增強(qiáng)劑選型對(duì)AGM隔膜性能的影響

王 偉，汪 濤，何 宏，郭建勛，吳澤仕

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

AGM隔膜是鉛酸蓄電池的重要組成部分，其主要位于電池內(nèi)部正負(fù)極之間防止正負(fù)極間互相接觸發(fā)生短路現(xiàn)象［1］。隔膜為多孔材質(zhì)［2］，此外隔膜還要機(jī)械強(qiáng)度好，耐酸腐蝕，耐氧化，以及避免產(chǎn)生對(duì)極板有害的物質(zhì)。隨著鉛酸蓄電池的深入研究，人們逐漸發(fā)現(xiàn)AGM隔膜在延長(zhǎng)電池壽命、改善電池性能方面的重要作用［3，4］。AGM隔膜有90%以上的孔隙率，為充放電時(shí)離子交換提供通道，其中10%左右未被電解液浸潤(rùn)的孔隙提供由正極析出的O2擴(kuò)散到負(fù)極再?gòu)?fù)合的通道，以實(shí)現(xiàn)氧的循環(huán)。

隨著儲(chǔ)能、動(dòng)力等系統(tǒng)用鉛酸蓄電池對(duì)AGM隔膜的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的 AGM隔膜已經(jīng)很難適應(yīng)高性能電池的發(fā)展［5］。對(duì)普通AGM隔膜深入化研究分為兩個(gè)方向，一是對(duì)隔膜進(jìn)行改性，另外一個(gè)就是尋找替代AGM隔膜的產(chǎn)品。新型鉛酸電池如啟停電池主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，要求電池能達(dá)到短時(shí)間大電流放電的作用，對(duì)隔膜的要求為可支撐電池的瞬間大電流放電，所以隔膜要求吸酸性能好，防穿刺能力強(qiáng)等；另一種新型鉛酸電池為純鉛電池，用于儲(chǔ)能、電力輸送、艦艇、雷達(dá)等領(lǐng)域，要求電池容量大、放電穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境溫濕度適應(yīng)力強(qiáng)，所以隔膜需要具備厚度薄、吸酸性能好、強(qiáng)度高、回彈性好等特點(diǎn)。所以在傳統(tǒng)鉛酸電池隔膜的基礎(chǔ)上急需尋找改變隔膜吸酸、強(qiáng)度等性能的成分，使隔膜適配更新?lián)Q代的鉛酸電池。

AGM隔膜內(nèi)部纖維種類［6］、離散度［7］和排列方式對(duì)隔膜的強(qiáng)度［8］、吸酸性能影響較大［9］，纖維離散度小，縱橫向排列差異小，有利于改善電解液分層，從而提高鉛酸蓄電池循環(huán)壽命。增強(qiáng)劑種類有樹脂類、化纖類及纖維類，樹脂類不論熱塑型［10］還是熱固型［11］組分，作用機(jī)理［12］都與AGM隔膜生產(chǎn)過(guò)程不符，而纖維類增強(qiáng)劑形態(tài)與玻璃纖維相似，同時(shí)在隔膜烘干過(guò)程中化學(xué)纖維經(jīng)歷熔化-固化過(guò)程，溫度下降后熔化的部分固化在玻璃纖維之間，作為膠粘劑增強(qiáng)隔膜強(qiáng)度。當(dāng)玻璃纖維隔膜強(qiáng)度達(dá)到上限時(shí)，額外加入有機(jī)纖維會(huì)明顯提高隔膜的強(qiáng)度［13］。同為纖維類制品，植物纖維制成的紙張強(qiáng)度遠(yuǎn)大于玻纖制成的隔膜［14］，原因在于紙張脫水成型過(guò)程中植物纖維間產(chǎn)生氫鍵，使纖維牢牢結(jié)合在一起，而玻璃纖維之間只有物理纏繞、堆疊，所以在玻璃纖維之間增加植物纖維也可增強(qiáng)AGM隔膜的強(qiáng)度性能。因此，選取纖維類增強(qiáng)劑可以有效提高隔膜的強(qiáng)度性能，滿足純鉛電池高強(qiáng)度隔膜的需求。

圖1 有機(jī)纖維與植物纖維作用機(jī)理示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玻璃纖維：44°SR、34°SR、17°SR，榆林天盛緣玻璃纖維科技有限公司；29°SR，阜康市新天源科技有限公司；

雙組份有機(jī)纖維：OFAD，A公司；OFTO，B公司；

木漿纖維：漂白闊葉木漿，亞太森博（山東）漿紙有限公司。

1.1.2 玻纖基材復(fù)配

以不同類型的玻璃纖維微觀結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，選取長(zhǎng)度、直徑等勻度較好的纖維配以短切ECR玻纖（CSTB），通過(guò)濕法抄紙方法得到不同配方的隔膜樣品，通過(guò)檢測(cè)隔膜的強(qiáng)度、吸酸、透氣度等性能選取較優(yōu)的配方組成，抄片配方如表1所示。

表1 純玻纖抄片實(shí)驗(yàn)配方 %

1.1.3 增強(qiáng)劑纖維與玻璃纖維復(fù)配

當(dāng)玻璃纖維強(qiáng)度不足以滿足隔膜需求時(shí)，需要添加增強(qiáng)劑提升隔膜強(qiáng)度，可選的有化纖類與木漿纖維類。化纖類增強(qiáng)原理為纖維的熔融與固化粘結(jié)，而木漿纖維分散在水溶液中時(shí)，纖維素分子內(nèi)部與分子間的氫鍵增強(qiáng)長(zhǎng)鏈間的結(jié)合力。將木漿纖維添加入玻璃纖維漿料中，木漿纖維之間的結(jié)合會(huì)鎖住玻璃纖維，使玻璃纖維與木漿纖維緊緊結(jié)合在一起，與有機(jī)纖維作用原理不同的是木漿纖維無(wú)需經(jīng)過(guò)相變即可產(chǎn)生加固玻璃纖維結(jié)合的作用。玻璃纖維叩解度選擇34°SR，木漿纖維叩解度為20°SR，有機(jī)纖維、木漿纖維與玻璃纖維復(fù)配比例如表2所示。

