JP6559122B2 - ポリイミド膜の製造方法 - Google Patents
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Description
転相膜を製造するためには、一般的に、水と混和性の従来の溶剤に可溶であるポリマーが必要とされる。該膜の性質に影響を及ぼすために、多くの添加剤、例えば助溶剤、非溶剤、細孔形成剤、親水化剤等が混合される。この際に、通常、ポリマー粒状物又はポリマー粉末から出発し、それから、該溶剤及び該添加剤でペースト化することによりキャスト溶液が製造される。膜製造における成功のために決定的であるのは、とりわけ、使用されるポリマーのモル質量及びモル質量分布である。一般的に、高いモル質量及び狭い分布を有するポリマーが必要とされる。
ゆえに、本発明の課題は、先行技術の膜及び方法の欠点を有しないか又は低下された程度でのみ有する、新種のポリイミド膜並びにそれらの製造方法を提供することである。
前記課題は、請求項1記載の方法によるかもしくは請求項11記載のポリイミド膜により解決される。好ましい実施形態は、従属請求項もしくは以下の詳細な説明に開示される。
本発明の対象は、それゆえ、以下の詳細な説明、実施例及び請求の範囲に開示された方法及びそれらに開示された膜である。
本発明の対象が以下に詳細に記載される前に、まず最初に幾つかの重要な概念が定義される。
a)3,4,3′,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、3,4,3′,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、オキシ二フタル酸二無水物、スルホニル二フタル酸二無水物、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン二フタル酸二無水物からなる群から選択される、少なくとも1種の二無水物と、
トルエン−2,4−ジイソシアナート、トルエン−2,6−ジイソシアナート、4,4′−メチレンジフェニルジイソシアナート、2,4,6−トリメチル−1,3−フェニレンジイソシアナート、2,3,4,5−テトラメチル−1,4−フェニレンジイソシアナートからなる群から選択される、少なくとも1種のジイソシアナートと
からポリイミド膜を製造する工程、
b)工程a)からの膜を、280℃から該ポリマーのガラス転移温度、すなわち約360〜370℃まででアニーリングする工程
を含み、かつ
該膜が、該アニーリング中に、0.5体積%以下の酸素含量を有するガス雰囲気、好ましくは、対応する低い酸素含量を有する不活性ガス、特に好ましくは窒素により、取り囲まれているか、もしくは対応するガス流により周りを洗われる(umspuelt)
ことにより特徴付けられている。
a1)重合
a2)キャスト溶液の製造
a3)膜製造。
本発明により使用されるポリイミドの製造は、前記の芳香族テトラカルボン酸無水物のうち少なくとも1種を前記の芳香族ジイソシアナートのうち少なくとも1種と、二酸化炭素の放出下に重縮合させることにより、行われる。
・アルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物、メチラート、エタノラート、炭酸塩及びリン酸塩、例えば、次のものであるが、しかしこれらに限定されない:水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムメチラート、カリウムメチラート、ナトリウムエチラート、カリウムエチラート、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、リン酸カリウム、リン酸水素カリウム、リン酸二水素カリウム
・第三級アミン、例えば、次のものであるが、しかしこれらに限定されない:トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、ジアザビシクロウンデカン、ジアザビシクロオクタン、ジメチルアミノピリジン。
該重縮合から得られるポリマー溶液は好ましくは、15質量%〜35質量%、特に好ましくは22質量%〜30質量%及び極めて特に好ましくは22質量%〜29質量%の固形分を有し、かつ更なる処理なしで、該キャスト溶液の製造に使用することができる。該固形分が高ければ高いほど、該膜の透過係数はますます低くなる。本発明の範囲内で、工程a)において、特に好ましくは、高い透過係数を有する膜が製造されるので、最大29質量%の固形分で操作することが特に好ましい。
・該キャスト溶液は、中空繊維膜を製造するために十分に高い粘度を有する
・該キャスト溶液は、該膜中の大きな空洞(マクロボイド)の形成を防止する添加剤を含有することができる
