[發明專利]高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜及制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310516468.1
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN103521100A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 吳洪;李雪琴;姜忠義
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01D71/80
• 分類號: B01D71/80;B01D67/00;B01D53/22
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

?本發明涉及一種高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜及制備方法及應用，屬于氣體分離膜技術領域。

背景技術

膜分離技術用于分離混合氣體和氣體凈化，與傳統的吸附分離、深冷分離和低溫冷凝分離相比，具有高效、易集約化、操作簡單、制備和運行成本較低等優點，因蘊含巨大商機而越來越多被關注。20世紀50年代開始研究氣體分離膜技術，到20世紀70年代末，美國的Monsanto公司研制出“Prism”膜分離裝置，成功應用在合成氨馳放氣中回收氫氣，從此氣體分離膜應用開始商業化。隨著研究進一步深入，通過Robeson曲線，人們發現衡量聚合物氣體分離膜性能的兩個關鍵參數選擇性和滲透通量之間存在著制約關系，有上界線限制。為了制備高選擇性、高滲透通量的氣體分離膜，許多研究者提出將無機納米顆粒添加到聚合物中，制備雜化納米氣體分離膜。由于無機材料具有高強度、高韌性、高穩定性，有機材料具有高柔性、可加工性，以及納米材料的小尺寸效應、表面效應、量子效應以及粒子的協同效應等優點，將它們相結合制備出的雜化納米氣體分離膜，具有無機膜所沒有的易加工、低成本以及有機膜所不具備的高機械性能、熱穩定性等優點，呈現出常規高分子聚合物材料不具備的特性，使雜化納米氣體分離膜作為新一代的氣體分離膜，具有不可估量的發展前景和應用前景。

從膜材料選擇和制備方法兩方面調控雜化膜的的界面結構。一方面，選用對CO₂具有高溶解性和透過性的聚氧乙烯類作為高分子基質，另一方面，選用有機胺對無機粒子進行修飾，開展有機-無機雜化膜的制備、性能評價等研究，解決現有有機-無機雜化膜中無機粒子團聚、高分子界面結構可控性差等突出問題，從而提高膜的分離性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜及制備方法和應用。以此方法制備的高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜，用于分離CO₂/CH₄混合物，在原料氣和吹掃氣加濕條件下，具有高透過性和高選擇性，其制備方法過程簡單。

本發明是通過如下技術方案實現的，一種高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜，其特征在于：該雜化膜厚度60-100?μm，它由質量分數為60-98%的聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物和2-40%的功能化的介孔二氧化硅組成，其中聚氧乙烯鏈段占嵌段共聚物質量分數的55-60%；聚己內酰胺鏈段占嵌段共聚物質量分數的40-45%；功能化介孔二氧化硅選用的功能化試劑為聚乙烯亞胺。

上述高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜的制備方法，其特征在于包括以下過程：

1.?功能化的介孔二氧化硅制備

以甲醇作為溶劑，配制質量分數為10%的聚乙烯亞胺溶液，攪拌0.5h，然后按介孔二氧化硅和溶液中的聚乙烯亞胺的質量比為1:1的比例，將介孔二氧化硅加入聚乙烯亞胺溶液中，再攪拌8h，然后將其放置真空烘箱干燥48h，得到功能化介孔二氧化硅；

2.?按質量比1:（10-50），將聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物加入質量分數為65-75%的乙醇中，在溫度75-80℃下，回流加熱75℃以上，攪拌0.5-4?h，使其完全溶解，得到質量分數為2-7%聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液；

3.?按質量比1:（100-600）的比例，將步驟1中所得的功能化介孔二氧化硅加入步驟2制得的聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液中，于室溫下攪拌5-10h，將所得的鑄膜液倒在干凈的玻璃板上流延，于室溫下晾干，然后放入真空烘箱中去除殘留的溶劑，得到高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜。

上述方法制備的高分子-功能化介孔二氧化硅雜化膜的應用，用于分離CO₂/CH₄混合物，其通量為692-1409barrer（1barrer?=?10^-10?cm³?cm?/?cm²?s?cmHg），CO₂/CH₄選擇性為15-50。

本發明的優點在于：制備過程簡單可控，原料易得，條件溫和。雜化膜選用對CO₂具有高溶解性和透過性的聚氧乙烯類作為高分子基質，醚氧鍵的增加會使CO₂的滲透系數大幅度提高，選用聚乙烯亞胺對介孔二氧化硅進行修飾，使得制備的雜化膜中含有與CO₂發生可逆反應的伯胺、仲胺和叔胺，可強化CO₂在膜中傳遞，該雜化膜用于氣體分離，具有優異的綜合性能。

附圖說明