JP7115309B2 - 分離膜及び分離膜の製造方法 - Google Patents
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Description
セルロース系樹脂はその親水性に起因する透過性能や、塩素系の殺菌剤に強いという耐塩素性能を有することから水処理用膜をはじめとする多孔性分離膜として広く用いられている。
例えば、特許文献1には、セルローストリアセテートと溶媒、非溶媒からなる製膜原液を、溶媒、非溶媒、水からなる凝固液中に吐出して相分離させることで、中空糸膜を得る技術が開示されている。
また特許文献2には、中空糸膜にヒドロキシアルキルセルロースが微粒子の状態で固着されており、上記中空糸膜の最表面から深さ1μmの範囲におけるヒドロキシアルキルセルロースの微粒子のサイズが5nm以上100nm以下であることを特徴とする限外ろ過用中空糸膜が開示されている。
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高い透水性を有する分離膜等を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は以下のいずれかの構成を有する。
上記分離膜は1nm以上1000nm以下の幅を有する空隙を備え、
上記空隙の曲路率が1.0以上6.0以下である、分離膜。
[2] 上記熱可塑性樹脂を含有する相と上記空隙とからなる共連続構造を備える、上記[1]に記載の分離膜。
[3] 上記分離膜の上記空隙の幅の10倍以上100倍以下の長さを一辺とする正方形の視野で撮影された顕微鏡画像をフーリエ変換して得られる、横軸が波数、縦軸が強度からなるグラフの曲線において、ピーク半値幅(a)、ピークの極大波数(b)とするとき、0<(a)/(b)≦1.5となる領域を含む、上記[1]又は[2]に記載の分離膜。
[4] 50kPa、25℃における膜透過流束が0.05m3/m2/h以上20m3/m2/h以下である、上記[1]~[3]のいずれかに記載の分離膜。
[5] 上記分離膜の厚みが1μm以上1000μm以下である上記[1]~[4]のいずれかに記載の分離膜。
[6] 上記分離膜が中空糸形状である、上記[1]~[5]のいずれかに記載の分離膜。
[7] 上記中空糸形状の外径が100μm以上5000μm以下である、上記[6]に記載の分離膜。
[8] 上記熱可塑性樹脂が、セルロースエステル、ポリアミド及びポリエステルからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含有する、上記[1]~[7]のいずれかに記載の分離膜。
[9] 上記セルロースエステルが、セルロースアセテートプロピオネート及び/又はセルロースアセテートブチレートである、上記[8]に記載の分離膜。
[10] 上記ポリアミドが、ナイロン6及び/又はナイロン66である、上記[8]に記載の分離膜。
[11] 上記ポリエステルが、ポリ乳酸系重合体及び/又はポリエチレンテレフタレートである、上記[8]に記載の分離膜。
[12] 20重量%以上90重量%以下の熱可塑性樹脂と、10重量%以上60重量%以下の構造形成剤とを溶融及び混練することで溶融樹脂を調製する樹脂溶融工程と、
上記溶融樹脂を吐出口金から吐出することで膜状の成形体を得る成形工程と、
上記溶融樹脂又は成形体において、40℃以上220℃以下の液体中における熱誘起相分離によって、熱可塑性樹脂を含有する第1相と上記第1相と部分相溶する第2相とからなる共連続構造を形成する共連続構造形成工程と、
上記共連続構造形式工程及び成形工程後に、上記成形体から第2相を溶出することで空隙を形成する溶出工程と、を有する分離膜の製造方法。
[13] 上記熱可塑性樹脂がセルロースエステルである、上記[12]に記載の分離膜の製造方法。
[14] 上記成形工程において、上記吐出口金として紡糸口金を用いることで、中空糸を形成する、上記[12]又は[13]に記載の分離膜の製造方法。
すなわち本発明は、熱可塑性樹脂を含有し、上記分離膜の空隙の幅が1nm以上1000nm以下であり、上記空隙の曲路率が1.0以上6.0以下であることを特徴とする分離膜である。
以下、本発明の分離膜及び樹脂組成物について説明する。
(1-1)分離膜の構成概要
本発明の分離膜は、熱可塑性樹脂を含有する。また、分離膜は、熱可塑性樹脂を含有する相と空隙とを備える。
本発明の分離膜は、熱可塑性樹脂(A)を主成分として含有することが好ましい。ここでいう主成分とは、分離膜を構成する樹脂組成物の全成分のなかで、重量的に最も多く含まれる成分を指すものとする。分離膜において熱可塑性樹脂(A)の占める割合は、50重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることがより好ましく、70重量%以上であることがさらに好ましい。また、分離膜は実質的に熱可塑性樹脂(A)のみで構成されていてもよい。
これらの中でも、本発明の熱可塑性樹脂としては、水の透過性能が良好となる点で親水性樹脂であることが好ましい。
本発明において、熱可塑性樹脂とは、ポリマーの構成成分に親水基を含み、かつ、そのポリマーの皮膜に対して水との接触角が90°以下となるものをいうが、水との接触角が60°以下である親水性樹脂であることがより好ましい。ここで親水基とは、ヒドロキシル基、カルボキシル基、カルボニル基、アミノ基、アミド基である。
分離膜は、熱可塑性樹脂(A)以外に、可塑剤(B)、構造形成剤(C)等を含んでもよい。
