一种水电解槽用隔膜布及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水电解槽用隔膜布及其生产方法。
【背景技术】
[0002] 隔膜是水电解槽的主要核心材料，被置于水电解槽的阳极、阴极之间，阻止阳极侧 气体和阴极侧气体的混合，以保证气体的纯度。其性能要求为：能被电解液充分润湿；平均 孔径小、气密性高；孔隙率大；有一定的机械强度和刚度；不被碱性电解液腐蚀、耐高温、耐 化学稳定性强；容易实施工业化。
[0003] 目前国内主要的碱性水电解制氢设备厂家仍然使用石棉布作为隔膜。但是，随着 工业化进程的推进和技术进步，在生产实践过程中，人们也逐渐认识到石棉隔膜存在一些 问题。首先，石棉隔膜自身的溶胀性及化学不稳定性，导致纯石棉隔膜在特定的运行环境 中，特别是高电流负荷下，具有严重溶胀的缺陷，使隔膜机械强度下降，使用寿命缩短。而 且，由于石棉材料的限制，电解液温度只能控制在90°C以下，当电解液温度超过90°C时，石 棉隔膜的腐蚀也会加剧，从而对电解液造成污染，影响其使用寿命，所以很难利用提高溶液 温度的方法来提高电解槽的效率。同时，目前石棉材料还存在着资源减少、价格提高和质量 的不稳定性等问题。综合上述原因，能够代替石棉隔膜的新型隔膜材料的开发应用已成为 行业内非常重要的课题。各水电解制氢设备制造商也纷纷积极地探索节能环保、且工业化 实现容易的高性能的新型隔膜材料。然而，这些所谓的新型隔膜材料由于仍然存在着如下 的各种问题，还不能完全取代石棉隔膜。
[0004] 如中国公开专利CN101372752公开了一种采用普通聚苯硫醚纤维制成的非制造 布，然后通过70~130°C，90~98%的H 2SO4进行磺化处理20~40分钟，再用30%的氢氧 化钾处理，最后得到耐高温碱性水电解槽隔膜。该发明由于非织造布的吸液率相对较强，经 过强酸处理后，在清洗过程中需要消耗大量宝贵的水资源和化学药品，清洗时间也较长，且 工艺操作复杂，易对环境造成污染。同时安全性也差，不宜进行工业化生产。
[0005] 又如中国公开专利CNlOl 195944公开了一种采用聚醚醚酮纤维、聚苯硫醚纤维、 聚丙烯纤维中的一种、两种或三种为原料织造而成的机织物作为无石棉环保节能型隔膜 布，虽然该隔膜布的气密性满足了石棉隔膜的标准要求，但由于上述化学纤维的吸水性差， 导致制得的隔膜布亲水性差，无法真正满足使用要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种气密性高、亲水性好的水电解槽用隔膜布。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种工艺简单、省能源、对环境无污染的水电解槽用 隔膜布的生产方法。
[0008] 本发明的技术解决方案如下：一种水电解槽用隔膜布，该隔膜布是由直径在4~ 12um之间的聚苯硫醚纤维构成的高密度机织物，该隔膜布的厚度为0· 2~3. 0mm，克重为 200~600g/m2。如果聚苯硫醚纤维的直径小于4um的话，在纺丝工艺和后道纺纱工艺过程 中，都会带来困难。本发明通过采用细纤度的聚苯硫醚纤维，可以增加隔膜布内的纤维表 面积，提高其芯吸效果，在相同结构的高密度织物隔膜布中，与普通粗旦纤维的隔膜布相 t匕，本发明隔膜布的吸水率可以提高5%以上；而且在进行后道亲水加工的情况下，隔膜布 的纤维表面积的增加，从而可以增加其形成亲水基团的数量，从而提高其亲水性，与普通粗 旦纤维的隔膜布相比，本发明隔膜布的吸水率可以提高8%以上，吸水速度均降为Is以内全 部吸收。本发明通过采用细纤度的聚苯硫醚纤维，还可以保持纱线和织物结构致密均匀， 从而提高隔膜织物的致密性，降低平均孔径，提高孔径均匀性，从而进一步提高其气密性。 考虑到能保证水电解槽用隔膜布的气密性高，同时可以具有很好的吸水性能，本发明聚苯 硫醚纤维的直径优选6~10um。
[0009] 本发明隔膜布的厚度为0. 2~3. Omm，优选0. 4~1.0 mm ;克重为200~600g/m2， 优选300~450g/m2。如果隔膜布的厚度小于0. 2mm，克重小于200g/m2的话，就会给织 造带来一定的难度，同时对隔膜布的气密性也会产生一定的影响；如果隔膜布的厚度大于 3. 0_，克重大于600g/m2的话，不但不会对隔膜布产生很明显的优异效果，反而会增加隔膜 布的电阻，不利于降低能耗。
