[发明专利]一种高气体渗透性炭膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种高气体渗透性炭膜的制备方法，属于分离膜制备领域。本发明涉及一种高气体渗透性炭膜的制备方法，属于分离膜制备领域。一种高气体渗透性炭膜的制备方法，所述方法是以热塑性聚合物作为炭膜前驱体制备炭膜的方法，所述方法包括使聚合物进行热交联的步骤，所述热交联工艺为：将聚合物膜升至交联温度并保温一段时间后以至少3℃/min的速率降温至室温。本发明提出的一种提高热塑性聚合物基炭膜的气体渗透性能的方法，工艺简单、易于操作、普适性强，具有较好的推广应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高气体渗透性炭膜的制备方法，属于分离膜制备领域。

背景技术

炭膜是一种由热固性聚合物膜或交联热塑性聚合物高温热解制备而成的新型无机气体分离膜材料，具有发达的超细微孔结构，对于小分子气体的分离表现出优异的性能。与传统聚合物膜相比，炭膜除了具有较高的气体渗透性和选择性之外，还具有炭材料特有的高热稳定性和化学惰性，在气体分离领域表现出广泛的应用前景与发展潜力，受到了研究者们的重点关注。被誉为“最有希望实现产业化的气体分离膜”。

然而，炭膜的气体渗透性仍然不能满足产业化的需求，称为目前限制炭膜发展的重要因素之一。为了提高炭膜的渗透性，研究者们所采用手段主要包括以大刚性、高自由体积的聚合物作为炭膜前驱体制膜，向炭母体中掺杂无机纳米粒子丰富炭膜的孔道结构、降低气体渗透阻力，以及在支撑体上尽量减薄所涂覆的炭膜的厚度等。这些方法虽然能够取得明显的成效，但是往往需要较高的制膜成本、较大的工艺难度和复杂的工艺控制来实现。

炭膜的结构越疏松，其气体渗透性越高。对于热塑性炭膜前驱体所制备的炭膜来说，炭膜的结构继承自热塑性前驱体的交联结构，交联结构越疏松，自由体积越大，炭化后制备的炭膜的结构越疏松，气体渗透性越高。因此开发一种工艺简单、易于操作、普适性强的提高热塑性炭膜前驱体交联结构自由体积的方法，能够有效的提高所制备炭膜的渗透性能。对于推动炭膜在气体分离领域的发展，推广炭膜的研究和应用具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高气体渗透性热塑性聚合物基炭膜的制备方法。

一种高气体渗透性炭膜的制备方法，所述方法是以热塑性聚合物作为炭膜前驱体制备炭膜的方法，所述方法包括使聚合物进行热交联的步骤，所述热交联工艺为：将聚合物膜升至交联温度并保温一段时间后以至少3℃/min的速率降温至室温。

本发明所述方法优选，将聚合物膜升至交联温度并保温一段时间后以3～50℃/min速率降温至室温；进一步地，优选以5～20℃/min速率降温至室温；更进一步地，以10～20℃/min速率降温至室温。

进一步地，所述热交联工艺为：将聚合物膜升至100～400℃后保温0min～72h，升温速率为0.1～10℃/min；后以至少3℃/min的速率降温至室温，得到热交联膜。

进一步地，本发明所述热塑性聚合物为本领域已知的可用于制备炭膜的聚合物，优选所述热塑性聚合物为聚芳醚酮、聚醚砜酮、聚醚腈酮、聚醚醚酮、聚丙烯腈、聚酰胺中的一种。

本发明所述高气体渗透性炭膜的制备方法一个优选的技术方案为：

(1)配制浓度5wt.％～80wt.％的热塑性聚合物溶液；

(2)利用热塑性聚合物溶液制备非支撑膜，或者制备支撑膜，干燥固化；

(3)将干燥固化后的非支撑膜或支撑膜于加热炉中进行热交联，条件为：将聚合物膜升至100～400℃后保温0min～72h，升温速率为0.1～10℃/min；后以至少3℃/min的速率降温至，得到热交联膜；

(4)热交联膜在炭化炉中，于真空或者惰性气氛中进行热解炭化，惰性气体流量为50～1000mL/min，炭化温度为400～1000℃，升温速率为0.1～10℃/min，恒温时间为0min～24h，得到炭膜。