JP2007126341A - 異方性多孔質材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】流体のフィルタにおいて、高精度で大量の分離処理が可能で、高い透過流束を確保し、また洗浄性を向上させることを可能にする異方性多孔質材料を提供する。
【解決手段】異方性多孔質材料１１は、複数の気孔８を含有し、それぞれの気孔は長軸、短軸が規定できる非等方性の形状を有し、方向性を有する配列をなしている。
【選択図】図２
【解決手段】異方性多孔質材料１１は、複数の気孔８を含有し、それぞれの気孔は長軸、短軸が規定できる非等方性の形状を有し、方向性を有する配列をなしている。
【選択図】図２
Description
本発明は、気孔が方向性を有する異方性多孔質材料に関する。
一般の多孔質材料は、図９（ａ）〜（ｃ）に示す代表的な３種類のタイプに大別される。第１は、焼結型多孔質材料と呼ぶべきもので、図９（ａ）に示すように、固体粒子１が粒子接点で結合固化してできたもので、固体粒子１の間隙が気孔２を形成したものである。第２は、発泡型多孔質材料と呼ぶべきもので、図９（ｂ）に示すように、固体材料３で形成される隔壁で気孔４を形成したものである。第３は、焼結・発泡混相型多孔質材料と呼ぶべきもので、焼結型多孔質材料と発泡型多孔質材料の混相からなり、図９（ｃ）に示すように、焼結型多孔質材料の形態の気孔５および発泡型多孔質材料の形態の気孔６を含有するものである。
これらの多孔質材料は、気相、液相に係らず各種流体のフィルタ、断熱材、吸音材、衝撃緩衝材等、広範囲の用途に使われている。一例として、水の浄化目的に使われている多孔質膜についての現状を詳述すると以下のとおりである。
浄水場では河川や貯水池などの水源から原水を取水し、凝集、フロック形成、沈殿、ろ過および殺菌の５つの単位プロセスによって、懸濁質とコロイド質の除去、および細菌等を無害化し、清澄な水道水として需要家に供給している。
凝集、フロック形成、沈殿、ろ過による一連の除濁処理には、凝集剤を用いる方法が一般的であり、凝集剤には鉄やアルミニウム等の無機金属塩が通常用いられる。凝集剤の効果はさまざまな物理的、生物化学的な影響を受け、最適凝集条件は、多くの因子によって定まる複雑な平衡の上に成り立っているため、一定の処理水質を確保するには熟練を要する。
平成８年１０月に厚生省（現厚生労働省）より通達された「水道におけるクリプトスポリジウム暫定対策指針」では、ろ過池出口の濁度を常時把握し、ろ過池出口の濁度を０．１度以下に維持することが制定され、浄水場における濁度管理が重要な課題となっている。
このような背景のもと、精密ろ過膜や限外ろ過膜に関する研究開発が進み、我が国の浄水場において膜ろ過が急速に普及し始めており、海外においては既に日量数十万トン規模の膜ろ過浄水場が稼動している。精密ろ過膜や限外ろ過膜による膜ろ過は、確実に濁質物を除去し、良質な処理水質を得られるという利点がある。
一方、精密ろ過膜や限外ろ過膜の素材として最も普及している有機高分子化合物（例えば、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリトニトリル）の膜は、運転時間の経過とともに膜の圧密化や損傷などの物理的劣化、加水分解・酸化などによる化学的劣化、微生物により膜が資化される生物的劣化など、膜自身の変質による性能低下や、微粒子・懸濁物質の膜表面への蓄積などの外的要因による性能低下によって、寿命が３年〜５年とされており、膜交換に要する費用のため、ランニングコストが高くなるという欠点がある。
こうしたランニングコストを低減する技術として、特許文献１に開示されたものがある。この技術は、凝集剤を利用して凝集フロックを形成し、これを砂ろ過により除去する。さらに耐久性の優れた金属膜ろ過装置により微粒子・懸濁物質を確実に除去する水処理システムである。
そして、特許文献１に開示された金属膜ろ過装置は、金属繊維を積層して焼結した不繊布状の金属膜をプリーツ状に折り畳んで円筒型としたエレメントで構成されている。
一方、金属膜以外のろ過膜として、特許文献２〜５には、微粒子を焼結した多孔質状のセラミックス膜が開示されている。
特開２００１−２２５０５７号公報
特開２００１−２５９３２４号公報
特開２００１−２５９３２３号公報
特開平１０−２３６８８７号公報
特開平１０−２３５１７２号公報
特許文献１に開示された金属膜ろ過装置では、以下の問題があった。
