JP5221104B2 - 選択透過膜構造体の製造方法、選択透過膜構造体、及び空調システム - Google Patents
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Landscapes
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Description
[式中、P(O2)は酸素の透過係数、P(N2)は窒素の透過係数を示す。]
(1)前記フィラーが、多孔質シリカ粒子であり、シリコーン系ポリマー100質量部に対して前記固形添加剤の添加量が25〜1560質量部である、
(2)前記フィラーが、平均粒径10〜120nmの、疎水性若しくは親水性表面を有する非多孔質シリカ粒子であり、シリコーン系ポリマー100質量部に対して前記固形添加剤の含有量が65〜3800質量部である、
(3)前記フィラーが、平均粒径10〜60nmの、親水性表面を有する非多孔質酸化チタン粒子であり、シリコーン系ポリマー100質量部に対する前記固形添加剤の含有量が330〜6400質量部である。
図1に示すように、本実施形態の選択透過膜構造体40aは、補強用メッシュ材302と、補強用メッシュ材302に積層された選択透過膜13aと、を有する。選択透過膜13aを形成するための選択透過材料は、シリコーン系ポリマーと添加剤(固形添加剤又はイオン性液体)とからなり、選択透過材料から形成される選択透過膜13aに酸素及び窒素を透過させた場合に、23±2℃、膜間の圧力差1.05〜1.20atmにおける酸素及び窒素の透過係数(cm3・cm・sec-1・cm-2・cmHg-1)の関係が下記式(1)で表される。また、補強用メッシュ材302の開口径302aは選択透過膜13aの膜厚13tより大きく、補強用メッシュ材の開口率は30%以上である。
[式中、P(O2)は酸素の透過係数、P(N2)は窒素の透過係数を示す。]
温度 :23±2℃
膜の下流の圧力(全圧):約1atm
膜の上流の圧力(全圧):約1atm
膜間の圧力差(全圧) :0
膜の下流のO2分圧(分圧):約19%(残りはN2)
膜の上流のO2分圧(分圧):約20.9%(残りはN2)
膜間のO2圧力差(分圧) :1.9%。
次に、本実施形態の選択透過膜構造体40aが備える選択透過膜13aを形成するための選択透過材料について詳説する。
[式中、P(O2)は酸素の透過係数、P(N2)は窒素の透過係数を示す。]
[式中、P(O2)及びP(N2)はそれぞれ酸素及び窒素の透過係数を示し、M(O2)及びM(N2)はそれぞれ酸素及び窒素の分子量を示す。]
R3SiO1/2 …(3)
R2SiO2/2 …(4)
RSiO3/2 …(5)
SiO4/2 …(6)
本実施形態に係る選択透過膜構造体40aは、本実施形態の第1の製造方法、第2の製造方法、又は第3の製造方法のいずれかによって得られる。以下、第1及び第2の各製造方法について説明する。
上述した本実施形態に係る選択透過膜構造体40aは、例えば以下で説明する空調システムに用いることができる。この空調システムは、空調対象空間への気体の供給及び/又は空調対象空間からの気体の排出が行われる膜として、選択透過膜構造体40aを備える。この空調システムとしては、例えば、外気導入のための取り入れ口(外気導入口)に上述の選択透過膜構造体40aが設置されたものが挙げられる。空調対象空間としては、例えば、自動車、住宅、新幹線、飛行機等の、空間内の気体と外気とを交換することが必要な空間が挙げられ、その具体例としては、図11に示されるような自動車が挙げられる。
図13は、本発明の選択透過膜構造体を圧力調整用換気装置内に備える車両の一形態を示す概略構成図である。
図14〜16は、本発明の選択透過膜構造体を天井部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略構成図である。図14(a)に示すように本実施形態における車両10は、天井部分に選択透過膜構造体40aが設けられている。以下、本実施形態における天井部分の具体的な形態について説明する。
実施形態1Aの天井部分は、図14(b)に示すように、車両10の天井部分に設けられた空洞70、車両10の外壁22の一部に設けられた外気導入口26及び外気排出口28、空洞70の一部に設けられた選択透過膜構造体40a等からなる。
図15(a)は、空洞70へ水滴が浸入しないようにする手段、すなわち水滴浸入防止手段として前部開閉扉27a及び後部開閉扉27cが備えられた形態(実施形態2A)を示す図である。前部開閉扉27a及び後部開閉扉27cは、各々外壁22にヒンジ27b,27dで取り付けられており、ヒンジ27b,27dを中心として回動することによって車両10の進行方向に沿って開閉する。
