CN101065522A - 粘合纤维以及使用该纤维的碱性电池隔板 - Google Patents

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Abstract

本发明制备粘合纤维,其中纤维表面的至少一部分由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,所述半芳族聚酰胺至少具有芳环单元和可带有C1-3支链烷基链的C3-7链烷单元。该粘合纤维中,上述聚酰胺成分可以是半芳族共聚酰胺(a),所述半芳族共聚酰胺(a)具有芳环单元和可带有C1-3支链烷基链的C3-7链烷单元、可带有C1-3支链烷基链的C8-12链烷单元。上述聚酰胺成分还可以是半芳族聚酰胺(b)与半芳族聚酰胺(c)的组合(d),其中所述半芳族聚酰胺(b)具有芳环单元和可带有C1-3支链烷基链的C3-7链烷单元,所述半芳族聚酰胺(c)具有芳环单元和可带有C1-3支链烷基链的C8-12链烷单元。

Description

粘合纤维以及使用该纤维的碱性电池隔板
技术领域
本发明涉及粘合纤维以及使用该纤维的电池隔板,具体来说,本发明涉及碱锰干电池、银电池、空气电池、镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池、氧化银-锌蓄电池、镍-锌蓄电池、镍-铁蓄电池等碱性电池隔板(特别是高倍率放电中使用的碱性二次电池隔板)以及适合用于其中的粘合纤维。
背景技术
镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池等碱性二次电池的高倍率放电特性优异,因此作为无线电动工具的动力工具用的电源得到广泛应用。适合在上述电池中使用的隔板通常具有纸或非织造织物的形状,构成该纸或非织造织物的纤维有各种纤维。
例如日本特开平9-259856号公报(专利文献1)中公开了由非织造织物形成的电池隔板,其中所述非织造织物以半芳族聚酰胺为主要成分,半芳族聚酰胺由含有60mol%以上芳族羧酸(对苯二甲酸等)的二羧酸成分和含有60mol%以上碳原子数为6-12的链烷二胺(1,9-壬二胺或2-甲基-1,8-辛二胺等)的二胺成分得到。另外,日本特开2004-103459号公报(专利文献2)中公开了以上述半芳族聚酰胺系纤维以及特定的纤维素纤维作为主体纤维的碱性电池隔板,其中所述特定的纤维素纤维使用纺丝原液制备,所述纺丝原液是将纤维素溶解于非反应性溶剂中得到的。
这里,用作隔板的纸或非织造织物通常含有主体纤维和粘合纤维,上述文献所记载的发明都是关于主体纤维的改良,而非关于粘合纤维。并且,这些文献中的实施例等中所具体公开的主体纤维均结晶性和熔点高,完全不具有粘合功能。
通常如上所述,作为电池隔板使用的纸或非织造织物是粘合纤维熔融、软化或溶解,固化,由此固定主体纤维。以往,人们多专注于主体纤维性能提高方面的研究开发,几乎所有的公知技术都是试图改良主体纤维,以提高电池隔板的性能。但是,即使主体纤维使用极高性能的材料,如果与其同时使用的粘合纤维较差,也可能无法发挥主体纤维所具有的优异性能。这是因为,粘合纤维的性能差时,电池隔板的性能受粘合纤维左右,在发挥主体纤维的优异性能之前即丧失了电池隔板的作用或功能。以往作为电池隔板的粘合纤维通常是使用比构成主体纤维的聚合物的熔点低的热塑性纤维、由可在湿润状态下加热熔融的聚合物构成的纤维、或者将这些聚合物作为皮成分的芯皮型复合纤维等。
例如上述专利文献2中记载,粘合纤维的例子有聚乙烯醇系纤维、乙烯-乙烯醇系纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、氯乙烯-乙烯基乙酸共聚物纤维等,其中优选热水熔融性的聚乙烯醇系纤维或乙烯-乙烯醇共聚物纤维。并且通常粘合纤维常用聚乙烯纤维或聚酰胺纤维,构成聚酰胺系粘合纤维的聚合物是聚酰胺6或聚酰胺612等脂族聚酰胺。另外,例如日本特开2001-110390号公报(专利文献3)中公开了由芯成分和皮成分形成的烯烃系粘合纤维,其中所述芯成分由聚丙烯系树脂构成,所述皮成分由聚乙烯系树脂构成。
但是,对于使用聚酰胺6等脂族聚酰胺的粘合纤维,在充放电时产生的热以及充放电导致的氧化还原的反复使得纤维氧化劣化,粘合效果迅速降低,同时发生自放电。另外,使用聚乙烯的粘合纤维耐热性低,可能由于快速充放电时的热而熔融。并且,为聚乙烯醇系纤维时,由于充放电时的热而熔融,同时氧化劣化并自放电。
通过湿式抄纸法制备隔板时,作为粘合纤维所最必需的是在制备隔板纸的步骤中,在由湿润状态进行干燥时通过粘合纤维的临时粘结而发挥粘结力,使得造纸工程性充分发挥,并且在之后的加热条件下也可以表达强的粘合力。但是,以往的粘合纤维中,上述临时粘结力等粘合力与上述耐热劣化性(以下可简称为“耐热性”)或耐氧化劣化性(以下可简称为“耐氧化性”)无法同时实现。
专利文献1:日本特开平9-259856号公报(权利要求1-3、实施例)
专利文献2:日本特开2004-103459号公报(权利要求1-2、实施例)
专利文献3:日本特开2001-110390号公报(权利要求1-2)
发明内容
因此本发明的目的在于提供在高温下具有高的耐氧化劣化性的粘合纤维以及使用该纤维的电池隔板。
本发明的另一目的在于提供高温下的耐电解液性(或耐碱性)、耐热性优异的粘合纤维以及使用该纤维的电池隔板。
本发明的又一目的在于提供与主体纤维组合、通过湿式抄纸法制备非织造织物时的操作性优异的粘合纤维以及使用该纤维的电池隔板。
本发明人为实现上述课题进行了深入的研究,结果发现:使纤维表面的至少一部分由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,则在高温下的高耐氧化劣化性和耐电解液性(耐碱性)、耐热性和粘结性优异,从而完成了本发明。其中所述半芳族聚酰胺至少具有芳环单元和可具有支链烷基链的C3-7链烷单元。
即,本发明的粘合纤维中,纤维表面的至少一部分由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,其中所述半芳族聚酰胺至少具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元。
上述聚酰胺成分可以是具有芳环单元、可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元和可带有C1-3烷基作为支链的C8-12链烷单元的半芳族共聚酰胺(a)。其中,该聚酰胺成分可以是具有二羧酸单元和二胺单元的半芳族共聚酰胺,其中所述二羧酸单元以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元,所述二胺单元以合计全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C4-7链烷二胺单元和可带有甲基作为支链的C8-10链烷二胺单元;例如该共聚酰胺成分可以是由下述二羧酸单元(1)和下述二胺单元(2)构成的半芳族共聚酰胺。
(1)二羧酸单元:以合计全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有选自对苯二甲酸单元和间苯二甲酸单元的至少一种二羧酸单元;
(2)二胺单元:以合计全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元,和选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元。
上述聚酰胺成分可以是半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d),所述半芳族聚酰胺(b)具有芳环单元、可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元;所述半芳族聚酰胺(c)具有芳环单元、可带有C1-3烷基作为支链的C8-12链烷单元。其中,该聚酰胺成分可以是下述两种半芳族聚酰胺的组合,其中第一种半芳族聚酰胺具有以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元的二羧酸单元和以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C4-7链烷二胺单元的二胺单元;第二种半芳族聚酰胺具有以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元的二羧酸单元和以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C8-10链烷二胺单元的二胺单元;该聚酰胺成分例如可以是由上述二羧酸单元(1)和下述二胺单元(3)构成的半芳族聚酰胺,和由下述二羧酸单元(4)和下述二胺单元(5)构成的半芳族聚酰胺的组合。
(3)二胺单元:以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元;
(4)二羧酸单元:以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有对苯二甲酸单元;
(5)二胺单元:以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元。
本发明的粘合纤维可以是芯皮型复合纤维,并且皮部由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,所述半芳族聚酰胺具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元。该芯皮型复合纤维中,皮部可以由半芳族聚酰胺(a)或者半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)构成,且芯部可以由半芳族聚酰胺(c)构成。
本发明也包括包含主体纤维和上述粘合纤维的电池隔板。该隔板可以是以构成粘合纤维的半芳族聚酰胺作为粘结剂,将主体纤维固定成片状。上述主体纤维可以由聚酰胺系树脂(例如由1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺和对苯二甲酸合成的半芳族聚酰胺等)构成。该隔板例如可以是粘合纤维的至少表面由半芳族聚酰胺(a)或者半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)构成,且主体纤维由半芳族聚酰胺(c)构成。该隔板还可以含有拉伸强度为12cN/dtex以上的高强度纤维(聚对亚苯基苯并双唑纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和/或高强度聚乙烯醇系纤维等,特别是聚对亚苯基苯并双唑纤维)或其浆状物作为增强纤维。本发明的电池隔板可以是湿法非织造织物。该电池隔板可以满足下述条件(1)-(3)。
(1)隔板的断裂伸长为3km以上;
(2)在140℃的碱中浸泡30分钟后仍保持隔板的形态,其重量保持率为90%以上,强度保持率为60%以上;
(3)在含有氧化剂的50℃的碱中浸泡1小时后仍保持隔板的形态,其重量保持率为90%以上,强度保持率为60%以上。
本发明也包括使用上述隔板的电池。
