(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎水性マトリックスポリマーを有するメンブレン溶媒系をメンブレン成型する工程を含む分離メンブレンを親水性にするためのプロセスであって、該メンブレン溶媒系は、該疎水性マトリックスポリマーとしてのポリエーテルスルホンと、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドからなる群から選択されるアルキル基含有ユニットを含む疎水性ユニットと、エチレンオキシドを含む親水性ユニットとを含むブロックコポリマー湿潤剤と、親水性向上剤としてのγ−ブチロラクトンとを含み、かつ該γ−ブチロラクトンは該メンブレン溶媒系の少なくとも７．５％の量で存在することを特徴とする親水性メンブレンの製造方法。
【請求項２】
前記ブロックコポリマー湿潤剤がプロピレンオキシド−エチレンオキシド−プロピレンオキシドブロックコポリマーユニットの繰り返し配列を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
疎水性マトリックスポリマーとしてのポリエーテルスルホンと、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドからなる群から選択されるアルキル基含有ユニットを含む疎水性ユニットと、エチレンオキシドを含む親水性ユニットとを含むブロックコポリマー湿潤剤と、親水性向上剤としてのγ−ブチロラクトンとを含み、かつ該γ−ブチロラクトンは、該メンブレン溶媒系の少なくとも７．５％の量で存在することを特徴とする、請求項１記載の方法に用いるメンブレン溶媒系。
【請求項４】
前記ブロックコポリマーは、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドから選択されるアルキル基含有ユニットを含む疎水性ユニットと、エチレンオキシドを含む親水性ユニットとを含む、請求項３に記載のメンブレン溶媒系。
【請求項５】
前記ブロックコポリマー湿潤剤はプロピレンオキシド−エチレンオキシド−プロピレンオキシドブロックコポリマーユニットの繰り返し配列を含む、請求項３に記載のメンブレン溶媒系。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本出願は、仮出願番号第６０／０３０，１４２号（１９９６年１１月１２日出願）の利益を受けるものである。
本発明は、微孔性メンブレンを親水性にする方法に関する。より具体的には、本発明は、特定の薬剤を、そのようなメンブレンを成型する際に使用される溶媒系に添加して、メンブレンの永久的な親水性を増強することに関する。本発明はさらに、溶媒系添加物を含む本発明の成型組成物を使用して製造されるメンブレンに関する。
多くの合成ポリマーメンブレンは、公知の相転換プロセスによって作られている。一般に、精密ろ過および限外ろ過のために調製されたメンブレンに使用されるポリマーマトリックス材料は、本質的には疎水性であり、従って水性系のろ過を困難にする。疎水性メンブレンを親水性にするために、従って水性溶液をろ過するために使用できるようにするために、湿潤剤が、メンブレンを成型するために使用されるポリマー系に添加され得る。湿潤剤（これは界面活性剤である）を、製造後の処理工程においてメンブレンマトリックスに加えることができる。しかし、このような方法で添加される湿潤剤により、甚だしい浸出問題、湿潤剤など外部の物質をろ過物に持ち込むことで悩まされる傾向がある。浸出問題は、後処理工程中においてメンブレンマトリックス上で架橋されたポリマー湿潤剤を使用することによって現れ得る（例えば、米国特許第５，３７６，２７４号）。しかし、後処理工程の付加は、メンブレン製造プロセスを複雑にする。
