JP2001220454A - 不均質イオン交換膜の形成方法及び装置 - Google Patents

不均質イオン交換膜の形成方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 配合ポリマー溶融材料を過剰の熱及び剪断に
暴露しないようにして、得られる不均質イオン交換膜の
最終的な特性を高める不均質イオン交換膜形成方法、及
び得られた不均質イオン交換膜及びこのような膜を利用
した流体流の処理装置を提供する。 【解決手段】 ポリマーバインダー及び感熱イオン交換
樹脂の所定のインライン配合及び押出による不均質イオ
ン交換膜形成方法及び装置により課題を解決する。イオ
ン交換樹脂を、後半のプロセス段階で、押出用ダイヘッ
ドに移送する前に比較的低温及び滞留時間で溶融マトリ
ックスポリマーに配合する。現時点での好ましい実施態
様によれば、インライン配合装置は、二軸スクリュー配
合押出機を含み、この二軸スクリュー配合押出機によ
り、圧縮して配合ポリマー溶融物を押出用ダイヘッドに
移送する前に、イオン交換樹脂及び任意のポリマー溶融
物への添加剤の後半段階での混練及び混合をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規な不均質イオ
ン交換膜、そのような膜の製造方法及び装置並びにその
ような膜を用いたイオン除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水、飲料、化学薬品及び廃流等の流体の
精製は、多種多様なシステムでおこなうことができ、複
数の異なる最終物が得られる。超純水や飲料水目的の場
合、精製では、塩気のある水又は塩水に含有される実質
的な量のイオンの除去、濁り及び大きな粒子の除去、又
は生物を殺すことが必要とされると思われる。また、こ
のような精製では、逆浸透透過物及びＤＩ透過物から実
質的な量のイオンを除去することも必要とされると思わ
れる。
【０００３】イオンの除去については、いくつかの基本
的なシステムが商業的に受け入れられている：イオン交
換、逆浸透、電気透析及び電気脱イオン。
【０００４】一般的に、流体の脱イオンに関する確立さ
れた方法には、蒸留、イオン交換、電気透析及び逆浸透
などがある。蒸留では、水を蒸気相に移行させることに
より水を汚染物から分離し、ほとんどの汚染物を残液と
して残す。イオン交換では、塩を水素イオン及び水酸化
物イオンと交換することにより溶液からイオンを除去す
る。電気透析では、膜を使用して、直流電流の影響下で
イオン移動により塩を除去する。逆浸透では、水透過性
であるが溶質透過性ではない膜を使用して、水を膜を通
して圧力により移動させることにより水を精製する。電
気脱イオン（ＥＤＩ）法では、イオン交換樹脂と膜とを
組み合わせて使用して水を脱イオン化する。ＥＤＩ装置
は、バルク塩除去から逆浸透生成物水のさらなる精製に
至るまでの広範な供給物を効率的に脱イオン化できる。
【０００５】典型的には、電気脱イオンでは、陽イオン
交換膜のフラットシートと陰イオン交換膜のフラットシ
ートとを多数交互に、２つの電極の間に配置し、イオン
交換樹脂の混合床をこれらの膜の間に交互に添加する。
【０００６】樹脂ビーズを含むコンパートメントは、一
般的に希薄コンパートメントと称される。イオンが移行
して処理される隣接のコンパートメントは、濃縮コンパ
ートメントと称される。濃縮コンパートメントは、通常
希薄コンパートメントよりもはるかに薄く、希薄コンパ
ートメントから移行してくる濃縮されたイオンを集める
役割を果たす。濃縮コンパートメントは、さらなるイオ
ン交換樹脂を含んでいてもいなくてもよい。
【０００７】流体流をこのシステムを介して供給し、電
位（電圧）をかけると、イオンは電極の方向に移行し始
める。この際、陰イオンは陽極に、陽イオンは陰極に移
行する。
【０００８】希薄コンパートメントでは、イオンは、
「合致する」膜に出会ったときのみ、隣接濃縮コンパー
トメントに入ることができる。すなわち、陰イオンが陰
イオン膜と出会い、陽イオンが陽イオン膜に出会ったと
きに隣接濃縮コンパートメントに入ることができる。
【０００９】濃縮コンパートメントでは、イオンは、電
極への移行を続けるが、このときには「反対の」膜に出
会う。すなわち、陰イオンは陽イオン膜に出会い、陽イ
オンは陰イオン膜に出会う。これらの膜は、イオンの移
動をブロックし、イオンを濃縮コンパートメントにトラ
ップし、そこでゆすがれる。
【００１０】ＥＤＩ法では、最終的には、水は希薄コン
パートメントで連続的に脱イオンされ、望ましくないイ
