JP2021159915A - Polymer composite thin film - Google Patents

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Abstract

To provide a polymer composite thin film 1 comprising a high gas separation function by being formed extremely thin, by a more simplified structure in which, a nano film having flexible functionality and a nano support medium excellent in mechanical strength are combined (conjugated), and comprising practical structure stability (self standing properties).SOLUTION: There is provided a polymer composite thin film 1 in which, a polymer thin film 2 whose thickness is equal to or smaller than 100 nm is conjugated to a fibrous structure (cellulose nanofiber 3) having a diameter smaller than the thickness of the polymer thin film 2, therefore the polymer composite thin film having self standing properties, can be acquired.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、主に高分子材料を含む高分子複合薄膜、特に高い機能性を備えるとともに膜強度を大幅に向上させた高分子複合薄膜に関する。 The present invention mainly relates to a polymer composite thin film containing a polymer material, particularly a polymer composite thin film having high functionality and significantly improved film strength.

昨今、有機・無機ナノ膜への関心が高まっている。無機系においては無機の炭素化合物であるGrapheneの特異な物性が世界的に注目され、国際的な開発競争は一挙に激しくなった。この傾向は更にMoSなど他のナノ厚みを持つ無機材料にも広がり、現在では2次元材料として新しい研究分野を生み出すに至っている。 Recently, interest in organic / inorganic nanofilms is increasing. In the inorganic system, the peculiar physical properties of Graphene, which is an inorganic carbon compound, have attracted worldwide attention, and international development competition has intensified at once. This tendency has further spread to other inorganic materials with nano-thickness such as MoS 2 , and now it has created a new research field as a two-dimensional material.

一方、有機系では、ナノオーダの厚みを持つ生体膜について、生化学的、生物物理学的な立場からの研究が膨大である。また産業資材としての有機ナノ膜については2次元材料としてのユニークな特性が期待できるが、実用化を推し進めるうえでは、大面積化、無欠陥、自立性、構造安定性などの実現が必要条件となる。 On the other hand, in organic systems, there is an enormous amount of research on biomembranes with nano-order thickness from a biochemical and biophysical standpoint. In addition, organic nanofilms as industrial materials can be expected to have unique characteristics as two-dimensional materials, but in order to promote practical application, it is necessary to realize large area, defect-free, independence, structural stability, etc. Become.

産業資材としての有機ナノ膜の一例として、ナノオーダの厚みを活かしての優れた分離膜の開発に期待が寄せられている。分離膜による分離機能を最大限に発揮するには、高い透過性を確保する観点からできるだけ膜厚を薄くすることが望ましい。しかしその場合、機械的強度が低下して膜として脆弱となり実用に耐えない可能性が大きい。即ち機能的観点に基づき分離膜を薄く構成することと機械的強度との間にはトレードオフの関係がある。この課題を解決するには、膜厚を限界まで薄く構成した機能膜を、その機能を妨げることのない強靭な支持および骨格構造と組み合わせることが有効と考えられる。 As an example of an organic nanomembrane as an industrial material, there are high expectations for the development of an excellent separation membrane utilizing the thickness of nanoorders. In order to maximize the separation function of the separation membrane, it is desirable to make the film thickness as thin as possible from the viewpoint of ensuring high permeability. However, in that case, there is a high possibility that the mechanical strength is lowered and the film becomes fragile and cannot be put into practical use. That is, there is a trade-off relationship between making the separation membrane thin from a functional point of view and mechanical strength. In order to solve this problem, it is considered effective to combine a functional film having a film thickness as thin as possible with a tough support and a skeletal structure that do not interfere with its function.

さて、このような高分子複合薄膜に関する技術として、架橋セルロース樹脂及びセルロースナノファイバーを含有してなるガス分離層を有するガス分離膜であって、架橋セルロース樹脂は、架橋構造中に、−O−M−O−−S−M−S−−NRC(=O)−−NRC(=O)NR−O−CH−O−−S−(CH−S−−OC(=O)O−−SO (R及び−P(=O)(OH)O(Rからなる群から選ばれる少なくとも1種の連結構造を有し、ガス分離層が有機溶媒を10ppm〜5000ppm含有する、ガス分離膜(式中、Mは2〜4価の金属原子を表し、R、R、R及びRはそれぞれ独立に、水素原子又はアルキル基を表す。は連結部位を示す。)が知られている。(特許文献1) As a technique for such a polymer composite thin film, it is a gas separation membrane having a gas separation layer containing a crosslinked cellulose resin and cellulose nanofibers, and the crosslinked cellulose resin has a * −O in the crosslinked structure. -M-O- * , * -S-M-S- * , * -NR a C (= O)- * , * -NR b C (= O) NR b- * , * -O-CH 2- O- * , * -S- (CH 2 ) 2 -S- * , * -OC (= O) O- * , * -SO 3 - N + (R c ) 3- * and * -P (= O) ) (OH) O - N + (R d) 3 - at least one coupling structure is selected from the group consisting of * the gas separation layer contains 10ppm~5000ppm the organic solvent, the gas separation membrane (in the formula , M represents a 2- to 4-valent metal atom, and Ra , R b , R c and R d each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group. * Indicates a linking site). .. (Patent Document 1)

特許文献1によれば、架橋構造中に特定の連結構造を有する架橋セルロース樹脂を用いてガス分離層を形成したガス分離膜とすることで、優れたガス透過性とともに優れたガス分離選択性をも有し、高温、高圧且つ高湿条件下で使用しても可塑化しにくく優れたガス分離性能を示し、天然ガス中に存在する不純物成分であるトルエン等の影響も受けにくく、耐折性に優れ種々のモジュール形態への加工が可能であり、しかも高い歩留りで製造することができ、更に使用開始初期から安定したガス分離性能を示すガス分離膜を提供することができるとしている。 According to Patent Document 1, by forming a gas separation membrane in which a gas separation layer is formed by using a crosslinked cellulose resin having a specific linking structure in the crosslinked structure, excellent gas permeability and excellent gas separation selectivity can be obtained. It also has excellent gas separation performance that is hard to plasticize even when used under high temperature, high pressure and high humidity conditions, and is not easily affected by toluene, which is an impurity component present in natural gas, and has good folding resistance. It is said that it can be excellently processed into various module forms, can be manufactured with a high yield, and can provide a gas separation membrane exhibiting stable gas separation performance from the initial stage of use.

特許第6349026号公報Japanese Patent No. 6349026

しかしながら、特許文献1に記載された技術によれば、ガス分離膜を構成するガス分離層にはセルロースナノファイバーが添加されてもよいとされ、ガス分離層の厚みは、50nm〜1μmが好ましいとされているものの、架橋セルロース樹脂を含むガス分離層は、ガス透過性の支持層(多孔質層)の上側に形成されることを前提としている。より具体的には、ガス分離層と多孔質層を併せ持つ複合膜は、多孔質の支持体の少なくとも表面に、ガス分離層をなす成分(セルロース樹脂及び架橋剤)を含む塗布液(ドープ)を塗布することで形成される。このような構成とすることで、結果的にガス分離膜の厚みは10μm〜200μmとなっている。 However, according to the technique described in Patent Document 1, cellulose nanofibers may be added to the gas separation layer constituting the gas separation membrane, and the thickness of the gas separation layer is preferably 50 nm to 1 μm. However, it is premised that the gas separation layer containing the crosslinked cellulose resin is formed on the upper side of the gas permeable support layer (porous layer). More specifically, in the composite membrane having both the gas separation layer and the porous layer, a coating liquid (dope) containing a component (cellulose resin and a cross-linking agent) forming the gas separation layer is applied to at least the surface of the porous support. It is formed by applying. With such a configuration, the thickness of the gas separation membrane is 10 μm to 200 μm as a result.

