离子交换膜流延连续成型方法及装置与流程

本发明涉及一种离子交换膜流延连续成型方法及装置，属于材料科学领域。

背景技术：

离子交换膜是具有离子交换性能的、主要由高分子材料制成的薄膜。它与离子交换树脂相似，都是在高分子骨架上连接一个活性基团，但作用机理和方式、效果都有不同之处。离子交换膜应用广泛，如可装配成电渗析器而用于苦咸水的淡化和盐溶液的浓缩，也可应用于甘油、聚乙二醇的除盐，分离各种离子与放射性元素、同位素，分级分离氨基酸等。此外，在有机和无机化合物的纯化、原子能工业中放射性废液的处理与核燃料的制备，以及燃料电池隔膜、液流电池与离子选择性电极中，也都采用离子交换膜。离子交换膜在膜技术领域中占有重要的地位，它对仿生膜研究也将起重要作用。

对于离子交换膜的制备一种为熔融挤出法，成膜机理为树脂的熔融温度和起始分解温度相差较大时，可以采用将树脂熔体直接从挤出机挤出成膜的成型方法。该法是把树脂在一定的温度下用挤出机直接挤出，挤出温度应该高于树脂的熔融温度，并且低于分解温度。但目前国内急需解决的问题是完善用高温树脂挤塑工艺(如：全氟磺酸膜)，消除成膜过程中的“针眼”等问题，消除增强复合膜中的“鱼眼”问题以及改进膜的复合设备从而提高膜的复合效果，并且该制备工艺的设备价格相对较高。另一种成膜方法为流延法制膜：其成膜机理是浓的离子交换膜溶液挥发过程中大分子链段重排进入晶格并由无序变为有序的结晶过程，溶剂挥发后形成离子交换膜。大分子重排运动需要一定的热运动能，而形成结晶结构又需要分子间有足够的内聚能。该方法比较常用，多采用流延法的是在实验室或小批量级别的离子交换膜制备时。国内主要采用溶液铸膜法制备隔膜，中国专利申请(公开号cn101316880a)的专利中，公开一种溶液的铸膜法，然而溶液铸膜法溶剂的用量大，对环境污染严重，生产效率低、膜厚度均一性不高。因此，开发一种生产效率高、性能稳定、产品成品高、膜厚度均匀的离子交换膜流延连续成型方法及装置至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离子交换膜流延连续成型方法及装置，解决传统流延法制备离子交换膜生产效率低、废品率高、膜厚度均匀性差等问题。

本发明的技术方案：

一种离子交换膜流延连续成型方法，包括成膜浆料的制备、供料，通过刮刀进入流延机热处理成型，以及膜清洗、收卷、裁剪步骤，具体过程如下：首先将成膜树脂，以及聚合物或无机粒子填料，溶解分散在有机溶剂中，调整溶液浓度，再进行脱泡，形成制膜浆料；将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，在流延机上通过改变温度场、电场进行固化成型，最后进行收卷、裁剪得到离子交换膜。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，成膜树脂和聚合物包括全氟磺酸树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚苯并咪唑树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚乙烯醇树脂之一种或两种以上。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，无机粒子包括二氧化硅、二氧化钛、分子筛、介孔分子筛之一种或两种以上。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，有机溶剂为二甲苯、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-基吡咯烷酮、乙醇、甲醇之一种或两种以上。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，溶液浓度的质量分数调整范围30～80％。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，温度场采用不同温度段进行固化成型分为三段，第一阶段为低温段30～80℃，第二阶段为中温段80～120℃，第三阶段为高温段120～300℃。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，电场是根据膜结构在膜成型过程中引入电场，电场强度5～50v·cm^-1、时间2～10h。

所述的离子交换膜流延连续成型方法，固化成型后膜进入预处理槽进行功能性处理，功能性处理包括离子交换膜的磺化、季胺化或磷酸化的亲水改性；或者，在预处理槽中放入萃取剂，将所制备膜中的添加剂萃取出来制备多孔膜。

