专利名称：溶液铸膜法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种静态封闭的溶液铸膜法。
背景技术：
现有制膜方法通常为动态开放的拉伸法、挤膜法、流延法，但存在工艺复杂，设备昂贵，制膜成本高，成品膜存在结晶度低、各向异性等缺陷。为此中国专利200680044207. 2提出了一种静态封闭的溶液铸膜法，基本克服了拉伸法、挤膜法、流延法的上述缺陷。但在实践中发现，该溶液铸膜法还存在下列不足
一、由于远红外石英加热管安装在铸膜盘的上方，加热管直接辐射加热铸膜盘中的铸膜液，因而距离加热管近(加热管正下方)的铸膜液升温快、蒸发快、成膜快，而距离加热管远(两加热管之间)的铸膜液升温慢、蒸发慢、成膜慢，最终导致成品膜厚薄不均，透光率不匀，膜上会出现与加热管位置对应的斑马纹。铸膜液越多，加热管直接辐射加热铸膜液的时间越长，成品膜越厚，膜厚度均匀性越差，膜上斑马纹越明显。二、受保温材料填充不均、远红外石英加热管电热丝分布不匀等影响，该铸膜法的温度场会产生偏移，也会对成品膜的厚度均匀性产生影响，需要安装遮挡物部分遮挡远红外石英加热管，以调整加热温度场。因远红外石英加热管固定在铸膜盘上方的保温顶盖上，在远红外石英加热管下方、铸膜盘上方安装调整遮挡物很不方便，而且每次铸膜均需要开关保温顶盖来回取放铸膜盘，遮挡物容易松动、移位甚至脱落，导致温度场发生变化，从而影响成品膜的厚度均匀性。三、远红外石英加热管固定在铸膜盘上方的保温顶盖上，需要经常清洁，以防止粘附在加热管表面的灰尘、杂物等脱落掉入其下方的铸膜盘中，影响成品膜质量。此外加热管接头处的电热丝容易生锈产生锈屑，开关保温顶盖时，锈屑容易掉入铸膜盘，在膜中形成锈斑，影响成品膜质量。膜中的锈斑在电化学装置中容易腐蚀脱落，造成膜穿孔，使电化学装置失效。
发明内容
为了克服上述技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种静态封闭的溶液铸膜法，该法具有工艺简单、设备便宜、制膜成本低、成品膜结晶度高、各向同性、厚度均匀、杂质少、外观好、成品率高等优点。本发明的目的是这样实现的一种溶液铸膜法，其特征是该法为静态封闭的溶液铸膜法，包括以下具体步骤I)将溶质溶解于溶剂制备铸膜液，铸膜液的溶质为全氟磺酸离子交换树脂，其当量重量EW = 900 llOOg/eq，溶剂为二甲基甲酰胺(沸点约153°C )，铸膜液浓度为I 5%，铸膜液制备使用封闭反应釜，溶解温度200 220°C，溶解时间4 6小时。当EW < 900g/eq时，成品膜的机械强度低。当EW > 1100g/eq时，成品膜的离子电导率低。
当铸膜液的浓度< I %时，溶剂蒸发量大，铸膜效率低。当铸膜液的浓度> 5%时，不仅溶质很难完全溶解，而且铸膜液容易成胶冻状，不易在铸膜盘中均匀铺展，导致成品膜厚度不均匀。2)用浮法玻璃和玻璃胶制备面积为S的铸膜盘。3)在保温底板上居中设置由远红外石英加热管平行排列构成的面积为A的加热装置，加热温度由温控仪自动控制，温控仪测温探头放置在铸膜盘的边沿上，以检测加热温度。加热装置的功率密度为O. I O. 5W/cm2，且I. 5S彡A彡3. 5S。当加热装置功率密度小于O. Iff/cm2时，铸膜盘中的铸膜液升温太慢。·当加热装置功率密度大于O. 5ff/cm2时，铸膜盘中的铸膜液不仅升温太快，溶剂分子蒸发太快，溶质分子来不及运动排列到晶格中，导致成品膜结晶度低，而且铸膜液容易发生局部沸腾，导致蜂窝状次品膜。