SU925253A3 - Method for preparing homogeneous cation-exchange membrane - Google Patents

Method for preparing homogeneous cation-exchange membrane Download PDF

Info

Publication number
SU925253A3
SU925253A3 SU772503098A SU2503098A SU925253A3 SU 925253 A3 SU925253 A3 SU 925253A3 SU 772503098 A SU772503098 A SU 772503098A SU 2503098 A SU2503098 A SU 2503098A SU 925253 A3 SU925253 A3 SU 925253A3
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
membrane
groups
group
sulfonyl
copolymer
Prior art date
Application number
SU772503098A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Секо Маоми
Ямакоси Ясумити
Мияути Хироцугу
Фукумото Мицунобу
Кимото Киодзи
Ватанабе Итару
Хане Тосиоке
Цусима Сакае
Original Assignee
Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся (Инофирма)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP50084112A external-priority patent/JPS5224177A/en
Priority claimed from JP50084111A external-priority patent/JPS5224176A/en
Application filed by Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся (Инофирма) filed Critical Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся (Инофирма)
Application granted granted Critical
Publication of SU925253A3 publication Critical patent/SU925253A3/en

Links

Description

ду той стороной, на которой находитс  полимер с большим ЭВ. Дл  достижени  высокого коэффициента использовани  тока в сочетании с низким расходом энергии следует у полимера с большим ЭВ насколько возможно увеличить значение ЭВ и уменьшить толщину . Однако получить составную катионообменную мембрану с коэффициентам использовани  тока не ниже 90 при применении мембраны, содержащей только, группы сульфоновой кислоты, исключи-ifor the side on which there is a polymer with a large EV. In order to achieve a high current utilization rate in combination with low energy consumption, it is necessary for a polymer with a large EV to increase the EV value and reduce the thickness. However, to obtain a composite cation-exchange membrane with current utilization factors of at least 90 when using a membrane containing only sulfonic acid groups, exclude-i

тельно трудно 2.very difficult 2.

I I

, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  способ получени  катионообменной гомогенной мембраны путем химического превращени  пленки перфторированного сополимера, содержащего сульфонильиые группы в качестве боковых заместителей, в сульфонамидную группу., ее соли или N-однозамещенную сульфонамидную группу посредством обработки сополимера аминами 3 The closest to the proposed technical essence and the achieved effect is a method of obtaining a cation-exchange homogeneous membrane by chemical transformation of a film of perfluorinated copolymer containing sulfonyl groups as side substituents into a sulfonamide group, its salts or an N-monosubstituted sulfonamide group by treating an amine copolymer 3

Однако такие мембраны при использовании их в качестве диафрагм имеют недостаточно высокий коэффициент ис .пользовани  тока при электролизе.However, such membranes, when used as diaphragms, do not have a sufficiently high current utilization rate during electrolysis.

Цель изобретени  - повыше1(|ие коэффициента использовани  тока при использовании мембраны в качестве диафрагмы в электролизере.The purpose of the invention is to increase (1) the current utilization ratio when using the membrane as the diaphragm in the electrolyzer.

Поставленна  цель достигаетс  тем что в способе получени  катионообменной гомогенной мембраны путем химического превращени  пленки перфторированного ациклического сополимера, содержащего сульфонильные группш в качестве боковых заместителей, указанные сульфонильные группы восстанавливают в карбоксильные группы формулы OCF2COOM, где М выбран из группы , состо щей из водорода, аммони  и металлов.The goal is achieved by the fact that in the method of producing a cation-exchange homogeneous membrane by chemically converting a film of perfluorinated acyclic copolymer containing sulfonyl groups as side substituents, these sulfonyl groups are reduced to carboxyl groups of the formula OCF2COOM, where M is selected from the group consisting of hydrogen, ammonium and metals.

В качестве сбполимера используют перфторированный сополимер, содержащий группы сульфоновой кислоты,  вл ющиес  боковыми заместител ми формулы - ОСГзСГг . Восстановление сульфонильных групп перфторированного сополимера ведут до образовани  20-100 моп.% карбоксильных групп,  вл ющихс  боковыми заместител ми , по крайней мере в одном слое толщиной по крайней мере 100 А на поверхности или во внутренней части мембраны.As a copolymer, a perfluorinated copolymer containing sulfonic acid groups is used, which are side substituents of the formula - OSGsGy. The reduction of the sulfonyl groups of the perfluorinated copolymer is carried out before the formation of 20-100 mop.% Of carboxyl groups, which are side substitutes, in at least one layer at least 100 A thick on the surface or in the inner part of the membrane.

Химическому превращению подвергают только одну поверхность пленки сополимера.Only one surface of the copolymer film is subjected to chemical transformation.

Толщина мембраны может измен тьс  в широких пределах в зависимости от назначени , но обычно дл  многих целей пригодна толщина от 0,5 до 20 мил (от 1,27-10 до 50,8-10 мм) .The thickness of the membrane can vary widely depending on the purpose, but usually for many purposes a thickness of from 0.5 to 20 mils (from 1.27-10 to 50.8-10 mm) is suitable.

