JP7177016B2 - 多孔質膜およびフィルターカートリッジ - Google Patents
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Description
<1>一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位からなる群より選択される1つ以上の構造単位を含むポリマーを1つ以上含む多孔質膜であって、
上記多孔質膜中の一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位の合計質量に対する一般式(II)で表される構造単位の含有量が1質量%以上10質量%未満であり、ただし、上記含有量の算出において、一般式(II)で表される構造単位の質量としては、一般式(I)で表される構造単位の一部となっている一般式(II)で表される構造単位の質量を除く上記多孔質膜。
<3>ヒドロキシアルキルセルロースを含む<1>または<2>に記載の多孔質膜。
<4>一般式(II)で表される構造単位の上記含有量であるa質量%と上記多孔質膜の質量に対する上記ヒドロキシアルキルセルロースの含有量であるb質量%とが、下記式の関係を満たす<3>に記載の多孔質膜。
0.5≦a×b≦1.8
<5>上記ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである<3>または<4>に記載の多孔質膜。
<6>厚みが10~500μmである<1>~<5>のいずれかに記載の多孔質膜。
<7>孔径が最小となる層状の緻密部位を内部に有し、
上記緻密部位から上記多孔質膜の少なくとも一方の膜表面に向かって厚み方向で孔径が連続的に増加している<1>~<6>のいずれかに記載の多孔質膜。
<8>上記緻密部位の平均孔径が0.1~10μmである<7>に記載の多孔質膜。
<9><1>~<8>のいずれかに記載の多孔質膜をろ過膜として含むフィルターカートリッジ。
本明細書において「~」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
(多孔質膜の組成)
本発明の多孔質膜は一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位からなる群より選択される1つ以上の構造単位を含むポリマーを1つ以上含む。一般式(I)で表される構造単位はポリスルホンの繰り返し単位である。一般式(II)で表される構造単位はポリエーテルスルホンの繰り返し単位である。
上記ポリエーテルスルホン含有量は多孔質膜を溶解させた溶液の1H-NMRから算出することができ、具体的には、実施例で示す手順で算出することができる。
多孔質膜は複数の細孔を有する膜である。細孔は、例えば膜断面の走査型電子顕微鏡(SEM)撮影画像または透過型電子顕微鏡(TEM)撮影画像で確認することができる。
本明細書において、非対称構造の多孔質膜の、孔径の大きい側の面を1次面、孔径の小さい側の面を2次面と呼ぶ。
m~50μmであればよく、0.5μm~30μmであることが好ましい。
本明細書においては、緻密部位の平均孔径を多孔質膜の最小孔径とする。多孔質膜の最小孔径は0.01μm以上であることが好ましく、0.03μm以上であることがより好ましく、0.05μm以上であることがさらに好ましく、0.1μm以上であることが特に好ましく、また、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることがさらに好ましい。
ここで、緻密部位の平均孔径はASTM F316-80により測定したものとする。
平均孔径が最大となる区分は膜のいずれかの表面にもっとも近い区分またはその区分に接する区分であることが好ましい。
本発明の多孔質膜はその骨格が、さらに他の材料を保持しているものであってもよい。他の材料としては親水性材料が挙げられる。多孔質膜に保持されたとは、多孔質膜の保存時や使用時に容易に剥離しない程度に多孔質膜に結合していることを意味する。例えば、多孔質膜の骨格と親水性材料とは疎水性相互作用により互いに結合していてもよい。
