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JP5486754B2 - Electrospinning method and electrospinning apparatus - Google Patents
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JP5486754B2 - Electrospinning method and electrospinning apparatus - Google Patents

Electrospinning method and electrospinning apparatus Download PDF

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Description

本発明は、新規な電界紡糸方法に関する。また、本発明は、この新規な電界紡糸方法が適用可能な電界紡糸装置に関する。   The present invention relates to a novel electrospinning method. The present invention also relates to an electrospinning apparatus to which this novel electrospinning method can be applied.

電場を利用した紡糸技術である電界紡糸(エレクトロスピニング)法は常温・大気圧下で簡便にナノ〜マイクロスケールの直径を持つ繊維を形成することが可能であり、ナノファイバーの連続製造に有効な手段である。アミノ基やカルボキシル基などの荷電基を有する高分子弱電解質繊維の作製について報告が行われているが、スルホン酸基や4級アンモニウム基などの荷電基を有する強電解質高分子の繊維化は難しいとされてきた。これは、強電解質を荷電基とする高分子電解質溶液では電気伝導度が高いため、電圧を印加したときに溶液内に電流が発生し、ノズル表面での電界集中による溶液の帯電が妨げられるためであると考えられる。このような問題をさけるために特許文献1に記載の方法では、電界紡糸法によって作製した高分子繊維にスルホン酸基や4級塩基の導入を行うことによって、強電解質を荷電基とする高分子繊維を製造している。また電界紡糸法を用いた高分子電解質のワンステップでの繊維化については、特許文献2に紡糸液への中性高分子の添加やゾル・ゲル反応前駆体の添加による帯電緩和現象の抑制が提案されている。   The electrospinning method, which is a spinning technique using an electric field, can easily form fibers with nano- to micro-scale diameters at room temperature and atmospheric pressure, and is effective for continuous production of nanofibers. Means. There have been reports on the preparation of polymer weak electrolyte fibers having charged groups such as amino groups and carboxyl groups, but it is difficult to fabricate strong electrolyte polymers having charged groups such as sulfonic acid groups and quaternary ammonium groups. It has been said. This is because a polymer electrolyte solution having a strong electrolyte as a charge group has a high electric conductivity, so that a current is generated in the solution when a voltage is applied, and the solution is prevented from being charged due to electric field concentration on the nozzle surface. It is thought that. In order to avoid such a problem, in the method described in Patent Document 1, a polymer having a strong electrolyte as a charged group is introduced by introducing a sulfonic acid group or a quaternary base into a polymer fiber produced by an electrospinning method. Manufactures fibers. Regarding the one-step fiber formation of the polymer electrolyte using the electrospinning method, Patent Document 2 describes the suppression of the charge relaxation phenomenon by adding a neutral polymer or a sol-gel reaction precursor to the spinning solution. Proposed.

特開2006−334469号公報JP 2006-334469 A 特開2007−327148号公報JP 2007-327148 A

しかし、特許文献1に記載の方法では、荷電基を導入する後処理としての反応工程を必要とるため、製造コストの上昇につながる。また、特許文献2に記載の方法では、このような方法を用いて紡糸できた場合においても、電解質を含む繊維は、ノズルと捕集部である対電極間の電気力線の影響を受けて対電極基板上から垂直にナノファイバーが成長するため、これまで、撚糸を行うことはできてもワンステップでのシートの作製が困難であった。   However, the method described in Patent Document 1 requires a reaction step as a post-treatment for introducing a charged group, leading to an increase in manufacturing cost. Further, in the method described in Patent Document 2, even when spinning can be performed using such a method, the fiber containing the electrolyte is affected by the lines of electric force between the nozzle and the counter electrode that is the collecting portion. Since nanofibers grow vertically from the counter electrode substrate, it has been difficult to produce a sheet in one step even though twisting can be performed.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な電界紡糸方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel electrospinning method.

また、本発明は、この新規な電界紡糸方法が適用可能な電界紡糸装置を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide an electrospinning apparatus to which this novel electrospinning method can be applied.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、ノズルと主電極との間に電界を形成して前記ノズルから前記主電極に向けて紡糸溶液をスプレーして紡糸する電界紡糸方法であって、補助電極を前記主電極に対し前記ノズル側に配置して前記主電極と電気的に接続し、前記ノズルから前記補助電極に向けて前記紡糸溶液をスプレーして紡糸する、ことを特徴としている。   In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, an electrospinning method in which an electric field is formed between a nozzle and a main electrode and a spinning solution is sprayed from the nozzle toward the main electrode to perform spinning. The auxiliary electrode is disposed on the nozzle side with respect to the main electrode and electrically connected to the main electrode, and the spinning solution is sprayed from the nozzle toward the auxiliary electrode to perform spinning. Yes.

