JPS5889628A - 再生セルロ−ス多孔膜 - Google Patents

再生セルロ−ス多孔膜

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JPS5889628A
JPS5889628A JP18779881A JP18779881A JPS5889628A JP S5889628 A JPS5889628 A JP S5889628A JP 18779881 A JP18779881 A JP 18779881A JP 18779881 A JP18779881 A JP 18779881A JP S5889628 A JPS5889628 A JP S5889628A
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porous membrane
porosity
pores
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Michitaka Iwata
岩田 道隆
Mamoru Inoue
守 井上
Seiichi Manabe
征一 真鍋
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)

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】 本発明社、平均孔径が0.01〜2011mの円形状の
孔を有する再生セルロース多孔膜に関する。
さらに詳しくは、セルロース分子の平均分子量が5 X
 104以上で、かつ結晶領域が実質的にセルロース■
あるいはセルロースlll−2&4あるいは両者が混在
する結晶で構成される再生セルロース多孔膜において、
表裏面の両者のいずれにも円形状の孔を有し、線孔の平
均孔径が0.01〜20μm1空孔率が50〜90−で
あるが、あるいは面内のIa1当シの孔の数が6X10
1/l)個以上で3X1G’/D個以下であることを特
徴とする再生セルロース多孔膜に関する。ここで、再生
セルロース多孔膜とは、後述するXa回折図が6、セル
ロ−ス■あるいはセルロースl[−2あるいはその両者
が混在した回折図で表現できるものを意味する。
′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。蒸留と異な膜分離に伴う温度変化を必要としな
いこと、分11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
管生かし、広範囲の分野で高分子膜が利用されている。
九とえば、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)、■微量な高価物質の濃縮回収(原子力、重金属
分野)、■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)などが考えられる。とれらの
分野に利用される膜として、孔径の大きな取扱いの容品
な親水性膜の必要性が高まっている。
親木性高分子の典型例であるセルロースで構成される多
孔膜としては、平均孔径が1ooX(0,01μm)以
下の人工腎臓用多孔膜が知られている。また、酢酸セル
ロースあるいは硝酸セルロースなどのセルロース誘導体
膜をアルカリ水溶液でケン化することにより、再生セル
ロース多孔膜が得られている。このような方法で得られ
た多孔膜の平均孔径は0.01〜2μmの範囲であり、
再生後のセルシス針の分子量#i5.5X10’以下で
ある。そのため乾燥状態での多孔膜の力学的性質(%に
強f)は著しく低く、かつ脆い。九とえは多孔膜の空孔
率t−Prとすれば、強度ははn108(1−Pr )
 ” dyn/cdである。水による湿潤状態での強度
は、乾燥状態にくらべてさらに低くなるため、セルロー
ス誘導体から得られた従来の再生セルロース膜は取扱い
時に破損することがある。
本発明の再生セルロース多孔膜の第1の特徴は、線膜が
平均分子量5X104以上のセルロース分子で構成され
ている点にある。再生セルロース多孔膜は乾燥状態では
脆い。分子量の増大に伴なって多孔膜の強度が上昇し、
脆さが改善される。
その丸め多孔膜の取扱いが容易になり、多孔膜の破損は
減少する。セルロースの平均分子量が大きければ大きい
ほど、同一の空孔率で比較し九場合の破損率は減少する
。該平均分子量の膜物性に及ぼす影響は、平均分子量が
大きく表るにし九がって飽和する傾向が認められる。し
九がって、平均分子量#i5 X 104以上であれば
、実用上の取扱い易さの点でさしつかえない、多孔膜o
