JP2011212607A - 結晶性ポリマー微孔性膜及び濾過用フィルター - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の結晶性ポリマーを含む層と、第2の結晶性ポリマーを含む層とが積層され、厚み方向に貫通した複数の孔部が形成された2層以上の積層体を有する結晶性ポリマー微孔性膜であって、前記第1の結晶性ポリマーの結晶化度が前記第2の結晶性ポリマーの結晶化度よりも高く、前記第1の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みが前記第2の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みよりも厚く、前記積層体における少なくとも1層が、前記積層体の厚み方向における少なくとも一部において、平均孔径が連続的乃至非連続的に変化する複数の孔部を有する結晶性ポリマー微孔性膜である。
【選択図】なし
Description
これらの微孔性膜は、電子工業用洗浄水、医薬用水、医薬製造工程用水、食品水等の濾過、滅菌に用いられ、近年、その用途及び使用量が拡大しており、粒子捕捉の点から信頼性の高い微孔性膜が注目されている。これらの中でも、結晶性ポリマーからなる微孔性膜は耐薬品性に優れており、特に、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と称することもある)を原料とした結晶性ポリマー微孔性膜は、耐熱性及び耐薬品性に優れているため、その需要の伸びが著しい。
しかしながら、この多孔質膜は、厚み方向に関して連続的に孔径が変化する孔部が形成されていないので、微粒子を効率良く捕捉することができず、また、濾過寿命が短いという問題がある。
また、微粒子を効率良く捕捉するため、分子量が異なるポリマーからなる層が積層され、各層において、厚み方向に関して連続的に孔径が変化する孔部が形成された膜が提案されている(例えば、特許文献21参照)。
しかしながら、この結晶性ポリマー微孔性膜では、低分子量の結晶性ポリマーにより形成された緻密層の厚みが制御されていないので、高流量、目詰まりがないこと、濾過寿命が長いこと、高強度、などの要求される膜性能の全てをバランスよく満たすのが難しいという問題がある。
<1> 第1の結晶性ポリマーを含む層と、第2の結晶性ポリマーを含む層とが積層され、厚み方向に貫通した複数の孔部が形成された2層以上の積層体を有する結晶性ポリマー微孔性膜であって、前記第1の結晶性ポリマーの結晶化度が前記第2の結晶性ポリマーの結晶化度よりも高く、前記第1の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みが前記第2の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みよりも厚く、前記積層体における少なくとも1層が、前記積層体の厚み方向における少なくとも一部において、平均孔径が連続的乃至非連続的に変化する複数の孔部を有することを特徴とする結晶性ポリマー微孔性膜である。
<2> 積層体が、2層以上の第1の結晶性ポリマーを含む層と、1層の第2の結晶性ポリマーを含む層とを有する前記<1>に記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<3> 積層体が、2層の第1の結晶性ポリマーを含む層と、該2層の第1の結晶性ポリマーを含む層の間に介装された1層の第2の結晶性ポリマーを含む層とを有する前記<2>に記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<4> 2層の第1の結晶性ポリマーを含む層の厚みが、第2の結晶性ポリマーを含む層の厚み以上である前記<3>に記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<5> 厚みが1μm〜300μmである前記<1>から<4>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<6> 第1の結晶性ポリマーの結晶化度が、第2の結晶性ポリマーの結晶化度の1.02倍以上である前記<1>から<5>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<7> 第1の結晶性ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレンである前記<1>から<6>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<8> 第2の結晶性ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン及びポリテトラフルオロエチレン共重合体のいずれかである前記<1>から<7>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<9> ポリテトラフルオロエチレン共重合体が、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンから選ばれる少なくとも2種類のポリマー成分から構成される共重合体である前記<8>に記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<10> 一方の面における孔部の平均孔径が0.050μm〜1.0μmであり、他方の面における孔部の平均孔径が0.50μm〜100μmである前記<1>から<9>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜である。
<11> 前記<1>から<10>のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜を用いたことを特徴とする濾過用フィルターである。
<12> 結晶性ポリマー微孔性膜における孔部の平均孔径の大きな側の面をフィルターの濾過面に使用する前記<11>に記載の濾過用フィルターである。
本発明の結晶性ポリマー微孔性膜は、少なくとも積層体を有してなり、更に必要に応じてその他の構成を有してなる。
前記積層体は、少なくとも、第1の結晶性ポリマー(以下、「高結晶性ポリマー」ということもある)を含む層と、第2の結晶性ポリマー(以下、「低結晶性ポリマー」ということもある)を含む層とを有してなり、更に必要に応じてその他の層を有してなる。
