DD209639A5 - POLYMERS - Google Patents
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Abstract
HYDROPHILES MIKROPOROESES DIAPHRAGMA AUS EINEM FLUORHALTIGEN SUBSTRAT, DEM VERMITTELS BESTRAHLUNGS-KOPFROPFUNG EIN GEMISCH AUS MONOMEREN AUFPOLYMERISIERT WORDEN IST, WELCHES MINDESTENS EIN FUNKTIONELLES MONOMER D. FORMEL I CF TIEF 2 = CF(CF TIEF 2) TIEF N A, DER FORMEL II CF TIEF 2 = CF-O-(CFX-CFX) TIEF M A, EINE DIKARBONSAEURE, WELCHE D. GRUPPE DER FORMEL III -R HOCH 3(COOH)-R HOCH 4(COOH)- SOWIE ZUMINDESTENS EIN NICHTFUNKTIONELLES MONOMER D. FORMEL IV CY TIEF 2 = CYZ ODER DER FORMEL V ENTHAELT, WOBEI DAS MOLARE VERHAELTNIS VON KO-GEPFROPFTEM FUNKTIONELLEN MONOMER ZU NICHTFUNKTIONELLEM MONOMER IM BEREICH VON 2:1 BIS 1:20 LIEGT. DIESE DIAPHRAGMEN WEISEN EINE VERBESSERTE BENETZBARKEIT FUER EINE VERBESSERTE LEISTUNG IN CHLOR-ALKALI-ZELLEN AUF.HYDROPHILIC MICROPOROESES DIAPHRAGM MADE FROM A FLUOROUS SUBSTRATE, TO WHICH AT LEAST ONE FUNCTIONAL MONOMER D. FORMULA I CF LOW 2 = CF (CF LOW 2) LOW NA, THE FORMULA II CF LOW 2 = CF-O- (CFX-CFX) DEEP MA, A DIKARBONIC ACID, THE D. GROUP OF FORMULA III-H HIGH 3 (COOH) -R HIGH 4 (COOH) - AND AT LEAST ONE NON-FUNCTIONAL MONOMER D. FORMULA IV CY LOW 2 = CYZ OR THE FORMULA V CONTAINS THE MOLARE RATIO OF COPIED FUNCTIONAL MONOMER TO NON-FUNCTIONAL MONOMER IN THE FIELD OF 2: 1 TO 1:20. THESE DIAPHRAGMS HAVE IMPROVED BENEFICIENCY FOR IMPROVED PERFORMANCE IN CHLORINE ALKALI CELLS.
Description
242328 1 Berlin, den 27. 10. S3242328 1 Berlin, 27.10. S3
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Polymerepolymers
Anwendungsgebiet field of use der the Erfindunginvention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, hydrophobe Fluorpolymere hydrophil zu machen.The present invention relates to a method of rendering hydrophobic fluoropolymers hydrophilic.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von hydrophilen Fluorpolymeren, welche für den Einsatz als mikroporöse Diaphragmen in elektrochemischen Zellen geeignet sind, wobei es sich speziell um "jene Zellen handelt, die zur Elektrolysierung von"Alkalimetallchlorid-Lösungen verwendet werden.In particular, the present invention relates to a process for the preparation of hydrophilic fluoropolymers which are suitable for use as microporous diaphragms in electrochemical cells, specifically those "cells which are used to electrolyze" alkali metal chloride solutions.
Elektrolytische Zellen werden gewöhnlich verwendet, um durch Elektrolyse einer Alkalimetallchlorid-Lösung Chlor sowie eine Alkalimetallhydroxid-Lösung herzustellen. Derartige Zellen sind als Chlor-Alkali-Zellen bekannt. In der vorliegenden Beschreibung wird auf Chlor-Alkali-Zellen sowie auf Verfahren Bezug genommen, die für elektrolytische Zellen im allgemeinen und besonderen typisch sind.Electrolytic cells are commonly used to produce chlorine and an alkali metal hydroxide solution by electrolysis of an alkali metal chloride solution. Such cells are known as chlor-alkali cells. In the present specification reference is made to chlor-alkali cells as well as to processes which are typical of electrolytic cells in general and in particular.
Es gibt drei allgemeine Typen von Chlor-Alkali-Zellen: "Quecksilber"-Zellen, "Diaphragma"-Zellen und die erst in neuerer Zeit entwickelten "Merabran"-Zellen.There are three general types of chlor-alkali cells: "mercury" cells, "diaphragm" cells and the more recently developed "merabran" cells.
Bei den Membranzellen sind die Anoden und Katoden durch kationenaktive permselektive Membranen voneinander getrennt;In the membrane cell, the anodes and cathodes are separated by cation-active permselective membranes;
λ unw λ η λλ unw λ η λ
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dabei handelt es sich um Membranen, welche dergestalt selektiv permeabel sind, so daß sie das Hindurchtreten lediglich von. positiv aufgeladenen Ionen gestatten, wohingegen der Masseelektrolyt nicht passieren kann, Kationenaktive selektiv permeable Membranen, die zur Verwendung in Chlorzellen geeignet sind, umfassen beispielsweise jene Membranen, die aus synthetischem organischem kopolymerem Material mit Gehalt an kationenaustauschenden Gruppen wie etwa Sulfonate Karboxylat und Phosphanat hergestellt sind. Perm-selektive Membranen sind nicht porös.these are membranes which are selectively permeable so that they pass only from. For example, cationic selectively permeable membranes suitable for use in chlorine cells include those membranes made from synthetic organic copolymeric material containing cation-exchanging groups such as sulfonate carboxylate and phosphanate. Perm-selective membranes are non-porous.
Andererseits gestatten Diaphragraazellen, bei denen die Anoden und Katoden durch poröse^Diaphragmen voneinander separiert sind» die Passage sowohl positiver als auch negativer Ionen wie auch das Hindurchtreten des Elektrolyts.On the other hand, diaphragmatic cells in which the anodes and cathodes are separated by porous diaphragms permit the passage of both positive and negative ions as well as the passage of the electrolyte.
Beim Betreiben einer Diaphragmazelle zur Elektrolyse von Alkalimetallchlorid-Lösungen zwecks Gewinnung von Chlor und Alkalimetailhydroxiden ist es erforderlich t daß der Fluß der Lösungen durch das gewundene mikroporöse Diaphragma nicht durch Gasblasen im porösen Netzwerk behindert wird.When operating a diaphragm cell for the electrolysis of alkali metal chloride solutions in order to produce chlorine and Alkalimetailhydroxiden it is required t that the flow of solutions through the tortuous microporous diaphragm is not impeded by gas bubbles in the porous network.
Im allgemeinen sind aus Asbestfasern hergestellte Diaphragmen verwendet worden, die ihrerseits unter den Nachteilen leiden, daß:In general, diaphragms made of asbestos fibers have been used, which in turn suffer from the disadvantages that:
1) die Lebensdauer des faserigen Asbest-Netzwerkes in den Chlor-Alkali-Zellen .begrenzt ist;1) the lifetime of the fibrous asbestos network in the chlor-alkali cells is limited;
2) die Handhabung von Asbestfasern unter Umweltgesichtspunk-2) the handling of asbestos fibers under environmental aspects
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ten oftmals unerwünscht ist; undoften undesirable; and
3) die Dicke der faserigen Substanz häufig jenes Maß begrenzt, auf welches der Abstand zwischen den Elektroden reduziert werden kann.3) the thickness of the fibrous substance often limits the extent to which the distance between the electrodes can be reduced.
Alternativ dazu sind Diaphragmen vorgeschlagen worden, die aus Fluorpolymer-Substanzen in Bogen- oder Faserform bestehen und die gegenüber den Zellflüssigkeiten reaktionslos sind. Derartige Diaphragmen leiden indes unter der Schwierigkeit, daß sie hydrophob und mit Alkalimetallchlorid- und -hydroxidlösungen nur schwer zuebefeuchten sind und daß sie infolgedessen dazu neigen, gasgefüllt Blasen im porösen Netzwerk des Diaphragmas zu entwickeln. Dies kann zur Blockierung des Diaphragmas, zu hohen Spannungen und zum Vermischen der Produktgase Wasserstoff und Chlor führen.Alternatively, diaphragms consisting of fluoropolymer substances in sheet or fiber form and which are non-reactive with the cell fluids have been proposed. However, such diaphragms suffer from the problem that they are difficult to moisten hydrophobic and alkali metal chloride and -hydroxidlösungen to e and that they tend consequently to bubbles filled with gas to develop in the porous network of the diaphragm. This can lead to blockage of the diaphragm, high voltages and mixing of the product gases hydrogen and chlorine.
Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, derartige Diaphragmen hydrophil zu machen. Beispielsweise beschreiben das UK-Patent 1 031 046 und das Belgische Patent 794 SS9 der ICI Ltd. Prozesse fur mikroporöse Schichtdiaphragmen-, denen ein hydrophiler teilchenförmiger anorganischer Zusatzstoff wie etwa Titaniumdioxid beiaeaeben wird, um der Diaphragmamatrix Hydrophilität zu verleihen. Zum gleichen Zweck sind auch andere Additive wie etwa oberflächenaktive Stoffe vorgeschlagen worden. Derartige Additive haben den Nachteil, daß sieVarious methods have been proposed for rendering such diaphragms hydrophilic. For example, UK Patent 1,031,046 and Belgian Patent 794 SS9 of ICI Ltd. describe. Processes for microporous layer diaphragms to which a hydrophilic particulate inorganic additive such as titanium dioxide is added to impart hydrophilicity to the diaphragm matrix. For the same purpose, other additives such as surfactants have also been proposed. Such additives have the disadvantage that they
1) im allgemeinen die Bearbeitung der Fluorpolymers zur Faser- oder Schichtform nachteilig beeinflussen;1) generally adversely affect the processing of the fluoropolymer to the fiber or sheet form;
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2) durch den Fluß durch das Diaphragma leicht ausgelaugt werden und2) are easily leached by the flow through the diaphragm and
3) das anfängliche Befeuchten des gewundenen mikroporösen Netzwerkes in befriedigendem Maße nur schwer ermöglichen.3) to satisfactorily facilitate the initial moistening of the tortuous microporous network to a satisfactory degree.
Ziel der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu vermeiden.The aim of the invention is to avoid the disadvantages described.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue hydrophile Fluorkohlenstoff-Membranen zur Verwendung in Chlor-Alkali-Elektrolysezellen zu entwickeln, sowie ein Verfahren, hydrophobe Fluorkohlenstoff-Polymere vermittels Pfropfkopolymerisation bestimmter Monomere an das hydrophobe Fluorkohlenstoff-Polymersubstrat hydrophil zu machen.It is an object of the present invention to develop novel hydrophilic fluorocarbon membranes for use in chlor-alkali electrolysis cells and a process of rendering hydrophobic fluorocarbon polymers hydrophilic by graft copolymerizing certain monomers to the hydrophobic fluorocarbon polymer substrate.
Erfindungsgemäß wird ein hydrophiles fluorpolymeres Diaphragma geschaffen, welches ein fluorhaltiges Substrat beinhaltet, dem durch Strahlungs-Kopfropfung ein Gemisch aus Monomeren angelagert worden ist, welches mindestens ein funktionales Monomer aus der Gruppe von Verbindungen der Formel IAccording to the present invention, there is provided a hydrophilic fluoropolymeric diaphragm comprising a fluorine-containing substrate to which has been added by radiation grafting a mixture of monomers containing at least one functional monomer selected from the group of compounds of formula I.
CF2 = CF(CF2JnA : CF 2 = CF (CF 2 J n A :
und der Formel IIand the formula II
CF2 = ' CF-O-(CFX-CFX)mACF 2 = 'CF-O- (CFX-CFX) m A
umfaßt,comprises
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24 2 3 28 1 -β-24 2 3 28 1 -β-
in welchen A für Karboxyl, Alkoxykarbonyl, Hydroxyalkoxykarbonylv, Zyano, Hydroxysulfonyl, Fluorsulf onyl oder die Gruppe -CO-NR1R2 steht, wobei in letzterer Formel R1 und R2 unabhän gig voneinander unter Wasserstoff und einem C1 ,.. Cg-Alkyl ausgewählt werden;in which A represents carboxyl, Alkoxykarbonyl, Hydroxyalkoxykarbonyl v, cyano, hydroxysulfonyl, Fluorsulf onyl or the group -CO-NR 1 R 2, in which latter formula R 1 and R 2 inde gig from hydrogen and a C 1, .. C g alkyl can be selected;
(' ein X steht für Fluor, das andere X wird unter Chlor, Fluor und einer Trifluormethyl-Gruppe ausgewählt; η ist ein Ganzzahliges von 1 ... 12; m ist ein Ganzzahliges von 1 ... 3; das Diaphragma beinhaltet des weiteren ungesättigte Dikarbon säuren oder deren Derivate, welche die Gruppe aer Formel III enthalten('an X is fluorine, the other X is selected from chloro, fluoro and a trifluoromethyl group, η is an integer from 1 to 12, m is an integer from 1 to 3, the diaphragm further includes unsaturated dicarboxylic acids or their derivatives which contain the group aer formula III
- C C -- C C -
I 1I 1
COOH COOHCOOH COOH
in welcher R und R - einander gleich oder ungleich - für Wasserstoff, Fluor und Chlor bzw, Wasserstoff, Fluor, Chlor und eine C. ... Cc-Alkylgruppe oder eine halogenierte.C^ ... Cg-Alkyigruppe stehen oder die gemeinsam eine Doppelbindung bilden; es beinhaltet weiter zumindest ein nichtfunktionelles Monomer aus der Gruppe der aliphatischen Vinylraonomere der Formel IVin which R and R - identical or unequally - or represents hydrogen, fluorine and chlorine, hydrogen, fluorine, chlorine and C ... C c alkyl group or a Cg-halogenierte.C ^ ... are Alkyigruppe or together form a double bond; it also contains at least one non-functional monomer from the group of aliphatic vinylaronomers of formula IV
CY0 = CYZCY 0 = CYZ
sowie aromatische Vinylmonomere der Formel Vand aromatic vinyl monomers of the formula V
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in denen Y Wasserstoff oder Fluor darstellt, Z für Wasserstoff, Fluor oder Chlor steht und W Wasserstoff, ein C1 ... Cg-Alkyl, C2 ... C ,--Alkenyl, ein halogeniertes C. ... C,--Alkyl oder ein halogeniertes C^ ... Cg-Alkenyl repräsentiert.in which Y is hydrogen or fluorine, Z is hydrogen, fluorine or chlorine and W is hydrogen, a C 1 ... Cg-alkyl, C 2 ... C, - alkenyl, a halogenated C... C, --Alkyl or a halogenated C ^ ... Cg alkenyl.
Mit dem Begriff "funktioneile Monomere" wird auf die Anwesenheit der Kationenaustausch-Gruppen im Monomer wie etwa auf Karbonsäure und Sulfonsäure Bezug genommen; oder es wird Bezug genommen auf Gruppen, welche leicht zu Kationenaustauschgruppen umgewandelt werden können, wie dies beispielsweise bei Karbonsäureestern und -amiden sowie -nitrilen der Fall ist. Der Begriff "nichtfunktionelle Monomere" bezeichnet das Fehlen jedweder Ionenaustauschgruppe in jenen Monomeren.By the term "functional monomers" is meant the presence of the cation exchange groups in the monomer such as carboxylic acid and sulfonic acid; or reference is made to groups which can be easily converted to cation exchange groups, as is the case, for example, with carboxylic acid esters and amides and nitriles. The term "non-functional monomers" refers to the absence of any ion-exchange group in those monomers.
Das molare Verhältnis von ko-gepfropftem funktionellem Monomer zu nichtfunktionellem Monomer liegt im Bereich von 2 : bis 1 : 20. Vorzugsweise liegt das molare Verhältnis im Bereich von 2 : 1 bis 1:3.The molar ratio of co-grafted functional monomer to nonfunctional monomer is in the range of 2: to 1: 20. Preferably, the molar ratio is in the range of 2: 1 to 1: 3.
Bei dem bevorzugten fluorhaltigen Substrat handelt es sich um ein Homopolymer oder Kopolymer von fluoriertem Ethylen, insbesondere um ein Homopolymer oder ein Kopolymer von Vinylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Chlortrxfluorethylen oder Hexafluorpropylen, Typischerweise bevorzugte Substrate sind Polytetrafluorethylen (PTFE); Polychlortrifluorethylen (PCTFE) und FEP; letzteres ist der Triviainame für das !'Copolymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen, wobei das in das genannte Kopolymer inkorporierte Hexafluorpropylen in einem Bereich von 3,5 ... 12,5 % M/M vorliegt.The preferred fluorochemical substrate is a homopolymer or copolymer of fluorinated ethylene, especially a homopolymer or copolymer of vinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene or hexafluoropropylene. Typically preferred substrates are polytetrafluoroethylene (PTFE); Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) and FEP; the latter is the common name for the copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, with the hexafluoropropylene incorporated in said copolymer being present in a range of 3.5 to 12.5 % M / M.
Die bevorzugten funktioneilen Monomere der Formel I, wie sieThe preferred functional monomers of the formula I, as they
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in unserem Verfahren angewendet werden können, beinhalten Pentafluorbutensäure und C1.♦.Cg-Alkylpentafluorbutenoate wie etwa Methylpentafluorbutenoat und Ethylpentafluorbutenoat. Ein bevorzugtes funktionelles Monomer der Formel II ist Trifluorvinylsulfonylfluorid. Bevorzugte funktionelle Monomere der Formel III sind Maleinsäure, 1,2-Difluormaleinsäure, Azetylendikarbonsäure sowie von diesen Säuren abgeleitete Amide, Anhydride und C1...Cg-Aikylester.can be used in our process include pentafluorobutene acid and C 1, C 2-alkylpentafluorobutenoates such as methyl pentafluorobutenoate and ethyl pentafluorobutenoate. A preferred functional monomer of formula II is trifluorovinylsulfonyl fluoride. Preferred functional monomers of the formula III are maleic acid, 1,2-difluoromaleic acid, acetylenedicarboxylic acid and amides derived from these acids, anhydrides and C 1 ... Cg-Aikylester.
