本發(fā)明屬于堿性水電解，具體涉及一種用于堿性水電解的復(fù)合隔膜及制備方法。

背景技術(shù)：

1、堿性水電解(awe)作為一種工業(yè)規(guī)模的電解水工藝，由多孔隔膜將鎳基電極分隔開，并使用約30wt％的koh溶液作為電解液填充隔膜孔隙，以促進離子傳輸并且形成陰陽極的通路。

2、然而，電解系統(tǒng)在運行過程中，電解液中會含有大量氫氣或氧氣，這些溶解氣體在濃度梯度和陰陽極壓差的驅(qū)動下可以通過孔隙滲透，從而影響產(chǎn)氣品質(zhì)，并引起安全問題。隔膜的孔隙率、彎曲度、潤濕性和孔徑等因素都會影響氣體傳輸。隔膜的孔徑越小，氣體透過率越低，氣體純度雖然越高，但歐姆電阻變得越高。因此，全面的孔隙工程對于最大化離子電導(dǎo)率和最小化通過分離器的氣體滲透至關(guān)重要。

3、目前，堿性水電解常用的隔膜為聚苯硫醚(pps)編織膜，但該類簡單的有機纖維隔膜，其孔隙結(jié)構(gòu)較差，離子電阻較高。

4、研究表面，隔膜的潤濕性影響電解液與隔膜表面的接觸，較高的潤濕性會增加電解液通量，使歐姆電阻降低。已有多種表面改性和復(fù)合材料等方法，通過提升隔膜的親水性來提高隔膜的性能。通過在pps編制膜表面引入親水性涂層或與其他親水性材料復(fù)合，可以顯著改善其親水性和離子通過性，從而提升電解效率。例如，在pps編制膜表面應(yīng)用無機功能涂層，制造有機-無機復(fù)合隔膜是隔膜研究的方向。

5、如專利cn117344346a給出一種堿性電解水所用復(fù)合隔膜及其制備方法與應(yīng)用，該堿性電解水用復(fù)合隔膜，包括多孔支撐層和多孔親水層，多孔支撐層為多孔織物或多孔無紡布；多孔親水層由高分子聚合物、無機親水性顆粒和無機導(dǎo)熱顆粒構(gòu)成。有益效果：該方案通過化學鍵的作用而并非簡單的物理作用將高分子聚合物，無機親水顆粒和多孔支撐層結(jié)合在一起，一方面抑制了pps網(wǎng)周圍的空腔的存在，另一方面隔膜涂層本身的強度得到有效的提升。

6、有機-無機復(fù)合隔膜表面的無機功能涂層提高了親水性和氣體阻隔性能，降低了隔膜的厚度和離子電阻，但無機功能涂層存在顆粒脫落現(xiàn)象，其機械性能無法得到保障，長期循環(huán)壽命也會出現(xiàn)衰退，出現(xiàn)明顯的不確定性。

7、因此，如何設(shè)計用于堿性水電解的復(fù)合隔膜材料，不僅能提升隔膜的親水、隔氣性，還能保證機械性能及長期服役的穩(wěn)定性是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于堿性水電解的復(fù)合隔膜及制備方法，復(fù)合隔膜包括基膜及親水層，基膜為含聚苯硫醚分子主鏈的纖維，親水層為基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物，在堿性電解液的環(huán)境下，復(fù)合隔膜的堿液接觸角α與基膜的堿液接觸角α1存在如下關(guān)系：α＝k·α1，k為不高于0.7的正數(shù)；親水層的最可幾孔徑不大于15μm，基膜的厚度x1與親水層的厚度x2滿足以下關(guān)系：x1+x2≤900nm，x2＝p·x1，p為不高于0.1的正數(shù)；堿性電解液為質(zhì)量濃度30％-50％的koh溶液，溫度為75-85℃。通過在含聚苯硫醚分子主鏈的纖維上附著基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物，改進原隔膜結(jié)構(gòu)的耐堿親水性和隔氣性，提高隔膜在堿性環(huán)境中服役的穩(wěn)定性。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種用于堿性水電解的復(fù)合隔膜，復(fù)合隔膜包括基膜及親水層，基膜為含聚苯硫醚分子主鏈的纖維，親水層為基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物，在堿性電解液的環(huán)境下，復(fù)合隔膜的堿液接觸角α與基膜的堿液接觸角α1存在如下關(guān)系：