後処理されたメンブレンを使用するときに遭遇する浸出問題はまた、湿潤剤がメンブレン表面内およびその表面上に取り込まれるプロセスによって明らかにされている。これは、一般に、湿潤剤を最初のメンブレン成型処方物に組み入れることによりもたらされ、米国特許第４，９００，４４９号で開示されているように、メンブレン表面に取り込まれている薬剤の一部分である。メンブレン表面で取り込まれる薬剤の量に影響するいくつかの因子には、沈澱が生成するときの速度、および様々な成分の混合の割合が挙げられる。米国特許第４，９００，４４９号において、親水性は、ポリエチレングリコールおよびポリビニルピロリドンなどの親水性の添加物を使用することによって達成されている。それにもかかわらず、このメンブレン系は、洗浄工程中にメンブレンから浸出する添加物の量に悩まされている。これは、親水性のポリエチレングリコールおよびポリビニルピロリドンの添加物と疎水性のポリエーテルスルホンのメンブレンマトリックスポリマーとの不適合性によるためであることが十分に考えられる。従って、このメンブレンは、湿潤剤の含有量が調節されなかったり、調和されないままであり、さらにメンブレン表面全体の均一性を欠く。
湿潤剤の添加により疎水性メンブレンを親水性にすることによって遭遇する浸出問題を解決しようとする別の試みは、ブロックコポリマー（疎水性部分および親水成分の組合せを含むコポリマー）をマトリックス添加物として使用することであった。このコポリマー添加物の疎水性部分は、疎水性マトリックスポリマーとより適合し得るが、メンブレンマトリックスポリマーと絡まる傾向があり、従ってメンブレンマトリックスポリマーに固定され、コポリマーの親水性部分がメンブレン表面に置かれている。主要な疎水性マトリックスメンブレンと、処方するために使用されるブロックコポリマー添加物および溶媒系との間の相互作用は複雑なものである。全体として、系の様々な成分のタイプおよび量を変化させることは、ブロックコポリマーとメンブレンマトリックスとの絡まりを大きくしたり、少なくしたりすることができ、従ってメンブレンの親水性を変化させることができる。ブロックコポリマー湿潤剤の添加は上記の先行技術の方法以上に改善をもたらすが、それにもかかわらず、メンブレン表面に事実上保持される薬剤の量に関する問題に、たとえ少しであっても悩まされる。
本発明は、マトリックスポリマー物質に添加され、水性分離プロセスにおいて使用するためにそれから得られるポリマーメンブレン成型物を親水性にするブロックポリマーを、メンブレン表面に実質的に永久固定する手段を提供する。これにより、使用中の浸出問題の多くが回避され、同様にメンブレン表面の親水性の変化に関連する問題も回避される。
発明の要旨
本発明は、疎水性マトリックスポリマーを有する分離メンブレンを親水性にするためのプロセスに関する。このプロセスは、メンブレン溶媒系にマトリックスポリマーと適合し得る環状エステル添加物を混ぜ、湿潤剤添加物を添加することを含み、その結果、生成するメンブレンは直ちに湿潤的になる。本発明はさらに、このプロセスに従って形成されるメンブレンに関する。
発明の詳細な説明
本発明は、親水性増強剤を、微孔性メンブレンを成型するために使用される組成物の溶媒系に添加することに関する。マトリックスポリマーおよびコポリマー湿潤剤を含むメンブレン成型溶液において、本発明は、メンブレンを親水性にするために使用されるコポリマー湿潤剤添加物を疎水性マトリックスポリマーに実質的に永久固定する成型組成物の溶液系に薬剤を添加することを提供する。具体的には、本発明は、γ−ブチロラクトンをメンブレンの溶媒系に添加して、ブロックコポリマーのメンブレンマトリックスとの絡まりを促進させ、生成する相転換メンブレンに親水性を付与することに関する。さらに、このようにして調製されたメンブレンは直ちに湿潤的になる。
多孔性のポリマー構造体を調製するためのプロセスがいくつか存在する。一般的なプロセスの多くは、ポリマー溶液の相分離を基本とする。そのようなプロセスでは、ポリマー溶液の組成または温度が、それによって熱力学的に不安定にして、２つの相に分離するような方法で変化させられる。次に、溶媒成分の大部分を含有する一方の相が除かれ、もう一方の相が多孔性の構造体になる。相分離プロセスのタイプは、通常、３つのカテゴリーに分類される：１）蒸気誘導相分離（ＶＩＰＳ）（「ドライ成型」または「エア成型」とも呼ばれる）；２）液体誘導相分離（ＬＩＳＰ）（多くの場合、「浸漬成型」または「ウェット成型」として示される）；および３）熱誘導相分離（ＴＩＰＳ）（大抵の場合、「溶融成型」と呼ばれる）。前記の相転換促進プロセスのいずれもが使用できるが、本明細書中のメンブレンは、蒸気相転換プロセス処理によって調製することが好ましい。この方法は、水分を系に導入し、続いて溶媒を除くことによって操作される。さらに、このタイプのプロセスを使用する場合には、より複雑な処方物を取り扱うことができる。