f):mの容易さから、平均分子量ti5X101i下
が望ましい。
本発明の第2の特徴は、結晶領域がセルロース■あるい
はセルロース[[−2あるいは両者が混在する結晶で構
成されている点にある。セルロース■あるいはセルロー
スl[−2結晶あるいは両者が混在する結晶で結晶領域
が構成されていることは、結晶領域内部が実質的にセル
ロース分子で構成され、セルロース誘導体などのように
セルロース分子中の水醸基が他の基で置換されていない
ことを意味する。セルロース■あるいはセルロース[j
−2あるいは両者が混在する結晶は、化学的、熱的にも
安定である。
本発明の最大の特徴は、再生セルロース多孔膜の表裏面
のいずれにも円形状の孔會有し、平均孔径が0.01〜
20μmで、少なくとも一つの面の面内空孔率が30〜
9096であるか、あるいは面内の1d当りの孔の数が
6 X 101/D個以上で3×10マ/D個以下であ
る点にある。ここで、円形状の孔とは、第1図において
J、tt+の周8に2ケ所以上外接する外IPI(2E
半径をrmとし、これと中心を同一にする内IIPet
39半径trnとすると、ra/rmが0.5以上であ
る孔を意味する。多孔膜の孔形は必ずしも膜中で一定で
はないが、r+a/rm≧0.5を満足する孔の存在確
率が80チ以上であるものを円形状の孔を有する多孔膜
と定義する0円形状の孔は、逆洗(清浄液t濾過方向と
逆方向からV遇することによシ多孔膜面を洗浄すること
)による濾過性能が優れている。また円形状含有する面
内の空孔率が30−以上となると、線膜を用いた濾過速
II’は大幅に増加し、また濾過容量も増大する。
理論的には、濾過速度は空孔率に比例し、濾過容量もほ
ぼ空孔率に比例する0円形状の孔含有する膜では、9孔
率が3096以上になると、空孔率の増大に伴う濾過速
度およびV過容量は共に増大し空孔率が50%以上であ
れば、大きければ大きいほどよい。ただし、多孔膜の取
扱い易さ、多孔膜の力学的性質から、空孔率として9〇
−以下が望ましい。被濾過液体は、多孔膜の表面から裏
面へ向ってFj!される。表面の平均孔径が同一で、か
つ空孔率が同一の種々の膜の組合せでV過速f會比較し
九場合、裏面の孔径は表面の孔径より大きい方が、濾過
速度および濾過容量本大きい。
本発明物の他の特徴として、表裏面の孔径比が115以
下で1710以上である点にある。被濾過流体に直接触
れる面を表面とした際、濾過速fは表面の平均孔径およ
び空孔率のみでなく、裏面の孔径の影響を受ける。表面
の孔径が大きくなるにしたがって、濾過速度は大きくな
る。また、濾過後の膜の逆洗性は、表裏面の孔径比を減
少させると増大していく。しかし、孔径比が1/Is以
下では、さらに孔径比を下けても逆洗性の増大はほとん
ど認められない。したがって、孔径比は1/1LTf 
1/10以上であればよい。1/10以下であれば膜表
面の孔数が著しく減少し、同一孔径で比較したときの濾
過速fFi低下する。
多孔膜の外形の形状としては、平面膜、チューブ状、中
空糸状物すべて會含む。また平均孔半径とは、111式
によって定義されるrstl−意味する。故に本発明で
いう平均孔径とは、273で定1される。
多孔膜1cdfiりの孔半径がr −r 十d rに存
在する孔の数t N (rld r と表示すると(N
(rlは孔径分布関数)、平均孔半径マ5ti(11式
で与えられる。
本発明物の孔は、実質的に円形孔であることによって、
本発明多孔膜にスクリーン型フィルターの性質か付与さ
れる。すなわち、孔に接する外接円の直径以上の粒子は
、孔を絶対通過す“ることかできない。線維状物質ある
いは微粉末状物質の積層物を濾過材として利用できるが
、これら従来の濾過材では、孔の形状が一定せず、その
丸め一過条件(圧力、濾過速度)Kよって、ある粒子が
V出し九シ、そうでない場合が起こる。すなわち、ある
注目した粒子が10091、孔によって捕捉される保証
はこれらの積層物では得られ表い。また、111式に上
る平均孔半径σS)も求まらない。したがって、本発明
多孔膜は、完全にスクリーン型フィルターの性能管もつ
有孔性膜である、孔−個当シの限外濾過速度は、はぼ7
sの4乗に比例し、また空孔率に比例する。したがって
、−過速駅のみを大きくするには、i、は大きければ大
きいはどよい。しかし、目的とする分離対象の粒子径と
の関連から、当然最大孔径が決定される。
親水性のスクリーン型フィルターとしての特性が十分発
揮される領域は、平均孔径(す表わち2r、)として2
0μm以下である。ま九、平均孔径が0.01μm以下
の場合、鼓膜による分離可能な粒子は、一般に球状で表
いものが増大し、本発明の円形状の孔の特徴が生かされ
ない、後述するように、本発明多孔膜を用い良分離対象
物として、水を含む液体または気体混合物中の目的とす
る成分の分離除去にあり、しかも、高速度でか遇するこ
とを目的とする。当然平均孔径が小さくなふと、濾過速
度の低下は著しい。また、多孔膜の厚さは通常薄けれは
薄いはとよいが、取扱いの容易さおよびピンホールの混
在をさけるため、5μm以上の厚さt持つのが一般的で
ある。平均孔径が0.017vm以下の孔の場合には、
貫通孔でないもの(非貫通孔)の存在確率が増大し、い
わゆる−過膜としての性能は、貫通孔で予測される性能
以下となる。
非貫通孔の混在をさける九め、平均孔径は0.01μm
以上でなけれにならない。平均孔径が大きくなるにした
がい多孔膜の膜厚を厚くすることによシ、ピンホールの
混入を防ぐことができる。しかし、濾過速度は膜厚に反
比例するので、膜としては薄い方が望ましい。両者の相
反する傾向のため、膜厚の最適範囲は多孔膜の製法と密
接に関連する。
空孔率は大きければ大きいほど望ましいが、#)まシ空
孔率が大きくなると多孔膜の機械的性質が低下する。空
孔率が30囁以上になると貫通孔の存在線率が急激に大
きくなり、70−以上ではほとんど貫通孔のみである。
同一σ平均孔径および空孔率を持つ多くの再生セルロー
ス多孔膜の濾過特性音検討し丸、その結果、たとえd圧
力差160■)1g以下の圧力で限外濾過する場合には
、セルロース■結晶における(101)面が多孔膜面に
対して平均的にみ良場合、平行に配向している方が水の
選択濾過性がよい。しかし、水に浸漬し良際の膜厚の変
化量は、上記のように配向し良場合には、そうでない場
合よシ大きい。これらの原因は不明であるが、水酸基が
膜面上に直立する方が〔すなわち(101)面が多孔膜
面に平行に配列する方が〕水を選択的に吸着し、膜の無
定形領域内部に水を保有し易いためと考えられる。この
ような水の選択透過性は、(101)面の多孔膜上での
配向度が60嘔以上の場合に顕著に出現する。
さらK11l定周波v1110 ugにおける力学的損
失正接tanJ一温度曲線において、ピーク温度Tm*
xが200C以上、250C以下であれば、多孔膜の熱
的安定性が増大し、また多孔膜に実施される後処理(t
M脂加工、溶剤処理)後の物性低下が少ない。Tmax
が200C以下では熱的に不安定となり、熱水処理によ
シル過速度が大幅に減少するTmaxが250C以上で
は、水の選択濾過性が低下するばかりでなく、多孔膜の
後処理後の物性低下が著しく、特に樹;脂加工によシ脆
くなる。
本発明物の熱的安定性および寸法安定性を高めるには、
(101)面の微結晶の大患さが25A以上で、結晶完
全度が0.15以下である必!!かある。
良だし、水湿潤時の多孔膜の膨潤は不可避であシ、この
膨潤音量めるに社、液安処理あるいは樹脂加工等がある
。目的に応じて本発明多孔膜を、これらの方法で後処理
することはなんらさしつかえない。
本発明多孔膜が利用できる分離対象として、水を含む液
体または気体混合物中の目的とする成分の分離除去、九
とえは人工腎臓用あるいは人工肝臓、人工膵臓用膜など
である。その細限外p過膜として利用できるほとんどす
べての分野で利用できるが、親水性で力学的性質に優れ
る本多孔誤は、生体関連分野(医学、生物化学工業)あ
るいは食品発酵分野が特に適する。
本発明物は、たとえば10嘔(重責)のセルロース銅安
溶液中にケイ酸ソーダの水溶液(ケイ酸ソーダ濃f3o
s)を7チ混入した溶液を、厚さ50μmで通常の方法
で流延し、空気中に16時間放置後、得られた膜を20
[の21硫酸水溶液に浸漬後水洗し、しかる後、線膜を
20Cのアセ[ン中に浸漬することによシ、該膜中の水
分をアセトンで置換し、乾燥することによって得ること
−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。
く平均分子量〉 銅アンモニア溶液中(20C)で測定されえ極限粘度数
[’!IF/−を121弐に代入することにより、平均
分子量(粘度平均分子量)Myを算出する。
My −(II) X S、2 X 10S    (
21くセルロース■およびセルロース[[−2結晶の同
定、微結晶の大きさ、結晶完全度、結晶配向度〉理学電
機社Hxli1発生[1(RU−200PL) とゴニ
オメータ(8G−9R)、計数管にはシンチレーション
カウンター、計数部Ka波高分析器を用い% 30KV
、80mA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ft Cll−にα線(波長λg 1,5
