本发明专利技术提供一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法。本发明专利技术方法包括步骤：将液晶分子、调节分子、去离子水和光引发剂混合，充分溶解后除去气泡，然后经室温静置，即可得到三元液晶；将三元液晶注入模具中，经退火处理、紫外光照射下聚合即得。本发明专利技术调节分子的加入对液晶分子的相态具有明显的调控作用，可以使其展现出自组装时不存在的相态，也可以扩大原有相态的区域；调节分子的加入还有助于改善聚合后液晶结构保留情况；此外，调节分子的加入也有助于强化离子交换膜原有的功能，甚至赋予其新功能。所得阴离子交换膜可用于单/多价离子的选择性分离，也可作为锌空气电池、固体燃料电池等体系的固体电解质材料。料电池等体系的固体电解质材料。
【技术实现步骤摘要】
一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法
[0001]本专利技术涉及一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，属于液晶和膜
技术介绍
[0002]离子交换膜作为扩散渗析、电渗析、燃料电池、锌空气电池等装置的核心部件，在海水淡化、污水处理、金属离子分离回收和能源转化等领域发挥着重要作用，为解决人类淡水危机、资源危机、能源危机做出了突出贡献。
[0003]目前为止，商业化的离子交换膜多由静电沉积或化学接枝改性的方法制备，得到的离子交换膜不但孔径分布不均匀，导致膜的渗透选择性差，而且活性层和支撑层在长期的运行中容易发生分离，使得膜功能易丧失(J.Membr.Sci.,2018,555,429
‑
454；Sep.Purif.Technol.,2022,278,119640；Chin.J.Chem.Eng.,2017,25,1606
‑
1615)。利用液晶模板制备具有规整纳米/亚纳米孔道的离子交换膜是解决上述问题的有效方法。
[0004]溶致液晶的离子通道在0.6～2.2nm之间，狭小的孔道对多价水合离子具有良好的阻碍作用，而对单价水合离子的影响甚微(Angew.Chem.Int.Ed.,2020,59,23461
‑
23465；Matter,2021,4(9),2810
‑
2830)；其次，继承自溶致液晶界限分明的微观相分离结构和连续的离子通道，既赋予了离子交换膜材料更强的离子渗透率，也有助于降低膜的面电阻(Adv.Mater.,2012,24,2239
‑
2241)；最后，溶致液晶的离子通道内丰富的带电基团增强了孔道对高价态同离子的排斥作用，也有利于离子交换膜材料离子选择性的提升。冯训达等将基于六角液晶的离子交换膜应用于污水处理过程，发现其对水体中多种有机污染物具有良好的拦截效果(Sci.Adv.,2019,5,eaav9308)；郑利强等将基于反相双连续立方液晶的阴离子交换膜应用于锌空气电池，发现该膜可以有效的拦截放电过程中产生的Zn(OH)
42
‑
的扩散，有助于提高电池使用寿命(J.Membr.Sci.,2020,605,118113)。基于液晶模板的离子交换膜虽然具有优异的渗透选择性并在水处理和电池领域展示了巨大的应用潜力，但有两个问题一直制约着液晶基离子交换膜的发展。一个是液晶模板与其它功能性设计的不兼容，为了赋予膜材料更多的功能就需要对原先用来构筑液晶的双亲分子(简称液晶分子)进行修饰，但进一步的修饰容易导致液晶相态的改变甚至消失；另一个是聚合过程中液晶结构难以完整保留，由于聚合诱导相变的存在，溶致液晶的结构在聚合过程中很容易改变，甚至被完全破坏。
[0005]为了解决上述问题，提出本专利技术。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法。本专利技术调节分子的加入对液晶分子的相态具有明显的调控作用，可以使其展现出自组装时不存在的相态，也可以扩大原有相态的区域，从而有助于解决液晶模板与其它功能性设计不兼容的问题；调节分子的加入还有助于改善聚合后液晶结构保留情况；此外，
调节分子的加入也有助于强化离子交换膜原有的功能，甚至赋予其新功能。
[0007]为实现上述目标，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，包括步骤：
[0009](1)将液晶分子、调节分子、去离子水和光引发剂混合，充分溶解后除去气泡，然后经室温静置，即可得到三元液晶；
[0010]所述液晶分子具有如下式I(MEC
m
DAB)或式II(C
n
VBA)所示结构：
[0011][0012]其中，m为12～18，n为10～16；
[0013]所述调节分子为具有式III(C
s
DVBA)所示结构的化合物、甲基丙烯酸月桂酯、2
‑
(2
‑
乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯、三烯丙基胺、二乙烯基苯、丙烯酸、N,N'
‑
亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或1,6
‑
己二醇二甲基丙烯酸酯；
[0014][0015]其中，s为2～6；
[0016](2)将三元液晶注入模具中，经退火处理、紫外光照射下聚合得到阴离子交换膜。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，式I所示液晶分子中，m为12、14、16或18；式II所示液晶分子中，n为10、12、14或16；式III所示调节分子中，s为2、3或6。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，式I或式II所示液晶分子的制备包括步骤：于溶剂A中，甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应，或，对氯甲基苯乙烯与二甲基烷基胺反应，得到式I或式II所示液晶分子。
[0019]优选的，所述溶剂A为乙酸乙酯；甲基丙烯酸二甲胺乙酯和溴代烷烃总摩尔、或对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺总摩尔和溶剂A的体积比为1～5mol/L。本专利技术特定溶剂能够提高反应速率，促进反应的迅速进行。
