JP2019502765A - Non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine - Google Patents

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Abstract

本明細書に記載されている方法の1つは、少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーを含む膜を製造することに関する。少量の嵩高いジアミンを有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーを含む中空糸ポリマー膜も本明細書に記載されている。ポリイミドポリマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含むモノマー群を包含し、ジアミノモノマーの2〜10モル%は嵩高いジアミノ化合物であり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は0〜2:3である。少量の嵩高いジアミンを有するこれらの非架橋高分子量ポリイミドポリマーは、流体混合物の分離に有用な、高透過度及び良好な選択性を有するポリマー膜の形成に有用である。  One of the methods described herein relates to producing a membrane comprising a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine. Also described herein is a hollow fiber polymer membrane comprising a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer with a small amount of bulky diamine. Polyimide polymers include dianhydride monomers, diamino monomers that do not have a carboxylic acid functional group, and optionally a monomer group that includes a diamino monomer that has a carboxylic acid functional group, with 2-10 mole percent of the diamino monomer being bulky It is a diamino compound, and the ratio of the diamino monomer which has a carboxylic acid functional group and the diamino monomer which does not have a carboxylic acid functional group is 0-2: 3. These non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers with small amounts of bulky diamines are useful in forming polymer membranes with high permeability and good selectivity that are useful for separating fluid mixtures.

Description

少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーが、本明細書に記載されている。少量の嵩高いジアミンを使用する非架橋高分子量ポリイミドポリマーを製造する方法も、本明細書に記載されている。これらの非架橋高分子量ポリイミドポリマーは、高性能及び良好な選択性を有するポリマー膜に有用であり、このポリマー膜は、流体混合物の分離に使用することができる。   Non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines are described herein. A method for producing non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers using small amounts of bulky diamines is also described herein. These non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers are useful for polymer membranes with high performance and good selectivity, which can be used for separation of fluid mixtures.

メタン及び二酸化炭素などのガス混合物を分離するためのポリマー膜が知られている。以下の文献の全体が参照により本明細書に組み込まれる、例えば、米国特許第7,247,191号、同第6,932,859号、同第6,755,900号、同第7,981,974号、同第8,066,799号、同第8,337,598号、同第8,394,182号及び同第8,328,906号は、このような架橋性ポリマーから製造された架橋性ポリマー及び架橋中空糸膜を教示している。これらの特許は、特に、架橋性ポリイミドポリマーを記載している。この架橋性ポリイミドポリマーは、架橋剤を用いてポリイミドポリマーをモノエステル化することにより製造することができる。   Polymer membranes for separating gas mixtures such as methane and carbon dioxide are known. The following documents are incorporated herein by reference in their entirety, for example, U.S. Pat. Nos. 7,247,191, 6,932,859, 6,755,900, and 7,981. No. 8,974, No. 8,066,799, No. 8,337,598, No. 8,394,182 and No. 8,328,906 are produced from such crosslinkable polymers. Crosslinkable polymers and crosslinked hollow fiber membranes are taught. These patents specifically describe crosslinkable polyimide polymers. This crosslinkable polyimide polymer can be produced by monoesterifying the polyimide polymer using a crosslinking agent.

架橋中空糸膜は、架橋性ポリイミドポリマーから繊維(fibers)を形成し、繊維内の架橋性ポリイミドポリマーをエステル交換することにより製造することができる。より詳細には、架橋性ポリイミドポリマーから架橋性繊維を形成することができ、次に、この繊維にエステル交換条件を施して、繊維内の架橋性ポリイミドポリマー間に共有結合性のエステル架橋を作り出す。架橋中空糸膜は、分離モジュールに組み込むことができる。他のタイプの分離用膜には、フラットシート型分離膜又はフラット積層型ろ過器が含まれる。   Crosslinked hollow fiber membranes can be produced by forming fibers from a crosslinkable polyimide polymer and transesterifying the crosslinkable polyimide polymer in the fiber. More specifically, a crosslinkable fiber can be formed from the crosslinkable polyimide polymer, which is then subjected to transesterification conditions to create covalent ester bridges between the crosslinkable polyimide polymers in the fiber. . Crosslinked hollow fiber membranes can be incorporated into the separation module. Other types of separation membranes include flat sheet type separation membranes or flat laminated filters.

中空糸膜を利用する分離モジュールは、フラットシート又はフラット積層型ろ過器を利用する分離モジュールよりも大きな表面積を含む。したがって、中空糸分離モジュールは、適度な小型サイズのモジュールの場合でさえも、大きな分離能を有する。モジュールサイズは、炭化水素生産井からのガス混合物を分離するため、空間及び重量が特別に大切となる、海上プラットフォームに分離モジュールを実装する際に重要である。   Separation modules that use hollow fiber membranes have a larger surface area than separation modules that use flat sheets or flat laminated filters. Therefore, the hollow fiber separation module has a large separation ability even in the case of a moderately sized module. Module size is important when mounting separation modules on offshore platforms where space and weight are particularly important for separating gas mixtures from hydrocarbon production wells.

架橋中空糸膜は、良好な選択性を有する。しかし、繊維内の架橋性ポリイミドポリマー間の共有結合性エステル架橋を作り出すためのエステル交換条件は、透過度(permeance)の大きな低下を引き起こす。透過度の損失は、例えば、約50%となり得、又は約70%以上もの高さにさえなり得る。架橋は、商業規模での実施が困難な工程でもある。   Crosslinked hollow fiber membranes have good selectivity. However, transesterification conditions to create covalent ester crosslinks between crosslinkable polyimide polymers in the fiber cause a significant decrease in permeability. The loss of transmission can be, for example, about 50%, or even as high as about 70% or more. Crosslinking is also a difficult process to implement on a commercial scale.

したがって、その選択性及び透過性を保持する高分子量ポリイミドポリマーを製造する方法が依然として必要である。ポリマーは、良好な強度、可撓性及び/又は紡糸性を有する必要もある。さらに、透過度及び選択性が改善された分離膜を製造する必要がある。   Accordingly, there remains a need for a method of producing high molecular weight polyimide polymers that retains its selectivity and permeability. The polymer must also have good strength, flexibility and / or spinnability. Furthermore, it is necessary to produce a separation membrane with improved permeability and selectivity.

少なくとも50,000の平均分子量を有し、モノマーA+B+場合によりCを含むポリイミドポリマーから製造されたポリイミドポリマー膜材料を含む、中空糸ポリマー膜であって、
Aが、以下の式の二無水物

(式中、X及びXは、同一の又は異なる、ハロゲン化アルキル基、フェニル又はハロゲンであり、
、R、R、R、R及びRは、H、アルキル又はハロゲンである)
であり、
Bが、カルボン酸官能基を有しない環式ジアミノ化合物であり、
Cが、カルボン酸官能基を有する環式ジアミノ化合物であり、
ジアミノモノマーB及びCの2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dであり、CとBとの比が、0〜2:3であり、
このポリイミドポリマー膜材料が、30重量%未満の架橋を含む、
中空糸ポリマー膜が本明細書に記載されている。
A hollow fiber polymer membrane comprising a polyimide polymer membrane material having an average molecular weight of at least 50,000 and made from a polyimide polymer comprising monomer A + B + optionally C
A is a dianhydride of the following formula

Wherein X 1 and X 2 are the same or different halogenated alkyl groups, phenyl or halogen,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are H, alkyl or halogen)
And
B is a cyclic diamino compound having no carboxylic acid functional group,
C is a cyclic diamino compound having a carboxylic acid functional group,
2 to 10 mol% of the diamino monomers B and C are bulky diamino compounds D, and the ratio of C and B is 0 to 2: 3,
The polyimide polymer membrane material comprises less than 30% by weight of crosslinking,
Hollow fiber polymer membranes are described herein.

本明細書に記載されている方法の1つは、少量の嵩高いジアミンを使用する、非架橋高分子量ポリイミドポリマーを製造することに関する。これらの非架橋高分子量ポリイミドポリマーは、流体混合物の分離に有用な、高い透過度及び良好な選択性を有するポリマー膜に有用である。本明細書に記載されている別の方法は、少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーから膜を製造することに関する。本明細書に記載されているさらに別の方法は、例えばCO及びCHを含む、2つ以上の構成成分を含むフィード流から、COなどの少なくとも1つの構成成分を分離するために膜を使用することに関する。 One of the methods described herein relates to making non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers using small amounts of bulky diamines. These non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers are useful for polymer membranes with high permeability and good selectivity that are useful for separating fluid mixtures. Another method described herein relates to making membranes from non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines. Still another method is described herein, including for example CO 2 and CH 4, from a feed stream comprising two or more components, membranes for separating at least one component, such as CO 2 About using.

本開示は、非架橋高分子量ポリイミドポリマーを含む膜を製造する方法に関する。本方法は、(a)モノマー及び少なくとも1種の溶媒を含む反応溶液からポリイミドポリマーを調製するステップであって、モノマーが二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含み、ジアミノモノマーの2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物であり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比が0〜2:3である、ステップ、及び(b)30重量%未満の架橋を含む非架橋ポリイミドポリマーを含む膜を得るステップを含む。   The present disclosure relates to a method of making a film comprising a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer. The method comprises (a) preparing a polyimide polymer from a reaction solution comprising a monomer and at least one solvent, wherein the monomer is a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and optionally, 2-10 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound containing a diamino monomer having a carboxylic acid functional group, and the ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 -2: 3, and (b) obtaining a film comprising a non-crosslinked polyimide polymer comprising less than 30% by weight of crosslinking.

ステップ(a)において、モノマーは重合反応で重合して、アミド結合を含むポリアミドポリマーをもたらす。イミド化反応が起こり、これによりアミド結合がイミド結合を形成して、ポリイミドポリマーをもたらす。このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含む。ジアミノモノマーの中で、2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。ある特定の実施形態では、2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3である。   In step (a), the monomer is polymerized in a polymerization reaction to yield a polyamide polymer containing amide bonds. An imidization reaction occurs, whereby the amide bond forms an imide bond, resulting in a polyimide polymer. This monomer includes a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and optionally a diamino monomer having a carboxylic acid functionality. Among the diamino monomers, 2 to 10 mol% are bulky diamino compounds. In certain embodiments, 2-5 mol% is a bulky diamino compound. The ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3.

一部の実施形態では、ステップ(a)は、ステップ(a)のイミド化反応中に生成する水を少なくとも一部除去する、脱水条件下で行われる。   In some embodiments, step (a) is performed under dehydrating conditions that remove at least a portion of the water formed during the imidization reaction of step (a).

本方法は、良好な透過度及び選択性を示す、30重量%未満の架橋を有する膜を提供する。ある特定の実施形態では、ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。ある特定の実施形態では、膜は、10重量%未満の架橋を含み、他の実施形態では、本質的に架橋を含まない。一部の実施形態では、これらの架橋はエステル架橋である。   The method provides a membrane with less than 30 wt% crosslinks that exhibits good permeability and selectivity. In certain embodiments, 2-5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound. In certain embodiments, the membrane contains less than 10 wt% crosslinks, and in other embodiments, essentially no crosslinks. In some embodiments, these crosslinks are ester crosslinks.

一部の実施形態では、本明細書において開示されている方法は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又は架橋シリコーンのコーティング剤を用いて繊維(fiber)をコーティングすることにより、繊維中の欠損を封止するステップをさらに含む。   In some embodiments, the methods disclosed herein seal defects in a fiber by coating the fiber with a polydimethylsiloxane (PDMS) or cross-linked silicone coating agent. The method further includes the step of:

図1は、例示的な嵩高いジアミンである、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン及び2CF3としても知られている)及び5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3としても知られている)を示す。FIG. 1 shows an exemplary bulky diamine, 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2,2′-bis (trifluoromethyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4. '-Diamine and also known as 2CF3) and 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4'-(9-fluorenylidene) dianiline (also known as CF3) .

図2は、35℃において、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィード(shell side feed)による、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した場合の、比較例12の繊維に関するCO透過度及びCO/CH選択性を示す。FIG. 2 shows Comparative Example 12 when tested with a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture at 35 ° C. with a shell side feed at a pressure between 200 and 800 psi. Shows CO 2 permeability and CO 2 / CH 4 selectivity for the fibers.

図3は、例13に記載されている場合の、35℃において、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードによる、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した場合の、例13の繊維に関するCO透過及びCO/CH選択性を示す。FIG. 3 shows a test using a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture at 35 ° C. with a shell side feed at a pressure between 200 and 800 psi as described in Example 13. Of CO 2 permeation and CO 2 / CH 4 selectivity for the fibers of Example 13.

図4は、35℃において、50/50体積%のCO/CH混合ガスであるが、300ppmのヘプタンを含有する混合ガスを用いて試験した場合の、例13の繊維に関するCO透過度及びCO/CH選択性を示し、例13に記載されている炭化水素不純物に対する安定性を例証している。FIG. 4 is a CO 2 permeability for the fiber of Example 13 when tested with a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture at 35 ° C., but with a gas mixture containing 300 ppm heptane. And CO 2 / CH 4 selectivity, illustrating the stability against the hydrocarbon impurities described in Example 13.

図5は、35℃において、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードによる、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した場合の、比較例14の繊維に関するCO透過度を示す。Figure 5 is the 35 ° C., by the pressure on the shell side feed during 200~800Psi, when tested using a 50/50% by volume of CO 2 / CH 4 mixed gas, CO 2 relates to a fiber of Comparative Example 14 The transmittance is shown.

図6は、35℃において、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードによる、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した場合の、比較例14の繊維に関するCO/CH選択性を示す。6, at 35 ° C., by the pressure on the shell side feed during 200~800Psi, when tested using a 50/50% by volume of CO 2 / CH 4 mixed gas, CO 2 relates to a fiber of Comparative Example 14 Shows / CH 4 selectivity.

少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋ポリイミドポリマーを含む新規な中空糸ポリマー膜が、本明細書において開示されている。これらの膜は、架橋されていなくとも可塑化に対して驚くほどの耐性を示す。分離膜は、選択性及び透過性を組み合わせて示す必要がある。膜を形成する際に、透過性は、膜が機能を果たさずなくなる点まで低下させることができず、且つ許容可能な透過性をもたらすよう選択性を犠牲にすることはできない。   A novel hollow fiber polymer membrane comprising a non-crosslinked polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine is disclosed herein. These membranes are surprisingly resistant to plasticization even if they are not cross-linked. The separation membrane needs to exhibit a combination of selectivity and permeability. In forming the membrane, the permeability cannot be reduced to the point where the membrane ceases to function and the selectivity cannot be sacrificed to provide acceptable permeability.

本発明の中空糸膜において使用可能な好ましいポリマーには、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン及びポリスルホンが含まれる。本発明の膜材料において使用可能なより好ましいポリマーには、ポリイミド、ポリエーテルイミド、及び6FDAの類似体を使用して製造されたポリスルホンが含まれる。本発明において使用可能な特に好ましいポリイミドは、6FDAを使用して製造されたポリイミド又はポリエーテルイミドを含む。   Preferred polymers that can be used in the hollow fiber membrane of the present invention include polyimide, polyetherimide, polyethersulfone and polysulfone. More preferred polymers that can be used in the membrane material of the present invention include polyimides, polyetherimides, and polysulfones made using analogs of 6FDA. Particularly preferred polyimides that can be used in the present invention include polyimides or polyetherimides made using 6FDA.

理論に拘泥するものではないが、高分子量ポリイミドポリマーに少量の嵩高いジアミンを組み込むことにより、セグメント運動を阻害し、鎖の移動性又は可撓性を低下させると考えられる。セグメント運動が多すぎる場合、良好な透過に必要な自由体積が失われる。少量の嵩高いジアミンは、ガラス状ポリマーにおける緩和、及び自由体積の喪失に一般に関連する準Tg遷移(sub−T transition)を増大させ、架橋されていなくとも可塑化に対して耐性を示す膜の形成を可能にするとやはり考えられる。少量の嵩高いジアミンを含有していない非架橋ポリイミドポリマーにより形成されたポリマー膜では、膜は、CO圧の増加に伴い、透過度の向上及び選択性の低下を示し、これにより、このポリイミドポリマーは、本明細書において開示されているポリマーと比べて、膜にはるかに適さないものとなる。したがって、本明細書において開示されている、少量の嵩高いジアミンを含有するポリイミドポリマーが、架橋していない場合でさえも、高いCO圧において、良好な透過性及び選択性を示すのは驚くべきことである。 Without being bound by theory, it is believed that the incorporation of a small amount of bulky diamine into a high molecular weight polyimide polymer inhibits segmental motion and reduces chain mobility or flexibility. If there is too much segment motion, the free volume required for good transmission is lost. Small amount of bulky diamines, relaxation in glassy polymers, and generally associated increased quasi Tg transition (sub-T g transition) to the loss of free volume, films resistant to plasticization without being crosslinked It is thought that it is possible to form. In polymer membranes formed with non-crosslinked polyimide polymers that do not contain a small amount of bulky diamines, the membranes show increased permeability and decreased selectivity with increasing CO 2 pressure, thereby reducing the polyimide The polymer will be much less suitable for the membrane as compared to the polymers disclosed herein. Thus, it is surprising that the polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines disclosed herein show good permeability and selectivity even at high CO 2 pressures, even when not crosslinked. It is to be done.

非架橋高分子量ポリイミドポリマー膜を製造する方法も、本明細書においてさらに開示されている。本方法は、有利には、高いCO圧でさえも良好な透過度及び選択性を有する膜を依然としてもたらしつつも、架橋ステップを省略する。ある特定の実施形態では、本方法は、さらに、モノエステル化ステップを有利にも省略することができる。こうして、本方法は単純化され、商業化に一層大きな利点を有する。 Further disclosed herein is a method for producing a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer film. The method advantageously eliminates the cross-linking step while still providing a membrane with good permeability and selectivity even at high CO 2 pressures. In certain embodiments, the method can further advantageously omit the monoesterification step. Thus, the method is simplified and has greater advantages for commercialization.

ある特定の実施形態では、本方法は、モノアルコール又はジオールによるエステル化ステップを含むことがある。エステル化ステップを含む実施形態では、モノアルコールによるエステル化は、ある種の利点を有することがある。   In certain embodiments, the method may include an esterification step with a monoalcohol or diol. In embodiments that include an esterification step, esterification with a monoalcohol may have certain advantages.

