JP2010534557A - 親水性膜 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
したがって、膜の親水性、並びに方法を更に改良することが依然として求められている。
被膜は、エポキシ系被膜組成物であることが好ましい。
親水性膜は、逆浸透を可能にするために、約0.5nm以上の好ましい孔径を有するであろう。好ましい実施形態において、限外濾過を可能にするために、孔径は約10nm以上である。別の好ましい実施形態において、最適な精密濾過を可能にすることに関して、孔径は、約100nm以上である。高い水フラックス及び粒子濾過を実現することに関して、好ましい孔径は、約10μm以下であろう。特に好ましい実施形態において、限外濾過及び精密濾過の範囲で良好な濾過を可能にすることに関して、孔径は、約1μm以下であろう。
親水性膜を得るための方法は、
(1)被膜組成物が、反応性基を有する親水性成分及び有機溶媒を含む、膜担体を被膜組成物で被覆するステップ、
(2)場合により溶媒を蒸発させるステップ、
(3)被膜を硬化するステップ
を含む。
式I
CH2=C(R6)−COO(R7O)m−R8
(式中、R6は、水素原子又はメチル基であり、R7は、2〜8個、好ましくは2〜5個の炭素原子を含有するアルキレン基であり、mは、0〜12好ましくは1〜8の整数であり、R8は、水素原子又は1〜12個、好ましくは1〜9個の炭素原子を含有するアルキル基であるか、又はR8は、場合により1〜2個の炭素原子を有するアルキル基で置換されている、4〜20個の炭素原子を有するテトラヒドロフラン基含有アルキル基であるか、又はR8は、場合によりメチル基で置換されている、4〜20個の炭素原子を有するジオキサン基含有アルキル基であるか、又はR8は、場合によりC1〜C12のアルキル基、好ましくはC8〜C9アルキル基で置換されている芳香族基である)
並びに、例えばエトキシ化イソデシル(メタ)アクリレート、エトキシ化ラウリル(メタアクリレート)等のアルコキシル化脂肪族単官能性モノマーがある。
適切なエポキシ材料の例としては、例えばエタン−1,2−ジチオール等のジチオールから誘導されるジ−S−グリシジル誘導体である、ポリ(S−グリシジル)化合物、又はビス(4−メルカプトメチルフェニル)エーテルが挙げられる。
又は架橋することができる。
分子中に1つのオキセタン環を含有する化合物:3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン、3−(メタ)アリルオキシメチル−3−エチルオキセタン、4−メトキシ−[1−(3−エチル−3−オキセタニルメトキシ)メチル]ベンゼン、[1−(3−エチル−3−オキセタニルメトキシ)エチル]フェニルエーテル、イソブトキシメチル(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル、エチルジエチレングリコール(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル、2−ヒドロキシエチル(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル、2−ヒドロキシプロピル(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル、ブトキシエチル(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル。
好ましいオキセタンは、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン、2−エチルヘキシル(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル、1,4−ビス[(3−エチル−3−オキセタニルメトキシ)メチル]ベンゼン、1,2−ビス[(3−エチル−3−オキセタニルメトキシ)メチル]エタン、1,3−ビス[(3−エチル−3−オキセタニルメトキシ)メチル]プロパン、エチレングリコールビス(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテル及びビス(3−エチル−3−オキセタニルメチル)エーテルからなる群から選択される。
熱重合開始剤の好ましい例としては、ペルオキシド及びアゾ化合物を挙げることができる。具体例としては、ベンゾイルペルオキシド、t−ブチルペルオキシベンゾエート及びアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。