適切な環状エステルを溶媒系に添加することよって、メンブレンの湿潤性は大きく増強される。本発明における使用に適切な環状エステル化合物は、この環状エステル化合物と所定レベルの組成における処方物の残りの成分との適合性によって決められる。本発明の好ましい態様において、γ−ブチロラクトンが、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）マトリックスポリマーをエチレンオキシド−プロピレンオキシド（ＥＯ−ＰＯ）ブロックコポリマーの湿潤剤と組み合わせてさらに含むメンブレン系のエステル添加物として用いられる。これ以降、本発明は、このメンブレン系およびγ−ブチロラクトン添加物を参照して説明する。しかし、他の系として、他のより化学的に適合し得る環状エステル化合物を使用することが含まれ、実際、そのような使用からより良好な結果が得られることを理解しなければならない。
ラクトン添加物（具体的には、γ−ブチロラクトン）は、メンブレン系のブロックコポリマー湿潤剤部の親水性部分を、上記の相転換プロセス中のポリマー−溶媒界面に置くかまたは配置するように機能する。このような配置を取ることはポリマー鎖の絡まりを促進し、従って増強された親水性が実質的に永久的な基部で得られる。絡まりが永久的であれば、湿潤剤の取るに足らないほどの浸出がろ過中に生じるが、これにより、メンブレン性能において、類似の分離プロセスに有用な先行技術のメンブレンよりもかなり優れた改善がもたらされる。
本発明の溶媒添加物は、多くの相転換メンブレン（必ずしもすべてのものではない）において使用することに適する。本明細書中で使用される「分離メンブレン」は、任意のタイプの水性分離メンブレンを含むことを意味し、精密ろ過メンブレン、限外ろ過メンブレンおよびナノろ過メンブレンなどを含む。さらに、分離メンブレンは任意の形態であり得る：例えば、平坦シート、中空ファイバー、管状メンブレン、支持型および非支持型のメンブレンなどである。本明細書中で使用される用語「メンブレン成型溶液」は、メンブレンが製造される溶液をいい、成型されることによってのみ形成されるメンブレンに本発明を限定することを意図しないが、任意の他の慣用的な方法または公知な方法（紡糸など）によって形成されるメンブレンもまた含む。
目的物分離の多くの場合、メンブレンの強度および化学的耐性は重要である。しかし、十分な強度および化学的耐性を示す多くのメンブレンは、本質的に疎水性である。疎水性メンブレンは、一般的な親水性試験条件下でその重量の約０．５％未満の水を吸収するメンブレンとして定義される。ポリマーの疎水性の一般的な測定は、２４時間以内または平衡状態時の塊状ポリマーによる水の吸収である：これはＡＳＴＭ  Ｄ５７０（ポリマーによる水吸収を測定するための標準方法）に記載されている。しかし、疎水性ポリマーおよび親水性ポリマーの一般的に認められている定義は存在しない。本発明の目的のためには、疎水性ポリマーは、その重量の０．５％未満の水を２４時間以内に、そして４％以下の水を平衡状態時に吸収するポリマーである。そのようなポリマーの固体片の表面は、典型的には湿潤的ではなく、そのような傾斜した表面に置かれた水滴は、尾を引くことなく転がり落ちる。
多数のポリマーの水吸収に関する文献データを以下の表に示す。
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上記の定義により、ポリエーテルイミド、ポリスルホンおよびポリエーテルスルホンは疎水性であり、一方ナイロン６６、芳香族ポリアミドおよび酢酸セルロースは親水性である。疎水性であることが上記に示されるそれらのポリマーに加えて、前記の標準法により同様に疎水性である適切な塊状マトリックスポリマーには、ポリビニルジフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリイミドおよびニトロセルロースが含まれる。好ましいポリマーは、ポリエーテルスルホンである。