[0020]优选的，所述溴代烷烃为溴代十二烷、溴代十四烷、溴代十六烷或溴代十八烷；甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃的摩尔比为1:1.2～1.5。
[0021]优选的，所述二甲基烷基胺为二甲基癸基胺、二甲基十二烷基胺、二甲基十四烷基胺或二甲基十六烷基胺；对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺的摩尔比为1:1.2～1.5。
[0022]优选的，甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应的温度为60～80℃；对氯甲基苯乙烯与二甲基烷基胺的反应温度为20～40℃。反应时间均为6～24h。
[0023]优选的，甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃的反应，或，对氯甲基苯乙烯与二甲基烷基胺的反应均在惰性气体保护、搅拌条件下进行；进一步优选的，所述惰性气体为氮气或氩气。
[0024]优选的，甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应所得反应液、或对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺反应所得反应液的后处理方法如下：反应液过滤得粗产物，粗产物用乙酸乙酯重结晶、过滤、室温真空干燥，得到式I或式II所示液晶分子。进一步优选的，室温真空干燥时间至少48h。
[0025]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，式III所示调节分子的制备包括步骤：于溶剂B中，对氯甲基苯乙烯和二胺反应，得到式III所示调节分子。
[0026]优选的，所述溶剂B为乙腈；对氯甲基苯乙烯和二胺总摩尔和溶剂B的体积比为2.5～5mol/L。本专利技术特定溶剂能够提高反应速率，促进反应的迅速进行。
[0027]优选的，所述二胺为N,N,N',N'
‑
四甲基乙二胺、N,N,N',N'
‑
四甲基丙二胺或N,N,N',N'
‑
四甲基己二胺；对氯甲基苯乙烯和二胺的摩尔比为2～4:1。
[0028]优选的，对氯甲基苯乙烯和二胺本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，包括步骤：(1)将液晶分子、调节分子、去离子水和光引发剂混合，充分溶解后除去气泡，然后经室温静置，即可得到三元液晶；所述液晶分子具有如下式I(MEC
m
DAB)或式II(C
n
VBA)所示结构：其中，m为12～18，n为10～16；所述调节分子为具有式III(C
s
DVBA)所示结构的化合物、甲基丙烯酸月桂酯、2
‑
(2
‑
乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯、三烯丙基胺、二乙烯基苯、丙烯酸、N,N'
‑
亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或1,6
‑
己二醇二甲基丙烯酸酯；其中，s为2～6；(2)将三元液晶注入模具中，经退火处理、紫外光照射下聚合得到阴离子交换膜。2.根据权利要求1所述基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，其特征在于，步骤(1)中，式I所示液晶分子中，m为12、14、16或18；式II所示液晶分子中，n为10、12、14或16；式III所示调节分子中，s为2、3或6。3.根据权利要求1所述基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，其特征在于，式I或式II所示液晶分子的制备包括步骤：于溶剂A中，甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应，或，对氯甲基苯乙烯与二甲基烷基胺反应，得到式I或式II所示液晶分子。4.根据权利要求3所述基于三元液晶体系制备阴离子交换膜的方法，其特征在于，包括以下条件中的一项或多项：i、所述溶剂A为乙酸乙酯；甲基丙烯酸二甲胺乙酯和溴代烷烃总摩尔、或对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺总摩尔和溶剂A的体积比为1～5mol/L；ii、所述溴代烷烃为溴代十二烷、溴代十四烷、溴代十六烷或溴代十八烷；甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃的摩尔比为1:1.2～1.5；iii、所述二甲基烷基胺为二甲基癸基胺、二甲基十二烷基胺、二甲基十四烷基胺或二甲基十六烷基胺；对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺的摩尔比为1:1.2～1.5；iv、甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应的温度为60～80℃；对氯甲基苯乙烯与二
甲基烷基胺的反应温度为20～40℃；反应时间均为6～24h；v、甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃的反应，或，对氯甲基苯乙烯与二甲基烷基胺的反应均在惰性气体保护、搅拌条件下进行；优选的，所述惰性气体为氮气或氩气；vi、甲基丙烯酸二甲胺乙酯与溴代烷烃反应所得反应液、或对氯甲基苯乙烯和二甲基烷基胺反应所得反应液的后处理方法如下：反应液过滤得粗产物，粗产物用乙酸乙酯重结晶、过滤、室温真空干燥，得到式I或式II所示液晶分子；优选的，室温真空干燥时间至少48h。5.根据权利要求1所述基于三元液晶体系制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑利强，谢丰金，高新培，鲁飞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。