JP2018524459A - 放射線硬化性組成物、膜、ならびにそのような膜の製造および使用 - Google Patents

放射線硬化性組成物、膜、ならびにそのような膜の製造および使用 Download PDF

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Abstract

以下を含む、放射線硬化性組成物:a)エチレン性不飽和基を1個含む、10〜65重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、3〜60重量%の架橋剤(1以上);c)100℃を超える沸点を有する、5〜55重量%の不活性溶媒(1以上);d)0〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);およびe)0.5〜25重量%の増粘剤(1以上)。
【選択図】図1

Description

本発明は、放射線硬化性組成物、膜、それらの調製プロセス、およびそのような膜の例えば電気透析または逆電気透析における使用に関する。
逆電気透析(“RED”)では、異なるイオン濃度を有する2つのイオン溶液を混合することによる、例えば、塩分を含む海水と淡水または汽水を混合することによる、環境に優しい方法で、電気を発生させることができる。この技術では、交互になっているカチオンおよびアニオン交換膜を有する膜スタックと、該スタックの各末端にある電極とを含む、REDユニットが用いられる。各カチオンおよびアニオン交換膜は、これらの膜の間の空間と一緒になって、しばしば“セル”とよばれ、膜スタックは通常多くのセルを含む。典型的には、濃縮イオン溶液のための逆電気透析ユニットを通り抜ける第1の経路、および希釈イオン溶液のための逆電気透析ユニットを通り抜ける第2の経路がある。濃縮イオン溶液を第1の経路に導入し、希釈イオン溶液を第2の経路に導入すると、第1の経路中の濃縮溶液からの溶質が膜を通過して第2の経路中の希釈溶液に移動し、これに伴いスタック末端の電極間で出力電気が発生する。既存のスタックにおいて、スタックを通り抜ける流れの方向は、通常並流または逆流である。
膜の各対の間の濃度差によって発生する電圧は小さいが、この電圧は、膜スタック中の2つの溶液を分離する交互になっているカチオンおよびアニオン交換膜の数が増加すると増大する。
電気泳動(“ED”)では、REDで用いられるものと同様の膜スタックが用いられるが、この場合は、イオン溶液の一方から不要なイオンを除去するために、電気をスタックの各末端の電極間に施用する。EDは、例えば、塩分を含む海水から飲料水を調製するために用いることができる。
上記REDおよびED技術はともに、交互に配置された非常に多くのアニオンおよびカチオン交換膜を含む膜スタックを必要とする。したがって、アニオンおよびカチオン交換膜を提供する産業が構築されている。
既存の膜スタックに伴う問題としては、その製造コストおよび継続的なメンテナンス費用が挙げられる。スタック中の膜は時間とともに汚れていき、清浄のための停止時間を招く。エンボス加工はテクスチャー膜の考えうる技術であるが、膜が厚く硬い場合のみである。
テクスチャー処理膜についてはこれまでの公開物に記載されているが、それらは、おそらくテクスチャー処理膜の生産は難しいため、一般に商業的供給源から入手可能ではない。テクスチャー処理表面形状を有し、イオン的に帯電した膜の、迅速で効率的な製造方法が必要とされている。
本発明の第1の観点に従って、段階(i)および(ii):
(i)放射線硬化性組成物を膜にパターン状に膜に施用する段階;および
(ii)照射し、これにより、膜上に存在する放射線硬化性組成物を硬化する段階;
を含む、テクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜の調製プロセスであって、該放射線硬化性組成物が、
a)エチレン性不飽和基を1個含む、10〜65重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);
b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量(“NAMW”)を有する、3〜60重量%の架橋剤(1以上);
c)100℃を超える沸点を有する、5〜55重量%の不活性溶媒(1以上);
d)0〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);および
e)0.5〜25重量%の増粘剤(1以上);
を含む、前記調製プロセスを提供する。
図1は、本プロセスの段階(i)を示す略図である。 図2は、本プロセスによって調製された、テクスチャー処理表面形状を両面に有するイオン交換膜を示す略図である。 図3aは、本プロセスの段階(i)で施用するためのスクリーンを調製するために用いることができるメッシュを例示している。 図3bは、本プロセスの段階(i)で施用するためのスクリーンを調製するために用いることができるメッシュを例示している。
放射線硬化性組成物は、触媒を含まない、例えば、貴金属粒子(例えば、白金、パラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウムおよび/またはルテニウム粒子を含む粒子、ならびに上記のいずれかを含む合金)を含まないことが好ましい。
本明細書において、沸点は、1気圧、すなわち101325Paにおいてである。
図1の上半分において、放射線硬化性組成物(3)は、スキージー(9)を用いてスクリーン(2)に押しつけられる。組成物の一部(3)はスクリーン(2)の孔(4)を通過して膜(1)上に移る。図1の下半分では、スクリーンを通過して、スクリーンの孔に対応するパターンになっている放射線硬化性組成物部分(3)を持つ膜(1)を、見ることができる。
図2は、テクスチャー処理表面形状を両面に有するイオン交換膜(5)を例示している。テクスチャーは、規則的で大きさが等しい円錐形の突出部(7)の形になっており、LegoTMの両面ボードに似ている。図2において、テクスチャー%は <50%である(テクスチャー%は、以下で定義する)。
図3aおよび3bは、本プロセスの段階(i)で用いることができる不織メッシュおよび織メッシュの拡大領域である。
段階(i)では、放射線硬化性組成物を、任意の望ましい技術を用いて、例えば、印刷方法により、膜にパターン状に施用することができる。適した印刷方法としては、インクジェット印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、および特にスクリーン印刷が挙げられる。
印刷により、段階(i)で放射線硬化性組成物を膜にパターン状に施用することが可能になり、その後、放射線硬化性組成物を段階(ii)で硬化して、例えば、そのようにして作り出した三次元パターンに“閉じ込める”ことができる。
放射線硬化性組成物を膜にパターン状に施用するための好ましいスクリーン印刷法は、放射線硬化性組成物を、スクリーンの片面に、放射線硬化性組成物の一部がスクリーンの開口部を通過し、放射線硬化性組成物の一部がスクリーンによって遮断されて、それが施用された側のスクリーン面に残るように、施用することを含む。典型的には、放射線硬化性組成物に印圧を加えて、放射線硬化性組成物の一部をスクリーンの開口部に通してスクリーンの反対側の膜上に押しつける。印圧は、任意の適した手段により、例えば、スキージーまたはブレード、例えば“フィルブレード”の手段により、加えることができる。スキージーまたはブレードをスクリーンの端から端まで移動させて、放射線硬化性組成物をスクリーンの開口部に通して押しつけることができる。
スクリーンは、通常、メッシュ、例えば織メッシュまたは不織メッシュを含み、任意の適した物質(例えば、紙、プラスチック、または金属、またはそれらの2以上)から形成されることができる。メッシュは、放射線硬化性組成物が通過し、膜上に付着して望ましい表面形状をもたらすことを可能にする、開口部を含む。
織メッシュは、典型的には、ワイヤーまたは糸の網状構造であって、ワイヤーまたは糸の間に、組成物が通過することができる間隙がある(例えば図3bに例示するように)、前記網状構造を含む。
あるいは、スクリーンは、図3aに例示するような不織メッシュを含むことができる。不織メッシュを含むスクリーンは、第1の電解浴において分離剤を有するマトリックス上にスクリーン骨格を形成し、形成したスクリーン骨格をマトリックスから剥がし、該スクリーン骨格を第2の電解浴において電気分解に付して前記骨格上に金属を付着させることにより、電気分解的に金属スクリーンを形成することを含むプロセスにより、調製することができる。この技術は、さまざまなメッシュサイズ(例えば75〜350超)、厚さ(例えば約50〜300マイクロメートル超)、および孔径(例えば25マイクロメートル以上)、したがって、さまざまな開口率(例えば約10〜約55%)、テクスチャーの厚さ(例えば厚さ約5〜350マイクロメートル超)、および解像度(例えば約90〜350マイクロメートル)でのスクリーン印刷のための不織金属スクリーンの調製に用いることができる。実際に、本プロセスにおける不織スクリーンの使用は、プレス硬化(press set-up)または印刷中の破損または損傷が事実上ない、改善されたスクリーン寿命、頑丈性(sturdiness)および安定性、耐しわ性をもたらすことができる。段階(i)において放射線硬化性組成物を膜上にパターン状にスクリーン印刷することができ、その後、印刷された放射線硬化性組成物を段階(ii)で硬化することができる。
スクリーンを再利用して、テクスチャー処理イオン交換膜を繰り返し迅速に生産することができる。したがって、本発明の好ましい観点において、該プロセスは連続プロセスである。
好ましい態様において、該プロセスは、放射線硬化性組成物を膜の移動中に膜に施用する連続プロセスである。連続プロセスは、スクリーン印刷ステーションと、組成物を硬化するための照射源と、テクスチャー処理膜収集ステーションと、膜をスクリーン印刷ステーションから照射源そしてテクスチャー処理膜収集ステーションへ移動させる手段とを含む製造ユニットにより、実施することができる。
イオン交換膜の例として、アニオン交換膜およびカチオン交換膜を挙げることができる。
段階(i)および(ii)は、膜の片面または両面に1回または1回より多く実施することができる。例えば、膜の片面または両面に1より多くのパターンで硬化性組成物を施用することにより、複雑なテクスチャー処理表面形状を作り出すことができる。放射線硬化性組成物は、異なる印刷段階ごとに異なっていることができ、または同じであることができる。
段階(i)および(ii)を膜の両面で実施して、テクスチャー処理表面形状を両面に有するイオン交換膜を提供する場合、これらの段階は、所望により、膜の各面で逐次的に(すなわち、段階(i)および(ii)を一方の面で実施した後、他方の面で実施する)、または同時に(すなわち、段階(i)および(ii)を膜の両面で同時に実施する)実施される。
スクリーン印刷では、フラットスクリーンまたは曲面スクリーン、例えば管状(円筒形状)スクリーンを用いることができる。管状スクリーンは、本プロセスを回転式スクリーン印刷によって実施するのにとりわけ有用である。したがって、一態様において、スクリーン印刷は、放射線硬化性組成物を管状スクリーンを介してスクリーン印刷することを含み、該放射線硬化性組成物は、所望によりスキージーまたはブレードを用いて、管状スクリーンの内側に施用される。組成物をスクリーンの孔に通して膜または基材上に押しつけるために、印刷力を用いてもよい。プロセス中に管状スクリーンを回転させて、放射線硬化性組成物を、膜、例えば、連続的に巻き戻されて回転スクリーンに供給される一巻きの膜に、パターン状に連続施用することができる。好ましくは、スクリーン印刷は、放射線硬化性組成物を、回転式管状スクリーンを介して膜に、例えば、リールから巻き戻された膜に、施用することを含む。これは、“リール・トゥ・リール式”スクリーン印刷とよぶことができる。これは、迅速で継続的な方法でテクスチャー処理膜を生産するのにとりわけ好ましいプロセスである。“シート・トゥ・シート式”および“リール・トゥ・シート式”スクリーン印刷のような他のプロセスを用いることもできる。回転式スクリーン印刷以外の適したスクリーン印刷プロセスとしては、フラットベッド式スクリーン印刷(カルーセル式、リール・トゥ・リール式、またはシート・トゥ・シート式)およびロータリー・ストップ・シリンダー(rotary-stop-cylinder)式スクリーン印刷(リール・トゥ・リール式またはシート・トゥ・シート式)が挙げられる。
