專利名稱：一種超高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜，屬于功能高分子復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氯堿工業(yè)中按照運(yùn)行的電流密度劃分，離子膜電解槽可劃分為高電流密度電解槽和一般電流密度電解槽。 二者的臨界點(diǎn)通常設(shè)定為4.0KA/m2。傳統(tǒng)的離子膜電解槽運(yùn)行的電流密度為3. 3KA/m2左右，而高電流密度離子膜電解槽運(yùn)行的電流密度一般為4. 0-6. OKA/m2 或更高。相對而言，高電流密度電解槽運(yùn)行具有以下優(yōu)勢1)可以強(qiáng)化生產(chǎn)能力，如4. 2KA/m2條件下運(yùn)行的電解槽要比3. 3KA/m2條件下運(yùn)行的電解槽提高燒堿產(chǎn)量約27. 3% ；2)可降低離子膜燒堿項(xiàng)目的一次性投資；3)節(jié)省項(xiàng)目的占地面積，便于項(xiàng)目建成后的管理；4)操作彈性大，有利于降低運(yùn)行成本。然而，要在高電流密度條件下運(yùn)行除了優(yōu)化電解槽材質(zhì)和結(jié)構(gòu)、優(yōu)化操作工藝和技術(shù)指標(biāo)、優(yōu)化鹽水品質(zhì)外，還需配用相應(yīng)的高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜。該膜不同于一般電流密度條件下運(yùn)行的離子膜，是因?yàn)楦唠娏髅芏入娊獠圻\(yùn)行的電流密度提高，必須提高單位時(shí)間進(jìn)入電槽鹽水的流量，這就要求離子交換膜具有更強(qiáng)的離子交換能力，即在單位時(shí)間內(nèi)讓更多的Na離子由陽極室穿過離子交換膜進(jìn)入陰極室。專利ZL200720010486. 2公開了一種氯堿行業(yè)使用的高電流密度擴(kuò)張陽極電解槽，是從電解槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上實(shí)現(xiàn)電解在高電流密度下安全穩(wěn)定運(yùn)行；據(jù)氯堿行業(yè)資料報(bào)導(dǎo)，國外的新一代高電流密度的離子交換膜采用更薄的膜層厚度和更細(xì)的增強(qiáng)纖維從而降低阻擋面積、提高通量，效果比較明顯，但膜的強(qiáng)度下降很多，壽命縮短；專利US2005/0279644A1公開了一種離子膜電解工藝，可以使離子膜適應(yīng)不同電流密度條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，但也只是通過離子膜與陽極間距的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，電流密度只提高到7KA/m2。通常來說，為了提高離子交換膜的離子通量，最簡潔的方法是采用高交換容量的磺酸或羧酸樹脂制備高交換容量的離子膜，但在實(shí)際的制備和應(yīng)用過程中會出現(xiàn)羧酸的交換容量太高而導(dǎo)致的陰極側(cè)對氫氧根的阻隔性能下降，導(dǎo)致氯氣中的氫氣過量；而單獨(dú)提高磺酸的交換容量又存在與羧酸樹脂不匹配而容易分層的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜及其制備方法，該膜在高于4. 0-6. OKA/m2的電流密度條件下，甚至超過8KA/m2的超高電流密度下，能夠表現(xiàn)出超常的槽電壓和電流效率優(yōu)勢，同時(shí)保證了膜強(qiáng)度。術(shù)語解釋超高電流密度，屬于在氯堿行業(yè)特定環(huán)境下的一種常規(guī)說法，傳統(tǒng)的離子膜電解槽運(yùn)行的電流密度為3. 3KA/m2左右，高電流密度離子膜電解槽運(yùn)行的電流密度一般為4. 0-6. OKA/m2，本發(fā)明所謂的超高電流密度指的是電解槽運(yùn)行的電流密度高于6. OKA/m2。但本發(fā)明所述的超高電流密度條件下運(yùn)行不僅限于電流密度高于6. OKA/m2，亦適于在高電流密度條件下運(yùn)行4. 0-6. OKA/m2。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜，該離子交換膜是依次由高交換容量的全氟磺酸樹脂膜、厚度為I 30微米的低分子量的全氟熱熔粘合劑高彈膜和低交換容量的全氟羧酸樹脂膜組成三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。其中，所述全氟熱熔粘合劑高彈膜是用全氟熱熔粘合劑熔融物的澆注、擠出、熱壓、旋涂、流延或噴涂工藝制備成膜；所述的全氟熱熔粘合劑為三元共聚物，分子量介于I 10萬，具有下式I所示的分子結(jié)構(gòu)，且具有-SO2F功能性穩(wěn)定端基，其中m=6 12 ；n=6 12。
