探论聚离子液体交联膜的制备及其气体渗透性能

探论聚离子液体交联膜的制备及其气体渗透性能

王洪泉 周理龙 李玉超 李强 李鑫

淄博恒智威通医疗器械科技有限公司 255300

摘要：随着大气中二氧化碳等温室气体含量的逐渐增加，使得温室效应等问题愈发严重，因此，对空气中的二氧化碳进行捕捉并收集利用是十分重要的，不仅能够有效地解决温室效应，还能充分发挥二氧化碳的作用。在二氧化碳的捕捉收集方面，可使用PIL膜（聚离子液体膜），PIL膜具有稳定性高、吸收性好的优点，但纯PIL膜的渗透性能较差，故本文中主要对PIL膜的制备及气体渗透性能进行了分析。

关键词：聚离子液体；渗透性能；热交联

一、PIL薄层复合膜的制备与其气体渗透性能研究

（一）薄层复合膜的制备

本文中在制备PIL薄层复合膜时，主要采用了界面聚合法，通过将两种反应物分别溶解在两种互不相容的溶剂中，使其在两相溶液界面处反应，得到PIL薄层复合膜。具体制备方法如下：有机相为均苯三甲酰氯的正己烷溶液，水相为聚离子液体水溶液，将超滤膜置于板框中央后，首先用水相浸没超滤膜，持续时间为3 min，倒掉水相后需吹干超滤膜表面，并用有机相浸没超滤膜1 min，倒掉有机相后，将膜放置于烘箱中，在100℃的条件下加热5 min。将加热后的膜清洗后放置于烘箱中，在80℃的条件下保温干燥24 h后，再浸泡于双磺酰亚胺锂盐水中进行离子交换后，则能够得到PIL薄层复合膜。

（二）气体渗透性能的测试

对制备的PIL薄层复合膜，需要进行气体渗透性能的测试，而通过上述试验制备得到的膜属于均质膜，在对其进行测试的过程中，可以通过膜对气体的渗透系数以及对二氧化碳、氮气的选择渗透性进行表征。故可先通过恒定体积法对膜的纯气体渗透性能进行分析，再对膜的氮气、二氧化碳渗透情况进行测试，并对测试结果进行综合分析。本文中则设定测试温度为35℃，压力为2 atm。而膜的气体渗透系数也与膜的体积、有效面积以及膜下游侧体积等有关，在温度、压力已经确定的前提下，可通过膜下游侧压力与时间变化曲线的斜率表示膜的渗透系数。

（三）结果与讨论

在通过气体渗透仪对PIL薄层复合膜的气体渗透能力进行测试的过程，能够发现该复合膜对氮气与二氧化碳的分离能力较差，这也是由于复合膜表面缺陷较多造成的。通过界面聚合法制备的复合膜的厚度能够勉强达到标准，但PIL本身不易单独成膜，故制备得到的聚合膜的选择曾存在过薄的问题，在实际应用时则会出现脆裂缺陷，使得复合膜不能分离氮气、二氧化碳，严重影响了聚合膜的应用效果。

二、PIL交联膜制备与其气体渗透性能研究

（一）PIL交联膜的制备

本文中主要进行了四种PIL交联膜的制备，分别将LPIL和HPIL与两种不同的甘油醚进行热交联反应，可以得到LT交联膜、LP交联膜、HT交联膜以及HP交联膜。在制备交联膜的过程中，其制备步骤基本一致，需注意使用的反应物的比例会对交联膜造成一定影响。

（二）结果与讨论

对PIL交联膜进行气体渗透性测试的过程与上文中对纯PIL膜的测试基本一致，测试结果如下。

（1）LT交联膜的气体渗透性能

根据测试，LT交联膜的气体渗透性能较差，对二氧化碳和氮气的选择透过性也较差。而随着TMPGE加入量的提升，可以观察到交联膜的气体渗透性能得到了一定改善。这也是由于在加入TMPGE的过程中，向交联膜中引入了醚键结构单元，使得膜整体渗透性能增强，同时也可以起到增大膜交联密度的作用。通过对LT交联膜的组织结构进行分析，可发现该交联膜中结构较为紧密，分子链的堆积较为密集，造成交联膜中分子链的间距很小，不利于气体的渗透。LT交联膜还具有玻璃化转变温度高的特点，这也反映了LT交联膜分子链间作用力较强，气体在交联膜内扩散所需克服的运动阻力大，也会直接影响交联膜的气体渗透性。

