(57)【要約】【課題】ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜の提供；ガス分離膜の製造方法；ガス分離膜モジュール；ガス分離装置。【解決手段】支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有するガス分離膜であって、  支持体が、ポリイミド層側に多孔質層を有し、  セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む、ガス分離膜；ガス分離膜の製造方法；ガス分離膜モジュール；ガス分離装置。【選択図】図１
2018012089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有するガス分離膜であって、
前記支持体が、前記ポリイミド層側に多孔質層を有し、
前記セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む、ガス分離膜。
【請求項２】
前記多孔質層と前記ポリイミド層との間に樹脂層を有し、
前記樹脂層がシロキサン結合を有する化合物を含む、請求項１に記載のガス分離膜。
【請求項３】
前記セルロース化合物の置換度が１．０〜２．８である、請求項１または２に記載のガス分離膜。
【請求項４】
前記セルロース層の厚みが１０〜５００ｎｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜。
【請求項５】
前記セルロース層の厚みが３０〜１００ｎｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離膜。
【請求項６】
前記セルロース化合物がメチルセルロースである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス分離膜。
【請求項７】
支持体上にポリイミド層を形成する工程と、
前記ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程を含み、
前記支持体が、前記ポリイミド層側に多孔質層を有し、
前記セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む、ガス分離膜の製造方法。
【請求項８】
前記ポリイミド層上に前記セルロース層を形成する工程の前に、前記ポリイミド層を親水化処理する工程を含む、請求項７に記載のガス分離膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス分離膜を有する、ガス分離膜モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載のガス分離膜モジュールを有する、ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離膜、ガス分離膜の製造方法、ガス分離膜モジュールおよびガス分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子化合物からなる素材には、その素材ごとに特有の気体透過性がある。その性質に基づき、特定の高分子化合物から構成された膜によって、所望の気体成分を選択的に透過させて分離することができる（ガス分離膜）。このガス分離膜の産業上の利用態様として、地球温暖化の問題と関連し、火力発電所やセメントプラント、製鉄所高炉等において、大規模な二酸化炭素発生源からこれを分離回収することが検討されている。この膜分離技術は、比較的小さなエネルギーで環境問題の解決ができる手段として着目されており、主としてメタンと二酸化炭素を含む天然ガスやバイオガス（生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚水、ゴミ、エネルギー作物などの発酵、嫌気性消化により発生するガス）から二酸化炭素を除去する手段として利用されている。
実用的なガス分離膜とするためにガス分離に寄与する部位を薄層にしてガス透過性とガス分離選択性を確保するために以下のような方法が知られている。非対称膜（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）として分離に寄与する部分をスキン（Ｓｋｉｎ）層と呼ばれる薄層にする方法、あるいは機械的強度を有する支持体の上にガス分離に寄与する層（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ）を設ける薄層複合膜（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を用いる方法、あるいはガス分離に寄与する高密度の層を含む中空糸（Ｈｏｌｌｏｗ  ｆｉｂｅｒ）を用いる方法などが知られている。
【０００３】
ガス分離膜として、セルロース層を有するガス分離膜が知られている（特許文献１および２参照）。
特許文献１には、多孔性ベース膜、ポリオール及び金属有機化合物を含むポリオール層、及び多孔性ベース膜とポリオール層の間にサンドイッチ状に挟まれたポリアミドフィルム層を含む膜が記載されている。
さらに特許文献１には、ポリオール層が、セルロース、デンプン、デキストリン、ピロデキストリン、アルギン酸塩、グリコーゲン、イヌリン、ファーセレラン、寒天、カラゲーナン、微生物のガム、イナゴマメガム、フコイダン、グアーガム、ラミナラン、アラビアゴム、ガティガム、カラヤガム、トラガカントゴム、オクラガム、タマリンドガム、キサンタン、スクレログルカン、オオバコガム、ペクチン、デキストラン、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、キチン、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール及びキトサンの少なくとも１種類を含むことが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、気体分離膜を有する気体分離素子において、気体分離素子は膜性能の異なる複数の種類の気体分離膜から構成されている気体分離素子が記載されている。
さらに特許文献２には、膜性能の異なる複数の種類の気体分離膜が、エチルセルロース系、ポリジメチルシロキサン系、ポリフェニレンオキシド系、ポリカーボネート系、ポリ４−メチルペンテン−１系、ポリトリメチルビニルシラン系、ポリスルホン系、ポリアミド系、ポリイミド系から選ばれた二種類以上の膜であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１４−５２４８２８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１１６７２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  １０３  （１９９５），  ７３−８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガス分離膜の代表的な性能として、混合ガスから所望のガスを得る際のガス透過性およびガス分離選択性が挙げられる。
【０００８】
一方、ガス分離選択性が高い分離層（特にポリイミドを含む分離層）はＢＴＸ（ベンゼン、トルエン、キシレン）やプロパン、ブタン、ヘキサンなどの高次炭化水素ガスによって可塑化し、性能が劣化することが知られている。例えば、非特許文献１には、ポリイミドを含む分離層のヘキサンまたはトルエンに起因する可塑化に伴うＣＯ2／ＣＨ4ガス選択性の劣化が記載されている。
そのため、分離しようとするガスに高次炭化水素が含まれる場合、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が生じることがある。現実のガス田においてガス分離膜を実施化する場合、ガス田ごとに不純物ガス組成は異なるため、不純物ガスによってガス分離選択性が大きく低下すると問題がある。
【０００９】
本発明者らが特許文献１および２に記載のセルロース層を有するガス分離膜の性能を検討したところ、ガス透過性およびガス分離選択性、あるいは、不純物ガス暴露後のガス分離選択性にさらなる改善が求められることがわかった。
このように、ガス透過性およびガス分離選択性のうち少なくとも一方が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜は知られていないのが実情であった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜およびこのガス分離膜の製造方法を提供することである。
また、本発明が解決しようとする課題は、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜を有するガス分離膜モジュールおよびこのガス分離膜モジュールを有するガス分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らが鋭意検討を進めたところ、多孔質層、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有し、かつ、セルロース層に特定のセルロース化合物を用いることで、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜を提供できることを見出すに至った。
なお、特許文献１および２には、積層順として多孔質層、ポリイミド層およびセルロース層の順を選択し、セルロース化合物としてメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類を選択する組み合わせは、記載されていなかった。また、特許文献１および２には、上記の組み合わせによって、ガス透過性およびガス分離選択性が高くなり、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されることも開示も示唆もされていなかった。
【００１２】
上記の課題を解決するための具体的な手段である本発明と本発明の好ましい態様は以下のとおりである。
［１］  支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有するガス分離膜であって、
支持体が、ポリイミド層側に多孔質層を有し、
セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む、ガス分離膜。
［２］  多孔質層とポリイミド層との間に樹脂層を有し、
樹脂層がシロキサン結合を有する化合物を含む［１］に記載のガス分離膜。
［３］  セルロース化合物の置換度が１．０〜２．８である［１］または［２］に記載のガス分離膜。
［４］  セルロース層の厚みが１０〜５００ｎｍである［１］〜［３］のいずれか一つに記載のガス分離膜。
［５］  セルロース層の厚みが３０〜１００ｎｍである［１］〜［４］のいずれか一つに記載のガス分離膜。
［６］  セルロース化合物がメチルセルロースである［１］〜［５］のいずれか一つに記載のガス分離膜。
［７］  支持体上にポリイミド層を形成する工程と、
ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程を含み、
支持体が、ポリイミド層側に多孔質層を有し、
セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む、ガス分離膜の製造方法。
［８］  ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程の前に、ポリイミド層を親水化処理する工程を含む［７］に記載のガス分離膜の製造方法。
［９］  ［１］〜［６］のいずれか一つに記載のガス分離膜を有する、ガス分離膜モジュール。
［１０］  ［９］に記載のガス分離膜モジュールを有する、ガス分離装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のガス分離膜の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のガス分離膜の他の一例を示す模式図である。