Специфический фторуглеродный полимер , образующий слой, содержит от 5 до 100 мол.% заместителей карбоновых кислот в расчете на общее количество катионообменных групп. Обычно с увеличением рассто ни  от поверхности относительное содержание заместителей карбоновых, кислот понижаетс , а относительное содержание заместителей сульфокислот повышаетс . Только одна поверхность представл ет соЬои преимущественно заместители карбоновых кислот, а количество групп сульфокислоты возрастает с увеличением рассто ни  от .этой поверхности, так что противоположна  поверхность представл ет собой преимущественно группы сульфокислоты. i Установлено, что присутствие карб .оксильных групп на поверхности катионообменной мембраны, особенно на по .верхности, обращенной к катоду,сущёст;1венно задерживает обратную миграциюThe specific fluorocarbon polymer forming the layer contains from 5 to 100 mol% of carboxylic acid substituents based on the total number of cation-exchange groups. Usually, as the distance from the surface increases, the relative content of carboxylic acid substituents decreases, and the relative content of sulfonic acid substituents increases. Only one surface represents co-ools, predominantly carboxylic acid substituents, and the number of sulfonic acid groups increases with increasing distance from this surface, so that the opposite surface is predominantly sulfonic acid groups. i It has been established that the presence of carb.oxyl groups on the surface of the cation-exchange membrane, especially on the surface facing the cathode, exists; 1 retarding backward migration

гидроксильных ионов из катодного пространства при электролизе водных растворов галогенидов щелочных металлов , например хлорида натри . Это действие используетс  при работе с высокими коэффициентами использовани  тока , обычно более 90. Кроме того, мембраны особенно долговечны даже в присутствии водных растворов гидроксида натри  концентрацией 20 или даже выше, а также отличаютс  большой стойкостью к газообразному хлору, выдел ющемус  на аноде.hydroxyl ions from the cathode space in the electrolysis of aqueous solutions of alkali metal halides, for example sodium chloride. This action is used when working with high current utilization rates, usually more than 90. In addition, membranes are particularly durable even in the presence of 20% or more sodium hydroxide aqueous solutions, and are also highly resistant to chlorine gas released at the anode.

Как указывалось выше, поверхностна  плотность карбоксильных кислотных групп может измен тьс  от 5 до 100 мол.%. Предпочтительный предел составл ет 20-100 мол., а оптимальное сочетание экономичности и эффективности достигаетс  обычно при плотности 40-100 мол. (в расчете на общее количество всех функциональных групп в поверхностном слое).As mentioned above, the surface density of the carboxylic acid groups can vary from 5 to 100 mol%. The preferred limit is 20-100 mol., And the optimum combination of economy and efficiency is usually achieved at a density of 40-100 mol. (based on the total number of all functional groups in the surface layer).

