一種水電解槽用隔膜布及其生產方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水電解槽用隔膜布及其生產方法。
【背景技術】
[0002] 隔膜是水電解槽的主要核心材料，被置于水電解槽的陽極、陰極之間，阻止陽極側 氣體和陰極側氣體的混合，以保證氣體的純度。其性能要求為：能被電解液充分潤濕；平均 孔徑小、氣密性高；孔隙率大；有一定的機械強度和剛度；不被堿性電解液腐蝕、耐高溫、耐 化學穩定性強；容易實施工業化。
[0003] 目前國內主要的堿性水電解制氫設備廠家仍然使用石棉布作為隔膜。但是，隨著 工業化進程的推進和技術進步，在生產實踐過程中，人們也逐漸認識到石棉隔膜存在一些 問題。首先，石棉隔膜自身的溶脹性及化學不穩定性，導致純石棉隔膜在特定的運行環境 中，特別是高電流負荷下，具有嚴重溶脹的缺陷，使隔膜機械強度下降，使用壽命縮短。而 且，由于石棉材料的限制，電解液溫度只能控制在90°C以下，當電解液溫度超過90°C時，石 棉隔膜的腐蝕也會加劇，從而對電解液造成污染，影響其使用壽命，所以很難利用提高溶液 溫度的方法來提高電解槽的效率。同時，目前石棉材料還存在著資源減少、價格提高和質量 的不穩定性等問題。綜合上述原因，能夠代替石棉隔膜的新型隔膜材料的開發應用已成為 行業內非常重要的課題。各水電解制氫設備制造商也紛紛積極地探索節能環保、且工業化 實現容易的高性能的新型隔膜材料。然而，這些所謂的新型隔膜材料由于仍然存在著如下 的各種問題，還不能完全取代石棉隔膜。
[0004] 如中國公開專利CN101372752公開了一種采用普通聚苯硫醚纖維制成的非制造 布，然后通過70~130°C，90~98%的H 2SO4進行磺化處理20~40分鐘，再用30%的氫氧 化鉀處理，最后得到耐高溫堿性水電解槽隔膜。該發明由于非織造布的吸液率相對較強，經 過強酸處理后，在清洗過程中需要消耗大量寶貴的水資源和化學藥品，清洗時間也較長，且 工藝操作復雜，易對環境造成污染。同時安全性也差，不宜進行工業化生產。
[0005] 又如中國公開專利CNlOl 195944公開了一種采用聚醚醚酮纖維、聚苯硫醚纖維、 聚丙烯纖維中的一種、兩種或三種為原料織造而成的機織物作為無石棉環保節能型隔膜 布，雖然該隔膜布的氣密性滿足了石棉隔膜的標準要求，但由于上述化學纖維的吸水性差， 導致制得的隔膜布親水性差，無法真正滿足使用要求。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種氣密性高、親水性好的水電解槽用隔膜布。
[0007] 本發明的另一目的在于提供一種工藝簡單、省能源、對環境無污染的水電解槽用 隔膜布的生產方法。
[0008] 本發明的技術解決方案如下：一種水電解槽用隔膜布，該隔膜布是由直徑在4~ 12um之間的聚苯硫醚纖維構成的高密度機織物，該隔膜布的厚度為0· 2~3. 0mm，克重為 200~600g/m2。如果聚苯硫醚纖維的直徑小于4um的話，在紡絲工藝和后道紡紗工藝過程 中，都會帶來困難。本發明通過采用細纖度的聚苯硫醚纖維，可以增加隔膜布內的纖維表 面積，提高其芯吸效果，在相同結構的高密度織物隔膜布中，與普通粗旦纖維的隔膜布相 t匕，本發明隔膜布的吸水率可以提高5%以上；而且在進行后道親水加工的情況下，隔膜布 的纖維表面積的增加，從而可以增加其形成親水基團的數量，從而提高其親水性，與普通粗 旦纖維的隔膜布相比，本發明隔膜布的吸水率可以提高8%以上，吸水速度均降為Is以內全 部吸收。本發明通過采用細纖度的聚苯硫醚纖維，還可以保持紗線和織物結構致密均勻， 從而提高隔膜織物的致密性，降低平均孔徑，提高孔徑均勻性，從而進一步提高其氣密性。 考慮到能保證水電解槽用隔膜布的氣密性高，同時可以具有很好的吸水性能，本發明聚苯 硫醚纖維的直徑優選6~10um。
[0009] 本發明隔膜布的厚度為0. 2~3. Omm，優選0. 4~1.0 mm ;克重為200~600g/m2， 優選300~450g/m2。如果隔膜布的厚度小于0. 2mm，克重小于200g/m2的話，就會給織 造帶來一定的難度，同時對隔膜布的氣密性也會產生一定的影響；如果隔膜布的厚度大于 3. 0_，克重大于600g/m2的話，不但不會對隔膜布產生很明顯的優異效果，反而會增加隔膜 布的電阻，不利于降低能耗。
