JPH0588B2 - - Google Patents

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JPH0588B2
JPH0588B2 JP59034190A JP3419084A JPH0588B2 JP H0588 B2 JPH0588 B2 JP H0588B2 JP 59034190 A JP59034190 A JP 59034190A JP 3419084 A JP3419084 A JP 3419084A JP H0588 B2 JPH0588 B2 JP H0588B2
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JP
Japan
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carbon
membrane
separation
dense layer
present
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JP59034190A
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Takashi Kawai
Tatsuo Nogi
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Toray Industries Inc
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Toray Industries Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、炭素で構成された形態安定性、耐久
性にすぐれた高性能分離膜に関する。
(従来技術とその問題点) 従来から、炭素で構成された繊維、布帛、フイ
ルムなどはそのすぐれた繊維物性、電気特性なら
びに耐熱性により、FRP材、導電材、断熱材な
どの産業用素材として広く用いられている。
しかし、かかる炭素材料はいずれも高強度、高
剛性を追求したものが主であり、ボイドなどの欠
陥がある炭素材料は劣悪品として考えられてい
た。
したがつて、かかる材料を濾過材料に適用する
場合も、たとえば特開昭57−166354号のように、
単に濾紙の構成繊維として用いられるにすぎなか
つた。すなわち、液体や気体の分離をすることは
できず、せいぜい固体と液体を分離する程度のも
のでしかなかつた。
一方、特公昭51−5090号には表面積の大きな炭
素材料、すなわち、炭素体中にボイドを形成し、
気体や液体中の微量物質を吸着する機能をもたせ
た中空繊維が記載されている。この繊維はフエノ
ール樹脂を溶融紡糸して得た中実繊維を架橋剤で
一部架橋し、次いで未架橋部分を溶媒で溶出して
得られた中空繊維を炭化する方法で製造する。そ
のため、微多孔性の緻密層を有さず、表面付近に
も比較的大きなボイドがあるため、極めてもろ
く、形態安定性も成形性も劣悪であり、実用中の
濾圧によつても形態が崩れ易い欠点を有するもの
である。さらに、かかるラフな構造の炭素材料を
用いても気体や液体の分離は期待できず、いわゆ
る通常の濾紙をやや精度アツプした程度の機能し
か得られない。
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、微多
孔性の緻密層を1層以上有する炭素膜が、極めて
優れた分離機能を発揮する事実を究明し、本発明
に到達した。
(発明の目的) 本発明は、卓抜した耐熱性、耐薬品性、耐圧強
度を有し、しかも、低圧損で溶媒と溶質の分離あ
るいは混合流体の分離が可能な炭素膜を提供する
ことを目的とする。
(発明の構成) (1) 微多孔性緻密層を少なくとも1層有すること
を特徴とする炭素膜。
(2) 繊維形成性線状重合体からなる、広角X線回
析で測定した配向係数が0.70以下である膜を炭
化することを特徴とする炭素膜の製造方法。
(構成の説明) 本発明の炭素膜は、たとえば、気体分離、逆浸
透、超濾過、透析、限外濾過などに用いることが
できる。
