后處理對水電解槽制氫用PPS纖維隔膜性能的影響

孫亞頗

(鄭州成功財經(jīng)學(xué)院，鞏義，451200)

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后處理對水電解槽制氫用PPS纖維隔膜性能的影響

孫亞頗

(鄭州成功財經(jīng)學(xué)院，鞏義，451200)

對聚苯硫醚(PPS)長絲制成的水電解槽制氫用隔膜進行熱軋和磺化后處理，并對處理前后隔膜的厚度、氣密性、斷裂強度和吸堿性能進行測試比較。結(jié)果表明，PPS纖維隔膜通過后處理，其整體性能得到提高。熱軋?zhí)幚砜墒垢裟ず穸葴p小，隔膜的氣密性和尺寸穩(wěn)定性提高，產(chǎn)生的毛羽減少；磺化處理可使隔膜的吸堿性能提高，隔膜的10 min堿液吸上高度由磺化前的52 mm提高到磺化后的57 mm，但隔膜的經(jīng)緯向斷裂強度均有不同程度的下降，需進一步優(yōu)化磺化工藝。

PPS纖維，隔膜，性能，熱軋，磺化

聚苯硫醚(PPS)是以對二氯苯和NaS為原料，N-甲基吡咯烷酮為溶劑，在175～350 ℃、常壓至70 Pa下進行縮聚反應(yīng)制取的分子主鏈中帶有苯硫基的線型結(jié)晶性熱塑性樹脂，由其制成的纖維具有良好的性能[1]，能夠滿足水電解槽制氫用隔膜的性能要求。

水電解槽電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣由電解槽內(nèi)的隔膜分離開，隔膜的性能會影響電解槽的直流電耗，且對氣體的純度也會有直接的影響。為了降低電解槽的能耗，獲得更高的氣體純度，人們在研究高性能電極的同時，電解槽隔膜也成為人們研究的熱點[2]。本文主要通過對隔膜進行熱軋和磺化后處理，探討后處理工藝對其氣密性、尺寸穩(wěn)定性和親水性的影響。

1 PPS纖維隔膜的后處理

熱軋?zhí)幚碇饕菫榱朔乐怪瞥傻母裟せ荚谑褂眠^程中發(fā)生變形和出現(xiàn)掉毛現(xiàn)象，并進一步提高其氣密性[3]。熱定型要選用適宜的溫度與時間。溫度低和時間短達不到定型效果，而溫度過高和時間過長則布面會發(fā)黃，且浪費能源，增加成本。另外，水電解槽隔膜是在堿性環(huán)境中工作的，由于PPS纖維吸濕性較差，用其制成的隔膜會影響吸堿性能，需進行親水改性處理。本試驗采用磺化法對其進行處理。

2 試驗部分

2.1 材料和試劑

試驗材料：自制PPS長絲隔膜。

試驗試劑：KOH溶液，濃度2 mol/L，天津化學(xué)試劑三廠；98% H2SO4溶液，天津化學(xué)試劑三廠。

2.2 設(shè)備和儀器

Y/TD7-45A熱軋機，天津市智杰科技有限公司；

磺化設(shè)備，自制；

FA2004B電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

02F-6050真空干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；

YG141測厚儀，常州第二紡織機械廠；

YG461織物中壓透氣量儀，寧波紡織儀器廠；

濕態(tài)氣密性測試裝置，自制；

QUANTA 200掃描電子顯微鏡，捷克FEI公司；

YG026D多功能電子織物強力機，寧波紡織儀器廠。

2.3 后處理工藝

熱軋：185 ℃，加壓時間20 s，壓力5 MPa。

磺化：將隔膜基布放在80℃、98 % 的H2SO4中處理30 min，然后用30% KOH 溶液處理。

2.4 隔膜性能測試

2.4.1 厚度

隔膜厚度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測試。

2.4.2 面密度

隔膜面密度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》進行測定。

2.4.3 斷裂強度

隔膜斷裂強度測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行測試，試樣寬度為25 mm，夾持距為200 mm。

