本发明属于材料制备领域，具体涉及一种离子交换膜的连续制备装置及其方法。
背景技术：
聚乙烯离子交换膜是一种以聚乙烯为主要材质，对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜。其在电泳渡漆，海水、苦咸水的淡化，废水中重金属的回收利用以及医药中间体的浓缩方面均有广泛的应用。特别在电泳渡漆方面，绝大部分的大尺寸离子交换膜严重依赖进口；我国仅能依靠热熔焊接技术制备大尺寸的离子交换膜(中国专利CN204566679U)，而该技术的主要缺陷为制备的膜片上残留有一定宽度的熔接缝，进而影响膜片的整体使用效果。中国专利公开了一种离子交换膜连续制备方法(授权公告号：CN1044411A)。在该专利中，连续压网原理为通过两滚筒间的压力使膜片与网进行贴合和压入。因此工作时，膜片的实际热压区域和热压压力均较小，热压时间短，产品的热压均匀性较差，泡水后易脱网。因此现阶段急需一种能稳定生产大尺寸离子交换膜的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决目前大尺寸离子交换膜制备过程中连续性、稳定性较差的技术问题，并提供了一种离子交换膜的连续制备装置及其方法。通过该方法，可以连续制得无热熔焊接缝的大尺寸离子交换膜。
离子交换膜的连续制备装置，包括四辊压延机、网布滚筒、贴合辊、鼓式硫化机、冷却辊和收卷辊；所述的四辊压延机中输出成品膜片的末端辊筒一侧设置第一贴合辊，第一网布滚筒经第一导开辊导开的网布通过第一贴合辊被引入成品膜片的下方；下方贴合网布的膜片进入并排设置的铁辊和第二贴合辊之间；同时第二网布滚筒经第二导开辊导开后的网布通过铁辊被引入膜片上方；上下均贴合有网布的膜片进入鼓式硫化机的硫化鼓与压力带之间，并依次经过若干个冷却辊后，被收卷于收卷辊上。
作为优选，上下均贴合有网布的膜片进入鼓式硫化机之前的输送线上设置对膜片进行加热的保温加热器。
作为优选，所述的膜片和网布在输送线上，通过若干托辊调节行进方向。
作为优选，所述的第一贴合辊和第二贴合辊为耐高温硅胶辊；所述的第一导开辊和第二导开辊为铝合金扩布辊。
本发明的另一目的在于在连续制备离子交换膜的同时能够提高膜的成品性能(包括面电阻、压差渗透系数等)，因此本发明提供了一种离子交换膜的连续制备方法：通过四辊压延机将聚乙烯基合金压延成薄膜，同时通过贴合辊使膜片的上下表面各附着一层网布，随后该膜片进入鼓式硫化机的硫化鼓与压力带之间进行压网，进而对离子交换膜进行附网热压；最后依次通过冷却辊冷却后，形成离子交换膜成品。
作为优选，低密度聚乙烯合金组成包括：20-45％低密度聚乙烯、40-65.6％离子交换树脂和10-20％聚异丁烯。
作为优选，所述的膜片进入鼓式硫化机之前预先进行保温加热。使用保温加热器能够减小制备得到的离子交换膜的压差渗透系数，大大提高离子交换膜的生产速度。
作为优选，鼓式硫化机的压网温度范围为160-180摄氏度，压力为0.3～0.6MPa，线速度为0.1～2m/min，包角180～270°。
进一步的，制备阴膜时，保温加热器的温度为120度，鼓式硫化机的压网温度为180℃，压力为0.6MPa，压力带与硫化鼓17的包角为270度，线速度2m/min；制备阳膜时，保温加热器的温度为120度，鼓式硫化机的压网温度为180℃，压力为0.6MPa，压力带与硫化鼓17的包角为270度，线速度分别为1.5m/min。该优选参数下，离子交换膜的各项性能均可以达到较佳状态。
作为优选，网布采用PP网布。PP网布能够较好地与离子交换膜贴合，使其长时间浸泡于水中时减少脱落的可能性。
通过本发明的装置及方法制备的离子交换膜，可根据需求，制备任意长度的离子交换膜，膜表面平整，无热熔焊接缝，性能优异。本发明的具体效果将通过实施例进行说明。
附图说明
图1为本发明中离子交换膜的连续制备装置的结构示意图；
图中附图标记：第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3、第四辊筒4、第一网布滚筒5、第一托辊6、第二托辊7、第一导开辊8、第一贴合辊9、第二网布滚筒10、第二导开辊11、铁辊12、第二贴合辊13、第三托辊14、保温加热器15、下调节辊16、硫化鼓17、上调节辊18、张紧辊19、第四托辊20、第五托辊21、第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25、第六托辊26和收卷辊27。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。本发明中各技术特征在没有相互冲突的情况下均可进行相互组合，不构成限定。
第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3、第四辊筒4、第一网布滚筒5、第一托辊6、第二托辊7、第一导开辊8、第一贴合辊9、第二网布滚筒10、第二导开辊11、铁辊12、第二贴合辊13、第三托辊14、保温加热器15、下调节辊16、硫化鼓17、上调节辊18、张紧辊19、第四托辊20、第五托辊21、第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25、第六托辊26和收卷辊27。
