JP6865136B2 - Hydrogel fiber manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、ハイドロゲルファイバの製造方法及びそのファイバ径の制御方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a hydrogel fiber and a method for controlling the fiber diameter thereof.
ハイドロゲルは、高い水分保持性、構造柔軟性、酸素拡散性、物質吸収性、弾力性、及び生体適合性を有するので、化粧料、医薬品、医薬部外品、食品等の分野で広く用いられている。また、ハイドロゲルを線状に形成したハイドロゲルファイバには、粒子状に形成したハイドロゲルパーティクルとは異なり、比表面積が非常に大きい、強くてしなやかな力学的性質を有する、高アスペクト比による配列制御が可能である、機能性物質の拡散方向の制御が可能である、といった特長があることから、様々な機能が創出されることが期待されている。 Hydrogels are widely used in the fields of cosmetics, pharmaceuticals, quasi-drugs, foods, etc. because of their high water retention, structural flexibility, oxygen diffusivity, substance absorption, elasticity, and biocompatibility. ing. Further, unlike the hydrogel particles formed in the form of particles, the hydrogel fiber in which the hydrogel is formed in a linear shape has a very large specific surface area, strong and supple mechanical properties, and an arrangement with a high aspect ratio. It is expected that various functions will be created because of its features such as controllability and controllability of the diffusion direction of functional substances.
ところで、塩化カルシウム水溶液にアルギン酸ナトリウム水溶液を投入すると、カルシウムイオンとナトリウムイオンとのイオン交換によりアルギン酸カルシウムのイオン架橋型ハイドロゲルが形成される。この性質を利用してハイドロゲルファイバを製造することができる。特許文献1及び2には、塩化カルシウム水溶液中にノズルからアルギン酸ナトリウム水溶液を線状に吐出し、カルシウムイオンとナトリウムイオンとのイオン交換によりアルギン酸カルシウムのイオン架橋型ハイドロゲルを形成させる湿式紡糸法によるハイドロゲルファイバの製造方法が開示されている。 By the way, when an aqueous solution of sodium alginate is added to an aqueous solution of calcium chloride, an ion-crosslinked hydrogel of calcium alginate is formed by ion exchange between calcium ions and sodium ions. Hydrogel fibers can be manufactured by utilizing this property. Patent Documents 1 and 2 describe a wet spinning method in which an aqueous solution of sodium alginate is linearly discharged into an aqueous solution of calcium chloride from a nozzle, and an ion-crosslinked hydrogel of calcium alginate is formed by ion exchange between calcium ions and sodium ions. A method for producing a hydrogel fiber is disclosed.
しかしながら、特許文献1及び2に開示された技術では、得られるハイドロゲルファイバのファイバ径を任意に制御することは困難である。 However, with the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is difficult to arbitrarily control the fiber diameter of the obtained hydrogel fiber.
本発明の課題は、所望のファイバ径のハイドロゲルファイバを長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制して製造する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing a hydrogel fiber having a desired fiber diameter while suppressing fluctuations in the fiber diameter along the length direction.
本発明は、金属イオンを含む第1水溶液中に、前記金属イオンとのイオン交換によりイオン架橋型ハイドロゲルを形成するゲル形成物質を含む第2水溶液を、吐出手段を用いて線状に吐出させることによりハイドロゲルファイバを製造する方法であって、前記吐出手段により前記第1水溶液中に前記第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で吐出させると共に、その際の圧力損失を0.20MPa以上の範囲で設定する。 In the present invention, a second aqueous solution containing a gel-forming substance that forms an ion-crosslinked hydrogel by ion exchange with the metal ions is linearly discharged into a first aqueous solution containing metal ions using a discharge means. This is a method for producing a hydrogel fiber, wherein the second aqueous solution is discharged into the first aqueous solution by the discharging means in a state where the Reynolds number is 10 or less, and the pressure loss at that time is 0.20 MPa or more. Set in the range of.
本発明は、金属イオンを含む第1水溶液中に、前記金属イオンとのイオン交換によりイオン架橋型ハイドロゲルを形成するゲル形成物質を含む第2水溶液を、吐出手段を用いて線状に吐出させることにより製造するハイドロゲルファイバのファイバ径を制御する方法であって、前記吐出手段により前記第1水溶液中に前記第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で吐出させると共に、ファイバ径との相関性を有するその際の圧力損失を0.20MPa以上の範囲で目標のファイバ径に対応する値に設定する。 In the present invention, a second aqueous solution containing a gel-forming substance that forms an ion-crosslinked hydrogel by ion exchange with the metal ions is linearly discharged into a first aqueous solution containing metal ions by using a discharge means. This is a method of controlling the fiber diameter of the hydrogel fiber produced by the above method, in which the second aqueous solution is discharged into the first aqueous solution by the discharging means in a state where the Reynolds number is 10 or less, and the correlation with the fiber diameter. The pressure loss at that time is set to a value corresponding to the target fiber diameter in the range of 0.20 MPa or more.
