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JPH0536094B2 - - Google Patents
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JPH0536094B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0536094B2
JPH0536094B2 JP60250554A JP25055485A JPH0536094B2 JP H0536094 B2 JPH0536094 B2 JP H0536094B2 JP 60250554 A JP60250554 A JP 60250554A JP 25055485 A JP25055485 A JP 25055485A JP H0536094 B2 JPH0536094 B2 JP H0536094B2
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JP
Japan
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membrane
polysiloxane
gas
poly
separation
Prior art date
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Application number
JP60250554A
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Japanese (ja)
Other versions
JPS61114714A (en
Inventor
Kyabatsuso Isuraeru
Aasaa Randei Kebin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RISAACHI FUAUNDEESHON OBU SUTEETO UNIV OBU NYUUYOOKU ZA
Original Assignee
RISAACHI FUAUNDEESHON OBU SUTEETO UNIV OBU NYUUYOOKU ZA
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Filing date
Publication date
Application filed by RISAACHI FUAUNDEESHON OBU SUTEETO UNIV OBU NYUUYOOKU ZA filed Critical RISAACHI FUAUNDEESHON OBU SUTEETO UNIV OBU NYUUYOOKU ZA
Publication of JPS61114714A publication Critical patent/JPS61114714A/en
Publication of JPH0536094B2 publication Critical patent/JPH0536094B2/ja
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はガス分離に適する複合膜を製造する方
法およびそのような方法によつて得られる複合膜
に関する。 固体フイルムを通過する透過速度の差に基づい
て低分子量のガスを分離するという考えは新しい
ものではない。約150年前に、天然ゴムはある種
のガスに対してはその他のガスに対するよりも透
過性が良いということが観察された。しかし、ガ
ス分離のための膜分離法が従来の低温分離法に実
際的に代替し得るものと認められるようになつた
のはやつと過去数年のことである。簡単でかつエ
ネルギー効率のよい商業的方法が要求されたの
で、ガス分離用に膜技術を応用することに関心の
波が高まるに到つた。 1866年に、固体フイルムを通るガスの透過は次
の段階から成る3段過程であるという理論が提起
された。 (1) 膜の一つの界面におけるガスの溶解、 (2) 反対側の界面へのガスの拡散、および (3) 反対側の界面におけるガスの脱離、または放
出。 この機構は透過の溶解−拡散モデルとして知ら
れているが、未だに透過過程の有用な説明であり
かつ最新の透過性の理論の基礎として役立つてい
る。 まず透過過程の第2段階、拡散、を考えると、
フイツクの法則を等方かつ均一性の膜を横切る低
分子量のガスの移動を定量的に説明するために使
用することができる。平たいシート状の膜につ
き、流束Jは次式により表わされる。 J=−D∂C/∂X (1) 上式中、Dは局部相互拡散係数、そしてCは膜
の界面からの距離xにおけるガスの濃度である。
この方程式を膜の厚さにわたつて(x=0からx
=lまで)積分すると次の形のフイツクの法則に
導かれる。 J=D(C2−C1)/l (2) 上式中、C2とC1は各界面におけるフイルムの
すぐ内側の透過するガスの濃度である。方程式(1)
と(2)は透過の第2段階、すなわち膜を横切る拡散
のみを説明する。さらに、膜の内部の特定の点に
おけるガスの濃度を測定することは難しいので、
これらの濃度を何か外部の、より容易に測定され
る変数と関係づけることが必要である。ヘンリー
の法則によると、希薄溶液について溶解したガス
の濃度Cはその溶液と接触するガスの分圧に比例
する。 C=Sp (3) 上式中、Sは溶解度係数(ヘンリーの法則の定
数の逆数)である。 方程式(2)と(3)を組合せるとガスに対する膜の透
過度は次の式で表わされる。 J=DSΔp/l=PΔp/l (4) 上式中は、平均拡散係数と平均溶解度係数
Sとの積として定義される平均透過係数であり、
そしてΔpは膜の両側の間の圧力差である。 いま考えられているポリマー/透過物系に応じ
て、と(従つて)は圧と温度によつて影響
される。しかし、例えば酸素と窒素のような単純
なガスについては、、およびは通常大抵の
ポリマーについて温度と圧の適度の範囲に亘つて
一定であると考えられる。ある特定のガスの透過
度は相異なるポリマーの間で多くの位数の大きさ
に亘つて変化することもあるけれども、ある特定
のポリマーの種々の透過物に対する透過度はずつ
と狭い範囲に入る。これらの透過係数のうちの一
つの他のものに対する比はガスの相対的透過速
度、従つて膜の透過選択性の有用な尺度である。
この量は理想分離係数(αij)と呼ばれ、そして
次の表現によつて定義される。 αij=Pi/Pj (5) 上式中ijは夫々成分iとj透過係数であ
り、下付き記号iはより高い透過性の成分を通常
表わす。膜分離用の材料を選択する際にしばしば
引用される一般論は、あるガス混合物の一つの成
分について高い選択性を示すポリマーはしばしば
透過度が低いが、また透過度の高いポリマーは混
合物の成分の間を区別することがより少ないとい
うことである。 酸素と窒素の多くのポリマーについての透過係
数と理想分離係数の例を次表に示す。
The present invention relates to a method for producing composite membranes suitable for gas separation and to composite membranes obtained by such a method. The idea of separating low molecular weight gases based on differences in permeation rates through solid films is not new. About 150 years ago, it was observed that natural rubber is more permeable to some gases than others. However, it is only in the past few years that membrane separation methods for gas separation have become recognized as a practical alternative to conventional cryogenic separation methods. The need for simple and energy efficient commercial methods has led to a wave of interest in applying membrane technology for gas separation. In 1866, the theory was proposed that the permeation of gas through a solid film is a three-step process consisting of the following steps: (1) dissolution of gas at one interface of the membrane, (2) diffusion of gas to the opposite interface, and (3) desorption, or release, of gas at the opposite interface. This mechanism, known as the dissolution-diffusion model of permeation, remains a useful explanation of the permeation process and serves as the basis for modern permeability theory. First, if we consider the second stage of the permeation process, diffusion,
Fick's law can be used to quantitatively describe the transport of low molecular weight gases across isotropic and homogeneous membranes. For a flat sheet-like membrane, the flux J is expressed by the following equation: J=-D∂C/∂X (1) where D is the local interdiffusion coefficient and C is the concentration of the gas at a distance x from the membrane interface.
Applying this equation across the film thickness (x = 0 to x
=l), it leads to Fick's law of the following form. J=D( C2 - C1 )/l (2) where C2 and C1 are the concentrations of the permeating gas just inside the film at each interface. Equation (1)
and (2) only account for the second stage of permeation, namely diffusion across the membrane. Furthermore, it is difficult to measure the concentration of gas at a specific point inside the membrane;
It is necessary to relate these concentrations to some external, more easily measured variable. According to Henry's Law, the concentration of dissolved gas, C, for a dilute solution is proportional to the partial pressure of the gas in contact with the solution. C=Sp (3) In the above formula, S is the solubility coefficient (the reciprocal of the constant of Henry's law). Combining equations (2) and (3), the permeability of the membrane to gas is expressed by the following equation: J=DSΔp/l=PΔp/l (4) where is the average permeability coefficient defined as the product of the average diffusion coefficient and the average solubility coefficient S,
and Δp is the pressure difference between the two sides of the membrane. Depending on the polymer/permeate system currently considered, and (therefore) are influenced by pressure and temperature. However, for simple gases such as oxygen and nitrogen, and are usually considered constant over a reasonable range of temperature and pressure for most polymers. Although the permeability of a particular gas may vary over many orders of magnitude between different polymers, the permeability of a particular polymer to various permeates falls within narrower ranges. . The ratio of one of these permeability coefficients to the other is a useful measure of the relative permeation rate of gas and thus the permselectivity of the membrane.
This quantity is called the ideal separation factor (α ij ) and is defined by the following expression. α ij =P i /P j (5) where i and j are the component i and j transmission coefficients, respectively, with the subscript i usually representing the more transparent component. A general theory often cited when selecting materials for membrane separations is that polymers that exhibit high selectivity for one component of a gas mixture often have low permeability, while polymers that are highly permeable also exhibit high selectivity for one component of a gas mixture. This means that there are fewer distinctions between them. Examples of permeability coefficients and ideal separation coefficients for many oxygen and nitrogen polymers are shown in the following table.