即ち、特許文献1に記載されたガス分離層は、多孔質層の上に形成されることでガス分離膜として機能しており、当該ナノオーダの厚みを有するガス分離層が単独で自立してガス分離膜を構成しうること、そしてこのガス分離膜がガス分離機能を発揮しうる点については何ら示唆されていない。 That is, the gas separation layer described in Patent Document 1 functions as a gas separation membrane by being formed on the porous layer, and the gas separation layer having the thickness of the nanoorder is independently self-supporting and gas. There is no suggestion that it can form a separation membrane and that this gas separation membrane can exert a gas separation function.

また、当該多孔質層は例えば有機高分子の多孔質膜で構成されているが、この多孔質層の空隙以外の部分についてのガス透過性については何ら言及されておらず、多孔質層が介在することでガス分離膜のトータルとしてのガス透過性を低下させる可能性もある。 Further, although the porous layer is composed of, for example, a porous membrane of an organic polymer, no mention is made of gas permeability in a portion other than the voids of the porous layer, and the porous layer is interposed. This may reduce the total gas permeability of the gas separation membrane.

更に、特許文献1に記載されたガス分離膜は、ガス分離層を架橋構造中に特定の連結構造を有する架橋セルロース樹脂で構成するために、架橋剤として特定の金属錯体を用い、セルロース樹脂との間の配位子交換反応により金属架橋を形成している。この場合、塗布液中のセルロース樹脂と架橋剤としての金属錯体との濃度を一定以下とすることにより塗布液中における配位子交換反応を抑え、更にこの塗布液を多孔質支持層上に薄膜塗布することにより、急激な溶媒の蒸発に伴い配位子交換反応を素早く進行させて、セルロース樹脂に金属架橋構造を形成している。このためガス分離層のミクロな構造が複雑となり、結果として製造工程も複雑なものとなる。 Further, the gas separation membrane described in Patent Document 1 uses a specific metal complex as a cross-linking agent in order to form the gas separation layer with a cross-linked cellulose resin having a specific linking structure in the cross-linked structure, and uses a specific metal complex as a cross-linking agent. A metal crosslink is formed by the ligand exchange reaction between the two. In this case, the concentration of the cellulose resin in the coating liquid and the metal complex as a cross-linking agent is kept below a certain level to suppress the ligand exchange reaction in the coating liquid, and the coating liquid is further thinned on the porous support layer. By coating, the ligand exchange reaction rapidly proceeds with the rapid evaporation of the solvent, and a metal crosslinked structure is formed in the cellulose resin. Therefore, the microstructure of the gas separation layer becomes complicated, and as a result, the manufacturing process becomes complicated.

本発明は、このような従来技術の課題を解決するべく案出されたものであり、柔軟な機能性を備えるナノ膜と機械的強度に優れたナノ支持体を組み合わせる(複合化する)といったより簡易な構成により、極めて薄く構成されることで高機能性であり且つ実用的な構造安定性(自立性)を有する高分子複合薄膜を提供することを目的とする。 The present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and rather than combining (compositing) a nanofilm having flexible functionality and a nanosupport having excellent mechanical strength. It is an object of the present invention to provide a polymer composite thin film having a simple structure and an extremely thin structure, which is highly functional and has practical structural stability (independence).

前記課題を解決するためになされた本発明は、膜厚が100nm以下の高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化されたことで自立性を有することを特徴とする高分子複合薄膜である。 The present invention made to solve the above problems is self-sustaining because a polymer thin film having a film thickness of 100 nm or less is composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the film thickness of the polymer thin film. It is a polymer composite thin film characterized by having.

これによって、高分子薄膜に自立性がない場合であっても、高い機能性と高い機械的強度とを兼ね備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 This makes it possible to obtain a polymer composite thin film having both high functionality and high mechanical strength even when the polymer thin film is not self-supporting.

また、本発明は、膜厚が100nm以下の自立性を有する高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化された高分子複合薄膜である。 Further, the present invention is a polymer composite thin film in which a self-supporting polymer thin film having a film thickness of 100 nm or less is composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the film thickness of the polymer thin film.

これによって、高分子薄膜自体に自立性がある場合にあっては、高い機能性と更に高い機械的強度とを兼ね備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 As a result, when the polymer thin film itself is self-supporting, it is possible to obtain a polymer composite thin film having both high functionality and higher mechanical strength.

また、本発明は、前記繊維状構造物が有機高分子で構成されているものである。 Further, in the present invention, the fibrous structure is composed of an organic polymer.

これによって、高分子複合薄膜をより低コストで製造することが可能となる。 This makes it possible to manufacture a polymer composite thin film at a lower cost.

また、本発明は、前記繊維状構造物をセルロースナノファイバーとしたものである。 Further, in the present invention, the fibrous structure is made into cellulose nanofibers.

これによって、セルロースナノファイバーの材料コストは極めて小さいことから、高分子複合薄膜をより低コストで製造することが可能となる。 As a result, since the material cost of the cellulose nanofibers is extremely small, it becomes possible to manufacture the polymer composite thin film at a lower cost.

また、本発明は、前記高分子薄膜を、主にポリシロキサンで構成したものである。 Further, in the present invention, the polymer thin film is mainly composed of polysiloxane.

これによって、一般にポリシロキサンで構成された薄膜は自立性を備えることから、より機械的強度に優れる高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 As a result, since the thin film generally composed of polysiloxane has independence, it becomes possible to obtain a polymer composite thin film having more excellent mechanical strength.

また、本発明は、前記高分子薄膜を、主に架橋性高分子で構成したものである。 Further, in the present invention, the polymer thin film is mainly composed of a crosslinkable polymer.

これによって、より一般的な高分子材料であるエポキシ樹脂等の架橋性高分子を用いることによっても、高い機能性と高い機械的強度とを備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 This makes it possible to obtain a polymer composite thin film having high functionality and high mechanical strength by using a crosslinkable polymer such as an epoxy resin, which is a more general polymer material.

また、本発明は、前記高分子薄膜がガス分離性を備えるものである。 Further, in the present invention, the polymer thin film has gas separability.

これによって、高分子複合薄膜で気体から所定のガスを除去することが可能となる。 This makes it possible to remove a predetermined gas from the gas with the polymer composite thin film.

また、本発明は、前記高分子薄膜が、二酸化炭素を選択的に透過するものである。 Further, in the present invention, the polymer thin film selectively permeates carbon dioxide.

これによって、高分子複合薄膜を用いて気体から二酸化炭素を除去(分離)することが可能となる。 This makes it possible to remove (separate) carbon dioxide from the gas using the polymer composite thin film.

また、本発明は、前記高分子薄膜が、空気中の酸素と窒素とを分離するものである。 Further, in the present invention, the polymer thin film separates oxygen and nitrogen in the air.

これによって、高分子複合薄膜は空気分離膜として機能し、空気中の酸素濃度や窒素濃度を増加、あるいは低減することが可能となる。 As a result, the polymer composite thin film functions as an air separation membrane, and it becomes possible to increase or decrease the oxygen concentration and the nitrogen concentration in the air.

