動を励起できることが分かった。

紡糸用口金の超音波振動は、軸振動子、捻り振動子、たわみ振動子の機能をそれぞれ複合させた複合振動子も製作可能である。

図４には、本発明を適用する別な実施例の紡糸用口金の一部断面側面図が示してある。この例の紡糸用口金１００は、順に接しているＢホーン１３、ピエゾ素子１１Ｂ、電極板を兼ねる保持固定板１５、ピエゾ素子１１Ａ、およびＡホーン１２は、中空のボルト４０がＡホーン１２のメネジに締め込まれることによって固定され、ランジュバン型超音波振動子を構成している。ボルト４０の中空が紡糸素材粘調体の通過する貫通孔２２となる。電極版の保持固定板１５とＡホーン１２およびＢホーン１３を通じて、ピエゾ素子１１Ａおよびピエゾ素子１１Ｂに交流電圧を印加することで超音波振動が発生する。

紡糸用口金がエレクトロスピニングのためのものであるときには、口金キャップ２３を金属とし、Ａホーンを絶縁体にすることで、口金キャップ２３とターゲットとの間に電界をかけるのに好都合である。

図２には、本発明の紡糸用口金の先端に取り付ける口金キャップ２３の正面図が各種示してある。（Ａ）は口金キャップ２３の中央部に円形の紡糸ノズル２４があいている例、（Ｂ）は口金キャップ２３に複数の円形の紡糸ノズル２４があいている例、（Ｃ）は口金キャップ２３に複数の不定形の紡糸ノズル２４があいている例である。

尚、図３に示す溶融紡糸装置では単繊維の巻取りを示してあるが、複数繊維を一度にターゲット板にあてる不織布の製造等にも適用できる。

以下に示すとおり、本発明を適用する紡糸用口金を試作した。この紡糸用口金に交流電圧を印加して超音波振動させた場合と、交流電圧の印加を停止して超音波振動させない場合とで特性を比較した。なお超音波振動させない場合は、本発明を適用外の紡糸用口金を用いた場合に相当する。

本発明を適用する実施例として、図１および図２（Ａ）に示した形態で、紡糸用口金を試作した。口金キャップ２３には、紡糸ノズル２４としてφ０．４ｍｍの穴を開けた。

（試験１．紡糸量比較試験）
有機材料（ポリビニルアルコール）の水溶液を紡糸ノズルと基板との距離８０ｍｍ、印加電圧７０Ｖで２分間電界紡糸した。図５は、紡糸用口金を２０ｋＨｚで超音波振動させて生成したナノファイバーの光学顕微鏡写真である。図６は、比較のために超音波振動させない以外は全く同じ条件で生成したナノファイバーの光学顕微鏡写真である。

超音波振動させた場合には、振動させない場合に比べて紡糸量（ナノファイバー生成量）が約２倍多くなった。この試験から、本発明を適用した紡糸用口金を用いることで速い生成速度で、つまり高い生成率でナノファイバー不織布を得られることが確認できた。

（試験２．溶液飛距離比較試験）
紡糸用口金における溶液吐出の際の超音波振動効果を調べるために一定水圧の水をモデル溶液として吐出（噴出）させた。紡糸用口金の中心軸を水平方向に設置して溶液を水平方向に吐出させた。紡糸用口金を２０ｋＨｚで超音波振動させた場合には、溶液の飛距離は７５ｍｍであり、振動させない場合には、溶液の飛距離は５０ｍｍであった。

このように、超音波振動させた場合には、振動させない場合に比べて溶液の飛距離が１．５倍に延びた。また、超音波振動させた場合には、溶液は霧状になって吐出するのに対し、超音波振動させない場合には、溶液は連続的に線状に吐出した。この試験から、超音波振動によって溶液の吐出流速が増すことが確認できた。つまり、紡糸ノズルが詰まりにくくなるし、紡糸の生成速度が速くなる。

（試験３．噴出範囲確認試験）
固体を溶融して噴射する試験でパラフィンローソクをモデル材料として試験を行った。紡糸用口金からパラフィンローソクを溶融したモデル溶液を吐出させた。紡糸用口金を２０ｋＨｚで超音波振動させた場合には、パラフィンは霧状に飛散し紡糸ノズルから３０ｍｍはなれた位置で直径１５ｍｍの範囲に堆積した。超音波振動させない場合には、ほぼ同一点に当たって直径約２ｍｍの範囲に盛り上がって堆積した。この試験から、曳糸性の物質を溶融させた紡糸に利用することにより超音波振動で広い範囲に糸状の堆積物が得られることが確認できた。

