JP2947352B2 - 位置特異的ポリアミド−イミドから作製した半透膜及びこれを使用するガス分離法 - Google Patents

位置特異的ポリアミド−イミドから作製した半透膜及びこれを使用するガス分離法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス混合物の構成
成分を分離するのに有用であるポリマー膜に関し、より
詳しく言えばポリアミド−イミドから作られた膜に関す
る。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ポリマ
ー材料を基礎材料とするガス分離装置向けの工業用途
は、一部は、膜を通り抜ける総体的なガス流束を最大に
することに依存している。P.H.Kim,et a
l.,J.Appl.Poly.Sci.,34,17
67(1987)には、膜についてのガス流束はポリマ
ー鎖の間の平均の間隔に関係のあることが報告された。
その上、彼らは、ポリマーの密度も総体的なガス流束に
関係していることを示した。工業用途に対する一つの努
力目標は、流束も非常に大きく熱−機械的特性も良好な
ポリマーを見極めることである。一般に、総体的な流束
を大きくすることは鎖−鎖相互作用の少ないポリマーを
手に入れることを必要とすることが認められている。こ
の例としては、ポリ(ジメチルシロキサン)又はポリ
(4−メチル−1−ペンテン)のようなポリマーを挙げ
ることができる。これらの物質は、ガス流束値が相当大
きいが、鎖−鎖相互作用が小さいことから、それらはま
たガラス転移温度(Tg)が低い。結果として、これら
の物質は化学的及び物理化学的架橋を作るのに特別な処
理条件を必要とするか、さもなければそれらは低い適用
温度で使用することができるに過ぎない。対照的に、鎖
−鎖相互作用が強いポリマーはTg値が相当高いが、一
般に小さいガス流束を示す。
【0003】一般に鎖−鎖相互作用が強くてTg値が高
いポリイミドは、所定の特定構造についてガス流束値が
良好であることが報告されている。具体的に言えば、米
国特許第3822202号明細書(1974)、米国再
発行特許第30351号明細書(1980)に、ポリイ
ミド、ポリエステル又はポリアミドから作られた半透膜
を使って流体を分離する方法が開示されている。これら
の膜の主ポリマー鎖の繰返し単位は、そのような繰返し
単位が少なくとも一つの硬質の二価の小単位(subu
nit)を有する点で区別され、この小単位から延びる
二つの主鎖単結合は相互線状(colinear)でな
く、この小単位はこれらの結合のうちの少なくとも一方
の周りを360°回転することが立体的にできず、そし
て主鎖原子のうちの50%以上を芳香環の構成員として
有する。
【0004】S. Maiti and A. Ra
y, “Processable Heat−Resi
stant Polymers. VII. Synt
hesis and Characterizatio
n of Polyamideimide from
N−(p−Carboxyphenyl)trimel
litimide and p,p’−Di(amin
ocyclohexyl)methane”, J.
App. Poly. Sci., vol.27,
4345−4356(1982)には、熱安定性ポリア
ミドイミドが開示されており、“Processabl
e Heat−Resistant Polymer
s. XIII. Structure−Proper
ty Relationship in Polyam
ideimides”, J. App. Poly.
Sci., vol. 28, 225−239(1
983)には、熱安定性ポリアミドイミドの構造と性質
との関係が報告されている。
【0005】Yang, et al., “New
Poly(amide−imide)s Synthe
sis”, J. of Poly. Sci., P
art A: Polymer Chemistry,
vol. 30, 1855−1864(1992)
には、2,5−ビス(4−トリメリットイミドフェニ
ル)−3,4−ジフェニルチオフェンと芳香族ジアミン
との直接重縮合反応による高インヘレント粘度の芳香族
ポリ(アミド−イミド)類の合成が開示されている。Y
angらの米国特許第5268487号明細書には、強
度と加工性の向上した耐熱性ポリ(アミド−エーテル−
イミド)の調製が開示されている。
【0006】H. C. W. M. Buysら,
“Aromatic Copolyimide Mem
branes for High Temperatu
reGas Separations: H2 /C
4 , H2 /N2 , andO2 /N2 ”, J.
