[发明专利]具有疏气泡功能的增强全氟羧酸离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于离子交换膜技术领域，具体涉及一种具有疏气泡功能的增强全氟羧酸离子交换膜及其制备方法。本发明所述的具有疏气泡功能的增强全氟羧酸离子交换膜，由全氟羧酸聚合物层、多孔增强材料层和功能表面涂层组成，其中功能表面涂层位于全氟羧酸聚合物层的上下表面，多孔增强材料包层埋在全氟羧酸聚合物层中；功能表面涂层是由全氟离子聚合物构成的多孔粗糙结构。本发明的具有疏气泡功能的增强全氟羧酸离子交换膜，在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中，能有效降低槽电压，减少电解能耗，降低生产成本，适用于电解氯化钠、氯化钾领域；本发明还提供其制备方法。

技术领域

本发明属于离子交换膜技术领域，具体涉及一种具有疏气泡功能的增强全氟羧酸离子交换膜及其制备方法。

背景技术

目前氯碱生产中使用的离子交换膜是具有不对称结构的多层复合膜，面对阴极一侧是全氟羧酸膜，它选择性高，能有效防止或减少OH-向阳极方向的渗透而引起离子膜电流的降低，从而使膜电流效率性能得到保证。但它含水较低，电阻较大，所以较薄，羧酸层厚度一般为35～80um。它面对阳极一侧为全氟磺酸层较厚，一般为250～350um，是保证膜机械强度的主要承担者，含水量较高，比电阻低，能在高电流密度下运行，对阳离子有高的选择透过性。由于全氟磺酸树脂与全氟羧酸树脂存在一定的不相容性，当所用的两种全氟碳树脂的IEC等电化学性能不相匹配时，在电解过程中由于两种基膜的离子迁移数差异过大，以及在两种基膜间水渗透量不平衡而产生较大的应力，都会引起复合膜层的起泡与剥离。

而全氟磺酸离子交换膜应用于氯碱电解槽和燃料电池时，在组装和操作过程中都要受到一定的力学冲击。用于燃料电池中时，制备膜电极的热压过程会使离子膜受到机械力的作用，在使用过程中又会受到阴极和阳极气体压力差所产生的拉力和由于湿度变化引起的膜膨胀和收缩力。用于氯碱电解槽时，离子膜在电解过程中要承受强烈的水合离子定向渗透的传质力与一定液压的应力冲击，当膜表面机械强度不够而受力变形时，会引起电流密度和槽电压不稳定。

此外，通过降低阳极与阴极之间的槽间距可有效降低槽电压。但当电极间的距离减少到一定距离时，由于膜紧贴在电极上，电解过程中产生的气泡极易粘附在膜表面难以释放。大量气泡聚集在膜表面阻碍了电流通道，使膜的有效电解面积减小，局部极化作用明显增加，反而使槽压升高。

CN101768758B中公开了一种微孔膜增强电解用阳离子透过复合膜。该复合膜由全氟离子交换膜、微孔膜增强材料和气体释放涂层组成，将全氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂制备成膜，在磺酸膜层一侧与膜增强材料进行热压复合成膜；在NaOH或KOH溶液中进行水解转型后在所得膜两侧喷雾或刷涂气体释放涂层，经干燥处理后，制得电解用阳离子透过复合膜。本发明制备的微孔膜增强电解用阳离子透过复合膜具有高的电流效率、低的膜电阻和高的机械强度。

CN106268363A本发明公开了一种网布增强含氟离子交换复合膜及其制备方法，此膜含有增强网布和离子交换层，增强网布由聚四氟乙烯纤维编织而成，离子交换层包括含氟磺酸离子交换膜和全氟羧酸离子交换膜。用极性溶剂溶解含氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂分别制备成溶液；将增强网布进行亲水化预处理；在钢带流延机上重复多次流延，即可制得网布增强含氟离子交换复合膜。制备的网布增强全氟离子交换膜不仅可以减少全氟磺酸树脂的用量，从而降低离子交换膜的成本，同时又能保证离子交换膜应用时各个性能都符合要求。该制备方法工艺简单、成本低、劳动强度低、自动化程度高、操作简单，可实现大规模连续化生产，具有很好的工业应用前景，特别适合大规模工业化生产。

上述专利均是采用全氟磺酸离子交换膜和全氟羧酸离子交换膜复合作为基膜，在电解过程中由于两种基膜的离子迁移数差异过大，以及在两种基膜间水渗透量不平衡而产生较大的应力，容易引起复合膜层的起泡与剥离；此外，气体释放层的粗糙度较小，疏气泡性能较差，不能有效降低槽电压，减少电解能耗。

发明内容