当A < I. 5S时，加热装置面积过小，铸膜盘边缘区域的铸膜液受热不足，温度低，蒸发缓慢，影响铸膜。当A > 3. 5S时，加热装置面积过大，导致溶剂蒸气冷凝困难，影响铸膜。4)在加热装置外围设置支架，将铸膜盘放在支架上，在铸膜盘内放置水平仪，通过调节支架的高度，使水平仪的水准泡在铸膜盘平面内两个相互垂直的方向上都处于零位，从而使铸膜盘处于水平。铸膜盘与其下方的加热装置之间的距离为dl，且O. 2S1/2 彡 dl 彡 O. 4S1/2。当dl < O. 2S172时，铸膜盘距离加热装置过近，浮法玻璃铸膜盘对加热温度场的均匀化作用不足以完全消除远红外石英加热管条形温度场的不均匀性，在成品膜上还会出现与加热管位置对应的轻微斑马纹。当dl > O. 4S172时，铸膜盘距离加热装置过远，将导致铸膜液升温缓慢。5)在保温底板上设置由不锈钢薄板制成的高度为H的冷却水套，冷却水套环绕加热装置、支架和铸膜盘，且O. 6S1/2I. 2S1/2，冷却水套与铸膜盘之间的横向距离为d2，且O. 2S1/2彡d2 ( O. 4S1/2，冷却水套为夹层结构，外夹层用保温材料均匀填实，内夹层装有冷却水，冷却水的深度为h，冷却水的厚度为V，且O. 2S1/2 ^ h ^ O. 4S172，O. 05S1/2 ^ V ^ O. 1S1/2。当H< O. 6S172时，溶剂蒸发扩散空间过小，将会导致溶剂蒸发缓慢。当H> I. 2S172时，溶剂蒸发扩散空间过大，蒸发的溶剂蒸气不能笼罩铸膜液，溶质在铸膜液与溶剂蒸气远离动态平衡状态的条件下结晶，成品膜结晶度低。当d2 < O. 2S1/2时，冷却水套距离铸膜盘过近，会显著降低铸膜盘边缘区域铸膜液的温度，铸膜盘边缘区域的铸膜液蒸发缓慢，影响铸膜。当d2> O. 4S1/2时，溶剂蒸发扩散空间过大，蒸发的溶剂蒸气不能笼罩铸膜液，溶质在铸膜液与溶剂蒸气远离动态平衡状态的条件下结晶，成品膜结晶度低。当h < O. 2S172时，冷却水过低，会造成溶剂蒸气冷凝困难。当h > O. 4S172时，冷却水过高，会造成铸膜盘中铸膜液升温缓慢。当V < O. 05S172时，冷却水过薄，会造成溶剂蒸气冷凝困难。当V > O. IS172时，冷却水过厚，没有必要。
6)在冷却水套底部设置冷凝溶剂收集槽。7)将铸膜液倒入铸膜盘,让铸膜液均匀铺展布满铸膜盘,铸膜液深度为O. I Icm0当铸膜液深度小于O. Icm时，由于表面张力的作用，铸膜液不易均匀铺展布满铸膜盘，导致成品膜厚度不均匀。当铸膜液深度大于Icm时，溶剂蒸发时间过长，铸膜效率低。8)在冷却水套上方设置保温顶盖,将冷却水套和保温底板包围的内部空间密封。9)启动加热装置加热铸膜盘中的铸膜液，控制加热温度低于溶剂沸点10 30°C，加热时间I 5. 5小时，使铸膜液中的溶剂全部蒸发。
当加热温度低于溶剂沸点不到10°C时，由于溶剂蒸发太快，溶质分子来不及运动排列到晶格中，导致成品膜结晶度低。当加热温度低于溶剂沸点30°C以上时，不仅溶剂蒸发太慢，铸膜效率太低，而且由于溶质分子温度低，缺乏足够的热运动能量运动排列到晶格中，导致成品膜结晶度低。加热时间不到I小时，溶剂难以全部蒸发，溶质难以结晶成膜。加热时间超过5. 5小时，不仅铸膜效率太低，而且由于长时间高温烘烤，可能会烤糊、烤黄成品膜，降低成品膜质量。加热时间与铸膜盘中铸膜液深度成比例。当铸膜液深度为O. Icm时，加热时间约I小时，其中包括约O. 5小时的升温时间和O. 5小时的蒸发时间，铸膜液深度每增加O. Icm,加热时间相应增加约O. 5小时的蒸发时间。当铸膜液深度增加到Icm时，加热时间约5. 