CN103579558A - 一种镍氢电池隔膜材料及其成型方法 - Google Patents

一种镍氢电池隔膜材料及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍氢电池隔膜材料及其成型方法。所述的镍氢电池隔膜材料其特征在于，包括依次复合的第一熔喷纤维层、中间增强层及第二熔喷纤维层。成型方法为：第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机喷丝孔挤出后形成第一熔喷纤维层；将中间增强层通过退卷机下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料；第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机喷丝孔挤出后至两层复合材料表面形成第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；将三层复合材料输送至热轧机中热轧成型，整理后得到镍氢电池隔膜材料。本发明提供了一种类似于三明治结构的镍氢电池隔膜材料，除了具有熔喷材料高孔隙率和小孔径等优良特性外，还具有强力高和永久亲水性、高吸液率等优点。

Description

一种镍氢电池隔膜材料及其成型方法
技术领域
本发明涉及到一种镍氢电池隔膜材料及其成型方法，属于镍氢电池制造技术领域。
背景技术
电池隔膜是一种置于电池正极和负极之间的多孔材料，是电池非常关键的组成部分，其主要作用是吸附电池中电化学反应所需要的电解液以维持整个极板上电流密度的均匀性，同时防止极板间的电子导通。隔膜材料的优劣对电池容量、放电电压、自放电、循环使用寿命、安全性和成本等方面都有显著影响。
随着人们对环境保护的重视，镍氢电池作为无污染的绿色电池已经在很多领域得到了应用，特别是在高性能动力电池和储能领域的应用。近些年来，人们对镍氢电池重要组分部分的隔膜材料从结构设计和工艺技术改进方面进行了许多创新研究。镍氢电池隔膜主要有尼龙纤维隔膜、聚酰胺隔膜和聚丙烯隔膜等。常规聚丙烯隔膜的化学稳定性好，但聚丙烯是憎水性材料，隔膜的吸碱率较小，所以在使用时要进行亲水处理。常见的处理方法有磺化处理、接枝处理和等离子体表面改性等。
专利“一种结构改进的电池隔膜及其生产工艺”(申请号201110211199.9)公开了一种通过将磺化隔膜与接枝隔膜或尼龙隔膜两种材料复合压合而成的结构与工艺。该镍氢电池隔膜可以提高吸碱率和电池的荷电保持能力。但该发明实施例中所使用的磺化隔膜和接枝隔膜都是进口材料，在隔膜材料国产化方面的贡献有限。
专利“磺化法镍氢电池隔膜基布的制备方法及镍氢电池隔膜基布”(申请号200610015843.4)公开了一种磺化法镍氢电池隔膜基布的制备方法及镍氢电池隔膜基布，它是通过选用ES纤维通过梳理成网得到隔膜基布，然后热轧成布。通过研究磺化工艺在改善电池隔膜吸碱率方面的作用，发现磺化可以改善聚丙烯隔膜的吸碱率，但同时也存在耐碱性降低的问题。另外，磺化毕竟不是一种环境友好的技术，存在对环境的污染和设备的腐蚀问题。
专利“一种熔喷叠层差别化电池隔板”(申请号94107346.7)涉及一种熔喷叠层差别化电池隔板及其生产方法，它是由纤维直径不同的两层熔喷材料所组成，其中粗纤维层起增强作用，细纤维层用于控制隔板的孔隙率。但熔喷材料本身存在强力低的缺点，纤维直径变粗根本无法明显提高该材料的强力。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍氢电池隔膜材料，以解决现有电池隔膜存在的亲水性不持久、强力低、保液性能差和工艺较复杂等缺点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，包括依次复合的第一熔喷纤维层、中间增强层及第二熔喷纤维层。
优选地，所述镍氢电池隔膜材料的面密度为20-100g/m2，厚度为0.1-2mm，其吸碱速率为8-15cm/30min，吸碱率为300％-500％。
进一步地，所述镍氢电池隔膜材料的面密度为40-70g/m2，厚度为0.15-0.25mm，其吸碱速率为10-15cm/30min，吸碱率为350％-500％。
优选地，所述的第一熔喷纤维层为永久亲水熔喷无纺布，其纤维直径为2-15微米，厚度为0.06-0.1mm，面密度为15-25g/m2。
优选地，所述的中间增强层为纺粘非织造布、湿法非织造布、热轧非织造布、编织布或机织布，其材质为PP、PET、PE/PP或PA纤维，厚度为0.03-0.1mm，面密度为10-20g/m2。
优选地，所述的第二熔喷纤维层为永久亲水熔喷无纺布，其纤维直径为2-15微米，厚度为0.06-0.1mm，面密度为15-25g/m2。
优选地，所述中间增强层占所述镍氢电池隔膜材料的重量百分比为25-30％，第一熔喷纤维层与第二熔喷纤维层的重量比为4-6∶6-4。
本发明还提供了上述镍氢电池隔膜材料的成型方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机喷丝孔挤出后经温度为270-350℃、速度为200-600m/s的热空气牵伸至传送机构上，形成第一熔喷纤维层，传送速度为3-10m/min，传送机构的接收距离为12-20cm；
第二步：将中间增强层通过退卷机退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构继续输送；退卷机上的布卷直径为1-2m，面密度为10-20g/m2，厚度为0.03-0.1mm；
第三步：第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机喷丝孔挤出后经温度为270-350℃、速度为200-600m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机中热轧成型，整理后得到镍氢电池隔膜材料；热轧机的直径为1-2m，生产速度为5-10m/min，上下轧辊的温度为55-165℃，热轧机线压力为980-2450N/cm。
优选地，所述第一步中的第一螺杆挤出机的工艺参数为：各区温度为：一区150-180℃，二区180-220℃，三区200-250℃，四区250-270℃，模头温度270-290℃，螺杆挤出机转速为10-50rpm。
