ES2343309T3

ES2343309T3 - Material laminado separador de bateria.

Info

Publication number: ES2343309T3
Application number: ES02721043T
Authority: ES
Inventors: Larry L. Kinn; Clement J. Haley; Gregory N. Henning
Original assignee: Ahlstrom Filtration LLC
Current assignee: Ahlstrom Filtration LLC
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: EP1377704A2; WO2002068746A8; US7063917B2; JP2004532136A; WO2002068746A3; ATE463599T1; US20020160259A1; EP1377704B1; DE60235878D1; WO2002068746A2

Abstract

Material laminado no tejido que comprende: Una primera capa formada de fibras de soplado por fusión que contienen un aditivo fundido hidrofílico y definen una primera superficie del laminado; Una segunda capa formada de fibras de soplado por fusión de polímero de polipropileno normalmente hidrofóbico que define la superficie opuesta del laminado; y Una tercera capa intermedia de fibras no tejidas colocadas en húmedo situadas entre dichas primera y segunda capa, estando la tercera capa unida a la primera y segunda capa para formar un laminado, estando producida la tercera capa a partir de una mezcla de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas.

Description

Material laminado separador de batería.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un material no tejido adecuado para su uso como separador de batería. Más particularmente, la invención se dirige a un material no tejido formado de un laminado de bandas no tejidas.

Antecedentes de la invención

Diferentes tipos de construcciones de batería utilizan un material poroso separador de batería dispuesto entre los electrodos de la batería para colocar los electrodos separados y mantener el electrólito de la batería en contacto con los electrodos. Una construcción conocida consiste por ejemplo de un ánodo enrollado intercalado con un cátodo enrollado, estando el ánodo y el cátodo enrollados separados entre sí por un material poroso separador no conductor que está impregnado de electrólito. Los separadores de batería se han producido a partir de bandas no tejidas de materiales fibrosos. La patente 6.174.826 de los EE.UU. de Williams et al, describe por ejemplo un material separador de batería no tejido que está formado de un mezcla de fibras cortas de polipropileno y fibras de dos componentes envoltura/núcleo de polietileno/polipropileno. La solicitud PCT publicada WO 00/41254 describe un material separador de batería no tejido que incluye fibras poliméricas termoplásticas mezcladas con un aditivo fundido hidrofílico.

Aunque las bandas no tejidas de este tipo ofrecen muchas características ventajosas, existe la necesidad de un mayor control sobre la uniformidad, resistencia, estabilidad dimensional, propiedades de transporte de electrólitos y otras características de un separador de batería no tejido. Es importante por ejemplo que el separador de batería tenga uniformidad en el espesor y el peso base, evitándose orificios o áreas delgadas que podrían producir cortocircuitos o variaciones en la resistencia u otras propiedades eléctricas.

La presente invención proporciona un material que tiene una construcción laminada formada de múltiples capas de banda no tejida. El material tiene utilidad como material separador de batería. El material laminado separador de batería de la presente invención comprende una primera capa de fibras no tejidas que definen una primera superficie del separador de batería; una segunda capa de fibras no tejidas que definen la superficie opuesta del separador de batería; y una tercera capa de fibras no tejidas colocadas entre la primera y segunda capa tal como se describe en las reivindicaciones. Las capas se unen entre sí para formar un laminado. Al menos una de las capas no tejidas comprende una banda no tejida de fibras sopladas por fusión. Además, se ha hecho que una o más de las capas sean permanentemente hidrofílicas formando la banda no tejida a partir de fibras de un polímero normalmente hidrofóbico que tiene incorporado un aditivo fundido hidrofílico.

Al menos una de las capas de banda no tejida del laminado contiene preferentemente fibras aglutinantes que tienen un punto de fusión inferior al de las fibras de las otras capas. Las fibras aglutinantes de esta capa pueden ser activadas mediante el calentamiento a fin de unir las capas del laminado entre sí conservando aún la integridad de las otras capas.

Al menos la banda formada de las fibras sopladas por fusión está realizada preferentemente de un polímero normalmente hidrofóbico que tiene incorporado un aditivo fundido hidrofílico y duradero. El aditivo fundido hidrofílico puede comprender al menos un miembro seleccionado del grupo compuesto de ácidos grasos monoméricos o diméricos que tienen una longitud de cadena de carbono en el rango de 6 a 50, hidroxifenoles, polietilenglicol, alcohol polivinílico y polivinil-formal. Una o más de las otras capas del separador pueden hacerse también permanentemente hidrofílicas de este modo.

Las bandas no tejidas utilizadas en el separador laminado de batería pueden formarse mediante diferentes técnicas de procesamiento conocidas en la industria de los materiales no tejidos. Las bandas pueden comprender por ejemplo una banda colocada al aire de fibras cortas, una banda cardada de fibras cortas, una banda colocada en húmedo de fibras cortas, una banda de fibras sopladas por fusión o una banda unida por hilatura de filamentos prácticamente continuos. Las diferentes capas no tejidas pueden estar dispuestas en diferentes configuraciones a fin de proporcionar las propiedades mecánicas eléctricas y de transporte de electrólitos deseadas.