なお、分離膜は、形状を保持するために水等の液体をその中に含んでいてもよい。ただし、以下の説明では、形状を保持するためのこれらの液体は分離膜の構成要素として考慮しない。
<熱可塑性樹脂(A)>
本発明における熱可塑性樹脂(A)の具体例としては、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリル酸メチル、ポリ酢酸ビニル、セルロースエステル、ポリエステルなどが使用できる。これらの中でも、ポリエステル、ポリアミド、セルロースエステルからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
1.0≦(アセチル基の平均置換度+他のアシル基の平均置換度)≦3.0
0.1≦(アセチル基の平均置換度)≦2.6
0.1≦(他のアシル基の平均置換度)≦2.6
上記式が満たされることで、分離性能と透過性能とを両立する膜が実現される。さらに、上記式が満たされることで、分離膜の製造において、溶融紡糸時に、樹脂組成物の良好な熱流動性が実現される。
上記の中でも、セルロースアセテートプロピオネート及びセルロースアセテートブチレートからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含有することが好ましい。これらのセルロースエステルを含有することで、後述する所定の範囲の曲路率を有する空隙が実現されやすい。
重量平均分子量(Mw)は6.0万以上22.0万以下であることがより好ましく、8.0万以上20.0万以下であることがさらに好ましい。なお、重量平均分子量(Mw)とは、GPC測定により算出した値をいい、実施例にて詳細に説明する。
分離膜は、ポリアミドとして1種類の化合物のみを含有してもよいし、2種類以上の化合物を含有してもよい。
ポリアミドの重量平均分子量(Mw)は、好ましくは、1万以上100万以下である。重量平均分子量(Mw)を1万以上とすることで、溶融紡糸時の熱分解を抑制できる点、また、分離膜の膜強度が実用レベルに到達できる点で好ましい。重量平均分子量(Mw)を100万以下とすることで、溶融粘度が高くなりすぎることを抑制でき安定した溶融紡糸が行える点で好ましい。重量平均分子量(Mw)は2万以上90万以下であることがより好ましく、3万以上80万以下であることがさらに好ましい。
ポリアミドは重合により形成される結合がアミド結合であり、特にアルカリと接触した場合でも主鎖の切断が生じにくいので、アルカリに対して良好な耐性を有する点で好ましい。
グリコール部分及びジカルボン酸部分を有するポリエステルの重量平均分子量(Mw)は、好ましくは、1.0万以上100万以下である。重量平均分子量(Mw)を1.0万以上とすることで、溶融紡糸時の熱分解を抑制できる点、また、分離膜の膜強度が実用レベルに到達できる点で好ましい。また、重量平均分子量(Mw)を100万以下とすることで、溶融粘度が高くなりすぎることを抑制でき安定した溶融紡糸を行える点で好ましい。重量平均分子量(Mw)は2万以上90万以下であることがより好ましく、3万以上80万以下であることがさらに好ましい。
また、本発明の分離膜は、具体例として上記した熱可塑性樹脂のうち、セルロースエステル、ポリアミド、及びポリエステルからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含有することが好ましい。
本発明の分離膜は、可塑剤(B)を含有することができる。可塑剤(B)が製造時に製膜に用いられる樹脂組成物中に含まれる場合、膜の製造において熱可塑性樹脂(A)を熱可塑化した後は、可塑剤(B)は分離膜の中に残存してもよいし、少なくとも一部の可塑剤(B)を分離膜の中から溶出させてもよい。溶出させた場合、可塑剤が抜けた跡が膜中における細孔となることがあり、その結果、透過性能がより良好となる。
分離膜における可塑剤(B)の含有量は、特に限定されないが、例えば40重量%以下である。可塑剤(B)の含有量は、より好ましくは1重量%以上35重量%以下、さらに好ましくは3重量%以上35重量%以下、よりさらに好ましくは5重量%以上35重量%以下、特に好ましくは10重量%以上30重量%以下である。
可塑剤(B)の詳細は後述する。
本発明の分離膜は、構造形成剤(C)を含有することができる。
分離膜における構造形成剤(C)の含有量は、5重量%以上60重量%以下であることが好ましい。構造形成剤(C)の含有量は、より好ましくは50重量%以下である。
構造形成剤(C)の詳細については後述する。
本発明の分離膜は酸化防止剤(D)を含有することができる。酸化防止剤(D)としては、特にリン系酸化防止剤を含有することが好ましく、特にペンタエリスリトール系化合物が好ましい。ペンタエリスリトール系化合物として具体的には、ビス(2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等が挙げられる。
リン系酸化防止剤を含有している場合、溶融紡糸時の熱分解が抑制され、その結果、膜強度の向上、膜への着色防止が可能となる。酸化防止剤(D)の含有量は、溶融紡糸する組成物に対して0.500重量%以下であることが好ましい。
本発明の分離膜の形状は特に限定されないが、中空糸形状の分離膜(以下、「中空糸膜」)又は、平面形状の膜(以下、「平膜」)が好ましく採用される。このなかでも、中空糸膜は効率良くモジュールに充填することが可能であり、モジュールの単位体積当たりの有効膜面積を大きくとることができるためより好ましい。中空糸膜とは中空を有する糸状の膜である。
