RU2196789C2 - Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition - Google Patents
Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition Download PDFInfo
- Publication number
- RU2196789C2 RU2196789C2 RU2001103666A RU2001103666A RU2196789C2 RU 2196789 C2 RU2196789 C2 RU 2196789C2 RU 2001103666 A RU2001103666 A RU 2001103666A RU 2001103666 A RU2001103666 A RU 2001103666A RU 2196789 C2 RU2196789 C2 RU 2196789C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copolymer
- composition
- ion
- exchange
- solvent
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к жидкой композиции на основе перфторированного ионообменного сополимера, содержащего функциональные сульфогруппы формулы -SO3М, где М - ион водорода или щелочного металла, и полярного органического растворителя или смеси органических растворителей. Такие композиции могут быть использованы при изготовлении и ремонте ионообменных мембран (ИОМ), применяемых в процессах хлорщелочного электролиза или электролиза воды, в топливных и газоразделительных элементах, для пропитки различных субстратов, в технологии изготовления суперкислых катализаторов синтеза органических соединений и т.п.The invention relates to a liquid composition based on a perfluorinated ion-exchange copolymer containing functional sulfo groups of the formula —SO 3 M, where M is a hydrogen or alkali metal ion, and a polar organic solvent or a mixture of organic solvents. Such compositions can be used in the manufacture and repair of ion-exchange membranes (IOM) used in chlor-alkali electrolysis or water electrolysis, in fuel and gas separation elements, for the impregnation of various substrates, in the manufacture of super acid catalysts for the synthesis of organic compounds, etc.
Известны (патент Японии 13333-73, НКИ 25(1) С 122.2, опуб. 26.04.73) растворы, включающие ионообменный перфторированный сополимер с функциональными группами -SO3М (где М - водород, одноосновный амин, атом щелочного металла) и полярный органический растворитель. В качестве перфторированного ионообменного сополимера раствор (композиция) содержит гидролизованный сополимер тетрафторэтилена (ТФЭ) с сульфосодержащим виниловым эфиром (ВСГЭ), например, эфиром формулы
или гидролизованный сополимер ТФЭ с сульфосодержащим виниловым эфиром формулы:
CF2=CF-O-CF2-CF2-SО2F,
с эквивалентной массой (ЭМ) 400-1000. (ЭМ - масса гидролизированного сополимера в г в расчете на 1 г-экв функциональных групп).Known (Japan Patent 13333-73, NKI 25 (1) C 122.2, publ. 04/26/73) solutions including ion-exchange perfluorinated copolymer with functional groups —SO 3 M (where M is hydrogen, monobasic amine, alkali metal atom) and polar organic solvent. As a perfluorinated ion-exchange copolymer, the solution (composition) contains a hydrolyzed copolymer of tetrafluoroethylene (TFE) with a sulfonated vinyl ether (VGE), for example, an ether of the formula
or a hydrolyzed copolymer of TFE with a sulfonated vinyl ether of the formula:
CF 2 = CF-O-CF 2 —CF 2 —SO 2 F,
with equivalent mass (EM) 400-1000. (EM is the mass of hydrolyzed copolymer in g per 1 g-equiv of functional groups).
В качестве полярного органического растворителя композиция содержит растворитель, выбранный из группы алифатических спиртов с числом углеродных атомов не более 4 (метанол, этанол, изопропанол, н-пропанол, н-, изо- и третичный бутанол), фторспирты H(CF2)4CH2OH, замещенные амиды (диметилформамид, диметилацетамид и др.), целлозольв, ацетон и др.As a polar organic solvent, the composition contains a solvent selected from the group of aliphatic alcohols with no more than 4 carbon atoms (methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, n-, iso- and tertiary butanol), fluoroalcohols H (CF 2 ) 4 CH 2 OH, substituted amides (dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), cellosolve, acetone, etc.
Композицию получают путем смешения указанного сополимера с растворителем при нагревании до 22-170oС и перемешивании (молекулярная масса растворяемого сополимера, так же как и подробности процесса, такие как продолжительность, возможность концентрирования и др., в патенте Японии 13333-73 не приводятся). После смешения компонентов получают композицию, содержащую 0,09-30 маc. % сополимера, из которой поливом или пропиткой можно получить ИОМ, используемые в процессах электролиза, фильтры сепараторных батарей. Содержание сополимера в композиции существенно зависит от ЭМ применяемого сополимера. Так, при использовании сополимера с ЭМ от 400 до 860 могут быть получены композиции с содержанием сополимера до 30 маc.%, а при использовании сополимера с ЭМ от 860 до 1000 композиция преимущественно содержит 0,5-1 маc.% сополимера.The composition is obtained by mixing the specified copolymer with a solvent by heating to 22-170 o C and stirring (the molecular weight of the copolymer to be dissolved, as well as details of the process, such as duration, possibility of concentration, etc., are not given in Japanese patent 13333-73) . After mixing the components, a composition is obtained containing 0.09-30 wt. % copolymer, from which by irrigation or impregnation it is possible to obtain IOM, filters used in electrolysis processes, separator battery filters. The copolymer content in the composition substantially depends on the EM of the copolymer used. So, when using a copolymer with an EM from 400 to 860, compositions with a copolymer content of up to 30 wt.% Can be obtained, and when using a copolymer with an EM from 860 to 1000, the composition preferably contains 0.5-1 wt.% Of the copolymer.
Недостатками описанной выше композиции являются:
1. Использование в композиции ионообменных сополимеров с низкой ЭМ (не более 1000), которые дают пленки (мембраны) с низкой прочностью, особенно при повышенных температурах эксплуатации, и поэтому изготовленные из таких композиций ИОМ не могут длительно эксплуатироваться в топливных элементах (ТЭ), при электролизе воды, в процессах хлорщелочного электролиза. Кроме того, ИОМ из сополимера с ЭМ<1000, даже полученные методом пропитки, не пригодны для использования в процессах хлорщелочного электролиза из-за их низкой селективности и высокой газопроницаемости.The disadvantages of the above composition are:
1. The use in the composition of ion-exchange copolymers with low EM (not more than 1000), which give films (membranes) with low strength, especially at elevated operating temperatures, and therefore IOMs made from such compositions cannot be used for a long time in fuel cells (TE), during electrolysis of water, in the processes of chlor-alkali electrolysis. In addition, IOM from a copolymer with EM <1000, even obtained by impregnation, are not suitable for use in chlor-alkali electrolysis processes because of their low selectivity and high gas permeability.
2. Низкое содержание сополимера (0,54 - 1%) в композиции в том случае, когда используется сополимер со сравнительно высокой ЭМ (от 860 до 1000), что приводит к тому, что такие композиции при разовом нанесении на подложку дают толщину пленки около 5-6 мкм; поэтому для изготовления ИОМ, обычно применяемых в процессах электролиза и ТЭ (толщиной 150-250 мкм), требуется нанесение более 25-30 слоев с обязательным удалением растворителя из каждого слоя и последующим спеканием. Композиции, включающие сополимер с низкой ЭМ (менее 860), хотя и содержит большее количество сополимера - до 30 маc.%, не могут использоваться при получении ИОМ в виде пленок или волокон из-за чрезвычайно низкой прочности. 2. The low content of the copolymer (0.54 - 1%) in the composition in the case when a copolymer with a relatively high EM (from 860 to 1000) is used, which leads to the fact that such compositions, when applied on a substrate, give a film thickness of 5-6 microns; therefore, for the manufacture of IOM, usually used in the processes of electrolysis and FC (thickness 150-250 microns), the application of more than 25-30 layers with the mandatory removal of solvent from each layer and subsequent sintering is required. Compositions comprising a copolymer with low EM (less than 860), although it contains a larger amount of copolymer - up to 30 wt.%, Cannot be used to obtain IOM in the form of films or fibers due to extremely low strength.
Известна также, полимерная композиция, включающая перфторированный полимер, содержащий участки, способные превращаться в ионообменные группы, и растворитель (патент СССР 1769760, MKИ5 C 08 L 27/12, опубл. 15.10.92). В качестве перфторированного полимера композиция содержит 0,3-13,9 мас.% сополимера ТФЭ и мономера, выбранного из группы, содержащей:
CF2=CF-О-CF2-CF2-SО2F (I);
CF2=CF-О-CF2-СF2-СООСН3 (II).Also known is a polymer composition comprising a perfluorinated polymer containing sites capable of being converted into ion-exchange groups and a solvent (USSR patent 1769760, MKI 5 C 08
CF 2 = CF-O-CF 2 -CF 2 -SO 2 F (I);
CF 2 = CF — O — CF 2 —CF 2 —COOCH 3 (II).