（１）不繊布状構造による透過流束の低下
不繊布状構造の金属膜は、金属膜の表面だけでなく、金属膜内部でも捕捉する構造となっているため、金属表面では捕捉できない微小な粒子や懸濁物質を膜内部で捕捉できるメリットがある一方で、膜の内部に入り込んだ微粒子・懸濁物質が通常の洗浄で除去できず、運転時間の経過とともに透過流束が低下しやすい。
不繊布状構造の金属膜は、金属膜の表面だけでなく、金属膜内部でも捕捉する構造となっているため、金属表面では捕捉できない微小な粒子や懸濁物質を膜内部で捕捉できるメリットがある一方で、膜の内部に入り込んだ微粒子・懸濁物質が通常の洗浄で除去できず、運転時間の経過とともに透過流束が低下しやすい。
（２）凝集剤の添加による汚染懸念とフロック形成による処理物量の増大
上記のように、金属膜では、内部に入り込んだ微粒子・懸濁物質が洗浄しにくいため、フロック形成により予め除去可能な濁質をできるだけ除去しておく工程は不可避である。そのため、凝集剤の添加という薬物注入による汚染の懸念と、フロックを廃棄しなければならず処理物質量が増大する。
上記のように、金属膜では、内部に入り込んだ微粒子・懸濁物質が洗浄しにくいため、フロック形成により予め除去可能な濁質をできるだけ除去しておく工程は不可避である。そのため、凝集剤の添加という薬物注入による汚染の懸念と、フロックを廃棄しなければならず処理物質量が増大する。
また、金属繊維を積層して焼結した不繊布状の金属膜の他に、金属微粉末を焼結した多孔質状の金属膜も検討されているが、上述したのと全く同様の問題を抱えている。
一方、特許文献２〜５に開示されたセラミックス膜は、金属膜に比較して微細な孔径が形成可能で、かつ逆洗性に優れるとの報告がある。しかし、基本的に微粒子がネットワーク状に焼結した多孔質体であるため、上述の金属膜と同様に、膜の表面だけでなく内部でも捕捉する構造となり、内部に入り込んだ微粒子・懸濁物質を洗浄しづらく、運転時間の経過とともに透過流束が低下しやすいという問題がある。また、細孔が複雑にネットワークを形成する構造のため、初期特性においても圧力損失が比較的大きい。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、流体のフィルタにおいて、高精度で大量の分離処理が可能で、透過流束の低下を軽減し、また洗浄性を向上させることを可能にする異方性多孔質材料を提供することを目的とする。
本発明の異方性多孔質材料は、複数の気孔を含有し、それぞれの気孔は長軸および短軸を規定できる非等方性の形状を有し、前記複数の気孔が方向性を有する配列をなしていることを特徴とする。
本発明の異方性多孔質材料は、複数の気孔を含有し、それぞれの気孔は長軸および短軸を規定できる非等方性の形状を有し、方向性を有する配列をなしているので、流体のフィルタにおいて、高精度で大量の分離処理が可能で、透過流束の低下を軽減し、また洗浄性を向上させることができる。
以下、本発明の異方性多孔質材料を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る異方性多孔質材料の概念を、図１を参照して説明する。図１は異方性多孔質材料の説明図である。異方性多孔質材料は、複数の気孔を含有し、それらは、例えば図１に示す気孔７，８のような、長軸および短軸を規定することができる非等方性の形状を有する。そして、気孔７，８について、任意の基準方向と長軸のずれを傾きθで表示すると、傾きθが方向性、つまり特定範囲内に分布する傾向を有する。一方、気孔に方向性の無い材料は等方性多孔質材料である。
（第１の実施の形態）
図２は本発明の第１の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図２に示すように、第１の実施の形態の異方性多孔質材料１１は、図１に示す楕円球状の気孔８を複数含有する。図２に示す異方性多孔質材料１１に含まれる気孔８は、主に気孔全体が材料の内部に入っている閉気孔である。
図２は本発明の第１の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図２に示すように、第１の実施の形態の異方性多孔質材料１１は、図１に示す楕円球状の気孔８を複数含有する。図２に示す異方性多孔質材料１１に含まれる気孔８は、主に気孔全体が材料の内部に入っている閉気孔である。
