JP2009226338A - フッ化ビニリデン系樹脂中空糸多孔膜およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重量平均分子量Mwが50万以上であり且つ重量平均分子量Mwと数平均分子量Mnの比Mw/Mnが2.0以上であるフッ化ビニリデン系樹脂からなる中空糸形状の非延伸多孔膜であって、差圧100kPa、水温25℃の条件で測定した試長L=200mmでの透水量の空孔率v=70%への換算値F(L=200mm、v=70%)(m/day)と、ハーフドライ/バブルポイント法(ASTM・F316およびASTM・E1294)による孔径分布に基づく平均孔径Pm(μm)の四乗値Pm4との比F(L=200mm、v=70%)/Pm4が5×105(m/day・μm4)以上であるフッ化ビニリデン系樹脂中空糸多孔膜。
【選択図】図2
Description
本発明において、主たる膜原料として用いるフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体、すなわちポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンと共重合可能な他のモノマーとの共重合体あるいはこれらの混合物が用いられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化エチレン、三フッ化塩化エチレン、フッ化ビニル等の一種又は二種以上を用いることができる。フッ化ビニリデン系樹脂は、構成単位としてフッ化ビニリデンを70モル%以上含有することが好ましい。なかでも機械的強度の高さからフッ化ビニリデン100モル%からなる単独重合体を用いることが好ましい。
本発明の中空糸多孔膜は、主として上記したフッ化ビニリデン系樹脂により形成されるが、その製造のためには上述したフッ化ビニリデン系樹脂に加えて、少なくともその可塑剤を孔形成剤として用いられる。可塑剤としては、一般に、二塩基酸とグリコールからなる脂肪族系ポリエステル、例えば、アジピン酸−プロピレングリコール系、アジピン酸−1,3−ブチレングリコール系等のアジピン酸系ポリエステル;セバシン酸−プロピレングリコール系、セバシン酸系ポリエステル;アゼライン酸−プロピレングリコール系、アゼライン酸−1,3−ブチレングリコール系等のアゼライン酸系ポリエステル等が用いられる。
また、本発明法による中空糸膜の冷却形成に際しての緻密層の厚肉化を防止し、比較的低粘度の溶融押出しを通じて形成するためには、上記可塑剤に加えてフッ化ビニリデン系樹脂の良溶媒が併用される。この良溶媒としては、20〜250℃の温度範囲でフッ化ビニリデン系樹脂を溶解できる溶媒が用いられ、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、アセトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、酢酸エチル、プロピレンカーボネート、シクロヘキサン、メチルイソブチルケトン、ジメチルフタレート、およびこれらの混合溶媒等が挙げられる。なかでも高温での安定性からN−メチルピロリドン(NMP)が好ましい。
中空糸膜形成用の原料組成物は、好ましくはフッ化ビニリデン系樹脂(A)100重量部に対し、可塑剤(B)とフッ化ビニリデン系樹脂の良溶媒(C)とを、合計量で200〜350重量部、より好ましくは200〜300重量部、且つそのうち良溶媒(C)が50〜100重量部、好ましくは65〜75重量部となるように添加して、混合することにより得られる。
溶融押出組成物は、一般に140〜270℃、好ましくは150〜200℃、の温度で、中空ノズルから押出されて膜状化される。従って、最終的に、上記温度範囲の均質組成物が得られる限りにおいて、フッ化ビニリデン系樹脂、可塑剤および良溶媒の混合並びに溶融形態は任意である。このような組成物を得るための好ましい態様の一つによれば、二軸混練押出機が用いられ、(好ましくは主体樹脂と結晶特性改質用樹脂の混合物からなる)フッ化ビニリデン系樹脂は、該押出機の上流側から供給され、可塑剤と良溶媒の混合物が、下流で供給され、押出機を通過して吐出されるまでに均質混合物とされる。この二軸押出機は、その長手軸方向に沿って、複数のブロックに分けて独立の温度制御が可能であり、それぞれの部位の通過物の内容により適切な温度調節がなされる。
