モザイク荷電膜およびその製造方法
【課題】カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとが膜の表裏面まで連通しており、塩の透過流速が大きく、また基材を用いなくても機械的強度に優れたモザイク荷電膜の製造方法を提供する。
【解決手段】カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理してモザイク荷電膜を製造する。
【解決手段】カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理してモザイク荷電膜を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モザイク荷電膜およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モザイク荷電膜は、カチオン交換ドメインとアニオン交換ドメインが交互に配列し、各ドメインが膜の一面から他面まで連続した荷電構造を有する膜である。モザイク荷電膜は、かかる荷電構造によって、外部からの電流を必要とすることなく対象溶液中の低分子量イオンの透過を促進することができる。カチオン交換ドメインとアニオン交換ドメインが交互に並べられると、各ドメインが帯びる電荷が互いに逆であるため、膜の両側の塩溶液部分が抵抗となる電気回路ができる。その回路に流れる電流のようにカチオンとアニオンがそれぞれカチオン交換ドメイン、アニオン交換ドメインを通って輸送されることで循環電流が生じ、塩の輸送が促進される。このことはモザイク荷電膜が、外部からの電流が必要な、一種類の固定電荷を有するイオン交換膜と異なり、イオン輸送を引き起こす機構を膜自体に内在させていることを意味する。
【０００３】
モザイク荷電膜として種々の手法により作製したものが報告されている。特許文献１には、ブロック共重合体のミクロ相分離現象を利用して作製したモザイク荷電膜を用いる有機化合物の脱塩方法が記載されている。しかしながら、ブロック共重合体のミクロ相分離現象を利用してモザイク荷電膜を作製する方法は、所望の構造のブロック共重合体を得るために高度な技術が必要であり、操作も煩雑なため、高コストになり、工業的に実用性のある大面積のモザイク荷電膜を効率よく安価に製造することは困難である。また、カチオン交換ドメインおよびアニオン交換ドメインがそれぞれ膜の一面から他面まで連続するように構造形成することは困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００４】
特許文献２には、膜形成ポリマー、該膜形成ポリマーを溶解し得る溶媒、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を混合し、ポリマー溶液に陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を分散させて均一なポリマー分散液を調製する工程；および前記ポリマー分散液を基材上に塗布および延伸し、乾燥して凝固させた後、得られた膜から溶媒を除去し、洗浄する工程を行うことを特徴とする、モザイク荷電膜の製造方法が記載されている。この方法により得られたモザイク荷電膜は、圧透析実験において圧力上昇とともに塩透過量も増加することが記載されている。しかし、このモザイク荷電膜では膜マトリックスとイオン交換樹脂との界面において水や中性溶質の漏れが生じる上、カチオン交換ドメインおよびアニオン交換ドメインがそれぞれ膜の一面から他面まで連続するように構造形成することは困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００５】
特許文献３には、カチオン性ポリマーおよびアニオン性ポリマーのいずれか一方のイオン性ポリマーが形成する架橋連続相中に、連続相形成ポリマーと少なくとも反対イオン性のポリマーが平均粒子径０．０１〜１０μｍの架橋粒子として分散してなるカチオン性ポリマードメインとアニオン性ポリマードメインからなるモザイク荷電膜を製造する方法において、前記膜の連続相を形成するいずれか一方のイオン性ポリマーの溶液に少なくとも連続相形成ポリマーと反対イオン性のポリマーの球状微粒子を分散させた分散液を用いて膜を形成し、該膜中の少なくとも連続相を架橋させ、次いで水または水溶液浸漬処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法が記載されている。この方法で製造される膜は、ドメインサイズや膜厚の調製が容易であり、また最大の利点は比較的容易に大面積の膜の作製が可能である点である。しかし、この製造方法では、平均粒子径が小さい重合体微粒子を調製しなければならず、高度な技術および長時間を要するといった問題がある。しかも得られるモザイク荷電膜は、含水性の高いミクロゲルで構成されているため、耐圧性が非常に低く、特に構造上、膜マトリックスと陽、陰ミクロゲル界面との接着性が完全ではないため、高い電解質透過性を有するモザイク荷電膜の作製が困難であり、また機械的強度も十分とは言えない。そのため、拡散透析用の膜としては使用可能であるものの、圧透析用の膜としては使用に耐えないか、もしくは耐久性に極めて劣るといった欠点を有する。また、球状微粒子として分散させた一方のイオン性ポリマーが膜の一面から他面まで連続するように構造形成することが困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００６】
非特許文献１には、積層法によって作製されたモザイク荷電膜が記載されている。当該積層法では、ポリビニルアルコールとポリアニオンから陽イオン交換膜を、ポリビニルアルコールとポリカチオンから陰イオン交換膜を作製し、これらをポリビニルアルコールを接着剤として交互に貼り合わせることにより積層荷電ブロックを作製し、得られたブロックを積層面と垂直にラボカッターで切断した後、架橋処理を行うことによって、約１５０μｍの膜厚を有する積層モザイク荷電膜を作製している。このようにして得られた積層モザイク荷電膜のＫＣｌの塩流束ＪＫＣｌは３．０×１０−９ｍｏｌ・ｃｍ−２・ｓ−１、電解質選択透過性αは２３００と非常に高い値を示すことが記載されている。引張強度は荷電層と平行な方向で５．７ＭＰａであったが、垂直方向で２．７ＭＰａであり、拡散透析用には使用可能であるが、圧透析用に使用するには、より強度を高める必要がある。
【０００７】
非特許文献２には、ポリビニルアルコールを膜マトリックスとするポリマーブレンド法によって作製されたモザイク荷電膜が記載されている。当該ポリマーブレンド法では、ポリビニルアルコールとイタコン酸基を含有するビニル化合物を２ｍｏｌ％共重合組成として含有する変性ＰＶＡポリアニオンの水溶液に、イタコン酸基のカルボキシル基からの水素イオンの解離を抑制するために塩酸を加えて酸性にした溶液と、ポリビニルアルコールとポリアリルアミン塩酸塩水溶液とを混合することでポリマーブレンド水溶液を調製した。この溶液をガラス板などにキャストして膜を得た後、化学的架橋を行うことによってモザイク荷電膜を得ている。このようにして得られたモザイク荷電膜のＫＣｌの塩流束ＪＫＣｌは１．７×１０−８ｍｏｌ・ｃｍ−２・ｓ−１であり、電解質選択透過性αは４８を示すことが記載されているが、より高い電解質選択透過性が望まれている。また、酸性溶液では塩選択透過性が低下するという問題も有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−２０３６１３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７３３８号公報
【特許文献３】特開平８−１５５２８１号公報
【特許文献４】特開昭５９−１８７００３号公報
【特許文献５】特開昭５９−１８９１１３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ．３１０，ｐ．４６６（２００８）．
【非特許文献２】繊維学会予稿集 Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１，ｐ．３３（２００１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れたモザイク荷電膜の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法を提供することによって解決される。
【００１２】
このとき、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が親水性重合体であることが好適であり、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールであることが好適である。前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体であることが好適であり、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が０．１モル％以上のイオン性単量体単位を含有することが好適である。前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍであることが好適であり、前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を湿式紡糸法により得ることが好適である。また、１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を得ることも好適である。
【００１３】
また、上記課題は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着してシートを形成し、該シートが架橋処理されてなることを特徴とするモザイク荷電膜を提供することによっても解決される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のモザイク荷電膜の製造方法により、塩の透過流束が大きく、かつ機械的強度に優れたモザイク荷電膜を容易に作製することができる。こうして得られるモザイク荷電膜は、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連通しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れる。また、電解質と非電解質の分離や、電解質の除去（脱塩）などを効率よく行うことができ、拡散透析にも圧透析にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】圧透析試験装置を示した図である。
【図２】本発明で用いられた紡糸装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成し、得られた織布に対して熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法である。これにより、塩の透過流速が大きく、かつ機械的強度に優れたモザイク荷電膜を容易に作製することができる。こうして得られるモザイク荷電膜は、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れる利点を有する。特に、延伸された繊維を用いることにより、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が配向結晶化されてミクロ相分離によるイオン基の集中が生じるとともに、含水率を下げて荷電密度を上げることができ、モザイク荷電膜の性能を向上させることができる。
【００１７】
本発明で用いられるカチオン性重合体は、分子鎖中にカチオン基を含有する重合体である。当該カチオン基は主鎖、側鎖、末端のいずれに含まれていても構わない。カチオン基としては、アンモニウム基、イミニウム基、スルホニウム基、ホスホニウム基などが例示される。また、アミノ基やイミノ基のように、水中において少なくともその一部が、アンモニウム基やイミニウム基に変換し得る官能基も、カチオン基に含まれる。この中で、工業的に入手し易い観点から、アンモニウム基が好ましい。アンモニウム基としては、１級アンモニウム基（アンモニウム基）、２級アンモニウム基（アルキルアンモニウム基等）、３級アンモニウム基（ジアルキルアンモニウム基等）、４級アンモニウム基（トリアルキルアンモニウム基等）のいずれを用いることもできるが、４級アンモニウム基（トリアルキルアンモニウム基等）がより好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみのカチオン基を含有していてもよいし、複数種のカチオン基を含有していてもよい。また、カチオン基の対アニオンは特に限定されず、ハロゲン化物イオン、水酸化物イオン、リン酸イオン、カルボン酸イオンなどが例示される。この中で、入手の容易性の点から、ハロゲン化物イオンが好ましく、塩化物イオンがより好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみの対アニオンを含有していてもよいし、複数種の対アニオンを含有していてもよい。
【００１８】
本発明で用いられるカチオン性重合体は、上記カチオン基を含有する構造単位のみからなる重合体であってもよいし、上記カチオン基を含有しない構造単位をさらに含む重合体であってもよい。また、これらの重合体は架橋性を有するものであることが好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみの重合体からなるものであってもよいし、複数種のカチオン性重合体を含むものであってもよい。また、これらカチオン性重合体と別の重合体との混合物であっても構わない。ここでカチオン性重合体以外の重合体はアニオン性重合体でないことが望ましい。
【００１９】
カチオン性重合体としては、以下の一般式（１）〜（８）の構造単位を有するものが例示される。
【００２０】
【化１】
［式中、Ｒ１は水素原子または炭素数１〜４のアルキル基を表す。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はそれぞれ独立に、水素原子、または、置換基を有していてもよい炭素数１〜１８のアルキル基、アリール基若しくはアラルキル基を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、相互に連結して飽和若しくは不飽和環状構造を形成していてもよい。Ｚは−Ｏ−、−ＮＨ−、または−Ｎ（ＣＨ３）−を表し、Ｙは酸素、窒素、硫黄またはリン原子を含んでもよい総炭素数１〜８の二価の連結基を表す。Ｘ−はアニオンを表す。］
【００２１】
一般式（１）中の対アニオンＸ−としては、ハロゲン化物イオン、水酸化物イオン、リン酸イオン、カルボン酸イオンなどが例示される。一般式（１）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体しては、３−（メタ）アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、３−（メタ）アクリルアミド−３，３−ジメチルプロピルトリメチルアンモニウムクロライドなど３−（メタ）アクリルアミド−アルキルトリアルキルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００２２】
【化２】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２３】
一般式（２）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライドなどビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００２４】
【化３】
［式中、Ｒ２、Ｒ３、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２５】
【化４】
［式中、Ｒ２、Ｒ３、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２６】
一般式（３）および一般式（４）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、ジアリルジメチルアンモニウムクロライドなどジアリルジアルキルアンモニウム塩が環化重合して得られる単独重合体または共重合体が例示される。
【００２７】
【化５】
［式中、ｎは０または１を表わす。Ｒ２およびＲ３は一般式（１）と同義である。］
【００２８】
一般式（５）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、アリルアミンの単独重合体または共重合体が例示される。
【００２９】
【化６】
［式中、ｎは０または１を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００３０】
一般式（６）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、アリルアミン塩酸塩などアリルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体が例示される。
【００３１】
【化７】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表し、Ａは−ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）−、−Ｃ（ＣＨ３）（ＯＨ）ＣＨ２−、−ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）（ＯＨ）−、−ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２ＣＨ２−、または−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ)−を表す。Ｅは−Ｎ（Ｒ６）２または−Ｎ＋（Ｒ６）３・Ｘ−を表し、Ｒ６は水素原子またはメチル基を表す。Ｘ−はアニオンを表す。］
【００３２】
