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JP7516174B2 - Gas separation membrane and method for producing same - Google Patents
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Description

本発明は、ガス分離膜及びその製造方法に関し、特に、窒素ガスと酸素ガスとを分離する場合や、窒素ガスと二酸化炭素ガスとを分離する場合等に適用すると、有効なものである。 The present invention relates to a gas separation membrane and a manufacturing method thereof, and is particularly effective when applied to the separation of nitrogen gas and oxygen gas, or the separation of nitrogen gas and carbon dioxide gas, etc.

複数種が混在するガスから特定種のガスを分離するガス分離膜としては、例えば、下記特許文献1に記載されたものが知られている。このガス分離膜は、無機材料製の多孔質基材膜上に無機材料製の分離層を設けたものであり、分離層の表面粗さを10μm以下にしたり、分離層上に有機材料製の保護層を設けたり、分離層を多孔質基材膜に含浸させた含浸層を形成したりすることにより、ガスの透過性及び選択性を向上させるようにしている。 For example, the one described in Patent Document 1 below is known as a gas separation membrane that separates a specific type of gas from a mixture of multiple types of gas. This gas separation membrane has a separation layer made of an inorganic material provided on a porous substrate membrane made of an inorganic material, and gas permeability and selectivity are improved by making the surface roughness of the separation layer 10 μm or less, providing a protective layer made of an organic material on the separation layer, and forming an impregnation layer in which the separation layer is impregnated into the porous substrate membrane.

特開2018-167149号公報JP 2018-167149 A 特許第5626950号公報Patent No. 5626950

前述したようなガス分離膜においては、ガス分離性能をより向上させることが強く求められている。 There is a strong demand for further improvement in the gas separation performance of gas separation membranes such as those mentioned above.

このようなことから、本発明は、ガス分離性能をより向上させることができるガス分離膜及びその製造方法を提供することを目的とする。 For this reason, the present invention aims to provide a gas separation membrane and a method for producing the same that can further improve gas separation performance.

前述した課題を解決するための、本発明に係るガス分離膜は、多孔質基材と、前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、を備え、前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられ、前記クラスタは、前記多孔質基材の前記孔内に前記分離層の界面から200nm以下の深さまで設けられていることを特徴とする。
また、前述した課題を解決するための、本発明に係るガス分離膜は、多孔質基材と、前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、を備え、前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられ、前記分離層は、凝集した複数の粒子を含有するものであり、前記クラスタは、ガス透過性を有する高分子材料中に存在するものであることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the gas separation membrane of the present invention comprises a porous substrate and a separation layer made of a polymeric material having gas permeability, which is arranged so as to cover one side of the porous substrate, and is characterized in that clusters of agglomerated particles are arranged within the pores of the porous substrate so as to be in contact with the separation layer , and the clusters are arranged within the pores of the porous substrate to a depth of 200 nm or less from the interface of the separation layer .
In addition, in order to solve the above-mentioned problems, the gas separation membrane of the present invention comprises a porous substrate and a separation layer made of a polymeric material having gas permeability, which is arranged so as to cover one side of the porous substrate, and clusters of agglomerated particles are arranged within the pores of the porous substrate so as to be in contact with the separation layer, the separation layer contains a plurality of agglomerated particles, and the clusters are present in the polymeric material having gas permeability.

また、本発明に係るガス分離膜の製造方法は、多孔質基材と、前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、を備え、前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられているガス分離膜の製造方法であって、前記粒子及び前記高分子材料の原料を溶媒中に添加して混合攪拌して塗工液を作製し、前記多孔質基材の一方面に前記塗工液を押し込むように塗布した後、乾燥させることにより製造することを特徴とする。 In addition, the method for producing a gas separation membrane according to the present invention comprises a porous substrate, and a separation layer made of a polymeric material having gas permeability and arranged so as to cover one side of the porous substrate, in which clusters of agglomerated particles are arranged within the pores of the porous substrate so as to be in contact with the separation layer, and is characterized in that the method for producing a gas separation membrane comprises adding raw materials for the particles and the polymeric material to a solvent, mixing and stirring the raw materials to prepare a coating liquid, applying the coating liquid to one side of the porous substrate in a manner to push the coating liquid into the porous substrate, and then drying the resulting membrane.

本発明に係るガス分離膜によれば、ガス分離性能をより向上させることができる。
また、本発明に係るガス分離膜の製造方法によれば、本発明に係るガス分離膜を容易に製造することができる。
According to the gas separation membrane of the present invention, the gas separation performance can be further improved.
Furthermore, according to the method for producing a gas separation membrane of the present invention, the gas separation membrane of the present invention can be easily produced.

本発明に係るガス分離膜の主な実施形態の概略構成を表す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main embodiment of a gas separation membrane according to the present invention. 図1の粒子の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the particle of FIG. 1. 本発明に係るガス分離膜の実施例における試験体2の透過型電子顕微鏡写真である。1 is a transmission electron microscope photograph of specimen 2 in an example of a gas separation membrane according to the present invention. 試験体20の透過型電子顕微鏡写真である。1 is a transmission electron microscope photograph of test piece 20.

本発明に係るガス分離膜及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。 The gas separation membrane and its manufacturing method according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments described with reference to the drawings.

