JP4647431B2 - Cross-linked gas separation membrane - Google Patents

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Description

本発明は、気体分離膜及びその製造方法に係り、特に排気ガス処理、天然ガス分離の分野に用いることができる気体分離膜に関する。本発明の気体分離膜は、二酸化炭素の分離膜として特に好適である。   The present invention relates to a gas separation membrane and a method for producing the same, and more particularly to a gas separation membrane that can be used in the fields of exhaust gas treatment and natural gas separation. The gas separation membrane of the present invention is particularly suitable as a carbon dioxide separation membrane.

近年の世界的な環境問題になっている地球温暖化を背景に、その原因物質の一つとされる二酸化炭素(CO2)の削減技術対策が国際的に急務とされている。その削減技術対策の一つに、製鉄所や火力発電所等の大規模固定発生源からのCO2の分離回収、そして地中もしくは海洋に埋める貯留プロセスがある。そのうち、現在、このコストの60〜70%を占めているのが二酸化炭素の発生源からの分離回収コストである。二酸化炭素の分離回収コストは、5,500円/t−CO2(吸収法)、5,000円/t−CO2(膜分離法)であり、膜分離法の方が安価である。吸着法はすでに完成された技術であり、それ以上の大きな技術改良は見込まれない。それに対して膜分離法は、本報で後述する技術展開によりさらなる発展が期待できる。現有の膜分離システムにおけるコストの約半分を、真空ポンプや送風ブロアの動力コストが占めている。それらの建設コストなどと合わせると、全費用の70〜80%になる。つまり70〜80%のコストダウンを行える余地がここにあるということを意味しているのである。通常、膜分離法における二酸化炭素の分離では、供給圧力は2〜5気圧程度と低い。 Against the backdrop of global warming, which has become a global environmental problem in recent years, a technology for reducing carbon dioxide (CO 2 ), which is one of the causative substances, is urgently needed internationally. One of the reduction technology measures is separation and recovery of CO 2 from large-scale fixed sources such as steelworks and thermal power plants, and storage processes buried underground or in the ocean. Of these costs, 60 to 70% of this cost is currently separated and recovered from carbon dioxide sources. The carbon dioxide separation and recovery costs are 5,500 yen / t-CO 2 (absorption method) and 5,000 yen / t-CO 2 (membrane separation method), and the membrane separation method is cheaper. The adsorption method is a technology that has already been completed, and no further technical improvement is expected. On the other hand, the membrane separation method is expected to be further developed by the technical development described later in this report. Approximately half of the cost of existing membrane separation systems is accounted for by the power costs of vacuum pumps and blower blowers. When combined with such construction costs, it becomes 70-80% of the total cost. In other words, this means that there is room for cost reduction of 70 to 80%. Usually, in the separation of carbon dioxide in the membrane separation method, the supply pressure is as low as about 2 to 5 atm.

そこで本発明者は、コストダウンの一つの解決策として、自圧を有するガスを対象とすることを検討した。つまり自圧を利用することにより、膜を挟んでの差圧が生じるため、動力が不要になるということである。また高温での操作により高い透過性(処理ガス量)が見込まれる。例えば、米国が提唱するFuture Genの一酸化炭素シフト設備では、高温(>150℃)高圧(約40気圧)下での分離環境が要求されている。
しかしながら高分子製の分離膜は、高温高圧下において二酸化炭素による膨潤・可塑化により性能低下を起こす問題点を有している。特許文献1には、カルド型ポリマーを使用する気体分離膜が開示されているが、前述の問題点には特別の対策を講じていない。
特開平10−99666号公報
Therefore, the present inventor studied to target a gas having a self-pressure as one solution for cost reduction. In other words, by using the self-pressure, a differential pressure is generated across the membrane, so that no power is required. In addition, high permeability (amount of processing gas) is expected due to operation at high temperatures. For example, Future Gen's carbon monoxide shift facility proposed by the United States requires a separation environment at a high temperature (> 150 ° C.) and a high pressure (about 40 atm).
However, polymer separation membranes have a problem that performance is deteriorated by swelling and plasticization with carbon dioxide under high temperature and high pressure. Patent Document 1 discloses a gas separation membrane using a cardo type polymer, but does not take any special measures against the aforementioned problems.
JP-A-10-99666

本発明が解決しようとする課題は、高効率の分離性を維持しつつ、分離しようとする気体による膨潤に基づく変形を抑制した高分子製の気体分離膜を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer gas separation membrane that suppresses deformation due to swelling by the gas to be separated while maintaining high efficiency of separation.

本発明の上記課題は、下記の気体分離膜により解決された。
項1)非架橋性のポリマー(1)、及び、該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする気体分離膜。
The above-described problems of the present invention have been solved by the following gas separation membrane.
Item 1) In the presence of the non-crosslinkable polymer (1) and the polymer (1), the acetylene groups of the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular terminal are cross-linked by a cross-linking reaction. A gas separation membrane characterized by having a structure.

以下に、上記発明1)の好ましい実施態様2)〜6)を列記する。
項2)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にフルオレン環を有するカルド型ポリマーである項1)記載の気体分離膜、
項3)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共に重縮合ポリマーである項1)又は2)記載の気体分離膜、
項4)該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にポリイミド型ポリマーである項1)〜3)いずれか1つに記載の気体分離膜、
項5)ポリマー(1)が6FDA−FDA及び/又は6FDA−TeMPDであり、ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPA及び/又は6FDA−TeMPD−PEPAである、項1)〜4)いずれか1つに記載の気体分離膜。
The preferred embodiments 2) to 6) of the above invention 1) are listed below.
Item 2) The gas separation membrane according to Item 1), wherein the polymer (1) and the polymer (2) are both cardo type polymers having a fluorene ring,
Item 3) The gas separation membrane according to Item 1) or 2), wherein the polymer (1) and the polymer (2) are both polycondensation polymers,
Item 4) The gas separation membrane according to any one of Items 1) to 3), wherein the polymer (1) and the polymer (2) are both polyimide-type polymers,
Item 5) The polymer (1) is 6FDA-FDA and / or 6FDA-TeMPD, and the polymer (2) is 6FDA-FDA-PEPA and / or 6FDA-TeMPD-PEPA, any one of Items 1) to 4) The gas separation membrane described in 1.

ここで、上記略称は以下の化学名を表す。繰り返し化学構造の化学式と共に示す。
6FDA−FDA:4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA) (4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride)-4,4'-(9-Fluorenylidene)dianiline)
Here, the above abbreviations represent the following chemical names. It is shown together with the chemical formula of the repeating chemical structure.
6FDA-FDA: 4,4'-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 '-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA) (4,4'-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride)- 4,4 '-(9-Fluorenylidene) dianiline)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

6FDA−TeMPD:4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル-1,4−フェニレンジアミン(TeMPD) (4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride)-4,4'-(9-Fluorenylidene)dianiline)   6FDA-TeMPD: 4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TeMPD) (4,4 ′-( Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride) -4,4 '-(9-Fluorenylidene) dianiline)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

6FDA−FDA−PEPA:4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA) 4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA)-4,4'-(9-Fluorenylidene)dianiline(FDA)-4-(2-Phenylethynyl)phthalic anhydride(PEPA)   6FDA-FDA-PEPA: 4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA) -4- (2-phenylethynyl) phthalic acid Anhydride (PEPA) 4,4 '-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA) -4,4'-(9-Fluorenylidene) dianiline (FDA) -4- (2-Phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

6FDA−TeMPD−PEPA:4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA)(化学式は省略する。)   6FDA-TeMPD-PEPA: 4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TeMPD) -4- (2 -Phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA) (chemical formula omitted)

本発明の上記課題は、下記の気体分離膜の製造方法によっても解決された。
項6) 非架橋性ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の重量比率1/20〜1/5、を含有する混合物の溶液を流延し溶剤を除去してポリマー混合物膜を形成する製膜工程、並びに、得られたポリマー混合物膜を加熱することにより、該アセチレン基同士の架橋反応により架橋構造を形成する架橋工程、を含むことを特徴とする、気体分離膜の製造方法。
上記の項6)記載の発明の好ましい実施態様を以下に記す。
項7)ポリマー(1)が6FDA−FDA及び/又は6FDA−TeMPDであり、ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPAである項6)記載の気体分離膜の製造方法。
The above-described problems of the present invention have also been solved by the following method for producing a gas separation membrane.
Item 6) Contains a weight ratio of 4/5 to 19/20 of the non-crosslinkable polymer (1) and a weight ratio of 1/20 to 1/5 of the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular end. A film-forming step of casting a solution of the mixture to remove the solvent to form a polymer mixture film, and a crosslinking that forms a crosslinked structure by a crosslinking reaction between the acetylene groups by heating the obtained polymer mixture film A process for producing a gas separation membrane.
Preferred embodiments of the invention described in item 6) above are described below.
Item 7) The method for producing a gas separation membrane according to Item 6), wherein the polymer (1) is 6FDA-FDA and / or 6FDA-TeMPD, and the polymer (2) is 6FDA-FDA-PEPA.

