[發(fā)明專利]一種陽離子交換膜成膜方法及由其制備的陽離子交換膜

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811452905.7
• 申請(qǐng)日: 2018-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN111249923B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王素力;馬文佳;孫公權(quán);李煥巧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): B01D71/34
• 分類號(hào): B01D71/34;B01D71/26;B01D67/00;B01J39/19
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種陽離子交換膜的成膜方法，1)配置陽離子交換樹脂溶液；2)將板狀工作電極和對(duì)電極垂直放入陽離子交換樹脂溶液中，電極的板面平行相對(duì)或相向放置，進(jìn)行電沉積，于工作電極上制得一含溶劑陽離子交換膜；3)將工作電極上的陽離子交換膜烘干后，將工作電極浸泡于水中10分鐘以上，將所得陽離子交換膜從工作電極上剝離；4)將剝離的陽離子交換膜置于0.01?2M酸溶液中，浸泡處理24小時(shí)以上，再利用水浸泡并超聲處理1小時(shí)以上，重復(fù)上述酸、水浸泡過程2?5次；烘干后獲得陽離子交換膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種陽離子交換膜的制備方法，涉及膜材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

陽離子交換膜是一種離子聚合物的半透膜，可裝配成電滲析器用于苦咸水的淡化和鹽溶液的濃縮。也可應(yīng)用于甘油、聚乙二醇的除鹽。此外，可設(shè)計(jì)用于質(zhì)子傳導(dǎo)隔絕氧或氫，主要應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極組(MEA)。

均相陽離子交換膜制備方法通常包括熔融擠出流延成膜工藝和溶液澆鑄流延成膜工藝。

熔融擠出流延成膜工藝具有厚度均勻，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列陽離子交換膜即是采用這一工藝。該工藝對(duì)工藝條件和成膜設(shè)備要求很高，且僅適合熱塑性陽離子聚合物，不適合具有芳香結(jié)構(gòu)的陽離子聚合物，如磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亞胺、磺化聚苯乙烯、磺化聚苯醚。

溶液澆鑄流延成膜工藝是指在將樹脂溶液在平面基底上澆鑄刮平，經(jīng)溶液揮發(fā)后加熱成膜的工藝。成膜工藝包括溶液配制、流延成膜和溶劑揮發(fā)三個(gè)步驟。該方法適合大多數(shù)的陽離子聚合物，但該方法需要對(duì)蒸發(fā)的溶劑進(jìn)行回收，否則容易造成環(huán)境污染。

增強(qiáng)陽離子交換膜是為提高膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性開發(fā)的基于多孔支撐材料和陽離子交換樹脂的新型復(fù)合膜。制備復(fù)合膜工藝包括層壓法，浸漬法和噴涂法。

層壓法是將熔融擠出流延法制得的陽離子交換膜熱壓到多孔支撐層上，再通過涂布、浸漬或噴涂等工藝向多孔支撐材料內(nèi)部填充陽離子交換樹脂，因此該工藝對(duì)工藝條件和成膜設(shè)備要求很高，且僅適合熱塑性陽離子聚合物。噴涂法需要在多孔支撐材料兩側(cè)反復(fù)多次噴涂陽離子交換樹脂溶液，成膜效率低；浸漬法受重力影響全氟磺酸溶液堆積在膜的低點(diǎn)，制備的復(fù)合膜通常存在厚度不均的問題，且為獲得理想的厚度需要經(jīng)過反復(fù)浸漬。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服傳統(tǒng)陽離子交換膜制備工藝的不足，采用電沉積。用電沉積法制備陽離子交換膜，通過控制電流或電壓，配合溶液組分、電極在溶液中的浸潤面積、電極距離和沉積時(shí)間調(diào)變，制備不同厚度的陽離子交換膜。

一種陽離子交換膜的成膜方法，包括以下步驟：

1)配置陽離子交換樹脂溶液；

2)將板狀工作電極和對(duì)電極垂直放入陽離子交換樹脂溶液中，板面平行相對(duì)或相向放置，進(jìn)行電沉積，于工作電極上制得一含少量溶劑的陽離子交換膜。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在浸漬于陽離子交換樹脂溶液的電極表面原位成膜；

3)將工作電極上的陽離子交換膜烘干后將工作電極浸泡于水中 10分鐘以上，將所得陽離子交換膜從工作電極上剝離。該方法僅需蒸發(fā)少量的溶劑獲得干膜，與溶液澆鑄流延成膜工藝、浸漬工藝和噴涂工藝相比，大大減少了揮發(fā)溶劑的回收成本；

4)將剝離的陽離子交換膜置于0.01-2M酸溶液中，浸泡處理24 小時(shí)以上，再利用水浸泡并超聲處理1小時(shí)以上，重復(fù)上述酸、水浸泡過程2-5次；烘干后獲得陽離子交換膜。

所述陽離子交換樹脂為全氟磺酸樹脂、全氟磺酰亞胺磺酸樹脂、部分含氟磺酸樹脂、部分含氟磺酰亞胺磺酸樹脂、磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亞胺、磺化聚苯乙烯、磺化聚苯醚中的一種或二種以上，所述陽離子交換樹脂溶液的質(zhì)量固含量為1-25％。本發(fā)明可以對(duì)成本高的Nafion系列膜進(jìn)行回收利用，首先將Nafion系列膜溶解，再利用電沉積方法成膜，從而降低成本。