CN114536626A - 一种交联固化聚合物膜成型模具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种交联固化聚合物膜成型模具及其使用方法。所述交联固化聚合物膜成型模具包括模具型腔和模具盖板,模具盖板朝向模具型腔的一侧阵列设置有多个第一凸台,模具型腔的底部阵列设置有多个第二凸台;所述第一凸台与所述第二凸台错位、等距排列;所述模具盖板上还阵列设置有多个气孔,且所述多个气孔的位置与所述第二凸台的位置一一对应。第一凸台和第二凸台均具有正四棱台结构,可以在成型的交联固化聚合物膜中形成具有正四棱台结构的三维凹槽,有利于料液的渗透扩散,提高膜的渗透通量。
Description
技术领域
本申请涉及聚合物分离膜制备技术领域,具体涉及一种制备交联固化聚合物膜的成型模具及其使用方法。
背景技术
汽油是工业社会最重要的燃料,同时,汽油的燃烧产物也是空气中的硫氧化物最直接的污染来源。为了保护环境,生产超低硫含量的清洁汽油已成为世界范围内的重要课题。
目前,用于渗透汽化的脱硫膜主要是二维结构的聚合物膜,如聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙二醇PEG、乙基纤维素EC、聚醚嵌段酰胺PEBAX、聚氨基甲酸酯PU、聚酰亚胺PI。聚合物膜的低渗透通量严重地制约了渗透膜的工业应用。通常情况下,受到二维结构的聚合物膜的结构和材质的限制,其渗透通量和富硫因子之间存在trade-off效应,难以得到兼具高富硫因子和高渗透通量的聚合物渗透膜。例如,纯PEG膜,其富硫因子可高达12.59,但是,渗透通量却只有1.1Kg/m2*h。
因此,为了打破聚合物膜的trade-off效应,得到兼具高富硫因子和高渗透通量的聚合物膜,本申请旨在打破传统二维结构的聚合物膜的思维限制,提供一种能够制备具有三维结构的交联固化聚合物膜的成型模具及其使用方法。
发明内容
为了解决现有的二维聚合物膜所存在的高渗透通量和高富硫因子不能兼得的矛盾,本申请提供了一种能够制备具有三维结构的交联固化聚合物膜的成型模具及其使用方法。利用该模具,可以制得兼具高渗透通量和高富硫因子的交联固化聚合物膜,为交联固化聚合物膜的产业应用提供支持。
一种交联固化聚合物膜成型模具,包括模具型腔和模具盖板,模具盖板朝向模具型腔的一侧阵列设置有多个第一凸台,模具型腔的底部阵列设置有多个第二凸台;所述第一凸台与所述第二凸台错位、等距排列;所述模具盖板上还阵列设置有多个气孔,且所述多个气孔的位置与所述第二凸台的位置一一对应。
优选地,相邻的两个所述第一凸台的间距R1为6-10mm;相邻的两个所述第二凸台的间距R2为6-10mm。更优选地,R1=R2。
其中,所述第一凸台的高度小于所述模具型腔的深度,所述第二凸台的高度小于所述模具型腔的深度,且,所述第二凸台的高度小于所述第一凸台的高度。由此,可以在模具内部交联固化形成二维连续且具有三维凹凸结构的聚合物膜。
进一步地,所述第一凸台包括靠近模具盖板的立方台和设置在立方台上的第一正四棱台。其中,所述第一正四棱台的第一底面与所述立方体台的顶面共用。所述第一正四棱台中,与所述第一底面相对的面为第二底面,且第一底面的边长大于第二底面的边长。
所述立方台中,立方体的边长A1为5-8mm,所述第一正四棱台中,第一底面的边长A2为5-8mm,且A1=A2,第二底面的边长A3为3-7mm,且A3小于A2。
进一步地,所述第二凸台为第二正四棱台,且所述第二正四棱台的下底面设于模具型腔的底表面,与所述下底面相对的底面为上底面。优选地,所述下底面的边长B1为5-8mm,所述上底面的边长B2为3-7mm,且B1大于B2。更优选地,A1=A2=B1,且A3=B2,第一正四棱台与第二正四棱台的尺寸完全相同。
通过将模具的成型部为设置为正四棱台结构,可以得到具有正四棱台结构的三维凹槽,并确保了三维凹槽具有槽口大、槽底小的结构,有利于增加聚合物膜的渗透面积。同时,三维凹槽呈向外扩展的形状,有利于料液的渗透扩散,提高膜的渗透通量。
若直接将模具的成型部位完全设置为立方台或长方台结构,只能得到立方体结构或长方体结构的凹槽,不利于渗透介质的扩散,不利于提升膜的渗透通量。
优选地,在所述第一正四棱台和所述第二正四棱台中,侧面与底面的夹角R介于70°-85°之间。优选地,所述侧面与底面的夹角R介于75°-85°之间,最优选地,所述侧面与底面的夹角R为80°。当所述侧面与底面的夹角R大于85°时,成型得到的交联固化聚合物膜的凹槽结构中的槽口与槽底的尺寸差较小,不利于渗透介质的扩散,不能有效增加膜的渗透通量。