本発明の好ましい実施形態において、親水性膜は、粒子濾過、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透のような分子分離で使用される。本発明の一実施形態において、親水性膜は、浄水法において、膜バイオリアクター(MBR)中で使用される。本発明の膜は、低圧での比較的高い流量及び低い汚染傾向により、このような方法に特に適している。
異なる孔径を有する4つの疎水性ソルポール(Solupor)(登録商標)膜を使用した。膜は、UHMWPE延伸材料からなり、約16〜14g/m2の基準重量を有していた(型番16P又は14P参照)。表1に特性を示す。
透水性
透水性を、膜全体の圧力勾配500mbarで、室温(20℃)にて測定した。水250mlをこの圧力下で膜に通す。透過側で50ml毎に経過した時間を記録する。その後、水フラックスを方程式1:
J=Q/AtP(方程式1)
(式中、Jは、フラックス(L/m2h bar)であり、Qは、時間(h)に膜を流れる水量(リットル)であり、Aは、膜の有効面積(m2)であり、Pは、膜全体の圧力差である)
に従って計算する。5つの膜を平均し、平均値を報告する。
透気度
ガーレー試験法(ISO5636−5に準ずる)は、空気の通過に対する膜抵抗の決定について扱っている。該方法は、1秒以上で最大50mlの空気の通過を許容する膜に適用される。この試験では、記録時間0.1秒、シリンダー容積50ミリリットル、シリンダー重量567グラム及び測定面6.45平方センチメートル(1平方インチ)で、Toyoseiki製のB型ガーレーデンソメーター(Gurley Densometer)を使用した。較正後、膜ストリップをロールの幅にわたって切断する。次いで、滑らかで無傷の試験片をクランピングプレートの開口部上に置き、クランプする。測定を開始し、50ミリリットルの空気が試験片を通過するのに必要とされる0.1秒単位で時間を測定する。(平均)ガーレー値を秒/50mlで記録する。
透気度は、PMIキャピラリーフローポロメーターで測定することもでき、L/cm2分で表される。これは、経験的関係(0.4μm以下の範囲で21.5で割る)により孔径μmに変えることができる。
吸水率
一定重量に達するまで(Wd)、フィルムを50℃で真空乾燥した。その後、試料を室温(20℃)で蒸留水中に浸漬した。2時間後、試料を水から取り出し、表面の液滴をティッシュペーパーで丁寧に除去した。濡れた膜の重量を直ぐに記録し(Ww)、濡れ性(ε%)は、相対ウォーターゲイン(Ww−Wd)を、膜の全空隙容量が水で満たされている場合は100%をかけて計算した値で割ることにより計算される。
官能化金属酸化物オリゴマーを、エタノール12.5ml中のテトラエトキシシラン10gと、有機シラン23mmolとを混合することにより調製した。アクリレート化オリゴマーの場合、(3−アクリルオキシプロピル)−トリメトキシシランを使用し、エポキシ官能性オリゴマーの場合、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル−トリ−エトキシシランを使用した。アクリレートを含む混合物に、重合開始剤を加えた(アクリル−シラン化合物に対してハイドロキノンモノ−メチルエーテル1.5重量%)。反応混合物を40℃まで加熱し、0.1N HClを滴下し(アクリレート混合物に対して2ml、エポキシ混合物に対して1.7ml)、混合物を撹拌しながら40℃で24時間反応させた。以下、材料をコロイドとして示す。上に記載したスチラゲル(Styragel)カラムでのアクリレート官能性オリゴマーのGPC分析では、Mw6200、Mn2200、多分散性2.8〜2.9であった。
4つの被膜組成物を、表2に示す成分を用いて調製した。被膜組成物をメタノール200ml中で調製した。
官能化コロイドを、調製したままの状態で使用し、mlで使用した。他の成分はgで示されている。
PEGジアクリレートは、ポリエチレングリコール−ジアクリレートである(Mw575)。
PEGアクリレートは、ポリエチレングリコール−アクリレートである(Mw375)。
光開始剤は、1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンである。
UVRは、エポキシ−シクロヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレートである。
PEGは、ポリエチレングリコールである(Mw600)。