5小时。10)当铸膜液中的溶剂蒸发完毕后，继续加热2 100分钟，使更多的溶质分子运动排列到晶格中，进一步提闻I吴的结晶度。继续加热时间不到2分钟，溶质分子将来不及运动排列到晶格中，导致成品膜结晶度不闻。继续加热时间超过100分钟，由于长时间高温烘烤，可能会烤糊、烤黄成品膜，降低成品膜质量。继续加热时间与加入铸膜盘中铸膜液的浓度和深度成比例。当铸膜液的浓度为I %、深度为O. Icm时，继续加热时间约为2分钟，铸膜液浓度每增加I %或者深度每增加
O.Icm时，继续加热时间也相应增加2分钟，当铸膜液浓度增加至5%、深度增加至Icm时，继续加热时间约100分钟。11)停止加热，将冷凝溶剂收集槽内的冷凝溶剂排走，待铸膜盘冷却后，将膜从铸膜盘上揭下，即得成品膜。12)检测成品膜厚度均匀性，如果成品膜某个部位偏厚，则在加热装置的对应部位上放置金属片遮挡物，以降低该部位加热温度，从而减薄成品膜该部位的厚度。本发明通过铸膜液在低于溶剂沸点10 30°C加热温度下缓慢蒸发结晶成膜，在溶质结晶成膜的过程中，铸膜盘中的铸膜液处于一个静态封闭空间，在加热装置的加热下，蒸发出来的溶剂饱和蒸气向周边扩散并笼罩铸膜液，扩散较远的溶剂饱和蒸气遇到冷却水套，在冷却水套的表面冷却凝结成液态溶剂，在重力作用下顺着冷却水套表面流下汇聚到冷却水套底部的冷凝溶剂收集槽内，由于铸膜液与溶剂蒸气处于接近动态平衡状态，铸膜液中的溶剂缓慢蒸发减少，铸膜液中的溶质浓度缓慢增大，进而缓慢结晶成膜，加之在溶剂蒸发完毕后继续加热一段时间，溶质分子有充分时间运动排列到晶格中，因而成品膜结晶度高。在本发明中，加热装置位于铸膜盘的下方，加热管发出的远红外光不是直接辐射加热铸膜盘中的铸膜液，而是通过铸膜盘对铸膜液进行加热。由于铸膜盘用浮法玻璃制成，对加热管发出的条形远红外光具有匀光和匀热作用，从而对铸膜液所处的温度场起到均匀化作用，使铸膜盘中各个部位的铸膜液受热更加均匀，因而距离加热管近(加热管正上方)的铸膜液和距离加热管远(两加热管之间)的铸膜液升温速度相近，蒸发速度相近，成膜速度相近，导致成品膜各部位厚度相近，透光率相近，从而成品膜上不会出现与加热管位置对应的斑马纹。本发明有以下积极有益效果
该静态封闭的溶液铸膜法，工艺简单，设备便宜，制膜成本低，成品膜具有结晶度高，各向同性、厚度均匀、杂质少、外观好、成品率高等优点。传统动态开放的拉伸法、挤膜法和流延法具有机械运动方向MD (MachineDirection)和横向TD (Transverse Direction),溶质的结晶过程受到外界机械力作用的干扰，从而导致成品膜各向异性。本发明是一种静态封闭的溶液铸膜法，铸膜盘中的铸膜液在一个静态封闭空间内处于静止状态，溶质结晶过程不受外界机械力作用干扰，没有特殊的方向取向，因而成品膜各向同性。本发明的静态封闭的溶液铸膜法，因功率密度适当的远红外石英加热管布置在铸膜盘的下方，冷却水套环布在铸膜盘的周边，虽然铸膜盘中部区域铸膜液的温度较高，蒸气压较高，蒸气分子密度较大，但其蒸发出来的溶剂蒸气分子向外扩散时不仅要受到铸膜盘边缘区域上方溶剂蒸气分子的阻碍，而且还要经过较长的行程，才能扩散到铸膜盘周边的冷却水套表面上冷凝；虽然铸膜盘边缘区域铸膜液的温度较低，蒸气压较低，蒸气分子密度较小，但其蒸发出来的溶剂蒸气分子只需要经过较短的行程，就能不受阻碍地扩散到铸膜盘周边的冷却水套表面上冷凝。因此只要加热装置的面积A与铸膜盘的面积S、铸膜盘与加热装置的距离dl、冷却水套的高度H、铸膜盘与冷却水套的距离d2、冷却水的高度h、冷却水的厚度V匹配适当时，特别是当I. 5S彡A彡3. 5S，0. 2S1/2彡dl彡O. 4S1/2，