一態様において、スクリーンは、メッシュ、典型的には金属(例えば、ニッケルまたはステンレス鋼)または生地材料(例えば、ポリマー布帛または織生地材料)から構築されるメッシュを含む。メッシュは、通常、規則的なパターンの開口部を有する。
スクリーンはさらに、ステンシル(スクリーンマスクともよばれる)を含んでいてもよい。ステンシルは、放射線硬化性組成物が通過することができるスクリーン領域を限定する。
好ましいスクリーンは、10〜2400、より好ましくは50〜1000、特に60〜400のメッシュ番号を有するメッシュを含む。メッシュ番号は、1インチ(2.54cm)あたりの開口部の数である。好ましいスクリーンは、10〜1000μm、より好ましくは50〜400μmの厚さを有するメッシュを含む。これらの好ましいスクリーンは、ステンシルと組み合わせることが好ましい。ステンシルなしで用いるスクリーンの場合、メッシュは、望ましいテクスチャー処理表面形状に対応することが好ましく、例えば2〜200のメッシュ番号を有するか、メッシュ番号で特徴付けることができないパターン(例えば不織メッシュの場合)を有することができる。
メッシュの全領域に対する、放射線硬化性組成物が通過することができるメッシュの断面領域、すなわち‘インク透過性’であるメッシュ領域の百分率を、“開口率(open area)%”とよぶ。本発明のプロセスで用いられるメッシュは、好ましくは1〜80%、より好ましくは10〜70%、特に30〜60%の開口率%を有する。
ステンシルを含むスクリーンを用いてスクリーン印刷を実施する場合、ステンシルは、膜にもっとも近いスクリーン面上にあることができ、したがって、ステンシルも、膜上に印刷される放射線硬化性組成物の厚さに寄与する。この場合、スクリーン(ステンシルを含む)は、好ましくは20〜1000μm、より好ましくは40〜600μmの厚さを有する。
スクリーンの構成部分(例えばステンシル(存在する場合))およびメッシュは、任意の適した材料、例えば、ステンシルの場合は感光性ポリマー(例えばエポキシ樹脂)、他のスクリーン構成要素(例えば、メッシュまたは開口部を含む不織シート材料)の場合はステンレス鋼、ガラス、ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート、およびナイロンから作製することができる。
市販のメッシュの例としては、回転式スクリーン印刷の場合、オランダのSPG PrintsからのRotaMesh(登録商標)(不織メッシュ)、およびスイスのGallusからのScreeny Printing Platesが挙げられる。RotaMesh(登録商標)メッシュとしては、75/40、75/32、125/15、215/25、215/21、305/17、305/13、305/11、305/8および405/17(最初の数はメッシュ番号で、2番目の数は開口率%である)が挙げられる。フラットベッド式スクリーン印刷の場合、適したメッシュの例としては、オランダのDrumaからのJMC Monoplan MeshおよびWaengi Mesh、中国のRekingからのステンレス鋼メッシュ、および米国のStretch Devices,Inc.からのNewman Roller Mesh(登録商標)が挙げられる。
好ましい態様において、膜に施用される放射線硬化性組成物は、(未硬化の)放射線硬化性組成物のテクスチャー処理表面形状を形成して、いわゆる突出部を形成し、5μm〜500μm、特に10μm〜300μmの平均高さ(または厚さ)を有する。 スクリーンの厚さ(例えば、メッシュの厚さ、その開口率%、ステンシルの厚さ(用いる場合))、プロセス条件(例えば、温度および印刷から硬化までの時間)、および放射線硬化性組成物の粘度を選択することにより、望ましい高さ(または厚さ)を達成することができる。
得られる表面形状は、いくつかの因子、例えば、施用方法、スクリーン印刷中のスクリーンと膜の間隙、スキージー、およびスキージーまたはブレードによって加えられる圧力の影響を受ける。好ましい態様において、フラットベッドタイプのスクリーン印刷の場合、印刷は、スクリーンと膜または基材の間の間隙が0.5mm〜5cmになるように実施する。回転式スクリーン印刷の場合、間隙は用いない。
好ましくは、スキージー(用いる場合)は、ゴム、例えばネオプレン、またはポリウレタンから作製され、50〜100のショアーA硬度を有する。放射線硬化性組成物は、均一な圧力を用いてスクリーンに施用されることが好ましい。
段階(ii)の硬化は、放射線硬化性組成物が膜上に存在するときに実施する。このようにして、該組成物は膜に結合し、その上に望ましい表面テクスチャーを提供することができる。
段階(ii)において、組成物は電磁放射線(例えば紫外線または電子ビーム)を照射することにより硬化することができる。
放射線源は、組成物を硬化するのに必要な放射線の波長および強度をもたらす任意の放射線源であることができる。硬化のための紫外線源の典型例は、Fusion UV Systemsにより供給されている出力600ワット/インチ(240W/cm)のDバルブである。あるいは、同供給者からのVバルブおよびHバルブである。
組成物に光開始剤が包含されていない場合、組成物を、電子ビーム暴露により、例えば50〜300keVの暴露を用いて硬化することができる。硬化は、プラズマまたはコロナ暴露により達成することもできる。
硬化中に組成物の成分の一部またはすべてが重合して、望ましい表面形状を形成する。望ましい場合、完了後にさらなる硬化を施用してもよいが、一般にこれは必要ではない。
段階(ii)は、組成物が膜に施用されてから好ましくは2分以内、より好ましくは60秒以内に開始する。
硬化は、組成物を好ましくは30秒未満、より好ましくは10秒未満、特に3秒未満、さらに特に2秒未満にわたり照射することにより達成される。連続プロセスでは照射は連続的に行われ、組成物が照射ビームの中を通って移動する速度が、照射時間を決定する主因である。照射には紫外線を用いることが好ましい。適した波長は、組成物に包含される任意の光開始剤の吸収波長と波長が合っているという条件で、例えばUV−A(390〜320nm)、UV−B(320〜280nm)、UV−C(280〜200nm)、およびUV−V(445〜395nm)である。
適した紫外線源としては、水銀アークランプ、炭素アークランプ、低圧水銀ランプ、中圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、旋回流プラズマアークランプ、金属ハロゲン化物ランプ、キセノンランプ、タングステンランプ、ハロゲンランプ、レーザーおよび紫外線発光ダイオードが挙げられる。中圧または高圧水銀蒸気タイプの紫外線発光ランプがとりわけ好ましい。ほとんどの場合、200〜450nmに発光極大を有するランプがとりわけ適している。
照射源のエネルギー出力は、好ましくは20〜1000W/cm、好ましくは40〜500W/cm、より好ましくは50〜240W/cmであるが、望ましい暴露線量を実現することができるならばこれより高くても低くてもよい。暴露強度は、最終的な表面形状に影響を及ぼす可能性がある硬化の程度を制御するために用いることができるパラメーターの1つである。暴露線量は、高エネルギー紫外線放射計(EIT,IncからのUV PowerMapTM)を該装置で示されるUV−AおよびUV−B領域で用いて測定して、範囲好ましくは少なくとも40mJ/cm、より好ましくは40〜1500mJ/cm、もっとも好ましくは70〜900mJ/cmである。
速い印刷速度において望ましい暴露線量に達するために、組成物が1回より多く照射されるように、1個より多くのUVランプを用いることができる。
該プロセスで用いられる膜(すなわち、組成物が施用される前のもの)の厚さは、好ましくは500μm未満、より好ましくは200μm未満、特に10〜150μm、例えば20〜100μm、例えば約50μmである。
得られたテクスチャー処理表面形状を有する膜(“テクスチャー処理膜”と略す)は、テクスチャー処理膜の全乾燥重量に基づき、好ましくは少なくとも0.3meq/g、より好ましくは少なくとも0.5meq/g、特に1.0meq/g超のイオン交換容量を有する。
テクスチャー処理膜は、乾燥膜の面積に基づき、好ましくは少なくとも20meq/m、より好ましくは少なくとも30meq/m、特に少なくとも40meq/mの電荷密度を有する。
本プロセスにより得られるテクスチャー処理アニオン交換膜は、Clのような小さなアニオンに関し、好ましくは75%超、より好ましくは80%超、特に85%超、さらに特に90%超の選択透過率を有する。本プロセスにより得られるテクスチャー処理カチオン交換膜は、Naのような小さなカチオンに関し、好ましくは75%超、より好ましくは80%超、特に85%超、さらに特に90%超の選択透過率を有する。
テクスチャー処理膜は、好ましくは10オーム.cm未満、より好ましくは5オーム.cm未満、もっとも好ましくは3オーム.cm未満の電気抵抗を有する。テクスチャー処理膜は、好ましくは50%未満、より好ましくは20%未満、もっとも好ましくは10%未満の体積基準での水中膨潤を示す。膨潤度は、照射段階(ii)において適切なパラメーターを選択することにより制御することができる。
テクスチャー処理膜の水の取り込みは、乾燥テクスチャー処理膜の重量に基づき、好ましくは50%未満、より好ましくは40%未満、特に30%未満である。
電気抵抗、選択透過率および水中膨潤%は、J.of Membrane Science,319(2008)の217〜218頁にDlugolecki et alにより記載されている方法により測定することができる。
典型的には、テクスチャー処理膜は実質的に非孔質であり、例えば、細孔は、標準的走査型電子顕微鏡(SEM)の検出限界より小さい。したがって、Jeol JSM−6335F電界放出型SEM(2kVの加速電圧を印加、作動距離4mm、絞り4、厚さ1.5nmのPtでコーティングした試料、倍率100000倍、傾斜視野3°)を用いると、平均細孔サイズは概して5nmより小さく、好ましくは1nmより小さい。
テクスチャー処理表面形状のテクスチャーは、突出部の形態を取ることが好ましい。突出部のパターンは多種多様であることができ、不規則であってもよいが、規則的であることが好ましい。これは、規則的であると、表面の少なくとも90%にわたり均一な透過性を有するテクスチャー処理膜がもたらされる可能性があるためである。適した突出部の例としては、円錐、多角錐(例えば、三角錐、四角錐および六角錐)、半球体、メサ(mesa)(例えば、四角形、三角形および円形メサ)、ドーム、円錐台、角錐台、菱形、短い尾根、および上記の2以上の組み合わせが挙げられる。他のテクスチャーは、膜の片面または両面にリブ、例えば平行リブの形態をとる。テクスチャーが膜の両面上のリブを含む場合、膜の各面上のリブは、膜の他の側面上のリブに対し、同一または異なる位置付けを有することができる。例えば、膜の片面上のリブの方向は、膜の他の側面上のリブの方向と、所望により同一または異なっている。膜の片面上のリブの方向が膜の他の側面上のリブの方向と異なっている場合、膜の2つの側面上のリブの方向間の角度は、好ましくは30〜150°、より好ましくは60〜120°である。
膜のテクスチャー処理の程度(すなわちテクスチャー%)は、以下の式により表すことができる:
テクスチャー%=(テクスチャーの領域/膜の全領域)×100%
[式中:
テクスチャーの領域は、膜の該当する側の平面から外側に伸長している膜の領域であり、テクスチャーと膜の平面の接触部分(例えば、突出部のベース領域)で測定する;
膜の全領域は、膜が平坦でテクスチャー処理されていない場合に膜の該当する側面が有するはずの全有効領域(有効は、膜の使用中に液体と接触する領域を意味する、すなわち、水密シールを形成する膜の領域を除く)である]。
好ましいテクスチャー%は、膜の平面から外側に伸長している膜部分(例えば突出部)がイオン的に帯電しているか否かに依存する。