オンは濃縮コンパートメントから出る。
【００１１】米国特許第４，４６５，５７３号明細書
（Ｈａｒｒｙ Ｏ’Ｈａｒｅ：Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ
Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏ
ｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ（水の精製方法及び装置））は、
このような装置、及び種々の最終ユーザの間で商業的に
受け入れられ続けている電気脱イオンの登場を記載して
いる。
【００１２】このような精製装置にとって重要な要素
は、選択的にイオンを拡散及び吸着し、一定の他のイオ
ン並びに非イオン化溶質及び溶媒を排除できる膜であ
る。これらの膜は、一般的に「イオン交換膜」と称さ
れ、水、食品、飲料、化学薬品及び廃流の処理のための
分別、輸送消耗及び電気再生、精製のための多種多様な
装置に用いられている。このような膜は、電気化学装置
や電気泳動だけでなく、分析装置及び処理用途にも用い
られる。
【００１３】市販のイオン交換膜は、一般的に均質膜と
不均質膜の２種類に分類される。均質膜は、膜の全容積
（強度向上のために使用されることのある支持材は除
く）を、反応性ポリマーから作製される。一方、不均質
膜は、電気化学的性質を付与するイオン交換樹脂と物理
的強度及び一体性を付与するバインダーとを含有する複
合材料から形成されている。
【００１４】イオン交換樹脂粒子は、膜間の導電率増加
ブリッジとしての役割を果たすイオン移送経路としての
役割を果たしてイオン移動を促進する。減少した液体塩
分濃度、高電圧及び低流動性の条件下では、樹脂も、樹
脂粒子又は膜の表面での薄層における水のイオンへの分
割のためＨ＋形及びＯＨ−形に転化する。これにより、
さらに得られる水の品質が向上する。電気脱イオン化
中、樹脂粒子内のイオン濃度は、比較的一定に維持さ
れ、樹脂粒子から濃縮コンパートメントへのイオンの移
行は、精製されている水からの同一又は類似のイオンの
樹脂粒子への移行により実質的にバランスされている。
【００１５】このような膜は、高温耐性、低圧力損失並
びに低内部漏れ及び外部漏れの要件を満たす必要があ
る。低圧力損失は、ポンプ要件を減少させ、また膜を互
いにより近づけて配置できるので、水流の電気抵抗によ
り生じる電力消費を減少できる。選択的イオン電気透析
の場合、選択的イオン交換樹脂は、本発明の膜の樹脂要
素として使用できる。移送消耗電気透析の場合、陰イオ
ン樹脂と陽イオン樹脂との混合物又は両性樹脂を、陰イ
オン膜又は陽イオン膜の一つの樹脂要素の代わりに使用
できる。大きい、多価又は遅拡散イオンの輸送の場合、
低架橋イオン交換樹脂を膜に使用できる。
【００１６】典型的には、出発イオン交換樹脂ビーズ
は、外観が半透明球状ビーズで、有効サイズが約０．２
５〜約０．７５ｍｍである物理的特性を有する。イオン
交換樹脂の化学安定性は、とりわけ、動作温度に依存
し、一般的に陽イオン交換樹脂については２８５°Ｆ、
陰イオン交換樹脂については１９５°Ｆを超えてはなら
ない。樹脂ビーズは、一般的に、硫酸（陽イオン）又は
第四アンモニウム官能基（陰イオン）等の活性官能基を
架橋ポリスチレンに組み込む方法により製造される。
【００１７】上記膜は、逆浸透（ＲＯ）法、電気透析
（ＥＤ）法及び電気透析反転（ＥＤＲ）法の装置に有用
である。このような膜は、特に電気脱イオン及び電気脱
イオン反転用途に有用である。これらの用途では、漏れ
及び圧力損失の減少が重要であり、また装置内に膜を容
易に接着できる利点がある。また、元素並びに水素、水
酸化物、ヒドロニウムイオン、酸素及び塩素等のイオン
が電気脱イオン装置でインサイチュ生成することがある
ので、耐薬品性は特に重要である。さらに、膜が平滑で
あると、樹脂充填の自動化及び膜間樹脂の逆洗の必要性
の排除を容易にできる。最後に、接着剤の排除により、
電気脱イオン装置を超純水製造に使用するときの顕著な
利点である抽出物レベルを減少させる。
【００１８】多種多様なこのような膜は、当該技術分野
において公知である。これに関して、例えば、このよう
な膜は、米国特許第３，６２７，７０３号、第４，１６
７，５５１号、第３，８７６，５６５号、第４，２９
４，９３３号、第５，０８９，１８７号、第５，３４
６，９２４号、第５，６８３，６３４号、第５，７４
６，９１６号、第５，８１４，１９７号、第５，８３
３，８９６号及び第５，３９５，５７０号各明細書に記
載されている。
