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JP7348196B2 - プリーツ型自立型多孔質ブロック共重合体材料及びその製造方法 - Google Patents

プリーツ型自立型多孔質ブロック共重合体材料及びその製造方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年３月１２日に出願された米国仮出願第６２／６４１，６６０号の利益を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、広範囲の、プリーツ型自立型等多孔性非対称ブロック共重合体（ＢＣＰ）薄膜（フィルム）及び分離及び精製用途における当該フィルムの使用に関する。
膜は、そのサイズに基づいて溶質を分離する多孔性半透過性濾過媒体である。従来、膜は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロース系ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル等の従来のポリマーから製造される。当該ポリマーを用いて作製した膜は、周知の浸漬沈殿プロセスにより合成される。例えば、ドープ溶液を高度に開放されたマクロ多孔性支持体上に押出した後、非溶媒浴（水）中に急速に浸漬させて、膜として作用する支持体上にフィルムを形成することができる。当該プロセスは、高密度の膜及び孔径が数ナノメートルから７０ナノメートルの範囲である膜に典型的である。孔径が大きい場合にも一般的である。別の方法は、非溶媒浴中へ浸漬する前又は後に、不透過性支持体上にドープを押出した後、一定期間蒸発させてから、膜を支持体から分離する。強度を十分にするため、一体的支持体を伴わずに形成された膜は、厚さが１００～２５０ミクロンで非常に厚く、通常、孔径のオーダーはミクロンであるか、又は膜の厚い部分を通して、一方又は両方の表面の孔径勾配が小孔から大孔までと大きい。
通常、市販の膜製造プロセスは、連続的ロールツーロール処理プラットフォーム上で行われる。膜製造プロセスの間、膜は、様々な張力をうけ、過剰な張力が過剰な応力又は過剰な歪みに起因して生じるであろう損傷は、マクロ多孔質開放支持体、厚い膜により回避される。この追加支持体は、製造プロセス中に追加の強度をもたらし、より大きなスケールでロールツーロール形式でも大量の材料が製造されうる。支持体又は大きな膜厚がもたらす強度によりまた、経済的にフィルタカートリッジ及びカセットの製造における膜のハンドリングが可能となり、そのため、商業的濾過システムの製造が可能となる。当該支持体は、追加の機械的強度をもたらすが、膜厚も厚くなり、それにより、物質移動抵抗が高まり、膜透過性が低下する。また、厚い膜は、完成したカートリッジ又はカセットにおいて、薄膜よりも必然的に充填密度（単位体積当たりの表面積）が低い。従って、追加の強度は、フィルタ性能の重要なパラメータである充填密度の損失で達成される。多孔質支持体を用いる別の欠点は、支持体上のいかなる異物又は塵埃、又は表面粗さ、変形、又は他の材料欠陥により、ミクロンサイズのピンホール様の欠陥が最終膜に導入され、その性能が低下することである。分離媒体の当該欠陥は、透過物を汚染する溶質を通して透過孔の直径より大きい小さな欠陥が生じるため、その低減が最も重要である。密度欠陥は、媒体の製造が実験室規模からパイロット規模にスケールアップされるにつれて悪化する。当該欠陥は、しばしばフィルムがキャストされる支持体から生じる。
乾燥時の膜の湾曲又は管化は望ましくない特性である。湾曲又は管化は、膜の構造、輸送及び排除特性を変化させる。担持ＢＣＰ膜は乾燥後に湾曲する場合がある。これは、乾燥後の支持材料の湾曲傾向、又は乾燥中の膜及び支持体の不均一な変形による可能性がある。さらに、膜をアンカーリングし、濾過装置でそれを適用すると、当該機能に有害な亀裂及びその他の変形を引き起こす傾向がある。
最終膜は、一般に、カセット、カートリッジ、及び他の装置を含むいくつかの異なるタイプの市販のモジュール形態にパッケージされる。膜は、超音波溶接、加熱ダイス、接着及び高周波溶接等の異なる密封機構により、当該装置内に密封される。膜とハウジングとの間の熱的及び機械的適合性は、膜とハウジングとの間の気密密封を達成する上で重要な因子である。独立したフィルムと比較して、特性が異なるマクロ多孔質支持体の追加の層のために、モジュール製造が複雑化する可能性がある。以上の理由から、支持体の使用は避けるか、または、できれば膜厚を厚くして強度を上げることが望ましい。
市販のポリマー由来のプリーツ型膜フィルタは、多くの分離用途で汎用される。プリーツ型膜フォーマットは、平坦なシートカセットと比較して、モジュールに充填されたフィルタ媒体の表面積対体積比が有意に高く、流路長が短く、これは、螺旋状巻カートリッジと比較して、圧力低下が抑制される。プリーツ加工は、膜フットプリントを最小化し、濾過プロセスの経済性を改善する。通常、プリーツ型膜カートリッジは、短半径でプリーツ加工時の亀裂を回避するため、又は長半径でプリーツ加工した場合の「スプリングバック」をさらに回避するため、従来の位相反転膜もまた、プリーツ中で通常加熱される。プリーツ型シートはハウジングに挿入され、外縁はヒートシール又はポッティング方法によって密封される。
