使用環(huán)氧官能硅氧烷制備氣體選擇性膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種膜，其包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)并且所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。本發(fā)明還涉及一種通過使用所述膜來分離進(jìn)氣混合物中的氣體組分的方法。
【專利說明】使用環(huán)氧官能硅氧烷制備氣體選擇性膜的方法
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本專利申請要求2011年4月8日提交的名稱為“METHOD OF PREPARING GASSELECTIVE MEMBRANE USING EPOXY-FUNCTIONAL SILOXANES (使用環(huán)氧官能硅氧烷制備氣體選擇性膜的方法)”的美國專利申請序列號(hào)61/473，193的優(yōu)先權(quán)，該專利申請以引用方式全文并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]人造膜可用于進(jìn)行小規(guī)模和大規(guī)模的分離，這使其在多種情況下非常有用。例如，可將膜用于純化水，在透析期間凈化血液，以及分離氣體。在膜分離中所用的一些共同驅(qū)動(dòng)力為壓力梯度和濃度梯度。膜可由例如聚合結(jié)構(gòu)制成，并且可具有多種表面化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和制備方法。膜可通過硬化或固化組合物而制成。
[0004]使用膜來分離氣體是可用于許多工業(yè)工序中的重要技術(shù)。例子可包括氨合成中氫氣的回收、石油煉制中氫的回收、沼氣合成中甲烷與其他組分的分離、出于醫(yī)學(xué)或其他目的使空氣富含氧、從天然氣移除水蒸汽、從天然氣移除二氧化碳(CO2)和硫化氫(H2S)以及碳捕集應(yīng)用如從燃燒過程生成的煙氣流移除C02。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種膜，其包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。本發(fā)明還涉及一種分離進(jìn)氣混合物中的氣體組分的方法。本發(fā)明的膜可有利地對氣體混合物中的一種或多種特定組分表現(xiàn)出高的滲透性或選擇性。例如，與通過氫化硅烷化固化的聚二甲基硅氧烷膜相比，本發(fā)明的膜可表現(xiàn)出高的co2/N2選擇性，同時(shí)保持高的滲透性。
[0006]本發(fā)明提供一種膜。所述膜包含反應(yīng)產(chǎn)物。所述反應(yīng)產(chǎn)物為環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
[0007]本發(fā)明提供一種分離進(jìn)氣混合物中的氣體組分的方法。所述方法包括使膜的第一側(cè)與進(jìn)氣混合物接觸。進(jìn)氣混合物包含第一氣體組分和第二氣體組分。所述接觸在膜的第二側(cè)上產(chǎn)生滲透物氣體混合物。所述接觸還在膜的第一側(cè)上產(chǎn)生滲余物氣體混合物。滲透物氣體混合物富含第一氣體組分。滲余物氣體混合物貧乏第一氣體組分。所述膜包含反應(yīng)產(chǎn)物。所述反應(yīng)產(chǎn)物為環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。所述氨基官能固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
[0008]在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種膜。所述膜包含反應(yīng)產(chǎn)物。所述反應(yīng)產(chǎn)物為環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷可由以下平均硅氧烷單元式表示:[0009](R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (SiO472) d (I)
[0010]其中，R1、R2、R3、R4、R5和R6為獨(dú)立地選自任何任選進(jìn)一步取代的有機(jī)基團(tuán)Ch5有機(jī)基團(tuán)，O ≤ a〈0.95，O≤b〈l，0≤c〈l，0≤d〈0.95，a+b+c+d=l，并且所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷具有至少約300的數(shù)均分子量。所述氨基官能固化劑包括聚氧化烯胺。所述反應(yīng)產(chǎn)物通過加熱所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷和所述氨基官能固化劑而形成。所述膜具有至少約10的C02/N2選擇性。所述膜具有至少約900巴勒(Barrer)的CO2滲透系數(shù)。所述膜具有約0.1 μ m至約200 μ m的厚度。
[0011]本發(fā)明提供一種形成膜的方法。所述方法包括形成涂層。所述涂層包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷。所述涂層還包含氨基官能固化劑。所述方法包括固化所述涂層。固化所述涂層將提供包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物的膜。所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種形成膜的方法。所述方法包括提供多孔或高滲透性無孔基材。所述方法包括在基材的至少一部分上形成涂層。所述涂層包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷。所述涂層還包含氨基官能固化劑。所述方法還包括固化所述涂層。固化所述涂層將在基材的至少一部分上提供膜。所述膜包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷可由以下平均硅氧烷單元式表示:
[0013](R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (SiO472) d (I)
