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JP7570634B2 - Polymer composite thin film and method for producing the same - Google Patents
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Description

本発明は、主に高分子材料を含む高分子複合薄膜、特に高い機能性を備えるとともに膜強度を大幅に向上させた高分子複合薄膜に関する。 The present invention relates to a polymer composite thin film that mainly contains a polymer material, and in particular to a polymer composite thin film that has high functionality and significantly improved film strength.

昨今、有機・無機ナノ膜への関心が高まっている。無機系においては無機の炭素化合物であるGrapheneの特異な物性が世界的に注目され、国際的な開発競争は一挙に激しくなった。この傾向は更にMoSなど他のナノ厚みを持つ無機材料にも広がり、現在では2次元材料として新しい研究分野を生み出すに至っている。 Recently, interest in organic and inorganic nano-membranes has been growing. In the inorganic field, the unique properties of graphene, an inorganic carbon compound, have attracted worldwide attention, and the international development race has suddenly intensified. This trend has also spread to other inorganic materials with nano-thickness, such as MoS2 , and has now created a new research field as a two-dimensional material.

一方、有機系では、ナノオーダの厚みを持つ生体膜について、生化学的、生物物理学的な立場からの研究が膨大である。また産業資材としての有機ナノ膜については2次元材料としてのユニークな特性が期待できるが、実用化を推し進めるうえでは、大面積化、無欠陥、自立性、構造安定性などの実現が必要条件となる。 On the other hand, in the case of organic systems, there has been a huge amount of research from biochemical and biophysical standpoints on biomembranes with nano-order thicknesses. In addition, organic nanomembranes as industrial materials are expected to have unique properties as two-dimensional materials, but in order to promote practical use, it is necessary to realize large areas, no defects, self-supporting properties, structural stability, etc.

産業資材としての有機ナノ膜の一例として、ナノオーダの厚みを活かしての優れた分離膜の開発に期待が寄せられている。分離膜による分離機能を最大限に発揮するには、高い透過性を確保する観点からできるだけ膜厚を薄くすることが望ましい。しかしその場合、機械的強度が低下して膜として脆弱となり実用に耐えない可能性が大きい。即ち機能的観点に基づき分離膜を薄く構成することと機械的強度との間にはトレードオフの関係がある。この課題を解決するには、膜厚を限界まで薄く構成した機能膜を、その機能を妨げることのない強靭な支持および骨格構造と組み合わせることが有効と考えられる。 As an example of organic nanomembranes as industrial materials, there are high hopes for the development of excellent separation membranes that take advantage of nano-order thicknesses. In order to maximize the separation function of a separation membrane, it is desirable to make the membrane as thin as possible from the perspective of ensuring high permeability. However, in that case, there is a high possibility that the mechanical strength will decrease and the membrane will become fragile and unsuitable for practical use. In other words, there is a trade-off between making the separation membrane thin from a functional perspective and its mechanical strength. To solve this problem, it is thought to be effective to combine a functional membrane that is as thin as possible with a strong support and skeletal structure that does not interfere with its function.

さて、このような高分子複合薄膜に関する技術として、架橋セルロース樹脂及びセルロースナノファイバーを含有してなるガス分離層を有するガス分離膜であって、架橋セルロース樹脂は、架橋構造中に、-O-M-O--S-M-S--NRC(=O)--NRC(=O)NR-O-CH-O--S-(CH-S--OC(=O)O--SO (R及び-P(=O)(OH)O(Rからなる群から選ばれる少なくとも1種の連結構造を有し、ガス分離層が有機溶媒を10ppm~5000ppm含有する、ガス分離膜(式中、Mは2~4価の金属原子を表し、R、R、R及びRはそれぞれ独立に、水素原子又はアルキル基を表す。は連結部位を示す。)が知られている。(特許文献1) A technology relating to such a polymer composite thin film is a gas separation membrane having a gas separation layer containing a crosslinked cellulose resin and cellulose nanofibers, in which the crosslinked cellulose resin has, in its crosslinked structure, the following groups: * -O-M-O- * , * -S-M-S- * , * -NR a C(=O)- * , * -NR b C(=O)NR b- * , * -O-CH 2 -O- * , * -S-(CH 2 ) 2 -S- * , * -OC(=O)O- * , * -SO 3 - N + (R c ) 3 - * and * -P(=O)(OH)O - N + (R d ) 3 - A gas separation membrane (wherein M represents a divalent to tetravalent metal atom, and R a , R b , R c and R d each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group; * represents a linking site ) is known, which has at least one linking structure selected from the group consisting of the following:

特許文献1によれば、架橋構造中に特定の連結構造を有する架橋セルロース樹脂を用いてガス分離層を形成したガス分離膜とすることで、優れたガス透過性とともに優れたガス分離選択性をも有し、高温、高圧且つ高湿条件下で使用しても可塑化しにくく優れたガス分離性能を示し、天然ガス中に存在する不純物成分であるトルエン等の影響も受けにくく、耐折性に優れ種々のモジュール形態への加工が可能であり、しかも高い歩留りで製造することができ、更に使用開始初期から安定したガス分離性能を示すガス分離膜を提供することができるとしている。 According to Patent Document 1, by forming a gas separation membrane with a gas separation layer using a cross-linked cellulose resin having a specific linking structure in the cross-linked structure, it is possible to provide a gas separation membrane that has excellent gas permeability as well as excellent gas separation selectivity, is resistant to plasticization even when used under high temperature, high pressure and high humidity conditions, exhibits excellent gas separation performance, is less susceptible to the effects of toluene and other impurities present in natural gas, has excellent folding resistance, can be processed into various module shapes, can be manufactured with a high yield, and further exhibits stable gas separation performance from the beginning of use.

特許第6349026号公報Patent No. 6349026

しかしながら、特許文献1に記載された技術によれば、ガス分離膜を構成するガス分離層にはセルロースナノファイバーが添加されてもよいとされ、ガス分離層の厚みは、50nm~1μmが好ましいとされているものの、架橋セルロース樹脂を含むガス分離層は、ガス透過性の支持層(多孔質層)の上側に形成されることを前提としている。より具体的には、ガス分離層と多孔質層を併せ持つ複合膜は、多孔質の支持体の少なくとも表面に、ガス分離層をなす成分(セルロース樹脂及び架橋剤)を含む塗布液(ドープ)を塗布することで形成される。このような構成とすることで、結果的にガス分離膜の厚みは10μm~200μmとなっている。 However, according to the technology described in Patent Document 1, cellulose nanofibers may be added to the gas separation layer constituting the gas separation membrane, and the thickness of the gas separation layer is preferably 50 nm to 1 μm, but it is assumed that the gas separation layer containing crosslinked cellulose resin is formed on the upper side of a gas-permeable support layer (porous layer). More specifically, a composite membrane having both a gas separation layer and a porous layer is formed by applying a coating liquid (dope) containing the components constituting the gas separation layer (cellulose resin and crosslinking agent) to at least the surface of a porous support. With this configuration, the resulting gas separation membrane has a thickness of 10 μm to 200 μm.

即ち、特許文献1に記載されたガス分離層は、多孔質層の上に形成されることでガス分離膜として機能しており、当該ナノオーダの厚みを有するガス分離層が単独で自立してガス分離膜を構成しうること、そしてこのガス分離膜がガス分離機能を発揮しうる点については何ら示唆されていない。 In other words, the gas separation layer described in Patent Document 1 functions as a gas separation membrane by being formed on a porous layer, and there is no suggestion that the gas separation layer having a nano-order thickness can independently constitute a gas separation membrane, or that this gas separation membrane can exhibit a gas separation function.

また、当該多孔質層は例えば有機高分子の多孔質膜で構成されているが、この多孔質層の空隙以外の部分についてのガス透過性については何ら言及されておらず、多孔質層が介在することでガス分離膜のトータルとしてのガス透過性を低下させる可能性もある。 In addition, the porous layer is composed of, for example, a porous membrane of an organic polymer, but there is no mention of the gas permeability of the parts of this porous layer other than the voids, and the presence of the porous layer may reduce the overall gas permeability of the gas separation membrane.

