DE4117391A1 - Mikroporoeses durchlaufdiaphragma fuer elektrolysezellen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Mikroporoeses durchlaufdiaphragma fuer elektrolysezellen und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma
aus Polytetrafluorethylen für Elektrolysezellen,
vorzugsweise für Chloralkali-Elektrolysezellen, und Verfahren
zu seiner Herstellung.
Durchlaufdiaphragmen für die Chloralkalielektrolyse nach dem
Diaphragmaverfahren trennen in der Elektrolysezelle den Katodenraum
und den Anodenraum voneinander und ermöglichen einen von
der Stromdichte und dem Sollgehalt an NaOH der Bäderlauge abhängigen
Flüssigkeitsdurchlauf pro Zeiteinheit bei möglichst
geringer Rückdiffusion und Migration von OH-Ionen aus dem Katodenraum
in den Anodenraum. Das Diaphragma muß eine vollständige
Trennung des anodischen vom katodischen Gas- und Flüssigkeitsraum
bewirken. Es sollte unter den Elektrolysebedingungen einen
minimalen elektrischen Widerstand besitzen. Diese Aufgabe wird
von einem geeigneten Porensystem bei einer bestimmten Porosität,
Porenform und -größenverteilung sowie Diaphragmadicke erfüllt.
Neben der Zusammensetzung des Diaphragmas hat das Verfahren
zu seiner Herstellung einen wesentlichen Einfluß auf die elektrochemischen
und mechanischen Eigenschaften und somit auf die
Elektrolyseparameter und die Lebensdauer.
Als Alternative zu den Asbestdiaphragmen bzw. asbesthaltigen
Diaphragmen sind bereits mikroporöse Membranen aus feinteiligem
Fluorpolymerisat, insbesondere aus PTFE beschrieben worden.
Zur Erzielung der notwendigen Hydrophilie für die mikroporösen
Membranen aus Fluorpolymerisaten werden anorganische hydrophile
Stoffe (Titandioxid, Zirkondioxid, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid,
Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Bariumtitanat, Kaliumtitanat,
Ton, Glimmer, Glasfasern) oder organische Substanzen (ungesättigte
Carbonsäuren, flüssige Schmiermittel, Ionenaustauscherharze,
Polyvinylalkohole, Polyacrylnitril) zugesetzt. Auch die Verwendung
von Netzmitteln ist beschrieben worden. Weiterhin sind verschiedene
Nachbehandlungsmöglichkeiten bekannt, um eine Hydrophilierung
der PTFE-Diaphragmen zu erreichen. So ist die PTFE-Oberfläche
mit Fluoriden des Ge, Si, P, As oder mit Ether, Methanol, Aceton
oder wäßrigen Lösungen von Butylalkohol nachbehandelt worden.
Weiterhin ist bekannt, das als Hauptkomponente des Diaphragmas
eingesetzte PTFE vor der Verarbeitung zu bestrahlen oder das
fertige Diaphragma einer Bestrahlung zu unterwerfen.
Die Mehrzahl der bekannten Hydrophylierungsverfahren beruhen
auf der Anwendung von Fremdstoffen in der Fluorpolymermatrix.
Die Mittel sind meist kompliziert und kostenaufwendig auf- oder
einzubringen oder selbst teuer. Sie sind unter Elektrolysebedingungen
im Dauerbetrieb nicht mechanisch und/oder chemisch
beständig. Außerdem vermindern sie wegen ihrer z. T. erforderlichen
hohen Konzentration die Festigkeit und Flexibiltät des
Diaphragmas beträchtlich oder sind nicht genügend wirksam. Durch
eine Strahlenbehandlung des Diaphragmas nach seiner Herstellung
oder der Hauptkomponente der Matrix vor der Diaphragmaherstellung
tritt selbst bei kleiner Strahlendosis eine außerordentlich
starke Versprödung und damit eine Herabsetzung der Festigkeit
und der Flexibilität des Diaphragmas ein, wodurch ein Dauereinsatz
derartig hydrophilierter Diaphragmen bisher gescheitert
ist.
Auch eine zusätzliche Einarbeitung von fibrillärem Material (Fasern,
Vliese, Gewebe, PTFE-Suspensions- oder -Emulsionspolymerisat)
kann die auftretende Rißbildung nicht verhindern.
Es ist bisher nicht gelungen, eine hydrophile Membran aus einem
Fluorpolymerisat als Diaphragma über längere Zeiträume in der
Chloralkalielektrolyse einzusetzen, die eine genügende Festigkeit
und Flexibilität unter Verzicht auf den Einsatz von Fremdstoffen
oder Bestrahlung der polymeren Hauptkomponente bzw. der Membran
bei guten Laufeigenschaften besitzt.
Es ist bekannt, durch Walzen von feinteiligem PTFE zusammen mit
einem Hydrophilierungsmittel, einem feinteiligen, herauslösbaren
Porenbildner und einem Gleitmittel bei einer Temperatur
unterhalb der Sintertemperatur derartige Diaphragmen herzustellen.