【表】 上表において、がポリマーの間で4の位数の
値に亘つて変化しているが、しかしαの値は同じ
位数であることを見ることができる。同様にかな
り重複はあるけれども、低い透過度と高い選択性
およびその反対の関係がある。この観察の理由の
一つは、拡散過程におけるポリマーの物理的状態
の影響である。 状態の真の変化は含まれないとはいえ、ポリマ
ーはガラス状態かまたはゴム状態のいずれかに存
在するものとして分類される。ポリマーを溶融物
から冷却させると、まずゴム状になる物質を生
じ、さらに温度が下がるに従つて、次に硬くて脆
いガラス状の物質を生じる。ポリマーがゴム状か
らガラス状の物質に変形する温度はガラス転移点
Tgである。Tg以下では鎖セグメントの小範囲の
共働運動以外には十分な熱エネルギーは利用され
ない。Tg以上ではポリマー鎖の比較的長いセグ
メントを運動させ得る程十分なエネルギーが利用
される。長い鎖セグメントの運動を収容できるた
めには、ポリマーの自由容積が必要である。鎖セ
グメントを収容する他に、この自由容積は透過ガ
スによつて満されることがある。ゴム状ポリマー
内では、自由容積は、その中でポリマー母材中の
孔が連続して作られて鎖の運動によつて満される
動力学系と見なされるべきである。他方、ガラス
状ポリマーはゴム状ポリマーよりもはるかに少な
い自由容積を含有しており、かつ母材中の孔は比
較的空間に固定されている。ガラス状ポリマーに
は全自由容積がずつと小さいので、透過度は低く
なる傾向にあり、その一方孔の大きさのより狭い
分布はこれらのポリマーが相異なる大きさの分子
を区別することをより容易になし得るようにす
る。 工業的ガス分離のための透過工程を設計するに
際して、最大の関心事は製品の純度と生産速度で
ある。それ故膜の選択に当つて、製品について高
い固有透過度を示し、かつ混合物の他の成分に対
して低い固有透過度を示す膜、すなわち、高透過
度と高選択性を示す膜が求められる。これらの特
性を同時に一つのポリマーに見出すことは殆どな
い。このジレンマは工業的ガス分離に十分に役立
つ膜分離法の開発における重要な因子である。 幸いなことに、ガス混合物の一つの成分に対し
て高い選択性を示す膜は全体の透過度の低いこと
のみを理由に放棄する必要はない。方程式(4)をよ
く調べると、流束は膜を横切る圧力差を増すこと
により、または膜の厚さを減じることにより増す
ことができることを示している。その上、透過器
の設計もまた流束ならびに実際に達成し得る膜の
選択率に影響を与える。 実施の場合に、ガスの膜分離は分離されるガス
混合物の供給流を膜の表面上に通すことによつて
行なわれるが、ガスの一部だけを透過させ、そし
て透過しないガス(ラフイネート)を再循環させ
るかまたは他の透過室へそれを送る。ガスの透過
のための駆動力は膜を横切る圧力差であり、その
圧は供給側にかける静水圧かまたは透過室の製品
側にかける真空のどちらかまたは両方によつて維
持される。膜を通るガス混合物の各通過を以下に
分離のステージ(段階)と呼び、そして透過分率
をステージカツトと呼ぶ。ステージの数の増加は
結果として単一のステージの工程において得られ
るよりも高い純度の製品を生成する。しかし、各
ステージにおいてガスを再圧縮するコストは、モ
デユールを追加するコストと同様に、しばしば実
施を不可能にする。 ステージカツトも透過速度と同様に選択性に影
響する。透過を許されるガスの量が多い程、それ
だけ真の分離度は低くなる。膜の表面を横切るガ
ス流の様式もその工程の選択力に影響する。しか
し、ステージカツトが非常に低い場合には、この
効果は最小になる。 方程式(4)に記述された流束は単位面積当りの透
過速度であるので、膜の生産性を向上させる他の
一つの方法は膜の表面積を増すことによる。単純
にモデユールを追加することは表面積を増加させ
る一つの方法であるが、しかしたいていポリマー
のガスに対する透過度は低いので、満足すべき透
過速度を生じさせるためには何百万平方フイート
も必要となることもあつて、この方法を非実際的
にする。 単位容積当りより大きな膜表面を与える構造に
膜を詰め込むという主題に対してかなりの研究が
なされた。それにより開発されて最も成功した2
種の様式はらせん状に巻いた膜と中空糸膜であつ
た。特に中空糸は極めて高い表面積対容積比を提
供する。例えば、0.3m3の膜装置が500m2程も大き
い表面積を含む。これに比較してらせん巻きの膜
では同容積で20m2である。中空糸技術の使用にさ
らに付加する利点は中空糸の自己支持性であつ
て、中空糸を収容するための装置の製造コストを
最小にする。 膜を横切る圧力差は膜の流束に影響することが
示された。ガス混合物の真の分離もまた膜の供給
側と製品側の間の圧力差に依存することが示され
た。2成分の分離における膜の高圧(原料)側の
圧の膜の低圧(製品)側の圧に対する比r、供給
原料中の透過度のより高い成分のモル分率XA
および方程式(5)に定義されたような理想分離係数
(α*)に基づき、実の分離係数αについて次の方
程式が成立する。 α=(α*+1)/2−(1/r)(α*−1)/2XA
1/2XA±{(α*−1/2)2+ (α*−1)−(1/r)〔(α*2−1〕/2XA+[(
1/r)(α*−1)+1/2XA21/2(6) 無限の供給圧の極限値において、実の分離係数
が理想分離係数に接近することが見られる。高い
流束と選択率の維持のために要求される高い作業
圧力と共に、そのような条件ならびに供給混合物
の圧縮のためのエネルギー消費の増加に耐えるこ
とのできる膜と装置に対する要求が生ずる。 膜の流束を最大にするためのすべての研究方法
のうちで、膜自身の厚さを減ずることほど多くの
関心をひきつけたものはおそらく他になかつた。
しかし、この研究方法は、最近20年以内にやつと
克服された二つの重大な欠点がある。ガスの分子
は非常に小さいのでピンホール(または膜表面の
顕微鏡的欠陥でさえも)が膜をガス分離用に使え
なくするに十分である。従来の流延技術によつて
欠陥のない極薄の膜を流延することは極めて難か
しい。その上に膜が流延される表面にある凹凸は
膜の構造内に取り込まれて、それは極薄の膜にと
つては膜の厚さに比較し得る大きさのこともあ
る。これらの凹凸はピンホールを生じさせ、それ
を通してガスの大量の流れが起り、従つて透過選
択性を失なわさせる。次に、極薄の膜は極めて脆
弱であるので、膜分離工程で受けなければならな
い圧に耐えられないことがよくある。 この問題の革新的解決はアシンメトリツク(不
斉)酢酸セルロース膜の開発によつてもたらされ
た。アシンメトリツクという用語は、比較的密な
極薄の皮膜が下敷きの開口多孔質の構造の上に置
かれている膜の形態を意味する。この型の膜を流
延するためには、まず水と混和できる溶媒中のポ
リマー溶液を普通の方法でガラス板の上に流延す
る。膜の表面近くの溶媒が蒸発してポリマーを濃
縮させるため短時間放置した後、ガラス板を水中
に浸漬して、そこでポリマーは凝縮すると、水は
溶液中に拡散し、そして溶媒も拡散して出るの
で、多孔質の母材を形成する。この方法で形成さ
れた密な層は膜の全厚の小部分のみに相当するの
で、これらの膜の流束は同等の厚さの密な等方性
の膜によつて示されるものよりもはるかに高い。
密な分離層は、膜に機械的強さを与える多孔質の
支持母材の上に置かれている。 これらの膜は逆浸透の応用面においては非常な
成功をおさめたが、しかしそれらのガス分離への
効用は凝問である。液体に対しては不浸透性と考
えられようが、その密な皮膜でさえも代表的なガ
ス分子よりも大きな孔を含有している。例えば、
高温で膜をアニールするような後処理が表面層の
孔の大きさを小さくするために使われた。しか
し、この後処理が成功するためには、表面の多孔
度が表面積の10-6%よりも小さくならなければな
らない。その上、これらの後処理は膜流束をかな
り減じる傾向がある。 アシンメトリツク膜における表面多孔性の効果
を除くための他の一つの解決法がヘニスとトリポ
ジ(Henis and Tripodi)によつて米国特許第
4230463号(1980年10月28日発行)に述べられて
いる。これは閉塞的接触でポリマーにより被覆さ
れた多孔質基材を示している。ヘニスらの研究方
法は高透過性のポリマー(例えば、シリコーンゴ
ム)の薄い層を、分離されるべきガス混合物の一
つの成分につき良好な固有選択率を示す多孔質の
アシンメトリツク膜の表面に析出させることであ
つた。この方法で表面の孔を封止することによ
り、下にある多孔質ポリマー材料の選択性の大部
分は維持され、しかも全体の透過度は非常に高く
留まることが見出された。2種(またはそれ以
上)の積層されたフイルムから成る膜は複合膜と
呼ばれる。電気回路における電流に似て、これら
の複合膜の最終的特性は構成する部分夫々の抵抗
に関係する。この場合では、コーテイング材料、
基材、および充填された孔のガス流に対る抵抗に
関係する。 複合膜のある特定の成分についての抵抗Rは次
の方程式によつて与えられる。 R=l/PA (7) 上式中、lはその部分の厚さであり、Pはその
部分を構成する材料の平均透過度であり、そして
Aはその部分の表面積である。複合膜のある特定
のガスの流れに対する全抵抗RTは相当する電流
のそれと同じ仕方で計算される。2種の積層され
た欠陥のない層から成る複合膜の場合について
は、RTは単に個々の層の抵抗の和である。ヘニ
スらの型の複合膜についてRTは次の方程式によ
つて示される。 RT=R1+R2R3/R2+R3 (8) 上式中の下付き記号は膜の部分を表わす。孔の
面積は全表面積に比較して小さいと仮定すると、
厚さを補正した透過度(P/l)は次の方程式に
よつて与えられる。 P/l=[l1/P1+l2/P2+P1(A3/A2)]-1 (9) 上式中、A3は孔の表面積であり、そしてA2
膜の全表面積である。 一対のガスについての厚さを補正した透過度の
比は同様に平均透過係数の比としての理想分離係
数に等しい。複合膜の選択率は確かに比較的高い
表面多孔度のものまで基材の固有選択率に近づく
ことは明らかである。従つて高い流束と同時に高
い選択率を達成することが可能になる。 ヘニスらのこれらの複合膜における分離体は下
にあるアシンメトリツク膜である。それ故、分離
用材料の選定はアシンメトリツク膜をそれから流
延するポリマーに限定される。その上、複合膜中
の材料の大部分は下敷の構造内にあるので、この
層を構成する材料は安価でかつ容易に合成される
ポリマーでなければならない。 分離層が安価な多孔質支持体の表面上に極薄フ
イルムとして析出される膜の製造法は透過選択層
として少量の高価なまたは新型のポリマーを使用
して膜を構成することを可能にする。そのような
材料の使用はそれらの材料の固有透過選択率の観
点から有利である。この方法は実際にヘニスらの
仕事に先立つて採用されており、そして一般にガ
ス分離用の高流束膜を開発するための最も普通の
方法となつている。 多孔質の支持体の表面上に極薄フイルムを析出
させるために数種の方法が研究されてきた。最も
単純でかつ最も直接的な技法は単に支持フイルム
をあるポリマーまたは反応性モノマーに浸漬して
被覆させ、次に乾燥および/または加熱硬化させ
る方法である。しかし、この方法は限定された用
途にのみ、主として逆浸透膜の分野に応用され
た。この技法に近い関係にあるものは、支持体の
表面上での反応性モノマーまたはポリマーの界面
重合である。そのような方法では、多孔質のフイ
ルムをあるモノマーまたはポリマーの水溶液で飽
和させてから、次に水と混和しない溶媒に溶解さ
れた反応性中間体で処理する。モノマーまたはポ
リマーの間の反応が界面においてのみ起るので、
その結果生成する分離層は極めて薄い。これま
で、この方法は逆浸透分離用の膜を作るためにの
み商業的に応用されてきた。 多孔質支持体上へのポリマーの気相析出法は従
来研究されている有望な新技法であるが、しかし
まだこの方法の商業的に応用された例はない。 支持層の上にフイルムを直接配置する他の一つ
の方法は、そのフイルムを別に流延して作り、後
にその極薄の分離層を多孔質支持体上に積層する
方法である。多分これを達成する最も容易な方法
は、ガラス板をポリマーの希薄溶液中に浸漬し、
その板を引き上げてから溶媒を蒸発させることで
ある。残つたフイルムを、次にガラス板を水に浸
すことによりガラス表面からはがす。最後に、こ
のフイルムの1枚またはそれより多くを多孔質支
持体の上に注意深く重ねる。第2の方法は、疎水
性溶媒中のポリマー溶液を水の表面に流延し、そ
の溶液を展開させて極薄フイルムを形成させる方
法である。溶媒を蒸発させた後、フイルムを取り
上げて、支持層の上に置く。これらの技法は、本
質的に欠陥のない150オングストローム程も薄い
膜を流延して作るために役立つことが証明されて
いる。 上記の膜は、ガス分離に使用するために多孔質
支持体の上に単一のまたは多数の層として積層さ
れた。分離層の薄いことは、膜流束を増加する観
点から有利であるが、これらの層が積層の際に傷
つき易いので膜の製造手順を複雑にする。多孔質
ガラス状ポリマーの支持体上に極薄のガラス状ポ
リマーフイルムから成る複合膜は操作の際に特に
傷つき易い。ブロウオルとサレム(Browall and
Salemme)は米国特許第3874986号(1975年4月
1日発行)において、そしてブロウオル
(Browall)は米国特許第3980456号(1976年9月
14日発行)において、微孔質層と非孔質層の間に
オルガノポリシロキサン−ポリカーボネート共重
合体の中間層を挿入することによりこの問題を解
決している。この場合上記の中間層はクツシヨン
と接着剤として役立つている。 支持構造と透過選択層を別々に流延して作るこ
との他の一つの不利な点は平面シート膜のコーテ
イングに対する技術の限界である。中空糸形の平
面シート膜に対する利点は既に前記に述べた。 日本特許公告昭−57〔1982〕−105203号(1982年
6月23日公告、東レ株式会社出願)においてヒロ
セとクリハラ(Hirose and Kurihara)は、下
記の一般式の反復単位から主として成るアミノポ
リシロキサンを架橋化することにより製造された
選択的透過膜を記述している。
Table: In the table above, it can be seen that varies over values of orders of four between the polymers, but the values of α are of the same order of magnitude. There is also a relationship between low permeability and high selectivity and vice versa, although there is considerable overlap. One of the reasons for this observation is the influence of the physical state of the polymer on the diffusion process. Polymers are classified as existing in either a glassy or rubbery state, although no true change of state is involved. When a polymer is allowed to cool from the melt, it first forms a rubber-like material, and then, as the temperature is further reduced, a hard, brittle, glass-like material. The temperature at which a polymer transforms from a rubber-like substance to a glass-like substance is the glass transition point.
