聚苯硫醚(PPS)纖維是(shi)一種高性(xing)能材料，它具有良好(hao)(hao)的熱穩(wen)定性(xing)、化(hua)學穩(wen)定性(xing)、阻燃性(xing)及電(dian)絕緣性(xing)，而(er)且孔(kong)隙率高、比表面積大(da)、功能化(hua)改性(xing)容易、結構(gou)可控性(xing)好(hao)(hao)，能夠滿足水(shui)電(dian)解制氫槽用隔膜的性(xing)能要(yao)求。

電(dian)解水產生的(de)氧氣和氫氣是由電(dian)解槽內(nei)(nei)的(de)隔(ge)膜(mo)進行分離(li)的(de)，故(gu)隔(ge)膜(mo)的(de)性能直(zhi)接影響電(dian)解槽內(nei)(nei)氣體純(chun)度(du)和直(zhi)流電(dian)耗。為了在(zai)獲得更高純(chun)度(du)氣體的(de)同時(shi)降低水電(dian)解槽的(de)能耗，隔(ge)膜(mo)材料至關重要。

目前用于水電解制氫槽的隔膜有石棉隔膜、非石棉隔膜、聚砜類隔膜、離子交換膜和聚苯硫醚隔膜等。本研究(jiu)選取PPS短纖維(wei)和(he)長絲(si)(si)纖維(wei)為原料，通過(guo)紡紗、織造工藝參數設(she)計，織造出(chu)水電(dian)解制氫槽用(yong)PPS短纖維(wei)隔膜(mo)和(he)長絲(si)(si)隔膜(mo)，然后進行(xing)熱軋(ya)和(he)磺化處理(li)，并對制備的(de)兩種隔膜(mo)的(de)表面(mian)性能、強度、面(mian)電(dian)阻、電(dian)阻率(lv)、孔徑、孔隙(xi)率(lv)、氣(qi)密性、吸堿性能等主要指標(biao)進行(xing)測試分析，以遴(lin)選出(chu)最優(you)的(de)隔膜(mo)用(yong)纖維(wei)原料和(he)制備工藝。

一、PPS短纖維隔膜制備

采(cai)用(yong)PPS短(duan)纖維(wei)(wei)為原料，設計工藝參數，織(zhi)造短(duan)纖維(wei)(wei)隔膜。在設定的溫度和壓力(li)下，將隔膜在熱軋(ya)機上進行熱軋(ya)定型(xing)，隨后進行磺化親(qin)水(shui)改(gai)性處理(li)，改(gai)善其親(qin)水(shui)吸(xi)液性能。具體(ti)流程如(ru)圖所示。

PPS長絲隔膜制備

采(cai)用(yong)PPS長(chang)絲纖(xian)維(wei)為(wei)原料，設計工藝參(can)數(shu)，織造長(chang)絲隔膜。熱軋和磺化(hua)親(qin)水改性處理方法同短纖(xian)維(wei)隔膜。具體流程如圖所示。

實驗制備的 PPS 短纖維隔(ge)膜和(he)長絲隔(ge)膜如圖(tu)所示。

二、 PPS短纖維隔膜與長絲隔膜的性能比較

1 表面性能

PPS短纖(xian)維隔(ge)(ge)膜和長絲(si)隔(ge)(ge)膜在不同放大倍數(shu)下的電鏡圖如圖所示(shi)。

可以看出(chu)，長(chang)絲隔(ge)膜(mo)(mo)表(biao)面(mian)(mian)比較平整(zheng)，短(duan)(duan)纖(xian)(xian)維隔(ge)膜(mo)(mo)表(biao)面(mian)(mian)不(bu)(bu)太規整(zheng)且有較多的(de)(de)(de)凸起纖(xian)(xian)維頭。短(duan)(duan)纖(xian)(xian)維隔(ge)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)這些表(biao)面(mian)(mian)性(xing)狀，在(zai)電(dian)解(jie)過程中(zhong)容(rong)(rong)易(yi)產生(sheng)較多問題:一是(shi)在(zai)長(chang)時(shi)間使(shi)用過程中(zhong)其表(biao)面(mian)(mian)凸出(chu)的(de)(de)(de)纖(xian)(xian)維頭容(rong)(rong)易(yi)脫落，會影(ying)響(xiang)電(dian)解(jie)液的(de)(de)(de)性(xing)質，縮短(duan)(duan)電(dian)解(jie)液的(de)(de)(de)使(shi)用壽命;二是(shi)由于紗線條干(gan)不(bu)(bu)勻形成的(de)(de)(de)很大和很小的(de)(de)(de)兩極化孔徑，在(zai)電(dian)解(jie)過程中(zhong)會影(ying)響(xiang)離子交(jiao)換速率，同時(shi)也會影(ying)響(xiang)氣體純度、降低電(dian)解(jie)效率。

