CN116622217B - 一种共混改性复合乳液及其制备方法、MOFs复合膜材料及其应用 - Google Patents
一种共混改性复合乳液及其制备方法、MOFs复合膜材料及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于MOFs材料技术领域,具体涉及一种共混改性复合乳液及其制备方法、MOFs复合膜材料及其应用。本发明提供了一种共混改性复合乳液,包括改性水性聚氨酯和MOFs,所述改性水性聚氨酯包括水性聚氨酯和与所述水性聚氨酯接枝的磺酸基和肟氨酯基。在本发明中,复合膜材料中,MOFs材料作为刚性纳米粒子,与聚氨酯基体之间以及其本身之间的相互作用形成了网状交联结构,从而提高了复合材料的力学性能。本发明提供的共混改性复合乳液易成膜,成膜得到的膜材料保留MOFs性能的同时具有良好的力学性能,扩大了其应用范围。
Description
技术领域
本发明属于MOFs材料技术领域,具体涉及一种共混改性复合乳液及其制备方法、MOFs复合膜材料及其应用。
背景技术
金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)是一种金属离子或者金属簇通过配位键与有机配体形成的晶态多孔框架材料。MOFs具有可设计的结构、可调节的孔径以及高度修饰的官能团,是一类独特的无机有机杂化的多孔材料,在催化、传感、吸附等领域显示出广阔的应用前景。
因为MOFs一般为粉末状物质,在用于催化、分离等过程时易发生团聚,不能充分发挥其功能。为了解决上述问题目前主要将MOFs材料与聚合物接枝形成MOFs/聚合物复合材料,得到的MOFs/聚合物复合材料易成膜能够使MOFs以膜的形式发挥作用,避免团聚。
然而现有技术提供的由MOFs/聚合物复合材料制备得到的膜材料具有较低的力学性能,受到机械或光热等刺激后易出现微小裂纹,从而极大地影响材料耐用性。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种共混改性复合乳液及其制备方法、MOFs复合膜材料及其应用,本发明提供的MOFs复合膜材料具有较高的力学性能,扩大了其应用范围。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种共混改性复合乳液,包括改性水性聚氨酯和MOFs,所述改性水性聚氨酯包括水性聚氨酯和与所述水性聚氨酯接枝的磺酸基和肟氨酯基。
优选的,所述MOFs包括UiO-66-NH2或MOF-5-NH2。
优选的,所述改性水性聚氨酯和MOFs的质量比为94~96:4~6。
优选的,所述磺酸基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量为7~10%;
所述肟氨酯基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量为0.5~0.8%。
本发明还提供了上述技术方案所述共混改性复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
将聚醚多元醇、磺酸盐聚酯多元醇和二异氰酸酯混合进行聚合反应,得到接枝有磺酸基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基的预聚体、丁二酮肟和有机金属催化剂混合,进行扩链反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体和三羟基交联剂混合进行交联反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯、MOFs和水混合,得到所述共混改性复合乳液。
优选的,所述聚合反应的温度为80~90℃,所述聚合反应的时间为2.5~3.5h。
优选的,所述扩链反应的温度为60~70℃,所述扩链反应的时间为1.5~2.5h。
优选的,所述交联反应的温度为60~70℃,所述交联反应的时间为0.5~1.5h。
本发明还提供了一种MOFs复合膜材料,由上述技术方案所述共混改性复合乳液或上述技术方案所述制备方法制备得到的共混改性复合乳液成膜得到。
本发明还提供了上述技术方案所述MOFs复合膜材料在聚氨酯渗透汽化膜中的应用。
本发明提供了一种共混改性复合乳液,包括改性水性聚氨酯和MOFs,所述改性水性聚氨酯包括水性聚氨酯和与所述水性聚氨酯接枝的磺酸基和肟氨酯基。在本发明中,复合膜材料中,MOFs材料作为刚性纳米粒子,与聚氨酯基体之间以及其本身之间的相互作用形成了网状交联结构,从而提高了复合材料的力学性能。本发明提供的共混改性复合乳液易成膜,成膜得到的膜材料保留MOFs性能的同时具有良好的力学性能,扩大了其应用范围。
具体实施方式
