世界初のマイクロ湿式紡糸法を用いたナノ繊維の調製プロセスを開発しています。

マイクロ湿式紡糸法によるナノ繊維調製

本研究室では、次世代の新しい繊維材料である「ナノファイバー」を高精度で生産できる世界初の湿式紡糸法「マイクロ湿式紡糸法」を提案しています。マイクロ流路内で形成される安定なJet流に“Flow-focusing”と“溶媒拡散”を適用することによって、流体径を常温で1/1000程度まで減少させて高分子ナノファイバーを連続的に調製できます。本手法は、ナノ液滴からナノ微粒子を連続的に調製する“Droplet-to-Particle技術”を発展させた“Jet-to-Fiber技術”と言えます。

私たちは、安定に大量のナノ繊維を製造するためのデバイスの設計、様々な原料を対象とした繊維の微細化条件、高強度な繊維を得るための繊維の凝固条件・分子配向制御、繊維を2次加工するための繊維回収技術などを技術開発要素として研究を進めています。

• 参考文献
  特許5835743号

紡糸例| 生分解性高分子ナノ繊維

ポリ乳酸 (PLA) や酢酸セルロースなどのバイオプラスチックを原料として用いることで、生分解性を有するナノ繊維を調製しています。原料の供給速度によってファイバー直径を自在に制御することが可能です。

【原料例】
ポリ乳酸
ポリ乳酸-ポリエチレングリコール
酢酸セルロース

紡糸例| 異形断面を有するユニークな繊維

繊維原料の溶媒を変更し、溶媒拡散挙動を変化させることで、様々な形状を有する繊維の調製に成功しています。たとえば、ポリ乳酸やポリアクリロニトリルなどをリボン状の繊維に成形加工することによって、繊維の質感・風合い・グリップ性を変えられることが期待されます。

紡糸例| 中空ナノ繊維(内部構造制御繊維)

原料液に高分子の貧溶媒を添加して繊維調製をすると、溶媒拡散に伴う相分離が誘起され、多孔質繊維や中空繊維を同じ紡糸プロセスで調製できます。このような中空繊維は、高断熱・防音繊維としての応用が期待されます。

紡糸例| 構造色繊維

マイクロ湿式紡糸プロセスでは、高分子だけでなく、固体分散液を原料とした繊維調製も可能です。たとえば、大きさのそろったナノ粒子は、配列することによって構造色を発色します。緑色の構造色を示すシリカ微粒子を含む懸濁液から分散媒の水を除去すると、シリカ粒子が繊維形状に析出します。この繊維は原料と同様に、緑色の構造色を呈します。構造色繊維は、顔料や染料を必要としない色褪せしない繊維として、アパレル素材への応用が期待されます。

• 参考文献
  M. Kohri et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 7640–7648 (2018)

紡糸例| カーボンナノチューブ(CNT)繊維

マイクロ湿式紡糸プロセスでは、繊維を巻取り回収することによって、さらなる繊維の物性向上が期待できます。たとえば、カーボンナノチューブが分散した水溶液を原料とした繊維調製では、繊維をそのまま凝固浴に回収すると表面の毛羽立ったCNT繊維の不織布が得られます。一方、繊維を巻取り回収すると、繊維が延伸されることによって繊維径が減少し、破断強度が向上します。この破断強度の向上は、CNTの分子配向性向上に起因すると考えています。このようなCNT繊維は、導電性繊維としての応用が期待されます。

量産化への取り組み

ナノ繊維製造の欠点である生産性の低さを改善するために、量産用デバイスの開発にも取り組んでいます。１つのデバイスに含まれるノズル数を増やす「内部ナンバリングアップ」とデバイスの数を増やす「外部ナンバリングアップ」を組み合わせることによって、量産化を検討しています。