JPS64977B2 - - Google Patents
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- JPS64977B2 JPS64977B2 JP56191822A JP19182281A JPS64977B2 JP S64977 B2 JPS64977 B2 JP S64977B2 JP 56191822 A JP56191822 A JP 56191822A JP 19182281 A JP19182281 A JP 19182281A JP S64977 B2 JPS64977 B2 JP S64977B2
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- membrane
- cation exchange
- exchange membrane
- group
- film
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Description
本発明は押し出し成型によつて作られた均質な
パーフルオロカーボン系陽イオン交換膜の、両表
面を夫々少なくとも1ミクロン除去したアルカリ
金属塩電解用イオン交換膜に係る。
イオン交換膜は電気透折、拡散透折、電解反応
の隔膜逆浸透、限外過と各種の分野で工業的に
利用されている。特に近年工業化されているイオ
ン交換膜法食塩電解は省エネルギープロセスとし
て、その技術的な進歩はめざましいものがある。
当初、パーフルオロカーボン系イオン交換膜で高
濃度苛性ソーダを高い電流効率で取得することを
めざしていたものが、現在電流効率は90%以上と
なり、それを長期間に亘つて維持することが可能
となつた。このため、現在における最大の課題は
電解電圧をより低くすることである。電解電圧を
解析すると理論分解電圧、陰極過電圧、膜の電気
抵抗による電圧降下等が大きな割合を占めてい
る。このうち理論分解電圧は如何ともし難いもの
であるが、陰極過電圧については活性な陰極が開
発され電解電圧の低減に寄与している。また膜の
電気抵抗を低減する方法として、イオン交換膜の
組成を変えること、補強用の網、布等を選択する
ことなどが、膜の電気抵抗の低減手段として試み
られている。また、膜の厚みを薄くすることも一
つの有効な方法であるが、生成苛性ソーダ中の食
塩含量との相関で限界があるし、膜の機械的強度
も配慮しなければならない。
我々は上記の種々の試み以外に、押出成型され
たイオン交換膜の膜構造の膜断面についての不均
質性があることを知り、押し出し成型で作られた
パーフルオロカーボン系イオン交換膜の表層部を
薄膜状に削除することによつて意外に電気抵抗の
低い電解用イオン交換膜を得ることを見出した。
従来から炭化水素系の微粉状イオン交換樹脂と不
活性な高分子を混合してフイルムとする謂ゆる不
均質イオン交換膜で、膜表層部が不活性な高分子
で覆われているために膜の電気抵抗が高く、これ
の表層部をサンドペーパー等で削除すると、イオ
ン交換樹脂の微粒子が露出し、電気抵抗が著しく
低下することは知られている。また、逆浸透膜に
於いては膜表層部にスキン層と称する密な薄層が
存在することが知られている。一般に高分子フイ
ルム、特に押し出し成型されたフイルムに於いて
はフイルム内部と表層部で構造的な違いがあるこ
とは知られるところである。しかし、現在まで所
謂均質なイオン交換膜の表層部にこのような膜の
電気抵抗その他の電気化学的性質に影響を及ぼす
効果については検討されていなかつた。我々は押
し出し成型フイルムの膜構造の不均一性が、イオ
ン交換膜に於いても存在し、これが膜の電気抵抗
に何らかの作用をするものと想定して実験を行
い、本発明を完成させるに到つた。
本発明でいう均質な陽イオン交換膜とは従来の
不均質膜として知られている不溶不融の陽イオン
交換樹脂を膜状に保持するために、不活性な熱可
塑性高分子体から構成された陽イオン交換膜に対
していうものである。押し出し成型可能な陽イオ
ン交換基を有する、或いは陽イオン交換基の導入
可能なパーフルオロカーボン系高分子に補強のた
めの不融な不活性な高分子、例えばフイブリル化
したポリテトラフルオロエチレンが共存している
のも、本発明の均質陽イオン交換膜の部類に属す
る。換言すれば、均質イオン交換膜とはミクロ構
造で見ればどのようなイオン交換膜にもイオン交
換基の分布に不均一性が存在するものであるが、
イオン交換基を有する或いは容易にイオン交換基
を導入出来るパーフルオロカーボン系高分子化合
物が、それ単体でも成膜でき、イオン交換基導入
工程を経て後、陽イオン交換膜として使用するこ
とが出来るものは全て含まれるのである。
本発明の押し出し成型によつて作られたパーフ
ルオロカーボン系陽イオン交換膜には、良く知ら
れているものとしてテトラフルオロエチレンとパ
ーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7
−オクテンスルホニルフルオライド)の共重合体
を押し出し成型したパーフルオロカーボン系陽イ
オン交換膜を加水分解したパーフルオロスルホン
酸型の膜等がある。一般に次式で示されるパーフ
ルオロカーボン系の陽イオン交換膜であれば特に
限定されない。陽イオン交換基としてはスルホン
酸基、カルボン酸基、リン酸基、亜リン酸基、第
三級のアルコール基、スルホン酸アミドなどが適
宜用いられる。これらを例示すると
(x,x′,x″はそれぞれ−F,−CF3,−C2F5を
示す。n,m,l,pは0または12までの正の整
数、Aは−CN、−COOH、−COX、−COOM、−
COOR、
The present invention relates to an ion exchange membrane for alkali metal salt electrolysis, in which both surfaces of a homogeneous perfluorocarbon cation exchange membrane made by extrusion molding are removed by at least 1 micron. Ion exchange membranes are used industrially in various fields such as electrodialysis, diffusion dialysis, diaphragm reverse osmosis for electrolytic reactions, and ultrafiltration. In particular, the ion-exchange membrane method salt electrolysis, which has been industrialized in recent years, has made remarkable technological progress as an energy-saving process.
