聚苯硫醚（PPS）纖維膜材料具有極優秀的耐酸、耐堿和耐溶劑性，且在200℃濕態下能長期運行，是堿性電解槽隔膜的不二選擇。然而，PPS纖維隔膜本質上是疏水隔膜，疏水隔膜的特點是透氣和不透水，然而電解槽中制氫隔膜主要作用是透水和不透氣（見圖1右）。雖然，PPS纖維隔膜號稱堿水電解制氫的第二代隔膜，在國內外已有30多年的應用歷史，其短板就是氣密低和膜電阻高（電流密度小），優點是使用壽命長。PPS纖維隔膜由于本質疏水，導致隔膜氣密性差，存在氫氧根離子傳輸困難，膜電阻高和電流密度低等弊端，極大的增加了電解制氫的能耗。電解槽迫切需要低膜阻、高氣密和長壽命的新一代隔膜，以迎合下游制氫用戶需求。

圖1：PPS纖維隔膜劃時代性能變化原因（天工大分離膜與膜過程國家重點實驗室圖片）

2014年以來天津工業大學李振環等人致力于親水PPS膜材料開發，通過纖維界面結構調控，實現了膜面親水（圖1左圖）。親水性PPS纖維隔膜氣密性極大地提高（500 mm H₂O上），膜電阻極大地降低（0.15 Ω/cm^２以下），稱之為親水型PPS纖維隔膜。2018年以來，親水型PPS纖維隔膜開始進入市場，國內市場上見到的親水型隔膜屬于該專利技術產品（市場上國內外品牌的親水隔膜存在侵權行為，專利權的親水隔膜的結構特點見圖2：界面結構為聚苯硫醚砜和聚砜，也包括含主體結構中的磺酸基團等）。

目前，滄州工苑膜材主要生產3種類型的PPS纖維隔膜，第一種稱之為永久親水型磺化PPS纖維膜（界面結構為磺化聚苯硫醚砜），第二種為親水型改性聚苯硫醚纖維隔膜，第三種為純PPS纖維磺化膜。截止目前，PPS纖維膜的化學結構可以說進行了3次升級迭代。第一次，PPS纖維膜直接磺化改性，形成磺化PPS纖維膜，該類型膜色澤偏深；在30wt%氫氧化鉀溶液中，在加熱條件下，磺酸根容易脫落，但該類型的隔膜親水性好和膜阻低。為了提高親水基團的牢固性，同時降低隔膜的色澤，利用特殊反應試劑，并在一定的催化劑催化下反應，得到了第二代改性PPS纖維隔膜，該類型隔膜外形漂亮，白度高；但由于改性PPS中硫原子的丟失，砜基團（SO_２）以及SO₃H的出現，造成該類型隔膜的親水型層容易分解脫落，堿性電解槽服役中親水PPS纖維界面層分解，造成隔膜親水性下降，膜阻升高，氣密性降低（親水層壽命2年左右，堿失量偏高）。第三代隔膜為磺化聚苯硫醚砜隔膜，既保留了PPS結構的耐酸、耐堿和耐溶劑的性能，又借鑒了聚砜的耐氧化和尺寸穩定性，親水性可以維持10年以上（第三代親水隔膜結合了二代和一代親水纖維膜的優點）。二代PPS纖維隔膜和三代PPS纖維隔膜以及親水纖維共混隔膜的老化性能分析結構見圖３。苯環上含有砜SO₂基團時，該基團很容易分解，導致聚合物分解脫落。該類型隔膜服役初始階段膜阻很低，隔膜的氣密性也好，１年以后隔膜親水層逐漸脫落，氣密性下降，膜阻反而升高，綜合來看該類型隔膜適合３至５年壽命的電解槽。苯環上含有硫醚S和亞砜SO時，聚合物耐酸、耐堿和耐高溫性能均好，結構可以在30 wt％的氫氧化鉀中穩定運行10年以上，且膜阻和氣密性均穩定保持。第三代親水PPS纖維隔膜，服役壽命10年以上，適合大標方和長壽命電解槽裝載。

圖4：滄州工苑產品及性能展示

滄州工苑（含天津津綸科技）是滄州市天津工業大學研究院下的中試研發和產品生產企業，也是天津工業大學先進分離膜國家重點實驗室的中試生產和開品開發試驗基地。企業建有年產20萬平的永久親水型纖維隔膜生產線，年產1000噸PPS改性纖維生產線等。公司生產的堿水電解制氫隔膜具有無瑕疵、耐高溫、高氣密、低膜阻、無收縮等特點。企業面向下游用戶提供優質隔膜，面向電解槽企業需求研發高性能隔膜（可以聯合研發），面向電解槽企業進行技術轉讓、技術授權、協助電解槽企業建設自己的隔膜生產線（擁有真實的親水隔膜技術自主知識產權）。企業不但銷售產品、銷售方案、更提供優質的售后服務。

原文始發于微信公眾號（津綸新材料）：堿水電解槽纖維隔膜的博弈解析