En una realización especifica, por ejemplo, el material laminado separador de batería comprende una primera capa formada de fibras no tejidas sopladas por fusión que definen una primera superficie del separador de batería; una segunda capa formada de fibras no tejidas que definen la superficie opuesta del separador de batería; y una tercera capa intermedia de fibras no tejidas colocadas en húmedo situadas entre dichas primeras y segundas capas y unidas a las citadas primeras y segundas capas para formar un laminado. Al menos una de las primeras y terceras capas comprende fibras permanentemente hidrofílicas de un polímero de polipropileno normalmente hidrofóbico que tiene incorporado un aditivo fundido hidrofílico. En una realización especifica preferida, ambas capas exteriores del material laminado separador de batería se forman a partir de fibras no tejidas sopladas por fusión formadas de un polímero de polipropileno normalmente hidrofóbico que tiene incorporado un aditivo fundido hidrofílico. La primera capa se forma a partir de fibras sopladas por fusión que contienen un aditivo de fusión hidrofílico, de modo que esta superficie del separador es hidrofílica y promueve la capilaridad y la retención del electrólito, y la superficie opuesta del separador es hidrofóbica y está formada a partir de fibras sopladas por fusión de un polímero normalmente hidrofóbico. Entre las dos capas exteriores sopladas por fusión se proporciona una capa de unión, preferentemente una capa no tejida colocada en húmedo formada de fibras cortas, al menos unas de las cuales están formadas de polímero con un punto de fusión relativamente bajo, o contienen el mismo, a fin de funcionar como fibras aglutinantes. Las fibras de esta capa son una mezcla de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas.

Otras construcciones ejemplares incluyen un laminado cardado de soplado por fusión, colocado en húmedo; un laminado colocado en húmedo, unido por hilatura, soplado por fusión; un laminado cardado, colocado en húmedo, soplado por fusión, un laminado colocado en húmedo, colocado en húmedo, soplado por fusión y un laminado colocado en húmedo, soplado por fusión y colocado en húmedo. El material separador puede contener también más de tres capas. Se hace que al menos una de las capas exteriores sea permanentemente hidrofílica incorporándose en la misma un polímero de poliolefina normalmente hidrofóbico, y al menos un aditivo fundido hidrofílico.

Las bandas no tejidas utilizadas en el separador laminado de batería de la presente invención pueden incluir fibras multicomponentes que incluyen un primer componente formado de un polipropileno hidrofóbico y un segundo componente formado de una mezcla de poliolefina hidrofóbica y un aditivo fundido hidrofílico. Este segundo componente se dispone en la superficie de las fibras. El componente de poliolefina modificado por el aditivo hidrofílico fundido puede disponerse en diferentes configuraciones en la sección transversal de la fibra y las fibras pueden tener diferentes secciones transversales. El componente hidrofílico puede ocupar por ejemplo una parte de la superficie de la fibra, como ocurriría por ejemplo con una configuración en sección transversal de la fibra multicomponente a modo de sector adosado lateralmente o segmentado.

Existen diferentes aditivos fundidos disponibles que pueden mezclarse por fusión con una composición de poliolefina hidrofóbica a fin de impartir propiedades hidrofílicas duraderas a la poliolefina. Los aditivos fundidos adecuados para la presente invención no deben modificar indeseablemente la cualidad de hilatura por fusión de las fibras multicomponentes y deben ser relativamente compatibles con la composición de poliolefina de modo que el aditivo no sufra prematuramente lixiviación y pierda las propiedades hidrofílicas. Ciertos aditivos fundidos adecuados útiles en la presente invención serán al menos parcialmente inmiscibles con la composición polimérica de poliolefina y tenderán a salir a la superficie de la fibra con el tiempo o con la aplicación de calor para impartir una modificación prolongada de la superficie hidrofílica. Son particularmente adecuados los compuestos con una estructura molecular que incluya al menos un grupo funcional que se adhiera a la estructura de polímero de olefina, con otros grupos funcionales que proporcionan lugares hidrofílicos reactivos. Los aditivos fundidos hidrofílicos adecuados para su uso en la presente invención incluyen ácidos grasos monoméricos o diméricos, hidroxifenoles, polietilenglicol, fluorohidrocarburos, alcohol polivinílico y polivinil-formal.

Una clase particularmente adecuada de aditivos fundidos es una mezcla de hidroxifenoles y polietilenglicoles. El hidroxifenol se caracteriza porque contiene el grupo funcional HOC_{6}H_{4}.

Otra clase particularmente adecuada de aditivos fundidos son ácidos grasos monoméricos y diméricos que tienen una longitud de carbono en el rango de 6 a 50, preferentemente 18 a 36.

Según una realización de la invención, la banda no tejida se fabrica empleando procesos de unión térmica de colocación en húmedo y/o cardado. Es posible utilizar combinaciones de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas en la banda. Dicho de otro modo, no es necesario que todas las fibras en la banda sean permanentemente humectables.