また、上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、電界中に紡糸溶液をスプレーして紡糸する電界紡糸装置において、前記紡糸溶液をスプレーするノズルと、該ノズルとの間に電界を形成する主電極と、該主電極に対し前記ノズル側に離間して配置されて前記主電極と電気的に接続される補助電極と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, in an electrospinning apparatus for spinning by spinning a spinning solution in an electric field, an electric field is applied between the nozzle for spraying the spinning solution and the nozzle. A main electrode to be formed, and an auxiliary electrode which is disposed on the nozzle side with respect to the main electrode and is electrically connected to the main electrode.

また、前記補助電極は、前記主電極に対し前記ノズル側に離間して配置される円環状の本体部と、該本体部から前記主電極に向けて延在して該主電極と電気的に接続される脚部と、を有することを特徴としている。   The auxiliary electrode includes an annular main body that is spaced apart from the main electrode on the nozzle side, and extends from the main body toward the main electrode to be electrically connected to the main electrode. And a leg portion to be connected.

本発明は、電解質を含むナノ〜マイクロスケールの直径を持つ繊維が集積したシート状材料の製造に関するものである。本発明は、電解質を含む極細繊維からなるシート状材料の新規な製造法を提供することを目的とする。具体的には、電界紡糸法を用いて、ナノ〜マイクロスケールの直径を持つ電解質を含む極細繊維を集積することによって得られるシート状材料を効率良く製造する方法を提供することを目的とする。従来の電界紡糸法を用いた電解質を含む高分子の繊維製造においては、繊維の製造はできても、繊維の集積によるワンステップでのシートの製造ができないという欠点を有していた。本発明では、電界紡糸装置の主電極上に補助電極を設置することによって、ワンステップで電解質ナノファイバーのシート化に成功した。   The present invention relates to the manufacture of a sheet-like material in which fibers having a diameter of nano to micro scale containing an electrolyte are accumulated. An object of this invention is to provide the novel manufacturing method of the sheet-like material which consists of an ultrafine fiber containing electrolyte. Specifically, an object of the present invention is to provide a method for efficiently producing a sheet-like material obtained by accumulating ultrafine fibers containing an electrolyte having a diameter of nano to micro scale using an electrospinning method. In the production of a polymer fiber including an electrolyte using a conventional electrospinning method, there is a drawback that even if the fiber can be produced, a sheet cannot be produced in one step by collecting the fibers. In the present invention, by installing an auxiliary electrode on the main electrode of the electrospinning apparatus, the electrolyte nanofiber was successfully formed into a sheet in one step.

本発明によれば、電界紡糸法の主電極側に繊維捕集用の開口部を持つ補助電極を設置することによって集積した繊維から成るシートの作製が可能である。シートの厚さは電界紡糸の時間に応じて制御できる。また、電界紡糸法では繊維径の制御が可能であり、これによってシートの空孔径、空孔率、目付(繊維密度)、比表面積の制御も可能である。   According to the present invention, it is possible to produce a sheet made of accumulated fibers by installing an auxiliary electrode having an opening for collecting fibers on the main electrode side of the electrospinning method. The thickness of the sheet can be controlled according to the electrospinning time. Further, in the electrospinning method, the fiber diameter can be controlled, and thereby the pore diameter, porosity, basis weight (fiber density), and specific surface area of the sheet can also be controlled.

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。   The present invention has the following effects.

本発明の電界紡糸方法および電界紡糸装置は、電界紡糸装置の捕集部である対電極上に補助電極を設置することによって、ワンステップで電解質ナノファイバーのシート化が可能となる。   In the electrospinning method and the electrospinning apparatus of the present invention, an auxiliary electrode is placed on the counter electrode that is a collecting part of the electrospinning apparatus, thereby making it possible to form the electrolyte nanofiber into a sheet in one step.

本発明の実施の形態にかかる電界紡糸装置である。1 is an electrospinning apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1の電界紡糸装置の補助電極の別例である。It is another example of the auxiliary electrode of the electrospinning apparatus of FIG. 図1の電界紡糸装置の補助電極での紡糸状態を示す写真である。It is a photograph which shows the spinning state with the auxiliary electrode of the electrospinning apparatus of FIG. 作製された電解質ナノファイバーシートの2次電子像のSEM写真である。It is a SEM photograph of the secondary electron image of the produced electrolyte nanofiber sheet. 主電極のみでの捕集の様子の写真である。It is a photograph of the state of collection with only the main electrode. 補助電極のみでの捕集の様子の写真である。It is a photograph of the state of collection only with an auxiliary electrode.

