(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択透過性を有する高分子浸透膜の端部に、表面が金属メッキ層で被覆された取付部を形成し、この取付部に上記金属メッキ層を介して樹脂製のポッティング材を固着してなることを特徴とする高分子浸透膜組立体。
【請求項２】
イオン交換樹脂からなり選択透過性を有する高分子浸透膜の端部に、イオン交換基を金属イオンで置換するイオン架橋処理を施して、その表面にエッチング処理を施すことにより、硬質化されかつ接着性が高められた処理表面を有する取付部を形成し、この取付部に樹脂製のポッティング材を固着してなることを特徴とする高分子浸透膜組立体。
【請求項３】
上記高分子浸透膜がイオン交換樹脂からなっていて、
上記金属メッキ層が、イオン交換基を金属イオンで置換するイオン架橋処理を施した上記端部の表面に被設されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子浸透膜組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高分子浸透膜組立体に関するものであり、更に詳しくは、除湿器や加湿器、濃縮器、分離器、フィルタ−、燃料電池等に使用する高分子浸透膜組立体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の高分子浸透膜は、その機能によって逆浸透膜、限外濾過膜、精密濾過膜、気体分離膜、透析膜等に分けることができ、処理装置のハウジング内に組み込まれて各種の流体処理に使用されるが、上記ハウジングに組み込むに当たってはモジュ−ル化する必要がある。また、前記浸透膜の形状としては平膜状、中空糸状、スパイラル状、積層状、複合膜状等があり、膜の形態によってモジュ−ルの形態も異なる。
【０００３】
上記高分子浸透膜をモジュ−ル化する具体例として、例えば特開昭６２−７４４３４号公報には、ガス分離用の中空糸を複数束ねて形成した糸束の両端部を、熱硬化性のエポキシ樹脂で遠心成形した樹脂壁内に一体に埋設、固着することにより糸束エレメントを形成し、この糸束エレメントを上記樹脂壁によりハウジング内に内蔵するようにしたものが開示されている。
【０００４】
また、特開平１−２５４２０９号公報には、耐熱性エンジニアリングプラスチックスで形成されたハウジング内に中空糸膜を複数本装填し、前記中空糸膜の両端部をポリアミド系硬化剤とエポキシ樹脂を混合してなるポッティング材により前記ハウジングに流密に固着してなる中空糸型モジュ−ル構造体が開示されている。このモジュ−ル構造体は、耐熱性、耐薬品性に優れ、且つ高強度で、各種の分野に使用できるということが述べられている。
【０００５】
さらに、特開昭６３−２２４７１４号公報には、中空糸からなる糸束の端部にエポキシ樹脂製のポッティング材を固着し、このポッティング材のシ−ル部材と接触する側の表層面にセラミック粉末を配合すると共に、反対側の面に金属製弾性部材を配設したガス分離装置が示されている。そしてこのガス分離装置は、高温、高圧の苛酷な条件下で使用しても、原料ガス通過室と透過ガスとを粒密状態で隔離することができることが述べられている。
【０００６】
このように、高分子浸透膜をモジュール化した上記従来の高分子浸透膜組立体においては、高分子浸透膜の両端をそのままの状態で樹脂壁すなわちポッティング材の内部に直接埋設、固着させているが、これらの高分子浸透膜とポッティング材との間には、素材の違いによって膨張率や収縮率等に差があるため、装置を高温湿潤状態と低温乾燥状態とが繰り返されるような苛酷な条件下で使用する場合に、これらの高分子浸透膜とポッティング材との接着面が異なる変形を繰り返して剥離したり、それらの固着部分でポッティング材が隆起したり陥没したりして変形や微細なクラック等を生じ易く、その結果、高分子浸透膜とポッティング材との間のシ−ル性が不完全になり易いという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、高分子浸透膜とポッティング材との間に膨張率や収縮率などの性状の違いがあっても、それらを剥離や変形等を生じないように確実かつ強固に固着することができる、耐久性とシール性とに勝れた高分子浸透膜組立体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、選択透過性を有する高分子浸透膜の少なくとも一端部に、表面が金属メッキ層で被覆された取付部を形成し、この取付部に上記金属メッキ層を介して樹脂製のポッティング材を固着してなることを特徴とする高分子浸透膜組立体が提供される。