En una realización especifica preferida, la banda incluye fibras de dos componentes en las cuales el aditivo fundido se incorpora en la parte de envoltura de la fibra. El uso de fibras de dos componentes, así como combinaciones de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas, reduce los costes y permite la optimización de la banda para diversas aplicaciones. En otra de las realizaciones de la presente invención, las fibras humectables se mezclan con fibras aglutinantes no humectables. Estas fibras aglutinantes son preferentemente fibras de dos componentes de polietileno/polipropileno que tienen una envoltura de polietileno y un núcleo de polipropileno. En otra realización más de la invención, la banda no tejida incluye tanto fibras aglutinantes no humectables como fibras aglutinantes humectables. Las fibras aglutinantes humectables son preferentemente fibras de de dos componentes polietileno/polipropileno en las cuales el aditivo fundido hidrofílico se incorpora en la envoltura de polietileno de la fibra de dos componentes. Las fibras aglutinantes no humectables pueden comprender fibras de dos componentes de polietileno/polipropileno. En otra realización más, la banda no tejida está formada prácticamente en su totalidad de fibras aglutinantes humectables del tipo descrito.

En general, los materiales laminados separadores de batería de la presente invención han mejorado la humectabilidad y resistencia y proporcionan una buena permeabilidad a los gases. Más particularmente, los materiales laminados de la presente invención pueden proporcionar tamaños medios de poro muy finos y puntos de burbujeos (la medida del mayor poro) que se desea en muchos tipos de separadores de batería que mantienen una excelente resistencia al estallido, resistencia a la tracción y estabilidad dimensional. Los laminados también proporcionan al material la capacidad de impartir una humectabilidad en gradiente al material para un mejor control sobre las características de humectabilidad. Para determinadas aplicaciones de uso final, el material laminado puede tener por ejemplo humectabilidad en una superficie y propiedades de barrera en la superficie opuesta.

La invención también incluye el proceso relacionado para realizar material laminado no tejido que puede utilizarse como separador de batería que requiere durabilidad y humectabilidad. En general, fibras humectables con al menos un aditivo fundido hidrofílico se producen y forman en una banda no tejida mediante el soplado por fusión, el unido por hilatura u otros procedimientos de formación de no tejidos. En una realización, las fibras se mezclan posteriormente con fibras aglutinantes que a continuación se colocan en una máquina de fabricación de papel para formar una banda colocada en húmedo. El agua se retira de la banda colocada en húmedo, se une térmicamente y se calandra para formar el material no tejido.

Los materiales laminados no tejidos de la presente invención tienen una utilidad particular como materiales separadores de batería. Sin embargo, los materiales pueden también emplearse ventajosamente en otros usos finales. En el campo del filtrado, por ejemplo, las diferentes capas de banda pueden seleccionarse para producir medios de filtración con diferentes características de transporte y separación de fluidos.

Breve descripción del dibujo

Habiéndose descrito generalmente algunas de las características y ventajas de la invención, otras serán evidentes a partir de la descripción siguiente, y del dibujo adjunto, en donde

La figura es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un material laminado no tejido de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada

La presente invención se describirá mas completamente a continuación en referencia con el dibujo adjunto, en el cual se ilustra una realización especifica de la invención. No obstante, esta invención puede realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como que se limita a las realizaciones ilustradas o descritas en el presente; por el contrario, estas realizaciones se proporcionan a fin de que esta memoria sea exhaustiva y completa, y transmita completamente el ámbito de la invención a las personas entendidas en la técnica.

Los aditivos fundidos hidrofílicos incorporan el polímero termoplástico de olefina y se convierten en una banda no tejida utilizándose cualquiera de las diferentes tecnologías de formación disponibles para la producción de bandas no tejidas. El material puede convertirse directamente desde el polímero en una banda no tejida mediante la unión por hilatura o soplado por fusión o la combinación de las dos. Como variante, el material puede disponerse primero en y las fibras podrían posteriormente convertirse en una banda no tejida mediante técnicas tales como la colocación en húmedo, la colocación al aire o el cardado. Mediante la combinación de los aditivos fundidos y el proceso de no tejido, se obtiene una banda no tejida que se mantiene hidrofílica durante mucho tiempo.

En una realización de la invención, los aditivos de fusión hidrofílicos se mezclan con el polipropileno y se convierten en fibras multicomponentes cortas para formar una matriz de fibra humectable. Esta matriz se combina a continuación con fibras aglutinantes no humectables y se coloca en húmedo para formar una de las capas del material no tejido de la invención. Las fibras aglutinantes no humectables utilizadas pueden incluir una fibra de dos componentes que comprende una envoltura de polietileno y un núcleo de polipropileno, disponible como fibras Chisso, de Chisso, Japón. El material no tejido formado tiene regiones hidrofóbicas y regiones hidrofílicas debido a los diferentes tipos de fibras utilizadas en la realización de la banda.

En una realización alternativa los aditivos de fusión hidrofílicos se mezclan con fibras de dos componentes que comprenden una envoltura de polipropileno y un núcleo de polipropileno para formar una matriz de fibra humectable. Las proporciones de fibra de dos componentes envoltura/núcleo utilizada en la invención pueden variar en un amplio rango, siendo ejemplar de 50/50 envoltura/núcleo a 60/40 envoltura/núcleo. Los aditivos fundidos se incorporan básicamente en la envoltura exterior de las fibras. El uso de fibras de dos componentes que tienen 60/40 envoltura/núcleo permiten una mayor incorporación del aditivo de fusión en la parte de la envoltura. Las fibras humectables pueden a continuación combinarse con fibras aglutinantes no humectables para formar la banda no tejida.