本発明によれば、吐出手段により第1水溶液中に第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で線状に吐出させるとき、得られるハイドロゲルファイバのファイバ径は、その際の圧力損失が0.20MPa以上の範囲において、その圧力損失に対する相関性を有することから、その設定によって得られるハイドロゲルファイバのファイバ径を制御することができ、従って、吐出手段により第1水溶液中に第2水溶液を吐出させる際の圧力損失を0.20MPa以上の範囲で目標のファイバ径に対応する値に設定すれば、所望のファイバ径のハイドロゲルファイバを長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制して製造することができる。 According to the present invention, when the second aqueous solution is linearly discharged into the first aqueous solution by the discharging means in a state where the Reynolds number is 10 or less, the fiber diameter of the obtained hydrogel fiber has a pressure loss of 0 at that time. Since it has a correlation with the pressure loss in the range of .20 MPa or more, the fiber diameter of the hydrogel fiber obtained by the setting can be controlled. Therefore, the second aqueous solution is added to the first aqueous solution by the discharging means. If the pressure loss at the time of discharge is set to a value corresponding to the target fiber diameter in the range of 0.20 MPa or more, the fluctuation of the fiber diameter along the length direction of the hydrogel fiber having the desired fiber diameter can be suppressed. Can be manufactured.
以下、実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail.
(ハイドロゲルファイバ製造システムS)
図1は、実施形態に係るハイドロゲルファイバの製造方法において用いるハイドロゲルファイバ製造システムSを示す。
(Hydrogel Fiber Manufacturing System S)
FIG. 1 shows a hydrogel fiber manufacturing system S used in the hydrogel fiber manufacturing method according to the embodiment.
ハイドロゲルファイバ製造システムSは、第1水溶液を貯留するためのファイバ回収槽10とそれに対して第2水溶液を供給するための第2水溶液供給部20とを備えている。
The hydrogel fiber manufacturing system S includes a
第2水溶液供給部20は、第2水溶液を貯留するための第2水溶液貯槽21とそこからファイバ回収槽10に向かって延びる第2水溶液供給管22とを有する。第2水溶液供給管22には、第2水溶液の流通及び遮断を切り替えるためのコック23、第2水溶液を送液するためのポンプ24、及び第2水溶液の流量を検知するための流量計25が上流側から順に介設され、また、流量計25の下流側に第2水溶液の圧力を検知するための圧力計26が設けられ、更に、先端に、図2に示すような吐出ノズル27(吐出手段)が取り付けられている。吐出ノズル27が取り付けられた第2水溶液供給管22の先端部はファイバ回収槽10内に導かれている。ポンプ24と流量計25とは電気的に接続されており、第2水溶液の流量のフィードバック制御を行うように構成されている。
The second aqueous
吐出ノズル27の少なくとも吐出孔27aが構成された部分を形成する材質は、後述するように長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制してファイバ径の小さいハイドロゲルファイバを製造する観点から、水に対する静止接触角が、好ましくは40°以上、より好ましくは50°以上、更に好ましくは60°以上、より更に好ましくは80°以上であり、また、入手容易な材質であるという観点から、好ましくは180°以下、より好ましくは120°以下、更に好ましくは110°以下である。この水に対する静止接触角は、協和界面科学株式会社製の自動接触角計DM−500を使用し、10μLのイオン交換水の水滴を材質表面に着滴させてから6秒後に測定されるものである。
The material forming at least the portion of the
吐出ノズル27の少なくとも吐出孔27aが構成された部分を形成する材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂、ステンレス(SUS)や真鍮などの合金等が挙げられる。長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制してファイバ径の小さいハイドロゲルファイバを製造する観点からは、これらのうちフッ素樹脂が好ましく、ポリテトラフルオロエチレンがより好ましい。
Examples of the material forming at least the portion of the
吐出ノズル27は、吐出孔27aに連続する第2水溶液の流路内壁27bも上記材質で形成されていることが好ましい。吐出ノズル27は、吐出孔27aから外側に連続する周縁部27cもまた上記材質で形成されていることが好ましい。吐出ノズル27は、ノズル全体が上記材質で形成されていてもよい。或いは、また、吐出ノズル27は、ノズル本体がステンレス等の金属で形成され、その表面のうちの少なくとも吐出孔27aに対応する部分がフッ素樹脂でコーディングされたものであってもよい。
As for the
吐出ノズル27の吐出孔数は、単数であってもよく、また、複数であってもよい。吐出ノズル27の吐出孔27aの吐出孔径は、好ましくは0.010mm以上、より好ましくは0.10mm以上、更に好ましくは0.15mm以上であり、また、好ましくは5.0mm以下、より好ましくは1.0mm以下、更に好ましくは0.80mm以下である。吐出孔27aの吐出孔径は、好ましくは0.010mm以上5.0mm以下、より好ましくは0.10mm以上1.0mm以下、更に好ましくは0.15mm以上0.80mm以下である。なお、吐出孔27aの吐出孔径は、円形であることが好ましいが、非円形であってもよく、その場合の吐出孔27aの吐出孔径は、水力相当直径(=4×(断面積)/(縁長さ))を意味する。
The number of discharge holes of the
(ハイドロゲルファイバの製造方法)
実施形態に係るハイドロゲルファイバの製造方法では、まず、金属イオンを含む第1水溶液とその金属イオンとのイオン交換によりイオン架橋型ハイドロゲルを形成するゲル形成物質を含む第2水溶液とを調製し、第1水溶液をハイドロゲルファイバ製造システムSのファイバ回収槽10に仕込み、第2水溶液を第2水溶液供給部20の第2水溶液貯槽21に仕込む。このとき、ファイバ回収槽10には、吐出ノズル27が浸かる程度に第1水溶液を仕込む。次いで、第2水溶液供給管22に介設されたコック23を開くと共にポンプ24を稼働させ、第2水溶液供給管22に第2水溶液を流通させる。このことにより、ファイバ回収槽10内において、第1水溶液中に第2水溶液を吐出ノズル27の吐出孔27aからレイノルズ数が10以下の状態で線状に吐出させる。そして、第1水溶液と第2水溶液との間でのイオン交換によりイオン架橋型ハイドロゲルを形成させることによりハイドロゲルファイバを製造する。そして、実施形態に係るハイドロゲルファイバの製造方法では、このとき、第2水溶液供給部20により第1水溶液中に第2水溶液を吐出させる際の圧力損失ΔPを0.20MPa以上の範囲で設定する。
(Manufacturing method of hydrogel fiber)
In the method for producing a hydrogel fiber according to the embodiment, first, a first aqueous solution containing metal ions and a second aqueous solution containing a gel-forming substance that forms an ion-crosslinked hydrogel by ion exchange with the metal ions are prepared. , The first aqueous solution is charged into the