ここで、気孔８の長軸の長さａと短軸の長さｂの比（アスペクト比）ａ／ｂは１０以上であることが好ましい。主に閉気孔からなる場合には、方向性を持った特性を発現する根源は、閉気孔の異方的な形態に起因する。アスペクト比が１０未満であると、各気孔間の配列に方向性が存在しても全体として等方に近い特性を示すため、異方性多孔質材料としての特徴が十分に発揮されない。
また、それぞれの気孔の長軸の方向が立体角Ωの範囲内に含まれるとすると、立体角Ωは±１０度の範囲内であることが好ましい。主に閉気孔からなる場合、それぞれの閉気孔が高いアスペクト比を持っていても、方向性に±１０度より大きなバラツキがあると、全体として等方に近い特性を示すため、異方性多孔質材料としての特徴が十分に発揮されない。
また、それぞれの気孔の短軸の長さｂは０．００１〜５００μｍであることが好ましい。０．００１μｍ未満の場合、原子・分子間距離のオーダーでの形態制御になり、本発明の異方性多孔質材料の構造を実際的な材料として具現することが困難である。５００μｍより大きい場合、孔開け加工等の既存の機械加工により製造が可能になる範疇にある。これは、本発明の異方性多孔質材料の概念に含まれない。
また、それぞれの気孔の短軸の長さｂのバラツキは±１５％以下であることが好ましい。主に閉気孔からなる場合、それぞれの閉気孔の径に±１５％より大きなバラツキがあると、全体としての特性指向性が弱くなり、より等方に近い特性を示すので、異方性多孔質材料としての特徴が十分に発揮されない。
図３は第１の実施の形態の変形例を示す概略図である。図３に示すように、第１の実施の形態の変形例の異方性多孔質材料１２は、図１に示す非等方性の形状の気孔７を複数含有する。それぞれの気孔の長軸は、一方向に配列している。
図３に示す異方性多孔質材料１２においても、図２に示す異方性多孔質材料１１と同様に、それぞれの気孔のアスペクト比は１０以上であり、それぞれの気孔の長軸の方向が±１０度の立体角範囲内に含まれ、それぞれの気孔の短軸の長さｂは０．００１〜５００μｍであり、それぞれの気孔の短軸の長さｂのバラツキは±１５％以下であることが好ましい。これらの数値を選定する理由についても上記説明と同様である。
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図４に示すように、第２の実施の形態の異方性多孔質材料１３は、気孔８ａ，８ｂをそれぞれ複数含有する。異方性多孔質材料１３に含まれる気孔は主に閉気孔である。気孔８ａは、長軸が方向Ａに対して方向性を有する第１の配向グループを構成し、気孔８ｂは、長軸が方向Ａと異なる方向Ｂに対して方向性を有する第２の配向グループを構成する。
図４は本発明の第２の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図４に示すように、第２の実施の形態の異方性多孔質材料１３は、気孔８ａ，８ｂをそれぞれ複数含有する。異方性多孔質材料１３に含まれる気孔は主に閉気孔である。気孔８ａは、長軸が方向Ａに対して方向性を有する第１の配向グループを構成し、気孔８ｂは、長軸が方向Ａと異なる方向Ｂに対して方向性を有する第２の配向グループを構成する。
ここで、第１の実施の形態と同様に、気孔８ａ，８ｂのアスペクト比は１０以上であり、それぞれの気孔の短軸の長さｂは０．００１〜５００μｍであることが好ましい。これらの数値を選定する理由についても第１の実施の形態と同様である。
第１の配向グループのそれぞれの気孔の長軸の方向が立体角ΩＡの範囲内に含まれるとすると、立体角ΩＡは±１０度の範囲内であることが好ましい。また、第２の配向グループのそれぞれの気孔の長軸の方向が立体角ΩＢの範囲内に含まれるとすると、立体角ΩＢは±１０度の範囲内であることが好ましい。方向性に±１０度より大きなバラツキがあると、全体として等方に近い特性を示すため、異方性多孔質材料としての特徴が十分に発揮されない。
また、同一の配向グループの中では、それぞれの気孔の短軸の長さｂのバラツキは±１５％以下であることが好ましい。短軸の長さｂに±１５％より大きなバラツキがあると、全体としての特性指向性が弱くなり、より等方に近い特性を示すので、異方性多孔質材料としての特徴が十分に発揮されない。
（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図５に示すように、第３の実施の形態の異方性多孔質材料１４は、貫通気孔１５を複数有する。貫通気孔は両端が材料の表面に開いている気孔である。第３の実施の形態の異方性多孔質材料１４は、図２に示す第１の実施の形態の異方性多孔質材料を、気孔の長軸方向に垂直で互いに平行な２つの面で切り出した形態をしている。