中空糸膜の場合、モジュールに充填した際の有効膜面積と、膜強度を両立させる観点から、中空糸膜の外径が50μm以上5000μm以下であることが好ましく、100μm以上5000μm以下であることがより好ましく、200μm以上4000μm以下であることがさらに好ましく、300μm以上700μm以下であることが特に好ましく、400μm以上700μm以下であることが最も好ましい。
また、中空糸膜の場合、中空部を流れる流体の圧損と、座屈圧との関係から、中空糸膜の中空率が15%以上70%以下であることが好ましく、20%以上65%以下であることがより好ましく、25%以上60%以下であることがさらに好ましい。
中空糸膜の外径や中空率を上記範囲とする方法は特に限定されないが、例えば中空糸を製造する紡糸口金の吐出孔の形状、又は、巻取速度/吐出速度で算出できるドラフト比、を適宜変更することで調整できる。
本発明の分離膜は、熱可塑性樹脂(A)を含有する相と空隙とが共連続構造を有することが好ましい。
熱可塑性樹脂を含有する相の組成については、分離膜の組成についての説明が適用される。
ここで共連続構造とは、膜断面を透過型電子顕微鏡(以下、「TEM」)や走査型電子顕微鏡(以下、「SEM」)で観察した時、熱可塑性樹脂(A)を含有する相と空隙とが、それぞれ連続し、かつ互いに三次元的に入り組んでいる状態である(図1参照)。
共連続構造の模式図は、例えば「ポリマーアロイ 基礎と応用(第2版)(第10.1章)」(高分子学会編:東京化学同人)にも記載されている。
空隙の幅とは、透過型電子顕微鏡又は走査型電子顕微鏡で観察した画像をフーリエ変換し、波数を横軸に強度を縦軸にプロットしたグラフの極大ピークの波数から算出される周期のことを指す。
一般的に、共連続構造を有する多孔体は、粒子の集合体からなる多孔体よりも、孔径の均一性が高い。
上記顕微鏡画像は、空隙の幅の10倍以上100倍以下の長さを一辺とする正方形の視野で撮影されたものとする。また、フーリエ変換したグラフの横軸を波数、縦軸を強度とし、プロットしたグラフのピークの半値幅とピークの極大波数を求める。
ピークの半値幅はピークの極大波数の増加に伴い増大する傾向にあるので、ピークの半値幅(a)、ピークの極大波数(b)とから計算される(a)/(b)の値を孔径の均一性評価の指標とした。
なお、孔径の測定方法の詳細は実施例にて記載する。
本発明の分離膜の曲路率は1.0以上6.0以下である。曲路率は低い程好ましいが、理論上1.0が下限である。曲路率が6.0以下であることで、流路の直線性が向上し、透水性が良好となる。曲路率は2.0以上6.0以下であることが好ましく、3.0以上5.5以下であることがより好ましく、3.0以上4.5以下であることがさらに好ましい。
本明細書において記載する曲路率は、後述の実施例に記載の条件にて測定及び算出した値である。
本発明の分離膜は、表面の開孔率(以下、「開孔率」)が10%以上70%以下であることが好ましい。10%以上であることで良好な透過流束が得られ、70%以下であることで良好な膜強度が得られる。15%以上60%以下であることがより好ましく、20%以上50%以下であることがさらに好ましく、20%以上45%以下であることがよりさらに好ましく、20%以上40%以下であることが特に好ましく、25%以上35%以下であることが最も好ましい。
開孔率とは表面を観察した際に、観察面積に占める空隙の面積の割合であり、空隙率(%)=表面の空隙の面積/観察面積×100で表される。
本明細書において記載する開孔率は、走査型電子顕微鏡を用いて、後述の実施例に記載の条件にて測定及び算出した値である。
本発明の分離膜は、50kPa、25℃における膜透過流束が0.01m3/m2/hr以上20m3/m2/hr以下であることが好ましい。膜透過流束は0.05m3/m2/hr以上15m3/m2/hr以下であることがより好ましく、0.1m3/m2/hr以上10m3/m2/hr以下であることがさらに好ましく、0.2m3/m2/hr以上7m3/m2/hr以下であることが特に好ましく、0.5m3/m2/hr以上5m3/m2/hr以下であることが最も好ましい。空隙の幅が1nm以上80nm以下の場合、膜透過流束は0.70m3/m2/hr以上20m3/m2/hr以下であることが好ましく、0.75m3/m2/hr以上15m3/m2/hr以下であることがさらに好ましい。空隙の幅が80nm以上100nm以下の場合、膜透過流束は1.0m3/m2/hr以上20m3/m2/hr以下であることが好ましく、1.1m3/m2/hr以上15m3/m2/hr以下であることが好ましい。空隙の幅が100nm以上1000nm以下の場合、膜透過流束は1.0m3/m2/hr以上20m3/m2/hr以下であることが好ましく、膜透過流束は1.5m3/m2/hr以上20m3/m2/hr以下であることがより好ましい。膜透過流束の測定条件は実施例にて詳細に説明する。
本発明の分離膜は、本発明の効果を損なわない範囲で上述した物質以外の添加剤を含有してもよい。添加剤としては、例えば、有機滑剤、結晶核剤、有機粒子、無機粒子、末端封鎖剤、鎖延長剤、紫外線吸収剤、赤外線吸収剤、着色防止剤、艶消し剤、抗菌剤、制電剤、消臭剤、難燃剤、耐候剤、帯電防止剤、抗酸化剤、イオン交換剤、消泡剤、着色顔料、蛍光増白剤、及び染料等が使用できる。