本发明提供了一种共混改性复合乳液,包括改性水性聚氨酯和MOFs,所述改性水性聚氨酯包括水性聚氨酯和与所述水性聚氨酯接枝的磺酸基和肟氨酯基。在本发明中,所述MOFs优选包括UiO-66-NH2或MOF-5-NH2,更优选为UiO-66-NH2。在本发明中,所述UiO-66-NH2的制备方法优选包括以下步骤:
将锆源和2-氨基对苯二甲酸溶解于有机溶剂,进行水热反应,得到所述UiO-66-NH2。
在本发明中,所述锆源优选为氯化锆;所述有机溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺。在本发明中,所述锆源和2-氨基对苯二甲酸的质量比优选为350~400:296,更优选为381.5:296。在本发明中,所述锆源的质量和有机溶剂的体积比优选为350~400mg:189mL,更优选为381.5mg:189mL。
本发明对所述溶解无特殊要求,只要能够溶解完全即可。
在本发明中,所述水热反应的温度优选为110~130℃,更优选为115~120℃;所述水热反应的时间优选为22~26h,更优选为23~24h。
在本发明中,所述水热反应后优选还包括:
将所述水热反应后体系过滤,得到固体;
将所述固体依次进行洗涤和干燥,得到所述UiO-66-NH2。
本发明对所述过滤无特殊要求,采用本领域常规的方式即可。
在本发明中,所述洗涤用溶剂优选为三氯甲烷;所述洗涤的次数优选为3次。
在本发明中,所述干燥优选为真空干燥,所述真空干燥的温度优选为55~65℃,更优选为60℃。本发明对所述真空干燥的时间无特殊限定,只要能够除去固体表面的水分即可。
在本发明中,所述磺酸基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量优选为7~10%,更优选为8~9%;所述肟氨酯基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量优选为0.5~0.8%,更优选为0.6~0.7%。
在本发明中,所述改性水性聚氨酯和MOFs的质量比优选为94~96:4~6,更优选为95:5。
本发明还提供了上述技术方案所述共混改性复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
将聚醚多元醇、磺酸盐聚酯多元醇和二异氰酸酯混合进行聚合反应,得到接枝有磺酸基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基的预聚体、丁二酮肟和有机金属催化剂混合,进行扩链反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体和三羟基交联剂混合进行交联反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯、MOFs和水混合,得到所述共混改性复合乳液。
在本发明中,如果没有特殊说明所有原料均为常规市售产品。
本发明将聚醚多元醇、磺酸盐聚酯多元醇和二异氰酸酯混合进行聚合反应,得到接枝有磺酸基的预聚体。本发明在所述混合前优选将聚醚多元醇和磺酸盐聚酯多元醇混合后进行干燥。在本发明中,所述干燥优选为真空干燥,所述真空干燥的温度优选为100~120℃,更优选为105~110℃;所述真空干燥的时间优选为1.5~2.5h,更优选为2h。本发明经过干燥能够将聚醚多元醇和磺酸盐聚酯多元醇中的水分除去。
在本发明中,所述聚醚多元醇优选包括聚乙二醇、聚丙二醇和聚四氢呋喃二醇中的一种或几种的混合物,更优选为聚丙二醇或聚四氢呋喃二醇。在本发明中,所述聚醚多元醇的数均分子量优选为900~1100,更优选为950~1000。在本发明中,磺酸盐聚酯多元醇优选为磺酸酸盐接枝聚酯多元醇;磺酸盐聚酯多元醇优选为购自北京佰源化工有限公司的BY-3305或BY-3305B。在本发明中,所述二异氰酸酯优选为异佛尔酮二异氰酸酯、氢化苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和1,5-戊二异氰酸酯中的一种或几种的混合物,更优选为异佛尔酮二异氰酸酯或氢化苯基甲烷二异氰酸酯。
在本发明中,所述聚醚多元醇和磺酸盐聚酯多元醇的质量比优选为9~11:7~10,更优选为10~11:7~8。在本发明中,所述聚醚多元醇和二异氰酸酯的质量比优选为9~11:3.5~4.5,更优选为9~10:4~4.5。
在本发明中,所述聚合反应的温度优选为80~90℃,更优选为83~88℃;所述聚合反应的时间优选为2.5~3.5h,更优选为2.8~3h。本发明优选根据聚合反应体系中剩余-NCO的量判断聚合反应的终点,当聚合反应体系中剩余-NCO的量达到理论值(反应-摩尔比NCO/-OH的比值算出剩余的-NCO乘以42除以总质量得百分数即为理论值)时终止聚合反应。
在本发明中,所述聚合反应优选在保护气氛下进行,所述保护气氛优选包括氮气或氩气,更优选为氮气。