本发明的粘合纤维在高温(高热条件下)下的高耐氧化劣化性和耐碱性(耐电解液性)以及耐热性优异。并且,本发明的粘合纤维粘结力高,与主体纤维组合通过湿式抄纸法制备非织造织物时,仅凭临时粘结就可以发挥足够高的粘合力,因此操作性(例如将隔板装配在电池中时的操作性或工艺稳定性等)优异。例如将本发明的粘合纤维制成纸粘合纤维使用时,可以提高纸的拉伸强度,得到造纸的工艺稳定性优异的纸,通过热压处理可以使强度飞跃性提高。并且,本发明的粘合纤维具有上述特性,因此可适合用作需耐受高温或强化学试剂的纤维制品中的粘合纤维。本发明的粘合纤维足以耐受充放电时产生的热,并且在充放电时产生的高热条件下具有高耐氧化劣化性和耐电解液性,因此适合用作电池隔板中的粘合纤维。特别是使用本发明的粘合纤维制成的碱性电池隔板,其耐泄漏性和高倍率放电特性优异,因此适合用作要求大电流放电和高容量化的碱性电池隔板的粘合纤维。
本发明的粘合纤维中,纤维表面的至少一部分由作为粘结成分的聚酰胺成分构成。该聚酰胺成分(粘结成分)由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,所述半芳族聚酰胺至少具有芳环单元和可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C3-7链烷单元,特别是从与粘合纤维的粘结力和耐久性平衡的角度考虑,进一步优选由具有C8-12链烷单元的聚酰胺成分构成,所述C8-12链烷单元可具有支链烷基链。上述具有C8-12链烷单元的方案包含上述半芳族聚酰胺还以共聚的形式具有上述C8-12链烷单元的方案(共聚酰胺中具有C8-12链烷单元的形式),和将上述半芳族聚酰胺与上述具有C8-12链烷单元的其它聚酰胺组合而成的方案(混合物中具有C8-12链烷单元的形式)。本发明中,通过含有由具有上述芳环单元和多种(例如两种)链烷单元的聚酰胺成分构成的纤维,在应用于电池隔板时,可得到隔板制备条件中所必须的充分的工艺稳定性,接着,通过热粘结可以进一步发挥良好的粘合力,并且可得到高温下的耐碱性(耐电解液性)、耐热性、耐氧化性优异的电池。
[粘合纤维(A)]
具体来说,具有C8-12链烷单元作为共聚酰胺的聚酰胺成分是具有芳环单元、可具有支链烷基链(例如C1-3烷基)的C3-7链烷单元、可具有支链烷基链(例如C1-3烷基)的C8-12链烷单元的半芳族共聚酰胺(a)。以下,将聚酰胺成分由上述共聚酰胺构成的粘合纤维称为粘合纤维(A)。上述半芳族共聚酰胺例如有具有二羧酸单元和二胺单元的半芳族共聚酰胺等,其中所述二羧酸单元以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元,所述二胺单元以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C3-7(优选C4-7、进一步优选C5-7)链烷二胺单元和可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C8-12(特别是C8-10)链烷二胺单元。
与芳族二羧酸单元对应的芳族二羧酸例如有芳烃二羧酸[例如邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、2-甲基对苯二甲酸、4-甲基间苯二甲酸、1,4-萘二甲酸、2,5-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、2,7-萘二甲酸、1,4-苯撑二氧基二乙酸(1,4-羧基甲基氧基苯)、1,3-苯撑二氧基二乙酸(1,3-羧基甲基氧基苯)等C8-20芳烃二羧酸等]、双酚型二羧酸[例如二苯甲酸(联苯酸、4,4’-联苯二甲酸等)、4,4’-氧基二苯甲酸、二苯基甲烷-4,4’-二甲酸、二苯砜-4,4’-二甲酸、2,2-双(4-羧基苯基)丙烷等]等。这些芳族羧酸可以单独或将两种以上组合使用。这些芳族羧酸中,优选C8-20芳烃二羧酸,特别优选对苯二甲酸或间苯二甲酸等苯二羧酸。并且,从使粘合纤维为非晶性的形式以提高其粘结性的角度考虑,优选将对苯二甲酸和间苯二甲酸组合使用。
与其它二羧酸单元对应的二羧酸例如有丙二酸、二甲基丙二酸、琥珀酸、3,3-二乙基琥珀酸、戊二酸、2,2-二甲基戊二酸、己二酸、2-甲基己二酸、三甲基己二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、辛二酸、十一烷二酸、十二烷二酸、5-甲基-癸烷二酸等脂族二羧酸,1,3-环戊烷二甲酸、1,4-环己烷二甲酸等脂环式二羧酸等。这些其它的二羧酸单元可以在不损害本发明的效果的范围内含有。另外,还可以在可熔融成型的范围内(例如全部二羧酸单元的0.1-60mol%、特别是1-10mol%左右)含有由偏苯三酸、均苯三酸、均苯四甲酸等多元羧酸衍生的单元作为其它二羧酸。上述其它二羧酸可以单独或将两种以上组合使用。
芳族二羧酸单元的比例为全部二羧酸单元的60mol%以上(例如65-100mol%),优选70mol%以上(例如75-100mol%),进一步优选80mol%以上(例如85-100mol%),特别优选90mol%以上(例如95-100mol%)左右。芳族二羧酸单元的比例过低,则所得粘合纤维的粘结性、耐碱性、耐氧化性等各物性降低,用于电池隔板时,隔板的强度、耐碱性、耐氧化性降低。
其中,从粘合纤维的粘结力和隔板的强度、耐碱性、耐氧化性、耐热性等角度考虑,优选全部二羧酸单元100%均实质上为对苯二甲酸和/或间苯二甲酸。特别优选对苯二甲酸单元和间苯二甲酸单元共存的情况,此时,对苯二甲酸单元和间苯二甲酸单元的摩尔比为对苯二甲酸单元/间苯二甲酸单元=95∶5-20∶80,优选90∶10-25∶75,进一步优选85∶15-30∶70左右。两者的摩尔比在该范围内,则可以高度满足粘合纤维的粘结力以及隔板所要求的性能。
与可具有支链烷基链的C3-7链烷二胺单元对应的二胺例如有1,3-三亚甲基二胺、1,4-四亚甲基二胺、2,5-二甲基己二胺(特别是2,2,5,5-四甲基-1,4-四亚甲基二胺)、1,5-戊二胺、2-甲基-1,5-戊二胺、3-甲基-1,5-戊二胺、1,6-己二胺、2,2,4-三甲基己二胺(特别是2,2,4-三甲基-1,6-己二胺)、2,4,4-三甲基己二胺(特别是2,4,4-三甲基-1,6-己二胺)、1,7-庚二胺等。这些二胺可以单独或将两种以上组合使用。这些二胺中,优选可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C5-7链烷二胺(例如1,6-己二胺、2,2,4-三甲基己二胺、2,4,4-三甲基己二胺等可具有甲基的己二胺),从粘结力、耐碱性和耐氧化性角度考虑,特别优选1,6-己二胺。
与可具有支链烷基链的C8-12链烷二胺单元对应的二胺例如有1,8-辛二胺、2-甲基-1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、5-甲基-1,9-壬二胺、1,10-癸二胺、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺等。这些二胺可以单独或将两种以上组合使用。这些二胺中,优选可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C8-10链烷二胺(例如1,9-壬二胺、2-甲基-1,8-辛二胺等)。
上述两种二胺单元(可具有支链烷基链的C3-7链烷二胺单元和可具有支链烷基链的C8-12链烷二胺单元)的比例(摩尔比)是前者∶后者=3∶97-80∶20,优选5∶95-75∶25,进一步优选10∶90-70∶30左右的范围。两种二胺单元的比例在该范围内,则半芳族聚酰胺为非晶性,高度满足粘结力;而脱离该范围,则粘结性、耐碱性、耐氧化性等降低。
如上所述,通过存在可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C3-7链烷二胺单元(特别是选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元、1,6-己二胺单元的一种以上单元)和可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C8-12链烷二胺单元(1,9-壬二胺单元和/或2-甲基-1,8-辛二胺单元)两种单元作为二胺单元,可以得到使粘结性和各种耐性兼顾的优异效果。即,不存在可具有支链烷基链的C3-7链烷二胺单元时,粘合能力和临时粘结力降低,而不存在可具有支链烷基链的C8-12链烷二胺单元时,粘合纤维的耐碱性和耐氧化性降低,并且粘合纤维制备步骤中纤维之间胶着,例如在抄纸步骤中纤维分散性降低。
特别是在将1,6-己二胺和1,9-壬二胺以及2-甲基-1,8-辛二胺组合时,1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺的比例(摩尔比)为1,9-壬二胺/2-甲基-1,8-辛二胺=99∶1-40∶60,优选90∶10-45∶55左右。并且,1,6-己二胺与1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺的合计的比例(摩尔比)为前者/后者=3∶97-80∶20,优选5∶95-75∶25,进一步优选10∶90-70∶30左右。二胺单元在这些摩尔比的范围内,则粘合纤维的粘结性(临时粘结性和粘合力)和分散性(即通过湿式抄纸法制备隔板时的粘合纤维在水中的分散性)的平衡优异。
与其它二胺单元对应的二胺例如有1,3-环己二胺、1,4-环己二胺、1,3-环己二甲胺、1,4-环己二甲胺、双(4-氨基环己基)甲烷、双(4-氨基环己基)丙烷、双(3-甲基-4-氨基环己基)甲烷、双(3-甲基-4-氨基环己基)丙烷、5-氨基-2,2,4-三甲基-1-环戊烷甲基胺、5-氨基-1,3,3-三甲基环己烷甲胺、双(氨基丙基)哌嗪、双(氨基乙基)哌嗪、降冰片烷二甲基胺、三环癸烷二甲胺等脂环式二胺;对苯二胺、间苯二胺、对二甲苯二胺、间二甲苯二胺、4,4’-二氨基二苯基甲烷、4,4’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基二苯醚等芳族二胺等,这些其它的二胺可以在不损害本发明效果的范围(例如全部二胺单元的0.1-60mol%,特别是1-10mol%左右)含有。这些其它的二胺可以单独或将两种以上组合使用。
可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C3-7链烷二胺单元和可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C8-12链烷二胺单元的合计比例为全部二胺单元的60mol%以上(例如65-100mol%),优选70mol%以上(例如75-100mol%),进一步优选80mol%以上(例如85-100mol%),特别优选90mol%以上(例如95-100mol%)左右。两种二胺单元的合计比例过低,则所得粘合纤维的粘结性(临时粘结力),耐碱性、耐氧化性等各物性降低。
其中,作为电池隔板使用时,从隔板的强度、耐碱性、耐氧化性、耐热性等角度考虑,优选实质上二胺单元100%为选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元与选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元的组合。
优选的半芳族共聚酰胺(a)具体来说是由下述二羧酸单元(1)和下述二胺单元(2)构成的半芳族共聚酰胺。
(1)二羧酸单元:合计以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有选自对苯二甲酸单元和间苯二甲酸单元的至少一种二羧酸单元;
(2)二胺单元:合计以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元和选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元;
制备上述半芳族聚酰胺的方法没有特别限定,可以采用已知的常用的制备聚酰胺的方法(例如以酰氯和二胺为原料的溶液聚合法、界面聚合法,以二羧酸和二胺作为原料的熔融聚合法、固相聚合法、熔融挤出聚合法等方法)。
从所得粘合纤维、使用该纤维制备的电池隔板的强度、耐碱性、耐氧化性等提高的角度考虑,本发明中使用的半芳族聚酰胺优选用封端剂对其分子链的末端基团进行封端。封端率可以是10mol%以上(例如10-100mol%),优选40mol%以上(例如40-99mol%),进一步优选50mol%以上(例如50-95mol%),更进一步优选70mol%以上(例如70-90mol%)左右。封端剂只要是与聚酰胺末端的氨基或羧基具有反应性的单官能性化合物即可,没有特别限定,从反应性和封端的稳定性等角度考虑,优选一元羧酸(各种脂族一元羧酸或芳族一元羧酸等)或一元胺(各种脂族一元胺或芳族一元胺等)。优选的具体封端剂的代表性例子有苯甲酸。
[粘合纤维(B)]
具体来说,混合物形式的具有C8-12链烷单元的聚酰胺成分是半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d),其中所述半芳族聚酰胺(b)具有芳环单元和可具有支链烷基链(例如C1-3烷基)的C3-7链烷单元,半芳族聚酰胺(c)具有芳环单元和可具有支链烷基链(例如C1-3烷基)的C8-12链烷单元。以下,将聚酰胺成分由上述组合构成的粘合纤维称为粘合纤维(B)。上述组合有半芳族聚酰胺(b1)和半芳族聚酰胺(c1)的组合(d1)等,其中所述半芳族聚酰胺(b1)具有以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元的二羧酸单元和以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C3-7(优选C4-7、进一步优选C5-7)链烷二胺单元的二胺单元;所述半芳族聚酰胺(c1)具有以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元的二羧酸单元和以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C8-12(特别是C8-10)链烷二胺单元的二胺单元。
半芳族聚酰胺(b)中,与芳族二羧酸单元对应的芳族二羧酸可以使用在上述粘合纤维(A)项中所例举的芳族二羧酸。这些芳族二羧酸可以单独或将两种以上组合使用。这些芳族二羧酸中,优选C8-20芳烃二羧酸,特别优选对苯二甲酸或间苯二甲酸等苯二甲酸。并且,从使粘合纤维为非晶性、以提高其粘结性的角度考虑,优选将对苯二甲酸和间苯二甲酸组合使用。即,半芳族聚酰胺(b)优选为非晶性。
与其它二羧酸单元对应的二羧酸可以使用上述粘合纤维(A)的项目中所例举的其它二羧酸。
芳族二羧酸单元相对于全部二羧酸单元的比例、对苯二甲酸和间苯二甲酸的比例也与上述粘合纤维(A)中半芳族聚酰胺(a)同样。
可具有支链烷基链的C3-7链烷二胺可以使用上述粘合纤维(A)项目中所例举的二胺。这些二胺可以单独或将两种以上组合使用。这些二胺中,优选可带有C1-3烷基(特别是甲基)的C5-7链烷二胺(例如1,6-己二胺、2,2,4-三甲基己二胺、2,4,4-三甲基己二胺等可具有甲基的己二胺),特别是从粘结力、耐碱性和耐氧化性角度考虑,优选1,6-己二胺。
与其它二胺单元对应的二胺例如可以使用粘合纤维(A)项目中所例举的可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C8-10链烷二胺以及其它二胺等。
可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C3-7链烷二胺单元的比例为全部二胺单元的60mol%以上的比例(例如65-100mol%),优选70mol%以上(例如75-100mol%),进一步优选80mol%以上(例如85-100mol%),特别优选90mol%以上(例如95-100mol%)左右。该二胺单元的比例过低,则粘结力、耐碱性、耐氧化性等各物性降低。
优选的半芳族共聚酰胺(b)具体来说是由上述粘合纤维(A)项目中例举的二羧酸单元(1)和下述二胺单元(3)构成的半芳族聚酰胺。
(3)二胺单元:以全部二胺单元中60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元
半芳族聚酰胺(c)中,与芳族二羧酸单元对应的芳族二羧酸可以使用上述粘合纤维(A)项目中所例举的芳族二羧酸。这些芳族二羧酸可以单独或将两种以上组合使用。这些芳族二羧酸中,优选C8-20芳烃二羧酸,特别优选对苯二甲酸等苯二羧酸。并且,从使粘合纤维为结晶性以提高耐热性、耐电解液性、耐氧化劣化性的角度考虑,优选使用对苯二甲酸。即半芳族聚酰胺(c)优选为结晶性。
构成二羧酸单元的其它二羧酸可以使用上述粘合纤维(A)项目中所例举的其它二羧酸。
芳族二羧酸单元(特别是对苯二甲酸单元)的比例为全部二羧酸单元的60mol%以上(例如65-100mol%),优选70mol%以上(例如75-100mol%),进一步优选80mol%以上(例如85-100mol%),特别优选90mol%以上(例如95-100mol%)左右。芳族二羧酸单元(特别是对苯二甲酸单元)的比例过低,则结晶性降低,耐热性、耐电解液性、耐氧化劣化性等各物性降低。其中,从结晶性的角度考虑,半芳族聚酰胺(c)中,优选全部二羧酸单元100%实质上为对苯二甲酸。
与可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C8-12链烷二胺单元对应的二胺可以使用上述粘合纤维(A)项目中所例举的二胺。这些二胺可以单独或将两种以上组合使用。这些二胺中,优选可具有甲基的C8-10链烷二胺(例如1,9-壬二胺、2-甲基-1,8-辛二胺等),特别是从纺丝性等角度考虑,优选1,9-壬二胺与2-甲基-1,8-辛二胺的组合。1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺的比例(摩尔比)为1,9-壬二胺∶2-甲基-1,8-辛二胺=99∶1-40∶60,优选90∶10-45∶55左右。两种胺的比例在该范围内,则纺丝性提高,可得到可形成均匀的电池隔板的粘合纤维。
与其它二胺单元对应的二胺例如还可使用在粘合纤维(A)项目中所例举的可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C3-7链烷二胺及其它二胺等。
可具有支链烷基链(C1-3烷基)的C8-12链烷二胺单元的比例为全部二胺单元的60mol%以上的比例(例如65-100mol%),优选70mol%以上(例如75-100mol%),进一步优选80mol%以上(例如85-100mol%),特别优选90mol%以上(例如95-100mol%)左右。其中,从结晶性的角度考虑,在半芳族聚酰胺(c)中,优选全部二胺单元100%实质上为1,9-壬二胺和/或2-甲基-1,8-辛二胺(特别是1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺)。
优选的半芳族共聚酰胺(c)具体来说是由下述二羧酸单元(4)和下述二胺单元(5)构成的半芳族聚酰胺。
(4)二羧酸单元:以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有对苯二甲酸单元
(5)二胺单元:以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元
如上所述,粘合纤维(B)中,通过半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)两种半芳族聚酰胺的组合,可以得到使粘结性和各种耐性同时实现的优异的效果。即,在不存在半芳族聚酰胺(b)时,所得粘合纤维不具有粘合能力和临时粘结力,而不存在半芳族聚酰胺(c)时,无法获得粘合纤维的耐碱性和耐氧化性,并且在粘合纤维的制备步骤中纤维之间胶着,例如在抄纸步骤中纤维的分散性降低。半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)通常是通过挤出机等将两种聚酰胺熔融混炼而获得的混合物。
半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的比例(重量比)为前者/后者=10∶90-90∶10,优选20∶80-80∶20,进一步优选30∶70-70∶30左右。脱离该范围,则作为粘合纤维时的粘结性能和分散性的平衡被破坏,不优选。本发明中,半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)之间可能由于混炼状态而发生酰胺键的交换反应,本发明中,越发生上述交换反应则粘合纤维的粘合力增加,因此优选。为了发生交换反应,例如可使半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)在280-350℃(特别是280-330℃)的温度范围内熔融混炼1-30分钟(特别是3-25分钟)左右。
半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的制备方法或封端与上述半芳族聚酰胺(a)同样。
本发明中,粘合纤维(A)和粘合纤维(B)中,从粘结性的角度考虑,优选将两种半芳族聚酰胺组合而成的粘合纤维(B)。并且,本发明中,粘合纤维中,纤维表面的至少一部分可以由将半芳族聚酰胺(a)和半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)组合得到的聚酰胺成分构成。
[粘合纤维及其制备方法]
本发明的粘合纤维中除了其它聚合物成分(其它的热塑性树脂或热固化性树脂等)之外,还可以含有常用的添加剂、填充剂、各种稳定剂(抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂等)、着色剂、增塑剂、分子量调低剂等。这些聚合物成分、添加剂可以单独或将两种以上组合使用。
本发明的粘合纤维中,纤维表面的至少一部分由上述聚酰胺成分构成,优选纤维表面的50%以上、进一步优选70%以上(特别优选90%以上)由上述聚酰胺成分构成,特别优选纤维的全部表面(实质为100%)由上述聚酰胺成分构成。纤维的全部表面由上述聚酰胺成分构成的纤维中,纤维除了由上述聚酰胺成分构成的纤维之外,也包含与其它聚合物成分组合而成的但全部表面由上述聚酰胺成分构成的复合纤维。复合纤维的形式有芯皮型复合纤维、海岛型复合纤维等。
粘合纤维可通过以往已知的聚酰胺的常规熔融纺丝法进行纺丝。例如可以将未拉伸的纺丝原丝直接用作粘合纤维,也可以利用将纺丝原丝通过湿热或干热拉伸得到拉伸丝。通过拉伸可使纤维直径减小,耐碱性提高,但粘结性降低,因此可根据用途适当选择。