O.6S1/2 彡 H 彡 I. 2S1/2，O. 2S1/2 彡 d2 彡 O. 4S1/2，O. 2S1/2 彡 h 彡 O. 4S1/2，O. 05S1/2 ^ v ^ O. 1S1/2时，可使位于铸膜盘中部区域和边缘区域的铸膜液的蒸发、冷凝速度一致，从而使成品膜的中部区域和边缘区域厚度一致。本发明的创新之处在于一、远红外石英加热管设置在铸膜盘下方，加热管发出的远红外光不是直接辐射加热铸膜盘中的铸膜液，而是通过铸膜盘对铸膜液进行加热。由于铸膜盘由浮法玻璃制成，对加热管发出的条形远红外光具有匀光和均热作用，从而对铸膜液所处的温度场起到均匀化作用，使铸膜盘中各个部位的铸膜液受热更加均匀，因而距离加热管近(加热管正上方)的铸膜液和距离加热管远(两加热管之间)的铸膜液升温速度相近，蒸发速度相近，成膜速度相近，导致成品膜各部位厚度相近，透光率相近，从而成品膜上不会出现与加热管位置对应的斑马纹。二、受保温材料填充不均、远红外石英加热管电热丝分布不匀等影响，该铸膜法的温度场会产生偏移，也会对成品膜的厚度均匀性产生影响，需要安装遮挡物部分遮挡远红外石英加热管，以调整加热温度场。因远红外石英加热管设置在铸膜盘下方的保温底板上，因而可以直接在远红外石英加热管上面放置金属片遮挡物，并可根据需要任意调整金属片遮挡物的摆放位置，既实现了非常方便、快速、简捷地对加热温度场进行调整，使成品膜的厚度更均匀，又避免了因反复开关保温顶盖导致遮挡物松动、移位甚至脱落导致温度场发生变化，从而影响成品膜的厚度均匀性的问题。三、远红外石英加热管设置在铸膜盘下方的保温底板上，粘附在加热管表面的灰尘、杂物脱落不会掉入到其上方的铸膜盘中，因而不用频繁清洁。此外，虽然加热管接头处的电热丝容易生锈产生锈屑，但锈屑不会掉入上方的铸膜盘，因而不会在膜中形成锈斑影响成品膜质量。综上所述可知，与现有的拉伸法、挤膜法、流延法、溶液铸膜法相比，本发明的溶液铸膜法具有工艺简单、设备便宜、制膜成本低、成品膜结晶度高、各向同性、厚度均匀、杂质少、外观好、成品率高等优点。
图I是本发明铸膜盘的结构示意图。图2是加热装置与保温底板的组装结构示意图。图3是支架与加热装置的组装结构示意图。图4是图3的A局部放大图。
图5是铸膜盘与支架的组装结构示意图。图6是冷却水套环绕加热装置、支架和铸膜盘的组装结构示意图。图7是保温顶盖与冷却水套的组装结构示意图。图8是保温顶盖将冷却水套和保温底板包围的内部空间密封的示意图。图9是冷却水套的局部剖视图。图10是图8的横向剖视图。
具体实施例方式实施例一本实施例为40cmX40cmX0. 0005cm的全氟离子交换膜制作，该法包括以下具体
步骤I)将3g当量重量EW = 900g/eq的全氟磺酸离子交换树脂和300mL 二甲基甲酰胺(沸点153°C )加入O. 5L封闭反应釜加热搅拌溶解，溶解温度220°C，溶解时间4小时，使全氟磺酸离子交换树脂溶解于二甲基甲酰胺，制得约300mL浓度为1%的铸膜液。2)用浮法玻璃和玻璃胶制备面积S = 44cmX44cm、厚度1cm、深度O. 5cm、边沿宽度2cm、内底面积40cmX40cm的铸膜盘I如图I所示。3)在保温底板2上居中设置面积为A = 54cmX 54cm的加热装置3如图2所示，力口热装置3的功率密度为O. lW/cm2，加热功率300W，它由15根功率20W、长54cm的远红外石英加热管301等间隔约3. 9cm平行排列构成，加热装置3的加热温度由温控仪自动控制，温控仪测温探头放置在铸膜盘I的边沿上，以检测加热温度。