En todas las realizaciones, la banda hidrofílica duradera se fabrica mezclándose un concentrado de aditivos fundidos hidrofílicos con el polímero termoplástico y convirtiendo el polímero en fibras, y en una banda no tejida directamente o a través de un proceso de formación de fibra intermedio. El tipo de aditivo de fusión y la proporción pueden modificarse en la medida necesaria para controlar la humectabilidad de la capa húmeda no tejida particular.

En una realización, los aditivos de fusión utilizados en la invención se seleccionan del grupo compuesto de ácidos grasos monoméricos y diméricos que tienen una longitud de cadena de carbono en el rango de 6 a 50, preferentemente 36. En una composición preferida de esta realización, la mezcla contiene de 2 a 15% de ácido graso de aceite de resina Acintol®, aceites de resina destilados (ácidos monoméricos) Acintol® y ácidos diméricos Sylvadym® que están comercialmente disponibles en Arizona Chemical Company, Panama City, Florida y se describen completamente en las hojas de datos técnicos de estos materiales, que se incorporan a la presente mediante referencia. Se trata de materiales líquidos polares que migran a la superficie de la poliolefina y permanecen como líquido en su superficie. La mezcla uniforme de los componentes es importante para obtener propiedades hidrofílicas importantes efectivas. En otra realización, los aditivos fundidos hidrofílicos son fluorohidrocarburos tal como 3M FC 1296.

En otra realización, los aditivos fundidos utilizados en la invención son una mezcla de hidroxifenoles y polietilenglicoles. Ejemplos de los aditivos fundidos utilizados están comercialmente disponibles en Techmer, PM California con las designaciones de productos PPM 11211, PPM 11249, PPM 11212, PPM 11267, y PPM 11268. Este químico activo o funcional se proporciona en una resina transportadora, preferentemente poliolefina, por ejemplo polipropileno o polietileno, de una velocidad de fusión determinada (VF) adecuada para el soplado por fusión, unido por hilatura o fabricación de fibra cortas. En consecuencia, las formulaciones tienen diferentes velocidades de fusión dependiendo de las aplicaciones de uso final. La VF enumerada en las formulaciones siguientes se midieron a 230º, 2,16 kg. Las resinas de polipropileno de calidad soplada por fusión tienen normalmente una velocidad de caudal de fusión mucho mayor (VF 800-1200), mientras que las resinas de polipropileno de grado de fibra cortas y de unión por hilatura tienen una velocidad de caudal de fusión inferior (VF 7-35). Los químicos base en las formulaciones incluyen materiales hidrofílicos duraderos o materiales hidrofílicos no duraderos dependiendo de las propiedades deseadas de humectabilidad y las aplicaciones de uso final. Los materiales hidrofílicos no duraderos proporcionan una humectabilidad inicial de las fibras para mejorar y maximizar la incorporación de los materiales hidrofílicos duraderos. Los materiales hidrofílicos duraderos imparten las propiedades de humectabilidad y resistencia a los materiales de fibra.

Para estructuras no tejidas sopladas por fusión, el polímero de formación de fibra contiene adecuadamente alrededor de un 1% a alrededor de un 20% en peso del aditivo activo hidrofílico duradero. Para bandas unidas por hilatura y bandas no tejidas que contienen fibras cortas, las fibras pueden contener adecuadamente alrededor de un 1% a alrededor de un 15% en peso del aditivo activo hidrofílico duradero. Optativamente podría incluirse también una pequeña proporción de un aditivo activo hidrofílico no duradero. Los aditivos de fusión hidrofílicos pueden utilizarse en los siguientes tipos ejemplificativos de materiales no tejidos, a saber, soplado por fusión, unión por hilatura, colocación en húmedo, colocación en seco o una combinación de estas formas. Los denieres de fibra para las estructuras sopladas por fusión normalmente varían de 0,1 a 2,0 denieres, prefiriéndose menos de 1,0. En el caso de denieres de fibra cortas y filamentos unidos por hilatura, se utilizan denieres de fibra de menos de 3,0 pero se prefiere menos de 2,0.

Las fibras pueden producirse mezclándose la resina hidrofóbica de poliolefina sin modificar, en forma de virutas o de copos tal como se suministre por el proveedor de la resina, con una formulación de la mezcla madre del aditivo fundido que contiene el químico aditivo fundido hidrofílico y activo en un transportador de resina de poliolefina. A continuación aparecen algunas formulaciones de mezcla madre del aditivo fundido:

: El aditivo fundido 1 contiene aproximadamente un 30% en peso de un químico activo hidrofílico duradero, siendo el resto polipropileno, y es un compuesto comercialmente disponible vendido como PPM 11211 en Techmer PM, California.

: El aditivo fundido 2 contiene aproximadamente un 30% en peso de un químico activo hidrofílico no duradero, siendo el resto polipropileno, y es un compuesto comercialmente disponible vendido como PPM 11212 en Techmer PM, California.

: El aditivo fundido 3 contiene aproximadamente un 25% de los mismos materiales hidrofílicos duraderos que en la formulación del aditivo fundido 1. Este aditivo tiene una VF de 54 gramos/10 minutos y está comercialmente disponible como PPM 11267 en Techmer PM, California.