本発明によれば、分離しようとする気体、例えば二酸化炭素による気体分離膜の膨潤・可塑化を抑制し、性能低下を引き起こすことのない気体分離膜を提供することができた。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas separation membrane which suppresses swelling and plasticization of the gas separation membrane by the gas which is going to isolate | separate, for example, a carbon dioxide, and does not cause a performance fall could be provided.

本発明の気体分離膜は、非架橋性のポリマー(1)、及び、該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする。
上記のポリマー(1)及びポリマー(2)は、共通の流延溶媒に溶解し、溶媒を除去した乾燥状態で相溶性がある自立膜を形成し、架橋によりネットワークを形成した後に適度の柔軟性を有する気体分離膜として機能する限り、任意の組み合わせが選択できる。
The gas separation membrane of the present invention comprises a non-crosslinkable polymer (1) and a crosslink between the acetylene groups of the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular end in the presence of the polymer (1). It has a structure crosslinked by reaction.
The above polymer (1) and polymer (2) are dissolved in a common casting solvent, form a self-supporting film that is compatible in a dry state from which the solvent has been removed, and form a network by cross-linking. Any combination can be selected as long as it functions as a gas separation membrane having the above.

ポリマー(1)及びポリマー(2)の分子量の下限は膜形成性の観点から定まり、ある程度高い分子量を有することが好ましく、数平均分子量が1万〜10万であることが好ましいが、必ずしも共に1万以上であることを必須とするものではない。ポリマー(1)及びポリマー(2)の分子量の上限は、溶剤溶解性により定まり、室温において共通の溶媒(混合溶媒であっても良い。)に均一に溶解することが好ましく、通常は数平均分子量が50万以下であることが好ましいが、これを絶対的な上限とするものではない。   The lower limit of the molecular weight of the polymer (1) and the polymer (2) is determined from the viewpoint of film-forming properties, preferably has a somewhat high molecular weight, and preferably has a number average molecular weight of 10,000 to 100,000, but is not necessarily 1 It is not essential to be over 10,000. The upper limit of the molecular weight of the polymer (1) and the polymer (2) is determined by the solvent solubility, and it is preferable that the polymer (1) and the polymer (2) are uniformly dissolved in a common solvent (may be a mixed solvent) at room temperature. Is preferably 500,000 or less, but this is not an absolute upper limit.

ポリマー(1)及びポリマー(2)は共に、その主鎖がケイ素や酸素で構成されるものでも良いが、その主鎖に好ましくは炭素、窒素、酸素を含む有機高分子であることが好ましい。ポリマー(1)及びポリマー(2)は、いずれも、直鎖状でも分岐していても良く、いわゆるデンドリマーといわれる超分岐構造を有していても良い。ポリマー(2)は分子中の少なくとも2つの端末にアセチレン基が結合している。このアセチレン基がポリマーと結合しない炭素原子に結合する水素原子は有機基で置換されていても良く、置換されている方が好ましい。置換基としては、アルキル基(C1〜C6)又はアリール基(C6〜10)が例示できる。ポリマー(2)において、アセチレン基の数は2以上であり、分岐を有するポリマーの場合にはアセチレン基の数が3以上の多官能でも良く、このアセチレン基は無置換基でも置換されていても良い。
置換アセチレン基同士の反応については後述する。
Both the polymer (1) and the polymer (2) may have a main chain composed of silicon or oxygen, but the main chain is preferably an organic polymer containing carbon, nitrogen, and oxygen. Each of the polymer (1) and the polymer (2) may be linear or branched, and may have a hyperbranched structure called a so-called dendrimer. In the polymer (2), acetylene groups are bonded to at least two terminals in the molecule. The hydrogen atom bonded to the carbon atom to which the acetylene group is not bonded to the polymer may be substituted with an organic group, and is preferably substituted. Examples of the substituent include an alkyl group (C1 to C6) or an aryl group (C6 to 10). In the polymer (2), the number of acetylene groups is 2 or more, and in the case of a branched polymer, the number of acetylene groups may be polyfunctional with 3 or more, and this acetylene group may be unsubstituted or substituted. good.
The reaction between substituted acetylene groups will be described later.

本発明の気体分離膜は、自由体積分率の高い分子構造を有するポリマー(1)又は(2)で構成されていることが好ましい。このためには、ポリマー(1)及び/又はポリマー(2)が嵩高い基を分子内に含むことが好ましく、例えばフルオレン環を導入したカルド型ポリマーが例示できる。ポリマー(1)及び/又はポリマー(2)がフルオレン環を有するカルド型ポリマーである組み合わせから得られる気体分離膜を好ましく使用することができる。   The gas separation membrane of the present invention is preferably composed of a polymer (1) or (2) having a molecular structure with a high free volume fraction. For this purpose, the polymer (1) and / or the polymer (2) preferably contains a bulky group in the molecule, and examples thereof include cardo type polymers into which a fluorene ring is introduced. A gas separation membrane obtained from a combination in which the polymer (1) and / or the polymer (2) is a cardo type polymer having a fluorene ring can be preferably used.

ポリマー(1)及びポリマー(2)は、重付加型ポリマーであっても良いが、重縮合型ポリマーであることが自由体積の大きいポリマーを設計する上で好ましい。重縮合型ポリマーには、芳香族ポリイミド類、芳香族ポリアミド類、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリカーボネート類、脂肪族ポリカーボネート類、芳香族ポリエステル類、脂肪族ポリエステル類、芳香族ポリスルホン類、脂肪族ポリスルホン類が含まれ、芳香族ポリイミド類が好ましい。   The polymer (1) and the polymer (2) may be a polyaddition type polymer, but a polycondensation type polymer is preferable in designing a polymer having a large free volume. Polycondensation polymers include aromatic polyimides, aromatic polyamides, aliphatic polyamides, aromatic polycarbonates, aliphatic polycarbonates, aromatic polyesters, aliphatic polyesters, aromatic polysulfones, and aliphatic polysulfones. And aromatic polyimides are preferred.

本発明で使用するポリマー(1)の構造単位及びポリマー(2)のアセチレン基を除く構造単位の化学構造として、特開平10−99666号公報の段落0012〜0032に記載された下記一般式(1)〜(5)の構造単位を有する重縮合型ポリマーが例示できる。   As the chemical structure of the structural unit excluding the structural unit of the polymer (1) and the acetylene group of the polymer (2) used in the present invention, the following general formula (1) described in paragraphs 0012 to 0032 of JP-A No. 10-99666 is shown. Examples thereof include polycondensation type polymers having structural units of (5) to (5).

Figure 0004647431
Figure 0004647431

〔但し、式中Y1、Y2、Y3及びY4は2価の有機残基を示し、Y5は4価の有機残基を示し、Xは2価の有機残基であって少なくともその一部は下記構造式(A) [Wherein Y 1 , Y 2 , Y 3 and Y 4 represent a divalent organic residue, Y 5 represents a tetravalent organic residue, and X represents a divalent organic residue, A part of the following structural formula (A)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

(但し、式中R1〜R12は、−H、−Cn2n+1(n=1〜4の整数)で表されるアルキル基、−OCn2n+1(nは1〜4の整数を示す。)で表されるアルコキシル基、カルボキシル基、カルボキシメチル基、又はハロゲンを示し、互いに同一であっても異なっていてもよい)で表される2価の有機残基である。〕
本発明で使用するポリマー(1)及び/又は(2)は、好ましくは、上記のポリエステル構造単位、ポリカーボネート構造単位、ポリエーテル構造単位、ポリアミド構造単位及びポリイミド構造単位から選ばれた少なくとも1種の構造単位を有するポリマーからなり、より好ましくはカルド型ポリマーからなる。
(Wherein R 1 to R 12 are each an alkyl group represented by —H, —C n H 2n + 1 (n = 1 to 4), —OC n H 2n + 1 (n is 1 to 4). 4 represents an integer of 4.) represents an alkoxyl group, a carboxyl group, a carboxymethyl group, or a halogen, which may be the same or different, and is a divalent organic residue represented by . ]
The polymer (1) and / or (2) used in the present invention is preferably at least one selected from the above polyester structural unit, polycarbonate structural unit, polyether structural unit, polyamide structural unit and polyimide structural unit. It consists of a polymer having a structural unit, more preferably a cardo type polymer.