所述方法使用的离子交换膜流延连续成型装置，包括：浆料承载传输带、进料口、刮刀、流延机、排气口、预处理槽、清洗槽、收卷装置、裁剪装置、预处理槽加热板、流延机固化成膜加热板、带轮，具体结构如下：浆料承载传输带从一侧带轮缠绕到另一侧带轮上，两个带轮之间的上方依次设置进料口、刮刀、流延机，浆料承载传输带依次经带轮穿过流延机、预处理槽、清洗槽、收卷装置至裁剪装置，流延机底部设置流延机固化成膜加热板；流延机上部设有排气口和热风补偿口，流延机上部通过管路连接溶剂回收装置，预处理槽的底部具有预处理槽加热板。

所述的离子交换膜流延连续成型装置，浆料承载传输带包括钢带、pet基带、聚酰亚胺基带或增强网；离子交换膜为致密性膜、多孔膜或增强膜，离子交换膜的制备厚度为30～300微米。

本发明的设计思想是：

本发明将制膜浆料投入供料系统，进入流延机，通过高精度刮刀进入流延机，在流延机上通过调控温度场、电场等环境是膜进行固化成型，成型后膜进入预处理槽进行处理得到不同结构的功能性离子交换膜。本发明通过调整制膜浆料的浓度使有机物的使用量减少，既环境污染小，又加快成膜速度，提高生产效率，有效降低膜成本。另外，在膜成型过程中温度场和电场的协调作用可调控膜的微观结构，再结合膜成型后的功能性处理，本发明可制备出膜微观结构可控的功能性致密膜、多孔膜、增强膜。

本发明的优点及有益效果是：

本发明制备的膜厚度均一性好，产品成品率提高；通过对制膜工艺的调控使隔膜结构多样化，可制备致密膜、多孔膜、增强膜等；实现膜的连续化生产，缩短生产周期，降低成本；有机物的使用量少，在流延机上配备溶剂回收装置，减小环境污染；操作简单，对设备和操作人员的要求不高。

附图说明

图1为离子交换膜的制备工艺流程图。

图中，1、浆料承载传输带，2、进料口，3、刮刀，4、流延机，5、排气口，6、预处理槽，7、清洗槽，8、收卷装置，9、裁剪装置，10、预处理槽加热板，11、流延机固化成膜加热板，12、带轮，13、溶剂回收装置，14、热风补偿口。

具体实施方式

如图1所示，本发明离子交换膜流延连续成型装置，主要包括：浆料承载传输带1、进料口2、刮刀3、流延机4、排气口5、预处理槽6、清洗槽7、收卷装置8、裁剪装置9、预处理槽加热板10、流延机固化成膜加热板11、带轮12、溶剂回收装置13等，具体结构如下：

浆料承载传输带1从一侧带轮12缠绕到另一侧带轮上，两个带轮之间的上方依次设置进料口2、刮刀3、流延机4，浆料承载传输带1依次经带轮穿过流延机4、预处理槽6、清洗槽7、收卷装置8至裁剪装置9，流延机4底部设置流延机固化成膜加热板11，流延机上部设有排气口5和热风补偿口14，流延机上部通过管路连接溶剂回收装置13，功能性预处理槽6的底部具有预处理槽加热板10。

在具体实施过程中，本发明离子交换膜流延连续成型方法，其工艺流程如下：成膜浆料的制备、供料，通过进料口2和刮刀3进入流延机4热处理成型，经预处理槽6进行膜功能性处理、清洗槽7进行清洗后，经收卷装置8收卷、裁剪装置9裁剪。首先将成膜树脂溶解在有机溶剂中，再将一种或两种以上不同功能的聚合物或无机粒子填料分散在溶剂中，最后将两种溶液搅拌均匀，调整溶液浓度，再进行脱泡，在常温至300℃中加热搅拌溶解1～10h形成制膜浆料。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，在流延机上通过不同温度场或电场等环境进行固化成型，成型后膜进入预处理槽进行功能性处理，最后进行收卷、裁剪得到离子交换膜。其中，浆料承载传输带包括钢带、pet基带、聚酰亚胺基带或增强网；离子交换膜为致密性膜、多孔膜或增强膜，离子交换膜的制备厚度为30～300微米。