Initially, the aim was to obtain highly concentrated caustic soda with high current efficiency using a perfluorocarbon-based ion exchange membrane, but now the current efficiency is over 90%, and it is now possible to maintain this for a long period of time. Ta. Therefore, the biggest challenge at present is to lower the electrolysis voltage. When electrolytic voltage is analyzed, theoretical decomposition voltage, cathode overvoltage, voltage drop due to membrane electrical resistance, etc. account for a large proportion. Although the theoretical decomposition voltage is difficult to control, active cathodes have been developed to reduce the cathode overvoltage, which contributes to reducing the electrolysis voltage. In addition, attempts have been made to reduce the electrical resistance of the membrane by changing the composition of the ion exchange membrane, selecting reinforcing nets, cloth, etc. Further, reducing the thickness of the membrane is an effective method, but there is a limit due to the correlation with the salt content in the produced caustic soda, and the mechanical strength of the membrane must also be taken into consideration. In addition to the various attempts mentioned above, we found that there is heterogeneity in the cross section of the membrane structure of extrusion-molded ion-exchange membranes, and we investigated the surface layer of perfluorocarbon-based ion-exchange membranes made by extrusion-molding. It has been discovered that by removing the material in the form of a thin film, an ion exchange membrane for electrolysis with unexpectedly low electrical resistance can be obtained.
Conventionally, this is a so-called heterogeneous ion exchange membrane, which is made by mixing a hydrocarbon-based fine powder ion exchange resin and an inert polymer to form a film. is known to have a high electrical resistance, and if its surface layer is removed with sandpaper or the like, fine particles of ion exchange resin will be exposed and the electrical resistance will drop significantly. It is also known that reverse osmosis membranes have a dense thin layer called a skin layer on the membrane surface. It is generally known that in polymer films, particularly extrusion-molded films, there are structural differences between the inside and the surface layer of the film. However, until now, no study has been conducted on the effect of the surface layer of a so-called homogeneous ion exchange membrane on the electrical resistance and other electrochemical properties of such a membrane. We conducted experiments assuming that the nonuniformity of the membrane structure of extruded films also exists in ion exchange membranes, and that this has some effect on the electrical resistance of the membrane, and we were able to complete the present invention. Ivy. The homogeneous cation exchange membrane referred to in the present invention is a membrane composed of an inert thermoplastic polymer in order to retain an insoluble and infusible cation exchange resin in the form of a membrane, which is known as a conventional heterogeneous membrane. This refers to cation exchange membranes. An infusible inert polymer for reinforcing, such as fibrillated polytetrafluoroethylene, coexists with a perfluorocarbon polymer having extrudable cation exchange groups or into which cation exchange groups can be introduced. It also belongs to the class of homogeneous cation exchange membranes of the present invention. In other words, a homogeneous ion-exchange membrane is one in which there is non-uniformity in the distribution of ion-exchange groups in any ion-exchange membrane when viewed from the microstructure.
A perfluorocarbon polymer compound that has an ion exchange group or can easily introduce an ion exchange group can be used as a cation exchange membrane after undergoing the ion exchange group introduction process. All are included. The perfluorocarbon-based cation exchange membrane made by extrusion molding of the present invention includes tetrafluoroethylene and perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7), which are well known.
There are perfluorosulfonic acid type membranes that are obtained by hydrolyzing a perfluorocarbon-based cation exchange membrane formed by extruding a copolymer of octensulfonyl fluoride (-octensulfonyl fluoride). Generally, there are no particular limitations as long as it is a perfluorocarbon-based cation exchange membrane represented by the following formula. As the cation exchange group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphorous acid group, a tertiary alcohol group, a sulfonic acid amide, etc. are used as appropriate. To illustrate these (x, x', x'' represent -F, -CF 3 , -C 2 F 5, respectively. n, m, l, p are positive integers up to 0 or 12, A is -CN, -COOH, -COX, -COOM, -
