JPH0142292B2 - - Google Patents
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Landscapes
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Description
本発明は、低電圧及び高電流密度で作動し、従
つて電力消費量が少なく且つ良好な引裂抵抗性を
有するイオン交換膜及びその使用に関する。
カルボン酸及び/又はスルホン酸官能基或いは
その塩を含む弗素化されたイオン交換重合体は当
該分野で公知である。そのような重合体の1つの
主要な用途は、クロルアルカリ電解槽の陽極及び
陰極室を隔離するために使用される膜成分として
である。そのような膜は強化された又は強化され
てないフイルム或いは積層構造の形でありうる。
クロルアルカリ槽での使用に関しては、膜が低
電圧及び高電流密度で、従つて低電力消費量で作
動し、今日の漸増するエネルギー費の観点から低
価格で高品質の生成物を与えることが望ましい。
更に膜が強靭であり、その製造中及びそのような
槽での使用中における損傷に対して耐えることも
望ましい。現存する最良のイオン交換重合体のフ
イルムは低引裂強度を有するので、膜を強化材、
例えば強化繊維と共に製造することによつてそれ
を強化することが必要であることが判明してい
る。
しかしながら膜の中に強化材を使用することは
全体として有益なことでない。1つの欠点は、繊
維布のような強化材の使用のために膜が厚くな
り、この結果厚さが厚くなれば電気抵抗が増大す
るという理由から高電圧でしか使用できない膜と
なるということである。強化膜を製造する際によ
り薄いフイルムを用いることによつて抵抗を低下
させる努力は、膜の製造中に繊維布のウインドウ
(Window)のいくつかで膜が破れ、その結果漏
れのある膜が生成するという理由でしばしば不成
功に終つている。(ここに「ウインドウ」とは、
繊維布の隣接する糸間の開口域を意味する)。漏
れのある膜は、陽極液及び陰極液を反対の電解槽
室中へ流入せしめ、電流効率を低下させそして製
造される生成物を不純にするという点で望ましく
ない。更に、強化用繊維布の糸の交点では重合体
の層が厚くなり、高抵抗域を形成することとな
る。(ここに「交点」とは横糸と縦糸が重なり合
つた点を意味する)。
第2の欠点は、これも高電圧での使用に通ずる
ことであるが、強化膜の「シヤドウ(shadow)」
作用によつて誘起される。膜を通過するイオンの
最短経路は、一方の表面から他の表面に至る垂直
な直線経路である。強化膜はイオン透過性でない
物質から均一に作られている。イオンが膜中を垂
直に且つ直線的に通過しえない膜の部分、及びイ
オンが強化部材の回りを遠回りする経路を取らな
ければならないような膜の部分は、「シヤドウ域」
と呼ばれる。強化材の使用によつて「シヤドウ
域」が膜中に導入されると、膜のその部分での、
有効なイオン移送能が減少し、従つて膜の運転電
圧が上昇することとなる。強化膜の下流側に隣接
する、即ち陽イオン流が膜を通過する方向に関し
て「下流」側に隣接する膜のシヤドウ域の部分は
「ブラインド域(blind域)」と言われる。
本発明の主な目的は、低電圧及び高電流効率
で、従つて低電力消費量で作動し、しかも良好な
耐引裂性を有するイオン交換膜を提供することで
ある。もう一つの目的は薄くて強靭なイオン交換
膜を提供することである。その他の目的は以下の
記述から明らかになるであろう。
要するに、本発明によれば、後に定義する如き
高い縦横比(aspect ratio)を有する強化膜、強
化膜の下流側にカルボン酸官能基を有する重合体
層、及びブラインド域に通じる膜内の管路
(channels)を有するイオン交換膜が提供される。
更に詳細には、−COOM及び/又は−SO3W官
能基[ここで、MはH,NA,K又はNH4であ
る]を有する隣接する層が互いに接着接触してい
る弗素化重合体の少くとも2層、及びそれに埋め
込まれた支持体材料のウエツブから成る液体の水
圧流(hydraulic flow)に対して不透過性である
イオン交換膜であつて、−COOM官能基を有する
第一の該層及び−SO3M官能基を有する第二の該
層が少くとも存在し、弗素化重合体の該少くとも
2つの層の全厚が、該膜の製造に使用される−
COOR及び/又は−SO2W官能基[ここで、Rは
低級アルキルであり、そしてWがF又はClであ
る]を有する前駆重合体の層で測定したとき、50
〜250ミクロンの範囲内にあり、支持体材料の該
ウエツブが約25〜125ミクロンの厚さ及び少くと
も50%の開口率(openness)を有し且つ強化部
材(reinforcing members)からなり、該強化部
材がその間のウインドウ域を区画し、そして該膜
内の管路(channel)が該ウインドウ域からブラ
インド域まで延び、そこで該強化部材が該第一の
層の近くに位置することを特徴とするイオン交換
膜が提供される。
更に本発明によれば、イオン交換膜を作るため
の前駆体膜、該イオン交換膜を構成分として含む
電気化学槽、及び該イオン交換膜を用いる電解方
法が提供される。
本発明の膜は、典型的には、−COOR及び/又
は−SO2W官能基[ここで、Rは低級アルキルで
あり、そしてWはF又はClである]を有する弗素
化重合体の2つ又はそれ以上の層及び支持体材料
のウエツブから製造される。
本発明が関係する重合体の第一の層は、典型的
には、官能基又は官能基を含むペンダント側鎖が
結合している弗素化炭化水素鎖を有するカルボン
酸重合体である。このペンダント側鎖は、例えば
[式中、ZはF又はCF3であり、tは1〜12で
あり、そしてVは−COOR又は−CNであり、こ
こでRは低級アルキルである]
を含有することができる。通常、重合体の側鎖に
おける官能基は、末端の
基に存在するであろう。この種の弗素化重合体の
例は、英国特許第1145445号、米国特許第4116888
号及び米国特許第3506635号に開示されている。
更に具体的には、該重合体は弗素化された又は弗
素で置換されたビニル化合物である単量体から製
造される。該重合体は普通少くとも2種の単量体
から製造される。少くとも1種の単量体は弗素化
ビニル化合物、例えば弗素化ビニル、ヘキサフル
オロプロピレン、弗化ビニリデン、トリフルオロ
エチレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフ
ルオロ(アルキルビニルエーテル)、テトラフル
オロエチレン及びこれらの混合物である。塩水の
電気分解に使用される共重合体の場合、前駆ビニ
ル単量体は望ましくは水素を含まないであろう。
更に少くとも1種の単量体はカルボン酸基に加水
分解しうる基、例えばカルボアルコキシ又はニト
リル基を上述の如き側鎖中に含有する弗素化単量
体である。
ここで「弗素化重合体」とは、加水分解により
R基を失なつてイオン交換型になり、F原子の数
がF原子及びH原子の数の少くとも90%である重
合体を意味する。
単量体は、特に重合体を塩水の電気分解に使用
する場合、好ましくは−COORのR基以外に水素
を含まず、また厳しい環境で最大の安定性を得る
ためには、最も好ましくは水素及び塩素の両方を
含まない、即ちパーフルオル化されているであろ
う;R基は官能基がイオン交換基に転化される加
水分解中に失なわれるから弗素化されている必要
はない。
1つの適当な種類のカルボキシル含有単量体
は、例示すると式
[式中、Rは低級アルキルであり、YはF又は
CF3であり、そしてsは0,1又は2である]
によつて表わされる。sが1であるこれらの単量
体は、その良好な収率での製造及び分離がsが0
又は2のときよりも容易に達成されるから好適で
ある。化合物
は特に有用な単量体である。そのような単量体
は、例えば式
[式中、s及びYは上記と同義である]
を有する化合物から、(1)末端ビニル基を塩素で飽
和して、CF2Cl−CFCl−基に転化することによ
り、それを続く段階で保護し;(2)二酸化窒素で酸
化して−OCF2CF2SO2F基を−OCF2COF基に転
化し;(3)アルコール例えばメタノールでエステル
化して−OCF2COOCH3基を生成させ、そして(4)
亜鉛末で脱塩素化して末端CF2=CF−基を再生
する、ことによつて製造できる。しかしこの連続
工程(2)及び(3)の代りに、(a)−OCF2−CF2SO2F基
の、亜硫酸塩又はヒドラジンでの処理によるスル
フイン酸、−OCF2CF2SO2H、又はそのアルカリ
金属もしくはアルカリ土類金属塩への還元;(b)ス
ルフイン酸又はその塩を酸素又はクロム酸で酸化
することによる−OCF2COOH基又はその金属塩
の生成;及び(c)既知の方法による−
OCF2COOCH3へのエステル化、を用いることも
できる。この順序は、そのような単量体の共重合
体の製造と関連して米国特許第4267364号に更に
詳細に記載されている。
他の適当な種類のカルボキシ含有単量体は式
[式中、Vは−COOR又は−CNであり、Rは
低級アルキルであり、YはF又はCF3であり、Z
はF又はCF3であり、そしてsは0,1又は2で
ある]
によつて表わされる。最も好適な単量体は、重合
体及びイオン形への転化が容易なことから、Vが
−COORであり、ここでRは低級、一般にC1〜
C5アルキルであるものである。sが1である単
量体も、その良好な収率での製造及び分離がsが
0又は2のときよりも容易に達成できるから好適
である。Vが−COORであり、ここでRが低級ア
ルキルであるこれらの単量体及びその共重合体の
製造は、米国特許第4131740号に記載されている。
それに製造方法が示されている化合物、
及び
は特に有用な単量体である。Vが−CNである単
量体の製造方法は米国特許第3852326号に記載さ
れている。
更に他の適当な種類のカルボキシル含有単量体
は−O(CF2)vCOOCH3[ここでvは2〜20であ
る]の末端基、例えば
CF2=CFO(CF2)3COOCH3及び
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)3COOCH3
を有するものである。そのような単量体及びその
共重合体の製造方法は特公昭52−38486号公報及
び特公昭52−28586号公報に、及び英国特許第
1145445号に記載されている。
他の種類のカルボキシル含有重合体は、反復単
位
[式中、qは3〜15であり、rは1〜10であ
り、sは0,1又は2であり、tは1〜12であ
り、xは一緒になつて4個の弗素又は3個の弗素
と1個の塩素であり、YはF又はCF3であり、Z
はF又はCF3であり、そしてRは低級アルキルで
ある]
を有する重合体によつて表わされる。
好適な群の共重合体はテトラフルオルエチレン
及び式
[式中、nは0,1又は2であり、mは1,
2,3又は4であり、YはF又はCF3であり、そ
してRはCH3,C2H5又はC3H7である]
を有する化合物からなるものである。
本発明が関係するそのような共重合体は、既知
の技術、例えば米国特許第3528954号、米国特許
第4131740号及び南アフリカ国特許第78/2225号
によつて製造できる。
本発明が関係するスルホニル重合体は、典型的
には官能基又は官能基を有するペンダント側鎖が
さらに結合した弗素炭化水素鎖を有する重合体で
ある。ペンダント側鎖は、例えば
[式中、RfはF,Cl又はC1〜C10パーフルオル
アルキル基であり、そしてWはF又はCl、好まし
くはFである]
を含有することができる。通常重合体の側鎖にお
ける官能基は、末端基
The present invention relates to ion exchange membranes that operate at low voltages and high current densities, thus having low power consumption and good tear resistance, and their use. Fluorinated ion exchange polymers containing carboxylic acid and/or sulfonic acid functional groups or salts thereof are known in the art. One major use of such polymers is as a membrane component used to isolate the anode and cathode compartments of chlor-alkali electrolyzers. Such membranes may be in the form of reinforced or unreinforced films or laminated structures. For use in chlor-alkali baths, the membranes can operate at low voltages and high current densities and therefore with low power consumption, giving high quality products at low prices in view of today's increasing energy costs. desirable.
It is further desirable that the membrane be tough and resistant to damage during its manufacture and use in such vessels. The best existing ion-exchange polymer films have low tear strengths, so membranes can be reinforced with
It has proven necessary to strengthen it, for example by producing it with reinforcing fibers. However, the use of reinforcement in the membrane is not entirely beneficial. One drawback is that the use of reinforcing materials such as textile fabrics makes the membranes thicker, resulting in membranes that can only be used at high voltages because the increased thickness increases electrical resistance. be. Efforts to lower resistance by using thinner films in manufacturing reinforced membranes have resulted in membrane tears in some of the fabric windows during membrane manufacture, resulting in leaky membranes. They are often unsuccessful because of this. (Here, "window" means
(meaning the open area between adjacent threads of a textile fabric). Leaky membranes are undesirable in that they allow anolyte and catholyte to flow into opposite cell chambers, reducing current efficiency and impure the product produced. Additionally, the polymer layer becomes thicker at the intersections of the reinforcing fiber fabric yarns, creating high resistance regions. (The "intersection" here means the point where the weft and warp threads overlap). The second drawback, also common to high voltage applications, is the "shadow" of the reinforced membrane.
induced by action. The shortest path for ions through the membrane is a vertical straight path from one surface to the other. The reinforced membrane is uniformly made of a material that is not permeable to ions. Portions of the membrane where ions cannot pass vertically and in a straight line through the membrane, and where ions must take a circuitous route around the reinforcing member, are referred to as "shadow regions."
It is called. When a "shadow zone" is introduced into a membrane through the use of reinforcement, the
The effective ion transport capacity is reduced and the operating voltage of the membrane is therefore increased. The portion of the membrane's shadow zone that is adjacent to the downstream side of the reinforced membrane, ie, adjacent to the "downstream" side with respect to the direction of cation flow through the membrane, is referred to as the "blind zone." The main object of the present invention is to provide an ion exchange membrane that operates at low voltage and high current efficiency, and therefore with low power consumption, and yet has good tear resistance. Another objective is to provide a thin and strong ion exchange membrane. Other purposes will become apparent from the description below. In summary, according to the invention there is provided a reinforced membrane with a high aspect ratio as defined below, a polymer layer with carboxylic acid functional groups downstream of the reinforced membrane, and a conduit in the membrane leading to the blind area. An ion exchange membrane having (channels) is provided. More particularly, fluorinated polymers in which adjacent layers with -COOM and/or -SO3W functional groups [where M is H, NA, K or NH4 ] are in adhesive contact with each other. an ion exchange membrane impermeable to hydraulic flow of a liquid, comprising at least two layers and a web of support material embedded therein, the membrane comprising: a first membrane having -COOM functional groups; at least one layer and a second said layer having SO3M functional groups are present, and the total thickness of the at least two layers of fluorinated polymer is used in the production of the membrane.