メンブレン成型溶液のブロックコポリマー成分は、任意のブロックコポリマーであり得る。そのようなブロックコポリマーにおいて、ポリマーの親水性成分はエチレンオキシドユニットからなり、ポリマーの疎水性部分はプロピレンオキシドユニット、ブチレンオキシドユニットまたは他のアルキル基含有ユニットからなる。ブロックコポリマーは、広範囲の分子量を有することができ、親水性ユニットに対する疎水性ユニットの割合も同様に変化し得る。
メンブレンの溶媒系において使用され得る添加物は、ブロックコポリマーの親水性部分を相転換プロセス中にマトリックス−溶媒界面に配置するように機能しなければならない。溶媒添加物のこの機能によって、ブロックコポリマーの疎水性ユニットとマトリックスポリマー鎖との絡まりが確実にされ、そのような絡まりを促進し、コポリマーの疎水性ユニットをメンブレン表面に置く。さらに、本明細書中で示されるタイプの溶媒添加物を使用することによって、メンブレンの湿潤性が改善される。溶媒添加物を使用することなく、そしてコポリマーを唯一のマトリックス添加物として使用することによって、マトリックスポリマー−ブロックコポリマーの混合物は、ゆっくりと湿潤的になる。しかし、溶媒添加物を使用することによって、メンブレンはより親水性になり、メンブレンの湿潤性は大きく増強される。γ−ブチロラクトンは、本発明の好ましい態様の溶媒添加物であるが、所定のマトリックスポリマー−ブロックコポリマー混合物の存在下で同様の挙動を示す他の環状エステルを使用することも可能である。
本発明の別の態様として、本明細書中に記載される添加物を、溶媒系の一部としてではなく、その唯一の溶媒として使用することは可能である。この場合、使用されるγ−ブチロラクトンの量を制限して、容易に成型することができないゲルの生成を避けることが重要である。しかし、溶媒系を使用する場合、この系は、１つ以上の適合し得る溶媒を含み得る。使用できる溶媒は、以下のような一般的な溶媒である：Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、テトラメチル尿素、トリエチルリン酸、ハロゲン化炭化水素、ケトンおよびエステルなど。これらの溶媒および他の類似する溶媒を本発明において、単独で、あるいは用いられるマトリックスおよび実施され得るろ過に適する割合で互いに組み合わせてのいずれかで使用することができる。
以下の実施例は、単に、その好ましい態様において、本発明によって読者／使用者をより十分に理解させる手段として提供される。本発明の範囲の完全な広がりは、実施例によって限定されることは意図されず、むしろ本明細書中に添付される最も広い請求項の範囲およびその広がりによってのみに限定される。
実施例１および２、参考例１
実施例１および２、参考例１のメンブレン系は、塊状ポリマーとしてポリエーテルスルホン（ＢＡＳＦ  Ｕｌｔｒａｓｏｎ  Ｅ６０２０）、ポリエチレングリコール３００孔形成剤、プロピレンオキシド−エチレンオキシド−プロピレンオキシド（ＰＯ−ＥＯ−ＰＯ）構造を有するブロックコポリマー（Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  １０Ｒ５）、ＮＭＰ溶媒を含み、そして実施例１および２では、γ−ブチロラクトンを親水性増強環状エステル添加剤として含んだ。これらの成分を、表IIに列記した比で混合した。ブロックコポリマーはまた、孔形成剤として機能する。混合物を攪拌して均一にし、ガラス板上で１０ミルで成型した。次いで、成型メンブレンを８０〜８５％の相対湿度の周囲空気に２０分間曝した。この時間中に、フィルムは乳白色になった。次いで、フィルムを水中に浸し、完全に凝固させ、そして十分に洗浄して過剰の溶媒および孔形成剤を浸み出させた。次いで、得られたフィルムを周囲温度で終夜乾燥した。