一般式（７）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体として、Ｎ−（３−アリルオキシ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアミンまたはその４級アンモニウム塩の単独重合体または共重合体、Ｎ−（４−アリルオキシ−３−ヒドロキシブチル）ジエチルアミンまたはその４級アンモニウム塩の単独重合体または共重合体が例示される。
【化８】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基、Ｒ７は水素原子、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基またはｉ−プロピル基、Ｒ８は水素原子、メチル基、およびエチル基をそれぞれ表わす。］
【００３３】
一般式（８）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体として、（メタ）アクリルアミド、Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−エチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド等が例示される。
【００３４】
本発明で用いられるアニオン性重合体は、分子鎖中にアニオン基を含有する重合体である。当該アニオン基は主鎖、側鎖、末端のいずれに含まれていても構わない。アニオン基としては、スルホネート基、カルボキシレート基、ホスホネート基などが例示される。また、スルホン酸基、カルボキシル基、ホスホン酸基のように、水中において少なくともその一部が、スルホネート基、カルボキシレート基、ホスホネート基に変換し得る官能基も、アニオン基に含まれる。この中で、イオン解離定数が大きい点から、スルホネート基が好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみのアニオン基を含有していてもよいし、複数種のアニオン基を含有していてもよい。また、アニオン基の対カチオンは特に限定されず、水素イオン、アルカリ金属イオン、などが例示される。この中で、設備の腐蝕問題が少ない点から、アルカリ金属イオンが好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみの対カチオンを含有していてもよいし、複数種の対カチオンを含有していてもよい。
【００３５】
本発明で用いられるアニオン性重合体は、上記アニオン基を含有する構造単位のみからなる重合体であってもよいし、上記アニオン基を含有しない構造単位をさらに含む重合体であってもよい。また、これらの重合体は架橋性を有するものであることが好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみの重合体からなるものであってもよいし、複数種のアニオン性重合体を含むものであってもよい。また、これらアニオン性重合体と別の重合体との混合物であっても構わない。ここでアニオン性重合体以外の重合体はカチオン性重合体でないことが望ましい。
【００３６】
アニオン性重合体としては、以下の一般式（９）および（１０）の構造単位を有するものが例示される。
【００３７】
【化９】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表す。Ｇは−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＰＯ３Ｈ、−ＰＯ３−Ｍ＋、−ＣＯ２Ｈまたは−ＣＯ２−Ｍ＋を表す。Ｍ＋はアンモニウムイオンまたはアルカリ金属イオンを表す。］
【００３８】
一般式（９）で表わされる構造単位を含有するアニオン性重合体としては、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００３９】
【化１０】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表わし、Ｔは水素原子がメチル基で置換されていてもよいフェニレン基またはナフチレン基を表わす。Ｇは一般式（９）と同義である。］
【００４０】
一般式（１０）で表わされる構造単位を含有するアニオン性重合体としては、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウムなどｐ−スチレンスルホン酸塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００４１】
また、アニオン性重合体としては、ビニルスルホン酸、（メタ）アリルスルホン酸などのスルホン酸またはその塩の単独重合体または共重合体、フマール酸、マレイン酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸、その誘導体またはその塩の単独重合体または共重合体なども例示される。
【００４２】
一般式（９）または（１０）において、Ｇは、より高い荷電密度を与えるスルホネート基、スルホン酸基、ホスホネート基、またはホスホン酸基であることが好ましい。また一般式（９）および一般式（１０）中、Ｍ＋で表わされるアルカリ金属イオンとしてはナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン等が挙げられる。
【００４３】
カチオン性重合体またはアニオン性重合体から選択されるイオン性重合体が、共重合体である場合の共重合成分としては、ビニルアルコール成分が好適なものとして挙げられる。カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有する重合体と、カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有しない重合体との混合物を用いる場合、イオン基を含有しない重合体としてはイオン基を含有する重合体と親和性の高いものが好適に用いられる。具体的には、ポリビニルアルコールおよびポリアクリルアミドからなる群から選択される１種が好適に用いられる。その中でも、架橋性の高さからポリビニルアルコールがより好適に用いられる。
【００４４】
本発明により得られるモザイク荷電膜においては、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であることが好ましく、このことにより被処理液中の有機汚染物質の付着による汚染を抑制できる利点を有する。ここでカチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であるとは、上記カチオン性重合体およびアニオン性重合体であるために必要な官能基がない構造において親水性を有することを意味する。このように、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であることにより、親水性度の高いモザイク荷電膜が得られ、被処理液中の有機汚染物質がモザイク荷電膜に付着して膜の性能を低下させる問題を低減できる。また、膜強度が高くなる。
【００４５】
親水性のカチオン性重合体としては、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、カチオン基を含有するセルロース誘導体、カチオン基を含有するポリアクリルアミド、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないセルロース誘導体との混合物、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリアクリルアミドとの混合物などが例示される。この中で、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物であることが好ましい。ポリビニルアルコール単位を有する重合体を用いることが、モザイク荷電膜の強度、物理的または化学的架橋性の点から好ましい。その中でも、入手容易である点から、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、ジアリルジアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、またはジアリルジアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物が特に好ましい。カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物においては、カチオン性重合体中の単量体単位の総数に対するビニルアルコール単位の数の割合が、５０モル％以上であることが好ましく、７０モル％以上であることがより好ましい。カチオン性重合体が親水性重合体である場合、１種類の親水性重合体であってもよいし、複数種の親水性重合体の混合物であってもよい。また、親水性重合体と非親水性重合体との混合物であってもよい。また、親水性または非親水性のカチオン性重合体以外の重合体を含んでいても良い。ここでカチオン性重合体以外の重合体はアニオン性重合体でないことが望ましい。
【００４６】
親水性のアニオン性重合体としては、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、アニオン基を含有するセルロース誘導体、アニオン基を含有するポリアクリルアミド、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないセルロース誘導体との混合物、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリアクリルアミドとの混合物などが例示される。この中で、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物であることが好ましい。ポリビニルアルコール単位を有する重合体を用いることが、モザイク荷電複層膜の強度、物理的または化学的架橋の点から好ましい。その中でも、入手容易である点から、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩成分とビニルアルコール成分との共重合体、ｐ−スチレンスルホン酸塩成分とビニルアルコール成分との共重合体、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、またはポリスチレンスルホン酸塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物が特に好ましい。アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物においては、アニオン性重合体中の単量体単位の総数に対するビニルアルコール単位の数の割合が、５０モル％以上であることが好ましく、７０モル％以上であることがより好ましい。アニオン性重合体が親水性重合体である場合、１種類の親水性重合体であってもよいし、複数種の親水性重合体の混合物であってもよい。また、親水性重合体と非親水性重合体との混合物であってもよい。また、親水性または非親水性のカチオン性重合体以外の重合体を含んでいても良い。ここでアニオン性重合体以外の重合体はカチオン性重合体でないことが望ましい。
【００４７】
本発明において、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールであることが好ましい。中でも、カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体として、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体が好適に用いられ、ブロック共重合体がより好適に用いられる。こうすることにより、イオン性重合体がミクロ相分離して、モザイク荷電膜全体の強度の向上、膜の膨潤度の抑制、および形状保持についての機能を担うポリビニルアルコール成分と、陽イオンまたは陰イオンを透過させる機能を担うイオン性単量体を重合してなる重合体成分とが役割分担でき、モザイク荷電膜のイオン透過機能と寸法安定性とを両立することができる。イオン性単量体を重合してなる重合体成分の構造単位は特に限定されないが、前記一般式（１）〜（１０）で表わされるものなどが例示される。この中で、入手容易である点から、カチオン性重合体としては、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、ビニルベンジルトリアルキル塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、またはジアリルジアルキルアンモニウム塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体が好ましく用いられる。また、アニオン性重合体としては、ｐ−スチレンスルホン酸塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、または２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体が好ましく用いられる。
【００４８】
本発明で用いられるイオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体の製造方法は主に次の２つの方法に大別される。すなわち、（１）所望のブロック共重合体を製造した後、特定のブロックにイオン基を結合させる方法、および（２）少なくとも１種類のイオン性単量体を重合させて所望のブロック共重合体を製造する方法である。このうち、（１）については、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、１種類または複数種の単量体をブロック共重合させ、次いでブロック共重合体中の１種類または複数種の重合体成分にイオン基を導入する方法、（２）については、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、少なくとも１種類のイオン性単量体をラジカル重合させることによりブロック共重合体を製造する方法が工業的な容易さから好ましい。特に、ブロック共重合体中のポリビニルアルコール成分とイオン性単量体を重合してなる重合体成分の各成分の種類や量を容易に制御できることから、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、少なくとも１種類のイオン性単量体をラジカル重合させてブロック共重合体を製造する方法が好ましい。こうして得られるイオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体には、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールが未反応のまま含まれていても構わない。
【００４９】
これらのブロック共重合体の製造に用いられる、末端にメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体は、例えば、特許文献４などに記載されている方法により得ることができる。すなわち、チオール酸の存在下にビニルエステル系単量体、例えば酢酸ビニルをラジカル重合して得られるビニルエステル系重合体をけん化する方法が挙げられる。このようにして得られる末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールと、イオン性単量体とを用いてブロック共重合体を得る方法としては、例えば、特許文献５などに記載された方法が挙げられる。すなわち、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下にイオン性単量体をラジカル重合させることによりブロック共重合体を得ることができる。このラジカル重合は公知の方法、例えばバルク重合、溶液重合、パール重合、乳化重合などによって行うことができるが、末端にメルカプト基を含有するポリビニルアルコールを溶解し得る溶剤、例えば水やジメチルスルホキシドを主体とする媒体中で行うのが好ましい。また、重合プロセスとしては、回分法、半回分法、連続法のいずれをも採用することができる。
【００５０】
イオン性重合体のイオン性単量体単位の含有量は特に限定されないが、イオン性重合体のイオン性単量体単位の含有量、すなわち、イオン性重合体中の単量体単位の総数に対するイオン性単量体単位の数の割合が、０．１モル％以上であることが好ましい。イオン性単量体単位の含有量が０．１モル％未満だと、モザイク荷電膜中の有効荷電密度が低下し、電解質選択透過性が低下するおそれがある。イオン性単量体単位の含有量が０．５モル％以上であることがより好ましく、１モル％以上であることがさらに好ましい。また、イオン性単量体単位の含有量は５０モル％以下であることが好ましい。イオン性単量体単位の含有量が５０モル％を超えると、モザイク荷電膜の膨潤度が高くなり、モザイク荷電膜中の有効荷電密度が低下し、電解質選択透過性が低下するおそれがある。イオン性単量体単位の含有量が３０モル％以下であることがより好ましく、２０モル％以下であることがさらに好ましい。イオン性重合体が、イオン基を含有する重合体とイオン基を含有しない重合体との混合物である場合や、イオン基を含有する重合体の複数種の混合物である場合のイオン性単量体単位の含有量は、混合物中の単量体単位の総数に対するイオン性単量体単位の数の割合をいう。
【００５１】
カチオン性重合体またはアニオン性重合体から選択されるイオン性重合体における、イオン基以外の部分の構造単位は、それぞれ独立に選択することができるが、カチオン性重合体とアニオン性重合体とが、同一の構造単位を有することが好ましい。これにより、ドメイン同士の間の親和性が高くなるため、モザイク荷電膜の機械的強度が増大する。同一の構造単位を、カチオン性重合体およびアニオン性重合体の両方が、５０モル％以上有していることが好ましく、７０モル％以上有していることがより好ましい。
【００５２】
また、親水性であることから、同一の構造単位がポリビニルアルコール単位であることが特に好ましい。カチオン性重合体およびアニオン性重合体がビニルアルコール単位を有することにより、グルタルアルデヒドなどの架橋処理剤によりドメイン同士の間を化学的に架橋することができるので、モザイク荷電膜の機械的強度をさらに高くすることもできる。