进一步地,模具型腔和模具盖板相互盖合后,在所述模具型腔和所述模具盖板之间形成成型空隙,用于容纳铸膜液。且所述第一正四棱台和所述第二正四棱台的相邻侧面相互平行,且所述相邻侧面之间的距离D1为0.2-0.5mm。所述第一正四棱台的所述第二底面相对于所述模具型腔底面的距离D2为0.2-0.5mm。
本申请中,设计了一种能够制备具有三维结构的交联固化聚合物膜的成型模具,突破了传统二维结构的聚合物膜的思维限制。利用三维的正四棱台结构,形成三维梯形凹凸结构,充分利用三维空间,可以增加有效膜通量面积80%以上,显著增加脱硫膜的渗透通量。
由于三维梯形凹凸结构对有效膜通量面积的显著改善,使得在较小的横截面积上就能够得到较大的渗透通量。同时,三维梯形凹凸结构有助于增强膜的强度,延长膜的使用寿命,特别适用于工业生产。
一种交联固化聚合物膜成型模具的使用方法,包括以下步骤:
(1)清洁模具待用;
(2)配制铸膜液;
(3)根据铸膜液的浓度和模具的成型空隙的尺寸计算所需注入所述模具型腔内的铸膜液的量,并将对应量的铸膜液注入所述模具型腔内,盖合模具盖板,静置5-15分钟;
(4)将模具置于80-100℃的加热环境中,交联固化成膜并成型;
(5)降温至室温,脱模即可。
其中,所述铸膜液包括100质量份聚乙二醇、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水。或者,所述铸膜液包括100质量份聚乙二醇、3-5质量份有机配体、2-5质量份金属盐、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水。
进一步地,所述交联剂为马来酸酐、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯中的任意一种;所述催化剂为三甲胺、三乙胺、二月桂酸二丁基锡、马来酸二丁基锡中的任意一种;所述PEG的分子量为5000-50000;所述有机配体选自2-甲基咪唑、苯并咪唑、2-乙基咪唑、4,4-联吡啶中的一种或多种;所述金属盐选自硝酸锌、氯化锆中的一种。
在模具的使用过程中,由于铸膜液中含有较多的溶剂,交联固化成膜的过程中,溶剂会挥发。因此,需要预先根据铸膜液的浓度和模具的成型空隙的尺寸计算所需注入所述模具型腔内的铸膜液的量,由此,可以确保制备得到预期尺寸的三维结构的交联固化聚合物膜。
在铸膜液注入模具型腔并盖合模具盖板后,需要静置一段时间,确保铸膜液在成型空隙内均匀水平分布。模具盖板上的气孔用于在交联固化成膜的过程中将溶剂排出。
成型空隙中,第二凸台上方的成型空隙区域较大,可以容纳较多的铸膜液。而模具盖板上的气孔的位置与第二凸台的位置一一对应,有利于交联固化成膜过程中溶剂挥发,并不会对膜的成型过程和成型结构造成不利影响。
附图说明
图1是本申请的模具盖合后的三维结构示意图。
图2是本申请的模具用于交联固化聚合物膜成型后的三维结构示意图。
图3是图2的三维结构示意图的空间三维结构示意图。
图4是图1沿A-A剖面的示意图。
图5是图2沿B-B剖面的示意图。
附图标记说明:
M、交联固化聚合物膜;1、模具盖板;2、模具型腔;3、第一凸台;31、立方台;32、第一正四棱台;4、第二凸台;5、气孔;6、成型空隙。
具体实施方式
实施例一
以下结合部分具体的实施例,详细阐述本申请的技术方案,以便于更清楚、明确地描述本申请的效果。
如图1所示,本申请的一个实施例提供了一种种交联固化聚合物膜成型模具,包括模具型腔2和模具盖板1,模具盖板上还阵列设置有多个气孔5。
如图2所示,图2是本申请的模具用于交联固化聚合物膜成型后的三维结构示意图,在模具盖板1和模具型腔2之间成型有交联固化聚合物膜M(交联固化聚合物膜M由于盖板的遮挡无法直接观察到)。
图3是图2的三维结构示意图的空间三维结构示意图。如图3所示,在模具盖板1和模具型腔2之间成型有交联固化聚合物膜M。模具盖板1朝向模具型腔2的一侧阵列设置有多个第一凸台3,模具型腔的底部阵列设置有多个第二凸台4;第一凸台3与第二凸台4错位、等距排列;且多个气孔5的位置与第二凸台4的位置一一对应。
在一个优选的实施方式中,相邻的两个第一凸台3的间距R1为6-10mm;相邻的两个第二凸台的间距R2为6-10mm。
在一个更优选的实施方式中,相邻的两个第一凸台3的间距R1与相邻的两个第二凸台的间距R2相等,可以是6-10mm中的任意值,例如可以是6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。
如图4所示,第一凸台3包括靠近模具盖板的立方台31和设置在立方台上的第一正四棱台32。其中,第一正四棱台32的第一底面与立方体台31的顶面共用。第一正四棱台32中,与第一底面相对的面为第二底面,且第一底面的边长大于第二底面的边长。
