JP2018069149A - 分離膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、高い透過性と、高い膜強度を有する分離膜およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】分離膜の厚み方向の断面において、 セルロースエステルを有する相と細孔との共連続構造を有し、 前記共連続構造の構造周期が０．００１μｍ以上１μｍ以下であり、前記分離膜の主配向方向において、前記セルロースエステルが１．０５以上１．５０以下の配向度を有する、分離膜。
【選択図】なし

Description

本発明は、高い透過性と、高い膜強度を有する分離膜およびその製造方法に関する。

分離膜は、河川や海水、下廃水から濁質やイオンを取り除き、工業用水や飲料水を製造するための水処理用膜、人工腎臓や血漿分離等の医療用膜、果汁濃縮等の食品・飲料工業用膜、炭酸ガス等を分離するガス分離膜等、幅広い分野で使用されている。

大部分の分離膜はポリマーを素材としている。その中でも、セルロース系樹脂はその親水性に起因する透水性能や、塩素系の殺菌剤に強いという耐塩素性能を有することから水処理用膜をはじめとする分離膜として広く用いられている。
例えば特許文献１では、セルローストリアセテートと溶媒、非溶媒からなる製膜原液を、溶媒、非溶媒、水からなる凝固液中に吐出して相分離させることで、中空糸膜を得る技術が開示されている。

特許文献２では、セルロースエステルと可塑剤からなる樹脂組成物を、溶融混練したのち、口金より空中に吐出して巻き取った中空糸から、可塑剤を溶出することで、中空糸膜を得る技術が開示されている。

特開２０１１−２３５２０４号公報 国際公開第２０１６／５２６７５号

特許文献１に記載の技術では、膜厚方向で孔径が大きく異なる、いわゆる非対称膜が得られる。非対称膜は、膜の表層付近に分離性能を発現する孔径の小さい緻密層が存在する。高い透過性能を発現するには、緻密層の厚みを十分に薄くする必要があり、かつ、緻密層以外は孔径を十分に大きくする必要がある。前者が原因で、製造中や使用中において、膜に欠陥が発生しやすいという問題点があり、後者が原因で、膜強度が低いという問題点があった。

特許文献２に記載の技術では、膜厚方向に均一な構造を有する、高い膜強度の分離膜が得られるが、いわゆる逆浸透膜であるため、透過性能を発現するためには非常に高い圧力をかけることが必要であり、なおかつ得られる透過性能も低いものであった。

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高い透過性と、高い膜強度を有する分離膜およびその製造方法を提供せんとするものである。

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、セルロースエステルを主成分として、そのセルロースエステルを有する相と細孔が一定の大きさの構造周期の共連続構造をとり、かつ、分離膜の主配向方向において、セルロースエステルの配向度をある一定範囲内とすることで、課題解決を可能とする分離膜を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の分離膜は、分離膜の厚み方向の断面において、 セルロースエステルを有する相と細孔との共連続構造を有し、
前記共連続構造の構造周期が０．００１μｍ以上１μｍ以下であり、
前記分離膜の主配向方向において、前記セルロースエステルが１．０５以上１．５０以下の配向度を有する、分離膜、である。

本発明によれば、高い透過性と、高い膜強度を有する分離膜が提供される。本発明の分離膜は、高い透過性能と、高い膜強度を必要とする用途に好ましく用いることができる。

具体的には河川水、海水、かん水、下水、排水などから濁質やバクテリア、ウイルスを除去するための水処理用膜、人工腎臓や血漿分離などの医療用膜、果汁濃縮などの食品・飲料工業用膜、排気ガス、炭酸ガスなどを分離するガス分離膜、燃料電池セパレータなどの電子工業用膜などに用いることができる。前記水処理用膜の種類としては、精密濾過、限外濾過などに好ましく用いることができる。

本形態の分離膜は、分離膜の厚み方向の断面において、 セルロースエステルを有する相と細孔との共連続構造を有し、
前記共連続構造の構造周期が０．００１μｍ以上１μｍ以下であり、
前記分離膜の主配向方向において、前記セルロースエステルが１．０５以上１．５０以下の配向度を有する、ことを特徴とする。

本発明の分離膜は、形状を保持するために水等の液体をその中に含んでいてもよい。ただし、以下の説明では、形状を保持するためのこれらの液体は分離膜の構成要素として考慮しない。

（分離膜を構成する樹脂組成物）
本発明の分離膜は、以下の（１）〜（５）に示した成分を含むことができる。

（１）セルロースエステル
本発明の分離膜は、セルロースエステルを主成分として含有することが重要である。ここでいう主成分とは、分離膜を構成する樹脂組成物の全成分のなかで、重量的に最も多く含まれる成分を指すものとする。

