RU2522617C2 - Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof - Google Patents
Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522617C2 RU2522617C2 RU2012143337/05A RU2012143337A RU2522617C2 RU 2522617 C2 RU2522617 C2 RU 2522617C2 RU 2012143337/05 A RU2012143337/05 A RU 2012143337/05A RU 2012143337 A RU2012143337 A RU 2012143337A RU 2522617 C2 RU2522617 C2 RU 2522617C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- polymer
- mixture
- composite
- ion
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к новым композитным наномодифицированиым мембранам, химическим соединениям, а именно к наномодифицированной мембране на основе сополимера тетрафторэтилена с функциональными перфторированными сомономерами общей структурной формулы:The present invention relates to new composite nanomodified membranes, chemical compounds, namely to a nanomodified membrane based on a tetrafluoroethylene copolymer with functional perfluorinated comonomers of the general structural formula:
где R: where R:
M-H, Li, K, Na;M-H, Li, K, Na;
a=24,75-18,38 мол.%;a = 24.75-18.38 mol.%;
b=78,62-81,12 мол.%;b = 78.62-81.12 mol.%;
c=5,0-0,5 мол.%;c = 5.0-0.5 mol%;
характеризующейся толщиной от 10 мкм и выше, плотностью 1,93-2,10 г/см3, механической прочностью 16-22 МПа и коэффициентом газопроницаемости по водороду (К), составляющим 1-3,7×10-16 м3м м-2Па-1c-1 при температуре 20-90°С.characterized by a thickness of 10 μm or more, a density of 1.93-2.10 g / cm 3 , a mechanical strength of 16-22 MPa and a gas permeability coefficient of hydrogen (K) of 1-3.7 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C.
Настоящее изобретение относится также к органической химии, а именно к способу получения композитных наномодифицированных перфторсульфокатионитовых мембран на основе указанного выше сополимера тетрафторэтилена с функциональными перфторированными сомономерами, которые могут быть эффективно использованы для изготовления мембранно-электродных блоков (МЭБ), применяемых в электрохимических устройствах различного типа, в том числе в электролизерах воды низкого и высокого давления, портативных электронных устройствах и др.The present invention also relates to organic chemistry, and in particular to a method for producing composite nanomodified perfluorosulfocationionite membranes based on the above copolymer of tetrafluoroethylene with functional perfluorinated comonomers, which can be effectively used to manufacture membrane electrode blocks (OIEs) used in various types of electrochemical devices, including in electrolyzers of low and high pressure water, portable electronic devices, etc.
Использование композитных тонких наномодифицированных мембран обеспечивает высокие перепады давления, более высокую плотность тока, а также большую эффективность эксплуатации электролизной ячейки.The use of composite thin nanomodified membranes provides high pressure drops, a higher current density, as well as greater efficiency in the operation of the electrolysis cell.
Известна (патент США №6059943 С258, опубл. 09.05.2000) катионопроводящая композитная мембрана, состоящая из неорганического ионопроводящего материала и полимерной фазы, которая может быть ионным проводником. Полимерная матрица, наполненная частицами неорганического, ионопроводящего материала, образует связанную сетку, пронизывающую мембрану от одной поверхности до другой.Known (US patent No. 6059943 C258, publ. 09/05/2000) cation-conducting composite membrane consisting of an inorganic ion-conducting material and a polymer phase, which may be an ionic conductor. A polymer matrix filled with particles of an inorganic, ion-conducting material forms a connected network that penetrates the membrane from one surface to another.
Полимерная матрица представляет собой предпочтительно синтетические органические полимеры, имеющие температуру плавления выше 300°С, такие как полимеры, выбранные из полностью галоидированных полимеров и их смесей. Преимущественные синтетические органические полимеры выбраны из политетрафторэтилена, перфторсульфокислоты, перфторалкоксипроизводных политетрафторэтилена, полисульфона, полиметилметакрилата, силиконового каучука, сульфированных сополимеров бутадиенстирола, полихлортрифторэтилена, поливинилиденфторида, сополимеров поливинилиденфторида, поливинилхлорида и др.The polymer matrix is preferably synthetic organic polymers having a melting point above 300 ° C, such as polymers selected from fully halogenated polymers and mixtures thereof. Preferred synthetic organic polymers are selected from polytetrafluoroethylene, perfluorosulfonic acid, perfluoroalkoxy derivatives of polytetrafluoroethylene, polysulfone, polymethylmethacrylate, silicone rubber, sulfonated copolymers of butadiene styrene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylchloride and copolymers.
Перфторсульфокислота представляет собой сополимер фирмы Дюпон и имеет общую структурную формулу:Perfluorosulfonic acid is a DuPont copolymer and has the general structural formula:
и эквивалентную массу (ЭМ) сополимера, составляющую 1100.and an equivalent mass (EM) of the copolymer of 1100.
Неорганическим протонопроводящим материалом могут быть частицы гидратированных оксидов металлов, предпочтительно молибдена, вольфрама, циркония и их смесей, и наиболее предпочтительно, когда неорганические частицы выбраны из гетерополивольфраматов, гетерополимолибдатов, фосфатов циркония и их смесей. Недостатками композитных мембран являются:The inorganic proton-conducting material may be particles of hydrated metal oxides, preferably molybdenum, tungsten, zirconium and mixtures thereof, and most preferably, inorganic particles are selected from heteropolytungstates, heteropolymolybdates, zirconium phosphates and mixtures thereof. The disadvantages of composite membranes are:
1. Недостаточно высокая газоплотность мембран. Результаты измерений показали, что коэффициент газопроницаемости по водороду (К) составляет 8-14×10-16 м3м м-2Ра-1s-1 при температуре 20-90°С (см. пример 19 в табл.2, 3), что связано с повышенной пористостью таких мембран из-за плохой адгезии неорганического материала и пористой полимерной матрицы из политетрафторэтилена.1. Not enough high gas density of the membranes. The measurement results showed that the hydrogen permeability coefficient (K) is 8-14 × 10 -16 m 3 m -2 m -1 s -1 Pa at a temperature of 20-90 ° C (see. Example 19 in Table 2, 3 ), which is associated with the increased porosity of such membranes due to poor adhesion of the inorganic material and the porous polymer matrix of polytetrafluoroethylene.
2. Недостаточно низкая (ЭМ) перфторсульфополимера, а именно 1100, что ухудшает электрохимические характеристики мембран и ограничивает области ее использования в электрохимических устройствах.2. Insufficiently low (EM) perfluorosulfopolymer, namely 1100, which degrades the electrochemical characteristics of the membranes and limits the scope of its use in electrochemical devices.
3. Недостаточное равновесное влагопоглощение и, как следствие, невысокая удельная электропроводность мембран.3. Insufficient equilibrium moisture absorption and, as a consequence, low specific conductivity of the membranes.
Мембрану на основе полимерной матрицы из пористого политетрафторэтилена согласно патенту США №6059943 получают:A membrane based on a polymer matrix of porous polytetrafluoroethylene according to US patent No. 6059943 receive:
- импрегнированием неорганического протонопроводящего материала в поры пористой полимерной матрицы (ПТФЭ, марки GORE ТЕХ),- impregnation of an inorganic proton-conducting material into the pores of a porous polymer matrix (PTFE, brand GORE TECH),
- импрегнированием предшественника неорганического протонопроводящего материала в поры пористой матрицы ((ПТФЭ, марки GORE ТЕХ) и затем преобразованием материала путем последующего гидролиза в желательный протонопроводящий оксид,- by impregnating a precursor of an inorganic proton-conducting material into the pores of the porous matrix ((PTFE, brand GORE TECH) and then converting the material by subsequent hydrolysis to the desired proton-conducting oxide,
- осаждением смеси ионопроводящего оксида и полимерного связующего из водного раствора, последующей сушкой осадка и формированием мембраны,- precipitation of a mixture of ion-conducting oxide and a polymer binder from an aqueous solution, subsequent drying of the precipitate and the formation of the membrane,
- преобразованием предшественника протонопроводящего металлического оксида в окись в водном растворе, содержащем эмульсию или суспензию, с одновременным осаждением полимера с окисью и формированием мембраны,- the conversion of the proton conductive metal oxide precursor to oxide in an aqueous solution containing an emulsion or suspension, while simultaneously precipitating the polymer with the oxide and forming a membrane,
- использованием пористого полимерного фильтра как полимерной фазы и наполнением пор в фильтре окисным протонным проводником, фильтруя через него суспензию окиси, например, вакуумная фильтрация аморфного геля фосфата циркония в пористый политетрафторэтиленовый фильтр, сопровождаемая последующей кристаллизацией L-фосфата циркония в фосфорной кислоте,- using a porous polymer filter as a polymer phase and filling the pores in the filter with an oxide proton conductor, filtering an oxide suspension through it, for example, vacuum filtering an amorphous zirconium phosphate gel into a porous polytetrafluoroethylene filter, followed by subsequent crystallization of zirconium L-phosphate in phosphoric acid,
- наполнением пор пористой полимерной мембраны концентрированным раствором предшественника, желательно оксида, с сохранением раствора предшественника на одной стороне и осаждением окисной фазы в порах фильтра на другой стороне, с реакцией, обеспечивающей диффузию оксида внутрь мембраны, например, добавлением кислой соли металла этой окиси, поднимая значение рН с помощью раствора щелочи.- filling the pores of the porous polymer membrane with a concentrated precursor solution, preferably oxide, while preserving the precursor solution on one side and depositing the oxide phase in the filter pores on the other side, with a reaction that diffuses the oxide into the membrane, for example, by adding an acidic metal salt of this oxide, raising pH value with alkali solution.
Недостатками описанных способов являются:The disadvantages of the described methods are:
1. Трудность заполнения пористого полимерного субстрата описанными выше способами из суспензии с неоднородным размером частиц неорганического соединения-проводника.1. The difficulty of filling a porous polymer substrate with the methods described above from a suspension with an inhomogeneous particle size of an inorganic conductor compound.
2. Получение композитных мембран методом осаждения смеси протонопроводящего оксида полимерной матрицы и последующее их формирование прессованием происходит при высоких температурах, что ведет к частичной деструкции ионообменного полимера и ухудшению его свойств.2. The preparation of composite membranes by the method of deposition of a mixture of proton-conducting oxide of a polymer matrix and their subsequent formation by pressing occurs at high temperatures, which leads to partial destruction of the ion-exchange polymer and the deterioration of its properties.
3. Невозможность получения тонких и супертонких мембран из-за неоднородности размера частиц проводника.3. The inability to obtain thin and superthin membranes due to the heterogeneity of the particle size of the conductor.
Известна также (патент РФ№2426750, опубл.20.08.2011.) газоплотная модифицированная мембрана, состоящая из сополимера тетрафторэтилена с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром и третьим модифицирующим сомономером, выбранным из группы: перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан и перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода общей структурной формулы:Also known (RF patent No. 2426750, published on 08.20.2011.) Is a gas-tight modified membrane consisting of a copolymer of tetrafluoroethylene with perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group: perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3- dioxalane and perfluoroalkyl vinyl ether containing 1 or 3 carbon atoms in the alkyl of the general structural formula:
где R: where R:
M-H, Li, K, Na;M-H, Li, K, Na;
a=24,7-15,7 мол.%;a = 24.7-15.7 mol%;
b=74,3-83,8 мол.%;b = 74.3-83.8 mol%;
c=5,0-0,5 мол.%;c = 5.0-0.5 mol%;
имеющего эквивалентную массу сополимера, составляющую 900-1050, и полимерный или неорганический модификатор.having an equivalent mass of copolymer comprising 900-1050, and a polymer or inorganic modifier.
В качестве полимерного модификатора используют сульфированный полисульфон, поливиниловый спирт, поливинилиденфторид, сополимеры винилиденфторида, сульфированные полимеры и сополимеры винилиденфторида.Sulfonated polysulfone, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride copolymers, sulfonated polymers and vinylidene fluoride copolymers are used as a polymer modifier.
В качестве неорганического модификатора используют соединения титана, олова, циркония, германия, кремния или их смеси, выбранные из группы оксидов, фосфатов, гидрофосфатов, а также тетраэтоксисилан.As an inorganic modifier, compounds of titanium, tin, zirconium, germanium, silicon, or mixtures thereof, selected from the group of oxides, phosphates, hydrophosphates, as well as tetraethoxysilane, are used.
Содержание полимерного или неорганического модификатора, находящегося в объеме или на поверхности мембраны, составляет 2-30 масс.% от общей массы мембраны. Толщина мембраны может быть 25-150 мкм.The content of the polymer or inorganic modifier located in the volume or on the surface of the membrane is 2-30 wt.% Of the total weight of the membrane. The thickness of the membrane can be 25-150 microns.
Недостатками газоплотной модифицированной мембраны по патенту РФ №2426750 являются:The disadvantages of the gas-tight modified membrane according to the patent of the Russian Federation No. 2426750 are:
1. Недостаточно высокая поверхностная протонная проводимость из-за снижения удельной поверхностной ионообменной емкости, что приводит к ухудшению контакта поверхности мембраны с каталитической смесью и, как следствие, к ухудшению электрохимических свойств МЭБ.1. The insufficiently high surface proton conductivity due to a decrease in the specific surface ion-exchange capacity, which leads to a deterioration of the contact of the membrane surface with the catalytic mixture and, as a result, to a deterioration in the electrochemical properties of the OIE
2. Недостаточно высокая механическая прочность мембран в жестких условиях, при высоких перепадах давления и температуры, что связано со специфической подвижностью полимерных цепей перфторсульфополимера.2. The insufficiently high mechanical strength of the membranes in harsh conditions, at high pressure and temperature drops, which is associated with the specific mobility of the polymer chains of perfluorosulfopolymer.
3. Недостаточная стабильность линейных размеров при изменении температуры и давления из-за колебаний содержания воды в мембране, что ухудшает работу транспортирующих узлов.3. Inadequate stability of linear dimensions when changing temperature and pressure due to fluctuations in the water content in the membrane, which affects the operation of the transporting nodes.
Мембрану согласно патенту РФ №2426750 получают:The membrane according to the patent of the Russian Federation No. 2426750 receive:
- контактированием перфторсульфокатионитовой мембраны с жидкой композицией,- contacting perfluorosulfonate membrane with a liquid composition,
- испарением жидкой среды (сушка),- evaporation of a liquid medium (drying),
- формированием частиц модификатора.- the formation of modifier particles.
В качестве перфторсульфокатионитовой мембраны используют мембрану, выполненную из сополимера тетрафторэтилена с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром и третьим модифицирующим сомономером, выбранным из группы, включающей перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан или перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода, имеющую эквивалентную массу 900-1050.A membrane made from a copolymer of tetrafluoroethylene with a perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalan or perfluoroalkyl vinyl ether containing 3 in alkyl is used as a perfluorosulfocationionite membrane. carbon atom having an equivalent mass of 900-1050.
В качестве жидкой композиции используют жидкую композицию, включающую ионообменный перфторсульфополимер, модификатор и растворитель, в водной, органической или водноорганической среде, а в качестве модификатора используют углеводородные полимеры, фторполимеры, перфторированные полимеры или их смеси, неорганические соединения или их смеси.As a liquid composition, a liquid composition is used comprising an ion-exchange perfluorosulfopolymer, a modifier and a solvent in an aqueous, organic or aqueous-organic medium, and hydrocarbon polymers, fluoropolymers, perfluorinated polymers or mixtures thereof, inorganic compounds or mixtures thereof are used as a modifier.
В качестве перфторированного ионообменного сополимера используется сополимер с функциональными сульфогруппами формулы - SO3M, где М - ион водорода, аммония или щелочного металла, аналогичный по составу полимеру мембраны, имеющий эквивалентную массу 800-900, растворимый в растворителе, выбранном из группы, включающей: воду, полярный органический растворитель, смесь полярных органических растворителей, смесь полярного и неполярного органических растворителей или их смесь с водой.As a perfluorinated ion-exchange copolymer, a copolymer with functional sulfo groups of the formula —SO 3 M is used, where M is a hydrogen, ammonium or alkali metal ion, similar in composition to the membrane polymer, having an equivalent weight of 800–900, soluble in a solvent selected from the group including: water, a polar organic solvent, a mixture of polar organic solvents, a mixture of polar and non-polar organic solvents, or a mixture thereof with water.