【００１９】米国特許第５，３４６，９２４号明細書
（Ｇｉｕｆｆｒｉｄａ）は、直鎖低密度ポリエチレン
（ＬＬＤＰＥ）又は高分子量高密度ポリエチレン（ＨＭ
ＷＨＤＰＥ）を含むバインダーを用いた不均質イオン交
換膜及びその製造方法を開示している。この膜は、イオ
ン交換樹脂の顆粒又はペレット及びＬＬＤＰＥバインダ
ー又はＨＭＷＨＤＰＥバインダーから作製される。これ
らの原料は、熱可塑性押出法、熱プレス法、又は圧力及
び熱を用いて一定幅と厚さ又は他の制御形成された寸法
を有する乾燥複合シートを作製する別の同様の方法にお
いて原料として使用されているものである。次に、この
ような方法により形成される膜シートを、コンディショ
ニングし、水処理により活性化する。
【００２０】通常、不均質イオン交換膜は、粒状又は粉
末ポリマーバインダーをミキサーに入れ、材料が溶融す
るまで加熱することにより作製される。次に、イオン交
換樹脂を粉末状で添加後、得られた組成物を混合して溶
融物全体にイオン交換樹脂を均一に分布させる。次に、
溶融キャスト混合物を、キャストするか、押出機に送る
ことができる。
【００２１】溶融混合物をキャストしてストランド状と
する場合、ストランドを、一般的に冷却後ペレット化す
る。その後、ペレットを、押出機又は熱と圧力とを組み
合わせた他のポリマー処理装置に供給する。溶融及びフ
ィルム形成は、一般的に比較的高温、例えば、３００〜
３５０°Ｆの範囲で実施する。
【００２２】米国特許第３，６２７，７０３号明細書
（Ｋｏｊｉｍａ等）は、微視的発泡し且つ三次元分子配
向したポリプロピレン樹脂マトリックスと、それに分散
させたイオン交換性材料とを含むポリプロピレン樹脂複
合体を開示している。一実施態様によれば、この複合体
は、固体ポリプロピレンマトリックスと、より大きな膨
潤性を有するイオン交換材料とを含む前駆体複合体を、
酸処理及びアルカリ処理を含む化学処理に附することを
含む方法により製造される。一具体的態様によれば、ポ
リプロピレン樹脂及びイオン交換材料を、ポリプロピレ
ン樹脂の融点より高い温度で混練する。高温での混練に
続いて、混合物を、成形（フォーミング又はモールディ
ング）した後、化学処理する。
【００２３】バインダーとしてのポリプロピレンの長所
を認める一方で、米国特許第３，６２７，７０３号明細
書（Ｋｏｊｉｍａ等）は、樹脂材料を多段溶融及び温度
サイクルに附するイオン交換膜の製造方法を開示してい
る。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、当業者
は、処理パラメータを正確に制御して活性イオン部位及
び組み込まれた樹脂材料の他の所望の特性を保持すると
同時に、電気脱イオン等の要求される環境に必要とする
構造的一体性を有する不均質イオン交換膜を提供する、
不均質イオン交換膜の効率的な製造方法を非常に必要と
している。本発明は、これらの必要性を満たすものであ
る。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ポリマ
ーバインダー及び感熱イオン交換樹脂の所定のインライ
ン配合及び押出による新規な不均質イオン交換膜形成方
法及び装置が提供される。イオン交換樹脂は、後半のプ
ロセス段階で、押出用ダイヘッドに移送する前に比較的
低温及び滞留時間で溶融マトリックスポリマーに配合す
る。好ましい実施態様では、インライン配合装置は、二
軸スクリュー配合押出機を含み、この二軸スクリュー配
合押出機により、圧縮して配合ポリマー溶融物を押出用
ダイヘッドに移送する前に、イオン交換樹脂及び任意の
ポリマー溶融物への添加剤の後半段階での混練及び混合
をおこなう。したがって、配合ポリマー溶融材料を、過
剰の熱及び剪断に暴露しないので、得られる不均質イオ
ン交換膜の最終的な特性が高まる。得られた不均質イオ
ン交換膜及びこのような膜を利用した流体流の処理装置
も提供される。
【００２６】好ましい実施態様では、本発明の方法は、
不均質イオン交換膜の形成方法であって、 ａ）ポリマーバインダー供給材料を溶融手段を備えたイ
ンライン配合押出機に供給し、前記ポリマーバインダー
を混練し且つ押出用ダイヘッドに移行させる工程であっ
て、前記押出機が添加物を所定の処理段階で前記溶融ポ
リマーバインダーに供給するための手段をさらに備えて
いる工程と、 ｂ）前記押出機内で前記ポリマーバインダーを、前記ポ
リマーバインダーの軟化点付近と前記ポリマーバインダ
ーの融点付近との間の温度範囲で維持して溶融マトリッ
クスポリマーを形成する工程と、 ｃ）前記溶融マトリックスポリマーを混練して均質マト
