JP5713395B2 - Hydrogel cellulose porous membrane - Google Patents
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Description
本発明は、フィブリル状のセルロースが積層された多層構造のヒドロゲルセルロース多孔質膜およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a multi-layered hydrogel cellulose porous membrane in which fibrillar cellulose is laminated and a method for producing the same.
従来から、液体用の多孔質膜として、孔径0.1〜1nm程度の微細な孔を持つ逆浸透膜、または孔径1nm〜100nm程度の比較的大きな孔を持つ限外濾過膜が使われてきた。中でも、ポリマーなどの有機物からなる多孔質膜は、ゼオライトのような無機物からなる多孔質膜に比べて、濾過面積あたりの質量が小さく、柔軟性が高いため、多くの用途で使われている。 Conventionally, reverse osmosis membranes having fine pores with a pore size of about 0.1 to 1 nm or ultrafiltration membranes with relatively large pores with a pore size of about 1 nm to 100 nm have been used as porous membranes for liquids. . Among them, porous membranes made of organic materials such as polymers are used in many applications because they have a smaller mass per filtration area and higher flexibility than porous membranes made of inorganic materials such as zeolite.
一般に、多孔質膜の孔径が小さいほど濾液中に含まれる異物の量は少なくなるが、一方で孔径が小さいほど多孔質膜の圧力損失が高くなるか、または濾過寿命が短くなってしまう。そのため、実用的には、捕集が必要な異物の最小粒径を見極め、該粒径に対応する孔径の多孔質膜を使用することが望ましい。 In general, the smaller the pore size of the porous membrane, the smaller the amount of foreign matter contained in the filtrate. On the other hand, the smaller the pore size, the higher the pressure loss of the porous membrane or the shorter the filtration life. Therefore, in practice, it is desirable to determine the minimum particle size of the foreign matter that needs to be collected and to use a porous membrane having a pore size corresponding to the particle size.
ところが、ポリマーからなる多孔質膜の場合、延伸してできた亀裂およびポリマーの結晶の隙間などを利用して作られた50nmを超える孔径の多孔質膜や、多孔支持体の上にポリマーを重合して作られた1nm未満の孔径の多孔質薄膜がほとんどであり、この間に位置する1〜50nm程度の孔径を持ち、実用性に優れた多孔質膜は非常に少なかった。特に粒径5nmの粒子を70%以上捕集することが可能な多孔質膜は殆どなかった。 However, in the case of a porous film made of a polymer, the polymer is polymerized on a porous film having a pore diameter exceeding 50 nm made by utilizing a crack formed by stretching and a gap between polymer crystals, and a porous support. Most of the porous thin films having a pore diameter of less than 1 nm made in this way, and having a pore diameter of about 1 to 50 nm located between them, were very few in terms of practicality. In particular, there were almost no porous membranes capable of collecting 70% or more of particles having a particle size of 5 nm.
一方で、近年は半導体表面に作られる微細パターンの精度が数十nmのオーダーで要求されていることから、水に含まれる農薬などの比較的大きな分子を取り除くための多孔質膜が要求されている。多孔質膜の孔径としては、1〜50nm、特に1〜20nmの孔径の需要が急増している。 On the other hand, in recent years, since the precision of fine patterns formed on the surface of semiconductors is required on the order of several tens of nanometers, porous membranes for removing relatively large molecules such as agricultural chemicals contained in water are required. Yes. As the pore diameter of the porous membrane, the demand for pore diameters of 1 to 50 nm, particularly 1 to 20 nm, is increasing rapidly.
そのため、従来の製法の製造条件を精密に制御することなどにより、1〜50nmの孔径の多孔質膜の製造が試みられてきた(例えば特許文献1参照。)。 Therefore, production of a porous film having a pore diameter of 1 to 50 nm has been attempted by precisely controlling the production conditions of the conventional production method (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、その多くは無機質からなる膜であるため、柔軟性に欠けている。柔軟性が高いポリマーからなる膜に関しては、そのいずれもが、1)開孔率が低いために圧力損失が過大である、2)強度が不十分である、または、3)数mm角の極めて微小な面積の膜しか作ることができない、といった実用に際しての製法上また濾過性能上の問題がある。また、これらの多孔質膜は目詰まりしやすいため、濾過寿命が短く、この点でも実用に際して支障が大きかった。 However, since many of them are inorganic films, they lack flexibility. As for membranes made of highly flexible polymers, all of them are 1) excessive pressure loss due to low porosity, 2) insufficient strength, or 3) extremely few millimeters square There is a problem in terms of manufacturing method and filtration performance in practical use such that only a membrane with a very small area can be produced. Further, these porous membranes are likely to be clogged, so that the filtration life is short, and this is also a big problem in practical use.
柔軟性が高い多孔質膜を得る方法としては、ナノファイバーをシート化する方法が知られている。例えば、植物などには、生体活動によって作られた数nm程度の繊維径のナノファイバーが含まれており、植物からナノファイバーを抽出し、これをシート化することで、多孔質膜を製造することができる。植物からナノファーバーを抽出する方法としては、該ナノファイバー同士を結合しているリグニンおよびヘミセルロース等を化学分解し、それをグラインダーなどで処理する方法が利用できる(例えば特許文献2〜3参照。)。 As a method of obtaining a highly flexible porous membrane, a method of forming nanofibers into a sheet is known. For example, plants and the like contain nanofibers having a fiber diameter of about several nanometers made by biological activity, and a porous membrane is produced by extracting nanofibers from plants and forming them into sheets. be able to. As a method for extracting nanofiber from a plant, a method of chemically decomposing lignin, hemicellulose, and the like that are bonded to each other and treating them with a grinder or the like can be used (see, for example, Patent Documents 2 to 3). .
このようにして得られたナノファイバーを抄紙などの方法でシート化した場合、得られたシートは、柔軟性は高くなるものの、厚さ方向に繊維径の変化がないことから、繊維の隙間にできる孔径は、厚さ方向に変化がなく、厚さ方向で異ならない。そのため、圧力損失が高くなり、流束が低くなってしまう。 When the nanofibers thus obtained are made into a sheet by a method such as papermaking, the obtained sheet has high flexibility, but there is no change in the fiber diameter in the thickness direction. The hole diameter that can be made does not change in the thickness direction and does not vary in the thickness direction. As a result, the pressure loss increases and the flux decreases.
また、単に抄紙しただけでは繊維同士が強固に接着していないため、孔の形状が不安定である。しかし、接着剤などで繊維同士を接着させてしまうと、繊維間の隙間が埋まり、流束が低くなってしまう。そのため、前記の植物由来のナノファイバーから得られる材料で高性能の多孔質膜を作ることは難しかった。 Moreover, since the fibers are not firmly bonded to each other simply by making paper, the shape of the hole is unstable. However, if the fibers are bonded together with an adhesive or the like, the gap between the fibers is filled and the flux is lowered. For this reason, it has been difficult to make a high-performance porous membrane with a material obtained from the plant-derived nanofibers.
また、従来から、ビスコース溶液を凝固させて得られた再生したセルロース膜が限外濾過膜および透析膜などに利用されてきた(例えば特許文献4〜5参照。)。しかしながら、当該セルロース膜を構成するフィブリルの繊維径は、せいぜい数100nmであり、また、そのばらつきも大きいため、孔径を100nm未満とすることが難しく、孔径のばらつきが大きいものしか得られなかった。そのため、1〜50nmの範囲で孔径のばらつきの少ない多孔質を得ることができなかった。 Conventionally, regenerated cellulose membranes obtained by coagulating a viscose solution have been used for ultrafiltration membranes and dialysis membranes (see, for example, Patent Documents 4 to 5). However, the fiber diameter of the fibrils constituting the cellulose membrane is at most several hundred nm, and the variation is large. Therefore, it is difficult to make the pore diameter less than 100 nm, and only those having a large variation in pore diameter were obtained. Therefore, it was not possible to obtain a porous material having a small variation in pore diameter in the range of 1 to 50 nm.
本発明は、通液性および粒子捕集能力に優れるとともに、濾過寿命が長く、かつ生産性に優れる多孔質膜の製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a porous membrane that is excellent in liquid permeability and particle collection ability, has a long filtration life, and is excellent in productivity.
本発明者らは、原料のセルロースを溶媒に溶解させた後に、該溶媒を非溶媒と置換し、セルロースを再析出させることで、直径数nmのフィブリル状のセルロース(セルロースフィブリル)とし、さらに、該セルロースフィブリルを積層させることで、該セルロースフィブリルからなる多層構造の多孔質膜が得られることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors dissolved the raw material cellulose in a solvent, then replaced the solvent with a non-solvent, and reprecipitated the cellulose to obtain fibrillar cellulose (cellulose fibrils) having a diameter of several nm, It was found that by laminating the cellulose fibrils, a porous film having a multilayer structure composed of the cellulose fibrils was obtained, and the present invention was completed.
