联苯聚醚砜与功能化碳纳米管杂化材料用于气体分离膜的研究

理论研究发现气体在碳纳米管CNT中的扩散性比相近孔尺寸的分子筛快几个数量级，有潜力超越Robeson上限成为新兴的气体分离材料，因而利用CNT与联苯聚醚砜制备杂化材料，它集中了无机材料的分离性能和聚合物优良的机械和加工性能。本项目从解决有机聚合物与无机粒子相容性差的角度出发，对CNT进行修饰，通过一系列反应引入氨基。对联苯聚醚砜进行分子设计，在其侧链引入磺酸基和可交联的丙烯基，前者在制备杂化材料时与CNT上的氨基发生氢键相互作用，研究相互作用对CNT在聚合物中的分散状态、形貌、杂化材料界面以及杂化材料性能的影响；探讨聚合物化学结构（分子链间距、自由体积等参数）以及CNT处理条件对气体在膜内传递的影响，调节其分离性能和渗透性能。引入交联基团可进一步提高基体的耐热性、耐腐蚀性以及提高材料的机械性能，满足分离热腐蚀性气体的要求。最终旨在为开发高分离性能杂化材料提供理论及实验依据。

对碳纳米管进行最简单的羧基修饰（f-MWNT），通过氮气等温吸附法测定其比表面积及孔结构，证明酸化并未对其孔结构造成破坏，尽管优化了CNT的处理条件，但修饰后的平均孔径、孔容均有不同程度下降，说明有部分孔道发生了阻塞。本项目合成了2个系列不同结构的聚芳醚砜基体，为了提高聚合物与羧基碳纳米管的相互作用，分别在聚合物中引入磺酸基或氨基，同时为了提高聚合物的耐热性、耐溶剂性能以及气体分离膜的抗塑化性能，引入了含双烯丙基联苯二酚单体，并且优化了各个单体的摩尔含量后得到了一系列高分子量、溶解性极好的聚合物。分别系统地研究了光交联引发剂2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)和热交联引发剂过氧化二苯甲酰（BPO）的添加量，交联时间及交联温度等对聚合物性能的影响并确定了最佳热交联条件。交联后聚合物的玻璃化转变温度和热分解温度均有不同程度提高。同时耐溶剂性和机械性能也大幅提高。因此，材料非常适合用作气体分离膜。.本项目重点研究了气体分离性能，磺酸基引入聚芳醚砜后，气体渗透系数下降，选择系数增加，随着羧基碳管含量增加，气体渗透系数和选择系数同时增加。含氨基聚芳醚砜经BPO热交联处理后，所有气体的渗透系数全部大幅度增加，交联膜对于除CO2/CH4 外的He/ N2, CO2/N2, O2/N2 and CH4/ N2 气体对的选择性全部增加。填加2wt%f-MWNT后的MMM的气体渗透系数大幅增加，这说明f-MWNT与聚合物基体之间有很好的粘合力，不存在非选择性的空洞（通过红外、DMA以及SEM等发现混合基质膜中CNT分散均匀，相容性增加）。因而He/N2、CO2/N2 、CH4/ N2 和O2/N2选择系数全部增加。对于交联的MMM，气体渗透系数和选择系数都略有降低。.通过本项目的研究，共发表论文5篇，专利2篇，较好地完成了项目的预定目标，达到了项目最初设计的目的。