: El aditivo fundido 4 contiene aproximadamente un 20% del químico activo e incluye los mismos materiales hidrofílicos no duraderos que en la formulación del aditivo fundido 2. Este aditivo tiene una VF de 109 gramos/10 minutos y está comercialmente disponible como PPM 11268 en Techmer PM, California.

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Ejemplos

Para entender la presente invención más completamente, a continuación se describen varios ejemplos ilustrativos de la invención. Estos ejemplos son a efectos de ilustración únicamente y no debe considerarse que esta invención queda limitada por cualquier declaración que se utilice en los mismos. Los ejemplos muestran la preparación de diferentes materiales laminados no tejidos según la presente invención.

Procedimientos de ensayo

En los ejemplos siguientes, salvo que se especifique lo contrario, se utilizaron los siguientes procedimientos de ensayo:

Permeabilidad al aire. La permeabilidad al aire se midió según el método de ensayo ASTM D737-96.

Resistencia a la tracción. Se midió la resistencia a la tracción en la dirección de la máquina (DM) y la dirección transversal a la máquina (DTM) según el Procedimiento ASTM D5035.

Absorción Capilar. Esta característica se refiere a la capacidad de un tejido para absorber un líquido a través de la acción capilar. Los valores de absorción capilar se obtienen determinándose la distancia en la que una muestra de tejido sostenida verticalmente absorbe (por acción capilar) una solución de hidróxido de potasio (KOH). Específicamente, se cortan tres (3) trozos de cada modelo 1 pulgada DTM por 7 pulgadas DM (2,54 cm \times 17,8 cm). Las muestras se acondicionan mediante el secado en un horno a 70ºC (158ºF) durante 1 minuto, se retiran del horno, y se acondicionan al entorno del laboratorio durante 15 minutos antes el ensayo. Cada muestra de tejido se suspende verticalmente en una solución de KOH al 31% y se mide la distancia en que la muestra absorbe el líquido después de 30 minutos.

La solución de KOH al 31% se preparó del modo siguiente: Ingredientes: Gránulos de hidróxido de potasio (KOH) y agua destilada. Procedimiento: Al agua destilada se le extrae el dióxido de carbono disuelto mediante la ebullición y se cubre con un vidrio de observación. Se permite que el agua hervida se enfríe a temperatura ambiente. La solución debe tener un 31% en peso de KOH en peso. Dado que el KOH sólido contiene aproximadamente un 10% de agua, se utilizan 34,5 g de KOH sólido por cada 100g de solución necesaria. La solución se obtiene añadiéndose lentamente los 34,5 g de KOH a 65,5 g de agua.

Punto de burbujeo y tamaño medio de poro. Las mediciones del tamaño medio de los poro y del punto de burbujeo (tamaño máximo de los poros) se realizan con un Porómetro de Flujo Capilar Automatizado de Porous Materials Inc (PMI). La compañía está situada en 83 Brown Road, Ithaca NY 14850. El procedimiento de ensayo utilizado es el estándar suministrado por el fabricante.

Absorbencia bajo presión. Cortar con troquel 20 capas de tejido en círculos con un diámetro de 1 pulgada (2,54 cm). Apilar las 20 muestras circulares, colocarlas en una bolsa de plástico termosellable y situar el conjunto de la bolsa entre dos placas de plexiglass cuadradas que pueden apretarse con pernos/tuercas de mariposa en cada una de las cuatro esquinas. Añadir suficiente KOH al 31% a la bolsa para saturar las muestras y empapar durante 5 minutos, escurriendo a continuación el KOH sobrante. Rellenar dos veces el conjunto en vacío dos veces para retirar cualquier aire atrapado y saturar completamente las muestras. Volver a escurrir cualquier exceso de KOH. Pesar la muestra y medir su espesor después de empaparla durante 5 minutos y tras el segundo vacío. Comprimir el conjunto a 50 psi (345 kPa), ajustar las tuercas de mariposa para mantener la compresión, escurrir el exceso de KOH y acto seguido sellar térmicamente el extremo abierto de la bolsa de plástico. Colocar todo el conjunto en un horno a 60ºC durante un mínimo de 3 horas. Permitir que se enfríe, cortar la bolsa abierta y escurrir el KOH sobrante. Comprimir el conjunto a 100 psi (690 kPa) y de nuevo ajustar las tuercas de mariposa para mantener la compresión. Escurrir el exceso de KOH. Medir el peso y el espesor del conjunto después de compresión a 50 psi, al cabo de más de 3 horas de tratamiento térmico y después de una compresión a 100 psi. Calcular la absorbencia a 100 psi en g/cc=gramos de KOH absorbido a 100 psi/(espesor de 20 capas a 100 psi por superficie de la muestra de un diámetro de 2,54 cm).

Alto potencial. Colocar la muestra de tejido rectangular aproximadamente 2 5/8 pulgadas por 3 ¼ pulgadas (6,7 cm \times 8,3 cm) entre dos placas de ensayo de aluminio. Comprimir la muestra a 50 psi (345 kPa). Aplicar potencia eléctrica sobre las placas e incrementar la tensión lentamente hasta que tenga lugar un arco eléctrico. Registrar la tensión en la que comienza la formación del arco. Medir las 20 muestras y registrar la tensión media.