本発明者らは、第1水溶液中に第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で線状に吐出させたとき、ハイドロゲルファイバを安定して製造することができると共に、得られるハイドロゲルファイバのファイバ径が、その際の圧力損失ΔPが0.20MPa以上の範囲において、その圧力損失ΔPに対する相関性を有することを見出した。これは、流動する第2水溶液の断面における速度分布が得られるハイドロゲルファイバのファイバ径と相関性を有し、また、その速度分布が圧力損失ΔPと相関性を有するためではないかと推測される。このことから実施形態に係るハイドロゲルファイバの製造方法によれば、その圧力損失ΔPの設定によって得られるハイドロゲルファイバのファイバ径を制御することができ、従って、第2水溶液供給部20により第1水溶液中に第2水溶液を吐出させる際の圧力損失ΔPを0.20MPa以上の範囲で目標のファイバ径に対応する値に設定すれば、所望のファイバ径のハイドロゲルファイバを長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制して製造することができる。ここで、本出願における「圧力損失」とは、配管の端末部材である吐出手段での圧力損失を意味する。従って、実施形態に係るハイドロゲルファイバの製造方法において、圧力損失ΔPは、吐出ノズル27での圧力損失ΔPである。この圧力損失ΔPは、吐出ノズル27を取り付けて運転した際の圧力計26の指示値と、吐出ノズル27を外して運転した際の圧力計26の指示値の差分から計算することができる。
The present inventors can stably produce a hydrogel fiber when the second aqueous solution is linearly discharged into the first aqueous solution in a state where the Reynolds number is 10 or less, and the obtained hydrogel fiber can be produced. It was found that the fiber diameter of the above has a correlation with the pressure loss ΔP in the range where the pressure loss ΔP at that time is 0.20 MPa or more. It is presumed that this is because the velocity distribution in the cross section of the flowing second aqueous solution has a correlation with the fiber diameter of the hydrogel fiber obtained, and the velocity distribution has a correlation with the pressure loss ΔP. .. From this, according to the method for producing a hydrogel fiber according to the embodiment, the fiber diameter of the hydrogel fiber obtained by setting the pressure loss ΔP can be controlled, and therefore, the second aqueous
第1水溶液に含まれる金属イオンとしては、例えば、1価金属イオンでは、カリウムイオン等が挙げられ、また、多価金属イオンでは、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン(II)、銅イオン(II)、亜鉛イオン、マンガンイオン等の2価金属イオン;アルミニウムイオン、鉄イオン(III)等の3価金属イオンが挙げられる。第1水溶液は、これらのうちの1種又は2種以上の金属イオンを含むことが好ましい。1価金属イオンとしてはカリウムイオンが好ましく、多価金属イオンとしてはカルシウムイオン、マグネシウムイオンが好ましい。 Examples of the metal ion contained in the first aqueous solution include potassium ion and the like as the monovalent metal ion, and calcium ion, magnesium ion, iron ion (II) and copper ion (II) as the polyvalent metal ion. ), Divalent metal ions such as zinc ion and manganese ion; and trivalent metal ions such as aluminum ion and iron ion (III). The first aqueous solution preferably contains one or more of these metal ions. Potassium ion is preferable as the monovalent metal ion, and calcium ion and magnesium ion are preferable as the polyvalent metal ion.
第1水溶液は、金属イオンを含有する金属塩を含む水溶液であることが好ましい。金属イオンを含有する金属塩としては、塩化物塩、硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、リン酸塩等の無機酸塩;乳酸塩、クエン酸塩、酢酸塩等の有機酸塩の1価金属塩や多価金属塩が挙げられる。第1水溶液は、これらのうちの1種又は2種以上の金属塩を含むことが好ましい。無機酸塩としては塩化物塩が好ましい。 The first aqueous solution is preferably an aqueous solution containing a metal salt containing metal ions. Metal salts containing metal ions include inorganic acid salts such as chloride salts, sulfates, nitrates, carbonates and phosphates; monovalent metal salts of organic acid salts such as lactates, citrates and acetates. And polyvalent metal salts. The first aqueous solution preferably contains one or more of these metal salts. Chloride salts are preferable as the inorganic acid salts.
第1水溶液における金属塩の濃度c1は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.30質量%以上、より好ましくは0.50質量%以上、更に好ましくは1.0質量%以上であり、また、同様の観点から、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、更に好ましくは10質量%以下である。この金属塩の濃度c1は、好ましくは0.30質量%以上30質量%以下、より好ましくは0.50質量%以上20質量%以下、更に好ましくは1.0質量%以上10質量%以下である。 The concentration c 1 of the metal salt in the first aqueous solution is preferably 0.30% by mass or more, more preferably 0.50% by mass or more, still more preferably 1.0% by mass or more, from the viewpoint of accurately controlling the fiber diameter. From the same viewpoint, it is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and further preferably 10% by mass or less. The concentration c 1 of this metal salt is preferably 0.30% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 0.50% by mass or more and 20% by mass or less, and further preferably 1.0% by mass or more and 10% by mass or less. is there.