App. Poly. Sci., vol. 41,
1261−1270(1990)には、芳香族コポリ
イミド膜の構造がガス類の透過性と透過選択性とに及す
影響を評価するためになされた研究が開示されている。
【0007】X. Gao and F. Lu,
J. Appl. Poly. Sci., vol.
54, 1965−1970(1994)には、一群
の芳香族ポリアミド−イミドについての構造/透過性の
相関関係に関しての研究が報告された。それには、ポリ
マー鎖に大きな原子団を導入することが、対応して透過
選択性を低下させずに透過性を増大させるのに寄与する
ことが報告された。用いられた合成は、TMACと単一
のジアミンとを使って非位置特異的ポリ(アミド−イミ
ド)を生成する固相熱イミド化法であった。
【0008】Yokelsonらの米国特許第5124
428号明細書には、アミド−イミド樹脂を基にした耐
熱性繊維が開示されている。これらの樹脂は、トルエン
ジアミンと無水トリメリット酸塩化物とを反応させ96
%を超えるまで溶液イミド化されるランダムポリアミド
−イミドを生成することにより作られた。
【0009】Fritschらの研究、“Novel
Highly Permselective 6F−p
oly(amide−imide)s as Memb
rane Heat for Nano−sized
Catalysts”, J. Memb. Sc
i., 99, 29−38(1995)では、ガス分
離のために位置特異的PAI材料が用いられているが、
溶解度特性を確保するためにヘキサフルオロイソプロピ
ル基(6FDAか6EF44として)を使用している。
これは経費を上昇させ、そして商業的に重要なP/α範
囲をはずれてしまう。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、位置特異的ポ
リアミド−イミドから作製された部類のガス分離膜であ
る。この発明で使用されるポリアミド−イミドは、特定
の芳香族ジイミドジカルボン酸を選ばれた芳香族ジアミ
ンと反応させて生成される。注意深く選ばれた反応物を
使用することにより、得られたポリアミド−イミドは所
定のポリマー構造を有し、その結果これらのポリマーか
ら作製された膜のガス分離特性がランダムコポリマーか
ら作製されたものに比べ向上することになる。
【0011】これらのポリアミド−イミドは、キャスト
して、例えば平坦シート、らせん状巻材料、あるいは中
空繊維といったような、任意のタイプの膜構造体を形成
することができる。得られた膜は、O2 /N2 、He/
2 及びCO2 /CH4 を分離するのを含めた、広範囲
のガス分離用途について有用である。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明は、位置特異的ポリアミド
−イミドを基礎材料とした膜の作製に関する。位置特異
的ポリアミド−イミドを使用することによって、膜のガ
ス輸送特性を特定のガス分離用途の具体的な要求条件を
満たすよう適応させることができる。
【0013】下記の表1に、この明細書において使用す
る略号についての化学名称と構造を列記する。
【0014】
【表1】
【0015】位置特異的ポリアミド−イミド膜は、次に
掲げる構造式
【0016】
【化3】
【0017】(この式のAr1 は、mPda、2,6
TDA、TDA(IM)、及びNAPdaからなる群よ
り選ばれる)の芳香族ジイミドジカルボン酸(DID
C)を、
【0018】
【化4】
【0019】(この式のAr2 はDAMか、又はAr2
をDAM及びNAPdaとして有する芳香族ジアミンの
混合物である)で表される芳香族ジアミンと反応させる
ことで調製される。
【0020】重合を行う際には、上記の芳香族ジイミド
ジカルボン酸をAr1 がDAMである芳香族ジイミドジ
カルボン酸と混合してもよい。
【0021】その結果得られる、ガス分離膜を形成する
ポリアミド−イミドは、次の一般構造式
【0022】
【化5】
【0023】を有し、この式のAr1 とAr2 は上述の
とおりであり、nは25から160(約15,000か
ら100,000の平均分子量Mnに相当)、好ましく
は40〜80(約25,000から50,000のM
n)である。
【0024】DIDCモノマーは、ジフタルイミド構造
が二つのフェニルカルボン酸基を橋かけしてつないでい
る変性イソフタル酸であるということに注目すべきであ
る。これらの物質は、N−メチルピロリドン(NMP)
やジメチルアセトアミド(DMAc)といったような非
プロトン性溶媒への溶解度が驚くほど良好である。これ
は、非常に攻撃的な溶媒系のみに可溶である例えばノメ
ックス(Nomex、商標)やケブラー(Kevla
r、商標)等の様々な市販のポリアミドと対照的であ
