【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于分离膜制备，特别是一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜及其制备方法。
技术介绍
1、受生物细胞膜启发而开发的具有可控渗透性的智能膜，近年来引起了广泛关注。这种智能膜与传统的固定结构膜相比，突破了传统膜的局限性，表现出对外界刺激(如温度、ph值、光照、化学物质浓度变化等)的响应能力，并能可逆地调整其分离性能。这种响应通常是通过在膜中嵌入特定的功能基团或链段实现的，这些基团或链段是响应性聚合物，可对环境变化敏感(adv.membr.,2022,2,100045；chem.soc.rev.,2016,45,460-475)。智能膜的这种适应性使其能更精确地控制孔径大小，从而根据外部环境变化调节其选择性和通量，开拓了更多应用领域并突破现有应用的性能限制。
2、二维材料，因其富含的官能团、特定的传质通道和超快的传输特性，被认为是制备先进智能膜的潜力材料(nat.commun,2017,8,2011)。然而，目前的挑战在于响应性聚合物在二维材料片层间的插层作用通常会降低所制备智能分离膜的通量，限制了通量门控比的提升。因此，如何在不影响选择率的前提下提升智能响应二维材料层状分离膜的通量成为了一个迫切需要解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本专利技术提供一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜及其制备方法。本专利技术所制备的分离膜具备独特的多级褶皱结构，有效增加了膜的表面积和缩短了传质通道，从而显著提高了膜的通量门控比，同时保持了高选择率；这使得膜在分离效率
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，具体包括以下步骤：
4、(1)纺丝溶液的制备：将高分子聚合物溶解于溶剂中，充分搅拌得到纺丝溶液；
5、(2)弹性多孔纳米纤维基底的制备：将所述纺丝溶液置于静电纺丝设备的注射器中，进行静电纺丝，在接收基底上得到无规排列、均匀覆盖的弹性多孔纳米纤维基底膜；
6、(3)铸膜液的制备：将二维材料加入到溶剂中超声分散，配置成二维材料分散液，将刺激响应性高分子聚合物加入到所述二维材料分散液中，配置成纳米复合材料分散液，作为铸膜液；
7、(4)多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备：将所述弹性多孔纳米纤维基底膜进行拉伸，将所述铸膜液在拉伸状态的弹性多孔纳米纤维基底膜的表面进行组装，然后释放应力，得到多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜。
8、进一步地，步骤(1)中，所述高分子聚合物包括聚氨酯pu、聚偏氟乙烯pvdf、聚偏氟乙烯-三氟乙烯pvdf-trfe、聚偏氟乙烯-六氟丙烯pvdf-hfp、尼龙66的一种或多种；优选地，所述高分子聚合物采用分析纯级别；
9、溶解高分子聚合物的所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜或n,n-二甲基乙酰胺的一种或多种；优选地，溶解高分子聚合物的溶剂分析纯级别。
10、所述纺丝溶液中高分子聚合物的质量分数为7wt％～15wt％。
11、进一步地，步骤(2)中，静电纺丝的条件为：在注射器的金属喷丝头与接收基底之间施加高压静电场，施加的高压静电场使纺丝溶液在静电作用下产生射流；高压静电场电压为15-25kv，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，接收基底为铝箔；调整金属喷丝头与铝箔之间的距离为20～25cm。
12、进一步地，步骤(3)中，所述二维材料包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、过渡金属碳化物mxene、过渡金属硫化物tmds、氮化硼、氮化碳中的一种或几种；
13、在所述二维材料分散液中，二维材料的浓度为0.25mg/ml～5mg/ml；
14、用于分散所述二维材料的溶剂包括去离子水、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮、n,n-二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇、n-甲基吡咯烷酮、吡啶、四氢呋喃、二氯甲烷和正己烷中的一种或几种。
15、进一步地，步骤(3)中，所述刺激响应性高分子聚合物包括聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚(n,n-二乙基丙烯酰胺)、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、聚(n-乙基丙烯酰胺)、β-环糊精、螺吡喃基高分子、偶氮苯基高分子、聚丙烯酰胺、聚(乙烯基己内酯)、聚(甲基乙烯醚)中的一种或者多种。
16、进一步地，所述多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的响应环境刺激信号为温度、ph、特定离子/分子、光中的一种或多种。
17、具体地，本专利技术采用的刺激响应性高分子聚合物中，聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚(n,n-二乙基丙烯酰胺)、聚(n-乙基丙烯酰胺)、聚(乙烯基己内酯)、聚(甲基乙烯醚)响应的环境刺激信号为温度；聚乙烯亚胺、聚丙烯酸响应的环境刺激信号为ph；聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯响应的环境刺激信号为温度和ph；β-环糊精的环境刺激信号为特定离子/分子，具体为水分子；螺吡喃基高分子、偶氮苯基高分子、聚丙烯酰胺响应的环境刺激信号为光。
18、进一步地，步骤(3)中，按质量比计，所述二维材料和所述刺激响应性高分子聚合物的质量比为(5～10)：1。具体比例可以选取5：1、6：1、8：1、10：1。
19、进一步地，通过控制步骤(3)中添加的刺激响应性高分子聚合物的种类，以及控制步骤(4)中对弹性多孔纳米纤维基底膜的拉伸方向和拉伸比例，制备获得得具有不同褶皱状态的、对不同环境刺激信号有响应的一系列分离膜。通过上述方法制备得到二维材料分离膜，可以通过调整拉伸程度以及外界刺激产生响应，并可逆地改变分离性能。
