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CN106975366B - 一种内部交联网络bppo阴离子交换膜的制备方法 - Google Patents

一种内部交联网络bppo阴离子交换膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法,包括如下步骤:(1)室温下,将溴化聚苯醚溶于1‑甲基‑2‑吡咯烷酮中,磁力搅拌4h‑6h,使溴化聚苯醚完全溶解,得到淡黄色溶液,溶液的浓度为0.1g/mL‑0.3g/mL;(2)在室温下,向步骤(1)所得的溶液中加入4,4'‑联吡啶,使4,4'‑联吡啶与溴化聚苯醚的质量比为4‑30:100,充分搅拌,最后得到透明的铸膜液;(3)将步骤(2)得到的铸膜液真空脱泡,然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,放入真空干燥箱干燥,再将玻璃板取出放在去离子水中浸泡,使膜从玻璃板上自然脱落,从而得到内部交联网络BPPO阴离子交换膜。本发明制备出的阴离子交换膜在保证优异的离子交换容的同时,使膜具备较高的机械强度和优异的尺寸稳定性。

Description

一种内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法
技术领域:
本发明属于阴离子交换膜的制备技术领域,具体是一种内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法。
背景技术:
近年来离子交换膜及电渗析相关的技术迅速发展,在水处理、环境保护、能源及清洁生产中得到了广泛的应用。目前,为了针对苛刻的化工应用条件,研制具有优异离子选择渗透性、低电阻、高机械强度、化学稳定性、尺寸稳定性的离子交换膜成了当务之急。传统制备阴离子交换膜的方法是以三甲胺作为季铵化试剂,但制备出的膜由于受到三甲胺的腐蚀,存在性能不稳定、结构疏松、膜表面较为粗糙等缺点。为了增强离子交换膜的离子传输能力,离子交换膜通常需具备较高的IEC,但较高的IEC往往导致膜的机械性能和尺寸稳定性变差,因此在不降低IEC的情况下,使得膜同时具有较髙的机械强度和尺寸稳定性也是目前需要解决的一个难题。交联是降低阴离子交换膜的溶胀度和吸水率的有效方法,但目前交联的方法仍存在如下几个问题:1、成膜反应过程至少需要两步,过程复杂;2、交联剂与聚合物主链不相容,导致膜的性能较差。
针对这一问题,本发明采用内部交联网络,选用高稳定性的聚合物材料(BPPO)作为膜基质,选用4,4'-联吡啶作为交联剂和季铵化试剂开发出一种新型的不采用卤甲基化步骤的阴离子交换膜的绿色制备路线,可以避免传统制备阴离子交换膜方法中氯甲基化过程毒性较大的问题;由于4,4'-联吡啶既是交联剂,又是季铵化试剂,使反应较为简便,且用时短;同时由于内部交联网络的形成,制备出的阴离子交换膜在保证优异的离子交换容的同时,使膜具备较高的机械强度和优异的尺寸稳定性。
发明内容:
本发明的目的是提供一种简单、高效、耗时短的内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法,制得的阴离子交换膜在保证优异的离子交换容的同时,含水率低,抗溶胀,具有优异的尺寸稳定性和较高的机械强度。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)室温下,将一定量的溴化聚苯醚(BPPO)溶于1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,磁力搅拌4h-6h,使溴化聚苯醚完全溶解,得到淡黄色溶液,溶液的浓度为0.1g/mL-0.3g/mL;其中溴化聚苯醚的结构式如下所示:
(2)在室温下,向步骤(1)所得的溶液中加入一定量的4,4'-联吡啶,使4,4'-联吡啶与溴化聚苯醚的质量比为4-30:100,充分搅拌,溶液颜色由黄色逐渐变为棕色透明溶液,溶液的粘度也逐渐增大,最后得到透明的铸膜液;
(3)将步骤(2)得到的铸膜液真空脱泡,然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,放入真空干燥箱干燥,真空干燥的温度为40℃-90℃,干燥时间为5h-24h;将玻璃板取出放在去离子水中浸泡,使膜从玻璃板上自然脱落,从而得到内部交联网络BPPO阴离子交换膜。
所述步骤(1)中,溶液中溴化聚苯醚的浓度优选为0.15g/mL-0.2g/mL。
所述步骤(2)中,4,4'-联吡啶与溴化聚苯醚的质量比优选为8-20:100,更优选为15-20:100。
所述步骤(3)中,真空干燥的温度优选为50℃-70℃;干燥时间为6-10小时。
本发明优选所述制备方法由步骤(1)—(3)组成。
与现有技术相比,本发明优点在于:
(1)溴化聚苯醚是一种线型聚合物,其侧链上含有溴甲基基团,以溴化聚苯醚为基质制备阴离子交换膜就可以避免氯甲基化反应,使制备过程更简单并且避免了致癌物质的使用,同时反应过程比较简单温和,简化了离子膜的制备过程。
(2)建筑内部交联网络结构的阴离子交换膜,4,4’-联吡啶既是交联剂,同时又是一种季铵化试剂,反应耗时短,方法简单,只需一步反应便完成了季铵化和交联。
(3)制备的膜在具有较高的离子交换容量(IEC)的同时,具有较好的机械性能、极低的含水率、优异的抗溶胀性能,能满足电渗析过程的实际需求。
附图说明:
图1是按照五个实施例制备出的BPPO原膜以及内部交联网络BPPO阴离子交换膜的红外谱图;
从图1中可以看出,与BPPO原膜相比,BPPO-8,BPPO-12,BPPO-16,BPPO-20出现了很明显的几个吸收峰。在1556cm-1左右的吸收峰,随联吡啶含量的增加,峰越来越强,源于连吡啶中C=N的伸缩振动;在3382cm-1处出现一个比较宽的峰,是由于-OH的伸缩振动而引起;在1634cm-1的吸收峰,是C-N的伸缩振动所引起;新峰的出现表明,吡啶成功的与BPPO反应,基膜材料与交联剂及季铵化试剂成功共混。
图2是按照实施例1、实施例2、实施例4制备出的BPPO原膜以及内部交联网络BPPO阴离子交换膜的热重分析图;
从图2中可以看出,在温度为30-800℃的范围内,所制备膜的降解温度分为三个阶段。第一个降解阶段在50-150℃,是由于膜中水分的挥发;其次,第二个降解阶段的质量损失(200℃左右)是由于季胺基团的降解和未完全反应的吡啶基团的降解。第三个阶段的降解温度为300℃以上,是由于BPPO主链分解导致的质量损失。膜用于电渗析,环境温度一般低于100℃,交联阴离子交换膜的质量损失低于7。说明,制备出的BPPO-X阴离子交换膜具有较好的热稳定性,能够在低于100℃的环境中应用。
具体实施方法:
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明,但本发明的保护范围不限于此:
实施例1
准确称取1.25g溴化聚苯醚(BPPO)(聚合物BPPO的相对分子质量为189,从山东天维膜技术有限公司购买)于7mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,在室温下搅拌溶解5h,得到淡黄色溶液,真空脱泡。然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,在50℃的环境下,真空干燥24h。取出干燥后的膜,浸泡在去离子水中,让它自由脱落,以备用。
实施例2
准确称取1.25g溴化聚苯醚(BPPO)于7mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,在室温下搅拌溶解5h,得到淡黄色溶液。向所得溶液中加入0.1g 4,4'-联吡啶,搅拌反应10min,得到棕色透明液体,真空脱泡。然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,在50℃的环境下,真空干燥24h。取出干燥后的膜,浸泡在去离子水中,让它自由脱落,以备用。
实施例3
准确称取1.25g溴化聚苯醚(BPPO)于7mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,在室温下搅拌溶解5h,得到淡黄色溶液。向所得溶液中加入0.15g 4,4'-联吡啶,搅拌反应10min,得到棕色透明液体,真空脱泡。然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,在50℃的环境下,真空干燥24h。取出干燥后的膜,浸泡在去离子水中,让它自由脱落,以备用。
实施例4
准确称取1.25g溴化聚苯醚(BPPO)于7mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,在室温下搅拌溶解5h,得到淡黄色溶液。向所得溶液中加入0.20g 4,4'-联吡啶,搅拌反应10min,得到棕色透明液体,真空脱泡。然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,在50℃的环境下,真空干燥24h。取出干燥后的膜,浸泡在去离子水中,让它自由脱落,以备用。
实施例5
准确称取1.25g溴化聚苯醚(BPPO)于7mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,在室温下搅拌溶解5h,得到淡黄色溶液。向所得溶液中加入0.25g 4,4'-联吡啶,搅拌反应10min,得到棕色透明液体,真空脱泡。然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,在50℃的环境下,真空干燥24h。取出干燥后的膜,浸泡在去离子水中,让它自由脱落,以备用。
实施例2、3、4、5中所制备的基于内部交联网络阴离子交换膜的水含量、溶胀度、阴离子交换含量、膜面电阻、抗拉强度,如表格所示。其中实施例4、实施例5制备出的阴离子交换膜具有较低的膜面电阻、合适的含水率、较低的溶胀度、较高的离子交换含量和良好的抗拉强度,能满足电渗析应用的实际要求。

