2016 Fiscal Year Research-status Report
ガス分子のサイズ/透過・遮断性を見分ける新規ガス分離高分子薄膜の開発
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16K06785
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
長谷川 伸 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (60354940)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣木 章博 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (10370462)
前川 康成 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 部長(定常) (30354939)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ガス透過 / グラフト重合 / リビング重合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多孔性高分子基材膜に分子鎖長を制御した高分子鎖を導入することで、細孔径をナノサイズで制御するとともに、ガス分子とグラフト鎖の相互作用効果を利用することより、水素ガスを選択透過する機能性膜の開発を目指す。今年度は、まず、ガス透過性の高い(10＾-6 mol/m2 sec Pa以上)多孔性ポリフッ化ビニリデン（PVDF）膜を出発基材とし、放射線グラフト重合により、アクリル酸（AAc）、スチレン(St)、メタクリル酸ブチル(MBA)、メタクリル酸メチル(MMA)のグラフト鎖を導入した膜を合成し、ガス透過性を検討した。MBA, MMAグラフト多孔膜については、グラフト率が50～350%まで制御でき、空隙率は、グラフト率の上昇に伴い、30%以下に制御された。MBAグラフト膜の場合、空隙率の低下に伴って、ガス透過度が×10＾-9 mol/m2 sec Pa以下に減少し、水蒸気に対する水素の透過性比も10近くまで上昇した。AAc, Stグラフト膜については、反応溶液のモノマー濃度、照射線量を制御することで、それぞれグラフト率76％、63％に制御できたが、空隙率は基材の空隙率60％とほぼ変わらない値を示した。これらのグラフト膜は、加熱圧縮することで空隙率を低下させ、ガス透過度を制御することが可能となり、目標の水素透過度（10＾-8 mol/m^2 sec Pa）を示した。また、窒素、水蒸気に対して2.9～7.1倍の水素選択透過性を示した。
次いで、RAFT剤を導入するため、ハロゲン含有モノマーであるクロロメチルスチレン(CMS)を放射線グラフト重合で導入した。線量30 kGy, 60℃で反応させた試料は、グラフト率30%に達した。多孔膜の断面方向の塩素原子分布から、多孔膜内に均一に塩素原子が分布していることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画において、28年度は、『ハロゲン含有モノマーを放射線グラフト重合により、多孔性高分子基材膜の固相内に均一に導入する。次いでRAFT 重合の開始剤（RAFT 剤）として種々のチオカルボニルチオ化合物を用い、放射線グラフト重合で導入したハロゲン含有グラフト鎖とのハロゲン交換による開始剤の導入を検討する。』とした。多孔性PVDF膜は、グラフト重合によりハロゲン含有モノマーであるクロロメチルスチレンを膜断面方向に均一に導入する条件を見出した。また、グラフト重合モノマーにAAc, Stを用いた場合、基材膜の空隙率とほぼ同じ値を示したが、加熱圧縮する方法を加えることで、透過率を制御し、ガスとの相互作用効果を利用できることを新たに見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
多孔性高分子基材膜へ放射線グラフト重合により導入した開始剤を用いてRAFT剤を導入する。膜内に浸透するチオカルボニルチオ化合物の量、溶媒の種類、溶媒量、反応温度、反応時間等の条件を検討することで、膜内部へのチオカルボニルチオ化合物の拡散を促進し、ハロゲンとの100%置換条件を見出す。次いで、リビンググラフト重合モノマーの濃度、溶媒の種類、反応温度、反応雰囲気等の条件を選択し、リビンググラフト重合条件を検討する。リビンググラフト重合の反応が進行する因子となる開始剤、モノマー、触媒のモル比を決定し、細孔径及び細孔分布の制御できるリビンググラフト重合条件を決定する。
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| Causes of Carryover |
膜の合成と性能評価と当概施設で使用しているガス透過装置のみの評価で済み、当初購入予定であった水素分離分析装置等、現時点では購入する必要がなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
膜の合成と評価、ガス透過性能の最適化を行った後、水素分離分析装置等を購入する予定である。
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