优选地，所述第三步中的第二螺杆挤出机的工艺参数为：各区温度为：一区150-180℃，二区180-220℃，三区200-250℃，四区250-270℃，模头温度为270-290℃，螺杆挤出机的转速为10-50rpm。
本发明提供了一种类似于三明治结构的镍氢电池隔膜材料，以解决现有电池隔膜存在的亲水性不持久、强力低、保液性能差和工艺较复杂等缺点。本发明通过在熔喷过程中加入亲水母粒而赋予熔喷非织造材料永久亲水性，通过在两层熔喷纤维层中间复合增强层来提高电池隔膜的强力，通过热轧工艺技术进一步调整隔膜材料的厚度、吸碱性和吸碱速率等结构及性能。因此，本发明所述的电池隔膜材料除了具有熔喷材料高孔隙率和小孔径等优良特性外，还具有强力高和永久亲水性、高吸液率等优点。本发明所述的电池隔膜材料除了可以用做镍氢电池隔膜外，也可以用做过滤、保暖或吸水材料等。
附图说明
图1为制备本发明提供的镍氢电池隔膜材料的成型设备的示意图。
图中：
1、第一螺杆挤出机；                     2、传送机构；
3、退卷机；                             4、第二螺杆挤出机；
5、热轧机；                             6、卷绕机。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
实施例1中的亲水母粒采用盐城瑞泽色母粒有限公司生产的亲水母粒；PP树脂采用上海石油化工股份有限公司生产的牌号为M3500R的PP树脂；中间增强层采用PP纺粘非织造布。
第一步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按5∶95的重量比经锥混料机以20转/分的转速混合6min后，由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为270℃、速度为600m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为2微米、面密度为15g/m2、厚度为0.06mm的第一熔喷纤维层，传送速度为10m/min，传送机构2的接收距离为20cm；螺杆挤出机各区温度为：一区180℃，二区220℃，三区250℃，四区270℃，模头温度290℃，螺杆挤出机转速为10rpm；
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为1m，面密度为12g/m2，厚度为0.04mm；
第三步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按5∶95的重量比经锥混料机以20转/分的转速混合6min后，由上料机抽吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为270℃、速度为600m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为2微米、面密度为15g/m2、厚度为0.06mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为1m，生产速度为10m/min，上下轧辊的温度为55℃，热轧机线压力为980N/cm。
实施例2
实施例2中的亲水母粒采用常州市龙马高分子技术有限公司生产的亲水母粒；PP树脂采用中国石油化工股份有限公司生产的牌号为K7760的PP树脂；中间增强层采用PE/PP湿法非织造布。
第一步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按3∶97的重量比经锥混料机以30转/分的转速混合3min后，由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为280℃、速度为200m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为15微米、面密度为18g/m2、厚度为0.1mm的第一熔喷纤维层，传送速度为8m/min，传送机构2的接收距离为12cm；螺杆挤出机各区温度为：一区160℃，二区180℃，三区200℃，四区250℃，模头温度270℃，螺杆挤出机转速为40rpm；
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为2m，面密度为15g/m2，厚度为0.07mm；
第三步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按3∶97的重量比经锥混料机以30转/分的转速混合3min后，由上料机抽吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为280℃、速度为200m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为15微米、面密度为27g/m2、厚度为0.1mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为2m，生产速度为8m/min，上下轧辊的温度为65℃，热轧机线压力为1980N/cm。
实施例3
实施例3中的亲水母粒采用大连隆源化纤功能母粒技术开发有限公司生产的高吸湿丙纶母粒；PP树脂采用中国石油化工股份有限公司生产的牌号为YS830的PP树脂；中间增强层采用PP编织布。
第一步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按5∶95的重量比经锥混料机以30转/分的转速混合3min后，由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为280℃、速度为450m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为10微米、面密度为25g/m2、厚度为0.1mm的第一熔喷纤维层，传送速度为5m/min，传送机构2的接收距离为17cm；螺杆挤出机各区温度为：一区170℃，二区190℃，三区250℃，四区260℃，模头温度280℃，螺杆挤出机转速为40rpm；
