选择性渗透的氧化石墨烯元件制造技术

本文描述的是包含石墨烯材料和磺化聚合物材料的复合材料。将石墨烯/磺化聚合物复合材料涂覆到基底上以提供选择性渗透膜。本公开的选择性渗透膜提供高水分渗透率和低气体渗透率。透率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】选择性渗透的氧化石墨烯元件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2018年5月2日提交的美国临时申请62/666,044和2018年6月21日提交的美国临时申请62/688,308的权益。


[0003]本专利技术的实施方式涉及聚合物膜，并提供了一种包括石墨烯材料用于从空气或其他气流中除去水或水蒸气的膜。

技术介绍

[0004]空气中高水分含量的存在可能通过促进霉菌、真菌和尘螨的生长而导致严重的健康问题。在制造和存储设施中，高湿度环境可能会加速产品降解、粉末团聚、种子发芽、腐蚀以及化学、制药、食品和电子行业中的其他不良影响。使空气脱水的常规方法是使湿空气通过吸湿剂，例如乙二醇、硅胶、分子筛、氯化钙和五氧化二磷。该方法的缺点是必须定期更换或再生干燥剂，这使脱水过程昂贵且费时。空气脱水的另一种方法是低温方法，该方法包括压缩和冷却湿空气以冷凝水分，然后将其除去。然而，这种方法非常耗能。
[0005]与传统除湿技术相比，基于膜的气体除湿技术具有明显的技术和经济优势。
[0006]石墨烯材料具有许多吸引人的性质，例如具有异常高的机械强度和纳米级厚度的二维片状结构。氧化石墨烯是石墨的剥离的氧化产物，可以低成本大量生产。由于氧化石墨烯的高度氧化，因此其具有高水渗透率，并且可以很容易地以各种不同的方式进行官能化。由于其多功能性，石墨烯材料具有作为脱水膜的潜力。

