[发明专利]一种基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜

说明书

本发明涉及一种基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜。本发明通过将一定比例的4‑乙烯基苄氯、双酚A型环氧丙烯酸酯、甲基丙烯酸异辛酯和苯基双(2,4,6‑三甲基苯甲酰基)氧化膦混合制备光敏树脂，然后经光固化3D打印机打印成平整的薄膜，再与三甲胺反应制备不同离子交换容量的季铵盐型阴离子交换膜(QPAEK)。该制备方法具有成型速度快、精度高和易操作等特点；所得的阴离子交换膜具有离子传导率高、吸水率低、机械性能好、热稳定性好、耐溶剂性好等特点。

技术领域

本发明是关于一种基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜，属于阴离子交换膜领域。

背景技术

基于离子交换膜的膜分离技术具有低能耗、低污染、高效率等显著的优势，已经在环境保护、功能蛋白分离、新能源的开发与利用等诸多领域得到越来越广泛的研究与运用。然而，目前阴离子交换膜主要由溶液浇铸法制备，其存在毒性大、生产周期长、易交联等一系列缺点，阻碍了阴离子交换膜的商业化进程。

光固化3D打印技术是在特定波长和路径的紫外光照射下，光敏引发剂因发生光解反应生成活性自由基，从而引发液态的低聚物/单体按程序发生交联聚合而获得三维立体产物的成型技术。它具有高效节能、成型精度高和速度快等优点。以光固化3D打印技术制备离子交换膜，有望克服溶液浇铸法的缺点，促进离子交换膜的规模化生产。

离子传导率和离子选择性是离子交换膜的两个核心性能，与离子交换膜的化学组成和结构之间有紧密的联系。合理的配制光敏树脂的组成，使所得离子交换膜具有较低的吸水率（<50 wt%）、较高的离子传导率和选择性、较高的机械强度等性能，是利用光固化3D打印技术制备阴离子交换膜的重要前提。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供了一种基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜，其制备方法简单，成型速度快，所得产物吸水率低，离子传导率高、机械性能和热稳定性好、耐溶剂性好，在阴离子交换膜领域有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜，由一定比例的4-乙烯基苄氯、双酚A型环氧丙烯酸酯和甲基丙烯酸异辛酯为原料，在光敏引发剂的存在下，经光固化3D打印机打印成膜，然后泡在三甲胺水溶液中反应2天而得。

其中，4-乙烯基苄氯、双酚A型环氧丙烯酸酯、甲基丙烯酸异辛酯、光敏引发剂的投料质量比为10~30：50~30：35：5；光敏引发剂为苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦；光固化3D打印机的灯源波长为402nm，基层固化时间为15~30s，基层打印层数为6~20层；三甲胺水溶液中三甲胺的质量分数为10~40%，三甲胺与所浸泡膜中4-乙烯基苄氯的摩尔比为5~100：1。

本发明所得基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）生产周期短，成本低。传统溶液浇铸法制备阴离子交换膜的时间一般为几十个小时，而利用光固化3D打印技术，几分钟就可生产出所需膜产品。

（2）生产精度高。传统溶液浇铸法制备阴离子交换膜很难精确控制成膜厚度，而光固化3D打印机的精度可达到0.01mm，可有效控制膜的厚度要求。

（3）所得产物的吸水率低、离子传导率高、机械性能好、热稳定性好、耐溶剂性好。

（4）所得产物的离子交换容量可以通过4-乙烯基苄氯的投料量来轻易控制。

附图说明

图1是本发明实施例中基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜的扫描电镜图。

图2是本发明实施例中基于光固化3D打印技术的季铵盐型阴离子交换膜的红外光谱图。