【図３】ガス分離膜の不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下を評価する場合に用いる、サンプルの一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
【００１６】
本明細書において、特定の符号で表示された置換基や連結基等（以下、置換基等という）が複数あるとき、あるいは複数の置換基等を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が近接するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい。
【００１７】
本明細書において化合物（樹脂を含む）の表示については、その化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、所定の一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本明細書における置換基（連結基についても同様）については、所望の効果を奏する範囲で、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換または無置換を明記していない化合物についても同義である。
（メタ）アクリルは、アクリルとメタクリルの両方を意味する。（メタ）アクリレートは、アクリレートとメタクリレートの両方を意味する。
【００１８】
［ガス分離膜］
本発明のガス分離膜は、支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有するガス分離膜であって、
支持体が、ポリイミド層側に多孔質層を有し、
セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む。
このような構成により、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたガス分離膜を提供することができる。
不純物ガスとしては特に限定はないが、ＢＴＸ（ベンゼン、トルエン、キシレン）やプロパン、ブタン、ヘキサンなどの高次炭化水素ガスが代表的な例である。その中でもＢＴＸ（特にトルエン）暴露後のガス分離選択性低下が抑制されることが好ましい。
セルロース層が不純物ガスに対する親和性がポリイミドよりも低いメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースまたはヒドロキシエチルセルロースを含むことで、ガス分離選択性が高いポリイミド層のガス透過性またはガス分離選択性を維持しつつ、ポリイミド層の可塑化を抑制して不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下を抑制できると予測され、またセルロース層の厚みを適切な範囲で薄く設計することで、ガス透過性の減少を抑えることができる。セルロース層は親水性が高い方がポリイミド層の可塑化を抑制しやすいと推測される。一方、アガロースやポリビニルアルコールなどの親水性が非常に高い化合物に比べて、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースは親水性が高過ぎず、水素結合等によってガス分離膜が詰まることに起因するガス透過性の低下も生じ難いと推測される。
【００１９】
本明細書中、分離層とは、分離選択性を有する層を意味する。分離選択性を有する層とは、厚み０．０５〜３０μｍの膜を形成し、得られた膜に対して、４０℃の温度下、ガス供給側の全圧力を０．５ＭＰａにして、二酸化炭素（ＣＯ2）及びメタン（ＣＨ4）の純ガスを供給した際の、二酸化炭素の透過係数（ＰCO2）とメタンの透過係数（ＰCH4）の比（ＰCO2／ＰCH4）が、１．５以上となる層を意味する。
以下、本発明のガス分離膜の好ましい態様について説明する。
【００２０】
＜構成＞
本発明のガス分離膜は、薄層複合膜（ガス分離複合膜と言われることもある）、非対称膜または中空糸であることが好ましく、薄層複合膜であることがより好ましい。
以下においてガス分離膜が薄層複合膜である場合を代表例として説明するときがあるが、本発明のガス分離膜は薄層複合膜に限定されるものではない。
【００２１】
本発明のガス分離膜の好ましい構成を、図面を用いて説明する。図１に示した本発明のガス分離膜１０の一例は、支持体４、ポリイミド層３およびセルロース層８をこの順で有するガス分離膜であって、支持体４が、ポリイミド層３側に多孔質層（不図示）を有するガス分離膜１０である。
図２に示した本発明のガス分離膜１０の他の一例は、支持体４、樹脂層２、ポリイミド層３、セルロース層８および保護層９をこの順で有するガス分離膜であって、支持体４が、ポリイミド層３側に多孔質層（不図示）を有するガス分離膜１０である。
【００２２】
本明細書において「支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有する」とは、支持体、ポリイミド層およびセルロース層の間に他の層が介在してもよい意味である。
また、本明細書において、上下の表現については、特に断らない限り、図１に示したように分離対象となるガスが供給される方向を「上」とし、分離されたガスが出される方向を「下」とする。
本発明のガス分離膜では、図１および図２に示すとおり、セルロース層８が、ポリイミド層３よりも処理する元ガスが供給される側に配置される。
ガス分離膜は、図２に示すとおり、保護層９がセルロース層８と直接接し、保護層９がセルロース層８よりもガスが供給される側に配置されることが好ましい。
【００２３】
＜支持体＞
本発明のガス分離膜は、支持体を有し、支持体がポリイミド層側に多孔質層（Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）を有する。
支持体が多孔質層を有することが、十分なガス透過性を確保する上で好ましい。
【００２４】
本発明のガス分離膜は、支持体の多孔質層を有する表面ないし内面にポリイミド層３を形成または配置するようにしてもよく、表面に形成することで簡便に薄層複合膜とすることができる。支持体の多孔質層を有する表面にポリイミド層３を形成することが、高ガス分離選択性、更には高ガス透過性および機械的強度を兼ね備えるという利点を有するガス分離膜とする観点から好ましい。
【００２５】
支持体は、多孔質層をポリイミド層３側に有することが好ましく、ポリイミド層３側に配置された多孔質層と不織布（Ｎｏｎ−Ｗｏｖｅｎ）の積層体であることがより好ましい。
本発明のガス分離膜は、支持体の多孔質層を有する表面に、上記のポリイミド層３をなす塗布液（ドープ）を塗布（本明細書において塗布とは浸漬により表面に付着される態様を含む意味である。）することにより形成することが好ましい。
【００２６】
支持体が有する多孔質層は、高ガス透過性または高ガス分離選択性の付与に合致する目的のものであれば、特に限定されるものではなく、有機および無機のいずれの素材であっても構わない。多孔質層は、好ましくは有機高分子の多孔質層である。
多孔質層の厚みは通常１〜３０００μｍ、好ましくは５〜５００μｍであり、より好ましくは５〜１５０μｍである。
多孔質層の細孔構造は、平均細孔直径が１０μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以下がより好ましく、０．２μｍ以下が特に好ましい。
多孔質層の空孔率は好ましくは２０〜９０％であり、より好ましくは３０〜８０％である。
また、多孔質層の分画分子量が１００，０００以下であることが好ましい。
さらに、多孔質層の気体透過性は二酸化炭素透過速度で３×１０-5ｃｍ3（ＳＴＰ；ＳＴＰはＳｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅの略語である）／ｃｍ2・ｃｍ・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ（３０ＧＰＵ；ＧＰＵは  Ｇａｓ  Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｔ  の略語である）以上であることが好ましい。
多孔質層の素材としては、従来公知の高分子、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアラミド、ポリエチレンテレフタレート等の各種類の樹脂を挙げることができる。
多孔質層の形状としては、平板型、スパイラル型、管型、中空糸型などいずれの形状をとることもできる。
【００２７】
薄層複合膜においては、ポリイミド層側に配置される多孔質層の下部に機械的強度を付与するために織布、不織布、ネット等が設けられることが好ましく、製膜性およびコスト面から不織布が好適に用いられる。不織布としてはポリエステル、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリアミド等からなる繊維を単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよい。不織布は、例えば、水に均一に分散した主体繊維とバインダー繊維を円網や長網等で抄造し、ドライヤーで乾燥することにより製造できる。また、毛羽を除去したり機械的性質を向上させる等の目的で、不織布を２本のロールに挟んで圧熱加工を施すことも好ましい。
【００２８】
＜樹脂層＞
本発明のガス分離膜は、密着性および塗布性向上の観点で多孔質層とポリイミド層との間に樹脂層を有することが好ましい。
本発明のガス分離膜は、多孔質層とポリイミド層との間に樹脂層を有し、樹脂層がシロキサン結合を有する化合物を含むことがより好ましい。
【００２９】
樹脂層とは、樹脂を含む層のことである。樹脂層に用いられる樹脂は、シロキサン結合を有する化合物を含むことが好ましい。シロキサン結合を有する化合物としては特に制限はなく、ジアルキルシロキサンなどを挙げることができる。ジアルキルシロキサンの中では、ポリジメチルシロキサンが好ましい。
樹脂層に用いられる樹脂は、シロキサン結合を有する化合物であり、かつ、重合可能な官能基を有していることが好ましい。このような官能基としては、エポキシ基、オキセタン基、カルボキシル基、アミノ基、ヒドロキシル基およびチオール基を挙げることができる。樹脂層はエポキシ基、オキセタン基、カルボキシル基およびこれらのうち２以上の基を有する樹脂を含むことがより好ましい。このような樹脂は、放射線硬化性組成物への放射線照射を用いた硬化をされて、支持体の上に形成されることが好ましい。
【００３０】
樹脂層に用いられる樹脂は、重合性ジアルキルシロキサンであることがより好ましい。重合性ジアルキルシロキサンは、ジアルキルシロキサン基を有するモノマー、ジアルキルシロキサン基を有する重合性オリゴマー、ジアルキルシロキサン基を有するポリマーである。樹脂層は、ジアルキルシロキサン基を有する部分的に架橋された放射線硬化性組成物から形成されてもよい。ジアルキルシロキサン基としては、−｛Ｏ−Ｓｉ（ＣＨ3）2｝n−で表される基（ｎは例えば１〜１００）を挙げることができる。末端にビニル基を有するポリ（ジアルキルシロキサン）化合物も好ましく用いることができる。
【００３１】
樹脂層の材料としては、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳとも言う）、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）（以下、ＰＴＭＳＰとも言う）およびポリエチレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種類以上であることが好ましく、ポリジメチルシロキサンまたはポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）であることがより好ましい。本発明のガス分離膜では、樹脂層のシロキサン結合を有する化合物がポリジメチルシロキサンであることが好ましい。