Dabei wird das PTFE-Emulsionspolymerisat durch Extrudieren oder
Walzen bzw. Kalandrieren verarbeitet. Das Walzen erfolgt in
mehreren, voneinander getrennten Durchgängen, zwischen denen
eine Reorientierung der Walzrichtung um 90° vorgenommen wird.
Diese Reorientierung kann mit einem Zerschneiden oder Falten
des Walzfelles und Bildung eines Sandwiches verbunden sein,
dessen Lagen mit um 90° versetzter Walzrichtung angeordnet sind.
Beim Walzen sind zahlreiche Reorientierungsvorgänge erforderlich,
um eine ausreichende Festigkeit in biaxialer Richtung zu gewährleisten.
Dieses Verfahren beschränkt sich auf die Verwendung von PTFE-Emulsionspolymerisat,
da nur dieses beim Walzvorgang hinreichend
plastisch verformbar ist und eine Flächenbildung ermöglicht.
PTFE-Suspensionspolymerisat wird üblicherweise nur zur Preßverarbeitung
bei der Formkörperherstellung angewendet und ist wegen
seiner filzig/faserigen Beschaffenheit und seiner geringen plastischen
Verformbarkeit für die Verarbeitung durch Walzen nicht geeignet.
Die zahlreichen Reorientierungen der Walzreichtung bedingen öftere
Unterbrechung des Walzvorganges, aufwendige Zerteilungs- und
Faltprozeduren. Das Walzverfahren ist also mit vielen Zwischenschritten
belastet und erscheint wenig geeignet für eine wirtschaftliche
Herstellung von Diaphragmen.
Weiterhin ist bekannt, feinteiliges Fluorpolymerisat zusammen
mit einem Hydrophilierungsmittel und einem feinteiligen, herauslösbaren
Porenbildner unter Wärmeeinwirkung zu einem plattenförmigen
Material zu verpressen (Drucksinterung). Dieses plattenförmige
Material kann nach dem Herauslösen des Porenbildners
direkt als Diaphragma eingesetzt oder aus einer dicken gepreßten
Platte Folien durch Abschälen hergestellt werden. Die Schwierigkeit
dieses Verfahrens besteht darin, bei dem Fluorpolymerisat
mit hoher Schmelzviskosität mit vertretbaren Preßdrücken, ein
homogenes Diaphragma herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein asbestfreies Durchlaufidaphragma,
insbesondere für die Chloralkalielektrolyse,
zu schaffen, das einen hohen Widerstand gegen Rückdiffusion
und Migration von OH-Ionen, einen niedrigen Spannungsabfall
über dem Diaphragma und einen niedrigen Titeranstieg über die
Laufzeit bei guter Festigkeit und Flexibilität besitzt und ohne
Zusatz von Fremdstoffen bzw. ohne Bestrahlung des fertigen Diaphragmas
oder der polymeren Hauptkomponente der Matrix herstellbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma
nach einer vereinfachten Walztechnologie oder
einer Preßtechnologie herzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Durchlaufdiaphragma,
das eine flexible, feste, durchlaufstabilisierende,
rückdiffusionshemmende, zellenspannungssenkende und laufzeiterhöhende
Membran ist, aus einem unmodifizierten PTFE und 1,5
bis 12,5 Masse-% (bezogen auf die Matrix) hochfunktionalisiertem
PTFE als weitgehend polymeridantischen Hydrophillierungsmittel
besteht.
Das unmodifizierte PTFE kann ein Suspensions- oder ein Emulsionspolymerisat
oder eine Mischung von beiden im Verhältnis 10 : 1
bis 1 : 10 sein.
Das hochfunktionalisierte PTFE wird durch Bestrahlung von unmodifiziertem
PTFE, vorzugswesie von Emulsionspolymerisat, gewonnen.
Die Bestrahlung wird mit einer Elektronenstrahlung einer Elektronenenergie
von 0,5 bis 2 MeV an der Luft bis zu einer absorbierten
Dosis von 2000 bis 6000 KGy durchgeführt. Vor der Bestrahlung
kann das unmodifizierte PTFE mit 5 bis 40 Masse-% (bezogen auf
das eingesetzte PTFE) Ammonium- oder Alkalisulfiten, -disulfiten,
-hydrogensulfiten, -carbonaten, -hydrogencarbonaten oder Bisulfitaddukten
von Carbonylverbindungen oder eines Gemisches dieser
Substanzen gemischt werden. Eine besondere Ausführungsform der
Erfindung ist ein weiterer Zusatz von 1 bis 12 Masse-% Alkalifluoriden.
Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Diaphragmas in der Chloralkalielektrolyse
wird als Porenbildner ein herauslösbarer, feinteiliger
Feststoff, vorzugsweise NaCl, verwendet. Nach der Flächenbildung
und dem anschließenden Sintern entstehen beim Herauslösen Mikroporen
in der Matrix, von denen 90% 6 ± 3,5 µm 50% 2 ± 0,5 µm
und 10% 1 ± 0,3 µm groß sind.
