JP4668043B2 - Method for manufacturing helium separator - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性に優れ、ヘリウムの透過性及び選択性に優れるヘリウム分離材の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a helium separator having excellent heat resistance and excellent helium permeability and selectivity.

近年、分子径の小さなヘリウム、水素等からなるガスを含む混合ガスから、これらのガスを選択的に分離する材料(分離膜)及びその方法が検討されている。
ヘリウム分離材としては、高分子からなる分離膜が知られており、特許文献1には、銀又は銅を含む炭素膜からなる気体分離膜が開示されている。また、特許文献2には、特定の構造を有するポリエーテル共重合体と、テトラアルコキシシラン、トリアルコキシシラン等の多官能アルコキシシランとからなる組成物を加水分解及び重縮合して得られる高分子型の気体分離膜が開示されている。
特開2003−53167号公報 特開2005−74317号公報
In recent years, materials (separation membranes) and methods for selectively separating these gases from a mixed gas containing a gas having a small molecular diameter such as helium and hydrogen have been studied.
As a helium separation material, a separation membrane made of a polymer is known, and Patent Document 1 discloses a gas separation membrane made of a carbon membrane containing silver or copper. Patent Document 2 discloses a polymer obtained by hydrolysis and polycondensation of a composition comprising a polyether copolymer having a specific structure and a polyfunctional alkoxysilane such as tetraalkoxysilane or trialkoxysilane. A type of gas separation membrane is disclosed.
JP 2003-53167 A JP 2005-74317 A

高分子からなる膜は、ガスの透過性が十分でなく、また、200℃以上の高温域において形状が保持できず、使用できないといった問題点があった。
そのため、無機材料からなるガス分離材が検討されており、水素の分子径より小さな細孔を有する、即ち、オングストロームオーダーに孔径制御され、且つ、優れた透過性及び選択性を併せ持つガス分離材が求められている。
本発明の目的は、耐熱性に優れ、ヘリウムの透過性及び選択性に優れるヘリウム分離材の製造方法を提供することを目的とする。
A film made of a polymer has a problem that gas permeability is not sufficient, and a shape cannot be maintained in a high temperature range of 200 ° C. or more, and cannot be used.
Therefore, a gas separation material made of an inorganic material has been studied, and a gas separation material having pores smaller than the molecular diameter of hydrogen, that is, having a pore size controlled on the order of angstroms and having both excellent permeability and selectivity. It has been demanded.
An object of the present invention is to provide a method for producing a helium separator having excellent heat resistance and excellent helium permeability and selectivity.

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、無機材料からなる多孔質基体の表面層(基体の表面、及び、基体表面近傍における連通孔の内壁表面)に、非晶質物質を含む膜と、該膜上、特に連通孔内の該膜上に積層された結晶質物質を含む膜とを備えるヘリウム分離材において、結晶質物質を含む膜を内壁として包囲された、分子径の小さな細孔により、ヘリウムの透過性及び選択性に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の要旨は、以下の通りである。
1.非晶質物質形成用組成物を、連通孔を有し且つ無機材料からなる基体の、少なくとも該連通孔内に浸透させ塗膜を形成する塗膜形成工程と、該塗膜を含む基体を熱処理し、上記連通孔内に非晶質物質を含む非晶質物質含有膜を形成する非晶質物質含有膜形成工程と、上記熱処理された連通孔内に、化学反応により結晶質物質を生成する気体原料を供給し加熱して化学的気相合成を行い、上記非晶質物質含有膜の表面に、結晶質物質を堆積させる結晶質物質堆積工程とを備えることを特徴とするヘリウム分離材の製造方法。
2.上記非晶質物質形成用組成物が、ポリカルボシラン、ポリシラン、ポリシラザン及びポリカルボシラザンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する上記に記載のヘリウム分離材の製造方法。
3.上記基体を構成する無機材料が、Al、ZrO、ムライト、コーディエライト、AlN、Si及びSiCからなる群から選ばれた少なくとも1種である上記又はに記載のヘリウム分離材の製造方法。
4.上記基体が有する連通孔の平均径が、5〜200nmである上記乃至のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。
5.上記非晶質物質含有膜形成工程における熱処理温度が、600〜1,500℃である上記乃至のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。
6.上記結晶質物質堆積工程における化学気相合成が、珪素化合物のガス、及び炭素化合物のガスの存在下で加熱する工程を備える上記1乃至5のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。
7.上記化学気相合成が、珪素化合物のガス、及び炭素化合物のガスの導入並びに排気を行いながら加熱する工程を備える上記に記載のヘリウム分離材の製造方法。
8.上記珪素化合物が、モノシラン、ジシラン及びジクロロシランからなる群から選ばれた少なくとも1種である上記又はに記載のヘリウム分離材の製造方法。
9.上記炭素化合物が、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、塩化メチル、塩化ビニルからなる群から選ばれた少なくとも1種である上記6乃至8のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the surface layer of the porous substrate made of an inorganic material (the surface of the substrate and the inner wall surface of the communication hole in the vicinity of the substrate surface) In a helium separator comprising a film containing a crystalline substance and a film containing a crystalline substance stacked on the film, particularly on the film in the communication hole, the film containing the crystalline substance is surrounded as an inner wall The inventors have found that the pores with small molecular diameters are excellent in helium permeability and selectivity, and have completed the present invention.
That is, the gist of the present invention is as follows.
1. A coating film forming step of forming a coating film by infiltrating at least the communication hole of a substrate having a communicating hole and made of an inorganic material with a composition for forming an amorphous substance, and heat-treating the substrate containing the coating film Then, an amorphous substance-containing film forming step for forming an amorphous substance-containing film containing an amorphous substance in the communication hole, and a crystalline substance is generated by a chemical reaction in the heat-treated communication hole. the gas material is heated by supplying perform chemical vapor phase synthesis, the amorphous to the surface of the material-containing film, helium separation material, characterized in that it comprises a crystalline material deposition step of Ru is deposited crystalline substance Manufacturing method.
2. 2. The method for producing a helium separator according to 1 above, wherein the composition for forming an amorphous substance contains at least one selected from the group consisting of polycarbosilane, polysilane, polysilazane, and polycarbosilazane.
3. Inorganic material constituting the substrate, Al 2 O 3, ZrO 2, mullite, cordierite, AlN, according to the above 1 or 2 is at least one selected from the group of Si 3 N 4 and SiC A method for producing a helium separator.
4). 4. The method for producing a helium separator according to any one of 1 to 3 , wherein the communication hole of the substrate has an average diameter of 5 to 200 nm.
5. 5. The method for producing a helium separator according to any one of 1 to 4 above, wherein a heat treatment temperature in the amorphous substance-containing film forming step is 600 to 1,500 ° C.
6). 6. The method for producing a helium separator according to any one of 1 to 5, wherein the chemical vapor synthesis in the crystalline material deposition step includes a step of heating in the presence of a silicon compound gas and a carbon compound gas.
7). 7. The method for producing a helium separator according to 6 above, wherein the chemical vapor synthesis includes a step of heating while introducing and exhausting a gas of a silicon compound and a gas of a carbon compound.
8). 8. The method for producing a helium separator according to 6 or 7 , wherein the silicon compound is at least one selected from the group consisting of monosilane, disilane, and dichlorosilane.
9. 9. The method for producing a helium separator according to any one of 6 to 8, wherein the carbon compound is at least one selected from the group consisting of acetylene, methane, ethane, propane, butane, pentane, methyl chloride, and vinyl chloride. .

本発明の製造方法から得られるヘリウム分離材によれば、上記構成を有することから200℃以上、好ましくは400℃以上、更に好ましくは500℃以上の高温域において良好な形状保持性を有し、長寿命であり、ヘリウムの透過性及び選択性に優れる。
また、本発明のヘリウム分離材の製造方法によれば、耐熱性に優れ、ヘリウムの透過性及び選択性に優れるヘリウム分離材を容易に製造することができる。特に、容易に且つ効率的に膜厚制御された、非晶質物質を含む非晶質物質含有膜、及び結晶質物質を含む結晶質物質含有膜を形成することができ、その結果、ヘリウムのみが透過する細孔を形成することができる。
According to the helium separator obtained from the production method of the present invention, it has the above-mentioned configuration, and has a good shape retention in a high temperature range of 200 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher Long life and excellent helium permeability and selectivity.
Further, according to the method for producing a helium separator of the present invention, a helium separator having excellent heat resistance and excellent helium permeability and selectivity can be easily produced. In particular, an amorphous material-containing film containing an amorphous material and a crystalline material-containing film containing a crystalline material, which are easily and efficiently controlled in film thickness, can be formed. As a result, only helium can be formed. Can be formed.

1.ヘリウム分離材
後述する「2.ヘリウム分離材の製造方法」にて得られたヘリウム分離材を、初めに、説明する。
ヘリウム分離材は、連通孔を有し且つ無機材料からなる基体11と、該基体11の表面層を被覆し且つ非晶質物質を含む非晶質物質含有膜12(以下、膜[A]ともいう。)と、上記連通孔内に内接した非晶質物質含有膜[A]12の表面に配設され且つ結晶質物質を含む結晶質物質含有膜13(以下、膜[B]ともいう。)とを備え、該結晶質物質含有膜[B]13に包囲された細孔14を有する(図1参照)。この細孔14は、上記連通孔の内壁に膜[A]12及び膜[B]13が順次積層したことにより、膜[B]13により包囲形成されたものである。即ち、この細孔14は、上記連通孔の内径(細孔径)が縮小されており、その内径は、ヘリウム分子径より長く水素分子径より短い。従って、ヘリウム分離材を用いることにより、ヘリウムを含む混合ガスは、上記細孔14を通るヘリウムと、この細孔14を通らない、それ以外のガスとに分離される。
本発明において、「基体の表面層」とは、基体の表面、及び、基体表面近傍における連通孔の内壁表面の両方を意味し、具体的には、基体の表面並びに該基体から内部5μm程度の深さまでの部分の両方を意味する。また、「非晶質」及び「結晶質」は、X線回折により測定される結晶化度が、それぞれ、40%未満及び60%以上であることを意味する。
1. Helium separator
The helium separator obtained in “2. Manufacturing method of helium separator” described below will be described first.
The helium separator is composed of a base body 11 having communication holes and made of an inorganic material, and an amorphous substance-containing film 12 (hereinafter referred to as a film [A]) that covers the surface layer of the base body 11 and contains an amorphous substance. And a crystalline substance-containing film 13 (hereinafter also referred to as a film [B]) disposed on the surface of the amorphous substance-containing film [A] 12 inscribed in the communication hole and containing a crystalline substance. And the pores 14 surrounded by the crystalline substance-containing film [B] 13 (see FIG. 1). The pores 14 are surrounded by the membrane [B] 13 by sequentially laminating the membrane [A] 12 and the membrane [B] 13 on the inner wall of the communication hole. That is, the pore 14 has a reduced inner diameter (pore diameter) of the communication hole, and the inner diameter is longer than the helium molecular diameter and shorter than the hydrogen molecular diameter. Therefore, by using the helium separator, the mixed gas containing helium is separated into helium that passes through the pores 14 and other gas that does not pass through the pores 14.
In the present invention, the “surface layer of the substrate” means both the surface of the substrate and the inner wall surface of the communication hole in the vicinity of the substrate surface. Specifically, the surface of the substrate and the interior of the substrate are about 5 μm. It means both parts up to the depth. “Amorphous” and “crystalline” mean that the crystallinity measured by X-ray diffraction is less than 40% and 60% or more, respectively.