厚さ、ドープ溶液の作製に用いられる溶媒の種類、及び開放多孔質支持体の種類に依存して、支持ＢＣＰ膜は、湿潤状態及び乾燥状態でプリーツ加工した場合にも亀裂を生じ易い。当該膜の組成変形時は、湿潤又は乾燥状態を保持しなければならず、さもなければ、ひび割れや、プリーツ中のピンホール等の他の種類の欠陥が生じる可能性がある。処理の簡便性と、いくつかのブロック化学の潜在的な酸化／分解を回避するため、ＢＣＰ系膜を不必要に加熱しないことが有利であり得る。
ＢＣＰシステムの固有の利点の１つは、ナノスケール構造に自己集合し、キャスティング溶液中で均一サイズのミセルを形成する能力であり、これにより、膜の表面に高度に規則正しい等孔構造がもたらされる。高度に整列した均一サイズの孔により、非常に鋭い分子量カットオフと、異なるサイズの分子を分離する優れた選択性がもたらされる。当該ＢＣＰ膜は、自己組織化及び非溶媒誘起相分離として知られる、制御された溶媒蒸発及び十分に確立された浸漬析出プロセスの組み合わせによる当該膜の作製を開示する特許文献１に開示される。しかし、特許文献１に記載された、実証された最大膜面積は３００ｃｍ２であった。３００ｃｍ２未満のＢＣＰ薄膜を従来のドクターブレード法で作製することはできるが、商業的使用に適した大規模自立型ＢＣＰ薄膜の作製は困難である。１つの具体的課題は、鋳造に用いられる非多孔質基板とのＢＣＰ膜の接着であり、ＢＣＰ膜は、製造中に基板から容易に剥離し、相反転が連続膜を生じる前に破断しうる。
米国特許出願公開第２０１４／０２１７０１２号明細書
独立非対称等多孔質ＢＣＰ膜の選択層の走査型電子顕微鏡像である。
図２Ａ～Ｃは、より大きな部分から切断されたポリ（イソプレン－ｂ－スチレン－ｂ－４－ビニルピリジン）ＢＣＰ膜のディスクのプリーツ性試験の段階の写真である。図２Ａは、ＩＳＶ ＢＣＰフィルムのディスクを示す。図２Ｂは、それ自体が折り畳まれたＩＳＶ ＢＣＰフィルムのディスクを示す。図２Ｃは、ポリプロピレンホルダー中で複数回折り畳まれ、かつ、ほどかれた後に試験したＩＳＶ ＢＣＰフィルムのディスクを示す。ディスクの中央のしわはプリーツによって生じ、膜は２０ｎｍの金ナノ粒子溶液でチャレンジされ、金ナノ粒子の排除は＞９９．９％であった。膜表面の変色は吸着金ナノ粒子による。
支持体に支持されたＢＣＰフィルム（２２８μｍ）と自立型ＢＣＰフィルム（６４μｍ）の透水性のグラフである。
以下の実施形態の説明は、単なる例示に過ぎず、本開示の主題、それらの適用、又は用途を限定することを意図するものではない。
全体的に用いられる範囲は、範囲内の各値を記載する略語として用いられる。範囲内のいかなる値を範囲の終端として選択しうる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲の適用上、別段の指示がない限り、明細書及び特許請求の範囲において使用される量、パーセンテージ又は比率、及び他の数値を表す全ての数値は、全ての場合において「約」という用語により修飾されると理解されるべきである。本用語は、一般に、当該技術分野における通常の技術の１つが列挙された数値に対する合理的な量の偏差として考慮されるであろう（すなわち、同等の機能又は結果を有する）範囲の数字を示す。例えば、本用語は、±１０パーセントの偏差、±５パーセントの偏差、あるいは±１パーセントの偏差を含むと解釈しうるが、ただし、当該偏差は、値の最終関数又は結果を変化させるものではない。従って、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは、本発明が得ようとする所望の特性に依存して変化し得る近似値である。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる、「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」との単数形は、明示的かつ明確に１のレファレンスに限定されていない限り、複数のレファレンスを含むことに留意されたい。本明細書で用いられる、用語「あげられる(include)」及びその文法的変形は、列挙された項目の記載が、列挙された項目に置換されたり追加されたりされうる他の類似の項目を排除するものではなく、非限定的であることが意図されている。例えば、本明細書及び以下の特許請求の範囲で用いられる、用語「含む(comprise)」(並びに原文における「comprising」及び「comprises」等の形態、誘導体、又はその変形)、「含む(include)」(原文における「including」及び「includes」等の形態、誘導体、又はその変形)及び「有する(has)」(並びに原文における「having」及び「have」等の形態、誘導体、又はその追加の要素若しくは工程を除外するものではない。従って、当該用語は、記載された要素又は工程をカバーするだけでなく、明示的に記載されていない他の要素又は工程も含むことができる。さらに、本明細書中で用いられる、用語「ａ」又は「ａｎ」は、「１」を意味し得るが、「１以上」、「少なくとも１」及び「１以上」の意味とも一致する。従って、「ａ」又は「ａｎ」が先行する要素は、さらなる制約なしに、追加の同一要素の存在を妨げない。