В качестве модификатора используют углеводородные полимеры, фторполимеры, перфторированные полимеры или их смеси, неорганические соединения или их смеси.As the modifier, hydrocarbon polymers, fluoropolymers, perfluorinated polymers or mixtures thereof, inorganic compounds or mixtures thereof are used.
В качестве модифицирующего полимера жидкая композиция содержит поливиниловый спирт, сульфированный полисульфон, поливинилиденфторид, сополимеры поливинилиденфторида, сульфированные полимеры и сополимеры поливинилиденфторида.As the modifying polymer, the liquid composition comprises polyvinyl alcohol, sulfonated polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride copolymers, sulfonated polymers and polyvinylidene fluoride copolymers.
В качестве неорганического соединения жидкая композиция содержит соединения титана, олова, циркония, германия, кремния или их смесей, выбранных из группы: хлориды, оксихлориды, оксиды, гидроксиды, фосфаты, гидрофосфаты, алкоголяты.As an inorganic compound, the liquid composition contains titanium, tin, zirconium, germanium, silicon compounds or mixtures thereof selected from the group: chlorides, oxychlorides, oxides, hydroxides, phosphates, hydrogen phosphates, alcoholates.
В качестве модифицирующего соединения жидкая композиция содержит тетраэтоксисилан.As a modifying compound, the liquid composition contains tetraethoxysilane.
Процесс контактирования с жидкой композицией проводят при температуре 18-80°С в течение 2-8 ч.The process of contacting with the liquid composition is carried out at a temperature of 18-80 ° C for 2-8 hours
Процесс формирования модификатора в перфторсульфокатионитовой мембране проводят при температуре 18-110°С.The process of forming a modifier in a perfluorosulfocationite membrane is carried out at a temperature of 18-110 ° C.
Недостатками описанных способов являются:The disadvantages of the described methods are:
1. Трудность получения тонких и супертонких мембран описанными выше способами с высокой механической прочностью во влажном состоянии при высоких температурах и перепадах давления.1. The difficulty of obtaining thin and superthin membranes by the methods described above with high mechanical strength in the wet state at high temperatures and pressure drops.
2. Трудность изготовления мембран, устойчивых к диффузии и утечке газов при эксплуатации в электролизерах воды с высоким перепадом давления из-за нестабильности линейных размеров.2. The difficulty of manufacturing membranes that are resistant to diffusion and gas leakage during operation in electrolyzers of water with a high pressure drop due to the instability of the linear dimensions.
3. Невозможность получения мембран с достаточно высокими эксплуатационными характеристиками для электролизеров воды низкого и высокого давления из-за того, что толщина мембраны составляет 150-160 мкм. Напряжение на ячейке достигает 1,61-1,65 В.3. The inability to obtain membranes with sufficiently high performance characteristics for electrolyzers of low and high pressure water due to the fact that the thickness of the membrane is 150-160 microns. The voltage on the cell reaches 1.61-1.65 V.
4. Невозможность получения тонких и супертонких бездефектных мембран для электролиза воды описанными выше способами из-за диффузионных факторов, так как при модификации используется процесс пропитки жидкой дисперсии готовых перфторсульфокатионитовых мембран с высокой плотностью, а дисперсия содержит частицы модификатора с недостаточной однородностью размера частиц.4. The impossibility of obtaining thin and superthin defect-free membranes for water electrolysis by the methods described above because of diffusion factors, since the modification uses the process of impregnation of a liquid dispersion of finished perfluorosulfocathionite membranes with a high density, and the dispersion contains modifier particles with insufficient particle size uniformity.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композитной наномодифицированной мембране является мембрана, армированная политетрафторэтиленом, патент WO 0227070, опубл. 04.04.2002 - прототип.The closest set of essential features to the claimed composite nanomodified membrane is a membrane reinforced with polytetrafluoroethylene, patent WO 0227070, publ. 04.04.2002 - a prototype.
Армированная мембрана состоит из протонопроводящего и пористого полимерных материалов и применяется в электролизерах воды.The reinforced membrane consists of proton-conducting and porous polymeric materials and is used in water electrolysis cells.
Ионообменные материалы, используемые в качестве протонопроводящих материалов, включают, но не ограничиваются, углеводородсодержащие ионообменные материалы и фторуглеродные ионообменные материалы. Можно также использовать углеводородсодержащие ионообменные материалы, включающие фенольные смолы или сульфокислоты, конденсационные материалы, такие как фенолформальдегидные смолы, полистирол, сополимеры стирола с дивинилбензолом, стирола с бутадиеном, тройные сополимеры стирола с дивинилбензолом и винилхлоридом и т.п., сульфированные - с катионообменными свойствами или с анионообменными свойствами в результате хлорметилирования и последующего превращения в соответствующие четвертичные амины.Ion exchange materials used as proton conducting materials include, but are not limited to, hydrocarbon-containing ion-exchanging materials and fluorocarbon ion-exchanging materials. Hydrocarbon-containing ion-exchange materials may also be used, including phenolic resins or sulfonic acids, condensation materials such as phenol-formaldehyde resins, polystyrene, styrene-divinylbenzene copolymers, styrene-butadiene copolymers, styrene-divinylbenzene copolymers and vinyl chloride copolymers, etc., sulfonated with or with anion exchange properties as a result of chloromethylation and subsequent conversion to the corresponding quaternary amines.
Фторуглеродные ионообменные смолы могут включать в себя сополимеры: тетрафторэтилена с перфторэтоксивиниловым сульфоновьм эфиром или тетрафторэтилена с перфторгидроксилированным виниловым эфиром. Из-за более высокой стойкости к окислению и (или) кислотоустойчивости более предпочтительны фторированные смолы, содержащие сульфоновые, карбоновые и (или) фосфорные кислотные группы. Фторуглеродные материалы обычно обладают превосходной стойкостью к окислению, галогенам, сильным кислотам и основаниям.Fluorocarbon ion-exchange resins may include copolymers of tetrafluoroethylene with perfluoroethoxyvinyl sulfonic ether or tetrafluoroethylene with perfluorohydroxylated vinyl ether. Due to their higher oxidation and / or acid resistance, fluorinated resins containing sulfonic, carboxylic and / or phosphoric acid groups are more preferred. Fluorocarbon materials typically have excellent resistance to oxidation, halogens, strong acids and bases.
Перфторсульфокислотный сополимер фирмы Дюпон представляет собой сополимер, который имеет общую структурную формулу:DuPont perfluorosulfonic acid copolymer is a copolymer that has the general structural formula:
и эквивалентную массу (ЭМ) сополимера, составляющую 1100.and an equivalent mass (EM) of the copolymer of 1100.
Для получения армированных мембран использовался раствор, содержащий 5 масс.% перфторсульфокислотного ионообменного полимера, 45 масс.% воды и 50 масс.% смеси низкомолекулярных спиртов фирмы Дюпон под зарегистрированной торговой маркой NAFION.To obtain reinforced membranes, a solution containing 5 wt.% Perfluorosulfonic acid ion exchange polymer, 45 wt.% Water and 50 wt.% A mixture of low molecular weight alcohols from DuPont under the registered NAFION trademark was used.
Пористый полимерный материал представляет собой пористую микроструктуру, характеризующуюся волокнами, соединенными между собой узлами, или пористую микроструктуру, которая существенно отличается от фибрилл.The porous polymeric material is a porous microstructure characterized by fibers interconnected by nodes, or a porous microstructure that differs significantly from fibrils.
Предпочтительным базовым материалом является расширенная пленка из политетрафторэтилена (ПТФЭ), которая имеет пористость больше 35 объемных процентов. Предпочтительно, пористость от 70 до 95 объемных процентов от общего объема материала ПТФЭ. Толщина базового материала составляет менее 1 мил (0,025 мм), т.е 25 мкм. Желательно, чтобы толщина составляла около 0,6 мил (0,015 мм) - 0,8 мил (0,020 мм), наиболее предпочтительно приблизительно 0,50 мил (0,013 мм) - 0,75 мил (0,019 мм). Этот материал является коммерчески доступным в различных фирмах, например Gore & Associates. Inc. под торговой маркой GORE-TEX. Пористая микроструктура этого базового материала включает в себя узлы, соединяющие между собой волокна, которые определяют внутренний объем базового материала. Кроме того, базовый материал может включать в себя ПТФЭ, имеющий пористую микроструктуру, включающую преимущественно фибриллы в виде нетканого материала.A preferred base material is an expanded polytetrafluoroethylene (PTFE) film, which has a porosity of more than 35 volume percent. Preferably, the porosity is from 70 to 95 volume percent of the total volume of PTFE material. The thickness of the base material is less than 1 mil (0.025 mm), i.e. 25 μm. It is desirable that the thickness is about 0.6 mils (0.015 mm) - 0.8 mils (0.020 mm), most preferably about 0.50 mils (0.013 mm) - 0.75 mils (0.019 mm). This material is commercially available from various companies, such as Gore & Associates. Inc. under the brand name GORE-TEX. The porous microstructure of this base material includes nodes interconnecting fibers that define the internal volume of the base material. In addition, the base material may include PTFE having a porous microstructure comprising predominantly fibrils in the form of a nonwoven material.
Мембраны по прототипу могут быть также усилены с помощью тканого или нетканого материала, связанного с одной стороны с ионообменным полимерным материалом. Подходящие тканые материалы могут включать, например, холсты из тканых волокон расширенного пористого политетрафторэтилена, ткани из экструдированного или ориентированного полипропилена, полипропиленовую сетку, а также нетканые материалы из гюлипропилена и полиэфира. Недостатками мембран по прототипу являются:The prototype membranes can also be reinforced with a woven or non-woven material bonded on one side to an ion-exchange polymer material. Suitable woven materials may include, for example, expanded porous polytetrafluoroethylene woven fiber webs, extruded or oriented polypropylene fabrics, polypropylene mesh, and non-woven fabrics of gulipropylene and polyester. The disadvantages of the membranes of the prototype are:
1. Недостаточно высокая газоплотность мембран. Результаты измерений показали, что при ЭМ=1100 коэффициенты газопроницаемости по водороду (К) составляют 5,7-10,0×10-16 м3м м-2Па-1c-1 при температуре 20-90°С (см. пример 17 в табл.2, 3), что, по всей вероятности, связано с недостаточной адгезией ионообменного материала и пористой полимерной матрицы.1. Not enough high gas density of the membranes. The measurement results showed that at EM = 1100 the coefficients of gas permeability for hydrogen (K) are 5.7-10.0 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C (see example 17 in table 2, 3), which, in all probability, is associated with insufficient adhesion of the ion-exchange material and the porous polymer matrix.
2. Недостаточно высокая протонная проводимость, так как повышенная ЭМ=1100 перфторсульфокислотного полимера и наличие полимерного пористого материала, входящего в состав композитной мембраны, который не является цротонопроводящим материалом, нарушает протонный транспорт через мембрану, особенно при высоких перепадах температуры и давления.2. Insufficiently high proton conductivity, since the increased EM = 1100 perfluorosulfonic acid polymer and the presence of a porous polymer material that is part of the composite membrane, which is not a croton-conducting material, violates proton transport through the membrane, especially at high temperature and pressure drops.
3. Недостаточное равновесное влагопоглощение из-за повышенной ЭМ ионообменного полимера и наличия ПТФЭ и, как следствие, невысокая удельная электропроводность мембран.3. Insufficient equilibrium moisture absorption due to the increased EM of the ion-exchange polymer and the presence of PTFE and, as a result, the low electrical conductivity of the membranes.
Мембрана, армированная политетрафторэтиленом для электролиза воды, описанная в прототипе, по патенту WO 0227070, а именно мембрана, включающая протонопроводящий и пористый полимерные материалы, может быть получена последовательным проведением следующих операций:The membrane reinforced with polytetrafluoroethylene for electrolysis of water, described in the prototype, according to the patent WO 0227070, namely, a membrane including proton conductive and porous polymeric materials, can be obtained by sequentially performing the following operations:
- выбор пористого полимерного субстрата,- the choice of a porous polymer substrate,
- приготовление жидкой композиции смешением раствора ионообменного полимера с поверхностно-активным веществом,- preparing a liquid composition by mixing a solution of an ion-exchange polymer with a surfactant,
- совмещение жидкой композиции с пористым полимерным материалом,- the combination of a liquid composition with a porous polymeric material,
- нагревание совмещенных материалов и формирование армированной мембраны при температуре 120-160°С,- heating combined materials and the formation of a reinforced membrane at a temperature of 120-160 ° C,
- удаление поверхностно-активных веществ в воде и (или) органической среде,- removal of surfactants in water and (or) organic medium,
- гидратирование армированных мембран в кипящем подходящем реагенте. Для получения жидкой композиции используются растворители, которые подходят для использования ионообменного материала и поверхностно-активного вещества, и включают, например, спирты, карбонаты, тетрагидрофуран, воду, и комбинации, содержащие, по меньшей мере, один из вышеуказанных растворителей.- hydration of the reinforced membranes in a boiling suitable reagent. To obtain a liquid composition, solvents are used that are suitable for the use of ion exchange material and surfactant, and include, for example, alcohols, carbonates, tetrahydrofuran, water, and combinations containing at least one of the above solvents.
Поверхностно-активные вещества с молекулярной массой более 100 предпочтительно применяют с ионообменными смолами для обеспечения пропитки внутреннего объема базового материала. Поверхностно-активные вещества, имеющие гидрофобную часть и гидрофильные части, могут быть использованы. Предпочтительными являются поверхностно-активные вещества, имеющие молекулярную массу более 100, которые могут быть классифицированы как анионные, неионогенные или амфотерные, такие как углеводородные или фторуглеродные соединения, например MERPOO - углеводородсодержащие поверхностно-активные вещества или Zonyl - фторуглеродные поверхностно-активные вещества. Предпочтительным поверхностно-активным неионным материалом является октилфеноксиполиэтоксиэтанол, имеющий химическую структуру СН3-С(СН2)2-С(СН3)-С6Н4-(ОСН2СН2)хОН, где «х» имеет среднее значение 10. Этот материал известен как Тритон Х-100.Surfactants with a molecular weight of more than 100 are preferably used with ion exchange resins to impregnate the internal volume of the base material. Surfactants having a hydrophobic moiety and hydrophilic moieties can be used. Surfactants having a molecular weight of more than 100 are preferred, which can be classified as anionic, nonionic or amphoteric, such as hydrocarbon or fluorocarbon compounds, for example MERPOO, hydrocarbon-containing surfactants or Zonyl, fluorocarbon surfactants. A preferred surfactant non-ionic material is octylphenoxypolyethoxyethanol having the chemical structure CH 3 —C (CH 2 ) 2 —C (CH 3 ) —C 6 H 4 - (OCH 2 CH 2 ) x OH, where “x” has an average value of 10 This material is known as Triton X-100.
Ионообменные смолы пропитывают пористый полимерный материал так, что мембрана может быть названа «окклюдированной», это означает, что пористый материал пропитан таким образом, что внутренний объем пор заполнен ионообменным материалом более чем на 90, предпочтительно более чем на 95 и наиболее предпочтительно более чем на 98 процентов, так, что готовая мембрана существенно менее проницаема к объемному потоку жидкостей и газа.The ion-exchange resins impregnate the porous polymeric material so that the membrane can be called “occluded”, which means that the porous material is impregnated in such a way that the internal pore volume is filled by more than 90, preferably more than 95, and most preferably more than 95 98 percent, so that the finished membrane is significantly less permeable to the volumetric flow of liquids and gas.
