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エレクトロスピニング法によるナノファイバーの現状

滋賀県立大学工学部講師

山下義裕山下義裕

2008.12.18 ナノファイバー講演会 The University of Shiga Prefecture

阿波製紙ナノファイバーを活用した高性能濾材を開発

2008/8/27阿波製紙は、この度車両エンジン用及びガスタービン用の濾材として、※ナノファイバーウェブを濾紙表面にコーティングした新濾材の開発に成功しました。この新濾材は、ファインテックス・テクノロジー・グローバル社(本社・香港)と共同開発したもので、同社のナノファイバー製造技術と、当社のエンジン用濾材の技術ノウハウを組み合わせたものであります。エアフィルターにおいては、従来のエンジン用濾材に比較しカーボンダストなど極微細粒子捕捉性能の約5割向上と2倍の長寿命化を達成しました。【電子顕微鏡による濾材の表面写真】（当社一般濾材）（ナノファイバーを活用した高性能濾材）

20mm 2mm 400nm20mm 2mm 400nm20mm 2mm 400nm

内容

エレクトロスピニングとは

ナノファイバーの応用

ナノファイバーの量産化

ナノファイバー作製の難しさ：ＰＶＤＦの例

The University of Shiga Prefecture

mode1(0～5kV) mode3(20～100kV)mode2(5～20kV)

Taylor cone

液滴不安定

低粘度低濃度

高沸点溶媒

高粘度高濃度

高分子量低沸点溶媒

The University of Shiga PrefectureKawamoto, H., Umezu, S., J. Phys. D: Appl. Phys., 38,887-894 (2005)

Wuled Lenggoro, Kikuo Okuyama, J. Aerosol Res., 20(20),116-122 (2005)

エレクトロスプレーとエレクトロスピニング

0.6mm

7.5mm

5mm

50mm

25mm100mm

ノズル内径

ノズル先端とターゲット間

ナノファイバー化

ストレートにスプレー

ターゲット直径0.6mm

7.5mm

5mm

50mm

25mm100mm

ノズル内径




ターゲット直径0.6mm

7.5mm

5mm

50mm

25mm7.5mm

5mm

50mm

25mm100mm

ノズル内径




ターゲット直径

The University of Shiga Prefectureノズル先端からのスプレーの様子

+20kV+6kV

0kV

ground

ground+20kV

-20kV

静電場の効果

ナノファイバーがとびちらずにきれいにスプレーできる


パームポロメーター測定部分

内部試料取り付け部

ナノファイバーフィルター

微細気孔径測定（パームポロメーター）による孔径 392nm

20mm 2mm 400nm

平均孔径392nmの面積は120626nm2に対応する。

この部分の面積は126000nm2なのでおおよそナノファイバー間の隙間の面積はこの程度である。

内容

エレクトロスピニングの原理



ナノファイバー作製の難しさ：ＰＶＤＦの例



Fig. 13 Artificial blood vessel made from nanofiber

Fig. 12 Nanofiber laminate and its composites

Fig. 13 Artificial blood vessel made from nanofiber

Fig. 12 Nanofiber laminate and its composites

Nanofiber composites and blood vesselNanofiber composites and blood vessel

Collagen

PVA, PET, Polyimide

PLA

Ground

Plus voltage

Solution tank

TargetRotating

NozzleRotate

Ground

Plus voltage

Solution tank

TargetRotating

NozzleRotate

3D nano-net structure composites

Meta-aramid(Nomex) Dia. 100nm

2．Material which realizes industrialization of a nano fiberThe University of Shiga Prefecture

Electro-spray of MWCNT3．Nano-net creation using an electro spray

50nm


溶融エレクトロスピニング（カトーテック）

溶融ＰＰエレクトロスピニング

繊維径:太い50μm,平均5μm,細い200nm)