2.4.4 氣密性

2.4.4.1 濕態(tài)氣密性(泡點壓力)

采用自行設(shè)計組裝的濕態(tài)隔膜氣密性測試裝置(圖1)進行測試。該裝置由帶有法蘭的圓筒(圓筒上部開口，圓筒的下部可通過閥門供水)和U型壓力指示管(能夠測定空氣壓力)等組成。

圖1 濕態(tài)隔膜氣密性測試裝置

從隔膜樣品中裁取直徑約為150 mm的圓形試樣5個。將在清水中浸泡24 h后的試樣夾持在測試裝置上部兩個法蘭之間，壓緊試樣至四周不漏氣，用螺絲將其固定；往固定好隔膜的法蘭板上方加水，直至水面深度約為100 mm為止；旋開進水閥門，讓水從下面的注水口進入圓筒下部；開始觀察，直至觀察到隔膜上部冒出第一個氣泡，讀取此時U型壓力計的讀數(shù)。在該狀態(tài)下保持2 min，觀察隔膜上方是否繼續(xù)有氣泡冒出和U型壓力計的讀數(shù)是否有變化。如無氣泡冒出并且壓力計讀數(shù)穩(wěn)定，相對應(yīng)的壓力計讀數(shù)即為此樣品的測試壓力值；如隔膜上方繼續(xù)有氣泡冒出，則需繼續(xù)觀察直至無氣泡且壓力計讀數(shù)穩(wěn)定，再記錄此時的壓力值。重復(fù)此操作，直至5個試樣全部完成。取5個試樣的算術(shù)平均值為最終測定結(jié)果。若壓力計讀數(shù)能達到300 Pa，則表明隔膜的濕態(tài)氣密性合格[4]。

2.4.4.2 干態(tài)氣密性

干態(tài)氣密性測定主要是測試其透氣量。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行。測試在高壓條件下進行，進氣孔孔徑3 mm。

2.4.5 吸堿性能

從隔膜樣品中裁取尺寸為250 mm×25 mm的試樣5塊。試樣在105～110 ℃溫度下烘干至恒重，置于干燥器中冷卻至室溫，然后在距離一端邊10 mm處劃標(biāo)記線。

在燒杯中加入200 mL 30%的KOH溶液；將試樣未做標(biāo)記的一端用夾子夾持懸掛于燒杯上方，緩慢下降，使試樣做標(biāo)記的一端逐漸浸入溶液中，直至標(biāo)記線與液面持平；開始計時，10 min 后取出試樣，用直尺測量其堿液吸上高度。依此操作，直至5個試樣全部完成。取5個試樣的算術(shù)平均值為最終測定結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱軋?zhí)幚韺Ω裟ば阅艿挠绊?/p>

3.1.1 厚度

經(jīng)熱軋?zhí)幚砗蟾裟ぶ欣w維的形態(tài)發(fā)生了變化，纖維由原來圓柱形變?yōu)楸馄綆?，隔膜厚度減小。熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ暮穸纫姳?。

從表1可以看出，經(jīng)過熱軋?zhí)幚淼母裟て浜穸染胁煌潭鹊臏p小。在水電解槽電解過程中，隔膜厚度變小可以在一定程度上縮短離子和電子通過隔膜的距離，有利于減小電阻，進而降低小室電壓，從而提高電解效率。另外，經(jīng)過熱軋?zhí)幚淼母裟て浔砻婢鶆蛐暂^好，可在一定程度上提高隔膜的氣密性。

表1 熱軋?zhí)幚砬昂蟮母裟ず穸?(單位：mm)

3.1.2 氣密性

熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ耐笟饬亢团蔹c壓力見表2。

表2 熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ耐笟饬亢团蔹c壓力

由表2可以看出，隔膜經(jīng)熱軋?zhí)幚砗?，在相同測試條件下透氣量減小，泡點壓力增大，基本上都能滿足使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明經(jīng)過熱軋?zhí)幚砜梢悦黠@提高隔膜的氣密性。

