JP2942867B2 - 多層複合膜 - Google Patents

多層複合膜

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガス分離や溶液分離等に用いられる多層複
合膜に関するものである。
〔従来の技術〕
物質を分離精製する技術は昔から数多くの方法が開発
され改良が重ねられてきた。膜分離技術もその一つであ
るがその改良の経過を見ると優れた膜素材の開発及び効
率を高めるための薄膜化技術の開発が大きな技術の流れ
である。薄膜化技術の一つの方向として多孔質の基板の
上にコート法や蒸気法によつて薄膜を形成させる方法も
盛んに行われているが、多孔質基板上にコートするため
に基板の細孔に薄膜材料が侵入して実質的な薄膜が得ら
れない点が問題である。
また、この現象を避けるために多孔質基板を予め溶解
性物質で細孔を埋めておいて表面に薄膜層を形成したあ
とに多孔質基板内の溶解性物質を溶出する方法もある
が、均質な薄膜層が得られ難くまた傷つきやすいという
問題を有している。
このようにピンホールの発生、膜厚の不均一さ、耐久
性がないなどの問題からなかなか実用化が難しい状況に
ある。
分離膜層を薄層化した工業的に製造できる膜構造の製
造法として溶融紡糸、延伸法による多層複合中空糸膜が
知られているが(特開昭62−1404号公報)、このように
多層複合膜においては分離膜層の透過速度を高くするめ
には分離膜層を薄膜化すると共に、分離膜層への透過を
妨げる多孔質層の孔径、空孔率、膜厚を適当に設定する
ことが重要である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、特開昭62−1404号公報には多孔質層の
孔径、膜厚、及び空孔率の最適条件については具体的に
開示されていない。
即ち、分離膜層の機能を充分発現するためには多孔質
層の空孔の孔径は小さく、空孔率は大きく、膜厚は薄く
することが好ましく、また分離膜層の欠陥発生を防ぐた
めにも多孔質層の孔径は小さくすることが好ましい。と
ころが孔径を小さくすると空孔率は低下するという問題
があり、適度な孔径と空孔率を有する多孔質構造を設定
することは非常に難しい状況にある。
本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであ
り、分離膜層の機能を充分発現させるため特に透過速度
を向上させるための多孔質層の構造を提供するものであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の要旨は、分離機能を有する分離層A、分離層
Aの両側に配置された結晶性重合体B′からなる多孔質
層B、及び多孔質層Bの空孔より大きい孔径の空孔を有
する多孔質層であって多孔質層Bの両側に配置された結
晶性重合体C′からなる多孔質層Cからなり、多孔質層
Bの空孔の孔空が0.005〜0.005〜0.1μm、空孔率が20
〜70%、膜厚が1.0〜10μmであり、多孔質層Cの空孔
の孔径が0.1〜2.0μm、空孔率が30〜90%、膜厚が5〜
100μmであることを特徴とする多層複合膜にある。
また、本発明の要旨は、分離機能を有する分離層A、
分離層Aの両側に配置された結晶性重合体B′からなる
多孔質層B、及び多孔質層Bの空孔より大きい孔径の空
孔を有する多孔質層であって多孔質層Bの両側に配置さ
れた結晶性重合体C′からなる多孔質層Cからなり、結
晶性重合体B′及びC′が同種であって、結晶性重合体
B′の分子量が結晶性重合体C′の分子量より大きいこ
とを特徴とする多層複合膜にある。
分離機能を有する分離層Aの重合体A′としてはシリ
コンゴム、シリコンとポリカーボネートの共重合体等の
シリコン系重合体、ポリ4−メチルペンテン−1、リニ
アローデンシテイポリエチレン等のポリオレフイン系重
合体、パーフロロアルキル系フッ素含有重合体、ポリウ
レタン系重合体、エチルセルロース等のセルロース系重
合体、ポリフエニレンオキサイド、ポリ4−ビニルピリ
ジン及びこれら重合体素材からなる共重合体あるいはブ
レンド体があげられる。
多孔質層B及びCを構成する結晶性重合体B′及び
C′としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ4−
メチルペンテン−1等ポリオレフイン系、及びポリフツ
化ビニリデン、テトラフロロエチレン等の結晶性重合体
を挙げることができる。
結晶性重合体B′及びC′は、同種のものを用いる
と、多孔質層Bと多孔質層Cの密着性が向上し、機械的
強度の高い多層複合膜とすることができる。
本発明の多層複合膜において多孔質層Bは分離層Aを
薄膜状物としてかつ多孔質層Cの空孔のサイズと空孔率
を大きいものとして提供することを可能とするものであ
り、重要な役割を有している。
分離層Aは分離機能を有する部分であり、透過速度を
高い値に維持するには薄膜であることが好ましく、その
厚みは1.0μm以下であることが好ましい。一方、その
層の厚みの下限値は特に限定されないが、およそ0.005
μm程度以上であることが好ましく、0.01μm程度以上
であることがより好ましい。
分離層Aの分離機能を膜欠陥の発生がない状態で充分
発現でき、更に分離層Aの分離機能発現のために抵抗に
ならないような多孔質構造とするためには多孔質層Bの
空孔の孔径は0.005〜0.1μm、好ましくは0.01〜0.1μ
m、空孔率は20〜70%、好ましくは30〜60%、膜厚は1.