When measured on a layer of precursor polymer with COOR and/or -SO2W functionality [where R is lower alkyl and W is F or Cl], 50
~250 microns, the web of support material having a thickness of about 25 to 125 microns and an openness of at least 50% and comprising reinforcing members; a member defines a window area therebetween, and a channel within the membrane extends from the window area to a blind area, where the reinforcing member is located near the first layer. An ion exchange membrane is provided. Further, according to the present invention, there are provided a precursor membrane for producing an ion exchange membrane, an electrochemical cell containing the ion exchange membrane as a component, and an electrolysis method using the ion exchange membrane. The membranes of the present invention are typically made of 2 fluorinated polymers having -COOR and/or -SO2W functional groups, where R is lower alkyl and W is F or Cl. Manufactured from one or more layers and a web of support material. The first layer of polymer with which this invention pertains is typically a carboxylic acid polymer having a fluorinated hydrocarbon chain to which are attached functional groups or pendant side chains containing functional groups. This pendant side chain can be e.g. [wherein Z is F or CF3 , t is 1 to 12, and V is -COOR or -CN, where R is lower alkyl]. Typically, the functional groups in the side chains of polymers are It will exist at the base. Examples of fluorinated polymers of this type are British Patent No. 1145445, US Patent No. 4116888
and US Pat. No. 3,506,635.
More specifically, the polymer is prepared from monomers that are fluorinated or fluorine-substituted vinyl compounds. The polymers are usually made from at least two monomers. At least one monomer is a fluorinated vinyl compound, such as vinyl fluoride, hexafluoropropylene, vinylidene fluoride, trifluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, perfluoro(alkyl vinyl ether), tetrafluoroethylene, and mixtures thereof. It is. For copolymers used in brine electrolysis, the precursor vinyl monomer will desirably be hydrogen-free.
Furthermore, at least one monomer is a fluorinated monomer containing in its side chain a group hydrolysable to a carboxylic acid group, such as a carbalkoxy or nitrile group, as described above. The term "fluorinated polymer" as used herein means a polymer that loses its R group through hydrolysis and becomes an ion-exchange type polymer, in which the number of F atoms is at least 90% of the number of F atoms and H atoms. . The monomer preferably contains no hydrogen other than the R group of -COOR, especially when the polymer is used for brine electrolysis, and most preferably contains no hydrogen for maximum stability in harsh environments. and chlorine, ie perfluorinated; the R group need not be fluorinated since it is lost during hydrolysis where the functional group is converted to an ion exchange group. One suitable type of carboxyl-containing monomer is, illustratively, of the formula [Wherein, R is lower alkyl, Y is F or
CF 3 and s is 0, 1 or 2]. These monomers with s 1 can be prepared and separated in good yields when s is 0.
This is preferable because it can be achieved more easily than in case 2 or 2. Compound are particularly useful monomers. Such monomers may have, for example, the formula [wherein s and Y have the same meanings as above] From a compound having (1) the terminal vinyl group is saturated with chlorine and converted into a CF 2 Cl−CFCl− group, in a subsequent step. (2) oxidation with nitrogen dioxide to convert -OCF 2 CF 2 SO 2 F groups to -OCF 2 COF groups; (3) esterification with an alcohol such as methanol to generate -OCF 2 COOCH 3 groups; , and (4)
It can be produced by dechlorinating with zinc dust to regenerate the terminal CF 2 =CF- group. However, instead of this sequence of steps (2) and ( 3 ), (a) sulfinic acid, -OCF2CF2SO2H , by treatment of the -OCF2 - CF2SO2F group with sulphite or hydrazine ; or its reduction to an alkali metal or alkaline earth metal salt; (b) formation of -OCF 2 COOH group or its metal salt by oxidizing sulfuric acid or its salt with oxygen or chromic acid; and (c) known Depending on the method
Esterification to OCF 2 COOCH 3 can also be used. This sequence is described in further detail in US Pat. No. 4,267,364 in connection with the preparation of copolymers of such monomers. Other suitable types of carboxy-containing monomers have the formula [Wherein, V is -COOR or -CN, R is lower alkyl, Y is F or CF3 , and Z
is F or CF 3 and s is 0, 1 or 2]. The most preferred monomers, due to their ease of conversion to polymeric and ionic forms, are -COOR, where R is lower, generally C 1 -
It is C 5 alkyl. Monomers in which s is 1 are also preferred because their production and separation in good yields is easier to achieve than when s is 0 or 2. The preparation of these monomers and copolymers thereof where V is -COOR and R is lower alkyl is described in U.S. Pat. No. 4,131,740.
a compound whose method of manufacture is indicated therein; as well as are particularly useful monomers. A method for making monomers in which V is -CN is described in US Pat. No. 3,852,326. Yet other suitable types of carboxyl-containing monomers have terminal groups of -O( CF2 ) vCOOCH3 , where v is from 2 to 20, such as CF2 =CFO( CF2 ) 3COOCH3 and CF 2 = CFOCF2CF ( CF3 ) O ( CF2 ) 3COOCH3 . Methods for producing such monomers and copolymers thereof are described in Japanese Patent Publication No. 52-38486 and Japanese Patent Publication No. 52-28586, and British Patent No.
Described in No. 1145445. Other types of carboxyl-containing polymers are repeating units [wherein q is 3 to 15, r is 1 to 10, s is 0, 1 or 2, t is 1 to 12, and x taken together are 4 fluorine or 3 fluorine and 1 chlorine, Y is F or CF3 , and Z
is F or CF 3 and R is lower alkyl]. A preferred group of copolymers are tetrafluoroethylene and [where n is 0, 1 or 2, m is 1,
2 , 3 or 4 , Y is F or CF3 , and R is CH3 , C2H5 or C3H7 ]. Such copolymers to which the present invention relates can be prepared by known techniques, such as US Pat. No. 3,528,954, US Pat. No. 4,131,740 and South African Patent No. 78/2225. The sulfonyl polymers to which this invention relates are typically polymers having a fluorohydrocarbon chain further attached with a functional group or pendant side chains bearing a functional group. The pendant side chain can be e.g. [wherein Rf is F, Cl or a C1 - C10 perfluoroalkyl group, and W is F or Cl, preferably F]. The functional groups in the side chains of polymers are usually terminal groups.
【式】中
に存在するであろう。この種の弗素化重合体の例
は、米国特許第3282875号、第3560568号及び第
3718627号に開示されている。更に具体的には、
該重合体は弗素化された単量体又は弗素置換され
たビニル化合物から製造することができる。重合
体は少くとも2種の単量体から、下記の2つの群
の各々に由来する単量体の少くとも1つを用いて
製造される。
少くとも1つの単量体は、弗素化ビニル化合物
例えば弗化ビニル、ヘキサフルオロプロピレン、
弗化ビニリデン、トリフルオロエチレン、クロロ
トリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキル
ビニルエーテル)、テトラフルオロエチレン及び
これらの混合物である。塩水の電気分解で使用す
る共重合体の場合、前駆ビニル単量体は望ましく
は水素を含有しない。
第2の群は前駆体基[Formula] will be present in [Formula]. Examples of fluorinated polymers of this type are U.S. Pat.
Disclosed in No. 3718627. More specifically,
The polymers can be made from fluorinated monomers or fluorine-substituted vinyl compounds. The polymer is made from at least two monomers, with at least one monomer from each of the two groups below. At least one monomer is a fluorinated vinyl compound such as vinyl fluoride, hexafluoropropylene,
Vinylidene fluoride, trifluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, perfluoro(alkyl vinyl ether), tetrafluoroethylene, and mixtures thereof. For copolymers used in brine electrolysis, the precursor vinyl monomer desirably does not contain hydrogen. The second group is the precursor group
【式】を含
有するスルホニル含有単量体である。更なる例
は、一般式
CF2=CF−Tk−CF2SO2F
[式中、Tは炭素原子数1〜8個の2官能性の
弗素化基であり、そしてkは0又は1である]
で表わすことができる。Tにおける置換原子団は
弗素、塩素又は水素を含むが、一般に共重合体を
クロルアルカリ槽のイオン交換に使用する場合に
は水素は除外される。最も好適な重合体は水素及
び塩素が炭素に結合していない、即ちそれらは厳
しい環境における最大の安定性のためにパーフル
オル化されている。上記式のT基は分岐していて
も分岐していなくても、即ち直鎖状でもよく、1
つ又はそれ以上のエーテル結合を有していてもよ
い。スルホニルフルオリドを含む共重合体の群に
おけるビニル基は、エーテル結合を通してT基に
結合する、即ち共重合体が式CF2=CF−O−T
−CF2−SO2Fのものであることが好適である。
そのようなスルホニルフルオリドを含有する共単
量体の例は
である。
最も好適なスルホニルフルオリドを含有する共
単量体は、パーフルオロ(3,6―ジオキサ―4
―メチル―7―オクテンスルホニルフルオリド)、
である。
スルホニル含有単量体は、米国特許第3282875
号、第3041317号、第3718627号及び第3560568号
の如き文献に開示されている。
好適な種類のそのような重合体は、反復単位
[式中、hは3〜15であり、jは1〜10であ
り、pは0,1又は2であり、Xは一緒になつて
4個の弗素又は3個の弗素と1個の塩素であり、
YはF又はCF3であり、そしてRfはF、Cl又はC1
〜C10パーフルオルアルキル基である]
を有する重合体によつて表わされる。
最も好適な共重合体は、テトラフルオロエチレ
ン及びパーフルオロ(3,6―ジオキサ―4―メ
チル―7―オクテンスルホニルフルオリド)の、
後者を20〜65重量%、好ましくは25〜50重量%含
有する共重合体である。
本発明で使用されるそのような共重合体は、弗
素化エチレンの単独重合及び共重合に対して開発
された一般的な重合法、特に文献に記載されてい
るテトラフルオロエチレンに対して用いられる方
法によつて製造することができる。共重合体を製
造するための非水性法は、米国特許第3041317号
の方法、即ち主単量体の混合物、例えばテトラフ
ルオロエチレン及びスルホニルフルオリド基を含
有する弗素化エチレンを、ラジカル開始剤、好ま
しくはパーフルオロカーボンパーオキサイド又は
アゾ化合物の存在下に、温度0〜200℃及び圧力
105〜2×107パスカル(1〜200気圧)又はそれ
以上において重合される方法を含む。非水性重合
反応は、所望により弗素化溶媒の存在下に行なう
ことができる。適当な弗素化溶媒は、不活性な液
体のパーフルオロ化炭化水素、例えばパーフルオ
ロメチルシクロヘキサン、パーフルオロジメチル
シクロブタン、パーフルオロオクタン、パーフル
オロベンゼンなど、及び不活性な液体のクロロフ
ルオロカーボン、例えば1,1,2―トリクロロ
―1,2,2―トリフルオロエタンなどである。
共重合体を製造するための水性法は、単量体
を、ラジカル開始剤を含有する水性媒体と接触さ
せ、米国特許第2393967号に開示されているよう
に非水性の湿つた又は粒状の重合体粒子のスラリ
ーを得ること、或いは単量体を、ラジカル開始剤