前記「積層構造」であることは、結晶性ポリマー層と他の結晶性ポリマー層の間に境界を有することにより、境界を有さない「単層構造」と明確に区別できる。ここで、結晶性ポリマー層と他の結晶性ポリマー層の間の境界は、例えば結晶性ポリマー微孔性膜を厚み方向に切断した切断面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより検出することができる。
前記3層構造とすることにより、各層間の収縮率の差異により生じるカールを防止することができると共に、捕捉粒径に最も影響する最も小さい径の第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー層)を、摩擦、引っ掻き等の物理的破壊要因から保護することができ、捕捉性能の安定化を図ることができる。
また、前記3層構造において、1層の第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の厚みが、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みよりも厚く、他の1層の第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の厚みが、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みよりも厚いことが、好ましい。第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みより厚い第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層を出口側(アウトレット側)に配置することより、結晶性ポリマー微孔性膜の流量を向上することができる。
前記「厚み方向に貫通した複数の孔部が形成された」ことは、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより確認することができる。
前記平均孔径の厚み方向に関する変化は、連続的乃至非連続的に増加、及び連続的乃至非連続的に減少のいずれかである。
前記「前記積層体における少なくとも1層が、前記積層体の厚み方向における少なくとも一部において、平均孔径が連続的乃至非連続的に変化する複数の孔部を有する」とは、横軸に結晶性ポリマー微孔性膜のおもて面からの厚み方向の距離d(おもて面からの深さに相当)をとり、縦軸に孔部の平均孔径Dをとったとき、(1)おもて面(d=0)からうら面(d=膜厚)に至るまでのグラフが、結晶性ポリマー層ごとに1本の連続線で描かれ(連続的)、グラフの傾き(dD/dt)が負の領域(減少)、及び傾きが正の領域(増加)のいずれであることや、(2)おもて面(d=0)からうら面(d=膜厚)に至るまでのグラフが、結晶性ポリマー層ごとに1本の連続線又は非連続線で描かれることなどが含まれる。即ち、図12及び図13などの態様も含むものである。ここで、傾きが0(ゼロ)の部分(変化なし)が一部乃至全部に含まれていてもよいが、好ましくは、傾きが0(ゼロ)の部分(変化なし)が含まれていない完全に傾斜している場合が好ましい。
これらの中でも、前記積層体における少なくとも1層における孔部の平均孔径が、おもて面からうら面に至るまでのグラフが連続的に減少しているものが特に好ましい。
本発明においては、結晶性ポリマー微孔性膜における非対称加熱面の反対側である孔部の平均孔径が大きい方の面を「おもて面」と言い、非対称加熱面である孔部の平均孔径が小さい方の面を「うら面」と言っているが、これは本発明の説明をわかりやすくするために便宜的につけた呼称に過ぎない。したがって、複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルム(積層体)のいずれの面を非対称加熱して「うら面」にしても構わない。
前記結晶性ポリマー微孔性膜において、おもて面とうら面における孔部の平均孔径の比(おもて面/うら面の比)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1.2倍〜2.0×104倍が好ましく、1.5倍〜1.0×104倍がより好ましく、2.0倍〜2.0×103倍が特に好ましい。
前記結晶性ポリマー微孔性膜のおもて面における孔部の平均孔径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.1μm〜500μmが好ましく、0.25μm〜250μmがより好ましく、0.50μm〜100μmが特に好ましい。
前記平均孔径が0.1μm未満であると、流量が低下するおそれがあり、500μmを超えると、効率よく微粒子を捕捉できなくなるおそれがある。一方、前記特に好ましい範囲内であると、流量及び微粒子捕捉性の点で有利である。
前記結晶性ポリマー微孔性膜のうら面における孔部の平均孔径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.01μm〜5.0μmが好ましく、0.025μm〜2.5μmがより好ましく、0.05μm〜1.0μmが特に好ましい。
前記平均孔径が0.01μm未満であると、流量が低下するおそれがあり、5.0μmを超えると、効率よく微粒子を捕捉できなくなるおそれがある。一方、前記特に好ましい範囲内であると、流量及び微粒子捕捉性の点で有利である。
これに対し、図2に示すように、結晶性ポリマー層101、102を積層した2層構造の従来の結晶性ポリマー微孔性膜における孔部101b、102bの孔径は、いずれも積層体の厚み方向に変化しておらず、結晶性ポリマー微孔性膜全体としては、孔径が厚み方向に変化(段階的に減少)している。
また、図3に示すように、結晶性ポリマー層101、102、103を積層した3層構造の本発明の結晶性ポリマー微孔性膜における孔部101a、102a、103aの孔径は、いずれも積層体の厚み方向に変化(連続的に減少)しており、結晶性ポリマー微孔性膜全体としては、孔径が厚み方向に変化(段階的に減少)している。
これに対し、図4に示すように、結晶性ポリマー層101、102、103を積層した3層構造の従来の結晶性ポリマー微孔性膜における孔部101b、102b、103bの孔径は、いずれも積層体の厚み方向に変化しておらず、結晶性ポリマー微孔性膜全体としても、孔径が厚み方向に段階的に変化している部分がある。
