一种碱性水电解隔膜及其制备方法

1.本发明属于隔膜制备技术领域，尤其涉及一种碱性水电解隔膜及其制备方法。

背景技术：

2.目前，在对抗气候变化、化石燃料价格激增、能源供应风险加大等因素的影响下，全球氢能产业呈现高速扩张态势。相比煤制氢、工业副产氢，目前，碱性电解水制氢面临制氢成本较大问题，因此电解水制氢成本需要大幅度降低。
3.水电解槽电解水产生的氢气和氧气由电解槽内的隔膜分离开，隔膜的性能会影响电解槽的直流电耗，且对气体的纯度也会有直接的影响。为了降低电解槽的能耗，获得更高的气体纯度，人们在研究高性能电极的同时，电解槽隔膜也成为人们研究的热点。据国内外的报道，目前已有的隔膜有石棉隔膜、聚四氟乙烯树脂改性石棉隔膜、非石棉隔膜、聚苯硫醚隔膜、聚砜类隔膜等。
4.聚苯硫醚(pps)是以对二氯苯和nas为原料，n-甲基吡咯烷酮为溶剂，在175～350℃、常压至70pa下进行缩聚反应制取的分子主链中带有苯硫基的线型结晶性热塑性树脂，由其制成的纤维具有良好的耐热性能、机械性能、耐腐蚀、耐化学药品性、尺寸稳定性和电性能，是和好的水电解槽制氢用隔膜的材料。但是聚苯硫醚的吸湿性能很差，其隔膜表面和隔膜孔隙不能完全被水润湿，这就使气泡很容易聚集在隔膜-电解质的界面上。这些气泡增加了溶液的欧姆电阻，因此，必须对其进行亲水改性。另外目前的pps隔膜主要是纤维织物的形态，机械强度降低，厚度受一定影响。为克服以上缺点，亟需设计一种新的碱性水电解隔膜及其制备方法。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有聚苯硫醚的吸湿性能很差，隔膜表面和隔膜孔隙不能完全被水润湿，使气泡容易聚集在隔膜-电解质的界面上，而气泡增加了溶液的欧姆电阻。
7.(2)目前的pps隔膜是纤维织物的形态，机械强度降低，厚度受一定影响。