本明細書に記載されている、非架橋は、30重量%未満の架橋を含むポリイミドポリマー、又は別に明記されている通り、70重量%超の非架橋基を含むことを意味する。一部の実施形態では、ポリイミドポリマーは、20重量%未満の架橋(すなわち、80重量%超の非架橋基)を含む。ある特定の実施形態では、ポリイミドポリマーは、10重量%未満の架橋を含み、具体的な実施形態では、ポリイミドポリマーは、本質的に架橋を有しない。一部の実施形態では、これらの架橋は、エステル架橋である。架橋は、ゲル分画法によって測定される。この方法では、繊維を最初に秤量し、次に、室温で24時間、ローラー上のテトラヒドロフラン(THF)中に入れる。残留THFを除去した後、この繊維を再び秤量する。重量減少のパーセントが、エステル架橋度と相関する。例えば、90%の重量減少は、10重量%の架橋を示し、70%の重量減少は30重量%の架橋を示す。本質的に架橋を有しないポリイミドポリマーは、この方法によって決定すると、測定可能な架橋を有せず、したがって、この方法に従って試験した場合、約100%の重量減少を示す。   As described herein, non-crosslinked is meant to include a polyimide polymer that contains less than 30% by weight of cross-linking, or, as specified otherwise, greater than 70% by weight of non-cross-linked groups. In some embodiments, the polyimide polymer comprises less than 20% by weight crosslinking (ie, greater than 80% by weight non-crosslinking groups). In certain embodiments, the polyimide polymer contains less than 10% by weight crosslinks, and in specific embodiments, the polyimide polymer has essentially no crosslinks. In some embodiments, these crosslinks are ester crosslinks. Crosslinking is measured by gel fractionation. In this method, the fiber is first weighed and then placed in tetrahydrofuran (THF) on a roller for 24 hours at room temperature. After removing residual THF, the fiber is weighed again. The percent weight loss correlates with the degree of ester crosslinking. For example, a 90% weight loss indicates 10% by weight crosslinking, and a 70% weight loss indicates 30% by weight crosslinking. Polyimide polymers that have essentially no crosslinks have no measurable crosslinks, as determined by this method, and thus show a weight loss of about 100% when tested according to this method.

本明細書に記載されている方法は、有利には、架橋ステップを省略することができるので、ポリイミドポリマーはエステル基を含有する必要はない。エステル基が必要とされないので、本方法は、さらに、モノエステル化ステップを有利にも省略することができる。こうして、本方法は単純化され、商業化に一層大きな利点を有する。他の実施形態では、本方法は、モノアルコール又はジオールによるエステル化ステップを含むことがある。   The method described herein can advantageously omit the cross-linking step so that the polyimide polymer need not contain ester groups. Since no ester group is required, the method can further advantageously omit the monoesterification step. Thus, the method is simplified and has greater advantages for commercialization. In other embodiments, the method may include an esterification step with a monoalcohol or diol.

ポリイミドポリマーを調製するためのモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含み、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は0〜2:3である。   Monomers for preparing polyimide polymers include dianhydride monomers, diamino monomers that do not have carboxylic acid functional groups, and optionally diamino monomers that have carboxylic acid functional groups, and diamino monomers and carboxylic acids that have carboxylic acid functional groups. The ratio with the diamino monomer having no acid functional group is 0 to 2: 3.

本明細書に記載されている、非架橋高分子量ポリイミドポリマー含む膜は、高いCO圧でさえも、良好な透過度及び選択性を示す。このポリイミドポリマー膜を製造する方法は、ポリイミドポリマーにエステル交換条件を施して、架橋を形成する能動的なステップを含まないことに留意されたい。このポリイミドポリマー膜を製造する方法は、モノエステル化の能動的なステップを場合により含まないことがあることにも留意されたい。したがって、本明細書において開示されている、高分子量ポリイミドポリマー膜及び方法は、一層の商業的実現可能性がある。 The non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer-containing membrane described herein exhibits good permeability and selectivity even at high CO 2 pressures. Note that this method of making a polyimide polymer membrane does not include the active step of subjecting the polyimide polymer to transesterification conditions to form crosslinks. It should also be noted that this method of making a polyimide polymer membrane may optionally not include the active step of monoesterification. Accordingly, the high molecular weight polyimide polymer membranes and methods disclosed herein have more commercial feasibility.

本明細書に記載されている膜は、35℃及び100psiaの圧力において、少なくとも20GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。一部の実施形態では、本膜は、35℃及び100psiaの圧力において、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。ある特定の実施形態では、膜は、35℃及び400psiaの圧力において、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。透過度及び選択性を決定及び測定するための技法は、当業者に周知である。これらの測定のためのフィードは、50/50のCO/CHモル比を有するフィードであり、測定のための具体的な圧力は、全フィード圧に基づく。これらの技法は、例えば、それらの内容の全体が参照により組み込まれる、米国特許第6,755,900号、同第6,932,859号、同第7,247,191号、及び同第8,394,182号において教示されている。 The membranes described herein have a CO 2 permeability of at least 20 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and 100 psia pressure. In some embodiments, the membrane has a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. In certain embodiments, the membrane has a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and a pressure of 400 psia. Techniques for determining and measuring permeability and selectivity are well known to those skilled in the art. The feed for these measurements is a feed having a CO 2 / CH 4 molar ratio of 50/50, and the specific pressure for the measurement is based on the total feed pressure. These techniques are described, for example, in US Pat. Nos. 6,755,900, 6,932,859, 7,247,191, and 8 which are incorporated by reference in their entirety. , 394,182.

本明細書で使用する場合、用語「嵩高いジアミン」(“bulky diamine”)は、約5Å〜約12Åのジアミンを指す。ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、約6Å〜約12Åのジアミンである。一部の実施形態では、嵩高いジアミンは、約6Å〜約9.5Åのジアミンである。嵩高いジアミンは、準Tg(sub−T)を増強することもできる。したがって、ポリイミドポリマーに嵩高いジアミンを添加すると、嵩高いジアミンを含まない同一ポリマーに比べて、少なくとも2℃、準Tgピークが高い側にシフトする。 As used herein, the term “bulky diamine” refers to about 5 to about 12 diamines. In certain embodiments, the bulky diamine is about 6 to about 12 diamines. In some embodiments, the bulky diamine is about 6 to about 9.5 liters of diamine. Bulky diamine, may also enhance the quasi-Tg (sub-T g). Accordingly, when a bulky diamine is added to the polyimide polymer, the quasi-Tg peak is shifted to a higher side by at least 2 ° C. compared to the same polymer not containing the bulky diamine.

嵩高いジアミンには、例えば、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン及び2CF3としても知られている)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3としても知られている)、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジアニリン(Fuとしても知られている)など、及びそれらの混合物が含まれる。ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又は4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)である。嵩高いジアミンは、ポリイミドポリマーを調製するために使用されるジアミノモノマーの2〜10モル%であり、ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、ポリイミドポリマーを調製するために使用されるジアミノモノマーの2〜5モル%である。   Bulky diamines include, for example, 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2,2′-bis (trifluoromethyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine and 2CF 3 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (also known as CF3), 4,4 ′-( Hexafluoroisopropylidene) dianiline (also known as Fu) and the like, and mixtures thereof. In certain embodiments, the bulky diamine is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or 4,4 ′-(9 -Fluorenylidene) dianiline (CF3). The bulky diamine is 2-10 mol% of the diamino monomer used to prepare the polyimide polymer, and in certain embodiments, the bulky diamine is a diamino monomer used to prepare the polyimide polymer. Of 2 to 5 mol%.

嵩高いジアミンのサイズは、以下に記載されている通り測定される。分子構造は、Material Studio 6.1(Accelrys Software Inc.)によって構築した。Material Studio 6.1、Accelrys,Inc.:San Diego、CA、2012。それらの幾何形状は、「Forcite」モジュールにおいて実施されるcvff力場を使用して最適化した。P.Dauger−Osguthorpe、V.A.Roberts、D.J.Osguthorpe、J.Wolff、M.Genest及びA.T.Hagler、タンパク質に結合しているリガンドの構造及びエネルギー論:E.コリジヒドロフォレートレダクターゼ−トリメトプリム、薬物受容体システム(Structure and energetics of ligand binding to proteins: E. colidihydrofolate reductase−trimethoprim, a drug−receptor system)Proteins:Struct.,Funct.,Genet.4巻、31〜47頁(1988年)を参照されたい。次に、最適化した分子構造をCrystalMakerプログラム(Version 8.7、Mac OS用、Crystal Maker Software Ltd.)にエクスポートし、そこから、分子の物理的寸法を決定した。CrystalMaker 8.7、CrystalMaker Software Ltd、Yarnton、英国、2013年。一番外側の原子の共有結合半径(Material Studio6.1のビルトインデータベース)を、長さと直径の値の両方に加算する。次に、ジアミンのサイズは、各分子中の2つのアミン基の軸とこの軸に垂直な寸法との間の距離となり、これは、CrystalMakerプログラムによって直接、測定することができる。   The size of the bulky diamine is measured as described below. The molecular structure was constructed by Material Studio 6.1 (Accelrys Software Inc.). Material Studio 6.1, Accelrys, Inc. : San Diego, CA, 2012. Their geometry was optimized using the cvff force field implemented in the “Forcite” module. P. Dauger-Osguthorpe, V.M. A. Roberts, D.C. J. et al. Osguthorpe, J.M. Wolff, M.M. Genest and A.M. T.A. Hagler, structure and energetics of ligands bound to proteins: Collagen hydrofolate reductase-trimethoprim, drug receptor system: E. colidihydrofolate reductase-trimethoprim, trimethoprim, drug receptor system , Funct. Genet. 4, 4, 31-47 (1988). The optimized molecular structure was then exported to the CrystalMaker program (Version 8.7, for Mac OS, Crystal Maker Software Ltd.), from which the physical dimensions of the molecule were determined. CrystalMaker 8.7, CrystalMaker Software Ltd, Yarnton, UK, 2013. The covalent bond radius of the outermost atom (Material Studio 6.1 built-in database) is added to both the length and diameter values. The diamine size then becomes the distance between the axis of the two amine groups in each molecule and the dimension perpendicular to this axis, which can be measured directly by the CrystalMaker program.

例として、2CF3のサイズは、7.3Åと測定され、CF3のサイズは、6.8Åと測定された。   As an example, the size of 2CF3 was measured as 7.3 cm, and the size of CF3 was measured as 6.8 cm.

同様に、本明細書で使用する場合、用語「非架橋高分子量ポリイミドポリマー」は、約40,000〜約400,000の間の平均分子量を有するポリイミドポリマーを指す。ある特定の実施形態では、ポリイミドポリマーは50,000超の平均分子量を有する。例えば、高分子量のポリイミドポリマーは、約100,000〜約300,000の間の平均分子量を有することができる。   Similarly, as used herein, the term “non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer” refers to a polyimide polymer having an average molecular weight between about 40,000 and about 400,000. In certain embodiments, the polyimide polymer has an average molecular weight greater than 50,000. For example, the high molecular weight polyimide polymer can have an average molecular weight between about 100,000 and about 300,000.

本明細書に記載されている通り、「非架橋高分子量ポリイミドポリマー」は、30重量%未満の架橋を有するポリイミドポリマー、又は別に明記されている通り、70重量%超の非架橋基を含むポリイミドポリマーを指す。一部の実施形態では、ポリイミドポリマーは、20重量%未満の架橋(すなわち、80重量%超の非架橋)を含む。ある特定の実施形態では、ポリイミドポリマーは、10重量%未満の架橋を含み、具体的な実施形態では、ポリイミドポリマーは、本質的に架橋を有しない。ポリイミドポリマーが、本質的に架橋を有しないと記載される場合、本明細書に記載されているゲル分画法により決定すると、約100%の重量減少がある。ある特定の実施形態では、これらの架橋はエステル架橋である。   As described herein, a “non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer” is a polyimide polymer having less than 30% by weight crosslinking, or a polyimide containing more than 70% by weight uncrosslinked groups, as otherwise specified. Refers to a polymer. In some embodiments, the polyimide polymer comprises less than 20% by weight crosslinking (ie, greater than 80% by weight non-crosslinked). In certain embodiments, the polyimide polymer contains less than 10% by weight crosslinks, and in specific embodiments, the polyimide polymer has essentially no crosslinks. When a polyimide polymer is described as having essentially no cross-linking, there is about a 100% weight loss as determined by the gel fractionation method described herein. In certain embodiments, these crosslinks are ester crosslinks.

一実施形態では、膜は、非架橋中空糸膜である。非架橋中空糸膜は、少量の嵩高いジアミンを含む高分子量ポリイミドポリマーを利用して製造される。本方法は、少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋ポリイミドポリマーに由来する中空糸を紡糸するステップを含む。本方法は、具体的には、少量の嵩高いジアミンを含むポリイミドポリマー、揮発性構成成分、紡糸用溶媒、紡糸用非溶媒(spinning non−solvent)及び場合により無機添加物を含むドープ組成物から中空糸を紡糸する方法を含んでよい。   In one embodiment, the membrane is a non-crosslinked hollow fiber membrane. Non-crosslinked hollow fiber membranes are manufactured using high molecular weight polyimide polymers containing a small amount of bulky diamine. The method includes spinning a hollow fiber derived from a non-crosslinked polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine. The method specifically comprises a dope composition comprising a polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine, a volatile component, a spinning solvent, a spinning non-solvent, and optionally an inorganic additive. A method of spinning hollow fibers may be included.

本明細書において開示されている少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーは、キャストされてシート又はフィルムを形成することもできる。シート又はフィルムは、適切な担体上にキャストされて、コンポジットシートをもたらすことができる。   Non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines disclosed herein can also be cast to form sheets or films. The sheet or film can be cast on a suitable carrier to provide a composite sheet.

定義
本明細書全体を通して、以下の用語が使用され、特に示さない限り、以下の意味を有する。
Definitions Throughout this specification the following terms are used and have the following meanings unless otherwise indicated.

本明細書で使用する場合、用語「カルボン酸官能基」は、−COOHである、ペンダント基を指す。   As used herein, the term “carboxylic acid functional group” refers to a pendant group that is —COOH.

用語「ジオール」は、2つのヒドロキシル基を含有する化学化合物を指す。   The term “diol” refers to a chemical compound containing two hydroxyl groups.

用語「モノアルコール」は、1つのヒドロキシル基を含有する化学化合物を指す。   The term “monoalcohol” refers to a chemical compound containing one hydroxyl group.

用語「カルボジイミド」は、官能基N=C=Nを含有する化学化合物を意味する。   The term “carbodiimide” means a chemical compound containing the functional group N═C═N.

用語「二無水物」は、無水物基

を2つ含有する、任意の化合物を指す。
The term “dianhydride” refers to an anhydride group.

Refers to any compound containing two.

用語「ハロゲン化アルキル」は、1〜12個の炭素原子からなる直鎖又は分岐の飽和一価炭化水素基を意味し、炭素原子の少なくとも1個は、ハロゲン原子により置き換えられている(例えば、フルオロメチル、1−ブロモ−エチル、2−クロロ−ペンチル、6−ヨード−ヘキシルなど)。   The term “halogenated alkyl” means a straight or branched saturated monovalent hydrocarbon group consisting of 1 to 12 carbon atoms, at least one of which is replaced by a halogen atom (eg, Fluoromethyl, 1-bromo-ethyl, 2-chloro-pentyl, 6-iodo-hexyl, etc.).

用語「ハロ」又は「ハロゲン化されている」は、フッ素、塩素、臭素又はヨウ素などのハロゲン原子を含む官能基を指す。   The term “halo” or “halogenated” refers to a functional group containing a halogen atom such as fluorine, chlorine, bromine or iodine.

用語「フェニル」は、式−Cを有する6個の炭素原子からなる芳香族基を意味する。 The term “phenyl” means an aromatic group of 6 carbon atoms having the formula —C 6 H 5 .

用語「アルキル」は、1〜12個の炭素原子からなる直鎖又は分岐の飽和一価炭化水素基(例えば、メチル、エチル、i−プロピルなど)を意味する。アルキル基は式C2n+1を有し、nは、0ではない正の整数である。 The term “alkyl” means a straight or branched saturated monovalent hydrocarbon group of 1 to 12 carbon atoms (eg, methyl, ethyl, i-propyl, etc.). The alkyl group has the formula C n H 2n + 1 , where n is a non-zero positive integer.

用語「環式ジアミノ化合物」は、3〜12個の炭素原子からなる環構造を有する化学化合物を意味し、この環構造は、2つのアミノ基又は置換アミノ基によって官能基化されている。   The term “cyclic diamino compound” means a chemical compound having a ring structure of 3 to 12 carbon atoms, which ring structure is functionalized by two amino groups or substituted amino groups.

用語「アミノ」は、式−NR’R”を有する官能基を意味し、R’及びR”は、独立して、H、アルキル、シクロアルキル及びアリールである。   The term “amino” refers to a functional group having the formula —NR′R ″, where R ′ and R ″ are independently H, alkyl, cycloalkyl and aryl.

用語「シクロアルキル」は、3〜12個の炭素原子を含有する、単環式環又は多縮合環を有する、飽和の環式一価炭化水素基を意味する。このようなシクロアルキル基には、例として、シクロプロピル、シクロヘキシル、シクロオクチル、アダマンタニルなどが含まれる。   The term “cycloalkyl” means a saturated cyclic monovalent hydrocarbon group having a monocyclic ring or multiple condensed rings containing from 3 to 12 carbon atoms. Such cycloalkyl groups include, by way of example, cyclopropyl, cyclohexyl, cyclooctyl, adamantanyl, and the like.

用語「脂肪族」は、非芳香族有機化合物を指し、炭素原子は、直鎖又は分岐鎖で一緒に結合している。脂肪族には、パラフィン系(例えば、アルキル)化合物、オレフィン系(例えば、アルケニル)化合物及びアルキニル化合物が含まれる。   The term “aliphatic” refers to a non-aromatic organic compound in which the carbon atoms are joined together in a straight or branched chain. Aliphatics include paraffinic (eg alkyl) compounds, olefinic (eg alkenyl) compounds and alkynyl compounds.

用語「アンチリオトロピック塩(antilyotropic salt)」は、ポリマー分子以外の溶媒分子と相互作用をする塩を指す。   The term “antilyotropic salt” refers to a salt that interacts with solvent molecules other than polymer molecules.

用語「アミド」は、窒素原子に連結しているカルボニル基(C=O)を有する官能基、又はこの官能基を含む化合物を意味する。   The term “amide” means a functional group having a carbonyl group (C═O) linked to a nitrogen atom or a compound containing this functional group.

用語「エステル」は、アルコキシ基に連結しているカルボニル基(C=O)を有する官能基を意味する。   The term “ester” means a functional group having a carbonyl group (C═O) linked to an alkoxy group.

用語「アルコキシ」は、例えば、メトキシ(−OCH)又はエトキシ(−OCHCH)などの、酸素に連結しているアルキル基を指す。 The term “alkoxy” refers to an alkyl group linked to oxygen, such as, for example, methoxy (—OCH 3 ) or ethoxy (—OCH 2 CH 3 ).

