JP7381228B2 - ワニス組成物、ワニス組成物の製造方法、ポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法、ポリイミド多孔質膜の前駆膜、及びポリイミド多孔質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、ワニスが水と微粒子とを含む場合、ポリアミック酸と、水を含む溶媒とのなじみの悪さや、ポリアミック酸及び微粒子を含むことによってポリアミック酸同士の配向が阻害され膜強度が落ちるおそれ等に起因して、微粒子を抱き込んだポリアミック酸の塊状物を含む、塗布膜を形成できない不均一な組成の混合物が形成されやすい問題がある。
溶媒(S)が、有機溶媒(S-I)、及び水(S-II)を含み、
溶媒(S)の質量に対する、水(S-II)の質量の比率が50質量%未満である、ワニス組成物である。
前述のポリアミック酸含有液と、前述の微粒子分散液とを混合して混合液を得た後に、混合液に塩基性化合物(C)を加える、第1の態様にかかるポリイミド多孔質膜形成用のワニス組成物の製造方法である。
塗布膜から溶媒(S)を除き、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を形成する、前駆膜形成工程とを含む、ポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法である。
JIS B7721の0.5級に従って測定される伸度が、0.5%以上である、ポリイミド多孔質膜の前駆膜である。
ワニス組成物は、ポリアミック酸(A)と、有機微粒子(B)と、塩基性化合物(C)と、有機溶媒(S-I)及び水(S-II)を含む溶媒(S)とを混合して得られる組成物である。ワニス組成物が有機微粒子(B)を含むため、ワニス組成物を用いて形成した塗布膜から溶媒(S)を除去することにより、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を形成することができる。かかる前駆膜に含まれるポリアミック酸(A)のイミド化と、前駆膜からの有機微粒子(B)の除去とを行うことにより、主にポリイミド樹脂からなるポリイミド多孔質膜が得られる。
このため、ワニス組成物は、ポリイミド多孔質膜の形成に用いられる。
しかし、ポリアミック酸(A)、有機微粒子(B)、及び溶媒(S)とともに塩基性化合物(C)を混合することにより、水(S-II)を含む溶媒(S)中に、ポリアミック酸(A)、及び有機微粒子(B)が均一に溶解又は分散したワニス組成物を調製できる。
他方、ワニス組成物が、溶媒(S)として水(S-II)を例えば、ワニス組成物の質量に対して30質量%以下含む場合、場合、ワニス組成物中でのポリアミック酸の溶解又は分散の安定性が良好である。ワニス組成物の質量に対する水(S-II)の含有量は、好ましくは、25質量%以下であり、より好ましくは20質量%以下である。
ポリアミック酸(A)としては、任意のテトラカルボン酸二無水物とジアミンとを重合して得られる生成物が、特に限定されることなく使用できる。テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの使用量は特に限定されないが、テトラカルボン酸二無水物1モルに対して、ジアミンを0.50モル以上1.50モル以下用いるのが好ましく、0.60モル以上1.30モル以下用いるのがより好ましく、0.70モル以上1.20モル以下用いるのが特に好ましい。
これらの溶剤は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。溶剤の使用量に特に制限はないが、生成するポリアミック酸(A)の含有量が5質量%以上50質量%以下とするのが望ましい。
ポリアミック酸(A)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ワニス組成物の粘度は、所望する膜厚の塗布膜を形成できる限り特に限定されない。例えば、ワニス組成物の粘度は、300cP以上20000cP以下が好ましく、1000cP以上15000cP以下がより好ましく、1500cP以上12000cP以下がさらに好ましい。ワニス組成物の粘度がこの範囲内であれば、均一な成膜が容易である。
また、ワニス組成物を用いてポリイミド-微粒子複合膜を形成した場合に、複合膜における有機微粒子(B)/ポリイミドの体積比率が1.5~5.0となるように、有機微粒子(B)及びポリアミック酸を含むのが好ましい。前述の体積比率は、1.8~4.5がさらに好ましい。有機微粒子(B)/ポリイミドの質量比又は体積比が下限値以上であれば、適切な密度の孔を形成しやすい。有機微粒子(B)/ポリイミドの質量比又は体積比が上限値以下であれば、ワニス組成物の粘度の増加や膜中のひび割れ等の問題を生じることなく安定的に成膜することができる。
有機微粒子(B)の材質は、ワニス組成物に含まれる溶媒(S)に不溶で、後にポリイミド多孔質膜の前駆膜から除去可能な材質であれば、特に限定されることなく公知の材質を採用可能である。