次いで溶融押出された中空糸膜状物を0〜90℃、好ましくは10〜80℃、より好ましくは15〜60℃の冷却液浴中に導入して、その外側面から優先的に冷却して固化製膜させる。その際、中空糸膜状物の中空部に空気あるいは窒素等の不活性ガスを注入しつつ冷却することにより拡径された中空糸膜が得られ、長尺化しても単位膜面積当りの透水量の低下が少い中空糸多孔膜を得るのに有利である(WO2005/03700A公報)。冷却浴温度が0℃未満では、固化した中空糸が脆化するために引取りが困難となる難点がある。他方90℃を超えると、冷却浴中での樹脂の結晶化が不十分となり、糸つぶれが発生しやすくなり、中空糸の形成自体が困難となる。
冷却・固化された膜状物は、次いで抽出液浴中に導入され、可塑剤および良溶媒の抽出除去を受ける。抽出液としては、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を溶解せず、可塑剤や良溶媒を溶解できるものであれば特に限定されない。例えばアルコール類ではメタノール、イソプロピルアルコールなど、塩素化炭化水素類ではジクロロメタン、1,1,1−トリクロロエタンなど、の沸点が30〜100℃程度の極性溶媒が適当である。
上記一連の工程を通じて得られる本発明の中空糸多孔膜は、差圧100kPa、水温25℃の条件で測定した試長L=200mmでの透水量の空孔率v=70%への換算値F(L=200mm,v=70%)(m/day)と、ハーフドライ/バブルポイント法による孔径分布に基づく平均孔径Pm(μm)の四乗値Pm4との比F(L=200mm,v=70%)/Pm4が5×105(m/day・μm4)以上、好ましくは7×105(m/day・μm4)以上、最も好ましくは1×106(m/day・μm4)以上、であることを特徴とする。これは、本発明の中空糸多孔膜が小孔径であるにも拘らず、透水量が高く維持されることを示す。空孔率70%換算の透水量(測定法は後述する)を用いるのは、空孔率による透水量への影響を除き、平均孔径と透水量のみによる中空糸多孔膜の性能評価を行うためである。上記特性の評価のために、本発明で行った測定法を説明する。
日本分光社製のGPC装置「GPC−900」を用い、カラムに昭和電工社製の「Shodex KD−806M」、プレカラムに「Shodex KD−G」、溶媒にNMPを使用し、温度40℃、流量10mL/分にて、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法によりポリスチレン換算分子量として測定した。
パーキンエルマー社製の示差走査熱量計DSC7を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで一旦昇温し、ついで250℃で1分間保持した後、250℃から10℃/分の降温速度で30℃まで降温してDSC曲線を求めた。このDSC曲線における降温過程における発熱ピーク温度を結晶化温度Tc(℃)とした。
中空糸膜の長さ、並びに外径および内径を測定して中空糸膜の見掛け体積V(cm2)を算出し、更に中空糸膜の重量W(g)を測定して次式より空孔率を求めた:
[数1]
空孔率v(%)=(1−W/(V×ρ))×100
ρ:PVDFの比重(=1.78g/cm2)。
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて中空糸多孔膜の外側および内側外表面を、観察倍率5000倍で写真撮影した。得られたSEM写真(観察範囲は約19μm四方)を画像処理装置「(株)ネクサス製「nexus New Qube Version4.01」を用いて二値化処理し、これにより、重合体相と空隙部の区分けを行い、観察範囲内における、前記ハーフドライ法により求めた最小孔径Pmin以上のすべての空隙部の円相当径D(その面積を円で与えると仮定したときの該円の直径)およびその個数nを計測し、それらの数平均値(=ΣnD/Σn)をそれぞれの外表面の平均孔径とした。ハーフドライ法による最小孔径Pmin未満のDを有する空隙部を除外するのは、これらは連通孔を形成しているろ過に有効な空隙部ではない(例えば樹脂相の凹凸)と考えられるからである。