【００３２】
樹脂層の材料としては市販の材料を用いることができ、例えば、樹脂層の樹脂としては、ＵＶ９３００（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））、Ｘ−２２−１６２Ｃ（信越化学工業（株）製）などを好ましく用いることができる。
樹脂層のその他の材料としては、ＵＶ９３８０Ｃ（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のビス（４−ドデシルフェニル）ヨードニウム＝ヘキサフルオロアンチモネート）などを好ましく用いることができる。
【００３３】
樹脂層の材料は、樹脂層を形成するときに有機溶媒を含む組成物として調製することができ、硬化性組成物であることが好ましい。
【００３４】
樹脂層の厚みとしては特に制限はないが、樹脂層の厚みは、２０〜１０００ｎｍであることが好ましく、２０〜９００ｎｍであることがより好ましく、３０〜８００ｎｍであることが特に好ましい。樹脂層の厚みは走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）で求めることができる。
【００３５】
＜ポリイミド層＞
本発明のガス分離膜は、ポリイミド層を有する。
ポリイミド層は、ポリイミドを少なくとも１種類含むことが好ましい。
【００３６】
（厚み）
ポリイミド層の厚みとしては機械的強度、ガス分離選択性を維持しつつ高ガス透過性を付与する条件において可能な限り薄膜であることが好ましい。
特にガス透過性を高める観点から、ポリイミド層は薄層であることが好ましい。ポリイミド層の厚みは３μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることがより好ましく、２００ｎｍ以下であることが特に好ましく、１００ｎｍ以下であることがより特に好ましい。
なお、ポリイミド層の厚みは通常には１０ｎｍ以上であり、実用上、製膜の容易性の観点から３０ｎｍ以上が好ましく、４０ｎｍ以上がより好ましい。
【００３７】
（ポリイミドの種類）
ポリイミドは、反応性基を有するポリイミドであることが好ましく、スルホンアミド基を含むポリイミドであることがより好ましい。
【００３８】
以下において、ポリイミド層の樹脂が反応性基を有するポリイミドである場合について代表例として説明する。
【００３９】
本発明に用いることができる反応性基を有するポリイミドについて以下に詳しく説明する。
本発明において、反応性基を有するポリイミドは、反応性基を有するポリマーが、ポリイミド単位と、側鎖に反応性基（好ましくは求核性の反応性基であり、より好ましくはカルボキシル基、アミノ基、スルホンアミド基またはヒドロキシル基）を有する繰り返し単位とを含むことが好ましい。
より具体的に説明すれば、反応性基を有するポリマーが、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００４０］〜［００６８］に記載のポリイミド、または、下記式（Ｉ）で表される繰り返し単位を少なくとも含むポリイミドであることが好ましい。
ポリイミド層の樹脂が、下記式（Ｉ）で表される繰り返し単位を少なくとも含むポリイミドであることがより好ましく、スルホンアミド基を含むポリイミドであることが特に好ましい。
【００４０】
【化１】
2018012089.tif 000003
【００４１】
式（Ｉ）中、ＲIは水素原子、アルキル基、又はハロゲン原子を示す。Ｘaはスルホンアミド基、アルコキシスルホニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アシルオキシ基及びハロゲン原子から選ばれる極性基を示す。
Ｒは下記式（Ｉ−１）〜（Ｉ−２８）のいずれか１つで表される構造の基を示す。ここでＸ1〜Ｘ3は単結合又は２価の連結基を、Ｌは−ＣＨ＝ＣＨ−又は−ＣＨ2−を、Ｒ1及びＲ2は水素原子又は置換基を示し、＊は式（Ｉ）中のカルボニル基との結合部位を示す。Ｒは式（Ｉ−１）、（Ｉ−２）又は（Ｉ−４）で表される基であることが好ましく、（Ｉ−１）又は（Ｉ−４）で表される基であることがより好ましく、（Ｉ−１）で表される基であることが特に好ましい。
【００４２】
【化２】
2018012089.tif 000004
【００４３】
上記式（Ｉ−１）、（Ｉ−９）及び（Ｉ−１８）中、Ｘ1〜Ｘ3は、単結合又は２価の連結基を示す。この２価の連結基としては、−Ｃ（Ｒx）2−（Ｒxは水素原子又は置換基を示す。Ｒxが置換基の場合、互いに連結して環を形成してもよい）、−Ｏ−、−ＳＯ2−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｓ−、−ＮＲY−（ＲYは水素原子、アルキル基（好ましくはメチル基又はエチル基）又はアリール基（好ましくはフェニル基））、−Ｃ6Ｈ4−（フェニレン基）、又はこれらの組み合わせが好ましく、−Ｃ（Ｒx）2−がより好ましい。Ｒxが置換基を示すとき、その具体例としては、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚから選ばれる基が挙げられ、中でもアルキル基（好ましい範囲は特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚに示されたアルキル基と同義である）が好ましく、ハロゲン原子を置換基として有するアルキル基がより好ましく、トリフルオロメチルが特に好ましい。なお、式（Ｉ−１８）は、Ｘ3が、Ｘ3よりも左側（紙面の左側。以下、左右について同じ）に記載された２つの炭素原子のいずれか一方、及び、Ｘ3よりも右側に記載された２つの炭素原子のうちいずれか一方と連結していることを意味する。
【００４４】
上記式（Ｉ−４）、（Ｉ−１５）、（Ｉ−１７）、（Ｉ−２０）、（Ｉ−２１）及び（Ｉ−２３）中、Ｌは−ＣＨ＝ＣＨ−又は−ＣＨ2−を示す。
【００４５】
上記式（Ｉ−７）中、Ｒ1及びＲ2は水素原子又は置換基を示す。その置換基としては、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚから選ばれる基が挙げられる。Ｒ1及びＲ2は互いに結合して環を形成していてもよい。
【００４６】
Ｒ1、Ｒ2は水素原子又はアルキル基であることが好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基であることがより好ましく、水素原子であることが更に好ましい。
【００４７】
式（Ｉ−１）〜（Ｉ−２８）中に示された炭素原子には、置換基が付加していてもよい。この置換基の具体例としては、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚから選ばれる基が挙げられ、なかでもアルキル基又はアリール基が好ましい。
【００４８】
上記式（Ｉ）中、ＲIは水素原子、アルキル基又はハロゲン原子を示す。このアルキル基は直鎖でも分岐を有してもよい。ＲIとして採り得るアルキル基は、その炭素数が好ましくは１〜５、より好ましくは１〜３、さらに好ましくは１又は２である。ＲIとして採り得るアルキル基はその鎖中にヘテロ原子（好ましくは酸素原子又は硫黄原子）を有していてもよい。ＲIとして好適な具体例としては、メチル基又はエチル基が挙げられ、メチル基がより好ましい。
ＲIとして採り得るハロゲン原子としては、例えば臭素原子、塩素原子、ヨウ素原子及びフッ素原子が挙げられ、より好ましくは臭素原子である。
ＲIは、より好ましくは水素原子、メチル基又は臭素原子であり、さらに好ましくは、水素原子又はメチル基であり、さらに好ましくは水素原子である。
【００４９】
式（Ｉ）中、Ｘaは、スルホンアミド基、アルコキシスルホニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アシルオキシ基及びハロゲン原子から選ばれる極性基である。
Ｘaとして採り得るスルホンアミド基は、無置換であっても、置換基を有する形態であってもよい。なかでもＸaとして採り得るスルホンアミド基は、無置換であるか、又は、モノアルキル置換もしくはジアルキル置換であることが好ましく、無置換であるか、又は、モノアルキル置換であることがより好ましく、無置換であることが特に好ましい。つまり、Ｘaとして採り得るスルホンアミド基が置換基を有する場合、この置換基はアルキル基が好ましい。このアルキル基は、直鎖でも分岐を有していてもよく、その炭素数は１〜１０が好ましく、１〜５がより好ましく、１〜３がより好ましい。また、このアルキル基は置換基としてハロゲン原子を有することも好ましく、置換基としてフッ素原子を有することがより好ましい。スルホンアミド基が有するアルキル基の好ましい具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ3及び−ＣＨ2ＣＦ3が挙げられる。
なかでも、スルホンアミド基がモノアルキル置換である場合、このアルキル基はメチル基であるか、置換基としてフッ素原子を有するアルキル基であることが好ましく、より好ましくはメチル基、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3又は−ＣＨ2ＣＦ3である。
また、スルホンアミド基がジアルキル置換である場合、このアルキル基はメチル基であることが好ましい。
【００５０】
また、Ｘaとして採り得るスルホンアミド基は置換基としてシクロアルキル基を有することも好ましい。このシクロアルキル基は、炭素数が３〜１５が好ましく、６〜１０がより好ましい。中でも上記シクロアルキル基はアダマンチル基であることが好ましい。Ｘaとして採り得るスルホンアミド基が置換基としてシクロアルキル基を有する場合、このスルホンアミド基が有するシクロアルキル基の数は１つが好ましい。すなわち、このスルホンアミド基はモノ置換体であることが好ましい。
【００５１】
Ｘaとして採り得るスルホンアミド基は無置換であることがさらに好ましい。
【００５２】
Ｘaとして採り得るアルコキシスルホニル基は、その炭素数が１〜５が好ましく、１〜３がより好ましい。Ｘaとして採り得るアルコキシスルホニル基におけるアルコキシ基は、メトキシ基又はエトキシ基が好ましく、メトキシ基がさらに好ましい。
【００５３】
Ｘaとして採り得るアシルオキシ基は、その炭素数が２〜５が好ましく、２又は３がより好ましく、中でもアセトキシ基が特に好ましい。
【００５４】
Ｘaとして採り得るハロゲン原子としては、例えば臭素原子、塩素原子、ヨウ素原子及びフッ素原子が挙げられ、好ましくは臭素原子である。
【００５５】
Ｘaはスルホンアミド基、アルコキシスルホニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基及びアシルオキシ基が好ましく、より好ましくはスルホンアミド基、アルコキシスルホニル基、カルボキシル基及びヒドロキシル基であり、特に好ましくはスルホンアミド基、カルボキシル基及びヒドロキシル基であり、より特に好ましくはスルホンアミド基である。
【００５６】
上記式（Ｉ）の繰り返し単位を有するポリイミドを用いてポリイミド層を形成することで、得られるガス分離膜のガス透過性、ガス分離選択性、可塑化耐性のいずれも、より向上させることができる。その理由は定かではないが、式（Ｉ）で表される繰り返し単位がジアミン成分中にＣＲI3を３つ有することにより、ポリイミドの平面性ないしパッキング性がほどよく抑制され、自由体積分率が大きくなり、ガス透過性が向上するものと推定される。また、式（Ｉ）で表される繰り返し単位がＸaとして特定の極性基を有することにより、ポリイミドが適度に緻密化してその運動性が低下し、これにより動的分子径の大きな分子についてはその透過性を効果的に抑えることができ、ガス分離選択性もより向上させることができるものと推定される。