及びテローゲン的に不活性な分散剤の双方を含む
水性媒体と接触させ、例えば米国特許第2559752
号及び第2593583号に開示されているように重合
体粒子の水性コロイド分散液を得そして分散液を
凝固させることを含む。
異なる種類の官能基を含有する共重合体は、本
発明の膜を製造する際に成分フイルムの1つとし
て使用することもできる。例えば上記の非官能性
単量体の群から選択される単量体、上記のカルボ
ン酸単量体の群からの単量体及び更に上記のスル
ホニル単量体の群からの単量体から製造される三
元重合体(terpolymer)は、膜を製造する際の
フイルム成分の1つとして準備され且つ使用でき
る。
更に2種又はそれ以上の重合体の混合物である
フイルムを、膜の成分フイルムの1つとして用い
ることが可能である。例えば、スルホニル基を有
する溶融加工できる形の重合体と、カルボキシル
基を有する溶融加工できる形の重合体との混合物
は、本発明の膜の成分フイルムの1つとして準備
され且つ使用することができる。
更に積層フイルムを、膜を製造する際の成分フ
イルムの1つとして用いることも可能である。例
えば、スルホニル基を有する溶融加工しうる共重
合体層及びカルボキシル基を有する溶融加工しう
る共重合体層を有するフイルムは、本発明の膜の
製造において、成分フイルムの1つとして用いる
ことができる。
電気分解槽、例えばクロルアルカリ槽の陽極室
と陰極室を隔離するためのフイルム又は膜に用い
る場合、本発明書で取り扱うスルホネート重合体
は、イオン化しうる形に転化された後、0.5〜2
ミリ当量/g、好ましくは少くとも0.6ミリ当
量/gそして更に好ましくは0.8〜1.4ミリ当量/
gの全イオン交換容量を有すべきである。0.5ミ
リ当量/g未満のイオン交換容量の場合には電気
抵抗が高くなりすぎ、2ミリ当量/gを越えると
重合体が過度に膨潤するので機械的性質が貧弱と
なる。重合体を構成する成分の相対量は、電気分
解槽におけるイオン交換障壁として用いる場合、
重合体が約2000より大きくない当量重量を有する
ように調節又は選択されるべきである。フイルム
又は膜の抵抗が電気分解槽に実際に用いるのに高
すぎる当量重量は、フイルム又は膜の厚さと共に
いくらか変化する。薄いフイルム及び膜に対して
は、約2000までの当量重量を許容することができ
る。通常、当量重量は少くとも600、好ましくは
少くとも900であるべきである。スルホニル基を
イオン交換形で有する重合体のフイルムは、好ま
しくは900〜1500の範囲内の当量重量を有するで
あろう。しかしながら、多くの目的に対し、及び
通常の厚さのフイルムに対し、約1400より大きく
ない値が好適である。
本明細書で取り扱われるカルボキシレート重合
体において、クロルアルカリ槽の室を隔離するた
めに使用する場合、イオン交換能力に関する必要
条件はスルホネート重合体のそれと異なる。カル
ボキシレート重合体は、許容しうる低抵抗を有す
るように、少くとも0.6ミリ当量1g、好ましく
は少くとも0.7ミリ当量/g、最も好ましくは少
くとも0.8ミリ当量/gのイオン交換容量を有さ
ねばならない。そのような値は厚さの範囲が10〜
100ミクロンのうち薄い方の厚さを有するフイル
ムの場合に特に許容でき、この範囲の中位及び上
限のフイルムの場合には、イオン交換容量が少く
とも0.7ミリ当量/g、好ましくは0.8ミリ当量/
gであるべきである。イオン交換容量は、2ミリ
当量/g以下、好ましくは1.5ミリ当量/g以下、
そして更に好ましくは1.3ミリ当量/g以下であ
るべきである。当量重量に関して言えば、カルボ
キシレート重合体は最も好ましくは770〜1250の
範囲内の当量重量を有する。
本発明の膜は、約13ミクロン(0.5ミル)の薄
さから約150ミクロン(6ミル)までの厚さを有
する成分重合体フイルムから製造される。膜は一
般に2つ又は3つのそのような重合体フイルムか
ら製造されるので、膜を製造する際に使用される
重合体フイルムの全厚は一般に約50〜250ミクロ
ン(2〜10ミル)、好ましくは75〜200ミクロン
(3〜8ミル)、最も好ましくは約75〜150ミクロ
ン(3〜6ミル)になるであろう。
この技術分野において膜の構造的組成を規定す
る通常の方法は、溶融加工しうる形の重合体フイ
ルムの重合体組成、当量重量及び厚さ、及び膜を
作るときの強化用繊維布の種類を規定することで
ある。これは、積層法の中間生成物膜及びそれか
ら作られる加水分解されたイオン交換膜の両方の
場合に行なわれる。その理由は、(1)強化された膜
の厚さが均一でなく、即ち強化用繊維布の交点で
厚く及びそれ以外で薄く、且つカリパー又はマイ
クロメーターで行なわれる測定値が最高の厚さだ
けを示すからであり、そして(2)断面の、顕微鏡写
真及び写真による測定が厄介で時間を要するから
である。更に、加水分解されたイオン交換膜の場
合、測定された厚さは、膜が乾いているか或いは
水又は電解液で膨潤しているかどうか、或いは更
にたとえ重合体の量が一定でも電解液のイオン種
及びイオン強度に依存して変化する。膜の機能は
一部重合体の量の関数であるから、構造的組成を
規定する最も簡便な方法は、すぐ上に記述したと
おりのものである。
支持体材料のウエツブは適当には織布又は不織
紙である。いずれの場合も、ウエツブは強化部材
及び一時的補強部材(sacrificial members)の
両方からなる。
織布の場合、通常のバスケツト織り及びレノ
(leno)織りのような織り方が適当である。強化
用糸及び一時的補強糸はいずれも単フイラメント
であつてもまたマルチストランドであつてもよ
い。
強化部材はパーハロカーボン重合体の糸であ
る。ここで使用する「パーハロカーボン重合体」
なる語は、エーテル酸素結合を含有してもまたは
していなくてもよい炭素鎖を有し且つ全体が弗素
又は弗素及び塩素原子で置換された重合体を表わ
すために使用される。好適なパーハロカーボン重
合体は、化学的不活性さが大きいためパーフルオ
ルカーボン重合体である。典型的には、そのよう
な重合体には、テトラフルオロエチレンから作ら
れる単独重合体及びテトラフルオロエチレンとヘ
キサフルオロプロピレン及び/又はアルキル基の
炭素原子数が1〜10個のパーフルオロ(アルキル
ビニルエーテル)、例えばパーフルオロ(プロピ
ルビニルエーテル)との共重合体が包含される。
最も好適な強化用材料の例はポリテトラフルオロ
エチレンである。クロロトリフルオロエチレン重
合体から作られる強化用糸も有用である。
積層に先立つて繊維布に及び積層後に膜に適当
な強度をもたせるためには、強化用糸は50〜600
デニル、好ましくは200〜400デニルのものである
べきである(デニルは糸9000m当りのg数であ
る)。しかしながら、典型的な丸い断面を有する
そのようなデニルの糸は、特に糸の重なりが強化
物を糸の厚さの2倍まで厚くし、この結果リーク
のないようにするのに十分な厚さの弗素化重合体
のフイルム層を用いることが必要となり、その結
果高電圧での運転を余儀なくする厚さとなるか
ら、不満足な膜しか与えない。本発明によれば、
強化部材が特定のデニルを有するが、非円形であ
る。即ち2〜20、好ましくは5〜10の縦横比を有
する断面形状をもつ繊維布が使用される。ここに
縦横比とは、強化部材の巾対その厚さの比を意味
する。典型的な適する断面形状は、長方形、卵形
及びだ円形を含む。長方形の部材は、フイルムか
らスリツトした薄くて狭いリボンの形であつてよ
く、或いはそのように押出成形することもでき、
この場合には角を丸くすることができる。卵形、
だ円形及び他の形状は押出成形してもよく或いは
繊維又はヤーンをカレンダリングすることにより
作つてもよい。織布をカレンダーがけして必要な
縦横比を得ることも可能である。上述の如き長方
形の断面が好適である。支持体材料のウエツブは
25〜125ミクロン(1〜5ミル)、好ましくは50〜
75ミクロン(2〜3ミル)の範囲内の厚さを有す
るから、強化部材は12〜63ミクロン(0.5〜2.5ミ
ル)、好ましくは25〜38ミクロン(1〜1.5ミル)
の厚さを有すべきである。
繊維布は、縦糸及び横糸のそれぞれにおいて、
強化用糸1.6〜16本/cm(4〜40糸/インチ)の
範囲内の糸カウントを有すべきである。強化用糸
6〜8本/cmの範囲内の糸カウントが好適であ
る。
繊維布の一時的補強部材は、天然又は合成の多
くの適当な物質のいずれかの糸である。適当な物
質には、木綿、リンネル、絹、レーヨン、6―6
ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、及びポ
リアクリロニトリルが包含される。セルロース性
物質が好適である。一時的補強繊維の主な必要条
件は、重合体マトリツクスに悪影響を及ぼさずに
除去できることである。この条件下においては、
一時的補強繊維の化学的性状(chemical
makeup)は厳密でない。同様に、一時的補強繊
維の除去の方法は、その除去がカチオン透過性の
セパレーターにおける最終重合体のイオン交換容
量を妨害しない限りにおいて厳密でない。例示す
ると、セルロース物質例えばレーヨンの一時的補
強繊維の除去は次亜塩素酸ナトリウムを用いて行
なうことができる。一時的補強繊維は、イオン交
換部位を有する重合体の前駆体である中間重合体
或いはイオン交換部を有する重合体のいずれにも
悪影響を及ぼさずに除去できる繊維である。一時
的補強繊維は、最終重合体のイオン交換能を妨害
しないで、空隙を残したままで重合体から除去さ
れる。一時的補強繊維の除去の方法は、セパレー
ターを強化するために使用される支持繊維に影響
を及ぼしてはならない。
一時的補強部材、例えばレーヨン糸又は再生セ
ルロースフイルムから切りとつた細いリボンは適
当には約40〜100デニルのものである。それらは、
1〜20の範囲内の縦横比を有することができ、即
ち長方形、卵形又はだ円形の断面を有することが
でき、或いは十分に低デニルならば1の縦横比、
即ち断面が円形のものであることができる。強化
用糸の場合のように、一時的補強糸は12〜63ミク
ロン、好ましくは25〜38ミクロンの厚さを有すべ
きである。
縦糸及び横糸の各々において、繊維布中の一時
的補強糸対強化用糸の比は10:1〜1:1の範囲
内にあるべきである。一時的補強繊維対強化用繊
維の好適な比は2:1〜6:1であり、最も好適
には2:1〜4:1である。
更に各強化用繊維に対して、偶数の一時的補強
繊維が存在することが好適である。各強化用繊維
に対して奇数の一時的補強繊維を有する繊維布も
使用できるが、それらは好適な種類でない。この
好適であるという理由は、各強化用繊維に対して
1本の一時的補強繊維を有する通常の織り方の繊
維布の場合に起こることを観察することによつて
知ることができる:繊維布の一時的補強繊維を除
去した時、残る強化用繊維は繊維布の形態にな
い:1組の繊維は他の組の繊維上にとどまるだけ
であり、そしてそのようなものは本発明において
許容しうるが、それは好適でない。勿論、そのよ
うな場合において、一時的補強繊維を除去した後
に織られた状態で残こる特別な織りを用いること
も可能である。そのような特別な織りを作る必要
性を避けるために、各強化用繊維に対して偶数の
一時的補強繊維を有する繊維布が好適である。
強化用繊維布は、存在する高い縦横比の糸を撚
るか又は撚らずに作ることができる。撚る場合、
撚り数は少なくし高い縦横比を維持する。
強化用繊維布は、一時的補強糸で除去した後、
繊維布が少くとも50%、好ましくは少くとも65%
の開口率を有するようなものであるべきである。
ここに「開口率」とは、繊維布の全面積に対する
ウインドウの合計面積を百分率で表示したもので
ある。
不織紙の場合、適当な成分繊維の薄い開いたシ
ートが使用できる。
強化部材はパーハロカーボン重合体繊維であ
る。不織紙に関して本明細書で用いる「繊維」な
る語はフイラメントからカツトされたチヨツプト
フアイバー(chopped fibers)のみならずフイブ
リド及びフイブリルも包含する。パーハロカーボ
ンは、パーハロカーボン重合体糸に関して上述し
たものと同義であり、この場合にも好ましくはパ
ーフルオロカーボンである。これらの繊維は5〜
10デニルを有し、3〜20mm、好ましくは5〜10mm
の長さを有する。
一時的補強部材は、一時的補強糸に関して上述
したセルロース性又は他の材料の繊維である。紙
繊維の特徴はパルプの「自由度(freeness)」を
規定する標準試験、例えばTAPPI標準T227m―
58に定義されている「カナダ標準規格自由度」に
よつて定義できる。紙の一時的補強部材に対して
適当な自由度値は300〜750mlカナダ標準の範囲内
にある。好適な具体例はクラフト繊維である。
紙はパーハロカーボン繊維10〜90重量%及び一
時的補強繊維90〜10重量%からなり、好ましくは
パーハロカーボン繊維25〜75重量%及び一時的補
強繊維75〜25重量%からなる。
紙は25〜125g/m2、好ましくは50g/m2以下
の坪量を有すべきである。織布の場合におけるよ
うに、紙の厚さは25〜125ミクロン(1〜5ミ
ル)、好ましくは50〜75ミクロン(2〜3ミル)
の範囲内にあり、一時的補強繊維の除去後に少く
とも50%、好ましくは少くとも65%の開口率を有
すべきである。
膜はフイルムの成分層及び支持体材料のウエツ
ブから熱及び圧力の助けを借りて作ることができ
る。用いる重合体フイルムを互いに溶融接着して
支持体材料と共に単一の膜構造体を形成させるた
めには、そして2つより多いフイルムを使用する
場合には隣接するフイルムシートを一緒に融着さ
せるためには、通常約200〜300℃の温度が必要で
ある。しかしながら必要とされる温度はこの範囲
以上又は以下であつてもよく、用いる重合体に依
存する。その場合の適当な温度の選択は、温度が
低くすぎると、フイルムの強化部材への及び相互
の適度な接着に失敗し及び/又は強化部材に隣接
するフイルム間に大きい空隙が形成されるが故
に、そして温度が高すぎると、過剰に重合体が流
動化し、リークと不均一な重合体の厚さに帰着す
るが故に、明白となるであろう。圧力は約2×
104パスカル程度の低い圧力から107パスカルを越
える圧力まで使用できる。バツチ操作に適当な種
類の装置は、通常2×105〜107パスカルの範囲内
の圧力を使用する水圧式プレスである。
膜の連続式製造に適当であり且つ断らない限り
実施例で使用する装置は、内部加熱器及び内部真
空源を有する中空ロールから成るものである。中
空ロールはその表面上に一連の円周スロツトを含
み、内部真空源が成分材料を中空ロールの方向へ
吸引する。輻射加熱器を有する湾曲した静止板
は、中空ロールの上表面と、約6mm(1/4インチ)
の間隔で面している。
積層操作中、多孔質剥離紙が支持体材料として
中空ロールと接して使用され、成分材料のロール
表面への接着を防ぎ、真空源が成分材料を中空ロ
ールの方向へ吸引する。成分材料及び生成物に対
して供給及び取り出し手段を設ける。供給手段で
は、中空ロールよりも直径の小さいアンドラー・
ロールを剥離紙及び成分材料に対して設置する。
供給及び取り出し手段は、成分材料が中空ロール
の周囲を、その円周の約5/6の長さに亘つて通過
するように位置する。更なるアンドラー・ロール
を剥離紙に対して設置し、それを他の材料から分
離させる。取り出し手段を剥離紙及び生成物膜に
対して設ける。
イオン交換の目的及び電解槽、例えば塩水の電
気分解のためのクロルアルカリ槽に使用する場合
には、膜はすべての官能基がイオン化しうる官能
基に転化されているべきである。通常及び好まし
くは、これらはスルホン酸及びカルボン酸基、又
はそのアルカリ金属塩である。かかる転化は、通
常及び便宜的には、溶融加工しうる重合体に関し
て上述した種々の官能基がそれぞれ遊離酸又はそ
のアルカリ金属塩に転化されるように、酸又は塩
基での加水分解によつて達成される。そのような
加水分解は鉱酸又はアルカリ金属水酸化物の水溶
液を用いて行なうことができる。塩基での加水分
解は、速く且つ完全に進行するから好適である。
熱溶液、例えば沸点付近の溶液の使用は、速い加
水分解に対して好適である。加水分解に必要な時
間は、構造物の厚さと共に増大する。水と混和す
る有機化合物例えばジメチルスルホキシドを加水
分解浴に含有させることも有利である。
一時的補強繊維の膜からの除去は、溶融加工し
うる形態にある元の膜をイオン交換膜へ転化する
前、中又は後の任意の段階で行なうことができ
る。それは、一時的補強部材が該転化に用いる加
水分解浴によつて破壊される部材である場合に
は、該転化中に行なうことができる。この例はナ
イロン重合体の苛性による加水分解である。また
例えばレーヨンの一時的補強部材の場合には、該
転化前に水性次亜塩素酸ナトリウムで処理するこ
とによつて該転化前に除去を行なうことができ
る。この時には一時的補強繊維が除去され且つ重
合体層の官能基が−COOR及び−SO2W形のまま
である膜が製造される。最初に加水分解を行なつ
てもよく、この場合には、官能基は−COOH及
び−SO3H又はその塩に転化され、依然として一
時的補強繊維を含んでいるイオン交換形の膜が製
造される;一時的補強繊維は後で除去されるが、
これはレーヨン又は他のセルロース性部材或いは
ポリエステル部材の場合、クロルアルカリ槽で使
用する膜ならば、電気分解中に槽で生成する次亜
塩素酸の作用によつて行なうことができる。
一時的補強部材を膜から除去すると、膜中の
元々一時的補強部材が占有していた場所に管路が
残る。これらの管路は一般にウインドウ領域から
シヤドウ(shadowed)、即ちブラインド領域ま
で延び、一方強化部材はカルボキシル官能基を有
する官能性重合体の近くに位置する。
管路は1〜50ミクロンの公称直径を有する。こ
の公称直径は一時的補強繊維のそれと同一であ
り、その除去の結果管路が生成する。管路の実際
の直径は、膜を脱水したときの収縮又は崩壊、及
び膜自体が膨潤したときの膨潤によつて変化する
と思われる。通常、繊維布の一時的補強糸の除去
後に残る管路は直径が10〜50ミクロンの範囲内に
あり、そして紙からの一時的補強部材の除去では
直径が1〜20ミクロンの範囲内にある。
本発明の膜は、支持体材料がカルボキシル官能
基を有する弗素化重合体の第一の層に浸透してい
ないが、少なくとも主にカルボキシ及び/又はス
ルホニル官能基を有する弗素化重合体の他の層
に、及び好ましくはスルホニル官能基を有する弗
素化重合体の、通常は膜の表面層である第二の層
中に存在するように製造される。結果として管路
はまた少くとも主に、重合体の第一の層以外の層
中に、そして好ましくはスルホニル官能基を有す
る重合体の第二の層中に存在する。一時的補強部
材の除去によつて生成するイオン交換膜の管路は
1つの表面から反対側の表面に膜を突き抜けてお
らず、従つて膜はクロルアルキル槽で生ずる典型
的な低圧における液体の水圧流に対して不透過で
ある。(多孔性であるダイヤフラムは、それを通
過する液体の水圧流の組成に変化を起こさせない
が、一方でイオン交換膜は透過する物質が組成に
おいて膜と接触する液体のそれと異なるように、
イオンによる選択的な透過及び拡散による液体の
透過を可能にする。)気体又は液体を用いるリー
ク試験によつて膜を透過する管路が存在するかし
ないかを決定するのは容易なことである。しかし
ながら、管路は開口していても閉塞されていても
よく、即ち弗素化重合体の該第二の層を通つて膜
の表面まで透過していてもいなくてもよい。いず
れの場合にも、管路は膜のウインドウ領域からブ
ラインド領域へ延びている。該第二の層中の管路
は膜の表面まで開口していることが好適である。
その理由は、そのような膜が閉塞された管路を有
する膜よりも低電圧で働くからである。イオン交
換膜を食塩水の電気分解に使用するとき、カルボ
キシル官能基を有する層を陰極液に及び好ましく
はスルホン酸官能基を有する第二の層を陽極液
(塩水)に向けて膜を配置する場合、管路は開口
しているならば強化部材がカルボキシル官能基を
有する層の近くにある膜内のブラインド領域まで
塩水を運搬するのに役立ち、或いは閉塞している
ならば同様にして該第二の層の表面部分中へブラ
インド領域まで侵入する液体を運搬するのに役立
つ。
繊維布の一時的補強糸対強化用糸の比が1:1
である場合、一時的補強糸の除去後の管路は糸セ
グメントの半分に隣接してウインド領域からブラ
インド領域まで延びる。ここに「糸セグメント」
とは、1つの糸の交点から隣りの糸の交点まで延
びる強化用糸の長さを意味する。一時的補強糸対
強化用糸の比が2:1である場合、一時的補強糸
の除去後の管路は、すべての糸セグメントに隣接
してウインド領域からブラインド領域まで延び
る。一時的補強糸対強化用糸の比が更に増大する
につれて、続いて生成せしめられるブラインド領
域への管路の数が増大する。従つて、一時的補強
糸対強化用糸の比が少くとも2:1の繊維布が好
適である。
紙の支持体材料では、一時的補強繊維の除去後
に膜に残こる紙部分は2.5〜112.5g/m2、好まし
