[发明专利]一种混合基质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种混合基质膜及其制备方法和应用，属于材料科学领域与气体分离领域。混合基质膜包括高分子聚合物与多孔金属‑有机笼状配合物ZRT‑1‑4F。混合基质膜中多孔金属‑有机笼状配合物ZRT‑1‑4F的含量为1‑12wt％。本发明混合基质膜中填充的多孔金属‑有机笼状配合物ZRT‑1‑4F有别于传统的无机填充材料，传统的无机填充材料是随着在混合基质膜中填充量的增多，膜的分离性能越好；而本发明制备的多孔金属‑有机笼状配合物ZRT‑1‑4F则是在较低填充量(3.2wt％)时膜的分离性能最好，之后随着其填充量的增多，膜的分离性能反而下降。

技术领域

本发明涉及材料科学领域与气体分离领域，特别是涉及一种混合基质膜及其制备方法和应用。

背景技术

气体分离膜技术是利用混合气体中不同气体在膜两侧气体的压力推动下对膜材料具有不同渗透速率，在渗透侧得到易渗透气体的富集物料，在未渗透侧得到不易渗透气体的分离气，从而达到气体分离的目的。目前常用的气体分离膜材料主要是有机膜材料，有机膜材料在气体分离过程中存在一个上限，即气体渗透性增强则选择性减弱(Trade-off效应)，反之亦然。为解决这一问题，现有技术通常将无机填料引入有机膜材料中制备复合膜材料，以使制得的复合膜具有高分离系数、高渗透系数或者二者兼得的优势。

混合基质膜(mixed matrix membranes，MMMs)是一种由有机材料与无机材料混合的杂化膜。现有的金属-有机框架混合基质膜以金属-有机框架(MOFs)材料为无机材料，以高分子聚合物为有机材料。然而，该现有混合基质膜存在以下缺陷：界面相容性差、成膜均匀性差、形貌不规整、表面粗糙度高等，造成上述缺陷的原因在于：(1)目前用于制备混合基质膜的金属-有机框架材料几乎不溶于有机溶剂，这使得金属-有机框架材料只能以颗粒状形式分散于有机溶剂中，无法以分子结构存在于有机溶剂中，最终使得所形成的混合基质膜存在界面相容性差、成膜均匀性差、形貌不规整、表面粗糙度高等缺陷；(2)金属-有机框架材料易团聚，容易形成大颗粒材料，因而将颗粒更大的金属-有机框架材料作为添加物时，会进一步降低金属-有机框架材料与高分子聚合物的界面相容性，进而降低金属-有机框架材料与聚合物的接触面积以及降低金属-有机框架材料的添加量。上述现有混合基质膜中存在的缺陷会严重降低混合基质膜的分离性能，严重限制了混合基质膜的广泛应用，并且MOF混合基质膜(MMMs)大部分为平板膜，在工业应用中能效较低。因此，获得一种分离性能好的金属-有机多面体配合物混合基质膜，对于提高膜分离技术的应用范围(如气体分离)和应用前景以及拓宽混合基质膜的种类，均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合基质膜及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，提高混合基质膜的分离性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明技术方案之一，一种混合基质膜，所述混合基质膜包括高分子聚合物与多孔金属-有机笼状配合物ZRT-1-4F。

进一步地，所述混合基质膜中的多孔金属-有机笼状配合物ZRT-1-4F的含量为1-12wt％。

进一步地，所述多孔金属-有机笼状配合物ZRT-1-4F的制备方法，包括以下步骤：

将二茂锆、四氟对苯二甲酸、N,N-二甲基乙酰胺与水混合溶解，于55-85℃条件下反应8-12h，离心、洗涤、干燥，得到所述多孔金属-有机笼状配合物ZRT-1-4F。

进一步地，所述高分子聚合物为聚酰亚胺。

本发明技术方案之二，上述混合基质膜的制备方法，包括以下步骤：

将所述高分子聚合物、所述多孔金属-有机笼状配合物ZRT-1-4F与有机溶剂混合溶解得到铸膜液，制膜，干燥，得到所述混合基质膜。

进一步地，所述有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺。