JP2018171545A - ガス分離複合膜、ガス分離モジュール、ガス分離装置、ガス分離方法、及びガス分離複合膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】主鎖が無機系の高分子化合物をガス分離層とするガス分離複合膜であって、ガスの透過性と分離選択性に優れ、耐久性及び耐折性にも優れ、種々のモジュール形態へと加工可能なガス分離複合膜、このガス分離複合膜を用いたガス分離モジュール、ガス分離装置及びガス分離方法、並びにガス分離複合膜の製造方法を提供する。
【解決手段】多孔質支持体3と、この多孔質支持体3に接して設けられた、構造単位(A1)と(A2)とを有するシリコーン層2と、このシリコーン層2上に設けられた、構造単位(B1)と(B2)とを有するシリカ層1とを有し、シリコーン層2の原子の数の比が0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たし、シリカ層1中の原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たすガス分離複合膜10、このガス分離複合膜10を用いたガス分離モジュール、ガス分離装置、及びガス分離方法、並びに、ガス分離複合膜10の製造方法。
【選択図】図1
【解決手段】多孔質支持体3と、この多孔質支持体3に接して設けられた、構造単位(A1)と(A2)とを有するシリコーン層2と、このシリコーン層2上に設けられた、構造単位(B1)と(B2)とを有するシリカ層1とを有し、シリコーン層2の原子の数の比が0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たし、シリカ層1中の原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たすガス分離複合膜10、このガス分離複合膜10を用いたガス分離モジュール、ガス分離装置、及びガス分離方法、並びに、ガス分離複合膜10の製造方法。
【選択図】図1
Description
本発明は、ガス分離複合膜、ガス分離モジュール、ガス分離装置、ガス分離方法、及びガス分離複合膜の製造方法に関する。
高分子化合物や無機化合物からなる素材には、その素材ごとに特有の気体透過性がある。その性質に基づき、特定の素材により構成された膜によって、所望の気体成分を選択的に透過させて分離することができる。この気体分離膜の産業上の利用態様として、地球温暖化の問題と関連し、火力発電所やセメントプラント、製鉄所高炉等において、大規模な二酸化炭素発生源から二酸化炭素を分離回収することが検討されている。そして、この膜分離技術は、比較的小さなエネルギーで達成できる環境問題の解決手段として着目されている。
一方、天然ガスやバイオガス(生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚水、ゴミ、エネルギー作物などの発酵、嫌気性消化により発生するガス)は主としてメタンと二酸化炭素を含む混合ガスであり、その二酸化炭素等の不純物を除去する手段として膜分離方法が検討されている(特許文献1)。
一方、天然ガスやバイオガス(生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚水、ゴミ、エネルギー作物などの発酵、嫌気性消化により発生するガス)は主としてメタンと二酸化炭素を含む混合ガスであり、その二酸化炭素等の不純物を除去する手段として膜分離方法が検討されている(特許文献1)。
膜分離方法を用いてより効率的にガスを分離するために、ガス分離複合膜には優れたガス分離選択性に加え、高いガス透過性が求められる。すなわち、実用的なガス分離複合膜とするためには、ガス分離層を薄層にして十分なガス透過性を確保しなければならない。
そのための手法として、ガス分離機能を担う素材と機械強度を担う素材とを別素材とする複合膜の形態が知られている。この複合膜は、機械強度を担うガス透過性支持体上に、高分子化合物からなる薄層のガス分離層が形成された構造を持つ。
そのための手法として、ガス分離機能を担う素材と機械強度を担う素材とを別素材とする複合膜の形態が知られている。この複合膜は、機械強度を担うガス透過性支持体上に、高分子化合物からなる薄層のガス分離層が形成された構造を持つ。
ガス分離層を構成する高分子化合物としては一般に、セルロース樹脂やポリイミド樹脂といった有機高分子化合物が用いられ、盛んに研究されている(例えば特許文献2及び3)。また、ガス分離層の素材として主鎖が無機系の高分子を用いることも報告されている。例えば特許文献4及び5には、ポリジメチルシロキサンを有する膜をプラズマ処理し、得られたシリカ様の架橋膜をガス分離層とするガス分離膜が記載されている。
一般に、ガス分離層の素材として、主鎖が無機系である高分子化合物を用いると膜欠陥を生じやすい。そのため通常は、均質な細孔を有するアルミナ多孔質体等を支持体とし、その上に、主鎖が無機系の高分子化合物の膜が形成される。しかし、このような支持体は高価である上柔軟性に乏しく、ガス分離複合膜の大面積化や、ガス分離複合膜を適用可能なモジュール形態には制約がある。
本発明は、主鎖が無機系の高分子化合物をガス分離層とするガス分離複合膜であって、ガス透過性とガス分離選択性を高度なレベルで両立し、また天然ガス中に存在するトルエン等の可塑化成分の影響を受けにくく耐久性にも優れ、且つ、高い歩留りで製造することができるガス分離複合膜、このガス分離複合膜を用いたガス分離モジュール、ガス分離装置、及びガス分離方法を提供することを課題とする。
また本発明は、主鎖が無機系の高分子化合物をガス分離層とするガス分離複合膜であって、ガス透過性とガス分離選択性を高度なレベルで両立でき、また天然ガス中に存在するトルエン等の可塑化成分の影響を受けにくく耐久性にも優れたガス分離複合膜を高い歩留りで製造する方法を提供することを課題とする。
また本発明は、主鎖が無機系の高分子化合物をガス分離層とするガス分離複合膜であって、ガス透過性とガス分離選択性を高度なレベルで両立でき、また天然ガス中に存在するトルエン等の可塑化成分の影響を受けにくく耐久性にも優れたガス分離複合膜を高い歩留りで製造する方法を提供することを課題とする。
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた。その結果、多孔質支持体上に、エチレン基を介した架橋構造を有する特定構造のシリコーン層を形成し、このシリコーン層表面に対して酸素原子浸透処理を施して得られるガス分離複合膜が、優れたガス透過性とガス分離選択性を示すこと、また、天然ガス中に含まれ、膜の可塑化の原因となるトルエンに暴露しても可塑化しにくいこと、さらに、折り曲げても膜欠陥が生じにくく機械強度にも優れること、ガス分離複合膜を高い歩留りで(すなわち低いサンプルエラー率で)製造できることを見い出した。
本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成させるに至ったものである。
本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成させるに至ったものである。
すなわち、本発明の上記課題は以下の手段により解決された。
〔1〕
多孔質支持体と、この多孔質支持体に接して設けられた、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有するシリコーン層と、このシリコーン層上に設けられた、少なくとも下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有するシリカ層とを有するガス分離複合膜であって、
上記シリコーン層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たし、
上記シリカ層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす、ガス分離複合膜。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
〔2〕
上記シリコーン層中のSi原子の数に対するC原子の数の比が、1.2≦C原子/Si原子≦3.0を満たす、〔1〕に記載のガス分離複合膜。
〔3〕
上記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、〔1〕又は〔2〕に記載のガス分離複合膜。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
〔4〕
上記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、〔1〕〜〔3〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔5〕
上記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔6〕
上記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔7〕
上記シリカ層の、ケイ素原子の数に対する炭素原子の数の比が、C原子/Si原子≦1.6を満たす、〔1〕〜〔6〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔8〕
上記シリカ層と上記シリコーン層との間に厚み5nm以上の混和層が存在し、この混和層におけるSi原子の数に対するO原子の数の比が、この混和層のシリコーン層側からシリカ層側に向けて連続的に増加している、〔1〕〜〔7〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔9〕
〔1〕〜〔8〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜を用いたガス分離モジュール。
〔10〕
〔9〕に記載のガス分離モジュールを備えたガス分離装置。
〔11〕
〔1〕〜〔8〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜を用いたガス分離方法。
〔12〕
二酸化炭素及びメタンを含むガスから二酸化炭素を選択的に透過させる、〔11〕に記載のガス分離方法。
〔13〕
多孔質支持体上に、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たすシリコーン層を形成する工程、及び
上記シリコーン層表面に対して酸素原子浸透処理を施すことにより、上記シリコーン層の表層を、下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が1.6≦O原子/Si原子を満たすシリカ層にする工程を含む、ガス分離複合膜の製造方法。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
〔14〕
上記酸素原子浸透処理が酸素プラズマ処理である、〔13〕に記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔15〕
上記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、〔13〕又は〔14〕に記載のガス分離複合膜の製造方法。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
〔16〕
上記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、〔13〕〜〔15〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔17〕
上記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、〔13〕〜〔16〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔18〕
上記シリコーン層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔13〕〜〔17〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔19〕
上記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔13〕〜〔18〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔20〕
上記シリコーン層が、上記多孔質支持体上に、下記(a)の架橋性ポリシロキサン化合物と下記(b)の架橋性ポリシロキサン化合物とを含有する混合液を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を硬化して形成されたものである、〔13〕〜〔19〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法:
(a)下記式(a1)で表される構造単位と、下記式(a2)で表される構造単位と、下記式(a3)で表される構造単位及び下記式(a4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ヒドロシリル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物;
(b)下記式(b1)で表される構造単位と、下記式(b2)で表される構造単位と、下記式(b3)で表される構造単位及び下記式(b4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ビニル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物。
式中、R1a〜R1f及びR2a〜R2fは、ビニル基及びヒドロシリル基の両基に対して非反応性の置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
〔1〕
多孔質支持体と、この多孔質支持体に接して設けられた、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有するシリコーン層と、このシリコーン層上に設けられた、少なくとも下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有するシリカ層とを有するガス分離複合膜であって、
上記シリコーン層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たし、
上記シリカ層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす、ガス分離複合膜。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
〔2〕
上記シリコーン層中のSi原子の数に対するC原子の数の比が、1.2≦C原子/Si原子≦3.0を満たす、〔1〕に記載のガス分離複合膜。
〔3〕
上記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、〔1〕又は〔2〕に記載のガス分離複合膜。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
〔4〕
上記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、〔1〕〜〔3〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔5〕
上記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔6〕
上記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔7〕
上記シリカ層の、ケイ素原子の数に対する炭素原子の数の比が、C原子/Si原子≦1.6を満たす、〔1〕〜〔6〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔8〕
上記シリカ層と上記シリコーン層との間に厚み5nm以上の混和層が存在し、この混和層におけるSi原子の数に対するO原子の数の比が、この混和層のシリコーン層側からシリカ層側に向けて連続的に増加している、〔1〕〜〔7〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜。
〔9〕
〔1〕〜〔8〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜を用いたガス分離モジュール。
〔10〕
〔9〕に記載のガス分離モジュールを備えたガス分離装置。
〔11〕
〔1〕〜〔8〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜を用いたガス分離方法。
〔12〕
二酸化炭素及びメタンを含むガスから二酸化炭素を選択的に透過させる、〔11〕に記載のガス分離方法。
〔13〕
多孔質支持体上に、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たすシリコーン層を形成する工程、及び
上記シリコーン層表面に対して酸素原子浸透処理を施すことにより、上記シリコーン層の表層を、下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が1.6≦O原子/Si原子を満たすシリカ層にする工程を含む、ガス分離複合膜の製造方法。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