このように本発明によれば、高い機能性と高い機械的強度とを備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a polymer composite thin film having high functionality and high mechanical strength.

(a)〜(d)は、本発明に係る高分子複合薄膜1の構成を示す説明図(A) to (d) are explanatory views which show the structure of the polymer composite thin film 1 which concerns on this invention. (a)〜(d)は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムに対して同一負荷を加えた際のフィルムの撓みを示す写真(A) to (d) are photographs showing the bending of the films when the same load is applied to the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1. 比較例1及び実施例1で得られたフィルムにおける応力(σ)及びたわみ(ε)の関係を示すグラフA graph showing the relationship between stress (σ) and deflection (ε) in the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1. 円形損傷が発生したCNF/PDMSフィルムの外観を示す写真Photograph showing the appearance of CNF / PDMS film with circular damage

図1(a)〜(d)は、本発明に係る高分子複合薄膜1の構成を示す説明図である。以降、図1を用いて本発明の実施形態について説明する。高分子複合薄膜1は、高分子薄膜2と繊維状構造物としてのセルロースナノファイバー3とから構成されている。 1 (a) to 1 (d) are explanatory views showing the structure of the polymer composite thin film 1 according to the present invention. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. The polymer composite thin film 1 is composed of a polymer thin film 2 and cellulose nanofibers 3 as a fibrous structure.

図1(a)〜(d)に示すように、高分子複合薄膜1は高分子薄膜2の膜内にセルロースナノファイバー3を包含する構成を有している。具体的には、図1(a),同(b)に示すように、セルロースナノファイバー3が全て高分子薄膜2の内部に含まれるとともに、高分子薄膜2が構成する面の一方の側にセルロースナノファイバー3が偏在する態様、同(c)に示すように、セルロースナノファイバー3の一部が高分子薄膜2の外部に露出する態様、あるいは同(d)に示すように、セルロースナノファイバー3が全て高分子薄膜2の内部に含まれるとともに、セルロースナノファイバー3が高分子薄膜2の膜内に均一に分散された態様のいずれであってもよい。 As shown in FIGS. 1 (a) to 1 (d), the polymer composite thin film 1 has a structure in which the cellulose nanofibers 3 are included in the film of the polymer thin film 2. Specifically, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), all the cellulose nanofibers 3 are contained inside the polymer thin film 2, and on one side of the surface formed by the polymer thin film 2. A mode in which the cellulose nanofibers 3 are unevenly distributed, a mode in which a part of the cellulose nanofibers 3 is exposed to the outside of the polymer thin film 2 as shown in the same (c), or a mode in which the cellulose nanofibers 3 are exposed to the outside, or as shown in the same (d). It may be any of the embodiments in which all 3 are contained inside the polymer thin film 2 and the cellulose nanofibers 3 are uniformly dispersed in the film of the polymer thin film 2.

このように本実施形態の高分子複合薄膜1は高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とが複合化された構成を備える。有機高分子であるセルロースナノファイバー3は小繊維(繊維状構造物)としてのフィブリルを形成している。フィブリルは材料としての機械的強度が高く、高分子薄膜2と複合化することで、高分子複合薄膜1は極めて高い機械的強度を発現する。またセルロースナノファイバー3は資源として豊富な木材等から機械的解繊等によって低コストで製造され、更に植物繊維であることから環境にも配慮した材料である。 As described above, the polymer composite thin film 1 of the present embodiment has a configuration in which the polymer thin film 2 and the cellulose nanofibers 3 are composited. Cellulose nanofibers 3, which are organic polymers, form fibrils as small fibers (fibrous structures). Fibril has high mechanical strength as a material, and by combining with the polymer thin film 2, the polymer composite thin film 1 exhibits extremely high mechanical strength. Further, the cellulose nanofiber 3 is produced from wood or the like, which is abundant as a resource, at low cost by mechanical defibration or the like, and is an environmentally friendly material because it is a plant fiber.

高分子薄膜2を構成する材料としては、例えばビニル高分子、ポリシロキサン、架橋性高分子を好適に用いることができる。ここでビニル高分子やポリシロキサンは、例えばガス分離性といった機能性を有効に発揮しうる膜厚(例えば100nm以下)において、材料単独では機械的強度(自立性)を確保できないとされている。この場合、ビニル高分子やポリシロキサンを主成分とする高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とを複合化することで、これらを成分とする高分子複合薄膜1の機能性と自立性とを両立することが可能となる。 As a material constituting the polymer thin film 2, for example, a vinyl polymer, a polysiloxane, or a crosslinkable polymer can be preferably used. Here, it is said that vinyl polymer and polysiloxane cannot secure mechanical strength (independence) by themselves at a film thickness (for example, 100 nm or less) at which functionality such as gas separability can be effectively exhibited. In this case, by combining the polymer thin film 2 containing a vinyl polymer or polysiloxane as a main component and the cellulose nanofibers 3, the functionality and independence of the polymer composite thin film 1 containing these components are compatible. It becomes possible to do.

他方架橋性高分子は、機能性を有効に発揮しうる膜厚(ビニル高分子やポリシロキサンと同様に、例えば100nm以下)においても材料単独で自立性を備えるとされている。ここで、架橋性高分子(架橋高分子)とは、複数の線状高分子鎖を化学反応で結合させることで三次元的な網目構造(架橋構造)を備える高分子をいい、例えば官能基としてのエポキシ基とアミノ基とが化学反応によって架橋したエポキシ樹脂を含む。 On the other hand, the crosslinkable polymer is said to have self-sustaining property by itself even at a film thickness (similar to vinyl polymer and polysiloxane, for example, 100 nm or less) at which the functionality can be effectively exhibited. Here, the crosslinkable polymer (crosslinked polymer) refers to a polymer having a three-dimensional network structure (crosslinked structure) by bonding a plurality of linear polymer chains by a chemical reaction, for example, a functional group. Includes an epoxy resin in which an epoxy group and an amino group are crosslinked by a chemical reaction.

なお、エポキシ樹脂については、膜厚を20nmに構成した自立性を備える高分子薄膜の例が、「A Large, Freestanding, 20nm Thick Nanomembrane Based on an Epoxy Resin, H. Watanabe T. Kunitake, Volume19, Issue7, Pages 909−912, 2007」
(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200601630)
に掲載されている。
As for the epoxy resin, an example of a polymer thin film having a film thickness of 20 nm and having self-supporting property is "A Large, Freestanding, 20 nm Stick Nanomembrane Based on Epixy Resin, H. Watanabe T. Kunitake, H. Watanabe T. Kune , Pages 909-912, 2007 "
(Https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200601630)
It is published in.

架橋性高分子を主成分とする高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とを複合化することで、これらを成分とする高分子複合薄膜1は機能性とともに更に強靭な機械的強度を確保することが可能となる。 By combining a polymer thin film 2 containing a crosslinkable polymer as a main component and a cellulose nanofiber 3, the polymer composite thin film 1 containing these components is to ensure not only functionality but also tougher mechanical strength. Is possible.

さて、本実施形態では高分子薄膜2の膜厚D2は100nm以下とされている。高分子薄膜2の膜厚D2を100nm以下とすることで、高分子複合薄膜1の機能性(ここではガス分離性)を大幅に高めることが可能となる。更に、本実施形態では高分子複合薄膜1の膜厚D1も100nm以下とされている。 By the way, in this embodiment, the film thickness D2 of the polymer thin film 2 is set to 100 nm or less. By setting the film thickness D2 of the polymer thin film 2 to 100 nm or less, the functionality (here, gas separability) of the polymer composite thin film 1 can be significantly enhanced. Further, in the present embodiment, the film thickness D1 of the polymer composite thin film 1 is also set to 100 nm or less.

