JPS59199247A - 再生セルロ−スの複合膜 - Google Patents

再生セルロ−スの複合膜

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JPS59199247A
JPS59199247A JP7389283A JP7389283A JPS59199247A JP S59199247 A JPS59199247 A JP S59199247A JP 7389283 A JP7389283 A JP 7389283A JP 7389283 A JP7389283 A JP 7389283A JP S59199247 A JPS59199247 A JP S59199247A
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重本 ゆかり
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、再生セルロースの複合膜に関するものである
近年、物質の分離精製技術の中で膜分離技術が注目され
つつある。蒸留と異なり分離に伴う温度変化を必要とし
ないこと、分離に必要なエネルギーが少ないこと、さら
に工程がコンパクトであるという膜分離プロセスの特徴
を生かし広範囲の分野で高分子膜が利用されている。例
えば酪農、水産、畜産、食品加工、医薬品、化学工業、
繊維染色加工、鉄鋼、機械、表面処理、水処理、原子カ
ニ業などである。将来膜分離システムが中心となる可能
性のある分野として、■低温での濃縮、精製、回収を必
要とする分野(食品、生物化学工業分野)、■無菌、無
塵を必要とする分野(医薬品および治療機関、電子工業
)、■微量な高価物質の畏縮回収(原子力、重金属分子
Jf)、■特殊少量分離分野(医療分野)、■エネルギ
ー多消費分野(蒸留代替ンなどが考えられる0これらの
分Wfに利用される膜として膜分離特性の高い複合膜の
必要件が高まっている。
本発明でいう複合膜とは、膜厚方向で平均孔径が不連続
的に変化する2種以上の層で構成される膜を意味しそれ
ぞれの層は同一の化学構造を持つ高分子素材で構成され
る。
複合膜の特徴は分子分離機能を持つ薄膜((至)の厚み
を1μm以下にすることが可能な点にある。そのため膜
を用いた物質分離の際、該層の透過速度が大きくなる。
複合膜では■該薄膜の形態保持、■複合膜としての力学
的な強度、■物質透過の障害とならない、の諸条件を満
足するために多孔質の支持体層(B)が必要である。従
来の複合膜では孔径を異にする2種の膜をそれぞれ独立
に作製し、その後両者を物理的にはシ合わせるか、ある
いは支持体層(B)となる多孔膜上に高分子膜をコーテ
イ/りするか、あるいは多孔膜上にモノマーをコーテイ
ング後重合させて薄膜(A)を作製する。これらの方法
で得られた複合膜では(A) 、 (B)部分を構成す
る素材高分子が異なるか、あるいは素材高分子が同一の
場合では(菊、(B)部分が一体化していない。
そのため支持体層(B)の上にのせた薄層(A)が(B
)部分の大孔の内側に入り込んでへこんだり、又ははシ
合わせただけのものであるために破損しやすかったり、
ピンホールが出来たシする欠点が従来の複合膜にはあシ
、コーティング法を除き工業的に利用できる膜は作製さ
れていない。コーティング法では(A) 、 (B)部
分の素材高分子が異なるし、また(B)部分の大孔の内
部K (A)部分を構成する素材高分子が侵入し、この
侵入部分を考慮すると(〜部分の厚さくdA)は事実上
1μm以上である。1だ、(A)および(B)部分の素
材高分子が異なる場合、溶媒による#潤/乾燥を該複合
膜で繰り返すと(A) 、 (B)両層の剥離が起こり
(袖の破損が起こりやすい。
本発明は、か\る従来の欠点を解消した再生セルロース
の複合膜を提供するものであり、本発明の要旨は平均孔
径が200A以下で厚さくdA)が0,01μm−1μ
mの薄膜層((転)部分と、平均孔径が0.1μm以上
で厚さくda)が50μmから1藺の支持体層(B)部
分とで構成され、かつ両層が実質的に一体化してなるこ
とを特徴とする再生セルロース複合膜にある。
本発明の再生セルロース複合膜の最大の特徴は該層の分
子分離機能金持の薄膜層(A)部分と支持体層(B)部