本明細書の開示は、広面積のプリーツ型等多孔質非対称ブロック共重合体（「ＢＣＰ」）フィルム（本明細書では「膜」という場合もある）に関し、特に、独立型、機械的頑強、先行技術で公知の多孔質膜を用いるよりもはるかに高い透過性で、所望の溶質を分離することができる。広面積フィルムは、市販のフィルタカートリッジを製造するのに十分な面積の１つとして定義される。例えば、３００ｃｍ２～１．０ｍ２の範囲の領域は、市販のフィルタカートリッジを製造するのに十分である。
本開示は、さらに、商業規模で当該膜を製造する方法に関する。本明細書に開示される実施例は、従来のロールツーロールプラットフォーム上のブロック共重合体由来のプリーツ型等多孔性自立型フィルムの製造に関する。当該態様は、本発明の膜の製造方法をいかなる方法で制限することを意図しない。
上記ＳＮＩＰＳ法で作製した薄膜は、同一の前駆体ＢＣＰ材料から作製した２つの異なる層から構成される。第１層は、薄いメソポーラス半透性スキン層であり、その下の第２層は、比較的開口したマクロボイド含有支持層である。本明細書で開示されたフィルムは追加の多孔性支持体がないが、フィルムのより低密度の支持体層は、驚くべきことに、先に議論したように、従来の膜で必要と考えられた厚さより実質的に薄いにもかかわらず、動作条件下での破断又は亀裂の防止に十分な構造的支持体を提供する。理論に拘束されることを望まないが、薄膜の頑強性の１つの潜在的な理由は、薄膜の組立構造に関係する。本明細書に開示される例外的な薄膜の大きな利点は、従来の薄膜のプリーツ形成に生じ得る欠陥を防止するために必要な加熱又は湿潤を行わなくても、従来の厚膜よりもはるかに小さな半径で膜を折り畳むことができることである。これにより、当該薄膜から作製されたプリーツカートリッジの充填密度及び製造性を大幅に改善することができる。当該薄膜の別の重要な利点は、より膜厚の代替物と比較して膜の透過性を実質的に高める流体の輸送に対する水力学的抵抗が低いことである。
本開示の種々の態様では、非対称自立型等多孔質ブロック共重合体（ＢＣＰ）膜を形成する方法であって、以下の：（ａ）少なくとも１つのブロック共重合体を混合し、少なくとも１つのＢＣＰを少なくとも１つの溶媒と組み合わせることにより、ポリマー溶液の調製工程；（ｂ）前記ポリマー溶液の非多孔性基材上のフィルムへの押出工程；（ｃ）ポリマー溶液の少なくとも１つの化学物質の少なくとも部分の蒸発工程；及び（ｄ）フィルムの凝固浴への浸漬工程；を含む。
本開示の種々の態様では、非対称自立型等多孔質ブロック共重合体（ＢＣＰ）膜を形成する別の方法であって、以下の：（ａ）少なくとも１つのブロック共重合体を混合し、少なくとも１つのＢＣＰを少なくとも１つの溶媒と組み合わせることにより、ポリマー溶液の調製工程；（ｂ）前記ポリマー溶液の非多孔性基材上のフィルムへの押出工程；（ｃ）ポリマー溶液の少なくとも１つの化学物質の少なくとも部分の蒸発工程；及び（ｄ）フィルムの凝固浴への浸漬工程；及び（ｅ）前記ＢＣＰフィルムの洗浄工程；を含む。
いかなる理論にも拘束されることを望まないが、ウェブ（基板付きフィルム）、溶媒系、制御されたプロセス条件下での溶媒の蒸発速度、ＢＣＰフィルムの特性、又は非多孔性剥離フィルムの特性の１つ又は複数の効果の組み合わせにより、薄膜の外縁が約５ｍｍに乾燥される可能性がある。乾燥外縁は密封を形成し、非多孔質基板に固定される。この効果は、連続鋳造プロセス中のフィルムの剥離を防止する。フィルムは、全キャスティングプロセスの間、非多孔質基板に付着したままである。驚くべきことに、外縁は、キャスティングプロセス全体間で接着しうる程度に十分強く接着するが、材料を損傷せず、少量の力で非多孔質基板から解放することができる。
プリーツ型フィルムの大連続領域を作製する一つの考慮事項は、理想的には、フィルムは、鋳造プロセス後、損傷せずに、非多孔質基板から容易に解放されるべきである点である。いずれの理論にも拘束されないが、上記プロセスは、ＢＣＰと非多孔性剥離フィルムとの間に接着強度の勾配を形成し、外縁は、非多孔性基板とＢＣＰフィルムとの間に密封を形成し、ＢＣＰフィルムの内部部分は、非多孔質支持体に固く接着せず、キャスティング後の容易な剥離を可能にする。
上記外縁接着機構は、基板に外縁を接着する単なる一例であり、キャスティングプロセスの間に基板に接着されたフィルムを維持するいくつかの他の方法があることに留意されたい。一つの方法は、フィルム及び基板の端部に近接して配置された多くのクリップがフィルム及び基板をともに保持するテンティングと同様の方法を用いる。別の方法は、フィルムを基板上に固定するために、エアナイフ又送風機又は真空ボックスを用いる点である。上記に加えて、フィルム及び基板を密接に保持する複数の他の方法を用いうる。
少なくとも１つの実施形態では、非多孔性基板は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメタクリル酸メチル、又はステンレス鋼であり得る。
