东岳子公司拟建300万m2/a全氟质子膜项目
山东东岳未来氢能材料股份有限公司300万m2/a全氟质子膜及配套化学品项目
全氟磺酸膜制备工艺 目前,全氟磺酸膜的制备方法主要有以下几种: 熔融挤出流延法 原理:通过熔融挤出机将全氟磺酸树脂熔融并挤出,然后在流延机上冷却固化成膜。 优点:工艺成熟,适合大规模生产。 缺点:成膜后需要转型,且螺杆搅动可能对分子链造成损伤,影响膜性能。 实例:美国杜邦的Nafion系列膜就是通过该方法制备出来的。 溶液浇注成型法: 原理:将全氟磺酸树脂溶解在溶剂中,形成溶液后浇注在支撑体上,通过蒸发溶剂和固化得到膜。 优点:工艺简单,适合小规模或特殊需求的生产。 缺点:只能间歇生产,难以大规模连续化。 溶液钢带流延法: 原理:将全氟磺酸树脂溶液浇注在钢带上,通过控制钢带的速度和温度,使溶液在钢带上流延并固化成膜。 优点:可以制备较薄的膜,且膜的性能较为均匀。 实例:有研究者通过该方法制备了厚度为200微米左右的单膜。 全氟磺酸树脂制备具有四大技术壁垒 全氟磺酸树脂是质子交换膜的核心材料,由四氟乙烯(TFE)与含有磺酰基团的全氟烷基乙烯基醚(PSVE)经共聚反应制得。四氟乙烯为高聚物提供了稳定的氟碳骨架,全氟烷基乙烯基醚则引入关键的磺酸基团,确保质子交换膜优异的电化学性能。 在其生产过程中,PSVE单体的制备、四氟乙烯的提取、树脂的聚合以及最终成膜步骤,均面临超高的技术难度。 1、PSVE单体合成 全氟磺酸树脂的分子结构中,侧链磺酸基团是实现质子传递的关键。因此,开发能够转化为磺酸基的磺酰基单体PSVE是众多制造商的重点研究方向。由于其反应条件严苛且工艺流程复杂,PSVE单体的合成被视为现代氟化工技术发展水平的标杆。为了规避专利纠纷,各个厂家研发了不同结构的PSVE单体。 2、四氟乙烯单体难运输 四氟乙烯是全氟磺酸树脂的关键单体,主要通过R22的热裂解进行制备。由于四氟乙烯具有较高的聚合速率,容易爆聚而产生爆炸,因此其生产和运输都有着严格的要求,通常难以外采,而需要厂家自行生产。这就是为什么全氟磺酸树脂的生产厂家往往拥有完整的氟化工产业链。 3、全氟磺酰树脂聚合难度大 全氟磺酰树脂(PFSR)的合成涉及四氟乙烯、PSVE以及六氟丙烯,通过二元、三元甚至四元共聚反应来完成。这一过程面临的主要难点包括: 1)在常用的乳液聚合过程中,少量的磺酰氟基团可能会水解,引发高分子链间的缔合,在加工时出现熔体粘度增大的问题,加工过程困难; 2)乳液聚合得到的磺酰树脂平均分子量不高,这会降低最终产品膜的机械强度。在成功合成全氟磺酰树脂(PFSR)后,还需经过水解和酸化,才能制得全氟磺酸质子膜的关键基体材料——全氟磺酸树脂(PFAR)。 4、成膜难点多 熔融挤出法:适合于连续化生产,在生产中不使用溶剂,对环境友好。但是成膜过程难以保证产品的平整度和足够的机械强度,对设备的要求较高。 浇铸成膜法:采用全氟磺酸树脂溶液,在平面上延流成膜,后通过高温加热去除溶剂,最终获得成品膜。尽管这种方法能获得表面更加平滑、结构更加坚固的薄膜,但它在有机溶剂的回收处理上存在难题,并且在薄膜成型后的剥离阶段也面临一定困难,这需要丰富的经验和技术积累来克服,以实现顺畅的连续生产。
部分生产企业
东岳化工作为首家企业,于2020年投产年产50万平方米的全氟磺酸质子膜、全氟磺酸树脂的生产线。东岳化工生产的全氟磺酸质子交换膜适用于水电解制氢、液流电池和氢燃料电池等多种场景,是国内在该领域的领军企业。
苏州科润新材料股份有限公司,于2021年投产了年产100万平方米的质子交换膜生产线,用于燃料电池和水电解制氢。主要从事氢能和液流储能领域核心膜材料质子交换膜的研发及产业化,解决了进口质子膜对我国氢能和储能领域“卡脖子”难题。
贵州聚能世纪科技有限责任公司成立于2019年,是一家致力于储能钒电池技术研发和产业化生产的高新科技企业,在钒电池用高性能全氟离子膜,高活性电极,高能效电堆,宽温度钒电解液以及钒电池全系统模块化等方面拥有国际领先水平的专利技术和重要成果,有着巨大的产品优势。
另外,还有武汉理工新能源公司、深圳市通用氢能科技有限公司、汉丞新材料科技公司、武汉绿动氢能能源技术有限公司等也在该领域活跃。
文章来源:淄博市生态环境局、高性能膜材料编辑整理