【００５３】
同一の構造単位がビニルアルコール単位である場合の具体例として、カチオン性重合体のドメインが、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物からなり、アニオン性重合体のドメインが、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物からなる場合が挙げられる。
【００５４】
本発明において、カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有するポリビニルアルコールは、イオン性単量体とビニルエステル系単量体を共重合し、これを常法によりけん化して得られる。ビニルエステル系単量体は、ラジカル重合可能なものであれば使用できる。例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バレリン酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル、ピバリン酸ビニルおよびバーサティック酸ビニル等が挙げられる。この中でも、酢酸ビニルが好ましい。
【００５５】
イオン性単量体とビニルエステル系単量体とを共重合させる方法としては、塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法などの公知の方法が挙げられる。それらの方法の中でも、無溶媒で行う塊状重合法、またはアルコールなどの溶媒を用いて行う溶液重合法が通常採用される。溶液重合法を採用して共重合反応を行う際に、溶媒として使用されるアルコールとしては、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどの低級アルコールが挙げられる。共重合反応に使用される開始剤としては、２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチル−バレロニトリル）、１，１’−アゾビス（シクロヘキサン−１−カルボニトリル）、２，２’−アゾビス（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）などのアゾ系開始剤；過酸化ベンゾイル、ｎ−プロピルパーオキシカーボネートなどの過酸化物系開始剤などの公知の開始剤が挙げられる。共重合反応を行う際の重合温度については特に制限はないが、５℃〜１８０℃の範囲が適当である。
【００５６】
イオン性単量体とビニルエステル系単量体とを共重合させることによって得られたビニルエステル系重合体は、次いで、公知の方法にしたがって溶媒中でけん化され、イオン基を含有するポリビニルアルコールへと導かれる。
【００５７】
ビニルエステル系重合体のけん化反応の触媒としては通常アルカリ性物質が用いられ、その例として、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物、およびナトリウムメトキシドなどのアルカリ金属アルコキシドが挙げられる。けん化触媒は、けん化反応の初期に一括して添加しても良いし、あるいはけん化反応の初期に一部を添加し、残りをけん化反応の途中で追加して添加しても良い。けん化反応に用いられる溶媒としては、メタノール、酢酸メチル、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。これらの溶媒の中でもメタノールが好ましい。けん化反応は、バッチ法および連続法のいずれの方式にても実施可能である。けん化反応の終了後に、必要に応じて、残存するけん化触媒を中和しても良く、使用可能な中和剤として、酢酸、乳酸などの有機酸、および酢酸メチルなどのエステル化合物などが挙げられる。
【００５８】
イオン基を含有するポリビニルアルコールのけん化度は特に限定されないが、４０〜９９．９モル％であることが好ましい。けん化度が４０モル％未満だと、結晶性が低下し、モザイク荷電膜の強度が不足するおそれがある。けん化度が６０モル％以上であることがより好ましく、８０モル％以上であることがさらに好ましい。通常、けん化度は９９．９モル％以下である。このとき、前記ポリビニルアルコールが複数種のポリビニルアルコールの混合物である場合のけん化度は、混合物全体としての平均のけん化度をいう。なお、ポリビニルアルコールのけん化度は、ＪＩＳ Ｋ６７２６に準じて測定した値である。本発明で用いられるイオン基を含有しないポリビニルアルコールのけん化度も、上記範囲であることが好ましい。
【００５９】
イオン基を含有するポリビニルアルコールの粘度平均重合度（以下単に重合度と言うことがある）は特に限定されないが、５０〜１００００であることが好ましい。重合度が５０未満だと、実用上でモザイク荷電膜が十分な強度を保持できないおそれがある。重合度が１００以上であることがより好ましい。重合度が１００００を超えると印刷に用いる重合体溶液の粘度が高すぎて扱えないおそれがある。重合度が８０００以下であることがより好ましい。このとき、前記ポリビニルアルコールが複数種のポリビニルアルコールの混合物である場合の重合度は、混合物全体としての平均の重合度をいう。なお、ポリビニルアルコールの粘度平均重合度は、ＪＩＳ Ｋ６７２６に準じて測定した値である。本発明で用いられるイオン基を含有しないポリビニルアルコールの重合度も、上記範囲であることが好ましい。
【００６０】
本発明のモザイク荷電膜の製造方法は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成することを特徴とする。これにより、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続することができるとともに、得られるモザイク荷電膜の機械的強度を向上させることができる。本発明において、カチオン繊維とアニオン繊維とを織成する方法としては特に限定されず、平織、綾織、朱子織等が挙げられる。カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとをできるだけ均等に交互に配置させる観点から平織であることが好ましい。
【００６１】
織成するにあたっては、カチオン繊維とアニオン繊維とを交互に配置することが好ましく、かかる観点から、例えば、経糸にカチオン性重合体を含む繊維を用いた場合には、緯糸にアニオン性重合体を含む繊維を用いることが好ましい。あるいは、経緯糸にカチオン性重合体を含む繊維とアニオン性重合体を含む繊維とが交互に配置されるようにして織成することも好適な実施態様である。ここで、本発明者らは、得られるモザイク荷電膜において、カチオンの荷電密度とアニオンの荷電密度との存在比を等しくした方が、モザイク荷電膜の性能を向上させることが可能になることを確認している。また、得られるモザイク荷電膜の機械的強度をより向上させる観点から、カチオン繊維およびアニオン繊維以外の繊維を混織させても構わない。このような繊維としては、例えば、レーヨン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
【００６２】
本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維は、マルチフィラメントであってもモノフィラメントであっても構わないが、得られるモザイク荷電膜に欠陥ができにくい観点からマルチフィラメントであることが好ましい。本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍであることが好ましい。該単繊維の平均径が１０μｍ未満の場合、紡糸が困難となるおそれがあり、１５μｍ以上であることがより好ましい。一方、単繊維の平均径が１００μｍを超える場合、得られるモザイク荷電膜に欠陥が発生するおそれがあり、８０μｍ以下であることがより好ましい。なお、単繊維の平均径（μｍ）は、後述する実施例から分かるように、長さ１０ｍの単繊維の重量（Ｉ）（ｇ）を測定した後に計算式から単繊維の半径ｒを求め、単繊維の平均径（μｍ）を算出した。
【００６３】
本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維を湿式紡糸法により得ることが好ましい。すなわち、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を含む紡糸原液をノズルから吐出し、凝固液中に導入して凝固させることによってカチオン繊維またはアニオン繊維を得る方法が好適に採用される。ノズルから吐出された紡糸原液は、凝固液中に導入されるが、均一に凝固する観点から、ノズルの吐出口から凝固液の液面までの間に一定距離の空間（エアギャップ）を設け、該空間を通った後に凝固液中に導入される乾湿式紡糸法を採用しても構わない。
【００６４】
紡糸原液に用いられる溶媒としては、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を溶解させることができるのであれば特に限定されず、水、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、グリセリン、エチレングリコール等からなる群から選択される少なくとも１種を用いることができる。断糸がなく安定に紡糸する観点から、吐出前に紡糸原液を紡糸原液タンク中で数十分から数時間程度静置させることにより脱泡することが好ましい。
【００６５】
上記紡糸原液をノズルから吐出する際、得られるカチオン繊維およびアニオン繊維の寸法に応じて、ノズルの孔径や孔数が適宜選択される。例えば、得られるカチオン繊維またはアニオン繊維がマルチフィラメントである場合、ノズルの孔数が数十から数百となるように適宜選択される。また、紡糸原液をノズルから吐出する際に、紡糸原液を加熱することが好ましい。好適な紡糸原液の温度は、５０〜１００℃であり、加熱することによって紡糸原液の粘度が低下して紡糸作業が容易となる。
【００６６】
本発明で用いられる凝固液としては、紡糸原液に対して凝固性を示す液体であれば特に限定されず、メタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、水、硫酸ナトリウム水溶液、ヘキサンなどが好適に用いられる。凝固液の温度は、紡糸原液よりも低温であることが好ましく、具体的には０〜５０℃であることが好ましい。
【００６７】
本発明では、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を含む紡糸原液をノズルから吐出し、凝固液中に導入して凝固させて糸条を得た後に、該糸条を抽出液中に導入して紡糸原液由来の溶媒を抽出する操作が好適に行われる。抽出液としては、メタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、水などが好適に用いられる。
【００６８】
また、このとき、繊維の配向の観点から湿式延伸を行うことが好ましい。湿式延伸を行う際の延伸倍率としては１．２倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。湿式延伸の延伸倍率が高くなりすぎると、得られるカチオン繊維および／またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、湿式延伸の延伸倍率は通常、１０倍以下である。
【００６９】
また、本発明では、必要に応じて湿式延伸を行った後に、結晶性や強度を向上させる観点から更に乾熱延伸を行うことが好ましい。乾熱延伸を行う際の延伸倍率としては１．２倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。乾熱延伸の延伸倍率が高くなりすぎると、得られるカチオン繊維またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、乾熱延伸の延伸倍率は通常、１０倍以下である。乾熱延伸する際の温度としては特に限定されず、８０〜２５０℃であることが好ましい。乾熱延伸する際の温度が８０℃未満の場合、乾熱延伸を行うことが困難となるおそれがあり、１００℃以上であることがより好ましい。一方、乾熱延伸する際の温度が２５０℃を超える場合、イオン基が熱分解するおそれがあり、２４０℃以下であることがより好ましい。
【００７０】
本発明では、１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維およびアニオン繊維を得ることが好ましい。ここで、全延伸倍率は、湿式延伸と乾熱延伸との積で表わされる。本発明のように、全延伸倍率が１．２倍から２０倍であることにより、強度の良好なカチオン繊維およびアニオン繊維を得ることができる。全延伸倍率は、４倍以上であることがより好ましく、８倍以上であることが更に好ましい。一方、全延伸倍率が２０倍を超える場合、得られるカチオン繊維および／またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、１８倍以下であることがより好ましい。
【００７１】
本発明では、こうして得られたカチオン繊維とアニオン繊維とを織成し、得られた織布に対して熱プレス処理を行う。熱プレス処理を行うことにより、カチオン繊維とアニオン繊維とが互いに熱接着され、カチオン繊維とアニオン繊維との間に隙間がないシートを形成することができる。熱プレス処理の温度としては特に限定されないが、８０〜２５０℃であることが好ましい。熱プレス処理の温度が８０℃未満の場合、カチオン繊維とアニオン繊維との熱接着が不十分となるおそれがあり、１００℃以上であることがより好ましく、１２０℃以上であることが更に好ましい。一方、熱プレス処理の温度が２５０℃を超える場合、イオン基が熱分解するおそれがあり、２３０℃以下であることがより好ましい。また、熱プレス処理する際の圧力としては特に限定されないが、１〜１０ＭＰａであることが好ましい。
【００７２】
本発明では、上記形成されたシートを架橋処理することにより、モザイク荷電膜が得られる。架橋処理を行うことにより、得られるモザイク荷電膜の機械的強度が増大する。また、荷電密度が増加するため、対イオン選択性が向上し、塩の透過流束が向上する。架橋処理の方法は、重合体の分子鎖同士を化学結合によって結合できる方法であればよく、特に限定されない。上記形成されたシートを、架橋処理剤を含む溶液に浸漬する方法などが用いられる。該架橋処理剤としては、グルタルアルデヒド、ホルムアルデヒド、グリオキザールなどが例示される。該架橋処理剤の濃度は、通常、溶液に対する架橋処理剤の体積濃度が０．００１〜１体積％である。
【００７３】
本発明により得られるモザイク荷電膜の厚みは特に限定されず、１０〜１０００μｍであることが好ましい。モザイク荷電膜の厚みが１０μｍ未満の場合、モザイク荷電膜の機械的強度が低下するおそれがあるとともに、膜に欠陥が生じてしまうおそれがあり、５０μｍ以上であることがより好ましく、８０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、モザイク荷電膜の厚みが１０００μｍを超える場合、塩の透過流束が小さくなるおそれがあり、８００μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００７４】
本発明のモザイク荷電膜は、本発明の目的を損なわない範囲で、無機フィラーなど種々の添加剤を含んでいてもよい。
【００７５】
また、本発明により得られるモザイク荷電膜の荷電密度は、特に限定されないが、０．１〜２０ｍｏｌ・ｄｍ−３であることが好ましい。荷電密度が０．１ｍｏｌ・ｄｍ−３未満だと、膜の対イオン選択性に劣るおそれがある。荷電密度が０．３ｍｏｌ・ｄｍ−３以上であることがより好ましく、０．５ｍｏｌ・ｄｍ−３以上であることがさらに好ましい。膜の荷電密度が２０ｍｏｌ・ｄｍ−３を超えると、膜の膨潤が著しく、寸法安定性が悪く、取り扱いが困難となるおそれがある。膜の荷電密度が１０ｍｏｌ・ｄｍ−３以下であることがより好ましく、３ｍｏｌ・ｄｍ−３以下であることがさらに好ましい。
【００７６】
本発明により得られるモザイク荷電膜は、種々の用途に用いることができる。本発明により得られるモザイク荷電膜は、塩の透過流束が大きく、かつ電解質選択透過性に優れているので、水の精製、食品や医薬原材料の脱塩、かん水や海水の脱塩、淡水化をするのに適している。また、本発明により得られるモザイク荷電膜は機械的強度に優れているので、圧透析を行うのに、特に適している。本発明のモザイク荷電膜の製造方法によれば、大面積の膜を、容易にかつ低コストで製造することができる。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。尚、以下の実施例および比較例中、特に断りのない限り「％」および「部」は質量基準である。実施例および比較例における分析および評価は下記の方法に従って行った。
【００７８】
（１）膜厚み測定
モザイク荷電膜の厚みは、デジマチック標準外側マイクロメータＭＤＣ−２５ＭＪ（（株）ミツトヨ製）にて測定した。
【００７９】
（２）アニオン繊維およびカチオン繊維の単繊維の平均径測定
アニオン繊維およびカチオン繊維の長さ１０ｍの単繊維の重量（Ｉ）（ｇ）をそれぞれ測定し、下記の計算式から単繊維の半径ｒを求め、単繊維の平均径（μｍ）を算出した。
単繊維の平均径（μｍ）＝２ｒ
【数１】
ここで、１．３は樹脂密度（ｇ／ｃｍ３）、πは円周率３．１４である。
【００８０】
（３）破壊圧力測定
ミクニ平膜試験機ＭＫ−ＦＭＴ−５００（ミクニキカイ（株）製）を用いて、モザイク荷電膜を加圧し、膜が破損する圧力を測定した。
【００８１】
（４）圧透析試験
圧透析試験は図１に示す装置で行った。フォルダに挟んだモザイク荷電膜３の測定試料を２つのセルの間に挟み、株式会社堀場製作所製導電率電極「３５５２−１０Ｄ」を挿入したセルＩ６に所定濃度のＮａＣｌ水溶液を３０ｍＬ入れ、セルII７にはセルＩ６と同濃度のＮａＣｌ水溶液を３０ｍＬ入れた。続いて、両セル内の水溶液を攪拌子４で撹拌させながら、窒素ガスボンベ１からセルII７側に窒素ガスを加え、一定圧力に維持した。その際、導電率計５を用いてセルＩ６中の導電率を２５℃の一定温度下で測定した。試験終了後、直ちにセルＩ６中のＮａＣｌ水溶液の重量を測定した。