1−1.基体
この基体は、1面から他面へと線状又は網目状に貫通する細孔、即ち、連通孔を有し、無機材料からなるものであれば、その構造、形状、大きさ等は、特に限定されない。この連通孔は、単一の貫通孔であってよいし、複数の貫通孔が規則的又は不規則的に連続してもよい。
上記基体は、好ましくは多孔体であり、無機材料から製造されたものであってよいし、有機材料(高分子、有機金属化合物、多糖類等)から製造されたものであってもよい。従って、上記基体の構成材料の例としては、アルミニウム化合物、珪素化合物、ジルコニウム化合物、チタン化合物等が挙げられる。これらは、酸化物、窒化物及び炭化物のいずれでもよい。
1-1. Substrate This substrate has pores penetrating in a linear or network form from one surface to the other surface, that is, a communication hole, and if it is made of an inorganic material, its structure, shape, size, etc. There is no particular limitation. The communication hole may be a single through hole, or a plurality of through holes may be regularly or irregularly continuous.
The substrate is preferably a porous body, and may be manufactured from an inorganic material, or may be manufactured from an organic material (polymer, organometallic compound, polysaccharide, etc.). Therefore, examples of the constituent material of the substrate include an aluminum compound, a silicon compound, a zirconium compound, and a titanium compound. These may be any of oxides, nitrides and carbides.

アルミニウム化合物としては、アルミナ(Al)、ムライト(3Al・2SiO)、コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)、窒化アルミニウム(AlN)等が挙げられる。
珪素化合物としては、シリカ(SiO)、SiOC、窒化珪素(Si)炭化珪素(SiC)、SiCN、SiBCN、サイアロン(SiAlON)等が挙げられる。
ジルコニウム化合物としては、ジルコニア(ZrO)、ホウ化ジルコニウム(ZrB)等が挙げられる。
また、チタン化合物としては、チタニア(TiO)、チタン酸アルミニウム(Al・TiO)等が挙げられる。
これらのうち、耐熱性の観点から、Al、ムライト、コーディエライト、AlN、Si、SiC及びZrOが好ましい。
The aluminum compound, alumina (Al 2 O 3), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2), aluminum nitride (AlN) and the like.
Examples of the silicon compound include silica (SiO 2 ), SiOC, silicon nitride (Si 3 N 4 ) silicon carbide (SiC), SiCN, SiBCN, sialon (SiAlON), and the like.
Examples of the zirconium compound include zirconia (ZrO 2 ) and zirconium boride (ZrB 2 ).
Examples of the titanium compound include titania (TiO 2 ) and aluminum titanate (Al 2 O 3 · TiO 2 ).
Among these, Al 2 O 3 , mullite, cordierite, AlN, Si 3 N 4 , SiC and ZrO 2 are preferable from the viewpoint of heat resistance.

上記基体は、上記無機材料の1種のみからなる単一構造体であってよいし、その積層体であってもよい。また、2種以上の無機材料を含む単一構造体であってよいし、その積層体であってもよい。更には、互いに異なる無機材料からなる構造体を積層してなる積層体であってもよい。   The substrate may be a single structure made of only one kind of the inorganic material or a laminate thereof. Moreover, the single structure containing 2 or more types of inorganic materials may be sufficient, and the laminated body may be sufficient. Furthermore, a laminated body formed by laminating structures made of different inorganic materials may be used.

上記基体の形状は、目的、用途等に応じて選択されるが、塊状(多面体、球等)、板状(平板、曲板等)、筒状(円筒、角筒等)、半筒状、棒状等とすることができる。
また、基体の大きさも、目的、用途等に応じて選択される。特に、混合ガスの分離に関わる厚さとしては、好ましくは150μm以上である。
ヘリウム分離材の形状及び大きさは、上記基体の形状及び大きさに反映され、ほぼ同等である。
The shape of the substrate is selected according to the purpose, application, etc., but is a lump (polyhedron, sphere, etc.), plate (flat plate, curved plate, etc.), cylinder (cylinder, square tube, etc.), semi-cylinder, It can be a rod or the like.
Further, the size of the substrate is also selected according to the purpose and application. In particular, the thickness relating to the separation of the mixed gas is preferably 150 μm or more.
The shape and size of the helium separation material are reflected in the shape and size of the substrate and are substantially the same.

上記基体は、市販の多孔体を用いてよいし、特開2000−8193号等に開示された公知の方法により製造されたものを用いてもよい。   As the substrate, a commercially available porous body may be used, or a substrate produced by a known method disclosed in JP 2000-8193 A or the like may be used.

1−2.非晶質物質含有膜[A]
この膜[A]は、上記基体の表面層を被覆し且つ非晶質物質を含む膜である。従って、上記膜[A]は、基体表面上の膜と、基体表面近傍における連通孔を内接する(連通孔の内周面に沿っている)膜とが連続している。
1-2. Amorphous substance-containing film [A]
This film [A] is a film that covers the surface layer of the substrate and contains an amorphous substance. Therefore, in the film [A], the film on the substrate surface and the film inscribed in the communication hole in the vicinity of the substrate surface (along the inner peripheral surface of the communication hole) are continuous.

上記膜[A]は、非晶質物質を、通常、60〜100質量%含む膜である。結晶質物質を含んでもよい。
上記非晶質物質としては、非晶質無機物質が好ましく、珪素化合物、アルミニウム化合物、ジルコニウム化合物、チタン化合物等が挙げられる。これらは、酸化物、窒化物及び炭化物のいずれでもよく、上記基体の構成材料として例示した化合物を用いることができる。特に、SiO、SiOC、SiC、SiCN及びSiBCNが好ましい。
上記結晶質物質としては、上記の珪素化合物、アルミニウム化合物、ジルコニウム化合物、チタン化合物等における酸化物、窒化物及び炭化物の結晶化物が挙げられる。
The film [A] is a film that normally contains an amorphous substance in an amount of 60 to 100% by mass. A crystalline material may be included.
As said amorphous substance, an amorphous inorganic substance is preferable and a silicon compound, an aluminum compound, a zirconium compound, a titanium compound etc. are mentioned. These may be any of oxides, nitrides and carbides, and the compounds exemplified as the constituent material of the substrate can be used. In particular, SiO 2, SiOC, SiC, SiCN and SiBCN are preferred.
Examples of the crystalline substance include crystallized oxides, nitrides, and carbides of the above silicon compounds, aluminum compounds, zirconium compounds, titanium compounds, and the like.

上記膜[A]は、メソ細孔及び/又はミクロ細孔を備える膜であってよいし、中実体の膜であってもよい。メソ細孔及びミクロ細孔の場合には、通常、上記非晶質物質を主成分とする骨格を備える。   The membrane [A] may be a membrane having mesopores and / or micropores, or a solid membrane. In the case of mesopores and micropores, a skeleton having the above amorphous substance as a main component is usually provided.

上記連通孔内に内接している膜[A]の平均厚さは、好ましくは1.5〜100nm、より好ましくは1.8〜50nm、更に好ましくは2〜30nmである。この厚さが大きすぎると、ガスの透過速度が低下する傾向にある。一方、小さすぎると、膜内に欠陥が生成する傾向にある。   The average thickness of the film [A] inscribed in the communication hole is preferably 1.5 to 100 nm, more preferably 1.8 to 50 nm, and further preferably 2 to 30 nm. If this thickness is too large, the gas permeation rate tends to decrease. On the other hand, if it is too small, defects tend to be generated in the film.

上記膜[A]の態様を、断面図を用い、図2及び図3に示す。図2は、膜[A]12が基体11の表面層を被覆した状態(以下、「積層体」という。)の一例を示す概略図であり、基体11が有する、隣り合う連通孔の内径が異なる場合において、基体表面上の膜と、基体表面近傍における連通孔を内接する膜とが連続していることを示す。
また、図3は、膜[A]12が基体11の表面層を被覆した積層体の他の例を示す概略断面図であり、基体11が有する連通孔の内径がより小さい場合には、連通孔が、膜[A]の構成材料によって充填され閉じた状態となる。この場合、充填部は、膜[A]の細孔構造によっては、分子径の小さい特定のガスのみが透過し、ガス分離能を有する場合がある。一方、膜[A]が中実体である場合、基体11の一部となり、ヘリウム分離材の機械的強度、熱的安定性(耐熱性)等を向上させることができる。
尚、図2等の概略図において、基体11の連通孔は、基体11に対して垂直方向に示しているが、斜め方向に連通する場合もある。他の図においても同様である。
The embodiment of the film [A] is shown in FIGS. 2 and 3 using sectional views. FIG. 2 is a schematic view showing an example of a state in which the film [A] 12 covers the surface layer of the base body 11 (hereinafter referred to as “laminated body”), and the inner diameter of adjacent communication holes of the base body 11 is shown. In different cases, the film on the substrate surface and the film inscribed in the communication hole in the vicinity of the substrate surface are continuous.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of a laminate in which the film [A] 12 covers the surface layer of the base 11. When the inner diameter of the communication hole of the base 11 is smaller, the communication is performed. The holes are filled with the constituent material of the membrane [A] and closed. In this case, depending on the pore structure of the membrane [A], only a specific gas having a small molecular diameter may permeate through the packed portion and have gas separation ability. On the other hand, when the membrane [A] is solid, it becomes a part of the substrate 11 and can improve the mechanical strength, thermal stability (heat resistance) and the like of the helium separator.
In the schematic view of FIG. 2 and the like, the communication hole of the base 11 is shown in a direction perpendicular to the base 11, but may be communicated in an oblique direction. The same applies to the other drawings.