得到接枝有磺酸基的预聚体后,本发明将所述接枝有磺酸基的预聚体、丁二酮肟和有机金属催化剂混合,进行扩链反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体。在本发明中,所述有机金属催化剂优选为有机银催化剂、有机铋催化剂和有机锌催化剂的一种或几种的混合物,更优选为有机铋催化剂。本发明在所述混合前优选将丁二酮肟溶解于N,N-二甲基乙酰胺,得到丁二酮肟溶液。在本发明中,所述丁二酮肟溶液的质量浓度优选为0.3~0.5g/mL,更优选为0.326~0.424g/mL。本发明先将丁二酮肟溶解再与接枝有磺酸基的水性聚氨酯、有机金属催化剂混合,利于反应进行。
在本发明中,所述聚醚多元醇和丁二酮肟的质量比优选为9~11:0.5~0.85,更优选为10~11:0.6~0.8。本发明对所述有机金属催化剂的用量无特殊要求,采用本领域常规的用量即可。
本发明优选利用N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)调节扩链反应体系的粘度,当预聚体粘度变大,开始爬杆的时候,加入N,N-二甲基乙酰胺降低粘度,直到不爬杆为止。
在本发明中,所述扩链反应的温度优选为60~70℃,更优选为65~68℃;所述扩链反应的时间优选为1.5~2.5h,更优选为1.8~2h。
得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体后,本发明将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体和三羟基交联剂混合进行交联反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯。在本发明中,所述三羟基交联剂优选包括三羟甲基乙烷或三羟甲基丙烷,更优选为三羟甲基丙烷。在本发明中,所述聚醚多元醇和三羟基交联剂的质量比优选为9~11:0.1~0.2,更优选为10~11:0.15~0.2。
在本发明中,所述交联反应的温度优选为60~70℃,更优选为65~68℃;所述交联反应的时间为0.5~1.5h,更优选为0.8~1h。
得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯后,本发明将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯、MOFs和水混合,得到所述共混改性复合乳液。在本发明中,所述水优选为去离子水。在本发明中,所述混合优选包括以下步骤:
将MOFs分散于部分水中,得到MOFs分散液;
将接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯和剩余水第一混合,得到初级乳液;
将所述MOFs分散液和所述初级乳液第二混合,得到所述共混改性复合乳液。
本发明将MOFs分散于部分水中,得到MOFs分散液。在本发明中,所述聚醚多元醇和MOFs的质量比优选为9~11:2~5,更优选为10~11:2~3。在本发明中,所述MOFs和部分水的质量比优选为2~5:7~11,更优选为2~3:10~11。在本发明中,所述分散优选在超声的条件下进行,所述超声的功率优选为2000~4000W,更优选为2500~3000w;所述超声的时间优选为25~35min,更优选为30min。
本发明将接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯和剩余水第一混合,得到初级乳液。在本发明中,所述聚醚多元醇和剩余水的质量比优选为9~11:63~65,更优选为10~11:64。在本发明中,所述第一混合优选在搅拌的条件下进行,所述搅拌的转速优选为650~750r/min,更优选为700r/min。本发明对所述第一混合的时间无特殊要求,只要能够混合均匀即可。
得到MOFs分散液和初级乳液后,本发明将所述MOFs分散液和所述初级乳液第二混合,得到所述共混改性复合乳液。本发明对所述第二混合无特殊要求,只要能够混合均匀即可。
本发明还提供了一种MOFs复合膜材料,所述复合膜材料由上述技术方案所述共混改性复合乳液或上述技术方案所述制备方法制备得到的共混改性复合乳液成膜得到。在本发明中,所述成膜的方法优选为流延法。在本发明中,所述MOFs复合膜材料的厚度优选为1~3mm,更优选为2mm。
本发明还提供了上述技术方案所述MOFs复合膜材料在聚氨酯渗透汽化膜中的应用。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:将ZrCl4(381.5mg),2-氨基对苯二甲酸(296mg)溶于(超声30min)N,N-二甲基甲酰胺(189mL),得到混合溶液;将混合溶液移入5000mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,于120℃下水热反应24h,待反应结束冷却至室温后过滤,用三氯甲烷对过滤得到的固体洗涤3次后60℃真空干燥,得到UiO-66-NH2;将15g UiO-66-NH2于功率为3000W的条件下在55g去离子水中超声30min,得到UiO-66-NH2分散液;