4)在加热装置外围设置支架4如图3、图4所示，将铸膜盘I放在支架4上如图5、图6所示，将水平仪放置在铸膜盘I中，调节支架4的支脚的高度，使水平仪的水准泡在铸膜盘I平面内两个相互垂直的方向上都处于零位，从而使铸膜盘I处于水平，铸膜盘I与其下方的加热装置3之间的距离为dl = IOcm如图10所示。支架4有四个支脚10，其结构相同。请参照图3、图4，每个支脚10由螺杆101、螺母102、螺套103组成，螺母102螺接在螺杆101的下部，螺套103螺接在螺杆101的上部，螺套103的顶部有支点104，支点104用于支承铸膜盘1，旋转螺套103，即可调节支脚10的高度，螺母102用于将螺套103锁住定位。5)在保温底板2上设置不锈钢薄板制成的高度H = 30cm的冷却水套5，冷却水套5环绕加热装置3、支架4和铸膜盘I如图6、图7、图10所示，冷却水套5与铸膜盘I之间横向距离为d2 = IOcm如图10所示，冷却水套5为夹层结构，外夹层8用保温材料均匀填实，内夹层9装有冷却水11，冷却水11的深度为h = 10cm，冷却水11的厚度为v = 2. 5cm。
6)在冷却水套5底部设置冷凝溶剂收集槽6如图6、图9、图10所示。7)将160mL浓度为I %的铸膜液倒入铸膜盘I内，因铸膜液少，在表面张力作用下，铸膜液不容易流延均匀铺展布满铸膜盘1，尤其是铸膜盘I的边角区域，可以通过向各个方向轻微倾斜铸膜盘I的方法使铸膜液均匀铺展布满铸膜盘I，铸膜液深度为O. 1cm。8)在冷却水套5上设置保温顶盖7，将冷却水套5和保温底板2包围的内部空间密封如图7、图8、图10所示；9)启动加热装置3对铸膜盘I中铸膜液加热，控制加热温度在143°C，低于溶剂沸点10°C，加热时间为I小时，使铸膜液中的溶剂全部蒸发。在溶剂蒸发过程中，铸膜盘I及其中的铸膜液处于一个静态封闭的空间，在加热装置3加热下，蒸发的溶剂饱和蒸气向周边扩散并笼罩铸膜液，扩散较远的溶剂饱和蒸气遇到冷却水套5，在冷却水套5的表面冷却凝结成液态溶剂，在重力作用下顺着冷却水套的表面流下汇聚到冷却水套5底部的冷凝溶剂收集槽6内，由于铸膜液与溶剂蒸气处于接近动态平衡状态，铸膜液中溶剂缓慢蒸发减少，铸膜液中溶质的浓度缓慢增大，进而缓慢结晶成膜。10)当铸膜液中的溶剂蒸发完毕后，继续加热2分钟时间，使更多的溶质分子运动排列到晶格中，进一步提闻成品I吴的结晶度。11)停止加热，将冷凝溶剂收集槽6内冷凝溶剂排走，待铸膜盘冷却后，将膜从铸膜盘上揭下，即得40cmX40cmX0. 0005cm全氟离子交换膜。12)检测成品膜厚度均匀性，如果成品膜某个部位偏厚，则在加热装置对应部位上放置不锈钢片遮挡物，以降低该部位加热温度，从而减薄成品膜该部位的厚度。实施例二本实施例为60cmX60cmX0. 0075cm的全氟离子交换膜制作，该法包括以下具体
步骤I)将90g当量重量EW = 1000g/eq的全氟磺酸离子交换树脂和3L 二甲基甲酰胺(沸点153°C)加入5L封闭反应釜加热搅拌溶解，溶解温度210°C，溶解时间5小时，使全氟磺酸离子交换树脂溶解于二甲基甲酰胺，制得约3L浓度为3%的铸膜液。2)用浮法玻璃和玻璃胶制备面积S = 64cmX64cm、厚度I. 5cm、深度1cm、边沿宽度2cm、内底面积60cmX60cm铸膜盘I如图I所示。3)在保温底板2上居中设置面积为A = IOOcmX IOOcm的加热装置3如图2所示，加热装置3的功率密度为O. 