0〜10μm、好ましくは1.0〜5.0μmである。多孔質層
Bの空孔の孔径が0.005μm未満では分離対象物質の透
過抵抗が大きく、又、0.1μmを超えると分離層Aに欠
陥が多いものとなりやすい。空孔率が20%未満では分離
層Aの有効膜面積が著しく小さくなり、70%を超えると
孔径0.1μm以下のものが得られ難い。膜厚が1.0μm未
満のものは実質的に製造が難しく、10μmを超えるもの
は分離対象物質の透過抵抗が大きくなる。
多孔質層Cは分離層Aと多孔質層Bの両者をまとめて
補強し強度を持たせる役割を有している。分離層Aは透
過速度を高くするための非常に薄い層であり、又、多孔
質層Bは分離層Aに欠陥発生を起こさせないためと分離
層Aの機能発現のための抵抗にならないように、あるい
は分離対象物質の透過の抵抗にならないように薄く形成
されるため強度的に弱いものである。したがつて複合膜
全体の強度を増すために多孔質層Cが必要となる。
多孔質層Cの空孔の孔径は0.1〜2.0μm、好ましくは
0.1〜1.0μm、空孔率は30〜90%、好ましくは40〜80
%、膜厚は5〜100μm、好ましくは10〜50μmであ
る。孔径が0.1μm未満では分離対象物質の透過抵抗が
増大し、2.0μmを超えると強度的に弱くなる。空孔率
が30%未満では分離対象物質の透過抵抗が増大し、90%
を超えると複合膜の強度保持が難しくなる。膜厚が5μ
m未満では強度的に弱くなり、100μmを超えると分離
対象物質の透過抵抗が増大する。
次に本発明の多層複合膜の製造法について説明する。
本発明においては五層の積層構造が形成可能は同心円状
に配置された吐出口を有する多重円筒型紡糸ノズルが使
用される。
ノズルの最外層及び最内層には結晶性重合体C′を供
給し、中間層の部分には重合体A′とその両側を挟むよ
うに結晶性重合体B′を供給し、溶融紡糸して多層の末
延伸中空糸を製造する。
紡糸条件は特に限定されず各層を構成する重合体の種
類に応じて最適条件を設定しうるが、例えば重合体B′
及びC′にポリエチレンを用いる場合には、紡糸温度15
0〜200℃程度、紡糸ドラフト比は100〜9000程度、紡糸
時のクエンチ温度は常温程度の条件が採用される。
紡糸された末延伸中空糸は、続いてアニール処理され
た後延伸多孔化されるが、延伸による多孔化はポリオレ
フインで行われている公知の方法が採用さる。即ち、常
温付近での小量の延伸によつて重合体B′及びC′の層
に微少空孔を発生させて白化させ、続いて加熱延伸によ
つて孔径の拡大と孔形状の安定化を図ることができる。
この間、重合体A′の層は多孔質化されないので延伸倍
率の増加に比例して薄層化される。
延伸条件も特に限定されず、重合体の種類に応じて最
適条件を設定しうるが、例えば重合体B′及びC′とし
てポリエチレンを用いる場合には、冷延伸条件としては
常温下で延伸倍率を1.4〜3.0倍程度とし、熱延伸条件と
しては、80〜125℃程度の条件を採用し、全延伸倍率を
2.0〜4.0倍程度とする条件が採用される。
多孔質層B及びCに用いられる結晶性重合体が同種で
ある場合、一度の溶融賦形で多孔質層B及びCの空孔に
孔径差をつけるためには分子量の異なる結晶性重合体を
用いる。この場合、多孔質層Bの空孔の孔径を多孔質層
Cのものより小さくするために重合体B′としては重合
体C′の分子量より高いものを用いる。結晶性重合体が
同一の溶融温度の下に置かれたとき、その粘度は分子量
が高い程高くなり、せん断速度が同一であれば大きなせ
ん断応力が加えられることになり、高分子量である程、
成型時に重合体融液は高配向するために結晶サイズが小
さくなる。そのため延伸によつて開孔して孔の孔径が小
さくなる。
〔実施例〕
以下、実施例により説明する。
実施例1 五層構造を形成可能な同心円状に配置された吐出口を
有する中空糸製造ノズルを用い、最外層と最内層(多孔
質層C)の部分に密度0.968g/cc、MI値5.5のポリエチレ
ン(三井石油化学(株)製、ハイゼツクス2200J)、中
間層の部分には分離層A用の重合体A′としてセグメン
ト化ポリウレタン(サーメデツクス社製、テコフレツク
スEG−80A)及び多孔質層B用の重合体B′として密度
0.960g/cc、MI値0.9のポリエチレン(日産丸善(株)
製、ニツサン2010)を用い、吐出温度175℃、吐出線速