即ち、図1(a),(b),(d)の構成においてセルロースナノファイバー3を膜内に完全に包含する高分子薄膜2は高分子複合薄膜1そのものであることから高分子複合薄膜1の膜厚D1=高分子薄膜2の膜厚D2であり、図1(c)のようにセルロースナノファイバー3の一部が高分子薄膜2から露出する構成においては、高分子複合薄膜1の膜厚D1>高分子薄膜2の膜厚D2である。 That is, in the configurations of FIGS. 1A, 1B, and 1D, the polymer thin film 2 completely including the cellulose nanofibers 3 in the film is the polymer composite thin film 1 itself, so that the polymer composite thin film 1 is used. The film thickness D1 = the film thickness D2 of the polymer thin film 2, and in the configuration in which a part of the cellulose nanofibers 3 is exposed from the polymer thin film 2 as shown in FIG. 1C, the film of the polymer composite thin film 1 Thickness D1> Thickness D2 of the polymer thin film 2.

セルロースナノファイバー3は高分子薄膜2の膜厚よりも小さい直径(例えば4nm〜90nm)を備える。セルロースナノファイバー3の直径を高分子薄膜2の膜厚より小さくすることにより高分子薄膜2の機能性が十分に発揮される。逆にセルロースナノファイバー3の直径を高分子薄膜2の膜厚以上のサイズとすると、膜の実質的な表面積が減少することで、機能性を発揮することが困難となる。 The cellulose nanofiber 3 has a diameter (for example, 4 nm to 90 nm) smaller than the film thickness of the polymer thin film 2. By making the diameter of the cellulose nanofibers 3 smaller than the thickness of the polymer thin film 2, the functionality of the polymer thin film 2 is fully exhibited. On the contrary, when the diameter of the cellulose nanofibers 3 is set to a size equal to or larger than the film thickness of the polymer thin film 2, the substantial surface area of the film is reduced, and it becomes difficult to exhibit the functionality.

なお、図1では、同一の繊維長をなすセルロースナノファイバー3が特定の方向に整列しているように記載されているが、あくまでも模式的に記載したにすぎない。実際はセルロースナノファイバー3の繊維長は様々(5μm以上)であり、更にセルロースナノファイバー3はあらゆる方向に配向し、複雑に絡み合った状態で高分子薄膜2に包含されている。 In addition, although it is described in FIG. 1 that the cellulose nanofibers 3 having the same fiber length are aligned in a specific direction, it is merely schematically described. In reality, the fiber lengths of the cellulose nanofibers 3 vary (5 μm or more), and the cellulose nanofibers 3 are oriented in all directions and are included in the polymer thin film 2 in a complicatedly entangled state.

さて、本実施形態では繊維状構造物として、酸化セルロースナノファイバー(酸化CNF)、セルロースナノファイバー3と酸化セルロースナノファイバーとの混合物など有機高分子であるセルロースナノファイバー類を好適に用いることが可能であるが、繊維状構造物として他の有機高分子を用いてもよい。他の有機高分子としては、例えば、電解紡糸等の製法で作成される高分子、微細な繊維が束になり血液凝固に関わるタンパク質であるフィブリン、ペプチド、コラーゲン等を用いることができ、更に、デオキシリボ核酸(DNA:deoxyribonucleic acid)やリボ核酸(RNA:ribonucleic acid)を用いてもよい。 By the way, in this embodiment, as the fibrous structure, cellulose nanofibers which are organic polymers such as cellulose oxide nanofiber (CNF oxide) and a mixture of cellulose nanofiber 3 and cellulose oxide nanofiber can be preferably used. However, other organic polymers may be used as the fibrous structure. As other organic polymers, for example, polymers produced by a manufacturing method such as electrolytic spinning, fibrin, peptide, collagen, etc., which are proteins involved in blood coagulation in which fine fibers are bundled, can be used, and further. Deoxyribonucleic acid (DNA: deoxyribonucleic acid) or ribonucleic acid (RNA: ribonucleic acid) may be used.

ここで、例えば繊維状構造物としてDNAを採用した場合、DNAは直径2nmの繊維であるから、高分子複合薄膜1の膜厚が2nmより大きければ、機能性と機械的強度とを両立できることとなる。即ち、本発明に係る高分子複合薄膜1の膜厚は繊維状構造物を選択することで、2nm〜100nmの範囲をとり得る。また、繊維状構造物をセルロースナノファイバー3に限定した場合であっても、膜厚は4nm〜100nmの範囲をとり得る。 Here, for example, when DNA is adopted as the fibrous structure, since the DNA is a fiber having a diameter of 2 nm, if the film thickness of the polymer composite thin film 1 is larger than 2 nm, both functionality and mechanical strength can be achieved. Become. That is, the film thickness of the polymer composite thin film 1 according to the present invention can be in the range of 2 nm to 100 nm by selecting a fibrous structure. Further, even when the fibrous structure is limited to the cellulose nanofiber 3, the film thickness can be in the range of 4 nm to 100 nm.

以下、本発明の実施例1について説明する。まずセルロースナノファイバー3(以降「CNF」と称することがある。)(中越パルプ工業製,Nanoforest−S(Nanoforestは登録商標))が0.11重量パーセントのCNF分散液を作製し、これにイオン交換水を加えて、所定CNF濃度のCNF水溶液を調製し、以降の操作に用いた。 Hereinafter, Example 1 of the present invention will be described. First, cellulose nanofiber 3 (hereinafter sometimes referred to as "CNF") (Nanoforcest-S (Nanoforcest is a registered trademark) manufactured by Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd.) produced a 0.11 weight% CNF dispersion, and ions were prepared therein. Exchange water was added to prepare a CNF aqueous solution having a predetermined CNF concentration, which was used in the subsequent operations.

これとは別に、ポリシロキサンの一つであるポリジメチルシリコーン(PDMS)樹脂(東レダウコーニング製,SYLGARD184(SYLGARDは登録商標))の主剤及び硬化剤を10:1の割合で混合し、これにヘキサンを加えて、10重量パーセントのPDMS/ヘキサン溶液を調製した。これに所定量のヘキサンを加え、異なる濃度のPDMS/ヘキサン溶液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Separately, the main agent and curing agent of polydimethylsilicone (PDMS) resin (manufactured by Toray Dow Corning, SYLGARD 184 (SYLGARD is a registered trademark)), which is one of the polysiloxanes, are mixed at a ratio of 10: 1. Hexane was added to prepare a 10 wt% PDMS / hexane solution. A predetermined amount of hexane was added thereto to prepare PDMS / hexane solutions having different concentrations, which were used for the subsequent operations.

高分子複合薄膜1の作製に先立ち、まずポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)してPHS層を形成した後に乾燥させ、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。 Prior to the preparation of the polymer composite thin film 1, a polyhydroxystyrene (PHS) / ethanol solution (15% by weight) was first spin-coated (3000 rpm / 1 minute) on a glass substrate to form a PHS layer, and then dried. The substrate was treated with oxygen plasma to make the surface hydrophilic.