上記式（Ｉ）の繰り返し単位を有するポリイミドは、ＣＲI3基を３つ有するジアミン成分を有する。このようにアルキル基を多く有するポリイミドは極性が低いために、トルエン等の低極性の不純物との親和性が高まり、可塑化耐性に劣る傾向がある。しかし、式（Ｉ）の繰り返し単位を有するポリイミドは、そのジアミン成分中に、３つのＣＲI3基に加えて特定の極性基Ｘaを特定の部位に有する。これにより、高度なガス透過性とガス分離選択性を示し、且つ、極性基により不純物との親和性が抑えられ、可塑化耐性にも優れたガス分離膜を作り出すことができるものと推定される。
【００５７】
ポリイミドは、架橋剤により架橋された形態であってもよい。
例えば、極性基Ｘaが無置換、又はモノ置換のスルホンアミド基を有する場合、スルホンアミド基のＮＨ基を介して架橋構造を形成させる目的で、オルトチタン酸テトライソプロピルのような金属アルコキシドを架橋剤として用いることができる。また、ＣＲI3がハロゲン原子を有する場合、求核付加反応させる目的で、ジメチルアミノプロピルトリエトキシシランやテトラメチルエチレンジアミンのような架橋剤を用いることができる。
さらに、本発明に用いるポリイミドが後述する式（ＩＩ−ａ）又は（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位を含む場合、ポリイミドは、これらの繰り返し単位に含まれる官能基と反応可能な基を有する架橋剤により架橋された形態であってもよい。
【００５８】
上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位は、下記式（Ｉ−ａ）で表される繰り返し単位であることが好ましい。
【００５９】
【化３】
2018012089.tif 000005
【００６０】
式（Ｉ−ａ）中、Ｒ及びＸaは、それぞれ上記式（Ｉ）におけるＲ及びＸaと同義であり、好ましい形態も同じである。
【００６１】
上記式（Ｉ−ａ）で表される繰り返し単位は、下記式（Ｉ−ｂ）で表される繰り返し単位であることが好ましい。
【００６２】
【化４】
2018012089.tif 000006
【００６３】
式（Ｉ−ｂ）中、Ｒは上記式（Ｉ−ａ）におけるＲと同義であり、好ましい形態も同じである。
ＲIIは水素原子又は置換基を示す。２つのＲIIのうち少なくとも１つのＲIIが水素原子であることが好ましく、２つのＲIIがいずれも水素原子であることがさらに好ましい。ＲIIが置換基である場合、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚから選ばれる基が好ましく、アルキル基又はシクロアルキル基がより好ましい。
ＲIIとして採り得るアルキル基は、直鎖でも分岐を有していてもよく、その炭素数は１〜１０が好ましく、１〜５がより好ましく、１〜３が特に好ましい。また、このアルキル基は置換基としてハロゲン原子を有することも好ましく、置換基としてフッ素原子を有することがより好ましい。ＲIIがアルキル基の場合の好ましい具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ3、−ＣＨ2ＣＦ3が挙げられる。
２つのＲIIのうち一方が水素原子で、他方がアルキル基の場合、このアルキル基は、メチル基であるか、置換基としてフッ素原子を有するアルキル基であることが好ましく、より好ましくは、メチル基、−ＣＨ2ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3又は−ＣＨ2ＣＦ3である。
また、２つのＲIIがいずれもアルキル基の場合、このアルキル基はメチル基が好ましい。
【００６４】
ＲIIとして採り得るシクロアルキル基は、その炭素数が３〜１５であることが好ましく、６〜１０であることがより好ましい。ＲIIがシクロアルキル基の場合、好ましくはアダマンチル基である。２つのＲIIのうち一方がシクロアルキル基の場合、他方は水素原子であることが好ましい。
【００６５】
上記式（Ｉ−ｂ）で表される繰り返し単位は、下記式（Ｉ−ｃ）で表される繰り返し単位であることが好ましい。
【００６６】
【化５】
2018012089.tif 000007
【００６７】
式（Ｉ−ｃ）中、Ｒは式（Ｉ−ｂ）におけるＲと同義であり、好ましい形態も同じである。
【００６８】
本発明に用いるポリイミドは、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位に加えて、下記式（ＩＩ−ａ）又は（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位を有してもよい。
【００６９】
【化６】
2018012089.tif 000008
【００７０】
【化７】
2018012089.tif 000009
【００７１】
上記式（ＩＩ−ａ）及び（ＩＩ−ｂ）中、Ｒは式（Ｉ）中のＲと同義であり、好ましい範囲も同じである。Ｒ4〜Ｒ6は置換基を示す。置換基としては、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚから選ばれる基が挙げられる。
Ｒ4はアルキル基、カルボキシル基又はハロゲン原子であることが好ましい。Ｒ4の数を示すｌ１は０〜４の整数であり、Ｒ4がアルキル基の場合、ｌ１は１〜４であることが好ましく、２〜４であることがより好ましく、特に好ましくは３又は４である。Ｒ4がカルボキシル基の場合、ｌ１は１〜２であることが好ましく、より好ましくは１である。Ｒ4がアルキル基である場合、このアルキル基の炭素数は１〜１０であることが好ましく、１〜５であることがより好ましく、１〜３であることが特に好ましい。Ｒ4がアルキル基である場合、より特に好ましくはメチル基、エチル基又はトリフルオロメチル基である。
式（ＩＩ−ａ）において、ジアミン成分（すなわちＲ4を有しうるフェニレン基）のポリイミドに組み込まれるための２つの連結部位は、互いにメタ位又はパラ位に位置することが好ましく、互いにパラ位に位置することがより好ましい。
本発明において、上記式（ＩＩ−ａ）で表される構造には、上記式（Ｉ）で表される構造は含まれないものとする。
【００７２】
Ｒ5及びＲ6はアルキル基もしくはハロゲン原子を示すか、又は互いに連結してＸ4と共に環を形成する基を示すことが好ましい。また、２つのＲ5が連結して環を形成している形態や、２つのＲ6が連結して環を形成している形態も好ましい。Ｒ5とＲ6が連結した構造としては特に制限はないが、単結合、−Ｏ−又は−Ｓ−が好ましい。Ｒ5及びＲ6の数を示すｍ１及びｎ１は０〜４の整数であり、１〜４であることが好ましく、２〜４であることがより好ましく、特に好ましくは３又は４である。Ｒ5及びＲ6がアルキル基である場合、このアルキル基の炭素数は１〜１０であることが好ましく、１〜５であることがより好ましく、１〜３であることが特に好ましい。Ｒ5及びＲ6がアルキル基である場合、より特に好ましくはメチル基、エチル基又はトリフルオロメチル基である。
【００７３】
Ｘ4は上記式（Ｉ−１）におけるＸ1と同義であり、好ましい範囲も同一である。
【００７４】
ポリイミドは、その構造中、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位と、上記式（ＩＩ−ａ）で表される繰り返し単位と、上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位の総モル量中に占める、式（Ｉ）で表される繰り返し単位のモル量の割合が５０〜１００モル％であることが好ましく、７０〜１００モル％がより好ましく、８０〜１００モル％が特に好ましく、９０〜１００モル％がより特に好ましい。なお、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位と、上記式（ＩＩ−ａ）で表される繰り返し単位と、上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位の総モル量中に占める、式（Ｉ）で表される繰り返し単位のモル量の割合が１００モル％であるとは、ポリイミドが、上記式（ＩＩ−ａ）で表される繰り返し単位と、上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位のいずれも有しないことを意味する。
【００７５】
ポリイミドは、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなるか、又は、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位以外の繰り返し単位を有していてもよい。
上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位以外の繰り返し単位を有する場合には、上記式（Ｉ）で表される繰り返し単位以外の残部が、上記式（ＩＩ−ａ）又は上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位からなることが好ましい。ここで、「上記式（ＩＩ−ａ）又は上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位からなる」とは、上記式（ＩＩ−ａ）で表される繰り返し単位からなる態様、上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位からなる態様、並びに、上記式（ＩＩ−ａ）で表される繰り返し単位と上記式（ＩＩ−ｂ）で表される繰り返し単位とからなる態様の３つの態様を含む意味である。
【００７６】
本発明のガス分離膜は、ポリイミド層のポリイミドが、分離選択性とガス透過性の観点から、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸無水物（６ＦＤＡ）に由来する構造を含むポリイミドであることが好ましい。すなわち、母核Ｒは式（Ｉ−１）で表される基であり、Ｘ1が−Ｃ（Ｒx）2−であり、Ｒxがトリフルオロメチル基であることが好ましい。
なお、本明細書において「互いに連結して環を形成してもよい」というときには、単結合、二重結合等により結合して環状構造を形成するものであってもよく、また、縮合して縮環構造を形成するものであってもよい。
【００７７】
特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚは、更に置換基群Ｚより選択されるいずれか１つ以上の置換基により置換されてもよい。
なお、本発明において、１つの構造部位に複数の置換基があるときには、それらの置換基は互いに連結して環を形成していたり、上記構造部位の一部又は全部と縮環して芳香族環もしくは不飽和複素環を形成していたりしてもよい。
【００７８】
化合物ないし置換基等がアルキル基、アルケニル基等を含むとき、これらは直鎖状でも分岐状でもよく、置換されていても無置換でもよい。またアリール基、ヘテロ環基等を含むとき、それらは単環でも縮環でもよく、置換されていても無置換でもよい。
本明細書において、単に置換基としてしか記載されていないものは、特に断わりのない限り特開２０１５−１６０２０１号公報の［００５５］〜［００６０］に記載の置換基群Ｚを参照するものであり、また、各々の基の名称が記載されているだけのとき（例えば、「アルキル基」と記載されているだけのとき）は、この置換基群Ｚの対応する基における好ましい範囲および／または具体例が適用される。
【００７９】
本発明に用いることができるポリイミドの分子量は、好ましくは重量平均分子量として１０，０００〜１０００，０００であることが好ましく、より好ましくは１５，０００〜５００，０００であり、さらに好ましくは２０，０００〜２００，０００である。
【００８０】
本明細書において分子量及び分散度は特に断らない限りゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ、ｇｅｌ  ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）法を用いて測定した値とし、分子量はポリスチレン換算の重量平均分子量とする。ＧＰＣ法に用いるカラムに充填されているゲルは芳香族化合物を繰り返し単位に持つゲルが好ましく、例えばスチレン−ジビニルベンゼン共重合体からなるゲルが挙げられる。