Исходный фторуглеродный полимер, содержащий сульфоксильные группы в качестве боковых цепей, получают сополимеризацйей фторированного этиле5 на, например тетрафторэтилена, и мономера винилфторуглерода, содержащег сульфонилфторидную группу нижеследую щей общей формулы FOzSCFj СРаО(СРУСРгО),(1) где Y - Р или фтористый алкил с коли чеством атомов углерода от 1 до 5i а П - целое число, имеющее значени  от О до 3, при необходимости в сочетании с перфторвиниловым эфиром или ге ксафторпропиленом. Из винилфторуглеродных мономеров содержащих сульфонилфторидную группу , наиболее предпочтительным  вл ет с  перфтор- (3,6-диокса- -метил-7-октенсульфонилфторид ), Типичным примером фторвинилового эфира  вл етс  перфторметилвиниловый эфир. Предлагаемый способ применим ко всем известным сульфонилзамещенным полимерам (II). Целесообразно сначала изготавливать мембрану из сульфонилзамещенного полимера, а затем превращать еев предлагаемую мембпану пои помоши реакций, которые Ьолее подробно описаны ниже. Состав сополимеров, примен емых в качестве исходных материалов, таков , что содержание мономера фторид рованного этилена составл ет 30-. tO вес.%, а содержание перфторвинилового мономера, содержащего сульфонилфторидную группу, составл ет 70-10 весД, предпочтительно 6025 вес.%. Эти вещества получают гомополимеризацией или сополимеризацией фторированного этилена. Желательно, чтобы сополимер имел эквивалентный вес (Э6) в пределе 1000-2000, а мембрана - низкий ЭВ, так как у нее пропорционально низкое электрическое сопротивление. Однако мембрана из сополимера с очень низким ЭВ имеет недостаточную механичес кую прочность. Из сополимера с очень высоким ЭВ трудно отформовать мембра ну. Таким образом, наиболее предпочтительным пределом ЭВ  вл етс  10001500 . Дл  получени  предлагаемых продуктов боковые сульфониловые группы в виде, представленном формулами . -QCfy Cf i 3 и/и ли -OCFjCF SOa. -OCFjCFjSO/ в которых X - галоген, например фтор или хлор, гидроксил, алкил состава С|-Сц, арил или OZ, где Z - атом металла , например щелочного металла, алкил состава С| -Ci или арил, превращают в -ОСР2 СООМ путем обработки восстановителем. Сульфонилфторидные группы могут быть непосредственно обработаны восстановителем дл  превращени  в кислотные карбоксильные группы или же они могут быть сначала превращены в любой из других производных сульфокислоты , указанных в формулах А и В, при помощи известных реакций и последующим превращением в кислотные карбоксильные группы. Особенно предпочтительны сульфонилхлоридные группы вследствие их высокой реакционной способности. Поэтому лучше превра.щать сульфонилфторид в любое из других производных сульфокислоты, перечисленных выше при обозначении X. Эти реакции могут быть легко осуществлены при помощи известных приемов. Получение карбоксильной группы осуществл ют различными пут ми. Ее можно получить восстановлением до сульфиновой кислоты при помощи относительно слабого восстановител  с последующим нагреванием OCPj СРа S02X SfOCP2 СООМ. Превращение в карбоксильные кислотные группы осуществл етс  легче, если в приведенных формулах М - водород. По другому варианту обработку можно вести постадийно, причем сначала получаетс  сульфинова  кислота, которую затем превращают в карбоксильную группу при помощи сильного восстановител . Возможна  схема процесса: -OCFj CFj БОгХве Г-ОСГ СГ SOaWOCFjCOOM . При помощи некоторых восстановителей можно непосредственно из сульфогруппы получить карбоксильную группу, -ОСРг CPj SOjM - OCPj СООМ. Желательно, чтобы концентраци  Группы сульфиновой кислоты в конечном продукте была сравнительно низкой. В соответствии с этим рекомендуетс  окисл ть группы сульфикислоты в груп пы сульфокислоты по следующей схеме -OCFzCFjSO M OCFjCFj SOjM Это осуществл етс  известными при емами с применением водных смесей гидроксида и гипохлорида натри . Восстановители, которые могут при мен тьс  согласно изобретению, приве дены ниже. Восстановител ми первой группы  в л ютс  гидриды металлов, например, алюмогидрид лити , боргидрид лити , гидрид натри  и гидрид кальци . К восстановител м второй группы относ тс  неорганические кислоты, обладающие восстановительными свойствами , например, иодистоводородна  кислота, бромистоврдородна  кислота гипофосфориста  кислота, сероводород и мышь ковиста  кислота. К восстановител м третьей группы относ тс  смеси металлов и кислот. Примерами таки-х смесей  вл ютс  олово , железо, цинк и амальгама цинка; а к кислотам относ тс  сол на , серна  и уксусна  кислота. К восстановител м четвертой группы относ тс  соединени  металлов с низкой валентностью. Примерами таких соединений  вл ютс  хлористое олово сульфат железа (II) и треххлАристый титан. Они могут примен тьс  вместе с кислотами, например сол ной или сернистой. К восстановител м п той группы относ тс  металлоорганические соединени . Примерами таких восстановителей  вл ютс  бутиллитий, ректив Гринь ра , триэтилалюминий и триизобутилалюминий . К восстановител м шестой группы относ тс  соли неорганических кислот обладающие восстановительными свойствами , и аналогичные соединени . Примерами таких восстановителей  в/л ю с  иодиды, сульфиды, сульфиты щелочных металлов или аммони  и др. К восстановител м седьмой группы относ тс  смеси металлов с водой, па . ром, спиртами и щелоча. Примерами металлов, которые могут примен тьс  в этих смес х,  вл ютс  натрий, литий , алюминий, магний, цинк, железо и их амальгамы. Примерами щелочей  в л ютс  гидроксиды и алкогол ты щелочных металлов. К восстановител м восьмой группы относ тс  органические соединени . обладающие восстановительными свой ствами , например, триэтаноламин и ацетальдегид. Среди перечисленных групп предпочтительными  вл ютс  втора , треть , четверта  и шеста . Оптимальные услови  обработки восстановителем следует выбирать в зависимости от выбранного восстановител  и от вида заместител  X в группе -SOjX. Как правило, температура реакции находитс  в пределах от-50 до 250С, предпочтительно от О до , а восстановитель примен ют в газообразном , жидком состо нии либо в виде раствора. В качестве растворител  дл  реакции восстановлени  можно примег н ть воду, пол рные органические растворители , например, метанол, тетрагйдрофуран , диглим, ацетонитрил, пропионитрил или бензонитрил или непол рные органические растворители, например, н-гексан, бензол или циклогексан , либо смеси этих растворителей . Количество восстановител  должно быть не меньше ЭВ сульфониловой группы , содержащейс  на поверхности. Значение рН реакционной системы выбирают в зависимости от примен емого конкретного восстановител . Реакцию можно проводить при пониженном , нормальном или повышенном давлении. 