本発明の分離膜は、特に水処理に利用可能な膜である。水処理用膜としては、具体的には、精密濾過膜及び限外濾過膜等が挙げられる。本発明の分離膜は特に、限外濾過膜に好ましく適用される。
本発明の分離膜は、使用時には分離膜モジュールに組み込まれてもよい。分離膜モジュールは、例えば、複数本の中空糸膜で構成された膜束と、この膜束を収容する筐体とを備える。
また、平膜であれば、支持体に固定されるか、膜同士が貼り合わせられることで封筒状膜を形成し、さらに必要に応じて集水管等に装着されることでモジュール化される。
次に、本発明の樹脂組成物及び分離膜を製造する方法について、樹脂組成物、及び分離膜が、それぞれ中空糸、及び中空糸膜の場合を例に具体的に説明するが、これに限定されるものではない。
本発明の樹脂組成物及び分離膜の製造方法としては、溶融紡糸法が好ましく適用される。
溶融紡糸法とは、原料を加熱により溶融及び混練することで溶融樹脂を調製する工程(樹脂溶融工程)と、次にこの溶融樹脂を吐出口金であるスリット状の紡糸口金から吐出し、冷却により固化する工程(成形工程)とを含む、樹脂組成及び膜の形成方法である。溶融紡糸法は、中空糸及び中空糸膜のいずれの製造にも適用可能である。
特に本発明は、熱可塑性樹脂と構造形成剤とを溶融及び混練することで溶融樹脂を調製する樹脂溶融工程と、上記溶融樹脂を吐出口金から吐出することで膜状の成形体を得る成形工程と、成形体において熱誘起相分離により共連続構造を形成する共連続構造形成工程と、上記樹脂組成物から構造形成剤を溶出することで空隙を形成する溶出工程と、を有する分離膜の製造方法を提供するものである。
樹脂溶融工程は、溶融製膜に用いられる溶融樹脂を調製する工程である。溶融製膜には、平膜の形成及び中空糸膜の形成が含まれる。中空糸膜の形成は特に溶融紡糸と呼ばれる。
溶融樹脂の原料(つまり樹脂溶融工程に用いられる材料)は、少なくとも熱可塑性樹脂(A)及び構造形成剤(C)を含み、可塑剤(B)及び酸化防止剤(D)をさらに含んでもよい。
熱可塑性樹脂(A)の例については上述したとおりである。
原料の総量における熱可塑性樹脂(A)の含有量は、20重量%以上90重量%以下である。熱可塑性樹脂(A)の含有量を20重量%以上とすることで、高い強度を有する膜を実現することができる。熱可塑性樹脂(A)の含有量を90重量%以下とすることで、可塑剤などの添加による溶融成形が容易になり、良好な曳糸性を付与することができる。熱可塑性樹脂(A)の含有量は、より好ましくは30重量%以上85重量%以下、さらに好ましくは40重量%以上80重量%以下である。
これらの中でも、熱可塑性樹脂(A)との良好な相溶性に起因して、少量の添加でも熱可塑性を発現するため、可塑剤による膜強度の低下を抑制する点から、ポリアルキレングリコールが好ましい。
ポリアルキレングリコールの具体的な例としては、例えば、重量平均分子量(Mw)が200以上2,000以下である、ポリエチレングリコール(以下、「PEG」)、ポリプロピレングリコール、及びポリブチレングリコール等が挙げられる。
溶融樹脂の原料の総量における可塑剤(B)の含有量は、3重量%以上50重量%以下であることが好ましい。可塑剤(B)の含有量を3重量%以上とすることで、熱可塑性樹脂(A)の熱可塑性が良好なものとなる。可塑剤(B)の含有量を50重量%以下とすることで、紡糸性が良好なものとなる。可塑剤(B)の含有量は、より好ましくは5重量%以上40重量%以下、さらに好ましくは7重量%以上30重量%以下である。
部分相溶とは、2種類以上の物質が、ある条件下では完全相溶するが、別の条件下では相分離することである。構造形成剤は、後述の共連続構造形成工程において、特定の温度条件下に置かれることで、熱可塑性樹脂と相分離する物質である。具体的な条件は後述する。
樹脂組成物中の構造形成剤を有する相の厚みの過度の増大を抑制することは、分離膜の空隙の幅の過度の増大を抑制する効果も有し、分離性能が良好なものとなる。構造形成剤(C)の含有量は、より好ましくは15重量%以上55重量%以下、さらに好ましくは20重量%以上50重量%以下である。
分離膜の原料の総量における酸化防止剤(D)の含有量は、溶融紡糸する組成物に対して0.005重量%以上0.500重量%以下であることが好ましい。
溶融樹脂は、溶媒を含まないか、溶媒の含有率が20重量%以下であることで、後述の成形工程後も全体としての組成変動がないため、後述の共連続構造形成工程において、熱処理による孔造形成が容易となる。
成形工程は、溶融樹脂を中空糸状又は平膜状などの所望の形状に成形する工程である。成形工程を経た溶融樹脂を、「成形体」と称する。
上記で調製した、熱可塑性樹脂(A)を含有する溶融樹脂を溶融紡糸法により中空糸化する場合は、紡糸温度(紡糸パックの温度)は、(Tm+5℃)以上(Tm+50℃)以下とすることが好ましい。Tmは、この溶融樹脂の示差走査熱量計(DSC)の昇温測定における結晶融解温度である。DSCの測定条件は実施例にて詳細に説明する。
中空糸状の成形体の調製には、吐出口金として紡糸口金を使用することができる。具体的には、C型スリットの紡糸口金、弧状(アーク状)のスリット部が複数個(2~5個)配置されて1個の吐出孔を形成する紡糸口金、チューブインオリフィス型の紡糸口金等が用いられる。
紡糸口金より吐出した中空糸を冷却する際、冷却装置(チムニー)の冷却風の温度は5℃以上80℃以下が好ましい。また、冷却風の風速は0.1m/秒以上2.0m/秒以下であることが好ましく、0.3m/秒以上2.0m/秒以下であることがより好ましく、0.5m/秒以上2.0m/秒以下であることがさらに好ましい。
