WO2011024908A1 - 気体分離膜 - Google Patents

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WO2011024908A1
WO2011024908A1 PCT/JP2010/064506 JP2010064506W WO2011024908A1 WO 2011024908 A1 WO2011024908 A1 WO 2011024908A1 JP 2010064506 W JP2010064506 W JP 2010064506W WO 2011024908 A1 WO2011024908 A1 WO 2011024908A1
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separation membrane
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film
polyamic acid
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智幸 鈴木
山田　保治
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イビデン株式会社
国立大学法人京都工芸繊維大学
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Definitions

  • the present invention relates to a gas separation membrane.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-99664
  • a cardo type polymer having a predetermined structural unit is molded into a predetermined separation membrane shape to form a separation membrane precursor, and this separation membrane precursor
  • a gas separation carbonized film obtained by heating and carbonizing in an anaerobic atmosphere has been proposed.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 there is a trade-off relationship between the separation coefficient of the two gases with respect to the gas permeability coefficient, and the existence of an upper limit region has been proposed (see Non-Patent Documents 1 and 2).
  • An object of the present invention is to provide a gas separation membrane having both high permeability and separation characteristics of carbon dioxide and methane (CH 4 ) at a high level that could not be achieved conventionally.
  • the gist of the present invention is a gas separation membrane obtained by heat-treating a membrane made of a multi-branched polyimide material in a non-oxidizing atmosphere.
  • the multi-branched polyimide material is an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an aromatic triamine, and an amino group or a carboxyl group at the terminal.
  • a multibranched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least part of a plurality of ends obtained by reacting with an alkoxy compound of silicon, magnesium, aluminum, zirconium or titanium or a derivative thereof having an imide It contains a multi-branched polyimide that has been liquefied.
  • the multi-branched polyimide material is a polymer blend of the multi-branched polyimide and a linear hydroxy polyimide.
  • the linear hydroxypolyimide is obtained by polymerizing aromatic tetracarboxylic dianhydride and 3,3'-dihydroxybenzidine.
  • the multi-branched polyimide-based material has a multi-branched polyimide phase having an imide structure generated by a reaction between an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic triamine; It includes an organic-inorganic polymer hybrid having an inorganic oxide phase, which are integrated by a covalent bond and exhibiting a composite structure.
  • the organic-inorganic polymer hybrid is an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an aromatic triamine, and an amino group or a carboxyl group at the terminal, silicon, magnesium,
  • a hyperbranched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least part of a plurality of ends obtained by reacting an alkoxy compound of aluminum, zirconium or titanium or a derivative thereof, and represented by the following formula (1)
  • a sol-gel reaction is carried out with at least one alkoxide in the presence of water, and the resulting reaction product is imidized.
  • R 1 m M (OR 2 ) n Formula (1)
  • R 1 , R 2 hydrocarbon group M: any atom of Si, Mg, Al, Zr or Ti m: 0 or positive integer n: positive integer m + n: valence of atom M
  • the multi-branched polyimide material is a polymer blend of the organic-inorganic polymer hybrid and a linear hydroxy polyimide.
  • a membrane made of a multi-branched polyimide-based material is obtained by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere. Free volume vacancies of a size effective for CO 2 / CH 4 separation are formed, so that CO 2 permeability and CO 2 / CH 4 separation characteristics are excellent.
  • a film made of a multi-branched polyimide-based material the above-mentioned specific ones, specifically, a film made of a multi-branched polyimide, a film made of a polymer blend of a multi-branched polyimide and a linear hydroxy polyimide, an organic-inorganic polymer
  • a gas separation membrane obtained by heat-treating each membrane in a non-oxidizing atmosphere using a membrane comprising a hybrid or a membrane comprising a polymer blend of an organic-inorganic polymer hybrid and linear hydroxypolyimide is CO 2 permeable. And CO 2 / CH 4 separation characteristics are more excellent.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the structure of an organic-inorganic polymer hybrid (multi-branched polyimide-silica hybrid) constituting a precursor of a gas separation membrane according to the present invention.
  • FIG. For each sample obtained in Example, which is a graph plotting the relationship between the CO 2 permeability coefficient [P (CO 2)] and CO 2 / CH 4 separation factor [ ⁇ (CO 2 / CH 4 )].
  • the multi-branched polyimide material in the present specification and claims is of course a multi-branched polyimide having an imide structure generated by a reaction between an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic triamine, This includes a mixture (polymer blend) of such a multi-branched polyimide and another resin, and an organic-inorganic polymer hybrid in which a multi-branched polyimide phase and an inorganic oxide phase are integrated by a covalent bond to exhibit a composite structure.
  • a film made of a multibranched polyimide-based material in particular, (A) a film made of a multibranched polyimide (hereinafter also referred to as a multibranched PI film), (B) a multibranched polyimide and a linear hydroxypolyimide A film made of a polymer blend (hereinafter also referred to as a multi-branched PI-linear PI film), (C) a film made of an organic-inorganic polymer hybrid (hereinafter also referred to as an HBD film), and (D) an organic-inorganic polymer hybrid.
  • A a film made of a multibranched polyimide
  • B a multibranched polyimide and a linear hydroxypolyimide
  • a film made of a polymer blend hereinafter also referred to as a multi-branched PI-linear PI film
  • C a film made of an organic-inorganic polymer hybrid (hereinafter also referred to as an HBD film), and
  • a film made of a polymer blend with a chain hydroxy polyimide (hereinafter also referred to as an HBD-linear PI film) is advantageously used.
  • HBD-linear PI film a polymer blend with a chain hydroxy polyimide
  • the hyperbranched polyimide in the present invention has a structure as shown in FIG.
  • a hyperbranched polyimide is made by using at least an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic triamine and reacting them according to a conventionally known method to form a hyperbranched polyamic acid, and imidizing the multibranched polyamic acid. It is possible to synthesize.
  • the multi-branched polyimide having such a structure can be manufactured, for example, according to the following method.
  • an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic triamine are reacted to synthesize a multibranched polyamic acid.
  • aromatic tetracarboxylic dianhydride and aromatic triamine that can be used in the present invention, any of various conventionally known ones can be used.
  • One type or two or more types according to the target gas separation membrane are appropriately selected and used.
  • aromatic tetracarboxylic dianhydride pyromellitic anhydride (PMDA), oxydiphthalic dianhydride (ODPA), 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA), 3,3 ′, 4,4′-diphenylsulfonetetracarboxylic dianhydride (DSDA), 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic dianhydride (6FDA), 2,2 ′
  • examples thereof include compounds such as bis [(dicarboxyphenoxy) phenyl] propane dianhydride (BSAA) and 3,3 ′, 4,4′-diphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA).
  • aromatic triamine aromatic compounds having three amino groups in the molecule, for example, 1,3,5-triaminobenzene, tris (3-aminophenyl) amine, tris (4-aminophenyl) Amines, tris (3-aminophenyl) benzene, tris (4-aminophenyl) benzene, 1,3,5-tris (3-aminophenoxy) benzene, 1,3,5-tris (4-aminophenoxy) benzene, Examples thereof include 1,3,5-tris (4-aminophenoxy) triazine, 3,3 ′, 5-triaminodiphenyl ether, 2,4,4′-triaminodiphenyl ether and the like.
  • aromatic diamine in addition to the above-described aromatic triamine, aromatic diamine, siloxane diamine, or an aromatic compound having four or more amino groups in the molecule is copolymerized with the aromatic triamine, Alternatively, it can be used by adding it simultaneously with an aromatic triamine or the like during the synthesis of the polyamic acid.
  • aromatic diamines include phenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenyl ether, diaminodiphenyl, diaminobenzophenone, 2,2-bis [(4-aminophenoxy) phenyl] propane, bis [4-aminophenoxyphenyl] sulfone.
  • Examples of the siloxane diamine include (3-aminopropyl) tetramethyldisiloxane and bis (aminophenoxy) dimethylsilane.
  • examples of the aromatic compound having 4 or more amino groups in the molecule include tris (3,5-diaminophenyl) benzene and tris (3,5-diaminophenoxy) benzene.
  • a hydrocarbon group (alkyl group) is added to the benzene ring in each of the aromatic tetracarboxylic dianhydride, aromatic triamine, aromatic diamine, and aromatic compound having four or more amino groups in the molecule.
  • a phenyl group, a cyclohexyl group, etc. a derivative having a substituent such as a halogen group, an alkoxy group, an acetyl group, or a sulfonic acid group can be used in the present invention.
  • Such aromatic tetracarboxylic dianhydrides and aromatic triamines (and aromatic diamines, siloxane diamines, or aromatic compounds having four or more amino groups in the molecule, hereinafter referred to as amine components as appropriate).
  • the reaction is preferably carried out at a relatively low temperature, specifically at a temperature of 100 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower.
  • the reaction molar ratio of aromatic tetracarboxylic dianhydride and amine component [aromatic tetracarboxylic dianhydride]: [amine component] is 1.0: 0.3 to 1.0: 1.2).
  • the reaction is preferably carried out in a quantitative ratio such that the ratio is in the range of 1.0: 0.4 to 1.0: 1.1.
  • Solvents that can be used in the present invention include aprotic polarities such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, tetramethylsulfone, hexamethylsulfone, hexamethylphosphoamide, etc.
  • the solvent examples include phenolic solvents such as m-cresol, o-cresol, m-chlorophenol, and o-chlorophenol, and ether solvents such as dioxane, tetrahydrofuran, and diglyme. It can be used as a mixed solvent of seeds or more.
  • the obtained hyperbranched polyamic acid and an alkoxy compound of silicon, magnesium, aluminum, zirconium, or titanium having an amino group or a carboxyl group at the terminal (hereinafter also simply referred to as an alkoxy compound) or a derivative thereof, Let it react.
  • At least part of the acid anhydride group or amino group present at the terminal of the multi-branched polyamic acid and the amino group or carboxyl group in the alkoxy compound react with each other to form at least part of the plurality of terminals.
  • a multibranched polyamic acid having an alkoxy group is obtained.
