JP2012036061A - Method for producing nanocarbon film and nanocarbon film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜に関する。 The present invention relates to a method for producing a nanocarbon film and a nanocarbon film.
厚みがナノメートルスケールのカーボン膜(ここではナノカーボン膜と呼ぶ)は、耐摩耗性だけでなく、表面の滑り具合の向上、内部の腐食防止などの効果を有するので、材料のハードコーディング等に頻繁に用いられている。
例えば、炭酸飲料水のPETボトルには、内側に100nm程度のカーボン被膜がされている。前記カーボン被膜の高いガスバリア性を利用して、ボトルからの炭酸ガスの漏れを防いでいる。このような用途では、ナノカーボン膜は、緻密かつ丈夫であることが要求され、膜を構成する炭素原子が相互に密に結合していなければならない。
なお、この膜は、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜と呼ばれることも多い。
A carbon film with a thickness of nanometer scale (referred to here as a nanocarbon film) is effective not only for wear resistance, but also for improving surface slippage and preventing internal corrosion. Used frequently.
For example, a carbon film of about 100 nm is coated on the inside of a PET bottle of carbonated drink water. The high gas barrier property of the carbon coating is used to prevent carbon dioxide from leaking from the bottle. In such an application, the nanocarbon film is required to be dense and strong, and the carbon atoms constituting the film must be closely bonded to each other.
This film is often called a DLC (diamond-like carbon) film.
ナノカーボン膜は力学的強度が大きいので、内部に数ナノメートル以下の細孔を形成すると、極薄の濾過膜としての利用が期待でき、濾過速度や耐久性、化学的耐性などの特性の大幅な向上が期待できる。
前記濾過膜としては、限外濾過膜、ナノ濾過膜及び逆浸透膜(Reverse Osmosis膜:RO膜)等がある。
Nanocarbon membranes have high mechanical strength, so if pores of several nanometers or less are formed inside, they can be expected to be used as ultra-thin filtration membranes, and have significant characteristics such as filtration speed, durability, and chemical resistance. Improvement can be expected.
Examples of the filtration membrane include an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane, and a reverse osmosis membrane (Reverse Osmosis membrane: RO membrane).
限外濾過膜は、一般に100nm以下1nm以上の細孔をもつ濾過膜であり、飲料水や半導体用の超純水、食品や化粧品の製造工程等に広く用いられ、個別化医療のためのバイオ医薬品の製造あるいは人工透析用のフィルターなどにも用いられている。
また、ナノ濾過膜は2nm未満の細孔をもち、飲料水の精製や多価イオンの除去による軟水化に利用されている。
更に、逆浸透膜は、細孔の大きさが0.5nm以下であり、ナトリウムなどの小さなイオンを除去することができる。
これらの膜は、今日、海水淡水化に幅広く用いられている。また、逆浸透膜は、将来の浸透圧発電用の膜としても期待されている。
An ultrafiltration membrane is generally a filtration membrane having pores of 100 nm or less and 1 nm or more, and is widely used in the manufacturing process of drinking water, ultrapure water for semiconductors, foods and cosmetics, etc. It is also used in the manufacture of pharmaceuticals or filters for artificial dialysis.
The nanofiltration membrane has pores of less than 2 nm and is used for softening water by purifying drinking water and removing multivalent ions.
Further, the reverse osmosis membrane has a pore size of 0.5 nm or less and can remove small ions such as sodium.
These membranes are widely used today for seawater desalination. The reverse osmosis membrane is also expected as a membrane for future osmotic pressure power generation.
逆浸透膜は、1960年代に酢酸セルロース膜により実用化され、現在では、1970年前後に開発された架橋ポリアミド膜が主流になっている。架橋ポリアミド膜を用いた逆浸透膜の製造プロセスにも改良が進められ、濾過速度、耐久性などの性能が著しく向上したためである。
最近の架橋ポリアミド膜では、数10ナノメートルの薄さの膜が形成されており、10気圧前後の圧力差でも50L/m2h程度の流束で99%以上の塩化ナトリウムを除去することができる。
Reverse osmosis membranes were put to practical use by cellulose acetate membranes in the 1960s, and at present, crosslinked polyamide membranes developed around 1970 have become mainstream. This is because the process for producing a reverse osmosis membrane using a crosslinked polyamide membrane has been improved, and performances such as filtration speed and durability have been remarkably improved.
In recent crosslinked polyamide membranes, a thin film of several tens of nanometers is formed, and 99% or more of sodium chloride can be removed with a flux of about 50 L / m 2 h even at a pressure difference of about 10 atmospheres. it can.
一方、ナノカーボン膜による逆浸透膜は、1970年代に多くの研究が実施された。例えば、1970年代のナノカーボン膜の研究として、HollahanとWydevenの論文がある(非特許文献1)。
非特許文献1には、25nmの平均細孔径をもつ高分子フィルター(限外濾過膜)上にポリアリルアミンをプラズマ重合することで、800nmから1600nmの厚みのカーボン膜を作製したこと、及び、逆浸透膜の性能評価により、この膜が40気圧の圧力差で約10L/m2hの流束で塩化ナトリウムを90%以上除去できる性能を有することが記載されている。
On the other hand, many researches on reverse osmosis membranes using nanocarbon membranes were conducted in the 1970s. For example, as research on nanocarbon films in the 1970s, there is a paper by Hollahan and Wydeven (Non-Patent Document 1).
Non-Patent Document 1 discloses that a carbon film having a thickness of 800 nm to 1600 nm was produced by plasma polymerization of polyallylamine on a polymer filter (ultrafiltration membrane) having an average pore diameter of 25 nm, and vice versa. According to the performance evaluation of the osmotic membrane, it is described that this membrane has a performance capable of removing 90% or more of sodium chloride with a flux of about 10 L / m 2 h at a pressure difference of 40 atm.
また、別のナノカーボン膜の研究として、YasudaとLamazeの論文がある(非特許文献2)。
非特許文献2には、上記と同様な25nmの孔をもつ高分子フィルター(限外濾過膜)の上に、プラズマ重合により、4−ビニルピリジンを蒸着し、100nmより厚いカーボン膜を形成したこと、及び、逆浸透膜の性能評価により、この膜が81気圧の圧力差で65L/m2hの流束で塩化ナトリウムを99%除去できる性能を有することが記載されている。
なお、このYasudaらの研究では、カーボン膜の堆積量を重さで記載しており、密度を1g/cm3と仮定すると、100nm以下の極薄のカーボン膜は形成されていない。
As another research on nanocarbon films, there is a paper by Yasuda and Lamaze (Non-Patent Document 2).
In Non-Patent Document 2, 4-vinylpyridine was vapor-deposited by plasma polymerization on a polymer filter (ultrafiltration membrane) having 25 nm pores similar to the above to form a carbon film thicker than 100 nm. According to the performance evaluation of a reverse osmosis membrane, it is described that this membrane has a performance capable of removing 99% of sodium chloride with a flux of 65 L / m 2 h at a pressure difference of 81 atm.
In this research by Yasuda et al., The amount of carbon film deposited is described in terms of weight, and assuming that the density is 1 g / cm 3 , an ultrathin carbon film of 100 nm or less is not formed.
しかし、ナノカーボン膜を用いた研究は実用化に至らなかった。これは、架橋ポリアミド膜に対し、優位性が示せなかったことによる。その結果、ナノカーボン膜の分離膜への応用は、久しく注目されることがなかった。 However, research using nanocarbon films has not been put to practical use. This is because the superiority was not shown over the crosslinked polyamide film. As a result, the application of nanocarbon membranes to separation membranes has not received much attention for a long time.
なお、ナノカーボン膜のうち100nm以下の膜厚の極薄のカーボン膜を製造することは、技術的には容易である。例えば、高周波やマイクロ波を使ったプラズマCVD(またはプラズマ重合)法では、膜厚が10ナノメートル程度のナノカーボン膜が製造されており、PVD法でも極薄のナノカーボン膜を作製できる。 In addition, it is technically easy to manufacture an extremely thin carbon film having a thickness of 100 nm or less among the nanocarbon films. For example, in a plasma CVD (or plasma polymerization) method using high frequency or microwave, a nanocarbon film having a thickness of about 10 nanometers is manufactured, and an ultrathin nanocarbon film can also be manufactured by a PVD method.
しかし、濾過膜に求められる性能は、極薄であるだけでなく、膜の力学的な強度、高い細孔率と溶質分子(またはイオン)に対する高い阻止性能が要求され、これらを全て満足することは容易ではない。
溶質分子(またはイオン)を効率的に阻止するには、カーボン膜の内部に阻止すべき分子(またはイオン)と同じスケールの細孔を構築する必要があるが、このような構造の膜を極薄にすると、丈夫なカーボン膜であっても、力学的強度が期待できなくなるという問題があった。
なお、液体の透過速度(流束)は、カーボン膜の厚みに反比例して大きくなるので、極薄のカーボン膜とした場合、上記問題はより大きな問題となった。
また、以前の研究では、1μm程度の孔をもつ精密濾過膜の上には均質なナノカーボン膜を「自立膜」として製造することができなかった。
However, the performance required for filtration membranes is not only extremely thin, but also requires the mechanical strength of the membrane, high porosity and high blocking performance against solute molecules (or ions), all of which must be satisfied. Is not easy.
In order to effectively block solute molecules (or ions), it is necessary to build pores of the same scale as the molecules (or ions) to be blocked inside the carbon film. When it is made thin, there is a problem that even if it is a strong carbon film, mechanical strength cannot be expected.
Note that the permeation rate (flux) of the liquid increases in inverse proportion to the thickness of the carbon film. Therefore, when the carbon film is extremely thin, the above problem becomes a larger problem.
In previous studies, a homogeneous nanocarbon membrane could not be produced as a “self-supporting membrane” on a microfiltration membrane having pores of about 1 μm.
本発明は、濾過速度が速くかつ耐久性が高い限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜であって、極薄であるが、力学的強度が高いナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜を提供することを課題とする。 The present invention is a membrane that can be used for ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes or reverse osmosis membranes having a high filtration rate and high durability, and is a very thin but high mechanical strength nanocarbon membrane. It is an object to provide a method and a nanocarbon film.
本研究者らは、濾過速度が速くかつ耐久性が高いナノカーボン膜を製造するために、試行錯誤を繰り返した。そして、高い圧力に耐えうるような裏打ち構造をもたせること、即ち、平滑な表面をもつ極薄の多孔性カーボン膜の片面をネットワーク状のカーボンファイバーで裏打して強化することにより、優れた濾過性能と力学的強度が両立することを見出した。このような構造のナノカーボン膜は、極細のナノファイバーからなる不織布(犠牲膜)上に製膜することにより形成可能であった。本方法により、全体の膜厚が100nm以下の極薄であるが、力学的強度が高いナノカーボン膜を製造することに成功した。 The researchers repeated trial and error to produce nanocarbon membranes with high filtration speed and high durability. Excellent filtration performance by providing a backing structure that can withstand high pressures, that is, by lining one side of a very thin porous carbon membrane with a smooth surface with a network of carbon fibers And mechanical strength were found to be compatible. The nanocarbon film having such a structure could be formed by forming a film on a nonwoven fabric (sacrificial film) made of ultrafine nanofibers. This method succeeded in producing a nanocarbon film having an overall thin film thickness of 100 nm or less but high mechanical strength.
この膜は、濾過速度が速くかつ耐久性が高い濾過膜として利用できることを見出した。
また、ナノカーボン膜の原料の種類や製膜条件を変えることで、限外濾過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜(RO膜)等に利用できることを見出した。
更に、このようなナノカーボン膜を自立膜として、細孔率が大きい精密濾過膜(一般にサブミクロンの細孔をもつ)の上に形成すると、更に実用に適した高透過性の限外濾過膜、ナノ濾過膜、あるいは逆浸透膜となることを見出した。
本発明は、以下の構成を有する。
It has been found that this membrane can be used as a filtration membrane having a high filtration rate and high durability.
Moreover, it discovered that it could utilize for an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane, a reverse osmosis membrane (RO membrane) etc. by changing the kind of raw material of a nanocarbon membrane, and film-forming conditions.
Furthermore, when such a nanocarbon membrane is used as a self-supporting membrane and formed on a microfiltration membrane (generally having submicron pores) having a large porosity, a highly permeable ultrafiltration membrane suitable for practical use. It was found to be a nanofiltration membrane or a reverse osmosis membrane.
The present invention has the following configuration.