Das erfindungsgemäße Diaphragma hat einen großen Widerstand gegen
Rückdiffusion und Migration von OH-Ionen (niedriger Chloratwert
im Katholyt), einen kleinen Spannungsabfall über dem Diaphragma
(niedrige Zellenspannung), einen niedrigen Titeranstieg über
der Lauftzeit (stabiler Durchlauf) und gute Festigkeit und Flexibilität
bei hoher Lebensdauer. Es ist bis zur Einsatzgrenze des
PTFE unbeschränkt chemisch und thermisch belastbar.
Die erfindungsgemäßen Diaphragmen können hergestellt werden,
indem vorzerkleinertes PTFE-Suspensionspolymerisat mit PTFE-Emulsionspolymerisat
im Masseverhältnis von 10 : 1 bis 1 : 10,
hochfunktionalisiertes PTFE, feinteiliger herauslösbareer Porenbildner
gemeinsam intensiv trocken durchgemischt werden und
diese Mischung auf einem Zweiwalzenstuhl ohne Umorientierung
der Walzrichtung auf die gewünschte Enddicke von 0,05 bis 2 mm
gewalzt wird. Zur Verarbeitung kann die Mischung mit einem Gleitmittel
geknetet werden. Die so erhaltene plastische Masse läßt
sich auf einem Zweiwalzenstuhl mit Walzentemperaturen von 50
bis 200°C bei einer Friktion von 1,1 bis 1,6 und einer Verringerung
des Walzspaltes in Schritten von 0,1 bis 0,4 mm auf
das Zwei- bis Dreifache der angestrebten Enddicke und anschließend
sofort in einem Schritt auf die gewünschte Enddicke von 0,05
bis 2 mm auswalzen. Nach dem Walzen wird das Gleitmittel durch
ein geeignetes Extraktionsmittel entfernt und das Walzfell bei
320 bis 370°C drucklos gesintert. Anschließend wird der Porenbildner
durch ein geeignetes Lösungsmittel herausgelöst und
die Rückstände des Lösungsmittels entfernt.
Als Gleitmittel wird ein gesättigter Kohlenwasserstoff oder ein
Gemisch aus mehreren gesättigten Kohlenwasserstoffen mit einem
Siedepunkt bzw. Siedebereich zwischen 200 und 300°C in einem
Anteil von 10 bis 50 Masse-% (bezogen auf die trockene Mischung)
verwendet.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß das Suspensionspolymerisat
in einem größeren Bereich des Mischungsverhältnisses mit dem Emulsionspolymerisat
unter den angegebenen Bedingungen durch Walzen
verarbeitet und auf die fertigungstechnisch sehr aufwendige Reorientierung
der Walzrichtung verzichtet werden kann. Die Diaphragmen
sind in einem Walzvorgang mit sehr guter Flexibilität und hoher
Festigkeit herstellbar.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Diaphragmen auch hergestellt
werden, indem das vorzerkleinerte PTFE-Suspensionspolymerisat,
das hochfunktionalisierte PTFE und ein feinteiliger Porenbildner
im Verhältnis von 1 : 5 bis 5 : 1 intensiv trocken durchgemischt
werden. Diese Mischung wird mit einer leichtflüchtigen
organischen Flüssigkeit der Dichte 1,3 bis 2,4 g/cm³ bei hohem
Energieeintrag dispergiert und auf eine waagerecht einnivellierte
Form ausgegossen. Die organische Flüssigkeit wird durch Verdunstungstrocknung
entfernt und die so erhaltene vorgeformte Schicht bei
einem Druck von 1 bis 10 MPa kalt verpreßt und der Form entnommen.
Anschließend wird bei einem Spalt zur oberen Preßplatte von 0,5
bis 20 mm aufgeheizt und nach dem Erreichen der Sintertemperatur
von 320 bis 380°C 5 bis 50 min verpreßt. Als leichtflüchtige
Flüssigkeit wird ein halogenierter Kohlenwasserstoff, vorzugsweise
Dibromfluorethan, verwendet.
Die nach dem Verfahren hergestellten Diaphragmen weisen eine
gleichmäßige Struktur sowohl über die Dicke als auch über die
Fläche auf. Die homogene Struktur wird unter Anwendung relativ
niedriger Drücke erreicht, was die Voraussetzung für die Herstellung
größerer Flächen mit den technischen Pressen mit ihren
erreichbaren Preßkräften ist. Diese Verfahren gestatten es,
anstelle des hochwertigen PTFE-Emulsionspolymerisats das billigere
Suspensionspolymerisat als Hauptkomponente der Matrix für die
Diaphragmaherstellung zu verwenden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer Beispiele und
Vergleichsbeispiele näher erläutert.
