JP5206787B2 - ポリマー繊維体、その製造方法及び流体濾過用フィルタ - Google Patents
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Description
単独で電界紡糸することが容易なものがある。
電界紡糸後、繊維同士の反発がないため、成膜し易い。
疎水性のもの、親水性のものを選択できる。
疎水性のものは耐水性を有するが、水を通しにくい。
単独で電界紡糸することが難しい。
電界紡糸出来ても繊維同士の反発により、かさ(嵩)が高くなって収まりが悪くなり(即ち、嵩密度が低くなり)、成膜に適さない。
親水性を有する。
イオン性物質の吸着性を有する。
水への溶解性を有するものもある。
非電解質ポリマーは、繊維とした場合に所定の透水性、強度を確保できるものであれば特に限定されない。
電解質ポリマーは、アニオン性又はカチオン性の官能基を有するポリマーが好適である。このイオン性の官能基としてはスルホ基、カルボキシル基、リン酸基、1〜4級のアミノ基などが例示される。電解質ポリマーのベースポリマーとしては、上記非電解質ポリマーのポリマーが例示され、中でもポリエチレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリアミド複素環を有するポリマー、フッ素樹脂、ポリアミノ酸などが好ましい。耐熱性を有する電解質ポリマーとしては、フッ素を有する電解質ポリマーが好適であり、例えばスルホ基を有するフッ素樹脂が好適である。スルホ基を導入したフッ素樹脂としては、市販のナフィオン(Nafion、登録商標)などが例示される。ナフィオンはパーフルオロスルホン酸/ポリテトラフロロエチレン共重合体を主成分とする。
本発明の一態様では、上記非電解質ポリマーを溶解するための第1溶媒と、電解質ポリマーを溶解するための第2溶媒とを含む混合溶媒を調製し、この混合溶媒に電解質ポリマー及び非電解質ポリマーを溶解させる。
δD=(XδDA+YδDB)/(X+Y)
[ナフィオン濃度16重量%のとき、δH>7 8重量%のとき、δH>5.5]
[PVDF濃度20重量%のとき、δH<5.5 10重量%のとき、δH<6.1]
即ち、水の濃度が低いほどPVDFが溶けやすいため、水の濃度は低い方が好ましく、相関するδHも低い方が好ましい。
水:1−プロパノール:ジメチルアセトアミド=2:2:35.2、δD=8.15、δP=5.59、δH=5.98
以下、この電解質ポリマー及び非電解質ポリマーを溶解させた混合溶液を電界紡糸してハイブリッドポリマー繊維体を製造する方法について、図面を参照して説明する。
<紡糸条件>
シリンジ径30Gのシリンジにナフィオン20重量%、1−プロパノール40重量%、水40重量%の電解質ポリマー溶液を入れ、シリンジ側をプラス、繊維を捕集するターゲット側にマイナスの35kVの電圧(4kV/cmの電位勾配)をかけることにより、ナフィオン繊維の紡糸を試みた。
第2図に示すように、ナフィオンは粒径1〜3μmの粒子状となってしまい、不織布を作製することはできなかった。第2図は、試料に白金(Pt)を蒸着させ、電子顕微鏡にて倍率1000倍にて撮影した写真である。
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を20重量%含む、ジメチルアセトアミド(DMAc)の非電解質ポリマー溶液を調製し、これを比較例1と同様の条件で紡糸を試みた。
500nmの繊維を紡糸でき、この繊維からなる厚さ50μmのポリマー繊維体を作製することができた。また、このポリマー繊維体を平面状に積層することにより厚さ2mmの不織布平膜を作製することができた。
非電解質ポリマーと電解質ポリマーとを含む溶液としてPVDF10重量%、ナフィオン8.3重量%、水4.2重量%、1−プロパノール4.2重量%、DMAc73.3重量%の溶液を調製し、これを比較例1と同様の条件で紡糸を試みた。なお、この溶液はゲル化しやすいため、紡糸の際加温して45℃程度に保持した。第3図は、得られた繊維に白金を蒸着させ、倍率1000倍にて電子顕微鏡で撮影した写真である。
第3図の通り、200nmの繊維を紡糸でき、この繊維からなる厚さ50μmのハイブリッドポリマー繊維体を作製することができた。また、このハイブリッドポリマー繊維体を平面状に積層することにより、厚さ2mmの不織布平膜を作製することができた。
非電解質ポリマーと電解質ポリマーとを含む溶液としてPVDF15重量%、ナフィオン4.2重量%、水2.1重量%、1−プロパノール2.1重量%、DMAc76.6重量%の溶液を調製し、これを比較例1と同様の条件で紡糸を試みた。なお、この溶液はゲル化しやすいため、紡糸の際加温して45℃程度に保持した。第4図は、得られた繊維に白金を蒸着させ、倍率1000倍にて電子顕微鏡で撮影した写真である。
第4図の通り、400nmの繊維を紡糸することができ、この繊維からなる厚さ50μmのハイブリッドポリマー繊維体を作製することができた。また、このハイブリッドポリマー繊維体を平面状に積層することにより、厚さ2mmの不織布平膜を作製することができた。
比較例2及び実施例1で作製した不織布平膜からなるフィルタを5重量%の塩酸で十分に洗浄した後、超純水で塩酸を洗い流した。膜面積13cm2のフィルタホルダーに設置し、被処理水の金属(Na,Mg,Al,K,Ca,Cr,Fe,Cu,Zn)濃度がそれぞれ10ng/Lになるように原子吸光用標準液を超純水に添加して原水を調製した。この原水をフィルタに濾過差圧30kPaで通水処理し、20L処理した時点の水質と透過流束を測定した。測定はサンプリング水を濃縮してから、ICPMS(横河アナリティカルシステムズAgilent−4500)で分析した。なお、比較例2では、超純水による上記洗浄後にフィルタをアルコールで親水化した。