如上所述,粘合纤维可以是只将作为粘结成分的聚酰胺成分进行纤维化,制成粘合纤维,也可以是将与其它热塑性树脂组合而成的复合纤维制成粘合纤维。从耐热性角度考虑,特别优选将与结晶性树脂等组合而成的复合纤维制成粘合纤维。复合纤维的复合形式有芯皮型复合纤维、海岛型复合纤维、贴合型复合纤维等,可以是粘结性成分的聚酰胺成分暴露在纤维表面的结构。特别是从可使聚酰胺成分暴露于纤维整个表面的角度考虑,优选芯皮型复合纤维、海岛型复合纤维(特别是芯皮型复合纤维)。
其它热塑性树脂例如有聚酰胺系树脂、聚酯系树脂、聚氨酯系树脂、聚碳酸酯系树脂、烯烃系树脂、丙烯酸系树脂、苯乙烯系树脂等。这些热塑性树脂可以单独或将两种以上组合使用。从与聚酰胺成分的贴合性等角度考虑,这些热塑性树脂中优选聚酰胺树脂(聚酰胺6等脂族聚酰胺、半芳族聚酰胺、MXD6等芳族聚酰胺等),特别优选半芳族聚酰胺(c)等半芳族聚酰胺。
制成复合纤维时,其它热塑性树脂优选具有比作为粘结成分的聚酰胺成分高的熔点或软化点(例如高5℃以上,优选10℃以上)。例如使用半芳族聚酰胺(c)作为芯成分,使用半芳族聚酰胺(a)、或者半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)作为皮成分的芯皮型复合纤维,其芯部和皮部之间的剥离小,并且可以高度满足作为电池隔板所要求的性能,因此优选。复合纤维中,芯部和皮部的比例(重量比)为芯部/皮部=90∶10-10∶90,优选80∶20-25∶75,进一步优选75∶25-40∶60左右。
芯皮型复合纤维中,皮成分聚酰胺成分的熔融峰的焓比芯成分的聚合物的焓低(例如低10-50J/g、优选低15-45J/g左右)。特别优选皮成分半芳族聚酰胺(a)或组合(d)的熔融峰的焓为0-50J/g,且比半芳族聚酰胺(c)的熔融峰的焓小的情况,这种情况下,只有皮成分熔融,芯成分保持纤维形状,因此可获得粘结强度、即隔板的强度高的特点。更优选半芳族聚酰胺(a)或者组合(d)的熔融峰的焓为3-40J/g,且比半芳族聚酰胺(c)的熔融峰的焓小10-50J/g(特别是15-45J/g)的情况。
本发明的粘合纤维中,粘结成分(特别是半芳族聚酰胺(a)或者组合(d))的结晶峰温度(伴随结晶的发热峰值)例如为160-200℃、优选165-190℃、进一步优选165-185℃左右。结晶峰的温度在该范围之外则粘结性、耐碱性、耐氧化劣化性有降低倾向。该结晶峰温度由上述的酰胺反应的交换反应程度决定,随着交换反应的进行,结晶峰向高温一侧偏移,同时结晶峰面积减小。根据聚酰胺的种类的不同,可能由于拉伸而使结晶峰消失,因此进一步优选未拉伸丝。
粘合纤维的平均纤度例如为0.01-5dtex(分特),优选0.1-4.5dtex,进一步优选0.4-4dtex左右。纤度过小则工业化制备非常困难,并且例如通过湿式抄纸法制备电池隔板时纤维的分散性降低,可能无法获得具有均匀材质的目标隔板。另外,纤度过大则导致隔板的细孔径增大,容易发生短路,隔板的强度也降低。
粘合纤维的纤维长度没有特别限定,可以通过将所得未拉伸丝、拉伸丝分别切成所希望的纤维长度,根据用途进行选择。例如象用作电池隔板使用时等的通过湿式抄纸法制备非织造织物时,粘合纤维的平均纤维长(切断长度)例如为1-20mm,优选3-15mm左右。这是由于如果纤维长度过短则工业化产率降低,并且所得隔板的拉伸强度降低,在电池制备步骤中可能发生隔板破裂等问题。而纤维长度过长则纤维的分散性容易不良,可能难以获得具有均匀材质的目标隔板。另外,在制备干法非织造织物时,从梳理通过性、所得隔板的强度角度考虑,优选切断长度为5-75mm左右。
为了提高湿式抄纸法制备非织造织物时单纤维的分散性,或者提高干法非织造织物中的梳理通过性,优选在纤维化的阶段该粘合纤维中添加表面活性剂。本发明中,特别是为了在伴随有电化学反应的电池隔板中应用,优选使用不含金属离子的非离子系表面活性剂(例如多元醇脂肪酸酯等脂型非离子系表面活性剂,或者具有聚氧乙烯基团的醚型非离子系表面活性剂等)。
[电池隔板]
本发明的电池隔板包含形成隔板骨架的主体纤维和上述粘合纤维。本发明的隔板可根据需要进一步含有用于增强隔板强度的纤维(增强纤维)或用于控制隔板的孔径、提高抗短路性的纤维(填料纤维(目止繊維))。
主体纤维只要是熔点或软化点比粘合纤维高的纤维即可,没有特别限定,可以使用常用的合成或天然纤维。主体纤维例如有聚烯烃系纤维(聚丙烯、聚甲基戊烯纤维等)、聚乙烯醇纤维、乙烯改性聚乙烯醇纤维、聚酰胺系纤维、聚酯系纤维、聚对亚苯基苯并双唑纤维、聚苯硫醚纤维、纤维素纤维(人造丝、纸浆等)等。这些纤维可以单独或将两种以上组合使用。主体纤维可根据其目的采用后述的增强纤维中所例举的纤维(例如全芳族聚酰胺纤维或聚对亚苯基苯并双唑纤维等)。
这些纤维中,从与由聚酰胺成分构成的粘合纤维的粘结性等角度考虑,主体纤维优选聚酰胺系纤维例如脂族聚酰胺纤维(由聚酰胺46、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610、聚酰胺612、聚酰胺11、聚酰胺12等构成的纤维等)、全芳族聚酰胺纤维(由聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯二甲酰间苯二胺等构成的纤维等)、半芳族聚酰胺纤维[聚酰胺6-IT(二胺单元由六亚甲基二胺构成、二羧酸单元由间苯二甲酸和对苯二甲酸的组合构成的聚酰胺)、聚酰胺6-6IT(二胺单元由六亚甲基二胺构成、二羧酸单元由己二酸和间苯二甲酸和对苯二甲酸的组合构成的聚酰胺)、聚酰胺9M-T(二胺单元由1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺的组合构成、二羧酸单元由对苯二甲酸构成的聚酰胺)等]。其中,从与粘合纤维的贴合力高、且主体纤维的机械特性优异角度考虑,特别优选由聚酰胺9M-T等构成的半芳族聚酰胺纤维。
主体纤维的粗度(平均纤度)例如为0.01-5dtex,优选0.03-4.5dtex,进一步优选0.05-4dtex左右。纤度如果不在该范围内则会出现与粘合纤维的情况同样的问题。另外,这些纤维还可以如通常的造纸时所进行的,在抄纸之前首先对要使用的纤维进行打浆,使纤维形成原纤,将纤维的平均粗度和纤维长度同时减小。主体纤维在构成电池隔板的全部纤维中所占的比例通常为40-90重量%左右,优选40-85重量%,进一步优选45-80重量%左右。
增强纤维可使用拉伸强度为12cN/dtex以上(例如12-40cN/dtex、优选15-40cN/dtex左右)的高强度纤维。上述高强度纤维例如可以是无机纤维(碳纤维或玻璃纤维等),从主体纤维与粘合纤维的粘结性等角度考虑,通常使用有机纤维。有机纤维例如有高强度聚乙烯纤维、高强度(交联型)聚乙烯醇纤维、全芳族聚酰胺纤维(芳族聚酰胺纤维)、全芳族聚酯纤维(聚芳酯纤维)、聚对亚苯基苯并双唑纤维等。这些高强度纤维可以单独或将两种以上组合使用。
这些高强度纤维中,从高强度且耐碱性优异角度考虑,优选聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对亚苯基苯并双唑纤维、高强度聚乙烯醇纤维,特别优选聚对亚苯基苯并双唑纤维。特别是碱性电池装配时的回卷性有问题时,通过适当配合选自聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对亚苯基苯并双唑纤维、以及高强度聚乙烯醇纤维的至少一种作为增强纤维,可以使隔板具有可对抗回卷时的张力的拉伸强度和对抗电极材料的毛边的耐切创强度等的机械特性。
这些高强度纤维可以是纤维自身的形状(纺丝后的形状),也可以是浆状。本发明中,浆状物是指通过通常造纸时所进行的打浆处理等而形成的原纤化形状的纤维。
增强纤维在构成电池隔板的全部纤维中所占的比例通常为0-30重量%左右,优选0.1-20重量%,进一步优选0.5-10重量%(特别是1-5重量%)左右。增强纤维的平均纤度也与上述粘合纤维同样,例如为0.01-5dtex,优选0.03-4.5dtex,进一步优选0.05-4dtex左右。
为了控制电池隔板的孔径,填料纤维通常使用1dtex或以下(例如0.001-1dtex,优选0.01-0.8dtex,进一步优选0.03-0.5dtex左右)的超细纤维。填料纤维例如可使用在主体纤维中所例举的纤维,从与主体纤维的贴合性角度考虑,通常使用与主体纤维同一种类或同一系统(特别是相同)的纤维。这些填料纤维可以单独或将两种以上组合使用。
填料纤维在构成电池隔板的全部纤维中所占的比例例如为1-30重量%,优选3-20重量%,进一步优选5-15重量%左右。根据需要,填料纤维的比例也可以以超过该范围的比例配合,例如也可以使用超细纤维作为主体纤维,使主体纤维本身具有填料纤维的功能。
制备填料纤维的方法可以使用通过匀浆机、打浆机等使纤维机械原纤化的方法,由海岛复合纺丝纤维中除去海成分的方法,或者将可分割的复合纺丝纤维进行分割的方法等。
粘合纤维在构成电池隔板的全部纤维中所占的比例例如为10-60重量%,优选12-50重量%,进一步优选15-45重量%左右。粘合纤维的比例过少则粘结性不足,隔板的拉伸强度容易降低,相反过多则热粘结时收缩增大,隔板的耐热性容易降低。
本发明的隔板中,主体纤维、增强纤维和填料纤维必须分别具有比组合使用的、构成粘合纤维的聚酰胺成分[特别是半芳族聚酰胺(a)或(b)]高的熔点或软化点。优选具有比上述聚酰胺成分高10℃以上(例如10-100℃)的熔点或软化点。另外,如人造丝、纸浆等那样不具有熔点或软化点的纤维也包含在具有上述高熔点或软化点的纤维中。
主体纤维、增强纤维和填料纤维的纤维长度(切断长度)根据纤维的粗度而定,为湿法非织造织物时,例如分别为0.1-20mm,优选0.5-15mm左右。
本发明的电池隔板可以是织物,但通常是通过上述粘合纤维的粘结力而制成片状的非织造织物。非织造织物例如有干法非织造织物、湿法非织造织物、熔喷非织造织物、纺粘非织造织物等。这些非织造织物中,从兼顾隔板的强度和隔板的特性的角度考虑,优选湿法非织造织物。并且,本发明的隔板还可以是这些非织造织物的层合体。
如果由于电池的制备中使用的自动分组卷绕装配机器(自动化装配电池的机械,是卷绕隔板,并将卷绕的隔板装入电池壳体的机械)而使隔板无法抵抗其张力而包含破裂的情况,为了提高拉伸强度,可以配合本发明的粘合纤维[特别是粘合纤维(A)和(B)]以外的粘合纤维。所述粘合纤维例如可优选使用乙烯改性的聚乙烯醇纤维。乙烯改性的聚乙烯醇纤维例如具有使碱性二次电池在使用中分解的可能性,但不会使电池性能显著降低,因此可在不损害本发明的效果的范围内使用。
本发明中,特别是聚酰胺9M-T纤维(由1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺和对苯二甲酸得到的聚酰胺纤维)和聚对亚苯基苯并双唑纤维均耐电解液、耐氧化、耐热性优异,因此优选以聚酰胺9M-T纤维作为主体纤维和填料纤维,进一步优选以聚对亚苯基苯并双唑纤维作为增强纤维。
本发明的电池隔板的单位面积重量没有特别限定,为了实现碱性电池的高容量化,例如可以是80g/m2或以下(例如10-80g/m2),优选75g/m2或以下(例如15-75g/m2),进一步优选70g/m2或以下(例如20-70g/m2)左右。单位面积重量过小则耐泄漏性降低。
电池隔板的厚度没有特别限定,为了有效地进行电池反应,优选使正极和负极的间隔尽量小。具体来说,隔板的厚度例如为20-300μm,优选30-250μm,进一步优选50-200μm(特别是50-150μm)左右。隔板的厚度过大则可通过降低内部电阻、增加活性物质量、或者延长电极板实现的电池的高容量化变得难以实现。而厚度过小则耐泄漏性降低。