Bevorzugte nichtfunktionelle Monomere der Formel IV sind Tetrafluorethylen und Chlortrifluorethylen. Bevorzugte nicht· funktioneile Monomere der Formel V sind Styren und dessen halogenierte Derivate wie etwa o<#ß,ß-Trifluorstyren und Divinylbenzen sowie dessen halogenierte Derivate wie etwa qC ,ß#ß» C<' »ß' *ß'-Hexafluordivinylbenzen«Preferred non-functional monomers of the formula IV are tetrafluoroethylene and chlorotrifluoroethylene. Preferred non-· functional monomers of the formula V are styrene and its halogenated derivatives such as o <# ß, ß-Trifluorstyren and divinylbenzene and its halogenated derivatives such as QC, ß # ß "C <'»ß' * ß '-Hexafluordivinylbenzen "
Unter ko-gepfropften funktionellen und nichtfunktionellen Monomeren auf einem polymeren Substrat verstehen wir, daß die funktioneilen und nichtfunktionellen Monomere auf dem polymeren Substrat Kopolymer-Seitenketten dergestalt bilden, daß das funktionelle Monomer dem Substrat vermittels eines nichtfunktionellen Monomers angelagert wird.By co-grafted functional and non-functional monomers on a polymeric substrate we mean that the functional and non-functional monomers form copolymer side chains on the polymeric substrate such that the functional monomer is attached to the substrate via a non-functional monomer.
Die molekularen Strukturen des einen Typs der Harze des erfindungsgemäSen Diaphragmas können folgendermaßen schematisch dargestellt werden;The molecular structures of one type of the resins of the diaphragm of the present invention can be schematically represented as follows;
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(Polymersubstrat)(Polymer substrate)
(N)(N)
(F)(F)
(N)(N)
wobei F und N die von den funktioneilen bzw. nichtfunktionellen Monomeren abgeleitete mer-Einheiten darstellen; T ist eine polymere kettenabschließende Gruppe oder ein polymeres Substrat;wherein F and N represent the mer units derived from the functional and non-functional monomers, respectively; T is a polymeric chain terminating group or a polymeric substrate;
a, ο und d stehen für 1 oder mehr als 1, c ist Null oder 1 oder mehr als 1.a, ο and d are 1 or more than 1, c is zero or 1 or more than 1.
Es wird eingeschätzt, daß diese Darstellung nicht alle möglichen Konfigurationen der Seitenketten der Harze der vorliegenden Erfindung abdeckt; beispielsweise soll der Geltungsbereich der Erfindung auch jene Seitenketten mit umfassen, welche verzweigte Konfigurationen und/oder eine geordnete oder zufallsweise Verteilung der funktionellen und nichtfunktionellen.mer-cinheiten aufweisen ; das gleiche gilt für jene Seitenketten, die mehr als einen Typ von funktioneller Einheit und/oder mehr als einen Typ von nichtfunktioneller Einheit aufweisen.It is appreciated that this illustration does not cover all possible configurations of the side chains of the resins of the present invention; For example, the scope of the invention, those side chains comprise, which branched configurations, and / or an ordered or random manner the distribution is to have functional and nichtfunktionellen.mer-cinheiten; the same applies to those side chains which have more than one type of functional unit and / or more than one type of non-functional unit.
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In einer weiteren Verkörperung unserer Erfindung vermitteln wir ein Verfahren zur Herstellung eines hydrophilen fluorpolymeren Diaphragmas gemäß vorstehender Definition, wobei sich das Verfahren zusammensetzt aus der Strahlungs-Kopfropfung von mindestens einem funktioneilen Monomer gemäß vorstehender Beschreibung sowie der Kopfropfung von minde- ( '·; stens einem nichtfunktionellen Monomer vorstehender Beschreibung auf ein fluorpolymeres Diaphragma, welches seinerseits ein Polymer oder Kopolymer eines fluorierten Ethylens gemäß vorstehender Beschreibung umfaßt.In a further embodiment of our invention, we provide a process for producing a hydrophilic fluoropolymeric diaphragm according to the above definition, the method being composed of the radiation Kopfropfung of at least one functional monomer according to the above description and the Kopfropfung of minde- ( '·; least one non-functional monomer as described above on a fluoropolymeric diaphragm, which in turn comprises a polymer or copolymer of a fluorinated ethylene as described above.
Es ist ein Charakteristikum dieses Verfahrens, daß alle durch das Kopfropfungsverfahren gebildeten Seitenketten durch mindestens eine der nichtfunktionellen raer-Einheiten, die vom nichtfunktionellen Monomer abgeleitet sind, mit dem polymeren Substrat-Diaphragma verknüpft werden. Auf diese Weise liefert das nichtfunktionelle iMonomer eine Sindungsgruppe, durch welche die nichtfunktionellen Monomere auf das polymere Substrat aufgepfropft werden können.It is a characteristic of this method that all side chains formed by the grafting process are linked to the polymeric substrate diaphragm by at least one of the non-functional raer units derived from the non-functional monomer. In this way, the non-functional i-monomer provides a screening group by which the non-functional monomers can be grafted onto the polymeric substrate.
Bei diesem Verfahren werden das funktioneile monomere Material und das nichtfunktionelle monomere Material in derartigen Proportionen miteinander vermischt, daß das molare Verhältnis der vorhandenen Monomere im Bereich von 1 : 20 bis 9 : 1 liegt. Vorzugsweise befindet sich das molare Verhältnis im Bereich von 1 : 4 bis 4:1, noch besser aber werden die monomeren Stoffe in einem noch mehr an äquirnolare Verhältnisse angenäherter Proportion, d. h, im Bereich von 2 : 1 bis 1:2 miteinander vermischt, um die bevorzugten erfindungsgemäßen Harze zu gewinnen.In this process, the functional monomeric material and the non-functional monomeric material are mixed in proportions such that the molar ratio of the monomers present is in the range of from 1:20 to 9: 1. Preferably, the molar ratio is in the range of 1: 4 to 4: 1, but even better are the monomeric substances in a proportion even more approximate to equimolar ratios, i. h, in the range of 2: 1 to 1: 2 mixed together to obtain the preferred resins of the invention.
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Das Gemisch der monomeren Stoffe hat in flüssiger Form vorzuliegen; erforderlichenfalls ist ein herkömmliches Lösungsmittel einzusetzen, um eine Lösung der Stoffe zu erlangen. Üblicherweise wird eines der monomeren Materialien selbst die flüssige Phase liefern, welche das andere monomere Material auflöst.The mixture of monomeric substances must be in liquid form; if necessary, use a conventional solvent to obtain a solution of the substances. Usually, one of the monomeric materials will itself provide the liquid phase which dissolves the other monomeric material.
Andererseits und vorteilhaftervveise kann es sich bei dem eingesetzten Lösungsmittel um ein solches handeln, welches das Substratmaterial durchdringt und zum Quellen bringt, wodurch die Monomerlösung in die Lage versetzt wird, weitgehend vom Substratmaterial absorbiert zu werden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Toluen und Xylen sowie chlorierte Kohlenwasserstoffe wie-etwa Trichlortrifluorethan wie auch Oligomere von Tetrafluorethylen wie beispielsweise das Tetramer und Pentamer von Tetrafluorethylen.On the other hand, and more advantageously, the solvent employed may be one which penetrates and swells the substrate material, thereby enabling the monomer solution to be substantially absorbed by the substrate material. Suitable solvents include toluene and xylene, and chlorinated hydrocarbons such as trichlorotrifluoroethane as well as oligomers of tetrafluoroethylene such as the tetramer and pentamer of tetrafluoroethylene.
Es liegt des weiteren innerhalb des Geltungsbereiches der Erfindung, daß das Substratmaterial vor dem Zusetzen der Monomere mit derartigen Lösungsmitteln vorgequollen wird. Der Vorteil einer solchen Vorgehensweise besteht darin, daß nur minimale Lösungsmittelmengen eingesetzt werden müssen.It is further within the scope of the invention that the substrate material be pre-swollen prior to adding the monomers with such solvents. The advantage of such a procedure is that only minimal amounts of solvent must be used.
Es können sämtliche bekannten Methoden der Strahlungspfropfung angewendet werden. Beispielsweise können das Substrat und die monomeren Materialien gemeinsam einer kontinuierlichen oder intermittierenden Bestrahlung ausgesetzt werden, oder das Substrat kann auch vorbestrahlt werden, bevor es mit den monomeren Materialien in Berührung gebracht wird. Vorzugsweise werden das Substrat und die monomeren Materialien ge-All known methods of radiation grafting can be used. For example, the substrate and the monomeric materials may be co-exposed to continuous or intermittent irradiation, or the substrate may also be pre-irradiated before being contacted with the monomeric materials. Preferably, the substrate and the monomeric materials are
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meinsam bestrahlt; das Substrat wird in die die vermischten monomeren Stoffe enthaltende Flüssigphase eingetaucht, und das Ganze wird der Bestrahlung mit & -Strahlen, Röntgenstrahlen oder einem Elektronenstrahl - vorzugsweise aber mit α -Strahlen - ausgesetzt.jointly irradiated; the substrate is immersed in the liquid phase containing the mixed monomeric materials, and the whole is exposed to irradiation with & rays, X-rays or an electron beam, but preferably with α- rays.
( Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist unabdingbar» daß sowohl das funktioneile monomere Material als auch das nicht-funktionelle monomere Material während des Pfropfungsprozesses gemeinsam vorliegt, so daß die durch die Bestrahlung hervorgerufenen freien Radikale sowohl das Aufpfropfen der nichtfunktionellen Gruppen auf das Substrat als auch zusammenwirkend - die Kopolymerisation der funktionellen und nichtfunkticnellen monomeren Materialien zwecks Bildung der die erfindungsgemäßen Harze charakterisierenden Ketten in Gang setzen. Der Pfropfungsprozeß wird vorzugsweise in.Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt.(It is essential in the process of the invention that both the functional monomeric material and the non-functional monomeric material co-exist during the grafting process so that the free radicals produced by the irradiation will both graft the non-functional groups onto the substrate and cooperate initiate the copolymerization of the functional and non-functional monomeric materials to form the chains characterizing the resins of the invention The grafting process is preferably carried out in the absence of oxygen.
In jenen Fällen, in denen bei Pfropfungsprozeß ein Abkömmling des funktioneilen Monomers wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid verwendet wird, macht sich eine nachfolgende chemische Behandlung wie etwa eine Hydrolyse erforderlich, um den Dikarboxylat-Abkömmling in die aktive Säureform zu bringen.In those instances where a derivative of the functional monomer such as maleic anhydride is used in the grafting process, subsequent chemical treatment such as hydrolysis is required to bring the dikarboxylate derivative into the active acid form.
Es entspricht ebenfalls dem Geltungsbereich unserer Erfindung, wenn weitere kationenaustauschaktive Gruppen in die Harze eingeführt werden, welche - '.vie oben definiert - ein Substrat sowie funktioneile und nichtfunktionelle Gruppen beinhalten. Die zusätzlich aktiven Grupoen werden durch ehe-It is also within the scope of our invention to introduce further cation exchange active groups into the resins, which include a substrate as well as functional and non-functional groups. The additionally active Grupoen are replaced by
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mische Modifikation der bereits vorhandenen Gruppen eingeführt. So können beispielsweise die nichtfunktioneilen Gruppen in den Seitenketten sulfoniert und/oder karboxyliert werden, um aktive Harze mit gesteigerter Ionenaustauschkapazität und Benetzbarkeit zu ergeben.Mixed modification of existing groups introduced. For example, the non-functional groups in the side chains can be sulfonated and / or carboxylated to yield active resins with increased ion exchange capacity and wettability.
In einer weiteren Verkörperung unseres erfindungsgeroäSen Verfahrens werden die funktioneilen und nichtfunktionellen Monomere gemäß obiger Definition einer Strahlungs-Kopfropfung auf fluorpolymeres Substratmaterial in Teilchenform wie etwa in Form von Perlen oder Pulver ausgesetzt. Das ko-gepfropfte Produkt wird dann zu einem Diaphragma verarbeitet. Dies kann vermittels irgendeines der herkömmlichen Verfahren wie etwa durch ein Strecken des Harzes erfolgen. Im Vergleich zur direkten Ko-Pfropfung des vorgeformten Diaphragmas handelt es sich hierbei jedoch um die weniger bevorzugte Variante, da es bei der direkten Ko-Pfropfung möglich ist, die gewünschte Hydrophilität durch Aufpfropfung des monomeren Materials lediglich auf die Oberflächen der Hikroporen im Diaphragma zu erreichen, wodurch die Menge des benötigten monomeren Materials reduziert werden kann.In another embodiment of our process according to the invention, the functional and non-functional monomers as defined above are subjected to radiation grafting onto fluoropolymeric substrate material in particulate form such as in the form of beads or powder. The co-grafted product is then processed into a diaphragm. This can be done by any of the conventional methods, such as by stretching the resin. Compared to the direct co-grafting of the preformed diaphragm, however, this is the less preferred variant, since it is possible in the direct co-grafting to achieve the desired hydrophilicity by grafting the monomeric material only on the surfaces of the hikropores in the diaphragm , whereby the amount of required monomeric material can be reduced.
Die Strahlungs-Ko-Pfropfung der funktioneilen und nicntfunktionellen verbindenden Monomere auf das polymere Substrat scheint durch zwei miteinander konkurrierende Reaktionen bestimmt zu werden. Eine dieser Reaktionen ist die erwünschte Ko-Pfropfung des funktioneilen Monomers auf das nichtfunktionelle Bindungsmonomer, welches seinerseits auf das poly-Radiation co-grafting of the functional and non-functional linking monomers to the polymeric substrate appears to be determined by two competing reactions. One of these reactions is the desired co-grafting of the functional monomer onto the nonfunctional binding monomer, which in turn depends on the polyfunctional monomer.
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liiere Substrat gepfropft wird. Bei der zweiten Reaktion handelt es sich um die Kopolymerisation der Monomere. Da die Kopolymerisierungsrate größer sein kann als die erwünschte Ko-Pfropfung, vervollkommnen wir in einer bevorzugten Verkörperung das bereits beschriebene Verfahren der Sestrahlungs-Ko-Pfropfung von funktionellen und nichtfunktionellen Bindungsmonomeren auf fluorhaltiges polymeres Kohlenwasserstoff-Substrat insofern, als wir zumindest einen Polymerisationshemmer und zumindest einen Kettenüberträger zusetzenThe substrate is grafted. The second reaction is the copolymerization of the monomers. In a preferred embodiment, since the rate of copolymerization may be greater than the desired co-grafting, we complete the already described process of radiation co-grafting of functional and nonfunctional linking monomers to fluorine-containing polymeric hydrocarbon substrate insofar as we include at least one polymerization inhibitor and at least one polymerization inhibitor Add chain transfer
In dieser Verkörperung können höhere Stufen der Ko-Pfropfung erzielt werden; typischerweise wird der Grad der Anpolymerisierung um das Drei- und Mehrfache gesteigert. Die Harze aus unserem verbesserten Verfahren besitzen eine höhere Ionenaustauschkapazität; werden solche Harze in Diaphragmen zur Verwendung in elektrolytischen Zellen eingebaut, so werden in diesen Zellen beträchtlich bessere Leistungen erzielt. In this embodiment, higher levels of co-grafting can be achieved; typically the degree of copolymerization is increased by three or more times. The resins of our improved process have a higher ion exchange capacity; When such resins are incorporated in diaphragms for use in electrolytic cells, considerably better performance is achieved in these cells.
Die bevorzugten Polymerisationshemmer für den Einsatz in unserem erfindungsgemäßen Verfahren umfassen beispielsweise Quinon-Inhibitoren wie etwa p-Senzquinon, Napnthaqüinon und Hydroquinon in Anwesenheit von Sauerstoff; anorganische Inhibitoren wie etwa Kupferazetat sowie Verbindungen wie etwa 2,2,6,6-Tetramethyl-4-oxo-piperidin-i~oxid , 2,2,6,S-Tetramethylpiperazin-M-oxid und Ghloranil.The preferred polymerization inhibitors for use in our method of the invention include, for example, quinone inhibitors such as p-senzquinone, naphthaquinone and hydroquinone in the presence of oxygen; inorganic inhibitors such as copper acetate, and compounds such as 2,2,6,6-tetramethyl-4-oxopiperidine oxide, 2,2,6, S-tetramethylpiperazine M-oxide and ghloranil.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren angewendete Inhibitor-Konzentration liegt im Bereich von 0,001 ... 2 % M/M des Gesamtgemisches aus funktioneilen und 3indungsmonomeren sowie Donator-Akzeotor-Stoffen - vorzugsweise lieat sie imThe inhibitor concentration used in the method according to the invention is in the range of 0.001 to 2 % M / M of the total mixture of functional and monomer monomers and donor excimer substances - preferably they are present in the
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Bereich von O,01...0,5 % M/M.Range of O, 01 ... 0.5 % M / M.
Da die Sestrahlungs-Ko-Pfropfung vorzugsweise in einem flüssigen Medium durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn es sich bei den Kettenüberträgern ebenfalls um Lösungsmittel für die Monomere handelt. Bevorzugte Kettenüberträger-Lösungsraittel beinhalten beispielsweise Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Dimethylformamid und deren Gemische. Geeignete Geraische sind beispielsweise Chloroform. Tetrachlorkohlenstoff, Dimethylformamid und deren Mischungen. Geeignete Gemische sind beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff/Chloroform (1:1) und Tetrachlorkohlenstoff/Dimethylformamid (1 : 9). Die Konzentration der Monomere in den Kettenüberträger-Lösungsmitteln liegt im Bereich von 10...50 % M/M, vorzugsweise im Bereich von 30...50 % M/M,Since the radiation co-grafting is preferably carried out in a liquid medium, it is advantageous if the chain transfer agents are also solvents for the monomers. Preferred chain transfer solvent solvents include, for example, chloroform, carbon tetrachloride, dimethylformamide and mixtures thereof. Suitable geras are, for example, chloroform. Carbon tetrachloride, dimethylformamide and mixtures thereof. Examples of suitable mixtures are carbon tetrachloride / chloroform (1: 1) and carbon tetrachloride / dimethylformamide (1: 9). The concentration of the monomers in the chain transfer solvent is in the range of 10 to 50 % M / M, preferably in the range of 30 to 50 % M / M.