3、α＝k·α1，k為不高于0.7的正數(shù)；

4、親水層的最可幾孔徑不大于15μm，基膜的厚度x1與親水層的厚度x2滿足以下關(guān)系：

5、x1+x2≤900nm，x2＝p·x1，p為不高于0.1的正數(shù)；

6、其中，堿性電解液的環(huán)境下堿性電解液為質(zhì)量濃度30％-50％的koh溶液，溫度為75-85℃。

7、進一步的，含聚苯硫醚分子主鏈的纖維為聚苯硫醚纖維、磺化聚苯硫醚纖維、附著無機顆粒物層的聚苯硫醚纖維中的一種，其中，附著無機顆粒物層的聚苯硫醚纖維，具體包括：無機顆粒物層及聚苯硫醚纖維，聚苯硫醚纖維為中間層，無機顆粒物層分別附著于中間層的上下兩表面，無機顆粒物層包括氧化鋯親水顆粒；

8、進一步的，復(fù)合隔膜的堿液接觸角不大于90°；

9、進一步的，基膜的厚度x1為500-800nm，親水層的厚度x2為10-80nm。

10、進一步的，在堿性電解液的環(huán)境、1.8v工作電壓下，應(yīng)用復(fù)合隔膜的堿性電解槽陽極側(cè)氣體中氫含量不高于0.5％；

11、基膜的厚度x1與親水層的厚度x2，還滿足以下關(guān)系：

12、

13、其中，p0為復(fù)合隔膜的閾值透氣率，β為復(fù)合隔膜透氣界面效應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)，tgur()為格利值函數(shù)，e0為堿性電解液的環(huán)境、1.8v工作電壓下的調(diào)整系數(shù)，表示厚度為x1的基膜，表示厚度為x2的親水層。

14、進一步的，基膜的厚度x1與親水層的厚度x2，還滿足以下關(guān)系：

15、

16、其中，γ為復(fù)合隔膜離子電導(dǎo)率界面效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，σ()為離子電導(dǎo)率函數(shù)，e0為堿性電解液的環(huán)境、1.8v工作電壓下的調(diào)整系數(shù)，表示厚度為x1的基膜，表示厚度為x2的親水層，q為離子電導(dǎo)率的優(yōu)化閾值系數(shù)，表示厚度為x1+x2的基膜。

17、第二方面，本發(fā)明還提供一種制備如上述用于堿性水電解的復(fù)合隔膜的方法，具體包括如下步驟：

18、步驟s1：獲取預(yù)設(shè)厚度的基膜，對基膜進行表面去污處理，得到目標基膜；

19、步驟s2：配置混合溶液，其中，混合溶液為基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物的稀釋溶液，其中，基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物的質(zhì)量分數(shù)為0.1％-1％，混合溶液的溶劑為異丙醇或乙醇；

20、步驟s3：將步驟s1的目標基膜置于超聲噴涂機的樣品臺上，樣品臺溫度為60-80℃，將步驟s2配置的混合溶液置于超聲噴涂機中，超聲噴涂機按照復(fù)合隔膜預(yù)設(shè)的親水層的厚度，控制噴涂圈數(shù)，將混合溶液噴至目標基膜的表面，得到附著親水層的隔膜；

