改性含氟聚醚砜膜的制备及其性能研究

发布时间：2017-04-14 04:17

  本文关键词：改性含氟聚醚砜膜的制备及其性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：膜材料存在着渗透量与选择性相互制约的关系,限制了气体分离膜的应用,因此通过物理化学改性使膜材料兼具优良的渗透量及选择性是解决两者间矛盾的关键。本论文通过缩聚反应合成聚醚砜,并对聚醚砜进行溴代化学改性,掺入含有氨基的MIL-53进行物理改性,最后考察了溴代度、掺杂量、压力和温度对膜的渗透量和选择性的影响。具体研究内容包括:1、4,4′-二氟二苯砜,3,3′,5,5′-四甲基-4,4′-联苯二酚和双酚AF通过缩聚反应合成聚醚砜(PESF),通过红外和核磁表征,证明产物合成成功。对聚醚砜膜进行了TG-DSC分析,分解温度为340℃左右。并测试了不同压力(0.5 atm,1.0 atm,1.5 atm)和不同温度(25℃,35℃,45℃,55℃)条件下的渗透系数,扩散系数和溶解度系数。结果表明,随着压力的升高,CO2渗透系数呈现逐渐降低的趋势;随着温度的升高,CO2渗透系数呈现逐渐升高的趋势。压力和温度对渗透系数的影响主要是由扩散系数引起的。25℃,1 atm条件下,聚醚砜(PESF)CO2的渗透量为10.2 bar,CO2/CH4,CO2/N2的选择性分别为23.9,25.6。2、对聚醚砜(PESF)进行溴代反应合成了不同溴代比例(1:1,1:2,1:3,1:4,1:5)的聚醚砜(BPESF-a,BPESF-b,BPESF-c,BPESF-d,BPESF-e)。通过FTIR和1H-NMR表征证明产物成功合成,并测得溴代率分别为2.6%,12.2%,26.0%,32.5%和52.6%。对不同溴代比例的聚醚砜进行了tg-dsc分析,结果显示,随着溴代度的升高,聚合物开始分解的温度逐渐升高。对5种不同溴代比例的聚醚砜,考察了溴代度,温度和压力对渗透系数的影响。结果表明,随着溴代度的升高,co2的渗透量呈现逐渐升高的趋势,这是聚合物自由体积增大的原因造成的;随着温度的升高,co2渗透系数呈现逐渐升高的趋势;随着压力的升高,co2渗透系数呈现逐渐降低的趋势。压力和温度对渗透系数的影响,主要是由扩散系数决定的。结合co2渗透系数和co2/ch4,co2/n2选择性的影响,bpesf-d表现出最优的分离性能,其co2的渗透量为50.2bar,co2/ch4,co2/n2的选择性分别为23.4,22.4。3、选择nh2-mil-53作为无机颗粒分散相,掺入溴代功能化聚醚砜(bpesf-d)中制成混合基质膜(5%,10%,15%)。首先对nh2-mil-53进行了xrd和ftir分析,证明其成功合成。然后对混合基质膜进行ftir分析,结果显示,随着掺杂量的增加,nh2-mil-53的特征峰逐渐增强。对不同掺杂量的膜进行气体性能测试表明,随着掺杂量的增加,co2的渗透量逐渐增加,co2/ch4,co2/n2的选择性先升高后降低,这是由于随着掺杂量的增加,无机颗粒nh2-mil-53发生了团聚现象。最后对混合基质膜进行了sem和tg-dsc分析,掺杂量为10%的混合基质膜具有较好的分散性,15%的混合基质膜出现了明显的团聚现象。热重图显示随着掺杂量的增多,混合基质膜热稳定性逐渐升高。在nh2-mil-53添加量为10wt%时,混合基质膜的气体渗透选择性能最优,其中co2的渗透系数为113.0bar,与未掺杂前相比提高了125%,co2/ch4,co2/n2的选择性分别达到了28.5和29.2,与聚醚砜的23.9和25.6的选择性相比,提高了19.2%和14.1%,达到了1991年的Robosen上线。
【关键词】：二氧化碳分离 溴代 金属有机骨架材料 混合基质膜
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 文献综述11-25
• 1.1 CO_2分离膜材料11-19
• 1.1.1 无机膜11-13
• 1.1.2 有机膜13-16
• 1.1.3 混合基质膜16-18
• 1.1.4 促进传递膜18-19
• 1.2 聚砜类膜材料的改性19-22
• 1.2.1 大体积基团的引入20-22
• 1.2.2 掺杂颗粒22
• 1.3 选题依据与研究内容22-25
• 第二章 实验条件和研究方法25-33
• 2.1 实验药品及仪器信息25-27
• 2.2 表征方法27-33
• 2.2.1 傅里叶红外光谱(FT-IR)27
• 2.2.2 核磁共振波谱法（NMR）27
• 2.2.3 X射线粉末衍射法（XRD）27
• 2.2.4 扫描电镜（SEM）27-28
• 2.2.5 热重-差热扫描量热（TG-DSC）28
• 2.2.6 膜气体性能表征28-33
• 第三章 聚醚砜的制备以及性能表征33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-35
• 3.2.1 聚醚砜(PESF)的合成33-34
• 3.2.2 膜的制备及性能评价34-35
• 3.3 结果与讨论35-41
• 3.3.1 聚醚砜的红外分析35-36
• 3.3.2 核磁表征聚醚砜36-37
• 3.3.3 聚醚砜的热稳定性37
• 3.3.4 聚醚砜膜的气体渗透速率37-38
• 3.3.5 压力对聚醚砜气体渗透速率及选择性的影响38-39
• 3.3.6 温度对聚醚砜气体渗透速率及选择性的影响39-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 溴代聚醚砜膜的制备及性能研究43-57
• 4.1 引言43
• 4.2 实验部分43-45
• 4.2.1 溴代聚醚砜的制备43-45
• 4.3 结果与讨论45-55
• 4.3.1 不同溴代比例聚醚砜的红外表征图45
• 4.3.2 不同溴代比例的聚醚砜的核磁表征图45-46
• 4.3.3 溴代聚醚砜的热稳定性46-48
• 4.3.4 溴代度对气体渗透量及选择性的影响48-50
• 4.3.5 压力对气体渗透量的影响50-52
• 4.3.6 温度对气体渗透量的影响52-54
• 4.3.7 Upper bound比较54-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 NH_2~-MIL-53/溴代聚醚砜混合基质膜的制备与性能研究57-73
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验部分58
• 5.2.1 NH_2~-MIL-53的制备58
• 5.2.2 NH_2~-MIL-53/溴代聚醚砜膜的制备58
• 5.3 结果与讨论58-71
• 5.3.1 NH_2~-MIL-53 XRD表征58-59
• 5.3.2 NH_2~-MIL-53红外表征59-60
• 5.3.3 NH_2~-MIL-53电镜图60-61
• 5.3.4 不同NH_2~-MIL-53含量混合基质膜的红外表征61-62
• 5.3.5 不同NH_2~-MIL-53含量混合基质膜的电镜表征62-64
• 5.3.6 不同NH_2~-MIL-53含量混合基质膜的热稳定性64-66
• 5.3.7 不同NH_2~-MIL-53含量对混合基质膜的气体渗透量及选择性的影响66-67
• 5.3.8 压力影响67-68
• 5.3.9 温度影响68-70
• 5.3.10 Upper bound比较70-71
• 5.4 本章小结71-73
• 第六章 结论与展望73-75
• 6.1 主要研究结论73
• 6.2 展望与建议73-75
• 参考文献75-83
• 致谢83-85
• 攻读学位期间的学术成果85

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本文编号：305203