權(quán)利要求
1.一種離子交換膜，其特征在于該離子交換膜是依次由高交換容量的全氟磺酸樹脂膜、厚度為I 30微米的低分子量的全氟熱熔粘合劑高彈膜和低交換容量的全氟羧酸樹脂膜組成三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜；其中，所述全氟熱熔粘合劑高彈膜是用全氟熱熔粘合劑熔融物通過澆注、擠出、熱壓、旋涂、流延或噴涂工藝制備成膜；所述的全氟熱熔粘合劑為三元共聚物，分子量介于I 10萬，具有下式I所示的分子結(jié)構(gòu)，且具有-SO2F功能性穩(wěn)定端基，其中m=6 12 ；n=6 12。
2.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的全氟粘合劑高彈膜具有離子交換功能，離子交換容量介于O. 8 1. 8mmol/go
3.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的高交換容量的全氟磺酸樹脂膜的交換容量介于1. O 1. 8mmol/go
4.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的低交換容量的全氟羧酸樹脂膜的交換容量介于O. 7 1. Ommol/go
5.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的高交換容量的全氟磺酸樹脂膜厚度介于40 200微米之間，優(yōu)選的，所述的高交換容量的全氟磺酸樹脂膜厚度為80 120微米。
6.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的全氟熱熔粘合劑高彈膜厚度為2 10微米。
7.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的低交換容量的全氟羧酸樹脂膜厚度介于I 50微米之間，優(yōu)選的，厚度介于5 20微米之間。
8.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述離子交換膜的全氟磺酸樹脂膜一側(cè)還熱壓有纖維網(wǎng)或微孔膜，形成增強(qiáng)型離子交換膜。優(yōu)選的，所述的增強(qiáng)材料材質(zhì)選自聚四氟乙烯(PTFE )、高氟烷乙烯醚(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP )或聚醚醚酮(PEEK)。
9.如權(quán)利要求1所述的離子交換膜，其特征在于，所述的離子交換膜的全氟磺酸樹脂膜和全氟羧酸樹脂膜之間的剝離強(qiáng)度大于40N/cm ;所述的離子交換膜用于氯堿電解裝置中，在6 20KA/m2的電流密度條件下運(yùn)行。
10.一種權(quán)利要求1所述的離子交換膜的制備方法，包括步驟如下首先，采用熔融擠出的方法制備全氟磺酸樹脂單膜和全氟羧酸樹脂單膜；其次，將全氟熱熔粘合劑通過擠出機(jī)熔融后，將熔體通過流延機(jī)頭在涂覆平臺的支撐下直接流延涂覆在全氟磺酸樹脂單膜的一個(gè)表面，形成全氟粘合劑高彈膜層；然后，涂覆粘合劑層的同時(shí)，將全氟羧酸樹脂膜覆蓋在高彈膜層表面，通過壓合的作用復(fù)合在一起形成三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超高電流密度條件下運(yùn)行的離子交換膜及其制備方法。該膜是依次由高交換容量的全氟磺酸樹脂膜、厚度為1-30微米的低分子量的全氟熱熔粘合劑高彈膜和低交換容量的全氟羧酸樹脂膜組成三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。該復(fù)合膜可采用纖維網(wǎng)或微孔膜增強(qiáng)形成增強(qiáng)型離子交換膜。本發(fā)明還提供所述離子交換膜的制備方法。本發(fā)明解決了高交換容量磺酸膜和低交換容量羧酸膜在高電流密度條件下由于離子通量差異大而導(dǎo)致的剝離和形變問題，在高達(dá)6-20KA/m2的運(yùn)行條件下具有優(yōu)異的電解性能。
文檔編號C25B13/08GK103014758SQ201210541109
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者王婧, 張永明, 張恒, 趙寬, 宗少杰 申請人:山東東岳高分子材料有限公司