Resistencia Iónica. Cortar 20 muestras de 1 pulgada (2,54 cm) de diámetro de la lámina. Colocar en una almohadilla termosellable, cubrir con solución de KOH al 31% y sellar la almohadilla. Calentar en un horno a 60ºC durante 3 horas, enfriar durante 1 hora antes del ensayo. Apilar un disco de Ni de 1'' de diámetro + 1 disco de electrodo de hidruro metálico de 1'' de diámetro + 2 muestras separadoras con un diámetro de 1'' (añadiéndose unas gotas de KOH al 31%) + 1 disco de electrodo de hidruro metálico de 1'' + 1 disco de níquel de 1'' de diámetro. Comprimir el conjunto con una carga de 50 psi (345 kPa). Medir la impedancia entre los dos discos de níquel utilizando un medidor de impedancia Agilent (modelo HP4338B). Añadir dos discos más de muestras de tejido y medir la impedancia con 4 capas de separador. Continuar probando 2 capas adicionales cada vez hasta que se prueben el total de las 20 capas. Trazar la impedancia medida contra el número de capas. Calcular la resistencia iónica (ohm-cm) = curva \times área de muestra con un diámetro de una pulgada/espesor de 1 capa de muestra bajo compresión.

Preparación de las bandas no tejidas

Las bandas no tejidas utilizadas en los materiales laminados humectables separadores de batería descritos en la Tabla 1 se preparan del modo siguiente:

Las bandas sopladas por fusión con un diámetro medio de fibra de 1 a 5 \mum, preferentemente 1 a 2 \mum se producen mezclándose copos de resina de polipropileno con las siguientes composiciones de mezcla madre: 2 ½ por ciento de Aditivo Fundido hidrofílico no duradero 2 y el 20% del Aditivo Fundido hidrofílico no duradero 1. Así, las fibras contienen un 6% del aditivo fundido hidrofílico duradero activo.

Las bandas colocadas en húmedo se producen a partir de una mezcla de fibras de dos componentes duraderamente hidrofílicos y fibras de dos componentes hidrofóbicos no modificados. Las fibras de los componentes hidrofílicos son fibras de un diámetro de 16,6 \mum, una longitud cortas de ½ pulgada (1,13 cm) y una configuración de 50/50 de envoltura/núcleo, incluida una envoltura de polietileno y un núcleo de polipropileno. El componente de la envoltura de polietileno contiene un 20% en peso del Aditivo Fundido hidrofílico duradero 3 y 2 ½% del Aditivo Fundido 4. Las fibras hidrofóbicas no modificadas tienen un diámetro de 17,5 \mum, fibras de una longitud cortas de 10 mm que son fibras de dos componentes polietileno/polipropileno 50/50 de envoltura/núcleo concéntricos.

Las bandas cardadas por unión térmica se producen a partir de fibras de polipropileno hidrofóbico 1 de 1/2 denieres, un diámetro de 15 \mum, con una longitud cortas de 1 1/2 pulgadas (3,8 cm).

Las bandas unidas por hilatura se producen a partir de filamentos de polipropileno hidrofóbico con un diámetro de 15-20 \mum.

La malla se produce de tiras de polipropileno con un diámetro de 100-150 \mum.

La banda de nylon se forma con una mezcla de 6 fibras de nylon de 10 \mum y 19 \mum.

Las diferentes bandas producidas separadamente se dispusieron en relación apilada y se dirigieron a través de un tamiz calentado equipado con rodillos lisos para formar laminados. La presión de punta y la temperatura y velocidad del rodillo se ajustaron para proporcionar suficiente calor para activar el componente de polietileno de las fibras a fin de efectuar la unión sin afectar generalmente a la estructura de las otras capas de la banda. Un ejemplo de la temperatura del rodillo para unir el polietileno es 225ºF (107ºC). Se midieron las propiedades físicas de los laminados y se registraron en la Tabla 1.

TABLA 1 Datos Físicos y Descripción del Trilaminado

1

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TABLA 1 (continuación)

2

Como se ilustra en la Figura del dibujo, el laminado incluye capas exteriores 1 y 2 y una capa intermedia 3 situada entre las mismas. El producto del Ejemplo 1 se diseñó para promover la acción capilar del electrólito. Las tres capas del separador laminado de batería se forman a partir de fibras que contienen un aditivo fundido hidrofílico y ambas capas exteriores son bandas de soplado por fusión. El Ejemplo 2 fue diseñado con una banda hidrofílica soplada por fusión de peso base relativamente elevado en una superficie exterior, y esta capa exterior, junto con la capa intermedia colocada en húmedo, actúan como depósito de electrólitos. La superficie exterior opuesta se forma a partir de una banda hidrofóbica soplada por fusión de peso base relativamente elevado y sirve como barrera a los líquidos. El separador laminado tiene un cabezal hidrostático de 26 cm. El Ejemplo 3 es una construcción laminada diseñada para proporcionar una resistencia más elevada a la tensión DM. La fibra corta rizada contenida junto con el modelo de unión térmica de la capa contribuyen a proporcionar canales de flujo dentro del material separador. El laminado del Ejemplo 4 está diseñado para mejorar la resistencia manteniendo aún suficiente absorción capilar y retención de electrólitos. El laminado del Ejemplo 5 tiene propiedades hidrofóbicas limitadas en una superficie y propiedades hidrofílicas en la superficie opuesta. El laminado del Ejemplo 6 utiliza un material de malla de polipropileno para la resistencia y para proporcionar canales en la dirección de la máquina contribuyendo a un mejor transporte de gases dentro del material separador.