3W/cm2，加热功率为3kW，它由30根功率100W、长IOOcm的远红外石英加热管301等间隔约3. 4cm平行排列构成，加热装置3的加热温度由温控仪自动控制，温控仪测温探头放置在铸膜盘I的边沿上，以检测加热温度。4)在加热装置外围设置支架4如图3、图4所示，将铸膜盘I放在支架4上如图5、图6所示，将水平仪放置在铸膜盘I中，调节支架4的支脚的高度，使水平仪的水准泡在铸膜盘I平面内两个相互垂直的方向上都处于零位，从而使铸膜盘I处于水平，铸膜盘I与其下方的加热装置3之间的距离为dl = 20cm如图10所示。支架4有四个支脚10，其结构相同。请参照图3、图4，每个支脚10由螺杆101、螺母102、螺套103组成，螺母102螺接在螺杆101的下部，螺套103螺接在螺杆101的上部，螺套103的顶部有支点104，支点104用于支承铸膜盘1，旋转螺套103，即可调节支脚10的高度，螺母102用于将螺套103锁住定位。 5)在保温底板2上设置不锈钢薄板制成的高度H = 60cm的冷却水套5，冷却水套5环绕加热装置3、支架4和铸膜盘I如图6、图7、图10所示，冷却水套5与铸膜盘I之间横向距离为d2 = 20cm如图10所示，冷却水套5为夹层结构，外夹层8用保温材料均匀填实，内夹层9装有冷却水11，冷却水11的深度为h = 20cm，冷却水11的厚度为v = 5cm。6)在冷却水套5底部设置冷凝溶剂收集槽6如图6、图9、图10所示。7)将I. 8L浓度为3%的铸膜液倒入铸膜盘I内，铸膜液自然流延均匀铺展布满铸膜盘，铸膜液深度为O. 5cm。8)在冷却水套5上设置保温顶盖7，将冷却水套5和保温底板2包围的内部空间密封如图7、图8、图10所示；9)启动加热装置3对铸膜盘I中铸膜液加热，控制加热温度在133 °C，低于溶剂沸点20°C，加热时间为3小时，使铸膜液中的溶剂全部蒸发。在溶剂蒸发过程中，铸膜盘I及其中的铸膜液处于一个静态封闭的空间，在加热装置3的加热下，蒸发的溶剂饱和蒸气向周边扩散并笼罩铸膜液，扩散较远的溶剂饱和蒸气遇到冷却水套5，在冷却水套5表面冷却凝结成液态溶剂，在重力作用下顺着冷却水套的表面流下汇聚到冷却水套5底部的冷凝溶剂收集槽6内，由于铸膜液与溶剂蒸气处于接近动态平衡状态，铸膜液中溶剂缓慢蒸发减少，铸膜液中溶质的浓度缓慢增大，进而缓慢结晶成膜。10)当铸膜液中的溶剂蒸发完毕后，继续加热30分钟时间，使更多的溶质分子运动排列到晶格中，进一步提闻成品I吴的结晶度。11)停止加热，将冷凝溶剂收集槽6内冷凝溶剂排走，待铸膜盘冷却后，将膜从铸膜盘上揭下，即得60cmX60cmX0. 0075cm全氟离子交换膜。12)检测成品膜厚度均匀性，如果成品膜某个部位偏厚，则在加热装置对应部位上放置不锈钢片遮挡物，以降低该部位加热温度，从而减薄成品膜该部位的厚度。实施例三本实施例为IOOcmX IOOcmXO. 025cm的全氟离子交换膜制作，该法包括以下具体
步骤
I)将Ikg当量重量EW= I lOOg/eq的全氟磺酸离子交换树脂和20L 二甲基甲酰胺(沸点153°C )加入30L封闭反应釜加热搅拌溶解，溶解温度200°C，溶解时间6小时，使全氟磺酸离子交换树脂溶解于二甲基甲酰胺，制得约20L浓度为5%的铸膜液。2)用浮法玻璃和玻璃胶制备面积S = 107cmX 107cm、厚度2cm、深度I. 5cm、边沿宽度3. 5cm、内底面积IOOcmX IOOcm的铸膜盘I如图I所示。3)在保温底板2上居中设置面积为A = 200cmX 200cm的加热装置3如图2所示，加热装置3的功率密度为O. 