多孔質膜は、さらにポリビニルピロリドンを含むことが好ましい。疎水性であるポリスルホンはポリビニルピロリドンを含むことにより親水性が高くなる。ポリビニルピロリドンは、例えば、特開昭64-34403号公報に記載があるように骨格の多孔質膜の製膜原液中に孔形成剤として添加される。製膜原液中のポリビニルピロリドンは製膜過程でそのほとんどが凝固水中に溶解して除去されるが、一部が膜表面に残留するものである。
本発明の多孔質膜は、さらにヒドロキシアルキルセルロースにより親水化されていてもよい。ヒドロキシアルキルセルロースのセルロース骨格の疎水性が基材である多孔質膜との疎水性相互作用に寄与し、多孔質膜に保持させると同時に、ヒドロキシアルキルセルロースの側鎖のヒドロキシ基やヒドロキシプロピル基により多孔質膜に親水性を付与することができる。ヒドロキシアルキルセルロースは分子間力が高いため、分子が多孔質膜中で強固に相互作用し、ろ過前後で容易に洗い流されずに膜中に保持されることができると推測される。さらに、ヒドロキシアルキルセルロースは食品添加物として使用できる成分であるため、フィルターカートリッジ作製後に洗い流す必要がない。そのため、ヒドロキシアルキルセルロースによる親水化を行っても、工程負荷は少なく、かつ、安全である。
カラム: Shodex OHpak KB805HQ
移動相: 0.1M酢酸ナトリウム緩衝液
流速 : 1.0 mL/min
温度 : 40℃
検出器: RI(示差屈折計)
なお、分子量の算出には標準プルラン標品Shodex Pullulan P-5、P-10、P-20、P-50、P-82、P-100、P-200、P-400、P-800、P-1600を使用することができる。
0.5≦a×b≦1.8
の関係を満たすことが好ましい。a×bは1.5以下であることがより好ましく、1.2以下であることがさらに好ましく、0.8~1.0であることが最も好ましい。
上記添加剤としては、食塩、塩化リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硫酸ナトリウム、塩化亜鉛等の無機酸の金属塩、酢酸ナトリウム、ギ酸ナトリウム等の有機酸の金属塩、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン等の高分子、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド等の高分子電解質、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、アルキルメチルタウリン酸ナトリウム等のイオン系界面活性剤等を挙げることができる。添加剤は多孔質構造のための膨潤剤として作用していてもよい。
(多孔質膜(基材)の製造方法)
本発明の多孔質膜の製造方法は特に限定されず、通常のポリマー膜形成方法をいずれも用いることができる。ポリマー膜形成方法としては延伸法および流延法などが挙げられるが、多孔質膜の製造には、流延法を用いることが特に好ましい。流延法において、製膜原液に用いる溶媒の種類および量や流延後の乾燥方法を調節することにより孔径分布を有する多孔質膜を作製することができる。
(1)ポリマー、必要に応じて添加剤、および必要に応じて溶媒を含む製膜原液を溶解状態で支持体上に流延する。
(2)流延された液膜の表面に調温湿風を当てる。
(3)調温湿風を当てた後に得られる膜を凝固液に浸漬する。
(4)必要に応じて支持体を剥離する。
さらに、製膜原液が添加剤として塩化リチウムを含むとき、塩化リチウムは、ポリスルホンおよびポリエーテルスルホンの総質量に対し、5質量%~20質量%で含まれていることが好ましく、10質量%~15質量%で含まれていることがより好ましい。
さらにヒドロキシアルキルセルロースによる親水化処理を行なう場合は、上記の手順で製造した多孔質膜(基材多孔質膜)にヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を浸透させる親水化処理を行なえばよい。親水化された多孔質膜に、さらに洗浄処理、滅菌処理等を行ってもよい。