本発明において、セルロースエステルの具体例としては、セルロースアセテート、セルロースプロピオネート、セルロースブチレートなどのセルロースエステルや、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートブチレートなどのセルロース混合エステルが挙げられる。

セルロースエステルの重量平均分子量（Ｍｗ）は５万〜２５万であることが好ましい。Ｍｗが５万以上であることで、分離膜製造時に溶融する際のセルロースエステルの熱分解が抑制され、かつ、分離膜の膜強度が実用レベルに到達できる。Ｍｗが２５万以下とであることで、溶融粘度が高くなりすぎないので、安定した溶融製膜が可能となる。

Ｍｗは６万〜２２万であることがより好ましく、８万〜２０万であることがさらに好ましい。なお、重量平均分子量（Ｍｗ）とは、ＧＰＣ測定により算出される値である。その算出方法については、実施例にて詳細に説明する。

例示した各セルロース混合エステルは、アセチル基と他のアシル基（プロピオニル基、ブチリル基など）とを有する。分離膜に含有されるセルロース混合エステルにおいて、アセチル基と他のアシル基との平均置換度は、下記式を満たすことが好ましい。

１．０≦（アセチル基の平均置換度＋他のアシル基の平均置換度）≦３．０
０．１≦（アセチル基の平均置換度）≦２．６
０．１≦（他のアシル基の平均置換度）≦２．６
上記式が満たされることで、分離膜の透過性能と、分離膜を構成する樹脂組成物を溶融する際の良好な熱流動性が実現される。なお、平均置換度とは、セルロースのグルコース単位あたりに存在する３つの水酸基のうちアシル基（アセチル基＋他のアシル基）が化学的に結合した数を指す。

セルロースエステルは１種類のみ含有してもよいし、２種類以上を含有してもよい。

分離膜を構成する樹脂組成物中におけるセルロースエステルの含有量は、分離膜を構成する樹脂組成物の全成分を１００重量％としたときに、７０〜１００重量％が好ましく、８０〜１００重量％がより好ましく、９０〜１００重量％が特に好ましい。

また、セルロースエステルは、製膜用の原料を構成する成分の全体を１００重量％としたときに、２０重量％以上８０重量％以下含有することが好ましい。

含有量が２０重量％以上であることで、分離膜の膜強度が良好なものとなる。含有量が８０重量％以下であることで、分離膜の熱可塑性および透過性能が良好なものとなる。含有量は２５重量％以上であることがより好ましく、３０重量％以上であることがさらに好ましい。また、含有量は７０重量％以下であることがより好ましく、６０重量％以下であることがさらに好ましい。

（２）セルロースエステルの可塑剤
本発明の分離膜を構成する樹脂組成物は、セルロースエステルの可塑剤を含有していてもよい。

セルロースエステルの可塑剤は、セルロースエステルを熱可塑化する化合物であれば特に限定されない。また、１種類の可塑剤だけでなく、２種類以上の可塑剤が併用されてもよい。

セルロースエステルの可塑剤の具体例としては、ポリエチレングリコール及びポリエチレングリコール脂肪酸エステルなどのポリアルキレングリコール系化合物、グリセリン脂肪酸エステル及びジグリセリン脂肪酸エステルなどのグリセリン系化合物、クエン酸エステル系化合物、リン酸エステル系化合物及びアジピン酸エステルなどの脂肪酸エステル系化合物、カプロラクトン系化合物、ないし、それらの誘導体などが挙げられる。

ポリアルキレングリコール系化合物の具体的な好ましい例としては、重量平均分子量が４００〜４，０００である、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、及びポリブチレングリコールなどが挙げられる。

セルロースエステルの可塑剤は、分離膜を形成した後は、分離膜中に残存してもよいし、分離膜から溶出させてもよい。溶出させた場合、可塑剤が抜けた跡が膜中における細孔となることがあり、その結果、透過性能が良好となる。

また、セルロースエステルの可塑剤は、製膜用の原料を構成する成分の全体を１００重量％としたときに、５重量％以上４０重量％以下含有することが好ましい。

含有量が５重量％以上であることで、セルロースエステルの熱可塑性および分離膜の透過性能が良好なものとなる。含有量を４０重量％以下とすることで、分離膜の膜強度が良好なものとなる。セルロースエステルの可塑剤の含有量は、より好ましくは１０〜３５重量％、さらに好ましくは１５〜３０重量％である。

（３）酸化防止剤
本発明の分離膜を構成する樹脂組成物には、酸化防止剤が含有されていることが好ましい。

酸化防止剤の具体例としては、リン系の酸化防止剤を含有することが好ましく、ペンタエリスリトール系化合物がより好ましい。ペンタエリスリトール系化合物として具体的には、ビス（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェニル）ペンタエリスリトールジホスファイト等が挙げられる。酸化防止剤を含有している場合、溶融製膜する際の熱分解が抑制され、その結果、膜強度の向上、膜への着色防止が可能となる。

酸化防止剤の含有量は、製膜用の原料を構成する成分の全体を１００重量％としたときに、０．００５〜０．５００重量％であることが好ましい。

（４）構造形成剤
本発明の分離膜を構成する樹脂組成物には、構造形成剤を含有していてもよい。

本発明における構造形成剤は、セルロースエステルと混合して膜を形成した後、溶媒で溶出または分解可能である、熱可塑性樹脂であればよい。

本発明における構造形成剤は、水に溶解するか、または、水に対する接触角が、分離膜に含有されるセルロースエステルよりも小さい熱可塑性樹脂であることが、容易に溶出できる点から好ましい。

構造形成剤の具体例としては、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ＰＶＰ／酢酸ビニル共重合体、ＰＶＰ／メタクリル酸メチル共重合体等のＰＶＰをベースとする共重合体、ポリビニルアルコール、ポリエステル系化合物等があげられる。これらは、単独もしくは併用して使用することができる。

ＰＶＰは熱架橋が生じると分離膜から溶出させることが困難になるため、分子間架橋が比較的進行しにくく、かつ架橋しても溶出することが可能である観点から、重量平均分子量は２万以下であることが好ましい。また、前段落に記載したＰＶＰをベースとする共重合体を用いることも熱架橋が抑制される点で好ましい。

構造形成剤は、分離膜の製造工程において、膜の成形後に溶出することで細孔を形成するが、その一部が分離膜中に残存してもよい。

構造形成剤の含有量は、製膜用の原料を構成する成分の全体を１００重量％とした際に、２０重量％以上８０重量％以下であることが好ましい。

含有量が２０重量％以上であることで、分離膜の透過性能が良好なものとなる。含有量を８０重量％以下とすることで、膜強度が良好なものとなる。構造形成剤の含有量は、より好ましくは３０重量％以上、さらに好ましくは４０重量％である。また、構造形成剤の含有量は、より好ましくは７５重量％以下、さらに好ましくは７０重量％以下である。

（５）添加剤
本発明の分離膜を構成する樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で（１）〜（４）に記載した以外の添加剤を含有してもよい。

添加剤の具体例としては、セルロースエーテル、ポリアクリロニトリル、ポリオレフィン、ポリビニル化合物、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどの樹脂、有機滑剤、結晶核剤、有機粒子、無機粒子、末端封鎖剤、鎖延長剤、紫外線吸収剤、赤外線吸収剤、着色防止剤、艶消し剤、抗菌剤、制電剤、消臭剤、難燃剤、耐候剤、帯電防止剤、抗酸化剤、イオン交換剤、消泡剤、着色顔料、蛍光増白剤、染料などが挙げられる。

（膜形状）
本発明の分離膜の形状は特に限定されないが、中空糸形状の分離膜（以下、中空糸膜ともいう）又は、平面形状の膜（以下、平膜ともいう）が好ましく採用される。このなかでも、中空糸膜は効率良くモジュールに充填することが可能であり、モジュールの単位体積当たりの有効膜面積を大きくとることができるためより好ましい。中空糸膜とは中空を有する糸状の膜である。

分離膜の厚みは、透過性能と膜強度を両立させる観点から、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。分離膜の厚みは、２０μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることがさらに好ましく、４０μｍ以上であることが特に好ましい。分離膜の厚みは、４００μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以下であることがさらに好ましく、２００μｍ以下であることが特に好ましい。

中空糸膜の場合、モジュールに充填した際の有効膜面積と、膜強度を両立させる観点から、中空糸膜の外径が５０μｍ以上２５００μｍ以下であることが好ましい。中空糸膜の外径は、１００μｍ以上であることがより好ましく、２００μｍ以上であることがさらに好ましく、３００μｍ以上であることが特に好ましい。また、中空糸膜の外径は、２０００μｍ以下であることがより好ましく、１５００μｍ以下であることがさらに好ましく、１０００μｍ以下であることが特に好ましい。

また、中空糸膜の場合、中空部を流れる流体の圧損と、座屈圧との関係から、中空糸の中空率が１５〜７０％であることが好ましく、２０〜６５％であることがより好ましく、２５〜６０％であることがさらに好ましい。

中空糸膜における中空糸の外径や中空率を前記範囲とする方法は特に限定されないが、例えば中空糸を製造する紡糸口金の吐出孔の形状、または巻取速度／吐出速度で算出できるドラフト比、を適宜変更することで調整できる。

（膜の内部構造）
本発明の分離膜においては、分離膜の厚み方向の断面において、セルロースエステルを有する相と細孔の構造周期が０．００１μｍ以上１μｍ以下の共連続構造をとっていることが重要である。ここで共連続構造とは、例えば液体窒素中で十分に冷却した分離膜に応力を加え割断した断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などによって観察した際に、セルロースエステルを有する相と細孔が、奥行方向にそれぞれ連続した構造が観察されることを言う。なお、構造周期の測定方法は実施例にて記載する。

透過性と膜強度を両立させる観点から、構造周期は、０．００５μｍ以上が好ましく、０．０１０μｍ以上がより好ましく、０．０１５μｍ以上がさらに好ましく、０．０２０μｍ以上が特に好ましい。同様に、構造周期は、０．５μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましく、０．２μｍ以下がさらに好ましく、０．１μｍ以下が特に好ましい。

構造周期が前記範囲である共連続構造を得る方法は特に限定されないが、分離膜製造時に、セルロースエステルと構造形成剤を溶融混練すること、さらに、熱処理によりセルロースエステルと構造形成剤の相分離を誘起させることが好ましい。

（配向度）
本発明の分離膜は、分離膜の主配向方向において、セルロースエステルが１．０５以上１．５０以下の配向度を有することが重要である。

ここで、分離膜の主配向方向とは、分離膜におけるセルロースエステルの配向度が最も高くなる方向のことである。中空糸膜の場合は、長手方向、つまり、繊維軸方向となることが多く、また、平膜の場合は、長手方向、もしくは、幅方向（長手方向と垂直となる方向）となることが多い。

配向度が１．０５以上であることで、高い膜強度を発現できる。そのため、配向度が１．１０以上であることが好ましく、１．１５以上であることがより好ましく、１．２０以上であることがさらに好ましく、１．２５以上であることが特に好ましい。

一方で、配向度が１．５０以下であることで、高い透過性を発現できる。これは、熱処理による分離膜の内部構造の形成が十分に進行し、連通性が向上するためと考えられる。そのため、配向度は１．４５以下であることが好ましく、１．４０以下であることがより好ましい。

配向度は、ＦＴ−ＩＲにより測定される。具体的な測定方法については、実施例で説明する。

（膜透過流束）
本発明の分離膜は、５０ｋＰａ、２５℃における膜透過流束が０．１ｍ^３／ｍ^２・ｈｒ以上１０ｍ^３／ｍ^２・ｈｒ以下であることが好ましい。膜透過流束は０．３ｍ^３／ｍ^２・ｈｒ以上であることがより好ましく、０．５ｍ^３／ｍ^２・ｈｒ以上であることがさらに好ましい。膜透過流束の測定条件は実施例にて詳細に説明する。

（膜強度）
本発明の分離膜は、長手方向の引張に対する膜強度を発現するために、長手方向の引張強度は３０ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強度の測定条件は実施例にて詳細に説明する。引張強度は４０ＭＰａ以上であることがより好ましく、５０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。引張強度は高い方が好ましいが、伸度とのバランスの点から３００ＭＰａ以下であることが好ましい。

（製造方法）
本発明の分離膜を製造する方法は、
（１）２０重量％以上８０重量％以下のセルロースエステルと、２０重量％以上８０重量％以下の構造形成剤を溶融混練することで樹脂組成物を得る溶融混練工程
（２）前記樹脂組成物を口金から吐出、冷却することで膜を形成する製膜工程
（３）８０℃以上２００℃以下で加熱する際に、長手方向に１％以上２０％以下の弛緩を施す熱処理工程、
（４）構造形成剤を溶出させる溶出工程
を有する。

次に、本発明の分離膜を製造する方法を、分離膜が中空糸膜の場合を例に具体的に説明するがこれに限定されるものではない。

本発明の分離膜製膜用の樹脂組成物を得るにあたっては、２０重量％以上８０重量％以下のセルロースエステルと、２０重量％以上８０重量％以下の構造形成剤を溶融混練する方法が用いられる。ここに必要に応じ、前記した種類、含有量の、セルロースエステルの可塑剤、酸化防止剤、添加剤を含有することができる。

使用する装置については特に制限はなく、ニーダー、ロールミル、バンバリーミキサー、単軸または二軸押出機等の公知の混合機を用いることができる。中でも構造形成剤や可塑剤の分散性を良好とする観点から、二軸押出機の使用が好ましい。水分や低分子量物などの揮発物を除去できる観点から、ベント孔付きの二軸押出機の使用がより好ましい。