  • water is present in the reaction system, a part of the alkoxy group is hydrolyzed to become a hydroxyl group by the water.
  • any conventionally known compounds may be used as long as they are alkoxy compounds of silicon, magnesium, aluminum, zirconium or titanium having an amino group or a carboxyl group at the terminal.
  • the alkoxy compound of silicon, magnesium, aluminum, zirconium or titanium having a carboxyl group at the terminal is a functional group represented by the general formula: —COOH or general formula: —CO—O—CO— at the terminal.
  • An acid halide (general formula: —COX, where X is an atom of F, Cl, Br, or I), which is a carboxylic acid or acid anhydride having a derivative thereof, is also used in the present invention. Is possible.
  • alkoxy compounds of silicon include 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, aminophenyltrimethoxysilane, 3-aminopropylmethyldiethoxysilane, aminophenyldimethylmethoxysilane, (aminoethylamino Methyl) phenethyltrimethoxysilane, propyltrimethoxysilylcarboxylic acid, propylmethyldiethoxysilylcarboxylic acid, dimethylmethoxysilylbenzoic acid and the like, and the acid anhydride 3-triethoxysilylpropyl succinic anhydride Things can also be used.
  • the titanium alkoxy compound include those exhibiting a structure as shown in paragraph [0085] of JP-A No. 2004-114360 (the following structural formula).
  • Examples of the derivatives of these alkoxy compounds include various halides.
  • the above-mentioned reaction between the alkoxy compound and the multi-branched polyamic acid can be carried out under the same temperature conditions as when the aromatic tetracarboxylic dianhydride and the amine component described above were reacted. desirable.
  • any conventionally known method can be adopted. Specifically, 1) The above-described reaction solution containing a multi-branched polyamic acid having an alkoxy group (or a hydroxyl group) at at least a part of a plurality of ends is allowed to flow on a substrate such as glass or a polymer film. After extending the film, heat treatment (heat drying) 2) After casting the reaction solution on a substrate such as glass or polymer film, the film is immersed in a solvent such as water, alcohol or hexane to form a film.
  • a solvent such as water, alcohol or hexane
  • a method of heat treatment heat drying
  • 3) heat-treating the reaction solution and imidizing dehydrating ring closure
  • the multi-branched polyamic acid contained therein and then forming the solution by casting.
  • 4) The solution in which the multi-branched polyamic acid in 3) is previously imidized is cast on a substrate, and then dipped in a polymer solvent receiver as in 2) above. After beam of a method in which heat treatment (heating and drying) can be exemplified.
  • the reactive residue (amino group, acid anhydride group) present at the terminal of the multi-branched polyimide is chemically modified with various compounds.
  • a functional group it is possible to exhibit various functions.
  • the linear hydroxypolyimide constituting the polymer blend used in the present invention is represented by the following structural formula, for example.
  • the linear hydroxypolyimide represented by the following structural formula is obtained by reacting 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic dianhydride (6FDA) with 3,3′-dihydroxybenzidine (HAB).
  • a polyamic acid can be obtained by imidizing such a linear hydroxypolyamic acid.
  • a multi-branched polyamic acid and a linear hydroxypolyamic acid are prepared.
  • a multi-branched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least at a part of a plurality of terminals it is prepared by the method described in the section of (A) a film composed of a multi-branched polyimide (multi-branched PI film). I can do it.
  • a linear hydroxypolyamic acid is synthesized by reacting an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic hydroxydiamine.
  • Any aromatic tetracarboxylic acid dihydrate and aromatic hydroxydiamine used in the present invention can be used as long as they are conventionally known.
  • One type or two or more types according to the gas separation membrane are appropriately selected and used.
  • aromatic tetracarboxylic dianhydride pyromellitic anhydride (PMDA), oxydiphthalic dianhydride (ODPA), 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA), 3,3 ′, 4,4′-diphenylsulfonetetracarboxylic dianhydride (DSDA), 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic dianhydride (6FDA), or 2,2 Examples thereof include compounds such as '-bis [(dicarboxyphenoxy) phenyl] propane dianhydride (BSAA) and 3,3', 4,4'-diphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA).
  • PMDA pyromellitic anhydride
  • ODPA oxydiphthalic dianhydride
  • BTDA 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride
  • DSDA 4,
  • Aromatic hydroxydiamines include 3,3′-dihydroxybenzidine, 3,4′-diamino-3 ′, 4-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dihydroxy-4,4′-diaminodiphenyl oxide, 3, 3'-dihydroxy-4,4'-diaminodiphenyl sulfone, 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) propane, bis (3-hydroxy-4-aminophenyl) methane, 2,4-diaminophenol 3,3′-dihydroxy-4,4′-diaminobenzophenone, 1,1-bis (3-hydroxy-4-aminophenyl) ethane, 1,3-bis (3-hydroxy-4-aminophenyl) propane, 2,2-bis (3-hydroxy-4-aminophenyl) propane or 2,2-bis (3-amino-4-hydride) Kishifeniru) can be exemplified compounds such as hexafluoropropane
  • the linear hydroxypolyamic acid is prepared using each of the components described above, and such preparation is preferably performed in a predetermined solvent.
  • Solvents that can be used in the present invention include aprotic such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, tetramethylsulfone, hexamethylsulfone, or hexamethylphosphoamide.
  • Examples include polar solvents, phenolic solvents such as m-cresol, o-cresol, m-chlorophenol, or o-chlorophenol, and ether solvents such as dioxane, tetrahydrofuran, or diglyme. Alternatively, it can be used as a mixed solvent of two or more kinds.
  • any conventionally known method can be employed.
  • Linear hydroxypolyamic acid and multibranched polyamic acid (or a multibranched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least at a part of a plurality of terminals.
  • multibranched polyamic acid In producing a multi-branched PI-linear PI membrane as a precursor of a gas separation membrane according to the present invention, linear hydroxypolyamic acid and multi-branched polyamic acid are mixed in a predetermined solvent, and this mixing is performed.
  • a method of forming a film using a solution according to a conventionally known film forming method can be exemplified.
  • a film forming method a method similar to that described in the section of (A) a film made of multi-branched polyimide (multi-branched PI film) can be employed.
  • the organic-inorganic polymer hybrid in the present invention has a structure as shown in FIG. 2, for example. That is, as shown in FIG. 2, an inorganic polymerization composed of a multi-branched polyimide phase having an imide structure generated by a reaction between an aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aromatic triamine, and a SiO 2 unit.
  • the inorganic oxide phase (part surrounded by a dotted line in FIG. 2) made of a product is integrated by a covalent bond to form a composite structure.
  • An organic-inorganic polymer hybrid having such a structure can be produced, for example, according to the following method.
  • aromatic tetracarboxylic dianhydrides and aromatic triamines that can be used in such reactions include the compounds listed in the section of (A) a film made of a multi-branched polyimide (multi-branched PI film). I can do it.
  • the film forming method the method shown in the section of (A) a film made of multibranched polyimide (multibranched PI film) is advantageously employed.
  • a multi-branched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least at a part of a plurality of terminals is prepared.
  • the multibranched polyamic acid can be prepared by the method described in the section of (A) a film made of a multibranched polyimide (multibranched PI film).
  • the target organic-inorganic A polymer hybrid is obtained.
  • the reactive residue present in the polyamic acid molecule from the time of its synthesis is obtained.
  • An inorganic polymer hybrid film is obtained.
  • the hyperbranched polyamic acid is used before polycondensation between the hyperbranched polyamic acid and the alkoxide by a sol-gel reaction.
  • a sol-gel reaction it is also possible to perform dehydration and ring closure.
  • the polycondensation (sol-gel reaction) of the multibranched polyamic acid and the alkoxide and the dehydration ring closure of the multibranched polyamic acid are carried out continuously, specifically, in the solution of the multibranched polyamic acid.
  • the polybranched polyamic acid and the alkoxide are polycondensed, and then the solution is heated to obtain a multibranched polyamide in the solution. It is also possible to dehydrate and cyclize an acid (polycondensed with an alkoxide).
  • the sol-gel reaction between the hyperbranched polyamic acid and the alkoxide is allowed to proceed, it is preferably carried out at a temperature of 100 ° C. or less, preferably 50 ° C. or less.
  • alkoxide to be reacted with the hyperbranched polyamic acid those which can be polycondensed between molecules in the presence of water and represented by the following formula (1) are used. Specifically, dimethoxymagnesium, diethoxymagnesium, trimethoxyaluminum, triethoxyaluminum, triisopropoxyaluminum, tetramethoxysilane, methyltrimethoxysilane, tetraethoxysilane, tetramethoxytitanium, tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium , Tetramethoxyzirconium, tetraethoxyzirconium, and alkyl-substituted products of these compounds.
  • R 1 m M (OR 2 ) n Formula (1)
  • R 1 , R 2 hydrocarbon group M: any atom of Si, Mg, Al, Zr or Ti m: 0 or positive integer n: positive integer m + n: valence of atom M
  • the amount of inorganic oxide in the organic-inorganic polymer hybrid membrane increases or decreases as the amount of alkoxide added increases or decreases.
  • the amount of inorganic oxide in such a hybrid material is desirably in the range of 0.05 to 95% by weight, preferably 0.1 to 50% by weight.
  • Multi-branched polyimide hybrid materials improve heat resistance, elastic modulus, hardness, etc. as the amount of inorganic oxide contained increases, but on the other hand, the material itself becomes brittle and cracks are generated and impact resistance is reduced. There is a risk of inviting. Therefore, the amount of alkoxide added is determined so that the amount of inorganic oxide falls within an appropriate range.
  • the reactive residue (amino group, acid anhydride group) present at the terminal of the multi-branched polyimide is chemically reacted with various compounds. It is possible to perform various functions by modifying and adding a functional group.
  • HBD-linear PI film Regarding the multibranched polyamic acid having a hydroxyl group or an alkoxy group at least at a part of a plurality of ends constituting the polymer blend used in the present invention, and linear hydroxypolyamic acid
  • the section (B) Film made of polymer blend of multibranched polyimide and linear hydroxypolyimide (multibranched PI-linear PI film) It can be prepared by the method described in 1.