为了对抗高速自动分组卷绕装配机的张力,获得高产率,电池隔板的拉伸强度例如必须为3kN/m以上,优选3-30kN/m,进一步优选3.1-20kN/m左右。这根据自动分组卷绕装配机的种类、制造条件而不同,不过拉伸强度过小则隔板无法抵抗电池制造时自动分组卷绕装配机的张力而发生破裂,或者宽度变窄等无法实现稳定的卷绕装配。另一方面,关于上限值并没有特别限定,但超过30kN/m的隔板难以制造。本发明中,具有3kN/m以上的高拉伸强度的隔板可通过使用本发明的聚酰胺成分作为粘合纤维、使用强度高的纤维作为主体纤维、再使用增强纤维、然后提高单位面积重量来实现。
电池隔板的断裂伸长与拉伸强度同样,与卷绕时工程步骤的稳定性、电池使用时相对于电极膨胀的强度等有关。隔板的断裂伸长例如为3km以上,优选3-45km,进一步优选4.5-30km左右。断裂伸长为3km以上时,低单位面积重量的隔板就可以使用低速的自动分组群卷绕装配机等进行电池装配,另外对于电池使用时电极的膨胀,不会发生短路,可以使用。另外,通过制成低单位面积重量,可以增加电极材料的空间,使电池实现高容量。另一方面,对于上限值并没有特别限定,但是超过45km的隔板难以制备。本发明中,高断裂伸长可通过使用本发明的粘合纤维实现。
电池隔板的细孔径(孔径)与耐泄漏性相关。耐泄漏性还与上述单位面积重量和厚度相关,只要可以形成隔板(隔板用的非织造织物)即可,没有特别限定,可以在平均细孔径50μm或以下、最大细孔径80μm或以下的范围内选择,从可以实现高容量且大电流放电的角度、从可实现低单位面积重量、低厚度的角度考虑,平均细孔径为30μm或以下(例如1-30μm),优选25μm或以下(例如3-25μm),最大细孔径为50μm或以下(例如1-50μm),优选45μm或以下(例如10-45μm)。最大细孔径超过50μm则抗短路性不足,无法实用。平均细孔径低于1μm时,正极、负极之间的电阻增大。细孔径可根据隔板的单位面积重量、所使用的纤维的粗度、填料纤维的使用量、粘合纤维的使用量、非织造织物制造时加热加压条件等进行改变,例如可以通过增加单位面积重量、减小纤维粗度、增加填料纤维或粘合纤维的使用量、提高加热加压条件来缩小细孔径。
电池隔板的耐切创强度例如可以是70mN·m2/g以上(例如70-1000mN·m2/g),特别是为了对抗高速自动分组卷绕装配机的张力,优选120mN·m2/g以上(例如120-1000mN·m2/g),进一步优选140mN·m2/g以上(例如140-500mN·m2/g)左右。耐切创强度低于70mN·m2/g则以高张力卷绕隔板、装配电池时,隔板因电极板的毛边或边缘而容易受损伤,容易发生短路。对于上限值并没有特别限定,但是超过1000mN·m2/g的隔板的制造是困难的。为了提高耐切创抵抗(强度),可以采用使用高强度纤维、增加其使用量的方法,提高非织造织物单位面积重量的方法,增加粘合纤维的量的方法等。
本发明的电池隔板的耐电解液性、耐碱性、耐热性、耐氧化劣化性等优异,因此可以广泛应用在碱性电池(碱锰干电池、碱性二次电池等)、银电池、铅蓄电池、空气电池等各种电池中。其中,广泛用于正极使用金属氧化物或金属氢化物,负极使用镉、锌、铁、它们的氢氧化物或吸氢合金的碱性电池等,特别适合用在以高倍率反复进行充放电使用的碱性二次电池(氧化银-锌蓄电池、镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池、镍-锌蓄电池、镍-铁蓄电池等)。
碱性二次电池隔板的耐热性、耐氧化性、耐电解液性(耐碱性)与电池的周期寿命有关。在谋求碱性二次电池的高容量化、高输出功率化的过程中,充放电循环导致电池内部的温度进一步升高,此时,在产生的高温碱水溶液中的隔板因分解而劣化,使隔板的保液性、以及树枝状晶体生长的保护膜功能降低,加速了周期寿命的劣化。
电池应用于电动工具等动力工具中时,高倍率放电较多,电池的内部温度可能超过170℃。因此,对隔板的耐热性要求也增高,希望即使超过170℃隔板仍可保持形态、发挥其功能。例如,对于以聚丙烯纤维为主体的烯烃系隔板,在到达聚丙烯的熔点的170℃以上时,隔板难以保持其形态。
本发明中,是以在140℃或180℃下将隔板浸泡在30重量%浓度的氢氧化钾(KOH)水溶液中30分钟后的形态保持性、保持形态时的重量保持率、强度保持率作为耐热性的指标。
本发明的隔板的耐热性优选在140℃具有形态保持性,进一步优选在180℃具有形态保持性。构成隔板的纤维中,耐热性最低的纤维通常是粘合纤维,因此使用本发明的粘合纤维可以提高隔板的耐热性。本发明的粘合纤维的粘结机理是利用了粘结成分的非晶成分进行的热粘结,粘结性越高则非晶成分越多,耐热性降低。因此,通过将非晶成分控制到可获得必要的最低限度的粘结性这样的最低限度,可以保持粘结成分的耐热性,也就是保持隔板的耐热性。非晶成分量的控制根据粘结性成分的树脂组成、制粒条件、制丝条件等进行。
具体来说,在本发明的电池隔板中,140℃下的重量保持率优选90%以上(例如90-100%),进一步优选95%以上(例如95-99.9%)。140℃下的强度保持率优选60%以上(例如60-100%),进一步优选70%以上(例如70-99.9%),特别优选80%以上(例如80-99.5%)。
180℃下的隔板的重量保持率优选80%以上(例如80-100%),进一步优选90%以上(例如90-99%)。180℃下的强度保持率优选10%以上(例如10-70%),进一步优选15%以上(例如15-65%),特别优选20%以上(例如20-60%)。优选180℃下的重量保持率和强度保持率均高,但是目前的技术下,强度保持率的上限值约为70%。通常强度保持率为10%以上,这样,隔板可以保持形态,可充分发挥其功能,当然这根据电池的种类而定。
电池的内部高温,则伴随着充放电时电极的氧化还原反应,隔板容易氧化劣化。本发明中,是以使用5重量%浓度的KMnO4水溶液(250ml)和30重量%浓度的KOH水溶液(50ml)的混合溶液、在50℃或80℃下浸泡1小时后隔板的形态保持性、保持形态时的重量保持率、强度保持率作为耐氧化性的指标。
本发明的隔板的耐氧化性优选在50℃下具有形态保持性,进一步优选在80℃下也具有形态保持性。
具体来说,本发明的电池隔板中,50℃下的重量保持率优选90%以上(例如90-100%),进一步优选95%以上(例如95-99.99%),特别优选97%以上(例如97-99.9%)。50℃下的强度保持率优选60%以上(例如60-100%),进一步优选70%以上(例如70-99.99%),特别优选80%以上(例如80-99.9%)。
80℃下的隔板的重量保持率优选30%以上(例如30-100%),进一步优选50%以上(例如50-99.9%),特别优选70%以上(例如70-99.5%)。80℃下的强度保持率例如为1%以上,优选2%以上(例如2-70%),进一步优选3%以上(例如3-50%),特别优选5%以上(例如5-30%)。优选80℃下的重量保持率和强度保持率均高,但目前的技术下,强度保持率的上限值为70%左右。
[电池隔板的制造方法]
下面对本发明的隔板的制造方法进行说明。本发明的隔板的制造方法没有特别限定,隔板由非织造织物构成时,可以是常用的非织造织物的制造方法,例如使用预先制备的纤维进行制造的方法(干法非织造织物法、湿法非织造织物法等),还可以是在制造纤维时直接制成片的方法(熔喷法、纺粘法等)。并且,还可以将用这些方法制造的非织造织物层合。本发明中,这些制造方法中通常采用干式或湿法非织造织物法。
干法非织造织物法中,为了通过梳理、气流法等形成网,通过热粘合、树脂粘合、针刺、水流交络(hydroentangling)等保持网状形态,可以使用纤维直径大、纤维长度长的纤维。因此,干法非织造织物法在制备高单位面积重量的隔板时其强度方面有利,但在制造低单位面积重量的情况下材质差,抗短路性不足,无法作为隔板使用。
另一方面,在湿法非织造织物法(湿式抄纸法)中,与其它方法相比,生产速度快,可以在同一个装置中将纤维直径不同的纤维或多种种类的纤维以任意的比例混合制造,还可以使用几个槽进行抄合(层合)。并且,纤维的形态从化纤短纤维状到浆状,其选择范围广,纤维直径也可以使用由超细纤维至粗纤维的范围,应用范围极为广泛。因此,例如可以将0.01dtex左右的超超细纤维、0.5dtex左右的超细纤维和2dtex左右的普通纤维组合来控制孔径。还可通过将高强度纤维、粘合纤维混合来提高强度。
为了实现电池的高功率、高容量,特别优选将隔板的厚度减薄,但隔板的厚度越薄则抗短路性降低。在100μm或以下的薄隔板中,特别优选采用配合了0.01dtex左右的超超细纤维的湿法非织造织物制造方法,制成材质优异、抗短路性优异的隔板。因此,本发明中特别优选湿法非织造织物法。
具体来说,在湿式抄纸法(抄纸法)中,首先将由熔融纺丝得到的纤维切断,分散于水中,在缓慢搅拌下制成均匀的抄纸用浆,将该抄纸用浆使用具有圆网、长网、倾斜式短网等网线的至少一种的抄纸机进行抄纸。本发明中,所得的抄纸例如在80-200℃、优选100-180℃、进一步优选110-150℃左右的温度下干燥,这可以使粘合纤维的粘结力表达,实现临时粘结。抄纸时,切断的纤维可以是在用打浆机、匀浆机等实施了打浆处理后制成抄纸用浆,抄纸时也可以添加胶粘剂或分散剂等。
为了提高隔板的电解液亲和性,优选对所得湿法非织造织物实施亲水处理。亲水处理可以使用电晕放电处理、等离子体处理、氟化处理、发烟硫酸处理、表面活性剂处理等。
并且,为了进行隔板厚度的调节或热粘结,可通过橡胶-橡胶、钢-钢、钢-橡胶、棉-钢、棉-棉等的组合辊,对湿法非织造织物适当地进行热扎光处理(heat-calender treatment)。热扎光处理可以在进行亲水处理之前进行,也可以在亲水处理之后进行。热扎光处理中的辊温度例如为150-300℃,优选180-250℃,进一步优选200-240℃左右。另外,根据用途不同,在湿法非织造织物中只凭干燥即可发挥足够的粘结力时,则不需要上述热扎光处理(正式粘结)。
产业实用性
如上所述,本发明的粘合纤维粘结力高、各种耐性也优异,因此除电池隔板的粘合纤维之外,作为各种电化学元件的隔板、各种化学液体用滤器或绝缘纸、传送带中使用的纤维片的粘合成分也很优异。并且,也可制成保持硬棉形状的粘合纤维。
本发明的粘合纤维可在不要求临时粘结力的用途中使用。所述用途例如有将本发明的粘合纤维用作干法非织造织物等的粘合成分的情况等。
实施例
以下通过实施例进一步详细说明本发明,但本发明并不受本实施例限定。实施例中,如无特别限定,则份、%均为重量单位。另外,对于碱性电池隔板,其各特性值、性能按照下述测定方法测定。
[聚酰胺树脂的特性粘度]
将聚酰胺溶解于浓硫酸中,制备浓度为0.05、0.1、0.2和0.4dl/g的试样溶液,测定30℃下的特性粘度ηinh,将其外推至0,以该值作为特性粘度[η]。
[聚酰胺树脂的封端率]
封端率通过下式(1)求出。此时,分子链末端基团的总数A可通过下式(2)计算。并且,通过滴定测定聚酰胺的羧基末端数(eq/g)[用0.1N氢氧化钠滴定聚酰胺的苄醇溶液]和氨基末端数(eq/g)[用0.1N盐酸滴定聚酰胺的苯酚溶液],以羧基末端和氨基末端的总数作为B。
封端率(%)=[(A-B)÷A]×100    (1)
[式中,A表示分子链末端基团总数(这通常等于聚酰胺分子数的两倍),B表示羧基末端和氨基末端的总数]
(分子链末端基团总数A的计算方法)
A(eq/g)=2/Mn    (2)