本明細書において、われわれは、テクスチャー%を、膜の全領域に対するテクスチャー領域の比率ともよぶ。
膜の平面から外側に伸長している膜部分がイオン的に帯電していない場合、テクスチャー%は低いことが好ましく、例えば、25%未満、より好ましくは15%未満、特に9%未満、例えば、7%、5%、4%または2%である。
膜の平面から外側に伸長している膜部分がイオン伝導性である(すなわち、イオンを伝導することができる)場合、これは好ましく、テクスチャー%は、突出部は典型的には膜のイオン輸送能を妨げないので、より高いことができる。したがって、膜の平面から外側に伸長している膜部分がイオン伝導性である場合、テクスチャー%は、好ましくは1〜70%、より好ましくは2〜40%、特に4〜30%である。いくつかの態様では、膜の平面から外側に伸長している膜部分がイオン伝導性であっても、例えば汚れを低減するために、低いテクスチャー%が適している可能性がある。これらの環境下では、テクスチャー%は、例えば、21〜29%、例えば25%、または11〜18%、例えば15%、またはさらに6〜9%、例えば8%であることができる。
膜がいくぶん剛性を示し、突出部がイオン的に帯電していない場合、またはイオン伝導性を示さない先端を有する場合、突出部は数個しか必要ない。この場合、テクスチャー%は非常に低く、例えば1.5〜4%、またはさらに1%未満であることができる。
一態様において、テクスチャー処理表面形状のテクスチャーは、イオン伝導性を示さない突出部、またはイオン伝導性を示さない先端を有する突出部を含み、そのような突出部の平均量は、1cmあたり1個未満、または1cmあたり1.5〜4個である。
他の態様において、テクスチャー処理表面形状のテクスチャーは、イオン伝導性を示す突出部を含み、そのような突出部の平均量は、1cmあたり3個より多い、好ましくは1cmあたり5〜30個、例えば、1cmあたり4または9または16または25個である。
膜の平面から外側に伸長している膜部分(すなわち突出部)は、イオン伝導性を示す(すなわちイオン的に帯電している)ことが好ましい。これは、膜の有効表面領域が低減するいわゆる‘影効果’が避けられるためである。これは、液体流の体積に対する膜の有効イオン伝導性表面領域を増大させることにより膜効率を高めることさえできる。
したがって、膜の平面から外側に伸長している膜部分が、膜の性能に有害作用を及ぼすことなくイオン伝導性を示す場合、比較的大きなテクスチャー%を用いることができる。
テクスチャー処理表面形状は、突出部のベースで測定して、好ましくは10:1〜1:10、より好ましくは7:1〜1:7、特に5:1〜1:5、さらに特に2.5:1〜1:2.5の平均長さ(L)と平均幅(W)の比を有する突出部を含む。連続リブが用いられ、粒子が2個のリブ間で液体の通過を完全に遮断する可能性がある場合と比べ、上記のLとWの比では、しばしば対流を良好にし閉塞問題を少なくすることができるので、これらの優先傾向が生じる。
テクスチャー処理表面形状は、好ましくは5〜500μm、より好ましくは10〜300μmの平均高さ(H)を有する突出部を含む。一態様において、Hは120〜300μmである。
他の一態様において、Hは55〜95μm、または15〜45μmである。
Hは、LおよびWより小さいことが好ましい。膜を用いるときに膜の膨潤およびカールを低減することができるので、この優先傾向が生じる。
好ましくは、テクスチャー処理表面形状は突出部を含み、その少なくとも80%(好ましくは100%)はすべての方向(長さ、幅および高さ)で20mm未満の最大寸法を有する。テクスチャー処理表面形状は、すべての方向(長さ、幅および高さ)で好ましくは0.04〜10mm、より好ましくは0.05〜6mm、例えば、0.3、1、1.5、または2mmの最大寸法を有する突出部を含む。異なる寸法を有する突出部の組み合わせを用いることもできる。
テクスチャー処理表面形状は、互いに平均して好ましくは少なくとも0.1mm、より好ましくは少なくとも0.5mm、例えば、1、2、4、8または12mm離れている突出部を含む。
放射線硬化性組成物は、パターン状にある突出部の形態に付形されていることが好ましい。
硬化性イオン性化合物は、アニオン性基またはカチオン性基を含む。組成物のpHに応じて、これらの基は部分的または全体的に塩の形態にあってもよい。硬化性イオン性化合物は、1以上の(好ましくは1個だけ)エチレン性不飽和基の存在により硬化性になることができる。
好ましい硬化性アニオン性化合物は、酸性基、例えば、スルホ、カルボキシおよび/またはホスファト基を含む。硬化性アニオン性化合物は、スルホ基を含むことが好ましい。好ましい塩は、リチウム塩、アンモニウム塩、ナトリウム塩およびカリウム塩、ならびにそれらの2以上を含む混合物である。
アニオン性基を含む硬化性イオン性化合物の例としては、アクリル酸、ベータカルボキシエチルアクリレート、マレイン酸、無水マレイン酸、ビニルスルホン酸、ホスホノメチル化アクリルアミド、(2−カルボキシエチル)アクリルアミド、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、それらの2以上を含む混合物、およびそれらの塩が挙げられる。
好ましい硬化性カチオン性化合物は、第四級アンモニウム基を含む。そのような化合物の例としては、(3−アクリルアミドプロピル)トリメチルアンモニウムクロリド、3−メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロリド、(2−(メタクリロイルオキシ)エチル)トリメチルアンモニウムクロリド、[3−(メタクリロイルアミノ)プロピル]トリメチルアンモニウムクロリド、(2−アクリルアミド−2−メチルプロピル)トリメチルアンモニウムクロリド、3−アクリルアミド−3−メチルブチルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイルアミノ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、N−(2−アミノエチル)アクリルアミドトリメチルアンモニウムクロリド、およびそれらの2以上を含む混合物が挙げられる。
該組成物は、好ましくは12〜60重量%、より好ましくは15〜55重量%、特に20〜50重量%の硬化性イオン性化合物(1以上)を含む。
好ましいエチレン性不飽和基は、(メタ)アクリル基、より好ましくは(メタ)アクリレートまたは(メタ)アクリルアミド基、特にアクリル基、例えば、アクリレートまたはアクリルアミド基である。
成分b)は、1種または1種より多くの架橋剤(好ましくは1種の架橋剤または2〜5種の架橋剤)からなる。
成分b)の分子量は、以下の式を満たすことが好ましい:
(W×m) > 架橋剤の分子量
[式中:
mは、架橋剤中に存在するエチレン性不飽和基の数であり;mは2〜6、好ましくは2〜4、特に2または3、さらに特に2である;および
Wは、350、より好ましくは200、特に100、さらに特に85または77である]。
上記Wの値は小さい方が好ましい。これは、得られる架橋剤が、Wがより大きい場合に比べ効率的に架橋するためである。したがって、架橋剤の分子量は、700ダルトン以下であることが好ましい。
成分b)として用いることができる架橋剤の例としては、(メタ)アクリル架橋剤、例えば、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコール(200)ジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、プロポキシル化エチレングリコールジアクリレート、ビスフェノールAエトキシレート(1.5)ジアクリレート、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、プロポキシル化(3)トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリトリオール(pentaerythriol)トリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、エトキシル化(4)ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ジペンタエリトリトールペンタアクリレート、および上記のメタクリルバージョンが挙げられる。
‘(メタ)’という用語は、‘メタ’が所望によることを意味する略語であり、例えば、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミドは、N,N’−メチレンビスアクリルアミドおよびN,N’−メチレンビスメタクリルアミドの略語である。
成分b)の架橋剤は、アクリルアミド基を含むことがもっとも好ましい。
成分b)として用いることができ、2〜6個のアクリルアミド基を有する架橋剤の例としては、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、N,N’−エチレンビスアクリルアミド、N,N’−プロピレンビスアクリルアミド、N,N’−ブチレンビスアクリルアミド、N,N’−(1,2−ジヒドロキシエチレン)ビスアクリルアミド、1,4−ジアクリロイルピペラジン、1,4−ビス(アクリロイル)ホモピペラジン、トリアクリロイル−トリス(2−アミノエチル)アミン、トリアクロイル(triacroyl)ジエチレントリアミン、テトラアクリロイルトリエチレンテトラミン、および1,3,5−トリアクリロイルヘキサヒドロ−1,3,5−トリアジンが挙げられる。
該組成物は、好ましくは4〜55重量%、より好ましくは4〜50重量%、特に5〜40重量%、さらに特に9〜25重量%の成分b)を含む。
不活性溶媒を包含させることは、組成物の粘度および/または表面張力を低下させて、いくつかの点でプロセスをより容易にするほか、スクリーンを介した組成物の透過を増大させるのに有用であることができ、そして、組成物の固体成分の溶解に有用であることができる。
不活性溶媒は、100℃を超える沸点を有し、プロセス中に成分a)またはb)と共重合することのない、任意の溶媒であることができる。好ましくは、不活性溶媒は、水混和性有機溶媒、例えば、25℃において少なくとも70g/水100g、好ましくは少なくとも100g/水100gの溶解度を有する有機溶媒である。
好ましくは、該組成物はさらに、f)水、例えば、組成物の全重量に対し2〜40重量%、より好ましくは5〜35重量%、特に8〜30重量%の水を含む。組成物中に存在する水の重量%を計算する場合、期せずして水を含有している他の成分中に存在するあらゆる水を含め、すべての源からの水を考慮に入れなければならない。水は、成分a)を溶解するのに有用であり、100℃を超える沸点を有する不活性溶媒は、組成物の有機成分を溶解するのに有用である。
該組成物は、好ましくは5〜50重量%、より好ましくは6〜45重量%、特に7〜35重量%の成分c)を含む。一態様では、組成物の成分を溶解するのに過不足ない100℃を超える沸点を有する不活性溶媒が用いられ、例えば、100℃を超える沸点を有する溶媒の量は、該組成物を膜に施用する温度において組成物の残余分を溶解するのに要する量より5重量%以下多い。これは、テクスチャー処理膜の選択透過性を向上させ、突出部の膨潤を低減するという利点を有する。
不活性溶媒(成分c))は、好ましくは101〜500℃、より好ましくは120〜400℃、特に150〜350℃の沸点を有する。
不活性溶媒(成分c))は、好ましくは60℃未満、より好ましくは40℃未満、特に20℃未満の融点を有する。