第1水溶液は、ファイバ径を制御するという作用効果を損なわない範囲で、界面活性剤、有機溶剤、防腐剤等を含んでいてもよい。 The first aqueous solution may contain a surfactant, an organic solvent, a preservative and the like as long as the action and effect of controlling the fiber diameter are not impaired.
第1水溶液の粘度η1は、必要に応じて、適宜、粘度調整剤等を添加して調製してもよい。第1水溶液の粘度η1は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.10mPa・s以上、より好ましくは0.50mPa・s以上、更に好ましくは1.0mPa・s以上であり、また、同様の観点から、好ましくは10000mPa・s以下、より好ましくは5000mPa・s以下、更に好ましくは3000mPa・s以下である。この第1水溶液の粘度η1は、好ましくは0.10mPa・s以上10000mPa・s以下、より好ましくは0.50mPa・s以上5000mPa・s以下、更に好ましくは1.0mPa・s以上3000mPa・s以下である。ここで、第1水溶液の粘度η1及び後述の第2水溶液の粘度η2は、B型粘度計等の粘度測定機器により測定される。 The viscosity η 1 of the first aqueous solution may be adjusted by appropriately adding a viscosity regulator or the like, if necessary. The viscosity η 1 of the first aqueous solution is preferably 0.10 mPa · s or more, more preferably 0.50 mPa · s or more, still more preferably 1.0 mPa · s or more, from the viewpoint of accurately controlling the fiber diameter. From the same viewpoint, it is preferably 10000 mPa · s or less, more preferably 5000 mPa · s or less, and further preferably 3000 mPa · s or less. The viscosity η 1 of the first aqueous solution is preferably 0.10 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, more preferably 0.50 mPa · s or more and 5000 mPa · s or less, and further preferably 1.0 mPa · s or more and 3000 mPa · s or less. Is. Here, the viscosity eta 2 of the second aqueous solution viscosity eta 1 and below the first aqueous solution is measured by the viscosity measuring instrument such as a B-type viscometer.
第2水溶液に含まれるゲル形成物質としては、例えば、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウムなどのアルギン酸塩;κ−カラギーナン、ι−カラギーナン、LMペクチン等が挙げられる。第2水溶液は、これらのうちの1種又は2種以上のゲル形成物質を含むことが好ましい。第2水溶液に含まれるゲル形成物質としては、アルギン酸ナトリウム、κ−カラギーナンが好ましい。なお、アルギン酸塩はカルシウムイオン等により、κ−カラギーナンはカリウムイオンにより、ι−カラギーナンはカルシウムイオン、LMペクチンはカルシウムイオン等により、それぞれイオン架橋型ハイドロゲルを形成する。 Examples of the gel-forming substance contained in the second aqueous solution include alginates such as sodium alginate, potassium alginate, and ammonium alginate; κ-carrageenan, ι-carrageenan, and LM pectin. The second aqueous solution preferably contains one or more of these gel-forming substances. As the gel-forming substance contained in the second aqueous solution, sodium alginate and κ-carrageenan are preferable. Alginate is formed by calcium ions and the like, κ-carrageenan is formed by potassium ions, ι-carrageenan is formed by calcium ions, and LM pectin is formed by calcium ions and the like.
第2水溶液におけるゲル形成物質の濃度c2は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.50質量%以上、より好ましくは0.70質量%以上、更に好ましくは1.0質量%以上であり、また、同様の観点から、好ましくは5.0質量%以下、より好ましくは4.0質量%以下、更に好ましくは3.0質量%以下である。このゲル形成物質の濃度c2は、好ましくは0.50質量%以上5.0質量%以下、より好ましくは0.70質量%以上4.0質量%以下、更に好ましくは1.0質量%以上3.0質量%以下である。 The concentration c 2 of the gel-forming substance in the second aqueous solution is preferably 0.50% by mass or more, more preferably 0.70% by mass or more, still more preferably 1.0% by mass, from the viewpoint of accurately controlling the fiber diameter. From the same viewpoint, it is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 4.0% by mass or less, and further preferably 3.0% by mass or less. The concentration c 2 of this gel-forming substance is preferably 0.50% by mass or more and 5.0% by mass or less, more preferably 0.70% by mass or more and 4.0% by mass or less, and further preferably 1.0% by mass or more. It is 3.0% by mass or less.
第2水溶液は、ファイバ径を制御するという作用効果を損なわない範囲で、水性及び/又は油性の機能性物質、界面活性剤、有機溶剤、反応性物質等を含んでいてもよい。 The second aqueous solution may contain an aqueous and / or oily functional substance, a surfactant, an organic solvent, a reactive substance and the like as long as the action and effect of controlling the fiber diameter are not impaired.
