離子交換組合物、制備方法以及由其制得的材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種離子交換聚合物組合物，其包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑。所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。本發(fā)明也提供了一種用于制備所述離子交換聚合物組合物的方法，以及由所述離子交換聚合物組合物制得的材料。
【專利說明】離子交換組合物、制備方法以及由其制得的材料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及離子交換聚合物組合物，更特別地涉及經交聯(lián)的離子交換聚合物組合物和由這些聚合物組合物制得的具有低水含量和良好的離子交換容量的離子交換材料。
【背景技術】
[0002]離子交換材料常在多種應用中用以從流體中處理和去除可離子化組分。用于流體處理的流過式床或流過式裝置可以以顆粒、織物或膜的形式使用交換材料或組分。離子交換官能度起作用從而在電場中將一類離子傳輸經過材料，同時顯著或有效地阻擋相反極性的大多數離子。陰離子交換聚合物和材料帶有陽離子基團，所述陽離子基團排斥陽離子，并對陰離子具有選擇性。陽離子交換聚合物和材料帶有陰離子基團，所述陰離子基團排斥陰離子，并對陽離子具有選擇性。
[0003]增加離子交換聚合物中的交聯(lián)密度可改進由聚合物制得的離子交換材料的機械完整性，并降低水含量，但增加交聯(lián)密度也可將材料的離子交換容量降低至不可接受的水平。
[0004]以引用方式并入本說明書的美國專利N0.7，968，663公開了由經交聯(lián)的季銨單體(第一交聯(lián)劑)的聚合而制得的陰離子交換聚合物。
[0005]希望制備離子交換聚合物和材料，其具有用于聚合物和材料的低水含量、增加的交聯(lián)密度和良好的離子交換容量。

【發(fā)明內容】

[0006]在一個實施例中，離·子交換聚合物組合物包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
[0007]在另一實施例中，一種用于制備離子交換聚合物組合物的方法包括聚合第一交聯(lián)劑與第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
[0008]在另一實施例中，一種膜包含離子交換聚合物組合物，所述離子交換聚合物組合物包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
[0009]各個實施例提供了耐化學且防污的具有增加的交聯(lián)密度的離子交換聚合物組合物。所述組合物以更低的成本制備材料(如膜)，所述材料具有改進的機械性質、平滑表面、良好的離子交換容量和低的且更可控的水吸收。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖為示出了離子交換膜的離子交換容量(IEC)和水含量對第一交聯(lián)劑中的叔胺(DMAPMA)與環(huán)己烷二甲醇二縮水甘油醚的摩爾比的圖。
【具體實施方式】[0011 ] 除非上下文明確另外指出，否則單數形式“一種”、“一個”和“所述”包括復數的指示對象。描述相同特性的所有范圍的端點可獨立組合，并包括所述端點。所有參考文獻以引用方式并入本說明書。
[0012]與量相連使用的修飾語“約”包括所述的值，并具有上下文所述的含義(例如包括與特定量的測量相關的公差范圍)。
[0013]“任選的”或“任選地”意指隨后描述的事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生、或者隨后指出的材料可能存在或可能不存在，并且該描述包括其中事件或情況發(fā)生或其中材料存在的實例、和其中事件或情況不發(fā)生或材料不存在的實例。
[0014]在一個實施例中，離子交換聚合物組合物包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
[0015]在一個實施例中，離子交換聚合物組合物可為具有陽離子基團的陰離子。第一交聯(lián)劑包括經交聯(lián)的離子單體。在一個實施例中，離子單體包含至少一個陽離子季銨基團。在另一實施例中，離子單體包含至少一個乙烯基，如丙烯酸類基團(acrylic group)。在另一實施例中，離子單體包含至少兩個離子官能團和至少兩個乙烯基。
[0016]在一個實施例中，經交聯(lián)的離子單體可通過如下方式制得:在酸的存在下使聚環(huán)氧化物與包含丙烯酸類基團的叔胺反應。
[0017]叔胺可為烯叔胺(ethylenic tertiary amine)。具有丙烯酸類基團的烯叔胺的例子包括二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)、二甲基氨基丙基丙烯酰胺(DMAPAA)、二乙基氨基丙基甲基丙烯酰胺(DEAPMA )、或甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(DMAEMA )。
[0018]聚環(huán)氧化物可為包含至少兩個環(huán)氧化物基團的任意類型的聚環(huán)氧化物。在一個實施例中，聚環(huán)氧化物為二縮水甘油醚或三縮水甘油醚。二縮水甘油醚包括但不限于二乙二醇二縮水甘油醚、二縮水甘油基1，·2-環(huán)己烷二羧酸酯、N，N- 二縮水甘油基-4-縮水甘油基氧基苯胺、雙酚A 二縮水甘油醚、溴化雙酚A二縮水甘油醚、雙酚F 二縮水甘油醚、1，4- 丁二醇二縮水甘油醚、1，4-丁烷二基二縮水甘油醚、1，4-環(huán)己烷二甲醇二縮水甘油醚、丙三醇二縮水甘油醚、間苯二酚二縮水甘油醚、雙[4-(縮水甘油基氧基)苯基]甲烷、丙氧基化雙酚A 二縮水甘油醚、二聚酸二縮水甘油酯、乙二醇二縮水甘油醚、溴化新戊二醇二縮水甘油醚、二縮水甘油醚封端的聚(二甲基硅氧烷)、聚(乙二醇)二縮水甘油醚、聚(丙二醇)二縮水甘油醚、1，2，3-丙三醇縮水甘油醚和1，3-丁二醇二縮水甘油醚。三縮水甘油醚包括但不限于三(2，3-環(huán)氧基丙基)異氰脲酸酯、三羥甲基丙烷三縮水甘油醚、三(4-羥基苯基)甲烷三縮水甘油醚2，6-甲苯二異氰酸酯、三(4-羥基苯基)甲烷三縮水甘油醚、丙氧基化甘油三縮水甘油醚和三羥甲基乙烷三縮水甘油醚。
[0019]在另一實施例中，聚環(huán)氧化物為二環(huán)氧化物。二環(huán)氧化物包括但不限于1，3_ 丁二烯-二環(huán)氧化物、1,3-丁二烯二環(huán)氧化物、二環(huán)戊二烯二氧化物、甲基順式，順式-11，12; 14, 15- 二環(huán)氧基二十烷酸酯。
[0020]酸可為任意類型的酸，如無機酸。在一個實施例中，酸包括但不限于鹽酸、甲磺酸、硫酸或磷酸。在一個實施例中，以叔胺的摩爾量(mole weight)計,酸以約75摩爾量％至約125摩爾量％的量存在，。在另一實施例中，以叔胺的摩爾量計，酸以約75摩爾量％至約100摩爾量％的量存在。
[0021]叔胺在反應中季銨化并交聯(lián)。在一個實施例中，溫度范圍為約40°C至約150°C。在另一實施例中，溫度范圍為約60V至約110°C，在另一實施例中，溫度范圍為約75°C至約100°C。在一個實施例中，反應時間為約I分鐘至約2小時。在另一實施例中，反應時間為約10分鐘至約I小時。在另一實施例中，反應時間為約20分鐘至約45分鐘。
[0022]在一個實施例中，單體高度交聯(lián)。在另一實施例中，約50%至約100%的范圍內的聚合物交聯(lián)。在另一實施例中，聚合物完全交聯(lián)。
[0023]可使用廣泛比率范圍的叔胺/聚環(huán)氧化物來合成離子聚合物。在一個實施例中，比率為約1.0至約2.5摩爾叔胺/每當量摩爾聚環(huán)氧化物。在另一實施例中，比率為約1.5至約2.0摩爾叔胺單體/當量摩爾聚環(huán)氧化物。在另一實施例中，比率為約1.5摩爾叔胺單體/當量摩爾環(huán)氧化物。
[0024]在一個實施例中，經交聯(lián)的離子單體具有結構1:
[0025]
【權利要求】
1.一種離子交換聚合物組合物，其包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
2.根據權利要求1所述的組合物，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體通過如下方式制得:在酸的存在下使聚環(huán)氧化物與包含丙烯酸類基團的叔胺反應。
3.根據權利要求2所述的組合物，其特征在于，所述叔胺和聚環(huán)氧化物處于約1.0至約2.5摩爾叔胺/每當量摩爾聚環(huán)氧化物的分子比率。
4.根據權利要求1所述的組合物，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體具有結構1:1




