TW201231728A - Simultaneous polymerization of two vinyl monomer mixtures to opposite faces of a flat porous substrate - Google Patents

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201231728 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於雙極電極’且更特定言之係關於將兩異質 離子交換聚合物同步塗覆至電極基板之相對面的方法。 【先前技術】 曰益需要使用被動去離子化來淨化水。被動去離子化使 用雙極電極，例如，具有由具有陽離子交換功能性之材料 所形成的第一側或面及具有陰離子交換功能性之第二側或 面的兩個薄片。離子交換材料之兩個不同層中的每—者為 多孔的或依據其化學、物理結構及交聯程度而以其他方式 略微為中性流體所能滲透的，且每一層擁有離子交換功能 性，該離子交換功能性操作以在電場中跨越材料輸送一類b 型之離子，同時實質上或有效地阻斷大部分相反極性的離 子。藉由面對面定位於鄰近層令之不同交換類型的兩種材 料’離子係藉由一層或另一層有效地「阻斷」且由此無法 橫越薄片* ，離子交換單體塗覆至電極之單獨側Μ合該等離子交 換単體產生雙極電極，該雙極電極比—料單平面電極 (具有壓抵其之離子交換膜）更有效地操作。就此而言需 要提供用於雙極電極製造之新的製程。 【發明内容】 在一態樣中，本發明係針對一 ^ ^ ^ 町耵種形成一雙極電極之方 法，該雙極電極具有在一吝 基板相#面上的離子交換 求C7物。該方法包括提供— 孩提供電極基板，該電極基板具有在 160758.doc 201231728 ’其中該等面具有無該

合單體混合物及該第二可聚合單體混合物。 該電極基板之相對面上的活性碳層 等活性碳層之一外周邊帶。將該電 聚乙稀薄膜所形成之一熱勉 本發明及其勝於先前技術之優點在參看隨附圖式閱讀下 文實施方式及隨附申請專利範圍後即變得顯而易見。 【實施方式】 藉由參考結合隨附圖式所考慮之本發明之實施例的下文 描述，本發明之上文所提及的特徵及其他特徵將變得更加 顯而易見且將更好地理解本發明自身。 現將參看圖式在下文實施方式中描述本發明，其十較佳 實施例經詳細描述以實現實踐本發明。儘管本發明係參考 此等特定較佳實施例得以描述，但應理解，本發明並不限 於此等較佳實施例。而相反地，如自下文實施方式之考慮 而變得顯而易見’本發明包括眾多替代例、修改及等效 物。 參看圖1，展示雙極電極1〇，其包含具有在相對側上之 160758.doc 201231728 不同離子交換聚合物塗層的實質上平坦之電極基板12。基 板12為具有中間導電薄膜之多孔支撐物。合乎需要地，電 極基板12係由熱塑性聚乙烯薄膜製成，活性碳層接合至該 薄膜之每一面〗2A、12B以形成多孔支撐物。電極基板之 相對面12A、12B係藉由不同離子交換聚合物塗佈。根據 本發明’電極基板12之相對面12A、12B係同步藉由兩乙 婦基單體混合物塗佈且經歷同步聚合。因此，下文所描述 之方法特別適合於兩異質離子交換聚合物塗層在電極基板 之相對面上的同步形成。 電極基板12係由熱塑性薄膜製成，活性碳層〗4接合於該 薄膜之每一面12A、UB上《熟習此項技術者將瞭解，可 使用大量其他材料來形成電極基板。舉例而言，可提及諸 如樹脂之含活性碳填充劑及諸如TFE及PVDF之接合劑。在 一合乎需要之實施例中’基板12為具有約1〇英对乘21.5英 叶（長度）之側的大體上矩形形狀。然而，熟習此項技術者 將理解，此等尺寸係僅出於實例目的，且在不脫離本發明 之範疇的情況中可使用其他尺寸。基板之外周邊具有帶 18 ’帶18無活性碳層14。 兩凹穴包封20係圍繞電極基板形成。