[Mn=21900×[η]-7900([η]:聚酰胺的特性粘度、Mn:数均分子量)]
[聚酰胺树脂的熔点、熔解热(熔融峰的焓)]
使用差示扫描量热仪DSC(メトラ一公司制、TA-3000),先制成完全熔融的状态,然后骤冷至常温,将所得聚酰胺纤维(试样量10mg)在氮气下以10℃/分钟的升温速度由30℃升温至350℃,进行测定,在250-300℃附近出现的熔融吸热峰值作为熔点,以峰面积作为熔解热。
[聚酰胺纤维的结晶温度]
使用差示扫描量热仪(メトラ一公司制、TA-3000),在氮气下以10℃/分钟的升温速度将聚酰胺纤维(试样量10mg)由30℃升温至350℃进行测定,读取100-200℃附近出现的放热峰值,作为结晶峰温度(Tch)。
[单位面积重量(g/m2)]
按照JIS P 8124测定。
[厚度(μm)]
按照JIS P 8118测定。
[拉伸强度(kN/m)]
按照JIS P 8113测定。
[断裂伸长(km)]
按照JIS P 8113测定。
[临时粘结力]
在湿式抄纸法中,通过杨基(Yankee)干燥器在130℃进行干燥,然后按照JIS P 8113测定干燥片的断裂伸长。
[细孔径(μm)]
细孔径通过Porous Materials Inc.制造的“パ一ムポロメ一タ一CFP-1100AEXL”测定最大细孔径和平均细孔径。
[耐热性(%)]
在碱性溶液中的耐热性评价方法是将隔板在140℃或180℃下浸泡在30%浓度的KOH水溶液中30分钟,检查此时隔板的形态保持性、浸泡前后的重量保持率(%)和强度保持率(%),以此作为指标。形态保持性如下判定,对于判定为○和△的试样求出其重量保持率和强度保持率。强度保持率按照JIS P 8113测定。
○:隔板的外观没有变化
△:保持了隔板的形态,但是有一部分分解破坏
×:构成隔板的纤维溶解、分解或熔融,不能保持形态
[耐氧化性(%)]
碱性溶液中的耐氧化性评价是以用KMnO4和KOH混合水溶液处理后的隔板的形态保持性、重量保持率(%)、强度保持率(%)作为指标。处理液是使用(250ml)5%浓度的KMnO4水溶液(250ml)、30%浓度的KOH水溶液(50ml)的混合水溶液,在50℃和80℃下浸泡1小时,然后将取出的试样水洗至中和点,然后干燥,按照JIS P 8113测定隔板的拉伸强度,由此计算耐氧化性。形态保持性按照耐热性的基准评价。
[耐切创强度(mN·m2/g)]
耐切创强度的评价是使用カト一テツク公司制造的“简易压缩实验仪KES-G5”,在其上安装不锈钢的刀具(宽度8mm的平刃),以0.2mm/秒的速度向隔板样品中垂直刺入,测定将其切断所需要的力,除以单位面积重量,计算强度。
[保液性(g/g)]
在浴比1/100的条件下将50mm×50mm的隔板样品浸泡在35%浓度的KOH水溶液中30分钟,用30秒时间自然沥干溶液,然后测定隔板样品的重量,将所保持的35%浓度的KOH水溶液重量除以原来的隔板样品重量,计算保液量。
[吸液速度(秒)]
将隔板样品的端部浸泡在35%浓度的KOH水溶液中,测定35%浓度的KOH水溶液吸收至25mm高度时所需要的时间。
以下对实施例、比较例或参考例中使用的聚酰胺的内容和简略符号进行说明。
[聚酰胺纤维A1]
合成二羧酸成分为100mol%对苯二甲酸,二胺成分为50mol%1,9-壬二胺、50mol%2-甲基-1,8-辛二胺,并用苯甲酸封端的半芳族聚酰胺PA9M-T(特性粘度0.73dl/g、封端率91%),通过熔融纺丝法得到纤度为0.7dtex的聚酰胺纤维的拉伸丝。将其切成10mm长度,制成湿法非织造织物原料。
[聚酰胺纤维A2]
将聚酰胺纤维A1中使用的半芳族聚酰胺PA9M-T作为岛成分,使5-钠磺基间苯二甲酸和聚乙二醇共聚得到易碱减量性的聚酯,以此作为海成分,熔融纺丝成海岛纤维,通过碱减量完全除去海成分,得到纤度为0.08dtex的聚酰胺纤维拉伸丝。将其切成3mm长度,制成湿法非织造织物原料。
[聚酰胺纤维A3]
与聚酰胺纤维A1同样,合成半芳族聚酰胺PA9M-T(特性粘度0.85dl/g、封端率89%),通过熔融纺丝法得到纤度为1.7dtex的聚酰胺纤维的拉伸丝。将其进行卷曲处理,切成38mm长度,制成干法非织造织物原料。
[粘合纤维B1、B2]
合成二羧酸单元含有80mol%对苯二甲酸单元和20mol%间苯二甲酸单元,二胺单元含有20mol%1,6-己二胺单元、40mol%1,9-壬二胺单元和40mol%2-甲基-1,8-辛二胺单元,并使用苯甲酸作为封端剂的半芳族聚酰胺PA69M-IT(特性粘度0.75dl/g、封端率80%),通过熔融纺丝法得到纤度为2dtex的聚酰胺未拉伸丝(粘合纤维B1、Tch:168℃)和0.5dtex的拉伸丝(粘合纤维B2、Tch:未出现)。将其切成10mm长度,制成湿法非织造织物原料。
[粘合纤维B3、B4]
将40重量%二羧酸单元含有40mol%对苯二甲酸单元和60mol%间苯二甲酸单元,二胺单元含有1,6-己二胺单元的非晶性聚酰胺PA6-IT(三井·デユポンポリケミカル(株)制备、シ一ラ一PA3426)和60重量%聚酰胺纤维A1中使用的半芳族聚酰胺PA9M-T进行干混,在300℃下熔融混炼10分钟,然后通过熔融纺丝法得到纤度为2.2dtex的未拉伸丝(粘合纤维B3、Tch:170℃)和纤度为0.7dtex的拉伸丝(粘合纤维B4、Tch:未出现)。将其切成10mm长度,制成湿法非织造织物原料。该纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积来确认PA6-IT与PA9M-T之间发生了交换反应。
[粘合纤维B5、B6]
在粘合纤维B3中,使用熔融混炼得到的半芳族聚酰胺共混物(结晶熔解热为25J/g)作为皮成分,使用聚酰胺纤维A1中使用的半芳族聚酰胺PA9M-T(结晶熔解热53J/g)作为芯成分,芯成分和皮成分的重量比为50∶50,通过熔融纺丝法得到纤度为2.2dtex的芯皮复合纤维的未拉伸丝(粘合纤维B5、皮成分的Tch:169℃)和纤度为1.7dtex的拉伸丝(粘合纤维B6、皮成分的Tch:未出现)。将其切成10mm长度,制成湿法非织造织物原料。该纤维中,通过测定结晶峰温度和结晶峰面积确认构成皮成分的PA6-IT与PA9M-T之间发生了交换反应。
[粘合纤维B7]
将粘合纤维B6的拉伸丝进行卷曲处理,然后切成38mm长度,制成干法非织造织物原料。
[粘合纤维B8]
在粘合纤维B5中,使用在粘合纤维B1中使用的PA69M-IT作为皮成分,除此之外按照相同的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B8(Tch:165℃)。
[粘合纤维B9]
粘合纤维B5中,使用二羧酸单元含有80mol%对苯二甲酸单元和20mol%间苯二甲酸单元,二胺单元含有20mol%2,2,4-三甲基己二胺单元、40mol%1,9-壬二胺单元和40mol%2-甲基-1,8-辛二胺单元,且封端剂使用苯甲酸的半芳族聚酰胺(特性粘度0.73dl/g、封端率80%)作为皮成分,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B9(Tch:168℃)。
[粘合纤维B10]
粘合纤维B5中,使用二羧酸单元含有80mol%对苯二甲酸单元和20mol%间苯二甲酸单元,二胺单元含有20mol%2,4,4-三甲基己二胺单元、40mol%1,9-壬二胺单元和40mol%2-甲基-1,8-辛二胺单元,且封端剂使用苯甲酸的半芳族聚酰胺(特性粘度0.71dl/g、封端率80%)作为皮成分,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B10(Tch:169℃)。
[粘合纤维B11]
粘合纤维B5中,将作为皮成分的一部分使用的PA6-IT中的1,6-己二胺改为2,2,4-三甲基己二胺,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B11(Tch:166℃)。该纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积确认在构成皮成分的聚酰胺之间发生了交换反应。
[粘合纤维B12]
粘合纤维B5中,将作为皮成分的一部分使用的PA6-IT中的1,6-己二胺改为2,4,4-三甲基己二胺,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B12(Tch:167℃)。该纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积确认在构成皮成分的聚酰胺之间发生了交换反应。
[粘合纤维B13]
粘合纤维B5中,将作为皮成分的一部分使用的PA6-IT中的二羧酸成分改为100mol%间苯二甲酸,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B13(Tch:177℃)。该纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积确认在构成皮成分的聚酰胺之间发生了交换反应。
[粘合纤维B14]
粘合纤维B5中,将皮成分PA6-IT和PA9MT的共混比例按照重量比变更为30∶70,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex的芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B14(Tch:166℃)。该纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积确认在构成皮成分的聚酰胺之间发生了交换反应。
[粘合纤维B15、B16]
粘合纤维B5中,将皮成分PA6-IT和PA9MT的共混比例按照重量比变更为50∶50,除此之外按照同样的方法制备2.9dtex和1.5dtex的2种芯皮型未拉伸粘合纤维,切成10mm长度,得到作为湿法非织造织物用原料的粘合纤维B15(2.9dtex、Tch:180℃)和粘合纤维B16(1.5dtex、Tch:183℃)。这些纤维中,通过测定结晶峰温度和峰面积确认在构成皮成分的聚酰胺之间发生了交换反应。
实施例1-6
将60份聚酰胺纤维A1、粘合纤维B1-B6各40份一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器(chest)中、缓慢搅拌下制备均匀的抄纸用浆。将该抄纸用浆通过倾斜式短网抄纸机,采用湿式抄纸法进行抄纸,然后在杨基干燥器中、在140℃下干燥,制备湿法非织造织物。接着在辊温度200℃下进行热轧光处理,最后对该非织造织物的两面以放电量2600(W·分钟/m2)实施电晕处理,得到碱性电池隔板。
实施例7
以70份聚酰胺纤维A3、30份粘合纤维B7的比例混合,用罗拉梳理机制成网状,接着用5MPa的水流进行交络处理。接着与实施例1同样地,以辊温度200℃进行热轧光处理,最后对该非织造织物的两面以放电量2600(W·分钟/m2)实施电晕处理,得到碱性电池隔板。
比较例1
将含有聚酰胺6(表1中称为“PA6”)和聚酰胺66(表1中称为“PA66”)的聚酰胺干法非织造织物(日本バイリ一ン(株)制,梳理型,坪量63.5g/m2、厚度150μm)作为碱性电池隔板。
比较例2