上記膜[A]の形成方法は、特に限定されないが、例えば、非晶質物質を形成可能な材料を基体の表面層に塗布する等した後、基体が変形、変質等しない温度で熱処理する方法等が挙げられる。詳細な方法は、後述される。   The method for forming the film [A] is not particularly limited. For example, after the material that can form an amorphous substance is applied to the surface layer of the substrate, the substrate is subjected to heat treatment at a temperature at which the substrate is not deformed or altered. Etc. A detailed method will be described later.

1−3.結晶質物質含有膜[B]
この膜[B]は、上記表面層における連通孔内に内接した非晶質物質含有膜[A]の表面に配設され且つ結晶質物質を含む膜である。
1-3. Crystalline material-containing film [B]
This film [B] is a film that is disposed on the surface of the amorphous substance-containing film [A] inscribed in the communication hole in the surface layer and contains a crystalline substance.

上記膜[B]は、単結晶及び/又は多結晶からなる結晶質物質を、通常、60〜100質量%含む膜である。非晶質物質を含んでもよい。
上記結晶質物質としては、珪素化合物、アルミニウム化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物等が挙げられる。これらは、酸化物、窒化物及び炭化物のいずれでもよい。
The film [B] is a film that normally contains 60 to 100% by mass of a crystalline substance made of single crystal and / or polycrystal. An amorphous material may be included.
Examples of the crystalline substance include silicon compounds, aluminum compounds, titanium compounds, zirconium compounds, and the like. These may be any of oxides, nitrides and carbides.

珪素化合物としては、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン等が挙げられる。
アルミニウム化合物としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト等が挙げられる。
チタン化合物としては、チタン酸アルミニウム、炭化チタン、窒化チタン等が挙げられる。
ジルコニウム化合物としては、ジルコニア、ホウ化ジルコニウム等が挙げられる。
これらのうち、SiC、Al、ジルコニア等が好ましく、特に、SiCが好ましい。
Examples of the silicon compound include silicon carbide, silicon nitride, and sialon.
Examples of the aluminum compound include alumina, aluminum nitride, mullite and the like.
Examples of the titanium compound include aluminum titanate, titanium carbide, and titanium nitride.
Examples of the zirconium compound include zirconia and zirconium boride.
Of these, SiC, Al 2 O 3 , zirconia and the like are preferable, and SiC is particularly preferable.

上記膜[B]は、上記のように、結晶質物質を60質量%以上含み、通常、中実体の緻密な膜であることから、0.288nmを超える分子径の大きなガスが透過しにくい。   As described above, the film [B] contains 60% by mass or more of a crystalline substance, and is usually a solid dense film, so that a gas having a large molecular diameter exceeding 0.288 nm is difficult to permeate.

上記膜[B]の平均厚さは、好ましくは0.5〜4nm、より好ましくは0.6〜3.5nm、更に好ましくは0.7〜3nmである。この平均厚さが小さすぎると、膜[B]の熱的安定性が低下する場合がある。尚、図1のように、ヘリウム分離に係る細孔14は、膜[B]13に包囲されてなるものであり、その内径の平均値が、通常、0.261〜0.288nm、好ましくは0.270〜0.280nmであることから、上記膜[B]の厚さは、その形成の際に調整されて、上記範囲となる。   The average thickness of the film [B] is preferably 0.5 to 4 nm, more preferably 0.6 to 3.5 nm, and still more preferably 0.7 to 3 nm. If this average thickness is too small, the thermal stability of the film [B] may be lowered. As shown in FIG. 1, the pores 14 for helium separation are surrounded by the membrane [B] 13, and the average inner diameter is usually 0.261 to 0.288 nm, preferably Since it is 0.270-0.280 nm, the thickness of the said film [B] is adjusted in the formation, and becomes the said range.

上記膜[B]は、上記連通孔内の膜[A]表面のどの位置にあってもよく、基体の最表面近傍にあってよいし(図4参照)、それより少し内部にあってよいし(図5参照)、更には、膜[A]の全面であってもよい(図6参照)。また、上記膜[B]は、上記基板11表面上の膜[A]の表面にあってもよい(図示せず)。
上記膜[B]の態様を、断面図を用い、図4、図5及び図6に示す。図4は、膜[B]13が、連通孔内の膜[A]12の表面の、基体の最表面近傍に形成されていることを示す概略図である。図5は、膜[B]13が、連通孔内の膜[A]12の表面の、基体の表面から少し内部に形成されていることを示す概略図である。
また、図6は、膜[B]13が、連通孔内の膜[A]12の全表面に形成されていることを示す概略図である。
尚、図4、図5及び図6において、符号131は、連通孔内の膜[A]12により包囲形成された連通孔内に、膜[B]の構成材料が充填された状態を示す。この充填部131は、ガス分離能をほとんど有さない。
The membrane [B] may be at any position on the surface of the membrane [A] in the communication hole, may be in the vicinity of the outermost surface of the substrate (see FIG. 4), or may be slightly inside. However, it may be the entire surface of the film [A] (see FIG. 6). The film [B] may be on the surface of the film [A] on the surface of the substrate 11 (not shown).
Embodiments of the film [B] are shown in FIGS. 4, 5 and 6 using cross-sectional views. FIG. 4 is a schematic view showing that the film [B] 13 is formed in the vicinity of the outermost surface of the substrate on the surface of the film [A] 12 in the communication hole. FIG. 5 is a schematic view showing that the film [B] 13 is formed slightly inside the surface of the film [A] 12 in the communication hole from the surface of the substrate.
FIG. 6 is a schematic view showing that the film [B] 13 is formed on the entire surface of the film [A] 12 in the communication hole.
4, 5, and 6, reference numeral 131 indicates a state in which the constituent material of the film [B] is filled in the communication hole surrounded by the film [A] 12 in the communication hole. This filling part 131 has almost no gas separation ability.

上記膜[B]の形成方法は、特に限定されないが、例えば、結晶質物質を形成可能な気体を、加熱された、膜[A]が形成されている基体の連通孔に導入する方法;結晶質物質を形成可能な材料を連通孔内の膜[A]の表面に塗布する等した後、積層体が変形、変質等しない温度で熱処理する方法等が挙げられる。詳細な方法は、後述される。   The method for forming the film [B] is not particularly limited. For example, a method of introducing a gas capable of forming a crystalline substance into a heated communication hole of the substrate on which the film [A] is formed; Examples include a method in which a material capable of forming a porous material is applied to the surface of the film [A] in the communication hole and then heat-treated at a temperature at which the laminate is not deformed or altered. A detailed method will be described later.

本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材は、上記のように、連通孔を有する基体11と、少なくともこの連通孔に内接する膜[A]12と、この膜[A]12の表面に積層されている膜[B]13とを備え、この膜[B]13に包囲された細孔14が、上記好ましい細孔径を有することによりガス分離機能を発揮する。 As described above, the helium separation material obtained by the production method of the present invention is laminated on the substrate 11 having communication holes, at least the film [A] 12 inscribed in the communication holes, and the surface of the film [A] 12. The membrane [B] 13 is provided, and the pores 14 surrounded by the membrane [B] 13 exhibit the gas separation function by having the preferred pore diameter.

2.ヘリウム分離材の製造方法
本発明のヘリウム分離材の製造方法は、非晶質物質形成用組成物を、連通孔を有し且つ無機材料からなる基体の、少なくとも該連通孔内に浸透させ塗膜を形成する塗膜形成工程と、該塗膜を含む基体を熱処理し、上記連通孔内に非晶質物質を含む非晶質物質含有膜(膜[A])を形成する非晶質物質含有膜形成工程と、上記熱処理された連通孔内に、化学反応により結晶質物質を生成する気体原料を供給し加熱して化学的気相合成を行い、上記非晶質物質含有膜(膜[A])の表面に、結晶質物質を堆積させる結晶質物質堆積工程とを備えることを特徴とする。
2. Method for Producing Helium Separating Material The method for producing a helium separating material according to the present invention is a method in which a composition for forming an amorphous substance is infiltrated into at least the communicating hole of a substrate having a communicating hole and made of an inorganic material. A coating film forming process for forming a film, and a substrate containing the coating film is heat-treated to form an amorphous substance-containing film (film [A]) containing an amorphous substance in the communication hole. In the film forming step, a gas raw material that generates a crystalline substance by a chemical reaction is supplied into the heat-treated communication hole and heated to perform chemical vapor phase synthesis, and the amorphous substance-containing film (film [A the surface of]), characterized in that it comprises a crystalline material deposition step of Ru is deposited crystalline substance.

上記基体は、1面から他面へと線状又は網目状に貫通する細孔、即ち、連通孔を有し、無機材料からなるものであれば、その構造、形状、大きさ等は、特に限定されない。これらに関して、いずれも、上記「1.ヘリウム分離材」における説明と同様とすることができる。特に、基体の構成材料は、Al、ムライト、コーディエライト、AlN、Si、SiC及びZrOが好ましい。また、上記基体は、均一厚さを有するものが好ましく、板状、筒状等であって、厚さ又は肉厚が150〜1,000μmであるものが好ましい。
上記連通孔の平均細孔径は、好ましくは5〜200nm、より好ましくは5〜150nm、更に好ましくは6〜100nmである。
If the substrate has pores penetrating from one surface to the other in a linear or mesh shape, that is, communicating holes, and made of an inorganic material, its structure, shape, size, etc. It is not limited. For these, both may be the same as described in the above "1. helium separation material". In particular, the constituent material of the substrate is preferably Al 2 O 3 , mullite, cordierite, AlN, Si 3 N 4 , SiC and ZrO 2 . Moreover, the said base | substrate has preferable uniform thickness, and is a plate shape, a cylinder shape, etc., Comprising: The thing whose thickness or thickness is 150-1,000 micrometers is preferable.
The average pore diameter of the communication holes is preferably 5 to 200 nm, more preferably 5 to 150 nm, and still more preferably 6 to 100 nm.