Otro ejemplo de una estructura laminada no tejida multicapa es una estructura de tres laminados que incluye una capa exterior soplada por fusión de PP que contiene un aditivo fundido hidrofílico duradero, una capa interior colocada en húmedo de fibras de dos componentes de envoltura/núcleo de PE/PP en la cual el componente de envoltura de PE contiene un aditivo fundido hidrofílico duradero y una capa exterior de fibras de nylon colocadas en húmedo. Este laminado ejemplifica cómo dos tipos diferentes de fibras pueden incorporarse en diferentes capas. Una capa de superficie se forma de una banda colocada en húmedo de fibras de nylon mientras que la superficie opuesta se forma de fibras de soplado por fusión de polipropileno hidrofílico.

Otro ejemplo es una estructura trilaminada en la cual las tres capas contienen un aditivo fundido hidrofílico duradero, y dispuesto del modo siguiente: dos capas exteriores colocadas en húmedo de fibras de dos componentes PE/PP que contienen un aditivo fundido hidrofílico en el componente de envoltura PE en lados opuestos de una capa intermedia de fibras de PP soplado por fusión que contienen un aditivo fundido hidrofílico.

Los Ejemplos 7 y 8 ilustran productos que son similares al Ejemplo 1, pero con un peso diferente. Los datos adicionales de ensayo que ilustran la utilidad de estos materiales para los separadores de batería están disponibles para estas muestras: la absorbencia de KHO bajo presión (que mide la retención de electrólitos bajo compresión, tal como se encontraría en una célula), resistencia iónica (mide la resistencia al flujo de iones a través de un separador saturado de electrólitos), y alto potencial (resistencia al cortocircuito).

Los materiales no tejidos de la presente invención que tienen como objetivo su uso como separadores de batería, tienen preferentemente las siguientes propiedades físicas:

: Un alto potencial mayor de 400 voltios, y preferentemente mayor de 500 voltios;

: Resistencia iónica menor de 25 ohm-cm, más convenientemente menos de 20 ohm-cm y más preferentemente menos de 15 ohm-cm; y

: Absorbencia de 100 psi (690 kPa) entre 0,50 y 0,70 g/cm^{3}.

El ejemplo 9 ilustra cómo puede utilizarse una tecnología convencional de injerto en una de las capas en otra realización de la invención. En este caso una capa exterior contiene polipropileno injertado con ácido acrílico. De igual modo, podría utilizarse un tejido sulfonatado o fluorado como una de las capas.

Se sabe que el uso como separador del tejido de poliolefina sulfonatado o injertado con ácido acrílico proporciona un mejor rendimiento de autodescarga de un acumulador. Se cree que los grupos funcionales injertados en la superficie de estos tejidos pueden captar iones metálicos en trazas y contaminantes de amoniaco en el electrodo positivo. Estos contaminantes podrían migrar a través de un separador no injertado y "envenenar" la superficie del electrodo negativo. La capacidad de absorción del amoniaco de los tejidos de los Ejemplos 7 y 9 se midió mediante el ensayo siguiente: cada tejido se empapó en KOH al 31% con un contenido de 0,1 M de nitrato de amonio durante 12 horas. Después se lavó a fondo en agua destilada secándose acto seguido La cantidad de nitrógeno absorbido por el tejido se midió después mediante el método Kjeldahl. Se observa que el Ejemplo 9 que contiene una capa injertada, absorbe 17 veces más nitrógeno que el Ejemplo 7. El método Kjeldahl es un procedimiento bien conocido para determinar el contenido de nitrógeno. El procedimiento consiste en tratar la muestra con H_{2}SO_{4}, KMnO_{4} y HCLO_{4} concentrado a fin de convertir el nitrógeno en sulfato de amonio. La solución se diluye, se añade el álcali sobrante y el amoniaco formado se destila en una cantidad conocida de ácido estándar. La cantidad de amoniaco generada se determina mediante titulación del ácido sobrante.

Según la presente invención, los aditivos fundidos que contienen grupos funcionales aniónicos, tales como -COO-, -SO_{4}=, -SO_{3}=, -PO_{4}^{-3}, -CO_{3}=, pueden utilizarse para proporcionar el mismo tipo de funcionamiento mejorado de autodescarga en tejidos de poliolefina con un coste más bajo que el injerto. El aditivo fundido puede ser incorporado en una o más de las capas laminadas. Un ejemplo de un aditivo fundido que proporciona tanto una funcionalidad hidrofílica como aniónica es el ácido dimérico Sylvadym®, comercialmente disponible en Arizona Chemical Company.

TABLA 2

4

Muchas modificaciones y otras realizaciones de la invención serán evidentes para las personas entendidas en la técnica en referencia con el objeto de esta invención, teniendo el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones anteriores y en los dibujos asociados.