T g . Below T g , not enough thermal energy is available for anything other than a small range of cooperative motions of the chain segments. Above T g , sufficient energy is available to move relatively long segments of the polymer chain. Free volume of the polymer is required to accommodate the motion of long chain segments. In addition to accommodating the chain segments, this free volume may be filled by permeate gas. Within rubbery polymers, the free volume should be considered as a dynamic system in which pores in the polymer matrix are successively created and filled by the movement of the chains. On the other hand, glassy polymers contain much less free volume than rubbery polymers, and the pores in the matrix are relatively spatially fixed. Because glassy polymers have a smaller total free volume, their permeability tends to be lower, while a narrower distribution of pore sizes makes it more difficult for these polymers to distinguish between molecules of different sizes. make it easy to do. When designing a permeation process for industrial gas separation, the primary concerns are product purity and production rate. Therefore, when selecting a membrane, a membrane is sought that exhibits a high specific permeability for the product and a low specific permeability for the other components of the mixture, i.e. a membrane that exhibits high permeability and high selectivity. . These properties are rarely found simultaneously in one polymer. This dilemma is an important factor in the development of membrane separation methods that are fully useful for industrial gas separation. Fortunately, membranes that exhibit high selectivity for one component of a gas mixture need not be abandoned solely because of low overall permeability. A closer look at equation (4) shows that the flux can be increased by increasing the pressure differential across the membrane or by decreasing the membrane thickness. Moreover, the permeator design also influences the flux as well as the membrane selectivity that can actually be achieved. In practice, membrane separation of gases is carried out by passing a feed stream of the gas mixture to be separated over the surface of the membrane, but allowing only a portion of the gas to permeate and leaving the unpermeated gas (ruffinate) Recirculate or send it to another permeation chamber. The driving force for gas permeation is the pressure differential across the membrane, which is maintained by either hydrostatic pressure on the feed side or vacuum on the product side of the permeation chamber, or both. Each passage of the gas mixture through the membrane is hereinafter referred to as a stage of separation, and the permeation fraction is referred to as the stage cut. The increase in the number of stages results in a product of higher purity than that obtained in a single stage process. However, the cost of recompressing the gas at each stage, as well as the cost of adding models, often makes implementation impossible. Stage cut also affects selectivity as well as permeation rate. The greater the amount of gas that is allowed to pass through, the lower the true degree of separation. The mode of gas flow across the surface of the membrane also affects the selectivity of the process. However, if the stage cut is very low, this effect will be minimal. Since the flux described in equation (4) is the permeation rate per unit area, another way to improve membrane productivity is by increasing the surface area of the membrane. Simply adding more modules is one way to increase surface area, but polymers often have low permeability to gases, requiring millions of square feet to produce a satisfactory permeation rate. This can make this method impractical. Considerable research has been devoted to the subject of packing membranes into structures that provide greater membrane surface per unit volume. The most successful 2
The types of seeds were spirally wound membranes and hollow fiber membranes. Hollow fibers in particular offer extremely high surface area to volume ratios. For example, a 0.3 m 3 membrane device contains a surface area as large as 500 m 2 . In comparison, a spirally wound membrane has the same volume of 20 m 2 . An additional advantage of using hollow fiber technology is the self-supporting nature of the hollow fibers, which minimizes the cost of manufacturing devices for housing the hollow fibers. It has been shown that the pressure difference across the membrane affects the membrane flux. It has been shown that the true separation of gas mixtures also depends on the pressure difference between the feed and product sides of the membrane. The ratio r of the pressure on the high pressure (feedstock) side of the membrane to the pressure on the low pressure (product) side of the membrane in the separation of two components, the molar fraction of the more permeable component in the feedstock X A ,
Based on the ideal separation factor (α * ) as defined in equation (5), the following equation holds for the actual separation factor α: α = (α * +1) / 2 - (1 / r) (α * -1) / 2X A -
1/2X A ±{(α * −1/2) 2 + (α * −1) − (1/r) [(α * ) 2 −1]/2X A + [(
1/r)(α * -1)+1/2X A ] 2 } 1/2 (6) It can be seen that in the limit of infinite supply pressure, the actual separation factor approaches the ideal separation factor. With the high operating pressures required to maintain high fluxes and selectivities, comes the need for membranes and equipment that can withstand such conditions as well as increased energy consumption for compression of the feed mixture. Of all the research methods for maximizing membrane flux, perhaps no other has attracted as much interest as reducing the thickness of the membrane itself.
However, this research method has two major drawbacks that have been successfully overcome within the last 20 years. Gas molecules are so small that a pinhole (or even a microscopic defect in the membrane surface) is sufficient to render the membrane unusable for gas separation. It is extremely difficult to cast ultra-thin membranes without defects using conventional casting techniques. Irregularities on the surface onto which the membrane is cast are incorporated into the structure of the membrane, which for very thin membranes can be comparable in size to the thickness of the membrane. These irregularities create pinholes through which a large flow of gas occurs, thus causing a loss of permselectivity. Second, ultrathin membranes are extremely fragile and often cannot withstand the pressures they must undergo in membrane separation processes. An innovative solution to this problem came with the development of asymmetric cellulose acetate membranes. The term asymmetric refers to a membrane configuration in which a relatively dense, ultra-thin coating is placed over an underlying open porous structure. To cast this type of membrane, a solution of the polymer in a water-miscible solvent is first cast onto a glass plate in a conventional manner. After a short period of time for the solvent near the surface of the membrane to evaporate and concentrate the polymer, the glass plate is immersed in water, where the polymer condenses, the water diffuses into the solution, and the solvent also diffuses. As it comes out, it forms a porous matrix. Because the dense layers formed in this way represent only a small fraction of the total membrane thickness, the flux of these membranes is greater than that exhibited by dense isotropic membranes of comparable thickness. much higher.
A dense separation layer is placed on a porous support matrix that provides mechanical strength to the membrane. These membranes have been very successful in reverse osmosis applications, but their utility in gas separation is questionable. Although it may be considered impermeable to liquids, even its dense coating contains pores larger than a typical gas molecule. for example,
Post-treatments such as annealing the film at high temperatures were used to reduce the size of the pores in the surface layer. However, for this post-treatment to be successful, the surface porosity must be less than 10 -6 % of the surface area. Moreover, these post-treatments tend to significantly reduce membrane flux. Another solution for eliminating the effects of surface porosity in asymmetric membranes was published by Henis and Tripodi in US Pat.
