[发明专利]超薄低阻氯碱全氟离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超薄低阻氯碱全氟离子交换膜及其制备方法，属于离子交换膜技术领域。本发明所述的离子交换膜，包括基膜，基膜的两面设有功能表面涂层，基膜由全氟磺酸聚合物层和全氟羧酸聚合物层组成，全氟磺酸聚合物层内设有多孔无纺聚合物层；功能表面涂层为全氟离子聚合物与金属氧化物的混合物构成的多孔粗糙结构。本发明所述的离子交换膜，不仅在提高交换膜机械强度的同时，降低了膜体电阻，而且降低了膜表面对气泡的粘附力，还提高了膜表面的有效电解面积，减少了局部极化现象，适合在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中运行，可显著降低槽电压，降低能耗；本发明同时提供了简单易行的制备方法。

技术领域

本发明涉及一种超薄低阻氯碱全氟离子交换膜及其制备方法，属于离子交换膜技术领域。

背景技术

在离子膜法氯碱生产中，为实现在高电流密度、低槽电压、与碱液浓度高的条件下进行电解，以达到提高生产率与降低电耗的目的，其关键在于缩短离子膜与电极间的距离，以降低其槽电压，使窄极距型的离子膜电解工艺达到实用化。

随着技术的不断进步，零极距电解槽已得到广泛应用，但当电极间的距离减少到小于2mm时，由于膜与阴极紧贴，而使膜面上粘附的氢气泡难于释放，故在面向阴极的膜面上积聚了大量的氢气泡。气泡阻碍了电流通道，使膜的有效电解面积减少，导致膜面上电流分布不均，局部极化作用明显增加。由此，反而使膜电阻与槽电压急剧增大，其电解电耗显著升高。

为了克服气泡粘附所带来的缺点，使粘附的气泡可以从膜表面快速释放，开发了亲水涂层方法。通过在膜表面制备一层由无机微纳米颗粒和具有离子传导功能的树脂，使膜表面粗糙化，能有效减少气泡的粘附。专利CA2446448、CA2444585介绍了采用无机材料为填充料制备了粗糙的亲水涂层，专利CN104018182介绍采用含氟树脂颗粒为填料制备粗糙的亲水涂层。为了达到足够的粗糙度，在涂层体积中需含有40％-90％的无机氧化物颗粒或含氟树脂颗粒作为填充料，然而无机氧化物颗粒或含氟树脂颗粒本身并没有传导离子的功能。大量的无离子传导能力的无机氧化物颗粒、含氟树脂颗粒，阻碍了离子传输路径，增加了膜电阻。

CN 104018182 B公开了一种用于氯碱工业的离子传导膜，该离子传导膜由全氟离子交换树脂基膜、多孔增强材料和全氟离子交换树脂微颗粒表面层组成，全氟离子交换树脂微颗粒表面层是通过将全氟离子交换树脂微颗粒溶解在水醇混合液中进行均一化处理，形成全氟离子交换树脂微颗粒分散液，然后将全氟离子交换树脂微颗粒分散液附着在全氟离子交换膜上形成的，所述的全氟离子交换树脂微颗粒是全氟羧酸树脂微颗粒或全氟磺酸羧酸共聚树脂微颗粒中的一种或两种与全氟磺酸树脂微颗粒的混合物。

涂层中材料的组成与涂层形貌共同决定了涂层表面对水下环境气泡的粘附能力。材料表面能越高亲水性越好，水下气泡越难粘附在其表面。含氟材料表面能较低，在水下对于一些尺寸较小的气泡很容易粘附。高分子材料具有较好的韧性，破碎成纳米级别的尺寸需要采用低温破碎技术，制造成本非常昂贵，很难批量生产全氟磺酸颗粒相比于电解液仍具有较高的电阻。

因此，开发一种超薄低阻氯碱电解槽离子交换膜，对降低电极表面过电位，降低膜体电阻，提升膜表面驱赶气泡附着性能，提高电解效率，具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术书中的不足，提供一种超薄低阻氯碱全氟离子交换膜，其不仅在提高交换膜机械强度的同时，降低了膜体电阻，而且降低了膜表面对气泡的粘附力，还提高了膜表面的有效电解面积，减少了局部极化现象，适合在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中运行，可显著降低槽电压，降低能耗；本发明同时提供了简单易行的制备方法。

本发明所述的超薄低阻氯碱全氟离子交换膜，包括基膜，基膜的两面设有功能表面涂层，基膜由全氟磺酸聚合物层和全氟羧酸聚合物层组成，全氟磺酸聚合物层内设有多孔无纺聚合物层；功能表面涂层为全氟离子聚合物与金属氧化物的混合物构成的多孔粗糙结构。