・該キャスト溶液は、所望の孔径を有する表面を製造するための揮発性溶剤を含有することができる。
・アルコール、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、プロパノール、ブタノール、ブタンジオール、グリセリン、
・水、
・ケトン、例えばアセトン又はブタノン。
脱ガスされ、ろ過され、かつ場合により添加剤と混合されたキャスト溶液は、好ましくは20〜100℃に、特に好ましくは30〜70℃にサーモスタット調温される。該溶液は、次いで、例えば歯車ポンプを用いて、二流体ノズルの外側部分を通りポンプ輸送される。該二流体ノズルの外径は、好ましくは500〜800μm、特に好ましくは550〜750μmであり、その内径は、好ましくは200〜400μm、特に好ましくは250〜350μmであり、そのポンプ能力は、好ましくは0.1〜13.5ml/分である。該二流体ノズルの内側部分中で、水と1種の非プロトン性双極性溶剤又は複数の非プロトン性双極性溶剤の混合物との液体混合物(芯液(Bore-Loesung))がポンプ輸送される。
aI)好ましくは乾燥された、固体の形態、好ましくは粉末又は粒状物の形態の、任意にアニーリングされた、本発明によるポリイミドポリマーを用意する工程、
aII)キャスト溶液を製造する工程、その際に、このキャスト溶液は、溶剤と、工程aI)からの固体とを含む;及び
aIII)中空繊維膜を形成する工程
を含む。
・該ポリイミドが、
3,4,3′,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、3,4,3′,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、オキシ二フタル酸二無水物、スルホニル二フタル酸二無水物、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン二フタル酸二無水物からなる群から選択される、少なくとも1種の二無水物と、
トルエン−2,4−ジイソシアナート、トルエン−2,6−ジイソシアナート、4,4′−メチレンジフェニルジイソシアナート、2,4,6−トリメチル−1,3−フェニレンジイソシアナート、2,3,4,5−テトラメチル−1,4−フェニレンジイソシアナートからなる群から選択される、少なくとも1種のジイソシアナートと
を含むポリイミドであることと、
・該膜中のポリマー由来でない、架橋作用のある物質の含量が、0〜5質量%、好ましくは0〜1質量%の範囲内であり、
・これらが、5〜95%、好ましくは5〜90%、特に好ましくは10〜80%及び極めて特に好ましくは20〜70%のDMFへの溶解度を有し、
・これらが、1.5μm以下、好ましくは1μm以下、極めて特に好ましくは750nm以下、殊に好ましくは500nm以下、極めて殊に好ましくは250nm以下及び特に好ましくは100nm以下の分離活性層の層厚を有することと
により特徴付けられている。
粘度測定
動的粘度ηは、25℃の一定の温度での円筒形の隙間中のポリマー溶液のせん断により、一回、多様な回転数Ω(もしくはせん断勾配γ)の基準値により、せん断勾配の場合に1.25;2.5;5.0;10.0;20.0;及び40.0 1/sで、具体的に測定され、引き続きそれぞれ10sでの2250〜100Paのせん断応力Τにより求められる。
η … 動的粘度
M … ローターのせん断ファクター:12350rad/s
Ω … 角速度。
該モル質量測定は、ゲル浸透クロマトグラフィーを用いて行われる。その校正は、ポリスチレン標準を用いて行われる。報告されるモル質量は、ゆえに、相対モル質量として理解されうる。
ガス透過性は、バーラー(Barrer、10-10cm3・cm-2・cm・s-1・cmHg-1)で示される。ガスについての中空繊維膜の透過係数は、GPU(Gas Permeation Unit、10-6cm3・cm-2・s-1・cmHg-1)で示される。ナノろ過膜及び限外ろ過膜の流束は、l・m-2・h-1・バール-1で示される。
ガスについての透過性の測定は、圧力上昇法により行われる。この際に、10〜70μmの厚さを有するフラットフィルムの一方の側に、ガス又はガス混合物を適用する。その他方の側、該透過液側では、該試験の開始時に、真空(約10-2mbar)が支配的である。それから、該透過液側での圧力上昇が経時的に記録される。
Vdead … 透過液側の体積[単位:cm3]
MWgas … ガスのモル質量[単位:g・モル-1]
l … 該フィルムの厚さ[単位:cm]
ρ … ガスの密度[単位:g・cm-3]
R … 気体定数[単位:cm3・cmHg・K-1・モル-1]