この場合、各結晶性ポリマー層において、おもて面とうら面における孔部の平均孔径の比(おもて面/うら面の比)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1.1倍〜30倍が好ましく、1.25倍〜25倍がより好ましく、1.5倍〜20倍が特に好ましい。
前記各結晶性ポリマー層のおもて面における孔部の平均孔径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.001μm〜500μmが好ましく、0.002μm〜250μmがより好ましく、0.005μm〜100μmが特に好ましい。
前記各結晶性ポリマー層のうら面における孔部の平均孔径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.001μm〜500μmが好ましく、0.002μm〜250μmがより好ましく、0.003μm〜100μmが特に好ましい。
ここで、図3に示すように、結晶性ポリマー層101、102、103を積層した3層構造の結晶性ポリマー微孔性膜における孔部101a、102a、103aにおいて、孔部の最大平均孔径Lm1、Lm2、Lm3のうち最も小さい最大平均孔径Lm2を有する結晶性ポリマー層102が結晶性ポリマー微孔性膜(積層体)の内部に存在している。
前記最大頻度の孔径が0.001μm未満であると、十分な流量が得られないことがあり、0.5μmを超えると、小さい粒径の微粒子の捕捉率が落ちることがある。
ここで、前記最大頻度の孔径は、パームポロメーター(PMI社製)により測定することができる。
本発明において、前記「結晶性ポリマー」とは、分子構造の中に長い鎖状の分子が規則的に並んだ結晶性領域と、規則的に並んでいない非結晶領域が混在したポリマーを意味し、このようなポリマーは物理的な処理により、結晶性が発現する。例えば、ポリエチレンフィルムを外力により延伸すると、初めは透明なフィルムが白濁する現象が認められる。これは外力によりポリマー内の分子配列が一つの方向に揃えられることによって、結晶性が発現したことに由来する。
これらの中でも、耐薬品性と取り扱い性の点で、ポリアルキレン(例えば、ポリエ
チレン及びポリプロピレン)が好ましく、該ポリアルキレンにおけるアルキレン基の水素原子がフッ素原子によって一部又は全部が置換されたフッ素系ポリアルキレンがより好ましく、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が特に好ましい。
前記ポリエチレンは、その分岐度により密度が変化し、分岐度が多く、結晶化度が低いものが低密度ポリエチレン(LDPE)、分岐度が少なく、結晶化度の高いものが高密度ポリエチレン(HDPE)と分類され、いずれも用いることができる。これらの中でも、結晶性コントロールの点で、HDPEが好ましい。
前記結晶性ポリマーの質量平均分子量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1,000〜100,000,000が好ましい。
前記各結晶性ポリマーの数平均分子量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、500〜50,000,000が好ましく、1,000〜25,000,000がより好ましい。
ここで、前記数平均分子量は、例えば、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)により測定することができる。しかし、PTFEは、溶剤に不溶であるため、DSC測定による結晶化熱(ΔHc:cal/g)測定を行い、関係式:Mn=2.1×1010×ΔHc−5.16、を用いて算出することが好ましい。
前記高結晶性ポリマーを含む層の最大厚みが、低結晶性ポリマーを含む層の最大厚みの
1.2倍未満であると、低結晶性ポリマー層が摩擦、引っ掻きの影響を受け、安定な微粒子捕捉性を保てないことがある。一方、前記特に好ましい範囲内であると、微粒子捕捉性の点で有利である。
なお、各層の界面において、高結晶性ポリマー及び低結晶性ポリマーの両方を含む中間層が存在する場合は、該中間層は、第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層、及び、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層のいずれにも含まれないものとする。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層は、第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みは、前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みより厚い。これにより、結晶性ポリマー微孔性膜の流量を向上することができる。
ここで、「最大厚み」とは、各層の厚みの最大値を意味する。例えば、厚みが20μmの第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層と、厚みが15μmの第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層と、厚みが10μmの第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層とを有する積層体の場合、第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みは20μmとなり、また、厚みが20μmの第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層と、厚みが15μmの第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層と、厚みが10μmの第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層とを有する積層体の場合、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みは20μmとなる。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1.0μm〜100μmが好ましく、1.25μm〜75μmがより好ましく、1.5μm〜50μmが特に好ましい。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の厚みが、1.0μm未満であると、低結晶性ポリマー層が摩擦、引っ掻きの影響を受け、安定な微粒子捕捉性を保てないことがあり、100μmを超えると、十分な流量を得られないことがある。一方、前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の厚みが前記特に好ましい範囲内であると、微粒子捕捉性及び流量の点で有利である。
