孫亞頗

(鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，鞏義，451200)

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后處理對(duì)水電解槽制氫用PPS纖維隔膜性能的影響

孫亞頗

(鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，鞏義，451200)

對(duì)聚苯硫醚(PPS)長(zhǎng)絲制成的水電解槽制氫用隔膜進(jìn)行熱軋和磺化后處理，并對(duì)處理前后隔膜的厚度、氣密性、斷裂強(qiáng)度和吸堿性能進(jìn)行測(cè)試比較。結(jié)果表明，PPS纖維隔膜通過(guò)后處理，其整體性能得到提高。熱軋?zhí)幚砜墒垢裟ず穸葴p小，隔膜的氣密性和尺寸穩(wěn)定性提高，產(chǎn)生的毛羽減少；磺化處理可使隔膜的吸堿性能提高，隔膜的10 min堿液吸上高度由磺化前的52 mm提高到磺化后的57 mm，但隔膜的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度均有不同程度的下降，需進(jìn)一步優(yōu)化磺化工藝。

PPS纖維，隔膜，性能，熱軋，磺化

聚苯硫醚(PPS)是以對(duì)二氯苯和NaS為原料，N-甲基吡咯烷酮為溶劑，在175～350 ℃、常壓至70 Pa下進(jìn)行縮聚反應(yīng)制取的分子主鏈中帶有苯硫基的線型結(jié)晶性熱塑性樹(shù)脂，由其制成的纖維具有良好的性能[1]，能夠滿足水電解槽制氫用隔膜的性能要求。

水電解槽電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣由電解槽內(nèi)的隔膜分離開(kāi)，隔膜的性能會(huì)影響電解槽的直流電耗，且對(duì)氣體的純度也會(huì)有直接的影響。為了降低電解槽的能耗，獲得更高的氣體純度，人們?cè)谘芯扛咝阅茈姌O的同時(shí)，電解槽隔膜也成為人們研究的熱點(diǎn)[2]。本文主要通過(guò)對(duì)隔膜進(jìn)行熱軋和磺化后處理，探討后處理工藝對(duì)其氣密性、尺寸穩(wěn)定性和親水性的影響。

1 PPS纖維隔膜的后處理

熱軋?zhí)幚碇饕菫榱朔乐怪瞥傻母裟せ荚谑褂眠^(guò)程中發(fā)生變形和出現(xiàn)掉毛現(xiàn)象，并進(jìn)一步提高其氣密性[3]。熱定型要選用適宜的溫度與時(shí)間。溫度低和時(shí)間短達(dá)不到定型效果，而溫度過(guò)高和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則布面會(huì)發(fā)黃，且浪費(fèi)能源，增加成本。另外，水電解槽隔膜是在堿性環(huán)境中工作的，由于PPS纖維吸濕性較差，用其制成的隔膜會(huì)影響吸堿性能，需進(jìn)行親水改性處理。本試驗(yàn)采用磺化法對(duì)其進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料和試劑

試驗(yàn)材料：自制PPS長(zhǎng)絲隔膜。

試驗(yàn)試劑：KOH溶液，濃度2 mol/L，天津化學(xué)試劑三廠；98% H2SO4溶液，天津化學(xué)試劑三廠。

2.2 設(shè)備和儀器

Y/TD7-45A熱軋機(jī)，天津市智杰科技有限公司；

磺化設(shè)備，自制；

FA2004B電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

02F-6050真空干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；

YG141測(cè)厚儀，常州第二紡織機(jī)械廠；

YG461織物中壓透氣量?jī)x，寧波紡織儀器廠；

濕態(tài)氣密性測(cè)試裝置，自制；

QUANTA 200掃描電子顯微鏡，捷克FEI公司；

YG026D多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)，寧波紡織儀器廠。

2.3 后處理工藝

熱軋：185 ℃，加壓時(shí)間20 s，壓力5 MPa。

磺化：將隔膜基布放在80℃、98 % 的H2SO4中處理30 min，然后用30% KOH 溶液處理。

2.4 隔膜性能測(cè)試

2.4.1 厚度

隔膜厚度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

2.4.2 面密度

隔膜面密度參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。

2.4.3 斷裂強(qiáng)度

隔膜斷裂強(qiáng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》進(jìn)行測(cè)試，試樣寬度為25 mm，夾持距為200 mm。