すなわち、本発明の要旨は以下である。
1.セルロースフィブリルが積層した多層構造で、かつ孔径が厚さ方向で異なるヒドロゲルセルロース多孔質膜であり、多層構造の少なくとも1層におけるセルロースフィブリルの平均繊維径が100nm未満であり、粒径5nmの金ナノコロイドを70%以上捕集でき、かつ該多孔質膜の孔径が大きい側の表面は下記測定方法により求められる粒径20nmの金ナノコロイドの通過率が70%以上である、ヒドロゲルセルロース多孔質膜。
(測定方法)粒径50nmの金ナノコロイドと粒径20nmの金ナノコロイドとを粒子数が1:12となるよう混合した金ナノコロイド液を、孔径が大きい側の表面から多孔質膜に通過させ、通過させた後の多孔質膜における粒径50nmの粒子数と粒径20nmの粒子数から、下記式により通過率を求める。
(式)(通過率)={1−(粒径20nmの粒子数÷粒径50nmの粒子数)÷12}×100%
2.セルロースフィブリルが非晶質を含む前項1に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
3.ヒドロゲルセルロース多孔質膜の表面を構成する層および裏面を構成する層におけるセルロースフィブリルの平均繊維径の比が、1.2〜3である前項1または2に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
4.以下の工程(1)〜(3)を含む方法により得られるヒドロゲルセルロース多孔質膜。
(1)セルロースを溶媒に浸漬させて、セルロース溶液を調製する工程
(2)工程(1)で調製したセルロース溶液を支持体の上に塗布する工程
(3)工程(2)で塗布したセルロース溶液を非溶媒に浸漬することによりセルロースを析出させて、ヒドロゲルセルロース多孔質膜を得る工程
5.工程(1)において、溶媒に浸漬させるセルロースの濃度を、セルロース溶液に対して、0.2〜20質量%とする前項4に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
6.工程(1)において、溶媒が、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を含む前項4または5に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
7.工程(1)において、溶媒におけるi)苛性アルカリの濃度が2〜20質量%であり、ii)尿素またはチオ尿素の濃度が4〜20質量%である前項5または6に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
8.工程(3)において、非溶媒が、低級アルキルアルコールおよび水並びにこれらの混合物から選ばれる1種を含む前項4〜7のいずれか1項に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
9.工程(3)において、非溶媒が、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を含む前項4〜8のいずれか1項に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
10.工程(3)において、非溶媒におけるi)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素の濃度が0.5〜5質量%である前項9に記載のヒドロゲルセルロース多孔質膜。
11.以下の工程(1)〜(3)を含むヒドロゲルセルロース多孔質膜の製造方法。
(1)セルロースを溶媒に浸漬させて、セルロース溶液を調製する工程
(2)工程(1)で調製したセルロース溶液を支持体の上に塗布する工程
(3)工程(2)で塗布したセルロース溶液を非溶媒に浸漬することによりセルロースを析出させて、ヒドロゲルセルロース多孔質膜を得る工程
12.工程(1)において、溶媒に浸漬させるセルロースの濃度を、セルロース溶液に対して、0.2〜20質量%とする前項11に記載の製造方法。
13.工程(1)において、溶媒が、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を含む前項11または12に記載の製造方法。
14.工程(1)において、溶媒におけるi)苛性アルカリの濃度が2〜20質量%であり、ii)尿素またはチオ尿素の濃度が4〜20質量%である前項11〜13のいずれか1項に記載の製造方法。
15.工程(3)において、非溶媒が、低級アルキルアルコールおよび水から選ばれる少なくとも1種を含む前項11〜14のいずれか1項に記載の製造方法。
16.工程(3)において、非溶媒が、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を含む前項11〜15のいずれか1項に記載の製造方法。
17.工程(3)において、非溶媒におけるi)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素の濃度が0.5〜5質量%である前項16に記載の製造方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
1. It is a hydrogel cellulose porous membrane having a multilayer structure in which cellulose fibrils are laminated and having different pore diameters in the thickness direction, an average fiber diameter of cellulose fibrils in at least one layer of the multilayer structure is less than 100 nm, and a gold nanoparticle having a particle diameter of 5 nm Hydrogel cellulose porous membrane capable of collecting 70% or more of colloid and having a surface of the porous membrane having a large pore size having a passing rate of gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm determined by the following measurement method of 70% or more .
(Measurement method) A gold nanocolloid solution in which a gold nanocolloid with a particle size of 50 nm and a gold nanocolloid with a particle size of 20 nm is mixed so that the number of particles is 1:12 is passed through the porous membrane from the surface with the larger pore size. From the number of particles having a particle size of 50 nm and the number of particles having a particle size of 20 nm in the porous film after passing through, the passing rate is obtained by the following formula.
(Formula) (passage rate) = {1− (number of particles with a particle size of 20 nm ÷ number of particles with a particle size of 50 nm) ÷ 12} × 100%
2. 2. The hydrogel cellulose porous membrane according to item 1 above, wherein the cellulose fibrils are amorphous.
3. 3. The hydrogel cellulose porous membrane according to item 1 or 2, wherein the ratio of the average fiber diameter of cellulose fibrils in the layer constituting the surface of the hydrogel cellulose porous membrane and the layer constituting the back surface is 1.2 to 3.
4). A hydrogel cellulose porous membrane obtained by a method comprising the following steps (1) to (3).
(1) Step of preparing cellulose solution by immersing cellulose in solvent (2) Step of applying cellulose solution prepared in step (1) on support (3) Cellulose solution applied in step (2) 4. Step of depositing cellulose in a non-solvent to precipitate cellulose to obtain a hydrogel cellulose porous membrane 5. The hydrogel cellulose porous membrane according to item 4 above, wherein the concentration of cellulose immersed in the solvent in the step (1) is 0.2 to 20% by mass with respect to the cellulose solution.
6). 6. The hydrogel cellulose porous membrane according to item 4 or 5, wherein in the step (1), the solvent contains i) caustic and ii) urea or thiourea.
7). 7. The hydrogel cellulose porous material according to item 5 or 6, wherein in step (1), the concentration of i) caustic alkali in the solvent is 2 to 20% by mass, and ii) the concentration of urea or thiourea is 4 to 20% by mass. film.
8). 8. The hydrogel cellulose porous membrane according to any one of 4 to 7 above, wherein in the step (3), the non-solvent contains one kind selected from lower alkyl alcohol and water and a mixture thereof.
9. 9. The hydrogel cellulose porous membrane according to any one of 4 to 8 above, wherein in step (3), the non-solvent contains i) caustic and ii) urea or thiourea.
10. 10. The hydrogel cellulose porous membrane according to item 9, wherein in step (3), the concentration of i) caustic and ii) urea or thiourea in the non-solvent is 0.5 to 5% by mass.
11. The manufacturing method of the hydrogel cellulose porous membrane containing the following processes (1)-(3).
(1) Step of preparing cellulose solution by immersing cellulose in solvent (2) Step of applying cellulose solution prepared in step (1) on support (3) Cellulose solution applied in step (2) 11. Step of depositing cellulose in a non-solvent to precipitate cellulose to obtain a hydrogel cellulose porous membrane 12. The production method according to 11 above, wherein in step (1), the concentration of cellulose immersed in the solvent is 0.2 to 20% by mass with respect to the cellulose solution.
13. 13. The production method according to item 11 or 12, wherein in step (1), the solvent contains i) caustic and ii) urea or thiourea.
14 14. In the step (1), the concentration of i) caustic alkali in the solvent is 2 to 20% by mass, and ii) the concentration of urea or thiourea is 4 to 20% by mass, Manufacturing method.
15. 15. The production method according to any one of the above items 11 to 14, wherein in the step (3), the non-solvent contains at least one selected from a lower alkyl alcohol and water.
16. 16. The production method according to any one of the above items 11 to 15, wherein in the step (3), the non-solvent contains i) caustic and ii) urea or thiourea.
17. 17. The production method according to item 16 above, wherein in step (3), the concentration of i) caustic and ii) urea or thiourea in the non-solvent is 0.5 to 5% by mass.
本発明のヒドロゲルセルロース多孔質膜は、セルロースフィブリルが積層した多層構造からなる。セルロースフィブリルの平均繊維径は100nm未満であり、孔径のばらつきが少なく、通液性に優れている。 The hydrogel cellulose porous membrane of the present invention has a multilayer structure in which cellulose fibrils are laminated. Cellulose fibrils have an average fiber diameter of less than 100 nm, little variation in pore diameter, and excellent liquid permeability.
また、本発明のヒドロゲルセルロース多孔質膜は、粒径5nmの金ナノコロイドを70%以上捕集することが可能である。このような濾過性能は、液体用濾過膜として非常に優れている。 Moreover, the hydrogel cellulose porous membrane of the present invention can collect 70% or more of gold nanocolloid having a particle size of 5 nm. Such filtration performance is very excellent as a liquid filtration membrane.
