WO2017179738A1 - 気体分離膜の製造方法 - Google Patents

気体分離膜の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2017179738A1
WO2017179738A1 PCT/JP2017/015436 JP2017015436W WO2017179738A1 WO 2017179738 A1 WO2017179738 A1 WO 2017179738A1 JP 2017015436 W JP2017015436 W JP 2017015436W WO 2017179738 A1 WO2017179738 A1 WO 2017179738A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solvent
silica nanoparticles
gas separation
separation membrane
functional group
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/015436
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩良 川上
田中 学
百合 亀山
梓 大澤
忠之 伊左治
隆正 菊池
Original Assignee
日産化学工業株式会社
公立大学法人首都大学東京
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産化学工業株式会社, 公立大学法人首都大学東京 filed Critical 日産化学工業株式会社
Priority to CN201780023613.9A priority Critical patent/CN109414645B/zh
Priority to EP17782551.0A priority patent/EP3444020B1/en
Priority to JP2018512116A priority patent/JP6876303B2/ja
Priority to US16/093,877 priority patent/US10906009B2/en
Publication of WO2017179738A1 publication Critical patent/WO2017179738A1/ja

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0079Manufacture of membranes comprising organic and inorganic components
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0079Manufacture of membranes comprising organic and inorganic components
    • B01D67/00793Dispersing a component, e.g. as particles or powder, in another component
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14Dynamic membranes
    • B01D69/141Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/1411Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing dispersed material in a continuous matrix
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14Dynamic membranes
    • B01D69/141Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/1411Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing dispersed material in a continuous matrix
    • B01D69/14111Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing dispersed material in a continuous matrix with nanoscale dispersed material, e.g. nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14Dynamic membranes
    • B01D69/141Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/148Organic/inorganic mixed matrix membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • B01D71/027Silicium oxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/70Polymers having silicon in the main chain, with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only
    • B01D71/701Polydimethylsiloxane
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/113Silicon oxides; Hydrates thereof
    • C01B33/12Silica; Hydrates thereof, e.g. lepidoic silicic acid
    • C01B33/18Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/28Compounds of silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/10Treatment with macromolecular organic compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/50Carbon oxides
    • B01D2257/504Carbon dioxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/219Specific solvent system
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/36Introduction of specific chemical groups
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/38Graft polymerization
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/20Specific permeability or cut-off range
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/22Thermal or heat-resistance properties
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/24Mechanical properties, e.g. strength
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/26Polyalkenes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/58Other polymers having nitrogen in the main chain, with or without oxygen or carbon only
    • B01D71/62Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain
    • B01D71/64Polyimides; Polyamide-imides; Polyester-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/66Polymers having sulfur in the main chain, with or without nitrogen, oxygen or carbon only
    • B01D71/68Polysulfones; Polyethersulfones
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/70Polymers having silicon in the main chain, with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/76Macromolecular material not specifically provided for in a single one of groups B01D71/08 - B01D71/74
    • B01D71/78Graft polymers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/76Macromolecular material not specifically provided for in a single one of groups B01D71/08 - B01D71/74
    • B01D71/82Macromolecular material not specifically provided for in a single one of groups B01D71/08 - B01D71/74 characterised by the presence of specified groups, e.g. introduced by chemical after-treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/08Treatment with low-molecular-weight non-polymer organic compounds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a gas separation membrane containing silica nanoparticles to which a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer is added.
  • Nanoparticles having an average particle size of nanometer order from 1 nm to several hundreds of nm has been actively conducted.
  • Nanoparticles made from nano-sized materials are known to express and impart various modes and properties, unlike conventional bulk materials, and are expected to be applied in a wide range of industrial fields.
  • Nanoparticles can be produced as primary particles, but are highly agglomerated due to their fineness, and if left untreated, they become aggregates having a micro-order particle size.
  • inorganic nanoparticles such as those described above are added to an organic component, improvement in heat resistance and mechanical strength can be expected, while inorganic particles are used in an organic solvent as they are because of their cohesive strength.
  • micro-order aggregates are formed in the polymer matrix or in the polymer matrix, and as a result, the characteristics and performance of the organic-inorganic composite material as expected can not be obtained. For this reason, in order to maintain the dispersibility as primary particles, it has been proposed to perform uniform chemical modification on the particle surface (see, for example, Patent Document 1).
  • organic-inorganic composite materials that can synergistically improve the merits of both inorganic and organic components at the nano-level or molecular level are attracting attention.
  • This concept is also applied to polymer gas separation membranes that are attracting attention for their usefulness in solving energy and environmental problems.
  • Organic-inorganic composite materials with inorganic nanoparticles added to a polymer matrix Therefore, it is desired to achieve high mechanical strength, thermal stability, and gas permeation characteristics that cannot be achieved by existing methods.
  • the gas separation method using the gas permeation characteristics of the polymer membrane allows gas separation and recovery without gas phase change, and is simpler to operate and smaller in size than other gas separation methods. Moreover, since gas separation can be performed continuously, it has a characteristic of low environmental load. In recent years, such energy-saving polymer gas separation membrane methods have attracted attention and are expected to be put to practical use, particularly as separation and recovery of greenhouse gases, production of oxygen-enriched air, and purification of natural gas. Furthermore, further improvements in gas separation performance and gas permeation amount are required.
  • the surface of silica nanoparticles is treated with an amino group-containing silane coupling agent to silylate the surface
  • a polymer grafted silica particle was prepared by treating with a polymer, and the polymer grafted silica particle thus obtained was dispersed in a polymer to form a resin membrane.
  • a report was made on the performance of this membrane as a gas separation membrane. (Refer to Non-Patent Document 1), however, no satisfactory results have been obtained in terms of gas permeation.
  • Patent Document 2 Since the present inventors verified the technique described in Patent Document 2 as a method for improving the characteristics of gas separation membranes by incorporating inorganic nanoparticles in a polymer membrane, the particles were dried during the manufacturing process.
  • the silica nanoparticles are agglomerated in the polymer matrix, and the dispersion in the polymer matrix tends to be non-uniform, and if the content of the modified silica is higher than 30% by mass, the gas separation membrane is damaged. Is limited to 30% by mass or less, it was found that sufficient results were not obtained in the amount of gas permeation.
  • the present inventors bonded bulky hyperbranched polymers or dendrimer polymers in a state where silica nanoparticles are dispersed in a solvent, and bonded them to the resin matrix.
  • a method for producing a gas separation membrane excellent in uniform dispersibility and greatly improved in gas permeation was found, and the present invention was completed.
  • the present invention relates to a method for producing a gas separation membrane according to any one of the following first to fourteenth aspects.
  • the functional group-modified silica nanoparticles are reacted with a dendrimer-forming monomer or a hyperbranch-forming monomer to prepare silica nanoparticles in which a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer is added to the reactive functional group.
  • step a step of mixing the dendrimer polymer or hyperbranched polymer-added silica nanoparticles obtained in the step (b) with a matrix resin;
  • Process The process of removing a solvent after apply
  • Second aspect The method for producing a gas separation membrane according to the first aspect, wherein the first solvent is at least one selected from water and an alcohol having 1 to 4 carbon atoms.
  • Third aspect The second solvent according to the first aspect or the second aspect, wherein the second solvent is at least one selected from tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, and ⁇ -butyrolactone.
  • Fourth aspect The method for producing a gas separation membrane according to any one of the first to third aspects, wherein the reactive functional group-containing compound is a silane coupling agent.
  • Fifth aspect The gas separation membrane according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reactive functional group-containing compound is a compound represented by the following general formula (1): Manufacturing method.
  • R 1 represents a methyl group or an ethyl group
  • R 2 represents an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
  • the following general formula (2) further remains in the state dispersed in the first solvent.
  • a reactive functional group-containing compound that is a compound represented by the following formula or an acid anhydride thereof to prepare reactive functional group-modified silica nanoparticles to obtain a first solvent dispersion of reactive functional group-modified silica nanoparticles The method for producing a gas separation membrane according to the fifth aspect, which is characterized.