以下、電界紡糸方法および電界紡糸装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention according to an electrospinning method and an electrospinning apparatus will be described.

電界紡糸方法は、補助電極を主電極に対しノズル側に配置して主電極と電気的に接続し、ノズルから補助電極に向けて紡糸溶液をスプレーして紡糸する。   In the electrospinning method, an auxiliary electrode is disposed on the nozzle side with respect to the main electrode, electrically connected to the main electrode, and spinning is performed by spraying a spinning solution from the nozzle toward the auxiliary electrode.

また、電界紡糸装置は、紡糸溶液をスプレーするノズルと、該ノズルとの間に電界を形成する主電極(ターゲット電極)と、該主電極に対しノズル側に離間して配置されて主電極と電気的に接続される補助電極(ファイバー捕集用電極)と、を有しており、補助電極は、主電極に対しノズル側に離間して配置される円環状の本体部と、該本体部から主電極に向けて延在して該主電極と電気的に接続される脚部と、を有する。   The electrospinning apparatus includes a nozzle for spraying the spinning solution, a main electrode (target electrode) that forms an electric field between the nozzle, and a main electrode that is disposed apart from the main electrode on the nozzle side. An auxiliary electrode (fiber collecting electrode) that is electrically connected, and the auxiliary electrode is disposed in a ring-shaped body part spaced apart from the main electrode on the nozzle side, and the body part And a leg portion extending from the main electrode toward the main electrode and electrically connected to the main electrode.

ノズルの材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、白金、金、酸化インジウムスズ、カーボン、シリコン等の導電性材料または半導体材料であることが好ましい。また、ノズル材料が絶縁性材料であってもノズル内に電極を設置することにより、電界紡糸を行うことができる。
また、ノズルの径は、10μm〜2mmの範囲内にあることが好ましい。ノズルの径が2mmより大きいと、低粘度の紡糸溶液が保持できないため好ましくない。ノズルの径が10μmより小さいと、高粘度の紡糸溶液が目詰まりを起こすため好ましくない。
また、吐出口は、穴形状に限らず、例えば、スリット形状、三角形状、二重ノズル形状なども含まれる。
The nozzle material is preferably a conductive material or a semiconductor material such as stainless steel, aluminum, platinum, gold, indium tin oxide, carbon, or silicon. Further, even if the nozzle material is an insulating material, electrospinning can be performed by installing an electrode in the nozzle.
Moreover, it is preferable that the diameter of a nozzle exists in the range of 10 micrometers-2 mm. If the nozzle diameter is larger than 2 mm, a low-viscosity spinning solution cannot be retained, which is not preferable. If the diameter of the nozzle is smaller than 10 μm, the spinning solution with high viscosity is clogged, which is not preferable.
Further, the discharge port is not limited to the hole shape, and includes, for example, a slit shape, a triangular shape, a double nozzle shape, and the like.

また、主電極、補助電極、脚部の材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、白金、金、酸化インジウムスズ、カーボン、シリコン等の導電性材料または半導体材料であることが好ましい。
また、主電極の形状は、矩形板状であることが好ましいが、この限りではない。補助電極の形状は、円環状であることが好ましいが、楕円環状や三角形状、四角形状、五角形状等の多角形状、さらにはしご状や棒状のものを2本以上平行配置した形状等であってもよい。脚部の形状は、棒状であることが好ましいが、この限りではない。また、脚部は、少なくとも1本あればよく、複数であってもよい。
Moreover, as a material of a main electrode, an auxiliary electrode, and a leg part, it is preferable that they are electroconductive materials or semiconductor materials, such as stainless steel, aluminum, platinum, gold | metal | money, indium tin oxide, carbon, and silicon.
Further, the shape of the main electrode is preferably a rectangular plate, but is not limited thereto. The shape of the auxiliary electrode is preferably an annular shape, but may be an elliptical ring shape, a triangular shape, a square shape, a polygonal shape such as a pentagonal shape, or a shape in which two or more ladders or rods are arranged in parallel. Also good. The shape of the leg is preferably a rod, but is not limited to this. Moreover, the leg part should just be at least 1 piece, and multiple may be sufficient as it.

補助電極が円環状の場合、円環の内径は、1mm〜20cmの範囲内にあることが好ましい。円環の内径が20cmより大きいと、補助電極(円環)内にシートが形成しないため好ましくない。円環の内径を1mmより小さくすると、シートのハンドリングが困難になるため好ましくない。   When the auxiliary electrode is annular, the inner diameter of the ring is preferably in the range of 1 mm to 20 cm. If the inner diameter of the ring is larger than 20 cm, a sheet is not formed in the auxiliary electrode (ring), which is not preferable. If the inner diameter of the ring is smaller than 1 mm, it becomes difficult to handle the sheet, which is not preferable.