第2水溶液の粘度η2は、ゲル形成物質の濃度c2、分子量、および操作温度によって調整することができる。第2水溶液の粘度η2は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは10mPa・s以上、より好ましくは50mPa・s以上、更に好ましくは100mPa・s以上であり、また、同様の観点から、好ましくは100000mPa・s以下、より好ましくは50000mPa・s以下、更に好ましくは30000mPa・s以下である。この第2水溶液の粘度η2は、好ましくは10mPa・s以上100000mPa・s以下、より好ましくは50mPa・s以上50000mPa・s以下、更に好ましくは100mPa・s以上30000mPa・s以下である。 Viscosity eta 2 of the second aqueous solution can be adjusted concentration c 2 in the gel-forming material, molecular weight, and by the operating temperature. The viscosity η 2 of the second aqueous solution is preferably 10 mPa · s or more, more preferably 50 mPa · s or more, still more preferably 100 mPa · s or more, from the viewpoint of accurately controlling the fiber diameter, and from the same viewpoint. It is preferably 100,000 mPa · s or less, more preferably 50,000 mPa · s or less, and further preferably 30,000 mPa · s or less. The viscosity η 2 of the second aqueous solution is preferably 10 mPa · s or more and 100,000 mPa · s or less, more preferably 50 mPa · s or more and 50,000 mPa · s or less, and further preferably 100 mPa · s or more and 30,000 mPa · s or less.
第2水溶液は、吐出ノズル27を層流条件で流通させる。そのレイノルズ数Re2は10以下であり、精度よくファイバ径を制御すると共に、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎを抑制してハイドロゲルファイバを製造する観点から、好ましくは8.0以下、より好ましくは7.0以下である。
The second aqueous solution is circulated through the
吐出ノズル27を流通する第2水溶液の流速u2は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.10m/秒以上、より好ましくは0.30m/秒以上、更に好ましくは0.50m/秒以上であり、また、同様の観点から、好ましくは20m/秒以下、より好ましくは15m/秒以下、更に好ましくは10m/秒以下である。この第2水溶液の流速u2は、好ましくは0.10m/秒以上20m/秒以下、より好ましくは0.30m/秒以上15m/秒以下、更に好ましくは0.50m/秒以上10m/秒以下である。
The flow velocity u 2 of the second aqueous solution flowing through the
第2水溶液供給部20を流通する第2水溶液の流量Q2は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.10mL/分以上、より好ましくは0.50mL/分以上、更に好ましくは1.0mL/分以上であり、また、同様の観点から、好ましくは10000mL/分以下、より好ましくは1000mL/分以下、更に好ましくは100mL/分以下である。この第2水溶液の流量Q2は、好ましくは0.10mL/分以上10000mL/分以下、より好ましくは0.50mL/分以上1000mL/分以下、更に好ましくは1.0mL/分以上100mL/分以下である。
Flow rate Q 2 of the second aqueous solution flowing through the second aqueous
第2水溶液供給部20により第1水溶液中に第2水溶液を吐出する際の圧力損失ΔPは0.20MPa以上であるが、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.23MPa以上、より好ましくは0.25MPa以上、更に好ましくは0.30MPa以上であり、また、同様の観点から、好ましくは1.0MPa以下、より好ましくは0.90MPa以下、更に好ましくは0.80MPa以下である。この圧力損失ΔPは、好ましくは0.23MPa以上1.0MPa以下、より好ましくは0.25MPa以上0.90MPa以下、更に好ましくは0.30MPa以上0.80MPa以下である。この第2水溶液供給部20における圧力損失ΔPは、吐出ノズル27等の装置構成や第2水溶液の流量Q2により制御することができる。
The pressure loss ΔP when the second aqueous solution is discharged into the first aqueous solution by the second aqueous
第1水溶液における金属塩の濃度c1は、第2水溶液におけるゲル形成物質の濃度c2と同一であってもよく、また、第2水溶液におけるゲル形成物質の濃度c2よりも低くてもよく、或いは、第2水溶液におけるゲル形成物質の濃度c2よりも高くてもよい。第1水溶液における金属塩の濃度c1の第2水溶液におけるゲル形成物質の濃度c2に対する比(c1/c2)は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは0.050以上、より好ましくは0.10以上、更に好ましくは0.30以上であり、また、同様の観点から、好ましくは60以下、より好ましくは40以下、更に好ましくは20以下である。この濃度比(c1/c2)は、好ましくは0.050以上60以下、より好ましくは0.10以上40以下、更に好ましくは0.30以上20以下である。 The concentration c 1 of the metal salt in the first aqueous solution may be the same as the concentration c 2 of the gel-forming substance in the second aqueous solution, or may be lower than the concentration c 2 of the gel-forming substance in the second aqueous solution. Alternatively, it may be higher than the concentration c 2 of the gel-forming substance in the second aqueous solution. The ratio to the concentration c 2 in the gel-forming material in a second aqueous solution having a concentration c 1 of the metal salt in the first aqueous solution (c 1 / c 2), from the viewpoint of controlling precisely the fiber diameter, preferably 0.050 or more, It is more preferably 0.10 or more, still more preferably 0.30 or more, and from the same viewpoint, it is preferably 60 or less, more preferably 40 or less, still more preferably 20 or less. This concentration ratio (c 1 / c 2 ) is preferably 0.050 or more and 60 or less, more preferably 0.10 or more and 40 or less, and further preferably 0.30 or more and 20 or less.