  • R 3 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • a compound having two or more carboxyl groups and a compound having two or more amino groups are used as the dendrimer-forming monomer.
  • the manufacturing method of the gas separation membrane of description Eighth aspect: A method according to any one of the first to sixth aspects, wherein a compound having two or more amino groups and a compound having two or more carboxyl groups are used as the dendrimer-forming monomer.
  • a method for producing a gas separation membrane Ninth aspect: In any one of the first to sixth aspects, a compound having one carboxyl group and two or more amino groups or halogen atoms is used as the hyperbranch-forming monomer. The manufacturing method of the gas separation membrane of description.
  • Tenth aspect In any one of the first to sixth aspects, a compound having one amino group and two or more carboxyl groups or halogen atoms is used as the hyperbranch-forming monomer.
  • the matrix resin is at least one selected from the group consisting of polyimide, polysulfone, polydimethylsiloxane, polysubstituted acetylene, poly-4-methylpentene, and natural rubber. The method for producing a gas separation membrane according to any one of the tenth aspects.
  • Twelfth aspect In the step (c), the content of silica nanoparticles to which a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer is added is 1% by mass to 70% by mass.
  • the method for producing a gas separation membrane according to any one of the viewpoints to the eleventh aspect Thirteenth aspect: The method for producing a gas separation membrane according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the solvent is removed by heating in the step (d).
  • Fourteenth aspect The method for producing a gas separation membrane according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein in the step (d), the solvent is removed in a vacuum.
  • the gas separation membrane produced according to the present invention is uniformly dispersed in the matrix resin without agglomeration of the silica nanoparticles to which the hyperbranched polymer or dendrimer polymer is added, and has excellent gas separation characteristics,
  • the gas separation membrane has an extremely large gas permeation amount.
  • silica nanoparticles used to form the silica nanoparticles to which the dendrimer polymer or hyperbranched polymer used in the present invention is added are conventionally used as fillers in the formation of polymer films. Silica nanoparticles having a particle size of nano-order.
  • silica nanoparticles to which a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer is added are prepared by reacting with a silanol group present on the surface of the silica nanoparticles while the silica nanoparticles are in a solvent-dispersed state.
  • the silica nanoparticle is first treated to produce a reactive functional group-modified silica nanoparticle.
  • the reactive functional group-modified silica nanoparticles are allowed to react with the reactive functional group with a monomer for forming a dendrimer or a monomer for forming a hyperbranch while the reactive functional group-modified silica nanoparticles are in a solvent dispersion state.
  • silica nanoparticles to which a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer is added using silica nanoparticles will be described in detail.
  • the silica nanoparticles used in the present invention need only have nano-order particle diameters, but considering the gas permeation characteristics, the average primary particle diameter (nitrogen adsorption method) is 2 nm to 500 nm, preferably 5 nm. It is about ⁇ 300 nm, more preferably 5 nm to 100 nm.
  • the silica nanoparticles used in the present invention are used in a separated state in the first solvent in order to improve the uniformity of the surface modification reaction.
  • a hydrophilic solvent is used, and at least one selected from the group consisting of water and an alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferably used, and a mixed solvent may be used.
  • the silica nanoparticles may be produced by being dispersed in a first solvent, or the silica nanoparticles dispersed in another solvent may be replaced with a solvent to obtain a dispersion of the first solvent. Also good.
  • Examples of the alcohol having 1 to 4 carbon atoms include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, and 2-methyl-2-propanol.
  • the silica nanoparticles are treated with a reactive functional group-containing compound having a functional group that reacts with the hyperbranch-forming monomer or the dendrimer-forming monomer in a state of being dispersed in the first solvent.
  • a reactive functional group is added.
  • a preferable reactive functional group-containing compound is a silane coupling agent, for example, a compound having an amino group at a terminal represented by the general formula (1).
  • R 1 represents a methyl group or an ethyl group
  • R 2 represents an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms, an amide group, or an aminoalkylene group.
  • the amino group is preferably at the terminal, but may not be at the terminal.
  • Examples of the compound represented by the general formula (1) include 3-aminopropyltriethoxysilane and 3-aminopropyltrimethoxysilane.
  • Examples of other silane coupling agents having an amino group include 3-ureidopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3- (2-aminoethylamino) propyltriethoxysilane, 3- (2- Typical examples include aminoethylamino) propyltrimethoxysilane.
  • the reactive functional group-containing compound used in the present invention may have other groups such as an isocyanate group, a mercapto group, a glycidyl group, a ureido group, and a halogen group. .
  • silane coupling agents having functional groups other than amino groups include 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, and 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl. Trimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane Etc.
  • the reactive functional group-containing compound to be used may not be a trialkoxysilane compound as in the general formula (1), and may be, for example, a dialkoxysilane compound or a monoalkoxysilane compound.
  • the functional group of the reactive functional group-containing compound that reacts with the silanol group of the silica nanoparticles may be a group other than an alkoxy group, such as an isocyanate group, a mercapto group, a glycidyl group, a ureido group, or a halogen atom.
  • the silica nanoparticle is performed by introducing the reactive functional group-containing compound into a liquid dispersed in water or an alcohol having 1 to 4 carbon atoms and stirring.
  • the addition of the reactive functional group to the surface of the silica nanoparticles may be performed by a one-step reaction as described above, or may be performed by a reaction of two or more steps as necessary.
  • a specific example of the two-step reaction will be described in the preparation of carboxyl group-modified silica nanoparticles.
  • silica nanoparticles are treated with aminoalkyltrialkoxysilane to prepare amino group-modified silica nanoparticles, and then By treating with the dicarboxylic acid compound represented by the general formula (2) or an acid anhydride thereof, silica nanoparticles in which the terminal of the reactive functional group added to the silica nanoparticles is a carboxyl group can be prepared.
  • R 3 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • Examples of the compound represented by the general formula (2) include malonic acid, adipic acid, terephthalic acid, and the like.
  • the dicarboxylic acid compound is not limited to those mentioned in the above formula.
  • R 4 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or (C 2 H 5 —O—) p and / or (C 3 H 7 —O—) q , and p and q are each independently selected. (It is an integer of 1 or more.)
  • Examples of the monomer represented by the general formula (3) include ethylenediamine, polyoxyethylenebisamine (molecular weight 2,000), o, o′-bis (2-aminopropyl) polypropylene glycol-block-polyethylene glycol ( Molecular weight 500).
  • the first solvent dispersion of reactive functional group-modified silica nanoparticles prepared in this way is replaced with the second solvent without drying the dispersion medium.
  • the second solvent is a more hydrophobic solvent than the first solvent, and one of tetrahydrofuran (THF), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), and ⁇ -butyrolactone (GBL). It is preferably at least one selected from at least one species, and may be a mixed solvent.
  • THF tetrahydrofuran
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • DMAc dimethylacetamide
  • DMF dimethylformamide
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • the reactive functional group-modified silica nanoparticles are converted to a multi-branched dendrimer polymer or hyperbranch.
  • a polymer is added. That is, a reactive functional group-modified silica nanoparticle is reacted with a dendrimer-forming monomer or a hyperbranch-forming monomer to prepare a silica nanoparticle having a dendrimer polymer or a hyperbranched polymer added to the reactive functional group.
  • a second solvent dispersion of polymer or hyperbranched polymer-added silica nanoparticles is obtained.
  • the Divergent method is a method in which a building block is protected and deprotected from the central core molecule to the outside and reacted.
  • the convergent method is a method in which dendron, which is a subunit of dendrimer, is synthesized from the outside, and finally a coupling reaction is performed with a nuclear molecule.
  • hyperbranched polymers are basically synthesized by self-condensation of AB2 type monomers, and can be synthesized much more easily than dendrimers. Since the structure regulation and molecular weight distribution are not as precise as dendrimers, they are a mixture of compounds having different molecular weights and degrees of branching, and can be handled as so-called polymers. In view of ease of production, it is preferable to add a hyperbranched polymer in the present invention.
  • a compound having one carboxyl group and two amino groups represented by the following general formula (4) is preferably used, and a compound having three or more amino groups is used.
  • R 5 may be a group other than an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • Examples of the hyperbranch-forming monomer represented by the following general formula (4) include 3,5-diaminobenzoic acid and 3,5-diamino-4-methylbenzoic acid.
  • R 5 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • a compound having one carboxyl group and two halogen atoms represented by the following general formula (5) can also be used as the hyperbranch-forming monomer.
  • R 6 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group, and X 1 and X 2 represent a halogen atom.
  • Examples of the compound represented by the general formula (5) include 3,5-dibromo-4-methylbenzoic acid, 3,5-dibromosalicylic acid, 3,5-dibromo-4-hydroxy-benzoic acid, and the like. It is done.