少なくとも１つの実施形態では、ポリマー溶液は、酢酸、アセトン、アセトニトリル、ベンゼン、クロロホルム、シクロヘキサン、ジクロロメタン、ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、１，４－ジオキサン、エタノール、酢酸エチル、ギ酸ヘキサン、メタノール、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、プロパノール、ピリジン、スルフォラン、テトラヒドロフラン又はトルエンの少なくとも１つを含む。
少なくとも１つの実施形態では、凝固浴は水を含む。少なくとも１つの実施形態では、凝固浴は、水及びイソプロピルアルコールを含む。
少なくとも１つの実施形態では、キャスティング溶液中のＢＣＰの濃度は、約１質量％～約３０質量％の範囲である。他の実施形態では、キャスティング溶液中のＢＣＰの濃度は、約５質量％～約２０質量％の範囲である。他の実施形態では、キャスティング溶液中のＢＣＰの濃度は、約７質量％～約２５質量％の範囲である。
少なくとも１つの実施形態では、フィルムは、前駆体ＢＣＰ材料から作製された（追加の多孔質支持体を伴わない）大規模プリーツ型等多孔性非対称自立型フィルムとして定義することができる。
少なくとも１つの実施形態では、「プリーツ型」とは、フィルムが折り畳まれ、かつ、ほどかれた、選択層の平均孔径を超えるサイズの溶質の排除能を依然として保持する能力を意味する。本開示によるフィルムのプリーツ性を決定する試験は、（１）場合によっては、少なくとも２４時間、周囲条件でフィルムを乾燥させる工程；（２）少なくとも７８ｍｍ２の面積でより大きなフィルムシートから試験可能なフィルム試料を切断する工程；（３）場合によっては、非乾燥の場合、少なくとも２４時間、周囲条件でフィルム試料を乾燥させる工程；（４）最初にフィルム試料を選択側に向かって折り畳む工程；（５）半分に折り畳んだフィルム試料上の少なくとも１５０ｇの質量を少なくとも半分にして、両半分を少なくとも２４時間、互いに密接して接触させる工程；（６）フィルム試料を展開し、再度、少なくとも１５０ｇの質量を非選択側に少なくとも２４時間かける工程；（７）非折り畳みフィルム試料をテストセルに搬入する工程；（８）フィルム試料を、少なくとも２つのサイズが、フィルム試料スキンの平均孔径よりも少なくとも大きい既知の直径を有する溶質（ナノ粒子、ナノスフェア、細菌、ウイルス、タンパク質等）でチャレンジする工程、かつ（９）試料の供給及び透過の質量バランスを行い、溶質の排除を決定する工程を含む。
本明細書に開示されるフィルムの実施形態は、フィルムの平均孔径よりも大きい少なくとも２つの垂直サイズを有する溶質の＞９９．９％を排除する。本明細書に開示されるフィルムの実施形態は、プリーツ加工時にひび割れしたり、解離したりせず、また、湿潤状態又は乾燥状態で崩壊されない。乾燥状態でのフィルムの頑強性により、熱プリーツで生じうる欠陥を回避しつつ、非熱プリーツを行うことができる。フィルムをプリーツ可能にすることは、パッケージ化されたモジュールの所与の容積に適合し得る膜の面積を増加するのに望ましい。さらに、加熱せずプリーツ化できることにより、フィルム及び最終分離装置の製造の複雑さ及びコストを最小限に抑える。
本明細書に開示されたフィルムの実施形態は、非対称（異方性）構造である。非対称膜は、その深さを通して均一でなく、ある深さ部分から別の深さ部分へ平均孔径が勾配し得る。本開示による非対称膜の１つの層は、薄く、「スキン」層と称することができ、これは、非対称構造の実際の選択的バリアであり、膜選択性に関与する。スキン層の下には、基質層がある。本開示の種々の態様では、基質層は、マクロボイドで開放され得るか、又はスポンジ状構造であってよい。基質層は、分離プロセスの間、スキン層に追加の支持を提供する。いくつかの例では、非対称膜の孔径は、スキン層中の小さな孔から基質層中の大きな孔へ変化する。
少なくとも１つの実施形態では、多孔質プリーツ型自立型ブロック共重合体フィルムが提供される。孔の部分は、「等多孔質」：孔径分布は実質的に狭い。本明細書に開示される薄膜の孔の部分は、「メソポーラス」：孔径が１ｎｍ～２００ｎｍである。いくつかの実施態様では、本開示による薄膜のスキンの平均孔径は、約１ｎｍ～約５ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約４ｎｍ～約１５ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約１０ｎｍ～約２５ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約２０ｎｍ～約５０ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約５ｎｍ～約５０ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約６ｎｍ～約１００ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約６ｎｍ～約２００ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約１０ｎｍ～約１００ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約１４ｎｍ～約５０ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約５０ｎｍ～約１００ｎｍの範囲である。いくつかの実施態様では、平均孔径は、約１００ｎｍ～約２００ｎｍの範囲である。