3.2 磺化處理對隔膜性能的影響

3.2.1 吸堿性能

磺化處理前后10 min堿液吸上高度分別為52和57 mm，說明隔膜經(jīng)過磺化處理，其吸堿性能略有提高。本試驗采用濃H2SO4進行磺化反應(yīng)，在高溫下磺酸基與PPS苯環(huán)上的氫發(fā)生取代反應(yīng)，使磺酸基進入苯環(huán)，磺酸基可以很好地和水分子結(jié)合，因此提高了PPS的親水性能。

3.2.2 纖維表面形態(tài)和斷裂強度

隔膜磺化處理前后的纖維表面形態(tài)和斷裂強度變化分別見圖2和圖3。

圖3 隔膜磺化處理前后經(jīng)緯向斷裂強度

由圖2可以看出，磺化改性處理在提高隔膜吸堿能力的同時對纖維的表面損傷非常大，纖維表面受到刻蝕脫落，單纖維強度必然會減小，進而會影響到隔膜的強度。由圖3可以看出，磺化處理后隔膜的經(jīng)緯向斷裂強度都有不同程度的減小，將會直接影響隔膜的使用性能。因此，需進一步探索更加適宜的磺化溫度和時間。

4 結(jié)論

(1)水電解槽制氫用PPS纖維隔膜經(jīng)過熱軋?zhí)幚恚軠p小隔膜厚度，提高隔膜的氣密性和尺寸穩(wěn)定性，減少毛羽的產(chǎn)生。

(2)水電解槽制氫用PPS纖維隔膜經(jīng)過磺化處理可提高隔膜的吸堿性能，隔膜的10 min堿液吸上高度由磺化前的52 mm提高到磺化后的57 mm；但隔膜的經(jīng)緯向斷裂強度均有不同程度的下降，將會直接影響隔膜的使用性能，需進一步探索更加適宜的磺化溫度和時間。

(3)隔膜經(jīng)過熱軋和磺化后處理，可提高隔膜的性能，能在一定程度上提高水電解槽制氫的氫、氧氣純度和運行的效率。

[1] 汪家銘，于長水．聚苯硫醚纖維發(fā)展概況及應(yīng)用前景[J]．化工科技市場，2009(4)：1-5．

[2] 王玉斌.非石棉隔膜研究[J]. 氯堿工業(yè)，1994(3):11-15.

[3] 彭富兵，焦曉寧. 隔膜法制氫電解槽用新型隔膜的研制及其應(yīng)用[J].紡織學(xué)報，2008，29(12)：42-45.

[4] 郭仁惠，張建設(shè).固液分離濾布性能測定及選用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998：52-58.

Post-processing effect on the performance of PPS fiber membrane for water electrolyzer hydrogen production

SunYapo

(Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics)

The diaphragm, made of polyphenylene sulfide (PPS) filament for hydrogen production in water electrolyzer, was treated by hot-rolling and sulfonation. Furthermore, its thickness, gas tightness, breaking strength and alkaline absorbing were tested and the data of before and after processing was compared. The test result show that, the diaphragm can perform better in a whole after processing. Hot rolling treatment can reduce its thickness and filoplume generation, and improve its tightness and stability on size. Sulfonation treatment can increase its ability to absorb alkali. The absorb alkali height of the diaphragm at before and after sulfonation reached 52 mm and 57 mm. However, the breaking strength of membrane at longitude and latitude was weakened in varying degrees. In view of this, the process of sulfonation requires further optimization and improvement.

polyphenylene sulfide fiber, diaphragm, performance, hot-rolling, sulfonation

2015-03-12

孫亞頗，男，1983年生，助教。研究方向是功能非織造材料。

TQ116.2+1

A

1004-7093(2015)07-0014-04