  • the hyperbranch-forming monomer is not limited to the compound containing one carboxyl group and two or more amino groups, or one carboxyl group and two or more halogen atoms.
  • a monomer capable of forming a hyperbranched polymer may be used as appropriate according to the modified reactive functional group.
  • R 7 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • Examples of the compound represented by the general formula (6) include 2-aminoterephthalic acid, 4-aminoterephthalic acid, DL-2-aminosuberic acid and the like.
  • a monomer having one amino group and two or more halogens can also be used as the hyperbranched polymer-forming monomer.
  • R 8 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group, and X 1 and X 2 represent a halogen atom.
  • Examples of the compound represented by the general formula (7) include 3,5-dibromo-4-methylaniline, 2,4-dibromo-6-nitroaniline, and the like.
  • the above general formulas (6) and (6) may be two or more, and other monomers having functional groups other than amino groups that react with carboxyl groups may be used.
  • the weight average molecular weight of the hyperbranched polymer single chain formed by these reactions is preferably about 200 to 2,000,000, for example, and the degree of branching is preferably about 0.5 to 1.
  • the hyperbranched monomer is converted into one or more of the second solvents tetrahydrofuran (THF), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) and ⁇ -butyrolactone (GBL).
  • THF tetrahydrofuran
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • DMAc dimethylacetamide
  • DMF dimethylformamide
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • Dissolve in solvent then add carboxylic acid activating reagent Benzotriazol-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate (BOP) and nucleophile triethylamine and stir, and add amino group-modified silica nanoparticles to this solution , By stirring.
  • BOP Benzotriazol-1-yloxytris
  • the carboxylic acid activating reagent may be triphenylpho
  • silica nanoparticles to which a dendrimer polymer is added will be described.
  • dendrimer addition to amino group-modified silica nanoparticles will be described.
  • a monomer having three carboxyl groups represented by the following general formula (8) with respect to amino group-modified silica nanoparticles or It is necessary to add a monomer having 4 or more carboxyl groups.
  • the monomer used include trimesic acid and pyromellitic acid.
  • R 9 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • R 4 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or (C 2 H 5 —O—) p and / or (C 3 H 7 —O—) q , and p and q are each independently selected. (It is an integer of 1 or more.)
  • the monomer having three amino groups represented by the following general formula (9) in the carboxyl group-modified silica nanoparticles, or Treatment is performed using a monomer having 4 or more amino groups.
  • the monomer represented by the general formula (9) include 1,2,5-pentanetriamine and 1,2,4,5-benzenetetraamine.
  • R 10 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an aromatic group.
  • a monomer having two carboxyl groups at the end represented by the following general formula (10) is added to the particles.
  • the monomer include succinic acid, levulinic acid, o, o'-bis [2- (succinylamino) ethyl] polyethylene glycol (molecular weight 2,000), and the like.
  • R 11 represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or (C 2 H 5 —O—) p and / or (C 3 H 7 —O—) q , wherein p and q are each independently (It is an integer of 1 or more.)
  • surface dendrimer-modified silica nanoparticles are prepared by repeating these additions.
  • a dendrimer formation monomer you may use groups other than an amino group and a carboxyl group.
  • silica nanoparticles of the second solvent dispersion of silica nanoparticles to which the hyperbranched polymer or dendrimer polymer is added are mixed with a matrix resin after drying, and finally formed into a film.
  • the solvent may be at least partially replaced with another second solvent or a solvent other than the second solvent.
  • the matrix resin for example, a known resin conventionally used for forming a gas separation membrane may be appropriately used. Specific examples include various materials such as polyimide, polysulfone, polydimethylsiloxane, poly-substituted acetylene, poly-4-methylpentene, and natural rubber, but are not limited thereto.
  • Polyimide is particularly excellent as a matrix resin for the gas separation membrane of the present invention because it is particularly excellent in strength, durability, and heat resistance as compared with other resins, and is also excellent in various gas permeation selectivity.
  • the amine structure of such a polyimide is not particularly limited, but with respect to the amine group functional group, phenylenediamine in which one side of the ortho position is substituted with an alkyl group, and phenylene in which all positions in the ortho position are substituted with an alkyl group or an aromatic group
  • the diamine include a diamine having a biphenyl structure in which three or more positions are substituted with groups other than hydrogen, a diamine having a naphthidine structure, and a specific brominated diamine.
  • 1,3,5-trimethylphenylenediamine and 2,5-di-t-butyl 1,4-phenylenediamine are desirable.
  • the acid dianhydride used is not particularly limited, but pyromellitic anhydride, naphthalene dianhydride, or 4,4 ′-(hexafluoroisopyridene) diphthalic dianhydride (6FDA) is preferable. In particular, 6FDA is desirable from the viewpoint of gas separation performance.
  • Copolymerization may be random copolymerization or block copolymerization.
  • the polysulfone is not particularly limited as long as it is a resin having at least one (—SO 2 —) site in the molecular structure, such as a repeating unit of the following formula (11).
  • R 12 represents an aliphatic group, an aromatic group, etc., and m is 0 or an integer of 1 or more.
  • resins having the following repeating units include resins having the following repeating units.
  • Silica nanoparticles to which the hyperbranched polymer or dendrimer polymer used in the present invention is added are put into a solution in which a matrix resin is dissolved, stirred and mixed to form a uniform solution, and then applied to a substrate. A film is formed.
  • the solvent used at this time include the same solvents as those exemplified in the reaction for adding the hyperbranched polymer.
  • the content of the silica nanoparticles to which the hyperbranched polymer or the dendrimer polymer is added is not particularly limited as long as it is an amount capable of forming a film, but usually 1 mass of the total composition of the film. % To 70% by mass.
  • the drying temperature after being applied to the substrate is not particularly limited as long as the solvent volatilizes, but is performed at a temperature of 10 ° C to 300 ° C, preferably 30 ° C to 200 ° C.
  • the atmosphere during drying is not particularly limited, but is preferably performed in an inert gas or in vacuum to prevent oxidation of the matrix resin, and more preferably in vacuum from the viewpoint of solvent volatilization.
  • the thickness of the resin film to be produced may be appropriate, but is usually about 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the resin membrane thus produced is excellent in gas permeation performance such as gas selectivity and carbon dioxide permeation amount.
  • the carbon dioxide permeation amount shows a significantly improved effect.
  • the dispersibility of the surface hyperbranched polymer or dendrimer polymer-modified silica nanoparticles in the polymer matrix was improved by performing the surface modification of the silica nanoparticles in the presence of a solvent without passing through a drying step.
  • This is considered to be one factor, which is presumed to be due to the uniform dispersion of silica fine particles in the organic solvent and the polymer matrix without associating due to the excluded volume effect between the added polymer chains.
  • the present invention is not limited by these assumptions.
  • IPA silica isopropanol
  • IPA-ST silica isopropanol
  • APTES manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
  • NMP 1,3-diaminobenzoic acid
  • DABA 1,3-diaminobenzoic acid
  • TAA triethylamine
  • BOP hexafluorophosphate
  • thermogravimetric analysis was performed using a TGA apparatus (DTG-60H, manufactured by Shimadzu Corporation).
  • TGA apparatus TGA apparatus
  • the weight breakdown of the DABA-modified silica nanoparticles was 12.8 mass% DABA, 3.8 mass% APTES, and 83.4 mass% silica nanoparticles.
  • Dispersion treatment was performed by weighing out 0.0167 g of DABA-modified silica nanoparticles dried in a 10 mL vial and 3.2 mL of tetrahydrofuran (THF, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and treating with an ultrasonic cleaner for 10 minutes.
  • THF tetrahydrofuran
  • the obtained DABA-modified silica nanoparticle-containing polyimide solution was poured onto a glass petri dish (diameter: 6.1 cm), and the glass petri dish was placed in an oven set at 40 ° C. and evacuated for 4 hours to produce a composite film.
  • the prepared composite film was peeled from the petri dish using ultrapure water, and then heat-treated at 150 ° C. for 15 hours.
  • the gas permeation measurement of the composite membrane obtained above was performed.
  • a gas permeation measuring device (K-315N-01C, manufactured by Rika Seiki Kogyo Co., Ltd.) was used for measurement, and measurement was performed at a measurement temperature of 35 ° C., a measurement pressure of 76 cmHg, and a supply gas of carbon dioxide, nitrogen, and oxygen. The results are shown in Table 1.
  • Example 2 A composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the NMP dispersion of DABA-modified silica nanoparticles was changed to 30% by mass with respect to the total solid content of the membrane composition, and the gas permeation was measured.
  • Example 3 A composite membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the NMP dispersion of DABA-modified silica nanoparticles was changed to 50% by mass with respect to the total solid content of the membrane composition, and the gas permeation was measured.
  • triethylamine (TEA, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) 0.87 mL and Benzotriazol-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate (BOP, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 2.50 g, DABA (Aldrich) 0.87 g
  • BOP Benzotriazol-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate
  • BOP Benzotriazol-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate
  • DABA Aldrich
  • Comparative Example 2 A composite membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the composition of the DABA-modified silica nanoparticles was 30% by mass with respect to the total solid content of the membrane composition, and the gas permeation was measured.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