更に、特許文献1に記載されたガス分離膜は、ガス分離層を架橋構造中に特定の連結構造を有する架橋セルロース樹脂で構成するために、架橋剤として特定の金属錯体を用い、セルロース樹脂との間の配位子交換反応により金属架橋を形成している。この場合、塗布液中のセルロース樹脂と架橋剤としての金属錯体との濃度を一定以下とすることにより塗布液中における配位子交換反応を抑え、更にこの塗布液を多孔質支持層上に薄膜塗布することにより、急激な溶媒の蒸発に伴い配位子交換反応を素早く進行させて、セルロース樹脂に金属架橋構造を形成している。このためガス分離層のミクロな構造が複雑となり、結果として製造工程も複雑なものとなる。 Furthermore, in the gas separation membrane described in Patent Document 1, in order to construct the gas separation layer from a cross-linked cellulose resin having a specific linking structure in the cross-linked structure, a specific metal complex is used as a cross-linking agent, and a metal bridge is formed by a ligand exchange reaction with the cellulose resin. In this case, the concentration of the cellulose resin and the metal complex as a cross-linking agent in the coating solution is set to a certain level or less to suppress the ligand exchange reaction in the coating solution, and further, by coating this coating solution as a thin film on a porous support layer, the ligand exchange reaction is quickly promoted with the rapid evaporation of the solvent, forming a metal bridge structure in the cellulose resin. This results in a complex microstructure of the gas separation layer, and as a result, the manufacturing process is also complex.

本発明は、このような従来技術の課題を解決するべく案出されたものであり、柔軟な機能性を備えるナノ膜と機械的強度に優れたナノ支持体を組み合わせる(複合化する)といったより簡易な構成により、極めて薄く構成されることで高機能性であり且つ実用的な構造安定性(自立性)を有する高分子複合薄膜を提供することを目的とする。 The present invention was devised to solve these problems with the conventional technology, and aims to provide a polymer composite thin film that is highly functional and has practical structural stability (self-supporting properties) due to its extremely thin structure, using a simpler configuration that combines (combines) a nanomembrane with flexible functionality and a nanosupport with excellent mechanical strength.

前記課題を解決するためになされた本発明は、膜厚が100nm以下の高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化されたことで自立性を有することを特徴とする高分子複合薄膜である。 The present invention, which has been made to solve the above problems, is a polymer composite thin film that is characterized by being self-supporting due to the fact that a polymer thin film having a thickness of 100 nm or less is composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the thickness of the polymer thin film.

これによって、高分子薄膜に自立性がない場合であっても、高い機能性と高い機械的強度とを兼ね備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 This makes it possible to obtain a polymer composite thin film that combines high functionality and high mechanical strength, even if the polymer thin film is not self-supporting.

また、本発明は、膜厚が100nm以下の自立性を有する高分子薄膜が、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と複合化された高分子複合薄膜である。 The present invention also relates to a polymer composite thin film in which a self-supporting polymer thin film having a thickness of 100 nm or less is composited with a fibrous structure having a diameter smaller than the thickness of the polymer thin film.

これによって、高分子薄膜自体に自立性がある場合にあっては、高い機能性と更に高い機械的強度とを兼ね備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 This makes it possible to obtain a polymer composite thin film that combines high functionality with even higher mechanical strength, provided that the polymer thin film itself is self-supporting.

また、本発明は、前記繊維状構造物が有機高分子で構成されているものである。 In addition, the present invention relates to a fibrous structure that is composed of an organic polymer.

これによって、高分子複合薄膜をより低コストで製造することが可能となる。 This makes it possible to produce polymer composite thin films at lower cost.

また、本発明は、前記繊維状構造物をセルロースナノファイバーとしたものである。 The present invention also provides a fibrous structure in the form of cellulose nanofiber.

これによって、セルロースナノファイバーの材料コストは極めて小さいことから、高分子複合薄膜をより低コストで製造することが可能となる。 As a result, since the material cost of cellulose nanofibers is extremely low, it becomes possible to produce polymer composite thin films at lower cost.

また、本発明は、前記高分子薄膜を、主にポリシロキサンで構成したものである。 In addition, the present invention is such that the polymer thin film is mainly composed of polysiloxane.

これによって、一般にポリシロキサンで構成された薄膜は自立性を備えることから、より機械的強度に優れる高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 As a result, since thin films made of polysiloxane generally have self-supporting properties, it is possible to obtain polymer composite thin films with superior mechanical strength.

また、本発明は、前記高分子薄膜を、主に架橋性高分子で構成したものである。 In addition, the present invention is such that the polymer thin film is mainly composed of a crosslinkable polymer.

これによって、より一般的な高分子材料であるエポキシ樹脂等の架橋性高分子を用いることによっても、高い機能性と高い機械的強度とを備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 This makes it possible to obtain a polymer composite thin film with high functionality and high mechanical strength even by using cross-linkable polymers such as epoxy resins, which are more common polymer materials.

また、本発明は、前記高分子薄膜がガス分離性を備えるものである。 In addition, the present invention provides that the polymer thin film has gas separation properties.

これによって、高分子複合薄膜で気体から所定のガスを除去することが可能となる。 This makes it possible to remove specific gases from a gas stream using a polymer composite thin film.

また、本発明は、前記高分子薄膜が、二酸化炭素を選択的に透過するものである。 In addition, the present invention provides a polymer thin film that selectively allows carbon dioxide to pass through.

これによって、高分子複合薄膜を用いて気体から二酸化炭素を除去(分離)することが可能となる。 This makes it possible to remove (separate) carbon dioxide from a gas using a polymer composite thin film.

また、本発明は、前記高分子薄膜が、空気中の酸素と窒素とを分離するものである。 In addition, the present invention has a polymer thin film that separates oxygen and nitrogen in the air.

これによって、高分子複合薄膜は空気分離膜として機能し、空気中の酸素濃度や窒素濃度を増加、あるいは低減することが可能となる。 This allows the polymer composite thin film to function as an air separation membrane, making it possible to increase or decrease the oxygen or nitrogen concentration in the air.

このように本発明によれば、高い機能性と高い機械的強度とを備える高分子複合薄膜を得ることが可能となる。 In this way, the present invention makes it possible to obtain a polymer composite thin film that has high functionality and high mechanical strength.

(a)~(d)は、本発明に係る高分子複合薄膜1の構成を示す説明図1(a) to 1(d) are explanatory diagrams showing the structure of a polymer composite thin film 1 according to the present invention. (a)~(d)は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムに対して同一負荷を加えた際のフィルムの撓みを示す写真Photographs (a) to (d) show the deflection of the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1 when the same load was applied to the films. 比較例1及び実施例1で得られたフィルムにおける応力(σ)及びたわみ(ε)の関係を示すグラフGraph showing the relationship between stress (σ) and deflection (ε) in the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1 円形損傷が発生したCNF/PDMSフィルムの外観を示す写真Photograph showing the appearance of a CNF/PDMS film with circular damage.

図1(a)~(d)は、本発明に係る高分子複合薄膜1の構成を示す説明図である。以降、図1を用いて本発明の実施形態について説明する。高分子複合薄膜1は、高分子薄膜2と繊維状構造物としてのセルロースナノファイバー3とから構成されている。 Figures 1(a) to (d) are explanatory diagrams showing the structure of a polymer composite thin film 1 according to the present invention. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to Figure 1. The polymer composite thin film 1 is composed of a polymer thin film 2 and cellulose nanofibers 3 as fibrous structures.