なお、ポリイミド多孔質膜内に形成される、微粒子に由来する孔部のサイズは、微粒子の平均粒子径と同一であるか近い。このため、ポリイミド多孔質膜をフィルターとして用いる場合の流体の透過性等の点から、微粒子の平均粒子径は、5nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましい。
これらの条件を満たすことで、有機微粒子(B)を取り除いて得られるポリイミド多孔質膜の孔径を揃えることができるため、特にポリイミド多孔質膜をセパレータとして使用した場合に、印加される電界を均一化でき好ましい。
架橋性モノマーは、ポリマーに架橋を導入可能な多官能モノマーであれば特に限定されない。樹脂微粒子を構成するポリマーが、例えば、ポリスチレンや(メタ)アクリル系樹脂である場合、架橋性モノマーとしてはトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート等のアクリル系多官能性モノマーやジビニルベンゼン等が挙げられる。
塩基性化合物(C)としては、一般に塩基性化合物として認識されているい化合物であって、その使用により所望する効果が得られる化合物であれば特に限定されない。
塩基性化合物(C)としては、典型的には、水中において7.5以上のpKa値を示す化合物が好ましい。複数のpKaを示す化合物において、全てのpKa値が7.5以上である必要はなく、全てのpKa値が7.5以上であるのが好ましい。
pKaの値は、ケミカル・アブストラクト等のデータベースに基づいた検索サービスとして知られるSciFinder(登録商標)によって容易に検索することができる。ここでは、Advanced Chemistry Development(ACD/Labs)Software V11.02(Copyright 1994-2011 ACD/Labs)によって算出されたpKa値を採用した。
含窒素塩基性有機化合物として、第1級窒素原子、第2級窒素原子、又は第3級窒素原子を少なくとも1つ含む化合物が好ましい。含窒素塩基性有機化合物は、本発明の目的を阻害しない範囲で、O、S、P、Si、ハロゲン原子等のヘテロ原子を有していいてもよい。
塩基性無機化合物の具体例としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、シュウ酸ナトリウム、シュウ酸カリウム、酢酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム等を挙げることができる。
塩基性化合物(C)の使用量は、ポリアミック酸(A)の質量に対して1質量%以上が好ましく、3質量%以上がより好ましく、5質量%以上がさらに好ましい。塩基性化合物(C)の使用量の上限は、本発明の目的を阻害しない範囲で特に限定されない。ワニス組成物の調製が容易である点で、塩基性化合物(C)の使用量の上限は、ポリアミック酸(A)の質量に対して30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、10質量%以下がさらに好ましい。
ワニス組成物は、溶媒(S)を含む。溶媒(S)は、有機溶媒(S-I)と、水(S-II)とを含む。溶媒(S)の質量に対する、水(S-II)の質量の比率は50質量%未満である。
溶媒(S)の質量に対する、水(S-II)の質量の比率の下限は、0質量%超でもよく、5質量%以上でもよく、10質量%以上でもよく、15質量%以上でもよく、20質量%以上でもよい。
で表される含窒素有機溶媒を含むのが好ましい。
このため、N,N,2-トリメチルプロピオンアミド、及びN,N,N’,N’-テトラメチルウレアから選択される少なくとも1種を含む溶媒(S)を含有するワニス組成物を用いると、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を形成する際の加熱において、前駆膜中に溶剤が残存しにくく、得られるポリイミド膜の引張伸度の低下等を招きにくい。
また、有機溶媒(S-I)として説明した上記の溶媒の中でも、ポリアミック酸と微粒子との分散性が良好な点で、NMPが好ましい。
ワニス組成物中の有機微粒子(B)を均一に分散させることを目的に、有機微粒子(B)とともにさらに分散剤を添加してもよい。分散剤を添加することにより、ポリアミック酸(A)と有機微粒子(B)とを一層均一に混合でき、さらには、成膜した膜中の有機微粒子(B)を均一に分布させることができる。その結果、最終的に得られるポリイミド多孔質膜の表面に稠密な開口を設け、且つ、表裏面を効率よく連通させることが可能となり、ポリイミド多孔質膜の透気度が向上する。さらに、分散剤を添加することにより、ワニス組成物の乾燥性が向上しやすくなり、また、形成されたポリイミド多孔質膜の前駆膜の基板等からの剥離性が向上しやすい。
ワニス組成物の製造方法は、前述の種々の成分を、それぞれ所定量混合することにより製造される。
ワニス組成物の製造方法として好ましい方法としては、
ポリアミック酸(A)及び有機溶媒(S-I)を含むポリアミック酸含有液と、有機微粒子(B)を含む微粒子分散液とを、塩基性化合物(C)の存在下に混合するか、又は、
前述のポリアミック酸含有液と、前述の微粒子分散液とを混合して混合液を得た後に、当該混合液に塩基性化合物(C)を加える、方法が挙げられる。