用語「アリール」は、単環(例えば、フェニル)又は多縮合(縮合(fused))環(例えば、ナフチル又はアントリル)を有する、6〜20個の炭素原子からなる不飽和の芳香族炭素環式基を指す。例示的なアリールには、フェニル、ナフチルなどが含まれる。   The term “aryl” is an unsaturated aromatic carbocyclic group of 6 to 20 carbon atoms having a single ring (eg, phenyl) or multiple condensed (fused) rings (eg, naphthyl or anthryl). Refers to the group. Exemplary aryl includes phenyl, naphthyl, and the like.

用語「アルケニル」は、2〜12個の炭素原子を有し、且つ少なくとも1つ、例えば1〜3つの二重結合を含有する、線状又は分岐状の不飽和一価炭化水素基を指す。この用語は、エテニル(−CH=CH)、2−プロペニル(−CH−CH=CH)などの基によって例示される。 The term “alkenyl” refers to a linear or branched unsaturated monovalent hydrocarbon group having from 2 to 12 carbon atoms and containing at least one, for example 1-3 double bonds. This term is exemplified by groups such as ethenyl (—CH═CH 2 ), 2-propenyl (—CH 2 —CH═CH 2 ), and the like.

用語「アルキニル」は、2〜12個の炭素原子を有し、且つ少なくとも1つ、例えば1〜3つの三重結合を含有する、線状又は分岐状の一価炭化水素基を指す。この用語は、エチニル(−C≡CH)、2−プロピニル(−CH−C≡CH)、n−ブチニル(−CH−CH−C≡CH)などの基によって例示される。 The term “alkynyl” refers to a linear or branched monovalent hydrocarbon group having 2 to 12 carbon atoms and containing at least one, for example, 1 to 3, triple bonds. This term is exemplified by groups such as ethynyl (—C≡CH), 2-propynyl (—CH 2 —C≡CH), n-butynyl (—CH 2 —CH 2 —C≡CH), and the like.

本明細書で使用する場合、用語「低下する(reduce)」は、低下すること(decrease)又は減少すること(diminish)を意味する。   As used herein, the term “reduce” means to decrement or diminished.

本明細書において使用する場合はいつでも、用語「分子量」又は「平均分子量」は、標準品としてポリスチレンを使用するゲル透過クロマトグラフィー(GPC)によって測定される、重量平均分子量を意味する。この方法は、ASTM D5296−05に記載されている。   As used herein, the term “molecular weight” or “average molecular weight” means the weight average molecular weight as measured by gel permeation chromatography (GPC) using polystyrene as a standard. This method is described in ASTM D5296-05.

「延伸比」(draw ratio)は、巻き取り速度と押出成形速度との比を意味する。   “Draw ratio” means the ratio of winding speed to extrusion speed.

「ガラス転移温度」(Tg)は、ポリマーが硬質及びガラス質から軟質及びゴム質に転移する温度である。   “Glass transition temperature” (Tg) is the temperature at which a polymer transitions from hard and glassy to soft and rubbery.

用語「準T」(sub−T)は、ポリマーのセグメント運動が検出される、β−緩和温度である、Tβとしても称されるものを指す。 The term “quasi-T g ” (sub-T g ) refers to what is also referred to as T β , which is the β-relaxation temperature at which segment motion of the polymer is detected.

用語「透過性」(permeability)又はPは、COなどの所与の構成成分の、圧力及び厚みで正規化したフラックスを指す。透過性は、例えば、Barrersで測定することができる。 The term “permeability” or P refers to the pressure and thickness normalized flux of a given component, such as CO 2 . The permeability can be measured, for example, by Barrrers.

担持されたガス分離膜を通過するガスの透過性を測定するための標準単位は、Barrerであり、これは、以下の通り定義される:

(式中、フラックス(流速)は、cm/cm×秒の単位であり、標準温度及び圧力における、1秒あたりの透過したガスの体積であり、cmは、フィルムの厚みであり、cmはフィルムの面積であり、cm.Hgは、圧力(又は、推進力)である。)
The standard unit for measuring gas permeability through a supported gas separation membrane is Barrer, which is defined as follows:

(In the formula, flux (flow velocity) is a unit of cm 3 / cm 2 × second, and is a volume of a permeated gas per second at standard temperature and pressure, cm is a film thickness, cm 2 is the area of the film, cm.Hg is the pressure (or driving force).

用語「透過度」(permeance)は、透過性と膜の厚みとの比を指す。   The term “permeance” refers to the ratio of permeability to membrane thickness.

用語「選択性」は、膜を通過する2つの構成成分の透過性の比を指す(すなわち、P/Pであり、A及びBは2つの構成成分である)。 The term “selectivity” refers to the ratio of the permeability of two components through the membrane (ie, P A / P B , where A and B are the two components).

2つの構成成分の流体混合物の分離における、担持されたガス分離膜の選択性は、容易に通過する方の構成成分の通過速度と、容易に通過しない方の構成成分の通過速度との比として定義される。選択性は、担持されたガス分離膜を公知のガス混合物に接触させて、その透過物を分析することにより、直接、得ることができる。或いは、選択性の一次近似値は、同じガス分離膜上で個別に決定される、2つの構成成分の通過速度の比を算出することにより得られる。通過速度は、Barrer単位で表すことができる。選択性の一例として、O/N=10とは、対象とする膜が、酸素ガスを、窒素の速度の十倍の速度で通過させることが可能であることを示している。 The selectivity of the supported gas separation membrane in the separation of a fluid mixture of two components is the ratio of the velocity of the component that passes easily and the velocity of the component that does not easily pass. Defined. Selectivity can be obtained directly by contacting the supported gas separation membrane with a known gas mixture and analyzing the permeate. Alternatively, the first-order approximation of selectivity can be obtained by calculating the ratio of the passage speeds of two components that are individually determined on the same gas separation membrane. The passing speed can be expressed in Barrer units. As an example of selectivity, O 2 / N 2 = 10 indicates that the target film can pass oxygen gas at a rate ten times the rate of nitrogen.

ガス分離膜の生産性(透過度)は、以下の通り定義されるGPUで測定される:
The productivity (permeability) of a gas separation membrane is measured with a GPU defined as follows:

本明細書に開示されている膜は、35℃及び100psiaの圧力において、少なくとも20GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。一部の実施形態では、膜は、35℃及び100psiaの圧力において、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。一部の実施形態では、膜は、35℃及び400psiaの圧力において、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を有する。 The membranes disclosed herein have a CO 2 permeability of at least 20 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. In some embodiments, the membrane has a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. In some embodiments, the membrane has a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 at 35 ° C. and a pressure of 400 psia.

透過性、透過度及び選択性は、例えば、その内容の全体が参照により組み込まれる、米国特許第7,247,191号に記載されている通り、当業者に周知の技法により測定される。本明細書に記載されている通り、透過度及び選択性は、35℃及び100psiaの圧力において測定される。これらの測定のためのフィードは、50/50のCO/CHモル比を有するフィードであり、測定のための具体的な圧力は、全フィード圧に基づく。 Permeability, permeability and selectivity are measured by techniques well known to those skilled in the art, for example, as described in US Pat. No. 7,247,191, the entire contents of which are incorporated by reference. As described herein, permeability and selectivity are measured at 35 ° C. and 100 psia pressure. The feed for these measurements is a feed having a CO 2 / CH 4 molar ratio of 50/50, and the specific pressure for the measurement is based on the total feed pressure.

透過度及び選択性は、本明細書において比較するための標準値として、35℃及び100psiaの圧力で測定されるが、透過度及び選択性は、200sia又は400psiaなどの、より高い圧力で測定することもできることに留意されたい。透過度及び選択性が、200psia又は400psiaにおいて測定される場合、これらの測定値は、100psiaにおいて測定される場合よりも性能に乏しいことを実証することが予想される。したがって、透過度及び選択性に関する標準値が、200psia又は400psiaの圧力で測定した場合に満たされるのであれば、透過度及び選択性の標準値は、100psiaの圧力で測定した場合にも満たされると期待される。例えば、膜が、35℃及び200psiaの圧力で測定した場合に、良好な透過度及び選択性を示す場合、この膜は、35℃及び100psiaの圧力で測定した場合も良好な透過度及び選択性を示すことが期待される。   Permeability and selectivity are measured at 35 ° C. and 100 psia pressure as standard values for comparison herein, while permeability and selectivity are measured at higher pressures, such as 200sia or 400 psia. Note that you can also. When permeability and selectivity are measured at 200 psia or 400 psia, it is expected that these measurements demonstrate poorer performance than when measured at 100 psia. Thus, if the standard values for permeability and selectivity are met when measured at a pressure of 200 psia or 400 psia, the standard values of permeability and selectivity are met when measured at a pressure of 100 psia. Be expected. For example, if a membrane shows good permeability and selectivity when measured at 35 ° C. and a pressure of 200 psia, the membrane also has good permeability and selectivity when measured at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. Is expected to show.

用語「PDMC」は、プロパンジオールモノエステルポリマーを指す。3:2のDAM:DABA比を有するPDMCの形態の一つは、以下の構造:

を有する。
The term “PDMC” refers to a propanediol monoester polymer. One form of PDMC having a DAM: DABA ratio of 3: 2 is the following structure:

Have

少量の嵩高いジアミンを有する非架橋ポリイミドポリマーの膜の製造方法
本明細書に記載されている非架橋ポリイミドポリマーを製造する方法は、モノマー及び少なくとも1種の溶媒を含む反応溶液からポリイミドポリマーを調製するステップであって、モノマーが二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含み、ジアミノモノマーの2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物であり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比が0〜2:3であるステップを含む。エステル化条件においてポリイミドポリマーをジオールで処理して、非架橋モノエステル化ポリイミドポリマーを形成するステップは、必要とされず、したがって、カルボン酸官能基を有するモノマーは任意選択である。したがって、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3である。次に、非架橋ポリイミドポリマーを含む膜は、ポリイミドポリマーから得られ、この膜は、30重量%未満の架橋を含む。一部の実施形態では、これらの架橋はエステル架橋であってもよい。
Method for producing a film of a non-crosslinked polyimide polymer having a small amount of bulky diamine The method for producing a non-crosslinked polyimide polymer described herein comprises preparing a polyimide polymer from a reaction solution comprising a monomer and at least one solvent. Wherein the monomer comprises a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functional group, and optionally a diamino monomer having a carboxylic acid functional group, wherein 2 to 10 mol% of the diamino monomer is bulky diamino And a step wherein the ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3. The step of treating the polyimide polymer with a diol in esterification conditions to form a non-crosslinked monoesterified polyimide polymer is not required, and thus monomers with carboxylic acid functionality are optional. Therefore, the ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3. Next, a membrane comprising uncrosslinked polyimide polymer is obtained from the polyimide polymer, which membrane comprises less than 30% by weight of crosslinking. In some embodiments, these crosslinks may be ester crosslinks.

一部の実施形態では、少量の嵩高いジアミンを組み込んだ非架橋ポリイミドポリマーを含む膜は、皮膜に欠損(defects)を含有していることがある。これらの欠損は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又は架橋シリコーンコーティング剤によって、中空糸をコーティングすることにより封止することができる。これらの実施形態では、本方法は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又は架橋シリコーンコーティング剤によって、ポリイミドポリマーを封止するステップをさらに含むことができる。この封止するステップは、ポリジメチルシロキサン又は架橋シリコーンコーティング剤の層による浸漬コーティングを含んでよく、このコーティング剤は、本方法において形成される恐れがあるいかなる欠損も塞ぐように機能する。これは、欠損を封止するための従来の方法である。この後処理工程は、その全体が参照により組み込まれる、米国特許第8,337,598号に記載されている。   In some embodiments, a film comprising a non-crosslinked polyimide polymer that incorporates a small amount of bulky diamine may contain defects in the film. These defects can be sealed by coating the hollow fiber with polydimethylsiloxane (PDMS) or a cross-linked silicone coating agent. In these embodiments, the method can further include encapsulating the polyimide polymer with polydimethylsiloxane (PDMS) or a cross-linked silicone coating. This sealing step may include a dip coating with a layer of polydimethylsiloxane or a cross-linked silicone coating agent that functions to plug any defects that may be formed in the method. This is a conventional method for sealing defects. This post-treatment step is described in US Pat. No. 8,337,598, which is incorporated by reference in its entirety.

重合反応及びイミド化反応
ステップ(a)において、モノマーは重合反応で重合して、アミド結合を含むポリアミドポリマーをもたらす。イミド化反応が起こり、これによりアミド結合がイミド結合を形成し、ポリイミドポリマーをもたらす。このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含む。カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3である。一部の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、1:16〜2:3である。他の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜1:16である。したがって、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーが存在しない実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は0である。
Polymerization Reaction and Imidization Reaction In step (a), the monomer is polymerized in a polymerization reaction to yield a polyamide polymer containing amide bonds. An imidization reaction occurs, whereby the amide bond forms an imide bond, resulting in a polyimide polymer. This monomer includes a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and optionally a diamino monomer having a carboxylic acid functionality. The ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3. In some embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is from 1:16 to 2: 3. In other embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 1:16. Thus, in an embodiment where no diamino monomer having a carboxylic acid functional group is present, the ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is zero.

ジアミノモノマーの中で、2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。ある特定の実施形態では、ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。少量の嵩高いジアミンにより、高分子量ポリイミドポリマーの形成が可能になる。   Among the diamino monomers, 2 to 10 mol% are bulky diamino compounds. In certain embodiments, 2-5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound. A small amount of bulky diamine allows the formation of a high molecular weight polyimide polymer.

ステップ(a)は、モノマー及び少なくとも1種の溶媒を含む反応溶液からポリイミドポリマーを調製するステップを含む。モノマー及び少なくとも1種の溶媒は、モノマーが溶媒に溶解して反応溶液を形成するよう混合される。その後、このモノマーは、アミド結合の形成により重合して、ポリアミドポリマーをもたらす。次に、このポリアミドポリマーにイミド化条件を施し、これにより、アミド結合が、イミド環に変換されて、ポリイミドポリマーがもたらされる。   Step (a) includes preparing a polyimide polymer from a reaction solution comprising a monomer and at least one solvent. The monomer and at least one solvent are mixed such that the monomer dissolves in the solvent to form a reaction solution. This monomer is then polymerized by the formation of an amide bond, resulting in a polyamide polymer. The polyamide polymer is then subjected to imidization conditions, which converts the amide bond to an imide ring, resulting in a polyimide polymer.

このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含む。カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3である。一部の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、1:16〜2:3である。他の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜1:16である。ジアミノモノマーの中で、2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。ある特定の実施形態では、ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。   This monomer includes a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and optionally a diamino monomer having a carboxylic acid functionality. The ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3. In some embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is from 1:16 to 2: 3. In other embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 1:16. Among the diamino monomers, 2 to 10 mol% are bulky diamino compounds. In certain embodiments, 2-5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound.

ある特定の実施形態では、このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーを含み、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含まず、2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物である。他の実施形態では、このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーから本質的になり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを本質的に含まず、2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物である。   In certain embodiments, the monomer comprises a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functional group, no diamino monomer having a carboxylic acid functional group, and 2-10 mol% bulky diamino compound It is. In other embodiments, the monomer consists essentially of a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and essentially free of a diamino monomer having a carboxylic acid functionality. Is a bulky diamino compound.

ステップ(a)のイミド化反応は、脱水条件下で行うことができる。水は、イミド化反応中に副産物として生成する。このような脱水条件は、反応溶液からこの副産物である水を少なくとも一部除去する。イミド化反応中に生成する水は、その後のモノエステル化反応中にポリイミドポリマーのイミド環を分解する恐れがあるので、ステップ(a)において水を除去することが望ましい。このイミド化の残留水はまた、ポリイミドポリマーの鎖切断を引き起こす恐れもある。ポリイミドポリマーは、「ワンポット」合成で調製することができる。   The imidization reaction of step (a) can be performed under dehydrating conditions. Water is produced as a byproduct during the imidization reaction. Such dehydration conditions remove at least a portion of this by-product water from the reaction solution. Since water generated during the imidation reaction may decompose the imide ring of the polyimide polymer during the subsequent monoesterification reaction, it is desirable to remove the water in step (a). This imidized residual water can also cause chain breakage of the polyimide polymer. Polyimide polymers can be prepared by “one pot” synthesis.

モノマー
モノマーは、反応溶液の約15〜約25重量%の間を構成してよい。このモノマーは、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含む。カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3である。一部の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、1:16〜2:3である。他の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜1:16である。ジアミノモノマーの中で、約2〜約10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。一実施形態では、ジアミノモノマーの約2〜約5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。
Monomer The monomer may comprise between about 15 and about 25% by weight of the reaction solution. This monomer includes a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functionality, and optionally a diamino monomer having a carboxylic acid functionality. The ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3. In some embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is from 1:16 to 2: 3. In other embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 1:16. Of the diamino monomers, about 2 to about 10 mol% are bulky diamino compounds. In one embodiment, about 2 to about 5 mole percent of the diamino monomer is a bulky diamino compound.

ジアミノモノマーは、環式ジアミノ化合物及びジアミノ芳香族を含んでよい。本明細書に記載されている通り、ジアミノモノマーの中で、約2〜約10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。カルボン酸官能基を含むジアミノモノマーは任意選択であり、したがって、不在であってもよく、すなわち存在していなくてもよい。   The diamino monomer may comprise a cyclic diamino compound and a diamino aromatic. As described herein, about 2 to about 10 mole percent of the diamino monomer is a bulky diamino compound. Diamino monomers containing carboxylic acid functional groups are optional and thus may be absent, i.e. absent.

例えば、このモノマーは二無水物モノマーA、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーB、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーCを含んでよく、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜2:3であり、ジアミノモノマーB及びCの2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dである。ある特定の実施形態では、モノマーは、二無水物モノマーA、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーBを含み、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーCを含まない。   For example, the monomer may include dianhydride monomer A, diamino monomer B having no carboxylic acid functional group, and optionally diamino monomer C having a carboxylic acid functional group. The ratio of the diamino monomer having no acid functional group is 0 to 2: 3, and 2 to 10 mol% of the diamino monomers B and C is the bulky diamino compound D. In certain embodiments, the monomer comprises dianhydride monomer A, diamino monomer B having no carboxylic acid functionality and no diamino monomer C having a carboxylic acid functionality.

二無水物モノマーAは、式(I)の二無水物:

(式中、X及びXは、独立して、ハロゲン化アルキル、フェニル、又はハロゲンであり、R、R、R、R、R及びRは、独立して、H、アルキル、又はハロゲンである。)
であってよい。
The dianhydride monomer A is a dianhydride of formula (I):

(Wherein X 1 and X 2 are independently halogenated alkyl, phenyl, or halogen, and R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently H , Alkyl, or halogen.)
It may be.