8 реакци х с участием газообменного восстановител  повышение давлени  способствует повышению скорости реакции. Продолжительность реакции составл ет от одной минуты до 100 ч. Ход реакции -южет быть прослежен при помощи ИК-спектроскопии мембраны. Изготовление катионообменной мембраны из фторуглеродного полимера, замещенного карбоксильной группой, представл ло исключительные трудности, вследствие сложности синтеза необходимых замещенных фторуглеродных мономеров . Кроме того, сополимеры, полученные при сопрлимеризации таких мономеров с перфторвиниловыми мономерами , термически нестойки, и из них нельз  формовать мембраны обычным экструзионным способом при высокой температуре. Изобретение устран ет указанные трудности путем превращени группы сульфокислоты фторуглеродного полимера в карбоксильную кислотную группу . Пример 1. Осуществл ют сополимеризацию тетрафторэтилена и пер фтор- (3,6-диокса- -метил-7-октенсуль фонилфторида) в 1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтане в присутствии в качест ее инициатора перекиси перфторпропио нила. В процессе сополимеризации под держивают температуру и давлени 5 атм. Обменна  способность полученного полимера, измеренна  после омылени , составл ет 0,95 мг-экв/г сухой смолы. Из сополимера формуют при нагрева нии пленку толщиной 0,3 мм, омыл ют в смеси 2,5 н. едкого натра и го метанола при 60°С в течение 16 ч, превращают в Н-форму в 1 н. сол ной кислоте и нагревают с обратным холодильником при 120°С в течение 20 ч в смеси равных количеств п тихлористого фосфора и хлорангидрида фосфорной кислоты дл  превращени  в сульфонилхлорид . По окончании реакции мембрану из сополимера промывают четыреххлористым углеродом. Измеренный спектр нарушенного полного внутренне го отражени  (обозначаемый ниже НПВО) показывает сильную: полосу см , характерную дл  сульфонилхлорида. В растворе кристаллического фиолетового (нитросерна  кислота) мембрана не окрашиваетс . Два листа такой мемОра ны нат гивают на рамки из акриловой смолы при помощи прокладок из политетрафторэтилена . Рамки погружают в 57%-ный водный раствор иодистоводо родной кислоты так, что одна поверхность каждой мембраны подвергаетс  реакции при в течение 2А ч. Затем измер ют НПВО мембраны. В спектре исчезает полоса поглощени  с характерна  дл  сульфонилхлоридной группы, и вместо нее по вл етс  полоса поглощени  1780 см2, характерна  дл  карбоксильной группы. В раст воре кристаллического фиолетового окрашиваетс  слой толщиной около 15 мкм на одной стороне поверхности мембраны. Путем измерени  НПВО найде но , что катионообменные группы на по верхности представл ют собой карбоксильные кислотные группы (100). При омылении этой мембраны в смеси 2,5 н. водного раствора едкого натра и $0%-ного метанола при бОС в течение 16 ч получают однородную мембрану с высокой катионообменной (способностью. В 0,1 н. водном растворе едкого натра эта мембрана показывает удельную электропроводиость 10,0 х X 10 мОм/см. Электролизную диафрагму в Na-форме выдерживают в 2,5 н. водном раст- воре едкого натра при в течение 16 ч и затем устанавливают в электролизер так, чтобы обработанна  поверхность находилась со стороны катода. Ее примен ют в качестве мембраны при электролизе хлорида натри . Коэффициент использовани  тока составл ет 95. Пример 1а (сравнительный). Мембрану в сульфонилхлоридной форме, полученную в примере 1, омыл ют смесью 2,5 н. едкий натр/50%-ный метанол, У полученной ионообменной мембраны в форме сульфокислоты измер ют удельную электропроводность и коэффициент использовани  тока при тех же услови х , которые примен ют в примере 1. Получают значени  13,0 х 10 мОм/см и 55% соответственно. Пример 2, По методике, описанной в примере 1, осуществл ют терполимеризацию мономеров, примен вшихс  в примере 1, плюс перфторпропилвиниловый эфир. Пример 3- Осуществл ют терполимеризацию с применением мономеров , примен вшихс  в примере 1, плюс перфтор-3,6-диокса-5-метилнонеи-1. После обработки полученной мембраны так, как описано в примере 1,получают такие же результаты. Пример . По способу, аналогичному огмсанному в примере 1, получают мембрану в сульфонилфторидной .форме с обменной способностью 0,65 мг-экв/г сухой смолы. Мембрану помещают 6 скл нку и заливают тетрагидрофуранон . Добавл ют борогидрид лити  в большом избытке и полученную реакционную смесь нагревают с обратным холодильником в течение 50 ч. По окончании реакции у мембраны определ ют НПВО. В спектре в основном исчезает полоса поглощени  см , характерна  дл  сульфонилфторида, а вместо нее по вл етс  сильна  полоса поглощени  )690 см, характерна  дл  COOLi, слабые полосы поглощени  и 1010 см , характерные дл  соли сульфиновой кислоты..Эту мембрану оставл ют на 3 мин в водном 0,1%-ном растворе кристаллическогоA starting fluorocarbon polymer containing sulfoxyl groups as side chains is obtained by copolymerizing fluorinated ethyl5, for example tetrafluoroethylene, and vinyl fluorocarbon monomer containing a sulfonyl fluoride group of the following general formula FOzSCFj CPaO (I) I already I can use it. the number of carbon atoms is from 1 to 5i; and P is an integer having a value from 0 to 3, if necessary in combination with perfluorovinyl ether or hexafluoropropylene. Of the vinyl fluorocarbon monomers containing a sulfonyl fluoride group, perfluoro- (3,6-dioxa-methyl-7-octenesulfonyl fluoride) is most preferred. A typical example of a fluorovinyl ether is perfluoromethylvinyl ether. The proposed method is applicable to all known sulfonyl-substituted polymers (II). It is advisable to first make a membrane from a sulfonyl-substituted polymer, and then convert it to the membrane proposed by means of reactions, which are described in more detail below. The composition of the copolymers used as starting materials is such that the content of fluoride-ethylene monomer is 30%. The tO wt.% and the content of perfluorovinyl monomer containing a sulfonyl fluoride group is 70-10 wt. D, preferably 6025 wt.%. These substances are obtained by homopolymerization or copolymerization of fluorinated ethylene. It is desirable that the copolymer has an equivalent weight (E6) in the range of 1000-2000, and the membrane has a low EW, since its proportionally low electrical resistance. However, the copolymer membrane with a very low EV has insufficient mechanical strength. From a copolymer with a very high E, it is difficult to form a membrane well. Thus, the most preferred limit of eV is 10001500. To obtain the proposed products, the side sulfonyl groups are in the form represented by the formulas. -QCfy Cf i 3 and / or li -OCFjCF SOa. -OCFjCFjSO / in which X is halogen, for example, fluorine or chlorine, hydroxyl, alkyl of the composition C | -C, aryl or OZ, where Z is a metal atom, for example, an alkali metal, alkyl of the composition C | —Ci or aryl, is converted to —OCP2 COOM by treatment with a reducing agent. Sulfonyl fluoride groups can be directly treated with a reducing agent to convert to acidic carboxyl groups, or they can be first converted to any of the other sulfonic acid derivatives indicated in formulas A and B using known reactions and subsequent conversion to acidic carboxyl groups. Sulfonyl chloride groups are particularly preferred due to their high reactivity. Therefore, it is better to convert the sulfonyl fluoride to any of the other sulfonic acid derivatives listed above with the designation X. These reactions can be easily carried out using known techniques. The preparation of the carboxyl group is carried out in various ways. It can be obtained by reduction to sulfinic acid using a relatively weak reducing agent, followed by heating OCPj СРа S02X SfOCP2 СООМ. Conversion to carboxylic acid groups is easier if M is hydrogen in the formulas given. Alternatively, the treatment can be carried out step by step, whereby sulfinic acid is first produced, which is then converted to a carboxyl group with a strong reducing agent. Possible process flow: -OCFj CFj BOGHwe G-OSG SG SOaWOCFjCOOM. With the help of some reducing agents, it is possible to obtain the carboxyl group directly from the sulfo group, —OSPr CPj SOjM - OCPj СООМ. It is desirable that the concentration of the sulfinic acid group in the final product is relatively low. In line with this, it is recommended to oxidize sulfonic acid groups into sulfonic acid groups according to the following scheme -OCFzCFjSO M OCFjCFj SOjM This is carried out by known methods using aqueous mixtures