将70份作为主体纤维的结晶性聚丙烯纤维(大和纺织(株)制备、PZ、纤度0.8dtex、纤维长度10mm、表1中称为“PP”)、30份作为粘合纤维的聚乙烯/聚丙烯芯皮型复合纤维(大和纺织(株)制备、NBF-H、纤度1.7dtex、纤维长度5mm、表1中称为“PE/PP”)一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
比较例3
使用聚酰胺纤维A1的未拉伸丝(1.7分特、纤维长10mm、表1中称为“UDY”)代替实施例1中的粘合纤维B1,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
实施例8
将57.5份聚酰胺纤维A1、40份粘合纤维B5、以及2.5份聚对亚苯基苯并双唑纤维(东洋纺织(株)制备、Zylon、拉伸强度37cN/dtex、纤度1.7dtex、纤维长度6mm)一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
实施例9
将47.5份聚酰胺纤维A1、10份粘合纤维A2、40份粘合纤维B5、以及2.5份聚对亚苯基苯并双唑纤维一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
实施例10
将70份聚酰胺纤维A2、30份粘合纤维B5一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
实施例11
将47.5份聚酰胺纤维A1、10份聚酰胺纤维A2、30份粘合纤维B5、10份乙烯-乙烯醇共聚物的超超细纤维(乙烯含量为44mol%、纤维直径0.08dtex、纤维长度3mm、表3中称为“EVOH”)、以及2.5份聚对亚苯基苯并双唑纤维一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
比较例4
将57.5份作为主体纤维的聚酰胺66纤维(纤度0.5dtex、纤维长度10mm、表3中称为“PA66”)、40份作为粘合纤维的聚酰胺6/聚酰胺66芯皮型复合纤维(纤度2.2dtex、纤维长度10mm、表3中称为“PA6/PA66”)、以及2.5份作为增强纤维的聚对亚苯基苯并双唑纤维(东洋纺织(株)制备、Zylon、拉伸强度37cN/dtex、纤度1.7dtex、纤维长度6mm)一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,除此之外与实施例1完全同样地得到碱性电池隔板。
实施例12-13
实施例9中,将粘合纤维分别变更为粘合纤维B15和B16,除此之外按照与实施例9同样的方法制备隔板。
实施例、比较例中所得的碱性电池隔板的特性值如表1和表3所示。
这些实施例和比较例中,可通过显微镜观察到粘合纤维至少其表面部分熔融,将构成片的纤维粘结固定。另外,实施例1-13中,只通过从水中抄纸、用杨基干燥器干燥,均可达到断裂伸长0.3km以上,其中也有超过1km的,在干燥后的造纸步骤中不会发生任何问题,工艺稳定性优异,可容易地制备隔板纸。而比较例3的非织造织物在杨基干燥器干燥后的临时粘结力与实施例的非织造织物相比极低,由干燥步骤转移到下一步骤时发生纸断裂等问题。
[表1]
    实施例1    实施例2     实施例3     实施例4    实施例5    实施例6    实施例7    比较例1     比较例2     比较例3
主体纤维     A1    A1     A1     A1    A1    A1    A3    PA66     PP     A1
粘合纤维     B1    B2     B3     B4    B5    B6    B7    PA6     PE/PP     UDY
单位面积重量(g/m2)     68.1    65.2     67.7     64.3    68.9    64.9    65.1    63.5     66.9     64.5
厚度(μm)     162    158     160     155    163    159    156    150     161     159
拉伸强度(kN/m)     3.43    3.37     3.82     4.06    3.98    4.14    5.25    3.67     3.53     1.55
断裂伸长(km)     5.13    5.26     5.75     6.44    5.89    6.5    8.22    5.89     5.38     2.45
平均细孔径(μm)     25.1    20.3     25.9     22.0    26.1    24.4    39.8    42.8     28.9     27.6
最大细孔径(μm)     39.8    32.6     41.3     35.5    48.2    42.2    72.1    75.5     53.6     45.3
耐切创强度(mN·m2/g)     74.5    79     77.1     81.3    78.2    88.5    90.1    69     48.5     97.1
保液量(g/g)     2.29    2.4     2.16     2.35    2.36    2.41    2.51    2.32     1.67     2.25
吸液速度(秒)     104    87     98     73    85    70    85    82     345     97
[表2]
 实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7  比较例1 比较例2 比较例3
耐热性 形态保持性  140℃  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○
 180℃  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○  - ×
重量保持率(%)  140℃  98  99  99  99  98  99  99  98 100 100
 180℃  91  92  92  92  95  96  97  85 - 96
强度保持率(%)  140℃  92  93  98  97  99  98  97  73 88 88
 180℃  31  30  33  36  41  40  42  - - 12
耐氧化性 形态保持性  50℃  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○  △
 80℃  △  △  △  △  △  △  △  ×
重量保持率(%)  50℃  99  98  99  99  99  98  99  98 99 99
 80℃  78  79  82  81  91  85  86  - 92 91
强度保持率(%)  50℃  99  99  98  98  99  99  99  0 99 99
 80℃  2  2  3  3  6  6  7  - 45 10
[表3]
   实施例8    实施例9     实施例10     实施例11     比较例4     实施例12     实施例13
    主体纤维    A1    A1     -     A1     PA66     A1     A1
    粘合纤维    B5    B5     B5     B5+EVOH     PA6/PA66     B15     B16
    填料纤维    -    A2     A2     A2     -     A2     A2
    增强纤维    有    有     -     有     有     有     有
    单位面积重量(g/m2)    70.9    69.2     38.4     66.3     68.4     71.3     72.8
    厚度(μm)    155    164     85     160     164     166     158
    拉伸强度(kN/m)    4.67    4.92     1.64     5.08     1.86     5.22     5.48
    断裂伸长(km)    6.71    7.25     4.35     7.81     2.77     7.46     7.67
    平均细孔径(μm)    24.5    15.5     16.1     18.3     35.7     14.1     13.4
    最大细孔径(μm)    46.6    40.0     27.9     30.3     82.7     33.6     30.3
    耐切创强度(mN·m2/g)    167    154     124     148     159     158     159
    保液量(g/g)    2.44    2.51     2.57     2.39     2.12     2.43     2.39
    吸液速度(秒)    50.8    47.9     22.3     36.5     63.9     33.2     26.5
[表4]
 实施例8  实施例9   实施例10   实施例11  比较例4   实施例12   实施例13
耐热性 形态保持性 140℃  ○  ○   ○   ○  ○   ○   ○
180℃  ○  ○   ○   ○  △   ○   ○
重量保持率(%) 140℃  98  99   99   99  98   98   99
180℃  94  93   94   95  82   91   93
强度保持率(%) 140℃  98  99   99   98  75   94   93
180℃  50  48   51   38  3   29   28
耐氧化性 形态保持性 50℃  ○  ○   ○   ○  △   ○   ○
80℃  △  △   △   △  ×   △   △
重量保持率(%) 50℃  99  98   99   99  97   99   98
80℃  84  85   82   81  -   93   94
强度保持率(%) 50℃  99  99   98   99  0   98   99
80℃  8  7   6   6  -   2   3
(评价)
评价结果如表2和表4所示。实施例1-13是含有本发明的粘合纤维(A)或粘合纤维(B)的电池隔板,因此耐热性、耐氧化性、耐碱性优异。而比较例的隔板在耐热性、耐氧化性、耐碱性方面均较低。
具体来说,实施例1-7的隔板耐热性、耐氧化性、耐碱性优异。特别是实施例8和9的隔板由于使用了耐切创强度优异的聚对亚苯基苯并双唑纤维,因此耐热性、耐氧化性以及以耐切创强度为代表的机械物性优异。另外,实施例9和10的隔板中配合了聚酰胺纤维的超超细纤维,因此细孔径小、树枝晶耐久性也优异。实施例11的隔板还配合了作为粘合纤维的乙烯-乙烯醇共聚物的超超细纤维,因此拉伸强度高,在电池制备时,即使自动分组卷绕装配机的张力大,也具备足以对抗该高张力的拉伸强度。实施例12和13的隔板是本发明极优选的例子,由其结果可知,可得到极为优异的隔板。