No. 4230463 (published October 28, 1980). This shows a porous substrate coated with polymer in closed contact. Hennis et al.'s research method deposits a thin layer of highly permeable polymer (e.g. silicone rubber) onto the surface of a porous asymmetric membrane that exhibits good specific selectivity for one component of the gas mixture to be separated. It was to let him do it. It has been found that by sealing the surface pores in this manner, much of the selectivity of the underlying porous polymeric material is maintained, yet the overall permeability remains very high. Membranes made of two (or more) laminated films are called composite membranes. Similar to the electrical current in an electrical circuit, the ultimate properties of these composite membranes are related to the resistance of each of their constituent parts. In this case, the coating material,
It relates to the resistance of the substrate and the filled pores to gas flow. The resistance R for a particular component of the composite membrane is given by the following equation: R=l/PA (7) where l is the thickness of the part, P is the average permeability of the material making up the part, and A is the surface area of the part. The total resistance R T of a composite membrane to a given gas flow is calculated in the same way as that of the corresponding current. For the case of a composite membrane consisting of two stacked defect-free layers, R T is simply the sum of the resistances of the individual layers. For a composite membrane of the type of Hennis et al., R T is given by the following equation: R T =R 1 +R 2 R 3 /R 2 +R 3 (8) The subscript in the above formula represents the membrane part. Assuming that the pore area is small compared to the total surface area,
The thickness-corrected permeability (P/l) is given by the following equation: P/l=[l 1 /P 1 +l 2 /P 2 +P 1 (A 3 /A 2 )] -1 (9) where A 3 is the surface area of the pores and A 2 is the total area of the membrane. It is the surface area. The ratio of thickness-corrected permeabilities for a pair of gases is likewise equal to the ideal separation factor as a ratio of average permeability coefficients. It is clear that the selectivity of composite membranes does indeed approach the intrinsic selectivity of the substrate up to relatively high surface porosity. It is therefore possible to achieve high fluxes and at the same time high selectivities. The separator in these composite membranes of Hennis et al. is the underlying asymmetric membrane. Therefore, the choice of separation material is limited to the polymer from which the asymmetric membrane is cast. Moreover, since most of the material in the composite membrane is within the underlying structure, the materials making up this layer must be inexpensive and easily synthesized polymers. Membrane manufacturing methods in which the separation layer is deposited as an ultrathin film on the surface of an inexpensive porous support allow the membrane to be constructed using small amounts of expensive or novel polymers as the permselective layer. . The use of such materials is advantageous from the point of view of their inherent permselectivity. This method actually predates the work of Hennis et al. and has generally become the most common method for developing high flux membranes for gas separation. Several methods have been investigated for depositing ultrathin films on the surface of porous supports. The simplest and most straightforward technique is simply to coat the support film by dipping it in some polymer or reactive monomer, followed by drying and/or heat curing. However, this method has been applied only to limited applications, mainly in the field of reverse osmosis membranes. A close relative of this technique is the interfacial polymerization of reactive monomers or polymers on the surface of a support. In such methods, a porous film is saturated with an aqueous solution of a monomer or polymer and then treated with a reactive intermediate dissolved in a water-immiscible solvent. Since the reaction between monomers or polymers occurs only at the interface,
The resulting separation layer is extremely thin. So far, this method has been applied commercially only to create membranes for reverse osmosis separations. The vapor phase deposition of polymers onto porous supports is a promising new technique that has been studied in the past, but there is no commercial application of this method yet. Another method of placing the film directly on the support layer is to cast the film separately and then laminate the ultrathin separating layer onto the porous support. Perhaps the easiest way to accomplish this is to dip a glass plate into a dilute solution of the polymer and
The idea is to pull up the plate and then evaporate the solvent. The remaining film is then removed from the glass surface by dipping the glass plate in water. Finally, one or more sheets of this film are carefully layered onto the porous support. The second method is to cast a polymer solution in a hydrophobic solvent onto the surface of water and spread the solution to form an ultra-thin film. After the solvent has evaporated, the film is picked up and placed on the support layer. These techniques have proven useful for casting essentially defect-free films as thin as 150 angstroms. The above membranes were laminated as single or multiple layers onto porous supports for use in gas separation. Although thin separation layers are advantageous in terms of increasing membrane flux, they complicate the membrane manufacturing procedure as these layers are easily damaged during lamination. Composite membranes consisting of a very thin glassy polymer film on a porous glassy polymer support are particularly sensitive to damage during handling. Browall and Saleem
Salemme in U.S. Pat. No. 3,874,986 (issued April 1, 1975) and Browall in U.S. Pat.
This problem was solved by inserting an interlayer of organopolysiloxane-polycarbonate copolymer between the microporous layer and the non-porous layer. In this case, the above-mentioned intermediate layer serves as a cushion and an adhesive. Another disadvantage of separately casting the support structure and permselective layer is the limitations of the technology for coating planar sheet membranes. The advantages over planar sheet membranes in the form of hollow fibers have already been mentioned above. In Japanese Patent Publication No. 57 [1982]-105203 (published on June 23, 1982, filed by Toray Industries, Inc.), Hirose and Kurihara describe an aminopolysiloxane consisting mainly of repeating units of the following general formula. describes a selectively permeable membrane prepared by crosslinking.

【式】および[expression] and

【式】 上式中、Xは−NH2または1〜4の第1級ま
たは第2級アミノ基を有しかつ脂肪族または脂環
族であるアミノ基であり、nは1〜10の整数であ
り、そしてiとjはモル分率を表わし、i+j=
1.0、0.1i1および0j0.9の条件を満足
させる。 ヒロセとクリハラはアミノポリシロキサンを架
橋剤、例えば酸塩化物、酸無水物、イソシアネー
ト、チオシアネート、スルホニルクロリド、エポ
キシド、または各分子に活性ハロゲンのような官
能基を2個またはそれ以上含有する化合物、によ
つて架橋することを述べている。架橋剤が水また
はアルコールに可溶である場合には、アミノポリ
シロキサンの溶液と架橋剤を混合して、多孔質支
持体の上に塗布する。架橋剤が水またはアルコー
ルに不溶の場合あるいは架橋剤がこれらの溶媒と
反応する場合には、膜は表面縮合によつて作られ
る。アミノポリシロキサンをまず多孔質支持体の
上に塗布して、ポリマー溶液を特定の時間、好ま
しくは数秒〜30分間に孔の中に浸透させる。支持
体の表面は熱空気で乾燥することができる。次
に、アミノポリシロキサンのフイルムで被覆した
支持体表面を、アミノポリシロキサン中のアミノ
基と反応し得る多官能架橋剤の溶液と接触させ
る。多官能架橋剤用に好ましい溶媒は通常炭化水
素溶媒、例えば石油エーテル、ヘキサン、または
ヘプタンである。この溶媒中の架橋剤の適当な濃
度は反応基材、架橋剤、および溶媒によつて異な
るが、約0.1〜2重量%が良好な結果を与える。
架橋反応を完成するため通常加熱が必要であり、
一般に50゜〜180℃において1〜30分加熱する。 本発明は酸素−窒素ガス混合物をある複合材料
を通過させることにより前記混合物中の酸素ガス
含量を増加させるために適する複合材料を製造す
る方法に関する。その方法は (イ) 20〜250μmの厚さの、高度に多孔質のポリ
マー基材の少なくとも一つの表面上にアミノ有
機官能価を有するポリシロキサンをコーテイン
グし、その際ポリシロキサンは0.1μm〜20μm
の厚さを有する硬化膜を与えるに十分な厚さに
塗布され、そしてそのポリシロキサンは本質的
に1〜9モル%の第1級アミノ有機官能価を有
するアミノシロキサン単位と91〜99モル%の他
の反復シロキサン単位のランダム共重合体から
成りそして下記の一般式 (上式中のrとsは、下記の式 のアミノシロキサン単位が1〜9モル%存在し、
そして分子当りのシロキサン単位の平均合計数が
100〜800であるような値を有する)を有するこ
と、 (ロ) 基材上にコーテイングした上記ポリシロキサ
ンを、イソシアネートに非反応性の有機溶媒と
ジイソシアネートの溶液と、架橋結合した膜を
形成させるのに十分な時間接触させ、そして (ハ) 架橋結合した膜を十分な量のポリ(フエニレ
ンオキシド)類と接触させて、ガス選択性フイ
ルムとして有効な極めて薄い層を生じさせるこ
とにより、(ロ)工程で得られた生成物をさらに処
理すること、 から本質的になる。 本発明の一つの目的は空気中の酸素を濃縮する
ための膜を製造する方法を提供することである。
この膜に求められる特徴は酸素の良好な透過選択
率(3〜4の理想分離係数)、適度に高い流束、
および中空糸技術への適合であつた。支持表面上
に成分層を直接析出させることによつて調製され
た複合膜は前記の膜の要求条件に最も良く適し
た。 本発明の第2の目的は複数の膜の中に改良され
た中間層を提供することである。特に、この層は
分離層にクツシヨンを当てがうために役立ち、そ
してまた透過したガスをポリスルホン(PSF)支
持体の表面孔中へ送る通路となる『ガター層』の