COOR,
【式】【formula】
【式】−SO3H、−SO3M、−SO2M、−
SO2H、−SO2X、−SO2R、−SO3R、−SH、−P
(OH)2 [Formula] -SO 3 H, -SO 3 M, -SO 2 M, - SO 2 H, -SO 2 X, -SO 2 R, -SO 3 R, -SH, -P
(OH) 2
【式】−P(OM)2、[Formula]-P(OM) 2 ,
【式】【formula】
【式】−PX2、OH、−OR1等を示す。
但し、x,x′はハロゲン、Mはアルカリ金属、ア
ルカリ土類金属、R1はC1〜C12のアルキル基、R2
はC1〜C12のアルキル基または水素原子等を示
す。)のような陽イオン交換基、或いは容易に陽
イオン交換基に変換し得る官能基を有するビニル
モノマーとふつ素化オレフイン、例えばCF2=
CF2、[Formula] represents −PX 2 , OH, −OR 1 , etc. However, x and x' are halogen, M is an alkali metal or alkaline earth metal, R 1 is a C 1 to C 12 alkyl group, R 2
represents a C1 to C12 alkyl group or a hydrogen atom. ) or a functional group that can be easily converted into a cation exchange group and a fluorinated olefin, such as CF 2 =
CF2 ,
【式】CF2= CFCl,[Formula] CF 2 = CFCl,
【式】
(Rfは飽和のパーフルオロアルキル基)
CF2=CF−CF=CF2、CF2=CFO(CFX)oOCF
=CF2
(XはF−CF3)
等を共重合して膜状に成型したものである。これ
らの膜は製膜後必要によりイオン交換基を導入す
ることによつて高濃度アルカリ金属水酸化物を高
い電流効率で得ることができる陽イオン交換膜で
あるが、都合によつては更に電流効率向上のた
め、例えば異種イオン交換基が存在するとか又は
交換基密度の異なるなど異種類層を存在させた二
層膜とする必要がある。特に、高い電流効率を繊
持し且つより低い膜の電気抵抗を維持するには、
例えば、陽極側にスルホン酸基を有し、陰極側に
カルボン酸基を有する膜がある。或いは陽極に面
する膜面の交換容量を大きくし、陰極側を小さく
した膜、陽極側にスルホン酸基を有するイオン交
換膜があり、陰極側にリン酸基、第三級アルコー
ル基、解離しうる水素原子を有するスルホン酸ア
ミド基などを結合した薄膜を形成したもの等が望
ましい。
その他陽イオン交換膜に化学処理として、例え
ば加水分解反応、スルホン酸基への転化反応、ス
ルホン酸基のカルボン酸基への転化反応、カルボ
ン酸基のスルホン酸基への転化反応、スルホン酸
アミド基の導入反応等を実施することにより電解
用陽イオン交換膜の電流効率を向上させる手段も
知られている。本発明はいずれの場合、いずれの
膜にもいずれかの製膜段階で押出成型を用いて得
られたパーフルオロカーボン系のイオン交換膜で
ある限り、そのまま使用される場合のみならず、
それをラミネート或いはクロスの裏打等の工程を
経由した場合であつても有効に適用しうる。
さて押し出し成型は通常陽イオン交換膜の前駆
体である酸ハライド基、酸無水物基、酸エステル
基などを有するパーフロロカーボン高分子化合物
(分子量10000以上)を熔融し、インフレ成型法或
いはTダイ成型法のいずれかの成型機によつてフ
イルム状に成型される。通常イオン交換膜にする
ためのフイルムの厚みは10ミクロン乃至800ミク
ロンであり、好ましくは50ミクロン乃至250ミク
ロンである。
また、このような均質イオン交換膜の表面につ
いて、その表層部を少なくとも1ミクロン除去す
る方法としては、工業的に実施可能な公知の方法
は何ら制限なく用いられる。即ち、化学的反応に
よつて除去する方法と物理的方法によつて除去す
る方法のいずれでもよい。一般に耐薬品性に優れ
ているパーフルオロカーボン系化合物は化学的に
は安定であり、物理的に削り取る方が容易である
が化学的方法としてはナトリウム、ナフタリン、
n−ブチルリチウム、アルカリ金属、アルカリ金
属アマルガム等によつて比較的容易に脱弗素され
分解する。或いは、エーテル結合を有するパーフ
ルオロ化合物は塩化アルミニウム、臭化アルミニ
ウム等によつて容易にエーテル結合が切断され分
解することは知られている。従つて、このような
パーフルオロカーボン系高分子化合物を分解する
有機・無機の試薬によつて陽イオン交換膜、或い
はその前駆体の表層部を処理して、表層部を少な
くとも1ミクロン除去する。即ち、脱弗素化反応
を行い、酸化分解する方法、或いはパーフルオロ
カーボン系高分子の表層部の高分子主鎖、或いは
側鎖を切断し、濃厚苛性アルカリ中で溶出分解す
る方法、その他化学反応によつてパーフルオロカ
ーボン系高分子化合物、陽イオン交換膜或いはそ
の前駆体の表層部を分解除去する他の公知の方法
は何ら制限なく用いられる。
物理的な方法としては、上記パーフルオロカー
ボン系陽イオン交換膜の表面を鋭利な刃で薄層状
に切削する方法、例えば回転ロール上を膜を走ら
せながら、回転ロールから一定の距離のところに
鋭利な刃物を固定してロール上を膜を移動しなが
ら、一定の厚みに薄膜状に高分子膜状物の表層部
を切削除去する方法が連続的に一定の厚みに表層
部の薄膜を除去する方法としては有効である。そ
の他、比較的小面積のものに実施する場合には、
サンドブラストをかける方法、サンドペーパーで
研磨除去する方法など有効である。その他スパツ
タリング、火炎処理等適宜実施することができ
る。膜表層部を物理的化学的手段によつて除去す
る際、その除去する厚みは少なくとも1ミクロン
必要である。パーフルオロカーボン系高分子膜状
物の製造条件及び組成、高分子物質の組成等によ
つて膜表面のち密層の厚み、密度は著しく異な
り、或る場合には100A゜程度の削除によつても有
効な場合があるが、一般的には少なくとも1ミク
ロン削除すれば有効であり、1ミクロン以上削除
しても何ら差しつかえない。イオン交換膜の厚み
に応じて削除する厚みは選択すればよい。例えば
150ミクロンの厚みを有する陽イオン交換膜の場
合、10ミクロン削除しても膜厚に対する影響は少
なく、従つて生成苛性ソーダ中の食塩含量の増大
は無視しうる程度であるが、100ミクロンの厚み
の膜を50ミクロン削除した場合には、生成苛性ソ
ーダ中の食塩含量は無視し得なくなるまで増大す
る。従つて表層部を削除する厚みは、それを適用
する対象に応じて選択しなければならないが、少
なくとも1ミクロン以上削除すればイオン交換膜
の電気抵抗は顕著に低下する。また膜厚の1/3以
上削除するのは無意味であるばかりか、膜強度の
低下や食塩の混入量の増大を来たし、好ましくな
い。
さて、このように陽イオン交換膜の表層部を極
めて僅か削除したのみで膜の電気抵抗が低減する
理由については明らかでないが、逆浸透膜に於い
て膜表層部にスキン層というち密な薄層が存在す
るように、押し出し成型時にパーフルオロカーボ
ン系陽イオン交換膜の表面に、ダイスのスリツト
から押し出される際、スリツト材質とポリマーの
親和性に基づく高分子構造の違い或いはスリツト
材質と接触する部分でのポリヤーの配向性の違い
が生じ、これが膜表層部と膜内部の違いを引きお
こすものと推測される。また、ポリマーがスリツ
トからフイルムとして押し出されたとき、冷却の
され方が表層部と内部で異なり、ポリマーの結晶
性の違いとして発現しているとも推測される。い
ずれにせよ、これらの影響を強く受ける部分は、
フイルム表面より1ミクロン以下の部分であるこ
とがモデル実験により確かめられた。この膜表層
部分は、イオンが膜内に入るとき、また膜内から
溶液中に出るとき、一種のバリヤーとなつている
ものと思われる。従つてこのようなバリヤー層を
除去することによつて、膜の電気抵抗が著しく低
減するものと思われる。また陽イオン交換膜の一
方の膜面を除去するよりは両面を除去することが
望ましいので、本発明にあつては、特に膜の両表
面を除去した陽イオン交換膜を対象とする。一方
の面だけ除去する場合はイオンが膜内に入る側を
除去した場合が効果は大きい。
また、膜表層部を削除するとき、1)陽イオン
交換基の導入されていない前駆体を削除して陽イ
オン交換基を導入する方法、2)陽イオン交換基
を導入後削除する方法、3)電流効率向上のため
の弱酸性陽イオン交換基を導入等の処理前に削除
する方法、4)電流効率向上のための弱酸性陽イ
オン交換基等を導入後に削除する方法等、いづれ
の場合も有効であるが、最も好ましいのは2)及
び3)である。特にアルカリ金属塩電解にあつて
は、高い苛性ソーダ取得時の高電流効率を維持す
るために、弱酸性の陽イオン交換基の薄膜を膜の
一方の面に形成する場合が多く、これは数ミクロ
ンの厚みで充分な機能を発揮する。
このような薄膜を酸化・還元反応その他の反応
によつて形成させたり、弱酸性の陽イオン交換基
を有する薄いフイルムを強酸性の陽イオン交換膜
の上に融着したりして形成した層が破壊される場
合がある。従つて、望ましくはこのような弱酸性
の陽イオン交換基の薄層を化学反応によつて形成
する場合、この化学反応の前に膜表層部の削除を
実施するのが好ましい。
以下の実施例によつて本発明の内容を具体的に
説明するが、以下の実施例によつて本発明は何ら
拘束されるものではない。
実施例 1