前記比が10000超:1であると、低結晶性ポリマー層の膜厚を精密に制御できなくなるおそれがあり、1.2未満:1であると、低結晶性ポリマー層が摩擦、引っ掻きの影響を受け、安定な微粒子捕捉性を保てないことがある。一方、前記比が前記特に好ましい範囲内であると、膜厚制御及び微粒子捕捉性の点で有利である。
前記比が5,000超:1であると、低結晶性ポリマー層の膜厚を精密に制御できなくなるおそれがあり、1.2未満:1であると、低結晶性ポリマー層が摩擦、引っ掻きの影響を受け、安定な微粒子捕捉性を保てないことがある。一方、前記比が前記特に好ましい範囲内であると、膜厚制御及び微粒子捕捉性の点で有利である。
前記2層の第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層のうち他の1層(最大厚みを有する層でない他方の層)の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記第2の結晶性ポリマーを含む層の厚み以上が好ましい。
前記第2の結晶性ポリマーを含む層の厚みを超えると、流量が十分でない場合がある。一方、前記厚みが前記特に好ましい範囲内であると、流量の点でさらに有利である。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)としては、結晶化度が後述する低結晶性ポリマーよりも高い結晶ポリマーである限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、耐薬品性の点で、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)の結晶化度としては、後述する第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)の結晶化度よりも高い限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、後述する第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)の結晶化度の1.02倍以上が好ましく、1.03倍以上がより好ましく、1.05倍以上が特に好ましい。
前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)の結晶化度が、後述する第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)の結晶化度の結晶化度の1.02倍未満であると、高結晶性ポリマー層と低結晶性ポリマー層との孔径が同程度となってしまい、効率よく微粒子を捕捉できないおそれがある。一方、前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)の結晶化度が前記特に好ましい範囲内であると、より小さい微粒子の捕捉性の点で有利である。
なお、「結晶化度」は、下記式にて定義できる。
ここで、100Cが結晶化度(%)、ρが試料密度、ρaが完全結晶密度(PTFEの場合、2.302)、ρcが非晶密度(PTFEの場合、2.060)を表す。試料密度は、乾式、湿式密度計、密度勾配管などで測定でき、例えば、島津製作所製アキュピックII 1340、アキュピック1330などで測定できる。
また、前記結晶化度は、例えば広角X線回折、NMR、赤外線(IR)、DSC「ふっ素樹脂ハンドブック」(日刊工業新聞社、里川孝臣編)P.45に記載の方法などにより測定することもできる。
前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層は、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みは、前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層の最大厚みより薄い。これにより、結晶性ポリマー微孔性膜の流量を向上することができる。
前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.01μm〜100μmが好ましく、0.02μm〜80μmがより好ましく、0.03μm〜60μmが特に好ましい。
前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みが、0.01μm未満であると、孔部の孔径を小さくすることができない、孔径の面内均一性を失うおそれがあり、100μmを超えると、高流量化を図ることができないことがある。一方、前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層の厚みが前記特に好ましい範囲内であると、孔径の面内均一性及び流量の点で有利である。
前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)の結晶化度としては、結晶化度が前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)よりも低い結晶ポリマーである限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、耐薬品性の点で、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、が好ましい。
前記ポリテトラフルオロエチレン共重合体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、などのテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンから選ばれる少なくとも2種類のポリマー成分から構成される共重合体が挙げられる。
本発明の結晶性ポリマー微孔性膜の製造方法は、未加熱フィルム積層体形成工程と、非対称加熱工程と、延伸工程とを少なくとも含み、更に必要に応じてその他の工程を含んでなる。