浸漬は加圧下で行ってもよい。加圧により多孔質膜の各細孔内に効率よく親水化液を注入することができる。
多孔質膜の親水化液中への浸漬時間や親水化液中のヒドロキシアルキルセルロース濃度によってヒドロキシアルキルセルロースの付着量を適宜調節することができる。
多孔質膜への親水化液の浸透後、乾燥により親水化液中の溶媒を揮発除去することが好ましい。乾燥の手段としては、加温乾燥、風乾燥、および減圧乾燥等が挙げられ、特に限定されないが、製造工程の簡便性から風乾燥または加温乾燥が好ましい。乾燥は、単に放置することにより達成されてもよい。
上記乾燥の後は、洗浄溶媒を用いた洗浄を行うことが好ましい。過剰のヒドロキシアルキルセルロースなどを除去することができるからである。また、洗浄により、原料の多孔質膜に含まれる不要な成分も除去することができる。洗浄方法は特に限定されないが、浸漬あるいは圧入法で多孔質膜の膜表面および細孔表面に洗浄溶媒を浸透させ、その後、除去すればよい。洗浄溶媒としては、親水化液の溶媒として例示した溶媒を例示することができる。2回以上洗浄溶媒の浸透および除去を行ってもよい。このとき2回以上の洗浄において洗浄溶媒は同じであってもよく、異なっていてもよいが、異なっていることが好ましい。洗浄の最後に用いられる洗浄溶媒は水であることが好ましい。特に水に浸漬することが好ましい。アルコールなど有機溶媒成分を除くためである。
洗浄後の多孔質膜は上述の手順で再度乾燥させればよい。
多孔質膜の滅菌処理として、例えば、高圧蒸気滅菌処理を行うことができる。特にオートクレーブを用いた高温高圧の水蒸気による処理を行うことが好ましい。通常、プラスチックに対する高圧蒸気滅菌処理は、飽和水蒸気によって加圧され110~140℃程度の環境下で10~30分間処理することによって行われるが、本発明の多孔質膜の滅菌処理も同様の条件で行うことができる。滅菌処理に用いられるオートクレーブとしては、例えば、株式会社トミー精工製のLSX-700が挙げられる。
本発明の多孔質膜はろ過膜として各種用途で使用することができる。ろ過膜は、種々の高分子、微生物、酵母、微粒子を含有あるいは懸濁する液体の分離、精製、回収、濃縮などに適用され、特にろ過を必要とする微細な微粒子を含有する液体からその微粒子を分離する必要のある場合に適用することができる。例えば、微粒子を含有する各種の懸濁液、発酵液あるいは培養液などの他、顔料の懸濁液などから微粒子を分離するときにろ過膜を使用することができる。本発明の多孔質膜は、具体的には、製薬工業における薬剤の製造、食品工業におけるビールなどのアルコール飲料製造、電子工業分野での微細な加工、精製水の製造などにおいて必要となる精密ろ過膜として使用することができる。
長尺の多孔質膜を短辺(幅)方向で折り目がつくようにプリーツ加工する。例えば、通常2枚の膜サポートの間に挟んで、公知の方法でプリーツ加工することができる。膜サポートとしては不織布、織布、ネットなどを使用すればよい。膜サポートは、ろ過圧変動に対してろ過膜を補強すると同時に、ひだの奥に液を導入するために機能する。プリーツひだの幅は例えば5mmから25mmであればよい。プリーツ加工した多孔質膜は円筒状に丸め、その合わせ目をシールすればよい。
なお、多孔質膜におけるヒドロキシアルキルセルロースは、フィルターカートリッジにおいて、一部または全てが洗浄工程等で用いられる溶剤に溶解して除去されていてもよい。
特開平9-227714号公報を参考に以下の手順で多孔質膜を製造した。
