硼酸丙三醇聚酯在鋁電解電容器工作電解液中的應(yīng)用研究*

周攀登，劉仁其，龍立平

（湖南城市學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 益陽 413000）

有機(jī)硼高分子化合物具有獨(dú)特的理化性能，如阻燃性、耐高溫高壓性能非常好，因此，其在高壓（>350）、超高壓（>450）鋁電解電容器[1]中具有極高的應(yīng)用潛質(zhì)。高壓超高壓鋁電解電容器在環(huán)保汽車、環(huán)保電力、環(huán)保空調(diào)、變頻器、UPS電源、高檔音響等有著廣泛應(yīng)用。鋁電解電容器主要由電容芯子和工作電解液構(gòu)成。工作電解液的重要作用是隨時(shí)修補(bǔ)陽極氧化膜上出現(xiàn)的缺陷，維護(hù)電容器的性能。除制造工藝水平、陽極鋁箔質(zhì)量等原因外，工作電解液性能是影響電容器產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要影響因素。工作電解液的性質(zhì)決定了電解電容器工作溫度特性、耐壓范圍和耐紋波電流大小以及電容器壽命，成為高性能高壓、超高壓鋁電解電容器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。開發(fā)研制具有特定結(jié)構(gòu)和組成的新型耐高壓、超高壓的添加劑[2]，是明顯提高此類鋁電解電容器電性能的有效方法和發(fā)展趨勢[3]。

目前，在國外John Tony Kinard[4]等人研制了一種2-甲基-1，3-丙二醇與硼酸的酯化產(chǎn)物，用于鋁電解電容器的工作電解液，通過加入不同的添加劑使電解液的閃火電壓可以在300～800V之間選擇。這種電解液的應(yīng)用，使得純度為98%的鋁箔可以替代99.99%的鋁箔應(yīng)用到高壓電容其中，并得到了較好的結(jié)果。而我國的高端鋁電解電容器技術(shù)與國外還有很大差距，國內(nèi)大多數(shù)節(jié)能燈企業(yè)的專用中高壓鋁電解電容器的工作電解液仍為第二代，部分僅在此基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，因此，必須重視其技術(shù)的升級，加大研發(fā)力度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

乙二醇，硼酸，PVA，癸二酸銨，甘露醇，壬二酸氫銨，十二雙酸銨，五硼酸銨，烷基癸二酸銨，對硝基苯甲酸，次亞磷酸銨等均為國產(chǎn)分析純或電容純，硼酸丙三醇聚酯為自制。

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，閃火電壓測試儀，電導(dǎo)率測試儀均為國產(chǎn)儀器。

1.2 工作電解液的配制

本研究采用乙二醇作主溶劑，添加適當(dāng)?shù)腜VA作為粘度劑，輔以次亞磷酸銨為抗水合劑，以對硝基苯甲酸來提高電解液的形成能力。通過正交試驗(yàn)[6]來選取最佳的電解液配方，在進(jìn)行正交試驗(yàn)之前，對溶劑體系極其配制步驟進(jìn)行了理論分析，確定了影響因素及其大概范圍。得出影響溶劑體系性能優(yōu)劣的主要因素為反應(yīng)溫度、PVA用量及硼酸用量。

因此，在進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)，通過改變PVA用量（A，g）、反應(yīng)溫度（B，℃）、硼酸用量（C，g），對每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，不考慮因素之間的交互作用，選用L9（34）正交表進(jìn)行優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，因素水平見表1所示。

表1 正交因素水平表Tab.1 Orthogonal table

具體制備流程如下：

乙二醇40g，加熱溫度（B/℃）硼酸質(zhì)量（C/g）PVA（A/g）反應(yīng)2h→加熱到60℃，加癸二酸銨2.5，保溫0.5h→升溫到80℃加甘露醇1.0g，壬二酸氫銨0.2g，十二雙酸銨0.2→升溫到130℃保溫半小時(shí)后加0.1g PVA，0.25g壬二酸氫銨，1.5g五硼酸銨，保溫2h→加入烷基癸二酸銨1.5g→冷卻至100℃，加入對硝基苯甲酸0.2g，次亞磷酸銨0.2g。

然后冷至室溫再測各參數(shù)，確定制備工作電解液的最優(yōu)配方[7]?？紤]到第四步原料不同的加入時(shí)間，進(jìn)行了兩組正交試驗(yàn)，通過對各參數(shù)的測定來確定最優(yōu)的工作電解液配方。

1.3 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)一數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)一數(shù)據(jù)Tab.2 Data of orthogonal test 1

正交試驗(yàn)二數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)二數(shù)據(jù)Tab 3 Data of orthogonal test 2

