用于連續(xù)離子交換隔膜澆鑄和處理的集成裝置和方法

背景技術(shù)：
題名為“利用非聚合高沸點(diǎn)溶劑制造連續(xù)支撐的離子選擇性隔膜的工藝”美國(guó)專利號(hào)5,264,125描述了一種用于制造支撐的離子交換隔膜的工藝。該工藝包括形成襯底和位于襯底各個(gè)面上的柔性膜的夾層。膜延伸出襯底的側(cè)邊緣之外。膜的邊緣被密封在一起，從而形成容納襯底的口袋(pocket)。接下來(lái)，在一對(duì)擠壓輥之間牽引夾層。在擠壓輥上方將液體添加至口袋中，從而在擠壓輥上方和膜之間形成了液體池。在夾層穿過(guò)擠壓輥之前，液體潤(rùn)濕了襯底，并填充了襯底中的孔。從擠壓輥開(kāi)始，夾層穿過(guò)一組裝置，例如加熱器，用于使液體硬化。液體中的可聚合成分進(jìn)行聚合，從而形成加強(qiáng)的聚合物片材。夾層繼續(xù)穿過(guò)除去夾層邊緣的密封的一組刀具，并穿過(guò)從聚合物片材上除去膜的一對(duì)滾子。這樣聚合物片材就是離子交換隔膜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本說(shuō)明書中所述的裝置用于制造隔膜。該裝置包括隔膜澆鑄段和定位在隔膜澆鑄段之后處理段。還提供了傳送器系統(tǒng)，其配置為用于運(yùn)輸隔膜，使之至少穿過(guò)處理段。在本說(shuō)明書中還描述了一種用于制造隔膜的方法。該方法包括以下步驟：將可硬化的液體澆鑄到襯底之上，使隔膜前體硬化以形成隔膜，處理隔膜并連續(xù)運(yùn)輸隔膜，使之至少穿過(guò)處理段。附圖說(shuō)明圖1是用于制造隔膜的裝置的示意圖。圖1A是根據(jù)圖1的裝置的一個(gè)示例的簡(jiǎn)圖。圖1B是根據(jù)圖1的裝置的另一示例的簡(jiǎn)圖。圖2是用于制造隔膜的工藝的示意性的流程圖。圖2A是根據(jù)圖2的工藝的一個(gè)示例的流程圖。具體實(shí)施方式圖1是用于制造隔膜50的裝置10的示意圖。雖然裝置10適合于制造各種類型的隔膜50，但其優(yōu)選用于制造離子交換隔膜。該裝置包括兩個(gè)主要段：澆鑄段12和處理段14。澆鑄段12包括滾軋段15、膜密封段16、咬送段18和硬化段20。澆鑄段12類似于麥克唐納等人的美國(guó)專利No.5,264,125中所述的系統(tǒng)，其通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。處理段14包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)段54、泄漏測(cè)試段64、切割段74和圖1A中所示的傳送器系統(tǒng)51。在圖1A的示例中，滾軋段15包括襯底進(jìn)料器22，其將一張襯底24進(jìn)給到裝置10的剩余部分中。襯底24或被稱為基本材料或支撐層，并且各種合適的示例是商業(yè)上可售賣的。襯底24通常由一種或多種聚合物，例如丙烯、聚丙烯或聚脂制成，它們可被擠壓成紗線，并編織成織物，或組合成非機(jī)織物?？蛇x地，可在襯底進(jìn)料器22中的滾子上提供襯底24。滾軋段15還包括兩個(gè)膜進(jìn)料器26，其各將一張膜28進(jìn)給到裝置10的剩余部分中。膜28可由任何類型的材料來(lái)制備，該材料對(duì)于揮發(fā)組分和可硬化的液體通常是不可滲透的，并且容許隔膜50與膜28分離。例如，膜28可由聚脂族的熱塑性聚合物樹脂，例如聚對(duì)苯二甲酸乙而醇酯制成。膜28可能在0.002英寸至0.010英寸厚之間，或是其它尺寸?？蛇x地，可在膜進(jìn)料器26中的滾子上提供膜28。襯底進(jìn)料器22和膜進(jìn)料器26可為被動(dòng)式的，或者進(jìn)料器22,26可應(yīng)用阻力，以展開(kāi)?