カラムは２〜６本連結させて用いることが好ましい。
用いる溶媒は、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、Ｎ−メチルピロリジノン等のアミド系溶媒が挙げられる。
測定は、溶媒の流速が０．１〜２ｍＬ／分の範囲で行うことが好ましく、０．５〜１．５ｍＬ／分の範囲で行うことが最も好ましい。この範囲内で測定を行うことで、装置に負荷がかからず、さらに効率的に測定ができる。
測定温度は１０〜５０℃で行うことが好ましく、２０〜４０℃で行うことがより好ましい。
なお、使用するカラム及び溶媒は測定対称となる高分子化合物の物性に応じて適宜選択することができる。
【００８１】
本発明に用いうる反応性基を有するポリイミドは、特定の２官能酸無水物（テトラカルボン酸二無水物）と特定のジアミンとを縮合重合させることで合成することができる。その方法としては一般的な成書（例えば、今井淑夫、横田力男編著、「最新ポリイミド〜基礎と応用〜」、株式会社エヌ・ティー・エス発行、２０１０年８月２５日、３〜４９頁など）に記載の手法を適宜選択することができる。
【００８２】
本発明に用いられるポリイミドの合成において、一方の原料であるテトラカルボン酸二無水物の少なくとも１種類は、下記式（ＩＶ）で表されることが好ましい。原料とするテトラカルボン酸二無水物のすべてが下記式（ＩＶ）で表されることがより好ましい。
【００８３】
【化８】
2018012089.tif 000010
【００８４】
式（ＩＶ）中、Ｒは上記式（Ｉ）におけるＲと同義である。
【００８５】
本発明に用いうるテトラカルボン酸二無水物の具体例としては、例えば以下に示すものが挙げられる。
【００８６】
【化９】
2018012089.tif 000011
【００８７】
【化１０】
2018012089.tif 000012
【００８８】
本発明に用いられるポリイミドの合成において、他方の原料であるジアミン化合物の少なくとも１種類は、下記式（Ｖ）で表されることが好ましい。
【００８９】
【化１１】
2018012089.tif 000013
【００９０】
式（Ｖ）中、ＲI及びＸaは、それぞれ上記式（Ｉ）におけるＲI及びＸaと同義である。
【００９１】
式（Ｖ）で表されるジアミン化合物の具体例としては、例えば、下記に示すものを挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書において、Ｍｅはメチル、Ｅｔはエチルを意味する。
【００９２】
【化１２】
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【００９３】
また、本発明に用いられるポリイミドの合成において、原料とするジアミン化合物として、上記式（Ｖ）で表されるジアミン化合物に加えて、下記式（ＶＩＩ−ａ）又は下記式（ＶＩＩ−ｂ）で表されるジアミン化合物を用いてもよい。
【００９４】
【化１３】
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【００９５】
式（ＶＩＩ−ａ）中、Ｒ4及びｌ１は、それぞれ上記式（ＩＩ−ａ）におけるＲ4及びｌ１と同義である。式（ＶＩＩ−ａ）で表されるジアミン化合物には、式（Ｖ）で表されるジアミン化合物は含まれない。
式（ＶＩＩ−ｂ）中、Ｒ5、Ｒ6、Ｘ4、ｍ１及びｎ１は、それぞれ上記式（ＩＩ−ｂ）におけるＲ5、Ｒ6、Ｘ4、ｍ１及びｎ１と同義である。
【００９６】
式（ＶＩＩ−ａ）又は（ＶＩＩ−ｂ）で表されるジアミンとして、例えば下記に示すものを用いることができる。
【００９７】
【化１４】
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【００９８】
【化１５】
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【００９９】
上記式（ＩＶ）で表されるモノマーと、上記式（Ｖ）、（ＶＩＩ−ａ）又は（ＶＩＩ−ｂ）で表されるモノマーは、予めオリゴマー又はプレポリマーとして用いてもよい。本発明に用いられるポリイミドは、ブロック共重合体、ランダム共重合体、グラフト共重合体のいずれでもよい。
【０１００】
一般式（Ｉ）で表されるポリイミドとしては、後述の実施例で用いるポリイミド（Ｐ−０２）を好ましく用いることができる。
特開２０１５−１６０２０１号公報の［００４０］〜［００６８］に記載のポリイミドとしては、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００６８］の例示ポリイミドＰ−１００において共重合比（モル比）ｘが２０で、ｙが８０としたポリイミド（Ｐ−１０１）を好ましく用いることができる。
【０１０１】
ポリイミドとして具体的には、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社よりＭａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）の商標で販売されているＭａｔｒｉｍｉｄ  ５２１８およびＨＰ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ＧｍｂＨ社よりそれぞれ商品名Ｐ８４および商品名Ｐ８４ＨＴで販売されているＰ８４またはＰ８４ＨＴ等も好ましい。
【０１０２】
＜セルロース層＞
本発明のガス分離膜は、セルロース層を有し、セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む。
【０１０３】
（厚み）
本発明では、セルロース層の厚みが１０〜５００ｎｍであることが好ましく、３０〜１００ｎｍであることがより好ましい。
セルロース層の厚みが３０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが、ガス透過性およびガス分離選択性を高める観点から特に好ましい。
一方、セルロース層の厚みが５０ｎｍ以上であることが、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下を抑制する観点から特に好ましい。
【０１０４】
（セルロース化合物の種類）
本発明に用いるセルロース化合物は、セルロースが有するβ−グルコース単位の水酸基（−ＯＨ）の一部に置換基（メチル基、ヒドロキシプロピル基またはヒドロキシエチル基）が置換した構造を有するセルロースエーテルである。
【０１０５】
セルロース層がメチルセルロースおよびヒドロキシプロピルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含むことが好ましい。
本発明では、セルロース化合物がメチルセルロースであることがより好ましい。
【０１０６】
セルロースは、グルコースがβ−１，４−グリコシド結合によって結合した高分子化合物である。本発明で使用されるセルロース化合物の原料となり得るセルロースとしては、綿花リンタや木材パルプ（広葉樹パルプ，針葉樹パルプ）などがある。何れの原料セルロースから得られるセルロースでも使用でき、混合して使用してもよい。これらの原料セルロースについての詳細な記載は、例えば、丸澤、宇田著，「プラスチック材料講座（１７）繊維素系樹脂」，日刊工業新聞社（１９７０年発行）や発明協会公開技報公技番号２００１−１７４５号（７頁〜８頁）に記載されている。
【０１０７】
セルロース化合物の水酸基の置換度は「ＤＳ（ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）」で表される。セルロース化合物を構成するβ−グルコース単位は水酸基を３つ有することから、ＤＳは０．０〜３．０の値をとる。
ＤＳは、β−グルコース単位の２位、３位および６位に位置する３つの水酸基の水素原子がどの程度置換されているかを示すものである。例えば、３つの水酸基のうち１つの水素原子が置換された形態のβ−グルコース単位からなるセルロース化合物のＤＳは１．０となる。また、３つの水酸基のうち２つの水素原子が置換された形態のβ−グルコース単位からなるセルロース化合物のＤＳは２．０となり、３つの水酸基のすべての水素原子が置換された形態のβ−グルコース単位からなるセルロース化合物のＤＳは３．０である。また、β−グルコース単位ごとに置換度が異なる場合があり、ＤＳは、各β−グルコース単位における置換度の平均値となる。
なお、セルロースの水酸基がヒドロキシプロピル基またはヒドロキシエチル基などの水酸基を有する置換基で置換された場合、この置換基が有する水酸基もさらに置換基で置換されうる。この場合は、β−グルコース単位当たりの置換基の数として「ＭＳ（ｍｏｌｅｓ  ｏｆ  ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）」が用いられる。
【０１０８】
本発明では、セルロース化合物の置換度（置換基の置換度）が１．０〜２．８であることが好ましい。置換度が大き過ぎなければ、セルロース化合物は結晶化し難くなり、水に対する溶解性が良好となる。逆に、置換度が小さ過ぎなければ、セルロース化合物のポリマー間の水素結合が強固となり過ぎず、水に対する溶解性が良好となる。ガス分離選択性をより向上させる観点から、セルロース化合物の置換度は好ましくは１．４〜２．４であり、より好ましくは１．６〜２．０である。
【０１０９】
セルロース化合物に含まれる水酸基に対して置換した官能基の種類、ＤＳおよびＭＳは、Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ６，７３−７９（１９９９）に記載の方法を利用して、1Ｈ−ＮＭＲにより決定できる。
【０１１０】
セルロース化合物の物性に特に制限はないが、セルロース化合物を２質量％の濃度で水に溶解して得た水溶液の２０℃における粘度（溶液粘度）が、１〜１０００，０００ｍＰａ・ｓであることが好ましく、５〜１００，０００ｍＰａ・ｓであることがより好ましく、１０〜１，０００ｍＰａ・ｓであることがさらに好ましい。セルロース化合物の溶液粘度が高ければ、セルロース化合物分子同士の絡み合いが増して膜の強度が向上し、セルロース化合物の溶液粘度が高過ぎなければ薄膜状に成膜しやすい。一方、セルロース化合物の溶液粘度が小さい場合は、支持体により強度を補うことができる。
セルロース化合物は、２５℃における水への溶解度が０．１質量％以上であることが好ましく、０．１〜３０質量％であることがより好ましく、０．５〜１０質量％であることが特に好ましい。
【０１１１】
セルロース層中のメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物の含有量は、２０質量％以上であることが好ましく、５０〜１００質量％であることがより好ましく、８０〜１００質量％であることが特に好ましい。
【０１１２】
（セルロース化合物の合成）
セルロース化合物は、通常の方法で合成することができる。
例えば、メチルセルロースを合成する場合、出発物質とするセルロース原料を、水酸化ナトリウム水溶液中に加熱、撹拌しながら溶解し、その後、クロロメタンもしくはヨードメタンを用いて水酸基にメチル基を導入することができる。用いる試薬量、反応温度、反応時間等を適宜に調節すれば、所望のメチル基の置換度を有するメチルセルロースを得ることができる。
ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースの合成方法も、メチルセルロースの合成方法と同様である。
【０１１３】
（その他の成分）
セルロース層には、膜物性を調整するため、各種類の高分子化合物を添加することもできる。高分子化合物としては、例えば、アクリル重合体、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、シェラック、ビニル樹脂、アクリル樹脂、ゴム樹脂、ワックス類、その他の天然樹脂が使用できる。また、これらは２種類以上を併用してもかまわない。
また、セルロース層の形成用の組成物の液物性調整のためにノニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤や、有機フルオロ化合物などを添加することもできる。