〔14〕
上記酸素原子浸透処理が酸素プラズマ処理である、〔13〕に記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔15〕
上記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、〔13〕又は〔14〕に記載のガス分離複合膜の製造方法。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
〔16〕
上記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、〔13〕〜〔15〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔17〕
上記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、〔13〕〜〔16〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔18〕
上記シリコーン層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔13〕〜〔17〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔19〕
上記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、〔13〕〜〔18〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法。
〔20〕
上記シリコーン層が、上記多孔質支持体上に、下記(a)の架橋性ポリシロキサン化合物と下記(b)の架橋性ポリシロキサン化合物とを含有する混合液を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を硬化して形成されたものである、〔13〕〜〔19〕のいずれか1つに記載のガス分離複合膜の製造方法:
(a)下記式(a1)で表される構造単位と、下記式(a2)で表される構造単位と、下記式(a3)で表される構造単位及び下記式(a4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ヒドロシリル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物;
(b)下記式(b1)で表される構造単位と、下記式(b2)で表される構造単位と、下記式(b3)で表される構造単位及び下記式(b4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ビニル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物。
本明細書において、特定の符号で表示された置換基や連結基等(以下、置換基等という)が複数あるとき、あるいは複数の置換基等を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。このことは、置換基等の数の規定についても同様である。また、式中に同一の表示で表された複数の部分構造の繰り返しがある場合は、各部分構造ないし繰り返し単位は同一でも異なっていてもよい。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が近接(特に隣接)するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい意味である。
本明細書において化合物の表示については、化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、目的の効果を奏する範囲で、構造の一部を変化させたものを含む意味である。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、所望の効果を奏する範囲で、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、所望の効果を奏する範囲で、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。
本発明のガス分離複合膜、ガス分離モジュール、及びガス分離装置は、優れたガス透過性と共に優れたガス分離選択性を示す。また天然ガス中に存在するトルエン等の可塑化成分の影響も受けにくい。さらに本発明のガス分離複合膜は歩留りが高く(すなわちサンプルエラー率が低く)生産性に優れる。
本発明のガス分離方法によれば、優れたガス透過性で、且つ、優れたガス分離選択性で、ガスを分離することができる。さらに、本発明のガス分離方法によれば、ガス中にトルエン等の可塑化成分が存在しても、優れたガス分離性能が持続する。
本発明のガス分離複合膜の製造方法によれば、上記本発明のガス分離複合膜を高い歩留りで得ることができる。
本発明のガス分離方法によれば、優れたガス透過性で、且つ、優れたガス分離選択性で、ガスを分離することができる。さらに、本発明のガス分離方法によれば、ガス中にトルエン等の可塑化成分が存在しても、優れたガス分離性能が持続する。
本発明のガス分離複合膜の製造方法によれば、上記本発明のガス分離複合膜を高い歩留りで得ることができる。
[ガス分離複合膜]
本発明のガス分離複合膜は、ガス透過性を有する多孔質支持体と、この多孔質支持体に接して形成された、特定の構造単位を有するシリコーン層と、このシリコーン層上に形成された、特定の構造単位を有するシリカ層とを有する。シリコーン層とシリカ層との間には、後述する混和層(図示していない)が存在していることが好ましい。本発明のガス分離複合膜において、上記シリカ層はガス分離層として機能する。
本発明のガス分離複合膜の好ましい実施態様を、図面を参照して説明する。
本発明のガス分離複合膜は、ガス透過性を有する多孔質支持体と、この多孔質支持体に接して形成された、特定の構造単位を有するシリコーン層と、このシリコーン層上に形成された、特定の構造単位を有するシリカ層とを有する。シリコーン層とシリカ層との間には、後述する混和層(図示していない)が存在していることが好ましい。本発明のガス分離複合膜において、上記シリカ層はガス分離層として機能する。
本発明のガス分離複合膜の好ましい実施態様を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態であるガス分離複合膜10を模式的に示す縦断面図である。1はシリカ層、2はシリコーン層であり、3は多孔質支持体である。図1の形態は、シリカ層1とシリコーン層2とが直接積層された形態を示すが、シリカ層1とシリコーン層2との間に、両者の中間的な構造を有する混和層が形成された形態も本発明のガス分離複合膜の形態として好ましい。混和層については後述する。
図2は、本発明の別の好ましい実施形態であるガス分離複合膜20を模式的に示す断面図である。この実施形態では、多孔質支持体3の下側に不織布層5を有している。
図2は、本発明の別の好ましい実施形態であるガス分離複合膜20を模式的に示す断面図である。この実施形態では、多孔質支持体3の下側に不織布層5を有している。
本明細書において、「上」、「下」の表現については、特に断らない限り、分離対象となるガスが供給される側を「上」とし、分離されたガスが出される側を「下」とする。
本明細書において「ガス透過性を有する」とは、40℃の温度下、ガス供給側の全圧力を4MPaにして二酸化炭素を供給した際に、二酸化炭素の透過速度が1×10−5cm3(STP)/cm2・sec・cmHg(10GPU)以上であることを意味し、30GPU以上であることが好ましく、50GPU以上であることがより好ましく、100GPU以上であることがさらに好ましい。
本発明のガス分離複合膜の構成をより詳細に説明する。
本明細書において「ガス透過性を有する」とは、40℃の温度下、ガス供給側の全圧力を4MPaにして二酸化炭素を供給した際に、二酸化炭素の透過速度が1×10−5cm3(STP)/cm2・sec・cmHg(10GPU)以上であることを意味し、30GPU以上であることが好ましく、50GPU以上であることがより好ましく、100GPU以上であることがさらに好ましい。
本発明のガス分離複合膜の構成をより詳細に説明する。
<多孔質支持体>
本発明の製造方法では、支持体としてガス透過性を有する多孔質支持体を用いる。この多孔質支持体は、ガス透過性であり、ガス分離複合膜に機械的強度を付与できれば特に制限はなく、有機、無機のいずれの素材から構成されていてもよい。本発明に用いる多孔質支持体は、好ましくは、種々のモジュール形態に適用できる柔軟性を有する有機高分子素材からなることが好ましく、この有機高分子素材としては、従来公知の高分子、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアラミド等の各種樹脂を挙げることができる。多孔質支持体の形状としては、平板状、スパイラル状、管状、中空糸状などいずれの形状をとることもできる。
上記多孔質支持体の厚さは1〜3000μm、好ましくは5〜500μmであり、より好ましくは5〜150μmである。この多孔質支持体の細孔構造は、通常平均細孔直径が10μm以下、好ましくは0.5μm以下、より好ましくは0.2μm以下である。空孔率は好ましくは20〜90%であり、より好ましくは30〜80%である。
本発明の製造方法では、支持体としてガス透過性を有する多孔質支持体を用いる。この多孔質支持体は、ガス透過性であり、ガス分離複合膜に機械的強度を付与できれば特に制限はなく、有機、無機のいずれの素材から構成されていてもよい。本発明に用いる多孔質支持体は、好ましくは、種々のモジュール形態に適用できる柔軟性を有する有機高分子素材からなることが好ましく、この有機高分子素材としては、従来公知の高分子、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアラミド等の各種樹脂を挙げることができる。多孔質支持体の形状としては、平板状、スパイラル状、管状、中空糸状などいずれの形状をとることもできる。
上記多孔質支持体の厚さは1〜3000μm、好ましくは5〜500μmであり、より好ましくは5〜150μmである。この多孔質支持体の細孔構造は、通常平均細孔直径が10μm以下、好ましくは0.5μm以下、より好ましくは0.2μm以下である。空孔率は好ましくは20〜90%であり、より好ましくは30〜80%である。
本発明のガス分離複合膜において、多孔質支持体は、その下部にさらに機械的強度を付与するために支持体が形成されていることが好ましい。このような支持体としては、織布、不織布、ネット等が挙げられるが、製膜性及びコスト面から不織布が好適に用いられる。不織布としてはポリエステル、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリアミド等からなる繊維を単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよい。不織布は、例えば、水に均一に分散した主体繊維とバインダー繊維を円網や長網等で抄造し、ドライヤーで乾燥することにより製造できる。また、毛羽を除去したり機械的性質を向上させたり等の目的で、不織布を2本のロール挟んで圧熱加工を施すことも好ましい。
<シリコーン層>
本発明のガス分離複合膜は、上記多孔質支持体上に、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有するシリコーン層が形成されている。
本発明のガス分離複合膜は、上記多孔質支持体上に、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有するシリコーン層が形成されている。
式中、R1A〜R1Cは置換基を示す。R1A〜R1Cの例ないし好ましい形態は、後述する構造単位(a1)におけるR1aとして採り得る置換基の例ないし好ましい形態と同じである。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示す。つまり、*−Si−における連結部位*はO原子との連結部位を示し、*−O−における連結部位*はSi原子との連結部位を示す。*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。
すなわち、上記シリコーン層は、架橋構造を有するポリシロキサン化合物により形成された層(架橋ポリシロキサン化合物層)である。多孔質支持体上への上記シリコーン層の形成方法に特に制限はないが、膜欠陥の抑制、シリコーン膜の表面の平滑性と硬度の向上、耐久性の向上、ガスの透過性と分離選択性の向上の観点から、下記に説明する方法を採用することが好ましい。
上記シリコーン層は、例えば、下記(a)の架橋性ポリシロキサン化合物(以下、架橋性ポリシロキサン化合物(a)とも称す。)及び下記(b)の架橋性ポリシロキサン化合物(以下、架橋性ポリシロキサン化合物(b)とも称す。)を含有する混合液(好ましくは液組成物)を上記多孔質支持体上に塗布して塗布膜を形成し、次いでこの塗布膜を硬化反応に付すことで形成することが好ましい。
(架橋性ポリシロキサン化合物(a))
架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、下記式(a1)で表される構造単位(以下、構造単位(a1)ともいう。)と、下記式(a2)で表される構造単位(以下、構造単位(a2)ともいう。)と、下記式(a3)で表される構造単位(以下、構造単位(a3)ともいう。)及び下記式(a4)で表される構造単位(以下、構造単位(a4)ともいう。)から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ヒドロシリル基を有しない、架橋構造を有するポリシロキサン化合物である。
架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、下記式(a1)で表される構造単位(以下、構造単位(a1)ともいう。)と、下記式(a2)で表される構造単位(以下、構造単位(a2)ともいう。)と、下記式(a3)で表される構造単位(以下、構造単位(a3)ともいう。)及び下記式(a4)で表される構造単位(以下、構造単位(a4)ともいう。)から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ヒドロシリル基を有しない、架橋構造を有するポリシロキサン化合物である。
上記式(a1)〜(a4)において、R1a〜R1fはビニル基及びヒドロシリル基の両基に対して非反応性の置換基を示し、*は連結部位を示す。本明細書において「置換基」には水素原子は含まれないものとする。
本明細書において、ある基(x1基)に対して非反応性の基(y1基)、とは、1ppmの0価白金触媒存在下、x1基とy1基を等モル量で、20℃の温度条件下で1時間反応させた際に、反応させたy1基の総量100モル%のうち97モル%以上のy1基がx1基と反応しない反応特性を示す、y1基を意味する。すなわち、上記反応条件下において、事実上、y1基はx1基と反応せず、連結構造を形成しないことを意味する。逆に、ある基(x1基)に対して反応性の基(y2基)、とは、1ppmの0価白金触媒存在下、x1基とy2基を等モル量で、20℃の温度条件下で1時間反応させた際に、反応させたy2基の総量100モル%のうち3モル%超のy2基がx1基と反応する反応特性を示す、y2基を意味する。すなわち、上記条件下において、y2基はx1基と反応して連結構造を形成することを意味する。
上記連結部位のうち、*−Si−及び*−O−で示された連結部位*は、シロキサン結合中の連結部位を示す。すなわち、*−Si−において連結部位*が結合する原子はO原子であり、*−O−において連結部位*が結合する原子はSi原子である。また、*−CH2−CH2−で示された連結部位*は、シロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。すなわち、上記式中、−CH2−CH2−で表される構造は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)において橋かけ構造あるいは橋かけ構造の一部を構成する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、その構造中にヒドロシリル基を有しない。ここで、架橋性ポリシロキサン化合物(a)がその構造中にヒドロシリル基を有しない、とは、架橋性ポリシロキサン化合物(a)を分析した際に、ヒドロシリル基が検出できないことを意味する。より詳細には、架橋性ポリシロキサン化合物(a)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調整し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、4.3〜4.9ppmの範囲にピークが検出できないことを意味する。
本明細書において、ある基(x1基)に対して非反応性の基(y1基)、とは、1ppmの0価白金触媒存在下、x1基とy1基を等モル量で、20℃の温度条件下で1時間反応させた際に、反応させたy1基の総量100モル%のうち97モル%以上のy1基がx1基と反応しない反応特性を示す、y1基を意味する。すなわち、上記反応条件下において、事実上、y1基はx1基と反応せず、連結構造を形成しないことを意味する。逆に、ある基(x1基)に対して反応性の基(y2基)、とは、1ppmの0価白金触媒存在下、x1基とy2基を等モル量で、20℃の温度条件下で1時間反応させた際に、反応させたy2基の総量100モル%のうち3モル%超のy2基がx1基と反応する反応特性を示す、y2基を意味する。すなわち、上記条件下において、y2基はx1基と反応して連結構造を形成することを意味する。