主電極と補助電極の距離は、0.5〜40cmの範囲内にあることが好ましい。主電極と補助電極の距離が40cmより大きいと、主電極がファイバーのターゲットとなるための十分な電場強度が得られないため好ましくない。主電極と補助電極の距離が0.5cmより小さいと、紡糸された繊維の一部が主電極に付着するため好ましくない。   The distance between the main electrode and the auxiliary electrode is preferably in the range of 0.5 to 40 cm. If the distance between the main electrode and the auxiliary electrode is larger than 40 cm, it is not preferable because sufficient electric field strength for the main electrode to be a fiber target cannot be obtained. If the distance between the main electrode and the auxiliary electrode is smaller than 0.5 cm, a part of the spun fiber adheres to the main electrode, which is not preferable.

ノズルと補助電極までの距離は、10〜500mmの範囲内にあることが好ましい。ノズルと補助電極までの距離が500mmより大きいと、電界紡糸に必要な電場強度が得られない可能性があるため好ましくない。ノズルと補助電極までの距離が10mmより小さいとノズルと補助電極間にコロナ放電が起こるため好ましくない。
また、紡糸電圧は、2〜160kVの範囲内にあることが好ましい。紡糸電圧が160kVより大きいと、コロナ放電の影響により紡糸液のスプレー状態が不安定になるため好ましくない。紡糸電圧が2kVより小さいと、電界紡糸に必要な電場強度が得られない。
The distance between the nozzle and the auxiliary electrode is preferably in the range of 10 to 500 mm. If the distance between the nozzle and the auxiliary electrode is larger than 500 mm, it is not preferable because the electric field strength necessary for electrospinning may not be obtained. If the distance between the nozzle and the auxiliary electrode is less than 10 mm, it is not preferable because corona discharge occurs between the nozzle and the auxiliary electrode.
The spinning voltage is preferably in the range of 2 to 160 kV. A spinning voltage greater than 160 kV is not preferable because the spinning state of the spinning solution becomes unstable due to the influence of corona discharge. If the spinning voltage is less than 2 kV, the electric field strength necessary for electrospinning cannot be obtained.

また、紡糸湿度は、0〜70相対%の範囲内にあることが好ましい。紡糸湿度が70相対%より大きいと、ノズル先端において電界紡糸に必要な電荷の誘起が起こらない可能性があるため好ましくない。   The spinning humidity is preferably in the range of 0 to 70 relative%. When the spinning humidity is higher than 70 relative%, there is a possibility that induction of electric charge necessary for electrospinning does not occur at the nozzle tip, which is not preferable.

また、紡糸温度は、5〜50℃の範囲内にあることが好ましい。紡糸温度が50℃より高いと、紡糸溶液の溶媒が蒸発する可能性があるため好ましくない。紡糸温度が5℃より低いと、紡糸溶液の溶媒が凝固する可能性があるため好ましくない。   The spinning temperature is preferably in the range of 5 to 50 ° C. A spinning temperature higher than 50 ° C. is not preferable because the solvent of the spinning solution may evaporate. If the spinning temperature is lower than 5 ° C., the solvent of the spinning solution may be solidified, which is not preferable.

また、紡糸材としては、1種、または2種以上の高分子電解質の組み合わせであることが好ましい。高分子電解質とは多くの荷電基をもつ高分子化合物である。荷電基としては、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基などの負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基などの正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基などの両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。   The spinning material is preferably a single type or a combination of two or more types of polymer electrolytes. A polyelectrolyte is a polymer compound having many charged groups. As the charged group, a negatively charged group such as a carboxyl group, a phosphoric acid group, and a sulfonic acid group, a positively charged group such as an amino group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary ammonium group, a quaternary pyridinium base, and a quaternary imidazole group, Any one type selected from amphoteric charged groups such as a betaine group, a phosphatidylcholine group, and an amino acid group, or a combination of any two or more types can be adopted.

具体的な高分子電解質としては、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体(例えば、Nafion(登録商標))、ポリスチレンスルホン酸及びその共重合体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、硫酸セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルピリジン及びその4級化物、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン及びその4級化物、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの単独重合体及び共重合体、これら重合体のブレンドなどが挙げられるが、特にこれに限定されない。   Specific examples of the polymer electrolyte include copolymers of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene (for example, Nafion (registered trademark)), polystyrene sulfonic acid and copolymers thereof, sulfonated polysulfone, and sulfonated polyethersulfone. , Sulfonated polyetheretherketone, cellulose sulfate, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinylpyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine alone Polymers and copolymers, blends of these polymers, and the like can be mentioned, but the invention is not particularly limited thereto.