20、将所述铸膜液在拉伸状态的弹性多孔纳米纤维基底膜的表面进行组装的方法包括刮涂、真空抽滤、旋涂、蒸发自组装中的任意一种。
21、其中，拉伸方向包括单向拉伸和双向拉伸；拉伸比例为5-50％(具体拉伸比例可以选取5％、10％、20％、30％、40％、50％)；
22、以弹性多孔纳米纤维基底膜为四边形为例，单向拉伸是指将弹性多孔纳米纤维基底膜相对的两边进行拉伸，另外两边不进行拉伸；而双向拉伸是指将弹性多孔纳米纤维基底膜的四条边同时进行拉伸；如果弹性多孔纳米纤维基底膜不是规则形状，进行拉伸时，可以设置四边形拉伸区域，并将所述铸膜液在拉伸状态的弹性多孔纳米纤维基底膜的拉伸区域的表面进行组装；
23、以弹性多孔纳米纤维基底膜是5*5cm的初始状态为例，进行双向拉伸，拉伸比例(即伸长量/原始长度)为10％，就是将弹性多孔纳米纤维基底膜的四条边同时拉伸到5+(5*0.5)＝5.5cm；如果双向拉伸拉伸比例为30％，就是将弹性多孔纳米纤维基底膜的四条边同时拉伸到6.5cm。
24、一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜，所述二维材料分离膜包括弹性多孔纳米纤维基底膜和二维材料层；所述二维材料分离膜的表面具有谷状结构和脊状结构；所述弹性多孔纳米纤维基底膜的厚度为40-80μm；所述二维材料层的厚度为20nm-200nm。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高分子聚合物包括聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、聚偏氟乙烯-三氟乙烯PVDF-TrFE、聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP、尼龙66的一种或多种；
3.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，静电纺丝的条件为：在注射器的金属喷丝头与接收基底之间施加高压静电场，施加的高压静电场使纺丝溶液在静电作用下产生射流；高压静电场电压为15-25kV，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，接收基底为铝箔；调整金属喷丝头与铝箔之间的距离为20～25cm。
4.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述二维材料包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、过渡金属碳化物MXene、过渡金属硫化物TMDs、氮化硼、氮化碳中的一种或几种；
5.根据权利要求1所述一种多级
6.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，所述多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的响应环境刺激信号为温度、pH、特定离子/分子、光中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，按质量比计，所述二维材料和所述刺激响应性高分子聚合物的质量比为(5～10)：1。
8.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，通过控制步骤(3)中添加的刺激响应性高分子聚合物的种类，以及控制步骤(4)中对弹性多孔纳米纤维基底膜的拉伸方向和拉伸比例，制备获得得具有不同褶皱状态的、对不同环境刺激信号有响应的一系列分离膜；
9.一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜，采用权利要求1-8任一项所述制备方法制备，其特征在于，所述二维材料分离膜包括弹性多孔纳米纤维基底膜和二维材料层；所述二维材料分离膜的表面具有谷状结构和脊状结构；所述弹性多孔纳米纤维基底膜的厚度为40-80μm；所述二维材料层的厚度为20nm-200nm。
10.根据权利要求9所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的应用，其特征在于，所述多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜用于溶液中混合分子的分离；
...【技术特征摘要】
1.一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高分子聚合物包括聚氨酯pu、聚偏氟乙烯pvdf、聚偏氟乙烯-三氟乙烯pvdf-trfe、聚偏氟乙烯-六氟丙烯pvdf-hfp、尼龙66的一种或多种；
3.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，静电纺丝的条件为：在注射器的金属喷丝头与接收基底之间施加高压静电场，施加的高压静电场使纺丝溶液在静电作用下产生射流；高压静电场电压为15-25kv，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，接收基底为铝箔；调整金属喷丝头与铝箔之间的距离为20～25cm。
4.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述二维材料包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、过渡金属碳化物mxene、过渡金属硫化物tmds、氮化硼、氮化碳中的一种或几种；
5.根据权利要求1所述一种多级褶皱结构智能响应二维材料分离膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述刺激响应性高分子聚合物包括聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚(n,n-二乙基丙烯酰胺)、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、聚(n-乙基丙烯酰胺)、β-环糊精、螺吡喃基高分...
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