図５は本発明の第３の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図５に示すように、第３の実施の形態の異方性多孔質材料１４は、貫通気孔１５を複数有する。貫通気孔は両端が材料の表面に開いている気孔である。第３の実施の形態の異方性多孔質材料１４は、図２に示す第１の実施の形態の異方性多孔質材料を、気孔の長軸方向に垂直で互いに平行な２つの面で切り出した形態をしている。
ここで、貫通気孔１５のアスペクト比は１０以上であることが好ましい。アスペクト比が１０以上であることで、フィルティングなどに好適な強度特性についてもバランス良く優れた膜材料が得られる。
また、それぞれの貫通気孔の長軸の方向が、±１０度の立体角範囲内に含まれることが好ましい。方向性に±１０度より大きなバラツキがあると、フィルティングなどにおける圧損が大きくなるなど、特徴的な特性が劣化する。
また、それぞれの貫通気孔の短軸の長さは０．００１〜５００μｍであることが好ましい。０．００１μｍ未満の場合、原子・分子間距離のオーダーでの形態制御になり、本発明の異方性多孔質材料の構造を実際的な材料として具現することが困難である。５００μｍより大きい場合、孔開け加工等の既存の機械加工により製造が可能になる範疇にある。これは、本発明の異方性多孔質材料の概念に含まれない。
また、それぞれの貫通気孔の短軸の長さのバラツキは±１５％以下であることが好ましい。短軸の長さに±１５％より大きなバラツキがあると、フィルティングなどにおける分隔精度が低下するなど、特徴的な特性が劣化する。
また、異方性多孔質材料１４が有するすべての気孔における貫通気孔の割合（貫通気孔率）は７０％以上であることが好ましい。貫通気孔率が７０％未満の場合、フィルティングなどにおける透過流量が低下するとともに、貫通孔以外の気孔（開気孔および閉気孔）の影響が顕在化する。具体的には、フィルティングなどにおける洗浄性の低下、膜強度の低下などの影響がある。ここで、開気孔とは一端のみが材料表面に開いている気孔である。
図６は第３の実施の形態の変形例を示す概略図である。図６に示すように、第３の実施の形態の変形例の異方性多孔質材料１６は、貫通気孔１７を複数有し、貫通気孔１７は、異方性多孔質材料１６の上面および下面に対して垂直でない方向に形成されている。第３の実施の形態の変形例の異方性多孔質材料１６は、図２に示す第１の実施の形態の異方性多孔質材料を、気孔の長軸方向に対して垂直以外の角度で、互いに平行な２つの面で切り出した形態を有するものである。
（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図７に示すように、第４の実施の形態の異方性多孔質材料２１は、貫通気孔２２ａ，２２ｂをそれぞれ複数有する。第４の実施の形態の異方性多孔質材料２１は、図４に示す第２の実施の形態の異方性多孔質材料を、互いに平行な２つの面で切り出した形態をしている。貫通気孔２２ａは第１の配向グループを構成し、貫通気孔２２ｂは第２の配向グループを構成する。
図７は本発明の第４の実施の形態の異方性多孔質材料の構造を示す概略図である。図７に示すように、第４の実施の形態の異方性多孔質材料２１は、貫通気孔２２ａ，２２ｂをそれぞれ複数有する。第４の実施の形態の異方性多孔質材料２１は、図４に示す第２の実施の形態の異方性多孔質材料を、互いに平行な２つの面で切り出した形態をしている。貫通気孔２２ａは第１の配向グループを構成し、貫通気孔２２ｂは第２の配向グループを構成する。
ここで、第３の実施の形態と同様に、貫通気孔２２ａ，２２ｂのアスペクト比は１０以上であり、それぞれの気孔の短軸の長さｂは０．００１〜５００μｍであり、同一の配向グループの中での貫通気孔率は７０％以上であることが好ましい。これらの数値を選定する理由についても第３の実施の形態と同様である。
また、同一の配向グループの中では、それぞれの貫通気孔の長軸の方向が、±１０度の立体角範囲内に含まれることが好ましい。方向性に±１０度より大きなバラツキがあると、フィルティングなどにおける圧損が大きくなるなど、特徴的な特性が劣化する。また、同一の配向グループの中では、それぞれの貫通気孔の短軸の長さのバラツキは±１５％以下であることが好ましい。短軸の長さに±１５％より大きなバラツキがあると、フィルティングなどにおける分隔精度が低下するなど、特徴的な特性が劣化する。