[主な実施形態]
本発明に係るガス分離膜及びその製造方法の主な実施形態を図1,2に基づいて説明する。
[Main embodiment]
A gas separation membrane and a method for producing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、本実施形態に係るガス分離膜100は、孔111を多数有する多孔質基材110と、多孔質基材110の一方面(図1中、上面)を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層120と、を備え、多孔質基材110の孔111内には凝集した複数の粒子131を有する粒子群のクラスタ130が分離層120に接するように設けられたものである。 As shown in FIG. 1, the gas separation membrane 100 according to this embodiment comprises a porous substrate 110 having a large number of holes 111, and a separation layer 120 made of a polymeric material having gas permeability and arranged to cover one side (the upper side in FIG. 1) of the porous substrate 110. Clusters 130 of particle groups having a plurality of aggregated particles 131 are arranged in the holes 111 of the porous substrate 110 so as to contact the separation layer 120.

多孔質基材110は、シート形状をなす樹脂からなり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ポリエチレン(PE),ポリプロピレン(PP)等が挙げられる。 The porous substrate 110 is made of a resin in a sheet shape, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), etc.

このような多孔質基材110は、厚さt1が、5μm以上50μm以下であると好ましく、15μm以上25μm以下であるとより好ましい。厚さt1が、5μm未満であると、薄くなり過ぎて内部に粒子131が入り込み難くなり、好ましくなく、50μmを超えると、厚くなり過ぎてガス透過性(透過速度)の低下を招き易く、好ましくない。 Such a porous substrate 110 preferably has a thickness t1 of 5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 25 μm or less. If the thickness t1 is less than 5 μm, it is undesirable because it is too thin and the particles 131 have difficulty penetrating inside, and if it exceeds 50 μm, it is undesirable because it is too thick and gas permeability (permeation rate) is likely to decrease.

また、多孔質基材110は、孔111の直径d1が、10nm以上100nm以下であると好ましい。直径d1が、10nm未満であると、小さくなり過ぎて内部に粒子131が入り込み難くなり、好ましくなく、100nmを超えると、大きくなり過ぎて内部を粒子131が通過し易くなり、好ましくない。 In addition, the porous substrate 110 preferably has a diameter d1 of the pores 111 of 10 nm or more and 100 nm or less. If the diameter d1 is less than 10 nm, it is undesirable because the pores are too small and the particles 131 have difficulty entering the interior, whereas if the diameter d1 exceeds 100 nm, it is undesirable because the pores are too large and the particles 131 easily pass through the interior.

さらに、多孔質基材110は、空隙率が、35%以上85%以下であると好ましい。空隙率が、35%未満であると、内部に入り込む粒子131が少なくなり過ぎて、好ましくなく、85%を超えると、内部に入り込む粒子131が多くなり過ぎて、好ましくない。 Furthermore, it is preferable that the porosity of the porous substrate 110 is 35% or more and 85% or less. If the porosity is less than 35%, the particles 131 that penetrate into the interior will be too few, which is not preferable, and if it exceeds 85%, the particles 131 that penetrate into the interior will be too many, which is not preferable.

分離層120は、シート形状をなす高分子材料からなり、例えば、固有微細孔性ポリマ(Polymer of Intrinsic Microporosity:PIM),ポリ(1-トリメチルシリル-1-プロピン)(PTMSP),ポリジメチルシロキサン(PDMS),ポリイミド(PI),ポリカーボネート(PC),ポリエチレンイミン(PEI)等を挙げることができる。なかでも、「PIM」が好ましく、特に、5,5’,6,6’-テトラヒドロキシ-3,3,3’,3’-テトラメチル-1,1’-スピロビスインダンとテトラフルオロテレフタロニトリルとを反応させて得られる「PIM-1」がさらに好ましい。 The separation layer 120 is made of a polymeric material in the form of a sheet, such as a polymer of intrinsic microporosity (PIM), poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) (PTMSP), polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polyethyleneimine (PEI), etc. Among these, "PIM" is preferred, and "PIM-1" obtained by reacting 5,5',6,6'-tetrahydroxy-3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobisindane with tetrafluoroterephthalonitrile is even more preferred.

また、分離層120は、厚さt2が、50nm以上500nm以下であると好ましい。厚さt2が、50nm未満であると、薄くなり過ぎて欠陥を生じ易くなり、好ましくなく、500nmを超えると、厚くなり過ぎてガス透過性(透過速度)の低下を招き易くなり、好ましくない。 In addition, the separation layer 120 preferably has a thickness t2 of 50 nm or more and 500 nm or less. If the thickness t2 is less than 50 nm, it is undesirable because it is too thin and prone to defects, and if it exceeds 500 nm, it is undesirable because it is too thick and prone to reducing gas permeability (permeation rate).

クラスタ130は、多孔質基材110の孔111内に分離層120の界面から200nm以下の深さt3にまで設けられていると好ましく、特に100nm以下の深さt3にまで設けられているとより好ましい。深さt3が、200nmを超えると、ガス透過性(透過速度)の低下を招き易くなり、好ましくない。 The clusters 130 are preferably provided within the pores 111 of the porous substrate 110 to a depth t3 of 200 nm or less from the interface with the separation layer 120, and more preferably to a depth t3 of 100 nm or less. If the depth t3 exceeds 200 nm, this is not preferable as it tends to cause a decrease in gas permeability (permeation rate).

