(57)【要約】  マルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法を提供する。特定の割合でセラミック粉末、高分子ポリマー、有機溶剤及び分散剤を撹拌し、キャスティング溶液を調製する。キャスティング溶液の脱ガス処理を行ってから、マルチチャンネル中空糸成形金型と相変態との共同作用により、膜のグリーンを形成する。膜のグリーンは高温焼結でマルチチャンネルセラミック中空糸膜を形成する。マルチチャンネルセラミック中空糸膜は、非対称構造及び内腔中の骨格構造を有し、セラミック中空糸膜についての強度及びフラックスの要件を同時に満たすことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）キャスティング溶液の調製：セラミック粉末、高分子ポリマー、有機溶剤、分散剤を混合することにより、均一で安定したキャスティング溶液を調製し、前記セラミック粉末が前記キャスティング溶液の全質量の５５〜６５％を占め、前記高分子ポリマーが前記キャスティング溶液の全質量の４〜８%を占め、前記有機溶剤が前記キャスティング溶液の全質量の２７〜３８%を占め、前記分散剤が前記キャスティング溶液の全質量の０．６〜１．６%を占めており、
（２）真空脱泡：真空下で前記キャスティング溶液中の気泡を除去し、
（３）マルチチャンネルセラミック中空糸膜の成型：キャスティング溶液を圧力駆動でマルチチャンネル中空糸成形金型に通し、そして一定の空気間隔を通してから、内・外凝固浴において相変態をし、マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成し、
（４）乾燥：４０℃〜６０℃の温度で、マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを乾燥させ、
（５）高温焼結：マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを炉内に置き、温度プログラムにより、低温脱バインダー、高温溶融処理及び焼結を行うことにより、マルチチャンネルセラミック中空糸膜を得る、
マルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項２】
前記セラミック粉末がイットリア安定化ジルコニア、酸化アルミニウム、チタニアのうちの１種または２種であり、粉体の平均粒径の範囲が０．０５〜４μｍであり、
高分子ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリスルホンまたはフッ化ビニリデンホモポリマーのうちの１種または２種であり、
有機溶剤がＮ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドまたはクロロホルムのうちの１種または２種であり、
分散剤がポリビニルピロリドン、エチルセルロース、ポリエチレングリコールのうちの１種または２種である、請求項１記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項３】
外凝固浴が水、エタノールまたはＮ−メチルピロリドンのうちの１種または２種であり、内凝固浴が脱イオン水、ジメチルアセトアミドまたはＮ−メチルピロリドンのうちの１種または２種であり、内・外凝固浴の温度が全て１５〜３５℃であり、内凝固浴の流量が４０〜６０ｍＬ／ｍｉｎである、請求項１記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項４】
真空脱ガスの真空度が０．１〜０．２ＭＰａであり、脱ガス時間が１〜２ｈである、請求項１記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項５】
空気間隔が１０〜４０ｃｍであり、駆動用空気圧が０．１〜０．４ＭＰａである、請求項１記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項６】
温度プログラムは、まず１〜２℃／ｍｉｎの昇温速度で５００〜６００℃に加熱し、そして３〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００〜１６００℃に加熱し、４〜８ｈ保温してから、３〜５℃／ｍｉｎで５００〜６００℃に冷却し、最後に自然冷却することである、請求項１記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法。
【請求項７】