図1(a)~(d)に示すように、高分子複合薄膜1は高分子薄膜2の膜内にセルロースナノファイバー3を包含する構成を有している。具体的には、図1(a),同(b)に示すように、セルロースナノファイバー3が全て高分子薄膜2の内部に含まれるとともに、高分子薄膜2が構成する面の一方の側にセルロースナノファイバー3が偏在する態様、同(c)に示すように、セルロースナノファイバー3の一部が高分子薄膜2の外部に露出する態様、あるいは同(d)に示すように、セルロースナノファイバー3が全て高分子薄膜2の内部に含まれるとともに、セルロースナノファイバー3が高分子薄膜2の膜内に均一に分散された態様のいずれであってもよい。 As shown in Figures 1(a) to (d), the polymer composite thin film 1 has a structure in which cellulose nanofibers 3 are contained within the polymer thin film 2. Specifically, as shown in Figures 1(a) and 1(b), the cellulose nanofibers 3 may all be contained within the polymer thin film 2 and be unevenly distributed on one side of the surface of the polymer thin film 2, as shown in Figure 1(a) and 1(b), or part of the cellulose nanofibers 3 may be exposed to the outside of the polymer thin film 2 as shown in Figure 1(c), or the cellulose nanofibers 3 may all be contained within the polymer thin film 2 and be uniformly dispersed within the polymer thin film 2 as shown in Figure 1(d).

このように本実施形態の高分子複合薄膜1は高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とが複合化された構成を備える。有機高分子であるセルロースナノファイバー3は小繊維(繊維状構造物)としてのフィブリルを形成している。フィブリルは材料としての機械的強度が高く、高分子薄膜2と複合化することで、高分子複合薄膜1は極めて高い機械的強度を発現する。またセルロースナノファイバー3は資源として豊富な木材等から機械的解繊等によって低コストで製造され、更に植物繊維であることから環境にも配慮した材料である。 In this way, the polymer composite thin film 1 of this embodiment has a configuration in which the polymer thin film 2 and the cellulose nanofibers 3 are composited. The cellulose nanofibers 3, which are organic polymers, form fibrils as small fibers (fibrous structures). Fibrils have high mechanical strength as a material, and by being composited with the polymer thin film 2, the polymer composite thin film 1 exhibits extremely high mechanical strength. Furthermore, the cellulose nanofibers 3 are manufactured at low cost by mechanical defibration from abundant resources such as wood, and are also environmentally friendly materials as they are plant fibers.

高分子薄膜2を構成する材料としては、例えばビニル高分子、ポリシロキサン、架橋性高分子を好適に用いることができる。ここでビニル高分子やポリシロキサンは、例えばガス分離性といった機能性を有効に発揮しうる膜厚(例えば100nm以下)において、材料単独では機械的強度(自立性)を確保できないとされている。この場合、ビニル高分子やポリシロキサンを主成分とする高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とを複合化することで、これらを成分とする高分子複合薄膜1の機能性と自立性とを両立することが可能となる。 As materials for the polymer thin film 2, for example, vinyl polymers, polysiloxanes, and cross-linked polymers can be suitably used. Here, it is said that vinyl polymers and polysiloxanes alone cannot ensure the mechanical strength (self-supporting) at a film thickness (for example, 100 nm or less) at which functionality such as gas separation can be effectively exhibited. In this case, by combining the polymer thin film 2, which is mainly composed of vinyl polymers or polysiloxanes, with cellulose nanofibers 3, it is possible to achieve both functionality and self-supporting properties of the polymer composite thin film 1, which is composed of these components.

他方架橋性高分子は、機能性を有効に発揮しうる膜厚(ビニル高分子やポリシロキサンと同様に、例えば100nm以下)においても材料単独で自立性を備えるとされている。ここで、架橋性高分子(架橋高分子)とは、複数の線状高分子鎖を化学反応で結合させることで三次元的な網目構造(架橋構造)を備える高分子をいい、例えば官能基としてのエポキシ基とアミノ基とが化学反応によって架橋したエポキシ樹脂を含む。 On the other hand, cross-linked polymers are considered to be self-supporting materials even at film thicknesses where their functionality can be effectively demonstrated (for example, 100 nm or less, similar to vinyl polymers and polysiloxanes). Here, a cross-linked polymer refers to a polymer that has a three-dimensional network structure (cross-linked structure) formed by bonding multiple linear polymer chains through a chemical reaction, and includes, for example, epoxy resins in which epoxy and amino groups as functional groups are cross-linked through a chemical reaction.

なお、エポキシ樹脂については、膜厚を20nmに構成した自立性を備える高分子薄膜の例が、「A Large, Freestanding, 20nm Thick Nanomembrane Based on an Epoxy Resin, H. Watanabe T. Kunitake, Volume19, Issue7, Pages 909-912, 2007」
(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200601630)
に掲載されている。
As for epoxy resin, an example of a self-supporting polymer thin film having a thickness of 20 nm is described in "A Large, Freestanding, 20 nm Thick Nanomembrane Based on an Epoxy Resin, H. Watanabe, T. Kunitake, Volume 19, Issue 7, Pages 909-912, 2007."
(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200601630)
It is published in.

架橋性高分子を主成分とする高分子薄膜2とセルロースナノファイバー3とを複合化することで、これらを成分とする高分子複合薄膜1は機能性とともに更に強靭な機械的強度を確保することが可能となる。 By combining a polymer thin film 2, whose main component is a cross-linkable polymer, with cellulose nanofibers 3, the polymer composite thin film 1, which contains these components, can ensure functionality as well as even greater mechanical strength.

さて、本実施形態では高分子薄膜2の膜厚D2は100nm以下とされている。高分子薄膜2の膜厚D2を100nm以下とすることで、高分子複合薄膜1の機能性(ここではガス分離性)を大幅に高めることが可能となる。更に、本実施形態では高分子複合薄膜1の膜厚D1も100nm以下とされている。 In this embodiment, the thickness D2 of the polymer thin film 2 is set to 100 nm or less. By setting the thickness D2 of the polymer thin film 2 to 100 nm or less, it is possible to significantly improve the functionality (here, gas separation properties) of the polymer composite thin film 1. Furthermore, in this embodiment, the thickness D1 of the polymer composite thin film 1 is also set to 100 nm or less.

即ち、図1(a),(b),(d)の構成においてセルロースナノファイバー3を膜内に完全に包含する高分子薄膜2は高分子複合薄膜1そのものであることから高分子複合薄膜1の膜厚D1=高分子薄膜2の膜厚D2であり、図1(c)のようにセルロースナノファイバー3の一部が高分子薄膜2から露出する構成においては、高分子複合薄膜1の膜厚D1>高分子薄膜2の膜厚D2である。 In other words, in the configurations of Figures 1(a), (b), and (d), the polymer thin film 2 that completely encapsulates the cellulose nanofibers 3 within the film is the polymer composite thin film 1 itself, so the thickness D1 of the polymer composite thin film 1 = the thickness D2 of the polymer thin film 2, and in the configuration in which part of the cellulose nanofibers 3 is exposed from the polymer thin film 2 as in Figure 1(c), the thickness D1 of the polymer composite thin film 1 > the thickness D2 of the polymer thin film 2.

セルロースナノファイバー3は高分子薄膜2の膜厚よりも小さい直径(例えば4nm~90nm)を備える。セルロースナノファイバー3の直径を高分子薄膜2の膜厚より小さくすることにより高分子薄膜2の機能性が十分に発揮される。逆にセルロースナノファイバー3の直径を高分子薄膜2の膜厚以上のサイズとすると、膜の実質的な表面積が減少することで、機能性を発揮することが困難となる。 The cellulose nanofibers 3 have a diameter (e.g., 4 nm to 90 nm) smaller than the thickness of the polymer thin film 2. By making the diameter of the cellulose nanofibers 3 smaller than the thickness of the polymer thin film 2, the functionality of the polymer thin film 2 is fully exhibited. Conversely, if the diameter of the cellulose nanofibers 3 is made larger than the thickness of the polymer thin film 2, the effective surface area of the film is reduced, making it difficult to exhibit its functionality.

なお、図1では、同一の繊維長をなすセルロースナノファイバー3が特定の方向に整列しているように記載されているが、あくまでも模式的に記載したにすぎない。実際はセルロースナノファイバー3の繊維長は様々(5μm以上)であり、更にセルロースナノファイバー3はあらゆる方向に配向し、複雑に絡み合った状態で高分子薄膜2に包含されている。 In Figure 1, the cellulose nanofibers 3 of the same fiber length are shown aligned in a specific direction, but this is merely a schematic representation. In reality, the fiber lengths of the cellulose nanofibers 3 vary (5 μm or more), and the cellulose nanofibers 3 are oriented in all directions and are contained in the polymer thin film 2 in a complex entangled state.