また、クラスタ130は、多孔質基材110の孔111の直径d1以下の大きさであると好ましい。直径d1よりも大きいと、多孔質基材110の孔111内に入り込み難くなり、ガス透過性(透過速度)の低下を招き易くなるため、好ましくない。 In addition, it is preferable that the clusters 130 are equal to or smaller than the diameter d1 of the holes 111 of the porous substrate 110. If the diameter is larger than d1, it is difficult for the clusters 130 to penetrate into the holes 111 of the porous substrate 110, which is likely to lead to a decrease in gas permeability (permeation rate), and this is not preferable.

クラスタ130の粒子131は、図2に示すように、無機材料からなる粒子核132の表面に対して修飾基133が複数連結した表面修飾粒子であると好ましい。修飾基133は、鎖状に延伸する有機分子であると好ましく、例えば、前記特許文献2に開示されている「ハイパーブランチ高分子」や「デンドリマー高分子」のように分岐しながら鎖状に延伸する有機高分子であると、非常に嵩高くなり、粒子核132の周囲に空間(ナノスペース)134を形成し易くなると共に、粒子131を凝集させ易くすることができるので、非常に好ましい。 As shown in FIG. 2, the particles 131 of the cluster 130 are preferably surface-modified particles in which multiple modifying groups 133 are linked to the surface of a particle core 132 made of an inorganic material. The modifying groups 133 are preferably organic molecules that extend in a chain shape. For example, organic polymers that extend in a chain shape while branching, such as the "hyperbranched polymers" and "dendrimer polymers" disclosed in the above-mentioned Patent Document 2, are very bulky, making it easier to form spaces (nanospaces) 134 around the particle core 132 and facilitating the aggregation of the particles 131, and are therefore highly preferred.

そして、分離層120は、凝集した複数の粒子131を含有し(図示省略)、クラスタ130は、ガス透過性を有する前述した高分子材料のマトリクス中に存在している(図示省略)。このような分離層120及びクラスタ130は、粒子131が20質量%以上60質量%以下の割合で存在していると好ましい。20質量%未満であると、凝集した粒子131の量が少なくなり過ぎて、好ましくなく、60質量%を超えると、凝集した粒子131が大きくなり過ぎて、好ましくない。 The separation layer 120 contains a plurality of aggregated particles 131 (not shown), and the clusters 130 are present in a matrix of the aforementioned polymeric material having gas permeability (not shown). In such a separation layer 120 and clusters 130, it is preferable that the particles 131 are present in a ratio of 20% by mass to 60% by mass. If it is less than 20% by mass, the amount of aggregated particles 131 becomes too small, which is not preferable, and if it exceeds 60% by mass, the aggregated particles 131 become too large, which is not preferable.

このような構造をなす本実施形態に係るガス分離膜100は、粒子131及び前述した高分子材料の原料をテトラヒドロフラン(THF)等の溶媒中に添加して混合攪拌して塗工液を作製し、多孔質基材110の一方面に塗工液を押し込むように塗布した後、乾燥させることにより、容易に製造することができる。 The gas separation membrane 100 according to this embodiment having such a structure can be easily manufactured by adding the particles 131 and the raw materials of the aforementioned polymeric material to a solvent such as tetrahydrofuran (THF), mixing and stirring to prepare a coating liquid, applying the coating liquid to one side of the porous substrate 110 in a pushing manner, and then drying.

このとき、多孔質基材110に対する塗工液の押込圧が、0.1Pa/m以上0.4Pa/m以下であると好ましい。0.1Pa/m未満であると、多孔質基材110の孔111の内部に塗工液を十分な量で押し込み難くなって、好ましくなく、0.4Pa/mを超えると、多孔質基材110の孔111の内部に塗工液を押し込み過ぎてしまうおそれを生じるだけでなく、多孔質基材110を損傷してしまうおそれを生じるため、好ましくない。 At this time, it is preferable that the pressure of the coating liquid against the porous substrate 110 is 0.1 Pa/m 2 or more and 0.4 Pa/m 2 or less. If it is less than 0.1 Pa/m 2 , it is difficult to push a sufficient amount of the coating liquid into the inside of the holes 111 of the porous substrate 110, which is not preferable, and if it exceeds 0.4 Pa/m 2 , not only is there a risk that the coating liquid is pushed too far into the inside of the holes 111 of the porous substrate 110, but there is also a risk that the porous substrate 110 may be damaged, which is not preferable.

また、塗工液は、溶媒の質量に対して高分子材料が2質量%以上5質量%以下の範囲の割合で混合されていると好ましい。2質量%未満であると、分離層120が薄くなり易く、ガス分離性能の低下を招き易くなって、好ましくなく、5質量%を超えると、分離層120が厚くなり易く、ガス透過性(透過速度)の低下を招き易くなって、好ましくない。 In addition, it is preferable that the coating liquid contains a mixture of polymer material in a ratio of 2% by mass to 5% by mass relative to the mass of the solvent. If it is less than 2% by mass, the separation layer 120 tends to become thin, which is likely to lead to a decrease in gas separation performance, and if it exceeds 5% by mass, the separation layer 120 tends to become thick, which is likely to lead to a decrease in gas permeability (permeation rate), and this is not preferable.