  • a film forming method a method similar to that described in the section of (A) a film made of multi-branched polyimide (multi-branched PI film) can be employed.
  • a multi-branched polyamic acid having an alkoxy group (or a hydroxyl group) at least at a part of a plurality of ends is used, and at least until the membrane formation treatment is performed.
  • the reaction between the multi-branched polyamic acid and a predetermined alkoxide described below is performed.
  • a multi-branched polyamic acid having an alkoxy group (or a hydroxyl group) at least at a part of a plurality of ends and at least one kind of a predetermined alkoxide are present in the same system in the presence of water
  • An alkoxy group and an alkoxide in the branched polyamic acid molecule are polycondensed by a sol-gel reaction, and an inorganic oxide phase composed of an inorganic polymer composed of units such as silicon oxide is advantageously formed.
  • the gas separation membrane finally obtained has better gas permeability and selective gas permeability.
  • the polycondensation (sol-gel reaction) of the above-mentioned multibranched polyamic acid and alkoxide and imidation of the multibranched polyamic acid are carried out continuously, specifically, in a solution of the multibranched polyamic acid.
  • the polybranched polyamic acid and the alkoxide are polycondensed with stirring in a state where a relatively low temperature is maintained for a predetermined time, and then the solution is heated to obtain a multibranch in the solution. It is also possible to imidize (dehydrate ring closure) a polyamic acid (polycondensed with an alkoxide).
  • a polyamic acid polycondensed with an alkoxide.
  • the alkoxide that can be reacted with the multi-branched polyamic acid having an alkoxy group (or a hydroxyl group) at least at a part of the plurality of terminals is capable of polycondensation between molecules in the presence of water.
  • Those represented by the following formula (1) are used.
  • One kind or two or more kinds of such compounds are appropriately selected and used.
  • R 1 m M (OR 2 ) n Formula (1)
  • R 1 , R 2 hydrocarbon group M: any atom of Si, Mg, Al, Zr or Ti m: 0 or positive integer n: positive integer m + n: valence of atom M
  • the amount of inorganic oxide in the gas separation membrane finally obtained also increases / decreases as the amount of alkoxide added increases / decreases.
  • the amount of inorganic oxide in the gas separation membrane is desirably in the range of 0.05 to 95% by weight, preferably 0.1 to 50% by weight.
  • the amount of inorganic oxide contained increases, the heat resistance, elastic modulus, hardness, and the like improve, but on the other hand, the material itself becomes brittle, which may lead to the generation of cracks and a decrease in impact resistance. Therefore, the amount of alkoxide added is determined so that the amount of inorganic oxide falls within an appropriate range.
  • a film (multi-branched PI film, multi-branched PI-linear PI film, HBD film or HBD-straight-line PI film) made of the multi-branched polyimide material prepared as described above in a non-oxidizing atmosphere. By performing the heat treatment, the gas separation membrane according to the present invention is obtained.
  • the heating temperature is set to a temperature that exceeds the temperature at which thermal imidization is performed but is lower than the temperature at which most of the carbonization occurs, and is preferably a temperature of 300 to 500 ° C.
  • the heating time is 30 minutes to 2 hours depending on the heating temperature.
  • the heat treatment of the film made of the multi-branched polyimide material is performed in a non-oxidizing atmosphere.
  • the heat treatment is performed under an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or under reduced pressure.
  • gas separation membrane thus obtained, excellent gas permeability and gas separation characteristics, in particular, carbon dioxide (CO 2 ) permeation and carbon dioxide and methane (CH 4 ) separation characteristics. And at a high level that could not be achieved in the past.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CH 4 carbon dioxide and methane
  • Example 1 A 100 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube and a calcium chloride tube was charged with 1.33 g (3 mmol) of 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic dianhydride (6FDA), and 40 mL Of dimethylacetamide (DMAc) was added and dissolved. While stirring this solution, 1,3,5-tris (4-aminophenoxy) benzene (TAPOB) dissolved in 20 mL of DMAc: 0.64 g (1.6 mmol) was gradually added, and the mixture was stirred at 25 ° C. for 3 hours. The mixture was stirred for an hour to synthesize acid anhydride-terminated multibranched polyamic acid.
  • TMAc dimethylacetamide
  • silane modification-anhydride-terminated multibranched polyamic acid 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTrMOS): 0.072 g (0.4 mmol) was added, and the mixture was further stirred for 2 and a half hours.
  • An acid anhydride-terminated multibranched polyamic acid (hereinafter referred to as silane modification-anhydride-terminated multibranched polyamic acid) in which at least a part of the ends was modified with APTrMOS was synthesized.
  • silane modification-anhydride-terminated multi-branched polyamic acid is cast on a polyester film, dried at 85 ° C.
  • a film-like sample was obtained by performing heat treatment at 300 ° C. for 1 hour.
  • the film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 1).
  • the obtained gas separation membrane (Sample 1) was transparent and had a dark brown color. Further, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed at a temperature elevation rate of 10 ° C./min, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 509 ° C. Further, the gas permeation measurement of Sample 1 was performed according to the constant volume method (JIS standard test method: JIS-Z-1707) under the conditions of 1 atm and 25 ° C. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 2- A silane-modified anhydride-terminated multi-branched polyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 1: 6.0 g, tetramethoxysilane (TMOS): 0.063 g, and water (H 2 O) : 0.045 g was added and stirred at room temperature for 24 hours. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By performing the treatment, a film sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 2). In this gas separation membrane (Sample 2), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • H 2 O water
  • Example 2 The obtained gas separation membrane (Sample 2) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 511 ° C. Further, gas permeation measurement of Sample 2 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 3- A silane-modified-anhydride-terminated multibranched polyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 1: 6.0 g, methyltrimethoxysilane (MTMS): 0.127 g, and water (H 2 O ): 0.076 g was added and stirred at room temperature for 24 hours. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By performing the treatment, a film sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 3). In this gas separation membrane (Sample 3), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 20% by weight.
  • MTMS methyltrimethoxysilane
  • H 2 O water
  • Example 3 The obtained gas separation membrane (sample 3) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 514 ° C. Further, gas permeation measurement of Sample 3 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 4 The obtained gas separation membrane (Sample 4) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 510 ° C. Further, gas permeation measurement of Sample 4 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 5 In a 300 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube and a calcium chloride tube, TAPOB: 7.2 g (18 mmol) was charged, and DMAc: 30 mL was added and dissolved. While stirring this solution, 6.4 g (14.4 mmol) of 6FDA dissolved in 54 mL of DMAc was gradually added, followed by stirring at 25 ° C. for 3 hours to synthesize an amine-terminated multibranched polyamic acid.
  • TEOSPSA 3-triethoxysilylpropyl succinic anhydride
  • the obtained mixed solution was cast on a polyester sheet, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By applying, a film-like sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 5).
  • Example 5 The obtained gas separation membrane (Sample 5) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 488 ° C. Further, gas permeation measurement of sample 5 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 6- A mixed solution of a DMAc solution of a silane-modified amine-terminated multibranched polyamic acid and a DMAc solution of a linear hydroxypolyamic acid obtained in the same manner as in Example 5: 4.0 g, TMOS: 0.261 g, and H 2 O: 0.124 g was added, 24 hours at room temperature and stirred. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By performing the treatment, a film sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 6). In this gas separation membrane (Sample 6), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • the obtained gas separation membrane (sample 6) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 495 ° C. Further, gas permeation measurement of sample 6 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 7 A silane-modified-amine-terminated multi-branched polyamic acid and a DMAc solution of a linear hydroxy-polyamic acid obtained in the same manner as in Example 5 Mixing was performed at a ratio of 20:80 (polymer weight ratio). The obtained mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By applying, a film-like sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 7).
  • Example 7 The obtained gas separation membrane (Sample 7) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 492 ° C. Further, gas permeation measurement of Sample 7 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 8 A mixed solution of DMAc solution of silane-modified amine-terminated multibranched polyamic acid and DMAc solution of linear hydroxypolyamic acid obtained in the same manner as in Example 7: 4.0 g, TMOS: 0.300 g, and H 2 O: 0.213 g was added, 24 hours at room temperature and stirred. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. By performing the treatment, a film sample was obtained. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 8). In this gas separation membrane (Sample 8), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • the obtained gas separation membrane (sample 8) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 494 ° C. Further, gas permeation measurement of Sample 8 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 9 A silane-modified-amine-terminated hyperbranched polyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 5 was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further dried under a nitrogen atmosphere. A film sample was obtained by heat treatment at 1 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. The film-like sample was further heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a gas separation membrane (Sample 9).
  • Example 9 The obtained gas separation membrane (Sample 9) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 496 ° C. Further, gas permeation measurement of sample 9 was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 1 A DMAc solution of a silane-modified-anhydride-terminated multi-branched polyamic acid obtained according to the same procedure as in Example 1 was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further in a nitrogen atmosphere. A gas separation membrane was obtained by performing heat treatment at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour to form a film (sample a).
  • sample a The obtained gas separation membrane (sample a) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 457 ° C. Further, gas permeation measurement of sample a was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 2- A silane-modified anhydride-terminated multi-branched polyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 1 was added to 6.0 g of TMOS: 0.063 g and H 2 O: 0.045 g. For 24 hours. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. A gas separation membrane was obtained by performing the treatment to form a membrane (sample b). In this gas separation membrane (sample b), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • sample b The obtained gas separation membrane (sample b) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 490 ° C. Further, gas permeation measurement of sample b was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • sample c The obtained gas separation membrane (sample c) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 480 ° C. Further, gas permeation measurement of sample c was performed according to the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 4 6FMA: 0.183 g (0.8 mmol) was added to DMAc solution: 0.072 g of silane-modified anhydride-terminated multi-branched polyamic acid obtained according to the same procedure as in Example 1, and at room temperature for 2 hours. Stir. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. A gas separation membrane was obtained by performing the treatment to form a film (sample d).