くは45g/m2以下の坪量を有する。紙の支持体材
料の一時的補強繊維を除去したときに形成される
管路は相互に連結していると思われる。
本発明の好適な膜は、1つの表面層として−
COOR官能基のみを有する弗素化重合体の第一の
層、他の表面層として−SO2F官能基のみを有す
る弗素化重合体の第二の層、及び第二の層中に埋
め込まれた支持体材料のウエツブからなるもので
ある。該第一の層は約25〜75ミクロンの範囲内の
厚さを有し、該第二の層は約75〜150ミクロンの
範囲内の厚さを有する。イオン交換形への加水分
解及び支持体材料の一時的補強部材の除去後、得
られるイオン交換膜は、クロルアルカリ槽に対す
る好適な膜である。この後者の膜の管路は上述の
如く開口している管路であることが更に好適であ
る。そのような膜は弗素化重合体の2つの層を有
しているけれども、それらは3層又はそれ以上の
層の重合体、例えば−COORを有する重合体層、
−SO2Wを有する重合体層、支持体材料のウエツ
ブ及び−SO2W基を有する重合体のもう1つの層
から、支持体材料のウエツブが後記実施例のいく
つかに見られるように、完全に又は少くとも殆ん
ど完全に−SO2W基を有するマトリツクスに埋め
込まれるように上述の順序で加工される。特許請
求の範囲において、成分層の厚さは公称の厚さ、
即ち膜を作るために併せる前に用いる層の厚さで
あり、一方膜の全厚は膜の製造後のその厚さに関
する。
本発明のイオン交換膜の主な用途は電気化学槽
(electrochemical cell)である。そのような槽
は、陽極、陽極室、陰極、陰極室及び2つの該室
を分離するために位置する膜から成る。1つの例
はクロルアルカリ槽である。この場合、膜は塩形
の官能基を有すべきである;そのような槽におい
て、カルボキシル官能基を有する膜の層は、陰極
室に向けて配置されるであろう。
電気化学槽、特にクロルアルカリ槽は、通常、
陽極及び陰極間の空隔又は間隔を狭く、即ち約3
mmよりも広くないように作られるであろう。また
膜を陽極又は陰極のいずれかと接触させて槽を運
転し及び電気分解プロセスを実施することはしば
しば有利であるが、これは一方の電解槽室の適当
な水圧ヘツドにより、或いは膜及び選ばれた電極
を接触させるオープン・メツシユ又はグリツド・
セパレーターを用いることにより達成できる。更
に、ゼロ―ギヤツプ配置(zero―gap
configuration)として言及される配置において
は、膜を陽極及び陰極の両方と接触させることが
しばしば有利である。そのような配置は、陽極液
及び陰極液によつてもたらされる抵抗を最小に
し、従つて低電圧での運転を可能にするという利
点を与える。そのような配置をとつてもとらなく
ても、いずれか一方又は両方の電極は、電極にお
ける過電圧を低下させるための技術的に既知の種
類の適当な触媒活性表面層を有することができ
る。
本明細書に記述する膜は、電気触媒組成物
(electrocatalyst composition)をいずれか一方
の表面に又は両方の表面を担持せしめるための基
材として使用することができ、それによつて複合
膜/電極とすることができる。
かかる電気触媒は当該分野で既知のタイプのも
の、例えば米国特許第4224125号及び同第3134697
号並びに公開英国特許出願GB2009788Aに記載の
ものであることができる。好適な陰極電気触媒に
は白金黒、ラネーニツケル及びルテニウムブラツ
クが包含される。好適な陽極電気触媒には白金黒
並びにルテニウム及びイリジウム混合酸化物が包
含される。
本明細書に記載する膜はまた、ガス放出特性を
高めるように、例えば最適の表面粗面性又は平滑
性を与えることにより、或いは好ましくはその上
にガス―及び液体―透過性で多孔性の非電極層を
設けることによつて、いずれか一方の表面又は両
表面を変性することができる。かかる非電極層は
薄い親水性コーテイング又はスペーサの形状であ
ることができ、そして通常不活性で電気的に不活
性な又は非電気触媒性物質からなる。そのような
非電極層は10〜99%、好ましくは30〜70%の多孔
度、及び0.01〜2000ミクロン、好ましくは0.1〜
1000ミクロンの平均孔径、及び一般の0.1〜500ミ
クロン、好ましくは1〜300ミクロンの範囲内の
厚さを有すべきである。非電極層は通常無機成分
とバインダーから成る;該無機成分は公開英国特
許出願GB2064586Aに記載されている如きタイプ
のもの、好ましくは酸化スズ、酸化チタン、酸化
ジルコニウム、又はFe2O3もしくはFe3O4のよう
な酸化鉄であることができる。イオン交換膜上の
非電極層に関する他の情報は公開ヨーロツパ特許
出願第0031660号並びに特開昭56―108888号公報
及び特開昭56−112487号公報に記載されている。
非電極層中及び電気触媒組成物中のバインダー
成分は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、
少なくとも表面が空気中でのイオン化放射処理又
は変性剤によつて−COOH又は−SO3Hの如き官
能基を導入すること(例えば公開英国特許出願
GB2060703Aに記載されている)或いは液体アン
モニア中のナトリウムのような試薬での処理によ
り親水性にされているフルオロカーボン重合体、
カルボキシレート又はスルホネート官能基を有す
る官能基置換されたフルオロカーボン重合体又は
共重合体、或いは表面が酸型の官能基を有する弗
素化重合体で変性されたポリテトラフルオロエチ
レン粒子であることができる(GB2064586A)か
かるバインダーは非電極層又は電気触媒組成物層
の10〜50重量%の量で用いるのが適当である。
非電極層及び/又は電気触媒組成物層をその上
に有する複合構造物は当該分野で既知の種々の方
法によつてつくることができ、例えば、膜表面上
に次いでプレスされるデカル(decal)の調製、
バインダーの液体組成物中のスラリー(例えば分
散液)の適用、しかる後の乾燥、ペースト状の組
成物のスクリーン又はグラビア印刷、膜表面に分
布した粉末のホツト・プレス、及びGB2064586A
に記載されている如き他の方法が包含される。か
かる構造物は上記の層を溶融加工可能な形態で膜
上に適用することにより、及びある種の方法によ
りイオン交換型で膜上に適用することによりつく
ることができる;得られる構造物の重合体成分は
溶融加工可能な形態である場合には、既知の方法
で加水分解してイオン交換型にすることができ
る。
非電極層及び電気触媒組成物層は種々の方法の
組合わせで膜上において用いることができる。例
えば、膜の表面は非電極層で変性することがで
き、後者の上に電気触媒組成物層を配置すること
ができる。膜の上には電気触媒及び導電性非電極
材料、例えば該電気触媒より高い過電圧を有する
金属粉末の両方を含む層を、バインダーで単一の
層に組合わせて設けることも可能である。好適な
タイプの膜はその一方の表面に陰極電気触媒組成
物を有し且つその反対側の裏面に非電極層を有す
るものである。
1つもしくはそれ以上の電気触媒層、又は1つ
もしくはそれ以上の非電極層、或いはそれらの組
合わせを表面に有する膜は、前述した如き狭いギ
ヤツプ又はゼロ―ギヤツプ配置の電気化学槽に使
用することができる。
本明細書に記載する層において使用される共重
合体は、溶融加工しうる前駆体形及び加水分解さ
れたイオン交換形の両方において、少くとも適度
に強いフイルムを製造するのに十分高い分子量を
有すべきである。
本発明の革新的な面を更に例示するために、以
下に実施例を示す。
実施例中の各略号は次のとおりである。
PTFEはポリテトラフルオロエチレンを意味
し;
TFE/EVEはテトラフルオロエチレン及びメ
チルパーフルオロ(4,7―ジオキサ―5―メ
チル―8―ノネノエート)の共重合体を意味
し;
TFE/PSEPVEはテトラフルオロエチレン及
びパーフルオロ(3,6―ジオキサ―4―メチ
ル―7―オクタンスルホニルフルオリド)の共
重合体を意味し;
EWは当量重量を意味する。
実施例
実施例 1
次の層を熱及び圧力下に熱的に一緒に接合する
ことにより、強化されたカチオン交換膜を製造し
た:
A 1080の当量重量(EW)を有するTFE/
EVEの25ミクロン(1ミル)フイルムからな
る陰極表面層。
B 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVEの
76ミクロン(3ミル)層。
C 強化用糸及び一時的補強糸の両方を含有する
支持体繊維布。強化用糸は、厚さ19ミクロン
(0.75ミル)及び巾508ミクロン(20ミル)の引
き裂いたPTFEフイルムからなる200デニルの
モノフイラメントであり、1インチ当り3.5回
の撚りをかけ且つ平らにして、厚さ38ミクロン
(1.5ミル)及び巾254ミクロン(10ミル)の断
面を有する糸としたもので、7.87本/cm(20
本/インチ)の縦糸及び横糸カウントをもつも
のであつた。この糸は6.7の縦横比を有した。
一時的補強糸は15.75本/cm(40本/インチ)
の縦糸及び横糸カウントを有する50デニルのレ
ーヨン糸であつた。布の全厚は76ミクロン(3
ミル)であつた。
D 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVE共
重合体の25ミクロン(1ミル)のフイルムから
なる陽極表面層。
最初に、層の間に捕捉される空気を排除するよ
うに注意しながら、熱をかけずにA及びB層を圧
着させた。次いで、D層が多孔性剥離紙のウエツ
ブ上に支持されるようにして4つの層をサーマ
ル・ラミネーターの中に通した。加熱域では、多
孔性剥離紙の下側から真空を適用し、TFE/
PSEPVEの2層間に捕捉された空気を、薄い溶
融した下部層(D層)から吸引し、これによつて
強化用繊維布を完全に包囲した。加熱域を出る重
合体の温度が赤外線測定装置によつて測定して
230〜235℃であるように、加熱域の温度を調節し
た。
積層後、複合膜を、30%ジメチルスルホキシド
及び11%KOHを含有する水性浴中において90℃
で20分間加水分解した。次いでフイルムをゆす
ぎ、湿つた状態で、寸法的に安定な陽極及び軟鉄
を延伸した金属陰極間に45cm2の活性域を有する小
さいクロルアルカリ槽にとりつけた。槽を
3.1KA/m2の電流で90℃下に運転した。陽極液の
出口の塩含量を200g/に維持した。陽極液に
水を添加して、製造される苛性の濃度を32±1%
に保つた。
8日後、槽は3.55ボルト及び電流効率97%で稼
動していた。この能力は運転36日後も変化しなか
つた。
実施例 2
「A」層が1080の当量重量を有するTFE/
EVEの50ミクロン(2ミル)の層からなる以外、
実施例1を繰返した。
小さいクロルアルカリ槽での試験8日後、膜は
3.65ボルト及び電流効率97%で稼動していた。こ
の性能は運転37日後も変化しないままであつた。
実施例 3
「B」層が1100の当量重量を有するTFE/
PSEPVEの101ミクロン(4ミル)の層からなる
以外、実施例1を繰返した。
小さいクロルアルカリ槽での試験8日後、膜は
3.65ボルト及び電流効率97%で稼動していた。こ
の性能は運転37日後も変化しないままであつた。
実施例 4
「A」層が1080の当量重量を有するTFE/
EVEの50ミクロン(2ミル)の層からなり、そ
して「B」層が1100の当量重量を有するTFE/
PSEPVEの101ミクロン(4ミル)の層からなる
以外、実施例1を繰返した。
この膜を、槽の温度を80℃とする以外、実施例
1と同一の条件下に小さいクロルアルカリ槽で試
験した。運転6日後、膜は3.70ボルト及び電流効
率95.2%で稼動していた。
比較例 A
本比較例は、低縦横比を有するモノフイラメン
トを含み且つ一時的補強糸を含まない強化用繊維
布を用いたときの、電解槽の電位に及ぼす影響を
示す。
膜は次の層を熱的に接合することにより製造し
た。
A 1080の当量重量(EW)を有するTFE/
EVEの25ミクロン(1ミル)の層からなる陰
極表面層。
B 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVEの
101ミクロン(4ミル)の層。
C 一時的補強糸を含まない強化用糸だけを有す
る布。強化用糸は、テトラフルオロエチレン96
重量%及びパーフルオロ(プロプルビニルエー
テル)4重量%の共重体(米国特許第4029868
号、比較例C参照)の、直径127ミクロン(5
ミル)の円形断面を有する200デニルで押出さ
れたモノフイラメントからなるものであつた。
これは縦横比1を有した。布は縦糸カウント
13.8本/cm(34本/インチ)及び横糸カウント
6.7本/cm(17本/インチ)のレノ織りであつ
た。この布を全体の厚さが239ミクロン(9.4ミ
ル)となるように熱カレンダーがけした。糸は
交点において僅かに平らになり、糸の縦横比が
1から1.13まで増加した。
D 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVE共
重合体の51ミクロン(2ミル)のフイルムから
なる陽極表面層。
上記構成成分を熱的に接合し、加水分解し、そ
の性能を実施例1における如く評価した。
小さいクロルアルカリ槽で9日後、膜は3.80ボ
ルト及び電流効率95.2%(3回の槽試験の平均)
で稼動していた。
層A,B又はDのいずれかの25ミクロン(1ミ
ル)以下を用いた同一の強化織布によつてより薄
い膜を製造する試みは、(1)高加工温度での試みの
場合、膜がリークする、或いは(2)低加工温度での
試みの場合、布Cの糸に隣つてフイルムB及びD
間に大きい空隙が形成されるという理由から不成
功であつた。いずれの条件も、膜を長期間に亘る
クロルアルカリ槽での使用に対して不適当ならし
めた。
比較例 B
本比較例は、高縦横比を有し亘つ一時的補強糸
を有さないモノフイラメントを含む強化用繊維布
を用いたときの、槽の電圧に対する影響を示す。
層Cが、300デニルのスリツトしたPTFEフイ
ルムのモノフイラメントを厚さ50.4ミクロン(2
ミル)及び巾305ミクロン(12ミクロン)に撚た
糸からなり、縦糸及び横糸カウントが15.75本/
cm(40本/インチ)である強化用布である以外、
構造は実施例Bと同一であつた。なお層Cの糸の
縦横比は6/1であり、一時的補強糸を含まなか
つた。
小さいクロルアルカリ槽において6日後、膜は
4.0ボルト及び電流効率94.5%で稼動していた。
実施例 5
本実施例は、高縦横比を有するモノフイラメン
トと一時的補強糸とからなる強化用繊維布を用い
ることによる本発明の方法を例示する。膜の層は
次のとおりであつた:
A 1050EWのTFE/EVEの51ミクロン(2ミ
ル)層。
B 1100EWのTFE/PSEPVEの101ミクロン
(4ミル)層。
C 強化用及び一時的補強糸の両方を含有する
布。強化用糸は、繊維巾305ミクロン(12ミル)
及び厚さ56ミクロン(2.2ミル)となるように
カレンダーがけし又は平らにした200デニルの
PTFEマルチフイラメントヤーンからなるもの
であつた。この縦横比は5.5であつた。縦糸及
び横糸方向の両方での糸カウントは5.9本/cm
(15本/インチ)であつた。一時的補強糸は縦
糸及び横糸カウントが23.6本/cm(60本/イン
チ)の50デニルのレーヨン糸からなるものであ
つた。布の全厚は112ミクロン(4.4ミル)であ
つた。
D 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVE共
重合体の25ミクロン(1ミル)からなる陽極表
面層。
この構造成分を熱的に接合し、加水分解し、槽
温度を80℃にする以外、実施例1における如くし
て小さいクロルアルカリ槽で評価した。運転9日
後、電流効率は96.7%及び電位は3.68ボルトであ
つた。53日後、その値は95.5%及び3.62ボルトで
あつた。
比較例 C
本比較例は、高縦横比のマルチフイラメント糸
を有するが、一時的補強繊維を織り込んでない強
化用繊維布を使用したときの、槽電圧に及ぼす影
響を示す。
積層物の組成は、強化用繊維布が次のとおりで
あるという以外、実施例5と同一であつた:
層Cは一時的補強糸を有さない強化用糸だけを
含有する布であつた。これは、200デニルの
PTFEマルチフイラメント縦糸20本/cm(51本/
インチ)及び400デニルの横糸10.2本/cm(26
本/インチ)からなるレノ織りであつた。糸の巾
が508ミクロン(20ミル)であり且つ厚さが糸の
交点において63.5ミクロン(2.5ミル)となるよ
うに繊維布をカレンダーがけした。これは縦横比
が8.0であつた。布の全厚は127ミクロン(5.0ミ
ル)であつた。
この構造成分を熱的に接合し、加水分解した。
凡そ半分の領域がリークした。このことは重合体
層の厚さが限界であることを示した。槽の温度を
80℃にする以外、実施例1におけるように、小さ
いクロルアルカリ槽中でリークのない領域を評価
した。槽で7日後に、膜は電流効率96.5%及び
3.99ボルトで稼動した。これは一時的補強糸を有
する実施例5よりも310ミリボルト高かつた。
実施例 6
本実施例は、フルオロカーボン重合体繊維及び
一時的補強繊維の混合物を含有する不織強化用材
料を用いる本発明の方法を例示するものである。
A 1080の当量重量(EW)を有するTFE/
EVE共重合体の51ミクロン(2ミル)の層か
らなる陰極表面層。
B 1100の当量重量を有するTFE/PSEPVEの
152ミクロン(6ミル)層。
C 強化用材料は、6mm長及び6.7デニルの
PTFEフイラメント及び630mlカナダ標準規格
の自由度を有する漂白したクラフトパルプの
50/50重量%混合物から作つた多孔性の紙であ
つた。その厚さは119ミクロン(4.7ミル)であ
り、重さは33.8g/m2(1オンス/平方ヤー
ド)であつた。
積層物を実施例1における如く製造した。加熱
域において、多孔性剥離紙の下側から真空を適用
し、溶融したTFE/PSEPVEを多孔性強化用紙
を通して吸引下降させ、これによつて強化用繊維
布を完全に包囲した。積層物は加水分解後もリー
クがなかつた。
この膜を、槽の温度を80℃にする以外、実施例
1と同様に、小さいクロルアルカリ槽で評価し
た。運転7日後、電流効率は96%であり且つ電圧
は3.68ボルトである。
実施例 7
1980年2月14日に出願された米国特許出願第
121461号に記載のラミネーターを用いる以外、前
記実施例と同一の強化用材料を用いて積層物を製
造した。層は次のとおりであつた:
A 1080EWのTFE/EVEの51ミクロン(2ミ
ル)の層。
B 1100EWのTFE/PSEPVEの51ミクロン
(2ミル)の層。
C 実施例6における如き50/50PTFE/クラフ
ト。
D 1100EWのTFE/PSEPVEの51ミクロン
(2ミル)の層。
積層物を加水分解し、小さいクロルアルカリ槽
中において、80℃の温度下に評価した。他の条件
は実施例1と同一であつた。運転13日後、電流効
率は96.5%及び電圧は3.62ボルトであつた。
比較例 D
本比較例は、一時的補強繊維を含まないTFE
フイラメントだけからの不織強化用材料を用いた
時の、槽の電圧に及ぼす影響を示す。
構造成分は、PTFE紙が一時的補強繊維を含ま
ない以外、実施例6と同様であつた。紙は110ミ
クロン(4.3ミル)の厚さ及び110g/m2(3.26
g/平方ヤード)の坪量を有した。
加水分解後、これを小さいクロルアルカリ槽で
評価した。7日後、これは93.1%の電流効率及び
4.16ボルトの電位を示した。
産業上の利用可能性
本発明のイオン交換膜は、従来の膜よりも技術
的に進歩している。これは、クロルアルカリ槽に
おける膜として使用したとき、低電圧及び高電流
効率、即ち低電力消費量での運転を含めて改良さ
れた性能特性を示す。従つて、電力消費量の低下
に伴なう運転費の実質的な節約がもたらされる。It is a sulfonyl-containing monomer containing [Formula]. A further example is the general formula CF2 =CF-Tk- CF2SO2F , where T is a difunctional difluorinated group having 1 to 8 carbon atoms, and k is 0 or 1. It can be expressed as: The substituent atomic group in T includes fluorine, chlorine, or hydrogen, but hydrogen is generally excluded when the copolymer is used for ion exchange in a chloralkali tank. The most preferred polymers have no hydrogen and chlorine bonded to carbon, ie they are perfluorinated for maximum stability in harsh environments. The T group in the above formula may be branched or unbranched, i.e. linear;