このようにして得られる本実施形態に係るガス分離膜100においては、異なる種類のガスが混合された混合ガス(例えば、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスや、窒素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガス等)を分離層120側に流通させると共に、多孔質基材110側を減圧環境にすると、上記混合ガスが分離層120内へ入り込んで行く。 In the gas separation membrane 100 according to this embodiment obtained in this manner, when a mixed gas containing different types of gases (e.g., a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas, or a mixed gas of nitrogen gas and carbon dioxide gas, etc.) is circulated on the separation layer 120 side and the porous substrate 110 side is placed in a reduced pressure environment, the mixed gas penetrates into the separation layer 120.

分離層120内へ入り込んだ混合ガスは、分子サイズ等のガスの種類ごとに分離層120の内部を透過する速度が異なるため、各ガスの多孔質基材110までの透過時間に差を生じ、分離層120内で分離(濃縮)するようになる。 The mixed gas that has entered the separation layer 120 permeates through the inside of the separation layer 120 at different speeds depending on the type of gas, such as molecular size, so there is a difference in the time it takes for each gas to permeate to the porous substrate 110, and the gases are separated (concentrated) within the separation layer 120.

分離層120内を透過して多孔質基材110まで到達したガスは、分離層120からクラスタ130の粒子131の修飾基133で形成されたナノスペース134内に入り込み、凝集する粒子131のナノスペース134間を通過して多孔質基材110の孔111内へ送り出され、多孔質基材110の外部で回収される。 The gas that has permeated through the separation layer 120 and reached the porous substrate 110 enters the nanospace 134 formed by the modification group 133 of the particles 131 of the cluster 130 from the separation layer 120, passes between the nanospaces 134 of the aggregated particles 131, and is sent into the pores 111 of the porous substrate 110, and is collected outside the porous substrate 110.

このとき、分離層120で分離(濃縮)されたガスは、クヌーセン拡散を生じる多孔質基材110の孔111内への入り込みに際し、クラスタ130を介することによって、分離層120からの脱離が速くなる。このため、本実施形態に係るガス分離膜100においては、分離層120内でのガスの透過を速めることができ、ガス透過性を大きく向上させることができる。 At this time, when the gas separated (concentrated) in the separation layer 120 enters the pores 111 of the porous substrate 110 where Knudsen diffusion occurs, it is desorbed from the separation layer 120 more quickly by passing through the clusters 130. Therefore, in the gas separation membrane 100 according to this embodiment, the gas permeation in the separation layer 120 can be accelerated, and the gas permeability can be greatly improved.

したがって、本実施形態に係るガス分離膜100によれば、ガス分離性能(特に透過性)をより向上させることができる。そして、本実施形態に係るガス分離膜100の製造方法によれば、本実施形態に係るガス分離膜100を容易に製造することができる。 Therefore, according to the gas separation membrane 100 of this embodiment, the gas separation performance (particularly the permeability) can be further improved. And, according to the manufacturing method of the gas separation membrane 100 of this embodiment, the gas separation membrane 100 of this embodiment can be easily manufactured.

[他の実施形態]
なお、前述した実施形態においては、同一の粒子131及び高分子材料を用いた分離層120及びクラスタ130を備えたガス分離膜100の場合について説明したが、本発明はこれに限らない。他の実施形態として、例えば、互いに異なる粒子や高分子材料を適用した分離層及びクラスタを備えたガス分離膜を適用することも可能である。
[Other embodiments]
In the above-described embodiment, the gas separation membrane 100 is provided with the separation layer 120 and the clusters 130 using the same particles 131 and polymeric material, but the present invention is not limited thereto. As another embodiment, for example, a gas separation membrane provided with a separation layer and clusters using different particles and polymeric materials may be used.

しかしながら、前述した実施形態のように、同一の粒子131及び高分子材料を用いた分離層120及びクラスタ130を備えたガス分離膜100であると、分離層120の形成とクラスタ130の形成とを同時に行うことができ、製造の容易化をさらに図ることができるので、非常に好ましい。 However, as in the above-mentioned embodiment, a gas separation membrane 100 having a separation layer 120 and clusters 130 made of the same particles 131 and polymeric material is highly preferable because the formation of the separation layer 120 and the formation of the clusters 130 can be carried out simultaneously, further simplifying manufacturing.

また、前述した実施形態においては、粒子131を含有する分離層120を備えたガス分離膜100の場合について説明したが、本発明はこれに限らない。他の実施形態として、例えば、粒子131を含まない前述した高分子材料からなる分離層を備えたガス分離膜とすることも可能である。 In addition, in the above-mentioned embodiment, the gas separation membrane 100 having a separation layer 120 containing particles 131 has been described, but the present invention is not limited to this. As another embodiment, for example, it is also possible to provide a gas separation membrane having a separation layer made of the above-mentioned polymer material that does not contain particles 131.

