前驅(qū)體分子量及摻雜ZSM-5對(duì)炭膜結(jié)構(gòu)及氣體滲透性能的影響.pdf

1、炭分子篩膜是由聚合物膜在惰性氣氛或真空中經(jīng)高溫?zé)峤庵苽涠傻木哂芯鶆蛭⒖?0.3～0.5nm)結(jié)構(gòu)的新型炭基膜材料。與傳統(tǒng)氣體分離膜相比，炭膜具有較高的氣體滲透性能、分離選擇性及良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，被稱為“最有希望實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)的高性能氣體分離膜”。然而采用現(xiàn)有的工藝制備的炭膜其氣體滲透性能還無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的要求，因此解決這一問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)炭膜大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
　　本文從前驅(qū)體的分子量設(shè)計(jì)出發(fā)，以五種不同分子

2、量的Kapton型聚酰亞胺為前驅(qū)體制備聚酰亞胺炭膜，采用TG、XRD等手段表征了前驅(qū)體分子量對(duì)聚合物膜及炭膜的熱穩(wěn)定性和微結(jié)構(gòu)的影響，并考察了分子量對(duì)炭膜氣體滲透性能的影響。為進(jìn)一步提高炭膜的氣體滲透能力，通過(guò)在聚酰亞胺前驅(qū)體中摻雜ZSM-5型分子篩制備ZSM-5雜化炭膜，并通過(guò)對(duì)雜化炭膜結(jié)構(gòu)性能的表征及氣體滲透性能的測(cè)試，探討了摻雜量、炭化終溫、測(cè)試溫度及ZSM-5粒子結(jié)晶度對(duì)雜化炭膜的微結(jié)構(gòu)和氣體滲透性能的影響。
　　研究表明

3、，前驅(qū)體的分子量對(duì)炭膜的結(jié)構(gòu)及氣體分離性能有較大影響，隨著聚酰亞胺分子量的增加，其分子自由體積減小，鏈段堆積密度增大，炭化后炭層間距變小，炭層結(jié)構(gòu)更加致密，氣體滲透性能減小，選擇性提高，聚酰胺酸粘度為33984Cp，700℃下炭化制備的炭膜的H2、CO2、O2、N2、CH4氣體通量分別為1343、890.8、249.6、24.9、19.7Barrer(1Barrer=1×10-10cm3(STP)cm/cm2·s·cmHg=7.5×10

4、-5cm3(STP)cm/cm2·s·KPa),O2/N2選擇性達(dá)到10。與純炭膜相比，ZSM-5粒子的加入提高了聚合物膜的熱穩(wěn)定性，且粒子間形成的堆積間隙和粒子與炭基體形成的界面孔隙大幅度地提高了炭膜的氣體滲透通量。氣體滲透性能測(cè)試表明，ZSM-5摻雜量增加，雜化炭膜的氣體滲透量提高，選擇性降低;而炭化終溫提高降低了雜化炭膜的氣體滲透通量，提高了氣體選擇性能;隨著測(cè)試溫度的升高，氣體的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散速率增大，雜化炭膜的氣體滲透通量明顯提高