マルチチャンネルセラミック中空糸膜の外径が２〜４ｍｍであり、チャンネルの直径が０．６〜１．３ｍｍであり、マルチチャンネルセラミック中空糸膜の破壊荷重が１９〜２５Ｎに達し、純水フラックスが１．４３〜２．４Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２  ｍｉｎ−１であり、気孔率が５３〜６５％であり、平均孔径が１．２〜２．９μｍである、請求項１記載の方法で製造されたマルチチャンネルセラミック中空糸膜。
【請求項８】
チャンネル数が４〜９である、請求項７記載のマルチチャンネルセラミック中空糸膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機膜製造分野におけるマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法に関し、中空繊維の機械的特性を向上させ、適用における脆性を解決することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
セラミック膜は優れた化学的安定性・高温耐性、狭い細孔径分布などの特徴があり、化学や石油化学、食品産業、環境工学などの分野に広く使用されている。セラミック中空糸膜は従来のセラミック膜の利点に加え、３０００ｍ２／ｍ３と高い充填密度（MarcelMulder、翻訳李林）があり、管状膜及び平膜の１０倍に達するため、分離効率が大幅に向上し、膜分離分野では支持体、精密ろ過工程、膜反応器における触媒担体として使用することができる。
【０００３】
無機中空繊維に関するレポートは、最初に２０世紀９０年代に現れ、ＬｅｅとＳｉｍｉｄは酸化アルミニウムを原料として、それぞれ乾式／湿式紡糸及び融解紡糸により融解紡糸を製造した。中空糸膜製造技術の発展に従って、異なる材料、異なる微細構造の中空糸膜が製造された。中空糸膜の適用範囲の拡大により、その低強度及び脆性といった問題はますます顕著になっている。具体的事象として、水／有機溶剤のある環境において使用する場合、強度不足による障害が発生する恐れがある。従って、高強度及び高フラックスのセラミック中空糸膜を開発するのは、大規模な工業的用途を実現するように解決する必要がある課題である。Ｌｉなど(Li K et al. Desalination, 199 2006 360-362)は中空繊維の強度を向上させることを試したが、製造された中空糸膜の破壊荷重はいつでも３Ｎ程度に維持した。また、セラミックの使用中における信頼性を向上させるために、一部の材質科学分野の専門家もセラミックの機械的特性を改善している。一部の研究者は次の３つ方法でセラミックの強度と靭性の向上を試した。粉末サイズの改善（ＣＮ１４７２４４８Ａ）、即ち、微小な粉末のプライマリ結晶粒界でのピン留め効果により、セラミックの機械的特性を改善する。ＹＳＺ相変態による強化（ＣＮ１０２８５００４２Ａ）、即ち、安定剤のイットリア及び酸化ジルコニウムで固溶体を形成し、さらに室温において正方結晶を形成し、結晶転移による内部応力で外部応力を消耗することにより、セラミックの機械的特性を改善する。ひげ結晶による強化、即ち、ひげ結晶の抜き出し、断裂及びマイクロクラックの伝播経路の増加で外部応力を消耗することにより、セラミックの機械的特性を改善する。しかし、中空糸膜の強度と靭性を向上させるのに、セラミック中空糸膜の非対称構造における指状細孔、多孔質構造（中空糸膜のフラックス向上のためのもの）は、最大の欠点となった。従って、脆性及び低強度といった問題に対処するのに、これらのソリューションは理想的ではない。それで、高強度のセラミック中空糸膜を開発するのは、大規模な工業的用途を実現するように解決する必要がある課題となった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】中国特許公開第１４７２４４８号公報
【特許文献２】中国特許公開第１０２８５００４２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１９９  ２００６  ３６０−３６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既存技術の欠陥を改善するために、本発明はマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係るマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造方法は、セラミック粉末、高分子ポリマー、有機溶剤、分散剤を混合し、均一で安定したキャスティング溶液を形成し、そのうち、セラミック粉末がキャスティング溶液の全質量の５５〜６５％を占め、高分子ポリマーがキャスティング溶液の全質量の４〜８％を占め、有機溶剤がキャスティング溶液の全質量の２７〜３８％を占め、分散剤がキャスティング溶液の全質量の０．６〜１．６％を占めており、真空でキャスティング溶液の中の気泡を除去し、キャスティング溶液は圧力駆動でマルチチャンネル中空糸成形金型を通し、そして一定の空気間隔を通してから、内・外凝固浴において相変態をし、マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成し、４０℃〜６０℃の温度で、マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを乾燥し、マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを炉内に置き、温度プログラムにより、低温脱バインダー、高温溶融処理及び焼結を行い、マルチチャンネルセラミック中空糸膜を製造する。