of sodium hydroxide and hypochlorite. Reducing agents that may be used according to the invention are listed below. Metal hydrides, for example, lithium aluminum hydride, lithium borohydride, sodium hydride and calcium hydride, are reducing agents of the first group. The second group of reducing agents include inorganic acids with reducing properties, for example, hydroiodic acid, hypophosphorous acid hydrobromic acid, hydrogen sulfide and mouse acid. The third group of reducing agents are mixtures of metals and acids. Examples of such mixtures are tin, iron, zinc and zinc amalgam; acids include hydrochloric, sulfuric, and acetic acid. The fourth group of reducing agents include low valence metal compounds. Examples of such compounds are iron chloride (II) tin chloride sulfate and titanium trichloride. They can be used together with acids, for example hydrochloric or sulphurous. The reducing agents of the fifth group include organometallic compounds. Examples of such reducing agents are butyl lithium, Grignard recipe, triethyl aluminum and tri-isobutyl aluminum. The reducing agents of the sixth group include salts of inorganic acids with reducing properties, and similar compounds. Examples of such reducing agents are iodides, sulfides, alkali metal or ammonium sulfites, etc. The seventh group of reducing agents are mixtures of metals with water, pa. rum, alcohols and alkali. Examples of metals that can be used in these mixtures are sodium, lithium, aluminum, magnesium, zinc, iron, and their amalgams. Examples of alkalis are alkali metal hydroxides and alkoxides. The eighth group of reducing agents are organic compounds. possessing reducing properties, for example, triethanolamine and acetaldehyde. Among these groups, the second, third, fourth, and sixth are preferred. The optimal treatment conditions for the reducing agent should be chosen depending on the chosen reducing agent and on the type of substitute X in the -SOjX group. Typically, the reaction temperature is in the range of from -50 to 250 ° C, preferably from 0 to, and the reducing agent is used in the gaseous, liquid state or as a solution. Water, polar organic solvents such as methanol, tetrahydrofuran, diglyme, acetonitrile, propionitrile or benzonitrile or non-polar organic solvents such as n-hexane, benzene or cyclohexane, or mixtures of these solvents can be used as a solvent for the reduction reaction. . The amount of the reducing agent must not be less than the EV of the sulfonyl group contained on the surface. The pH value of the reaction system is chosen depending on the specific reducing agent used. The reaction can be carried out under reduced, normal or elevated pressure. 8 reactions involving a gas exchange reducing agent, the increase in pressure contributes to an increase in the reaction rate. The reaction time ranges from one minute to 100 hours. The course of the reaction can be traced using infrared spectroscopy of the membrane. The fabrication of a cation-exchange membrane from a fluorocarbon polymer substituted by a carboxyl group was extremely difficult, due to the complexity of the synthesis of the necessary substituted fluorocarbon monomers. In addition, the copolymers obtained by copolymerization of such monomers with perfluorovinyl monomers are thermally unstable, and from them it is impossible to form membranes in the usual extrusion process at high temperature. The invention overcomes these difficulties by converting the sulfonic acid group of the fluorocarbon polymer to a carboxylic acid group. Example 1. Tetrafluoroethylene and perfluoro- (3,6-dioxa-methyl-7-octenesulfonyl fluoride) are copolymerized in 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane in the presence of perfluoropropio peroxide as an initiator nila The copolymerization process maintains a temperature and pressure of 5 atm. The exchange capacity of the obtained polymer, measured after saponification, is 0.95 mEq / g of dry resin. When the copolymer is formed, a film with a thickness of 0.3 mm is formed by heating, and washed in a mixture of 2.5N. caustic soda and go methanol at 60 ° C for 16 h, converted into the H-form in 1 n. hydrochloric acid and heated under reflux at 120 ° C for 20 hours in a mixture of equal amounts of phosphorus pentachloride and phosphoric acid chloride for conversion to sulfonyl chloride. At the end of the reaction, the copolymer membrane is washed with carbon tetrachloride. The measured spectrum of impaired total internal reflection (denoted below by the ATR) shows a strong one: cm band, characteristic of sulfonyl chloride. In a solution of crystal violet (nitrosulfuric acid), the membrane does not stain. Two sheets of such memoria are pulled onto acrylic resin frames with polytetrafluoroethylene gaskets. The frames are immersed in a 57% aqueous solution of hydroiodic acid so that one surface of each membrane is reacted for 2A hour. Then the ATR of the membrane is measured. In the spectrum, the absorption band with characteristic for the sulfonyl chloride group disappears, and the absorption band of 1780 cm2, characteristic of the carboxyl group, appears instead. In a growing crystal violet layer, a layer about 15 microns thick is painted on one side of the membrane surface. By measuring the ATR, it has been found that the cation-exchange groups on the surface are carboxylic acid groups (100). When saponification of the membrane in a mixture of 2.5 n. an aqueous solution of caustic soda and $ 0% methanol at bOS for 16 hours, a homogeneous membrane with a high cation exchange (capacity. In a 0.1N aqueous solution of caustic soda, this membrane shows an electrical conductivity of 10.0 x 10 mOm / cm. The Na-shaped electrolysis diaphragm is kept in a 2.5N aqueous sodium hydroxide solution for 16 hours and then placed in the electrolyzer so that the treated surface is on the cathode side and is used as a membrane in the electrolysis of sodium chloride. Utilization rate current is 95. Example 1a (comparative). The membrane in the sulfonyl chloride form obtained in Example 1 is washed with a mixture of 2.5N sodium hydroxide / 50% methanol. The conductivity of the resulting ion-exchange membrane in the form of sulfonic acid is measured and current utilization factor under the same conditions as used in example 1. The values of 13.0 x 10 mΩ / cm and 55%, respectively, are obtained. Example 2 The procedure described in example 1 is carried out by terpolymerization of monomers used in Example 1, plus perfluoropropyl vinyl ether. Example 3 - Terpolymerization was carried out using the monomers used in Example 1, plus perfluoro-3,6-diox-5-methylnonei-1. After processing the obtained membrane as described in example 1, the same results are obtained. An example. According to a method similar to that described in Example 1, a membrane in a sulfonyl fluoride form with an exchange capacity of 0.65 mEq / g of dry resin is obtained. The membrane is placed on 6 flasks and tetrahydrofuranone is poured. Lithium borohydride is added in large excess and the resulting reaction mixture is heated under reflux for 50 hours. At the end of the reaction, ATR is determined at the membrane. In the spectrum, the absorption band of cm mostly disappears, characteristic of sulfonyl fluoride, and instead there is a strong absorption band) 690 cm, characteristic of COOLi, weak absorption bands and 1010 cm, characteristic of the salt of sulfinic acid. This membrane is left for 3 min in an aqueous 0.1% solution of crystalline