另一方面,比较例1的隔板是含有脂族聚酰胺纤维的隔板,虽然耐热性优异但耐氧化性低,另外,由于是干法非织造织物,因此细孔径大,抗短路性差。比较例2的隔板是含有聚烯烃系纤维的隔板,耐氧化性优异,但是耐热性、保液性、吸液速度低。比较例3的隔板虽然每种纤维的耐热性、耐氧化劣化性方面优异,但粘合纤维的粘结性低,因此隔板强度低。比较例4的隔板含有聚对亚苯基苯并双唑纤维,因此耐切创强度优异,但是构成隔板的纤维中使用了含有聚酰胺6、聚酰胺66的纤维,因此耐热性、耐氧化性方面差。
实施例14-22
分别将60份聚酰胺纤维A1与各40份粘合纤维B8-B16一起混合,用碎浆机在水中离解,在密闭容器中、缓慢搅拌下制备均匀抄纸用浆。使用该抄纸用浆,采用倾斜式短网抄纸机的湿式抄纸法进行抄纸,然后用杨基干燥器在140℃下进行干燥,制备湿法非织造织物。接着在辊温度200℃下进行热扎光处理,最后对该非织造织物的两面以放电量2600(W·分钟/m2)实施电晕处理,得到碱性电池隔板。所得电池隔板的性能如表5-6所示。
[表5]
  实施例14   实施例15   实施例16     实施例17   实施例18     实施例19   实施例20     实施例21   实施例22
主体纤维   A1   A1   A1     A1   A1     A1   A1     A1   A1
粘合纤维   B8   B9   B10     B11   B12     B13   B14     B15   B16
单位面积重量(g/m2)   65.5   63.4   64.5     64.6   67.1     66.1   65.6     64.8   67.1
厚度(μm)   151   148   149     152   155     154   152     151   157
拉伸强度(kN/m)   3.11   3.41   3.55     3.2   3.61     3.79   3.23     4.78   5.33
断裂伸长(km)   4.84   5.49   5.62     5.05   5.49     5.85   5.02     6.53   7.11
平均细孔径(μm)   27.3   28.1   29.4     27.9   26.6     20.5   32.1     23.8   21.4
最大细孔径(μm)   47.1   48.8   49.1     47.6   46.6     44.4   53.1     41.6   39.5
耐切创强度(mN·m2/g)   77.6   80.1   83.4     81.2   81.9     88.2   84.5     134   141
保液量(g/g)   2.41   2.51   2.38     2.48   2.54     2.58   2.3     2.49   2.91
吸液速度(秒)   103   86   92     73   81     78   67     51   30
[表6]
  实施例14   实施例15   实施例16   实施例17   实施例18   实施例19   实施例20   实施例21   实施例22
耐热性 形态保持性   140℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  180℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
重量保持率(%)   140℃   98   99   99   99   98   99   98   99   98
  180℃   92   94   95   92   93   92   91   90   92
强度保持率(%)   140℃   93   94   94   93   94   93   94   93   94
  180℃   41   38   35   36   43   36   32   28   25
耐氧化性 形态保持性   50℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  80℃   △   △   △   △   △   △   △   △   △
重量保持率(%)   50℃   99   98   99   98   99   98   99   99   99
  80℃   97   98   96   94   97   94   95   93   91
强度保持率(%)   50℃   99   97   98   99   98   99   99   98   97
  80℃   3   2   4   3   4   3   3   2   2
由表5和表6的结果可知,使用本发明的粘合纤维的电池隔板均耐热性、耐氧化性、耐碱性优异,并且强度或保液性、吸液性也优异。这些实施例中,可通过显微镜观察到粘合纤维的至少其表面熔融,使构成片状的纤维粘结固定。这些实施例中,由水分散液抄纸纤维成分,只通过杨基干燥器干燥,均可以充分地产生临时粘结力,在干燥后的造纸步骤中没有任何问题发生,工艺稳定性优异,可容易地制造隔板纸。并且这些实施例的隔板耐泄漏性和高功率放电特性优异,适合用作需求大电流放电和高容量化的碱性电池隔板。

Claims (19)

1.粘合纤维,其中,纤维表面的至少一部分由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,其中所述半芳族聚酰胺至少具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元。
2.权利要求1的粘合纤维,其中,聚酰胺成分是半芳族共聚酰胺(a),该半芳族共聚酰胺(a)具有芳环单元、可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元和可带有C1-3烷基作为支链的C8-12链烷单元。
3.权利要求2的粘合纤维,其中,半芳族共聚酰胺(a)是具有二羧酸单元和二胺单元的半芳族共聚酰胺,其中所述二羧酸单元以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元,所述二胺单元以合计全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C4-7链烷二胺单元和可带有甲基作为支链的C8-10链烷二胺单元。
4.权利要求2的粘合纤维,其中,半芳族共聚酰胺(a)是由下述二羧酸单元(1)和下述二胺单元(2)构成的半芳族共聚酰胺:
(1)二羧酸单元:以合计全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有选自对苯二甲酸单元和间苯二甲酸单元的至少一种二羧酸单元;
(2)二胺单元:以合计全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元,和选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元。
5.权利要求1的粘合纤维,其中,聚酰胺成分是半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d),其中所述半芳族聚酰胺(b)具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元,所述半芳族聚酰胺(c)具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C8-12链烷单元。
6.权利要求5的粘合纤维,其中所述半芳族聚酰胺(b)是具有二羧酸单元和二胺单元的半芳族聚酰胺,其中所述二羧酸单元以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元,所述二胺单元以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C5-7链烷二胺单元;且半芳族聚酰胺(c)是具有二羧酸单元和二胺单元的半芳族聚酰胺,所述二羧酸单元以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有芳族二羧酸单元,所述二胺单元以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有可带有甲基作为支链的C8-10链烷二胺单元。
7.权利要求5的粘合纤维,其中,半芳族聚酰胺(b)由上述二羧酸单元(1)和下述二胺单元(3)构成,且半芳族聚酰胺(c)由下述二羧酸单元(4)和下述二胺单元(5)构成:
(3)二胺单元:以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自2,2,4-三甲基己二胺单元、2,4,4-三甲基己二胺单元和1,6-己二胺单元的一种以上二胺单元;
(4)二羧酸单元:以全部二羧酸单元的60mol%以上的比例含有对苯二甲酸单元;
(5)二胺单元:以全部二胺单元的60mol%以上的比例含有选自1,9-壬二胺单元和2-甲基-1,8-辛二胺单元的一种以上二胺单元。
8.权利要求1的粘合纤维,该粘合纤维是芯皮型复合纤维,且皮部由含有半芳族聚酰胺的聚酰胺成分构成,所述半芳族聚酰胺具有芳环单元和可带有C1-3烷基作为支链的C3-7链烷单元。
9.权利要求8的粘合纤维,其中,皮部由半芳族聚酰胺(a),或者半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)构成,且芯部由半芳族聚酰胺(c)构成。
10.电池隔板,该隔板包含主体纤维和权利要求1的粘合纤维。
11.权利要求10的电池隔板,其中,构成粘合纤维的半芳族聚酰胺作为粘结剂,将主体纤维固定成片状。
12.权利要求10的电池隔板,其中,主体纤维由聚酰胺系树脂构成。
13.权利要求10的电池隔板,其中,粘合纤维的至少表面由半芳族聚酰胺(a)、或者半芳族聚酰胺(b)和半芳族聚酰胺(c)的组合(d)构成,且主体纤维由半芳族聚酰胺(c)构成。
14.权利要求10的电池隔板,该隔板还含有拉伸强度为12cN/dtex以上的高强度纤维或其浆状物作为增强纤维。
15.权利要求14的电池隔板,其中,高强度纤维是选自聚对亚苯基苯并双唑纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和高强度聚乙烯醇系纤维的一种以上。
16.权利要求14的电池隔板,其中,主体纤维由半芳族聚酰胺构成,该半芳族聚酰胺由1,9-壬二胺和2-甲基-1,8-辛二胺和对苯二甲酸合成;增强纤维由聚对亚苯基苯并双唑纤维构成;且粘合纤维是权利要求6的粘合纤维。
17.权利要求10的电池隔板,该隔板是湿法非织造织物。
18.权利要求10的电池隔板,该隔板满足下述条件(1)-(3):
(1)隔板的断裂伸长为3km以上;
(2)在140℃的碱中浸泡30分钟后仍保持隔板的形态,其重量保持率为90%以上,强度保持率为60%以上;
(3)在含有氧化剂的50℃的碱中浸泡一小时后仍可保持隔板的形态,其重量保持率为90%以上,强度保持率为60%以上。
19.电池,该电池使用权利要求10的隔板。
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