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(3,
6−ジオキサ−4−メチル−7−オクテンスルホ
ニルフルオライド)からなる共重合体のTダイ押
し出しシートを加水分解して、交換容量が0.91ミ
リ当量/グラム乾燥膜(H型)の厚みが178ミク
ロンの膜を得た(膜Aとする)。これを両面約5
ミクロンづつ膜面に垂直に鋭利な刃を当てて削つ
た。膜の厚みはマイクロメーターで測定したとこ
ろ168ミクロンとなつていた(膜Bとする)。膜A
を同様に片面だけを約10ミクロン削つた(膜Cと
する)。また膜Aを特開昭53−58493号明細書に記
載の方法で五塩化リンによりスルホン酸のスルホ
ニルクロライド化及びスルホニルクロライド基の
アルコール中での空気酸化によりカルボン酸基へ
の変換を行ない、残余のスルホニルクロライド基
を加水分解によりスルホン酸ソーダにし、イオン
交換基として表層にカルボキシル基を持ち内部が
スルホン酸基よりなる2重構造のイオン交換膜と
する(膜Dとする)。
また別に膜Bを用いて上記処理を行なつてイオ
ン交換膜を得た(膜Eとする)。
更に膜Cの削除面を上記処理を行つて別のイオ
ン交換膜を得た(膜Fとする)。同様に膜Cのス
ムースな面に対して上記処理を行なつて得た膜を
G膜とする。
これらの膜を用い食塩水溶液の電気分解を行な
つた。即ち有効通電面積1dm2、陽極チタンラス
上に酸化ルテニウムコーテイング、陰極軟鉄ラス
よりなる電解槽により電流密度30A/dm2、80℃
で陽極室の食塩濃度を3.5Nとし、陰極室から9N
の苛性ソーダを定常的に取り出した。いずれの膜
においても電流効率はほぼ95%で苛性ソーダ中の
食塩の量はほぼ60ppm(50%苛性ソーダ換算)で
あつた。膜の電気抵抗及び電解電圧を表1に示
す。[Formula] (Rf is a saturated perfluoroalkyl group) CF 2 = CF−CF=CF 2 , CF 2 = CFO (CFX) o OCF
= CF 2 (X is F-CF 3 ), etc., are copolymerized and formed into a film shape. These membranes are cation exchange membranes that can obtain highly concentrated alkali metal hydroxides with high current efficiency by introducing ion exchange groups as necessary after film formation. In order to improve efficiency, it is necessary to form a two-layer membrane in which different types of layers are present, for example, different types of ion exchange groups or layers with different exchange group densities are present. In particular, to maintain high current efficiency and lower membrane electrical resistance,
For example, there is a membrane that has a sulfonic acid group on the anode side and a carboxylic acid group on the cathode side. Alternatively, there is a membrane with a larger exchange capacity on the membrane surface facing the anode and a smaller one on the cathode side, or an ion exchange membrane with a sulfonic acid group on the anode side, and a phosphoric acid group, tertiary alcohol group, or dissociated membrane on the cathode side. It is preferable to use a thin film bonded with a sulfonic acid amide group having a hydrogen atom that can absorb moisture. Other chemical treatments for cation exchange membranes include hydrolysis reaction, conversion reaction to sulfonic acid groups, conversion reaction of sulfonic acid groups to carboxylic acid groups, conversion reaction of carboxylic acid groups to sulfonic acid groups, sulfonic acid amide. There is also known a means for improving the current efficiency of a cation exchange membrane for electrolysis by carrying out a group introduction reaction or the like. In any case, the present invention applies to any membrane, as long as it is a perfluorocarbon-based ion exchange membrane obtained by extrusion molding at any membrane forming stage, and not only when used as is.
It can be effectively applied even if it goes through a process such as lamination or cloth backing. Now, extrusion molding is usually done by melting a perfluorocarbon polymer compound (molecular weight 10,000 or more) having acid halide groups, acid anhydride groups, acid ester groups, etc., which is a precursor of a cation exchange membrane, and then using an inflation molding method or T-die molding. It is molded into a film using one of the following methods: The thickness of the film for use as an ion exchange membrane is usually 10 microns to 800 microns, preferably 50 microns to 250 microns. Further, as a method for removing at least 1 micron of the surface layer from the surface of such a homogeneous ion exchange membrane, any known industrially applicable method may be used without any restriction. That is, it may be removed by either a chemical reaction or a physical method. Perfluorocarbon compounds, which generally have excellent chemical resistance, are chemically stable and it is easier to physically scrape them off, but chemical methods such as sodium, naphthalene,