下面，通过实施例对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

本实施例中，将8kg全氟磺酸树脂和0.5kg聚偏氟乙烯(pvdf)树脂溶于30l二甲基乙酰胺(dmac)中，在220℃中加热搅拌溶解6h形成制膜浆料，在搅拌下进行抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，制膜浆料进入60～80℃、80～120℃、120～150℃三个温度段进行固化成型，最后进行收卷、裁剪得到全氟磺酸离子交换膜，离子交换膜的制备厚度为150微米。

实施例2

本实施例中，将10kg聚苯并咪唑树脂溶于40l二甲基甲酰胺(dmf)中，在常温下搅拌溶解7h形成制膜浆料，并进行搅拌抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，制膜浆料进入60～80℃、80～120℃、120～150℃三个温度段进行固化成型，成型后膜进入浓度70wt％的磷酸水溶液中70℃进行处理，最后进行收卷、裁剪得到离子交换膜，离子交换膜的制备厚度为100微米。

实施例3

本实施例中，将10kg聚偏氟乙烯树脂溶于40l二甲基乙酰胺(dmac)中，在80℃搅拌溶解8h形成制膜浆料，将添加剂聚乙烯醇树脂(pva)500ml加入到所述溶液中，搅拌2小时并在超声波震荡，使溶液细化并驱除其中的微小气泡，并进行搅拌抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，制膜浆料进入60～80℃、80～120℃、120～150℃三个温度段进行固化成型，热处理后，膜进入萃取剂乙醇和去离子水的混合溶液进行萃取，在进入清洗槽中用去离子水进行清洗，制备多孔膜，最后进行热压收卷、裁剪得到多孔膜，离子交换膜的制备厚度为200微米。

实施例4

本实施例中，将8kg全氟磺酸树脂和0.5kg聚偏氟乙烯(pvdf)树脂溶于30l二甲基乙酰胺(dmac)中，在220℃中加热搅拌溶解6h形成制膜浆料，在搅拌下进行抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，制膜浆料进入带有聚四氟乙烯的增强网中，采用60～80℃、80～120℃、120～150℃三个温度段进行固化成型，成型后膜进行收卷、裁剪，获得增强型全氟磺酸离子交换膜，离子交换膜的制备厚度为50微米。

实施例5

本实施例中，将8kg全氟磺酸树脂和0.5kg聚偏氟乙烯(pvdf)树脂溶于30l二甲基乙酰胺(dmac)中，在220℃中加热搅拌溶解5h形成制膜浆料，在搅拌下进行抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，制膜浆料进入带有聚四氟乙烯的增强网中，根据膜结构在膜成型过程中引入电场进行固化成型，电场强度20v·cm^-1、时间6h。成型后膜进行收卷、裁剪，获得增强型全氟磺酸离子交换膜，离子交换膜的制备厚度为50微米。

实施例6

本实施例中，将10kg聚偏氟乙烯树脂溶于40l二甲基乙酰胺(dmac)中，在80℃搅拌溶解6h形成制膜浆料，将添加剂聚乙烯醇树脂(pva)500ml加入到所述溶液中，搅拌2小时并在超声波震荡，使溶液细化并驱除其中的微小气泡，并进行搅拌抽真空脱泡。将制膜浆料投入供料系统，通过连接的管路进入流延机，浆料通过刮刀控制溶液的厚度，根据膜结构在膜成型过程中引入电场进行固化成型，电场强度30v·cm^-1、时间5h。热处理后，膜进入萃取剂乙醇和去离子水的混合溶液进行萃取，在进入清洗槽中用去离子水进行清洗，制备多孔膜，最后进行热压收卷、裁剪得到多孔膜，离子交换膜的制备厚度为200微米。

实验结果表明，随着成膜树脂与填料进行不同比例的调整制膜制膜浆料，在流延机上固化成型，通过不同需求的功能化处理制备致密性膜、多孔膜和增强膜。本发明制备的膜可实现连续化生产，自动化程度高，环境污染小，产品质量高，操作简单，对设备和操作人员的要求不高。