【０００８】
好ましくは、前記のセラミック粉末がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化アルミニウム、チタニアのうちの１種または２種であり、粉体の平均粒径の範囲が０．０５〜４μmであり、高分子ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリスルホンまたはフッ化ビニリデンホモポリマーのうちの１種または２種であり、有機溶剤がＮ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドまたはクロロホルムのうちの１種または２種であり、分散剤がポリビニルピロリドン、エチルセルロース、ポリエチレングリコールのうちの１種または２種である。
【０００９】
好ましくは、外凝固浴が水、エタノールまたはＮ−メチルピロリドンのうちの１種または２種であり、内凝固浴が脱イオン水、ジメチルアセトアミドまたはＮ−メチルピロリドンのうちの１種または２種であり、内・外凝固浴の温度がすべて１５〜３５℃であり、内凝固浴の流量が４０〜６０ｍＬ／ｍｉｎである。
【００１０】
好ましくは、真空脱ガスの真空度が０．１〜０．２ＭＰａであり、脱ガス時間が１〜２ｈであり、空気間隔が１０〜４０ｃｍであり、駆動用空気圧が０．１〜０．４ＭＰａである。
【００１１】
好ましくは、温度プログラムをまず１〜２℃／ｍｉｎの昇温速度で５００〜６００℃に加熱し、そして３〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００〜１６００℃に加熱し、４〜８ｈ保温してから、３〜５℃／ｍｉｎで５００〜６００℃に冷却し、最後に自然冷却する。
【００１２】
本発明に係る方法で製造されたマルチチャンネルセラミック中空糸膜は、外径が２〜４ｍｍであり、チャンネルの直径が０．６〜１．２ｍｍであり、マルチチャンネルセラミック中空糸膜の破壊荷重が１９〜２５Ｎに達し、純水フラックスが１．４３〜２．４Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２ｍｉｎ−１であり、気孔率が５３〜６５％であり、平均孔径が１．２〜２．９μmである。好ましくは、チャンネル数が４〜９である。
【００１３】
本発明はセラミック粉末、高分子ポリマー、有機溶剤、分散剤を混合し、均一で安定したキャスティング溶液を調製する。キャスティング溶液は真空で脱ガスを行う。蠕動ポンプの制御で、内凝固浴の流速が４０〜６０ｍＬ／ｍｉｎであり、内凝固浴の温度が１５〜３５℃であり、０．１〜０．４ＭＰａの駆動用空気圧及びギアポンプにより、キャスティング溶液をスピニングノズルに押し込み、相変態とマルチチャンネル中空糸成形金型との共同作用により初期成形したグリーンが１０〜４０ｃｍの空気間隔を通って、垂直に１５〜３５℃の外凝固浴に落ち、固化成形する。マルチチャンネルセラミック中空糸膜のグリーンの乾燥温度は４０〜６０℃であり、グリーンの品質に大きな影響を及ぼす。温度が低すぎる場合、乾燥時間が長くなり、効率が低くなる。温度が高すぎる場合、硬化反応が速すぎることにより、グリーンに含まれている気孔が増えたり、割れることが発生する恐れがある。乾燥されたグリーンに１４００〜１６００℃で４〜８ｈ高温焼結を行ってから、マルチチャンネルセラミック中空繊維を製造する。製造さたマルチチャンネルセラミック中空糸膜は、内室で骨格構造を支えることで、セラミック中空糸膜の強度を向上させる役割を果たす。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のイノベーションとして、セラミック中空糸膜の全体的構造を最適化し、セラミック中空糸膜の内室で骨格構造を支えることで、セラミック中空糸膜の強度を向上させる役割を果たすといった目的が達成される。現在では、マルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造技術を完全に把握した。実際の使用で、マルチチャンネルセラミック中空糸膜は次の利点がある。（１）高い機械的強度。