[0010] 另外，織物的覆蓋系數是表征織物緊密程度的參數，覆蓋系數越高，織物越緊密， 通氣度和孔徑就越小。本發明的隔膜布選擇機織物中的平紋組織，因為平紋織物的交織 點最多，緊密度最大，為了滿足隔膜布的氣密性要求，該平紋結構隔膜布的覆蓋系數為 2300~3000,更優選2500~2900,如果覆蓋系數低于2300,由于織物緊度不夠，導致織物 的氣密性低，這樣隔膜布就難于阻擋陰極側氣體和陽極側氣體的通過，從而不能保證氣體 的純度以及安全性；如果平紋織物的覆蓋系數高于3000,對織機有較高的要求，織造困難。 [0011] 考慮到隔膜織物能夠保持長期穩定且優越的氣密性，上述隔膜布的平均孔徑小于 10 μ m，優選其小于5 μ m、通氣度優選I. 5 L/cm2/min以下。這樣氣體分子、氣泡就難于通過， 從而阻止陽極側氣體和陰極側氣體的混合，以保證氣體的純度且安全性好。為了保證本發 明隔膜布的氣密性使用要求，同時提高氣體的發生效率，并提高生成氣體的純度，在平均孔 徑小于10 μ m的前提下，優化織造條件，提高孔徑的均勻性，使孔徑在0. 2~10 μ m之間的 孔占全部孔的60%以上，優選80%以上。在優選的隔膜布的平均孔徑小于5 μ m的前提下， 更優選0. 2~5 μ m之間的孔占全部孔的60%以上。
[0012] 本發明的水電解槽用隔膜布的氣密性，在滿足250mm以上H2O壓力下，保持2min 不透氣的條件下，可以基本滿足實際水電解槽中隔膜布的氣密性使用要求，且同時考慮到 隔膜布能具有優異的氣密性、離子的通過效率以及隔膜布的加工性，本發明的水電解槽用 隔膜布的氣密性優選300~450mmH 20壓力。如果氣密性小于250mmH20壓力，無法滿足隔膜 基本需求，生成的氣體純度受影響；如果氣密性高于450mmH 20壓力，一方面織造困難，成本 商，另一方面會提商隔I旲布的電阻，進而提商單位廣氣的能源消耗量。
[0013] 本發明的水電解槽用隔膜布的纖維表面含有親水基團，且所述纖維表面的氧元 素含量為12重量％以上。如果氧元素的含量小于12重量％的話，就會導致隔膜布的親水 性改善效果不佳，隔膜布不能被電解液充分潤濕，而且隔膜布的電阻大，電解效率低，能源 損失大。考慮到隔膜布的親水性和加工成本，上述纖維表面的氧元素含量優選15~75重 量％，更優選15~35重量％。
[0014] 上述聚苯硫醚纖維表面含有的親水基團和化學鍵種類是與加工方法和加工用氣 體的種類有關的，該親水基團包括羧基（COOH)、羰基（C=0)、羥基（-OH)、醛基（CHO)、-SOx 中的至少一種，且其含量總數（mol數）占織物表面基團總數的10~60%，考慮到隔膜的親 水性和加工成本，優選20~50%。
[0015] 上述構成高密度機織物的聚苯硫醚紗線的支數為3~20s，優選5~15s。如果聚 苯硫醚紗線的支數太少的話，制得的隔膜布的厚度較厚，雖然滿足氣密性和隔膜性要求， 但是提高了其隔膜電阻，不利于節省能源；如果聚苯硫醚紗線的支數太多的話，由于紗線 細度較細，織物密度較高，給織造帶來了困難，因此聚苯硫醚紗線的支數優選3~20s。
[0016] 經過親水處理后，與處理前的織物相比，本發明的水電解槽用隔膜布的吸水率提 高15%以上，如果吸水率提高比率小于15%的話，其親水性改善效果不佳。考慮到隔膜布的 親水性和加工性，吸水率的提高比率優選15~200%，更優選20~100%。
[0017] 本發明的水電解槽用隔膜布的生產方法，包括如下步驟： (1) 將直徑為4~12um的聚苯硫醚纖維通過清綿-梳綿-并條-粗紗-細紗-絡筒-并 紗-加搶-熱定型的棉紡工藝進行紡紗，制得支數為3~20s的聚苯硫醚紗線； (2) 將制得的聚苯硫醚紗線通過織機織造，制得經向密度為130~400根/10cm、緯向 密度為90~300根/IOcm的高密度機織物； (3) 將制得的高密度機織物進行后整理加工，后整理加工包括精煉、干燥、熱定型，最后 制得成品。精煉工程中將堿液和精煉劑的混合溶液作為精煉液，精煉溫度80~KKTC、精煉 速度20~50m/min，如果精練溫度大于10(TC、速度低于20m/min，就會導致織物收縮率增 加，能耗增加；而如果精