[发明专利]一种混合基质气体分离膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种混合基质气体分离膜材料及其制备方法，所述混合基质气体分离膜材料为均质的聚合物膜，由有机添加剂和聚合物基体组成，有机添加剂为具有3D结构的聚酰亚胺，3D结构的聚酰亚胺在混合基质气体分离膜材料中的质量百分数为0.1％～5.0％。3D结构的聚酰亚胺比表面积高，且具有良好的热稳定性和化学稳定性，通过调节聚合单体的结构、溶剂种类、浓度和热处理工艺条件能够调控3D结构的聚酰亚胺的立体结构；因此膜材料设计灵活、操作简便；与无机添加剂相比，聚酰亚胺与聚合物基体有着良好的相容性，而且对CO2有很好的亲和力，因此，更有利于膜材料气体渗透性能与分离性能的提高。

技术领域

本发明涉及一种膜材料，尤其涉及一种含3D结构的聚酰亚胺的混合基质气体分离膜材料及其制备方法

背景技术

膜分离作为一种高效节能、环境友好的新型分离技术，已成为解决我国所面临的能源、资源和环境等重大问题的关键性技术。迄今为止，在工业上真正大规模用于气体分离的膜材料主要以高分子材料为主，如聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯、醋酸纤维素、聚二甲基硅氧烷等。橡胶类膜材料的气体渗透性很高，但选择性偏低；塑料类膜材料的选择性较高，但气体渗透性偏低。为了应对工业技术的快速发展，解决环境问题、能源问题，开发新型高效的气体分离膜材料已成为该领域研究重点。目前，研究人员通过对聚合物进行分子结构设计，开发出自具微孔聚合物(PIM)和热致重排聚合物(TR)已成为新一代的气体分离膜材料，它们均表现出了优异的气体渗透与分离性能。此外，针对现有的聚合物膜材料，通过适量引入添加剂，如分子筛、碳纳米管、石墨烯、金属-有机骨架、g-C₃N₄、SiO₂等制备混合基质膜材料，可以使原有聚合物膜材料的性能得到大幅度提高。

研究发现，添加剂的形貌和结构对混合基质膜的性能有较大影响，具有2D片层结构的添加剂如石墨烯、氧化石墨烯、g-C₃N₄等，可以明显提高膜材料的气体分离性能，但片层的剥离程度、两相间的相容性都是影响材料改性的重要因素。具有3D结构的添加剂，尤其是含有微孔结构的分子筛、碳纳米管等，可显著提高膜材料的气体渗透性，但仍需考虑两相间的相互作用，需要对添加剂进行必要的官能化处理。因此，开发具有3D结构的有机添加剂如金属-有机骨架、共价有机骨架材料等，由于其与聚合物基体间有较好的相容性，已经成为本领域的研究热点。近年来，研究者发现由刚性单体合成的聚酰胺酸经溶剂热法可以制备出具有3D结构的聚酰亚胺，该材料一般具有花状立体结构，由纳米尺度的片层结构堆砌而成，具有较高的比表面积和丰富的孔结构，并与聚合物基体有着良好的相容性，其作为高性能有机添加剂将有利于提高膜材料的气体分离性能。

发明内容

本发明提供了一种混合基质气体分离膜材料及其制备方法，3D结构的聚酰亚胺比表面积高，且具有良好的热稳定性和化学稳定性，通过调节聚合单体的结构、溶剂种类、浓度和热处理工艺条件能够调控3D结构的聚酰亚胺的立体结构；因此膜材料设计灵活、操作简便；与无机添加剂相比，聚酰亚胺与聚合物基体有着良好的相容性，而且对CO₂有很好的亲和力，因此，更有利于膜材料气体渗透性能与分离性能的提高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种混合基质气体分离膜材料，所述混合基质气体分离膜材料为均质的聚合物膜，由有机添加剂和聚合物基体组成，有机添加剂为具有3D结构的聚酰亚胺，3D结构的聚酰亚胺在混合基质气体分离膜材料中的质量百分数为0.1％～5.0％。

所述3D结构的聚酰亚胺是由2～50nm厚的二维纳米片层结构堆叠成的三维花状立体结构。

所述聚合物基体为聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚碳酸酯、聚酰胺中的一种。

所述混合基质气体分离膜材料的厚度为20～100μm。