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、濾過法により、精密濾過膜上にナノファイバーからなる犠牲膜を形成する工程と、高周波プラズマ法により、前記ナノファイバーの隙間にカーボンが充填したカーボン充填層を形成してから、前記犠牲膜を覆うように平坦な面を有するカーボン平坦膜を製膜する工程と、酸又はアルカリ溶液により、前記カーボン充填層の前記ナノファイバーを除去して網目状の空洞部を有するカーボン裏打ち層を形成することで、前記カーボン平坦膜と前記裏打ち層とからなり、膜厚が100nm以下のナノカーボン膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a nanocarbon membrane of the present invention includes a step of forming a sacrificial membrane made of nanofibers on a microfiltration membrane by a filtration method, and a carbon-filled layer in which carbon is filled in the gaps of the nanofibers by a high-frequency plasma method. Forming a carbon flat film having a flat surface so as to cover the sacrificial film, and removing the nanofibers of the carbon-filled layer with an acid or alkali solution to form a network-like cavity Forming a carbon backing layer having a portion to form a nanocarbon film having a film thickness of 100 nm or less, comprising the carbon flat film and the backing layer.
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、前記高周波プラズマ法が、チャンバーの内部に、常温における蒸気圧が8Pa以上である有機化合物を含むガスを流通させた状態で、高周波プラズマを発生させてカーボン膜を製膜する方法であることが好ましい。 In the method for producing a nanocarbon film of the present invention, the high frequency plasma method generates carbon plasma by generating a high frequency plasma in a state where a gas containing an organic compound having a vapor pressure of 8 Pa or more at room temperature is circulated inside the chamber. A method of forming a film is preferred.
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、前記有機化合物が、アセチレン、ブタジエン、ピリジン、ベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサメチルジシロキサン、4−ビニルピリジン、プロピルアミン、アリルアミンの群から選ばれる一の有機化合物であることが好ましい。 In the method for producing a nanocarbon film of the present invention, the organic compound is selected from the group consisting of acetylene, butadiene, pyridine, benzene, hexafluorobenzene, cyclohexane, hexamethyldisiloxane, 4-vinylpyridine, propylamine, and allylamine. It is preferable that it is an organic compound.
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、前記ナノファイバーの径が10nm以下であることが好ましい。
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、前記ナノファイバーがナノストランドであることが好ましい。
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、前記ナノストランドからなる前記犠牲膜に有機塩の水溶液を通過させ、中真空下における前記ナノストランドの安定性を向上させることが好ましい。
In the method for producing a nanocarbon film of the present invention, the diameter of the nanofiber is preferably 10 nm or less.
In the method for producing a nanocarbon film of the present invention, the nanofiber is preferably a nanostrand.
In the method for producing a nanocarbon film of the present invention, it is preferable that an aqueous solution of an organic salt is passed through the sacrificial film made of the nanostrand to improve the stability of the nanostrand under a medium vacuum.
本発明のナノカーボン膜は、一面側と他面側とを貫通する孔部を有し、平坦な面を有するカーボン平坦膜と、前記カーボン平坦膜の他面側に形成され、網目状の空洞部を有する裏打ち層とからなる膜であって、膜厚が100nm以下の膜であることを特徴とする。 The nanocarbon film of the present invention has a hole penetrating one surface side and the other surface side, and is formed on the other surface side of the carbon flat film having a flat surface and a mesh-like cavity. A film having a thickness of 100 nm or less.
本発明のナノカーボン膜は、前記孔部の径が5nm以下とされていることが好ましい。
本発明のナノカーボン膜は、前記カーボン平坦膜の開孔面積率が1%以上とされていることが好ましく、3%以上とされていることがより好ましい。
本発明のナノカーボン膜は、前記空洞部の径が10nm以下であることが好ましい。
In the nanocarbon film of the present invention, the pore diameter is preferably 5 nm or less.
In the nanocarbon film of the present invention, the pore area ratio of the carbon flat film is preferably 1% or more, and more preferably 3% or more.
In the nanocarbon film of the present invention, the diameter of the cavity is preferably 10 nm or less.
本発明のナノカーボン膜は、精密濾過膜の一面側に形成されていることが好ましい。 The nanocarbon membrane of the present invention is preferably formed on one side of the microfiltration membrane.
本発明のナノカーボン膜の製造方法は、濾過法により、精密濾過膜上にナノファイバーからなる犠牲膜を形成する工程と、高周波プラズマ法により、前記ナノファイバーの隙間にカーボンが充填したカーボン充填層を形成してから、前記犠牲膜を覆うように平坦な面を有するカーボン平坦膜を製膜する工程と、酸又はアルカリ溶液により、前記カーボン充填層の前記ナノファイバーを除去して網目状の空洞部を有するカーボン裏打ち層を形成することで、前記カーボン平坦膜と前記裏打ち層とからなり、膜厚が100nm以下のナノカーボン膜を形成する工程と、を有する構成なので、1μm程度の孔をもつ精密濾過膜上にも、犠牲膜を介して、均質で極薄なカーボン膜を「自立膜」として製造することができる。また、ナノストランドのようなナノファイバーからなる平滑な不織布を犠牲膜として利用することにより、前記犠牲膜上に平坦で均質なカーボン膜を「自立膜」として製造することができる。また、前記犠牲膜のナノファイバーの隙間にカーボンを入り込ませて、前記カーボン膜の他面側に裏打ち層を形成することにより、カーボン膜の力学的強度を高めることができ、濾過膜の耐久性を向上させることができる。また、溶解除去により、容易に、裏打ち層を形成することができる。さらに、本発明のナノカーボン膜は、精密濾過膜上に形成してそのまま分離膜として利用可能であるが、ナノファイバーを溶解除去する際に、前記精密濾過膜から分離して、他の多孔性の物質の上に移すことも可能である。以上の構成により、濾過速度が速くかつ耐久性が高く、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜であって、極薄であるが、力学的強度が高いナノカーボン膜の製造方法を提供することができる。 The method for producing a nanocarbon membrane of the present invention includes a step of forming a sacrificial membrane made of nanofibers on a microfiltration membrane by a filtration method, and a carbon-filled layer in which carbon is filled in the gaps of the nanofibers by a high-frequency plasma method. Forming a carbon flat film having a flat surface so as to cover the sacrificial film, and removing the nanofibers of the carbon-filled layer with an acid or alkali solution to form a network-like cavity Forming a carbon backing layer having a portion and forming a nanocarbon film having a film thickness of 100 nm or less, comprising the carbon flat film and the backing layer, and has a hole of about 1 μm. A homogeneous and extremely thin carbon film can be produced as a “self-supporting film” on the microfiltration membrane via a sacrificial film. Further, by using a smooth nonwoven fabric made of nanofibers such as nanostrands as a sacrificial film, a flat and homogeneous carbon film can be produced as a “self-supporting film” on the sacrificial film. In addition, by inserting carbon into the gap between the nanofibers of the sacrificial membrane and forming a backing layer on the other side of the carbon membrane, the mechanical strength of the carbon membrane can be increased, and the durability of the filtration membrane Can be improved. Further, the backing layer can be easily formed by dissolution and removal. Furthermore, the nanocarbon membrane of the present invention can be formed on a microfiltration membrane and used as it is as a separation membrane. However, when the nanofibers are dissolved and removed, the nanocarbon membrane is separated from the microfiltration membrane to obtain other porous materials. It is also possible to transfer it onto other materials. With the above configuration, the nanocarbon membrane has a high filtration rate and high durability, and can be used as an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane or a reverse osmosis membrane, and is extremely thin but has high mechanical strength. The manufacturing method of can be provided.
本発明のナノカーボン膜は、一面側と他面側とを貫通する孔部を有し、平坦な面を有するカーボン平坦膜と、前記カーボン平坦膜の他面側に形成され、網目状の空洞部を有する裏打ち層とからなる構成であり、膜厚が100nm以下の膜であるので、濾過速度が速い濾過膜に利用することができる。前記カーボン平坦膜の他面側に前記裏打ち層を備えることにより、前記カーボン平坦膜の力学的強度を高めて、耐久性が高い濾過膜に利用することができる。更に、前記孔部の大きさを種々設定することにより、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜とすることができる。 The nanocarbon film of the present invention has a hole penetrating one surface side and the other surface side, and is formed on the other surface side of the carbon flat film having a flat surface and a mesh-like cavity. Since the film has a thickness of 100 nm or less, it can be used for a filtration membrane having a high filtration rate. By providing the backing layer on the other surface side of the carbon flat membrane, the mechanical strength of the carbon flat membrane can be increased and used for a highly durable filtration membrane. Furthermore, by setting the size of the pores in various ways, the membrane can be used as an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane, or a reverse osmosis membrane.
(本発明の実施形態)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜を説明する。
図1は、本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法の一例を示すフローチャートである。図1に示すように、本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、犠牲膜製膜工程S1と、カーボン膜製膜工程S2と、犠牲膜除去工程S3と、を有する。
(Embodiment of the present invention)
Hereinafter, a method for producing a nanocarbon film and a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the method for producing a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention includes a sacrificial film forming step S1, a carbon film forming step S2, and a sacrificial film removing step S3.
(犠牲膜製膜工程S1)
まず、ナノファイバーを含む溶液を調製する。ナノファイバーは溶液中に高度に分散している。
次に、図2(a)に示すように、吸引瓶33に円板状の精密濾過膜2を挟み込んだ漏斗34を取り付け、ビーカー31から漏斗34にナノファイバーを含む溶液32を注いでこれを濾過する。
(Sacrificial film forming step S1)
First, a solution containing nanofibers is prepared. Nanofibers are highly dispersed in solution.
Next, as shown in FIG. 2 (a), a funnel 34 having a disk-shaped microfiltration membrane 2 sandwiched in a suction bottle 33 is attached, and a solution 32 containing nanofibers is poured from a beaker 31 into the funnel 34. Filter.
図2(b)は、前記濾過により精密濾過膜2上に形成された犠牲膜3の一例を示す図であり、平滑で円板状の犠牲膜3が精密濾過膜2上に形成されている。
犠牲膜3は、繊維状のナノファイバーが集積されてなる。
FIG. 2B is a diagram showing an example of the sacrificial film 3 formed on the microfiltration membrane 2 by the filtration, and a smooth and disc-shaped sacrificial film 3 is formed on the microfiltration membrane 2. .
The sacrificial film 3 is formed by integrating fibrous nanofibers.
犠牲膜3の厚みは、20nm以上1000nm以下の範囲とすることが好ましい。犠牲膜3の厚みを1000nmより厚くした場合には、犠牲膜3の乾燥工程の際、犠牲膜3の表面にひび割れが生じやすくなる。逆に、犠牲膜3の厚みを20nmより薄くした場合は、精密濾過膜2の孔を一様に覆うことが困難になる。
ナノファイバーとして、例えば、水酸化カドミウムのナノストランドを用いる場合には、犠牲膜3の厚みを100nm程度とすることが好ましい。
The thickness of the sacrificial film 3 is preferably in the range of 20 nm to 1000 nm. If the thickness of the sacrificial film 3 is greater than 1000 nm, the surface of the sacrificial film 3 is likely to crack during the drying process of the sacrificial film 3. On the contrary, when the thickness of the sacrificial film 3 is made thinner than 20 nm, it is difficult to uniformly cover the holes of the microfiltration membrane 2.
For example, when cadmium hydroxide nanostrands are used as the nanofibers, the thickness of the sacrificial film 3 is preferably about 100 nm.
精密濾過膜2としては、ナノファイバーを阻止して濾過できるサイズの孔をもつものであれば良い。
精密濾過膜2の孔の径は、50nmから数μmの範囲とすることが好ましい。また、精密濾過膜2における表面の孔の面積(開孔面積率:細孔率)は10%以上が好ましい。開孔面積率を10%以上とすることにより、濾過工程を短時間で実施することができる。
The microfiltration membrane 2 may be any one having pores of a size that can be filtered by blocking nanofibers.
The pore diameter of the microfiltration membrane 2 is preferably in the range of 50 nm to several μm. Further, the area of pores on the surface of the microfiltration membrane 2 (open area ratio: porosity) is preferably 10% or more. By setting the aperture area ratio to 10% or more, the filtration step can be performed in a short time.
精密濾過膜2として、例えば、膜面の垂直方向に貫通し、直径100nm程度の孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナ膜を用いることができる。
アルミナ膜は剛直であるので、後述するカーボン膜製膜工程S2でアルミナ膜上に犠牲膜3を介してカーボン膜を製膜した場合でも、アルミナ膜の反りを抑制して、カーボン膜の平坦性を維持することができる。
As the microfiltration membrane 2, for example, an anodized porous alumina membrane that penetrates in the direction perpendicular to the membrane surface and has a hole with a diameter of about 100 nm can be used.
Since the alumina film is rigid, even when the carbon film is formed on the alumina film via the sacrificial film 3 in the carbon film forming step S2 described later, the warp of the alumina film is suppressed and the flatness of the carbon film is achieved. Can be maintained.
なお、剛直性を有する高分子であれば、高分子の精密濾過膜を用いてもよい。高分子の精密濾過膜としては、例えば、サブミクロンサイズの孔をもつポリカーボネート製のメンブランフィルターを挙げることができる。
また、剛直性を有する素材で補強することにより、カーボン膜の反りを防止してもよい。例えば、別の精密濾過膜を重ねて用いてもよい。
As long as the polymer has rigidity, a polymer microfiltration membrane may be used. Examples of the polymer microfiltration membrane include a polycarbonate membrane filter having submicron pores.