Feste Kettenüberträger sind weniger bevorzugt, da zusätzliche Lösungsmittel erforderlich werden können, um ein flüssiges Medium für die Bestrahlungs-Ko-Pfropfung zu schaffen. Werden feste Kettenüberträger eingesetzt, dann sollte das M/M-Verhältnis derartiger Kettenüberträger zu den Monomeren im gleichen Bereich liegen, wie er weiter oben für die bevorzugten Kettenüberträger-Lösungsmittel genannt worden ist.Solid chain transfer agents are less preferred because additional solvents may be required to provide a liquid medium for the radiation co-grafting. If solid chain transfer agents are used, then the M / M ratio of such chain transfer agents to the monomers should be in the same range as mentioned above for the preferred chain transfer solvent.
Erfindungsgemäße hydrophile Diaphragmen zeigen verbesserte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit durch die in elektrolytischen Zellen vorhandenen Flüssigkeiten; infolgedessen finden sie besondere Anwendung in Elektrolysezellen, Sie können darüber hinaus mit Mutzeffekt inHydrophilic diaphragms according to the invention show improved properties, in particular with regard to their wettability by the fluids present in electrolytic cells; As a result, they find particular application in electrolysis cells;
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anderen elektrochemischen Systemen Anwendung finden; so beispielsweise als Separatoren in Batterien, Brennstoffelementen und Elektrolysezellen«find other electrochemical systems application; for example as separators in batteries, fuel elements and electrolysis cells «
Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht, aber nicht eingegrenzt, in denen sich sämtliche Ionenaustauschkapazitäten auf hochalkalische Bedingungen beziehen; d. h, sämtliche Karbonsäure- und SuIfonsäure-Gruppen wirken als Austauschstellen. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich sämtliche Mengenanteile und Prozentsätze auf Massebasis.The invention will be illustrated but not limited in the following by examples in which all ion exchange capacities refer to highly alkaline conditions; d. h, all carboxylic acid and sulfonic acid groups act as exchange sites. Unless otherwise stated, all percentages and percentages are by weight.
100 g handelsübliches "KEL-F"-Pulver (registrierte Handelsbezeichnung für das Homopolymer von Chlortrirluorethylen), frei von Zusatzstoffen und mit einer Teilchengröße von etvia 150er Siebmaß wurden in Monochlorbenzen (300 ml) suspendiert, welches außerdem 10,0 g (0,096 Mol) Styren und 9,4 g(0,096 Mol) Maleinsäureanhydrid enthielt. Das Suspendieren erfolgte in einem Reaktionsgefäß, welches mit Rührvorrichtung, Gaseinlaß- und -auslaßöffnungen und Kühlvorrichtungen ausgestattet war. Oie Suspension wurde einer Garama-Bestrahlung ausgesetzt.100 g of commercial "KEL-F" powder (registered trade name for the homopolymer of chlorotrifluoroethylene), free of additives and with a particle size of about 150 sieve size, were suspended in monochlorobenzene (300 ml) which also contained 10.0 g (0.096 mol) Styrene and 9.4 g (0.096 mol) of maleic anhydride contained. The suspension was carried out in a reaction vessel equipped with stirrer, gas inlet and outlet ports and cooling devices. The suspension was exposed to Garama radiation.
Vor und während der Garnma-Bestrahlung wurde ein Stickstoff-Gasstrom durch den Gefäßinhalt hindurchgeperlt. Der GefäS-inhalt wurde bei ununterbrochenem Verrühren, auf 52,5 C erwärmt und über eine Gesamt-Zeitspanne von 4,5 hhinweg einer Gamma-Bestrahlung in einer Dosismenge von 250 krad/h ausgesetzt. Die bestrahlte Mischung erhielt die Gesamtdosis vonBefore and during the Garnma irradiation, a stream of nitrogen gas was bubbled through the contents of the vessel. The vial contents were heated to 52.5C with continuous stirring and exposed to gamma-irradiation at a dose level of 250 krad / hr for a total of 4.5 hours. The irradiated mixture received the total dose of
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1125 krad, daraufhin wurden Bestrahlung t Heizung und Verrühren eingestellt. Das gepfropfte Harzpulver wurde quantitativ in eine iVaschsäule übertragen und von nicht in Reaktion gegangenen Monomeren, Lösungsmittel und unerwünschten Nebenprodukten befreit. Abschließend wurde das Harz in die Säureform umgewandelt und im Trockenschrank bei 60 C getrocknet.1125 krad, then irradiation were adjusted t heating and stirring. The grafted resin powder was quantitatively transferred to an i.V. column and freed from unreacted monomers, solvents and undesirable by-products. Finally, the resin was converted to the acid form and dried in a drying oven at 60.degree.
Die prozentuale Aufpolymerisierung, berechnet durch Darstellen der i'lassezunahme an Harz als Prozentsatz der Masse des produzierten gepfropften Harzes, betrug 2,25 %» Die durch Titration ermittelte Ionenaustauschkapazität betrug 0,18 meq/g,The percent of grafting calculated by representing the increase in resin as a percentage of the mass of grafted resin produced was 2.25 %. The ion exchange capacity determined by titration was 0.18 meq / g.
Da die Ionenaustauschkapazität zur Menge des durch Aufpolymerisieren inkorporierten funktionellen Monomers (Maleinsäureanhydrid) in Beziehung steht, liefert sie ein Maß für die Hydrophilität, die durch das erfindungsgemäße Sestrahlungs-Ko-Pfropfungsverfahren erzielt wurde. Unter Voraussetzen äquiraolarer Proportionen der Gruppen, wie sie von den Styren- und den Maleinsäureanhydridmonomeren in den polymeren Seitenketten abgeleitet wurden, welche auf das "KEL-F"-Skslett aufgepfropft sind, würde die theoretische Ionenaustauschkapazität eines Harzes mit einer 2,25^icsn Aufpfropfung 0,20 mg/g betragen. Die Prüfung dos Infrarotspektrums des Produktes hat das Vorhandensein von Dikarbonsäure und Styren in der molekularen Struktur des Harzes gezeigt.Since the ion exchange capacity is related to the amount of functional monomer incorporated by grafting (maleic anhydride), it provides a measure of the hydrophilicity achieved by the radiation co-grafting method of the present invention. Assuming equi-polar proportions of the groups as derived from the styrenic and maleic anhydride monomers in the polymeric side chains grafted onto the "KEL-F" skeleton, the theoretical ion exchange capacity of a grafted-on resin would be 2.25 g 0.20 mg / g. Infrared spectrum testing of the product has demonstrated the presence of dicarboxylic acid and styrene in the molecular structure of the resin.
Bei Einbringung in ein 25;iM/M Natriumchlorid enthaltendes wäßriges Medium wurde das hydrolysierte Harz durch die Lösung benetzt und sank auf den Grund der Lösung, -Das Fluor-When added to an aqueous medium containing 25, iM / M sodium chloride, the hydrolyzed resin was wetted by the solution and sank to the bottom of the solution, -The fluoro
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polymer-Pulver konnte vor der Aufpfropfung und Hydrolysierung nicht durch die Lösung benetzt werden und hatte einen weißen Oberflächenfilm auf der Flüssigkeit gebildet.Polymer powder could not be wetted by the solution prior to grafting and hydrolyzation and had formed a white surface film on the liquid.
Dieses Harz wird zur Erzeugung einer Folie gepreßt, sodann wird vermittels einer im Fachgebiet bekannten Technik wie etwa durch Kalandern ein mikroporöses Diaphragma hergestellt, wobei die Folie X-Y-dimensional gestreckt wird, bis die gewünschte Porengröße erreicht ist. Das Diaphragma wird durch aufeinanderfolgende Schichten von gestreckter Folie bis zur gewünschten Größe aufgebaut. Die Hydrophilität des Harzes bleibt während dieses Fertigungsprozesses unverändert, so daß die hydrophilen Eigenschaften auf das finale Diaphragma übertragen werden.This resin is pressed to form a film, then a microporous diaphragm is made by a technique known in the art, such as calendering, which film is stretched X-Y dimensionally until the desired pore size is achieved. The diaphragm is constructed by successive layers of stretched film to the desired size. The hydrophilicity of the resin remains unchanged during this manufacturing process, so that the hydrophilic properties are transferred to the final diaphragm.
Mit dem in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Verfahren wurden erfindungsgemäSe Aufpfropf-Kopolymere von Styren-Maleinsäureanhydrid auf "KEL-F"-Pulver hergestellt, wobei allerdings verschiedene Gesamt-Monomerkonzentrationen (untar Konstanthaltung der molaren Verhältnisse dar Monomere) angewendet wurden, um auf diese //eise verschiedene Grade von Pfropfungen zu erzeugen, die wiederum verschiedene Austauschkapazitäten des aufgepfropften Produktharzes zum Ergebnis haben, wie dies in Tabelle 1 dargestellt ist.Using the method described in Example 1, graft copolymers of styrene-maleic anhydride according to the invention were prepared on "KEL-F" powder, although using different total monomer concentrations (while keeping the molar ratios of the monomers constant) in order to refer to them produce different levels of grafts, which in turn result in different exchange capacities of the grafted product resin, as shown in Table 1.