さらに、本発明のヒドロゲルセルロース多孔質膜は、孔径が厚さ方向で異なり、多孔膜全体としては粒径5nmの金ナノコロイドを70%以上捕集することが可能でありながら、孔径が大きい側の表面は、粒径20nmの金ナノコロイドを70%以上通過させるという特徴を持っている。したがって、該多孔質膜の一方の表面の孔径が大きく、濾過寿命が優れている。 Furthermore, the porous hydrogel cellulose membrane of the present invention has different pore sizes in the thickness direction, and the porous membrane as a whole can collect 70% or more of gold nanocolloid having a particle size of 5 nm. The surface has a feature of allowing 70% or more of a gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm to pass through. Therefore, the pore diameter on one surface of the porous membrane is large and the filtration life is excellent.
また、本発明のヒドロゲルセルロース多孔質膜はヒドロゲル状であるため親水性であり、優れた通水性を有すると共に、親水化処理が不要である。 Moreover, since the hydrogel cellulose porous membrane of the present invention is hydrogel-like, it is hydrophilic, has excellent water permeability, and does not require hydrophilic treatment.
本発明のヒドロゲルセルロース多孔質膜(以下、本発明の多孔質膜ともいう。)は、図1に示すように、フィブリル状のセルロース(セルロースフィブリル)を積層した多層構造である。セルロースフィブリルを積層した多層構造であることによって、セルロースフィブリルの繊維径に見合った孔を構成することができる。 As shown in FIG. 1, the hydrogel cellulose porous membrane of the present invention (hereinafter also referred to as the porous membrane of the present invention) has a multilayer structure in which fibrillar cellulose (cellulose fibril) is laminated. By having a multilayer structure in which cellulose fibrils are laminated, holes corresponding to the fiber diameter of cellulose fibrils can be formed.
前記多層構造を構成するセルロースフィブリルの層数は、10層以上であることが好ましく、20層以上であることが好ましい。この範囲とすることで、孔径および厚さ方向の孔径勾配を付けることが容易となる。 The number of cellulose fibrils constituting the multilayer structure is preferably 10 or more, more preferably 20 or more. By setting it as this range, it becomes easy to give a hole diameter gradient in the hole diameter and thickness direction.
本発明の多孔質膜はヒドロゲル状である。本発明において、ヒドロゲルは、セルロースフィブリル同士の連結によって網目構造が形成され、その網目構造の隙間に水が保持されたゲルをいう。本発明において、ヒドロゲルは、そのほとんどが水であり、ヒドロゲルの全質量に対する水の割合は、特に限定されるものではないが、80〜99.8質量%であることが好ましく、90〜99.5質量%であることがより好ましい。この範囲とすることで、得られる多孔質膜の強度が高くなると同時に、通水性に優れている。 The porous membrane of the present invention is in the form of a hydrogel. In the present invention, the hydrogel refers to a gel in which a network structure is formed by connecting cellulose fibrils, and water is held in the gaps of the network structure. In the present invention, most of the hydrogel is water, and the ratio of water to the total mass of the hydrogel is not particularly limited, but is preferably 80 to 99.8% by mass, and 90 to 99.99. More preferably, it is 5 mass%. By setting it as this range, the strength of the obtained porous membrane is increased and at the same time, the water permeability is excellent.
本発明の多孔質膜の少なくとも1層は、セルロースフィブリルの平均繊維径が、100nm未満であり、50nm未満であることが好ましく、25nm未満であることがより好ましい。少なくとも1層のセルロースフィブリルの平均繊維径をこの範囲内とすることにより、流体が通過するときの抵抗が小さくなり、通液性が向上するので好ましい。 At least one layer of the porous membrane of the present invention has an average fiber diameter of cellulose fibrils of less than 100 nm, preferably less than 50 nm, and more preferably less than 25 nm. By setting the average fiber diameter of at least one layer of cellulose fibrils within this range, resistance when the fluid passes is reduced, and liquid permeability is improved, which is preferable.
本発明の多孔質膜を構成するセルロースフィブリルの平均繊維径は、実施例において後述するように、電子顕微鏡を用いて多孔質膜を観察することにより測定することができる。 The average fiber diameter of the cellulose fibril constituting the porous membrane of the present invention can be measured by observing the porous membrane using an electron microscope, as will be described later in Examples.
本発明の多孔質膜は、各層を構成するセルロースフィブリルの繊維径が厚さ方向に変化していることが好ましい。ヒドロゲルセルロース多孔質膜の表面を構成する層の平均繊維径と、裏面を構成する層におけるセルロースフィブリルの平均繊維径との比が、1.2〜3であることが好ましく、1.5〜3であることがより好ましい。 In the porous membrane of the present invention, it is preferable that the fiber diameter of the cellulose fibril constituting each layer is changed in the thickness direction. The ratio of the average fiber diameter of the layer constituting the surface of the hydrogel cellulose porous membrane to the average fiber diameter of the cellulose fibrils in the layer constituting the back surface is preferably 1.2 to 3, preferably 1.5 to 3 It is more preferable that
多孔質膜の表面を構成する層および多孔質膜の裏面を構成する層におけるセルロースフィブリルの平均繊維径の比を前記範囲とすることにより、ナノサイズの孔径の濾過膜でありながら、深層濾過が可能となる。 By setting the ratio of the average fiber diameter of the cellulose fibrils in the layer constituting the surface of the porous membrane and the layer constituting the back surface of the porous membrane within the above range, the depth filtration can be performed while being a nano-sized pore size filtration membrane. It becomes possible.
本発明の多孔質膜は、粒径5nmの金ナノコロイドを70%以上捕集する。このような本発明の多孔質膜の濾過性能は、孔径1〜20nmの孔を有することを意味する。すなわち、本発明の多孔質膜は、孔径が1〜20nmであることが好ましい。液体用濾過膜として非常に優れている。 The porous membrane of the present invention collects 70% or more of gold nanocolloid having a particle size of 5 nm. Such filtration performance of the porous membrane of the present invention means having pores having a pore diameter of 1 to 20 nm. That is, the porous membrane of the present invention preferably has a pore diameter of 1 to 20 nm. It is very excellent as a liquid filtration membrane.
本発明の多孔質膜は、孔径が厚さ方向で異なり、孔径が大きい側の面の表面には孔径20nm以上の孔を多数有する。そのため、該多孔質膜の孔径が大きい側の表面は、粒径20nmの金ナノコロイドを70%以上通過させる。すなわち、該多孔質膜の孔径が大きい側の表面での粒径20nmの金ナノコロイドの通過率は70%以上であり、80%以上であれば好ましく、90%以上であればさらに好ましい。 The porous membrane of the present invention has different pore diameters in the thickness direction, and has a large number of pores having a pore diameter of 20 nm or more on the surface of the surface having the larger pore diameter. Therefore, 70% or more of gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm is allowed to pass through the surface of the porous film having a larger pore diameter. That is, the passing rate of the gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm on the surface of the porous membrane having the larger pore diameter is 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.
本発明の多孔質膜の孔径が大きい側の表面における粒径20nmの金ナノコロイドの通過率が70%未満であると、粒子のほとんどが多孔質膜の表面で捕集されてしまうので、濾過寿命が短くなる。なお、多孔質膜の孔径が大きい側の表面を通過した粒径20nmの金ナノコロイドは、多孔質膜の孔径が大きい側の表面より下流側の部分で補捉され、最終的には99%以上が捕集される。 When the passing rate of the gold nanocolloid having a particle size of 20 nm on the surface of the porous membrane of the present invention having a large pore size is less than 70%, most of the particles are collected on the surface of the porous membrane. Life is shortened. Note that the gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm that has passed through the surface of the porous membrane having the larger pore diameter is trapped in the downstream portion of the surface of the porous membrane having the larger pore diameter, and finally 99%. The above is collected.
なお、本発明の多孔質膜による金ナノコロイドの捕集効率および通過率は、実施例で後述する方法により測定する。 In addition, the collection efficiency and passage rate of the gold nanocolloid by the porous membrane of the present invention are measured by the methods described later in the examples.
本発明の多孔質膜に用いるセルロースは、非晶質部分を含むセルロースの方が、セルロースから精製抽出して作ったいわゆる結晶性セルロースに比べ好ましい。これは、非晶質部分を含むセルロースを用いることにより、多孔質膜の強度を向上させることができるからである。 As the cellulose used in the porous membrane of the present invention, cellulose containing an amorphous part is more preferable than so-called crystalline cellulose produced by purifying and extracting from cellulose. This is because the strength of the porous membrane can be improved by using cellulose containing an amorphous part.
非晶質部分を含むセルロースとしては、例えば、木材セルロースおよび綿セルロース等の植物セルロース、微生物産生セルロース、ホヤ皮嚢セルロースおよびそれらの誘導体、並びにそれらの混合物が挙げられる。 Examples of the cellulose containing an amorphous part include plant cellulose such as wood cellulose and cotton cellulose, microbial-produced cellulose, squirt sac cellulose and derivatives thereof, and mixtures thereof.
