JPS6321521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、芳香族ポリイミド微多孔質膜に、
イソペンタン溶媒と可溶性シリコン系樹脂とから
なる溶液を塗布し、乾燥することによつて、耐熱
性の複合分離膜を製造する方法に係る。 この発明の方法で製造されるポリイミド微多孔
質膜を有する複合分離膜は、優れた耐熱性と機械
的強度とを有し、そのガス透過性能、ガス分離性
能が、前記ポリイミド微多孔質膜上に形成された
シリコン系樹脂の薄層によつて、改良されている
のである。 従来、耐熱性で高性能の分離膜であるポリイミ
ド分離膜の製造法として種々提案されており、例
えば、特開昭49―45152号公報には、製膜用のド
ープ液として芳香族ポリアミツク酸の均一な溶液
を使用して、そのドープ液の薄膜を形成し、製膜
用の凝固液として低級脂肪族カルボン酸と第３級
アミンとから本質的になるイミド環化組成物を含
有する混合溶液を使用して、前記ポリアミツク酸
溶液（ドープ液）の薄膜を湿式製膜法で凝固する
と共にポリマーをイミド環化して、ポリイミド非
対称性膜を製造する方法が記載されており、代表
的なポリイミド分離膜の製造法としてよく知られ
ている。 しかしながら、前述の公知の製膜方法では、製
膜を凝固液との接触による湿式製膜法で行い、凝
固とイミド環化とを同時に凝固液中で行うために
それらのコントロールが難しく安定したガス分離
性能を有するポリイミド分離膜を再現性よく製造
することが極めて困難であり、したがつて、ガス
成分の分離性能が不安定でバラツキが大きく、ガ
ス成分の透過速度が充分に速くない非対称性膜と
なつてしまうことが、しばしば起るという問題が
あつた。 この発明者らは、前述のような欠点のない耐熱
性の分離膜の新規な製造法について鋭意研究した
結果、予め製造されている芳香族ポリイミド微多
孔質膜の表面に、シリコン系樹脂の溶液を、塗布
し、その塗布層を乾燥し溶媒を徐々に除去するこ
とによつて、高性能の耐熱性の複合分離膜を安定
的に製造できることを見出し、この発明を完成し
た。 すなわち、この発明は、芳香族ポリイミド微多
孔質膜に、 イソペンタン溶媒100重量部および可溶性シリ
コン系樹脂1.0〜10重量部からなるシリコン樹脂
溶液を、塗布し、 その塗布層を乾燥し溶媒を徐々に除去すること
を特徴とする複合分離膜の製造法に関する。 この発明の方法は、芳香族ポリイミド微多孔質
膜に、シリコン系樹脂のイソペンタン溶媒の溶液
を塗布し、その塗布層を乾燥して、ポリイミド微
多孔質膜の表面に、シリコン系樹脂の均質層（緻
密層）の薄い層を形成するという単純な工程で耐
熱性の複合分離膜を製造するので、高性能の複合
分離膜を再現性よく安定的に製造できる新規な方
法である。 また、この発明の法によつて製造される複合分
離膜は、芳香族ポリイミドの微多孔質膜と、シリ
コン系樹脂からなる均質層（緻密層）とで一体に
形成されているので、優れた耐熱性と機械的強度
とを有しており、しかも、出発原料である芳香族
ポリイミド微多孔質膜と比較して、ガス分離性能
が著しく改善されるのであつて、例えば、水素と
一酸化炭素との分離性能（水素と一酸化炭素との
透過度PH₂／Pco）が、前記微多孔質膜の分離性
能（PH₂／Pco）の３倍以上、特に４〜20倍程度
であつて、ガスの透過性能も大きいのである。 以下、この発明について、さらに詳しく説明す