この基板上に、上述操作で作製したCNF水溶液をスピンコートし、次いでPDMS/ヘキサン溶液をスピンコート後、この基板を100℃で30分加熱した。 The CNF aqueous solution prepared by the above operation was spin-coated on this substrate, then the PDMS / hexane solution was spin-coated, and then the substrate was heated at 100 ° C. for 30 minutes.

室温まで放冷後、この基板をエタノール(剥離液)に浸漬し、剥離液中において基板よりフィルムを剥離した。このようにして得られたフィルム(高分子複合薄膜1)を以降、CNF/PDMSフィルムと呼ぶ。このCNF/PDMSフィルムを、カプトンフィルムを用いて作製された同心円状円形フレームに固定し、該フィルムを剥離液から取り出した。同心円状円形フレームに固定されたCNF/PDMSフィルムには欠陥もなく、自立性を備えることが目視により確認された。 After allowing to cool to room temperature, this substrate was immersed in ethanol (stripping liquid), and the film was peeled from the substrate in the stripping liquid. The film thus obtained (polymer composite thin film 1) is hereinafter referred to as a CNF / PDMS film. This CNF / PDMS film was fixed to a concentric circular frame produced using a Kapton film, and the film was taken out from the release liquid. It was visually confirmed that the CNF / PDMS film fixed to the concentric circular frame had no defects and was self-supporting.

なお、後述するバルジ試験に用いるため、上述の工程において、CNF水溶液の回転塗布操作(以下、「CNFスピンコート操作」と称することがある。)を行う回数を変えた複数のサンプルを得た。 For use in the bulge test described later, a plurality of samples were obtained in which the number of rotation coating operations of the CNF aqueous solution (hereinafter, may be referred to as “CNF spin coating operation”) was changed in the above step.

なお、比較例1として、CNFスピンコート操作を行わず、PHSが塗布されたガラス基板上に直接PDMS層を形成したフィルムを作製した。これを以降、PDMSフィルムと呼ぶ。 As Comparative Example 1, a film in which a PDMS layer was directly formed on a glass substrate coated with PHS was produced without performing a CNF spin coating operation. This is hereinafter referred to as PDMS film.

実施例1として作成したフィルム及び比較例1の機械的強度をバルジ試験にて評価した。試験に用いたフィルムは、比較例1として(i)PDMSフィルム、実施例1で作成したサンプルとして、(ii)CNFスピンコート操作を1回行ってその上にPDMSスピンコートして得られたフィルム(CNF/PDMSフィルム)、(iii)CNFスピンコート操作を5回行ってその上にPDMSスピンコートして得られたフィルム(CNF―5/PDMSフィルム)、(iv)CNFスピンコート操作を10回行ったフィルム(CNF−10/PDMSフィルム)の4種類である。 The mechanical strength of the film prepared as Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated by a bulge test. The film used in the test was (i) PDMS film as Comparative Example 1, and (ii) a film obtained by performing PDMS spin coating on the sample prepared in Example 1 by performing (ii) CNF spin coating operation once. (CNF / PDMS film), (iii) CNF spin coating operation was performed 5 times, and PDMS spin coating was performed on the film (CNF-5 / PDMS film), and (iv) CNF spin coating operation was performed 10 times. There are four types of films (CNF-10 / PDMS film) that have been used.

実施例1で作成した(ii)〜(iv)の高分子複合薄膜1の膜厚はいずれも100nm以下であり、具体的には50nm〜75nmの範囲であった。なお、比較例1としての(i)PDMSフィルムは例外的に膜厚150nmで成膜した。これは(i)PDMSフィルムの膜厚を実施例1で得た他のサンプルと同等の50nm〜75nmにした場合、空気中に取り出すと直ちに破断してしまい(自立性がない)、実施例1との対比を行うことができないためである。 The film thicknesses of the polymer composite thin films 1 of (ii) to (iv) prepared in Example 1 were all 100 nm or less, specifically in the range of 50 nm to 75 nm. The PDMS film (i) as Comparative Example 1 was exceptionally formed with a film thickness of 150 nm. This is because (i) when the film thickness of the PDMS film is set to 50 nm to 75 nm, which is the same as the other samples obtained in Example 1, it breaks immediately when taken out into the air (it does not become self-supporting), and Example 1 This is because it cannot be compared with.

比較例1及び実施例1で作成したサンプルを円筒ガラス管の底面に貼り付け、そのガラス管の上側からイオン交換水を滴下してフィルムに対して重量を負荷し、その重量負荷により膨張した(たわんだ)フィルム形状から、応力(σ)とひずみ(ε)を算出した。 The samples prepared in Comparative Example 1 and Example 1 were attached to the bottom surface of a cylindrical glass tube, ion-exchanged water was dropped from the upper side of the glass tube, a weight was applied to the film, and the film was expanded by the weight load ( The stress (σ) and strain (ε) were calculated from the shape of the (deflected) film.

図2(a)〜(d)は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムに対して同一負荷を加えた際のフィルムの撓みを示す写真である。具体的には比較例1と実施例1とに対して同一負荷(水:3.5mL導入時、液圧:約437Pa)を加えた時の、フィルム撓みを観察した。ここで図2(a)はPDMSフィルム、同(b)はCNF/PDMSフィルム、同(c)はCNF―5/PDMSフィルム、同(d)はCNF−10/PDMSフィルムの状態を示している。 2 (a) to 2 (d) are photographs showing the bending of the films when the same load is applied to the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1. Specifically, the film deflection was observed when the same load (water: 3.5 mL was introduced, hydraulic pressure: about 437 Pa) was applied to Comparative Example 1 and Example 1. Here, FIG. 2A shows the state of the PDMS film, FIG. 2B shows the state of the CNF / PDMS film, FIG. 2C shows the state of the CNF-5 / PDMS film, and FIG. 2D shows the state of the CNF-10 / PDMS film. ..

図3は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムにおける応力(σ)及びたわみ(ε)の関係を示すグラフである。図3においては、具体的には各フィルムに対する負荷圧力、フィルム半径、膜厚、撓み長、撓み時のフィルム弧長から算出した応力(σ)及びたわみ(ε)の関係が示されている。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between stress (σ) and deflection (ε) in the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1. Specifically, FIG. 3 shows the relationship between the stress (σ) and the deflection (ε) calculated from the load pressure, the film radius, the film thickness, the bending length, and the film arc length at the time of bending for each film.

図2、図3より、実施例1で得られたCNFとPDMSとが層状になったフィルム(製造条件に応じて図1(a)〜(c)いずれかに示す構成を備える)では明らかに、水圧負荷時のフィルム撓みに違いが見え、CNF導入量の増加とともに撓み量も減少した。またCNFの層数の増加に従い、応力も増加(逆にたわみは減少)していることから、CNF導入によりフィルム全体の機械的強度の向上が確認された。 From FIGS. 2 and 3, it is clear from the film in which the CNF and PDMS obtained in Example 1 are layered (having the configuration shown in any of FIGS. 1A to 1C depending on the production conditions). A difference was seen in the film deflection under hydraulic load, and the amount of deflection decreased as the amount of CNF introduced increased. In addition, as the number of CNF layers increased, the stress also increased (conversely, the deflection decreased). Therefore, it was confirmed that the introduction of CNF improved the mechanical strength of the entire film.