モノマーがモノマーA、B及び場合によりCを含む場合、CとBとの比は、0〜2:3である。ある特定の実施形態では、CとBとの比は、0〜1:8である。ある特定の実施形態では、CとBとの比は、約2:3である。一部の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、1:16〜2:3である。他の実施形態では、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比は、0〜1:16である。ジアミノモノマーの中で、約2〜約10モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。一実施形態では、ジアミノモノマーの約2〜約5モル%が、嵩高いジアミノ化合物である。   When the monomer includes monomers A, B and optionally C, the ratio of C to B is 0 to 2: 3. In certain embodiments, the ratio of C to B is 0 to 1: 8. In certain embodiments, the ratio of C to B is about 2: 3. In some embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is from 1:16 to 2: 3. In other embodiments, the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 1:16. Of the diamino monomers, about 2 to about 10 mol% are bulky diamino compounds. In one embodiment, about 2 to about 5 mole percent of the diamino monomer is a bulky diamino compound.

モノマーAは、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDA)であってよく、これは、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンとしても知られている。6FDAは、以下の式:

を有する。6FDAは、可能な回転が制限されるので、モノマー中に6FDAが含まれることにより、ポリイミドポリマーへの安定性がもたらされる。
Monomer A may be 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA), also known as 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane. It has been. 6FDA has the following formula:

Have Since 6FDA limits the possible rotations, inclusion of 6FDA in the monomer provides stability to the polyimide polymer.

6FDAのような、可能な回転が制限されているモノマーは、本明細書において開示されている方法に従って製造された膜の選択性を向上するので、それらが望ましい。6FDA中の(CFのような、嵩高い側鎖を有するモノマーも、分子の膜への透過度を向上させる、鎖のパッキングを阻害する。選択性と透過度の両方が、効率的及び生産的な分離にとって重要である。さらに、これらの構造特性の関係についての言及は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Koros及びFleming、Journal of Membrane Science、83巻、1〜80頁(1993年)に見出すことができる。 Monomers with limited possible rotation, such as 6FDA, are desirable because they improve the selectivity of membranes produced according to the methods disclosed herein. Monomers with bulky side chains, such as (CF 3 ) 2 in 6FDA, also inhibit chain packing, which improves the permeability of molecules to the membrane. Both selectivity and permeability are important for efficient and productive separation. Furthermore, references to these structural property relationships can be found in Koros and Fleming, Journal of Membrane Science, 83, 1-80 (1993), which is incorporated herein by reference in its entirety. .

カルボン酸官能基を有しない環式ジアミノ化合物であるモノマーBは、2つ以上の芳香族環を有するジアミノ芳香族化合物であってよく、アミノ基は、同一又は異なる芳香族環上に存在している。例えば、モノマーBは、4,4’−イソプロピリデンジアニリン、3,3’ −ヘキサフルオロイソプロピリデンジアニリン、4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジアニリン、4,4’−オキシジアニリン、3,3’−オキシジアニリン、4,4’−ジアミノジフェニル、ジアミノトルエン、ジアミノベンゾトリフルオリド、ジメチルジアミノベンゼン、トリメチルジアミノベンゼン又はテトラメチルジアミノベンゼンであってよい。モノマーBはまた、2,4,6−トリメチル−m−フェニレンジアミン(DAM)であってよく、これは、以下の式:

によって表される。
Monomer B, which is a cyclic diamino compound having no carboxylic acid functional group, may be a diamino aromatic compound having two or more aromatic rings, and the amino groups are present on the same or different aromatic rings. Yes. For example, monomer B is 4,4′-isopropylidenedianiline, 3,3′-hexafluoroisopropylidenedianiline, 4,4′-hexafluoroisopropylidenedianiline, 4,4′-oxydianiline, 3 , 3′-oxydianiline, 4,4′-diaminodiphenyl, diaminotoluene, diaminobenzotrifluoride, dimethyldiaminobenzene, trimethyldiaminobenzene or tetramethyldiaminobenzene. Monomer B may also be 2,4,6-trimethyl-m-phenylenediamine (DAM), which has the following formula:

Represented by

カルボン酸官能基を有する環式ジアミノ化合物であるモノマーCは、任意選択である。したがって、モノマーCが存在しないことがある。存在する場合、モノマーCはジアミノ安息香酸であってよい。それは、以下の式:

によって表される。より具体的には、存在する場合、モノマーCは3,5 ジアミノ安息香酸(DABA)であってよい。
Monomer C which is a cyclic diamino compound having a carboxylic acid functional group is optional. Therefore, monomer C may not be present. If present, monomer C may be diaminobenzoic acid. It has the following formula:

Represented by More specifically, when present, monomer C may be 3,5 diaminobenzoic acid (DABA).

嵩高いジアミノ化合物Dは、約5Å〜約12Åのジアミンである。一部の実施形態では、嵩高いジアミンは、約6Å〜約12Åのジアミンであり、ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、約6Å〜約9.5Åのジアミンである。嵩高いジアミノ化合物Dには、例えば、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン及び2CF3としても知られている)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3としても知られている)、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジアニリン(Fuとしても知られている)など、及びそれらの混合物が含まれる。ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)、又はそれらの混合物である。図1は、典型的な嵩高いジアミン2CF3及びCF3を示している。   Bulky diamino compound D is about 5 to about 12 diamines. In some embodiments, the bulky diamine is from about 6 to about 12 diamines, and in certain embodiments, the bulky diamine is from about 6 to about 9.5 diamines. Examples of the bulky diamino compound D include 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2,2′-bis (trifluoromethyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine. And also known as 2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 '-(9-fluorenylidene) dianiline (also known as CF3), 4,4' -(Hexafluoroisopropylidene) dianiline (also known as Fu) and the like, and mixtures thereof. In certain embodiments, the bulky diamine is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 ′-(9 -Fluorenylidene) dianiline (CF3), or a mixture thereof. FIG. 1 shows typical bulky diamines 2CF3 and CF3.

嵩高いジアミンは、ポリイミドポリマーを調製するために使用されるジアミノモノマーの2〜10モル%であり、ある特定の実施形態では、嵩高いジアミンは、ポリイミドポリマーを調製するために使用されるジアミノモノマーの2〜5モル%である。   The bulky diamine is 2-10 mol% of the diamino monomer used to prepare the polyimide polymer, and in certain embodiments, the bulky diamine is a diamino monomer used to prepare the polyimide polymer. Of 2 to 5 mol%.

本明細書に記載されている方法の一実施形態では、モノマーは、A、B、C及びDを含み、Aは6FDAであり、BはDAMであり、CはDABAであり、Dは2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又は4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)である。この実施形態では、モノマー混合物の6FDA含有量は約50重量%であり、モノマー混合物の残りの約50重量%は、DAM、DABA及び2CF3、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又はCF3で構成される。上記の通り、DAMとDABAとのモノマー混合物の2〜10モル%は、嵩高いジアミノ化合物D(2CF3、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又はCF3)で構成される。ある特定の実施形態では、DAMとDABAとのモノマー混合物の2〜5モル%は、嵩高いジアミノ化合物D(2CF3、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又はCF3)で構成される。   In one embodiment of the method described herein, the monomer comprises A, B, C and D, where A is 6FDA, B is DAM, C is DABA, D is 2, 2'-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or 4,4 '-(9-fluorenylidene) dianiline (CF3). In this embodiment, the 6FDA content of the monomer mixture is about 50% by weight, and the remaining about 50% by weight of the monomer mixture is DAM, DABA and 2CF3, 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine. Alternatively, it is composed of CF3. As described above, 2 to 10 mol% of the monomer mixture of DAM and DABA is composed of bulky diamino compound D (2CF3, 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or CF3). In certain embodiments, 2-5 mol% of the monomer mixture of DAM and DABA is composed of bulky diamino compound D (2CF3, 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or CF3). The

一例において、モノマー混合物の6FDAの含有量は約50重量%であってよく、残りの約50重量%は約35〜40モル%のDABA、約55〜60モル%のDAM、及び約2〜5モル%の2CF3、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又はCF3であってよい。   In one example, the 6FDA content of the monomer mixture may be about 50% by weight, with the remaining about 50% by weight being about 35-40 mol% DABA, about 55-60 mol% DAM, and about 2-5 It may be mol% 2CF3, 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or CF3.

どのモノマーが使用されても、本明細書に記載されている方法の一部の実施形態によれば、それらのモノマーは、ステップ(a)の前に精製することができる。モノマーは、当分野で公知の技法、例えば、昇華又は再結晶により精製することができる。   Whatever monomer is used, according to some embodiments of the methods described herein, the monomers can be purified prior to step (a). Monomers can be purified by techniques known in the art, such as sublimation or recrystallization.

溶媒
モノマーは、反応溶液を作り出し、重合を促進する、少なくとも1種の溶媒に溶解される。得られたポリアミドポリマーは、イミド化のための反応溶液中に残る。少なくとも1種の溶媒は、反応溶液の約75〜約95重量%の間を構成してよい。少なくとも1種の溶媒は、少なくとも1種の高沸点有機溶媒であってよい。溶媒は、有機溶媒の混合物であってもよい。例示的な高沸点有機溶媒は、それらの通常の沸点と一緒に、表1に一覧表示されている。

したがって、反応溶液の溶媒は、上に列挙されている有機溶媒のいずれか1つ、又はそれらの混合物とすることができる。高沸点溶媒は、反応溶液中の濃度及び後続の工程中の濃度をかなり変化させると思われる、過剰な溶媒蒸発を防止できるので、それらが望ましい。
Solvent The monomer is dissolved in at least one solvent that creates a reaction solution and promotes polymerization. The obtained polyamide polymer remains in the reaction solution for imidization. The at least one solvent may comprise between about 75 and about 95% by weight of the reaction solution. The at least one solvent may be at least one high boiling organic solvent. The solvent may be a mixture of organic solvents. Exemplary high boiling organic solvents are listed in Table 1 along with their normal boiling points.

Thus, the solvent of the reaction solution can be any one of the organic solvents listed above, or a mixture thereof. High boiling solvents are desirable because they can prevent excessive solvent evaporation, which would significantly change the concentration in the reaction solution and in subsequent steps.

脱水条件
脱水条件がステップ(a)中に利用されて水が除去される場合、反応溶液中の水の濃度は、約0重量%〜約0.26重量%の間に維持することができる。
Dehydration conditions When dehydration conditions are utilized during step (a) to remove water, the concentration of water in the reaction solution can be maintained between about 0 wt% and about 0.26 wt%.

脱水条件は、化学脱水剤及び/又は機械的脱水剤の存在とすることができる。脱水条件は、化学脱水剤だけ存在とすることができ、機械的脱水剤だけ存在とすることができ、又は化学脱水剤と機械的脱水剤との組合せの存在とすることができる。   The dehydrating conditions can be the presence of a chemical dehydrating agent and / or a mechanical dehydrating agent. The dehydration conditions can be present only in the chemical dehydrating agent, can be present only in the mechanical dehydrating agent, or can be in the presence of a combination of chemical and mechanical dehydrating agents.

化学脱水剤が利用される場合、化学脱水剤は、ステップ(a)のイミド化反応を妨害しない。例えば、その化学脱水剤はイミド化反応の速度を低下させないし、ポリイミドポリマーの収率を低下させない。   If a chemical dehydrating agent is utilized, the chemical dehydrating agent does not interfere with the imidization reaction of step (a). For example, the chemical dehydrating agent does not decrease the rate of the imidization reaction and does not decrease the yield of the polyimide polymer.

重合条件
ステップ(a)の重合反応において、反応溶液中のモノマーは重合して、少量の嵩高いジアミンを含有するポリアミドポリマーを形成する。重合は、反応溶液を撹拌(stir)するか、又はそうでない場合、かき混ぜ(agitate)ながら室温で行うことができる。重合中の溶媒濃度は、反応溶液の約75〜約95重量%の間である。
Polymerization conditions In the polymerization reaction of step (a), the monomers in the reaction solution are polymerized to form a polyamide polymer containing a small amount of bulky diamine. The polymerization can be carried out at room temperature with stirring or otherwise stirring the reaction solution. The solvent concentration during the polymerization is between about 75 to about 95% by weight of the reaction solution.

イミド化条件
ステップ(a)のイミド化反応において、ポリアミドポリマーのアミド結合はイミド環を形成して、ポリイミドポリマーをもたらす。ステップ(a)におけるイミド化反応は、約12〜36時間という長時間にわたり行われる。このような長時間により、イミド化反応が進行して完了するのが確実となり、このことは、ポリイミドポリマーの収率に関して重要である。イミド化反応は、約160℃〜約200℃の間の温度で行うことができる。イミド化中の溶媒濃度は、反応溶液の約75〜約95重量%の間である。
Imidization conditions In the imidization reaction of step (a), the amide bond of the polyamide polymer forms an imide ring, resulting in a polyimide polymer. The imidization reaction in step (a) is performed for a long time of about 12 to 36 hours. Such a long time ensures that the imidization reaction proceeds and is complete, which is important with respect to the yield of the polyimide polymer. The imidization reaction can be performed at a temperature between about 160 ° C and about 200 ° C. The solvent concentration during imidization is between about 75 to about 95% by weight of the reaction solution.

少量の嵩高いジアミンを組み込んだポリイミドポリマーは、高分子量を有する。   A polyimide polymer incorporating a small amount of bulky diamine has a high molecular weight.

任意選択のモノエステル化反応
カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーが存在する場合、重合の後、ポリイミドポリマーは、場合によりモノエステル化されて、モノエステル化ポリイミドポリマーをもたらすことができる。より詳細には、ポリイミドポリマーのカルボン酸官能基(−COOH)は、モノアルコール又はジオールのヒドロキシル官能基(−OH)と反応して、−COOH基をエステルに転化することができる。
Optional Monoesterification Reaction If a diamino monomer having a carboxylic acid functionality is present, after polymerization, the polyimide polymer can optionally be monoesterified to yield a monoesterified polyimide polymer. More specifically, the carboxylic acid functionality (—COOH) of the polyimide polymer can react with the hydroxyl functionality (—OH) of a monoalcohol or diol to convert the —COOH group to an ester.

ある特定の実施形態では、ポリイミドポリマーは、モノアルコールによりエステル化される。ジオールよりもモノアルコールとのエステル化の方が、ヒドロキシル基の露出がより少ないモノエステル化ポリイミドポリマーを生成する。したがって、このモノエステル化ポリイミドポリマーは、ジオールと形成したモノエステル化ポリイミドポリマーよりも親水性に乏しく、紡糸が容易であり得る。   In certain embodiments, the polyimide polymer is esterified with a monoalcohol. Esterification with monoalcohols rather than diols produces monoesterified polyimide polymers with less exposure of hydroxyl groups. Therefore, the monoesterified polyimide polymer is less hydrophilic than the monoesterified polyimide polymer formed with the diol and can be easily spun.

他の実施形態では、ポリイミドポリマーは、ジオールによりエステル化され得る。ジオールによりモノエステル化する場合、ジオール分子の−OH基の1つだけが−COOH基と反応し、副産物として水を生成する。脱水条件を使用して、モノエステル化ポリイミドポリマーの平均分子量が、少なくとも一部維持されるか、完全に維持されるか、又は増加することさえあるよう、副産物である水を少なくとも一部除去することができる。   In other embodiments, the polyimide polymer can be esterified with a diol. When monoesterifying with a diol, only one of the —OH groups of the diol molecule reacts with the —COOH group to produce water as a by-product. Use dehydration conditions to at least partially remove by-product water so that the average molecular weight of the monoesterified polyimide polymer is at least partially maintained, fully maintained, or even increased be able to.

任意選択のモノエステル化は、酸触媒の存在下で、ポリイミドポリマーをモノアルコール又はジオールにより処理して、モノエステル化反応を促進するステップをさらに含むことができる。酸触媒が、水を除去することのない従来のモノエステル化反応において通常、使用される量よりも少ない量で存在する場合、モノエステル化ポリイミドポリマーは、その分子量を一部維持するか、完全に維持するか、又は増加することさえある。   Optional monoesterification can further comprise treating the polyimide polymer with a monoalcohol or diol in the presence of an acid catalyst to promote the monoesterification reaction. If the acid catalyst is present in an amount less than that normally used in conventional monoesterification reactions that do not remove water, the monoesterified polyimide polymer will retain some of its molecular weight or be completely Or even increase.

一部の実施形態では、重合はまた、イミド化反応中に生成する水を少なくとも一部除去する、脱水条件下で行われる。   In some embodiments, the polymerization is also performed under dehydrating conditions that remove at least a portion of the water formed during the imidization reaction.

ステップ(a)のイミド化反応が完了した後、反応溶液は、ポリイミドポリマー、少なくとも1種の溶媒、及び任意の未反応モノマーを含む。モノエステル化が利用される場合、モノアルコール又はジオールを反応溶液に直接加えて、モノエステル化反応溶液を形成することができる。したがって、イミド化反応とモノエステル化反応の両方を、1つの反応容器中で、又は「ワンポット」で行うことができる。或いは、ポリイミドポリマーは単離され、次に、モノアルコール又はジオールと混合されて、モノエステル化反応溶液を形成し、こうしてイミド化反応及びモノエステル化反応が個別の反応容器中で行うことができる。   After the imidization reaction of step (a) is completed, the reaction solution contains a polyimide polymer, at least one solvent, and any unreacted monomers. If monoesterification is utilized, monoalcohol or diol can be added directly to the reaction solution to form a monoesterification reaction solution. Thus, both imidization and monoesterification reactions can be carried out in one reaction vessel or “one pot”. Alternatively, the polyimide polymer can be isolated and then mixed with a monoalcohol or diol to form a monoesterification reaction solution so that the imidization reaction and monoesterification reaction can be performed in separate reaction vessels. .

アルコール
利用される場合、本明細書に記載されている方法に有用なモノアルコールには、プロパノール、ブタノール、ペンタノールなどが含まれる。
Alcohols When utilized, monoalcohols useful in the methods described herein include propanol, butanol, pentanol, and the like.

利用される場合、ジオールの長さは重要な考慮点である。ジオールがあまりに長い、又はあまりに短い場合、ジオールは、モノエステル化ポリイミドポリマーから形成される膜の透過度及び/又は選択性を低下させる恐れがある。   When utilized, the length of the diol is an important consideration. If the diol is too long or too short, the diol can reduce the permeability and / or selectivity of the membrane formed from the monoesterified polyimide polymer.

本明細書に記載されている方法において有用なジオールには、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,2−ブタンジオール、ベンゼンジメタノール、1,3−ブタンジオール及びそれらの混合物が含まれる。本明細書に記載されている方法の一実施形態では、ジオールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、ベンゼンジメタノール、及びそれらの混合物からなる群から選択される。別の実施形態では、ジオールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、及びそれらの混合物からなる群から選択される。さらに別の実施形態では、ジオールは、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、及びそれらの混合物からなる群から選択される。さらに別の実施形態は、ジオールは、1,3−プロパンジオールである。   Diols useful in the methods described herein include ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,2-butanediol, benzenedimethanol, 1,3 -Butanediol and mixtures thereof are included. In one embodiment of the method described herein, the diol is selected from the group consisting of ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, benzenedimethanol, and mixtures thereof. In another embodiment, the diol is selected from the group consisting of ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, and mixtures thereof. In yet another embodiment, the diol is selected from the group consisting of ethylene glycol, 1,3-propanediol, and mixtures thereof. In yet another embodiment, the diol is 1,3-propanediol.