ポリスルホン12.74質量部、ポリエーテルスルホン0.26質量部およびポリビニルピロリドン14質量部をN-メチル-2-ピロリドン73質量部に均一に溶解して製膜原液を得た。ポリスルホンとしてはSolvay社製ユーデル P-3500LCD、ポリエーテルスルホンとしては住友化学社製スミカエクセルPES 5200P、ポリビニルピロリドンとしては第一工業製薬社製ピッツコール K-50を用いた。上記原液を絶対濾過精度3μmのフィルターを通して濾過し、その後、ガラス板上に厚み200μmとなるようにキャスティングコーターを通して流延した。この液膜を40℃(相対湿度65パーセント)風速2.0m/sの空気中で10秒間放置した後直ちに20℃の水の凝固浴槽に浸漬し、多孔質膜を作製した。形成された多孔質膜からガラス板を剥離した。得られた多孔質膜を、ジエチレングリコール浴に120秒間つけ、その後純水でよく洗浄した。その後乾燥させて、実施例1の多孔質膜を得た。さらに、使用するポリスルホンとポリエーテルスルホンとの比(すなわち、一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位の質量比)を変更して実施例2~23,比較例1~4の多孔質膜(実施例6~23については親水化液での処理の前の基材多孔質膜)を得た。得られた多孔質膜について、POROUS MATERIALS社(米国)製のパームポロメーターで最小孔径の測定を行ったところ、いずれも0.2μmであった。また、膜断面の走査型電子顕微鏡(SEM)撮影画像から測定した乾燥後の多孔質膜の厚みは、いずれも概ね140μmであり、また、多孔質膜は緻密部位を内部に有する非対称構造を有していた。
上記で得られた基材多孔質膜に、それぞれ表1に記載の親水性ポリマーを用いて親水化処理を行った。
ヒドロキシプロピルセルロースについては日本曹達(株)製のSLグレード(分子量10万)そしてSSLグレード(分子量4万)を用いた。ヒドロキシエチルセルロースについては三晶(株)製のLグレード(分子量9万)を用いた。上記のいずれかを純水中に加え、完全に溶解するまで撹拌し、親水化液を作製した。基材である多孔質膜を一次面からこの親水化液に浸し、27秒間膜全体を浸漬して親水化処理を行った。親水化処理後、過剰な親水性ポリマーを除去するため洗浄を実施した。25℃純水に5分間浸漬した後、70℃の温度環境下で24時間サンプルを乾燥させて、実施例6~23の多孔質膜を得た。
得られた実施例1~23,比較例1~4の多孔質膜それぞれについて、以下のように、各特性を測定し、さらに親水性および強度を評価した。以下の完全性試験および透水性の評価は親水性の指標となり、引張強度は強度の指標となる。結果はいずれも表1に示す。
多孔質膜の一部を重DMF(重水素化N,N-ジメチルホルムアミド)を用いて溶解させ、1H-NMRを測定した。1H-NMR(プロトン核磁気共鳴)はBurker製 AVANCEII400を用い、400MHz、積算回数256回で行った。8.0ppm付近に現れるポリスルホン由来のシグナルと、8.1ppm付近に現れるポリエーテルスルホン由来のシグナルの積分比から存在比率を算出し、ポリスルホンユニットの分子量(442)、ポリエーテルスルホンユニットの分子量(232)をもとに質量比率を算出した。NMR中のシグナルはポリマー中のスルホニル基に近接しているプロトン(4H分)を指す。
多孔質膜を1cm四方に5枚切り出し、質量を測定したのち、1mlのメタノールに30分間浸漬した。この液をLiquid Chromatograph/Charged Aerosol Detector(LC/CAD)にて評価した。条件は下記の通りである。
・標品:メタノールにヒドロキシアルキルセルロースを所定量溶解させた溶液(20/50/100ppm)
・装置:Waters社製ACQUITY UPLC H-Class
・カラム:Presto FF-C18 150×4.6mm
・検出器:CAD(Thermo Fisher Scientific 製Corona Ultra RS)
・溶離液:A液…水、B液…アセトニトリル
・溶離条件:5-90%B(0-15min)、0.4ml/min、37℃
上記条件で測定したときに保持時間8.5~12.5分に検出されるヒドロキシアルキルセルロースピークの標品で得られるピークとの面積比を用いて多孔質膜中の親水性ポリマー量を算出した。
ポリプロピレン不織布2枚の間に上記多孔質膜を挟んで、ひだ幅10mmにプリーツし、その138山分のひだをとって円筒状に丸め、その合わせ目をインパルスシーラーで溶着した。円筒の両端5mmずつを切り落とし、その切断面をポリプロピレン製のエンドプレートに熱溶着して、膜長さ30inchのフィルターカートリッジに仕上げた。