分とが実質的に一体化されている点にある。
薄膜層体)と支持体層(B)、とが一体化されているこ
とによシ従来の重ね合わせfc複合膜のような体)層の
へこみ、ピンホール、やぶれなどの発生が少なくなり5
強度も犬きくなシ取シ扱いやすくなる。
本発明の第2の特徴は薄膜層(5))のj4み(dA)
は妻0.01μ九〜1μmである点にある。前述の巣1
の特徴と第2の特徴を持つ複合膜ではへ)層方向から白
色光を轟てる干渉色を示すことによって、(A) 、 
(B) 1m間の平均孔径の大幅な差および6人が1μ
m以下であることが確認できる。(A)層には平均孔径
soX以上200A以下の孔が単位体積当たp 10”
 1Vcrt1以上存在することが透過速度を大きくす
る上で望ましい。6人が1μm以下になると該層を用い
た物質迭過速腿は大幅に増加する。−万〇)層の厚みが
0.01μm以下となるとピンホールの出現頻度が増大
し、また膜分離の際の分離条件変化に除して(4))層
の破損が起こフやすく、かつ膜の選択透過特性が著しく
波少する。6人としては0.05〜0.5μmが好まし
く、!)なに好ましくは、0.1μm 前後である。。
ただし該層(A)のみでは膜分離に際して形態保持、強
度保持が困ご・;1なため支持体層(B)が不町決であ
る。
本発明の第3のl涛徴は支持体層(B)の厚みd、が5
θμm〜1膿で該層には、平均孔径Φ)が0.1μm以
上の円形状の孔がおいている点にある。(B)層゛の厚
さは(A)層の厚さの100倍以上であり、また(B)
層の面内空孔率(膜面稙中に占める孔の面積比)が10
〜80チであるか、あるいは面門の1 cni当りの孔
の数がI X to2/D個 (Dの単位はcrn)以
上でs X 10’/D個 以下であることが膜の力学
的強度を太きくシ、また物質の透過速度金高める点から
望ましい。また仏)層と(B) 18との界面の(B)
部分側には壷状の孔が体積比でO−1%以上存在すると
、この部分に有機温媒あるいは有l講感媒中に種々の物
質を溶解させて複合膜中に保持させることが可能である
。ここで壷状の孔とは半貫通孔で貫通する側はφ)層面
に有9、貫通する部分の孔径が孔内部のそれよυも小さ
いため、見扛1け上覚状の孔形状金持つ。壺の首に相当
する部分の平均孔径は500A以上であり、該形状の孔
の存在比率として体積比でO−1チ以上であれば複合膜
として徐放性あるいは液体膜の保持機能および液体膜中
の物質移動速度がいずれも大きい。この壷状の孔の存在
は以下の方法で確鼎される。まず試料重量(Wl)既知
の複合膜を真空中(10” w HIF  以下)で水
銀媒体中に浸漬する31次に該水銀媒体全300気圧下
に加圧し、次に大気圧下で除圧後、複合膜の重量(Wz
) k測定する。直径500八以上の壷状の孔の存在率
は((Wg Wz) da/ a*Wz ) x to
o(9))で与えられる。ここでdは水銀の密度でd8
は再生セルロースの密度(1,5f/i)である。なお
該壷状孔が(A) 、 (B)層の界面に存在すること
は、上記の方法で得られた膜を伸)方向よフ肉眼で観察
した際には白色に見え。
(4)方向よ)観察した際には黒色と見えること、及び
複合膜の(A) 、 (B)それぞれの表面における抵
抗値がIKΩ/crn以上となることで確認できる。
被p過液体は複合膜の薄膜層(A)から支持体層(B)
に向かって透過させるのが一般的であるが、逆に(B)
から(A)へ透過させる方式は’+M合膜の単位面積当
力の膜分離処理量をあげる上で効果がある。
多孔膜の外形の形状としては平面膜、チューブ状、中空
糸状物、すべてを含む。なお(B))diの平均孔径(
2t’ab 、 r3bは孔半径)とは後述の(2)式
によって定義される丁、、の2倍を、また(A)層のそ
れは(7)式の(reえ・raa)%の2倍を意味する
本発明の第4の特徴は該j漠がセルロース分子で構成さ
れている点にある。そのため親水性が大きく、また耐有
機溶媒性に優れる。セルロース分子のみで構成された一
体化された複合膜は過去存在しなかった。パーベーボレ
ーショy (Peruaporation )によち有
機溶媒中の水分を除去する除、セルロース分子で構成さ
れた複合膜は選択透過性において特に優れる。セルロー
ス誘導体で構成される多孔膜からケン化反応等にニジ再