Кроме перфторированного пористого полимерного субстрата для приготовления ультратонкой армированной мембраны может использоваться полипропиленовая ткань, которая совмещается с ионообменной мембраной методами ламинирования, любым обычным способом, таким как горячее ламинирование, ультразвуковое ламинирование, сочетанием использования клея с последующим ламинированием, горячее ламинирование воздухом и т.п.In addition to a perfluorinated porous polymer substrate, a polypropylene fabric can be used to prepare an ultrathin reinforced membrane, which is combined with an ion-exchange membrane by lamination using any conventional method, such as hot lamination, ultrasonic lamination, a combination of using glue followed by lamination, hot lamination with air, etc.
Удаление оставшихся поверхностно-активных веществ в армированной мембране проводят путем специальной обработки. Это достигается замачиванием или погружением мембраны в раствор, например, воды, изопропилового спирта, перекиси водорода, метанола и (или) глицерина. На этом этапе поверхностно-активное вещество, которое первоначально было смешано в растворе с ионообменным материалом, удаляется. Замачивание или погружение вызывает набухание мембраны, однако ионно-обменное вещество остается в пределах внутреннего объема основного материала.Removal of the remaining surfactants in the reinforced membrane is carried out by special treatment. This is achieved by soaking or immersing the membrane in a solution, for example, water, isopropyl alcohol, hydrogen peroxide, methanol and (or) glycerol. At this point, the surfactant that was originally mixed in solution with the ion exchange material is removed. Soaking or immersion causes the membrane to swell, but the ion-exchange substance remains within the internal volume of the base material.
Затем мембрана подвергается дальнейшей обработке подходящим реагентом при кипении, таким как сильная кислота (соляная, азотная, хромовая) или вода, в результате чего мембрана немного расширяется в длину, ширину и толщину.The membrane is then further processed with a suitable boiling agent, such as strong acid (hydrochloric, nitric, chromic) or water, as a result of which the membrane expands slightly in length, width and thickness.
Фактическое количество повторяющихся процедур зависит от толщины полимерного субстрата, готовой армированной мембраны и концентрации ПАВ. Как правило, количество процедур составляет от 2 до 4 раз.The actual number of repeated procedures depends on the thickness of the polymer substrate, the finished reinforced membrane and the concentration of surfactants. As a rule, the number of procedures is 2 to 4 times.
Армированная мембрана по прототипу может быть также получена совмещением полимерного субстрата с ионообменным полимером в среде смеси органического растворителя с водой без поверхностно-активных веществ. Однако в этом случае без ПАВ такое содержание воды в смеси растворителей не обеспечивает требуемое смачивание поверхности и дальнейшее «окклюдирование» полимерного гидрофобного субстрата, вследствие чего необходимо использовать смесь растворителей со значительно меньшим количеством воды, предпочтительно практически без воды.The reinforced membrane of the prototype can also be obtained by combining a polymer substrate with an ion-exchange polymer in a medium of a mixture of an organic solvent with water without surfactants. However, in this case, without surfactant, such a water content in the solvent mixture does not provide the required surface wetting and further “occluding” of the polymer hydrophobic substrate, as a result of which it is necessary to use a solvent mixture with significantly less water, preferably practically without water.
Раствор ионообменного полимера без ПАВ, пригодный для совмещения с полимерным пористым субстратом и последующим формированием воздухонепроницаемой армированной мембраны, может быть получен последовательным проведением следующих операций:A solution of an ion-exchange polymer without a surfactant suitable for combining with a polymer porous substrate and the subsequent formation of an airtight reinforced membrane can be obtained by sequentially performing the following operations:
- испарение смеси органического растворителя и воды из исходного раствора с постепенным введением неводного растворителя,- evaporation of a mixture of an organic solvent and water from the initial solution with the gradual introduction of a non-aqueous solvent,
- сушка и измельчение полимера,- drying and grinding of the polymer,
- нагревание полимера в растворителе, предпочтительно в комбинации метилового и изопропилового спиртов,- heating the polymer in a solvent, preferably in a combination of methyl and isopropyl alcohols,
- совмещение ионообменного полимера в среде обезвоженных растворителей с пористым полимерным субстратом,- the combination of the ion-exchange polymer in the environment of anhydrous solvents with a porous polymer substrate,
- нагревание совмещенных материалов и формирование армированной мембраны при температуре 140°С,- heating combined materials and the formation of a reinforced membrane at a temperature of 140 ° C,
- гидратирование армированных мембран в кипящем подходящем реагенте. Фактическое количество повторяющихся процедур определяется желательной толщиной армированной мембраны и зависит от толщины и типа полимерного пористого субстрата, а также содержания воды в смеси органический растворитель/вода в дисперсии ионообменного полимера. Как правило, количество процедур составляет от 2 до 8 раз. Для улучшения пропитки пористого полимерного субстрата применяется использование метода пропитки с вакуумом. Недостатками описанных способов являются:- hydration of the reinforced membranes in a boiling suitable reagent. The actual number of repetitive procedures is determined by the desired thickness of the reinforced membrane and depends on the thickness and type of the polymer porous substrate, as well as the water content of the organic solvent / water mixture in the dispersion of the ion-exchange polymer. As a rule, the number of procedures is from 2 to 8 times. To improve the impregnation of a porous polymer substrate, the use of a vacuum impregnation method is used. The disadvantages of the described methods are:
1. Трудность совмещения гидрофобного пористого полимерного субстрата и ионообменного полимера с повышенной ЭМ=1100 в среде смеси органического растворителя с водой (до 45 масс.%), из-за плохой смачиваемости и диффузионных факторов полимерного субстрата, вследствие чего для полного заполнения пор до 90 масс.% и больше требуется использование поверхностно-активных веществ.1. The difficulty of combining a hydrophobic porous polymer substrate and an ion-exchange polymer with increased EM = 1100 in a medium of a mixture of an organic solvent with water (up to 45 wt.%), Due to poor wettability and diffusion factors of the polymer substrate, as a result of which up to 90 are completely filled wt.% and more requires the use of surfactants.
2. Необходимость введения дополнительных технологических стадий для получения ионообменного полимера в среде органического растворителя с меньшим содержанием воды, пригодного для совмещения без поверхностно-активных веществ.2. The need for the introduction of additional process steps to obtain an ion-exchange polymer in an organic solvent with a lower water content, suitable for combining without surfactants.
3. Невозможность получения армированной мембраны с высокой электропроводностью ввиду использования поверхностно-активных веществ, имеющих высокую сорбционную способность к полимерной протонопроводящей мембране.3. The inability to obtain a reinforced membrane with high electrical conductivity due to the use of surface-active substances having a high sorption capacity for a polymer proton conducting membrane.
4. Склонность к вымыванию протонопроводящих утлеводородсодержащих полимеров от времени эксплуатации из-за достаточно высокой ионообменной емкости (больше 1,5 мг-экв/г).4. The tendency to leach out proton-conducting hydrocarbon-containing polymers from the operating time due to the rather high ion-exchange capacity (more than 1.5 mEq / g).
5. Применение температуры формирования армированной мембраны 120-140°С может приводить к деструкции ионообменных групп мембраны.5. The use of the temperature of formation of the reinforced membrane 120-140 ° C can lead to the destruction of ion-exchange groups of the membrane.
6. Сложность способов получения, связанная с многостадийностью процесса и необходимостью применения сложной техники.6. The complexity of the production methods associated with the multi-stage process and the need to use complex equipment.
Технический результат, достижение которого обеспечивает заявляемая композитная наномодифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана с толщиной от 10 мкм и выше, заключается в улучшении удельной протонной проводимости и газопроницаемости мембран, повышении стабильности линейных размеров при переходе от влажного к сухому состоянию при высоких температурах и давлении, устойчивости к проколам или разрывам во время работы при высоких температурах и перепадах давления, высокой стойкости к складкообразованию, устойчивости (высокое сопротивление) к растрескиванию и исключительных механических свойствах: более высокая прочность при растяжении, намного меньше относительное удлинение, а также в улучшении контакта поверхности мембраны с каталитическом слоем и, как следствие, повышении электрохимических характеристик мембраны и в ее эффективном использовании в электролизерах воды при высоких перепадах давления и температуры и других электрохимических устройствах.The technical result, which is achieved by the inventive composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane with a thickness of 10 μm and above, is to improve the specific proton conductivity and gas permeability of the membranes, increase the stability of linear dimensions during the transition from wet to dry state at high temperatures and pressure, resistance to punctures or tears during operation at high temperatures and pressure drops, high resistance to folding, stability (high rotation) to cracking and exceptional mechanical properties: higher tensile strength, much less elongation, as well as improved contact of the membrane surface with the catalytic layer and, as a result, increased electrochemical characteristics of the membrane and its effective use in water electrolysis at high drops pressure and temperature and other electrochemical devices.
Указанный технический результат достигается за счет того, что была получена композитная наномодифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, содержащая сополимер тетрафторэтилена с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром и третьим модифицирующим сомономером, выбранным из группы, включающей перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан или перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода, общей структурной формулы:The specified technical result is achieved due to the fact that a composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane was obtained containing a copolymer of tetrafluoroethylene with perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalvinyl or perfluoro ether containing 1 or 3 carbon atoms in the alkyl, of the general structural formula:
где R - звено перфторметилвинилового эфира where R is a unit of perfluoromethylvinyl ether
звено перфторпропилвинилового эфира perfluoropropyl vinyl ether unit
звено перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалана perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalane unit
M-H, Li, K, Na;M-H, Li, K, Na;
a=24,75-18,38 мол.%;a = 24.75-18.38 mol.%;
b=70,25-81,12 мол.%;b = 70.25-81.12 mol.%;
c=5,0-0,5 мол.%;c = 5.0-0.5 mol%;
полимерный субстрат, органический или неорганический наномодификаторы, характеризующаяся плотностью 1,98-2,10 г/см3, механической прочностью 16-22 МПа и коэффициентом газопроницаемости по водороду (К), составляющим 1-4×10-16 м3м м-2Па-1с-1 при температуре 20-90°С.a polymer substrate, organic or inorganic nanomodifiers, characterized by a density of 1.98-2.10 g / cm 3 , a mechanical strength of 16-22 MPa and a gas permeability coefficient of hydrogen (K) of 1-4 × 10 -16 m 3 m - 2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C.
Технический результат, достижение которого обеспечивает заявляемый способ получения композитной наномодифицировадной перфторсульфокатионитовой мембраны, заключается в возможности полимерного субстрата, ионообменного полимера и модификатора эффективно интегрироваться в составе мембране так, что это способствует увеличению удельной электропроводности в широких пределах температуры и давления по сравнению с газоплотными мембранами или мембранами, армированными политетрафторэтиленом. Это обусловлено тем, что основные функциональные группы полимера субстрата, кислые функциональные группы ионно-обменного полимера и функциональные группы модификатора расположены близко друг к другу, что, по-видимому, облегчает протонный транспорт через композитную мембрану.The technical result, the achievement of which is provided by the claimed method for producing a composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane, consists in the possibility of a polymer substrate, an ion-exchange polymer and a modifier to be integrated effectively in the membrane so that it increases the electrical conductivity over a wide range of temperature and pressure compared to gas-tight membranes or membranes reinforced with polytetrafluoroethylene. This is due to the fact that the main functional groups of the substrate polymer, the acidic functional groups of the ion-exchange polymer, and the functional groups of the modifier are located close to each other, which apparently facilitates proton transport through the composite membrane.
Способ получения композитной мембраны обеспечивает также получение тонкой и супертонкой мембраны с более высокой скоростью ионного транспорта, более высокой прочностью и низкой газопроницаемостью. Набухшая мембрана сохраняет свою механическую прочность и стабильность размеров и одновременно поддерживает желаемые ионные транспортные характеристики, электросопротивление и улучшенные электрохимические свойства в процессе их длительной эксплуатации в электролизерах воды и других электрохимических устройствах в отличие от мембраны, состоящей только из ионно-обменного материала и модификатора, или из полимерного субстрата и ионообменного материалов.The method of producing a composite membrane also provides a thin and superthin membrane with a higher ion transport rate, higher strength and low gas permeability. A swollen membrane retains its mechanical strength and dimensional stability and at the same time maintains the desired ionic transport characteristics, electrical resistance and improved electrochemical properties during their long-term operation in water electrolyzers and other electrochemical devices, in contrast to a membrane consisting only of an ion-exchange material and a modifier, or from a polymer substrate and ion-exchange materials.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения композитной наномодифицированной перфторсульфокатионитовой мембраны, включающем совмещение пористого перфторированного полимерного субстрата с перфторсульфокатионитовым полимером в жидкой среде и формирование композитной мембраны, процесс совмещения проводят в жидкой сопроцессорной смеси, включающей перфторированный ионообменный сополимер с функциональными сульфогруппами формулы -SO3M, где М - ион водорода, аммония или щелочного металла, имеющий низкую эквивалентную массу 750-890, растворимый в растворителе, выбранном из группы, включающей полярный органический растворитель, смесь полярных органических растворителей, смесь полярного и неполярного органических растворителей или смесь полярного органического растворителя с водой, причем в качестве полимерного модификатора используют сульфированный полисульфон, поливиниловый спирт, поливинилиденфторид, сополимеры винилиденфторида, сульфированные полимеры и сополимеры винилиденфторида, а в качестве неорганического модификатора сопроцессорная смесь содержит соединения титана, олова, циркония, германия, кремния или их смеси, выбранные из группы оксидов, фосфатов, гидрофосфатов, а также тетраэтоксисилан. При этом совмещение проводят при температуре 18-30°С, а формирование частиц модификатора на поверхности или в объеме мембраны проводят при температуре 18-110°С.The specified technical result is achieved due to the fact that in the method for producing a composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane, comprising combining a porous perfluorinated polymer substrate with a perfluorosulfocationionite polymer in a liquid medium and forming a composite membrane, the combination process is carried out in a liquid coprocessor mixture comprising perfluorinated ion exchange perfluoromerized formulas -SO 3 M, where M is an ion of hydrogen, ammonium or an alkali metal having neither a viscous equivalent weight of 750-890 soluble in a solvent selected from the group consisting of a polar organic solvent, a mixture of polar organic solvents, a mixture of polar and non-polar organic solvents, or a mixture of polar organic solvent with water, wherein sulfonated polysulfone, polyvinyl alcohol are used as a polymer modifier , polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride copolymers, sulfonated polymers and vinylidene fluoride copolymers, and as an inorganic modifier coprocessor mixture contains compounds of titanium, tin, zirconium, germanium, silicon, or mixtures thereof, selected from the group of oxides, phosphates, hydrophosphates, as well as tetraethoxysilane. The combination is carried out at a temperature of 18-30 ° C, and the formation of particles of the modifier on the surface or in the volume of the membrane is carried out at a temperature of 18-110 ° C.
При проведении процесса получения композитных наномодифицированных перфторсульфокатионитовых мембран с использованием сопроцессорной смеси, содержащей ионообменный сополимер с ЭМ=750-890 и полимерный модификатор в среде полярного органического растворителя, процесс совмещения с полимерным субстратом проводят предпочтительно при температуре 18-30°С, а окончательное формирование предпочтительно при температуре 50-120°С, а при применении сопроцессорной смеси, содержащей ионообменный сополимер с ЭМ 750-890 и неорганический модификатор в смеси воды с полярным органическим растворителем, или в смеси полярного и неполярного органического растворителя, процесс совмещения с полимерным субстратом проводят при температуре 18-30°С, а окончательное формирование мембраны при температуре 18-110°С. Применение температуры совмещения выше 30°С не способствует образованию композитных наномодифицированных перфторсульфокатионитовых мембран с заданным комплексом свойств. Применение температуры формирования композитной наномодифицированной перфторсульфокатионитовой мембраны выше 120°С может приводить к деструкции ионообменных групп мембраны. При этом совмещение полимерного субстрата с сопроцессорной смесью в среде растворителя проводят методами напыления, замачивания, налива и др.When carrying out the process of obtaining composite nanomodified perfluorosulfocathionite membranes using a coprocessor mixture containing an ion-exchange copolymer with EM = 750-890 and a polymer modifier in a polar organic solvent, the process of combining with a polymer substrate is preferably carried out at a temperature of 18-30 ° C, and the final formation is preferably at a temperature of 50-120 ° C, and when using a coprocessor mixture containing an ion-exchange copolymer with EM 750-890 and an inorganic modifier in the mixture water with a polar organic solvent, or in a mixture of polar and nonpolar organic solvent, the process of combining with a polymer substrate is carried out at a temperature of 18-30 ° C, and the final formation of the membrane at a temperature of 18-110 ° C. The use of the combination temperature above 30 ° C does not contribute to the formation of composite nanomodified perfluorosulfocathionite membranes with a given set of properties. The use of the temperature of formation of a composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane above 120 ° C can lead to the destruction of ion-exchange groups of the membrane. In this case, the combination of the polymer substrate with the coprocessor mixture in the solvent medium is carried out by spraying, soaking, filling, etc.
