电解水产生的氧气和氢气是由电解槽内的隔膜进行分离的，故隔膜的性能直接影响电解槽内气体纯度和直流电耗。为了在获得更高纯度气体的同时降低水电解槽的能耗，隔膜材料至关重要。
目前用于水电解制氢槽的隔膜有聚砜类隔膜、离子交换膜和聚苯硫醚隔膜等。
其中，聚苯硫醚(PPS)纤维是一种高性能材料，它具有良好的热稳定性、化学稳定性、阻燃性及电绝缘性，而且孔隙率高、比表面积大、功能化改性容易、结构可控性好，能够满足水电解制氢槽用隔膜的性能要求。
本研究选取PPS短纤维和长丝纤维为原料，通过纺纱、织造工艺参数设计，织造出水电解制氢槽用PPS短纤维隔膜和长丝隔膜，然后进行热轧和磺化处理，并对制备的两种隔膜的表面性能、强度、面电阻、电阻率、孔径、孔隙率、气密性、吸碱性能等主要指标进行测试分析，以遴选出最优的隔膜用纤维原料和制备工艺。
一、PPS短纤维隔膜制备
采用PPS短纤维为原料，设计工艺参数，织造短纤维隔膜。在设定的温度和压力下，将隔膜在热轧机上进行热轧定型，随后进行磺化亲水改性处理，改善其亲水吸液性能。具体流程如图所示。
PPS长丝隔膜制备
采用PPS长丝纤维为原料，设计工艺参数，织造长丝隔膜。热轧和磺化亲水改性处理方法同短纤维隔膜。具体流程如图所示。
实验制备的 PPS 短纤维隔膜和长丝隔膜如图所示。
二、 PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的性能比较
1 表面性能
PPS短纤维隔膜和长丝隔膜在不同放大倍数下的电镜图如图所示。
可以看出，长丝隔膜表面比较平整，短纤维隔膜表面不太规整且有较多的凸起纤维头。短纤维隔膜的这些表面性状，在电解过程中容易产生较多问题:一是在长时间使用过程中其表面凸出的纤维头容易脱落，会影响电解液的性质，缩短电解液的使用寿命;二是由于纱线条干不匀形成的很大和很小的两极化孔径，在电解过程中会影响离子交换速率，同时也会影响气体纯度、降低电解效率。
而长丝隔膜使用的长丝纤维在加捻时形成的纱线条干不匀相对较小，隔膜孔径尺寸相对比较均匀，对电解效率、离子交换速率和气体纯度的影响较短纤维隔膜要小。
2．强度、面电阻和电阻率
PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的经纬向断裂强度、面电阻和电阻率的测试结果如表所示。
PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的经纬向断裂强度、面电阻和电阻率测试结果
由表可知，长丝隔膜的经纬向断裂强度均大于短纤维隔膜，面电阻和电阻率均低于短纤维隔膜，主要是由于:
第一，在相同单位面积质量条件下，长丝隔膜的厚度小于短纤维隔膜。厚度是影响隔膜电阻率和面电阻的重要因素，厚度越大，越会降低离子通过的速度和效率，造成较大的电阻。
第二，长丝隔膜用的纱线条干均匀度要好于短纤维隔膜，织造成的长丝隔膜的厚度均匀性要优于短纤维隔膜，这也是影响隔膜电阻的一个重要因素。
第三，短纤维隔膜在电解槽使用过程中表面凸出的短纤维脱落在电解质中，也会造成电阻增大。
第四，长丝隔膜的亲水性较好，对电解液的浸润性较好，在电解过程中对离子迁移的阻力小，所以电阻较低。
第五，
30%KOH溶液中石棉隔膜和PPS隔膜的面电阻和电阻率
从不同隔膜的实测电阻来看，PPS短纤维隔膜和长丝隔膜的面电阻、电阻率相对于石棉隔膜都要低得多，这主要与隔膜厚度有关。
实验制得的PPS隔膜厚度在0．3mm左右，而石棉隔膜厚度在2．5mm左右，隔膜越厚，离子和电子在电解过程中通过隔膜的距离就会越大，在电解过程中就表现为隔膜的面电阻和电阻率增大。因此，在相同的电解电压下，使用PPS隔膜可大幅提高电解效率、降低能耗。
3 孔径和孔隙率
孔径和孔隙率是反映隔膜电解过程中离子和电子通过性能的重要参数，直接影响隔膜的透通性、导电性和阻止其他微粒通过的性能。一般来说，孔径越大，孔隙率越均匀，则所含孔隙体积越大，渗透系数越大，透通性越好。PPS短纤维隔膜和长丝隔膜的最大孔径、沸腾孔径和孔隙率测试结果如表所示。
PPS短纤维隔膜与长丝隔膜的最大孔径、沸腾孔径和孔隙率测试结果
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隔膜类型 |
最大孔径 /μm |
沸腾孔径 /μm |
孔隙率/% |
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PPS短纤维隔膜 |
57．4 |
35．4 |
73．0 |
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PPS长丝隔膜 |
44．5 |
29．6 |
43．8 |
由表可知，PPS短纤维隔膜的平均孔径和孔隙率均高于长丝隔膜，这主要是因为:第一，短纤维隔膜在纺纱和织造时纱线条干不匀，较大的张力容易使经纱断头，接头的地方会出现较大的孔隙;第二，由于纱线条干不匀，织造时经纱与纬纱中粗节与细节处会出现较大的孔隙，且分布很不均匀。
4 气密性
4.1干态气密性
隔膜的透气量测试数据如表所示。在相同的测试条件下，短纤维隔膜的透气量大于长丝隔膜。透气量越大，隔膜的气密性越差，故长丝隔膜的气密性优于短纤维隔膜。
隔膜透气量
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隔膜类型 |
压差Δp/Pa |
透气量Q/ (L·m－2·s－1) |
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PPS短纤维隔膜 PPS长丝隔膜 |
128 212 |
78．3 40．9 |
4.2湿态气密性
隔膜在水电解槽中长期置于碱液中，湿态气密性是其重要指标。测试隔膜的湿态气密性用泡点法，测试其泡点压力。隔膜的泡点压力测试值如表所示。
隔膜泡点压力
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隔膜类型 |
水柱高度差 ΔH/mm |
泡点压力 Δp/Pa |
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PPS短纤维隔膜 PPS长丝隔膜 |
2742 3028 |
279．6 308．8 |
由表可知，长丝隔膜的泡点压力平均值在300Pa以上，大于短纤维隔膜，能够满足实际使用要求。由以上分析可知，长丝隔膜的干态和湿态气密性均优于短纤维隔膜，并能满足实际使用要求。
5 吸碱性能
隔膜在水电解槽中长期置于碱液环境中，其吸碱性能直接影响其电解性能和电解效率，其吸碱性能主要用单位面积含KOH溶液质量和碱液吸上高度(亲水性能)来衡量。PPS短纤维隔膜和长丝隔膜的吸碱性能如表所示。
隔膜的吸碱性能
在相同的测试条件下，长丝隔膜单位面积含KOH溶液质量和10min碱液吸上高度均大于短纤维隔膜。在测试隔膜的水接触角时，水滴在长丝隔膜表面5s内被迅速吸收，说明其水接触角接近0°,具有较好的亲水性能，而短纤维隔膜的水接触角在120°左右，亲水性能较差。
综上：
参考资料：聚苯硫醚短纤维隔膜和长丝隔膜的制备及其性能研究，孙亚颇
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：碱性制氢电解槽隔膜的PPS纤维对比：短纤 VS 长丝