得られたフィルターカートリッジをハウジングに装着しフィルターカートリッジの円筒の内側から外側の方向に、8L/minで200秒間、通水した後、ハウジング中の水を、ハウジング上部のリーク弁を開けて、大気圧で抜いた。続いて入水側から150kPaの空気圧をかけ、ろ過フィルターカートリッジを通過してくる空気の量(空気流量)を測定した。この測定値に基づき完全性を以下の基準で評価した。A~Dが実用レベルである。
A:0ml/min超30ml/min以下
B:30ml/min超60ml/min以下
C:60ml/min超90ml/min以下
D:90ml/min超120ml/min以下
E:120ml/min超
透水性は、親水化処理を行った多孔質膜を、中央領域(短辺25cm中の中央部10cmの領域中の長辺200cm中の中央部15cmの領域)から、直径47mmの円形に切り出し、100kPaの圧力をかけ一次面から純水を透過させたときの透水性で評価した。単位面積当たり、1分間に膜を通って流れ出た水の体積を測定し透水性(ml/cm2/min)とした。このとき、ポリスルホン100%の多孔質膜を基準として変化率を求め、透水性を次の4段階で評価した。なお、この値は、ポリエーテルスルホン添加による透水率の上昇およびヒドロキシアルキルセルロース浸漬による透水率の低下を反映していると考えられる。
A:10%以上上昇
B:5%以上10%未満上昇
C:5%低下以上5%上昇未満
D:5%以上10%未満低下
E:10%以上低下
引っ張り試験機を用い、膜を幅15mm、長さ150mmにし、10mm/minの引っ張り速度にて膜が破断した時の強度を求めた。
この測定値に基づき、引張強度を以下の4段階で評価した。A~Dが実用レベルである。
A:6kgf/cm2以上
B:5.6kgf/cm2以上6kgf/cm2未満
C:5.3kgf/cm2以上5.6kgf/cm2未満
D:5kgf/cm2以上5.3kgf/cm2未満
E:5kgf/cm2未満
Claims (7)
- 一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位からなる群より選択される1つ以上の構造単位を含むポリマーを1つ以上含む多孔質膜であって、
前記多孔質膜中の一般式(I)で表される構造単位および一般式(II)で表される構造単位の合計質量に対する一般式(II)で表される構造単位の含有量が1質量%以上10質量%未満であり、ただし、前記含有量の算出において、一般式(II)で表される構造単位の質量としては、一般式(I)で表される構造単位の一部となっている一般式(II)で表される構造単位の質量を除き、
前記多孔質膜は、厚みが10~500μmであり、
前記多孔質膜は、孔径が最小となる層状の緻密部位を内部に有し、
前記緻密部位から前記多孔質膜の少なくとも一方の膜表面に向かって厚み方向で孔径が連続的に増加している、
前記多孔質膜。
- 一般式(I)で表される構造単位の繰り返しからなるポリスルホンおよび一般式(II)で表される構造単位からなるポリエーテルスルホンを前記ポリマーとして含む請求項1に記載の多孔質膜。
- ヒドロキシアルキルセルロースを含む請求項1または2に記載の多孔質膜。
- 一般式(II)で表される構造単位の前記含有量であるa質量%と前記多孔質膜の質量に対する前記ヒドロキシアルキルセルロースの含有量であるb質量%とが、下記式の関係を満たす請求項3に記載の多孔質膜。
0.5≦a×b≦1.8 - 前記ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである請求項3または4に記載の多孔質膜。
- 前記緻密部位の平均孔径が0.1~10μmである請求項1~5のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の多孔質膜をろ過膜として含むフィルターカートリッジ。
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