上記基体は、上記のように、市販品や、公知の方法により得られたものを用いることができる。尚、上記連通孔の平均細孔径が上記好ましい範囲にある一方、その分布が広い場合や、平均細孔径が200nmを超えて大きすぎる場合には、基体の機械的強度が十分でないことがあり、その後、膜[A]等の形成時に変形等が発生する場合がある。従って、基体を補強するために、膜[A]の形成前に、予め、基体の構成材料と同じ又は異なる材料となる前駆体組成物を用いて、基体の表面や、連通孔の内壁に堆積させてもよい(図8参照)。連通孔の内壁に堆積させた場合には、平均細孔径を上記好ましい範囲内で、分布を狭くすることができ、後続の工程を効率よく進めることができる。尚、図8は、補強された基体の一例を示す概略断面図であり、基体用支持体111と、この基体用支持体111の表面を被覆する補強層112とを備え、補強層に包囲された連通孔15を備える。
この補強方法としては、上記前駆体組成物を、ディッピング法、スプレー法、スピン法等により上記基体の表面や、連通孔の内壁表面に浸透させて塗膜とし、その後、熱処理する方法等が挙げられる。尚、この前駆体組成物は、ゾル・ゲル法で得られたもの等を用いることができる。
As the substrate, a commercially available product or a product obtained by a known method can be used as described above. In addition, while the average pore diameter of the communication holes is in the preferred range, if the distribution is wide, or if the average pore diameter is too large exceeding 200 nm, the mechanical strength of the substrate may not be sufficient, Thereafter, deformation or the like may occur when the film [A] or the like is formed. Therefore, in order to reinforce the substrate, a precursor composition that is the same as or different from the constituent material of the substrate is previously deposited on the surface of the substrate or the inner wall of the communication hole before forming the film [A]. It may be allowed (see FIG. 8). When it is deposited on the inner wall of the communication hole, the average pore diameter can be narrowed within the above preferred range, and the subsequent steps can be carried out efficiently. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a reinforced substrate, which includes a substrate support 111 and a reinforcement layer 112 that covers the surface of the substrate support 111, and is surrounded by the reinforcement layer. The communication hole 15 is provided.
Examples of the reinforcing method include a method in which the precursor composition is infiltrated into the surface of the substrate or the inner wall surface of the communication hole by a dipping method, a spray method, a spin method or the like to form a coating film, and then heat-treated. It is done. In addition, what was obtained by the sol gel method etc. can be used for this precursor composition.

本発明において、塗膜形成工程により、連通孔を有し且つ無機材料からなる基体の、少なくとも該連通孔内に浸透させ塗膜を形成する。具体的には、下記の非晶質物質形成用組成物を用い、ディッピング法、スプレー法、スピン法等が適用される。これらの方法により、通常、基体の表面、及び、連通孔の内壁全面に塗膜が形成される。 In the present invention, the coating film forming step, a substrate made of and inorganic material has a communication hole, to form a coating film to penetrate the at least該連the hole. Specifically, a dipping method, a spray method, a spin method, or the like is applied using the following composition for forming an amorphous substance. By these methods, a coating film is usually formed on the surface of the substrate and the entire inner wall of the communication hole.

上記非晶質物質形成用組成物としては、熱処理等により、非晶質物質を形成可能なものが好ましく、珪素化合物、アルミニウム化合物、ジルコニウム化合物、チタン化合物等の1種以上を非晶質状態で形成するものが好ましい。   The composition for forming an amorphous material is preferably a composition capable of forming an amorphous material by heat treatment or the like, and one or more of a silicon compound, an aluminum compound, a zirconium compound, a titanium compound and the like are in an amorphous state. What is formed is preferred.

非晶質の珪素化合物を形成する組成物としては、珪素含有高分子を含む溶液又は分散液;アルコキシシラン化合物の溶液;珪酸ナトリウム、水ガラス、コロイダルシリカ等のシリカゾル等を含有する組成物が挙げられる。これらのうち、珪素含有高分子を含む組成物が好ましい。
珪素含有高分子としては、珪素原子及び炭素原子を主として含む化合物が好ましい。その他には、酸素原子、水素原子、窒素原子、ホウ素原子等が挙げられる。
この珪素含有高分子としては、ポリカルボシラン、ポリシラン、ポリシラザン、ポリカルボシラザン等が挙げられる。これらの変性化合物(一部を下記に例示)を用いることもできる。これらの高分子化合物の数平均分子量は、通常、500〜100,000である。これらは、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
Examples of the composition that forms an amorphous silicon compound include a solution or dispersion containing a silicon-containing polymer; a solution of an alkoxysilane compound; a composition containing a silica sol such as sodium silicate, water glass, or colloidal silica. It is done. Of these, compositions containing silicon-containing polymers are preferred.
The silicon-containing polymer is preferably a compound mainly containing silicon atoms and carbon atoms. Other examples include an oxygen atom, a hydrogen atom, a nitrogen atom, and a boron atom.
Examples of the silicon-containing polymer include polycarbosilane, polysilane, polysilazane, polycarbosilazane and the like. These modifying compounds (some are exemplified below) can also be used. The number average molecular weight of these polymer compounds is usually 500 to 100,000. These can be used alone or in combination of two or more.

上記珪素含有高分子のうち、ポリカルボシランは、下記一般式(1)〜(3)で表される単位を、単独であるいは2種以上組み合わせて含む高分子化合物である。
〔式中、Rは、炭素数1〜10のアルキル基を示す。〕
〔R及びRは、それぞれ、同じであっても異なっていてもよく、炭素数1〜10のアルキル基を示す。〕
Among the silicon-containing polymers, polycarbosilane is a polymer compound containing units represented by the following general formulas (1) to (3) alone or in combination of two or more.
[Wherein, R 1 represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. ]
[R 1 and R 2 may be the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. ]

上記ポリシランとしては、ポリ(ジメチルシラン)、ポリ(ジエチルシラン)、ポリ(ジ−n−プロピルシラン)、ポリ(ジ−n−ブチルシラン)、ポリ(ジ−n−ヘキシルシラン)、ポリ(メチルフェニルシラン)、ポリ(エチルフェニルシラン)、ポリ(n−プロピルフェニルシラン)、ポリ(ジフェニルシラン)、ポリ(メチルフェニルシラン−co−ジメチルシラン)、ポリ(メチルフェニルシラン−co−ジ−n−ヘキシルシラン)等が挙げられる。   Examples of the polysilane include poly (dimethylsilane), poly (diethylsilane), poly (di-n-propylsilane), poly (di-n-butylsilane), poly (di-n-hexylsilane), and poly (methylphenyl). Silane), poly (ethylphenylsilane), poly (n-propylphenylsilane), poly (diphenylsilane), poly (methylphenylsilane-co-dimethylsilane), poly (methylphenylsilane-co-di-n-hexyl) Silane) and the like.

また、上記ポリシラザンは、下記一般式(4)及び(5)で表される単位を、単独であるいは組み合わせて含む高分子化合物である。
〔式中、Rは、炭素数1〜3のアルキル基を示す。〕
The polysilazane is a polymer compound containing units represented by the following general formulas (4) and (5) alone or in combination.
Wherein, R 3 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. ]

上記一般式(4)及び(5)で表される単位において、−SiH−の1つのH(水素原子)が炭素数1〜3のアルコキシ基に置換されて含まれる高分子化合物を変性化合物として用いることができる。 In the units represented by the general formulas (4) and (5), a high molecular compound in which one H (hydrogen atom) of —SiH 2 — is substituted with an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms is used as a modified compound Can be used as

また、上記珪素含有高分子及び/又はその変性化合物と、アルミニウム、チタン等を含む金属アルコキシドとを含有する組成物を用いることもできる。この変性化合物としては、ヒドロキシル基を有するポリシラン等が挙げられる。   A composition containing the silicon-containing polymer and / or a modified compound thereof and a metal alkoxide containing aluminum, titanium, or the like can also be used. Examples of the modifying compound include polysilane having a hydroxyl group.

上記珪素含有高分子及び/又はその変性化合物は、通常、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン、シクロヘキサン、シクロヘキセン等の速乾性の溶媒に溶かして用いられる。均一な塗膜を形成するための好ましい濃度は、0.1〜5質量%であり、より好ましくは0.25〜2.5質量%、更に好ましくは0.5〜1.5質量%である。この濃度が低すぎると、形成される膜[A]の表面にピンホールが発生する場合がある。また、濃度が高すぎると、膜[A]の膜厚が上記好ましい範囲を超えて大きくなり、クラックが発生しやすくなる場合がある。いずれの場合も、良好なガス分離性能に影響を与えることとなる。   The silicon-containing polymer and / or its modified compound is usually used by dissolving in a fast-drying solvent such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, diethylbenzene, cyclohexane, cyclohexene and the like. A preferable concentration for forming a uniform coating film is 0.1 to 5% by mass, more preferably 0.25 to 2.5% by mass, and still more preferably 0.5 to 1.5% by mass. . If this concentration is too low, pinholes may be generated on the surface of the formed film [A]. On the other hand, if the concentration is too high, the thickness of the film [A] exceeds the above preferred range, and cracks are likely to occur. In either case, good gas separation performance will be affected.

上記珪素含有高分子等の溶液は、酸素及び水蒸気の非存在下で用いることが好ましく、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で用いることが好ましい。   The silicon-containing polymer solution is preferably used in the absence of oxygen and water vapor, and is preferably used in an inert gas atmosphere such as argon gas.

また、非晶質のアルミニウム化合物を形成する組成物としては、アルミニウム含有アルコキシドの溶液;アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、アルミナゾル等の溶液又は分散液等を含有する組成物が挙げられる。   Examples of the composition that forms an amorphous aluminum compound include a solution containing an aluminum-containing alkoxide; a solution or dispersion of sodium aluminate, aluminum sulfate, alumina sol, or the like.

非晶質のジルコニウム化合物を形成する組成物としては、ジルコニウムアルコキシドの溶液、オキシ塩化ジルコニウム、塩化ジルコニウム等を含有する組成物が挙げられる。
また、非晶質のチタン化合物を形成する組成物としては、チタンアルコキシドの溶液;塩化チタン、ジアルキルアミノチタニウム等を含有する組成物が挙げられる。
Examples of the composition for forming an amorphous zirconium compound include a composition containing a solution of zirconium alkoxide, zirconium oxychloride, zirconium chloride and the like.
Moreover, as a composition which forms an amorphous titanium compound, the composition containing the solution of titanium alkoxide; titanium chloride, dialkylamino titanium, etc. is mentioned.

上記のように、この塗膜形成工程によって、塗膜は、基体の凹凸を反映して、ほぼ全表面に形成されるが、基体表面に凹部、溝等がある場合もその場所に非晶質物質形成用組成物が充填され、連続した塗膜となる。
また、上記塗膜の厚さは、基体が有する連通孔の細孔径、用いる非晶質物質形成用組成物の種類及び濃度等により、適宜、調整される。
As described above, the coating film is formed on almost the entire surface reflecting the unevenness of the substrate by this coating film forming process. The material forming composition is filled to form a continuous coating film.
The thickness of the coating film is appropriately adjusted depending on the pore diameter of the communicating holes of the substrate, the type and concentration of the amorphous substance forming composition used, and the like.