る。
【0025】発明者らは、これらの位置特異的なポリア
ミド−イミド(PAI)物質についてのガス輸送特性
を、その位置特異的PAI物質のイミド(Ar1 )部分
とアミド(Ar2 )部分に配置される芳香族基を選ぶこ
とにより制御することができる、ということを見いだし
た。具体的にいうと、発明者らは、イミド結合(A
1)は選択性を最大にするためできるだけ小さくなる
べきであり、アミド結合(Ar2 )は透過性と選択性を
最大にするためにDAMと同じほど大きくなるべきであ
るが、DETDAほど大きくなるべきではない、という
ことを見いだした。これらの効果は、下記の表3〜7で
報告されるデータにより説明される。
【0026】重合を行ってから、通常の技術を使ってポ
リマーをキャストして膜にする。この膜は、平坦シー
ト、らせん巻シート、中空繊維の形、あるいはポリマー
からキャストすることができるその他の任意の構造をと
ることができる。得られた膜は、その膜に対する透過率
が異なる成分を少なくとも2種含む原料ガス混合物を膜
と接触させ、そして一つの成分を選択的に膜を透過させ
て原料ガス混合物から透過性成分を分離することによ
り、原料ガス混合物の成分を分離するのに有効である。
このようにして分離することができる成分を含有してい
る代表的な原料ガス混合物には、とりわけ、O2 /N2
を含有している混合物、He/N2 を含有している混合
物、CO2 /CH4 を含有している混合物等が含まれ
る。
【0027】ガス分離用途で利用する前に、これらの位
置特異的ポリアミド−イミドから作られた膜に通常のポ
リマーコーティング材料を使ってコーティングしてもよ
く、すなわち欠陥を補修してもよい。代表的なコーティ
ング材料には、ポリシロキサン、ポリホスファゼン等が
含まれる。
【0028】
【実施例】以下に掲げる例は、本発明を更に説明するた
めに提示するものであって、限定しようとするものでは
ない。
【0029】[例1] 2,6 TDA−DIDCの調
製 本発明で使用する芳香族ジイミドジカルボン酸は、2モ
ルの1,2,4−ベンゼントリカルボン酸無水物と1モ
ルの選択された芳香族ジアミンを縮合させて調製するこ
とができる。一般的な手順を2,6 TDA−DIDC
について詳しく説明する。
【0030】N2 パージ、機械式スターラー及びディー
ン−スタークトラップを備えた500mlの三つ口丸底
フラスコに、TMA(25.0556g、0.13モ
ル)とDMF(75ml)を入れた。この混合物を1時
間60℃に加熱して、TMAを溶解させた。次に、2,
6 TDA(7.9411g、0.065M)、DMF
(25ml)及びm−キシレン(20ml)を反応混合
物に加え、そしてディーン−スタークトラップにm−キ
シレンを満たした。温度を190℃に上げ、3時間かけ
て蒸留して水(2.5〜3.0ml)を70mlのm−
キシレン/DMF溶媒混合物とともに反応混合物から除
去した。2,6 TDA−DIDCは190℃で反応混
合物に可溶性であったが、室温まで冷却するとDMF溶
媒から沈降した。この固形物をろ過し、24時間自然乾
燥し、次いで48時間200℃で減圧乾燥した。乾燥し
たモノマーをTGA/DSCへ送って、残留溶媒と融点
を測定した。この2,6 TDA−DIDCを、更に精
製あるいは分析することなく、重合において使用した。
【0031】[例2〜6] その他の芳香族ジイミドジ
カルボン酸の調製 表2に挙げたその他のAr1 DIDCの調製を、例1で
説明した同じ一般的手順を使用し、生成物のAr1 DI
DCモノマーの溶解度の関係を考慮するため反応溶媒を
色々に変えて行った。例えば、DAMとDETDAは、
全てがDMFの溶媒への生成物の溶解性のために、キシ
レン/DMF(80/20)反応混合物を使用した。こ
のほかのAr1 DIDC物質の全ては全部がDMFの反
応混合物から調製した。
【0032】これらのDIDCモノマーについての一般
的研究手順の例外として、発明者らは、TDA(IM)
−DIDCでは24時間後にDMF/m−キシレン反応
溶媒系からこれらのモノマーが沈殿しないことを見いだ
した。固体のジイミドジカルボン酸の相分離を、有機溶
液を加温ブレンダーで10倍過剰の水/氷でスラリー化
して行った。固体のジイミドジカルボン酸を液相からろ
過して分離し、次に上記のように乾燥させた。
【0033】調製した芳香族ジイミドジカルボン酸につ
いて固有の構造と融点を下記の表2に示す。
【0034】
【表2】
【0035】[例7] 2,6 TDA−DIDCとD
AMの重合 Ar1 DIDC及びH2 N−Ar2 −NH2 からの位置
特異的PAIの調製を、ヤマザキ反応を利用し次のよう
にして行った。この手順は、Yangら,New Po
ly(amide−imide)s Synthesi