得られた樹脂組成物は、一旦ペレット化し、再度溶融させて溶融製膜に用いてもよいし、直接口金に導いて溶融製膜に用いてもよい。一旦ペレット化する際には、ペレットを乾燥して、水分量を２００ｐｐｍ（重量基準）以下とした樹脂組成物を用いることが好ましい。

上記の方法で溶融した樹脂組成物を、中央部に気体の流路を配した二重環状ノズルを有する紡糸口金から空気中に吐出、冷却装置により冷却することで中空糸膜を形成する。巻取速度／吐出速度で算出できるドラフト比は５０以上５００以下であることが好ましい。ドラフト比は４００以下であることがより好ましく、３００以下であることがさらに好ましい。

形成された中空糸膜は、延伸してもよい。延伸する際は、一旦巻き取り、再度巻き出して延伸に用いてもよいし、直接延伸工程に導いて延伸してもよい。延伸工程を経ることは、セルロースエステルの高配向化により膜強度を向上させる点で好ましい。延伸方法は特に限定されないが、例えば、延伸前の中空糸膜を加熱ロール上で搬送することによって延伸を行う温度まで昇温し、ロール間の周速差を用いて延伸する方法でもよいし、乾熱オーブン、あるいは熱水や溶媒などの加熱液体中を搬送することによって延伸を行う温度まで昇温し、ロール間の周速差を用いて延伸する方法でもよい。また、延伸は１段で行ってもよいし、２段以上の多段で行ってもよい。

延伸工程における中空糸膜の温度の好ましい範囲は４０〜１８０℃であり、より好ましくは６０〜１６０℃、さらに好ましくは８０〜１４０℃である。合計の延伸倍率は１．２倍以上が好ましく、１．４倍以上がより好ましく、１．６倍以上がさらに好ましい。また、合計の延伸倍率は５．０倍以下が好ましく、４．５倍以下がより好ましく、４．０倍以下がさらに好ましい。

続いて、８０℃以上２００℃以下で加熱することにより中空糸膜に熱処理を施す。その際に、長手方向に１％以上２０％以下の弛緩を施すことが重要である。この熱処理工程を経ることにより、セルロースエステルと構造形成剤の相分離を誘起し、本発明の分離膜の特徴である内部構造を形成する。また、加熱する際に前記した条件の弛緩を施すことで、相分離とセルロースエステルの配向をバランスさせて、高い透過性と高い膜強度を発現する。熱処理は加熱ロール上で搬送する方法でもよいし、乾熱オーブン、あるいは熱水や溶媒などの加熱液体中を搬送する方法でもよいし、ボビンや紙管などに巻き取ったロールの状態で、乾熱オーブン、あるいは熱水や溶媒などの加熱液体中に投入する方法でもよい。

熱処理温度は１００℃以上が好ましく、１２０℃以上がより好ましい。また、熱処理温度は１９０℃以下が好ましく、１８０℃以下がより好ましい。
熱処理時間は１０秒以上が好ましく、２０秒以上がより好ましく、３０秒以上がさらに好ましい。また、熱処理時間は６００秒以下が好ましく、４８０秒以下がより好ましく、３６０秒以下がさらに好ましい。
長手方向の弛緩は、３％以上が好ましく、５％以上がより好ましい。また、長手方向の弛緩は、１７％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。

その後、水、アルコール水溶液、酸水溶液、アルカリ水溶液などの溶媒に浸漬することにより、構造形成剤を溶出させる工程を経た後、分離膜とする。

このようにして得られた分離膜はこのままでも使用できるが、使用する前に例えばアルコール含有水溶液、アルカリ水溶液等によって膜の表面を親水化させることが好ましい。

こうして、本発明の分離膜を製造することができる。

（モジュール）
本発明の分離膜は、使用時には分離膜モジュールに組み込まれてもよい。分離膜モジュールは、例えば、複数本の中空糸膜で構成された膜束と、この膜束を収容する筐体とを備える。

また、平膜であれば、支持体に固定されるか、膜同士が貼り合わせられることで封筒状膜を形成し、さらに必要に応じて集水管等に装着されることでモジュール化される。

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら制限を受けるものではない。

［測定および評価方法］
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。実施例中の各特性値は次の方法で求めたものである。本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（１）セルロース混合エステルの平均置換度
セルロースにアセチル基およびアシル基が結合したセルロース混合エステルの平均置換度の算出方法については下記の通りである。

８０℃で８時間の乾燥したセルロース混合エステル０．９ｇを秤量し、アセトン３５ｍｌとジメチルスルホキシド１５ｍｌを加え溶解した後、さらにアセトン５０ｍｌを加えた。撹拌しながら０．５Ｎ−水酸化ナトリウム水溶液３０ｍｌを加え、２時間ケン化した。熱水５０ｍｌを加え、フラスコ側面を洗浄した後、フェノールフタレインを指示薬として０．５Ｎ−硫酸で滴定した。別に試料と同じ方法で空試験を行った。滴定が終了した溶液の上澄み液を１００倍に希釈し、イオンクロマトグラフを用いて、有機酸の組成を測定した。測定結果とイオンクロマトグラフによる酸組成分析結果から、下記式により置換度を計算した。