上記連結部位のうち、*−Si−及び*−O−で示された連結部位*は、シロキサン結合中の連結部位を示す。すなわち、*−Si−において連結部位*が結合する原子はO原子であり、*−O−において連結部位*が結合する原子はSi原子である。また、*−CH2−CH2−で示された連結部位*は、シロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。すなわち、上記式中、−CH2−CH2−で表される構造は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)において橋かけ構造あるいは橋かけ構造の一部を構成する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、その構造中にヒドロシリル基を有しない。ここで、架橋性ポリシロキサン化合物(a)がその構造中にヒドロシリル基を有しない、とは、架橋性ポリシロキサン化合物(a)を分析した際に、ヒドロシリル基が検出できないことを意味する。より詳細には、架橋性ポリシロキサン化合物(a)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調整し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、4.3〜4.9ppmの範囲にピークが検出できないことを意味する。
また、本発明に用いる架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、その構造中に、ビニル基に対して反応性の基を有さず、且つ、ビニル基以外にはヒドロシリル基に対して反応性の基を有しないことが好ましい。例えば、アルケニル基、アルキニル基、メルカプト基、アミノ基を有しないことが好ましい。これらの基の有無も上記と同様に、架橋性ポリシロキサン化合物(a)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調整し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、検出対象の基に対応するピークが検出できるか否かに基づき決定する。
R1a〜R1fとして採り得る置換基としては、後述する置換基群Zから選ばれる基のうちビニル基及びヒドロシリル基の両基に対して非反応性の基が挙げられる。なかでも、アルキル基又はアリール基であることが好ましい。
R1a〜R1fとして採り得るアルキル基の炭素数は1〜18が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましい。R1a〜R1fとして採り得るアルキル基の好ましい具体例としては、メチル、エチル、トリフルオロプロピルを挙げることができ、メチルがより好ましい。
アリール基の炭素数は6〜15が好ましく、6〜12がより好ましく、6〜8がさらに好ましい。
R1a〜R1fはいずれも非芳香族性の置換基であることがより好ましい。
R1a〜R1fとして採り得るアルキル基の炭素数は1〜18が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましい。R1a〜R1fとして採り得るアルキル基の好ましい具体例としては、メチル、エチル、トリフルオロプロピルを挙げることができ、メチルがより好ましい。
アリール基の炭素数は6〜15が好ましく、6〜12がより好ましく、6〜8がさらに好ましい。
R1a〜R1fはいずれも非芳香族性の置換基であることがより好ましい。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)は、架橋性ポリシロキサン化合物(b)と反応して硬化するために、その1分子中にビニル基を2つ以上有する。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(a2)のモル量は、0.1〜2.0であることが好ましく、0.3〜1.5であることがより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(a3)と(a4)のモル量の合計は、0.1以上が好ましく、0.3以上がより好ましく、より好ましくは0.3〜2.0である。
ポリシロキサン化合物を構成する各構造単位のモル量は、簡易的には300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、各置換基の比率から測定することができる。より厳密にはポリシロキサン化合物を50wt%水酸化ナトリウム水溶液中で加水分解してシロキサン化合物とし、生じたシロキサン化合物をHPLCにて分析することで測定することができる。
架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、上記構造単位(a1)〜(a4)の構造単位の総含有量は45〜100質量%が好ましく、80〜95質量%がより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(a2)のモル量は、0.1〜2.0であることが好ましく、0.3〜1.5であることがより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(a3)と(a4)のモル量の合計は、0.1以上が好ましく、0.3以上がより好ましく、より好ましくは0.3〜2.0である。
ポリシロキサン化合物を構成する各構造単位のモル量は、簡易的には300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、各置換基の比率から測定することができる。より厳密にはポリシロキサン化合物を50wt%水酸化ナトリウム水溶液中で加水分解してシロキサン化合物とし、生じたシロキサン化合物をHPLCにて分析することで測定することができる。
架橋性ポリシロキサン化合物(a)中、上記構造単位(a1)〜(a4)の構造単位の総含有量は45〜100質量%が好ましく、80〜95質量%がより好ましい。
(架橋性ポリシロキサン化合物(b))
架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、下記式(b1)で表される構造単位(以下、構造単位(b1)ともいう。)と、下記式(b2)で表される構造単位(以下、構造単位(b2)ともいう。)と、下記式(b3)で表される構造単位(以下、構造単位(b3)ともいう。)及び下記式(b4)で表される構造単位(以下、構造単位(b4)ともいう。)から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ビニル基を有しない、架橋構造を有するポリシロキサン化合物である。
架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、下記式(b1)で表される構造単位(以下、構造単位(b1)ともいう。)と、下記式(b2)で表される構造単位(以下、構造単位(b2)ともいう。)と、下記式(b3)で表される構造単位(以下、構造単位(b3)ともいう。)及び下記式(b4)で表される構造単位(以下、構造単位(b4)ともいう。)から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ビニル基を有しない、架橋構造を有するポリシロキサン化合物である。
上記式(b1)〜(b4)において、R2a〜R2fは、それぞれ上記R1a〜R1fと同義であり、好ましい形態も同じである。*は連結部位を示す。
この連結部位のうち、*−Si−及び*−O−で示された連結部位*は、シロキサン結合中の連結部位を示す。すなわち、*−Si−において連結部位*が結合する原子はO原子であり、*−O−において連結部位*が結合する原子はSi原子である。また、*−CH2−CH2−で示された連結部位*は、シロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。すなわち、上記式中、−CH2−CH2−で表される構造は、架橋性ポリシロキサン化合物(b)において橋かけ構造あるいは橋かけ構造の一部を構成する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、その構造中にビニル基を有しない。ここで、架橋性ポリシロキサン化合物(b)がその構造中にビニル基を有しない、とは、架橋性ポリシロキサン化合物(b)を分析した際に、ビニル基が検出できないことを意味する。より詳細には、架橋性ポリシロキサン化合物(b)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調製し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、5.5〜6.2ppmの範囲にピークが検出できないことを意味する。
この連結部位のうち、*−Si−及び*−O−で示された連結部位*は、シロキサン結合中の連結部位を示す。すなわち、*−Si−において連結部位*が結合する原子はO原子であり、*−O−において連結部位*が結合する原子はSi原子である。また、*−CH2−CH2−で示された連結部位*は、シロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。すなわち、上記式中、−CH2−CH2−で表される構造は、架橋性ポリシロキサン化合物(b)において橋かけ構造あるいは橋かけ構造の一部を構成する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、その構造中にビニル基を有しない。ここで、架橋性ポリシロキサン化合物(b)がその構造中にビニル基を有しない、とは、架橋性ポリシロキサン化合物(b)を分析した際に、ビニル基が検出できないことを意味する。より詳細には、架橋性ポリシロキサン化合物(b)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調製し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、5.5〜6.2ppmの範囲にピークが検出できないことを意味する。
また、本発明の架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、その構造中に、ヒドロシリル基に対して反応性の基を有さず、且つ、ヒドロシリル基以外には、ビニル基に対して反応性の基を有しないことが好ましい。例えば、メルカプト基、ヒドロペルオキシド基を有しないことが好ましい。これらの基の有無も上記と同様に、架橋性ポリシロキサン化合物(b)を1質量%の濃度で含有する重クロロホルム溶液を調製し、300MHz 1H NMRにて240回積算測定した際に、検出対象の基に対応するピークが検出できるか否かに基づき決定する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)と反応して硬化するために、その1分子中にヒドロシリル基を2つ以上有する。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(b2)のモル量は、0.1〜2.0であることが好ましく、0.3〜1.5であることがより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(b3)と(b4)のモル量の合計は、0.1以上が好ましく、0.5以上がより好ましく、より好ましくは1.0以上であり、さらに好ましくは1.0〜20.0である。
架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、上記構造単位(b1)〜(b4)の構造単位の合計は45〜100質量%が好ましく、80〜95質量%がより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(b2)のモル量は、0.1〜2.0であることが好ましく、0.3〜1.5であることがより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計を100としたとき、構造単位(b3)と(b4)のモル量の合計は、0.1以上が好ましく、0.5以上がより好ましく、より好ましくは1.0以上であり、さらに好ましくは1.0〜20.0である。
架橋性ポリシロキサン化合物(b)中、上記構造単位(b1)〜(b4)の構造単位の合計は45〜100質量%が好ましく、80〜95質量%がより好ましい。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び/又は上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)は、下記式(e1)で表される構造単位(以下、構造単位(e1)ともいう。)及び/又は下記式(e2)で表される構造単位(以下、構造単位(e2)ともいう。)を有していてもよい。
式(e1)中、R5aは、上記R1aと同義であり、好ましい形態も同じである。式(e1)及び(e2)中、*はシロキサン結合中の連結部位を示す。構造単位(e1)はいわゆるT成分(Tユニット)であり、構造単位(e2)はいわゆるQ成分(Qユニット)である。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)が構造単位(e1)及び/又は構造単位(e2)を有する場合、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中の上記構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び構造単位(e2)のモル量の合計が0〜25であることが好ましく、0であることがより好ましい。
また、上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)が構造単位(e1)及び/又は構造単位(e2)を有する場合、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中の上記構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び構造単位(e2)のモル量の合計が0〜25であることが好ましく、0であることがより好ましい。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)はいずれも、膜の均質性の観点から、上記構造単位(e1)及び構造単位(e2)のいずれも有しないことが好ましい。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)が構造単位(e1)及び/又は構造単位(e2)を有する場合、架橋性ポリシロキサン化合物(a)中の上記構造単位(a1)〜(a4)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び構造単位(e2)のモル量の合計が0〜25であることが好ましく、0であることがより好ましい。
また、上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)が構造単位(e1)及び/又は構造単位(e2)を有する場合、架橋性ポリシロキサン化合物(b)中の上記構造単位(b1)〜(b4)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び構造単位(e2)のモル量の合計が0〜25であることが好ましく、0であることがより好ましい。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)はいずれも、膜の均質性の観点から、上記構造単位(e1)及び構造単位(e2)のいずれも有しないことが好ましい。
架橋性ポリシロキサン化合物(a)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
用いる架橋性ポリシロキサン化合物の重量平均分子量を上記好ましい範囲内とすることにより、多孔質へのポリシロキサンの染み込みを抑制しつつ、平滑にポリシロキサンを形成することができる。
また、架橋性ポリシロキサン化合物(b)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
用いる架橋性ポリシロキサン化合物の重量平均分子量を上記好ましい範囲内とすることにより、多孔質へのポリシロキサンの染み込みを抑制しつつ、平滑にポリシロキサンを形成することができる。
本明細書において分子量及び分散度は特に断らない限りGPC(ゲルろ過クロマトグラフィー)法を用いて測定した値とし、分子量はポリスチレン換算の重量平均分子量とする。GPC法に用いるカラムに充填されているゲルは芳香族化合物を繰り返し単位に持つゲルが好ましく、例えばスチレン−ジビニルベンゼン共重合体からなるゲルが挙げられる。カラムは2〜6本連結させて用いることが好ましい。用いる溶媒は、トルエン等の炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、N−メチルピロリジノン等のアミド系溶媒が挙げられる。測定は、溶媒の流速が0.1〜2mL/minの範囲で行うことが好ましく、0.5〜1.5mL/minの範囲で行うことが最も好ましい。この範囲内で測定を行うことで、装置に負荷がかからず、さらに効率的に測定ができる。測定温度は10〜50℃で行うことが好ましく、20〜40℃で行うことが最も好ましい。なお、使用するカラム及びキャリアは測定対称となる高分子化合物の物性に応じて適宜選定することができる。