本発明において、一般式(1)のポリエステル構造単位は、ジオール類とジカルボン酸ジハライド、好ましくはジカルボン酸ジクロライドとを反応させて得られる。一般式(1)中のY1部分の原料となるジカルボン酸ジクロライドとしては、テレフタル酸ジクロライド、イソフタル酸ジクロライド、4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジクロライド、2,6−ナフタレンジカルボン酸ジクロライド等の芳香族ジカルボン酸ジクロライドや、シュウ酸ジクロライド、コハク酸ジクロライド、グルタル酸ジクロライド、アジピン酸ジクロライド、ピメル酸ジクロライド、スベル酸ジクロライド、フマル酸ジクロライド、マレイン酸ジクロライド、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸ジクロライド等の脂肪族ジカルボン酸ジクロライドや、これらジカルボン酸ジクロライドの混合物が挙げられる。なかでも工業的に入手し易いことから、テレフタル酸ジクロライド、イソフタル酸ジクロライド及びアジピン酸ジクロライドが好適である。 In the present invention, the polyester structural unit of the general formula (1) is obtained by reacting a diol with a dicarboxylic acid dihalide, preferably a dicarboxylic acid dichloride. Examples of the dicarboxylic acid dichloride used as a raw material for the Y 1 moiety in the general formula (1) include aromatics such as terephthalic acid dichloride, isophthalic acid dichloride, 4,4′-biphenyldicarboxylic acid dichloride, and 2,6-naphthalenedicarboxylic acid dichloride. Aliphatic dicarboxylic acids such as dicarboxylic acid dichloride, oxalic acid dichloride, succinic acid dichloride, glutaric acid dichloride, adipic acid dichloride, pimelic acid dichloride, suberic acid dichloride, fumaric acid dichloride, maleic acid dichloride, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid dichloride Examples thereof include acid dichlorides and mixtures of these dicarboxylic acid dichlorides. Of these, terephthalic acid dichloride, isophthalic acid dichloride, and adipic acid dichloride are preferred because they are easily available industrially.

本発明において、一般式(2)のポリカーボネート構造単位は、ジオール類とホスゲンダイマーとを反応させて得られる。一般式(2)中のY2部分の原料となるホスゲンダイマーとしては、トリクロロメチルクロロホルメートが挙げられる。 In the present invention, the polycarbonate structural unit of the general formula (2) is obtained by reacting a diol with a phosgene dimer. Examples of the phosgene dimer used as a raw material for the Y 2 moiety in the general formula (2) include trichloromethyl chloroformate.

本発明において、一般式(3)のポリエーテル構造単位は、ジオール類とハロゲン化ジフェニルスルフォンとを反応させて得られる。一般式(3)中のY3部分の原料となるハロゲン化ジフェニルスルフォンとしては、下記構造式(B) In the present invention, the polyether structural unit of the general formula (3) is obtained by reacting a diol with a halogenated diphenylsulfone. As the halogenated diphenylsulfone used as a raw material for the Y 3 moiety in the general formula (3), the following structural formula (B)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

(但し、式中R13及びR14はH又は電子吸引性の基であり、R15はハロゲンである。)で表される化合物である。ここで電子吸引性の基R13及びR14としてはF、Cl、Br等のハロゲンやNO2が望ましく、置換基R15としてはF、C1、Brのいずれかでよい。この化合物Bは、その1種を単独で使用しても、また、2種以上を併用しても差し支えない。このような化合物の代表的な具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルフォン、3,3’,4,4’−テトラクロロジフェニルスルフォン、4,4’−ジクロロ−3,3’−ジニトロージフェニルスルフォン等のジクロロジフェニルスルフォン類やこれらの混合物が挙げられる。 (Wherein R 13 and R 14 are H or an electron-withdrawing group, and R 15 is a halogen). Here, the electron-withdrawing groups R 13 and R 14 are preferably halogen such as F, Cl, Br or NO 2 , and the substituent R 15 may be any of F, C1, or Br. This compound B may be used alone or in combination of two or more. Representative examples of such compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetrachlorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichloro-3,3′-dinini. Examples thereof include dichlorodiphenyl sulfones such as trodiphenyl sulfone and mixtures thereof.

上記一般式(1)〜(3)において、そのX部分の原料としては、下記構造式(A1)   In the above general formulas (1) to (3), as a raw material of the X portion, the following structural formula (A1)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

〔但し、式中R1〜R12は構造式(A)の場合と同じである。〕で表されるフルオレン骨格を有するジオール類を単独で、若しくは、このフルオレン骨格を有するジオール類とその他のジオール類とを併用して使用する。 [However, in the formula, R 1 to R 12 are the same as in the structural formula (A). The diol having a fluorene skeleton represented by the above formula is used alone or in combination with a diol having the fluorene skeleton and other diols.

このフルオレン骨格を有するジオール類としては、ビスフェノールフルオレン類が用いられ、具体的には9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−エチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジエチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン−4−カルボン酸等や、これらの混合物が挙げられる。また、その他のジオール類としては、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、p−キシリレングリコール、ナフタレンジオール等の芳香族ジオール類や、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ブタンジオール等の脂肪族ジオール類等が挙げられる。また、これらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩も使用できる。   As the diols having this fluorene skeleton, bisphenol fluorenes are used. Specifically, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene. 9,9-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-ethyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3,5-diethyl-4) -Hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-bromo-4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (4- Hydroxyphenyl) fluorene-4-carboxylic acid and the like, and mixtures thereof. Other diols include aromatic diols such as bisphenol A, bisphenol F, bisphenol S, p-xylylene glycol, and naphthalenediol, and aliphatic diols such as ethylene glycol, diethylene glycol, and butanediol. It is done. Further, alkali metal salts such as sodium and potassium can also be used.

なお、一般式(1)〜(3)の場合において、フルオレン骨格を有するジオール類とその他のジオール類との成分モル比は10/90以上であることが望ましい。この成分モル比が10/90以上であると、前駆体のカルド型ポリマーについて優れた溶剤可溶性、熱的安定性が得られる。   In the case of the general formulas (1) to (3), the component molar ratio between the diol having a fluorene skeleton and the other diols is desirably 10/90 or more. When this component molar ratio is 10/90 or more, excellent solvent solubility and thermal stability can be obtained for the precursor cardo type polymer.

本発明において、一般式(4)のポリアミド構造単位は、ジアミン類とジカルボン酸ジハライド、好ましくはジカルボン酸ジクロライドとを反応させて得られる。一般式(4)中のY4部分の原料となるジカルボン酸ジクロライドとしては、テレフタル酸ジクロライド、イソフタル酸ジクロライド、4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジクロライド、2,6−ナフタレンジカルボン酸ジクロライド等の芳香族ジカルボン酸ジクロライドや、シュウ酸ジクロライド、コハク酸ジクロライド、グルタル酸ジクロライド、アジピン酸ジクロライド、ピメル酸ジクロライド、スベル酸ジクロライド、フマル酸ジクロライド、マレイン酸ジクロライド、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸ジクロライド等の脂肪族ジカルボン酸ジクロライドや、これらジカルボン酸ジクロライドの混合物が挙げられる。なかでも工業的に入手し易いことから、テレフタル酸ジクロライド、イソフタル酸ジクロライド及びアジピン酸ジクロライドが好適である。 In the present invention, the polyamide structural unit of the general formula (4) is obtained by reacting a diamine with a dicarboxylic acid dihalide, preferably a dicarboxylic acid dichloride. Examples of the dicarboxylic acid dichloride used as a raw material for the Y 4 moiety in the general formula (4) include aromatics such as terephthalic acid dichloride, isophthalic acid dichloride, 4,4′-biphenyldicarboxylic acid dichloride, and 2,6-naphthalenedicarboxylic acid dichloride. Aliphatic dicarboxylic acids such as dicarboxylic acid dichloride, oxalic acid dichloride, succinic acid dichloride, glutaric acid dichloride, adipic acid dichloride, pimelic acid dichloride, suberic acid dichloride, fumaric acid dichloride, maleic acid dichloride, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid dichloride Examples thereof include acid dichlorides and mixtures of these dicarboxylic acid dichlorides. Of these, terephthalic acid dichloride, isophthalic acid dichloride, and adipic acid dichloride are preferred because they are easily available industrially.

本発明において、一般式(5)のポリイミド構造単位は、ポリマー(1)及びポリマー(2)の構造単位として好ましく使用でき、ジアミン類とテトラカルボン酸二無水物とを反応させて得られる。一般式(5)中のY5部分の原料となるテトラカルボン酸二無水物としては、例えば無水ピロメリット酸、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルフォン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物等や、これらの混合物が挙げられる。 In this invention, the polyimide structural unit of General formula (5) can be preferably used as a structural unit of a polymer (1) and a polymer (2), and is obtained by making diamine and tetracarboxylic dianhydride react. Examples of the tetracarboxylic dianhydride used as a raw material for the Y 5 moiety in the general formula (5) include pyromellitic anhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, bis (3 , 4-dicarboxyphenyl) sulfone dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane dianhydride, 3,3 ′ , 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-diphenyl ether tetracarboxylic dianhydride and the like, and mixtures thereof.

上記一般式(4)及び(5)において、そのX部分の原料としては、下記構造式(A2)   In the above general formulas (4) and (5), as a raw material of the X portion, the following structural formula (A2)

Figure 0004647431
Figure 0004647431

〔但し、式中R1〜R12は構造式(A)の場合と同じである〕で表されるフルオレン骨格を有するジアミン類を単独で、若しくは、このフルオレン骨格を有するジアミン類とその他のジアミン類を併用して使用する。フルオレン環を有していないジアミン類も単独で使用できる。 [Wherein, R 1 to R 12 are the same as those in the structural formula (A)] alone, or a diamine having the fluorene skeleton and other diamines having the fluorene skeleton. Use in combination. Diamines having no fluorene ring can also be used alone.