脱水条件
任意選択のステップ(a)の脱水条件と同様に、任意選択のモノエステル化ステップの脱水条件は、化学脱水剤及び/又は機械的脱水剤の使用によって与えられ得る。したがって、この脱水条件は、化学脱水剤単独とすることができ、機械的脱水剤単独とすることができ、又は、化学脱水剤と機械的脱水剤の組合せとすることができる。脱水条件は、化学的であろうと機械的であろうと、モノエステル化反応溶液中の水の濃度を、約0重量%〜約0.08重量%の間に維持するよう、モノエステル化反応溶液中に生成する水を除去することが望ましい。
Dehydration conditions Similar to the dehydration conditions of optional step (a), the dehydration conditions of the optional monoesterification step can be provided by the use of chemical dehydrating agents and / or mechanical dehydrating agents. Thus, the dehydrating conditions can be a chemical dehydrating agent alone, a mechanical dehydrating agent alone, or a combination of a chemical dehydrating agent and a mechanical dehydrating agent. Whether the dehydration condition is chemical or mechanical, the monoesterification reaction solution maintains the concentration of water in the monoesterification reaction solution between about 0 wt% and about 0.08 wt%. It is desirable to remove the water produced therein.

化学脱水剤が利用される場合、化学脱水剤は、モノエステル化反応を妨害しない。例えば、その化学脱水剤はモノエステル化反応の速度を低下させないし、モノエステル化ポリイミドポリマーの収率を低下させない。化学脱水剤は、共沸性化学脱水剤とすることができるか、又はカルボジイミドとすることができる。カルボジイミドが化学脱水剤として使用される場合、除去される水のモル数に基づいて、約1〜約4倍の間の量の化学量論量で使用することができる。共沸性化学脱水剤は、副産物である水と共沸混合物を形成し、これは、モノエステル化反応溶液からの沸騰により取り除くことができる。このような共沸性化学脱水剤は、当業者に周知であり、ODCB、ベンゼン、トルエン、及びそれらの混合物を含む。   When a chemical dehydrating agent is utilized, the chemical dehydrating agent does not interfere with the monoesterification reaction. For example, the chemical dehydrating agent does not reduce the rate of monoesterification reaction and does not reduce the yield of monoesterified polyimide polymer. The chemical dehydrating agent can be an azeotropic chemical dehydrating agent or can be a carbodiimide. When carbodiimide is used as a chemical dehydrating agent, it can be used in a stoichiometric amount of between about 1 and about 4 times based on the number of moles of water removed. The azeotropic chemical dehydrating agent forms an azeotrope with the by-product water, which can be removed by boiling from the monoesterification reaction solution. Such azeotropic chemical dehydrating agents are well known to those skilled in the art and include ODCB, benzene, toluene, and mixtures thereof.

共沸性化学脱水剤が、化学脱水剤として使用される場合、比較的多量、例えば、ポリイミドポリマー1グラムあたり約1ml〜約4mlの間で使用することができる。このような多量の共沸性化学脱水剤は、モノエステル化反応によって生成する水がモノエステル化反応溶液から除去されることを確実とする。   When an azeotropic chemical dehydrating agent is used as the chemical dehydrating agent, it can be used in relatively large amounts, for example, between about 1 ml to about 4 ml per gram of polyimide polymer. Such a large amount of azeotropic chemical dehydrating agent ensures that the water produced by the monoesterification reaction is removed from the monoesterification reaction solution.

化学脱水剤は、定期的にモノエステル化反応溶液に添加することもできる。例えば、ODCBを定期的に添加することができる。本明細書に記載されている方法の一実施形態によれば、化学脱水剤は、3回の個別のバッチでモノエステル化反応溶液に加えられる。   The chemical dehydrating agent can be periodically added to the monoesterification reaction solution. For example, ODCB can be added periodically. According to one embodiment of the method described herein, the chemical dehydrating agent is added to the monoesterification reaction solution in three separate batches.

ステップ(a)におけるのと同様に、機械的脱水剤は、水を除去するよう設計されている物理システムである。例示的な機械的脱水剤は、ディーン−スタークトラップである。ディーン−スタークトラップは、当業者に周知である。モノエステル化反応溶液から蒸留された水がモノエステル化反応溶液に戻るのを防止するいかなる機械システムも好適である。   As in step (a), the mechanical dehydrating agent is a physical system designed to remove water. An exemplary mechanical dehydrating agent is a Dean-Stark trap. Dean-Stark traps are well known to those skilled in the art. Any mechanical system that prevents water distilled from the monoesterification reaction solution from returning to the monoesterification reaction solution is suitable.

脱水条件がステップ(a)において利用される場合、モノエステル化の脱水条件は、ステップ(a)の脱水条件と同じとすることができる。実際に、これは、本明細書に記載されている全体的な方法を単純にするので、脱水条件を同じとするのが望ましい。従来の重合/イミド化/モノエステル化反応の方法では、ポリイミドポリマーは、反応溶液から沈殿する。しかし、同じ脱水条件がモノエステル化中に利用される場合、この余分の沈殿ステップがなくなる。さらに、ステップ(a)のイミド化反応からそのままの脱水条件を、モノエステル化反応に使用することができる。   When dehydration conditions are utilized in step (a), the dehydration conditions for monoesterification can be the same as the dehydration conditions for step (a). In fact, this simplifies the overall method described herein, so it is desirable to have the same dehydration conditions. In conventional polymerization / imidization / monoesterification reaction methods, the polyimide polymer precipitates from the reaction solution. However, if the same dehydration conditions are utilized during monoesterification, this extra precipitation step is eliminated. Furthermore, the same dehydration conditions from the imidization reaction of step (a) can be used for the monoesterification reaction.

酸触媒
モノエステル化反応において有用な酸触媒は、当業者に周知である。酸触媒はポリイミドポリマーのカルボキシル官能基を活性化し、その結果、ポリイミドポリマーは、モノアルコール又はジオールのヒドロキシル基と反応する。例示的な酸触媒には、パラ−トルエンスルホン酸、硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、及びそれらの混合物が含まれる。利用される脱水条件がカルボジイミドを含む場合、ポリイミドポリマーのカルボキシル官能基がカルボジイミドによって活性化されるので、酸触媒は必要でないことがある。
Acid Catalysts Acid catalysts useful in monoesterification reactions are well known to those skilled in the art. The acid catalyst activates the carboxyl functionality of the polyimide polymer so that the polyimide polymer reacts with the hydroxyl group of the monoalcohol or diol. Exemplary acid catalysts include para-toluenesulfonic acid, sulfuric acid, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, and mixtures thereof. If the dehydration conditions utilized include carbodiimide, an acid catalyst may not be necessary because the carboxyl functionality of the polyimide polymer is activated by carbodiimide.

脱水条件下での任意選択のモノエステル化反応中に存在する酸触媒の量は、モノエステル化ポリイミドポリマーの平均分子量にも影響を及ぼす。より具体的には、使用される酸触媒の量が従来の量より少なく、かつ脱水条件が存在する場合、分子量の減少が、ほとんど起こらないか、分子量の減少がまったく起こらないか、又は分子量の増加さえ起こる。   The amount of acid catalyst present during the optional monoesterification reaction under dehydrating conditions also affects the average molecular weight of the monoesterified polyimide polymer. More specifically, when the amount of acid catalyst used is less than the conventional amount and dehydration conditions exist, there is little or no molecular weight reduction or no molecular weight reduction. Even an increase occurs.

望ましくない分子量の減少を受けることなく、ポリイミドポリマー1グラムあたり、約0ミリグラム〜約2.5ミリグラムの間の酸触媒をモノエステル化反応溶液に加えることができる。他の実施例では、望ましくない分子量の減少を受けることなく、ポリイミドポリマー1グラムあたり、約5.0ミリグラム未満の酸触媒をモノエステル化反応溶液に加えることができる。   Between about 0 milligrams and about 2.5 milligrams of acid catalyst per gram of polyimide polymer can be added to the monoesterification reaction solution without undergoing undesirable molecular weight reduction. In other examples, less than about 5.0 milligrams of acid catalyst per gram of polyimide polymer can be added to the monoesterification reaction solution without incurring undesirable molecular weight reduction.

任意選択のモノエステル化条件
利用される場合、触媒を使用して又は使用しないで、モノエステル化反応溶液は長時間にわたり比較的高温で加熱される。一般に、モノエステル化反応溶液は、約120℃〜約140℃の間の温度で、約12〜30時間、加熱される。
Optional Monoesterification Conditions When utilized, the monoesterification reaction solution is heated at a relatively high temperature for an extended period of time with or without a catalyst. Generally, the monoesterification reaction solution is heated at a temperature between about 120 ° C. and about 140 ° C. for about 12-30 hours.

非架橋ポリイミドポリマーを含む膜
少量の嵩高いジアミンを含むポリイミドポリマーは、比較的高い平均分子量を維持し、機械的に強固で可撓性があり、容易且つ迅速に紡糸することができる。少量の嵩高いジアミンにより、高分子量ポリイミドポリマーの形成が可能になる。架橋がない場合でさえも、少量の嵩高いジアミンにより製造された繊維膜は、高いCO圧でさえも良好な透過度及び選択性を示す。したがって、少量の嵩高いジアミンを含むポリイミドポリマーは、架橋がない場合でさえも、分離膜に好適である。少量の嵩高いジアミンにより、セグメント運動が最小化され、こうして準Tが向上すると考えられる。少量の嵩高いジアミンを含む非架橋ポリイミドポリマーを含む膜は、架橋されていなくとも可塑化に対して驚くほどの耐性を示す。
Film containing non-crosslinked polyimide polymer A polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine maintains a relatively high average molecular weight, is mechanically strong and flexible, and can be spun easily and quickly. A small amount of bulky diamine allows the formation of a high molecular weight polyimide polymer. Even in the absence of crosslinking, fiber membranes made with small amounts of bulky diamines show good permeability and selectivity even at high CO 2 pressures. Therefore, a polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine is suitable for a separation membrane even in the absence of crosslinking. The small amount of bulky diamine, segmental motion is minimized, thus quasi T g is improved. Membranes containing non-crosslinked polyimide polymers with small amounts of bulky diamines are surprisingly resistant to plasticization even if not crosslinked.

本明細書に記載されている通りに生成されたポリイミドポリマーは、約40,000〜約400,000の間の平均分子量を有することができる。一部の実施形態では、ポリイミドポリマーは、少なくとも50,000の平均分子量を有する。一実施形態では、ポリイミドポリマーは、約100,000〜約300,000の間の平均分子量を有する。一実施形態では、ポリイミドポリマーは、約100,000〜約300,000の間の平均分子量を有する。本明細書に記載されている重量平均分子量は、ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)を使用して測定される。ポリイミドポリマーはまた、約2〜約4の間の多分散性指数(polydispersity index)を有していてよい。   Polyimide polymers produced as described herein can have an average molecular weight between about 40,000 and about 400,000. In some embodiments, the polyimide polymer has an average molecular weight of at least 50,000. In one embodiment, the polyimide polymer has an average molecular weight between about 100,000 and about 300,000. In one embodiment, the polyimide polymer has an average molecular weight between about 100,000 and about 300,000. The weight average molecular weight described herein is measured using gel permeation chromatography (GPC). The polyimide polymer may also have a polydispersity index between about 2 and about 4.

本明細書に記載されているポリマー膜を製造する方法は、ポリイミドポリマーにエステル交換条件を施して、架橋膜を形成する能動的なステップを含まない。本明細書に記載されているポリマー膜の製造方法は、脱水条件の存在下、エステル化条件において、ポリイミドポリマーをジオールにより処理する能動的なステップを場合により省略することもできる。本明細書において開示されているポリマー膜は、少量の嵩高いジアミンを有する非架橋ポリイミドポリマーを含み、この膜は30重量%未満の架橋を含む。一部の実施形態では、この膜は、20重量%未満の架橋、又は10重量%未満の架橋を含む。ある特定の実施形態では、この膜は、本質的に架橋を含まない。一部の実施形態では、これらの架橋は、エステル架橋とすることができる。   The method for producing the polymer membrane described herein does not include the active step of subjecting the polyimide polymer to transesterification conditions to form a crosslinked membrane. The polymer film manufacturing method described herein may optionally omit the active step of treating the polyimide polymer with a diol in the presence of dehydration conditions and esterification conditions. The polymer membrane disclosed herein comprises a non-crosslinked polyimide polymer with a small amount of bulky diamine, and the membrane contains less than 30% by weight of crosslinking. In some embodiments, the membrane comprises less than 20 wt% crosslinks, or less than 10 wt% crosslinks. In certain embodiments, the membrane is essentially free of crosslinks. In some embodiments, these crosslinks can be ester crosslinks.

一実施形態では、非架橋膜は、非架橋中空糸膜である。非架橋中空糸膜は、非架橋ポリイミドポリマーから、非架橋中空糸を紡糸するステップを含む方法により製造される。   In one embodiment, the non-crosslinked membrane is a non-crosslinked hollow fiber membrane. The non-crosslinked hollow fiber membrane is produced by a method including a step of spinning the non-crosslinked hollow fiber from the non-crosslinked polyimide polymer.

一部の実施形態では、少量の嵩高いジアミンを組み込んだポリイミドポリマーは、欠損のない中空糸に紡糸されないことがあり、繊維の皮膜に欠損を含むことがある。これらの欠損は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又は架橋シリコーンコーティング剤によって、中空糸をコーティングすることにより封止することができる。したがって、本明細書に記載されている方法は、ポリジメチルシロキサン又は架橋シリコーンコーティング剤の層による浸漬コーティングを場合により含んでよく、このコーティング剤は、本方法において形成する恐れがあるいかなる欠損も塞ぐよう作用する。これは、欠損を封止するための従来の方法である。これらの実施形態では、本方法は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又は架橋シリコーンコーティング剤により中空糸をコーティングすることによって、欠損を封止するステップをさらに含む。   In some embodiments, a polyimide polymer incorporating a small amount of bulky diamine may not be spun into a hollow fiber without defects and may contain defects in the fiber coating. These defects can be sealed by coating the hollow fiber with polydimethylsiloxane (PDMS) or a cross-linked silicone coating agent. Accordingly, the methods described herein may optionally include a dip coating with a layer of polydimethylsiloxane or a cross-linked silicone coating agent that fills any defects that may form in the method. It works like this. This is a conventional method for sealing defects. In these embodiments, the method further comprises sealing the defect by coating the hollow fiber with polydimethylsiloxane (PDMS) or a cross-linked silicone coating agent.

少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーから製造された膜は、当分野で公知の任意の形態、例えば、中空糸、管形状、及び他の膜形状をとることができる。他の膜形状には、スパイラル屈曲型膜、ひだ型膜、フラットシート型膜及び多角形型膜が含まれる。本明細書において開示されている少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーは、キャストされてシート又はフィルムを形成することもできる。これらのシート又はフィルムは、適切な担体上にキャストされて、コンポジットシートをもたらすことができる。シート及びフィルムは、別のポリマーのシート上にキャストすることができる。このポリマー担体は、多孔質の低コストポリマーとすることができる。したがって、この多孔質ポリマーは、本明細書において開示されている、少量の嵩高いジアミンを含有する非架橋高分子量ポリイミドポリマーから形成された、より多孔性が小さいシート又はフィルムの担体として使用することができる。   Membranes made from non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines can take any form known in the art, such as hollow fiber, tubular, and other membrane shapes. Other film shapes include spiral bent films, pleated films, flat sheet films and polygonal films. Non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers containing small amounts of bulky diamines disclosed herein can also be cast to form sheets or films. These sheets or films can be cast on a suitable carrier to provide a composite sheet. Sheets and films can be cast on sheets of other polymers. The polymer carrier can be a porous low cost polymer. Thus, the porous polymer should be used as a carrier for a less porous sheet or film formed from a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer containing a small amount of bulky diamine as disclosed herein. Can do.

非架橋中空糸膜を形成する方法において、非架橋中空糸は、非架橋ポリイミドポリマーから紡糸される。ポリイミドポリマーは、モノエステル化された中空糸へと高い巻き取り速度で紡糸することができる。このような中空糸を製造するため、ポリイミドポリマーを紡糸ドープに配合することができ、これにより、ウェットクエンチ/ドライジェット紡糸法などの紡糸法によって中空糸に紡糸される。ウェットクエンチ/ドライジェット紡糸法は、以下で詳細に議論されるが、他のタイプの紡糸法(例えば、湿式紡糸)を使用して中空糸を形成することができることを理解すべきである。   In the method of forming a non-crosslinked hollow fiber membrane, the non-crosslinked hollow fiber is spun from a non-crosslinked polyimide polymer. The polyimide polymer can be spun into a monoesterified hollow fiber at a high winding speed. In order to produce such a hollow fiber, a polyimide polymer can be blended with the spinning dope, whereby the hollow fiber is spun into a hollow fiber by a spinning method such as a wet quench / dry jet spinning method. Wet quench / dry jet spinning methods are discussed in detail below, but it should be understood that other types of spinning methods (eg, wet spinning) can be used to form hollow fibers.

非架橋ポリイミドポリマーが少量の嵩高いジアミンを含んでいるので、このようなポリマーから形成される非架橋中空糸は、高いCO圧でさえも、良好な選択性及び透過度を示す。非架橋膜は、高圧でさえも、COとCHとの分離に良好な選択性を示す。例えば、5mol%のCF3を含有するPDMCから紡糸された中空糸は、35℃及び100psiaにおいて、約25〜約65の間又は約25〜約50の間の純ガス選択性(CO/CH)を示すことができる。小さな欠損を有する繊維の場合、PDMSによる後処理が利用されることに留意されたい。欠損のない繊維の場合、25以上の選択性を得るために、後処理は必要とされない。 Since non-crosslinked polyimide polymers contain a small amount of bulky diamine, non-crosslinked hollow fibers formed from such polymers show good selectivity and permeability even at high CO 2 pressures. Non-crosslinked membranes show good selectivity for the separation of CO 2 and CH 4 even at high pressure. For example, hollow fibers spun from PDMC containing CF3 of 5 mol%, in 35 ° C. and 100 psia, pure gas selectivity between or between about 25 to about 50 from about 25 to about 65 (CO 2 / CH 4 ). Note that for fibers with small defects, a post-treatment with PDMS is utilized. For fibers without defects, no post treatment is required to obtain a selectivity of 25 or greater.

