一种不等宽多层复合离子膜的制备方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种适用于氯碱工业的不等宽多层复合离子膜的制备方法及设备，属于离子膜制备技术领域。一种不等宽多层复合离子膜的制备方法，它包括熔融塑化、多层共挤出、牵伸、冷却、裁切边膜、收卷步骤，其特征在于，多层共挤出步骤为多层不等宽共挤出，挤出的多层复合离子膜中的任一膜层宽度大于其它膜层宽度，该宽膜层经裁切边膜后，即得。该设备通过对分流道共挤机头中的流道宽幅进行调整，从而使剪裁下的边膜成份单一，最终达到可回收利用剪裁下的边膜，节省成本的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于氯碱工业的不等宽多层复合离子膜的制备方法及设备，属 于离子膜制备

技术介绍
离子膜法制烧碱是目前最先进的烧碱生产技术，也是烧碱行业的高新技术。最初的离子膜是由杜邦研制的全氟磺酸离子交换膜，这种膜电阻小，电解电耗低；但是由于磺酸 基的亲水性，对电解槽阴极室的Off穿过膜的阻档性差，导致电解电流效率低。尤其是当 NaOH浓度大于20%时，电流效率已相当低，致使离子交换膜法制碱在经济上无法实现工业 化。之后，日本旭硝子公司推出了全氟羧酸离子膜，由于羧酸基的亲水性小，膜含水率低，使 其在NaOH浓度达35 %时仍有较高的电流效率，但膜的电阻大。鉴于全氟磺酸膜和全氟羧酸 膜二者各具优缺点，所以全氟磺酸/全氟羧酸复合膜成为离子膜的首选结构。综合氯碱行业多年的离子膜使用经验可知，目前的离子膜在使用过程中，尤其是 在非正常操作条件下，由于磺酸层和羧酸层水吸收能力的差异而导致膜层间产生气泡或脱 层现象，长时间使用会使得膜层间积聚盐水杂质，导致电流效率降低、槽电压增高、使用寿 命缩短。为了提高离子交换膜不同膜层间的结合力，各种各样的改进措施被采用。英国专 利GB2040222A介绍了一种结合含氟聚合物薄膜与阳离子交换膜的方法，首先将两层薄膜 采用甲醇溶液进行表面处理，之后与一种含氟共聚物薄膜以三明治的方式在一定的温度、 压力下压制成型。杜邦专利US No. 3849243和US No. 3770567提到的离子膜复合工艺同样 是需要对叠层膜的一个表面进行预处理，之后采用间歇热压的方式将两个聚合物薄膜与支 撑材料复合在一起。这种制膜后再次热压的复合工艺在操作过程中容易积聚细微气泡，长 期使用导致层间剥离，不能从根本上解决层间界面问题；而且，热压复合的工艺不适合于连 续化的工业生产。旭化成专利技术的Ser. No. 836417、Ser. No. 745196 和 USNo. 4178218 等均为电解食 盐水用离子交换膜的相关专利。为了解决界面问题，采用先制备出含氟聚合物基膜，之后 将含氟羧酸单体和含氟磺酸单体涂敷在基膜的阴极和阳极侧面，并加入交联剂，在一定的 聚合工艺下制备两侧分别为交联羧酸膜层和交联磺酸膜层的复合离子膜。美国专利US No. 4176215则采用将含有磺酸和羧酸基团的全氟树脂以一定的比例混合之后，反复冷冻、 研磨、压片，最终采用混合树脂制膜的方式来消除膜层间界面的问题。上述提到的复合离子 膜制备工艺尽管可以彻底解决不同聚合物膜层间的界面剥离问题，但操作起来十分繁琐， 且采用交联的方式复合难以保证大面积离子膜厚度上的一致性，不利于电流效率的提高， 还可能导致槽压的升高。目前，旭硝子株式会社开发的F-8030系列复合离子膜、旭化成株式会社开发的 F-4600系列复合离子膜均具有很高的抗水泡功能，耐久性大大提高；但其制作及复合工艺 未见详细报道。熔融共挤出复合制膜工艺已经广泛应用于阻隔薄膜或片材的生产领域。该工艺可以使具有相容性的两种聚合物在完全熔融的状态下进行复合，不仅可以彻底消除两种聚合 物之间的相界面，完全避免了层间气泡的产生，且制作过程简单、连续，适用于工业化生产。 杜邦专利US No. 4437952介绍了一种通过共挤出工艺制备的阳离子交换膜，该离子膜经过 检测，没有任何层间分离或产生水泡等问题。但是，该种复合工艺也存在一定的弊端，就是 原材料浪费。