試長L(図1参照)=200mmの試料中空糸多孔膜をエタノールに15分間浸漬し、次いで純水に15分間浸漬して親水化した後、水温25℃、差圧100kPaで測定した1日当りの透水量(m3/day)を、中空糸多孔膜の膜面積(m2)(=外径×π×試長Lとして計算)で除して得た。測定値は、F(100kPa,L=200mm)と表記し、単位はm/day(=m3/m2・day)で表わす。
[数2]
F(L=200mm,v=70%)
=F(100kPa,L=200mm)×(70(%)/v(%))
の式により求め、さらに平均孔径Pmの四乗との比F(L=200mm,v=70%)/Pm4(単位:m/day・μm4)を求め、微粒子除去能力を加味した透水性能評価を行った。
試料中空糸膜を5mmの長さに切り取り、これを半割りにして、表面粗さ計(SEIKO Instruments社製「SPM(SPI3800N/SPA−300HV)」の試料台に半割した中空糸をその外側表面が上側になるように載せ、同表面粗さ計に付属するカンチレバー(「SI−Af01」、たわみ定数=0.18nN/nm)を用いて、同表面粗さ計のAMF(原子間力顕微鏡)モードで、中空糸表面の孔部と樹脂部の双方を観察可能な領域であり且つ試料全体のひずみの寄与しない測定範囲5×5μmについて、表面粗さ曲線f(x)を求め、同表面粗さ曲線の上半分と下半分の面積が同一となるように二分する中心線の上半分と下半分の面積の和を測定長さ(=5μm)で割った値として中心線平均表面粗さRaを求めた。実際には、Raは、AFMモード測定が終わった時点で、自動的に表示された測定値を用いている。
引っ張り試験機(東洋ボールドウィン社製「RTM−100」)を使用して、温度23℃、相対湿度50%の雰囲気中で初期試料長100mm、クロスヘッド速度200mm/分の条件下で測定した。
重量平均分子量(Mw2)が4.12×105の中高分子量ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(粉体)と重量平均分子量(Mw1)が9.36×105の超高分子量ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(粉体)を、それぞれ75重量%および25重量%となる割合で、ヘンシェルミキサーを用いて混合して、Mwが5.43×105であるPVDF混合物を得た。
冷却水浴温度を60℃から40℃に変化する以外は、実施例1と同様にして中空糸多孔膜を得た。
冷却水浴温度を15℃に変化する以外は、実施例1と同様にして中空糸多孔膜を得た。
ポリエステル可塑剤(「PNP−150」)と溶媒NMPの重量比を75/25に、混合物A(PVDF混合物)/混合物B(可塑剤・溶媒混合物)の供給重量比を26.1/73.9に、冷却水浴温度を30℃に、それぞれ変化する以外は、実施例1と同様にして中空糸多孔膜を得た。
冷却水浴温度を15℃に変化する以外は、実施例4と同様にして中空糸多孔膜を得た。
ポリエステル可塑剤(「PNP−150」)と溶媒NMPの重量比を68.6/31.4に、混合物A(PVDF混合物)/混合物B(可塑剤・溶媒混合物)の供給重量比を30.8/69.2に、冷却水浴温度を40℃に、それぞれ変化する以外は、実施例1と同様にして中空糸多孔膜を得た。
Mw2=4.12×10の中高分子量PVDFとMw1=9.36×105の超高分子量PVDFの重量比を95/5に、ポリエステル可塑剤(「PNP−150」)と溶媒NMPとの重量比を87.4/12.6に、PVDF混合物/可塑剤・溶媒混合物の重量比を35.7/64.3に、冷却水浴温度を40℃に、それぞれ変化する以外は実施例1と同様にして中空糸多孔膜を得た。
Mw2=4.12×10の中高分子量PVDFとMw1=9.36×105の超高分子量PVDFの重量比を95/5に、変化する以外は実施例7と同様にして中空糸多孔膜の製造を試みたが、溶融押出し中空糸のつぶれが生じ、中空糸多孔膜は得られなかった。
冷却浴温度を15℃に低下する以外は、実施例7と同様にして中空糸多孔膜を得た。