фиолетового (содержащем 10% этанола). Микроскопическое исследование поперечного среза показывает, что на обеих сторонах поверхности мембраны имеетс  сильно окрашенный слой толщиной около 10 мкм.violet (containing 10% ethanol). A microscopic examination of the cross section shows that there is a highly colored layer on the both sides of the membrane surface, about 10 microns thick.

Содержание карбоксильных кислотных групп в поверхност х сло х, определенное по НПВО, составл ет около 60%. 1 Пример 5. Мембрану в сульфонилхлоридной форме, полученную в примере 1, восстанавливают в водном растворе гипофосфористой кислоты при в течение 10 ч и затем определ ют ее НПВО. Полоса , характерна  дл  сульфонилхлоридной группы, исчезла, но полоса 1780 см , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы, не очень сильна . Когда мембрану промыли водой и обработали 47%-ной бромистоводородной кислотой при в течение 20 ч, интенсивность полосы 1780 см , характарной дл  карбоксильной кислотной группы, увеличилась. Содержание катионообменных групп на поверхности, определенное по НПВО, составл ет 90%.The content of carboxylic acid groups in the surfaces of the layers, as determined by the ATR, is about 60%. 1 Example 5. The membrane in the sulfonyl chloride form obtained in Example 1 is reduced in an aqueous solution of hypophosphorous acid for 10 hours and then its ATR is determined. The band characteristic of the sulfonyl chloride group has disappeared, but the 1780 cm band characteristic of the carboxylic acid group is not very strong. When the membrane was washed with water and treated with 47% hydrobromic acid for 20 hours, the intensity of the 1780 cm band characteristic of the carboxylic acid group increased. The content of cation-exchange groups on the surface, determined by the ATR, is 90%.

