PDMS改性苯乙烯三嵌段聚合物膜的制备及其在CH4/N2分离中的应用

作     者：杨幸 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗居杰

授予年度：2019年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：SBS SIS PDMS-co-PMHS 交联膜 CH4/N2分离 

摘      要：与传统的煤与石油能源相比,甲烷(CH)是一种清洁高效的绿色能源,是煤层气的主要成分。其中,氮气(N)作为其含量比重最大的杂质气体,其去除对煤层气的高效利用有着极其重要的意义。目前,对于CH/N分离,膜分离技术相较与其他分离技术而言(深冷分离,变压吸附技术),具有操作灵活、能耗低、占地面积小、投资少等优点,吸引了广泛的关注。在大量的膜材料中,苯乙烯类的嵌段聚合物膜拥有良好的成膜性,价格低廉以及高的CH/N选择性,成为富集CH材料的首选。然而,较低的气体渗透系数限制了其工业应用的发展。PDMS-co-PMHS,是一种高气体渗透性材料。因此,本文通过机械共混和硅氢化反应将PDMS-co-PMHS引入到苯乙烯嵌段聚合物中,制备了SBS/PDMS-co-PMHS共混膜,和SBS-c-PDMS-co-PMHS、SIS-c-PDMS-co-PMHS交联膜。并采用FT-IR、SEM和TGA对其结构、形貌和热稳定性进行表征。此外,还考察了测试温度和PDMS-co-PMHS含量对CH/N分离性能的影响。主要的工作内容如下:1.选择SBS嵌段聚合物为基底材料,PDMS-co-PMHS为改性材料,通过机械共混,成功制备了一系列SBS/PDMS-co-PMHS共混膜。并对其化学结构、热稳定性和微观形貌进行了表征。同时,考察了25℃-55℃下的不同PDMS-co-PMHS含量对共混膜的单气体(CH,N)渗透性能的影响。测试结果表明:在25℃和1 atm的条件下,随着PDMS-co-PMHS含量的增加,共混膜的CH渗透性逐渐增加,而CH/N选择性基本保持不变。当PDMS-co-PMHS含量为15 wt%时,其CH渗透性从37.6 Barrer增加到62.17 Barrer。随着测试温度升高到55℃,CH的渗透性能进一步升高到136.5 Barrer,同时CH/N选择性依然维持在3.0左右。2.选择SBS为基底材料,PDMS-co-PMHS为改性材料,通过硅氢加成反应制备了一系列不同PDMS-co-PMHS含量的SBS-c-PDMS-co-PMHS交联膜。并对其化学结构、热稳定性、微观形貌和交联度进行了表征。考察了不同温度下(25℃-55℃)和不同PDMS-co-PMHS含量对交联膜的单气体(CH,N)渗透性能。测试结果表明:随着PDMS-co-PMHS含量的增加,交联膜的CH渗透性显著增加,而CH/N选择性基本保持不变。其中,SBS-c-PDMS-co-PMHS-70样品在25℃和1 atm的条件下展现了最佳的CH的渗透性(443.6 Barrer),是纯SBS膜(37.6 Barrer)的11.7倍。随着测试温度升高到55℃,SBS-c-PDMS-co-PMHS-70样品的CH的渗透性能进一步达到679.2 Barrer,同时CH/N选择性依然维持在3.0左右。继续考察SBS-c-PDMS-co-PMHS-70的CH/N(50/50 vol%)混合气体分离性能,结果表明:该样品膜在混合气中的CH渗透性为394.6 Barrer,N渗透性为162.7 Barrer,与纯SBS膜相比,分别提高了1047%和1161%。3.选择SIS三嵌段聚合物作为基底材料,PDMS-co-PMHS为改性交联材料,通过硅氢加成交联反应制备了一系列不同PDMS-co-PMHS含量的SIS-c-PDMS-co-PMHS交联膜。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征了交联膜的化学结构,证明了SIS-c-PDMS-co-PMHS交联膜的成功制备。通过扫描电镜(SEM),热重分析(TGA)和索氏提取实验,对样品膜的形貌,热稳定性和交联度进行了研究。考察了SIS-c-PDMS-co-PMHS交联膜的单气体(CH,N)的渗透性能,并对其气体渗透性能最佳的样品膜进行了混合气体(CH/N:50/50 vol%)的性能测试。结果表明:在25℃和1atm条件下,气体渗透性能随着PDMS-co-PMHS含量的增加而有明显的提高,当PDMS-co-PMHS含量增加到70 wt%,CH渗透系数从25.9 Barrer增加到503 Barrer,CH/N选择性依然保持在3.0左右。随着测试温度上升到55℃,CH渗透能够进一步提高到893.4 Barrer。对于CH/N混合气体(50/50 vol%)测试,SIS-PDMS-co-PMHS-70样品膜的CH渗透性为447.4Barrer,N渗透性为188.1 Barrer,与纯SIS膜相比,分别提高了1748%和1888%。