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma besteht aus 97,5 Masseanteilen
in % PTFE-Suspensionspolymerisat (Hersteller UdSSR, Typ
Ftoroplast 4 B) und aus 2,5 Masseanteilen in % hochfunktionalisiertem
PTFE. Ausgangsmaterial für das hochfunktionalisierte PTFE
ist PTFE-Emulsionspolymerisat (Hersteller UdSSR, Typ Ftoroplast
4 D), das zunächst durch Elektronenstrahlung mit einer Elektronenenergie
von 1 MeV und mit einer Dosis von 300 kGy an der Luft
pulverisiert wird. Danach wird es mit 2,5 Masseanteilen in %
(bezogen auf die Mischung) feindispersen, getrocknetem
(NH₄)₂SO₃ · H₂O in guter Durchmischung bei einer Elektronenenergie
von 1 MeV und einer Temperatur von 150°C mit einer
Dosis von 2800 kGy an der Luft bestrahlt, durch ein Aceton/Wasser-Gemisch
im Verhältnis 1 : 1 vom überschüssigen Ammoniumsulfit
befreit und getrocknet.
Das Rohpolymerisat, das 30 s lang in einer Schlagrad-Messermühle
zerkleinert wurde, und das hochfunktionalisierte PTFE werden
mit der 1,5fachen Menge feinstgemahlenem NaCl in einen Schnellmischer
gegeben und zweimal nacheinander mit einer Pause von
5 min über eine Zeit von 30 s gemeinsam vermischt. Dieses Gemisch
aus Rohpolymerisat, hochfunktionalisiertem PTFE und feinstgemahlenem
NaCl wird mit der 5fachen Menge an C₂F₄Br₂ versetzt und kurz
hintereinander viermal 10 s lang mit einem schnellaufenden Rührer
dispergiert. Diese nicht agglomerierende Dispersion wird in
eine waagerecht einnivellierte Form der Kantenlänge 440 mm × 440 mm
gegossen und bei Umgebungstemperatur getrocknet. Die
so entstandene vorgeformte Schicht wird in der Form bei 10 MPa
kalt verpreßt, der Form entnommen und mit Zwischenlagen aus
Aluminiumfolie zwischen den Preßplatten aufgeheizt, wobei der
Spalt zwischen vorgeformter Schicht und der oberen Preßplatte
3 mm beträgt. Nach Erreichen der Sintertemperatur von 360°C
wird mit einem Preßdruck von 5 MPa (bezogen auf die Fläche der
vorgeformten Schicht) über eine Zeit von 50 min verpreßt und
gesintert.
Das erhaltene Durchlaufdiaphragma mit einer Dicke von 0,99 mm
weist nach dem Herauslösen des NaCl mittels Wasser eine Gesamtporosität
von 60% auf mit Mikroporen, von denen 90% 3,6 µm,
50% 1,7 µm und 10% 0,75 µm groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter).
Dieses mikroporöse Durchlaufdiaphragma wird in einer Laborelektrolysezelle
mit einer wirksamen Diaphragmafläche von 10 cm × 10 cm
eingesetzt. Die Elektrolysezelle besteht aus einem Anodenraum,
dem kontinuierlich Salzsole mit einem NaCl-Gehalt von
310 g/l zugeführt und aus dem Chlorgas abgeführt wird sowie
aus einem Katodenraum mit kontinuierlicher Abführung von NaOH-haltiger
Salzsole mit einem Titer von 130 bis 150 g NaOH/l und
kontinuierlicher Abführung von Wasserstoff. Zwischen Anoden-
und Katodenraum ist eine senkrechte Gitterkatode mit dem Diaphragma
angeordnet, vor dem sich eine Gitteranode aus mit Oxiden
der Gruppe der Platinmetalle aktiviertem Titanstreckmaterial
befindet.
Der Elektrodenabstand beträgt 4 mm. Die Elektrolysezelle wird
bei einer Temperatur von ca. 80°C mit einer Strombelastung
von 2000 A/m² und einer maximal möglichen Höhe des Anolytstandes
über der Katodenoberkante von 300 mm betrieben. Der Natriumchloratgehalt
im Katolyt ist abhängig von den Laufeigenschaften des
Diaphragmas und steigt mit zunehmenden NaOH-Gehalt im Katolyt
an. Er sollte bei einem Titer von 135 g NaOH/l den Wert von
0,35 g NaClO₃/l nicht übersteigen. Die Elektrolysezellen werden
im kontinuierlich durchlaufenden Betrieb über ihre Laufzeit
betreut.
Das Diaphragma mit der o. g. Zusammensetzung erreichte in der
Elektrolysezelle folgende Betriebswerte (Wochenmittelwert):
Die Zugfestigkeit des Diaphragmas beträgt 4,5 MPa.
Vergleichsweise zeigen die Betriebswerte (Wochenmittelwerte) eines
Diaphragmas mit etwa gleicher Porosität und Porengrößenverteilung,
das zu 100% aus unmodifiziertem PTFE-Suspensionspolymerisat (Hersteller
UdSSR, Typ Ftoroplast 4 B) besteht und analog hergestellt
wurde, den folgenden Verlauf:
Dieses Diaphragma hat eine Gesamtporosität von 55% mit Mikroporen,
von denen 90% 2,5 µm, 50% 1,5 µm und 10% 0,8 µm groß
sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter) bei einer Dicke von
0,99 mm. Die Zugfestigkeit beträgt 5,2 MPa.