下記の(a)、(b)、(c)及び(d)工程を含む気体分離膜の製造方法:(a)工程:第1溶媒に分散されたシリカナノ粒子の表面を、前記第1溶媒に分散された状態のまま反応性官能基含有化合物により処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液を得る工程、(b)工程:前記(a)工程で得られた第1溶媒分散液の分散媒を乾燥させることなく第2溶媒に置換後、第2溶媒存在下で反応性官能基修飾シリカナノ粒子にデンドリマー形成用モノマー又はハイパーブランチ形成用モノマーを反応させて、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子を得る工程、(c)工程:前記(b)工程で得られた前記デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子をマトリクス樹脂と混合する工程、(d)工程:前記(c)工程で得られた混合液を基材に塗布後、溶媒を除去する工程。

Description

気体分離膜の製造方法
 本発明は、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を含有する気体分離膜の製造方法に関する。
 近年、ナノテクノロジー研究の一還として、平均粒子径が1nmから数百nm位までのナノメートルオーダーの粒子径を有する微粒子(ナノ粒子)に関する研究が盛んに行われている。素材をナノサイズ化したナノ粒子では、従来のバルク材料とは異なり、様々な機態、特性を発現、付与できることが知られており、幅広い産業分野での応用が期待されている。
 ナノ粒子は、一次粒子としての製造は可能であるが、その微細さに由来して凝集性が強く、放置しておくとマイクロオーダーの粒子径を有する凝集体となってしまう。例えば、上述したような無機物ナノ粒子を有機成分中に添加した場合、耐熱性の向上や機械的強度の向上が期待できる一方で、無機物粒子は、その凝集性の強さから、そのままでは有機溶媒中や高分子マトリクス中でマイクロオーダーの凝集体を形成し、結果として期待したような有機-無機複合材料の特性、性能を得られない可能性がある。このため、一次粒子としての分散性を維持するために、粒子表面に対して均一な化学修飾を行うことが提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。
 加えて、現在、無機成分と有機成分をナノレベル又は分子レベルで混ぜ合わせることによって、両者のメリットを相乗的に高めることのできる有機-無機複合材料が注目を集めている。この概念は、エネルギー・環境問題を解決する上でその有用性が注目されている高分子気体分離膜にも適応がなされており、高分子マトリクス中に無機物ナノ粒子を添加した有機-無機複合材料の作製によって、既存の方法では達成できなかった高い機械的強度や熱的安定性、気体透過特性の達成が望まれている。
 高分子膜の気体透過特性を利用して気体を分離する方法は、気体の相変化を伴わずに気体の分離・回収ができ、他の気体分離法に比べて操作が簡便で装置の小型化が可能であり、また、連続的に気体分離を行うことができるため、環境負荷が少ないという特性を有している。このような省エネルギー型の高分子気体分離膜法は、近年、特に温室効果ガスの分離・回収や酸素富化空気の作製、天然ガスの精製技術として注目を集め、実用化が期待されているが、さらに気体分離性能及び気体透過量の点での改善が必要とされる。
 前記したように、高分子膜に無機物ナノ粒子を含有させることにより気体透過特性を改善する試みもなされているが、前記ナノ粒子の凝集の問題は、有機-無機複合気体分離膜の作製においても同様に問題となっており、既存の有機-無機複合気体分離膜では、高分子マトリクス中で無機物ナノ粒子が凝集することにより、膜強度の低下や、高い粒子含有率を達成できないことから、気体透過性を数倍程度までしか向上できないことが課題となっている。
 例えば、高分子膜に無機物ナノ粒子を含有させて気体分離膜特性を改善する方法として、シリカナノ粒子の表面をアミノ基含有シランカップリング剤で処理して表面をシリル化し、さらにこのシリル化粒子をポリマーで処理することにより、ポリマーグラフトシリカ粒子を作製し、こうして得られたれポリマーグラフトシリカ粒子をポリマー中に分散させて樹脂膜とし、この膜の気体分離膜としての性能を調べた報告がなされている(非特許文献1を参照。)が、気体の透過量などにおいて十分といえる結果は得られていない。
 これらの課題を解決する方法として、シリカナノ粒子の表面に対して嵩高いハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子を結合させることにより、有機溶媒中や高分子マトリクス中での凝集がなく、均一分散性に優れ、気体の透過量が大きく改善された気体分離膜が提唱されている(特許文献2を参照。)。
特開2007-99607号公報 特開2010-222228号公報
ポリマー(Polymer),47(2006),pp.7535-7547
 本発明者らは、高分子膜に無機物ナノ粒子を含有させて気体分離膜特性を改善する方法として特許文献2に記載の技術を検証する中で、製造工程中で粒子を乾燥させているためにシリカナノ粒子が凝集し、高分子マトリクス中での分散が不均一となりやすく、また、修飾シリカの含有量が30質量%より高くなると気体分離膜が破損してしまうために、修飾シリカの含有量が30質量%以下に限られるため、気体透過量において十分な結果が得られていないことを突き止めた。
 本発明は、高分子マトリクス中での凝集がなく、均一分散性に優れた表面修飾シリカナノ粒子を含有する、気体透過量の特性において極めて優れた気体分離膜の製造方法を提供することを目的とするものである。
 本発明者らは、このような課題を解決するために鋭意検討を行った結果、シリカナノ粒子を溶媒中に分散させた状態で嵩高いハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子を結合させ、樹脂マトリクスに混合させることにより、均一分散性に優れ、気体の透過量が大きく改善された気体分離膜の製造方法を見出し、本発明を完成させた。
 即ち、本発明は、以下の第1観点~至第14観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法に関する。
第1観点:下記の(a)、(b)、(c)及び(d)工程を含むことを特徴とする気体分離膜の製造方法:
(a)工程:第1溶媒に分散されたシリカナノ粒子の表面を、前記第1溶媒に分散された状態のまま反応性官能基含有化合物により処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子を調製して反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液を得る工程、
(b)工程:前記(a)工程で得られた反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液の分散媒を乾燥させることなく第2溶媒に置換後、第2溶媒存在下で反応性官能基修飾シリカナノ粒子にデンドリマー形成用モノマー又はハイパーブランチ形成用モノマーを反応させて、前記反応性官能基にデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を調製してデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子を得る工程、
(c)工程:前記(b)工程で得られた前記デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子をマトリクス樹脂と混合する工程、
(d)工程:前記(c)工程で得られた混合液を基材に塗布後、溶媒を除去する工程。
第2観点:前記第1溶媒は、水及び炭素原子数1~4のアルコールから選択される少なくとも1種であることを特徴とする第1観点に記載の気体分離膜の製造方法。
第3観点:前記第2溶媒は、テトラヒドロフラン、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びγ―ブチロラクトンから選択される少なくとも1種であることを特徴とする第1観点又は第2観点に記載の気体分離膜の製造方法。
第4観点:前記反応性官能基含有化合物は、シランカップリング剤であることを特徴とする第1観点~第3観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第5観点:前記反応性官能基含有化合物は、下記の一般式(1)で表される化合物であることを特徴とする第1観点~第4観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
(式(1)中、R1はメチル基又はエチル基を表し、R2は炭素原子数1~5のアルキレン基を表す。)
第6観点:前記(a)工程において、前記式(1)で表される反応性官能基含有化合物による処理後に、前記第1溶媒に分散された状態のまま更に下記の一般式(2)で表される化合物又はその酸無水物である反応性官能基含有化合物により処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子を調製して反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液を得ることを特徴とする第5観点に記載の気体分離膜の製造方法。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
(式(2)中、R3は炭素原子数1~20のアルキレン基、又は芳香族基を表す。)
第7観点:前記デンドリマー形成用モノマーとして、2個以上のカルボキシル基を有する化合物と2個以上のアミノ基を有する化合物を用いることを特徴とする第1観点~第6観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第8観点:前記デンドリマー形成モノマーとして、2個以上のアミノ基を有する化合物と2個以上のカルボキシル基を有する化合物を用いることを特徴とする第1観点~第6観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第9観点:前記ハイパーブランチ形成用モノマーとして、1個のカルボキシル基と2個以上のアミノ基又はハロゲン原子を有する化合物を用いることを特徴とする第1観点~第6観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第10観点:前記ハイパーブランチ形成用モノマーとして、1個のアミノ基と2個以上のカルボキシル基又はハロゲン原子を有する化合物を用いることを特徴とする第1観点~第6観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第11観点:前記マトリクス樹脂は、ポリイミド、ポリスルホン、ポリジメチルシロキサン、ポリ置換アセチレン、ポリ-4-メチルペンテン、天然ゴムからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする第1観点~第10観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第12観点:前記(c)工程において、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子の混合液中の含有率は、1質量%~70質量%であることを特徴とする第1観点~第11観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第13観点:前記(d)工程において、溶媒の除去が加熱により行われることを特徴とする第1観点~第12観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
第14観点:前記(d)工程において、溶媒の除去が真空中で行われることを特徴とする第1観点~第13観点のいずれか一つに記載の気体分離膜の製造方法。
 本発明により製造された気体分離膜は、ハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子が付加されたシリカナノ粒子が凝集することなく、マトリクス樹脂中に均一に分散しており、気体分離特性に優れており、気体透過量の極めて大きい気体分離膜となっている。
 以下、本発明を更に詳細に説明する。
 本発明で用いられるデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を形成するために用いられるシリカナノ粒子は、従来、高分子膜の形成の際に充填剤などとして用いられている、一次粒子径がナノオーダーのシリカナノ粒子である。
 本発明において、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子の調製は、シリカナノ粒子が溶媒分散状態のまま、シリカナノ粒子の表面に存在するシラノール基と反応して共有結合を形成する基とデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子を形成する際の結合基として機能する反応性官能基を1分子内に有する化合物を用いて、まずシリカナノ粒子を処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子を形成し、その後、反応性官能基修飾シリカナノ粒子が溶媒分散状態のまま、この反応性官能基にデンドリマー形成用モノマー又はハイパーブランチ形成用モノマーを反応させることにより行うことができる。
 以下、シリカナノ粒子を用いて、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を製造する方法を、具体的に説明する。