図８は第４の実施の形態の変形例を示す概略図である。図８に示すように、第４の実施の形態の変形例の異方性多孔質材料２３は、図２に示す第１の実施の形態の異方性多孔質材料を互いに平行な２つの面で切り出したものを、一層ごとに貫通気孔の方向が９０°ずれるように積層した形態を有するものである。
本発明の異方性多孔質材料は、図９に示した一般的な多孔質材料、あるいは上述の水の浄化目的に使われている多孔質膜に代表されるような既存の多孔質材料と異なり、長軸／短軸のアスペクト比の大きい気孔が方向性を持って配列したものである。このため、第１，第３の実施の形態の１次元異方性多孔質材料を流体のフィルタに用いると、フィルタの表面で微粒子・懸濁物質を捕捉するので、高精度で大量の分離処理が可能で、透過流束の低下を軽減し、フィルタの洗浄性を向上させることができる。
また、第２，第４の実施の形態の２次元異方性多孔質材料を熱交換材料として用いると、流体抵抗によるエネルギー損失を大幅に低減するので、体積当たりの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の異方性多孔質材料の用途についても多岐にわたるが、第１，第３の実施の形態の１次元異方性多孔質材料では、高精度で大量の分離処理が可能で、高い透過流束を確保し、また洗浄性にも優れるなど、秀でた諸特性を合わせ持つ各種フィルタを挙げることができる。
また、第２，第４の実施の形態の２次元異方性多孔質材料では、体積当たりの熱交換効率が飛躍的に優れ、また流体抵抗によるエネルギー損失を大幅に低減した熱交換器を挙げることができる。
本発明の異方性多孔質材料の製造方法は、気孔あるいは貫通気孔を形成するためのテンプレートを用いる方法、気孔あるいは貫通気孔を転写して形成する方法、気孔あるいは貫通気孔の元組織を延伸加工する方法、結晶組織成長により気孔あるいは貫通気孔を形成する方法、気相合成法により気孔あるいは貫通気孔を形成する方法をとることが可能である。
なお、上述の各実施の形態では、気孔が１つまたは２つの配向グループからなる異方性多孔質材料を示したが、分類される配向グループの数はこれに限らない。
１ 固体粒子
２，４，５，６，７，８，８ａ，８ｂ 気孔
３ 固体材料
１１，１２，１３，１４，１６，２１，２３ 異方性多孔質材料
１５，１７，２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ 貫通気孔
２，４，５，６，７，８，８ａ，８ｂ 気孔
３ 固体材料
１１，１２，１３，１４，１６，２１，２３ 異方性多孔質材料
１５，１７，２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ 貫通気孔
Claims (7)
- 複数の気孔を含有し、それぞれの気孔は長軸および短軸を規定できる非等方性の形状を有し、前記複数の気孔が方向性を有する配列をなしていることを特徴とする異方性多孔質材料。
- 前記それぞれの気孔の長軸／短軸の長さの比が１０以上であることを特徴とする請求項１に記載の異方性多孔質材料。
- 前記複数の気孔の短軸の長さが０．００１〜５００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の異方性多孔質材料。
- 前記複数の気孔が、それらの長軸の方向が±１０度の立体角範囲内に含まれる１つ以上の配向グループに分類されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異方性多孔質材料。
- 同一の配向グループに属する前記複数の気孔の少なくとも一部が貫通気孔であることを特徴とする請求項４に記載の異方性多孔質材料。
- 前記複数の気孔の短軸の長さのバラツキが、同一の配向グループの中では±１５％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の異方性多孔質材料。
- 同一の配向グループの中での貫通気孔率が７０％以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の異方性多孔質材料。
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