リックスを形成する工程と、 ｄ）続いて、粉末イオン交換樹脂を、工程ｃ）で得られ
た前記溶融マトリックスポリマーに添加及び混合して、
比較的限定された滞留時間中に前記押出機内で均質配合
マトリックスを形成する工程と、 ｅ）工程ｄ）で得られた前記配合溶融ポリマーマトリッ
クスを、押出用ダイヘッドに移して不均質イオン交換膜
を形成する工程と、を含む。
【００２７】押出しに続いて、この新規な膜を、脱イオ
ン水浴中で、膨張が生じるまで少なくとも２時間約１８
０°Ｆの温度で洗浄するのが好ましい。
【００２８】好ましい実施態様では、本発明の装置は、
二軸スクリュー配合押出機を備えており、前記押出機
が、第一供給帯域と、第二溶融帯域と、溶融物を均質に
混練するための第三帯域と、前記第三帯域の下流に設け
られたポリマー溶融物へ選択的添加物を供給する手段
と、前記好ましいポリマー溶融物への添加物の混練及び
混合を更におこなう第四帯域と、得られた配合ポリマー
溶融物に押出剤を混合する第五帯域と、前記配合ポリマ
ー溶融物を押出用ダイヘッドに移すための第六圧縮帯域
とを備えている。
【００２９】任意のコンピュータ処理装置により、押出
システムのバランスを連続的に監視及び修正して本発明
による不均質膜の形成方法を実施できる。制御ソフトウ
エアは、押出システムにおける主要点からの所定のデー
タを解析するアルゴリズムプログラムを利用し、数値計
算をおこない、押出機のスクリューＲＰＭ、温度範囲、
滞留時間及び供給量の必要な修正をおこなうものが好ま
しい。
【００３０】好ましいポリマーマトリックスは、ダイヘ
ッドから押出される好ましいポリマー溶融物を約２０重
量％〜約８０重量％含む。マトリックス用の好ましいポ
リマーバインダーは、極めて狭い分子量分布（ＭＷ
Ｄ）、均一組成分布（ＣＤ）及び狭い立体規則性分布
（ＴＤ）のポリマーを生成する単一部位触媒によるメタ
ロセンプロピレンポリマーである。上記好ましいポリマ
ーは、約１２５〜約１３０℃の範囲内の比較的低い融点
を有する。メタロセンプロピレンポリマーの狭い分子量
分布により、薄膜の押出しを可能にする独特のレオロジ
ーを示す。さらに、メルトフローレート（ＭＦＲ）によ
り、反応器において、処理変動ダウンストリームの減少
及びポスト反応器制御レオロジー（ＣＲ）の必要性の排
除ができるように正確に目標を定めることができる。可
能な分子量は、約０．０１〜約５，０００のＭＦＲ範囲
である。好ましいポリマーの典型的な分子量分布は、約
２．０である。狭い分子量分布と狭い立体規則性分布
は、ＣＲ処理の排除と相まって、低分子量分子を実質的
に減少させ、したがって、抽出分を顕著に減少させる。
【００３１】ポリマーバインダーに分散させるイオン交
換樹脂は、陰イオン性、陽イオン性、両性のいずれのイ
オン交換材料であってもよく、別のイオン形を使用して
もよい。好ましくは、好ましいポリプロピレン樹脂の溶
融点範囲で安定であるイオン交換樹脂を、配合ポリマー
マトリックスの製造に用いる。
【００３２】したがって、本発明による不均質イオン交
換膜は、電気脱イオンモジュールの作製に特に有用であ
る。本発明の方法により、樹脂イオン交換材料が過剰の
熱及び剪断に暴露されないので向上した特性を示すよう
な膜を形成するための、効率的且つ経済的な方法が提供
される。
【００３３】
【発明の実施の形態】本発明によれば、ポリマーバイン
ダー及び感熱イオン交換樹脂の所定のインライン配合及
び押出しによる不均質イオン交換膜を形成するための新
規な形成方法及び装置が提供される。イオン交換樹脂
を、後半のプロセス段階で、押出用シートダイヘッドへ
の移送の前に、比較的低温及び短い滞留時間で溶融マト
リックスポリマーに配合する。
【００３４】したがって、配合ポリマー溶融材料が過剰
な熱及び剪断に暴露されないので、得られる不均質イオ
ン交換膜の最終的な特性が高まる。
【００３５】典型的には、有機分子は、炭素原子からな
る骨格が水素に覆われてなり、他の原子からなる原子団
がその骨格に結合している。これらの結合基は、常に化
学反応性又は作用の部位であることから、官能基と称さ
れる。
【００３６】これに関して、２つの原子を共有結合でい
っしょに保持するのに関与するエネルギーは以下の通り
であることが一般的に分かっている： １．運動エネルギー（運動）及び熱（実質的に分子運
動） ２．ａ）電気的力（異なる、反発等の電荷の引力）から
生じる位置エネルギー
【００３７】より高温では、ランダムな分子運動のエネ
ルギーが増加し、結合エネルギーを超え、したがって、
共有結合が切断されることがしばしばある。