<架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の調製>
架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の調製方法は特に制限されず、例えば、下記(c)のポリシロキサン化合物(以下、ポリシロキサン化合物(c)という。)と、下記(d)のポリシロキサン化合物(以下、ポリシロキサン化合物(d)という。)とを反応させることにより調製することができる。
架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の調製方法は特に制限されず、例えば、下記(c)のポリシロキサン化合物(以下、ポリシロキサン化合物(c)という。)と、下記(d)のポリシロキサン化合物(以下、ポリシロキサン化合物(d)という。)とを反応させることにより調製することができる。
(c)下記式(c1)で表される構造単位(以下、構造単位(c1)という。)と、下記式(c3)で表される構造単位(以下、構造単位(c3)という。)及び下記式(c4)で表される構造単位(以下、構造単位(c4)という。)から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有するポリシロキサン化合物。
(d)下記式(d1)で表される構造単位と、下記式(d3)で表される構造単位及び下記式(d4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有するポリシロキサン化合物。
上記式中、R3a〜R3e及びR4a〜R4eはいずれも上記R1aと同義であり、好ましい範囲も同じである。*はシロキサン結合中の連結部位を示す。
上記ポリシロキサン化合物(d)に対して上記ポリシロキサン化合物(c)が過剰となるように、上記ポリシロキサン化合物(c)と(d)とを反応させることにより、上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)を得ることができる。この反応は、後述するヒドロシリル化反応であり、白金触媒等の特定の触媒の存在下で、熱を加えることにより、効率的に反応を行わせることができる。上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)における構造単位(a2)は、上記構造単位(c3)のビニル基と上記構造単位(d3)又は(d4)のヒドロシリル基とが反応して連結することで形成される。
逆に、上記ポリシロキサン化合物(c)に対して上記ポリシロキサン化合物(d)が過剰となるように、上記ポリシロキサン化合物(c)と(d)とを反応させることにより、上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)を得ることができる。上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)における構造単位(b2)は、上記構造単位(d3)のヒドロシリル基と上記構造単位(c3)又は(c4)のビニル基とが反応して連結することで形成される。
ポリシロキサン化合物(c)と(d)を反応させる際の混合比は、目的の架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の構造(官能基の量)に合わせて適宜に調整される。
逆に、上記ポリシロキサン化合物(c)に対して上記ポリシロキサン化合物(d)が過剰となるように、上記ポリシロキサン化合物(c)と(d)とを反応させることにより、上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)を得ることができる。上記架橋性ポリシロキサン化合物(b)における構造単位(b2)は、上記構造単位(d3)のヒドロシリル基と上記構造単位(c3)又は(c4)のビニル基とが反応して連結することで形成される。
ポリシロキサン化合物(c)と(d)を反応させる際の混合比は、目的の架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の構造(官能基の量)に合わせて適宜に調整される。
目的の架橋性ポリシロキサン化合物が上記構造単位(e1)又は(e2)を有する場合には、それに合わせてポリシロキサン化合物(c)及び/又は(d)も上記構造単位(e1)又は(e2)を有することになる。
ポリシロキサン化合物(c)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
ポリシロキサン化合物(d)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
ポリシロキサン化合物(d)の重量平均分子量は、5万〜1000万が好ましく、10万〜500万がより好ましい。
(シリコーン層の形成)
続いて、多孔質支持体上にシリコーン層を形成する方法について説明する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を液中に混合して混合液とし、この混合液を多孔質支持体上に塗布し、形成された塗布膜を硬化することにより、多孔質支持体上にシリコーン層を形成することができる。上記混合液として、適当な有機溶媒中に架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を溶解してなる均質な液組成物を用いることが好ましい。
上記混合液の調製に用いる有機溶媒は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を溶解できれば特に制限はなく、例えば、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等を用いることができる。
上記混合液中、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の総含有量は、平滑性と膜厚の観点から、3〜30質量%とすることが好ましく、5〜20質量%とすることがより好ましい。
また、上記混合液の粘度は、1〜30mPa・secとすることが好ましく、2〜10mPa・secとすることがより好ましい。本明細書において、粘度は、振動式粘度計(商品名:VM−10A−L、株式会社セコニック製)を用いて、25℃、60rpm、測定時間60秒における粘度を測定した値である。
続いて、多孔質支持体上にシリコーン層を形成する方法について説明する。
上記架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を液中に混合して混合液とし、この混合液を多孔質支持体上に塗布し、形成された塗布膜を硬化することにより、多孔質支持体上にシリコーン層を形成することができる。上記混合液として、適当な有機溶媒中に架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を溶解してなる均質な液組成物を用いることが好ましい。
上記混合液の調製に用いる有機溶媒は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)を溶解できれば特に制限はなく、例えば、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等を用いることができる。
上記混合液中、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の総含有量は、平滑性と膜厚の観点から、3〜30質量%とすることが好ましく、5〜20質量%とすることがより好ましい。
また、上記混合液の粘度は、1〜30mPa・secとすることが好ましく、2〜10mPa・secとすることがより好ましい。本明細書において、粘度は、振動式粘度計(商品名:VM−10A−L、株式会社セコニック製)を用いて、25℃、60rpm、測定時間60秒における粘度を測定した値である。
上記シリコーン層の形成に用いる、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び架橋性ポリシロキサン化合物(b)を含有する混合液(好ましくは液組成物、以下同様)中、ビニル基の総量αに対するヒドロシリル基の総量βを、モル比で、β/α=0.8〜2.0とすることが好ましく、1.3〜1.9とすることがより好ましく、1.5〜1.9とすることがさらに好ましい。β/αを上記好ましい範囲内とすることにより、ポリシロキサン層の硬化反応を効率的に進行させることができ、よりガス透過性能や耐久性に優れた膜とすることができる。
上記混合液中のヒドロシリル基及びビニル基のモル量は、1H NMRを用いて、前述の方法でヒドロシリル基とビニル基を検出し、その比を測定することにより確認することができる。
上記混合液中のヒドロシリル基及びビニル基のモル量は、1H NMRを用いて、前述の方法でヒドロシリル基とビニル基を検出し、その比を測定することにより確認することができる。
上記シリコーン層の形成に用いる、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び架橋性ポリシロキサン化合物(b)を含有する混合液中、架橋性ポリシロキサン化合物(a)及び(b)の混合液(塗布液)の多孔質支持体上への塗布は、通常は10〜35℃の温度下で行う。
上記塗布方法に特に制限はなく、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット印刷法、浸漬法等、公知の塗布方法を用いることができる。なかでも、スピンコート、スクリーン印刷、浸漬法等が好ましい。
次いで、多孔質支持体上に形成された塗布膜を硬化する。この硬化反応は、架橋性ポリシロキサン化合物(a)が有するビニル基と、架橋性ポリシロキサン化合物(b)が有するヒドロシリル基との間のヒドロシリル化反応(付加硬化反応)である。この反応は常法により行うことができ、例えば白金触媒の存在下で、熱を加えることにより効率的に進行する。このヒドロシリル化反応の反応温度は50〜150℃とすることが好ましい。また、反応時間は目的の硬化のレベルに応じて適宜に調整されるものであり、通常は0.5〜10時間反応させることにより、ガス分離用途において十分な強度を有する硬化膜を得ることができる。
上記硬化反応により得られるシリコーン層の膜厚は、透過性と平滑性の観点から、0.1〜3μmとすることが好ましく、0.3〜2μmとすることがより好ましい。
上記方法で形成されるシリコーン層は、上記構造単位(A2)が有する有機連結基がエチレン基(短鎖有機連結基)であることにより、後述する酸素原子浸透処理を行った際にシロキサン結合による架橋連結構造(網目構造)を効率的に形成することができ、また有機連結基の脱離に伴って生じうる空隙も微小であり、得られるガス分離複合膜のガス分離性能をより高めることができると考えられる。
上記シリコーン層は、さらに、上述した構造単位(e1)及び/又は(e2)を有してもよい。
また、上記シリコーン層は、下記式(g)で表される構造単位を有してもよい。
また、上記シリコーン層は、下記式(g)で表される構造単位を有してもよい。
上記式中、R1g〜R4gは、上述した構造単位(a1)におけるR1aと同義であり、好ましい形態も同じである。*はシロキサン結合中の連結部位を示す。
また、本発明のガス分離複合膜において、架橋ポリシロキサン化合物層は、下記式(h)で表される構造単位を有してもよい。
また、本発明のガス分離複合膜において、架橋ポリシロキサン化合物層は、下記式(h)で表される構造単位を有してもよい。
上記式中、R1h〜R2hは、上述した構造単位(a1)におけるR1aと同義であり、好ましい形態も同じである。*はシロキサン結合中の連結部位を示す。
上記で形成したシリコーン層中(シリカ層形成前のシリコーン層中)、上記構造単位(A1)及び(A2)の総含有量は45〜100質量%が好ましく、80〜95質量%がより好ましい。
また、上記で形成したシリコーン層中(シリカ層形成前のシリコーン層中)、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、(A1)/(A2)≦200が好ましく、(A1)/(A2)≦100がより好ましい。
また、上記で形成したシリコーン層(シリカ層形成前のシリコーン層)が、上述した構造単位(e1)及び/又は(e2)を有する場合、シリコーン層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び(e2)のモル量の合計が0.1〜25であることが好ましく、0.1〜5であることがより好ましい。
さらに、上記で形成したシリコーン層(シリカ層形成前のシリコーン層)が、上述した構造単位(g)を有する場合、シリコーン層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(g)のモル量の合計が0.1〜10であることが好ましく、0.1〜5であることがより好ましい。
さらに、上記架橋ポリシロキサン化合物層が、上述した構造単位(h)を有する場合、架橋ポリシロキサン化合物層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(h)のモル量の合計が0.1〜50であることが好ましく、0.1〜30であることがより好ましい。
また、上記で形成したシリコーン層中(シリカ層形成前のシリコーン層中)、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、(A1)/(A2)≦200が好ましく、(A1)/(A2)≦100がより好ましい。
また、上記で形成したシリコーン層(シリカ層形成前のシリコーン層)が、上述した構造単位(e1)及び/又は(e2)を有する場合、シリコーン層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(e1)及び(e2)のモル量の合計が0.1〜25であることが好ましく、0.1〜5であることがより好ましい。
さらに、上記で形成したシリコーン層(シリカ層形成前のシリコーン層)が、上述した構造単位(g)を有する場合、シリコーン層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(g)のモル量の合計が0.1〜10であることが好ましく、0.1〜5であることがより好ましい。
さらに、上記架橋ポリシロキサン化合物層が、上述した構造単位(h)を有する場合、架橋ポリシロキサン化合物層中の上記構造単位(A1)及び(A2)のモル量の合計100に対し、構造単位(h)のモル量の合計が0.1〜50であることが好ましく、0.1〜30であることがより好ましい。
本発明のガス分離複合膜におけるシリコーン層が、上述してきた方法により形成される場合、上記構造単位(A1)は、上記構造単位(a1)又は(b1)に由来する。また、上記構造単位(A2)は、上記構造単位(a2)、(b2)、上記構造単位(a3)と(b3)もしくは(b4)とが反応した形態、又は上記構造単位(b3)と(a3)もしくは(a4)とが反応した形態に由来する。
また、本発明のガス分離複合膜において、シリコーン層を構成しうる上記構造単位(e1)及び(e2)は、それぞれ本発明の製造方法で説明した構造単位(e1)及び(e2)に由来する。
さらに、本発明のガス分離複合膜において、シリコーン層を構成しうる上記構造単位(g)は、上記構造単位(a4)と(b4)とが反応した形態に由来する。
また、本発明のガス分離複合膜において、シリコーン層を構成しうる上記構造単位(e1)及び(e2)は、それぞれ本発明の製造方法で説明した構造単位(e1)及び(e2)に由来する。
さらに、本発明のガス分離複合膜において、シリコーン層を構成しうる上記構造単位(g)は、上記構造単位(a4)と(b4)とが反応した形態に由来する。
上記硬化反応により得られるシリコーン層の硬度は30N/mm2以上であることが好ましく、40N/mm2以上であることがより好ましい。シリコーン層の硬度の実際的な上限値は、500N/mm2以下である。
上記硬度は、後述する実施例に記載されるように、PICODENTOR HM500硬度計(FISCHER製、ベルコビッチ圧子)を用いて0.05mN加圧した際のシリコーン層の硬度である。なお、上記硬度の測定に際しては、シリコーン層の、多孔質支持体側とは反対側の面を測定する。
上記硬度は、後述する実施例に記載されるように、PICODENTOR HM500硬度計(FISCHER製、ベルコビッチ圧子)を用いて0.05mN加圧した際のシリコーン層の硬度である。なお、上記硬度の測定に際しては、シリコーン層の、多孔質支持体側とは反対側の面を測定する。
上記硬化反応により得られるシリコーン層は、トルエン飽和雰囲気中に10分間暴露した際の体積膨潤率が、100〜155%であることが好ましく、100〜115%であることがより好ましい。この体積膨潤率は、後述する実施例に記載の方法により測定される。
本発明において、シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分間暴露した際の体積膨潤率が100%であるとは、トルエン飽和雰囲気中に暴露してもシリコーン層が膨潤しない(変化しない)ことを意味する。
本発明において、シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分間暴露した際の体積膨潤率が100%であるとは、トルエン飽和雰囲気中に暴露してもシリコーン層が膨潤しない(変化しない)ことを意味する。
