含硼酸介质中隔膜化学溶胀行为与材料选型验证

引言

近年来，科学家们借助信息技术等手段，基于软件模拟的方法，研究不同的环境及加热条件下膜材料的溶胀行为。含硼酸基介质在化工、新能源等领域的应用日益广泛，在含硼电解质、核反应堆冷却剂体系等领域，隔膜具有隔绝反应物、传导离子等重要功能，然而其作用机制仍不清楚。然而，由于硼酸具有弱酸性，易与羟基发生配位作用，易发生化学膨胀，导致隔膜增厚、孔隙率改变及力学强度下降，造成隔膜失效，严重影响设备运行效率与安全性。在以硼酸为电解质的电解法生产过程中，隔膜破损频繁，漏液频繁，导致生产中断，经济损失巨大。传统隔膜材料的选择主要基于经验，缺乏对含硼酸介质中特定作用机制的深入研究。因此，对含硼酸介质中隔膜的化学溶胀行为进行系统研究，并对其选材进行科学验证，对保障相关工业过程的稳定运行具有重要的现实意义。

1 案例背景与问题分析

某化工厂生产硼酸衍生化产品，该产品以15%的硼酸为主要原料 配以其他电解质及添加剂配制而成。该技术要求电解温度控制在40~60℃， pH 值稳定在 4~ 6 之 进行和产品的质量。在投产之初，该厂以聚丙烯为核心元件，对其进行了优化设计。 问题。薄膜的厚度通常会增加，而其机械强度则会大幅下降。这种改变将导致薄膜破 从而导致生产中断。这样不仅使生产效率下降，还会造成原材料的浪费和安全隐 初步分析认为， 是由于含硼介质和聚丙烯隔膜之间的化学反应造成的。

2 隔膜化学溶胀行为研究

2.1 实验设计

为保证试验结果的一致性与可比性，将每一种材料按一定标准制成尺寸均匀、长10 cm、宽5 cm、厚度0.2cm 的试样。在配制硼酸溶液时，用精确的电子天平称量硼酸试剂（精确度0.0001 g)，配成浓度为5、10、15、20%的溶液。在配制过程中，使用磁力搅拌器，转速 300rpm ，搅拌30 分钟，以保证硼酸完全溶于溶液中，浓度均匀。在恒温、恒湿箱中，将不同浓度的硼酸溶液分别浸泡于不同温度梯度下，设置25、40、50、60℃。试验过程中，每隔24 小时取下一次试样，用滤纸片轻轻拭去试样表面上的水，以免因压力过大而使试样变形。在此基础上，采用 0.001mm 精度的电子天平、0.001 mm 的厚度，计算膨胀前后初始质量的差值，计算膨胀前后初始厚度的差值，计算膨胀后与初始厚度的差值，得到膨胀系数。通过扫描电子显微镜（SEM）观测溶胀前后隔膜微结构的变化，从微观层面揭示隔膜的变化规律。用扫描电子显微镜对试样进行喷金处理，使试样的导电性得到提高，成像质量得到改善。同时，采用傅立叶红外光谱（FTIR）技术，在 400～4000cm-1 (4 cm±1)，扫描次数（32 次）下对样品进行分析，以确保分析结果的准确性和可靠性。

2.2 实验结果与分析

聚丙烯隔膜的溶胀程度随硼酸浓度和温度的升高而增加。在硼酸浓度 15% 、温度60℃条件下，膨胀聚丙烯隔膜的孔隙率显著增加，且原有紧密排列的纤维断裂。这主要是因为聚丙烯分子链上的甲基易与硼酸形成弱相互作用，破坏分子间的作用力，导致溶剂分子进入隔膜内部而引发溶胀。在低浓度硼酸条件下， PVDF 膜的溶胀仅为3%，硼酸质量分数为5%。但当硼酸加入量超过 10% ，且在50℃以上时，膨胀率急剧增加。傅里叶红外光谱研究发现， PVDF 分子链中的氟原子在高温高浓度下被硼酸基团取代，导致分子链松弛，形成孔洞，促进溶剂进入，引发溶胀[2]。聚乙烯三氟乙烯隔膜的溶胀程度介于聚丙烯和聚偏氟乙烯之间，化学稳定性好。但经长期浸泡后，其力学性能有下降趋势。在15%硼酸溶液中浸泡30 天， ETFE 膜的拉伸强度下降了 15% ，这表明在所研究的范围内，聚四氟乙烯隔膜具有良好的抗溶胀性能，膨胀系数始终保持在5%以内。