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Ir"; OIr "; O
Ausführungsbeispiel . 2 3 4Embodiment. 2 3 4
Monomer-Konzentration in MonochlorbenzenMonomer concentration in monochlorobenzene
Styren g/lStyrene g / l
Maleinsäureanhydrid g/l Prozentuale Pfropfung % Theoretische Ionenaus-Maleic anhydride g / l Percent grafting% Theoretical ionic strength
tauschkapazität mäq/g .0,11 0,28 0,4-4 0,57 Gemessene Ionenaustauschkapazität mäq/g 0,09 χ 0,40 . χexchange capacity mEq / g .0,11 0,28 0,4-4 0,57 Measured ion exchange capacity mäq / g 0,09 χ 0,40. χ
χ = nicht bestimmtχ = not determined
Die Infrarot-Analyse bestätigte das Vorhandensein von Dikarbonsäure und Styren im molekularen Aufbau der gepfropften Harzprodukte. Sämtliche hydrolysieren Harze waren mit 25Jiiger Natriumchlorid-Lösung benetzbar.The infrared analysis confirmed the presence of dicarboxylic acid and styrene in the molecular structure of the grafted resin products. All hydrolyzed resins were wettable with 25% sodium chloride solution.
Diese Harze wurden nach der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Weise zu mikroporösen Diaphragmen verarbeitet.These resins were processed into microporous diaphragms according to the manner described in Example 1.
Diese Ausführungsbeispiele illustrieren die erfindungsgemäßen Produkte, deren fluorhaltiges Kohlenwasserstoff-Polymersubstrat von jenem der Ausführup.gsbeispisle i bis 5 ver-These exemplary embodiments illustrate the products according to the invention whose fluorine-containing hydrocarbon polymer substrate differs from that of the Ausfup.gsbeispisle i to 5
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schieden ist«is divorced «
In diesen Ausführungsbeispielen wurde Styren und Maleinsäureanhydrid durch das erfindungsgemäße Verfahren einer Pfropf-Kopolymerisierung an "FLUQN"-Pulver unterzogen, bei dem es sich um ein Homopolymer von Tetrafluorethylen handelt ("FLUON" ist ein eingetragenes Warenzeichen der Imperial Chemical Industries Ltd.). Zur Anwendung gelangten die bereits in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Bedingungen. Die prozentualen Aufpfropfungen und Ionenaustauschkapazitäten der Produktharze in ihrer Säurenform, wie sie unter Einsatz verschiedener Monomer-Konzentrationen gewonnen wurden, sind in'Tabelle 2 dargestellt.In these embodiments, styrene and maleic anhydride were subjected to graft copolymerization to "FLUQN" powder which is a homopolymer of tetrafluoroethylene by the method of the present invention ("FLUON" is a registered trademark of Imperial Chemical Industries Ltd.). The conditions already described in Example 1 were used. The percentage grafts and ion exchange capacities of the product resins in their acid form, as obtained using different monomer concentrations, are shown in Table 2.
Ausführungsbeispiel 6 7 SEmbodiment 6 7 S
Monomer-Konzentration in MonochlorbenzenMonomer concentration in monochlorobenzene
Styren g/lStyrene g / l
Maleinsäureanhydrid g/l Prozentuale Pfropfung % Theoretische lonenaustsuschkapazität mäq/g Gemessene lonenaustauschkapazität mäq/gMaleic anhydride g / l Percent grafting % Theoretical ion output capacity mEq / g Measured ion exchange capacity meq / g
χ = nicht bestimmtχ = not determined
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242 3 2242 3 2
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Die Infrarot-Analyse bestätigte das Vorhandensein von Dikarbonsäure und Styren in dem molekularen Aufbau der gepfropften Harzprodukte.Infrared analysis confirmed the presence of dicarboxylic acid and styrene in the molecular structure of the grafted resin products.
Diese Harze wurden nach der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Weise zu mikroporösen Diaphragmen verarbeitet,These resins were processed into microporous diaphragms according to the manner described in Example 1,
Die Behandlung von Produktproben einiger der vorangegangenen Ausführungsbeispiele mit einem bekannten Verfahren zur Substituierung von SuIfonatgruppen in die Styrengruppen erbrachte sulfonierte Harze mit den in Tabelle 3 aufgeführten Ionenaustauschkapazitäten.Treatment of product samples of some of the foregoing embodiments with a known method for substituting sulfonate groups in the styrene groups yielded sulfonated resins having the ion exchange capacities listed in Table 3.
Die lonenaustauschkapazitäten dieser sulfonierten Harze überstiegen sämtlich die Ionenaustauschkapazitäten ihrer nichtsulfonierten Analoaa.The ion exchange capacities of these sulfonated resins all exceeded the ion exchange capacities of their non-sulfonated analogs.
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2Λ 2 3 28 12Λ 2 3 28 1
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100 g "KEL-F"-Pulver ähnlich dem in Ausführungsbeispisl 1 verwendeten wurden in 300 ml einer Lösung von Maleinsäureanhydrid und Tetrafluorethylen in Toluen suspendiert. Die Lösung enthielt 0,7 g/kg Maleinsäureanhydrid und 0,7 g/kg Tetrafluorethylen,100 g of "KEL-F" powder similar to that used in embodiment 1 was suspended in 300 ml of a solution of maleic anhydride and tetrafluoroethylene in toluene. The solution contained 0.7 g / kg maleic anhydride and 0.7 g / kg tetrafluoroethylene,
Die Suspension wurde vermittels Eintauchens ihres Behälters in flüssigen Stickstoff eingefroren. Sie wurde entgast und der Wiedererlangung von Zimmertemperatur ausgesetzt. Der Entgasungsvorgang wurde dreimal wiederholt, sodann wurde der Behälter verschlossen.The suspension was frozen by immersion of its container in liquid nitrogen. She was degassed and exposed to the recovery of room temperature. The degassing operation was repeated three times, then the container was sealed.
Die im verschlossenen Behälter befindliche Lösung wurde auf 70 C erwärmt und 24 h lang bei dieser Temperatur gehalten. Daran anschließend wurden Behälter und Behälterinhalt einer insgesamt 50-stündigen Gamma-Bestrahlung bei einer Dosisrate von 100 krad/h unterzogen.The solution in the closed container was heated to 70 C and held for 24 h at this temperature. Subsequently, the container and container contents were subjected to a total of 50 hours of gamma irradiation at a dose rate of 100 krad / h.
Nach der Bestrahlung wurde der Sehälter erneut in flüssigen Stickstoff eingetaucht, vorsichtshalber wurde damit vor dem öffnen des Behälters die Suspension mit dem Tetrafluorethylen eingefroren. Das Pulver wurde von nicht in Reaktion gegangenen und nicht gepfropften Homopclymer-Monomeren freigewaschen. Es zeigte sich., daß eine 20;ijige Pfropfung stattgefunden hatte. Das Pulver wurde nun zwecks Bildung einer Folie verpreßt; die Folie wurde dann hydrolysiert. Die lonenaustauschkapazität der hydrolysieren Folie wurde rait 0,54 mäq/g ermittelt. Auf der Basis der prozentualenAfter irradiation, the vessel was again immersed in liquid nitrogen, as a precaution, the suspension was frozen with the tetrafluoroethylene before opening the container. The powder was washed free of unreacted and ungrafted homopolymer monomers. It turned out that one 20 ; ijige grafting had taken place. The powder was then pressed to form a film; the film was then hydrolyzed. The ion exchange capacity of the hydrolyzed film was found to be 0.54 meq / g. On the basis of the percentage
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4 23 28 ί4 23 28 ί
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Pfropfung und der Ionenaustauschkapazität wurde berechnet, daß das molare Verhältnis von funktioneilen zu nichtfunktionellen Gruppen in den auf das "KEL-F"-Substrat aufgepfropften Seitenketten ungefähr 1 : 3 betrug.Grafting and ion exchange capacity was calculated to be about 1: 3 molar ratio of functional to non-functional groups in the side chains grafted onto the "KEL-F" substrate.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Vorteil der Verwendung eines quellenden Lösungsmittels demonstriert.In this embodiment, the advantage of using a swelling solvent is demonstrated.
4 g "KSL-F"-Pulver ähnlich dem in Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Pulver wurden in heißes Xylen eingetaucht. Das Pulver quoll und absorbierte eine Xylenmenge, die etwa 7 % der Pulvermasse entsprach. Das überschüssige Xylen wurde beseitigt, Dem gequollenen Pulver wurde eine äquimolare Mischung aus Styren und Maleinsäureanhydrid zugesetzt, Nach 12 h wurde die überschüssige flüssige Phase abdekantiert, und das gequollene Pulver wurde mit den,absorbierten Monomeren unter Stickstoff 24 h lang mit 80 krad/h bestrahlt.4 g of "KSL-F" powder similar to the powder used in Example 1 was dipped in hot xylene. The powder swelled and absorbed a quantity of xylene equal to about 7 % of the powder mass. Excess xylene was removed. To the swollen powder was added an equimolar mixture of styrene and maleic anhydride. After 12 hours, the excess liquid phase was decanted off and the swollen powder was irradiated with the absorbed monomers under nitrogen at 80 krad / h for 24 hours ,
Nach Beseitigung von etwaig gebildetem Homopolymer sowie nach Beseitigung jedweder nicht in Reaktion gegangener Monomere wurde das Pulver hydrolysiert.After removal of any homopolymer formed and removal of any unreacted monomers, the powder was hydrolyzed.