It may have one or more ether bonds. The vinyl group in the group of copolymers containing sulfonyl fluorides is attached to the T group through an ether linkage, i.e. the copolymer has the formula CF 2 =CF-O-T
-CF2 - SO2F is preferred.
Examples of such sulfonyl fluoride-containing comonomers are It is. The most preferred sulfonyl fluoride-containing comonomer is perfluoro(3,6-dioxer-4
-methyl-7-octensulfonyl fluoride), It is. Sulfonyl-containing monomers are disclosed in U.S. Pat. No. 3,282,875.
No. 3,041,317, No. 3,718,627 and No. 3,560,568. Suitable types of such polymers include repeating units [wherein h is 3 to 15, j is 1 to 10, p is 0, 1 or 2, and X together represent 4 fluorine or 3 fluorine and 1 chlorine] and
Y is F or CF 3 and Rf is F, Cl or C 1
~ C10 perfluoroalkyl group]. The most preferred copolymer is of tetrafluoroethylene and perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octensulfonyl fluoride).
It is a copolymer containing 20 to 65% by weight, preferably 25 to 50% by weight of the latter. Such copolymers used in the present invention are compatible with general polymerization methods developed for the homopolymerization and copolymerization of fluorinated ethylene, particularly for tetrafluoroethylene, which are described in the literature. It can be manufactured by a method. A non-aqueous method for making the copolymer is that of U.S. Pat. No. 3,041,317, in which a mixture of main monomers, e.g., tetrafluoroethylene and fluorinated ethylene containing sulfonyl fluoride groups, is combined with a radical initiator, Preferably in the presence of a perfluorocarbon peroxide or an azo compound, at a temperature of 0 to 200°C and a pressure of
Includes methods in which polymerization is carried out at 105 to 2× 107 Pascals (1 to 200 atmospheres) or higher. The non-aqueous polymerization reaction can be carried out in the presence of a fluorinated solvent if desired. Suitable fluorinated solvents include inert liquid perfluorinated hydrocarbons such as perfluoromethylcyclohexane, perfluorodimethylcyclobutane, perfluorooctane, perfluorobenzene, etc., and inert liquid chlorofluorocarbons such as 1, 1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane and the like. Aqueous methods for making copolymers involve contacting the monomers with an aqueous medium containing a radical initiator and forming a non-aqueous wet or particulate polymer as disclosed in U.S. Pat. No. 2,393,967. Obtaining a slurry of coalesced particles or contacting the monomers with an aqueous medium containing both a radical initiator and a telogenically inert dispersant, e.g., U.S. Pat. No. 2,559,752
and coagulating the dispersion. Copolymers containing different types of functional groups can also be used as one of the component films in making the membranes of the invention. For example, produced from monomers selected from the group of non-functional monomers mentioned above, monomers from the group of carboxylic acid monomers mentioned above and also monomers from the group of sulfonyl monomers mentioned above. The terpolymers prepared can be prepared and used as one of the film components in making membranes. Additionally, films that are mixtures of two or more polymers can be used as one of the component films of the membrane. For example, a mixture of a melt-processable form of a polymer having sulfonyl groups and a melt-processable form of a polymer having carboxyl groups can be prepared and used as one of the component films of the membranes of the present invention. . Furthermore, it is also possible to use the laminated film as one of the component films in producing the membrane. For example, a film having a melt-processable copolymer layer having sulfonyl groups and a melt-processable copolymer layer having carboxyl groups can be used as one of the component films in the production of the membranes of the present invention. . When used in a film or membrane for separating the anode and cathode compartments of an electrolytic cell, such as a chlor-alkali cell, the sulfonate polymers covered by this invention, after being converted to an ionizable form, have a
milliequivalents/g, preferably at least 0.6 milliequivalents/g and more preferably 0.8 to 1.4 milliequivalents/g.
It should have a total ion exchange capacity of g. If the ion exchange capacity is less than 0.5 meq/g, the electrical resistance will be too high, and if it exceeds 2 meq/g, the polymer will swell excessively, resulting in poor mechanical properties. The relative amounts of the components that make up the polymer, when used as an ion exchange barrier in an electrolyzer, are
The polymer should be adjusted or selected to have an equivalent weight of no greater than about 2000. The equivalent weight at which the resistance of the film or membrane is too high for practical use in an electrolytic cell varies somewhat with the thickness of the film or membrane. For thin films and membranes, equivalent weights up to about 2000 can be tolerated. Usually the equivalent weight should be at least 600, preferably at least 900. The polymeric film having sulfonyl groups in ion-exchanged form will preferably have an equivalent weight within the range of 900-1500. However, for many purposes, and for films of normal thickness, values of no greater than about 1400 are preferred. In the carboxylate polymers addressed herein, when used to isolate the chambers of chloralkali baths, the requirements regarding ion exchange capacity are different from those of the sulfonate polymers. The carboxylate polymer has an ion exchange capacity of at least 0.6 meq/g, preferably at least 0.7 meq/g, and most preferably at least 0.8 meq/g so as to have an acceptably low resistance. Must be. Such values have a thickness range of 10 to
Particularly acceptable for films having a thickness on the lower end of 100 microns, and for films in the middle and upper end of this range, an ion exchange capacity of at least 0.7 meq/g, preferably 0.8 meq/g. /
It should be g. The ion exchange capacity is 2 meq/g or less, preferably 1.5 meq/g or less,
And more preferably it should be 1.3 milliequivalents/g or less. In terms of equivalent weight, the carboxylate polymer most preferably has an equivalent weight within the range of 770-1250. The membranes of the present invention are made from component polymer films having a thickness of from about 13 microns (0.5 mils) to about 150 microns (6 mils). Since membranes are generally made from two or three such polymer films, the total thickness of the polymer films used in making the membrane is generally about 50 to 250 microns (2 to 10 mils), preferably about 2 to 10 mils. will be 75-200 microns (3-8 mils), most preferably about 75-150 microns (3-6 mils). Conventional methods for specifying the structural composition of membranes in this art include determining the polymer composition, equivalent weight and thickness of the polymeric film in melt-processable form, and the type of reinforcing fabric with which the membrane is made. It is to stipulate. This is done both in the case of the intermediate product membranes of the lamination process and the hydrolyzed ion exchange membranes made therefrom. The reasons for this are: (1) the thickness of the reinforced membrane is not uniform, i.e. it is thicker at the intersections of the reinforcing fibers and thinner elsewhere, and the measurements taken with a caliper or micrometer are only at the highest thickness; and (2) measurement of the cross section using micrographs and photographs is cumbersome and time consuming. Furthermore, in the case of hydrolyzed ion exchange membranes, the measured thickness depends on whether the membrane is dry or swollen with water or electrolyte, or even if the amount of polymer is constant, the ions of the electrolyte Varies depending on species and ionic strength. Since membrane function is in part a function of the amount of polymer, the most convenient way to define the structural composition is as described immediately above. The web of support material is suitably a woven or non-woven paper. In either case, the web consists of both reinforcing and sacrificial members. In the case of woven fabrics, weaves such as conventional basket weave and leno weave are suitable. Both reinforcing yarns and temporary reinforcing yarns can be monofilament or multi-stranded. The reinforcing member is a perhalocarbon polymer thread. "Perhalocarbon polymer" used here
The term is used to denote a polymer having a carbon chain that may or may not contain ether oxygen linkages and is substituted entirely with fluorine or fluorine and chlorine atoms. Preferred perhalocarbon polymers are perfluorocarbon polymers due to their greater chemical inertness. Typically, such polymers include homopolymers made from tetrafluoroethylene and tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene and/or perfluoro(alkyl vinyl ethers) having from 1 to 10 carbon atoms in the alkyl group. ), for example copolymers with perfluoro(propyl vinyl ether).
