[发明专利]等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备阳离子交换膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳离子交换膜及其制备方法，尤其是涉及一种等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备的阳离子交换膜及该阳离子交换膜的制备方法。

背景技术

我国从五十年代后期开始研究离子交换膜，发展至今研制开发的基膜材料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚苯醚、苯乙烯等有机材料，制备出来的离子交换膜普遍存在着化学稳定性差、不耐高温，抗污染能力差等问题；后来新发展的全氟磺酸离子交换膜各方面性能稳定，但因成本高也制约了其在实际工程中的广泛应用。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种性能优良的有机高分子材料，它所制备的超滤膜、微滤膜在食品、化工和水处理等领域均得到成功应用。

通常有机离子交换膜由有机高分子材料制备得来，所制膜的表面能较低，属于疏水性膜，在实际应用中抗污染能力较差。近几年，有机材料和无机材料杂化制备离子交换膜成为新的研究思路。目前，用于离子交换膜杂化制备的无机材料主要有SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、LiClO₄等，但它们力学性能和电学性能有限，且与有机高分子材料结合较差，从而影响杂化膜的改性效果。碳纳米管因其优异的力学性能和导电导热性，近些年广泛应用于复合材料的制备，将其填充到离子交换膜中能大大提高离子交换膜的导电性和机械性能，也能有效改善膜的亲水效果和化学稳定性，延长膜的使用寿命，因此具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种技术清洁、工艺简单的等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备阳离子交换膜的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种由等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备的阳离子交换膜，该阳离子交换膜由包括以下组分及重量百分比的原料制成：

改性碳纳米管        0.1-10；

有机溶剂            45-70；

PVDF                5-30；

二乙烯苯            2-10；

甲基丙烯酸环氧丙酯  10-35；

聚乙烯吡咯烷酮      0.1-3；

引发剂              0.1-2。

所述的改性碳纳米管改性前为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管的长径比为50-2000。

所述的有机溶剂选自甲苯、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜中的一种。

所述的引发剂为过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈。

一种等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备阳离子交换膜的方法，运用电晕等离子体技术得到改性碳纳米管，并与PVDF杂化制备阳离子交换膜，该方法包括以下步骤：

(1)电晕等离子体技术改性碳纳米管；

(2)将改性碳纳米管加入到有机溶剂中，超声分散，得到碳纳米管分散液，将PVDF加入碳纳米管分散液中，再超声分散，得到混合液；

(3)将二乙烯苯、甲基丙烯酸环氧丙酯、聚乙烯吡咯烷酮及引发剂加入步骤(2)所得混合液中，磁力搅拌，得到铸膜液；

(4)铸膜液的脱泡处理：将铸膜液密闭、避光静置12-36h脱泡，然后超声分散，再静置脱泡4-12h，得到脱泡后的铸膜液；

(5)将脱泡后的铸膜液在玻璃板上流涎成膜，然后在70-90℃下加热1-3h，放入脱膜溶液中脱落，制得基膜；

(6)基膜风干后，浸泡于98％的浓硫酸中36-72h，用去离子水反复冲洗膜表面至中性，即得到等离子体改性碳纳米管与PVDF杂化制备的阳离子交换膜。

步骤(1)所述的电晕等离子体技术改性碳纳米管具体包括以下步骤：

(a)将碳纳米管超声分散到有机溶剂中，然后均匀涂覆在玻璃片表面，在70-90℃下，蒸发除去有机溶剂；

(b)将涂有碳纳米管的玻璃片放入等离子体腔内，通入一定量的刻蚀气体去除腔内空气，然后利用电晕对碳纳米管进行处理；

(c)将步骤(b)制得的碳纳米管在70-100℃下加热1-4h，即得到改性碳纳米管。

步骤(a)中碳纳米管在有机溶剂中的质量分数为0.1-5％。

步骤(b)所述的刻蚀气体为CF₄，通入刻蚀气体的速度保持在0.5-3L/min，电晕处理的功率为50-300W，处理时间为0.1-30min。

每次超声分散的时间为0.5-2h，磁力搅拌的时间为2-4h。