3 隔膜材料选型验证

3.1 材料性能测试

每个试样做5 次测试，以 50 mm/min 为基准，取其平均值。在初始状态下， PTFE 薄膜的拉伸强度达到 35MPa，而聚丙烯薄膜的拉伸强度最低，仅为12 MPa。在硼酸溶液中浸泡30 天（15%硼酸、60℃），聚丙烯的抗张强度下降到 5 MPa 以下，降低了 64% ；结果表明，聚四氟乙烯隔膜的机械性能基本稳定，但在32 MPa 左右。然后采用自行研制的离子电导率测试仪进行了离子电导率测试。将膜片样品放置于膜片腔中，向膜片两侧注入含硼酸的介质，测量膜片内部的离子传导率。结果表明：四种隔膜材料在含硼酸溶液中的电导率相差不大；PVDF隔膜因其分子内含有极性基团，有利于离子传输。隔膜试样分别浸泡在以质量计10%的强酸性和以质量计 10% 的氢氧化钠溶液中。在浸泡 7 天后，对薄膜形态进行观察，并对薄膜的质量和机械性能进行测试。结果表明，PTFE和 ETFE 隔膜在强酸碱环境中具有良好的稳定性，其质量变化率在2%以内，机械性能没有明显下降。

3.2 综合性能评估

从溶胀性能、力学性能、离子传导性能和化学稳定性四个方面，建立隔膜材料筛选的评价体系。采用 AHP法确定各性能指标的权重，经专家打分和数据分析，确定膨胀性能指标0.4,0.3,0.15,0.15，各指标权重为0.15。通过收集材料各项性能指标的测试数据，采用加权平均值法对其进行综合评分；结果表明， PTFE 隔膜的综合性能最高，达到0.85；聚偏氟乙烯薄膜的质量分数为0.72；研究结果表明：聚乙烯乙烯共聚物的质量分数为0.68；由此可知，聚丙烯膜的吸水率为 0.35^[3] 。

4 实际应用与效果验证

最终选定聚四氟乙烯隔膜作为该化工装置的首选材料，并已在某化工厂投入使用。在设备改造过程中，对膜片的安装结构进行了优化，确保 FE 膜 片的安装牢固、密封性好， 不会漏失。根据实验结果，对电解设备的运行参数进行了调整，使之 能相 续使用半年 隔膜性能优良，未出现胀裂现象。设备的运行稳定性有了很大地提高， 故障率也有了很大地降低。 结果表明，聚丙烯膜片的生产效率较聚丙烯膜片高 20% ，漏液事故发生率降低90%以上。从而有效地降低了原材料的浪费和设备的维修费用，提高了产品的安全性和环保性。

结束语

本文以某化工厂含硼酸系电解质隔膜失效案例为例，对隔膜在硼酸介质中的化学溶胀行为进行了深入研究，并进行了材料选型验证。通过实验与理论分析，揭示硼酸浓度、温度等因素对隔膜材料溶胀行为的影响机制，获得耐溶胀性能优异、综合稳定性好的 PTFE 隔膜材料。实践表明，选择聚四氟乙烯隔膜，可以有效地解决化工企业在生产过程中出现的各种问题，从而确保装置的稳定运行。

参考文献

[1]于博, 吴有智, 蒋成燕, 等.DLC 薄膜在硼酸介质中的腐蚀和摩擦行为研究[J]. 摩擦学学报(中英文),2024,44(11):1579-1591.

[2]于博.DLC 薄膜在硼酸介质中的腐蚀和摩擦行为研究[D].兰州理工大学,2024

[3]苟竞仁.液态/半固态锂电池纤维素隔膜制备、结构和性能关系的研究[D].华南理工大学,2022.