第1水溶液の粘度η1は、第2水溶液の粘度η2よりも低いことが好ましい。第2水溶液の粘度η2の第1水溶液の粘度η1に対する比(η2/η1)は、精度よくファイバ径を制御する観点から、好ましくは1.0以上、より好ましくは5.0以上、更に好ましくは10以上であり、また、同様の観点から、好ましくは100000以下、より好ましくは50000以下、更に好ましくは30000以下である。この粘度比(η2/η1)は、好ましくは1.0以上100000以下、より好ましくは5.0以上50000以下、更に好ましくは10以上30000以下である。 The viscosity η 1 of the first aqueous solution is preferably lower than the viscosity η 2 of the second aqueous solution. The ratio viscosity eta 1 of the first aqueous solution viscosity eta 2 of the second aqueous solution (η 2 / η 1), from the viewpoint of controlling precisely the fiber diameter, preferably 1.0 or more, more preferably 5.0 or more It is more preferably 10 or more, and from the same viewpoint, it is preferably 100,000 or less, more preferably 50,000 or less, still more preferably 30,000 or less. This viscosity ratio (η 2 / η 1 ) is preferably 1.0 or more and 100,000 or less, more preferably 5.0 or more and 50,000 or less, and further preferably 10 or more and 30,000 or less.
第1水溶液の温度は、第2水溶液の温度と同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。 The temperature of the first aqueous solution is preferably the same as the temperature of the second aqueous solution, but may be different.
ファイバ回収槽10で回収されるハイドロゲルファイバのファイバ径は、好ましくは1.0μm以上、より好ましくは5.0μm以上、更に好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは1000μm以下、より好ましくは800μm以下、更に好ましくは700μm以下である。ハイドロゲルファイバのファイバ径は、好ましくは1.0μm以上1000μm以下、より好ましくは5.0μm以上800μm以下、更に好ましくは10μm以上700μm以下である。ここで、本出願における「ハイドロゲルファイバのファイバ径」は、湿潤状態にあるハイドロゲルファイバを、大気圧、温度25℃、及び湿度50%RHの雰囲気下で24時間乾燥させた後、大気圧、温度25℃、及び湿度50%RHの雰囲気下で保存した状態でのファイバ径である。また、本出願における「ファイバ径」は、ハイドロゲルファイバの光学顕微鏡観察画像から、任意の長さ3cmの部分における長さ方向に沿った10箇所の平均値として求められる。
The fiber diameter of the hydrogel fiber recovered in the
ハイドロゲルファイバのファイバ径は、吐出ノズル27の吐出孔径よりも小さいことが好ましい。ハイドロゲルファイバのファイバ径は、吐出ノズル27の吐出孔径に対して、好ましくは0.0050倍以上、より好ましくは0.020倍以上、更に好ましくは0.050倍以上であり、また、好ましくは0.90倍以下、より好ましくは0.80倍以下、更に好ましくは0.70倍以下である。ハイドロゲルファイバのファイバ径は、吐出ノズル27の吐出孔径に対して、好ましくは0.0050倍以上0.90倍以下、より好ましくは0.020倍以上0.80倍以下、更に好ましくは0.050倍以上0.70倍以下である。
The fiber diameter of the hydrogel fiber is preferably smaller than the discharge hole diameter of the
ハイドロゲルファイバのファイバ径のゆらぎは、得られたハイドロゲルファイバの光学顕微鏡観察画像から、任意の区間長Lの部分を5箇所選び、各部分における最大ファイバ径Dと最小ファイバ径dとの差(D−d)を区間長Lで除した(D−d)/Lを算出し、そのようにして算出された5箇所の(D−d)/Lを平均した値を指標とすることができる。この(D−d)/Lの平均値は、好ましくは0.080以下、より好ましくは0.070以下、更に好ましくは0.060以下である。 For the fluctuation of the fiber diameter of the hydrogel fiber, select five parts having an arbitrary section length L from the obtained optical microscope observation image of the hydrogel fiber, and the difference between the maximum fiber diameter D and the minimum fiber diameter d in each part. It is possible to calculate (Dd) / L by dividing (Dd) by the section length L, and use the value obtained by averaging the (Dd) / L of the five points calculated in this way as an index. it can. The average value of (Dd) / L is preferably 0.080 or less, more preferably 0.070 or less, and further preferably 0.060 or less.
回収されたハイドロゲルファイバは、例えば、化粧料、医薬品、医薬部外品、食品等の配合材料として用いられる。 The recovered hydrogel fiber is used as a compounding material for, for example, cosmetics, pharmaceuticals, quasi-drugs, foods and the like.