度8.0cm/min、巻取り速度160m/min、ドラフト比2000で
紡糸した。得られた末延伸中空糸は内径が250μmであ
り、内側から各々30μm、3μm、0.3μm、3μm及
び30μmの厚さを有する層が同心円状に配されていた。
該末延伸中空糸を115℃で1時間アニール処理をし
た。更に該アニール糸を室温下で1.8倍延伸し、引続き1
05℃の加熱炉中で総延伸倍率が3.5倍になるまで熱延伸
を行い、更に、120℃の加熱炉で熱セツトを行い多層複
合中空糸膜を得た。
この多層複合中空糸膜は、内径は200μmで内側から
各々25μm、2μm、0.2μm、2μm及び25μmの厚
さを有する層が同心円状に配されていた。電子顕微鏡で
観察したところ、最外層と最内層には繊維軸方向に伸び
たスリツト状の三次元的に連通した空孔が確認された。
又、水銀ポロシメーターで測定したところ多孔質層C′
の孔径は0.6μmであり、空孔率は65%であつた。多孔
質層B′の孔径は0.05μmであり、空孔率は40%であつ
た。又、酸素富化能を測定したところ酸素透過速度は3.
0×10-5〔cm3(STP)/cm2・sec・cmHg〕、窒素透過速度
は1.1×10-5〔cm3(STP)/cm2・sec・cmHg〕であり、酸
素選択性は2.7であつた。
〔発明の効果〕
本発明請求項1の多層複合膜は、分離機能を有する分
離層A、分離層Aの両側に配置された結晶性重合体B′
からなる多孔質層B、及び多孔質層Bの空孔より大きい
孔径の空孔を有する多孔質層であって多孔質層Bの両側
に配置された結晶性重合体C′からなる多孔質層Cから
なり、多孔質層Bの空孔の孔径が0.005〜0.1μm、空孔
率が20〜70%、膜厚が1.0〜10μmであり、多孔質層C
の空孔の孔径が0.1〜2.0μm、空孔率が30〜90%、膜厚
が5〜100μmであるので、気体の透過抵抗が少なく、
高い透過速度で、ガス分離等の処理を行うことができ
る。
また、本発明請求項2の多層複合膜は、分離機能を有
する分離層A、分離層Aの両側に配置された結晶性重合
体B′からなる多孔質層B、及び多孔質層Bの空孔より
大きい孔径を有する多孔質層であって多孔質層Bの両側
に配置された結晶性重合体C′からなる多孔質層Cから
なり、結晶性重合体B′及びC′が同種であって、結晶
性重合体B′の分子量が結晶性重合体C′の分子量より
大きいので、透過速度に優れるだけでなく、多層質層B
と多孔質層Cとが強固に接着されており、特に機械的強
度に優れた膜となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は五層構造の多層複合中空糸膜の模式図であり、
第2図は第1図のAA′断面の拡大模式断面図である。 1……分離層A、2……多孔質層B 3……多孔質層C、4……空孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 69/12 B01D 71/54 B01D 53/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】分離機能を有する分離層A、分離層Aの両
    側に配置された結晶性重合体B′からなる多孔質層B、
    及び多孔質層Bの空孔より大きい孔径の空孔を有する多
    孔質層であって多孔質層Bの両側に配置された結晶性重
    合体C′からなる多孔質層Cからなり、多孔質層Bの空
    孔の孔径が0.005〜0.1μm、空孔率が20〜70%、膜厚が
    1.0〜10μmであり、多孔質層Cの空孔の孔径が0.1〜2.
    0μm、空孔率が30〜90%、膜厚が5〜100μmであるこ
    とを特徴とする多層複合膜。
  2. 【請求項2】分離機能を有する分離層A、分離層Aの両
    側に配置された結晶性重合体B′からなる多孔質層B、
    及び多孔質層Bの空孔より大きい孔径の空孔を有する多
    孔質層であって多孔質層Bの両側に配置された結晶性重
    合体C′からなる多孔質層Cからなり、結晶性重合体
    B′及びC′が同種であって、結晶性重合体B′の分子
    量が結晶性重合体C′の分子量より大きいことを特徴と
    する多層複合膜。
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