5W/cm2，加热功率为20kW，它由100根功率200W、长200cm的远红外石英加热管301等间隔2cm平行排列构成，加热装置3的加热温度由温控仪自动控制，温控仪测温探头放置在铸膜盘I的边沿上，以检测加热温度。4)在加热装置外围设置支架4如图3、图4所示，将铸膜盘I放在支架4上如图5、图6所示，将水平仪放置在铸膜盘I中，调节支架4的支脚的高度，使水平仪的水准泡在铸膜盘I平面内两个相互垂直的方向上都处于零位，从而使铸膜盘I处于水平，铸膜盘I与其 下方的加热装置3之间的距离为dl = 40cm如图10所示。支架4有四个支脚10，其结构相同。请参照图3、图4，每个支脚10由螺杆101、螺母102、螺套103组成，螺母102螺接在螺杆101的下部，螺套103螺接在螺杆101的上部，螺套103的顶部有支点104，支点104用于支承铸膜盘1，旋转螺套103，即可调节支脚10的高度，螺母102用于将螺套103锁住定位。5)在保温底板2上设置不锈钢薄板制成的高度H = 120cm的冷却水套5，冷却水套5环绕加热装置3、支架4和铸膜盘I如图6、图7、图10所示，冷却水套5与铸膜盘I之间横向距离为d2 = 40cm如图10所示，冷却水套5为夹层结构，外夹层8用保温材料均匀填实，内夹层9装有冷却水11，冷却水11的深度为h = 40cm，冷却水11的厚度为v = 10cm。6)在冷却水套5底部设置冷凝溶剂收集槽6如图6、图9、图10所示。7)将IOL浓度为5%铸膜液倒入铸膜盘I内，铸膜液自然流延均匀铺展布满铸膜盘，铸膜液深度为1cm。8)在冷却水套5上设置保温顶盖7，将冷却水套5和保温底板2包围的内部空间密封如图7、图8、图10所示；9)启动加热装置3对铸膜盘I中铸膜液加热，控制加热温度在123 °C，低于溶剂沸点30°C，加热时间为5. 5小时，使铸膜液中的溶剂全部蒸发。在溶剂蒸发过程中，铸膜盘I及其中的铸膜液处于一个静态封闭的空间，在加热装置3的加热下，蒸发的溶剂饱和蒸气向周边扩散并笼罩铸膜液，扩散较远的溶剂饱和蒸气遇到冷却水套5，在冷却水套5表面冷却凝结成液态溶剂，在重力作用下顺着冷却水套的表面流下汇聚到冷却水套5底部的冷凝溶剂收集槽6内，由于铸膜液与溶剂蒸气处于接近动态平衡状态，铸膜液中溶剂缓慢蒸发减少，铸膜液中溶质的浓度缓慢增大，进而缓慢结晶成膜。10)当铸膜液中的溶剂蒸发完毕后，继续加热100分钟时间，使更多的溶质分子运动排列到晶格中，进一步提闻成品I吴的结晶度。11)停止加热，将冷凝溶剂收集槽6内冷凝溶剂排走，待铸膜盘冷却后，将膜从铸膜盘上揭下，即得IOOcmX IOOcmXO. 025cm全氟离子交换膜。12)检测成品膜厚度均匀性，如果成品膜某个部位偏厚，则在加热装置对应部位上放置不锈钢片遮挡物，以降低该部位加热温度，从而减薄成品膜该部位的厚 度。
权利要求
1.一种溶液铸膜法，其特征是该法为静态封闭的溶液铸膜法，包括以下具体步骤 1)将溶质溶解于溶剂制备铸膜液； 2)制备面积为S的铸膜盘； 3)在保温底板上居中设置面积为A的加热装置，加热装置的功率密度为O.I O. 5W/cm2，且 I. 5S 彡 A 彡 3. 5S ; 4)在加热装置外围设置支架，将铸膜盘放在支架上，调节支架的支脚使铸膜盘处于水平，铸膜盘与其下方的加热装置之间的距离为dl，且O. 2S1/2 ^ dl ^ O. 4S1/2 ； 5)在保温底板上设置高度为H的冷却水套，冷却水套环绕加热装置、支架和铸膜盘，且O. 6S1/2彡H彡I. 2S1/2，冷却水套与铸膜盘之间的横向距离为d2，且O. 2S1/2彡d2彡O. 4S1/2，冷却水套为夹层结构，外夹层用保温材料均匀填实，内夹层装有冷却水，冷却水的深度为h，冷却水的厚度为 V，且 O. 2S1/2 彡 h 彡 O. 4S1/2，0. 