また、紡糸材の溶媒としては高分子電解質を溶解するものであれば特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、ブタノール、酢酸、ギ酸などのプロトン性極性溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン性極性溶媒、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、クロロホルム、トリクロロエチレン、ベンゼン、エチルベンゼン、キシレン、トルエン、ジエチルエーテル、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレンなどの無極性溶媒等から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせであることが好ましい。   Further, the solvent for the spinning material is not particularly limited as long as it dissolves the polymer electrolyte, but protic polar solvents such as water, methanol, ethanol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, butanol, acetic acid, formic acid and the like. , Aprotic polar solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexane, cyclohexane, cyclohexanone, dichloromethane, dichloroethane, trichloroethane , Chloroform, trichloroethylene, benzene, ethylbenzene, xylene, toluene, diethyl ether, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, tetrahydrofuran, methylene chloride, etc. Any one selected from the medium or the like, or it is preferable that any two or more thereof.

また、紡糸材の濃度は、0.1〜50質量%の範囲内にあることが好ましい。また、紡糸材の濃度は5〜20質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。紡糸材の濃度が50質量%より大きいと、溶液電気伝導度の増加によって電荷の蓄積が妨げられ電圧印加時においてもスプレーが生じない可能性があるため好ましくない。紡糸材の濃度が0.1質量%より低いと、均一な繊維構造を形成することが難しくなるため好ましくない。   Moreover, it is preferable that the density | concentration of a spinning material exists in the range of 0.1-50 mass%. The concentration of the spinning material is more preferably in the range of 5 to 20% by mass. If the concentration of the spinning material is larger than 50% by mass, it is not preferable because the accumulation of electric charges is hindered due to an increase in solution electrical conductivity and spraying may not occur even when a voltage is applied. When the concentration of the spinning material is lower than 0.1% by mass, it is difficult to form a uniform fiber structure, which is not preferable.

紡糸材のほかに添加材としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミド等から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせであることが好ましい。   In addition to the spinning material, the additive is preferably any one selected from polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyhydroxyethyl methacrylate, polyacrylamide and the like, or any combination of two or more.

添加材の濃度は、紡糸材比で0.1〜50質量%の範囲内にあることが好ましい。添加材の濃度が0.1質量%以上であると、添加材の効果によって紡糸性が向上するという利点がある。添加材の濃度が50質量%以下であると作製された繊維に含まれる高分子電解質の比率を大きくできるという利点がある。   The concentration of the additive is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass with respect to the spinning material. When the concentration of the additive is 0.1% by mass or more, there is an advantage that the spinnability is improved by the effect of the additive. There exists an advantage that the ratio of the polymer electrolyte contained in the produced fiber can be enlarged as the density | concentration of an additive is 50 mass% or less.

紡糸溶液の供給流速は、1〜500μL/分の範囲内にあることが好ましい。紡糸溶液の供給流速が1μL/分以上であると、ノズル先端部分において溶液供給不足が起こらず安定したスプレー状態を長時間保持できるという利点がある。紡糸溶液の供給流速が500μL/分以下であるとノズル先端からの液垂れのない安定したスプレー状態を長時間保持できるという利点がある。   The supply flow rate of the spinning solution is preferably in the range of 1 to 500 μL / min. When the supply flow rate of the spinning solution is 1 μL / min or more, there is an advantage that a stable spray state can be maintained for a long time without insufficient solution supply at the nozzle tip. If the supply flow rate of the spinning solution is 500 μL / min or less, there is an advantage that a stable spray state without dripping from the nozzle tip can be maintained for a long time.

また、繊維の平均径は、5nm〜50μmの範囲内にあることが好ましい。平均繊維径が50μm以下であると、高分子電解質繊維及び高分子電解質繊維集合体の比表面積の増大効果が期待できる。平均繊維径が細くなるほど、この効果がより顕著になる。繊維径がナノオーダーになると繊維1本の機械的強度が十分でなくハンドリングも難しくなるため、平均繊維径は5nm以上あることが好ましく、50nm以上あることがさらに好ましい。   Moreover, it is preferable that the average diameter of a fiber exists in the range of 5 nm-50 micrometers. When the average fiber diameter is 50 μm or less, an effect of increasing the specific surface area of the polymer electrolyte fiber and the polymer electrolyte fiber assembly can be expected. This effect becomes more prominent as the average fiber diameter decreases. When the fiber diameter is nano-order, the mechanical strength of one fiber is not sufficient and handling becomes difficult, so the average fiber diameter is preferably 5 nm or more, and more preferably 50 nm or more.