将55g聚丙二醇和44g型号为BY-3305的磺酸盐聚酯多元醇混合后在110℃的密封环境中真空干燥2h;将干燥后的聚丙二醇和磺酸盐聚酯多元醇的混合物与22g的异佛尔酮二异氰酸酯混合后在氮气气氛下,85℃进行聚合反应3h,得到接枝有磺酸基的预聚体;当体系剩余-NCO的量达到理论值(1.53%)时终止聚合反应;向聚合反应后体系中加入20g N,N-二甲基乙酰胺调节粘度后与10mL质量浓度为0.326g/mL的丁二酮肟的N,N-二甲基乙酰胺溶液、0.1g有机铋催化剂混合于65℃下进行扩链反应2h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;向扩链反应后的体系中加入1.2g三羟甲基丙烷进行交联反应1h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;将交联反应后体系和320g去离子水在转速为700r/min的条件下混合,得到初级乳液;
将UiO-66-NH2分散液和初级乳液混合,得到共混改性复合乳液。
按照流延法对共混改性复合乳液进行制膜,得到厚度为2mm的MOFs复合膜材料。
力学性能的测试:
使用防水卷材冲片机和符合国家标准GB/T 528-2009的哑铃型裁刀将聚氨酯薄片切割成符合国家标准的拉伸样条。采用岛津AGS-X 50KN型电子万能试验机对试样进行拉伸测试,拉伸速度为100mm/min。将试样用剃须刀片从中间断开,并将断面完全拼接,然后将样品于烘箱中70℃热处理12h后测试愈合后的拉伸强度,分别测得σoriginal=17.9MPa和σhealed=15.8MPa用自愈合前后的拉伸强度定义自愈合效率(η):
η=σoriginal/σhealed×100%=15.8/17.9×100%=88.3%;其中σoriginal和σhealed代表愈合前后样品的拉伸强度。
二氧化碳的吸附性能
实验采用麦克仪器公司3Flex气体吸附仪对MOFs复合膜材料进行CO2吸附等温线测试,在273K下对CO2的吸附量为6.9cm3/g。
实施例2:按照实施例1的方法制备UiO-66-NH2;将10g UiO-66-NH2于功率为3000W的条件下在50g去离子水中超声30min,得到UiO-66-NH2分散液;
将55g聚四氢呋喃醚二醇和44g型号为BY-3305的磺酸盐聚酯多元醇混合后在110℃的密封环境中真空干燥2h;将干燥后的聚四氢呋喃醚二醇和磺酸盐聚酯多元醇的混合物与27g的氢化苯基甲烷二异氰酸酯混合后在氮气气氛下,85℃进行聚合反应3h,得到接枝有磺酸基的预聚体;当体系剩余-NCO的量达到理论值(1.53%)时终止聚合反应;向聚合反应后体系中加入30g N,N-二甲基乙酰胺调节粘度后与10mL质量浓度为0.424g/mL的丁二酮肟的N,N-二甲基乙酰胺溶液、0.1g有机铋催化剂混合于65℃下进行扩链反应2h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;向扩链反应后的体系中加入0.9g三羟甲基乙烷进行交联反应1h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;将交联反应后体系和320g去离子水在转速为700r/min的条件下混合,得到初级乳液;
将UiO-66-NH2分散液和初级乳液混合,得到共混改性复合乳液。
按照流延法对共混改性复合乳液进行制膜,得到厚度2mm的MOFs复合膜材料。
力学性能的测试:
使用防水卷材冲片机和符合国家标准GB/T 528-2009的哑铃型裁刀将聚氨酯薄片切割成符合国家标准的拉伸样条。采用岛津AGS-X 50KN型电子万能试验机对试样进行拉伸测试,拉伸速度为100mm/min。将试样用剃须刀片从中间断开,并将断面完全拼接,然后将样品于烘箱中70℃热处理12h后测试愈合后的拉伸强度,分别测得σoriginal=18.7MPa和σhealed=16.9MPa用自愈合前后的拉伸强度定义自愈合效率(η):
η=σoriginal/σhealed×100%=16.9/18.7×100%=90.4%;其中σoriginal和σhealed代表愈合前后样品的拉伸强度。
二氧化碳的吸附性能
实验采用麦克仪器公司3Flex气体吸附仪对MOFs复合膜材料进行CO2吸附等温线测试,在273K下对CO2的吸附量为5.9cm3/g。
