天絲纖維在堿錳電池隔膜中的應用研究

陸燕華 王 虹 余調(diào)娟 湯人望

(浙江省普瑞科技有限公司，杭州，311215)

天絲纖維在堿錳電池隔膜中的應用研究

陸燕華 王 虹 余調(diào)娟 湯人望

(浙江省普瑞科技有限公司，杭州，311215)

介紹了天絲纖維的特性和在堿錳電池隔膜生產(chǎn)中的應用情況。天絲纖維經(jīng)打漿設(shè)備處理后能較好地原纖化，可與絲光化木漿、耐堿性纖維和水溶性纖維混合濕法抄造堿錳電池隔膜。測試結(jié)果表明，天絲纖維的加入可以生產(chǎn)出性能指標良好的電池隔膜。原纖化的天絲纖維是堿錳電池隔膜生產(chǎn)的理想原料。

天絲纖維，堿錳電池隔膜，原纖化

天絲纖維是一種溶劑型纖維素纖維，具有棉的“舒適性”、滌綸的“強度”、毛織物的“豪華美感”和真絲的“獨特觸感”及“柔軟垂墜”，無論在干態(tài)或濕態(tài)下，均極具韌性。與同樣以纖維素為原料的粘膠纖維相比，天絲纖維又具有生產(chǎn)過程環(huán)保、無毒、無污染的優(yōu)點。天絲纖維適用范圍廣，幾乎涵蓋紡織各個領(lǐng)域，采用針織或機織工藝已生產(chǎn)出棉、毛、絲、麻型等各類優(yōu)質(zhì)高檔產(chǎn)品，但是天絲纖維由于成本原因在濕法非織造布上的應用相對較少。堿錳電池隔膜是一種濕法非織造布，粘膠纖維是其主要原料之一。粘膠纖維的生產(chǎn)工序較復雜，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢氣、廢水和固體廢棄物如處理不當將會嚴重污染環(huán)境。由于“三廢”的治理技術(shù)難度大，投資費用高，西方國家早已縮減了粘膠纖維的產(chǎn)量，國內(nèi)粘膠纖維生產(chǎn)的發(fā)展也因“三廢”處理問題而受到限制。隨著國際環(huán)保呼聲日趨高漲，環(huán)保型纖維原料開發(fā)與應用必然成為發(fā)展趨勢。

天絲纖維取向性好，纖維中巨原纖的結(jié)晶化程度高，并更趨向沿纖維軸向排列。當受到外界因素如摩擦和振動等作用時，巨原纖很容易從纖維的表面分離出來，即原纖化［1］。通過對原纖化程度的控制，可生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。天絲纖維還具有良好的吸水性和吸濕性，較高的濕模量賦予天絲纖維在小負荷和中等負荷作用下產(chǎn)生變形較小的特性，使產(chǎn)品具有較高的尺寸穩(wěn)定性和抗皺性。天絲纖維的上述特性使其能替代粘膠纖維用于堿錳電池隔膜的生產(chǎn)。

電池隔膜在電池中處于電池正負極之間，其質(zhì)量直接影響到電池的使用壽命﹑高溫或低溫下的使用性能和電池的貯存性能等［2-3］。堿錳電池隔膜主要應用于一次性堿錳電池中，堿錳電池的電解液一般為30%的氫氧化鉀溶液，因此要求電池隔膜具有良好的隔離性能、離子滲透性、化學穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、吸液性、保液性和吸液速度等，還應具有一定的機械強度和韌性［4-5］。

1 電池隔膜濕法抄造工藝

1.1 天絲纖維原纖化處理

天絲纖維用作電池隔膜原料時可進行打漿使其分絲帚化，即原纖化。天絲纖維的原纖化程度與加入量主要是對電池隔膜的緊度、孔徑、孔隙率、吸堿率和吸堿速度等產(chǎn)生重要影響。

隔膜的孔徑影響隔膜的隔離性能和離子通過性能。隔膜的孔徑過大，電池容易發(fā)生短路;隔膜孔徑太小則會影響電解液離子的通過速度，影響電池的放電性能［6］。天絲纖維原纖化程度高則孔隙率高，且小孔數(shù)量較多;反之，則孔隙率低且大孔數(shù)量較多。吸堿速度是電池隔膜吸收電解液速度快慢的性能指標，直接反映了隔膜中小孔含量的多少，因為堿液從下部向上部爬滲，主要靠毛細管力的作用。如果隔膜大孔含量高，毛細現(xiàn)象不明顯，易造成隔膜中堿液分布不勻，從而導致隔膜的不均勻膨脹，往往會造成下部隔膜管內(nèi)層起皺，且使隔膜吸堿時間延長，反之則有相反的結(jié)果［7］。吸堿率的大小體現(xiàn)了隔膜承載電解液的能力，較高的吸堿率能夠在電池的正負極板之間引入足夠的離子導電電解液［8］，保證電池的正常工作運轉(zhuǎn)。對天絲纖維進行適當?shù)脑w化處理有利于提高隔膜的孔隙率，減小孔徑。