PEGモノメチルエーテル(PEGm)は、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル(Mw1100)である。
UVIは、混合アリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート塩(カチオン性光開始剤)である。
膜をメタノールで5分間予め濡らしておき、その後被膜組成物に5分間浸した。膜を被膜組成物から取り出し、3分間風乾した。メタノールの蒸発後、被膜を紫外線放射で硬化した(膜をベルト上に置き、紫外線ランプ下で、1J/cm2の密度で、10m/分の速度にて3回輸送した)。硬化被膜を有する膜をメタノールで終夜洗浄し、未反応種を全て除去し、次いで水で洗浄した。次に、膜を水に終夜浸して、一定重量に達するまで50℃の真空オーブンで乾燥した。疎水性被膜を有する膜は、先頭に「E」を付けて示されている。
被覆膜をメタノールで70時間洗浄し、水で洗浄して、50℃で真空乾燥した。その後、水フラックスを測定した。結果を表3に示す。
これらの結果は、官能化金属酸化物コロイドを有する被膜B及びDが、これらの無機材料を含まない被膜よりも高い水フラックスを示すことを示している。更に、エポキシ系被膜は、より小さい初期孔を有する膜で有効なフラックスを示す。小さい孔径を有する膜が、本試験で使用した0.5barより若干高い圧力で水フラックスを示すことができたことに更に注意されたい。水フラックスを得るために必要な圧力は、未処理の膜で水フラックスを得るために必要な圧力より実質的に低く、これは被膜での有効な親水化を示している。
次の一連の実験において、70時間の温水(50℃)洗浄後にフラックスを測定した。結果を表4に示す。
温水洗浄は、メタノール洗浄よりも若干穏やかである。結果は、エポキシ系被膜がアクリレート系被膜よりも良好に機能することも示している。結果は更に、アクリレート系被膜が、反応コロイドで改善することができ、より高いフラックス、及びより小さい孔径での有効なフラックスを可能にすることを示している。
幾つかの被膜組成物を、架橋密度を変化させることにより、エポキシとヒドロキシルとの幾つかの比で調製した。量を表5に示す。被膜はメタノール200mlに溶解した。
更なる実験において、16P10A膜を膜担体として使用した(孔径0.4μm、非被覆疎水性膜については吸水率及び水フラックスなし)
膜を上に記載したように被覆し、非被覆膜に対するエアフローで計算した孔径、並びに吸水率及び透水性を測定した。結果を表6に示す。
これらの実験は、孔径、被膜量及び架橋密度が、1つの標準的な疎水性膜から開始したときでも、水フラックス、孔径及び他の特性に影響を与え、それらを最適化するために使用できることを示している。
実施例10〜12
被膜Gを用いて、膜(ソルポール(登録商標)16P15A)を、回転速度1.5m/分及び異なるグラビア速度(各60、100、150rpm)で、ミニレーバー(Minilabor)ロールトゥロールコーター上に直接被覆した。被膜を乾燥し、紫外線で1〜2秒硬化した。ロール状の膜を実施例1に記載されているように処理した。実験A及び実験Bの下に示すように、実験を2回行った。水フラックスを上に記載されているように測定した。結果を表7に示す。
これらの実験は、エタノールを予め濡らさず、ロールトゥロールコーター上で、非常に良好な結果が得られ、商業的開発に適していることを示している。実験10〜12は、本発明は、小さい孔径で、非常に高い水フラックス(従来のPS、PES、PDF、CA及びセルロースの膜よりも高い)を有する膜の製造を可能にすることを示している。実施例12の膜を用いて、表8に示すように更に安定性試験を行った。
これらの結果は、本発明の親水性膜に対する過酷な試験条件が、処理後の水フラックスに大きな悪影響を与えないことを示している。
Claims (40)
- 多孔質膜担体及び膜に含浸させる親水性被膜を含む親水性膜であって、前記被膜が、共有結合した無機−有機ハイブリッド材料を含み、前記被膜が、反応性基を有する無機−有機ハイブリッド材料を含む親水性被膜組成物から調製され、無機部分が金属酸化物オリゴマーである膜。
- 前記金属酸化物が、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化第一スズ、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛及び/又は酸化セリウムを含み、前記金属酸化物が酸化ケイ素であることが好ましい、請求項1に記載の膜。