【００８２】
このようにして測定したセルＩ６中のＮａＣｌの濃度について、時間変化の曲線を求め、この直線の初期勾配の値から、濃度の時間変化率ΔＣＩＳ／Δｔを算出した。また、セルＩ６中のＮａＣｌ水溶液の重量を測定し、試験開始時と試験終了後の値の差より、ΔＭＩをもとめ、水のモル数の時間変化率ΔＭＩ／（Ｓ×Δｔ）を算出した。
【００８３】
ＮａＣｌの流束ＪＳは、次式により算出した。
ＪＳ＝ＶＩ×ΔＣＩＳ／（Ｓ×Δｔ）×１０００
水の流束Ｊｗは、次式により算出した。
ＪＷ＝ΔＭＩ／（Ｓ×Δｔ）
・ＪＳ：ＮａＣｌ成分の流束［ｍｏｌ・ｍ−２・ｓ−１］
・ＶＩ：セルＩ内のイオン交換水量［ｍ３］
・Ｓ：モザイク荷電膜の膜有効面積［ｍ２］
・ΔＣＩＳ：セルＩ内のＮａＣｌ成分の初期濃度変化［ｍｏｌ／Ｌ］
・Δｔ：透過時間［ｓ］
・ΔＭＩ：セルＩ内のＮａＣｌ水溶液の初期モル数変化［ｍｏｌ］
【００８４】
求めたＮａＣｌの流束ＪＳと水の流束ＪＷを用いて、下記式からモザイク荷電膜のＮａＣｌに対する水の選択透過性αを算出した。
α＝ＪＷ／ＪＳ
【００８５】
（アニオン性重合体Ｐ−１の合成）
攪拌機、温度センサー、滴下漏斗および還流冷却管を備え付けた６Ｌのセパラブルフラスコに、酢酸ビニル２５５５ｇ、メタノール９２５ｇ、および２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムを２０質量％含有するメタノール溶液３５．０ｇを仕込み、攪拌下に系内を窒素置換した後、かかる混合液の内温を６０℃まで上げた。該混合液中に２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を０．８ｇ含有するメタノール２０ｇを添加し、重合反応を開始した。重合開始時点より２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムを２０質量％含有するメタノール溶液２３０ｇを反応液中に添加しながら、４時間重合反応を行った後、重合反応を停止した。重合反応を停止した時点における反応液中の固形分濃度、すなわち、反応液全体に対する不揮発分の含有率は２５．７質量％であった。ついで、系内にメタノール蒸気を導入することにより、未反応の酢酸ビニル単量体を追い出し、ビニルエステル共重合体を５５質量％含有するメタノール溶液を得た。
【００８６】
このビニルエステル共重合体を５５質量％含有するメタノール溶液に、該共重合体中の酢酸ビニル単位に対する水酸化ナトリウムのモル比が０．０２、ビニルエステル共重合体の固形分濃度が３０質量％となるように、メタノール、および水酸化ナトリウムを１０質量％含有するメタノール溶液をこの順序で撹拌下に加え、４０℃でけん化反応を開始した。
【００８７】
けん化反応の進行に伴ってゲル化物が生成した直後にこれを反応系から取り出して粉砕し、ついで、ゲル化物が生成してから１時間が経過した時点で、この粉砕物に酢酸を添加することにより中和を行い、膨潤状態の固形分を得た。該固形分に対して質量基準で６倍量（浴比６倍）のメタノールを加え、還流下に１時間洗浄した後、濾過によって回収した固形分を６５℃で１６時間乾燥し、ポリ（ビニルアルコール−２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム）のランダム共重合体であるアニオン性重合体Ｐ−１を得た。得られたアニオン性重合体Ｐ−１を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該アニオン性重合体中のアニオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対する２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム単量体単位の数の割合は２モル％であった。また、重合度は１７００、けん化度は９８．５モル％であった。得られた重合体の物性を表１に示す。
【００８８】
【表１】
【００８９】
（ＰＶＡ−１の合成）
特許文献４に記載された方法（末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール系重合体およびその方法）によって、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールＰＶＡ−１を合成した。得られたＰＶＡ−１の重合度は１５５０、けん化度は９８．５モル％であった。
【００９０】
（カチオン性重合体Ｐ−２の合成）
還流冷却管、攪拌翼を備え付けた５Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、水１２００ｇ、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールとしてＰＶＡ−１を３４４ｇ仕込み、攪拌下９５℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、室温まで冷却した。該水溶液に１／２規定の硫酸を添加してｐＨを３．０に調整した。別に、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド２７ｇを水３００ｇに溶解し、これを先に調製した水溶液に攪拌下添加した後、該水溶液中に窒素をバブリングしつつ７０℃まで加温し、さらに７０℃で３０分間窒素のバブリングを続けることで、窒素置換した。窒素置換後、上記水溶液に過硫酸カリウム（ＫＰＳ）の２．５％水溶液１２１ｍＬを１．５時間かけて逐次的に添加してブロック共重合を開始させ、進行させた後、系内温度を７５℃に１時間維持して重合をさらに進行させ、ついで冷却して、固形分濃度１８％の水溶液を得た。該水溶液を乾燥させて、ポリビニルアルコール−ジアリルジメチルアンモニウムクロライドのブロック共重合体であるカチオン性重合体Ｐ−２を得た。また、得られたカチオン性重合体Ｐ−２を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該ブロック共重合体中のカチオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対するジアリルジメチルアンモニウムクロライド単量体単位の数の割合は２モル％であった。得られたカチオン性重合体Ｐ−２の物性を表２に示す。
【００９１】
（カチオン性重合体Ｐ−３の合成）
末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの種類と仕込み量、カチオン性単量体の種類と仕込み量、水の量、重合開始剤（過硫酸カリウム）の量などの重合条件を表１に示すように変えた以外は、カチオン性重合体Ｐ−２と同様の方法によってカチオン性重合体Ｐ−３を合成した。得られたカチオン性重合体Ｐ−３の物性を表２に示す。
【００９２】
【表２】
【００９３】
（アニオン性重合体Ｐ−４の合成）
還流冷却管、攪拌翼を備え付けた５Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、水１９００ｇ、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールとしてＰＶＡ−１を３４４ｇ仕込み、攪拌下９５℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、室温まで冷却した。該水溶液に１／２規定の硫酸を添加してｐＨを３．０に調整した。別に、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム１７２ｇを水３００ｇに溶解し、これを先に調製した水溶液に攪拌下添加した後、該水溶液中に窒素をバブリングしつつ７０℃まで加温し、さらに７０℃で３０分間窒素のバブリングを続けることで、窒素置換した。窒素置換後、上記水溶液に過硫酸カリウム（ＫＰＳ）の２．５％水溶液１２１ｍＬを１．５時間かけて逐次的に添加してブロック共重合を開始させ、進行させた後、系内温度を７５℃に１時間維持して重合をさらに進行させ、ついで冷却して、固形分濃度１８％の水溶液を得た。該水溶液を乾燥させて、ポリビニルアルコール−ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウムのブロック共重合体であるアニオン性重合体Ｐ−４を得た。また、得られたアニオン性重合体Ｐ−４を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該ブロック共重合体中のアニオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対するｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム単量体単位の数の割合は１０モル％であった。得られたアニオン性重合体Ｐ−４の物性を表３に示す。
【００９４】
【表３】
【００９５】
（アニオン繊維Ａ−１の作製）
１．紡糸原液の調製
環流冷却管、攪拌翼を備え付けた１Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、ジメチルスルホキシド６１６ｇ、側鎖にスルホン酸基を有するアニオン性重合体Ｐ−１を１８４ｇ仕込み、攪拌下９０℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、温度９０℃で静置脱泡実施し、紡糸原液とした。
【００９６】
２．アニオン繊維の紡糸
乾湿式紡糸によってアニオン繊維Ａ−１を作製した。紡糸装置８の概略図を図２に示す。上記で作製した紡糸原液を紡糸原液タンク９に仕込んだ後、脱泡のため約１時間静置させた。紡糸原液の温度が紡糸中８０℃となるように紡糸原液タンク９を加熱した。その後、孔径０．２ｍｍ、孔数２００個のノズル１０から空気中に原液を押出し、５ｍｍのギャップを取り、温度５℃に調整した凝固浴１１であるメタノール浴中に原液を浸漬させ凝固した。原液の吐出は１５ｃｃ／ｍｉｎで押出し、凝固浴１１のローラー（Ａ）１２の速度は５ｍ／ｍｉｎとした。次いで、原液中のジメチルスルホキシドを抽出させるために、エタノール浴１３中に浸漬させた。エタノール浴１３のローラー（Ｂ）１４の速度は５ｍ／ｍｉｎとした。湿式延伸倍率は１（ローラーの速度比率（Ｂ）／（Ａ）＝１）であった。次いで、２３２℃の熱風延伸炉で２．０倍の乾熱延伸を行った（入速：７．５ｍ／ｍｉｎ、出速：１５ｍ／ｍｉｎ）。得られたアニオン繊維Ａ−１の繊維径を測定したところ、表４に示すとおり２４７μｍであった。また、アニオン繊維Ａ−１の単繊維の平均径は２０μｍであった。
【００９７】
（アニオン繊維Ａ−２〜Ａ−５の作製）
アニオン繊維Ａ−１において、樹脂種類、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−２〜Ａ−５を得た。得られたアニオン繊維の繊維径を表４に示す。
【００９８】
（アニオン繊維Ａ−６の作製）
１．紡糸原液の調製
アニオン性重合体Ｐ−４の濃度１８％の水溶液２０００ｇをメタノール２０Ｌ中に攪拌下、徐々に加えてアニオン性重合体Ｐ−４を沈殿させて取り出し、減圧乾燥機中で４０℃、６時間乾燥させてメタノールを除去した。次いで、環流冷却管、攪拌翼を備え付けた１Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、ジメチルスルホキシド６１６ｇおよび上記で取り出したアニオン性重合体Ｐ−４を１８４ｇを仕込み、攪拌下９０℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、温度９０℃で静置脱泡実施し、紡糸原液とした。
【００９９】
２．アニオン繊維の紡糸
上記紡糸原液の調製により得られた紡糸原液を用い、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−６を得た。得られたアニオン繊維Ａ−６の繊維径を表４に示す。
【０１００】
（アニオン繊維Ａ−７〜Ａ−１０の作製）
アニオン繊維Ａ−６において、樹脂種類、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−６と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−７〜Ａ−１０を得た。得られたアニオン繊維の繊維径を表４に示す。
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
（カチオン繊維Ｃ−１〜Ｃ−５の作製）
アニオン性重合体Ｐ−１の代わりにカチオン性重合体Ｐ−２を用い、樹脂種類、紡糸条件を表５に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、カチオン繊維Ｃ−１〜Ｃ−５を得た。得られたカチオン繊維の繊維径を表５に示す。
【０１０３】
（カチオン繊維Ｃ−６〜Ｃ−１０の作製）
アニオン性重合体Ｐ−４の代わりにカチオン性重合体Ｐ−３を用い、樹脂種類、紡糸条件を表５に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−６と同様の方法により、カチオン繊維Ｃ−６〜Ｃ−１０を得た。得られたカチオン繊維の繊維径を表５に示す。
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
実施例１
（シートＭ−１の作製）
アニオン繊維Ａ−１とカチオン繊維Ｃ−１とを交互に織り込み平織り状にした。平織り機はＡＳＨＦＯＲＤ製の「ＴＡＢＬＥ ＬＯＯＭ−ＦＯＵＲ ＳＨＡＦＴ」を用いた。次いで、得られた織布を熱プレス機ＳＦ３７（株式会社神藤金属工業所製）にて温度２１０℃、圧力５ＭＰａで３分間熱プレスを行いシートＭ−１を形成した。該シートＭ−１の膜厚は表６に示すとおり２２０μｍであった。
【０１０６】
（モザイク荷電膜の作製）
こうして得られたシートＭ−１を２ｍｏｌ／Ｌの硫酸ナトリウムの電解質水溶液に２４時間浸漬させた。該水溶液にそのｐＨが１になるように濃硫酸を加えた後、０．０５体積％グルタルアルデヒド水溶液に該膜を浸漬し、２５℃で２４時間スターラーを用いて撹拌し、架橋処理を行ってモザイク荷電膜を得た。ここで、グルタルアルデヒド水溶液としては、石津製薬株式会社製「グルタルアルデヒド」（２５体積％）を水で希釈したものを用いた。架橋処理の後、該膜を脱イオン水に浸漬し、途中数回脱イオン水を交換しながら、該膜が膨潤平衡に達するまで浸漬させた。
【０１０７】
（モザイク荷電膜の評価）
このようにして作製したモザイク荷電膜を、所望の大きさに裁断し、測定試料を作製した。得られた測定試料を用い、上記方法にしたがって、圧透析試験を行った。得られた結果を表７に示す。
【０１０８】
実施例２〜１０
（シートＭ−２〜Ｍ−１０の作製）
用いるアニオン繊維およびカチオン繊維の種類、熱プレス条件を表６に示した内容に変更した以外は、シートＭ−１と同様の方法により、シートＭ−２〜Ｍ−１０を得た。得られたシートＭ−２〜Ｍ−１０の膜厚を表６に示す。
【０１０９】
（モザイク荷電膜の作製および評価）
上記したようにして得られたシートＭ−２〜Ｍ−１０に対し、実施例１と同様に架橋処理を行うことによりモザイク荷電膜を得た。次いで、実施例１と同様にして圧透析試験を行った。得られた結果を表７に示す。
【０１１０】
比較例１
実施例１において、シートＭ−１の代わりに、アニオン性重合体Ｐ−１キャスト膜とカチオン性重合体Ｐ−３キャスト膜とを交互に１００μｍずつ５００層重ね合わせたシートを作製し、該シートを垂直方向に厚さ２００μｍにカットして得られた積層モザイク荷電膜（積層ＭＣ）を用いた以外は、実施例１と同様にして圧透析試験を行った。圧透析試験時に該シートが破損したため評価ができなかった。
【０１１１】
【表６】
【０１１２】
【表７】
【符号の説明】
【０１１３】
１ 窒素ガスボンベ
２ 圧力計
３ モザイク荷電膜
４ 攪拌子
５ 導電率計
６ セルＩ
７ セルII
８ 紡糸装置
９ 紡糸原液タンク
１０ ノズル
１１ 凝固浴
１２ ローラーＡ
１３ エタノール浴
１４ ローラーＢ
１５ 巻取り手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モザイク荷電膜およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モザイク荷電膜は、カチオン交換ドメインとアニオン交換ドメインが交互に配列し、各ドメインが膜の一面から他面まで連続した荷電構造を有する膜である。モザイク荷電膜は、かかる荷電構造によって、外部からの電流を必要とすることなく対象溶液中の低分子量イオンの透過を促進することができる。カチオン交換ドメインとアニオン交換ドメインが交互に並べられると、各ドメインが帯びる電荷が互いに逆であるため、膜の両側の塩溶液部分が抵抗となる電気回路ができる。その回路に流れる電流のようにカチオンとアニオンがそれぞれカチオン交換ドメイン、アニオン交換ドメインを通って輸送されることで循環電流が生じ、塩の輸送が促進される。このことはモザイク荷電膜が、外部からの電流が必要な、一種類の固定電荷を有するイオン交換膜と異なり、イオン輸送を引き起こす機構を膜自体に内在させていることを意味する。
【０００３】
モザイク荷電膜として種々の手法により作製したものが報告されている。特許文献１には、ブロック共重合体のミクロ相分離現象を利用して作製したモザイク荷電膜を用いる有機化合物の脱塩方法が記載されている。しかしながら、ブロック共重合体のミクロ相分離現象を利用してモザイク荷電膜を作製する方法は、所望の構造のブロック共重合体を得るために高度な技術が必要であり、操作も煩雑なため、高コストになり、工業的に実用性のある大面積のモザイク荷電膜を効率よく安価に製造することは困難である。また、カチオン交換ドメインおよびアニオン交換ドメインがそれぞれ膜の一面から他面まで連続するように構造形成することは困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００４】