Further, the carbon film may be prevented from warping by being reinforced with a material having rigidity. For example, another microfiltration membrane may be used in an overlapping manner.
前記ナノファイバーは、直径が10nm以下であるものが好ましい。前記ナノファイバーの径を10nm以下とすることにより、ナノファイバーからなる犠牲膜3に平坦な面を形成することができ、後述するカーボン膜製膜工程S2で犠牲膜3上にカーボン膜を形成したときに、当該カーボン膜の平坦性を向上させることができる。 The nanofibers preferably have a diameter of 10 nm or less. By making the diameter of the nanofibers 10 nm or less, a flat surface can be formed on the sacrificial film 3 made of nanofibers, and a carbon film was formed on the sacrificial film 3 in the carbon film forming step S2 described later. Sometimes the flatness of the carbon film can be improved.
前記ナノファイバーの長さは、精密濾過膜2の孔の径の2倍以上とすることが好ましい。例えば、精密濾過膜2の孔の径が1μm以下であれは、ナノファイバーの長さは2μm以上とすることが好ましく、数十μm以上とすることがより好ましい。
精密濾過膜2の孔の径と同程度の長さのナノファイバーを用いた場合でも、精密濾過膜2上に犠牲膜3を形成できる。しかし、この場合、ナノファイバーの大部分が精密濾過膜2を通過してしまうので、犠牲膜3を形成するのに大量のナノファイバー溶液を必要とする。
The length of the nanofiber is preferably at least twice the diameter of the pores of the microfiltration membrane 2. For example, when the pore diameter of the microfiltration membrane 2 is 1 μm or less, the length of the nanofiber is preferably 2 μm or more, and more preferably several tens of μm or more.
The sacrificial membrane 3 can be formed on the microfiltration membrane 2 even when nanofibers having the same length as the pore diameter of the microfiltration membrane 2 are used. However, in this case, since most of the nanofibers pass through the microfiltration membrane 2, a large amount of nanofiber solution is required to form the sacrificial membrane 3.
また、前記ナノファイバーは、酸やアルカリの水溶液に溶解可能なものが好ましい。これにより、後述する犠牲膜除去工程S3で、犠牲膜3を容易に溶解除去することができ、必要に応じて、ナノカーボン膜を単体で分離し、他の多孔性の物質の上に容易に移すことができる。 The nanofiber is preferably soluble in an aqueous solution of acid or alkali. Thereby, the sacrificial film 3 can be easily dissolved and removed in the sacrificial film removing step S3 described later. If necessary, the nanocarbon film can be separated as a single unit and easily on other porous materials. Can be moved.
前記ナノファイバーとして、例えば、金属水酸化物のナノストランドを用いることができる。
ナノストランドとは、金属塩の希薄な水溶液にアルカリを加えることで形成されるナノファイバーであり、その表面が高度に正に荷電しているため、水に分散して存在する。
ナノストランドは、正に荷電したナノファイバーとして既に権利化されている(特許文献1)。例えば、特許文献1は、金属酸化物ナノファイバー及びその製造方法に関するものであり、概ナノファイバーを用いたナノ複合材料、及び、著しく正に荷電した極細のナノファイバーであるナノストランドが記載されている。
As the nanofiber, for example, a metal hydroxide nanostrand can be used.
A nanostrand is a nanofiber formed by adding an alkali to a dilute aqueous solution of a metal salt, and its surface is highly positively charged, so that it exists dispersed in water.
Nanostrands have already been granted as positively charged nanofibers (Patent Document 1). For example, Patent Document 1 relates to a metal oxide nanofiber and a method for producing the same, and describes a nanocomposite using nanofibers and nanostrands that are extremely positively charged ultrafine nanofibers. Yes.
前記ナノストランドとしては、具体的には、水酸化カドミウム(Cd(OH)2)、水酸化亜鉛(Zn(OH)2)、水酸化銅(Cu(OH)2)等のナノストランドを挙げることができる。これらは、数nm以下の直径で、数十μmに達するナノストランドとすることができるとともに、酸で容易に分解することができる。また、これらの金属水酸化物は、中性付近のpH条件下で形成することができる。 Specific examples of the nanostrand include nanostrands such as cadmium hydroxide (Cd (OH) 2 ), zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ), and copper hydroxide (Cu (OH) 2 ). Can do. These can be nanostrands having a diameter of several nanometers or less and reaching several tens of micrometers, and can be easily decomposed with an acid. Moreover, these metal hydroxides can be formed under pH conditions near neutrality.
ナノストランドを含む溶液32としては、ナノストランドの調製に用いた水溶液が好ましく、例えば、水酸化カドミウム、水酸化銅又は水酸化亜鉛のナノストランドの水溶液を挙げることができる。 The solution 32 containing nanostrands is preferably an aqueous solution used for the preparation of nanostrands, and examples thereof include an aqueous solution of nanostrands of cadmium hydroxide, copper hydroxide, or zinc hydroxide.
また、ナノストランドの犠牲膜3は、形成後直ちに、有機塩の水溶液を通過させることが好ましい。例えば、犠牲膜3でパラスチレンスルホン酸ナトリウム塩(PSS−Na)の水溶液の濾過を行う。
ナノストランドからなる犠牲膜(不織布)は、高周波プラズマ法によるカーボン膜製膜工程において、中真空下(100Pa〜0.1Pa)に置かれる。このような減圧下に長時間放置すると、ナノストランドの一部が分解し、極薄のカーボン膜を製膜する場合の欠陥の原因になる。しかし、PSS−Naのようなアニオン性の有機分子の水溶液を犠牲膜3で濾過することにより、ナノストランド表面に負に荷電したPSS−Naを吸着させておくと、ナノストランドを中真空下で安定化することができる。これにより、犠牲膜3の乾燥工程における表面の損傷(ひび割れなど)を防ぐことができる。
ナノストランドの表面は、著しく正に荷電しており、PSS−Naのようなアニオン性の有機分子の水溶液を濾過する過程で、前記有機分子を静電的に吸着する。
一方、ナノストランドは、高温多湿の環境に弱く、高湿度の環境で放置すると、一部が分解して結晶を析出する。しかし、アニオン性の有機分子を静電的に吸着させておくと、結晶の析出を防ぐこともできる。
The nanostrand sacrificial film 3 is preferably passed through an aqueous organic salt solution immediately after formation. For example, an aqueous solution of parastyrene sulfonic acid sodium salt (PSS-Na) is filtered by the sacrificial film 3.
A sacrificial film (nonwoven fabric) made of nanostrands is placed under medium vacuum (100 Pa to 0.1 Pa) in a carbon film forming process using a high-frequency plasma method. If left under such a reduced pressure for a long time, a part of the nanostrand is decomposed, which causes a defect when an extremely thin carbon film is formed. However, by filtering an aqueous solution of anionic organic molecules such as PSS-Na through the sacrificial film 3, if the negatively charged PSS-Na is adsorbed on the nanostrand surface, the nanostrand is removed under medium vacuum. Can be stabilized. Thereby, the damage (cracking etc.) of the surface in the drying process of the sacrificial film 3 can be prevented.
The surface of the nanostrand is extremely positively charged, and electrostatically adsorbs the organic molecules in the process of filtering an aqueous solution of anionic organic molecules such as PSS-Na.
On the other hand, nanostrands are weak in high-temperature and high-humidity environments, and when left in a high-humidity environment, some of them are decomposed to precipitate crystals. However, if anionic organic molecules are electrostatically adsorbed, crystal precipitation can be prevented.
(カーボン膜製膜工程S2)
次に、高周波プラズマ法によるカーボン膜の製造について説明する。
図3は、高周波プラズマ装置40の概略図である。
図3に示すように、高周波プラズマ装置40は、チャンバー41と、配管46、47と、電極部42a、42bと、ガス導入管43と、を有して概略構成されている。
なお、上下の電極部42a、42bは、一対の電極部として機能し、その間に電界を印加できる構成とされている。下の電極部42bは、基板を保持する機能を併せ持つ。
配管46は、ガス供給部(図示略)に接続されており、ガス供給部に貯蔵されたガスG1をチャンバー41内に導入するガス導入管として用いられる。
配管47は、真空ポンプ(図示略)と接続されており、チャンバー41内を所定の真空度に減圧可能とするとともに、チャンバー41内に導入したガスG1を排出するガス排出管として用いられている。
(Carbon film forming step S2)
Next, the production of the carbon film by the high frequency plasma method will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram of the high-frequency plasma apparatus 40.
As shown in FIG. 3, the high-frequency plasma apparatus 40 is schematically configured to include a chamber 41, pipes 46 and 47, electrode portions 42 a and 42 b, and a gas introduction pipe 43.
The upper and lower electrode portions 42a and 42b function as a pair of electrode portions, and an electric field can be applied between them. The lower electrode portion 42b also has a function of holding the substrate.
The pipe 46 is connected to a gas supply unit (not shown), and is used as a gas introduction pipe for introducing the gas G 1 stored in the gas supply unit into the chamber 41.
The pipe 47 is connected to a vacuum pump (not shown), and can reduce the pressure in the chamber 41 to a predetermined degree of vacuum, and is used as a gas discharge pipe for discharging the gas G 1 introduced into the chamber 41. Yes.
まず、図3に示すように、チャンバー41の内部に、犠牲膜3の一面3aをガスの噴出口43aに向けるように、犠牲膜3を形成した精密濾過膜2からなる基板39を下の電極部42bに取り付ける。
次に、チャンバー41の内部を所定の真空度まで減圧する。
次に、ガス供給部から有機化合物を含んだガスG1をチャンバー41の内部に導入する。
First, as shown in FIG. 3, a substrate 39 made of a microfiltration membrane 2 on which a sacrificial film 3 is formed is placed inside a chamber 41 so that one surface 3a of the sacrificial film 3 faces a gas outlet 43a. It attaches to the part 42b.
Next, the inside of the chamber 41 is depressurized to a predetermined degree of vacuum.
Next, a gas G 1 containing an organic compound is introduced into the chamber 41 from the gas supply unit.
前記有機化合物は、室温の前後10℃の範囲内における蒸気圧が8Pa以上である有機化合物であることが好ましい。
前記有機化合物は、炭化水素だけでなく、酸素、窒素、硅素、リン、ホウ素、その他の元素を含むものであってよい。
前記有機化合物としては、特に限定する訳ではないが、例えば、アセチレン、ブタジエン、ピリジン、ベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサメチルジシロキサン、4−ビニルピリジン、プロピルアミン、アリルアミンの群から選ばれる一の有機化合物を挙げることができる。
The organic compound is preferably an organic compound having a vapor pressure of 8 Pa or more in a range of 10 ° C. before and after room temperature.
The organic compound may contain not only hydrocarbons but also oxygen, nitrogen, silicon, phosphorus, boron, and other elements.
The organic compound is not particularly limited. For example, the organic compound is selected from the group consisting of acetylene, butadiene, pyridine, benzene, hexafluorobenzene, cyclohexane, hexamethyldisiloxane, 4-vinylpyridine, propylamine, and allylamine. The organic compound can be mentioned.
前記有機化合物はガス状態とした後、単体のガスとしてチャンバー41内に導入してもよく、また、他の有機化合物や不活性ガスとの混合ガスとしてチャンバー41内に導入してもよい。例えば、アセチレンやブタジエンなどの反応性が高いガスはアルゴンガスと混合して導入することが好ましい。
なお、ヘキサメチルジシロキサンなどの沸点が比較的高い液体を用いる場合、チャンバー41の外部に前記液体をガス化するための減圧容器を設け、前記減圧容器で圧力8Pa以上のガスとしてからチャンバー41内に導入してもよい。
The organic compound may be introduced into the chamber 41 as a single gas after being in a gas state, or may be introduced into the chamber 41 as a mixed gas with other organic compound or inert gas. For example, a highly reactive gas such as acetylene or butadiene is preferably introduced by mixing with an argon gas.
When a liquid having a relatively high boiling point, such as hexamethyldisiloxane, is used, a decompression container for gasifying the liquid is provided outside the chamber 41, and the pressure inside the chamber 41 is increased to 8 Pa or more in the decompression container. May be introduced.
次に、チャンバー41の内部に、有機化合物を含むガスG1を流通させた状態で、上下の電極部42a、42bの間に電界を印加することにより、電極部42a、42bの間に高周波プラズマ48を発生させる。
製膜条件は、特に限定する訳ではないが、例えば、基板温度−20〜30℃、出力2〜100W、圧力1〜8Pa、製膜時間1〜120秒の範囲とする。前記製膜条件とすることにより、有機化合物を含むガスG1をプラズマ化することができる。
所定の時間、犠牲膜3の一面3aに接触するように高周波プラズマ48を保持することにより、犠牲膜3の一面3a側に、カーボン膜を製膜することができる。
Then, into the chamber 41, while being circulated gas G 1 containing an organic compound, the upper and lower electrode portions 42a, by applying an electric field between the 42b, the high-frequency plasma between the electrode portions 42a, 42b 48 is generated.