Claims (6)

1.一种内部交联网络BPPO阴离子交换膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)室温下,将一定量的溴化聚苯醚溶于1-甲基-2-吡咯烷酮中,磁力搅拌4h-6h,使溴化聚苯醚完全溶解,得到淡黄色溶液,溶液的浓度为0.1g/mL-0.3g/mL;其中溴化聚苯醚的结构式如下所示:
(2)在室温下,向步骤(1)所得的溶液中加入一定量的4,4'-联吡啶,使4,4'-联吡啶与溴化聚苯醚的质量比为4-30:100,充分搅拌,溶液颜色由黄色逐渐变为棕色透明溶液,溶液的粘度也逐渐增大,最后得到透明的铸膜液;
(3)将步骤(2)得到的铸膜液真空脱泡,然后倒在洁净的玻璃板上用刮刀刮膜,放入真空干燥箱干燥,真空干燥的温度为40℃-90℃,干燥时间为5h-24h;将玻璃板取出放在去离子水中浸泡,使膜从玻璃板上自然脱落,从而得到内部交联网络BPPO阴离子交换膜。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,溶液中溴化聚苯醚的浓度为0.15g/mL-0.2g/mL。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,真空干燥的温度为50℃-70℃;干燥时间为6-10小时。
4.如权利要求1~3之一所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,4,4'-联吡啶与溴化聚苯醚的质量比为8-20:100。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,4,4'-联吡啶与溴化聚苯醚的质量比为15-20:100。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述制备方法由步骤(1)~(3)组成。
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