  • sample d The obtained gas separation membrane (sample d) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 474 ° C. Further, gas permeation measurement of sample d was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 5 A mixed solution of a silane-modified-amine-terminated hyperbranched polyamic acid DMAc solution and a linear hydroxypolyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 5 was cast on a polyester film, It was dried for a period of time, and further subjected to heat treatment under a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour to form a gas separation membrane (sample) e).
  • sample e The obtained gas separation membrane (sample e) was transparent and exhibited a brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 478 ° C. Further, gas permeation measurement of sample e was performed according to the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 6- A mixed solution of a DMAc solution of a silane-modified amine-terminated multibranched polyamic acid and a DMAc solution of a linear hydroxypolyamic acid obtained in the same manner as in Example 5: 4.0 g, TMOS: 0.261 g, and H 2 O: 0.124 g was added, 24 hours at room temperature and stirred. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. A gas separation membrane was obtained by performing the treatment to form a film (sample f). In this gas separation membrane (sample f), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • sample f The obtained gas separation membrane (sample f) was transparent and exhibited a brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 487 ° C. Further, gas permeation measurement of sample f was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 7 A mixed solution of a silane-modified-amine-terminated hyperbranched polyamic acid DMAc solution and a linear hydroxypolyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 7 was cast on a polyester film, It was dried for a period of time, and further subjected to heat treatment under a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour to form a gas separation membrane (sample) g).
  • sample g The obtained gas separation membrane (sample g) was transparent and exhibited a brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 479 ° C. Further, gas permeation measurement of sample g was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 8 A mixed solution of DMAc solution of silane-modified amine-terminated multibranched polyamic acid and DMAc solution of linear hydroxypolyamic acid obtained in the same manner as in Example 7: 4.0 g, TMOS: 0.300 g, and H 2 O: 0.213 g was added, 24 hours at room temperature and stirred. Then, this mixed solution was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further heated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. A gas separation membrane was obtained by performing the treatment to form a film (sample h). In this gas separation membrane (sample h), the amount of silica (in terms of silicon dioxide) was 10% by weight.
  • sample h The obtained gas separation membrane (sample h) was transparent and exhibited a brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 493 ° C. Further, gas permeation measurement of sample h was performed according to the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 9 A silane-modified-amine-terminated hyperbranched polyamic acid DMAc solution obtained according to the same procedure as in Example 5 was cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further dried under a nitrogen atmosphere. A gas separation membrane was obtained by performing heat treatment at 1 ° C. for 1 hour, 200 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour to form a film (Sample i).
  • sample i The obtained gas separation membrane (sample i) was transparent and exhibited a brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 491 ° C. Further, gas permeation measurement of sample i was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • APTrMOS 0.089 g (0.5 mmol) is added to the obtained DMAc solution of the linear polyamic acid, and the mixture is further stirred for 2 hours, and a silane having a structure similar to silane modification-anhydride-terminated multibranched polyamic acid. Modification-anhydride terminated linear polyamic acid was obtained.
  • This silane-modified anhydride-terminated linear polyamic acid solution in DMAc is cast on a polyester film, dried at 85 ° C. for 2 hours, and further at 100 ° C. for 1 hour and at 200 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.
  • a gas separation membrane was obtained by performing heat treatment at 300 ° C. for 1 hour to form a film (sample j).
  • Example j The obtained gas separation membrane (sample j) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 490 ° C. Further, gas permeation measurement of sample j was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • sample k The obtained gas separation membrane (sample k) was transparent and had a pale yellow color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 505 ° C. Further, gas permeation measurement of sample k was performed under the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example 1 The obtained gas separation membrane (sample 1) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 513 ° C. Further, gas permeation measurement of sample 1 was performed according to the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • Example m The obtained gas separation membrane (sample m) was transparent and had a dark brown color. Moreover, when thermogravimetry (TGA measurement) was performed according to the same conditions as in Example 1, the thermal decomposition temperature (5% weight loss temperature: T d 5 ) was 519 ° C. Further, gas permeation measurement of sample h was performed according to the same conditions as in Example 1. The measurement results are shown in Table 1 below.
  • gas separation membranes (samples a to d, i) made of multi-branched polyimide or organic-inorganic polymer hybrid and not subjected to heat treatment for partial carbonization (samples a to d, i), (2) Gas separation membranes (samples j, k) made of linear polyimide and not subjected to heat treatment for partial carbonization, and (3) membrane-like membranes made of linear polyimide or linear polyimide-silica hybrid
  • the CO 2 / CH 4 separation factor is a polymer membrane proposed by Robeson in 1991 Even the upper limit of (Upper Bound) was not exceeded.
  • a gas separation membrane (samples e and g) made of a polymer blend of multi-branched polyimide and linear hydroxypolyimide, and a gas separation membrane (sample f) made of a polymer blend of organic-inorganic polymer hybrid and linear hydroxypolyimide.
  • the CO 2 / CH 4 separation factor in h) exceeds the upper limit of the polymer membrane proposed by Robeson in 1991 (Upper Bound), but the upper limit of the polymer membrane proposed by Robeson in 2008 ( Upper Bound) was not exceeded.
  • the gas separation membrane according to the present invention easily forms free volume vacancies of a size effective for CO 2 / CH 4 separation by partial carbonization due to the multi-branched structure.
  • a gas separation membrane formed by partially carbonizing a membrane made of a hyperbranched polyimide-silica hybrid or a membrane made of a polymer blend of a multibranched polyimide or a multibranched polyimide-silica hybrid and a linear hydroxypolyimide is suitable.
  • Te is the permeability of CO 2, a separation characteristic of the CO 2 and CH 4, it can be seen that combines a very high level.

Abstract