為了確定天絲纖維原纖化情況，在原纖化過程中取樣，采用顯微鏡放大100倍進行觀察。原纖化過程中纖維形態(tài)變化見圖1。

由圖1可見，天絲纖維在原纖化處理之前纖維表面光滑，呈圓柱狀，用其生產(chǎn)電池隔膜會因纖維之間結(jié)合疏松，造成產(chǎn)品緊度小、孔徑大、強度下降;纖維原纖化處理30 min時，纖維吸水潤脹變粗，表面不再光滑，沿著纖維縱向出現(xiàn)了細小分支;隨著原纖化處理時間的延長，纖維變得柔軟、扭曲，表面出現(xiàn)越來越多的分絲，而且分絲變得又細又長，這些分絲有助于減小電池隔膜的孔徑，在提高隔離性能的同時還能提高機械強度。

圖1 天絲纖維原纖化前后纖維形態(tài)比較

1.2 纖維分散

采用浙江省普瑞科技有限公司專用的設(shè)備將絲光化木漿、耐堿性纖維和水溶性纖維分別分散后，按一定比例與原纖化的天絲纖維混合并進一步分散。因選用的纖維長度較長(一般為3～6 mm)，且耐堿性纖維對水的潤濕性較差，容易發(fā)生纖維的絮聚，難以實現(xiàn)均勻分散，天絲纖維經(jīng)原纖化后易與其他纖維纏繞在一起，所以需要加入一定的分散劑并連續(xù)攪拌來改善纖維的分散狀況。目前常用的分散劑有聚氧化乙烯﹑羧甲基纖維素鈉﹑聚丙烯酰胺等。分散過程容易在漿料中引入氣泡，導致漿料的絮聚，需要時可加入適量的消泡劑。

1.3 成形技術(shù)

濕部成形狀況直接影響隔膜的各項性能，尤其是堿錳電池實現(xiàn)無汞化后隔膜的成形勻度對隔膜性能的影響更為明顯。無汞條件下氧化鋅在隔膜內(nèi)易產(chǎn)生針狀結(jié)晶，導致電池發(fā)生內(nèi)部短路，縮短電池的使用壽命。為了防止針狀結(jié)晶的穿透，在不增加隔膜厚度的條件下必須提高隔膜成形勻度，減小其最大孔徑。生產(chǎn)堿錳電池隔膜的耐堿性纖維長度較長，為了防止纖維在上網(wǎng)時產(chǎn)生絮聚，影響成形勻度，上漿漿料需要較高的稀釋度(達到0.02% ～0.065%的低質(zhì)量濃度)，以獲得良好的分散和成形效果。生產(chǎn)堿錳電池隔膜時斜網(wǎng)成形器上網(wǎng)的漿料質(zhì)量濃度選用0.02% ～0.08%較為適宜。

1.4 干燥技術(shù)

堿錳電池隔膜干燥的關(guān)鍵是控制干燥溫度﹑水分和壓榨壓力，確保水溶性纖維發(fā)揮良好的黏結(jié)作用，提高隔膜的抗張強度。如果干燥溫度低于水溶性纖維水溶溫度，則起不到黏結(jié)作用，只有在稍高于水溶溫度下烘干，才能體現(xiàn)黏結(jié)效果;但是干燥溫度過高，不但隔膜容易黏結(jié)毛毯，還會降低隔膜強度。因此，干燥溫度控制在高于水溶溫度10～15℃時效果較好。為了發(fā)揮水溶性纖維的黏結(jié)效果，不但要有合適的溫度，還必須要有足夠的水分，一般干燥時隔膜含水量在50% ～60%為宜，因為水分過多，不利于生產(chǎn)的順利進行，水分過少水溶性纖維黏結(jié)作用不明顯。此外，壓榨壓力越大，水溶性纖維與主體纖維接觸越緊密，黏結(jié)效果就越好;但壓力太大，致使隔膜緊度太高也會影響隔膜的其他性能。