Введение в полимер с ЭМ 750-890, из которого выполнена композитная наномодифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, третьего модифицирующего сомономера, выбранного из группы, включающей перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксолан или перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода, позволяет упорядочить пространственное расположение боковых цепей полимера, содержащих группы SO3M, при этом образуется определенная надмолекулярная структура, которая ускоряет процесс «окклюдирования», улучшает совместимость с полимерным субстратом и модификатором и их интегрирование при формировании композитной мембраны.Introduction to a polymer with EM 750-890, from which a composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane is made, of a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane or perfluoroalkyl vinyl ether containing 1 or 1 in alkyl 3 carbons, allows to streamline the spatial arrangement of the side chains of the polymer containing the group SO 3 M, thereby forming a certain supramolecular structure, which accelerates the process of "occlusion", improves compatibility with polymeric thermo molecular weight modifier and the substrate and their integration in the formation of the composite membrane.
При этом уже в процессе синтеза таких полимеров с третьим сомономером можно регулировать кластерно-канальную структуру мембран и, соответственно, влиять на их электрохимические и диффузионные свойстваMoreover, already in the process of synthesis of such polymers with a third comonomer, one can control the cluster-channel structure of membranes and, accordingly, influence their electrochemical and diffusion properties
Если для совмещения с полимерным субстратом использовать сопроцессорную смесь, содержащую указанный выше ионообменный перфторсульфополимер с ЭМ 750-890, растворимый в органическом растворителе или в смеси с водой и модификатор, то процесс смачивания и «окклюдирования» протекает лучше, а газопроницаемость композитных мембран ниже, чем у мембран, полученных при совмещении ионообменного перфторсульфополимера с ЭМ 1100 в среде растворителя по прототипу. Коэффициент газопроницаемости водорода (К) таких композитных мембран толщиной от 10 мкм составляет 1-3,7×10-16 м3м м-2Ра-1s-1, в то время как для газоплотных модифицированных мембран от 50 мкм, полученных при контактировании исходной мембраны (ЭМ) с жидкой композицией и модификатором, - 1-5×10-16 м3м м-2Pa-1s-1, а для армированных мембран, изготовленных совмещением полимерного субстрата с ионообменным сополимером по прототипу, газопроницаемость составляет 5-10×10-16 м3м м-2Ра-1s-1 при температуре 20-90°С (пример 17. табл.3).If to combine with a polymer substrate we use a coprocessor mixture containing the above ion-exchange perfluorosulfopolymer with EM 750-890, soluble in an organic solvent or in a mixture with water and a modifier, the process of wetting and “occluding” proceeds better, and the gas permeability of composite membranes is lower than for membranes obtained by combining an ion-exchange perfluorosulfopolymer with EM 1100 in a solvent medium according to the prototype. The gas permeability coefficient of hydrogen (K) of such composite membranes with a thickness of 10 μm is 1-3.7 × 10 -16 m 3 m m -2 Ra -1 s -1 , while for gas-tight modified membranes from 50 μm obtained with contacting the initial membrane (EM) with the liquid composition and modifier, 1-5 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 , and for the reinforced membranes made by combining the polymer substrate with the ion-exchange copolymer according to the prototype, the gas permeability is 5-10 × 10 -16 m 3 m m -2 Ra -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C (example 17. table 3).
В заявляемом способе указанный выше ионообменный полимер, входящий в состав сопроцессорной смеси, при формировании модификатора на поверхности или в объеме мембраны выполняет функцию матрицы, то есть создает кластерно-канальную структуру, благоприятствующую более однородному распределению модификатора и, как следствие, более высокой плотности и более низкой газопроницаемости мембраны (темплатный синтез). Кроме того, использование такого лиофильно-лиофобного ионообменного полимера с более низкой эквивалентной массой (750-890) улучшает совместимость с полимерным субстратом и модификатором, обеспечивает необходимую адгезию и «окклюдирование» ионообменного полимера с полимерным субстратом, химическую стойкость мембран (например, вымывание полимерного и неорганического модификатора в процессе длительной эксплуатации), (см. примеры 17-19). а также благоприятствует образованию композитных мембран, поверхность которых имеет лучшую совместимость с электрокаталитической смесью при изготовлении мембрано-электродных блоков (МЭБ).In the claimed method, the above-mentioned ion-exchange polymer, which is part of the coprocessor mixture, when forming a modifier on the surface or in the volume of the membrane, acts as a matrix, that is, it creates a cluster-channel structure that favors a more uniform distribution of the modifier and, as a result, a higher density and more low gas permeability of the membrane (template synthesis). In addition, the use of such a lyophilic-lyophobic ion-exchange polymer with a lower equivalent weight (750-890) improves compatibility with the polymer substrate and the modifier, provides the necessary adhesion and “occlusion” of the ion-exchange polymer with the polymer substrate, chemical resistance of the membranes (for example, leaching of polymer and inorganic modifier during continuous operation), (see examples 17-19). and also favors the formation of composite membranes, the surface of which has better compatibility with the electrocatalytic mixture in the manufacture of membrane-electrode blocks (OIE).
Такая композитная мембрана сохраняет стабильность линейных размеров в процессе эксплуатации и сохраняет повышенную прочность во влажном состоянии. Газопроницаемость таких мембран во время эксплуатации не увеличивается.Such a composite membrane maintains the stability of linear dimensions during operation and maintains increased strength in the wet state. The gas permeability of such membranes during operation does not increase.
В заявляемой композитной перфторсульфокатионитовой мембране общее содержание мономера с сульфокатионитовыми группами составляет 24,75-18,38 мол.%, а содержание модифицирующего перфторвинилового эфира 0,5-5,0 мол.%.In the inventive composite perfluorosulfocathionite membrane, the total content of the monomer with sulfocathionite groups is 24.75-18.38 mol.%, And the content of the modifying perfluorovinyl ether is 0.5-5.0 mol.%.
Если содержание перфторвинилового эфира в перфторсульфокатионитовой мембране менее 0,5 мол.%, то он практически не оказывает влияния на свойства получаемых композитных мембран (пример 9. табл.1, пример 5, таблица 2,3). В том случае, когда содержание перфторвинилового эфира в композитной мембране более 5,0 мол.%, то не образуется оптимальная структура композитной перфторсульфокатионитовой мембраны, при этом такая мембрана не обеспечивает оптимальное «окклюдирование» и интегрирование полимерного субстрата, ионообменного полимера и полимерного или неорганического модификатора (пример 13, табл.1, пример 9, таблица 2,3), а также требуемую механическую прочность.If the content of perfluorovinyl ether in the perfluorosulfocathionite membrane is less than 0.5 mol%, then it has practically no effect on the properties of the resulting composite membranes (example 9. table 1, example 5, table 2,3). In the case when the content of perfluorovinyl ether in the composite membrane is more than 5.0 mol%, the optimal structure of the composite perfluorosulfocationionite membrane is not formed, while such a membrane does not provide optimal “occluding” and integration of the polymer substrate, ion-exchange polymer and polymer or inorganic modifier (example 13, table 1, example 9, table 2,3), as well as the required mechanical strength.
В том случае, когда в мембране содержание мономера с сульфогруппами будет меньше 18.38 мол.%, то увеличивается ЭМ сополимера и электрохимические свойства мембран ухудшаются (пример 14, табл.1, пример 8, табл.2.3).In the case when the content of the monomer with sulfo groups in the membrane is less than 18.38 mol%, the EM of the copolymer increases and the electrochemical properties of the membranes deteriorate (Example 14, Table 1, Example 8, Table 2.3).
В том случае, когда в мембране содержание мономера с сульфогруппами будет больше 24,75 мол.%, значительно снизится ЭМ, что затрудняет получение композитных наномодифицированных мембран с высокой механической прочностью и низкой газопроницаемостью (пример 1, табл.1, пример 7, таблица 2, 3).In the case when the content of the monomer with sulfo groups in the membrane is more than 24.75 mol%, the EM will significantly decrease, which makes it difficult to obtain composite nanomodified membranes with high mechanical strength and low gas permeability (example 1, table 1, example 7, table 2 , 3).
По заявляемому способу в зависимости от назначения могут быть получены композитные перфторсульфокатионитовые мембраны толщиной более 10 мкм, предпочтительно 10-70 мкм и наиболее предпочтительно толщиной 10-30 мкм с содержанием 24.75-18,38 мол.% перфторсульфосодержащего мономерного звена и 5-25 масс.% полимерного или неорганического модификатора, находящегося в объеме или на поверхности мембраны, обладающие оптимальным комплексом физических и физико-механических характеристик: плотность 1,98-2,10 г/см-3, газопроницаемость водорода (К) 1,0-3,7×10-16 м3м м-2Pa-1s-1 при температуре 20-90°С, при этом мембраны однородны по составу и имеют прочность при разрыве 16-22 МПа, высокую протонную проводимость и химическую стойкость. Указанный оптимальный комплекс свойств обеспечивается условиями проведения процесса, в частности, совмещение полимерного субстрата с сопроцессорной смесью, содержащей перфторсульфосодержащий ионообменный сополимер с ЭМ=750-890, растворимый в полярном органическом растворителе, смеси полярных органических растворителей или их смеси с водой, смеси полярного и неполярного органического растворителя, модификатор и растворитель при заданной температуре в интервале 18-30°С, позволяющего вводить заданное количество полимерного или неорганического модификатора. Состав сопроцессорной смеси, необходимое количество модификатора и ионообменного полимера определялось протонной проводимостью, толщиной, прочностью и газопроницаемостью композитных мембран и рассчитывалось авторами изобретения в соответствии с полученными ими зависимостями состава перфторсульфокатионитовой мембраны и скорости «окклюдирования» от состава сопроцессорной смеси.According to the claimed method, depending on the purpose, composite perfluorosulfocationionite membranes with a thickness of more than 10 microns, preferably 10-70 microns and most preferably 10-30 microns thick with a content of 24.75-18.38 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer unit and 5-25 wt. % of a polymer or inorganic modifier located in the bulk or on the surface of the membrane, having an optimal combination of physical and physico-mechanical characteristics: density 1.98-2.10 g / cm -3 , gas permeability of hydrogen (K) 1.0-3.7 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C, while the membranes are uniform in composition and have a tensile strength of 16-22 MPa, high proton conductivity and chemical resistance. The indicated optimal set of properties is ensured by the process conditions, in particular, combining the polymer substrate with a coprocessor mixture containing a perfluorosulfonate ion-exchange copolymer with EM = 750-890, soluble in a polar organic solvent, a mixture of polar organic solvents, or a mixture thereof with water, a mixture of polar and non-polar organic solvent, modifier and solvent at a given temperature in the range of 18-30 ° C, allowing you to enter a given amount of polymer or inorganic esk modifier. The composition of the coprocessor mixture, the required amount of modifier and ion-exchange polymer was determined by the proton conductivity, thickness, strength and gas permeability of the composite membranes and was calculated by the inventors in accordance with their dependencies on the composition of the perfluorosulfocathionite membrane and the rate of “occluding” on the composition of the coprocessor mixture.
При осуществлении процесса получения композитных наномодифицированных мембран сопроцессорную смесь, содержащую смесь рассчитанного количества раствора ионообменного полимера в растворителе и раствор модификатора в растворителе, загружают в соответствующее устройство, в зависимости от состава и структуры композитной мембраны, и проводят совмещение с выбранным полимерным субстратом. Если требуется получить мембрану с объемным распределением модификатора, то сопроцессорную смесь загружают в емкость, устанавливают заданную температуру (18-30°С), помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку, и проводят совмещение в течение времени, достаточного для достижения заданного количества сорбированной сопроцессорной смеси в пористом полимерном материале. Время совмещения определяется толщиной композитной наномодифицированной перфторсульфокатионитовой мембраны, типом модификатора и растворителя, ЭМ ионообменного сополимера, составом сопроцессорной смеси и составляет предпочтительно 0,15-2 часа. По окончании совмещения «окклюдированный» полимерный субстрат вынимают из емкости, при необходимости быстро ополаскивают в выбранном растворителе и сушат до полного удаления растворителя. Температуру сушки устанавливают исходя из летучести растворителя. Окончательное формирование модификатора проводят в зависимости от типа введенного модификатора при обработке в воде или водных растворах минеральных кислот или щелочи при температуре 20-95°С.In the process of producing composite nanomodified membranes, a coprocessor mixture containing a mixture of the calculated amount of a solution of an ion-exchange polymer in a solvent and a solution of a modifier in a solvent is loaded into the appropriate device, depending on the composition and structure of the composite membrane, and the combination with the selected polymer substrate is performed. If you want to get a membrane with a volume distribution of the modifier, then the coprocessor mixture is loaded into the tank, set the desired temperature (18-30 ° C), put a sample of the polymer substrate, stretched on a metal frame, and combine for a time sufficient to achieve a given amount of adsorbed coprocessor mixture in a porous polymer material. The combination time is determined by the thickness of the composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane, the type of modifier and solvent, EM ion-exchange copolymer, the composition of the coprocessor mixture and is preferably 0.15-2 hours. At the end of the combination, the “occluded” polymer substrate is removed from the container, if necessary, rinsed quickly in the selected solvent and dried until the solvent is completely removed. The drying temperature is set based on the volatility of the solvent. The final formation of the modifier is carried out depending on the type of modifier introduced during treatment in water or aqueous solutions of mineral acids or alkalis at a temperature of 20-95 ° C.
Когда необходимо получить композитную мембрану со слоистым распределением модификатора (с одной или с двух сторон поверхности), то заданное количество сопроцессорной смеси загружают в аэрограф, краскораспылитель и др. и наносят на одну или обе поверхности полимерного субстрата от 2 до 4 раз в зависимости от содержания ионообменного полимера в среде растворителя. Кроме того, возможно использование и других методов совмещения, например намазывание валиком, наливом на поверхность и др.When it is necessary to obtain a composite membrane with a layered distribution of the modifier (on one or both sides of the surface), then a predetermined amount of the coprocessor mixture is loaded into an airbrush, spray gun, etc. and applied to one or both surfaces of the polymer substrate from 2 to 4 times depending on the content ion exchange polymer in a solvent environment. In addition, other combination methods can also be used, for example, spreading with a roller, pouring onto the surface, etc.
Свойства полученных композитных наномодифицированных перфторсульфокатионитовых мембран определяли следующим образом:The properties of the obtained composite nanomodified perfluorosulfocathionite membranes were determined as follows:
1. Состав и структуру перфторированного сополимера определяли методом ИК-спектроскопии на спектрометре Перкин-Эльмер, модель 1760.1. The composition and structure of the perfluorinated copolymer was determined by IR spectroscopy on a Perkin-Elmer spectrometer, model 1760.
2. Толщину мембраны определяли по ТУ 301-05-12-89.2. The thickness of the membrane was determined according to TU 301-05-12-89.
3. Полную обменную емкость мембраны определяли по ГОСТ 17552-72.3. The full exchange capacity of the membrane was determined according to GOST 17552-72.
4. Плотность мембраны определяли по ГОСТ 14266-81.4. The density of the membrane was determined according to GOST 14266-81.
5. Удельное объемное электрическое сопротивление мембраны определяли по ТУ 301-05-12-89.5. The specific volume electric resistance of the membrane was determined according to TU 301-05-12-89.