Mw2=4.12×10の中高分子量PVDFとMw1=9.36×105の超高分子量PVDFの重量比を95/5に、ポリエステル可塑剤(「PNP−150」)と溶媒NMPとの重量比を72.5/17.5に、PVDF混合物/可塑剤・溶媒混合物の重量比を35.7/64.3に、冷却水浴温度を50℃に、それぞれ変化する以外は実施例1と同様にして第2成形体を得た。
ポリエステル可塑剤と溶媒NMPとの重量比を82.5/17.5に、60℃での延伸倍率を1.85倍に、90℃温水中での緩和率を8%に、それぞれ変化する以外は、比較例4と同様にして中空糸多孔膜を得た。
中空糸多孔膜のろ水使用後の逆洗およびエアバブリングによる再生能力の評価のために、実施例2、4および比較例4、5で得られた中空糸多孔膜について、ベントナイト懸濁水ろ過試験を以下のようにして行った。
回復率(%)=[(ろ過終了時(逆洗前)の差圧−逆洗終了後の差圧)
/(ろ過終了時の差圧)−ろ過開始時の差圧]×100。
Claims (11)
- 重量平均分子量Mwが50万以上であり且つ重量平均分子量Mwと数平均分子量Mnの比Mw/Mnが2.0以上であるフッ化ビニリデン系樹脂からなる中空糸形状の非延伸多孔膜であって、差圧100kPa、水温25℃の条件で測定した試長L=200mmでの透水量の空孔率v=70%への換算値F(L=200mm、v=70%)(m/day)と、ハーフドライ/バブルポイント法(ASTM・F316およびASTM・E1294)による孔径分布に基づく平均孔径Pm(μm)の四乗値Pm4との比F(L=200mm、v=70%)/Pm4が5×105(m/day・μm4)以上であるフッ化ビニリデン系樹脂中空糸多孔膜。
- フッ化ビニリデン系樹脂が、重量平均分子量Mw1が40万〜120万である超高分子量フッ化ビニリデン系樹脂10〜70重量%と、重量平均分子量Mw2が15万〜60万である中高分子量フッ化ビニリデン系樹脂30〜90重量%とを含有し、且つMw1/Mw2の比が、1.8以上である請求項1に記載の中空糸多孔膜。
- 任意の測定点5μm×5μmの範囲における表面粗さRaが60nm以下である請求項1または2に記載の中空糸多孔膜。
- F(L=200mm、v=70%)が10m/day以上である請求項1〜3のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 空孔率が50〜70%である請求項1〜4のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 中空糸多孔膜を形成するフッ化ビニリデン系樹脂全体の結晶化温度Tcが143℃以上である、請求項1〜5のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 外表面にろ過性能を支配する緻密な層を、内表面に強度支持に寄与する疎な層を有し、外表面から内表面にかけて連続的に孔径が拡大する傾斜構造膜である請求項1〜6のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 外表面平均孔径と内表面平均孔径の比が1.5〜5.0の範囲内にある請求項1〜7のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 平均孔径Pmが0.08μm以下である請求項1〜6のいずれかに記載の中空糸多孔膜。
- 重量平均分子量Mwが50万以上であり且つ重量平均分子量Mwと数平均分子量Mnの比Mw/Mnが2.0以上であるフッ化ビニリデン系樹脂(A)、の100重量部に対し、可塑剤(B)とフッ化ビニリデン系樹脂の良溶媒(C)とを合計量で200〜350重量部、且つその内の前記良溶媒(C)が50〜100重量部となるように添加し、得られた組成物を中空糸状に溶融押出しし、0〜90℃の冷却液中に導いて冷却固化した後、可塑剤を抽出して、中空糸多孔膜を延伸することなく回収することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のフッ化ビニリデン系樹脂中空糸多孔膜の製造方法。
- 回収された中空糸多孔膜の空孔率v(%)と、前記組成物中の可塑剤(B)と良溶媒(C)の合計分率α(%)との比v/αが0.70〜0.94である請求項10に記載の製造方法。
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