It is relatively easily defluorinated and decomposed by n-butyllithium, alkali metals, alkali metal amalgams, etc. Alternatively, it is known that perfluorinated compounds having ether bonds are easily decomposed by cleavage of the ether bonds and decomposition by aluminum chloride, aluminum bromide, and the like. Therefore, the surface layer of the cation exchange membrane or its precursor is treated with an organic/inorganic reagent that decomposes such a perfluorocarbon polymer compound to remove at least 1 micron of the surface layer. In other words, a method of performing a defluorination reaction and oxidative decomposition, a method of cutting the main chain or side chain of the surface layer of a perfluorocarbon polymer, and eluting and decomposing it in concentrated caustic alkali, and other chemical reactions. Therefore, other known methods for decomposing and removing the surface layer of a perfluorocarbon polymer compound, a cation exchange membrane, or a precursor thereof may be used without any restriction. A physical method is to cut the surface of the perfluorocarbon cation exchange membrane into a thin layer with a sharp blade. For example, while the membrane is running on a rotating roll, a sharp blade is cut at a certain distance from the rotating roll. A method that continuously removes the surface layer of a polymer membrane to a constant thickness by fixing a knife and moving the membrane on a roll to a constant thickness. It is effective as such. In addition, when performing on a relatively small area,
Effective methods include sandblasting and polishing with sandpaper. Other treatments such as sputtering and flame treatment can also be carried out as appropriate. When removing the surface layer of the membrane by physical or chemical means, the thickness to be removed must be at least 1 micron. The thickness and density of the dense layer on the membrane surface vary significantly depending on the manufacturing conditions and composition of the perfluorocarbon polymer membrane, the composition of the polymer substance, etc., and in some cases even removal of about 100A° Although it may be effective in some cases, generally it is effective if at least 1 micron is removed, and there is no harm in removing 1 micron or more. The thickness to be removed may be selected depending on the thickness of the ion exchange membrane. for example
In the case of a cation exchange membrane with a thickness of 150 microns, removing 10 microns has little effect on the membrane thickness, and therefore the increase in salt content in the produced caustic soda is negligible; If 50 microns of membrane were removed, the salt content in the resulting caustic soda would increase to a point where it could no longer be ignored. Therefore, the thickness at which the surface layer is removed must be selected depending on the object to which it is applied, but if at least 1 micron or more is removed, the electrical resistance of the ion exchange membrane will be significantly reduced. Moreover, removing more than 1/3 of the film thickness is not only meaningless, but also causes a decrease in film strength and an increase in the amount of salt mixed in, which is not preferable. Now, it is not clear why the electrical resistance of the membrane is reduced by just removing a very small amount of the surface layer of the cation exchange membrane, but in reverse osmosis membranes, there is a thin layer called a skin layer on the membrane surface. During extrusion molding, on the surface of the perfluorocarbon-based cation exchange membrane, when extruded through the slit of the die, there are differences in the polymer structure based on the affinity between the slit material and the polymer, or due to the part that comes into contact with the slit material. It is presumed that there is a difference in the orientation of the polymer, which causes a difference between the surface layer of the film and the inside of the film. It is also speculated that when the polymer is extruded as a film from the slit, the way it is cooled differs between the surface layer and the inside, which is manifested as a difference in the crystallinity of the polymer. In any case, the parts that are strongly affected by these are
It was confirmed through model experiments that the area is 1 micron or less below the film surface. This membrane surface layer seems to act as a kind of barrier when ions enter the membrane or exit from the membrane into the solution. Removal of such a barrier layer would therefore significantly reduce the electrical resistance of the membrane. Furthermore, since it is preferable to remove both surfaces of a cation exchange membrane rather than removing one membrane surface, the present invention is particularly directed to a cation exchange membrane in which both surfaces of the membrane have been removed. When removing only one side, the effect is greater if the side where ions enter the membrane is removed. In addition, when removing the membrane surface layer, 1) a method in which a cation exchange group is introduced by deleting a precursor in which a cation exchange