6. Прочность при разрыве и относительное удлинение мембраны определяли по ГОСТ 11262-80.6. Tensile strength and elongation of the membrane were determined according to GOST 11262-80.
7. Влажность мембраны определяли по ГОСТ 17554-72.7. The humidity of the membrane was determined according to GOST 17554-72.
8. Газопроницаемость по водороду определяли по методике №127-78 ОАО «Пластполимер».8. Hydrogen permeability to gas was determined by the method No. 127-78 of Plastpolymer OJSC.
9. Изменение линейных размеров определяли линейкой по ГОСТ 427-759. The change in linear dimensions was determined by a ruler according to GOST 427-75
10. Вязкость жидкой композиции определяли по ГОСТ 9070-75Е.10. The viscosity of the liquid composition was determined according to GOST 9070-75E.
Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение.The following examples illustrate the present invention.
Пример 1Example 1
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 10 мкм. В емкость объемом 0,05 л загружают 25 г сопроцессорной смеси, включающей смесь, состоящую из 17,8 г раствора ионообменного полимера, содержащего 19,8 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 5,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Е), имеющую ЭМ=850 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте (концентрация 5,2 масс.%) и 7,2 г раствора хлорокиси циркония в воде. Затем спрей-методом (аэрографом) часть сопроцессорной смеси при температуре окружающей среды (20-23°С) наносят на обе поверхности образца полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм. По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 80°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще три раза.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 10 μm. 25 g of a coprocessor mixture is loaded into a capacity of 0.05 L, including a mixture consisting of 17.8 g of an ion-exchange polymer solution containing 19.8 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 5.0 mol.% Modifying monomer (s) structure (E) having EM = 850 (functional group —SO 3 H) in isopropyl alcohol (concentration 5.2 wt.%) and 7.2 g of a solution of zirconium chloride in water. Then, using the spray method (airbrush), a part of the coprocessor mixture at ambient temperature (20-23 ° C) is applied to both surfaces of a sample of a polymer substrate stretched on a stainless steel metal frame of 70 × 70 mm in size. At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 80 ° C until the solvent is completely removed. The alignment process is repeated three more times.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану вынимают из емкости, быстро ополаскивают в воде и сушат в термостате при температуре 80°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще один раз. После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г фосфорной кислоты (концентрация кислоты 40 масс.%) и нагревают при температуре 80°С в течение 2 ч для окончательного формирования структуры мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 30 мкм с содержанием цирконилфосфата с размером частиц 5-100 нм в количестве 20 масс.%.At the end of the combination, the “occluded” membrane is removed from the container, rinsed quickly in water and dried in a thermostat at a temperature of 80 ° C until the solvent is completely removed. The alignment process is repeated one more time. After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of phosphoric acid (acid concentration of 40 wt.%) Is loaded and heated at a temperature of 80 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane structure. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 30 μm with a content of zirconyl phosphate with a particle size of 5-100 nm in an amount of 20 wt.% Is obtained.
Пример 2Example 2
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 11 мкм. В емкость объемом 0,1 л загружают 50 г сопроцессорной смеси, содержащей смесь, состоящую из 35,6 г раствора ионообменного полимера, содержащего 22,02 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 4,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Е), имеющую ЭМ=800 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте (концентрация 7,8 масс.%) и 14,4 г раствора тетрабутоксититана в изопропиловом спирте. После этого в емкости устанавливают температуру 23°С, помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 10 мин.To obtain a composite membrane, a polymer substrate is used in the form of a sample of a porous polytetrafluoroethylene film 11 μm thick. 50 g of a coprocessor mixture containing a mixture of 35.6 g of an ion-exchange polymer solution containing 22.02 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 4.0 mol.% Modifying monomer (s) are loaded into a 0.1-liter capacity structure (E) having EM = 800 (functional group —SO 3 H) in isopropyl alcohol (concentration 7.8 wt.%) and 14.4 g of a solution of tetrabutoxytitanium in isopropyl alcohol. After that, a temperature of 23 ° C is set in the container, a sample of the polymer substrate is stretched on a metal frame made of stainless steel with a size of 70 × 70 mm, and alignment is carried out for 10 minutes.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану вынимают из емкости, быстро ополаскивают в воде и сушат в термостате при температуре 80°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще один раз.At the end of the alignment, the “occluded” membrane is removed from the container, rinsed quickly in water and dried in a thermostat at a temperature of 80 ° C until the solvent is completely removed. The alignment process is repeated one more time.
После формирования мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г дистиллированной воды и нагревают при температуре 40°С в течение 2 ч для окончательного формирования в мембране диоксида титана. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 25 мкм с содержанием TiO2 с размером частиц 5-250 нм в количестве 19 масс.%.After formation, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of distilled water are charged and heated at a temperature of 40 ° C for 2 hours for the final formation of titanium dioxide in the membrane. Get composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 25 μm with a content of TiO 2 with a particle size of 5-250 nm in an amount of 19 wt.%.
Пример 3Example 3
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 12 мкм. В емкость объемом 0,л загружают 50 г сопроцессорной смеси, состоящей из 23,5 г раствора ионообменного полимера, содержащего 24,75 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а), имеющую ЭМ=750 (функциональная группа -SO3Li) и 5,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), в диметилформамиде (концентрация 4,3 масс.%) и 26,5 г раствора поливинилового спирта в диметилформамиде (концентрация 5 масс.%). Затем в емкости устанавливают температуру 23°С, помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 20 мин.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 12 μm. 50 g of a coprocessor mixture consisting of 23.5 g of an ion-exchange polymer solution containing 24.75 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) having EM = 750 (functional group —SO 3 Li) and 5, 0 mol% of a modifying monomer (c) of structure (D), in dimethylformamide (concentration 4.3 wt.%) And 26.5 g of a solution of polyvinyl alcohol in dimethylformamide (concentration 5 wt.%). Then, a temperature of 23 ° C is set in the container, a sample of the polymer substrate is placed, stretched on a stainless steel metal frame of size 70 × 70 mm, and the alignment is carried out for 20 minutes.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану помещают в термостат и сушат при температуре 20°С до полного удаления растворителя. После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г азотной кислоты (концентрация 10 масс.%) и нагревают при температуре 40°С в течение 2 ч для окончательного формирования мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 25 мкм с содержанием поливинилового спирта 10 масс.%.At the end of the combination, the “occluded” membrane is placed in a thermostat and dried at a temperature of 20 ° C until the solvent is completely removed. After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of nitric acid are loaded (concentration of 10 wt.%) And heated at a temperature of 40 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane. Get a composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane with a thickness of 25 μm with a polyvinyl alcohol content of 10 wt.%.
Пример 4Example 4
Процесс аналогичен приведенному в примере 1 и отличается тем, что вместо 5 мол.% модифицирующего мономера (с) добавляют 0,5 мол.%.The process is similar to that in example 1 and differs in that instead of 5 mol.% Modifying monomer (s) add 0.5 mol.%.
Пример 5Example 5
Процесс аналогичен приведенному в примере 1 и отличается тем, что вместо 5 мол.% модифицирующего мономера (с) добавляют 0 мол.%.The process is similar to that shown in example 1 and differs in that instead of 5 mol.% Modifying monomer (s) add 0 mol.%.
Пример 6Example 6
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 8 мкм. В емкость объемом 0,05 л загружают 25 г сопроцессорной смеси, состоящей из 14,15 г раствора ионообменного полимера, содержащего 18,38 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 3.0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (К), имеющую ЭМ=890 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте (концентрация 7,3 масс.%) и 10,85 г раствора хлорокиси циркония в воде. Затем сирей-методом (аэрографом) часть сопроцессорной смеси при температуре окружающей среды 20-23°С наносят на обе поверхности образца полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, в течение 2 мин. По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану вынимают из емкости, быстро ополаскивают в воде и сушат в термостате при температуре 80°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще два раза. После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г фосфорной кислоты (концентрация кислоты 40 масс.%) и нагревают при температуре 80°С в течение 2 ч для окончательного формирования структуры мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 30 мкм и содержанием цирконилфосфата с размером частиц 5-150 нм в количестве 23 масс.%.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 8 μm. 25 g of a coprocessor mixture consisting of 14.15 g of a solution of an ion-exchange polymer containing 18.38 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 3.0 mol.% Modifying monomer (c) of structure (K) are loaded into a 0.05 L container; having EM = 890 (functional group —SO 3 H) in isopropyl alcohol (concentration 7.3 mass%) and 10.85 g of a solution of zirconium chloride in water. Then, using the syri method (airbrush), part of the coprocessor mixture at an ambient temperature of 20-23 ° C is applied to both surfaces of a sample of a polymer substrate, stretched onto a stainless steel metal frame of size 70 × 70 mm, for 2 minutes. At the end of the combination, the “occluded” membrane is removed from the container, rinsed quickly in water and dried in a thermostat at a temperature of 80 ° C until the solvent is completely removed. The alignment process is repeated two more times. After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of phosphoric acid (acid concentration of 40 wt.%) Is loaded and heated at a temperature of 80 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane structure. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 30 μm and a content of zirconyl phosphate with a particle size of 5-150 nm in an amount of 23 wt.% Is obtained.
Примеры 7, 8Examples 7, 8
Процесс получения модифицированных мембран проводят аналогично примеру 1, но варьируют состав ионообменного перфторсульфополимера. В примере 7 процесс проводят с использованием мембраны, содержащей 28,20 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а), в примере 8 - 16,5 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а).The process of obtaining modified membranes is carried out analogously to example 1, but the composition of the ion-exchange perfluorosulfopolymer is varied. In example 7, the process is carried out using a membrane containing 28.20 mol.% Perfluorosulfonamide monomer (a), in example 8 - 16.5 mol.% Perfluorosulfonamide monomer (a).
Примеры 9, 10Examples 9, 10
Процесс получения модифицированных мембран проводят аналогично примеру 1, но варьируют структуру ионообменного перфторсульфополимера. В примере 9 процесс проводят с использованием мембраны, содержащей 5,5 мол.% модифицирующего мономера (с) структура (Д), а в примере 10, содержащей 0 мол.% модифицирующего мономера.The process of obtaining modified membranes is carried out analogously to example 1, but the structure of the ion-exchange perfluorosulfopolymer is varied. In example 9, the process is carried out using a membrane containing 5.5 mol.% Modifying monomer (C) structure (D), and in example 10, containing 0 mol.% Modifying monomer.
Пример 11Example 11
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 11 мкм. В емкость объемом 0.05 л загружают 30 г сопроцессорной смеси, содержащей смесь, состоящую из 18,4 г раствора ионообменного полимера, содержащего 24,75 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 2,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), имеющую ЭМ=750 (функциональная группа -SO3H) в этиловом спирте (концентрация 6 масс.%) и 11,6 г раствора тетрабромида олова в этиловом спирте (концентрация 10 масс.%). Затем спрей-методом (аэрографом) часть сопроцессорной смеси при температуре окружающей среды 20-23°С наносят на обе поверхности образца полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм. По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 50°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще три раза.To obtain a composite membrane, a polymer substrate is used in the form of a sample of a porous polytetrafluoroethylene film 11 μm thick. 30 g of a coprocessor mixture containing a mixture of 18.4 g of an ion-exchange polymer solution containing 24.75 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 2.0 mol.% Modifying monomer (c) of a structure ( D) having EM = 750 (functional group —SO 3 H) in ethanol (concentration of 6 wt.%) And 11.6 g of a solution of tin tetrabromide in ethanol (concentration of 10 wt.%). Then, using the spray method (airbrush), part of the coprocessor mixture at an ambient temperature of 20-23 ° C is applied to both surfaces of a sample of a polymer substrate stretched on a stainless steel metal frame of 70 × 70 mm in size. At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 50 ° C until the solvent is completely removed. The alignment process is repeated three more times.
После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г дистиллированной воды и нагревают при температуре 60°С в течение 2 ч для окончательного формирования в мембране диоксида олова. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 35 мкм с содержанием диоксида олова с размером частиц 5-150 нм в количестве 15,1 масс.%.After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of distilled water are charged and heated at a temperature of 60 ° C for 2 hours for the final formation of tin dioxide in the membrane. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 35 μm with a content of tin dioxide with a particle size of 5-150 nm in an amount of 15.1 wt.% Is obtained.
Пример 12Example 12
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилеиа толщиной 9 мкм. В емкость объемом 0,05 л загружают 25 г сопроцесеорной смеси, содержащей смесь, состоящую из 21 г раствора ионообменного полимера, содержащего 24,75 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 2,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), имеющую ЭМ=750 (функциональная группа -SO3Li) в диметилформамиде (концентрация 4,9 масс.%) и 4 г раствора сульфированного полисульфона (СПСФ) с обменной емкостью 1,87 мг-экв/г в диметилформамиде (концентрация 5 масс.%). Затем спрей-методом (аэрографом) часть сопроцессорной смеси при температуре окружающей среды 20-23°С наносят на обе поверхности образца полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм. По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 100°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще 4 раза. После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г азотной кислоты (концентрация 10 масс.%) и нагревают при температуре 40°С в течение 2 ч для окончательного формирования мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 35 мкм с содержанием сульфированного полисульфона 10 масс.%.To obtain a composite membrane, a polymer substrate is used in the form of a sample of a porous polytetrafluoroethylene film with a thickness of 9 μm. 25 g of a coprocessor mixture containing a mixture of 21 g of an ion-exchange polymer solution containing 24.75 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 2.0 mol.% Modifying monomer (c) of a structure ( D) having EM = 750 (functional group —SO 3 Li) in dimethylformamide (concentration 4.9 wt.%) And 4 g of a solution of sulfonated polysulfone (SPSF) with an exchange capacity of 1.87 mEq / g in dimethylformamide (concentration 5 wt.%). Then, using the spray method (airbrush), part of the coprocessor mixture at an ambient temperature of 20-23 ° C is applied to both surfaces of a sample of a polymer substrate stretched on a stainless steel metal frame of 70 × 70 mm in size. At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 100 ° C until the solvent is completely removed. The combining process is repeated 4 more times. After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of nitric acid are loaded (concentration of 10 wt.%) And heated at a temperature of 40 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 35 μm with a sulfonated polysulfone content of 10 wt.% Is obtained.
Пример 13Example 13
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 13 мкм. В емкость объемом 0,1 л загружают 50 г сопроцессорной смеси, состоящей из 46 г раствора ионообменного полимера, содержащего 24,75 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 2,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), имеющую ЭМ=750 (функциональная группа -SO3Li) в диметилформамиде (концентрация 4,9 масс.%) и 4 г раствора поливинилиденфторида ПВДВ в диметилформамиде (концентрация 5 масс%). Затем в емкости устанавливают температуру 25°С, помещают в нее образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 30 мин.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 13 μm. 50 g of a coprocessor mixture consisting of 46 g of an ion-exchange polymer solution containing 24.75 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 2.0 mol.% Modifying monomer (c) of structure (D) are loaded into a 0.1-liter capacity having EM = 750 (functional group —SO 3 Li) in dimethylformamide (concentration 4.9 wt.%) and 4 g of a solution of polyvinylidene fluoride PVDV in dimethylformamide (concentration 5 wt%). Then, the temperature is set in the tank at 25 ° C, a sample of the polymer substrate, stretched onto a stainless steel metal frame of 70 × 70 mm in size, is placed in it, and alignment is carried out for 30 minutes.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 100°С до полного удаления растворителя. Процесс совмещения повторяют еще 3 раза.At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 100 ° C until the solvent is completely removed. The combining process is repeated 3 more times.
После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г азотной кислоты (концентрация 10 масс.%) и нагревают при температуре 40°С в течение 2 ч для окончательного формирования мембраны. Получают композитную наномодифицированную первторсульфокатионитовую мембрану толщиной 30 мкм с содержанием поливинилиденфторида 5 масс.%After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of nitric acid are loaded (concentration of 10 wt.%) And heated at a temperature of 40 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane. A composite nanomodified first sulfonation-cationionite membrane with a thickness of 30 μm and a polyvinylidene fluoride content of 5 wt.% Is obtained.
