一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,通过加速器提供高能重离子，对聚酰亚胺膜进行辐照，以实现聚酰亚胺膜的改性，形成聚酰亚胺气体分离膜；所述重离子采用质量数为40～238的重离子，辐照离子能量为1～30MeV/u。本发明专利技术通过高能重离子辐照方法实现聚酰亚胺膜的改性，提高其气体分离性能，改性的聚酰亚胺膜具有良好的气体渗透性和选择性，能够应用在气体分离领域，对气体的分离效果好，效果显著，气体分离性能可调节，具有易于实现规模化制备改性聚酰亚胺膜等优点。于实现规模化制备改性聚酰亚胺膜等优点。于实现规模化制备改性聚酰亚胺膜等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜及其应用


[0001]本专利技术涉及分离膜领域，具体的说，尤其涉及一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜及其应用。

技术介绍

[0002]气体膜分离技术具有效率高、能耗低和操作方便灵活等优点，与传统吸咐、深冷分离等分离技术相比具有独特的优势，越来越广泛地应用于气体分离领域。聚酰亚胺膜因其良好的机械性能、热性能和气体分离性能，在众多聚合物膜材料中脱颖而出，有望在气体分离领域得到广泛应用。传统的聚酰亚胺膜透气量不高，分离效率较低，通常需要利用改性的方法来提高膜的气体渗透性能。聚酰亚胺膜气体分离性能主要取决于其微观结构，特别是其自由体积参数对气体的渗透性能有着直接的关系。理想的气体分离膜应具备有两个特性：高自由体积占比和窄自由体积分布。高自由体积占比可以提高膜的渗透量，而窄自由体积分布可以提升膜的选择性。
[0003]目前，人们主要是利用化学改性方法，从分子设计的角度出发，通过引入功能化侧基和柔性基团等各种官能团，调整聚酰亚胺的自由体积参数以制备具有高选择性和高渗透性的气体分离膜材料。然而，高成本和复杂的化学改性工艺，对膜微观结构孔径的调控难度较大，还往往难以同时提升膜的渗透性和选择性。
[0004]另外一种常用的调控方式是利用物理方法进行材料改性，通过物理手段改善聚酰亚胺膜结构，例如通过光敏、热敏和离子辐照等，对膜微观结构进行改性。其中，光敏和热敏能够促使分子链与链之间彼此连接起来而筑建成独特的交联网状层结构，在一定程度上可以提升膜的选择性，但是由于交联形成网络，链段活动性减小，导致膜的透气性往往也随之下降。离子辐照技术可以改变聚合物的化学结构和物理性质，其原理在于入射离子的能量沉积可导致聚合物化学键断裂和交联、气体分子释放以及小分子和自由基的形成等。到目前为止，离子辐照改性聚合物虽然已经在材料光学、电学和机械等性能调控方面取得了广泛的应用，然而在气体分离领域的应用却寥寥无几。
[0005]根据调研显示，M.Escoubes、L.Hu和X.L.Xu等人在《物理研究中的核仪器与方法》，1995，105(1):130
‑
133；《应用高分子科学学报》，1995,55(1):99
‑
105；《高分子材料学报》，2003,29(6):733
‑
736；《高分子材料学报》，2007,30(3):366
‑
366。上述文献中公开了利用170keV的
58
N
+
离子、2MeV的α离子和450keV的H
+
离子等离子对聚酰亚胺膜进行辐照改性，研究了辐照后膜对H2和CH4等气体的渗透性和选择性。研究发现，
58
N
+
重离子辐照虽然提升了两者气体的选择性，但渗透性却有所降低。而且，在聚酰亚胺中的射程仅为0.6μm左右，而实验所用膜厚度为30μm。显然，低能重离子辐照只能对聚合物膜进行表面改性，而膜的整体渗透性和选择性只能通过建立理论模型，根据有限厚度的改性层进行理论推算。实验所用轻质α与H
+
离子具有较好的穿透能力，但由于是轻质离子，对膜微观结构的改性程度比较有限，而且研究结果表明α离子辐照虽然提升了气体的渗透性，但却降低了两者的选择性；而H
+
离子只有在高注量条件下(10
15
H
+
/cm2以上)才略有提升气体的渗透性(1
‑
1.8倍)和选择性(1
‑
1.5倍)。
[0006]综上所述，目前如何同时提高聚酰亚胺膜的渗透性和选择性还面临巨大的挑战。离子辐照在聚酰亚胺气体分离膜改性表现出一定的可行性，然而现有的离子辐照改性还是局限于轻质离子辐照或低能重离子的表面改性，对膜的分离性能的提升并不明显。