（2）LP交联膜的气体渗透性能

LP交联膜的整体气体渗透性能较好，LP（1∶1）交联膜对二氧化碳、氮气具有一定的选择透过能力，其选择透过性系数为12.75，而在进一步提升交联膜中PEG的含量后，可以明确观察到交联膜的气体渗透性进一步提升，对二氧化碳和氮气的选择透过能力也得到了增强。在LP交联膜的制备中增加PEG含量时，由于PEG的结构特点，能够有效降低交联膜的玻璃化转变温度，有利于气体在交联膜内做扩散运动，并能够提升膜的交联密度，使得交联膜具有更强的选择性。

（3）HT交联膜的气体渗透性能

HT交联膜的气体渗透性能较为良好，交联膜中TMPGE含量增加后，膜中的醚键含量增高，使得交联膜溶解、吸附二氧化碳的能力增强。在与LT交联膜进行对比的过程中，则能够发现HT交联膜对二氧化碳的渗透能力以及对二氧化碳的选择能力更高。

（4）HP交联膜的气体渗透性能

对HP交联膜气体渗透性能进行分析的过程中，可发现随着膜中PEG含量增加，交联膜中氮气的运动速度明显更快，同时二氧化碳的扩散系数增长较小，这则是由于PEG含量的增加使得交联膜的玻璃化转变温度降低。

三、PIL凝胶膜制备与其气体渗透性能研究

（一）PIL凝胶膜的制备

本文中主要进行了四种PIL凝胶膜制备，分别以LPIL与TMPGE、PEG为原料，制备得到LT-IL凝胶膜和LP-IL凝胶膜，分别以HPIL与TMPGE、PEG为原料，制备得到HT-IL凝胶膜和HP-IL凝胶膜。

（二）结果与讨论

对PIL凝胶膜进行气体渗透性能测试的方法与PIL薄层复合膜的气体渗透性能测试基本一致。在对PIL交联膜负载不同含量的IL后，进一步改善了交联膜的气体渗透性能。随着IL加入量的增加，凝胶膜的玻璃化转变温度逐渐下降，膜内部结构的运动阻力也随之降低，有利于气体分子的扩散。且由于IL对二氧化碳的溶解能力较强，在不断增加IL负载量的过程中，也能够发现二氧化碳的溶解系数也在逐渐增加，但氮气的溶解系数增加幅度较小。同时，IL起到了一定的传递作用，当膜中结构较为紧密，不利于气体传递时，IL能够在膜中溶解、胀大，成为气体在膜中传输的通道，使得膜的气体渗透性能得到改善，此时若进一步提升IL含量，IL还能够在膜中形成连续相，并与膜结构分离，这也有利于气体的传输。

总结

本文中主要对PIL膜的制备以及不同种类膜的气体渗透性能进行了分析。PIL薄层复合膜的缺陷较为严重，气体渗透性能较差；PIL交联膜的气体渗透性能有所改善，LP交联膜、HP交联膜以及HT（1∶2）交联膜都表现出良好的气体渗透性能；PIL凝胶膜也具有良好的气体扩散性能，当膜中IL负载量增加时，可以观察到膜对二氧化碳的溶解系数增大。

参考文献：

[1]刘凤祥.聚离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜的制备与性能研究[D].长春工业大学,2021.

[2]谢思思,王海燕.原位聚合制备基于聚离子液体的聚合物固态电解质[J].电池,2023(06).

[3]孙长健.CO_2交联的聚离子液体水凝胶离子皮肤的制备和应用研究[D].东华大学,2022.

作者简介：王洪泉，男，汉，山东淄博，大专，工程师，淄博恒智威通医疗器械科技有限公司 255300 研究方向：医疗器械，抗菌材料

基金项目：高性能抗菌气管插管用聚氨酷 (EVA)/聚离子液体复合膜 2021XCYF0017