100℃を超える沸点を有する好ましい不活性有機溶媒としては、ジオール(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、およびポリアルキレングリコール(特にポリ(C2−4−アルキレングリコール)例えば、ジエチレングリコールおよびトリエチレングリコール));トリオール(例えばグリセロール);ポリアルキレングリコールエーテル(例えば、ポリアルキレングリコールのモノ−およびジ−C1−4−アルキルエーテル(特に、ポリ(C2−4−アルキレン)グリコールのモノ−およびジ−メチルエーテル、例えば、2−メトキシエチルエーテル、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−イソプロポキシエタノール、2−ブトキシエタノール、2−(2−メトキシエトキシ)エタノール、および2−(2−エトキシエトキシ)エタノール));エチレングリコールおよびトリエチレングリコールのモノメチルおよびジメチルエーテル;カーボネート(例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、およびグリセロールカーボネート);ジメチルスルホキシド;ホルムアミド、ジメチルホルムアミド;N−メチル−2−ピロリジノン;1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン;フェノール、スルホラン、ニトロメタン、ジオキサン、トリエチルホスフェート;ヘキサメチルホスホルアミド、および上記の2以上を含む混合物が挙げられる。とりわけ好ましい100℃を超える沸点を有する有機溶媒は、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、およびそれらの2以上を含む混合物である。好ましくは、不活性溶媒は塩基性でも酸性でもない、すなわち、ギ酸、酢酸およびピリジンなどの溶媒は好ましくない。
特に好ましい100℃を超える沸点を有する不活性有機溶媒は、ジメチルスルホキシド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−イソプロポキシエタノール、2−ブトキシエタノール、2−(2−メトキシエトキシ)エタノール、2−(2−エトキシエトキシ)エタノール、および2−メトキシエチルエーテル、および上記の2以上を含む混合物である。
一態様において、100℃を超える沸点を有する不活性有機溶媒は、以下を含まない:
−100℃を超える沸点を有するジオール(例えば、エチレングリコールおよびプロピレングリコールを含まない);
−100℃を超える沸点を有するトリオール(例えばグリセロールを含まない);
−100℃を超える沸点を有するカーボネート(例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−t−ブチルジカーボネートおよびグリセリンカーボネートを含まない);
−ジメチルホルムアミド;
−N−メチル−2−ピロリジノン;および
−上記の2以上を含む混合物。
放射線硬化性組成物の成分はすべて、20℃で測定して、好ましくは1kPa未満、より好ましくは0.3kPa未満、特に0.1kPa未満の蒸気圧を有する。組成物中に存在する成分は揮発性が低いことが好ましく、例えば、存在する任意の溶媒および他の液体は高い沸点を有する。成分の揮発性が低いと、組成物を膜に施用するプロセス中の組成物の安定性および寿命が向上するので、この優先傾向が生じる。
一態様において、該組成物は、ラジカル開始剤を含まない。組成物がラジカル開始剤を含まない場合、それは、電子ビーム放射を用いて硬化することができる。
該組成物は、好ましくは0または0.01〜10重量%、より好ましくは0.05〜5重量%、特に0.1〜2重量%の成分d)を含む。該組成物は、1または1より多くの光開始剤を成分d)として含むことができる。
アクリルアミド、ジアクリルアミドおよび高級アクリルアミドの場合、タイプIの光開始剤が好ましい。タイプIの光開始剤の例は、本明細書中で参考として援用する国際公開WO2007/018425号、14頁、23行目〜15頁、26行目に記載されているとおりである。特に好ましい光開始剤としては、アルファ−ヒドロキシアルキルフェノン、例えば、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンおよび2−ヒドロキシ−2−メチル−1−(4−tert−ブチル−)フェニルプロパン−1−オン、ならびに、アシルホスフィンオキシド、例えば、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニルホスフィンオキシドおよびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドが挙げられる。
光開始剤が組成物中に存在する場合、重合防止剤も包含されていることが好ましい(例えば2重量%未満の量で)。これは、例えば貯蔵中に、組成物の早期硬化を妨げるのに有用である。適した防止剤としては、ヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、4−t−ブチル−カテコール、フェノチアジン、4−オキソ−2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジノールオキシ、フリーラジカル、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジノールオキシ、フリーラジカル、2,6−ジニトロ−sec−ブチルフェノール、トリス(N−ニトロソ−N−フェニルヒドロキシルアミン)アルミニウム塩、OmnistabTM IN 510、およびそれらの2以上を含む混合物が挙げられる。
放射線硬化性組成物は、さらに消泡剤を含んでいてもよい。消泡剤の例としては、シリコン系消泡剤(例えば、EvonikからのいくつかのTEGO(登録商標)消泡剤(Foamex、Airex));Air ProductsからのいくつかのSurfynolTM(例えば、DF58、DF62、DF66、およびDF178およびDF695)およびAirase消泡剤;BluestarTM SiliconesからのSilcolapse(登録商標);Silchemからのいくつかの消泡剤;Tiarco ChemicalからのOctosperse;WackerからのいくつかのSILFOAM(登録商標)化合物;BYK ChemieからのいくつかのBYK消泡剤(例えば、BYK−1740、BYK−1770、BYK−1780、BYK−1785およびBYK−1798);アルコキシレート(例えば、DowからのいくつかのDOWFAXTM消泡剤);Ineosからのいくつかの消泡剤;および他のもの、例えば、BYK ChemieからのBYK−012、BYK−016、BYK−052、BYK−057、BYK−081、BYK−088、BYK−1790およびBYK−1794、ならびにAir ProductsからのSurfynolTM DF−70およびDF−220が挙げられる。
放射線硬化性組成物は、好ましくは0.04〜2重量%、より好ましくは0.1〜1.0重量%の消泡剤を有する。
放射線硬化性組成物は、低剪断速度で測定したときに高い粘度を有することが好ましい(これは、スクリーン印刷段階で生じた表面形状を、組成物が硬化されるときまで保持するのに有用である)。
さらに、放射線硬化性組成物は、高剪断速度で測定したときに低い粘度を有することが好ましい(これは、組成物をスクリーンの孔に通して押しつけたときの組成物の滑らかな流れを促進する)。
したがって、好ましい態様において、放射線硬化性組成物は、20℃において1000s−1の剪断速度で測定して10Pa.s未満(より好ましくは7Pa.s未満)の粘度、および20℃において1.5s−1の剪断速度で測定して少なくとも10Pa.s(より好ましくは少なくとも20Pa.s)の粘度を有することが好ましい。20℃において1000s−1の剪断速度で測定した粘度は、好ましくは>0.01Pa.s、より好ましくは>0.1Pa.s、例えば約1Pa.sであるが、実際には限定されない。放射線硬化性組成物は、20℃において1000s−1の剪断速度で測定して7Pa.s未満の粘度を有することが好ましく、これは、剪断速度を20℃で1.5s−1に変化させると、10秒以内、好ましくは5秒以内に少なくとも20Pa.sの粘度に変化する。
Anton Paar GmbHからのPhysica MCR301流動計は、特定の剪断速度および時間依存性のレオロジーパラメーターを測定するのに適した機械である。レオロジーパラメーター(例えば粘度)は、コーンプレートを回転モードで用いて20℃で測定することが好ましい。
増粘剤e)は、放射線硬化性組成物が、組成物の施用および硬化の間の時間窓(time window)の間に、その三次元形状を確実に保持するのに有用である。増粘剤は、放射線硬化性組成物の粘度を、20℃において1.5s−1の剪断速度で測定して少なくとも10Pa.s、好ましくは少なくとも20Pa.sの値にすることができる一方、20℃において1000s−1の剪断速度で測定して10Pa.s未満、好ましくは7Pa.s未満の粘度をもたらすことができる、化合物または化合物の組み合わせであることが好ましい。
1.5s−1の剪断速度で測定したときの放射線硬化性組成物の粘度の、1000s−1の剪断速度で測定したときの粘度に対する比は、20℃で測定して、好ましくは1.5〜5000、より好ましくは10〜800、特に15〜600である。低い剪断速度および高い剪断速度において望ましい粘度の望ましい組み合わせを達成するために、増粘剤は、レオロジー改質剤であるか、レオロジー改質剤を含むことが好ましい。レオロジー改質剤は、硬化性組成物のレオロジー特性を制御する有機または無機コーティング添加剤である。レオロジー改質剤は、おもに疑似塑性および/またはチキソトロープ性をもたらすために用いられる。
レオロジー改質剤としては、ポリヒドロキシカルボン酸アミド(例えば、BYK(登録商標)−405、BYK(登録商標)−R605);ポリヒドロキシカルボン酸エステル(例えば、BYK(登録商標)−R606);変性尿素(例えば、BYK(登録商標)−410、BYK(登録商標)−420);尿素変性ポリウレタンおよびポリアミド(例えば、BYK(登録商標)−425、BYK(登録商標)−430);分枝状ポリウレタン(例えばBYK(登録商標)−428);疎水性に改質されたアルカリ膨潤性または溶解性エマルション(例えば、LubrizolからのSolthix(登録商標)A100、AkzoNobelからのいくつかのEka Flowポリマー);N−(2−ヒドロキシエチル)エチレンジアミン、Dow(登録商標)からのいくつかのAcrysolTMレオロジー改質剤、組成物に溶解する親水性ポリマー、およびそれらの組み合わせが挙げられる。好ましい親水性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリ(ビニルピロリジノン)、ポリ(アクリル酸)、ポリ(2−オキサゾリン)、ポリエチレンイミン、ポリアクリルアミド、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、(疎水性に改質された)ポリエーテル、無水マレイン酸コポリマー、および高分子電解質が挙げられる。
粒状固体も、単独または所望によりレオロジー改質剤との組み合わせで、増粘剤として用いることができる。好ましい粒状固体としては、無機充填剤、例えば、結晶質および非晶質シリカ、カーボンブラック、粘土粒子、ケイ酸アルミニウム、金属酸化物(例えば、二酸化チタン、酸化鉄、酸化アルミニウム)および金属炭酸塩(例えば炭酸カルシウム)などが挙げられる。さらに、粒状固体は、得られるテクスチャー処理膜上のテクスチャーの頑強性を改善して、その耐摩耗性を向上させることもできる。粒状固体の例としては、所望により有機的に改質されている親水性(ヒュームドまたは沈降)金属酸化物、例えば、SiO、TiO、およびAl(例えば、EvonikからのいくつかのAerosil(登録商標)グレード、WackerからのいくつかのHDK(登録商標)剤、Xunyu ChemicalからのいくつかのXysilグレード、CabotからのいくつかのCAB−O−SIL(登録商標)製品、BaerlocherからのLaevisil SP);天然および合成粘土、例えば、スメクタイトおよびホルマイト、例えば、ヘクトライト、ラポナイト、ベントナイト、アッタプルガイト(attapulgite)およびケイ酸アルミニウム(例えば、BYK(登録商標)からのいくつかのBentolite(登録商標)製品、およびElementisからのいくつかのBentone(登録商標)製品)が挙げられる。
粒状固体は、存在する場合、好ましくは1μm未満、より好ましくは50nm未満、特に30nm未満、例えば、約7nmまたは約20nmの平均粒子サイズを有する。粒子サイズは、窒素ガス吸着のBrunauer、EmmettおよびTeller(BET)法により決定することができる比表面積に関連する。粒状固体は、存在する場合、好ましくは>50m/g、より好ましくは>150m/g、特に>250m/gの比表面積を有する。
