TW202229647A - 鹼性水電解隔膜用基材以及鹼性水電解隔膜 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種由機械強度等高的材質所構成之鹼性水電解隔膜用基材，並且藉由使用該鹼性水電解隔膜用基材，而提供一種兼具低導電電阻、氣體阻隔性等之鹼性水電解隔膜。 本發明係一種鹼性水電解隔膜用基材、以及含有該鹼性水電解隔膜用基材及高分子樹脂之多孔質膜之鹼性水電解隔膜，前述鹼性水電解隔膜用基材的特徵在於：由含有具有異型剖面之聚苯硫醚纖維之不織布所構成，密度為0.30g/cm 3以上至0.80g/cm 3以下，縱向及橫向之拉伸伸長率均為10%以上至35%以下。

Description

鹼性水電解隔膜用基材以及鹼性水電解隔膜
本發明係關於一種鹼性水電解隔膜用基材(以下，有時將「鹼性水電解隔膜用基材」簡稱為「基材」)以及鹼性水電解隔膜(以下，有時將「鹼性水電解隔膜」簡稱為「隔膜」)。
作為氫之工業上之製造方法之一，有鹼性水電解法。一般而言，鹼性水電解裝置具備1個以上之電解槽，電解槽介隔鹼性水電解隔膜被分隔為陽極室與陰極室，當對兩極間施加直流電流時，於陽極室中生成氧，於陰極室中生成氫。於將水進行電解之情形時，一般而言，為了提高電解液的導電性，而將氫氧化鈉或氫氧化鉀等作為電解質而添加至水中。
對於鹼性水電解隔膜，要求阻隔氧氣與氫氣而使之不混合之阻氣性(氣體阻隔性)，另外，由於在鹼性水電解之電解液中運送電子的是離子，故而為了提升電解效率，而對隔膜亦要求高的離子穿透性。 此外，要求對鹼性電解液之耐鹼性；為了表現離子導電性而以60℃至150℃左右進行電解，因此要求電解時的耐熱性；於將鹼性水電解隔膜設置於電解槽時，要求不會產生隔膜之破損等之機械強度等。
先前，已知鹼性水電解隔膜中使用「利用濕式抄紙法由聚苯硫醚(PPS)纖維所製造之鹼性水電解隔膜用基材」。
例如，於專利文獻1中揭示有一種鹼性水電解隔膜，係具備由聚苯硫醚纖維所構成之多孔性支撐體(鹼性水電解隔膜用基材)及高分子樹脂之多孔質膜。
另外，於專利文獻2中揭示有一種鹼性水電解隔膜用基材，係利用電漿處理將由包含捲縮數為2山/25mm至10山/25mm之聚苯硫醚纖維之熱塑性纖維所構成之濕式不織布進行親水化處理而成。
另外，於專利文獻3中，作為氫產生裝置用分隔件(鹼性水電解隔膜)中所使用之不織布，揭示有一種分隔件，係由不織布所構成，前述不織布以由選自聚四氟乙烯、聚丙烯、及聚對苯硫醚之任一者中的1種以上之樹脂所構成之纖維而構成，且具有下述(1)至(5)之特徵，另外，揭示有該分隔件由不織布所構成，前述不織布實質上由聚芳硫醚樹脂單獨之纖維所構成。
(1)構成不織布之纖維的單絲纖度為2dtex以上至20dtex以下；(2)不織布的剛軟度為50mN・cm以上至150mN・cm以下；(3)不織布的體積密度為0.2g/cm 3以上至0.8g/cm 3以下；(4)不織布的單位面積重量為50g/m 2以上至200g/m 2以下；(5)不織布的厚度為0.1mm以上至0.5mm以下。
然而，專利文獻2及專利文獻3中所記載之不織布的機械強度不充分，於將鹼性水電解隔膜設置於電解槽時，存在產生隔膜之破損等之情形。
另一方面，於專利文獻1中，藉由使織布存在於不織布中來提高強度。另外，於專利文獻4中，提出有不使用不織布而使用水電解槽用聚苯硫醚織物。於專利文獻5中，揭示有一種使用由聚苯硫醚纖維所構成之濕式不織布之電絕緣紙及電絕緣紙之製造方法。前述電絕緣紙係使用大量未延伸纖維作為黏合劑成分而儘可能消除空隙，成為緻密結構，藉此表現優異的絕緣破壞性能。 然而，由於為緻密結構，故而離子穿透性及伸長率變得不充分。其結果，就低導電電阻及抑制膜破損之方面而言不充分。
因此，要求均勻性高、加工性亦優異、強度高之鹼性水電解隔膜用基材以及鹼性水電解隔膜。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-129563號公報。 [專利文獻2]日本特開2016-089197號公報。 [專利文獻3]日本特開2018-100434號公報。 [專利文獻4]日本特表2019-513902號公報。 [專利文獻5]日本特開2010-024574號公報。
[發明所欲解決之課題]
本發明係鑒於上述背景技術而完成，本發明的課題在於提供一種由機械強度等高的材質所構成之鹼性水電解隔膜用基材，並且，藉由使用該鹼性水電解隔膜用基材，而提供一種兼具低導電電阻、氣體阻隔性等之鹼性水電解隔膜。 [用以解決課題之手段]
本發明者為解決上述課題而反復進行了努力研究，結果藉由下述發明解決了該課題。
亦即，本發明提供(1)一種鹼性水電解隔膜用基材，特徵在於，係由含有具有異型剖面之聚苯硫醚纖維之不織布所構成，密度為0.30g/cm 3以上至0.80g/cm 3以下，縱向及橫向之拉伸伸長率均為10%以上至35%以下。
另外，本發明提供(2)一種鹼性水電解隔膜，係具有如上述(1)所記載之鹼性水電解隔膜用基材及高分子樹脂之多孔質膜。 [發明功效]