21、步驟s4：對步驟s3得到的附著親水層的隔膜進行清洗、高溫干燥處理，得到用于堿性水電解的復(fù)合隔膜。

22、進一步的，步驟s1中對基膜進行表面去污處理，具體包括：

23、將基膜放置于燒杯中，依次使用乙醇、丙酮、去離子水進行超聲清洗，每次超聲時間為5-10min，其中，超聲清洗時的溫度不超過40℃。

24、進一步的，步驟s3，具體包括如下步驟：

25、將步驟s1的目標基膜放置在樣品臺中間，覆蓋含特定尺寸中孔結(jié)構(gòu)的遮蓋材料，將樣品臺置于壓力不高于0.05mpa的真空環(huán)境中；

26、設(shè)置超聲噴涂機的機器參數(shù)，機器參數(shù)包括噴涂面積、噴頭高度及噴涂速度，其中，噴涂面積與遮蓋材料的中孔結(jié)構(gòu)尺寸一致；

27、將步驟s2配置的混合溶液置于針筒中，其中，針筒的一端連接計量泵，針筒內(nèi)放置攪拌磁子，攪拌磁子的攪拌速度不低于600rpm；

28、樣品臺溫度升至60-80℃后，打開計量泵進液開關(guān)，超聲噴涂機按照復(fù)合隔膜預(yù)設(shè)的親水層的厚度，控制噴涂圈數(shù)，將混合溶液噴至目標基膜的表面；

29、噴涂完成后，樣品臺溫度維持不少于5min，得到附著親水層的隔膜。

30、進一步的，步驟s3中超聲噴涂機按照復(fù)合隔膜預(yù)設(shè)的親水層的厚度，控制噴涂圈數(shù)，具體包括如下步驟：

31、基于超聲噴涂機的條件參數(shù)，預(yù)先通過單點噴涂試驗，獲取任一點的涂層厚度與噴涂時間的擬合函數(shù)關(guān)系；

32、結(jié)合噴涂時間間隔，建立涂層厚度與噴涂圈數(shù)之間的擬合關(guān)系，形成噴涂控制模型；

33、基于噴涂控制模型，結(jié)合復(fù)合隔膜預(yù)設(shè)的親水層的厚度，給出超聲噴涂機的噴涂圈數(shù)。

34、進一步的，形成噴涂控制模型，具體表示為：

35、

36、其中，th(x0,y0)為(x0,y0)點的涂層厚度，y0為噴涂的閾值尺寸范圍，th1()為第一圈噴涂時涂層的點成長率，t1為第一圈噴涂時間，v1為第一圈噴涂速度，thn()為第n圈噴涂時涂層的點成長率，tn為第n圈噴涂時間，vn為第n圈噴涂速度。

37、進一步的，步驟s4中高溫干燥處理，具體包括：干燥溫度為130-170℃，干燥時間為1-2h。

38、本發(fā)明提供的一種用于堿性水電解的復(fù)合隔膜及制備方法，至少包括如下有益效果：

39、(1)本發(fā)明給出的用于堿性水電解的復(fù)合隔膜材料，通過在含聚苯硫醚分子主鏈的纖維上附著基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物，改進原隔膜結(jié)構(gòu)的耐堿親水性和隔氣性，提高隔膜在堿性環(huán)境中服役的穩(wěn)定性。

40、(2)含聚苯硫醚分子主鏈的纖維材質(zhì)在堿性條件下會表現(xiàn)出較好的阻隔性能，作為親水層的基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物的隔氣性能稍弱于基膜。因此，為保證復(fù)合隔膜的隔氣性能，需要通過控制親水層與基膜的厚度比例，使得復(fù)合隔膜的透氣率在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)。

41、(3)復(fù)合隔膜中各層的厚度也影響復(fù)合隔膜的離子電導(dǎo)率。對于相同材質(zhì)的隔膜，隔膜的厚度、有效面積均與離子電導(dǎo)率存在關(guān)聯(lián)。離子電導(dǎo)率與隔膜厚度成反比。隔膜的厚度增加，通過隔膜的路徑長度增加，增加了離子的遷移阻力，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率降低。