05S1/2 ^ v ^ O. 1S1/2 ； 6)在冷却水套底部设置冷凝溶剂收集槽； 7)将铸膜液倒入铸膜盘，让铸膜液均匀铺展布满铸膜盘，铸膜液深度为O.I Icm ; 8)在冷却水套上方设置保温顶盖，将冷却水套和保温底板包围的内部空间密封； 9)启动加热装置加热铸膜盘中的铸膜液，控制加热温度低于溶剂沸点10 30°C，加热时间I 5. 5小时，使铸膜液中的溶剂全部蒸发； 10)当铸膜液中的溶剂蒸发完毕后，继续加热2 100分钟，使更多的溶质分子运动排列到晶格中，进一步提闻I旲的结晶度； 11)停止加热，将冷凝溶剂收集槽内的冷凝溶剂排走，待铸膜盘冷却后，将膜从铸膜盘上揭下，即得成品膜； 12)检测成品膜厚度均匀性，如果成品膜某个部位偏厚，则在加热装置的对应部位上放置遮挡物，以降低该部位加热温度，从而减薄成品膜该部位的厚度。
2.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述铸膜液的溶质为全氟磺酸离子交换树脂，其当量重量EW = 900 llOOg/eq，溶剂为二甲基甲酰胺，铸膜液浓度为I 5%，铸膜液制备使用封闭反应釜，溶解温度200 220°C，溶解时间4 6小时。
3.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述铸膜盘由浮法玻璃和玻璃胶制成。
4.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是在铸膜盘内放置水平仪，通过调节支架支脚的高度，使水平仪的水准泡在铸膜盘平面内两个相互垂直的方向上都处于零位，从而使铸膜盘处于水平。
5.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述加热装置由远红外石英加热管平行排列构成。
6.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述加热装置的加热温度由温控仪自动控制，温控仪的测温探头放置在铸膜盘的边沿上，以检测加热温度。
7.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述冷却水套由不锈钢薄板制成。
8.如权利要求I所述的溶液铸膜法，其特征是所述遮挡物为金属片。
全文摘要
一种溶液铸膜法，包括以下步骤将溶质溶解于溶剂制备铸膜液；用浮法玻璃制备铸膜盘；在保温底板上设置加热装置；在加热装置外围设置支架，将铸膜盘放在支架上；在保温底板上设置冷却水套，冷却水套环绕加热装置、支架和铸膜盘；在冷却水套底部设置冷凝溶剂收集槽；将铸膜液倒入铸膜盘；在冷却水套上方设置保温顶盖，将冷却水套和保温底板包围的内部空间密封；启动加热装置加热铸膜液，使铸膜液中的溶剂全部蒸发；继续加热，进一步提高膜的结晶度；停止加热，将膜从铸膜盘上揭下；检测膜厚度，调整加热场，提高成品膜厚度均匀性。该法具有工艺简单、设备便宜、制膜成本低、成品膜结晶度高、各向同性、厚度均匀、杂质少、外观好、成品率高等优点。
文档编号C08J5/22GK102888010SQ20111020182
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者郑重德 申请人:北京金能世纪科技有限公司