ＴＡ＝（Ｂ−Ａ）×Ｆ／（１０００×Ｗ）
ＤＳａｃｅ＝（１６２．１４×ＴＡ）／［｛１−（Ｍｗａｃｅ−（１６．００＋１．０１））×ＴＡ｝＋｛１−（Ｍｗａｃｙ−（１６．００＋１．０１））×ＴＡ｝×（Ａｃｙ／Ａｃｅ）］
ＤＳａｃｙ＝ＤＳａｃｅ×（Ａｃｙ／Ａｃｅ）
ＴＡ：全有機酸量（ｍｌ）
Ａ：試料滴定量（ｍｌ）
Ｂ：空試験滴定量（ｍｌ）
Ｆ：硫酸の力価
Ｗ：試料重量（ｇ）
ＤＳａｃｅ：アセチル基の平均置換度
ＤＳａｃｙ：他のアシル基の平均置換度
Ｍｗａｃｅ：酢酸の分子量
Ｍｗａｃｙ：他の有機酸の分子量
Ａｃｙ／Ａｃｅ：酢酸（Ａｃｅ）と他の有機酸（Ａｃｙ）とのモル比
１６２．１４：セルロースの繰り返し単位の分子量
１６．００：酸素の原子量
１．０１：水素の原子量
（２）セルロースエステルの重量平均分子量（Ｍｗ）
セルロースエステルの濃度が０．１５重量％となるようにテトラヒドロフランに完全に溶解させ、ＧＰＣ測定用試料とした。この試料を用い、以下の条件のもと、Ｗａｔｅｒｓ２６９０でＧＰＣ測定を行い、ポリスチレン換算により重量平均分子量（Ｍｗ）を求めた。

カラム ：東ソー製ＴＳＫ ｇｅｌ ＧＭＨＨＲ−Ｈを２本連結
検出器 ：Ｗａｔｅｒｓ２４１０ 示差屈折計ＲＩ
移動層溶媒：テトラヒドロフラン
流速 ：１．０ｍｌ／分
注入量 ：２００μｌ
（３）構造周期
グリセリン５０％水溶液に１時間浸漬した分離膜を液体窒素で凍結した後、分離膜の主配向方向に垂直な方向と、膜の厚み方向の断面が出るように、応力を加えることにより割断した。この際、分離膜の主配向方向は「（５）配向度」の項で決定するが、主配向方向が不明である場合は、任意の方向に割断するものとする。また、割断する際は、必要に応じて、カミソリまたはミクロトーム等を用いる。断面を出した分離膜を２５℃で８時間、真空乾燥させた後、膜断面を走査型電子顕微鏡で観察した。この際、膜厚方向の中心を顕微鏡視野の中心として膜断面の観察を行った。得られた走査型電子顕微鏡画像をフーリエ変換し、波数を横軸、強度を縦軸にプロットした際の極大ピークの有無を確認した。極大値を有する場合、極大値に対応する波数ｑから構造周期λ（＝１／ｑ）を導いた。このとき、走査型電子顕微鏡画像の画像サイズは孔径の１０倍以上１００倍以下の長さを一辺とする正方形とする。

（４）分離膜の厚み（μｍ）
上記（３）で作成した膜断面を光学顕微鏡により観察して撮影し、分離膜の厚み（μｍ）を算出した。なお、分離膜の厚みは、任意の１０箇所を観察して算出し、その平均値とした。

