[发明专利]一种卷式炭膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于膜材料技术领域，涉及到一种膜材料及其制备方法，特别是涉 及到一种卷式炭膜材料及其制备方法。

背景技术

炭膜是一种新型的分离膜材料，与聚合物膜相比，炭膜具有良好的热、化 学稳定性，优异的气体渗透性能等多方面的特点。自从1983年以色列人成功制 备出无缺陷的中空纤维炭膜以来，炭膜的研究开发取得了很大的进展，涌现出 许多新型的炭膜前驱体材料和炭膜材料及制备方法。如Suda和Haraya等人采用 聚酰亚胺为前驱体制备出了O₂/N₂选择性高达36的均质炭膜；Foley等人在多孔不 锈钢管或平板上，以聚糠醇为前驱体，分别采用超声波沉积、旋转涂膜、喷涂 等制膜方法制备出纳米孔复合炭膜；Wang Huanting等人以氧化铝管作为支撑体， 利用糠醇单体气相原位聚合制备出复合炭分子筛膜等等。然而，炭膜至今未能 实现产业化应用，分析其原因是制备的均质炭膜气体通量相对较低，且脆性大， 机械强度低；而制备的复合炭膜尽管机械强度有明显的提高，但存在着制备工 艺复杂，采用的支撑体如陶瓷、多孔不锈钢管或板的价格高，制造成本高等问 题；并且由于制备的板状或管状复合炭膜组件单位体积内的膜面积小，所以单 位炭膜组件的气体渗透量低，无法与高膜面积的聚合物中空纤维膜竞争。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的卷式炭膜及其制备方法。解决现有均质 炭膜机械强度差，平板或管状复合炭膜制备工艺复杂，制造成本高，气体渗透 量低等问题，加快炭膜产业化应用的进程。

本发明所提供的一种卷式炭膜及其制备方法的技术方案包括：

(1)卷式炭膜由一层融为一体可卷曲的膜层构成，是由多孔支撑体和充满其表 面、孔隙、缝隙中含有填充物的炭材料组成或由炭薄膜组成，具有发达的孔隙 结构和很高的机械强度及韧性，可直接分离含有不同分子尺寸的气体或液体混 合物；

(2)卷式炭膜也可以由可卷曲的基膜和分离层构成或由可卷曲的基膜和过渡层 及分离层构成，它们是有机的结合在一起；基膜由多孔支撑体和充满其表面、 孔隙、缝隙中含有填充物的炭材料组成；基膜具有发达的孔隙结构和很高的机 械强度及韧性，其作用是为过渡层或分离层提供支撑，为气体或液体分子的扩 散提供通道；过渡层是一层中间层，由含有填充物的炭材料组成，其作用是为 分离层提供尺寸较小、分布均匀的孔结构，提高分离层的成膜效果；分离层是 一层很薄的膜，由纯炭材料或含有填充物的炭材料组成；分离层具有发达、可 区分小分子气体的超微孔结构，其作用与筛子一样分离含有不同分子尺寸的气 体或液体混合物，允许小尺寸分子通过，阻止大尺寸分子通过；

(3)支撑体是由高强度织布、尼龙过滤网，炭布、炭纸、炭毡、聚合物薄膜、 多孔聚合物网，不锈钢网、铝网、镍网、合金网、铜网或铁网构成；

(4)炭材料是由前驱体聚合物经高温炭化制成；所述的前驱体聚合物为聚酰胺 酸、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜酮、聚糠醇、酚醛树脂、聚偏氯乙烯，聚 偏氟乙烯、聚丙烯腈、各种纤维素、聚砜、聚醚砜等其中的一种；

(5)填充物是由无机纳米粒子、无机盐、金属颗粒、金属盐，生物质，有机添 加剂等其中的一种或它们的混合物所组成；

所述的填充物无机纳米粒子为沸石分子筛、多孔炭、SiO₂、TiO₂、ZnO、NiO、 Fe₂O₃、FeO等其中的一种；

所述的沸石分子筛为ZSM-5、β型、Y型、T型、4A、SBA-15、MCM-41 或MCM-48；多孔炭为CMK-3、有序炭、碳纳米管、多孔石墨、炭分子筛或活 性炭的一种

所述的填充物金属颗粒为Ag、Fe、Cu、Pt、Pd、Au，金属盐为AgNO₃、 CuNO₃的一种；所述的填充物无机盐为碳酸氨、碳酸氢氨、碳酸钙等其中的一 种；

所述的填充物生物质为木屑、木质素、稻壳、果壳或秸杆；

所述的填充物有机添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚胺酯、聚乙烯 醇缩丁醛、ABS、聚乙烯醇等其中的一种；

卷式炭膜的制备方法的技术方案如下：