そのとき、上記高分子浸透膜がイオン交換樹脂からなっていて、上記金属メッキ層は、取付部の表面にイオン交換基を金属イオンで置換するイオン架橋処理を施したあと被設することが望ましい。
【０００９】
上記構成を有する本発明の高分子浸透膜組立体は、高分子浸透膜の端部に金属メッキ層を介してポッティング材を固着したので、この金属メッキ層により接着性が高められてシール性が向上するだけでなく、高分子浸透膜の端部の機械的強度も大きくなる。このため、上記高分子浸透膜組立体を装置のハウジング内に組み込んで各種の流体処理に使用する場合に、上記高分子浸透膜がポッティング材に固着した部分以外で含水により膨潤したり、乾燥により収縮しても、該高分子浸透膜のポッティング材に固着した取付部においては、金属メッキ層によりその膨潤や収縮が確実に抑制され、剥離や、ポッティング材の変形によるクラック発生等が生じにくい。また、上記金属メッキ層により耐熱性も高められるため、自己反応熱の高いポッティング材と組み合わせて使用することもできる。
【００１０】
すなわち本発明によれば、上記高分子浸透膜の膨張・収縮係数がポッティング材と大きく違っているとか、耐熱温度が低いとか、柔軟性が大きいとか、接着性が悪いといったような場合であっても、該高分子浸透膜を金属メッキ層の介在によってポッティング材に確実かつ強固に固着することができ、耐久性とシール性とに勝れた高分子浸透膜組立体を得ることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、イオン交換樹脂からなり選択透過性を有する高分子浸透膜の端部に、イオン交換基を金属イオンで置換するイオン架橋処理を施して、その表面にエッチング処理を施すことにより、硬質化されかつ接着性が高められた処理表面を有する取付部を形成し、この取付部に樹脂製のポッティング材を固着してなることを特徴とする高分子浸透膜組立体が提供される。
【００１２】
このような高分子浸透膜組立体においても、高分子浸透膜の取付部における接着性と機械的強度とが高められているため、上記金属メッキ層を形成した場合と同様に、この高分子浸透膜をポッティング材に確実かつ強固に固着することができ、耐久性とシール性とに勝れた高分子浸透膜組立体を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の高分子浸透膜組立体を用いた流体処理装置を示すもので、この流体処理装置は、円筒形をしたハウジング１の内部に上記高分子浸透膜組立体２Ａを組み込むことにより構成されている。
【００１４】
上記ハウジング１は、円筒形をした外筒１０と、この外筒１０の軸方向両端部にそれぞれ螺着等の手段で取り付けられたヘッドキャップ１１，１２とにより構成されている。一方のヘッドキャップ１１には、例えば水素ガスなどの被加湿用流体１４を供給するための第１供給口１３ａが設けられ、他方のヘッドキャップ１２には、加湿された被加湿用流体１４を取り出すための第１排出口１３ｂが設けられており、また、上記外筒１０には、例えば水蒸気などの加湿用流体１６を供給するための第２供給口１５ａと、該加湿用流体１６を取り出すための第２排出口１５ｂとが設けられている。
【００１５】
上記高分子浸透膜組立体２Ａは、中空糸状をした高分子浸透膜（中空糸膜）１８を複数本円柱状に束ね、この膜束の両端部に、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂からなるポッティング材１９を短円柱状に固着したもので、このポッティング材１９を円筒状のポッティングケース２０内に密に嵌合して保持させると共に、このポッティングケース２０を上記外筒１０の端部に密嵌させて固定することにより、上記ハウジング１内に収容されている。
【００１６】