フルオレン骨格を有するジアミン類としては、ビスアニリンフルオレン類が用いられ、具体的には9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジメチル−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−エチル−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジエチル−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−ブロモ−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3,5−ジブロモ−4−アミノフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン−4−カルボン酸、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン−4−カルボン酸メチル等や、これらの混合物が挙げられる。   Bisaniline fluorenes are used as diamines having a fluorene skeleton, specifically 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene and 9,9-bis (3-methyl-4-aminophenyl) fluorene. 9,9-bis (3,5-dimethyl-4-aminophenyl) fluorene, 9,9-bis (3-ethyl-4-aminophenyl) fluorene, 9,9-bis (3,5-diethyl-4) -Aminophenyl) fluorene, 9,9-bis (3-bromo-4-aminophenyl) fluorene, 9,9-bis (3,5-dibromo-4-aminophenyl) fluorene, 9,9-bis (4- Aminophenyl) fluorene-4-carboxylic acid, methyl 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene-4-carboxylate, and the like, and mixtures thereof.

また、その他のジアミン類としては、2,7−ジアミノフルオレン、ナフタレンジアミン、2,8−ジアミノジベンゾフラン、4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル等の芳香族ジアミン類や、ヘキサメチレンジアミン、イソプロピルジアミン等の脂肪族ジアミン類等が挙げられる。
フルオレン環を有していないジアミン類として、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミンが例示できる。
Other diamines include aromatic diamines such as 2,7-diaminofluorene, naphthalenediamine, 2,8-diaminodibenzofuran, 4,4'-diaminobiphenyl, 4,4'-diaminodiphenyl ether, hexa Examples include aliphatic diamines such as methylene diamine and isopropyl diamine.
Examples of diamines having no fluorene ring include 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine.

なお、一般式(4)及び(5)において、フルオレン骨格を有するジアミン類とその他のジアミン類との成分モル比は10/90以上が望ましい。この成分モル比が10/90以上であると、前駆体のカルド型ポリマーについて優れた溶剤可溶性、熱的安定性が得られる。   In the general formulas (4) and (5), the component molar ratio between the diamine having a fluorene skeleton and the other diamines is preferably 10/90 or more. When this component molar ratio is 10/90 or more, excellent solvent solubility and thermal stability can be obtained for the precursor cardo type polymer.

本発明において、上記一般式(1)〜(5)で表されるカルド型の構造単位を有するカルド型ポリマーとしては、それぞれポリエステル構造単位、ポリカーボネート構造単位、ポリエーテル構造単位、ポリアミド構造単位又はポリイミド構造単位の何れか1つを有するポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリアミド、又はポリイミドからなる重合物が挙げられるほか、これらカルド型の構造単位を2種以上有する共重合物であってもよく、更には、これら重合物及び共重合物から選ばれた2種以上のポリマーの混合物であってもよい。   In the present invention, as the cardo type polymer having cardo type structural units represented by the general formulas (1) to (5), a polyester structural unit, a polycarbonate structural unit, a polyether structural unit, a polyamide structural unit, or a polyimide, respectively. In addition to a polymer composed of polyester, polycarbonate, polyether, polyamide, or polyimide having any one of the structural units, it may be a copolymer having two or more of these cardo-type structural units, May be a mixture of two or more polymers selected from these polymers and copolymers.

本発明に使用する架橋性ポリマー(2)は分子末端にアセチレン基を有している。このアセチレン基は、無置換でも置換されたアセチレン基でも良い。置換アセチレン基とは、末端のアセチレン炭素に結合する水素原子が置換基で置換された構造をいう。好ましくは末端の水素原子がアルキル基又はフェニル基で置換されていることが好ましく、フェニル基で置換されていることがより好ましい。
分子末端へ(置換)アセチレン基を導入するためには、官能基を有する(置換)アセチレン化合物を使用することができる。例えば、4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA)を使用して、末端に(置換)アセチレン基の導入されたポリイミドを合成できる。プロパルギルアルコールやフェニルプロパルギルアルコールを使用して末端に(置換)アセチレン基の導入されたポリエステルを合成することができる。プロパルギルアミンを使用して末端に置換アセチレン基を導入したポリアミドを合成することができる。
The crosslinkable polymer (2) used in the present invention has an acetylene group at the molecular end. The acetylene group may be unsubstituted or substituted acetylene group. The substituted acetylene group refers to a structure in which a hydrogen atom bonded to a terminal acetylene carbon is substituted with a substituent. The terminal hydrogen atom is preferably substituted with an alkyl group or a phenyl group, and more preferably substituted with a phenyl group.
In order to introduce a (substituted) acetylene group to the molecular terminal, a (substituted) acetylene compound having a functional group can be used. For example, 4- (2-phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA) can be used to synthesize a polyimide having a (substituted) acetylene group introduced at the terminal. Polyester having a (substituted) acetylene group introduced at the terminal can be synthesized using propargyl alcohol or phenylpropargyl alcohol. Polyamide having a substituted acetylene group introduced at the terminal can be synthesized using propargylamine.

(両ポリマーの混合比率)
ポリマー(1)及びポリマー(2)の混合比率は特に制限されないが、一般には、非架橋性のポリマー(1)が架橋性のポリマー(2)よりも過剰であることが好ましい。架橋性のポリマー(2)の比率が低いと十分な架橋が得られず、気体分離膜の膨潤・可塑化が抑制できないが、逆に架橋性ポリマー(2)が多すぎると分離膜の柔軟性が失われる傾向がある。一般には、非架橋ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の1/20〜1/5の混合物であることが好ましい。
(Mixing ratio of both polymers)
The mixing ratio of the polymer (1) and the polymer (2) is not particularly limited, but it is generally preferable that the non-crosslinkable polymer (1) is in excess of the crosslinkable polymer (2). If the ratio of the crosslinkable polymer (2) is low, sufficient crosslinking cannot be obtained, and swelling / plasticization of the gas separation membrane cannot be suppressed. Conversely, if there is too much crosslinking polymer (2), the flexibility of the separation membrane Tend to be lost. In general, the mixture is preferably a mixture of the weight ratio of 4/5 to 19/20 of the non-crosslinked polymer (1) and 1/20 to 1/5 of the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular end. .

本発明で用いる分離膜本体の形状は、一般に気体分離に用いられる形状であれば特に制限はなく、平膜状、中空糸膜状等が挙げられる。製膜方法についても公知の方法が採用できる。例えば、平膜状の分離膜本体を形成する場合には、原料のポリマーを適当な有機溶剤に溶解し、この際に必要に応じて、溶液安定性の向上を目的として塩化リチウム等を所望により添加して、製膜原液を調製する。架橋触媒を添加しても良い。次に、この製膜原液を平滑なガラス板、ポリテトラフルオロエチレン板、鏡面加工したステンレス板、又はステンレスベルト上に流延あるいは塗布し、次いで加熱して溶媒の一部を蒸発させた後に、必要に応じて加熱して架橋反応を進行させ気体分離膜のネットワーク化を達成する。   The shape of the separation membrane main body used in the present invention is not particularly limited as long as it is a shape generally used for gas separation, and examples thereof include a flat membrane shape and a hollow fiber membrane shape. A well-known method can be adopted as the film forming method. For example, when forming a flat membrane-like separation membrane body, the raw material polymer is dissolved in a suitable organic solvent, and if necessary, lithium chloride or the like is optionally added for the purpose of improving solution stability. Add to prepare the stock solution. A crosslinking catalyst may be added. Next, this film-forming stock solution is cast or coated on a smooth glass plate, polytetrafluoroethylene plate, mirror-finished stainless steel plate, or stainless steel belt, and then heated to evaporate a part of the solvent. If necessary, heating is performed to advance the cross-linking reaction to achieve networking of the gas separation membrane.

また、中空糸膜状の分離膜本体を製膜するには、上記製膜原液を二重管構造の中空糸紡糸ノズルの周縁部環状口から凝固液中に押し出すと同時に中央部円状口からは製膜原液の溶媒と混合するがカルド型ポリマーに対しては非溶解性の溶媒を凝固液中に押し出し、これを室温で風乾した後、真空乾燥した後適当な温度で架橋反応を進行させネットワークを形成する。   In order to form a hollow fiber membrane-shaped separation membrane body, the membrane-forming stock solution is extruded into the coagulation liquid from the peripheral annular port of a double-pipe structure hollow fiber spinning nozzle and simultaneously from the central circular port. Is mixed with the solvent of the film-forming stock solution, but for cardo-type polymers, an insoluble solvent is extruded into the coagulation solution, air-dried at room temperature, vacuum-dried, and then allowed to proceed with a crosslinking reaction at an appropriate temperature. Form a network.

