聚醚酰亚胺基低温热解膜与炭膜的研究

论文摘要

气体分离膜具有分离效率高、能耗低、操作简单等优点，近年来得到了迅速的发展。由于聚合物膜难以跨越“Robsen”上限，制约了其在气体分离领域的广泛应用，炭膜作为一种新型的无机膜，因其特殊的纳米尺度孔结构，优异的气体分离性能，近年来得到了人们广泛的关注。而低温热解膜作为一种新颖的膜材料，它是聚合物在400～500℃温度范围内，在惰性、真空和空气（仅发生使聚合物表面交联的部分氧化反应）氛围中低温热解而成的。由于低温热解膜的性质介于聚合物膜和炭膜之间，兼具有聚合物膜的韧性和炭膜的高渗透性和高选择性，具有良好的实用前景，近年来也逐渐引起人们的研究兴趣。本文选用一种新型的HQDPA-ODA型聚醚酰亚胺的预聚体为前驱体材料，在400～480℃的空气和真空氛围中进行低温热解制备出低温热解膜，借助热重分析、红外光谱和元素分析等表征手段，对聚醚酰亚胺在低温下的热解和交联行为进行了研究，考察了不同的低温热解氛围、低温热解温度和恒温时间对低温热解膜的微结构和气体分离性能的影响。结果表明，随着低温热解温度的升高，聚合物会最终形成以氧桥、分子间的酰亚胺基团等相连的交联结构；不同的低温热解温度和恒温时间下，由于发生热解和交联的程度不同，所以微结构存在较大的差异。空气中制备出的低温热解膜的气体分离性能明显优于真空条件下所制备的膜。最佳的空气低温热解温度为460℃，恒温时间为30min。在低温热解膜的基础上，在550～850℃的惰性气体或真空条件下进行炭化而制备出炭膜，考察了预处理条件和炭化条件对炭膜的微结构和气体分离性能的影响，结果表明，随着空气中的预处理温度的升高，炭膜的气体分离性能在460℃时最佳，O2的渗透系数为108.9 Barrer，O2／N2分离系数分别达到了14.1；真空预处理所制备的炭膜，预处理温度为400℃时渗透性最佳，480℃选择性最佳。随着炭化温度的升高，炭膜的石墨化程度逐渐加深。炭化温度为850℃时，具有较高的氧氮选择性，达到了32.3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 气体分离膜技术概述
• 1.2 气体分离膜的种类
• 1.3 炭分子筛膜
• 1.4 低温热解膜
• 1.5 本论文的研究背景、内容及意义
• 1.5.1 本论文的研究背景与内容
• 1.5.2 本选题的创新点与意义
• 2 实验原料与方法
• 2.1 前驱体材料的选择
• 2.2 聚合物膜的制备
• 2.3 低温热解膜的制备
• 2.4 炭膜的制备
• 2.5 膜的表征
• 2.5.1 热重分析（TGA）
• 2.5.2 红外光谱分析（ATR-FTIR）
• 2.5.3 元素分析（EA）
• 2.5.4 X射线衍射分析（XRD）
• 2.5.5 透射电子显微镜分析（TEM）
• 2.5.6 低温热解膜与炭膜的气体渗透性能表征
• 3 聚醚酰亚胺基低温热解膜的制备及其气体分离性能
• 3.1 聚醚酰亚胺的低温热解行为研究
• 3.1.1 空气中的低温热解行为
• 3.1.2 真空中的低温热解行为
• 3.2 聚醚酰亚胺基低温热解膜的微结构
• 3.2.1 低温热解温度对微结构的影响
• 3.2.2 低温热解时间对微结构的影响
• 3.3 聚醚酰亚胺基低温热解膜的气体分离性能
• 3.3.1 低温热解氛围对气体分离性能的影响
• 3.3.2 低温热解温度对气体分离性能的影响
• 3.3.3 低温热解时间对气体分离性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 聚醚酰亚胺基炭膜的制备及其气体分离性能
• 4.1 聚醚酰亚胺基炭膜的微结构
• 4.1.1 预处理氛围对炭膜微结构的影响
• 4.1.2 预处理温度对炭膜微结构的影响
• 4.1.3 炭化温度对炭膜微结构的影响
• 4.2 聚醚酰亚胺基炭膜的气体分离性能
• 4.2.1 预处理温度对炭膜气体分离性能的影响
• 4.2.2 炭化氛围对炭膜气体分离性能的影响
• 4.2.3 炭化温度对炭膜气体分离性能的影响
• 4.2.4 炭膜气体分离性能的评价
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 低温热解膜与炭膜的气体分离性能具体数据
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