これらの中でも、特に、木材セルロース、綿セルロースおよびホヤ皮嚢セルロース並びにこれらの混合物が、得られる多孔質膜の強度が高くなるため好ましい。 Among these, wood cellulose, cotton cellulose, squirt sac cellulose, and a mixture thereof are particularly preferable because the strength of the resulting porous membrane is increased.
また、パルプなどの植物セルロースからカルシウムイオンなどのミネラル塩を取り除いた無灰セルロースがより好ましい。当該ミネラル塩の除去が不十分であると、後にセルロースを溶媒に溶かしたときの溶け残りが多くなり、これが多孔質膜のピンホールの原因となったり、または多孔質膜の使用中にミネラル塩が濾液中に溶け出して多孔質膜自体が汚染源となったりする場合がある。 Further, ashless cellulose obtained by removing mineral salts such as calcium ions from plant cellulose such as pulp is more preferable. Insufficient removal of the mineral salt results in a large amount of undissolved residue when cellulose is later dissolved in a solvent, which may cause pinholes in the porous membrane or during use of the porous membrane. May dissolve in the filtrate and the porous membrane itself may become a source of contamination.
また、本発明の多孔質膜には、セルロースとして各種セルロースの誘導体を用いることができ、セルロースの水酸基をエステル化及び/又はエーテル化したセルロース誘導体が好ましい。セルロースの水酸基をエステル化及び/又はエーテル化する置換度は1.0以下であることが好ましく、0.1〜0.8であることがより好ましい。 In the porous membrane of the present invention, various cellulose derivatives can be used as cellulose, and cellulose derivatives obtained by esterifying and / or etherifying a hydroxyl group of cellulose are preferable. The degree of substitution for esterifying and / or etherifying the hydroxyl group of cellulose is preferably 1.0 or less, and more preferably 0.1 to 0.8.
本発明の多孔質膜の流束は、20〜150L/m2/時間であることが好ましく、30〜150L/m2/時間であることがより好ましい。この範囲とすることで、必要な強度を保ちながら、小面積でも高い流量が得られるため好ましい。多孔質膜の流束は実施例で後述する方法により測定する。 Flux of the porous membrane of the present invention is preferably 20~150L / m 2 / time, and more preferably 30~150L / m 2 / hour. This range is preferable because a high flow rate can be obtained even in a small area while maintaining the required strength. The flux of the porous membrane is measured by the method described later in the examples.
本発明の多孔質膜の厚みは、50〜1000μmであることが好ましく、100〜500μmであることがより好ましい。この範囲とすることで、加工に必要な柔軟性と強度が共に得られるためである。 The thickness of the porous membrane of the present invention is preferably 50 to 1000 μm, and more preferably 100 to 500 μm. This is because, within this range, both flexibility and strength necessary for processing can be obtained.
本発明の多孔質膜は、以下の工程(1)〜(3)を含む製造方法により製造することができる。なお、本発明でいう非溶媒とは、セルロースを溶解しない溶媒をいう。
(1)セルロースを溶媒に浸漬させて、セルロース溶液を調製する工程
(2)工程(1)で調製したセルロース溶液を支持体の上に塗布する工程
(3)工程(2)で塗布したセルロース溶液を非溶媒に浸漬することによりセルロースを析出させて、ヒドロゲルセルロース多孔質膜を得る工程
以下、各工程について詳述する。
The porous membrane of the present invention can be produced by a production method including the following steps (1) to (3). In addition, the non-solvent as used in the field of this invention means the solvent which does not melt | dissolve a cellulose.
(1) Step of preparing cellulose solution by immersing cellulose in solvent (2) Step of applying cellulose solution prepared in step (1) on support (3) Cellulose solution applied in step (2) Step of precipitating cellulose by immersing in a non-solvent to obtain a hydrogel cellulose porous membrane Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)セルロースを溶媒に浸漬させて、セルロース溶液を調製する工程
工程(1)は、セルロースと溶媒との混合物を冷却することにより、溶媒にセルロースを溶解させて、セルロース溶液とする工程である。セルロースの溶媒への溶解には冷却が必要であり、セルロースと溶媒の混合物を−10〜−200℃に冷却することで、均質なセルロース溶液とすることができる。
(1) A step of immersing cellulose in a solvent to prepare a cellulose solution Step (1) is a step of cooling the mixture of cellulose and solvent to dissolve the cellulose in the solvent to obtain a cellulose solution. . Cooling is required for dissolution of cellulose in a solvent, and a homogeneous cellulose solution can be obtained by cooling the mixture of cellulose and solvent to −10 to −200 ° C.
このとき、セルロースを溶媒に浸漬させてから急冷してもよいし、あるいは予め冷却しておいた溶媒にセルロースを浸漬させてもよい。一度、溶媒にセルロースが溶解すれば、常温に戻してもセルロース溶液の状態が保たれる。 At this time, the cellulose may be immersed in a solvent and then rapidly cooled, or the cellulose may be immersed in a previously cooled solvent. Once the cellulose is dissolved in the solvent, the cellulose solution state is maintained even when the temperature is returned to room temperature.
溶媒に浸漬させるセルロースの濃度は、セルロース溶液に対して、0.2〜20質量%であることが好ましく、0.5〜10質量%であることがより好ましい。セルロースの量を0.2質量%以上とすることにより、得られる多孔質膜の強度を向上することができるとともに、孔が大きくなりすぎるのを防ぐことができる。また、セルロースの量を20質量%以下とすることにより、多孔質膜の濾過圧力損失を抑えるとともに、孔が小さくなりすぎるのを防ぐことができる。 The concentration of cellulose to be immersed in the solvent is preferably 0.2 to 20% by mass and more preferably 0.5 to 10% by mass with respect to the cellulose solution. By setting the amount of cellulose to 0.2% by mass or more, it is possible to improve the strength of the obtained porous film and to prevent the pores from becoming too large. Moreover, by making the amount of cellulose 20% by mass or less, it is possible to suppress the filtration pressure loss of the porous membrane and to prevent the pores from becoming too small.
溶媒は、特に限定されないが、後の工程で溶媒と非溶媒とを置換してセルロースを析出させるために、溶媒に対するセルロースの溶解性の大小だけではなく、後の工程で使用するセルロースの非溶媒との混和性がある溶媒であるか、または中和などの化学反応で非溶媒に転化しうる溶媒が好ましい。さらには、非溶媒との置換速度または化学反応による転化速度を調整できる溶媒がより好ましい。 Although the solvent is not particularly limited, in order to precipitate the cellulose by substituting the solvent and the non-solvent in the subsequent step, not only the solubility of the cellulose in the solvent but also the non-solvent of the cellulose used in the subsequent step Solvents that are miscible with or that can be converted to non-solvents by chemical reactions such as neutralization are preferred. Furthermore, the solvent which can adjust the substitution rate with a non-solvent or the conversion rate by a chemical reaction is more preferable.
溶媒と非溶媒との置換速度が遅くなるとセルロースの析出速度が低下し、得られる多孔質膜の孔径が大きくなりすぎ、かつ多孔質膜の強度が弱くなる。また、溶媒と非溶媒との置換速度が速くなるとセルロースの析出速度が過大ととなり、セルロースフィブリルが十分な径に成長しないため、得られる多孔質膜の開孔率が低くなりすぎ、場合によっては全く開孔しない場合もある。このため、目標とする多孔質膜の孔径及び孔径変化に応じた溶媒を選ぶことが好ましい。 When the substitution rate of the solvent and the non-solvent is slowed, the cellulose deposition rate is lowered, the pore size of the resulting porous membrane is too large, and the strength of the porous membrane is weakened. In addition, when the substitution rate of the solvent and the non-solvent is increased, the precipitation rate of cellulose becomes excessive, and the cellulose fibrils do not grow to a sufficient diameter, so the resulting porous membrane has a too low porosity, and in some cases There may be no opening at all. For this reason, it is preferable to select the solvent according to the pore diameter and the pore diameter change of the target porous membrane.
溶媒は、水を主成分として、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を含むことが好ましい。その他の成分としては、低級アルキルアルコール(メタノール、エタノールなど)、低級ケトン(アセトンなど)など、水との混和性が高い物質が挙げられる。 The solvent preferably contains water as a main component and i) caustic and ii) urea or thiourea. Examples of other components include substances having high miscibility with water, such as lower alkyl alcohols (such as methanol and ethanol) and lower ketones (such as acetone).
i)苛性アルカリとしては、NaOHおよびLiOH並びにそれらの混合物が好ましく、LiOHがより好ましい。溶媒におけるi)苛性アルカリの濃度は、2〜20質量%であることが好ましく、4〜10質量%であることがより好ましい。この範囲とすることにより、前記のセルロースの析出速度を適切なものとすることが容易となる。 i) As caustic, NaOH and LiOH and mixtures thereof are preferable, and LiOH is more preferable. The concentration of i) caustic alkali in the solvent is preferably 2 to 20% by mass, and more preferably 4 to 10% by mass. By setting it as this range, it becomes easy to make the said precipitation rate of the cellulose suitable.
ii)尿素またはチオ尿素のうちでは、尿素が好ましい。溶媒におけるii)尿素又はチオ尿素の濃度は、4〜20質量%であることが好ましく、6〜15質量%であることがより好ましい。この範囲とすることにより、前記のセルロースの析出速度を適切なものとすることが容易となる。 ii) Of urea or thiourea, urea is preferred. The concentration of ii) urea or thiourea in the solvent is preferably 4 to 20% by mass, and more preferably 6 to 15% by mass. By setting it as this range, it becomes easy to make the said precipitation rate of the cellulose suitable.
