[发明专利]磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜及制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜及制备和应用，属于膜分离技术领域。

背景技术

高分子-无机杂化膜由于兼具高分子和无机膜材料的优点，且具有杂化后衍生的新优点，逐步成为膜和膜过程领域的前沿。高分子主体和填充剂多样的组合方式使得杂化膜在设计制备方面有较多的自由度和较大的发展空间。迄今为止，已开发出的杂化膜制备方法主要有物理共混法、溶胶凝胶法和仿生矿化法。传统的物理共混法制备高分子-无机杂化膜是直接将微米或纳米尺寸的无机颗粒以物理共混的方式分散到高分子基质中。该方法简便易行，可控性和通用性强，但受到无机颗粒团聚、无机相分散不均匀、高分子-无机界面缺陷等一系列非理想性因素的制约。为了制备无机颗粒分散更均匀、高分子-无机界面形态更理想的杂化膜，人们开始对无机粒子的表面进行有机改性，提高无机粒子与高分子之间的界面相容性的同时，进行功能化改性，以提高膜的渗透性和分离性能，推动膜技术的发展。

在气体分离过程中，通常有水蒸气存在，而大部分膜材料耐水稳定性受到限制，杂化膜中的高分子基质材料的耐水性对于实际的工业应用具有重要的作用。而且在水存在状态下，氨基对促进CO₂传递具有重要的意义。

聚醚醚酮(PEEK)经磺化后得到的磺化聚醚醚酮(SPEEK)，具有良好的热稳定性和机械强度，在SPEEK中掺杂无机物使其兼有SPEEK膜良好的柔韧性、成膜性和易加工性，及无机膜的耐高温、耐腐蚀和高机械强度等特征，而将无机粒子进行氨基改性后，不仅能提高界面相容性，改善界面缺陷，还能提高渗透性和选择性膜的分离性能。

纳米管中空圆柱形的结构为分子的传输提供了尺寸可调的良好通道，气体和水通过纳米管时可以获得极高的通量。根据分子动力学的观点，一方面，纳米管连续均一的管壁光滑，分子流动时无摩擦；另一方面，分子会在1～2nm的限定尺度上自动排序，事实证明纳米管对气体有极高的传输通量。近年来的分子动力学模型研究表明，因对不同种类的分子优先吸附性不同，纳米管对混合物表现出一定的选择性。纳米管结构独特，长径比大、表面积大，易功能化改性，力学性能好，并且可在纳米尺度上调节管径。具有独特的分离性能，是一种优异的材料。1-乙烯基咪唑含氨基基团和酸性气体CO₂之间具有酸碱亲和作用，1-乙烯基咪唑通过聚合反应，聚合在纳米管外面，不仅为CO₂传递提供快速传递通道，还能提高高分子与界面的相容性。到目前为止，磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜及将其用于气体分离均未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜，本发明提供的制备方法过程简单易操作，绿色环保，所制备得到的气体分离杂化膜可以用于分离CO₂/CH₄混合气体，具有良好的分离效果。

本发明一种磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜，该磺化聚醚醚酮-氨基修饰钛纳米管杂化膜厚度为55～80微米，由磺化聚醚醚酮与氨基修饰钛纳米管构成，其中，磺化聚醚醚酮与氨基修饰钛纳米管质量比为(0.92～0.99)：(0.08～0.01)，所述磺化聚醚醚酮的磺化度为45～75％。

本发明磺化聚醚醚酮-磺化铬有机骨架杂化膜的制备方法，包括以下过程：

步骤1、采用水热法合成钛纳米管：按照金红石型二氧化钛粉末与NaOH质量比为1:(5～20)，将金红石型二氧化钛粉末通过超声分散于摩尔浓度为6～12M/L的NaOH水溶液中得到溶液A；将溶液A转移至水热釜中，在90～150℃下静置24～72小时，之后过滤并用水洗涤至pH值为7.0的粉末A；将该粉末A分散于0.01～0.5M/L盐酸溶液内，浸泡2～5小时，经离子水洗涤在自然干燥，得到纯净的钛纳米管；

步骤2、将步骤1制得的钛纳米管分散于无水乙醇中，超声分散，然后加入3-(异丁烯酰)丙基三甲氧基硅烷，钛纳米管与3-(异丁烯酰)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:(1～6)；置于30～50℃下反应12～60小时，离心洗涤干燥，得双键修饰的钛纳米管；