[0014]其中，R1、R2、R3、R4、R5和R6為獨(dú)立地選自任何任選進(jìn)一步取代的有機(jī)基團(tuán)Ch5有機(jī)基團(tuán)，O ( a〈0.95，O≤b〈l，0≤c〈l，0≤d〈0.95，a+b+c+d=l，并且所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷具有至少約300的數(shù)均分子量。所述氨基官能固化劑包括聚氧化烯胺。所述反應(yīng)產(chǎn)物通過加熱所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷和所述氨基官能固化劑而形成。所述膜具有至少約10的0)2/隊(duì)選擇性。所述膜具有至少約900巴勒的CO2滲透系數(shù)。所述膜具有約0.1 μπι至約200 μ m的厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0015]說明書中提及的“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”等指所述的實(shí)施例可包括特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性，但不是每個(gè)實(shí)施例都必定包括該特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性。此外，此類短語未必指相同的實(shí)施例。另外，當(dāng)結(jié)合某實(shí)施例描述某具體特征、結(jié)構(gòu)或特性時(shí)，認(rèn)為結(jié)合其他實(shí)施例來影響這種特征、結(jié)構(gòu)或特性是在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)的，無論是否明確描述。
[0016]以范圍形式表達(dá)的值應(yīng)當(dāng)以靈活的方式理解為不僅包括明確列舉出的作為范圍限值的數(shù)值，而且還包括涵蓋在該范圍內(nèi)的所有的單個(gè)數(shù)值或子區(qū)間，猶如每個(gè)數(shù)值和子區(qū)間被明確列舉出。例如，“約0.1%至約5%”的濃度范圍應(yīng)當(dāng)理解為不僅包括明確述及的約0.1重量％至約5重量％的濃度，還包括在所指范圍內(nèi)的各個(gè)濃度(例如，1%、2%、3%和4%)和子范圍(例如，0.5%、1.1%、2.2%、3.3% 和 4.4%)。
[0017]在本文件中，術(shù)語“一”、“一個(gè)”或“這個(gè)”用于包括一個(gè)或超過一個(gè)，除非上下文
【權(quán)利要求】
1.一種膜，所述膜包含:環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物；其中所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)并且所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷可由下面的平均硅氧烷單元式表示:(R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (Si04/2) d (I)其中，R1、R2、R3、R4、R5和R6為有機(jī)基團(tuán)，獨(dú)立地選自任何任選地進(jìn)一步取代的Ch5有機(jī)基團(tuán)，O ( a〈0.95，O≤b〈l，0≤c〈l，0≤d〈0.95，a+b+c+d=l，并且所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷具有至少約300的數(shù)均分子量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜，其中mR4、!?5和R6為獨(dú)立地選自以下的有機(jī)基團(tuán):(V15單價(jià)脂族烴基團(tuán)、c4_15單價(jià)芳族烴基團(tuán)和單價(jià)環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述氨基官能固化劑為聚氧化烯胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述膜是自支撐的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物通過使所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷和所述氨基官能固化劑經(jīng)受氫化硅烷化固化、縮合固化、輻射固化和過氧化物固化中的至少之一而形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述膜具有至少約10的二氧化碳/氮?dú)?C02/N2)選擇性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述膜具有至少約900巴勒的二氧化碳(CO2)滲透系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述膜具有約0.1 μ m至約200 μ m的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的膜，其中所述膜選自板框式膜、螺旋卷式膜、管式膜、毛細(xì)管纖維膜和中空纖維膜。
11.一種分離進(jìn)氣混合物中的氣體組分的方法，所述方法包括:使膜的第一側(cè)與包含第一氣體組分和第二氣體組分的進(jìn)氣混合物接觸，以在所述膜的第二側(cè)上產(chǎn)生滲透物氣體混合物而在所述膜的第一側(cè)上產(chǎn)生滲余物氣體混合物；其中所述滲透物氣體混合物富含所述第一氣體組分而所述滲余物氣體混合物貧乏所述第一氣體組分；其中所述膜包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)并且所述氨基官能固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
12.—種形成膜的方法，所述方法包括:形成涂層，所述涂層包含環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷和氨基官能固化劑；以及固化所述涂層以提供包含所述環(huán)氧官能有機(jī)聚硅氧烷與所述氨基官能固化劑的反應(yīng)產(chǎn)物的膜；其中所述有機(jī)聚硅氧烷具有每分子平均至少兩個(gè)硅鍵合的環(huán)氧取代的有機(jī)基團(tuán)并且所述固化劑具有每分子平均至少兩個(gè)氮鍵合的氫原子。
【文檔編號(hào)】B01D71/46GK103534012SQ201280023684
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】D·安, 克里斯托弗·黃, 詹姆斯·S·赫拉巴爾 申請人:道康寧公司