ポリアミック酸含有液は、水(S-II)を含んでいてもよい。また、ポリアミック酸含有液は、ポリアミック酸(A)、有機溶媒(S-I)、及び水(S-II)以外の任意成分を含んでいてもよい。
なお、ワニス組成物が水(S-II)を含むため、ポリアミック酸含有液と、微粒子分散液の少なくとも一方は水(S-II)を含む。
また、種々の分散装置を用いて、有機微粒子(B)を分散させながらワニス組成物を構成する各種材料を混合してもよい。
ポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法は、
前述のワニス組成物を基材上に塗布して塗布膜を形成する、塗布膜形成工程と、
塗布膜から溶媒(S)を除き、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を形成する、前駆膜形成工程とを含む。
前駆膜は、例えば、基材上に直接、又は基材上に形成された上記下層膜上に、前述のワニス組成物を塗布し塗布膜を形成した後、常圧又は真空下で0℃以上100℃以下、好ましくは常圧で10℃以上100℃以下で乾燥することにより、形成することができる。
基材としては、例えば、PETフィルム、SUS基板、ガラス基板等が挙げられる。
下層未焼成複合膜は、例えば、基材上に、上記下層膜形成用ワニスを塗布し、常圧又は真空下で0℃以上100℃以下、好ましくは常圧で10℃以上100℃以下で乾燥することにより、形成することができる。上層未焼成複合膜の成膜条件も同様である。
基材から前駆膜が剥離される場合、基材に、前駆膜を焼成する温度に耐えうる耐熱性が要求されない。
なお、ポリイミド多孔質膜の前駆膜は、伸びにくくもろい場合が多い。しかし、前述のワニス組成物からなる塗布膜を乾燥してなる前駆膜は、JIS B7721の0.5級に従って測定される伸度が、0.5%以上である。このため、前述のワニス組成物からなる塗布膜を乾燥してなる前駆膜は、破損することなく基材から容易に剥離可能である。
前駆膜の伸度は、1%以上が好ましく、2%以上がより好ましい。
上記の通り、前駆膜はある程度の伸びを示すため、ひび割れや破断を生じることなく前駆膜を巻き取ることが可能である。前駆膜をロール状に巻き取る場合、小型の焼成炉で、ロール状の前駆膜を焼成することが可能である。また、前駆膜を焼成するまでの、前駆膜の移送が容易であり、保管についても省スペース化を図れる。
さらに、前駆膜を焼成するプロセスについて、ロール・トゥ・ロールプロセスを適用可能であり、ポリイミド多孔質膜の効率的な製造が可能である。
ポリイミド多孔質膜の製造方法は、前述のポリイミド多孔質膜の前駆膜から、有機微粒子(B)を除去する除去工程を含む、方法である。当該除去工程において、有機微粒子(B)の除去は、ポリアミック酸(A)をイミド化させつつ行われてもよく、ポリアミック酸(A)をイミド化させた後に行われてもよい。
以下、焼成について説明する。
テトラカルボン酸二無水物成分としての3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)と、ジアミン成分としてのp-フェニレンジアミン(PPD)又はm-フェニレンジアミン(MPD)とを、N,N,N’,N’-テトラメチルウレア中で反応させて、濃度20質量%でポリアミック酸を含むポリアミック酸溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液25.7質量部と、体積粒子径が420nmである架橋型ポリスチレン微粒子を濃度40質量%で含む微粒子分散液30質量部とを混合した後、得られた混合液にトリエチルアミン(TEA)2質量部を加えて、乳濁した均一な組成のワニス組成物を得た。
得られたワニス組成物を、ポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布して、塗布膜を形成した。塗布膜を、80℃で6分間乾燥させて、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を得た。得られた前駆膜について、膜厚の測定と、JIS B7721の0.5級に従った伸度、及び引張強度の評価を行った。これらの評価結果を表1に記す。また、得られたワニス組成物を用いることにより、下記の方法でポリイミド多孔質膜を問題なく形成できた。
ワニス組成物を、ポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布して、塗布膜を形成した。塗布膜を、70℃で10分間乾燥させて、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を得た。得られた前駆膜を、ポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離させた後、前駆膜を焼成炉内で420℃で2分間焼成して、ポリスチレン微粒子を熱分解させながらポリアミック酸のイミド化を行い、ポリイミド多孔質膜を得た。