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma besteht aus 97,5% (Massekonzentration)
PTFE-Suspensionspolymerisat (Typ Ftoroplast 4 B) und
aus 2,5% hochfunktionalisiertem PTFE, Ausgangsmaterial für das
hochfunktionalisierte PTFE ist PTFE-Emulsionspolymerisat (Typ
Ftoroplast 4 D), das durch Elektronenstrahlung mit einer Elektronenenergie
von 1 MeV und einer Temperatur von 150°C mit einer Basis
von 3180 kGy an der Luft bestrahlt wird.
Entsprechend Beispiel 1 wird aus der o. g. PTFE-Mischung unter
Zusatz von feinstgemahlenem NaCl als Porenbildner ein mikroporöses
Durchlaufdiaphragma mit einer Dicke von 1,01 mm erhalten, das
nach dem Herauslösen des NaCl mittels Wasser eine Gesamtporosität
von 60% mit Mikroporen aufweist, von denen 90% 4,1 µm, 50% 1,8 µm
und 10% 0,8 µm groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter).
Dieses mikroporöse Durchlaufdiaphragma wird in einer Laborelektrolysezelle
nach Beispiel 1 eingesetzt und im kontinuierlich durchlaufenden
Betrieb über die gesamte Laufzeit betrieben.
Das Diaphragma mit der o. g. Zusammensetzung erreichte in der
Elektrolysezelle folgende Betriebswerte (Wochenmittelwerte):
Die Zugfestigkeit des Diaphragmas beträgt 4,3 MPa.
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma besteht aus 93,75% (Massekonzentration)
PTFE-Suspensionspolymerisat (Typ Ftoroplast 4 B)
und aus 6,25% hochfunktionalisiertem PTFE.
Das Ausgangsmaterial für das hochfunktionalisierte PTFE ist
Emulsionspolymerisat (Ftoroplast 4 D), das zunächst durch Elektronenstrahlung
mit einer Elektronenenergie von 1,5 MeV und einer
Dosis von 200 kGy pulverisiert wird. Danach wird es mit 15%
(Massekonzentration, bezogen auf das PTFE) feindispersem Natriumdisulfit
und 5% feindispersem Kaliumfluorid in guter Durchmischung
bei einer Elektronenenergie von 1,5 MeV und einer Temperatur
von 200°C mit einer Dosis von 2000 kGy bestrahlt und
mit Aceton/Wasser (1 : 1) durch Auswaschen von den überschüssigen
Zusätzen befreit und getrocknet.
Entsprechend Beispiel 1 wurde ein Durchlaufdiaphragma erhalten,
das in der im Beispiel 1 beschriebenen Laborzelle folgende Betriebswerte
(Wochenmittelwerte) erreichte:
Dieses Durchlaufdiaphragma hat eine Gesamtporosität von 60% mit
Mikroporen, von denen 90% 6,2 µm, 50% 1,9 µm und 10% 0,8 µm
groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter) bei
einer Diaphragmadicke von 1,03 mm.
Die Zugfestigkeit beträgt 4,0 MPa.
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma besteht aus einer Mischung
von 60% (Massekonzentration) PTFE-Suspensionspolymerisat (Typ
Ftoroplast 4 B) und 27,5% PTFE-Emulsionspolymerisat (Typ Ftoroplast
4 D) sowie aus 12,5% hochfunktionalisiertem PTFE, das
nach Beispiel 1 hergestellt wird.
Nach Beispiel 1 wurde ein Durchlaufdiaphragma erhalten, das
in der in Beispiel 1 beschriebenen Laborzelle folgende Betriebswerte
(Wochenmittelwerte) erreichte:
Dieses Durchlaufdiaphragma hat eine Gesamtporosität von 60% mit
Mikroporen, von denen 90% 5,1 µm, 50% 2,0 µm und 10% 0,7 µm
groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter) bei
einer Dicke von 1,0 mm.
Die Zugfestigkeit beträgt 3,3 MPa.
70 g PTFE-Rohpolymerisat vom Suspensionstyp (Hersteller UdSSR,
Typ Ftoroplast 4 B), das zuvor in einer Schlagrad-Messermühle
30 s lang zerkleinert wurde, wird mit 210 g PTFE-Rohpolymerisat
vom Emulsionstyp (Hersteller UdSSR, Typ Ftoroplast 4 D),
20 g hochfunktionalsiertem PTFE und 200 g feinstgemahlenem
NaCl in einen Schnellmischer gegeben und 45 s gemeinsam durchmischt.