図15(b)は、水滴浸入防止手段として堰を用いた形態、すなわち、外気導入口26と選択透過膜構造体40aの前方補強材12aとの間に前部堰27eが配置され、選択透過膜構造体40aの後方補強材12bと外気排出口28との間に後部堰27fが配置された形態(実施形態3A)を示す図である。
次に、車室19内の酸素濃度に応じて、空洞70に外気を導入する場合(実施形態4A)について図14及び図15(c)により説明する。
実施形態4Aにおける空調システムは、図14及び図15(c)に示すように、実施形態1A〜3Aに示す空調システムに、前部ファン29a、後部ファン29b、酸素センサ18及び制御部90が加えられた構成となっている。
制御部90は、酸素センサ18により検出された車室19内の酸素濃度が所定の濃度である場合に、外気を導入する旨の外気導入指令を前部ファン29a及び後部ファン29bへ出力するものであり、CPU(Central Processing Unit),ORM(Object/Relational Mapping),RAM(Random Access Memory),I/O(Input/Output)等(図示せず)から構成されている。なお、制御部90は、図14に示すように、車両10のダッシュボード内部に格納されている。
以上のように構成された空調システムでは、酸素センサ18で検出された酸素濃度が制御部90へ送られる。
(1)上記実施形態1A〜4Aでは、車両10の天井部分の内壁24の一部を選択透過膜構造体40aで形成していたが、図16に示すように、内壁24の天井部分に穴を開けるようにしてもよい。
[実施形態1B:フロントガラス]
図17は、本発明の選択透過膜構造体をフロントガラス部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両(実施形態1B)を示す概略構成図である。図17(b)に示すように、車両10のフロントガラスの下部に選択透過膜構造体40aが設けられており、カバー112、外気導入口126、外気排出口128、前部堰127a、後部堰127b、選択透過膜構造体40a等が設けられている。
次に、選択透過膜構造体40aを多孔質ガラス132に装着したものでリアウィンドウ139を形成した形態(実施形態2B)について図18に基づいて説明する。図18は、リアウィンドウ139を、選択透過膜構造体40aが装着された多孔質ガラス132で構成したときの概略構成図である。
次に、選択透過膜構造体40aを多孔質ガラス132に装着したものでサンルーフ138を形成した形態(実施形態2B)について図19に基づいて説明する。図19は、サンルーフ138を選択透過膜構造体40aを装着した多孔質ガラス132で構成したときの構成図である。
図20は、本発明の選択透過膜構造体をピラー部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略断面図である。車両10は、図20に示すように、実質的に空気を通さないアルミやガラス等の壁面で囲まれ、外気が進入しない車両10と外気が進入することができるトランクやエンジンルームなどの車室19外の空間とからなる。
図22は、本発明の選択透過膜構造体を床部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略断面図である。図22(a)は、車両10の概略縦断面図であり、図22(b)は、床部150の拡大図である。
次に、空調システムの構成について説明する。図22(b)は床部150の構造を模式的に示した概略構造図である。
[実施形態1C]
(空調システムの構成)
図23(a)は、本発明の選択透過膜構造体をドア部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両10の側面図であり、図23(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
以上のように構成された空調システムでは、外気取入れ口52aから取り入れられた外気が選択透過膜構造体40aの車室19外側の面に接触する。選択透過膜構造体40aの車室19外側の面に接触した外気は外気排出口52bから排出される。
次に、選択透過膜構造体40aに種々の機能を有する機能材などを配置したものについて図25及び図26に基づいて説明する。図24(a)は、車両10の側面図であり、図24(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。また、図25は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
次に、上述の実施形態1C及び2Cのように選択透過膜構造体40aを内装材164に密着させて配置する代わりに、外気取入れ口52a及び外気排出口52bをドア140の内側から覆うように配置した実施形態について図26及び図27に基づいて説明する。図26(a)は、車両10の側面図であり、図26(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。また、図27は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