マルチチャンネルセラミック中空糸膜の破壊荷重が１９〜２２Nに達し、一般的セラミック中空糸膜の５〜７倍である。マルチチャンネルセラミック中空糸膜の内室にある骨格構造及び周りのサポートトライアングルは、セラミック中空糸膜の強度を向上させるための主要な構造となる。（２）高フラックス、高選択性。マルチチャンネルセラミック中空糸膜は典型的な非対称構造がある（指状細孔によるフラックスの向上、海綿体による選択性の向上）。（３）壁厚を減らし、フィード液が壁を通る貫通抵抗を低減する。マルチチャンネルセラミック中空糸膜の壁厚は０．１〜０．３ｍｍであり、一般的なセラミック中空糸膜の壁厚は０．４〜０．５ｍｍである。壁厚が減少したと共に、マルチチャンネルセラミック中空繊維の機械的強度が向上したので、強度とフラックスの互いに制約するものを調和した。技術研究及び製造設備で設計・拡大を行った上で、現在２００００本の年間生産能力を実現し、マルチチャンネルセラミック中空糸膜の長さが７０ｃｍに達し、破断荷重が１９〜２２Ｎで、気孔率が５０〜６０％である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】乾式／湿式紡糸流れ図である。
【図２】ＹＳＺ７チャンネルセラミック中空糸膜ＳＥＭ図である（Ａエリア−骨格構造、Ｂエリア−サポートトライアングル、Ｃエリア−指状細孔、Ｄエリア−海綿体）。
【図３】Ａｌ２Ｏ３７チャンネルセラミック中空糸膜ＳＥＭ図である（Ａエリア−骨格構造、Ｂエリア−海綿体、Ｃエリア−多孔質構造）。
【図４】ＹＳＺ４チャンネルセラミック中空糸膜ＳＥＭ図である（Ａエリア−骨格構造、Ｂエリア−サポートトライアングル、Ｃエリア−指状細孔、Ｄエリア−海綿体）。
【図５】Ａｌ２Ｏ３４チャンネルセラミック中空糸膜ＳＥＭ図である（Ａエリア−骨格構造、Ｂエリア−サポートトライアングル、Ｃエリア−海綿体、Ｄエリア−指状細孔）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、具体的な実施形態及び図面でマルチチャンネルセラミック中空糸膜の製造工程を説明する。
【００１７】
実施形態１；ＹＳＺ７チャンネル中空糸膜の製造
特定の順序により、N-メチルピロリドン、ポリビニルピロリドン、ポリエーテルスルホン、ＹＳＺを０．３：０．０１：０．０４：０．６５の質量比で混合した。混合されたキャスティング溶液を紡糸タンクに入れ、真空度０．１ＭＰａで２ｈの脱ガス処理を行った。水道水を外凝固浴とし、外凝固浴の温度は１５℃である。脱イオン水を内凝固浴とし、内凝固浴は温度が１５℃で、流量が４０ｍＬ／ｍｉｎである。空気間隔が１０ｃｍであり、０．１４ＭＰａの駆動用空気圧でキャスティング溶液をスピニングノズルから押し出し、内凝固浴と７チャンネルスピニングノズルとの共同作用により初期成形し、外凝固浴で十分に相変態を行なってから、特定の微細構造のあるＹＳＺ７チャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成した。紡糸プロセス全体は図１の通りである。更に、グリーンを炉内で焼結した。まず１℃／ｍｉｎの昇温速度で５００℃に加熱し、そして３℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００℃に加熱し、５ｈ保温してから、３℃／ｍｉｎで５００℃に冷却し、最後に自然冷却した。図２に示すように、製造された７チャンネルセラミック中空糸膜は、外径が２．９２ｍｍであり、チャンネル直径が０．６１ｍｍである。純水フラックス法、三点曲げ強度法、アルキメデス法、気泡圧力法の４つの方法でＹＳＺ７チャンネルセラミック中空糸膜の性能を特徴づけた。ＹＳＺ７チャンネルセラミック中空糸膜は、純水フラックスが１．６８Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２ｍｉｎ−１であり、破断荷重が１９Ｎであり、気孔率６５％であり、平均孔径が１．４〜１．６μmである。
【００１８】
実施形態２；Ａｌ２Ｏ３７チャンネル中空糸膜の製造
特定の順序により、ジメチルアセトアミド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホン、Ａｌ２Ｏ３を０．３７２：０．００８：０．０７：０．５５の質量比で混合した。混合されたキャスティング溶液を紡糸タンクに入れ、真空度０．２ＭＰａで１ｈの脱ガス処理を行った。エタノールを外凝固浴とし、外凝固浴の温度は２５℃である。ジメチルアセトアミドを内凝固浴とし、内凝固浴は温度が２０℃で、流量が６０ｍＬ／ｍｉｎである。空気間隔が４０ｃｍであり、０．２ＭＰａの駆動用空気圧でキャスティング溶液をスピニングノズルから押し出し、内凝固浴と７チャンネルスピニングノズルとの共同作用により初期成形し、外凝固浴で十分に相変態を行なってから、特定の微細構造のあるＡｌ２Ｏ３７チャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成した。