図4は、円形損傷が発生したCNF/PDMSフィルムの外観を示す写真である。なお円形損傷は、CNF/PDMSフィルムに対して鋭利な先端を備える針を刺して作成したものである。図4に示すように、このCNF/PDMSフィルムに何らかの外的損傷が加わっても、その損傷が全体に広がることなく、一部にとどまっていた。更に、CNF−5/PDMSフィルム、CNF−10/PDMSフィルムに対して円形損傷を生じさせた場合も、同様であった。 FIG. 4 is a photograph showing the appearance of a CNF / PDMS film in which circular damage has occurred. The circular damage was created by piercing a CNF / PDMS film with a needle having a sharp tip. As shown in FIG. 4, even if some external damage was applied to the CNF / PDMS film, the damage did not spread to the whole but was limited to a part. Further, the same was true when circular damage was caused to the CNF-5 / PDMS film and the CNF-10 / PDMS film.

他方、PDMSフィルムでは、このような損傷を形成した場合は、一瞬でフィルム全体が収縮・破断し、フィルム構造を保持できない。実施例1の他の評価結果とも合わせて考えると、この得られた高分子複合薄膜1中にCNFが存在していると判断できる。またCOとNとの選択性はいずれも10程度を保持していた。PDMSフィルム単独の場合、CO/N選択性は10から11程度(参考文献:Shigenori Fujikawa, Miho Ariyoshi, Roman Selyanchyn, Toyoki Kunitake, Chemistry Letters, 2019, Vol.48, No.11, 1351−1354)であることを踏まえると、作製されたフィルムにはいずれもガスリークをするような欠陥はないと言える。 On the other hand, in the PDMS film, when such damage is formed, the entire film shrinks and breaks in an instant, and the film structure cannot be maintained. Considering together with the other evaluation results of Example 1, it can be determined that CNF is present in the obtained polymer composite thin film 1. Moreover , the selectivity between CO 2 and N 2 was maintained at about 10. In the case of PDMS film alone, the CO 2 / N 2 selectivity is about 10 to 11 (references: Shigenori Fujikawa, Miho Ariyoshi, Roman Seliyanchin, Toyoki Kunitake, Chemistry Letters, Chemistry Letters, Chemistry Letters. ), It can be said that none of the produced films has defects that cause gas leaks.

以下、本発明の実施例2について説明する。実施例1で作成したCNFが0.11重量バーセントのCNF分散液に更にイオン交換水を加え、異なるCNF濃度の希釈溶液を調製した。調製された複数の希釈溶液を用いてCNF/PDMSフィルムを作成した。実施例2で得られた高分子複合薄膜1としてのCNF/PDMSフィルムの膜厚は、いずれも50nm〜75nm程度であった。 Hereinafter, Example 2 of the present invention will be described. Ion-exchanged water was further added to the CNF dispersion having a CNF of 0.11% by weight prepared in Example 1 to prepare diluted solutions having different CNF concentrations. CNF / PDMS films were prepared using the prepared dilutions. The film thickness of the CNF / PDMS film as the polymer composite thin film 1 obtained in Example 2 was about 50 nm to 75 nm.

このCNF/PDMSフィルムとPDMSフィルムとを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。CNF/PDMSフィルムの二酸化炭素(CO)及び窒素(N)の透過度と、CO/N選択比とを[表1]に示す。なお、PDMSフィルムのガス透過性試験の結果は、後述する[表2]の最左欄に示した。

Figure 2021159915
The CNF / PDMS film and the PDMS film were placed on a porous polyacrylonitrile film, and a gas permeation test was performed. The permeability of carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen (N 2 ) of the CNF / PDMS film and the CO 2 / N 2 selectivity are shown in [Table 1]. The results of the gas permeability test of the PDMS film are shown in the leftmost column of [Table 2] described later.
Figure 2021159915

実施例2として作製されたいずれのCNF/PDMSフィルムにおいても、同様の選択性がみられたことから、いずれのフィルムもガスリークをするような欠陥を持たないフィルムが得られたことが分かる。なお、COならびにN透過性については、同程度の膜厚(後述するように50nm程度)のPDMSフィルムと比べて低下している。一般にCNFからなるフィルムは、ガス透過性が低いことを踏まえると、このフィルム中にもCNFが導入されていることが支持される。 Since the same selectivity was observed in all the CNF / PDMS films produced as Example 2, it can be seen that all the films were obtained without defects such as gas leaks. The CO 2 and N 2 permeability are lower than those of a PDMS film having the same film thickness (about 50 nm as described later). In general, a film made of CNF has low gas permeability, and it is supported that CNF is also introduced in this film.

以下、本発明の実施例3について説明する。セルロースナノファイバー3(CNF)(中越パルプ工業製,Nanoforest−S)が0.072重量パーセントとなるようにCNF/エタノール分散液を調製した。 Hereinafter, Example 3 of the present invention will be described. A CNF / ethanol dispersion was prepared so that the cellulose nanofiber 3 (CNF) (Nanoforcest-S manufactured by Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd.) was 0.072% by weight.

これとは別に、市販ポリジメチルシリコーン(PDMS)樹脂(東レダウコーニング,SYLGARD184)の主剤及び硬化剤をそれぞれ10対1の体積割合で混合し、これに先に調製したCNF/エタノール分散液及びヘキサンを加え、0.5体積パーセントのCNF/PDMS/ヘキサン溶液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Separately, the main agent and curing agent of a commercially available polydimethylsilicone (PDMS) resin (Toray Dow Corning, SYLGARD 184) were mixed at a volume ratio of 10 to 1, respectively, and the CNF / ethanol dispersion and hexane prepared above were mixed thereto. To prepare a 0.5 volume% CNF / PDMS / hexane solution, which was used for subsequent operations.

次に、ポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)し、そしてPHS層を形成した後、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。この基板上に、先述操作で作製したCNF/PDMS/ヘキサン溶液を滴下し、基板を4000回転で1分間、回転させた後、基板を100℃で30分間加熱した。 Next, a polyhydroxystyrene (PHS) / ethanol solution (15% by weight) was spin-coated on a glass substrate (3000 rpm / 1 minute) to form a PHS layer, and then the substrate was subjected to oxygen plasma treatment to surface the surface. It became hydrophilic. The CNF / PDMS / hexane solution prepared in the above operation was added dropwise onto this substrate, the substrate was rotated at 4000 rpm for 1 minute, and then the substrate was heated at 100 ° C. for 30 minutes.

室温まで放冷後、この基板をエタノール基板に浸漬し、基板よりフィルムを剥離した。このようにして得られたフィルムを以降、CNF−PDMSフィルムと呼ぶ。このCNF−PDMSフィルムは、CNFが均等に分散されたポリジメチルシリコーン樹脂で構成されており、実施例1等で説明したCNF/PDMSフィルム(CNFとPDMSとが層を成している)とは構造が異なっている。即ち、実施例2で得たCNF−PDMSフィルムは、図1(d)に示す構成を備える。 After allowing to cool to room temperature, this substrate was immersed in an ethanol substrate, and the film was peeled off from the substrate. The film thus obtained is hereinafter referred to as a CNF-PDMS film. This CNF-PDMS film is composed of a polydimethylsilicone resin in which CNF is evenly dispersed, and is different from the CNF / PDMS film (CNF and PDMS are layered) described in Example 1 and the like. The structure is different. That is, the CNF-PDMS film obtained in Example 2 has the configuration shown in FIG. 1 (d).