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为1.3m，面密度为20g/m2，厚度为0.1mm；
第三步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按2∶98的重量比经锥混料机以30转/分的转速混合3min后，由上料机抽吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为280℃、速度为450m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为10微米、面密度为25g/m2、厚度为0.1mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到可作为吸水材料的镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为1300mm，生产速度为5m/min，上下轧辊的温度为60℃，热轧机线压力为2450N/cm。
实施例4
实施例4中的亲水母粒采用盐城瑞泽色母粒有限公司生产的亲水母粒；PP树脂采用上海石油化工股份有限公司生产的牌号为M3500R的PP树脂；中间增强层采用PP热轧非织造布。
第一步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按3∶97的重量比经锥混料机以20转/分的转速混合3min后，由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为275℃、速度为450m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为10微米、面密度为24g/m2、厚度为0.09mm的第一熔喷纤维层，传送速度为10m/min，传送机构2的接收距离为18cm；螺杆挤出机各区温度为：一区150℃，二区200℃，三区230℃，四区260℃，模头温度285℃，螺杆挤出机转速为25rpm。
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为1m，面密度为14g/m2，厚度为0.06mm；
第三步：将亲水母粒与PP树脂颗粒按3∶97的重量比经锥混料机以20转/分的转速混合3min后，由上料机抽吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为275℃、速度为450m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为10微米、面密度为16g/m2、厚度为0.07mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为1m，生产速度为10m/min，上下轧辊的温度为55℃，热轧机线压力为980N/cm。
实施例5
实施例5中的PET树脂采用中国石油仪征化纤股份有限公司生产的牌号为工业丝型IG701的PET树脂；中间增强层采用PET机织布。
第一步：将PET树脂颗粒由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为320℃、速度为550m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为10微米、面密度为40g/m2、厚度为0.2mm的第一熔喷纤维层，传送速度为5m/min，传送机构2的接收距离为20cm；螺杆挤出机各区温度为：一区170℃，二区250℃，三区280℃，四区310℃，模头温度320℃，螺杆挤出机转速为50rpm；
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为1.5m，面密度为20g/m2，厚度为0.1mm；
第三步：将PET树脂颗粒由上料机吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为320℃、速度为550m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为10微米、面密度为40g/m2、厚度为0.2mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到可作为保暖材料的镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为1300mm，生产速度为3m/min，上下轧辊的温度为165℃，热轧机线压力为2450N/cm。
实施例6
实施例6中的PA树脂采用中国石油化工股份有限公司巴陵分公司生产的己内酰胺树脂；中间增强层采用PA编织布。
第一步：将PA树脂颗粒由上料机吸至第一螺杆挤出机1，第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机1喷丝孔挤出后经温度为320℃、速度为450m/s的热空气牵伸至传送机构2上，形成纤维直径为12微米、面密度为20g/m2、厚度为0.07mm的第一熔喷纤维层，传送速度为5m/min，传送机构2的接收距离为20cm；螺杆挤出机各区温度为：一区160℃，二区230℃，三区270℃，四区320℃，模头温度320℃，螺杆挤出机转速为30rpm。
第二步：将中间增强层通过退卷机3退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构2继续输送；退卷机3上的布卷直径为1.3m，面密度为15g/m2，厚度为0.09mm；