生されて作製される従来の再生セルロース多孔膜は乾燥
状態では脆く、取殴扱いに細心の注意が盛装である。本
発明者らハ引張り強度とセルロースの分子量との関連全
検討した結果分子量の増大に伴なって多孔膜の強度は上
昇し、脆さが改善されることが明らかになった。平均分
子量がs x io’以上となると多孔膜の強度が2 
X 107dyn/aA以上となり取〃扱いが容易とな
シ、多孔膜の破損は減少する。もちろん分子量が大きく
なっても再生セルロースの特徴である良好な生体適合性
と、優れた現水性とt本発明の複合膜は保持し、さらに
有機溶媒への膨潤も紙工する。複合膜の耐熱性および耐
溶媒性を高めるには該複合膜f、液液体アンモニアへ浸
漬処理し、該複合膜中の結晶領域全セルロースm−2結
晶あるいはセルロースII 結晶とセルロースmmz結
晶の両者が混在するようにするか、熱水中で該被合薄を
熱処理して結晶領域をセルロース■結晶にするのが好ま
しい。
本発明の複合膜が利用できる分離対象として水を含む液
体又は気体混合物中の目的とする成分の分離除去(例え
ば空気中の水分除去用。人工腎臓用あるいは人工肝臓用
。人工膵臓用膜などである。
その細限外濾過膜として利用できる殆んどすべての分野
で利用できるが、親水性で力学的性質に優れる強靭な本
多孔)漠は生体関連分2J、 (医学、生物化学工莱)
あるいは食品発酵分野が特に適する。
また本発明の複合膜は液体膜のキャリアノ担体、例えば
ペンゾイルアービトン)の保持膜としても利用され44
チる。
本発明の複合膜は例えば以下の方法で作製できる。4重
量裂tυセルロース幻アンモニア溶液’530℃のアセ
トン蒸気雰囲気の濃度が飽和蒸気圧の80飴の雰囲気下
でガラス板上に厚さ500μm のアプリケーターでO
J m1分の速度で流延し、該雰囲気下に8分間放置し
、ミクロ相分離が生起し且つ希薄相が膜表面に浸出して
いないのを確認し、得られた流延フィルムをアセトン/
水との比率が33.6重−計チでアンモニア/水との比
率が0−f3 i量チの混合溶液中(20℃)に60分
間水平状態で浸漬し、その後20°Cの2重量係硫酸水
溶液中に15分間浸漬後水洗し、しかる後水分kr紙で
吸い取J20℃のアセトン(100mm % )中に1
5分間浸漬し膜中の水分をアセトンで置挨し P紙には
さんで30℃で風乾することによって1−!ることかで
きる。
実施例に先立ち、発明の詳細な説明中で用いられた各種
物性値の測定方法を以下に示す。
再生セルロースの平均分子量: 銅アンモニア溶液中(20℃)で測定された極限粘度数
〔η) (d/f) e(1)式に代入する□ことによ
り平均分子量(粘度平均分子t ) Mv k算出する
My = [η] X 3.2 X 10”     
  (1)支持体層(B)部分の平均孔半径rBb +
 rab を孔数Nb 。
および面内空孔率Preb : 多孔膜1 ctA当fcフの孔半径がr〜r −+−d
r に存在する孔の数f N(r)drと表示すると(
N (r)は孔中径分布関係)、平均孔半径r8b、 
rab、および/ad ”4たりの孔数Nb、および面
内空孔率Predは(2)式、(3)式、(4)式およ
び(5)式で与えられる。
Nb = fo N(r)dr      (z/1−
d)  (4)Preb = x f、’= 1鷺N(
r)dr x too   (%)   (s)走査電
子顕微鏡には日本電子MJSM−tJa型を用い表裏面
の電子顕微鏡写真を撮影する。該写真から公知の方法で
孔径分布関数N(r) i算出し、これを本文中(2)
式、(3)式に代入する。すなわち孔径分布を求めたい
部分の走査′!i電子顕微鏡写真を適当な大きさく例え
ば20cmX20an)  に拡大、焼付けし、得られ
た写真上に等間隔にテストライン(直線)を20本描く
。おのおのの直線は多数の孔を横切る。孔ヲ仙切った際
の孔内に存在する直線の長さを測定し、この頻度分布関
数を求める。
この’M K分布関数を用いて、例えばステレオロジー
(例えば諏訪紀夫看、定量形態学、岩波書店)の方法で
N(r) ”e定める。平均孔半径r8に+〒4.はN
 (r)を用いて(2)式、(3)式で、孔数NbはN
(r) ffi用いて(4)式で1面内空孔率Preb
はN(r) k用いて(5)式で算出される。