要約すると、非架橋中空糸膜は、高いCO圧でさえも、嵩高いジアミンを有するポリイミドポリマーから製造される架橋中空糸膜と同じ又は類似の選択性及び透過度を示し、圧力が増大された場合には、嵩高いジアミンを有しないモノエステル化ポリイミドポリマーから製造された非架橋中空糸膜より、かなり良好な選択性及び透過度安定性を示す。 In summary, non-crosslinked hollow fiber membranes exhibit the same or similar selectivity and permeability as crosslinked hollow fiber membranes made from polyimide polymers with bulky diamines, even at high CO 2 pressures, and the pressure is increased. In this case, the non-crosslinked hollow fiber membrane produced from the monoesterified polyimide polymer having no bulky diamine exhibits considerably better selectivity and permeability stability.

紡糸ドープからの中空糸の形成
紡糸ドープは、均質な一相の溶液であり、非架橋ポリイミドポリマー、揮発性構成成分、任意選択の無機添加物、紡糸用溶媒及び紡糸用非溶媒を含むことができる。
Formation of hollow fibers from a spinning dope A spinning dope is a homogeneous one-phase solution that contains a non-crosslinked polyimide polymer, a volatile component, optional inorganic additives, a spinning solvent, and a spinning non-solvent. it can.

ポリマー濃度は、重要事項である。高圧に耐えることが可能な強力な繊維及び膜の形成には、十分なポリマーが存在しなければならない。しかし、ポリマーが多すぎると、膜の下部構造(substructure)の耐性が増加し、膜性能に悪影響を及ぼす。本明細書に記載されている方法の一実施形態では、ポリイミドポリマーは、紡糸ドープ中に、約20重量%〜約50重量%の間の量で存在する。別の実施形態では、ポリイミドポリマーは、紡糸ドープ中に、約25重量%〜約45重量%の間の量で存在する。さらに別の実施形態では、ポリイミドポリマーは、紡糸ドープ中に、約30重量%〜約40重量%の間の量で存在する。   Polymer concentration is an important issue. Sufficient polymer must be present to form strong fibers and membranes that can withstand high pressures. However, too much polymer increases the resistance of the membrane structure and adversely affects membrane performance. In one embodiment of the method described herein, the polyimide polymer is present in the spin dope in an amount between about 20 wt% and about 50 wt%. In another embodiment, the polyimide polymer is present in the spin dope in an amount between about 25 wt% and about 45 wt%. In yet another embodiment, the polyimide polymer is present in the spin dope in an amount between about 30 wt% and about 40 wt%.

揮発性構成成分は、特定の室温蒸気圧及び特定の沸点を有する有機溶媒とすることができる。このような有機溶媒は、中空糸の密な皮膜分離層の形成の一助となる。有機溶媒は、ウェットクエンチ/ドライジェット紡糸法のドライジェットステップの間に、効果的且つ効率的に蒸発し、生成初期の繊維の外側の溶媒蒸発は、より高い濃度において、ポリマー鎖を一層、もつれた状態に維持する一助となると考えられ、これにより、密な皮膜のガラス化及び形成を促進する。有機溶媒の特定の室温蒸気圧は、約0.05bar超とすることができる。或いは、特定の室温蒸気圧は、約0.1bar超とすることができる。別の代替として、特定の室温蒸気圧は、約0.2bar超とすることができる。有機溶媒の特定の沸点は約30℃〜約100℃の間とすることができる。或いは、特定の沸点は、約40℃〜約90℃の間とすることができる。別の代替として、特定の沸点は、約50℃〜約70℃の間とすることができる。   The volatile component can be an organic solvent having a specific room temperature vapor pressure and a specific boiling point. Such an organic solvent helps to form a dense film separation layer of the hollow fiber. The organic solvent evaporates effectively and efficiently during the dry jet step of the wet quench / dry jet spinning process, and the solvent evaporation outside the initial fiber produces more polymer chains at higher concentrations. It is believed that this helps to maintain the wet state, thereby promoting vitrification and formation of a dense film. The specific room temperature vapor pressure of the organic solvent can be greater than about 0.05 bar. Alternatively, the specific room temperature vapor pressure can be greater than about 0.1 bar. As another alternative, the specific room temperature vapor pressure can be greater than about 0.2 bar. The specific boiling point of the organic solvent can be between about 30 ° C and about 100 ° C. Alternatively, the specific boiling point can be between about 40 ° C and about 90 ° C. As another alternative, the specific boiling point can be between about 50 ° C and about 70 ° C.

例示的な有機溶媒には、テトラヒドロフラン(THF)及びアセトンが含まれる。本明細書に記載されている方法の一実施形態では、揮発性構成成分は、紡糸ドープ中に、約5重量%〜約25重量%の間の量で存在する。別の実施形態では、揮発性構成成分は、紡糸ドープ中に、約5重量%〜約20重量%の間の量で存在する。さらに別の実施形態では、揮発性構成成分は、紡糸ドープ中に、約10重量%〜約15重量%の間の量で存在する。   Exemplary organic solvents include tetrahydrofuran (THF) and acetone. In one embodiment of the method described herein, the volatile component is present in the spin dope in an amount between about 5 wt% and about 25 wt%. In another embodiment, the volatile component is present in the spinning dope in an amount between about 5 wt% and about 20 wt%. In yet another embodiment, the volatile component is present in the spin dope in an amount between about 10 wt% and about 15 wt%.

任意選択の無機添加物は、相分離を高め、下部構造の空隙率を増大させ、紡糸ドープの粘度を増加させる。任意選択の無機添加物により、モノエステル化ポリイミドポリマーの相分離に必要な時間が短縮される。   Optional inorganic additives enhance phase separation, increase the porosity of the substructure, and increase the viscosity of the spinning dope. Optional inorganic additives reduce the time required for phase separation of the monoesterified polyimide polymer.

任意選択の無機添加物は、アンチリオトロピック塩とすることができる。本明細書において定義されている通り、用語「アンチリオトロピック塩」は、ポリマー分子以外の溶媒分子と相互作用をする塩を指す。Ekiner O.M.ら、Journal of Membrane Science 53巻(1990年)259〜273頁を参照されたい。例示的なアンチリオトロピック塩には、LiNO、LiClO、MgCl、ZnCl及びNaIが含まれる。 The optional inorganic additive can be an antilyotropic salt. As defined herein, the term “antilyotropic salt” refers to a salt that interacts with solvent molecules other than polymer molecules. Ekiner O. M.M. Et al., Journal of Membrane Science 53 (1990) 259-273. Exemplary antilyotropic salts include LiNO 3 , LiClO 4 , MgCl 2 , ZnCl 2 and NaI.

無機添加物の濃度も重要事項である。無機添加物は、相分離に必要な時間を短縮することができるが、多孔性が中空糸の非ガラス化皮膜層に広がっている場合、過剰の無機添加物(例えば、LiNO)は、欠損形成を引き起こす恐れがあると考えられている。本明細書に記載されている方法の一実施形態では、紡糸ドープ中のアンチリオトロピック塩の濃度は、約0〜約10重量%の間である。別の実施形態では、紡糸ドープ中のアンチリオトロピック塩の濃度は、約2〜約8重量%の間である。さらに別の実施形態では、紡糸ドープ中のアンチリオトロピック塩の濃度は、約4〜約7重量%の間である。 The concentration of inorganic additives is also an important issue. Inorganic additives can reduce the time required for phase separation, but if the porosity spreads over the non-vitrified coating layer of the hollow fiber, excess inorganic additive (eg LiNO 3 ) is deficient. It is thought to cause formation. In one embodiment of the method described herein, the concentration of the antilyotropic salt in the spinning dope is between about 0 and about 10% by weight. In another embodiment, the concentration of antilyotropic salt in the spinning dope is between about 2 and about 8% by weight. In yet another embodiment, the concentration of the antilyotropic salt in the spinning dope is between about 4 and about 7% by weight.

紡糸用溶媒は、高沸点有機溶媒とすることができる。例示的な高沸点有機溶媒は、それらの通常の沸点と一緒に、上の表1に一覧表示されている。水に対して高い親和性を有する高沸点有機溶媒は、紡糸法のウェットクエンチステップ中の中空糸の相分離を高めることができる。NMPは、紡糸に使用されるポリマーの多くを溶解し、他の紡糸用溶媒と比べて比較的穏和で、水に対して高い親和性を有するので、NMPが特に望ましい紡糸用溶媒である。紡糸用溶媒の濃度は、ポリイミドポリマーの分子量、ポリイミドポリマーの多分散性指数、及び紡糸ドープの他の構成成分を含む多くの要因に依存し得、以下で議論されている沈殿法により決定することができる。紡糸用溶媒の濃度は、例えば、約25〜約35重量%の間とすることができる。   The spinning solvent can be a high-boiling organic solvent. Exemplary high boiling organic solvents are listed in Table 1 above, along with their normal boiling points. High boiling organic solvents with high affinity for water can enhance the phase separation of the hollow fibers during the wet quench step of the spinning process. NMP is a particularly desirable spinning solvent because it dissolves many of the polymers used for spinning, is relatively mild compared to other spinning solvents, and has a high affinity for water. The concentration of the spinning solvent can depend on many factors, including the molecular weight of the polyimide polymer, the polydispersity index of the polyimide polymer, and other components of the spinning dope and should be determined by the precipitation method discussed below. Can do. The concentration of the spinning solvent can be, for example, between about 25 and about 35% by weight.

紡糸用非溶媒は、脂肪族アルコールなどのアルコール又は水とすることができる。本明細書に記載されている方法の一実施形態では、紡糸用非溶媒は、より低沸点の脂肪族アルコール、例えばメタノール又はエタノールである。メタノール及びエタノールの通常の沸点はそれぞれ、64.7℃及び78.4℃である。一部の紡糸用非溶媒(例えば、エタノール)は、追加的な揮発性構成成分として機能することもある。紡糸用非溶媒の濃度は、紡糸用溶媒の濃度に直接、依存し、以下で議論されている沈殿法によって決定することもできる。紡糸用非溶媒の濃度は、例えば約15〜約25重量%の間とすることができる。   The non-spinning solvent can be an alcohol such as an aliphatic alcohol or water. In one embodiment of the method described herein, the spinning non-solvent is a lower boiling aliphatic alcohol, such as methanol or ethanol. The normal boiling points of methanol and ethanol are 64.7 ° C and 78.4 ° C, respectively. Some spinning non-solvents (eg, ethanol) may function as an additional volatile component. The concentration of the spinning non-solvent depends directly on the concentration of the spinning solvent and can also be determined by the precipitation method discussed below. The concentration of the spinning non-solvent can be, for example, between about 15 and about 25% by weight.

紡糸用溶媒及び紡糸用非溶媒の濃度は、繰り返し沈殿法によって決定することができ、この場合、紡糸用溶媒及び紡糸用非溶媒の濃度は、ポリイミドポリマー、揮発性構成成分及び任意選択の無機添加物のそれぞれの濃度に依存する。このような沈殿法は、紡糸ドープが均質な一相の溶液となることを確実にするが、ウェットクエンチステップ中の相分離を低減する沈殿点に依然として近接している。   The concentration of spinning solvent and non-spinning solvent can be determined by repeated precipitation, where the concentration of spinning solvent and non-spinning solvent is determined by the polyimide polymer, volatile constituents and optional inorganic additions. Depends on the concentration of each thing. Such a precipitation method ensures that the spinning dope is a homogeneous one-phase solution, but is still in close proximity to the precipitation point, which reduces phase separation during the wet quench step.

沈殿法に従い、非架橋ポリイミドポリマーの濃度、揮発性構成成分、任意選択の無機添加物が設定される。次に、紡糸用溶媒及び紡糸用非溶媒の初期濃度が選択される。これらの濃度における構成成分は、小さな試料用バイアル中で混合される。まず、揮発性構成成分、紡糸用溶媒及び紡糸用非溶媒が混合されて、溶液が形成される。次に、任意選択の無機添加物が溶液に加えられる。任意選択の無機添加物がこの溶液に溶解した後、ポリイミドポリマーがこの溶液に加えられて、紡糸ドープ試料が得られる。ポリマーはバッチで加えて、溶液全体にわたるポリマーの分散を促進することができる。ポリマーが沈殿する場合、紡糸用溶媒の濃度は、約0重量%〜約5重量%の間のどこかに増加させて、最終的な紡糸溶媒濃度に到達させる。紡糸用非溶媒濃度も同様に低下させて、最終的な紡糸用非溶媒の濃度に到達させる。ポリマーが沈殿しない場合、紡糸用溶媒及び/又は紡糸用非溶媒の濃度を変更して、沈殿試験を繰り返す。沈殿点に近い均質な一相の紡糸ドープを実現する最終濃度が得られるまで、繰り返す。   According to the precipitation method, the concentration of non-crosslinked polyimide polymer, volatile constituents and optional inorganic additives are set. Next, initial concentrations of spinning solvent and spinning non-solvent are selected. Components at these concentrations are mixed in small sample vials. First, a volatile component, a spinning solvent, and a spinning non-solvent are mixed to form a solution. Next, optional inorganic additives are added to the solution. After the optional inorganic additive is dissolved in this solution, the polyimide polymer is added to this solution to obtain a spun dope sample. The polymer can be added in batches to facilitate dispersion of the polymer throughout the solution. If the polymer precipitates, the spinning solvent concentration is increased somewhere between about 0% to about 5% by weight to reach the final spinning solvent concentration. The spinning non-solvent concentration is similarly reduced to reach the final spinning non-solvent concentration. If the polymer does not precipitate, repeat the precipitation test, changing the concentration of spinning solvent and / or spinning non-solvent. Repeat until a final concentration is achieved that achieves a homogeneous one-phase spin dope close to the settling point.

多量の紡糸ドープを、これらの最終濃度に応じて調製することができる。沈殿点は、ポリマーの構造及び/又は平均分子量が変化するにつれて変化し得るので、任意のバッチの紡糸ドープを紡糸する前に、少量の紡糸ドープの試料を用いて沈殿法を実施するのが有利である。   Large amounts of spinning dope can be prepared depending on their final concentration. Since the precipitation point can change as the polymer structure and / or average molecular weight changes, it is advantageous to perform the precipitation process with a small amount of spin dope sample before spinning any batch of spin dope. It is.

中空糸を形成するドライジェット/ウェットクエンチ紡糸法
ドライジェット/ウェットクエンチ紡糸法が非架橋高分子量ポリイミドポリマーを中空糸に紡糸するために使用される場合、いくつかの利点が認識され得る。第1に、中空糸は、より速い巻き取り速度で紡糸することができる。第2に、ドライジェットステップは、鎖のからみ(entanglement)を増大することができ、これにより、中空糸上に被膜ができるとの仮説を立てることができる。第3に、高分子量ポリマーはドープの粘度を増加させることができ、これにより、紡糸ドープを高められたドープ温度で紡糸するのが可能となる。このような高められたドープ温度が、蒸発による被膜形成に必要とされる。
Dry Jet / Wet Quench Spinning Method to Form Hollow Fibers A number of advantages can be recognized when dry jet / wet quench spinning method is used to spin non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers into hollow fibers. First, the hollow fiber can be spun at a higher winding speed. Second, the dry jet step can increase chain entanglement, which can be hypothesized that a coating is formed on the hollow fiber. Third, the high molecular weight polymer can increase the viscosity of the dope, which allows the spinning dope to be spun at an elevated dope temperature. Such an increased dope temperature is required for film formation by evaporation.

ドライジェット/ウェットクエンチ紡糸法は当分野において周知である。一般に、ドライジェット/ウェットクエンチ紡糸法では、ポリマーを含む紡糸ドープが、紡糸口金のオリフィスからフィラメントに押し出され、このフィラメントは、ガス層又は非凝固液体によって凝固浴から分離される。フィラメントは、空気などのガス層、又はトルエン若しくはヘプタンなどの非凝固液体を通り、次に、凝固浴へ導かれる。ガス層を介したフィラメントへの運搬は、一般にドライジェット法と呼ばれる。凝固浴は、純水などの水性系、又はメタノールなどの非水性系のどちらかとすることができる。凝固浴を介したフィラメントの運搬は、一般にウェットクエンチ法と呼ばれる。フィラメントが凝固浴を出た後、フィラメントを洗浄することができる。凝固浴は何らかの酸を含有する場合、洗浄はとりわけ重要であり、水単独で、又はアルカリ溶液と水との組合せを用いて実施することができる。フィラメントは乾燥され、回転式ドラムに巻きつけられる。フィラメントは、ドラムで空気乾燥することができ、又はこのドラムは、加熱されて乾燥を促すことができる。   Dry jet / wet quench spinning methods are well known in the art. In general, in the dry jet / wet quench spinning method, a spinning dope containing a polymer is extruded from a spinneret orifice into a filament, which is separated from the coagulation bath by a gas layer or a non-coagulated liquid. The filament passes through a gas layer, such as air, or a non-coagulated liquid, such as toluene or heptane, and is then directed to a coagulation bath. The conveyance to the filament through the gas layer is generally called a dry jet method. The coagulation bath can be either an aqueous system such as pure water or a non-aqueous system such as methanol. The conveyance of the filament through the coagulation bath is generally called a wet quench method. After the filament exits the coagulation bath, the filament can be washed. If the coagulation bath contains any acid, cleaning is particularly important and can be carried out with water alone or with a combination of alkaline solution and water. The filament is dried and wound on a rotating drum. The filaments can be air dried on a drum, or the drum can be heated to promote drying.

本明細書に記載されている非架橋中空糸膜を製造する方法の一実施形態によれば、ポリイミドポリマーは、紡糸口金のオリフィスから押し出されて、中空糸が得られる。この中空糸は、空気のガス層、及び脱イオン水の凝固浴から運搬される。この繊維は脱イオン水の浴を出て、巻き取りドラムに巻き取られる。   According to one embodiment of the method for producing the non-crosslinked hollow fiber membrane described herein, the polyimide polymer is extruded from the spinneret orifice to obtain a hollow fiber. This hollow fiber is carried from a gas layer of air and a coagulation bath of deionized water. The fiber leaves the deionized water bath and is wound on a take-up drum.

巻き取りドラムは、繊維を湿潤状態に維持するため、室温の脱イオン水の容器中に一部入れることができる。この繊維は、約10分間〜約20分間の間、巻き取りドラムに放置され、次に、糸状に裁断され、約2日間〜約3日間の間、別の脱イオン水の浴中で放置される。この脱イオン水の浴は、繊維から溶媒を除去する一助となる。次に、表面張力を低下させる非溶媒、例えばエタノール及びヘキサンと流体交換することにより、この繊維を脱水することができる。最終的に、繊維は、空気乾燥及び/又はオーブン乾燥することができる。   The take-up drum can be partially placed in a container of deionized water at room temperature to keep the fibers moist. The fibers are left on the take-up drum for about 10 minutes to about 20 minutes, then cut into yarn and left in another deionized water bath for about 2 days to about 3 days. The This deionized water bath helps remove the solvent from the fiber. The fiber can then be dehydrated by fluid exchange with non-solvents that reduce surface tension, such as ethanol and hexane. Finally, the fibers can be air dried and / or oven dried.