上記塗膜形成工程の後、通常、塗膜を乾燥させる等により、厚さが5〜100nm程度の被膜とする。その後、非晶質物質含有膜形成工程に進めることにより、上記被膜を含む基体が熱処理されて、非晶質物質含有膜[A]が形成される。   After the coating film forming step, the coating film is usually formed to a thickness of about 5 to 100 nm by drying the coating film. Thereafter, by proceeding to the amorphous substance-containing film forming step, the substrate including the coating is heat-treated to form the amorphous substance-containing film [A].

上記非晶質物質含有膜形成工程における熱処理条件は、アルゴンガス、窒素ガス等の雰囲気中、大気圧下において、加熱温度が、好ましくは600〜1,500℃、より好ましくは625〜1,000℃、更に好ましくは650〜800℃である。この温度範囲で熱処理することにより、原料の分解が円滑に進行し(効率よい製膜速度を有し)、その結果、均一な非晶質物質含有膜を得ることができる。上記温度が低すぎると、非晶質物質の生成が不完全となる場合がある。一方、温度が高すぎると、結晶質物質が多量に生成する場合がある。尚、加熱時間、昇温速度等は、適宜、選択されるが、加熱時間は、通常、1〜5時間である。   The heat treatment conditions in the amorphous substance-containing film forming step are such that the heating temperature is preferably 600 to 1,500 ° C., more preferably 625 to 1,000 in an atmosphere of argon gas, nitrogen gas or the like under atmospheric pressure. ° C, more preferably 650 to 800 ° C. By performing heat treatment in this temperature range, the decomposition of the raw material proceeds smoothly (having an efficient film forming speed), and as a result, a uniform amorphous substance-containing film can be obtained. If the temperature is too low, the generation of amorphous material may be incomplete. On the other hand, if the temperature is too high, a large amount of crystalline material may be generated. In addition, although heating time, a temperature increase rate, etc. are selected suitably, heating time is 1 to 5 hours normally.

熱処理前の塗膜が、ポリカルボシラン、ポリシラン、ポリシラザン、ポリカルボシラザン及びこれらの変性化合物の1種以上を含む場合には、非晶質物質含有膜形成工程後の膜[A]に含まれる非晶質物質は、通常、SiO、SiOC、SiC及びSiCNの1種以上である。
また、上記塗膜が、トリアルキルボロン、ジアルキルアミノボロン等の1種以上を含む場合には、非晶質物質含有膜形成工程後の膜[A]に含まれる非晶質物質は、通常、SiBCNである。
尚、いずれの場合も、熱処理条件によっては、膜[A]に結晶質物質が含有されることがある。
When the coating film before the heat treatment contains at least one of polycarbosilane, polysilane, polysilazane, polycarbosilazane and these modified compounds, it is included in the film [A] after the amorphous substance-containing film forming step. The amorphous material is usually at least one of SiO 2 , SiOC, SiC and SiCN.
In addition, when the coating film contains one or more of trialkylboron, dialkylaminoboron and the like, the amorphous substance contained in the film [A] after the amorphous substance-containing film forming step is usually SiBCN.
In either case, depending on the heat treatment conditions, the film [A] may contain a crystalline substance.

上記非晶質物質含有膜形成工程により得られた膜[A]は、好ましくは、基体の連通孔内に内接しており、塗膜が、基体のほぼ全表面に形成されていた場合には、膜[A]12も同様に、基体の表面層を含む基体11のほぼ全表面に形成され(図2参照)、残された連通孔以外に、ヘリウムの透過する経路のない積層体とすることができる。この経路があると、分子ふるいの際に、クヌーセン拡散と呼ばれる挙動を示し、所望のガス分離性能が得られない場合がある。
尚、基体の連通孔の内径がより小さく、その連通孔に上記非晶質物質形成用組成物が充填されていた場合には、熱処理により、連通孔が、非晶質物質で充填され閉じた状態となる(図3参照)。
The film [A] obtained by the amorphous substance-containing film forming step is preferably inscribed in the communication hole of the substrate, and the coating film is formed on almost the entire surface of the substrate. Similarly, the film [A] 12 is formed on almost the entire surface of the substrate 11 including the surface layer of the substrate (see FIG. 2), and is a laminated body having no helium permeation path other than the remaining communication holes. be able to. When this route is present, a behavior called Knudsen diffusion is exhibited during molecular sieving, and the desired gas separation performance may not be obtained.
In addition, when the internal diameter of the communication hole of the base was smaller, and the communication hole was filled with the above-mentioned composition for forming an amorphous substance, the communication hole was filled with the amorphous substance and closed by heat treatment. A state is reached (see FIG. 3).

上記非晶質物質含有膜形成工程の後、結晶質物質堆積工程に進めることにより、積層体の膜[A]の表面に結晶質物質を堆積させる。 After the amorphous material containing film-forming step, by advancing the crystalline material deposition step, the surface of the membrane [A] of the laminate Ru depositing a crystalline material.

この結晶質物質堆積工程においては、結晶質物質を形成可能な気体を、加熱された、積層体の連通孔に導入する(化学的気相合成参考までに、他の方法としては、結晶質物質を形成可能な材料を連通孔内の膜[A]の表面に塗布する等した後、積層体が変形、変質等しない温度で熱処理する方法;積層体を、結晶質物質を形成可能な材料を含む溶液中に浸漬した状態で、電気的処理する方法等がある。 In this crystalline material deposition step, a gas capable of forming a crystalline material is introduced into a heated communication hole of the laminate (chemical vapor phase synthesis ) . For reference, as another method, after a material capable of forming a crystalline substance is applied to the surface of the film [A] in the communication hole, a heat treatment is performed at a temperature at which the stacked body is not deformed or altered; the laminate in a state immersed in a solution containing a possible form crystalline substance material, there Ru and a method of electrically processing.

本発明に係る結晶質物質堆積工程は、密閉された反応系に載置した積層体の、少なくとも連通孔に、化学反応により結晶質物質を生成する気体原料を供給して、膜[A]の表面に結晶質物質を含む膜を堆積させる。 In the crystalline material deposition step according to the present invention, a gaseous material that generates a crystalline material by a chemical reaction is supplied to at least the communication holes of the stacked body placed in a sealed reaction system, and the film [A] is formed. A film containing a crystalline material is deposited on the surface.

上記気体原料は、通常、形成しようとする結晶質物質(酸化物、窒化物、炭化物等)を構成する元素からなる化合物のガスである。特に、熱化学反応により結晶質物質が生成されるような気体原料を選択することが好ましい。
気体原料は、2種以上を用いることが好ましく、珪素化合物のガス、及び、炭素化合物のガスを少なくとも用いることが好ましい。
珪素化合物としては、モノシラン、ジシラン、ジクロロシラン等が挙げられる。これらは、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、炭素化合物としては、室温で気体であれば、特に限定されず、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、塩化メチル、塩化ビニル等が挙げられる。きこれらは、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
The gaseous material is usually a gas of a compound composed of an element constituting a crystalline material (oxide, nitride, carbide, etc.) to be formed. In particular, it is preferable to select a gas raw material from which a crystalline substance is generated by a thermochemical reaction.
Two or more kinds of gas raw materials are preferably used, and at least a gas of a silicon compound and a gas of a carbon compound are preferably used.
Examples of the silicon compound include monosilane, disilane, and dichlorosilane. These can be used alone or in combination of two or more.
The carbon compound is not particularly limited as long as it is a gas at room temperature, and examples thereof include acetylene, methane, ethane, propane, butane, pentane, methyl chloride, and vinyl chloride. These can be used alone or in combination of two or more.

化学的気相合成に際し、上記気体原料は、積層体が載置された反応系に充満させた状態で加熱してもよいが、好ましくは、積層体を介して、この積層体の一方側(表面層側)と他方側とが区画された状態で、第1のガスを供給する手段と、第2のガスを供給する手段とを少なくとも備える装置を用いて導入され、その後、加熱された積層体の連通孔内の一方側から他方側へ強制的に通過させる。上記気体原料を「強制的に通過させる」ためには、他方側にポンプ等の排気手段を適用すればよい。ヘリウム分離は、連通孔内の膜[A]上に形成される膜[B]に包囲された細孔の内径に大きく寄与するため、気体原料が集中的に積層体の連通孔内を通過することで、緻密な膜[B]を形成することができる。
尚、反応系への気体原料の導入は、上記のガスを個別に供給してよいし、水素ガス等の気相反応に関与しないガスを、キャリアガスとして用いて供給してもよい。更に、上記のガスは、反応系内に個別に導入されてよいし、反応系への導入前に混合した後、反応系内に導入されてもよい。また、上記のガスの導入速度及び反応系からの排気速度は、特に限定されないが、連続的に導入してよいし、間欠的に導入してもよい。
In the chemical vapor synthesis, the gaseous raw material may be heated in a state in which the reaction system in which the laminated body is placed is filled, but preferably, one side of the laminated body ( In a state in which the surface layer side) and the other side are partitioned, the stack is introduced using an apparatus including at least a means for supplying a first gas and a means for supplying a second gas, and then heated. The body is forcibly passed from one side to the other side in the body communication hole. In order to “forcibly pass” the gaseous material, an exhaust means such as a pump may be applied to the other side. Since the helium separation greatly contributes to the inner diameter of the pores surrounded by the film [B] formed on the film [A] in the communication hole, the gas source intensively passes through the communication hole of the laminate. Thus, a dense film [B] can be formed.
In addition, the introduction of the gas raw material to the reaction system may be performed by supplying the above gases individually or by using a gas that does not participate in a gas phase reaction such as hydrogen gas as a carrier gas. Further, the above gases may be individually introduced into the reaction system, or may be introduced into the reaction system after being mixed before being introduced into the reaction system. The gas introduction rate and the exhaust rate from the reaction system are not particularly limited, but may be introduced continuously or intermittently.

上記気体原料を導入する際の、反応系の加熱温度は、好ましくは600〜800℃、より好ましくは650〜780℃、更に好ましくは680〜750℃である。この温度が低すぎると、気相反応が進行しない場合があり、一方、高すぎると、成膜速度が高くなり、ガス透過速度が低下する場合がある。   The heating temperature of the reaction system when introducing the gas raw material is preferably 600 to 800 ° C, more preferably 650 to 780 ° C, and further preferably 680 to 750 ° C. If this temperature is too low, the gas phase reaction may not proceed. On the other hand, if it is too high, the film formation rate may increase and the gas permeation rate may decrease.

