[发明专利]应用静电纺丝技术生长无机微孔分离膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机微孔分离膜的制备技术领域，具体涉及一种应用静电纺丝技术生长无机微孔分离膜的方法。

背景技术

膜是膜分离技术的核心，膜材料的化学性质、组成和结构对膜分离性能起着重要作用，也是膜技术研究的一个重要内容。按制膜材料的不同，目前使用的分离膜主要有两类：有机高分子膜和无机膜。无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃膜、金属膜、沸石膜、碳分子筛膜及金属陶瓷复合膜等。与高分子膜相比，无机膜具有孔径分布窄、分离效率高、化学稳定性好、耐高温、机械强度大，能耗低，膜使用寿命长等许多优良的特性。由于无机膜的优异性能和无机材料科学的发展，无机膜的应用领域日益扩大，将无机膜与催化反应过程结合而构成的膜催化反应过程被认为是催化学科的未来三大发展方向之一。因此无机膜的应用成为当前膜技术领域的一个研究开发热点。

沸石分子筛膜属于微孔膜，是目前被研究最为广泛且最有应用潜力的无机膜。沸石分子筛膜除了具有无机膜优良特性外，还具有孔径小(一般小于1nm)、尺寸均一等特点。根据沸石晶体中的阳离子可被其它离子交换、硅/铝比可调节、硅或铝原子可被其它杂原子取代等特性，可制备出不同类型、不同孔径大小、不同表面性质的分子筛膜材料，适用于不同的分离与催化领域，诸如物质分离、膜反应、催化、传感器、微电子等等领域。超薄(几纳米至几十纳米)的沸石膜在导体、光学材料如光催化、光开关、激光聚焦等领域有潜在的应用价值，而定向的沸石膜在定向催化及光学效应等方面有其独特的应用前景。因此，研究和开发沸石分子筛膜是无机膜发展的一个重要方向，也是实现分子级分离的基础和膜催化的关键。

近几年，金属有机骨架材料(MOFs)膜作为一种新兴的无机膜材料引起了人们越来越多的关注和重视。该类材料本身是通过具有不同功能特性的有机配体与金属中心自组装形成的，并具有周期性网络结构。因其具有优秀的吸附性能，科学家们已经合成了大量新型结构的MOFs材料，而对于以其为基础的膜的研究却刚刚起步。金属有机骨架材料拥有像分子筛一样规则排列的孔道结构和特殊性质。不但孔道的大小及连通性可以控制，而且能够通过孔道的修饰来控制其性质的多样化，轻松的克服了分子筛膜孔道尺寸限制的缺点。也就是说，我们可以根据不同的应用方向来定向设计与合成所需要的膜材料，这在未来无机膜的发展中非常具有竞争优势和开发潜力。

对于膜材料来说，载体的选择至关重要。当同一膜材料生长在不同种类载体上时，其应用的方向也可不同。一般用于分离方面应用的膜会选择具有一定孔隙率的多孔载体，以保证分子的流通性。若需要制备具有传感器、光学、电学方面应用的膜材料，通常会选择致密的并拥有相应性质的一类载体。载体的形状可以是多种多样的，包括片状、管状、以及含有不规则曲面的特殊形状。然而目前没有一种生长无机微孔分离膜的方法可以适用于各种不同形状的载体，尤其是异形载体，严重限制了该类膜材料的发展。

静电纺丝技术是1934年由Formhals提出的，是现有唯一的可以连续制备的、直径低至几纳米纤维的技术。实施这种技术需要包括高压电源、喷头和接收装置等等。其原理是：在注射器中的聚合物溶液或者熔体由于受到外加电场的作用，克服自身的表面张力，从喷丝针头喷出形成喷射细流，细流在喷射过程中溶剂蒸发或者熔体凝固最终在接收装置上形成纤维。该技术应用广泛，可以采用天然聚合物、共混聚合物和带有发色团、纳米微粒或者活性基团的聚合物制备具有各类应用前景的纳米纤维，并且通过改变静电纺丝的参数可以制备具有特殊结构的纤维，如多孔纤维、核壳纤维、中空纤维、有序排列和三维结构的纤维等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种借助于静电纺丝技术在各种不同形状载体上生长不同种类无机微孔分离膜的方法，并合成了不同种类的微孔材料膜。该方法不但适用于分子筛材料和MOFs材料等膜的合成，而且简单、有效、成本低，适合和形状各异的载体(片状、管装、网状、各类异形曲面等)，同时可以大面积连续制备，非常适合工业化生产。

本发明所采用的LTA、FAU、MFI、BEA、AFI、CHA、MOR等型沸石分子筛，具有优良的孔道结构和工业价值，是沸石分子筛膜中最受人们关注的几类，有的已经广泛应用于气体、液体的干燥，某些气体或液体的精制。目前重点集中于催化性质的开发研究，并有大量的文献报道。