更に、グリーンを炉内で焼結した。まず２℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃に加熱し、そして５℃／ｍｉｎの昇温速度で１６００℃に加熱し、８ｈ保温してから、５℃／ｍｉｎで６００℃に冷却し、最後に自然冷却した。図３に示すように、製造されたＡｌ２Ｏ３７チャンネルセラミック中空糸膜は、外径が３．３７ｍｍであり、チャンネル直径が０．６５ｍｍである。実施形態１と同じ特徴付け方法を採用した。Ａｌ２Ｏ３７チャンネルセラミック中空糸膜は、純水フラックスが１．４３Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２ｍｉｎ−１であり、破断荷重が２０Ｎであり、気孔率５６％であり、平均孔径が１．２〜１．４μmである。
【００１９】
実施形態３；ＹＳＺ４チャンネル中空糸膜の製造
特定の順序により、クロロホルム、ポリエチレングリコール、ポリフッ化ビニリデン、YSZを０．３０５：０．０１：０．０４５：０．６４の質量比で混合した。混合されたキャスティング溶液を紡糸タンクに入れ、真空度０．１ＭＰａで２ｈ2の脱ガス処理を行った。水道水を外凝固浴とし、外凝固浴の温度は２５℃である。Ｎ−メチルピロリドンを内凝固浴とし、内凝固浴は温度が２５℃で、流量が５０ｍＬ／ｍｉｎである。空気間隔が２０ｃｍであり、０．３２ＭＰａの駆動用空気圧でキャスティング溶液をスピニングノズルから押し出し、内凝固浴と４チャンネルスピニングノズルとの共同作用により初期成形し、外凝固浴で十分に相変態を行なってから、特定の微細構造のあるＹＳＺ４チャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成した。さらに、グリーンを炉内で焼結した。まず２℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃に加熱し、そして４℃／ｍｉｎの昇温速度で１５００℃に加熱し、６ｈ保温してから、４℃／ｍｉｎで６００℃に冷却し、最後に自然冷却した。図４に示すように、製造されたＹＳＺ４チャンネルセラミック中空糸膜は、外径が２．６０ｍｍであり、チャンネル直径が０．８６ｍｍである。実施形態１と同じ特徴付け方法を採用した。ＹＳＺ４チャンネルセラミック中空糸膜は、純水フラックスが１．８Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２ｍｉｎ−１であり、破断荷重が２２Ｎであり、気孔率５６％であり、平均孔径が２．６〜２．９μmである。
【００２０】
実施形態４；Ａｌ２Ｏ３４チャンネル中空糸膜の製造
特定の順序により、ジメチルアセトアミド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホン、Ａｌ２Ｏ３を０．２７：０．０１６：０．０７：０．６４４の質量比で混合した。混合されたキャスティング溶液を紡糸タンクに入れ、真空度０．２ＭＰａで１ｈの脱ガス処理を行った。エタノールを外凝固浴とし、外凝固浴の温度は３５℃である。脱イオン水を内凝固浴とし、内凝固浴は温度が３５℃で、流量が４０ｍＬ／ｍｉｎである。空気間隔が３０ｃｍであり、０．４ＭＰａの駆動用空気圧でキャスティング溶液をスピニングノズルから押し出し、内凝固浴と４チャンネルスピニングノズルとの共同作用により初期成形し、次いで外凝固浴で十分に相変態を行なってから、特定の微細構造のあるＡｌ２Ｏ３４チャンネルセラミック中空糸膜のグリーンを形成した。更に、グリーンを炉内で焼結した。まず２℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃に加熱し、そして４℃／ｍｉｎの昇温速度で１５５０℃に加熱し、５ｈ保温してから、４℃／ｍｉｎで５００℃に冷却し、最後に自然冷却した。図５に示すように、製造されたＡｌ２Ｏ３４チャンネルセラミック中空糸膜は、外径が２．７８ｍｍであり、チャンネル直径が０．９ｍｍであった。実施形態１と同じ特徴付け方法を採用した。Ａｌ２Ｏ３４チャンネルセラミック中空糸膜は、純水フラックスが２．４Ｌ．Ｐａ−１．ｍ−２ｍｉｎ−１であり、破断荷重が２５Ｎであり、気孔率５３％であり、平均孔径が１．４〜１．５μmである。
【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１】
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【国際調査報告】
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