2 電池隔膜性能檢測結(jié)果

2.1 電池隔膜質(zhì)量

隔膜的物理指標按照國家標準測試方法進行檢測;最大孔徑采用氣泡試驗法，按SJ/T10171.10隔膜最大孔直徑測定。測試結(jié)果見表1和表2。

表1 隔膜的技術(shù)指標與質(zhì)量檢測結(jié)果

表2 隔膜孔徑測定結(jié)果

從表1和表2的測試結(jié)果可以看出，以天絲纖維為原料的電池隔膜的各項質(zhì)量檢測結(jié)果均略優(yōu)于粘膠纖維生產(chǎn)的電池隔膜。吸堿速度與吸堿率高，說明用原纖化的天絲纖維生產(chǎn)的電池隔膜孔隙率高，且小孔數(shù)量較多。隔膜縱橫向伸縮率低說明纖維耐堿性能好，纖維之間的纏繞交織狀態(tài)良好。采用原纖化的天絲纖維代替粘膠纖維，隔膜的孔徑有所降低，隔膜的致密性有所提高，這對降低無汞堿錳電池自放電有一定的作用［9］。

2.2 隔膜對電池電性能的影響

天絲纖維隔膜采用與粘膠纖維隔膜同樣的無汞堿錳電池配方和組裝工藝裝配5號電池，進行初放電性能及貯存性能對比試驗。放電試驗采用DMP-1型電池恒功率放電分析儀，按GB/T 7117—1998的規(guī)定進行。具體測試方法為:檢測9只電池，采用 3.9 Ω 放電，每天放電 1 h，終止電壓為0.8 V。貯存性能按國外的常規(guī)方法，采用在60℃的溫度下連續(xù)老化一個月后測定。初始放電性能及貯存后的放電性能以平均放電時間表示，測定結(jié)果見表3。

表3 電池性能檢測結(jié)果

從表3可以看出，采用原纖化天絲纖維生產(chǎn)的隔膜組裝的電池老化后的放電時間比采用粘膠纖維生產(chǎn)的隔膜組裝的電池有一定的提高，說明選用原纖化天絲纖維提高了電池隔膜的使用性能，天絲纖維可以替代粘膠纖維用于堿錳電池隔膜的生產(chǎn)。

3 結(jié)論

天絲纖維可通過打漿設(shè)備處理，達到較好的原纖化程度，采用原纖化的天絲纖維生產(chǎn)的堿錳電池隔膜各項性能指標略優(yōu)于粘膠纖維生產(chǎn)的隔膜，并能改善電池性能，因此原纖化的天絲纖維是堿錳電池隔膜的理想原料。目前天絲纖維的價格較粘膠纖維高，隨著天絲纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高，生產(chǎn)成本的降低，在濕法制備堿錳電池隔膜工藝中天絲纖維將是粘膠纖維良好的替代品。

［1］許英健，王景翰.新一代纖維——天絲及其分析［J］.中國纖檢，2006(4):43-44.

［2］日本高度紙工業(yè)株式會社.無汞堿錳電池用隔膜［J］.電池工業(yè)，2001，8(6):147-149.

［3］SHIGEMATSU，TOSHIHIRO.Non-woven fabric for separator of alkali cell and method for production thereof:JP，03/06376［P］.2003-5-22.

［4］冉景慧，王習文.濕法非織造布制備堿錳電池隔膜的研究［J］.天津造紙，2008(2):42-45.

［5］TANAKA，MASANAO.Alkaline battery separator and process for producing the same:US，515540［P］.2000-2-29.

［6］KUBO，YOSHIYO.Separator paper for alkaline battery and the alkaline battery:US，20060014080［J］.2005-6-16.

［7］王力臻，谷書華.堿錳電池隔膜的吸液性能［J］.電池，2002，32(1):22-23.

［8］于天，梁云.兩種纖維素纖維的原纖化及抄造特性［J］.紙和造紙，2008，27(4):21-24.

［9］李榮年，王虹.細旦維綸在電池隔膜中的應用［J］.產(chǎn)品用紡織品，2006，24(11):32-34.

Study on application of Tencel fiber in alkali-manganese battery separator

Lu Yanhua，Wang Hong，Yu Tiaojuan and Tang Renwang
(Zhejiang Prime Technical Co.，Ltd.)

The characteriatic of Tencel fiber and its application in manufacturing alkali-mangnese battery separator were introduced.Tencel fiber could be fibrillated properly by beat process and could be mixed with mercerizing wood pulp and alkali resistance fiber and water soluble fiber to wet form alkali-mangnese battery separator.Test result demonstrated that addition of Tencel fiber could manufacture battery separator with good performance index.The fibrillated Tencel fiber is a ideal material on manufacturing alkali-mangnese battery separator.

Tencel fiber，alkali-mangnese battery sepeator，fibrillating

TS102.511;TS176.5

B

1004－7093(2010)09－0014－03

2010－08－11

陸燕華，女，1976年生，工程師。主要從事特種功能紙和非織造布的研究開發(fā)。