上記硬化反応により、得られるシリコーン層の表面(多孔質支持体側とは反対側の表面)を、従来のガス分離複合膜における平滑層に比べて、高度に平滑化することができる。上記硬化反応により、得られるシリコーン層表面は、その算術平均粗さRaが100nm以下であることが好ましく、80nm以下であることが好ましく、60nm以下であることがさらに好ましい。算術平均粗さRaは、後述する実施例に記載の方法で測定される。
上記硬化反応により得られるシリコーン層は、下記数式(I)で算出される、シリコーン層のクロロホルム浸漬前後のSi比が、0.6以上であることが好ましい。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度)
Si比は、シリコーン層をクロロホルム中に、25℃で12時間浸漬し、この浸漬前後のシリコーン層表面にX線を照射し、そのSi−KαX線(1.74keV)の強度を測定することにより算出される。Si−KαX線強度の測定方法は、例えば特開平6−88792号公報に記載されている。クロロホルム中への浸漬により、浸漬前に比べてSi−KαX線強度が低下する場合、低分子量成分が存在し、これが溶出していることを意味する。したがって、クロロホルム中への浸漬後において、Si−KαX線強度の低下度合が小さい程、シリコーン層を構成するポリマーがより高分子化され、クロロホルム中に溶出しにくくなっていることを意味する。
シリコーン層のSi比が0.6以上であることにより、シロキサン構造を層中に、高密度且つ均質に存在させることができ、膜欠陥を効果的に防ぎ、ガス分離性能をより高めることができる。また、高圧、高温且つ高湿条件下における使用や、トルエン等の不純物成分によるガス分離層の可塑化をより抑えることが可能となる。
本発明におけるシリコーン層のSi比は、0.65〜1.0が好ましく、0.7〜1.0が好ましく、0.75〜1.0がより好ましく、0.8〜1.0がさらに好ましい。
本発明におけるシリコーン層のSi比は、0.65〜1.0が好ましく、0.7〜1.0が好ましく、0.75〜1.0がより好ましく、0.8〜1.0がさらに好ましい。
本発明において「シリコーン層」は、その層中のSi原子に数に対するO原子の数の比(モル比)が、0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たす。すなわち、本発明において「シリコーン層」とは、上記構造単位(A1)及び(A2)を有し、且つ、0.8≦O原子/Si原子≦1.3(原子の数の比)を満たす部分からなる層を意味する(換言すれば、シリコーン層のどの部分を測定しても0.8≦O原子/Si原子≦1.3(原子の数の比)を満たすことを意味する。このことは、シリコーン層における他の原子の数の比の説明においても同様である。)。上記シリコーン層は0.8≦O原子/Si原子≦1.1(原子の数の比)を満たすことがより好ましい。
また、本発明において「シリコーン層」はその層中のSi原子の数に対するC原子の数の比は、1.2≦C原子/Si原子≦3.0を満たすことが好ましく、1.2≦C原子/Si原子≦2.2を満たすことがより好ましい。
本発明において、シリコーン層、並びに、後述する混和層及びシリカ層における、上記Si原子、O原子、C原子の数ないし数の比の測定は、後述する実施例に記載の方法で実施することができる。
また、本発明において「シリコーン層」はその層中のSi原子の数に対するC原子の数の比は、1.2≦C原子/Si原子≦3.0を満たすことが好ましく、1.2≦C原子/Si原子≦2.2を満たすことがより好ましい。
本発明において、シリコーン層、並びに、後述する混和層及びシリカ層における、上記Si原子、O原子、C原子の数ないし数の比の測定は、後述する実施例に記載の方法で実施することができる。
<シリカ層>
本発明のガス分離複合膜は、多孔質支持体上に、上記シリコーン層と、特定構造のシリカ層とをこの順に有する。このシリコーン層とシリカ層との間には、後述する混和層が形成されていてもよい。
本発明において「シリカ層」は、主鎖がシロキサン結合で構成され、且つ、Si原子の数に対するO原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす部分からなる層を意味する(換言すれば、シリカ層のどの部分を測定しても1.6≦O原子/Si原子(原子の数の比)を満たすことを意味する。このことは、シリカ層における他の原子の数の比の説明についても同様である。)。本発明において「シリカ層」は、完全な無機高分子からなる層を意味するのではなく、有機基を有する形態も包含する意味に用いる。
上記シリカ層は、下記式(B1)で表される構造単位と、下記式(B2)で表される構造単位とを有する。
本発明のガス分離複合膜は、多孔質支持体上に、上記シリコーン層と、特定構造のシリカ層とをこの順に有する。このシリコーン層とシリカ層との間には、後述する混和層が形成されていてもよい。
本発明において「シリカ層」は、主鎖がシロキサン結合で構成され、且つ、Si原子の数に対するO原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす部分からなる層を意味する(換言すれば、シリカ層のどの部分を測定しても1.6≦O原子/Si原子(原子の数の比)を満たすことを意味する。このことは、シリカ層における他の原子の数の比の説明についても同様である。)。本発明において「シリカ層」は、完全な無機高分子からなる層を意味するのではなく、有機基を有する形態も包含する意味に用いる。
上記シリカ層は、下記式(B1)で表される構造単位と、下記式(B2)で表される構造単位とを有する。
上記式(B1)において、R2Aは置換基を示す。R2Aとして採り得る置換基の例ないし好ましい形態は、上記構造単位(a1)におけるR1aとして採り得る置換基の例ないし好ましい形態と同じである。
また、上記式(B1)及び(B2)において、*はシロキサン結合中の連結部位を示す。
本発明のガス分離複合膜を構成するシリカ層の形成について説明する。
また、上記式(B1)及び(B2)において、*はシロキサン結合中の連結部位を示す。
本発明のガス分離複合膜を構成するシリカ層の形成について説明する。
上記シリカ層の形成方法に特に制限はなく、例えば、上述したシリコーン層の表面(多孔質支持体側とは反対側の表面を意味する。本発明において、「層の表面」という場合、多孔質支持体側とは反対側の表面を意味する。)に対して、酸素原子浸透処理を施すことにより形成することができる。この酸素原子浸透処理により、シリコーン層を構成するシロキサン構造が有する置換基同士を、シロキサン結合等により連結して架橋構造を形成した形態としたり、シロキサン構造が有する有機連結基を酸素原子に置換してシロキサン結合等を形成させたりすることができる。
上記酸素プラズマ処理は、常法により施すことができ、真空プラズマ処理装置を用いて行うことが好ましい。
この酸素プラズマ処理において、酸素流量は10cm3(STP)/min以上とすることが好ましい。かかる酸素流量を採用することにより、シリコーン層中のSi原子の数に対するO原子の数の比を1.6≦O原子/Si原子にまで高めた領域(すなわちシリカ層)を効率的に作り出すことができる。酸素プラズマ処理における酸素流量は10〜500cm3(STP)/minが好ましい。また、アルゴン流量は20〜1000cm3(STP)/minとすることが好ましい。
上記酸素プラズマ処理において、真空度は0〜100Paが好ましい。また投入電力は40〜500Wが好ましい。また、処理時間は5〜20秒が好ましい。
具体的には、例えば、実施例に記載の条件で施すことができる。
この酸素プラズマ処理において、酸素流量は10cm3(STP)/min以上とすることが好ましい。かかる酸素流量を採用することにより、シリコーン層中のSi原子の数に対するO原子の数の比を1.6≦O原子/Si原子にまで高めた領域(すなわちシリカ層)を効率的に作り出すことができる。酸素プラズマ処理における酸素流量は10〜500cm3(STP)/minが好ましい。また、アルゴン流量は20〜1000cm3(STP)/minとすることが好ましい。
上記酸素プラズマ処理において、真空度は0〜100Paが好ましい。また投入電力は40〜500Wが好ましい。また、処理時間は5〜20秒が好ましい。
具体的には、例えば、実施例に記載の条件で施すことができる。
上記酸素原子浸透処理により、多孔質支持体上に形成した上記のシリコーン層の表面から一定の深さまでの間の領域(すなわちシリコーン層の表層)の原子数の比を、1.6≦O原子/Si原子を満たす領域(層)とすることができ、この1.6≦O原子/Si原子を満たす層を、本発明のガス分離複合膜におけるシリカ層とすることができる。
上記シリカ層の原子数の比は、好ましくは1.8≦O原子/Si原子を満たし、より好ましくは2.0≦O原子/Si原子を満たす。また、上記シリカ層のO原子/Si原子(原子数の比)は、通常は3.0以下である。
上記シリカ層の原子数の比は、好ましくは1.8≦O原子/Si原子を満たし、より好ましくは2.0≦O原子/Si原子を満たす。また、上記シリカ層のO原子/Si原子(原子数の比)は、通常は3.0以下である。
上記シリカ層は、C原子/Si原子(原子の数の比)が1.6以下であることが好ましく、1.0以下であることがより好ましい。また、上記シリカ層は、C原子/Si原子(原子の数の比)が0.2以上であることが好ましく、0.4以上がより好ましい。
本発明のガス分離複合膜におけるシリカ層(原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たすシロキサン化合物層)の厚さは、0〜100nmが好ましく、0〜30nmがより好ましい。
本発明において得られるシリカ層の表面(多孔質支持体側とは反対側の表面)は、シリコーン層が平滑であることに伴い、従来のガス分離複合膜におけるシリカ層に比べて、高度に平滑化することができる。シリカ層表面は、その算術平均粗さRaが100nm以下であることが好ましく、80nm以下であることが好ましく、60nm以下であることがさらに好ましい。算術平均粗さRaは、後述する実施例に記載の方法で測定される。
本発明において得られるシリカ層の表面(多孔質支持体側とは反対側の表面)は、シリコーン層が平滑であることに伴い、従来のガス分離複合膜におけるシリカ層に比べて、高度に平滑化することができる。シリカ層表面は、その算術平均粗さRaが100nm以下であることが好ましく、80nm以下であることが好ましく、60nm以下であることがさらに好ましい。算術平均粗さRaは、後述する実施例に記載の方法で測定される。
上記シリカ層中、上記構造単位(B1)及び(B2)の総含有量は60〜100質量%が好ましく、80〜100質量%がより好ましい。
上記シリカ層において、上記構造単位(B1)と(B2)のモル比は、(B1)/(B2)=80/20〜0/100が好ましく、60/40〜0/100がより好ましい。ここで、シリカ層において、上記構造単位(B1)と(B2)のモル比は、厚さ方向に沿って変化しうるが、この場合、シリカ層における上記構造単位(B1)と(B2)のモル比とは、O/Si比(原子の数の比)をガス分離膜のガス分離層側の表面から多孔質支持体方向へ測定した場合に「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」において、上記構造単位(B1)のモル量と上記構造単位(B2)のモル量を測定し、得られた測定値の比である。
「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」は、例えば以下の手法で特定することができる。
ガス分離層の最表面から多孔質支持体側に向けて、C60イオンによるエッチングを行う。すなわち、Physical Electronics,Inc.社製のQuanteraSXMに付属のC60イオン銃にて、C60+イオンビーム強度:10keV、10nAとし、2mm×2mmの領域を、ガス分離層表面から多孔質支持体側に向けて垂直に10nmの距離までエッチングする。
QuanteraSXMを用いて、エッチング後の表面におけるC原子、O原子、N原子、Si原子の比を算出する。なお、ガス分離層表面から多孔質支持体方向へのエッチング深さは、エッチング速度:10nm/secから算出する。このエッチング速度はガス分離層の材質毎に定まる値である。各エッチング時間におけるO原子とSi原子の比を測定することで、「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」を特定することができる。
上記構造単位(B1)のモル量及び上記構造単位(B2)のモル量は、ESCAにて、Si2pスペクトルを測定し、得られたピークのカーブフィッティングから、Siの価数(Si2+、Si3+およびSi4+)を分離・定量することにより測定することができる。
また、シリカ層を形成した後において、シリコーン層の、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、(A1)/(A2)≦200が好ましく、(A1)/(A2)≦100がより好ましい。シリカ層を形成した後のシリコーン層の、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、シリコーン層の厚さ方向に沿って変化しうるが、この場合、シリコーン層における上記構造単位(A1)と(A2)のモル比、とは、O/Si比(原子の数の比)をガス分離膜のガス分離層側の表面から多孔質支持体方向へ測定した場合に「O/Si比が最小であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」において、上記構造単位(A1)のモル量と上記構造単位(A2)のモル量を測定し、得られた測定値の比である。上記構造単位(A1)のモル量と上記構造単位(A2)のモル量は、ESCAにて、Si2pスペクトルを測定し、得られたピークのカーブフィッティングから、Siの価数(Si2+、Si3+およびSi4+)を分離・定量することにより測定することができる。
上記シリカ層において、上記構造単位(B1)と(B2)のモル比は、(B1)/(B2)=80/20〜0/100が好ましく、60/40〜0/100がより好ましい。ここで、シリカ層において、上記構造単位(B1)と(B2)のモル比は、厚さ方向に沿って変化しうるが、この場合、シリカ層における上記構造単位(B1)と(B2)のモル比とは、O/Si比(原子の数の比)をガス分離膜のガス分離層側の表面から多孔質支持体方向へ測定した場合に「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」において、上記構造単位(B1)のモル量と上記構造単位(B2)のモル量を測定し、得られた測定値の比である。
「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」は、例えば以下の手法で特定することができる。
ガス分離層の最表面から多孔質支持体側に向けて、C60イオンによるエッチングを行う。すなわち、Physical Electronics,Inc.社製のQuanteraSXMに付属のC60イオン銃にて、C60+イオンビーム強度:10keV、10nAとし、2mm×2mmの領域を、ガス分離層表面から多孔質支持体側に向けて垂直に10nmの距離までエッチングする。
QuanteraSXMを用いて、エッチング後の表面におけるC原子、O原子、N原子、Si原子の比を算出する。なお、ガス分離層表面から多孔質支持体方向へのエッチング深さは、エッチング速度:10nm/secから算出する。このエッチング速度はガス分離層の材質毎に定まる値である。各エッチング時間におけるO原子とSi原子の比を測定することで、「O/Si比が最大であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」を特定することができる。
上記構造単位(B1)のモル量及び上記構造単位(B2)のモル量は、ESCAにて、Si2pスペクトルを測定し、得られたピークのカーブフィッティングから、Siの価数(Si2+、Si3+およびSi4+)を分離・定量することにより測定することができる。
また、シリカ層を形成した後において、シリコーン層の、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、(A1)/(A2)≦200が好ましく、(A1)/(A2)≦100がより好ましい。シリカ層を形成した後のシリコーン層の、上記構造単位(A1)と(A2)のモル比は、シリコーン層の厚さ方向に沿って変化しうるが、この場合、シリコーン層における上記構造単位(A1)と(A2)のモル比、とは、O/Si比(原子の数の比)をガス分離膜のガス分離層側の表面から多孔質支持体方向へ測定した場合に「O/Si比が最小であり、且つ、ケイ素原子数が3%(Atomic%)以上含まれる面」において、上記構造単位(A1)のモル量と上記構造単位(A2)のモル量を測定し、得られた測定値の比である。上記構造単位(A1)のモル量と上記構造単位(A2)のモル量は、ESCAにて、Si2pスペクトルを測定し、得られたピークのカーブフィッティングから、Siの価数(Si2+、Si3+およびSi4+)を分離・定量することにより測定することができる。
上記シリコーン層表面に対して行う上記酸素原子浸透処理によりシリカ層を形成した場合、シリコーン層(原子の数の比が、0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たす層)と、その上のシリカ層(原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす層)との間には、原子の数の比が1.3<O原子/Si原子<1.6を満たす層(混和層)が形成される。この混和層は、その厚さが5nm以上であることが好ましく、5〜130nmであることがより好ましく、10〜90nmであることがさらに好ましい。混和層の厚さを上記好ましい範囲内とすることにより、欠陥が少なくガス分離選択性に優れ、且つ膜厚が薄くガス透過性に優れ、さらに密着性に優れたガス分離膜とすることができる。