一般に、添加剤の組み合わせは良好な結果をもたらす。したがって、該組成物は、いくつかの増粘剤、例えば、いくつかの粒状固体および/またはレオロジー改質剤の組み合わせを含むことができる。
該組成物は、好ましくは1〜15重量%、より好ましくは2〜12重量%、特に3〜9重量%の成分e)を含む。
放射線硬化性組成物はさらに、h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、少なくとも800ダルトン、例えば800〜8000ダルトンのNAMWを有する架橋剤を、含んでいてもよい。
架橋剤は、好ましくは2〜6個のエチレン性不飽和基、より好ましくは2または3個、特に2個のエチレン性不飽和基を有する。
少なくとも800ダルトンのNAMWを有する市販の架橋剤は、Sartomerから入手可能であり、脂肪族ウレタン(例えば、CN9002、CN910、CN9245S、CN962、CN964、CN965、CN966、CN991、CN996およびCN998);芳香族ウレタン(例えば、CN9761およびCN9170);ポリエステルアクリレート(例えば、CN2203、CN2609およびCN704);エポキシ官能性オリゴマー(例えば、CN186、CN790、CN2003EUおよびCNUVE150/80);シリコーンオリゴマー(例えば、CN9800およびCN990);メラミンオリゴマー(例えば、CN9890);アクリルオリゴマー(例えば、CN146、CN704、CN816、CN820、CN821、CN823およびCN824)を包含する。
少なくとも800ダルトンのNAMWを有する市販の架橋剤の他の例は、Allnexから入手可能であり、脂肪族および芳香族ウレタンアクリレート、例えば、UCECOAT 6569、UCECOAT 7655、IRR 598、Ebecryl 244、Ebecryl 264、Ebecryl 2002、Ebecryl 2003、Ebecryl 204、Ebecryl 205、Ebecryl 210、Ebecryl 215、Ebecryl 230、Ebecryl 245、Ebecryl 265、Ebecryl 6202、ポリエステルアクリレート、例えば、Ebecryl Leo 10801、Ebecryl 2047、Ebecryl 524、Ebecryl 525 Ebecryl 870、Ebecryl 881、エポキシアクリレート、例えば、Ebecryl Leo 10601、Ebecryl 3420、Ebecryl 3608、Ebecryl 3639、Ebecryl 3703、Ebecryl 3708、Ebecryl 604、Ebecryl 605、Ebecryl 608、アクリルオリゴマー、例えば、Ebecryl 740/40およびEbecryl 7100を包含する。
少なくとも800ダルトンのNAMWを有する市販の架橋剤のさらに他の例は、BOMARから入手可能であり、ポリカプロラクトンウレタンアクリレート、例えば、XRC−841、ポリエーテルウレタンアクリレート、例えば、BR−144、BR−302、BR−344、BR−3641AJ、BR−371S、BR−374、BR−543、BR−571、BR−582、ポリエステルウレタンアクリレート、例えば、BR−441B、BR−471、BR−704P、BR−741、BR−742P、BR−7432GB、BR−7432GI30、BR−744P、および多官能性アクリレート、例えば、BR−970BT、BR−990およびXMA−224Sを包含する。
少なくとも800ダルトンのNAMWを有することができる市販の架橋剤の他の例としては、GENOMER 1122、2252、2255、4215、4302、4312、4316および4690、ならびにRahnから入手可能なUA 00−022;IGM Resinsから入手可能なPHOTOMER 6892、6230および6008;SHIN−NAKAMURA CHEMICAL CO.Ltd.から入手可能なNK OLIGOTM U−15HA、UA−W2A、UA−7100、UA−200PAおよびUA−290TM;BASFからのLAROMER LR8987;およびCHEMENCEからのVERBATIM HD50およびPHVX55が挙げられる。
該組成物は、好ましくは1〜15重量%、より好ましくは1.5〜12重量%、特に2〜10重量%、例えば、4または6または8重量%の、少なくとも800ダルトンのNAMWを有する架橋剤(1以上)を含む。
該組成物は、他の成分、例えば、イオン性基を含まない硬化性化合物(例えば、メチル(メタ)アクリレート、N−(2−ヒドロキシエチル)アクリルアミドなど)、酸、pH調整剤、防腐剤、粘度調整剤、安定剤、分散剤、有機/無機塩、アニオン性、カチオン性、非イオン性および/または両性界面活性剤、緩衝剤などを含有していてもよい。
好ましい界面活性剤は、本明細書中で参考として援用する国際公開WO2007/018425号、20頁、15行目〜22頁、6行目に記載されているとおりである。フルオロ界面活性剤、特に、Zonyl(登録商標)FSNおよびCapstone(登録商標)フルオロ界面活性剤(E.I.Du Pontにより生産されている)がとりわけ好ましい。ポリシロキサン系界面活性剤、特に、Air ProductsからのSurfynol、DowCorningからのXiameter界面活性剤、EvonikからのTegoPrenおよびTegoGlide界面活性剤、SiltechからのSiltechおよびSilsurf界面活性剤、ならびにSumitomo ChemicalからのMaxxオルガノシリコーン界面活性剤も好ましい。
該組成物に好ましいpHは、硬化性イオン性化合物が遊離酸の形態にあるか塩の形態にあるか、およびイオン性基がアニオン性であるかカチオン性であるかに、ある程度依存する。該組成物は、0.5〜12のpHを有することが好ましい。硬化性イオン性化合物がアニオン性基を持ち、少なくとも95%が塩の形態にある場合、組成物は、好ましくは0〜10、より好ましくは0.5〜9のpHを有する。
硬化性イオン性化合物がカチオン性基を持つ場合、該組成物は、好ましくは2〜10、より好ましくは4〜9のpHを有する。組成物のpHは、強塩基(例えば、LiOH、NaOHもしくはKOH)または強酸(例えば、HClもしくはHNO)で調整することができる。
本発明の第2の観点に従って、本発明の第1の観点で定義した放射線硬化性組成物を提供する。
とりわけ好ましい観点において、本発明の第1の観点のプロセスで用いられ、本発明の第2の観点を提供する放射線硬化性組成物は、
a)アクリル基を1個と、スルホ、カルボキシ、ホスファト、第四級アミノおよび第三級アミノ基から選択される1以上の酸性または塩基性基とを含む、12〜60重量%(好ましくは20〜50重量%)の硬化性イオン性化合物(1以上);
b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量(“NAMW”)を有する、4〜50重量%(好ましくは9〜25重量%)の架橋剤(1以上);
c)100℃を超える沸点を有する、5〜50重量%(好ましくは7〜35重量%)の不活性溶媒(1以上);
d)0.01〜10重量%(好ましくは0.05〜5重量%)のラジカル開始剤(1以上);
e)0.05μm未満の平均粒子サイズおよび/または50m/gを超える(例えば150m/gを超える)BET表面積を有する形態にある親水性の金属酸化物、カーボンブラック、粘土および炭酸カルシウムから選択される無機充填剤を含む、1〜15重量%(好ましくは2〜12重量%)の増粘剤(1以上);および
h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800〜8000ダルトンのNAMWを有する、1〜15重量%(好ましくは1.5〜12重量%)の架橋剤(1以上);
を含む。
上記組成物は、20℃および1.5s−1の剪断速度において10〜1000Pa.sの粘度、ならびに20℃および1000s−1の剪断速度において0.1〜10Pa.sの粘度を有することが好ましい。
一態様において、放射線硬化性組成物が、N,N’−メチレンビスアクリルアミドのようなアクリルアミド基を有する難容性化合物を含む場合、該組成物はさらに、g)組成物中に、例えば、1〜45重量%、より好ましくは2〜35重量%の量で溶解している非硬化性塩(1以上)、を含むことが好ましい。
非硬化性塩は、該組成物を硬化するために用いられる条件下で架橋剤と共有結合を形成することができず、放射線硬化性組成物に溶解する、任意の塩であることができる。典型的には、非硬化性塩は、酸(特に無機酸)から誘導されるアニオン性基およびカチオン性基(特におよび無機カチオン性基)を含む。非硬化性塩は、25℃の水に対し好ましくは少なくとも250g/L、より好ましくは少なくとも400g/Lの溶解度を有する。好ましい非硬化性塩は、無機塩、例えば、無機リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩、マグネシウム塩およびカルシウム塩、ならびにそのような塩の2以上を含む混合物である。好ましいアニオンとしては、チオシアン酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、亜塩素酸塩、ヨウ化物、臭化物、硝酸塩、塩化物および亜硝酸塩が挙げられる。アニオンは、硫酸塩、亜硫酸塩、リン酸塩およびフッ化物以外のものであることが好ましい。
好ましい非硬化性塩としては、塩化リチウム、臭化リチウム、硝酸リチウム、ヨウ化リチウム、塩素酸リチウム、チオシアン酸リチウム、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、チオシアン酸アンモニウム、塩化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、硝酸ナトリウム、チオシアン酸ナトリウム、硝酸カルシウム、チオシアン酸カルシウム、臭化カルシウム、塩素酸カルシウム、過塩素酸カルシウム、ヨウ化カルシウム、テトラフルオロホウ酸カルシウム、ヘキサフルオロリン酸カルシウム、ヘキサフルオロヒ酸カルシウム、塩化マグネシウム、臭化マグネシウム、硝酸マグネシウム、チオシアン酸マグネシウム、チオシアン酸カリウム、塩素酸カリウム、およびそのような塩の2以上を含む混合物が挙げられる。塩化リチウム、臭化リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム、およびそのような塩の2以上を含む混合物が、もっとも好ましい。
該組成物は、アクリル基を含まず1以上のメタクリル基を含むメタクリル化合物(例えば、メタクリレートおよびメタクリルアミド化合物)を、含まないか、実質的に含まないことが好ましい。
“実質的に含まない”により、われわれは、5重量%未満、より好ましくは2重量%未満、特に1重量%未満を含有することを意味する。したがって、該組成物は、好ましくは5重量%未満、より好ましくは2重量%未満、特に1重量%未満のメタクリル化合物を含む。
したがって、好ましい組成物は、ジビニルベンゼン、スチレンおよびメタクリル化合物を含まないか、実質的に含まない。
所望により、該組成物は、さらなる構成成分、例えば、100℃未満の沸点を有する不活性溶媒、フロー/レベリング剤、スリップ剤、および/または安定剤を含む。
従来の膜は、時間がかかるエネルギー集約型プロセスで作製されることが多く、多くの工程を有することが多かった。本発明により、テクスチャー処理された複合膜を、長時間にわたり連続運転して膜を比較的安価に大量生産することができる単純なプロセスで調製することが可能になる。
テクスチャー処理複合膜の厚さは、テクスチャーを含め、好ましくは900μm未満、より好ましくは450μm未満、特に25〜300μm、さらに特に50〜250μmである。
本発明の第1の観点に従ったプロセスの段階(i)で用いられる膜は購入することができ、または、テクスチャー処理膜の全作製プロセスの一部として膜を調製してもよい。段階(i)で用いられる膜は多孔質支持体を含むことが好ましいが、これは必須ではない。