；蛘?，進(jìn)料器22,26由一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)11驅(qū)動(dòng)，以鼓勵(lì)展開(kāi)，并提供通過(guò)裝置10所傳送的隔膜50所需的線速度和張力?？蛇x地，下面所述的其它特征有助于保持所需的線速度和張力。膜進(jìn)料器26可提供一定量的相同膜28?？蛇x地，各個(gè)膜進(jìn)料器26可提供不同的膜28。襯底進(jìn)料器22和膜進(jìn)料器26設(shè)置為用于在兩個(gè)膜28之間進(jìn)給襯底24。如此布置的襯底24和膜28穿過(guò)裝置10，使相應(yīng)的襯底24和膜28的縱向中心線基本上在單個(gè)平面中移動(dòng)。通過(guò)穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)裝置，例如滾子、帶、導(dǎo)向器或其它合適的裝置(未顯示)，可使襯底24和膜28相對(duì)彼此處于所需的間距或?qū)?zhǔn)位置。襯底24和膜28從滾軋段15傳送至膜密封段16。膜密封段16包括邊緣密封裝置(未顯示)，其將膜28的邊緣密封在一起。膜28優(yōu)選在襯底24的邊緣之外進(jìn)行密封，襯底定位在膜28之間。邊緣密封裝置提供能源，例如加熱器或超聲焊接機(jī)，以熔化膜28的邊緣。邊緣密封裝置還可包括擠壓機(jī)(未顯示)，用于將熔化的邊緣壓制在一起。壓制步驟可在熔化邊緣的步驟之后或期間執(zhí)行。膜28的邊緣密封在一起，形成了口袋式膜28，其中襯底24定位在膜28之間。膜28的口袋還可被稱為一種襯底和膜夾層。膜口袋促進(jìn)了襯底的潤(rùn)濕工藝，這發(fā)生在下面所述的咬送段18中。然而，在一種改進(jìn)的或其它潤(rùn)濕工藝中，可省略膜密封段16。咬送段18包括液體進(jìn)料器34，其將可硬化的液體36提供到膜口袋中以及膜28之間，從而潤(rùn)濕襯底24。潤(rùn)濕的襯底24還被稱為隔膜前體32。液體進(jìn)料器34包括儲(chǔ)槽(未顯示)和一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料管道38，儲(chǔ)槽容納可硬化的液體36，進(jìn)料管道從儲(chǔ)槽輸送可硬化的液體36以潤(rùn)濕襯底24。進(jìn)料管道38從液體進(jìn)料器34延伸，穿過(guò)邊緣密封裝置，并終止于一對(duì)咬送滾子40的上方。雖然圖1A描繪了所示的液體進(jìn)料器34位于滾軋段15的上方，但是各種其它定向都是可行的?？捎不囊后w36可在這對(duì)咬送滾子40上方匯集成池。咬送滾子40之間的間距經(jīng)過(guò)調(diào)整，以生產(chǎn)所需厚度的隔膜前體32。進(jìn)料管道38可臨時(shí)提供一定量的可硬化的液體36，其超過(guò)隨襯底24穿過(guò)咬送滾子40的可硬化的液體36的。過(guò)量的可硬化的液體36在咬送滾子40的上方成池。可使用任何可硬化的液體，其用于在兩個(gè)膜之間澆鑄支撐隔膜。例如，可硬化的液體36可能如美國(guó)專利5,264,125中所述?？捎不囊后w36、襯底24和膜28經(jīng)過(guò)選擇，從而彼此相適應(yīng)?？蛇x地，其它化學(xué)品，例如稀釋劑和聚合引發(fā)劑可為可硬化的液體36的部分或添加到液體進(jìn)料器34中的可硬化的液體36中，或者添加到咬送滾子40上面的可硬化的液體36的池中。例如，稀釋劑和聚合引發(fā)劑可能如美國(guó)專利5,264,125中所述。在裝置10的一個(gè)選擇方案中，咬送滾子40上面的過(guò)量的可硬化的液體36的池的高度可經(jīng)過(guò)控制，從而充分地潤(rùn)濕襯底24，以形成隔膜前體32。