JP6201553B2 - 多孔質膜、多孔質膜を内蔵する浄水器および多孔質膜の製造方法 - Google Patents
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式: 円に換算した孔径=(孔面積÷円周率) 0.5 ×2
以下実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
多孔質膜が中空糸膜の場合の測定例を示す。
両端をコニシ(株)製エポキシ樹脂系化学反応形接着剤“クイックメンダー”でポッティングし、カットして開口することによって、中空糸膜モジュールを作製する。次いで、該モジュールの中空糸膜およびモジュール内部を蒸留水にて、100ml/minで1 時間洗浄した。中空糸膜外側に水圧13kPaをかけ、内側へ流出してくる単位時間当たりの濾過量を測定した。透水性能(UFR)は下記の式で算出した。
ここで、Qw:濾過量(mL)、T:流出時間(hr)、 P:圧力(Pa)
(2)ウイルス除去性能の測定
多孔質膜が中空糸膜である場合の測定例を示す。
(3)表面の孔径の測定
多孔質膜の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)(S−5500、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製)にて50000倍で観察し、像をコンピュータに取り込んだ。多孔質膜が中空糸膜で、その内表面を観察する際には、中空糸膜を半円状に切断して観察を行った。
(4)表面の開孔率の測定
多孔質膜の表面を走査型電子顕微鏡SEM(S−5500、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製)にて10000倍で観察し、像をコンピュータに取り込んだ。(3)の測定で用いた試料で観察を行った。SEM像を6μm×6μmの範囲に切り取り、画像処理ソフトにて画像解析を行った。二値化処理によって構造体部分を明輝度に、それ以外の部分が暗輝度となるように閾値を決め、明輝度部分を白、暗輝度部分を黒とした画像を得た。画像内のコントラストの差によって、構造体部分とそれ以外の部分を分けられない場合、コントラストが同じ部分で画像を切り分けてそれぞれ二値化処理をした後に、元の通りに繋ぎ合わせて一枚の画像に戻した。または、構造体部分以外を黒で塗りつぶして画像解析をしてもよい。画像にはノイズが含まれ、連続したピクセル数が5個以下の暗輝度部分については、ノイズと孔の区別がつかないため、構造体として明輝度部分として扱った。ノイズを消す方法としては、連続したピクセル数が5以下の暗輝度部分をピクセル数の計測時に除外した。または、ノイズ部分を白く塗りつぶしてもよい。暗輝度部分のピクセル数を計測し、解析画像の総ピクセル数に対する百分率を算出して開孔率とした。10枚の画像で同じ測定を行い、平均値を算出した。
(5)断面の孔径の測定
多孔質膜の断面をSEM(S−5500、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製)にて10000倍で観察し、像をコンピュータに取り込んだ。多孔質膜を水に5分間つけて濡らした後に液体窒素で凍結して速やかに折り、断面の観察試料とした。SEMで観察して断面の孔が閉塞している場合は試料作成をやりなおした。孔の閉塞は、切断処理時に応力方向に多孔質膜が変形しておこる場合がある。SEM像を膜厚方向に2μm、多孔質膜の表面と平行に6μmの範囲に切り取り、画像処理ソフトにて画像解析を行った。断面中央層の測定は、膜厚方向の中央から各表面に1μmずつ計2μmの範囲で行った。表層の測定は、表面から膜厚方向に2μmの範囲で行った。SEM像を二値化処理によって構造体部分を明輝度に、それ以外の部分が暗輝度となるように閾値を決め、明輝度部分を白、暗輝度部分を黒とした画像を得た。画像内のコントラストの差によって、構造体部分とそれ以外の部分を分けられない場合、コントラストが同じ部分で画像を切り分けてそれぞれ二値化処理をした後に、元の通りに繋ぎ合わせて一枚の画像に戻した。または、構造体部分以外を黒で塗りつぶして画像解析をしてもよい。画像にはノイズが含まれ、連続したピクセル数が5個以下の暗輝度部分については、ノイズと孔の区別がつかないため、構造体として明輝度部分として扱った。ノイズを消す方法としては、連続したピクセル数が5以下の暗輝度部分をピクセル数の計測時に除外した。または、ノイズ部分を白く塗りつぶしてもよい。孔が深さ方向に二重に観察された場合は、浅い方の孔で測定した。孔の一部が計測範囲から外れる場合は、その孔を除外した。画像内で既知の長さを示しているスケールバーのピクセル数を計測し、1ピクセル数あたりの長さを算出した。暗輝度部分のピクセル数を計測し、1ピクセル当たりの長さを乗することで、孔面積を求めた。孔の平均面積を計測し、下記式で円に換算した孔径を算出した。
5箇所で同じ測定を行い、平均値を算出した。表層の孔径に対する中央層の孔径の倍率を算出した。
(6)緻密層厚みの測定