ЭМ сополимера ТФЭ с мономером (I) составляет от 850 до 1160, а ЭМ сополимера ТФЭ с мономером (II) составляет 755 и 847, т.е. ЭМ сополимера, используемого в композиции, находится в пределах 755-1160. В качестве растворителя композиция содержит 99,7-86,2 маc. % 1,2-дибромтетрафторэтана (ДБТФЭ). The EM of the TFE copolymer with monomer (I) is from 850 to 1160, and the EM of the TFE copolymer with monomer (II) is 755 and 847, i.e. The EM copolymer used in the composition is in the range of 755-1160. As a solvent, the composition contains 99.7-86.2 wt. % 1,2-dibromotetrafluoroethane (DBTFE).
Указанную полимерную композицию получают путем смешения перфторированного сополимера в неионной форме (с группами -SO2F или -СООСН3) с первой порцией ДБТФЭ в лабораторной роликовой ударной мельнице в течение ночи. Затем добавляют остальную часть ДБТФЭ и еще дополнительно перемешивают 3 часа. Получают композицию в виде 0,3-13,8%-й дисперсии перфторированного сополимера в ДБТФЭ. Из композиции получают мембраны путем нанесения дисперсии на лист алюминиевой фольги и последующего спекания при 250-303oС. Дисперсию на алюминиевую фольгу наносят 2-5 раз до получения требуемой толщины пленки. Полученную пленку подвергают гидролизу 25%-м водным раствором гидроокиси натрия при 90oС в течение 16 часов для перевода неионообменных исходных групп перфторированного сополимера в ионообменные, после чего гидролизованную пленку используют в качестве ИОМ в электролизере для получения хлора и щелочи.The specified polymer composition is obtained by mixing a perfluorinated copolymer in non-ionic form (with -SO 2 F or -COOCH 3 groups) with the first portion of DBTFE in a laboratory roller impact mill overnight. The remainder of the DBTFE is then added and the mixture is further stirred for 3 hours. The composition is obtained in the form of a 0.3-13.8% dispersion of a perfluorinated copolymer in DBTFE. Membranes are obtained from the composition by applying a dispersion on a sheet of aluminum foil and then sintering at 250-303 o C. The dispersion on the aluminum foil is applied 2-5 times to obtain the desired film thickness. The resulting film is subjected to hydrolysis with a 25% aqueous solution of sodium hydroxide at 90 ° C for 16 hours to convert the nonion exchange starting groups of the perfluorinated copolymer to ion exchange, after which the hydrolyzed film is used as IOM in the electrolyzer to produce chlorine and alkali.
Недостатками композиции по патенту СССР 1769760 являются:
1. Невозможность получения из указанной полимерной композиции непосредственно ИОМ, так как композиция содержит сополимер с неионогенными группами и требуется дополнительная операция гидролиза сформированных пленок (изделий) для перевода указанных групп в ионообменные группы.The disadvantages of the composition according to the patent of the USSR 1769760 are:
1. The inability to obtain directly IOM from the specified polymer composition, since the composition contains a copolymer with nonionic groups and an additional hydrolysis of the formed films (products) is required to transfer these groups into ion-exchange groups.
2. Необходимость применения высоких температур (около 250-300oС) при получении из композиции пленок или других изделий, так как полимерная композиция представляет собой дисперсию сополимера в растворителе и необходимы высокие температуры для спекания полимера.2. The need to use high temperatures (about 250-300 o C) when receiving from the composition of films or other products, since the polymer composition is a dispersion of the copolymer in a solvent and high temperatures are necessary for sintering the polymer.
3. Ограниченная область применения композиции, так как такая композиция не может быть использована для пропитки нетермостойких и химически нестойких материалов, например, капрона, бумаги, полиэтилена и других, используемых в качестве фильтров в фармацевтической промышленности или медицине, которые не могут выдержать высокие температуры спекания, а также гидролиз 25%-м водным раствором гидроокиси натрия при 90oС в течение 16 часов, который необходим для перевода неионогенных групп в ионообменные.3. The limited scope of the composition, since such a composition cannot be used to impregnate non-heat-resistant and chemically unstable materials, for example, nylon, paper, polyethylene and others, used as filters in the pharmaceutical industry or medicine, which cannot withstand high sintering temperatures as well as hydrolysis with a 25% aqueous solution of sodium hydroxide at 90 o C for 16 hours, which is necessary for the transfer of nonionic groups into ion exchange.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является жидкая композиция согласно патенту СССР 1286108 (МКИ3 C 08 J 3/02, опубл. 23.01.87), содержащая перфторированный ионообменный сополимер с функциональными сульфогруппами формулы -SO3М, где М - ион водорода или щелочного металла (Na или К), имеющий ЭМ 1050-1500, и растворитель. В качестве перфторированного ионообменного сополимера композиция содержит, например, гидролизованный сополимер ТФЭ и перфтор (3,6-диокса-4-метил-7-октенсульфонилфторида) (TFE/PSEPVE) с ЭМ 1050-1500, а в качестве растворителя - воду или смесь 20-80 маc.% воды и 80-20 маc.% полярного органического растворителя (метанол, этанол, н-бутанол и другие). Композиция в 100 мл содержит от 0,2 до 13 г растворенного сополимера. Молекулярная масса ионообменного сополимера в патенте СССР 1286108 не приводится. Такие композиции используются в технологии изготовления и ремонта ИОМ, применяемых в процессах электролиза. Из указанных композиций могут быть получены непосредственно ИОМ, так как композиция содержит сополимер с ионообменными группами.Closest to the combination of essential features of the claimed composition is a liquid composition according to USSR patent 1286108 (MKI 3 C 08
Недостатками композиции по патенту СССР 1286108 (прототипу) являются:
1. Ограниченная область применения композиции, что связано с низкой прочностью получаемых из нее изделий - пленок, волокон, поскольку в композиции используется ионообменный сополимер со сравнительно невысокой ЭМ (1050-1500), а также, вероятно, с неблагоприятными молекулярно-массовыми характеристиками сополимера. Так, прочность пленки из жидкой композиции на основе сополимера с ЭМ 1100, сформированной при 120oС, имеет прочность на разрыв 17,7 МПа (см. пример 3 описания к патенту СССР 1286108), но даже и эта прочность достигается при дополнительном введении в композицию триэтилфосфата (в количестве 110% от массы полимера), который остается в полученной пленке сополимера. Невысокая прочность полученных изделий - пленок, волокон, не позволяет использовать их непосредственно (без дополнительного армирования) в качестве ИОМ, например, в топливных элементах, или в качестве газоразделительных волокон. Использованию таких пленок и волокон в качестве газоразделительных мембран мешает, также, сравнительно узкий интервал ЭМ сополимера, так как для эффективного разделения газов часто требуется сополимер с ЭМ>1500. Кроме того, такая композиция не может быть использована для получения датчиков влажности воздуха, датчиков водорода, для осушки газов и некоторых других применений, где также требуется сополимер с ЭМ>1500.The disadvantages of the composition according to the patent of the USSR 1286108 (prototype) are:
1. The limited scope of the composition, which is associated with the low strength of the products obtained from it - films, fibers, since the composition uses an ion-exchange copolymer with a relatively low EM (1050-1500), as well as, probably, with unfavorable molecular weight characteristics of the copolymer. Thus, the strength of a film from a liquid composition based on a copolymer with EM 1100 formed at 120 ° C has a tensile strength of 17.7 MPa (see Example 3 of the description of USSR Patent 1286108), but even this strength is achieved by the additional introduction of the composition of triethyl phosphate (in an amount of 110% by weight of the polymer), which remains in the resulting copolymer film. The low strength of the obtained products - films, fibers, does not allow using them directly (without additional reinforcement) as an IOM, for example, in fuel cells, or as gas separation fibers. The use of such films and fibers as gas separation membranes is also hindered by the relatively narrow interval of the EM copolymer, since the copolymer with EM> 1500 is often required for efficient gas separation. In addition, such a composition cannot be used to obtain air humidity sensors, hydrogen sensors, for drying gases, and some other applications where a copolymer with EM> 1500 is also required.