The film forming conditions are not particularly limited, but for example, the substrate temperature is −20 to 30 ° C., the output is 2 to 100 W, the pressure is 1 to 8 Pa, and the film forming time is 1 to 120 seconds. With the film forming conditions, it is possible to plasma gas G 1 containing an organic compound.
By holding the high-frequency plasma 48 so as to be in contact with the one surface 3a of the sacrificial film 3 for a predetermined time, a carbon film can be formed on the one surface 3a side of the sacrificial film 3.
カーボン膜の形成は、より詳細には、次のような過程で形成される。
まず、高周波プラズマ48におけるプラズマ化したカーボン等は、犠牲膜3のナノファイバーの隙間(空隙部)に入り込む。犠牲膜3は、繊維状のナノファイバーがネットワーク状に集積されてなり、ナノファイバーの間には隙間(空隙部)が存在するためである。
ナノファイバーの集積度に応じて、プラズマ化したカーボン等が入り込む深さは変動する。ナノファイバーの集積度が低い場合や、犠牲膜3の膜厚が薄い場合には、犠牲膜3全体を充填するように、プラズマ化したカーボン等は入り込む。しかし、ナノファイバーの集積度が高い場合や、犠牲膜3の膜厚が厚い場合には、犠牲膜3の一面3aから一定の深さまでしか、プラズマ化したカーボン等は入り込まない。
ナノファイバーに接触したプラズマ化したカーボン等は、ナノファイバーに付着する。
More specifically, the carbon film is formed by the following process.
First, the carbonized carbon or the like in the high-frequency plasma 48 enters the gap (gap) between the nanofibers of the sacrificial film 3. This is because the sacrificial film 3 is composed of fibrous nanofibers integrated in a network, and there are gaps (voids) between the nanofibers.
Depending on the degree of integration of the nanofibers, the depth at which the carbonized carbon or the like enters varies. When the degree of nanofiber integration is low, or when the sacrificial film 3 is thin, plasmaized carbon or the like enters so as to fill the entire sacrificial film 3. However, when the degree of integration of nanofibers is high or the sacrificial film 3 is thick, carbonized carbon or the like enters only from the one surface 3a of the sacrificial film 3 to a certain depth.
Carbonized carbon or the like in contact with the nanofiber adheres to the nanofiber.
次に、各ナノファイバーを取り囲むようにプラズマ化したカーボン等が次々に付着する。各ナノファイバーの表面に付着する炭素等の量が多くなるに従い、徐々に各ナノファイバーの隙間(空隙部)が小さくなる。そして、一定時間後には、完全にナノファイバーの隙間(空隙部)がなくなる。 Next, carbon or the like that has been turned into plasma so as to surround each nanofiber adheres one after another. As the amount of carbon or the like attached to the surface of each nanofiber increases, the gap (gap) between the nanofibers gradually decreases. Then, after a certain period of time, the nanofiber gaps (voids) are completely eliminated.
完全にナノファイバーの隙間(空隙部)がなくなった後、プラズマ化したカーボン等は、主にカーボンからなる膜上に次々に堆積する。この堆積が続くことにより、主にカーボンからなる膜の膜厚が厚くなる。なお、主にカーボンからなる膜は、ナノファイバーを含まないが、プラズマ化したガスに含まれる元素(水素、窒素、硅素等)を含んでもよい。
以上の工程により、カーボン膜が形成される。
After the gaps (voids) between the nanofibers have completely disappeared, the plasmaized carbon or the like is successively deposited on a film mainly made of carbon. As this deposition continues, the film thickness mainly of carbon increases. The film mainly made of carbon does not contain nanofibers, but may contain elements (hydrogen, nitrogen, silicon, etc.) contained in the plasma gas.
A carbon film is formed by the above steps.
図4は、高周波プラズマ法により形成されたカーボン膜積層体を示す図であって、図4(a)は断面模式図であり、図4(b)は図4(a)のA部における拡大断面図である。
図4(a)に示すように、カーボン膜積層体19は、精密濾過膜2と、精密濾過膜2の一面2a上に形成された犠牲膜3と、犠牲膜3の一面3a上に形成された主にカーボンからなるカーボン平坦膜12とから概略構成されている。また、犠牲膜3は、カーボン充填層8と、カーボン未充填層9とから構成されている。
4A and 4B are diagrams showing a carbon film laminate formed by a high-frequency plasma method, in which FIG. 4A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 4B is an enlarged view of a portion A in FIG. It is sectional drawing.
As shown in FIG. 4A, the carbon film laminate 19 is formed on the microfiltration membrane 2, the sacrificial film 3 formed on the one surface 2a of the microfiltration membrane 2, and the one surface 3a of the sacrificial film 3. It is generally composed of a carbon flat film 12 mainly made of carbon. The sacrificial film 3 is composed of a carbon filled layer 8 and a carbon unfilled layer 9.
図4(b)に示すように、犠牲膜3は、繊維状の複数のナノファイバー3dが網の目状にネットワーク構造を形成してなる膜である。
そして、プラズマ化したカーボン等の充填の結果、犠牲膜3の一面3a側には、ネットワーク構造のナノファイバー3dの空隙部3eにカーボン等81が充填されたカーボン充填層8が設けられている。また、犠牲膜3の他面3b側の空隙部3eには、カーボンが充填されておらず、カーボン未充填層9とされている。
As shown in FIG. 4B, the sacrificial film 3 is a film in which a plurality of fibrous nanofibers 3d form a network structure in the form of a mesh.
As a result of filling with plasma or the like, a carbon-filled layer 8 in which the voids 3e of the nanofibers 3d having a network structure are filled with carbon or the like 81 is provided on the one surface 3a side of the sacrificial film 3. In addition, the gap 3e on the other surface 3b side of the sacrificial film 3 is not filled with carbon but is a carbon unfilled layer 9.
犠牲膜3の一面3aには、カーボン平坦膜12が形成されている。
犠牲膜3は径が10nm以下のナノファイバーからなるので、犠牲膜3の一面3aの平坦性が高く保たれている。そのため、その平坦性に依存して、犠牲膜3の一面3a上に堆積されて形成された主にカーボンからなるカーボン平坦膜12の一面12aの平坦性も高くされている。
A carbon flat film 12 is formed on one surface 3 a of the sacrificial film 3.
Since the sacrificial film 3 is made of nanofibers having a diameter of 10 nm or less, the flatness of the one surface 3a of the sacrificial film 3 is kept high. Therefore, depending on the flatness, the flatness of the one surface 12a of the carbon flat film 12 mainly made of carbon formed by being deposited on the one surface 3a of the sacrificial film 3 is also increased.
また、カーボン平坦膜12は、孔部10cを有しており、孔部10cは一面12a側からカーボン充填層8側に連通されている。 Moreover, the carbon flat film 12 has a hole 10c, and the hole 10c communicates from the one surface 12a side to the carbon filling layer 8 side.
(犠牲膜除去工程S3)
次に、犠牲膜除去工程S3について説明する。
犠牲膜除去工程S3は、酸又はアルカリ溶液により、犠牲膜3を溶解除去する工程である。例えば、カーボン膜積層体19を、所定の時間、酸又はアルカリ溶液に浮かべることにより、カーボン充填層8のナノファイバー3dを除去して網目状の空洞部を有するカーボン裏打ち層を形成することができる。また、酸又はアルカリ溶液により、前記カーボン裏打ち層を精密濾過膜2から分離することができる。
これにより、カーボン平坦膜と裏打ち層とからなり、膜厚が100nm以下のナノカーボン膜を形成することができる。
(Sacrificial film removal step S3)
Next, the sacrificial film removal step S3 will be described.
The sacrificial film removal step S3 is a step of dissolving and removing the sacrificial film 3 with an acid or alkali solution. For example, by floating the carbon film laminate 19 in an acid or alkaline solution for a predetermined time, the nanofibers 3d of the carbon filling layer 8 can be removed to form a carbon backing layer having a network-like cavity. . In addition, the carbon backing layer can be separated from the microfiltration membrane 2 with an acid or alkali solution.
Thereby, it is possible to form a nanocarbon film composed of the flat carbon film and the backing layer and having a film thickness of 100 nm or less.
図5は、本発明の実施形態であるナノカーボン膜の一例を示す図であって、図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)のB部における断面図である。
図5(a)に示すように、ナノカーボン膜10は、略円板状である。なお、複数の孔部10cを有している(図示略)。
FIG. 5 is a view showing an example of a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 5 (a) is a plan view, and FIG. 5 (b) is a cross-section at a portion B in FIG. FIG.
As shown in FIG. 5A, the nanocarbon film 10 has a substantially disc shape. In addition, it has a plurality of holes 10c (not shown).
図5(b)に示すように、ナノカーボン膜10は、カーボン平坦膜12と裏打ち層11とからなる。なお、カーボン平坦膜12はS層、裏打ち層11はN層とも呼ぶ。
ナノカーボン膜10の膜厚は、100nm以下とされている。これにより、ナノカーボン膜10を濾過膜として用いたときに、濾過速度を速くすることができる。
なお、ナノカーボン膜10の膜厚は、製膜条件により異なるが、5nm程度まで薄くすることが可能である。ナノカーボン膜10の膜厚は5nm程度まで薄くした場合、濾過速度を非常に速くすることができる。
As shown in FIG. 5B, the nanocarbon film 10 includes a carbon flat film 12 and a backing layer 11. The carbon flat film 12 is also called an S layer, and the backing layer 11 is also called an N layer.
The film thickness of the nanocarbon film 10 is 100 nm or less. Thereby, when the nanocarbon membrane 10 is used as a filtration membrane, the filtration rate can be increased.
The film thickness of the nanocarbon film 10 varies depending on the film forming conditions, but can be reduced to about 5 nm. When the film thickness of the nanocarbon film 10 is reduced to about 5 nm, the filtration rate can be made very fast.
カーボン平坦膜12は、主にカーボンからなり、一面12a、すなわち、ナノカーボン膜10の一面10aが平坦な面とされている膜である。また、その膜厚は極薄であり、少なくとも、100nm以下とされている。 The carbon flat film 12 is a film mainly made of carbon, and one surface 12a, that is, one surface 10a of the nanocarbon film 10 is a flat surface. Further, the film thickness is extremely thin and is at least 100 nm or less.
裏打ち層11は、カーボン平坦膜12の他面12b側を全面覆うように、かつ、高度の架橋構造を形成するように形成されたカーボン等81からなる。なお、カーボン等81は、プラズマ化したガスに含まれる元素(水素、窒素、硅素等)を含んでもよい。
裏打ち層11には、複数の空洞部11cが網目状に設けられている。空洞部11cは、ネットワーク状に形成されていたナノファイバー3dが溶解除去されて形成された部分であるので、ネットワーク状に設けられている。また、空洞部11cの径は、用いたナノファイバー3dの径と同じく10nm以下とされている。
なお、径の小さいナノファイバー3dを用いた場合には、径の小さい空洞部11cを有する裏打ち層11を形成することができる。
なお、孔部10cの大きさが、ナノカーボン膜10の濾過性能を制御し、空洞部11cの径がカーボン平坦膜12の濾過性能を阻害することはない。
The backing layer 11 is made of carbon or the like 81 formed so as to cover the entire other surface 12b side of the carbon flat film 12 and to form a highly crosslinked structure. Note that the carbon or the like 81 may include an element (hydrogen, nitrogen, silicon, or the like) contained in the plasma gas.
The backing layer 11 is provided with a plurality of cavities 11c in a mesh shape. The hollow part 11c is a part formed by dissolving and removing the nanofibers 3d formed in the network form, and thus is provided in the network form. Further, the diameter of the hollow portion 11c is set to 10 nm or less similarly to the diameter of the used nanofiber 3d.
In addition, when the nanofiber 3d with a small diameter is used, the backing layer 11 having the cavity 11c with a small diameter can be formed.
The size of the hole 10c controls the filtration performance of the nanocarbon membrane 10, and the diameter of the cavity 11c does not hinder the filtration performance of the carbon flat membrane 12.
裏打ち層11は、カーボン平坦膜12を裏打ちする層なので、カーボン膜の力学的強度を高めることができる。これにより、ナノカーボン膜10の濾過膜としての耐久性を向上させることができる。
具体的には、裏打ち層11を備えることにより、ナノカーボン膜10のヤング率を50〜300GPaの範囲とすることができ、30気圧以上の圧力に耐える膜とすることができる。
Since the backing layer 11 is a layer that backs the carbon flat film 12, the mechanical strength of the carbon film can be increased. Thereby, the durability of the nanocarbon membrane 10 as a filtration membrane can be improved.
Specifically, by providing the backing layer 11, the nanocarbon film 10 can have a Young's modulus in the range of 50 to 300 GPa, and can be a film that can withstand a pressure of 30 atm or more.