冷却装置により冷却された中空糸は巻取装置により巻き取られる。巻取速度/吐出速度で算出できるドラフト比は1以上1,000以下であることが好ましく、20以上900以下であることがより好ましく、30以上800以下であることがさらに好ましい。
共連続構造形成工程は成形工程の後に行われる。
共連続構造、すなわち、熱可塑性樹脂を含有する第1相及び第1相と部分相溶する第2相が、それぞれ連続し、かつ互いに入り組んだ構造を形成するためには、相分離を利用することができる。相分離は、熱可塑性樹脂と構造形成剤とが相溶した組成物の温度が特定範囲内になることで、誘起される。このように特定範囲内の温度条件で誘起される相分離を熱誘起相分離という。特定範囲内の温度としてはスピノーダル線以下、かつ、ガラス転移温度以上の温度にすることが好ましい。
共連続構造を得るためには、特にスピノーダル分解による相分離が好ましく用いられる。共連続構造を得るにあたっては熱可塑性樹脂と構造形成剤とが、相分離前には一旦相溶し、スピノーダル分解による相分離を経て構造を形成することが好ましい。こうして、第2相が均一な幅を有する樹脂組成物が得られる。
共連続構造形成工程以降に、第2相の少なくとも一部を除去(溶出)することで、空隙を形成することができる。
第2相の除去は、例えば、熱可塑性樹脂(A)を溶解又は分解せず、構造形成剤を溶解又は分解可能な溶媒に成形体を浸漬することにより行われる。このような処理を溶出工程とよぶ。
溶出工程における溶媒としては、例えば、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、水、アルコール、及びアルコール水溶液等が例示される。
中空糸膜を使用する前に、例えばアルコール含有水溶液、及びアルカリ性水溶液等によって膜の表面を親水化させることが好ましい。
こうして、熱可塑性樹脂を含有する相と所定の幅を有する空隙とを有し、所定の曲路率を有する、本発明の分離膜を製造することができる。
実施例中の各特性値は次の方法で求めた。
(1)セルロースエステルの平均置換度
セルロースにアセチル基及びアシル基が結合したセルロースエステルの平均置換度の算出方法については下記の通りである。
80℃で8時間乾燥したセルロースエステル0.9gを秤量し、アセトン35mLとジメチルスルホキシド15mLを加え溶解した後、さらにアセトン50mLを加えた。撹拌しながら0.5N-水酸化ナトリウム水溶液30mLを加え、2時間ケン化した。熱水50mLを加え、フラスコ側面を洗浄した後、フェノールフタレインを指示薬として0.5N-硫酸で滴定した。別に試料と同じ方法で空試験を行った。滴定が終了した溶液の上澄み液を100倍に希釈し、イオンクロマトグラフを用いて、有機酸の組成を測定した。測定結果とイオンクロマトグラフによる酸組成分析結果から、下記式により置換度を計算した。
DSace=(162.14×TA)/[{1-(Mwace-(16.00+1.01))×TA}+{1-(Mwacy-(16.00+1.01))×TA}×(Acy/Ace)]
DSacy=DSace×(Acy/Ace)
A:試料滴定量(mL)
B:空試験滴定量(mL)
F:硫酸の力価
W:試料重量(g)
DSace:アセチル基の平均置換度
DSacy:アシル基の平均置換度
Mwace:酢酸の分子量
Mwacy:他の有機酸の分子量
Acy/Ace:酢酸(Ace)と他の有機酸(Acy)とのモル比
162.14:セルロースの繰り返し単位の分子量
16.00:酸素の原子量
1.01:水素の原子量
熱可塑性樹脂の濃度が0.15重量%となるようにテトラヒドロフラン又はNMPに完全に溶解させ、GPC測定用試料とした。この試料を用い、以下の条件のもと、Waters2690でGPC測定を行い、ポリスチレン換算により重量平均分子量(Mw)を求めた。
検出器 :Waters2410 示差屈折計RI
移動層溶媒:テトラヒドロフラン又はNMP
流速 :1.0mL/分
注入量 :200μL
中空糸膜の長手方向と垂直な方向(繊維径方向)と、膜の厚み方向の断面を光学顕微鏡により観察、撮影し、中空糸膜の外径(μm)を算出した。なお、中空糸膜の外径は、中空糸膜10本を用いて算出し、その平均値とした。
なお、中空糸は、成形体でありかつ樹脂組成物でもあるので、以下では中空糸を「樹脂組成物」と呼ぶことがある。
中空糸膜の繊維径方向の断面を光学顕微鏡により観察、撮影し、中空糸膜1本につき6箇所の厚みを測定した。この測定を中空糸膜10本に対して行い、平均値をとることで中空糸膜の厚みとした。
中空糸膜の繊維径方向の断面を光学顕微鏡により観察、撮影し、断面の全面積Saと中空部の面積Sbを測定し、下式を用いて算出した。なお、中空率は中空糸膜10本を用いて算出し、その平均値とした。
中空率(%)=(Sb/Sa)×100
前処理(TEM):分離膜の長手方向に垂直な方向に超薄切片を切り出した。
前処理(SEM):溶出工程を実施して得られた分離膜を液体窒素で凍結した後、分離膜の長手方向に垂直な方向の断面が出るように、応力を加えることにより割断し、白金でスパッタリングを行った。