Anhand des Massezuwachses konnte berechnet werden, daß eine 10,0^ige Pfropfung stattgefunden hatte.On the basis of the mass increase, it could be calculated that a 10% graft had taken place.
Die Ionenaustauschkapazität des Harzes wurde mit .1,1 mäq/g ermittelt; unter Voraussetzung einer in äquimolaren Proportionen erfolgten Aufpfropfung von Styren und Maleinsäure-The ion exchange capacity of the resin was found to be .1.1 meq / g; assuming grafting of styrene and maleic acid in equimolar proportions
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anhydrid würde dies auf eine ll,0%ige Pfropfung hindeuten.anhydride would indicate this to be a ll, 0% grafting.
Dieses Harz wurde vermittels der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise zu einem mikroporösen Diaphragma verarbeitet.This resin was processed into a microporous diaphragm by the procedure described in Example 1.
Diese Ausführungsbeispiele demonstrieren den Einsatz von Gamma-Bestrahlung bei perfluorierten Folien oder Pulvern in Anwesenheit von ungesättigten perfluorierten Monomeren, welche funktionelle oder funktionsfähige Ionenaustausch-Gruppen enthalten.These embodiments demonstrate the use of gamma irradiation on perfluorinated films or powders in the presence of unsaturated perfluorinated monomers containing functional or functional ion exchange groups.
De eine Probe des Monomers (5,0 g) wurde in sin Glas-Reaktionsgefäß, eingebracht und mit 5,0 g ungesättigtem, perfluoriertem Monomer oder Monomer-Gemiscb versetzt. Der Inhalt des Reaktionsgefäßes wurde in flüssigem Stickstoff gefroren und unter Vakuum gestellt, um die im System vorhandene Luft zu entfernen. De, a sample of the monomer (5.0 g) was dissolved in sin glass reaction vessel, is introduced and mixed with 5.0 g unsaturated, perfluorinated monomer or monomer Gemiscb. The halt I n the reaction vessel was frozen in liquid nitrogen and placed under vacuum to remove the existing system in the air.
Nach gründlicher Evakuierung wurde die Vakuumpumpe abgeklemmt, der Gefäßinhalt wurde zum Auftauen und Erreichen von Zimmertemperatur stehengelassen. Dieser Vorgang, Im folgenden als Entgasung bezeichnet, wurde dreimal wiederholt, bevor das Reaktionsgafäß verschlossen wurde.After thorough evacuation, the vacuum pump was disconnected, the contents of the vessel allowed to thaw and reach room temperature. This process, in the following referred to as degassing, was repeated three times before the Reaktionsgafäß was closed.
3ei Anwendung dieser Technik befand sich der Inhalt des Reaktionsbehälters in faktisch sauerstoff freier Atmosphäre. Darüber hinaus v/urden die zubereiteten Proben sodann über sine Zeitspanne von 24 h hinweg bei ausgewählten Temperaturen zwecks Erlangung eines Gleichgewichtszustandes aufbe-When this technique was used, the contents of the reaction vessel were in a de facto oxygen-free atmosphere. In addition, the prepared samples were then stored for a period of 24 hours at selected temperatures to obtain an equilibrium state.
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wahrt»maintains "
Danach wurde der Reaktionsbehälter in einen Bestrahlungszellen-Raum gebracht und 120 h lang Gammastrahlen ausgesetzt, die von einer Kobalt-60-Quelle ausgesandt wurden, welche einem Intensitätsäquivalent von 10 krad/h entsprach,Thereafter, the reaction vessel was placed in an irradiation cell room and exposed for 120 hours to gamma rays emitted from a cobalt-60 source corresponding to an intensity equivalent of 10 krad / h,
In einigen Versuchen wurde ein Lösungsmittel - Trifluortrichlorethylen - in der in Tabelle 4 aufgeführten Konzentration zugesetzt. Der gleichzeitig bestrahlte inhalt des Reaktionsgefäßes erhielt eine vollständig absorbierte Dosis von 1,2 Mrad; nach Abschluß der Bestrahlung wurde der Inhalt des Glas-Reaktionsgefäßes vor dem öffnen des Gefäßes in flüssigem Stickstoff eingefroren. Das gepfropfte Substrat (Folie oder Pulver) wurde mit einem geeigneten Lösungsmittel von unreagiertem Monomer und Homopolymer freigewaschen und in einem Vakuurn-Trockenscnrank bei 60 C bis zur Massekonstanz getrocknet.In some experiments, a solvent - trifluorotrichloroethylene - was added at the concentration listed in Table 4. The simultaneously irradiated content of the reaction vessel was given a completely absorbed dose of 1.2 Mrad; After completion of the irradiation, the contents of the glass reaction vessel were frozen in liquid nitrogen before opening the vessel. The grafted substrate (foil or powder) was washed free with a suitable solvent of unreacted monomer and homopolymer and dried to constant weight in a vacuum drier at 60 ° C.
Der Pfropfungs-Prozentsatz (ausgedrückt als Massezunahme der Folie in Prozent der Masse der gepfropften Folie), die Infrarot-Spektren äer gepfropften Folie (Karbonyl-Absorption bei einer Frequenz von 1 795 cm ~) und die lonenaustauschkapazität (ausgedrückt als mäq/g) wurden zur Charakterisierung des durch Gammabestrahlung erzeugten modifizierten psrfluorierten Substrates verwendet.The Pfropfungs percentage (expressed as the mass increase of the film as a percentage of the mass of the grafted film), the infrared spectra OCE grafted film (carbonyl absorption at a frequency of 1795 cm ~) and the ion exchange capacity (expressed as meq / g) used to characterize the modified psrfluorinated substrate produced by gamma irradiation.
Die in Tabelle 4 dargestellten Ergebnisse weisen darauf hin, daß das perfluorierte hydrophobe Substrat mit ungesättigtem perfluoriertem Monomer gepfropft wurde, welches funktioneileThe results presented in Table 4 indicate that the perfluorinated hydrophobic substrate was grafted with unsaturated perfluorinated monomer which was functional
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2 3 2 8 1 -25 -2 3 2 8 1 - 25 -
oder funktionsfähige lonenaustauscn-Gruppen besitzt.or has functional ion exchange groups.
In den labeilen und in der Beschreibung werden folgende Abkürzungen verwendet:The following abbreviations are used in the tablets and in the description:
TFE = TetrafluorethylenTFE = tetrafluoroethylene
PTFE = PolytetrafluorethylenPTFE = polytetrafluoroethylene
PEP = Kopolymer von Tetrafluorethylen undPEP = copolymer of tetrafluoroethylene and
Hexafluorpropylenhexafluoropropylene
PFBA = PerfluorbutensäurePFBA = perfluorobutene acid
MPF3 = MethylperfluorbutenoatMPF3 = methyl perfluorobutenoate
MAA = MethakrylsäureMAA = methacrylic acid
IEC = lonenaustauschkapazitätIEC = ion exchange capacity
Die Größen werden in Mikron angegeben und beziehen sich auf die Dicke, sofern es sich um Folien handelt; im Falle von Pulvern bezieht sich die Angabe auf die Teilchengröße.The sizes are given in microns and refer to the thickness, if they are foils; in the case of powders, the indication refers to the particle size.
Diese Folien und Pulver werden nach der in Ausführungsoeispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise zu mikroporösen Diaphragmen verarbeitet.These films and powders are processed into microporous diaphragms according to the procedure described in Embodiment Example 1.
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In diesen Ausführungsbeispielen wurden die in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen gewählten Bedingungen wiederholt, wobei allerdings die Bestrahlungspfropfung bei den in Tabelle 5 aufgeführten Temperaturen mit den in der gleichen Tabelle dargestellten Ergebnissen durchgeführt wurde.In these embodiments, the conditions selected in the previous embodiments were repeated except that the irradiation grafting was performed at the temperatures shown in Table 5 with the results shown in the same table.
Ausf.- Substrat Größe Monomerkon- Lösungs- % lemp* IECAusf.- Substrate Size Monomer Conversion % lemp * IEC
bsp. zentration mittel- Pfrop- cu mäq/bsp. center medium Pfropcu mäq /
% M/M konzen- fung ° g % M / M concentration ° g
PF3A . MPF3 trationPF3A. MPF3 tration
3,1 353.1 35
3,9 OO 0,21 2,13.9 OO 0.21 2.1
3,0 80 0,133.0 80 0.13
2,22.2
3,1 30 0,153.1 30 0.15
2,6 80 0,112.6 80 0.11
ί-OiXiί-OiXi
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242328 1.242328 1.
- 28 -- 28 -
In diesen Ausführungsbeispielen- wurden die allgemeinen Bedingungen der Äusführungsbeispiele 15 bis 26 beibehalten; eine Ausnahme bestand lediglich darin, daß die Temperatur des Gemisches während der Bestrahlung 50 C betrug und daß das Lösungsmittel in der in Tabelle 6 dargestellten //'eise unter Erzielung der ebenfalls in Tabelle 6 dargestellten Ergebnisse variiert wurde.In these embodiments, the general conditions of Embodiments 15 to 26 have been maintained; the only exception was that the temperature of the mixture during irradiation was 50 ° C and that the solvent was varied in the manner shown in Table 6 to give the results also shown in Table 6.