上記シリコーン層表面に対して酸素原子浸透処理を施して形成される上記混和層は、O原子/Si原子(原子の数の比)が、混和層の厚み方向に沿って、連続的に変化した状態となる。すなわち、混和層の厚み方向に沿って、シリコーン層側からシリカ層側に向けて、O原子/Si原子(原子の数の比)が連続的に増加する形態となる。
[ガス分離複合膜の用途と特性]
本発明のガス分離複合膜(複合膜及び非対称膜)は、ガス分離回収、ガス分離精製に好適に用いることができる。例えば、水素、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素、窒素、アンモニア、硫黄酸化物、窒素酸化物、メタン、エタンなどの炭化水素、プロピレンなどの不飽和炭化水素、テトラフルオロエタンなどのパーフルオロ化合物などのガスを含有する気体混合物から特定の気体を効率よく分離し得るガス分離複合膜とすることができる。特に二酸化炭素/炭化水素(メタン)を含む気体混合物から二酸化炭素を選択分離するガス分離複合膜とすることが好ましい。
本発明のガス分離複合膜(複合膜及び非対称膜)は、ガス分離回収、ガス分離精製に好適に用いることができる。例えば、水素、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素、窒素、アンモニア、硫黄酸化物、窒素酸化物、メタン、エタンなどの炭化水素、プロピレンなどの不飽和炭化水素、テトラフルオロエタンなどのパーフルオロ化合物などのガスを含有する気体混合物から特定の気体を効率よく分離し得るガス分離複合膜とすることができる。特に二酸化炭素/炭化水素(メタン)を含む気体混合物から二酸化炭素を選択分離するガス分離複合膜とすることが好ましい。
分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンとの混合ガスである場合においては、30℃、5MPaにおける二酸化炭素の透過速度が20GPU超であることが好ましく、30GPU超であることがより好ましく、50GPU超であることがより好ましい。二酸化炭素とメタンとの透過速度比(RCO2/RCH4、分離選択性ともいう。)は10以上であることが好ましく、15以上であることがより好ましく、20以上であることがさらに好ましい。RCO2は二酸化炭素の透過速度、RCH4はメタンの透過速度を示す。
なお、1GPUは1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHgである。
なお、1GPUは1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHgである。
本発明のガス分離複合膜を形成する条件に特に制限はないが、温度は−30〜100℃が好ましく、−10〜80℃がより好ましく、5〜50℃が特に好ましい。
本発明においては、膜の形成時に空気や酸素などの気体を共存させてもよいが、不活性ガス雰囲気下で実施してもよい。
[ガス混合物の分離方法]
本発明のガス分離方法は、本発明のガス分離複合膜を用いて2種以上のガスを含む混合ガスから特定のガスを選択的に透過させ、分離する方法である。なかでも本発明のガス分離方法は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることを含む方法であることが好ましい。ガス分離の際のガスの圧力は0.5〜10MPaであることが好ましく、1〜10MPaであることがより好ましく、2〜7MPaであることがさらに好ましい。
また、本発明のガス分離方法を実施する際のガスの温度は、−30〜90℃であることが好ましく、15〜70℃であることがさらに好ましい。二酸化炭素とメタンガスとを含む混合ガスにおいて、二酸化炭素とメタンガスの混合比に特に制限はないが、二酸化炭素:メタンガス=1:99〜99:1(体積比)であることが好ましく、二酸化炭素:メタンガス=5:95〜90:10であることがより好ましい。
本発明のガス分離方法は、本発明のガス分離複合膜を用いて2種以上のガスを含む混合ガスから特定のガスを選択的に透過させ、分離する方法である。なかでも本発明のガス分離方法は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることを含む方法であることが好ましい。ガス分離の際のガスの圧力は0.5〜10MPaであることが好ましく、1〜10MPaであることがより好ましく、2〜7MPaであることがさらに好ましい。
また、本発明のガス分離方法を実施する際のガスの温度は、−30〜90℃であることが好ましく、15〜70℃であることがさらに好ましい。二酸化炭素とメタンガスとを含む混合ガスにおいて、二酸化炭素とメタンガスの混合比に特に制限はないが、二酸化炭素:メタンガス=1:99〜99:1(体積比)であることが好ましく、二酸化炭素:メタンガス=5:95〜90:10であることがより好ましい。
[ガス分離モジュール・ガス分離装置]
本発明のガス分離複合膜を用いてガス分離モジュールを調製することができる。モジュールの例としては、スパイラル型、中空糸型、プリーツ型、管状型、プレート&フレーム型などが挙げられる。
また、本発明のガス分離複合膜ないしガス分離モジュールを用いて、ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有するガス分離装置を得ることができる。本発明のガス分離複合膜は、例えば、特開2007−297605号公報に記載のような吸収液と併用した膜・吸収ハイブリッド法としての気体分離回収装置に適用してもよい。
本発明のガス分離複合膜を用いてガス分離モジュールを調製することができる。モジュールの例としては、スパイラル型、中空糸型、プリーツ型、管状型、プレート&フレーム型などが挙げられる。
また、本発明のガス分離複合膜ないしガス分離モジュールを用いて、ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有するガス分離装置を得ることができる。本発明のガス分離複合膜は、例えば、特開2007−297605号公報に記載のような吸収液と併用した膜・吸収ハイブリッド法としての気体分離回収装置に適用してもよい。
以下に、上述した置換基群Zに含まれる基を列挙する。
置換基群Z:
アルキル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルキル基であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3〜30、より好ましくは炭素数3〜20、特に好ましくは炭素数3〜10のシクロアルキル基であり、例えばシクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルケニル基であり、例えばビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニルなどが挙げられる。)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルキニル基であり、例えばプロパルギル、3−ペンチニルなどが挙げられる。)、アリール基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリール基であり、例えばフェニル、p−メチルフェニル、ナフチル、アントラニルなどが挙げられる。)、アミノ基(アミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、ヘテロ環アミノ基を含み、好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜10のアミノ基であり、例えばアミノ、メチルアミノ、ジメチルアミノ、ジエチルアミノ、ジベンジルアミノ、ジフェニルアミノ、ジトリルアミノなどが挙げられる。)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルコキシ基であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、2−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリールオキシ基であり、例えばフェニルオキシ、1−ナフチルオキシ、2−ナフチルオキシなどが挙げられる。)、ヘテロ環オキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のヘテロ環オキシ基であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。)、
置換基群Z:
アルキル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルキル基であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3〜30、より好ましくは炭素数3〜20、特に好ましくは炭素数3〜10のシクロアルキル基であり、例えばシクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルケニル基であり、例えばビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニルなどが挙げられる。)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルキニル基であり、例えばプロパルギル、3−ペンチニルなどが挙げられる。)、アリール基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリール基であり、例えばフェニル、p−メチルフェニル、ナフチル、アントラニルなどが挙げられる。)、アミノ基(アミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、ヘテロ環アミノ基を含み、好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜10のアミノ基であり、例えばアミノ、メチルアミノ、ジメチルアミノ、ジエチルアミノ、ジベンジルアミノ、ジフェニルアミノ、ジトリルアミノなどが挙げられる。)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルコキシ基であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、2−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリールオキシ基であり、例えばフェニルオキシ、1−ナフチルオキシ、2−ナフチルオキシなどが挙げられる。)、ヘテロ環オキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のヘテロ環オキシ基であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。)、
アシル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のアシル基であり、例えばアセチル、ベンゾイル、ホルミル、ピバロイルなどが挙げられる。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜12のアルコキシカルボニル基であり、例えばメトキシカルボニル、エトキシカルボニルなどが挙げられる。)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素数7〜30、より好ましくは炭素数7〜20、特に好ましくは炭素数7〜12のアリールオキシカルボニル基であり、例えばフェニルオキシカルボニルなどが挙げられる。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアシルオキシ基であり、例えばアセトキシ、ベンゾイルオキシなどが挙げられる。)、アシルアミノ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアシルアミノ基であり、例えばアセチルアミノ、ベンゾイルアミノなどが挙げられる。)、
アルコキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜12のアルコキシカルボニルアミノ基であり、例えばメトキシカルボニルアミノなどが挙げられる。)、アリールオキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数7〜30、より好ましくは炭素数7〜20、特に好ましくは炭素数7〜12のアリールオキシカルボニルアミノ基であり、例えばフェニルオキシカルボニルアミノなどが挙げられる。)、スルホニルアミノ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメタンスルホニルアミノ、ベンゼンスルホニルアミノなどが挙げられる。)、スルファモイル基(好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜12のスルファモイル基であり、例えばスルファモイル、メチルスルファモイル、ジメチルスルファモイル、フェニルスルファモイルなどが挙げられる。)、
カルバモイル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のカルバモイル基であり、例えばカルバモイル、メチルカルバモイル、ジエチルカルバモイル、フェニルカルバモイルなどが挙げられる。)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のアルキルチオ基であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリールチオ基であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。)、ヘテロ環チオ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のヘテロ環チオ基であり、例えばピリジルチオ、2−ベンズイミゾリルチオ、2−ベンズオキサゾリルチオ、2−ベンズチアゾリルチオなどが挙げられる。)、
スルホニル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のスルホニル基であり、例えばメシル、トシルなどが挙げられる。)、スルフィニル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のスルフィニル基であり、例えばメタンスルフィニル、ベンゼンスルフィニルなどが挙げられる。)、ウレイド基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のウレイド基であり、例えばウレイド、メチルウレイド、フェニルウレイドなどが挙げられる。)、リン酸アミド基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のリン酸アミド基であり、例えばジエチルリン酸アミド、フェニルリン酸アミドなどが挙げられる。)、ヒドロキシ基、メルカプト基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子であり、より好ましくはフッ素原子が挙げられる)、
シアノ基、スルホ基、カルボキシル基、オキソ基、ニトロ基、ヒドロキサム酸基、スルフィノ基、ヒドラジノ基、イミノ基、ヘテロ環基(好ましくは3〜7員環のヘテロ環基で、芳香族ヘテロ環でも芳香族でないヘテロ環であってもよく、ヘテロ環を構成するヘテロ原子としては、窒素原子、酸素原子、硫黄原子が挙げられる。炭素数は0〜30が好ましく、より好ましくは炭素数1〜12のヘテロ環基であり、具体的には例えばイミダゾリル、ピリジル、キノリル、フリル、チエニル、ピペリジル、モルホリノ、ベンズオキサゾリル、ベンズイミダゾリル、ベンズチアゾリル、カルバゾリル、アゼピニルなどが挙げられる。)、シリル基(好ましくは炭素数3〜40、より好ましくは炭素数3〜30、特に好ましくは炭素数3〜24のシリル基であり、例えばトリメチルシリル、トリフェニルシリルなどが挙げられる。)、シリルオキシ基(好ましくは炭素数3〜40、より好ましくは炭素数3〜30、特に好ましくは炭素数3〜24のシリルオキシ基であり、例えばトリメチルシリルオキシ、トリフェニルシリルオキシなどが挙げられる。)などが挙げられる。これらの置換基は、更に上記置換基群Zより選択されるいずれか1つ以上の置換基により置換されてもよい。
なお、本発明において、1つの構造部位に複数の置換基があるときには、それらの置換基は互いに連結して環を形成していたり、上記構造部位の一部又は全部と縮環して芳香族環もしくは不飽和複素環を形成していたりしてもよい。
なお、本発明において、1つの構造部位に複数の置換基があるときには、それらの置換基は互いに連結して環を形成していたり、上記構造部位の一部又は全部と縮環して芳香族環もしくは不飽和複素環を形成していたりしてもよい。
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
[実施例1] ガス分離複合膜の作製
<シリコーン層の形成>