 本発明において用いられるシリカナノ粒子は、ナノオーダーの粒子径を有するものであればよいが、気体透過特性などを考えると、その平均一次粒子径(窒素吸着法)は、2nm~500nm、好ましくは5nm~300nm程度、より好ましくは5nm~100nmである。
 本発明において用いられるシリカナノ粒子は、表面修飾反応の均一性を向上させるために、第1溶媒に分際状態のまま用いる。ここで、第1溶媒としては、親水性の溶媒を用い、水及び炭素原子数1~4のアルコールからなる群から選択される少なくとも一種を用いるのが好ましく、混合溶媒としてもよい。
 なお、シリカナノ粒子は、第1溶媒に分散されて製造されたものを用いてもよいし、他の溶媒に分散されたシリカナノ粒子を溶媒置換して第1溶媒の分散液としたものを用いてもよい。
 炭素原子数1~4のアルコールとしては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-メチル-2-プロパノールが挙げられる。
 シリカナノ粒子は、先ず、第1溶媒に分散された状態のまま、ハイパーブランチ形成用モノマー又はデンドリマー形成用モノマーと反応する官能基を有する反応性官能基含有化合物で処理されて、シリカナノ粒子の表面に反応性官能基が付加される。なお、第1溶媒に分散されたシリカナノ粒子を、後述する反応性官能基含有化合物での処理工程の途中で、異なる第1溶媒に溶媒置換してもよい。
 好ましい反応性官能基含有化合物としては、シランカップリング剤であり、例えば、一般式(1)で表される、末端にアミノ基を有する化合物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
(式中、Rはメチル基又はエチル基を表し、R2は炭素数1~5のアルキレン基、アミド基、アミノアルキレン基を表す。)
 一般式(1)で表されるシランカップリング剤において、アミノ基は末端にあることが好ましいが、末端になくてもよい。
 前記一般式(1)で表される化合物としては、例えば、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。その他のアミノ基を有するシランカップリング剤としては、例えば、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリエトキシシラン、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシランなどが代表的なものとして挙げられる。
 また、本発明に用いられる反応性官能基含有化合物としては、アミノ基以外にも、例えばイソシアネート基、メルカプト基、グリシジル基、ウレイド基、ハロゲン基などの他の基を有するものであってもよい。
 アミノ基以外の官能基を有するシランカップリング剤としては、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3-クロロプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
 また、用いられる反応性官能基含有化合物は、前記一般式(1)のようなトリアルコキシシラン化合物でなくてもよく、例えば、ジアルコキシシラン化合物、モノアルコキシシラン化合物であってもよい。
 シリカナノ粒子のシラノール基と反応する反応性官能基含有化合物の官能基は、アルコキシ基以外の基、例えば、イソシアネート基、メルカプト基、グリシジル基、ウレイド基、ハロゲン原子などであってもよい。
 シリカナノ粒子の反応性官能基含有化合物による処理においては、シリカナノ粒子は水又は炭素原子数1~4のアルコールに分散した液中に反応性官能基含有化合物を投入し、攪拌することにより行われる。
 シリカナノ粒子表面への反応性官能基の付加は、上記のように1段階反応によってもよいし、必要に応じ2段階以上の反応で行われてもよい。2段階反応の具体例をカルボキシル基修飾シリカナノ粒子の調製で説明すると、例えば、上記のように、先ず、シリカナノ粒子をアミノアルキルトリアルコキシシランで処理して、アミノ基修飾シリカナノ粒子を調製し、次いで一般式(2)で表されるジカルボン酸化合物又はその酸無水物で処理することにより、シリカナノ粒子に付加された反応性官能基の末端がカルボキシル基であるシリカナノ粒子を調製することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
(式中、R3は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表す。)
 上記一般式(2)で表される化合物としては、例えば、マロン酸、アジピン酸、テレフタル酸などが挙げられる。ジカルボン酸化合物は、上記式で挙げられたものに限定されるものではない。
 2段を超える反応でシリカナノ粒子表面への反応性官能基を付加する場合は、下記一般式(3)で表される末端にアミノ基を2つ有するモノマーを、前記式(1)、次いで前記式(2)で表される化合物で処理されたシリカナノ粒子に付加することにより、表面修飾基の末端がアミノ基であるシリカナノ粒子を調製し、前記の反応を繰り返すことにより行うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
(式中、R4は炭素原子数1~20のアルキレン基、又は(C25-O-)pおよび/又は(C37-O-)qを表し、p、qは各々独立に1以上の整数である。)
 前記一般式(3)で表されるモノマーの例としては、エチレンジアミン、ポリオキシエチレンビスアミン(分子量2,000)、o,o’-ビス(2-アミノプロピル)ポリプロピレングリコール-ブロック-ポリエチレングリコール(分子量500)などが挙げられる。
 このようにして調製した反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液は、その分散媒を乾燥させることなく第2溶媒に置換される。
 第2溶媒は、第1溶媒より疎水性の溶媒であり、テトラヒドロフラン(THF)、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)及びγ-ブチロラクトン(GBL)のうち1種以上から選択される少なくとも一種であることが好ましく、混合溶媒でもよい。
 このように溶媒置換した後、反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第2溶媒分散液を用い、第2溶媒存在下で、反応性官能基修飾シリカナノ粒子に、多分岐構造のデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加される。すなわち、反応性官能基修飾シリカナノ粒子にデンドリマー形成用モノマー又はハイパーブランチ形成用モノマーを反応させて、前記反応性官能基にデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を調製してデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子の第2溶媒分散液を得る。
 デンドリマーの合成法には、Divergent法とConvergent法があり、Divergent法は、中心にある核分子から外側に向かってビルディングブロックの保護-脱保護を行い反応させる方法である。Convergent法は、デンドリマーのサブユニットであるデンドロンを外側から合成し、最後に核分子とカップリング反応を行う方法である。
 一方、ハイパーブランチ高分子は、基本的にAB2型モノマーの自己縮合により合成され、デンドリマーと比較すれば、はるかに容易に合成することができる。構造の規制、分子量分布については、デンドリマーほど精密ではないため、分子量や分岐度の異なる化合物の混合物であり、いわゆる高分子として取り扱うことができる。製造の容易性から、本発明ではハイパーブランチ高分子を付加することが好ましい。
 本発明で用いられるハイパーブランチ形成用モノマーとして、下記の一般式(4)で示されるカルボキシル基を1個、アミノ基を2個有する化合物を用いることが好ましく、アミノ基を3個以上有する化合物であってもよいし、R5は炭素原子数1~20のアルキレン基、芳香族基以外の基であってもよい。下記一般式(4)で表されるハイパーブランチ形成用モノマーの例としては、3,5-ジアミノ安息香酸、3,5-ジアミノ-4-メチル安息香酸などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
(式(4)中、R5は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表す。)
 さらに、ハイパーブランチ形成用モノマーとして、下記の一般式(5)で表されるカルボキシル基を1個、ハロゲン原子を2個有する化合物を用いることもできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
(式中、R6は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表し、X1およびX2はハロゲン原子を表す。)
 上記一般式(5)で表される化合物としては、例えば、3,5-ジブロモ-4-メチル安息香酸、3,5-ジブロモサリチル酸、3,5-ジブロモ-4-ヒドロキシ-安息香酸などが挙げられる。
 また、ハイパーブランチ形成用モノマーは、上記1個のカルボキシル基と2個以上のアミノ基、又は1個のカルボキシル基と2個以上のハロゲン原子を含有する化合物に限られるものではなく、シリカナノ粒子に修飾された反応性官能基に応じて、ハイパーブランチ高分子が形成可能なモノマーが適宜用いられればよい。
 さらに、2段階反応でカルボキシル基による表面修飾が行われたシリカナノ粒子の場合には、下記の一般式(6)で表される1個のアミノ基と2個のカルボキシル基を有する化合物を用いて、ハイパーブランチ高分子を付加することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
(式中、R7は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表す。)
 上記一般式(6)で表される化合物としては、例えば、2-アミノテレフタル酸、4-アミノテレフタル酸、DL-2-アミノスベリン酸などが挙げられる。
 また、下記の一般式(7)に示すように、他のモノマー種として、アミノ基を1つ、ハロゲンを2つ以上有するモノマーもハイパーブランチ高分子形成用モノマーとして使用することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
(式中、R8は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表し、XおよびX2はハロゲン原子を表す。)
 上記一般式(7)で表される化合物としては、例えば、3,5-ジブロモ-4-メチルアニリン、2,4-ジブロモ-6-ニトロアニリンなどが挙げられる。
 上記2段階反応でカルボキシル基による表面修飾が行われたシリカナノ粒子を用いる場合においても、上記1段階で表面アミノ基修飾がなされたシリカナノ粒子を用いる場合と同様に、上記一般式(6)および(7)におけるカルボキシル基、ハロゲン原子は2個以上でもよいし、さらにカルボキシル基と反応するアミノ基以外の官能基を有する他のモノマーが用いられてもよい。
 これらの反応により形成されるハイパーブランチ高分子1本鎖の重量平均分子量は、例えば、200~2,000,000程度が好ましく、また分岐度としては、0.5~1程度が好ましい。
 反応は、ハイパーブランチモノマーを、第2溶媒であるテトラヒドロフラン(THF)、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)及びγ-ブチロラクトン(GBL)のうち1種以上の溶媒に溶解させ、続いてカルボン酸活性化試薬のBenzotriazol-1-yloxytris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate(BOP)と求核試薬のトリエチルアミンを添加して攪拌し、この溶液にアミノ基修飾シリカナノ粒子を投入し、撹拌することにより行うことができる。前記BOPとトリエチルアミンの組み合わせ以外に、カルボン酸活性化試薬がトリフェニルホスフィンでもよく、求核試薬はピリジンを用いても良い。
 次にデンドリマー高分子が付加されたシリカナノ粒子について説明する。以下では、先ず、アミノ基修飾シリカナノ粒子へのデンドリマー付加を説明する。
 本発明において、アミノ基修飾シリカナノ粒子に対してデンドリマー付加を行うにあたり、先ず、アミノ基修飾シリカナノ粒子に対し、例えば、下記の一般式(8)で表されるカルボキシル基を3個有するモノマー、又はカルボキシル基を4個以上有するモノマーを付加することが必要となる。使用されるモノマーの例としては、トリメシン酸やピロメリット酸などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
(式中、R9は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表す。)
 前記カルボキシル基を3個有するモノマー、又はカルボキシル基を4個以上有するモノマーの付加に続いて、下記の一般式(3)で表される末端にアミノ基を2つ有するモノマーを付加する。これらの付加を繰り返すことで、デンドリマー修飾シリカナノ粒子が調製される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
(式中、R4は炭素原子数1~20のアルキレン基、又は(C25-O-)pおよび/又は(C37-O-)qを表し、p、qは各々独立に1以上の整数である。)