前記未加熱フィルム積層体形成工程は、第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層と、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層とを積層して、2層以上の未加熱フィルム積層体を形成する工程である。
結晶化度が互いに異なる前記第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)及び前記第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)としては、上述したものの中から目的に応じて適宜選択して用いることができる。
とができる。
まず、各結晶性ポリマーを押出助剤と混合した混合物(ペースト)を2層以上積層して
予備成形体を作製し、該予備成形体を圧延することにより複層結晶性ポリマー未加熱フィルム(未加熱フィルム積層体)を作製する。前記押出助剤としては、液状潤滑剤を用いることが好ましく、例えば、ソルベントナフサ、ホワイトオイルなどが挙げられる。また、前記押出助剤としては、市販品を用いることができ、該市販品としては、エッソ石油株式会社製「アイソパー」などの炭化水素油を用いても構わない。前記押出助剤の添加量は、前記結晶性ポリマー100質量部に対して、15質量部〜30質量部が好ましい。
なお、複層結晶性ポリマー未加熱フィルムの製造に際しては、「ポリフロンハンドブック」(ダイキン工業株式会社発行、1983年改訂版)に記載されている事項を適宜採用することができる。
図7に示すように、PTFEのファインパウダー1を含む第1層4及びPTFEのファインパウダー2を含む第2層5からなる予備成形体10を作製する。
これら各層は、平均一次粒径0.2μm〜0.4μmのPTFE乳化重合水性分散体を凝析して製造したPTFEのファインパウダーにソルベントナフサ、ホワイトオイル等のような液状潤滑剤を添加したペースト1及びペースト2から得られる。前記液状潤滑剤の使用量は、その種類、成形条件等によって異なり、通常PTFEのファインパウダー100質量部に対して15質量部〜35質量部の範囲で用いられる。更に必要に応じて着色剤などを添加することもできる。
まず、図5に示すような箱形状の下金型8内に、第1層を形成するためのPTFEのファインパウダー1を含むペースト1を層状に下金型8上に載せ、次に、上金型(不図示)を矢印方向に押圧する。これにより圧縮されて第1層4が形成される。
次に、上金型(不図示)を取り外して、第1層4上に第2層を形成するためのPTFEのファインパウダー2を含むペースト2を載せ、同様に上金型(不図示)を用いて圧縮し、図6に示すように第1層4上に第2層5を形成する。以上により、図7に示すようなペースト押出装置のシリンダー部の中に収納される寸法に成形された予備成形体10が得られる。
このようにして第1層4及び第2層5が完全に一体化され、各層が均一な厚みを有する複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルム(未加熱フィルム積層体)の前駆体15が成形される。この未加熱フィルム積層体の各層の厚み構成比は、前記予備成形体の各層の厚み構成比とほぼ同一のものを有していることが実体顕微鏡によって確認できている。
前記非対称加熱工程は、得られた未加熱フィルム積層体の一方の面を加熱して、該未加熱フィルム積層体の厚み方向に温度勾配を形成する工程である。
なお、前記未加熱フィルム積層体の一方の面とは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、低結晶ポリマーを含む層側を加熱することが好ましい。ここで、外側の層が同じ材料で構成されている場合は、厚みが薄い層側を加熱することが好ましい。
ここで、前記非対称加熱とは、第1の結晶性ポリマー(高結晶性ポリマー)を含む層と、第2の結晶性ポリマー(低結晶性ポリマー)を含む層とを積層してなる2層以上の未加熱フィルム積層体を、その加熱フィルム積層体の融点ピークの−5℃以上であり、かつ、その未加熱フィルム積層体の融点ピークの+15℃以下の温度で加熱処理することを意味する。
本発明において、未加熱フィルム積層体とは、非対称加熱処理をしていないものを意味する。また、未加熱フィルム積層体の融点とは、未加熱フィルム積層体を示差走査熱量計により測定した際に現れる吸熱カーブのピークの温度を意味する。前記加熱フィルム積層体の融点及び未加熱フィルム積層体の融点は、結晶性ポリマーの種類や数平均分子量等により変化するが、加熱温度は、50℃〜450℃が好ましく、80℃〜400℃がより好ましい。
このような温度は、以下のように考えることができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレンの場合、加熱フィルム積層体の融点が約327℃で未加熱フィルム積層体の融点が約346℃である。したがって、融点約327℃のものと融点約345℃のものが混在している状態である半加熱フィルム積層体にするには、ポリテトラフルオロエチレンフィルムの場合には、322℃〜361℃が好ましく、327℃〜346℃がより好ましく、例えば338℃の温度に加熱する。
前記(3)の加熱部材としては、加熱ロールが好ましい。加熱ロールであれば、工業的に流れ作業で連続的に非対称加熱を行うことができ、しかも温度制御や装置のメンテナンスも容易である。加熱ロールの温度は、上記半加熱フィルム積層体にする際の温度に設定することができる。加熱ロールにフィルムを接触させる時間は、目的とする非対称加熱が十分に進行するのに必要な時間であり、1秒間〜120秒間が好ましく、2秒間〜110秒間がより好ましく、3秒間〜100秒間が特に好ましい。
前記赤外線の一般的な定義は「実用赤外線」(人間と歴史社、1992年発行)を参考にすることができる。本発明において、前記赤外線とは、波長が0.74μm〜1,000μmの電磁波を意味し、そのうち波長が0.74μm〜3μmの範囲を近赤外線とし、波長が3μm〜1,000μmの範囲を遠赤外線とする。
本発明においては、フィルム積層体の表面と裏面での温度差がある方が好ましいため、表層の加熱に有利な遠赤外線が好ましく使用される。
前記赤外線の装置の種類としては、目的の波長の赤外線が照射できれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、一般的に、近赤外線は電球(ハロゲンランプ)、遠赤外線はセラミック、石英、金属酸化面などの発熱体を用いることができる。