Pluronic P123(BASF社製、(エチレンオキサイド)20(プロピレンオキサイド)70(エチレンオキサイド)20)88g、水2640g、塩酸453.5mlの混合液を室温でメカニカルスターラーを用いて撹拌し、Pluronic P123が溶解した後、テトラエトキシシラン(関東化学社製)187.8gを滴下して、さらに12時間撹拌した。35℃に保ったオーブンで20時間加熱し、さらに100℃に保ったオーブンで24時間加熱した。生成した白色固体を水洗浄、濾取し、真空ポンプを用いて乾燥した。その後、550℃に保った焼成炉で6時間焼成し、選択透過材料の添加剤であるメソポーラスシリカ(56.3g)を得た。
補強用メッシュ材の種類、目留め材塗料が含有する樹脂の種類、目留め材塗料における樹脂(固形分)の含有率(wt%)、選択透過材料が含む添加剤の種類、シリコーン変性プルラン樹脂固形分100質量部に対する添加剤の添加量(質量部)を表2に示すものとしたこと以外は、実施例1と同様の材料及び製造方法を用いて、実施例2〜4,7〜9の各選択透過膜構造体をそれぞれ作成した。なお、表2に示すNanoTek SiO2はシーアイ化成社製の添加剤である。
実施例5では、補強用メッシュ材の種類、目留め材塗料が含有する樹脂の種類、目留め材塗料における樹脂(固形分)の含有率(wt%)、選択透過材料が含む添加剤の種類、シリコーン変性プルラン樹脂固形分100質量部に対する添加剤の添加量(質量部)を表2に示すものとしたこと以外は、実施例1と同様の材料を用いて選択透過膜構造体を作成した。また、実施例5の選択透過膜構造体は、以下にように、実施例1とは異なる製造方法で作成した。
中間層を形成するための塗料として、PVA(日本酢ビ・ポバール社製、ASP05)の含有率が20wt%である水溶液を用いたこと以外は、実施例5と同様の材料及び方法を用いて、実施例6の選択透過膜構造体を形成した。
比較例1,2では、補強用メッシュ材の種類、目留め材塗料が含有する樹脂の種類、目留め材塗料における樹脂(固形分)の含有率(wt%)、選択透過材料が含む添加剤の種類、シリコーン変性プルラン樹脂固形分100質量部に対する添加剤の添加量(質量部)を表2に示すものとした以外は実施例1と同様の材料を用いて選択透過膜構造体を形成した。また、比較例1,2では、目留め材で補強用メッシュ材を目留めすることなく、補強メッシュ材に直接選択透過材料を塗布することによって、選択透過膜を作成した。
選択透過膜の膜厚を表3に示す値としたこと以外は、実施例3と同様の方法で、実施例3aの選択透過膜構造体を形成した。選択透過膜の膜厚を表3に示す値としたこと以外は、実施例4と同様の方法で、実施例4aの選択透過膜構造体を形成した。選択透過膜の膜厚を表3に示す値としたこと以外は、実施例6と同様の方法で、実施例6aの選択透過膜構造体を形成した。選択透過膜の膜厚を表3に示す値としたこと以外は、比較例1と同様の方法で、比較例1aの選択透過膜構造体を形成した。実施例3a,4a,6a及び比較例1aで得られた膜について、気体透過率測定装置(GTRテック社製、型番:GTR−20XAMDE)を用い、下記の測定条件で、酸素及び窒素についての気体透過係数を測定した。得られた結果を表3に示す。
<測定条件>
温度 :23±2℃
膜の下流の圧力:約0.0013atm
膜の上流の圧力:1.05〜1.20atm
膜間の圧力差 :1.05〜1.20atm
実施例3a,4a,6a及び比較例1aで得られた膜について、図28の概略図に示す装置を用い、次の(1)〜(5)のプロセスで、nSPM遮断率の測定を行った。得られた結果を表3に示す。
(1)ナノ粒子発生装置(Palas社製、型番:GFG−1000)により10〜500nmのカーボン粒子を発生させた。
(2)膜をサンプルホルダー(膜面積:MAX16[cm2])にセットし、バルブ(V1)を閉じ、B層を減圧した(差圧1[kPa])。
(3)B層を減圧した後、バルブ(V1)を開き、B層内が大気圧に戻る際に透過するガスに乗せてナノ粒子を膜に供給し、膜を透過した粒子をB層にためた。
(4)B層内の粒子重量を、粒子カウンター(TSI社製、型番:SMPS−3034)で粒子重量を計測した。
(5)以下の式に基づいて遮断率を算出した。
nSPM遮断率[wt%]=100×{(Cin−Cout)/Cin}
(式中、「Cin」は、膜上流での粒子濃度[単位:μg/ml]を示し、「Cout」は、膜透過後の粒子濃度[単位:μg/ml]を示す。)