比較例2で作製した不織布平膜を、1%メチレンブルーで染色しようとしたが、染色できなかった。一方、実施例1,2で作製した不織布平膜は青色に染まった。従って、本発明のハイブリッドポリマー繊維体はイオン性物質(ここでは色素成分)の吸着性能を有することが分かった。
比較例2及び実施例1で作製した不織布平膜にそれぞれ10μLの水滴を滴下した結果、比較例2では第5図のように不織布平膜に浸透せず球状の水滴ができたが、実施例1では第6図のように不織布平膜は水に濡れ、接触角が90度以下になった。従って本発明のハイブリッドポリマー繊維体からなる不織布平膜は親水性能を有することが分かった。
ナフィオン20重量%、1−プロパノール40重量%、水40重量%の電解質ポリマー溶液50mLに水よりも高沸点の溶媒としてDMAc40mLを添加して、温度100℃で1時間、温度80℃で2時間、温度60℃で8時間、順次保持し、DMAcよりも低沸点の水と1−プロパノールを徐々に蒸発させ、ナフィオン20重量%、DMAc79〜80重量%、1−プロパノールと水は1重量%以下の電解質ポリマー溶液(第2溶液)を調製した。このときのδHは5.0であった。
実施例3と同様の方法で、ナフィオン20重量%、DMAc79〜80重量%、1−プロパノールと水は1重量%以下の電解質ポリマー溶液(第2溶液)を調製した。
ナフィオン20重量%、1−プロパノール40重量%、水40重量%の電解質ポリマー溶液50mLに水よりも高沸点の溶媒としてDMSO40mLを添加して、温度100℃で1時間、温度80℃で2時間、温度60℃で8時間、順次保持し、DMSOよりも低沸点の水と1−プロパノールを徐々に蒸発させ、ナフィオン20重量%、DMSO79〜80重量%、1−プロパノールと水は1重量%以下の電解質ポリマー溶液(第2溶液)を調製した。
ナフィオンの代りに4級アンモニウム化ポリスルホンを使用したこと以外は実施例1と同様の方法により、4級アンモニウム化ポリスルホン20重量%、DMAc79〜80重量%、1−プロパノールと水は1重量%以下の電解質ポリマー溶液(第2溶液)を調製した。
Claims (11)
- 非電解質ポリマーが可溶な水濃度10重量%以下の第1溶媒と、電解質ポリマーが可溶な第2溶媒とを少なくとも含む混合溶媒に前記非電解質ポリマーと電解質ポリマーとが溶解した原料溶液を作製する原料溶液作製工程と、
該混合溶液を用いて電界紡糸する工程と
を有し、該非電解質ポリマーがポリフッ化ビニリデンであることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。 - 請求項1において、前記原料溶液作製工程は、前記第1溶媒と、前記第2溶媒とを少なくとも含み、前記両ポリマーが共に溶解する混合溶媒を調製する工程と、
該混合溶媒に前記非電解質ポリマーと電解質ポリマーとを溶解させて原料溶液を作製する工程と
を有することを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。 - 請求項1において、前記原料溶液作製工程は、非電解質ポリマーを前記第1溶媒に溶解させて第1溶液を調製する工程と、
電解質ポリマーを前記第2溶媒に溶解させて第2溶液を調製する工程と、
前記第1溶液と第2溶液とを、前記両ポリマーが共に溶解状態を維持するように混合して原料溶液を調製する工程と
を有することを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。 - 請求項1において、非電解質ポリマー及び/又は電解質ポリマーがフッ素系重合体であることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項1において、電解質ポリマーがパーフルオロカーボンスルフォン酸型重合体であることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項1において、前記原料溶液の溶媒が少なくともアルコール及び水を含むものであり、ポリマー濃度が5〜40重量%であることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項1において、前記原料溶液をゲル化温度よりも高温に保持して電界紡糸することを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項1において、前記第2溶媒は、水の濃度が10重量%以上の溶媒に、水よりも高沸点の溶媒を添加し、次いで蒸発による脱水を行うことにより水の濃度を10重量%以下に低減して調製したものであることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項8において、前記蒸発は、段階的又は連続的に溶媒の温度を低下させながら行われることを特徴とするポリマー繊維体の製造方法。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法によって製造されたポリマー繊維体。
- 請求項10に記載のポリマー繊維体を有する流体濾過用フィルタ。
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