上記化学的気相合成は、0.5〜4秒の気体原料の導入による反応により、単結晶及び/又は多結晶からなる結晶化物質を含有する膜を形成することができる。従って、連通孔内の膜[A]上に緻密であり且つ結晶化物質の含有割合の高い膜[B]を形成するために、更には、平均径が0.261〜0.288nmである細孔とするために、上記気体原料の導入を繰り返し行うことが好ましい。上記好ましい装置を用いると、この繰り返しにより、結晶性物質が連通孔の内壁に堆積することによる内径が縮小し、気体原料の流れが円滑でなくなり、上記好ましい平均径を有する細孔を得ることができる。   In the chemical vapor phase synthesis, a film containing a crystallized substance composed of a single crystal and / or a polycrystal can be formed by a reaction by introducing a gas raw material for 0.5 to 4 seconds. Therefore, in order to form a dense film [B] with a high content of crystallized material on the film [A] in the communication hole, the fine diameter is 0.261 to 0.288 nm. In order to form holes, it is preferable to repeatedly introduce the gas raw material. When the preferred apparatus is used, by repeating this, the inner diameter due to deposition of the crystalline substance on the inner wall of the communication hole is reduced, the flow of the gas raw material is not smooth, and pores having the preferred average diameter can be obtained. it can.

上記化学的気相合成を適用し、気体原料を、加熱された積層体の連通孔内に強制的に通過させて得られた膜[B]は、積層体の表面に形成されることもあるが、気体原料のほとんどが連通孔内で反応し、連通孔内の膜[A]の表面に形成される(図6参照)。尚、上記連通孔の内径が0.3nm以下と、小さい場合には、気体原料の反応による生成物により閉塞する場合がある(図6の符号131)。   The film [B] obtained by applying the above chemical vapor synthesis and forcibly passing the gas raw material into the communication hole of the heated laminate may be formed on the surface of the laminate. However, most of the gas raw material reacts in the communication hole and is formed on the surface of the film [A] in the communication hole (see FIG. 6). In addition, when the internal diameter of the said communicating hole is as small as 0.3 nm or less, it may be obstruct | occluded with the product by reaction of a gaseous raw material (code | symbol 131 of FIG. 6).

上記結晶質物質堆積工程により得られた膜[B]は、ヘリウムのみに対して透過性に優れた細孔を形成することができ、しかも、基体、膜[A]及び膜[B]が無機材料からなることから、100℃以下はもちろん、100℃以上、好ましくは200℃以上の温度において、耐熱性及び耐久性に優れたヘリウム分離材が得られる。 The film [B] obtained by the crystalline material deposition step can form pores excellent in permeability to only helium, and the substrate, the film [A] and the film [B] are inorganic. Since it is made of a material, a helium separator excellent in heat resistance and durability can be obtained at a temperature of 100 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher as well as 100 ° C. or lower.

本発明の製造方法により得られたヘリウム分離材は、耐熱性に優れた、ヘリウムを含む混合ガスからヘリウムを分離する分子ふるい膜等として有用である。特に、600℃において、ヘリウム及び一酸化炭素の分離の場合には、その透過係数比(He/CO)を好ましくは15以上、より好ましくは25以上、更に好ましくは35以上とすることができる。また、ヘリウム及び水素の分離の場合には、その透過係数比(He/H)を好ましくは2以上、より好ましくは2.5以上、更に好ましくは3以上とすることができる。
尚、上記のように、上記結晶質物質堆積工程においては、膜[B]の膜厚を調整することができるので、細孔の内径が水素の分子径より大きくなるように、例えば、0.29〜0.32nmとなるように膜[B]を形成した場合には、水素ガス分離材として用いることができる。
The helium separator obtained by the production method of the present invention is useful as a molecular sieving film that has excellent heat resistance and separates helium from a mixed gas containing helium. In particular, when separating helium and carbon monoxide at 600 ° C., the permeability coefficient ratio (He / CO) can be preferably 15 or more, more preferably 25 or more, and still more preferably 35 or more. In the case of separation of helium and hydrogen, the permeation coefficient ratio (He / H 2 ) is preferably 2 or more, more preferably 2.5 or more, and further preferably 3 or more.
As described above, in the crystalline material deposition step, the film thickness of the film [B] can be adjusted, so that the inner diameter of the pore is larger than the molecular diameter of hydrogen, for example, 0. When the film [B] is formed to have a thickness of 29 to 0.32 nm, it can be used as a hydrogen gas separation material.

以下に例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明の主旨を超えない限り、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。尚、下記記載において、「%」は、特に断らない限り質量基準である。
実施例1
α−Alからなり、内壁及び外壁の間に網目状に連通する細孔(平均細孔径100nm)を有する多孔質の管状体111(内径1.8mm、外径2.6mm及び長さ85mm)の両端面を、α−Alからなり、同じ内径及び外径を有する中実体の管21、及び、α−Alからなり、同じ内径及び外径を有し、底面が凹面である中実体の有底管22の各端面によりガラスシールし、複合体2を得た(図7参照)。即ち、この複合体2は、中実体の管21と、多孔質管状体111と、中実体の有底管22とをこの順に備え、各管の端面どうしを密着させるためのガラス封止部23を備える。
その後、ゾル・ゲル法により調製したベーマイトゾル(PVA濃度;3.5%)内に、上記複合体2を10秒間浸漬した。次いで、このゾルを乾燥させ、アルゴンガス雰囲気中、800℃で3時間熱処理し、複合体2の全表面(管状体111の細孔内壁面を含む)にγ−Alからなる膜を形成させた。この操作を再度繰り返し、管状体111と、この管状体111の全表面を被覆したγ−Al膜112とを備える基体部(以下、「基体」ともいう。)11(図8参照)を含む基体付き複合体3(図示せず)を得た。この基体11の平均細孔径は10nmであった。図8は、基体付き複合体3を構成する基体11を示す図であり、この基体11を連通孔部分で破断したときの部分断面を示す概略図である。管状体111の表面にγ−Al膜112が形成されていることを示す。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to such examples unless it exceeds the gist of the present invention. In the following description, “%” is based on mass unless otherwise specified.
Example 1
Porous tubular body 111 (inner diameter 1.8 mm, outer diameter 2.6 mm, and length) made of α-Al 2 O 3 and having pores (average pore diameter 100 nm) communicating in a mesh shape between the inner wall and the outer wall 85 mm) both end faces are made of α-Al 2 O 3 , solid tube 21 having the same inner diameter and outer diameter, and α-Al 2 O 3 , the same inner diameter and outer diameter, and the bottom face Was sealed with each end face of the solid bottomed tube 22 having a concave surface to obtain a composite 2 (see FIG. 7). That is, the composite 2 includes a solid tube 21, a porous tubular body 111, and a solid bottomed tube 22 in this order, and a glass sealing portion 23 for bringing the end faces of the tubes into close contact with each other. Is provided.
Thereafter, the composite 2 was immersed in a boehmite sol (PVA concentration; 3.5%) prepared by a sol-gel method for 10 seconds. Next, this sol was dried and heat-treated at 800 ° C. for 3 hours in an argon gas atmosphere, and a film made of γ-Al 2 O 3 was formed on the entire surface of the composite 2 (including the inner wall surface of the pores of the tubular body 111). Formed. This operation is repeated again, and a base portion (hereinafter also referred to as “base”) 11 having a tubular body 111 and a γ-Al 2 O 3 film 112 covering the entire surface of the tubular body 111 (see FIG. 8). A composite 3 with a substrate (not shown) was obtained. The average pore diameter of the substrate 11 was 10 nm. FIG. 8 is a view showing a base 11 constituting the composite 3 with a base, and is a schematic view showing a partial cross section when the base 11 is broken at a communicating hole portion. It shows that the γ-Al 2 O 3 film 112 is formed on the surface of the tubular body 111.

次に、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内で調製した、ポリカルボシラン(数平均分子量;10,700)のキシレン溶液(濃度1%)に、上記基体付き複合体3を5秒間浸漬した(図10参照)。基体付き複合体3の外側から、毛細管現象により、上記キシレン溶液を浸透させた。
その後、このキシレン溶液を乾燥させ、アルゴンガス雰囲気中、800℃で1時間熱処理し、基体付き複合体3の全表面に非晶質のSiOCを含む膜12(基体付き複合体3の表面における膜厚130nm。連通孔内における膜厚は2.5〜4nmと思われる。以下、「SiOC膜」ともいう。)が形成された、SiOC膜付き管状体4を含むSiOC膜付き複合体5を得た。図11は、SiOC膜付き管状体4において、SiOC膜付き管状体111を破断したときの断面画像(電子顕微鏡による)であり、γ−Al膜112の表面にSiOC膜12が形成されていることを示す。
Next, the composite with substrate 3 was immersed in a xylene solution (concentration 1%) of polycarbosilane (number average molecular weight; 10,700) prepared in a glove box in an argon gas atmosphere (FIG. 10). reference). The xylene solution was infiltrated from the outside of the composite 3 with a substrate by capillary action.
Thereafter, the xylene solution is dried and heat-treated at 800 ° C. for 1 hour in an argon gas atmosphere, and a film 12 containing amorphous SiOC on the entire surface of the substrate-equipped composite 3 (film on the surface of the substrate-equipped complex 3) Thickness 130 nm, the film thickness in the communication hole is considered to be 2.5 to 4 nm, hereinafter also referred to as “SiOC film”), and the composite 5 with the SiOC film including the tubular body 4 with the SiOC film is obtained. It was. FIG. 11 is a cross-sectional image (by an electron microscope) of the tubular body 4 with the SiOC film when the tubular body 111 with the SiOC film is broken, and the SiOC film 12 is formed on the surface of the γ-Al 2 O 3 film 112. Indicates that