さて、本実施形態では繊維状構造物として、酸化セルロースナノファイバー(酸化CNF)、セルロースナノファイバー3と酸化セルロースナノファイバーとの混合物など有機高分子であるセルロースナノファイバー類を好適に用いることが可能であるが、繊維状構造物として他の有機高分子を用いてもよい。他の有機高分子としては、例えば、電解紡糸等の製法で作成される高分子、微細な繊維が束になり血液凝固に関わるタンパク質であるフィブリン、ペプチド、コラーゲン等を用いることができ、更に、デオキシリボ核酸(DNA:deoxyribonucleic acid)やリボ核酸(RNA:ribonucleic acid)を用いてもよい。 In this embodiment, cellulose nanofibers, which are organic polymers, such as oxidized cellulose nanofibers (oxidized CNF) and a mixture of cellulose nanofibers 3 and oxidized cellulose nanofibers can be preferably used as the fibrous structure, but other organic polymers may also be used as the fibrous structure. Examples of other organic polymers that can be used include polymers produced by manufacturing methods such as electrospinning, fibrin, which is a protein formed by bundling fine fibers and is involved in blood clotting, peptides, collagen, etc., and further, deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) may also be used.

ここで、例えば繊維状構造物としてDNAを採用した場合、DNAは直径2nmの繊維であるから、高分子複合薄膜1の膜厚が2nmより大きければ、機能性と機械的強度とを両立できることとなる。即ち、本発明に係る高分子複合薄膜1の膜厚は繊維状構造物を選択することで、2nm~100nmの範囲をとり得る。また、繊維状構造物をセルロースナノファイバー3に限定した場合であっても、膜厚は4nm~100nmの範囲をとり得る。 Here, for example, if DNA is used as the fibrous structure, since DNA is a fiber with a diameter of 2 nm, if the thickness of the polymer composite thin film 1 is greater than 2 nm, functionality and mechanical strength can be achieved at the same time. In other words, the thickness of the polymer composite thin film 1 according to the present invention can be in the range of 2 nm to 100 nm by selecting the fibrous structure. Even if the fibrous structure is limited to cellulose nanofibers 3, the thickness can be in the range of 4 nm to 100 nm.

以下、本発明の実施例1について説明する。まずセルロースナノファイバー3(以降「CNF」と称することがある。)(中越パルプ工業製,Nanoforest-S(Nanoforestは登録商標))が0.11重量パーセントのCNF分散液を作製し、これにイオン交換水を加えて、所定CNF濃度のCNF水溶液を調製し、以降の操作に用いた。 Below, we will explain Example 1 of the present invention. First, a CNF dispersion containing 0.11 weight percent cellulose nanofiber 3 (hereinafter sometimes referred to as "CNF") (manufactured by Chuetsu Pulp Industries, Nanoforest-S (Nanoforest is a registered trademark)) was prepared, and ion-exchanged water was added to this to prepare a CNF aqueous solution with a specified CNF concentration, which was used in the subsequent operations.

これとは別に、ポリシロキサンの一つであるポリジメチルシリコーン(PDMS)樹脂(東レダウコーニング製,SYLGARD184(SYLGARDは登録商標))の主剤及び硬化剤を10:1の割合で混合し、これにヘキサンを加えて、10重量パーセントのPDMS/ヘキサン溶液を調製した。これに所定量のヘキサンを加え、異なる濃度のPDMS/ヘキサン溶液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Separately, a base material of polydimethylsilicone (PDMS) resin (a type of polysiloxane, SYLGARD184 (SYLGARD is a registered trademark) manufactured by Dow Corning Toray) and a curing agent were mixed in a ratio of 10:1, and hexane was added to this to prepare a 10 weight percent PDMS/hexane solution. A specified amount of hexane was added to this to prepare PDMS/hexane solutions of different concentrations, which were used in the subsequent operations.

高分子複合薄膜1の作製に先立ち、まずポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)してPHS層を形成した後に乾燥させ、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。 Prior to the preparation of polymer composite thin film 1, a polyhydroxystyrene (PHS)/ethanol solution (15 weight percent) was first spin-coated (3,000 rpm/1 min) onto a glass substrate to form a PHS layer, which was then dried. The substrate was then treated with oxygen plasma to make the surface hydrophilic.

この基板上に、上述操作で作製したCNF水溶液をスピンコートし、次いでPDMS/ヘキサン溶液をスピンコート後、この基板を100℃で30分加熱した。 The CNF aqueous solution prepared by the above procedure was spin-coated onto this substrate, then the PDMS/hexane solution was spin-coated, and the substrate was then heated at 100°C for 30 minutes.

室温まで放冷後、この基板をエタノール(剥離液)に浸漬し、剥離液中において基板よりフィルムを剥離した。このようにして得られたフィルム(高分子複合薄膜1)を以降、CNF/PDMSフィルムと呼ぶ。このCNF/PDMSフィルムを、カプトンフィルムを用いて作製された同心円状円形フレームに固定し、該フィルムを剥離液から取り出した。同心円状円形フレームに固定されたCNF/PDMSフィルムには欠陥もなく、自立性を備えることが目視により確認された。 After cooling to room temperature, the substrate was immersed in ethanol (a stripping solution), and the film was peeled off from the substrate in the stripping solution. The film thus obtained (polymer composite thin film 1) is hereafter referred to as the CNF/PDMS film. This CNF/PDMS film was fixed to a concentric circular frame made of Kapton film, and the film was removed from the stripping solution. It was visually confirmed that the CNF/PDMS film fixed to the concentric circular frame had no defects and was self-supporting.

なお、後述するバルジ試験に用いるため、上述の工程において、CNF水溶液の回転塗布操作(以下、「CNFスピンコート操作」と称することがある。)を行う回数を変えた複数のサンプルを得た。 In addition, in order to use in the bulge test described below, several samples were obtained by varying the number of times the spin coating operation of the CNF aqueous solution (hereinafter sometimes referred to as the "CNF spin coating operation") was performed in the above process.

なお、比較例1として、CNFスピンコート操作を行わず、PHSが塗布されたガラス基板上に直接PDMS層を形成したフィルムを作製した。これを以降、PDMSフィルムと呼ぶ。 As a comparative example 1, a film was produced in which a PDMS layer was formed directly on a glass substrate coated with PHS without performing the CNF spin coating operation. Hereafter, this film will be referred to as the PDMS film.

実施例1として作成したフィルム及び比較例1の機械的強度をバルジ試験にて評価した。試験に用いたフィルムは、比較例1として(i)PDMSフィルム、実施例1で作成したサンプルとして、(ii)CNFスピンコート操作を1回行ってその上にPDMSスピンコートして得られたフィルム(CNF/PDMSフィルム)、(iii)CNFスピンコート操作を5回行ってその上にPDMSスピンコートして得られたフィルム(CNF―5/PDMSフィルム)、(iv)CNFスピンコート操作を10回行ったフィルム(CNF-10/PDMSフィルム)の4種類である。 The mechanical strength of the film prepared as Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated by a bulge test. The films used in the test were four types: (i) PDMS film as Comparative Example 1, (ii) a film obtained by performing a single CNF spin coating operation and then spin coating PDMS on top of that (CNF/PDMS film), (iii) a film obtained by performing five CNF spin coating operations and then spin coating PDMS on top of that (CNF-5/PDMS film), and (iv) a film obtained by performing ten CNF spin coating operations (CNF-10/PDMS film).

