JP2007044653A - 架橋された気体分離膜 - Google Patents
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Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
【解決手段】 非架橋性のポリマー(1)、及び、該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする気体分離膜。該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にフルオレン環を有するカルド型ポリマーであることが好ましい。
【選択図】 なし
Description
しかしながら高分子製の分離膜は、高温高圧下において二酸化炭素による膨潤・可塑化により性能低下を起こす問題点を有している。特許文献1には、カルド型ポリマーを使用する気体分離膜が開示されているが、前述の問題点には特別の対策を講じていない。
項1)非架橋性のポリマー(1)、及び、該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする気体分離膜。
項2)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にフルオレン環を有するカルド型ポリマーである項1)記載の気体分離膜、
項3)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共に重縮合ポリマーである項1)又は2)記載の気体分離膜、
項4)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にポリイミド型ポリマーである項1)〜3)いずれか1つに記載の気体分離膜、
項5)ポリマー(1)が6FDA−FDA及び/又は6FDA−TeMPDであり、ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPA及び/又は6FDA−TeMPD−PEPAである、項1)〜4)いずれか1つに記載の気体分離膜。
6FDA−FDA:4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA) (4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride)-4,4'-(9-Fluorenylidene)dianiline)
項6) 非架橋性ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の重量比率1/20〜1/5、を含有する混合物の溶液を流延し溶剤を除去してポリマー混合物膜を形成する製膜工程、並びに、得られたポリマー混合物膜を加熱することにより、該アセチレン基同士の架橋反応により架橋構造を形成する架橋工程、を含むことを特徴とする、気体分離膜の製造方法。
上記の項6)記載の発明の好ましい実施態様を以下に記す。
項7)ポリマー(1)が6FDA−FDA及び/又は6FDA−TeMPDであり、ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPAである項6)記載の気体分離膜の製造方法。
上記のポリマー(1)及びポリマー(2)は、共通の流延溶媒に溶解し、溶媒を除去した乾燥状態で相溶性がある自立膜を形成し、架橋によりネットワークを形成した後に適度の柔軟性を有する気体分離膜として機能する限り、任意の組み合わせが選択できる。
置換アセチレン基同士の反応については後述する。
本発明で使用するポリマー(1)及び/又は(2)は、好ましくは、上記のポリエステル構造単位、ポリカーボネート構造単位、ポリエーテル構造単位、ポリアミド構造単位及びポリイミド構造単位から選ばれた少なくとも1種の構造単位を有するポリマーからなり、より好ましくはカルド型ポリマーからなる。
フルオレン環を有していないジアミン類として、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミンが例示できる。
分子末端へ(置換)アセチレン基を導入するためには、官能基を有する(置換)アセチレン化合物を使用することができる。例えば、4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA)を使用して、末端に(置換)アセチレン基の導入されたポリイミドを合成できる。プロパルギルアルコールやフェニルプロパルギルアルコールを使用して末端に(置換)アセチレン基の導入されたポリエステルを合成することができる。プロパルギルアミンを使用して末端に置換アセチレン基を導入したポリアミドを合成することができる。
ポリマー(1)及びポリマー(2)の混合比率は特に制限されないが、一般には、非架橋性のポリマー(1)が架橋性のポリマー(2)よりも過剰であることが好ましい。架橋性のポリマー(2)の比率が低いと十分な架橋が得られず、気体分離膜の膨潤・可塑化が抑制できないが、逆に架橋性ポリマー(2)が多すぎると分離膜の柔軟性が失われる傾向がある。一般には、非架橋ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の1/20〜1/5の混合物であることが好ましい。
なお、比較的高い温度(150℃超〜400℃、例えば350℃)では、上記の遷移金属触媒なしでも環状三量化が進行する。
最適の加熱温度と加熱時間は、予備実験により求めることができる。加熱温度が最適温度よりも低い場合には架橋反応が充分に進行せず分離膜の可塑化による機械的強度の低下が見られ、又、加熱温度が最適温度よりも高いと分離膜の硬化が進行して柔軟性が失われ、又着色を伴うことも散見される。
