專利名稱：：耐高溫堿性水電解槽隔膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種水電解槽隔膜及其制備方法，特別是涉及一種耐高溫堿性水電解槽隔膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng)，使得人們對(duì)能源的需求越來越大。目前以石油、煤為代表的化石燃料，一方面使用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，另一方面由于其不可再生性和有限的儲(chǔ)量，將帶來嚴(yán)重的能源危機(jī)。所以，發(fā)展清潔的可再生的新能源越來越迫切。氫以其清潔無污染，高效，可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，被視為最理想的能源載體。氫氣作為一種可燃性氣體，除用作無污染的能源之外，還用在電子、軍事、宇航、化學(xué)化工、冶金、建材、氣象和汽車等許多領(lǐng)域。制造氫氣的方法很多，其中電解水制氫技術(shù)發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用廣泛。當(dāng)兩個(gè)電極(陰極和陽極)分別通上直流電，并且浸入水中吋，水將被分解并在陰極和陽極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣，這個(gè)過程就是電解水，這樣的裝置則為水電解槽。目前市場(chǎng)上的電解槽可以分為三種堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)和固體氧化物電解槽。堿性電解槽是最早商業(yè)化的電解槽技術(shù)，雖然其效率是三種電解槽中最低的，但由于價(jià)格低廉，目前仍然被廣泛使用，尤其是在大規(guī)模制氫工業(yè)中，堿性電解槽的缺點(diǎn)是效率較低和使用石棉作為隔膜。隔膜在任何電解槽中都占有很重要的位置，它置于陽極、陰極之間，阻止陽極側(cè)氧氣和陰極側(cè)氫氣的混合，以保證氣體純度、提高電流效率和安全性。其具體要求為在100°。內(nèi)對(duì)30%的氫氧化鉀電解液的耐久性、耐氧化性、較小的離子通過阻力、高的電子通過阻力、被電解液高的起始可潤(rùn)濕性和永久可潤(rùn)濕性、較高的氣密性、較薄的厚度、高的機(jī)械穩(wěn)定性。由于技術(shù)的局限性，目前國(guó)內(nèi)主要制氫設(shè)備廠家仍舊采用石棉布作為隔膜，石棉隔膜在9(TC以下、309&的KOH溶液中耐腐蝕性能優(yōu)異，但其電阻較大，當(dāng)溫度過高、壓力增大時(shí)易溶解而造成對(duì)電解液的污染；且石棉具有致癌性，在開采和加工使用的過程中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，對(duì)人體造成危害。很多國(guó)家已經(jīng)提出要禁止石棉在堿性電解槽中的使用。因此尋求新的隔膜材料是十分迫切和必要的。意大利專利24836A/80介紹了--種以PTFE織物為基布表面涂以磺化PPS作親水改性的隔膜，這種隔膜耐腐蝕性能很好，但其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，需要在高溫高壓下進(jìn)行軋壓，隔膜尺寸受到—定限制，均一性差，且由于其采用的PTFE表面能很小，難于被粘結(jié)，它與PPS材料熱膨脹系數(shù)差異較大，故隔膜受熱易分層。美國(guó)專利US4895634采用純聚苯硫醚纖維制成機(jī)織布或非織氈，并釆用不同手段(磺化、碳酰化、磷?；?進(jìn)行親水改性，據(jù)專利稱其隔膜性能優(yōu)異，耐溫耐腐蝕，吸水率300%，氣體純度可達(dá)99.99%;但其隔膜厚度較大(約2min)，其親水后處理工藝較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)(約為2h)，且其專利未指出隔膜加工工藝。目前，采用針刺法非織造布聚苯硫醚(PPS)隔膜，在國(guó)內(nèi)尚屬首次，其制備方法的相關(guān)內(nèi)容也未見到公開。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有隔膜的不足之處，本發(fā)明提供了一種耐高溫堿性水電解槽隔膜及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的。一種耐高溫堿性電解槽隔膜，為針刺法非織造布聚苯硫醚(PPS)隔膜。一種耐高溫堿性電解槽隔膜的制備方法，該方法包括(1)纖維原料的選擇選用PPS纖維來制備非織造布基布。纖維長(zhǎng)度為2080mm，纖度為0.86.0dtex。(2)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)。(3)鋪網(wǎng)梳理后的單網(wǎng)經(jīng)過鋪網(wǎng)機(jī)鋪網(wǎng)制成所要求的幅寬和厚度的多層纖網(wǎng)。(4)加固.*將鋪好的多層纖網(wǎng)增強(qiáng)材料送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(5)后處理親水處理，將非織造布在70130°C，9098%的H2S04中進(jìn)行磺化處理2040分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。