DMS−V21(Gelest製、商品名)96.2g、HMS−301(Gelest製、商品名)3.8gをヘプタン900gに溶解させた後、SIP6832.2(Gelest製、商品名)0.12gを添加し、80℃で10時間反応させ、さらに2−メチル−3−ブチン−2−オール(Aldrich製)0.04gを添加しビニルプレ架橋液(架橋性ポリシロキサン化合物(a)の溶液)を得た。
<シリコーン層の形成>
DMS−V21(Gelest製、商品名)96.2g、HMS−301(Gelest製、商品名)3.8gをヘプタン900gに溶解させた後、SIP6832.2(Gelest製、商品名)0.12gを添加し、80℃で10時間反応させ、さらに2−メチル−3−ブチン−2−オール(Aldrich製)0.04gを添加しビニルプレ架橋液(架橋性ポリシロキサン化合物(a)の溶液)を得た。
HMS−993(Gelest製、商品名)15.0g、DMS−V31(Gelest製、商品名)85.0gをヘプタン900gに溶解させた後、SIP6832.2(Gelest製、商品名)0.12gを添加し、80℃で10時間反応させ、さらに2−メチル−3−ブチン−2−オール(Aldrich製)0.04gを添加しヒドロプレ架橋液(架橋性ポリシロキサン化合物(b)の溶液)を得た。
ビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液を10:1の比率で混合してドープ液とした。PAN (ポリアクリロニトリル)多孔質膜(不織布上にポリアクリロニトリル多孔質膜が存在、不織布を含め、膜厚は約180μm)を多孔質支持体として上記ドープ液をスピンコートした後、90℃で24時間乾燥させ、硬化した。こうして、多孔質支持体上に厚み1μmのシリコーン層を形成した。このシリコーン層を25重量%水酸化ナトリウム水溶液にて加水分解し、分解物を1H NMRで解析することにより、シリコーン層が構造単位(A1)及び(A2)を有することを確認した。
なお、下記のシリコーン層形成の反応スキームにおいて、右辺は、ビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液を反応させた架橋後の構造単位を模式的に示すものである。すなわち、下記反応スキームにおける硬化反応後の構造単位のうち、エチレン基を有する構造単位には、硬化反応前のビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液中に含まれる、エチレン基を有する構造単位の他、硬化反応前のビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液中に含まれる、ビニル基を有する構造単位とヒドロシリル基を有する構造単位とが反応して新しく形成された構造単位もその分だけ包含される。
なお、下記のシリコーン層形成の反応スキームにおいて、右辺は、ビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液を反応させた架橋後の構造単位を模式的に示すものである。すなわち、下記反応スキームにおける硬化反応後の構造単位のうち、エチレン基を有する構造単位には、硬化反応前のビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液中に含まれる、エチレン基を有する構造単位の他、硬化反応前のビニルプレ架橋液とヒドロプレ架橋液中に含まれる、ビニル基を有する構造単位とヒドロシリル基を有する構造単位とが反応して新しく形成された構造単位もその分だけ包含される。
<シリカ層の形成−プラズマ処理−>
上記シリコーン層を形成した膜(多孔質支持体とシリコーン層からなる膜)をデスクトップ真空プラズマ装置(ユーテック社製)に入れ、キャリアガス条件を酸素流量20cm3(STP)/min、アルゴン流量100cm3(STP)/minとし、真空度30Pa、投入電力を100Wとし、処理時間10秒でプラズマ処理を行い、シリコーン層表面側をシリカ層に変換し、ガス分離複合膜を得た。XPS測定により、シリカ層が構造単位(B1)及び(B2)を有することを確認した。
なお、下記のシリカ層形成の反応スキームは、反応を模式的に示すものである。下記のシリカ層形成の反応スキームにおいて、右辺には、エチレン基を有する構造単位を記載していないが、上記酸素プラズマ処理によりエチレン基が完全に脱離せず、一部残存していてもよい。
上記シリコーン層を形成した膜(多孔質支持体とシリコーン層からなる膜)をデスクトップ真空プラズマ装置(ユーテック社製)に入れ、キャリアガス条件を酸素流量20cm3(STP)/min、アルゴン流量100cm3(STP)/minとし、真空度30Pa、投入電力を100Wとし、処理時間10秒でプラズマ処理を行い、シリコーン層表面側をシリカ層に変換し、ガス分離複合膜を得た。XPS測定により、シリカ層が構造単位(B1)及び(B2)を有することを確認した。
なお、下記のシリカ層形成の反応スキームは、反応を模式的に示すものである。下記のシリカ層形成の反応スキームにおいて、右辺には、エチレン基を有する構造単位を記載していないが、上記酸素プラズマ処理によりエチレン基が完全に脱離せず、一部残存していてもよい。
[実施例2]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2のガス分離複合膜を得た。
[実施例3]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして実施例3のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして実施例3のガス分離複合膜を得た。
[実施例4]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例4のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例4のガス分離複合膜を得た。
[実施例5]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例5のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例5のガス分離複合膜を得た。
[実施例6]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例6のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例6のガス分離複合膜を得た。
[実施例7]
実施例1におけるプラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例7のガス分離複合膜を得た。
実施例1におけるプラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例7のガス分離複合膜を得た。
[実施例8]
実施例1におけるプラズマ処理条件を下記表に記載のとおりにそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして実施例8のガス分離複合膜を得た。
実施例1におけるプラズマ処理条件を下記表に記載のとおりにそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして実施例8のガス分離複合膜を得た。
[実施例9]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例9のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例9のガス分離複合膜を得た。
[実施例10]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例10のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例10のガス分離複合膜を得た。
[実施例11]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例11のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例11のガス分離複合膜を得た。
[実施例12]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりにそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして実施例11のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりにそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして実施例11のガス分離複合膜を得た。
[比較例1]
Journal of Membrane Science、440、(2013)、p.1−8に記載の10−PDMSと同様の手法にてガス分離複合膜を得た。すなわちSL−200(ダウコーニング社製)5g、SYL−OFF7048(ダウコーニング社製)1.5g、SYL−OFF4000(ダウコーニング社製)0.05gを氷浴下で混合したのち、20分間攪拌し、さらに20分間脱気した。得られたシリコーン混合物をヘプタンで10wt%に希釈してドープ液とした。PAN(ポリアクリロニトリル)多孔質膜を多孔質支持体として上記ドープ液をスピンコートした後、90℃で24時間乾燥させ、硬化した。こうして、多孔質支持体上に厚み1μmのシリコーン層を形成した。
得られたシリコーン層に対して、プラズマ銃(PraxairSG−100)を用いて、投入電力を10kWとし、処理時間45秒でプラズマ処理を行い、シリコーン層表面側をシリカ層に変換し、ガス分離複合膜を得た。
Journal of Membrane Science、440、(2013)、p.1−8に記載の10−PDMSと同様の手法にてガス分離複合膜を得た。すなわちSL−200(ダウコーニング社製)5g、SYL−OFF7048(ダウコーニング社製)1.5g、SYL−OFF4000(ダウコーニング社製)0.05gを氷浴下で混合したのち、20分間攪拌し、さらに20分間脱気した。得られたシリコーン混合物をヘプタンで10wt%に希釈してドープ液とした。PAN(ポリアクリロニトリル)多孔質膜を多孔質支持体として上記ドープ液をスピンコートした後、90℃で24時間乾燥させ、硬化した。こうして、多孔質支持体上に厚み1μmのシリコーン層を形成した。
得られたシリコーン層に対して、プラズマ銃(PraxairSG−100)を用いて、投入電力を10kWとし、処理時間45秒でプラズマ処理を行い、シリコーン層表面側をシリカ層に変換し、ガス分離複合膜を得た。
[比較例2]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例2のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例2のガス分離複合膜を得た。
[比較例3]
実施例1におけるプラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例3のガス分離複合膜を得た。
実施例1におけるプラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例3のガス分離複合膜を得た。
[比較例4]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例4のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例4のガス分離複合膜を得た。
[比較例5]
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例5のガス分離複合膜を得た。
実施例1における原料、硬化条件、プラズマ処理条件を下記表に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例5のガス分離複合膜を得た。
下記表1および2に、ビニルプレ架橋液調製用の原料の組成比および反応後のビニルプレ架橋液におけるポリシロキサンの構造単位のモル比を、下記表3および4に、ヒドロプレ架橋液調製用の原料の組成比および反応後のヒドロプレ架橋液におけるポリシロキサンの構造単位のモル比を、まとめて示す。なお、比較例4及び5は、バインダーがビニル基を有していないが、便宜上、ビニルプレ架橋液の表に記載している。
また、下記表5および6に、ガス分離複合膜の組成をまとめて示す。
また、下記表5および6に、ガス分離複合膜の組成をまとめて示す。
<表の注>
テトラエトキシシラン:東京化成社製
トリメチルエトキシシラン:東京化成社製
その他のバインダー:いずれもGelest社製、商品名で記載
架橋剤:いずれもGelest社製、商品名で記載
SIP6830.3、SIP6832.2:いずれもGelest社製、商品名で記載
パーブチルO:日油社製
12N HCl:和光純薬工業社製
停止剤:Aldrich社製
溶媒:和光純薬工業社製
テトラエトキシシラン:東京化成社製
トリメチルエトキシシラン:東京化成社製
その他のバインダー:いずれもGelest社製、商品名で記載
架橋剤:いずれもGelest社製、商品名で記載
SIP6830.3、SIP6832.2:いずれもGelest社製、商品名で記載
パーブチルO:日油社製
12N HCl:和光純薬工業社製
停止剤:Aldrich社製
溶媒:和光純薬工業社製
[試験例1] 元素比率の測定
シリコーン層、およびシリカ層の元素比率は、以下の手法にて測定した。
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜、及びシリカ層形成後の膜をPhysical Electronics, Inc. 社製 QuanteraSXM(商品名)に入れ、X線源:Al−Kα線(1490eV,25W,100μmの直径)、測定領域:300μm×300μm、Pass Energy 55eV、Step 0.05eVの条件で、シリコーン層表面及びシリカ層表面の元素比率を測定した。
なお、シリカ層の層厚を測定する際には、層内部のC原子/Si原子(原子の数の比)を測定した。この層内部の元素比率は、C60イオンによりシリカ層のエッチングを行うことで、所望の深さにおける元素比率を上記と同様にして測定した。より詳細には、Physical Electronics, Inc.社製 QuanteraSXM付属C60イオン銃を用いて、イオンビーム強度をC60+:10keV、10nAとし、2mm×2mmの領域を5nmずつエッチングし、所望のエッチング深さにおける元素比率を測定した。
シリコーン層を酸素原子浸透処理に付すと、シリコーン層とシリカ層の間に混和層が形成される。この混和層の厚みは、上記と同様に、エッチングしながら元素比率を測定して行き、混和層の元素比率(原子の数の比が1.3<O原子/Si原子<1.6を満たす)に該当する部分の厚さを測定した。
なお、上記比較例5において、シリカ層形成後の、シリコーン層の多孔質支持体と接する部分のO原子/Si原子(原子数の比)は、シリカ層形成前と同じく0.5であった。
シリコーン層、およびシリカ層の元素比率は、以下の手法にて測定した。
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜、及びシリカ層形成後の膜をPhysical Electronics, Inc. 社製 QuanteraSXM(商品名)に入れ、X線源:Al−Kα線(1490eV,25W,100μmの直径)、測定領域:300μm×300μm、Pass Energy 55eV、Step 0.05eVの条件で、シリコーン層表面及びシリカ層表面の元素比率を測定した。
なお、シリカ層の層厚を測定する際には、層内部のC原子/Si原子(原子の数の比)を測定した。この層内部の元素比率は、C60イオンによりシリカ層のエッチングを行うことで、所望の深さにおける元素比率を上記と同様にして測定した。より詳細には、Physical Electronics, Inc.社製 QuanteraSXM付属C60イオン銃を用いて、イオンビーム強度をC60+:10keV、10nAとし、2mm×2mmの領域を5nmずつエッチングし、所望のエッチング深さにおける元素比率を測定した。
シリコーン層を酸素原子浸透処理に付すと、シリコーン層とシリカ層の間に混和層が形成される。この混和層の厚みは、上記と同様に、エッチングしながら元素比率を測定して行き、混和層の元素比率(原子の数の比が1.3<O原子/Si原子<1.6を満たす)に該当する部分の厚さを測定した。
なお、上記比較例5において、シリカ層形成後の、シリコーン層の多孔質支持体と接する部分のO原子/Si原子(原子数の比)は、シリカ層形成前と同じく0.5であった。
[試験例2] クロロホルム浸漬前後のSi比の評価
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜を3cm四方に切り出し、クロロホルム250g中に30℃で6時間浸漬した。その後、膜を取り出し、真空下で乾燥した。この膜のシリコーン層表面にX線を照射し、そのSi−KαX線(1.74keV)強度(ピーク高さ)を測定した。得られた値と、クロロホルム浸漬前のシリコーン層表面に上記と同様にしてX線を照射し、測定されたSi−KαX線(1.74keV)強度の値を、上記数式(I)に当てはめ、Si比を算出した。
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜を3cm四方に切り出し、クロロホルム250g中に30℃で6時間浸漬した。その後、膜を取り出し、真空下で乾燥した。この膜のシリコーン層表面にX線を照射し、そのSi−KαX線(1.74keV)強度(ピーク高さ)を測定した。得られた値と、クロロホルム浸漬前のシリコーン層表面に上記と同様にしてX線を照射し、測定されたSi−KαX線(1.74keV)強度の値を、上記数式(I)に当てはめ、Si比を算出した。