厚さaA、ti、、: 該層をアクリル梱脂に包埋し、そのり1面の超薄切片全
作製し、これを日立製HU−11B型透過型電子顕W、
鏡にエフ観察し、薄膜層(5))部と支持体層(B)部
の厚み(それぞれ(lA、 di+ (cln> )を
測定する。
空孔率Prp : 平面状の多孔膜を47mφの円形に切り出し、該多孔膜
を真空中で乾燥し、水分率を0.5チ以下とする。乾燥
後の多孔膜の厚さをd (z) 、重量をW(めとする
と、空孔率Prp(%i)は(6)式で与えられる。
薄膜層(A)部分の平均孔半径(r3a’r4m )3
4:ミリボア社製濾過装置に直径47藺の該層を(A)
層を上にして取りつける。濾過装置に超純水を注入し、
圧力差(△p ) 0.35気圧に加圧した際のIC#
!当たりの濾過速度J(mtt/秒・d)  t(7)
式に代入し、(A)部の平均孔半径(r3m−74,戸
を算出する。
(r3s’r4 )’ = (8d、J/[(17,3
4X ((ci、+ti、 )Prp−1,24m−P
reb)/d*) (0,35−(6,67J −an
/〒a・rab・Prp))))M・・・・・・(7) ここで”sb l r6は支持体層(B)の平均孔半径
(、、)((2)式、(3)式より算出)、Prpは複
合膜の空孔率((6)式より算出) (%l 、Pre
bは支持体層(B)の面内空孔率((5)式より算出)
(吻、dJ、、dBはそれぞれ薄膜層(A)部、支持体
層(B)部の厚さくcrn)である。
セルロース■および■−2結晶の固定:理学電機社製X
線発生装置(Ru−200PL )  とゴニオメータ
−(SG−9RL  計数管にはシンチレーションカウ
ンター、計数部には波高分析器を用い、30 KV、 
80 mA  でX線発生装置を運転し、ニッケルフィ
ルターで単色化したCu −Ka 1m (波長λ=1
.5418 A )でX線回折強度を測定する。
結晶構造の決定の場合はフィルム面に垂直方向、また中
空糸の場合には繊維軸に垂直方向からX線を入射する。
スキャニング速度1o10、チャート速度10zw/分
、タイムコンスタント1秒、ダイバージニジススリット
号0、レシービングスリット0.3藺、スキャッタリン
グスリット″/2゜において回折角2θが4°〜35°
の範囲でX線回折強度を測定する。セルo −ス)(結
晶は2θ=12°((101)面からの反射)、20.
2°((IOT)面からの反射)、210((002)
面からの反射)の3種の回折で特徴づけられる。またセ
ルロースm  2 結晶n 2θ=12゜((zoz)
面からの反射)、20°(xoT)面からの反射)の2
種の回折で特徴づけられる。
実施例1 セルロースリンター(平均分子量2.33 X 10’
 )を公知の方法で調製した銅アンモニア溶液中に4重
量−の濃度で溶解後、その溶液を30℃のアセトン蒸気
雰囲気の濃度が飽和蒸気圧の70%の雰囲気下でガラス
板上に厚さ500μmのアプリケーターで0.2 m7
分の速度で流延した。該雰囲気下に8分間放置し、ミク
ロ相分離が生起し且つ希薄相が膜表面に浸出していない
のを確認し得られた流延フィルムをアセトン/水との比
率がa3.6重量%でアンモニア/水との比率が0.8
重量%の混合溶液中(20℃)K60分間水平状態で浸
漬し、その後20℃の2重量%硫酸水溶液中に15分間
浸漬後水洗し、しかる後水分を濾紙で吸い取920℃の
アセトン(100重量%)中に15分間浸漬し膜中の水
分をアセトンで置換し、’FMKはさんで30℃で風乾
した。得られた多孔膜の各種物性値を第1表に示す。第
1図は該多孔膜の薄膜層(A)の表面の走査型電子顕微
鏡写真、第2図は同支持体層(B)の裏側の走査型電子
顕微鏡写真、第3図は超薄膜を物理的にはがした残りの
支持体層の面(表側)の電子顕微鏡写真、第4図は本発
明の多孔膜の垂直断面の模式図で、薄膜部(、A)と、
支持体層(B)との境界のB側に嚢状の孔が存在するこ
とを示す。
比較例1 セルロースリンク−(平均分子量2.33 X 105
)を公知の方法で調整した銅アンモニア溶液中に4重量
%の濃度で溶解後その溶液を30℃のアセトン蒸気雰囲
気の濃度が飽和蒸気圧の80チの雰囲気下でガラス板上
に厚さ500μmのアプリゲータ−で0.2m/分の速
度で流延した。該雰囲気下に8分間放置し、ミクロ相分
離が生起し、且つ希薄相が膜表面に浸出していないのを