また、赤外線照射であれば、工業的に流れ作業で連続的に非対称加熱を行うことができ、しかも温度制御や装置のメンテナンスも容易である。また非接触であるため、クリーン、かつ毛羽立ちのような欠陥が生じることがない。
前記赤外線照射によるフィルム表面温度は、赤外線照射装置の出力、赤外線照射装置とフィルム表面の距離、照射時間(搬送速度)、雰囲気温度で制御でき、上記の半加熱フィルム積層体にする際の温度に設定することができるが、322℃〜380℃が好ましく、325℃〜360℃がより好ましい。前記表面温度が、322℃未満であると、結晶状態が変化せず、孔径制御ができなくなることがあり、380℃を超えると、フィルム積層体全体が溶融することにより過度に形状が変形することがある。
前記赤外線の照射時間は、特に制限はなく、目的とする非対称加熱が十分に進行するのに必要な時間であり、1秒間〜120秒間が好ましく、2秒間〜110秒間がより好ま
しく、3秒間〜100秒間が特に好ましい。
前記非対称加熱における赤外線照射は、連続的に行ってもよく、又は何度かに分割して間欠的に行ってもよい。
なお、連続的にフィルム積層体のうら面を加熱する場合には、フィルム積層体のおもて面とうら面で温度勾配を保持するため、うら面の加熱と同時におもて面を冷却することが好ましい。
前記おもて面を冷却する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば冷風を吹き付ける方法、冷媒に接触させる方法、冷却した材料に接触させる方法、放冷による冷却等の種々の方法が使用でき、フィルムの表面に冷却部材を接触させる方法は、接触物表面が遠赤外線により加熱されるため好ましくない。
また、前記非対称加熱工程を間欠的に行う場合にも、フィルム積層体のうら面を間欠的に加熱及び冷却し、表面の温度上昇を抑制することが好ましい。
前記延伸工程は、温度勾配を形成した状態の半加熱フィルム積層体を延伸する工程である。
前記延伸は、長手方向と幅方向の両方について行うことが好ましい。長手方向と幅方向について、それぞれ逐次延伸を行ってもよいし、同時に二軸延伸を行ってもよい。
長手方向と幅方向について、それぞれ逐次延伸を行う場合には、まず、長手方向の延伸を行ってから幅方向の延伸を行うことが好ましい。
前記長手方向の延伸倍率は、1.2倍〜50倍が好ましく、1.5倍〜40倍がより好ましく、2.0倍〜10倍が特に好ましい。長手方向の延伸温度は、35℃〜330℃が好ましく、45℃〜320℃がより好ましく、55℃〜310℃が特に好ましい。
前記幅方向の延伸倍率は、1.2倍〜50倍が好ましく、1.5倍〜40倍がより好ましく、2.0倍〜30倍が更に好ましく、2.5倍〜10倍が特に好ましい。幅方向の延伸温度は、35℃〜330℃が好ましく、45℃〜315℃がより好ましく、60℃〜300℃が特に好ましい。
面積延伸倍率は、1.5倍〜2,500倍が好ましく、2倍〜2,000倍がより好ましく、2.5倍〜100倍が特に好ましい。延伸を行う際には、予め延伸温度以下の温度に結晶性ポリマーフィルムを予備加熱しておいてもよい。
なお、延伸後に、必要に応じて熱固定を行うことができる。該熱固定の温度は、通常、延伸温度以上で結晶性ポリマーの融点未満で行うことが好ましい。
結晶性ポリマーが、PTFEなどフッ素樹脂の場合は、融点以上で加熱することが好ましい。
本発明の濾過用フィルタは、本発明の前記結晶性ポリマー微孔性膜を用いることを特徴とする。
本発明の結晶性ポリマー微孔性膜を濾過用フィルタとして用いるときは、その表面(平均孔径が大きい面)をインレット側として濾過を行う。即ち、ポアサイズの大きな表面側をフィルタの濾過面に使用する。このように、平均孔径が大きい面(表面)をインレット側として濾過を行うことにより、効率よく微粒子を捕捉することができる。
また、本発明の結晶性ポリマー微孔性膜は比表面積が大きいため、その表面から導入された微細粒子が最小孔径部分に到達する以前に吸着又は付着によって除かれる。したがって、目詰まりを起こしにくく、長期間にわたって高い濾過効率を維持することができる。
図10はカプセル式フィルターカートリッジのハウジングに組込まれる前の精密ろ過膜フィルターエレメントの全体構造を示す展開図である。精密ろ過膜22は2枚のサポート21、23によってサンドイッチされた状態でひだ折りされ、集液口を多数有するフィルターエレメントコア27の廻りに巻き付けられている。その外側にはフィルターエレメントカバー26があり、精密ろ過膜を保護している。円筒の両端には上部エンドプレート24、下部エンドプレート25により、精密ろ過膜がシールされている。
図11は、フィルターエレメントがハウジングに組込まれて一体化されたカプセル式のプリーツフィルターカートリッジの構造を示す。フィルターエレメント30はハウジングベースとハウジングカバーよりなるハウジング内に組込まれている。下部エンドプレートはOリング28を介してハウジングベース中心部にある集水管(不図示)にシールされている。液体は液入口ノズルからハウジング内に入り、フィルターメディア29を通過し、フィルターエレメントコア27の集液口から集められ、液出口ノズル34から排出される。ハウジングベースとハウジングカバーは通常溶着部37で液密に熱融着される。
<微孔性膜の作製>
−予備成形体の作製−
高結晶性ポリマーとしてのポリテトラフルオロエチレンのファインパウダー(ダイキン工業株式会社製、「F106」、結晶化度98.5%)100質量部に、押出助剤として炭化水素油(エッソ石油株式会社製、「アイソパーH」)23質量部を加えた。これをペースト1とした。
低結晶性ポリマーとしての変性ポリテトラフルオロエチレンのファインパウダー(ダイキン工業株式会社製、「F205」、結晶化度93.7%)100質量部に、押出助剤として炭化水素油(エッソ石油株式会社製、「アイソパーH」)20質量部を加えた。これをペースト2とした。
次に、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とした。
島津製作所製アキュピック1330で測定した。
測定の24時間前に測定試料を25℃、1%RHの低湿保管庫に保存し、水分の吸着等を防いだ。測定時に使用する量としては、0.1g〜1.0g範囲内に収まるようにとり、測定試料が膜の場合は、幅8mm、長さ数cm〜20cm程度の棒状サンプルをまるめて、サンプル管に入れ、測定することができる。
