[发明专利]溶胀-冷冻体系制备共混多孔膜的方法

说明书

本发明公开了一种溶胀‑冷冻体系制备共混多孔膜的方法，包括如下步骤：将含碳纳米材料均匀分散在溶剂中，加入成膜聚合物，混合均匀，得到铸膜液；经脱泡、刮膜，在溶胀剂中浸泡5～15min，取出，得到共混膜I；而后将共混膜I置于液氮中冷冻0.5～1.5h，取出，置于空气中一段时间，最后将溶剂洗出，得到聚合物/含碳纳米材料共混多孔膜；其中，含碳纳米材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯或还原氧化石墨烯；溶胀剂为浓度为1～15wt.％的二甲基甲酰胺水溶液或二甲基乙酰胺水溶液。该方法操作简单、用时短、效果好，通过控制溶胀剂浓度、溶胀时间、冷冻时间制得表面多孔、形状可控、吸附性强的共混多孔膜。

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种溶胀-冷冻体系制备共混多孔膜的方法。

背景技术

多孔材料是材料科学的一个重要分支，对科学研究和工业生产具有重要意义，广泛应用于离子交换、吸附-分离等领域。用于制备多孔有机膜的聚合物有很多种，如聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯等。这些聚合物易溶于普通有机溶剂，可以通过简单的浸入沉淀相转法制备多孔膜；同时，具有良好的可操作性、热学性能、耐化学性以及与其它聚合物的热力学相容性。

目前，多孔材料的制备方法有盐析法、微珠模式、热致相分离、聚合物共混干燥、3D打印和冷冻干燥法。常用的冷冻干燥法通过在冷冻过程中形成冰晶结构作为模板来调整微结构，由于相关工艺条件与合成材料的孔径和孔排列的关系，形成膜孔结构的变化是不可控制的，而且难以大量制备。有研究者另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，令生产过程更加便捷，也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。但该方法对于孔的结构变化方面包括指状孔和海绵状孔仍然是难以控制的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种溶胀-冷冻体系制备共混多孔膜的方法，该方法操作简单、用时短、效果好，通过控制溶胀剂浓度、溶胀时间、冷冻时间制得表面多孔、形状可控、吸附性强的共混多孔膜。

为此，本发明的技术方案如下：

一种溶胀-冷冻体系制备共混多孔膜的方法，包括如下步骤：

1)将含碳纳米材料均匀分散在溶剂中，加入成膜聚合物，混合均匀，得到铸膜液；

所述溶剂为成膜聚合物的溶剂；

所述含碳纳米材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯中的任意一种；

2)将所述铸膜液脱泡后刮制成膜，得到初生膜；

3)以浓度为1～15wt.％的二甲基甲酰胺水溶液或二甲基乙酰胺水溶液作为溶胀剂，将所述初生膜浸没于溶胀剂中浸泡5～15min，取出，得到共混膜I；

4)将所述共混膜I置于液氮中冷冻0.5～1.5h，取出，置于空气中至恢复柔性，将所述溶剂洗出，得到聚合物/含碳纳米材料共混多孔膜。

进一步，所述成膜聚合物为聚偏氟乙烯、聚砜和聚醚砜中的任意一种。

进一步，所述溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

进一步，步骤4)中利用水或乙醇将所述溶剂洗出。

进一步，步骤1)中所述铸膜液中成膜聚合物的浓度为10～30wt.％、所述溶剂的浓度为70～90％；所述含碳纳米材料的质量为成膜聚合物质量的1～2％。

该方法制备共混多孔膜时，随着溶胀剂浓度的增加，单次进入共混膜内的溶剂增加，较大程度软化共混膜，经冷冻的晶粒为模板，产生较多网络状孔。而随着溶胀时间的增加，溶剂逐渐进入共混膜内，随着溶胀时间的变化，膜的孔结构也会随之发生变化。

本发明提供的方法具有如下优点：