Synthesis and study of multiphase materials polyalkyletherimides for gas permeation
Synthèse et étude de matériaux polyalkylétherimides multiphasés pour la perméation gazeuse
Résumé
The synthesis of polyamic acids (PAA) with oligo-oxyethylene and -oxypropylene rubbery blocks and the related polyimides (PEI) has been studied and their gas permeation properties determined for He, N2, O2, H2, CH4 and CO2. It was shown that the rubbery phase dramatically increased the gas permeability coefficients compared to conventional aromatic polyimides. The permeability of CO2 is preferentially increased in comparison to all other gases, leading to remarkable ideal selectivities, especially for the N2 mixture (40). The incorporation of silica nanoparticles in PEI (from 1 to 15 wt%) was carried out during the cyclo-dehydration of the PAA by adding fumed hydrophobic (16 nm) or hydrophilic (12 nm) silica, or by Sol-Gel approach using alkoxysilane precursors (TMOS and TEOS). The effect of SiO2-fillers on the properties of gas permeation has been studied by the time-lag method mainly on the series prepared with fumed silica. It was observed that nano-particles of silica do not seem to disturb the PAA cyclization process and that the mechanical properties are improved; the gas permeability varies essentially depending on the amount of fillers incorporated but no spectacular increase in permeability could be shown due to the nano-particles amounts. Apparently, it can be deduced that it is the rubbery phase which accommodates the SiO2 particles. These results showed the value of PEI and PEI/SiO2 membranes in industrial applications of gas separation, especially for the separation of CO2/N2 mixtures.
La synthèse d'acide polyamique (APA) comportant des blocs élastomères de type oligo-oxyéthylène et -oxypropylène et des polyimides correspondants (PEI) a été étudiée et leurs propriétés de perméation gazeuse déterminées pour He, N2, O2, H2, CH4 et CO2. Il a été montré que la présence de la phase élastomère augmentait de façon très importante les coefficients de perméabilité au gaz comparativement aux polyimides aromatiques conventionnels. La perméabilité du CO2, augmentée de façon préférentielle par rapport celles de tous les autres gaz, conduit à des sélectivités idéales tout à fait remarquables, en particulier vis-à-vis de N2 (40). L'incorporation de nanoparticules de silice dans les PEI (de 1 à 15% en masse) a été effectuée lors de l'étape de cyclo-déshydratation de l'APA, soit par ajout de silice hydrophobes (16 nm) ou hydrophiles (12 nm), soit par méthode Sol-Gel à partir de précurseurs alcoxysilanes (TMOS et TEOS). L'influence des charges SiO2 sur les propriétés de perméation gazeuse a été étudiée par la méthode du temps de retard (time-lag) essentiellement sur la série préparée avec des particules préformées. On a observé que les nano-charges de silice ne semblent pas interférer dans le processus de cyclisation et que les propriétés mécaniques sont renforcées ; la perméabilité aux gaz varie surtout selon la quantité de charges incorporées mais aucune augmentation spectaculaire de perméabilité n'a pu être observée. On peut en déduire que, vraisemblablement, c'est la phase élastomère qui est le lieu d'incorporation des particules de SiO2. Ces résultats montrent l'intérêt des membranes PEI et PEI/SiO2 dans des applications industrielles de séparation de gaz, notamment pour la séparation de mélanges CO2/N2.
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