s, J. Poly Sci: Part A: P
olymer Chemistry,vol.30,
1855−1864(1992)により採用された。一
般手順をDAMと組合わせた2,6 TDA−DIDC
について詳しく説明する。機械式スターラーとN2 パー
ジを備えた250mlの三つ口丸底フラスコに、2,6
TDA−DIDC(9.4076g、0.02m)、D
AM(3.0044g、0.02m)、CaCl2 (1
0.1g)、ピリジン(20ml、0.25モル)及び
NMP(60ml)を入れた。この反応混合物を30分
間100℃に加熱した。次に反応混合物を氷で0℃に冷
却した。次いでTPP(13ml、0.05m)をNM
P(20ml)とともに加え、反応混合物を急速に撹拌
しながら3時間100℃に加熱した。3時間後、反応混
合物を冷却し、50mlのNMPで希釈し、そして1ガ
ロン(約3.8リットル)のWaring(商標)ブレ
ンダーを使ってH2 O中で沈殿させた。固形物を、無機
塩とリン酸エステルの十分な抽出のためにWaring
ブレンダーを使って水/メタノールの2/1、1/2の
混合物、そしてメタノールのみで洗浄した。次にポリマ
ーを一晩自然乾燥し、150℃で24時間減圧乾燥し
た。これらの物質の分子量測定(ゲル浸透クロマトグラ
フィー(GPC)による重量平均分子量(Mw))を行
った。
【0036】ポリマー試料を、次に述べる手順を使って
機械的に安定な緻密な膜に変えた。ポリマー(約10
g)を約70gのNMPに溶解して約12.5%のドー
プ溶液を作った。このドープ溶液を、ジペット(Zip
et、商標)PTFE「粗(Coarse)」グレード
の加圧フィルターを通過させた。脱気後、ドープ溶液を
150mmのリング上へキャストし乾燥させて、100
℃、200mmの圧力で8時間後に自立の膜にした。続
いて、この緻密な膜を96時間、0.1μm、295℃
で乾燥させた。TGA分析から、残留溶媒が0.4%未
満であることが示された。乾燥した緻密膜は、試験の前
にN2 下で保存した。全てのガス輸送測定を、マイクロ
プロセッサー制御のマノメーターセルで行った。結果は
下記の表3で報告される。
【0037】[例8〜31]例7で説明した重合手順を
使用して、位置特異的ポリアミド−イミドを調製し、乾
燥させて、機械的に安定な緻密な膜にした。これらの膜
の構造とガス分離特性を下記の表3〜6に示す。
【0038】
【表3】
【0039】上記のデータは、mPDAからDAMまで
環のアルキル化においてアミド(Ar2 )成分が増加す
るにつれα(O2 /N2 )が比較的一定のままであるこ
とを示している。同時に、P(O2 )は約2.4倍だけ
増加している。この所見は、環のアルキル化がα(O2
/N2 )には認められるほどの影響を及ぼしておらず、
P(O2 )に実質的な影響を及ぼしていることを示して
いる。より多くアルキル化した構造のDETDAあるい
はより大きな構造の4HBAFは増大したP(O2 )を
示すが、α(O2 /N22)が予期のとおり低下してい
る。
【0040】同じ範囲のアミド(Ar2 )結合について
のより大きなイミド(Ar1 )基の更なる研究におい
て、発明者らは下記の表4に示した物質を調製した。
【0041】
【表4】
【0042】表4で報告される結果は、DAM−DID
Cについて表3で説明されるのと同じ傾向に従ってお
り、アミド(Ar2 )の位置のmPDAとDAMについ
て言えば、α(O2 /N2 )は一定であるがP(O2
は増大している。例えばDETDA又は4HBAFとい
ったような、より大きなジアミンをアミド(Ar2 )の
位置で使用する場合には、P(O2 )が増大する一方で
α(O2 /N2 )が低下している。
【0043】上記の表3と表4で報告される結果は、ポ
リマーのアミド(Ar2 )の位置にDAMを有すること
と、そしてDAM−DIDC(表3)とDETDA−D
IDC(表4)の比較を基にして、イミド(Ar1 )の
位置により小さなジアミンを有することが好ましいこと
を示している。この結論は、下記の表5で提示されるデ
ータにより更に補強される。
【0044】
【表5】
【0045】表5のポリマーは、イミド(Ar1 )基の
大きさを増大させる一方でアミド(Ar2 )基をDAM
(例20、7、13、17)か又はDETDA(例2
1、22、14、18)のままにしておくことの効果を
試験するために調製されたものである。この表に示した
ように、P(O2 )、P(He)、P(CO2 )が増加
した一方で、α(O2 /N2 )とα(He/N2 )は低
下した。一般に、O2 /N2 とHe/N2 とについての
選択性は、アミド(Ar2 )の位置にDETDAがある
物質と比べてアミド(Ar2 )の位置にDAMがある物
質が優れている。
【0046】
【表6】
