离子交换膜和制造离子交换膜的方法技术

本发明专利技术涉及阴离子交换膜和制造这种膜的方法。这种膜可用于电解槽或其他AEM电化学装置中。这种膜包括：包含苯乙烯的热塑性弹性体（TPE），TPE作为聚合物主链，其中：热塑性弹性体的苯乙烯含量在30wt%至70wt%之间，并且第一聚合物主链交联到一个或多个其他聚合物主链，还包括一个或多个阳离子基团，其中官能化程度在1%至50%之间。1%至50%之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子交换膜和制造离子交换膜的方法


[0001]本专利技术涉及阴离子交换膜（AEM），以及制造AEM的方法。这种AEM可以但并不需要限制为用于诸如电解槽的电化学装置中。

技术介绍

[0002]电解水是自19世纪开始就已有进行的一种众所周知的技术。液态碱和PEM电解槽是比较成熟的，而AEM电解槽是一种新兴的、更可持续的手段，其具有固有的腐蚀性较小的环境。然而，由于AEM电解技术尚处于起步阶段，满足性能要求的膜很少。
[0003]电化学装置可以包括但不限于电解槽、燃料电池和电化学压缩机。AEM可以用于这些装置中的任何一种。替代地，电化学装置可以使用相对更成熟的质子交换膜（PEM），PEM系统采用不同的反应途径。
[0004]离子交换膜，无论是AEM还是PEM，都是半渗透性的，只允许某些离子从一侧穿过到另一侧。在电化学装置中，这意味着从膜的阴极侧到阳极侧或反之。AEM允许OH
‑
的转移，而PEM允许H
+
例子的传输。因此，PEM结构中包含阴离子，而AEM结构中包含阳离子。另一个区别在于，PEM系统需要酸性环境，这种环境具有很强的腐蚀性。AEM电解槽的一个好处是能够使用温和的碱性环境，相对来说腐蚀性要小得多。
[0005]对于用于电解槽等装置的AEM而言，所期望的性能要求是机械稳定性、低氢交叉性、低吸水性和良好的导电性。
[0006]AEM系统内在地相比于PEM或液体碱性电解槽更可持续，因为AEM系统不依赖铂族金属（PGM）作为催化剂，腐蚀性较小，可以使用更便宜和/或更可持续的材料制作其他组件。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种用于但不限于电化学装置的改进的AEM，以及制造这种AEM的方法。
[0008]根据本专利技术，提供一种制造阴离子交换膜的方法，该方法包括：
·
对包含芳环的热塑性弹性体（TPE，thermoplastic elastomer）进行纯化，
·
对已纯化的TPE进行卤甲基化（halomethylating），和
·
成型为膜，
·
对已纯化和已卤甲基化的TPE进行胺化（aminating），其中使用至少第一胺和第二胺，这些胺是以下中的任意两种或更多种：
·
单胺（monoamine），
·
二胺（diamine），和
·
多胺（polyamine）；以及
·
准备制得的膜以供使用或储存。
[0009]本文中，提及SEBS并不排除包含TPE的其他苯乙烯。TPE之间的另一个共同点是至少存在一种重复的第二单体，使其成为共聚物，随机物或其他。
[0010]本文中的苯乙烯或类苯乙烯意指含有芳族的任何单位。需要说明的是，使用“苯乙烯”意在同时包括苯乙烯或者替代的类苯乙烯。优选地，所称苯乙烯或类苯乙烯组分适合于Friedel
‑
Crafts类反应。
[0011]需要注意的是，使用“苯乙烯”是为了同时包括苯乙烯或类似苯乙烯的替代品。优选地，所述苯乙烯或苯乙烯类组分适合于弗里德
‑
克拉夫茨（Friedel
‑
Crafts）类反应。
[0012]本文中提及的卤甲基化将用于描述任何可能获得已卤甲基化的TPE的过程。
[0013]有利地，TPE可作为聚合物主链，该方法可包括将一个聚合物主链交联到一个或多个其他聚合物主链和/或这些聚合物主链的侧链。这种交联可以发生在成型的步骤期间或者紧接于其后。有利地，交联可以发生在胺化的步骤期间。
[0014]第一和第二胺分别优选地为TMHDA和TMA。实际上，在各种示例性的实施例中，第一和第二胺可以是选自以下中的任意两种胺的组合：
·
N
‑
甲基咪唑（N
‑
methylimidazole），
·
N
‑
哌可啉（N
‑
methylpiperidine），
·
N
‑
甲基吡咯烷（N
‑
Methylpyrrolidine），
·
三乙醇胺（Triethanolamine），
·
DABCO，
·
TMEDA，
·
TMHDA，和
·
TMA。
[0015]在一种优选的实施方式中，卤甲基化可以包括：
·
溶解已纯化的TPE，
·
将已溶解的TPE与以下中的任意进行混合：三氧杂环己烷（trioxane）、三甲基氯硅烷（trimethylsilyl chloride）和SnCl4，
·
将反应物放入回流冷凝器中，以及
·
从0℃加热到50℃，持续3小时至6天。