2. Сложность процесса получения композиции, связанная с необходимостью смешения компонентов при высоких температурах (170-250oС) под давлением, длительного нагревания при указанных температурах (3-18 часов) и последующей отгонки части растворителя. Вероятно, такая сложность получения композиции обусловлена тем, что композиция содержит сополимеры с высокой степенью кристалличности. Известно, что обычно сополимеры ТФЭ с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром (TFE/PSEPVE), например, марки Нафион фирмы Du Font, имеют высокую степень кристалличности (Perfluorinated Ionomer Membranes, ACS Symposium, USA, Washington, 1982). Так, сополимер с ЭМ 1100 имеет степень кристалличности 12%, с ЭМ 1200 - 19%, а с ЭМ 1400 - 20%.2. The complexity of the process of obtaining the composition associated with the need to mix the components at high temperatures (170-250 o C) under pressure, prolonged heating at these temperatures (3-18 hours) and subsequent distillation of part of the solvent. Probably, such a difficulty in obtaining the composition is due to the fact that the composition contains copolymers with a high degree of crystallinity. It is known that usually copolymers of TFE with perfluorosulfonylated vinyl ether (TFE / PSEPVE), for example, Nafion brand Du Font, have a high degree of crystallinity (Perfluorinated Ionomer Membranes, ACS Symposium, USA, Washington, 1982). So, the copolymer with EM 1100 has a crystallinity of 12%, with EM 1200 - 19%, and with EM 1400 - 20%.
Технический результат, достижение которого обеспечивает заявляемая жидкая композиция, заключается в расширении областей применения изделий (пленок, волокон, трубок и др.), полученных из композиции, а также в упрощении процесса ее получения. The technical result, which is achieved by the claimed liquid composition, is to expand the fields of application of products (films, fibers, tubes, etc.) obtained from the composition, as well as to simplify the process of its preparation.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в жидкой композиции, содержащей перфторированный ионообменный сополимер с функциональными сульфогруппами формулы -SO3М, где М - ион водорода или щелочного металла, имеющий ЭМ более 1000, и полярный органический растворитель или смесь полярного органического растворителя и неполярного растворителя, в качестве перфторированного ионообменного сополимера композиция содержит гидролизованный сополимер тетрафторэтилена с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром или гидролизованный сополимер тетрафторэтилена с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром и третьим модифицирующим сомономером, выбранным из группы, включающей перфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалан и перфторалкилвиниловый эфир, содержащий в алкиле 1-3 атома углерода, каждый из которых имеет среднечисленную молекулярную массу (1-8)•105, отношение среднемассовой молекулярной массы к среднечисленной молекулярной массе (Mw/Mn), равное 1,2÷1,4, содержание кристаллизационной воды 2-5 мас. %, степень кристалличности 7-20% и плотность 2,070-2,097 г/см3, при следующем содержании компонентов, маc.%:
Перфторированный ионообменный сополимер - 1-37
Полярный органический растворитель или его смесь с неполярным растворителем в соотношении (1-15):1 соответственно - 63-99
Заявляемая жидкая композиция содержит указанный сополимер, имеющий эквивалентную массу 1030-3000. В качестве полярного органического растворителя композиция содержит один или несколько растворителей, выбранных из группы, включающей метанол, этанол, изопропанол, н-пропанол, изобутанол, н-бутанол, циклогексанон, ацетон, метилэтилкетон, диметилформамид, диметилацетамид, диметилсульфоксид, морфолин, уксусную кислоту, метилгликоль, этилацетат, метилацетат, диэтиловый эфир. В качестве неполярного растворителя композиция содержит один или несколько неполярных органических растворителей, выбранных из группы, включающей 1,1,2-трифтор-1,2-дихлорэтан, 1,1-дифтор-1,2-дихлорэтан, 1,1,2-трифтортрихлорэтан, 1,1,1-трихлорбромэтан, 1,1-дифтор-1,2,2-трихлорэтан, пентан, гексан, гептан, бензол, толуол, циклогексан, четыреххлористый углерод, диоксан.The specified technical result is achieved due to the fact that in a liquid composition containing a perfluorinated ion exchange copolymer with functional sulfo groups of the formula —SO 3 M, where M is a hydrogen or alkali metal ion having an EM of more than 1000, and a polar organic solvent or a mixture of polar organic solvent and non-polar solvent, as a perfluorinated ion exchange copolymer, the composition contains a hydrolyzed copolymer of tetrafluoroethylene with perfluorosulfonate vinyl ether or hydrolysis a copolymer of tetrafluoroethylene with perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalane and perfluoroalkyl vinyl ether containing 1-3 carbon atoms in the alkyl, each of which has a number average molecular weight (1-8) • 10 5 , the ratio of the mass-average molecular weight to the number average molecular weight (M w / M n ), equal to 1.2 ÷ 1.4, the content of crystallization water 2-5 wt. %, crystallinity 7-20% and density 2.070-2.097 g / cm 3 , with the following components, wt.%:
Perfluorinated Ion Exchange Copolymer - 1-37
Polar organic solvent or its mixture with a non-polar solvent in the ratio (1-15): 1, respectively - 63-99
The inventive liquid composition contains the specified copolymer having an equivalent weight of 1030-3000. As a polar organic solvent, the composition contains one or more solvents selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, isobutanol, n-butanol, cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, morpholine, ux methyl glycol, ethyl acetate, methyl acetate, diethyl ether. As a non-polar solvent, the composition contains one or more non-polar organic solvents selected from the group consisting of 1,1,2-trifluoro-1,2-dichloroethane, 1,1-difluoro-1,2-dichloroethane, 1,1,2- trifluorotrichloroethane, 1,1,1-trichlorobromoethane, 1,1-difluoro-1,2,2-trichloroethane, pentane, hexane, heptane, benzene, toluene, cyclohexane, carbon tetrachloride, dioxane.
Как указывалось выше, в известных источниках информации молекулярная масса растворяемого сополимера и отношение Mw/Mn обычно не приводятся. Авторами настоящего изобретения были проведены исследования, которые показали, что среднечисленная молекулярная масса, а также отношение Mw/Mn ионообменного перфторированного сополимера с функциональными сульфогруппами -SO3М, где М - водород или щелочной металл, оказывают существенное влияние на его растворимость в полярном органическом растворителе или в смеси полярного растворителя (растворителей) с неполярным растворителем (растворителями). Было найдено, что при значении среднечисленной молекулярной массы (Мn) растворяемого сополимера, равном (1-8)•105, и при отношении Mw/Mn в пределах от 1,2 до 1,4 обеспечивается необходимая диффузия органического растворителя (растворителей) в макромолекулу сополимера, что облегчает растворение сополимера и его переход в стабильный раствор.As mentioned above, in known sources of information, the molecular weight of the copolymer to be dissolved and the ratio M w / M n are not usually given. The authors of the present invention conducted studies that showed that the number average molecular weight, as well as the ratio M w / M n of the ion-exchange perfluorinated copolymer with functional sulfo groups —SO 3 M, where M is hydrogen or an alkali metal, have a significant effect on its solubility in polar organic solvent or in a mixture of a polar solvent (s) with a non-polar solvent (s). It was found that when the number average molecular weight (M n ) of the copolymer to be dissolved is (1-8) • 10 5 , and when the ratio M w / M n in the range from 1.2 to 1.4, the necessary diffusion of the organic solvent is ensured ( solvents) in the macromolecule of the copolymer, which facilitates the dissolution of the copolymer and its transition into a stable solution.
Увеличение Мn растворяемого сополимера более 8•105 приводит к невозможности получения качественной стабильной композиции (раствора) из-за тенденции высаждения высокомолекулярного полимера из композиции (раствора), а уменьшение Мn ниже 1•105 приводит к ухудшению физико-механических свойств мембран, волокон и других изделий, получаемых из жидкой композиции (раствора) (смотри наши контрольные примеры 11 и 16).An increase in M n of the soluble copolymer of more than 8 • 10 5 makes it impossible to obtain a high-quality stable composition (solution) due to the tendency to precipitate a high molecular weight polymer from the composition (solution), and a decrease in M n below 1 • 10 5 leads to a deterioration in the physico-mechanical properties of the membranes fibers and other products obtained from a liquid composition (solution) (see our control examples 11 and 16).
