热致相分离法制备聚醚嵌段聚酰胺凝胶膜及其气体渗透性能研究

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随着现代化工行业的发展,温室效应对人类生活的影响已受到全球范围的广泛关注。CO2是主要的温室气体之一,因此CO2的分离对缓解温室效应、提高能源效率和实现碳资源循环利用具有重要意义。气体膜分离相较于其他分离方法具有无可比拟的优势,是目前研究最为广泛的分离技术。在气体膜分离技术中,凝胶膜作为一种介于固体和液体之间的特殊物质,其固-液相网络结构使其被用于气体分离膜时能够具有高气体渗透速率及选择性。目前国内外制备聚合物凝胶膜普遍采用的是溶剂挥发法,但制备过程中容易造成溶剂污染。热致相分离法(TIPS)是利用聚合物与溶剂高温互溶、低温分相的特点来制备热可逆凝胶膜,此法相较于溶剂挥发法具有无溶剂挥发、条件及结构易控制等优点。本文采用乙二醇苯醚(EPH)及改性产物EPH-IPDI作为功能性载体,聚醚嵌段聚酰胺(PEBA)为聚合物基体,利用热致相分离(TIPS)的方法制备了EPH/PEBA、EPH-IPDI/PEBA系列凝胶膜。研究了功能性载体的含量、PEBA软硬链段的比例对凝胶膜的力学性能、热稳定性及CO2/N2的气体渗透性能的影响。主要研究内容与结论如下:(1)利用热致相分离法制备了EPH/PEBA2533、 EPH/PEBA3533、EPH/PEBA4033、EPH/PEBA6333凝胶膜,研究了PEBA不同软硬链段比例对凝胶膜相容性、热性能、力学性能及气体渗透性能的影响。结果表明:在四种不同软硬段比例的PEBA中,PEBA2533与EPH的相容性最好;随着PEBA中硬链段PA(聚酰胺)含量的升高,聚合物的结晶度升高、聚合物对CO2、N2的气体渗透性能降低。添加EPH后,EPH/PEBA凝胶膜的结晶度显著降低,力学性能下降,CO2的渗透性显著提高,CO2/N2的渗透选择性大幅提高。其中,EPH/PEBA2533具有较高的CO2气体渗透系数为1080Barrer,EPH/PEBA4033对CO2/N2具有较高的CO2/N2选择性为47.8,测试温度298.15K。(2)利用热致相分离法(TIPS)制备了不同EPH含量的EPH/PEBA4033凝胶膜。研究了EPH含量对凝胶膜的热性能、力学性能、CO2吸附性能、气体渗透性能及CO2/N2选择性的影响。结果表明:随着EPH含量的提高,EPH/PEBA4033凝胶膜结晶度降低、力学性能减弱、CO2吸附量升高、气体渗透性能增强。当EPH含量达到80wt%,EPH/PEBA4033凝胶膜的CO2/N2选择性及CO2渗透系数分别达到51.6和960Barrer,测试温度298.15K。(3)利用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)对EPH改性制得EPH-IPDI,同时利用热致相分离法制备了EPH-IPDI/PEBA4033凝胶膜,研究了EPH-IPDI含量对凝胶膜的CO2吸附性能、凝胶膜热稳定性及CO2/N2气体渗透性能的影响。结果表明:利用改性后的EPH-IPDI制备的EPH-IPDI/PEBA4033凝胶膜相比EPH/PEBA4033凝胶膜的热稳定性显著提高、机械性能降低。随着EPH-IPDI含量的升高,EPH-IPDI/PEBA4033凝胶膜对CO2溶解吸附性能提高,CO2/N2溶解选择性显著提高,扩散选择性升高,CO2/N2气体渗透选择性显著提高。当EPH-IPDI含量为60wt%时,EPH-IPDI/PEBA4033凝胶膜的CO2渗透系数增加到496Barrer,CO2/N2选择性达到55.7,测试温度298.15K。
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