繊維集積シートの厚さは、1μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。繊維集積シートの厚さが1μm以上であると、繊維材料に由来する機能を発現するという利点がある。繊維集積シートの厚さが5μm以上であると、安定した自立膜が得られるという利点がある。   The thickness of the fiber accumulation sheet is preferably 1 μm or more, and more preferably 5 μm or more. There exists an advantage that the function derived from a fiber material is expressed as the thickness of a fiber accumulation sheet is 1 micrometer or more. There exists an advantage that the stable self-supporting film | membrane is obtained as the thickness of a fiber integration sheet is 5 micrometers or more.

電解質を含む極細繊維からなるシート状の材料においては、極細繊維の持つ比表面積の大きさによって、電解質の持つイオン交換能や電気伝導性をはじめとする機能の向上が期待される。このような材料はイオン交換フィルタ、吸着フィルタ、触媒担持シートに使用される。さらに低分子および高分子電解質は、有機、無機、金属材料からなる、ナノ粒子やナノチューブ、ナノロッド、ナノワイヤなどの1次元ナノ材料の分散剤としても広く利用されていることから、電解質を含む高分子材料にナノ材料を均一に分散させることも可能である。ナノ材料をコンポジットしたナノファイバーシートは、導電性シート、電磁波吸収シート、フレキシブル電極、センサー基板、発光シートに使用される。   In a sheet-like material composed of ultrafine fibers containing an electrolyte, improvement of functions such as ion exchange ability and electric conductivity of the electrolyte is expected depending on the specific surface area of the ultrafine fibers. Such materials are used for ion exchange filters, adsorption filters, and catalyst-carrying sheets. In addition, small molecules and polymer electrolytes are widely used as dispersants for one-dimensional nanomaterials such as nanoparticles, nanotubes, nanorods, and nanowires made of organic, inorganic, and metal materials. It is also possible to uniformly disperse the nanomaterial in the material. Nanofiber sheets obtained by composites of nanomaterials are used for conductive sheets, electromagnetic wave absorbing sheets, flexible electrodes, sensor substrates, and light emitting sheets.

また、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。   Further, the present invention is not limited to the embodiment for carrying out the invention described above, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。   Next, specific examples of the present invention will be described. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.

[実施例1](補助電極の効果)
<紡糸液の調製>
市販20質量%Nafion(登録商標)溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)にポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製、平均重合度1500)とイオン交換水を加えて紡糸液を調製した。この溶液では、電解質(Nafion(登録商標))濃度は7質量%、PVA濃度は3質量%である。また、Nafion(登録商標)はパーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、強電解質であるスルホン酸基を荷電基とするフッ素系の高分子電解質である。化学的安定性とプロトン導電性に優れた高分子電解質であるため、イオン交換膜、イオン交換樹脂、燃料電池用電解質膜、センサー材料、触媒として使用されている。
[Example 1] (Effect of auxiliary electrode)
<Preparation of spinning solution>
Commercially available 20% by mass Nafion (registered trademark) solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, average polymerization degree 1500) and ion exchange. A spinning solution was prepared by adding water. In this solution, the electrolyte (Nafion (registered trademark)) concentration is 7 mass%, and the PVA concentration is 3 mass%. Nafion (registered trademark) is a perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene copolymer, and is a fluorine-based polymer electrolyte having a sulfonic acid group, which is a strong electrolyte, as a charged group. Since it is a polymer electrolyte excellent in chemical stability and proton conductivity, it is used as an ion exchange membrane, an ion exchange resin, an electrolyte membrane for fuel cells, a sensor material, and a catalyst.