溶媒におけるi)苛性アルカリに対するii)尿素またはチオ尿素の含有量の比率(質量比 ii/i)は、1〜3であることが好ましく、1.5〜2であることがより好ましい。この範囲とすることにより、セルロースの溶解がより容易になると共に、前記のセルロースの析出速度を適切なものとすることがさらに容易となる。 The ratio (mass ratio ii / i) of i) urea or thiourea content to i) caustic alkali in the solvent is preferably 1 to 3, and more preferably 1.5 to 2. By setting it as this range, dissolution of cellulose becomes easier, and it becomes even easier to make the cellulose precipitation rate appropriate.
多孔質膜の強度を上げるため、工程(1)で調製するセルロース溶液に、予め多孔質膜を強化させる材料を混合してもよい。当該材料としては、例えば、合成繊維および天然繊維等の繊維を混合することができる。 In order to increase the strength of the porous membrane, a material for reinforcing the porous membrane may be mixed in advance with the cellulose solution prepared in the step (1). As the material, for example, fibers such as synthetic fibers and natural fibers can be mixed.
前記繊維としては、具体的には、例えば、ポリオレフィンとアクリルから成る分割繊維から得られる極細繊維(例えば長さ1〜10mm、直径0.1〜1μmの繊維)、およびエレクトロスピニング法で得られるポリ乳酸製の極細繊維(直径0.1〜1μmの繊維)等が挙げられる。 Specific examples of the fibers include ultrafine fibers (for example, fibers having a length of 1 to 10 mm and a diameter of 0.1 to 1 μm) obtained from split fibers made of polyolefin and acrylic, and polyspinds obtained by an electrospinning method. Examples thereof include ultrafine fibers made of lactic acid (fibers having a diameter of 0.1 to 1 μm).
セルロース溶液の粘度は10mPa・s以上1000mPa・s以下であることが好ましく、10mPa・s以上50mPa・s以下であることが好ましい。セルロース溶液の粘度は、主として溶媒の種類とセルロースの溶解量で調整することができる。 The viscosity of the cellulose solution is preferably 10 mPa · s or more and 1000 mPa · s or less, and preferably 10 mPa · s or more and 50 mPa · s or less. The viscosity of the cellulose solution can be adjusted mainly by the type of solvent and the amount of cellulose dissolved.
セルロース溶液の粘度を10mPa・s以上とすることにより、後の工程(2)において、支持体の上にセルロース溶液を塗り広げる際、適切な厚さを得ることができる。 By setting the viscosity of the cellulose solution to 10 mPa · s or more, an appropriate thickness can be obtained when the cellulose solution is spread on the support in the subsequent step (2).
また、セルロース溶液の粘度を1000mPa・s以下とすることにより、後の工程(3)において、セルロース溶液中の溶媒と非溶媒との置換速度が遅くなりすぎることによりセルロースフィブリルが太くなりすぎるのを防ぎ、孔径を20nm未満にすることが容易となる。 Further, by setting the viscosity of the cellulose solution to 1000 mPa · s or less, in the subsequent step (3), the substitution rate of the solvent and the non-solvent in the cellulose solution becomes too slow, so that the cellulose fibril becomes too thick. It is easy to prevent and make the pore diameter less than 20 nm.
さらに、セルロース溶液の粘度を1000mPa・s以下とすることにより、後の工程(2)において、支持体の上にセルロース溶液を薄く均質に塗ることができ、低圧力損失の多孔質フィルムを得ることができる。 Furthermore, by setting the viscosity of the cellulose solution to 1000 mPa · s or less, in the subsequent step (2), the cellulose solution can be thinly and uniformly applied on the support to obtain a porous film with low pressure loss. Can do.
(2)工程(1)で調製したセルロース溶液を支持体の上に塗布する工程
工程(2)は、工程(1)で調製したセルロース溶液を支持体の上に塗布する工程である。支持体上に塗布したセルロース溶液からなる層の厚さは、0.05〜5mmの範囲が好ましい。
(2) The process of apply | coating the cellulose solution prepared at the process (1) on a support process (2) is a process of apply | coating the cellulose solution prepared at the process (1) on a support body. The thickness of the layer made of the cellulose solution coated on the support is preferably in the range of 0.05 to 5 mm.
支持体としては、非多孔性の支持体および多孔性の支持体が挙げられる。非多孔性の支持体としては、例えば、ガラス板、ポリマーシートおよび金属板などを挙げることができる。多孔性の支持体としては、例えば、メルトブロー不織布およびスパンボンド不織布などの不織布、織布、金網並びにパンチング板などを挙げることができる。 Examples of the support include a non-porous support and a porous support. Examples of the non-porous support include a glass plate, a polymer sheet, and a metal plate. Examples of the porous support include nonwoven fabrics such as melt blown nonwoven fabrics and spunbond nonwoven fabrics, woven fabrics, wire meshes, and punching plates.
支持体としてガラス板のような非多孔性のものを使う場合、得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜を後で支持体から剥離してもよい。また、支持体として不織布のような多孔性のものを用いる場合、得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜を支持体から剥離せずにそのまま複合多孔シートとして使用してもよい。 When a non-porous material such as a glass plate is used as the support, the obtained hydrogel cellulose porous film may be peeled off from the support later. Moreover, when using a porous thing like a nonwoven fabric as a support body, you may use the obtained hydrogel cellulose porous membrane as a composite porous sheet as it is, without peeling from a support body.
支持体の上に塗布する形状は、平板上に薄く均質に塗り広げてシート状にしてもよいし、ひだ状に折り目を付けた不織布などの多孔シート上に塗りつけてもよいし、あるいは中空繊維の外表面あるいは内表面に塗布してもよい。いずれの場合でも、支持体表面に均質に塗りつけることが好ましい。均質に塗りつけることで、製造する多孔質層の厚さを均一にすることができ、さらには孔径勾配の大きさが支持体の場所によらず一定となりやすいため、好ましい。複雑な支持体の形状としては、例えば、ひだ状に折り目を付けたシートや、ピン状および格子状などの模様が彫刻されたエンボスロールで表面に凹凸模様を付けたシートなどが挙げられる。 The shape to be coated on the support may be thinly and evenly spread on a flat plate to form a sheet, or may be applied to a porous sheet such as a nonwoven fabric with a fold-like crease, or a hollow fiber. You may apply | coat to the outer surface or inner surface of. In any case, it is preferable to apply uniformly to the support surface. By applying uniformly, the thickness of the porous layer to be produced can be made uniform, and the pore diameter gradient tends to be constant regardless of the location of the support, which is preferable. Examples of the complicated shape of the support include a sheet having a crease-like crease, and a sheet having an uneven pattern on the surface with an embossing roll engraved with a pattern such as a pin shape or a lattice shape.
支持体の上にセルロース溶液を塗布する方法としては、具体的には、例えば、以下の(a)〜(c)の方法が挙げられる。
(a)セルロース溶液を支持体である平膜の上にガラス棒などで均一な厚さに塗り広げる方法。
(b)カーテンコーターなどのスリットから一定量ずつセルロース溶液を薄く吐出させて支持体であるシートの上に薄く塗り広げる方法。
(c)スピンコーターなどの塗布装置により遠心力を利用してセルロース溶液を支持体上に塗り広げる方法。
Specific examples of the method for applying the cellulose solution on the support include the following methods (a) to (c).
(A) A method in which a cellulose solution is spread on a flat film as a support with a glass rod to a uniform thickness.
(B) A method in which a cellulose solution is thinly discharged from a slit of a curtain coater or the like, and thinly spread on a sheet as a support.
(C) A method in which a cellulose solution is spread on a support using centrifugal force by a coating device such as a spin coater.
多孔性の支持体を用いる場合には、支持体においてセルロース溶液を塗布する側とは反対側を減圧することで、支持体の上にセルロース溶液を吸引付着させることもできる。 In the case of using a porous support, the cellulose solution can be sucked and adhered onto the support by reducing the pressure on the opposite side of the support from the side on which the cellulose solution is applied.