上記高分子浸透膜すなわち中空糸膜１８は、ガスや水蒸気あるいは液体等の流体を選択的に透過させ得るものであればどのような素材からなるものであっても良く、その素材としては、例えばポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、芳香族ポリアミド、芳香族ポリイミド、フッ素系のイオン交換性樹脂等の高分子材料が使用される。
【００１７】
上記中空糸膜１８の端部に上記ポッティング材１９を固着するに当たっては、図２から分かるように、各中空糸膜１８の端部に金属メッキ処理を施すことにより、内外両表面がニッケル等の金属メッキ層２２で被覆された取付部１８ａを形成し、この取付部１８ａに上記金属メッキ層２２を介して上記ポッティング材１９を固着する。
【００１８】
上記メッキの方法としては無電解メッキ法が好ましいが、電解メッキ法であっても、その他のメッキ法であっても良い。このような金属メッキ処理は次のよにして行われる。まず、中空糸膜１８の取付部１８ａを金属錯体を含んだ水溶液中に浸漬させてこの金属錯体を膜表面に吸着させ、次に、吸着した金属錯体を還元剤により還元して上記取付部１８ａの内表面と外表面とに金属層を析出させ、そのあとに洗浄、乾燥して高温処理することにより、上記金属メッキ層２２と中空糸膜１８との密着性を高める。上記金属メッキ層２２を更に成長させる場合は、上記金属錯体の吸着工程と還元剤による析出工程とを複数回繰り返せば良い。また、金属メッキ処理を行ったあと、例えば６０〜２００程度の熱処理を行って乾燥させることにより、中空糸膜１８と金属メッキ層２２との密着性を著しく向上させることができる。
【００１９】
また、上記中空糸膜１８を束ねた膜束の両端部にポッティング材１９を固着する方法としては、例えば次のような方法がある。すなわち、上記膜束の金属メッキ処理された取付部１８ａを型内に収容し、この型を回転させて膜束の端部方向に遠心力を作用させながら、該型内に液状の熱硬化性樹脂を流入させて６０〜１００℃の温度に加熱し、硬化させることにより、上記膜束の端部に短円柱状をした上記ポッティング材１９を固着する方法である。しかし、このように遠心力を作用させることなく、膜束の端部を液状の熱硬化性樹脂内に浸漬させて熱硬化させることにより、上記ポッティング材を固着することもできる。あるいは、樹脂で予め所要の形状に形成したポッティング材に、上記中空糸膜１８の取付部１８ａを接着剤で固着することも可能である。
【００２０】
上記構成を有する流体処理装置において、第１供給口１３ａから被加湿用流体１４を供給すると共に、第２供給口１５ａから加湿用流体１６を供給すると、上記被加湿用流体１４は、各中空糸膜１８内を流れて第１排出口１３ｂから排出され、一方の加湿用流体１６は、上記各中空糸膜１８の間を流れて第２排出口１５ｂから排出されるが、このとき該加湿用流体１６の一部が中空糸膜１８を透過して被加湿用流体１４中に混合するため、加湿された被加湿用流体１４が第１排出口１３ｂから取り出される。なお、上記被加湿用流体１４と加湿用流体１６とが中空糸膜１８を介して向流的に接触するように、上記第２供給口１５ａが第１排出口１３ｂ側に設けられ、第２排出口１５ｂは第１供給口１３側に設けられている。
【００２１】
ここで、前記中空糸膜１８が低い耐熱温度と膨潤し易い性質とを有する場合には、この中空糸膜１８は、膨潤により径方向及び長手方向へ変形しようとし、使用温度が高ければさらに、軟化して内径方向へ一層変形しようとする。従って、該中空糸膜１８の取付部１８ａ、すなわちポッティング材１９に埋設、固着された部分が、膨潤等により変形可能な状態になっていると、上記ポッティング材１９の耐熱温度が低い場合、このポッティング材１９が中空糸膜１８の膨潤力を抑えることができなくなって隆起し、クラック発生の原因につながる。また、中空糸膜１８が湿潤状態から乾燥状態へ変化した時、該中空糸膜１８が収縮してポッティング材１９から剥離したり、該ポッティング材１９がその部分で陥没したりし易い。
【００２２】
しかしながら、上記実施例においては、中空糸膜１８が、取付部１８ａに被設した金属メッキ層２２を介してポッティング材１９に固着されているので、この金属メッキ層２２によりポッティング材１９との接着性が高められてシール性が向上するだけでなく、取付部１８ａの機械的強度も大きくなる。従って、この高分子浸透膜組立体２Ａを装置のハウジング１内に組み込んで各種の流体処理に使用する場合に、上記中空糸膜１８がポッティング材１９に固着した部分以外で含水により膨潤したり、乾燥により収縮しても、ポッティング材１９に固着した部分では金属メッキ層２２によりその膨潤や収縮が確実に抑制され、相互剥離や、ポッティング材１９の変形によるクラック発生等が生じにくい。