実施例1で作成した(ii)~(iv)の高分子複合薄膜1の膜厚はいずれも100nm以下であり、具体的には50nm~75nmの範囲であった。なお、比較例1としての(i)PDMSフィルムは例外的に膜厚150nmで成膜した。これは(i)PDMSフィルムの膜厚を実施例1で得た他のサンプルと同等の50nm~75nmにした場合、空気中に取り出すと直ちに破断してしまい(自立性がない)、実施例1との対比を行うことができないためである。 The film thicknesses of the polymer composite thin films 1 (ii) to (iv) created in Example 1 were all 100 nm or less, specifically in the range of 50 nm to 75 nm. The PDMS film (i) used as Comparative Example 1 was exceptionally formed to a film thickness of 150 nm. This is because if the film thickness of the PDMS film (i) was set to 50 nm to 75 nm, the same as the other samples obtained in Example 1, it would break immediately when taken out into air (it would not be self-supporting), and a comparison with Example 1 would not be possible.

比較例1及び実施例1で作成したサンプルを円筒ガラス管の底面に貼り付け、そのガラス管の上側からイオン交換水を滴下してフィルムに対して重量を負荷し、その重量負荷により膨張した(たわんだ)フィルム形状から、応力(σ)とひずみ(ε)を算出した。 The samples prepared in Comparative Example 1 and Example 1 were attached to the bottom surface of a cylindrical glass tube, and ion-exchanged water was dripped from the top of the glass tube to apply a weight to the film. The stress (σ) and strain (ε) were calculated from the shape of the film that expanded (warped) due to the weight load.

図2(a)~(d)は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムに対して同一負荷を加えた際のフィルムの撓みを示す写真である。具体的には比較例1と実施例1とに対して同一負荷(水:3.5mL導入時、液圧:約437Pa)を加えた時の、フィルム撓みを観察した。ここで図2(a)はPDMSフィルム、同(b)はCNF/PDMSフィルム、同(c)はCNF―5/PDMSフィルム、同(d)はCNF-10/PDMSフィルムの状態を示している。 Figures 2(a) to (d) are photographs showing the deflection of the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1 when the same load was applied. Specifically, the film deflection was observed when the same load (water: 3.5 mL introduced, liquid pressure: approximately 437 Pa) was applied to Comparative Example 1 and Example 1. Here, Figure 2(a) shows the state of the PDMS film, (b) the state of the CNF/PDMS film, (c) the state of the CNF-5/PDMS film, and (d) the state of the CNF-10/PDMS film.

図3は、比較例1及び実施例1で得られたフィルムにおける応力(σ)及びたわみ(ε)の関係を示すグラフである。図3においては、具体的には各フィルムに対する負荷圧力、フィルム半径、膜厚、撓み長、撓み時のフィルム弧長から算出した応力(σ)及びたわみ(ε)の関係が示されている。 Figure 3 is a graph showing the relationship between stress (σ) and deflection (ε) in the films obtained in Comparative Example 1 and Example 1. Specifically, Figure 3 shows the relationship between stress (σ) and deflection (ε) calculated from the load pressure for each film, film radius, film thickness, deflection length, and film arc length when deflected.

図2、図3より、実施例1で得られたCNFとPDMSとが層状になったフィルム(製造条件に応じて図1(a)~(c)いずれかに示す構成を備える)では明らかに、水圧負荷時のフィルム撓みに違いが見え、CNF導入量の増加とともに撓み量も減少した。またCNFの層数の増加に従い、応力も増加(逆にたわみは減少)していることから、CNF導入によりフィルム全体の機械的強度の向上が確認された。 Figures 2 and 3 show that the film obtained in Example 1, in which CNF and PDMS are layered (having the configuration shown in either Figure 1 (a) to (c) depending on the manufacturing conditions), clearly shows a difference in the film's deflection when subjected to water pressure load, with the amount of deflection decreasing as the amount of CNF introduced increases. In addition, as the number of CNF layers increases, the stress also increases (and conversely, the deflection decreases), confirming that the introduction of CNF improves the mechanical strength of the entire film.

図4は、円形損傷が発生したCNF/PDMSフィルムの外観を示す写真である。なお円形損傷は、CNF/PDMSフィルムに対して鋭利な先端を備える針を刺して作成したものである。図4に示すように、このCNF/PDMSフィルムに何らかの外的損傷が加わっても、その損傷が全体に広がることなく、一部にとどまっていた。更に、CNF-5/PDMSフィルム、CNF-10/PDMSフィルムに対して円形損傷を生じさせた場合も、同様であった。 Figure 4 is a photograph showing the appearance of a CNF/PDMS film on which circular damage had occurred. The circular damage was created by piercing the CNF/PDMS film with a needle with a sharp tip. As shown in Figure 4, even when some kind of external damage was inflicted on this CNF/PDMS film, the damage was limited to a part of the film and did not spread over the entire film. Furthermore, the same was true when circular damage was created on the CNF-5/PDMS film and the CNF-10/PDMS film.

他方、PDMSフィルムでは、このような損傷を形成した場合は、一瞬でフィルム全体が収縮・破断し、フィルム構造を保持できない。実施例1の他の評価結果とも合わせて考えると、この得られた高分子複合薄膜1中にCNFが存在していると判断できる。またCOとNとの選択性はいずれも10程度を保持していた。PDMSフィルム単独の場合、CO/N選択性は10から11程度(参考文献:Shigenori Fujikawa, Miho Ariyoshi, Roman Selyanchyn, Toyoki Kunitake, Chemistry Letters, 2019, Vol.48, No.11, 1351-1354)であることを踏まえると、作製されたフィルムにはいずれもガスリークをするような欠陥はないと言える。 On the other hand, in the case of a PDMS film, if such damage is formed, the entire film shrinks and breaks in an instant, and the film structure cannot be maintained. Considering this together with the other evaluation results of Example 1, it can be determined that CNF is present in the obtained polymer composite thin film 1. In addition, the selectivity for CO 2 and N 2 was maintained at about 10. In the case of a PDMS film alone, the CO 2 /N 2 selectivity is about 10 to 11 (References: Shigenori Fujikawa, Miho Ariyoshi, Roman Selyanchyn, Toyoki Kunitake, Chemistry Letters, 2019, Vol. 48, No. 11, 1351-1354), so it can be said that none of the films produced have defects that cause gas leakage.

以下、本発明の実施例2について説明する。実施例1で作成したCNFが0.11重量バーセントのCNF分散液に更にイオン交換水を加え、異なるCNF濃度の希釈溶液を調製した。調製された複数の希釈溶液を用いてCNF/PDMSフィルムを作成した。実施例2で得られた高分子複合薄膜1としてのCNF/PDMSフィルムの膜厚は、いずれも50nm~75nm程度であった。 Below, Example 2 of the present invention will be described. Ion-exchanged water was further added to the CNF dispersion liquid with 0.11 weight percent CNF prepared in Example 1 to prepare diluted solutions with different CNF concentrations. CNF/PDMS films were produced using the prepared diluted solutions. The film thickness of the CNF/PDMS film as the polymer composite thin film 1 obtained in Example 2 was all approximately 50 nm to 75 nm.

このCNF/PDMSフィルムとPDMSフィルムとを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。CNF/PDMSフィルムの二酸化炭素(CO)及び窒素(N)の透過度と、CO/N選択比とを[表1]に示す。なお、PDMSフィルムのガス透過性試験の結果は、後述する[表2]の最左欄に示した。

Figure 0007570634000001
The CNF/PDMS film and the PDMS film were placed on a porous polyacrylonitrile film and a gas permeability test was performed. The permeability of the CNF/PDMS film to carbon dioxide ( CO2 ) and nitrogen ( N2 ) and the CO2 / N2 selectivity are shown in Table 1. The results of the gas permeability test of the PDMS film are shown in the leftmost column of Table 2, which will be described later.
Figure 0007570634000001

実施例2として作製されたいずれのCNF/PDMSフィルムにおいても、同様の選択性がみられたことから、いずれのフィルムもガスリークをするような欠陥を持たないフィルムが得られたことが分かる。なお、COならびにN透過性については、同程度の膜厚(後述するように50nm程度)のPDMSフィルムと比べて低下している。一般にCNFからなるフィルムは、ガス透過性が低いことを踏まえると、このフィルム中にもCNFが導入されていることが支持される。 The same selectivity was observed in all the CNF/PDMS films prepared in Example 2, and it can be seen that all the films obtained had no defects that would cause gas leakage. The CO2 and N2 permeabilities were lower than those of a PDMS film of the same thickness (about 50 nm, as described later). In general, films made of CNF have low gas permeability, which supports the idea that CNF is also introduced into this film.