一般而言，不織布的均勻性高且加工性亦優異，因此認為若充分運用不織布作為鹼性水電解隔膜用基材(若將不織布特有之物性特殊化提升至鹼性水電解隔膜用基材用途)，則能夠較高地維持均勻性及機械強度，並且亦能夠達成其他鹼性水電解隔膜用基材之特性。並且，已實際達成而完成了本發明。
本發明之鹼性水電解隔膜用基材的機械強度特別高，因此於將鹼性水電解隔膜設置於電解槽時，能夠較佳地抑制隔膜之破損等。 另外，使用本發明之基材之鹼性水電解隔膜的導電電阻低(亦即，離子穿透性高)，且氣體阻隔性亦優異。 另外，對鹼性電解液之耐鹼性及電解時的耐熱性等亦優異。
[鹼性水電解隔膜用基材] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材由含有具有異型剖面之聚苯硫醚纖維(以下，有時將「聚苯硫醚」簡稱為「PPS」)之不織布所構成。 該不織布並無特別限定，較佳為利用濕式抄紙法所製造。 另外，本發明之鹼性水電解隔膜用基材較佳為具有如下形態：含有延伸PPS纖維作為主體纖維，含有未延伸PPS纖維作為黏合劑纖維。未延伸PPS纖維係大部分為非晶結構，藉由加熱而熔融，能夠發揮作為黏合劑纖維之作用。另一方面，延伸PPS纖維於纖維製造步驟中被施加延伸，纖維的單絲纖維強度強，尺寸穩定性優異。
本發明中，於使用延伸PPS纖維及未延伸PPS纖維之情形時，容易提供機械強度優異之鹼性水電解隔膜用基材。另外，使用該鹼性水電解隔膜用基材之鹼性水電解隔膜能夠兼具低導電電阻、高氣體阻隔性等。
[聚苯硫醚纖維(PPS纖維)] 所謂聚苯硫醚(Polyphenylenesulfide，PPS)纖維係指由以作為聚合物構成單元之「-(C 6H 4-S)-」作為主要結構單元之聚合物(PPS聚合物)所構成之合成纖維。 作為較佳的PPS聚合物，例如可例舉聚苯硫醚、聚苯硫醚碸、聚苯硫醚酮等。另外，亦可例舉這些聚合物之無規共聚物、嵌段共聚物等。進而，可例舉前述聚合物之混合物。作為尤佳的PPS聚合物，可例舉相對於PPS聚合物整體含有較佳為90質量%以上之以-(C 6H 4-S)-所表示之對伸苯基單元作為聚合物之主要結構單元的PPS聚合物。
於鹼性水電解隔膜用基材具有以-(C 6H 4-S)-所表示之對伸苯基單元之情形時，對於高溫、高濃度之鹼性溶液亦顯示優異的耐性，藉此能夠實現鹼性水電解裝置之效率化，對於水之電解時所產生之活性氧亦顯示化學穩定性。
[PPS纖維的異型剖面] 本發明中的PPS纖維必須具有異型剖面。 此處，所謂「異型剖面」係指與纖維的長度方向垂直地切斷時的剖面形狀為圓形剖面形狀以外的形狀，並無特別限定，例如係指三角形狀、Y型形狀、扁平形狀、狗骨(dog bone)形狀、三葉形狀等之剖面。 例如，這些PPS纖維可藉由使用異型模具進行直接紡絲之方法、將複合纖維進行溶解或分割之方法等而獲得，於本發明中尤佳為使用藉由使用異型模具進行直接紡絲而獲得之具有異型剖面之PPS纖維。
另外，就強度提升之觀點而言，更佳為具有Y型形狀或三葉形狀之剖面形狀之PPS纖維。Y型形狀或三葉形狀與圓形剖面形狀相比，比表面積變大，纖維彼此的接著點增加，濕紙強度及抄紙步驟後的原紙強度提升，不僅如此，於熱壓延加工時以進入至不織布內部的空間之方式變形而接著，因此能夠有助於提升作為不織布之強度。 另外，具有上述異型剖面之PPS纖維較佳為未形成捲縮之所謂無捲縮之PPS纖維。
本發明之鹼性水電解隔膜用基材中的「具有異型剖面之PPS纖維」的含量相對於PPS纖維之整體，較佳為10質量%以上，更佳為20質量%以上，尤佳為30質量%以上。若為上述範圍外，則存在發生與以下所記載相同情況之情形。
本發明之鹼性水電解隔膜用基材可為單層結構，亦可為多層結構。各層中的「具有異型剖面之PPS纖維」的含量相對於該各層的全部PPS纖維量，較佳為10質量%以上，更佳為30質量%以上。 若具有異型剖面之PPS纖維的含量少於10質量%，則存在鹼性水電解隔膜用基材的機械強度變低之情形。另外，存在含有PPS纖維之不織布的機械強度(原紙強度)未充分提升，於形成不織布時容易破損(亦即於抄紙時容易產生斷紙)之情形。 再者，亦可全部之PPS纖維為具有異型剖面之PPS纖維。
[未延伸PPS纖維、延伸PPS纖維] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材中的未延伸PPS纖維的含量相對於PPS纖維整體，較佳為30質量%以上至90質量%以下，更佳為40質量%以上至85質量%以下，尤佳為50質量%以上至80質量%以下。若為上述範圍外，則存在發生與以下所記載相同情況之情形。
於本發明之鹼性水電解隔膜用基材中，各層中的未延伸PPS纖維的含量相對於該各層的總纖維量，較佳為30質量%以上至90質量%以下，更佳為40質量%以上至80質量%以下。 若未延伸PPS纖維的含量過少，則存在使纖維彼此接著之黏合劑效果不足，無法獲得對於不織布而言充分的機械強度之情形。另外，若未延伸PPS纖維的含量過多，則存在於熱壓延加工時寬度方向的收縮變大，使分佈惡化之情形。
[結晶焓] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材之製造時所使用之未延伸PPS纖維的結晶焓較佳為20J/g以上。更佳為21J/g以上，進而較佳為22J/g以上，尤佳為24J/g以上。 若該結晶焓過低，則存在使纖維彼此接著之黏合劑效果不足，無法獲得對於不織布而言充分的機械強度之情形。另外，結晶焓的上限值並無特別限定，但實際上為35J/g以下。