また、複雑な形状の支持体を用いる場合には、セルロース溶液を低粘度に調整しておき、支持体表面または全部をセルロース溶液に浸漬させ、引き上げて余分なセルロース溶液を自然落下または遠心力を利用して落下させて塗膜としてもよい。この場合のセルロース溶液の粘度は、0.1〜10mPa・sであることが好ましい。 In addition, when using a support having a complicated shape, the cellulose solution is adjusted to a low viscosity, the support surface or the whole is immersed in the cellulose solution, and then the excess cellulose solution is naturally dropped or subjected to centrifugal force. It may be used and dropped to form a coating film. In this case, the viscosity of the cellulose solution is preferably 0.1 to 10 mPa · s.
支持体上に塗布したセルロース溶液からなる層の形状は、セルロース溶液を平板上に薄く均質に塗り広げてシート状にしてもよいし、ひだ状に折り目を付けた不織布などの多孔シート上にセルロース溶液を塗りつけてもよいし、または中空繊維の外表面若しくは内表面に塗布してもよい。 The layer of the cellulose solution coated on the support may be formed into a sheet by thinly and uniformly spreading the cellulose solution on a flat plate, or the cellulose may be formed on a porous sheet such as a non-woven fabric with folds. The solution may be applied or applied to the outer or inner surface of the hollow fiber.
(3)工程(2)で塗布したセルロース溶液を非溶媒に浸漬することによりセルロースを析出させて、ヒドロゲルセルロース多孔質膜を得る工程
工程(3)では、支持体上に塗布したセルロース溶液を非溶媒に浸漬させ、セルロース溶液中の溶媒と非溶媒とを置換することで、溶解していたセルロースを、再生セルロースとして析出、堆積させ、多層構造とする。このときに、再生セルロースは、低結晶性のフィブリル(セルロースフィブリル)となり、該セルロースフィブリルが連結して網目構造が形成される。この網目構造の隙間に水を保持させて、ヒドロゲルセルロース多孔質膜を得る。
(3) Step of obtaining a hydrogel cellulose porous membrane by immersing the cellulose solution applied in step (2) in a non-solvent to obtain a hydrogel cellulose porous membrane In step (3), the cellulose solution applied on the support is non-coated. By immersing in a solvent and substituting the solvent and the non-solvent in the cellulose solution, the dissolved cellulose is deposited and deposited as regenerated cellulose to obtain a multilayer structure. At this time, the regenerated cellulose becomes low crystalline fibrils (cellulose fibrils), and the cellulose fibrils are connected to form a network structure. Water is retained in the gaps in the network structure to obtain a hydrogel cellulose porous membrane.
非溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、水、低級アルキルアルコール(例えば、メタノールおよびエタノールなど)、低級アルキルアルコール水溶液、低級ケトン(例えば、アセトンなど)、低級脂肪酸エステル(例えば、酢酸エチルなど)及び塩類(例えば、硫酸ナトリウムなど)の希薄水溶液などを用いることができる。 The non-solvent is not particularly limited. For example, water, lower alkyl alcohol (for example, methanol and ethanol), lower alkyl alcohol aqueous solution, lower ketone (for example, acetone), lower fatty acid ester (for example, A dilute aqueous solution of salts (eg, sodium sulfate) can be used.
非溶媒は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、低級アルキルアルコールおよび水からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、水および低級アルキルアルコールの混合物である低級アルキルアルコール水溶液がより好ましい。なお、低級アルキルアルコール水溶液中における、水と低級アルキルアルコールの混合比は特に限定されない。 Non-solvents may be used alone or in combination. Among these, at least one selected from the group consisting of a lower alkyl alcohol and water is preferable, and a lower alkyl alcohol aqueous solution that is a mixture of water and lower alkyl alcohol is more preferable. The mixing ratio of water and lower alkyl alcohol in the lower alkyl alcohol aqueous solution is not particularly limited.
工程(3)において、得られる多孔質膜は、支持体上に塗布したセルロース溶液が非溶媒と直接接触する側の面は孔径が大きくなり、支持体と接触する側の面は孔径が小さくなる。このことにより、本発明の多孔質膜は、厚さ方向で孔径が異なる多孔質膜となる。 In the step (3), the porous membrane obtained has a larger pore size on the side where the cellulose solution coated on the support is in direct contact with the non-solvent, and a smaller pore size on the side in contact with the support. . As a result, the porous membrane of the present invention becomes a porous membrane having different pore diameters in the thickness direction.
また、セルロース溶液中の溶媒を非溶媒に置換する速度が速いほど、精製するセルロースフィブリルの繊維径が小さくなるので、例えば、以下の(a)〜(d)の方法により、孔径および厚さ方向の孔径勾配を制御することができる。 Moreover, since the fiber diameter of the cellulose fibril to refine | purify becomes so small that the speed | rate which substitutes the solvent in a cellulose solution to a non-solvent becomes small, for example, according to the method of the following (a)-(d), a hole diameter and thickness direction The pore diameter gradient can be controlled.
(a)工程(3)に用いる非溶媒の中にセルロースが溶解しない程度の比率で、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を混合する方法である。この方法により、セルロースを析出させる速度を意図的に遅くすることができる。この方法に用いる非溶媒は特に限定されない。 (A) This is a method in which i) caustic and ii) urea or thiourea are mixed in such a ratio that cellulose does not dissolve in the non-solvent used in step (3). By this method, the rate at which cellulose is precipitated can be intentionally reduced. The non-solvent used for this method is not particularly limited.
例えば、非溶媒として低級アルキルアルコール水溶液を用いて、i)苛性アルカリおよびii)尿素またはチオ尿素を混合する方法を用いる場合、セルロースの析出速度を適切にすることができる。低級アルキルアルコール水溶液中の低級アルキルアルコールの濃度は、特に限定されないが、70〜100質量%とすることが好ましい。この範囲とするこで、セルロースの析出速度をより適切にすることができる。 For example, when using a method in which a lower alkyl alcohol aqueous solution is used as a non-solvent and i) caustic and ii) urea or thiourea are mixed, the precipitation rate of cellulose can be made appropriate. The concentration of the lower alkyl alcohol in the lower alkyl alcohol aqueous solution is not particularly limited, but is preferably 70 to 100% by mass. By setting it as this range, the precipitation rate of cellulose can be made more appropriate.
非溶媒におけるi)苛性アルカリの濃度は、0.2〜5質量%とすることが好ましく、0.5〜2質量%とすることがより好ましい。この範囲とすることにより、セルロースの析出速度がより適切になるためである。 The concentration of i) caustic alkali in the non-solvent is preferably 0.2 to 5% by mass, and more preferably 0.5 to 2% by mass. It is because the precipitation rate of a cellulose becomes more appropriate by setting it as this range.
非溶媒におけるii)尿素またはチオ尿素の濃度は、0.5〜5質量%とすることが好ましく、1〜3質量%とすることがより好ましい。この範囲とすることにより、セルロースの析出速度がより適切になるためである。 The concentration of ii) urea or thiourea in the non-solvent is preferably 0.5 to 5% by mass, more preferably 1 to 3% by mass. It is because the precipitation rate of a cellulose becomes more appropriate by setting it as this range.
また、ii)尿素またはチオ尿素/i)苛性アルカリ(質量比)は、1〜3であることが好ましく、1.5〜2であることがより好ましい。この範囲とすることにより、孔径勾配の大きさが適当な値を取りやすくなる。 In addition, ii) urea or thiourea / i) caustic (mass ratio) is preferably 1 to 3, and more preferably 1.5 to 2. By setting it as this range, the magnitude | size of a hole diameter gradient becomes easy to take an appropriate value.
(b)工程(1)においてセルロース溶液にセルロースが析出しない程度に予め非溶媒を混合する方法である。
セルロース溶液における非溶媒の濃度は、0〜5質量%とすることが好ましく、0〜3質量%とすることがさらに好ましい。
(B) In the step (1), a non-solvent is mixed in advance to such an extent that cellulose does not precipitate in the cellulose solution.
The concentration of the non-solvent in the cellulose solution is preferably 0 to 5% by mass, and more preferably 0 to 3% by mass.
(c)工程(3)において、組成の異なるいくつかの非溶媒を用意しておいてそれらにセルロース溶液を順次浸漬する方法である。
具体的には、例えば、まずメタノール90質量%、水酸化リチウム0.8質量%、尿素1.5質量%、水7.7質量%の混合液に浸漬する。次いで、メタノール100%に浸漬する。これにより、孔径および厚さ方向の孔径勾配を付けることが容易となる。
(C) In the step (3), several non-solvents having different compositions are prepared, and the cellulose solution is sequentially immersed in them.
Specifically, for example, first, it is immersed in a mixed solution of 90% by mass of methanol, 0.8% by mass of lithium hydroxide, 1.5% by mass of urea, and 7.7% by mass of water. Then, it is immersed in 100% methanol. Thereby, it becomes easy to give a hole diameter gradient in the hole diameter and thickness direction.
(d)工程(3)において、単に非溶媒にセルロース溶液を浸漬させるだけではなく、攪拌翼などで攪拌することで強制的に非溶媒中に液体の流れを発生させて、セルロース溶液の表面が常に新鮮な非溶媒に曝されるようにする方法である。
具体的には、例えば、攪拌数は、10〜100rpmとすることが好ましい。
(D) In step (3), not only the cellulose solution is simply immersed in the non-solvent, but also the liquid solution is forcibly generated in the non-solvent by stirring with a stirring blade, etc. It is a method of always exposing to a fresh non-solvent.