役割をつとめ、かくして複合膜の流束を分離用フ
イルムの有効表面積を増加させることによつて高
める。 本発明の複合材料を製造する方法はヒロセとク
リハラにより日本特許公告昭57〔1982〕−105203号
において使用された方法に似ている。本発明の方
法はアミノ有機官能価を有するポリシロキサン中
の低いアミノシロキサン単位の含量、すなわち1
〜9モル%のアミノシロキサン単位、の使用を許
す。これらのアミノ有機官能価を有するポリシロ
キサンは多孔質基材上でジイソシアネートにより
架橋されて架橋結合膜を生成し、それをポリ(フ
エニレンオキシド)類と接触させてガス選択性フ
イルムを上記架橋結合膜上に生成させることによ
り、ガス分離、特に空気のようなガス混合物の酸
素濃縮に役立つ複合材料を作ることができる。 ヒロセとクリハラの教示によると、ポリシロキ
サンが10モル%またはそれ以上のアミノシロキサ
ン単位を有しなければ、そのポリシロキサンは十
分に架橋することはできないという。本発明の方
法はポリシロキサン中に10モル%より少ないアミ
ノシロキサンを使用するのみならず、その結果得
られる複合材料の透過係数をポリシロキサンの、
そのポリシロキサンを架橋するために使用される
ジイソシアネートに対する重量比によつて調節す
ることができることを発見している。前記の比を
増加すると、その複合材料について酸素と窒素の
ようなガスの透過係数の減少が生じる。透過係数
の変化は分離係数(SF,α)に実質的変化を起
させない。 支持層は例えばシートまたは中空糸であつてよ
く、高度に多孔質のポリマー、例えばポリスルホ
ン(PSF)、ポリスチレン、およびその他米国特
許第4230463号(多孔質基材を作ることのできる
材料を示している)に定義されているようなポリ
マー、から製造することができる。そのような多
孔質基材は当該技術分野において公知であり、そ
の多くのものは商業的に製造されている。好まし
くは、多孔質基材はポリスルホンである。 多孔質基材は好ましくは厚さ20〜250μmであ
り、そして細孔の直径は0.01〜0.1μmの範囲内に
あることが望ましい。多孔質基材の少なくとも一
つの表面はアミノ有機官能価を有するポリシロキ
サンによつてコーテイングされる。好ましくは、
高密度の表面がコーテイングされ、そしてまた供
給ガスに接触する表面である。ポリシロキサンは
多孔質基材上に塗布されるとき、有機溶媒の溶液
であることが好ましい。ポリシロキサン溶液を作
るときに使用される有機溶媒は多孔質基材に対し
ては実質的に非溶媒であり、かつ多孔質基材とポ
リシロキサンに反応性のないもの、例えばヘキサ
ンである。ポリシロキサンを溶解しかつ多孔質基
材に作用しないために適当な溶媒に関するこれ以
上の情報については米国特許第4230463号を参照
されたい。 ポリシロキサンは多孔質基材上に、0.1μm〜
20μmの厚さの硬化したコーテイングを与えるに
十分な量において塗布される。有機溶媒中のポリ
シロキサンの濃度は好ましくは1〜20重量%の範
囲内であるが、しかし溶媒とポリシロキサンの性
質に応じてこの範囲外に変動してもよい。ポリシ
ロキサンの溶媒中における最も実用的な濃度は1
〜10重量%である。シート材料については、均一
なコーテイングを表面に施すようにポリシロキサ
ン溶液は多孔質基材上に流延されてもよい。均一
なコーテイングを施すその他の方法は多孔質基材
の構造によつて示唆されるであろう。例えば、中
空糸の表面(管状)はその管に溶液を通過させる
ことによつてコーテイングすることができる。ガ
ス分離のために所定の系を提供するためにコーテ
イングの厚さを造り上げるために1回またはそれ
以上の通過をさせることもできる。ポリシロキサ
ン溶液を多孔質表面に塗布した後に、溶媒を蒸発
させる。そしてそのシロキサンは無架橋ポリシロ
キサンのフイルムを形成する。次にポリシロキサ
ンフイルムをジイソシアネートにより架橋させて
弾性フイルムにする。ジイソシアネートは有機溶
媒の溶液としてポリシロキサンに塗布される。有
機溶媒中のジイソシアネートの濃度は変動させる
ことができるが、ポリシロキサンを架橋するため
に十分でなければならない。好ましくは、ジイソ
シアネートの濃度は0.1〜5重量%、最も好まし
くは0.2〜4重量%である。ジイソシアネートが
ポリシロキサンフイルム上に展開された後、ジイ
ソシアネートをポリシロキサンと共に放置してポ
リシロキサン中で架橋する量を提供させる。通常
5〜30秒の時間で十分である。過剰のジイソシア
ネート溶液を、洗い流すか、中空糸からは流し出
すなど、いずれにしてもポリシロキサンフイルム
表面から除去する。余分のジイソシアネート溶液
を流し出した後、処理されたポリシロキサンフイ
ルムの表面を室温で乾燥させてから、次に50゜〜
150℃において1〜30分間加熱することによりさ
らに硬化させることができる。 アミノ有機官能価を有するポリシロキサンは1
〜9モル%のアミノシロキサン単位を有するもの
であり、そしてランダム共重合体である。 本発明の複合膜は、分子当り平均100〜800のシ
ロキサン単位を有するアミノ有機官能ポリシロキ
サンを含有する。 上記ポリシロキサンは一般式 (上式中のrとsは、下記の式 のアミノシロキサン単位が1〜9モル%存在し、
そして分子当りのシロキサン単位の平均合計数が
100〜800であるような値を有する)を有するラン
ダムポリシロキサンであり、好ましいランダムポ
リシロキサンは下記の平均式を有する: (上式中のrとsは、下記の式 のアミノシロキサン単位が約8モル%存在し、そ
して分子当りのシロキサン単位の平均合計数が約
300であるような値を有する)、ならびにまた(上
式中のrとsが、下記の式 のアミノシロキサン単位が約2モル%存在し、そ
して分子当りのシロキサン単位の平均合計数が約
100であるポリシロキサンを含む。) ジイソシアネートは芳香族、脂肪族または脂環
族であつてよく、例えばトルエンジイソシアネー
ト、ジフエニルメタンジイソシアネート、ナフタ
レンジイソシアネート、ベンゼンジイソシアネー
ト、ヘキサメチレンジイソシアネート、シクロヘ
キサンジイソシアネート、およびメタキシレンジ
イソシアネートなどである。好ましいジイソシア
ネートはトルエンジイソシアネート(TDI)であ
る。 上記のようにして調製された複合材料は2.4〜
2.9のSF(分離係数)ならびに酸素について18×
10-10〜180×10-10cm3cmsec-1cm-2(cmHg)-1の透過
係数および窒素について6×10-10〜75×10-10cm3
cmsec-1cm-2(cmHg)-1の透過係数を有することが
できる。 架橋されたアミノ有機官能基を有するポリシロ
キサンのフイルムで被覆された多孔質基材から成
る上記の複合材料は、例えば酸素−窒素混合物中
の酸素含量を増加するというようなガスの分離に
有用であるが、ポリ(2,6−ジメチル−1,4
−フエニレンオキシド)(PPO)の極薄の層を架
橋されたアミノ有機官能基を有するポリシロキサ
ンのフイルムの上に置くことによつて調製された
複合材料はより多くの利点とより広い効用を有す
る複合材料を提供する。分離係数はより高い値に
なり得るし、架橋したポリシロキサンはガター層
として働くことができるし、そしてその表面は、
ほこりの粒子のような汚染物を容易に付着させな
い。 PPOは−CH2Brを1〜60%ほどに含む反復単
位を60%までまたはそれより多く有する臭素化
PPOであり得る。好ましい臭素化PPOは20000〜
500000の分子量を有し、そして
[Formula] In the above formula , , and i and j represent the mole fraction, i+j=
1.0, 0.1i1 and 0j0.9 conditions are satisfied. Hirose and Kurihara describe aminopolysiloxanes as crosslinking agents, such as acid chlorides, acid anhydrides, isocyanates, thiocyanates, sulfonyl chlorides, epoxides, or compounds containing two or more functional groups such as active halogens in each molecule. It states that crosslinking is achieved by If the crosslinking agent is soluble in water or alcohol, a solution of the aminopolysiloxane and the crosslinking agent are mixed and coated onto the porous support. If the crosslinker is insoluble in water or alcohol, or if the crosslinker reacts with these solvents, the membrane is produced by surface condensation. The aminopolysiloxane is first applied onto the porous support and the polymer solution is allowed to penetrate into the pores for a certain period of time, preferably from a few seconds to 30 minutes. The surface of the support can be dried with hot air. The surface of the support coated with the aminopolysiloxane film is then contacted with a solution of a polyfunctional crosslinking agent capable of reacting with the amino groups in the aminopolysiloxane. Preferred solvents for polyfunctional crosslinkers are usually hydrocarbon solvents, such as petroleum ether, hexane, or heptane. The appropriate concentration of crosslinking agent in the solvent varies depending on the reaction substrate, crosslinking agent, and solvent, but about 0.1 to 2% by weight gives good results.
Heating is usually required to complete the crosslinking reaction;
Generally heated at 50° to 180°C for 1 to 30 minutes. The present invention relates to a method for producing a composite material suitable for increasing the oxygen gas content in an oxygen-nitrogen gas mixture by passing the mixture through said composite material. The method comprises (a) coating a polysiloxane with aminoorganic functionality on at least one surface of a highly porous polymeric substrate with a thickness of 20 to 250 μm, the polysiloxane having a thickness of 0.1 μm to 20 μm;
and the polysiloxane consists essentially of aminosiloxane units having 1 to 9 mol % of primary amino organofunctionality and 91 to 99 mol % of aminosiloxane units having primary amino organic functionality. consisting of a random copolymer of other repeating siloxane units and having the following general formula: (r and s in the above formula are the following formula 1 to 9 mol% of aminosiloxane units are present,
and the average total number of siloxane units per molecule is
100 to 800); (b) forming a film in which the polysiloxane coated on the substrate is cross-linked with a solution of a diisocyanate and an organic solvent that is non-reactive to isocyanate; and (c) contacting the cross-linked membrane with a sufficient amount of poly(phenylene oxide) to produce an extremely thin layer useful as a gas-selective film. b) Further processing of the product obtained in the step. One object of the present invention is to provide a method of manufacturing a membrane for concentrating oxygen in air.
The characteristics required for this membrane are good oxygen permeation selectivity (ideal separation coefficient of 3 to 4), moderately high flux,
and adaptation to hollow fiber technology. Composite membranes prepared by direct deposition of component layers onto a supporting surface are best suited to the membrane requirements described above. A second object of the invention is to provide an improved intermediate layer within a plurality of membranes. In particular, this layer serves to cushion the separation layer and also acts as a ``gutter layer'' that channels permeated gases into the surface pores of the polysulfone (PSF) support, thus providing a barrier to the composite membrane. by increasing the effective surface area of the separating film. The method of manufacturing the composite material of the present invention is similar to the method used by Hirose and Kurihara in Japanese Patent Publication No. 105203/1982. The process of the invention is characterized by a low content of aminosiloxane units in polysiloxanes with aminoorganic functionality, i.e. 1
Allows the use of ~9 mole % aminosiloxane units. These amino-organofunctional polysiloxanes are cross-linked with diisocyanates on porous substrates to produce cross-linked films, which are contacted with poly(phenylene oxide)s to form gas-selective films. By being produced on membranes, composite materials can be made that are useful for gas separation, especially for oxygen enrichment of gas mixtures such as air. According to the teachings of Hirose and Kurihara, a polysiloxane cannot be sufficiently crosslinked unless it has 10 mole percent or more aminosiloxane units. The method of the present invention not only uses less than 10 mole percent aminosiloxane in the polysiloxane, but also reduces the permeability coefficient of the resulting composite material to that of the polysiloxane.