如图1所示，一种离子交换膜的连续制备装置，包括四辊压延机、网布滚筒、贴合辊、鼓式硫化机、冷却辊和收卷辊。四辊压延机由第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4组成，物料加入上方的第一辊筒1、第二辊筒2之间，在各辊筒的压力下被压延呈薄膜，最终压延完成的成品膜片从第四辊筒4上方输出。第四辊筒4一侧并排设置第一贴合辊9，第一网布滚筒5上缠绕的网布依次经过第一托辊6、第二托辊7以及第一导开辊8后，与压延完成的成品膜片一起进入第四辊筒4和第一贴合辊9之间，使网布贴合于膜片下表面。下方贴合网布的膜片继续进入并排设置的铁辊12和第二贴合辊13之间。同时第二网布滚筒10上缠绕的网布经第二导开辊11导开后，引入膜片上方，并与膜片一起进入铁辊12和第二贴合辊13之间。由此，膜片的上下方均贴合上一层网布。本发明中，压网工序通过鼓式硫化机实现，鼓式硫化机由下调节辊16、硫化鼓17、上调节辊18、张紧辊19以及连接各个辊筒和硫化鼓的压力带(本实施例中采用钢带)组成。上调节辊18在电机驱动下带动压力带运动，压力带在摩擦力下带动其余辊筒和硫化鼓转动。转动过程中，可通过液压油缸驱动张紧辊19前后移动，调节压力带与硫化鼓之间的压力。而压力带与硫化鼓之间的包裹角则可以通过下调节辊16和上调节辊18的上下移动来调节。上下方均贴合有网布的膜片从鼓式硫化机的下调节辊16上方进入硫化鼓与压力带之间，压网完成后，从上调节辊18处引出，再依次经过交错的第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25后，在第六托辊26的引导下，被收卷于收卷辊27上。上述第一贴合辊9和第二贴合辊13可采用耐高温硅胶辊；所述的第一导开辊8和第二导开辊11可采用铝合金扩布辊。
本发明连续制备离子交换膜时，四辊压延机、贴合辊、鼓式硫化机、冷却辊、收卷辊及各辅助辊均为同步连续运行的。由此，通过鼓式硫化机对膜片进行压网，能够实现离子交换膜的连续制备。
同时，上下均贴合有网布的膜片进入鼓式硫化机之前的输送线上设置对膜片进行加热的保温加热器15。在实际生产中，适当的温度有助于膜片在运行过程中保持一定的柔韧性。经过试验表明其可以提高热压后离子交换膜的致密性，减小水的压差渗透系数。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术效果作进一步具体的说明。
对比例1
本对比例中，采用的装置如图1所示，但不含有其中的鼓式硫化机与保温加热器。压网过程直接通过贴合辊与其他辊筒之间的压力实现。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。选择涤纶或PP网布作为该实例下的试验网布。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压网，将网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张网布的离子交换膜经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表1。
通过该方式制备得到的离子交换阴膜的水的压差渗透系数在膜的不同位点分布不均匀，变化幅度较大，且部分位点的压差渗透系数高达0.6mL/(cm2*h*Mpa)，无法将其作为低渗透阴膜使用。由此表明，仅通过辊筒之间的瞬时压力进行压网工序，离子交换膜的性能无法满足使用需求，有必要进一步进行改进。另外，涤纶网布制备的离子交换膜浸泡在水中一周后，网布与膜基材会脱离，难以在工程上长时间使用。相对而言，采用PP网布的离子交换膜与膜片基材结合性更好，浸泡在水中一个月，网布与膜基材只形成了局部分离。
实施例2
本实施例中，采用的装置如图1所示，但不含有其中的保温加热器15。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜进入鼓式硫化机，设定鼓式硫化机的温度为180℃，线速度1m/min，钢带与硫化鼓17的包角为180度，调节鼓式硫化机的压力为0.3MPa和0.6MPa，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表2。
实施例3
本实施例中，采用的装置如图1所示，但不含有其中的保温加热器15。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。这里四辊压延机的操作温度为105-150℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜进入鼓式硫化机，设定鼓式硫化机的压力为0.6MPa，线速度1m/min，钢带与硫化鼓17的包角为180度，调节鼓式硫化机的温度为160℃、180℃和200℃，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表3。说明加工温度过高时，离子交换树脂会分解，面电阻会急剧升高，但若加工温度过低不利于物料熔融。经过多次试验，离子交换膜性能较优的温度范围为160-180℃。
实施例4
本实施例中，采用的装置如图1所示，但不含有其中的保温加热器15。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜进入鼓式硫化机，设定鼓式硫化机的温度为180℃，压力为0.6MPa，线速度1m/min，钢带与硫化鼓17的包角依次为180度、225度和270度，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表4，数据表明随着包角逐渐增大，面电阻逐渐增大，而水的压差渗透系数逐渐减小。