Уменьшение отношения Mw/Mn ниже 1,2 приводит к тому, что для приготовления композиции (раствора) требуются более жесткие условия растворения сополимера (более высокая температура и большая длительность процесса), при этом в ряде случаев, например, если сополимер имеет ЭМ>1200-1500, даже в более жестких условиях, невозможно получить стабильную композицию (смотри наш контрольный пример 12).The decrease in the ratio M w / M n below 1.2 leads to the fact that for the preparation of the composition (solution) requires more stringent dissolution conditions of the copolymer (higher temperature and longer process time), and in some cases, for example, if the copolymer has EM > 1200-1500, even in more severe conditions, it is impossible to obtain a stable composition (see our control example 12).
Увеличение отношения Mw/Mn более 1,4 нецелесообразно, так как, хотя процесс приготовления композиции и облегчается, но при этом ухудшаются физико-механические свойства полученных из композиции изделий (прочность, газопроницаемость и др.) (смотри наш контрольный пример 15). An increase in the Mw / Mn ratio of more than 1.4 is impractical, since although the process of preparing the composition is facilitated, the physical and mechanical properties of the products obtained from the composition are deteriorated (strength, gas permeability, etc.) (see our control example 15).
Авторами также было найдено, что если растворяемый ионообменный сополимер содержит 2-5 маc. % кристаллизационной воды и имеет Мn и отношение Mw/Mn в указанных выше пределах, то могут быть растворены перфторированные ионообменные сополимеры с сульфогруппами, имеющие практически любую степень кристалличности (обычно при синтезе перфторсульфосополимера степень кристалличности лежит в пределах 2-26%). Увеличение содержания кристаллизационной воды в сополимере более 5 маc.% и уменьшение кристаллизационной воды ниже 2 маc.% приводит к тому, что сополимер не растворяется (смотри наши контрольные примеры 13-14).The authors also found that if the soluble ion-exchange copolymer contains 2-5 wt. % of crystallization water and has M n and the ratio M w / M n in the above ranges, then perfluorinated ion-exchange copolymers with sulfo groups having practically any degree of crystallinity can be dissolved (usually, when synthesizing a perfluorosulfosopolymer, the degree of crystallinity is in the range of 2-26%). An increase in the content of crystallization water in the copolymer of more than 5 wt.% And a decrease in crystallization water below 2 wt.% Leads to the fact that the copolymer does not dissolve (see our control examples 13-14).
Использование ионообменного перфторированного сополимера с функциональными сульфогруппами -SO3М, где М - ион водорода или щелочного металла, имеющего Мn (1-8)•105, отношение Mw/Mn 1,2-1,4 и содержание кристаллизационной воды 2-5 маc.%, дает возможность сравнительно просто без использования высоких температур в течение не более 1,5-2 часов получать стабильные композиции (растворы) сополимеров с ЭМ 1030-3000 концентрацией 1-37%. При этом не требуется отгонка растворителя. Образующиеся растворы могут длительно храниться (не менее 6 месяцев) без изменения вязкости раствора и видимого высаждения сополимера.The use of ion-exchange perfluorinated copolymer with functional sulfo groups -SO 3 M, where M is a hydrogen or alkali metal ion having Mn (1-8) • 10 5 , the ratio M w / M n 1.2-1.4 and the content of crystallization water 2 -5 wt.%, Makes it possible relatively easily without using high temperatures for no more than 1.5-2 hours to obtain stable compositions (solutions) of copolymers with EM 1030-3000 concentration of 1-37%. No solvent stripping is required. The resulting solutions can be stored for a long time (at least 6 months) without changing the viscosity of the solution and the visible precipitation of the copolymer.
Среднечисленная молекулярная масса и отношение Mw/Mn сополимера с сульфогруппами, используемого в заявленной композиции, регулируются условиями синтеза исходного сополимера в неионной форме или введением в сополимер третьего сомономера. Необходимое содержание кристаллизационной воды в сополимере достигается как регулированием условий синтеза исходного сополимера, так и условиями перевода неионообменных групп исходного сополимера в ионообменные группы (условиями гидролиза), а также условиями сушки.The number average molecular weight and the ratio M w / M n of the sulfo group copolymer used in the claimed composition are governed by the synthesis conditions of the initial copolymer in non-ionic form or by introducing a third comonomer into the copolymer. The required content of crystallization water in the copolymer is achieved both by controlling the synthesis conditions of the initial copolymer, and by the conditions for the transfer of the nonionic groups of the original copolymer into ion-exchange groups (by hydrolysis conditions), as well as by drying conditions.
В нижеследующих примерах осуществления изобретения были использованы синтезированные авторами изобретения сополимеры следующих структурных формул:
СПЛ-1 с ЭМ 1030
где m=84,7 мол.%;
n=15,3 мол.%;
со степенью кристалличности 12% и плотностью 2,070 г/см3.In the following embodiments, copolymers of the following structural formulas synthesized by the inventors were used:
SPL-1 with EM 1030
where m = 84.7 mol.%;
n = 15.3 mol%;
with a degree of crystallinity of 12% and a density of 2.070 g / cm 3 .
СПЛ-2 с ЭМ 3000
где m=96,21 мол.%;
n=3,79 мол.%;
со степенью кристалличности 20% и плотностью 2,097 г/см3.SPL-2 with
where m = 96.21 mol.%;
n = 3.79 mol%;
with a degree of crystallinity of 20% and a density of 2.097 g / cm 3 .
СПЛ-3 с ЭМ 1100
где m=84,5 мол.%;
n=13,1 мол.%;
k=2,4 мол.%;
со степенью кристалличности 9% и плотностью 2,078 г/см3.SPL-3 with EM 1100
where m = 84.5 mol.%;
n = 13.1 mol%;
k = 2.4 mol%;
with a crystallinity of 9% and a density of 2.078 g / cm 3 .
СПЛ-4 с ЭМ 1070
где m=78,9 мол.%;
n=15,8 мол.%;
k=5,3 мол.%;
со степенью кристалличности 18% и плотностью 2,071 г/см3.SPL-4 with
where m = 78.9 mol%;
n = 15.8 mol%;
k = 5.3 mol%;
with a degree of crystallinity of 18% and a density of 2.071 g / cm 3 .
СПЛ-5 с ЭМ 1600
где m=92 мол.%;
n=8 мол.%;
со степенью кристалличности 16% и плотностью 2,087 г/см3.SPL-5 with EM 1600
where m = 92 mol.%;
n = 8 mol%;
with a degree of crystallinity of 16% and a density of 2.087 g / cm 3 .
СПЛ-6 с ЭМ 1200
где m=78,5 мол.%;
n=13,1 мол.%;
k=8,4 мол.%;
со степенью кристалличности 7% и плотностью 2,083 г/см3.SPL-6 with EM 1200
where m = 78.5 mol.%;
n = 13.1 mol%;
k = 8.4 mol%;
with a crystallinity of 7% and a density of 2.083 g / cm 3 .
СПЛ-7 с ЭМ 1700
где m=92,6 мол.%;
n=7,4 мол.%;
со степенью кристалличности 17,5% и плотностью 2,088 г/см3.SPL-7 with EM 1700
where m = 92.6 mol%;
n = 7.4 mol%;
with a degree of crystallinity of 17.5% and a density of 2.088 g / cm 3 .
Заявляемую жидкую композицию получают путем растворения порошка ионообменного перфторированного сополимера в одном или нескольких полярных органических растворителях или в смеси одного или нескольких полярных растворителей с неполярным органическим растворителем (растворителями) при перемешивании. Температура растворения находится в пределах 20-90oС и определяется составом и ЭМ сополимера, а также температурой кипения используемых растворителей. Изделия из композиции получали путем полива или пропитки со ступенчатым подъемом температуры от комнатной до 40-80oС в зависимости от вида растворителя. Газоразделительное полое волокно получали методом "мокрого" формования.The inventive liquid composition is obtained by dissolving the ion-exchange perfluorinated copolymer powder in one or more polar organic solvents or in a mixture of one or more polar solvents with a non-polar organic solvent (s) with stirring. The dissolution temperature is in the range of 20-90 o C and is determined by the composition and EM of the copolymer, as well as the boiling point of the solvents used. Products from the composition were obtained by irrigation or impregnation with a stepwise rise in temperature from room temperature to 40-80 o C, depending on the type of solvent. Gas separation hollow fiber was obtained by the method of "wet" molding.