【0047】表6で報告される結果から分るように、対
称のポリマーは、可溶性ではあるが、透過係数の値が小
さい。
【0048】表7に明らかにされるコポリマーも、一番
小さなジアミンをイミド(Ar1 )の位置にしDAMを
アミド(Ar2 )の位置にすることにより改良されるこ
とを明らかにしている。これは、例25と例29とを、
また例26と例31とを比較することにより立証され
る。最後に、表8では、mPdaとDETDA(例20
対例8)及びmPdaとDETDA(例21対例16)
の効果を再び比較する。これらも、DAMとDETDA
との差を裏書きしている。
【0049】
【表7】
【0050】
【表8】
【0051】これらのコポリマー物質の利点は、NMP
といったような非プロトン性溶媒に可溶性であること、
そしてそれらがAr1 基とAr2 基の配置に関して完全
に定義されることである。
【0052】発明者らは、表3〜8でもって、P/αの
考察から理想的な物質はAr1 の位置にmPdaかTD
Aか又はmPda/DAMもしくはNAPda/DAM
の組合わせを持ち、Ar2 の位置にDAMかDAM/N
APdaを持つことを明白にした。
【0053】以上のように本発明を説明したが、本発明
の範囲は特許請求の範囲に記載されるとおりである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−137928(JP,A) 特開 平2−290230(JP,A) 特開 平6−254363(JP,A) 特開 平5−168880(JP,A) 特開 昭61−107923(JP,A) 特開 平5−137983(JP,A) 米国特許3461136(US,A) 独国特許出願公開4232496(DE,A 1) 欧州特許出願公開473541(EP,A 1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 71/64 B01D 53/22 C08G 73/14 WPI(DIALOG) EPAT(QUESTEL)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の構造式を有する単位を含む位置特
    異的ポリアミド−イミドから作製された半透膜。 【化1】 (この式の各Ar1 は独立に、メタフェニレンジアミ
    ン、2,6−トルエンジアミン、2,4−トルエンジア
    ミン、又はナフタレンジアミンであり、Ar2 はジアミ
    ノメシチレンであり、nは25〜160である)
  2. 【請求項2】 前記位置特異的ポリアミド−イミドが、
    Ar1 がジアミノメシチレンである構造単位を更に含
    む、請求項1記載の半透膜。
  3. 【請求項3】 前記位置特異的ポリアミド−イミドが、
    Ar2 がナフタレンジアミンである構造単位を更に含
    む、請求項1記載の半透膜。
  4. 【請求項4】 Ar1 がm−フェニレンジアミンであ
    る、請求項1記載の半透膜。
  5. 【請求項5】 薄いポリマーフィルムでコーティングさ
    れている、請求項1記載の半透膜。
  6. 【請求項6】 前記薄いポリマーフィルムがポリシロキ
    サン又はポリホスファゼンである、請求項5記載の半透
    膜。
  7. 【請求項7】 nが40〜80である、請求項1記載の
    半透膜。
  8. 【請求項8】 少なくとも二つの成分を有するガス混合
    物から成分を分離するための方法であって、当該ガス混
    合物を、下記の構造式 【化2】 (この式の各Ar1 は独立に、メタフェニレンジアミ
    ン、2,6−トルエンジアミン、2,4−トルエンジア
    ミン、又はナフタレンジアミンであり、Ar2 はジアミ
    ノメシチレンであり、nは25〜160である)を有す
    る単位を含む位置特異的ポリアミド−イミドから作製さ
    れた半透膜と、当該ガス混合物のうちの一成分が当該膜
    を選択的に透過するように接触させて、その成分を当該
    ガス混合物から分離することを含む分離方法。
  9. 【請求項9】 前記ガス混合物が窒素と酸素を含有して
    いる、請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記位置特異的ポリアミド−イミドが
    Ar1 がジアミノメシチレンである構造単位を更に含
    む、請求項8記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記位置特異的ポリアミド−イミドが
    Ar2 がナフタレンジアミンである構造単位を更に含
    む、請求項8記載の方法。
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