2.4.4 氣密性

2.4.4.1 濕態(tài)氣密性(泡點(diǎn)壓力)

采用自行設(shè)計(jì)組裝的濕態(tài)隔膜氣密性測(cè)試裝置(圖1)進(jìn)行測(cè)試。該裝置由帶有法蘭的圓筒(圓筒上部開(kāi)口，圓筒的下部可通過(guò)閥門供水)和U型壓力指示管(能夠測(cè)定空氣壓力)等組成。

圖1 濕態(tài)隔膜氣密性測(cè)試裝置

從隔膜樣品中裁取直徑約為150 mm的圓形試樣5個(gè)。將在清水中浸泡24 h后的試樣夾持在測(cè)試裝置上部?jī)蓚€(gè)法蘭之間，壓緊試樣至四周不漏氣，用螺絲將其固定；往固定好隔膜的法蘭板上方加水，直至水面深度約為100 mm為止；旋開(kāi)進(jìn)水閥門，讓水從下面的注水口進(jìn)入圓筒下部；開(kāi)始觀察，直至觀察到隔膜上部冒出第一個(gè)氣泡，讀取此時(shí)U型壓力計(jì)的讀數(shù)。在該狀態(tài)下保持2 min，觀察隔膜上方是否繼續(xù)有氣泡冒出和U型壓力計(jì)的讀數(shù)是否有變化。如無(wú)氣泡冒出并且壓力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定，相對(duì)應(yīng)的壓力計(jì)讀數(shù)即為此樣品的測(cè)試壓力值；如隔膜上方繼續(xù)有氣泡冒出，則需繼續(xù)觀察直至無(wú)氣泡且壓力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定，再記錄此時(shí)的壓力值。重復(fù)此操作，直至5個(gè)試樣全部完成。取5個(gè)試樣的算術(shù)平均值為最終測(cè)定結(jié)果。若壓力計(jì)讀數(shù)能達(dá)到300 Pa，則表明隔膜的濕態(tài)氣密性合格[4]。

2.4.4.2 干態(tài)氣密性

干態(tài)氣密性測(cè)定主要是測(cè)試其透氣量。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行。測(cè)試在高壓條件下進(jìn)行，進(jìn)氣孔孔徑3 mm。

2.4.5 吸堿性能

從隔膜樣品中裁取尺寸為250 mm×25 mm的試樣5塊。試樣在105～110 ℃溫度下烘干至恒重，置于干燥器中冷卻至室溫，然后在距離一端邊10 mm處劃標(biāo)記線。

在燒杯中加入200 mL 30%的KOH溶液；將試樣未做標(biāo)記的一端用夾子夾持懸掛于燒杯上方，緩慢下降，使試樣做標(biāo)記的一端逐漸浸入溶液中，直至標(biāo)記線與液面持平；開(kāi)始計(jì)時(shí)，10 min 后取出試樣，用直尺測(cè)量其堿液吸上高度。依此操作，直至5個(gè)試樣全部完成。取5個(gè)試樣的算術(shù)平均值為最終測(cè)定結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱軋?zhí)幚韺?duì)隔膜性能的影響

3.1.1 厚度

經(jīng)熱軋?zhí)幚砗蟾裟ぶ欣w維的形態(tài)發(fā)生了變化，纖維由原來(lái)圓柱形變?yōu)楸馄綆?，隔膜厚度減小。熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ暮穸纫?jiàn)表1。

從表1可以看出，經(jīng)過(guò)熱軋?zhí)幚淼母裟て浜穸染胁煌潭鹊臏p小。在水電解槽電解過(guò)程中，隔膜厚度變小可以在一定程度上縮短離子和電子通過(guò)隔膜的距離，有利于減小電阻，進(jìn)而降低小室電壓，從而提高電解效率。另外，經(jīng)過(guò)熱軋?zhí)幚淼母裟て浔砻婢鶆蛐暂^好，可在一定程度上提高隔膜的氣密性。

表1 熱軋?zhí)幚砬昂蟮母裟ず穸?(單位：mm)

