[发明专利]一种结构炭膜及其制备方法

说明书

本发明涉及炭基膜分离材料领域，特别是一种结构炭膜及其制备方法。结构炭膜由载体、炭膜主体和填充在炭膜主体中的功能材料构成，其中：多孔载体具有较高的机械强度；炭膜主体为连续相，具有丰富的微孔结构；功能材料均匀地分散在炭膜主体中，发挥调节炭膜微孔分布的功能。该结构炭膜强度高、气体分离效果优异。制备方法包括以下步骤：多孔载体表面预处理；溶解含碳树脂，并与功能材料进行强力混合获得成膜前驱液；在多孔载体表面涂覆成膜前驱液，并干燥处理；经碳化、后处理等步骤即获得结构炭膜。该方法实现炭膜微孔结构的精确调控，并改善炭膜高温使用工况下的性能稳定性，具有制备工艺简单、生产成本低廉、生产周期短等优点。

技术领域

本发明涉及炭基膜分离材料领域，特别是一种结构炭膜及其制备方法。

背景技术

膜分离技术是一门新兴的高新技术，也是一门多种学科交叉的科学技术。气体分离膜技术作为新型的分离技术，与传统气体分离技术相比，具有“高效、经济、便捷、洁净”的技术特点，在空气分离、二氧化碳回收、低浓度天然气及煤层气的富集、酸性气体脱除、石油化工及合成氨尾气中氢和有机烃类气体的回收等方面具有广泛的应用前景。

炭膜是一种新型的炭基膜分离材料，它把炭材料优异结构特性（丰富的孔结构、均一的孔径分布）与膜材料的优势（如：高效、节能）有机融合为一体，在气体分离、液体分离等方面展现出良好的应用前景。炭膜通常是由含碳物质在真空或者惰性气体保护下，经过高温热解制备而成的。根据结构的不同，炭膜可分为均质炭膜和复合炭膜，均质炭膜又可分为平板状炭膜、管状炭膜、中空纤维炭膜和毛细管炭膜。炭膜被认为是最有希望实现大规模产业化应用的新型气体分离膜。然而，由于炭膜本身质脆易碎，要实现炭膜的实际应用，必须制备成复合炭膜，将前驱体聚合物复合在多孔支撑体上，再进行炭化制备复合膜。

支撑体为炭膜提供机械强度，使复合炭膜展现出良好的应用前景。但是，要制备出无缺陷的复合炭膜，必须采用孔径较小，表面无缺陷的支撑体，使得所得到的复合炭膜气体渗透通量较小；而采用孔径较大的支撑体，因存在针眼或缺陷，很难一次性制备出连续无缺陷的复合炭膜，必须采用多次涂膜-炭化的循环制备工艺，这不仅增加复合炭膜的制造难度和复杂性，增加的制造成本，同时也明显降低复合炭膜的气体渗透通量。因此，如何制备出高渗透通量、高分离选择性的复合炭膜，是实现炭膜大规模产业化应用的关键。开发高性能的新型结构炭膜将进一步拓展现有炭膜的应用领域，加快炭膜的产业化进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构炭膜及其制备方法，用此方法制备的炭膜具有微孔分布可控的微观结构和优异的气体透过性能和选择性能，在小分子气体混合物分离领域具有良好的应用前景；且本发明生产工艺简单、成本低、环境友好，可满足大规模工业化生产的需要。

本发明的技术方案为：

一种结构炭膜，该结构炭膜包括多孔载体、炭膜主体和填充在炭膜主体中的功能材料三部分，其中：

多孔载体为管状或平板状的多孔材料，其平均孔径为0.1~0.5μm，孔隙率35~75%，多孔载体层具有满足炭膜要求的机械强度，机械强度指标范围为：拉伸强度大于150MPa；炭膜主体呈现纳米级的微孔结构，具有对分子的筛分功能；功能材料均匀地分散在炭膜主体中，功能材料调控炭膜微孔尺寸，维持炭膜性能稳定。

所述的结构炭膜，炭膜主体的微孔孔径小于1.0nm，孔隙率大于40%。

所述的结构炭膜，功能材料为纳米级尺寸的有机微球材料：聚乙烯微球、聚丙烯微球、聚苯乙烯微球或聚偏氟乙烯微球，其尺寸为0.1~0.5μm，炭膜主体与功能材料的质量比为10:1~100:1。

所述的结构炭膜，维持性能稳定是指炭膜在高温条件下的性能稳定，温度范围为300~600摄氏度，性能包括炭膜的气体渗透通量和气体分离选择性。