JP6273982B2 - 中空糸膜、その製造方法およびそれを用いたモジュール - Google Patents
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Description
本発明の中空糸膜は、主な成分として脂肪族ポリアミドを含有する。脂肪族ポリアミドは、薄膜に成形した場合にもボイドが発生しにくく、剛直性も有するため、薄膜化に有利である。また素材として、水蒸気透過率が高い一方で酸素等の透過性が低いという選択透過に有用な特徴を持つ。脂肪族ポリアミドとしては、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46、ポリアミド610、ポリアミド11、ポリアミド12から成る群より選択される少なくとも1種の脂肪族ポリアミドを挙げることができる。特に、透湿膜、透水膜として用いる場合には、吸湿性が高いことからポリアミド6、ポリアミド66が好ましく、特にポリアミド6がより好ましい。これらの脂肪族ポリアミドが中空糸膜において占める割合は、70重量%以上であり、90重量%以上であることが好ましく、95重量%以上であることがより好ましい。これらのポリアミドは石油由来であってもバイオ由来であってもよい。
本発明の中空糸膜の断面構造は、半透性を有する層と多孔質状の支持層からなる非対称膜である。
本発明の膜の形状は中空糸状である。中空糸膜の外径が細いとモジュール中に膜を最大量充填したときの膜面積が大きくなるため、例えば450μm以下、300μm未満、さらには200μm未満であることが好ましい。
以下に、本発明の脂肪族ポリアミド中空糸膜を製造する方法を説明するが、以下に限定されるものではない。
まず、中空糸膜を紡糸するための製膜原液を調製する。本発明の中空糸膜を構成するポリマーの主成分は上述したように脂肪族ポリアミドであり、その割合は成分中の70重量%以上であり、90重量%以上であることが好ましく、95重量%以上であることがより好ましい。紡糸に用いる製膜原液は、脂肪族ポリアミドが上述の範囲になるようにポリマーを混合して溶媒に溶解させるが、ポリマーの溶媒に対する濃度割合は20重量%以上60重量%以下であることが好ましく、35重量%以上50重量%未満であることがより好ましく、40重量%以上45重量%未満であることがさらに好ましい。濃度が20重量%以上であることで表面の半透性を有する層が形成されやすくなり、50重量%未満であることで流体を透過させたときの多孔質状の支持層での圧力損失を低減することができる。
膜の製造方法は、上述のように調製された製膜原液を、乾湿式製膜法により製膜する工程を備えることが好ましい。乾湿式製膜法とは口金等から製膜原液を空中に吐出し、表面の溶媒のみを蒸発させることでポリマー濃度差を生じさせ、続いて、ポリマーと溶媒を相分離させて凝固させる方法である。製膜原液の溶媒、凝固浴の溶媒を特定の有機液体を用いて乾湿式製膜法で製膜することにより、半透性を有する層と支持層とを備える非対称膜が得られる。
脂肪族ポリアミドの表面を凝固させて中空糸膜を形成するには、製膜原液を凝固浴に浸漬させる方法が好ましい。凝固浴は、上述の脂肪族ポリアミドに対する非溶媒を含む。非溶媒の種類は、特に限定されるものではないが、コスト面を考えると水であることが好ましい。凝固浴は、非溶媒と、貧溶媒および良溶媒の少なくとも一方とを含有する混合溶媒であることが好ましい。凝固浴における非溶媒の含有率は70重量%以上におけるであることが好ましく、凝固浴における貧溶媒および良溶媒の含有率は、30重量%以下であることが好ましい。さらには、凝固浴における非溶媒の含有率は80重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることがさらに好ましい。非溶媒が70重量%以上であると凝固する速度が速くなるため大きなボイドが発生しにくくなる。
続いて、第2凝固浴で、中空糸膜内部の凝固および洗浄が行われる。1次凝固工程により形成された中空糸膜を2次凝固浴に浸漬し、脱塩および脱溶媒を行う工程である。2次凝固浴は、ポリマーの非溶媒である液体が好ましく、水がより好ましく、1次凝固浴よりも非溶媒の濃度割合が高いほうがさらに好ましい。浸漬する方法は、脱塩および脱溶媒が実現でき、分離膜として使用可能な膜が得られるのであれば、特定の方法には限定されない。
洗浄工程を経た膜に、さらに熱処理を行ってもよい。熱処理は、温風、温浴などどのような方法でも構わない。熱処理の好ましい温度範囲は50℃以上150℃以下であり、より好ましい温度範囲は80℃以上130℃未満であり、さらに好ましい温度範囲は90℃以上120℃未満である。温浴を用いる場合には、例えば水が用いられる。また、温度範囲や可塑化の制御ためにNMPなどの有機溶媒を添加しても良い。
本発明の中空糸膜をガス精製用途に使用する場合は、加熱乾燥処理を行うことが好ましい。乾燥温度は40℃以上であることが好ましく、50℃以上であることがより好ましく、60以上であることがさらに好ましい。40℃以上の温度で乾燥することで膜中の水分を効率よく取り除くことができる。乾燥温度の上限としては、140℃以下であることが好ましく、120℃未満であることがより好ましく、100℃未満であることがさらに好ましい。140℃以下とすることでポリアミド中空糸膜が熱変形することなく乾燥することができる。
ポリアミド中空糸膜はモジュールに組み込まれて使用される。例えば、中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜と、側面に孔が設けられ、かつ上記中空糸膜を収容する設けられた筒状のケースと、を備える。複数の中空糸膜は、束ねられ、その両端または片端がポリウレタンやエポキシ樹脂等で上記ケースに固定される