次いで、CVD装置(図12参照)の炉7の内部に、SiOC膜付き複合体5をセットし、水素ガス雰囲気中、725℃で20分間予熱した。SiOC膜付き複合体5の温度が恒温に達した後、下記の原料ガス〔1〕〜〔3〕からなる混合ガスを炉内へ間欠的に導入し、混合ガスの導入による装置内の内圧が大気圧近くまで上昇するまで、炭化珪素多結晶を、SiOC膜付き管状体4の細孔におけるSiOC膜12表面に堆積させ(連通孔内における膜厚は0.7〜2.5nmと思われる。)、ヘリウム分離材1を得た。破断画像を図13に示す。
尚、原料ガス〔1〕(キャリアガス)として水素ガス、原料ガス〔2〕として水素ガス及びSiHClガスからなる混合ガス(SiHCl濃度;1体積%)、並びに原料ガス〔3〕として水素ガス及びアセチレンガスからなる混合ガス(アセチレン濃度;1体積%)を用いた。各原料ガスの導入量は、原料ガス〔1〕〜〔3〕の順に、1sccm、0.5sccm、及び0.5sccmであり、各原料ガスは、炉内へ導入する前に混合した。また、原料ガス〔1〕〜〔3〕からなる混合ガスは、導入時間2秒及びインターバル2秒の繰り返しで導入し、これを3,500回繰り返した。
尚、図13の画像において、炭化珪素多結晶からなる膜13は、微細なため判別できないが、X線測定により、SiOC膜付き管状体4の細孔において、炭化珪素多結晶が存在していることを確認した。
Next, the composite 5 with the SiOC film was set in the furnace 7 of the CVD apparatus (see FIG. 12), and preheated at 725 ° C. for 20 minutes in a hydrogen gas atmosphere. After the temperature of the composite 5 with the SiOC film reaches a constant temperature, a mixed gas composed of the following raw material gases [1] to [3] is intermittently introduced into the furnace, and the internal pressure in the apparatus due to the introduction of the mixed gas is reduced. The silicon carbide polycrystal is deposited on the surface of the SiOC film 12 in the pores of the tubular body 4 with the SiOC film until the pressure rises to near atmospheric pressure (the film thickness in the communication hole is considered to be 0.7 to 2.5 nm). ), A helium separator 1 was obtained. A fracture image is shown in FIG.
The source gas [1] (carrier gas) is hydrogen gas, the source gas [2] is a mixed gas composed of hydrogen gas and SiH 2 Cl 2 gas (SiH 2 Cl 2 concentration: 1% by volume), and the source gas [3 ], A mixed gas composed of hydrogen gas and acetylene gas (acetylene concentration: 1% by volume) was used. The amount of each source gas introduced was 1 sccm, 0.5 sccm, and 0.5 sccm in the order of source gases [1] to [3], and each source gas was mixed before being introduced into the furnace. Moreover, the mixed gas which consists of source gas [1]-[3] was introduce | transduced by repetition of introduction time 2 second and interval 2 second, and this was repeated 3,500 times.
In the image of FIG. 13, the film 13 made of polycrystalline silicon carbide cannot be distinguished because it is fine. However, the polycrystalline silicon carbide exists in the pores of the tubular body 4 with the SiOC film by X-ray measurement. It was confirmed.

上記で得られたヘリウム分離材を用い、図14に示すガス透過試験装置により、定容積圧力変化法に基づき、600℃における単成分ガス透過試験を行った。まず、減圧にした透過側ラインに設置したバッファタンク内の圧力変化によってガス分子の流量を定量する。大気圧の供給ガスを、ヘリウム分離材を保持した透過セル内に500cc/分にて流し、真空ポンプによりバッファタンク内を4Torrに減圧した後に、真空ポンプとバッファタンクとの間に設置したストップバルブを閉じ、圧力計Pによってタンク内が8Torrに昇圧するまでの時間を計測した。用いた単成分ガスの種類は、ヘリウムガス(He)、水素ガス(H)及び一酸化炭素ガス(CO)である。単位面積及び単位圧力差のもとで透過するガスについて、透過率を測定した。単位は、mol/m・s・Paである。また、上記各ガスの透過率の値を用い、ガス分離性能を表す指標として透過率の比である透過係数比He/H及びHe/COを求めた。得られたヘリウムガス透過率、水素ガス透過率及び透過係数比を表1に示す。 Using the helium separation material obtained above, a single component gas permeation test at 600 ° C. was performed by the gas permeation test apparatus shown in FIG. 14 based on the constant volume pressure change method. First, the flow rate of gas molecules is quantified by the pressure change in the buffer tank installed in the permeation side line where the pressure is reduced. A stop valve installed between the vacuum pump and the buffer tank after flowing the atmospheric pressure supply gas into the permeation cell holding the helium separator at 500 cc / min and reducing the pressure in the buffer tank to 4 Torr by the vacuum pump. closed, the tank by the pressure gauge P 2 measured the time until the boosted to 8 Torr. The types of single component gas used are helium gas (He), hydrogen gas (H 2 ), and carbon monoxide gas (CO). Permeability was measured for gas that permeates under unit area and unit pressure difference. The unit is mol / m 2 · s · Pa. Further, the permeability values He / H 2 and He / CO, which are ratios of the transmittances, were obtained as indices representing the gas separation performance using the values of the transmittances of the respective gases. The obtained helium gas permeability, hydrogen gas permeability, and permeability coefficient ratio are shown in Table 1.

実施例2
実施例1で得た基体付き複合体3を用い、下記要領でヘリウムガス分離材を得た。
アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内で調製した、ポリカルボシラン(数平均分子量;10,700)のキシレン溶液(濃度0.8%)に、上記基体付き複合体3を5秒間浸漬した(図10参照)。基体付き複合体3の外側から、毛細管現象により、上記キシレン溶液を浸透させた。
その後、このキシレン溶液を乾燥させ、アルゴンガス雰囲気中、800℃で1時間熱処理し、基体付き複合体3の全表面にSiOC膜を形成させた。この浸漬−乾燥−熱処理の操作を再度繰り返し、基体付き複合体3の表面における膜厚140nm(連通孔内における膜厚は3〜4.5nmと思われる。)のSiOC膜12を有するSiOC膜付き複合体5を得た。
Example 2
Using the composite 3 with a base body obtained in Example 1, a helium gas separation material was obtained in the following manner.
The composite 3 with a base was immersed in a xylene solution (concentration 0.8%) of polycarbosilane (number average molecular weight; 10,700) prepared in a glove box under an argon gas atmosphere (see FIG. 10). ). The xylene solution was infiltrated from the outside of the composite 3 with a substrate by capillary action.
Then, this xylene solution was dried and heat-treated in an argon gas atmosphere at 800 ° C. for 1 hour, and a SiOC film was formed on the entire surface of the composite 3 with a substrate. This dipping-drying-heat treatment operation is repeated again, with the SiOC film having the SiOC film 12 having a film thickness of 140 nm on the surface of the substrate-attached composite 3 (the film thickness in the communication hole is considered to be 3 to 4.5 nm). A complex 5 was obtained.

次いで、実施例1と同じCVD装置を用い、同じ原料ガス〔1〕〜〔3〕からなる混合ガスを、導入時間2秒及びインターバル2秒の繰り返しで導入し、これを3,000回繰り返すことにより、SiOC膜付き管状体4の細孔におけるSiOC膜12表面に炭化珪素多結晶を堆積させ(連通孔内における膜厚は0.6〜2nmと思われる。)、ヘリウム分離材1を得た。
このヘリウム分離材について、実施例1と同様にして、各ガスの透過率を測定した。ヘリウムガス透過率及び透過係数比を表1に示す。
Next, using the same CVD apparatus as in Example 1, a mixed gas consisting of the same raw material gases [1] to [3] is introduced at a repetition time of 2 seconds and an interval of 2 seconds, and this is repeated 3,000 times. Thus, silicon carbide polycrystal was deposited on the surface of the SiOC film 12 in the pores of the tubular body 4 with the SiOC film (the film thickness in the communication hole seems to be 0.6 to 2 nm), and the helium separator 1 was obtained. .
About this helium separation material, it carried out similarly to Example 1, and measured the transmittance | permeability of each gas. The helium gas permeability and permeability coefficient ratio are shown in Table 1.

実施例3
α−Alからなり、内壁及び外壁の間に網目状に連通する細孔(平均細孔径150nm)を有する多孔質の管状体(内径2.0mm、外径2.9mm及び長さ85mm)の両端面を、実施例1と同様にして、α−Alからなる中実体の管、及び、α−Alからなる中実体の有底管の各端面によりガラスシールし、複合体2を得た。
その後、実施例1で用いたベーマイトゾル内に、上記複合体2を10秒間浸漬した。次いで、このゾルを乾燥させ、アルゴンガス雰囲気中、800℃で3時間熱処理し、複合体2の全表面にγ−Alからなる膜を形成させた。この操作を更に2回繰り返し、管状体と、この管状体の全表面を被覆したγ−Al膜とを備える基体11を含む基体付き複合体3を得た。この基体11の平均細孔径は10nmであった。
Example 3
A porous tubular body (inner diameter of 2.0 mm, outer diameter of 2.9 mm, and length of 85 mm) made of α-Al 2 O 3 and having pores (average pore diameter of 150 nm) communicated in a network between the inner wall and the outer wall both end surfaces of), in the same manner as in example 1, a tube of solid body consisting of α-Al 2 O 3, and, to a glass sealed by the end surface of the bottomed tube of solid body consisting of α-Al 2 O 3 A composite 2 was obtained.
Thereafter, the composite 2 was immersed in the boehmite sol used in Example 1 for 10 seconds. Next, this sol was dried and heat-treated at 800 ° C. for 3 hours in an argon gas atmosphere to form a film made of γ-Al 2 O 3 on the entire surface of the composite 2. This operation was further repeated twice to obtain a composite 3 with a substrate including a substrate 11 including a tubular body and a γ-Al 2 O 3 film covering the entire surface of the tubular body. The average pore diameter of the substrate 11 was 10 nm.

次に、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内で調製した、ポリカルボシラン(数平均分子量;10,700)のキシレン溶液(濃度0.5%)に、上記基体付き複合体3を5秒間浸漬した(図10参照)。基体付き複合体3の外側から、毛細管現象により、上記キシレン溶液を浸透させた。
その後、このキシレン溶液を乾燥させ、アルゴンガス雰囲気中、800℃で1時間熱処理し、基体付き複合体3の全表面にSiOC膜を形成させた。この浸漬−乾燥−熱処理の操作を更に2回繰り返した。そして、上記キシレン溶液を用い、浸漬時間10秒間及び熱処理温度750℃として、浸漬−乾燥−熱処理の操作を更に3回繰り返し、基体付き複合体3の表面における膜厚110nm(連通孔内における膜厚は2〜3.5nmと思われる。)のSiOC膜12を有するSiOC膜付き複合体5を得た。
Next, the composite 3 with a substrate was immersed in a xylene solution (concentration 0.5%) of polycarbosilane (number average molecular weight; 10,700) prepared in a glove box in an argon gas atmosphere for 5 seconds ( (See FIG. 10). The xylene solution was infiltrated from the outside of the composite 3 with a substrate by capillary action.
Then, this xylene solution was dried and heat-treated in an argon gas atmosphere at 800 ° C. for 1 hour, and a SiOC film was formed on the entire surface of the composite 3 with a substrate. This immersion-drying-heat treatment operation was further repeated twice. Then, using the xylene solution, the immersion-drying-heat treatment operation was further repeated three times with an immersion time of 10 seconds and a heat treatment temperature of 750 ° C., and a film thickness of 110 nm on the surface of the composite 3 with a substrate (film thickness in the communication hole) The composite 5 with the SiOC film having the SiOC film 12 was obtained.