藉由以包封2〇來覆 蓋多孔電極基板12 ’防止了氧對聚合之阻礙且獲得了表面 平滑度。在一實施例中’包封20係藉由兩個大體上矩形之 聚乙烯薄膜22形成’該等大體上矩形之聚乙烯薄膜22具有 接合在一起之三個側及一開放側以使得可將電極基板丨2置 放至包封中。包封20之聚乙烯薄膜22圍繞基板之周邊熱密 160758.doc 201231728 封至電極基板12的無活性碳14之帶18，藉此圍繞活性碳i4 形成在電極基板^2之一侧上的第一凹穴及在電極。之相對 側上的第二凹六。將塑膠或聚酯薄膜（Mylar)薄片30(亦 即聚對苯一甲酸伸乙醋）插入於聚乙稀薄膜22與電極基 板12之間於包封20之每一凹穴中。在一實施例中，接著將 含有電極基板12之包封2G置放於兩個硬質板之間且將該等 板夾持在一起。 將第一乙烯基單體溶液添加至形成於基板之第一面12八 上的第-❹’且將第^乙縣單體溶液添加至形成於基 板之第二面12B周圍的第二凹穴。第一單體溶液及第二單 體溶液並非相同的。該等液體單體使活性碳中之空氣移 位。在一實施例中，汲取真空以自活性碳移除空氣。 合乎需要地，藉由第一可聚合單體混合物填充第一凹 穴’該第一可聚合單體混合物包含具有陰離+交換基團或 可轉換為陰離子交換基團之基團的可聚合單體。用於將第 一可聚合單體混合物插入至第一凹穴中之構件被插入至包 封中。在一實施例中，可使用移液管來將第—可聚合單體 混合物插入至聚酯薄膜與電極基板之間於第—凹穴中。在 -實施例中，該第-可聚合單體混合物包括交聯劑及聚人 引發劑1 -可聚合單體混合物滲人或嵌人至多孔基板二 膜之空隙中，且所滲入之可聚合單體混合物得以聚合。可 在無任何限制之情況中使用任何已知的可聚合單體作為具 有陰離子交換基團或可轉換為陰離子交換基團之基團的第 一可聚合單體。具有陰離子交換基團之可聚合單^實例 160758.doc 201231728 為（例如）：氣化三甲基銨甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯醯氧 基丙基三甲基乙基氣化銨、乙烯基苯甲基三甲基氯化銨、 一烯丙基二f基氣化銨，及其類似者，且可提及其他烯系 不飽和四級銨及三級胺單體。 合乎需要地，藉由第二可聚合單體混合物填充第二凹 八，該第一可聚合單體混合物包含具有陽離子交換基團或 可轉換為陽離子交換基團之基團的可聚合單體。用於將第 -可聚合單體混合物插入至第二凹&中之構件被插入至包 封中。在-實施例中，可使用類似於關於第一凹穴所使用 亡移液管的移液管來將第二可聚合單體混合物插入至聚酯 薄膜與電極基板之間於第二凹穴中。在一實施例中，該第 二可聚合單體混合物包括交聯劑及聚合引發劑。該可聚合 單體混合物滲入或嵌入至多孔基板薄膜之空隙中，且所滲 可聚口單體在合物得以聚合。可在無任何限制之情況 中使用任何已知的可聚合單體作為具有陽離子交換基團或 可轉換為陽離子父換基團之基團的第二可聚合單體。具有 陽離子交換基團之可聚人罝― J眾。早體的貫例為（例如）：曱基丙烯 ㈣⑽、丙稀醒胺甲基丙燒、石黃酸、苯乙稀確酸納、甲 基：婦酸續丙醋卸鹽(且可提及其類似者)，及其類似者， 及其鹽及衍生物β亦可接乃1< ^他稀系不飽和續酸及叛酸。 關於添加至第一或箆_ 第一 了聚合早體混合物之交聯劑，不 存在特疋限制β舉例而言， - 基硬、丁二婦、氣丁二煤 稀基本、二乙稀 _ 烯、一乙烯基聯笨、三乙烯基笨、 -乙稀基萘、二稀丙基胺 '二乙烯基^定乙二醇二甲基 160758.doc 201231728 丙烯酸醋、多元醇之其他二丙烯酸酯或多丙烯酸酯或者二 甲基丙稀酸醋或多曱基丙烯酸醋。亦可使用諸如經曱基丙 稀酿胺加丙烯醯胺或羥甲基丙烯醯胺及苯酚之潛伏交聯系 統。 在無特定限制之情況中，可使用已知的化合物作為聚合 引發劑。