加熱時間は、加熱温度にも依存するが、多くの場合0.5〜10時間である。
ふさわしく選択された加熱条件により架橋させた気体分離膜は、多くの有機溶媒にも不溶となる。
本発明の気体分離膜は、必要に応じ、その分離機能層に適宜無機材料、オリゴマー、可塑剤、顔料などの公知の高分子充填剤及び添加剤を添加することができる。
本発明に係る気体分離膜の分離機能層の厚さは、10nm〜1.0μmであり、好ましくは20〜500nmであり、より好ましくは20〜300nmであり、更に好ましくは50〜150nmである。
本発明の気体分離膜を使用する場合には、少なくとも気体分離膜の透過側に補強板を併用することができる。気体分離膜の気体供給側及び気体透過側の両側に補強板を使用しても良い。補強板の構造は、高分子分離膜を機械的に補強することができれば特に限定されない。その材質としては、二酸化炭素等の分離目的ガスを吸収又は吸着せず、混合気体を抵抗なく透過させる孔を有していることが好ましい。このような材料として、ポリスルホン、ポリスチレン、ナイロン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルイミドの多孔質板が例示できる。
補強板は、その機械的強度を向上させるために、繊維等により補強した複合材料(FRP)としても良い。
本発明の気体分離膜を二酸化炭素の分離に使用する場合には、高温高圧下で使用できることが好ましい。温度は150℃以上、好ましくは150℃〜300℃であり、圧力は10気圧以上、好ましくは40〜100気圧である。なお、1気圧(1atm)=1.013×105Paである。
本発明の気体分離膜に使用するポリマー(1)の例として6FDA−FDA及び6FDA−TeMPDを、またポリマー(2)の一例として6FDA−FDA−PEPAをそれぞれ合成した。
1)使用試薬
以下の試薬を実験に使用した。
(1)モノマー
4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)は、Aldrich(株)から購入したものを使用した。また、末端アセチレン構造を有する4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA)は、和光純薬工業(株)から購入したものを使用した。
カルド環を有するジアミンモノマーとして、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)は、Aldrich(株)の試薬を用いた。カルド環を有しないジアミンモノマーである、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)は、東京化成工業(株)の試薬を使用した。
本研究で用いたポリマーは、すべて後述する“2)重合”に記載の重合方法により合成したものを実験に供した。
(3)溶媒・触媒
ポリイミドの重合溶媒のN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)は、純正化学(株)製特級試薬を、モレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
イミド化触媒である、ピリジンおよび無水酢酸(ともに、純正化学(株)製特級試薬)はモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
ポリイミドの精製には、純正化学(株)製試薬特級N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)をやはりモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。純正化学(株)製試薬1級メタノールはそのまま使用した。また、全てのポリマーの製膜溶媒としてジクロロメタン(DCM)およびテトラヒドロフラン(THF)を利用した。DCMおよびTHFは、純正化学(株)製特級試薬をモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
(1)非架橋性のポリイミドの合成
カルド環を有する6FDA-FDAとカルド環を有しない6FDA-TeMPDは、ともに低温溶液縮重合によりポリアミック酸中間体を合成した後、この中間体に化学イミド化反応を利用してポリイミドを合成した。
ジアミン(FDAもしくはTeMPD)を室温にてDMAcに溶解させた。30分後、この溶液にジアミン成分と等モルの6FDAを添加して、そのまま室温で12時間反応させた。この際のDMAc中の全モノマー濃度は、約20wt%であった。
その後、無水酢酸(モノマー1モルに対して5モル)とピリジンを(モノマー1モルに対して7モル)添加して、室温にて反応させた。いずれも窒素雰囲気下で行った。5時間後、反応溶液を大量のメタノール中に注いだ。高分子量の生成物は、メタノール中で固体成分として沈殿した。固体生成物をろ過により回収して乾燥させた。DMFに再溶解させてメタノール中に注ぎこむ溶解再沈殿精製は、FT-IR、1H-NMR、および13C-NMRにより不純物が検出されなくなるまで繰り返した。また、同時に固体生成物の構造が、所期の6FDA-FDAと6FDA-TeMPDであることを確認した。
末端アセチレン基を有する6FDA-FDA-PEPAは、ともに低温溶液縮重合によりポリアミック酸中間体を合成した後、それを化学イミド化反応によりポリイミドを合成した。ジアミン(FDA)を室温にてDMAcに溶解させた。30分後、この溶液にジアミン成分と任意の割合の末端アセチレン無水物PEPAを添加して、そのまま室温で3時間反応させた。(以下、割合ごとに6FDA-FDA-PEPA(9:2)、以下同様に、(8:4)、(7:6)、(5:10)と略記する。)次に、この溶液にジアミン成分と等モルになるよう6FDAを添加して、そのまま室温で12時間反応させた。この際のDMAc中の全モノマー濃度は、約30wt%であった。
