聚酰亚胺气体分离膜的改性研究

聚酰亚胺气体分离膜的改性研究

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xxxx大学化工学院

摘要：近年来，聚酰亚胺气体分离膜由于其高气体通量以及高选择性受到越来越广泛的研究。本文主要综述了聚酰亚胺膜的特点，针对其高压使用过程中的塑化现象提出改性方法。

关键词：聚酰亚胺；膜；气体分离；改性

Research in modification methods of polyimide

membranes for gas separation

Lijuan Liu, 030090927

Chemical Engineering Institute, East China University of Science and Technology

Abstract: In recent years, polyimide membrane for gas separation has been widely researched because of high gas permeability and high selectivity. The properties of polyimide membrane are reviewed. Besides, most of synthesized polyimide under high pressure will face the problem of plasticization. Therefore, polyimide modification approaches for gas separation applications are focused.

Keyword: polyimide; membrane; gas separation; modification

1 聚酰亚胺气体分离膜概述

聚酰亚胺（PI）是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，主要由二元酐和二元胺合成[1]，如图1所示，R1为二元酸酐，R2为芳族二元胺。这类聚合物虽然早在1908年就已有报道，但是并未被充分认识。最近几年，聚酰亚胺材料由于其耐热、高强、轻质等特点受到越来越广泛的研究。

图1 PI的化学结构

Fig.1 Chemical structure of PI

分离膜是指对物质具有选择透过性的材料，聚酰亚胺作为分离膜材料具有以下特点[2]：1）具有很高的热稳定性，使得物质可以在较高温度下通过而得到分离；2）具有高的机械性能，便于制造膜器件的操作；3）高的耐溶剂和其他化学物质的作用；4）具有良好的成膜性，可以在广泛的范围内选择铸膜液和凝固浴的组成；5）由于聚酰亚胺结构的多样性，针对不同的分离对象，可以从大量现有的结构中，选择设计具有高的选择系数，又有高的透过系数的膜材料。

几乎所有现成的、可以成膜的高分子材料都存在一个共同的问题：凡是透气系数大的膜，其选择系数就低；凡是选择系数高的膜，其透气系数就低。聚酰亚胺由于具有上述的优点，同时结构较易设计和合成，所以成为气体分离膜用材料的主要对象之一。

然而，其在高压下的塑化现象会使聚酰亚胺膜的分离系数大大降低，增加运作成本，降低经济效益。这些都极大限制了聚酰亚胺膜材料在气体分离领域的广泛应用。本文针对其塑化现象，通过文献的调研和理论的分析，提出三种改性方法。

2 聚酰亚胺气体分离膜的改性

2.1 分子结构改性

聚酰亚胺是由芳香族或脂肪环族四酸二酐和二元胺缩聚得到的芳香环或者脂肪环高聚物。二酐和二胺的化学结构[3, 4]是影响其透气性的主要因素，通过改变二胺或二酐的化学结构可获得高性能的聚酰亚胺气体分离膜材料。

引入取代基[5-7]有二方面作用，其一是增大自由体积和分子主链的刚性；其二是增大气体的溶解性，二者的协同效应使聚酰亚胺兼具有高透气性和高气体选择系数。例如二酐中引入含氟基团(-CH3)以及含磺酸基的二胺[8-11]。

2.2 交联改性

聚酰亚胺交联形成网络后，链段活动性减小，透气性下降，气体选择性提高．有时交联在减小链段活动性的同时，也可能增大自由体积，导致透气性和气体选择性同时升高[12-14]。并且，交联改性通常会增加聚酰亚胺的抗塑化性能，使聚酰亚胺在苛刻的操作环境下或在高压冷凝性气体的分离时具有更好的性能。常用方法有紫外辐射交联改性[14, 15]、化学交联改性[16]。

2.3 共聚改性

2.3.1 聚酰亚胺/无机纳米粒子共混改性

由于纳米粒子所具有的小尺寸及大的比表面积，使得它在某些方面具有特殊的性质[17-19]。通过无机纳米粒子的加入可以使得聚酰亚胺的性质达到更高的水平。

如共混TiO2[20]。

2.3.2 聚酰亚胺/过渡金属有机络合物共混改性

某些过渡金属的有机络合物可在膜材料中均匀分散，形成共混杂化材料，能够有效增大聚合物材料的自由体积，同时过渡金属与聚酰胺酸中的羧基能够部分络合，形成分子链间的交联，可提高其刚性，从而保证气体的选择性在分子链间距增大时不会有较大的下降[21]。

3 结束语

本人从理论上提出了聚酰亚胺气体分离膜抗塑化的改性方法，需要进一步通过实验进行研究和验证。改性方法的提出参考了大量关于聚酰亚胺气体分离膜的文献[22-24]，虽然仍有很多缺陷，但是会不断努力。

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