 前記の2段階反応により官能基としてカルボキシル基により修飾されたシリカナノ粒子を用いた場合には、カルボキシル基修飾シリカナノ粒子を下記の一般式(9)で表されるアミノ基を3個有するモノマー、又はアミノ基を4個以上有するモノマーを用いて処理する。前記一般式(9)で表されるモノマーとしては、1,2,5-ペンタントリアミンや1,2,4,5-ベンゼンテトラアミンなどが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
(式中、R10は炭素原子数1~20のアルキレン基又は芳香族基を表す。)
 次いで、この粒子に対して下記の一般式(10)で表される末端にカルボキシル基を2つ有するモノマーを付加する。前記モノマーの例としては、こはく酸、レブリン酸、o,o’-ビス[2-(スクシニルアミノ)エチル]ポリエチレングリコール(分子量2,000)などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
(式中、R11は炭素原子数1~20のアルキレン基、又は(C25-O-)pおよび/又は(C37-O-)qを表し、p、qは各々独立に1以上の整数である。)
 以下、これらの付加を繰り返すことで表面デンドリマー修飾シリカナノ粒子が調製される。なお、デンドリマー形成モノマーとしては、アミノ基、カルボキシル基以外の基を用いてもよい。
 こうして調製されたハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子が付加されたシリカナノ粒子の第2溶媒分散液のシリカナノ粒子は、乾燥後にマトリクス樹脂と混合され、最終的に製膜される。なお、マトリクス樹脂と混合される前に、他の第2溶媒又は第2溶媒以外の溶媒と、少なくとも部分的に溶媒置換してもよい。
 マトリクス樹脂としては、例えば、従来、気体分離膜を形成するために用いられている公知の樹脂を適宜用いればよい。具体的には、例えば、ポリイミド、ポリスルホン、ポリジメチルシロキサン、ポリ置換アセチレン、ポリ-4-メチルペンテン、天然ゴムなど種々のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
 ポリイミドは、他の樹脂と比較して、強度、耐久性、耐熱性に特に優れており、また、各種気体透過選択性にも優れていることから、本発明の気体分離膜のマトリクス樹脂として好ましいものである。このようなポリイミドのアミン構造は特に限定されないが、アミン基官能基に対し、オルト位片側がアルキル基で置換されたフェニレンジアミン、オルト位すべての位置がアルキル基又は芳香族基で置換されたフェニレンジアミン、3か所以上が水素以外の基で置換されたビフェニル構造を有するジアミン、ナフチジン構造を有するジアミン、特定のブロモ化ジアミンがあげられる。
 特にガス分離性能の観点から、1,3,5-トリメチルフェニレンジアミン、2,5-ジ―t-ブチル1,4-フェニレンジアミンが望ましい。
 また、使用する酸二無水物について特に限定されないが、ピロメリット酸無水物、ナフタレン酸二無水物、または4,4‘-(ヘキサフルオロイソピリデン)ジフタル酸二無水物(6FDA)が望ましい。特にガス分離性能の観点から、6FDAが望ましい。
 またこれらのジアミンと酸二無水物を使用している際、5%以内で他の酸二無水物、ジアミンを使用し共重合してもよい。共重合は、ランダム共重合、ブロック共重合とも構わない。
 ポリスルホンとしては、下記式(11)の繰り返し単位など、分子構造内に少なくとも1つに(-SO2-)部位を有する樹脂であればよく、特に限定されない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
(式中、R12は脂肪族基、芳香族基などを表し、mは0又は1以上の整数である。)
 具体的には、例えば、下記のような繰り返し単位を有する樹脂が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
 本発明に用いられるハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子が付加されたシリカナノ粒子は、マトリクス樹脂を溶解した溶液に投入され、攪拌、混合されて均一な溶液とされた後、基材に塗布され、製膜される。このとき用いられる溶媒としては、上記ハイパーブランチ高分子を付加する際の反応において例示されたものと同様のものが挙げられる。
 ハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子が付加されたシリカナノ粒子の膜中の含有率は、成膜可能な量であればよく、特に限定されるものではないが、通常、膜の全組成の1質量%~70質量%である。
 基材に塗布された後の乾燥の温度は、溶媒が揮発する温度であれば特に限定はされないが、10℃~300℃、好ましくは30℃~200℃の温度で行われる。
 また、乾燥時の雰囲気は特に制限されないが、マトリクス樹脂の酸化を防ぐために、不活性ガス中又は真空中で行われることが好ましく、溶媒の揮発の観点から真空中で行うことがより好ましい。
 製造される樹脂膜の厚さは、適宜でよいが、通常、10μm~100μm程度である。
 こうして製造された樹脂膜は、気体選択性および二酸化炭素透過量など、気体透過性能に優れている。特に二酸化炭素透過量については、顕著に改善された効果を示す。これは、シリカナノ粒子の表面修飾を乾燥工程を経ずに溶媒存在下で行うことにより、高分子マトリクス中への表面ハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子修飾シリカナノ粒子の分散性が改善されたことが一つの要因と考えられるが、これは付加した高分子鎖同士の排除体積効果によって、有機溶媒中および高分子マトリクス中においてシリカ微粒子が会合することなく均一に分散することによるものと推測される。しかし、これら推測により本発明が限定されるものではない。
 以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
 〔実施例1〕(湿式法による3-アミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)修飾シリカナノ粒子の合成)
 200mLナス型フラスコにシリカのイソプロパノール(IPA)分散液(IPA-ST、日産化学工業(株)製、シリカ濃度:30質量%、平均一次粒子径12nm)33mLを量り取り、IPA166mLで希釈した。ここに超純水0.36gとAPTES(東京化成工業(株)製)3.14mLを添加し、マグネチックスターラーを用いて、室温下で48時間撹拌した。この反応液を遠心分離(1500G、5分)にかけることにより粒子を沈殿させ、上澄みを捨てた後、超純水を加え、超音波洗浄器を用いて沈殿物を再分散させた。この操作を12回繰り返すことにより、APTES修飾シリカナノ粒子の水分散液400mLを得た。作製したAPTES修飾シリカナノ粒子のAPTES修飾状況を確認するために、得られたAPTES修飾シリカナノ粒子の水分散液を110℃で15時間真空乾燥後、TGA装置(DTG-60H、(株)島津製作所製)を用いて、熱重量分析を行った。この結果、APTES修飾シリカナノ粒子の重量内訳は、APTES4.3質量%、シリカナノ粒子95.7質量%であった。
 200mL反応容器に得られたAPTES修飾ナノシリカ粒子の水分散液200mLを量り取り、1-メチル-2-ピロリドン(NMP)50mLを添加し、エバポレーターを用いて水を留去することにより、NMPに分散したAPTES修飾シリカナノ粒子40mLを得た。次いで80mL反応容器にNMP6mLと1,3-ジアミノ安息香酸(DABA)(Aldrich製)1.71g、トリエチルアミン(TEA)(関東化学(株)製)15.7mL、Benzotriazol-1-yloxytris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate(BOP)(東京化成工業(株)製)4.97gを量り取り、これにNMPに分散したAPTES修飾シリカナノ粒子40mLを添加した。これを室温下で5分間撹拌した後、マイクロウェーブ反応器(Discover SP、Chem,Japan(株)製)を用いて、80℃、1時間の条件で反応した。この反応液を遠心分離(1500G、5時間)にかけることにより粒子を沈殿させ、上澄みを捨てた後、NMPを加え、超音波洗浄器を用いて沈殿物を再分散させた。この操作を3回繰り返すことにより、DABA修飾シリカナノ粒子分散液100mLを得た。110℃で15時間真空乾燥後、DABA修飾シリカナノ粒子を0.65g得た。作製したDABA修飾シリカナノ粒子のDABA修飾状況を確認するために、TGA装置(DTG-60H、(株)島津製作所製)を用いて、熱重量分析を行った。この結果、DABA修飾シリカナノ粒子の重量内訳は、DABA12.8質量%、APTES3.8質量%、シリカナノ粒子83.4質量%であった。
 10mLバイアルビンに乾燥させたDABA修飾シリカナノ粒子0.0167gとテトラヒドロフラン(THF、関東化学製)3.2mLを量り取り、超音波洗浄器にて10分間処理することにより、分散処理を行った。これに構造式1に示すポリイミド(6FDA-3MPA、数平均分子量2.5×105、重量平均分子量/数平均分子量=1.7)0.15gを添加し、マグネチックスターラーを用いて、室温下で12時間撹拌した。得られたDABA修飾シリカナノ粒子含有ポリイミド溶液をガラスシャーレ(直径6.1cm)上に流し入れ、40℃に設定したオーブン内にこのガラスシャーレを入れ、4時間かけて真空にして複合膜を作製した。作製した複合膜は超純水を用いてシャーレから剥がした後、150℃、15時間の熱処理を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
 上記で得られた複合膜の気体透過測定を行った。測定には気体透過測定装置(K-315N-01C、理科精機工業(株)製)を用い、測定温度35℃、測定圧力76cmHg、供給気体を二酸化炭素、窒素、酸素として測定を行った。結果を表1に示す。
 〔実施例2〕
 DABA修飾シリカナノ粒子のNMP分散液の配合を膜組成の全固形分に対して30質量%とした以外は、実施例1と同様に行って複合膜を作製し、その気体透過測定を行った。
 〔実施例3〕
 DABA修飾シリカナノ粒子のNMP分散液の配合を膜組成の全固形分に対して50質量%とした以外は、実施例1と同様に行って複合膜を作製し、その気体透過測定を行った。
 〔比較例1〕
 2Lナス型フラスコにナノシリカの水分散液(スノーテックス-O、日産化学工業(株)製、シリカ濃度:20質量%、平均一次粒子径12nm)100gを量り取り、超純水750mLで希釈した。ここにAPTES(東京化成工業(株)製)131.2mLを添加し、マグネチックスターラーを用いて、室温下で48時間撹拌した。この反応液を遠心分離(1500G、20分)にかけることにより粒子を沈殿させ、上澄みを捨てた後、超純水を加え、超音波洗浄器を用いて沈殿物を再分散させた。この操作を3回繰り返すことにより、APTES修飾シリカナノ粒子の水分散液950mLを得た。作製したAPTES修飾シリカナノ粒子のAPTES修飾状況を確認するために、得られたAPTES修飾シリカナノ粒子の水分散液を110℃で15時間真空乾燥後、TGA装置(DTG-60H、(株)島津製作所製)を用いて、熱重量分析を行った。この結果、表面APTES修飾シリカナノ粒子の重量内訳は、APTES8.9質量%、シリカナノ粒子91.1質量%であった。
 100mLナスフラスコに乾燥させたAPTES修飾シリカナノ粒子2.70gと1-メチル-2-ピロリドン(NMP、関東化学(株)製)21.5mLを量り取り、30分間超音波洗浄器をかけることにより分散処理を行った。ここにトリエチルアミン(TEA、関東化学(株)製)0.87mLとBenzotriazol-1-yloxytris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate(BOP、東京化成工業(株)製)2.50g、DABA(Aldrich製)0.87gを量り取り、これを室温下で5分間撹拌した後、マイクロウェーブ反応器(Discover SP、Chem,Japan(株)製)を用いて、80℃、0.5時間の条件で反応した。この反応液を遠心分離(1500G、1時間)にかけることにより粒子を沈殿させ、上澄みを捨てた後、NMPを加え、超音波洗浄器を用いて沈殿物を再分散させた。この操作を3回繰り返した後、110℃、15時間の真空乾燥を行うことにより、DABA修飾シリカナノ粒子の乾燥物を得た。作製した表面DABA修飾シリカナノ粒子のシリカナノ粒子表面に対するDABA修飾状況を確認するために、TGA装置(DTG-60H、(株)島津製作所製)を用いて、熱重量分析を行った。この結果、表面DABA修飾シリカナノ粒子の重量内訳を概算したところ、DABA5.30質量%、APTES8.40質量%、シリカナノ粒子86.3質量%であった。0.15gの6FPDA-3MPAを3.21mLのTHFに溶解した後、このポリマー溶液にDABA修
飾シリカナノ粒子の乾燥物0.0167gを添加し、1時間の超音波処理を行い、複合膜の作製、気体透過測定は実施例1と同様に行った。
 〔比較例2〕
 DABA修飾シリカナノ粒子の配合を膜組成の全固形分に対して30質量%とした以外は、比較例1と同様に行って複合膜を作製し、その気体透過測定を行った。
 〔比較例3〕
 DABA修飾シリカナノ粒子の配合を膜組成の全固形分に対して40質量%とした以外は、比較例1と同様に行って複合膜を作製したが、膜が破損したため、気体透過測定を行うことはできなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
 P:気体透過係数
  Barrer=1×10-10(cm(STP)cm/cm・sec・cmHg)
 表1より、各気体に対して、気体透過係数が向上していることが確認された。