Пример 14Example 14
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 10 мкм. В емкость объемом 0,1 л загружают 50 г сопроцессорной смеси, состоящей из 37 г раствора ионообменного полимера, содержащего 22,02 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 0,5 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), имеющую ЭМ=800 (функциональная группа -SO3Li) в диметилформамиде (концентрация 4,5 масс.%) и 3 г раствора сульфированного сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом (ССПВДФГФП) в диметилформамиде (концентрация 4,5 масс.%). Затем в емкости устанавливают температуру 25°С, помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 50 мин.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 10 μm. 50 g of a coprocessor mixture consisting of 37 g of a solution of an ion-exchange polymer containing 22.02 mol% of perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 0.5 mol% of a modifying monomer (c) of structure (D) are loaded into a 0.1-liter capacity having EM = 800 (functional group —SO 3 Li) in dimethylformamide (concentration 4.5 wt.%) and 3 g of a solution of sulfonated copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene (CSPVDFGFP) in dimethylformamide (concentration 4.5 wt.%). Then, a temperature of 25 ° C is set in the container, a sample of the polymer substrate is placed, stretched on a stainless steel metal frame of size 70 × 70 mm, and the alignment is carried out for 50 minutes.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 100°С до полного удаления растворителя.At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 100 ° C until the solvent is completely removed.
После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г азотной кислоты (концентрация 10 масс.%) и нагревают при температуре 40°С в течение 2 ч для окончательного формирования мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 25 мкм с содержанием сульфированного сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом 4,1 масс.%.After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of nitric acid are loaded (concentration of 10 wt.%) And heated at a temperature of 40 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 25 μm is obtained with a sulfonated copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene 4.1 wt.%.
Пример 15Example 15
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 15 мкм. В емкость объемом 0,15 л загружают 50 г сопроцессорной смеси, состоящей из 10,0 г раствора ионообменного полимера, содержащего 22,02 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 4,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Е), имеющего ЭМ=800 (функциональная группа -SO3H), в этиловом спирте (концентрация 12,5 масс.%) и 40 г раствора тетраэтоксисилана в этиловом спирте (1:1). Затем в емкости устанавливают температуру 25°С, помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 60 мин.To obtain a composite membrane using a polymer substrate in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene with a thickness of 15 μm. 50 g of a coprocessor mixture consisting of 10.0 g of an ion-exchange polymer solution containing 22.02 mol.% Perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 4.0 mol.% Modifying monomer (c) of structure (E) are loaded into a 0.15 L container ), having EM = 800 (functional group —SO 3 H), in ethanol (concentration of 12.5 wt.%) and 40 g of a solution of tetraethoxysilane in ethanol (1: 1). Then, the temperature is set in the tank at 25 ° C, a sample of the polymer substrate is placed, stretched on a stainless steel metal frame of size 70 × 70 mm, and the alignment is carried out for 60 minutes.
По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 70°С до полного удаления растворителя.At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 70 ° C until the solvent is completely removed.
После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,25 л, загружают 50 г соляной кислоты (концентрация 15 масс.%) и нагревают при температуре 70°С в течение 2 ч для окончательного формирования мембраны. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 35 мкм с содержанием диоксида кремния размером частиц 10-250 нм в количестве 9,8 масс.%.After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.25 L, 50 g of hydrochloric acid (concentration 15 wt.%) Are loaded and heated at a temperature of 70 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 35 μm with a content of silicon dioxide of a particle size of 10-250 nm in an amount of 9.8 wt.% Is obtained.
Пример 16Example 16
Для получения композитной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 11 мкм. В емкость объемом 0,15 л загружают 50 г сопроцессорной смеси, состоящей из 15 г раствора ионообменного полимера, содержащего 19,8 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 5,0 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Е), имеющего ЭМ 850 (функциональная группа -SO3H) в этиловом спирте (концентрация 12 масс.%) и 35 г раствора тетрахлорида циркония в 25 г этилового спирта. Затем в емкости устанавливают температуру 25°С, помещают образец полимерного субстрата, натянутого на металлическую рамку из нержавеющей стали размером 70×70 мм, и проводят совмещение в течение 40 мин. По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 70°С до полного удаления растворителя.To obtain a composite membrane, a polymer substrate is used in the form of a sample of a porous polytetrafluoroethylene film 11 μm thick. 50 g of a coprocessor mixture consisting of 15 g of a solution of an ion-exchange polymer containing 19.8 mol% of a perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 5.0 mol% of a modifying monomer (c) of a structure (E) are loaded into a 0.15 liter capacity, having EM 850 (functional group —SO 3 H) in ethanol (concentration of 12 wt.%) and 35 g of a solution of zirconium tetrachloride in 25 g of ethanol. Then, the temperature is set in the tank at 25 ° C, a sample of the polymer substrate is placed, stretched on a stainless steel metal frame of size 70 × 70 mm, and the combination is carried out for 40 minutes. At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 70 ° C until the solvent is completely removed.
После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,15 л, загружают 20 г 0,4М раствора гидроокиси натрия и выдерживают при температуре 20-23°С в течение 0,25 ч для окончательного формирования в мембране диоксида циркония, затем промывают водой. Помещают в емкость объемом 0,15 л с 50 г 3,5 М раствором соляной кислоты и выдерживают в течение 1 ч при температуре 90-95°С. Получают композитную наномодифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану толщиной 30 мкм с содержанием диоксида циркония с размером частиц 10-250 нм в количестве 12,4 масс.%.After that, the membrane is placed in a container with a volume of 0.15 L, 20 g of a 0.4 M sodium hydroxide solution are loaded and kept at a temperature of 20-23 ° C for 0.25 hours for the final formation of zirconia in the membrane, then washed with water. They are placed in a container with a volume of 0.15 L with 50 g of a 3.5 M hydrochloric acid solution and incubated for 1 h at a temperature of 90-95 ° C. A composite nanomodified perfluorosulfocationionite membrane with a thickness of 30 μm with a content of zirconium dioxide with a particle size of 10-250 nm in an amount of 12.4 wt.% Is obtained.
Пример 17 (по патенту WO №0227070)Example 17 (patent WO No. 0227070)
Для получения армированной мембраны используют полимерный субстрат в виде образца пористой пленки политетрафторэтилена толщиной 13 мкм (Gore Тех) и раствор, содержащий 5 масс.% ионообменного перфторсульфосодержащего полимера фирмы Дюпон, имеющего ЭМ=1100 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте, который приготавливают из 5% раствора полимера фирмы Дюпон (ЭМ=1100) в среде смеси изопропилового спирта (50 масс.%) и воды (45 масс.%). Получение осуществляют путем последовательного проведения следующих операций: испарение смеси органического растворителя и воды из исходного раствора с постепенным введением неводного растворителя (четыреххлористый углерод), сушка и измельчение полученного полимера, растворение в изопропиловом спирте и получение 20 г (5 масс.%) раствора перфторсульфосодержащего полимера фирмы Дюпон, имеющего ЭМ=1100 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте.To obtain a reinforced membrane, a polymer substrate is used in the form of a sample of a porous film of polytetrafluoroethylene 13 μm thick (Gore Tech) and a solution containing 5 wt.% DuPont ion-exchange perfluorosulfonate polymer having EM = 1100 (-SO 3 H functional group) in isopropyl alcohol, which is prepared from a 5% DuPont polymer solution (EM = 1100) in a mixture of isopropyl alcohol (50 wt.%) and water (45 wt.%). Obtaining is carried out by sequentially carrying out the following operations: evaporation of a mixture of an organic solvent and water from the initial solution with the gradual introduction of a non-aqueous solvent (carbon tetrachloride), drying and grinding of the obtained polymer, dissolution in isopropyl alcohol and obtaining 20 g (5 wt.%) Solution of perfluorosulfonate polymer DuPont company having EM = 1100 (functional group —SO 3 H) in isopropyl alcohol.
Затем полученный раствор спрей-методом (аэрографом) при температуре окружающей среды 20-23°С наносят на обе поверхности образца полимерного субстрата, натянутого на металлическое кольцо из нержавеющей стали диаметром 70 мм, в течение времени, достаточного для достижения максимального «окклюдирования». По окончании совмещения «окклюдированную» мембрану сушат в термостате при температуре 140°С в течение 30 секунд. Процесс совмещения и сушки повторяют еще 4 раза. После сушки была получена армированная мембрана толщиной 35 мкм. Затем мембрану кипятили в дистиллированной воде 30 минут при атмосферном давлении для набухания армированной мембраны.Then, the resulting solution by spray method (airbrush) at an ambient temperature of 20-23 ° C is applied to both surfaces of a sample of a polymer substrate, stretched on a stainless steel metal ring with a diameter of 70 mm, for a period of time sufficient to achieve maximum "occlusion". At the end of the combination, the “occluded” membrane is dried in a thermostat at a temperature of 140 ° C for 30 seconds. The combining and drying process is repeated 4 more times. After drying, a reinforced membrane with a thickness of 35 μm was obtained. The membrane was then boiled in distilled water for 30 minutes at atmospheric pressure to swell the reinforced membrane.
Пример 18 (по патенту РФ №2426750)Example 18 (according to the patent of the Russian Federation No. 2426750)
Для получения модифицированной мембраны используют перфторсульфокатионитовую мембрану, выполненную из сополимера, содержащего 20,7 мол.% перфторсульфосодержащего мономера (а) и 0,5 мол.% модифицирующего мономера (с) структуры (Д), имеющую ЭМ=800 (функциональная группа -SO3Li) и толщину 40 мкм. В емкость объемом 0,15 л загружают 50 г жидкой композиции, содержащей смесь, состоящую из 8 г раствора ионообменного полимера с ЭМ=750 (функциональная группа -SO3H) в изопропиловом спирте (концентрация 10 масс.%) и 42 г раствора хлорокиси циркония в воде (концентрация 18 масс.%). Затем в емкости устанавливают температуру 80°С, помещают образец мембраны размером 60×60 мм и проводят контактирование в течение 8 ч. По окончании контактирования мембрану с сорбированной жидкой композицией вынимают из емкости, быстро ополаскивают в воде и сушат в термостате при температуре 80°С до полного удаления растворителя. После этого мембрану помещают в емкость объемом 0,15 л, загружают 50 г фосфорной кислоты (концентрация кислоты 40 масс.%) и нагревают при температуре 80°С в течение 2 ч для окончательного формирования структуры мембраны. Получают модифицированную перфторсульфокатионитовую мембрану с содержанием цирконилфосфата с размером частиц 5-250 нм в количестве 20 масс.%.To obtain a modified membrane, a perfluorosulfocationionite membrane is used, made of a copolymer containing 20.7 mol% of a perfluorosulfonomer-containing monomer (a) and 0.5 mol% of a modifying monomer (c) of structure (D) having EM = 800 (-SO functional group) 3 Li) and a thickness of 40 μm. 50 g of a liquid composition containing a mixture of 8 g of a solution of an ion-exchange polymer with EM = 750 (functional group —SO 3 H) in isopropyl alcohol (concentration of 10 wt.%) And 42 g of a solution of chloroxide are loaded into a 0.15 L container zirconium in water (concentration of 18 wt.%). Then, a temperature of 80 ° C is set in the container, a 60 × 60 mm sample of the membrane is placed and contacted for 8 hours. At the end of the contact, the membrane with the sorbed liquid composition is removed from the container, rinsed quickly in water and dried in an oven at a temperature of 80 ° C. until the solvent is completely removed. After that, the membrane is placed in a 0.15 L container, 50 g of phosphoric acid (acid concentration of 40 wt.%) Is loaded and heated at a temperature of 80 ° C for 2 hours for the final formation of the membrane structure. Get a modified perfluorosulfocathionite membrane with a zirconyl phosphate content with a particle size of 5-250 nm in an amount of 20 wt.%.
Пример 19 (по патенту США №6059943)Example 19 (US patent No. 6059943)
Приготавливают суспензию фосфата циркония, быстро добавляя раствор Zr(NO3)4·5H2O к 85% фосфорной кислоте. Суспензию помещают в фильтровальную воронку с фильтром из пленки пористого политетрафторэтилена толщиной 13 мкм и подают вакуум. Фильтрацию останавливают приблизительно через 10 минут. Отключают вакуум, оставшуюся жидкость удаляют и фильтр переносят в колбу, содержащую кипящую 85% фосфорную кислоту. Нагревание продолжают в течение семи дней. По окончании процесса мембрану извлекают из колбы и вновь помещают в фильтровальную воронку. Процесс формирования фосфата циркония повторяют. Полученную мембоану промывают в деминерализованной воде. После сушки была получена армированная мембрана толщиной 35 мкм.A suspension of zirconium phosphate is prepared by quickly adding a solution of Zr (NO 3 ) 4 · 5H 2 O to 85% phosphoric acid. The suspension is placed in a filter funnel with a filter from a film of porous polytetrafluoroethylene film with a thickness of 13 μm and a vacuum is applied. Filtration is stopped after about 10 minutes. The vacuum is turned off, the remaining liquid is removed and the filter is transferred to a flask containing boiling 85% phosphoric acid. Heating is continued for seven days. At the end of the process, the membrane is removed from the flask and again placed in a filter funnel. The process of forming zirconium phosphate is repeated. The resulting memboana is washed in demineralized water. After drying, a reinforced membrane with a thickness of 35 μm was obtained.
Параметры процесса и свойства композитных мембран по примеру 1 и нижеследующим примерам приведены в таблицах 1 и 2.The process parameters and properties of the composite membranes of example 1 and the following examples are shown in tables 1 and 2.
Пример 20Example 20
Модифицированная перфторсудьфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 890 (функциональная группа -SO3H) и толщину 30 мкм, с содержанием 23 масс.% цирконилфосфата, полученная по примеру 6, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified perfluorodosulfocathionite membrane having EM 890 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 30 μm, containing 23 wt.% Zirconyl phosphate obtained in Example 6, was used in the manufacture of MEA for the electrolysis of water.
Для получения катодного катализатора в стеклянной емкости смешивают платиновую чернь (размер частиц 60 нм) с раствором ионообменного полимера (ЭМ 890, группа -SO3H), полученного по примеру 11 (смесь 1).To obtain a cathode catalyst in a glass container, platinum black (particle size 60 nm) is mixed with a solution of an ion-exchange polymer (EM 890, group —SO 3 H) obtained in Example 11 (mixture 1).
Для получения анодного катализатора в стеклянной емкости смешивают платиновую чернь и иридиевую чернь в соотношении 1:1 (размер частиц 60 нм) с раствором ионообменного полимера (ЭМ 850, группа -SO3H), полученного по примеру 11 (смесь 2).To obtain an anode catalyst in a glass container, platinum black and iridium black are mixed in a 1: 1 ratio (particle size 60 nm) with a solution of an ion-exchange polymer (EM 850, group —SO 3 H) obtained according to Example 11 (mixture 2).