第三步：将PA树脂颗粒由上料机吸至第二螺杆挤出机4，第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机4喷丝孔挤出后经温度为320℃、速度为450m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成纤维直径为12微米、面密度为25g/m2、厚度为0.09mm的第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机5中热轧成型，经卷绕机6整理后得到可作为过滤材料的镍氢电池隔膜材料；热轧机5的直径为1300mm，生产速度为7m/min，上下轧辊的温度为160℃，热轧机线压力为2450N/cm。
将实施例1-6制得的镍氢电池隔膜材料分别测试其性能，测试方法如下：
1.根据标准FZ/T 60003测试隔膜的面密度。
2.根据标准GB/T 3923.1-1997测试隔膜的厚度。
3.根据GTT TM 017-2010-纺织品(非织造材料)孔隙特征测试隔膜平均孔径。
4.吸碱率的测试方法：将隔膜裁成100mm×100mm，称重M0，放入盛有质量分数为30％KOH溶液的烧杯中，完全浸没1h，取出悬挂于支架上30min后，放入质量为M1的干烧杯中，称重M2，吸碱率按下式计算：
吸碱率＝(M2-M1)/M0×100％
5.吸碱速率的测试方法：将试样裁成150mm×15mm，使长边的头端5mm浸入质量分数为30％的KOH溶液中，测定30min后碱液的上升距离。
6.将隔膜裁成150mm×15mm，在HD 026N+电子织物强力仪上测试隔膜的拉伸断裂强力。
测试结果列表如下：
表1
从表1可见，实施例1-6制得的镍氢电池隔膜材料不但具有较高的拉伸强力，还具有较好的吸碱率和吸碱速率，达到镍氢电池隔膜的性能指标要求；另外，相对于传统的镍氢电池隔膜材料，它们还具有较小的孔径，用做镍氢电池隔膜时具有更高的安全性。实施例3制得的材料不但具有非常好的吸水性，且具有较高的强力，还可以用作医院吸水垫和宠物垫等。实施例5制得的材料不但具有较高的强力，且具有较好的吸水性，因此可以用作服装保暖絮片时会在满足保暖的同时还具有更好的舒适性。实施例6制得的材料耐高温性好，耐溶剂性好，还可以用作食品高温杀菌和特殊化学品溶剂过滤等应用场合。

Claims (10)

1.一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，包括依次复合的第一熔喷纤维层、中间增强层及第二熔喷纤维层。
2.根据权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述镍氢电池隔膜材料的面密度为20-100g/m2，厚度为0.1-2mm，其吸碱速率为8-15cm/30min，吸碱率为300％-500％。
3.根据权利要求2所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述镍氢电池隔膜材料的面密度为40-70g/m2，厚度为0.15-0.25mm，其吸碱速率为10-15cm/30min，吸碱率为350％-500％。
4.根据权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述的第一熔喷纤维层为永久亲水熔喷无纺布，其纤维直径为2-15微米，厚度为0.06-0.1mm，面密度为15-25g/m2。
5.根据权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述的中间增强层为纺粘非织造布、湿法非织造布、热轧非织造布、编织布或机织布，其材质为PP、PET、PE/PP或PA纤维，厚度为0.03-0.1mm，面密度为10-20g/m2。
6.根据权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述的第二熔喷纤维层为永久亲水熔喷无纺布，其纤维直径为2-15微米，厚度为0.06-0.1mm，面密度为15-25g/m2。
7.根据权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料，其特征在于，所述中间增强层占所述镍氢电池隔膜材料的重量百分比为25-30％，第一熔喷纤维层与第二熔喷纤维层的重量比为4-6∶6-4。
8.权利要求1所述的一种镍氢电池隔膜材料的成型方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：第一熔喷纤维层熔体从第一螺杆挤出机(1)喷丝孔挤出后经温度为270-350℃、速度为200-600m/s的热空气牵伸至传送机构(2)上，形成第一熔喷纤维层，传送速度为3-10m/min，传送机构(2)的接收距离为12-20cm；
第二步：将中间增强层通过退卷机(3)退卷后下落至第一熔喷纤维层的表面，形成两层复合材料，该两层复合材料通过传送机构(2)继续输送；退卷机(3)上的布卷直径为1-2m，面密度为10-20g/m2，厚度为0.03-0.1mm；
第三步：第二熔喷纤维层熔体从第二螺杆挤出机(4)喷丝孔挤出后经温度为270-350℃、速度为200-600m/s的热空气牵伸至第二步得到的两层复合材料表面，在两层复合材料的表面形成第二熔喷纤维层，从而形成三层复合材料；
第四步：将第三步得到的三层复合材料输送至热轧机(5)中热轧成型，整理后得到镍氢电池隔膜材料；热轧机(5)的直径为1-2m，生产速度为5-10m/min，上下轧辊的温度为55-165℃，热轧机线压力为980-2450N/cm。
9.根据权利要求8所述的一种镍氢电池隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第一步中的第一螺杆挤出机(1)的工艺参数为：各区温度为：一区150-180℃，二区180-220℃，三区200-250℃，四区250-270℃，模头温度270-290℃，螺杆挤出机转速为10-50rpm。
10.根据权利要求8所述的一种镍氢电池隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第三步中的第二螺杆挤出机(4)的工艺参数为：各区温度为：一区150-180℃，二区180-220℃，三区200-250℃，四区250-270℃，模头温度为270-290℃，螺杆挤出机的转速为10-50rpm。
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