Claims (14)

  1.  下記の(a)、(b)、(c)及び(d)工程を含むことを特徴とする気体分離膜の製造方法:
    (a)工程:第1溶媒に分散されたシリカナノ粒子の表面を、前記第1溶媒に分散された状態のまま反応性官能基含有化合物により処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子を調製して反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液を得る工程、
    (b)工程:前記(a)工程で得られた反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液の分散媒を乾燥させることなく第2溶媒に置換後、第2溶媒存在下で反応性官能基修飾シリカナノ粒子にデンドリマー形成用モノマー又はハイパーブランチ形成用モノマーを反応させて、前記反応性官能基にデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子を調製してデンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子を得る工程、
    (c)工程:前記(b)工程で得られた前記デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子付加シリカナノ粒子をマトリクス樹脂と混合する工程、
    (d)工程:前記(c)工程で得られた混合液を基材に塗布後、溶媒を除去する工程。
  2.  前記第1溶媒は、水及び炭素原子数1~4のアルコールから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の気体分離膜の製造方法。
  3.  前記第2溶媒は、テトラヒドロフラン、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びγ―ブチロラクトンから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1又は2に記載の気体分離膜の製造方法。
  4.  前記反応性官能基含有化合物は、シランカップリング剤であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  5.  前記反応性官能基含有化合物は、下記の一般式(1)で表される化合物であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    (式(1)中、R1はメチル基又はエチル基を表し、R2は炭素原子数1~5のアルキレン基を表す。)
  6.  前記(a)工程において、前記式(1)で表される反応性官能基含有化合物による処理後に、前記第1溶媒に分散された状態のまま更に下記の一般式(2)で表される化合物又はその酸無水物である反応性官能基含有化合物により処理して、反応性官能基修飾シリカナノ粒子を調製して反応性官能基修飾シリカナノ粒子の第1溶媒分散液を得ることを特徴とする請求項5に記載の気体分離膜の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    (式(2)中、R3は炭素原子数1~20のアルキレン基、又は芳香族基を表す。)
  7.  前記デンドリマー形成用モノマーとして、2個以上のカルボキシル基を有する化合物と2個以上のアミノ基を有する化合物を用いることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  8.  前記デンドリマー形成モノマーとして、2個以上のアミノ基を有する化合物と2個以上のカルボキシル基を有する化合物を用いることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  9.  前記ハイパーブランチ形成用モノマーとして、1個のカルボキシル基と2個以上のアミノ基又はハロゲン原子を有する化合物を用いることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  10.  前記ハイパーブランチ形成用モノマーとして、1個のアミノ基と2個以上のカルボキシル基又はハロゲン原子を有する化合物を用いることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  11.  前記マトリクス樹脂は、ポリイミド、ポリスルホン、ポリジメチルシロキサン、ポリ置換アセチレン、ポリ-4-メチルペンテン、天然ゴムからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  12.  前記(c)工程において、デンドリマー高分子又はハイパーブランチ高分子が付加されたシリカナノ粒子の混合液中の含有率は、1質量%~70質量%であることを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  13.  前記(d)工程において、溶媒の除去が加熱により行われることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
  14.  前記(d)工程において、溶媒の除去が真空中で行われることを特徴とする請求項1~13のいずれか一項に記載の気体分離膜の製造方法。
PCT/JP2017/015436 2016-04-15 2017-04-17 気体分離膜の製造方法 WO2017179738A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201780023613.9A CN109414645B (zh) 2016-04-15 2017-04-17 气体分离膜的制造方法
EP17782551.0A EP3444020B1 (en) 2016-04-15 2017-04-17 Method for manufacturing gas separation membrane
JP2018512116A JP6876303B2 (ja) 2016-04-15 2017-04-17 気体分離膜の製造方法
US16/093,877 US10906009B2 (en) 2016-04-15 2017-04-17 Method for manufacturing gas separation membrane