- 前記金属酸化物オリゴマーが、ヒドロキシ及び/又はアルコキシの金属化合物から調製される、請求項1又は2に記載の膜。
- 前記金属酸化物オリゴマー上の反応性基が、アルコキシ−有機金属化合物を反応させることにより作製される、請求項3に記載の膜。
- 前記金属酸化物オリゴマーが、テトラ−アルコキシ金属(A)と有機−金属化合物(B)とを反応させることにより作製され、前記テトラ−アルコキシ金属(A)の量が、前記有機−金属化合物(B)とほぼ同じモル比、又はより高い比であり、前記モル比(A):(B)が、約2以上であることが好ましく、前記比(A):(B)が、約20以下、好ましくは約15以下である、請求項4に記載の膜。
- 前記反応性基が、アルコール(C−O−H)、アミン、メルカプト、イソシアネート、アクリレート、ビニル、エポキシ及び/若しくはカルボン酸、それらの混合物、並びに/又はそれらの反応性誘導体である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の膜。
- 前記無機−有機ハイブリッド材料の量が、前記被膜組成物の固体材料の約2重量%以上、好ましくは約5重量%以上である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性被膜が、開環重合を含む重合反応により前記被膜組成物から得られる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 膜担体及び親水性被膜を含む親水性膜であって、前記親水性被膜が、開環重合を含む重合反応により被膜組成物から得られる膜。
- 前記重合の約30%以上、好ましくは約50%以上、更により好ましくは約80%以上が開環重合である、請求項8又は9に記載の膜。
- 前記被膜組成物が、硬化時に8体積%以下、好ましくは約6体積%以下、最も好ましくは約4体積%以下の収縮を示す、請求項8〜10のいずれか一項に記載の膜。
- 前記被膜組成物の粘度が、約0.1Pa.s以下、好ましくは約0.01Pa.s以下である、前記請求項のいずれか一項に記載の膜。
- 前記被膜組成物が、少なくとも1種の添加剤、好ましくはナノサイズの活性炭、酵素、医薬品、栄養補助食品又はイオン交換樹脂の1つを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜担体が、無機材料、好ましくは、金属、ゼオライト若しくはアルミナ、又はポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、膨張ポリテトラフルオロエチレンポリカーボネート、混合ポリマー膜若しくはプラズマ処理膜を好ましくは含む有機材料から作製される膜担体から実質的になる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜担体が、超高分子量ポリエチレン、特に高延伸UHMWPEを含み、前記担体膜が、好ましくはUHMWPE約20重量%以上、好ましくはUHMWPE約50重量%以上を含み、前記膜担体が、500000〜10000000g/molの重量平均分子量を有するUHMWPEを含むことが好ましい、請求項1〜14のいずれか一項に記載の膜。
- 約10μm、好ましくは約20μm以上の厚さ、及び約500μm以下、好ましくは200μm以下の厚さを有する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 前記被膜が、前記膜担体上に薄層を含み、前記層が、約20nm以上、好ましくは約80nm以上の厚さ、及び約5μm以下、好ましくは1μm以下の厚さを有する、請求項1〜16のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 前記膜担体の孔径が、約0.001μm以上、好ましくは0.01μm以上であり、前記孔径が、親水性被膜で被覆する前は約100μm以下、好ましくは20μm以下、好ましくは4μm以下である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 約0.5nm以上、好ましくは約10nm以上の孔径を有し、前記孔径が、約100nm以上であることがより好ましく、前記孔径が、約50μm以下、好ましくは約10μm以下である、請求項1〜18のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 約0.01μm以上、約1.0μm以下の孔径を有し、0.5barで測定したとき、少なくとも5000l/m2.h.barの水フラックスを示す、請求項1〜19のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 前記膜担体の多孔率が、約15%以上、好ましくは約40%以上、好ましくは70%〜90%の間である、請求項1〜20のいずれか一項に記載の親水性膜。
