[发明专利]一种高性能功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种高性能功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜的制备方法及应用。本发明制备方法包括：将壳聚糖与酰氯化剂反应制备酰氯化壳聚糖；再通过表面沉积交联法将酰氯化壳聚糖和羧酸化多壁碳纳米管反应得到功能化碳纳米管；将功能化碳纳米管溶于有机溶剂中形成无机填充剂分散液；将聚酰亚胺基质膜材料与有机溶剂形成有机铸膜液；将无机填充剂分散液与有机铸膜液共混得到铸膜液；将铸膜液滴涂于超平玻璃表面，加热挥发溶剂使其成膜后，进行高温淬火处理，得到功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜。本发明混合基质膜在气体分离中的应用有显著效果，可以有效进行二氧化碳分离和空气分离，且操作简单。

技术领域

本发明涉及基质膜材料的制备领域，特别涉及一种掺杂无机颗粒的高性能功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜的制备方法。

背景技术

气体膜分离是一种压力驱动过程，广泛应用于天然气的分离纯化、空气中的富氧与浓氮、有机气体分离、工业气体分离等领域。与传统低温蒸馏、变压吸附等相变，膜分离过程不发生相变，具有节约能源、对环境友好、可实现连续分离、降低生产成本、缩小设备尺寸等优点。

聚合物材料因为需求的成本较低和优质的加工性能，往往被作用为致密性气体分离膜制作中，气体在聚合物中存在差异性的溶解性以及扩展性能，能够形成多种气体分离状态，然而聚合物膜的分离性能受到分离指数以及渗透指数的影响，在一定程度上影响聚合物膜在工业领域内的应用效率。并且多孔无机材料依托物理吸附之后，基本上不会受到分离指数与渗透通量指数的影响，获取较高的渗透通量数值与气体分离数值。通过整合聚合物膜以及无机膜特征，以有效管理成本为基础大幅度提升分离膜性能。

在聚酰亚胺中添加充满β-环糊精的碳纳米管可得到混合基质，依托修饰的碳纳米管制备聚合物基质会生成一定分散性，对应的混合基质膜会呈现较高的二氧化碳渗透通量特征，主要是因为碳纳米管通道可较强的吸附二氧化碳，已经被修饰的碳纳米管和二氧化碳之间的作用力显著增强。

但碳纳米管基二维材料在有机基质中易聚沉和长周期不稳定性问题而导致的混合基质膜性能无法最优化、成膜过程难度大的技术问题。

发明内容

本申请的目的是针对现有碳纳米管基二维材料在有机基质中易聚沉和长周期不稳定性问题而导致的混合基质膜性能无法最优化、成膜过程难度大的技术问题，提供一种采用对其进行功能化修饰掺杂聚合物基质制备应用于气体分离的无缺陷型高性能功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜的方法。

针对混合基质膜而言，思考的方向是探索高效率的无机填料，处理无机填料在聚合物基质中存在的分散问题，关联无机填料自身是否存在团聚特征。并且调整无机填料与聚合物的界面融合方式，优化混合基质膜成膜原理与气体透过过程，最终达到节约成本与提升性能的目的。本发明技术方案的设计思路是采用酰氯化的壳聚糖(DS)修饰的多壁碳纳米管(MWCNTs)，其是一种具有更热稳定性和高分离性能的复合填料。其中，酰氯化的壳聚糖能够与有机溶剂间形成强氢键作用力从而具有优良分散性能，通过表面沉积交联法制备得到的酰氯化的壳聚糖修饰的多壁碳纳米管与聚合物基质膜之间进行共混形成功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜，在脱溶剂处理后可应用于常温及适温条件下的高性能的气体分离材料。

本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明为一种高性能功能化碳纳米管/聚酰亚胺混合基质膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将壳聚糖与酰氯化剂反应制备酰氯化壳聚糖；

2)将多壁碳纳米管羧酸化制备羧酸化多壁碳纳米管；再通过表面沉积交联法将酰氯化壳聚糖和羧酸化多壁碳纳米管反应得到功能化碳纳米管；

3)将所述的功能化碳纳米管经过干燥后分散于有机溶剂中，形成无机填充剂分散液；

4)将聚酰亚胺基质膜材料在有机溶剂中充分溶解，形成有机铸膜液；