418 K )でX!1回折強度を測定する。
結晶構造の(W1定、微結晶の大きさ、結晶完全度の#
j定の場合には、フィルム面に垂直方向、ま友は中空糸
の場合には、錬維軸に垂直方向からxIIを入射する。
スキャニング速度IC/分、チャート速度10a/分、
タイムコンスタント1秒、ダイバージェンススリット4
 、レシービングスリット0.5■11スキヤツタ゛リ
ングスリツト4において、回折角2φが46〜35″の
範囲でX線回折強度を測定する。
セルロース■結晶は2 # 、 12”((101)面
からの反射)、20.f((1oe)面からの反射) 
、21’((002)面からの反射)のSHの回折で特
徴づケラれる。セルロース[1−2の結晶は、20が約
12″と2fの2個の回折で特徴づけられる。微結晶の
大きさを求めるには、たとえばり、E、アレキサンダー
著「高分子X線回折」化学同人出版、第7章のシェラ−
(8ch@rr@r )の式を用いる。
20−tと55″の間を[11で結び基線とする0回折
ピークの頂を点から基lIK垂線を下し、ピークと基縁
間の中点を求め、中点を通゛る水平線を回折強度曲線の
間に引き、ピークの肩からの距離を求め、それを2倍し
、この値をラジアン表示に換算してライン幅とする。さ
らにライン幅を次式で補正する。
β−fi丁評 B上側定したライン幅、bはシリプン単結晶を用いて測
定されたライン幅である。微結晶の大きさAC8山は(
3)式で与えられる。
A  C8(lx+−λ/β−c−a’m  11  
       131λはX線の波長1,5418 X
である。
セルロースIBM晶の結晶完全度は(41式で定義され
る。
ここで、Hlとは(101)面が4ノ反射と(002)
面反射の間のX@回折強贋の最小値であC%’bとは(
101)面反射の最大回折強度、Hlとは(002)面
反射の最大回折強度である。結晶完全度の値が10ぶき
最も結晶の完全性が高く、。
のとき最も低い。
(101)面の結晶配向度の測定は、試料が平面膜の場
合には、xlIIを換向に対して平行に入射させる。中
空糸の場合には、中空糸を平面状に圧縮し、中空の空隙
部を4<シ、見掛上2枚の積層膜の状態に変形する。該
積層膜平面に対して平行 KX@を入射させる。2#−
12°にiニオメータをセットする。対称透過法を用い
て方位角方向を一50°〜+50°走査し、方位角方向
の回折強度を記録する。さらに−1800と+1800
の方位角方向の同性強度を記録する。このときのスキャ
ニング速度は47分、チャート速度は1o■m15)%
−16− タイムコンス身ントは1秒、コリメーターij 2 M
φ、レシービングスリットaJ1m1.9寵、l114
幅3.5鶴である。得られた方位角方向の回折!jlf
lll線から配向Hcoを求める。まず±180@で得
られた回折強度の平均値を取り、水平線を引きベースラ
インとする。ピークの頂点からベースラインに垂鐘を下
し、その高さの中点を求める。中点を通る水平線を引き
、これと回折強度曲線との二つの交点間の距離を測定し
、この値を角度白に換算し喪値を配向角H(1とする。
結晶配向Hcoは151式で与えられる。
Co(11−((180−H)7180)X100  
151結晶が無配向の場合には、Hは180”とな夛C
OはOである。
く゛空孔率PT〉 平面状の多孔膜を47tiφの円形に切り出し、鼓膜を
真空中で乾燥し、水分率をOoS @以下とする。乾燥
後の多孔膜の厚さをd((至))、重量をw(rlとす
ると、9孔率Pr(%表示)は(61式で与えられる。
中空糸の場合、中9糸の内径をp、(m)、外径をり、
(−)とし、中空糸の長さtt(ml)、重量tW(f
)とすると、Prは(71式で与えられる。
く平均孔半径r1、および孔数〉 走査型電子顕微鏡を用いて、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量II N
(r)を算出し、これを本文中の11I式に代入する。
また、1a11当りの孔l!N Fi(81式で与えら
れる。
N 、、= / N(rld r          
(81孔径分布を求めたい部分の走査型電子顕微鏡写真
を適当な大きさくたとえば20mX20m)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。おのおの直線は多数の孔を横切る。孔を
横切った際の孔内に存在する直線の長さを測定し、この
頻1分布関l1lVt求める。この頻度分布関数を用い
て、たとえに1ステレオロジ(たとえば、睡訪紀夫著、
定量形態学。