用于制备离子膜的含氟聚合物原料极为昂贵，通过普通的熔融共挤方法制成 的离子膜边角料由于紧密复合而无法直接回收、利用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种利用熔融共挤成膜工艺制备不等宽多层复 合离子膜的方法及设备，它通过对塑料加工行业中的熔融共挤成膜工艺进行改进，及针对 性的对复合机头的分配流道及结构进行改进，使其适合于含氟聚合物的熔融共挤出加工成 膜工艺设备的需要。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案如下一种不等宽多层复合离子膜的制备方法，它包括熔融塑化、多层共挤出、牵伸、冷 却、裁切边膜、收卷步骤，其特征在于，多层共挤出步骤为多层不等宽共挤出，挤出的多层复 合离子膜中的任一膜层宽度大于其它膜层宽度，该宽膜层经裁切边膜后，即得。所述的熔融塑化，是将两种或两种以上含有不同功能基团的含氟聚合物分别通过 螺杆挤出机于220-320°C的加工温度下进行熔融塑化。所述的含氟聚合物是由四氟乙烯和 含有不同功能基团的全氟烯单体共聚而成，优选含有SO-和/或COOR功能基团的磺酸和 羧酸含氟聚合物，或二者的混合物或共聚物，具体结构可参见申请号为200810138296. 8的 专利中所公开的树脂结构。当复合膜的制备选用两种含氟聚合物时，磺酸含氟聚合物的离 子交换当量为950-1150，羧酸含氟聚合物的离子交换当量为1000-1150。为了进一步提高 复合膜层间的结合力，当复合膜的制备选用三种含氟聚合物时，第三种含氟聚合物通常为 磺酸和羧酸聚合物的均勻共混物或共聚物。上述含氟聚合物为均勻的颗粒状物料，优选扁圆形直径为2_5mm的颗粒或圆柱状 直径为2-5mm、长度为2_6mm的颗粒。均勻的颗粒可以保证物料在挤出机料斗中均勻下料， 从而保证挤出量的稳定。上述含氟聚合物为经过80_150°C，干燥2_8h后，挥发份含量小于1衬％的物料。上述的加工温度为240_300°C。加工温度指的是螺杆均化段的设置温度，根据所选 聚合物的特征参数不同而不同。所述的多层共挤出是将熔融塑化后呈熔融状态的物料分别加入共挤机头中不同 宽幅的分配流道中，当不同的物料扩幅至流道满宽度之后经过模唇合流共挤出。所述的裁切边膜步骤中，裁切的边膜宽度应小于多层共挤出步骤中制得的膜中最 宽的膜层与其它任意膜层宽度之差，裁切的边膜回收利用。对于片材或膜材挤出机头来说，存在一个共同的缺陷，即熔融物料从机头挤 出后，尤其是对于薄膜制品，会由于迅速冷却而产生收缩，两侧收缩尤为严重，从而形成 10-50mm的厚边，因此，两侧厚边必须在薄膜收卷之前被裁切来保证薄膜整体厚度的均一 性。如果采用常规的等宽度共挤机头制备离子复合膜，裁切掉的边膜为不同聚合物的复合膜，无法分离开重复利用；而采用不等宽共挤机头制备的复合膜，裁切掉的边膜为单一组分 的磺酸聚合物，可以采用在线回收装置直接造粒、回收利用、减少浪费。经上述方法制得的不等宽多层复合离子膜经网布增强、转型、亲水涂层处理之后， 成为性能优异的离子交换膜。所述的复合薄膜的网布增强处理，是指将复合共挤制备的复合薄膜、增强网布与 隔离材料由上至下叠层后同时送入连续旋转的热复合装置中，或直接加热成型辊和牵引辊 对压，薄膜受热后借助外力进入增强网布的网格内部，并对网线形成包覆，使得增强材料嵌 入复合薄膜的磺酸层。所述的增强网布，编织方式可以是纯的含氟聚合物长丝交织，或者是含氟聚合物 长丝与牺牲纤维交叉平织。含氟聚合物通常选用PTFE或可熔融PFA，牺牲纤维通常选用聚 酯纤维或人造纤维。由于PTFE自身没有离子交换功能，因此网布的嵌入虽然提高了离子 膜的机械强度，但不可避免的降低了离子膜的电学性能，导致膜电阻增加。因此，在保证离 子膜强度的前提下要尽可能的减小网线的细度，降低网线的阻挡面积。含氟聚合物纬向长 丝的粗细为70-300旦，径向长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不等宽多层复合离子膜的制备方法，它包括熔融塑化、多层共挤出、牵伸、冷却、裁切边膜、收卷步骤，其特征在于，多层共挤出步骤为多层不等宽共挤出，挤出的多层复合离子膜中的任一膜层宽度大于其它膜层宽度，该宽膜层经裁切边膜后，即得。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王婧，张永明，张恒，
申请(专利权)人：山东东岳高分子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]