聚苯硫醚短纤维隔膜和长丝隔膜的制备及其性能研究

2022-12-21孙亚颇

河南工程学院学报(自然科学版) 2022年4期

孙亚颇

(郑州商学院建筑工程学院，河南郑州 451200)

聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)是一种高性能纤维材料，它具有良好的热稳定性、化学稳定性、阻燃性及电绝缘性，而且孔隙率高、比表面积大、功能化改性容易、结构可控性好[1]，能够满足水电解制氢槽用隔膜的性能要求[2]。电解水产生的氧气和氢气是由电解槽内的隔膜进行分离的，故隔膜的性能直接影响电解槽内气体纯度和直流电耗[3]。为了在获得更高纯度气体的同时降低水电解槽的能耗，隔膜材料逐渐成为研究者们关注的重点[4]。目前用于水电解制氢槽的隔膜有石棉隔膜、非石棉隔膜、聚砜类隔膜、离子交换膜和聚苯硫醚隔膜等[5-6]。

本研究选取PPS短纤维和长丝纤维为原料，通过纺纱、织造工艺参数设计，织造出水电解制氢槽用PPS短纤维隔膜和长丝隔膜，然后进行热轧和磺化处理，并对制备的两种隔膜的表面性能、强度、面电阻、电阻率、孔径、孔隙率、气密性、吸碱性能等主要指标进行测试分析，以遴选出最优的隔膜用纤维原料和制备工艺。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

材料与试剂：PPS短纤维和长丝纤维；KOH溶液(2 mol/L)，KCl溶液(3 mol/L)，无水乙醇。

仪器：BSM 2204型电子天平(精度为0.1 mg，上海卓精电子科技有限公司)，YG141型测厚仪(常州市双固纺织仪器有限公司)，YG026B型多功能电子织物强力机(济南辰鑫试验机制造有限公司)，G571型透气性测试仪(上海泛标纺织品检测技术有限公司)，QUANTA 200型扫描电子显微镜(捷克FEI公司)，JY-82A型接触角测定仪(承德易科试验仪器厂)，SZ-DZF-6090型真空干燥箱(上海舜制仪器)，电阻测试装置(自制)，孔径、孔隙率测试装置(自制)，湿态气密性测试装置(自制)。

1.2 隔膜制备

1.2.1PPS短纤维隔膜制备

采用PPS短纤维为原料，设计工艺参数，织造短纤维隔膜。在设定的温度和压力下，将隔膜在热轧机上进行热轧定型，随后进行磺化亲水改性处理，改善其亲水吸液性能[7]。具体流程如图1所示。

图1 PPS短纤维隔膜制备流程

1.2.2PPS长丝隔膜制备

采用PPS长丝纤维为原料，设计工艺参数，织造长丝隔膜。热轧和磺化亲水改性处理方法同短纤维隔膜。具体流程如图2所示。

图2 PPS长丝隔膜制备流程

实验制备的PPS短纤维隔膜和长丝隔膜如图3所示。

图3 实验制备的PPS短纤维隔膜和长丝隔膜

1.3 隔膜性能测试

1.3.1厚度和断裂强度

(1)厚度

参照GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定方法》[8]，用YG141型测厚仪测试。

(2)断裂强度

参照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》[9]，用YG026B型多功能电子织物强力机测试。

1.3.2面电阻和电阻率

参照SJ/T 10171.5—91《隔膜面电阻的测定方法》[10]，用图4所示的隔膜电子测试装置进行测试。

图4 隔膜电阻测试装置

隔膜面电阻R和电阻率σ计算公式如下：

(1)

(2)

式中：I为电流密度，mA/cm2；i为电流表显示的电流强度，mA；S为电解池中间夹板圆孔面积，S=0.24 cm2；R为隔膜的面电阻，Ω·cm2；RM、R0分别为夹有隔膜和不夹隔膜时电解池的电阻，Ω·cm2；UM、U0分别为夹有隔膜和不夹隔膜时的电压，mV；d为隔膜厚度，cm；σ为隔膜电阻率，Ω·cm；slope为U-I直线斜率[11]。

1.3.3孔径和孔隙率

(1)孔径

用图5所示装置，采用鼓泡法测试隔膜孔径(μm)，鼓泡孔径即隔膜孔径[12]。

图5 鼓泡法测试隔膜孔径装置

隔膜鼓泡孔径

(3)