It has been discovered that the weight ratio of the polysiloxane to the diisocyanate used to crosslink can be controlled. Increasing the ratio results in a decrease in the permeability coefficients of gases such as oxygen and nitrogen for the composite material. Changes in the transmission coefficient do not cause substantial changes in the separation factor (SF, α). The support layer may be, for example, a sheet or a hollow fiber, and may be made of highly porous polymers such as polysulfone (PSF), polystyrene, and other US Pat. ) can be manufactured from polymers as defined in ). Such porous substrates are known in the art, and many are commercially manufactured. Preferably, the porous substrate is polysulfone. The porous substrate preferably has a thickness of 20 to 250 μm, and the pore diameter is desirably in the range of 0.01 to 0.1 μm. At least one surface of the porous substrate is coated with a polysiloxane having aminoorganic functionality. Preferably,
The dense surface is coated and is also the surface in contact with the feed gas. Preferably, the polysiloxane is in solution in an organic solvent when applied onto the porous substrate. The organic solvent used in making the polysiloxane solution is one that is substantially a non-solvent for the porous substrate and is non-reactive with the porous substrate and the polysiloxane, such as hexane. See US Pat. No. 4,230,463 for further information regarding suitable solvents for dissolving polysiloxanes and not acting on porous substrates. Polysiloxane is placed on the porous base material in a thickness of 0.1 μm ~
It is applied in an amount sufficient to give a 20 μm thick cured coating. The concentration of polysiloxane in the organic solvent is preferably within the range of 1 to 20% by weight, but may vary outside this range depending on the nature of the solvent and polysiloxane. The most practical concentration of polysiloxane in a solvent is 1
~10% by weight. For sheet materials, the polysiloxane solution may be cast onto a porous substrate to provide a uniform coating on the surface. Other methods of applying a uniform coating may be suggested by the structure of the porous substrate. For example, the surface of a hollow fiber (tubular) can be coated by passing a solution through the tube. One or more passes can also be made to build up the coating thickness to provide a given system for gas separation. After applying the polysiloxane solution to the porous surface, the solvent is evaporated. The siloxane then forms a non-crosslinked polysiloxane film. The polysiloxane film is then crosslinked with diisocyanate to form an elastic film. The diisocyanate is applied to the polysiloxane as a solution in an organic solvent. The concentration of diisocyanate in the organic solvent can be varied, but must be sufficient to crosslink the polysiloxane. Preferably, the concentration of diisocyanate is between 0.1 and 5% by weight, most preferably between 0.2 and 4% by weight. After the diisocyanate is spread on the polysiloxane film, the diisocyanate is left with the polysiloxane to provide a crosslinking amount in the polysiloxane. Usually a time of 5 to 30 seconds is sufficient. Excess diisocyanate solution is removed from the surface of the polysiloxane film, either by washing it away or pouring it out of the hollow fibers. After pouring off the excess diisocyanate solution, the surface of the treated polysiloxane film was dried at room temperature and then
Further curing can be achieved by heating at 150°C for 1 to 30 minutes. The polysiloxane with amino organic functionality is 1
It has ~9 mol% aminosiloxane units and is a random copolymer. The composite membrane of the present invention contains an aminoorganofunctional polysiloxane having an average of 100 to 800 siloxane units per molecule. The above polysiloxane has the general formula (r and s in the above formula are the following formula 1 to 9 mol% of aminosiloxane units are present,
and the average total number of siloxane units per molecule is
100 to 800), preferred random polysiloxanes have the following average formula: (r and s in the above formula are the following formula of aminosiloxane units are present, and the average total number of siloxane units per molecule is about
300), and also (where r and s in the above formula have a value such that about 2 mole % of aminosiloxane units are present, and the average total number of siloxane units per molecule is about
Contains 100% polysiloxane. ) The diisocyanates may be aromatic, aliphatic or cycloaliphatic, such as toluene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, naphthalene diisocyanate, benzene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, cyclohexane diisocyanate, and metaxylene diisocyanate. A preferred diisocyanate is toluene diisocyanate (TDI). The composite material prepared as above is 2.4~
SF (separation factor) of 2.9 and 18× for oxygen
10 -10 ~ 180 × 10 -10 cm 3 cmsec -1 cm -2 (cmHg) -1 permeability coefficient and 6 × 10 -10 ~ 75 × 10 -10 cm 3 for nitrogen
It can have a transmission coefficient of cmsec -1 cm -2 (cmHg) -1 . The composite material described above, consisting of a porous substrate coated with a film of polysiloxane having cross-linked aminoorganic functional groups, is useful for the separation of gases, e.g. to increase the oxygen content in oxygen-nitrogen mixtures. However, poly(2,6-dimethyl-1,4
Composites prepared by placing an ultrathin layer of PPO (phenylene oxide) (PPO) on top of a film of polysiloxane with crosslinked aminoorganic functional groups offer more advantages and broader utility. To provide a composite material having The separation factor can be higher, the crosslinked polysiloxane can act as a gutter layer, and the surface can be
Does not easily attract contaminants such as dust particles. PPO is a brominated compound with up to 60% or more repeating units containing -CH 2 Br as much as 1 to 60%.
It can be a PPO. Preferred brominated PPO is 20000 ~
has a molecular weight of 500000, and

【式】【formula】

【式】【formula】

【式】【formula】

【式】および[expression] and

【式】 から選択される反復単位を有することができる。
臭素化PPOは、高い分離係数を示す分離層とし
て使用することができる。酸素−窒素混合物につ
いて8より大なる分離係数の値を得ることができ
る。その他のポリ(フエニレンオキシド)もまた
二層複合膜における分離層として役立つと期待さ
れる。 極薄のPPOフイルムは架橋化ポリシロキサン
フイルム上に分離層として堆積させられる。その
PPO層は2μmの厚さに堆積させることができる
が、普通は有機溶媒から0.5μmまたはそれ以下の
厚さに析出させられる。ガター層とPPO層とを
合わせた厚さは1μm程に薄くあつてよい。膜、
すなわち、複合材料の性能は、下層の厚さ、基材
の多孔度、および分離層中の欠陥の割合の関係に
依存する。分離層の損傷が少なければ膜の性能の
全体的喪失を起さない。また分離層に対するひど
い損傷(例えば、2%以上の表面の欠陥)は膜の
分離性能をガター層(中間の架橋化ポリシロキサ
ン層)のそれに落すことになる。架橋化ポリシロ
キサン層は増加された分離係数と増加された不活
性さを有する。また、もし最上層(分離層)が傷
つけられたならば、その層を再コーテイングする
ことができて、モデユールの中においてさえも膜
の初めの性能を取り戻すことができる。 本発明のある態様において、特に有用な分離用
膜は、多孔質ポリスルホン(PSF)流延シートの
支持母材と、その上に堆積された何層かのTDIに
よりその場で架橋されたアミノ有機官能価を有す
るポリシロキサンの極薄層およびPPOの極薄層
から調製された二層複合膜であつた。この膜を通
すことにより空気を濃縮し、そのガス混合物中に
40〜50%の酸素を生成した。 次の実施例は説明のために提出されるものであ
つて、特許請求の範囲において正確に輪郭を描か
れている本発明を限定するものと解されるべきで
はない。 実施例 1 複合膜を、この目的のために工夫された枠に固
定された長方形の多孔質異方性ポリスルホンの流
延シート(約7×14cm)の一面上にアミノ有機官
能価を有するポリシロキサンのヘキサン溶液(使
用されたポリシロキサンの濃度と種類は第表に
示される通りであつた)を均等に展開することに
よつて調製した。少量の溶液(所望のフイルムの
厚さを与えるに十分な)を枠の一端に注入してか
ら、その枠を傾けて溶液を表面上に均等に流れさ
せた。15分間表面上に放置した後、余分の溶液を
取り除き、ポリスルホンの表面に付着しているフ
イルムを2分間乾燥させた。溶媒を蒸発させた
後、2重量%のトルエン−2,4−ジイソシアネ
ート(以下TDIと呼ぶ)ヘキサン溶液をポリシロ
キサン溶液と同様の方法で表面上に展開させた。
その溶液をポリスルホンの表面上に15分間放置し
てから、次に未反応の溶液を表面から流し出し
た。TDIは架橋化ポリシロキサンコーテイングを
形成させたが、そのコーテイングを室温で5分間
乾燥させてから、次に対流炉の中で10〜12分間
90゜〜95℃の温度で硬化させて架橋化ポリシロキ
サン−ポリスルホン複合膜を形成させた。これら
の複合膜の厚さを夫々走査電子顕微鏡(SEM)
で測定し、また各複合膜について窒素ガスと酸素
ガスに対する理想分離係数、実の分離係数および
透過係数を測定した。 二層複合膜を、前記の架橋化ポリシロキサン−
ポリスルホン複合膜にポリ(2,6−ジメチル−
1,4−フエニレンオキシド)(以下PPOと呼
ぶ)のコーテイングを施すことにより調製した。
PPOは、予め透過室に適合するように切断され
た架橋化ポリシロキサン−ポリスルホン複合材料
の表面上に、ポリスルホンを塗布するために使用
された方法と少し違う方法でコーテイングされ
た。このコーテイング技法の変更はPPOの加工
の前と後に同じ膜を評価するために必要であつ
た。前記の膜を約10cmの直径を有する円筒の外側
に固定することにより、これらの複合膜の架橋化
ポリシロキサン表面にPPOを塗布した。その円
筒を、PPOの1重量%CCl4溶液で殆ど溢れる位
に満された小さな皿の、溶液のメニスカスが皿の
縁の上にあるようになつている、その皿の上に保
持した。その円筒を次に下降させて、溶液と膜を
接触させた。最後に、円筒を回転させて膜の全表
面を溶液と接触させた。膜を溶液から取り去つて
から乾燥させ、かくして二層複合膜を形成させ
た。 PPOフイルムの厚さは走査電子顕微鏡で測定
し、そして窒素ガスと酸素ガスについて理想分離
係数実の分離係数、および透過係数を測定した。
その結果は第表に示す通りであつた。第表に
はまた予測値を実測値と比較のために示してあ
る。 ポリスルホンの流延シートはユー・オー・ピー
社(U.O.P.Inc.,San Diego,California)によ
つて製造され、E−183と呼ばれるもので、裏紙
に積層されたプレキヤスト微孔質ポリスルホン膜
(空気透過度=95×10-15gcm-2sec-1atm-1)であ
つた。 ここで使用されたアミノ有機官能価を有するポ
リシロキサンは下記の一般式を有した。 上式中xは約276の平均値を有し、そしてyは
約24の平均値を有したが、これは約8モル%のア
ミノシロキサン単位である。 理想分離係数 酸素/窒素分離におけるこれらの複合膜の理想
分離係数は膜の2種のガスについての透過係数の
比から算定された。膜を透過セルの中に置いて、
その純粋の酸素または窒素に対する透過度を測定
した。透過度試験のために純粋なガスは入口を通
つてセルに供給され、出口は圧の微調整用に使わ
れ、そして透過物は石鹸泡流量計に送られる。流
速は一定の圧で泡が流量計内の一定の容積を移動
するために要した時間を測定することにより測ら
れた。流速をガスにさらされる膜の表面積で割る
と流束(flux)に等しい。流束、圧力差、および
膜の圧さ(走査電子顕微鏡で測定される)は透過
係数を計算するために使われる。しかし単一の膜
については、すべて他のパラメーターは同一であ
るから、一定の圧において2種のガスの流束を測
定することだけが必要である。 実の分離係数 酸素/窒素分離における複合膜の実の分離係数
は本質的に同じ装置を使用して測定された。実の
分離係数は圧力下に空気にさらされた膜につい
て、そしてまた膜の製品側の減圧条件について測
定された。両方法において、低いステージカツト
を維持するために常に開かれている出口によつて
セルに空気が供給された。透過物はガスクロマト
グラフ(F&Mモデル720)の試料ループを通し
て送られた。不透過物は他のガスクロマトグラフ
に導かれた。 原料と製品の組成をガスクロマトグラムのピー
クの面積から測定した。その面積はピークの高さ
と、その高さの半分の所での幅との積によつて計
算された。酸素と窒素の組成は次の関係式によつ
て与えられた。 %O2=AO2/AO2+AN2 %N2=AN2/AO2+AN2 上式中AO2とAN2は夫々酸素と窒素のピークの
面積であつた。次の方程式が実の分離係数を計算
するために使われた。 α=XO2/XN2/YO2/YN2 上式中XO2とXN2は製品中の酸素と窒素のパー
セントであり、YO2とYN2は原料中の酸素と窒素
のパーセントであつた。 実の分離係数を周囲圧(約1気圧)の製品側と
10psig〜100psigの供給圧で測定した。またその
代りに、供給流を一定圧(代表的には20psig)に
保ちかつ製品側を0.1〜1psig絶対圧に減圧にし
た。各圧の読み毎に3試料を分析のためガスクロ
マトグラフに注入した。 走査電子顕微鏡試験 コーテイングの厚さならびに膜の形態の他の特
性を走査顕微鏡によつて測定した。複合膜を前記