Das Ausgangsmaterial für das hochfunktionalisierte PTFE
ist Emulsionspolymerisat (Ftoroplast 4 D), das zunächst durch
Elektronenbestrahlung mit einer Elektronenenergie von 1 MeV
und mit einer Dosis von 300 kGy pulverisiert wird. Danach wird
es mit 20% (Massekonzentration, bezogen auf das PTFE) feindispersem,
getrockneten (NH₄)₂SO₃ · H₂O in guter Durchmischung bei
einer Elektronenenergie von 1 MeV bei einer Temperatur von 180°C
mit einer Dosis von 2800 kGy bestrahlt und mit Aceton/Wasser (1 : 1)
durch Auswaschen von überschüssigem Ammoniumsulfit befreit und
danach getrocknet.
Dieses Gemisch wird mit 240 g Paraffin (Siedebereich 200 bis
250°C) versetzt und geknetet, bis die Mischung gleichmäßig
benetzt ist. Diese plastische Masse wird auf eine Dicke von ca. 8 mm
verpreßt und auf einen Walzenstuhl gegeben, dessen beide Walzen
auf 150°C temperiert und mit einer Friktion von 1,4 bei einer
Umfangsgeschwindigkeit der langsameren Walze von 3,8 m/min betrieben
werden. Der Walzspalt wird zum Vorwalzen von 6 mm auf 2,1 mm in
Stufen von 0,3 pro Durchlauf verstellt und im letzten Durchlauf
zum Fertigwalzen von 2,1 mm auf 0,7 mm reduziert.
Das Paraffin wird danach mittels Aceton extrahiert. Nach vorheriger
Trocknung erfolgt das Sintern des Diaphragmas bei 360°C über
einer Zeit von 15 min. Mittels Wasser wird das NaCl herausgelöst.
Das getrocknete Diaphragma kann vor dem Einsatz in der Elektrolysezelle
beispielsweise durch Ethanol benetzt werden. Es hatte
eine Porosität von 60%.
Die Zugfestigkeit beträgt in Walzrichtung 8,5 MPa und im rechten
Winkel dazu 6,4 MPa.
75 g PTFE-Rohpolymerisat vom Suspensionstyp (Ftoroplast 4 B),
das zuvor in einer Schlagrad-Messermühle 30 s lang zerkleinert
wurde, wird mit 75 g PTFE-Rohpolymerisat vom Emulsionstyp (Ftoroplast
4 D) und 350 g feinstgemahlenem NaCl in einem Schnellmischer
gegeben und 30 s gemeinsam durchmischt.
Dieses Gemisch wird mit 220 g Paraffin (Siedebereich 200 bis
250°C) versetzt und geknetet, bis die Mischung gleichmäßig
benetzt ist.
Diese plastische Masse wird auf eine Dicke von 7 mm verpreßt
und auf einen Walzenstuhl gegeben, dessen Walzen auf 120°C
temperiert und mit einer Friktion von 1,2 bei einer Umfangsgeschwindigkeit
der langsameren Walze von 3,3 m/min betrieben
werden.
Der Walzspalt wird zum Vorwalzen von 6 mm auf 1,8 mm in Stufen
von 0,3 mm pro Durchlauf verstellt und im letzten Durchlauf
zum Fertigwalzen von 1,8 mm auf 0,9 mm reduziert.
Nach dem Extrahieren des Paraffins mit Aceton und anschließender
Trocknung wird das Diaphragma bei 370°C 15 min lang gesintert.
Das NaCl wird mittels Wasser herausgelöst. Das Diaphragma hat
eine Porosität von 85%. Die Zugfestigkeit beträgt in Walzrichtung
10,1 MPa und im rechten Winkel dazu 8,1 MPa.
15 g PTFE-Rohpolymerisat vom Suspensionstyp (Ftoroplast 4 B),
das zuvor in einer Schlagrad-Messermühle in einer größeren Menge
30 s lang zerkleinert wurde, wird mit 60 g PTFE-Rohpolymerisat
vom Emulsionstyp (Ftoroplast 4 D) und 425 g feinstgemahlenem
NaCl in einen Schnellmischer gegeben und 20 s gemeinsam durchmischt.
Dieses Gemisch wird mit 200 g Paraffin (Siedebereich
200 bis 250°C) versetzt und geknetet, bis die Mischung gleichmäßig
benetzt ist.
Diese plastische Masse wird auf eine Dicke von 8 mm verpreßt
und auf einen Walzenstuhl gegeben, dessen Walzen auf 100°C
temperiert und mit einer Friktion von 1,6 bei einer Umfangsgeschwindigkeit
der langsameren Walze von 4,0 m/min betrieben
werden.
Der Walzspalt wird zum Vorwalzen von 6 mm auf 0,6 mm in Stufen
von 0,2 mm pro Durchlauf verstellt und im letzten Durchlauf
zum Fertigwalzen von 0,6 mm auf 0,2 mm reduziert.
Nach dem Extrahieren des Paraffins mit Toluol und anschließender
Trocknung wird das Diaphragma bei 370°C 10 min lang gesintert.
Das NaCl wird mittels Wasser herausgelöst. Das Diaphragma hat
eine Porosität von 92%. Die Zugfestigkeit in Walzrichtung beträgt
8,2 MPa und im rechten Winkel dazu 5,3 MPa.