例如，咬送滾子40上面的可硬化的液體36的高度可通過(guò)傳感器84來(lái)監(jiān)測(cè)，傳感器84將池的高度信息提供給控制器82?？刂破?2優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)可編程序裝置，例如處理器或微處理器、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程序門陣列或可編程序邏輯控制器(PLC)?；蛘呋蛄硗猓刂破?2可包括能夠執(zhí)行一系列操作的一個(gè)或多個(gè)非可編程控制器元件，例如定時(shí)器或氣動(dòng)回路或電路?？刂破?2將池的高度信息與預(yù)設(shè)的高度值或范圍進(jìn)行比較，并確定在高度信息和預(yù)設(shè)的高度值或范圍之間的任何差異，從而產(chǎn)生池高度誤差信號(hào)?；诔氐母叨日`差信號(hào)，控制器82可命令液體進(jìn)料器34提供更多或更少的可硬化的液體36。例如，預(yù)設(shè)的高度值或范圍可在大約2至大約15cm之間。預(yù)設(shè)的高度值或范圍可經(jīng)過(guò)選擇，以便在襯底24和可硬化的液體36之間提供充分的接觸時(shí)間，從而產(chǎn)生隔膜前體32?？蛇x地，液體進(jìn)料器34還包括泵送系統(tǒng)，其基于從控制器82接收的命令而傳送可硬化的液體36。隔膜前體32和膜28穿過(guò)咬送滾子40，然后移動(dòng)至硬化段20。隔膜前體32和膜28可支撐在連續(xù)的或分段的平臺(tái)42上，平臺(tái)42傳送隔膜前體32和膜28，使之穿過(guò)硬化段20?？蛇x地，平臺(tái)42由馬達(dá)11a來(lái)移動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)硬化裝置44在硬化段20產(chǎn)生支持聚合反應(yīng)的條件，由此可硬化的液體36形成固體聚合物。聚合反應(yīng)將隔膜前體32轉(zhuǎn)換成隔膜50。例如，可硬化的液體36可通過(guò)熱量或通過(guò)紅外線、微波、紫外線或其它形式的輻射來(lái)硬化。在一個(gè)實(shí)施例中，隔膜前體32可被加熱到大約40℃至大約200℃的溫度，從而引發(fā)和保持聚合反應(yīng)。硬化段20可在大約2至大約20米長(zhǎng)的范圍內(nèi)。硬化段20中的停留時(shí)間可在大約4至大約40分鐘的范圍內(nèi)。這些溫度和時(shí)間可根據(jù)所使用的可硬化的液體36和聚合反應(yīng)而變化。在離開(kāi)硬化段20時(shí)，隔膜50和膜28被傳送穿過(guò)處理段14。處理段14包括一個(gè)或多個(gè)段，例如調(diào)節(jié)段54、泄漏測(cè)試段64和切割段74以及傳送器系統(tǒng)51。傳送器系統(tǒng)51包括一系列滾子53，其傳送隔膜，使之穿過(guò)處理段14的各段。處理段14包括第二對(duì)咬送滾子46，其在硬化段20之后接收隔膜50和膜28?？蛇x地，刀具48定位在第二對(duì)咬送滾子46之前或在之后，用于修剪膜28的邊緣。處理段14還包括膜滾子52，其使膜28與隔膜50分開(kāi)。膜滾子52將膜28剝離隔膜50，并將它們卷起來(lái)。一個(gè)或多個(gè)膜滾子52可被一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)11b驅(qū)動(dòng)，以利于移動(dòng)隔膜前體32、隔膜50和膜28，使之穿過(guò)澆鑄段12。處理段14包括調(diào)節(jié)段54，其處理隔膜50，以減少隔膜50中的殘余物的。