【００２３】
また、上記高分子浸透膜組立体２Ａの製造に当たって中空糸膜１８の取付部１８ａにポッティング材１９を固着する場合に、例えば該ポッティング材としてエポキシ樹脂を使用し、中空糸膜１８の耐熱温度が低いような場合には、エポキシ樹脂は硬化時に自己発熱して硬化する性質があり、エポキシ樹脂の耐熱性を持たせようとすると自己発熱温度も高くなる傾向があるため、耐熱温度の低い中空糸膜１８がエポキシ樹脂へ直接埋設されていると、該中空糸膜１８の端部がエポキシ樹脂の自己発熱温度により熱分解を起こして発泡し、内部に巣ができた状態でエポキシ樹脂が硬化してしまい、シ−ル性が著しく低下する。
【００２４】
しかしながら上記実施例においては、中空糸膜１８の端部に金属メッキ層２２を形成したことにより、この金属メッキ層２２によって中空糸膜１８の耐熱性が高められるため、自己反応熱の高いポッティング材であっても、それと組み合わせて使用することができる。
【００２５】
上記中空糸膜１８（高分子浸透膜）は、含フッ素系イオン交換樹脂で形成することもできる。この場合、含フッ素系イオン交換膜は透湿性に優れて膨潤収縮性を有するため、膜強度を高める目的で、中空糸膜１８の上記取付部１８ａにイオン架橋処理を施し、そのあとに金属メッキ処理を施して金属メッキ層２２を被覆することが望ましい。このように含フッ素系イオン交換膜の交換基を金属イオンにて置換することにより、取付部１８ａの膜強度を高めて上述した膨潤収縮性を抑えることができる。なお、上記金属イオンによる置換によって中空糸膜１８のポッティング材１９に対する接着性は低下するが、その表面に上記金属メッキ層２２を被覆することにより、上記接着性を確実に維持又は向上させることができる。
【００２６】
上記金属イオンはどのような種類であっても良いが、最も効果的な金属イオンはカリウムイオンである。この場合には、上記中空糸膜１８の取付部１８ａを水酸化カリウムの水溶液中に浸漬させてイオン交換基をカリウムイオンで置換し、水洗及び乾燥したあと、金属メッキ処理を施すことによってニッケル等の金属メッキ層２２を形成する。そして、束ねた中空糸の上記取付部１８ａに上記ポッティング材を固着する。
【００２７】
上記実施例では、中空糸膜１８（高分子浸透膜）の取付部１８ａに金属メッキ層２２を被覆したものについて示されているが、このような金属メッキ層２２を被覆する代わりに、図３に示す第２実施例のように、中空糸膜１８の取付部１８ａに、前述したような金属イオン架橋処理を施して、その表面に溶剤によるエッチング処理を施すことにより、硬質化されかつ接着性が高められた処理表面２３を形成し、この取付部１８ａに樹脂製のポッティング材１９を固着して高分子浸透膜組立体２Ｂを得ることもできる。
【００２８】
上述した高分子浸透膜組立体２Ａ，２Ｂを内蔵した流体処理装置は、例えば固体高分子型燃料電池本体や、固体高分子型燃料電池用加湿器等に好適に適用することができる。この固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜を用いており、この固体高分子電解質膜は、前述した含フッ素系イオン交換膜と類似した物性を示すもので、プロトン伝導性を維持するために水分を外部より補給する必要があり、常時湿潤状態にある。また運転温度が１００℃以下であるため、前記電解質膜の膨潤収縮挙動に対するシ−ルの安定性や耐熱性が必要となる。従って、前述したような表面処理を取付部１８ａに施すことにより、ポッティング材との接着性及び密着性を高めることができる。
しかし、上記高分子浸透膜組立体２Ａは、その他の除湿器や加湿器、濃縮器、分離器、フィルタ−等にも使用できるものである。
【００２９】
また、上記各実施例では、高分子浸透膜組立体２Ａ，２Ｂが、中空糸状の高分子浸透膜１８を使用し、束ねた中空糸膜１８の両端にポッティング材１９を、該中空糸膜１８の両端が外部に開放するように固着して形成されているが、高分子浸透膜組立体の形態はこのようなものに限定されず、用途によって種々に異なるものである。例えば、上記中空糸膜１８は一つであっても良い。また、上記取付部１８ａを中空糸膜１８の一端側だけに形成し、これに上記ポッティング材１９を固着する場合もある。あるいは、例えばガス分離用として使用する場合には、一端側のポッティング材１９は中空糸膜１８の端部が外部に開放するように固着し、他端側のポッティング材１９は中空糸膜１８の端部を塞ぐように固着することもある。
【００３０】
さらには、上述したような中空糸状の高分子浸透膜を用いる代わりに、平膜状の高分子浸透膜を使用して高分子浸透膜組立体を形成することもできる。図４に示す第３実施例の高分子浸透膜組立体２Ｃは、平膜状をした高分子浸透膜３０の端部に、上述した方法で得られる金属メッキ層２２又は処理表面２３を有する取付部３０ａ形成し、この取付部３０ａにポッティング材１９を固着したものである。この場合の高分子浸透膜３０の形状は円形、矩形、あるいはその他の適宜形状とすることができ、また、上記取付部３０ａ及びポッティング材１９は、高分子浸透膜組立体２Ｃの用途に応じて高分子浸透膜３０の全周に設けられるか、あるいは外周の一部だけに部分的に設けられる。また、上記高分子浸透膜３０は、複数枚を重ねて用いることもでき、この場合、隣接する高分子浸透膜３０，３０は、用途に応じて相互に密着させて配置することも、相互間に一定の間隔を保って配置することもある。
【００３１】
図５に示す第４実施例の高分子浸透膜組立体２Ｄは、平膜状をした高分子浸透膜３０を複数枚積層して積層体３３とすると共に、この積層体３３の端部に、上述した金属メッキ層２２か又は処理表面２３を有する取付部３３ａを形成し、この取付部３３ａにポッティング材１９を固着したものである。この場合にも、上記取付部３３ａ及びポッティング材１９は、積層体３３の全周に設けられることも、部分的に設けられることもある。
【００３２】
図６及び図７に示す第５実施例の高分子浸透膜組立体２Ｅは、高分子浸透膜３５を渦巻き状に巻いて形成したものである。この高分子浸透膜３５は、筒を扁平化した形に形成されていて、図８に示すように、その筒の開口３６を軸線方向に向けた状態で渦巻き状に巻かれ、軸線方向の少なくとも一端に上述した金属メッキ層２２か又は処理表面２３を有する取付部３５ａが形成されると共に、ポッティング材１９が固着されている。
上記高分子浸透膜３５は、一枚の膜材で筒状に形成しても良いが、図８に示すように、二枚の矩形の膜材３７ａ，３７ｂを重ねて相対する二つの辺同士を相互に接着一体化することで扁平筒状に形成しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
このように本発明によれば、高分子浸透膜ととの間に膨張率や収縮率などの性状の違いがあっても、それらを剥離や変形等を生じないように確実かつ強固に固着することができ、これによって耐久性とシール性とに勝れた高分子浸透膜組立体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高分子浸透膜組立体を用いた除湿装置の断面図である。
【図２】上記高分子浸透膜組立体の要部拡大断面図である。
【図３】高分子浸透膜組立体の第２実施例を示す要部拡大断面図である。
【図４】高分子浸透膜組立体の第３実施例を示す要部拡大断面図である。
【図５】高分子浸透膜組立体の第４実施例を示す要部拡大断面図である。
【図６】高分子浸透膜組立体の第５実施例を示す要部拡大断面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線での断面図である。
【図８】図７の展開斜視図である。
【符号の説明】
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ      高分子浸透膜組立体
１８，３０，３５      高分子浸透膜
１８ａ，３０ａ，３３ａ，３５ａ      取付部
１９      ポッティング材
２２      メッキ層
２３      処理表面
【図１】
0003886373.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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