このCNF−PDMSフィルムを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。比較例2として、セルロースナノファイバー3を混合せず、SYLGARD184のみを原料とするフィルム(PDMSフィルム)も作製した。 This CNF-PDMS film was placed on a porous polyacrylonitrile film and a gas permeation test was performed. As Comparative Example 2, a film (PDMS film) using only SYLGARD 184 as a raw material without mixing the cellulose nanofibers 3 was also produced.

各フィルム溶液濃度を変えて作製されたフィルムのCO及びNの透過度やCO/N透過選択比を[表2]に示す。即ち[表2]では、CNF分散液混合量と得られたCNF−PDMSフィルム(No.1〜No.5)特性の関係が示されている。

Figure 2021159915
[Table 2] shows the permeability of CO 2 and N 2 and the CO 2 / N 2 transmission selectivity of films prepared by changing the concentration of each film solution. That is, in [Table 2], the relationship between the mixed amount of the CNF dispersion liquid and the characteristics of the obtained CNF-PDMS film (No. 1 to No. 5) is shown.
Figure 2021159915

ここで自立性の有無は、剥離液の中で薄膜(フィルム)を基材から剥離後、液中に浮遊しているフィルムを空気中に引き上げても単独で破断等することなく平膜形状を保持できるか否か、という基準で判断している。即ち、空気中でも破断することなく膜構造を保持している場合を「自立性あり」、基板剥離後において剥離液に浮遊している状態では膜構造を保持しているものの、空気中に取り出すと容易に破断する場合を「自立性なし」([表2]では「空気中で容易に破断」と記載)、と判断している。 Here, whether or not the film is self-supporting is determined by peeling the thin film (film) from the base material in the stripping liquid and then pulling the film suspended in the liquid into the air without breaking the flat film shape. Judgment is based on whether or not it can be retained. That is, when the film structure is maintained without breaking even in the air, it is "self-supporting", and when it is taken out into the air, it retains the film structure when it is suspended in the release liquid after the substrate is peeled off. The case of easy breakage is judged to be "non-self-supporting" (described as "easy breakage in air" in [Table 2]).

なお、PDMSフィルムについては、自立性を備えるのは膜厚150nm程度が限界であり、それより薄膜化すると膜破断率が極めて高くなる。従って[表2]のPDMSフィルムについては、薄膜を空気中に引き上げることなく、剥離液中において多孔質ポリアクリロニトリルフィルム上にすくい上げてガス透過試験を行っている。 The film thickness of the PDMS film is limited to about 150 nm to be self-supporting, and if the film thickness is made thinner than that, the film breaking rate becomes extremely high. Therefore, for the PDMS film shown in [Table 2], the gas permeation test is performed by scooping up the thin film onto the porous polyacrylonitrile film in the stripping solution without pulling it up into the air.

実施例3で作製されたフィルムはPDMSフィルムも含めいずれも膜厚が50nm程度である。上述したようにCNFを混合しなかったPDMSフィルムでは、単独で平膜形状が保持できず、収縮破断して、ガス透過試験に使用できるような自立性を有する平面膜は得られなかったが、CNFを混合したフィルムはいずれも自立性を有していた。 The film produced in Example 3 has a film thickness of about 50 nm, including the PDMS film. As described above, with the PDMS film not mixed with CNF, the flat film shape could not be maintained by itself, and a flat film having self-supporting property that could be used for a gas permeation test could not be obtained due to shrinkage fracture. All the films mixed with CNF had independence.

以下、本発明の実施例4について説明する。実施例4は高分子薄膜2を構成する高分子材料を架橋性高分子としている。まず、セルロースナノファイバー3(CNF)(中越パルプ工業,Nanoforest−S)が0.11重量パーセントとなるように水分散液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Hereinafter, Example 4 of the present invention will be described. In Example 4, the polymer material constituting the polymer thin film 2 is a crosslinkable polymer. First, an aqueous dispersion was prepared so that the cellulose nanofiber 3 (CNF) (Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd., Nanoforcest-S) was 0.11% by weight, and this was used for the subsequent operations.

また、架橋性高分子(エポキシ樹脂)としてのPoly[(o−cresyl glycidyl eter)−co−formaldehyde](以降、「PCGF」と称することがある。)(ALDRICH, Mn870)及びPolyethylenimine,branched(以降、「PEI」と称することがある。)(ALDRICH,Mn〜10,000)が4重量パーセントとなるPCGF−PEI/クロロホルム溶液を調製した。この溶液を40℃で4時間撹拌後、更にクロロホルムを添加して、1重量パーセントのPCGF−PEI/クロロホルム溶液を調製し、以降の操作に用いた。 Further, Poly [(o-formaldehyde) -co-formaldehyde] (hereinafter, may be referred to as “PCGF”) (ALDRICH, Mn870) and Polyethylenimine, brunched (hereinafter, referred to as “PCGF”) as a crosslinkable polymer (epoxy resin). , "PEI".) (ALDRICH, Mn ~ 10,000) was prepared as a PCGF-PEI / chloroform solution having a content of 4% by weight. After stirring this solution at 40 ° C. for 4 hours, chloroform was further added to prepare a 1 wt% PCGF-PEI / chloroform solution, which was used in the subsequent operations.

ポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)し、そしてPHS層を形成した後、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。この基板上に、先述操作で作製したCNF水分散液をスピンコート(1500回転、2分間)し、基板を100℃で1分間加熱した。 A polyhydroxystyrene (PHS) / ethanol solution (15% by weight) was spin-coated on a glass substrate (3000 rpm / 1 minute) to form a PHS layer, and then the substrate was subjected to oxygen plasma treatment to hydrophilize the surface. .. The CNF aqueous dispersion prepared by the above operation was spin-coated (1500 rotations, 2 minutes) on this substrate, and the substrate was heated at 100 ° C. for 1 minute.

次いでこの基板に先述操作した1重量パーセントのPCGF−PEI/クロロホルム溶液をスピンコート(3000回転、1分間)した。この後、基板を100℃で5分間加熱した。室温まで放冷後、この基板をエタノールに浸漬し、基板よりフィルム(高分子複合薄膜1)を剥離した。なお実施例4で得られたフィルムの厚みは75nmであった。 The substrate was then spin-coated (3000 rpm, 1 minute) with the previously engineered 1 wt% PCGF-PEI / chloroform solution. After this, the substrate was heated at 100 ° C. for 5 minutes. After allowing to cool to room temperature, this substrate was immersed in ethanol, and the film (polymer composite thin film 1) was peeled off from the substrate. The thickness of the film obtained in Example 4 was 75 nm.

実施例4で得られた高分子複合薄膜1には何ら欠陥もなく、自立性を備えることが目視により確認された。また、実施例1で説明したのと同様に水圧負荷を与える試験を行った。その結果、CNF導入量の増加とともに撓み量も減少した。 It was visually confirmed that the polymer composite thin film 1 obtained in Example 4 had no defects and was self-supporting. In addition, a test for applying a hydraulic load was conducted in the same manner as described in Example 1. As a result, the amount of deflection decreased as the amount of CNF introduced increased.

