[发明专利]用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于离子交换膜技术领域，具体涉及一种用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜及其制备方法。所述的用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜，包括全氟磺酸聚合物层，在所述全氟磺酸聚合物层表面涂布有功能表面涂层，所述的功能表面涂层由全氟聚合物和金属氧化物组成且具有多孔粗糙结构，在所述全氟磺酸聚合物层包埋有多孔无纺聚合物层。本发明采用超薄多孔无纺聚合物作为增强材料，使其具有较好的机械性能的同时兼具更低的膜电阻，通过功能表面层中金属氧化物与全氟聚合物组成的粗糙表面结构，具有防止气泡附着、降低电解槽电压以及节省电能的良好性能，适合在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中运行。

技术领域

本发明属于离子交换膜技术领域，具体涉及一种用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜及其制备方法。

背景技术

由于离子交换膜具有优异的选择透过性，其已被广泛的运用于电解氧化和还原操作中。全氟离子交换膜在食盐电解工业上的应用，引起了氯碱工业的革命性变化。此外其在氯化钾电解制造碳酸钾、氯化钠电解制造碳酸钠、氯化钠电解制备亚硫酸钠、硫酸钠电解制烧碱和硫酸等领域均具有广泛应用。离子交换膜被誉为电解的“芯片”，因此开发更低电耗，更耐用的离子交换膜一直是大家努力的方向。通过在膜中加入增强网可以有效提高膜的机械强度，提高膜的耐用性；通过降低阳极与阴极之间的槽间距可有效降低槽电压。但当电极间的距离减少到一定距离时，由于膜紧贴在电极上，电解过程中产生的气泡极易粘附在膜表面难以释放。大量气泡聚集在膜表面阻碍了电流通道，使膜的有效电解面积减小，局部极化作用明显增加，反而使槽压升高。

目前，全氟磺酸离子交换膜都存在交换容量高而机械强度低、机械强度高而交换容量低的问题。并且，在实际应用中对隔膜机械强度及强度的使用寿命要求相当高，现有的全氟磺酸离子交换膜并不能满足。现有技术中，对离子交换膜的涂层进行了大量的研究，然而涂层中的填充物反而会阻碍离子传输路径，使得膜电阻更大，无法适用于高电流密度条件下的零极距电解槽中，大大限制了其应用领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜，通过在全氟磺酸膜内增加多孔聚合物膜，使其具有较好的机械性能的同时兼具更低的膜电阻，能够适用在新型高电流密度条件下的零极距电解槽中，能有效降低槽电压，减少电解能耗，降低生产成本。同时本发明还提供其制备方法，工艺简单合理，易于工业化生产。

本发明所述的用于碱金属氯化物电解的超薄全氟磺酸离子交换膜，包括全氟磺酸聚合物层，在所述全氟磺酸聚合物层表面涂布有功能表面涂层，所述的功能表面涂层由全氟聚合物和金属氧化物组成且具有多孔粗糙结构，在所述全氟磺酸聚合物层包埋有多孔无纺聚合物层。

所述的全氟磺酸聚合物层厚度为10-80μm，优选20-60μm，离子交换容量为0.6-1.5mmol/g，优选0.8-1.2mmol/g。

所述的功能表面涂层中的全氟聚合物为具有离子交换功能的全氟聚合物，所述全氟聚合物为全氟磺酸聚合物、全氟羧酸聚合物或全氟磷酸聚合物中的一种或一种以上，优选全氟磺酸聚合物，所述全氟聚合物离子交换容量(IEC)为0.5-1.5mmol/g，优选0.8-1.2mmol/g。

所述的功能表面涂层中每平方米含有的金属氧化物的量为大于0g，小于20g，优选0.1-12g，粒径为5nm-10μm，优选20-800nm，所述的金属氧化物为ⅣB族中锆、铪或铈的氧化物，优选氧化锆。

所述的多孔无纺聚合物层的材质为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮中的一种或多种组合，厚度为3-50μm，优选10-40μm，孔隙率为20-99％，优选60-80％。