[发明专利]一种含二氧化硅的共聚物膜材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种含二氧化硅的共聚物膜材料的制备方法及应用，包括以下步骤：(1)将聚偏氟乙烯加入碱溶液中进行碱处理，得到碱处理后的聚偏氟乙烯，即碱化PVDF单体；将二氧化硅纳米粒子在溶剂中分散，加入改性剂对二氧化硅纳米粒子改性，使二氧化硅纳米粒子表面接枝乙烯基，获得改性二氧化硅；(2)将碱化PVDF单体、含磺酸基和/或磺酸盐基的可聚合单体、改性二氧化硅、反应助剂于溶剂中混合，进行聚合反应，得到含二氧化硅的共聚物膜材料。本发明直接通过共聚合成了具有离子交换功能的膜材料，成膜后无需再引入离子交换基团具有较好的可操作性，引入二氧化硅提高了离子交换膜的拉伸强度，延长了膜的使用寿命，降低了生产成本。

技术领域

本发明属于聚合物膜材料技术领域，具体涉及一种含二氧化硅的共聚物膜材 料的制备方法及应用。

背景技术

淡水资源是社会发展的基本要素，广泛应用于农业生产、饮用水和工业生产 过程中。然而目前淡水资源严重匮乏，饮用水约占全球总水量的0.5％左右。绝大 部分的水分布在海洋中，但是由于海水的含盐量过高无法直接饮用。随着世界人 口的增长，淡水资源的短缺已经成为许多国家需要面对的问题。电渗析技术具有 运行成本低、操作简单、脱盐率高、能耗低、使用寿命长等优点，因此被广泛应 用于海水淡化。离子交换膜具有独特的离子交换能力，被广泛应用于电渗析实验 中。

中国专利CN109316979A提供了一种制备阳离子交换膜的方法，将PVDF与 苯乙烯溶解在二甲基亚砜后，共混制膜；再经浓硫酸磺化后，引入离子交换基团 (-SO₃^-)。中国专利CN106994304A则通过辐照在PVDF膜表面接枝苯乙烯，然 后利用浓硫酸对膜进行磺化制备阳离子交换膜。

由于上述现有技术方案所使用的实验材料不具备离子交换基团，因此成膜后 需要在膜中引入离子交换基团，从而大大增加了工业化难度。且上述过程需要使 用浓硫酸对膜进行处理，增加了实验的危险性和难度。

目前，均相阳离子交换膜普遍存在机械性能较差的问题。为改善膜的机械性 能，通常采用无机粒子与聚合物材料共混的方法制备阳离子交换膜。然而，采用 物理法直接在铸膜液中掺杂无机粒子制备离子交换膜，常遇到以下问题：(1) 粒子填充量低；(2)粒子分散不均匀且易发生团聚；(3)粒子团聚处易形成孔 洞，造成离子泄露。

市售离子交换膜依赖于进口，且价格昂贵，另外还存在离子交换容量(IEC) 低、稳定性差、拉伸强度低、使用寿命短的问题。

因此，开发一种工艺简单安全、成本低廉及性能优良的离子交换膜具有重要 现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是，市售离子交换膜价格昂贵，离子交换容量(IEC) 低，膜面电阻大，稳定性差，拉伸强度低，使用寿命短，制备方法复杂且存在安 全隐患。

基于此，本发明为解决上述一个或多个技术问题，提出以下技术方案：

本发明提供一种含二氧化硅的共聚物膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将聚偏氟乙烯加入碱溶液中进行碱处理，得到碱处理后的聚偏 氟乙烯，即碱化PVDF单体；将二氧化硅纳米粒子在溶剂中分散，加入改性剂对 二氧化硅纳米粒子改性，使二氧化硅纳米粒子表面接枝乙烯基，获得改性二氧化硅；

步骤(2)：将碱化PVDF单体、含磺酸基和/或磺酸盐基的可聚合单体、改 性二氧化硅、反应助剂于溶剂中混合，进行聚合反应，得到含二氧化硅的共聚物 膜材料。

优选地，所述含磺酸基和/或磺酸盐基的可聚合单体为含磺酸基和/或磺酸盐 基的乙烯基单体；优选地，为含磺酸钠的乙烯基单体；更优选地，为苯乙烯磺酸 钠。