特許文献２には、膜形成ポリマー、該膜形成ポリマーを溶解し得る溶媒、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を混合し、ポリマー溶液に陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を分散させて均一なポリマー分散液を調製する工程；および前記ポリマー分散液を基材上に塗布および延伸し、乾燥して凝固させた後、得られた膜から溶媒を除去し、洗浄する工程を行うことを特徴とする、モザイク荷電膜の製造方法が記載されている。この方法により得られたモザイク荷電膜は、圧透析実験において圧力上昇とともに塩透過量も増加することが記載されている。しかし、このモザイク荷電膜では膜マトリックスとイオン交換樹脂との界面において水や中性溶質の漏れが生じる上、カチオン交換ドメインおよびアニオン交換ドメインがそれぞれ膜の一面から他面まで連続するように構造形成することは困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００５】
特許文献３には、カチオン性ポリマーおよびアニオン性ポリマーのいずれか一方のイオン性ポリマーが形成する架橋連続相中に、連続相形成ポリマーと少なくとも反対イオン性のポリマーが平均粒子径０．０１〜１０μｍの架橋粒子として分散してなるカチオン性ポリマードメインとアニオン性ポリマードメインからなるモザイク荷電膜を製造する方法において、前記膜の連続相を形成するいずれか一方のイオン性ポリマーの溶液に少なくとも連続相形成ポリマーと反対イオン性のポリマーの球状微粒子を分散させた分散液を用いて膜を形成し、該膜中の少なくとも連続相を架橋させ、次いで水または水溶液浸漬処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法が記載されている。この方法で製造される膜は、ドメインサイズや膜厚の調製が容易であり、また最大の利点は比較的容易に大面積の膜の作製が可能である点である。しかし、この製造方法では、平均粒子径が小さい重合体微粒子を調製しなければならず、高度な技術および長時間を要するといった問題がある。しかも得られるモザイク荷電膜は、含水性の高いミクロゲルで構成されているため、耐圧性が非常に低く、特に構造上、膜マトリックスと陽、陰ミクロゲル界面との接着性が完全ではないため、高い電解質透過性を有するモザイク荷電膜の作製が困難であり、また機械的強度も十分とは言えない。そのため、拡散透析用の膜としては使用可能であるものの、圧透析用の膜としては使用に耐えないか、もしくは耐久性に極めて劣るといった欠点を有する。また、球状微粒子として分散させた一方のイオン性ポリマーが膜の一面から他面まで連続するように構造形成することが困難であるため、高い塩選択透過性を達成することは困難である。
【０００６】
非特許文献１には、積層法によって作製されたモザイク荷電膜が記載されている。当該積層法では、ポリビニルアルコールとポリアニオンから陽イオン交換膜を、ポリビニルアルコールとポリカチオンから陰イオン交換膜を作製し、これらをポリビニルアルコールを接着剤として交互に貼り合わせることにより積層荷電ブロックを作製し、得られたブロックを積層面と垂直にラボカッターで切断した後、架橋処理を行うことによって、約１５０μｍの膜厚を有する積層モザイク荷電膜を作製している。このようにして得られた積層モザイク荷電膜のＫＣｌの塩流束ＪＫＣｌは３．０×１０−９ｍｏｌ・ｃｍ−２・ｓ−１、電解質選択透過性αは２３００と非常に高い値を示すことが記載されている。引張強度は荷電層と平行な方向で５．７ＭＰａであったが、垂直方向で２．７ＭＰａであり、拡散透析用には使用可能であるが、圧透析用に使用するには、より強度を高める必要がある。
【０００７】
非特許文献２には、ポリビニルアルコールを膜マトリックスとするポリマーブレンド法によって作製されたモザイク荷電膜が記載されている。当該ポリマーブレンド法では、ポリビニルアルコールとイタコン酸基を含有するビニル化合物を２ｍｏｌ％共重合組成として含有する変性ＰＶＡポリアニオンの水溶液に、イタコン酸基のカルボキシル基からの水素イオンの解離を抑制するために塩酸を加えて酸性にした溶液と、ポリビニルアルコールとポリアリルアミン塩酸塩水溶液とを混合することでポリマーブレンド水溶液を調製した。この溶液をガラス板などにキャストして膜を得た後、化学的架橋を行うことによってモザイク荷電膜を得ている。このようにして得られたモザイク荷電膜のＫＣｌの塩流束ＪＫＣｌは１．７×１０−８ｍｏｌ・ｃｍ−２・ｓ−１であり、電解質選択透過性αは４８を示すことが記載されているが、より高い電解質選択透過性が望まれている。また、酸性溶液では塩選択透過性が低下するという問題も有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−２０３６１３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７３３８号公報
【特許文献３】特開平８−１５５２８１号公報
【特許文献４】特開昭５９−１８７００３号公報
【特許文献５】特開昭５９−１８９１１３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ．３１０，ｐ．４６６（２００８）．
【非特許文献２】繊維学会予稿集 Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１，ｐ．３３（２００１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れたモザイク荷電膜の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法を提供することによって解決される。
【００１２】
このとき、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が親水性重合体であることが好適であり、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールであることが好適である。前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体であることが好適であり、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が０．１モル％以上のイオン性単量体単位を含有することが好適である。前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍであることが好適であり、前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を湿式紡糸法により得ることが好適である。また、１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を得ることも好適である。
【００１３】
また、上記課題は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着してシートを形成し、該シートが架橋処理されてなることを特徴とするモザイク荷電膜を提供することによっても解決される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のモザイク荷電膜の製造方法により、塩の透過流束が大きく、かつ機械的強度に優れたモザイク荷電膜を容易に作製することができる。こうして得られるモザイク荷電膜は、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連通しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れる。また、電解質と非電解質の分離や、電解質の除去（脱塩）などを効率よく行うことができ、拡散透析にも圧透析にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】圧透析試験装置を示した図である。
【図２】本発明で用いられた紡糸装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成し、得られた織布に対して熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法である。これにより、塩の透過流速が大きく、かつ機械的強度に優れたモザイク荷電膜を容易に作製することができる。こうして得られるモザイク荷電膜は、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続しており、塩の透過流速が大きく、また機械的強度に優れる利点を有する。特に、延伸された繊維を用いることにより、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が配向結晶化されてミクロ相分離によるイオン基の集中が生じるとともに、含水率を下げて荷電密度を上げることができ、モザイク荷電膜の性能を向上させることができる。
【００１７】
本発明で用いられるカチオン性重合体は、分子鎖中にカチオン基を含有する重合体である。当該カチオン基は主鎖、側鎖、末端のいずれに含まれていても構わない。カチオン基としては、アンモニウム基、イミニウム基、スルホニウム基、ホスホニウム基などが例示される。また、アミノ基やイミノ基のように、水中において少なくともその一部が、アンモニウム基やイミニウム基に変換し得る官能基も、カチオン基に含まれる。この中で、工業的に入手し易い観点から、アンモニウム基が好ましい。アンモニウム基としては、１級アンモニウム基（アンモニウム基）、２級アンモニウム基（アルキルアンモニウム基等）、３級アンモニウム基（ジアルキルアンモニウム基等）、４級アンモニウム基（トリアルキルアンモニウム基等）のいずれを用いることもできるが、４級アンモニウム基（トリアルキルアンモニウム基等）がより好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみのカチオン基を含有していてもよいし、複数種のカチオン基を含有していてもよい。また、カチオン基の対アニオンは特に限定されず、ハロゲン化物イオン、水酸化物イオン、リン酸イオン、カルボン酸イオンなどが例示される。この中で、入手の容易性の点から、ハロゲン化物イオンが好ましく、塩化物イオンがより好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみの対アニオンを含有していてもよいし、複数種の対アニオンを含有していてもよい。
【００１８】
本発明で用いられるカチオン性重合体は、上記カチオン基を含有する構造単位のみからなる重合体であってもよいし、上記カチオン基を含有しない構造単位をさらに含む重合体であってもよい。また、これらの重合体は架橋性を有するものであることが好ましい。カチオン性重合体は、１種類のみの重合体からなるものであってもよいし、複数種のカチオン性重合体を含むものであってもよい。また、これらカチオン性重合体と別の重合体との混合物であっても構わない。ここでカチオン性重合体以外の重合体はアニオン性重合体でないことが望ましい。
【００１９】
カチオン性重合体としては、以下の一般式（１）〜（８）の構造単位を有するものが例示される。
【００２０】
【化１】
［式中、Ｒ１は水素原子または炭素数１〜４のアルキル基を表す。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はそれぞれ独立に、水素原子、または、置換基を有していてもよい炭素数１〜１８のアルキル基、アリール基若しくはアラルキル基を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、相互に連結して飽和若しくは不飽和環状構造を形成していてもよい。Ｚは−Ｏ−、−ＮＨ−、または−Ｎ（ＣＨ３）−を表し、Ｙは酸素、窒素、硫黄またはリン原子を含んでもよい総炭素数１〜８の二価の連結基を表す。Ｘ−はアニオンを表す。］
【００２１】
一般式（１）中の対アニオンＸ−としては、ハロゲン化物イオン、水酸化物イオン、リン酸イオン、カルボン酸イオンなどが例示される。一般式（１）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体しては、３−（メタ）アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、３−（メタ）アクリルアミド−３，３−ジメチルプロピルトリメチルアンモニウムクロライドなど３−（メタ）アクリルアミド−アルキルトリアルキルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００２２】
【化２】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２３】
一般式（２）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライドなどビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００２４】
【化３】
［式中、Ｒ２、Ｒ３、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２５】
【化４】
［式中、Ｒ２、Ｒ３、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００２６】
一般式（３）および一般式（４）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、ジアリルジメチルアンモニウムクロライドなどジアリルジアルキルアンモニウム塩が環化重合して得られる単独重合体または共重合体が例示される。
【００２７】
【化５】
［式中、ｎは０または１を表わす。Ｒ２およびＲ３は一般式（１）と同義である。］
【００２８】
一般式（５）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、アリルアミンの単独重合体または共重合体が例示される。
【００２９】
【化６】
［式中、ｎは０または１を表わす。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およびＸ−は一般式（１）と同義である。］
【００３０】
一般式（６）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体としては、アリルアミン塩酸塩などアリルアンモニウム塩の単独重合体または共重合体が例示される。
【００３１】
【化７】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表し、Ａは−ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）−、−Ｃ（ＣＨ３）（ＯＨ）ＣＨ２−、−ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）（ＯＨ）−、−ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２ＣＨ２−、または−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ)−を表す。Ｅは−Ｎ（Ｒ６）２または−Ｎ＋（Ｒ６）３・Ｘ−を表し、Ｒ６は水素原子またはメチル基を表す。Ｘ−はアニオンを表す。］
【００３２】
一般式（７）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体として、Ｎ−（３−アリルオキシ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアミンまたはその４級アンモニウム塩の単独重合体または共重合体、Ｎ−（４−アリルオキシ−３−ヒドロキシブチル）ジエチルアミンまたはその４級アンモニウム塩の単独重合体または共重合体が例示される。
【化８】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基、Ｒ７は水素原子、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基またはｉ−プロピル基、Ｒ８は水素原子、メチル基、およびエチル基をそれぞれ表わす。］
【００３３】
一般式（８）で表わされる構造単位を含有するカチオン性重合体として、（メタ）アクリルアミド、Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−エチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド等が例示される。
【００３４】
本発明で用いられるアニオン性重合体は、分子鎖中にアニオン基を含有する重合体である。当該アニオン基は主鎖、側鎖、末端のいずれに含まれていても構わない。アニオン基としては、スルホネート基、カルボキシレート基、ホスホネート基などが例示される。また、スルホン酸基、カルボキシル基、ホスホン酸基のように、水中において少なくともその一部が、スルホネート基、カルボキシレート基、ホスホネート基に変換し得る官能基も、アニオン基に含まれる。この中で、イオン解離定数が大きい点から、スルホネート基が好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみのアニオン基を含有していてもよいし、複数種のアニオン基を含有していてもよい。また、アニオン基の対カチオンは特に限定されず、水素イオン、アルカリ金属イオン、などが例示される。この中で、設備の腐蝕問題が少ない点から、アルカリ金属イオンが好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみの対カチオンを含有していてもよいし、複数種の対カチオンを含有していてもよい。
【００３５】
本発明で用いられるアニオン性重合体は、上記アニオン基を含有する構造単位のみからなる重合体であってもよいし、上記アニオン基を含有しない構造単位をさらに含む重合体であってもよい。また、これらの重合体は架橋性を有するものであることが好ましい。アニオン性重合体は、１種類のみの重合体からなるものであってもよいし、複数種のアニオン性重合体を含むものであってもよい。また、これらアニオン性重合体と別の重合体との混合物であっても構わない。ここでアニオン性重合体以外の重合体はカチオン性重合体でないことが望ましい。
【００３６】
