[发明专利]一种杂环聚苯并咪唑气体分离膜的结构、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种杂环聚苯并咪唑气体分离膜的结构、制备方法及应用。本发明通过引入新型二酸单体聚合得到具有优异性能的聚苯并咪唑，并通过离子化反应改性或与多元酸复合制备离子化聚苯并咪唑气体分离膜。其中二酸单体具有较大的分子体积，合成的聚合物具有高的自由体积，因此气体的渗透性较好。此外聚合物中分子间氢键作用和带电基团间的静电作用可以提高链间作用力，从而易于形成超微孔并提高聚合物膜对气体的选择性。基于此聚苯并咪唑的聚合物膜具有较高的综合性能，如热稳定性好、力学强度高、耐化学腐蚀性和良好的加工性等。本发明开发的气体分离膜在氦气提取、氢气分离提纯和CO2捕集分离等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种新型杂环聚苯并咪唑气体分离膜的结构、制备方法及应用，属于特种高分子材料及膜分离技术领域。

背景技术

近年来氢气在能源市场中所占比例逐步提升，不仅因为被广泛应用于炼油、合成氨和氢燃料电池等领域，此外氢气作为清洁可再生能源，具有热值高、产物无污染等优点，符合世界能源的发展方向。目前，工业制氢的主要方法是化石能源的裂解，其中最具代表性的就是水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)。在该过程中涉及H₂/CO₂分离。氢气与二氧化碳的气体分子尺寸相近，分离过程存在一定困难。因此如何高效经济地将混合气体中的氢气中分离出来，已经成为近期工业领域研究热点之一。

膜分离气体法具有能耗低、效率高、投资少、设备操作简单等优点，在气体分离领域得到广泛的关注。其中基于聚合物材料的膜分离法已经成为替代传统气体分离技术或与传统气体分离技术结合使用的方法之一。并且由于聚合物结构的可设计性，可以适应不同的气体组成及分离要求。然而，聚合物膜用于气体分离时，气体分离的选择性和渗透性之间存在一个相互制约的难题，即Robeson气体分离平衡上限，如何开发同时具有高气体渗透性和高选择性的膜材料是实现高效节能气体分离的关键。

聚苯并咪唑是一种杂环聚合物，具有良好的热稳定性、化学稳定性、优异的力学强度，可以被加工成薄膜、纤维等多种不同形态。这些优异的性能使其有望在H₂/CO₂分离领域得到应用。

目前，相关研究人员在聚苯并咪唑方面已经有一定的研究基础。中国专利CN103086999A公开了一种含氟聚苯并咪唑聚合物及其中间体氟代有机二酸单体与它们的制备方法。先制备了含氟和噁二唑结构的芳香族二酸，再进一步聚合得到相应聚苯并咪唑聚合物。但是该专利只提供了聚苯并咪唑的合成方法，其相应的气体分离膜性能尚未可知。世界专利WO2015063792A公开了一种含叔丁基的聚苯并咪唑中空纤维膜，得到了较好的He/N₂和H₂/N₂分离性能，但是并未包含其他常用气体的分离性能。目前公开的聚苯并咪唑类气体分离膜还不能很好兼顾高渗透性和高分离选择性，并且其结构对气体分离性能的调控规律也不太清楚。

发明内容

本发明提供了一种新型杂环聚苯并咪唑和离子化聚苯并咪唑，并将其分别制备得到气体分离膜，使其具有较好的耐热性和高的气体分离性能。所制备的气体分离膜在涉及H₂/CO₂分离、氦气提取和CO₂捕集等领域中具有良好的应用前景。

本发明提供的一种新型聚苯并咪唑气体分离膜，包含式1的聚合物结构。

其中R₁结构为以下任意一种。

其中R₂结构为以下任意一种

其中，0m1000,0n1000。

本发明还提供了一种新型聚苯并咪唑气体分离膜的制备方法，具体操作如下：