為了使前述之未延伸PPS纖維的結晶焓成為20J/g以上(或上述下限以上)，較佳為使用下述2種方法中的至少1種。 (1)製造時的未延伸PPS纖維的結晶焓的控制：基於紡絲時的冷卻方法及冷卻速度等熱歷程之控制 (2)製造後的未延伸PPS纖維的結晶焓的控制：未延伸PPS纖維的保管溫度及保管時間的管理
以下說明用以進行上述控制之具體方法。 (1)製造時的未延伸PPS纖維的結晶焓的控制 紡絲時的冷卻歷程較理想為於能夠使熔融伸長變形穩定之範圍內，儘可能迅速地進行冷卻。另外，於冷卻至室溫之後，增溫至高於室溫之溫度並不佳。
具體而言，紡絲時的冷卻歷程較佳為將淬火冷卻風的溫度設為30℃以下。淬火冷卻風的溫度更佳為28℃以下，尤佳為26℃以下。若淬火冷卻風的溫度過高，則存在冷卻變得不充分，無法製造結晶焓[J/g]為20J/g以上(或上述下限以上)之未延伸PPS纖維之情形。
(2)製造後的未延伸PPS纖維的結晶焓的控制 1)保管溫度 製造後的未延伸PPS纖維的保管較佳為於不沐浴直射日光之室內之保管，且較佳為儘可能於室溫不上升之場所進行保管。
若保管溫度變得相對較高，則存在結晶焓加速減少之情形，另外，若保管時間變為長期，則存在結晶焓隨時間經過而緩慢減少之情形。 就此方面而言，保管溫度較佳為80℃以下，更佳為60℃以下，尤佳為50℃以下。保管溫度的下限並無特別限定，較佳為-20℃以上。
2)保管時間 自剛製造後起之保管時間較佳為1年以內，更佳為10個月以內，尤佳為9個月以內。藉由在製造後1年以內使用，能夠使未延伸PPS纖維的結晶焓[J/g]成為20J/g以上(或上述下限以上)。
[PPS纖維的直徑] PPS纖維的直徑較佳為0.1μm至30μm，更佳為1.0μm至25μm，尤佳為2μm至20μm。 於利用濕式抄紙法製造本發明中之不織布之情形時，若PPS纖維的直徑為上述範圍內，則能夠提高製造效率。
若PPS纖維的直徑過小，則容易產生自濕式抄紙機的抄紙網脫落、或者PPS纖維之分散不良所致之不織布之品質降低。另外，於製作不織布並將不織布作為鹼性水電解隔膜用基材時，存在鹼性水電解隔膜用基材的密度變高，導電電阻變高之情形等。進而，存在纖維的強度及／或伸長率變得不充分，難以獲得作為鹼性水電解隔膜用基材所需之不織布強度之情形。
另一方面，若PPS纖維的直徑過大，則存在漿料中的纖維彼此的交纏程度變得不充分，於濕式抄紙步驟中產生斷紙之情形，另外，存在纖維間的接點過度變少，難以維持強度之情形。 另外，於製作不織布並將不織布作為鹼性水電解隔膜用基材時，機械強度弱，因此於電解槽中或設置中，存在產生隔膜之破損等之情形，於成膜出鹼性水電解隔膜時，存在成膜溶液的保持性降低，於鹼性水電解隔膜產生缺陷之情形等。 進而，於基材形成多孔質膜作為鹼性水電解隔膜之際，存在多孔質膜形成用之樹脂塗佈液的保持性降低，於鹼性水電解隔膜產生缺陷之情形等。
再者，上述之「具有異型剖面之『PPS纖維的直徑』」係利用鋒利的刀具切割鹼性水電解隔膜用基材，利用2000倍之掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察鹼性水電解隔膜用基材的剖面，從而以與隨機抽選之100根纖維的各剖面面積為相同面積之正圓的直徑而算出之各纖維的直徑的算術平均值。
[PPS纖維的纖維長度] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材中所使用之PPS纖維的纖維長度較佳為1mm至30mm，更佳為5mm至27mm，尤佳為7mm至25mm。於前述PPS纖維的纖維長度未達上述下限之情形時，存在於濕式抄紙時自抄紙網脫落而無法獲得充分的強度之情形。另一方面，於前述PPS纖維的纖維長度超過上述上限之情形時，存在分散於水時發生纏結等而無法獲得均勻質地之情形。
[鹼性水電解隔膜用基材、不織布之製造方法] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材較佳為利用濕式抄紙法進行製造，尤佳為利用濕式抄紙法製造單層結構之鹼性水電解隔膜用基材。 於利用濕式抄紙法進行製造之情形時，首先，使纖維均勻地分散於水中，然後，通過篩網(去除異物、塊等)等步驟，製備漿料。漿料的最終纖維濃度較佳為相對於漿料整體為0.01質量%至0.50質量%。該漿料利用抄紙機抄製而獲得濕紙。於步驟中，亦存在添加分散劑、消泡劑、親水劑、抗靜電劑、高分子黏結劑、離型劑、抗菌劑、殺菌劑等化學品之情形。
作為抄紙機，例如可使用：單獨使用長網、圓網、傾斜網等抄紙網之抄紙機、或者連線設置有同種或不同種之2種以上之抄紙網之組合抄紙機等。 另外，於不織布為2層以上之多層結構之情形時，可利用如下等方法來製造不織布：「疊合抄製法」，係將利用各個抄紙機所抄製之濕紙進行積層；以及「澆鑄法」，係於形成其中一層之後，於該層上澆鑄分散有纖維之漿料而進行積層。於將分散有纖維之漿料進行澆鑄時，先形成之層可為濕紙狀態，亦可為乾燥狀態。另外，亦可使2片以上之乾燥狀態之層熱熔合而製成多層結構之不織布。