group has not been introduced, 2) a method in which a cation exchange group is introduced and then deleted, 3. ) A method of removing a weakly acidic cation exchange group to improve current efficiency before treatment such as introduction, 4) A method of removing a weakly acidic cation exchange group etc. after introduction to improve current efficiency, etc. Although 2) and 3) are also effective, the most preferred are 2) and 3). Particularly in alkali metal salt electrolysis, in order to maintain high current efficiency when obtaining a high level of caustic soda, a thin film of weakly acidic cation exchange groups is often formed on one side of the membrane, and this is several microns thick. Provides sufficient functionality with its thickness. A layer formed by forming such a thin film through an oxidation/reduction reaction or other reaction, or by fusing a thin film with a weakly acidic cation exchange group onto a strongly acidic cation exchange membrane. may be destroyed. Therefore, when a thin layer of such weakly acidic cation exchange groups is desirably formed by a chemical reaction, it is preferable to remove the surface layer of the membrane before the chemical reaction. The content of the present invention will be specifically explained with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples. Example 1 Tetrafluoroethylene and perfluoro(3,
A T-die extruded sheet of a copolymer consisting of 6-dioxa-4-methyl-7-octensulfonyl fluoride) was hydrolyzed to yield an exchange capacity of 0.91 meq/g and a dry membrane (H type) thickness of 178 microns. A film was obtained (referred to as film A). About 5 times each side
A sharp blade was applied perpendicularly to the surface of the film to scrape it micron by micron. The thickness of the film was measured with a micrometer and was found to be 168 microns (referred to as film B). Membrane A
In the same way, only one side was shaved by approximately 10 microns (referred to as film C). In addition, membrane A was converted into a carboxylic acid group by converting the sulfonic acid into a sulfonyl chloride using phosphorus pentachloride and oxidizing the sulfonyl chloride group in the air in an alcohol using the method described in JP-A-53-58493. The sulfonyl chloride group of is converted into sodium sulfonate by hydrolysis, and an ion exchange membrane with a double structure consisting of a carboxyl group on the surface layer as an ion exchange group and a sulfonic acid group on the inside is made (referred to as membrane D). Separately, the above treatment was performed using membrane B to obtain an ion exchange membrane (referred to as membrane E). Further, the removed surface of membrane C was subjected to the above treatment to obtain another ion exchange membrane (referred to as membrane F). Similarly, a film obtained by performing the above treatment on the smooth surface of film C is referred to as film G. These membranes were used to electrolyze a saline solution. That is, the effective current carrying area is 1 dm 2 , the current density is 30 A/dm 2 , and the current density is 80°C using an electrolytic cell consisting of a ruthenium oxide coating on a titanium lath as an anode and a soft iron lath as a cathode.
The salt concentration in the anode chamber is 3.5N, and the salt concentration in the cathode chamber is 9N.
of caustic soda was taken out regularly. In both films, the current efficiency was approximately 95%, and the amount of common salt in the caustic soda was approximately 60 ppm (50% caustic soda equivalent). The electrical resistance and electrolytic voltage of the membrane are shown in Table 1.
【表】
実施例 2
テトラフルオロエチレンとCF2=CF−O(−CF2
−)3COOCH3の共重合体を押し出し成型によつて
厚み170ミクロンのフイルムとした。
このフイルムの交換容量は1.45ミリ当量/グラ
ム乾燥膜であつた。これを10%の水−メタノール
の1:1の混合溶液に50℃で16時間浸漬してカル
ボン酸基を有する陽イオン交換膜とした。この膜
について、陽極側及び陰極側及び両面を約5ミク
ロンづつサンドペーパー(永塚工業製AA400)
で夫々削除し、3種類の膜を得た。膜の厚みはマ
イクロメーターによつて測定した。これらの膜の
電気化学的性質及びこれを用いて食塩電解を実施
した。結果を表2に示す。
尚、陰極室からは35%の苛性ソーダを取得した
他は実施例1と同様である。[Table] Example 2 Tetrafluoroethylene and CF 2 =CF-O(-CF 2
-) 3 A copolymer of COOCH 3 was extruded into a film with a thickness of 170 microns. The exchange capacity of this film was 1.45 meq/gram dry film. This was immersed in a 1:1 mixed solution of 10% water and methanol at 50° C. for 16 hours to obtain a cation exchange membrane having carboxylic acid groups. For this film, sandpaper (AA400 manufactured by Nagatsuka Industries) approximately 5 microns each on the anode side, cathode side, and both sides.