本発明を適用する一実施例の紡糸用口金の一部断面側面図である。 本発明を適用する紡糸用口金の先端に取り付ける口金キャップの正面図である。 本発明を適用する紡糸用口金を使用した本発明を適用する紡糸装置概略構成図である。 本発明を適用する別な実施例の紡糸用口金の一部断面側面図である。 本発明を適用する紡糸用口金で紡糸したナノファイバーの光学顕微鏡写真である。 本発明を適用外の紡糸用口金で紡糸したナノファイバーの光学顕微鏡写真である。

符号の説明

１０・１００は紡糸用口金、１１Ａ，１１Ｂはピエゾ素子、１２はＡホーン、１３はＢホーン、１５は保持固定板、１６は孔、１７は電極板、１８はボルト、１９はボルト、２０はナット、２２は貫通孔、２３は口金キャップ、２４は紡糸ノズル、２６はリングヒーター、３０はエクストルーダー、３２は筒、３３はホッパー、３４は回転源、３５はスクリュウ、３７は巻取りリール、４０は中空のボルトである。

Claims (12)

1. 電極を挟んで配置された二つのピエゾ素子の一方に、保持固定部材を介して配された略円錐形のＡホーンと、前記ピエゾ素子の他方に配されたＢホーンとを備えたランジュバン型超音波振動子と、前記ランジュバン型超音波振動子の各部材を貫通する貫通孔を通過した紡糸素材粘調体を吐出する紡糸ノズルが開けられた口金キャップとを備えた紡糸用口金であって、
   前記超音波振動子からの振動で前記口金キャップが振動するように、前記口金キャップが前記Ａホーンの先端部に装着され、且つ前記Ａホーンの先端部の側周面にリングヒータが巻き付けられていることを特徴とする紡糸用口金。
2. 該保持固定部材が、熱遮蔽板を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
3. 該保持固定部材が０振動位置の近傍にあることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
4. 該保持固定部材から該口金キャップまでの距離が振動波長の１／４、またはその整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
5. 該保持固定部材が０振動位置の近傍にあり、該保持固定部材から該口金キャップまでの距離が振動波長の１／４、またはその整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
6. 該ランジュバン型超音波振動子が、中空のネジにより該ピエゾ素子、該Ａホーンおよび該Ｂホーンの固定がされており、該中空が該貫通孔を構成していることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
7. 該ランジュバン型超音波振動子が、該貫通孔を囲む複数のネジにより該ピエゾ素子、該Ａホーンおよび該Ｂホーンの固定がされていることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
8. 該口金キャップの該紡糸ノズルが、多孔であることを特徴とする請求項１に記載の紡糸用口金。
9. 請求項１に記載の紡糸用口金が、エレクトロスピニングの紡糸用口金であって、該口金キャップが金属であり、該Ａホーンが絶縁体であることを特徴とする紡糸用口金。
10. 電極を挟んで配置された二つのピエゾ素子の一方に、保持固定部材を介して配された略円錐形のＡホーンと、前記ピエゾ素子の他方に配されたＢホーンとを備えたランジュバン型超音波振動子と、前記ランジュバン型超音波振動子の各部材を貫通する貫通孔を通過した紡糸素材粘調体を吐出する紡糸ノズルが開けられた口金キャップとを備え、前記超音波振動子からの振動で前記口金キャップが振動するように、前記口金キャップが前記Ａホーンの先端部に装着され、且つ前記Ａホーンの先端部の側周面にリングヒータが巻き付けられている紡糸用口金が、該紡糸素材粘調体の供給部に取り付けられていることを特徴とする紡糸装置。
11. 該紡糸口金の前記供給部への取付けが、該ランジュバン型超音波振動子の０振動位置の近傍であることを特徴とする請求項１０に記載の紡糸装置。
12. 該紡糸装置が、溶融紡糸、湿式紡糸、溶液紡糸、乾式紡糸、エレクトロスピニング、メルトブローン、およびそれらの組合せによる複合から選ばれる装置であることを特徴とする請求項１１に記載の紡糸装置。

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