[发明专利]一种聚酰亚胺中空纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及高性能膜法分离技术领域，公开了一种聚酰亚胺中空纤维及其制备方法和应用，该聚酰亚胺中空纤维中的聚酰亚胺的结构式如式(1)所示，本发明还涉及制备聚酰亚胺中空纤维的方法以及该方法制得的聚酰亚胺中空纤维，还涉及上述聚酰亚胺中空纤维的应用。该方法得到的聚酰亚胺中空纤维，具有良好的力学性能、耐高温性能和气体分离效果。

技术领域

本发明涉及高性能膜法分离技术领域，具体地，涉及一种聚酰亚胺中空纤维及其制备方法和应用。

背景技术

膜分离技术是近年来崛起的一项高效节能的物质分离和浓缩技术，已从最初的海水与苦咸水脱盐、纯水及超纯水制备、工业水回用，逐步拓展到环保、化工、医药、食品等领域，发展前景备受关注。

20世纪80年代到90年代出现了工业规模的气体膜分离技术，其中最重要的是1979年美国Monsanto公司用于氢/氮分离的Prism系统的建立。1985年DOW化学公司向市场提供了以富氮为目的的空气分离器Generon。膜法气体分离的基本原理是各组分气体透过分离膜时，根据气体在膜内的溶解度和扩散渗透速率的不同而达到分离目的。在各种气体分离膜中，非对称中空纤维是一种非常重要的膜结构形式，因其具有自支撑、组件内流体力学条件好，以及具有非常大的比表面积、制成组件后其装填密度高，分离气体成本低等特点，成为气体分离膜的发展方向。基于气体分离膜的基本原理，分离膜的材质和结构是决定膜性能的关键。在膜结构控制方面，研究无缺陷皮层的非对称结构，从而可以提高气体渗透率和透气选择性；在材质方面，膜材要与各种气体介质接触，同时单根膜的产气量随压力和温度的升高而增大，因此耐温、耐压、耐介质腐蚀的膜材质将会有助于提高单根膜的产气量、分离效率和使用寿命。

聚酰亚胺(简称PI)是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物，主链键能大，不易断裂分解，耐高低温性好；拉伸、弯曲、压缩强度较高，具有优良的耐油和耐有机溶剂性能。因此，相对于其它气体分离膜，用PI纺制的中空纤维膜具有突出的耐压、耐高温和耐有机溶剂性能，良好的气体渗透性和选择性，在对有机气体和液体的分离上具有特别重要的意义。现有技术中，最为常见的方法是采用可溶性芳香族聚酰亚胺作为纺丝液，采用纯水等不良溶剂作为芯液，通过干喷湿纺工艺共同挤出浸入凝固浴，然后经溶剂交换等后处理工艺得到非对称中空纤维膜。例如专利申请CN102905779A采用上述方法得到了O₂/N₂分离系数大于5.3的中空纤维膜。然而，具有可溶性特点的聚酰亚胺材料的单体选择范围有限，价格通常较高，影响了其大范围推广。更为重要的是，良好的溶解性会在相当一定程度上影响其耐介质腐蚀性，无法满足某些特定溶剂或气体的分离使用。

为解决这一问题，有研究采用均苯四甲酸二酐(PMDA)与二氨基二苯醚(ODA)为主要原料合成聚酰胺酸，并在聚酰胺酸中加入多孔填料或具有吸附功能的颗粒作为纺丝液，然后通过干喷湿纺工艺制备聚酰胺酸中空纤维，最后加热得到具有多孔结构或具有特定吸附功能的聚酰亚胺中空纤维。由于需要加入纳米或微米级填料，容易引起纤维的结构缺陷，形成应力集中点，影响纤维的力学强度和操作压力，且该方法通常需要将纤维在水中浸泡超过24h以充分交换溶剂，然后再经过自然干燥若干小时，最后加热成型若干小时，生产制备周期较长，不利于规模化生产放大。

因此，现在急需一种分离效果以及耐性和力学性能较优异的聚酰亚胺中空纤维及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中聚酰亚胺中空纤维分离效果差的缺陷，提供一种聚酰亚胺中空纤维及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供了一种聚酰亚胺中空纤维，该聚酰亚胺中空纤维中的聚酰亚胺的结构式如式(1)所示，

式(1)中，Ar为以及可选的B选自由以下基团组成的组：