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上記の表におけるデータは、メンブレンの親水性を増大させることにおける溶媒添加物の有用性を明らかにしている。具体的には、データは、以下のような種々のメンブレンに関する湿潤時間を示す：本明細書中の主題である溶媒添加物を用いることなく従来法で調製された１つのメンブレンおよび溶媒添加物が使用されている２つのメンブレン。実施例１および２は直ちに湿潤したが、添加物を用いない参考例１では、湿潤するためにより長い時間を要した。
実施例３〜６、参考例２〜５
以下の実施例３〜６、参考例２〜５は、本発明の様々な溶媒の影響を明らかにするために提供される。表IIIに示すように、他のすべての要因を一定にしたままで、メンブレンを、実施例１および２に示される方法に従って調製したが、溶媒のみを変化させた。
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上記は、γ−ブチロラクトン添加物を含むことの湿潤性に関する影響、ならびに異なる溶媒を使用することの影響を明確に明らかにする。
実施例７〜９、参考例６、７
環状エステル添加物の量を変化させることの影響もまた分析した。示されるように、使用されるγ−ブチロラクトンの量を増加させると、ＮＭＰ溶媒の量は対応して減少した。メンブレンを、上記の実施例１および２に示された方法によって調製したが、唯一の変化は環状エステル添加物の量であった。
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ラクトンを、直ちに湿潤するメンブレンを得るために、系の少なくとも７．５％よりも多くの量で添加しなければならないことを示す。
参考例８〜１２
以下の参考例８〜１２において、試験されたメンブレンは、以前に使用した方法に従って調製されたが、唯一の変化は、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）塊状樹脂ポリマーよりもポリスルホン（ＰＳ）を使用したことであった。示したデータは、ＰＥＳに適し得ることが示されたレベルよりも十分に高いレベルにおける環状エステル添加物の存在下においてでさえも、ＰＳ／γ−ブチロラクトン系は、依然として疎水性であることを示す。異なる溶媒系の使用によって、本明細書中で示されるタイプのＰＳメンブレン系の親水性が影響を受け得ることはさらに注目される。表Ｖは、これらのメンブレンに関する親水性試験の結果を示す。
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参考例１３〜１７
これらの参考例１３〜１７は、ＰＯ−ＥＯ−ＰＯブロックコポリマーを除いた上記の手順に従って調製されたメンブレンを示す。表VIのデータは、本明細書中で選択される環状エステル添加物によって、ブロックコポリマーの非存在下でさえも、メンブレンの親水性は影響を受けるという結論を支持する。しかし、明らかに、ブロックコポリマーはさらに、親水性の達成を増強する。すなわち、わずかに７．５％のγ−ブチロラクトンが、ブロックコポリマーの使用によって直ちに湿潤するメンブレンを得るために必要であるが、ブロックコポリマーを使用しない場合には、１１．３％の添加物が即座の湿潤性を得るために必要であった。
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実施例１０〜１３
実施例１０〜１３において、本発明に従って調製されたメンブレンの親水性の持続性を明らかにした。上記の実施例１、３、４および８から採取した３インチ×８インチ（３″×８″）片のメンブレンを、６００ｍｌの沸騰水中に２０分間入れた。次いで、それらを蒸留水で洗浄し、終夜乾燥した。これらのメンブレンの性能を再び測定し、表VIIに記す。
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これらのメンブレンは、沸騰水中で２０分後、その親水性を失わなかった。
上記の実施例は、本発明をより十分に明らかにするために付けられているが、本発明に関して限定的であることを意図していない。本発明の完全な範囲は、本明細書の完全な教示および本明細書に添付された請求の範囲に見出される。