После омылени  мембраны в водном 2,5 и. растворе едкого натраои 50%ном метаноле с последующим измерением НПВО получают, что полоса 1780 см , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы, сдвинулась к 1690 , xa рактерной дл  соли карбоновой кислоты По вились слабые полосы и 1010 см характерные дл  группы соли сульфиновой кислоты.After saponification of the membrane in water 2.5 and. sodium hydroxide solution and 50% methanol followed by an ATR measurement, the 1780 cm band characteristic of the carboxylic acid group shifted to 1690, the carboxylic acid salt showed a weak band and the sulfonic acid salt groups showed 1010 cm.

Пример 6. Мембрану в сульфонилхлоридной форме, полученную в примере 5, нагревают с обратным холодильником в водном растворе и сол ной кислоты в течение 50 ч, затем измер ют НПВО. В спектре полоса поглоцрни  , характерна  дл  сульфонилхлоридной группы, исчезает и по вл етс  сильна  полоса поглощени  1780 , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы. Путем измерени  НПВО найдено, что на поверхности имеютс  карбоксильные кислотные группы О 00). Эту мембрану омыл ют в водном 2,5 н. растворе едкого натра/50% метаноле.Example 6. The membrane in the sulfonyl chloride form obtained in Example 5 is heated under reflux in an aqueous solution and hydrochloric acid for 50 hours, then measured by ATR. In the spectrum, the absorption band characteristic of the sulfonyl chloride group disappears and the 1780 absorption band appears, which is characteristic of the carboxylic acid group. By measuring the ATR, it was found that there are carboxylic acid groups on the surface (O 00). This membrane was saponified in aqueous 2.5N. caustic soda solution / 50% methanol.

Пример 7. Повтор ют опыт согласно примеру 6 за тем исключением, что вместо водного раствора олова и сол ной кислоты примен ют водный раствор хлористого олова и сол ную кислоту . Получают аналогичные результаты.Example 7. The experiment according to Example 6 is repeated, except that instead of an aqueous solution of tin and hydrochloric acid, an aqueous solution of tin chloride and hydrochloric acid are used. Get similar results.

Пример 8. Мембрану в сульфонилхлоридной форме,полученную в примере 1, погружают в 15%-ный водный раствор сульфида натри  при непрерывном токе газообразного азота при в течение 1 ч. По окончании реакции измер ют НПВО мембраны, В спектре полоса поглощени  см , характерна  дл  сульфонилхлоридной группы, полностью исчезает и по вл ютс  сильные полосы поглощени  и 1010 , характерные дл  соли сульфоновой кислоты. Мембрану превращают в Н-форму путем погружени  в 1 н. раствор сол ной кислоты при 60°С на 10 ч, а затем нагревают в атмосфере азота при 150°С в течение 120 мин. Затем ее превращают в Naформу путем погружени  в 2,5 н. раствор едкого натра и измер ют ИПВО. В спектре полностью иочезают полосы поглощени  9tO и 1010 см , характерные дл  соли сульфоновой кислоты и по вл етс  резка  полрра 1690 см , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы. Найдено при помощи НПВО, НТО катионообменные группы на поверхности мембраны  вл ютс  карбоксильными кислотными группами (100%). Мембрану погружают в водный 2,5 н. раствор едкого натра/50%-ного метанола дл  омылени  сульфонилхлоридных групп, еще оставшихс  во внутренних част х мембраны.Example 8. The membrane in the sulfonyl chloride form obtained in Example 1 is immersed in a 15% aqueous solution of sodium sulfide with a continuous flow of gaseous nitrogen for 1 hour. At the end of the reaction, the ATR of the membrane is measured. the sulfonyl chloride group completely disappears and strong absorption bands and 1010 characteristic of the sulfonic acid salt appear. The membrane is converted to the H form by immersion in 1N. hydrochloric acid solution at 60 ° C for 10 h, and then heated under nitrogen at 150 ° C for 120 min. It is then converted to Na form by immersion in 2.5N. caustic soda solution and measured IPVO. The spectrum completely absorbs the absorption bands of 9tO and 1010 cm, characteristic of the sulfonic acid salt, and a sharp polral of 1690 cm appears, which is characteristic of the carboxylic acid group. Found using an ATR, the HTO cation-exchange groups on the membrane surface are carboxyl acid groups (100%). The membrane is immersed in water 2.5 n. sodium hydroxide / 50% methanol solution for saponification of sulfonyl chloride groups still remaining in the inner parts of the membrane.

Пример 9. Мембрану в сульфонилхлоридной форме, полученную в примере 1, омыл ют, превращают в Нгформу при помощи сол ной кислоты, тщательно высушивают и привод т во взаимодействие с алюмогидридом лити , растворенным в тетрагидрофуране, при в течение 20 ч. В спектре НПВО наблюдаетс  слаба  полоса поглощени  1780 , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы.Example 9. The membrane in the sulfonyl chloride form obtained in Example 1 was scrubbed, converted to the H form with hydrochloric acid, dried thoroughly and reacted with lithium aluminum hydride dissolved in tetrahydrofuran for 20 hours. In the ATR spectrum there is a weak absorption band of 1780, characteristic of the carboxylic acid group.

Claims (3)