以下、本発明の実施例3について説明する。セルロースナノファイバー3(CNF)(中越パルプ工業製,Nanoforest-S)が0.072重量パーセントとなるようにCNF/エタノール分散液を調製した。 Below, we will explain Example 3 of the present invention. A CNF/ethanol dispersion was prepared so that the content of cellulose nanofiber 3 (CNF) (Nanoforest-S, manufactured by Chuetsu Pulp Industry Co., Ltd.) was 0.072 weight percent.

これとは別に、市販ポリジメチルシリコーン(PDMS)樹脂(東レダウコーニング,SYLGARD184)の主剤及び硬化剤をそれぞれ10対1の体積割合で混合し、これに先に調製したCNF/エタノール分散液及びヘキサンを加え、0.5体積パーセントのCNF/PDMS/ヘキサン溶液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Separately, the base and hardener of commercially available polydimethylsilicone (PDMS) resin (Toray Dow Corning, SYLGARD 184) were mixed in a volume ratio of 10:1, and the previously prepared CNF/ethanol dispersion and hexane were added to this to prepare a 0.5 volume percent CNF/PDMS/hexane solution, which was used in the subsequent operations.

次に、ポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)し、そしてPHS層を形成した後、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。この基板上に、先述操作で作製したCNF/PDMS/ヘキサン溶液を滴下し、基板を4000回転で1分間、回転させた後、基板を100℃で30分間加熱した。 Next, a polyhydroxystyrene (PHS)/ethanol solution (15 weight percent) was spin-coated (3000 rpm/1 min) onto a glass substrate, and after forming a PHS layer, the substrate was treated with oxygen plasma to make the surface hydrophilic. The CNF/PDMS/hexane solution prepared in the above-mentioned procedure was dropped onto the substrate, and the substrate was rotated at 4000 rpm for 1 min, after which the substrate was heated at 100°C for 30 min.

室温まで放冷後、この基板をエタノール基板に浸漬し、基板よりフィルムを剥離した。このようにして得られたフィルムを以降、CNF-PDMSフィルムと呼ぶ。このCNF-PDMSフィルムは、CNFが均等に分散されたポリジメチルシリコーン樹脂で構成されており、実施例1等で説明したCNF/PDMSフィルム(CNFとPDMSとが層を成している)とは構造が異なっている。即ち、実施例2で得たCNF-PDMSフィルムは、図1(d)に示す構成を備える。 After cooling to room temperature, the substrate was immersed in ethanol and the film was peeled off from the substrate. The film obtained in this manner is hereafter referred to as a CNF-PDMS film. This CNF-PDMS film is composed of polydimethylsilicone resin with CNF evenly dispersed, and has a different structure from the CNF/PDMS film (in which CNF and PDMS form a layer) described in Example 1 etc. In other words, the CNF-PDMS film obtained in Example 2 has the structure shown in Figure 1 (d).

このCNF-PDMSフィルムを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。比較例2として、セルロースナノファイバー3を混合せず、SYLGARD184のみを原料とするフィルム(PDMSフィルム)も作製した。 This CNF-PDMS film was placed on a porous polyacrylonitrile film and a gas permeation test was performed. As Comparative Example 2, a film (PDMS film) was also produced using only SYLGARD184 as the raw material without mixing cellulose nanofiber 3.

各フィルム溶液濃度を変えて作製されたフィルムのCO及びNの透過度やCO/N透過選択比を[表2]に示す。即ち[表2]では、CNF分散液混合量と得られたCNF-PDMSフィルム(No.1~No.5)特性の関係が示されている。

Figure 0007570634000002
The CO2 and N2 permeabilities and CO2 / N2 permeation selectivity ratios of the films prepared by changing the concentration of each film solution are shown in Table 2. That is, Table 2 shows the relationship between the amount of CNF dispersion mixed and the properties of the obtained CNF-PDMS films (No. 1 to No. 5).
Figure 0007570634000002

ここで自立性の有無は、剥離液の中で薄膜(フィルム)を基材から剥離後、液中に浮遊しているフィルムを空気中に引き上げても単独で破断等することなく平膜形状を保持できるか否か、という基準で判断している。即ち、空気中でも破断することなく膜構造を保持している場合を「自立性あり」、基板剥離後において剥離液に浮遊している状態では膜構造を保持しているものの、空気中に取り出すと容易に破断する場合を「自立性なし」([表2]では「空気中で容易に破断」と記載)、と判断している。 Here, the presence or absence of self-supporting ability is judged based on the criterion of whether or not the thin film (film) can maintain its flat membrane shape without breaking when it is peeled off from the substrate in the stripping solution and then lifted up into the air while floating in the liquid. In other words, if the membrane structure is maintained without breaking even in the air, it is judged to be "self-supporting," whereas if the membrane structure is maintained while floating in the stripping solution after the substrate is peeled off, but it easily breaks when taken out into the air, it is judged to be "not self-supporting" (listed as "easily breaks in air" in [Table 2]).

なお、PDMSフィルムについては、自立性を備えるのは膜厚150nm程度が限界であり、それより薄膜化すると膜破断率が極めて高くなる。従って[表2]のPDMSフィルムについては、薄膜を空気中に引き上げることなく、剥離液中において多孔質ポリアクリロニトリルフィルム上にすくい上げてガス透過試験を行っている。 Note that the limit for a PDMS film to be self-supporting is a film thickness of about 150 nm, and any thinner film has an extremely high rate of film rupture. Therefore, for the PDMS films in [Table 2], the thin film was not lifted into the air, but instead was scooped up onto a porous polyacrylonitrile film in a stripping solution and used for gas permeation testing.

実施例3で作製されたフィルムはPDMSフィルムも含めいずれも膜厚が50nm程度である。上述したようにCNFを混合しなかったPDMSフィルムでは、単独で平膜形状が保持できず、収縮破断して、ガス透過試験に使用できるような自立性を有する平面膜は得られなかったが、CNFを混合したフィルムはいずれも自立性を有していた。 All of the films produced in Example 3, including the PDMS film, had a thickness of about 50 nm. As described above, the PDMS film without CNF mixed in was unable to maintain a flat membrane shape on its own and broke due to shrinkage, so no flat membrane with sufficient self-supporting properties for use in gas permeation tests was obtained, but all of the films with CNF mixed in were self-supporting.

以下、本発明の実施例4について説明する。実施例4は高分子薄膜2を構成する高分子材料を架橋性高分子としている。まず、セルロースナノファイバー3(CNF)(中越パルプ工業,Nanoforest-S)が0.11重量パーセントとなるように水分散液を調製し、これを以降の操作に用いた。 Below, we will explain Example 4 of the present invention. In Example 4, the polymer material constituting the polymer thin film 2 is a crosslinkable polymer. First, an aqueous dispersion of cellulose nanofiber 3 (CNF) (Nanoforest-S, Chuetsu Pulp Industry) was prepared so that it was 0.11 weight percent, and this was used in the subsequent operations.

また、架橋性高分子(エポキシ樹脂)としてのPoly[(o-cresyl glycidyl eter)-co-formaldehyde](以降、「PCGF」と称することがある。)(ALDRICH, Mn870)及びPolyethylenimine,branched(以降、「PEI」と称することがある。)(ALDRICH,Mn~10,000)が4重量パーセントとなるPCGF-PEI/クロロホルム溶液を調製した。この溶液を40℃で4時間撹拌後、更にクロロホルムを添加して、1重量パーセントのPCGF-PEI/クロロホルム溶液を調製し、以降の操作に用いた。 A PCGF-PEI/chloroform solution was also prepared containing 4 weight percent of crosslinkable polymers (epoxy resins) Poly[(o-cresyl glycidyl ter)-co-formaldehyde] (hereinafter sometimes referred to as "PCGF") (ALDRICH, Mn 870) and Polyethylenenimine, branched (hereinafter sometimes referred to as "PEI") (ALDRICH, Mn ~ 10,000). After stirring this solution for 4 hours at 40°C, further chloroform was added to prepare a 1 weight percent PCGF-PEI/chloroform solution, which was used in the subsequent operations.