<電解質繊維の作製>
電界紡糸法には図1に示すような装置を使用した。装置は、直流高圧安定化電源1(パルス電子工業製、HDV−20K)、シリンジポンプ2(ミナトコンセプト製、MCIP−III)を備えている。サンプル溶液は内径0.5mmのステンレススチール製のノズル3を取り付けた容量1mLのガラス製のシリンジ4に入れ、このシリンジ4をシリンジポンプ2に取り付ける。そして、アルミニウム製の平板状の主電極5上にアルミニウム製のリング状の補助電極6をアルミニウム製の脚部7を介して設置した。なお、図1ではノズル3と主電極5及び補助電極6の位置は縦方向に設置されているが、ノズル3を主電極5及び補助電極6に対して横方向に設置することも可能である。また、補助電極6の形状は、図2(A)から(G)に示す楕円環状や三角形状、四角形状、五角形状等の多角形状、さらにはしご状や棒状のものを2本以上平行配置した形状等であってもよい。電界紡糸条件は、印加電圧20kV、ノズル−主電極間距離10cm、シリンジ溶液供給流速3μL/分とした。また、主電極5と補助電極6の距離は5cmであり、補助電極6のリングの内径は6cmである。
<Production of electrolyte fiber>
An apparatus as shown in FIG. 1 was used for the electrospinning method. The apparatus includes a DC high-voltage stabilized power supply 1 (manufactured by Pulse Electronics Co., Ltd., HDV-20K) and a syringe pump 2 (manufactured by Minato Concept, MCIP-III). The sample solution is placed in a glass syringe 4 having a capacity of 1 mL, to which a stainless steel nozzle 3 having an inner diameter of 0.5 mm is attached, and this syringe 4 is attached to the syringe pump 2. Then, an aluminum ring-shaped auxiliary electrode 6 was placed on an aluminum flat plate-like main electrode 5 via aluminum legs 7. In FIG. 1, the positions of the nozzle 3, the main electrode 5, and the auxiliary electrode 6 are installed in the vertical direction, but the nozzle 3 can also be installed in the lateral direction with respect to the main electrode 5 and the auxiliary electrode 6. . In addition, the auxiliary electrode 6 has a shape of an elliptical ring, a triangle, a quadrangle, a pentagon or the like shown in FIGS. 2A to 2G, and two or more ladders or rods arranged in parallel. It may be a shape or the like. The electrospinning conditions were an applied voltage of 20 kV, a nozzle-main electrode distance of 10 cm, and a syringe solution supply flow rate of 3 μL / min. The distance between the main electrode 5 and the auxiliary electrode 6 is 5 cm, and the inner diameter of the ring of the auxiliary electrode 6 is 6 cm.

<観察・測定方法>
紡糸状態については、ノズル先端部に250Wメタルハライドランプ(メジロプロシジョン製、LS−M250)を照射し、散乱像を用いて観察を行った。また、走査型電子顕微鏡(SEM、TOPCON製、SM−200)を用いて繊維の構造観察を行った。観察は加速電圧10kVの条件で行った。なお観察試料として、高分子繊維表面にファインコーター(日本電子製、JFC−1200)を用いて厚さ約5nmの金コートしたものを用いた。得られた2次電子像から繊維上の任意の200点の繊維径を測定し、平均繊維径を求めた。
<Observation / Measurement Method>
As for the spinning state, the nozzle tip was irradiated with a 250 W metal halide lamp (manufactured by Megilo Proc., LS-M250) and observed using a scattered image. Moreover, the structure of the fiber was observed using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by TOPCON, SM-200). Observation was performed under the condition of an acceleration voltage of 10 kV. As an observation sample, a surface of a polymer fiber coated with gold with a thickness of about 5 nm using a fine coater (manufactured by JEOL, JFC-1200) was used. From the obtained secondary electron image, the fiber diameters at arbitrary 200 points on the fiber were measured, and the average fiber diameter was determined.

<観察・測定結果>
電場印加後にノズル3の先端からの溶液の連続的な紡糸が確認され、図3に示すように作製された繊維Fは補助電極6のリング開口部に捕集された。数分間紡糸を行うことにより繊維が集積したシートを得ることができた。図4にSEM観察より得られた作製された電解質ナノファイバーシートの2次電子像を示す。作製されたシートを構成する繊維の平均繊維径は131nmであった。
電界紡糸装置の対電極に開口部を持つ補助電極を設置することによって、電解質ナノファイバーの捕集が実現し、ワンステップでのシート状材料の作製が可能になった。ここでは、補助電極6のリング開口部付近での電場形成が対電極基板から繊維の垂直成長を抑制し、補助電極6の開口部での繊維の捕集・集積によるシートの形成を可能にしたと考えられる。
<Observation and measurement results>
After application of the electric field, continuous spinning of the solution from the tip of the nozzle 3 was confirmed, and the fiber F produced as shown in FIG. 3 was collected in the ring opening of the auxiliary electrode 6. By spinning for several minutes, a sheet with accumulated fibers could be obtained. FIG. 4 shows a secondary electron image of the produced electrolyte nanofiber sheet obtained by SEM observation. The average fiber diameter of the fibers constituting the produced sheet was 131 nm.
By installing an auxiliary electrode having an opening in the counter electrode of the electrospinning apparatus, it was possible to collect the electrolyte nanofibers and to produce a sheet-like material in one step. Here, the formation of an electric field in the vicinity of the ring opening of the auxiliary electrode 6 suppresses the vertical growth of fibers from the counter electrode substrate, and the sheet can be formed by collecting and accumulating fibers in the opening of the auxiliary electrode 6. it is conceivable that.