本発明でいう微多孔性緻密層とは上記分離機能
を発揮する程度の緻密度を有する、孔径のそろつ
た多孔性層であればよく、通常、平均孔径が1μ
以下、好ましくは0.5μ以下、さらに好ましくは
0.1μ以下であるボイドからなる微多孔性の緻密層
であるが、好適には、かかる緻密層は気体透過性
または液体透過性である範囲たとえば平均孔径が
Å単位のものであり、通常、数100Å以下で、気
体の場合には、その拡散速度が問題になる自由体
積の大きさまでの範囲のいずれかの孔で構成され
ているものが、分離能の点から好ましい。
本発明の特徴はかかる微多孔性緻密層を少なく
とも1層有する点にある。該層がない膜では分離
作用に限界があり、精度的にも劣悪であるばかり
でなく、膜の機械的強度や実用性の点でも、もろ
くて耐久性に劣る欠点がある。かかる緻密層は1
層あればよく、むろん膜全体が緻密層であつても
よいが、好ましくはその厚さは、全膜厚の1/2以
下、さらに好ましくは1/3以下であり、薄くとも
膜厚の1/50、好ましくは1/30以上であると共に、
分離能ならびに機械的特性の点から、少なくとも
500Å、好ましくは0.1μ以上、さらに好ましくは
1μ以上である。かかる要件は所望する分離能な
らびに膜特性に応じて適宜決定することができ
る。
本発明ではかかる微多孔性緻密層が膜の表裏面
に存在するのがいずれの方向からの分離にも使う
ことができ、しかもいずれの方向への折り曲げに
対しても強いという点で好ましい。かかる構造に
おいて、該緻密層の中間に、これよりも粗である
多孔質層(緻密層の範囲にあるものでもよい)が
存在しているものが分離性能の点で好ましい。
本発明でいう炭素分離膜とは実質的に炭素で構
成された平膜ならびに中空膜であり、炭化膜なら
びに黒鉛化膜のいずれをも包含するものである。
なかでも中空繊維膜はモジユールとして使う場合
単位体積当りの膜面積が大きくできるという点で
平膜よりもすぐれている。通常外径が10μ〜10mm
で、中空率(糸全体に対して中空部が占める体積
割合)が10〜90%であるが、外径が50μ〜1mm
で、中空率50〜80%であるものが分離性能が高く
てより好ましい。
本発明の分離膜は、かかる炭素構造体である
が、さらに該構造体上に分離機能を改善、向上す
る他種の膜、たとえば高分子膜などをコーテイン
グすることも目的に応じてできる。
本発明を図面により説明する。第1図は本発明
の炭素膜の1例であり、その断面形状を示す顕微
鏡写真(3000倍)である。図中1,2は緻密層、
3は緻密層1,2の中間に存在する、前記1,2
より粗である多孔質層であり、全体的に観察する
とダンボール構造を有する。
本発明の炭素分離膜の製造方法について、以下
説明する。
本発明でいう繊維形成性線状重合体とは、たと
えば、セルロース、セルロースエステル、ポリア
ミド、ポリエステル、ポリウレタン、ポリウレ
ア、ポリイミン、ポリイミド、ポリエーテル、ポ
リスルフイド、ポリスルホン、ポリオレフイン、
ポリスチレン、ポリフエニレン、ポリアセチレ
ン、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリ
ル、ピツチ等のポリマあるいはこれらの共重合体
から選ばれた重合体の単独または2種以上の混合
体があげられるが、なかでも焼成後の膜強度、形
態安定性の点からポリアクリロニトリル系ポリマ
が好ましい。
本発明は、かかる重合体を各重合体に適合した
製膜(製糸)条件のもとに適宜製膜するが、重要
なことは、製膜後のポリマの配向をできるだけ押
えた状態に保持し炭化または黒鉛化する点であ
る。具体的には広角X線回析で測定した配向係数
で0.70以下に保持することが重要である。すなわ
ち、かかる特定な配向特性を有する膜が焼成後に
おいて、分離膜として好都合な構造を形成する。
特に該配向係数が0.70以下の場合に微多孔性緻密
層を形成する。
かかる配向係数に保持する具体的な方法の一つ
に、延伸しないことがあげられるが、これに限定
する必要はない。要するに高分子膜の状態にある
段階で分子配向に上記程度の乱れがあればよい。
ここで配向係数F(X)は、広角X線回析により得
られたデバイ環にそつて測定した強度曲線の半価