観察:TEM又はSEMを用いて倍率10,000以上100,000以下で分離膜の長手方向に垂直な方向の断面を観察し、1視野の画像を得た。なお、空隙がSEMで観察できない微小な幅を有する場合にTEMにより観察を行った。得られた画像から正方形の画像を切り出し、フーリエ変換した後、波数を横軸に強度を縦軸にグラフをプロットした。極大ピークの波数から周期を算出し、この周期をその視野の空隙の幅とした。極大ピークが得られなかった場合は観察倍率を適宜調節して再度観察し、空隙の幅の算出を行った。得られた空隙の幅と、上記正方形の画像の一辺が式(2)の関係を満たさなかった場合は、上記正方形の大きさを変えて空隙の幅を算出し、式(2)の関係を満たすよう調節した。なお、観察箇所は両表面の近傍を含み、膜厚方向に等間隔となるよう10箇所として各観察箇所で空隙の幅を算出した。このうち最も空隙の幅が小さくなった観察箇所の数値を空隙の幅として採用した。
空隙の幅×10≦正方形の一辺≦空隙の幅×100・・・式(2)
温度25℃、ろ過差圧50kPaの条件で、30分間にわたって蒸溜水を送液し得られた透過水量(m3)を測定し、単位時間(h)及び単位膜面積(m2)当たりの数値に換算し、純水の透過性能(単位=m3/m2/h)とした。なお、実施例では中空糸膜4本からなる有効長さ200mmの小型モジュールを作製して内圧式で膜ろ過処理を行った。よって単位膜面積は平均内径と中空糸膜の有効長から算出した。
TEM又はSEMを用い、樹脂組成物又は分離膜の長手方向に垂直な方向の断面を倍率10,000倍以上200,000倍以下で観察して画像を得た。得られた画像を正方形の一辺が、樹脂組成物の第2相の幅又は分離膜の空隙の幅の10倍以上100倍以下になるよう適宜範囲を選択してフーリエ変換し、波数を横軸に強度を縦軸にグラフをプロットした。グラフのピーク波数と半値幅から平均孔径と均一性の指標である(a)/(b)を求めた。
上記溶融樹脂を急冷、固化させたものを試料とし、セイコーインスツルメンツ(株)製示差走査熱量計DSC-6200を用い、25℃、8時間真空乾燥を行った試料約5mgをアルミニウム製受皿にセットし、-50℃から昇温速度20℃/分で350℃まで昇温後、350℃のまま5分間溶融保持した際に観測される結晶融解ピークを結晶融解温度(℃)とした。なお、結晶融解ピークが複数現れる場合は、最も高温側に現れる結晶融解ピークを採用した。
白金でスパッタリングを行い分離膜の前処理を実施した後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率10,000倍以上200,000倍以下で分離膜表面を観察し、画像を得た。得られた画像を一辺1μmの正方形に切り出し、画像解析ソフトを用いて二値化及び面積計算を行い、空隙の面積を測定した。式(3)より開孔率を求めた。
開孔率=空隙の面積/観察面積×100・・・式(3)
中空糸膜の曲路率は次の式(4)で算出した。
曲路率=VP/SBET×√(ε/2k)・・・式(4)
ここで、VP:細孔比容積(m3/g)、SBET:比表面積(m2/g)、ε:空隙率(-)、k:透過係数(m2)である。
VP/SBETは、BET吸着法によりVP及びSBETを測定することで算出できる。BET吸着測定には、BELSORP-mini II(マイクロトラック・ベル株式会社)を用いた。
ε=1-w/((Ro 2-Ri 2)×π×l×ρ)・・・式(5)
ここで、w:乾燥重量(g)、Ro中空糸膜の外径(m)、Ri中空糸膜の内径(m)、π:円周率、l:膜長さ(m)、ρ:熱可塑性樹脂の密度(g/m3)、である。
なお、kは次の式(6)から算出した。
k=(Q×Ri×π・l×μ×ln(Ro/Ri))/(2π×l×P)・・・(6)
ここで、Q:膜透過流束(m3/m2/s)、μ:水の粘度(Pa・s)、Ro:中空糸膜の外径(m)、Ri:中空糸膜の内径(m)、π:円周率、l:膜長さ(m)、P(Pa):印可圧力、である。
セルロースエステル(A1):セルロースアセテートプロピオネート
セルロース(コットンリンター)100重量部に、酢酸240重量部とプロピオン酸67重量部を加え、50℃で30分間混合した。混合物を室温まで冷却した後、氷浴中で冷却した無水酢酸172重量部と無水プロピオン酸168重量部をエステル化剤として、硫酸4重量部をエステル化触媒として加えて、150分間撹拌を行い、エステル化反応を行った。エステル化反応において、40℃を超える時は、水浴で冷却した。反応後、反応停止剤として酢酸100重量部と水33重量部の混合溶液を20分間かけて添加して、過剰の無水物を加水分解した。その後、酢酸333重量部と水100重量部を加えて、80℃で1時間加熱撹拌した。反応終了後、炭酸ナトリウム6重量部を含む水溶液を加えて、析出したセルロースアセテートプロピオネートを濾別し、続いて水で洗浄した後、60℃で4時間乾燥し、セルロースエステル(A1)(セルロースアセテートプロピオネート)を得た。得られたセルロースアセテートプロピオネートのアセチル基及びプロピオニル基の平均置換度は各々1.9、0.7であり、重量平均分子量(Mw)は17.8万であった。
ポリアミド(A3):ナイロン6(東レ(株)社製ナイロン6樹脂「アミラン」(登録商標))
可塑剤(B1):PEG、重量平均分子量(Mw)600
構造形成剤(C)
構造形成剤(C1):PVP(K17)
構造形成剤(C2):PVP/酢酸ビニル共重合(Kollidon VA 64 (BASFジャパン株式会社))
酸化防止剤(D)
酸化防止剤(D1):ビス(2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト
酸化防止剤(D2):ヒンダードフェノール系酸化防止剤(イルガノックス(登録商標)1098(BASF(株)社製))
(実施例1)