T … 温度[単位:ケルビン](室温、約23℃)
A … 該フィルムの面積[単位:cm2](約12cm2)
Δp … フィードと透過液側との圧力差[単位:cmHg]
dp/dt … 透過液側の時間当たりの圧力上昇[単位:cmHg・s-1]。
Q … 透過液側のガス流量[単位:cm3(STP)/s]
R … 気体定数[単位:cm3・cmHg・K-1・モル-1]
T … 温度[単位:ケルビン](室温、約23℃)
A … 中空繊維の外側面積[単位:cm2](60〜80cm2)
Δp … フィードと透過液側との圧力差[単位:cmHg]
dp/dt … 透過液側の時間当たりの圧力上昇[単位:cmHg・s-1]。
P1 … ガス1の透過性又は透過係数
P2 … ガス2の透過性又は透過係数。
該DMF溶解度の測定のために、アニーリングされた及びアニーリングされないポリマーもしくはアニーリングされない膜をそれぞれ20mg、室温でDMF 10ml中に添加し、撹拌せずに4h放置する。アニーリングされないポリマーもしくはアニーリングされない膜の場合に、完全な溶液が得られる。アニーリングされたポリマーもしくはアニーリングされた膜の場合に、場合により存在している残留物がろ別される。引き続き、双方の溶液により、GPCを用いて、そのモル質量分布の測定が、別に上記で説明されたように行われる。該溶解度は、続いて、該ポリマー鎖の流体力学的体積に基づいて、完全に可溶なアニーリングされないポリマーの面積に対するアニーリングされたポリマーの得られたモル質量分布の面積の比から求められる。
該残留溶剤(例えばイソプロパノール、ヘキサン)は、1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン(DMPU)中に溶解もしくは分散されたポリマーのヘッドスペース注入(Headspace)によりガスクロマトグラフィーを用いて測定される。
GC:Perkin Elmer AutoSystem XL
カラム:Perkin Elmer WAX ETR、30m×0.53mm、df=2.00μm、#N931-6570
ヘッドスペース−オートサンプラ:Perkin Elmer TurboMatrix 40
キャリヤーガス:5mlヘリウム 4.6(又は以上)
FID検出器ガス:水素40ml/分、合成空気400ml/分
GCの温度プログラム:
初期温度:175℃に3分間、
ランプ1:20°/分、230℃に3分間
運転時間:8.75分
サイクル時間:15分。
該残留含水量の測定のために、イソプロパノールでの該膜の抽出及び引き続きカールフィッシャー滴定による分析が実施される。該膜を、前もって乾燥された250mlショットガラス器具中へ移し、計量された量で乾燥しているイソプロパノールで上まで覆う。該容器を一晩にわたって、室温で放置する。
以下の例は、本発明のより詳細な説明のため及びより良好な理解のために利用されるが、しかしながら本発明を決して限定するものではない。
該紡糸液の製造のために、撹拌機及び還流冷却器を備えた3lガラスフラスコ中に、無水ジメチルホルムアミド1800gを装入した。その中に、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物316.4g及びピロメリト酸二無水物142.8gを溶解させ、かつ80℃に加熱した。この溶液に、ジアザビシクロオクタン1.8gを添加する。窒素適用(Stickstoffbeaufschlagung)下に、2,4−トルイレンジイソシアナート80%及び2,6−トルイレンジイソシアナート20%の混合物283.4gを、数(mehrerer)時間の間に計量供給する。その際に、CO2が副生物として逃出し、ポリイミドが溶液中に直接生じた。
中空繊維膜を、例1のように製造し、かつアニーリングした。しかしながら、例1とは異なり、該アニーリング温度は、265℃もしくは250℃に低下された。該試験の結果は、以下の第2表に見出される:
該アニーリングの際の温度の効果を、更になお説明するために、本発明による例1による複数の膜を新たに製造した。しかしながら、該アニーリングの際の加熱速度を、5℃/分に高めた。該加熱を、0.001体積%のO2含量を有するN2雰囲気下で、290〜320℃の温度で、行った。得られた膜について、DMF溶解度、CO2透過係数、CO2/CH4選択性及び機械的性質を測定し、第3表にまとめた。
この例において、例2とは異なり、該アニーリング温度の影響ではなくて、該アニーリングの期間の影響が示されるものである。該アニーリングの期間の効果を説明するために、本発明による例1による複数の膜を新たに製造し、かつアニーリングした。該アニーリングの最終温度は、310℃もしくは320℃に一定に保持し、かつ該アニーリングの期間を変えた。得られた膜について、DMF溶解度を測定し、第4表にまとめた。