本発明に使用されるポリマー(2)の架橋反応は、分子末端に結合されたアセチレン基(アルキン)の環化二量化、及び、環化三量化によるアレーンの生成が代表的である。この環化二量化及び環化三量化は、比較的低い温度(室温〜150℃)でも遷移金属触媒により進行し、後者の三量化では置換ベンゼン類が生成する。この環化二量化及び環化三量化を促進する金属触媒としては、ニッケル触媒やコバルト触媒が古くから知られているが、5族の高原子価金属が選択性の優れた触媒作用を示すことが最近見いだされ、ニオブ又はタンタルのハロゲン化物を好ましく使用でき、TaCl5、NbCl5が例示できる。本発明の製造方法において、比較的低い温度では、TaCl5又はNbCl5をアセチレン基同士の架橋反応触媒として使用することが好ましい。その使用量は、架橋反応を促進するために有効な量であれば任意の添加量とすることができる。ポリマー(1)及びポリマー(2)の乾燥重量合計に対して0.01〜2重量%の範囲が一般的である。
なお、比較的高い温度(150℃超〜400℃、例えば350℃)では、上記の遷移金属触媒なしでも環状三量化が進行する。
A typical crosslinking reaction of the polymer (2) used in the present invention is cyclization dimerization of an acetylene group (alkyne) bonded to a molecular terminal and formation of arene by cyclization trimerization. This cyclization dimerization and cyclization trimerization proceed with a transition metal catalyst even at a relatively low temperature (room temperature to 150 ° C.), and the latter trimerization produces substituted benzenes. As a metal catalyst for promoting the cyclization dimerization and cyclization trimerization, a nickel catalyst and a cobalt catalyst have been known for a long time, but a high-valent metal of group 5 exhibits an excellent catalytic action. Recently, niobium or tantalum halides can be preferably used, and TaCl 5 and NbCl 5 can be exemplified. In the production method of the present invention, TaCl 5 or NbCl 5 is preferably used as a cross-linking reaction catalyst between acetylene groups at a relatively low temperature. The amount used can be arbitrarily added as long as it is an effective amount for accelerating the crosslinking reaction. The range of 0.01 to 2% by weight relative to the total dry weight of polymer (1) and polymer (2) is common.
In addition, cyclic | annular trimerization advances even if there is no said transition metal catalyst in comparatively high temperature (above 150 degreeC-400 degreeC, for example, 350 degreeC).

溶剤キャスト法により分離膜を製膜する場合には、ポリマー(1)及びポリマー(2)の混合物の溶液に架橋反応触媒を添加して流延する。溶剤を完全に除去する前にはぎ取って延伸することができる。通常は溶剤を除去し乾燥してから、必要に応じて加熱して、アセチレン基同士の架橋反応を進行させる。また、架橋反応触媒は予め流延溶液に添加しておくことが簡便であるが、架橋触媒の添加されていないポリマー混合物溶液を流延して製膜した後に、得られた膜を膨潤する溶媒に溶かした架橋反応触媒を膜中に供給して、架橋反応を進行させることも可能である。   When forming a separation membrane by the solvent casting method, a crosslinking reaction catalyst is added to a solution of a mixture of the polymer (1) and the polymer (2) and cast. Prior to complete removal of the solvent, it can be stripped and stretched. Usually, after removing the solvent and drying, heating is performed as necessary to advance the crosslinking reaction between the acetylene groups. In addition, it is convenient to add the crosslinking reaction catalyst to the casting solution in advance, but the solvent that swells the obtained membrane after casting the polymer mixture solution without the addition of the crosslinking catalyst. It is also possible to supply a crosslinking reaction catalyst dissolved in the membrane into the membrane to advance the crosslinking reaction.

架橋反応を引き起こすために必要な加熱温度は、遷移金属触媒使用の有無、ポリマー(1)及びポリマー(2)の組み合わせにより異なるが、通常、40〜300℃であり、50〜250℃が好ましい。
最適の加熱温度と加熱時間は、予備実験により求めることができる。加熱温度が最適温度よりも低い場合には架橋反応が充分に進行せず分離膜の可塑化による機械的強度の低下が見られ、又、加熱温度が最適温度よりも高いと分離膜の硬化が進行して柔軟性が失われ、又着色を伴うことも散見される。
加熱時間は、加熱温度にも依存するが、多くの場合0.5〜10時間である。
ふさわしく選択された加熱条件により架橋させた気体分離膜は、多くの有機溶媒にも不溶となる。
The heating temperature necessary for causing the crosslinking reaction varies depending on whether or not the transition metal catalyst is used and the combination of the polymer (1) and the polymer (2), but is usually 40 to 300 ° C, preferably 50 to 250 ° C.
The optimum heating temperature and heating time can be determined by preliminary experiments. When the heating temperature is lower than the optimum temperature, the crosslinking reaction does not proceed sufficiently, and the mechanical strength is reduced due to plasticization of the separation membrane. When the heating temperature is higher than the optimum temperature, the separation membrane is cured. It progresses to lose flexibility and is sometimes accompanied by coloring.
The heating time depends on the heating temperature, but in many cases is 0.5 to 10 hours.
A gas separation membrane crosslinked by appropriately selected heating conditions is insoluble in many organic solvents.

(その他の添加剤)
本発明の気体分離膜は、必要に応じ、その分離機能層に適宜無機材料、オリゴマー、可塑剤、顔料などの公知の高分子充填剤及び添加剤を添加することができる。
(Other additives)
In the gas separation membrane of the present invention, known polymer fillers and additives such as inorganic materials, oligomers, plasticizers, and pigments can be appropriately added to the separation functional layer as necessary.

(膜の厚さ、保護板)
本発明に係る気体分離膜の分離機能層の厚さは、10nm〜1.0μmであり、好ましくは20〜500nmであり、より好ましくは20〜300nmであり、更に好ましくは50〜150nmである。
本発明の気体分離膜を使用する場合には、少なくとも気体分離膜の透過側に補強板を併用することができる。気体分離膜の気体供給側及び気体透過側の両側に補強板を使用しても良い。補強板の構造は、高分子分離膜を機械的に補強することができれば特に限定されない。その材質としては、二酸化炭素等の分離目的ガスを吸収又は吸着せず、混合気体を抵抗なく透過させる孔を有していることが好ましい。このような材料として、ポリスルホン、ポリスチレン、ナイロン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルイミドの多孔質板が例示できる。
補強板は、その機械的強度を向上させるために、繊維等により補強した複合材料(FRP)としても良い。
(Film thickness, protective plate)
The thickness of the separation functional layer of the gas separation membrane according to the present invention is 10 nm to 1.0 μm, preferably 20 to 500 nm, more preferably 20 to 300 nm, and still more preferably 50 to 150 nm.
When the gas separation membrane of the present invention is used, a reinforcing plate can be used at least on the permeation side of the gas separation membrane. Reinforcing plates may be used on both the gas supply side and the gas permeation side of the gas separation membrane. The structure of the reinforcing plate is not particularly limited as long as the polymer separation membrane can be mechanically reinforced. The material preferably has holes that do not absorb or adsorb the separation target gas such as carbon dioxide and allow the mixed gas to pass through without resistance. Examples of such a material include polysulfone, polystyrene, nylon, polyvinylidene fluoride, and polyetherimide porous plates.
The reinforcing plate may be a composite material (FRP) reinforced with fibers or the like in order to improve its mechanical strength.

(分離膜の操作条件)
本発明の気体分離膜を二酸化炭素の分離に使用する場合には、高温高圧下で使用できることが好ましい。温度は150℃以上、好ましくは150℃〜300℃であり、圧力は10気圧以上、好ましくは40〜100気圧である。なお、1気圧(1atm)=1.013×105Paである。
(Operation conditions of separation membrane)
When the gas separation membrane of the present invention is used for separation of carbon dioxide, it can be used at high temperature and high pressure. The temperature is 150 ° C or higher, preferably 150 ° C to 300 ° C, and the pressure is 10 atm or higher, preferably 40 to 100 atm. In addition, it is 1 atmosphere (1 atm) = 1.013 * 10 < 5 > Pa.

(実施例1)
本発明の気体分離膜に使用するポリマー(1)の例として6FDA−FDA及び6FDA−TeMPDを、またポリマー(2)の一例として6FDA−FDA−PEPAをそれぞれ合成した。
1)使用試薬
以下の試薬を実験に使用した。
(1)モノマー
4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)は、Aldrich(株)から購入したものを使用した。また、末端アセチレン構造を有する4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA)は、和光純薬工業(株)から購入したものを使用した。
カルド環を有するジアミンモノマーとして、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)は、Aldrich(株)の試薬を用いた。カルド環を有しないジアミンモノマーである、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)は、東京化成工業(株)の試薬を使用した。
Example 1
6FDA-FDA and 6FDA-TeMPD were synthesized as examples of the polymer (1) used in the gas separation membrane of the present invention, and 6FDA-FDA-PEPA was synthesized as an example of the polymer (2).
1) Reagents used The following reagents were used in the experiment.
(1) Monomer 4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) used was purchased from Aldrich. Further, 4- (2-phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA) having a terminal acetylene structure was purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
As a diamine monomer having a cardo ring, 4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA) was a reagent of Aldrich. The reagent of Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. was used for 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TeMPD), which is a diamine monomer having no cardo ring.