In jedem Falle handelte es sich bei dem Substrat urn PTFE-Folie von 175 Mikron Dicke,In each case, the substrate was 175 micron PTFE film,
61 100 12/37 61 100 12/37
Die gepfropften Folien wurden nach der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Methode zu mikroporösen Diaphragmen verarbeitet.The grafted films were processed into microporous diaphragms by the method described in Example 1.
Diese Ausführungsbeispiele hatten die gleichen Bedingungen wie die Ausführungsbeispiele 15 bis 26; sie veranschaulich: die v'/irkung des Einsatzes eines Gemisches aus zwei funktioneilen Monomeren.These embodiments had the same conditions as Embodiments 15 to 26; it illustrates: the use of a mixture of two functional monomers.
61 100 12/3761 100 12/37
42324232
- 30 -- 30 -
Ausf,- Substrat Größe Monomerkon- Lösungs- % bsp.Ausf, - substrate size Monomerkon- solution % bsp.
zentration mittel- Pfrop- mäq/gcenter medium Pfrop meq / g
% M/M konzen- fung PFBA MPFB MAA tration % M / M concentration PFBA MPFB MAA tration
175 25 - 25 175 - 25 25175 25 - 25 175 - 25 25
2...5 252 ... 5 25
2... 52 ... 5
125 25125 25
125125
2525
25 2525 25
25 2525 25
Dieses Ausführungsbeispiel illustriert den i-insatz des Pfropfungsinhibitors Alpha-Pinen.This embodiment illustrates the i-insert of the graft inhibitor alpha-pinene.
FEP-Folie (2,0 g) wurde in ein Glas-Reaktionsgefäß eingebracht und mit PFBA (9,0 g), Alpha-Pinen (0,12 g, 0,5 ;£ Gesamtkonzentration), "Arklone" P (S,O g) , Vv'asser (3,0 g) und Ammoniumperf luorektanoat (0,025 g,. 0,17 % Gesamtkonzcntration) versetzt. ("Arklone"· ist ein eingetragenes V/arenzei-FEP film (2.0 g) was placed in a glass reaction vessel and treated with PFBA (9.0 g), alpha-pinene (0.12 g, 0.5, p total concentration), "Arclone" P (S, Og), Vv'asser (3.0 g) and ammonium perfluorooctanoate (0.025 g, 0.17 % total concentration). ("Arklone" · is a registered trademark
61 100 12/3761 100 12/37
24 2 3 28 1 -31-24 2 3 28 1 - 31 -
chen für l,l,2~Trichlor-l,2,2-trifluorethylen),for l, l, 2 ~ trichloro-l, 2,2-trifluoroethylene),
Das Gemisch wurde in flüssigem Stickstoff eingefroren, die Luft wurde evakuiert, und der Gefäßinhalt wurde daraufhin zur Wiedererlangung von Zimmertemperatur stehengelassen. Dieser Vorgang des Entgasens wurde dreimal wiederholt, sodann wurde TFE (3,0 g, frei von jedwedem Inhibitor) bei Flüssigstickstoff-Temperatur in den Reaktionsbehälter eingebracht* Das Glasgefäß wurde verschlossen und bei Zimmertemperatur über Nacht stehengelassen. Es wurde daran anschließend bei Umgebungstemperatur 120 h lang mit 10 krad/h bestrahlt. Die Mischung erhielt so eine Gesamtdosis von 1,2 Mrad; sie wurde erneut mit flüssigem Stickstoff eingefroren, bevor das Glasgefäß geöffnet wurde. Die gepfropfte Folie wurde gesammelt, von Kopolymeren und nicht in Reaktion gegangenen Monomeren freigewaschen-sowie im Vakuura-Trockenschrank bei 60 C getrocknet.The mixture was frozen in liquid nitrogen, the air was evacuated, and the contents of the vessel were then allowed to stand at room temperature. This process of degassing was repeated three times, then TFE (3.0 g, free of any inhibitor) was introduced into the reaction vessel at liquid nitrogen temperature * The glass vessel was sealed and allowed to stand at room temperature overnight. It was then irradiated at ambient temperature for 120 hours at 10 krad / h. The mixture thus received a total dose of 1.2 Mrad; it was frozen again with liquid nitrogen before the glass jar was opened. The grafted film was collected, washed free of copolymers and unreacted monomers, and dried in a vacuum oven at 60 ° C.
Die prozentuale Pfropfung betrug 47 %. Das Infrarot-Spektrum der aufpolymerisieren Folie zeigte eine Karbonyl-Absorptionsfrequenz von 1 795 cm ; die durch Titration ermittelte lonenaustauschkapazität (IEC) betrug 0,2 mäq/g.The percent grafting was 47 %. The infrared spectrum of the polymerized film showed a carbonyl absorption frequency of 1 795 cm; the ion exchange capacity (IEC) determined by titration was 0.2 meq / g.
Diese Folie wurde nach der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Methode zu einem mikroporösen Diaphragma verarbeitet,This film was processed according to the method described in Example 1 to form a microporous diaphragm,
Die Vorgehensweise von Ausführungsbeispiel 50 wurde wiederholt, wobei allerdings*die Konzentration des Inhibitors Alpha-Pinen in der in Tabelle 8 gezeigten sVeise variiertThe procedure of Example 50 was repeated except that * the concentration of the inhibitor alpha-pinene varies in the manner shown in Table 8
61 100 12/3761 100 12/37
242328 1242328 1
• - 32 wurde• - 32 became
Tabelle 8 Table 8
Ausf.- Konzentration % IEC bsp. von Alpha-Pinen Pfropfung mäq/gAusf.- concentration % IEC bsp. of alpha-pinene grafting meq / g
/O/O
ο/ M/M ο / M / M
Die Vorgehensweise nach Ausführungsbeispiel 36 wurde wiederholt,, wobei allerdings anstelle des Lösungsmittels "Arklone P" eine gleiche Hasse eines in Tabelle 9 aufgeführten Lösungsmittels oder Lösungsrnittelgeraisches eingesetzt wurde.The procedure of Example 36 was repeated, except that instead of the solvent "Arklone P" a same hatred of a listed in Table 9 solvent or Lösungsrnittelgeraisches was used.
ZXjZXJ
Ausf.- ' Lösungsmittel % IECAusf.- 'Solvent % IEC
bsp. Pfropfung mäq/gbsp. Grafting meq / g
56 "Arklone" P/Chloro- 60,0 0,02 f orm (1 : 1)56 "Arclones" P / Chloro 60.0 0.02 f orm (1: 1)
57 Tetrachlorkohlenstoff/ 60,9 Chloroform (1:1)57 carbon tetrachloride / 60.9 chloroform (1: 1)
53 Chloroform 60,053 chloroform 60.0
61 100 12/3761 100 12/37
242328 1 -33-242328 1 -33-
Ausführunqsbeispiele 59 bis 66 · Embodiments 59 to 66
Diese Ausführungsbeispiele demonstrieren die Wirkung von Gammabestrahlung auf ein perfluoriertes mikroporöses Diaphragma in Anwesenheit von ungesättigten perfluorierten Monomeren, welche funktioneile oder funktionsfähige lonenaustauschgruppen enthalten.These embodiments demonstrate the effect of gamma irradiation on a perfluorinated microporous diaphragm in the presence of unsaturated perfluorinated monomers containing functional or functional ion exchange groups.
Das ausgewählte mikroporöse Diaphragma "Gorstex" (eingetragenes Warenzeichen von Gore Associates) weist eine PorengröSe von etwa 100 ,u und eine Dicke von rund 1500 ,u auf.The selected microporous diaphragm "Gorstex" (registered trademark of Gore Associates) has a pore size of about 100, u and a thickness of about 1500, u.
Das "Goretex"-Diaphragma besitzt ausgeprägte hydrophobe Eigenschaften, durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde indes ein modifiziertes hydrophiles Diaphragma gewonnen« Angewendet wurde die Vorgehensvveise der Ausführungsbeispiele 15 bis 26; die dabei erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 10 aufgeführt. In jedem Falle wurde eine Dosisrate von 15 krad/h aufgewendet, um eine Gesamtdosis von 1,25 Mrad zu ergeben. 3ei dem eingesetzten Lösungsmittel handelte es sich um "Arklone" P.The "Goretex" diaphragm has pronounced hydrophobic properties, however, a modified hydrophilic diaphragm was obtained by the method of the present invention. "The procedure of Embodiments 15 to 26 was applied; the results obtained are shown in Table 10. In each case a dose rate of 15 krad / h was used to give a total dose of 1.25 Mrad. The solvent used was "Arclone" P.
61 100 12/3761 100 12/37
4 2 3 2 84 2 3 2 8
I - 34 -I - 34 -
Ausf.- Substrat und Monomerkon- Lösungs- ι em- % IEC bsp, Größe zentration mittel- pe- Pfrop- mäq/Ausf.- substrate and Monomerkon- solution % ι em- % bsp, size centering medium- Pfrop- mäq /
59 "GoreteX"! 50059 "GoreteX"! 500
Claims (29)
und der Formel IICF 2 = CF (CF 2 J n A,
and the formula II
enthalten,COOH COOH
contain,
der genannte Bereich 30 bis 50 % M/M beträgt.29. The method according to item 28, characterized in that
said range is 30 to 50 % M / M.
Priority Applications (1)
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1982
- 1982-08-06 DD DD24232882A patent/DD209639A5/en unknown
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