[比較例1]
比較のため、補助電極6を使用せず主電極5のみを用いて図1の装置で電界紡糸を行った。電解質繊維の作製に使用した紡糸液および作製条件は実施例1と同じである。この場合、図5の主電極5のみでの捕集の様子の写真に示すように、繊維はノズル3−主電極5間の電気力線の影響を受けて主電極上から垂直に成長するためシート状材料の作製はできなかった。
[Comparative Example 1]
For comparison, electrospinning was performed with the apparatus of FIG. 1 using only the main electrode 5 without using the auxiliary electrode 6. The spinning solution used for the production of the electrolyte fiber and the production conditions are the same as in Example 1. In this case, as shown in the photograph of the state of collection only by the main electrode 5 in FIG. 5, the fibers grow vertically from the main electrode under the influence of the electric lines of force between the nozzle 3 and the main electrode 5. A sheet-like material could not be produced.

[比較例2]
比較のため、図1の主電極5を使用せず補助電極6のみを用いて、図1の装置で電界紡糸を行った。電解質繊維の作製に使用した紡糸液および作製条件は実施例1と同じである。この場合、図6の補助電極6のみでの捕集の様子の写真に示すように、繊維はノズル3−補助電極6間の電気力線の影響を受けて補助電極6上からノズル3方向へ垂直に成長するためシート状材料の作製はできなかった。
[Comparative Example 2]
For comparison, electrospinning was performed with the apparatus of FIG. 1 using only the auxiliary electrode 6 without using the main electrode 5 of FIG. The spinning solution used for the production of the electrolyte fiber and the production conditions are the same as in Example 1. In this case, as shown in the photograph of the state of collection only by the auxiliary electrode 6 in FIG. 6, the fiber is affected by the electric lines of force between the nozzle 3 and the auxiliary electrode 6 and from the auxiliary electrode 6 toward the nozzle 3. The sheet-like material could not be produced because it grew vertically.

1‥‥直流高圧安定化電源、2‥‥シリンジポンプ、3‥‥ノズル、4‥‥シリンジ、5‥‥主電極、6‥‥補助電極、7……脚部 1. DC high-voltage stabilized power supply, 2. Syringe pump, 3 ... Nozzle, 4. Syringe, 5. Main electrode, 6. Auxiliary electrode, 7 ... Leg

Claims (3)

ノズルと主電極との間に電界を形成して前記ノズルから前記主電極に向けて紡糸溶液をスプレーして紡糸する電界紡糸方法であって、
補助電極を前記主電極に対し前記ノズル側に配置して前記主電極と電気的に接続し、
前記ノズルから前記補助電極に向けて前記紡糸溶液をスプレーして紡糸し、
前記補助電極は、開口部を有し、
紡糸により作製された繊維は、前記開口部に捕集される、
ことを特徴とする電界紡糸方法。
An electrospinning method in which an electric field is formed between a nozzle and a main electrode, and a spinning solution is sprayed from the nozzle toward the main electrode to perform spinning.
An auxiliary electrode is disposed on the nozzle side with respect to the main electrode and electrically connected to the main electrode,
The spinning solution is sprayed and spun from the nozzle toward the auxiliary electrode ,
The auxiliary electrode has an opening,
The fiber produced by spinning is collected in the opening,
An electrospinning method characterized by the above.
電界中に紡糸溶液をスプレーして紡糸する電界紡糸装置において、
前記紡糸溶液をスプレーするノズルと、
前記ノズルとの間に電界を形成する主電極と、
前記主電極に対し前記ノズル側に離間して配置されて前記主電極と電気的に接続される補助電極と、を有し、
前記補助電極は、開口部を有し、
紡糸により作製された繊維は、前記開口部に捕集される、
ことを特徴とする電界紡糸装置。
In an electrospinning apparatus for spinning by spinning a spinning solution in an electric field,
A nozzle for spraying the spinning solution;
A main electrode for forming an electric field between the nozzle,
Have a, an auxiliary electrode to which the are spaced to the nozzle side is connected the main electrode and electrically to said main electrodes,
The auxiliary electrode has an opening,
The fiber produced by spinning is collected in the opening,
An electrospinning apparatus characterized by that.
前記補助電極は、前記主電極に対し前記ノズル側に離間して配置される円環状の本体部と、該本体部から前記主電極に向けて延在して該主電極と電気的に接続される脚部と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の電界紡糸装置。

The auxiliary electrode has an annular main body that is spaced apart from the main electrode on the nozzle side, and extends from the main body toward the main electrode and is electrically connected to the main electrode. Legs
The electrospinning apparatus according to claim 2, comprising:

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