アニオン性重合体としては、以下の一般式（９）および（１０）の構造単位を有するものが例示される。
【００３７】
【化９】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表す。Ｇは−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＰＯ３Ｈ、−ＰＯ３−Ｍ＋、−ＣＯ２Ｈまたは−ＣＯ２−Ｍ＋を表す。Ｍ＋はアンモニウムイオンまたはアルカリ金属イオンを表す。］
【００３８】
一般式（９）で表わされる構造単位を含有するアニオン性重合体としては、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００３９】
【化１０】
［式中、Ｒ５は水素原子またはメチル基を表わし、Ｔは水素原子がメチル基で置換されていてもよいフェニレン基またはナフチレン基を表わす。Ｇは一般式（９）と同義である。］
【００４０】
一般式（１０）で表わされる構造単位を含有するアニオン性重合体としては、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウムなどｐ−スチレンスルホン酸塩の単独重合体または共重合体などが例示される。
【００４１】
また、アニオン性重合体としては、ビニルスルホン酸、（メタ）アリルスルホン酸などのスルホン酸またはその塩の単独重合体または共重合体、フマール酸、マレイン酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸、その誘導体またはその塩の単独重合体または共重合体なども例示される。
【００４２】
一般式（９）または（１０）において、Ｇは、より高い荷電密度を与えるスルホネート基、スルホン酸基、ホスホネート基、またはホスホン酸基であることが好ましい。また一般式（９）および一般式（１０）中、Ｍ＋で表わされるアルカリ金属イオンとしてはナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン等が挙げられる。
【００４３】
カチオン性重合体またはアニオン性重合体から選択されるイオン性重合体が、共重合体である場合の共重合成分としては、ビニルアルコール成分が好適なものとして挙げられる。カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有する重合体と、カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有しない重合体との混合物を用いる場合、イオン基を含有しない重合体としてはイオン基を含有する重合体と親和性の高いものが好適に用いられる。具体的には、ポリビニルアルコールおよびポリアクリルアミドからなる群から選択される１種が好適に用いられる。その中でも、架橋性の高さからポリビニルアルコールがより好適に用いられる。
【００４４】
本発明により得られるモザイク荷電膜においては、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であることが好ましく、このことにより被処理液中の有機汚染物質の付着による汚染を抑制できる利点を有する。ここでカチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であるとは、上記カチオン性重合体およびアニオン性重合体であるために必要な官能基がない構造において親水性を有することを意味する。このように、カチオン性重合体およびアニオン性重合体が親水性重合体であることにより、親水性度の高いモザイク荷電膜が得られ、被処理液中の有機汚染物質がモザイク荷電膜に付着して膜の性能を低下させる問題を低減できる。また、膜強度が高くなる。
【００４５】
親水性のカチオン性重合体としては、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、カチオン基を含有するセルロース誘導体、カチオン基を含有するポリアクリルアミド、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないセルロース誘導体との混合物、カチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリアクリルアミドとの混合物などが例示される。この中で、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物であることが好ましい。ポリビニルアルコール単位を有する重合体を用いることが、モザイク荷電膜の強度、物理的または化学的架橋性の点から好ましい。その中でも、入手容易である点から、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、ジアリルジアルキルアンモニウム塩とポリビニルアルコール成分との共重合体、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、またはジアリルジアルキルアンモニウム塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物が特に好ましい。カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物においては、カチオン性重合体中の単量体単位の総数に対するビニルアルコール単位の数の割合が、５０モル％以上であることが好ましく、７０モル％以上であることがより好ましい。カチオン性重合体が親水性重合体である場合、１種類の親水性重合体であってもよいし、複数種の親水性重合体の混合物であってもよい。また、親水性重合体と非親水性重合体との混合物であってもよい。また、親水性または非親水性のカチオン性重合体以外の重合体を含んでいても良い。ここでカチオン性重合体以外の重合体はアニオン性重合体でないことが望ましい。
【００４６】
親水性のアニオン性重合体としては、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、アニオン基を含有するセルロース誘導体、アニオン基を含有するポリアクリルアミド、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないセルロース誘導体との混合物、アニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリアクリルアミドとの混合物などが例示される。この中で、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物であることが好ましい。ポリビニルアルコール単位を有する重合体を用いることが、モザイク荷電複層膜の強度、物理的または化学的架橋の点から好ましい。その中でも、入手容易である点から、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩成分とビニルアルコール成分との共重合体、ｐ−スチレンスルホン酸塩成分とビニルアルコール成分との共重合体、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物、またはポリスチレンスルホン酸塩の重合体とポリビニルアルコールとの混合物が特に好ましい。アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とアニオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物においては、アニオン性重合体中の単量体単位の総数に対するビニルアルコール単位の数の割合が、５０モル％以上であることが好ましく、７０モル％以上であることがより好ましい。アニオン性重合体が親水性重合体である場合、１種類の親水性重合体であってもよいし、複数種の親水性重合体の混合物であってもよい。また、親水性重合体と非親水性重合体との混合物であってもよい。また、親水性または非親水性のカチオン性重合体以外の重合体を含んでいても良い。ここでアニオン性重合体以外の重合体はカチオン性重合体でないことが望ましい。
【００４７】
本発明において、前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールであることが好ましい。中でも、カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体として、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体が好適に用いられ、ブロック共重合体がより好適に用いられる。こうすることにより、イオン性重合体がミクロ相分離して、モザイク荷電膜全体の強度の向上、膜の膨潤度の抑制、および形状保持についての機能を担うポリビニルアルコール成分と、陽イオンまたは陰イオンを透過させる機能を担うイオン性単量体を重合してなる重合体成分とが役割分担でき、モザイク荷電膜のイオン透過機能と寸法安定性とを両立することができる。イオン性単量体を重合してなる重合体成分の構造単位は特に限定されないが、前記一般式（１）〜（１０）で表わされるものなどが例示される。この中で、入手容易である点から、カチオン性重合体としては、メタクリルアミドアルキルトリアルキルアンモニウム塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、ビニルベンジルトリアルキル塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、またはジアリルジアルキルアンモニウム塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体が好ましく用いられる。また、アニオン性重合体としては、ｐ−スチレンスルホン酸塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体、または２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体が好ましく用いられる。
【００４８】
本発明で用いられるイオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体の製造方法は主に次の２つの方法に大別される。すなわち、（１）所望のブロック共重合体を製造した後、特定のブロックにイオン基を結合させる方法、および（２）少なくとも１種類のイオン性単量体を重合させて所望のブロック共重合体を製造する方法である。このうち、（１）については、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、１種類または複数種の単量体をブロック共重合させ、次いでブロック共重合体中の１種類または複数種の重合体成分にイオン基を導入する方法、（２）については、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、少なくとも１種類のイオン性単量体をラジカル重合させることによりブロック共重合体を製造する方法が工業的な容易さから好ましい。特に、ブロック共重合体中のポリビニルアルコール成分とイオン性単量体を重合してなる重合体成分の各成分の種類や量を容易に制御できることから、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下、少なくとも１種類のイオン性単量体をラジカル重合させてブロック共重合体を製造する方法が好ましい。こうして得られるイオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有するブロック共重合体には、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールが未反応のまま含まれていても構わない。
【００４９】
これらのブロック共重合体の製造に用いられる、末端にメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体は、例えば、特許文献４などに記載されている方法により得ることができる。すなわち、チオール酸の存在下にビニルエステル系単量体、例えば酢酸ビニルをラジカル重合して得られるビニルエステル系重合体をけん化する方法が挙げられる。このようにして得られる末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールと、イオン性単量体とを用いてブロック共重合体を得る方法としては、例えば、特許文献５などに記載された方法が挙げられる。すなわち、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの存在下にイオン性単量体をラジカル重合させることによりブロック共重合体を得ることができる。このラジカル重合は公知の方法、例えばバルク重合、溶液重合、パール重合、乳化重合などによって行うことができるが、末端にメルカプト基を含有するポリビニルアルコールを溶解し得る溶剤、例えば水やジメチルスルホキシドを主体とする媒体中で行うのが好ましい。また、重合プロセスとしては、回分法、半回分法、連続法のいずれをも採用することができる。
【００５０】
イオン性重合体のイオン性単量体単位の含有量は特に限定されないが、イオン性重合体のイオン性単量体単位の含有量、すなわち、イオン性重合体中の単量体単位の総数に対するイオン性単量体単位の数の割合が、０．１モル％以上であることが好ましい。イオン性単量体単位の含有量が０．１モル％未満だと、モザイク荷電膜中の有効荷電密度が低下し、電解質選択透過性が低下するおそれがある。イオン性単量体単位の含有量が０．５モル％以上であることがより好ましく、１モル％以上であることがさらに好ましい。また、イオン性単量体単位の含有量は５０モル％以下であることが好ましい。イオン性単量体単位の含有量が５０モル％を超えると、モザイク荷電膜の膨潤度が高くなり、モザイク荷電膜中の有効荷電密度が低下し、電解質選択透過性が低下するおそれがある。イオン性単量体単位の含有量が３０モル％以下であることがより好ましく、２０モル％以下であることがさらに好ましい。イオン性重合体が、イオン基を含有する重合体とイオン基を含有しない重合体との混合物である場合や、イオン基を含有する重合体の複数種の混合物である場合のイオン性単量体単位の含有量は、混合物中の単量体単位の総数に対するイオン性単量体単位の数の割合をいう。
【００５１】
カチオン性重合体またはアニオン性重合体から選択されるイオン性重合体における、イオン基以外の部分の構造単位は、それぞれ独立に選択することができるが、カチオン性重合体とアニオン性重合体とが、同一の構造単位を有することが好ましい。これにより、ドメイン同士の間の親和性が高くなるため、モザイク荷電膜の機械的強度が増大する。同一の構造単位を、カチオン性重合体およびアニオン性重合体の両方が、５０モル％以上有していることが好ましく、７０モル％以上有していることがより好ましい。
【００５２】
また、親水性であることから、同一の構造単位がポリビニルアルコール単位であることが特に好ましい。カチオン性重合体およびアニオン性重合体がビニルアルコール単位を有することにより、グルタルアルデヒドなどの架橋処理剤によりドメイン同士の間を化学的に架橋することができるので、モザイク荷電膜の機械的強度をさらに高くすることもできる。
【００５３】
同一の構造単位がビニルアルコール単位である場合の具体例として、カチオン性重合体のドメインが、カチオン基を含有するポリビニルアルコール、またはカチオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物からなり、アニオン性重合体のドメインが、アニオン基を含有するポリビニルアルコール、またはアニオン基を含有する重合体とカチオン基を含有しないポリビニルアルコールとの混合物からなる場合が挙げられる。
【００５４】
本発明において、カチオン基またはアニオン基から選択されるイオン基を含有するポリビニルアルコールは、イオン性単量体とビニルエステル系単量体を共重合し、これを常法によりけん化して得られる。ビニルエステル系単量体は、ラジカル重合可能なものであれば使用できる。例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バレリン酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル、ピバリン酸ビニルおよびバーサティック酸ビニル等が挙げられる。この中でも、酢酸ビニルが好ましい。
【００５５】
イオン性単量体とビニルエステル系単量体とを共重合させる方法としては、塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法などの公知の方法が挙げられる。それらの方法の中でも、無溶媒で行う塊状重合法、またはアルコールなどの溶媒を用いて行う溶液重合法が通常採用される。溶液重合法を採用して共重合反応を行う際に、溶媒として使用されるアルコールとしては、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどの低級アルコールが挙げられる。共重合反応に使用される開始剤としては、２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチル−バレロニトリル）、１，１’−アゾビス（シクロヘキサン−１−カルボニトリル）、２，２’−アゾビス（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）などのアゾ系開始剤；過酸化ベンゾイル、ｎ−プロピルパーオキシカーボネートなどの過酸化物系開始剤などの公知の開始剤が挙げられる。共重合反応を行う際の重合温度については特に制限はないが、５℃〜１８０℃の範囲が適当である。
【００５６】
イオン性単量体とビニルエステル系単量体とを共重合させることによって得られたビニルエステル系重合体は、次いで、公知の方法にしたがって溶媒中でけん化され、イオン基を含有するポリビニルアルコールへと導かれる。
【００５７】
