メルトブロー法による紡糸工程の可視化

メルトブローとは?

メルトブローは、不織布製造の一つの手法として認知されています。この技術は、特定の樹脂を溶融させ、ノズルから熱風を吹き付けることで、連続的な微細な繊維を生成し、それを堆積させてシートを形成するものです。特にフィルター用途において、微細な繊維の形成能力が求められる場面での利用が増えています。

製造過程の特性

メルトブローの製造過程は、
溶融 → 押出 → 紡糸 → 延伸 → 熱ロール → 巻取り 
などのステップから成り立っています。
この一連の過程を通じて、均一で高品質な不織布が得られるのが特徴です。繊維の微細さと均一性は、高度なフィルタリング性能を持つ製品の製造に不可欠です。

産業への影響

多くの産業、特に医療や環境技術分野での需要が高まっている現在、メルトブロー技術はその価値を日々証明しています。エンジニアや研究者の間で、この技術の更なる研究や応用が進められており、未来の技術革命においても中心的な役割を果たすことが期待されています。

メルトブローの特徴

メルトブローによるエアーフィルター
綿の画像

高度なフィルタリング性能

メルトブロー技術により製造される不織布は、微細な繊維の形成により、ウィルスや花粉などの微小な粒子を効果的に捕捉する能力を持っています。この特性は、医療用マスクやエアフィルターなどの製品において、高いフィルタリング性能を実現するための要となっています。

環境への適応

メルトブロー不織布は、繊維が細いため非常に柔らかく、肌触りが良いという特性を持っています。これにより、快適な使用感を提供する製品の製造が可能となります。

自己接着型の特性

メルトブロー不織布は、ノーバインディング不織布(自己接着型)として知られており、接着剤からの溶出がないという特徴があります。これは、製品の安全性や品質を保つ上での重要な要素となっています。

メルトブロー技術の応用例

医療用マスクを着用した医療現場
メルトブローによる水処理フィルター

メルトブロー技術は、その独特な特性から多岐にわたる産業分野での応用が見られます。以下は、その代表的な応用例をいくつか挙げたものです。

医療分野における利用

微細な繊維の形成能力を活かし、医療用マスクや手術用ガウンなどの医療用品の製造に使用されています。特に、ウィルスや細菌の侵入を防ぐバリアとしての役割を果たす製品において、メルトブロー技術の重要性は高まっています。

環境技術分野での展開

エアフィルターや水処理フィルターなど、微小な粒子を効果的に捕捉する製品の製造にもメルトブロー技術が採用されています。これにより、よりクリーンな環境の実現に貢献しています。

その他の産業用途

メルトブロー技術は、包装材料や絶縁材、吸収材など、多岐にわたる製品の製造にも利用されています。これらの製品は、日常生活や産業活動の中で幅広く使用されており、メルトブロー技術の影響力の大きさを物語っています。

メルトブローを可視化してPIV計測

カトウ光研では、長年培った可視化技術と画像計測技術で、メルトブロープロセスの可視化を提案しています。紡糸条件を変更した際にプロセスがどう変化するか?実際の現象を可視化して定量的に評価できます。

繊維を撮影した輝度情報から、画像上でパターンマッチングを行い、紡糸工程の速度分布を算出します。また、気流を可視化して計測することで、ノズルの吐出状態も把握することができます。シミュレーションで想定される製造工程が、実際にはどのような状態なのか?比較・検証が可能になります。

PIV計測結果の画像_PIVとは

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溶融した材料が高速エアーで延伸される様子(ハイスピードカメラで撮影)

高速高温のガスによって糸状の繊維が延伸し、他の製造方法では及ばない、非常に細い繊維で構成される不織布を作れます。メルトブローの延伸工程では通常、繊維径を約1μm~30μmで生成できます。ノズルから吹き出る熱噴流や冷却気流を制御することで、用途に応じた加工ができます。
※中には500ナノメートルを下回る極細繊維の生成も可能で、繊維同士が溶着し合い、編み込む必要が無いことも特徴です。

ハイスピードカメラ製品ラインナップの画像

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PIV計測(速度ベクトルを算出)

メルトブローをPIV計測で瞬時速度ベクトルを算出

瞬時速度ベクトル

メルトブローをPIV計測で平均速度ベクトルを算出

平均速度ベクトル

メルトブローをPIV計測で平均速度のコンター表示

時系列平均速度マップ(速度UV)

高速で吐出する繊維の状態をハイスピードカメラで撮影。撮影された動画データを基にPIV計測を行います。PIV計測では、速度ベクトルを算出できるので、シミュレーションとの比較にも最適です。

ノズル近傍の気流は、秒速100mを超える場合もあります。高速の気流を制御する環境の最適化には、シミュレーションのみではなく、実測での評価も重要になります。

紡糸プロセスだけでなく、気流も評価

気流の瞬時速度ベクトル

瞬時速度ベクトル

気流の平均速度ベクトル

平均速度ベクトル

気流の平均速度コンター表示

時系列平均速度マップ(速度UV)

ノズルからの噴流は、不織布繊維を延伸する箇所をどの位置に設定するか?で制御をしています。


気流の制御をする上で
  • ノズル近傍域が期待している流速か?
  • 乱れはどの程度発生しているか?
  • 時系列の速度変動はどの程度か?

など検証する必要があります。
煙(トレーサー粒子)をノズルから吐出して、レーザーシート光源を照射すれば、気流を可視化(流れの可視化)できます。可視化された画像からPIV計測によって、繊維そのものの評価だけではなく、ノズルの噴流も計測することが可能です。

気流の可視化の画像_流れの可視化とは

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