於濕式抄紙法中，利用揚基乾燥機(Yankee dryer)、空氣乾燥機(air dryer)、滾筒乾燥機(cylinder dryer)、抽吸滾筒式乾燥機(suction drum dryer)、紅外線方式乾燥機等乾燥機，將利用抄紙網所製造且經濕壓部榨水之濕紙進行乾燥，藉此獲得鹼性水電解隔膜用基材中的不織布。於濕紙之乾燥時，使濕紙密接於揚基乾燥機等的熱輥而進行熱壓乾燥，藉此密接面的平滑性提升。所謂熱壓乾燥係指利用接觸輥等將濕紙壓抵於熱輥而進行乾燥。 熱輥的表面溫度較佳為100℃至180℃，更佳為120℃至160℃。利用接觸輥將濕紙壓抵於熱輥之壓力較佳為50N/cm至1000N/cm，更佳為100N/cm至800N/cm。
本發明之鹼性水電解隔膜用基材可視需要實施熱壓延加工。作為鹼性水電解隔膜用基材之熱壓延處理中所使用之壓延組件，可例舉各種輥之組合之壓延組件。 作為各種輥之組合，可例舉：金屬輥-金屬輥、金屬輥-彈性輥、金屬輥-棉輥、金屬輥-氟化橡膠(viton)輥、金屬輥-矽輥等輥之組合之壓延組件。這些壓延組件可單獨使用或組合2種以上使用。
於熱壓延加工時，金屬輥的表面溫度較佳為100℃至260℃，更佳為150℃至250℃。若金屬輥的溫度過低，則存在未延伸PPS纖維不熔融，纖維-纖維間不黏結之情形。 另外，若金屬輥的溫度過高，則存在構成鹼性水電解隔膜用基材之纖維貼附於金屬輥，損害不織布表面的均勻性之情形。
熱壓延加工時的夾持的夾持壓力較佳為190N/cm至1800N/cm，更佳為200N/cm至1400N/cm，尤佳為210N/cm至600N/cm。 加工速度較佳為5m/min至150m/min，更佳為10m/min至80m/min，尤佳為10m/min至40m/min。
[鹼性水電解隔膜用基材的層構成] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材可為單層，亦可為各層的纖維組成相同之多層結構，還可為各層的纖維組成不同之多層結構。 與單層結構相比，於為多層結構之情形時，各層的單位面積重量降低，藉此能夠降低漿料的纖維濃度，因此鹼性水電解隔膜用基材的質地的均勻性提升。另外，即便於各層的質地不均勻之情形時，亦可藉由進行積層來填補。進而，能夠提高抄紙速度，亦可獲得作業性提升之效果。
[鹼性水電解隔膜用基材的單位面積重量] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材的單位面積重量並無特別限定，較佳為20g/m 2至150g/m 2，更佳為30g/m 2至100g/m 2。於單位面積重量過小之情形時，存在鹼性水電解隔膜用基材的機械強度變低之情形。於單位面積重量過大之情形時，存在導電電阻變高之情形，以及於設置於電解槽時存在自鹼性水電解隔膜的厚度方向部分產生漏液之情形。
本發明之鹼性水電解隔膜用基材的厚度並無特別限定，較佳為30μm至300μm，更佳為40μm至250μm，尤佳為60μm至180μm。於厚度過小之情形時，存在鹼性水電解隔膜用基材的機械強度變低之情形。於厚度過大之情形時，存在導電電阻變高之情形，以及於設置於電解槽時存在自鹼性水電解隔膜的厚度方向部分產生漏液之情形。
[鹼性水電解隔膜用基材的密度] 本發明之鹼性水電解隔膜用基材的密度為0.30g/cm 3至0.80g/cm 3，較佳為0.35g/cm 3至0.70g/cm 3，更佳為0.35g/cm 3至0.60g/cm 3，尤佳為0.35g/cm 3至0.55g/cm 3。 「密度」係藉由使單位一致並將「單位面積重量」除以「厚度」而求出。
若該密度未達0.30g/cm 3，鹼性水電解隔膜基材的機械強度變低。 另一方面，若該密度超過0.80g/cm 3，則鹼性水電解隔膜用基材變得密實，導致導電電阻變高(離子穿透性變低)。另外，鹼性水電解隔膜對於基材內部之抓固性降低，因此於鹼性水電解隔膜中，後述之多孔質膜會自鹼性水電解隔膜用基材剝離。 另外，於該密度的較佳(更佳或尤佳)範圍過度小於上述範圍之情形或過度大於上述範圍之情形時，存在發生與上述相同情況之情形。
[使密度成為本發明的範圍之具體方法] 為了使鹼性水電解隔膜用基材的密度成為上述範圍，較佳為於纖維製作階段(紡絲階段)調節纖維直徑。 例如，藉由降低PPS樹脂的分子量、減少單孔噴出量、減小噴嘴孔徑等，能夠使纖維直徑變細。其結果，能夠提高基材的密度。 另一方面，藉由提高PPS樹脂的分子量、增加單孔噴出量、增大噴嘴孔徑等，能夠使纖維直徑變粗。其結果，能夠降低基材的密度。
另外，為了使鹼性水電解隔膜用基材的密度成為上述範圍，於不織布製作階段(抄紙階段)中，可藉由調節抄紙速度、接觸輥壓力、熱壓延加工時的夾持壓或金屬輥的溫度等來實現(能夠達成)。
具體而言，例如藉由提高熱壓延加工時的夾持壓或提高熱壓延加工時的金屬輥的溫度等，能夠提高基材的密度。 反之，藉由降低熱壓延加工時的夾持壓或降低熱壓延加工時的金屬輥的溫度等，能夠降低基材的密度。
另外，作為不織布製作裝置(抄紙機)、不織布製作構件(抄紙構件)、漿料之態樣、不織布製作方法(抄紙方法)，例如採單獨使用有長網、圓網、傾斜網等抄紙網之抄紙機、或者連線設置有同種或不同種之2種以上之抄紙網之組合抄紙機，藉由減緩抄紙速度或提高接觸輥壓力等，能夠提高基材的密度。 反之，藉由加快抄紙速度或降低接觸輥的壓力等，能夠降低基材的密度。