Свойства ионообменного перфторированного сополимера и полученных из него растворов определяли следующим образом:
1. Состав перфторированного сополимера определяли методом ИК-спектроскопии на спектрометре фирмы Перкин-Элмер, модель 1760.The properties of the ion-exchange perfluorinated copolymer and the solutions obtained from it were determined as follows:
1. The composition of the perfluorinated copolymer was determined by IR spectroscopy on a spectrometer company Perkin-Elmer, model 1760.
2. ЭМ сополимера определяли по ГОСТ 17552-72. 2. EM copolymer was determined according to GOST 17552-72.
3. Среднечисленную и среднемассовую молекулярную массу определяли методом тонкослойной или жидкостной хроматографии 1-5%-ного раствора сополимера в изопропиловом спирте. Отношение Mw/Mn определяли расчетным путем.3. The number-average and mass-average molecular weights were determined by thin-layer or liquid chromatography of a 1-5% copolymer solution in isopropyl alcohol. The ratio M w / M n was determined by calculation.
4. Степень кристалличности определяли рентгенографическим методом с использованием камеры малоуглового рассеяния КРМ-1. 4. The degree of crystallinity was determined by X-ray diffraction using a small-angle scattering chamber KRM-1.
5. Плотность фторсополимеров определяли по ГОСТ 15139-69. 5. The density of fluoropolymers was determined according to GOST 15139-69.
6. Вязкость композиции определяли по ГОСТ 9070-75Е. 6. The viscosity of the composition was determined according to GOST 9070-75E.
7. Прочность полученных из сополимера пленок определяли по ГОСТ 14236-81. 7. The strength of the films obtained from the copolymer was determined according to GOST 14236-81.
8. Содержание кристаллизационной воды определяли методом ИК-спектроскопии на спектрометре фирмы Перкин-Элмер, модель 1760. 8. The content of crystallization water was determined by IR spectroscopy on a spectrometer company Perkin-Elmer, model 1760.
Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение. The following examples illustrate the present invention.
Пример 1. Example 1
Для получения жидкой композиции используют перфторированный ионообменный сополимер ТФЭ с перфторсульфосодержащим виниловым эфиром - СПЛ-2, со степенью кристалличности 20%, ЭМ 3000, с ионообменными группами в форме -SО3Н, плотностью сополимера 2,097 г/см3, Мn = 8•105, отношением Mw/Mn=1,2 и содержанием кристаллизационной воды 2 маc.%.To obtain a liquid composition, the perfluorinated ion-exchange TFE copolymer with perfluorosulfonate vinyl ether - SPL-2, with a degree of crystallinity of 20%,
В круглодонную стеклянную колбу объемом 500 мл, снабженную пропеллерной мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 4 г указанного сополимера СПЛ-2 в виде порошка с размером частиц 500-600 мкм, 196 г полярного органического растворителя - изопропилового спирта (изопропанол), включают мешалку, содержимое нагревают до температуры 80oС и выдерживают при перемешивании при указанной температуре в течение 2-х часов. Затем колбу охлаждают и полученную жидкую композицию фильтруют через капроновый фильтр. Композиция представляет собой раствор с содержанием сополимера 2 маc.% (2 маc.% сополимера СПЛ-2 и 98 маc.% изопропанола).A 500 ml round-bottom glass flask equipped with a propeller stirrer, a thermometer and a reflux condenser is charged with 4 g of the indicated SPL-2 copolymer in the form of a powder with a particle size of 500-600 μm, 196 g of a polar organic solvent - isopropyl alcohol (isopropanol), includes a stirrer , the contents are heated to a temperature of 80 o C and maintained with stirring at the indicated temperature for 2 hours. Then the flask is cooled and the resulting liquid composition is filtered through a nylon filter. The composition is a solution with a copolymer content of 2 wt.% (2 wt.% Copolymer SPL-2 and 98 wt.% Isopropanol).
Примеры 2-10; 11-16 (контрольные). Examples 2-10; 11-16 (control).
Жидкую композицию получают аналогично примеру 1, но варьируют состав и условия получения композиции. Из композиций по примерам 1-16 путем полива на стеклянную пластину с последующей сушкой при температурах 20-90oС были получены пленки толщиной 100 мкм и определен их показатель прочности при разрыве по ГОСТ 14236-81.The liquid composition is obtained analogously to example 1, but vary the composition and conditions for obtaining the composition. From the compositions of Examples 1-16, by pouring onto a glass plate followed by drying at temperatures of 20-90 ° C, films with a thickness of 100 μm were obtained and their tensile strength at break was determined according to GOST 14236-81.
Состав композиций, полученных по примерам 1-10 и 11-16 (контрольные), условия растворения сополимера (условия приготовления композиций), а также свойства композиций и пленок из них приведены в таблицах 1 и 2, соответственно. The composition of the compositions obtained in examples 1-10 and 11-16 (control), the dissolution conditions of the copolymer (preparation conditions of the compositions), as well as the properties of the compositions and films from them are shown in tables 1 and 2, respectively.
Пример 17. Example 17
Композицию, полученную по примеру 1 и содержащую 2 маc.% сополимера СПЛ-2 с ЭМ 3000 и 98 маc.% изопропанола, используют в качестве связующего для получения мембранно-электродного блока (МЭБ). The composition obtained in example 1 and containing 2 wt.% Copolymer SPL-2 with
В стеклянной емкости смешивают 0,9 г электрокатализатора - платиновой черни (диаметр частиц - 0,09 мкм) с 0,03 г электропроводящего неактивного материала - газовой сажи с размером частиц 0,01 мкм. После чего к полученной смеси добавляют 3,5 г композиции по примеру 1, а именно 2%-ного раствора сополимера СПЛ-2 в изопропаноле. Полученную вязкую массу электродного материала наносят на одну из воздушно-сухих поверхностей ИОМ, представляющей собой пленку толщиной 200 мкм из сополимера, аналогичного по составу СПЛ-2, но с ЭМ 1200 и степенью кристалличности 12%, методом намазывания слоем такой толщины, чтобы после высушивания слой электродного материала имел толщину 6 мкм. Затем полученный мембранно-электродный блок помещают в термостат и обрабатывают при следующем ступенчатом подъеме температуры: выдерживают при 20-22oС в течение 10 мин, при 60oС - 40 мин, при 80oС - 20 мин. После этого ИОМ вынимают из термостата, охлаждают до комнатной температуры и аналогичным образом на другую ее поверхность наносят тот же самый электродный материал, затем снова помещают в термостат и термообрабатывают указанным выше способом. Изготовленный МЭБ испытывают в топливной ячейке следующим образом. На обе поверхности электродных слоев полученного МЭБ помещают угольную ткань, пропитанную политетрафторэтиленовой дисперсией (ТУ 6-05-1246-81) и подвергают сжатию. Затем к обеим поверхностям МЭБ прикладывают угольные коллекторы тока и устанавливают сборку в топливную ячейку. Исследования МЭБ проводят при 80oС при подаче в топливную ячейку газов: водород - в анодную камеру под давлением 1 атм, и кислород - в катодную камеру под давлением 1,2 атм. Получены следующие характеристики:
напряжение на элементе - 0,80-0,81 В;
плотность тока - 500 мА/см2.In a glass container, 0.9 g of electrocatalyst - platinum black (particle diameter - 0.09 μm) is mixed with 0.03 g of an electrically conductive inactive material - carbon black with a particle size of 0.01 μm. Then to the resulting mixture add 3.5 g of the composition according to example 1, namely a 2% solution of the copolymer SPL-2 in isopropanol. The resulting viscous mass of electrode material is applied to one of the air-dry surfaces of the IOM, which is a film 200 microns thick from a copolymer similar in composition to SPL-2, but with an EM of 1200 and a degree of crystallinity of 12%, by spreading with a layer of such a thickness that after drying the layer of electrode material had a thickness of 6 μm. Then, the obtained membrane-electrode block is placed in a thermostat and processed at the next stepwise temperature increase: it is maintained at 20-22 o С for 10 min, at 60 o С - 40 min, at 80 o С - 20 min. After this, the IOM is removed from the thermostat, cooled to room temperature and the same electrode material is applied on its other surface in the same way, then it is again placed in the thermostat and heat treated in the manner described above. The fabricated OIE is tested in a fuel cell as follows. A carbon cloth impregnated with polytetrafluoroethylene dispersion (TU 6-05-1246-81) is placed on both surfaces of the electrode layers of the obtained OIE and compressed. Then, carbon collectors of current are applied to both surfaces of the OIE and the assembly is installed in the fuel cell. OIE studies are carried out at 80 o With the flow of gases into the fuel cell: hydrogen - into the anode chamber at a pressure of 1 atm, and oxygen - into the cathode chamber at a pressure of 1.2 atm. The following characteristics are obtained:
the voltage on the element is 0.80-0.81 V;
current density - 500 mA / cm 2 .