る。 この発明の方法で使用する芳香族ポリイミド微
多孔質膜は、 一般式

【式】 （ただし、Ｒは芳香族テトラカルボン酸成分に係
る芳香族残基であり、R′は芳香族ジアミン成分
に係る芳香族残基である）で示される反復単位か
ら実質的になる芳香族ポリイミドで形成されてい
る微多孔質膜であり、後述するガス透過テストに
おいて、例えば、水素ガスの透過度（PH₂）が、
約１×10^-6〜５×10^-1cm³／cm²・sec・cmHg、好ま
しくは５×10^-5〜１×10^-1cm³／cm²・sec・cmHg程
度であつて、水素と一酸化炭素との透過度Ｐの比
（PH₂／Pco）が、２〜30、好ましくは３〜25程
度であればよい。 前記の芳香族ポリイミド微多孔質膜は、芳香族
テトラカルボン酸成分と芳香族ジアミン成分とを
重合して得られる芳香族ポリアミツク酸あるいは
可溶性芳香族ポリイミドを、有機極性溶媒に均一
に溶解した溶液をドープ液として使用して、乾式
製膜法あるいは湿式製膜法によつて、製造するこ
とができる。 例えば、芳香族ポリイミド微多孔質膜の製造方
法としては、大略、芳香族テトラカルボン酸成分
と芳香族ジアミン成分とから重合反応で得られた
ポリアミツク酸、あるいは可溶性ポリイミドが、
各ポリマーを溶解しうる有機極性溶媒とその各ポ
リマーを溶解しない有機溶媒との特定の混合溶媒
に、適当なポリマー濃度で均一に溶解しているポ
リマー組成物を、製膜用のドープ液として使用し
て、そのドープ液の薄膜（平膜状、中空糸状）を
形成し、加熱乾燥のみによる乾式法で、必要であ
ればイミド環化を行い、ポリイミド微多孔質膜を
製造する方法を、好適に挙げることができる。 また、芳香族ポリイミド微多孔質膜の製造方法
としては、芳香族テトラカルボン酸成分と芳香族
ジアミン成分とを、有機極性溶媒中で重合して得
られる芳香族ポリアミツク酸または可溶性芳香族
ポリイミドの均一な溶液を製膜用のドープ液とし
て使用して、そのドープ液の薄膜（平膜状、中空
糸状）を形成し、特定の水、低級アルコール系の
凝固液を使用する湿式法で、ポリアミツク酸また
は可溶性ポリイミドの凝固膜を形成し、必要であ
れば、前記凝固と同時にイミド化剤でイミド環化
するか、または、凝固したポリアミツク酸の凝固
膜を高温に加熱してイミド環化したりして、微多
孔質膜を製造する方法を挙げることができる。 前記一般式（）を構成することになる芳香族
残基Ｒに係る芳香族テトラカルボン酸成分とし
て、例えば、３，3′，４，4′―ビフエニルテトラ
カルボン酸、２，３，3′，4′―ビフエニルテトラ
カルボン酸、３，3′，４，4′―ベンゾフエノンテ
トラカルボン酸、２，２―ビス（３，４―ジカル
ボキシフエニル）プロパン、ビス（３，４―ジカ
ルボキシフエニル）メタン、ビス（３，４―ジカ
ルボキシフエニル）エーテル、ビス（３，４―ジ
カルボキシフエニル）チオエーテル、ピロメリツ
ト酸、あるいはそれらの酸無水物、塩またはエス
テル化誘導体を挙げることができる。 前記一般式（）を構成することになる芳香族
残基R′に係る芳香族ジアミン成分としては、例
えば、４，4′―ジアミノジフエニルエーテル、
３，3′―ジメトキシ―４，4′―ジアミノジフエニ
ルエーテル、３，3′―ジメチル―４，4′―ジアミ
ノジフエニルエーテル、３，3′―ジアミノジフエ
ニルエーテル、３，4′―ジアミノジフエニルエー
テルなどのジフエニルエーテル系ジアミン、４，
4′―ジアミノジフエニルチオエーテル、３，3′―