【００３８】本発明の方法の好ましい実施態様は、 ａ）ポリプロピレンバインダー供給物を溶融手段を備え
た配合押出機に供給し、前記ポリマーバインダーを混練
し且つ押出用シートダイヘッドに移行させる工程であっ
て、前記押出機が活性添加物を前記押出機に沿った所定
の点で前記溶融ポリマーバインダーにインラインで供給
及び配合するための手段をさらに備えている工程と、 ｂ）前記押出機内で前記ポリマーバインダーを、前記ポ
リマーバインダーの軟化点付近と前記ポリマーバインダ
ーの融点付近との間の温度範囲で維持して溶融マトリッ
クスポリマーを形成する工程と、 ｃ）前記溶融マトリックスポリマーを混練して均質マト
リックスを形成する工程と、 ｄ）粉末イオン交換樹脂を、工程ｃ）で得られた前記溶
融マトリックスポリマーに添加及び混合して、比較的限
定された滞留時間中に前記押出機内で均質配合溶融物を
形成する工程と、 ｅ）工程ｄ）で得られた前記配合溶融物を、圧縮し、押
出用シートダイヘッドに直接移送して不均質イオン交換
膜を形成する工程と、を含む。
【００３９】押出しに続いて、この新規な膜を、脱イオ
ン水浴中で、膨張及び完全水和が生じるまで少なくとも
２時間約１８０°Ｆの温度で洗浄するのが好ましい。
【００４０】本発明によれば、イオン交換樹脂を、マト
リックスを溶融且つ最初の混練に附した後にポリマーマ
トリックスに添加することが重要である。イオン交換樹
脂のこの後半の段階の処理により、活性官能基の共有結
合が破壊されることを最小限に抑えることができる。
【００４１】複合体に分散させるイオン交換材料は、陰
イオン性、陽イオン性、両性のいずれのイオン交換材料
であってもよく、別のイオン形を使用してもよい。
【００４２】本発明により利用できる代表的な粒状樹脂
には、ゲル及びマクロ細孔イオン交換樹脂、例えば、ス
ルホン化ポリスチレン−ジビニルベンゼン及びアミノ化
ポリスチレン−ジビニルベンゼンであって、純粋な形態
又は混合物（Ｉ型、ＩＩ型又はＩＩＩ型）、例えば、Ｄ
ｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商標ＤＯＷＥＸで入手で
きるもの；クロマトグラフィ用樹脂；二官能イオン交換
樹脂、例えば、イオン抑制樹脂（Ｂｉｏｒｄ ＡＧ１１
Ａ８）又はスルホネート及び第四アミン官能の両方を含
有するイオン交換樹脂、スルホン化フェノール樹脂、ポ
リスチレンリン酸又はイミノ二酢酸樹脂、アミノ化アク
リル樹脂又はアミノ化メタクリル樹脂、エポキシポリア
ミン樹脂、アミノエチルセルロース等がある。
【００４３】ポリマーマトリックスは、ダイヘッドから
押出されるポリマー溶融物を約２０重量％〜約８０重量
％含む。マトリックス用の好ましいポリマーは、極めて
狭い分子量分布（ＭＷＤ）、均一組成分布（ＣＤ）及び
狭い立体規則性分布（ＴＤ）の好ましいポリマーを生成
する単一部位触媒によるメタロセンポリプロピレンポリ
マーである。好ましいポリマーは、約１２５〜約１３０
℃の範囲の融点を有する。メタロセンポリプロピレンポ
リマーの狭い分子量分布により、薄膜の押出しを可能に
する新規のレオロジーを示す。さらに、メルトフローレ
ート（ＭＦＲ）により、反応器において、処理変動ダウ
ンストリームの減少及びポスト反応器制御レオロジー
（ＣＲ）の必要性の排除ができるように正確に目標を定
めることができる。可能な分子量は、約０．０１〜約
５，０００のＭＦＲ範囲である。好ましいポリマーの典
型的な分子量分布は、約２．０である。狭い分子量分布
と狭い立体規則性分布は、ＣＲ処理の排除と相まって、
低分子量分子を実質的に減少させ、したがって、得られ
た膜中の抽出分を顕著に減少させる。
【００４４】マトリックス用の好ましいポリマーの一つ
は、ＥＸＸＯＮ社がＡＣＨＩＥＶＥ（商標）として販売
しているポリプロピレンポリマーである。ＥＸＸＰＯＬ
触媒の単一部位性により、狭い立体規則性分布（ＴＤ）
が得られ、また、ランダムコポリマー（ＲＣＰ）におい
て、狭い組成分布（ＣＤ）が得られる。単一部位性によ
り、一般的な清浄性に関する領域においてポリマーの性
能上の利点が得られる。
【００４５】現時点での好ましい実施態様によれば、イ
ンライン配合装置は、二軸スクリュー配合押出機を含
む。この二軸スクリュー配合押出機は、配合ポリマー溶
融物を圧縮して押出用シートダイヘッドに移送する前
に、後半段階でのイオン交換樹脂と任意の添加物のポリ
マー溶融物への混練及び混合を実施する。
【００４６】二軸スクリュー押出機は、共回転するもの
でも、カウンター回転するものでもよい。回転数、供給
量、バレル及びダイに沿った温度及び液状化のための真