更に、ナノカーボン膜10は、裏打ち層11の高度の架橋構造を有するために、様々な有機溶媒(メタノール、エタノール、クロロホルム、ベンゼン、アセトニトリル、ヘキセンなど)に安定な濾過膜として利用することができ、これらの溶媒の分離に用いることができる。 Furthermore, since the nanocarbon membrane 10 has a highly crosslinked structure of the backing layer 11, it can be used as a stable filtration membrane in various organic solvents (methanol, ethanol, chloroform, benzene, acetonitrile, hexene, etc.). Can be used to separate these solvents.
図5(b)に示すように、カーボン平坦膜12は、複数の孔部10cを有している。孔部10cは、裏打ち層11に形成された孔部(主に空洞部11c)と連通しており、結果として、ナノカーボン膜10の一面10a側から他面10b側まで連通されている。孔部10cの大きさが、ナノカーボン膜10の濾過性能を制御する。
カーボン平坦膜12の開孔面積率は1%以上にすることができ、3%以上にすることもできる。開孔面積率を大きくすることにより、濾過膜として利用した場合の濾過工程を短時間で実施することができる。
As shown in FIG. 5B, the carbon flat film 12 has a plurality of holes 10c. The hole 10c communicates with a hole (mainly the cavity 11c) formed in the backing layer 11, and as a result, communicates from the one surface 10a side of the nanocarbon film 10 to the other surface 10b side. The size of the hole 10 c controls the filtration performance of the nanocarbon membrane 10.
The hole area ratio of the carbon flat film 12 can be 1% or more, and can also be 3% or more. By increasing the aperture area ratio, the filtration step when used as a filtration membrane can be carried out in a short time.
ナノカーボン膜10の孔部10cの径は、高周波プラズマ法で用いる有機化合物を種々選択することで、種々設定することができ、孔部10cの径が100nm以下1nm以上の限外濾過膜、2nm未満のナノ濾過膜、0.5nm以下のRO膜等を得ることができる。 The diameter of the hole 10c of the nanocarbon film 10 can be set variously by selecting various organic compounds used in the high-frequency plasma method. The diameter of the hole 10c is 100 nm or less, 1 nm or more, and an ultrafiltration membrane of 2 nm Less than nanofiltration membrane, 0.5 nm or less RO membrane, etc. can be obtained.
前記有機化合物としてヘキサメチルジシロキサンを用いてナノカーボン膜を形成した場合には、孔部10cの径を比較的大きくすることができる。これは、ナノカーボン膜10に導入された有機化合物の基本骨格が残っており、硅素を含んだナノカーボン膜が多孔質膜となるからである。これにより、限外濾過膜やナノ濾過膜を形成しやすい。
一方、アセチレンを用いてナノカーボン膜10を形成した場合には、ナノカーボン膜10の架橋密度を高くすることができるので、ナノ濾過膜を形成することができる。
また、プロピルアミンを用いてナノカーボン膜10を形成した場合には、緻密なナノカーボン膜が形成され、孔部10cの径を比較的小さくすることができる。このため、RO膜を形成しやすい。
When the nanocarbon film is formed using hexamethyldisiloxane as the organic compound, the diameter of the hole 10c can be made relatively large. This is because the basic skeleton of the organic compound introduced into the nanocarbon film 10 remains, and the nanocarbon film containing silicon becomes a porous film. Thereby, it is easy to form an ultrafiltration membrane or a nanofiltration membrane.
On the other hand, when the nanocarbon film 10 is formed using acetylene, the crosslink density of the nanocarbon film 10 can be increased, so that a nanofiltration membrane can be formed.
Further, when the nanocarbon film 10 is formed using propylamine, a dense nanocarbon film is formed, and the diameter of the hole 10c can be made relatively small. For this reason, it is easy to form the RO film.
また、ブタジエンを用いて製造したナノカーボン膜10では、有機溶媒(ヘキサンなど)の濾過速度を著しく大きくすることができる。一般に、本発明のナノカーボン膜は、水と比較して有機溶媒の濾過速度が著しく大きく、有機溶媒用の濾過膜としての利用に適している。 Further, in the nanocarbon film 10 manufactured using butadiene, the filtration rate of the organic solvent (hexane or the like) can be remarkably increased. In general, the nanocarbon membrane of the present invention has a remarkably large filtration rate of an organic solvent compared to water, and is suitable for use as a filtration membrane for an organic solvent.
ナノカーボン膜10の分離膜としての性能は、後処理によって更に改善することができる。具体的には、例えば、ナノカーボン膜10に熱水等を濾過することで、ナノカーボン膜10の水の透過性を向上させることが可能である。また、ナノカーボン膜10にヘキサンを透過させることで、ナノカーボン膜10のエタノールの透過性を向上させることができる。
更に、ナノカーボン膜10を酸や塩基、酸化剤などを加えた水または有機溶媒で処理することにより、ナノカーボン膜10の液体の透過性または溶質の阻止率を更に調整することができる。
The performance of the nanocarbon membrane 10 as a separation membrane can be further improved by post-processing. Specifically, for example, the water permeability of the nanocarbon film 10 can be improved by filtering hot water or the like into the nanocarbon film 10. Further, by allowing hexane to pass through the nanocarbon film 10, the ethanol permeability of the nanocarbon film 10 can be improved.
Furthermore, by treating the nanocarbon film 10 with water or an organic solvent to which an acid, a base, an oxidizing agent or the like is added, the liquid permeability or solute rejection of the nanocarbon film 10 can be further adjusted.
なお、孔の径が異なる精密濾過膜に前記種々のナノカーボン膜10を搭載することにより、更に濾過速度及び耐久性のバリエーションを変えた濾過膜とすることができる。本発明のナノカーボン膜10は、犠牲膜除去工程S3において精密濾過膜から分離し、他の精密濾過膜等の上に写しとることも可能である。しかし、ナノファイバーを溶解除去する過程でナノカーボン膜10と精密濾過膜と接着させると、精密濾過膜の一面側にナノカーボン膜10を有する分離膜をより簡便に製造できる。
本発明の実施形態であるナノカーボン膜10は、精密濾過膜2の上に「自立膜」として形成でき、また、単独でも「自立膜」としての構造安定性を有し、他の多孔性の物質の上に移すこともできる。このため、分離膜としての様々な応用が可能になる。
In addition, it can be set as the filtration membrane which changed the variation of the filtration speed and durability further by mounting the said various nanocarbon membrane 10 in the microfiltration membrane from which the diameter of a hole differs. The nanocarbon membrane 10 of the present invention can be separated from the microfiltration membrane in the sacrificial membrane removal step S3 and copied onto another microfiltration membrane or the like. However, when the nanocarbon membrane 10 and the microfiltration membrane are bonded in the process of dissolving and removing the nanofibers, a separation membrane having the nanocarbon membrane 10 on one side of the microfiltration membrane can be more easily manufactured.
The nanocarbon membrane 10 according to an embodiment of the present invention can be formed as a “self-supporting membrane” on the microfiltration membrane 2, and has structural stability as a “self-supporting membrane” alone, and has other porous properties. It can also be transferred onto the substance. For this reason, various applications as a separation membrane are possible.
なお、本実施形態では、犠牲膜3のナノファイバーを溶解除去する方法として、カーボン膜積層体19を、所定の時間、酸又はアルカリ溶液に浮かべる方法を用いたが、これに限られるものではなく、他の除去方法を用いてもよい。
例えば、限外濾過膜又はナノ濾過膜に適したナノカーボン膜10を形成する場合には、弱酸性の水溶液を通過させて、犠牲膜3のナノファイバー3dを溶解除去することができる。
また、RO膜に適したナノカーボン膜10を形成する場合、ナノカーボン膜10を形成した精密濾過膜2を弱酸性の水溶液に浸す(浮かべる)方法によって、犠牲膜3のナノファイバー3dを除去できる。
更に、犠牲膜3のナノファイバー3dとしてナノストランドを使用した場合は、水を長時間透過させることによって、犠牲膜3のナノファイバーを除去できる。
In the present embodiment, as a method for dissolving and removing the nanofibers of the sacrificial film 3, a method of floating the carbon film laminate 19 in an acid or alkali solution for a predetermined time is used, but the present invention is not limited to this. Other removal methods may be used.
For example, when the nanocarbon film 10 suitable for an ultrafiltration membrane or a nanofiltration membrane is formed, the nanofibers 3d of the sacrificial membrane 3 can be dissolved and removed by passing a weakly acidic aqueous solution.
When the nanocarbon film 10 suitable for the RO film is formed, the nanofibers 3d of the sacrificial film 3 can be removed by a method of immersing (floating) the microfiltration membrane 2 on which the nanocarbon film 10 is formed in a weakly acidic aqueous solution. .
Further, when nanostrands are used as the nanofibers 3d of the sacrificial film 3, the nanofibers of the sacrificial film 3 can be removed by allowing water to permeate for a long time.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、濾過法により、精密濾過膜2上にナノファイバー3dからなる犠牲膜3を形成する工程と、高周波プラズマ法により、ナノファイバー3dの隙間(空隙部3e)にカーボン等81が充填したカーボン充填層8を形成してから、犠牲膜3を覆うように平坦な面を有するカーボン平坦膜12を製膜する工程と、酸又はアルカリ溶液により、カーボン充填層8の前記ナノファイバー3dを除去して網目状の空洞部11cを有するカーボン裏打ち層11を形成することで、カーボン平坦膜12と裏打ち層11とからなり、膜厚が100nm以下のナノカーボン膜10を形成する工程と、を有する構成なので、1μm程度の孔をもつ精密濾過膜2上にも、犠牲膜3を介して、均質で極薄なカーボン膜を「自立膜」として製造することができる。また、ナノストランド等のようなナノファイバー3dからなる平滑な不織布を犠牲膜3として利用することにより、犠牲膜3上に平坦で均質なカーボン膜を「自立膜」として製造することができる。また、犠牲膜3のナノファイバー3dの隙間(空隙部3e)にカーボン等81を入り込ませて、前記カーボン膜の他面側に裏打ち層11を形成することにより、カーボン膜の力学的強度を高めることができ、濾過膜の耐久性を向上させることができる。また、溶解除去により、容易に、裏打ち層11を形成するとともに、ナノカーボン膜10を精密濾過膜2から分離することもできる。以上の構成により、濾過速度が速くかつ耐久性が高く、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜であって、極薄であるが、力学的強度が高いナノカーボン膜10の製造方法を提供することができる。 The method for producing a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a sacrificial film 3 made of nanofibers 3d on a microfiltration membrane 2 by a filtration method, and a gap ( A step of forming a carbon flat film 12 having a flat surface so as to cover the sacrificial film 3 after forming the carbon-filled layer 8 filled with carbon 81 or the like in the gap 3e), and an acid or alkali solution, By removing the nanofibers 3d of the carbon-filled layer 8 to form a carbon backing layer 11 having a network-like cavity 11c, a nano-layer having a carbon thickness of 100 nm or less, which is composed of the carbon flat film 12 and the backing layer 11. A step of forming the carbon film 10, and a uniform ultrathin carbon on the microfiltration membrane 2 having pores of about 1 μm through the sacrificial film 3. The can be manufactured as a "self-supporting film". Further, by using a smooth nonwoven fabric made of nanofibers 3d such as nanostrands as the sacrificial film 3, a flat and homogeneous carbon film can be produced as a “self-supporting film” on the sacrificial film 3. Further, carbon etc. 81 is inserted into the gap (gap portion 3e) between the nanofibers 3d of the sacrificial film 3 to form the backing layer 11 on the other surface side of the carbon film, thereby increasing the mechanical strength of the carbon film. And the durability of the filtration membrane can be improved. In addition, the backing layer 11 can be easily formed and the nanocarbon film 10 can be separated from the microfiltration membrane 2 by dissolution and removal. With the above configuration, the nanocarbon membrane has a high filtration rate and high durability, and can be used as an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane or a reverse osmosis membrane, and is extremely thin but has high mechanical strength. Ten manufacturing methods can be provided.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、前記高周波プラズマ法が、チャンバーの内部に、常温における蒸気圧が8Pa以上である有機化合物を含むガスを流通させた状態で、高周波プラズマを発生させてカーボン膜を製膜する方法である構成なので、プラズマ化したカーボン等を犠牲膜3の一面3a側のナノファイバー3dの空隙部3eに入り込ませて、カーボン充填層8を形成してから、犠牲膜3の一面3aに極薄のカーボン膜からなるカーボン平坦膜12を製膜できる。 In the method for producing a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention, the high-frequency plasma method is a method in which a high-frequency plasma is produced in a state where a gas containing an organic compound having a vapor pressure of 8 Pa or higher at normal temperature is circulated inside a chamber. Since the structure is a method for forming a carbon film by generating the carbon film, the plasma-filled carbon or the like enters the void 3e of the nanofiber 3d on the one surface 3a side of the sacrificial film 3 to form the carbon filling layer 8. The flat carbon film 12 made of an extremely thin carbon film can be formed on the one surface 3a of the sacrificial film 3.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、前記有機化合物が、アセチレン、ブタジエン、ピリジン、ベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサメチルジシロキサン、4−ビニルピリジン、プロピルアミン、アリルアミンの群から選ばれる一の有機化合物である構成なので、孔部10cの大きさを変えるとともに、膜質を変えた種々の極薄のナノカーボン膜10を製膜でき、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜を製造することができる。 