ポリヒドロキシスチレン(PHS)/エタノール溶液(15重量パーセント)をガラス基板にスピンコート(3000回転/1分間)し、そしてPHS層を形成した後、この基板を酸素プラズマ処理して表面を親水化した。この基板上に、先述操作で作製したCNF水分散液をスピンコート(1500回転、2分間)し、基板を100℃で1分間加熱した。 A polyhydroxystyrene (PHS)/ethanol solution (15 weight percent) was spin-coated (3000 rpm/1 min) onto a glass substrate, and after forming a PHS layer, the substrate was treated with oxygen plasma to make the surface hydrophilic. The CNF aqueous dispersion prepared in the above-mentioned procedure was spin-coated (1500 rpm, 2 min) onto the substrate, and the substrate was heated at 100°C for 1 min.

次いでこの基板に先述操作した1重量パーセントのPCGF-PEI/クロロホルム溶液をスピンコート(3000回転、1分間)した。この後、基板を100℃で5分間加熱した。室温まで放冷後、この基板をエタノールに浸漬し、基板よりフィルム(高分子複合薄膜1)を剥離した。なお実施例4で得られたフィルムの厚みは75nmであった。 Then, the substrate was spin-coated (3000 rpm, 1 minute) with the 1 weight percent PCGF-PEI/chloroform solution described above. The substrate was then heated at 100°C for 5 minutes. After cooling to room temperature, the substrate was immersed in ethanol, and the film (polymer composite thin film 1) was peeled off from the substrate. The thickness of the film obtained in Example 4 was 75 nm.

実施例4で得られた高分子複合薄膜1には何ら欠陥もなく、自立性を備えることが目視により確認された。また、実施例1で説明したのと同様に水圧負荷を与える試験を行った。その結果、CNF導入量の増加とともに撓み量も減少した。 The polymer composite thin film 1 obtained in Example 4 was visually confirmed to have no defects and to be self-supporting. In addition, a test was conducted to apply a water pressure load in the same manner as described in Example 1. As a result, the amount of deflection decreased as the amount of CNF introduced increased.

以下、本発明の実施例5について説明する。実施例5においては、上述したCNF水溶液に替えてCNFと酸化CNF(酸化セルロースナノファイバー)とを等量混合した0.05wt%のCNF+酸化CNF水溶液を用いるとともに、PDMS/ヘキサン溶液のPDMS濃度を0.5v/v%とした。更にCNF+酸化CNF水溶液の回転塗布(スピンコート)操作は一回として、実施例1と同様の工程で、フィルム(CNF+酸化CNF/PDMSフィルム)を作成した。作成されたフィルムの断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムの膜厚は30nmであった。 Example 5 of the present invention will be described below. In Example 5, instead of the above-mentioned CNF aqueous solution, a 0.05 wt% CNF+oxidized CNF aqueous solution was used, which was a mixture of equal amounts of CNF and oxidized CNF (oxidized cellulose nanofiber), and the PDMS concentration of the PDMS/hexane solution was set to 0.5 v/v%. Furthermore, the spin coating operation of the CNF+oxidized CNF aqueous solution was performed only once, and a film (CNF+oxidized CNF/PDMS film) was produced using the same process as in Example 1. When the cross section of the produced film was observed with a scanning electron microscope, the film thickness of the CNF+oxidized CNF/PDMS film was 30 nm.

このCNF+酸化CNF/PDMSフィルムを多孔質ポリアクリロニトリルフィルムに載せ、ガス透過試験を行った。二酸化炭素(CO)、窒素(N)及び酸素(O)の透過度と、CO/N、CO/O及びO/N選択比を[表3]に示す。

Figure 0007570634000003
The CNF+oxidized CNF/PDMS film was placed on a porous polyacrylonitrile film and a gas permeation test was performed. The permeabilities of carbon dioxide ( CO2 ), nitrogen ( N2 ) and oxygen ( O2 ), as well as the selectivity ratios of CO2 / N2 , CO2 / O2 and O2 / N2 are shown in Table 3.
Figure 0007570634000003

[表3]に示すように、実施例5のCNF+酸化CNF/PDMSフィルムにおいても、COの透過度は非常に大きく、またO及びNの透過度も高い数値を示している。ここでOとNとに着目すると、O/N選択比は2.3であり、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムが空気中の酸素と窒素とを分離する空気分離機能を備えることを明確に示している。即ち、本発明に係る高分子複合薄膜1は空気分離膜として機能し、空気中の酸素濃度や窒素濃度を増加、あるいは低減することが可能である。 As shown in Table 3, the CNF+oxidized CNF/PDMS film of Example 5 also exhibits a very high CO2 permeability, and high O2 and N2 permeability values. Focusing on O2 and N2 , the O2 / N2 selectivity is 2.3, clearly indicating that the CNF+oxidized CNF/PDMS film has an air separation function that separates oxygen and nitrogen in the air. In other words, the polymer composite thin film 1 according to the present invention functions as an air separation membrane, and can increase or decrease the oxygen concentration or nitrogen concentration in the air.

さて、CNF+酸化CNF/PDMSフィルムによる空気分離機能はPDMSで構成される層(高分子薄膜。以降、「PDMS層」と称することがある。)によって発揮されるが、PDMS層の膜厚が大きくなるほど透過度が小さくなって、実用上の障壁となる。しかしながら、PDMS層がCNF(あるいはCNF+酸化CNF)で構成される層と複合化されることで機械的強度が向上し、高分子複合薄膜1におけるPDMS層を極限まで薄膜化(薄層化)することが可能となる。 Now, the air separation function of the CNF + CNF oxidized/PDMS film is exerted by a layer made of PDMS (polymer thin film, hereafter sometimes referred to as the "PDMS layer"), but as the thickness of the PDMS layer increases, the permeability decreases, which becomes a practical barrier. However, by combining the PDMS layer with a layer made of CNF (or CNF + CNF oxidized), the mechanical strength is improved, and it is possible to thin the PDMS layer in the polymer composite thin film 1 to the utmost limit.

実施例5においては、上述したようにCNF+酸化CNF/PDMSフィルムの膜厚は30nmであり、CNF+酸化CNFで構成される層の厚みを除外したPDMS層の膜厚は10nm~20nm程度と考えられる。このようにPDMS層を極薄層化することで、1000GPU(3000GPU)を越える高いO及びN透過度を実現することが可能となる。 In Example 5, as described above, the thickness of the CNF + oxidized CNF/PDMS film is 30 nm, and the thickness of the PDMS layer excluding the thickness of the layer composed of CNF + oxidized CNF is thought to be about 10 nm to 20 nm. By making the PDMS layer extremely thin in this way, it is possible to achieve high O2 and N2 permeability exceeding 1000 GPU (3000 GPU).

なお、実施例1~実施例3で示した高分子複合薄膜1も、薄膜化されたPDMS層を含むことから、これらの高分子複合薄膜1が空気分離機能を有することは明らかである。 In addition, since the polymer composite thin films 1 shown in Examples 1 to 3 also contain a thinned PDMS layer, it is clear that these polymer composite thin films 1 have an air separation function.