实施例5
本实施例中，采用的装置如图1所示，但不含有其中的保温加热器15。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜进入鼓式硫化机，设定鼓式硫化机的温度为180℃，压力为0.6MPa，钢带与硫化鼓17的包角为270度，线速度分别为0.1m/min，0.5m/min，1m/min，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表5，数据表明随着线速度逐渐增大，水的压差渗透系数逐渐增大。
实施例6
本实施例中，采用的装置如图1所示。具体工艺为：
将由24％低密度聚乙烯、65.6％阴离子交换树脂和10.4％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于140℃下共混10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机的第一辊筒1、第二辊筒2上部，经第一辊筒1、第二辊筒2、第三辊筒3和第四辊筒4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为135℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜通过保温加热器15后进入鼓式硫化机，设定保温加热器的温度为120℃，鼓式硫化机的温度为180℃，压力为0.6MPa，钢带与硫化鼓17的包角为270度，线速度分别为0.1m/min、1m/min和2m/min，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表6。由此可见，保温加热器的使用，使膜片在进入硫化鼓之前被预先加热到一定温度，试验结果表明能够在较高的线速度下(至少为2m/min)依然保持较小的水的压差渗透系数(0.0055mL/(cm2*h*MPa))。因此，使用保温加热器能够大大提高离子交换膜的生产速度。经过试验，保温加热器的保温温度在100～120℃之间，能够保持较高的线速度下离子交换膜性能的优异性能。(保温加热器的保温温度为120℃时，能够在较高的线速度下生产出具有优异性能的离子交换膜)
实施例7
本实施例中，采用的装置如图1所示。具体工艺为：
将由27.5％低密度聚乙烯、62.5％阳离子交换树脂和10％聚异丁烯组成的混合物料放在开放式双辊混炼机中于135-155℃下共混5-10分钟制成聚乙烯基合金。将制得的物料放在四辊压延机辊1和辊2的上部，经辊1、辊2、辊3和辊4压延成厚度要求为0.40-0.42mm的膜片。这里四辊压延机的操作温度为105-150℃。缠绕有PP网布的第一网布滚筒5经过第一导开辊8导开，通过第四辊筒4与第一贴合辊9的作用将PP网布附在离子交换膜的下表面；同时缠绕有PP网布的第二网布滚筒10经过第二导开辊11导开，通过铁辊12与第二贴合辊13的相互作用进行压合后，将PP网布附在离子交换膜的上表面。上下各附有一张PP网布的离子交换膜通过保温加热器15后进入鼓式硫化机，设定保温加热器的温度为120度，鼓式硫化机的温度为180℃，压力为0.6MPa，钢带与硫化鼓17的包角为270度，线速度分别为1.5m/min，通过鼓式硫化机中直径为1m的硫化鼓17以及钢带产生的压力对膜片进行进一步热压。随后热压好的膜片经过第一冷却辊22、第二冷却辊23、第三冷却辊24、第四冷却辊25进行冷却，最后通过收卷辊27对制备得到的离子交换膜成品进行收卷。产品性能见表7。
上述实施例表明，通过鼓式硫化机对网布和离子交换膜进行热压过程中，硫化鼓温度、压力、包角、线速度以及是否对膜片进行预先加热保温等因素都会对成品离子交换膜性能产生较大的影响，需要综合考虑各参数的选取。经过试验，实施例6中“保温加热器的温度为120度，鼓式硫化机的温度为180℃,压力为0.6MPa，钢带与硫化鼓17的包角为270度，线速度2m/min”的参数组合为阴膜的优选参数；而实施例7中“保温加热器的温度为120度，鼓式硫化机的温度为180℃,压力为0.6MPa，钢带与硫化鼓17的包角为270度，线速度分别为1.5m/min”的参数组合为阳膜的优选参数。
将实施例2～7浸泡于水中2个月，PP网布附在离子交换膜基材间依然能够紧密贴合，不会产生分离现象。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此。比如，各实施例和对比例中，为了展示不同参数对结果的影响，均采用相同的聚乙烯基合金进行对比。但事实上，并非限定只有该组分和配比下的物料能够达到本发明的技术效果。事实上，在20-45％低密度聚乙烯、40-65.6％离子交换树脂和10-20％聚异丁烯范围内，均可以制备相应的离子交换膜。而且对于膜片的原材料，也可以根据需求进行相应的调整，并不是本发明的关键所在。再者，本发明中各原料、辊筒及其他设备的具体型号也可以根据实际生产需要进行相应的选择。由此可见，任何本领域的技术人员在本发明的启示下，所做的常规变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。