本明細書に記載されている方法によれば、紡糸口金オリフィスは、従来の紡糸方法において使用されるものよりも小さな寸法を有することができる。紡糸口金寸法がより小さいと、高圧条件下で使用することができる膜を製造するのに有用な繊維へと、通常の条件下で中空糸を紡糸することが可能になる(すなわち、300ミクロン未満の直径を有する繊維)。紡糸口金寸法がより小さいと、紡糸口金における混合、及び押出成形中のせん断も改善される。さらに、紡糸口金寸法がより小さいと、押出成形速度が増加し、その結果、延伸比(すなわち、巻き取り速度を押出成形速度で除算したもの)が低下する。過度に高い延伸比は、高い配向/伸び応力を引き起こすことがあり、これは、後続の加工中に有害となる恐れがあるので、小さい延伸比が望ましい。   According to the method described herein, the spinneret orifice can have a smaller dimension than that used in conventional spinning methods. Smaller spinneret dimensions allow hollow fibers to be spun under normal conditions (ie, less than 300 microns) into fibers useful for producing membranes that can be used under high pressure conditions. Fiber with a diameter of Smaller spinneret dimensions also improve mixing in the spinneret and shear during extrusion. In addition, smaller spinneret dimensions increase the extrusion rate, resulting in a lower draw ratio (ie, the take-up rate divided by the extrusion rate). A too high stretch ratio can cause high orientation / elongation stress, which can be detrimental during subsequent processing, so a low stretch ratio is desirable.

紡糸口金オリフィスの環直径は、従来の紡糸口金オリフィスのサイズの約半分であってよい。例えば、環直径は、約600ミクロン〜約1300ミクロンの間とすることができ、穿孔針の外径は、約300ミクロン〜約700ミクロンの間とすることができる。   The ring diameter of the spinneret orifice may be about half the size of a conventional spinneret orifice. For example, the ring diameter can be between about 600 microns and about 1300 microns and the outer diameter of the piercing needle can be between about 300 microns and about 700 microns.

延伸比は、150未満とすることができる。或いは、延伸比は、100未満とすることができる。別の代替として、延伸比は、50未満とすることができる。さらに別の代替として、延伸比は、10未満とすることができる。   The draw ratio can be less than 150. Alternatively, the draw ratio can be less than 100. As another alternative, the stretch ratio can be less than 50. As yet another alternative, the draw ratio can be less than 10.

紡糸口金からの押出成形点と脱イオン水の浴の表面との間の距離は、本明細書において、「エアギャップ高さ」(“air gap height”)と呼ばれる。エアギャップ高さは、0cm超でなければならない。エアギャップ高さは、約1cm〜約5cmの間とすることができる。或いは、エアギャップ高さは、約1cm〜約10cmの間とすることができる。別の代替として、エアギャップ高さは、約1cm〜約20cmの間とすることができる。より大きなエアギャップ高さが、皮膜形成に好都合である。   The distance between the extrusion point from the spinneret and the surface of the deionized water bath is referred to herein as the “air gap height”. The air gap height must be greater than 0 cm. The air gap height can be between about 1 cm and about 5 cm. Alternatively, the air gap height can be between about 1 cm and about 10 cm. As another alternative, the air gap height can be between about 1 cm and about 20 cm. A larger air gap height is advantageous for film formation.

同様に、比較的高い紡糸ドープ温度(すなわち、紡糸口金からの押出成形直前の紡糸ドープの温度)が、皮膜形成に好都合である。紡糸ドープ温度は、40℃超とすることができる。或いは、紡糸ドープ温度は、50℃超とすることができる。さらに別の代替として、紡糸ドープ温度は、60℃超とすることができる。   Similarly, a relatively high spinning dope temperature (ie, the temperature of the spinning dope immediately before extrusion from the spinneret) is advantageous for film formation. The spinning dope temperature can be higher than 40 ° C. Alternatively, the spinning dope temperature can be greater than 50 ° C. As yet another alternative, the spinning dope temperature can be greater than 60 ° C.

上記の通り、一実施形態によれば、凝固浴は、脱イオン水を含有する。凝固浴温度が十分に高いと、凝固浴中で、適切な相分離が確実となる。相分離が不適当である場合、繊維は、押出成形後に最初の案内ロール中で粉砕される。凝固浴温度は、約10℃〜約70℃の間とすることができる。或いは、凝固浴温度は、約25℃〜約60℃の間とすることができる。別の代替として、凝固浴温度は、約40℃〜約50℃の間とすることができる。   As described above, according to one embodiment, the coagulation bath contains deionized water. A sufficiently high coagulation bath temperature ensures proper phase separation in the coagulation bath. If phase separation is inappropriate, the fibers are ground in the first guide roll after extrusion. The coagulation bath temperature can be between about 10 ° C and about 70 ° C. Alternatively, the coagulation bath temperature can be between about 25 ° C and about 60 ° C. As another alternative, the coagulation bath temperature can be between about 40 ° C and about 50 ° C.

巻き取り速度(すなわち、中空糸が巻き取りドラムに巻きつけられる速度)は、低分子量ポリマーを紡糸する際に使用される巻き取り速度よりもかなり速くすることができる。これは、本明細書に記載されている高分子量ポリマーは、巻き取り速度がより速いことに伴うより大きな応力に耐えることができることによる。より小さな直径の繊維が必要とされる場合、固定した押出成形速度で巻き取り速度を増加することができる。約20m/分〜約150m/分の間(例えば、約20m/分〜約70m/分の間)の巻き取り速度が、本明細書に記載されている方法により達成可能である。   The winding speed (i.e., the speed at which the hollow fiber is wound on the winding drum) can be significantly faster than the winding speed used in spinning the low molecular weight polymer. This is because the high molecular weight polymers described herein can withstand the greater stresses associated with higher winding speeds. If smaller diameter fibers are required, the winding speed can be increased at a fixed extrusion speed. Winding speeds between about 20 m / min and about 150 m / min (eg, between about 20 m / min and about 70 m / min) can be achieved by the methods described herein.

紡糸口金を囲む空気の面速度は、50ft/分超とすることができる。或いは、紡糸口金を囲む空気の面速度は、80ft/分超とすることができる。別の代替として、紡糸口金を囲む空気の面速度は、100ft/分超とすることができる。   The surface velocity of the air surrounding the spinneret can be greater than 50 ft / min. Alternatively, the surface velocity of the air surrounding the spinneret can be greater than 80 ft / min. As another alternative, the face velocity of the air surrounding the spinneret can be greater than 100 ft / min.

膜を使用する方法
分離されるガスを含有している混合物は、本明細書において開示されている膜にガス混合物を通すことにより濃縮(enrich)することができる。濃縮されるこのようなガス混合物は、海上井を含む、石油井又はガス井などの炭化水素井に由来することができる。分離される液体混合物も、本明細書において開示されている膜にこの液体混合物を通すことによって濃縮することが可能である。
Method Using Membrane The mixture containing the gas to be separated can be enriched by passing the gas mixture through the membrane disclosed herein. Such gas mixtures to be concentrated can be derived from hydrocarbon wells, such as petroleum wells or gas wells, including offshore wells. The separated liquid mixture can also be concentrated by passing the liquid mixture through the membrane disclosed herein.

例えば、非架橋ポリイミドポリマーを含む膜を使用して、以下によって複数種のガスを分離することができる:
(a)空気、メタンと窒素との混合物、メタンと水素との混合物、メタンと硫化水素との混合物、製油所流(refinery stream)、二酸化炭素とメタンとの混合物及び合成ガスからなる群から選択されるフィード流を用意するステップであって、
フィード流が、窒素、酸素、水素、硫化水素及び二酸化炭素からなる群から選択されるガス構成成分を含む、ステップ、
(b)膜の上流側と膜の下流側との間の圧力差を維持するステップ、
(c)約20psia〜約4000psiaの間の圧力で、膜の上流側をフィード流と接触させるステップ、
(d)フィード流のうちの速く透過する方の構成成分のモル割合がより大きな、膜の下流側にある透過物流を分離するステップ、並びに
(e)フィード流のうちの速く透過する方の構成成分のモル割合がより小さな、保持流(retentate stream)を分離するステップ。
For example, using a membrane comprising a non-crosslinked polyimide polymer, multiple gases can be separated by:
(A) selected from the group consisting of air, a mixture of methane and nitrogen, a mixture of methane and hydrogen, a mixture of methane and hydrogen sulfide, a refinery stream, a mixture of carbon dioxide and methane, and synthesis gas. Preparing a feed stream to be performed,
The feed stream comprises a gas component selected from the group consisting of nitrogen, oxygen, hydrogen, hydrogen sulfide and carbon dioxide;
(B) maintaining a pressure differential between the upstream side of the membrane and the downstream side of the membrane;
(C) contacting the upstream side of the membrane with the feed stream at a pressure between about 20 psia and about 4000 psia;
(D) separating the permeate stream downstream of the membrane with a higher molar fraction of the faster permeate component of the feed stream; and (e) the faster permeate composition of the feed stream. Separating a retentate stream having a lower mole fraction of components.

フィード流は、約25℃〜200℃の間の温度で、ガス構成成分中で濃縮され得る。一実施形態では、フィード流は35℃の温度で測定される。フィード流は、約50psia〜約4000psiaの圧力で存在することができる。別の代替として、フィード流は、約100psia〜約1000psia、又は約100psia〜約200psiaの圧力で存在することができる。一実施形態では、フィード流は、100psia又は200psiaの圧力で測定される。フィード流の温度は、炭化水素井(例えば、海上井を含む石油井又はガス井)から産出されるその温度とすることができる。これらの条件は、フィード流次第で、日常的な実験を用いて変えることができる。膜の下流側は、真空として維持することができる。   The feed stream can be concentrated in the gas component at a temperature between about 25 ° C and 200 ° C. In one embodiment, the feed flow is measured at a temperature of 35 ° C. The feed stream can be present at a pressure of about 50 psia to about 4000 psia. As another alternative, the feed stream can be present at a pressure from about 100 psia to about 1000 psia, or from about 100 psia to about 200 psia. In one embodiment, the feed flow is measured at a pressure of 100 psia or 200 psia. The temperature of the feed stream can be that temperature produced from a hydrocarbon well (eg, a petroleum or gas well including offshore well). These conditions can be varied using routine experimentation depending on the feed flow. The downstream side of the membrane can be maintained as a vacuum.

様々なガス混合物を、本明細書において開示されている膜を用いて精製することができる。例えば、用途は、窒素及び酸素による空気の濃縮、メタン流からの二酸化炭素の除去、メタン流からの硫化水素の除去、メタン流からの窒素若しくは水素の除去、又は合成ガス流からの一酸化炭素を含む。膜は、製油所流及び他の加工流から、例えばパラフィンの触媒的脱水素化における脱水素化反応の流出液からの水素の分離において使用することもできる。一般に、この膜は、例えば、水素、窒素、メタン、硫化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、ヘリウム及び酸素を含む、ガス混合物を用いる任意の分離法に使用することができる。   Various gas mixtures can be purified using the membranes disclosed herein. For example, applications include concentrating air with nitrogen and oxygen, removing carbon dioxide from a methane stream, removing hydrogen sulfide from a methane stream, removing nitrogen or hydrogen from a methane stream, or carbon monoxide from a syngas stream. including. Membranes can also be used in the separation of hydrogen from refinery streams and other process streams, for example from dehydrogenation reaction effluents in the catalytic dehydrogenation of paraffin. In general, the membrane can be used in any separation method using a gas mixture including, for example, hydrogen, nitrogen, methane, hydrogen sulfide, carbon dioxide, carbon monoxide, helium and oxygen.

さらに精製が必要とされる場合、透過物流中の生成物を追加の膜に通すことができ、且つ/又はこの生成物を当業者に周知の技法を使用する蒸留によって精製することができる。通常、膜システムは、様々な構成で接続された多数のモジュールからなることができる。例えば、背景及び総説に関して、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Prasadら、J.Membrane Sci.、94巻、225〜248頁(1994年)を参照されたい。直列に接続されているモジュールは、フィード流、透過物流及び残留流の分離精製度を向上するため、及び膜システムの性能を最適化するため、フィード流、透過流及び残留流を精製するための設計可能性を多数もたらす。   If further purification is required, the product in the permeate stream can be passed through an additional membrane and / or the product can be purified by distillation using techniques well known to those skilled in the art. Typically, membrane systems can consist of a number of modules connected in various configurations. See, for example, Prasad et al., J. Pat. Membrane Sci. 94, 225-248 (1994). The modules connected in series are used to refine the feed, permeate and residual streams in order to improve the separation and purification of the feed, permeate and residual streams and to optimize the performance of the membrane system. It offers many design possibilities.

本明細書において開示されている膜は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第6,932,859号及び同第7,247,191号において開示されているもののような、分離システムにおいて使用することができる。   The membranes disclosed herein are such as those disclosed in US Pat. Nos. 6,932,859 and 7,247,191, which are incorporated herein by reference in their entirety. Can be used in separation systems.

非架橋高分子量ポリイミドポリマーから製造される膜は、当分野で公知の任意の形態、例えば、中空糸、管形状及び他の膜形状をとることができる。他の膜形状には、スパイラル屈曲型膜、ひだ型膜、フラットシート型膜及び多角形型膜が含まれる。   Membranes made from non-crosslinked high molecular weight polyimide polymers can take any form known in the art, for example, hollow fibers, tubular shapes, and other membrane shapes. Other film shapes include spiral bent films, pleated films, flat sheet films and polygonal films.

本明細書に記載されている中空糸は、そのどちらか一端で注封された束状配列で使用されて管シートを形成し、加圧容器に備え付けられ、それによって、これらの管の内側とこれらの管の外側とを隔離することができる。   The hollow fibers described herein are used in bundled arrangements potted at either end to form tube sheets and are attached to a pressurized container so that the inside of these tubes The outside of these tubes can be isolated.

以下の実施例は、特定の例示として提示されており、限定することを意図するものではない。   The following examples are presented as specific illustrations and are not intended to be limiting.

(例1)
60重量%のNMPに、真空乾燥したモノマー(16.62グラムのDAM、12.24グラムのDABA、及び1.77グラムのCF3ジアミン)を溶解した。ここに、40重量%のNMPに溶解した89.37グラムの6FDA二無水物を加えて、5.5(6FDA−DAM):0.5(6FDA−CF3):4(6FDA−DABA)のモル比を得た。
(Example 1)
In 60 wt% NMP, vacuum dried monomer (16.62 grams DAM, 12.24 grams DABA, and 1.77 grams CF3 diamine) was dissolved. To this was added 89.37 grams of 6FDA dianhydride dissolved in 40% by weight NMP to give a mole of 5.5 (6FDA-DAM): 0.5 (6FDA-CF3): 4 (6FDA-DABA). A ratio was obtained.

この混合物を、室温で窒素パージ下、24時間、重縮合して、ポリアミドポリマーを得た。   This mixture was polycondensed at room temperature under a nitrogen purge for 24 hours to obtain a polyamide polymer.

(例2)
例1のNMP中のポリアミドに、触媒として21.0mlのβ−ピコリンを、186.3mlの無水酢酸と共に加えた。このポリマーを室温で窒素パージ下、24時間、イミド化して、ポリイミドポリマーを得た。このポリイミドをメタノール洗浄し、ろ過した。次に、このポリイミドを、室温で8時間、次に210℃で24時間、乾燥した。
(Example 2)
To the polyamide in NMP of Example 1, 21.0 ml β-picoline as catalyst was added along with 186.3 ml acetic anhydride. This polymer was imidized at room temperature under a nitrogen purge for 24 hours to obtain a polyimide polymer. The polyimide was washed with methanol and filtered. The polyimide was then dried at room temperature for 8 hours and then at 210 ° C. for 24 hours.

(例3)
30〜40重量%の例2のポリマー、25〜35重量%のNMP、紡糸用非溶媒として15〜25重量%のエタノール、揮発性構成成分として10〜15重量%のTHF、及び粘度向上性塩として2〜8重量%のLiNOを含有する紡糸ドープを調製する。次に、この紡糸ドープを使用して、50〜70℃、1〜5cmのエアギャップ、及び20〜70m/分の巻き取り速度で、欠損のない中空糸を紡糸する。
(Example 3)
30-40% by weight of the polymer of Example 2, 25-35% by weight of NMP, 15-25% by weight of ethanol as spinning non-solvent, 10-15% by weight of THF as volatile constituents, and viscosity enhancing salt As a spinning dope containing 2 to 8% by weight of LiNO 3 . Next, using this spinning dope, hollow fibers without defects are spun at 50 to 70 ° C., an air gap of 1 to 5 cm, and a winding speed of 20 to 70 m / min.

(例4)
シェル側フィードにより、50/50体積%のCO/CHの混合ガスを用い、200psi及び35℃で、例3の繊維を試験する。COの透過度は、80GPU超であり、CO/CH選択性は20超である。
(Example 4)
The fiber of Example 3 is tested using a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture at 200 psi and 35 ° C. with shell side feed. The CO 2 permeability is over 80 GPU and the CO 2 / CH 4 selectivity is over 20.

(例5)
60重量%のNMPに、真空乾燥したモノマー(16.62グラムのDAM、12.24グラムのDABA、及び1.77グラムのCF3ジアミン)を溶解した。ここに、40重量%のNMPに溶解した89.37グラムの6FDA二無水物を加えて、5.5(6FDA−DAM):0.5(6FDA−CF3):4(6FDA−DABA)のモル比を得た。
(Example 5)
In 60 wt% NMP, vacuum dried monomer (16.62 grams DAM, 12.24 grams DABA, and 1.77 grams CF3 diamine) was dissolved. To this was added 89.37 grams of 6FDA dianhydride dissolved in 40% by weight NMP to give a mole of 5.5 (6FDA-DAM): 0.5 (6FDA-CF3): 4 (6FDA-DABA). A ratio was obtained.

この混合物を、室温で窒素パージ下、24時間、重縮合して、ポリアミドポリマーを得た。   This mixture was polycondensed at room temperature under a nitrogen purge for 24 hours to obtain a polyamide polymer.

(例6)
例5のNMP中のポリアミドに、触媒として21.0mlのβ−ピコリンを、186.3mlの無水酢酸と共に加えた。このポリマーを室温で窒素パージ下、24時間、イミド化して、ポリイミドポリマーを得た。このポリイミドをメタノール洗浄し、ろ過した。次にこのポリイミドを、室温で8時間、次に210℃で24時間、乾燥した。
(Example 6)
To the polyamide in NMP of Example 5, 21.0 ml β-picoline as catalyst was added along with 186.3 ml acetic anhydride. This polymer was imidized at room temperature under a nitrogen purge for 24 hours to obtain a polyimide polymer. The polyimide was washed with methanol and filtered. The polyimide was then dried at room temperature for 8 hours and then at 210 ° C. for 24 hours.

