電(dian)(dian)解水產生的(de)(de)氧氣和(he)氫(qing)氣是由電(dian)(dian)解槽(cao)內的(de)(de)隔膜進(jin)行分離的(de)(de)，故隔膜的(de)(de)性能直接(jie)影響電(dian)(dian)解槽(cao)內氣體(ti)純(chun)度和(he)直流電(dian)(dian)耗。為了在獲得(de)更高純(chun)度氣體(ti)的(de)(de)同時降低(di)水電(dian)(dian)解槽(cao)的(de)(de)能耗，隔膜材料(liao)至關重(zhong)要。

目前用于水電(dian)解制氫(qing)槽的隔(ge)膜有(you)聚(ju)砜(feng)類隔(ge)膜、離子交換膜和聚(ju)苯硫醚隔(ge)膜等。

其中，聚苯硫醚(PPS)纖維是一(yi)種高性(xing)(xing)能材(cai)料(liao)，它具有(you)良好的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)(xing)、化學穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)(xing)、阻(zu)燃性(xing)(xing)及(ji)電絕緣性(xing)(xing)，而且孔隙率高、比表面(mian)積大(da)、功能化改(gai)性(xing)(xing)容易、結構可控性(xing)(xing)好，能夠(gou)滿足(zu)水電解制氫槽用隔膜(mo)的(de)性(xing)(xing)能要(yao)求。

本(ben)研究(jiu)選取(qu)PPS短纖(xian)維(wei)和長(chang)絲纖(xian)維(wei)為原料(liao)，通過紡紗、織(zhi)造工藝參(can)數設計，織(zhi)造出水(shui)電(dian)解(jie)制(zhi)(zhi)氫(qing)槽(cao)用(yong)(yong)PPS短纖(xian)維(wei)隔(ge)膜(mo)和長(chang)絲隔(ge)膜(mo)，然后進(jin)行(xing)熱軋(ya)和磺化處理，并(bing)對(dui)制(zhi)(zhi)備的兩種(zhong)隔(ge)膜(mo)的表面性能、強度(du)、面電(dian)阻、電(dian)阻率、孔徑、孔隙率、氣密性、吸堿性能等(deng)主(zhu)要指標進(jin)行(xing)測試分析，以遴選出最優的隔(ge)膜(mo)用(yong)(yong)纖(xian)維(wei)原料(liao)和制(zhi)(zhi)備工藝。

一、PPS短(duan)纖(xian)維隔(ge)膜制備(bei)

采用(yong)PPS短(duan)纖(xian)維為原料，設(she)計(ji)工藝參數，織造短(duan)纖(xian)維隔(ge)膜。在(zai)設(she)定的溫度(du)和壓力下(xia)，將(jiang)隔(ge)膜在(zai)熱軋機上進(jin)行熱軋定型，隨后進(jin)行磺(huang)化親(qin)水改性處理，改善(shan)其親(qin)水吸(xi)液性能。具體(ti)流(liu)程如圖所示。

PPS長絲隔膜制(zhi)備

采用PPS長絲纖維為(wei)原料(liao)，設計(ji)工藝參數(shu)，織造長絲隔膜。熱軋和磺化親水改性處理方法同短(duan)纖維隔膜。具體流程如圖所(suo)示(shi)。

實驗制備的 PPS 短(duan)纖維(wei)隔(ge)膜(mo)(mo)和(he)長絲隔(ge)膜(mo)(mo)如圖所示。

二、 PPS短纖維隔膜與(yu)長(chang)絲隔膜的性能(neng)比較

1 表(biao)面性(xing)能

PPS短纖維(wei)隔膜和(he)長絲隔膜在不同放大倍數(shu)下的電鏡圖(tu)如圖(tu)所(suo)示(shi)。

可以看出，長絲隔膜(mo)表(biao)(biao)面比較平整(zheng)，短(duan)纖維(wei)隔膜(mo)表(biao)(biao)面不(bu)太(tai)規整(zheng)且有較多(duo)的(de)凸(tu)起纖維(wei)頭。短(duan)纖維(wei)隔膜(mo)的(de)這些表(biao)(biao)面性(xing)狀(zhuang)，在(zai)電(dian)解(jie)過程中(zhong)容易(yi)產生較多(duo)問題:一(yi)是在(zai)長時間使用過程中(zhong)其(qi)表(biao)(biao)面凸(tu)出的(de)纖維(wei)頭容易(yi)脫落，會(hui)影響電(dian)解(jie)液的(de)性(xing)質(zhi)，縮(suo)短(duan)電(dian)解(jie)液的(de)使用壽命;二是由于紗線條干不(bu)勻形成的(de)很大和很小的(de)兩極化(hua)孔徑，在(zai)電(dian)解(jie)過程中(zhong)會(hui)影響離子交換速(su)率(lv)，同時也會(hui)影響氣體純度、降低電(dian)解(jie)效率(lv)。

