[发明专利]有机聚合物材料及其所制备的离子交换膜

说明书

本发明涉及有机聚合物材料及其所制备的离子交换膜，尤其是涉及用于电化槽的离子交换膜。

由具有离子交换性能的有机聚合物材料所制备的离子交换膜广泛地应用于各种领域上，并且这种膜的各种用途连续地增长。此种聚合物材料和各种膜是含有固定的阴离子基团和缔合阳离子，从而能够交换阳离子，或者它们含有固定的阳离子基团和缔合阴离子，因而也能够交换阴离子，或者该聚合物材料和各种膜可以同时含有固定的阴离子基团和固定的阳离子基团。

各类离子交换膜可用于反渗透和超过滤等分离方法中，例如它们在海水脱盐和碱化水及工业废液的净化中得到了广泛的应用。离子交换膜在工业上，例如在果汁和药品等的溶液的浓缩中也得到许多应用。

离子交换膜对于水压法基本上是不渗透的而对于溶解的阳离子或阴离子，或者对两者都是可渗透的，在燃料电池、使电解质电解的电解槽和电合成的电化槽中发现日益增长的应用。近几年来，在电解碱金属氯化物溶液中来制备氯和液体碱金属氢氧化物的溶液所使用的氯-碱槽中采用阳离子交换膜已成为主要的发展方向。在此氯碱槽中是将阳离子交换膜配置在阳极和其相邻的阴极之间，其中碱金属氯化物水溶液在槽中被电解，此溶液加入到槽的阳极室，被电解而生产氯，残余的碱金属氯化物溶液则移出阳极室，水含的碱金属离子从阳极室穿过膜到达槽的阴极室，在此室是加入水或稀碱金属氢氧化物溶液，此时碱金属离子与水反应生成氢和碱金属氢氧化物溶液，然后从槽的阴极室移出。

尽管已提出过许多种有机聚合物材料可用作这类氯碱槽中的膜，但是只有那些含有离子交换基团的，特别是固定的磺基和羧基的全氟有机聚合物材料才在近几年来找到了用于这类电解槽，这是因为全氟有机聚合物材料在这类电解槽在遭受化学腐蚀的环境中仍具有化学稳定性，尤其对于湿态氯气和含氯的碱金属卤化物溶液和碱金属氢氧化物溶液，在典型的90℃温度下具有化学稳定性。

含有离子交换基团的全氟有机聚合物材料的一个例子是GB-1034197中所述的含磺基全氟有机聚合物，该聚合物，例如可含有下列结构的单元

和

其中R_f为氟或具有1-10个碳原子的全氟烷基，例如全氟甲基、n为1、2或3，Y为氟或三氟甲基，以及M为氟、羟基、氨基、或具有通式为-OMet的基团，这里的Met为碱金属或被取代或未取代的铵基。在GB-1402920中介绍了这类全氟有机聚合物作为一种离子交换膜，在氯碱电解槽中的应用。含有这类全氟有机聚合物的离子交换膜其商品名称为“Nafion”是由EI杜邦de Nemours InC所生产的。优选的上述结构的全氟有机聚合物中Y为CF₃、n为1和R_f为F。

含有离子交换基团的全氟有机聚合物材料的其他例子是如GB-1516048和1518387中所述的含羧基的全氟有机聚合物，这类全氟有机聚合物的例子包括四氟乙烯与

CF₂＝CFOCF₂CF₂CF₂COX，

CF₂＝CFOCF₂CF（CF₃）OCF₂CF₂CF₂COX，

CF₂＝CFO（CF₂）₃OCF（CF₃）COX，

CF₂＝CFO（CF₂）₄OCF（CF₃）COX和

CF₂＝CFOCF₂CF（CF₃）OCF₃CF₂COX

式中X为氟、羧基、烷氧基、或具有通式OM的基团等，式中M为碱金属或季铵基。含有此类全氟有机聚合物的离子交换膜是市售的商品名为“Flemion”，是由旭硝子公司生产的。