しかしながら、前述した実施形態のように、粒子131を含有する分離層120を備えたガス分離膜100であると、分離層120内のガスの透過速度をさらに速くすることができ、ガス分離性能(特に透過性)のさらなる向上をより図ることができるので、非常に好ましい。 However, as in the above-mentioned embodiment, a gas separation membrane 100 having a separation layer 120 containing particles 131 is highly preferable because it can further increase the gas permeation rate through the separation layer 120 and further improve the gas separation performance (particularly permeability).

また、前述した実施形態においては、ガス透過性を有する前述した高分子材料のマトリクス中にクラスタ130が存在するガス分離膜100の場合について説明したが、本発明はこれに限らない。他の実施形態として、例えば、複数の粒子131を凝集させたクラスタを備えたガス分離膜であれば、前述した実施形態の場合と同様に利用することができる。 In addition, in the above-mentioned embodiment, the gas separation membrane 100 in which the clusters 130 are present in the matrix of the above-mentioned polymer material having gas permeability has been described, but the present invention is not limited to this. As another embodiment, for example, a gas separation membrane having clusters formed by agglomerating a plurality of particles 131 can be used in the same manner as in the above-mentioned embodiment.

しかしながら、前述した実施形態のように、ガス透過性を有する前述した高分子材料のマトリクス中にクラスタ130が存在するガス分離膜100であると、クラスタ130内のガスの透過速度を速くすることができ、ガス分離性能(特に透過性)をより向上させることができるので、非常に好ましい。 However, as in the above-mentioned embodiment, a gas separation membrane 100 in which clusters 130 exist in a matrix of the above-mentioned polymeric material having gas permeability is highly preferable because it can increase the permeation rate of the gas in the clusters 130 and further improve the gas separation performance (particularly permeability).

本発明に係るガス分離膜及びその製造方法の効果を確認するために行った実施例を説明するが、本発明は具体的に説明する以下の実施例のみに限定されるものではない。 We will explain examples that were conducted to confirm the effects of the gas separation membrane and its manufacturing method according to the present invention, but the present invention is not limited to the following specific examples.

[試験体の作製]
〈試験体1〉
粒子径15nmのシリカナノ粒子核の表面にシランカップリング剤(3-アミノプロピルトリエトキシシラン:APTES)を介して3,5-ジアミノ安息香酸を反応させることにより修飾基を設けた表面ハイパーブランチ修飾シリカナノ粒子(前記特許文献2参照)とPIM-1とを、THF溶媒中に添加して6時間攪拌混合して塗工液を作製した。このとき、溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が2質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が10質量%となるように調整した。
[Preparation of test specimen]
<Test piece 1>
A coating liquid was prepared by adding surface hyperbranched silica nanoparticles (see Patent Document 2) in which a modification group was provided on the surface of a silica nanoparticle core having a particle diameter of 15 nm by reacting 3,5-diaminobenzoic acid via a silane coupling agent (3-aminopropyltriethoxysilane: APTES) and PIM-1 to a THF solvent and stirring and mixing for 6 hours. At this time, the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to be 2 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to be 10 mass%.

次に、厚さ15μm,孔径50nm,空隙率55%のポリエチレン(PE)製の多孔質基材(320mm×320mm)をマルチコータ(松尾産業株式会社製「K404(品番)」)上に配置し、上記塗工液1.5mLを塗工圧(押込圧)0.19Pa/m、塗工速度3m/分で多孔質基材に塗工した後、乾燥させることにより、ガス分離膜の試験体1を作製した。 Next, a porous substrate (320 mm x 320 mm) made of polyethylene (PE) with a thickness of 15 μm, a pore size of 50 nm, and a porosity of 55% was placed on a multi-coater (K404 (product number) manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.), and 1.5 mL of the above coating liquid was applied to the porous substrate at a coating pressure (indentation pressure) of 0.19 Pa/ m2 and a coating speed of 3 m/min, and then dried to prepare a gas separation membrane specimen 1.

〈試験体2〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が20質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体2を作製した。
<Test piece 2>
Gas separation membrane specimen 2 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 20 mass%.

〈試験体3〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が2.5質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が40質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体3を作製した。
<Test piece 3>
Gas separation membrane specimen 3 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 2.5 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 40 mass%.

〈試験体4〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が2.5質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が50質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体4を作製した。
<Test piece 4>
Gas separation membrane specimen 4 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 2.5 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 50 mass%.

〈試験体5〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が60質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体5を作製した。
<Test piece 5>
Gas separation membrane specimen 5 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 60 mass %.

〈試験体6〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が80質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体6を作製した。
Test specimen 6
Gas separation membrane specimen 6 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 80 mass %.

〈試験体7〉
厚さ20μm,孔径100nm,空隙率80~85%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の多孔質基材(320mm×320mm)を適用し、溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が4質量%となるように調整する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体7を作製した。
<Test piece 7>
A porous substrate (320 mm x 320 mm) made of polytetrafluoroethylene (PTFE) with a thickness of 20 μm, a pore diameter of 100 nm, and a porosity of 80 to 85% was used, and the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 4 mass%. Except for this, the conditions were the same as those of specimen 1. Specimen 7 of the gas separation membrane was produced.