而長(chang)絲隔(ge)膜使用(yong)的長(chang)絲纖(xian)維在加捻時形(xing)成的紗線條干不勻相對(dui)較(jiao)小(xiao)，隔(ge)膜孔徑(jing)尺寸相對(dui)比較(jiao)均勻，對(dui)電解效率、離(li)子(zi)交換(huan)速(su)率和氣體純度的影響(xiang)較(jiao)短纖(xian)維隔(ge)膜要小(xiao)。

2．強度、面(mian)電阻(zu)和(he)電阻(zu)率

PPS短纖維隔(ge)膜與長(chang)絲隔(ge)膜的經(jing)緯向斷(duan)裂強度、面電阻(zu)和電阻(zu)率的測試結(jie)果如表所示(shi)。

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

由表可知，長絲隔(ge)膜(mo)的經緯向斷裂強度(du)均(jun)大于短(duan)纖維(wei)隔(ge)膜(mo)，面電(dian)阻和電(dian)阻率均(jun)低于短(duan)纖維(wei)隔(ge)膜(mo)，主要(yao)是由于:

第一，在(zai)相同單(dan)位面積質量條件下，長絲(si)隔膜(mo)的(de)厚(hou)度(du)小(xiao)于短纖維隔膜(mo)。厚(hou)度(du)是(shi)影(ying)響隔膜(mo)電(dian)(dian)阻率和(he)面電(dian)(dian)阻的(de)重要因(yin)素，厚(hou)度(du)越大(da)，越會降低離子通過的(de)速度(du)和(he)效率，造成較大(da)的(de)電(dian)(dian)阻。

第二(er)，長絲隔(ge)膜(mo)用的(de)紗線條干均勻度要好于(yu)(yu)短纖維隔(ge)膜(mo)，織造成(cheng)的(de)長絲隔(ge)膜(mo)的(de)厚度均勻性要優于(yu)(yu)短纖維隔(ge)膜(mo)，這(zhe)也是(shi)影(ying)響(xiang)隔(ge)膜(mo)電(dian)阻的(de)一(yi)個重(zhong)要因素。

第三(san)，短纖(xian)維隔(ge)膜(mo)在電解(jie)槽使用過程中(zhong)表面凸出的短纖(xian)維脫(tuo)落在電解(jie)質(zhi)中(zhong)，也會(hui)造成電阻增大(da)。

第(di)四(si)，長絲隔膜(mo)的(de)親水性較好(hao)，對電解液的(de)浸潤(run)性較好(hao)，在電解過程(cheng)中對離子遷(qian)移的(de)阻力小，所以電阻較低。

第五， 30%KOH溶(rong)液(30%為KOH質量分(fen)數)中石棉隔膜(mo)和(he)PPS隔膜(mo)的(de)面電阻(zu)、電阻(zu)率測(ce)試值如下表(biao)所(suo)示。

30%KOH溶液(ye)中石棉隔膜(mo)和(he)PPS隔膜(mo)的面電阻和(he)電阻率

從不同隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)(de)實(shi)測電阻來看(kan)，PPS短(duan)纖(xian)維隔(ge)(ge)膜(mo)和長(chang)絲隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)(de)面電阻、電阻率相對(dui)于(yu)石棉隔(ge)(ge)膜(mo)都要(yao)低得多，這(zhe)主要(yao)與隔(ge)(ge)膜(mo)厚度(du)有關(guan)。

實(shi)驗制得(de)的(de)PPS隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)厚(hou)度在(zai)0．3mm左(zuo)右，而石棉隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)厚(hou)度在(zai)2．5mm左(zuo)右，隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)越厚(hou)，離子(zi)和(he)電(dian)子(zi)在(zai)電(dian)解(jie)過(guo)程(cheng)中通過(guo)隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)的(de)距離就(jiu)會越大(da)，在(zai)電(dian)解(jie)過(guo)程(cheng)中就(jiu)表現為隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)的(de)面電(dian)阻和(he)電(dian)阻率增大(da)。因此，在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)壓下，使用PPS隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)可大(da)幅提高電(dian)解(jie)效率、降低能耗。

3 孔徑和孔隙率

孔(kong)(kong)徑(jing)和(he)(he)(he)孔(kong)(kong)隙率(lv)是反映(ying)隔(ge)膜(mo)電(dian)解過程中(zhong)離子(zi)(zi)和(he)(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)通(tong)過性(xing)(xing)(xing)能(neng)的重要參數(shu)，直接影響(xiang)隔(ge)膜(mo)的透(tou)通(tong)性(xing)(xing)(xing)、導電(dian)性(xing)(xing)(xing)和(he)(he)(he)阻止其他微粒通(tong)過的性(xing)(xing)(xing)能(neng)。一(yi)般來說，孔(kong)(kong)徑(jing)越(yue)大(da)，孔(kong)(kong)隙率(lv)越(yue)均勻，則所(suo)含孔(kong)(kong)隙體積越(yue)大(da)，滲(shen)透(tou)系數(shu)越(yue)大(da)，透(tou)通(tong)性(xing)(xing)(xing)越(yue)好。PPS短(duan)纖維隔(ge)膜(mo)和(he)(he)(he)長絲隔(ge)膜(mo)的最大(da)孔(kong)(kong)徑(jing)、沸騰孔(kong)(kong)徑(jing)和(he)(he)(he)孔(kong)(kong)隙率(lv)測試結果如表所(suo)示。