Specifically, for example, the number of stirring is preferably 10 to 100 rpm.
本発明の多孔質膜は、液体用濾過膜、薬剤保持膜および表面湿度保護膜として用いることができる。 The porous membrane of the present invention can be used as a liquid filtration membrane, a drug holding membrane and a surface humidity protective membrane.
以下において、実施例等を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、これらの記載により本発明の範囲が限定されることはない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and the like, but the scope of the present invention is not limited by these descriptions.
〔使用した部材等〕
水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、メタノールは和光純薬製の試薬特級を用いた。
[Used materials]
For sodium hydroxide, lithium hydroxide, and methanol, special grades made by Wako Pure Chemicals were used.
セルロースとしては、アドバンテック東洋製無灰パルプを用いた。このセルロースは、非晶質セルロースを含んでいる。 As the cellulose, Advantech Toyo ashless pulp was used. This cellulose contains amorphous cellulose.
金ナノコロイドとしては、シグマアルドリッチ製の粒径5、20、50nmの3種を用いた。なお、本発明で用いたシグマアルドリッチ製の金ナノコロイドの粒径は、球状粒子の平均サイズを表し、メーカー表示値をそのまま使用した。 Three types of gold nanocolloids having a particle size of 5, 20, and 50 nm manufactured by Sigma-Aldrich were used. The particle size of the gold nanocolloid made by Sigma Aldrich used in the present invention represents the average size of the spherical particles, and the manufacturer's display value was used as it was.
支持体としては、ガラス板(大きさ15cm×15cm)を用いた。 As the support, a glass plate (size 15 cm × 15 cm) was used.
水は、ミリポア製超純水製造装置「DirectQ UV(商品名)」で製造した比抵抗値18MΩ・cm以上の超純水を用いた。 As the water, ultrapure water having a specific resistance value of 18 MΩ · cm or more manufactured by Millipore ultrapure water production apparatus “DirectQ UV (trade name)” was used.
〔評価方法〕
実施例および比較例で得られた多孔質膜の物性値は下記の方法にて測定した。
〔Evaluation method〕
The physical property values of the porous membranes obtained in Examples and Comparative Examples were measured by the following methods.
1)平均繊維径
得られた多孔質膜を凍結乾燥し、電子顕微鏡(日本電子社製走査電子顕微鏡JSM)を使って倍率10万倍で観察した。その写真を画像解析して構成繊維10本の直径を求め、その算術平均値を平均繊維径とした。
1) Average fiber diameter The obtained porous membrane was freeze-dried and observed at an magnification of 100,000 times using an electron microscope (JEOL scanning electron microscope JSM). The photograph was subjected to image analysis to determine the diameter of 10 constituent fibers, and the arithmetic average value was taken as the average fiber diameter.
2)流束
得られた多孔質膜を直径25mmに切り取り、フィルターシートホルダーにセットし、圧力1MPaで加圧して超純水を通水させ、排出した液量から通水量を測定した。それをフィルターシートの単位面積当たりの数値に換算して流束を求めた。
2) Flux The obtained porous membrane was cut to a diameter of 25 mm, set in a filter sheet holder, pressurized with a pressure of 1 MPa, allowed to pass ultrapure water, and the amount of water passed was measured from the discharged liquid amount. It was converted into a numerical value per unit area of the filter sheet to obtain the flux.
3)粒子捕集効率
得られた多孔質膜を直径25mmに切り取り、フィルターシートホルダーにセットし、圧力1MPaで加圧して粒径5nmまたは粒径20nmの金ナノコロイド液を通液させ、濾過前後の液に含まれる金ナノコロイドの量を測定して、捕集効率を得た。
3) Particle collection efficiency The obtained porous membrane was cut out to a diameter of 25 mm, set in a filter sheet holder, pressurized with 1 MPa of pressure and allowed to pass through a gold nanocolloid solution having a particle size of 5 nm or 20 nm, before and after filtration. The amount of gold nanocolloid contained in the liquid was measured to obtain the collection efficiency.
なお、本実施例において、非溶媒によるヒドロゲル化の工程で水と接触していた面が、孔径が大きい側の表面となり、粒径20nmの金ナノコロイドを70%以上通過させる(比較例の一部においては通過できない)。 In this example, the surface that was in contact with water in the hydrogelation step with a non-solvent became the surface with the larger pore size, and allowed to pass 70% or more of the gold nanocolloid having a particle size of 20 nm (one of the comparative examples). Part cannot pass).
また、粒径50nmの金ナノコロイドと粒径20nmの金ナノコロイドとを粒子数が1:12となるよう、金ナノコロイドの容積当りの粒子数から算出し、混合して、金ナノコロイド液を調製し、この金コロイド液を多孔質膜の孔径が大きい側の表面から前記と同様の手順で通過させ、通過させた後の多孔質膜を乾燥し、電子顕微鏡を使って倍率10万倍で観察し、観察された粒径50nmの粒子と20nmの粒子の数を求めた。そして、径の大きい粒径50nmの粒子はこの多孔質膜の孔径が大きい側の表面でも確実に捕集されるため、この多孔質膜の孔径が大きい側の表面の粒径20nmの金ナノコロイドの通過率を下記式によりこの多孔質膜の孔径が大きい側の表面の粒径20nmの金ナノコロイドの通過率を求めた。 In addition, a gold nanocolloid liquid having a particle diameter of 50 nm and a gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm are calculated from the number of particles per volume of the gold nanocolloid so that the number of particles is 1:12, and mixed. The colloidal gold solution is passed from the surface of the porous membrane having the larger pore diameter in the same manner as described above, and the porous membrane after passing is dried, and the magnification is 100,000 times using an electron microscope. The number of particles having a diameter of 50 nm and 20 nm was observed. Since particles having a large diameter of 50 nm are surely collected even on the surface of the porous film having a large pore diameter, the gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm on the surface having the large pore diameter of the porous film is collected. The passage rate of the gold nanocolloid having a particle size of 20 nm on the surface of the porous membrane having the larger pore diameter was determined by the following formula.
(式)
(通過率)={1−(粒径20nmの粒子数÷粒径50nmの粒子数)÷12}×100%
(formula)
(Passage rate) = {1− (number of particles with a particle size of 20 nm ÷ number of particles with a particle size of 50 nm) ÷ 12} × 100%
[実施例1]
〔原料液の調製工程〕
表1に示すように、セルロースの溶媒として、水酸化リチウム8質量%、尿素15質量%を溶解させた水溶液を用いた。そのセルロースの溶媒100重量部に対し、セルロースを4重量部浸漬し、その液を−15℃にて5分間冷却してセルロースを溶解させ、セルロース溶液を得た。
[Example 1]
[Preparation process of raw material liquid]
As shown in Table 1, an aqueous solution in which 8% by mass of lithium hydroxide and 15% by mass of urea were dissolved was used as a solvent for cellulose. 4 parts by weight of cellulose was immersed in 100 parts by weight of the solvent for cellulose, and the liquid was cooled at −15 ° C. for 5 minutes to dissolve the cellulose to obtain a cellulose solution.
〔成形工程〕
ガラス板上に、アドバンテック東洋製の定量濾紙5Bを乗せて端部を粘着テープで固定し、その上に、先に得たセルロース溶液を、ベーカーアプリケータを使って厚さ100μmに塗りつけた。
[Molding process]
Advantech Toyo's quantitative filter paper 5B was placed on a glass plate, and the end portion was fixed with an adhesive tape. The cellulose solution obtained above was applied on the glass plate to a thickness of 100 μm using a Baker applicator.
〔非溶媒によるヒドロゲル化の工程〕
表1に示すように、非溶媒として、メタノールを用いた。容器に深さ3cmまでメタノールを入れ、その中に、ガラス板上に成形したセルロース溶液をガラス板ごと静かに浸漬させ、そのまま室温にて15分間放置することで、セルロース溶液をヒドロゲルに転化させた。
[Hydrogelation step with non-solvent]
As shown in Table 1, methanol was used as the non-solvent. Methanol was put in a container up to a depth of 3 cm, and the cellulose solution formed on the glass plate was gently immersed in the glass plate together with the glass plate, and left at room temperature for 15 minutes to convert the cellulose solution into a hydrogel. .
次に、別の容器に深さ10cmまで水を入れ、該ヒドロゲルをガラス板から剥離して浸漬させた。この後、水を数度交換して、ヒドロゲル中に残留しているアルカリを完全に除去することによりヒドロゲルセルロース多孔質膜を得た。得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜の物性値を表2に示す。 Next, water was poured into another container to a depth of 10 cm, and the hydrogel was peeled off from the glass plate and immersed. Thereafter, water was exchanged several times to completely remove the alkali remaining in the hydrogel, thereby obtaining a hydrogel cellulose porous membrane. Table 2 shows the physical property values of the obtained hydrogel cellulose porous membrane.