参考例1〜3では、目留め材を用いず、補強用メッシュ材の種類、選択透過材料が含む添加剤の種類、及びシリコーン変性プルラン樹脂固形分100質量部に対する添加剤の添加量(質量部)を表3に示すものとした以外は、実施例1と同様の材料を用いて選択透過膜構造体を作成した。また、参考例1〜3では、実施例1とは異なる以下の方法で選択透過膜構造体を作成した。まず、参考例1〜3では、支持フィルムである離型PETフィルム上にコーター法で水溶性のPVA膜を成膜した。PVA膜の平均膜厚は、表4に示す値とした。次に、PVA膜の上に、表4に示す選択透過材料をコーター法で塗布し、選択透過膜を形成した。この選択透過膜を補強用メッシュ材(PET85−HC)に転写した後、これを水に浸漬してPVA膜を溶解することにより、選択透過膜構造体を形成した。
Claims (6)
- 補強用メッシュ材の開口に目留め材を充填する工程と、
前記開口に充填された前記目留め材の体積を収縮させる工程と、
前記目留め材で覆われていない前記補強用メッシュ材の露出部と、前記開口に充填された前記目留め材の露出部と、を覆うように、選択透過材料から選択透過膜を形成する工程と、
前記選択透過膜を形成した後に、前記補強用メッシュ材の前記開口から前記目留め材を除去する工程と、を備える、
前記補強用メッシュ材と前記補強用メッシュ材に積層された前記選択透過膜とを有する選択透過膜構造体の製造方法。 - 補強用メッシュ材の開口に目留め材を充填する工程と、
前記開口に充填された前記目留め材の露出部に、前記目留め材との接着性及び選択透過材料との接着性を共に有する中間層を形成する工程と、
前記開口に充填された前記目留め材の体積を収縮させる工程と、
前記目留め材で覆われていない前記補強用メッシュ材の露出部及び前記中間層を覆うように、前記選択透過材料から選択透過膜を形成する工程と、
前記選択透過膜が形成された後に、前記補強用メッシュ材の前記開口から前記目留め材及び前記中間層を除去する工程と、を備える、
前記補強用メッシュ材と前記補強用メッシュ材の上に積層された前記選択透過膜とを有する選択透過膜構造体の製造方法。 - 前記開口に充填された前記目留め材の体積を収縮させる工程において、前記目留め材の体積収縮に伴い前記目留め材で被覆されていた前記補強用メッシュ材の一部を露出させることによって、前記補強用メッシュ材の前記露出部を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の選択透過膜構造体の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の選択透過膜構造体の製造方法によって得られる選択透過膜構造体であって、
前記選択透過膜を形成するための選択透過材料が、オルガノシロキサン骨格を有するポリマーに固形添加剤が分散されてなり、
前記固形添加剤が、フィラー、導電性ポリマー、又はこれらの混合物であり、
前記フィラーが、多孔質シリカ粒子、平均粒径10〜120nmの、疎水性若しくは親水性表面を有する非多孔質シリカ粒子、及び平均粒径10〜60nmの、親水性表面を有する非多孔質酸化チタン粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリチオフェン及びポリピロール又はこれらが酸で処理されたものからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記選択透過材料から形成される膜に酸素及び窒素を透過させた場合に、23±2℃、膜間の圧力差1.05〜1.20atmにおける酸素及び窒素の透過係数(cm3・cm・sec-1・cm-2・cmHg-1)の関係が下記式(1)で表され、
前記補強用メッシュ材の開口径が前記選択透過膜の膜厚より大きく、
前記補強用メッシュ材の開口率が30%以上であることを特徴とする選択透過膜構造体。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の選択透過膜構造体の製造方法によって得られる選択透過膜構造体であって、
前記選択透過膜を形成するための選択透過材料が、オルガノシロキサン骨格を有するポリマーにイオン性液体を添加してなり、
前記選択透過材料から形成される膜に酸素及び窒素を透過させた場合に、23±2℃、膜間の圧力差1.05〜1.20atmにおける酸素及び窒素の透過係数(cm3・cm・sec-1・cm-2・cmHg-1)の関係が下記式(1)で表され、
前記補強用メッシュ材の開口径が前記選択透過膜の膜厚より大きく、
前記補強用メッシュ材の開口率が30%以上であることを特徴とする選択透過膜構造体。
- 空調対象空間への気体の供給及び/又は空調対象空間からの気体の排出が行われる選択透過膜構造体を備える空調システムであって、
前記選択透過膜構造体は請求項4または5に記載の選択透過膜構造体である空調システム。
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