Топливный элемент стабильно работал в течение 3000 часов, после чего процесс был остановлен и МЭБ извлечен из ячейки. При визуальном осмотре МЭБ не наблюдали каких-либо изменений. The fuel cell worked stably for 3,000 hours, after which the process was stopped and the OIE was removed from the cell. Visual inspection of the OIE did not observe any changes.
Пример 18. Example 18
Композицию, полученную по примеру 2 и содержащую 12 маc.% сополимера СПЛ-1 с ЭМ 1030 и 88 маc.% метилэтилкетона, используют при получении суперкислого катализатора для синтеза 4-метил-2-третбутилфенола. The composition obtained in example 2 and containing 12 wt.% Copolymer SPL-1 with
Гранулы полиэтилена помещают в воронку Бюхнера и присоединяют к колбе Бунзена. Затем эту колбу вакуумируют, а в воронку постепенно приливают жидкую композицию в количестве, достаточном для того, чтобы все гранулы были ею покрыты и после удаления растворителя имели покрытие толщиной 5-10 мкм. Затем вакуум отключают и гранулы просушивают при 22oС в течение 20 мин и при 40oС в течение 20 мин. После удаления растворителя гранулы с нанесенным на них слоем СПЛ-1, которые являются суперкислым катализатором, используют при переалкилировании 4-метилфенола 4-метил-2,6-дитретбутилфенолом. Выход 4-метил-2-третбутилфенола составил 83%.The polyethylene granules are placed in a Buchner funnel and attached to a Bunsen flask. Then this flask is evacuated, and the liquid composition is gradually poured into the funnel in an amount sufficient to ensure that all the granules are coated with it and, after removal of the solvent, have a coating of 5-10 μm thickness. Then the vacuum is turned off and the granules are dried at 22 ° C. for 20 minutes and at 40 ° C. for 20 minutes. After removing the solvent, granules coated with a layer of SPL-1, which are a super acid catalyst, are used in the transalkylation of 4-methylphenol with 4-methyl-2,6-ditretbutylphenol. The yield of 4-methyl-2-tert-butylphenol was 83%.
Пример 19. Example 19
Композицию, полученную по примеру 3 и содержащую 8 маc.% сополимера СПЛ-4 с ЭМ 1070 и 92 маc.% ацетона, используют при получении газоразделительной мембраны в форме пленки. The composition obtained in example 3 and containing 8 wt.% Copolymer SPL-4 with
Мембрану в форме пленки получают поливом на стекло указанной композиции слоем такой толщины, чтобы после удаления растворителя образовалась пленка толщиной 40 мкм. Стекло с налитой на него композицией помещают в термостат и испаряют растворитель при постепенном подъеме температуры от 22oС до 40oС в течение 40 мин (при 22oС в течение 10 мин, при 40oС в течение 30 мин). Пленку снимают со стекла и используют в качестве газоразделительной мембраны. Газообразную исходную смесь фтористого водорода и 1,1,2-трихлортрифторэтана (80 об. % фтористого водорода и 20 об.% 1,1,2-трифтортрихлорэтана) подают в камеру высокого давления. Перепад парциального давления фтористого водорода на мембране составляет 50 кПа. На основе анализа состава и количества газовой смеси в принимающей камере коэффициент селективности составил 1•103 в пользу фтористого водорода при производительности элемента 0,251 м3/м2•час газовой смеси.A membrane in the form of a film is obtained by pouring on the glass of the specified composition a layer of such a thickness that, after removal of the solvent, a film with a thickness of 40 μm is formed. The glass with the composition poured onto it is placed in a thermostat and the solvent is evaporated with a gradual increase in temperature from 22 ° C to 40 ° C for 40 minutes (at 22 ° C for 10 minutes, at 40 ° C for 30 minutes). The film is removed from the glass and used as a gas separation membrane. A gaseous feed mixture of hydrogen fluoride and 1,1,2-trichlorotrifluoroethane (80 vol.% Hydrogen fluoride and 20
Пример 20. Example 20
Композицию, полученную по примеру 9 и содержащую 7 мас.% сополимера СПЛ-6 с ЭМ 1200 и 93 мас.% смеси изопропанола и бензола (в массовом соотношении 10:1) используют для получения ионообменной мембраны в форме пленки. The composition obtained in example 9 and containing 7 wt.% Copolymer SPL-6 with
Мембрану в форме пленки получают поливом на стекло указанной композиции слоем такой толщины, чтобы после удаления растворителя образовывалась пленка толщиной 200 мкм. Стекло с налитой на него композицией помещают в термостат и испаряют растворитель при постепенном подъеме температуры с выдержкой при 22oС в течение 10 мин и при 75oС в течение 40 мин. После удаления растворителей мембрана (пленка) имела толщину 200 мкм и предел прочности на разрыв 3,18•107 Па. Полученную пленку использовали в качестве мембраны при изготовлении МЭБ для электролиза воды.A membrane in the form of a film is obtained by pouring on the glass of the specified composition a layer of such a thickness that, after removal of the solvent, a film with a thickness of 200 μm is formed. The glass with the composition poured onto it is placed in a thermostat and the solvent is evaporated with a gradual increase in temperature with exposure at 22 ° C for 10 minutes and at 75 ° C for 40 minutes. After solvent removal, the membrane (film) had a thickness of 200 μm and a tensile strength of 3.18 • 10 7 Pa. The resulting film was used as a membrane in the manufacture of OIE for the electrolysis of water.
Для получения электродного материала в стеклянной емкости смешивают 0,92 г катализатора - платиновой черни (размер частиц 0,06 мкм) с 2,2 г 1,8%-ного раствора сополимера СПЛ-5 с ЭМ 1600 в изопропаноле. Полученную вязкую массу наносят на одну из поверхностей вышеуказанной ИОМ в виде воздушно-сухой пленки диаметром 100 мм методом полива смеси такой толщины, чтобы после удаления растворителя слой электродного материала имел толщину 10 мкм. Затем пленку помещают в термостат и термообрабатывают при ступенчатом подъеме температуры: выдержка при 40oС в течение 15 мин, при 70oС в течение 40 мин. После этого МЭБ вынимают из термостата, охлаждают до комнатной температуры и аналогичным образом на другую ее поверхность наносят тот же самый электродный материал, помещают в термостат и термообрабатывают указанным выше способом. Полученный МЭБ испытывают при электролизе воды. К МЭБ с обеих сторон прижимают коллектор тока из пористого титана с токоотводами, уплотняют полученную сборку с помощью стяжки плит, погружают в сосуд с дистиллированной водой и подают электрический ток силой 0,5 А/см2 при 90oС в течение 1 часа. Затем сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизованной воды. Напряжение на блоке составило 1,68 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 100oС.To obtain the electrode material in a glass container, 0.92 g of a catalyst - platinum black (particle size 0.06 μm) is mixed with 2.2 g of a 1.8% solution of a copolymer SPL-5 with EM 1600 in isopropanol. The resulting viscous mass is applied to one of the surfaces of the above-mentioned IOM in the form of an air-dry film with a diameter of 100 mm by watering a mixture of such a thickness that, after removal of the solvent, the layer of electrode material has a thickness of 10 μm. Then the film is placed in a thermostat and heat treated with a stepwise rise in temperature: holding at 40 o C for 15 minutes, at 70 o C for 40 minutes After that, the OIE is removed from the thermostat, cooled to room temperature, and the same electrode material is applied to its other surface in the same way, placed in a thermostat and heat treated in the manner described above. The obtained OIE is tested during electrolysis of water. A current collector made of porous titanium with down conductors is pressed onto the OIE on both sides, the assembly obtained is sealed with a plate coupler, immersed in a vessel with distilled water, and an electric current of 0.5 A / cm 2 is supplied at 90 ° C for 1 hour. Then the assembly is installed in the cell for electrolysis of deionized water. The voltage on the block was 1.68 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 100 o C.