本発明の中空糸膜は、例えば、混合された気体または液体を加圧して中空糸膜に供給することで、分子サイズが比較的小さい気体や液体を選択的に透過させることで、膜の片側に特定の気体または流体を濃縮(回収)することに使用できる。つまり、中空糸膜は、その外側から混合流体を供給することで、分子サイズが比較的小さい流体を選択透過させる濃縮流体の製造方法に利用される。具体的には、その操作圧力は6MPa以下であることが好ましく、3MPa未満であることがより好ましく、2.5MPa未満であることがさらに好ましい。操作圧力が高くなると透過速度を上昇させることができるが、中空糸膜が潰れると透過量が減少するため、耐圧性を高めるために径を細くすることが好ましく、使用圧力に応じて内径を350μm未満、より好ましくは250μm以下、さらに好ましくは120μm以下とするのが良い。また、高い圧力で連続使用すると可塑化変形が原因と思われる劣化が生じることになるので、6MPaより高い圧力での長時間使用は好ましいものではない。
非対称中空糸膜は、中空糸膜10本を長さ300mmのミニチュアモジュールを作製し、また、平膜の場合には、直径720mmの円形に切り出し、円筒型のホルダーにセットして評価した。
脱塩率=100×{1−(透過水中の塩濃度/供給水中の塩濃度)}
膜透過流束(m3/m2/日)は、上記脱塩率の測定と同条件で、膜面積1平方メートル当たり、1日の透水量(立方メートル)を求めた。
中空糸膜とした場合の外径(μm)、内径(μm)はそれぞれ以下の方法で得た。
(1)非対称中空糸膜を長さ方向から垂直にカットしてサンプルとした。
(2)走査型電子顕微鏡を用いてカットした断面を200〜1000倍程度で膜の断面全体が表示できるように撮影した。
(3)非対称半等膜の外表面間について、断面の中心を通るように膜を横断する直線を任意に10本引いた。
(4)10本の直線について膜の外表面間の距離、内表面間の距離を測定してそれぞれ合計し、10で割ることで外径および内径を求めた。
外径、内径の測定で使用したサンプルをそのまま使用した。倍率を10000〜60000倍程度に撮影し、任意の位置の半透性を有する層の厚みを計測した。
(株)オリエンテック製テンシロンUCT−100を用いて測定した。25℃、65%RH雰囲気下で、試料間100mm、引っ張り速度200mm/分の条件下で引っ張った。得られた張力―歪曲線の立ち上がり接線から(株)オリエンテック製万能試験機データ処理装置UTPS−STD(ver.3.00)を用いて弾性率を算出した。
NMP(シグマアルドリッチ株式会社製)2200g、エチレングリコール(東京化成株式会社製)200gにポリアミド66(東レ株式会社製)1600gを加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。ついで、160℃、減圧下で気泡がなくなるまで脱泡して製膜原液とした。
DMF(東京化成株式会社製)2300g、エチレングリコール100gにポリアミド6(東レ株式会社製)1600gを加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。ついで、160℃、減圧下で気泡がなくなるまで脱泡して製膜原液とした。
DMAc(東京化成株式会社製)2400gにポリアミド46を1600g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。ついで、160℃、減圧下で気泡がなくなるまで脱泡して製膜原液とした。
NMP1600g、エチレングリコール600gにポリアミド610(東レ株式会社製)を1800g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
NMP2200gとエチレングリコールを200gにポリアミド66を1440gとポリアミド6を144g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。ついで、160℃、減圧下で気泡がなくなるまで脱泡して製膜原液とした。
NMP2570gにポリアミド6を1300g、PVPを130g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
スルホラン2390gにポリアミド6を1400g、PVAを210g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
スルホラン(東京化成工業株式会社製)2400gにポリアミド6(東レ株式会社製アミラン)を1600g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
(比較例2)
NMP(東京化成工業株式会社製)2300gにポリアミド6(東レ株式会社製アミラン)を2700g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
スルホラン(東京化成工業株式会社製)2300gにポリアミド6を2700g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
スルホラン(東京化成工業株式会社製)2400gにポリアミド6を1040gとPVAを560g加え、195℃で3時間攪拌することで溶解させた。
Claims (3)
- 溶媒と、前記溶媒に溶解したポリマーとを含有する製膜原液を準備すること、
前記製膜原液を120℃以上170℃未満の温度で中空糸紡糸用の口金から吐出すること、
前記製膜原液に12mm以上の空中走行部を通過させること、
吐出された前記溶液を凝固浴に浸漬すること、
を備え、
前記溶媒に溶解したポリマーの70重量%以上を、ポリアミド4、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド46、ポリアミド66、ポリアミド610からなる群より選択される1種以上の脂肪族ポリアミドが占める中空糸膜の製造方法。 - 前記製膜原液中の脂肪族ポリアミドの濃度が35重量%以上50重量%未満であることを特徴とする
請求項1に記載の中空糸膜の製造方法。 - 前記溶媒が良溶媒と非溶媒とを含有し、
その重量混合比が93:7〜80:20である
請求項1または2記載の中空糸膜の製造方法。
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