以下、本発明の実施例5について説明する。実施例5においては、上述したCNF水溶液に替えてCNFと酸化CNF(酸化セルロースナノファイバー)とを等量混合した0.05wt%のCNF+酸化CNF水溶液を用いるとともに、PDMS/ヘキサン溶液のPDMS濃度を0.5v/v%とした。更にCNF+酸化CNF水溶液の回転塗布(スピンコート)操作は一回として、実施例1と同様の工程で、フィルム(CNF+酸化CNF/PDMSフィルム)を作成した。作成されたフィルムの断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムの膜厚は30nmであった。 Hereinafter, Example 5 of the present invention will be described. In Example 5, instead of the above-mentioned CNF aqueous solution, a 0.05 wt% CNF + CNF oxide aqueous solution in which CNF and CNF oxide (cellulose oxide nanofibers) are mixed in equal amounts is used, and the PDMS concentration of the PDMS / hexane solution is adjusted. It was 0.5 v / v%. Further, the rotary coating (spin coating) operation of the CNF + CNF oxide aqueous solution was performed once, and a film (CNF + CNF oxide / PDMS film) was prepared in the same process as in Example 1. When the cross section of the prepared film was observed with a scanning electron microscope, the film thickness of the CNF + oxidized CNF / PDMS film was 30 nm.

このCNF+酸化CNF/PDMSフィルムを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。二酸化炭素(CO)、窒素(N)及び酸素(O)の透過度と、CO/N、CO/O及びO/N選択比を[表3]に示す。

Figure 2021159915
This CNF + oxidized CNF / PDMS film was placed on a porous polyacrylonitrile film and a gas permeation test was performed. The permeability of carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) and the selectivity of CO 2 / N 2 , CO 2 / O 2 and O 2 / N 2 are shown in [Table 3].
Figure 2021159915

[表3]に示すように、実施例5のCNF+酸化CNF/PDMSフィルムにおいても、COの透過度は非常に大きく、またO及びNの透過度も高い数値を示している。ここでOとNとに着目すると、O/N選択比は2.3であり、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムが空気中の酸素と窒素とを分離する空気分離機能を備えることを明確に示している。即ち、本発明に係る高分子複合薄膜1は空気分離膜として機能し、空気中の酸素濃度や窒素濃度を増加、あるいは低減することが可能である。 As shown in [Table 3], also in the CNF + oxidized CNF / PDMS film of Example 5, the transmittance of CO 2 is very large, and the transmittance of O 2 and N 2 is also high. Focusing on O 2 and N 2 , the O 2 / N 2 selectivity is 2.3, and the CNF + oxidized CNF / PDMS film has an air separation function for separating oxygen and nitrogen in the air. It is clearly shown. That is, the polymer composite thin film 1 according to the present invention functions as an air separation membrane, and can increase or decrease the oxygen concentration and the nitrogen concentration in the air.

さて、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムによる空気分離機能はPDMSで構成される層(高分子薄膜。以降、「PDMS層」と称することがある。)によって発揮されるが、PDMS層の膜厚が大きくなるほど透過度が小さくなって、実用上の障壁となる。しかしながら、PDMS層がCNF(あるいはCNF+酸化CNF)で構成される層と複合化されることで機械的強度が向上し、高分子複合薄膜1におけるPDMS層を極限まで薄膜化(薄層化)することが可能となる。 The air separation function of CNF + CNF oxide / PDMS film is exhibited by a layer composed of PDMS (polymer thin film, hereinafter sometimes referred to as "PDMS layer"), but the thickness of the PDMS layer is large. Indeed, the transparency becomes small, which becomes a practical barrier. However, when the PDMS layer is composited with a layer composed of CNF (or CNF + CNF oxide), the mechanical strength is improved, and the PDMS layer in the polymer composite thin film 1 is thinned (thinned) to the utmost limit. It becomes possible.

実施例5においては、上述したようにCNF+酸化CNF/PDMSフィルムの膜厚は30nmであり、CNF+酸化CNFで構成される層の厚みを除外したPDMS層の膜厚は10nm〜20nm程度と考えられる。このようにPDMS層を極薄層化することで、1000GPU(3000GPU)を越える高いO及びN透過度を実現することが可能となる。 In Example 5, as described above, the film thickness of the CNF + CNF oxide / PDMS film is 30 nm, and the film thickness of the PDMS layer excluding the thickness of the layer composed of CNF + CNF oxide is considered to be about 10 nm to 20 nm. .. By making the PDMS layer ultra-thin in this way, it is possible to realize high O 2 and N 2 transmittance exceeding 1000 GPU (3000 GPU).

なお、実施例1〜実施例3で示した高分子複合薄膜1も、薄膜化されたPDMS層を含むことから、これらの高分子複合薄膜1が空気分離機能を有することは明らかである。 Since the polymer composite thin films 1 shown in Examples 1 to 3 also contain a thinned PDMS layer, it is clear that these polymer composite thin films 1 have an air separation function.

本発明に係る高分子複合薄膜1は、高い機能性と高い機械的強度とを備えることから、例えば化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスであるCOを発電所や工場などの発生源から分離・回収するCCS(Carbon dioxide Capture and Storage)で用いられるガス分離膜等に好適に応用することが可能である。また、本発明に係る高分子複合薄膜1は、酸素が高濃度化された空気(窒素が低濃度化された空気)を活用した酸素富化装置、高濃度酸素マスク、植物工場、酸素燃焼発電プラント、酸素燃焼ボイラー等や、窒素が高濃度化された空気(酸素が低濃度化された空気)を活用した不活性ガス消火設備等に好適に応用することが可能である。 Since the polymer composite thin film 1 according to the present invention has high functionality and high mechanical strength, for example, CO 2 which is a greenhouse gas generated by combustion of fossil fuel is emitted from a source such as a power plant or a factory. It can be suitably applied to a gas separation membrane or the like used in CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) for separation and recovery. Further, the polymer composite thin film 1 according to the present invention is an oxygen enricher utilizing air having a high concentration of oxygen (air having a low concentration of nitrogen), a high concentration oxygen mask, a plant factory, and oxygen combustion power generation. It can be suitably applied to plants, oxygen combustion boilers, and the like, and inert gas fire extinguishing equipment that utilizes air with a high concentration of nitrogen (air with a low concentration of oxygen).

1 高分子複合薄膜
2 高分子薄膜
3 セルロースナノファイバー
10 円形損傷
1 Polymer composite thin film 2 Polymer thin film 3 Cellulose nanofiber 10 Circular damage

Claims (9)

膜厚が100nm以下の高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化されたことで自立性を有することを特徴とする高分子複合薄膜。 A polymer composite thin film having a thickness of 100 nm or less, which is self-supporting by being composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the thickness of the polymer thin film. 膜厚が100nm以下の自立性を有する高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化されたことを特徴とする高分子複合薄膜。 A polymer composite thin film having a self-supporting polymer thin film having a film thickness of 100 nm or less, which is composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the film thickness of the polymer thin film. 前記繊維状構造物が有機高分子で構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 1 or 2, wherein the fibrous structure is composed of an organic polymer. 前記繊維状構造物をセルロースナノファイバーとしたことを特徴とする請求項3に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 3, wherein the fibrous structure is made of cellulose nanofibers. 前記高分子薄膜を、主にポリシロキサンで構成したことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer thin film is mainly composed of polysiloxane. 前記高分子薄膜を、主に架橋性高分子で構成したことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer thin film is mainly composed of a crosslinkable polymer. 前記高分子薄膜がガス分離性を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer thin film has gas separability. 前記高分子薄膜が、二酸化炭素を選択的により透過することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer thin film selectively permeates carbon dioxide. 前記高分子薄膜が、空気中の酸素と窒素とを分離することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer thin film separates oxygen and nitrogen in the air.
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