在一个优选的实施例中,立方台31的立方体的边长A1可以为5mm-8mm中的任意值,例如,可以为5mm、6mm、7mm或8mm。第一正四棱台32中,第一底面的边长A2可以为5mm-8mm中的任意值,例如,可以为5mm、6mm、7mm或8mm。且A1=A2。第二底面的边长A3可以为3mm-7mm中的任意值,例如,可以为3mm、4mm、5mm、6mm或7mm,且A3小于A2。
第二凸台4也为正四棱台,且第二凸台4的下底面设于模具型腔2的底表面,与下底面相对的底面为上底面。
在一个优选的实施例中,所述下底面的边长B1可以为5mm-8mm中的任意值,例如,可以为5mm、6mm、7mm或8mm。上底面的边长B2可以为3mm-7mm中的任意值,例如,可以为3mm、4mm、5mm、6mm或7mm,且B2小于B1。
在一个更优选的实施方式中,A1=A2=B1,且A3=B2,第一正四棱台32与第二凸台4的尺寸完全相同。
通过将模具的第一凸台3和第二凸台4设置为上述结构,特别是包括了正四棱台结构,并限定A1=A2且A3小于A2,可以确保交联固化聚合物膜成型后得到具有正四棱台结构的三维凹槽,并确保了三维凹槽具有槽口大、槽底小的结构,有利于增加聚合物膜的渗透面积。同时,三维凹槽呈向外扩展的形状,有利于料液的渗透扩散,提高膜的渗透通量。
如图4所示,第一凸台3的高度小于模具型腔2的深度,第二凸台4的高度小于模具型腔2的深度,且,第二凸台4的高度小于第一凸台3的高度。由此,可以在模具内部交联固化形成二维连续且具有三维凹凸结构的聚合物膜。
如图4所示,在一个优选的实施方式中,模具型腔和模具盖板相互盖合后,模具型腔和模具盖板之间形成成型空隙,用于容纳铸膜液。第一正四棱台32和第二凸台的相邻侧面相互平行,且相邻侧面之间的距离D1为0.2-0.5mm,可以是0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。第一正四棱台32的第二底面相对于模具型腔2的底面的距离D2为0.2-0.5mm,可以是0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。
在一个优选的实施方式中,第一正四棱台32和第二凸台4的的尺寸完全相同。正四棱台结构中,侧面与底面的夹角R介于70°-85°之间,例如,可以是70°、71°、72°、73°、74°、75°、76°、77°、78°、79°、80°、81°、82°、83°、84°、85°。
当所述侧面与底面的夹角R大于85°时,成型得到的交联固化聚合物膜的凹槽结构中的槽口与槽底的尺寸差较小,不利于渗透介质的扩散,不能有效增加膜的渗透通量。
在另一个实施方式中,提供了一种交联固化聚合物膜成型模具的使用方法,包括以下步骤:
(1)清洁模具待用;
(2)配制铸膜液;
铸膜液包括100质量份聚乙二醇、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水。
(3)根据铸膜液的浓度和模具的成型空隙的尺寸计算所需注入所述模具型腔内的铸膜液的量,并将对应量的铸膜液注入所述模具型腔内,盖合模具盖板,静置15分钟;
(4)将模具置于90℃的加热环境中,交联固化成膜并成型5小时;
(5)降温至室温,脱模。
作为一个优选的实施方式,铸膜液包括100质量份聚乙二醇、3-5质量份有机配体、2-5质量份金属盐、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水。
交联剂可以是马来酸酐、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或1,6-己二异氰酸酯。催化剂可以是三甲胺、三乙胺、二月桂酸二丁基锡或马来酸二丁基锡。PEG的分子量为5000-50000。有机配体可以是2-甲基咪唑、苯并咪唑、2-乙基咪唑或4,4-联吡啶;金属盐为硝酸锌或氯化锆。
图5是本申请的模具用于交联固化聚合物膜成型后的三维结构示意图的B-B剖视图。如图5所示,交联固化聚合物膜成型于成型模具的模具盖板和模具型腔所形成的成型空隙内。
在模具的使用过程中,由于铸膜液中含有较多的溶剂,交联固化成膜的过程中,溶剂会挥发。因此,需要预先根据铸膜液的浓度和模具的成型空隙的尺寸计算所需注入所述模具型腔内的铸膜液的量,由此,可以确保制备得到预期尺寸的三维结构的交联固化聚合物膜。由于成型空隙的尺寸较小,特别是第一正四棱台32和第二凸台的相邻侧面之间的距离D1、第一正四棱台32的第二底面相对于模具型腔2的底面的距离D2均较小,在铸膜液注入模具型腔并盖合模具盖板后,需要静置一段时间,确保铸膜液在成型空隙内均匀水平分布。模具盖板上的气孔用于在交联固化成膜的过程中将溶剂排出。成型空隙中,第二凸台上方的成型空隙区域较大,可以容纳较多的铸膜液。而模具盖板上的气孔的位置与第二凸台的位置一一对应,有利于交联固化成膜过程中溶剂挥发,并不会对膜的成型过程和成型结构造成不利影响。