本發(fā)明制備方法工藝簡(jiǎn)單，且清晰明確，工業(yè)化實(shí)施容易，同吋操作方便，成本低廉；本發(fā)明制備方法工藝控制容易，因此可保證產(chǎn)品性能可靠，質(zhì)量穩(wěn)定。利用本發(fā)明制備方法所制得的耐高溫堿性水電解槽隔膜性能優(yōu)良，質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品的均勻性、厚度、強(qiáng)度、空隙率、氣密性、電阻、耐化學(xué)性等性能指標(biāo)均滿足要求。經(jīng)過進(jìn)一步處理(磺化處理)生產(chǎn)的隔膜完全滿足堿性水電解槽的使用要求，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過我國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JC/T211-2000隔膜石棉布標(biāo)準(zhǔn))的技術(shù)要求。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。一種耐高溫堿性電解槽隔膜，為針刺法非織造布聚苯硫醚(PPS)隔膜。不利的是，應(yīng)用于堿性電解制氫電解槽隔膜材料的PPS纖維是疏水性的，不能滿足被電解液快速和良好可潤(rùn)濕性的重要需求，然而，不良的可潤(rùn)濕性將導(dǎo)致運(yùn)行過程中氣泡的聚集，阻礙了離子的通過，增大了電阻，最終增大電解設(shè)備的能耗，故此，必須對(duì)隔膜進(jìn)行親水處理。本發(fā)明的耐高溫堿性水電解槽隔膜的制備方法主要包括五個(gè)步驟(1)纖維原料的選擇；(2)纖維的開松、混合、梳理、成網(wǎng)；(3)鋪網(wǎng)梳理后的單網(wǎng)經(jīng)過鋪網(wǎng)機(jī)鋪網(wǎng)制成所要求的幅寬和厚度的多層纖網(wǎng)；(4)針剌加固；(5)親水后處理。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，需要解決的技術(shù)問題主要有兩個(gè)非織造布隔膜的成網(wǎng)加固技術(shù)、隔膜后處理工藝選擇及工藝參數(shù)設(shè)定。本發(fā)明制備方法，要求所選用的纖維原料必須具有高溫下耐強(qiáng)堿，抗氧化性好，強(qiáng)度高，同時(shí)具備親水性好的特性。試驗(yàn)研究表明，聚醚醚酮纖維在50%的堿液IO(TC長(zhǎng)時(shí)間沸煮后無失重，無強(qiáng)度損失，且利于磺化反應(yīng)的順利進(jìn)行，易于接枝磺酸基團(tuán)，本發(fā)明選用聚苯硫醚纖維，纖維長(zhǎng)度為2080mm，纖度為0.86.0dtexc本發(fā)明重點(diǎn)解決的問題是非織造布隔膜的成網(wǎng)加固技術(shù)和親水處理工藝。作為堿性電解槽隔膜，要求材料具有一定的強(qiáng)度、孔隙率、厚度薄和具有較好的親水性以保證其具有較小的電阻以降低設(shè)備能耗。限于針刺加固工藝，產(chǎn)品厚度不能過小，且厚度過小會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，本發(fā)明力圖在保證產(chǎn)品強(qiáng)度的情況下盡量使其厚度最小。由于國(guó)內(nèi)對(duì)聚苯硫醚纖維的研究甚少，本發(fā)明采用磺化的方法對(duì)其進(jìn)行處理，不斷進(jìn)行工藝探索，最終找出最佳磺化工藝參數(shù)。本發(fā)明制備方法未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。利用本發(fā)明制備方法可制得本發(fā)明所述的堿性電解槽隔膜。與我國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC211石棉隔膜試驗(yàn)比較，本發(fā)明產(chǎn)品的性能要求均滿足堿性電解槽的使用要求。本發(fā)明產(chǎn)品具體指標(biāo)如表1所示。表i本發(fā)明產(chǎn)品與JC211石棉隔膜檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>注本發(fā)明產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度能夠滿足使用要求，JC211石棉隔膜的抗拉強(qiáng)度數(shù)值過剩。下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例選用PPS纖維生產(chǎn)堿性電解槽隔膜。實(shí)例一纖維長(zhǎng)度為40mm,纖度為l.ldtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)剌和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在70。C，98%的H2S0^中進(jìn)行磺化處理40分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。