[試験例3] 硬度の評価
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜のシリコーン層表面において、HM500硬度計(ベルコビッチ圧子)を用いて0.10mN加圧時の硬度を測定した。
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜のシリコーン層表面において、HM500硬度計(ベルコビッチ圧子)を用いて0.10mN加圧時の硬度を測定した。
[試験例4] トルエン飽和雰囲気中10分暴露後の体積膨潤率
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜を飽和トルエン蒸気に曝した。より詳細には、トルエン溶媒を張った蓋のできる金属製容器内に、100mlビーカーを入れ、蓋をして12時間静置した。続いて上記各実施例及び比較例において作成したガス分離複合膜をビーカーの中に入れて蓋をし、25℃条件下で10分間静置したのち、容器から取り出した。トルエン上記に曝す前後のガス分離複合膜をそれぞれ液体窒素中に5分間浸漬後、ピンセットにて複合膜を割断し、断面部をSEMにて観察して測定しシリコーン層の膜厚を測定した。体積膨潤率を以下の式で算出した。
体積膨潤率=(トルエン暴露後の膜厚)/(トルエン暴露前の膜厚)×100
上記各実施例及び比較例において、シリコーン層形成後の膜を飽和トルエン蒸気に曝した。より詳細には、トルエン溶媒を張った蓋のできる金属製容器内に、100mlビーカーを入れ、蓋をして12時間静置した。続いて上記各実施例及び比較例において作成したガス分離複合膜をビーカーの中に入れて蓋をし、25℃条件下で10分間静置したのち、容器から取り出した。トルエン上記に曝す前後のガス分離複合膜をそれぞれ液体窒素中に5分間浸漬後、ピンセットにて複合膜を割断し、断面部をSEMにて観察して測定しシリコーン層の膜厚を測定した。体積膨潤率を以下の式で算出した。
体積膨潤率=(トルエン暴露後の膜厚)/(トルエン暴露前の膜厚)×100
[試験例5] 算術平均粗さの評価
上記各実施例及び比較例において、形成したシリコーン層およびシリカ層表面の粗さ曲線を白色干渉計にて測定し、算術平均粗さRaをJIS B0601に従い算出した。なお、基準長さは0.08mmとした。
上記各実施例及び比較例において、形成したシリコーン層およびシリカ層表面の粗さ曲線を白色干渉計にて測定し、算術平均粗さRaをJIS B0601に従い算出した。なお、基準長さは0.08mmとした。
[試験例6] サンプルエラー率の評価
上記各実施例及び比較例に記載した通りに、同一処方で作製したガス分離複合膜を50サンプル用意した。高圧耐性のあるSUS316製ステンレスセル(DENISSEN社製、内容積約10cm3)に対して、図3のとおりガス分離複合膜を設置した(PETマスク:東レ製ルミラー、マスク径:φ5mm)。セルの温度が30℃となるよう調整し、給気側に容量7000L、圧力6MPa、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)の体積比が10:90の混合ガスのボンベを接続し、給気側流量0.5L/min、排気側流量0.0L/minで10分間加圧しても5MPaまで加圧できなかったサンプルをピンホール有りの膜(サンプルエラー)と判断し、サンプルエラー率を下記式から求めた。
このサンプルエラー率に基づき下記評価基準により製膜性を評価した。
サンプルエラー率(%)=100×[サンプルエラー数/50]
上記各実施例及び比較例に記載した通りに、同一処方で作製したガス分離複合膜を50サンプル用意した。高圧耐性のあるSUS316製ステンレスセル(DENISSEN社製、内容積約10cm3)に対して、図3のとおりガス分離複合膜を設置した(PETマスク:東レ製ルミラー、マスク径:φ5mm)。セルの温度が30℃となるよう調整し、給気側に容量7000L、圧力6MPa、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)の体積比が10:90の混合ガスのボンベを接続し、給気側流量0.5L/min、排気側流量0.0L/minで10分間加圧しても5MPaまで加圧できなかったサンプルをピンホール有りの膜(サンプルエラー)と判断し、サンプルエラー率を下記式から求めた。
このサンプルエラー率に基づき下記評価基準により製膜性を評価した。
サンプルエラー率(%)=100×[サンプルエラー数/50]
(成膜性の評価基準)
A:サンプルエラー率1%以下(すなわちサンプルエラーなし)
B:サンプルエラー率1%超3%以下(すなわちサンプルエラー数1)
C:サンプルエラー率3%超5%以下(すなわちサンプルエラー数2)
D:サンプルエラー率5%超(すなわちサンプルエラー数3以上)
A〜Cが合格レベルである。
A:サンプルエラー率1%以下(すなわちサンプルエラーなし)
B:サンプルエラー率1%超3%以下(すなわちサンプルエラー数1)
C:サンプルエラー率3%超5%以下(すなわちサンプルエラー数2)
D:サンプルエラー率5%超(すなわちサンプルエラー数3以上)
A〜Cが合格レベルである。
[試験例7] ガス分離性能の評価
上記各実施例及び比較例で調製したガス分離複合膜を、図3のとおり設置した。すなわち、高圧耐性のあるSUS316製ステンレスセル(DENISSEN社製)を用い、セルの温度が30℃となるよう調整してガス分離性能を評価した。二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)の体積比が20:80の混合ガスをガス供給側の全圧力が5MPaとなるように調整し、CO2、CH4のそれぞれのガスの透過性をTCD検知式ガスクロマトグラフィーにより測定した。各実施例および比較例のガス分離複合膜のガス透過性は、ガス透過率(Permeance)としてガス透過速度を算出することにより比較した。ガス透過率(ガス透過速度)の単位はGPU(ジーピーユー)単位〔1GPU=1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHg〕である。ガス分離選択性は、この膜のCH4の透過速度RCH4に対するCO2の透過速度RCO2の比率(RCO2/RCH4)として計算した。
ガス分離性能の評価基準を以下に示す。
上記各実施例及び比較例で調製したガス分離複合膜を、図3のとおり設置した。すなわち、高圧耐性のあるSUS316製ステンレスセル(DENISSEN社製)を用い、セルの温度が30℃となるよう調整してガス分離性能を評価した。二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)の体積比が20:80の混合ガスをガス供給側の全圧力が5MPaとなるように調整し、CO2、CH4のそれぞれのガスの透過性をTCD検知式ガスクロマトグラフィーにより測定した。各実施例および比較例のガス分離複合膜のガス透過性は、ガス透過率(Permeance)としてガス透過速度を算出することにより比較した。ガス透過率(ガス透過速度)の単位はGPU(ジーピーユー)単位〔1GPU=1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHg〕である。ガス分離選択性は、この膜のCH4の透過速度RCH4に対するCO2の透過速度RCO2の比率(RCO2/RCH4)として計算した。
ガス分離性能の評価基準を以下に示す。
A:ガス透過性(RCO2)が30GPU以上かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が40以上。
B:ガス透過性(RCO2)が10GPU以上30GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が40以上であるか、又は、ガス透過性(RCO2)が30GPU以上かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20以上40未満。
C:ガス透過性(RCO2)が10GPU以上かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が10以上20未満であるか、又は、ガス透過性(RCO2)が10GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20以上。
D:ガス透過性(RCO2)が10GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20未満であるか、又は、圧力がかからず試験が行えなかった。
A〜Cが合格レベルである。
B:ガス透過性(RCO2)が10GPU以上30GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が40以上であるか、又は、ガス透過性(RCO2)が30GPU以上かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20以上40未満。
C:ガス透過性(RCO2)が10GPU以上かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が10以上20未満であるか、又は、ガス透過性(RCO2)が10GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20以上。
D:ガス透過性(RCO2)が10GPU未満かつガス分離選択性(RCO2/RCH4)が20未満であるか、又は、圧力がかからず試験が行えなかった。
A〜Cが合格レベルである。
[試験例8] トルエン膨潤後気体分離性能の評価
トルエン溶媒を張った蓋のできるガラス製容器内に、100mlビーカーを静置し、さらに上記各実施例及び比較例において作製したガス分離複合膜をビーカーの中に入れ、ガラス製の蓋をし、密閉系(飽和トルエン蒸気下)とした。その後、25℃条件下で10分間保存した後、上記試験例7と同様にしてガス分離性能を評価した。
トルエン溶媒を張った蓋のできるガラス製容器内に、100mlビーカーを静置し、さらに上記各実施例及び比較例において作製したガス分離複合膜をビーカーの中に入れ、ガラス製の蓋をし、密閉系(飽和トルエン蒸気下)とした。その後、25℃条件下で10分間保存した後、上記試験例7と同様にしてガス分離性能を評価した。
上記各試験例の結果を下表に示す。
上記表7に示される通り、酸素原子浸透処理により形成した層(シリカ層に対応)のO原子/Si原子(原子数の比)が本発明で規定するよりも小さい比較例1〜3のガス分離複合膜は、いずれも膜欠陥が生じやすくサンプルエラー率が高かった。また、比較例1〜3のガス分離複合膜はガス分離性能に劣る結果となった。
また、多孔質支持体に接する層(シリコーン層に対応)のSi原子に対するO原子の数の比が本発明で規定するよりも大きい比較例4や、小さい比較例5のガス分離複合膜もまた、ガス分離性能に劣る結果となった。
これに対し、多孔質支持体上に、この支持体に接して本発明で規定するシリコーン層を有し、且つさらにその上に本発明で規定するシリカ層を有する形態の、実施例1〜12のガス分離複合膜は、膜欠陥が生じにくくサンプルエラー率が低く抑えられ、且つ、ガス分離性能にも優れていた。
また、多孔質支持体に接する層(シリコーン層に対応)のSi原子に対するO原子の数の比が本発明で規定するよりも大きい比較例4や、小さい比較例5のガス分離複合膜もまた、ガス分離性能に劣る結果となった。
これに対し、多孔質支持体上に、この支持体に接して本発明で規定するシリコーン層を有し、且つさらにその上に本発明で規定するシリカ層を有する形態の、実施例1〜12のガス分離複合膜は、膜欠陥が生じにくくサンプルエラー率が低く抑えられ、且つ、ガス分離性能にも優れていた。
1 シリカ層(ガス分離層)
2 シリコーン層
3 多孔質支持体
4 不織布層
10、20 ガス分離複合膜
2 シリコーン層
3 多孔質支持体
4 不織布層
10、20 ガス分離複合膜
Claims (20)
- 多孔質支持体と、該多孔質支持体に接して設けられた、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有するシリコーン層と、該シリコーン層上に設けられた、少なくとも下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有するシリカ層とを有するガス分離複合膜であって、
前記シリコーン層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たし、
前記シリカ層中のSi原子の数に対するO原子の数の比が、1.6≦O原子/Si原子を満たす、ガス分離複合膜。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。 - 前記シリコーン層中のSi原子の数に対するC原子の数の比が、1.2≦C原子/Si原子≦3.0を満たす、請求項1に記載のガス分離複合膜。
- 前記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、請求項1又は2に記載のガス分離複合膜。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度) - 前記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記シリカ層の、ケイ素原子の数に対する炭素原子の数の比が、C原子/Si原子≦1.6を満たす、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記シリカ層と前記シリコーン層との間に厚み5nm以上の混和層が存在し、該混和層におけるSi原子の数に対するO原子の数の比が、該混和層のシリコーン層側からシリカ層側に向けて連続的に増加している、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を用いたガス分離モジュール。
- 請求項9に記載のガス分離モジュールを備えたガス分離装置。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を用いたガス分離方法。
- 二酸化炭素及びメタンを含むガスから二酸化炭素を選択的に透過させる、請求項11に記載のガス分離方法。
- 多孔質支持体上に、少なくとも下記式(A1)で表される構造単位と下記式(A2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が0.8≦O原子/Si原子≦1.3を満たすシリコーン層を形成する工程、及び
前記シリコーン層表面に対して酸素原子浸透処理を施すことにより、前記シリコーン層の表層を、下記式(B1)で表される構造単位と下記式(B2)で表される構造単位とを有し、Si原子の数に対するO原子の数の比が1.6≦O原子/Si原子を満たすシリカ層にする工程を含む、ガス分離複合膜の製造方法。
式中、R1A〜R1C及びR2Aは置換基を示す。*は連結部位を示す。但し、*−Si−及び*−O−における連結部位*はシロキサン結合中の連結部位を示し、*−CH2−CH2−における連結部位*はシロキサン結合を構成するSi原子との連結部位を示す。 - 前記酸素原子浸透処理が酸素プラズマ処理である、請求項13に記載のガス分離複合膜の製造方法。
- 前記シリコーン層の、下記数式(I)で算出されるクロロホルム浸漬前後のSi比が0.6以上である、請求項13又は14に記載のガス分離複合膜の製造方法。
数式(I)
Si比=(クロロホルム浸漬後のSi−KαX線強度)/(クロロホルム浸漬前のSi−KαX線強度) - 前記シリコーン層の硬度が30N/mm2以上である、請求項13〜15のいずれか1項に記載のガス分離複合膜の製造方法。
- 前記シリコーン層をトルエン飽和雰囲気中に10分暴露した際の体積膨潤率が100〜150%である、請求項13〜16のいずれか1項に記載のガス分離複合膜の製造方法。
- 前記シリコーン層の算術平均粗さRaが100nm以下である、請求項13〜17のいずれか1項に記載のガス分離複合膜の製造方法。
- 前記シリカ層の算術平均粗さRaが100nm以下である、請求項13〜18のいずれか1項に記載のガス分離複合膜の製造方法。
- 前記シリコーン層が、前記多孔質支持体上に、下記(a)の架橋性ポリシロキサン化合物と下記(b)の架橋性ポリシロキサン化合物とを含有する混合液を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を硬化して形成されたものである、請求項13〜19のいずれか1項に記載のガス分離複合膜の製造方法:
(a)下記式(a1)で表される構造単位と、下記式(a2)で表される構造単位と、下記式(a3)で表される構造単位及び下記式(a4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ヒドロシリル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物;
(b)下記式(b1)で表される構造単位と、下記式(b2)で表される構造単位と、下記式(b3)で表される構造単位及び下記式(b4)で表される構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有し、且つ、ビニル基を有しない架橋性ポリシロキサン化合物。
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