〈試験体8〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が20質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体8を作製した。
<Test piece 8>
Gas separation membrane specimen 8 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 20 mass%.

〈試験体9〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が30質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体9を作製した。
<Test piece 9>
Gas separation membrane specimen 9 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 30 mass%.

〈試験体10〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が50質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体10を作製した。
<Test piece 10>
Gas separation membrane specimen 10 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 50 mass%.

〈試験体11〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が60質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体11を作製した。
<Test piece 11>
Gas separation membrane specimen 11 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 60 mass%.

〈試験体12〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が80質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体12を作製した。
<Test piece 12>
Gas separation membrane specimen 12 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 80 mass %.

〈試験体13〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が3.5質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が50質量%となるように調整する以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体13を作製した。
<Test piece 13>
Gas separation membrane specimen 13 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 3.5 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 50 mass%.

〈試験体14〉
厚さ10μm,孔径50nm,空隙率50~60%のPTFE製の多孔質基材(320mm×320mm)を適用した以外は、試験体13と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体14を作製した。
<Test piece 14>
Gas separation membrane specimen 14 was prepared under the same conditions as specimen 13, except that a porous substrate (320 mm x 320 mm) made of PTFE with a thickness of 10 μm, a pore diameter of 50 nm, and a porosity of 50 to 60% was used.

〈試験体15〉
厚さ10μm,孔径10nm,空隙率35~40%のPTFE製の多孔質基材(320mm×320mm)を適用した以外は、試験体13と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体15を作製した。
<Test piece 15>
Gas separation membrane specimen 15 was prepared under the same conditions as specimen 13, except that a PTFE porous substrate (320 mm x 320 mm) with a thickness of 10 μm, a pore diameter of 10 nm, and a porosity of 35 to 40% was used.

〈試験体16〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が3.5質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が0質量%、すなわち、粒子の添加を省略した以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体16を作製した。
<Test piece 16>
Gas separation membrane specimen 16 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 3.5 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was 0 mass%, i.e., the addition of particles was omitted.

〈試験体17〉
粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が0質量%、すなわち、粒子の添加を省略した以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体17を作製した。
<Test piece 17>
Gas separation membrane specimen 17 was prepared under the same conditions as specimen 7, except that the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was 0 mass%, i.e., the addition of the particles was omitted.

〈試験体18〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が4.5質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が0質量%、すなわち、粒子の添加を省略した以外は、試験体7と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体18を作製した。
<Test piece 18>
Gas separation membrane specimen 18 was produced under the same conditions as specimen 7, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 4.5 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was 0 mass%, i.e., the addition of particles was omitted.

〈試験体19〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が3質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が0質量%、すなわち、粒子の添加を省略した以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体19を作製した。
<Test piece 19>
Gas separation membrane specimen 19 was produced under the same conditions as specimen 1, except that the ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 3 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was 0 mass%, i.e., the addition of particles was omitted.

〈試験体20〉
溶媒の質量に対するPIM-1の質量の割合が3質量%となるように調整すると共に、粒子とPIM-1との合計質量に対する粒子の質量割合が20質量%となるように調整して、さらに、塗工液を塗工圧(押込圧)0.1Pa/m未満で多孔質基材に塗工する以外は、試験体1と同一の条件とすることにより、ガス分離膜の試験体20を作製した。
<Test piece 20>
The ratio of the mass of PIM-1 to the mass of the solvent was adjusted to 3 mass%, and the mass ratio of the particles to the total mass of the particles and PIM-1 was adjusted to 20 mass%, and further, the coating liquid was applied to the porous substrate at a coating pressure (indentation pressure) of less than 0.1 Pa/ m2 . Except for this, a gas separation membrane specimen 20 was produced under the same conditions as specimen 1.

Figure 0007516174000001
Figure 0007516174000001

[評価]
〈透過型電子顕微鏡(TEM)〉
上記試験体2と上記試験体20とのTEM画像を撮影した。その結果を図3,4に示す。試験体2(塗工圧:0.19Pa)においては、図3からわかるように、分離層(厚さ:約400nm)に接するように多孔質基材の孔内にクラスタ(深さ:約190nm)が形成されていた。これに対し、試験体20(塗工圧:0.1Pa未満)は、図4からわかるように、分離層に粒子が存在するのみで多孔質基材の孔内にクラスタが形成されることはなかった。
[evaluation]
<Transmission electron microscope (TEM)>
TEM images of the specimen 2 and the specimen 20 were taken. The results are shown in Figures 3 and 4. In the specimen 2 (coating pressure: 0.19 Pa), as can be seen from Figure 3, clusters (depth: about 190 nm) were formed in the pores of the porous substrate so as to contact the separation layer (thickness: about 400 nm). In contrast, in the specimen 20 (coating pressure: less than 0.1 Pa), as can be seen from Figure 4, only particles were present in the separation layer, and no clusters were formed in the pores of the porous substrate.