对比例1:将55g聚四氢呋喃醚二醇和44g型号为BY-3305的磺酸盐聚酯多元醇混合后在110℃的密封环境中真空干燥2h;将干燥后的聚四氢呋喃醚二醇和磺酸盐聚酯多元醇的混合物与27g的氢化苯基甲烷二异氰酸酯混合后在氮气气氛下,85℃进行聚合反应3h,得到接枝有磺酸基的预聚体;当体系剩余-NCO的量达到理论值1.53%时终止聚合反应;向聚合反应后体系中加入30g N,N-二甲基乙酰胺调节粘度后与10mL质量浓度为0.424g/mL的丁二酮肟的N,N-二甲基乙酰胺溶液、0.1g有机铋催化剂混合于65℃下进行扩链反应2h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;向扩链反应后的体系中加入0.9g三羟甲基乙烷交联剂进行交联反应1h,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;将交联反应后体系和320g去离子水在转速为700r/min的条件下混合,得到聚氨酯乳液;
按照流延法对共混改性复合乳液进行制膜,得到厚度为2mm的聚氨酯膜材料。
力学性能的测试:
使用防水卷材冲片机和符合国家标准GB/T 528-2009的哑铃型裁刀将聚氨酯薄片切割成符合国家标准的拉伸样条。采用岛津AGS-X 50KN型电子万能试验机对试样进行拉伸测试,拉伸速度为100mm/min。将试样用剃须刀片从中间断开,并将断面完全拼接,然后将样品于烘箱中热处理一定时间后测试愈合后的拉伸强度,分别测得σoriginal=11.8MPa和σhealed=9.9MPa用自愈合前后的拉伸强度定义自愈合效率(η):
η=σoriginal/σhealed×100%=9.9/11.8×100%=83.9%;其中σoriginal和σhealed代表愈合前后样品的拉伸强度。
二氧化碳的吸附性能
实验采用麦克仪器公司3Flex气体吸附仪对聚氨酯膜材料进行CO2吸附等温线测试,在273K下对没有CO2的吸附量。
根据实施例1、2和对比例1的检测结果可以看出利用本发明提供的共混改性复合乳液制备得到的膜材料具有良好的力学性能和对二氧化碳良好的吸附性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述,但它仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例,人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例,这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (9)
1.一种共混改性复合乳液的制备方法,包括以下步骤:
将聚醚多元醇、磺酸盐聚酯多元醇和二异氰酸酯混合进行聚合反应,得到接枝有磺酸基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基的预聚体、丁二酮肟和有机金属催化剂混合,进行扩链反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的预聚体和三羟基交联剂混合进行交联反应,得到接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯;
将所述接枝有磺酸基和肟氨酯基的水性聚氨酯、MOFs和水混合,得到共混改性复合乳液;所述MOFs包括UiO-66-NH2或MOF-5-NH2。
2.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述聚合反应的温度为80~90℃,所述聚合反应的时间为2.5~3.5h。
3.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述扩链反应的温度为60~70℃,所述扩链反应的时间为1.5~2.5h。
4.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述交联反应的温度为60~70℃,所述交联反应的时间为0.5~1.5h。
5.按照权利要求1~4任一项所述制备方法制备得到的共混改性复合乳液,其特征在于,包括改性水性聚氨酯和MOFs,所述改性水性聚氨酯包括水性聚氨酯和与所述水性聚氨酯接枝的磺酸基和肟氨酯基。
6.根据权利要求5所述共混改性复合乳液,其特征在于,所述改性水性聚氨酯和MOFs的质量比为94~96:4~6。
7.根据权利要求5所述共混改性复合乳液,其特征在于,所述磺酸基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量为7~10%;
所述肟氨酯基在所述改性水性聚氨酯中的质量百分含量为0.5~0.8%。
8.一种MOFs复合膜材料,由权利要求5~7任一项所述共混改性复合乳液成膜得到。
9.权利要求8所述一种MOFs复合膜材料在聚氨酯渗透汽化膜中的应用。
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2023
- 2023-07-25 CN CN202310912854.6A patent/CN116622217B/zh active Active
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