舉例而言，可使用諸如辛醯基過氧化物、月桂醯 基過氧化物、過氧基-2-乙基己酸第三丁酯、苯曱醯基過氧 化物、過氧基異丁酸第三丁酯、過氧基月桂酸第三丁酯、 過氧基苯曱酸第二己酯、二_第三丁基過氧化物之有機過 氧化物，及諸如偶氮二異丁腈及其類似者之有機偶氮化合 物。 在第一可聚合單體混合物及第二可聚合單體混合物中， 具有陰離子或陽離子交換基團或可轉換為陰離子或陽離子 交換基15之基團的可聚合單體、交聯劑及聚合引發劑之比 例可在寬範圍中，只要每一組分以對於聚合而言必要之量 存在即可。交聯狀比織料具有料交換基團或可轉 換為離子交換基團之錢的可聚合單體及交㈣之總量的 約〇·4 m〇1%至60 m〇1%，更佳為約1则1%至50 m〇1%，最佳 為約1Π101%至約40mol%。聚合引發劑係以一般量使用。 在-實施例中，在將第一可聚合單體混合物及第二可聚 合早體混合物插入至第一腔室及第二腔室中之後，允許第 一可聚合單體混合物及第二可聚合單體混合物維持不變 Ο達所選擇之持續時間。合適之㈣時I般在W 分鐘與20分鐘之間’更佳在約5分鐘與15分鐘之間且在 160758.doc 201231728 實施例中為約1G分鐘。在維持不變之後’可接著在可聚 > 口物、在聚口之刖移除可聚合單體混合物的過量部分。 在產生雙極電極10時’如先前所描述，可聚合單體混合 物係與藉由電極基板上之活性碳層所形成的多孔基板接 觸。聚合較佳係在以兩凹穴包封來覆蓋多孔膜之後進行。 在聚合可聚合單體混合物時，在無限制之情況中使用已知 的聚口方法。在一實施例中，含有電極基板之包封置放於 烘箱中且乙烯基單體聚合至基板之面上。一般而言，使用 聚σ引發劑之熱聚合為較佳的，此係因為該操作容易且聚 合可相對均-地進行。並不特定地限制熱聚合之溫度且可 適當地選擇已知的溫度條件。合適之溫度-般在5(rc盘 15〇C之間’更佳在㈣與⑽之間，且在一實施例中， 為約阶。亦不特定地限制熱聚合之持續時間，且可適當 ㈣擇已知的持續時間條件。合適之持續時間-般在約10 ㈣至12G分鐘之間，更佳為約45分鐘至9〇分鐘，且在一 貫施例中為約6〇分鐘。在不脫離本發明之範舞的情況中’ 可聚合單體混合物之聚合亦可為藉由任何已知的化學催化 程序或使用紫外光的。 為使熟習此項技術者將更好地能夠實踐本發明，藉由說 明而非藉由限制來提供以下實例。 實例 藉由將具有活性碳層14之電極基板12切成1〇英时（254 叫乘21.5英吋（54.6⑽）之大小來製成電極。電極基板 之外周邊帶18維持無活性碳，從而留下電極基板之兩個長 160758.doc 201231728 侧邊緣及短底部邊緣周圍的1.5英对（3.8 cm)之修邊 (trim)。將頂部邊緣切成2英吋。包封20經製成而具有11英 吋（27.9 cm)乘21.5英吋（54.6 cm)之聚乙稀袋狀薄膜，其中 一長側開放。電極基板置放於聚乙烯袋狀薄膜22之間。 包封20之聚乙烯薄膜22圍繞基板之周邊熱密封至電極基 板12之無碳的區域18,藉此圍繞活性碳在電極基板之每一 側上形成囊（pouch)。包封20自在兩個長側上及在底側上之 基板之邊緣密封至基板％英叫*(1.3 cm)，從而形成具有一開 放側的包封。包封之每一長側之％英吋（i .3 cm)被切掉。聚 酉曰薄膜薄片3 0抵罪電極基板插入於包封之每一側中。將包 封置放於兩個玻璃板之間且將包封/玻璃板夾層夾持在一 起。將移液管插入至聚酯薄膜與電極基板之間於包封之每 一側中。合乎需要地，將包封/玻璃板夾層固持於垂直位 置中，其中開放末端及吸液管在頂部處。使用具有在聚酯 薄膜盤上之兩個夾鉗的環狀架將包封/玻璃板夾層夾持在 適當位置。 經由一吸液管將140克之具有陰離子交換基團的第一可 聚合單體混合物澆注至包封之第一凹穴中，且經由另一吸 液管將140克之具有陽離子交換基㈣第二可聚合單體混 合物洗注至包封之第二凹穴中。以2英祁.i㈣之間隔交 替地夾住夾層之側，直至湛a物夕办唯> μ & 屁53物之位準尚於電極基板為 止。