技术实现思路

[0007]本专利技术的实施方式包括包含磺化聚合物和石墨烯材料的膜，与纯净的非磺化聚合物膜相比，该膜可以减少水溶胀并改善H2O/气体选择性。与传统的聚合物(例如，PVA)膜相比，一些实施方式可以提供改进的脱水膜。本专利技术的实施方式包括选择性渗透元件，该元件可用于在期望使气体渗透率最小化，同时允许流体或水蒸气通过的应用中。
[0008]一些实施方式包括选择性渗透的膜，例如脱水膜，所述膜包含：支撑体；包含石墨烯化合物(例如氧化石墨烯化合物)和磺化聚合物的复合材料，其中所述磺化聚合物选自磺化聚乙烯醇(s-PVA)、磺化聚丙烯酸(s-PAA)、磺化聚醚醚酮(s-PEEK)和磺化聚苯乙烯(s-PS)；并且其中所述复合材料被涂覆在支撑体上。在一些实施方式中，膜具有高水分渗透率和低气体渗透率。
[0009]一些实施方式包括一种用于制备水分渗透和/或气体阻挡元件的方法。所述方法可以包括在水性混合物中混合磺化聚合物和石墨烯化合物，例如氧化石墨烯化合物。
[0010]一些实施方式包括从气体混合物中分离特定气体或使气体脱水的方法，所述方法包括横跨选择性渗透膜如脱水膜施加压力梯度(包括该特定气体的分压梯度)以引起特定气体例如水蒸气选择性通过脱水膜，其中第一气体向所述膜的第一侧施加的压力或待分离
的特定气体的分压比在所述膜的另一侧上的通过第二气体施加的压力或待分离的特定气体的分压更高，使得特定气体例如水蒸气从所述第一气体穿过所述脱水膜到所述第二气体中。
附图说明
[0011]图1是可用于分离或脱水应用中的纳米复合膜器件的可能实施方式的图示。
[0012]图2是用于制备分离/脱水元件和/或器件的方法的实施方式的图示。
具体实施方式
[0013]本公开涉及气体分离膜，其中具有低气体(例如，氧气和/或氮气)渗透率的高水分渗透率膜可用于实现脱水。该膜材料可适用于空气、氧气、氮气、氢气、甲烷、丙烯、二氧化碳、天然气、甲醇、乙醇和/或异丙醇的除湿。一些实施方式包括水分渗透的GO-磺化聚合物膜组合物，并且该膜可以具有高的H2O/空气选择性。这些实施方式可以具有改进的能量和分离效率。
[0014]水分渗透的和/或气体不渗透的阻挡元件可以包含复合材料，例如包含分散在聚合物中的石墨烯材料的复合材料。该复合材料可以涂覆在支撑材料上。石墨烯材料可以是氧化石墨烯材料。该聚合物可以是磺化聚合物。
[0015]例如，如图1所示，选择性渗透膜100(例如脱水膜)可包括：支撑体120和复合材料110。复合材料110可涂覆在支撑体120上。
[0016]在一些实施方式中，支撑体例如支撑体120是多孔的。在一些实施方式中，支撑体可以是聚合物的。在一些实施方式中，支撑体可以包含聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚偏二氟乙烯、纤维素、乙酸纤维素或聚醚砜，或其任何组合或混合物。在其他实施方式中，支撑体可以包含聚丙烯或拉伸的聚丙烯。
[0017]复合材料，例如复合材料110，包含石墨烯化合物和磺化聚合物。石墨烯材料可以包含已被化学改性或官能化的石墨烯。改性石墨烯可以是已被化学改性的任何石墨烯材料，例如氧化的石墨烯或官能化的石墨烯。氧化的石墨烯包括氧化石墨烯或还原的氧化石墨烯。氧化石墨烯的一种可能描绘在下图中显示。
[0018][0019]官能化的石墨烯包括在氧化石墨烯中不存在的一个或多个官能团，例如不是直接附接至石墨烯基体的C-原子上的OH、COOH或环氧基的官能团。官能化的石墨烯中可存在的官能团的实例包括卤素、烯烃、炔烃、CN、醚、酯、酰胺或胺。
[0020]在一些实施方式中，大于约99％、大于约95％、大于约90％、大于约80％、大于约70％、大于约60％、大于约50％、大于约40％、大于约30％、大于约20％、大于约10％或大于约5％的石墨烯分子可以被氧化或官能化。
[0021]在一些实施方式中，石墨烯材料是氧化石墨烯，其可以提供对气体、流体和/或蒸气的选择性渗透率。在一些实施方式中，选择性渗透元件可以包括多层，其中至少一层包含石墨烯材料。
[0022]相信在GO上可以存在大量(～30％)环氧基，这些环氧基在高温下容易与羟基反应。还可以相信，GO片材具有极高的纵横比。如果分散在聚合物膜例如磺化的PVA膜中，该高纵横比可以增加可用的气体扩散表面。因此，与GO交联的磺化PVA不仅可以减少膜的水溶胀，而且可以提高膜的气体分离效率。还认为环氧基或羟基会增加材料的亲水性，且因此有助于增加膜的水蒸气渗透率和选择性。
[0023]在一些实施方式中，石墨烯材料可以是片材、平面或碎片的形式。在一些实施方式中，石墨烯材料可以是薄片的形状。在一些实施方式中，石墨烯可以具有约0.05-100μm、约0.05-1μm、约0.1-50μm、约0.5-10μm、约1-5μm、约0.1-2μm、约1-3μm、约2-4μm、约3-5μm、约4-6μm、约5-7μm、约6-8μm、约7-10μm、约10-15μm、约15-20μm、约50-100μm、约60-80μm、约50-60μm、约25-50μm的薄片尺寸或以任何这些值为界的范围内的任何薄片尺寸。
[0024]在一些实施方式中，石墨烯的薄片表面积可以是每薄片约0.1-50,000μm2、约10-500μm2、约500-1,000μm2、约1,000-1,500μm2、约1,500-2,000μm2、约2,000-2,500μm2、约2,500-3,000μm2、约3,000-3,500μm2、约3,500-4,00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于气体脱水的膜，所述膜包括：支撑体；包含氧化石墨烯化合物和磺化聚合物的复合材料，其中所述磺化聚合物包括磺化聚乙烯醇、磺化聚丙烯酸、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯乙烯或它们的组合；其中所述复合材料被涂覆在所述支撑体上；和其中所述膜具有高水分渗透率和低气体渗透率。2.根据权利要求1所述的膜，其中所述支撑体是多孔的。3.根据权利要求1或2所述的膜，其中所述支撑体包含聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚砜、聚醚砜或它们的组合。4.根据权利要求1、2或3所述的膜，其中所述氧化石墨烯化合物与所述磺化聚合物的重量比为约0.001至约0.1。5.根据权利要求1、2、3或4所述的膜，其中所述氧化石墨烯化合物和所述磺化聚合物是交联的。6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的膜，其中所述氧化石墨烯化合物包括氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、官能化的氧化石墨烯、还原的官能化的氧化石墨烯或它们的组合。7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的膜，其中所述氧化石墨烯化合物的薄片尺寸为约0.05μm至约100μm。8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的膜，其中所述复合材料还包含碱金属卤化物或碱土金属卤化物。9.根据权利要求8所述的膜，其中所述碱金属盐是氯化锂，并且所述碱土金属卤化物是氯化钙。10.根据权利要求8或9所述的膜，其中所述碱金属卤化物是氯化锂，并且所述复合材料还包含木质素硫酸钠。11.根据权利要求8或9所述的膜，其中所述碱金属卤化物是氯化锂，并且所述复合材料还包含十二烷基硫酸钠。12.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的膜，所述膜还包含聚乙烯醇。13...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑世俊，林伟平，王鹏，北原勇，碧，
申请(专利权)人：日东电工株式会社，
类型：发明
国别省市：