本発明の第2の観点の組成物は、使用中に結晶化する傾向が低いため、テクスチャー処理表面形状を有する膜の調製における使用にとりわけ有用である。特定の理論に結び付けようとするものではないが、成分c)の存在は、溶媒蒸発の程度を低下させ、組成物の使用時に一部の成分の溶解性を高めることができ、その結果、望ましくない結晶形成を回避するのに有用であることができる。
したがって、本発明の第3の観点において、該プロセスはさらに、段階(i)で用いられる膜を、段階(A)および(B):
(A)多孔質支持体に、本発明の第2の観点に従った放射線硬化性組成物を含浸させる段階;
(B)照射し、これにより多孔質支持体中に存在する放射線硬化性組成物を硬化することにより、膜を形成する段階;
を含むプロセスにより調製することを含む。
本発明の第3の観点にしたがったプロセスは、膜と、段階(i)および(ii)で加えられたテクスチャー処理表面形状との間に、意外なほど良好な密着を提供する。何らかの理論に結び付けようとするものではないが、密着は、段階(i)および(ii)で表面テクスチャーを形成するのに用いられる放射線硬化性組成物と一緒に重合する段階(B)からの膜中に依然として存在するいくつかの放射線硬化性基により、増強される可能性がある。好ましい態様において、膜は、エチレン性不飽和基を表面に含む。そのような基の存在は、膜とテクスチャー処理表面形状との密着を増強することができる。
段階(A)において、段階(i)で一般に上記したような放射線硬化性組成物を用いることができるが、通常、成分e)は除外される。これは、この材料は粘度を上昇させ、その結果、段階(A)で組成物が多孔質支持体に含浸される能力が低下するためである。したがって、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物は、粒状固体を含まないか、段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物より少ない粒状固体を含む。段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物は、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物より高い粘度を有することが好ましい。
多孔質支持体は、その表面エネルギーが、例えば、45mN/mを超える、好ましくは55mN/mを超える値に改変されるように処理することもできる。
高速コーティング機による施用に十分な流動性を有する組成物を生産するために、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物は、例えば1.5s−1の剪断速度において、35℃で測定して5000mPa.s未満、より好ましくは、35℃で測定して1〜1500mPa.sの粘度を有することが好ましい。もっとも好ましくは、段階(A)で用いられる組成物の粘度は、35℃で測定して2〜500mPa.sである。スライドビードコーティングなどのコーティング方法の場合、好ましい粘度は、35℃で測定して2〜150mPa.sである。
光開始剤が組成物に包含されていてもよく、これは、硬化に紫外線または可視光線を用いる場合、通常は必須である。
テクスチャー処理膜は固定支持体を用いてバッチ式で調製することが可能であるが、本発明の利益を十分に得るためには、移動膜をスクリーン印刷することにより連続式でテクスチャー処理膜を調製することが、はるかに好ましい。膜は、連続的に巻き戻されるロールの形態にあることができ、または、膜は、連続的に駆動されているベルト上に載っていることができる(または、これらの方法の組み合わせであってもよい)。そのような技術を用いると、組成物を連続式で膜に施用することができ、または、大規模なバッチ式で施用することができる。
本発明の第3の観点において、多孔質支持体を、第1の硬化性組成物に、該組成物を該多孔質支持体に任意の適した方法、例えば、カーテンコーティング、押出コーティング、エアーナイフコーティング、スライドコーティング、ニップロールコーティング、フォワードロールコーティング、リバースロールコーティング、ディップコーティング、キスコーティング、ロッドバーコーティングまたはスプレーコーティングにより、含浸させることができる。多層のコーティングは、同時または逐次的に行うことができる。
便宜上、われわれは、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物(すなわち、段階(i)で用いられる膜を調製するためのもの)を“第1の放射線硬化性組成物”とよび、段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物(すなわち、スクリーンを介して膜に施用される放射線硬化性組成物)を“第2の放射線硬化性組成物”とよぶ。
したがって、本発明の第3の観点に従った好ましいプロセスにおいて、段階(A)、(B)、(i)および(ii)は連続的に実施される、すなわち、本発明の第2の観点に従ったプロセスは連続プロセスであることが好ましい。
本発明の第3の観点に従ったプロセスは、以下の構成部分を含む製造ユニットを用いて実施することが好ましい:
(a)多孔質支持体に第1の放射線硬化性組成物を含浸させるための第1の硬化性組成物施用ステーション;
(b)照射し、これにより多孔質支持体中に存在する放射線硬化性組成物を硬化し、これにより膜を形成するための、第1の照射源;
(c)第2の放射線硬化性組成物を膜上に施用するための第2の硬化性組成物施用ステーション;
(d)照射し、これにより第2の放射線硬化性組成物を持つ膜を硬化し、これによりテクスチャー処理膜を形成するための、第2の照射源;
(e)テクスチャー処理膜収集ステーション;および
(f)第1の放射線硬化性組成物を含浸させた多孔質支持体を第1の照射源へ移動させる手段、形成した膜を第2の硬化性組成物施用ステーションへ移動させるための手段、第2の放射線硬化性組成物を持つ膜を第2の照射源へ移動させる手段、およびテクスチャー処理膜をテクスチャー処理膜収集ステーションへ移動させる手段。
硬化性組成物施用ステーションは各照射源に対し上流の位置に置くことができ、照射源はテクスチャー処理膜収集ステーションに対し上流の位置に置く。
便宜上、同じ意味を、段階(f)のすべてを実施するために用いることができ、例えば、一連のベルトおよび/またはローラーを用いて、上記(f)に記載した移動のすべてを実施することができる。
適したコーティング技術を用いて、硬化性組成物を、多孔質支持体および膜に、多孔質支持体および/または膜が5m/分を超える速度、例えば、10m/分を上回る速度かさらに高速、例えば、20m/分、30m/分、または最高100m/分に達し得るような速度で移動している間に、施用することができる。
いずれかまたは両方の硬化性組成物を施用する前に、多孔質支持体および/または膜の表面を、例えばその湿潤性および密着力を向上させる目的で、コロナ放電処理、グロー放電処理、プラズマ処理、火炎処理、紫外線照射処理などに付すことができる。支持体の処理は、支持体をテクスチャー処理膜に残存させて機械的強度を提供することを意図する場合、とりわけ望ましい。
第2の放射線硬化性組成物と膜の密着力を改善するために、膜に、例えばグラフトまたは定着剤(の溶液)での処理により、前処理を施して反応性基を導入することができ、および/または、定着剤を第2の放射線硬化性組成物に包含させることができる。
段階(B)における照射の優先傾向は段階(ii)に関し上記したとおりであるが、言うまでもなく、段階(ii)および(B)では、これらの各段階で用いられる特定の放射線硬化性組成物に応じて、異なる波長、照射時間および強度を用いることができる。
段階(ii)および段階(B)(実施する場合)において、硬化は、関連する放射線硬化性組成物を好ましくは10秒未満、より好ましくは5秒未満、特に3秒未満、さらに特に2秒未満にわたり照射することにより達成される。連続プロセスでは照射は連続的に行われ、硬化性組成物が照射ビームの中を通って移動する速度が、硬化時間の時間を決定する主因である。
硬化に高強度の紫外線を用いる場合、多量の熱が生じる可能性がある。したがって、過熱を防ぐために、冷却用空気または冷却液をランプおよび/または支持体/テクスチャー処理膜に施用することができる。冷却ローラーを用いて膜の温度を低下させることもできる。著しい線量の赤外線が、しばしば紫外ビームと一緒に照射される。一態様において、硬化は、赤外線反射性石英プレートに通してフィルタリングした紫外線を用いて照射することにより実施される。
段階(A)に記載した支持体は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミドおよびそれらのコポリマーなどの織状または不織状合成ファブリックであるか、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリアクリレート、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリ(4−メチル1−ペンテン)、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリクロロトリフルオロエチレンおよびそれらのコポリマーなどに基づく多孔質テクスチャー処理膜であることができる。市販の多孔質支持体および補強材料が、例えばFreudenberg Filtration Technologies(Novatexx材料)およびSefar AGから市販されている。
本発明のテクスチャー処理膜は、主として、イオン交換プロセス、例えば、特にブルーエネルギー(blue energy)を発生させるための電気透析または逆電気透析における使用を対象としている。しかしながら、テクスチャー処理膜は、他の目的にも有用であると予想される。
本発明の第4の観点に従って、本発明の第1〜第3の観点に従ったプロセスにより得られるテクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜を提供する。
本発明の第5の観点に従って、本発明の第1〜第3の観点に従ったプロセスにより得られるテクスチャー処理膜の、イオン交換プロセス、例えば、エネルギーの発生、水の処理、または塩および/もしくは金属の採取のための電気透析または逆電気透析における使用を提供する。
本発明の第6の観点に従って、本発明に従った1以上のテクスチャー処理膜を含む、電気透析もしくは逆電気透析ユニット、電気脱イオンモジュール、容量性脱イオン機器(例えばフロースルー型コンデンサー)、拡散透析装置、または膜蒸留モジュールを提供する。電気脱イオンモジュールは、連続式電気脱イオンモジュールであることが好ましい。
電気透析もしくは逆電気透析ユニットまたは電気脱イオンモジュールまたはフロースルー型コンデンサーは、少なくとも1個のアノードと、少なくとも1個のカソードと、1枚以上の本発明に従ったテクスチャー処理膜とを含むことが好ましい。さらに、該ユニットは、本発明に従ったセルのチャネルを通る塩水の流れを提供するための入口と、−逆電気透析ユニットの場合−イオンが膜を通過するようにセルの外壁(1以上)に沿って異なる溶質含有量を有する水の流れを提供するための入口とを含むことが好ましい。
好ましい態様において、該ユニットは、本発明に従ったテクスチャー処理膜を含むセルを、少なくとも1個、より好ましくは少なくとも4個、例えば、約36、64、200、600、または最大約1500個含み、セルの数は用途に依存する。
本発明を以下の実施例により例示する。これに関し、すべての部および百分率は重量に基づく。
以下の実施例において、以下の略語を用いる:
AMPSは、Hang−Zhou(中国)からの2−アクリロイルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸である。
DMAPAA−Qは、Kohjin(日本)からの水中のN,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド塩化メチル4級塩の75重量%溶液である。
MBAは、Sigma AldrichからのNAMWが154のN,N’−メチレンビスアクリルアミド架橋剤である。
CN998は、SartomerからのNAMWが2200の脂肪族ウレタンジアクリレート架橋剤である。