允許混合物維持不變達1〇分鐘。 自玻璃夹層移除包封2〇且將其置放於聚西旨薄膜盤中。電 極基板之長邊緣經置放而接近於包封上之底表面且推抵包 160758.doc -11. 201231728 封。以恆定壓力使電極基板自包封之底部移動至包封之頂 部’從而將過量單體混合物自包封掃除至聚酯薄膜盤中。 將包封翻轉且在包封之另一側上重複該程序。 接著將包封20置放於兩個玻璃板之間，且將四個大的夹 具附接在包封/玻璃夾層總成之底部邊緣處。將六個夾具 附接於包封/玻璃夾層總成之每一側邊緣上，從而自底部 至頂部交替地放上夾具。將四個夾具附接在包封/玻璃夾 層之頂部邊緣處。接著將包封/玻璃夾層總成水平地置放 至經預加熱之85°C之烘箱中達一小時。 自烘箱移除包封/玻璃夾層總成且允許其冷卻達1/2小時。 接著移除夾具且使包封與玻璃板分離。自電極移除包封及 聚酯薄膜且將電極置放至1N氣化納中直至備妥以供使用為 止。 熟習此項技術者亦可瞭解以下事實：可將壓力施加至包 封，從而將聚合AIX及CIX材料按壓成其各別包封内之平 坦、平面部署。 儘管已在典型實施例中說明且描述了本發明，但因為可 在不以任何方式脫離本發明之精神的情況中進行各種修改 及取代，所以並不意欲將本發明限於所展示之細節。因 而，本文中所揭示之本發明之其他修改及等效物可由熟習 此項技術者僅使用常規實驗想到，且咸信所有該等修改及 等效物在如藉由下文申請專利範圍所界定的本發明之範疇 内。 【圖式簡單說明】 160758.doc 201231728 圖1說明根據本發明之一實施例製成之雙極電極的示意 圖。 【主要元件符號說明】 0 雙極電極 12 12A 12B 14 18 20 22 30 實質上平坦之電極基板/多孔電極基板/電極 薄膜之面/第一面 薄膜之面/第二面 活性碳層/活性碳 帶/外周邊帶/區域 兩凹穴包封 乙烯袋狀薄膜 大體上矩形之聚乙烯薄膜/聚 塑膠或聚酯薄膜（Mylar)薄片 160758.doc -13·

Claims (1)

1. 201231728 七、申請專利範圍： 1· 一種形成一雙極電極之方法’該雙極電極具有在一多孔 基板之相對面上的離子交換聚合物，該方法包含： 提供一電極基板，該電極基板具有在該電極基板之相 .對面上之活性碳層，其中該等面具有無該等活性碳層的 一外周邊帶， 將該電極基板置放於藉由一對聚乙烯薄膜所形成之一 熱塑性包封中； 將該包封熱密封至該電極基板之無活性碳的該外周邊 帶以形成在該電極基板之—m凹穴及在該電 極基板之相對側上的一第二凹穴； 將該包封夾持於兩個硬質板之間； 將具有-陰離子交換基團之一第一可聚合單體混合物 插入至該包封之該第一凹穴中 將具有-陽離子交換基團之一第二可聚合單體混合物 插入至該包封之該第二凹穴中；及 聚5 °亥第可聚合單體混合物及該第二可聚合單體混 合物。 2, 如請求項1之方法’其中該第-可聚合單體混合物及該 第二可聚合單體混合物係藉由熱聚合來聚合。 3. 如請求項2之方法，其中該第-可聚合單體混合物及該 第可聚合單體混合物係藉由將該包封及該電極基板水 平地置放至一在饥之蛾箱中來聚合。 月求項1之方法’其中第一陰離子可聚合單體混合物 160758.doc 201231728 係選自由；#系不飽和三級胺及四級㉟化合物及其鹽及衍 生物組成的群組。 5. 如請求们之方法，其中第二陽離子可聚合單體混合物 係選自由烯系不飽㈣酸及m酸及其鹽及衍生物組成的 群组。 6. 如請求们之方法，其進一步包含抵靠該電極基板將一 聚醋薄膜薄片插入於該包封之每一側中。 7. 如凊求項丨之方法，其進一步包含將一第一移液管插入 至該包封之該第一心中且將一第二移&管插人至該包 封之該第二凹穴中’且分別經由該第一吸液管及該第二 吸液管將該第一可聚合單體混合物及該第二可聚合單體 混合物插入至該第一凹穴及該第二凹穴中。 160758.doc • 2 ·