写真1(a)PANとFe(Acc)3のDMF10wt%溶液からスプレー後500－550℃でH2中で処理

写真1(b)ヘキサンガスを3－20分供給するとナノファイバー中の触媒粒子か

らカーボンナノチューブが成長する

Haoqing Hou and Darrell H. RenekerPolymer Preprints 2003, 44(2),63


ゾルゲル法によるナノガラスファイバーの作成手順

金属アルコキシドであるSi(OC2H5)4(Tetra EthoxySilane : TEOS)の加水分解反応は次式で表すこと

ができる。

nSi(OC2H5)4 + nH2O → nSi(OH)(OC2H5)3 + nC2H5OH

ここで示した反応がさらに促進されると最終的にSi(OH)4となる。ここで生成した２分子の水酸化物間での縮重合反応をさらに示すと

Si(OH)4 + Si(OH)4 (OH)3Si-O-Si(OH)3 + H2O


ゾルゲル法で作製したガラスナノファイバー

焼成前繊維径500nm-15mm

焼成後繊維径200nm-10mm

繊維径はゾルの粘度で広範囲に調整できる


内容

エレクトロスピニングとは



ナノファイバー作成のこつ


Elmarco社ホームページより

ノズルを用いない装置 The University of Shiga Prefecture

Three syringes in parallelThe University of Shiga Prefecture

grou

nd

Solvent recovery device

Winding up roller

-ground

Heating

+PlusSolutiontank

Nano fiber continuous production device


Solution tankHigh Voltage

溶液タンク

電圧発生器

グラウンド電極

送り出しローラー巻き取りローラー

controllerVentilating Nozzle

Electro spinning lab installation

Width 60cm 3m/min400 nozzle


Commercial40,000 needle nozzle (Finetex Co., 2005)width 150cm 20m/minElmarco Dram (not needle)width 30~100cm

NEDO (Japan)(Tanioka 2006~2010)

Pump systemmoterWe plan to market a vertical device in March, 2009 now. In the nozzle spacing, horizontal direction is 1cm, and the vertical direction is 5cm.

The liquid supply mechanism is a syringe method. The University of Shiga Prefecture

The resin nozzle was adopted.

Advantagedisposable, not dirty the nozzle aheadProblemThe exchange of nozzles is troublesome


Observation with high speed camera

Confirmation whether Nano fiber is made.The observation with SEM is not suitable for industrialization.

Nano particle electrosplay

Multi Nozzle（18-21G) Single Nozzle (13G-27G)


(21G)

6 9 16 36 1023.5mm 8mm 5mm 3.5mm 3.5mm（18G)

8

Num. of NozzleNozzle distance

Multi nozzle

Needle size（inner）

13G(1.8mm)18G(0.94mm)21G(0.57mm)22G(0.48mm)27G(0.22mm)

27mm

44mm

溶液タンク

電圧発生器

グラウンド電極

送り出しローラー巻き取りローラー


(Nozzle size 18G, PVA and PAN)This is depend on the surface tension and concentration of the solution

2mm

Droplet join each otherand not spin nanofiber

3mm

Nanofiber was made


Problem of multi nozzle

Electrostatic repulsion happens when the nozzle spacing is narrow.

The University of Shiga PrefecturePVA217（Saponification 88％）Polymerization unit１７００22℃，４０％

36 needle 7KV/cmThe University of Shiga Prefecture

36本ノズル


0.0E+00

1.0E-04

2.0E-04

3.0E-04

4.0E-04

5.0E-04

6.0E-04

7.0E-04

8.0E-04

9.0E-04

1.0E-03

1 6 11 16 21 26 31 36

Num. of nozzle

Weig

ht

gm2/m

in

Line nozzle

0.591 0.556 0.371 5.27E-04736

0.564 0.625 0.186 2.24E-04616

0.496 0.667 0.279 1.84E-04515(line）

0.484 0.556 0.093 1.08E-0459

0.515 0.500 0.056 7.65E-0546

1.000 1.000 0.019 2.48E-0531

Nozzle efficiency

Spraying

efficiency

Amount of spray(mL/min)

Weight(g×m2/min)V (KV/cm)Num.of

Nozzle

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