コアシェル型オルガノシリカナノファイバーの創製と一次元構造を利用した超薄膜製膜

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典型的な多孔質セラミック膜は，多孔質支持体の上に粒子層，中間層および分離層からなる多層構造を有するため，製膜プロセスは極めて複雑になっているだけでなく，各層の透過抵抗も無視できない。本研究ではセルロースナノファイバー（CNF）の一次元構造体を利用した薄膜コーティングを提案する。さらに，ナノファイバー（NF）表面に存在する各種官能基（水酸基，カルボキシル基など）をシリカ前駆体であるアルコキシシランとの脱水縮合や金属イオン配位などを利用して，コアシェル型NFゾルを形成する。いずれのNFも直径数nm程度，長さ数100nmのアスペクト比100以上を有するため，多孔質支持体あるいは粒子層に直接コーティングすることで超薄膜製膜できる可能性があり，従来の製膜概念を大きく変える画期的製膜法となりうる。2022年度は，高分子多孔質支持体として市販セルロースアセテート精密ろ過膜（CA，推算細孔径 0.2μm）を用い，CNFをキャスト法により，CNF/CA複合膜が製膜可能であることを明らかとした。さらに，80℃飽和水蒸気/窒素において経時変化を測定した結果，8h以上にわたって水蒸気透過率1.6×10-6 mol/(m2・s・Pa)，窒素透過率3.3×10-9 mol/(m2・s・Pa)を安定して示し，さらに透過率比は490と優れた水蒸気選択透過性を示した。このことから，CNF膜が長期間安定して水蒸気を選択的に透過させることが可能であることが明らかとなった。さらに，供給湿度に対する水蒸気および窒素の透過率についても検討し，80%以上の高湿度域において水蒸気透過率は1.0×10-6 mol/(m2・s・Pa)以上の値を示した。一方で，湿度の低下とともに水蒸気透過率は低下し，30%以下では2.0×10-7 mol/(m2・s・Pa)程度を示すことも明らかとなった。