(2)ポリマー
本研究で用いたポリマーは、すべて後述する“2)重合”に記載の重合方法により合成したものを実験に供した。
(3)溶媒・触媒
ポリイミドの重合溶媒のN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)は、純正化学(株)製特級試薬を、モレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
イミド化触媒である、ピリジンおよび無水酢酸(ともに、純正化学(株)製特級試薬)はモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
ポリイミドの精製には、純正化学(株)製試薬特級N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)をやはりモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。純正化学(株)製試薬1級メタノールはそのまま使用した。また、全てのポリマーの製膜溶媒としてジクロロメタン(DCM)およびテトラヒドロフラン(THF)を利用した。DCMおよびTHFは、純正化学(株)製特級試薬をモレキュラーシーブ4A(純正化学(株)製)により脱水して使用した。
(2) Polymer All the polymers used in this study were synthesized by the polymerization method described in “2) Polymerization” which will be described later.
(3) Solvent / Catalyst N, N-dimethylacetamide (DMAc), which is a polymerization solvent for polyimide, was used after dehydrating a special grade reagent manufactured by Pure Chemical Co., Ltd. with Molecular Sieve 4A (manufactured by Pure Chemical Co., Ltd.).
Pyridine and acetic anhydride (both are special grade reagents manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.), which are imidation catalysts, were used after dehydration with Molecular Sieve 4A (produced by Junsei Chemical Co., Ltd.).
For purification of polyimide, a reagent grade N, N-dimethylformamide (DMF) manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd. was used after dehydration with Molecular Sieve 4A (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.). Pure reagent grade 1 methanol was used as it was. Further, dichloromethane (DCM) and tetrahydrofuran (THF) were used as film forming solvents for all polymers. DCM and THF were used after dehydrating a special reagent manufactured by Pure Chemical Co., Ltd. with Molecular Sieve 4A (manufactured by Pure Chemical Co., Ltd.).

2)重合
(1)非架橋性のポリイミドの合成
カルド環を有する6FDA-FDAとカルド環を有しない6FDA-TeMPDは、ともに低温溶液縮重合によりポリアミック酸中間体を合成した後、この中間体に化学イミド化反応を利用してポリイミドを合成した。
ジアミン(FDAもしくはTeMPD)を室温にてDMAcに溶解させた。30分後、この溶液にジアミン成分と等モルの6FDAを添加して、そのまま室温で12時間反応させた。この際のDMAc中の全モノマー濃度は、約20wt%であった。
その後、無水酢酸(モノマー1モルに対して5モル)とピリジンを(モノマー1モルに対して7モル)添加して、室温にて反応させた。いずれも窒素雰囲気下で行った。5時間後、反応溶液を大量のメタノール中に注いだ。高分子量の生成物は、メタノール中で固体成分として沈殿した。固体生成物をろ過により回収して乾燥させた。DMFに再溶解させてメタノール中に注ぎこむ溶解再沈殿精製は、FT-IR、1H-NMR、および13C-NMRにより不純物が検出されなくなるまで繰り返した。また、同時に固体生成物の構造が、所期の6FDA-FDAと6FDA-TeMPDであることを確認した。
2) Polymerization (1) Synthesis of non-crosslinkable polyimide 6FDA-FDA with a cardo ring and 6FDA-TeMPD without a cardo ring both synthesized a polyamic acid intermediate by low-temperature solution condensation polymerization, Polyimide was synthesized using chemical imidization reaction.
Diamine (FDA or TeMPD) was dissolved in DMAc at room temperature. After 30 minutes, 6 FDA equimolar to the diamine component was added to this solution and allowed to react at room temperature for 12 hours. At this time, the total monomer concentration in DMAc was about 20 wt%.
Then, acetic anhydride (5 moles per mole of monomer) and pyridine (7 moles per mole of monomer) were added and reacted at room temperature. All were performed under nitrogen atmosphere. After 5 hours, the reaction solution was poured into a large amount of methanol. The high molecular weight product precipitated as a solid component in methanol. The solid product was collected by filtration and dried. The dissolution reprecipitation purification, which was redissolved in DMF and poured into methanol, was repeated until no impurities were detected by FT-IR, 1 H-NMR, and 13 C-NMR. At the same time, the structure of the solid product was confirmed to be the expected 6FDA-FDA and 6FDA-TeMPD.

(2)末端に置換アセチレン基を有する架橋性のポリイミドの合成
末端アセチレン基を有する6FDA-FDA-PEPAは、ともに低温溶液縮重合によりポリアミック酸中間体を合成した後、それを化学イミド化反応によりポリイミドを合成した。ジアミン(FDA)を室温にてDMAcに溶解させた。30分後、この溶液にジアミン成分と任意の割合の末端アセチレン無水物PEPAを添加して、そのまま室温で3時間反応させた。(以下、割合ごとに6FDA-FDA-PEPA(9:2)、以下同様に、(8:4)、(7:6)、(5:10)と略記する。)次に、この溶液にジアミン成分と等モルになるよう6FDAを添加して、そのまま室温で12時間反応させた。この際のDMAc中の全モノマー濃度は、約30wt%であった。
その後、無水酢酸(モノマー1モルに対して5モル)とピリジンを(モノマー1モルに対して7モル)添加して、室温にて反応させた。いずれも窒素雰囲気下で行った。5時間後、反応溶液を大量のメタノール中に注いだ。高分子量の生成物は、メタノール中で固体成分として沈殿した。DMFとメタノールの組み合わせによる溶解再沈殿精製により、FT-IR、1H-NMR、および13C-NMRにより不純物が検出されなくなるまで繰り返した。また、同時に固体生成物の構造が所期の6FDA-FDA-PEPAであることを確認した。
(2) Synthesis of a crosslinkable polyimide having a substituted acetylene group at the end 6FDA-FDA-PEPA having a terminal acetylene group was synthesized by chemical imidation after synthesizing a polyamic acid intermediate by low-temperature solution condensation polymerization. Polyimide was synthesized. Diamine (FDA) was dissolved in DMAc at room temperature. After 30 minutes, a diamine component and an arbitrary proportion of terminal acetylene anhydride PEPA were added to this solution and allowed to react at room temperature for 3 hours. (Hereafter, 6FDA-FDA-PEPA (9: 2) for each ratio, the same shall apply hereinafter as (8: 4), (7: 6), (5:10)). 6FDA was added so that it might be equimolar with a component, and it was made to react at room temperature for 12 hours as it was. At this time, the total monomer concentration in DMAc was about 30 wt%.
Then, acetic anhydride (5 moles per mole of monomer) and pyridine (7 moles per mole of monomer) were added and reacted at room temperature. All were performed under nitrogen atmosphere. After 5 hours, the reaction solution was poured into a large amount of methanol. The high molecular weight product precipitated as a solid component in methanol. It was repeated until no impurities were detected by FT-IR, 1 H-NMR, and 13 C-NMR by dissolution reprecipitation purification using a combination of DMF and methanol. At the same time, it was confirmed that the structure of the solid product was the expected 6FDA-FDA-PEPA.

3)キャラクタリゼーション
(1)分子量測定
分子量測定は、ゲル浸透クロマトグラフィーによる東ソー株式会社製HLC−8220GPC(検出器RI−8220、カラムTSKgel SuperHMH)を用いて行った。カラム温度40.0℃において、流量0.200ml/minの下、収集時間50分で行った。分子量は、ポリスチレンを標準試料とし、THFを溶媒に用いて決定した。
3) Characterization (1) Molecular weight measurement Molecular weight measurement was performed using HLC-8220GPC (detector RI-8220, column TSKgel SuperHMH) manufactured by Tosoh Corporation by gel permeation chromatography. The collection was performed at a column temperature of 40.0 ° C. and a flow rate of 0.200 ml / min with a collection time of 50 minutes. The molecular weight was determined using polystyrene as a standard sample and THF as a solvent.

(比較例1、2)
(2)架橋されていないフィルムの調製(製膜)
6FDA-FDAおよび6FDA-TeMPDの製膜は、DCMを溶媒とした溶媒キャスト法により行った。まず精製ポリイミドに、3〜5wt%の溶液濃度になるようにDCM溶媒を加え、1日以上溶解した。次にポリイミド溶液を緻密な濾紙を用いて濾過し、埃等を除去した。溶液を1日以上放置し脱泡を行い、ポリテトラフルオロエチレン製のフラットシャーレ上にキャストし、埃などが入らないよう被いをして約2〜3日間かけて溶媒を揮発させ、膜を得た。得られたポリイミド膜は純水で剥離後、1週間以上、室温にて真空乾燥させ、残存溶媒の除去を行った。
(Comparative Examples 1 and 2)
(2) Preparation of uncrosslinked film (film formation)
Film formation of 6FDA-FDA and 6FDA-TeMPD was performed by a solvent casting method using DCM as a solvent. First, a DCM solvent was added to the purified polyimide so as to have a solution concentration of 3 to 5 wt%, and dissolved for 1 day or more. Next, the polyimide solution was filtered using a fine filter paper to remove dust and the like. The solution is allowed to stand for more than 1 day, defoamed, cast on a flat dish made of polytetrafluoroethylene, covered so that dust does not enter, and the solvent is evaporated for about 2 to 3 days. Obtained. The obtained polyimide film was peeled off with pure water and then vacuum-dried at room temperature for 1 week or longer to remove the residual solvent.