3.1.2 氣密性

熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ耐笟饬亢团蔹c(diǎn)壓力見(jiàn)表2。

表2 熱軋?zhí)幚砬昂蟾裟さ耐笟饬亢团蔹c(diǎn)壓力

由表2可以看出，隔膜經(jīng)熱軋?zhí)幚砗螅谙嗤瑴y(cè)試條件下透氣量減小，泡點(diǎn)壓力增大，基本上都能滿足使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明經(jīng)過(guò)熱軋?zhí)幚砜梢悦黠@提高隔膜的氣密性。

3.2 磺化處理對(duì)隔膜性能的影響

3.2.1 吸堿性能

磺化處理前后10 min堿液吸上高度分別為52和57 mm，說(shuō)明隔膜經(jīng)過(guò)磺化處理，其吸堿性能略有提高。本試驗(yàn)采用濃H2SO4進(jìn)行磺化反應(yīng)，在高溫下磺酸基與PPS苯環(huán)上的氫發(fā)生取代反應(yīng)，使磺酸基進(jìn)入苯環(huán)，磺酸基可以很好地和水分子結(jié)合，因此提高了PPS的親水性能。

3.2.2 纖維表面形態(tài)和斷裂強(qiáng)度

隔膜磺化處理前后的纖維表面形態(tài)和斷裂強(qiáng)度變化分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖3 隔膜磺化處理前后經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度

由圖2可以看出，磺化改性處理在提高隔膜吸堿能力的同時(shí)對(duì)纖維的表面損傷非常大，纖維表面受到刻蝕脫落，單纖維強(qiáng)度必然會(huì)減小，進(jìn)而會(huì)影響到隔膜的強(qiáng)度。由圖3可以看出，磺化處理后隔膜的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度都有不同程度的減小，將會(huì)直接影響隔膜的使用性能。因此，需進(jìn)一步探索更加適宜的磺化溫度和時(shí)間。

4 結(jié)論

(1)水電解槽制氫用PPS纖維隔膜經(jīng)過(guò)熱軋?zhí)幚?，能減小隔膜厚度，提高隔膜的氣密性和尺寸穩(wěn)定性，減少毛羽的產(chǎn)生。

(2)水電解槽制氫用PPS纖維隔膜經(jīng)過(guò)磺化處理可提高隔膜的吸堿性能，隔膜的10 min堿液吸上高度由磺化前的52 mm提高到磺化后的57 mm；但隔膜的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度均有不同程度的下降，將會(huì)直接影響隔膜的使用性能，需進(jìn)一步探索更加適宜的磺化溫度和時(shí)間。

(3)隔膜經(jīng)過(guò)熱軋和磺化后處理，可提高隔膜的性能，能在一定程度上提高水電解槽制氫的氫、氧氣純度和運(yùn)行的效率。

[1] 汪家銘，于長(zhǎng)水．聚苯硫醚纖維發(fā)展概況及應(yīng)用前景[J]．化工科技市場(chǎng)，2009(4)：1-5．

[2] 王玉斌.非石棉隔膜研究[J]. 氯堿工業(yè)，1994(3):11-15.

[3] 彭富兵，焦曉寧. 隔膜法制氫電解槽用新型隔膜的研制及其應(yīng)用[J].紡織學(xué)報(bào)，2008，29(12)：42-45.

[4] 郭仁惠，張建設(shè).固液分離濾布性能測(cè)定及選用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：52-58.

Post-processing effect on the performance of PPS fiber membrane for water electrolyzer hydrogen production

SunYapo

(Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics)

The diaphragm, made of polyphenylene sulfide (PPS) filament for hydrogen production in water electrolyzer, was treated by hot-rolling and sulfonation. Furthermore, its thickness, gas tightness, breaking strength and alkaline absorbing were tested and the data of before and after processing was compared. The test result show that, the diaphragm can perform better in a whole after processing. Hot rolling treatment can reduce its thickness and filoplume generation, and improve its tightness and stability on size. Sulfonation treatment can increase its ability to absorb alkali. The absorb alkali height of the diaphragm at before and after sulfonation reached 52 mm and 57 mm. However, the breaking strength of membrane at longitude and latitude was weakened in varying degrees. In view of this, the process of sulfonation requires further optimization and improvement.

polyphenylene sulfide fiber, diaphragm, performance, hot-rolling, sulfonation

2015-03-12

孫亞頗，男，1983年生，助教。研究方向是功能非織造材料。

TQ116.2+1

A

1004-7093(2015)07-0014-04