可交联聚酰亚胺和含MOF的混合基质膜制备及气体分离性能研究

发布时间：2020-07-04 23:47

【摘要】：膜分离工艺是21世纪以来最具发展潜力的一项新兴技术,与传统分离方法相比,具有高效环保、操作简便灵活等优势,广泛应用在天然气和氢气纯化、氮气和氧气富集以及二氧化碳捕获等领域。在膜分离材料的选择方面,高分子膜材料具有较好的可加工性,其中聚酰亚胺材料因具有优异的热稳定性和突出的机械强度以及良好的分离性能成为气体分离膜材料的首选。然而对于分子主链刚性较大、对称度较高和分子间作用力较强的芳香聚酰亚胺来说,分子链的自由体积较小,气体的渗透系数较低,不利于气体的分离;此外聚酰亚胺膜材料在高压的测试条件下极易出现塑化,降低了材料的分离性能,限制了材料的应用范围。交联和共混等改性手段是改善材料性能的有效方法。交联是通过将高分子材料经热处理、引入化学交联剂或紫外光辐照等办法形成三维网状的结构,降低分子链段的运动能力,达到抗塑化的效果;共混则是通过在聚合物基质中加入无机纳米粒子,限制高分子链的运动,提供额外的运输通道,同时提高材料的分离性能。本论文通过对聚酰亚胺材料进行化学交联和共混处理,探究了其对气体分离性能的影响。首先,根据本课题组先前工作,合成了含三氟甲基的聚酰亚胺,并用二胺作为交联试剂与其进行化学交联反应,探究二胺种类和交联时间对其影响。结果表明,聚酰亚胺膜在脂肪族二胺中发生溶解现象而在芳香二胺中较为完整。与未交联的聚酰亚胺相比,交联后的聚酰亚胺膜较早的出现了热分解,这主要是因为交联剂的引入使得热分解温度稍有降低。在气体分离测试中,气体的渗透系数呈现下降的趋势,而对气体的选择性则呈现出先增大后减小的规律。其次,我们合成了一系列不同比例的含羧基聚酰亚胺以及一种有机金属框架结构粒子(Mg-MOF-74),探究聚合物中羧基含量对材料气体分离性能的影响;同时由含羧基聚酰亚胺和Mg-MOF-74制备混合基质膜(MMMs),讨论MMMs的气体分离性能。第一,与不含羧基的聚酰亚胺相比,含羧基聚酰亚胺的热稳定性随羧基含量的增加而降低,玻璃化转变温度提高,但由于羧基侧基的存在致使热分解温度降低;同时由于分子链中的羧基可以通过相互作用形成氢键,并且形成氢键的含量随着羧基含量的增加而增大,从而使得气体的渗透系数降低,选择性增大。第二,选取羧基含量30%的聚酰亚胺作为基质,Mg-MOF-74添加量分别为5 wt%、10 wt%,15 wt%,制备混合基质膜。在SEM的表征中发现粒子能够在聚合物中很好的分散,形成较为均匀的体系。对MMMs进行热性能测试,聚合物的玻璃化转变温度随着Mg-MOF-74的加入表现出较大的提升,由264.7℃上升到了288.8℃,并且具有较好的热稳定性;此外,可能高分子链结构在一定程度上堵塞了Mg-MOF-74的孔道,减小了气体分子的扩散通道,降低了气体的渗透系数,同时粒子的加入也限制了高分子链段的运动能力,降低了分子链的自由体积,两者的协同作用致使MMMs的气体分离性能降低。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893

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