【０１１４】
＜保護層＞
ガス分離膜は、セルロース層が最外層であってもよく、セルロース層上にさらに保護層（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ）をさらに有してもよい。
セルロース層上に保護層を有することで、ハンドリング時や使用時に前述のセルロース層と他の材料との意図しない接触、損傷を防ぐことができる。
【０１１５】
（材料）
保護層の材料としては特に制限はない。
保護層に用いられる材料としては、樹脂層に含まれる樹脂と同様の材料を用いることができる。保護層に用いられる材料としては、例えばシリコーン樹脂、ポリイミド、セルロース樹脂、ポリエチレンオキサイドなどを挙げることができる。
また、保護層は、フィラーを含んでいてもよい。保護層に用いられるフィラーとしては特に制限はない。保護層に用いられるフィラーとしては、例えば、特開２０１５−１６０２０１号公報の［００２０］〜［００２７］に記載の無機粒子を好ましく用いることができ、この公報の内容は本明細書に参照して組み込まれる。
【０１１６】
保護層がシロキサン結合を有する化合物を含むことが好ましい。この場合、保護層の５０質量％以上がシロキサン結合を有する化合物であることが好ましく、９０質量％以上がシロキサン結合を有する化合物であることがより好ましく、９９質量％以上がシロキサン結合を有する化合物であることが特に好ましい。保護層がシロキサン結合を有する化合物のみからなることがより特に好ましい。
シロキサン結合を有する化合物は、「少なくともケイ素原子、酸素原子および炭素原子を含む繰り返し単位を有する化合物」であってもよい。また、シロキサン結合を有する化合物は、「シロキサン結合を有し、かつ、繰り返し単位を有する化合物」であってもよく、その中ではポリシロキサン単位を有する化合物であることが好ましい。すなわち、シロキサン結合を有する化合物は、シリコーン樹脂であることが好ましい。
保護層に用いられるシリコーン樹脂としては、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳとも言う）、ポリジフェニルシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｐｈｅｎｙｌ  ｓｉｌｏｘａｎｅ）、ポリジ（トリフルオロプロピル）シロキサン（Ｐｏｌｙｄｉ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌ）ｓｉｌｏｘａｎｅ）、ポリメチル（３，３，３−トリフロオロプロピル）シロキサン（Ｐｏｌｙ［ｍｅｔｈｙｌ（３，３，３−ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌ）ｓｉｌｏｘａｎｅ］）、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）（以下、ＰＴＭＳＰとも言う）から選ばれる少なくとも１種類以上を含むことが好ましい。保護層に用いられるシリコーン樹脂は、ポリジメチルシロキサンまたはポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）を含むことがより好ましく、ポリジメチルシロキサンを含むことが特に好ましい。
【０１１７】
保護層に用いられるＰＤＭＳなどのシリコーン樹脂は、ＣＯ2ガス透過性が高いが、ＢＴＸなどの不純物の透過性も高く、分離選択性の高いポリイミドなどを含むポリイミド層の可塑化を抑制できていなかった。
本発明では、特定のセルロース化合物を含むセルロース層を積層することで、効果的にポリイミド層の可塑化を抑制できる。
【０１１８】
保護層に用いられるシリコーン樹脂としては、市販の材料を用いることができる。例えば、ＵＶ９３００（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））、Ｘ−２２−１６２Ｃ（信越化学工業（株）製）などを好ましく用いることができる。
【０１１９】
保護層に用いられるシリコーン樹脂は、保護層を形成するときに有機溶媒を含む組成物として調製することができ、硬化性組成物であることが好ましい。シリコーン樹脂を含む保護層を形成するときに用いることができる有機溶媒としては、特に制限は無く、例えばｎ−ヘプタンなどを挙げることができる。
【０１２０】
（特性）
保護層の厚みは、例えば５０〜４０００ｎｍとすることができる。保護層の厚みが１００〜３２００ｎｍであることが耐擦性とガス透過性を両立する観点から好ましく、１００〜１０００ｎｍであることがより好ましい。
ガス分離膜の分野よりも高い耐久性が求められる水分離の分野においては、分離層の厚みが基本的に２〜３μｍ以上であり、厚膜であるために保護層は不要である。これに対し、分離層の厚みが基本的に５００ｎｍ以下であり傷の影響を受けやすい、本発明を含むガス分離膜の分野では、耐擦性を保持しながらも、なるべくガス透過性を高められる程度まで薄膜にすることが好ましい。
【０１２１】
＜特性、用途＞
本発明のガス分離膜は、ガス分離回収法、ガス分離精製法において好適に用いることができる。例えば、水素、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素、窒素、アンモニア、硫黄酸化物、窒素酸化物、メタン、エタンなどの炭化水素、プロピレンなどの不飽和炭化水素、テトラフルオロエタンなどのパーフルオロ化合物などのガスを含有する気体混合物から特定の気体を効率良く分離し得るガス分離膜とすることができる。
本発明のガス分離膜は、酸性ガスと非酸性ガスのガス混合物から、少なくとも１種類の酸性ガスを分離するためのガス分離膜であることが好ましい。酸性ガスとしては、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が挙げられ、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）から選択される少なくとも１種類であることが好ましく、より好ましくは二酸化炭素、硫化水素又は硫黄酸化物（ＳＯｘ）であり、特に好ましくは二酸化炭素である。
前述の非酸性ガスとしては水素、メタン、窒素、及び一酸化炭素から選択される少なくとも１種類であることが好ましく、より好ましくはメタン、水素であり、特に好ましくはメタンである。本発明のガス分離膜では、非酸性ガスとしてＢＴＸ（ベンゼン、トルエン、キシレン）やプロパン、ブタン、ヘキサンなどの高次炭化水素ガスを含む場合も、酸性ガスと非酸性ガスのガス混合物から、少なくとも１種類の酸性ガスを分離することができる。特に本発明のガス分離膜では、非酸性ガスとしてプロパンを含む場合も、酸性ガスと非酸性ガスのガス混合物から、少なくとも１種類の酸性ガスを分離する場合に、分離選択性のバラツキを小さくすることができる。
本発明のガス分離膜は、特に二酸化炭素／炭化水素（メタン）を含む気体混合物から二酸化炭素を選択分離するガス分離膜とすることが好ましい。さらに、本発明のガス分離膜は、二酸化炭素／炭化水素（メタン）／高次炭化水素（トルエン）を含む気体混合物から二酸化炭素を選択分離するガス分離膜にも用いられることがより好ましい。
【０１２２】
とりわけ、分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンとの混合ガスである場合においては、４０℃、５ＭＰａにおける二酸化炭素の透過速度が１０ＧＰＵ以上であることが好ましく、１０〜３００ＧＰＵであることがより好ましく、１５〜３００ＧＰＵであることが特に好ましい。
なお、１ＧＰＵは１×１０-6ｃｍ3（ＳＴＰ）／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇである。
【０１２３】
本発明のガス分離膜は、分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、４０℃、５ＭＰａにおける二酸化炭素の透過流束のメタンの透過流束に対する比であるガス分離選択性αが３０以上であることが好ましく、３５以上であることがより好ましく、４０以上であることが特に好ましく、５０を超えることがより特に好ましい。
【０１２４】
＜ガス混合物の分離方法＞
本発明のガス分離膜を用いることで、ガス混合物の分離をすることができる。
本発明のガス分離膜を用いるガス混合物の分離方法において、原料のガス混合物の成分は原料産地や用途又は使用環境などによって影響されるものであり、特に限定されるものではない。
本発明のガス分離膜は、二酸化炭素および二酸化炭素以外のガスを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることが好ましい。ガス混合物の分離方法は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることを含む方法であることが好ましい。ガス分離の際の圧力は３ＭＰａ〜１０ＭＰａであることが好ましく、４ＭＰａ〜７ＭＰａであることがより好ましく、５ＭＰａ〜７ＭＰａであることが特に好ましい。また、ガス分離温度は、−３０〜９０℃であることが好ましく、１５〜７０℃であることがさらに好ましい。
【０１２５】
［ガス分離膜の製造方法］
本発明のガス分離膜の製造方法は、支持体上にポリイミド層を形成する工程と、
ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程を含み、
支持体が、ポリイミド層側に多孔質層を有し、
セルロース層がメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含む。
【０１２６】
（樹脂層を形成する工程）
ガス分離膜の製造方法は、多孔質層とポリイミド層との間に樹脂層を形成する工程を含むことが好ましい。
多孔質層とポリイミド層との間に樹脂層を形成する方法としては特に制限はないが、樹脂層の材料および有機溶媒を含む組成物を塗布することが好ましい。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法やディップコート法、バーコート、ダイコート法を適宜用いることができる。
樹脂層の材料および有機溶媒を含む組成物は、硬化性組成物であることが好ましい。樹脂層を形成する場合に硬化性組成物へ照射する放射線としては特に制限はなく、電子線、紫外線（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ；ＵＶ）、可視光または赤外線を用いることができ、用いる材料に応じて適宜選択することができる。
放射線照射時間は１〜３０秒間であることが好ましい。
放射エネルギーは１０〜５００ｍＷ／ｃｍ2であることが好ましい。
樹脂層を支持体上に形成した後、ポリイミド層を形成する前に樹脂層に対して特定の処理を施すことが好ましい。樹脂層に対して施す特定の処理としては、樹脂層に酸素原子を浸透させる酸素原子浸透処理であることが好ましく、プラズマ処理およびコロナ処理であることがより好ましい。
プラズマ処理を行う場合は上記の条件で５秒間以上であることが分離選択性を高め、かつ、耐擦性を高くして分離選択性を低下し難くする観点からより好ましい。一方、プラズマ処理の時間が、上記の条件で１０００秒間以下であることが好ましい。
また、プラズマ処理の積算エネルギー量は２５〜５０００００Ｊが好ましい。
【０１２７】
プラズマ処理は定法によればよく、従来的なものとしては、安定したプラズマを発生させるため減圧プラズマを利用し、大型の真空チャンバ内で被処理体を処理する態様が挙げられる。昨今では大気圧雰囲気下での処理が可能である大気圧プラズマ処理装置が開発されている。そこではプロセス室内にアルゴンガスを主体としたガスを導入し、大気圧雰囲気下で高密度プラズマを安定して発生させることができる。大気圧プラズマ処理装置のシステム構成としては、ガス混合および制御部、反応器および搬送コンベヤ（もしくはＸＹテーブル）から構成されるものが挙げられる。円形ノズルからスポット的にプラズマジェットを吹き出して処理するものも提案されている。