次いで、実施例1と同じCVD装置を用い、炉7の内部に、SiOC膜付き複合体5をセットし、水素ガス雰囲気中、710℃で20分間予熱した。SiOC膜付き複合体5の温度が恒温に達した後、上記原料ガス〔1〕〜〔3〕からなる混合ガスを炉内へ間欠的に導入し、SiOC膜付き管状体4の細孔におけるSiOC膜12表面に炭化珪素多結晶を堆積させ(連通孔内における膜厚は0.5〜1.8nmと思われる。)、ヘリウム分離材1を得た。
尚、各原料ガスの導入量は、原料ガス〔1〕〜〔3〕の順に、1sccm、0.4sccm、及び0.8sccmである。また、原料ガス〔1〕〜〔3〕からなる混合ガスは、導入時間2秒及びインターバル2秒の繰り返しで導入し、これを2,800回繰り返した。
このヘリウム分離材について、実施例1と同様にして、各ガスの透過率を測定した。ヘリウムガス透過率及び透過係数比を表1に示す。
Next, using the same CVD apparatus as in Example 1, the composite 5 with the SiOC film was set inside the furnace 7 and preheated at 710 ° C. for 20 minutes in a hydrogen gas atmosphere. After the temperature of the composite 5 with the SiOC film reaches a constant temperature, the mixed gas composed of the raw material gases [1] to [3] is intermittently introduced into the furnace, and the SiOC in the pores of the tubular body 4 with the SiOC film is introduced. Silicon carbide polycrystal was deposited on the surface of the film 12 (the film thickness in the communication hole is considered to be 0.5 to 1.8 nm), and the helium separator 1 was obtained.
The amount of each source gas introduced is 1 sccm, 0.4 sccm, and 0.8 sccm in the order of source gases [1] to [3]. Moreover, the mixed gas which consists of source gas [1]-[3] was introduce | transduced by repetition of introduction time 2 second and interval 2 second, and this was repeated 2,800 times.
About this helium separation material, it carried out similarly to Example 1, and measured the transmittance | permeability of each gas. The helium gas permeability and permeability coefficient ratio are shown in Table 1.

上記実施例から明らかなように、α−Alからなる管状体表面にγ−Al膜が形成されてなる基体の表面及び連通孔内壁に、SiOCを含む非晶質物質含有膜を形成し、その後、連通孔内の非晶質物質含有膜に結晶質物質含有膜を積層することにより、ヘリウムと、大きな分子径を有するガスとを分離することができた。 As is apparent from the above examples, an amorphous substance containing SiOC is contained on the surface of the base body in which the γ-Al 2 O 3 film is formed on the surface of the tubular body made of α-Al 2 O 3 and the inner wall of the communication hole. By forming a film and then laminating a crystalline substance-containing film on the amorphous substance-containing film in the communication hole, helium and a gas having a large molecular diameter could be separated.

本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材は、天然ガス等の粗ヘリウム原料からのヘリウムの抽出、分離等に有用であり、特に、被処理試料が加熱状態にある場合、非酸化性雰囲気にて使用される場合等に好適である。 The helium separator obtained by the production method of the present invention is useful for extraction, separation, etc. of helium from crude helium raw materials such as natural gas, and particularly in a non-oxidizing atmosphere when the sample to be treated is in a heated state. It is suitable when used.

本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材の破断表面の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the fracture | rupture surface of the helium separation material obtained by the manufacturing method of this invention. 非晶質物質含有膜12が基体11の表面層を被覆した積層体の一例を示す概略断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a laminate in which an amorphous substance-containing film 12 covers a surface layer of a substrate 11. FIG. 非晶質物質含有膜12が基体11の表面層を被覆した積層体の他の例を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of a laminate in which an amorphous substance-containing film 12 covers a surface layer of a substrate 11. 本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材の表面層における断面図の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of sectional drawing in the surface layer of the helium separation material obtained by the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材の表面層における断面図の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of sectional drawing in the surface layer of the helium separation material obtained by the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法により得られるヘリウム分離材の表面層における断面図の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of sectional drawing in the surface layer of the helium separation material obtained by the manufacturing method of this invention. 実施例1において作製した複合体2を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a composite 2 produced in Example 1. FIG. 実施例1、2及び3において、補強された基体11の断面を示す概略図である。In Example 1, 2, and 3, it is the schematic which shows the cross section of the base | substrate 11 reinforced. 実施例1、2及び3において、基体11の表面に非晶質物質含有膜12が形成された断面を示す概略図である。In Examples 1, 2, and 3, it is the schematic which shows the cross section in which the amorphous substance containing film | membrane 12 was formed in the surface of the base | substrate 11. FIG. 実施例1及び2において非晶質物質含有膜を形成するための工程の一部を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a part of a process for forming an amorphous substance-containing film in Examples 1 and 2. 実施例1において基体の表面に形成された非晶質物質含有膜の断面を示す画像である。2 is an image showing a cross section of an amorphous substance-containing film formed on the surface of a substrate in Example 1. 非晶質物質含有膜の表面に結晶質物質含有膜を形成するためのCVD装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the CVD apparatus for forming a crystalline substance containing film | membrane on the surface of an amorphous substance containing film | membrane. 実施例1において得られたヘリウム分離材の断面を示す画像である。2 is an image showing a cross section of the helium separator obtained in Example 1. FIG. 定容積圧力変化法を原理とするガス透過性能評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the gas permeation performance evaluation apparatus based on the constant volume pressure change method.

1;ヘリウム分離材
11;基体(基体部)
111;基体用支持体(多孔質管状体)
112;補強膜(γ−Al膜)
12;非晶質物質含有膜(SiOC膜)
13;結晶質物質含有膜(炭化珪素多結晶膜)
131;結晶質物質充填部
14;細孔
15;連通孔
2;複合体
21;アルミナ管
22;アルミナ有底管
23;ガラス封止部
3;基体付き複合体
4;SiOC膜付き管状体
5;SiOC膜付き複合体
6;キシレン溶液
7;CVD装置の炉。
1; Helium separator 11; Base (base part)
111; Support for substrate (porous tubular body)
112; Reinforcing membrane (γ-Al 2 O 3 membrane)
12: Amorphous substance-containing film (SiOC film)
13; Crystalline substance-containing film (silicon carbide polycrystalline film)
131; Crystalline material filling part 14; Pore 15; Communication hole 2; Composite 21; Alumina tube 22; Alumina-bottomed tube 23; Glass sealing part 3; Substrate composite 4; SiOC membrane-attached tubular body 5; Composite with SiOC film 6; Xylene solution 7; Furnace of CVD apparatus.

Claims (9)

非晶質物質形成用組成物を、連通孔を有し且つ無機材料からなる基体の、少なくとも該連通孔内に浸透させ塗膜を形成する塗膜形成工程と、該塗膜を含む基体を熱処理し、上記連通孔内に非晶質物質を含む非晶質物質含有膜を形成する非晶質物質含有膜形成工程と、上記熱処理された連通孔内に、化学反応により結晶質物質を生成する気体原料を供給し加熱して化学的気相合成を行い、上記非晶質物質含有膜の表面に、結晶質物質を堆積させる結晶質物質堆積工程とを備えることを特徴とするヘリウム分離材の製造方法。 A coating film forming step of forming a coating film by infiltrating at least the communication hole of a substrate having a communicating hole and made of an inorganic material with a composition for forming an amorphous substance, and heat-treating the substrate containing the coating film Then, an amorphous substance-containing film forming step for forming an amorphous substance-containing film containing an amorphous substance in the communication hole, and a crystalline substance is generated by a chemical reaction in the heat-treated communication hole. the gas material is heated by supplying perform chemical vapor phase synthesis, the amorphous to the surface of the material-containing film, helium separation material, characterized in that it comprises a crystalline material deposition step of Ru is deposited crystalline substance Manufacturing method. 上記非晶質物質形成用組成物が、ポリカルボシラン、ポリシラン、ポリシラザン及びポリカルボシラザンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する請求項に記載のヘリウム分離材の製造方法。 The method for producing a helium separator according to claim 1 , wherein the composition for forming an amorphous substance contains at least one selected from the group consisting of polycarbosilane, polysilane, polysilazane, and polycarbosilazane. 上記基体を構成する無機材料が、Al、ZrO、ムライト、コーディエライト、AlN、Si及びSiCからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項又はに記載のヘリウム分離材の製造方法。 Inorganic material constituting the substrate, Al 2 O 3, ZrO 2, mullite, cordierite, AlN, according to claim 1 or 2 is at least one selected from the group of Si 3 N 4 and SiC Method for producing a helium separator. 上記基体が有する連通孔の平均径が、5〜200nmである請求項乃至のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。 The method for producing a helium separator according to any one of claims 1 to 3 , wherein an average diameter of the communication holes of the base is 5 to 200 nm. 上記非晶質物質含有膜形成工程における熱処理温度が、600〜1,500℃である請求項乃至のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。 The method for producing a helium separator according to any one of claims 1 to 4 , wherein a heat treatment temperature in the amorphous substance-containing film forming step is 600 to 1,500 ° C. 上記結晶質物質堆積工程における化学気相合成が、珪素化合物のガス、及び炭素化合物のガスの存在下で加熱する工程を備える請求項1乃至5のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。 6. The method for producing a helium separator according to claim 1, wherein the chemical vapor synthesis in the crystalline material deposition step includes a step of heating in the presence of a silicon compound gas and a carbon compound gas. 上記化学気相合成が、珪素化合物のガス、及び炭素化合物のガスの導入並びに排気を行いながら加熱する工程を備える請求項に記載のヘリウム分離材の製造方法。 The method for producing a helium separator according to claim 6 , wherein the chemical vapor synthesis includes a step of heating while introducing and exhausting a gas of a silicon compound and a gas of a carbon compound. 上記珪素化合物が、モノシラン、ジシラン及びジクロロシランからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項又はに記載のヘリウム分離材の製造方法。 The method for producing a helium separator according to claim 6 or 7 , wherein the silicon compound is at least one selected from the group consisting of monosilane, disilane, and dichlorosilane. 上記炭素化合物が、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、塩化メチル、塩化ビニルからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項6乃至8のいずれかに記載のヘリウム分離材の製造方法。 The helium separator according to any one of claims 6 to 8, wherein the carbon compound is at least one selected from the group consisting of acetylene, methane, ethane, propane, butane, pentane, methyl chloride, and vinyl chloride. Method.
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