(ハイドロゲルファイバの作製)
塩化カルシウム水溶液を第1水溶液及びアルギン酸ナトリウム水溶液を第2水溶液として以下の実施例1〜12及び比較例1の通りハイドロゲルファイバを作製した。そして、形成された湿潤状態のハイドロゲルファイバを回収槽10から取り出し、それを、大気圧、温度25℃、及び湿度50%RHの雰囲気下で24時間乾燥させた後、大気圧、温度25℃、及び湿度50%RHの雰囲気下で保存し、光学顕微鏡で観察してファイバ径を求めた。具体的には、ファイバ径は、得られたハイドロゲルファイバの光学顕微鏡観察画像から、任意の長さ3cmの部分における長さ方向に沿った10箇所の平均値として求めた。また、得られたハイドロゲルファイバの長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎの有無を評価した。具体的には、ファイバ径のゆらぎの有無は、得られたハイドロゲルファイバの光学顕微鏡観察画像から、任意の区間長L(200μm)の部分を5箇所選び、各部分における最大ファイバ径Dと最小ファイバ径dとの差(D−d)を区間長Lで除した(D−d)/Lを算出し、5箇所の(D−d)/Lの平均値を求め、その平均値が0.080以下の場合には「ゆらぎ無」及び0.080より大きい場合には「ゆらぎ有」と評価した。実施例1〜12及び比較例1のそれぞれの内容については表1及び2にも示す。
(Manufacturing of hydrogel fiber)
Hydrogel fibers were prepared as in Examples 1 to 12 and Comparative Example 1 below, using an aqueous solution of calcium chloride as a first aqueous solution and an aqueous solution of sodium alginate as a second aqueous solution. Then, the formed wet hydrogel fiber is taken out from the
<実施例1>
1Lのガラス製ビーカーにイオン交換水を693g仕込み、そこに塩化カルシウム(和光純薬工業株式会社製)を7g投入して室温で溶解させて濃度c1が1.0質量%の塩化カルシウム水溶液を第1水溶液(粘度η1:1.0mPa・s、比重:1.013)として調製した。また、別の1Lのガラス製ビーカーにイオン交換水を693g仕込み、そこにアルギン酸ナトリウム(和光純薬工業株式会社製)を7g投入して70℃に加熱して溶解させて濃度c2が1.0質量%のアルギン酸ナトリウム水溶液を第2水溶液(粘度η2:290mPa・s、比重:1.004)として調製した。
<Example 1>
693 g of ion-exchanged water is charged in a 1 L glass beaker, and 7 g of calcium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added thereto and dissolved at room temperature to prepare a calcium chloride aqueous solution having a concentration c 1 of 1.0% by mass. It was prepared as a first aqueous solution (viscosity η 1 : 1.0 mPa · s, specific gravity: 1.013). Further, 693 g of ion-exchanged water was charged into another 1 L glass beaker, 7 g of sodium alginate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added thereto, and the mixture was heated to 70 ° C. to dissolve it, and the concentration c 2 was 1. A 0 mass% sodium alginate aqueous solution was prepared as a second aqueous solution (viscosity η 2 : 290 mPa · s, specific gravity: 1.004).
実施例1では、図1に示すのと同様の構成のハイドロゲルファイバ製造システムSを用いた。吐出ノズル27は、外径1.6mm及び内径(吐出孔径)0.25mmのSUS配管(静止接触角:63°)で構成し、また、ポンプ24にはギヤポンプ(型式:DGS.11EEV2NN15000 Tuthill社製)を用いた。
In Example 1, a hydrogel fiber manufacturing system S having the same configuration as that shown in FIG. 1 was used. The
3Lビーカーで構成されたファイバ回収槽10に25℃に温度調整した第1水溶液を仕込み、第2水溶液貯槽21に25℃に温度調整した第2水溶液を仕込んだ。
The
第2水溶液を、流量Q2を6.0mL/分とした層流(レイノルズ数Re2:1.7)で第1水溶液中に吐出させた。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は2000mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.40MPaであった。
The second solution, laminar flow in which the flow rate Q 2 and 6.0 mL / min (Reynolds number Re 2: 1.7) at was discharged into the first aqueous solution. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
第2水溶液を第1水溶液中に連続的に吐出させると、直ちに第2水溶液がゲル化してハイドロゲルファイバが形成された。 When the second aqueous solution was continuously discharged into the first aqueous solution, the second aqueous solution immediately gelled to form a hydrogel fiber.
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は150μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 150 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例2>
実施例2では、第2水溶液の流量Q2を9.0mL/分(レイノルズ数Re2:2.7)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は3100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.50MPaであった。
<Example 2>
In Example 2, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 9.0 mL / min (Reynolds number Re 2: 2.7) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 1. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は80μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 80 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例3>
実施例3では、第2水溶液の流量Q2を12mL/分(レイノルズ数Re2:3.5)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は4100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.60MPaであった。
<Example 3>
In Example 3, the flow rate Q 2 of the second
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は60μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 60 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例4>
実施例4では、第2水溶液の流量Q2を18mL/分(レイノルズ数Re2:5.3)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は6100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.75MPaであった。
<Example 4>
In Example 4, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 18 mL / min (Reynolds number Re 2: 5.3) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 1. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は40μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 40 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例5>
実施例5では、吐出ノズル27を、外径1.6mm及び内径(吐出孔径)0.50mmのSUS配管で構成した。そして、第2水溶液の流量Q2を25mL/分(レイノルズ数Re2:3.6)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は2100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.23MPaであった。
<Example 5>
In Example 5, the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は250μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 250 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例6>
実施例6では、第2水溶液の流量Q2を45mL/分(レイノルズ数Re2:6.6)とした以外は、実施例5と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は3800mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.33MPaであった。
<Example 6>
In Example 6, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 45 mL / min (Reynolds number Re 2: 6.6) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 5. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は180μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 180 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<比較例1>
比較例1では、第2水溶液の流量Q2を100mL/分(レイノルズ数Re2:15)とした以外は、実施例5と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は8500mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.64MPaであった。
<Comparative example 1>
In Comparative Example 1, the flow rate Q 2 of the second
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径に長さ方向に沿ったゆらぎが確認され、平均のファイバ径は50μmであった。 Fluctuations along the length direction were confirmed in the fiber diameter of the obtained hydrogel fiber, and the average fiber diameter was 50 μm.