In the method for producing a nanocarbon film according to an embodiment of the present invention, the organic compound is a group of acetylene, butadiene, pyridine, benzene, hexafluorobenzene, cyclohexane, hexamethyldisiloxane, 4-vinylpyridine, propylamine, and allylamine. Therefore, it is possible to produce various ultra-thin nanocarbon membranes 10 with different pore quality and with different membrane quality, such as ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes or vice versa. A membrane that can be used as an osmotic membrane can be produced.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、ナノファイバー3dの径が10nm以下である構成なので、一面12a(10a)の平坦性を向上させたカーボン平坦膜12を形成できる。 Since the nanocarbon film manufacturing method according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the diameter of the nanofiber 3d is 10 nm or less, the carbon flat film 12 with improved flatness of the one surface 12a (10a) can be formed.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、前記ナノファイバーがナノストランドである構成なので、径が2.5nm以下のネットワーク構造からなる犠牲膜3を形成できる。ナノストランドは、条件により会合して、より太いナノファイバーとなるが、このような場合でも、径が10nm以下のネットワーク構造からなる犠牲膜3を与える。また、空隙部3eを有する犠牲膜3を形成でき、空隙部3eにカーボン等を充填して、カーボン充填層8を形成することができる。また、犠牲膜3の平坦な一面3aにカーボン平坦膜12を製膜でき、カーボン平坦膜12の一面12a(10a)の平坦性を向上させることができる。また、酸又はアルカリ溶液により、ナノストランドを容易に除去することができる。 The nanocarbon film manufacturing method according to an embodiment of the present invention can form the sacrificial film 3 having a network structure with a diameter of 2.5 nm or less because the nanofibers are nanostrands. The nanostrands associate with each other to form thicker nanofibers. Even in such a case, the sacrificial film 3 having a network structure with a diameter of 10 nm or less is provided. In addition, the sacrificial film 3 having the gap 3e can be formed, and the carbon filling layer 8 can be formed by filling the gap 3e with carbon or the like. Further, the carbon flat film 12 can be formed on the flat surface 3a of the sacrificial film 3, and the flatness of the one surface 12a (10a) of the carbon flat film 12 can be improved. Further, the nanostrand can be easily removed with an acid or alkali solution.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法は、前記ナノストランドからなる前記犠牲膜に有機塩の水溶液を通過させ、中真空下における前記ナノストランドの安定性を向上させる構成なので、高周波プラズマ法によるカーボン膜製膜工程S2において犠牲膜3の安定性を向上させることができ、平坦性に優れ、均質な孔径を有するナノカーボン膜を形成できる。 Since the nanocarbon film manufacturing method according to an embodiment of the present invention is configured to pass an aqueous solution of an organic salt through the sacrificial film made of the nanostrand and improve the stability of the nanostrand under a medium vacuum, In the carbon film forming step S2 by the method, the stability of the sacrificial film 3 can be improved, and a nanocarbon film having excellent flatness and a uniform pore diameter can be formed.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜10は、平坦な面12aを有するカーボン平坦膜12に形成された孔部10cが、カーボン平坦膜12の他面12b側にある裏打ち層11に形成された孔部(主に網目状の空洞部11c)と連通しており、その結果として、カーボン膜10の一面10a側と他面10b側とを貫通する孔を有し、膜厚が100nm以下の膜である構成なので、ナノカーボン膜10の膜厚を100nm以下の極薄にして、濾過速度が速い濾過膜に利用することができる。カーボン平坦膜12の他面12b側に裏打ち層11を備えることにより、カーボン平坦膜12の力学的強度を高めて、耐久性が高い濾過膜に利用することができる。更に、孔部10cの大きさを種々設定することにより、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜とすることができる。
また、本発明の実施形態であるナノカーボン膜10はカーボン等(プラズマ化したガスに含まれる元素を含んでもよい)からなる膜であるので、有機溶媒の高透過性を有する膜として利用できる。また、本発明の実施形態であるナノカーボン膜10は、水処理用のナノ濾過膜やRO膜としての性能は架橋ポリアミド膜のような既存の膜と同程度であるが、架橋ポリアミド膜のような既存の膜では利用が困難である酸やアルカリ、腐食性の液体への利用に用いることができ、化学的安定性では優れた膜として利用できる。
In the nanocarbon film 10 according to the embodiment of the present invention, the hole 10c formed in the carbon flat film 12 having the flat surface 12a is formed in the backing layer 11 on the other surface 12b side of the carbon flat film 12. A film having a thickness of 100 nm or less and having a hole penetrating the one surface 10a side and the other surface 10b side of the carbon film 10 as a result of communicating with the hole portion (mainly the mesh-shaped cavity portion 11c). Therefore, the nanocarbon film 10 can be used for a filtration membrane having a high filtration rate by making the film thickness of the nanocarbon film 10 as extremely thin as 100 nm or less. By providing the backing layer 11 on the other surface 12b side of the carbon flat film 12, the mechanical strength of the carbon flat film 12 can be increased and used for a highly durable filter membrane. Furthermore, by setting various sizes of the hole 10c, it is possible to obtain a membrane that can be used for an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane, or a reverse osmosis membrane.
In addition, since the nanocarbon film 10 according to the embodiment of the present invention is a film made of carbon or the like (which may include an element contained in a plasma gas), it can be used as a film having high permeability of an organic solvent. In addition, the nanocarbon membrane 10 according to the embodiment of the present invention has the same performance as a nanofiltration membrane for water treatment or an RO membrane as an existing membrane such as a crosslinked polyamide membrane, but is similar to a crosslinked polyamide membrane. It can be used for acid, alkali, and corrosive liquids that are difficult to use with existing films, and can be used as a film with excellent chemical stability.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜は、孔部10cの径が5nm以下とされている構成なので、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜のいずれかに利用できる。
本発明の実施形態であるナノカーボン膜は、カーボン平坦膜12の開孔面積率が1%以上であり、より好ましくは3%以上とされている構成なので、濾過速度を速くすることができる。
Since the nanocarbon membrane which is an embodiment of the present invention has a configuration in which the diameter of the hole 10c is 5 nm or less, it can be used for any of ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes or reverse osmosis membranes.
Since the nanocarbon film which is an embodiment of the present invention has a configuration in which the open area ratio of the carbon flat film 12 is 1% or more, more preferably 3% or more, the filtration rate can be increased.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜は、空洞部11cの径が10nm以下である構成なので、網目状の空洞部11cを有する裏打ち層により、カーボン平坦膜12を補強して、ナノカーボン膜10の力学的強度を高めて、濾過膜としての耐久性を向上させることができる。 Since the nanocarbon film according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the diameter of the cavity portion 11c is 10 nm or less, the carbon flat film 12 is reinforced by the backing layer having the mesh-like cavity portion 11c. The mechanical strength of the filter can be increased, and the durability as a filtration membrane can be improved.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜は、精密濾過膜2の一面2a側に形成されている構成なので、限外濾過膜を選択することで、濾過速度及び耐久性のバリエーションを変えた濾過膜とすることができる。 Since the nanocarbon membrane which is an embodiment of the present invention is formed on the one surface 2a side of the microfiltration membrane 2, a filtration membrane in which variations in filtration speed and durability are changed by selecting an ultrafiltration membrane It can be.
本発明の実施形態であるナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The method for producing a nanocarbon film and the nanocarbon film which are embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. . Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
実施例1では、様々な精密濾過膜の上にナノストランドの不織布(犠牲膜)を形成し、アセチレンを原料として、ナノカーボン膜を製造した。
Example 1
In Example 1, nanostrand nonwoven fabrics (sacrificial membranes) were formed on various microfiltration membranes, and nanocarbon membranes were produced using acetylene as a raw material.
(犠牲膜製膜工程)
まず、2.66mMの塩化カドミウム(CdCl2)の水溶液(30mL)と0.2mMのアミノエタノールの水溶液(30mL)を激しく撹拌しながら混合し、室温で60分間放置することで、水酸化カドミウムのナノストランドの水溶液を調製した。
(Sacrificial film formation process)
First, an aqueous solution (30 mL) of 2.66 mM cadmium chloride (CdCl 2 ) and an aqueous solution of 0.2 mM aminoethanol (30 mL) were mixed with vigorous stirring, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 60 minutes. An aqueous solution of nanostrands was prepared.
この水溶液の所定量を、20nm、100nm、200nmの孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナフィルター(直径2.5cm、細孔率50%)または200nmの孔をもつポリカーボネート(PC)膜(直径2.5cm、細孔率10%)上に、80kPaの圧力差で減圧濾過した。 Predetermined amounts of this aqueous solution were added to anodized porous alumina filters (diameter 2.5 cm, porosity 50%) having pores of 20 nm, 100 nm and 200 nm or polycarbonate (PC) membranes (diameter 2.5 cm) having 200 nm pores. , Under reduced pressure at a pressure difference of 80 kPa.
このようにして作製したナノストランドの不織布には、場合により2mMのパラスチレンスルホン酸ナトリウム塩(PSS−Na)の水溶液を濾過した。
ナノストランドの不織布の作製条件を表1に示す。
In some cases, the nanostrand non-woven fabric thus produced was filtered with an aqueous solution of 2 mM sodium parastyrene sulfonate (PSS-Na).
The production conditions of the nanostrand nonwoven fabric are shown in Table 1.
不織布の厚さは、断面の走査電子顕微鏡観察より計測した。また、走査電子顕微鏡の観察角度を変えながら、ナノストランドが重なることで形成される表面の凹凸の深さを見積もった。
図6は、実施例1(F−05)の不織布(犠牲膜)の表面の走査電子顕微鏡写真である。写真は、チャージアップを防ぐために約3nmの白金を蒸着して撮影された。そのため、ナノストランドの直径は、実際より大きく観察されている。
F−05の不織布(犠牲膜)は、100nmの孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上にナノストランド水溶液を減圧濾過し、PSS−Na水溶液を濾過して作製した不織布である。図6に示すように、表面には、ナノストランドが重なることで、4〜5nmの深さの凹凸が存在している。
The thickness of the nonwoven fabric was measured by scanning electron microscope observation of the cross section. Moreover, the depth of the unevenness | corrugation of the surface formed when nanostrands overlap was estimated, changing the observation angle of a scanning electron microscope.
FIG. 6 is a scanning electron micrograph of the surface of the nonwoven fabric (sacrificial film) of Example 1 (F-05). The photo was taken with about 3 nm of platinum deposited to prevent charge-up. Therefore, the diameter of the nanostrand has been observed to be larger than actual.
The nonwoven fabric (sacrificial film) of F-05 is a nonwoven fabric produced by filtering the nanostrand aqueous solution on a anodic porous alumina filter having 100 nm pores under reduced pressure and filtering the PSS-Na aqueous solution. As shown in FIG. 6, unevenness having a depth of 4 to 5 nm is present on the surface due to overlapping of nanostrands.
(カーボン膜製膜工程)
このようにして作製されたナノストランドの不織布をもつ精密濾過膜を真空チャンバーの内部に設置し、アセチレンガスを導入して、内部の圧力を4〜8Paにし、周波数13.6MHz、出力30〜100Wの交流を20秒から60秒の間で印可した。
また、アセチレンとアルゴンの混合ガス(混合比20:80、10:90)を用いて同様の実験を行った。
(Carbon film forming process)
The microfiltration membrane having the nanostrand nonwoven fabric prepared in this way is placed inside the vacuum chamber, acetylene gas is introduced, the internal pressure is 4-8 Pa, the frequency is 13.6 MHz, and the output is 30-100 W. The AC was applied for 20 to 60 seconds.
A similar experiment was performed using a mixed gas of acetylene and argon (mixing ratio 20:80, 10:90).
(犠牲膜除去工程)
その後、ナノカーボン膜を形成した精密濾過膜を10mMの塩酸水溶液に10分間浮かべてナノストランドの犠牲膜を取り除き、精密濾過膜をゆっくりと沈めることでナノカーボン膜を剥離後、ナノカーボン膜を水またはエタノールで洗浄した。その後、ナノカーボン膜を異なる陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上にすくい取った。
これにより、精密濾過膜の孔の上に自立膜として存在するナノカーボン膜を得た。詳細な実験条件を表2に示す。
なお、表2のNC−01とNC−07は、後に述べる濾過実験に用いるために、ナノカーボン膜を形成した精密濾過膜を10mMの塩酸水溶液に10分間浮かべてナノストランドの犠牲膜を取り除き、精密濾過膜から剥離せずに、水またはエタノールで洗浄したサンプルも作製した。
(Sacrificial film removal process)
Thereafter, the nanofiltration membrane formed on the nanofiltration membrane is floated in a 10 mM hydrochloric acid aqueous solution for 10 minutes to remove the nanostrand sacrificial membrane. Or washed with ethanol. The nanocarbon membrane was then scooped on a different anodized porous alumina filter.
