一种全氟磺酸离子交换膜的制备方法
技术领域
本发明涉及离子交换膜制备领域,特别是一种全钒液流电池用全氟磺酸离子交换膜的制备方法。
背景技术
20世纪60年代,美国杜邦公司开发出商业化的全氟磺酸离子交换膜Nafion,其膜骨架为聚四氟乙烯结构,支链是端基为磺酸基团的全氟乙烯基醚结构,这种结构使得其具有优良的化学稳定性和热稳定性,并且具有良好的离子选择性。80年代开始,这种膜大规模的应用在氯碱工业和质子交换膜燃料电池中,对氯碱工业和能源工业的发展起到了极大的促进作用。
全氟磺酸离子交换膜常用的制备方法主要有两种:熔融挤出法和流延法。熔融挤出法是将全氟磺酸树脂(Nafion-H)在一定的温度下由挤出机直接挤出成形,挤出温度高于树脂的熔融温度并且低于其分解温度。这种方法可进行大批量、连续化生产,生产效率高,成膜尺寸大,但是此种方法工艺生产技术复杂,设备投资成本高,目前仅被美国杜邦、日本旭化成等少数几家公司所掌握,国内用熔融挤出法制备的膜经常出现“针眼”等缺陷,严重影响了膜的质量及成品率,因此多采用流延法成形;流延法是将全氟磺酸树脂溶解于适当的溶剂中制成制膜液(质量分数5%~10%),将制膜液在平整的固体表面流延,加热使溶剂挥发成膜,此种方法设备简单,工艺易行,但是需要使用大量有机溶剂,并且多了溶剂挥发的过程致使生产效率不高,成膜厚度难以均匀,且不能制备尺寸较大的膜,因此多用于小面积、小批量的实验室研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全氟磺酸离子交换膜的制备方法,用此方法制备的离子交换膜成膜尺寸较大,厚度均匀性好,工艺简单易行,生产效率高,可满足大规模工业化生产的需要。
本发明的技术方案是:
一种全氟磺酸离子交换膜的制备方法,具体包含以下步骤:
(1)将全氟磺酸树脂溶解于低沸点溶剂中,得到低固含量的溶液,固含量为3~15wt%;
(2)将(1)中溶液通过喷雾干燥或者过滤干燥得到全氟磺酸树脂粉末;
(3)将(2)中得到的树脂粉末常温下搅拌溶解于高沸点溶剂中,制备成高固含量高粘度的制膜液,固含量为25~50wt%,粘度为500~12000mPa·s;
(4)制膜液经去除气泡后在洁净的固体表面成膜,烘干后收卷得到全氟磺酸离子交换膜。
所述低沸点溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和水中的一种或两种以上任意比例混合物。
所述低沸点溶剂优选为水和乙醇、水和正丙醇、水和异丙醇的混合物之一,水与乙醇、正丙醇或异丙醇混合的体积比例1:9~9:1。
所述全氟磺酸树脂在低沸点溶剂中的溶解在密闭的高压釜中进行,溶解温度230~260℃,保温时间3~6h。
所述步骤(2)中,将溶液通过孔径1~80μm的滤膜进行过滤干燥,过滤后的固体置于通风处自然干燥,或者通过加热加速其干燥,加热温度不大于50℃。
所述步骤(2)中,将溶液过120目筛后进行喷雾干燥,进口温度小于240℃,优选为200~220℃,出口温度100~110℃,喷嘴内径0.4~0.8mm,旋风分离器压差160~200Pa,进液泵流速2~5L/min。
所述高沸点溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或者两种以上混合物。
所述步骤(4)中,采用真空、超声、静置中的一种或者两种以上方法去除制膜液中的气泡,真空去除气泡在气压低于100kPa的真空箱中进行。
所述步骤(4)中,在洁净的固体表面使用工具:刮刀、刮板或刮辊进行刮膜,或者用喷涂的方法制备隔膜,成膜厚度随意调整,优选50μm~150μm。
所述步骤(4)中,成膜的烘干温度为50~160℃,烘干时间1~6h。
本发明的优点和有益效果是:
1、基于流延法制膜的种种问题,本发明提出以下想法:制备高浓度的制膜液(质量分数大于25%)从而减少溶剂用量,缩短溶剂挥发时间,提高生产效率;使用刮刀\刮板\刮辊等工具代替简单的自流平控制膜的厚度和尺寸,从而提高成膜尺寸和精度。
2、本发明先将全氟磺酸树脂溶解于低沸点溶剂中,干燥后得到全氟磺酸树脂粉末,该粉末可在室温下溶解于高沸点溶剂中制备制膜液,得到的制膜液浓度大、粘度高,可满足刮膜法生产的要求,且制膜液制备过程中极性溶剂的使用量大大减少,保护了环境,降低了成本并提高了生产效率。使用本工艺制备全氟磺酸离子交换膜成膜尺寸范围宽,可生产尺寸较大的膜,膜厚度均匀且可随意调整,生产效率高,可实现大规模工业化生产。
具体实施方式
本发明中,除特别指明,涉及的百分数是指质量百分比。
实施例1
将20g全氟磺酸树脂与200ml乙醇和水的混合溶液混合,乙醇和水的体积比为5:5,放入密闭的反应釜中加热至240℃保温4h使树脂溶解。所得溶液经过80μm和3μm滤膜两次过滤,得到的固体于通风处自然干燥得到全氟磺酸树脂粉末。室温下将粉末在二甲基甲酰胺中搅拌3h得到固含量为30wt%,粘度为589mPa·s的制膜液,静置12h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,150℃保温120min使溶剂完全挥发,成膜厚度为90±5μm,所得膜厚度均匀,透明度高,无气泡针眼等缺陷。
实施例2