式中：σ为水表面张力，σ= 73.35 mN/m；Δp为试样两侧的压强差，Pa；θ为水与隔膜孔壁的接触角，(°)，测试前隔膜用水完全浸透，故隔膜与水的接触角为0°，故cosθ=1。

(2)孔隙率

隔膜的孔隙率为单位体积材料中孔隙体积所占的比例，计算公式为

(4)

式中：m为试样的湿质量，g；G为试样的定量，g/m2；D为试样的厚度，mm。

1.3.4气密性

(1)湿态气密性

测试装置如图6所示。往装置上方缓缓注水至水深100 mm后打开下方注水阀，往装置下部注水并仔细观察，当隔膜上方产生第一个气泡的时候，读取装置中U型压力计的数值并记录[13]。压力值如果能达到300 Pa，说明隔膜的湿态气密性合格[14]。

图6 湿态下隔膜气密性测试装置

(2)干态气密性

参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定方法》[15]，采用G571型透气性测试仪测试。

1.3.5吸碱性能

(1)吸碱能力以隔膜10 min碱液吸上高度为测试评价标准。

(2)单位面积含KOH溶液质量以隔膜单位面积含KOH溶液质量为测试评价标准，计算公式为

隔膜单位面积含KOH溶液质量=m2-m1，

(5)

式中：m1为吸KOH溶液前的试样质量，g；m2为吸KOH溶液后的试样质量，g。

2 PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的性能比较

2.1 表面性能

PPS短纤维隔膜和长丝隔膜在不同放大倍数下的电镜图如图7与图8所示。由图7和图8可以看出，长丝隔膜表面比较平整，短纤维隔膜表面不太规整且有较多的凸起纤维头。短纤维隔膜的这些表面性状，在电解过程中容易产生较多问题：一是在长时间使用过程中其表面凸出的纤维头容易脱落，会影响电解液的性质，缩短电解液的使用寿命；二是由于纱线条干不匀形成的很大和很小的两极化孔径，在电解过程中会影响离子交换速率，同时也会影响气体纯度、降低电解效率。而长丝隔膜使用的长丝纤维在加捻时形成的纱线条干不匀相对较小，隔膜孔径尺寸相对比较均匀，对电解效率、离子交换速率和气体纯度的影响较短纤维隔膜要小。

图7 PPS短纤维隔膜电镜图

图8 PPS长丝隔膜电镜图

2.2 强度、面电阻和电阻率

PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的经纬向断裂强度、面电阻和电阻率的测试结果如表1所示。

表1 PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的经纬向断裂强度、面电阻和电阻率测试结果

由表1可知，长丝隔膜的经纬向断裂强度均大于短纤维隔膜，面电阻和电阻率均低于短纤维隔膜，主要是由于：第一，在相同单位面积质量条件下，长丝隔膜的厚度小于短纤维隔膜。厚度是影响隔膜电阻率和面电阻的一个重要因素，厚度越大，越会降低离子通过的速度和效率，造成较大的电阻。第二，长丝隔膜用的纱线条干均匀度要好于短纤维隔膜，织造成的长丝隔膜的厚度均匀性要优于短纤维隔膜，这也是影响隔膜电阻的一个重要因素。第三，短纤维隔膜在电解槽使用过程中表面凸出的短纤维脱落在电解质中，也会造成电阻增大。第四，长丝隔膜的亲水性较好，对电解液的浸润性较好，在电解过程中对离子迁移的阻力小，所以电阻较低。

30%KOH溶液(30%为KOH质量分数)中石棉隔膜和PPS隔膜的面电阻、电阻率测试值如表2所示。

表2 30%KOH溶液中石棉隔膜和PPS隔膜的面电阻和电阻率

从不同隔膜的实测电阻来看，PPS短纤维隔膜和长丝隔膜的面电阻、电阻率相对于石棉隔膜都要低得多，这主要与隔膜厚度有关。实验制得的PPS隔膜厚度在0.3 mm左右，而石棉隔膜厚度在2.5 mm左右，隔膜越厚，离子和电子在电解过程中通过隔膜的距离就会越大，在电解过程中就表现为隔膜的面电阻和电阻率增大。因此，在相同的电解电压下，使用PPS隔膜可大幅提高电解效率、降低能耗。