　優れた気体透過性と気体分離特性、特に、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過性と、二酸化炭素とメタン（ＣＨ4 ）の分離特性とを、従来は成し得なかった高いレベルで兼ね備えた気体分離膜を提供すること。　多分岐ポリイミド系材料からなる膜を、非酸化雰囲気下において加熱処理せしめることにより、気体分離膜を得た。

Description

気体分離膜
　本発明は、気体分離膜に関するものである。
　近年、高分子膜を気体分離膜として用いて、混合気体から特定の気体を分離したり、精製することが積極的に検討されている。例えば、空気から酸素を積極的に透過させて、酸素富化空気を製造し、これを医療や燃料システム等の分野で活用する試みが為されている。そして、これらの用途に用いられる気体分離膜に対しては、特定の気体に対する気体透過性及び気体選択性が、何れも大きいことが要求されているのであり、また、使用環境によっては、耐熱性、耐薬品性、強度等に優れていることも要求される。
　そのような状況の下、従来より、様々な気体分離膜が提案されている。例えば、特許文献１（特開平１０－９９６６４号公報）においては、所定の構造単位を有するカルド型ポリマーを、所定の分離膜形状に成形して分離膜前駆体を形成し、この分離膜前駆体を嫌気雰囲気下で加熱し炭化させて得られた気体分離用炭化膜が提案されている。
　その一方、高分子膜については、気体透過係数に対する２種の気体の分離係数にはトレードオフの関係があり、上限限界領域の存在が提唱されている（非特許文献１及び２参照）。
　また、本発明者等は、先に、多分岐ポリイミド相と無機酸化物相とを有し、それらが共有結合によって一体化されて、複合構造となっている有機－無機ポリマーハイブリッドからなる気体分離膜を提案している（特許文献２参照）。
特開平１０－９９６６４号公報 国際公開第０６／０２５３２７号パンフレット
Lloyd M.Robeson、「Correlation of separation factor versus permeability for polymeric membranes」、Journal of Membrane Science、オランダ、Elsevier Science Publishers B V、第62巻（1991年）、p.165-185 Lloyd M.Robeson、「The upper bound revisited」、Journal of Membrane Science、オランダ、Elsevier Science Publishers B V、第320巻 (2008年)、p.390-400
　ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、優れた気体透過性と気体分離特性、特に、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過性と、二酸化炭素とメタン（ＣＨ4 ）の分離特性とを、従来は成し得なかった高いレベルで兼ね備えた気体分離膜を提供することにある。
　そして、本発明者等は、特許文献２において提案した気体分離膜を基礎として鋭意、研究を進めたところ、多分岐ポリイミド系材料を加熱処理して得られる膜にあっては、上述した課題を有利に解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
　すなわち、本発明は、多分岐ポリイミド系材料からなる膜を、非酸化雰囲気下において加熱処理せしめることによって得られる気体分離膜を、その要旨とするものである。
　なお、そのような本発明に従う気体分離膜の好ましい第一の態様においては、前記多分岐ポリイミド系材料が、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミンと、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物若しくはそれらの誘導体とを反応せしめて得られる、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸を、イミド化せしめてなる多分岐ポリイミドを含むものである。
　また、本発明の好ましい第二の態様においては、前記多分岐ポリイミド系材料が、前記多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドである。
　さらに、本発明の好ましい第三の態様においては、前記直鎖ヒドロキシポリイミドが、芳香族テトラカルボン酸二無水物と３，３’－ジヒドロキシベンジジンとを重合して得られるものである。
　加えて、本発明における好ましい第四の態様においては、前記多分岐ポリイミド系材料が、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族トリアミンとの反応によって生じたイミド構造を有する多分岐ポリイミド相と、無機酸化物相とを有し、それらが共有結合によって一体化されて、複合構造を呈する有機－無機ポリマーハイブリッドを含むものである。
　また、本発明の好ましい第五の態様においては、前記有機－無機ポリマーハイブリッドが、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミンと、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物若しくはそれらの誘導体とを反応せしめて得られる、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸と、下記式（１）で表わされるアルコキシドの少なくとも一種以上とを、水の存在下、ゾル－ゲル反応せしめ、得られた反応物をイミド化せしめてなるものである。
　　Ｒ1 mＭ（ＯＲ2）n・・・式（１）
　　　　Ｒ1 、Ｒ2 ：炭化水素基
　　　　  　　　Ｍ：Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ又はＴｉの何れかの原子
　　　　　　　　ｍ：０又は正の整数
　　　　　　　　ｎ：正の整数
　　　　　　ｍ＋ｎ：原子Ｍの原子価
　さらに、本発明の好ましい第六の態様においては、前記多分岐ポリイミド系材料が、前記有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドである。
　このように、本発明に従う気体分離膜にあっては、多分岐ポリイミド系材料からなる膜を、非酸化雰囲気下において加熱処理して得られるものであるところから、多分岐構造に起因して、ＣＯ2 ／ＣＨ4 分離に有効なサイズの自由体積空孔が形成され、以て、ＣＯ2 透過性及びＣＯ2 ／ＣＨ4 分離特性が優れたものとなるのである。特に、多分岐ポリイミド系材料からなる膜として、上記した特定のもの、具体的には、多分岐ポリイミドからなる膜、多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜、有機－無機ポリマーハイブリッドからなる膜、有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜を用いて、それら各々の膜を非酸化雰囲気下において加熱処理して得られる気体分離膜は、ＣＯ2 透過性及びＣＯ2 ／ＣＨ4 分離特性がより優れたものとなる。
本発明に係る気体分離膜の前駆体を構成する多分岐ポリイミドについて、その構造を概略的に示す説明図である。 本発明に係る気体分離膜の前躯体を構成する有機－無機ポリマーハイブリッド（多分岐ポリイミド－シリカハイブリッド）について、その構造を概略的に示す説明図である。 実施例で得られた各試料についての、ＣＯ2 透過係数［Ｐ（ＣＯ2 ）］とＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数［α（ＣＯ2 ／ＣＨ4 ）］との関係をプロットしたグラフである。
　ところで、本発明に従う気体分離膜を製造するに際しては、かかる気体分離膜の前躯体として、先ず、多分岐ポリイミド系材料からなる膜が製造される。ここで、本明細書及び特許請求の範囲における多分岐ポリイミド系材料とは、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族トリアミンとの反応によって生じたイミド構造を有する多分岐ポリイミドは勿論のこと、かかる多分岐ポリイミドと他の樹脂との混合物（ポリマーブレンド）や、多分岐ポリイミド相と無機酸化物相とが共有結合によって一体化されて、複合構造を呈する有機－無機ポリマーハイブリッドをも含むものである。
　本発明においては、多分岐ポリイミド系材料からなる膜として、特に、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（以下、多分岐ＰＩ膜ともいう）、（Ｂ）多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（以下、多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜ともいう）、（Ｃ）有機－無機ポリマーハイブリッドからなる膜（以下、ＨＢＤ膜ともいう）、（Ｄ）有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（以下、ＨＢＤ－直鎖ＰＩ膜ともいう）が、有利に用いられる。以下、これら多分岐ポリイミド系材料からなる膜について、詳述する。
（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）
　本発明における多分岐ポリイミドとは、例えば図１に示される如き構造を呈するものである。多分岐ポリイミドは、少なくとも芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族トリアミンとを用いて、これらを従来より公知の手法に従って反応させて多分岐ポリアミド酸とし、かかる多分岐ポリアミド酸をイミド化せしめることにより、合成することが可能である。かかる構造を呈する多分岐ポリイミドは、例えば、以下の手法に従って製造することが出来る。
　先ず、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミンとを反応せしめて、多分岐ポリアミド酸を合成する。
　ここで、本発明において用いられ得る芳香族テトラカルボン酸二無水物及び芳香族トリアミンとしては、従来より公知の各種のものであれば、何れも用いることが可能であり、それら公知のものの中から、目的とする気体分離膜に応じた一種若しくは二種以上のものが、適宜に選択されて、用いられることとなる。
　具体的には、芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、無水ピロメリット酸（ＰＭＤＡ）、オキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ）、３，３’，４，４’－ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３，３’，４，４’－ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）、４，４’－（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸二無水物（６ＦＤＡ）、２，２’－ビス［（ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物（ＢＳＡＡ）、３，３’，４，４’－ジフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）等の化合物を、例示することが出来る。
　また、芳香族トリアミンとしては、分子内に３個のアミノ基を有する芳香族化合物、例えば、１，３，５－トリアミノベンゼン、トリス（３－アミノフェニル）アミン、トリス（４－アミノフェニル）アミン、トリス（３－アミノフェニル）ベンゼン、トリス（４－アミノフェニル）ベンゼン、１，３，５－トリス（３－アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３，５－トリス（４－アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３，５－トリス（４－アミノフェノキシ）トリアジン、３，３’，５－トリアミノジフェニルエーテル、２，４，４’－トリアミノジフェニルエーテル等を挙げることが出来る。
　なお、本発明においては、上述した芳香族トリアミンと共に、芳香族ジアミン、シロキサンジアミン、或いは、分子内にアミノ基を４個以上有する芳香族化合物を、芳香族トリアミンと共重合せしめた状態にて、或いは、ポリアミド酸合成時に芳香族トリアミン等と同時に添加することにより、使用することも可能である。そのような芳香族ジアミンとしては、フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルエーテル、ジアミノジフェニール、ジアミノベンゾフェノン、２，２－ビス［（４－アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、ビス［４－アミノフェノキシフェニル］スルホン、２，２－ビス［（４－アミノフェノキシ）フェニル］ヘキサフルオロプロパン、ビス（４－アミノフェノキシ）ベンゼン、４，４’－［フェニレンビス（１－メチルエチリデン）］ビスアニリン、２，２－ビス（４－アミノフェニル）ヘキサフルオロプロパンや９，９－ビス（アミノフェニル）フルオレン等が挙げられ、また、シロキサンジアミンとしては、（３－アミノプロピル）テトラメチルジシロキサン、ビス（アミノフェノキシ）ジメチルシランやビス（３－アミノプロピル）ポリメチルジシロキサン等が挙げられる。更に、分子内にアミノ基を４個以上有する芳香族化合物としては、トリス（３，５－ジアミノフェニル）ベンゼン、トリス（３，５－ジアミノフェノキシ）ベンゼン等が挙げられる。
　また、上述してきた、芳香族テトラカルボン酸二無水物、芳香族トリアミン、芳香族ジアミン、及び分子内にアミノ基を４個以上有する芳香族化合物の各化合物におけるベンゼン環に、炭化水素基（アルキル基、フェニル基、シクロヘキシル基等）、ハロゲン基、アルコキシ基、アセチル基、スルホン酸基等の置換基を有する誘導体であっても、本発明においては、用いることが可能である。
　そのような芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミン（及び、芳香族ジアミン、シロキサンジアミン、或いは分子内にアミノ基を４個以上有する芳香族化合物。以下、適宜アミン成分という。）との反応は、比較的低温、具体的には１００℃以下、好ましくは５０℃以下の温度下において実施することが好ましい。また、芳香族テトラカルボン酸二無水物とアミン成分の反応モル比（［芳香族テトラカルボン酸二無水物］：［アミン成分］は、１．０：０．３～１．０：１．２、好ましくは、１．０：０．４～１．０：１．１の範囲内となるような量的割合において、反応せしめることが好ましい。
　さらに、多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）を製造するに際しては、所定の溶媒内にて各成分を反応させることが好ましい。本発明において用いられ得る溶媒としては、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラメチルスルホン、ヘキサメチルスルホン、ヘキサメチルフォスホアミド等の非プロトン性極性溶媒や、ｍ－クレゾール、ｏ－クレゾール、ｍ－クロロフェノール、ｏ－クロロフェノール等のフェノール系溶媒、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジグライム等のエーテル系溶媒等を挙げることが出来、これらは単独で、若しくは二種以上の混合溶媒として、使用することが可能である。
　次いで、得られた多分岐ポリアミド酸と、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物（以下、単にアルコキシ化合物とも言う。）若しくはそれらの誘導体とを、反応せしめる。
　すなわち、多分岐ポリアミド酸の末端に存在する酸無水物基又はアミノ基の少なくとも一部と、アルコキシ化合物中のアミノ基又はカルボキシル基とが反応することにより、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸が得られるのである。なお、反応系内に水が存在する場合には、かかる水によって、アルコキシ基の一部が加水分解して水酸基となる。
　ここで、本発明においては、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物であれば、従来より公知のものが何れも用いられ得る。また、末端にカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物とは、末端に、一般式：－ＣＯＯＨ、或いは、一般式：－ＣＯ－Ｏ－ＣＯ－で表わされる官能基を有するカルボン酸、酸無水物であり、それらの誘導体である酸ハライド（一般式：－ＣＯＸ。但し、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉの何れかの原子。）も、本発明において用いることが可能である。