, and three types of membranes were obtained. The thickness of the film was measured using a micrometer. We investigated the electrochemical properties of these membranes and used them to conduct salt electrolysis. The results are shown in Table 2. The procedure was the same as in Example 1 except that 35% caustic soda was obtained from the cathode chamber.
【表】
実施例 3
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(−CF2−)
4SO2Fをアゾイソブチロニトリルを触媒として共
重合して高分子を得た。次いで、これを押し出し
成型によつて厚さ150ミクロンのフイルムとした。
これをジメチルスルホキシド、水、水酸化カリウ
ムの600:400:15の加水分解浴に浸漬してスルホ
ニルフルオライド基をスルホン酸基に変換した。
この変換容量は1.01ミリ当量/乾燥膜(H型)で
あつた。この陽イオン交換膜の一方の面に五塩化
リンの蒸気を接触させ、スルホン酸基をスルホニ
ルクロライド基に変換し、次いでn−ブチルアル
コール中で空気酸化してスルホン酸基に変換後、
再び上記加水分解浴に浸漬して、一方の膜面に約
10ミクロンのカルボン酸を有する膜とした。
ここで得られた膜の表層部を陽極側、陰極側両
面について夫々サンドペーパー(三協理科学製
CC600CW)で研磨により、表層を約5ミクロン
削除した。これらの膜の性質及び食塩電解時の性
能を測定した結果を表3に示す。尚陰極室からは
35%の苛性ソーダを定常的に取得した。[Table] Example 3 Tetrafluoroethylene and CF 2 =CFO(-CF 2 -)
A polymer was obtained by copolymerizing 4 SO 2 F using azoisobutyronitrile as a catalyst. This was then extruded into a film with a thickness of 150 microns.
This was immersed in a 600:400:15 hydrolysis bath of dimethyl sulfoxide, water, and potassium hydroxide to convert the sulfonyl fluoride groups to sulfonic acid groups.
The conversion capacity was 1.01 meq/dry membrane (H type). One side of this cation exchange membrane is brought into contact with phosphorus pentachloride vapor to convert the sulfonic acid groups into sulfonyl chloride groups, and then air oxidized in n-butyl alcohol to convert them into sulfonic acid groups.
Immerse it in the above hydrolysis bath again and apply approximately
The membrane had a carboxylic acid layer of 10 microns. Sand the surface layer of the membrane obtained here with sandpaper (manufactured by Sankyo Rikagaku Co., Ltd.) on both the anode side and cathode side.
CC600CW) was used to remove approximately 5 microns of the surface layer. Table 3 shows the results of measuring the properties of these membranes and their performance during salt electrolysis. From the cathode chamber
35% caustic soda was obtained regularly.
【表】
実施例 4
実施例1で用いたテトラフルオロエチレンとパ
ーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7
−オクテンスルホニルフルオライド)の共重合体
よりなるシート(加水分解処理前)2枚につい
て、夫々片面及び両面を実施例1の方法で20ミク
ロン削りとつた。その後、シートを10%の
NaOHを含むメタノール中に室温下に10時間浸
漬してシート中のスルホニルフルオライド基を加
水分解して、スルホン酸ナトリウム基とした。こ
れを更にH酸型に変えるために、1規定の塩酸中
に室温下に15時間浸漬した。その後、水洗し、減
圧乾燥して酸型のシートとした。
さらにスルホン酸基をカルボン酸基に変えるた
めに、円筒状のガラス製反応器(内径10cm)の内
壁に酸型のシートを削つた面(両面を削つたシー
トは任意の面)を外側にして取付け、反応器の中
心部に東芝製殺菌ランプ(GL−15)をシートの
表面からほぼ等距離となるようにセツトした。反
応器をオイルバスに浸漬し、150℃に加温した。
又反応器の中を充分窒素で置換した後、真空ポン
プで排気した。その後ボンベから一酸化窒素を1
Kg/cm2導入し、反応器を密閉し、殺菌ランプを点
灯、30分間照射した。その後ランプを消し、反応
器内に窒素を導入して、一酸化窒素をパージし
た。
他方比較のため片面を削りとらなかつたシート
についても同じ条件で処理を行つた。処理後のシ
ートの赤外スペクトル(A.T.R法)を測定したと
ころ光が照射された部分はいずれも1780cm-1にカ
ルボン酸基の吸収帯が認められ、又1060cm-1のス
ルホン酸基の吸収帯が殆ど認められなかつた。一
方反対面はいずれも1780cm-1の吸収帯は認められ
ず、1060cm-1の吸収帯が強く認められた。
これらのシートを陽イオン交換膜電解テストに
供するため、処理後のシートを10%のNaOHを
含むメタノール中に室温下に2時間浸漬した。浸
漬後水洗して実施例1の方法に従つて食塩水の電
解テストを行つた。得られた結果を表4に示す。
なお電解槽に組込む時はカルボン酸基が存在する
面(光を照射した面)を陰極側に向けた。[Table] Example 4 Tetrafluoroethylene and perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7) used in Example 1
- octensulfonyl fluoride) copolymer (before hydrolysis treatment), one and both sides of each sheet were shaved by 20 microns by the method of Example 1. Then the sheet is 10%
The sheet was immersed in methanol containing NaOH at room temperature for 10 hours to hydrolyze the sulfonyl fluoride groups in the sheet to form sodium sulfonate groups. In order to further convert it into the H acid form, it was immersed in 1N hydrochloric acid at room temperature for 15 hours. Thereafter, it was washed with water and dried under reduced pressure to obtain an acid type sheet. Furthermore, in order to convert sulfonic acid groups into carboxylic acid groups, we placed an acid-type sheet on the inner wall of a cylindrical glass reactor (inner diameter 10 cm) with the shaved side (for sheets with both sides scraped, any surface) on the outside. Attachment: A Toshiba germicidal lamp (GL-15) was set in the center of the reactor so that it was approximately equidistant from the surface of the sheet. The reactor was immersed in an oil bath and heated to 150°C.