ジメチル―４，4′―ジアミノジフエニルチオエー
テル、３，3′―ジアミノジフエニルチオエーテル
などのジフエニルチオエーテル系ジアミン、４，
4′―ジアミノベンゾフエノン、３，3′―ジメチル
―４，4′―ジアミノベンゾフエノン、３，3′―ジ
アミノベンゾジフエノンなどのベンゾフエノン系
ジアミン、４，4′―ジアミノジフエニルメタン、
３，3′―ジメトキシ―４，4′―ジアミノジフエニ
ルメタン、３，3′―ジアミノジフエニルメタンな
どのジフエニルメタン系ジアミン、２，２―ビス
（４―アミノフエニル）プロパン、２，２―ビス
（３―アミノフエニル）プロパンなどのビスフエ
ニルプロパン系ジアミン、４，4′―ジアミノジフ
エニルスルホン、３，3′―ジアミノジフエニルス
ルホンなどのジフエニルスルホン系ジアミン、
３，3′―ジメチルベンチジン、３，3′―ジメトキ
シベンチジン、３，3′―ジアミノビフエニルなど
のビフエニル系ジアミン、またはｍ―，ｐ―，ｏ
―フエニルジアミンなどを挙げることができる。 前述の芳香族ポリイミド微多孔質膜の製造法に
おいて、芳香族テトラカルボン酸成分として、ビ
フエニルテトラカルボン酸、またはその無水物、
あるいはベンゾフエノンテトラカルボン酸、また
はその酸無水物を使用し、芳香族ジアミン成分と
して、２個のベンゼン核を有するジアミン化合物
を使用して、両成分を略等モル重合して得られた
芳香族ポリイミドは、フエノール系溶媒、例え
ば、フエノール、クレゾール、キシレノール、ハ
ロゲン化フエノール、ハロゲン化クレゾールなど
に溶解するので、これらの可溶性ポリイミドの溶
液を製膜用ドープ液として使用し、その薄膜を凝
固液で凝固して多孔質膜を製造できるし、あるい
は、その可溶性ポリイミドを、前記フエノール系
溶媒とポリイミド不溶性の芳香族系溶媒との混合
溶媒に溶解したポリイミド溶液を製膜用のドープ
液として使用して、微多孔質膜を乾式法で製造す
ることができる。 また、通常、有機極性溶媒に実質的に溶解する
ことがない不溶性芳香族ポリイミドでは、その芳
香族ポリイミドの前駆体であるポリアミツク酸
を、適当な有機極性溶媒に均一に溶解して得られ
るポリアミツク酸の溶液を製膜用のドープ液とし
て使用して、微多孔質膜を製造することができ
る。 前記芳香族ポリイミド微多孔質膜は、充分に使
用に耐える機械的強度を示すような薄膜であれば
どのような膜厚のものであつてもよいが、特に、
２〜500μ、さらに好ましくは５〜300μ程度であ
ることが好ましい。 この発明の方法において、芳香族ポリイミド微
多孔質膜に塗布するシリコン樹脂溶液は、イソペ
ンタン化水素溶媒100重量部、および可溶性シリ
コン系樹脂1.0〜10重量部、好ましくは1.5〜10重
量部からなるシリコン系樹脂溶液である。 前記シリコン系樹脂は、使用されるイソペンタ
ン水素溶媒に均一に1.0〜12重量％の濃度で溶解
しうるものであればどのような種類のものであつ
てもよい。 そのシリコン系樹脂としては、シリコーンゴム
と呼ばれる最終的に橋かけ結合を有するようなシ
リコーンを好適に挙げることができる。 この発明では、前記のシリコン系樹脂を1.0〜
10重量％程度溶解しうる溶解性を有するものであ
つて、しかも融点が80℃以下であると共に、沸点
が200℃以下である「イソペンタン溶媒」を使用
するのである。 この発明では、ｎ―ペンタン、ｎ―ヘキサン、
ｎ―ヘプタン、ｎ―オクタン、ｎ―デカンなどの
飽和炭化水素溶媒、あるいは、シクロヘキサン、
