高分子膜の超臨界CO_2流体の収着・拡散・透過性

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超臨界流体は比容積を大幅に連続的に変化させられ、分子間相互作用を高度に制御し得る有効な系である。本研究では、超臨界流体(CO_2)-高分子系の相互作用の特徴を検討するためにまず、ガラス状高分子であるポリカーボネート(PC)及びポリフェニレンオキサイド(PPO)膜について、臨界温度・圧力以上までCO_2の収着実験を行った。測定には水晶発振子を利用した気体収着測定装置(QCM収着測定装置)を用いた。臨界圧力付近を境にCO_2収着量の計測が困難であった。この一因として、QCM法の測定原理上、超臨界流体CO_2によるPC並びにPPOの著しい可塑化が指摘された。またガラス状高分子では気体の収着機構が複雑なため、拡散挙動を詳細に議論できなかった。そこで次にゴム状高分子である架橋ポリジメチルシロキサン(PDMS)膜について、CO_2の収着・透過実験を行った。種々の温度におけるPDMS膜へのCO_2収着測定を行った結果、バルクのCO_2が気体から超臨界状態へ変化するとPDMS膜への溶解性や膜中におけるCO_2の存在状態にも変化が生じることが示唆された。一方、種々の温度におけるPDMS膜のCO_2透過係数は臨界圧力または液化圧力付近を境に増加から減少に変化した。透過係数の増加は主にCO_2の可塑化効果に起因し、高圧域における減少の原因としては溶解性の低下が挙げられる。これは気体、液体及び超臨界それぞれの状態におけるCO_2の分子間相互作用の相違がPDMS膜への溶解性を変化させるために生じる現象と考察された。更に、膜中のCO_2の拡散挙動を検討したところ、CO_2が超臨界状態になると増加した。一般に高分子に収着したCO_2は液体状態であるといわれている。しかし本研究で得られた結果から、臨界温度・圧力以上になると高分子中のCO_2が液体状態より粘性が小さい状態に変化し、結果として拡散性が増すと考えられた。