一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜、制备方法与应用技术

一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜、制备方法与应用，涉及膜分离技术和新材料领域，制备方法包括配制铸膜液、刮制平板膜、热交联。非离子型表面活性剂分子链缠绕在CNTs一维纳米线与rGO二维纳米片表面，提供了表面电荷排斥作用和空间位阻排斥作用，阻止了CNTs与rGO的团聚；同时，作为“桥梁”促进了CNTs在rGO表面的吸附，在PDMS膜中原位自组装形成CNTs@rGO三维层状堆叠结构。该三维纳米结构对有机溶剂分子具有较强的吸附性能，其在PDMS膜中的均匀分散为有机溶剂提供了选择性渗透通道，大幅度提高了PDMS膜的渗透汽化性能，极具应用前景。极具应用前景。极具应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜、制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及膜分离技术和新材料领域，具体是涉及一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜、制备方法与应用。

技术介绍

[0002]低浓度有机溶剂回收在化工分离、环境保护领域有重要的实际应用价值。以精馏、萃取为代表的传统化工分离方法投资大、能耗高、环境不友好。因此，需要开发一种新型的化工分离方法，实现低浓度有机溶剂的绿色、低成本回收。
[0003]渗透汽化膜分离技术是一种新型的膜分离技术，它具有绿色、稳定、低能耗、易于耦合等优点。其中，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的膜分离材料在有机溶剂领域受到了广泛关注。作为一种疏水的膜分离材料，其主要是利用有机溶剂分子和水分子在膜基质中的溶解度差异，通过溶解扩散机理实现有机溶剂的选择性分离。然而，作为均质膜材料，PDMS膜同样存在选择性和通量的“trade
‑
off”效应问题。为了突破PDMS膜的“trade
‑
off”效应，目前常用的方法是向PDMS膜中引入纳米粒子，制备PDMS混合基质膜，利用纳米粒子本身的分子筛分孔或其与PDMS基质的界面孔构建有机溶剂分子的优先渗透通道，从而同时提高PDMS膜通量及选择性。中国专利[CN 110394062 A]、中国专利[CN 112755793 A]、中国专利[CN 113351037 A]、中国专利[CN 114146582 A]分别将MOF、改性水滑石、ZIF纳米粒子引入到PDMS膜中，改善膜的分离性能。
[0004]碳纳米管(CNTs)与石墨烯是两种新型的纳米碳材料，他们的一维线状和二维片状结构均具有较大的比表面积、高疏水性和有机溶剂亲和性，是优异的PDMS膜改性纳米材料。中国专利[CN 114146580 A]、中国专利[CN 109876682 A]分别利用还原氧化石墨烯(rGO)和CNTs制备PDMS混合基质膜，提高了膜的性能。然而，CNTs与rGO的表面含氧官能团较少、表面能较高；当添加量较高时，易于在PDMS膜中团聚、造成膜结构缺陷。因此，单纯的添加CNTs与rGO，而不考虑其在PDMS膜中的分布及自组装结构，是较为粗放的改进膜结构的方式，更不利于PDMS混合基质渗透汽化膜的进一步应用及发展。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜、制备方法与应用，这种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜能够大幅度提高PDMS膜的渗透汽化性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括铸膜液的配制、刮制平板膜、热交联步骤，非离子型表面活性剂与CNTs、rGO、PDMS一同加入到溶剂中，利用非离子型表面活性剂提供的电荷和空间位阻效应，促进CNTs与rGO的分散；同时，经表面活性剂修饰的一维CNTs通过分子间相互作用吸附在二维rGO表面，在PDMS膜中原位自组装形成CNTs@rGO三维层状堆叠结构，为有机溶剂提供了选择性渗透通道；然后经刮制平板膜得到支撑体
膜并进行热交联处理，制备得到CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜。
[0008]作为本专利技术的优选技术方案，所述铸膜液的配制步骤为：将非离子型表面活性剂、CNTs粉末、rGO粉末、PDMS一同加入到正庚烷中，经超声分散、高速剪切得到黑色的均匀分散液，再向其中加入正硅酸乙酯(TEOS)和二月桂酸二丁烯(DBTDL)，高速剪切、静置脱泡即得到铸膜液。
[0009]进一步优选技术方案为：所述非离子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)K30、K60，或者聚乙二醇(PEG)2000、6000、20000，或者聚山梨酯T40、T80中的一种；所述CNTs为多壁结构，平均长度为0.5～5μm，平均直径为5～50nm，纯度大于95％；所述rGO为微波热还原多层氧化石墨烯，平均片径为0.3～10μm，平均层厚1～5碳原子层，纯度大于95％；所述PDMS为分子量为10万～50万，运动粘度为18000～22000cSt的羟基封端聚二甲基硅氧烷。