テトラカルボン酸二無水物成分としての3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)と、ジアミン成分としての4,4’-ジアミノジフェニルアミド(DABAN)とを、N,N,N’,N’-テトラメチルウレア中で反応させて、濃度15質量%でポリアミック酸を含むポリアミック酸溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液34.3質量部と、体積粒子径が420nmである架橋型ポリスチレン微粒子を濃度40質量%で含む微粒子分散液30質量部とを混合した後、得られた混合液にN-メチルモルホリン(NMM)2質量部を加えて、乳濁した均一な組成のワニス組成物を得た。
得られたワニス組成物を、ポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布して、塗布膜を形成した。塗布膜を、80℃で6分間乾燥させて、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を得た。得られた前駆膜について、実施例1と同様に、膜厚、伸度、及び引張強度を評価した。これらの評価結果を表1に記す。なお、実施例3と実施例4とでは、塗布条件を調整して前駆膜の膜厚を相違させた。
実施例1におけるN,N,N’,N’-テトラメチルウレアをNMPに変更し、固形分濃度と溶媒組成比率を表1のように変更したほかは、実施例1と同様にして膜厚、伸度、及び引張強度を評価した。評価結果を表1に示す。
実施例1におけるN,N,N’,N’-テトラメチルウレアを水に変更し、PPDと、PPDのモル比1.95倍のTEAと、を混合したうえで水溶媒中でBPDAと反応させて、ポリアミック酸溶液を得た後に、微粒子と樹脂ポリアミック酸との体積比率が65:35である、比較ワニス組成物1(固形分濃度15質量%)を調製した。
比較例1における微粒子と樹脂ポリアミック酸との体積比率を78:22とし、固形分濃度を18質量%とした他は、比較例1と同様にして比較ワニス組成物2を得た。
塩基性化合物を添加しないことの他は、実施例1と同様にして比較例3のワニス組成物を調製し、実施例2と同様にして比較例4のワニス組成物を調製し、実施例3と同様にして比較例5のワニス組成物を調製した。その結果、比較例3~5のいずれにおいても、微粒子を含むポリアミック酸の塊状物が生成し、塗布可能な均一な組成のワニス組成物が得られなかった。
Claims (12)
- ポリアミック酸(A)と、有機微粒子(B)と、塩基性化合物(C)と、溶媒(S)とを混合して得られる、ポリイミド多孔質膜形成用のワニス組成物であって、
前記溶媒(S)が、有機溶媒(S-I)、及び水(S-II)を含み、
前記塩基性化合物(C)が含窒素塩基性化合物であり、
前記有機溶媒(S-I)が含窒素極性有機溶媒であり、かつ
前記溶媒(S)の質量に対する、水(S-II)の質量の比率が50質量%未満である、ワニス組成物。 - 前記塩基性化合物(C)の質量が、ポリアミック酸(A)の質量に対して、1質量%以上である、請求項1又は2に記載のポリイミド多孔質膜形成用のワニス組成物。
- 前記有機微粒子(B)が、架橋重合体からなる樹脂微粒子である、請求項1~3のいずれか1項に記載のポリイミド多孔質膜形成用のワニス組成物。
- 前記ポリアミック酸(A)及び前記有機溶媒(S-I)を含むポリアミック酸含有液と、前記有機微粒子(B)を含む微粒子分散液とを、前記塩基性化合物(C)の存在下に混合するか、又は、
前記ポリアミック酸含有液と、前記微粒子分散液とを混合して混合液を得た後に、前記混合液に前記塩基性化合物(C)を加える、請求項1~4のいずれか1項に記載のポリイミド多孔質膜形成用のワニス組成物の製造方法。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の前記ワニス組成物を基材上に塗布して塗布膜を形成する、塗布膜形成工程と、
前記塗布膜から前記溶媒(S)を除き、ポリイミド多孔質膜の前駆膜を形成する、前駆膜形成工程とを含む、ポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法。 - 前記前駆膜形成工程の後に、前記基材から前記前駆膜を剥離させる、剥離工程を含む、請求項6に記載のポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法。
- 前記剥離工程の後に、前記前駆膜をロール状に巻き取る、巻取工程を含む、請求項7に記載のポリイミド多孔質膜の前駆膜の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載のワニス組成物からなる塗布膜を乾燥してなる、ポリイミド多孔質膜の前駆膜であって、
JIS B7721の0.5級に従って測定される伸度が、1%以上である、ポリイミド多孔質膜の前駆膜。 - ロール形態である、請求項9に記載のポリイミド多孔質膜の前駆膜。
- 請求項9又は10に記載のポリイミド多孔質膜の前駆膜から、前記有機微粒子(B)を除去する除去工程を含む、ポリイミド多孔質膜の製造方法。
- 前記有機微粒子(B)が架橋重合体からなる樹脂微粒子であり、前記有機微粒子(B)の除去方法が焼成である、請求項11に記載のポリイミド多孔質膜の製造方法。
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