- 膜担体及び被膜を含む親水性膜であって、約100nm以下の孔径を有する一方で、0.5barの圧力で測定した場合、3000L/(m2h bar)のフラックスを示し、前記フラックスが、5000L/(m2h bar)以上であることが好ましく、このようなフラックスが、約100nm以下の孔径を有する膜で実現されることが好ましい膜。
- UHMWPEを含む膜担体を有する親水性膜であって、約200nm以下の孔径を有する親水性膜が、0.5barの圧力で測定した場合、500L/(m2h bar)のフラックス、0.5barの圧力で測定した場合、好ましくは約1500L/(m2h bar)以上、更により好ましくは約3000L/(m2h bar)のフラックスを示す膜。
- (a)膜担体を被膜組成物で被覆するステップを含む親水性膜を得るための方法であって、(b)前記被膜組成物が、反応性基を有する親水性成分及び(c)有機溶媒を含む方法。
- 前記溶媒を硬化前に実質的に蒸発させる、請求項24に記載の方法。
- 前記硬化が、放射線、好ましくはUV又はEBにより達成される、請求項24又は25に記載の方法。
- 前記溶媒が、非極性溶媒を含む、請求項24〜26のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶媒が、極性非プロトン性溶媒を含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜担体が、ロールから解かれ、場合により湿潤装置を通過し、被膜適用装置を通過し、場合により乾燥装置を通過し、硬化装置を通過し、前記被覆膜が、次のロールに巻き戻される、請求項24〜28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜を被覆し、前記被膜を硬化し(場合により溶媒の蒸発後)、且つ硬化被膜を有する膜に洗浄乾燥を施すステップを更に含む、請求項24〜29のいずれか一項に記載の方法。
- 自己支持膜で洗浄乾燥ステップ後に測定したときの被膜量が、約0.3g/m2以上、好ましくは約1g/m2以上、及び約10g/m2以下、好ましくは約5g/m2以下である、請求項24〜30のいずれか一項に記載の方法。
- 洗浄乾燥ステップ後の被膜量が、膜重量の約3%以上、好ましくは膜重量の約7%以上、及び膜重量の約50%以下、好ましくは約30%以下である、請求項24〜30のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜23のいずれか一項に記載の親水性膜、又は粒子濾過、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透のような分子分離のための請求項24〜32のいずれか一項に記載の方法により得られる親水性膜の使用。
- 電気透析、電気脱イオン化及び燃料電池を含む電気化学用途のための、請求項1〜23のいずれか一項に記載の親水性膜、又は請求項24〜32のいずれか一項に記載の方法により得られる親水性膜の使用。
- 医薬成分及び栄養補助成分を含む制御放出用途のための、請求項1〜23のいずれか一項に記載の親水性膜、又は請求項24〜32のいずれか一項に記載の方法により得られる親水性膜の使用。
- パートラクション、パーベーパレーション及び接触器の用途のための、請求項1〜23のいずれか一項に記載の親水性膜、又は請求項24〜32のいずれか一項に記載の方法により得られる親水性膜の使用。
- 一定の孔径を有する膜担体、及び架橋密度を有する被膜を使用することを含み、前記架橋密度を様々な孔径を得るために変化させるが、架橋密度が高くなると、孔径が小さくなる、親水性膜の孔径を調節する方法。
- 前記孔径は、マイクロメーターからナノメーターで変化させ、前記親水性膜が、低い圧力勾配下で比較的高い水フラックスを示す、請求項37に記載の方法。
- 前記被膜が、エポキシ系被膜組成物である、請求項37又は38に記載の方法。
- 請求項24〜32のいずれか一項に記載の方法が適用される、請求項37〜39のいずれか一項に記載の方法。
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