I
5.根據權利要求1所述的組合物，其特征在于，所述第二交聯(lián)劑通過如下方式制得:使丙烯酰胺化合物與另一包含羥基的丙烯酰胺化合物反應。
6.一種用于制備離子交換聚合物組合物的方法，所述方法包括聚合第一交聯(lián)劑與第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體通過如下方式制得:在酸的存在下使聚環(huán)氧化物與包含丙烯酸類基團的叔胺反應。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述叔胺和聚環(huán)氧化物處于約1.0至約2.5摩爾叔胺/每當量摩爾聚環(huán)氧化物的分子比率。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體具有結構1:
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二交聯(lián)劑通過如下方式制得:使丙烯酰胺化合物與另一包含羥基的丙烯酰胺化合物反應。
11.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，通過加熱反應物而聚合所述第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑。
12.—種膜，其包含離子交換聚合物組合物，所述離子交換聚合物組合物包含第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑，其中所述第一交聯(lián)劑包括包含季銨基團的經交聯(lián)的離子單體。
13.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體通過如下方式制得:在酸的存在下使聚環(huán)氧化物與包含丙烯酸類基團的叔胺反應。
14.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述叔胺和聚環(huán)氧化物處于約1.0至約2.5摩爾叔胺/每當量摩爾聚環(huán)氧化物的分子比率。
15.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述經交聯(lián)的離子單體具有結構1:
16.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述第二交聯(lián)劑通過如下方式制得:使丙烯酰胺化合物與另一包含羥基的丙烯酰胺化合物反應。
17.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑是聚合的。
18.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，將所述離子交換聚合物組合物施用至支承膜。
19.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述離子交換膜具有約30%至約50%的水含量。
20.根據權利要求12所述的膜，其特征在于，所述膜具有約1.2meq/g至約2.4meq/g的離子交換容量。
【文檔編號】C08J5/22GK103857730SQ201280049061
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年9月5日 優(yōu)先權日:2011年10月5日
【發(fā)明者】R.J.麥唐納, C.古迪帕蒂, K.張 申請人:通用電氣公司