〈ガス透過性及びガス選択性〉
試験体1~20の一方面側及び他方面側を真空雰囲気にした後、試験体1~20の一方面側を酸素雰囲気又は窒素雰囲気にして、試験体1~20の一方面側から他方面側までガスを透過させ、一方面側と他方面側との圧力差がなくなるまでの時間を測定して、ガスの透過速度(透過量)を算出することにより、ガス透過性(透過度)を求めると共に、窒素ガスの透過量に対する酸素ガスの透過量の割合を算出することにより、ガス選択性を求めた。そして、これらの結果から、分離性能を評価した。その結果を表2に示す。
Gas Permeability and Gas Selectivity
After one side and the other side of the test specimens 1 to 20 were evacuated, one side of the test specimens 1 to 20 was evacuated to an oxygen or nitrogen atmosphere, and gas was passed from one side to the other side of the test specimens 1 to 20. The time until the pressure difference between the one side and the other side disappeared was measured, and the gas permeation rate (permeation amount) was calculated to obtain gas permeability (permeability), and the ratio of the oxygen gas permeation amount to the nitrogen gas permeation amount was calculated to obtain gas selectivity. Then, the separation performance was evaluated from these results. The results are shown in Table 2.

なお、表2において、透過性は、10000GPU以上を「◎」(優秀)、1000GPU以上10000GPU未満を「○」(良好)、300GPU以上1000GPU未満を「△」(可)、300GPU未満を「×」(不可)と判定した。また、選択性は、1.20以上を「◎」(優秀)、1.10以上1.20未満を「○」(良好)、1.00超1.10未満を「△」(可)、1.00以下を「×」(不可)と判定した。そして、透過性の判定と選択性の判定とで低い方の判定結果を分離性能の評価とした。 In Table 2, permeability was judged as "◎" (excellent) for 10,000 GPU or more, "○" (good) for 1,000 GPU or more but less than 10,000 GPU, "△" (passable) for 300 GPU or more but less than 1,000 GPU, and "×" (fail) for less than 300 GPU. Selectivity was judged as "◎" (excellent) for 1.20 or more, "○" (good) for 1.10 or more but less than 1.20, "△" (passable) for over 1.00 but less than 1.10, and "×" (fail) for 1.00 or less. The lower of the permeability and selectivity judgments was used as the evaluation of separation performance.

Figure 0007516174000002
Figure 0007516174000002

表2からわかるように、試験体19(基材孔径「中」で粒子「無」)や試験体20(基材孔径「中」でクラスタ「無」)においては、高い選択性を示すものの、透過性が低く、分離性評価が不可となった。他方、試験体16~18(基材孔径「大」で粒子「無」)においては、高い透過性を示すものの、選択性が低く、分離性評価が不可となった。 As can be seen from Table 2, specimen 19 (substrate pore size "medium", no particles) and specimen 20 (substrate pore size "medium", no clusters) showed high selectivity but low permeability, making it impossible to evaluate separation. On the other hand, specimens 16 to 18 (substrate pore size "large", no particles) showed high permeability but low selectivity, making it impossible to evaluate separation.

また、試験体1(基材孔径「中」で粒子量「小」)、試験体6(基材孔径「中」で粒子量「大」)、試験体7(基材孔径「大」で粒子量「小」)においては、高い透過性を示したものの、選択性が低く、分離性評価が不可となった。 In addition, test specimen 1 (substrate pore size "medium" and particle amount "small"), test specimen 6 (substrate pore size "medium" and particle amount "large"), and test specimen 7 (substrate pore size "large" and particle amount "small") showed high permeability, but had low selectivity, making it impossible to evaluate separation.

これに対し、試験体2~5(基材孔径「中」で粒子量「中」)、試験体8~12(基材孔径「大」で粒子量「中~大」)、試験体13~15(基材孔径「小~大」で粒子量「中」)においては、透過性及び選択性の両者共に満足し得る性能を発現し、分離性評価が可以上となった。 In contrast, specimens 2 to 5 (medium substrate pore size and medium particle amount), specimens 8 to 12 (large substrate pore size and medium to large particle amount), and specimens 13 to 15 (small to large substrate pore size and medium particle amount) demonstrated satisfactory performance in both permeability and selectivity, and were rated as acceptable or better in separation.

よって、本発明に係るガス分離膜は、ガス分離性能をより向上できることが確認された。 Therefore, it was confirmed that the gas separation membrane of the present invention can further improve gas separation performance.

本発明に係るガス分離膜及びその製造方法は、窒素ガスと酸素ガスとを分離する場合や、窒素ガスと二酸化炭素ガスとを分離する場合等に適用すると、ガス分離性能をより顕著に向上させることができると共に、それを容易に製造することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。 The gas separation membrane and its manufacturing method according to the present invention can be used to significantly improve gas separation performance when applied to the separation of nitrogen gas and oxygen gas, or the separation of nitrogen gas and carbon dioxide gas, and can also be easily manufactured, making it extremely useful in industry.

