TWI489005B - 同步聚合兩乙烯基單體混合物於平坦多孔基板之相對面 - Google Patents

Description

同步聚合兩乙烯基單體混合物於平坦多孔基板之相對面

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。

日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一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中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。

將離子交換單體塗覆至電極之單獨側且聚合該等離子交換單體產生雙極電極，該雙極電極比一連串單平面電極(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。

在一態樣中，本發明係針對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。該方法包括提供一電極基板，該電極基板具有在該電極基板之相對面上的活性碳層，其中該等面具有無該等活性碳層之一外周邊帶。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。抵靠該電極基板將一聚酯薄膜薄片置放於該包封之每一側中，且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一側上的一第一凹穴及在該電極基板之相對側上的一第二凹穴。該方法亦包括將具有一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及將具有一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的該第二凹穴中。接著在一烘箱中聚合該第一可聚合單體混合物及該第二可聚合單體混合物。

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。

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，其中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10，其包含具有在相對側上之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12A、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係同步藉由兩乙烯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14接合於該薄膜之每一面12A、12B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10英吋乘21.5英吋(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20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12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封至電極基板12的無活性碳14之帶18，藉此圍繞活性碳14形成在電極基板12之一側上的第一凹穴及在電極12之相對側上的第二凹穴。將塑膠或聚酯薄膜(Mylar)薄片30(亦即，聚對苯二甲酸伸乙酯)插入於聚乙烯薄膜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20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12A上的第一凹穴，且將第二乙烯基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子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一可聚合單體混合物插入至聚酯薄膜與電極基板之間於第一凹穴中。在一實施例中，該第一可聚合單體混合物包括交聯劑及聚合引發劑。第一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體的實例為(例如)：氯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氯化銨、乙烯基苯甲基三甲基氯化銨、二烯丙基二甲基氯化銨，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穴，該第二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。用於將第二可聚合單體混合物插入至第二凹穴中之構件被插入至包封中。在一實施例中，可使用類似於關於第一凹穴所使用之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陽離子交換基團或可轉換為陽離子交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合單體的實例為(例如)：甲基丙烯酸磺乙酯、丙烯醯胺甲基丙烷、磺酸、苯乙烯磺酸鈉、甲基丙烯酸磺丙酯鉀鹽(且可提及其類似者)，及其類似者，及其鹽及衍生物。亦可提及其他烯系不飽和磺酸及羧酸。

關於添加至第一或第二可聚合單體混合物之交聯劑，不存在特定限制。舉例而言，可提及：二乙烯基苯、二乙烯基碸、丁二烯、氯丁二烯、二乙烯基聯苯、三乙烯基苯、二乙烯基萘、二烯丙基胺、二乙烯基吡啶、乙二醇二甲基丙烯酸酯、多元醇之其他二丙烯酸酯或多丙烯酸酯或者二甲基丙烯酸酯或多甲基丙烯酸酯。亦可使用諸如羥甲基丙烯醯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、苯甲醯基過氧化物、過氧基異丁酸第三丁酯、過氧基月桂酸第三丁酯、過氧基苯甲酸第三己酯、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團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。交聯劑之比例較佳為具有離子交換基團或可轉換為離子交換基團之基團的可聚合單體及交聯劑之總量的約0.4 mol%至60 mol%，更佳為約1 mol%至50 mol%，最佳為約1 mol%至約40 mol%。聚合引發劑係以一般量使用。

在一實施例中，在將第一可聚合單體混合物及第二可聚合單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(stand)達所選擇之持續時間。合適之持續時間一般在約1分鐘與20分鐘之間，更佳在約5分鐘與15分鐘之間，且在一實施例中為約10分鐘。在維持不變之後，可接著在可聚合混合物經聚合之前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合方法。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，使用聚合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一地進行。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。合適之溫度一般在50℃與150℃之間，更佳在60℃與120℃之間，且在一實施例中，為約85℃。亦不特定地限制熱聚合之持續時間，且可適當地選擇已知的持續時間條件。合適之持續時間一般在約10分鐘至120分鐘之間，更佳為約45分鐘至90分鐘，且在一實施例中為約60分鐘。在不脫離本發明之範疇的情況中，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10英吋(25.4 cm)乘21.5英吋(54.6 cm)之大小來製成電極10。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側邊緣及短底部邊緣周圍的1.5英吋(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)之聚乙烯袋狀薄膜，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吋(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(1.3 cm)被切掉。聚酯薄膜薄片30抵靠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團的第二可聚合單體混合物澆注至包封之第二凹穴中。以2英吋(5.1 cm)之間隔交替地夾住夾層之側，直至混合物之位準高於電極基板為止。允許混合物維持不變達10分鐘。

自玻璃夾層移除包封20且將其置放於聚酯薄膜盤中。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，且將四個大的夾具附接在包封/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℃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氯化鈉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內之平坦、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內。

10．．．雙極電極

12．．．實質上平坦之電極基板/多孔電極基板/電極

12A．．．薄膜之面/第一面

12B．．．薄膜之面/第二面

14．．．活性碳層/活性碳

18．．．帶/外周邊帶/區域

20．．．兩凹穴包封

22．．．大體上矩形之聚乙烯薄膜/聚乙烯袋狀薄膜

30．．．塑膠或聚酯薄膜(Mylar)薄片

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。

10．．．雙極電極

12．．．實質上平坦之電極基板/多孔電極基板/電極

12A．．．薄膜之面/第一面

12B．．．薄膜之面/第二面

14．．．活性碳層/活性碳

18．．．帶/外周邊帶/區域

20．．．兩凹穴包封

22．．．大體上矩形之聚乙烯薄膜/聚乙烯袋狀薄膜

30．．．塑膠或聚酯薄膜(Mylar)薄片

Claims (7)

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一側上的一第一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；將具有一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一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；及聚合該第一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，其中該第一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，其中該第一可聚合單體混合物及該第二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85℃之烘箱中來聚合。
4. 如請求項1之方法，其中第一陰離子可聚合單體混合物係選自由烯系不飽和三級胺及四級胺化合物及其鹽及衍生物組成的群組。
5. 如請求項1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和磺酸及羧酸及其鹽及衍生物組成的群組。
6. 如請求項1之方法，其進一步包含抵靠該電極基板將一聚酯薄膜薄片插入於該包封之每一側中。
7. 如請求項1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凹穴中且將一第二移液管插入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。