その後、無水酢酸(モノマー1モルに対して5モル)とピリジンを(モノマー1モルに対して7モル)添加して、室温にて反応させた。いずれも窒素雰囲気下で行った。5時間後、反応溶液を大量のメタノール中に注いだ。高分子量の生成物は、メタノール中で固体成分として沈殿した。DMFとメタノールの組み合わせによる溶解再沈殿精製により、FT-IR、1H-NMR、および13C-NMRにより不純物が検出されなくなるまで繰り返した。また、同時に固体生成物の構造が所期の6FDA-FDA-PEPAであることを確認した。
(1)分子量測定
分子量測定は、ゲル浸透クロマトグラフィーによる東ソー株式会社製HLC−8220GPC(検出器RI−8220、カラムTSKgel SuperHMH)を用いて行った。カラム温度40.0℃において、流量0.200ml/minの下、収集時間50分で行った。分子量は、ポリスチレンを標準試料とし、THFを溶媒に用いて決定した。
(2)架橋されていないフィルムの調製(製膜)
6FDA-FDAおよび6FDA-TeMPDの製膜は、DCMを溶媒とした溶媒キャスト法により行った。まず精製ポリイミドに、3〜5wt%の溶液濃度になるようにDCM溶媒を加え、1日以上溶解した。次にポリイミド溶液を緻密な濾紙を用いて濾過し、埃等を除去した。溶液を1日以上放置し脱泡を行い、ポリテトラフルオロエチレン製のフラットシャーレ上にキャストし、埃などが入らないよう被いをして約2〜3日間かけて溶媒を揮発させ、膜を得た。得られたポリイミド膜は純水で剥離後、1週間以上、室温にて真空乾燥させ、残存溶媒の除去を行った。
(3)架橋されたフィルムの調製
溶媒キャスト法により得られたフィルム膜を加熱して架橋された分離膜を製造した。
非架橋性の6FDA-FDA又は6FDA-TeMPDを主成分にして、架橋性の6FDA-FDA-PEPAを重量比で1/10添加した膜をDCM溶液から溶媒キャスト法により調製した。
架橋反応触媒としては五塩化タンタル(Aldrich(株)製)を使用した。
6FDA-FDA-PEPA(9:2)のDCM溶液(1)、6FDA-FDAのDCM溶液(2)、6FDA-TeMPDのDCM溶液(3)を調製し、(1)と(2)及び(1)と(3)を混合した。溶液の濃度は3〜5wt%であった。いずれの混合比は、非架橋性のポリマー6FDA-FDA又は6FDA-TeMPDと架橋性のポリマー6FDA-FDA-PEPA(9:2)が9:1になるよう調製した。(以下、6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)、6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)という。)
6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)又は6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)のネットワーク化した膜は、両者ともに測定に十分耐えられる強度を有していた。
調製した自立膜の溶媒溶解性について、数種類の溶媒を用いて調べた。溶媒には、DCM、DMAc、DMF、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する)、THF、メタノールの6種類を用いた。
ネットワーク化した(6FDA-TeMPD)-(6FDA-FDA-PEPA)(9:1)膜は、DCMにはよく溶解し、DMAc、DMF、NMP及びTHFに溶解したが、メタノールには不溶であった。
(1)低温低圧気体透過量測定
低温低圧気体透過量測定は、中垣正幸著「膜実験法」喜多見書房、217−219頁(1984)に記載された気体透過量測定装置を用いて行った。測定は水素、酸素、窒素、二酸化炭素、メタンの5気体種について、供給気体圧力約76cmHg(1atm)、測定温度35℃にて行った。これらの気体は全て高純度のガスボンベをそのまま用いた。この装置は、高圧側の一部を除きパイレックス(登録商標)ガラスで溶接しており、真空コックは特にすり合わせの良質なものを使用している。また、膜を装着するステンレス製透過セルも真空漏れの少ないものを使用し、低圧側は測定ラインにガラス溶接されている。高圧側はボールジョイントにより接続されているため、膜交換を容易に行うことができる。真空ポンプは油回転式真空ポンプであり、到達真空度は10-3Torrであった。
高温高圧気体透過量測定は、T. Nakagawa, T. Nishimura, and A. Higuchi, J. Membr. Sci., 206, 149-163 (2002)に記載の気体透過量測定装置を用いて行った。測定は二酸化炭素について、供給気体圧力が1atm、10atm、15atm、20atm、30atm、40atmの6圧力にて行った。測定温度は35℃、150℃の2温度であった。この装置のステンレス製気体透過セルは、逆浸透装置を改造したものであり、供給気体側は全てステンレス製の金属で配管されている。気体透過側は、パイレックス(登録商標)ガラスで構成されているが、万一の膜の破損による高圧気体流入に対処するため、フレキシブルジョイントと共通すり合わせを用いて安全装置を設けている。これは高圧気体が流入した場合に、フレキシブルジョイントが曲がり、同時にすり合わせが外れるような仕組みになっている。なお、気体透過セルを恒温に保つため、セルの周辺をマントルヒーターで覆い、温度調節器を用いてセル温度を調節した。供給側の圧力はMKS Baratron 740B(1,000psi)を用い、透過側の圧力はMKS Baratron 626A(1,000Torr)を用いて求めた。測定の詳細は前記文献に従った。