實(shí)例二纖維長(zhǎng)度為50mm,纖度為l.ldtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針剌機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在80。C,95%的H2S0^中進(jìn)行磺化處理30分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。實(shí)例三纖維長(zhǎng)度為60腿，纖度為3.0dtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有---定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在9(TC，90%的11^04中進(jìn)行磺化處理30分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。實(shí)例四纖維長(zhǎng)度為50mm，纖度為2.2dtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在130°C，98%的ILSC^中進(jìn)行磺化處理20分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。實(shí)例五纖維長(zhǎng)度為70mm，纖度為4.4dtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在100°C，98%的H2S0^中進(jìn)行磺化處理20分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。實(shí)例六纖維長(zhǎng)度為38mm，纖度為1.5dtex。(1)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)并鋪網(wǎng)。(2)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)送入針剌機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布。(3)親水后處理將非織造布在8(TC，989G的H2S0,中進(jìn)行磺化處理20分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。權(quán)利要求1.一種耐高溫堿性水電解槽隔膜，其特征在于該隔膜為針刺法非織造布聚苯硫醚隔膜。2、一種耐高溫堿性水電解槽隔膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)纖維原料的選擇選用PPS纖維來制備非織造布基布，纖維長(zhǎng)度為2080mm，纖度為0.86.Odtex;(2)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)；(3)鋪網(wǎng)梳理后的單網(wǎng)經(jīng)過鋪網(wǎng)機(jī)鋪網(wǎng)制成所要求的幅寬和厚度的多層纖網(wǎng)；(4)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)增強(qiáng)材料送入針剌機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布；(5)后處理親水處理，將非織造布在70130°C，9098%的H2S04中進(jìn)行磺化處理2040分鐘；然后用30%氫氧化鉀溶液處理。全文摘要一種耐高溫堿性水電解槽隔膜，該隔膜為針刺法非織造布聚苯硫醚隔膜。其制備方法包括以下步驟(1)纖維原料選擇選用PPS纖維來制備非織造布基布；(2)梳理成網(wǎng)纖維原料經(jīng)過開松、混合，梳理機(jī)梳理成網(wǎng)；(3)鋪網(wǎng)梳理后的單網(wǎng)經(jīng)過鋪網(wǎng)機(jī)鋪網(wǎng)制成所要求的幅寬和厚度的多層纖網(wǎng)；(4)加固將鋪好的多層纖網(wǎng)增強(qiáng)材料送入針刺機(jī)，經(jīng)過預(yù)刺和正反面多道主刺，制成具有一定強(qiáng)力的非織造布；(5)后處理將非織造布在90～98％的H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>中進(jìn)行磺化處理；然后用30％氫氧化鉀溶液處理。本發(fā)明制備方法工藝簡(jiǎn)單，且清晰明確，工業(yè)化實(shí)施容易，同時(shí)操作方便，成本低廉；本發(fā)明制備方法工藝控制容易，因此可保證產(chǎn)品性能可靠，質(zhì)量穩(wěn)定。文檔編號(hào)C25B13/08GK101372752SQ20071005918公開日2009年2月25日申請(qǐng)日期2007年8月21日優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日發(fā)明者單明景,張興祥,彭富兵,焦曉寧,程博聞申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)