作製した予備成形体を、ペースト押し出し金型の角型シリンダー内に挿入し、シート状に複層ペースト押出しを行った。これを、60℃に加熱したカレンダーロールによりカレンダー掛けして、複層ポリテトラフルオロエチレンフィルムを作製した。得られた複層ポリテトラフルオロエチレンフィルムを250℃の熱風乾燥炉に通して押出助剤を乾燥除去し、平均厚さ100μm、平均幅250mm、比重1.45の複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルムを作製した。
得られた複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルムの一方の面を、338℃に保温したロール(表面材質:SUS316)で30秒間加熱して、半加熱フィルムを作製した。
得られた半加熱フィルムを150℃にて長手方向に3倍にロール間延伸し、一旦巻き取りロールに巻き取った。その後、両端をクリップで挟み、200℃で幅方向に3倍に延伸した。その後、380℃で熱固定を行った。得られた延伸フィルムの面積延伸倍率は、9倍であった。以上により、実施例1のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。
得られたポリテトラフルオロエチレン微孔性膜における各層の厚み方向における少なくとも一部において、平均孔径が連続的乃至非連続的に変化する複数の孔部を有することは、各微孔性膜を凍結割断し、走査型電子顕微鏡(SEM)(日立S−4700型、日立製作所製)により断面観察を行うことにより確認した。実施例2〜6についても同様に確認した。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とする代わりに、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2)が4/1となるように、敷き詰め加圧し、2層構造の予備成形体とし、実施例1において、得られた複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルムの一方の面を、340℃に保温したロール(表面材質:SUS316)で30秒間加熱する代わりに、ペースト2側の面をタングステンフィラメント内蔵のハロゲンヒーターで近赤外線により、フィルム表面温度が340℃で1分間加熱した以外は、実施例1と同様にして、実施例2のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。なお、非対称加熱工程における加熱面は、ペースト2側とした。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とする代わりに、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が3/1/1となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とした以外は、実施例1と同様にして、実施例3のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。なお、非対称加熱工程における加熱面は、薄いペースト1側とした。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とする代わりに、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/0.5/1.0となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とした以外は、実施例1と同様にして、実施例4のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。なお、非対称加熱工程における加熱面は、薄いペースト1側とした。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、高結晶性ポリマーとしてダイキン工業社製F106を用いる代わりに、高結晶性ポリマーとして旭硝子社製CD123(結晶化度98.7%)を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例5のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、低結晶性ポリマーとしてダイキン工業社製F205を用いる代わりに、低結晶性ポリマーとしてダイキン工業社製F201(結晶化度93.1%)を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例6のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ポリテトラフルオロエチレン複層未加熱フィルムの非対称加熱処理を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、比較例1のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とする代わりに、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト2/ペースト1)が4/1となるように、敷き詰め加圧し、2層構造の予備成形体とした以外は、実施例1と同様にして、比較例2のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。なお、非対称加熱工程における加熱面は、ペースト1側とした。
<微孔性膜の作製>
実施例1において、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(ペースト1/ペースト2/ペースト1)が2/1/2となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とする代わりに、ペースト1と、ペースト2とを厚み比(おもて面からペースト2/ペースト1/ペースト2)が3/1/1となるように、敷き詰め加圧し、3層構造の予備成形体とした以外は、実施例1と同様にして、比較例3のポリテトラフルオロエチレン微孔性膜を作製した。なお、非対称加熱工程における加熱面は、薄いペースト2側とした。
比較例3では、低結晶性ポリマー層が外側に設けられているため、非対称加熱時に、微孔性膜が引き裂けると共に、ロールにくっつくという問題が発生した。