100 ガス分離膜
110 多孔質基材
111 孔
120 分離層
130 クラスタ
131 粒子
132 粒子核
133 修飾基
134 空間(ナノスペース)
100 Gas separation membrane 110 Porous substrate 111 Hole 120 Separation layer 130 Cluster 131 Particle 132 Particle core 133 Modification group 134 Space (nanospace)

Claims (13)

多孔質基材と、
前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、
を備え、
前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられ
前記クラスタは、前記多孔質基材の前記孔内に前記分離層の界面から200nm以下の深さまで設けられている
ことを特徴とするガス分離膜。
A porous substrate;
A separation layer made of a gas-permeable polymer material provided so as to cover one surface of the porous substrate;
Equipped with
A plurality of aggregated particle clusters are provided in the pores of the porous substrate so as to contact the separation layer ,
The clusters are provided in the pores of the porous substrate to a depth of 200 nm or less from the interface of the separation layer.
A gas separation membrane characterized by:
多孔質基材と、
前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、
を備え、
前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられ、
前記分離層は、凝集した複数の粒子を含有するものであり、
前記クラスタは、ガス透過性を有する高分子材料中に存在するものである
ことを特徴とするガス分離膜。
A porous substrate;
A separation layer made of a gas-permeable polymer material provided so as to cover one surface of the porous substrate;
Equipped with
A plurality of aggregated particle clusters are provided in the pores of the porous substrate so as to contact the separation layer,
The separation layer contains a plurality of aggregated particles,
The gas separation membrane, wherein the clusters are present in a polymer material having gas permeability.
前記多孔質基材は、10nm以上100nm以下の直径の孔を有している
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガス分離膜。
3. The gas separation membrane according to claim 1, wherein the porous substrate has pores with diameters of 10 nm or more and 100 nm or less.
前記多孔質基材の空隙率は、35%以上85%以下である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のガス分離膜。
The gas separation membrane according to claim 1 , wherein the porosity of the porous substrate is 35% or more and 85% or less.
前記多孔質基材の厚さは、5μm以上50μm以下である
ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載のガス分離膜。
The gas separation membrane according to any one of claims 1 to 4 , wherein the porous substrate has a thickness of 5 µm or more and 50 µm or less.
前記多孔質基材は、ポリテトラフルオロエチレン,ポリエチレン,ポリプロピレン、のうちの少なくとも一種の樹脂からなるものである
ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載のガス分離膜。
6. The gas separation membrane according to claim 1, wherein the porous substrate is made of at least one resin selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyethylene, and polypropylene.
前記分離層の厚さは、50nm以上500nm以下である
ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載のガス分離膜。
The gas separation membrane according to claim 1 , wherein the separation layer has a thickness of 50 nm or more and 500 nm or less.
前記分離層及び前記クラスタの前記高分子材料は、固有微細孔性ポリマ,ポリ(1-トリメチルシリル-1-プロピン),ポリジメチルシロキサン,ポリイミド,ポリカーボネート,ポリエチレンイミン、のうちの少なくとも一種からなるものである
ことを特徴とする請求項に記載のガス分離膜。
3. The gas separation membrane of claim 2, wherein the polymeric material of the separation layer and the clusters is at least one of an intrinsic microporous polymer, poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), polydimethylsiloxane, polyimide, polycarbonate, and polyethyleneimine.
前記分離層及び前記クラスタは、前記粒子が20質量%以上60質量%以下の割合で存在しているものである
ことを特徴とする請求項又はに記載のガス分離膜。
9. The gas separation membrane according to claim 2 or 8 , wherein the particles are present in the separation layer and the clusters at a ratio of 20% by mass to 60% by mass.
前記クラスタ及び前記分離層の前記粒子は、無機材料からなる粒子核の表面に対して修飾基が複数連結した表面修飾粒子である
ことを特徴とする請求項2、8及び9のいずれか一項に記載のガス分離膜。
10. The gas separation membrane according to claim 2, wherein the clusters and the particles of the separation layer are surface-modified particles having a plurality of modifying groups bonded to the surface of a particle core made of an inorganic material.
前記修飾基は、鎖状に延伸する有機分子である
ことを特徴とする請求項10に記載のガス分離膜。
The gas separation membrane according to claim 10 , wherein the modifying group is an organic molecule extending in a chain form.
多孔質基材と、
前記多孔質基材の一方面を被覆するように設けられてガス透過性を有する高分子材料からなる分離層と、
を備え、
前記多孔質基材の孔内には凝集した複数の粒子のクラスタが前記分離層に接するように設けられているガス分離膜の製造方法であって、
前記粒子及び前記高分子材料の原料を溶媒中に添加して混合攪拌して塗工液を作製し、
前記多孔質基材の一方面に前記塗工液を押し込むように塗布した後、
乾燥させることにより製造する
ことを特徴とするガス分離膜の製造方法。
A porous substrate;
A separation layer made of a gas-permeable polymer material provided so as to cover one surface of the porous substrate;
Equipped with
A method for producing a gas separation membrane, wherein clusters of a plurality of aggregated particles are provided in the pores of the porous substrate so as to be in contact with the separation layer,
adding the particles and the raw material of the polymer material to a solvent and mixing and stirring them to prepare a coating liquid;
The coating liquid is applied to one surface of the porous substrate in a pressing manner,
and drying the resulting gas separation membrane.
前記塗工液は、前記溶媒の質量に対して前記高分子材料が2質量%以上5質量%以下の範囲の割合で混合されている
ことを特徴とする請求項12に記載のガス分離膜の製造方法。
The method for producing a gas separation membrane according to claim 12 , wherein the coating liquid contains the polymer material at a ratio of 2% by mass to 5% by mass relative to the mass of the solvent.
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