表2 玻璃纖維與木漿纖維復(fù)配配方 %

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維分析

2.1.1 玻璃纖維分析

選取3種較為常見的玻璃纖維進(jìn)行纖維尺寸檢測(cè)，纖維分析儀的檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，通過(guò)檢測(cè)叩解度分別為17°SR離心棉、29°SR、34°SR、44°SR的火焰棉四種玻璃纖維的長(zhǎng)徑分布可以發(fā)現(xiàn)，四種纖維的長(zhǎng)度均大部分集中在0~0.5 mm之間，受生產(chǎn)工藝的影響，離心棉長(zhǎng)度分布更為集中，勻度較好；在纖維寬度分布圖中可以看出44°SR棉寬度分布的較為集中，最后從長(zhǎng)寬聯(lián)合分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，17°SR與44°SR棉長(zhǎng)度與寬度的集中度較高，29°SR與34°SR棉集中度較差。

圖2 玻璃纖維長(zhǎng)徑分布圖

2.1.2 有機(jī)纖維分析

有機(jī)纖維的DSC分析圖如圖3所示，從圖中可以看出有機(jī)纖維OFAD的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度為116 ℃，OFTO玻璃化轉(zhuǎn)化溫度為133.3 ℃，圖3b中小于100 ℃的峰為水蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量變化造成的，在研究過(guò)程中需注意烘干溫度不能低于116 ℃，否則有機(jī)纖維無(wú)法熔化。

圖3 有機(jī)纖維玻璃化轉(zhuǎn)化溫度

2.2 抄片測(cè)試及分析

表1中4組配方在纖維解離器中疏解1 min后將漿料在抄片機(jī)上脫水成型，隨后在150 ℃烘箱中烘干1 h取出，檢測(cè)樣品的微觀形態(tài)、拉伸強(qiáng)度、穿刺強(qiáng)度、吸酸、透氣度等性能。

2.2.1 SEM分析

純玻纖隔膜、木漿纖維混抄隔膜、有機(jī)纖維混抄隔膜SEM分析如圖4所示，從圖4可以明顯看出，木漿纖維直徑遠(yuǎn)大于玻璃纖維與ECR纖維，且木漿纖維呈扁平狀。從有機(jī)纖維混抄樣品圖片中可以看出，有機(jī)纖維與周圍的玻璃纖維相互粘連在一起，正是此種作用機(jī)理，有機(jī)纖維才能極大增強(qiáng)隔膜的強(qiáng)度性能。

圖4 隔膜樣品的SEM分析

2.2.2 理化性能分析

叩解度不同的玻璃纖維制成的隔膜性能有明顯的差異，叩解度高的纖維直徑較小，在濕法抄造過(guò)程中纖維間結(jié)合的較緊密，隨著叩解度的增加，纖維間空隙率較低，造成隔膜的強(qiáng)度增加、透氣度降低。隔膜樣品的性能如圖5所示，從圖5可以看出，叩解度較高的樣片拉伸強(qiáng)度與穿刺強(qiáng)度較高，透氣度與吸酸量較低。

圖5 玻璃纖維隔膜理化性能

2.2.3 增強(qiáng)劑纖維與玻纖復(fù)合

添加增強(qiáng)劑的隔膜樣品理化性能如圖6所示，添加增強(qiáng)劑后隔膜的拉伸強(qiáng)度與穿刺強(qiáng)度得到提升，但是吸酸量與透氣度有一定程度的下降，這是由于增強(qiáng)劑都在一定程度上降低纖維間空隙率。木漿纖維由于呈扁平狀且直徑較大、有機(jī)纖維由于熔融粘連玻璃纖維，均在一定程度上“占用”玻璃纖維間空隙，所以增強(qiáng)劑對(duì)隔膜有正向提升，也有反向影響。

圖6 添加增強(qiáng)劑隔膜的理化性能

從圖6中可以看出，相同添加量的前提下，OFAD增強(qiáng)拉伸強(qiáng)度較好，OFTO增強(qiáng)穿刺強(qiáng)度效果較好，當(dāng)兩種有機(jī)纖維共同添加時(shí)，優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)，是一種較好的增強(qiáng)劑添加方案。木漿纖維對(duì)隔膜拉伸強(qiáng)度、穿刺強(qiáng)度提升程度不及有機(jī)纖維，但添加木漿纖維后隔膜干燥溫度可以大幅降低，不必考慮有機(jī)纖維的熔融溫度，但添加了木漿纖維后隔膜的吸酸量與透氣度有較大幅度下降。

3 結(jié)論

純鉛電池要求隔膜厚度薄的同時(shí)強(qiáng)度好、吸酸量高，從以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，34°SR玻璃纖維對(duì)強(qiáng)度與吸酸的綜合提升效果最優(yōu)，同時(shí)由于添加木漿纖維會(huì)導(dǎo)致隔膜吸酸量下降，所以有機(jī)纖維在增強(qiáng)隔膜綜合性能方面效果更好，兩種有機(jī)纖維相互搭配使用可進(jìn)一步提升隔膜的綜合性能。