ビニルエステル系重合体のけん化反応の触媒としては通常アルカリ性物質が用いられ、その例として、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物、およびナトリウムメトキシドなどのアルカリ金属アルコキシドが挙げられる。けん化触媒は、けん化反応の初期に一括して添加しても良いし、あるいはけん化反応の初期に一部を添加し、残りをけん化反応の途中で追加して添加しても良い。けん化反応に用いられる溶媒としては、メタノール、酢酸メチル、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。これらの溶媒の中でもメタノールが好ましい。けん化反応は、バッチ法および連続法のいずれの方式にても実施可能である。けん化反応の終了後に、必要に応じて、残存するけん化触媒を中和しても良く、使用可能な中和剤として、酢酸、乳酸などの有機酸、および酢酸メチルなどのエステル化合物などが挙げられる。
【００５８】
イオン基を含有するポリビニルアルコールのけん化度は特に限定されないが、４０〜９９．９モル％であることが好ましい。けん化度が４０モル％未満だと、結晶性が低下し、モザイク荷電膜の強度が不足するおそれがある。けん化度が６０モル％以上であることがより好ましく、８０モル％以上であることがさらに好ましい。通常、けん化度は９９．９モル％以下である。このとき、前記ポリビニルアルコールが複数種のポリビニルアルコールの混合物である場合のけん化度は、混合物全体としての平均のけん化度をいう。なお、ポリビニルアルコールのけん化度は、ＪＩＳ Ｋ６７２６に準じて測定した値である。本発明で用いられるイオン基を含有しないポリビニルアルコールのけん化度も、上記範囲であることが好ましい。
【００５９】
イオン基を含有するポリビニルアルコールの粘度平均重合度（以下単に重合度と言うことがある）は特に限定されないが、５０〜１００００であることが好ましい。重合度が５０未満だと、実用上でモザイク荷電膜が十分な強度を保持できないおそれがある。重合度が１００以上であることがより好ましい。重合度が１００００を超えると印刷に用いる重合体溶液の粘度が高すぎて扱えないおそれがある。重合度が８０００以下であることがより好ましい。このとき、前記ポリビニルアルコールが複数種のポリビニルアルコールの混合物である場合の重合度は、混合物全体としての平均の重合度をいう。なお、ポリビニルアルコールの粘度平均重合度は、ＪＩＳ Ｋ６７２６に準じて測定した値である。本発明で用いられるイオン基を含有しないポリビニルアルコールの重合度も、上記範囲であることが好ましい。
【００６０】
本発明のモザイク荷電膜の製造方法は、カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成することを特徴とする。これにより、カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとがいずれも膜の表裏面まで連続することができるとともに、得られるモザイク荷電膜の機械的強度を向上させることができる。本発明において、カチオン繊維とアニオン繊維とを織成する方法としては特に限定されず、平織、綾織、朱子織等が挙げられる。カチオン性重合体のドメインとアニオン性重合体のドメインとをできるだけ均等に交互に配置させる観点から平織であることが好ましい。
【００６１】
織成するにあたっては、カチオン繊維とアニオン繊維とを交互に配置することが好ましく、かかる観点から、例えば、経糸にカチオン性重合体を含む繊維を用いた場合には、緯糸にアニオン性重合体を含む繊維を用いることが好ましい。あるいは、経緯糸にカチオン性重合体を含む繊維とアニオン性重合体を含む繊維とが交互に配置されるようにして織成することも好適な実施態様である。ここで、本発明者らは、得られるモザイク荷電膜において、カチオンの荷電密度とアニオンの荷電密度との存在比を等しくした方が、モザイク荷電膜の性能を向上させることが可能になることを確認している。また、得られるモザイク荷電膜の機械的強度をより向上させる観点から、カチオン繊維およびアニオン繊維以外の繊維を混織させても構わない。このような繊維としては、例えば、レーヨン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
【００６２】
本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維は、マルチフィラメントであってもモノフィラメントであっても構わないが、得られるモザイク荷電膜に欠陥ができにくい観点からマルチフィラメントであることが好ましい。本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍであることが好ましい。該単繊維の平均径が１０μｍ未満の場合、紡糸が困難となるおそれがあり、１５μｍ以上であることがより好ましい。一方、単繊維の平均径が１００μｍを超える場合、得られるモザイク荷電膜に欠陥が発生するおそれがあり、８０μｍ以下であることがより好ましい。なお、単繊維の平均径（μｍ）は、後述する実施例から分かるように、長さ１０ｍの単繊維の重量（Ｉ）（ｇ）を測定した後に計算式から単繊維の半径ｒを求め、単繊維の平均径（μｍ）を算出した。
【００６３】
本発明で用いられるカチオン繊維およびアニオン繊維を湿式紡糸法により得ることが好ましい。すなわち、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を含む紡糸原液をノズルから吐出し、凝固液中に導入して凝固させることによってカチオン繊維またはアニオン繊維を得る方法が好適に採用される。ノズルから吐出された紡糸原液は、凝固液中に導入されるが、均一に凝固する観点から、ノズルの吐出口から凝固液の液面までの間に一定距離の空間（エアギャップ）を設け、該空間を通った後に凝固液中に導入される乾湿式紡糸法を採用しても構わない。
【００６４】
紡糸原液に用いられる溶媒としては、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を溶解させることができるのであれば特に限定されず、水、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、グリセリン、エチレングリコール等からなる群から選択される少なくとも１種を用いることができる。断糸がなく安定に紡糸する観点から、吐出前に紡糸原液を紡糸原液タンク中で数十分から数時間程度静置させることにより脱泡することが好ましい。
【００６５】
上記紡糸原液をノズルから吐出する際、得られるカチオン繊維およびアニオン繊維の寸法に応じて、ノズルの孔径や孔数が適宜選択される。例えば、得られるカチオン繊維またはアニオン繊維がマルチフィラメントである場合、ノズルの孔数が数十から数百となるように適宜選択される。また、紡糸原液をノズルから吐出する際に、紡糸原液を加熱することが好ましい。好適な紡糸原液の温度は、５０〜１００℃であり、加熱することによって紡糸原液の粘度が低下して紡糸作業が容易となる。
【００６６】
本発明で用いられる凝固液としては、紡糸原液に対して凝固性を示す液体であれば特に限定されず、メタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、水、硫酸ナトリウム水溶液、ヘキサンなどが好適に用いられる。凝固液の温度は、紡糸原液よりも低温であることが好ましく、具体的には０〜５０℃であることが好ましい。
【００６７】
本発明では、カチオン性重合体またはアニオン性重合体を含む紡糸原液をノズルから吐出し、凝固液中に導入して凝固させて糸条を得た後に、該糸条を抽出液中に導入して紡糸原液由来の溶媒を抽出する操作が好適に行われる。抽出液としては、メタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、水などが好適に用いられる。
【００６８】
また、このとき、繊維の配向の観点から湿式延伸を行うことが好ましい。湿式延伸を行う際の延伸倍率としては１．２倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。湿式延伸の延伸倍率が高くなりすぎると、得られるカチオン繊維および／またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、湿式延伸の延伸倍率は通常、１０倍以下である。
【００６９】
また、本発明では、必要に応じて湿式延伸を行った後に、結晶性や強度を向上させる観点から更に乾熱延伸を行うことが好ましい。乾熱延伸を行う際の延伸倍率としては１．２倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。乾熱延伸の延伸倍率が高くなりすぎると、得られるカチオン繊維またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、乾熱延伸の延伸倍率は通常、１０倍以下である。乾熱延伸する際の温度としては特に限定されず、８０〜２５０℃であることが好ましい。乾熱延伸する際の温度が８０℃未満の場合、乾熱延伸を行うことが困難となるおそれがあり、１００℃以上であることがより好ましい。一方、乾熱延伸する際の温度が２５０℃を超える場合、イオン基が熱分解するおそれがあり、２４０℃以下であることがより好ましい。
【００７０】
本発明では、１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維およびアニオン繊維を得ることが好ましい。ここで、全延伸倍率は、湿式延伸と乾熱延伸との積で表わされる。本発明のように、全延伸倍率が１．２倍から２０倍であることにより、強度の良好なカチオン繊維およびアニオン繊維を得ることができる。全延伸倍率は、４倍以上であることがより好ましく、８倍以上であることが更に好ましい。一方、全延伸倍率が２０倍を超える場合、得られるカチオン繊維および／またはアニオン繊維が破断するおそれがあり、１８倍以下であることがより好ましい。
【００７１】
本発明では、こうして得られたカチオン繊維とアニオン繊維とを織成し、得られた織布に対して熱プレス処理を行う。熱プレス処理を行うことにより、カチオン繊維とアニオン繊維とが互いに熱接着され、カチオン繊維とアニオン繊維との間に隙間がないシートを形成することができる。熱プレス処理の温度としては特に限定されないが、８０〜２５０℃であることが好ましい。熱プレス処理の温度が８０℃未満の場合、カチオン繊維とアニオン繊維との熱接着が不十分となるおそれがあり、１００℃以上であることがより好ましく、１２０℃以上であることが更に好ましい。一方、熱プレス処理の温度が２５０℃を超える場合、イオン基が熱分解するおそれがあり、２３０℃以下であることがより好ましい。また、熱プレス処理する際の圧力としては特に限定されないが、１〜１０ＭＰａであることが好ましい。
【００７２】
本発明では、上記形成されたシートを架橋処理することにより、モザイク荷電膜が得られる。架橋処理を行うことにより、得られるモザイク荷電膜の機械的強度が増大する。また、荷電密度が増加するため、対イオン選択性が向上し、塩の透過流束が向上する。架橋処理の方法は、重合体の分子鎖同士を化学結合によって結合できる方法であればよく、特に限定されない。上記形成されたシートを、架橋処理剤を含む溶液に浸漬する方法などが用いられる。該架橋処理剤としては、グルタルアルデヒド、ホルムアルデヒド、グリオキザールなどが例示される。該架橋処理剤の濃度は、通常、溶液に対する架橋処理剤の体積濃度が０．００１〜１体積％である。
【００７３】
本発明により得られるモザイク荷電膜の厚みは特に限定されず、１０〜１０００μｍであることが好ましい。モザイク荷電膜の厚みが１０μｍ未満の場合、モザイク荷電膜の機械的強度が低下するおそれがあるとともに、膜に欠陥が生じてしまうおそれがあり、５０μｍ以上であることがより好ましく、８０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、モザイク荷電膜の厚みが１０００μｍを超える場合、塩の透過流束が小さくなるおそれがあり、８００μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００７４】
本発明のモザイク荷電膜は、本発明の目的を損なわない範囲で、無機フィラーなど種々の添加剤を含んでいてもよい。
【００７５】
また、本発明により得られるモザイク荷電膜の荷電密度は、特に限定されないが、０．１〜２０ｍｏｌ・ｄｍ−３であることが好ましい。荷電密度が０．１ｍｏｌ・ｄｍ−３未満だと、膜の対イオン選択性に劣るおそれがある。荷電密度が０．３ｍｏｌ・ｄｍ−３以上であることがより好ましく、０．５ｍｏｌ・ｄｍ−３以上であることがさらに好ましい。膜の荷電密度が２０ｍｏｌ・ｄｍ−３を超えると、膜の膨潤が著しく、寸法安定性が悪く、取り扱いが困難となるおそれがある。膜の荷電密度が１０ｍｏｌ・ｄｍ−３以下であることがより好ましく、３ｍｏｌ・ｄｍ−３以下であることがさらに好ましい。
【００７６】
本発明により得られるモザイク荷電膜は、種々の用途に用いることができる。本発明により得られるモザイク荷電膜は、塩の透過流束が大きく、かつ電解質選択透過性に優れているので、水の精製、食品や医薬原材料の脱塩、かん水や海水の脱塩、淡水化をするのに適している。また、本発明により得られるモザイク荷電膜は機械的強度に優れているので、圧透析を行うのに、特に適している。本発明のモザイク荷電膜の製造方法によれば、大面積の膜を、容易にかつ低コストで製造することができる。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。尚、以下の実施例および比較例中、特に断りのない限り「％」および「部」は質量基準である。実施例および比較例における分析および評価は下記の方法に従って行った。
【００７８】
（１）膜厚み測定
モザイク荷電膜の厚みは、デジマチック標準外側マイクロメータＭＤＣ−２５ＭＪ（（株）ミツトヨ製）にて測定した。
【００７９】
（２）アニオン繊維およびカチオン繊維の単繊維の平均径測定
アニオン繊維およびカチオン繊維の長さ１０ｍの単繊維の重量（Ｉ）（ｇ）をそれぞれ測定し、下記の計算式から単繊維の半径ｒを求め、単繊維の平均径（μｍ）を算出した。
単繊維の平均径（μｍ）＝２ｒ
【数１】
ここで、１．３は樹脂密度（ｇ／ｃｍ３）、πは円周率３．１４である。
【００８０】
（３）破壊圧力測定
ミクニ平膜試験機ＭＫ−ＦＭＴ−５００（ミクニキカイ（株）製）を用いて、モザイク荷電膜を加圧し、膜が破損する圧力を測定した。
【００８１】
（４）圧透析試験
圧透析試験は図１に示す装置で行った。フォルダに挟んだモザイク荷電膜３の測定試料を２つのセルの間に挟み、株式会社堀場製作所製導電率電極「３５５２−１０Ｄ」を挿入したセルＩ６に所定濃度のＮａＣｌ水溶液を３０ｍＬ入れ、セルII７にはセルＩ６と同濃度のＮａＣｌ水溶液を３０ｍＬ入れた。続いて、両セル内の水溶液を攪拌子４で撹拌させながら、窒素ガスボンベ１からセルII７側に窒素ガスを加え、一定圧力に維持した。その際、導電率計５を用いてセルＩ６中の導電率を２５℃の一定温度下で測定した。試験終了後、直ちにセルＩ６中のＮａＣｌ水溶液の重量を測定した。
【００８２】
このようにして測定したセルＩ６中のＮａＣｌの濃度について、時間変化の曲線を求め、この直線の初期勾配の値から、濃度の時間変化率ΔＣＩＳ／Δｔを算出した。また、セルＩ６中のＮａＣｌ水溶液の重量を測定し、試験開始時と試験終了後の値の差より、ΔＭＩをもとめ、水のモル数の時間変化率ΔＭＩ／（Ｓ×Δｔ）を算出した。
【００８３】
ＮａＣｌの流束ＪＳは、次式により算出した。
ＪＳ＝ＶＩ×ΔＣＩＳ／（Ｓ×Δｔ）×１０００
水の流束Ｊｗは、次式により算出した。
ＪＷ＝ΔＭＩ／（Ｓ×Δｔ）
・ＪＳ：ＮａＣｌ成分の流束［ｍｏｌ・ｍ−２・ｓ−１］
・ＶＩ：セルＩ内のイオン交換水量［ｍ３］
・Ｓ：モザイク荷電膜の膜有効面積［ｍ２］
・ΔＣＩＳ：セルＩ内のＮａＣｌ成分の初期濃度変化［ｍｏｌ／Ｌ］
・Δｔ：透過時間［ｓ］
・ΔＭＩ：セルＩ内のＮａＣｌ水溶液の初期モル数変化［ｍｏｌ］
【００８４】
求めたＮａＣｌの流束ＪＳと水の流束ＪＷを用いて、下記式からモザイク荷電膜のＮａＣｌに対する水の選択透過性αを算出した。
α＝ＪＷ／ＪＳ
【００８５】
（アニオン性重合体Ｐ−１の合成）
攪拌機、温度センサー、滴下漏斗および還流冷却管を備え付けた６Ｌのセパラブルフラスコに、酢酸ビニル２５５５ｇ、メタノール９２５ｇ、および２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムを２０質量％含有するメタノール溶液３５．０ｇを仕込み、攪拌下に系内を窒素置換した後、かかる混合液の内温を６０℃まで上げた。該混合液中に２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を０．８ｇ含有するメタノール２０ｇを添加し、重合反応を開始した。重合開始時点より２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムを２０質量％含有するメタノール溶液２３０ｇを反応液中に添加しながら、４時間重合反応を行った後、重合反応を停止した。重合反応を停止した時点における反応液中の固形分濃度、すなわち、反応液全体に対する不揮発分の含有率は２５．７質量％であった。ついで、系内にメタノール蒸気を導入することにより、未反応の酢酸ビニル単量体を追い出し、ビニルエステル共重合体を５５質量％含有するメタノール溶液を得た。
【００８６】
このビニルエステル共重合体を５５質量％含有するメタノール溶液に、該共重合体中の酢酸ビニル単位に対する水酸化ナトリウムのモル比が０．０２、ビニルエステル共重合体の固形分濃度が３０質量％となるように、メタノール、および水酸化ナトリウムを１０質量％含有するメタノール溶液をこの順序で撹拌下に加え、４０℃でけん化反応を開始した。
【００８７】