(A1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約1×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化はほとんど認められなかった。
(A2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約2×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率が約25%増加した。
(B)ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜のCO2透過率時間変化
(B1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約4×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測したところ、約4×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B3)150℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、2.7×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B4)150℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約2×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(C:比較)ネットワーク化しない6FDA-TeMPD膜のCO2透過率時間変化
(C1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約7×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(C2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約12×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率が約66%増加した。
ネットワーク化した6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、CO2透過率時間変化が、35℃、40気圧において12時間に及ぶ時間範囲で25%しか増加しなかった(A2)。
ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、CO2透過率時間変化は、35℃、40気圧において12時間に及ぶ時間範囲で観測されなかった(B2)。さらに、ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、150℃の高温度でも、40気圧における炭酸ガスの透過率は、12時間に及ぶ時間範囲では観測されなかった(B4)。
ネットワークを形成した高分子分離膜は、高い効率で炭酸ガス等を分離できる性能が、高温かつ高圧でも長い時間範囲維持することができた。これは高分子分離膜にネットワークを形成することにより炭酸ガスによる可塑化を抑制することができたためである。
Claims (7)
- 非架橋性のポリマー(1)、及び、
該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする
気体分離膜。 - 該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にフルオレン環を有するカルド型ポリマーである請求項1記載の気体分離膜。
- 該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共に重縮合ポリマーである請求項1又は2記載の気体分離膜。
- 該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にポリイミド型ポリマーである請求項1〜3いずれか1つに記載の気体分離膜。
- ポリマー(1)が6FDA−FDA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA))及び/又は6FDA−TeMPD(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD))であり、
ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))及び/又は6FDA−TeMPD−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))である請求項1〜4いずれか1つに記載の気体分離膜。 - 非架橋性ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の重量比率1/20〜1/5、を含有する混合物の溶液を流延し溶剤を除去してポリマー混合物膜を形成する製膜工程、並びに、
得られたポリマー混合物膜を加熱することにより、該アセチレン基同士の架橋反応により架橋構造を形成する架橋工程、を含むことを特徴とする、
気体分離膜の製造方法。 - ポリマー(1)が6FDA−FDA及び/又は6FDA−TeMPDであり、
ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPAである、請求項6記載の
気体分離膜の製造方法。
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