<実施例7>
実施例7では、吐出ノズル27を、外径1.6mm及び内径(吐出孔径)0.25mmのPTFE配管(静止接触角:101°)で構成した。そして、第2水溶液の流量Q2を6mL/分(レイノルズ数Re2:1.7)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は2000mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.45MPaであった。
<Example 7>
In Example 7, the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は60μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 60 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例8>
実施例8では、第2水溶液の流量Q2を9mL/分(レイノルズ数Re2:2.6)とした以外は、実施例7と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は3100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.55MPaであった。
<Example 8>
In Example 8, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 9 mL / min (Reynolds number Re 2: 2.6) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 7. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は30μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 30 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例9>
実施例9では、第2水溶液の流量Q2を12mL/分(レイノルズ数Re2:3.5)とした以外は、実施例7と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は4100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.68MPaであった。
<Example 9>
In Example 9, the flow rate Q 2 of the second
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は25μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 25 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例10>
実施例10では、第2水溶液の流量Q2を18mL/分(レイノルズ数Re2:5.2)とした以外は、実施例7と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は6100mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.88MPaであった。
<Example 10>
In Example 10, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 18 mL / min (Reynolds number Re 2: 5.2) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 7. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は20μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 20 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例11>
実施例11では、吐出ノズル27を、外径1.6mm及び内径(吐出孔径)0.17mmのPTFE配管で構成した。そして、第2水溶液の流量Q2を5mL/分(レイノルズ数Re2:2.1)とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は3700mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.45MPaであった。
<Example 11>
In Example 11, the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は70μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 70 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
<実施例12>
実施例12では、第2水溶液の流量Q2を18mL/分(レイノルズ数Re2:6.8)とした以外は、実施例11と同様の操作を行った。吐出ノズル27での第2水溶液の流速u2は11700mm/秒であり、圧力損失ΔPは0.95MPaであった。
<Example 12>
In Example 12, the flow rate Q 2 of the second aqueous solution 18 mL / min (Reynolds number Re 2: 6.8) except for using, was subjected to the same procedure as in Example 11. The flow velocity u 2 of the second aqueous solution at the
得られたハイドロゲルファイバのファイバ径は18μmであり、また、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎは確認されなかった。 The fiber diameter of the obtained hydrogel fiber was 18 μm, and no fluctuation of the fiber diameter along the length direction was confirmed.
(結果及び考察)
図3は、実施例1〜12及び比較例1についての圧力損失ΔPと、得られたハイドロゲルファイバのファイバ径との関係を示す。
(Results and discussion)
FIG. 3 shows the relationship between the pressure loss ΔP for Examples 1 to 12 and Comparative Example 1 and the fiber diameter of the obtained hydrogel fiber.
この図3によれば、吐出ノズル27の材質がSUSである実施例1〜6及び比較例1で比較すると、ハイドロゲルファイバの作製時に用いる吐出ノズル27の構成、第2水溶液の流量Q2及び流速u2、並びに第2水溶液のレイノルズ数Re2によらず、得られたハイドロゲルファイバのファイバ径が圧力損失ΔPと相関性を有することが分かる。但し、第2水溶液のレイノルズ数Re2が15であって10よりも大きい比較例1では、長さ方向に沿ったファイバ径のゆらぎが確認された。また、このようなハイドロゲルファイバのファイバ径の圧力損失ΔPとの相関性は、吐出ノズル27の材質がPTFEである実施例7〜12の比較でも認められる。
According to FIG. 3, the material of the
吐出ノズル27の材質がSUSである実施例1〜6と、その材質がPTFEである実施例7〜12とを比較すると、前者よりも後者の方がファイバ径の小さいハイドロゲルファイバが得られることが分かる。
Comparing Examples 1 to 6 in which the material of the
本発明は、ハイドロゲルファイバの製造方法及びそのファイバ径の制御方法の技術分野について有用である。 The present invention is useful in the technical field of a method for manufacturing a hydrogel fiber and a method for controlling the fiber diameter thereof.
S ハイドロゲルファイバ製造システム
10 ファイバ回収槽
20 第2水溶液供給部
21 第2水溶液貯槽
22 第2水溶液供給管
23 コック
24 ポンプ
25 流量計
26 圧力計
27 吐出ノズル(吐出手段)
27a 吐出孔
27b 流路内壁
27c 周縁部
S Hydrogel
Claims (6)
前記吐出手段により前記第1水溶液中に前記第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で吐出させると共に、その際の圧力損失を0.20MPa以上の範囲で設定するハイドロゲルファイバの製造方法。 Hydrogel by linearly discharging a second aqueous solution containing a gel-forming substance that forms an ion-crosslinked hydrogel by ion exchange with the metal ions into a first aqueous solution containing metal ions using a discharge means. A method of manufacturing fibers
A method for producing a hydrogel fiber, in which the second aqueous solution is discharged into the first aqueous solution by the discharging means in a state where the Reynolds number is 10 or less, and the pressure loss at that time is set in the range of 0.20 MPa or more.
前記吐出手段により前記第1水溶液中に前記第2水溶液をレイノルズ数が10以下の状態で吐出させると共に、ファイバ径との相関性を有するその際の圧力損失を0.20MPa以上の範囲で目標のファイバ径に対応する値に設定するハイドロゲルファイバのファイバ径制御方法。 It is produced by linearly discharging a second aqueous solution containing a gel-forming substance that forms an ion-crosslinked hydrogel by ion exchange with the metal ions into a first aqueous solution containing metal ions using a discharge means. A method of controlling the fiber diameter of a hydrogel fiber.
The second aqueous solution is discharged into the first aqueous solution by the discharging means in a state where the Reynolds number is 10 or less, and the pressure loss at that time having a correlation with the fiber diameter is targeted in the range of 0.20 MPa or more. A method for controlling the fiber diameter of a hydrogel fiber, which is set to a value corresponding to the fiber diameter.
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