An example of the most suitable reinforcing material is polytetrafluoroethylene. Reinforcing threads made from chlorotrifluoroethylene polymers are also useful. In order to provide adequate strength to the fiber cloth prior to lamination and to the membrane after lamination, the reinforcing yarn should be 50 to 600
It should be of denyl, preferably from 200 to 400 denyl (denyl is grams per 9000 m of yarn). However, such denier threads with typical round cross-sections are particularly thick enough that the thread overlap makes the reinforcement up to twice the thickness of the thread, thus making it leak-free. It is necessary to use a film layer of a fluorinated polymer, resulting in a thickness that necessitates operation at high voltages and thus provides an unsatisfactory membrane. According to the invention,
The reinforcing member has a particular denier but is non-circular. That is, fiber fabrics with a cross-sectional shape having an aspect ratio of 2 to 20, preferably 5 to 10 are used. By aspect ratio is meant the ratio of the width of the reinforcing member to its thickness. Typical suitable cross-sectional shapes include rectangular, oval and oval. The rectangular member may be in the form of a thin, narrow ribbon slit from the film, or may be extruded as such;
In this case, the corners can be rounded. oval,
Ovals and other shapes may be extruded or made by calendering fibers or yarns. It is also possible to calender the woven fabric to obtain the required aspect ratio. A rectangular cross section as described above is preferred. The support material web is
25-125 microns (1-5 mil), preferably 50-125 microns (1-5 mil)
Having a thickness in the range of 75 microns (2-3 mils), the reinforcing member is 12-63 microns (0.5-2.5 mils), preferably 25-38 microns (1-1.5 mils).
It should have a thickness of . In each of the warp and weft of the fiber cloth,
It should have a thread count in the range of 1.6 to 16 reinforcing threads/cm (4 to 40 threads/inch). A thread count in the range of 6 to 8 reinforcing threads/cm is preferred. The temporary reinforcing member of the textile fabric is threads of any of a number of suitable materials, natural or synthetic. Suitable materials include cotton, linen, silk, rayon, 6-6
Included are nylon, polyethylene terephthalate, and polyacrylonitrile. Cellulosic materials are preferred. The primary requirement for temporary reinforcing fibers is that they can be removed without adversely affecting the polymer matrix. Under this condition,
Chemical properties of temporary reinforcing fibers
makeup) is not strict. Similarly, the method of removing the temporary reinforcing fibers is not critical so long as its removal does not interfere with the ion exchange capacity of the final polymer in the cation-permeable separator. By way of example, removal of temporary reinforcing fibers from cellulosic materials such as rayon can be accomplished using sodium hypochlorite. Temporary reinforcing fibers are fibers that can be removed without adversely affecting either the intermediate polymer, which is a precursor to the polymer having ion exchange sites, or the polymer having ion exchange sites. The temporary reinforcing fibers are removed from the polymer, leaving voids, without interfering with the ion exchange capacity of the final polymer. The method of removal of the temporary reinforcing fibers must not affect the support fibers used to reinforce the separator. The temporary reinforcing member, such as a narrow ribbon cut from rayon thread or regenerated cellulose film, is suitably about 40 to 100 denier. They are,
can have an aspect ratio in the range 1 to 20, i.e. can have a rectangular, oval or oval cross-section, or if of a sufficiently low denier an aspect ratio of 1;
That is, the cross section can be circular. As in the case of reinforcing threads, the temporary reinforcing threads should have a thickness of 12 to 63 microns, preferably 25 to 38 microns. In each of the warp and fill yarns, the ratio of temporary reinforcing yarns to reinforcing yarns in the fabric should be within the range of 10:1 to 1:1. A preferred ratio of temporary reinforcing fibers to reinforcing fibers is from 2:1 to 6:1, most preferably from 2:1 to 4:1. Furthermore, it is preferred that for each reinforcing fiber there is an even number of temporary reinforcing fibers. Fabrics having an odd number of temporary reinforcing fibers for each reinforcing fiber can also be used, but they are not the preferred type. The reason for this preference can be seen by observing what happens in the case of textile fabrics of normal weave with one temporary reinforcing fiber for each reinforcing fiber: textile fabric. When the temporary reinforcing fibers of are removed, the remaining reinforcing fibers are not in the form of a textile fabric: one set of fibers only remains on top of the other set of fibers, and such are not tolerated in the present invention. Yes, but it's not suitable. Of course, in such cases it is also possible to use special weaves that remain woven after removing the temporary reinforcing fibers. To avoid the need to create such special weaves, fabrics having an even number of temporary reinforcing fibers for each reinforcing fiber are preferred. Reinforcing fiber fabrics can be made with or without twisting existing high aspect ratio yarns. When twisting,
Reduce the number of twists and maintain a high aspect ratio. After the reinforcing fiber cloth is removed with temporary reinforcing thread,
At least 50% fiber fabric, preferably at least 65%
It should be such that it has an aperture ratio of .
Here, the "open area ratio" refers to the total area of the window relative to the total area of the fiber cloth, expressed as a percentage. In the case of nonwoven paper, thin open sheets of suitable component fibers can be used. The reinforcing member is a perhalocarbon polymer fiber. The term "fiber" as used herein with respect to nonwoven papers includes chopped fibers cut from filaments as well as fibrids and fibrils. Perhalocarbon has the same meaning as defined above with respect to perhalocarbon polymer yarn, and in this case too it is preferably perfluorocarbon. These fibers are 5~
10 denyl, 3-20mm, preferably 5-10mm
It has a length of The temporary reinforcing member is a fiber of cellulosic or other material as described above in connection with the temporary reinforcing yarn. Paper fibers are characterized by standard tests that define the "freeness" of pulp, such as TAPPI standard T227m.
It can be defined by the "Canadian Standards Degrees of Freedom" defined in 58. Suitable degrees of freedom values for paper temporary reinforcing members are within the 300-750 ml Canadian standard range. A preferred example is kraft fiber. The paper consists of 10-90% by weight of perhalocarbon fibers and 90-10% by weight of temporary reinforcing fibers, preferably 25-75% by weight of perhalocarbon fibers and 75-25% by weight of temporary reinforcing fibers. The paper should have a basis weight of 25 to 125 g/m 2 , preferably less than 50 g/m 2 . As in the case of woven paper, the thickness of the paper is between 25 and 125 microns (1 and 5 mils), preferably between 50 and 75 microns (2 and 3 mils).
and should have an open area of at least 50%, preferably at least 65% after removal of the temporary reinforcing fibers. Membranes can be made from a web of component layers of film and support material with the aid of heat and pressure. To fuse the polymeric films used together to form a single membrane structure with the support material, and to fuse adjacent film sheets together when more than two films are used. Usually requires a temperature of about 200-300°C. However, the required temperature may be above or below this range and depends on the polymer used. The selection of an appropriate temperature in that case is important because if the temperature is too low, the films will fail to adhere properly to the reinforcing member and to each other and/or large voids will form between the films adjacent to the reinforcing member. , and if the temperature is too high, it will be evident because excessive polymer fluidization will result in leakage and non-uniform polymer thickness. The pressure is about 2x
It can be used from pressures as low as 104 Pascals to pressures exceeding 107 Pascals. A suitable type of equipment for batch operations is a hydraulic press, usually using pressures in the range of 2×10 5 to 10 7 Pascals. The apparatus suitable for the continuous production of membranes and used in the examples unless otherwise specified consists of a hollow roll with an internal heater and an internal vacuum source. The hollow roll includes a series of circumferential slots on its surface, and an internal vacuum source draws the component material toward the hollow roll. A curved stationary plate with a radiant heater is connected to the upper surface of the hollow roll by approximately 6 mm (1/4 inch)
facing at an interval of During the lamination operation, a porous release paper is used as a support material in contact with the hollow roll to prevent adhesion of the component material to the roll surface, and a vacuum source draws the component material towards the hollow roll. Supply and removal means are provided for component materials and products. The feeding means uses Andler rolls with a smaller diameter than the hollow rolls.
Place the roll against the release paper and component materials.
The supply and removal means are positioned such that the component material passes around the hollow roll over a length of approximately 5/6 of its circumference. A further Andler roll is placed against the release paper to separate it from the other materials. Removal means are provided for the release paper and the product film. When used for ion exchange purposes and in electrolytic cells, such as chloralkali cells for the electrolysis of brine, the membrane should have all functional groups converted to ionizable functional groups. Usually and preferably these are sulfonic and carboxylic acid groups, or alkali metal salts thereof. Such conversion is usually and conveniently carried out by acid or base hydrolysis such that the various functional groups mentioned above for the melt processable polymer are converted to the free acid or alkali metal salt thereof, respectively. achieved. Such hydrolysis can be carried out using mineral acids or aqueous solutions of alkali metal hydroxides. Hydrolysis with a base is preferred because it proceeds quickly and completely.
The use of hot solutions, such as solutions near the boiling point, is preferred for fast hydrolysis. The time required for hydrolysis increases with the thickness of the structure. It is also advantageous for the hydrolysis bath to contain organic compounds that are miscible with water, such as dimethyl sulfoxide. Removal of the temporary reinforcing fibers from the membrane can occur at any stage before, during, or after converting the original membrane in melt-processable form into an ion exchange membrane. This can be done during the conversion if the temporary reinforcing element is one that is destroyed by the hydrolysis bath used in the conversion. An example of this is the caustic hydrolysis of nylon polymers. Also, in the case of temporary reinforcing elements of rayon, for example, removal can be effected before the conversion by treatment with aqueous sodium hypochlorite before the conversion. At this time, the temporary reinforcing fibers are removed and a membrane is produced in which the functional groups of the polymer layer remain in the -COOR and -SO2W form. Hydrolysis may first be carried out, in which case the functional groups are converted to -COOH and -SO 3 H or salts thereof, producing a membrane in ion-exchange form that still contains temporary reinforcing fibers. temporary reinforcing fibers are later removed;
In the case of rayon or other cellulosic materials or polyester materials, this can be accomplished if the membrane is used in a chloralkali bath by the action of the hypochlorous acid formed in the bath during electrolysis. Removal of the temporary reinforcing member from the membrane leaves a conduit in the membrane at the location originally occupied by the temporary reinforcing member. These conduits generally extend from the window area to the shadowed or blind area, while the reinforcing member is located near the functional polymer having carboxyl functionality. The conduits have a nominal diameter of 1 to 50 microns. This nominal diameter is the same as that of the temporary reinforcing fiber, the removal of which results in the creation of a conduit. The actual diameter of the conduit will vary due to shrinkage or collapse of the membrane when it is dehydrated and swelling when the membrane itself swells. Typically, the conduits remaining after removal of temporary reinforcing threads from textile fabrics are in the range of 10 to 50 microns in diameter, and in removal of temporary reinforcing members from paper are in the range of 1 to 20 microns in diameter. . The membranes of the invention are characterized in that the support material is not impregnated with a first layer of fluorinated polymers having carboxyl functional groups, but at least other layers of fluorinated polymers having primarily carboxyl and/or sulfonyl functional groups. layer and preferably present in a second layer, usually the surface layer of the membrane, of a fluorinated polymer having sulfonyl functionality. As a result, the conduits are also present at least primarily in layers other than the first layer of polymer and preferably in the second layer of polymer having sulfonyl functionality. The ion exchange membrane conduits created by the removal of the temporary reinforcing member do not penetrate the membrane from one surface to the opposite surface, so the membrane is free of liquid flow at the typical low pressures encountered in chloralkyl baths. Impermeable to hydraulic flow. (A diaphragm that is porous does not cause any change in the composition of the hydraulic flow of liquid passing through it, whereas an ion exchange membrane is such that the substances that permeate differ in composition from that of the liquid that contacts the membrane.
Allows selective permeation by ions and permeation of liquids by diffusion. ) It is easy to determine the presence or absence of a line passing through the membrane by a leak test using gas or liquid. However, the conduit may or may not be open or closed, ie, permeable through the second layer of fluorinated polymer to the surface of the membrane. In each case, the conduit extends from the window area of the membrane to the blind area. Preferably, the conduits in the second layer open to the surface of the membrane.
The reason is that such membranes work at lower voltages than membranes with occluded channels. When the ion exchange membrane is used for the electrolysis of saline water, the membrane is positioned with the layer with carboxyl functionality towards the catholyte and the second layer preferably with sulfonic acid functionality towards the anolyte (saline solution). If the conduit is open, the reinforcing member serves to transport the brine to the blind area in the membrane near the layer with carboxyl functionality, or similarly if it is occluded, it It serves to transport the liquid penetrating into the surface area of the second layer up to the blind area. The ratio of temporary reinforcing yarns to reinforcing yarns in the textile fabric is 1:1.