1.4 工作電解液性能的測定

采用閃火電壓測試儀分別測定各組電解液的閃火電壓[8]，采用電導(dǎo)率測試儀測定各組工作電解液的導(dǎo)電率。

2 結(jié)果與討論

2.1 閃火電壓

表4 試驗(yàn)一閃火電壓測定結(jié)果Tab.4 Data of spark voltage test 1

表5 試驗(yàn)二閃火電壓測定結(jié)果Tab.5 Data of spark voltage test 2

從兩組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)二中各組所用測試時(shí)間均較長，故試驗(yàn)一較試驗(yàn)二好。

2.2 導(dǎo)電率

采用電導(dǎo)率測試儀測定各組工作電解液的導(dǎo)電率，其測定結(jié)果見表8。

表6 導(dǎo)電率測定結(jié)果Tab.6 Data of Conductivity

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

確定實(shí)驗(yàn)因素的優(yōu)水平和最優(yōu)水平組合：

分析A因素各水平對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響。由表2可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號試驗(yàn)中，A2的影響反映在第4、5、6號試驗(yàn)中，A3的影響反映在第7、8、9號試驗(yàn)中。

A因素的1水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：KA1=3530+2700+3450=9680，kA1=KA1/3=3227；A因 素的 2 水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：KA2=3262+3120+3260=9642，kA2=KA2/3=3214；A因 素的 3 水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：KA3=3330+3430+3370=10130，kA3=KA3/3=3377。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)的特性，對A1、A2、A3來說，三組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是完全一樣的（綜合可比性），可進(jìn)行直接比較。如果因素A對試驗(yàn)指標(biāo)無影響時(shí)，那么kA1、kA2、kA3應(yīng)該相等，但由上面的計(jì)算可見，kA1、kA2、kA3實(shí)際上不相等。說明，A因素的水平變動對試驗(yàn)結(jié)果有影響。因此，根據(jù)kA1、kA2、kA3的大小可以判斷A1、A2、A3對試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。由于試驗(yàn)指標(biāo)為導(dǎo)電率，而kA3>kA1>kA2，所以可斷定A3為A因素的優(yōu)水平。

同理，可以計(jì)算并確定B1、C3分別為B、C因素的優(yōu)水平。三個(gè)因素的優(yōu)水平組合A3B1C3為本試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即工作電解液的最優(yōu)配方為：PVA量0.450g，反應(yīng)溫度120℃，硼酸量0.400g。

2.4 含硼酸丙三醇聚酯的工作電解液性能[9]的測定

以最優(yōu)組合配置兩組工作電解液做空白對照試驗(yàn)，一組加硼酸丙三醇聚酯，另一組不加。分別測定兩組工作電解液的閃火電壓及電導(dǎo)率，測試結(jié)果如表7所示。

表7 工作電解液的性能指標(biāo)Tab.7 Performance indicators of the working electrolyte

由表7中的數(shù)據(jù)可知，電解液的電導(dǎo)率隨硼酸聚酯的添加而增高，閃火電壓隨硼酸聚酯的加入沒有發(fā)生明顯變化。

3 結(jié)論

（1）采用正交試驗(yàn)法優(yōu)選出的最佳電解液配方是：PVA量0.450g，反應(yīng)溫度120℃，硼酸量0.400g。

（2）通過對照實(shí)驗(yàn)得知，隨著硼酸丙三醇聚酯的添加，電解液的電導(dǎo)率較未加的高，而閃火電壓沒有明顯的變化。即硼酸丙三醇聚酯能提高工作電解液的電導(dǎo)率，而對閃火電壓的影響很小。

［1］程云來，鄒云鵬，李文勝.超高壓大容量鋁電解電容器的研制［J］.電子元件與材料，2003,22（10）：13-18.

［2］高泉涌，酆趙龍.鋁電解電容器工作電解液添加劑及其應(yīng)用［J］.廣東化工，2009，36（12）：200-201.

［3］楊邦朝，盧云.450V高壓工作電解液的研究［M］.電子元件與材料，2001，20（5）：12-13.

［4］John Tony Kinard et al.Method and Electrolyte For Anodizing Valve Metals To High Voltage［P］.US:6346185，2002-02-12.

［5］羅志剛,明少良.高溫高壓工作電解液的配置［J］.電子元件與材料，2002，21（1）：13-15.

［6］Brain John Melody et al.Electrolyte For Very High Voltage Electrolytic Capacitors［P］.US:6652729，2003-11-25.

［7］韋春才，陳志國，匡東權(quán)，等.鋁電解電容器工作電解液的研究［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996.

［8］張曉松，陳姚，于欣偉，等.硼酸聚酯對鋁電解電容器工作電解液性能的影響［J］.電子元件與材料，2010，（4）.