[发明专利]可透氧气的聚合物薄膜

说明书

本发明涉及可透氧气的聚合物薄膜，它被用在为工业、医药和其它用途产生富氧或富氮空气的工艺过程中。特别是，本发明涉及包含一种分布于其中的能够迅速和可逆地吸附和释放氧气的金属配合物的聚合薄膜。

氧气是最广泛地用于工业中的化学物质，特别是应用于钢、铁以及其它金属和玻璃的制造，化学氧化和燃烧，以及废水处理。它在医疗领域也有极为广泛的用途，包括用吸氧法对肺病患者进行治疗。另一方面，氮气是一种方便和广泛地用于维持一个氮保护气氛的化学物质，例如，用于保存食品，发酵工艺和电子线路的制造，基于这些原因，由空气浓缩氧气和氮气技术的开发是对各工业部门都具有深远影响的重要课题。虽然低温和吸附技术被作为从空气中浓缩氧气和氮气的工业方法，但从节能的观点考虑，薄膜分离被认为是最有发展前途的。

薄膜分离的成功与否主要依赖于发现一种相对于空气中的氮气来说，可有选择地和有效地允许氧气透过的膜材料。目前可以得到的能够透过并浓缩空气中的氧气的薄膜(称为可透氧气的薄膜)是用硅氧烷、硅氧烷聚碳酸酯以及类似材料制成的。其中一些正在使用中。它们不具有高的透氧选择率(O₂/N₂)(透氧率系数/透氮率系数)，其值约为2，而且还表现出有高通透率系数(10^-8[厘米³·标准温度压力(STP)厘米/厘米²·秒·1333Pa])。基于这些性质，薄膜被以组件、多级方法和其它方式被安装以获得具有约为30％氧气浓度的富氧空气。为了能通过单一的连续可通透的薄膜通道获得对工业和医药用途有用的高度浓缩氧气的气体，必须要求分离膜具有至少约为5的(O₂/N₂)值。

对于增强的选择率(O₂/N₂)来说，首先需要使氧气相对于薄膜而言比氮气具有更高的可溶性。

至今，我们仍在继续合成能够迅速而可逆地吸附和释放氧分子的金属配合物。我们已经阐述了这些即使在固态薄膜聚合物中也能够有选择地，迅速而可逆地吸附和释放氧分子的金属配合物的基本要求。我们成功地合成了新的配合物并指明了它们作为透氧薄膜的应用(专利申请公开No.171730/1987)。

高浓缩氧气对于工业和医疗用途是有用的，以及大量的高浓缩氮气在许多工业部门中被用作惰性气体。如果它们要由一个单一的通道通过一个实用的薄膜连续地获得的话，必须使薄膜具有一个5或5以上的选择率(O₂/N₂)值。

至今我们一直在进行合成能够迅速地、可逆地吸附和释放氧分子的金属配合物。结果，我们成功地合成了即使在固相中也能有选择地迅速而可逆地吸附和释放氧分子的新的金属配合物。我们还发现，被装入聚合物固态薄膜中的金属配合物可避免不可逆氧化和保持稳定的、有选择的通透性。

然而，当用于气体通透时，包含这种配合物的聚合物薄膜在供氧压力高(2666Pa或以上)的区域内并不总是令人满意地达到这种目标，虽然它的O₂/N₂值超过目标值5。于是，需要在(O₂/N₂)值上做进一步改进。

鉴于上述，我们在能够吸附和释放氧气的配合物特性的改进上作了进一步积极的研究。现在，我们已经成功地合成了一种新的卟啉过渡金属(II)配合物，即：一种内消旋三(α，α，α-o-取代的酰胺苯基)-单-(β-o取代的酰胺苯基)卟啉钴(II)，以结构式(I)表示：

其中M代表过渡金属(II)当与聚合物的配合基结合时，该配合物赋予薄膜以所需的透氧特性。在具有结构式(I)的配合物中，过渡金属(II)最好是钴(II)且这些取代基R最好是乙酰基，丙烯酰基，甲基丙烯酰基，或新戊酰基。由于在配合物的卟啉上的四个取代基之一是朝下的，所以，通过空间间隙很容易进行氧气的吸附和释放。在一个将该配合物与一种丙烯酸烷基酯或甲基丙烯酸烷基酯和乙烯基芳烃胺的共聚物结合起来的一种固体薄膜中，具有结构式(I)的配合物的吸附和释放氧气的寿命被延长到足以满足实际应用，这种构思导致了用作可透氧气的聚合物薄膜的本发明。

于是本发明归纳为下列可透氧气的聚合物薄膜：