技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种碱性水电解隔膜及其制备方法。
9.本发明是这样实现的，一种碱性水电解隔膜，碱性水电解隔膜由成膜聚合物、稀释剂、辅助稀释剂以及填料颗粒制备而成。
10.进一步，成膜聚合物为pps。
11.进一步，稀释剂为己内酰胺(cpl)。
12.进一步，辅助稀释剂为癸二酸二丁酯(dbs)。
13.进一步，填料颗粒为纳微米级亲水性二氧化硅(sio2)、二氧化锆(zro2)、氧化钡(bao)或三氧化二铝(al2o3)颗粒。
14.进一步，填料颗粒的粒径为2微米。
15.本发明的另一目的在于提供一种实施碱性水电解隔膜的碱性水电解隔膜的制备
方法，碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
16.步骤一，将一定质量的二氧化硅颗粒加入到装有稀释剂cpl和dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理一段时间；
17.步骤二，将pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到265℃并搅拌15min，获得均匀溶液；
18.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
19.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中48h，得到碱性水电解隔膜。
20.进一步，步骤一中的超声处理时间为30min。
21.进一步，步骤四中的凝固水浴的温度为25℃。
22.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
23.本发明采用热致相分离法制备亲水性pps隔膜。本发明提出的热致相分离法pps隔膜具有亲水性好、机械强度高的优点，且同时孔隙率高、耐热碱液的化学抗性好。
24.本发明提供的碱性水电解隔膜的制备方法简单易行。
25.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明应用于电解行业中，是电解槽的核心零部件。
26.本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：增强了pps的亲水性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种碱性水电解隔膜及其制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
31.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
32.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜由成膜聚合物、稀释剂、辅助稀释剂以及填料颗粒制备而成；其中，成膜聚合物为pps，稀释剂为cpl，辅助稀释剂为dbs，填料颗粒为微纳米级sio2、zro2、bao和al2o3颗粒，填料颗粒的粒径为50纳米～2微米。
33.如图1所示，本发明实施例提供的碱性水电解隔膜制备方法包括以下步骤：
34.s101，将一定质量的二氧化硅颗粒加入到装有稀释剂cpl和dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理30min；
35.s102，将pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到265℃并搅拌15min以获得均匀溶液；
36.s103，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
37.s104，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固浴(水，25℃)中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中48h，以除去稀释剂。
38.本发明实施例提供的一种碱性水电解隔膜，由成膜聚合物、稀释剂、辅助稀释剂以及填料颗粒制备而成；成膜聚合物为pps；稀释剂为cpl；辅助稀释剂为dbs；添料为纳米到微米级亲水性sio2、zro2、bao、和al2o3；添料的粒径为50nm～10μm。
39.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
40.步骤一，将一定质量的添料颗粒加入到装有稀释剂cpl和dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理一段时间；
41.步骤二，将一定质量的pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到265℃～285℃并搅拌5min～30min，获得均匀溶液；
42.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
43.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中12～48h，得到碱性水电解隔膜。
44.步骤一中的超声处理时间为5～60min。
45.步骤四中的凝固水浴的温度为10～30℃。
46.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
47.实施例1：
48.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
49.步骤一，将2质量份的zro2，颗粒粒径50nm，加入到装有稀释剂61质量份的cpl和12质量份的dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理5min；
50.步骤二，将25质量份的pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到265℃并搅拌5min，获得均匀溶液；
51.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
52.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中12，得到碱性水电解隔膜。
53.实施例2：
54.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
55.步骤一，将4质量份的sio2，颗粒粒径1um，加入到装有稀释剂59质量份的cpl和12质量份的dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理10min；
56.步骤二，将25质量份的pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到285℃并
搅拌8min，获得均匀溶液；
57.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
58.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中24h，得到碱性水电解隔膜。
59.实施例3
60.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
61.步骤一，将6质量份的bao2，颗粒粒径2um，加入到装有稀释剂57质量份的cpl和12质量份的dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理20min；
62.步骤二，将25质量份的pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到275℃并搅拌20min，获得均匀溶液；
63.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
64.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中30h，得到碱性水电解隔膜。
65.实施例4
66.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
67.步骤一，将8质量份的al2o3，颗粒粒径10um，加入到装有稀释剂55质量份的cpl和12质量份的dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理60min；
68.步骤二，将25质量份的pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到285℃并搅拌30min，获得均匀溶液；
69.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
70.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中48h，得到碱性水电解隔膜。
71.对比例：
72.本发明实施例提供的碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：
73.步骤一，将25质量份的pps树脂加入到装有稀释剂73质量份的cpl和12质量份的dbs的三口烧瓶中；
74.步骤二，将混合溶液中在氮气气氛下加热到285℃并搅拌30min，获得均匀溶液；
75.步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；
76.步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中48h，得到碱性水电解隔膜。
77.表1、实施例1～4与对比例的效果对比
[0078][0079]
除此之外，本发明还提供的更多使用zro2作为填料时所得到的的pps膜的配料和性能对比信息。
[0080]
表2、制膜配方表
[0081][0082]
表3、纯pps膜的性能对比
[0083][0084][0085]
表4、25wt％含量pps条件下不同zro2含量膜的性能对比
[0086][0087]
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0088]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种碱性水电解隔膜，其特征在于，碱性水电解隔膜由成膜聚合物、稀释剂、辅助稀释剂以及填料颗粒制备而成。2.如权利要求1所述的碱性水电解隔膜，其特征在于，成膜聚合物为pps。3.如权利要求1所述的碱性水电解隔膜，其特征在于，稀释剂为己内酰胺(cpl)。4.如权利要求1所述的碱性水电解隔膜，其特征在于，辅助稀释剂为癸二酸二丁酯(dbs)。5.如权利要求1所述的碱性水电解隔膜，其特征在于，填料颗粒为纳微米级亲水性二氧化硅(sio2)、二氧化锆(zro2)、氧化钡(bao)或三氧化二铝(al2o3)颗粒。6.如权利要求5所述的碱性水电解隔膜，其特征在于，填料颗粒的粒径为2微米。7.一种实施如权利要求1～6任意一项所述的碱性水电解隔膜的碱性水电解隔膜的制备方法，其特征在于，碱性水电解隔膜的制备方法包括以下步骤：步骤一，将一定质量的添料颗粒加入到装有稀释剂cpl和dbs的三口烧瓶中，并在热水中超声处理一段时间；步骤二，将pps树脂加入到混合溶液中并在氮气气氛下加热到265℃～285℃并搅拌5min～30min，获得均匀溶液；步骤三，静止脱泡10min后，将均匀溶液快速倒在加热好的不锈钢板面板上，并迅速用刮膜棒刮制成薄膜；步骤四，将附着在不锈钢板上的铸膜液立即浸入凝固水浴中固化成膜，将湿膜浸入热乙醇中12～48h，得到碱性水电解隔膜。8.如权利要求7所述的碱性水电解隔膜的制备方法，其特征在于，步骤一中的超声处理时间为5～60min。9.如权利要求7所述的碱性水电解隔膜的制备方法，其特征在于，步骤四中的凝固水浴的温度为10～30℃。

技术总结

本发明属于隔膜制备技术领域，公开了一种碱性水电解隔膜及其制备方法，碱性水电解隔膜由成膜聚合物、稀释剂、辅助稀释剂以及填料颗粒制备而成；其中，成膜聚合物为PPS，稀释剂为CPL，辅助稀释剂为DBS，填料颗粒为微米级亲水性SiO2、ZrO2和Al2O3，填料颗粒的粒径为2微米。本发明采用热致相分离法，将二氧化硅颗粒加入CPL和DBS中并超声处理；加入PPS树脂并加热搅拌后倒在不锈钢板面板上，用刮膜棒刮制成薄膜；将铸膜液浸入凝固浴中固化成膜，除去稀释剂，制备得到亲水性PPS隔膜。本发明提出的热致相分离法PPS隔膜具有亲水性好、机械强度高的优点，同时孔隙率高、耐热碱液的化学抗性好，制备方法简单易行。备方法简单易行。备方法简单易行。