, the conduit after removal of the temporary reinforcing thread extends from the window region to the blind region adjacent to half of the thread segment. Here is the "thread segment"
means the length of reinforcing yarn extending from the intersection of one yarn to the intersection of the adjacent yarn. If the ratio of temporary reinforcing yarns to reinforcing yarns is 2:1, the conduit after removal of the temporary reinforcing yarns runs from the window area to the blind area adjacent to all yarn segments. As the ratio of temporary reinforcing yarns to reinforcing yarns is further increased, the number of conduits to the blind areas that are subsequently created increases. Therefore, fabrics with a ratio of temporary reinforcing yarns to reinforcing yarns of at least 2:1 are preferred. For paper support materials, the paper portion remaining in the membrane after removal of the temporary reinforcing fibers has a basis weight of 2.5 to 112.5 g/m 2 , preferably 45 g/m 2 or less. The channels formed when the temporary reinforcing fibers of the paper support material are removed appear to be interconnected. Preferred membranes of the invention include as one surface layer -
A first layer of fluorinated polymer with only COOR functional groups, a second layer of fluorinated polymer with only −SO2F functional groups as the other surface layer, and embedded in the second layer It consists of a web of support material. The first layer has a thickness in the range of about 25-75 microns and the second layer has a thickness in the range of about 75-150 microns. After hydrolysis to the ion-exchange form and removal of the temporary reinforcement of the support material, the resulting ion-exchange membrane is a suitable membrane for chlor-alkali baths. More preferably, this latter membrane conduit is an open conduit as described above. Although such membranes have two layers of fluorinated polymer, they may have three or more layers of polymer, such as a polymer layer with -COOR,
From a layer of polymer with -SO 2 W, a web of support material and another layer of polymer with -SO 2 W groups, the web of support material is as seen in some of the examples below. The above-mentioned sequence is processed in such a way that it is completely or at least almost completely embedded in a matrix with --SO 2 W groups. In the claims, the thickness of the component layer is the nominal thickness,
That is, the thickness of the layers used before they are combined to make a membrane, whereas the total thickness of the membrane refers to its thickness after production of the membrane. The main application of the ion exchange membrane of the present invention is in electrochemical cells. Such a cell consists of an anode, an anode chamber, a cathode, a cathode chamber and a membrane located to separate the two chambers. One example is a chloralkali bath. In this case, the membrane should have functional groups in salt form; in such a bath, a layer of membrane with carboxyl functional groups would be placed towards the cathode chamber. Electrochemical baths, especially chlor-alkali baths, are usually
The space or spacing between the anode and cathode is narrow, i.e. about 3
It will be made no wider than mm. It is also often advantageous to operate the cell and carry out the electrolysis process with the membrane in contact with either the anode or the cathode; Open mesh or grid
This can be achieved by using a separator. Furthermore, zero-gap arrangement (zero-gap
It is often advantageous to have the membrane in contact with both the anode and the cathode. Such an arrangement offers the advantage of minimizing the resistance introduced by the anolyte and catholyte, thus allowing operation at low voltages. Even without such an arrangement, either or both electrodes may have a suitable catalytically active surface layer of the type known in the art for reducing overvoltages at the electrodes. The membranes described herein can be used as a substrate to carry an electrocatalyst composition on either or both surfaces, thereby forming a composite membrane/electrode. can do. Such electrocatalysts are of the type known in the art, such as U.S. Pat. No. 4,224,125 and U.S. Pat.
and published British patent application GB2009788A. Suitable cathode electrocatalysts include platinum black, Raney nickel, and ruthenium black. Suitable anode electrocatalysts include platinum black and ruthenium and iridium mixed oxides. The membranes described herein are also designed to enhance gas release properties, e.g. by providing optimal surface roughness or smoothness, or preferably with gas- and liquid-permeable porous structures thereon. By providing a non-electrode layer, either one surface or both surfaces can be modified. Such non-electrode layers can be in the form of thin hydrophilic coatings or spacers and are usually comprised of inert, electrically inactive or non-electrocatalytic materials. Such a non-electrode layer has a porosity of 10-99%, preferably 30-70%, and a porosity of 0.01-2000 microns, preferably 0.1-70%.
It should have an average pore size of 1000 microns and a thickness typically in the range 0.1-500 microns, preferably 1-300 microns. The non-electrode layer usually consists of an inorganic component and a binder; the inorganic component is of the type as described in published British patent application GB2064586A, preferably tin oxide, titanium oxide, zirconium oxide, or Fe 2 O 3 or Fe 3 It can be an iron oxide like O4 . Other information regarding non-electrode layers on ion exchange membranes can be found in published European patent application no. The binder component in the non-electrode layer and in the electrocatalyst composition is, for example, polytetrafluoroethylene,
At least the surface may be introduced with functional groups such as -COOH or -SO 3 H by treatment with ionizing radiation in air or by modifiers (e.g. published UK patent application
GB2060703A) or fluorocarbon polymers made hydrophilic by treatment with reagents such as sodium in liquid ammonia,
They can be functionalized fluorocarbon polymers or copolymers with carboxylate or sulfonate functional groups, or polytetrafluoroethylene particles whose surface has been modified with fluorinated polymers with acid-type functional groups ( GB2064586A) Such binders are suitably used in an amount of 10 to 50% by weight of the non-electrode layer or electrocatalyst composition layer. Composite structures having a non-electrode layer and/or an electrocatalyst composition layer thereon can be made by a variety of methods known in the art, such as decals that are then pressed onto the membrane surface. preparation of
Application of a slurry (e.g. dispersion) in a liquid composition of the binder, followed by drying, screen or gravure printing of the pasty composition, hot pressing of the powder distributed on the membrane surface, and GB2064586A
Other methods are included, such as those described in . Such structures can be made by applying the layers described above in melt-processable form onto the membrane and in ion-exchange form by certain methods; When the combined components are in a melt processable form, they can be hydrolyzed into ion exchange form by known methods. The non-electrode layer and the electrocatalyst composition layer can be used on the membrane in a variety of combinations. For example, the surface of the membrane can be modified with a non-electrode layer, and an electrocatalytic composition layer can be placed on the latter. On top of the membrane it is also possible to provide a layer containing both an electrocatalyst and a conductive non-electrode material, such as a metal powder with a higher overvoltage than the electrocatalyst, combined in a single layer with a binder. A preferred type of membrane is one having a cathodic electrocatalyst composition on one surface and a non-electrode layer on its opposite back surface. Membranes having one or more electrocatalytic layers, or one or more non-electrode layers, or a combination thereof on their surface, are used in electrochemical cells with narrow gap or zero-gap configurations as described above. be able to. The copolymers used in the layers described herein have molecular weights high enough to produce at least moderately strong films, both in the melt-processable precursor form and in the hydrolyzed ion-exchange form. Should. The following examples are presented to further illustrate the innovative aspects of the invention. Each abbreviation in the examples is as follows. PTFE means polytetrafluoroethylene; TFE/EVE means a copolymer of tetrafluoroethylene and methyl perfluoro (4,7-dioxa-5-methyl-8-nonenoate); TFE/PSEPVE means tetrafluoroethylene EW means equivalent weight. EXAMPLES Example 1 A reinforced cation exchange membrane was produced by thermally bonding together the following layers under heat and pressure: A TFE/TFE with an equivalent weight (EW) of 1080
Cathode surface layer consisting of EVE's 25 micron (1 mil) film. B TFE/PSEPVE with equivalent weight of 1100
76 micron (3 mil) layer. C. Support fabric containing both reinforcing yarns and temporary reinforcing yarns. The reinforcing yarn was a 200 denier monofilament of torn PTFE film 19 microns (0.75 mils) thick and 508 microns (20 mils) wide, twisted at 3.5 twists per inch and flattened. 7.87 threads/cm (20
The yarn had a warp and weft count of 1000 yarns/inch). This yarn had an aspect ratio of 6.7.
Temporary reinforcing threads: 15.75 threads/cm (40 threads/inch)
The yarn was a 50 denier rayon yarn with a warp and weft count of . The total thickness of the cloth is 76 microns (3
Mill). Anode surface layer consisting of a 25 micron (1 mil) film of TFE/PSEPVE copolymer with an equivalent weight of D 1100. First, layers A and B were crimped together without heat, being careful to exclude air trapped between the layers. The four layers were then passed through a thermal laminator with layer D supported on a web of porous release paper. In the heating zone, vacuum is applied from the underside of the porous release paper and the TFE/
The air trapped between the two layers of PSEPVE was drawn through the thin molten bottom layer (D layer), thereby completely surrounding the reinforcing fabric. The temperature of the polymer leaving the heating zone is measured by an infrared measuring device.
The temperature of the heating zone was adjusted to be 230-235°C. After lamination, the composite membrane was incubated at 90°C in an aqueous bath containing 30% dimethyl sulfoxide and 11% KOH.
Hydrolyzed for 20 minutes. The film was then rinsed and mounted in a damp state in a small chloralkali bath with an active area of 45 cm 2 between a dimensionally stable anode and a soft iron stretched metal cathode. tank
It was operated at 90°C with a current of 3.1KA/ m2 . The salt content at the anolyte outlet was maintained at 200g/. Adding water to the anolyte reduces the concentration of the produced caustic to 32±1%
I kept it. After 8 days, the cell was operating at 3.55 volts and 97% current efficiency. This ability remained unchanged after 36 days of operation. Example 2 “A” layer has an equivalent weight of 1080 TFE/
Apart from consisting of a 50 micron (2 mil) layer of EVE,
Example 1 was repeated. After 8 days of testing in a small chloralkali bath, the membrane
It was running at 3.65 volts and 97% current efficiency. This performance remained unchanged after 37 days of operation. Example 3 "B" layer has an equivalent weight of 1100 TFE/
Example 1 was repeated except with a 101 micron (4 mil) layer of PSEPVE. After 8 days of testing in a small chloralkali bath, the membrane
It was running at 3.65 volts and 97% current efficiency. This performance remained unchanged after 37 days of operation. Example 4 "A" layer has an equivalent weight of 1080 TFE/
TFE/
Example 1 was repeated except with a 101 micron (4 mil) layer of PSEPVE. This membrane was tested in a small chloralkali bath under the same conditions as Example 1, except that the bath temperature was 80°C. After 6 days of operation, the membrane was operating at 3.70 volts and a current efficiency of 95.2%. Comparative Example A This comparative example shows the effect on the electrolytic cell potential when using a reinforcing fabric containing monofilaments with a low aspect ratio and no temporary reinforcing threads. The membrane was fabricated by thermally bonding the following layers: A TFE with equivalent weight (EW) of 1080/
The cathode surface layer consists of a 25 micron (1 mil) layer of EVE. B TFE/PSEPVE with equivalent weight of 1100
101 micron (4 mil) layer. C. Fabric with only reinforcing yarns without temporary reinforcing yarns. The reinforcing thread is tetrafluoroethylene 96
% by weight and 4% by weight perfluoro(propylene vinyl ether) copolymer (U.S. Pat. No. 4,029,868)
No. 1, Comparative Example C), diameter 127 microns (5
It consisted of a 200 denier extruded monofilament with a circular cross section (mill).
It had an aspect ratio of 1. Cloth is warp count
13.8 threads/cm (34 threads/inch) and weft count
It was a leno weave with 6.7 threads/cm (17 threads/inch). The fabric was heat calendered to an overall thickness of 239 microns (9.4 mils). The yarn flattened slightly at the intersection point and the aspect ratio of the yarn increased from 1 to 1.13. Anode surface layer consisting of a 51 micron (2 mil) film of TFE/PSEPVE copolymer with an equivalent weight of D 1100. The above components were thermally bonded, hydrolyzed and their performance evaluated as in Example 1. After 9 days in a small chlor-alkali bath, the membrane showed 3.80 volts and a current efficiency of 95.2% (average of 3 bath tests).
It was operating in Attempts to make thinner membranes with the same reinforced woven fabric using less than 25 microns (1 mil) of either layer A, B, or D will result in: (1) attempts at high processing temperatures; or (2) in the case of attempts at low processing temperatures, films B and D are placed next to the threads of fabric C.
This was unsuccessful due to the formation of large voids in between. Both conditions made the membrane unsuitable for long-term use in chloralkali baths. Comparative Example B This comparative example shows the effect on cell voltage when using a reinforcing fabric comprising monofilaments with high aspect ratios and no temporary reinforcing threads. Layer C consists of a monofilament of 300 denier slit PTFE film with a thickness of 50.4 microns (2
It consists of yarns twisted to a width of 305 microns (mil) and a width of 12 microns, with a warp and weft count of 15.75/
cm (40 pieces/inch), except for the reinforcement cloth.
The structure was the same as Example B. The aspect ratio of the yarns in layer C was 6/1, and no temporary reinforcing yarns were included. After 6 days in a small chloralkali bath, the membrane
It was operating at 4.0 volts and a current efficiency of 94.5%. Example 5 This example illustrates the method of the present invention by using a reinforcing fabric consisting of a monofilament with a high aspect ratio and a temporary reinforcing yarn. The membrane layers were: A 51 micron (2 mil) layer of 1050EW TFE/EVE. B 1100EW 101 micron (4 mil) layer of TFE/PSEPVE. C. Fabrics containing both reinforcing and temporary reinforcing yarns. The reinforcing yarn has a fiber width of 305 microns (12 mils).
and 200 denier calendered or flattened to a thickness of 56 microns (2.2 mils).
It consisted of PTFE multifilament yarn. The aspect ratio was 5.5. Thread count in both warp and weft directions is 5.9 threads/cm
(15 pieces/inch). The temporary reinforcing yarn consisted of 50 denier rayon yarn with a warp and weft count of 23.6 threads/cm (60 threads/inch). The total thickness of the fabric was 112 microns (4.4 mils). Anode surface layer consisting of 25 microns (1 mil) of TFE/PSEPVE copolymer with an equivalent weight of D 1100. The structural components were thermally bonded, hydrolyzed, and evaluated in a small chloralkali bath as in Example 1, except that the bath temperature was 80°C. After 9 days of operation, the current efficiency was 96.7% and the potential was 3.68 volts. After 53 days, the value was 95.5% and 3.62 volts. Comparative Example C This comparative example shows the effect on cell voltage when using a reinforcing fabric having high aspect ratio multifilament yarns but without interwoven temporary reinforcing fibers. The composition of the laminate was the same as Example 5, except that the reinforcing fiber fabric was as follows: Layer C was a fabric containing only reinforcing yarns without temporary reinforcing yarns. . This is 200 denier
PTFE multifilament warp 20 pieces/cm (51 pieces/cm)
inch) and 400 denier weft threads 10.2/cm (26
It was a leno weave consisting of 1 inch/inch). The fabric was calendered so that the thread width was 508 microns (20 mils) and the thickness was 63.5 microns (2.5 mils) at the intersection of the threads. This had an aspect ratio of 8.0. The total thickness of the fabric was 127 microns (5.0 mils). The structural components were thermally bonded and hydrolyzed.
Approximately half of the area was leaked. This indicated that the thickness of the polymer layer was a limit. the temperature of the tank
Leak-free areas were evaluated in a small chloralkali bath as in Example 1, except at 80°C. After 7 days in the bath, the membrane has a current efficiency of 96.5% and
It operated on 3.99 volts. This was 310 millivolts higher than Example 5, which had temporary reinforcing threads. Example 6 This example illustrates the method of the present invention using a nonwoven reinforcing material containing a mixture of fluorocarbon polymer fibers and temporary reinforcing fibers. A TFE with equivalent weight (EW) of 1080/
Cathode surface layer consisting of a 51 micron (2 mil) layer of EVE copolymer. B TFE/PSEPVE with equivalent weight of 1100
152 micron (6 mil) layer. C The reinforcing material is 6 mm long and 6.7 denier.