空レベルなどのプロセスパラメータは、手動又は自動で
制御してよい。読み出しには、好ましくは溶融物圧力、
溶融物温度及びモータのアンペア数などがある。モータ
は、スクリューにエネルギーを入力し、回転スクリュー
は、剪断作用及びエネルギーをこのプロセスに付与して
成分を混合し、液状化及び必要に応じてポンピングす
る。
【００４７】二軸スクリュー押出機へのフィーダシステ
ムは、押出機の前端における圧力の安定性を確実に確保
して、得られる膜の寸法安定性を確保しなければならな
い。好ましくは、重量計量供給装置を使用して、二軸ス
クリュー押出機から直接押出して、それらの使用にとも
なう組成上の精度を向上させる。
【００４８】マトリックスに添加物（単一又は複数）を
混合する手段は、分散形でも分布形でもよい。好ましく
は、本発明のシステムにおいてより狭い混合要素を使用
する。これは、より分配性が高く、溶融分割速度が高く
て伸長及び平面剪断作用が最小であることによる。分配
混合要素により、伸長剪断作用なしに多くの溶融物分割
が可能となる。
【００４９】二軸スクリュー押出機における圧力勾配
は、選択されるスクリューにより決まる。翼要素を、ス
クリューチャンネルに充填されないようにするととも
に、下流のベント／フィードバレル部の下の圧力がゼロ
であるように、効果的に配置することができる。これに
より、下流の順次供給が容易となり、ベントの溢れを防
止できる。
【００５０】好ましくは、１００メッシュ未満のサイ
ズ、得に３２メッシュ未満のサイズの粉末状イオン交換
材料を、サイドラム押出機を介して溶融マトリックスポ
リマーに添加して第二混練−混合帯域に入れる。第二混
合帯域は、溶融マトリックスポリマー、すなわち、均質
ポリプロピレンポリマーへの粉末状添加物を導入するサ
イド供給入口を備えている。第二混練−混合帯域は、大
気ベントをおこないながら、ポリプロピレンの融点より
も高い温度に維持する。その後、溶融ポリマーマトリッ
クスとイオン交換材料との配合物を、押出剤を添加する
ことができる第三混練−混合帯域に供給する。典型的に
は、このような押出剤は、グリセリン等を含んでおり、
さらなる処理移行及びダイヘッドを介した押出しを容易
にする。第三混練−混合帯域は、好ましくはガス抜きの
ために真空条件下に維持し、その後、溶融混合物を、圧
縮部を介してダイヘッドに移送する。
【００５１】このように、本発明による新規な不均質ポ
リプロピレンイオン交換膜は、二軸スクリュー配合押出
機により形成される。これに関して、二軸スクリュー押
出機は、連続的にメタロセンポリプロピレンバインダー
を所定の配合により樹脂材料と、比較的小さな剪断作用
及び伸長力により混合、液状化及び処理する。したがっ
て、従来のペレット化工程と再溶融は不必要であり、過
剰な熱及び剪断作用を回避できる。
【００５２】以下、本発明の方法及び装置の具体的実施
例を示す。
【００５３】図１は、本発明によるインライン配合装置
の好ましい実施態様の概略ブロック図である。図１に示
すように、ポリマーバインダー供給材料を、例えば、重
力供給装置１０により、押出システム内の第一帯域１２
に供給する。第二帯域１４では、押出機内のポリマーバ
インダーを、ポリマーバインダーのほぼ軟化点と、ポリ
マーバインダーのほぼ融点との間の温度範囲で溶融させ
て、溶融マトリックスポリマーを形成する。第三帯域１
６では、溶融マトリックスポリマーを混練して、均質マ
トリックスを形成する。第四帯域１８では、任意の添加
物をポリマーマトリックスに供給できる。この添加物
は、例えば、均質マトリックスの展性を高めるためのグ
リセリン等の通常の押出剤である。別の重力供給装置２
０により、粉末状イオン交換樹脂を、第五帯域２２にお
いて溶融マトリックスポリマーに添加し、得られた配合
マトリックスを、さらに混合及び混練してから、第六帯
域２４でガス抜きする。第七帯域２６では、配合溶融ポ
リマーマトリックスを、圧縮し且つ押出用シートダイヘ
ッド２８へ供給して不均質イオン交換膜を形成する。
【００５４】メタロセンプロピレンポリマー供給材料を
二軸スクリュー配合押出機に供給することにより、不均
質ポリプロピレンイオン交換膜を製造した。この押出機
は、第一供給帯域と、第二溶融帯域と、溶融物を均一に
混練する第三帯域と、第三帯域の下流に配置された供給
入り口ポートと、好ましいポリマー溶融物への添加物の
さらなる混練及び混合を実施する第四帯域と、配合ポリ
マー溶融物に押出剤を混合する第五帯域と、ガス抜き用
の第六帯域と、配合ポリマー溶融物を押出用シートダイ
ヘッドに移送する第七圧縮帯域とを備えている。バイン