多孔質膜の断面をSEM(S−5500、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製)にて10000倍で観察し、像をコンピュータに取り込んだ。(5)の測定で用いた試料で観察を行った。SEM像を多孔質膜の表面と平行に6μm、膜厚方向に任意の長さとなるように切り取り、画像処理ソフトにて画像解析を行った。解析範囲の膜方向の長さは、緻密層がおさまる長さであればよい。測定倍率の観察視野で緻密層がおさまらない場合は、緻密層がおさまるように2枚以上のSEM像を合成した。二値化処理によって構造体部分を明輝度に、それ以外の部分が暗輝度となるように閾値を決め、明輝度部分を白、暗輝度部分を黒とした画像を得た。画像内のコントラストの差によって、構造体部分とそれ以外の部分を分けられない場合、コントラストが同じ部分で画像を切り分けてそれぞれ二値化処理をした後に、元の通りに繋ぎ合わせて一枚の画像に戻した。または、構造体部分以外を黒で塗りつぶして画像解析をしてもよい。孔が深さ方向に二重に観察された場合は、浅い方の孔で測定した。孔の一部が計測範囲から外れる場合は、その孔を除外した。画像にはノイズが含まれ、連続したピクセル数が5個以下の暗輝度部分については、ノイズと孔の区別がつかないため、構造体として明輝度部分として扱った。ノイズを消す方法としては、連続したピクセル数が5以下の暗輝度部分をピクセル数の計測時に除外した。または、ノイズ部分を白く塗りつぶしてもよい。画像内で既知の長さを示しているスケールバーのピクセル数を計測し、1ピクセル数あたりの長さを算出した。孔のピクセル数を計測し、1ピクセル当たりの長さを乗することで、孔面積を求めた。円に換算して直径が130nmとなる孔面積が1.3×104(nm2)以上の孔を特定し、その孔がない層を緻密層として、表面から垂直方向に緻密層の厚みを測定した。緻密層が表面に接している場合は、表面から最も近い孔径130nm以上の孔と表面の距離である。緻密層が表面に接しておらず緻密層と表面の間に孔径130nm以上の孔が存在する場合は、表面から垂直方向に最も近い孔径130nm以上の孔から、2番目に近い孔径130nm以上の孔との距離である。同じ画像の中で5箇所測定を行った。10枚の画像で同じ測定を行い、計50の測定データの平均値を算出した。
(7)元素分析
多孔質膜3gを凍結乾燥させ、全自動元素分析装置varioEL(エレメンタール社)にて、試料分解路950℃、還元炉500℃、ヘリウム流量200ml/min、酸素流量20〜25ml/minで測定を行った。構造ポリマーとしてポリスルホン、親水性高分子としてポリビニルピロリドンを用いた場合、測定された窒素含有量(wN(wt%))から、親水性高分子の含有量(wC(重wt%))は、下記式で計算して求めた。
[実施例1]
ポリスルホン(ソルベイ社製ユーデルポリスルホン(登録商標)P−3500)20重量部およびポリビニルピロリドン(BASF社製K30重量平均分子量4万)11重量部をN,N’−ジメチルアセトアミド68重量部と水1重量部の混合溶媒に加え、90℃で6時間加熱して溶解し、製膜原液を得た。この製膜原液を二重管円筒型口金の環状スリットから吐出した。環状スリットの外径は0.59mm、内径は0.23mmとした。注入液としてN,N’−ジメチルアセトアミド72重量部および水28重量部からなる溶液を内側の管より吐出した。口金は40℃に保温した。吐出された製膜原液は、露点26℃(温度30℃、湿度80%)の乾式部110mmを0.14秒で通過した後、40℃の水浴(凝固浴)に導き固化させた後に、凝固浴外の第1ローラーで40m/minの速度で引き取り、50℃の水浴で水洗し、40.5m/minでカセに巻き取った。長手方向に20cmに切断し、80℃で5時間熱水洗浄を行った後に100℃で2時間熱処理した。原液の吐出量と注入液の吐出量を調整することで、熱処理後の糸径が内径180μm、膜厚90μmの中空糸膜状の多孔質膜が得られた。ドラフト比は2.3だった。製膜原液の粘度は4.1Pa・sだった。
[実施例2]
注入液にN,N’−ジメチルアセトアミド73重量部および水27重量部からなる溶液を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は2.3だった。
[実施例3]
口金の温度を30℃に保温する以外は実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は2.3だった。製膜原液の粘度5.9Pa・sだった。
[実施例4]
口金の環状スリットの外径は0.73mm、内径は0.23mmとし、注入液にN,N’−ジメチルアセトアミド75重量部および水25重量部からなる溶液を用い、乾式部を70mmにし、引き取り速度を30m/minにし、巻き取り速度を30.5m/minにし、内径177μm、膜厚92μmとした以外は、実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は3.7だった。
[実施例5]
口金の温度を30℃に保温し、口金の環状スリットの外径は0.48mm、内径は0.23mmとし、注入液にN,N’−ジメチルアセトアミド69重量部および水31重量部からなる溶液を用い、乾式部を70mmにし、引き取り速度を30m/minにし、巻き取り速度を30.5m/minにし、内径180μm、膜厚91μmとした以外は、実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は1.8だった。
[実施例6]