　例えば、ケイ素のアルコキシ化合物としては、３－アミノプロピルトリメトキシシラン、３－アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノフェニルトリメトキシシラン、３－アミノプロピルメチルジエトキシシラン、アミノフェニルジメチルメトキシシラン、（アミノエチルアミノメチル）フェネチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシリルカルボン酸、プロピルメチルジエトキシシリルカルボン酸、ジメチルメトキシシリル安息香酸等を挙げることが出来、また、酸無水物である３－トリエトキシシリルプロピルコハク酸無水物も使用可能である。チタンのアルコキシ化合物としては、特開２００４－１１４３６０号公報中の段落［００８５］において示されている如き構造（下記構造式）を呈するもの等を、例示することが出来る。また、それらアルコキシ化合物の誘導体としては、例えば、各種ハロゲン化物等が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　なお、上述したアルコキシ化合物と多分岐ポリアミド酸との反応は、先に説明した芳香族テトラカルボン酸二無水物とアミン成分とを反応せしめた際と同様の温度条件にて、実施されることが望ましい。
　そして、そのようにして合成された多分岐ポリアミド酸に対して、製膜処理（熱処理や化学処理等）を施すと、ポリアミド酸分子内にその合成時から存在する反応性残基（アミノ基、酸無水物基）がイミド化（脱水閉環）せしめられ、以て、多分岐ポリイミドの膜が得られるのである。
　ここで、製膜方法としては、従来より公知の手法であれば、何れも採用可能である。具体的には、１）上述した、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸を含有する反応溶液を、ガラス、高分子フィルム等の基板上に流延せしめた後、熱処理（加熱乾燥）する方法、２）反応溶液をガラス、高分子フィルム等の基板上にキャストした後、水、アルコール、ヘキサン等の受溶媒に浸漬せしめ、フィルム化させた後、熱処理（加熱乾燥）する方法、３）反応溶液に対して熱処理等を施して、そこに含まれる多分岐ポリアミド酸を予めイミド化（脱水閉環）せしめた後、かかる溶液をキャスト法により製膜し、乾燥する方法、４）前記３）における多分岐ポリアミド酸が予めイミド化された溶液を、基板上にキャストした後、前記２）と同様にポリマーの受溶媒に浸漬し、フィルム化させた後、熱処理（加熱乾燥）する方法等を、例示することが出来る。
　なお、上述の如くして得られた多分岐ポリイミド膜にあっては、その多分岐ポリイミドの末端に存在する反応性残基（アミノ基、酸無水物基）を、種々の化合物により化学修飾して、機能性基を付与することにより、多種多様な機能を発揮し得るようにすることが可能である。
（Ｂ）多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜）
　本発明に用いられるポリマーブレンドを構成する直鎖ヒドロキシポリイミドは、例えば、下記構造式で表わされるものである。下記構造式で表わされる直鎖ヒドロキシポリイミドは、４，４’－（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸二無水物（６ＦＤＡ）と３，３’－ジヒドロキシベンジジン（ＨＡＢ）とを反応せしめて直鎖ヒドロキシポリアミド酸とし、かかる直鎖ヒドロキシポリアミド酸をイミド化せしめることによって得ることが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜を製造するに際しては、多分岐ポリアミド酸及び直鎖ヒドロキシポリアミド酸を、それぞれ調製する。ここで、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸については、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項に記載した手法によって、調製することが出来る。
　直鎖ヒドロキシポリアミド酸は、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ヒドロキシジアミンとを反応せしめることにより、合成される。本発明において用いられる芳香族テトラカルボン酸二水物及び芳香族ヒドロキシジアミンとしては、従来より公知のものであれば、何れをも用いることが可能であり、それら公知のものの中から、目的とする気体分離膜に応じた一種又は二種以上のものが、適宜に選択されて、用いられることとなる。
　具体的には、芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、無水ピロメリット酸（ＰＭＤＡ）、オキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ）、３，３’，４，４’－ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３，３’，４，４’－ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）、４，４’－（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸二無水物（６ＦＤＡ）、又は２，２’－ビス［（ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物（ＢＳＡＡ）、３，３’，４，４’－ジフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）等の化合物を、例示することが出来る。
　また、芳香族ヒドロキシジアミンとしては、３，３’－ジヒドロキシベンジジン、３，４’－ジアミノ－３’，４－ジヒドロキシビフェニル、３，３’－ジヒドロキシ－４，４’－ジアミノジフェニルオキシド、３，３’－ジヒドロキシ－４，４’－ジアミノジフェニルスルホン、２，２－ビス（３－アミノ－４－ヒドロキシフェニル）プロパン、ビス（３－ヒドロキシ－４－アミノフェニル）メタン、２，４－ジアミノフェノール、３，３’－ジヒドロキシ－４，４’－ジアミノベンゾフェノン、１，１－ビス（３－ヒドロキシ－４－アミノフェニル）エタン、１，３－ビス（３－ヒドロキシ－４－アミノフェニル）プロパン、２，２－ビス（３－ヒドロキシ－４－アミノフェニル）プロパン、又は２，２－ビス（３－アミノ－４－ヒドロキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン等の化合物を例示することが出来る。本発明においては、特に、３，３’－ジヒドロキシベンジジンが有利に用いられる。
　上述した各成分を用いて、直鎖ヒドロキシポリアミド酸が調製されることとなるが、かかる調製は、所定の溶媒内にて行なうことが好ましい。本発明において用いられ得る溶媒としては、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラメチルスルホン、ヘキサメチルスルホン、又はヘキサメチルフォスホアミド等の非プロトン性極性溶媒、ｍ－クレゾール、ｏ－クレゾール、ｍ－クロロフェノール、又はｏ－クロロフェノール等のフェノール系溶媒、ジオキサン、テトラヒドロフラン、又はジグライム等のエーテル系溶媒等を挙げることが出来、これらは単独で、若しくは二種以上の混合溶媒として、使用することが可能である。尚、そのような溶媒を用いて直鎖ヒドロキシポリアミド酸を調製するに際しては、従来より公知の手法の何れをも採用することが可能である。
　直鎖ヒドロキシポリアミド酸、及び、多分岐ポリアミド酸（又は複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸。以下、本段落においては多分岐ポリアミド酸と総称する）を用いて、本発明に従う気体分離膜の前駆体たる多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜を製造するに際しては、直鎖ヒドロキシポリアミド酸及び多分岐ポリアミド酸を、所定の溶媒内にて混合し、この混合溶液を用いて、従来より公知の製膜方法に従って製膜化する手法を、例示することが出来る。かかる混合溶液は、直鎖ヒドロキシポリアミド酸及び多分岐ポリアミド酸の配合割合が、［直鎖ヒドロキシポリアミド酸］：［多分岐ポリアミド酸］＝５：９５～９５：５（重量比）、好ましくは２０：８０～８０：２０（重量比）となるように、調製される。なお、製膜方法としては、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項に記載のものと同様の方法を採用することが出来る。
（Ｃ）有機－無機ポリマーハイブリッドからなる膜（ＨＢＤ膜）
　本発明における有機－無機ポリマーハイブリッドとは、例えば図２に示す如き構造を呈するものである。即ち、図２に示されているように、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族トリアミンとの反応によって生じたイミド構造を有する多分岐ポリイミド相と、ＳｉＯ2 単位にて構成される無機重合物からなる無機酸化物相（図２中の点線にて囲まれた部分）とが、共有結合によって一体化されて、複合構造を呈しているのである。かかる構造を呈する有機－無機ポリマーハイブリッドは、例えば、以下の手法に従って製造することが出来る。なお、かかる反応において用いられ得る芳香族テトラカルボン酸二無水物及び芳香族トリアミンとしては、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項において列記した各化合物を、同時に例示することが出来る。また、製膜方法についても、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項において示した手法が有利に採用される。
　ＨＢＤ膜を製造する際には、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸を調製する。ここで、多分岐ポリアミド酸については、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項に記載した手法によって、調製することが出来る。
　そして、そのようにして調製された、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸と、所定のアルコキシドの少なくとも一種以上とから、目的とする有機－無機ポリマーハイブリッドが得られるのである。
　すなわち、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸と、所定のアルコキシドの少なくとも一種以上とを、水の存在下において同一系内に存在せしめると、多分岐ポリアミド酸分子中のアルコキシ基とアルコキシドとが、ゾル－ゲル反応により重縮合するところから、図２に示されている如き無機酸化物相（図２においてはＳｉＯ2 単位にて構成される無機重合物）が形成せしめられることとなる。
　そして、そのようにして無機酸化物相が形成された多分岐ポリアミド酸に対して、製膜処理（熱処理や化学処理等）を施すと、ポリアミド酸分子内にその合成時から存在する反応性残基（アミノ基、酸無水物基）がイミド化（脱水閉環）せしめられ、以て、多分岐ポリイミド相と無機酸化物相とが共有結合によって一体化されて、複合構造となっている有機－無機ポリマーハイブリッドの膜が得られるのである。
　なお、本発明において、有機－無機ポリマーハイブリッドからなる膜（ＨＢＤ膜）を製造するに際しては、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの間におけるゾル－ゲル反応による重縮合を行なう前に、多分岐ポリアミド酸の脱水閉環を行なうことも、勿論、可能である。また、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの重縮合（ゾル－ゲル反応）と、多分岐ポリアミド酸の脱水閉環とを、連続的に実施すること、具体的には、多分岐ポリアミド酸の溶液中にアルコキシドを添加し、所定時間、比較的低い温度を保った状態において、撹拌せしめて、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとを重縮合せしめた後、かかる溶液を加熱することにより、溶液内の多分岐ポリアミド酸（アルコキシドとの間で重縮合したもの）を脱水閉環せしめることも、可能である。なお、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの間のゾル－ゲル反応を進行せしめる際には、１００℃以下、有利には５０℃以下の温度において、実施することが好ましい。
　ここで、多分岐ポリアミド酸と反応せしめられるアルコキシドとしては、水の存在下において分子間で重縮合が可能なものであって、下記式（１）にて表わされるものが用いられる。具体的には、ジメトキシマグネシウム、ジエトキシマグネシウム、トリメトキシアルミニウム、トリエトキシアルミニウム、トリイソプロポキシアルミニウム、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラメトキシジルコニウム、テトラエトキシジルコニウム、及びこれら化合物のアルキル置換体等の化合物が挙げられる。このような化合物の一種又は二種以上が適宜に選択されて、用いられることとなる。
　　Ｒ1 mＭ（ＯＲ2）n・・・式（１）
　　　　Ｒ1 、Ｒ2 ：炭化水素基
　　　　  　　　Ｍ：Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ又はＴｉの何れかの原子
　　　　　　　　ｍ：０又は正の整数
　　　　　　　　ｎ：正の整数
　　　　　　ｍ＋ｎ：原子Ｍの原子価
　また、そのようなアルコキシドの添加量の増減によって、有機－無機ポリマーハイブリッド膜（本発明に係る気体分離膜の前駆体）中の無機酸化物量も増減する。一般に、かかるハイブリッド材料中の無機酸化物量は、０．０５～９５重量％、好ましくは０．１～５０重量％の範囲内にあることが望ましい。多分岐ポリイミド系ハイブリッド材料は、含有する無機酸化物量が多くなるに従って、耐熱性、弾性率や硬度等は向上するものの、その反面、材料自体が脆くなり、クラックの生成や耐衝撃性の低下を招く恐れがある。従って、無機酸化物量が適当な範囲内となるようにアルコキシドの添加量が決定されることとなる。
　なお、上述の如くして得られた有機－無機ポリマーハイブリッド膜にあっては、その多分岐ポリイミドの末端に存在する反応性残基（アミノ基、酸無水物基）を、種々の化合物により化学修飾して、機能性基を付与することにより、多種多様な機能を発揮し得るようにすることが可能である。
（Ｄ）有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（ＨＢＤ－直鎖ＰＩ膜）
　本発明に用いられるポリマーブレンドを構成する、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸、及び直鎖ヒドロキシポリアミド酸については、（Ｂ）多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜）の項に記載した手法によって調製することが出来る。また、多分岐ポリアミド酸と直鎖ヒドロキシアミド酸の混合溶液の調製についても、（Ｂ）多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜（多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜）の項に記載した手法によって調製することが出来る。尚、製膜方法としては、（Ａ）多分岐ポリイミドからなる膜（多分岐ＰＩ膜）の項に記載のものと同様の方法を採用することが出来る。
　ＨＢＤ－直鎖ＰＩ膜を製造する場合には、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸を用いると共に、少なくとも製膜処理が施されるまでに、かかる多分岐ポリアミド酸と以下に述べる所定のアルコキシドとの反応が実施される。即ち、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸と、所定のアルコキシドの少なくとも一種以上とを、水の存在下において同一系内に存在せしめると、多分岐ポリアミド酸分子中のアルコキシ基とアルコキシドとがゾル－ゲル反応により重縮合し、酸化ケイ素等の単位にて構成される無機重合物からなる無機酸化物相が有利に形成せしめられ、以て、最終的に得られる気体分離膜の気体透過性及び気体選択透過性がより優れたものとなる。
　本発明においては、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの間におけるゾル－ゲル反応による重縮合を行なう前に、多分岐ポリアミド酸のイミド化を行なうことも、勿論、可能である。また、上記多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの重縮合（ゾル－ゲル反応）と、多分岐ポリアミド酸のイミド化とを、連続的に実施すること、具体的には、多分岐ポリアミド酸の溶液中にアルコキシドを添加し、所定時間、比較的低い温度を保った状態において、撹拌せしめて、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとを重縮合せしめた後、かかる溶液を加熱することにより、溶液内の多分岐ポリアミド酸（アルコキシドとの間で重縮合したもの）をイミド化（脱水閉環）せしめることも、可能である。なお、多分岐ポリアミド酸とアルコキシドとの間のゾル－ゲル反応を進行せしめる際には、１００℃以下、有利には５０℃以下の温度において、実施することが好ましい。
