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聚酰亚胺基低温热解炭膜的制备及性能研究

作　者: 董军营
导　师: 王同华
学　校: 大连理工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 聚酰亚胺低温热解炭膜结构气体分离
分类号: TQ028.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

膜技术是近几十年发展起来的一种分离技术,与传统的分离技术相比具有分离效率高、操作简单、能耗低的优点,得到了广泛的研究与应用。然而目前市场上广泛采用的聚合物膜具有热稳定性、化学稳定性差以及渗透性能相对较差的缺点,限制了其在气体分离领域的应用。炭膜是一种新型的膜材料,克服了聚合物膜的缺点,并且具有超级发达的纳米尺度的孔道结构,对分子尺寸相差不大的气体分子具有很好的气体分离性能,因而得到了广泛的关注,但是它的机械性能差的缺点,也限制了它的商业化进程。低温热解炭膜是将聚合物膜在真空、惰性气氛或空气中进行低温热解制备而成的膜材料,它同时具备聚合物膜良好的机械性能和炭膜高气体渗透性能的优点,具有一定的应用前景。此外,低温热解通常是高温炭化阶段的准备阶段,是聚合物前驱体向炭膜炭结构转变的一个关键性过渡阶段,直接影响最终形成的炭膜的炭结构、孔结构及气体分离性能。本文选用商业化的Kapton型聚酰胺酸为前驱体制备了低温热解炭膜,采用红外光谱、热重-质谱分析、差热分析、X光电子能谱及元素分析、X射线衍射、气体渗透等表征分析手段考察了低温热解温度、气体氛围等条件对膜的化学结构、微结构及气体分离性能的影响。结果表明：聚酰亚胺的低温热解过程大致分为两个阶段,第一个阶段为室温到300℃,该阶段失重较大,发生的是吸附水、溶剂的脱除及亚胺化反应,最终由聚酰胺酸结构变为聚酰亚胺结构,第二个阶段为300-550℃,该区间失重较小,发生的是亚胺环的分解及醚键的断裂,更主要的是由亚胺环分解及醚键断裂产生的自由基引发的交联反应,空气中氧的存在促进了热分解和热交联反应的进行,因而具有较大的失重和较发达的交联结构。交联反应引起膜的微结构发生变化,空气中在较低温度下(450℃后),氮气中在500℃后聚酰亚胺向芳杂环并向炭结构转变,500℃(air)和550℃(nitrogen)已经具备了无定型炭结构的特征。膜的化学结构和微结构的变化进一步影响到膜的气体渗透和分离性能,表现为在450℃之前,膜的气体渗透系数变化较小,分离系数有所增大,而在450℃后气体渗透系数迅速增大,分离系数逐渐减小,说明炭膜的分离机理可能由溶解扩散向表面扩散转变。此外,热解氛围对膜的分离性能存在较大影响,表现为空气中低温热解炭膜的气体渗透系数明显大于氮气氛围中低温热解炭膜的气体渗透系数,而分离系数却相反,500℃时空气氛围和氮气氛围制备的膜的O2的渗透系数分别为7.86,1.13Barrer,而O2/N2分离系数分别为1.32和4.16。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
引言  10-11
1 文献综述  11-27
  1.1 气体分离膜概述  11
  1.2 炭膜定义及研究进展  11-12
  1.3 炭膜的制备  12-14
    1.3.1 前驱体选择  12
    1.3.2 成膜方法  12
    1.3.3 炭化  12-13
    1.3.4 修饰改性  13
    1.3.5 炭膜的存放及再生  13-14
  1.4 聚酰亚胺基炭膜  14-18
    1.4.1 聚酰亚胺概述  14-15
    1.4.2 聚酰亚胺合成  15
    1.4.3 聚酰胺酸热环化和交联  15-16
    1.4.4 聚酰亚胺气体分离膜  16
    1.4.5 聚酰亚胺低温热解膜  16-17
    1.4.6 聚酰亚胺高温热解及炭膜  17-18
  1.5 聚合物膜、炭膜的分离机理  18-20
    1.5.1 聚合物膜分离机理  18
    1.5.2 炭膜的分离机理  18-20
  1.6 气体分子在膜中的吸附与扩散  20-25
    1.6.1 气体分子在炭膜中的扩散  20-22
    1.6.2 扩散系数的测定方法  22-25
  1.7 课题研究背景、意义及内容  25-27
2 实验原料与方法  27-31
  2.1 前驱体材料的选择  27
  2.2 低温热解炭膜的制备  27-28
    2.2.1 聚合物膜的制备  27
    2.2.2 聚酰亚胺膜及低温热解炭膜的制备  27-28
  2.3 膜的表征  28-31
    2.3.1 热分析  28
    2.3.2 化学结构  28-29
    2.3.3 微结构  29
    2.3.4 气体渗透  29-31
3 聚酰亚胺低温热解过程中干燥、亚胺化过程研究  31-38
  3.1 聚酰胺酸薄膜干燥过程研究  31-35
    3.1.1 聚酰胺酸的热重及差热分析  31-32
    3.1.2 聚酰胺酸干燥研究  32-33
    3.1.3 干燥过程中的化学结构变化  33-34
    3.1.4 聚酰胺酸的恒温干燥研究  34
    3.1.5 干燥过程分析  34-35
  3.2 聚酰胺酸亚胺化过程研究  35-38
    3.2.1 温度对亚胺化过程影响  35
    3.2.2 气氛对亚胺化过程影响  35-36
    3.2.3 恒温时间对亚胺化过程影响  36-38
4 聚酰亚胺低温热解膜的制备及其分离性能  38-56
  4.1 聚酰亚胺低温热分解行为及化学结构的变化规律研究  38-47
    4.1.1 热重分析  38
    4.1.2 差热分析  38-39
    4.1.3 红外分析  39-40
    4.1.4 热重-质谱分析  40-42
    4.1.5 XPS分析  42-44
    4.1.6 元素分析  44-47
  4.2 聚酰亚胺低温热解过程的机理分析  47-50
    4.2.1 低温热解机理  47
    4.2.2 热分解反应  47-48
    4.2.3 热交联反应  48-50
  4.3 聚酰亚胺低温热解炭膜的微结构  50-51
  4.4 聚酰亚胺低温热解炭膜的气体渗透性能  51-56
    4.4.1 热解温度对气体渗透性能的影响  51-52
    4.4.2 热解氛围对气体渗透性能的影响  52-54
    4.4.3 热解恒温时间对气体渗透性能的影响  54-56
结论  56-57
参考文献  57-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

聚酰亚胺基低温热解炭膜的制备及性能研究

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