セルロースエステル(A1)57.3重量%と、可塑剤(B)として重量平均分子量(Mw)600のPEG(B1)(三洋化成工業株式会社)12.6重量%、PVP(K17)(C1)(BASFジャパン株式会社)30.0重量%及び酸化防止剤(D)としてビス(2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト(D1)0.1重量%を二軸押出機にて240℃で溶融混練し、均質化した後にペレット化して、溶融紡糸用の樹脂を得た。この樹脂を80℃、8時間真空乾燥を行った。
乾燥させた樹脂を二軸押出機に供給し230℃で溶融、混練して溶融樹脂とした(樹脂溶融工程)。溶融樹脂を紡糸温度230℃とした溶融紡糸パックへ導入して、吐出量10g/分の条件で、1つの孔(二重円管タイプ、吐出孔半径4.6mm、スリット巾0.43mm)を有する口金の外側環状部より下方に紡出した(成形工程)。この紡出した中空糸を、口金の下面から冷却装置(チムニー)上端までの距離Hが150mmとなるように冷却装置へ導き、25℃、風速1.5m/秒の冷却風によって冷却しながら、ドラフト比が200となるようにワインダーで巻き取った後、中空糸を180℃のPEG中にて20分間加熱した。
50%エタノール水溶液に得られた樹脂組成物を12時間浸漬することで、構造形成剤を溶出して空隙を形成するとともに親水化を施した。エタノール処理を経た中空糸を「分離膜」として、物性を測定した。結果を表1に示した。
溶融紡糸用樹脂組成物の組成、製造条件をそれぞれ表1又は2のように変更した以外は、実施例1と同様にして分離膜を得た。得られた分離膜の物性を表1又は2に示した。
ポリアミド(A2)52.3重量%、可塑剤(B1)7.2重量%、構造形成剤(C2)40.0重量%、酸化防止剤(D2)0.5重量%を二軸押出機にて260℃で溶融混練し、均質化した後にペレット化して、溶融紡糸用の樹脂を得た。この樹脂を80℃、8時間真空乾燥を行った。
乾燥させた樹脂を二軸押出機に供給し240℃で溶融、混練して溶融樹脂とした(樹脂溶融工程)。溶融樹脂を紡糸温度220℃とした溶融紡糸パックへ導入して、吐出量10g/分の条件で、1つの孔(二重円管タイプ、吐出孔半径4.6mm、スリット巾0.43mm)を有する口金の外側環状部より下方に紡出した(成形工程)。この紡出した中空糸を、口金の下面から冷却装置(チムニー)上端までの距離Hが150mmとなるように冷却装置へ導き、25℃、風速1.5m/秒の冷却風によって冷却しながら、ドラフト比が400となるようにワインダーで巻き取った後、中空糸を180℃のPEG中にて10分間加熱した。
50%エタノール水溶液に得られた樹脂組成物を12時間浸漬することで、構造形成剤を溶出して空隙を形成するとともに親水化を施した。エタノール処理を経た中空糸を「分離膜」として、物性を測定した。結果を表2に示した。
溶融紡糸用樹脂組成物の製造条件をそれぞれ表2のように変更した以外は、実施例12と同様にして分離膜を得た。得られた分離膜の物性を表2に示した。
ポリアミド(A3)52.3重量%、可塑剤(B1)7.2重量%、構造形成剤(C2)40.0重量%、酸化防止剤(D2)0.5重量%を二軸押出機にて260℃で溶融混練し、均質化した後にペレット化して、溶融紡糸用の樹脂を得た。この樹脂を80℃、8時間真空乾燥を行った。
乾燥させた樹脂を二軸押出機に供給し240℃で溶融、混練して溶融樹脂とした(樹脂溶融工程)。溶融樹脂を紡糸温度220℃とした溶融紡糸パックへ導入して、吐出量10g/分の条件で、1つの孔(二重円管タイプ、吐出孔半径4.6mm、スリット巾0.43mm)を有する口金の外側環状部より下方に紡出した(成形工程)。この紡出した中空糸を、口金の下面から冷却装置(チムニー)上端までの距離Hが150mmとなるように冷却装置へ導き、25℃、風速1.5m/秒の冷却風によって冷却しながら、ドラフト比が400となるようにワインダーで巻き取った後、中空糸を180℃のPEG中にて10分間加熱した。
50%エタノール水溶液に得られた樹脂組成物を12時間浸漬することで、構造形成剤を溶出して空隙を形成するとともに親水化を施した。エタノール処理を経た中空糸を「分離膜」として、物性を測定した。結果を表2に示した。
セルロースエステル(A1)71.0重量%と、可塑剤(B)として重量平均分子量600のポリエチレングリコール(B1)(三洋化成工業株式会社)20.0重量%、構造形成剤(B)としてPVP(K17)(C1)(BASFジャパン株式会社)8.9重量%および酸化防止剤(D)としてビス(2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト(D1)0.1重量%を二軸押出機にて240℃で溶融混練し、均質化した後にペレット化して、溶融紡糸用の樹脂を得た。この樹脂を80℃、8時間真空乾燥を行った。
乾燥させた樹脂を二軸押出機に供給し230℃で溶融、混練して溶融樹脂とした(樹脂溶融工程)。溶融樹脂を紡糸温度200℃とした溶融紡糸パックへ導入して、吐出量10g/分の条件で、口金孔(二重円管タイプ、吐出孔半径4.6mm、スリット巾0.43mm)を4ホール有した口金の外側環状部より下方に紡出した(成形工程)。この紡出した中空糸を、口金の下面から冷却装置(チムニー)上端までの距離Hが150mmとなるように冷却装置へ導き、25℃、風速0.5m/秒の冷却風によって冷却しながら、ドラフト比が200となるようにワインダーで巻き取った(共連続構造形成工程)。こうして得られた中空糸(樹脂組成物)の物性を表2に示した。