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016082423 2016-04-15
JP2016-082423 2016-04-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017179738A1 true WO2017179738A1 (ja) 2017-10-19

Family

ID=60041809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/015436 WO2017179738A1 (ja) 2016-04-15 2017-04-17 気体分離膜の製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10906009B2 (ja)
EP (1) EP3444020B1 (ja)
JP (1) JP6876303B2 (ja)
CN (1) CN109414645B (ja)
TW (1) TWI728096B (ja)
WO (1) WO2017179738A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112105447A (zh) * 2018-05-16 2020-12-18 日产化学株式会社 气体分离膜的制造方法
WO2021106569A1 (ja) 2019-11-28 2021-06-03 日産化学株式会社 膜形成用組成物及び気体分離膜
WO2023127481A1 (ja) * 2021-12-27 2023-07-06 株式会社トクヤマ 球状表面処理シリカエアロゲル及びその製造方法
EP4357383A1 (en) 2022-10-18 2024-04-24 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Siloxane-modified polyurethane resin coating agent composition

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113631245B (zh) * 2019-03-26 2024-03-08 日东电工株式会社 分离膜
CN109942810B (zh) * 2019-04-18 2021-07-23 四川大学 一种具有高击穿强度的芳杂环聚酰胺复合薄膜及制备方法
US20220258131A1 (en) * 2019-06-07 2022-08-18 University Of South Carolina Gas separation membranes from polymer-grafted nanoparticles
CN111495220A (zh) * 2020-04-23 2020-08-07 厦门理工学院 一种改性MXene二维层状材料的制备方法、改性微滤膜及应用
CN111468068A (zh) * 2020-05-18 2020-07-31 军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所 一种改性硅胶吸附剂、其制备方法以及改性硅胶滤网
CN113019146A (zh) * 2021-04-07 2021-06-25 河北工业大学 一种超高通量复合纳滤膜的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06166829A (ja) * 1992-12-01 1994-06-14 Catalysts & Chem Ind Co Ltd 無機酸化物コロイド粒子およびコーティング組成物
JP2010222228A (ja) * 2009-03-25 2010-10-07 Tokyo Metropolitan Univ 表面ハイパーブランチまたはデンドリマー修飾無機ナノ粒子および気体分離膜
JP2012224777A (ja) * 2011-04-21 2012-11-15 Tokyo Metropolitan Univ 室温硬化性オルガノポリシロキサン組成物及び気体分離膜
JP2013075822A (ja) * 2012-12-05 2013-04-25 Tokuyama Corp 表面処理シリカ系粒子の製造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5083747B2 (ja) 2005-09-07 2012-11-28 国立大学法人 名古屋工業大学 表面修飾粒子及び微細無機粒子の表面修飾方法
WO2007145285A1 (ja) * 2006-06-16 2007-12-21 Nippon Shokubai Co., Ltd. ポリマー被覆金属酸化物微粒子およびその応用
JP2010042369A (ja) * 2008-08-15 2010-02-25 Fujifilm Corp 無機ナノ粒子分散液及びその製造方法、並びに複合組成物
CN101544838B (zh) * 2009-05-07 2011-08-31 南京工业大学 一种超疏水纳米SiO2/高聚物复合膜及其制备方法
CN101914190B (zh) * 2010-08-17 2011-12-21 浙江理工大学 一种改性纳米二氧化硅单体分散液的制备方法
JP5831378B2 (ja) * 2011-12-01 2015-12-09 富士ゼロックス株式会社 シリカ複合粒子及びその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06166829A (ja) * 1992-12-01 1994-06-14 Catalysts & Chem Ind Co Ltd 無機酸化物コロイド粒子およびコーティング組成物
JP2010222228A (ja) * 2009-03-25 2010-10-07 Tokyo Metropolitan Univ 表面ハイパーブランチまたはデンドリマー修飾無機ナノ粒子および気体分離膜
JP2012224777A (ja) * 2011-04-21 2012-11-15 Tokyo Metropolitan Univ 室温硬化性オルガノポリシロキサン組成物及び気体分離膜
JP2013075822A (ja) * 2012-12-05 2013-04-25 Tokuyama Corp 表面処理シリカ系粒子の製造方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112105447A (zh) * 2018-05-16 2020-12-18 日产化学株式会社 气体分离膜的制造方法
WO2021106569A1 (ja) 2019-11-28 2021-06-03 日産化学株式会社 膜形成用組成物及び気体分離膜
KR20220101725A (ko) 2019-11-28 2022-07-19 닛산 가가쿠 가부시키가이샤 막 형성용 조성물 및 기체 분리막
WO2023127481A1 (ja) * 2021-12-27 2023-07-06 株式会社トクヤマ 球状表面処理シリカエアロゲル及びその製造方法
EP4357383A1 (en) 2022-10-18 2024-04-24 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Siloxane-modified polyurethane resin coating agent composition

Also Published As

Publication number Publication date
TWI728096B (zh) 2021-05-21
JPWO2017179738A1 (ja) 2019-03-22
EP3444020A1 (en) 2019-02-20
JP6876303B2 (ja) 2021-05-26
EP3444020A4 (en) 2019-10-16
CN109414645B (zh) 2021-09-10
US20190083942A1 (en) 2019-03-21
US10906009B2 (en) 2021-02-02
EP3444020B1 (en) 2023-07-19
CN109414645A (zh) 2019-03-01
TW201803808A (zh) 2018-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6876303B2 (ja) 気体分離膜の製造方法
JP7164133B2 (ja) ハイパーブランチ高分子又はデンドリマー高分子付加異形シリカナノ粒子を含む複合体
JP5626950B2 (ja) 表面ハイパーブランチまたはデンドリマー修飾無機ナノ粒子および気体分離膜
Dasgupta et al. Aminoethylaminopropylisobutyl POSS—Polyimide nanocomposite membranes and their gas transport properties
US7645828B2 (en) Monodisperse silica spheres containing polyamine and process for producing the same
JP7311843B2 (ja) 気体分離膜の製造方法
WO2014057976A1 (ja) コア-シェル型シリカナノ粒子及びその製造方法、並びにこれを利用した中空シリカナノ粒子の製造方法及び該製法により得られる中空シリカナノ粒子
Kwon et al. Effect of PMMA-graft-silica nanoparticles on the gas permeation properties of hexafluoroisopropylidene-based polyimide membranes
Muhammad et al. Functional POSS based polyimide nanocomposite for enhanced structural, thermal, antifouling and antibacterial properties
Bayminov et al. Trends in the synthesis of polyimides and their Nanocomposites
Akhter et al. Development of novel coatable compatibilized polyimide-modified silica nanocomposites

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018512116

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2017782551

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017782551

Country of ref document: EP

Effective date: 20181115

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17782551

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1