[鹼性水電解隔膜用基材的拉伸伸長率] 於本發明之鹼性水電解隔膜用基材中，縱向及橫向之拉伸伸長率均為10%以上至35%以下，較佳為15%以上至32%以下，更佳為18%以上至32%以下，尤佳為20%以上至30%以下。
若縱向及橫向之拉伸伸長率未達10%，則於將鹼性水電解隔膜設置於電解槽時會產生破損。 另一方面，若該拉伸伸長率超過35%，則於鹼性水電解隔膜的膜成分產生破損，氣體阻隔性變低。 另外，於該拉伸伸長率的較佳(更佳或尤佳)範圍過度小於上述範圍之情形或過度大於上述範圍之情形時，存在發生與上述相同情況之情形。
[使拉伸伸長率成為本發明的範圍之具體方法] 為了使鹼性水電解隔膜用基材的拉伸伸長率成為上述範圍，較佳為調整1)未延伸PPS纖維或延伸PPS纖維的切割長度、2)未延伸PPS纖維的結晶焓、3)延伸PPS纖維的伸長率。 為了提高基材的拉伸伸長率，較佳為如下等方法：1)延長未延伸PPS纖維或延伸PPS纖維的切割長度、2)提高未延伸PPS纖維的結晶焓而提升黏合劑效果、3)提高延伸PPS纖維的伸長率。 另一方面，為了降低基材的拉伸伸長率，較佳為如下等方法：1)縮短未延伸PPS纖維或延伸PPS纖維的切割長度、2)降低未延伸PPS纖維的熔融焓、3)降低延伸PPS纖維的伸長率。
另外，為了使鹼性水電解隔膜用基材的拉伸伸長率成為上述範圍，於不織布製作階段(抄紙階段)中，可藉由調節抄紙速度、接觸輥壓力、熱壓延加工時的速度等來實現(能夠達成)。
具體而言，例如，藉由提高熱壓延加工時的速度等，能夠提高基材的拉伸伸長率。反之，藉由降低熱壓延加工時的速度，能夠降低基材的拉伸伸長率。
另外，作為不織布製作裝置(抄紙機)、不織布製作構件(抄紙構件)、分散液之態樣、不織布製作方法(抄紙方法)，可採單獨使用有長網、圓網、傾斜網等抄紙網之抄紙機、或者連線設置有同種或不同種之2種以上之抄紙網之組合抄紙機，藉由減緩抄紙速度或提高接觸輥壓力等，能夠提高基材的拉伸伸長率，反之，藉由加快抄紙速度或降低接觸輥的壓力等，能夠降低基材的拉伸伸長率。
[鹼性水電解隔膜] 本發明之鹼性水電解隔膜具有前述鹼性水電解隔膜用基材、及高分子樹脂之多孔質膜。 於本發明之鹼性水電解隔膜中，該鹼性水電解隔膜用基材與該多孔質膜可分別積層1片，亦可積層多片。雖無特別限定，但就維持鹼性水電解隔膜的強度或防止剝離等方面而言，鹼性水電解隔膜較佳為一部分滲透至鹼性水電解隔膜用基材而成為一體。
[多孔質膜] 作為形成多孔質膜之高分子樹脂，可例舉：聚碸、聚醚碸、聚苯碸等碸系樹脂；聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等氟系樹脂；聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等乙烯基系樹脂；聚苯硫醚等硫醚系樹脂；聚對伸苯基苯并雙噁唑；聚酮等酮系樹脂；聚醯亞胺、聚醚醯亞胺等醯亞胺系樹脂；聚碳酸酯等酯系樹脂等。這些樹脂可單獨使用，亦可同時使用2種以上。
多孔質膜的厚度並無特別限定，就機械強度、阻氣性(氣體阻隔性)、導電電阻等方面而言，較佳為30μm至600μm，更佳為50μm至500μm，尤佳為70μm至400μm。 另外，多孔質膜的孔的大小並無特別限定，就機械強度、離子穿透性等方面而言，作為數量平均直徑，較佳為0.010μm至5μm，更佳為0.015μm至3μm，尤佳為0.020μm至2μm。
多孔質膜之製造方法並無特別限定，可例舉：非溶劑誘導相分離法、熱誘導相分離法、水蒸氣誘導相分離法、溶劑蒸發法等，前述非溶劑誘導相分離法係至少具有如下步驟之製造方法：將「前述高分子樹脂及較佳為水溶性樹脂」溶解於水溶性有機溶劑中而製備成膜溶液，將成膜溶液塗敷於基材，利用該高分子樹脂之不良溶劑使該高分子樹脂析出(相分離)之步驟；以及利用水等「該高分子樹脂之不良溶劑」將「該水溶性樹脂及／或該水溶性有機溶劑」溶解去除、洗淨之步驟。
作為上述水溶性樹脂，可較佳地使用溶解於「上述水溶性有機溶劑」及「上述高分子樹脂之不良溶劑」之兩者之樹脂。 具體而言，例如可例舉：聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯啶酮、聚乙烯醇、聚乙烯亞胺、聚(甲基)丙烯酸、葡聚糖、聚順丁烯二酸(酐)等、或這些之共聚物等。於羧酸等酸之情形時，一部分或全部亦可形成鹽。 該水溶性樹脂中可含有(調配)：界面活性劑；(聚)甘油；糖、糖醇等糖衍生物；鋰鹽、鉀鹽、鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽等無機鹽。作為該鹽，可例舉：硝酸鹽、硫酸鹽、鹽酸鹽、氟硼酸鹽、氟磷酸鹽、過氯酸鹽等。
作為上述水溶性有機溶劑，可較佳地使用溶解上述高分子樹脂及水溶性樹脂之水溶性有機溶劑。 具體而言，例如可使用：N-甲基-2-吡咯啶酮；N,N-二甲基乙醯胺；N,N-二甲基甲醯胺；二甲基亞碸；四氫呋喃；(二或三)丙二醇單烷基醚、(二或三)丙二醇單烷基醚乙酸酯等烷二醇系溶劑；碳酸乙二酯、碳酸丙二酯等碳酸酯系溶劑等。這些水溶性有機溶劑可單獨使用或混合2種以上使用。