殘余物是部分或完全不參與聚合反應(yīng)的隔膜前體32的成分。殘余物還可被稱為聚合反應(yīng)殘余物。殘余物可均勻地或不均勻地分布在整個(gè)隔膜50上。殘余物可包括單體、低聚物、聚合物、溶劑、未反應(yīng)的反應(yīng)劑、聚合引發(fā)劑、催化劑或其組合。殘余物還可包括各種離子、化學(xué)物或其組合。例如，殘余物可包括各種離子種類，例如磺酸鹽離子、氯化物離子、碘化物離子、溴化物離子、鋰離子、氫氧化鋰離子、鈉離子、氫離子或其組合。殘余物還可包括各種化學(xué)物，包括二丙二醇醚(DPG)、丙二醇、乙二醇衍生物、醇例如正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、乙醇衍生物、醚和醚衍生物、酯和酯衍生物、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、胺和胺衍生物、酰胺和酰胺衍生物，磺酸基衍生物、叔胺基衍生物或其組合。調(diào)節(jié)段54包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)槽。調(diào)節(jié)槽還可被稱為提取槽或洗滌槽。各個(gè)調(diào)節(jié)槽可填充水或水溶液或溶劑或某些其它液體。當(dāng)調(diào)節(jié)槽填充了水時(shí)，水優(yōu)選是基本去電離的，例如具有50μS/cm或更小的電導(dǎo)率。然而，具有較高電導(dǎo)率的水仍然可被認(rèn)為組成了水槽。非水槽還可能主要容納水，但水與另一化合物相混合，從而限制其與隔膜的反應(yīng)。調(diào)節(jié)段54可能由包括僅僅一個(gè)非水槽、不止一個(gè)非水槽、定位在一個(gè)水槽之前或之后的一個(gè)或多個(gè)非水槽、僅僅一個(gè)水槽、不止一個(gè)水槽、定位在非水槽之前或之后的一個(gè)或多個(gè)水槽，或者一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)槽的其它組合。在一個(gè)示例中，僅僅使用了容納優(yōu)選具有50μS/cm或更小電導(dǎo)率的水的調(diào)節(jié)槽，或者將其用作一系列調(diào)節(jié)槽中的第一槽。在圖1A的示例中，調(diào)節(jié)段54包括兩個(gè)調(diào)節(jié)槽、提取槽56和洗滌槽58。提取槽56可保持提取流體。當(dāng)其被傳送器系統(tǒng)51傳送穿過(guò)提取槽56時(shí)，提取流體降低了隔膜50中的殘余物的。提取流體可包括有機(jī)離子溶液、無(wú)機(jī)離子溶液、有機(jī)非離子溶液、無(wú)機(jī)非離子溶液、基本純凈的有機(jī)溶劑、基本純凈的無(wú)機(jī)溶劑、具有添加劑的有機(jī)溶液、具有添加劑的無(wú)機(jī)溶液或其組合。例如，提取槽56可容納氯化鈉溶液、重碳酸鹽溶液、檸檬酸溶液、乳酸溶液、醋酸溶液、氫氧化物溶液、包含一種或多種表面活性劑的溶液或其組合。提取溶液的pH值可隨著預(yù)期目的而變化。例如，如果需要減少任何堿性殘余物，那么提取溶液的pH值可保持在大約2至4的范圍內(nèi)。這種酸性pH值范圍可通過(guò)添加檸檬酸、醋酸或其它合適的酸性溶液來(lái)獲得和保持。如果需要減少任何酸性殘余物，提取溶液的pH值可通過(guò)例如添加重碳酸鹽而保持在9至13的范圍內(nèi)。提取槽56可具有各種形狀和尺寸。傳送器系統(tǒng)51傳送隔膜50穿過(guò)提取槽56，提取槽56部分或完全浸漬在提取流體中。傳送器系統(tǒng)51可豎直地、水平地在向上傾斜的路徑或在向下傾斜的路徑或其組合方式傳送隔膜50，使之穿過(guò)提取槽56。此外，傳送器系統(tǒng)51可一次或多次穿過(guò)提取槽56。