Пример 21. Example 21
Композицию, полученную по примеру 10 и содержащую 6 мас.% сополимера СПЛ-7 с ЭМ 1700 и 94 мас.% смеси изобутанола и гептана (в массовом соотношении 2:1), используют при получении пленки для изготовления датчика влажности воздуха. The composition obtained in example 10 and containing 6 wt.% Copolymer SPL-7 with
Пленку получают поливом композиции на стекло слоем такой толщины, чтобы на поверхности стекла образовалась пленка толщиной 140 мкм и размером 50•50 мм. Стекло с нанесенной композицией помещают в термостат и испаряют растворитель при постепенном подъеме температуры с выдержкой при 22oС в течение 10 мин, 70oС в течение 20 мин и 80oС в течение 20 мин. После удаления растворителей мембрана (пленка) имела толщину 140 мкм и прочность при разрыве 3,2•10 Па. После этого стекло с образовавшейся на нем пленкой из СПЛ-7 используют как чувствительный датчик влажности воздуха, работающий по принципу изменения электрического сопротивления при изменении влагосодержания пленки. Устройство с указанным датчиком влажности реагирует на изменение влажности воздуха в пределах 20-100%.The film is obtained by pouring the composition onto glass with a layer of such a thickness that a film 140 μm thick and 50 • 50 mm in size is formed on the glass surface. The glass with the composition applied is placed in a thermostat and the solvent is evaporated by gradually raising the temperature with exposure at 22 ° C for 10 minutes, 70 ° C for 20 minutes and 80 ° C for 20 minutes. After solvent removal, the membrane (film) had a thickness of 140 μm and a tensile strength of 3.2 • 10 Pa. After that, the glass with the SPL-7 film formed on it is used as a sensitive air humidity sensor, operating on the principle of changes in electrical resistance when the moisture content of the film changes. A device with the specified humidity sensor responds to changes in air humidity within 20-100%.
Пример 22. Example 22
Композицию, полученную по примеру 6 и содержащую 10 мас.% сополимера СПЛ-5 с ЭМ 1600 и 90 мас.% смеси этанола и диметилформамида в массовом соотношении 1:1, используют при получении газоразделительного полого волокна. The composition obtained in example 6 and containing 10 wt.% Copolymer SPL-5 with
Полое волокно получают на лабораторной установке "мокрым" способом в осадительной ванне, содержащей 80 мас.% воды и 20 мас.% этанола. Внутренний диаметр волокна 80 мкм, толщина стенки 40 мкм. Hollow fiber is obtained in a laboratory setup by the "wet" method in a precipitation bath containing 80 wt.% Water and 20 wt.% Ethanol. The inner diameter of the fiber is 80 microns, the wall thickness is 40 microns.
Полученное полое волокно использовали в газоразделительном устройстве для выделения аммиака из смеси аммиака и водорода. The obtained hollow fiber was used in a gas separation device for separating ammonia from a mixture of ammonia and hydrogen.
Газовую смесь, состоящую из 50 об.% аммиака и 50 об.% водорода, подают внутрь полого волокна, предварительно увлажняя водяным паром, под давлением 100 кПа и при температуре 22oС. На основе анализа состава газовой смеси с внешней стороны волокна вычисляют коэффициенты проницаемости составляющих смесь газов, которые для аммиака и водорода равны 3,82•10-11 и 1,99•10-15 моль•м/м2•с•Па, соответственно, и коэффициент селективности, равный 1,92•104 в пользу аммиака. После очистки смесь содержит аммиака 99,8 об.% и водорода 0,2 об.%.The gas mixture, consisting of 50 vol.% Ammonia and 50 vol.% Hydrogen, is fed into the hollow fiber, pre-moistened with water vapor, at a pressure of 100 kPa and at a temperature of 22 o C. Based on the analysis of the composition of the gas mixture from the outside of the fiber, the coefficients are calculated the permeability of the constituent gases, which for ammonia and hydrogen are 3.82 • 10 -11 and 1.99 • 10 -15 mol • m / m 2 • s • Pa, respectively, and a selectivity of 1.92 • 10 4 in favor of ammonia. After purification, the mixture contains ammonia 99.8 vol.% And hydrogen 0.2 vol.%.
Как видно из приведенных в таблицах 1 и 2 данных, заявляемая композиция по сравнению с известной композицией по прототипу содержит перфторированный ионообменный сополимер с более широким диапазоном эквивалентных масс. Так, заявляемая композиция содержит ионообменный сополимер с ЭМ 1030-3000, в то время как композиция по прототипу содержит сополимер с ЭМ 1050-1500, т.е. на 1500 более. Причем заявляемая композиция является раствором, а не дисперсией в отличие от композиции по прототипу. Такой диапазон эквивалентных масс сополимера в заявляемой композиции (растворе) позволяет значительно расширить области практического применения композиции. Из заявляемой композиции непосредственно без каких-либо добавок или армирующих материалов можно получать прочные изделия - пленки, волокна и другие изделия, которые могут использоваться как мембраны, например, при электролизе воды (смотри пример 20), в топливных элементах (смотри пример 17), в газоразделительных элементах (смотри примеры 19 и 22), датчиках влажности воздуха (смотри пример 21). Предпочтительно композиции, содержащие сополимер с ЭМ больше 1500, могут использоваться для получения газоразделительных мембран в виде асимметричного волокна, пленок, трубок и др. Такие мембранные материалы могут использоваться, например, для отделения диоксида углерода от оксида углерода, фтористого водорода от водорода, фтористого водорода от хладонов, метиламина от диметиламина и триметиламина, 2-метил-1-бутена от пентана и др. Композиции, содержащие сополимер с ЭМ больше 1500, также могут использоваться в качестве связующего при изготовлении МЭБ (смотри пример 17), при получении фильтров для разделения белков и т.п. As can be seen from the data in tables 1 and 2, the claimed composition in comparison with the known composition of the prototype contains perfluorinated ion-exchange copolymer with a wider range of equivalent masses. So, the claimed composition contains an ion-exchange copolymer with EM 1030-3000, while the composition of the prototype contains a copolymer with EM 1050-1500, i.e. 1500 more. Moreover, the claimed composition is a solution, and not dispersion, in contrast to the composition of the prototype. This range of equivalent masses of the copolymer in the inventive composition (solution) can significantly expand the field of practical application of the composition. From the claimed composition directly without any additives or reinforcing materials it is possible to obtain durable products - films, fibers and other products that can be used as membranes, for example, in the electrolysis of water (see example 20), in fuel cells (see example 17), in gas separation elements (see examples 19 and 22), air humidity sensors (see example 21). Preferably, compositions containing a copolymer with an EM greater than 1500 can be used to produce gas separation membranes in the form of asymmetric fibers, films, tubes, etc. Such membrane materials can be used, for example, to separate carbon dioxide from carbon monoxide, hydrogen fluoride from hydrogen, hydrogen fluoride from chladones, methylamine from dimethylamine and trimethylamine, 2-methyl-1-butene from pentane, etc. Compositions containing a copolymer with EM greater than 1500 can also be used as a binder in the manufacture of the OIE (see example 17), when obtaining filters for the separation of proteins, etc.
Поскольку заявляемая композиция является раствором сополимера и ввиду этого формуется в изделия (пленки, волокна, трубки и др.) при сравнительно низких температурах (20-90oС), то она может быть использована для пропитки нетермостойких и химически нестойких материалов, таких как капрон, поливинилхлорид, полиэтилен, бумага и др. при получении суперкислых катализаторов (смотри пример 18), фильтров для разделения белков и др. Из композиции по прототипу практически невозможно получить мембраны, эффективно разделяющие кислые газы, амины, углеводороды, ее нельзя использовать для пропитки химически и термически нестойких материалов из-за высокой температуры формирования изделий (более 120oС). Кроме того, из-за невысокой прочности получаемых из композиций по прототипу пленок, ее нельзя использовать при изготовлении мембран, предназначенных для длительной эксплуатации в электрохимических устройствах (топливные элементы, электролиз воды, хлорщелочной электролиз и др.) и в газоразделительных устройствах, без дополнительного упрочнения.Since the claimed composition is a copolymer solution and therefore is molded into products (films, fibers, tubes, etc.) at relatively low temperatures (20-90 o C), it can be used to impregnate non-heat-resistant and chemically unstable materials, such as capron , polyvinyl chloride, polyethylene, paper, etc. upon receipt of superacid catalysts (see example 18), filters for separating proteins, etc. From the composition of the prototype it is practically impossible to obtain membranes that effectively separate acid gases, amines, hydrocarbon ode, it can not be used to impregnate chemically and thermally unstable materials due to the high temperature of the formation of products (more than 120 o C). In addition, due to the low strength of the films obtained from the compositions of the prototype films, it cannot be used in the manufacture of membranes intended for long-term operation in electrochemical devices (fuel cells, water electrolysis, chlor-alkali electrolysis, etc.) and in gas separation devices without additional hardening .