作為上述「高分子樹脂之不良溶劑」，可較佳地使用不使上述高分子樹脂溶解，而使之相分離、析出，並使上述水溶性樹脂溶解之溶劑。 具體而言，例如可例舉：水、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇等。這些溶劑可單獨使用，亦可混合2種以上使用。 [實施例]
以下，舉出實施例具體地說明本發明，但本發明並不限定於本實施例。
(1)纖度(dtex) 基於JIS L1015 (2010) 8.5.1進行測定。
(2)結晶焓(J/g) 使用示差掃描熱量計(TA Instruments公司製造，Q100)，以成為2.0mg±0.1mg之方式稱量PPS纖維，於氮氣氛圍下以升溫速度20℃/分鐘進行測定。針對根據吸熱放熱曲線於110℃至140℃左右所觀察到之放熱峰，以成為直線之方式通過100℃附近與200℃附近劃出基準線，算出由吸熱放熱曲線與基準線所包圍之面積。
(3)圓換算直徑(μm) 如上所述，利用鋒利的刀具切割基材，利用2000倍之掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察基材的剖面，由隨機抽選之100根纖維的算術平均求出。 基於下述式，算出與具有異型剖面之纖維的剖面面積具有相同面積之假想正圓的直徑(μm)、亦即圓換算直徑(μm)。再者，聚苯硫醚纖維(PPS纖維)的密度計算為1.35g/cm 3。 圓換算直徑(μm)＝2×{D/(100000×ρ×π)} 0.5×10 4D：單絲纖度(dtex) ρ：纖維密度(g/cm 3)
[PPS纖維1(延伸PPS纖維、異型剖面)] 將PPS聚合物(KUREHA股份有限公司製造：PHOTRON KPS)於紡絲溫度300℃、單孔噴出量0.32g/分鐘之條件下自三葉形狀之噴嘴孔紡出。繼而，自紡出絲的側面單側吹送20℃、100m/分鐘之冷卻風而進行非對稱冷卻。然後，以紡絲速度1170m/分鐘抽取，獲得未延伸PPS纖維。 所獲得之未延伸PPS纖維具有三葉形狀的纖維剖面，纖度為2.7dtex，結晶焓為26.0J/g。
將所獲得之未延伸PPS纖維於90℃之延伸輥間延伸至2.1倍。繼而，通過與延伸輥同速的210℃之熱處理輥而進行熱處理。進而，賦予油劑，於175℃進行熱處理之後，進行切割。 所獲得之延伸PPS纖維「PPS纖維1」(異型剖面、無捲縮)具有三葉形狀的剖面，纖度為1.3dtex，圓換算直徑為11μm，纖維長度為5mm。
[PPS纖維2(延伸PPS纖維、異型剖面)] 使用與PPS纖維1相同的方法，變更延伸後的切割長度，藉此製作延伸PPS纖維「PPS纖維2」(異型剖面、無捲縮)。 所獲得之PPS纖維2的剖面為三葉形狀，纖度為1.3dtex，圓換算直徑為11μm，纖維長度為10mm。
[PPS纖維3(延伸PPS纖維、異型剖面)] 使用與PPS纖維1相同的方法，變更延伸後的切割長度，藉此製作延伸PPS纖維「PPS纖維3」(異型剖面、無捲縮)。 所獲得之PPS纖維3的剖面為三葉形狀，纖度為1.3dtex，圓換算直徑為11μm，纖維長度為20mm。
[PPS纖維4(延伸PPS纖維、圓形剖面)] 將PPS聚合物(KUREHA股份有限公司製造：PHOTRON KPS)於紡絲溫度305℃、單孔噴出量0.24g/分鐘之條件下自圓形之噴嘴孔紡出。繼而，自紡出絲的側面單側吹送20℃、80m/分鐘之冷卻風而進行非對稱冷卻。然後，以紡絲速度1100m/分鐘抽取，獲得未延伸PPS纖維。 所獲得之未延伸PPS纖維具有圓形的纖維剖面，纖度為2.2dtex。
將所獲得之未延伸PPS纖維於90℃之延伸輥間延伸至2.0倍。繼而，通過與延伸輥同速的210℃之熱處理輥而進行熱處理。進而，賦予油劑，於175℃進行熱處理之後，進行切割。 所獲得之延伸PPS纖維「PPS纖維4」(圓形剖面、無捲縮)具有圓形形狀的剖面，纖度為1.1dtex，直徑為10μm，纖維長度為10mm。
[PPS纖維5(延伸PPS纖維、圓形剖面)] 使用與PPS纖維4相同的方法，變更延伸後的切割長度，藉此製作延伸PPS纖維「PPS纖維5」(圓形剖面、無捲縮)。 所獲得之PPS纖維5的剖面為圓形形狀，纖度為1.1dtex，直徑為10μm，纖維長度為20mm。
[PPS纖維6(未延伸PPS纖維、異型剖面)] 使用與PPS纖維1相同的方法製作未延伸PPS纖維，繼而進行切割。 所獲得之未延伸PPS纖維「PPS纖維6」的剖面為三葉形狀，纖度為2.6dtex，圓換算直徑為16μm，纖維長度為5mm。
[PPS纖維7(未延伸PPS纖維、異型剖面)] 使用與PPS纖維6相同的方法，變更切割長度，藉此製作未延伸PPS纖維「PPS纖維7」(異型剖面、無捲縮)。PPS纖維7的剖面為三葉形狀，纖度為2.6dtex，圓換算直徑為16μm，纖維長度為10mm。
[PPS纖維8(未延伸PPS纖維、圓形剖面)] 將PPS聚合物(KUREHA股份有限公司製造：PHOTRON KPS)於紡絲溫度305℃、單孔噴出量0.24g/分鐘之條件下自圓形之噴嘴孔紡出。繼而，自紡出絲之側面單側吹送20℃、80m/分鐘之冷卻風而進行非對稱冷卻。繼而，以紡絲速度1380m/分鐘抽取後，進行切割。 所獲得之未延伸PPS纖維「PPS纖維8」的剖面為圓形形狀，纖度為1.7dtex，直徑為13μm，纖維長度為10mm，結晶焓為24.4J/g。