（５）配向度
１回反射ＡＴＲ付属装置を付けたＢｉｏＲａｄ ＤＩＧＩＬＡＢ社製ＦＴＩＲ（ＦＴＳ−５５Ａ）を用い、２５℃、８時間真空乾燥を行った分離膜試料を用い、長手方向（ＭＤ）と、長手方向と垂直な方向（幅方向あるいは径方向）（ＴＤ）について、Ｓ偏光ＡＴＲスペクトル測定を行った。なお、ＡＴＲ結晶にはＧｅプリズムを用い、入射角４５°、積算回数２５６回、偏光子にはワイヤーグリッドを用い、Ｓ偏光にて実施した。得られたＡＴＲスペクトルからＭＤとＴＤで、バンド強度が変化する２つのバンドを用いて、そのバンド強度比を配向パラメータとして算出した。例えば、セルロースアセテートプロピオネートを主成分とする分離膜の場合は、１０６２ｃｍ^−１付近のバンド（ピラノース環（―Ｃ―Ｏ―Ｃ―））、および、１１６４ｃｍ^−１付近のバンド（プロピオル基（―Ｃ―Ｏ―））の強度を、分離膜のＭＤおよびＴＤでそれぞれ測定し、配向パラメータＨ_ＭＤ、Ｈ_ＴＤを算出した。
Ｈ_ＭＤ：ＭＤの１０６２ｃｍ^−１付近のバンド強度／ＭＤの１１６４ｃｍ^−１付近のバンド強度
Ｈ_ＴＤ：ＴＤの１０６２ｃｍ^−１付近のバンド強度／ＴＤの１１６４ｃｍ^−１付近のバンド強度
このように算出したＨ_ＭＤ、Ｈ_ＴＤを比較して、大きい方の配向パラメータを有する方向を主配向方向と決定し、以下の式から配向度を求めた。
主配向方向がＭＤの場合：配向度＝Ｈ_ＭＤ／Ｈ_ＴＤ
主配向方向がＴＤの場合：配向度＝Ｈ_ＴＤ／Ｈ_ＭＤ
また、平膜などで長手方向が不明である場合は、任意の一方向とその方向に垂直な方向とについて、前記と同様に配向パラメータを算出して主配向方向を決定し、配向度を求めた。

（６）中空糸膜の外径（μｍ）
上記（３）で作成した膜断面を光学顕微鏡により観察して撮影し、中空糸膜の外径（μｍ）を算出した。なお、中空糸膜の外径は、任意の１０箇所を観察して算出し、その平均値とした。

（７）引張強度（ＭＰａ）
温度２０℃、湿度６５％の環境下において、引張試験機（オリエンテック社製テンシロン ＵＣＴ−１００）を用いて、２５℃で８時間、真空乾燥させた分離膜の主配向方向の引張強度を測定した。具体的には、試料長１００ｍｍ、引張速度１００ｍｍ／ｍｉｎの条件にて測定を行い、引張強さから引張強度（破断強度）（ＭＰａ）を算出した。なお測定回数は５回とし、その平均値とした。

（８）透過性能（膜透過流束（ｍ^３／ｍ^２／ｈ））
温度２５℃、ろ過差圧５０ｋＰａの条件で、３０分間にわたって蒸溜水を送液し得られた透過水量（ｍ^３）を測定し、単位時間（ｈ）および単位膜面積（ｍ^２）当たりの数値に換算し、純水の透過性能（単位＝ｍ^３／ｍ^２／ｈ）とした。なお、分離膜が中空糸膜の場合、中空糸膜２〜４本からなる有効長さ２００ｍｍの小型モジュールを作製して評価を行った。

［セルロースエステル（Ａ）］
セルロースエステル（Ａ１）
セルロース（コットンリンター）１００重量部に、酢酸２４０重量部とプロピオン酸６７重量部を加え、５０℃で３０分間混合した。混合物を室温まで冷却した後、氷浴中で冷却した無水酢酸１７２重量部と無水プロピオン酸１６８重量部をエステル化剤として、硫酸４重量部をエステル化触媒として加えて、１５０分間撹拌を行い、エステル化反応を行った。エステル化反応において、４０℃を越える時は、水浴で冷却した。

反応後、反応停止剤として酢酸１００重量部と水３３重量部の混合溶液を２０分間かけて添加して、過剰の無水物を加水分解した。その後、酢酸３３３重量部と水１００重量部を加えて、８０℃で１時間加熱撹拌した。反応終了後、炭酸ナトリウム６重量部を含む水溶液を加えて、析出したセルロースアセテートプロピオネートを濾別し、続いて水で洗浄した後、６０℃で４時間乾燥した。得られたセルロースアセテートプロピオネートのアセチル基およびプロピオニル基の平均置換度は各々１．９、０．７であり、重量平均分子量（Ｍｗ）は１７．８万であった。

［セルロースエステルの可塑剤（Ｂ）］
可塑剤（Ｂ１）
ポリエチレングリコール、重量平均分子量６００
［構造形成剤（Ｃ）］
構造形成剤（Ｃ１）：ＰＶＰ／酢酸ビニル共重合（Ｋｏｌｌｉｄｏｎ ＶＡ ６４ （ＢＡＳＦジャパン株式会社））
［酸化防止剤（Ｄ）］
酸化防止剤（Ｄ１）
ビス（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェニル）ペンタエリスリトールジホスファイト
［分離膜の製造］
（実施例１）
セルロースエステル（Ａ１）４５重量％と、可塑剤（Ｂ１）２４．９重量％、構造形成剤（Ｃ１）３０重量％および酸化防止剤（Ｄ１）０．１重量％を二軸押出機にて２２０℃で溶融混練し、均質化した後にペレット化して、溶融紡糸用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を８０℃、８時間真空乾燥を行った。