プラズマ処理条件としては、アルゴン流量が５〜５００ｃｍ3（ＳＴＰ）／分であることが好ましく、５０〜２００ｃｍ3（ＳＴＰ）／分であることがより好ましく、８０〜１２０ｃｍ3（ＳＴＰ）／分であることが特に好ましい。酸素流量が１〜１００ｃｍ3（ＳＴＰ）／分であることが好ましく、５〜１００ｃｍ3（ＳＴＰ）／分であることがより好ましい。ＳＴＰは、ｓｔａｎｄａｒｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅの略称である。
プラズマ処理条件としては、真空度が０．６〜１５Ｐａであることが好ましい。
プラズマ処理条件としては、放電出力が５〜２００Ｗであることが好ましい。
コロナ処理を行う場合には処理方法は、公知の方法を用いることができるが、コロナ処理の強度は、３０〜３００Ｗであることが好ましく、３０〜２００Ｗであることがより好ましく、５０〜１５０Ｗであることが特に好ましい。
コロナ処理の照射量は、０．０１〜１０Ｊ／ｃｍ2であることが好ましく、０．１〜５．０Ｊ／ｃｍ2であることがより好ましく、０．１〜１．０Ｊ／ｃｍ2であることが特に好ましい。
【０１２８】
（支持体上にポリイミド層を形成する工程）
支持体上にポリイミド層を形成する工程について説明する。
ポリイミド層の形成方法としては特に制限はなく、公知の材料を商業的に入手しても、公知の方法で形成しても、特定の樹脂を用いて後述の方法で形成してもよい。
【０１２９】
ポリイミド層を形成する方法としては特に制限はないが、ポリイミド層の材料および有機溶媒を含む組成物を下層（例えば、支持体または樹脂層）に塗布することが好ましい。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法を用いることができる。
ガス分離膜のポリイミド層を形成する条件に特に制限はないが、温度は−３０〜１００℃が好ましく、−１０〜８０℃がより好ましく、５〜５０℃が特に好ましい。
【０１３０】
（ポリイミド層を親水化処理する工程）
本発明のガス分離膜の製造方法は、ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程の前に、ポリイミド層を親水化処理する工程を含むことが好ましい。特に、セルロース層形成用の塗布液は、溶媒の５０質量％以上が水である場合、ポリイミド層を親水化処理する工程を含むことが塗布性の観点から好ましい。
【０１３１】
親水化処理としては、プラズマ処理およびコロナ処理を挙げることができる。親水化処理は、コロナ処理が好ましい。
コロナ処理は、公知の方法を用いることができる。
コロナ処理の強度は、３０〜３００Ｗであることが好ましく、３０〜２００Ｗであることがより好ましく、５０〜１５０Ｗであることが特に好ましい。
コロナ処理の照射量は、０．０１〜１０Ｊ／ｃｍ2であることが好ましく、０．１〜５．０Ｊ／ｃｍ2であることがより好ましく、０．１〜１．０Ｊ／ｃｍ2であることが特に好ましい。
【０１３２】
（ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程）
ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程について説明する。
ポリイミド層上にセルロース層を形成する工程では、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロースのうち少なくとも一種類から選ばれるセルロース化合物を含有するセルロース層形成用の塗布液を、ポリイミド層上に塗布してセルロース層を形成することが好ましい。
セルロース層形成用の塗布液中のセルロース化合物の含有量は特に限定されないが、０．１〜３０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。セルロース化合物の含有量が下限値以上であると、ポリイミド層上に製膜した際に、セルロース層に欠陥が生じ難い。また、セルロース化合物の含有量が上限値以下であると、ポリイミド上に製膜した際にセルロース層を薄く塗布しやすくなり、十分なガス透過性が得られやすい。
【０１３３】
セルロース層形成用の塗布液の媒体とする溶液としては、水、または、水と有機溶媒の組み合わせを用いることができる。
有機溶媒としては特に限定されるものではないが、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン等の炭化水素化合物；酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル化合物；メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、イソブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等の（低級）アルコール；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等の脂肪族ケトン；エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、ジブチルブチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルシクロペンチルエーテル、ジオキサン等のエーテル化合物；Ｎ−メチルピロリドン；２−ピロリドン；ジメチルホルムアミド；ジメチルイミダゾリジノン；ジメチルスルホキシド；ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。これらの有機溶媒はポリイミド層を浸蝕するなどの悪影響を及ぼさない範囲で適切に選択されるものであるが、好ましくは、エステル化合物（好ましくは酢酸ブチル）、アルコール（好ましくはメタノール、エタノール、イソプロパノール、１−ブタノール、イソブタノールであり、より好ましくは１−ブタノール）、脂肪族ケトン（好ましくは、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン）およびエーテル化合物（エチレングリコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、メチルシクロペンチルエーテル）が好ましく、より好ましくは脂肪族ケトン、アルコールおよびエーテル化合物であり、特に好ましくはアルコールである。また、これらは、１種類または２種類以上を組み合わせて用いることができる。
【０１３４】
本発明では、セルロース層形成用の塗布液は、溶媒の２０質量％以上が水であることが好ましく、３０質量以上％が水であることがより好ましい。
【０１３５】
セルロース層を形成する条件に特に制限はないが、乾燥温度についてはガス分離膜に含まれるポリマーのガラス転移点にあわせて制御できる。ポリプロピレン支持体を用いた場合、乾燥温度は２０〜９０℃が好ましく、３０〜９０℃がより好ましく、４０〜９０℃が特に好ましい。
【０１３６】
セルロース層の形成時に空気や酸素などの気体を共存させてもよいが、不活性ガス雰囲気下であることが望ましい。
【０１３７】
（保護層を形成する工程）
保護層を形成する方法としては特に制限はないが、保護層の材料および有機溶媒を含む組成物を塗布することが好ましい。有機溶媒としては、ポリイミド層の形成に用いられる有機溶媒を挙げることができる。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法を用いることができる。
保護層の形成用の硬化性組成物への放射線照射の方法としては特に制限はないが、電子線、紫外線（ＵＶ）、可視光または赤外線照射を用いることができ、用いる材料に応じて適宜選択することができる。
放射線照射時間は１〜３０秒間であることが好ましい。
放射エネルギーは１０〜５００ｍＷ／ｃｍ2であることが好ましい。
【０１３８】
［ガス分離膜モジュール］
本発明のガス分離膜モジュールは、本発明のガス分離膜を有する。
ガス分離膜モジュールの例としては、スパイラル型、中空糸型、プリーツ型、管状型、プレート＆フレーム型などが挙げられる。
ガス分離膜モジュールは、ロール形状のガス分離膜から切り出しを行って加工することによって製造されてもよい。
【０１３９】
［ガス分離装置］
本発明のガス分離装置は、本発明のガス分離膜モジュールを有する。
本発明のガス分離装置は、ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有するガス分離装置とすることができる。
本発明のガス分離装置は、例えば、特開２００７−２９７６０５号公報に記載のような吸収液と併用した膜・吸収ハイブリッド法としてのガス分離回収装置に適用してもよい。
【実施例】
【０１４０】
以下に実施例と比較例（なお比較例は公知技術というわけではない）を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、文中「部」及び「％」とあるのは特に示さない限り質量基準とする。
【０１４１】
［実施例１〜４］
＜樹脂層の形成＞
（ジアルキルシロキサン基を有する放射線硬化性ポリマー溶液の調製）
１５０ｍｌの３口フラスコにＵＶ９３００（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製の下記構造のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、エポキシ当量は９５０ｇ／ｍｏｌオキシラン、粘度測定法を用いた重量平均分子量９０００）３９ｇ、Ｘ−２２−１６２Ｃ（信越化学工業（株）製、下記構造の両末端カルボキシル変性シリコーン、重量平均分子量４６００）１０ｇ、ＤＢＵ（１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデカ−７−エン）０．００７ｇを加え、ｎ−ヘプタン５０ｇに溶解させた。この組成物を９５℃に維持しながら１６８時間経過させて、ジアルキルシロキサン基を有する放射線硬化性ポリマー溶液（２５℃で粘度２２．８ｍＰａ・ｓ）を得た。
【化１６】
2018012089.tif 000018
【０１４２】
（重合性の放射線硬化性組成物の調製）
放射線硬化性ポリマー溶液を２０℃まで冷却した。２０℃まで冷却した放射線硬化性ポリマー溶液に対して、固形分が１０質量％になるようにｎ−ヘプタンを添加して希釈した。得られた溶液に対し、光重合開始剤であるＩＯ５９１（東京化成社製）０．５ｇおよびチタンイソポロポキシド（ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．１ｇを添加し、重合性の放射線硬化性組成物を調製した。
【０１４３】
＜シロキサン結合を有する化合物を含む樹脂層の形成＞
ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）多孔質層（不織布上にポリアクリロニトリル多孔質層が存在、不織布を含め、厚みは約１８０μｍ）を支持体とした。
支持体の上に重合性の放射線硬化性組成物を３０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）、滴下量０．０３ｍｌ／ｃｍ2の条件でスピンコートした。その後、１分間室温で保管した。その後、重合性の放射線硬化性組成物にＵＶ強度２４ｋＷ／ｍ2、ＵＶ照射時間１０秒間のＵＶ処理条件でＵＶ処理（Ｆｕｓｉｏｎ  ＵＶ  Ｓｙｓｔｅｍ社製、Ｌｉｇｈｔ  Ｈａｍｍｅｒ  １０、Ｄ−バルブ）を行い、重合性の放射線硬化性組成物を硬化させた。このようにして、多孔質層を有する支持体上に、シロキサン結合を有する化合物を含み、厚み１２０ｎｍの樹脂層を形成した。
【０１４４】
＜ポリイミド（Ｐ−０２）の合成＞
下記反応スキームでポリイミド（Ｐ−０２）の合成に用いるジアミン１を合成した。
【化１７】
2018012089.tif 000019
【０１４５】
（中間体１の合成）
ジアミノメシチレンスルホン酸（和光純薬工業社製）（６０ｇ）、アセトニトリル（和光純薬工業社製）（３８０ｇ）、ピリジン（和光純薬工業社製）（２３ｇ）をフラスコに入れた。氷冷下、トリフルオロ酢酸無水物（和光純薬工業社製）（１１５ｇ）を慎重に滴下した後、７０℃で２時間反応させた。冷却後、メタノール（和光純薬工業社製）（３０ｇ）を加え、１時間攪拌した。減圧濃縮後、塩酸を用いて精製し、中間体１（１１０ｇ）を得た。
【０１４６】
（中間体２の合成）
アセトニトリル（和光純薬工業社製）（４４０ｍＬ）、中間体１（６８ｇ）をフラスコに入れた。塩化チオニル（和光純薬工業社製）（１１５ｇ）、ジメチルホルムアミド（和光純薬工業社製）（０．９ｇ）を慎重に加えた後、発熱、発泡に注意しながら内温を７０℃まで上昇させた。減圧留去後、反応混合物を氷に注ぎ、析出物を精製し、中間体２（６５ｇ）を得た。
【０１４７】
（中間体３の合成）
アンモニア水（和光純薬工業社製）（９０ｇ）をフラスコに入れた。氷冷下、中間体２（４３ｇ）をテトラヒドロフラン（和光純薬工業社製）（１３０ｇ）に懸濁させた液を慎重に加えた。４０℃で２時間攪拌した後、減圧濃縮し、精製し、中間体３（３０ｇ）を得た。
【０１４８】
（ジアミン１の合成）
中間体３（３０ｇ）、メタノール（和光純薬工業社製）（１００ｇ）をフラスコに入れた。メタンスルホン酸（和光純薬工業社製）（３０ｇ）を慎重に加え、発熱に注意しながら昇温し、１２０℃で３０分間攪拌した。冷却した後、反応溶液を炭酸カリウム溶液に注ぎ、析出物を精製し、ジアミン１（１１ｇ）を得た。
【０１４９】
（ポリイミド（Ｐ−０２）の合成）
メタクレゾール（和光純薬工業社製）（１００ｇ）、ジアミン１（９．００ｇ）、３，５−ジアミノ安息香酸（東京化成工業社製）（０．６６ｇ）、６ＦＤＡ（東京化成工業社製）（１９．３７ｇ）をフラスコに入れた。トルエン（和光純薬工業社製）（１０ｇ）、イソキノリン（和光純薬工業社製）（１．５ｇ）を加えた後、１８０℃まで加熱し、６時間反応させた。冷却後、アセトン（和光純薬工業社製）で希釈した後、イソプロピルアルコール（和光純薬工業社製）を加えてポリマーを固体として得た。同様の再沈殿を２回繰り返した後、８０℃で乾燥し、ポリイミド（Ｐ−０２）（２２ｇ）を得た。
下記表１中、ポリイミド（Ｐ−０２）のことを、ＰＩ（Ｐ−０２）と省略して記載した。
【０１５０】
ポリイミド（Ｐ−０２）
【化１８】
2018012089.tif 000020
【０１５１】
＜ポリイミド層の形成＞
ポリイミド（Ｐ−０２）５０ｇと、メチルエチルケトン４．９５ｋｇを混合して、２５℃で３０分間攪拌した。攪拌した溶液をポリイミド層形成用の塗布液とした。
樹脂層上に、ポリイミド層形成用の塗布液をスピンコートし、乾燥して、厚み９０ｎｍのポリイミド層を形成した。
【０１５２】
＜ポリイミド層を親水化処理する工程＞
実施例１〜４で用いる後述のセルロース層形成用の塗布液は、溶媒の５０質量％以上が水である。
実施例１〜４では、塗布性確保のため、後述のポリイミド層上にセルロース層を形成する工程の前（セルロース層形成用の塗布液のスピンコート前）に、ポリイミド層をコロナ処理（コロナ処理強度：１００Ｗ、照射量：０．５Ｊ／ｃｍ2、親水化処理）した。
【０１５３】
＜セルロース層の形成＞
メチルセルロース（信越化学工業株式会社製、製品番号：メトローズＭＣＥ−１５）を水に溶解させ、固形分濃度が０．５質量％となるようにメチルセルロース溶液を調製した。メチルセルロース溶液に、さらに１−ブタノールを水に対して３質量％添加し、攪拌して混合し、セルロース層形成用の塗布液を調製した。下記表１中の塗布溶媒の組成比は、質量比である。
親水化処理されたポリイミド層上に、調製したセルロース層形成用の塗布液をスピンコートして、セルロース層を形成した。実施例１〜４ではそれぞれスピンコートの回転数を変化させて、セルロース層の厚みを下記表１に記載のとおりに制御した。
【０１５４】
＜保護層の形成＞
その後、樹脂層の形成に用いた重合性の放射線硬化性組成物を、セルロース層の上に塗布後、樹脂層の形成と同様のＵＶ処理条件でＵＶ処理を行うことで、セルロース層上に厚み６００ｎｍの保護層を形成した。
得られたガス分離膜を、実施例１〜４のガス分離膜とした。
【０１５５】
［実施例５、６および比較例３〜６］
セルロース層の形成を下記表１に記載のとおりに変更した以外は実施例２と同様にして、各実施例および比較例のガス分離膜を作製した。なお、比較例３および５では、ポリイミド層を親水化処理しなかった。
各実施例および比較例で用いたセルロース化合物の詳細は、以下のとおりである。
ヒドロキシプロピルセルロース：信越化学社製、メトローズ６５ＳＨ−５０。
ヒドロキシエチルセルロース：住友精化株式会社製、ＡＸ−１５。
エチルセルロース：ダウケミカルカンパニー社製、ＥＴＨＯＣＥＬ（登録商標）  ２００。
アガロース：ニッポンジーン社製、ＡｇａｒｏｓｅＨ。
酢酸セルロース：ダイセル社製、ＬＴ−１０５。
ポリビニルアルコール：クラレ社製、ＰＶＡ１１７。
【０１５６】
［比較例１］
ポリイミド層を親水化処理する工程およびセルロース層を形成する工程を行わずに、ポリイミド層の上に保護層を設けた以外は実施例１と同様にして、比較例１のガス分離膜を作製した。
【０１５７】
［比較例２］
ポリイミド層を形成する工程を行わずに、樹脂層の上にセルロース層を設けた以外は実施例１と同様にして、比較例２のガス分離膜を作製した。
【０１５８】
［評価］
＜ガス分離性能＞
得られた各実施例および比較例のガス分離膜のガス分離性能について、高圧耐性のあるＳＵＳ３１６製ステンレスセル（ＤＥＮＩＳＳＥＮ社製）を用い、セルの温度を４０℃に調整して評価した。二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）の体積比が１３：８７の混合ガスをガス供給側の全圧力が５ＭＰａ（ＣＯ2の分圧：０．６５ＭＰａ）となるように調整し、ＣＯ2、ＣＨ4のそれぞれのガスの透過性をＴＣＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）検知式ガスクロマトグラフィーにより測定した。各実施例および比較例のガス分離膜のガス分離選択性は、この膜のＣＨ4の透過係数ＰCH4に対するＣＯ2の透過係数ＰCO2の割合（ＰCO2／ＰCH4）として計算した。各実施例および比較例のガス分離膜のＣＯ2透過性は、この膜のＣＯ2の透過度ＱCO2（単位：ＧＰＵ）とした。
ガス透過性（ＣＯ2の透過度ＱCO2）が３０ＧＰＵ以上かつ、ガス分離選択性が３０以上となる場合は評価をＡＡとした。
ガス透過性（ＣＯ2の透過度ＱCO2）が２５ＧＰＵ以上３０ＧＰＵ未満かつ、ガス分離選択性が２０以上３０未満となる場合は評価をＡとした。
ガス透過性（ＣＯ2の透過度ＱCO2）が２５ＧＰＵ以上かつガス分離選択性が２０未満、もしくは、ガス透過性（ＣＯ2の透過度ＱCO2）が２５ＧＰＵ未満かつガス分離選択性が２０以上となる場合は評価をＢとした。
ガス透過性（ＣＯ2の透過度ＱCO2）が２５ＧＰＵ未満かつ、ガス分離選択性が２０未満となる場合、もしくは圧力がかからず試験が行えなかった場合は評価をＣとした。
なお、ガス透過性の単位は、圧力差あたりの透過流束（透過率、透過度、Ｐｅｒｍｅａｎｃｅとも言う）を表すＧＰＵ（ジーピーユー）単位〔１ＧＰＵ＝１×１０-6ｃｍ3（ＳＴＰ）／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ〕または透過係数を表すｂａｒｒｅｒ（バーラー）単位〔１ｂａｒｒｅｒ＝１×１０-10ｃｍ3（ＳＴＰ）・ｃｍ／ｃｍ2・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ〕で表す。本明細書中では、ＧＰＵ単位の場合は記号Ｑを用いて表し、ｂａｒｒｅｒ単位の場合は記号Ｐを用いて表した。
ガス分離性能の評価は、ＡＡ、ＡまたはＢであることが実用上必要であり、ＡＡまたはＡであることが好ましく、ＡＡであることがより好ましい。
得られた結果を、下記表１に記載した。
【０１５９】
＜不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下＞
各実施例および比較例のガス分離膜１０を、支持体側をアルミ板２１の側にして四方をカプトンテープ２２（寺岡製作所６５０Ｓ♯２５）で貼り付け、支持体側がトルエン蒸気に暴露されないように封止したサンプルを調製した（図３参照）。
一辺３０ｃｍ程度の密封容器内にシャーレを設置し、シャーレにトルエン溶液を注いだ。室温（２５℃）において１日間放置し、気液平衡状態に到達した状態でサンプルを容器内に投入し、１時間静置させ、サンプルをトルエン膨潤した。サンプルを取出した後、アルミ板２１からガス分離膜１０を剥がし、速やかにガス分離性能の試験を実施した。
トルエン膨潤後の結果を、トルエン膨潤を行わずにガス分離選択性の試験を行った別の試験片の結果と比較し、以下の基準で評価した。
ＡＡ：トルエン膨潤後のガス分離選択性の低下率が２０％未満。
Ａ：トルエン膨潤後のガス分離選択性の低下率が２０％以上３０％未満。
Ｂ：トルエン膨潤後のガス分離選択性の低下率が３０％以上４０％未満。
Ｃ：トルエン膨潤後のガス分離選択性の低下率が４０％以上。
不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下の評価は、ＡＡまたはＡであることが実用上必要であり、ＡＡであることが好ましい。
得られた不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下（トルエン膨潤後の選択性低下）の結果を、下記表１に記載した。
【０１６０】
【表１】
2018012089.tif 000021
【０１６１】
上記表１より、本発明のガス分離膜は、ガス透過性およびガス分離選択性が高く、かつ、不純物ガス暴露後のガス分離選択性低下が抑制されたことがわかった。
一方、比較例１より、セルロース層を有さない場合は、不純物ガス暴露後のガス分離選択性が大きく低下することがわかった。
比較例２より、ポリイミド層を有さない場合は、ガス透過性およびガス分離選択性が低いことがわかった。
比較例３より、セルロース層に用いるセルロース化合物が特開昭６３−１１６７２６号公報に記載のエチルセルロースである場合は不純物ガス暴露後のガス分離選択性が大きく低下することがわかった。
比較例４より、セルロース層に用いるセルロース化合物がアガロースである場合は、ガス透過性およびガス分離選択性が低いことがわかった。
比較例５より、セルロース層に用いるセルロース化合物が酢酸セルロース（トリアセチルセルロース）である場合は、不純物ガス暴露後のガス分離選択性が大きく低下することがわかった。
比較例６より、セルロース層に用いるセルロース化合物がポリビニルアルコールである場合は、ガス透過性およびガス分離選択性が低いことがわかった。
【０１６２】
［実施例１０１〜１０６］
−モジュール化−
実施例１〜６で作製したガス分離膜を用いて、特開平５−１６８８６９号公報の［００１２］〜［００１７］を参考に、スパイラル型モジュールを作製した。得られたガス分離膜モジュールを、実施例１０１〜１０６のガス分離膜モジュールとした。
作製した各実施例のガス分離膜モジュールは、内蔵するガス分離膜の性能のとおり、良好なものであることを確認した。
作製した各実施例のガス分離膜モジュールは、リーフ（リーフとはスパイラル型モジュールにおいて透過側の空間が中心管に接続されている、封筒状に折り曲げられたガス分離膜の部分のことを言う）の片面の中心の１０ｃｍ×１０ｃｍ内よりランダムに１ｃｍ×１ｃｍを１０点採取し、実施例１の方法に従い、表面と深さ方向の元素比を算出すると、１０点中９点以上で内蔵する分離膜の通りのものであることを確認した。またスパイラル型モジュールは、内蔵するガス分離膜の性能のとおり、良好なものであることを確認した。
【符号の説明】
【０１６３】
２  樹脂層
３  ポリイミド層
４  支持体
８  セルロース層
９  保護層
１０  ガス分離膜
２１  アルミ板
２２  カプトンテープ
【図１】
2018012089.tif 000022
【図２】
2018012089.tif 000023
【図３】
2018012089.tif 000024