[實施例1至實施例11、比較例1至比較例8] 按照表1記載之纖維組成，以分散濃度0.2質量%使纖維於水中分散1分鐘。繼而，於單層之情形時，使用傾斜網抄紙機形成濕紙，於2層之情形時，使用傾斜網／圓網複合式抄紙機形成濕紙。繼而，利用表面溫度160℃之揚基乾燥機進行熱壓乾燥，獲得以表1所示之單位面積重量為目標之鹼性水電解隔膜用基材。於使用傾斜網／圓網複合式抄紙機之情形時，於圓網側形成第一層之濕紙，於傾斜網側形成第二層之濕紙。
[表1]
纖維組成[質量%] 目標單位面積重量 [g/m 2]
延伸PPS 未延伸PPS
PPS纖維1 PPS纖維2 PPS纖維3 PPS纖維4 PPS纖維5 PPS纖維6 PPS纖維7 PPS纖維8
                  實 施 例 1 單層 30 70 40
2 單層 30 70 40
3 單層 30 70 40
4 單層 30 70 40
5 單層 30 70 50
6 單層 30 70 50
7 單層 30 70 80
8 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
9 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
10 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
11 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
            比 較例 1 單層 30 70 40
2 單層 30 70 40
3 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
4 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
5 第一層 30 70 20
第二層 30 70 20
6 單層 30 70 40
7 單層 30 70 155
8 單層 30 70 40
[熱壓延處理] 於實施例2、4、6、7、9及11、以及比較例1、5、7及8中，對鹼性水電解隔膜用基材，於表2記載之熱壓延條件下實施熱壓延處理。
[表2]
Figure 02_image001
[鹼性水電解隔膜之成膜] 將聚碸(高分子樹脂，Solvay Specialty Polymers公司製造，UDEL(註冊商標)P)17質量%、及聚乙二醇(重量平均分子量Mw100,000，Sigma-Aldrich日本合同公司製造)5質量%於70℃之溫度下攪拌溶解於作為溶劑之N-甲基-2-吡咯啶酮(純正化學股份有限公司製造)78質量%中，獲得成膜溶液。
於前述實施例及比較例中所製作之鹼性水電解隔膜用基材，以鹼性水電解隔膜的乾燥前的總膜厚成為300μm之方式塗敷成膜溶液。於塗敷後，立即使塗敷基材以相對於水面垂直之方式浸漬於溫度調節至40℃之凝固浴(純水)中，使高分子樹脂發生相分離。然後，利用純水充分洗淨，藉此去除有機溶劑，獲得具有鹼性水電解隔膜用基材及高分子樹脂之多孔質膜之鹼性水電解隔膜。
於實施例及比較例中，進行鹼性水電解隔膜用基材之單位面積重量、厚度、密度之測定、縱向及橫向之拉伸伸長率之測定、以及鹼性水電解隔膜用基材之破裂強度及鹼性水電解隔膜之評價(導電電阻、氣體阻隔性)，結果表示於以下之表3。
[單位面積重量] 依據JIS P 8124：2011，將鹼性水電解隔膜用基材切割成100mm×100mm而作為試片，使用電子分析天秤(島津製作所股份有限公司製造)測定20片，將所得之各值的算術平均值作為單位面積重量[g/cm 2]。
[厚度] 依據JIS P 8118：2014，自於單位面積重量測定時所採集之試片，逐片地使用測微計(MITUTOYO股份有限公司製造)測定20片，將所得之各值的算術平均值作為厚度[μm]。
[密度] 將上述「單位面積重量」除以上述「厚度」，調整單位，藉此求出密度[g/cm 3]。
[拉伸伸長率] 作為縱向(MD)之拉伸伸長率測定用試片，準備以縱向作為長邊切割成50mm×200mm之短條狀之鹼性水電解隔膜用基材。另外，作為橫向(CD)之拉伸伸長率測定用試片，準備以橫向作為長邊切割成50mm×200mm之短條狀之鹼性水電解隔膜用基材。 依據JIS P 8113：2006，使用定速張緊型拉伸試驗機「單柱型材料試驗機，型號：STB-1225S」(A&D股份有限公司製造)，夾頭間距離設定為100mm，夾頭的移動速度設為100mm/分鐘，以定速將拉伸試驗用試片進行拉伸，測定拉伸試驗用試片斷裂時的伸長率，作為拉伸伸長率[%]。
[破裂強度] 依據JIS P 8112：2008，將鹼性水電解隔膜用基材切割成60mm×60mm而作為試片，使用繆倫(Mullen)破裂試驗機(東洋精機製作所股份有限公司製造)測定20片，將所得之各值的算術平均值作為破裂強度[kPa]。