After the inside of the reactor was sufficiently purged with nitrogen, it was evacuated using a vacuum pump. After that, take 1 nitric oxide from the cylinder.
Kg/cm 2 was introduced, the reactor was sealed, a germicidal lamp was turned on, and irradiation was performed for 30 minutes. The lamp was then extinguished and nitrogen was introduced into the reactor to purge the nitric oxide. On the other hand, for comparison, a sheet whose one side was not shaved off was also processed under the same conditions. When the infrared spectrum (ATR method) of the treated sheet was measured, the absorption band of carboxylic acid groups was observed at 1780 cm -1 in all areas irradiated with light, and the absorption band of sulfonic acid groups was observed at 1060 cm -1 . was hardly recognized. On the other hand, on the opposite side, no absorption band at 1780 cm -1 was observed, but a strong absorption band at 1060 cm -1 was observed. In order to subject these sheets to a cation exchange membrane electrolysis test, the treated sheets were immersed in methanol containing 10% NaOH at room temperature for 2 hours. After immersion, the sample was washed with water and subjected to a saline electrolysis test according to the method of Example 1. The results obtained are shown in Table 4.
When assembling it into an electrolytic cell, the surface on which carboxylic acid groups were present (the surface irradiated with light) was directed toward the cathode side.
Claims (1)
ルオロカーボン系陽イオン交換膜の両表面を夫々
少なくとも1ミクロン除去した陽イオン交換膜。 2 特許請求の範囲第1項記載のイオン交換膜が
0.5乃至2.0ミリ当量1グラム乾燥膜(H型)の交
換容量を有しているアルカリ金属塩電解用陽イオ
ン交換膜。 3 特許請求の範囲第1項記載のイオン交換膜の
交換基が、スルホン酸基及びカルボン酸基のいず
れか又は両方である陽イオン交換膜。 4 特許請求の範囲第3項記載の陽イオン交換膜
に於いて、スルホン酸基とカルボン酸基が層状に
存在する陽イオン交換膜。[Scope of Claims] 1. A cation exchange membrane in which at least 1 micron is removed from both surfaces of a homogeneous perfluorocarbon cation exchange membrane produced by extrusion molding. 2. The ion exchange membrane according to claim 1 is
A cation exchange membrane for alkali metal salt electrolysis having an exchange capacity of 0.5 to 2.0 milliequivalents and 1 gram dry membrane (H type). 3. A cation exchange membrane according to claim 1, wherein the exchange group of the ion exchange membrane is either or both of a sulfonic acid group and a carboxylic acid group. 4. A cation exchange membrane according to claim 3, in which sulfonic acid groups and carboxylic acid groups exist in a layered manner.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56191822A JPS5893728A (en) | 1981-12-01 | 1981-12-01 | ion exchange membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56191822A JPS5893728A (en) | 1981-12-01 | 1981-12-01 | ion exchange membrane |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5893728A JPS5893728A (en) | 1983-06-03 |
| JPS64977B2 true JPS64977B2 (en) | 1989-01-10 |
Family
ID=16281093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56191822A Granted JPS5893728A (en) | 1981-12-01 | 1981-12-01 | ion exchange membrane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5893728A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065668U (en) * | 1991-12-13 | 1994-01-25 | 有限会社ライオンベースボールプロショップ | Baseball glove |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6624328B1 (en) | 2002-12-17 | 2003-09-23 | 3M Innovative Properties Company | Preparation of perfluorinated vinyl ethers having a sulfonyl fluoride end-group |
| US7348088B2 (en) | 2002-12-19 | 2008-03-25 | 3M Innovative Properties Company | Polymer electrolyte membrane |
| US7285349B2 (en) | 2003-10-30 | 2007-10-23 | 3M Innovative Properties Company | Polymer electrolyte membrane and method of making |
| CN105126630B (en) * | 2015-06-23 | 2017-08-22 | 杭州埃尔环保科技有限公司 | Preparation method for continuously producing polyvinyl chloride semi-homogeneous anion-cation exchange membrane |
-
1981
- 1981-12-01 JP JP56191822A patent/JPS5893728A/en active Granted
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065668U (en) * | 1991-12-13 | 1994-01-25 | 有限会社ライオンベースボールプロショップ | Baseball glove |
Also Published As
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|---|---|
| JPS5893728A (en) | 1983-06-03 |
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