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“20cmの挙動”を解析せよ! エレクトロスピニング技術の魅力


シンプルな技術の、恐ろしく複雑な挙動とは?

ES技術は、材料をセットして電圧をかけさえすれば、ナノファイバー形成が可能。その意味では非常にシンプルな技術だ。しかも、ノズルと塗布する基材との間はわずか20cm~30cm。だが、たった20cmの空間にもかかわらず、その間に溶液がどう飛翔し、液体から固体のナノファイバーに変化していくかという挙動は恐ろしく複雑で、全く解明されていなかった。

ナノファイバー形成の様子

この動画は2018年11月12日に公開されたものです。

「ES技術を製品に適用するには、多数のノズルを使って高速にナノファイバーを形成する必要があります。しかし、ノズルが増えると、それぞれにかけた電圧が干渉し合い、均一なナノファイバーができなくなります。『20cmの挙動』。それを解明することで、安定してナノファイバーが量産できることを目指したのです」(植松氏)

当然ながら、開発当初は苦労も多かったという。

「開発メンバー以外の人々も私たちの研究を応援してくれて、実験装置を見に来ることも多くありました。しかしそこで形成されるのは、実用化には程遠い弱々しい繊維。時には、『本当に形成されているのか』、『装置の調子は大丈夫なのか』と心配され、寂しさや焦り、恥ずかしさ、申し訳なさがない交ぜになった気持ちでいっぱいになったことを覚えています」(植松氏)

開発当時、仲間たちとともに味わった苦労について話す植松氏

開発当時、仲間たちとともに味わった苦労について話す植松氏

このような植松氏を支えたのは、やはり仲間たちだった。

「開発メンバーにはSCiB™事業の戦友に加え、様々な専門性を持つ新しいメンバーも集結。各専門分野から知恵を出し合いました。印刷機のインクジェット開発(※)の経験から着想し、ES技術での飛翔の様子を高速カメラで撮影、解析・数値化することで、20cmの挙動を追究したのです」(植松氏)
※インクジェットの開発の際、インクがどのように飛ぶのかを高速カメラで撮影・解析し、数値化する。

20cmの挙動

『20cmの挙動』

かける電圧の大きさや、ノズルと塗布する基材との微妙な距離、材料や基材の種類といったファクターによって、20cmの間の様々な挙動が異なってくる。その中で注目した挙動の一つが、飛翔の角度。塗布する材料に対する、飛翔中の溶液の渦の角度は、着地に近づくにつれて次第に小さくなっていくが、その角度の変化を数値化した。

もう一つ着目した挙動が、飛翔のスピードである。高速カメラでの撮影と解析により、飛翔の角度・スピードと様々なファクターとの関係性を解明したことが、量産化に向けたブレイクスルーとなった

飛翔角度・スピードの撮影・解析により量産化に向けて大きく前進した

飛飛翔角度・スピードの撮影・解析により量産化に向けて大きく前進した

今年、ようやくES技術をSCiB™へ適用した試作に成功しました。開発の構想が生まれたのは2012年ですから、ここまで6年間。本格開発から4年経ちました。『SCiB™事業の仲間が、世の中の多くの人々が必要としているのなら』という思いで続けてきましたから、試作に成功した瞬間は喜びもひとしおでした」(植松氏)

ES技術は電位差を利用するため、様々な角度から塗布できる(右図)。多ノズルによる塗布を可能にする植松氏らの開発により両面塗布が可能となった

ES技術は電位差を利用するため、様々な角度から塗布できる(右図)。多ノズルによる塗布を可能にする植松氏らの開発により両面塗布が可能となった。

従来、製品への応用が難しかったES技術。植松氏らの開発により、この技術で生まれる極めて細いナノレベルの繊維が、途方もなく広い世界を変えていくに違いない。

ES技術の実験装置の中をのぞく植松氏

ES技術の実験装置の中をのぞく植松氏

■関連サイト
プレスリリース「セパレータを用いない新構造を採用したリチウムイオン二次電池を開発」(2018年06月04日)東芝レビューVol.72 No.4(2017) エレクトロスピニング法によるナノファイバー膜の高速形成技術
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