而(er)長絲隔(ge)膜(mo)使用的長絲纖維在加捻時形成的紗(sha)線條干不勻(yun)相對(dui)較(jiao)小，隔(ge)膜(mo)孔徑(jing)尺寸(cun)相對(dui)比(bi)較(jiao)均勻(yun)，對(dui)電解效率、離子交換速率和(he)氣(qi)體純(chun)度的影響較(jiao)短(duan)纖維隔(ge)膜(mo)要小。

2．強度、面電阻和電阻率

PPS短(duan)纖(xian)維隔(ge)(ge)膜與長絲隔(ge)(ge)膜的經緯向斷(duan)裂強度(du)、面電阻(zu)和電阻(zu)率的測試結果如表所示。

PPS短纖維隔膜與長絲隔膜的經緯向斷裂強度、面電阻和電阻率測試結果

由表(biao)可知，長絲隔膜(mo)的經緯向斷(duan)裂(lie)強度均(jun)大(da)于短(duan)(duan)纖(xian)維隔膜(mo)，面電(dian)阻和電(dian)阻率均(jun)低于短(duan)(duan)纖(xian)維隔膜(mo)，主要是由于:

第一，在相(xiang)同單位面積質量條件下(xia)，長絲隔膜的(de)厚(hou)度(du)(du)小于短纖維隔膜。厚(hou)度(du)(du)是影響隔膜電(dian)(dian)阻率(lv)和面電(dian)(dian)阻的(de)重要因素，厚(hou)度(du)(du)越(yue)大，越(yue)會(hui)降(jiang)低離(li)子通(tong)過的(de)速(su)度(du)(du)和效(xiao)率(lv)，造成較(jiao)大的(de)電(dian)(dian)阻。

第(di)二，長絲(si)隔膜用的紗線(xian)條干均勻(yun)度要好于短(duan)纖(xian)(xian)維隔膜，織造成的長絲(si)隔膜的厚度均勻(yun)性要優于短(duan)纖(xian)(xian)維隔膜，這也是(shi)影響(xiang)隔膜電(dian)阻的一個重要因素。

第三(san)，短(duan)纖維隔膜在(zai)電解(jie)槽使用過程中(zhong)表(biao)面凸出的短(duan)纖維脫落在(zai)電解(jie)質(zhi)中(zhong)，也會造(zao)成(cheng)電阻增(zeng)大。

第(di)四，長絲隔膜的親水性(xing)較(jiao)好，對電(dian)解液(ye)的浸潤性(xing)較(jiao)好，在電(dian)解過程中對離子遷移的阻(zu)力小(xiao)，所以電(dian)阻(zu)較(jiao)低(di)。

第五，?30%KOH溶液(ye)(30%為KOH質量分數(shu))中(zhong)石棉隔膜(mo)和PPS隔膜(mo)的面電阻(zu)、電阻(zu)率測試值(zhi)如下表所示。

30%KOH溶液中石棉隔膜和PPS隔膜的面電阻和電阻率

從不(bu)同(tong)隔(ge)(ge)膜的實測電阻(zu)來看，PPS短纖維隔(ge)(ge)膜和長絲隔(ge)(ge)膜的面電阻(zu)、電阻(zu)率相(xiang)對于(yu)石棉隔(ge)(ge)膜都要低得多(duo)，這(zhe)主(zhu)要與隔(ge)(ge)膜厚度有關。

實驗制得(de)的PPS隔(ge)膜厚(hou)度(du)在(zai)0．3mm左右(you)，而石棉隔(ge)膜厚(hou)度(du)在(zai)2．5mm左右(you)，隔(ge)膜越厚(hou)，離子(zi)和電(dian)子(zi)在(zai)電(dian)解過程中通過隔(ge)膜的距離就會(hui)越大，在(zai)電(dian)解過程中就表現(xian)為隔(ge)膜的面電(dian)阻和電(dian)阻率增大。因此，在(zai)相同的電(dian)解電(dian)壓下，使用PPS隔(ge)膜可(ke)大幅(fu)提高電(dian)解效率、降低能耗。

3 孔徑和孔隙率

孔(kong)徑(jing)和(he)孔(kong)隙率是反映(ying)隔膜電(dian)(dian)解過程中離子和(he)電(dian)(dian)子通過性(xing)能(neng)的(de)(de)重(zhong)要參數，直接影響隔膜的(de)(de)透(tou)(tou)通性(xing)、導電(dian)(dian)性(xing)和(he)阻止(zhi)其他(ta)微粒通過的(de)(de)性(xing)能(neng)。一(yi)般來(lai)說，孔(kong)徑(jing)越(yue)大(da)，孔(kong)隙率越(yue)均勻(yun)，則所含(han)孔(kong)隙體積越(yue)大(da)，滲(shen)透(tou)(tou)系數越(yue)大(da)，透(tou)(tou)通性(xing)越(yue)好(hao)。PPS短纖維隔膜和(he)長絲隔膜的(de)(de)最(zui)大(da)孔(kong)徑(jing)、沸騰孔(kong)徑(jing)和(he)孔(kong)隙率測試結果如表所示。