シクロペンタン、デカリンなどの環式飽和炭化水
素などに対して最も優れている「イソペンタン溶
媒」を使用することに特徴がある。 この発明の方法において、前記シリコン系樹脂
溶液は、樹脂の濃度が余り小さくなり過ぎると、
芳香族ポリイミド微多孔質膜の表面に、全面的に
安定したシリコン樹脂均質層を形成することがで
きなくなり、最終的に、得られる複合分離膜のガ
ス分離性能が改善されないので適当ではなく、一
方、樹脂の濃度が余りに大きくなり過ぎると、シ
リコン樹脂均質層が厚くなつてしまい、最終的に
得られる複合分離膜が、ガス透過性能の悪化した
ものとなるので適当ではない。 前記のシリコン系樹脂溶液は、常温で余り粘稠
でないものが好ましく、その回転粘度（25℃）が
１〜50万センチポイズ、特に５〜１万センチポイ
ズ程度であればよい。 この発明では、芳香族ポリイミド微多孔質膜の
表面に、シリコン樹脂溶液を塗布する温度は、前
記溶液の溶媒が蒸発して急速になくなつてしまわ
ない温度であつて、溶液が一部固化したり、その
樹脂成分が異常に析出しない温度であればよく、
例えば０〜100℃、特に５±80℃程度であればよ
い。 前記シリコン樹脂溶液を微多孔質膜に塗布する
方法は、種々の方法で塗布することができるが、
例えば、微多孔質膜の表面に前記溶液を流延して
均一な厚さで塗布する方法、微多孔質膜の表面に
低い粘度の前記溶液をスプレー（噴霧）して塗布
する方法、微多孔質膜を前記溶液で濡らされたロ
ールと接触させて塗布する方法、さらに微多孔質
膜を溶液中に浸漬して塗布する方法などを挙げる
ことができる。 前述のようにして微多孔質膜の表面に塗布され
た溶液の塗布層は、厚さが、約0.1〜200μ、特に
１〜100μ、さらに好ましくは２〜80μ程度である
ことが好ましい。 なお、前述のようなシリコン樹脂溶液の塗布に
先立つて、芳香族ポリイミド微多孔質膜を、脂肪
族炭化水素、脂環族炭化水素などの溶媒に、浸漬
させて、膜の表面についてのみその溶媒を何らか
の方法で除去し、それらの溶媒を膜の微小孔の内
部に含浸させた後、微多孔質膜に前述の塗布操作
を行うと、シリコン樹脂の溶液が微多孔質の表面
層にだけ薄く塗布できるので好適である。 この発明の方法においては、前述のようにして
芳香族ポリイミド微多孔質膜に、シリコン樹脂溶
液を塗布し、その塗布層を乾燥し溶媒を徐々に除
去することを行つて、耐熱性の複合分離膜を製造
するのである。 その塗布層の乾燥は、10〜300℃、特に、20〜
250℃の常温、加温または加熱下で、不活性気体
の流通下に行うことが好適であり、さらにその常
温、加温または加熱下での乾燥を減圧状態で行つ
てもよい。その塗布層の乾燥によつて溶媒を完全
に除去してしまう必要はなく、溶媒の一部（微
量）の残留があつても塗布層が凝固または固化し
てガス分離膜として使用できる状態であればよ
い。 この発明において塗布層の乾燥によつて溶媒を
徐々に除去するためには、乾燥を低温から高温へ
と段階的に加熱して行うことが好ましく、例え
ば、10〜60℃、特に15〜50℃程度の温度で不活性
気体（例えば、乾燥空気、乾燥窒素ガスなど）の
流通下に、0.1〜50時間、特に0.5〜30時間、風乾
を行い、次いで80〜150℃、特に85〜140℃の温度
で0.1〜10時間、特に0.2〜５時間、加熱乾燥し、
さらに必要であれば、より高温に加熱したり、減
圧下に乾燥して、急激に溶媒を蒸発させないよう