技术实现思路

[0007]为了解决现有气体分离膜不能同时具备高渗透性和选择性的问题，本专利技术提供一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜及其应用。
[0008]一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,通过加速器提供高能重离子，对聚酰亚胺膜进行辐照，以实现聚酰亚胺膜的改性，形成聚酰亚胺气体分离膜；
[0009]所述重离子采用质量数为40～238的重离子，辐照离子能量为1～30MeV/u。改性获得的聚酰亚胺气体分离膜具有良好的渗透性和选择性。
[0010]可选的，所述重离子为Kr或者Xe。聚酰亚胺膜的改性效果好，很好的提高了其渗透性和选择性能。
[0011]可选的，当采用重离子为Kr，辐照离子能量为19.5MeV/u；当采用重离子为Xe，辐照离子能量为5.98MeV/u。聚酰亚胺膜的改性效果好，很好的提高了其渗透性和选择性能。
[0012]可选的，辐照采用的辐照注量为10
10
‑
10
12
ions/cm2。聚酰亚胺膜的改性效果好，很好的提高了其渗透性和选择性能。
[0013]可选的，所述辐照之前，将聚酰亚胺膜进行裁切，聚酰亚胺膜的面积≥辐照束流的面积。确保聚酰亚胺膜辐照的效果。
[0014]可选的，所述辐照之前，将若干张聚酰亚胺膜重叠放置在一起，用于调控辐照的电子能损值。能够调节聚酰亚胺膜的渗透性能。
[0015]可选的，所述聚酰亚胺膜为平板膜或者中空的膜结构。
[0016]一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜的应用，包括聚酰亚胺气体分离膜，所述聚酰亚胺气体分离膜用于气体的分离。对气体的分离效果好。
[0017]可选的，还包括以下步骤：
[0018]通过气体膜分析测试仪对聚酰亚胺气体分离膜进行测试：
[0019]气体膜分析测试仪包括有上腔高压室和下腔低压室，所述上腔高压室和下腔低压室相通，所述上腔高压室充入测试气体，所述下腔低压室抽真空，在恒定的压差下，所述上腔高压室的测试气体通过聚酰亚胺膜渗透至下腔低压室；
[0020]确定聚酰亚胺气体分离膜的测试区域和非测试区域，对非测试区域表面涂抹真空油脂，将非测试区域紧贴下腔低压室的表面；
[0021]通过测量下腔低压室的压力变化测得测试气体的渗透率，不同测试气体的渗透率之比为选择性。操作简单，便于检测获得改性后聚酰亚胺气体分离膜的渗透系数。
[0022]可选的，所述聚酰亚胺气体分离膜能够用于氦气和氮气的分离、用于氦气和甲烷的分离，以及用于二氧化碳和氮气的分离。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜，通过高能重离子辐照方法实现聚酰亚胺膜的改性，提高其气体分离性能，改性的聚酰亚胺膜具有良好的气体渗透性和选择性，能够应用在气体分离领域，对
气体的分离效果好，效果显著，气体分离性能可调节，具有易于实现规模化制备改性聚酰亚胺膜等优点。
[0024]本专利技术提供一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜的应用，聚酰亚胺气体分离膜用于气体的分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：通过加速器提供高能重离子，对聚酰亚胺膜进行辐照，以实现聚酰亚胺膜的改性，形成聚酰亚胺气体分离膜；所述重离子采用质量数为40～238的重离子，辐照离子能量为1～30MeV/u。2.根据权利要求1所述的一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：所述重离子为Kr或者Xe。3.根据权利要求2所述的一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：当采用重离子为Kr，辐照离子能量为19.5MeV/u；当采用重离子为Xe，辐照离子能量为5.98MeV/u。4.根据权利要求1所述的一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：辐照采用的辐照注量为10
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ions/cm2。5.根据权利要求1所述的一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：所述辐照之前，将聚酰亚胺膜进行裁切，聚酰亚胺膜的面积≥辐照束流的面积。6.根据权利要求1所述的一种基于离子束辐照改性的聚酰亚胺气体分离膜,其特征在于：所述辐照之前，将若干张聚酰亚胺膜重叠放置在一起，用于调控辐照...

【专利技术属性】
技术研发人员：段敬来，陈永辉，甄立平，胡正国，詹文龙，刘杰，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：