PPS短纖(xian)維隔膜與長絲隔膜的(de)最大孔徑、沸騰孔徑和孔隙率(lv)測試結果

由表(biao)可知，PPS短(duan)(duan)纖維隔(ge)膜的平均(jun)(jun)孔(kong)徑和孔(kong)隙率均(jun)(jun)高于(yu)長絲隔(ge)膜，這主要是因為(wei):第(di)一，短(duan)(duan)纖維隔(ge)膜在紡紗(sha)和織造時紗(sha)線條干不勻，較大(da)的張力(li)容易使經(jing)紗(sha)斷頭，接頭的地方會(hui)出現較大(da)的孔(kong)隙;第(di)二，由于(yu)紗(sha)線條干不勻，織造時經(jing)紗(sha)與(yu)緯(wei)紗(sha)中粗節(jie)與(yu)細節(jie)處會(hui)出現較大(da)的孔(kong)隙，且分布很不均(jun)(jun)勻。

4 氣(qi)密性

4.1干態(tai)氣密性

隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)透氣(qi)(qi)(qi)量測試數據如表所示。在(zai)相同(tong)的(de)測試條件下，短(duan)纖維隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)透氣(qi)(qi)(qi)量大(da)于長絲隔(ge)(ge)膜(mo)。透氣(qi)(qi)(qi)量越(yue)大(da)，隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)氣(qi)(qi)(qi)密性(xing)越(yue)差，故(gu)長絲隔(ge)(ge)膜(mo)的(de)氣(qi)(qi)(qi)密性(xing)優于短(duan)纖維隔(ge)(ge)膜(mo)。

隔膜(mo)透氣量

4.2濕態(tai)氣密性(xing)

隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)在水電解(jie)槽(cao)中長期(qi)置于(yu)堿液中，濕態(tai)氣密性是其(qi)重要指標。測(ce)試(shi)隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)的濕態(tai)氣密性用泡(pao)點(dian)(dian)法，測(ce)試(shi)其(qi)泡(pao)點(dian)(dian)壓力。隔(ge)(ge)膜(mo)(mo)的泡(pao)點(dian)(dian)壓力測(ce)試(shi)值(zhi)如(ru)表所示。

隔膜泡點(dian)壓力

由表可知(zhi)，長(chang)絲隔(ge)膜(mo)的(de)泡點壓(ya)力平(ping)均值在300Pa以上，大于(yu)短纖(xian)(xian)維隔(ge)膜(mo)，能夠滿足實(shi)際使用要(yao)求。由以上分析可知(zhi)，長(chang)絲隔(ge)膜(mo)的(de)干態和(he)濕態氣密(mi)性均優于(yu)短纖(xian)(xian)維隔(ge)膜(mo)，并能滿足實(shi)際使用要(yao)求。

5 吸(xi)堿性能(neng)

隔(ge)膜在(zai)水(shui)(shui)電(dian)解(jie)槽中長期(qi)置于堿液環境中，其(qi)吸堿性能(neng)直接(jie)影響其(qi)電(dian)解(jie)性能(neng)和(he)電(dian)解(jie)效率，其(qi)吸堿性能(neng)主要用單位面(mian)積含KOH溶液質量和(he)堿液吸上高度(親水(shui)(shui)性能(neng))來衡量。PPS短纖維隔(ge)膜和(he)長絲隔(ge)膜的吸堿性能(neng)如表(biao)所(suo)示。

隔(ge)膜(mo)的吸(xi)堿性(xing)能

在(zai)相同的測試條件下，長絲(si)隔(ge)(ge)膜單位面(mian)積含(han)KOH溶(rong)液(ye)質量和10min堿液(ye)吸上高度(du)均大于短(duan)纖維(wei)隔(ge)(ge)膜。在(zai)測試隔(ge)(ge)膜的水接(jie)(jie)觸(chu)角(jiao)時，水滴在(zai)長絲(si)隔(ge)(ge)膜表(biao)面(mian)5s內被(bei)迅速吸收，說明其水接(jie)(jie)觸(chu)角(jiao)接(jie)(jie)近0°,具(ju)有較(jiao)好的親(qin)水性(xing)能，而短(duan)纖維(wei)隔(ge)(ge)膜的水接(jie)(jie)觸(chu)角(jiao)在(zai)120°左右，親(qin)水性(xing)能較(jiao)差。

綜(zong)上：