HDDAは、Sartomerからのヘキサンジオールジアクリレートである。
MeHQは、Merckからの重合防止剤、ヒドロキノンモノメチルエーテルである。
IPAは、82.6℃の沸点を有する不活性溶媒、Shellからの2−プロパノールである。
DMSOは、189℃の沸点を有するSigma Aldrichからの不活性溶媒、ジメチルスルホキシドである。
EGは、197.3℃の沸点を有するSigma Aldrichからの不活性溶媒、エチレングリコールである。
PCは、242℃の沸点を有するSigma Aldrichからの不活性溶媒、プロピレンカーボネートである。
DMIは、225℃の沸点を有するSigma Aldrichからの不活性溶媒、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンである。
DarocurTM 1173は、BASFからの光開始剤である。
AeroSil(登録商標)380は、Evonikからの平均粒子サイズが7nmで比表面積が380m/gであるヒュームドシリカ粒子である(親水性金属酸化物増粘剤)。
LiNOは、硝酸リチウムである。
LiOH.HOは、水酸化リチウム一水和物である。
BYK(登録商標)−425は、BYK Chemieからのポリウレタン系レオロジー制御剤の50重量%溶液である。
BYK(登録商標)−428は、BYK Chemieからのポリウレタン系レオロジー制御剤の25重量%溶液である。
界面活性剤は、Air Productsからのポリエーテルシロキサン界面活性剤である。
表中に提供する粘度値は、Anton Paar GmbHからのPhysica MCR301流動計を用い、コーンプレートを回転モードで用いて、20℃で測定した。Pa.sで表す。“1.5s−1でのVisco”および“1000s−1でのVisco”は、それぞれ1.5s−1および1000s−1の剪断速度における粘度を意味する。さまざまな剪断速度における粘度値の測定手順は、以下のとおりであった:Tとする時間で開始し、供試組成物を1.5s−1の剪断速度に60秒間付した後、剪断速度を1000s−1の値に急激に上昇させ、この値で20秒間維持した。1000s−1での平均粘度値を決定し、“1000s−1でのVisco”として記録した。その後、剪断速度を1.5s−1の値に急激に低下させ、この剪断速度で60秒間維持した。1.5s−1での粘度値は、剪断速度を1000s−1に上昇させる前の40秒間の平均粘度値をとって決定した。
“結晶化試験”は、以下のように実施した:供試組成物は、重合を防ぐために、使用するまで冷蔵庫に保管した。その後、(約15cmの)組成物の試料を、Alraun Technik GmbHからのAT−P760スクリーン印刷機のスクリーン上に置き、室温において4barの圧力および150mm/分の速度を用いて65−90−65ブレードで30回圧迫した。スクリーンを通過しなかったあらゆる材料を収集し、光学顕微鏡を用いて観察した。その後、組成物を、結晶が見えなかったか小さな結晶が少しだけ見えた場合は“OK”、または明らかに結晶が見えた場合は“非OK”と採点した。結果を以下の表1に示す。
“回復”は、粘度が、1.5s−1への急激な低下の後10秒以内に10Pa.sを超える値に上昇した場合、OKと判断した。(実際には、スクリーンから離れた後はインクに剪断を施用しないので、実際の粘度は測定値より大きくなると予想される)。
実施例Ex1〜Ex8および比較例CEx1〜CEx3
以下の表1および2に示す成分を、架橋剤および増粘剤を除き、均質溶液が形成するまで60℃で一緒に混合した。その後、架橋剤および増粘剤を加え、混合物を再び撹拌して、放射線硬化性組成物を得た。Whatman(登録商標)PanpehaTMpH試験紙(pH範囲0〜14)を用いてpHを測定した;必要な場合、少量の濃NaOH溶液を加えることによりpHを調整した。
Figure 2018524459
Figure 2018524459
上記表1に記載した放射線硬化性組成物を、ドイツのAlraun Technikからのフラットスクリーン印刷機AT−P760を用いて、FUJIFILMからのイオン交換膜上にパターン状にスクリーン印刷した。表1に記載した放射線硬化性組成物はアニオン交換膜上に印刷し、表2に記載した放射線硬化性組成物はカチオン交換膜上に印刷した。
印刷した組成物を、膜上で、D−バルブを取り付けたFusion UV SystemsからのLight Hammer LH10を強度100%、30m/分の速度で作動させて用いて(シングルパス)硬化して、テクスチャー処理表面形状を有する膜を得た。表面形状は、長さ約1mm、幅1mm、高さ120μmの長方形の形態を有していた。突出部の間の距離は約2mmであった。
下にある膜に対する硬化したスクリーン印刷組成物の湿潤密着力を、印刷したテクスチャー処理膜を水中で2時間平衡化した後、テクスチャー処理表面形状を指の爪でこすり取ることにより測定した。こすってもテクスチャー処理表面形状中に存在する突出部を除去できない場合、湿潤密着力を‘良’とし、容易に除去できた場合の湿潤密着力を‘不良’とした。試料の湿潤密着力はすべて‘良’であった。
1 膜
2 スクリーン
3 放射線硬化性組成物
4 孔
5 イオン交換膜
7 突出部
9スキージー
下にある膜に対する硬化したスクリーン印刷組成物の湿潤密着力を、印刷したテクスチャー処理膜を水中で2時間平衡化した後、テクスチャー処理表面形状を指の爪でこすり取ることにより測定した。こすってもテクスチャー処理表面形状中に存在する突出部を除去できない場合、湿潤密着力を‘良’とし、容易に除去できた場合の湿潤密着力を‘不良’とした。試料の湿潤密着力はすべて‘良’であった。
本発明は以下の態様を含む。
[1]
a)エチレン性不飽和基を1個含む、10〜65重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);
b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、3〜60重量%の架橋剤(1以上);
c)100℃を超える沸点を有する、5〜55重量%の不活性溶媒(1以上);
d)0〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);および
e)0.5〜25重量%の増粘剤(1以上);
を含む、放射線硬化性組成物。
[2]
不活性溶媒が、ジオール、トリオール、ポリアルキレングリコールエーテル、カーボネート、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、N−メチル−2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホルアミド、1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、スルホラン、ニトロメタン、2−メトキシエチルエーテル、ジオキサン、トリエチルホスフェート;または上記の2以上を含む混合物を含む、[1]に記載の組成物。
[3]
不活性溶媒が、ジメチルスルホキシド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−イソプロポキシエタノール、2−ブトキシエタノール、2−(2−メトキシエトキシ)エタノール、2−(2−エトキシエトキシ)エタノール、2−メトキシエチルエーテル、または上記の2以上を含む混合物を含む、[1]に記載の組成物。
[4]
d)0.01〜10重量%の光開始剤(1以上)
を含む、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の組成物。
[5]
a)アクリル基を1個と、スルホ、カルボキシ、ホスファト、第四級アミノおよび第三級アミノ基から選択される1以上の酸性または塩基性基とを含む、12〜60重量%の硬化性イオン性化合物(1以上)
を含む、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の組成物。
[6]
b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、4〜55重量%の架橋剤(1以上)
を含む、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の組成物。
[7]
h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800〜8000ダルトンの数平均分子量を有する、1〜15重量%の架橋剤(1以上)
を含む、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の組成物。
[8]
増粘剤e)がレオロジー改質剤および/または粒状固体を含む、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の組成物。
[9]
e)0.05μm未満の平均粒子サイズおよび/または50m/gを超えるBET表面積を有する形態にある親水性金属酸化物、カーボンブラック、粘土および炭酸カルシウムから選択される無機充填剤を含む、1〜15重量%の増粘剤(1以上)
を含む、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の組成物。
[10]
a)アクリル基を1個と、スルホ、カルボキシ、ホスファト、第四級アミノおよび第三級アミノ基から選択される1以上の酸性または塩基性基とを含む、12〜60重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);
b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、4〜55重量%の架橋剤(1以上);
c)100℃を超える沸点を有する、5〜50重量%の不活性溶媒(1以上);
d)0.01〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);
e)0.05μm未満の平均粒子サイズおよび/または50m/gを超えるBET表面積を有する形態にある親水性の金属酸化物、カーボンブラック、粘土および炭酸カルシウムから選択される無機充填剤を含む、1〜15重量%の増粘剤(1以上);および
h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800〜8000ダルトンの数平均分子量を有する、1〜15重量%の架橋剤(1以上);
を含む、[1]に記載の組成物。
[11]
f)2〜40重量%の水
を含む、[1]〜[10]のいずれか一項に記載の組成物。
[12]
段階(i)および(ii):
(i)放射線硬化性組成物を膜にパターン状に施用する段階;および
(ii)照射し、これにより、膜上に存在する放射線硬化性組成物を硬化する段階;
を含む、テクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜の調製方法であって、該放射線硬化性組成物が、[1]〜[11]のいずれか一項で定義したとおりである、前記調製方法。
[13]
段階(i)が、放射線硬化性組成物を膜上にパターン状にスクリーン印刷することを含む、[12]に記載の方法。
[14]
硬化中に組成物の成分の一部またはすべてが重合して望ましい表面形状を形成する、[12]または[13]に記載の方法。
[15]
段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物が、20℃において測定して、1.5s−1の剪断速度で少なくとも10Pa.sの粘度、および1000s−1の剪断速度で<10Pa.sの粘度を有する、[12]〜[14]のいずれか一項に記載の方法。
[16]
20℃において1.5s−1の剪断速度で測定したときの粘度の、20℃において1000s−1の剪断速度で測定したときの粘度に対する比が、1.5〜5000である、[12]〜[15]のいずれか一項に記載の方法。
[17]
テクスチャー処理表面形状が、5〜500μmの平均高さを有する突出部を含む、[12]〜[16]のいずれか一項に記載の方法。
[18]
スクリーン印刷が、回転式スクリーン印刷、フラットベッド式スクリーン印刷またはロータリー・ストップ・シリンダー式スクリーン印刷を含む、[13]に記載の方法。