　ここで、複数の末端のうちの少なくとも一部にアルコキシ基（又は水酸基）を有する多分岐ポリアミド酸と反応せしめられるアルコキシドとしては、水の存在下において分子間で重縮合が可能なものであって、下記式（１）にて表わされるものが用いられる。具体的には、ジメトキシマグネシウム、ジエトキシマグネシウム、トリメトキシアルミニウム、トリエトキシアルミニウム、トリイソプロポキシアルミニウム、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラメトキシジルコニウム、テトラエトキシジルコニウム、及びこれら化合物のアルキル置換体等の化合物が挙げられる。このような化合物の一種又は二種以上が適宜に選択されて、用いられることとなる。
　　Ｒ1 mＭ（ＯＲ2）n・・・式（１）
　　　　Ｒ1 、Ｒ2 ：炭化水素基
　　　　  　　　Ｍ：Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ又はＴｉの何れかの原子
　　　　　　　　ｍ：０又は正の整数
　　　　　　　　ｎ：正の整数
　　　　　　ｍ＋ｎ：原子Ｍの原子価
　また、そのようなアルコキシドの添加量の増減によって、最終的に得られる気体分離膜中の無機酸化物量も増減する。一般に、かかる気体分離膜中の無機酸化物量は、０．０５～９５重量％、好ましくは０．１～５０重量％の範囲内にあることが望ましい。含有する無機酸化物量が多くなるに従って、耐熱性、弾性率や硬度等は向上するものの、その反面、材料自体が脆くなり、クラックの生成や耐衝撃性の低下を招く恐れがある。従って、無機酸化物量が適当な範囲内となるようにアルコキシドの添加量が決定されることとなる。
　そして、以上の如くして準備された多分岐ポリイミド系材料からなる膜（多分岐ＰＩ膜、多分岐ＰＩ－直鎖ＰＩ膜、ＨＢＤ膜又はＨＢＤ－直鎖ＰＩ膜）を、非酸化雰囲気下において加熱処理せしめることによって、本発明に従う気体分離膜が得られるのである。
　かかる加熱処理を実施する際の様々な条件、例えば加熱温度や加熱時間等は、前駆体である膜を構成する多分岐ポリイミド系材料の種類や、目的とする気体分離膜の特性等に応じて、適宜に決定されることとなるが、多分岐ポリイミド系材料からなる膜が完全に炭化しない程度の条件、即ち、部分的に炭化（部分炭化）するような条件が、有利に採用される。具体的に、加熱温度としては、熱イミド化せしめる際の温度を超えるが、大半が炭化してしまう温度より低い温度が設定され、好ましくは３００～５００℃の温度とされる。また、加熱時間としては、加熱温度に応じて、３０分～２時間とされる。
　また、本発明において、多分岐ポリイミド系材料からなる膜の加熱処理は、非酸化雰囲気で行われるのであり、例えば窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、或いは減圧真空下において、加熱処理は実施される。
　そして、そのようにして得られた気体分離膜にあっては、優れた気体透過性と気体分離特性、特に、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過と、二酸化炭素とメタン（ＣＨ4 ）の分離特性とを、従来は成し得なかった高いレベルで兼ね備えたものとなるのである。
　以下に、本発明の実施例を幾つか示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には、上述の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。
－実施例１－
　撹拌機、窒素導入管及び塩化カルシウム管を備えた１００ｍＬの三つ口フラスコに、４，４’－（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸二無水物（６ＦＤＡ）を１．３３ｇ（３ｍｍｏｌ）仕込み、４０ｍＬのジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）を加えて溶解した。この溶液を撹拌しながら、２０ｍＬのＤＭＡｃに溶解した１，３，５－トリス（４－アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＡＰＯＢ）：０．６４ｇ（１．６ｍｍｏｌ）を徐々に加えた後、２５℃で３時間、撹拌し、酸無水物末端多分岐ポリアミド酸を合成した。
　得られた酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液に、３－アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴｒＭＯＳ）：０．０７２ｇ（０．４ｍｍｏｌ）を加え、更に２時間半、撹拌することにより、複数の末端のうちの少なくとも一部がＡＰＴｒＭＯＳにて修飾された酸無水物末端多分岐ポリアミド酸（以下、シラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸という）を合成した。このシラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料１）。
　得られた気体分離膜（試料１）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、昇温速度：１０℃／分にて、熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５０９℃であった。更に、試料１の気体透過測定を、１気圧、２５℃の条件の下、定容法（ＪＩＳ規格試験法：ＪＩＳ－Ｚ－１７０７）に従って行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例２－
　実施例１と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：６．０ｇに、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）：０．０６３ｇと、水（Ｈ2 Ｏ）：０．０４５ｇとを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料２）。なお、かかる気体分離膜（試料２）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料２）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５１１℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料２の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例３－
　実施例１と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：６．０ｇに、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）：０．１２７ｇと、水（Ｈ2 Ｏ）：０．０７６ｇとを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料３）。なお、かかる気体分離膜（試料３）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は２０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料３）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５１４℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料３の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例４－
　実施例１と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：６．０ｇに、３，５－ビス（トリフルオロメチル）アニリン（６ＦＭＡ）：０．１８３ｇ（０．８ｍｍｏｌ）を加え、室温にて２時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料４）。
　得られた気体分離膜（試料４）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５１０℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料４の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例５－
　撹拌機、窒素導入管及び塩化カルシウム管を備えた３００ｍＬの三つ口フラスコに、ＴＡＰＯＢ：７．２ｇ（１８ｍｍｏｌ）を仕込み、ＤＭＡｃ：３０ｍＬを加えて溶解した。この溶液を撹拌しながら、５４ｍＬのＤＭＡｃに溶解した６ＦＤＡ：６．４ｇ（１４．４ｍｍｏｌ）を徐々に加えた後、２５℃で３時間、撹拌し、アミン末端多分岐ポリアミド酸を合成した。
　得られたアミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液に、３－トリエトキシシリルプロピルコハク酸無水物（ＴＥＯＳＰＳＡ）：０．８６ｇ（２．８ｍｍｏｌ）を加え、更に２時間、撹拌することにより、複数の末端のうちの少なくとも一部がＴＥＯＳＰＳＡにて修飾されたアミン末端多分岐ポリアミド酸（以下、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸）を合成した。
　一方、撹拌機、窒素導入管及び塩化カルシウム管を備えた別の３００ｍＬの三つ口フラスコに６ＦＤＡ：３２．０ｇ（７２ｍｍｏｌ）を仕込み、ＤＭＡｃ：１５６ｍＬを加えて溶解した。この溶液を撹拌しながら、３，３’－ジヒドロキシベンジジン（ＨＡＢ）：１５．３ｇ（７１．２８ｍｍｏｌ）を徐々に加え、２５℃で３時間、撹拌し、直鎖ヒドロキシポリアミド酸（６ＦＤＡ－ＨＡＢ）を合成した。
　以上の如くして得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液、及び直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸：直鎖ヒドロキシポリアミド酸＝４０：６０（ポリマー重量比）の割合において混合した。得られた混合溶液をポリエステルシート上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料５）。
　得られた気体分離膜（試料５）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４８８℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料５の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例６－
　実施例５と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液：４．０ｇに、ＴＭＯＳ：０．２６１ｇ、及びＨ2Ｏ ：０．１２４ｇを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料６）。なお、かかる気体分離膜（試料６）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料６）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９５℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料６の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例７－
　実施例５と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液及び直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸：直鎖ヒドロキシポリアミド酸＝２０：８０（ポリマー重量比）の割合において混合した。得られた混合溶液をポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料７）。
　得られた気体分離膜（試料７）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９２℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料７の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例８－
　実施例７と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液：４．０ｇに、ＴＭＯＳ：０．３００ｇ、及びＨ2Ｏ ：０．２１３ｇを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料８）。なお、かかる気体分離膜（試料８）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料８）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９４℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料８の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－実施例９－
　実施例５と同様の手法に従って得られたシラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料９）。
　得られた気体分離膜（試料９）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９６℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料９の気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例１－
　実施例１と同様の手法に従って得られたシラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ａ）。
　得られた気体分離膜（試料ａ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４５７℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ａの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例２－
　実施例１と同様の手法に従って得られたシラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：６．０ｇに、ＴＭＯＳ：０．０６３ｇと、Ｈ2 Ｏ：０．０４５ｇとを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｂ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｂ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｂ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９０℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｂの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例３－
　実施例１と同様の手法に従って得られたシラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：６．０ｇに、ＭＴＭＳ：０．１２７ｇと、Ｈ2 Ｏ：０．０７６ｇとを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｃ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｃ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は２０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｃ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４８０℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｃの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例４－