幅Hから F(X)=1−H/180 で計算して求められる値である。
この値は小さい程好ましく、0.60以下の配向係
数のものは、より均一で多孔質な緻密層が得ら
れ、リークのないすぐれた分離膜を提供する。
次に、炭化は通常の方法に従つておこなう。
たとえば、ポリアクリロニトリルを原料ポリマ
とする場合、炭化処理には500〜2000℃の温度が
適用されるが、その前に炭化を安定に達成するた
めに耐炎化と呼ばれる酸化処理が行なわれる。耐
炎化は酸性雰囲気下で150〜400℃、好ましくは
200〜300℃の条件下で行なわれる。
炭化は、通常、窒素やアルゴンなどの不活性雰
囲気下で行なわれるものである。かかる炭化の後
に、さらに不活性雰囲気下で2000〜3000℃という
高温で熱処理して黒鉛化することもできる。
本発明の炭素膜は炭化されたものも黒鉛化され
たものも包含する。
(発明の効果) 本発明は耐熱性、耐薬品性が卓越している。し
かも、その分離効果ならびに機械的特性、形態安
定性にすぐれており、成形時ならびに実用時の膜
構造の崩れの心配がなく、分離操作が安定して行
なえ、かつ耐久性にも優れたものである。
以下本発明について実施例をあげてさらに説明
する。
実施例 1 イタコン酸0.3モル%を共重合させたポリアク
リロニトリルのジメチルスルホキシド溶液を、中
空糸用芯鞘型口金を用いて湿式紡糸して未延伸中
空フイラメントを得た。このフイラメントを広角
X線回析にかけて強度曲線を得たが、未延伸のた
め結晶化が低くてバツクグラウンドと区別がつか
ず、配向係数は求めることができなかつた。
この中空糸を金枠に固定して、収縮率22.3%の
制限収縮状態で、260℃×1時間熱風処理して耐
炎化した。得られた耐炎化中空糸の外径/内径は
690μ/620μであつた。
この糸をさらにアルゴン雰囲気下、1200±5℃
で45分間焼成して炭化した。炭化中14.0%の収縮
を示し、外径/内径は470μ/430μとなつた。
この炭素分離膜の断面を電子顕微鏡で観察した
ところ、第1図のように膜の両面に極めて緻密な
層を有し、かつその間に粗な層を有していた。緻
密層1の厚さは2.5μであり、緻密層2の厚さは
1.0μであつた。
この炭素膜を用いて各種気体の透過速度を0.5
Kg/cm2の圧で測定した。結果を下記に示す。
P(He)=2.3×10-4cm2・cm-2 ・sec-1・cmHg-1 P(N2)=1.5×10-4cm2・cm-2 ・sec-1・cmHg-1 P(O2)=1.4×10-4cm2・cm-2 ・sec-1・cmHg-1 P(CO2)=1.2×10-4cm2・cm-2 ・sec-1・cmHg-1 であつた。
比較例 実施例1で得た未延伸中空フイラメントを、8
倍延伸して、延伸中空フイラメントを得た。この
フイラメントの外径/内径は325μ/280μであり、
配向係数は0.86で、膜構造は全体に緻密であつ
た。この中空糸を実施例1と同一に耐炎化し、炭
化した。得られた中空炭化糸の外径/内径は
170μ/145μであり、全体に均一に緻密であり、
微多孔構造を有しないものであつた。
この繊維を用いて、実施例1と同一に気体透過
速度を測定してみたが、気体の透過はみられなか
つた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の中空炭素膜を構成する繊維の
断面構造の1例を示す電子顕微鏡写真(3000倍)
である。 図中、1:緻密層(表面部)、2:緻密層(裏
面部)、3:多孔質層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 微多孔性緻密層を少なくとも1層有すること
    を特徴とする炭素膜。 2 繊維形成性線状重合体からなる、広角X線回
    析で測定した配向係数が0.70以下である膜を炭化
    することを特徴とする炭素膜の製造方法。
JP59034190A 1984-02-27 1984-02-27 炭素膜およびその製造方法 Granted JPS60179102A (ja)

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