[19]
スクリーン印刷が、放射線硬化性組成物を、回転式管状スクリーンを介して膜に施用することを含む、[13]に記載の方法。
[20]
テクスチャー処理表面形状が、10:1〜1:10の平均長さと平均幅の比を有する突出部を含む、[12]〜[19]のいずれか一項に記載の方法。
[21]
テクスチャー処理表面形状が突出部を含み、その少なくとも80%がすべての方向で20mm未満の最大寸法を有する、[12]〜[20]のいずれか一項に記載の方法。
[22]
テクスチャー処理表面形状が、すべての方向で0.04〜10mmの最大寸法を有する突出部を含む、[12]〜[21]のいずれか一項に記載の方法。
[23]
テクスチャー処理表面形状が、互いに平均して少なくとも0.1mm離れている突出部を含む、[12]〜[22]のいずれか一項に記載の方法。
[24]
放射線硬化性組成物が膜の移動中に膜に施用される、[12]〜[23]のいずれか一項に記載の連続的方法。
[25]
さらに、段階(i)で用いられる膜を、段階(A)および(B):
(A)多孔質支持体に放射線硬化性組成物を含浸させる段階;
(B)照射し、これにより多孔質支持体中に存在する放射線硬化性組成物を硬化することにより、膜を形成する段階;
を含むプロセスにより調製することを含む、[12]〜[24]のいずれか一項に記載の方法。
[26]
膜の全領域に対するテクスチャー領域の比率が2〜40%である、[12]〜[25]のいずれか一項に記載の方法。
[27]
突出部の少なくとも80%がすべての方向で20mm未満の最大寸法を有する、[12]〜[26]のいずれか一項に記載の方法。
[28]
テクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜の調製のための、[1]〜[11]のいずれか一項に記載の組成物の使用。
[29]
段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物が、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物より高い粘度を有する、[25]に記載の方法。
[30]
[12]〜[27]のいずれか一項に記載の方法により得られるテクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜。
[31]
[30]に記載のテクスチャー処理イオン交換膜を1枚以上含む、電気透析もしくは逆電気透析ユニット、電気脱イオンモジュール、容量性脱イオン機器、拡散透析装置、または膜蒸留モジュール。

Claims (31)

  1. a)エチレン性不飽和基を1個含む、10〜65重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);
    b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、3〜60重量%の架橋剤(1以上);
    c)100℃を超える沸点を有する、5〜55重量%の不活性溶媒(1以上);
    d)0〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);および
    e)0.5〜25重量%の増粘剤(1以上);
    を含む、放射線硬化性組成物。
  2. 不活性溶媒が、ジオール、トリオール、ポリアルキレングリコールエーテル、カーボネート、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、N−メチル−2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホルアミド、1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、スルホラン、ニトロメタン、2−メトキシエチルエーテル、ジオキサン、トリエチルホスフェート;または上記の2以上を含む混合物を含む、請求項1に記載の組成物。
  3. 不活性溶媒が、ジメチルスルホキシド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−イソプロポキシエタノール、2−ブトキシエタノール、2−(2−メトキシエトキシ)エタノール、2−(2−エトキシエトキシ)エタノール、2−メトキシエチルエーテル、または上記の2以上を含む混合物を含む、請求項1に記載の組成物。
  4. d)0.01〜10重量%の光開始剤(1以上)
    を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
  5. a)アクリル基を1個と、スルホ、カルボキシ、ホスファト、第四級アミノおよび第三級アミノ基から選択される1以上の酸性または塩基性基とを含む、12〜60重量%の硬化性イオン性化合物(1以上)
    を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の組成物。
  6. b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、4〜55重量%の架橋剤(1以上)
    を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の組成物。
  7. h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800〜8000ダルトンの数平均分子量を有する、1〜15重量%の架橋剤(1以上)
    を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
  8. 増粘剤e)がレオロジー改質剤および/または粒状固体を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。
  9. e)0.05μm未満の平均粒子サイズおよび/または50m/gを超えるBET表面積を有する形態にある親水性金属酸化物、カーボンブラック、粘土および炭酸カルシウムから選択される無機充填剤を含む、1〜15重量%の増粘剤(1以上)
    を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の組成物。
  10. a)アクリル基を1個と、スルホ、カルボキシ、ホスファト、第四級アミノおよび第三級アミノ基から選択される1以上の酸性または塩基性基とを含む、12〜60重量%の硬化性イオン性化合物(1以上);
    b)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800未満の数平均分子量を有する、4〜55重量%の架橋剤(1以上);
    c)100℃を超える沸点を有する、5〜50重量%の不活性溶媒(1以上);
    d)0.01〜10重量%のラジカル開始剤(1以上);
    e)0.05μm未満の平均粒子サイズおよび/または50m/gを超えるBET表面積を有する形態にある親水性の金属酸化物、カーボンブラック、粘土および炭酸カルシウムから選択される無機充填剤を含む、1〜15重量%の増粘剤(1以上);および
    h)少なくとも2個のエチレン性不飽和基を含み、800〜8000ダルトンの数平均分子量を有する、1〜15重量%の架橋剤(1以上);
    を含む、請求項1に記載の組成物。
  11. f)2〜40重量%の水
    を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の組成物。
  12. 段階(i)および(ii):
    (i)放射線硬化性組成物を膜にパターン状に施用する段階;および
    (ii)照射し、これにより、膜上に存在する放射線硬化性組成物を硬化する段階;
    を含む、テクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜の調製方法であって、該放射線硬化性組成物が、請求項1〜11のいずれか一項で定義したとおりである、前記調製方法。
  13. 段階(i)が、放射線硬化性組成物を膜上にパターン状にスクリーン印刷することを含む、請求項12に記載の方法。
  14. 硬化中に組成物の成分の一部またはすべてが重合して望ましい表面形状を形成する、請求項12または13に記載の方法。
  15. 段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物が、20℃において測定して、1.5s−1の剪断速度で少なくとも10Pa.sの粘度、および1000s−1の剪断速度で<10Pa.sの粘度を有する、請求項12〜14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 20℃において1.5s−1の剪断速度で測定したときの粘度の、20℃において1000s−1の剪断速度で測定したときの粘度に対する比が、1.5〜5000である、請求項12〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. テクスチャー処理表面形状が、5〜500μmの平均高さを有する突出部を含む、請求項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
  18. スクリーン印刷が、回転式スクリーン印刷、フラットベッド式スクリーン印刷またはロータリー・ストップ・シリンダー式スクリーン印刷を含む、請求項13に記載の方法。
  19. スクリーン印刷が、放射線硬化性組成物を、回転式管状スクリーンを介して膜に施用することを含む、請求項13に記載の方法。
  20. テクスチャー処理表面形状が、10:1〜1:10の平均長さと平均幅の比を有する突出部を含む、請求項12〜19のいずれか一項に記載の方法。
  21. テクスチャー処理表面形状が突出部を含み、その少なくとも80%がすべての方向で20mm未満の最大寸法を有する、請求項12〜20のいずれか一項に記載の方法。
  22. テクスチャー処理表面形状が、すべての方向で0.04〜10mmの最大寸法を有する突出部を含む、請求項12〜21のいずれか一項に記載の方法。
  23. テクスチャー処理表面形状が、互いに平均して少なくとも0.1mm離れている突出部を含む、請求項12〜22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 放射線硬化性組成物が膜の移動中に膜に施用される、請求項12〜23のいずれか一項に記載の連続的方法。
  25. さらに、段階(i)で用いられる膜を、段階(A)および(B):
    (A)多孔質支持体に放射線硬化性組成物を含浸させる段階;
    (B)照射し、これにより多孔質支持体中に存在する放射線硬化性組成物を硬化することにより、膜を形成する段階;
    を含むプロセスにより調製することを含む、請求項12〜24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 膜の全領域に対するテクスチャー領域の比率が2〜40%である、請求項12〜25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 突出部の少なくとも80%がすべての方向で20mm未満の最大寸法を有する、請求項12〜26のいずれか一項に記載の方法。
  28. テクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜の調製のための、請求項1〜11のいずれか一項に記載の組成物の使用。
  29. 段階(i)で用いられる放射線硬化性組成物が、段階(A)で用いられる放射線硬化性組成物より高い粘度を有する、請求項25に記載の方法。
  30. 請求項12〜27のいずれか一項に記載の方法により得られるテクスチャー処理表面形状を有するイオン交換膜。
  31. 請求項30に記載のテクスチャー処理イオン交換膜を1枚以上含む、電気透析もしくは逆電気透析ユニット、電気脱イオンモジュール、容量性脱イオン機器、拡散透析装置、または膜蒸留モジュール。
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