けん化反応の進行に伴ってゲル化物が生成した直後にこれを反応系から取り出して粉砕し、ついで、ゲル化物が生成してから１時間が経過した時点で、この粉砕物に酢酸を添加することにより中和を行い、膨潤状態の固形分を得た。該固形分に対して質量基準で６倍量（浴比６倍）のメタノールを加え、還流下に１時間洗浄した後、濾過によって回収した固形分を６５℃で１６時間乾燥し、ポリ（ビニルアルコール−２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム）のランダム共重合体であるアニオン性重合体Ｐ−１を得た。得られたアニオン性重合体Ｐ−１を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該アニオン性重合体中のアニオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対する２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム単量体単位の数の割合は２モル％であった。また、重合度は１７００、けん化度は９８．５モル％であった。得られた重合体の物性を表１に示す。
【００８８】
【表１】
【００８９】
（ＰＶＡ−１の合成）
特許文献４に記載された方法（末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール系重合体およびその方法）によって、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールＰＶＡ−１を合成した。得られたＰＶＡ−１の重合度は１５５０、けん化度は９８．５モル％であった。
【００９０】
（カチオン性重合体Ｐ−２の合成）
還流冷却管、攪拌翼を備え付けた５Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、水１２００ｇ、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールとしてＰＶＡ−１を３４４ｇ仕込み、攪拌下９５℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、室温まで冷却した。該水溶液に１／２規定の硫酸を添加してｐＨを３．０に調整した。別に、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド２７ｇを水３００ｇに溶解し、これを先に調製した水溶液に攪拌下添加した後、該水溶液中に窒素をバブリングしつつ７０℃まで加温し、さらに７０℃で３０分間窒素のバブリングを続けることで、窒素置換した。窒素置換後、上記水溶液に過硫酸カリウム（ＫＰＳ）の２．５％水溶液１２１ｍＬを１．５時間かけて逐次的に添加してブロック共重合を開始させ、進行させた後、系内温度を７５℃に１時間維持して重合をさらに進行させ、ついで冷却して、固形分濃度１８％の水溶液を得た。該水溶液を乾燥させて、ポリビニルアルコール−ジアリルジメチルアンモニウムクロライドのブロック共重合体であるカチオン性重合体Ｐ−２を得た。また、得られたカチオン性重合体Ｐ−２を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該ブロック共重合体中のカチオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対するジアリルジメチルアンモニウムクロライド単量体単位の数の割合は２モル％であった。得られたカチオン性重合体Ｐ−２の物性を表２に示す。
【００９１】
（カチオン性重合体Ｐ−３の合成）
末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールの種類と仕込み量、カチオン性単量体の種類と仕込み量、水の量、重合開始剤（過硫酸カリウム）の量などの重合条件を表１に示すように変えた以外は、カチオン性重合体Ｐ−２と同様の方法によってカチオン性重合体Ｐ−３を合成した。得られたカチオン性重合体Ｐ−３の物性を表２に示す。
【００９２】
【表２】
【００９３】
（アニオン性重合体Ｐ−４の合成）
還流冷却管、攪拌翼を備え付けた５Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、水１９００ｇ、末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコールとしてＰＶＡ−１を３４４ｇ仕込み、攪拌下９５℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、室温まで冷却した。該水溶液に１／２規定の硫酸を添加してｐＨを３．０に調整した。別に、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム１７２ｇを水３００ｇに溶解し、これを先に調製した水溶液に攪拌下添加した後、該水溶液中に窒素をバブリングしつつ７０℃まで加温し、さらに７０℃で３０分間窒素のバブリングを続けることで、窒素置換した。窒素置換後、上記水溶液に過硫酸カリウム（ＫＰＳ）の２．５％水溶液１２１ｍＬを１．５時間かけて逐次的に添加してブロック共重合を開始させ、進行させた後、系内温度を７５℃に１時間維持して重合をさらに進行させ、ついで冷却して、固形分濃度１８％の水溶液を得た。該水溶液を乾燥させて、ポリビニルアルコール−ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウムのブロック共重合体であるアニオン性重合体Ｐ−４を得た。また、得られたアニオン性重合体Ｐ−４を重水に溶解し、４００ＭＨｚでの１Ｈ−ＮＭＲ測定を行ったところ、該ブロック共重合体中のアニオン性単量体含有量、すなわち、該重合体中の単量体単位の総数に対するｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム単量体単位の数の割合は１０モル％であった。得られたアニオン性重合体Ｐ−４の物性を表３に示す。
【００９４】
【表３】
【００９５】
（アニオン繊維Ａ−１の作製）
１．紡糸原液の調製
環流冷却管、攪拌翼を備え付けた１Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、ジメチルスルホキシド６１６ｇ、側鎖にスルホン酸基を有するアニオン性重合体Ｐ−１を１８４ｇ仕込み、攪拌下９０℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、温度９０℃で静置脱泡実施し、紡糸原液とした。
【００９６】
２．アニオン繊維の紡糸
乾湿式紡糸によってアニオン繊維Ａ−１を作製した。紡糸装置８の概略図を図２に示す。上記で作製した紡糸原液を紡糸原液タンク９に仕込んだ後、脱泡のため約１時間静置させた。紡糸原液の温度が紡糸中８０℃となるように紡糸原液タンク９を加熱した。その後、孔径０．２ｍｍ、孔数２００個のノズル１０から空気中に原液を押出し、５ｍｍのギャップを取り、温度５℃に調整した凝固浴１１であるメタノール浴中に原液を浸漬させ凝固した。原液の吐出は１５ｃｃ／ｍｉｎで押出し、凝固浴１１のローラー（Ａ）１２の速度は５ｍ／ｍｉｎとした。次いで、原液中のジメチルスルホキシドを抽出させるために、エタノール浴１３中に浸漬させた。エタノール浴１３のローラー（Ｂ）１４の速度は５ｍ／ｍｉｎとした。湿式延伸倍率は１（ローラーの速度比率（Ｂ）／（Ａ）＝１）であった。次いで、２３２℃の熱風延伸炉で２．０倍の乾熱延伸を行った（入速：７．５ｍ／ｍｉｎ、出速：１５ｍ／ｍｉｎ）。得られたアニオン繊維Ａ−１の繊維径を測定したところ、表４に示すとおり２４７μｍであった。また、アニオン繊維Ａ−１の単繊維の平均径は２０μｍであった。
【００９７】
（アニオン繊維Ａ−２〜Ａ−５の作製）
アニオン繊維Ａ−１において、樹脂種類、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−２〜Ａ−５を得た。得られたアニオン繊維の繊維径を表４に示す。
【００９８】
（アニオン繊維Ａ−６の作製）
１．紡糸原液の調製
アニオン性重合体Ｐ−４の濃度１８％の水溶液２０００ｇをメタノール２０Ｌ中に攪拌下、徐々に加えてアニオン性重合体Ｐ−４を沈殿させて取り出し、減圧乾燥機中で４０℃、６時間乾燥させてメタノールを除去した。次いで、環流冷却管、攪拌翼を備え付けた１Ｌの四つ口セパラブルフラスコに、ジメチルスルホキシド６１６ｇおよび上記で取り出したアニオン性重合体Ｐ−４を１８４ｇを仕込み、攪拌下９０℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、温度９０℃で静置脱泡実施し、紡糸原液とした。
【００９９】
２．アニオン繊維の紡糸
上記紡糸原液の調製により得られた紡糸原液を用い、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−６を得た。得られたアニオン繊維Ａ−６の繊維径を表４に示す。
【０１００】
（アニオン繊維Ａ−７〜Ａ−１０の作製）
アニオン繊維Ａ−６において、樹脂種類、紡糸条件を表４に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−６と同様の方法により、アニオン繊維Ａ−７〜Ａ−１０を得た。得られたアニオン繊維の繊維径を表４に示す。
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
（カチオン繊維Ｃ−１〜Ｃ−５の作製）
アニオン性重合体Ｐ−１の代わりにカチオン性重合体Ｐ−２を用い、樹脂種類、紡糸条件を表５に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−１と同様の方法により、カチオン繊維Ｃ−１〜Ｃ−５を得た。得られたカチオン繊維の繊維径を表５に示す。
【０１０３】
（カチオン繊維Ｃ−６〜Ｃ−１０の作製）
アニオン性重合体Ｐ−４の代わりにカチオン性重合体Ｐ−３を用い、樹脂種類、紡糸条件を表５に示した内容に変更した以外は、アニオン繊維Ａ−６と同様の方法により、カチオン繊維Ｃ−６〜Ｃ−１０を得た。得られたカチオン繊維の繊維径を表５に示す。
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
実施例１
（シートＭ−１の作製）
アニオン繊維Ａ−１とカチオン繊維Ｃ−１とを交互に織り込み平織り状にした。平織り機はＡＳＨＦＯＲＤ製の「ＴＡＢＬＥ ＬＯＯＭ−ＦＯＵＲ ＳＨＡＦＴ」を用いた。次いで、得られた織布を熱プレス機ＳＦ３７（株式会社神藤金属工業所製）にて温度２１０℃、圧力５ＭＰａで３分間熱プレスを行いシートＭ−１を形成した。該シートＭ−１の膜厚は表６に示すとおり２２０μｍであった。
【０１０６】
（モザイク荷電膜の作製）
こうして得られたシートＭ−１を２ｍｏｌ／Ｌの硫酸ナトリウムの電解質水溶液に２４時間浸漬させた。該水溶液にそのｐＨが１になるように濃硫酸を加えた後、０．０５体積％グルタルアルデヒド水溶液に該膜を浸漬し、２５℃で２４時間スターラーを用いて撹拌し、架橋処理を行ってモザイク荷電膜を得た。ここで、グルタルアルデヒド水溶液としては、石津製薬株式会社製「グルタルアルデヒド」（２５体積％）を水で希釈したものを用いた。架橋処理の後、該膜を脱イオン水に浸漬し、途中数回脱イオン水を交換しながら、該膜が膨潤平衡に達するまで浸漬させた。
【０１０７】
（モザイク荷電膜の評価）
このようにして作製したモザイク荷電膜を、所望の大きさに裁断し、測定試料を作製した。得られた測定試料を用い、上記方法にしたがって、圧透析試験を行った。得られた結果を表７に示す。
【０１０８】
実施例２〜１０
（シートＭ−２〜Ｍ−１０の作製）
用いるアニオン繊維およびカチオン繊維の種類、熱プレス条件を表６に示した内容に変更した以外は、シートＭ−１と同様の方法により、シートＭ−２〜Ｍ−１０を得た。得られたシートＭ−２〜Ｍ−１０の膜厚を表６に示す。
【０１０９】
（モザイク荷電膜の作製および評価）
上記したようにして得られたシートＭ−２〜Ｍ−１０に対し、実施例１と同様に架橋処理を行うことによりモザイク荷電膜を得た。次いで、実施例１と同様にして圧透析試験を行った。得られた結果を表７に示す。
【０１１０】
比較例１
実施例１において、シートＭ−１の代わりに、アニオン性重合体Ｐ−１キャスト膜とカチオン性重合体Ｐ−３キャスト膜とを交互に１００μｍずつ５００層重ね合わせたシートを作製し、該シートを垂直方向に厚さ２００μｍにカットして得られた積層モザイク荷電膜（積層ＭＣ）を用いた以外は、実施例１と同様にして圧透析試験を行った。圧透析試験時に該シートが破損したため評価ができなかった。
【０１１１】
【表６】
【０１１２】
【表７】
【符号の説明】
【０１１３】
１ 窒素ガスボンベ
２ 圧力計
３ モザイク荷電膜
４ 攪拌子
５ 導電率計
６ セルＩ
７ セルII
８ 紡糸装置
９ 紡糸原液タンク
１０ ノズル
１１ 凝固浴
１２ ローラーＡ
１３ エタノール浴
１４ ローラーＢ
１５ 巻取り手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項２】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が親水性重合体である請求項１記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項３】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールである請求項２記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項４】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体である請求項３記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項５】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が０．１モル％以上のイオン性単量体単位を含有する請求項１〜４のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項６】
前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍである請求項１〜５のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項７】
前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を湿式紡糸法により得る請求項１〜６のいずれか記載のモザイク荷電層の製造方法。
【請求項８】
１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を得る請求項１〜７のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項９】
カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着してシートを形成し、該シートが架橋処理されてなることを特徴とするモザイク荷電膜。
【請求項１】
カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着させてシートを形成し、該シートを架橋処理することを特徴とするモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項２】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が親水性重合体である請求項１記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項３】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン基を含有するポリビニルアルコールである請求項２記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項４】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が、イオン性単量体を重合してなる重合体成分とポリビニルアルコール成分とを含有する、ブロック共重合体またはグラフト共重合体である請求項３記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項５】
前記カチオン性重合体および／またはアニオン性重合体が０．１モル％以上のイオン性単量体単位を含有する請求項１〜４のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項６】
前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維がマルチフィラメントであって、その単繊維の平均径が１０〜１００μｍである請求項１〜５のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項７】
前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を湿式紡糸法により得る請求項１〜６のいずれか記載のモザイク荷電層の製造方法。
【請求項８】
１．２倍から２０倍の全延伸倍率で延伸することにより前記カチオン繊維および／またはアニオン繊維を得る請求項１〜７のいずれか記載のモザイク荷電膜の製造方法。
【請求項９】
カチオン性重合体を含むカチオン繊維とアニオン性重合体を含むアニオン繊維とを織成して織布とし、該織布に熱プレス処理を行うことにより前記カチオン繊維と前記アニオン繊維とを熱接着してシートを形成し、該シートが架橋処理されてなることを特徴とするモザイク荷電膜。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−７１２８９（Ｐ２０１２−７１２８９Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２００４１（Ｐ２０１０−２２００４１）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００１０８５）株式会社クラレ (1,607)
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００１０８５）株式会社クラレ (1,607)
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
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