少なくとも１つの実施形態では、メソ細孔の少なくとも部分は、等多孔性であり、フィルムの「スキン」を含む。メソ細孔の少なくとも部分が等多孔性であり、フィルムの「スキン」を含む場合、当該フィルムの厚さは、約５μｍ～約７５μｍであってよい。いくつかの実施形態では、膜の厚さは、約１０μｍ～約７５μｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、膜の厚さは、約１５μｍ～約７５μｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、膜の厚さは、約２０μｍ～約７５μｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、膜の厚さは、約２５μｍ～約４５μｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、膜の厚さは、約４５μｍから約７５μｍの範囲であり得る。
本明細書に開示される薄膜の曲率半径は、薄膜のストリップがシリンダ周囲に１８０度巻かれたときに破断する最大シリンダの半径として定義される。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．１ｍｍを有する。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．２ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．３ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．４ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．５ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．６ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．７ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．８ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約０．９ｍｍである。少なくとも１つの実施形態では、本開示によるプリーツ型フィルムの曲率半径は、最大約１．０ｍｍである。
通常用いられる用語「ブロック共重合体」は、２又はそれ以上の線形セグメント又は「ブロック」を含む最も単純なブロック共重合体をいい、ここで、隣接するセグメントは異なる構成単位を含み、各ブロックに含まれる構成単位は１のみである。しかし、ナノスケール及びメソスケールで自己集合をもたらす唯一の構造は、単純構造ではない。このような構造は、複雑なブロック又は共重合体構造といい、例えば、ブロック（ジャンクションブロック）と鎖の末端における変化する末端基との間の中間の非反復単位を含むことができる。さらに複雑なブロック構造及びブロック共重合体構造が存在し、１つのブロックの少なくとも部分又は１つの接合ブロックもしくは１又はそれ以上の末端基の少なくとも部分は、直線状の単一の構成単位鎖よりも複雑な構造又は組成物を含む。このような複雑な構造には、１又はそれ以上のブロック中の異なる構成単位の周期的又はランダムな混合物、グラフト共重合体ブロック、環状ブロック又はブロック共重合体、勾配ブロック、又は架橋ブロックが含まれるが、これらに限定されない。ブロック共重合体の非相溶性セグメントが別個のドメインに相分離（自己集合）し、多孔性ブロック共重合体材料を生成するために開示の方法を用いて処理しうるいかなるブロック共重合体構造／トポロジーが適する。
適当なブロック化学のいくつかの例には、ポリ（イソブチレン）、ポリ（イソプレン）、ポリ（ブタジエン）、ポリ（プロピレングリコール）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（エーテルスルホン）、ポリ（スルホン）、ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（メチルスチレン）、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（２－ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミド）、ポリ（プロピレンオキシド）、ポリ（スチレンスルホン酸塩）、ポリ（スチレン）、ポリ（エチレン）、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（２－（ペルフルオロヘキシル）エチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（ビニリデンフッ化ビニリド）、ポリ（ペンタフルオロスチレン）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（２－ビニルピリジン）、ポリ（４－ビニルピリジン）、ポリ（３－ビニルピリジン）、ポリ（Ｎ－イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（グリシジルメタクリレート）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（乳酸）、ポリ（アクリロニトリル）、ポリ（アクリル酸メチル）、ポリ（ブチルメタクリレート）、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリ（ｎ-ブチルアクリレート）、ポリ（アミン酸）、ポリ（イソシアネート）、ポリ（エチルシアノアクリレート）、ポリ（アリルアミン塩酸塩）、又はこれらの置換同等物）が含まれるが、これらに限定されない。