(実施例1〜4)
(3)架橋されたフィルムの調製
溶媒キャスト法により得られたフィルム膜を加熱して架橋された分離膜を製造した。
非架橋性の6FDA-FDA又は6FDA-TeMPDを主成分にして、架橋性の6FDA-FDA-PEPAを重量比で1/10添加した膜をDCM溶液から溶媒キャスト法により調製した。
架橋反応触媒としては五塩化タンタル(Aldrich(株)製)を使用した。
6FDA-FDA-PEPA(9:2)のDCM溶液(1)、6FDA-FDAのDCM溶液(2)、6FDA-TeMPDのDCM溶液(3)を調製し、(1)と(2)及び(1)と(3)を混合した。溶液の濃度は3〜5wt%であった。いずれの混合比は、非架橋性のポリマー6FDA-FDA又は6FDA-TeMPDと架橋性のポリマー6FDA-FDA-PEPA(9:2)が9:1になるよう調製した。(以下、6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)、6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)という。)
(Examples 1-4)
(3) Preparation of Crosslinked Film A film membrane obtained by the solvent casting method was heated to produce a crosslinked separation membrane.
A film containing non-crosslinkable 6FDA-FDA or 6FDA-TeMPD as a main component and added with 1/10 by weight of crosslinkable 6FDA-FDA-PEPA was prepared from a DCM solution by a solvent casting method.
As the crosslinking reaction catalyst, tantalum pentachloride (manufactured by Aldrich) was used.
Prepare a DCM solution (1) of 6FDA-FDA-PEPA (9: 2), a DCM solution (2) of 6FDA-FDA, and a DCM solution (3) of 6FDA-TeMPD. (1), (2) and (1) ) And (3) were mixed. The concentration of the solution was 3 to 5 wt%. Any mixing ratio was prepared such that the non-crosslinkable polymer 6FDA-FDA or 6FDA-TeMPD and the crosslinkable polymer 6FDA-FDA-PEPA (9: 2) were 9: 1. (Hereinafter referred to as 6FDA-FDA-6FDA-FDA-PEPA (9: 1), 6FDA-TeMPD-6FDA-FDA-PEPA (9: 1).)

混合溶液濃度X(%)は、混合前の両ポリマー溶液の濃度CA、CB(wt%)と混合した両溶液の重量WA、WB(g)から、以下の式より算出した。 Mixed solution concentration X (%), the concentration C A of both the polymer solution prior to mixing, C B (wt%) mixed with the weight W A of both solutions, from W B (g), was calculated by the following equation.

Figure 0004647431
Figure 0004647431

6FDA−TeMPDを主成分としたもののネットワーク化は、溶媒キャスト法により得られた膜を段階的に250℃まで加熱することにより行った。
6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)又は6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)のネットワーク化した膜は、両者ともに測定に十分耐えられる強度を有していた。
The networking of 6FDA-TeMPD as a main component was performed by heating the film obtained by the solvent casting method to 250 ° C. stepwise.
The 6FDA-FDA-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) or 6FDA-TeMPD-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) networked membranes were both strong enough to withstand the measurement.

(4)溶媒溶解性
調製した自立膜の溶媒溶解性について、数種類の溶媒を用いて調べた。溶媒には、DCM、DMAc、DMF、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する)、THF、メタノールの6種類を用いた。
ネットワーク化した(6FDA-TeMPD)-(6FDA-FDA-PEPA)(9:1)膜は、DCMにはよく溶解し、DMAc、DMF、NMP及びTHFに溶解したが、メタノールには不溶であった。
(4) Solvent solubility The solvent solubility of the prepared free-standing membrane was examined using several types of solvents. Six types of solvents, DCM, DMAc, DMF, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP), THF, and methanol were used.
The networked (6FDA-TeMPD)-(6FDA-FDA-PEPA) (9: 1) membrane was well dissolved in DCM, dissolved in DMAc, DMF, NMP and THF, but insoluble in methanol. .

4)気体透過量測定
(1)低温低圧気体透過量測定
低温低圧気体透過量測定は、中垣正幸著「膜実験法」喜多見書房、217−219頁(1984)に記載された気体透過量測定装置を用いて行った。測定は水素、酸素、窒素、二酸化炭素、メタンの5気体種について、供給気体圧力約76cmHg(1atm)、測定温度35℃にて行った。これらの気体は全て高純度のガスボンベをそのまま用いた。この装置は、高圧側の一部を除きパイレックス(登録商標)ガラスで溶接しており、真空コックは特にすり合わせの良質なものを使用している。また、膜を装着するステンレス製透過セルも真空漏れの少ないものを使用し、低圧側は測定ラインにガラス溶接されている。高圧側はボールジョイントにより接続されているため、膜交換を容易に行うことができる。真空ポンプは油回転式真空ポンプであり、到達真空度は10-3Torrであった。
4) Gas permeation measurement (1) Low-temperature low-pressure gas permeation measurement Low-temperature low-pressure gas permeation measurement is a gas permeation measurement device described in Nakagaki Masayuki's "Membrane Experiment Method" Kitami Shobo, pages 217-219 (1984). It was performed using. The measurement was performed for five gas species of hydrogen, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and methane at a supply gas pressure of about 76 cmHg (1 atm) and a measurement temperature of 35 ° C. All these gases were high purity gas cylinders. This apparatus is welded with Pyrex (registered trademark) glass except for a part on the high pressure side, and a vacuum cock having a particularly good quality is used. Moreover, the stainless steel permeation cell on which the membrane is mounted is also used with less vacuum leakage, and the low pressure side is glass welded to the measurement line. Since the high pressure side is connected by a ball joint, membrane exchange can be easily performed. The vacuum pump was an oil rotary vacuum pump, and the ultimate vacuum was 10 −3 Torr.

カルド環を有するポリイミド6FDA-FDA膜に対する気体透過性は、透過性の高い気体から、水素>二酸化炭素>酸素>窒素>メタンの順番であった。また、二酸化炭素に対する窒素およびメタンの場合、(CO2/N2)のガス選択性は約27となり、又(CO2/CH4)のガス選択性は約37となり、選択的な二酸化炭素分離膜であることが明らかになった。これらの結果から、二酸化炭素に対する窒素の気体分離性能と気体透過性能の位置づけを評価すると、本研究のモデルポリマーである6FDA−FDAが、2000年時におけるUpper Bound近傍に位置することが明らかになり、優れた膜分離素材であることが明らかになった。 The gas permeability with respect to the polyimide 6FDA-FDA membrane having a cardo ring was in the order of hydrogen> carbon dioxide>oxygen>nitrogen> methane from the gas having high permeability. In the case of nitrogen and methane with respect to carbon dioxide, the gas selectivity of (CO 2 / N 2 ) is about 27, and the gas selectivity of (CO 2 / CH 4 ) is about 37, so that selective carbon dioxide separation is achieved. It became clear that it was a membrane. From these results, when evaluating the position of gas separation performance and gas permeation performance of nitrogen with respect to carbon dioxide, it becomes clear that the model polymer 6FDA-FDA in this study is located in the vicinity of the Upper Bound in 2000. It became clear that it was an excellent membrane separation material.

(2)高温高圧気体透過量測定
高温高圧気体透過量測定は、T. Nakagawa, T. Nishimura, and A. Higuchi, J. Membr. Sci., 206, 149-163 (2002)に記載の気体透過量測定装置を用いて行った。測定は二酸化炭素について、供給気体圧力が1atm、10atm、15atm、20atm、30atm、40atmの6圧力にて行った。測定温度は35℃、150℃の2温度であった。この装置のステンレス製気体透過セルは、逆浸透装置を改造したものであり、供給気体側は全てステンレス製の金属で配管されている。気体透過側は、パイレックス(登録商標)ガラスで構成されているが、万一の膜の破損による高圧気体流入に対処するため、フレキシブルジョイントと共通すり合わせを用いて安全装置を設けている。これは高圧気体が流入した場合に、フレキシブルジョイントが曲がり、同時にすり合わせが外れるような仕組みになっている。なお、気体透過セルを恒温に保つため、セルの周辺をマントルヒーターで覆い、温度調節器を用いてセル温度を調節した。供給側の圧力はMKS Baratron 740B(1,000psi)を用い、透過側の圧力はMKS Baratron 626A(1,000Torr)を用いて求めた。測定の詳細は前記文献に従った。
(2) High-temperature and high-pressure gas permeation measurement High-temperature and high-pressure gas permeation measurement is performed according to T. Nakagawa, T. Nishimura, and A. Higuchi, J. Membr. Sci., 206, 149-163 (2002). The measurement was performed using a quantity measuring device. The measurement was performed for carbon dioxide at 6 supply pressures of 1 atm, 10 atm, 15 atm, 20 atm, 30 atm, and 40 atm. The measurement temperature was 35 ° C and 150 ° C. The stainless steel gas permeable cell of this device is a modification of the reverse osmosis device, and the supply gas side is entirely piped with stainless steel metal. Although the gas permeation side is made of Pyrex (registered trademark) glass, a safety device is provided by using a common joint with a flexible joint in order to cope with a high-pressure gas inflow due to a film breakage. This is a mechanism in which when the high-pressure gas flows in, the flexible joint bends and disengages at the same time. In order to keep the gas permeable cell at a constant temperature, the periphery of the cell was covered with a mantle heater, and the cell temperature was adjusted using a temperature controller. The pressure on the supply side was determined using MKS Baratron 740B (1,000 psi), and the pressure on the permeate side was determined using MKS Baratron 626A (1,000 Torr). Details of the measurement followed the above-mentioned document.