Пример 10. Обработанную мембрану , полученную в примере 1, подвергают раздельным испытани м на долговечность путем погружени  в 5% ный раствор едкого натра или 5%-ный раствор гипохлорита натри  при в течение 300 ч. После этого измер ют НПВО обработанной поверхности мембраны . В спектре видна полоса поглощени  1690 , характерна  дл  карбоксильной кислотной группы. После превращени  мембраны в Н-форму при помощи 1 н. сол ной кислоты полоса поглощени  сдвигаетс  к 1780 см . Таким образом, в процессе испытани  на дoлгoвeчнoctь мембрана в основном не измен етс . Формула изобретени  1.Способ получени  катионообменной гомогенной мембраны путем химического Превращени  пленки перфторированного ациклическог.о сополимера, содержащего сульфонильные группы,  вл ющиес  боковыми заместител ми, отличающийс  тем, что, с целью повышени  коэффициента испол зовани  тока при использовании fieM6ра (ны в качестве диафрагмы в электролизере , сульфонильные группы восста навливают в карбоксильные группы фор мулы - ОС1 2СООМ, где М выбран из группы, состо щей из водорода, аммони  и атомов металлов. 2.Способ по п. 1, отличающ и и с л тем, что используют пер9 31 -фторированный сополимер, содержащий группы сульфоновой кислоты,  вл ющиес  боковыми заместител ми, формулы OCTjCFjSO M. Способ по п. Котличающ и и с   тем, что восстановление сульфонильных групп перфторированного сополимера ведут до образовани  20-100 молД карбоксильных групп,  вл ющихс  боковыми заместител ми по меньшей мере в одном слое толщиной по меньшей мере 100 А на поверхности или во внутренней части мембраны. k. Способ по пп. 1иЗ отличающийс  тем, что химическому превращению подвергают только одну поверхность пленки сополимера. Источники информации, прин тые во вниман11е при экспертизе 1.Патент США № 3282875, кл.2бО29 , опублик. 1366. Example 10 The treated membrane prepared in Example 1 was subjected to separate durability tests by immersion in 5% sodium hydroxide solution or 5% sodium hypochlorite solution for 300 hours. Thereafter, the ATR of the treated membrane surface was measured. The spectrum shows a visible absorption band of 1690, characteristic of the carboxylic acid group. After transformation of the membrane into the H-form using 1 n. hydrochloric acid absorption band shifts to 1780 cm. Thus, in the course of testing for a long time, the membrane remains largely unchanged. Claim 1. A method of producing a cation-exchange homogeneous membrane by chemical transformation of a perfluorinated acyclic film of a copolymer containing sulfonyl groups that are side substitutes, characterized in that, in order to increase the current utilization rate when using fieM6ra (as a diaphragm in the electrolyzer, the sulfonyl groups are reduced to the carboxyl groups of the formula, OC1 2COOM, where M is selected from the group consisting of hydrogen, ammonium and metal atoms. 2. The method according to claim 1, exc. This is based on the use of a per-31-fluorinated copolymer containing sulfonic acid groups, which are side substituents, of the formula OCTjCFjSO M. The method according to Clause 7 and that the reduction of the sulfonyl groups of the perfluorinated copolymer lead to the formation of 20 -100 mol of carboxyl groups are side substituents in at least one layer at least 100 A thick on the surface or in the inner part of the membrane. k. The method according to paragraphs. 1 and 3, wherein only one surface of the copolymer film is subjected to chemical transformation. Sources of information accepted in the examination at examination 1. US patent number 3282875, cl.2bO29, published. 1366. 2.Патент США W 3909378, кл. , опублик. 1975. 2. US patent W 3909378, cl. publish 1975. 3.Патент США IP , кл. 117621 , опублик. 1974 (прототип).3. US patent IP, cl. 117621, published. 1974 (prototype).
SU772503098A 1975-07-09 1977-07-20 Method for preparing homogeneous cation-exchange membrane SU925253A3 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP50084112A JPS5224177A (en) 1975-07-09 1975-07-09 Manufacturing method of fluorocarbon cathion exchange membrane
JP50084111A JPS5224176A (en) 1975-07-09 1975-07-09 Cathion exchange membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU925253A3 true SU925253A3 (en) 1982-04-30

Family

ID=26425185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU772503098A SU925253A3 (en) 1975-07-09 1977-07-20 Method for preparing homogeneous cation-exchange membrane

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU925253A3 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4151053A (en) Cation exchange membrane preparation and use thereof
FI68847C (en) FOERFARANDE FOER FRAMSTAELLNING AV ETT NYTT FLUORERAT KATJONBYTARMEMBRAN
EP0025644B1 (en) Fluorinated polymer cation exchange membrane for electrolysis, process for its preparation and process for electrolysing an aqueous solution of an alkali metal chloride
KR840001538B1 (en) Improved composite ion exchange memhraneo
JPH03247609A (en) Stable tetrafluoroethylene copolymer
US4209367A (en) Electrolysis of aqueous alkali metal halide solution
JPH0216326B2 (en)
GB2051831A (en) Fluorinated copolymers and cation exchange membrane and process for producing the same
FI72989B (en) FLUORATER KATJONBYTARMEMBRAN OCH FOERFARANDE FOER DESS FRAMSTAELLNING.
EP0053455B1 (en) Preparation of a fluorocarbon cation-exchange membrane and electrolysis process using the membrane
US4126589A (en) Method for preparation of cation exchange membranes
CA1219399A (en) Fluorocarbon polymer membrane with pendant carboxylic acid groups
JPS62500243A (en) Novel ionic fluorinated polymer and its manufacturing method
US4180639A (en) Fluorosulphonyl oxafluoroalkanes, fluorosulphonyl olefines, _their copolymers and processes for preparation
JPS6356257B2 (en)
US4376140A (en) Method for producing a fluorinated copolymer membrane
SU925253A3 (en) Method for preparing homogeneous cation-exchange membrane
US4487668A (en) Fluorinated ion exchange polymer containing carboxylic groups, and film and membrane thereof
SU904527A3 (en) Cation-exchange membrane and its production method
SU1494869A3 (en) Method of producing fluorinated cation-exchange membrane
SU1230464A3 (en) Method of producing acid fluoride of fluorinated acid
JPS6053059B2 (en) Improved cation exchange membrane manufacturing method
JPS6011933B2 (en) Fluorine-based cation exchange membrane with two-layer structure and method for producing the same
JPS6134725B2 (en)
JPS6240372B2 (en)