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Referencias citadas en la memoria descriptiva

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es para comodidad del lector solamente. No forma parte del documento de la patente europea. Aun cuando se tuvo gran cuidado en cumplir las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO declina toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patentes citados en la memoria descriptiva

\bullet US 6174826 B, Williams [0002]: \bullet WO 0041254 A [0002]

Claims

1. Material laminado no tejido que comprende:

: Una primera capa formada de fibras de soplado por fusión que contienen un aditivo fundido hidrofílico y definen una primera superficie del laminado;

: Una segunda capa formada de fibras de soplado por fusión de polímero de polipropileno normalmente hidrofóbico que define la superficie opuesta del laminado; y

: Una tercera capa intermedia de fibras no tejidas colocadas en húmedo situadas entre dichas primera y segunda capa, estando la tercera capa unida a la primera y segunda capa para formar un laminado, estando producida la tercera capa a partir de una mezcla de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas.

2. Material según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho aditivo fundido hidrofóbico comprende al menos un miembro seleccionado del grupo compuesto de ácidos grasos diméricos o monoméricos que tienen una longitud de cadena de carbono en el rango de 6 a 50, hidroxifenoles, polietilenglicol, alcohol polivinílico y polivinil-formal.

3. Material según la reivindicación 1, que incluye una serie de uniones de puntos térmicos y discretos que funden entre sí las fibras de la citada primera, segunda y tercera capa para formar un laminado unitario integral.

4. Material según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera, segunda y tercera capa comprenden permanentemente fibras de soplado por fusión permanentemente hidrofílicas formadas de un polímero del polipropileno normalmente hidrofóbico que tiene un aditivo fundido hidrofílico incorporado.

5. Material según la reivindicación 1, caracterizado porque la citada tercera capa intermedia de fibra no tejida colocada en húmedo incluye fibras de dos componentes de envoltura y núcleo que tienen un núcleo de polipropileno y una envoltura de polietileno.

6. Material según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha tercera capa intermedia contiene fibras aglutinantes que tienen un punto de fusión inferior al de las fibras de las otras capas del laminado.

7. Separador de batería formado a partir del material de la reivindicación 1.

8. Medio de filtrado formado a partir del material de la reivindicación 1.

9. Material según la reivindicación 1, que tiene un alto potencial superior a los 400 voltios, una resistencia iónica inferior a los 25 ohm-cm; y una absorbencia n en 100 psi entre 0,50 y 0,70 g/cm^{3}.

10. Material laminado no tejido que comprende:

: Una primera capa formada de fibras de soplado por fusión de polipropileno que contienen un aditivo fundido hidrofílico y que definen una primera superficie del laminado;

: Una segunda capa formada de fibras unidas por hilatura de polipropileno injertada con ácido acrílico que define la superficie opuesta del laminado; y

: Una tercera capa intermedia de fibras no tejidas colocadas en húmedo de polietileno/polipropileno que contienen un aditivo fundido hidrofílico y situada entre la primera y segunda capa; las capas se fijan a las citadas primera y segunda capas para formar un laminado, siendo dicha tercera capa producida a partir de una mezcla de fibras hidrofóbicas e hidrofílicas.

11. Material según la reivindicación 10, caracterizado porque al menos una de la primera y la segunda capa tiene una capacidad de absorción de amoniaco de 0,16% de nitrógeno, caracterizado porque el nitrógeno se mide utilizándose una serie de pasos para convertir el nitrógeno en amoniaco, comprendiendo los pasos de (a) tratar una muestra con ácido sulfúrico concentrado (H_{2}SO_{4}), permanganato de potasio (KmnO_{4}), y ácido perclórico (HclO_{4}), para convertir el nitrógeno en sulfato de amonio (b) diluyendo la solución y añadiendo álcali en exceso, (c) destilando el amoniaco que se forma en un ácido estándar y (d) determinando la cantidad de amoniaco generada mediante la titulación del ácido sobrante.

12. Material según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha tercera capa intermedia contiene fibras aglutinantes que tienen un punto de fusión inferior al de las fibras de las otras capas del laminado.

13. Material según la reivindicación 10, caracterizado porque dicho aditivo fundido hidrofóbico comprende al menos un miembro seleccionado del grupo compuesto de ácidos grasos monoméricos o diméricos que tienen una longitud de cadena de carbono en el rango de 6 a 50, hidroxifenoles, polietilenglicol, alcohol polivinílico y polivinil-formal.

14. Material según la reivindicación 10, que incluye una serie de uniones de puntos térmicos y discretos que funden entre sí las fibras de la citada primera, segunda y tercera capas para formar un laminado unitario integral.

15. Material según la reivindicación 10, caracterizado porque las citada primera, segunda y tercera capas comprenden fibras de soplado por fusión permanentemente hidrofílicas formadas de un polímero de polipropileno normalmente hidrofóbico que tiene un aditivo fundido hidrofílico incorporado.

16. Material según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha capa intermedia de fibra no tejida colocada en húmedo incluye fibras de dos componentes de envoltura y núcleo que tienen un núcleo de polipropileno y una envoltura de polietileno.

17. Separador de batería formado a partir del material de la reivindicación 10.

18. Medio de filtrado formado a partir del material de la reivindicación 10.

19. Material según la reivindicación 10, que tiene un alto potencial superior a los 400 voltios, una resistencia iónica inferior a 25 ohm-cm; y una absorbencia en 100 psi entre 0,50 y 0,70 g/cm^{3}.