前記「厚み方向に貫通した複数の孔部が形成された」ことは、各微孔性膜を凍結割断し、走査型電子顕微鏡(SEM)(日立S−4700型、日立製作所製)により断面観察することにより確認した。
実施例1〜6及び比較例1〜3の各微孔性膜を凍結割断し、走査型電子顕微鏡(SEM)(日立S−4700型、日立製作所製)により断面観察を行うことで、各層の膜厚を測定した。結果を表1に示す。
なお、各層の界面において、高結晶性ポリマー及び低結晶性ポリマーの両方を含む中間層が存在する場合は、該中間層は、高結晶性ポリマーを含む層、及び、低結晶性ポリマーを含む層のいずれにも含まれないものとした。
実施例1〜6及び比較例1〜3の各微孔性膜について、パームポロメータ(PMI社製)を用いて膜の最大頻度の孔径の測定を行った。結果を表2に示す。
次に、実施例1〜6及び比較例1〜3の各結晶性ポリマー微孔性膜について、濾過テストを行った。まず、金コロイド(平均粒子サイズ0.1μm)を0.01質量%含有する水溶液を、差圧10kPaとして濾過を行った。結果を表3に示す。
次に、実施例1〜6及び比較例1〜3の各結晶性ポリマー微孔性膜について、流量テストを行った。具体的には、IPAを差圧100kPaで流した時の単位面積(m2)・単位時間(min)あたりの透過量を流量(L・m−2・min−1)とした。結果を表4に示す。
次に、実施例1〜6及び比較例1〜3の各結晶性ポリマー微孔性膜について、強度テス
トを行った。メンディングテープを用いた剥離試験を行った。両面とも剥離・繊維付着等なかったものは○、片面のみ剥離・繊維付着等あったものは△、剥離・繊維付着等あったものは×とした。結果を表5に示す。
次に、実施例1〜6及び比較例1〜3の各結晶性ポリマー微孔性膜について、カール性テストを行った。各微孔性膜を平坦な場所に静置し、目視評価によりカール性を評価し、カールなしの場合を○、カールが少なく、平坦部分に置いた時にカールがなくなるような場合は△、平坦部分においてもカールしてしまう場合を×とした。結果を表6に示す。
5 第2層
8 下金型
10 予備成形体
15 複層ポリテトラフルオロエチレン未加熱フィルム(未加熱フィルム積層体)
101、102、103 結晶性ポリマー層
101a、102a、103a 孔部
101b、102b、103b 孔部
21 一次側サポート
22 精密ろ過膜
23 二次側サポート
24 上部エンドプレート
25 下部エンドプレート
26 フィルターエレメントカバー
27 フィルターエレメントコア
28 Oリング
29 フィルターメディア
30 フィルターエレメント
31 ハウジングカバー
32 ハウジングベース
33 液入口ノズル
34 液出口ノズル
35 エアーベント
36 ドレン
37 溶着部
111 外周カバー
112 膜サポート
113 精密ろ過膜
114 膜サポート
115 コアー
116a、116b エンドプレート
117 ガスケット
118 液体出口
Claims (12)
- 第1の結晶性ポリマーを含む層と、第2の結晶性ポリマーを含む層とが積層され、厚み方向に貫通した複数の孔部が形成された2層以上の積層体を有する結晶性ポリマー微孔性膜であって、
前記第1の結晶性ポリマーの結晶化度が前記第2の結晶性ポリマーの結晶化度よりも高く、
前記第1の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みが前記第2の結晶性ポリマーを含む層の最大厚みよりも厚く、
前記積層体における少なくとも1層が、前記積層体の厚み方向における少なくとも一部において、平均孔径が連続的乃至非連続的に変化する複数の孔部を有することを特徴とする結晶性ポリマー微孔性膜。 - 積層体が、2層以上の第1の結晶性ポリマーを含む層と、1層の第2の結晶性ポリマーを含む層とを有する請求項1に記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 積層体が、2層の第1の結晶性ポリマーを含む層と、該2層の第1の結晶性ポリマーを含む層の間に介装された1層の第2の結晶性ポリマーを含む層とを有する請求項2に記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 2層の第1の結晶性ポリマーを含む層の厚みが、第2の結晶性ポリマーを含む層の厚み以上である請求項3に記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 厚みが1μm〜300μmである請求項1から4のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 第1の結晶性ポリマーの結晶化度が、第2の結晶性ポリマーの結晶化度の1.02倍以上である請求項1から5のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 第1の結晶性ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレンである請求項1から6のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 第2の結晶性ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン及びポリテトラフルオロエチレン共重合体のいずれかである請求項1から7のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンから選ばれる少なくとも2種類のポリマー成分から構成される共重合体である請求項8に記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 一方の面における孔部の平均孔径が0.05μm〜1.0μmであり、他方の面における孔部の平均孔径が0.5μm〜100μmである請求項1から9のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜。
- 請求項1から10のいずれかに記載の結晶性ポリマー微孔性膜を用いたことを特徴とする濾過用フィルター。
- 結晶性ポリマー微孔性膜における孔部の平均孔径の大きな側の面をフィルターの濾過面に使用する請求項11に記載の濾過用フィルター。
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