口金の温度を30℃に保温し、口金の環状スリットの外径は0.62mm、内径は0.37mmとし、注入液にN,N’−ジメチルアセトアミド75重量部および水25重量部からなる溶液を用い、乾式部を70mmにし、引き取り速度を30m/minにし、巻き取り速度を30.5m/minにし、内径232μm、膜厚71μmとした以外は実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は2.9だった。
[比較例1]
口金の温度を30℃に保温し、口金の環状スリットの外径は0.50mm、内径は0.23mmとし、注入液にN,N’−ジメチルアセトアミド75重量部および水25重量部からなる溶液を用い、乾式部を70mmにし、引き取り速度を30m/minにし、巻き取り速度を30.5m/minにし、内径232μm、膜厚93μmとした以外は実施例1と同様の実験を行った。ドラフト比は1.6だった。
[比較例2]
内径230μm、膜厚151μmとした以外は実施例6と同様の実験を行った。ドラフト比は1.0だった。
[比較例3]
引き取り速度を80m/minにし、実施例1と同様の実験を行った。糸径を調整せずに製膜原液の吐出量も実施例1と同様にした。ドラフト比は6.0だった。乾式部で糸切れがおこり、多孔質膜を得られなかった。
[比較例4]
ポリスルホン(ソルベイ社製ユーデルポリスルホン(登録商標)P−3500)17重量部およびポリビニルピロリドン(BASF社製K90重量平均分子量120万)7重量部をN,N’−ジメチルアセトアミド75重量部と水1重量部の混合溶媒に加え、90℃で6時間加熱して溶解し、製膜原液を得た。この製膜原液を二重管円筒型口金の環状スリットから吐出した。環状スリットの外径は0.59mm、内径は0.23mmとした。注入液としてN,N’−ジメチルアセトアミド65重量部および水35重量部からなる溶液を内側の管より吐出した。口金は50℃に保温した。吐出された製膜原液は、露点26℃(温度30℃、湿度80%)の乾式部70mmを0.14秒で通過した後、40℃の水浴(凝固浴)に導き固化させた後に、凝固浴外の第1ローラーで30m/minの速度で引き取り、50℃の水浴で水洗し、30.5m/minでカセに巻き取った。長手方向に20cmに切断し、80℃で5時間熱水洗浄を行った後に100℃で2時間熱処理した。原液の吐出量と注入液の吐出量を調整することで、熱処理後の糸径が内径180μm、膜厚80μmの中空糸膜状の多孔質膜が得られた。ドラフト比は2.4だった。製膜原液の粘度は6.1Pa・sだった。
Claims (15)
- 少なくとも一方の表面の孔の短径の平均値が10nm以上50nm以下であり、孔の短径の標準偏差が30nm以下であり、孔の長径の標準偏差が30nm以上150nm以下であり、孔の長径の平均値が短径の平均値の2.5倍以上であることを特徴とする多孔質膜。
- 膜厚方向断面が非対称膜構造であることを特徴とする請求項1に記載の多孔質膜。
- 前記表面から膜厚方向に、下記式により円に換算した孔径が130nm以下の層が0.3μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の多孔質膜。
式: 円に換算した孔径=(孔面積÷円周率) 0.5 ×2 - 前記表面の開孔率が1%以上、20%以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の多孔質膜。
- 非結晶性高分子からなることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の多孔質膜。
- 前記非結晶性高分子がポリスルホン系高分子であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の多孔質膜。
- 多孔質膜中の親水性高分子量の重量平均分子量が2万以上8万以下であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の多孔質膜。
- 多孔質膜中の親水性高分子の含有量が1.5重量%以上8重量%以下であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の多孔質膜。
- 中空糸膜であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の多孔質膜。
- 中空糸膜の内表面の孔の短径の平均値が外表面の孔の短径の平均値よりも小さいことを特徴とする請求項9に記載の多孔質膜。
- ウイルスを除去する用途に用いられることを特徴とする、請求項1から10のいずれかに記載の多孔質膜。
- 請求項1から11のいずれかに記載の多孔質膜を内蔵することを特徴とする浄水器。
- スリットから製膜原液を吐出し、乾式部を通過後に凝固浴で固化させる多孔質膜の製造方法において、ドラフト比が1.7以上5.0以下であり、製膜原液中の親水性高分子の重量平均分子量が2万以上8万以下であることを特徴とする多孔質膜の製造方法。
- 乾式部の通過時間が0.05以上0.40秒以下であることを特徴とする請求項13に記載の多孔質膜の製造方法。
- 乾式部において貧溶媒を含有する凝固液と製膜原液が接触することを特徴とする請求項13または14に記載の多孔質膜の製造方法。
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