ダーは、押出機のポリマー溶融部内に約１３０℃未満の
温度で維持させて前記バインダーを溶融し且つ混練して
均質溶融物を形成した。その後、混練溶融マトリックス
ポリマーを、中間混合帯域に移し、粉末状イオン交換樹
脂を溶融マトリックスポリマーに添加し、続いて溶融マ
トリックスポリマーをイオン交換材料と、大気圧下約１
３０℃未満の温度で混練及び混合した。次に、配合した
溶融ポリマーマトリックスを、押出機の圧縮帯域に移し
た。その後、配合溶融ポリマーマトリックスを、前記圧
縮帯域から押出用シートダイヘッドに移送して、押出厚
さ約０．００１インチ〜約０．０５０インチの膜を形成
した。
【００５５】好ましくは、得られた膜は、０．００５〜
０．０２５インチの範囲内の厚みを有する。ＥＤＩ用途
の場合、得られた膜は、０．００８〜０．０１２インチ
の範囲内の厚みを有するものである。
【００５６】典型的には、押出システムにおけるイオン
交換材料の滞留時間は、２分未満であり、好ましくは３
０秒未満である。
【００５７】したがって、本発明によれば、不均質イオ
ン交換膜形成用装置であって、単一機械において、二軸
スクリュー配合押出機を備えており、前記押出機が、第
一供給帯域と、第二溶融帯域と、溶融物を均質に混練す
るための第三帯域と、前記第三帯域の下流に設けられた
ポリマー溶融物へ選択的添加物を供給する手段と、前記
好ましいポリマー溶融物への添加物の混練及び混合をお
こなう第四帯域と、得られた配合ポリマー溶融物に押出
剤を混合する第五帯域（前記３つの帯域後のどこに配置
してもよい）と、配合ポリマー溶融物のガス抜き用第六
圧縮帯域と、配合ポリマー溶融物を付属のシートダイヘ
ッドに移送する第七圧縮帯域と、さらに、薄溶融シート
膜を押出すための調整可能シートダイヘッド、膜成形、
冷却及びカレンダリング用ロールスタック、及び膜巻き
取り装置を備えており、イオン交換材料の滞留時間を高
温で最小限、理想的には２分未満、好ましくは１分未満
とする。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
処理パラメータを正確に制御して活性イオン部位及び組
み込まれた樹脂材料の他の所望の特性を保持すると同時
に、電気脱イオン等の要求される環境に必要とする構造
的一体性を有する不均質イオン交換膜が得られる。ま
た、前記不均質イオン交換膜の効率的な製造方法及び装
置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様による具体
的なインライン配合装置用の複数の帯域を示す概略ブロ
ック図である。
【符号の説明】 １０ 重力供給装置 １２ 第一帯域 １４ 第二帯域 １６ 第三帯域 １８ 第四帯域 ２０ 重力供給装置 ２２ 第五帯域 ２４ 第六帯域 ２６ 第七帯域 ２８ シートダイ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 47/12 Ｂ０１Ｊ 47/12 Ｄ Ｂ２９Ｂ 7/38 Ｂ２９Ｂ 7/38 Ｂ２９Ｃ 47/10 Ｂ２９Ｃ 47/10 Ｃ０８Ｌ 23/10 Ｃ０８Ｌ 23/10 101/12 101/12 // Ｂ２９Ｋ 23:00 Ｂ２９Ｋ 23:00 105:20 105:20 Ｂ２９Ｌ 7:00 Ｂ２９Ｌ 7:00 (72)発明者 マイケル・ジェイ・スノウ アメリカ合衆国 カリフォルニア州、ラン コ サンタ フェ、ランコ デル リオ 17472 (72)発明者 ロナルド・ジェイ・オ´ハーレ アメリカ合衆国 カリフォルニア州、サウ ス ラグーナ、ドリフトウッド ドライブ 30712

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】不均質イオン交換膜の形成方法であって、 ａ）プロピレンバインダー供給材料を溶融手段を備えた
    インライン配合押出機に供給し、前記ポリマーバインダ
    ーを混練し且つ押出用シートダイヘッドに移行させる工
    程であって、前記押出機が活性添加物を所定の処理段階
    で前記溶融ポリマーバインダーにインラインで供給及び
    配合するための手段をさらに備えている工程と、 ｂ）前記押出機内で前記ポリマーバインダーを、前記ポ
    リマーバインダーの軟化点付近と前記ポリマーバインダ
    ーの融点付近との間の温度範囲で維持して溶融マトリッ
    クスポリマーを形成する工程と、 ｃ）前記溶融マトリックスポリマーを混練して均質マト
    リックスを形成する工程と、 ｄ）続いて、粉末イオン交換樹脂を、工程ｃ）で得られ