適当なブロック共重合体のモル質量（Ｍｎ）Ｍｎは、約１×１０３～約１×１０７ｇ／モルであり、ジブロック、トリブロック、より高次のＢＣＰ（すなわち、テトラブロック、ペンタブロック等）を含む。ブロック共重合体の多分散性指標（ＰＤＩ）は分子の大きさの不均一性の尺度であり、ＢＣＰ試料中のモル質量の分布を示す。それは平均モル質量（Ｍｗ）と数平均モル質量（Ｍｎ）の比である。本明細書に開示されるＢＣＰの少なくとも１つの実施形態のＰＤＩは、約１．０～約３．０の範囲である。
本明細書に記載される広面積（＞３００ｃｍ２）の自立型ＢＣＰフィルムは、従来のロールツーロール製造プラットフォーム上で製造することができる。フィルムは、製造プロセス中に損傷を受けず、通常のプロセスストレス／歪みを処理することができる。本開示による薄膜は、基板への接着が良好であり、キャスティング工程において基板から剥離しない。
薄膜は、選択層の孔の平均直径より大きい少なくとも２次元である溶質の排除を開示した。溶質の大きさは、例えば、電子顕微鏡、光散乱、クロマトグラフィー、原子間力顕微鏡等の分析ツールの数や組み合わせによって決定することができる。溶液除去は、例えば、既知のサイズの溶質でフィルムにチャレンジし、供給物及び透過物の濃度をともに測定して示すことができる。いくつかの例では、本開示によるフィルムは、対数減少値（ＬＲＶ）が少なくとも３（すなわち、９９．９％を排除）の最も選択されうる細孔よりも大きな溶質を排除することができる。いくつかの例では、本開示によるフィルムは、対数減少値が少なくとも４（すなわち、９９．９９％を排除）の最も選択されうる細孔よりも大きな溶質を排除することができる。いくつかの例では、本開示によるフィルムは、対数減少値（ＬＲＶ）が少なくとも６（すなわち、９９．９９９９％を排除）の最も選択的な細孔よりも大きな溶質を排除することができる。適当な溶質の例としては、ウイルス、細菌、タンパク質、粒子、細胞、ナノスフェア、及びナノ粒子が挙げられるが、これらに限定されない。
上記の製造の容易さ及び性能の利点に加えて、本明細書に記載される自立型フィルムの製造では、莫大なコスト上の利点がある。当該自立型フィルムは、多孔質支持体は高価であるため、前駆体ＢＣＰがより少なく、かつ製造の全体コストの低減が望まれる。
〔好適な実施態様の詳細な説明〕
実施形態のいくつかの例では、自立可能な等多孔性メソポーラスＢＣＰフィルムは、「ＩＳＶ」ともいうポリ（イソプレン－ｂ－スチレン－ｂ－４－ビニルピリジン）を含む。前記実施例では、フィルムはＩＳＶ９８を含む。ＩＳＶ９８の組成及びサイズ以下のとおりである：４１．２ｋｇ／モル ポリ（イソプレン）ブロック、８６．７ｋｇ／モル ポリ（スチレン）ブロック、１５．１ｋｇ／モル ポリ（４－ビニルピリジン）ブロック、及び全体のサイズは１５３．２ｋｇ／モルである。自立型のフィルムは、上記の方法に従って調製される。
独立ＩＳＶ ＢＣＰフィルムのプリーツ化を試験した。互いに隣接する２枚の２５ｍｍ円形フィルムディスクを、より大きなフィルムシートから切断する。一方のディスクを対照として湿潤状態に保ち、他方のディスクを周囲条件で少なくとも４８時間乾燥後、ドライフィルムをプリーツ化試験に曝露する。コントロールに２０ｎｍの金ナノ粒子（ナノコンポシックス製）をチャレンジさせると、フィルムは金ナノ粒子の９９．９％以上を排除した。金ナノ粒子の直径は１８．９±２．３ｎｍであり、分散係数は１２．２％、純度は＞９９．９９％である。金ナノ粒子を２ｍＭクエン酸塩緩衝液水溶液中に分散させる。金ナノ粒子の濃度は、０．０５ｍｇ／ｍｌである。図２は、２０ｎｍの金ナノ粒子にチャレンジした後に、ひだあり、ひだなしの乾燥自立型フィルムを示す。図２Ａは、より大きなフィルムシートから切断された円形フィルムディスクを示す。ディスクを周囲条件で少なくとも２４時間乾燥させる。さらに。図２（Ａ）は、乾燥後、管状に収縮・変形せずに、平板化した円板を示す。次に、ディスクを半分に折りたたみ、まず非選択側に、次に選択側に配置する（図２Ｂ）。折り畳んだディスク１５０ｇの重量をかけ、少なくとも２４時間放置する。２４時間後、重量を持ち上げ、図２Ｂ及び２Ｃに示すように、プリーツ由来のしわを中央に残してディスクを再度折り畳む。非プリーツ化ディスクに、少なくとも２４時間重石をのせて平坦化する。次いで、ディスクを脱イオン水中に少なくとも３０分間浸漬して再水和する。次いで、ディスクに、ポリプロピレンホルダー中で１０ｍＬの２０ｎｍ金ナノ粒子の水溶液を２．１バールでチャレンジさせる。この材料は、図２Ｃで分解したホルダーを用いた試験後に示される。図２（Ｃ）に示す膜表面の変色は、吸着金ナノ粒子による。供給試料及び透過試料は各々、試験前及び試験後に採取する。２０ｎｍの金ナノ粒子のＵＶ吸収は、５２０ｎｍである。薄膜の排除特性の決定には、５２０ｎｍでのＵＶ吸光度値を用いて、供給試料及び透過試料の質量バランスを行った。薄膜は金ナノ粒子の＞９９．９％を排除し、複数回プリーツ加工後の薄膜の完全性が示された。同様の実験を、フィルムが反対方向、すなわちスキン層から離れる方向にプリーツ化された状態で実施した。この膜はまた、２０ｎｍ金ナノ粒子の＞９９．９％を排除する。
