Post on 06-Jan-2020
1
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
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
25mm7.5mm
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
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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)
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
ナノファイバー作成のこつ
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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)
The University of Shiga Prefecture
(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
The University of Shiga Prefecture
(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
The University of Shiga Prefecture
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
The University of Shiga Prefecture
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