岩波書店)の方法でN旧を定める。面内空孔率PrはN
 (rlを用いて(9)式で算出される。
/ Pr(11−π’f r”N(rld r  X   
100(9)(tanδ一温度曲線〉 幅1w、長さ5傷の短冊状の試料を多孔膜から切り出し
、東洋ボールドウィン社製RbeovibroaD D
 V −■e型を使用し、測定周波数110 Hz。
乾燥空気下で平均昇温速[10C/−で測定する。
測定され九tanδ−温匿曲線からLatlBのピーク
温fTmax (r)を読み取る。
実施例1 セルロースリンター(平均分子量2jxlo”)を公知
の方法で調製した銅アンモニア、溶液中に、816.9
饅、10%の濃度1で溶解後、該溶液にケイ酸ソーダの
水溶液(ケイ駿ソーダ濃度3〇−)を7−混入し、攪拌
後、ガラス板上に厚さ50μmK流延する。20Cの9
気中に14時間放置後、得られた膜を20Cの2チ硫酸
水溶液中に20分間浸漬し、その後水洗する。水洗後2
0Cのアセトン中に浸漬し、膜中の水分゛をアセトンで
置換し、濾紙にはさんで乾燥し、厚さ10μmの多孔膜
を得た。その微細構造上の特徴と各種物性値の関係を第
1表に示す。
第1表の膜を用いて限外濾過実験−を行なった。
水の透過係数FiO,,07m/式・―・1脂Hgであ
シ、#1は同一の9孔率を持つ再生セルロース多孔膜の
3倍以上である。また、従来の再生セルロース腰(分子
量3,5X104)にくらべて、本多孔展の強度は10
0倍以上であった。なお、木裏の表面の電子顕微鏡写真
を第2図に、同裏面の電子顕微鏡写真を第3図に示す。
第1表 なお、試料番号1−1〜1−3で得られ九多孔膜を構成
するセルロース分子の平均分子量は、すべて5.5〜6
.OX 104の範囲内である。
実施例2 セルロースリンター(平均分子量2.5 X 101.
 )を公知の方法で調製した銅アンモニア溶液中に9嘩
の濃度で溶解後、該溶液中にケイ酸ソーダの水溶液(ケ
イ酸濃度so1りを3.5,11.1511混入し、そ
の4種の1液それぞれにポリエチレンクリコール、イソ
プロピルアルコールt−1011L人し、攪拌後、実施
例1と同様に流延し、凝固再生゛、水洗、乾燥して第2
表に示す多孔膜を得た。
試料N2−1.2−2.2−5および2−10.2−1
1.2−12では、膜表面の孔径が0.01μm以下で
、電子顕微鏡ではほとんど孔は観察されない。そのため
透過係数は著しく低く、実施例1と同一条件下での水の
透過係数は、いずれも1X101、m/式・傷・鶴Hg
以下である。試料翫2−6では孔径比が1710以下で
あり、水の透過係数は2X 10”’ m/式・―・寵
Hgであり、はぼ同一の空孔率と平均孔径を持つ試料y
2−sttr<らべて、透過係数は約1/2である。試
料隘2−9は試料N2−8と比較して、引張シ破壊強度
(強度)は約弯であり、また、逆洗によるか過速度の上
昇率も59僑で、試料111i112−8の77 %K
<らべて著しく低い。
【図面の簡単な説明】
fll、1図は円形孔を示す模式図、第2図は本発明膜
の表面の走査型電子顕微鏡写真、第5図は同裏面の走査
型電子顕微鏡写真である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 11+セルロ一ス分子の平均分子量が5 X 104以
    上で、かつ結晶領域が実質的にセルロース■あるい畔セ
    ルロース、l[−2あるいは両者が混在する結晶で構成
    される再生セルロース多孔膜において、鼓膜の表裏面の
    両者いずれにも円形状の孔を有し、平均孔径(0μm)
    が0.01〜20g、表裏面の孔径比が1/3〜1/1
    0で、かつ少なくとも一つのmの面内空孔率が50〜?
    091であるか、あるい妹゛面内の1d当シの孔の数が
    4X101/D個以上で5X10’/D個以下であるこ
    とt4I像とする再生セルロース多孔膜。 (21セルロース■結晶のみで構成される再生セル四−
    ス多孔膜において、(1o1)liiの多孔膜面に対す
    る配向度が60−以上である特許請求の範囲第1項記載
    の再生セルロース多孔膜。 (3)測定周波数110 Hzにおけ多力学的損失正豪
    jan−のピーク温度Tmaxが200〜250c下で
    ある特許請求の範囲第1項または第2項記載の再生セル
    ロース多孔膜。 (4) (101)面の微結晶の大きさが25λ以上で
    、結晶完全度が0.15以下である特許請求の範囲83
    m記載の再生セルロース多孔膜。
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