Смесь 1 наносят на одну из поверхностей указанной выше воздушно-сухой мембраны методом намазывания смеси слоем такой толщины, чтобы после высушивания слой катодного материала имел толщину 4 мкм. Затем мембрану помещают в термостат и обрабатывают при следующем ступенчатом подъеме температуры: выдерживают при 20-22°С в течение 10 мин, при 60°С - 40 мин, при 80°С - 20 мин, при 90°С - 20 мин. После этого мембрану вынимают из термостата, охлаждают до комнатной температуры и аналогичным образом на другую ее поверхность наносят смесь 2 слоем такой толщины, чтобы после высушивания слой анодного материала имел толщину 5 мкм, затем снова помещают в термостат и термообрабатывают указанным выше способом. Для испытаний в электролизере воды мембрану с электродными слоями помещают между коллекторами тока из пористого титана с токоотводами, уплотняют полученную сборку с помощью стяжки плит, погружают в сосуд с дистиллированной водой и подают электрический ток плотностью 0,5 А/см2 при 90°С в течение 1 часа. Затем сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизированной воды. Напряжение на ячейке составляет 1,43 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 100°С. Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.Mixture 1 is applied to one of the surfaces of the aforementioned air-dry membrane by smearing the mixture with a layer of such a thickness that, after drying, the cathode material layer has a thickness of 4 μm. Then the membrane is placed in a thermostat and treated with the next stepwise rise in temperature: it is kept at 20-22 ° С for 10 minutes, at 60 ° С - 40 minutes, at 80 ° С - 20 minutes, at 90 ° С - 20 minutes. After that, the membrane is removed from the thermostat, cooled to room temperature, and in the same way, a mixture of 2 is applied on its other surface with a layer of such a thickness that after drying the layer of anode material has a thickness of 5 μm, then it is again placed in a thermostat and heat treated in the manner described above. For testing in a water electrolyzer, a membrane with electrode layers is placed between porous titanium current collectors with down conductors, the assembly obtained is compacted with a plate screed, immersed in a vessel with distilled water and an electric current of 0.5 A / cm 2 is supplied at 90 ° C in within 1 hour. Then the assembly is installed in the cell for electrolysis of deionized water. The voltage on the cell is 1.43 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 100 ° C. The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 21Example 21
Модифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 750 (функциональная группа -SO3H) и толщину 25 мкм, с содержанием 10 масс.% поливинилового спирта, полученная по примеру 3, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified perfluorosulfocathionite membrane having an EM 750 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 25 μm, with a content of 10 wt.% Polyvinyl alcohol obtained in Example 3, was used in the manufacture of the MEA for the electrolysis of water.
Для получения катодного катализатора в стеклянной емкости смешивают платиновую чернь (размер частиц 60 нм) с раствором ионообменного полимера (ЭМ 850, группа -SO3H), полученного по примеру 3 (смесь 1).To obtain a cathode catalyst in a glass container, platinum black (particle size 60 nm) is mixed with a solution of an ion-exchange polymer (EM 850, group -SO 3 H) obtained in Example 3 (mixture 1).
Для получения анодного катализатора в стеклянной емкости смешивают платиновую чернь и иридиевую чернь в соотношении 1:1 (размер частиц 60 нм) с раствором ионообменного полимера (ЭМ 850, группа -SO3H), полученного по примеру 3 (смесь 2).To obtain the anode catalyst in a glass container, platinum black and iridium black are mixed in a ratio of 1: 1 (particle size 60 nm) with an ion-exchange polymer solution (EM 850, group -SO 3 H) obtained according to Example 3 (mixture 2).
Смесь 1 наносят на одну из поверхностей указанной выше воздушно-сухой мембраны методом намазывания смеси слоем такой толщины, чтобы после высушивания слой катодного материала имел толщину 4 мкм. Затем мембрану помещают в термостат и обрабатывают при следующем ступенчатом подъеме температуры: выдерживают при 20-22°С в течение 10 мин, при 60°С - 40 мин, при 80°С - 20 мин, при 90°С - 20 мин. После этого мембрану вынимают из термостата, охлаждают до комнатной температуры и аналогичным образом на другую ее поверхность наносят смесь 2 слоем такой толщины, чтобы после высушивания слой анодного материала имел толщину 5 мкм, затем снова помещают в термостат и термообрабатывают указанным выше способом. Для испытаний в электролизере воды мембрану с электродными слоями помещают между коллекторами тока из пористого титана с токоотводами, уплотняют полученную сборку с помощью стяжки плит, погружают в сосуд с дистиллированной водой и подают электрический ток плотностью 0,5 А/см2 при 90°С в течение 1 часа. Затем сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизированной воды. Напряжение на ячейке составляет 1,39 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 100°С. Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.Mixture 1 is applied to one of the surfaces of the aforementioned air-dry membrane by smearing the mixture with a layer of such a thickness that, after drying, the cathode material layer has a thickness of 4 μm. Then the membrane is placed in a thermostat and treated with the next stepwise rise in temperature: it is kept at 20-22 ° С for 10 minutes, at 60 ° С - 40 minutes, at 80 ° С - 20 minutes, at 90 ° С - 20 minutes. After that, the membrane is removed from the thermostat, cooled to room temperature, and in the same way, a mixture of 2 is applied on its other surface with a layer of such a thickness that after drying the layer of anode material has a thickness of 5 μm, then it is again placed in a thermostat and heat treated in the manner described above. For testing in a water electrolyzer, a membrane with electrode layers is placed between porous titanium current collectors with down conductors, the assembly obtained is compacted with a plate screed, immersed in a vessel with distilled water and an electric current of 0.5 A / cm 2 is supplied at 90 ° C in within 1 hour. Then the assembly is installed in the cell for electrolysis of deionized water. The voltage on the cell is 1.39 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 100 ° C. The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 22Example 22
Модифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 800 (функциональная группа -SO3H) и толщину 25 мкм, с содержанием 5 масс.% сульфированного сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом, полученная по примеру 14, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды. Получение МЭБ и испытание в электролизере воды проводят, как в примере 21, а для получения катодного и анодного катализатора используют раствор ионообменного полимера (ЭМ 800, группа -SO3H), полученного по примеру 5 (смесь 1), а для получения анодного катализатора - раствор ионообменного полимера (ЭМ 850, группа -SO3H), полученного по примеру 5 (смесь 2).A modified perfluorosulfocathionite membrane having an EM 800 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 25 μm, containing 5 wt% of a sulfonated copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene, obtained according to Example 14, was used in the manufacture of OIE for water electrolysis. Obtaining the OIE and testing in a water electrolyzer is carried out as in Example 21, and to obtain the cathode and anode catalyst, a solution of an ion-exchange polymer (EM 800, group -SO 3 H) obtained in Example 5 (mixture 1) is used, and to obtain an anode catalyst - a solution of an ion-exchange polymer (EM 850, group —SO 3 H) obtained in Example 5 (mixture 2).
Напряжение на ячейке составляет 1,38 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 100°С. Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.The voltage on the cell is 1.38 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 100 ° C. The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 23Example 23
Модифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 750 (функциональная группа -SO3H) и толщину 35 мкм, с содержанием 15,1 масс.% диоксида олова, полученная по примеру 11, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified perfluorosulfocathionite membrane having an EM 750 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 35 μm, containing 15.1 wt.% Tin dioxide obtained according to Example 11, was used in the manufacture of OIE for the electrolysis of water.
Получение МЭБ и испытание в электролизере воды проводят, как в примере 21, но для получения катодного катализатора используют раствор ионообменного полимера (ЭМ 750, группа -SO3H), полученного по примеру 2 (смесь 1), а для получения анодного катализатора - раствор ионообменного полимера (ЭМ 750, группа -SO3H), полученного по примеру 2 (смесь 2).The preparation of the OIE and the testing in the water electrolyzer are carried out as in Example 21, but to obtain the cathode catalyst, use a solution of the ion-exchange polymer (EM 750, group -SO 3 H) obtained in Example 2 (mixture 1), and to obtain the anode catalyst, use ion-exchange polymer (EM 750, group -SO 3 H) obtained in example 2 (mixture 2).
Напряжение на ячейке составляет 1,36 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 100°С. Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.The voltage on the cell is 1.36 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 100 ° C. The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 24Example 24
Модифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 750 (функциональная группа -SO3H) и толщину 35 мкм, с содержанием 10,0 масс.% сульфированного полисульфона, полученная по примеру 12, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified perfluorosulfocathionite membrane having an EM 750 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 35 μm, containing 10.0 wt.% Sulfonated polysulfone obtained in Example 12 was used in the manufacture of the MEA for the electrolysis of water.
Процесс получения катодного и анодного катализатора проводят аналогично примеру 21, а в качестве раствора используют раствор ионообменного полимера (ЭМ 750, группа -SO3H), полученного по примеру 2.The process of obtaining a cathodic and anodic catalyst is carried out analogously to example 21, and a solution of an ion-exchange polymer (EM 750, group -SO 3 H) obtained in example 2 is used as a solution.
Сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизированной воды. Напряжение на ячейке составляет 1,43 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 120°С (давление 25 Ати). Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.The assembly is installed in a cell for electrolysis of deionized water. The voltage on the cell is 1.43 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 120 ° C (pressure 25 Ati). The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 25Example 25
Модифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 850 (функциональная группа -SO3H) и толщину 30 мкм, с содержанием 15,1 масс.% оксида циркония, полученная по примеру 16, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified perfluorosulfocathionite membrane having an EM 850 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 30 μm, containing 15.1 wt.% Zirconium oxide obtained according to Example 16, was used in the manufacture of OIE for water electrolysis.
Процесс получения катодного и анодного катализатора катализатора проводят аналогично примеру 21, а в качестве раствора используют раствор ионообменного полимера (ЭМ 850, группа -SO3H), полученного по примеру 8..The process of obtaining a cathodic and anodic catalyst catalyst is carried out analogously to example 21, and a solution of an ion-exchange polymer (EM 850, group -SO 3 H) obtained in example 8 is used as a solution.
Сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизированной воды. Напряжение на ячейке составляет 1,41 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 120°С (давление 25 Ати). Ячейка стабильно работает в течение 4000 часов без изменения показателей. Затем процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдают каких-либо изменений.The assembly is installed in a cell for electrolysis of deionized water. The voltage on the cell is 1.41 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 120 ° C (pressure 25 Ati). The cell works stably for 4000 hours without changing the indicators. Then the process is stopped and the OIE is removed from the cell. A visual inspection of the OIE does not observe any changes.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 26Example 26
Композитная мембрана толщиной 30 мкм с содержанием гидрофосфата циркония, полученная по примеру 19, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды. Получение МЭБ и испытание в электролизере воды проводят, как в примере 21. Напряжение на ячейке составляет 1,72 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 120°С. Ячейка работала в течение 100 часов, после чего напряжение на ячейке увеличилось до 2,75 В. Процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки. Мембрана после эксплуатации стала хрупкой, что не позволило определить ее основные характеристики.A composite membrane with a thickness of 30 μm containing zirconium hydrogen phosphate obtained in Example 19 was used in the manufacture of the OIE for water electrolysis. Obtaining the OIE and testing in a water electrolyzer is carried out, as in example 21. The voltage on the cell is 1.72 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 120 ° C. The cell worked for 100 hours, after which the voltage on the cell increased to 2.75 V. The process was stopped and the OIE was removed from the cell. After operation, the membrane became fragile, which did not allow us to determine its main characteristics.
Пример 27Example 27
Модифицированная газоплотная перфторсульфокатионитовая мембрана, имеющая ЭМ 950 (функциональная группа -SO3H) и толщину 40 мкм, с содержанием 20 масс.% цирконилфосфата, полученная по примеру 18, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A modified gas-tight perfluorosulfocathionite membrane having EM 950 (functional group —SO 3 H) and a thickness of 40 μm, containing 20 wt.% Zirconyl phosphate, prepared according to Example 18, was used in the manufacture of OIE for water electrolysis.
Получение МЭБ и испытание в электролизере воды проводят, как в примере 25. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 120°С. Ячейка стабильно работает в течение 3000 часов без изменения показателей. Напряжение на ячейке становится 1,66 В. Процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки.Obtaining the OIE and testing in the electrolyzer of water is carried out, as in example 25. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 120 ° C. The cell works stably for 3000 hours without changing the indicators. The voltage on the cell becomes 1.66 V. The process is stopped and the OIE is removed from the cell.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Пример 28Example 28
Армированная мембрана толщиной 30 мкм, полученная по примеру 17, была использована при изготовлении МЭБ для электролиза воды. Получение МЭБ и испытание в электролизере воды проводят, как в примере 25. Напряжение на ячейке составляет 1,62 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 120°С. Ячейка работала в течение 3000 часов. Напряжение на ячейке становится 1,7 В. Процесс останавливают и МЭБ извлекают из ячейки.A reinforced membrane with a thickness of 30 μm, obtained according to example 17, was used in the manufacture of the OIE for electrolysis of water. Obtaining the OIE and testing in the electrolyzer of water is carried out, as in example 25. The voltage on the cell is 1.62 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 120 ° C. The cell worked for 3000 hours. The voltage on the cell becomes 1.7 V. The process is stopped and the OIE is removed from the cell.
Мембрана после эксплуатации имеет следующие характеристики:The membrane after operation has the following characteristics:
Композитные наномодифицированные мембраны и способы их получения, описанные в примерах, представляют собой предпочтительные варианты осуществления изобретения и не ограничивают сущность и объем изобретения. Другие примеры и другое применение композитных наномодифицированных мембран возможны без отступления от идеи изобретения, изложенной в формуле настоящего изобретения.Composite nanomodified membranes and the methods for their preparation described in the examples are preferred embodiments of the invention and do not limit the essence and scope of the invention. Other examples and other uses of composite nanomodified membranes are possible without departing from the inventive concept set forth in the claims.
Как видно из приведенных данных, заявляемая композитная наномодифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана, обеспечивающая улучшенные характеристики при работе в электролизерах воды, включает одновременно звенья тетрафторэтилена, перфторсульфосодержащего винилового эфира и третьего модифицирующего перфторированного сомономера, выбранного из группы перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан и перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода, полимерный субстрат и полимерный или неорганический модификатор, в то время как известные мембраны, пригодные для применения в электролизерах воды, содержат звенья только тетрафторэтилена и перфторсульфосодержащего винилового эфира и полимерный субстрат (пат. WO 0227070) или звенья тетрафторэтилена, перфторсульфосодержащего винилового эфира и третьего модифицирующего перфторированного сомономера, выбранного из группы перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан и перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1 или 3 атома углерода, и полимерный или неорганический модификатор (пат. РФ2426750) или полимерный субстрат и неорганический модификатор (пат. США 6059943).As can be seen from the above data, the inventive composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane, which provides improved performance when working in water electrolysis cells, simultaneously includes units of tetrafluoroethylene, perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying perfluorinated comonomer selected from the group of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1, 3-dioxalan and perfluoroalkylvinyl ether containing 1 or 3 carbon atoms in the alkyl, a polymer substrate and a polymer or inorganic modifier, in t while the known membranes suitable for use in water electrolysis cells contain only tetrafluoroethylene and perfluorosulfonate vinyl ether units and a polymer substrate (US Pat. WO 0227070) or tetrafluoroethylene, perfluorosulfonate vinyl ether and third modifying perfluorinated comonomer selected from perfluoro-2 group methylene-4-methyl-1,3-dioxalane and perfluoroalkyl vinyl ether containing 1 or 3 carbon atoms in the alkyl, and a polymer or inorganic modifier (US Pat. RF2426750) or a polymer substrate and an inorganic modifier (US Pat. US 6059943).
Наличие в перфторсульфосодержащем ионообменном полимере третьего модифицирующего мономера в количестве 0,5-5,0 масс.% позволяет создать определенную надмолекулярную структуру, которая является более равномерной и упорядоченной, что позволяет изготавливать из него совмещением с полимерным субстратом и полимерным или неорганическим модификатором тонкие и сверхтонкие композитные наномодифицированные мембраны с более высокой плотностью, механической прочностью, низким относительным удлинением и низкой газопроницаемостью, чем у известных мембран. Так, плотность заявляемых композитных наномодифицированных мембран толщиной 25-35 мкм с ЭМ 750-890 составляет 1,98-2,1 г/см3, прочность 16-22 МПа, относительное удлинение 50-80%, а коэффициент газопроницаемости водорода (К) составляет 1-3,7×10-16 м3м м-2Pa-1s-1 при температуре 20-90°С (примеры табл.3).The presence of a third modifying monomer in a perfluorosulfonate ion-exchange polymer in an amount of 0.5-5.0 wt.% Allows you to create a specific supramolecular structure, which is more uniform and ordered, which makes it possible to produce thin and ultrafine by combining it with a polymer substrate and a polymer or inorganic modifier composite nanomodified membranes with higher density, mechanical strength, low elongation and low gas permeability than known s membranes. So, the density of the inventive composite nanomodified membranes with a thickness of 25-35 microns with EM 750-890 is 1.98-2.1 g / cm 3 , strength 16-22 MPa, elongation 50-80%, and the coefficient of gas permeability of hydrogen (K) is 1-3.7 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C (examples of Table 3).