洗滌槽58優(yōu)選位于提取槽56的下游。洗滌槽58容納水，以便從隔膜50上沖洗掉提取流體和至少某些殘余物。水可替換隔膜50中任何被提取的殘余物并潤(rùn)濕隔膜50。各種類型的水都是合適的，包括過(guò)濾水、蒸餾水、重蒸餾水、具有小于大約50μS/cm電導(dǎo)率的去電離水、逆滲透滲水等等?？蛇x地，水可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)洗滌步驟進(jìn)行再循環(huán)，并且可使用具有較高電導(dǎo)率的水。水可保持在大約5至8的pH值范圍內(nèi)，優(yōu)選大約7的pH值?？蛇x地，水的pH值可保持在較高或較低的pH值，這依賴于提取槽56中的提取流體的pH值。傳送器系統(tǒng)51將隔膜50從調(diào)節(jié)段54傳送至泄漏測(cè)試段64。泄漏測(cè)試段64包括染料施用器66和對(duì)比進(jìn)料器68。染料施用器66可自動(dòng)地將染料應(yīng)用于隔膜50的上表面上。染料施用器66可包括染料儲(chǔ)槽67、泵送系統(tǒng)69和分配管71。分配管71具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴。泵送系統(tǒng)69從染料儲(chǔ)槽67抽送染料并在其被傳送穿過(guò)分配管71時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴將染料分配到隔膜50的上表面上。可選地，泄漏測(cè)試控制器83可控制泵送系統(tǒng)69，以便基于隔膜50被傳送穿過(guò)分配管71時(shí)的速度而控制通過(guò)噴嘴分配的染料的量?？蛇x地，在分配管71的下游可提供一個(gè)或多個(gè)涂布器(未顯示)，以便使染料均勻地涂布在隔膜50的上表面上。例如，涂布器可為刷子、橡膠或金屬刀片、海綿等等。如圖1B的示例中所示，泄漏測(cè)試段包括用于容納操作員的站66a，操作員可手動(dòng)地將染料應(yīng)用并均勻地涂布到隔膜50的表面上。染料可為基于高錳酸鹽的染料，例如暗黑色染料；基于亞甲藍(lán)的染料；基于格酸鹽的染料，例如紅/橙染料；藻紅B染料或另一與隔膜50相適應(yīng)的其它合適的染料。染料可被制成溶液，每體積水有大約1%至大約30%(wt/v)的范圍的重量的染料。染料優(yōu)選被制成大約5%wt/v的溶液。當(dāng)染料應(yīng)用于隔膜50時(shí)，染料可進(jìn)入隔膜50的上表面，穿過(guò)隔膜50的本體中的任何物理漏洞，并通過(guò)隔膜50的下表面而離開(kāi)。隔膜50中的物理漏洞可為隔膜50中的空隙、間隙、孔等等，其是由于不完全的聚合反應(yīng)條件、可硬化的液體36中存在污染物或各種其它原因而造成的。隔膜50中的物理漏洞可為局部現(xiàn)象或遍及隔膜50的普遍現(xiàn)象。對(duì)比進(jìn)料器68將對(duì)比材料70的片材進(jìn)給到裝置10的剩余部分中。對(duì)比進(jìn)料器68可定位在染料施用器66之前、之中或之后。例如，在對(duì)比進(jìn)料器68中的滾子上提供對(duì)比材料70。具體地說(shuō)，對(duì)比進(jìn)料器68將對(duì)比材料70從隔膜50的下面向上進(jìn)給到傳送器系統(tǒng)51的滾子53之間。對(duì)比材料70的片材與隔膜50的下表面相接觸。穿過(guò)隔膜50的物理漏洞的任何染料將離開(kāi)隔膜50，并在染料離開(kāi)隔膜50的地方或其附近標(biāo)記對(duì)比材料70。對(duì)比材料70可由提供與染料高的視覺(jué)對(duì)比的各種材料制成。染料可以不會(huì)被處理段14的剩...