の方法により評価した後、各膜から試料を切り取
つた。これらの試料を液体窒素により破砕してか
ら、ネオリユーブドライフイルム潤滑材と共に試
料スタブに縁に沿つて取りつけた。約1×0.5cm
の2個の試料を各スタブに取りつけた。試料をハ
マー(Hummer)の上で100mAの2パルス
を各90秒間使用した金/パラジウムフイルムでコ
ーテイングした。試料をETEC走査電子顕微鏡で
20KVビームの下に検査した。写真をポラロイ
ド・タイプ55のポジ/ネガフイルムで撮つた。写
真における層の厚さと写真上に二重焼付けしたミ
クロンバーの比較が厚さの計算に使用された。 ポリスルホンの上に架橋化ポリシロキサンの単
一のコーテイングから成る複合膜を調製して前記
のようにして評価した。これらの膜が受けた最初
の試験は酸素と窒素の流束測定値から理想分離係
数の決定であつた。流束はそれらのポテンシアル
についての指標を与えるために最初に20psigの供
給圧で測定された。シリコーンゴムの理想分離係
数(約2)より大きいかまたはそれに等しい理想
分離係数を示す膜はさらに試験を受けた。 欠陥の存在しない膜は流束と膜を横切る圧力差
との間に直線関係を示すべきである。直線性はす
べての膜について観測されたので、実質的欠陥は
何もないことを実証した。 架橋化ポリシロキサン−ポリスルホン複合膜の
表面上にPPOの薄膜をコーテイングするために、
溶液からの析出が中空系膜のコーテイングへの適
用の観点から最も望ましいと考えられた。 PPOの表面層を含む複合膜の実の分離係数は
同様に架橋化ポリシロキサンのみによりコーテイ
ングされた膜のそれよりも大であつた。 これらの膜の透過作用に対する中間層の影響を
研究するために、一連の膜をポリスルホン支持体
の上に種々の濃度のアミノ有機官能価を有するポ
リシロキサンでコーテイングすることにより調製
し、かくして架橋化ポリシロキサンの種々の厚さ
を有する複合膜を得るようにした。ポリシロキサ
ンをTDIにより架橋した後、これらの複合膜を、
純酸素と純窒素につき10〜50psiの範囲に亘つて
透過度を試験した。同じこれらの膜を次に前記の
ようにPPOの1重量%溶液中に漬けてコーテイ
ングした。次にそれらに単一コーテイング膜と同
じ試験を行なつた。 その関係は完全とはほど遠いが、コーテイング
液の濃度が高い程膜はそれに従つてより厚くなる
という傾向は確かに見えた。単一コーテイング膜
の透過度は広い範囲の値に亘つて下がることが観
察された。 実施例 2 アミノ有機官能価を有するポリシロキサン/
TDIの重量比の、ポリスルホン−ポリシロキサン
複合膜の透過度と選択率への効果を測定した。 3種の複合膜を実施例1に述べたようにして調
製したが、但し以下に述べる点が異なつた。ポリ
スルホン流延シートの表面を実施例1に述べた通
りポリシロキサンのヘキサン溶液で、ポリシロキ
サンをポリスルホンの上に20秒間放置してから次
に2分間空気乾燥させることによつてコーテイン
グした。TDIの2重量%ヘキサン溶液をポリシロ
キサン表面にかけてから、TDIをその表面に20秒
間接触させ、未反応の溶液を除き、空気乾燥し、
次に対流炉内で90℃で10分間加熱した。各実験に
つきポリシロキサンの濃度を第表に記載した。
酸素と窒素の透過度と実の分離係数を第表に示
すように測定した。
It can have repeating units selected from the formula:
Brominated PPO can be used as a separating layer exhibiting high separation coefficients. Separation factor values of greater than 8 can be obtained for oxygen-nitrogen mixtures. Other poly(phenylene oxides) are also expected to serve as separation layers in bilayer composite membranes. An ultrathin PPO film is deposited as a separate layer on a crosslinked polysiloxane film. the
PPO layers can be deposited to a thickness of 2 μm, but are commonly deposited from organic solvents to a thickness of 0.5 μm or less. The combined thickness of the gutter layer and PPO layer may be as thin as about 1 μm. film,
That is, the performance of the composite material depends on the relationship between the thickness of the underlying layer, the porosity of the substrate, and the percentage of defects in the separation layer. Less damage to the separation layer results in no overall loss of membrane performance. Also, severe damage to the separation layer (eg, 2% or more surface defects) will reduce the separation performance of the membrane to that of the gutter layer (intermediate crosslinked polysiloxane layer). The crosslinked polysiloxane layer has increased separation coefficient and increased inertness. Also, if the top layer (separation layer) is damaged, it can be recoated to restore the membrane's original performance even within the model. In certain embodiments of the present invention, particularly useful separation membranes include a supporting matrix of porous polysulfone (PSF) cast sheets and an amino-organic membrane cross-linked in situ with TDI deposited thereon. It was a two-layer composite membrane prepared from an ultrathin layer of functionalized polysiloxane and an ultrathin layer of PPO. The air is concentrated by passing through this membrane, and the gas mixture is
Produced 40-50% oxygen. The following examples are presented for illustrative purposes and are not to be construed as limitations on the invention, which is precisely delineated in the claims. Example 1 A composite membrane was coated with a polysiloxane with amino-organic functionality on one side of a cast sheet (approximately 7 x 14 cm) of rectangular porous anisotropic polysulfone fixed in a frame devised for this purpose. (The concentration and type of polysiloxane used were as shown in Table 1) by uniformly spreading a hexane solution of A small amount of solution (enough to give the desired film thickness) was injected into one end of the frame, and then the frame was tilted to allow the solution to flow evenly over the surface. After being left on the surface for 15 minutes, excess solution was removed and the film adhering to the polysulfone surface was allowed to dry for 2 minutes. After evaporating the solvent, a 2% by weight toluene-2,4-diisocyanate (hereinafter referred to as TDI) hexane solution was spread on the surface in the same manner as the polysiloxane solution.
The solution was left on the polysulfone surface for 15 minutes and then unreacted solution was allowed to flow off the surface. TDI formed a cross-linked polysiloxane coating, which was dried at room temperature for 5 minutes and then in a convection oven for 10-12 minutes.
A crosslinked polysiloxane-polysulfone composite film was formed by curing at a temperature of 90° to 95°C. The thickness of these composite films was measured using a scanning electron microscope (SEM).
The ideal separation coefficient, actual separation coefficient, and permeability coefficient for nitrogen gas and oxygen gas were also measured for each composite membrane. The two-layer composite membrane is made of the aforementioned crosslinked polysiloxane.
Poly(2,6-dimethyl-
1,4-phenylene oxide) (hereinafter referred to as PPO).
PPO was coated onto the surface of a crosslinked polysiloxane-polysulfone composite material that had been previously cut to fit the permeation chamber, using a method slightly different from that used to apply polysulfone. This change in coating technique was necessary to evaluate the same membrane before and after PPO processing. PPO was applied to the crosslinked polysiloxane surface of these composite membranes by fixing the membrane to the outside of a cylinder with a diameter of about 10 cm. The cylinder was held on top of a small dish filled almost to the brim with a 1% by weight CCl 4 solution of PPO such that the meniscus of the solution was above the rim of the dish. The cylinder was then lowered to contact the membrane with the solution. Finally, the cylinder was rotated to contact the entire surface of the membrane with the solution. The membrane was removed from the solution and dried, thus forming a two-layer composite membrane. The thickness of the PPO film was measured with a scanning electron microscope, and the ideal separation coefficient, actual separation coefficient, and permeability coefficient were measured for nitrogen and oxygen gases.
The results were as shown in Table 1. The table also shows predicted values for comparison with actual values. The polysulfone cast sheet was manufactured by UOP Inc., San Diego, California and is designated E-183, and is a precast microporous polysulfone membrane (air permeable) laminated to a paper backing. degrees = 95×10 -15 gcm -2 sec -1 atm -1 ). The polysiloxane with amino organic functionality used here had the following general formula. In the above formula, x had an average value of about 276 and y had an average value of about 24, which is about 8 mole percent aminosiloxane units. Ideal Separation Factor The ideal separation factor of these composite membranes in oxygen/nitrogen separation was calculated from the ratio of the membrane's permeability coefficients for the two gases. Place the membrane in a permeation cell,
Its permeability to pure oxygen or nitrogen was measured. For permeability testing, pure gas is supplied to the cell through the inlet, the outlet is used for fine adjustment of pressure, and the permeate is sent to a soap bubble flow meter. Flow rate was measured by measuring the time required for a bubble to travel a fixed volume within the flow meter at a fixed pressure. The flow rate divided by the surface area of the membrane exposed to the gas equals the flux. The flux, pressure difference, and membrane pressure (measured with a scanning electron microscope) are used to calculate the permeability coefficient. However, for a single membrane, all other parameters being the same, it is only necessary to measure the fluxes of the two gases at constant pressure. Actual Separation Factor The actual separation factor of the composite membrane in oxygen/nitrogen separation was determined using essentially the same equipment. Actual separation coefficients were determined for membranes exposed to air under pressure and also for vacuum conditions on the product side of the membrane. In both methods, air was supplied to the cell by an outlet that was always open to maintain a low stage cut. The permeate was sent through the sample loop of a gas chromatograph (F&M model 720). The retentate was led to another gas chromatograph. The compositions of raw materials and products were determined from the peak areas of gas chromatograms. The area was calculated by multiplying the height of the peak by the width at half its height. The composition of oxygen and nitrogen was given by the following relation. %O 2 =A O2 /A O2 +A N2 %N 2 =A N2 /A O2 +A N2 In the above formula, A O2 and A N2 are the areas of the oxygen and nitrogen peaks, respectively. The following equation was used to calculate the actual separation factor. α=X O2 /X N2 /Y O2 /Y N2 In the above formula, X O2 and X N2 are the percentage of oxygen and nitrogen in the product, and Y O2 and Y N2 are the percentage of oxygen and nitrogen in the raw material. . The actual separation coefficient is calculated from the product side at ambient pressure (approximately 1 atm).