この例において、該膜を該アニーリング中に取り囲む雰囲気の酸素含量の影響が示される。そのためには、例1を繰り返したが、しかしながら、それぞれ、310℃で1hアニーリングした。
・例4―本発明による:0.1体積%のN2パージガス中酸素含量を有する
・例4―比較1:N2パージガス中酸素含量 1体積%
・例4―比較2:N2パージガス中酸素含量 5体積%。
この例において、真空により発生される酸素不含の雰囲気中での、例えば先行技術であるWO 2006/068626に教示されたような、アニーリングが、低い酸素含量を有するガス雰囲気中でアニーリングされる本発明による方法と比較して、明らかな欠点を有することが示される。
この例において、本発明による方法が、本発明による2種のポリイミドのブレンドを用いても実施することができることが示される。そのためには、DMF中の2種のポリイミドのブレンドから27%の紡糸液を製造し、その際に、95%のポリイミド1を5%のポリイミド2と混合した。
本発明による例5に対応して、しかしながら第二ポリイミド溶液を使用せずに、中空繊維膜を製造した。得られた膜は、該乾燥後に、水2質量%未満、残留溶剤(IPA、ヘキサン)≦0.5質量%及び残留DMF≦0.1質量%を含有し、280℃もしくは290℃に2℃/分の加熱速度でN2中で加熱し、引き続き、該最終温度で1h放置した。
比較例2において、WO 2006/068626からのアニーリング法、すなわち真空中でのアニーリングが、本発明のアニーリングよりも明らかに劣っていることが示された後で、ここでは、これがEP 0321569の方法にも当てはまることが示される。
・100℃で30分
・200℃に加熱
・200℃から320℃に16分以内に加熱
・320℃に14分保持し、自然冷却する。
この比較例は、比較例3よりも、もう一歩踏み込み、かつ本発明によるアニーリング法による既に極めて有利な効果が、アニーリングされうる膜の本発明による好ましい製造方法により、更に高めることができることを示す。
・紡糸液 2.4ml/分;芯液 0.86ml/分
・凝固浴中の滞留時間=8〜10s;凝固浴 加熱せず(27℃)
・芯液 50/50DMF/H2O
・紡糸シャフトなし、その代わりにエアギャップ12cm
・膜を、水を有する容器中に10分浸漬する
・膜を、溶剤交換せずに空気中で24h乾燥させる。
本発明による膜は、先行技術の膜よりも明らかに良好な応用技術的なデータに傑出しているだけでなく、これらは構造的にも相違する。本発明の膜を用いて、―架橋剤を添加せずに―耐薬品性であり、かつ同時に高い生産性を有する膜を製造することに初めて成功している。その要因となる構造的なパラメーターは、次の通りである:
・DMF溶解度(分子量減少に対する安定性について)
・該膜の全厚と比較した、分離活性層の厚さ。
Claims (14)
- ポリイミド膜の製造方法であって、
次の工程:
a)3,4,3′,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、3,4,3′,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、オキシ二フタル酸二無水物、スルホニル二フタル酸二無水物、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン二フタル酸二無水物からなる群から選択される、少なくとも1種の二無水物と、
トルエン−2,4−ジイソシアナート、トルエン−2,6−ジイソシアナート、4,4′−メチレンジフェニルジイソシアナート、2,4,6−トリメチル−1,3−フェニレンジイソシアナート、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジイソシアナートからなる群から選択される、少なくとも1種のジイソシアナートと
からなるポリイミド膜を製造する工程、
b)該膜を10cmまでの距離で取り囲む雰囲気の280℃ないし該ポリマーのガラス転移温度までの温度で、該膜をアニーリングする工程
を含むことを特徴とし、
該膜が、該アニーリング中に、0.5体積%以下の酸素含量を有するガス雰囲気により取り囲まれているか、もしくは前記酸素含量を有するガス流により周りを洗われる
ことを特徴とする、ポリイミド膜の製造方法。 - 以下:
・該アニーリングが―該アニーリングのための目標温度に到達した時点から―15〜300分間実施されること、
・該膜が、0.1〜10℃/分の加熱速度で、該アニーリング温度に加熱されること、