Made of bleached kraft pulp with PTFE filament and 630ml Canadian standard freedom
It was a porous paper made from a 50/50 weight percent mixture. Its thickness was 119 microns (4.7 mils) and it weighed 33.8 g/m 2 (1 oz/square yard). A laminate was prepared as in Example 1. In the heating zone, a vacuum was applied from the underside of the porous release paper to draw the molten TFE/PSEPVE down through the porous reinforcement paper, thereby completely surrounding the reinforcing fabric. The laminate did not leak even after hydrolysis. This membrane was evaluated in a small chloralkali bath as in Example 1, except that the temperature of the bath was 80°C. After 7 days of operation, the current efficiency is 96% and the voltage is 3.68 volts. Example 7 U.S. patent application filed February 14, 1980
Laminates were made using the same reinforcing materials as in the previous example, except that the laminator described in No. 121461 was used. The layers were: A 51 micron (2 mil) layer of 1080EW TFE/EVE. B 51 micron (2 mil) layer of TFE/PSEPVE in 1100EW. C 50/50 PTFE/Kraft as in Example 6. D. 51 micron (2 mil) layer of TFE/PSEPVE in 1100EW. The laminates were hydrolyzed and evaluated in a small chloralkali bath at a temperature of 80°C. Other conditions were the same as in Example 1. After 13 days of operation, the current efficiency was 96.5% and the voltage was 3.62 volts. Comparative Example D This comparative example uses TFE that does not contain temporary reinforcing fibers.
Figure 3 shows the effect on cell voltage when using non-woven reinforcing material from filaments only. The structural components were similar to Example 6 except that the PTFE paper did not contain temporary reinforcing fibers. The paper is 110 microns (4.3 mils) thick and 110 g/m 2 (3.26
g/square yard). After hydrolysis, it was evaluated in a small chloralkali bath. After 7 days, this has a current efficiency of 93.1% and
It showed a potential of 4.16 volts. Industrial Applicability The ion exchange membrane of the present invention is technologically more advanced than conventional membranes. It exhibits improved performance characteristics when used as a membrane in chlor-alkali baths, including low voltage and high current efficiency, ie, operation with low power consumption. Thus, there is a substantial savings in operating costs associated with lower power consumption.
Claims (1)
で、Rは低級アルキルであり、そしてWはF又は
Clである]を有する弗素化重合体の隣接する層が
互いに接着接触して存在する少くとも2つの層、
及びそこに埋め込まれた支持体材料のウエツブか
ら成る膜であつて、−COOR基を有する第一の該
層及び−SO2W官能基を有する第二の該層が少く
とも存在し、該膜の製造に使用される弗素化重合
体の該少くとも2つの層の全厚が約50〜250ミク
ロンの範囲内にあり、該支持体材料のウエツブが
約25〜125ミクロンの厚さを有し且つ強化部材及
び該膜を構成する重合体に実質的に悪影響を及ぼ
すことなく膜の製造後に除去可能な一時的補強部
材の両方からなることを特徴とする液体の水圧流
に対して不透過性である膜。 2 該層がパーフルオル化重合体からなる特許請
求の範囲第1項記載の膜。 3 該−COOR官能基が−O−(CF2)m−
COOR残基[ここで、mは2又は3である]の一
部分であり、そして該−SO2W官能基が−CF2−
CF2−SO2W残基の一部分である特許請求の範囲
第2項記載の膜。 4 該支持体材料のウエツブが織布であり、その
強化部材が50〜600デニルであり且つ2〜20の範
囲内の縦横比(aspect ratio)を有するパーハロ
カーボン重合体糸であり、その一時的補強部材が
40〜100デニルである一時的補強糸であり、該織
布が縦糸及び横糸の各々においてパーハロカーボ
ン重合体糸1.6〜16本/cmの範囲内の糸カウント
を有し、そして縦糸及び横糸の各々において1:
1〜10:1の範囲内の一時的補強糸対パーハロカ
ーボン重合体糸の比を有する特許請求の範囲第3
項記載の膜。 5 該パーハロカーボン重合体糸がパーフルオル
カーボン重合体糸である特許請求の範囲第4項記
載の膜。 6 該織布が50〜100ミクロンの厚さを有し、該
パーフルオルカーボン重合体糸が200〜400デニル
であり且つ5〜10の範囲内の縦横比を有する特許
請求の範囲第5項記載の膜。 7 該織布が縦糸及び横糸の各々においてパーフ
ルオルカーボン重合体糸6〜8本/cmの範囲の糸
カウントを有しそして縦糸及び横糸の各々におい
て2:1〜4:1の一時的補強糸対パーフルオル
カーボン重合体糸の比を有する特許請求の範囲第
6項記載の膜。 8 該パーフルオルカーボン重合体糸がポリテト
ラフルオルエチレンのモノフイラメントである特
許請求の範囲第7項記載の膜。 9 該パーフルオルカーボン重合体糸が実質的に
長方形の断面、6〜8の範囲内の縦横比、及び約
35〜40ミクロンの厚さを有し、そして縦糸及び横
糸の各々における一時的補強糸対パーフルオルカ
ーボン重合体糸の比が4:1である特許請求の範
囲第8項記載の膜。 10 各膜パーフルオルカーボン重合体糸がマル
チストランドである特許請求の範囲第7項記載の
膜。 11 −O−(CF2)m−COOR及び/又は−CF2
−CF2−SO2Wを有する弗素化重合体の2層が存
在し、該第一の層が13〜75ミクロンの範囲内の厚
さを有し、該第二の層が50〜125ミクロンの範囲
内の厚さを有し、そして弗素化重合体の該層の全
厚が75〜150ミクロンの範囲内にある特許請求の
範囲第7項記載の膜。 12 mが2でありそして該−SO2W官能基が−
O−CF2−CF2−SO2W残基の一部分である特許
請求の範囲第8〜11項のいずれかに記載の膜。 13 該織布がパーフルオル化重合体の該第二の
層中に少くとも主に存在する特許請求の範囲第8
〜11項のいずれかに記載の膜。 14 該一時的補強糸がレーヨン糸である特許請
求の範囲第8〜11項のいずれかに記載の膜。 15 該支持体材料のウエツブが不織紙であり、
その強化部材がパーハロカーボン重合体繊維10〜
90重量%でありそしてその一時的補強部材が一時
的補強繊維90〜10重量%であり、該紙が約25〜
125g/cm2の坪量を有する特許請求の範囲第3項
記載の膜。 16 該パーハロカーボン重合体繊維がパーフル
オルカーボン重合体繊維である特許請求の範囲第
15項記載の膜。 17 該不織紙が50〜75ミクロンの厚さ及び25〜
50g/m2の坪量を有する特許請求の範囲第16項
記載の膜。 18 該パーフルオルカーボン重合体繊維が5〜
10デニルでありそして3〜20mmの長さを有する特
許請求の範囲第17項記載の膜。 19 該一時的補強繊維が500〜700mlのカナダ標
準規格の範囲内の自由度(freeness)を有するセ
ルロース性クラフト繊維である特許請求の範囲第
18項記載の膜。 20 該不織紙が該パーフルオルカーボン重合体
繊維25〜75重量%及び該クラフト繊維75〜25重量
%からなる特許請求の範囲第19項記載の膜。 21 −O−(CF2)m−COOR及び/又は−CF2
−CF2−SO2Wを有する弗素化重合体の2つの層
が存在し、該第一の層が13〜75ミクロンの範囲内
の厚さを有し、該第二の層が50〜125ミクロンの
範囲内の厚さを有し、そして弗素化重合体の該層
の全厚が75〜150ミクロンの範囲内にある特許請
求の範囲第19項記載の膜。 22 mが2でありそして該−SO2W官能基が−
O−CF2−CF2−SO2W残基の一部分である特許
請求の範囲第20又は21項記載の膜。 23 該不織紙がパーフルオル化重合体の該第二
の層中に少くとも主に存在する特許請求の範囲第
20又は21項記載の膜。 24 −COOR及び/又は−SO2W官能基[ここ
で、Rは低級アルキルであり、そしてWはF又は
Clである]を有する弗素化重合体の隣接する層が
互いに接着接触して存在する少くとも2つの層、
そこに埋め込まれた支持体材料のウエツブ、及び
少なくとも一方の表面上のガス―及び液体―透過
性で多孔性の非電極層から成る膜であつて、−
COOR基を有する第一の該層及び−SO2W官能基
を有する第二の該層が少くとも存在し、該膜の製
造に使用される弗素化重合体の該少くとも2つの
層の全厚が約50〜250ミクロンの範囲内にあり、
該支持体材料のウエツブが約25〜125ミクロンの
厚さを有し且つ強化部材及び該膜を構成する重合
体に実質的に悪影響を及ぼすことなく膜の製造後
に除去可能な一時的補強部材の両方からなること
を特徴とする液体の水圧流に対して不透過性であ
る膜。[Claims] 1 -COOR and/or -SO 2 W functional group [where R is lower alkyl and W is F or
at least two layers in which adjacent layers of fluorinated polymer having Cl] are in adhesive contact with each other;
and a web of support material embedded therein, wherein at least a first said layer having -COOR groups and a second said layer having -SO 2 W functional groups are present; wherein the total thickness of the at least two layers of fluorinated polymer used in the production of is in the range of about 50 to 250 microns, and the web of support material has a thickness of about 25 to 125 microns. and impermeable to hydraulic flow of liquids, characterized in that it comprises both a reinforcing member and a temporary reinforcing member that is removable after production of the membrane without substantially adversely affecting the polymer constituting the membrane. A membrane that is. 2. The membrane of claim 1, wherein said layer comprises a perfluorinated polymer. 3 The -COOR functional group is -O-( CF2 )m-
is part of a COOR residue, where m is 2 or 3, and the -SO2W functional group is -CF2-
The membrane according to claim 2, which is a part of CF2 - SO2W residues. 4. The web of support material is a woven fabric, the reinforcing member is a perhalocarbon polymer yarn having a denier of 50 to 600 and an aspect ratio in the range of 2 to 20; reinforcement member
40 to 100 denier, the woven fabric has a yarn count in the range of 1.6 to 16 perhalocarbon polymer yarns/cm in each of the warp and weft; 1 in each:
Claim 3 having a ratio of temporary reinforcing yarn to perhalocarbon polymer yarn in the range of 1 to 10:1.
Membrane described in section. 5. The membrane according to claim 4, wherein the perhalocarbon polymer thread is a perfluorocarbon polymer thread. 6. The woven fabric has a thickness of 50 to 100 microns, and the perfluorocarbon polymer yarn has a denyl of 200 to 400 and an aspect ratio in the range of 5 to 10. The membrane described. 7. The woven fabric has a yarn count in the range of 6 to 8 perfluorocarbon polymer yarns/cm in each of the warp and weft and a temporary reinforcement of 2:1 to 4:1 in each of the warp and weft. 7. The membrane of claim 6 having a ratio of threads to perfluorocarbon polymer threads. 8. The membrane of claim 7, wherein the perfluorocarbon polymer yarn is a monofilament of polytetrafluoroethylene. 9. The perfluorocarbon polymer thread has a substantially rectangular cross section, an aspect ratio within the range of 6 to 8, and a
9. The membrane of claim 8 having a thickness of 35 to 40 microns and having a ratio of temporary reinforcing yarns to perfluorocarbon polymer yarns of 4:1 in each of the warp and fill yarns. 10. The membrane of claim 7, wherein each membrane perfluorocarbon polymer yarn is multistrand. 11 -O-( CF2 )m-COOR and/or -CF2
There are two layers of a fluorinated polymer having -CF2 - SO2W , the first layer having a thickness in the range of 13 to 75 microns and the second layer having a thickness in the range of 50 to 125 microns. 8. A membrane according to claim 7, having a thickness within the range of 100 to 150 microns, and wherein the total thickness of said layer of fluorinated polymer is within the range of 75 to 150 microns. 12 m is 2 and the -SO 2 W functional group is -
The membrane according to any one of claims 8 to 11, which is a part of O- CF2 - CF2 - SO2W residues. 13. Claim 8, wherein said woven fabric is present at least primarily in said second layer of perfluorinated polymer.
The membrane according to any one of items 1 to 11. 14. The membrane according to any one of claims 8 to 11, wherein the temporary reinforcing thread is a rayon thread. 15 the web of support material is nonwoven paper;
The reinforcing member is perhalocarbon polymer fiber 10~
90% by weight and the temporary reinforcing member is 90-10% by weight temporary reinforcing fibers, and the paper has about 25-10% by weight temporary reinforcing fibers.
A membrane according to claim 3 having a basis weight of 125 g/cm 2 . 16. The membrane of claim 15, wherein the perhalocarbon polymer fibers are perfluorocarbon polymer fibers. 17 The nonwoven paper has a thickness of 50 to 75 microns and a thickness of 25 to 75 microns.
A membrane according to claim 16 having a basis weight of 50 g/m 2 . 18 The perfluorocarbon polymer fiber is 5-
18. A membrane according to claim 17, which is 10 denyl and has a length of 3 to 20 mm. 19. The membrane of claim 18, wherein the temporary reinforcing fibers are cellulosic kraft fibers having a freeness within the Canadian Standard range of 500 to 700 ml. 20. The membrane of claim 19, wherein said nonwoven paper comprises 25-75% by weight of said perfluorocarbon polymer fibers and 75-25% by weight of said kraft fibers. 21 -O-( CF2 )m-COOR and/or -CF2
There are two layers of fluorinated polymer with -CF2 - SO2W , the first layer having a thickness in the range of 13-75 microns and the second layer having a thickness in the range of 50-125 microns. 20. The membrane of claim 19 having a thickness in the range of microns, and wherein the total thickness of said layer of fluorinated polymer is in the range of 75 to 150 microns. 22 m is 2 and the -SO 2 W functional group is -
22. The membrane according to claim 20 or 21, which is a part of O- CF2 - CF2 - SO2W residues. 23. A membrane according to claim 20 or 21, wherein the nonwoven paper is at least predominantly present in the second layer of perfluorinated polymer. 24 -COOR and/or -SO2W functional group [where R is lower alkyl and W is F or
at least two layers in which adjacent layers of fluorinated polymer having Cl] are in adhesive contact with each other;
A membrane consisting of a web of support material embedded therein and a gas- and liquid-permeable porous non-electrode layer on at least one surface, comprising:
At least a first said layer having a COOR group and a second said layer having an -SO 2 W functional group are present, and all of said at least two layers of fluorinated polymer used in the production of said membrane are present. The thickness ranges from approximately 50 to 250 microns;
a temporary reinforcing member wherein the web of support material has a thickness of about 25 to 125 microns and is removable after production of the membrane without substantially adversely affecting the reinforcing member and the polymer comprising the membrane; A membrane impermeable to hydraulic flow of liquid, characterized in that it consists of both.
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JP1041990A Division JPH01308435A (en) | 1981-01-16 | 1989-02-23 | Ion exchange membrane |
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JP2003519259A (en) * | 1999-12-29 | 2003-06-17 | ハイドロ−ケベック | A fluorosulfonated elastomer having a low Tg, based on vinylidene fluoride, and free of tetrafluoroethylene, hexafluoropropene, and siloxane groups |
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JPS5236589A (en) * | 1975-09-19 | 1977-03-19 | Asahi Glass Co Ltd | Membrane of cation exchange resin containing fluorine |
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- 1982-01-14 ZA ZA82243A patent/ZA82243B/en unknown
- 1982-01-15 RU SU823379704A patent/RU1774967C/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5236589A (en) * | 1975-09-19 | 1977-03-19 | Asahi Glass Co Ltd | Membrane of cation exchange resin containing fluorine |
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