[0010]配制的铸膜液中，非离子型表面活性剂、CNTs与rGO的质量和占铸膜液总质量的百分比为0.1％～5％，优选为0.5％～2％；rGO质量占非离子型表面活性剂、CNTs与rGO的质量和的百分比为10％～90％，优选为30％～70％；非离子型表面活性剂、CNTs之间的质量比为1：1；配制的铸膜液中，PDMS、正庚烷、TEOS、DBTDL之间的质量比为10：90：2：1。
[0011]非离子型表面活性剂、CNTs粉末、rGO粉末、PDMS、正庚烷混合后，经400w超声分散0.5～1.0h、5Kr/min高速剪切0.2～1.0h得到黑色的均匀分散液，再向其中加入正硅酸乙酯(TEOS)和二月桂酸二丁烯(DBTDL)，并5Kr/min高速剪切1～10分钟，静置脱泡待料液粘度达到50～100mPa
·
s之间，即得到铸膜液。
[0012]作为本专利技术的优选技术方案，所述刮制平板膜步骤为：将支撑体膜平铺在刮膜台上，向其表面倒入铸膜液，用刮膜刀刮制50～250μm厚度的液膜。
[0013]进一步优选技术方案为：所述支撑体膜为聚四氟乙烯(PTFE)微孔滤膜或聚偏氟乙烯(PVDF)微孔滤膜，其平均孔径为0.22μm或0.45μm，平均厚度为70～150μm。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案，所述热交联步骤为：将涂覆液膜的支撑体膜放入湿度小于40％、温度30℃的无尘恒温恒湿箱中，保持6～48h，优选24h形成固态复合膜；将此固态复合膜放入110～200℃，优选120℃的烘箱中，反应热交联6～48h，优选12h得到CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜。
[0015]本专利技术的另一目的为提出一种上述方法制备的CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜，以及在有机溶剂回收中的应用，其中待回收有机溶剂可以为质量分数1％～10％，温度25～60℃的乙醇水溶液。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：
[0017]1、本专利技术提出的CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜，其结构中，非离子型表面活性剂分子链缠绕在CNTs一维纳米线与rGO二维纳米片表面，提供了表面电荷排斥作用和空间位阻排斥作用，阻止了CNTs与rGO的团聚；同时，作为“桥梁”促进了CNTs在rGO表面的吸附，在PDMS膜中原位自组装形成CNTs@rGO三维层状堆叠结构。该三维纳米结构对有机溶剂分子具有较强的吸附性能，其在PDMS膜中的均匀分散为有机溶剂提供了选择性渗透通道，大幅度提高了PDMS膜的渗透汽化性能，极具应用前景。
[0018]2、本专利技术提出的CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，对传统渗透汽化膜的制备方法进行了优化，过程简单，易于控制，具有产业化生产前景。
附图说明
[0019]图1(a)为所用CNTs的扫描电镜图，(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，包括铸膜液的配制、刮制平板膜、热交联步骤，非离子型表面活性剂与CNTs、rGO、PDMS一同加入到溶剂中，利用非离子型表面活性剂提供的电荷和空间位阻效应，促进CNTs与rGO的分散；同时，经表面活性剂修饰的一维CNTs通过分子间相互作用吸附在二维rGO表面，在PDMS膜中原位自组装形成CNTs@rGO三维层状堆叠结构，为有机溶剂提供了选择性渗透通道；然后经刮制平板膜得到支撑体膜并进行热交联处理，制备得到CNTs@rGO杂化聚二甲基硅氧烷膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铸膜液的配制步骤为：将非离子型表面活性剂、CNTs粉末、rGO粉末、PDMS一同加入到正庚烷中，经超声分散、高速剪切得到黑色的均匀分散液，再向其中加入正硅酸乙酯(TEOS)和二月桂酸二丁烯(DBTDL)，高速剪切、静置脱泡即得到铸膜液。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述非离子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)K30、K60，或者聚乙二醇(PEG)2000、6000、20000，或者聚山梨酯T40、T80中的一种；所述CNTs为多壁结构，平均长度为0.5～5μm，平均直径为5～50nm，纯度大于95％；所述rGO为微波热还原多层氧化石墨烯，平均片径为0.3～10μm，平均层厚1～5碳原子层，纯度大于95％；所述PDMS为分子量为10万～50万，运动粘度为18000～22000cSt的羟基封端聚二甲基硅氧烷。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，配制的铸膜液中，非离子型表面活性剂、CNTs与rGO的质量和占铸膜液总质量的百分比为0.1％～5％，优选为0.5％～2％；rGO质量占非离子型表面活性剂、CNTs与r...

【专利技术属性】
技术研发人员：董强，王维好，徐农，刘峤，王青，范茏，刘凯旋，丁爱琴，
申请(专利权)人：合肥学院，
类型：发明
国别省市：