本発明に係る高分子複合薄膜1は、高い機能性と高い機械的強度とを備えることから、例えば化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスであるCOを発電所や工場などの発生源から分離・回収するCCS(Carbon dioxide Capture and Storage)で用いられるガス分離膜等に好適に応用することが可能である。また、本発明に係る高分子複合薄膜1は、酸素が高濃度化された空気(窒素が低濃度化された空気)を活用した酸素富化装置、高濃度酸素マスク、植物工場、酸素燃焼発電プラント、酸素燃焼ボイラー等や、窒素が高濃度化された空気(酸素が低濃度化された空気)を活用した不活性ガス消火設備等に好適に応用することが可能である。 The polymer composite thin film 1 according to the present invention has high functionality and high mechanical strength, and therefore can be suitably applied to, for example, gas separation membranes used in CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) for separating and recovering CO2, a greenhouse gas generated by the combustion of fossil fuels, from sources such as power plants and factories. The polymer composite thin film 1 according to the present invention can also be suitably applied to oxygen enrichment devices that utilize air with high oxygen concentration (air with low nitrogen concentration), high-concentration oxygen masks, plant factories, oxygen combustion power plants, oxygen combustion boilers, and the like, as well as inert gas fire extinguishing equipment that utilizes air with high nitrogen concentration (air with low oxygen concentration).

1 高分子複合薄膜
2 高分子薄膜
3 セルロースナノファイバー
10 円形損傷
1 Polymer composite thin film 2 Polymer thin film 3 Cellulose nanofiber 10 Circular damage

Claims (15)

ポリシロキサンで構成され、膜厚が100nm以下の非自立性の高分子薄膜と、
前記高分子薄膜に包含された、前記高分子薄膜の膜厚よりも小さい直径を備える繊維状構造物と、
を備え、
前記繊維状構造物と前記高分子薄膜とが複合化されることで自立性を有し、膜厚が2nm~100nmであることを特徴とする高分子複合薄膜。
a non-self-supporting polymer thin film made of polysiloxane and having a thickness of 100 nm or less;
A fibrous structure having a diameter smaller than the thickness of the polymer thin film and contained in the polymer thin film ;
Equipped with
The polymer composite thin film is characterized in that the fibrous structure and the polymer thin film are combined to have self-supporting properties, and the film thickness is 2 nm to 100 nm .
前記繊維状構造物が有機高分子で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 1, characterized in that the fibrous structures are composed of organic polymers. 前記繊維状構造物をセルロースナノファイバー、あるいはセルロースナノファイバーと酸化セルロースナノファイバーとの混合物としたことを特徴とする請求項2に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 2, characterized in that the fibrous structure is a cellulose nanofiber or a mixture of cellulose nanofiber and oxidized cellulose nanofiber. 前記高分子薄膜がガス分離性を備えることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the polymer thin film has gas separation properties. 前記高分子薄膜が、二酸化炭素を選択的により透過することを特徴とする請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the polymer thin film is selectively permeable to carbon dioxide. 前記高分子薄膜と前記繊維状構造物とを合計した膜厚を30nm~75nmとしたことを特徴とする請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the combined thickness of the polymer thin film and the fibrous structure is 30 nm to 75 nm. 前記ポリシロキサンで構成された層と、前記ポリシロキサン及び前記セルロースナノファイバーで構成された層と、を備えることを特徴とする請求項3に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 3 , comprising: a layer composed of the polysiloxane; and a layer composed of the polysiloxane and the cellulose nanofibers. 前記ポリシロキサン及び前記セルロースナノファイバーで構成された層は、前記セルロースナノファイバーの層が複数層重畳されていることを特徴とする請求項7に記載の高分子複合薄膜。 The polymer composite thin film according to claim 7 , wherein the layer composed of the polysiloxane and the cellulose nanofibers is formed by superposing a plurality of layers of the cellulose nanofibers. 請求項3~請求項8のいずれか一項に記載された高分子複合薄膜の製造方法であって、
前記繊維状構造物は、セルロースナノファイバーであり、
前記セルロースナノファイバーを含むセルロースナノファイバー溶液を調製するとともに、前記ポリシロキサンを含む高分子材料含有溶液を調製する第1工程と、
剥離液に溶解するポリマー層が形成された基材上に、前記ポリマー層を被覆するように前記セルロースナノファイバー溶液を塗布して第1の層を形成する第2工程と、
前記第1の層を被覆するように前記高分子材料含有溶液を塗布・加熱して第2の層を形成する第3工程と、
前記基材を前記剥離液に浸漬し、前記第1の層及び前記第2の層で構成される高分子複合薄膜を前記基材から剥離する第4工程と、
を含むことを特徴とする高分子複合薄膜の製造方法。
A method for producing a polymer composite thin film according to any one of claims 3 to 8, comprising the steps of:
The fibrous structure is a cellulose nanofiber,
A first step of preparing a cellulose nanofiber solution containing the cellulose nanofibers and a polymer material-containing solution containing the polysiloxane;
A second step of forming a first layer by applying the cellulose nanofiber solution onto a substrate on which a polymer layer that dissolves in a stripping solution has been formed, so as to cover the polymer layer;
a third step of applying and heating the polymer material-containing solution so as to cover the first layer to form a second layer;
a fourth step of immersing the substrate in the stripping solution to strip a polymer composite thin film composed of the first layer and the second layer from the substrate;
A method for producing a polymer composite thin film, comprising:
前記セルロースナノファイバー溶液の溶媒を水とし、前記高分子材料含有溶液の溶媒をヘキサンとしたことを特徴とする請求項9に記載の高分子複合薄膜の製造方法。 The method for producing a polymer composite thin film according to claim 9, characterized in that the solvent of the cellulose nanofiber solution is water, and the solvent of the polymer material-containing solution is hexane. 前記第1の層は、前記セルロースナノファイバー溶液を塗布する工程を複数回繰り返して形成されていること特徴とする請求項9または請求項10に記載の高分子複合薄膜の製造方法。 The method for producing a polymer composite thin film according to claim 9 or 10, characterized in that the first layer is formed by repeating the process of applying the cellulose nanofiber solution multiple times. 請求項3~請求項8のいずれか一項に記載された高分子複合薄膜の製造方法であって、
前記繊維状構造物は、セルロースナノファイバーであり、
前記セルロースナノファイバーを第1溶剤に分散させたセルロースナノファイバー分散液を調製する第1工程と、
前記ポリシロキサンに前記セルロースナノファイバー分散液と第2溶剤とを混合して混合溶液を得る第2工程と、
剥離液に溶解するポリマー層が形成された基材上に、前記ポリマー層を被覆するように前記混合溶液を塗布・加熱して高分子複合薄膜を製膜する第3工程と、
前記基材を前記剥離液に浸漬し、前記高分子複合薄膜を前記基材から剥離する第4工程と、
を含むことを特徴とする高分子複合薄膜の製造方法。
A method for producing a polymer composite thin film according to any one of claims 3 to 8, comprising the steps of:
The fibrous structure is a cellulose nanofiber,
A first step of preparing a cellulose nanofiber dispersion by dispersing the cellulose nanofibers in a first solvent;
A second step of mixing the cellulose nanofiber dispersion and a second solvent with the polysiloxane to obtain a mixed solution;
a third step of applying the mixed solution to a substrate on which a polymer layer that dissolves in a stripping solution has been formed, and heating the mixed solution so as to cover the polymer layer, thereby forming a polymer composite thin film;
a fourth step of immersing the substrate in the stripping solution to strip the polymer composite thin film from the substrate;
A method for producing a polymer composite thin film, comprising:
前記第1溶剤をエタノールとし、前記第2溶剤をヘキサンとしたことを特徴とする請求項12に記載の高分子複合薄膜の製造方法。 The method for producing a polymer composite thin film according to claim 12, characterized in that the first solvent is ethanol and the second solvent is hexane. 前記ポリマー層は、ポリヒドロキシスチレンを含むエタノール溶液を塗布して形成され、
前記剥離液をエタノールとしたことを特徴とする請求項9~請求項13のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜の製造方法。
The polymer layer is formed by applying an ethanol solution containing polyhydroxystyrene,
The method for producing a polymer composite thin film according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the stripping solution is ethanol.
前記ポリマー層の表面を親水化処理することを特徴とする請求項9~請求項14のいずれか一項に記載の高分子複合薄膜の製造方法。 The method for producing a polymer composite thin film according to any one of claims 9 to 14, characterized in that the surface of the polymer layer is subjected to a hydrophilic treatment.
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