[0010] 另外，织物的覆盖系数是表征织物紧密程度的参数，覆盖系数越高，织物越紧密， 通气度和孔径就越小。本发明的隔膜布选择机织物中的平纹组织，因为平纹织物的交织 点最多，紧密度最大，为了满足隔膜布的气密性要求，该平纹结构隔膜布的覆盖系数为 2300~3000,更优选2500~2900,如果覆盖系数低于2300,由于织物紧度不够，导致织物 的气密性低，这样隔膜布就难于阻挡阴极侧气体和阳极侧气体的通过，从而不能保证气体 的纯度以及安全性；如果平纹织物的覆盖系数高于3000,对织机有较高的要求，织造困难。 [0011] 考虑到隔膜织物能够保持长期稳定且优越的气密性，上述隔膜布的平均孔径小于 10 μ m，优选其小于5 μ m、通气度优选I. 5 L/cm2/min以下。这样气体分子、气泡就难于通过， 从而阻止阳极侧气体和阴极侧气体的混合，以保证气体的纯度且安全性好。为了保证本发 明隔膜布的气密性使用要求，同时提高气体的发生效率，并提高生成气体的纯度，在平均孔 径小于10 μ m的前提下，优化织造条件，提高孔径的均匀性，使孔径在0. 2~10 μ m之间的 孔占全部孔的60%以上，优选80%以上。在优选的隔膜布的平均孔径小于5 μ m的前提下， 更优选0. 2~5 μ m之间的孔占全部孔的60%以上。
[0012] 本发明的水电解槽用隔膜布的气密性，在满足250mm以上H2O压力下，保持2min 不透气的条件下，可以基本满足实际水电解槽中隔膜布的气密性使用要求，且同时考虑到 隔膜布能具有优异的气密性、离子的通过效率以及隔膜布的加工性，本发明的水电解槽用 隔膜布的气密性优选300~450mmH 20压力。如果气密性小于250mmH20压力，无法满足隔膜 基本需求，生成的气体纯度受影响；如果气密性高于450mmH 20压力，一方面织造困难，成本 商，另一方面会提商隔I旲布的电阻，进而提商单位广气的能源消耗量。
[0013] 本发明的水电解槽用隔膜布的纤维表面含有亲水基团，且所述纤维表面的氧元 素含量为12重量％以上。如果氧元素的含量小于12重量％的话，就会导致隔膜布的亲水 性改善效果不佳，隔膜布不能被电解液充分润湿，而且隔膜布的电阻大，电解效率低，能源 损失大。考虑到隔膜布的亲水性和加工成本，上述纤维表面的氧元素含量优选15~75重 量％，更优选15~35重量％。
[0014] 上述聚苯硫醚纤维表面含有的亲水基团和化学键种类是与加工方法和加工用气 体的种类有关的，该亲水基团包括羧基（COOH)、羰基（C=0)、羟基（-OH)、醛基（CHO)、-SOx 中的至少一种，且其含量总数（mol数）占织物表面基团总数的10~60%，考虑到隔膜的亲 水性和加工成本，优选20~50%。
[0015] 上述构成高密度机织物的聚苯硫醚纱线的支数为3~20s，优选5~15s。如果聚 苯硫醚纱线的支数太少的话，制得的隔膜布的厚度较厚，虽然满足气密性和隔膜性要求， 但是提高了其隔膜电阻，不利于节省能源；如果聚苯硫醚纱线的支数太多的话，由于纱线 细度较细，织物密度较高，给织造带来了困难，因此聚苯硫醚纱线的支数优选3~20s。
[0016] 经过亲水处理后，与处理前的织物相比，本发明的水电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%的话，其亲水性改善效果不佳。考虑到隔膜布的 亲水性和加工性，吸水率的提高比率优选15~200%，更优选20~100%。
[0017] 本发明的水电解槽用隔膜布的生产方法，包括如下步骤： (1) 将直径为4~12um的聚苯硫醚纤维通过清绵-梳绵-并条-粗纱-细纱-络筒-并 纱-加抢-热定型的棉纺工艺进行纺纱，制得支数为3~20s的聚苯硫醚纱线； (2) 将制得的聚苯硫醚纱线通过织机织造，制得经向密度为130~400根/10cm、纬向 密度为90~300根/IOcm的高密度机织物； (3) 将制得的高密度机织物进行后整理加工，后整理加工包括精炼、干燥、热定型，最后 制得成品。精炼工程中将碱液和精炼剂的混合溶液作为精炼液，精炼温度80~KKTC、精炼 速度20~50m/min，如果精练温度大于10(TC、速度低于20m/min，就会导致织物收缩率增 加，能耗增加；而如果精