Measured at feed pressures from 10 psig to 100 psig. Alternatively, the feed stream was maintained at a constant pressure (typically 20 psig) and the product side was vacuumed to 0.1-1 psig absolute. For each pressure reading, three samples were injected into the gas chromatograph for analysis. Scanning Electron Microscopy Examination The thickness of the coating as well as other characteristics of the film morphology were determined by scanning microscopy. After the composite membranes were evaluated using the method described above, samples were cut from each membrane. The samples were fractured with liquid nitrogen and then mounted along the edges onto sample stubs with neoreube dry film lubricant. Approximately 1 x 0.5cm
Two samples of were attached to each stub. The samples were coated with gold/palladium film on a Hummer using two pulses of 100 mA for 90 seconds each. Samples under ETEC scanning electron microscope
Inspected under 20KV beam. The photos were taken with Polaroid Type 55 positive/negative film. Comparison of the thickness of the layer in the photograph and the micron bar double printed on the photograph was used to calculate the thickness. A composite membrane consisting of a single coating of crosslinked polysiloxane on polysulfone was prepared and evaluated as described above. The first test these membranes underwent was the determination of ideal separation factors from oxygen and nitrogen flux measurements. Fluxes were first measured at a feed pressure of 20 psig to give an indication of their potential. Membranes exhibiting an ideal separation factor greater than or equal to the ideal separation factor of silicone rubber (approximately 2) were further tested. A defect-free membrane should exhibit a linear relationship between flux and pressure difference across the membrane. Linearity was observed for all films, demonstrating the absence of any substantial defects. To coat a thin film of PPO on the surface of a crosslinked polysiloxane-polysulfone composite membrane,
Precipitation from solution was considered the most desirable from the viewpoint of application to coating hollow membranes. The actual separation coefficient of the composite membrane containing a surface layer of PPO was also greater than that of the membrane coated with crosslinked polysiloxane alone. In order to study the influence of the interlayer on the permeation behavior of these membranes, a series of membranes were prepared by coating polysiloxanes with varying concentrations of aminoorganic functionality onto a polysulfone support, thus allowing crosslinking. Composite membranes with various thicknesses of polysiloxane were obtained. After crosslinking the polysiloxane with TDI, these composite membranes were
Permeability was tested over a range of 10-50 psi for pure oxygen and pure nitrogen. These same membranes were then soaked and coated in a 1% by weight solution of PPO as described above. They were then subjected to the same tests as single coating membranes. Although the relationship is far from perfect, there was certainly a tendency that the higher the concentration of the coating liquid, the thicker the film accordingly. It was observed that the permeability of a single coated membrane decreases over a wide range of values. Example 2 Polysiloxane with amino organic functionality/
The effect of the weight ratio of TDI on the permeability and selectivity of polysulfone-polysiloxane composite membranes was determined. Three composite membranes were prepared as described in Example 1, with the following differences. The surface of the polysulfone cast sheet was coated with a hexane solution of polysiloxane as described in Example 1 by allowing the polysiloxane to sit on the polysulfone for 20 seconds and then air dry for 2 minutes. A 2% by weight hexane solution of TDI is applied to the polysiloxane surface, TDI is brought into contact with the surface for 20 seconds, unreacted solution is removed, and air-dried.
It was then heated in a convection oven at 90°C for 10 minutes. The concentration of polysiloxane for each experiment is listed in the table.
The oxygen and nitrogen permeability and actual separation coefficient were measured as shown in Table 1.

【表】 実施例 3 架橋化ポリシロキサンをコーテイングしたポリ
スルホン流延シートを実施例1に述べたようにし
て調製した。複合膜Cは下記の一般式を有する臭
素化PPOの1重量%を含有するCCl4溶液により
コーテイングされた。 上式中m,n,p、およびrの和は分子量が約
80000であり、かつ45%の単位が−CH2Brを含む
ように定められる。コーテイング手順は実施例2
に述べたと同じであつた。かくして得られた膜は
実の分離係数αO2/N2=8.2を有し、これは酸素
ガスについての透過速度8×1010cm3cmsec-1cm-2
(cmHg)-1に相当した。
EXAMPLE 3 A polysulfone cast sheet coated with a crosslinked polysiloxane was prepared as described in Example 1. Composite membrane C was coated with a CCl 4 solution containing 1% by weight of brominated PPO with the general formula: In the above formula, the sum of m, n, p, and r has a molecular weight of approximately
80,000 and 45% of the units contain -CH 2 Br. The coating procedure is Example 2
It was the same as described in. The membrane thus obtained has a real separation coefficient αO 2 /N 2 =8.2, which corresponds to a permeation rate for oxygen gas of 8×10 10 cm 3 cmsec -1 cm -2
(cmHg) -1 .

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 酸素−窒素ガス混合物をある複合材料を通過
させることにより前記混合物中の酸素ガス含量を
増加させるために適する複合材料を製造する方法
であつて、 (イ) 20〜250μmの厚さの、高度に多孔質のポリ
マー基材の少なくとも一つの表面上にアミノ有
機官能価を有するポリシロキサンをコーテイン
グし、その際ポリシロキサンは0.1μm〜20μm
の厚さを有する硬化膜を与えるに十分な厚さに
塗布され、そしてそのポリシロキサンは本質的
に1〜9モル%の第1級アミノ有機官能価を有
するアミノシロキサン単位と91〜99モル%の他
の反復シロキサン単位のランダム共重合体から
成りそして下記の一般式 (上式中のrとsは、下記の式 のアミノシロキサン単位が1〜9モル%存在し、
そして分子当りのシロキサン単位の平均合計数が
100〜800であるような値を有する)を有するこ
と、 (ロ) 基材上にコーテイングした上記ポリシロキサ
ンを、イソシアネートに非反応性の有機溶媒と
ジイソシアネートの溶液と、架橋結合した膜を
形成させるのに十分な時間接触させ、そして (ハ) 架橋結合した膜を十分な量のポリ(フエニレ
ンオキシド)類と接触させて、ガス選択性フイ
ルムとして有効な極めて薄い層を生じさせるこ
とにより、(ロ)工程で得られた生成物をさらに処
理すること、 から本質的になる前記複合材料の製造方法。 2 (ハ)の工程で使用されるポリ(フエニレンオキ
シド)類がポリ(2,6−ジメチル−1,4−フ
エニレンオキシド)である特許請求の範囲第1項
に記載の方法。 3 (ハ)の工程で使用されるポリ(フエニレンオキ
シド)類が臭素化ポリ(2,6−ジメチル−1,
4−フエニレンオキシド)である特許請求の範囲
第1項に記載の方法。 4 1〜9モル%の第1級アミノ有機官能価を有
するシロキサン単位と91〜99モル%のその他のシ
ロキサン単位を有しそして下記の一般式 (上式中のrとsは、下記の式 のアミノシロキサン単位が1〜9モル%存在し、
そして分子当りのシロキサン単位の平均合計が
100〜800てあるような値を有する)を有するアミ
ノ有機官能ポリシロキサンを架橋結合させること
により得られる高度にガス透過性のあるゴムのガ
ター層を密着させて有する20〜250μmの厚さの
高度に多孔質のポリマー基材と、そのガター層に
密着して被覆されているポリ(フエニレンオキシ
ド)類であるガス分離体とから本質的に成る、ガ
ス分離に適する二層結合膜。 5 ポリシロキサンがジイソシアネートにより架
橋結合され、そのガター層が0.1〜20μmの厚さで
ありそしてガス分離体がポリ(2,6−ジメチル
−1,4−フエニレンオキシド)でありかつ2μ
m以下の厚さである、 特許請求の範囲第4項に記載の複合膜。
[Claims] 1. A method for producing a composite material suitable for increasing the oxygen gas content in a composite material by passing an oxygen-nitrogen gas mixture through the composite material, comprising: (a) 20-250 μm coating a polysiloxane with aminoorganic functionality on at least one surface of a highly porous polymeric substrate with a thickness of 0.1 μm to 20 μm.
and the polysiloxane consists essentially of aminosiloxane units having 1 to 9 mol % of primary amino organofunctionality and 91 to 99 mol % of aminosiloxane units having primary amino organic functionality. consisting of a random copolymer of other repeating siloxane units and having the following general formula: (r and s in the above formula are the following formula 1 to 9 mol% of aminosiloxane units are present,
and the average total number of siloxane units per molecule is
100 to 800); (b) forming a film in which the polysiloxane coated on the substrate is cross-linked with a solution of a diisocyanate and an organic solvent that is non-reactive to isocyanate; and (c) contacting the cross-linked membrane with a sufficient amount of poly(phenylene oxide) to produce an extremely thin layer useful as a gas-selective film. b) further processing the product obtained in step); 2. The method according to claim 1, wherein the poly(phenylene oxide) used in step (c) is poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide). 3 The poly(phenylene oxide) used in step (c) is brominated poly(2,6-dimethyl-1,
4-phenylene oxide). 4 has 1 to 9 mol % of siloxane units with primary amino organofunctionality and 91 to 99 mol % of other siloxane units and has the following general formula: (r and s in the above formula are the following formula 1 to 9 mol% of aminosiloxane units are present,
and the average sum of siloxane units per molecule is
20-250 μm thick with closely adhered gutter layer of highly gas-permeable rubber obtained by cross-linking an amino-organofunctional polysiloxane with a value such as 100-800 A two-layer bonded membrane suitable for gas separation, consisting essentially of a porous polymer substrate and a gas separator of poly(phenylene oxide)s closely coated on the gutter layer. 5 The polysiloxane is cross-linked with diisocyanate, the gutter layer is 0.1-20 μm thick and the gas separator is poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) and 2 μm thick.
The composite membrane according to claim 4, having a thickness of not more than m.
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