As a result, a nanocarbon membrane that was present as a free-standing membrane on the microfiltration membrane pores was obtained. Detailed experimental conditions are shown in Table 2.
In addition, NC-01 and NC-07 in Table 2 were used for the filtration experiment described later, and the nanofiltration membrane was formed on a 10 mM hydrochloric acid aqueous solution for 10 minutes to remove the nanostrand sacrificial membrane. A sample washed with water or ethanol without peeling from the microfiltration membrane was also prepared.
このようにして製造されたナノカーボン膜は、ネットワーク状のカーボンファイバーの層(N層)と平滑かつ極薄のカーボン層(S層)からなる。
2つの層の厚みは、走査電子顕微鏡による断面観察より計測した。
The nanocarbon film thus produced is composed of a network-like carbon fiber layer (N layer) and a smooth and extremely thin carbon layer (S layer).
The thicknesses of the two layers were measured by cross-sectional observation with a scanning electron microscope.
図7は、実施例1(NC−07)のナノカーボン膜の走査電子顕微鏡写真であって、図7(a)はアルミナ上でナノカーボン膜の一部を引き上げた状態の写真であり、図7(b)はナノカーボン膜の拡大写真である。このナノカーボン膜は、電子顕微鏡観察のために、異なる陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上にすくい取って撮影されている。
図7に示すナノカーボン膜は、アセチレンとアルゴンの混合ガスGM1(20:80)から製造された膜である。
FIG. 7 is a scanning electron micrograph of the nanocarbon film of Example 1 (NC-07), and FIG. 7A is a photograph of a part of the nanocarbon film pulled up on alumina. 7 (b) is an enlarged photograph of the nanocarbon film. This nanocarbon film is scooped and photographed on a different anodized porous alumina filter for electron microscope observation.
The nanocarbon film shown in FIG. 7 is a film manufactured from a mixed gas GM1 (20:80) of acetylene and argon.
図7の断面図では、自立膜がたわんだ部分が撮影されている。膜厚は35nmと計測された。表面から観察すると、ナノカーボン膜の内部には、ナノストランドの不織布の表面近傍の構造を反映したネットワーク状の構造が形成されていることが確認できる。
この層の厚みは、該不織布の表面の凹凸の深さ(4〜5nm)の約2倍であった。
In the cross-sectional view of FIG. 7, a portion where the free-standing film is bent is photographed. The film thickness was measured to be 35 nm. When observed from the surface, it can be confirmed that a network-like structure reflecting the structure near the surface of the nanostrand nonwoven fabric is formed inside the nanocarbon film.
The thickness of this layer was about twice the depth of the unevenness (4-5 nm) on the surface of the nonwoven fabric.
図8は、実施例1(NC−08)のナノカーボン膜の透過電子顕微鏡写真であって、図8(a)は屈曲した状態のナノカーボン膜の写真であり、図8(b)は図8(a)の四角で取り囲んだ部分の拡大写真である。このナノカーボン膜は、透過電子顕微鏡観察のために、電子顕微鏡用の銅グリッドの上に移し取られて撮影されている。
図8(b)に示すように、ナノカーボン膜の厚みは30nmであり、内部にネットワーク状の構造が形成されていることは明らかである。
図8に示すナノカーボン膜は、アセチレンとアルゴンの混合ガスGM1(20:80)から製造された膜である。
FIG. 8 is a transmission electron micrograph of the nanocarbon film of Example 1 (NC-08), FIG. 8A is a photograph of the bent nanocarbon film, and FIG. It is an enlarged photograph of the part enclosed by the square of 8 (a). The nanocarbon film is transferred onto a copper grid for an electron microscope and photographed for observation with a transmission electron microscope.
As shown in FIG. 8B, the thickness of the nanocarbon film is 30 nm, and it is clear that a network-like structure is formed inside.
The nanocarbon film shown in FIG. 8 is a film manufactured from a mixed gas GM1 (20:80) of acetylene and argon.
(実施例2)
実施例2では、ナノストランドの不織布の上に様々な有機化合物を原料として、ナノカーボン膜を製造した。
(犠牲膜製膜工程)
まず、実施例1に示した方法により、100nmの孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上に80nmの厚みのナノストランドの不織布を形成した。
(Example 2)
In Example 2, a nanocarbon film was produced on a nanostrand non-woven fabric using various organic compounds as raw materials.
(Sacrificial film formation process)
First, a nanostrand nonwoven fabric having a thickness of 80 nm was formed on an anodized porous alumina filter having 100 nm pores by the method shown in Example 1.
(カーボン膜製膜工程)
次に、ナノストランドの不織布をもつ精密濾過膜(陽極酸化多孔性アルミナフィルター)を真空チャンバーの内部に設置し、種々の有機化合物をガスとしてチャンバー内に導入し、ナノカーボン膜を製造した。
(Carbon film forming process)
Next, a microfiltration membrane (anodized porous alumina filter) having nanostrand non-woven fabric was placed inside the vacuum chamber, and various organic compounds were introduced into the chamber as gases to produce nanocarbon membranes.
使用した有機化合物は、ブタジエン、ピリジン、ベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサメチルジシロキサン、4−ビニルピリジン、プロピルアミン、アリルアミンである。
これらの有機化合物はガスとして導入され、チャンバー内部の圧力は1〜8Paに調整した。また、高周波プラズマの印可条件は、周波数13.6MHz、出力2〜100Wとした。製膜時間は、5秒から370秒の間で実施した。
The organic compounds used are butadiene, pyridine, benzene, hexafluorobenzene, cyclohexane, hexamethyldisiloxane, 4-vinylpyridine, propylamine, and allylamine.
These organic compounds were introduced as gases, and the pressure inside the chamber was adjusted to 1 to 8 Pa. The application conditions of the high-frequency plasma were a frequency of 13.6 MHz and an output of 2 to 100 W. The film formation time was between 5 seconds and 370 seconds.
(犠牲膜除去工程)
その後、ナノカーボン膜を形成した精密濾過膜を10mMの塩酸水溶液に10分間浮かべてナノストランドの犠牲膜を取り除き、精密濾過膜から剥離せずに、水またはエタノールで洗浄した。
詳細な実験条件を表3に示す。
(Sacrificial film removal process)
Thereafter, the microfiltration membrane on which the nanocarbon membrane was formed was floated in a 10 mM hydrochloric acid aqueous solution for 10 minutes to remove the sacrificial membrane of nanostrands, and was washed with water or ethanol without peeling off the microfiltration membrane.
Detailed experimental conditions are shown in Table 3.
膜の成長速度がやや速いヘキサフルオロベンゼンを除く全ての有機化合物では、100nm以下のナノカーボン膜を作製することが可能であった。ヘキサフルオロベンゼンでは、20秒の製膜時間で120nmのナノカーボン膜が得られた。
表3から明らかなように、ナノカーボン膜は、製膜時間を短くすると、より薄くなる。
N層の厚みは、ナノストランドの不織布としてF−05を用いているため、全ての場合に10nmであった。S層の厚みは、薄いものでは5nmに達する。
With all organic compounds except for hexafluorobenzene whose film growth rate is slightly high, it was possible to produce a nanocarbon film of 100 nm or less. With hexafluorobenzene, a 120 nm nanocarbon film was obtained in a film formation time of 20 seconds.
As is apparent from Table 3, the nanocarbon film becomes thinner as the film formation time is shortened.
The thickness of the N layer was 10 nm in all cases because F-05 was used as the nanostrand nonwoven fabric. The thickness of the S layer reaches 5 nm when it is thin.
100nmの孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上に形成されたナノカーボン膜の代表的な例として、図9と図10に、NC−23(原料ガス:ピリジン)とNC−32(原料ガス:ヘキサメチルジシロキサン)のナノカーボン膜の断面の走査電子顕微鏡写真を示す。
図9は、実施例2(NC−23)のナノカーボン膜の走査電子顕微鏡写真である。ピリジンから製造されたナノカーボン膜の断面が示されている。
図10は、実施例2(NC−32)のナノカーボン膜の走査電子顕微鏡写真である。ヘキサメチルジシロキサンから製造されたナノカーボン膜の断面が示されている。
これらの写真から、全体の膜厚が35nmのナノカーボン膜が、陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上に自立膜として形成されていることは明らかである。
As typical examples of the nanocarbon film formed on the anodized porous alumina filter having 100 nm pores, FIGS. 9 and 10 show NC-23 (source gas: pyridine) and NC-32 (source gas). : A scanning electron micrograph of the cross section of the nanocarbon film of hexamethyldisiloxane.
FIG. 9 is a scanning electron micrograph of the nanocarbon film of Example 2 (NC-23). A cross section of a nanocarbon membrane made from pyridine is shown.
FIG. 10 is a scanning electron micrograph of the nanocarbon film of Example 2 (NC-32). A cross section of a nanocarbon film made from hexamethyldisiloxane is shown.
From these photographs, it is clear that a nanocarbon film having a total film thickness of 35 nm is formed as a self-supporting film on the anodized porous alumina filter.
(実施例3)
実施例3では、本発明のナノカーボン膜が、使用した有機化合物のラジカルが架橋することで形成されていることを示すために、ナノカーボン膜の構造解析を行い、力学的、化学的特性を評価した。
ここでは、代表的なナノカーボン膜として、NC−07(原料ガス:アセチレン)、NC−23(原料ガス:ピリジン)、NC−32(原料ガス:ヘキサメチルジシロキサン)を選んだ。
(Example 3)
In Example 3, in order to show that the nanocarbon film of the present invention is formed by crosslinking of the radicals of the organic compound used, the structure of the nanocarbon film is analyzed, and the mechanical and chemical properties are obtained. evaluated.
Here, NC-07 (source gas: acetylene), NC-23 (source gas: pyridine), and NC-32 (source gas: hexamethyldisiloxane) were selected as representative nanocarbon films.
まず、これらのナノカーボン膜のFT−IR測定を行った。
NC−07の膜では、2920cm−1付近に、C−H結合に由来するピークが観察され、アセチレンのラジカルが架橋することで形成された水素を含むナノカーボン膜が形成されていることが示された。
一方、NC−23の膜では、C−H結合に由来するピークに加えて、3368cm−1付近にN−H結合に由来するピークも観察され、ビリジンのラジカルが架橋することで、水素と窒素を含むカーボン膜が形成されていることが示された。
更に、NC−32の膜では、C−H結合に由来するピークに加えて、2140cm−1付近にSi−H結合に由来するピークも観察され、ヘキサメチルジシロキサンのラジカルが架橋することで水素と硅素を含むナノカーボン膜が形成されていることが示された。
First, FT-IR measurement of these nanocarbon films was performed.
In the NC-07 film, a peak derived from the C—H bond is observed in the vicinity of 2920 cm −1 , indicating that a nanocarbon film containing hydrogen formed by crosslinking of acetylene radicals is formed. It was done.
On the other hand, in the film of NC-23, in addition to the peak derived from the C—H bond, a peak derived from the N—H bond was also observed in the vicinity of 3368 cm −1 , and the radical of pyridine was cross-linked, so that hydrogen and nitrogen It was shown that a carbon film containing was formed.
Furthermore, in the film of NC-32, in addition to the peak derived from the C—H bond, a peak derived from the Si—H bond is observed in the vicinity of 2140 cm −1 , and the hydrogen of the hexamethyldisiloxane radical is crosslinked. It was shown that a nanocarbon film containing silicon and silicon was formed.
次に、ナノカーボン膜の組成は、XPS測定により確認された。
NC−23の膜では、炭素と窒素の比率が11:1と見積もられた。原料のピリジンにおける炭素と窒素の比率が5:1であるため、原料の約半分の窒素分子がナノカーボン膜に導入されていることが明らかになった。
一方、NC−32の膜では、炭素と硅素の比率が5:3と見積もられた。原料のヘキサメチルジシロキサンにおける炭素と硅素の比率が3:1であるため、この場合、約3分の1の炭素原子がナノカーボン膜の形成時に失われていることが示唆された。
Next, the composition of the nanocarbon film was confirmed by XPS measurement.
For the NC-23 film, the carbon to nitrogen ratio was estimated to be 11: 1. Since the ratio of carbon to nitrogen in the raw material pyridine was 5: 1, it became clear that about half of the nitrogen molecules in the raw material were introduced into the nanocarbon film.
On the other hand, in the NC-32 film, the ratio of carbon to silicon was estimated to be 5: 3. Since the ratio of carbon to silicon in the raw material hexamethyldisiloxane was 3: 1, it was suggested that about one third of carbon atoms were lost during the formation of the nanocarbon film in this case.
