[发明专利]一种柔性自支撑聚丙烯腈基碳膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性自支撑聚丙烯腈基碳膜的制备方法，采用聚丙烯腈溶液为铸膜液，使铸膜液形成平整的薄膜状液流，将液流置于凝固浴中凝固，再经水洗、干燥得到聚合物薄膜，给上述薄膜施加一定的压力，将其置于含氧气氛中，进行氧化处理，再将其置于保护气氛中，进行碳化处理后得到柔性自支撑碳膜。本发明使用非溶剂相分离制备柔性自支撑碳膜，降低了加工的繁琐程度，具有工艺简单、节能环保、操作简便等优势。

技术领域

本发明涉及一种柔性自支撑聚丙烯腈基（PAN）碳膜的制备方法，属于碳膜的制备技术领域。

背景技术

膜技术是20世纪中期起步的高新技术之一，已经广泛应用于食品、饮料加工、工业污水处理、大规模空气分离、气体和液体燃料的生产以及石油化工制品生产等多个领域。与传统的分离技术相比，膜分离技术具有无相变、高效、节能、设备和操作简单、无二次污染等优点，是目前解决环境污染和资源危机的有效手段。

无机膜因其具有优良的耐热性、化学稳定性和较高的机械强度，可对其表面和孔结构进行修饰等优点，使其在气体分离方面表现出优异的特性。碳膜是无机膜的突出代表，他的孔径分布比较均一，孔径接近于分子大小的通孔结构的碳质无机膜。但也有着自身的缺点，如工艺复杂、机械性能差、投资费用高等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的碳膜技术中存在的加工步骤繁琐、使用范围局限等不足，提供一种通过非溶剂相分离制备柔性自支撑聚丙烯腈基碳膜的方法，该方法工艺流程简单、操作简便，材料力学性能优异。

本发明提供了一种柔性自支撑聚丙烯腈基（PAN）碳膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）初生薄膜制备：使用固含量不高于30wt%的聚丙烯腈溶液为铸膜液，使铸膜液形成平整的薄膜状液流，将此液流置于凝固浴中凝固，得到初生薄膜；

（2）水洗：将步骤（1）得到的初生薄膜在0-100℃的1-10级（这是指1-10个不同温度的水浴）水浴中水洗；

（3）干燥：水洗过的初生薄膜经干燥后得到聚合物薄膜；

（4）预氧化：给聚合物薄膜施加压力，将其置于含氧气氛中，在室温到400℃进行预氧化处理；

（5）碳化：给预氧化处理后的薄膜施加压力，将其置于惰性保护气氛中，在400℃-1500℃进行碳化处理，得到柔性自支撑碳膜。

所述的预氧化及碳化过程中给薄膜施加的压力为1-1000Pa，优选为200-800Pa。

所述的步骤（1）中聚丙烯腈溶液中聚丙烯腈的重均分子量为不低于80000g/mol。

所述的步骤（1）中聚丙烯腈溶液中溶剂为能够溶解聚丙烯腈的极性溶剂，优选为二甲基亚砜（DMSO）或N，N二甲基甲酰胺（DMF）。

所述的步骤（1）中凝固浴为能够溶解聚丙烯腈的极性溶剂与水的混合物，优选为混合物中极性溶剂的含量为不高于80%。

所述的步骤（1）凝固浴的温度为不高于80℃，优选温度为不高于60℃。

所述的步骤（1）中液流的厚度为0.1-500μm，优选厚度为20-200μm。

所述的步骤（2）中优选的水洗温度为20-90℃，优选的级数为1-3级，可采用逐渐升温的方式。

所述的步骤（3）中的干燥方法，在不改变碳膜结构性能的前提下，可使用鼓风干燥、真空干燥、冷冻干燥等方法来对薄膜进行干燥处理。

所述的步骤（4）中的含氧气氛优选为空气。

所述的步骤（5）中的保护气氛优选为氮气或氩气。