[0016]替代地，卤甲基化可包括使用氯醚（chloroether）和路易斯酸（Lewis acid），例如SnCl4，但不限定于此。氯醚例如双（氯甲基）醚（Bis(chloromethyl)ether）已有应用，但鉴于其致癌性不一定是可取的。目前描述一种通过使用三氧杂环己烷和三甲基氯硅烷在原位生产氯醚的方法，但并不限定于此。替代的方式包括多聚甲醛（paraformaldehyde）或甲醛（formaldehyde），以取代三甲基氯硅烷。也可采用氯磺酸（Chlorosulfonic acid）作为氯源。
[0017]膜的成型可以采用适于控制溶剂蒸发速率的方法。
[0018]可选地，可以通过加热和挤压已纯化的氯甲基化聚合物来进行膜的成型，或者通过卷对卷（roll to roll）的方式来进行。
[0019]在各种示例性的实施例中，一个或多个胺可以选择为具有三个或更多的碳链。
[0020]在一种实施例中，第一胺比第二胺的比率可以被预先确定。优选地，第一胺比第二胺的比率可以被预先确定以控制交联。
[0021]在一种示例性的方法中，可采用以下填料中的任意一种，或者以下填料中的任意的组合：Al2O3，SnO2，铜酞菁（Cu phthalocyanine），沃肯（Vulcan），和铝硅酸盐例如蒙脱石
（montmorillonite）。
[0022]可选地，一个步骤，或者两个或多个步骤中的每个步骤在以下中的任意项受控制的环境下进行：
·
光照，
·
洁净度，
·
湿度，和
·
惰性气氛。
[0023]根据本专利技术的另一方面，提供一种采用基本如前所述的方法制造的阴离子交换膜。
[0024]这种阴离子交换膜可包括一个或多个阳离子基团，其官能化（functionalisation）程度在1%到50%之间。
[0025]这种阴离子交换膜可以可选地包括包含芳环的热塑性弹性体（TPE），其中TPE为聚合物主链，TPE的苯乙烯含量以重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造阴离子交换膜的方法，其特征在于，所述方法包括：
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对包含芳环的热塑性弹性体（TPE）进行纯化，
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对已纯化的TPE进行卤甲基化，和
·
成型为膜，
·
对已纯化和已卤甲基化的TPE进行胺化，其中使用至少第一胺和第二胺，这些胺是以下中的任意两种或更多种：
·
单胺，
·
二胺，和
·
多胺；以及
·
准备制得的膜以供使用或储存。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TPE为聚合物主链，所述方法包括将一个聚合物主链与一个或多个其他聚合物主链和/或这些聚合物主链的侧链进行交联。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述交联发生在所述成型的步骤期间或者紧接于其后。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述交联发生在所述胺化的步骤期间。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二胺分别是TMHDA和TMA。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二胺是以下中的任意两种：
·
N
‑
甲基咪唑，
·
N
‑
哌可啉，
·
N
‑
甲基吡咯烷，
·
三乙醇胺
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DABCO，
·
TMEDA，
·
TMHDA，和
·
TMA。7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，其中卤甲基化包括：
·
溶解已纯化的TPE，
·
将已溶解的TPE与以下中的任意进行混合：三氧杂环己烷、三甲基氯硅烷和SnCl4，
·
将反应物放入回流冷凝器中，以及
·
从0℃加热到50℃，持续3小时至6天。8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述膜的成型采用适于控制溶剂蒸发速率的方式。9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述膜的成型通过加热和挤压已纯化的氯甲基化聚合物来进行，或者通过卷对卷的方式来进行。10.根据前述权利要求中...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼奥，
申请(专利权)人：因纳普特公司，
类型：发明
国别省市：