に乾燥することが好ましい。この発明の方法で
は、塗布層の乾燥を、上述以上にさらに多段階で
昇温しながら乾燥することができる。 この発明の方法によつて製造されるポリイミド
系の複合分離膜は、芳香族ポリイミド微多孔質膜
（厚さ２〜500μ、特に５〜30μ）と、シリコン樹
脂均質層（厚さ5μ以下、特に1μ以下）とが一体
に接合された状態にある複合分離膜であり、芳香
族ポリイミドとシリコン樹脂という耐熱性の素材
で構成されているので、ガス分離に用いる際の使
用温度がかなり高い温度であつてもよい。 この発明の方法で製造される複合分離膜は、ガ
ス透過テストにおいて、優れたガス透過速度とガ
ス分離性能とを同時に有しており、例えば、水素
ガス透過度（PH₂）が、５×10^-6cm³／cm²・sec・
cmHg以上であつて、水素と一酸化炭素との分離
性能（PH₂／Pco）が20以上、特に25〜100程度
である複合分離膜である。 以下、次に参考例、実施例、比較例を示す。 実施例などにおいて、ガス透過テストは、面積
14.65cmのステンレス製セルに分離膜を設置し、
水素、一酸化炭素を各々0.5〜１Kg／cmに加圧し
て、分離膜を透過して来るガス量を流量計で測定
して行つた。 各ガスの透過度は、次の式で算出した。 透過度Ｐ＝ガス透過量（STP）／膜面積×透過時間×
圧力差 （cm³／cm²・sec・cmHg） なお、複合分離膜などの分離性能は、水素ガス
の透過度と一酸化炭素の透過度との比（PH₂／
Pco）で示す。 参考例 １ ３，3′，４，4′―ビフエニルテトラカルボン酸
二無水物（BPDA）40mmol、４，4′―ジアミノ
ジフエニルエーテル（DADE）40mmolおよびパ
ラクロルフエノール165gを、撹拌機と窒素ガス
導入管とが付設されたセパラブルフラスコに入れ
て、窒素ガスを流通しながら、反応液を常温から
180℃まで約50分間で昇温し、さらにその反応液
を180℃に８時間保持して、重合およびイミド環
化して１段階で粘稠なポリイミド溶液を得た。 そのポリイミド溶液は、ポリマー濃度が10重量
％であり、ポリマーのイミド化率が95％以上であ
り。さらにポリマーの対数粘度（50℃、0.5g／
100mlパラクロルフエノール）が2.2であつた。 前述のように製造したポリイミド溶液を、ガラ
ス板上に80℃で流延し厚さ0.2mmの液状の薄膜を
形成し、直ちにその液状の薄膜を０℃のメタノー
ル50容量部と水50容量部とからなる凝固液に約20
時間浸漬し、凝固させて凝固膜を形成し、その凝
固膜を凝固液から取出し、その凝固膜をエタノー
ル中に25℃で20時間浸漬し、さらにその凝固膜を
ｎ―ヘキサン中に25℃で20時間浸漬した後、空気
流通下、30℃で１時間風乾燥し、次いで100℃で
１時間乾燥し、さらに200℃で３時間加熱処理し
て、ポリイミド多孔質膜を得た。 そのポリイミド多孔質膜は、膜層が約40μであ
り、25℃におけるガス透過テストの結果について
は第１表に示す。 実施例１および比較例１〜４ 参考例１で得られた芳香族ポリイミド多孔質膜
を、シリコン樹脂（ダウ・コーニング社製、商品
名：シルガード184）が２重量％で第１表に示す
溶媒に溶解しているシリコン樹脂溶液中に、常温
（約25℃）で20分間浸漬し、前記多孔質膜に溶液
が塗布された状態の多孔質膜を取り出し、直ち
に、空気流通下に、30℃で１時間、風乾して、複
合分離膜を製造した。 その複合分離膜について、25℃でガス透過テス