Плотность модифицированных мембран на основе известных мембран, содержащих звенья только тетрафторэтилена и перфторсульфосодержащего винилового эфира с той же ЭМ и той же толщины, составляет 1,83-1,91 г/см3, прочность 14-15 МПА, относительное удлинение 97-103%, а коэффициент газопроницаемости (К) 5-11×11-16 см3м м-2Pa-1c-1 при температуре 20-90°С, пат.WO 0227070, РФ 2426750, США 6059943 (пр. 17-19, табл.2, 3).The density of the modified membranes based on known membranes containing only tetrafluoroethylene and perfluorosulfonate vinyl ether units with the same EM and the same thickness is 1.83-1.91 g / cm 3 , strength 14-15 MPA, elongation 97-103% and the gas permeability coefficient (K) is 5-11 × 11 -16 cm 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° С, Pat. WO 0227070, RF 2426750, USA 6059943 (pr. 17-19 Table 2, 3).
Более равномерная кластерно-канальная структура указанной выше мембраны, включающей третий модифицирующий мономер, обеспечивает необходимое «окклюдирование» полимерного субстрата и равномерное распределение неорганического и полимерного модификатора в мембране, что облегчает регулирование формирования структуры и свойств заявляемых композитных наномодифицированных мембран и улучшает их протонную проводимость, механическую прочность и стабильность линейных размеров в сухом и гидратированном состоянии, а также химическую стойкость.A more uniform cluster-channel structure of the aforementioned membrane, including the third modifying monomer, provides the necessary "occluding" of the polymer substrate and uniform distribution of the inorganic and polymer modifier in the membrane, which facilitates the regulation of the formation of the structure and properties of the inventive composite nanomodified membranes and improves their proton conductivity, mechanical strength and stability of linear dimensions in the dry and hydrated state, as well as chemical resistance st.
Комплекс улучшенных свойств заявляемых мембран способствует их эффективному использованию в электролизерах воды, в том числе при высоких перепадах давления, в то время как при использовании известных мембран с той же ЭМ электрохимические характеристики хуже, чем в заявляемых мембранах (пример 17-19, табл.3).The complex of improved properties of the claimed membranes contributes to their effective use in water electrolyzers, including at high pressure drops, while when using known membranes with the same EM, the electrochemical characteristics are worse than in the claimed membranes (example 17-19, table 3 )
Заявляемая композитная наномодифицированная мембрана, содержащая 0,5-5,0 мол.% третьего модифицирующего мономера, имеет значительно более низкую толщину, электрическое сопротивление, а также из мембраны не вымываются полимерные или неорганические модификаторы и, соответственно, мембрана сохраняет свои электрохимические и физико-механические характеристики более длительное время. Так, после эксплуатации в течение 4000 часов в электролизере воды с заявляемой композитной наномодифицированной мембраной с ЭМ 750-890 толщиной 25-35 мкм электрическое сопротивление, механическая прочность, относительное удлинение и стабильность линейных размеров практически не изменились, при этом напряжение электролизера осталось на прежнем уровне 1,38-1,43 В при плотности тока 1,0 А/см2 при температуре 100-120°С (примеры 20-25), в то время как после эксплуатации в течение 3000 часов модифицированной мембраны по пат. РФ 2426750 механическая прочность уменьшилась от 13,8 до 12,4 МПа, электрическое сопротивление увеличилось от 11,1 до 11,91 Ом·см, а напряжение электролизера увеличилось от 1,61 до 1,66 В при плотности тока 1,0 А/см2 (пример 18). Кроме того, при эксплуатации армированной мембраны по прототипу (пат. WO. 0227070) через 3000 часов электрическое сопротивление мембраны увеличилось от 13,4 до 14,2 Ом·см, прочность мембраны уменьшилась от 15,5 до 13,4 МПа масс.%, а напряжение электролизера увеличилось от 1,62 до 1,7 В (пример 27).The inventive composite nanomodified membrane containing 0.5-5.0 mol% of the third modifying monomer has a significantly lower thickness, electrical resistance, and polymer or inorganic modifiers are not washed out of the membrane and, accordingly, the membrane retains its electrochemical and physical mechanical characteristics for a longer time. So, after operating for 4000 hours in a water electrolyzer with the inventive composite nanomodified membrane with an EM 750-890 with a thickness of 25-35 μm, the electrical resistance, mechanical strength, elongation and stability of linear dimensions remained practically unchanged, while the voltage of the cell remained unchanged 1.38-1.43 V at a current density of 1.0 A / cm 2 at a temperature of 100-120 ° C (examples 20-25), while after operating for 3000 hours the modified membrane according to US Pat. RF 2426750 mechanical strength decreased from 13.8 to 12.4 MPa, electrical resistance increased from 11.1 to 11.91 Ohm · cm, and the cell voltage increased from 1.61 to 1.66 V at a current density of 1.0 A / cm 2 (example 18). In addition, when operating the reinforced membrane according to the prototype (US Pat. WO. 0227070) after 3000 hours, the electrical resistance of the membrane increased from 13.4 to 14.2 Ohm · cm, the strength of the membrane decreased from 15.5 to 13.4 MPa wt.% and the cell voltage increased from 1.62 to 1.7 V (example 27).
Как видно из приведенных данных, заявляемый способ по сравнению с известным способом по прототипу позволяет достаточно легко без введения поверхностно-активных веществ в процессе получения достигать требуемые свойства получаемых композитных наномодифицированных перфторсульфокатионитовых мембран (плотность, коэффициент газопроницаемости) за счет изменения в составе ионообменного полимера содержания модифицирующего звена и снижения эквивалентной массы до 750-890, а также за счет проведения процесса совмещения полимерного субстрата с ионообменным полимером и модификатором в сопроцессорной смеси ионообменного полимера и модификатора в среде растворителя, варьирования типа и количества как полимерного, так и неорганического модификатора и температуры процесса. Неожиданно было обнаружено, что использование в составе сопроцессорной смеси модификатора способствует в процессе формирования мембраны большему уплотнению мембраны, чем без модификатора, что приводит к улучшению механической прочности мембран, ползучести, снижению изменения линейных размеров мембран при высоком давлении, устойчивости к проколам или разрывам во время работы при высоких температурах и давлениях и обеспечению высокой ионной проводимости при повышенных рабочих температурах (до 100°С и выше).As can be seen from the above data, the claimed method in comparison with the known method according to the prototype allows quite easily without the introduction of surface-active substances in the production process to achieve the required properties of the obtained composite nanomodified perfluorosulfocathionite membranes (density, gas permeability coefficient) due to changes in the content of modifying ion-exchange polymer unit and reducing the equivalent weight to 750-890, as well as due to the process of combining the polymer substrate with an ion-exchange polymer and a modifier in a coprocessor mixture of an ion-exchange polymer and a modifier in a solvent medium, varying the type and amount of both the polymer and inorganic modifier and the process temperature. It was unexpectedly found that the use of a modifier in the composition of the coprocessor mixture during membrane formation contributes to a greater membrane compaction than without a modifier, which leads to an improvement in the mechanical strength of the membranes, creep, a decrease in the linear dimensions of the membranes at high pressure, and resistance to punctures or ruptures during work at high temperatures and pressures and ensure high ionic conductivity at elevated working temperatures (up to 100 ° C and above).
Использование в составе сопроцессорной смеси ионообменного сополимера с ЭМ 750-890 существенно облегчает смачивание пористой пленки политетрафторэтилена, растекание сопроцессорной смеси по поверхности, увеличение скорости диффузии полимера в поры и «окклюдирование», обеспечивает формирование газонепроницаемой композитной мембраны и высокие электрохимические характеристики мембран. По способу-прототипу армированную мембрану получают проведением процесса совмещения полимерного субстрата только с ионообменным полимером в среде растворителя, в связи с этим регулирование свойств получаемых армированных мембран, содержащих звенья тетрафторэтилена и перфторсульфосодержащего винилового эфира с ЭМ1100, возможно только за счет изменения толщины нанесенного слоя, при этом в процессе получения используются поверхностно-активные вещества, что не позволяет получать мембраны с оптимальным комплексом свойств и приводит к отравлению электрокатализатора. Заявляемый способ позволяет получать композитные наномодифицированные перфторсульфокатионитовые мембраны со следующим оптимальным комплексом свойств: ЭМ 750-890, толщина от 10 мкм, предпочтительно 25-35 мкм, плотность 1,98-2,10 г/см3, прочность 16-22 МПа, относительное удлинение 50-80%, коэффициент газопроницаемости водорода (К) 1-5×10-16 м3м м-2Pa-1s-1 при температуре 20-90°С, изменение линейных размеров 1-3% и электрическое сопротивлениее 7-9 Ом·см. Заявляемые мембраны можно использовать в электролизерах воды при различной температуре и давлении (примеры 20-28) и других электрохимических устройствах.The use of an ion-exchange copolymer with EM 750-890 as a part of the coprocessor mixture significantly facilitates the wetting of the porous polytetrafluoroethylene film, spreading of the coprocessor mixture over the surface, an increase in the rate of polymer diffusion into the pores and “occluding”, ensures the formation of a gas-tight composite membrane and high electrochemical characteristics of the membranes. According to the prototype method, a reinforced membrane is obtained by carrying out the process of combining a polymer substrate only with an ion-exchange polymer in a solvent medium, in this regard, controlling the properties of the resulting reinforced membranes containing tetrafluoroethylene and perfluorosulfonate vinyl ether with EM1100 is possible only by changing the thickness of the deposited layer, with This in the process of obtaining used surfactants, which does not allow to obtain membranes with an optimal set of properties and leads to electrocatalyst equalization. The inventive method allows to obtain composite nanomodified perfluorosulfocathionite membranes with the following optimal set of properties: EM 750-890, thickness from 10 μm, preferably 25-35 μm, density 1.98-2.10 g / cm 3 , strength 16-22 MPa, relative elongation of 50-80%, the coefficient of gas permeability of hydrogen (K) 1-5 × 10 -16 m 3 m m -2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C, the change in linear dimensions of 1-3% and electrical resistance 7 -9 ohm cm The inventive membrane can be used in water electrolyzers at various temperatures and pressures (examples 20-28) and other electrochemical devices.
Таким образом, композитная наномодифицированная перфторсульфокатионитовая мембрана пригодна для использования в электролизерах воды низкого и высокого давления и других электрохимических устройствах при более широком диапазоне давлений и температур, чем известные в мире.Thus, the composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane is suitable for use in low and high pressure water electrolyzers and other electrochemical devices at a wider range of pressures and temperatures than are known in the world.
Claims (13)
где R - звено перфторметилвинилового эфира
звено перфторпропилвинилового эфира
звено перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалана
M-H, Li, K, Na;
a=24,75-18,38 мол.%;
b=70,25-81,12 мол.%;
c=5,0-0,5 мол.%;
полимерный субстрат, органический или неорганический наномодификаторы, характеризующаяся плотностью 1,98-2,10 г/см3, механической прочностью 16-22 МПа и коэффициентом газопроницаемости по водороду (К), составляющим 1-4×10-16 м3м м-2Па-1с-1 при температуре 20-90°С.1. A composite nanomodified perfluorosulfocathionite membrane containing a copolymer of tetrafluoroethylene with perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalane or perfluoroalkylvinyl 1-ether, containing 1 alkyl alkyl perfluoride carbon, General structural formula:
where R is a unit of perfluoromethylvinyl ether
perfluoropropyl vinyl ether unit
perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalane unit
MH, Li, K, Na;
a = 24.75-18.38 mol.%;
b = 70.25-81.12 mol.%;
c = 5.0-0.5 mol%;
a polymer substrate, organic or inorganic nanomodifiers, characterized by a density of 1.98-2.10 g / cm 3 , a mechanical strength of 16-22 MPa and a gas permeability coefficient of hydrogen (K) of 1-4 × 10 -16 m 3 m - 2 Pa -1 s -1 at a temperature of 20-90 ° C.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012143337/05A RU2522617C2 (en) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012143337/05A RU2522617C2 (en) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012143337A RU2012143337A (en) | 2014-04-20 |
RU2522617C2 true RU2522617C2 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=50480467
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012143337/05A RU2522617C2 (en) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522617C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU203581U1 (en) * | 2020-11-13 | 2021-04-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") | Composite cation exchange membrane |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115785511B (en) * | 2023-02-13 | 2023-05-02 | 四川省众望科希盟科技有限公司 | High-temperature-resistant oil-resistant expanded polytetrafluoroethylene sealing material |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6059943A (en) * | 1997-07-30 | 2000-05-09 | Lynntech, Inc. | Composite membrane suitable for use in electrochemical devices |
RU2426750C2 (en) * | 2009-11-03 | 2011-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Gas-tight modified perfluorosulpho-cationite membrane and method of producing said membrane |
RU2427593C1 (en) * | 2009-11-18 | 2011-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing perfluorinated sulpho-cationite membranes through coating from solution |
-
2012
- 2012-10-10 RU RU2012143337/05A patent/RU2522617C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6059943A (en) * | 1997-07-30 | 2000-05-09 | Lynntech, Inc. | Composite membrane suitable for use in electrochemical devices |
RU2426750C2 (en) * | 2009-11-03 | 2011-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Gas-tight modified perfluorosulpho-cationite membrane and method of producing said membrane |
RU2427593C1 (en) * | 2009-11-18 | 2011-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing perfluorinated sulpho-cationite membranes through coating from solution |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU203581U1 (en) * | 2020-11-13 | 2021-04-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") | Composite cation exchange membrane |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012143337A (en) | 2014-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4361608B2 (en) | Integrated multilayer ion exchange composite membrane | |
JP4402625B2 (en) | Composite membrane composed of partial elements | |
KR100833056B1 (en) | Reinforced composite electrolyte membrane for fuel cell | |
EP2584627B1 (en) | Composite having ion exchange function and preparation method and use thereof | |
CA2459357A1 (en) | Solid polymer membrane for fuel cell prepared by in situ polymerization | |
KR101408589B1 (en) | Electrolyte membrane and solid polymer fuel cell | |
CN101421876B (en) | Porous material for electrolyte membrane for fuel cell, its manufacturing method, electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly (mea), and fuel cell | |
JPH09506662A (en) | Manufacturing method for reinforced ion exchange membrane | |
US11649551B2 (en) | Asymmetric electrolyte membrane, membrane electrode assembly comprising the same, water electrolysis apparatus comprising the same and method for manufacturing the same | |
KR102238221B1 (en) | Modified polytetrafluoroethylene, method for preparing the same, ion exchange membranes using the same and method for preparing ion exchange membranes using the same | |
CN109075369A (en) | Composite membrane for flow battery | |
CN112514150B (en) | Monolithic composite membranes with continuous ionomer phase | |
WO2011156937A1 (en) | Fluorine containing ionomer composite with ion exchange function, preparation method and use thereof | |
JP2013538878A (en) | Fluorine-containing ionomer complex having ion exchange function, preparation method and use thereof | |
RU2522617C2 (en) | Composite nanomodified perfluorosulphocationite membrane and method of obtaining thereof | |
RU2426750C2 (en) | Gas-tight modified perfluorosulpho-cationite membrane and method of producing said membrane | |
CN104347884B (en) | A kind of preparation method of the electrode being applicable to fuel cell | |
JP2005510844A (en) | Fuel cell gas diffusion layer coating method and treated article | |
JP2022553774A (en) | anionic polyelectrolytes | |
KR102008400B1 (en) | Polymer eletrolyte membrane | |
JP2015165461A (en) | Composite electrolyte membrane and manufacturing method thereof | |
CN102010555B (en) | Fluorine-containing ionomer composite with ion exchange function as well as preparation method and application thereof | |
CN100592563C (en) | Membrane electrode assembly (MEA), method for its manufacturing and a method for preparing a membrane to be assembled in a MEA | |
JP7152318B2 (en) | Membrane and method | |
CN102013498B (en) | Fluorine-containing ionomer composite material with ion exchange function as well as preparation method and application thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141011 |