一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜、制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜、制备方法及应用，属于膜分离技术领域。本发明专利技术将两性共聚物聚二甲基硅氧烷(PDMS)

【技术实现步骤摘要】
一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜、制备方法及应用，属于膜分离


技术介绍

[0002]来自烟气和化石燃料燃烧的过量二氧化碳排放加剧了一些严峻的环境问题，如温室效应以及气候变化和冰川融化。膜分离过程因其低成本、可行的放大升级和节能而被认为是实现高效碳捕集的候选技术。聚合物膜已经吸引了大量的研究，涉及不同程度的二氧化碳选择性和渗透速率。聚合物膜的分离过程遵循溶液
‑
扩散机制。膜材料对二氧化碳的亲和力和质量传输的自由体积主导着二氧化碳/二氧化氮的分离性能。
[0003]聚醚嵌段聚酰胺(如)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)是用于气体分离的代表性橡胶聚合物材料。聚环氧乙烯(PEO)链段使Pebax对二氧化碳具有很强的亲和力，而聚酰胺的玻璃段则增加了质量传输的阻力。另外，主链较软且含有高自由体积分数的PDMS在渗透速率方面表现出明显的优势。尽管对PDMS膜和Pebax膜的开发进行了积极的研究，但渗透速率和选择性之间的权衡关系仍然制约着二氧化碳的分离性能。在努力提高具有本质选择性的膜的气体渗透速率时，超薄厚度和选择层的完整性都是不可缺少的。然而，低浓度的铸膜液将不可避免地侵入支撑体的纳米孔中，导致气体渗透速率和选择性的下降。
[0004]中间层和选择层之间的界面相容性对于多层膜来说至关重要。然而，为了开发超薄的Pebax复合膜，亲水性的Pebax铸膜液要均匀地沉积在疏水性的PDMS中间层上是很困难的。因此，通常采用PDMS表面亲水改性的预处理过程来提高Pebax选择性层在PDMS中间层上的界面结合力。到目前为止，表面改性策略主要是基于应用高能量的辐照，如等离子体和紫外线，以打破强大的Si
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C键和Si
‑
O
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Si键，并产生大量的羟基。目前的策略在完成实际应用方面有几个限制。首先，低聚物的重排导致PDMS中间层的疏水性迅速恢复。其次，处理过程需要特定的气氛(例如，纯氧)来提供足够的自由基，这将增加设备投资并限制规模化生产。很少有报道说直接应用空气作为处理气氛。因为空气中氧的体积分数低，很难产生足够的氧自由基，从而限制了亲水改性的效果。尽管在CO2/N2分离性能方面取得了重大进展，但由于PDMS表面的不均匀性和有限的处理时间诱发了界面缺陷，因此取得了相对较低的气体渗透速率。同时，在PDMS中间层的等离子体处理过程中，不可避免地形成了具有高传输阻力的SiO
x
层，抑制了气体渗透速率的进一步提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：由于PDMS中间层的疏水性导致的超薄聚醚嵌段聚酰胺复合膜的界面附着力低，以及PDMS中间层在等离子体处理中形成SiO
x
层抑制了气体渗透速率。
[0006]本专利技术的技术方案中，通过在PDMS中掺入两性共聚物PDMS
‑
b
‑
PEO形成中间层，共
聚物对提高亲水性的作用是可以通过空气等离子体处理激活，空气氛围足以构建一个具有高极性的表面。PDMS
‑
b
‑
PEO共聚物的PEO段自迁移到中间层的表面，保持亲水性，以提供与Pebax选择层高度增强的界面相容性。因此，制备具有超薄厚度的多层复合膜是可行的。为了研究界面结合性能，我们全面研究了空气等离子体处理后中间层表面的化学环境和成分的变化。为了追求超薄Pebax/PDMS
‑
PEO/PAN复合膜更高的CO2/N2分离性能，优化了等离子体处理时间、共聚物混合量和Pebax铸膜液浓度等制备条件。
[0007]一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜，包括支撑层、中间层以及选择分离层，所述的中间层中包含端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物，所述的选择分离层的材质是聚醚嵌段聚酰胺。
[0008]所述的中间层中的端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物的质量比范围1：0.5
‑
1.5。
[0009]所述的中间层中的端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物经过了交联处理。
[0010]交联处理过程所采用的交联剂是正硅酸四乙酯。
[0011]所述的端羟基聚二甲基硅氧烷分子量20000
‑
200000；聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物分子量2000
‑
20000；聚醚嵌段聚酰胺采用
[0012]上述的一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜的制备方法，包括如下步骤：
[0013]步骤1，将端羟基聚二甲基硅氧烷、交联剂、催化剂、聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物与第一溶剂混合均匀，得到中间层铸膜液，涂于支撑层表面，热处理；
[0014]步骤2，将聚醚嵌段聚酰胺溶解于第二溶剂中，涂于步骤1中得到的中间层的表面，热处理，得到复合气体分离膜。
[0015]步骤1中获得的膜需要经过等离子体处理；等离子体处理时间1
‑
20s，电流0.1
‑
5A，电压20
‑
150V。
[0016]步骤1和/或步骤2中，热处理条件是30
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80℃下2
‑
20h。
[0017]端羟基聚二甲基硅氧烷、交联剂、催化剂、聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物的重量比100：5
‑
15：0.1
‑
2：50
‑
150。
[0018]所述的第一溶剂是烃类溶剂；所述的第二溶剂是醇
‑
水混合物。
[0019]聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜在气体分离中的应用。
[0020]一种提高膜层表面的PEO链段富集程度的方法，所述的膜层是包含端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物的膜层，所述的方法通过对膜的表面进行等离子体处理，使膜层中的PEO段向膜表面迁移并聚集。
[0021]所述的膜层中的端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物的质量比范围1：0.5
‑
1.5。
[0022]等离子体处理时间1
‑
20s，电流0.1
‑
5A，电压20
‑
150V。
[0023]一种缓解气体分离膜的气体渗透速率下降的方法，所述的气体分离膜包括支撑层、中间层以及选择分离层，所述的方法中是在制备中间层时还加入包含端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物。
附图说明
[0024]图1：PDMS
‑
b
‑
PEO分子结构示意图和Pebax/PDMS
‑
PEO/PAN超薄复合膜的制备工艺，其中等离子体处理直接在空气中进行。
[0025]图2：水接触角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜，包括支撑层、中间层以及选择分离层，其特征在于，所述的中间层中包含端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物，所述的选择分离层的材质是聚醚嵌段聚酰胺。2.根据权利要求1所述的聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜，其特征在于，所述的中间层中的端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物的质量比范围1：0.5
‑
1.5。3.根据权利要求1所述的聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜，其特征在于，所述的中间层中的端羟基聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物经过了交联处理。4.根据权利要求1所述的聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜，其特征在于，交联处理过程所采用的交联剂是正硅酸四乙酯；所述的端羟基聚二甲基硅氧烷分子量20000
‑
200000；聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物分子量2000
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20000；聚醚嵌段聚酰胺采用5.权利要求1所述的聚醚嵌段聚酰胺/聚二甲基硅氧烷复合气体分离膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将端羟基聚二甲基硅氧烷、交联剂、催化剂、聚二甲基硅氧烷嵌段聚乙烯氧化物与第一溶剂混合均匀，得到中间层铸膜液，涂于支撑层表面，热处理；步骤2，将聚醚嵌段聚酰胺溶解于第二溶剂中，涂于步骤1中得到的中间层的表面，热处理，得到复合气体分离膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘公平，刘姜颖，金万勤，潘阳，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：