[電解裝置] 鹼性水電解裝置構成為：具備鹼性水電解隔膜、陽極及陰極，且介隔鹼性水電解隔膜分隔為具備陽極之陽極室及具備陰極之陰極室，自兩電極所產生之氧氣及氫氣被鹼性水電解隔膜阻隔而不會混合。
[鹼性水電解隔膜之性能試驗] 使用具有前述實施例及比較例中所製作之鹼性水電解隔膜用基材、及以前述方式製作之多孔質膜之鹼性水電解隔膜，製作電解單元及電解裝置。 供給至電解裝置之電解液係使用濃度25質量%之氫氧化鉀水溶液，液溫設為80℃。陽極使用純鎳篩網(mesh)，陰極使用氫產生用活性陰極。電解單元的電解面積設為1dm 2，計測用以自電解裝置向電解單元流動0.4A/cm 2之單元電流所需之電解電壓、所產生之氧中的氫濃度及所產生之氫中的氧濃度。
[導電電阻] 根據上述鹼性水電解隔膜的性能試驗中的電解電壓的測定結果，按照以下之評價基準評價將成為標準之鹼性水電解隔膜(鹼性水電解隔膜用基材單位面積重量：50g/m 2)的導電電阻設為1時的鹼性水電解隔膜的導電電阻。
評價基準 「A」：未達0.950 「B」：0.950以上至未達0.975 「C」：0.975以上至未達1.000 「D」：1.000以上
[氣體阻隔性] 於上述之鹼性水電解隔膜之性能試驗中，根據所產生之氫中的氧濃度算出氧氣混入量[莫耳%]，作為鹼性水電解隔膜的氣體阻隔性的指標，按照以下之評價基準進行評價。
評價基準 「A」：未達0.3% 「B」：0.3%以上至未達0.4% 「C」：0.4%以上至未達0.5% 「D」：0.5%以上
[表3]
物性 評價
單位面積重量 [g/m 2] 厚度 [μm] 密度 [g/cm 3] 拉伸伸長率 縱向 [%] 拉伸伸長率 橫向 [%] 破裂強度 [kPa] 導電電阻 [-] 氣體阻隔性 [-]
            實 施 例 1 41 119 0.35 25 25 210 A A
2 37 67 0.55 20 25 179 B A
3 40 124 0.32 21 18 161 A A
4 41 70 0.59 12 14 158 B A
5 48 139 0.35 21 18 189 B B
6 50 86 0.58 17 16 207 B A
7 80 174 0.48 32 27 380 B B
8 41 120 0.34 25 24 173 A A
9 40 76 0.53 23 26 176 B A
10 40 112 0.36 21 18 165 A A
11 40 65 0.61 18 19 146 A B
        比 較 例 1 39 68 0.57 18 17 148 C B
2 41 125 0.33 22 20 132 B B
3 42 125 0.34 22 21 142 B A
4 40 118 0.34 18 16 131 B B
5 40 69 0.58 15 15 122 B D
6 39 157 0.25 21 19 120 B B
7 155 303 0.51 36 31 460 D B
8 40 48 0.83 9 8 176 D B
可知由含有具有異型剖面之PPS纖維之不織布所構成、密度為0.30g/cm 3以上至0.80g/cm 3以下、縱向及橫向之拉伸伸長率均為10%以上至35%以下之實施例1至實施例11的鹼性水電解隔膜用基材的破裂強度高、導電電阻低、氣體阻隔性優異。
相對於此，可知比較例1至比較例5的鹼性水電解隔膜用基材由不含有具有異型剖面之PPS纖維之不織布所構成，因此比較例2至比較例5的鹼性水電解隔膜用基材的破裂強度低，另外，比較例1的鹼性水電解隔膜中的導電電阻高，比較例5的鹼性水電解隔膜中的氣體阻隔性低。
另外，可知由含有具有異型剖面之PPS纖維之不織布所構成但密度未達0.30g/cm 3之比較例6的鹼性水電解隔膜用基材的破裂強度低。 另外，可知鹼性水電解隔膜用基材由含有具有異型剖面之PPS纖維之不織布所構成但縱向之拉伸伸長率超過35%之比較例7、以及密度超過0.80g/cm 3且縱向及橫向之拉伸伸長率均未達10%之比較例8的鹼性水電解隔膜的導電電阻均高。 [產業可利用性]
本發明之鹼性水電解隔膜用基材可廣泛地用於利用鹼性水電解之氫製造之領域等中。

Claims (6)

  1. 一種鹼性水電解隔膜用基材，係由含有具有異型剖面之聚苯硫醚纖維之不織布所構成，密度為0.30g/cm 3以上至0.80g/cm 3以下，縱向及橫向之拉伸伸長率均為10%以上至35%以下。
  2. 如請求項1所記載之鹼性水電解隔膜用基材，其中前述不織布含有延伸聚苯硫醚纖維及未延伸聚苯硫醚纖維。
  3. 如請求項1所記載之鹼性水電解隔膜用基材，其中前述不織布由濕式抄紙法所製造。
  4. 如請求項2所記載之鹼性水電解隔膜用基材，其中前述不織布由濕式抄紙法所製造。
  5. 如請求項1至4中任一項所記載之鹼性水電解隔膜用基材，係由單層結構之不織布或多層結構之不織布所構成。
  6. 一種鹼性水電解隔膜，係具有如請求項1至5中任一項所記載之鹼性水電解隔膜用基材及高分子樹脂之多孔質膜。
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