確認し、得られた流延フィルムをアセトン/水との比率
が33.6電量チでアンモニア/水との比率が0.8重
量%の混合溶液中(20℃) K 120分間水平状態
で浸漬し、その後20℃の2重量%硫酸水溶液中に15
分間浸漬後水洗し、しかる後水分を濾紙で吸い取シ、2
0℃のアセトン(100重量%)中に15分間浸漬し、
膜中の水分をアセトンで置換し濾紙にはさんで30℃で
風乾した。
得られた多孔膜の各種物性値を第2表に示す。
この比較例の多孔膜と前述の実施例If:、あげた複合
膜を用いて液体膜を使った銅イオンの濃縮を行った。多
孔膜、複合膜vcL 1 x 65 N in Dis
persot溶液を十分含浸させた後、表面を濾紙でふ
きとって複合膜は支持体層(B)を内側にし、市販の4
7ツ化エチレン多孔膜(住友電工■製)と2枚をは9合
わせたいわゆる液体膜を、また比較例中の多孔膜の表面
を内側にし、上記の4フツ化エチレン多孔膜を合わせて
2枚をはり合わせた液体膜を作製した。
第5図は本発明の複合膜を用いた銅イオン濃縮モデル装
置であり、1は銅イオン用電極、2はpHメーター、3
は本発明の複合膜あるいは比較例の多孔膜、4は4フツ
化エチレン多孔膜が装着されていることを示す。上記液
体膜を第5図の装置のA、Bの間に装置する。なおこの
際B側には上期の47フ化エチレン多孔膜が装着される
。A側のセルにはpH7〜8の(同イオン水溶液(銅イ
オン濃度200 ppm ) k、B側のセルにはpH
1〜2の0.1〜3N硫酸水溶液を満たした。両水相は
180 rpmで攪拌した。B側の水相の銅イオン濃度
2 HORIBAのイオンメーターで銅イオン用電極を
用いて測定した。B側の銅談度を時間に対してプロット
したグラフを第6図に示す。これによるとキャリアー(
担体)を含んだ液体膜の性能は比較例の多孔Iffでは
時間が増すにつれて低下しているのに対して、実施例に
あげた複合膜を用いた場合は僅かしか性能は低下しない
。これは−f反合膜の場合膜の両端の孔径の小さいイ・
・1IiU Jl (A)があるためにキャリアーが保
持されるのに対して、多孔膜では孔径がA層よりも数倍
大きいためキャリアーが十分長く保持できずに流れ出し
てしまうことに起因する。
以下余白 第  1  表 第2表
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の複合膜の薄膜(A)の表面の走査現電
子顕微鏡写真。第2図は同支持体/M (B)の裏側の
走査現電子顕微鏡写真1.第3図は超N膜を物理的には
がした残漫の支持体層の面(表側)の電子顕微鏡写真。 第4図は本発明の複合膜の垂直断面の)換弐図。第5図
は本発明の復合膜全用いた銅イオン濃縮モデル装[ヴ。 1 : flilイオン用電極、2 : pHメーター
、3:本発明の複合膜あるいは比較例の多孔膜、4:4
7)化エチレン多孔膜が装着されていることを示す。 第6図は本発明の複合j漠と比較例の多孔Hを使用して
行なった実暎請来である。 !f:f訂出願人出願人成工栗株式会社第6図 H1間 (公」 第4図 第5図 231−

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)平均孔径が200 X以下で厚さくdA)が0.
    01μm〜1μmの薄膜層(N部分と、平均孔径が0.
    1μm以上で厚さくd、)が5(1mから1藺の支持体
    層(B)部分とで構成され、がっ両層が実質的に一体化
    してなることを特徴とする再生セルロース複合膜
  2. (2)  セルロース分子の平均分子量が5 X 10
    ’以上で、かつ結晶領域が実質的にセルロースπあるい
    はセルロースm−2あるいは両者が混在する結晶で構成
    されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の再生セルロース複合膜(3)薄膜層(N部分と支持
    層(B)部分の境界で、(B)部分側には壺状の孔が体
    積比で0.1%以上存在することを特徴とする特許請求
    の範囲第1項又は第2項に記載の再生セルロース複合膜
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