PPS短纖維隔膜與長絲(si)隔膜的最(zui)大孔(kong)徑、沸騰孔(kong)徑和(he)孔(kong)隙率測試結(jie)果

由表可知，PPS短(duan)纖維隔(ge)(ge)膜(mo)的平均孔徑和(he)孔隙率(lv)均高于(yu)長絲(si)隔(ge)(ge)膜(mo)，這(zhe)主(zhu)要是因為:第一，短(duan)纖維隔(ge)(ge)膜(mo)在紡紗(sha)(sha)和(he)織造時(shi)紗(sha)(sha)線條干不(bu)勻(yun)，較大(da)的張力容易使(shi)經紗(sha)(sha)斷(duan)頭，接頭的地方會出(chu)現較大(da)的孔隙;第二，由于(yu)紗(sha)(sha)線條干不(bu)勻(yun)，織造時(shi)經紗(sha)(sha)與緯紗(sha)(sha)中粗節與細(xi)節處會出(chu)現較大(da)的孔隙，且(qie)分布(bu)很(hen)不(bu)均勻(yun)。

4 氣密性

4.1干態氣密性

隔膜的(de)透氣(qi)量測(ce)試數據如表(biao)所示。在相同的(de)測(ce)試條件下，短(duan)(duan)纖維(wei)隔膜的(de)透氣(qi)量大于長(chang)絲隔膜。透氣(qi)量越大，隔膜的(de)氣(qi)密(mi)性越差，故長(chang)絲隔膜的(de)氣(qi)密(mi)性優(you)于短(duan)(duan)纖維(wei)隔膜。

隔膜(mo)透(tou)氣(qi)量

4.2濕態氣密性

隔(ge)膜在水電解槽(cao)中長期置于(yu)堿液中，濕態氣(qi)密性是(shi)其重要(yao)指標。測試隔(ge)膜的濕態氣(qi)密性用泡點法，測試其泡點壓力。隔(ge)膜的泡點壓力測試值如表(biao)所示。

隔膜泡點壓力

由表可知(zhi)，長絲隔膜(mo)(mo)(mo)的泡點壓力平均值在300Pa以上(shang)，大于短纖(xian)維(wei)隔膜(mo)(mo)(mo)，能夠滿(man)足(zu)實際使用要求(qiu)。由以上(shang)分析可知(zhi)，長絲隔膜(mo)(mo)(mo)的干態和濕態氣(qi)密性均優(you)于短纖(xian)維(wei)隔膜(mo)(mo)(mo)，并(bing)能滿(man)足(zu)實際使用要求(qiu)。

5 吸堿性能

隔膜在水電解槽中長期置(zhi)于堿(jian)液環境(jing)中，其(qi)(qi)吸堿(jian)性(xing)能(neng)(neng)直接影(ying)響其(qi)(qi)電解性(xing)能(neng)(neng)和電解效率，其(qi)(qi)吸堿(jian)性(xing)能(neng)(neng)主(zhu)要用單(dan)位(wei)面積含KOH溶液質(zhi)量和堿(jian)液吸上高度(親水性(xing)能(neng)(neng))來衡(heng)量。PPS短(duan)纖維隔膜和長絲隔膜的吸堿(jian)性(xing)能(neng)(neng)如表所示。

隔膜(mo)的(de)吸(xi)堿性(xing)能

在(zai)(zai)相同的(de)測試(shi)條件下，長(chang)絲隔(ge)(ge)(ge)膜(mo)單位面積含(han)KOH溶液質量(liang)和10min堿液吸上(shang)高度(du)均大于短纖維隔(ge)(ge)(ge)膜(mo)。在(zai)(zai)測試(shi)隔(ge)(ge)(ge)膜(mo)的(de)水(shui)接觸(chu)角(jiao)時(shi)，水(shui)滴在(zai)(zai)長(chang)絲隔(ge)(ge)(ge)膜(mo)表面5s內被(bei)迅速吸收，說明其(qi)水(shui)接觸(chu)角(jiao)接近0°,具(ju)有較(jiao)好的(de)親水(shui)性能(neng)，而(er)短纖維隔(ge)(ge)(ge)膜(mo)的(de)水(shui)接觸(chu)角(jiao)在(zai)(zai)120°左右，親水(shui)性能(neng)較(jiao)差。

綜上：

參考(kao)資料：聚苯(ben)硫(liu)醚短纖維隔膜和長(chang)絲隔膜的制備及其性能研究，孫亞(ya)頗

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