(A)ネットワーク化した6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜のCO2透過率時間変化
(A1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約1×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化はほとんど認められなかった。
(A2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約2×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率が約25%増加した。
(B)ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜のCO2透過率時間変化
(B1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約4×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測したところ、約4×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B3)150℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、2.7×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(B4)150℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約2×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(C:比較)ネットワーク化しない6FDA-TeMPD膜のCO2透過率時間変化
(C1)35℃、10気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約7×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率の時間変化は観測されなかった。
(C2)35℃、40気圧における炭酸ガスの透過率の時間変化を観測した。初期の透過率は、約12×10-8(cm3(STP)cm)/(cm2 s cmHg)であった。12時間に及ぶ時間範囲では透過率が約66%増加した。
(A) Change in CO 2 permeability over time of networked 6FDA-FDA-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) membrane (A1) Change over time in carbon dioxide permeability at 35 ° C. and 10 atm was observed. The initial transmittance was about 1 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). Almost no change in transmittance with time was observed in the time range of 12 hours.
(A2) The time change of the carbon dioxide permeability at 35 ° C. and 40 atm was observed. The initial transmittance was about 2 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). In the time range extending over 12 hours, the transmission increased by about 25%.
(B) Change in CO 2 permeability over time of networked 6FDA-TeMPD-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) membrane (B1) Change over time in carbon dioxide permeability at 35 ° C. and 10 atm was observed. The initial transmittance was about 4 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). No change in transmittance over time was observed in the time range extending over 12 hours.
(B2) The time change of the carbon dioxide gas permeability at 35 ° C. and 40 atm was observed to be about 4 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). No change in transmittance over time was observed in the time range extending over 12 hours.
(B3) Changes in carbon dioxide gas permeability over time at 150 ° C. and 10 atm were observed. The initial transmittance was 2.7 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). No change in transmittance over time was observed in the time range extending over 12 hours.
(B4) The change with time of the carbon dioxide permeability at 150 ° C. and 40 atm was observed. The initial transmittance was about 2 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). No change in transmittance over time was observed in the time range extending over 12 hours.
(C: Comparison) Change over time of CO 2 permeability of 6FDA-TeMPD film not networked (C1) The change over time in the permeability of carbon dioxide gas at 35 ° C. and 10 atm was observed. The initial transmittance was about 7 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). No change in transmittance over time was observed in the time range extending over 12 hours.
(C2) The time change of the carbon dioxide permeability at 35 ° C. and 40 atm was observed. The initial transmittance was about 12 × 10 −8 (cm 3 (STP) cm) / (cm 2 s cmHg). The transmission increased by about 66% over a time range of 12 hours.

以上の結果に見るように、ネットワーク化しない6FDA-TeMPD膜では、CO2透過率時間変化が、35℃、40気圧において12時間に及ぶ時間範囲では、66%増加した(C2)。
ネットワーク化した6FDA-FDA−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、CO2透過率時間変化が、35℃、40気圧において12時間に及ぶ時間範囲で25%しか増加しなかった(A2)。
ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、CO2透過率時間変化は、35℃、40気圧において12時間に及ぶ時間範囲で観測されなかった(B2)。さらに、ネットワーク化した6FDA-TeMPD−6FDA-FDA-PEPA(9:1)膜では、150℃の高温度でも、40気圧における炭酸ガスの透過率は、12時間に及ぶ時間範囲では観測されなかった(B4)。
ネットワークを形成した高分子分離膜は、高い効率で炭酸ガス等を分離できる性能が、高温かつ高圧でも長い時間範囲維持することができた。これは高分子分離膜にネットワークを形成することにより炭酸ガスによる可塑化を抑制することができたためである。
As can be seen from the above results, in the 6FDA-TeMPD film that is not networked, the CO 2 permeability time change increased by 66% in the time range of 12 hours at 35 ° C. and 40 atm (C2).
With the networked 6FDA-FDA-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) membrane, the CO 2 permeability time variation increased only 25% over a 12 hour time range at 35 ° C. and 40 atmospheres (A2 ).
In the networked 6FDA-TeMPD-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) membrane, no change in CO 2 permeability over time was observed over a 12 hour time range at 35 ° C. and 40 atmospheres (B2). Furthermore, in the networked 6FDA-TeMPD-6FDA-FDA-PEPA (9: 1) membrane, the permeability of carbon dioxide at 40 atmospheres was not observed in the time range of 12 hours even at a high temperature of 150 ° C. (B4).
The polymer separation membrane formed with a network has the ability to separate carbon dioxide gas and the like with high efficiency, and can maintain a long time range even at high temperature and high pressure. This is because plasticization by carbon dioxide gas could be suppressed by forming a network in the polymer separation membrane.

Claims (7)

非架橋性のポリマー(1)、及び、
該ポリマー(1)の存在下において、分子末端にアセチレン基を有する架橋性のポリマー(2)の該アセチレン基同士の架橋反応により架橋された構造を有することを特徴とする
二酸化炭素の分離膜。
Non-crosslinkable polymer (1), and
In the presence of the polymer (1), the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular end has a structure crosslinked by a crosslinking reaction between the acetylene groups.
Carbon dioxide separation membrane.
該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にフルオレン環を有するカルド型ポリマーである請求項1記載の二酸化炭素の分離膜。 The carbon dioxide separation membrane according to claim 1, wherein both the polymer (1) and the polymer (2) are cardo type polymers having a fluorene ring. 該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共に重縮合ポリマーである請求項1又は2記載の二酸化炭素の分離膜。 The carbon dioxide separation membrane according to claim 1 or 2, wherein the polymer (1) and the polymer (2) are both polycondensation polymers. 該ポリマー(1)及び該ポリマー(2)が共にポリイミド型ポリマーである請求項1〜3いずれか1つに記載の二酸化炭素の分離膜。 The carbon dioxide separation membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer (1) and the polymer (2) are both polyimide-type polymers. ポリマー(1)が6FDA−FDA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA))及び/又は6FDA−TeMPD(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD))であり、
ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))及び/又は6FDA−TeMPD−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))である請求項1〜4いずれか1つに記載の二酸化炭素の分離膜。
Polymer (1) is 6FDA-FDA (4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA)) and / or 6FDA-TeMPD ( 4,4′-hexafluoroisopropylidenediphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TeMPD)),
Polymer (2) is 6FDA-FDA-PEPA (4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA) -4- (2- Phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA)) and / or 6FDA-TeMPD-PEPA (4,4′-hexafluoroisopropylidenediphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl- The carbon dioxide separation membrane according to any one of claims 1 to 4, which is 1,4-phenylenediamine (TeMPD) -4- (2-phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA)).
非架橋性ポリマー(1)の重量比率4/5〜19/20、及び、分子末端にアセチレン基を有する架橋性ポリマー(2)の重量比率1/20〜1/5、を含有する混合物の溶液を流延し溶剤を除去してポリマー混合物膜を形成する製膜工程、並びに、
得られたポリマー混合物膜を加熱することにより、該アセチレン基同士の架橋反応により架橋構造を形成する架橋工程、を含むことを特徴とする、
二酸化炭素の分離膜の製造方法。
Solution of a mixture containing a weight ratio of 4/5 to 19/20 of the non-crosslinkable polymer (1) and a weight ratio of 1/20 to 1/5 of the crosslinkable polymer (2) having an acetylene group at the molecular end Forming a polymer mixture film by casting and removing the solvent, and
A heating step of the obtained polymer mixture film to form a crosslinked structure by a crosslinking reaction between the acetylene groups,
A method for producing a carbon dioxide separation membrane.
ポリマー(1)が6FDA−FDA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA))及び/又は6FDA−TeMPD(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD))であり、
ポリマー(2)が6FDA−FDA−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))及び/又は6FDA−TeMPD−PEPA(4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)−2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン(TeMPD)−4−(2−フェニルエチニル)フタル酸無水物(PEPA))である、請求項6記載の
二酸化炭素の分離膜の製造方法。
The polymer (1) is 6FDA-FDA (4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA)) and / or 6FDA-TeMPD ( 4,4′-hexafluoroisopropylidenediphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TeMPD)) ,
Polymer (2) is 6FDA-FDA-PEPA (4,4′-hexafluoroisopropylidene diphthalic dianhydride (6FDA) -4,4 ′-(9-fluorenylidene) dianiline (FDA) -4- (2- Phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA)) and / or 6FDA-TeMPD-PEPA (4,4′-hexafluoroisopropylidenediphthalic dianhydride (6FDA) -2,3,5,6-tetramethyl- It is 1,4-phenylenediamine (TeMPD) -4- (2-phenylethynyl) phthalic anhydride (PEPA)) .
A method for producing a carbon dioxide separation membrane.
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