(例7)
例6で得られた60グラムのポリイミドポリマー及び390グラムのNMPを混合し、約100℃に加熱した。150mlのトルエンを脱水剤として加え、この混合物を約130℃に加熱した。次に、0.3グラムのp−トルエンスルホン酸(p−TSA)を触媒として加えた。次に、202mlの1,3−プロパンジオールをゆっくりと加え、このポリマーを約130℃、窒素パージ下で、24時間、エステル化した。次に、この混合物を約50℃に冷却し、このポリマーを50/50体積%のメタノール/水中で沈殿させた。次に、このモノエステル化ポリマーをメタノール/水により洗浄し、ろ過し、室温で12時間、及び70℃で24時間、乾燥した。
(Example 7)
60 grams of the polyimide polymer obtained in Example 6 and 390 grams of NMP were mixed and heated to about 100 ° C. 150 ml of toluene was added as a dehydrating agent and the mixture was heated to about 130 ° C. Next, 0.3 grams of p-toluenesulfonic acid (p-TSA) was added as a catalyst. Then 202 ml of 1,3-propanediol was slowly added and the polymer was esterified at about 130 ° C. under a nitrogen purge for 24 hours. The mixture was then cooled to about 50 ° C. and the polymer was precipitated in 50/50 vol% methanol / water. The monoesterified polymer was then washed with methanol / water, filtered and dried at room temperature for 12 hours and at 70 ° C. for 24 hours.

(例8)
32重量%の例7のモノエステル化ポリマー、32重量%のNMP、紡糸用非溶媒として15.8重量%のエタノール、揮発性構成成分として13.7重量%のTHF及び粘度向上性塩として6.5重量%のLiNOを含有する紡糸ドープを調製した。
(Example 8)
32% by weight of the monoesterified polymer of Example 7, 32% by weight of NMP, 15.8% by weight of ethanol as spinning non-solvent, 13.7% by weight of THF as volatile constituents and 6 as viscosity-enhancing salt A spin dope containing 5 wt% LiNO 3 was prepared.

(例9)
例8の紡糸ドープを使用して、例6と同じ条件であるが、エアギャップが5cmで中空糸を紡糸した。
(Example 9)
Using the spinning dope of Example 8, hollow fibers were spun under the same conditions as in Example 6, but with an air gap of 5 cm.

(例10)
シェル側フィードにより、50/50体積%のCO/CHの混合ガスを用い、200psi及び35℃で、例9の繊維を試験した。COの透過度は、約95GPUであり、CO/CH選択性は28であった。
(Example 10)
The fiber of Example 9 was tested at 200 psi and 35 ° C. using a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture with shell side feed. The CO 2 permeability was about 95 GPU and the CO 2 / CH 4 selectivity was 28.

(例11)
例9の繊維を、2重量%のポリジメチルシロキサン(PDMS)溶液を用いて、30分間コーティングし、次に、200℃で2時間、真空乾燥した。これらの繊維を、例10と同じ条件で試験した。COの透過度は、約90GPUであり、CO/CH選択性は43であった。
(Example 11)
The fiber of Example 9 was coated with a 2 wt% polydimethylsiloxane (PDMS) solution for 30 minutes and then vacuum dried at 200 ° C. for 2 hours. These fibers were tested under the same conditions as in Example 10. The CO 2 permeability was about 90 GPU and the CO 2 / CH 4 selectivity was 43.

(比較例12)
例9の繊維は、真空下、200℃で架橋し、次に、2重量%のポリジメチルシロキサン(PDMS)溶液を用いて、30分間コーティングし、次に、200℃で2時間、真空乾燥した。次に、これらの繊維を、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードにより、35℃において50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した。図2は、CO透過度が、約82〜92GPUの範囲に留まり、CO/CH選択性が、38〜48の範囲であったことを示している。
(Comparative Example 12)
The fiber of Example 9 was crosslinked at 200 ° C. under vacuum, then coated with a 2 wt% polydimethylsiloxane (PDMS) solution for 30 minutes, and then vacuum dried at 200 ° C. for 2 hours. . Then, these fibers, the pressure on the shell side feed between 200~800Psi, was tested using a 50/50 volume% of CO 2 / CH 4 mixed gas at 35 ° C.. FIG. 2 shows that the CO 2 permeability remained in the range of about 82-92 GPU and the CO 2 / CH 4 selectivity was in the range of 38-48.

(例13)
例11の繊維を、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードにより、35℃において、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した。図3は、COの透過度が、約100〜115GPUの範囲に留まり、CO/CH選択性が38〜42の範囲であったことを示しており、架橋されていなくとも可塑化に対して驚くほどの耐性を示している。例13の繊維も、35℃において、同じ50/50体積%のCO/CHの混合ガスであるが、300ppmのヘプタンを含有している混合ガスを使用して試験して、炭化水素不純物に対する安定性を示した。図4は、これらのフィードの場合のCO透過度及びCO/CH選択性を示している。
(Example 13)
The fibers of Example 11, the shell-side feed pressure between 200~800Psi, at 35 ° C., was tested with 50/50% by volume of CO 2 / CH 4 mixed gas. FIG. 3 shows that the CO 2 permeability remained in the range of about 100-115 GPU and the CO 2 / CH 4 selectivity was in the range of 38-42. It is surprisingly resistant to it. The fiber of Example 13 is also the same 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture at 35 ° C., but tested using a gas mixture containing 300 ppm heptane to determine hydrocarbon impurities. It showed the stability against. FIG. 4 shows the CO 2 permeability and CO 2 / CH 4 selectivity for these feeds.

(比較例14)
中空糸は、6FDA−DAM:6FDA−DABAの比が3:2で、6FDA、DAM及びDABAを使用して本明細書に記載されている通り製造した。
(Comparative Example 14)
Hollow fibers were produced as described herein using 6FDA, DAM and DABA with a ratio of 6FDA-DAM: 6FDA-DABA of 3: 2.

これらの繊維を35℃において、200〜800psiの間の圧力のシェル側フィードにより、50/50体積%のCO/CH混合ガスを用いて試験した。図5は、圧力が最大800psiまで増加するにつれて、CO透過度が著しく向上したことを示している。図6は、圧力が最大800psiまで増加するにつれて、CO/CH選択性が著しく低下したことを示している。 These fibers were tested at 35 ° C. with a 50/50 vol% CO 2 / CH 4 gas mixture with a shell side feed at a pressure between 200 and 800 psi. FIG. 5 shows that the CO 2 permeability improved significantly as the pressure increased up to 800 psi. FIG. 6 shows that the CO 2 / CH 4 selectivity decreased significantly as the pressure increased up to 800 psi.

図5及び図6に示されている通り、少量の嵩高いジアミンを含有していない非架橋ポリイミドポリマーにより形成されたポリマー膜では、これらの膜は透過度の向上及び選択性の低下を示し、これにより、このポリイミドポリマーは、本明細書において開示されているポリマーと比べて、膜にはるかに適さないものとなる。   As shown in FIGS. 5 and 6, in polymer membranes formed with non-crosslinked polyimide polymers that do not contain a small amount of bulky diamine, these membranes show improved permeability and reduced selectivity, This makes this polyimide polymer much less suitable for membranes than the polymers disclosed herein.

本明細書に記載されている方法は、そのある特定の実施形態に関連して記載されているが、添付の特許請求の範囲において定義されている方法の趣旨及び範囲から逸脱することなく、具体的に記載されていない、追加、削除、修正及び置換を行うことができることが当業者により理解されよう。

Although the method described herein has been described in connection with certain specific embodiments thereof, it may be practiced without departing from the spirit and scope of the method as defined in the appended claims. It will be appreciated by those skilled in the art that additions, deletions, modifications and substitutions may be made which are not explicitly described.

Claims (36)

非架橋高分子量ポリイミドポリマーを含む膜を製造する方法であって、
(a)モノマー及び少なくとも1種の溶媒を含む反応溶液からポリイミドポリマーを調製するステップであって、モノマーが二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマー、及び場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含み、ジアミノモノマーの2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物であり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比が0〜2:3である、ステップ、並びに
(b)30重量%未満の架橋を含む非架橋ポリイミドポリマーを含む膜を得るステップ
を含む、上記方法。
A method for producing a film comprising a non-crosslinked high molecular weight polyimide polymer comprising:
(A) preparing a polyimide polymer from a reaction solution comprising a monomer and at least one solvent, wherein the monomer is a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functional group, and optionally a carboxylic acid functional group 2 to 10 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound, and the ratio of the diamino monomer having a carboxylic acid functional group to the diamino monomer having no carboxylic acid functional group is 0 to 2: 3 And (b) obtaining a film comprising a non-crosslinked polyimide polymer comprising less than 30% by weight of crosslinking.
ポリイミドポリマーをエステル化条件でジオールにより処理するステップを含まない、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, comprising no step of treating the polyimide polymer with a diol under esterification conditions. ステップ(b)において得られた膜が10重量%未満の架橋を含む、請求項1に記載の方法。   The process according to claim 1, wherein the membrane obtained in step (b) comprises less than 10% by weight of crosslinking. ステップ(b)において得られた膜が本質的に架橋を含まない、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1 wherein the membrane obtained in step (b) is essentially free of cross-linking. 30重量%未満の架橋がエステル架橋である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1 wherein less than 30 wt% of the crosslinks are ester crosslinks. 前記モノマーが、
(a)Aが式(I)の二無水物である、二無水物モノマーA:

(X及びXは、独立して、ハロゲン化アルキル、フェニル又はハロゲンであり、
、R、R、R、R及びRは、独立して、H、アルキル又はハロゲンである)、
(b)カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーB、及び
(c)場合により、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーC
を含み、
ジアミノモノマーの2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dである、
請求項1に記載の方法。
The monomer is
(A) A dianhydride monomer A wherein A is a dianhydride of formula (I):

(X 1 and X 2 are independently alkyl halide, phenyl or halogen;
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently H, alkyl or halogen),
(B) a diamino monomer B having no carboxylic acid functional group, and (c) a diamino monomer C optionally having a carboxylic acid functional group.
Including
2-10 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound D.
The method of claim 1.
Aが、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDA)であり、Bが、2,4,6−トリメチル−m−フェニレンジアミン(DAM)であり、Cが3,5−ジアミノ安息香酸(DABA)であり、CとBとの比が1:16〜2:3である、請求項6に記載の方法。   A is 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA), B is 2,4,6-trimethyl-m-phenylenediamine (DAM), and C is 3,5 The method according to claim 6, which is diaminobenzoic acid (DABA) and the ratio of C to B is from 1:16 to 2: 3. 嵩高いジアミノ化合物Dが、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)、又はそれらの混合物である、請求項7に記載の方法。   The bulky diamino compound D is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline ( The method of claim 7, which is CF3), or a mixture thereof. ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dである、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein 2 to 5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound D. 嵩高いジアミノ化合物Dが、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)、又はそれらの混合物を含む、請求項1に記載の方法。   The bulky diamino compound D is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline ( 2. The method of claim 1, comprising CF3), or a mixture thereof. 前記モノマーが、二無水物モノマー、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーを含み、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーを含まず、ジアミノモノマーの2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物である、請求項1に記載の方法。   The monomer includes a dianhydride monomer, a diamino monomer having no carboxylic acid functional group, no diamino monomer having a carboxylic acid functional group, and 2 to 10 mol% of the diamino monomer being a bulky diamino compound. Item 2. The method according to Item 1. 前記モノマーが、二無水物モノマー及びカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーから本質的になり、ジアミノモノマーの2〜10モル%が嵩高いジアミノ化合物である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the monomer consists essentially of a dianhydride monomer and a diamino monomer having no carboxylic acid functional group, and 2 to 10 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound. カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーとカルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーとの比が、1:16〜2:3である、請求項1に記載の方法。   The process according to claim 1, wherein the ratio of diamino monomer having a carboxylic acid functional group to diamino monomer having no carboxylic acid functional group is from 1:16 to 2: 3. ポリイミドポリマーが、ゲル透過クロマトグラフィーによって測定して、100,000〜300,000の平均分子量を有する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the polyimide polymer has an average molecular weight of 100,000 to 300,000 as measured by gel permeation chromatography. ステップ(b)の膜が、35℃及び100psiaの圧力において測定して、少なくとも20GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the membrane of step (b) exhibits a CO 2 permeability of at least 20 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. ステップ(b)の膜が、35℃及び100psiaの圧力において測定して、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the membrane of step (b) exhibits a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. ステップ(b)の膜が、35℃及び400psiaの圧力において測定して、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the membrane of step (b) exhibits a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 400 psia. 膜が非架橋中空糸膜であり、当該方法が、ポリイミドポリマーから中空糸を紡糸するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the membrane is a non-crosslinked hollow fiber membrane and the method further comprises spinning hollow fibers from a polyimide polymer. 非架橋ポリイミドポリマーを含む膜をポリジメチルシロキサンによりコーティングするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising coating a film comprising non-crosslinked polyimide polymer with polydimethylsiloxane. ステップ(a)においてポリイミドポリマーを調製した後に、エステル化条件でポリイミドポリマーをモノアルコールにより処理するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, further comprising treating the polyimide polymer with monoalcohol under esterification conditions after preparing the polyimide polymer in step (a). 少なくとも50,000の平均分子量を有し、モノマーA+B+場合によりCを含むポリイミドポリマーから形成されたポリイミドポリマー膜材料を含む、中空糸ポリマー膜であって、
Aが、以下の式の二無水物

(式中、X及びXは、同一の又は異なる、ハロゲン化アルキル基、フェニル又はハロゲンであり、
、R、R、R、R及びRは、H、アルキル又はハロゲンである)
であり、
Bが、カルボン酸官能基を有しない環式ジアミノ化合物であり、
Cが、カルボン酸官能基を有する環式ジアミノ化合物であり、
ジアミノモノマーB及びCの2〜10モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dであり、CとBとの比が、0〜2:3であり、
ポリイミドポリマー膜材料が、30重量%未満の架橋を含む、
上記中空糸ポリマー膜。
A hollow fiber polymer membrane comprising a polyimide polymer membrane material having an average molecular weight of at least 50,000 and formed from a polyimide polymer comprising monomer A + B + optionally C.
A is a dianhydride of the following formula

Wherein X 1 and X 2 are the same or different halogenated alkyl groups, phenyl or halogen,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are H, alkyl or halogen)
And
B is a cyclic diamino compound having no carboxylic acid functional group,
C is a cyclic diamino compound having a carboxylic acid functional group,
2 to 10 mol% of the diamino monomers B and C are bulky diamino compounds D, and the ratio of C and B is 0 to 2: 3,
The polyimide polymer film material comprises less than 30% by weight of crosslinking,
The hollow fiber polymer membrane.
CとBとの比が、1:16〜2:3である、請求項21に記載の膜。   The membrane according to claim 21, wherein the ratio of C to B is from 1:16 to 2: 3. CとBとの比が、0〜1:16である、請求項21に記載の膜。   The membrane according to claim 21, wherein the ratio of C to B is from 0 to 1:16. ポリイミドポリマーがカルボン酸官能基を有するジアミノモノマーCを含まない、請求項21に記載の膜。   The film of claim 21, wherein the polyimide polymer does not include diamino monomer C having a carboxylic acid functional group. ポリイミドポリマー膜材料が、10重量%未満の架橋を含む、請求項21に記載の膜。   The membrane of claim 21 wherein the polyimide polymer membrane material comprises less than 10 wt% crosslinks. ポリイミドポリマー膜材料が、本質的に架橋を含まない、請求項21に記載の膜。   The membrane of claim 21, wherein the polyimide polymer membrane material is essentially free of crosslinks. 30重量%未満の架橋がエステル架橋である、請求項21に記載の膜。   The membrane of claim 21 wherein less than 30 wt% of the crosslinks are ester crosslinks. Aが、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDA)であり、Bが、2,4,6−トリメチル−m−フェニレンジアミン(DAM)であり、Cが3,5−ジアミノ安息香酸(DABA)である、請求項21に記載の膜。   A is 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA), B is 2,4,6-trimethyl-m-phenylenediamine (DAM), and C is 3,5 The membrane according to claim 21, which is diaminobenzoic acid (DABA). 嵩高いジアミノ化合物Dが、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)、又はそれらの混合物である、請求項21に記載の膜。   The bulky diamino compound D is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3), 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine, 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline ( The film according to claim 21, which is CF3) or a mixture thereof. ポリイミドポリマーが、ゲル透過クロマトグラフィーによって測定して100,000〜300,000の平均分子量を有する、請求項21に記載の膜。   The membrane of claim 21, wherein the polyimide polymer has an average molecular weight of 100,000 to 300,000 as measured by gel permeation chromatography. ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dである、請求項21に記載の膜。   The film according to claim 21, wherein 2 to 5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound D. 二無水物モノマーAが4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDA)であり、カルボン酸官能基を有しないジアミノモノマーBが2,4,6−トリメチル−m−フェニレンジアミン(DAM)であり、カルボン酸官能基を有するジアミノモノマーCが3,5−ジアミノ安息香酸(DABA)であり、嵩高いジアミノ化合物Dが2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(2CF3)、5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン又は4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(CF3)である、請求項21に記載の膜。   The dianhydride monomer A is 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA), and the diamino monomer B having no carboxylic acid functional group is 2,4,6-trimethyl-m-phenylenediamine (DAM), the diamino monomer C having a carboxylic acid functional group is 3,5-diaminobenzoic acid (DABA), and the bulky diamino compound D is 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (2CF3). The film of claim 21, wherein the film is 5- (trifluoromethyl) -1,3-phenylenediamine or 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (CF 3). ジアミノモノマーの2〜5モル%が、嵩高いジアミノ化合物Dである、請求項32に記載の膜。   The film according to claim 32, wherein 2 to 5 mol% of the diamino monomer is a bulky diamino compound D. 35℃及び100psiaの圧力において測定して、少なくとも20GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項21に記載の膜。 The membrane of claim 21, wherein the membrane exhibits a CO 2 permeability of at least 20 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. 35℃及び100psiaの圧力において測定して、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項21に記載の膜。 The membrane of claim 21, wherein the membrane exhibits a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 100 psia. 35℃及び400psiaの圧力において測定して、少なくとも40GPUのCO透過度、及び20超のCO/CH選択性を示す、請求項21に記載の膜。

The membrane of claim 21, wherein the membrane exhibits a CO 2 permeability of at least 40 GPU and a CO 2 / CH 4 selectivity greater than 20 as measured at 35 ° C. and a pressure of 400 psia.

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