ＩＳＶ９８フィルムは、以下のように比較のために調製される：一方は、上記の方法による非支持体で、他方は、ポリエステル支持体上で調製される点を除き、同じ配合及び鋳造条件を用いて調製される。支持基板と自立型フィルムの透水性を図３に示す。水圧透過性は撹拌セル（Amicon）中で行われる。透過性は、２．１バールの膜貫通圧でＬＭＨ／バール（Ｌ／ｍ２／ｈ／ｂａｒ）で測定する。自立型フィルムの透過率は３１５０ＬＭＨ／バール、担持型フィルムの透過率は１２５０ＬＭＨ／バールである。これは、自立膜の透過性が担持薄膜と比較して～２．５倍高いことを示す。また、支持体を含む基板支持膜の厚さは２２８μｍ、自立膜の厚さはわずか６４μｍである。自立型フィルムの高い水圧透過性は、基板担持フィルムよりも３．５倍厚さが薄いことに部分的に起因する。担持薄膜と非担持薄膜はともに＞９９．９％の２０ｎｍ金ナノ粒子を排除した。
実施形態の一例では、バクテリオファージＰＰ７の水性緩衝液を、メソポーラスアイソポーラス選択側が供給物側に配置された、プリーツ型ＢＣＰアイソポーラスメソポーラスＩＳＶ９８自立型フィルムの単一層を通して、通常の流動モード構成で濾過した。ＰＰ７負荷力価は８ログ（ｌｏｇ）であり、ログ除去値（ＬＲＶ）は＞６であった。「より大きい」とは、アッセイで感染能が測定されなかったことを意味し、これはウイルスの「通過」がなかったことに相当する。ＬＲＶが６のフィルムはウイルス量を１，０００，０００（１０６）倍減少させることを意味する。
実施形態の一例では、プリーツ型自立型薄膜を作製する方法が示される。本方法は、（１）ＩＳＶ等の総溶液質量に対する１０質量％のＢＣＰ；（２）質量比７：３の９０質量％の１，４－ジオキサン及びアセトンを含むポリマー溶液の処方、及びポリエステル非多孔性基材上へのキャスティングを含む。次に、押出されたＩＳＶ ＢＣＰフィルム中の１，４－ジオキサン及び／又はアセトンの部分を、湿度（３５～４５％）、温度（１８～２３℃）、鋳造速度（３～４フィート／分）、及び空気の流れ（５～１５フィート／インチ）での制御下で、所定の時間（４０～１２０秒）蒸発させる。フィルムを凝固浴（水及び／又はイソプロピルアルコール）に、好ましくは１８℃～２３℃の温度で浸漬し、溶液を凝固させ、周知の浸漬沈殿プロセスにより多孔質分離層を形成する。次いで、膜を水で１分間リンスする。結果物である多孔質材料は、マクロ多孔質下部構造の上方に存在する自己集合メソ多孔質等多孔質最上層を含む、プリーツ型自立型フィルムである。当業者であれば、ＩＳＶポリマーの代わりに他の既知のブロックポリマーを用いることができることは容易に自明であろう。
実施形態の一例では、プリーツ型自立ＩＳＶフィルムの２×４’’フィルムストリップをより大きなシートから切断し、半径０．３ｍｍの針の周囲に巻き付ける。フィルムは亀裂も崩壊も起こさなかった。
実施形態の一例では、ＩＳＶを含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを、開示の方法により作製したが、フィルムの全連続面積は、＞３００ｃｍ２であり、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ポリ（スチレン－ブロック－２－ビニルピリジン）を含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ポリ（スチレン－ブロック－４－ビニルピリジン）を含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は、＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、プリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムは、ポリ（イソプレン－ブロック－スチレン－ブロック－４－ビニルピリジン）を、開示の方法により作製し、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は、＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ポリ（イソプレン－ブロック－スチレン－ブロック－エチレンオキシド）を含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は、＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ＩＳＶを含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、平均フィルム厚は２３μｍであり、フィルムの部分を上記のようにプリーツ型金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ＩＳＶを含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、平均フィルム厚さは５５μｍであり、フィルムの部分を上記のように、プレタビリティ金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は＞９９．９％（３ログ）である。