・該膜を10cmまでの距離で取り囲む請求項1に定義された雰囲気もしくは請求項1に定義されたガス流中で、該膜を、該アニーリング温度から200〜275℃の温度まで冷却するか又は該アニーリング温度からの冷却中に真空が適用されること、
及び
・該膜を10cmまでの距離で取り囲む雰囲気中の酸素含量が、0.25体積%以下であること
からなる群から選択される少なくとも1つを有することを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 工程a)が、以下の副工程
a1)非プロトン性双極性溶剤中のポリイミドポリマーの溶液を、対応するモノマーの重合により製造する工程
a2)該ポリイミドポリマーを含むキャスト溶液を製造する工程
a3)該キャスト溶液からポリイミド膜を製造する工程
を含み、
その際に、工程a1)において得られたポリマー溶液から、該キャスト溶液が、工程a2)において製造され、ただし、該ポリイミドは、工程a1)とa2)との間に又は工程a1)の前に、固体の形態で、特に乾燥された固体として、単離及び再溶解されず、
かつ
その際に、該膜の製造が、転相法により行われる
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。 - 工程a1)における該ポリイミドの製造に使用される非プロトン性双極性溶剤が、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、スルホラン、テトラヒドロフラン、ジオキサン又はそれらの混合物からなる群から選択されたものであり、
及び/又は
工程a2)における該キャスト溶液の製造のために、
・揮発性で水と混和性の溶剤、
・非溶剤、
・細孔形成剤
及び
・水混和性の溶剤
からなる群から選択される水溶性添加剤が添加される
ことを特徴とする、請求項3記載の方法。 - 工程a)において、次の工程:
aI)固体の形態の、アニーリングされたポリイミドポリマー又はアニーリングされないポリイミドポリマーを用意する工程、
aII)キャスト溶液を製造する工程、その際に、このキャスト溶液は、溶剤と、工程aI)からの固体とを含む;及び
aIII)該キャスト溶液から中空繊維膜を形成する工程
を含むことを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。 - 粉末の形態の該ポリマーが工程aI)において、6〜30時間の期間にわたって、50〜250℃の温度で乾燥及び/又はアニーリングされる
ことを特徴とする、請求項5記載の方法。 - 工程a3)又はaIII)において、一体型の非対称中空繊維膜が製造され、その際に、該中空繊維が、二流体ノズルを用いて該ポリイミドキャスト溶液と芯液とから、連続法において紡糸されることを特徴とする、請求項3から6までのいずれか1項記載の方法。
- 紡糸口金が、凝固浴から5cm〜1mの距離を有し、
その際に、該中空糸が該凝固浴へ入る前に、25〜130℃に、サーモスタット調温されたガス流で周りを洗われるか又は対応するガス雰囲気が導かれる
ことを特徴とする、請求項7記載の方法。 - ガス又はガス流として、窒素、空気、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、メタン又は他の工業用不活性ガス又はそれらの混合物が使用され、
及び/又は
該中空糸が、該凝固浴へ入る前に、シャフト中の0.1〜10m/分のガス速度のガス流で周りを洗われる
ことを特徴とする、請求項8記載の方法。 - 以下:
・該膜が、該凝固浴を離れた後かつ該アニーリング前に、1質量%以下の残留溶剤含量まで、水での少なくとも1つの洗浄にかけられたものであること、
・該膜が、該アニーリング前に、溶剤交換にかけられたものであること、
・該膜が、乾燥前に5質量%以下の含水量及び/又は溶剤含量を有する程度に乾燥されたものであること、
・該膜の抜出速度が10〜80m/分であること、
及び
・該膜が、該アニーリング前に、25GPU以上の酸素についての透過係数を有すること
からなる群から選択される少なくとも1つを有することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。 - 請求項1から11までのいずれか1項により得られる、ポリイミド膜。
- 該ポリイミド膜が、支持不織布上の一体型の非対称平膜
又は一体型の非対称中空繊維膜
であることを特徴とする、請求項12記載のポリイミド膜。 - メタン及び二酸化炭素、並びに
酸素及び窒素
からなる群から選択されるガス混合物を分離するための、
請求項13記載のポリイミド中空繊維膜の使用。
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