[发明专利]一种交联聚砜阴离子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种交联聚砜阴离子交换膜的制备方法，聚砜先经氯甲基化后得到氯甲基聚砜，氯甲基聚砜的部分氯甲基基团与N‑乙烯基咪唑反应用于引入共价交联结构，剩余氯甲基基团与一元叔胺反应用于引入季铵功能基团，成膜后进行热处理并引发碳碳双键聚合。该膜的共价交联度和季铵基团密度均容易通过控制反应物配比调节，该膜耐有机溶剂性好，适用于电渗析过程。

技术领域

本发明涉及一种交联聚砜阴离子交换膜的制备方法，该膜适用于电渗析过程。

背景技术

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜，它与离子交换树脂结构相似，都是在高分子骨架上连接一个活性基团。离子交换膜按照膜的宏观结构可以分为三大类：非均相离子交换膜、均相离子交换膜和半均相离子交换膜；其中均相离子交换膜是将活性基团引入到高分子支撑材料中制成，它没有异相结构，其化学结构均匀，膜电阻小，电化学性能优良。离子交换膜按照离子选择性能，可以分成阴离子交换膜（阴膜）和阳离子交换膜（阳膜）；阴离子交换膜高分子骨架中含有带正电荷的离子基团，能够选择透过阴离子；阳离子交换膜高分子骨架中含有带负电荷的离子基团，能够选择透过阳离子。基于离子交换膜对不同离子的选择透过性，离子交换膜使用过程能够实现盐分的脱除与浓缩、酸与盐的分离以及碱与盐的分离，在化工、环保、冶金等行业中具有广泛应用前景。

离子交换膜的性能与聚合物材料的性质有密切关系，常作为离子交换膜基底材料的有壳聚糖类、聚苯醚类、聚氟乙烯类、聚芳醚酮类、聚酰亚胺类和聚砜类等高分子材料。

壳聚糖大分子中有活泼的氨基和羟基，具有较强的化学反应能力，并且价格便宜，具有良好的亲水性、低毒性和生物相容性，是一种成膜性能良好的天然生物高分子。Liu 等（Journal of Power Sources, 2008, 183(2): 447-453）制备了燃料电池用壳聚糖-聚乙烯醇复合阴离子交换膜，该膜具有较高的电导率和较低的甲醇渗透性；但是由于缩醛结构的存在，壳聚糖大分子在酸性溶液中会发生降解，导致采用壳聚糖为基体的离子交换膜无法在酸性环境中长时间使用。

聚苯醚是一种相对密度较小、无毒、透明的聚合物，具有机械强度优良、耐应力松弛、抗蠕变性、耐热性、耐水性、耐水蒸汽性、尺寸稳定性等优点，是一种优良的高分子基膜材料。聚苯醚进行溴化和季铵化反应后（Macromolecules, 2016, 49(3): 815-824），可制备阴膜，阴膜具有较高的碱稳定性和机械强度，可用于燃料电池、氧化还原液流电池、电渗析和扩散渗析等领域。

聚砜（PSU）具有良好的热塑性，抗氧化性强、强度高、刚性大、热稳定性好，即使在高温下也能保持优良的机械性能，耐水解，尺寸稳定性好，成型收缩率小，无毒，阻燃性能好。聚砜化学稳定性好，除浓硝酸、浓硫酸、卤代烃外，能耐一般酸、碱和盐；可溶于N,N-二甲基甲酰胺等极性溶剂，且价格低廉，易于成膜，是常用的制膜高分子材料。Balakrishna等制备了PSU/氨基酸混合离子膜用于扩散渗析（Journal of Membrane Science, 2018, 549:227-235），氢键的形成显著提高了离子膜的硬度和稳定性，使其具有良好的质子渗透率和分离系数。Zhuang等制备了带疏水性长侧链的PSU阴离子交换膜（ACS Applied Materials Interfaces, 2015, 7(4): 2809-2816），在高温下，阴离子交换膜的碱稳定性极高。