表2に示すように、得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜は、該多孔質膜の孔径が大きい側の表面では粒径20nmの金ナノコロイド粒子を78%通過させるのに対し、この金ナノコロイドの捕集効率は99%以上に達することから、孔径が厚さ方向に変化しており、厚さ方向で孔径が異なることが確認された。また、この膜は粒径5nmの金ナノコロイド粒子を85%捕集した。 As shown in Table 2, the obtained hydrogel cellulose porous membrane allows the gold nanocolloid particles having a particle diameter of 20 nm to pass through 78% on the surface of the porous membrane having a larger pore diameter, whereas the gold nanocolloid Since the trapping efficiency reaches 99% or more, the hole diameter was changed in the thickness direction, and it was confirmed that the hole diameter was different in the thickness direction. In addition, this film collected 85% of gold nanocolloid particles having a particle diameter of 5 nm.
[実施例2、3]
表1に示すように、成形工程で、塗布する厚さを200、500μmにした他は全て実施例1と同じ方法でヒドロゲルセルロース多孔質膜を得た。得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜の物性値を表2に示す。また、実施例2のヒドロゲルセルロース多孔質膜を凍結乾燥し、電子顕微鏡で観察した写真を図2に示す。
[Examples 2 and 3]
As shown in Table 1, a hydrogel cellulose porous membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness to be applied was 200 and 500 μm in the molding step. Table 2 shows the physical property values of the obtained hydrogel cellulose porous membrane. Moreover, the hydrogel cellulose porous membrane of Example 2 was freeze-dried and the photograph observed with the electron microscope is shown in FIG.
図2に示すように、非溶媒によるヒドロゲル化の工程でガラス板と接触していた面[図2(a)]は、非溶媒側だった面[図2(b)]に比べて、開孔している孔の大きさがやや大きく、繊維の径も大きかった。 As shown in FIG. 2, the surface [FIG. 2 (a)] that was in contact with the glass plate in the non-solvent hydrogelation step was more open than the surface that was on the non-solvent side [FIG. 2 (b)]. The size of the perforated holes was slightly large, and the fiber diameter was also large.
[実施例4]
表1に示すように、非溶媒として、メタノール90質量%、水酸化リチウム0.8質量%、尿素1.5質量%、水7.7質量%の混合液を用いた他は、全て実施例2と同じ方法でヒドロゲルセルロース多孔質膜を得た。得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜の物性値を表2に示す。
[Example 4]
As shown in Table 1, all examples were performed except that a non-solvent mixture of 90% by mass of methanol, 0.8% by mass of lithium hydroxide, 1.5% by mass of urea, and 7.7% by mass of water was used. Hydrogel cellulose porous membrane was obtained by the same method as in No. 2. Table 2 shows the physical property values of the obtained hydrogel cellulose porous membrane.
表2に示すように、実施例4で得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜は、流束が実施例2で得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜よりも高く、粒子捕集効率も高かった。 As shown in Table 2, the hydrogel cellulose porous membrane obtained in Example 4 had a higher flux than the hydrogel cellulose porous membrane obtained in Example 2, and the particle collection efficiency was also high.
また、実施例2と比較すると、粒径5nmの金ナノコロイド粒子の捕集効率は実施例2が93%、実施例4が94%と大きくは変わらなかった。 Further, compared with Example 2, the collection efficiency of gold nanocolloid particles having a particle diameter of 5 nm was not significantly different from Example 2 at 93% and Example 4 at 94%.
一方、この多孔質膜の孔径が大きい側の表面での粒径20nmの金ナノコロイド粒子の通過率は実施例2の80%に対して実施例4では92%となっており、孔径の厚さ方向の変化がより大きくなっていることが確認された。 On the other hand, the passing rate of the gold nanocolloid particles having a particle size of 20 nm on the surface of the porous membrane having the larger pore diameter is 92% in Example 4 compared to 80% in Example 2, and the thickness of the pore diameter It was confirmed that the change in the vertical direction was larger.
また、このヒドロゲルを電子顕微鏡で観察した写真を図3に示す。図3に示すように、実施例2と比較すると、非溶媒によるヒドロゲル化の工程でガラス板と接触していた面[図3(a)]は実施例2[図2(a)]と大きな違いは無かった。一方、非溶媒側だった面[図3(b)]は実施例2[図2(b)]に比べて、開孔している孔の大きさが大きく、繊維の径も大きかった。 Moreover, the photograph which observed this hydrogel with the electron microscope is shown in FIG. As shown in FIG. 3, when compared with Example 2, the surface [FIG. 3 (a)] that was in contact with the glass plate in the non-solvent hydrogelation step was larger than Example 2 [FIG. 2 (a)]. There was no difference. On the other hand, the surface [FIG. 3 (b)] which was on the non-solvent side had a larger hole size and a larger fiber diameter than Example 2 [FIG. 2 (b)].
[実施例5〜7]
表1に示すように、非溶媒として、80質量%、水酸化リチウム1.6質量%、尿素3.0質量%、水15.4質量%の混合液を用いた他は、全て実施例1〜3と同じ方法でヒドロゲルセルロース多孔質膜を得た。得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜の物性値を表2に示す。
[Examples 5 to 7]
As shown in Table 1, Example 1 was used except that a non-solvent mixture of 80% by mass, lithium hydroxide 1.6% by mass, urea 3.0% by mass, and water 15.4% by mass was used. A hydrogel cellulose porous membrane was obtained by the same method as ˜3. Table 2 shows the physical property values of the obtained hydrogel cellulose porous membrane.
表2に示すように実施例6で得られたヒドロゲルセルロース多孔質膜は、流束が実施例4よりも高く、粒子捕集効率も高かった。また、実施例2、4と比較すると、該多孔質膜の孔径が大きい側の表面での粒径20nmの金ナノコロイド粒子の通過率は実施例2の80%、実施例4の92%に対して実施例6では95%となっており、孔径の厚さ方向の変化がより大きくなっていることが確認された。 As shown in Table 2, the hydrogel cellulose porous membrane obtained in Example 6 had a higher flux than Example 4 and a high particle collection efficiency. Further, compared with Examples 2 and 4, the passing rate of the gold nanocolloid particles having a particle diameter of 20 nm on the surface of the porous membrane having the larger pore diameter is 80% of Example 2 and 92% of Example 4. On the other hand, it was 95% in Example 6, and it was confirmed that the change in the thickness direction of the hole diameter was larger.
また、このヒドロゲルセルロース多孔質膜を電子顕微鏡で観察した写真を図4に示す。図4に示すように、実施例2、4と比較すると、非溶媒側だった面[図4(a)]は開孔している孔および繊維径の大きさがさらに大きくなっていた。また、図1に示すように、この断面を観察すると、セルロースが層状に積み重なっている様子が観察された。 Moreover, the photograph which observed this hydrogel cellulose porous membrane with the electron microscope is shown in FIG. As shown in FIG. 4, as compared with Examples 2 and 4, the surface that was on the non-solvent side [FIG. 4 (a)] had larger holes and fiber diameters. Further, as shown in FIG. 1, when this cross section was observed, it was observed that cellulose was stacked in layers.
Claims (2)
(測定方法)粒径50nmの金ナノコロイドと粒径20nmの金ナノコロイドとを粒子数が1:12となるよう混合した金ナノコロイド液を、孔径が大きい側の表面から多孔質膜に通過させ、通過させた後の多孔質膜における粒径50nmの粒子数と粒径20nmの粒子数から、下記式により通過率を求める。
(式)(通過率)={1−(粒径20nmの粒子数÷粒径50nmの粒子数)÷12}×100% It is a hydrogel cellulose porous membrane having a multilayer structure in which cellulose fibrils are laminated and having different pore sizes in the thickness direction, and an average fiber diameter of cellulose fibrils in at least one layer of the multilayer structure is less than 100 nm, and a layer constituting the surface The ratio of the average fiber diameter of cellulose fibrils in the layer constituting the back surface is 1.2 to 3, the gold nanocolloid having a particle diameter of 5 nm can be collected by 70% or more, and the pore diameter of the porous film is larger. The surface is a hydrogel cellulose porous membrane in which the passing rate of a gold nanocolloid having a particle diameter of 20 nm determined by the following measurement method is 70% or more.
(Measurement method) A gold nanocolloid solution in which a gold nanocolloid with a particle size of 50 nm and a gold nanocolloid with a particle size of 20 nm is mixed so that the number of particles is 1:12 is passed through the porous membrane from the surface with the larger pore size. From the number of particles having a particle size of 50 nm and the number of particles having a particle size of 20 nm in the porous film after passing through, the passing rate is obtained by the following formula.
(Formula) (passage rate) = {1− (number of particles with a particle size of 20 nm ÷ number of particles with a particle size of 50 nm) ÷ 12} × 100%
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