Claims (10)
1.一种交联固化聚合物膜成型模具,包括模具型腔(2)和模具盖板(1),所述模具盖板(1)朝向所述模具型腔(2)的一侧阵列设置有多个第一凸台(3),所述模具型腔(2)的底部阵列设置有多个第二凸台(4);所述第一凸台(3)与所述第二凸台(4)错位、等距排列;所述模具盖板(1)上还阵列设置有多个气孔(5),且所述多个气孔(5)的位置与所述第二凸台(4)的位置一一对应。
2.如权利要求1所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,相邻的两个所述第一凸台(3)的间距R1为6-10mm;相邻的两个所述第二凸台(4)的间距R2为6-10mm,且R1=R2。
3.如权利要求1所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,所述第一凸台(3)的高度小于所述模具型腔(2)的深度,所述第二凸台(4)的高度小于所述模具型腔(2)的深度,且,所述第二凸台(4)的高度小于所述第一凸台(3)的高度。
4.如权利要求3所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,所述第一凸台(3)包括靠近模具盖板的立方台(31)和设置在所述立方台(31)上的第一正四棱台(32),所述第一正四棱台(32)的第一底面与所述立方体台(31)的顶面共用,与所述第一底面相对的面为第二底面,且第一底面的边长大于第二底面的边长。
5.如权利要求4所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,所述立方台(31)中,立方体的边长A1为5-8mm,所述第一正四棱台(32)中,第一底面的边长A2为5-8mm,第二底面的边长A3为3-7mm,且A3小于A2;所述第二凸台(4)为第二正四棱台,且所述第二正四棱台的下底面设于模具型腔的底表面,与所述下底面相对的底面为上底面,所述下底面的边长B1为5-8mm,所述上底面的边长B2为3-7mm,且B1大于B2,A1=A2=B1,且A3=B2,所述第二凸台(4)与所述第一正四棱台(32)的尺寸完全相同。
6.如权利要求5所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,在所述第一正四棱台(32)和所述第二正四棱台中,侧面与底面的夹角R介于70°-85°之间。
7.如权利要求6所述的一种交联固化聚合物膜成型模具,其特征在于,所述模具型腔(2)和所述模具盖板(1)相互盖合后,在所述模具型腔(2)和所述模具盖板(1)之间形成成型空隙(6),且所述第一正四棱台(32)和所述第二正四棱台的相邻侧面相互平行,所述相邻侧面之间的距离D1为0.2-0.5mm;所述第一正四棱台(32)的所述第二底面相对于所述模具型腔(2)的底面的距离D2为0.2-0.5mm。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的一种交联固化聚合物膜成型模具的使用方法,包括以下步骤:
(1)清洁模具待用;
(2)配制铸膜液;
(3)根据铸膜液的浓度和模具的成型空隙的尺寸计算所需注入所述模具型腔内的铸膜液的量,并将对应量的铸膜液注入所述模具型腔内,盖合模具盖板,静置5-15分钟;
(4)将模具置于80-100℃的加热环境中,交联固化成膜并成型;
(5)降温至室温,脱模即可。
9.如权利要求8所述的使用方法,其特征在于,所述铸膜液包括100质量份聚乙二醇、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水;或者,所述铸膜液包括100质量份聚乙二醇、3-5质量份有机配体、2-5质量份金属盐、5-15质量份交联剂、0.2-0.5质量份催化剂、50-70质量份乙醇、10-30质量份去离子水。
10.如权利要求9所述的使用方法,其特征在于,所述交联剂为马来酸酐、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯中的任意一种;所述催化剂为三甲胺、三乙胺、二月桂酸二丁基锡、马来酸二丁基锡中的任意一种;所述PEG的分子量为5000-50000;所述有机配体选自2-甲基咪唑、苯并咪唑、2-乙基咪唑、4,4-联吡啶中的一种或多种;所述金属盐选自硝酸锌、氯化锆中的一种。
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