乾燥させた樹脂組成物を二軸押出機に供給し２２０℃で溶融、混練した後に、紡糸温度２２０℃とした溶融紡糸パックへ導入して、吐出量１０ｇ／分の条件で、口金孔（二重円管タイプ、吐出孔径８．３ｍｍ、スリット巾１．１ｍｍ）を１ホール有する口金の外側環状部より下方に紡出した。この紡出した中空糸を、冷却装置へ導き、２５℃、風速１．５ｍ／秒の冷却風によって冷却し、ドラフト比が６０となるようにワインダーで巻き取った。この紡出糸を、長手方向に１０％の弛緩を施しつつ、１５０℃で３００秒間熱処理した後、５０％エタノール水溶液に分離膜を１２時間浸漬して、可塑剤、構造形成剤を溶出させた。得られた分離膜の物性を表１に示した。

（実施例２〜３、比較例１）
製造条件をそれぞれ表１のように変更した以外は、実施例１と同様にして分離膜を得た。得られた分離膜の物性を表１に示した。

表１の結果より、実施例１〜３の分離膜は、膜透過流束が０．１ｍ^３／ｍ^２／ｈ以上であり、また、引張強度が３０ＭＰａ以上であることから、良好な透過性能と膜強度を発現していた。

一方、比較例１の分離膜においては、引張強度が不十分であった。

（比較例２）
セルローストリアセテート（ダイセル化学社製）１５.５重量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ、三菱化学社製）５９重量％およびトリエチレングリコール（ＴＥＧ、三井化学社製）２５．５重量％を加熱して均一に溶解し、脱泡を行うことで得られた製膜溶液を１００℃に加温したチューブインオリフィスノズルから中空形成材として流動パラフィンとともに吐出し、紡糸管により外気と遮断された空中走行部２０ｍｍを通過した後、ドラフト比７にて凝固浴に浸漬した。紡糸管には、３０℃の水蒸気を吹き込み、管内湿度を８０％ＲＨとした。４０℃のＮＭＰ／ＴＥＧ／水＝１０．５重量％／４．５重量％／８５．０重量％からなる第１凝固浴および第２凝固浴中で凝固、相分離させた。第２凝固浴における延伸は１０％とした。続いて、３０℃の水洗浴で洗浄、９０℃、９５質量％のグリセリン水溶液に浸漬した後、４０℃のドライヤーで乾燥、過剰のグリセリンを除去することで中空糸型の分離膜を得た。なお、グリセリン水溶液の浸漬は中空糸に張力がかからない状態で行った。

得られた中空糸膜では構造周期は確認されなかった。配向度は１．０４、中空糸の外径は２３０μｍ、分離膜の厚みは１５μｍ、膜透過流束は０．１８ｍ^３／ｍ^２／ｈ、引張強度は２７ＭＰａであり、引張強度が不十分であった。

本発明は、高い透過性と、高い膜強度を有する分離膜である。本発明の分離膜は、海水、かん水、下水、排水などから工業用水、飲料水などを製造するための水処理用膜、人工腎臓や血漿分離などの医療用膜、果汁濃縮などの食品・飲料工業用膜、排気ガス、炭酸ガスなどを分離するガス分離膜、燃料電池セパレータなどの電子工業用膜などに用いることができる。前記水処理用膜の種類としては、精密濾過膜、限外濾過膜、などに好ましく用いることができる。

Claims (5)

1. 分離膜の厚み方向の断面において、セルロースエステルを有する相と細孔との共連続構造を有し、
   前記共連続構造の構造周期が０．００１μｍ以上１μｍ以下であり、
   前記分離膜の主配向方向において、前記セルロースエステルが１．０５以上１．５０以下の配向度を有する、分離膜。
2. 厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１に記載の分離膜。
3. 中空糸形状である、請求項１または２に記載の分離膜。
4. 前記中空糸の外径が５０μｍ以上２５００μｍ以下である、請求項３に記載の分離膜。
5. 下記（１）〜（５）の工程を含む分離膜の製造方法。
   （１）２０重量％以上８０重量％以下のセルロースエステルと、２０重量％以上８０重量％以下の構造形成剤を溶融混練することで樹脂組成物を得る溶融混練工程
   （２）前記樹脂組成物を口金から吐出、冷却することで膜を形成する製膜工程
   （３）８０℃以上２００℃以下で加熱する際に、長手方向に１％以上２０％以下の弛緩を施す熱処理工程、
   （４）構造形成剤を溶出させる溶出工程