    た前記溶融マトリックスポリマーに添加及び混合して、
    比較的限られた滞留時間中に前記押出機内で均質配合溶
    融物を形成する工程と、 ｅ）工程ｄ）で得られた前記配合溶融ポリマーマトリッ
    クスを、押出用シートダイヘッドに直接移して不均質イ
    オン交換膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】前記粉末イオン交換樹脂を、約２０重量％
    〜約８０重量％の範囲で前記溶融マトリックスポリマー
    に添加する、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の形
    成方法。
  3. 【請求項３】前記ポリマーバインダーが、ポリプロピレ
    ンポリマーである、請求項１に記載の不均質イオン交換
    膜の形成方法。
  4. 【請求項４】前記粉末イオン交換樹脂は、平均サイズが
    ２００メッシュのものである、請求項１に記載の不均質
    イオン交換膜の形成方法。
  5. 【請求項５】前記ポリマーバインダーが、狭い分子量分
    布を有し且つ融点が約１３０℃未満のメタロセンポリプ
    ロピレンポリマーである、請求項１に記載の不均質イオ
    ン交換膜の形成方法。
  6. 【請求項６】前記粉末イオン交換樹脂は、平均サイズが
    ３２５メッシュのものである、請求項１に記載の不均質
    イオン交換膜の形成方法。
  7. 【請求項７】前記粉末イオン交換樹脂は、Ｉ型のもので
    ある、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の形成方
    法。
  8. 【請求項８】前記粉末イオン交換樹脂は、ＩＩ型のもの
    である、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の形成方
    法。
  9. 【請求項９】前記粉末イオン交換樹脂は、ＩＩＩ型のも
    のである、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の形成
    方法。
  10. 【請求項１０】前記粉末イオン交換樹脂は、陰イオン性
    のものである、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の
    形成方法。
  11. 【請求項１１】前記粉末イオン交換樹脂は、陽イオン性
    のものである、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の
    形成方法。
  12. 【請求項１２】前記粉末イオン交換樹脂は、両性のもの
    である、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の形成方
    法。
  13. 【請求項１３】前記粉末イオン交換樹脂が、Ｉ型、ＩＩ
    型、ＩＩＩ型、陰イオン性、陽イオン性、両性及びそれ
    らの混合物からなる群から選択されたイオン交換物質の
    混合物である、請求項１に記載の不均質イオン交換膜の
    形成方法。
  14. 【請求項１４】請求項１に記載の方法により形成された
    不均質イオン交換膜。
  15. 【請求項１５】厚さが、約０．００１インチ〜約０．０
    ５インチの範囲内である、請求項１４に記載の不均質イ
    オン交換膜。
  16. 【請求項１６】厚さが、約０．００５インチ〜約０．０
    ２０インチの範囲内である、請求項１４に記載の不均質
    イオン交換膜。
  17. 【請求項１７】ポリマーバインダーと感熱イオン交換樹
    脂との所定のインライン配合及び押出しをおこなって不
    均質膜を形成するための装置であって、二軸スクリュー
    配合押出機を組み合わせて備えており、前記押出機が、
    第一供給帯域と、第二溶融帯域と、溶融物を均質に混練
    するための第三帯域と、前記第三帯域の下流に設けられ
    たポリマー溶融物へ選択的添加物を供給する手段と、前
    記好ましいポリマー溶融物への添加物の混練及び混合を
    更におこなう第四帯域と、得られた配合ポリマー溶融物
    に押出剤を混合する第五帯域と、前記配合ポリマー溶融
    物を押出用ダイヘッドに移すための第六圧縮帯域とを備
    えていることを特徴とする装置。
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