50%エタノール水溶液に得られた樹脂組成物を12時間浸漬することで、構造形成剤を溶出して空隙を形成するとともに親水化を施した。エタノール処理を経た中空糸を「分離膜」として、物性を測定した。結果を表2に示した。
溶融紡糸用樹脂組成物の組成、製造条件をそれぞれ表2のように変更した以外は、実施例2と同様にして中空糸(樹脂組成物)および分離膜を得た。得られた中空糸および分離膜の物性を表2に示した。
比較例1の分離膜においては、多孔体ではあったものの、共連続構造は確認されず、膜透過流束は0であり、曲路率は算出できなかった。比較例2については、空隙の幅が1nm以上80nm以下の範囲に有り共連続構造を有していたものの、曲路率が6を超えており、膜透過流束は0.7未満であった。比較例3については、空隙の幅が80nm以上100nm以下の範囲に有り共連続構造を有していたものの、曲路率が6を超えており、膜透過流束は1.0未満であった。曲路率が低い膜は、同程度の空隙の幅および膜厚みを持つ膜と比べて高い透水性能を有する事が示された。
本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更及び変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、2017年3月30日出願の日本特許出願(特願2017-67096)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (8)
- セルロースエステルまたはポリアミドを含有する分離膜であって、
前記分離膜は、下記の算出方法1により算出される1nm以上1000nm以下の幅を有する空隙を備え、
前記空隙は、下記の式(4)により算出される曲路率が1.0以上6.0以下であり、
50kPa、25℃における膜透過流束が0.05m 3 /m 2 /h以上20m 3 /m 2 /h以下である、
分離膜。
(算出方法1)
前処理(TEM):分離膜の長手方向に垂直な方向に超薄切片を切り出す。
前処理(SEM):溶出工程を実施して得られた分離膜を液体窒素で凍結した後、分離膜の長手方向に垂直な方向の断面が出るように、応力を加えることにより割断し、白金でスパッタリングを行う。
観察:TEM又はSEMを用いて倍率10,000以上100,000以下で分離膜の長手方向に垂直な方向の断面を観察し、1視野の画像を得る。なお、空隙がSEMで観察できない微小な幅を有する場合にTEMにより観察を行う。得られる画像から正方形の画像を切り出し、フーリエ変換した後、波数を横軸に強度を縦軸にグラフをプロットする。極大ピークの波数から周期を算出し、この周期をその視野の空隙の幅とする。極大ピークが得られなかった場合は観察倍率を適宜調節して再度観察し、空隙の幅の算出を行う。得られる空隙の幅と、上記正方形の画像の一辺が式(2)の関係を満たさなかった場合は、上記正方形の大きさを変えて空隙の幅を算出し、式(2)の関係を満たすよう調節する。なお、観察箇所は両表面の近傍を含み、膜厚方向に等間隔となるよう10箇所として各観察箇所で空隙の幅を算出する。このうち最も空隙の幅が小さくなった観察箇所の数値を空隙の幅として採用する。
空隙の幅×10≦正方形の一辺≦空隙の幅×100・・・式(2)
(式(4))
曲路率=V P /S BET ×√(ε/2k)・・・式(4)
ここで、V P :細孔比容積(m 3 /g)、S BET :比表面積(m 2 /g)、ε:空隙率(-)、k:透過係数(m 2 )である。
VP/S BET は、BET吸着法によりV P 及びS BET を測定することで算出する。
空隙率εは次の式(5)で算出する。
ε=1-w/((R o 2 -R i 2 )×π×l×ρ)・・・式(5)
ここで、w:乾燥重量(g)、R o 中空糸膜の外径(m)、R i 中空糸膜の内径(m)、π:円周率、l:膜長さ(m)、ρ:熱可塑性樹脂の密度(g/m 3 )、である。
なお、kは次の式(6)から算出する。
k=(Q×R i ×π・l×μ×ln(R o /R i ))/(2π×l×P)・・・(6)
ここで、Q:膜透過流束(m 3 /m 2 /s)、μ:水の粘度(Pa・s)、R o :中空糸膜の外径(m)、R i :中空糸膜の内径(m)、π:円周率、l:膜長さ(m)、P(Pa):印可圧力、である。 - 前記セルロースエステルまたはポリアミドを含有する相と前記空隙とからなる共連続構造を備える、請求項1に記載の分離膜。
- 前記分離膜の前記空隙の幅の10倍以上100倍以下の長さを一辺とする正方形の視野で撮影された顕微鏡画像をフーリエ変換して得られる、横軸が波数、縦軸が強度からなるグラフの曲線において、ピーク半値幅(a)、ピークの極大波数(b)とするとき、0<(a)/(b)≦1.5となる領域を含む、請求項1又は2に記載の分離膜。
- 前記分離膜の厚みが1μm以上1000μm以下である請求項1~3のいずれか一項に記載の分離膜。
- 前記分離膜が中空糸形状である、請求項1~4のいずれか一項に記載の分離膜。
- 前記中空糸形状の外径が100μm以上5000μm以下である、請求項5に記載の分離膜。
- 前記セルロースエステルが、セルロースアセテートプロピオネート及び/又はセルロースアセテートブチレートである、請求項1~6のいずれか一項に記載の分離膜。
- 前記ポリアミドが、ナイロン6及び/又はナイロン66である、請求項1~6のいずれか一項に記載の分離膜。
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