次に、ナノカーボン膜の密度は、水晶発振子の電極上に形成させた膜の重量と膜厚から計算された。また、ナノカーボン膜の力学的強度は、ナノインデンテーション法により計測した、
NC−07膜の密度は1.22g/cm3であり、ヤング率と硬さはそれぞれ170GPa、20.1GPaであった。また、NC−23膜の密度は1.04g/cm3であり、ヤング率と硬さは106GPa、12.3GPaであった。更に、NC−32膜の密度は0.98g/cm3であり、ヤング率と硬さは91.8GPa、10.1GPaであった。
以上より、ナノカーボン膜の密度は原料ガスに依存しており、後で述べるように、密度が小さいものほど、液体の透過性が高くなる傾向になった。
Next, the density of the nanocarbon film was calculated from the weight and thickness of the film formed on the electrode of the crystal oscillator. In addition, the mechanical strength of the nanocarbon film was measured by the nanoindentation method,
The density of the NC-07 film was 1.22 g / cm 3 , and the Young's modulus and hardness were 170 GPa and 20.1 GPa, respectively. The NC-23 film had a density of 1.04 g / cm 3 and Young's modulus and hardness of 106 GPa and 12.3 GPa. Furthermore, the density of the NC-32 film was 0.98 g / cm 3 , and the Young's modulus and hardness were 91.8 GPa and 10.1 GPa.
As described above, the density of the nanocarbon film depends on the raw material gas, and as described later, the smaller the density, the higher the liquid permeability.
次に、NC−40のナノカーボン膜に関しては、100nmの孔をもつ陽極酸化多孔性アルミナフィルターの上に形成し、ナノストランドの除去操作を行った後、耐圧試験を行った。この膜のS層の厚みは30nmであるが、上記の陽極酸化多孔性アルミナフィルター上で30気圧の水圧を負荷しても、膜が壊れないことが確認された。 Next, an NC-40 nanocarbon film was formed on an anodized porous alumina filter having 100 nm pores, and after removing nanostrands, a pressure resistance test was performed. Although the thickness of the S layer of this membrane was 30 nm, it was confirmed that the membrane was not broken even when a water pressure of 30 atm was applied on the anodized porous alumina filter.
(実施例4)
実施例4では、本発明のナノカーボン膜が限外濾過膜やナノ濾過膜、RO膜として利用できることを示すために、実施例1と実施例2で作製したナノカーボン膜に対して濾過実験を行った。その結果を表4に示す。
Example 4
In Example 4, in order to show that the nanocarbon membrane of the present invention can be used as an ultrafiltration membrane, a nanofiltration membrane, or an RO membrane, a filtration experiment was performed on the nanocarbon membranes prepared in Example 1 and Example 2. went. The results are shown in Table 4.
精密濾過膜の上に形成されたナノカーボン膜は、精密濾過膜ごと濾過装置に設置し、透過速度(流束)ならびに溶質分子の阻止率を評価した。
なお、本実施例では、液体の透過速度を単位面積、単位時間当たりの流量(流束)で示しており、負荷した圧力は別に示している。
流束は、膜の有効面積から計算されており、これには、精密濾過膜の細孔率を乗じてある。
溶質の阻止率は、膜を通過した溶液の紫外・可視吸収スペクトル測定から計算された。
The nanocarbon membrane formed on the microfiltration membrane was installed in the filtration device together with the microfiltration membrane, and the permeation rate (flux) and the blocking rate of solute molecules were evaluated.
In the present embodiment, the permeation rate of the liquid is indicated by a unit area and a flow rate (flux) per unit time, and the applied pressure is indicated separately.
The flux is calculated from the effective area of the membrane, which is multiplied by the porosity of the microfiltration membrane.
The rejection rate of the solute was calculated from the ultraviolet / visible absorption spectrum measurement of the solution that passed through the membrane.
まず、NC−01のナノカーボン膜に80kPa(0.08MPa)の圧力をかけてエタノール、メタノール、水を透過させたところ、著しく大きな流束が観察された。このナノカーボン膜は、エタノール中のアゾゼンセンの19.5%を阻止することができ、エタノール中のプロトポリフィリンの61.2%を阻止することができ、エタノール中の5nmの金ナノ粒子の100%を阻止することができた。このナノカーボン膜の全体の厚みは10nmであり、N層の厚みは10nmであり、S層の厚みは0nmである。S層が存在しないために、濾過膜として用いた場合の流束が著しく大きく、300L/hm2以上の値を示す。
ナノカーボン膜の厚みが10nm以下になると、濾過実験における流束が著しく大きくなる。このことは、N層の厚みが10nmとなった後に、S層が形成されるであることを示している。また、5nmの金ナノ粒子が完全に阻止されたことから、このナノカーボン膜のN層における空洞部の径は5nm以下と結論できる。さらにこの結果は、N層単独でも、80kPaの濾過操作に耐えうる限外濾過膜として利用できることを示している。
First, when a pressure of 80 kPa (0.08 MPa) was applied to the nanocarbon film of NC-01 to allow ethanol, methanol, and water to pass therethrough, a remarkably large flux was observed. This nanocarbon film can block 19.5% of azozensen in ethanol, 61.2% of protoporphyrin in ethanol, and 100% of 5 nm gold nanoparticles in ethanol. I was able to stop. The total thickness of this nanocarbon film is 10 nm, the thickness of the N layer is 10 nm, and the thickness of the S layer is 0 nm. Since the S layer does not exist, the flux when used as a filtration membrane is remarkably large, showing a value of 300 L / hm 2 or more.
When the thickness of the nanocarbon film is 10 nm or less, the flux in the filtration experiment is remarkably increased. This indicates that the S layer is formed after the N layer has a thickness of 10 nm. Further, since the 5 nm gold nanoparticles were completely blocked, it can be concluded that the diameter of the cavity in the N layer of this nanocarbon film is 5 nm or less. Furthermore, this result shows that the N layer alone can be used as an ultrafiltration membrane that can withstand a filtration operation of 80 kPa.
次に、NC−07のナノカーボン膜に80kPaの圧力をかけてヘキサン、クロロホルム、ベンゼン、2−プロパノール、アセトニトリル、エタノール、メタノール、水を透過させたところ、疎水性が高い溶媒ほど流束が大きい傾向にあった。水分子は、溶媒の中で最も小さいが、流束は小さい。この結果は、NC−07のナノカーボン膜が有機溶媒を用いた濾過操作に有用であることを示している。
なお、ナノカーボン膜は、有機溶媒で劣化することはない。このナノカーボン膜は、エタノール中のアゾゼンセンの87.2%を阻止することができ、エタノール中のフロログルシノールやフルオロセイン−4−イソチオシアネート、プロトポリフィリンを100%阻止できた。また、水中のフェリシアンカリウムを100%阻止できた。
Next, when a pressure of 80 kPa was applied to the NC-07 nanocarbon film to allow hexane, chloroform, benzene, 2-propanol, acetonitrile, ethanol, methanol, and water to pass through, the higher the hydrophobicity, the larger the flux. There was a trend. Water molecules are the smallest of the solvents, but the flux is small. This result shows that the NC-07 nanocarbon membrane is useful for filtration using an organic solvent.
Note that the nanocarbon film is not deteriorated by the organic solvent. This nanocarbon film was able to block 87.2% of azozensen in ethanol and 100% of phloroglucinol, fluorescein-4-isothiocyanate, and protoporphyrin in ethanol. Moreover, 100% of ferricyan potassium in water could be blocked.
NC−23のナノカーボン膜では、エタノールの透過性が低くなり、水の透過性が上がっている。このため、NC−07のナノカーボン膜よりも親水性の膜となっている。NC−23の膜でもアゾゼンセンやフルオロセイン−4−イソチオシアネートに90%以上の阻止率が確認された。この結果は、NC−23のナノカーボン膜がナノ濾過膜としての利用できることを示している。 The NC-23 nanocarbon membrane has low ethanol permeability and increased water permeability. Therefore, the film is more hydrophilic than the NC-07 nanocarbon film. A blocking rate of 90% or more was confirmed for azozensen and fluorescein-4-isothiocyanate even in the NC-23 film. This result indicates that the NC-23 nanocarbon membrane can be used as a nanofiltration membrane.
NC−32のナノカーボン膜では、水やエタノールの流束が大きく、アゾベンゼン等の阻止率が小さい。この膜は、直径2nmの金ナノ粒子の阻止率が27%であり、直径5nmの金ナノ粒子の阻止率が99.8%であることから限外濾過膜として利用できることを示している。 In the NC-32 nanocarbon film, the flux of water and ethanol is large, and the rejection of azobenzene and the like is small. This membrane has a blocking rate of 27% for gold nanoparticles with a diameter of 2 nm and a blocking rate of gold nanoparticles with a diameter of 5 nm is 99.8%, indicating that it can be used as an ultrafiltration membrane.
NC−40のナノカーボン膜では、80kPa(0.08MPa)の圧力差で濾過した場合、水の流束が0.7L/hm2しかない。一方、2.4MPaの圧力を加圧して34mMの塩化ナトリウム水溶液を透過させた場合、4.7L/hm2の流束で塩化ナトリウムの68.5%を阻止することが可能であった。この結果は、NC−40のナノカーボン膜がRO膜としての性能を有することを示している。 The NC-40 nanocarbon membrane has a water flux of only 0.7 L / hm 2 when filtered with a pressure difference of 80 kPa (0.08 MPa). On the other hand, when a pressure of 2.4 MPa was applied and a 34 mM sodium chloride aqueous solution was permeated, it was possible to block 68.5% of sodium chloride with a flux of 4.7 L / hm 2 . This result shows that the nanocarbon film of NC-40 has performance as an RO film.
本発明のナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜は、濾過速度が速くかつ耐久性が高く、限外濾過膜、ナノ濾過膜または逆浸透膜に利用可能な膜であって、極薄であるが、力学的強度が高いナノカーボン膜の製造方法及びナノカーボン膜に関するものであり、濾過膜の製造産業、濾過膜を用いる分析産業等の産業において利用可能性がある。
本発明のナノカーボン膜は、自立膜であることから、浸透圧発電用の高透過性RO膜としても利用可能性がある。RO膜としての性能は、既存の架橋ポリアミド膜と比較して、やや未だ劣っている。しかし、有機溶媒の高透過性は特筆すべき特徴であり、機能性有機材料の回収や化学プロセスにおける固液分離などの産業用の用途には大きな利用可能性がある。
The nanocarbon membrane production method and nanocarbon membrane of the present invention have a high filtration rate and high durability, and can be used for ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes or reverse osmosis membranes, and are extremely thin. However, the present invention relates to a method for producing a nanocarbon membrane having high mechanical strength and a nanocarbon membrane, and is applicable to industries such as a filtration membrane production industry and an analysis industry using a filtration membrane.
Since the nanocarbon membrane of the present invention is a self-supporting membrane, it can also be used as a highly permeable RO membrane for osmotic pressure power generation. The performance as the RO membrane is still slightly inferior compared with the existing crosslinked polyamide membrane. However, the high permeability of organic solvents is a notable feature and has great applicability for industrial applications such as recovery of functional organic materials and solid-liquid separation in chemical processes.
2…精密濾過膜、2a…一面、3…犠牲膜(不織布)、3a…一面、3b…他面、3d…ナノファイバー、3e…空隙部、8…カーボン充填層、9…カーボン未充填層、10…ナノカーボン膜、10a…一面、10b…他面、10c…孔部、11…裏打ち層(N層)、11a…一面、11b…他面、11c…空洞部、12…カーボン平坦膜(S層)、12a…一面、12b…他面、19…カーボン膜積層体、31…ビーカー、32…ナノファイバー溶液、33…吸引瓶、34…漏斗、39…基板、40…高周波プラズマ製膜装置、41…チャンバー、42a、42b…電極部、43…ガス導入管、43a…ガスの噴出口、46、47…配管、48…高周波プラズマ、81…カーボン等、G1…ガス、S1…犠牲膜製膜工程、S2…カーボン膜製膜工程、S3…犠牲膜除去工程。
2 ... microfiltration membrane, 2a ... one side, 3 ... sacrificial membrane (nonwoven fabric), 3a ... one side, 3b ... other side, 3d ... nanofiber, 3e ... void, 8 ... carbon filled layer, 9 ... carbon unfilled layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nanocarbon film, 10a ... One side, 10b ... Other side, 10c ... Hole, 11 ... Backing layer (N layer), 11a ... One side, 11b ... Other side, 11c ... Hollow part, 12 ... Carbon flat film (S Layer), 12a ... one side, 12b ... other side, 19 ... carbon film laminate, 31 ... beaker, 32 ... nanofiber solution, 33 ... suction bottle, 34 ... funnel, 39 ... substrate, 40 ... high frequency plasma film forming apparatus, 41 ... chamber, 42a, 42b ... electrode portion, 43 ... gas inlet, spout of 43a ... gas, 46, 47 ... pipe, 48 ... high frequency plasma, 81 ... carbon, etc., G 1 ... gas, S1 ... sacrificial film made Membrane process, S2 ... Carbon The film-forming process, S3 ... sacrificial layer removing step.
Claims (11)
The nanocarbon membrane according to any one of claims 7 to 10, wherein the nanocarbon membrane is formed on one side of a microfiltration membrane.
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