　実施例１と同様の手法に従って得られたシラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：０．０７２ｇに、６ＦＭＡ：０．１８３ｇ（０．８ｍｍｏｌ）を加え、室温にて２時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｄ）。
　得られた気体分離膜（試料ｄ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４７４℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｄの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例５－
　実施例５と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｅ）。
　得られた気体分離膜（試料ｅ）は透明であり、茶褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４７８℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｅの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例６－
　実施例５と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液：４．０ｇに、ＴＭＯＳ：０．２６１ｇ、及びＨ2Ｏ ：０．１２４ｇを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｆ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｆ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｆ）は透明であり、茶褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４８７℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｆの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例７－
　実施例７と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｇ）。
　得られた気体分離膜（試料ｇ）は透明であり、茶褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４７９℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｇの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例８－
　実施例７と同様の手法に従って得られた、シラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液と直鎖ヒドロキシポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液との混合溶液：４．０ｇに、ＴＭＯＳ：０．３００ｇ、及びＨ2Ｏ ：０．２１３ｇを加え、室温にて２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｈ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｈ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｈ）は透明であり、茶褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９３℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｈの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例９－
　実施例５と同様の手法に従って得られたシラン修飾－アミン末端多分岐ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液を、ポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｉ）。
　得られた気体分離膜（試料ｉ）は透明であり、茶褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９１℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｉの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例１０－
　撹拌機、窒素導入管及び塩化カルシウム管を備えた１００ｍＬの三つ口フラスコに、６ＦＤＡを１．３３ｇ（０．３３ｍｍｏｌ）仕込み、１５ｍＬのＤＭＡｃを加えて溶解した。この溶液を撹拌しながら、０．８０４ｇ（２．７５ｍｍｏｌ）の１，３－ビス（４－アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＰＥＲ）を徐々に加え、２５℃で３時間、撹拌し、直鎖ポリアミド酸を合成した。
　得られた直鎖ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液に、ＡＰＴｒＭＯＳ：０．０８９ｇ（０．５ｍｍｏｌ）を加え、更に２時間、撹拌し、シラン修飾－酸無水物末端多分岐ポリアミド酸に類似した構造を有するシラン修飾－酸無水物末端直鎖ポリアミド酸を得た。このシラン修飾－酸無水物末端直鎖ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液をポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に、窒素雰囲気下にて、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｊ）。
　得られた気体分離膜（試料ｊ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は４９０℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｊの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例１１－
　比較例１０で得られたシラン修飾－酸無水物末端直鎖ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：１．５ｇに、ＴＭＯＳ：０．０６１ｇとＨ2Ｏ ：０．０４３ｇとを加え、室温で２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液をポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に窒素雰囲気下において、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施して製膜化せしめることにより、気体分離膜とした（試料ｋ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｋ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｋ）は透明であり、淡黄色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５０５℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｋの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例１２－
　比較例１０で得られたシラン修飾－酸無水物末端直鎖ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液をポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に窒素雰囲気下において、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料ｌ）。
　得られた気体分離膜（試料ｌ）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５１３℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｌの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
－比較例１３－
　比較例１０で得られたシラン修飾－酸無水物末端直鎖ポリアミド酸のＤＭＡｃ溶液：１．５ｇに、ＴＭＯＳ：０．０６１ｇとＨ2Ｏ ：０．０４３ｇとを加え、室温で２４時間、撹拌した。その後、この混合溶液をポリエステルフィルム上にキャストし、８５℃で２時間、乾燥し、更に窒素雰囲気下において、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、加熱処理を施すことにより、膜状試料を得た。そして、かかる膜状試料について、窒素雰囲気下において４５０℃で１時間、更に加熱処理を施すことにより、気体分離膜とした（試料ｍ）。なお、かかる気体分離膜（試料ｍ）において、シリカ量（二酸化ケイ素換算）は１０重量％であった。
　得られた気体分離膜（試料ｍ）は透明であり、濃褐色を呈していた。また、実施例１と同様の条件に従って熱重量測定（ＴＧＡ測定）を行なったところ、熱分解温度（５％重量減少温度：Ｔd 5）は５１９℃であった。更に、実施例１と同様の条件に従って、試料ｈの気体透過測定を行なった。その測定結果を、下記表１に示す。
　上述した実施例１～９及び比較例１～１３において測定した、各試料におけるＣＯ2 透過係数［Ｐ（ＣＯ2 ）］とＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数［α（ＣＯ2 ／ＣＨ4 ）］との関係を、図１に示す。尚、図１において、点線は、１９９１年及び２００８年にRobeson により提唱された、高分子膜におけるＣＯ2 透過係数に対するＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数の上限限界（Upper Bound ）を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　かかる表１及び図１からも明らかなように、本発明に従う気体分離膜（試料１～９）にあっては、従来より提唱されている高分子膜の上限限界（Upper Bound ）を超える高いＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数を示すことが、確認された。特に、多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜状の前駆体、及び、有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜状の前駆体を、各々、加熱処理して部分的に炭化することにより得られた気体分離膜（試料５～８）にあっては、２００８年にRobeson により提唱された高分子膜の上限限界（Upper Bound ）をも超える非常に高いＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数を示すことが、確認された。
　これに対して、（１）多分岐ポリイミド又は有機－無機ポリマーハイブリッドからなり、部分的に炭化させるための加熱処理が施されていない気体分離膜（試料ａ～ｄ、ｉ）や、（２）直鎖ポリイミドからなり、部分的に炭化させるための加熱処理が施されていない気体分離膜（試料ｊ、ｋ）、更には（３）直鎖ポリイミド又は直鎖ポリイミド－シリカハイブリッドからなる膜状の前駆体を、加熱処理して部分的に炭化することにより得られた気体分離膜（試料ｌ、ｍ）については、ＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数は、１９９１年にRobeson により提唱された高分子膜の上限限界（Upper Bound ）すら超えるものではなかった。なお、多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる気体分離膜（試料ｅ、ｇ）、及び、有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる気体分離膜（試料ｆ、ｈ）におけるＣＯ2 ／ＣＨ4 分離係数は、１９９１年にRobeson により提唱された高分子膜の上限限界（Upper Bound ）を超えるものの、２００８年にRobeson により提唱された高分子膜の上限限界（Upper Bound ）を超えるものではなかった。
　以上の結果より、本発明に係る気体分離膜は、その多分岐構造に起因して、部分炭化によってＣＯ2 ／ＣＨ4 分離に有効なサイズの自由体積空孔が形成され易いことがわかる。特に、多分岐ポリイミド－シリカハイブリッドからなる膜や、多分岐ポリイミド又は多分岐ポリイミド－シリカハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドからなる膜を、加熱処理によって部分炭化してなる気体分離膜にあっては、ＣＯ2 の透過性と、ＣＯ2 とＣＨ4 の分離特性とを、非常に高いレベルで兼ね備えていることがわかる。
                                                                                

Claims (7)

  1. 　多分岐ポリイミド系材料からなる膜を、非酸化雰囲気下において加熱処理せしめることによって得られる気体分離膜。
  2. 　前記多分岐ポリイミド系材料が、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミンと、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物若しくはそれらの誘導体とを反応せしめて得られる、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸を、イミド化せしめてなる多分岐ポリイミドを含む請求項１に記載の気体分離膜。
  3. 　前記多分岐ポリイミド系材料が、前記多分岐ポリイミドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドである請求項２に記載の気体分離膜。
  4. 　前記多分岐ポリイミド系材料が、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族トリアミンとの反応によって生じたイミド構造を有する多分岐ポリイミド相と、無機酸化物相とを有し、それらが共有結合によって一体化されて、複合構造を呈する有機－無機ポリマーハイブリッドを含む請求項１～請求項３の何れか１項に記載の気体分離膜。
  5. 　前記有機－無機ポリマーハイブリッドが、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、芳香族トリアミンと、末端にアミノ基或いはカルボキシル基を有する、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はチタンのアルコキシ化合物若しくはそれらの誘導体とを反応せしめて得られる、複数の末端のうちの少なくとも一部に水酸基又はアルコキシ基を有する多分岐ポリアミド酸と、下記式（１）で表わされるアルコキシドの少なくとも一種以上とを、水の存在下、ゾル－ゲル反応せしめ、得られた反応物をイミド化せしめてなるものである請求項４に記載の気体分離膜。
    　　Ｒ1 mＭ（ＯＲ2）n・・・式（１）
    　　　Ｒ1 、Ｒ2 ：炭化水素基
    　　　　  　　Ｍ：Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ又はＴｉの何れかの原子
    　　　　　　　ｍ：０又は正の整数
    　　　　　　　ｎ：正の整数
    　　　　　ｍ＋ｎ：原子Ｍの原子価
  6. 　前記多分岐ポリイミド系材料が、前記有機－無機ポリマーハイブリッドと直鎖ヒドロキシポリイミドとのポリマーブレンドである請求項４又は請求項５に記載の気体分離膜。
  7. 　前記直鎖ヒドロキシポリイミドが、芳香族テトラカルボン酸二無水物と３，３’－ジヒドロキシベンジジンとを重合して得られるものである請求項３又は請求項６に記載の気体分離膜。
                                                                                    
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