Поскольку в заявляемой композиции используется ионообменный сополимер с оптимальными (с точки зрения получения растворов) молекулярно-массовыми характеристиками, процесс получения заявляемой композиции (раствора) является более простым, так как растворение сополимера осуществляется по сравнению с прототипом в более мягких условиях: при температуре 20-90oС и атмосферном давлении, вместо 170-250oС и аутогенном давлении по прототипу. Кроме того, продолжительность процесса получения композиции по сравнению с процессом по прототипу сокращается в 2-9 раз (с 3-18 часов до 1,5-2 часов), при этом не требуется концентрирование композиции (нет необходимости отгонять часть растворителя).Since the claimed composition uses an ion-exchange copolymer with optimal (from the point of view of obtaining solutions) molecular weight characteristics, the process of obtaining the claimed composition (solution) is simpler, since the dissolution of the copolymer is carried out in comparison with the prototype under milder conditions: at a temperature of 20- 90 o C and atmospheric pressure, instead of 170-250 o C and autogenous pressure according to the prototype. In addition, the duration of the process of obtaining the composition compared with the process of the prototype is reduced by 2-9 times (from 3-18 hours to 1.5-2 hours), while the concentration of the composition is not required (there is no need to drive away part of the solvent).
Claims (3)
Перфторированный ионообменный сополимер - 1 - 37
Полярный органический растворитель или его смесь с неполярным растворителем в соотношении (1-15): 1 соответственно - 63 - 99
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит указанный сополимер, имеющий эквивалентную массу 1030-3000.1. A liquid composition containing a perfluorinated ion-exchange copolymer with functional sulfo groups of the formula SO 3 M, where M is a hydrogen or alkali metal ion having an equivalent mass of more than 1000, and a polar organic solvent or a mixture of a polar organic solvent and a non-polar solvent, characterized in that as a perfluorinated ion-exchange copolymer, the composition contains a hydrolyzed tetrafluoroethylene copolymer with perfluorosulfonate vinyl ether or a hydrolyzed tetraf copolymer orthylene with perfluorosulfonate vinyl ether and a third modifying comonomer selected from the group consisting of perfluoro-2-methylene-4-methyl-1,3-dioxalane and perfluoroalkyl vinyl ether containing 1-3 carbon atoms in the alkyl, each of which has a number average molecular weight (1-8) • 10 5 , the ratio of the mass-average molecular weight to the number-average molecular weight equal to 1.2-1.4, the content of crystallization water 2-5 wt. %, crystallinity 7-20% and density 2.0 70-2.097 g / cm 3 , with the following content of components, wt. %:
Perfluorinated ion-exchange copolymer - 1 - 37
Polar organic solvent or its mixture with a non-polar solvent in the ratio (1-15): 1, respectively - 63 - 99
2. The composition according to p. 1, characterized in that it contains the specified copolymer having an equivalent weight of 1030-3000.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001103666A RU2196789C2 (en) | 2001-02-07 | 2001-02-07 | Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001103666A RU2196789C2 (en) | 2001-02-07 | 2001-02-07 | Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2196789C2 true RU2196789C2 (en) | 2003-01-20 |
| RU2001103666A RU2001103666A (en) | 2003-04-20 |
Family
ID=20245825
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001103666A RU2196789C2 (en) | 2001-02-07 | 2001-02-07 | Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2196789C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2325733C1 (en) * | 2007-04-13 | 2008-05-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Polymer composition for proton-conducting membrane and method of its production |
| RU2426750C2 (en) * | 2009-11-03 | 2011-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Gas-tight modified perfluorosulpho-cationite membrane and method of producing said membrane |
| RU2427593C1 (en) * | 2009-11-18 | 2011-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing perfluorinated sulpho-cationite membranes through coating from solution |
| US8198394B2 (en) | 2003-01-20 | 2012-06-12 | Asahi Glass Company, Limited | Process for producing electrolyte material for polymer electrolyte fuel cells, and membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1286859A (en) * | 1968-11-26 | 1972-08-23 | Du Pont | Solutions of fluorinated polymers |
| SU1286108A3 (en) * | 1981-05-01 | 1987-01-23 | Е.И.Дюпон Де Немур Энд Компани (Фирма) | Method for producing perfluorinated ion-exchange polymer-base liquid composition |
-
2001
- 2001-02-07 RU RU2001103666A patent/RU2196789C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1286859A (en) * | 1968-11-26 | 1972-08-23 | Du Pont | Solutions of fluorinated polymers |
| SU1286108A3 (en) * | 1981-05-01 | 1987-01-23 | Е.И.Дюпон Де Немур Энд Компани (Фирма) | Method for producing perfluorinated ion-exchange polymer-base liquid composition |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8198394B2 (en) | 2003-01-20 | 2012-06-12 | Asahi Glass Company, Limited | Process for producing electrolyte material for polymer electrolyte fuel cells, and membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells |
| RU2325733C1 (en) * | 2007-04-13 | 2008-05-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Polymer composition for proton-conducting membrane and method of its production |
| RU2426750C2 (en) * | 2009-11-03 | 2011-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Gas-tight modified perfluorosulpho-cationite membrane and method of producing said membrane |
| RU2427593C1 (en) * | 2009-11-18 | 2011-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing perfluorinated sulpho-cationite membranes through coating from solution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4348310A (en) | Solutions of sulfonyl fluoride compounds and fluoropolymers | |
| US11254638B2 (en) | Nitrileoxide compound | |
| EP0050447B1 (en) | Organic solution of fluorinated copolymer having carboxylic acid groups | |
| US4414280A (en) | Membranes and composites from fluoropolymer solutions | |
| US20130245219A1 (en) | Ionomers and ionically conductive compositions | |
| JP7371680B2 (en) | Solid polymer electrolyte membranes, membrane electrode assemblies, and solid polymer water electrolyzers | |
| CN113166297B (en) | Liquid composition, solid polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell | |
| JP2014507753A (en) | Ionomer and ion conductive composition for use as one or more electrodes in a fuel cell | |
| WO2020184681A1 (en) | Membrane electrode assembly | |
| CN100400589C (en) | Fluoropolymer liquid composition, organosol production method, membrane and fuel cell | |
| RU2196789C2 (en) | Perfluorinated ion-exchange copolymer- based liquid composition | |
| JPS5880306A (en) | Esterification of fluorinated carboxylic acid polymer | |
| KR20020091827A (en) | Ion exchange polymer dispersion and process for its production | |
| RU2230075C1 (en) | Method of producing perfluorinated copolymers with sulfonylfluoride functions | |
| JP2002216804A (en) | Solid polymer type fuel cell | |
| US4446269A (en) | Solvents of carboxyl ester compounds and fluoropolymers | |
| US4243504A (en) | Fluorovinyl ether polymers | |
| US20050245707A1 (en) | Process for producing fluorocopolymer, fluorocopolymer, and molded object | |
| AU779780B2 (en) | Fluid composition for producing and repairing ion exchange membranes | |
| US7456314B2 (en) | Partially fluorinated ionic compounds | |
| WO2023210820A1 (en) | Method for producing composition containing fluororesin, and composition containing fluororesin | |
| RU2427593C1 (en) | Method of producing perfluorinated sulpho-cationite membranes through coating from solution | |
| JP2001185163A (en) | Method for producing gas diffusion electrode for solid polymer electrolyte fuel cell | |
| RU2267498C1 (en) | Linear statistical tetrafluoroethylene terpolymer with functional perfluorinated co-monomers and method for its preparing | |
| US20050182146A1 (en) | Process for making a solution of perfluorosulfonated ion exchange polymers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090208 |