トを行つた結果を第１表に示す。 比較例 ５〜10 シリコン樹脂溶液の溶媒を第１表に示す溶媒に
かえたほかは、実施例１と同様にして、複合分離
膜を製造した。 その複合分離膜のガス透過テストの結果を、第
１表に示す。 参考例 ２ 凝固液として、エタノール50容量部と水50容量
部とからなる凝固液を使用したほかは、参考例１
と同様にして、ポリイミド多孔質膜を製造した。
その多孔質膜は、厚さが約40μであり、その多孔
質膜のガス透過テストの結果を第２表に示す。 実施例 ２〜３ 参考例２で得られたポリイミド多孔質膜を使用
し、シリコン樹脂溶液として第２表に示す溶液を
使用したほかは、実施例１と同様にして、複合分
離膜を製造した。そのガス透過テストの結果を第
２表に示す。 （注）シリコンSH―200は、トーレ・シリコー
ン社製のシリコンオイルである。 参考例 ３ 芳香族ジアミン成分として、４，4′―ジアミノ
ジフエニルエーテル（DADE）32mmolと、３，
５―ジアミノ安息香酸（DABA）8mmolとの混
合物を使用したほかは参考例１と同様にしてポリ
イミドを製造し、また、製膜の際に、流延された
薄膜を流延直後から３分間風乾を行つて、次の凝
固操作をエタノール75容量部と水25容量部との凝
固液を使つて行つたほかは、参考例１と同様にし
て、ポリイミド多孔質膜を製造した。その多孔質
膜は、約45μであり、その多孔質膜のガス透過テ
ストの結果は第３表に示す。 実施例４および比較例11 参考例３で製造したポリイミド多孔質膜を使用
したほかは、実施例１または比較例２と同様にし
て、複合分離膜を製造した。その複合分離膜のガ
ス透過テストの結果を第３表に示す。 比較例 12〜13 参考例３で製造したポリイミド多孔質膜を使用
したほかは、比較例５または比較例７と同様にし
て、複合分離膜を製造した。その複合分離膜のガ
ス透過テストの結果を第３表に示す。 参考例 ４ 製膜の際に、流延された薄膜をまつたく乾燥す
る時間なしで、直ちに凝固液に浸漬し、凝固液と
して、メタノール40容量部と水60容量部とからな
る凝固液を使用したほかは、参考例３と同様にし
てポリイミド多孔質膜を製造した。その多孔質膜
のガス透過テストの結果を第４表に示す。 比較例14および実施例５〜８ 参考例４で製造されたポリイミド多孔質膜を使
用し、シリコン樹脂容液の樹脂濃度を第４表に示
すように変えたほかは、実施例１と同様にして、
複合分離膜を製造した。その複合分離膜のガス透
過テストの結果を、第４表に示す。 参考例 ５ 凝固液としてエタノール50容量部と水50容量部
との混合液を使用したほかは参考例３と同様にし
てポリイミド多孔質膜を製造した。その多孔質膜
は約50μであり、その多孔質膜のガス透過テスト
の結果を第５表に示す。 実施例 ９〜10 参考例５で得られたポリイミド多孔質膜を使用
し、シリコン樹脂溶液として第５表に示す溶液
（シリコン樹脂濃度；５重量％）を使用したほか
は、実施例１と同様にして、複合分離膜を製造し
た。その複合分離膜のガス透過テスト結果を第５
表に示す。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 芳香族ポリイミド微多孔質膜に、 イソペンタン溶媒100重量部および可溶性シリ
   コン系樹脂1.0〜10重量部からなるシリコン樹脂
   溶液を、塗布し、 その塗布層を乾燥し溶媒を徐々に除去すること
   を特徴とする複合分離膜の製造法。