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma, das nach dem Verfahren gemäß
DD-PS 2 00 531 hergestellt worden ist, besteht aus bestrahltem
PTFE mit einem Zusatz von PTFE-Suspensionspolymerisat als Verstärkungskomponente.
Die Polymermatrix enthält 70 Masseanteile
in % (bezogen auf den PTFE-Anteil) eines bestrahlten PTFE-Sekundärmaterials
(Abfälle der mechanischen Bearbeitung von Formkörpern,
die aus PTFE-Suspensionspolymerisat hergestellt wurden), 30
Masseanteile in % PTFE-Suspensionspolymerisat (Typ Ftoroplast
4 B) und zusätzlich ein Verstärkungsgewebe. Das PTFE-Sekundärmaterial
in Form von zerkleinerten Spänen wird durch Elektronenstrahlung
mit einer Elektronenenergie von 1 MeV und einer Dosis
von 200 kGy an der Luft bestrahlt und danach zu Feinpulver
zerkleinert.
Aus der o. g. PTFE-Mischung wird unter Zusatz von feinstgemahlenem
NaCl zusammen mit dem Verstärkungsgewebe durch Verpressen und
Sintern bei 360°C ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma mit
einer Dicke von 1,49 mm erhalten, das nach dem Herauslösen des
NaCl mittels Wasser eine Gesamtporosität von 60% mit Mikroporen
aufweist, von denen 90% 11,9 µm, 50% 4,8 µm und 10% 1,0 µm
groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter).
Das Diaphragma mit der o. g. Zusammensetzung wurde in der beschriebenen
Elektrolysezelle eingesetzt, die jedoch einen Elektrodenabstand
von 10 mm besaß, woraus eine höhere Zellenspannung resultierte.
Es erreichte folgende Betriebswerte (Wochenmittelwerte):
Die Zugfestigkeit des Diaphragmas (ohne Verstärkungsgewebe) beträgt
0,5 MPa.
Bei Erhöhung des Anteiles von hochfunktionalisiertem PTFE erfüllt
das Diaphragma nicht mehr die Anforderungen des Elektrolysebetriebes,
wie folgendes Beispiel zeigt:
Ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma besteht aus 50 Masseanteile
in % PTFE-Suspensionspolymerisat (Typ Ftoroplast 4 B) und 25
Masseanteile in % PTFE-Emulsionspolymerisat (Typ Ftoroplast
4 D) sowie aus 25 Masseanteile in % hochfunktionalisiertem PTFE,
das nach Beispiel 1 hergestellt wird.
Nach Beispiel 1 wurde ein Durchlaufdiaphragma erhalten, das
in der in Beispiel 1 beschriebenen Laborzelle folgende Betriebswerte
(Wochenmittelwerte) erreichte:
Dieses Durchlaufdiaphragma hat eine Gesamtporosität von 60% mit
Mikroporen, von denen 90% 10 µm, 50% 2,1 µm und 10% 0,9 µm
groß sind (Messung mit Quecksilber-Porosimeter) bei einer Dicke
von 0,96 mm.
Die Zugfestigkeit beträgt 1,6 MPa.
Claims (15)
1. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma für Elektrolysezellen,
vorzugsweise für Chloralkalielektrolysen, bestehend
aus PTFE und einem Hydrophilierungsmittel, dadurch gekennzeichnet,
daß das Durchlaufdiaphragma aus unmodifiziertem PTFE
und 1,5 bis 12,5 Masse-% hochfunktionalisiertem PTFE (bezogen
auf die Matrix) als weitgehend polymeridentischem Hydrophilierungsmittel
besteht.
2. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das unmodifizierte PTFE ein
Suspensionspolymerisat ist.
3. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das unmodifizierte PTFE ein
Emulsionspolymerisat ist.
4. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das unmodifizierte PTFE eine
Mischung von PTFE-Suspensions- und -Emulsionspolymerisat im
Verhältnis 10 : 1 bis 1 : 10 ist.
5. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hochfunktionalisierte
PTFE ein durch Bestrahlung von unmodifizierten
PTFE, vorzugsweise von Emulsionspolymerisat, gewonnenes Produkt
ist, das mit Elektronenstrahlung einer Elektronenenergie von
0,5 bis 2 MeV an der Luft bis zu einer absorbierten Dosis von
2000 bis 6000 kGy erhalten wird.
6. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach Anspruch
5, dadurch gekennzeichnet, daß das unmodifizierte PTFE vor der
Bestrahlung mit 5 bis 40 Masse-% (bezogen auf das eingesetzte
PTFE) Ammonium- oder Alkalisulfite, -disulfite, -hydrogensulfite,
-carbonate, -hydrogencarbonate oder Bisulfitaddukte von
Corbonylverbindungen oder einem Gemisch dieser Substanzen gemischt
wird.
7. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach Anspruch
6, dadurch gekennzeichnet, daß 1 bis 12 Masse-% Alkalifluoride
(bezogen auf das eingesetzte PTFE) zugesetzt werden.
4. Mikroporöses, asbestfreies Durchlaufdiaphragma nach einem
der Ansprüche 1 bis 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mikroporen, die durch Herauslösen
von feinteiligem Feststoff, vorzugsweise von NaCl, entstehen,
zu 90% 6 ± 3,5 µm, 50% 2 ± 0,5 µm und 10% 1 ± 0,3 µm
groß sind.
9. Verfahren zur Herstellung der mikroporösen, asbestfreien
Durchlaufdiaphragmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und
einem der Ansprüche 5 bis 7 und dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein trockenes Gemisch aus vorzerkleinertem
PTFE-Suspensionspolymerisat, 1,5 bis 12,5 Masse-% hochfunktionalisiertem
PTFE und ein feinteiliger, herauslösbarer Porenbildner
im Volumenverhältnis 1 : 5 bis 5 : 1 mit einer leichtflüchtigen
organischen Flüssigkeit mit einer Dichte von 1,3 bis 2,4 g/cm³
bei hohem Energieeintrag dispergiert und auf eine waagerecht
einnivellierte Form ausgegossen, die organische Flüssigkeit
durch Verdunstungstrocknung entfernt und die entstandene
vorgeformte Schicht bei 320 bis 380°C und einem Druck von
1 bis 10 MPa verpreßt und gesintert und anschließend der
Porenbildner herausgelöst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
vorgeformte Schicht vorerst kalt bei dem angegebenen Druck
verpreßt, dann zwischen den Preßplatten bei einem Spalt von
0,5 bis 20 mm zwischen der Oberseite der vorgeformten Schicht
und der oberen Preßplatte aufgeheizt und nach Erreichen der
Sintertemperatur 5 bis 50 Minuten verpreßt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die leichtflüchtige organische Flüssigkeit ein halogenisierter
Kohlenwasserstoff, insbesondere Dibromtetrafluorethan, ist.
12. Verfahren zur Herstellung der mikroporösen, asbestfreien
Durchlaufdiaphragmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und
einem der Ansprüche 5 bis 7 und dem Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß vorzerkleinertes PTFE-Suspensionspolymerisat
mit PTFE-Emulsionspolymerisat im Verhältnis 1 : 5
bis 3 : 1, gegebenenfalls zusätzlich mit 1 bis 12,5 Masse-%
hochfunktionalisierten PTFE-Rohpolymerisat von Emulsions-
oder Suspensionstyp, mit einem Gleitmittel und einem feinteiligen,
herauslösbaren Porenbildner trocken gemischt,
auf einem Zweiwalzenstuhl ohne Umorientierung der Walzrichtung
auf die gewünschte Enddicke von 0,05 bis 2 mm gewalzt und
gesintert und anschließend der Porenbildner herausgelöst
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mischung auf einem Zweiwalzenstuhl mit Walzentemperaturen
von 50 bis 200°C bei einer Friktion von 1,1 bis 1,6 bei
einer Verringerung des Walzenspaltes in Schritten von 0,1
bis 0,4 mm auf das Zwei- bis Dreifache der angestrebten
Enddicke und anschließend in einem Schritt auf die Enddicke
von 0,05 bis 2 mm ausgewalzt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gleitmittel nach dem Walzen entfernt und
das Walzfell bei 320 bis 370°C drucklos gesintert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß als Gleitmittel ein gesättigter Kohlenwasserstoff
oder ein Gemisch von gesättigten Kohlenwasserstoffen
mit einem Siedepunkt bzw. einem Siedebereich zwischen 200
und 300°C in einem Anteil von 10 bis 50 Masse-% (bezogen
auf die trockene Mischung) verwendet wird.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD34230190A DD296289A5 (de) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Verfahren zur herstellung von asbestfreien durchlaufdiaphragmen aus polytetrafluorethylen |
DD34230590A DD296290A5 (de) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Verfahren zur herstellung von mikroporoesen durchlaufdiaphragmen aus polytetrafluorethylen |
DD34230290A DD296315A5 (de) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Mikroporoeses durchlaufdiaphragma fuer elektrolysezellen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4117391A1 true DE4117391A1 (de) | 1992-01-02 |
Family
ID=27179949
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4117391A Withdrawn DE4117391A1 (de) | 1990-06-29 | 1991-05-28 | Mikroporoeses durchlaufdiaphragma fuer elektrolysezellen und verfahren zu seiner herstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4117391A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0616004A1 (de) * | 1993-03-16 | 1994-09-21 | W.L. GORE & ASSOCIATES GmbH | Poröse Polytetrafluorethylen (PTFE) sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung |
-
1991
- 1991-05-28 DE DE4117391A patent/DE4117391A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0616004A1 (de) * | 1993-03-16 | 1994-09-21 | W.L. GORE & ASSOCIATES GmbH | Poröse Polytetrafluorethylen (PTFE) sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8130 | Withdrawal |