将20g全氟磺酸树脂与200ml水混合,放入密闭的反应釜中加热至260℃保温4h使树脂溶解。所得溶液经过80μm和3μm滤膜两次过滤,得到的固体于通风处自然干燥得到全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基甲酰胺中得到固含量48wt%,粘度为10890mPa·s的粘稠制膜液,静置12h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,150℃保温60min使溶剂完全挥发,所得隔膜厚度为90±5μm,清澈透明,厚度均匀,无气泡针眼等缺陷。
实施例3
将20g全氟磺酸树脂与200ml水混合,放入密闭的反应釜中加热至260℃保温4h使树脂溶解。所得溶液经过80μm和3μm滤膜两次过滤,得到的固体于通风处自然干燥得到全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基甲酰胺中得到固含量48wt%,粘度为10890mPa·s的粘稠制膜液,静置12h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,80℃保温5h使溶剂完全挥发,所得隔膜厚度为90±5μm,清澈透明,厚度均匀,无气泡针眼等缺陷。
实施例4
将20g全氟磺酸树脂与200ml正丙醇和水的混合溶液混合,正丙醇和水的体积比为1:9,放入密闭的反应釜中加热至240℃保温4h使树脂溶解,得到均匀的树脂溶液。所得溶液经过80μm和3μm滤膜两次过滤,得到的固体于通风处自然干燥得到全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基亚砜中得到固含量为40wt%,粘度为1369mPa·s的制膜液,将制膜液置于超声中振荡30min后再静置3h除去气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,150℃保温120min使溶剂完全挥发,成膜厚度90±5μm,所得膜厚度均匀,透明度高,无气泡针眼等缺陷。
实施例5
将30g全氟磺酸树脂与200ml异丙醇和水的混合溶液混合,异丙醇和水的体积比为7:3,放入密闭的反应釜中加热至260℃保温4h使树脂溶解,所得溶液经过80μm和3μm滤膜两次过滤,得到的固体于通风处自然干燥得到全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基亚砜中得到固含量为40wt%,粘度为1334mPa·s的制膜液,将制膜液置于气压80kPa的真空箱内2h去除气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,80℃保温6h使溶剂完全挥发,成膜厚度为90±5μm,所得膜厚度均匀,透明度高,无气泡针眼等缺陷。
实施例6
将200g全氟磺酸树脂与4L水混合,放入密闭的反应釜中加热至260℃保温4h使树脂溶解。将溶液过120目筛后进行喷雾干燥,进口温度220℃,出口温度110℃,喷嘴内径0.6mm,旋风分离器压差160Pa,进液泵流速2L/min,收集全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基甲酰胺中得到固含量40wt%,粘度为1489mPa·s的粘稠制膜液,超声30min后静置3h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,80℃保温5h使溶剂完全挥发,所得隔膜厚度为90±5μm,清澈透明,厚度均匀,无气泡针眼等缺陷。
实施例7
将200g全氟磺酸树脂与4L水混合,放入密闭的反应釜中加热至260℃保温4h使树脂溶解。将溶液过120目筛后进行喷雾干燥,进口温度220℃,出口温度110℃,喷嘴内径0.6mm,旋风分离器压差160Pa,进液泵流速2L/min,收集全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基甲酰胺中得到固含量40wt%,粘度为1489mPa·s的粘稠制膜液,超声60min后静置2h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上喷涂成膜,140℃保温2h使溶剂完全挥发,所得隔膜厚度为70±5μm,清澈透明,厚度均匀,无气泡针眼等缺陷。
实施例8
将300g全氟磺酸树脂与2L水和2L乙醇混合,放入密闭的反应釜中加热至240℃保温4h使树脂溶解。将溶液过120目筛后进行喷雾干燥,进口温度200℃,出口温度100℃,喷嘴内径0.6mm,旋风分离器压差200Pa,进液泵流速2L/min,收集全氟磺酸树脂粉末。将粉末溶解于二甲基甲酰胺中得到固含量30wt%,粘度为496mPa·s的制膜液,静置12h去除制膜液中的气泡,在洁净的玻璃板上刮膜成形,160℃保温3h使溶剂完全挥发,所得隔膜厚度为90±5μm,清澈透明,厚度均匀,无气泡针眼等缺陷。
实施例结果表明,本发明提供的全氟磺酸树脂的处理方法,可大大增加全氟磺酸树脂在二甲基甲酰胺等高沸点溶剂中的溶解度,减少了二甲基甲酰胺等极性溶剂的用量,大大提高了制膜液的粘度和固含量,用此制膜液制备的离子交换膜具有厚度均匀、易大规模大尺寸生产等优点。