実施形態の一例では、ＩＳＶを含むプリーツ型等多孔質ＢＣＰフィルムを開示の方法により作製し、平均フィルム厚さは７２μｍであり、フィルムの部分を上記のように、プレタビリティ金ナノ粒子排除試験に供したが、その排除能は＞９９．９％（３ログ）である。

Claims (8)

  1. プリーツ型非対称自立型等多孔質ブロック共重合体（ＢＣＰ）フィルムであって、前記フィルムは、複数のメソ細孔を含む第１のメソポーラス半透過性スキン層、及び、第２層を含み、
    ここで、前記複数のメソ細孔の平均孔径は、前記第１のメソポーラス半透過性スキン層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像で測定した場合、１ｎｍ～２００ｎｍであり、
    前記第２層は、細孔サイズが前記第１のメソポーラス半透過性スキン層のメソ細孔よりも大きい複数の孔から形成されたスポンジ状の構造を含み、
    前記フィルムの厚さは、５μｍ～７５μｍであり；かつ、
    前記フィルムの曲率半径は、最大で０．３ｍｍである、
    プリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  2. ＢＣＰは、ポリ（イソプレン－ｂ－スチレン－ｂ－４－ビニルピリジン）を含む、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  3. 前記複数のメソ細孔の平均孔径が、１ｎｍ～６０ｎｍである、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  4. 曲率半径は、最大で０．１ｍｍである、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  5. 前記ＢＣＰは、以下の：
    ポリ（ブタジエン）、ポリ（イソブチレン）、ポリ（イソプレン）、ポリ（エチレン）、ポリ（スチレン）、ポリ（アクリル酸メチル）、ポリ（メタクリル酸ブチル）、ポリ（エーテルスルホン）、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリ（ｎ－ブチルアクリレート）、ポリ（２－ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ(グリシジルメタクリレート)、ポリ（アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（スルホン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミド）、ポリ（２－ビニルピリジン）、ポリ（３－ビニピリジン）、ポリ（４－ビニルピリジン）、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（プロピレングリコール）、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（プロピレンオキシド）、ポリ（Ｎ－イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（アミド酸）、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（乳酸）、ポリ（イソシアネート）、ポリ（シアノアクリレートエチル)、ポリ（アクリロニトリル）、ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（メチルスチレン）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（スチレンスルホネート）、ポリ（アリルアミン塩酸塩）、ポリ（ペンタフルオロスチレン）、ポリ（２－（ペルオロヘキシル）エチルメタクリレート）又はこれらのいずれかの置換同等物、を含む少なくとも１のブロックを含む、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  6. 前記ＢＣＰのＭｎが、１×１０３～１×１０７ｇ／モルである、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  7. 前記ＢＣＰのＰＤＩ（多分散指数）が１．０～３．０である、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
  8. １つの連続片であり、面積が少なくとも３００ｃｍ２である、請求項１に記載のプリーツ型非対称自立型等多孔質ＢＣＰフィルム。
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