基于三蝶烯的耐溶胀抗老化固有微孔聚合物(PIMs)气体分离膜材料的研发

摘要

PIMs是一种具有刚性链结构的有机多微孔聚合物，拥有极高的自由体积，可溶性PIMs作为气体分离膜材料具有较高的渗透系数和可观的选择性，因此成为膜材料研究者们关注的焦点。然而PIMs的分离性能严重受到高溶解性气体(如CO2)的溶胀影响，导致膜丧失选择性，而PIMs老化会使膜的渗透性能下降，因此制备具有较高渗透系数和选择性的耐溶胀PIMs膜是十分必要的。本实验选取基于三蝶烯的Tr(o)ger's base(TB)新型PIMs为研究对象，向三蝶烯一侧引入羧基，采用酯化交联改性方法，制备具有高渗透性、选择性、耐溶胀性和抗老化性的膜材料。
　　本试验中成功设计合成出了2，6(7)-二氨基三蝶烯和2-(6(7)，10(11)-二氨基三蝶烯）甲酸两种单体，将这两种三蝶烯单体按照不同比例聚合成三种具有Tr(o)ger's base(TB)结构的PIMs聚合物，三蝶烯二胺均聚物PIM-Tirp-TB以及含羧基的三蝶烯聚合物TA10、TA20，并将含有羧基的TA10、TA20进行了缩水甘油酯化热交联改性。实验所得五种三蝶烯TB聚合物膜（测试条件1bar，25℃）的气体渗透系数大小顺序均为:CO2＞H2＞He＞O2＞CH4＞N2，其中三蝶烯均聚物的CO2渗透系数在8000barrer以上，O2渗透系数在1500barrer以上，O2/N2选择性4.3，CO2/CH4选择性13.0，聚合物选择性在引入羧基以及酯化交联后均有增加，其中改性后聚合物的CO2/CH4选择性可以达到20以上(N2/O2提高32.8％，CO2/CH4提高66.2％)。老化40天后几种聚合物的选择性均有所增加，渗透系数均呈下降趋势，其中，改性后聚合物的下降程度最小，说明改性后提高了材料的抗老化性能。五种聚合物膜在的纯CO2和CH4渗透系数随着压力的增高(20bar)测试中均未显示出溶胀现象，而在CO2/CH4混合气测试中，三蝶烯均聚物PIM膜在高压下CH4渗透系数显著上升，说明均聚物膜被CO2严重溶胀，而含羧基聚合物及改性聚合物均无明显溶胀现象，但含羧基聚合物的选择性下降较多，其中改性聚合物的CO2/CH4选择性下降较小，说明改性后的膜材料具有更好的耐溶胀性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 气体分离膜技术

1．1．1 膜气体分离原理

1．1．2 膜气体分离参数

1．2 气体分离膜材料

1．2．1 常见的气体分离膜材料

1．2．2 PIMs作为气体分离膜材料

1．2．3 提高PIMs材料耐溶胀性能的可行性方法

1．2．4 基于三蝶烯的PIMs材料

1．3 本实验创新性及可行性分析

第二章 基于三蝶烯的Tr?ger’s base聚合物的合成方法

2．1 实验药品及实验仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．1．3 层析柱分离提纯方法

2．2 三蝶烯单体及Tr?ger’s base聚合物的合成

2．2．1 三蝶烯单体的合成

2．2．2 基于三蝶烯的Tr?ger’s base PIMS材料合成

2．3 本章小结

第三章 三蝶烯单体以及基于三蝶烯的PIMs材料的表征

3．1 三蝶烯单体核磁共振氢谱分析

3．2 基于三蝶烯的PIM材料红外分析

3．3 基于三蝶烯的PIM材料热重分析

3．4 本章小结

第四章 基于三蝶烯的Tr?ger’s base聚合物膜制备与性能测试

4．1．2 三蝶烯Tr?ger’s base聚合物膜改性处理

4．2 三蝶烯Tr?ger’s base聚合物膜气体渗透性能测试

4．2．1 纯气体渗透性能测试

4．2．2 压力对纯气体渗透系数的影响

4．2．3 CO2／CH4混合气体渗透性能测试

4．2．4 气体渗透性能测试结果分析

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

作者及导师简介