ES2645137T3 - Nuevo papel encolante hecho de fibra de vidrio no tejida que comprende grafito de carbono - Google Patents
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Abstract
Una batería de plomo-ácido que comprende: (i) un electrodo positivo; (ii) un electrodo negativo; (iii) un separador situado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, de manera que aísla eléctricamente los electrodos positivos y negativos; y (iv) una esterilla de fibra no tejida posicionada adyacente al electrodo positivo o al electrodo negativo, comprendiendo la esterilla de fibra no tejida: (a) Una mezcla de fibras de vidrio gruesas que comprende: - Múltiples primeras fibras de vidrio con diámetros de entre 8 μm y 13 μm; y - Múltiples segundas fibras de vidrio con diámetros de al menos 6 μm, comprendiendo la pluralidad de segundas fibras de vidrio un apresto de material silano; (b) un aglutinante resistente a los ácidos que une las múltiples primeras y segundas fibras de vidrio para formar la esterilla de fibras no tejidas; (c) un componente humectante aplicado a la esterilla de fibras no tejidas para aumentar la humectabilidad del separador de fibras no tejidas de forma que la esterilla de fibras no tejidas tiene o presenta una altura media de absorción de agua de al menos 1,0 cm después de la exposición al agua durante 10 minutos, según el método ISO 8787; y (d) un material conductor dispuesto sobre al menos una superficie de la esterilla o a través de la esterilla de fibras no tejidas de forma que cuando la esterilla de fibras no tejidas está situada adyacente al electrodo positivo o al negativo, el material conductor está en contacto con el electrodo positivo o con el negativo, teniendo la esterilla de fibras no tejidas una resistencia eléctrica menor que 100.000 ohmios por cuadrado para permitir el flujo de electrones de la esterilla de fibras no tejidas.
Description
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esterilla de fibras de vidrio o de poliolefina) entre 0,01% y 50% en peso o, en algunas realizaciones, entre 1% y 25% en peso. Cuando está curado, el recubrimiento de grafeno forma una capa conductora a través de toda la superficie,
o de una porción definida, de la esterilla de refuerzo 230.
En otra forma de realización, la capa conductora puede contener una esterilla de fibras, lámina o pantalla conductora que esté colocada adyacente a la superficie de la esterilla de refuerzo 230 o enmarañada con las fibras eléctricamente aislantes (por ejemplo, fibras de vidrio) de la esterilla de refuerzo 230. En una realización, La capa conductora puede hacerse recubriendo o pulverizando las fibras conductoras sobre la superficie de la esterilla de refuerzo 230. En otra realización, una esterilla de fibras conductoras puede incluir las múltiples fibras conductoras dispuestas en un patrón no tejido o tejido y unidas entre sí mediante un aglutinante. La esterilla de fibras conductoras puede estar acoplada con la esterilla de refuerzo 230 por medio de un aglutinante y similares. Los electrones pueden fluir a lo largo de la esterilla de fibras, lámina o pantalla conductora, tal como se describe en la presente memoria, hasta el terminal negativo 218.
Como se ha descrito brevemente antes, la esterilla de refuerzo 230 puede incluir múltiples fibras eléctricamente aislantes, tales como de vidrio, poliolefina, poliéster y similares, que se utilizan principalmente para reforzar el electrodo. Debido a que la esterilla de refuerzo 230 está hecha de esas fibras aislantes, la esterilla de refuerzo 230 puede ser esencialmente no conductora antes de o sin la adición del material conductor. Por ejemplo, sin combinar o añadir el material o capa conductora, la esterilla de refuerzo 230 puede tener una resistencia eléctrica mayor que 1 Megaohmio por cuadrado. En la fabricación de la esterilla de refuerzo 230, se puede eliminar el agua u otro líquido (por ejemplo, a través de un vacío) a partir de una suspensión de las fibras en el medio líquido. A continuación, se puede aplicar un aglutinante a las fibras húmedas no tejidas de vidrio o de poliolefina para formar la esterilla de refuerzo 230. Como se ha descrito anteriormente, en algunas realizaciones, el material o las fibras conductoras se pueden añadir al aglutinante y/o al medio líquido. En una realización, la esterilla de refuerzo 230 puede tener un espesor de entre 50 y 500 micrómetros y tener un tamaño medio de poro de entre 5 micrómetros y 5 milímetros.
La esterilla de refuerzo 230 incluye también un componente de humectación que se aplica a la esterilla de refuerzo para aumentar la humectabilidad /capacidad de absorción de la esterilla de refuerzo. La humectabilidad /capacidad absorción de la esterilla de refuerzo 230 se incrementa de modo que la esterilla de refuerzo tiene o presenta una altura media de absorción de agua y/o una altura media de absorción de agua/solución de al menos 0,5 cm después de exposición a la solución respectiva durante 10 minutos según un ensayo realizado de acuerdo con el método ISO 8787.
Como se describe en la presente memoria, el componente humectante puede ser un componente humectable del aglutinante resistente a los ácidos (por ejemplo, un grupo funcional hidrófilo), un aglutinante hidrófilo que se mezcle con el aglutinante resistente a los ácidos, el componente humectante puede ser fibras componentes (por ejemplo, fibras de celulosa o naturales) que estén unidas con las fibras de vidrio de la esterilla de refuerzo 230, o el componente humectante puede ser una solución humectable (por ejemplo, solución de almidón o de celulosa) que se aplique a la esterilla de refuerzo 230 de forma que la solución humectable sature la esterilla de refuerzo 230 o esté dispuesta sobre al menos una superficie de la esterilla de refuerzo 230 después del secado de la solución humectable. En algunas realizaciones, el componente humectante puede incluir una combinación de cualquiera de los componentes antes mencionados, tal como una combinación de fibras de celulosa y un aglutinante resistente a los ácidos con un componente humectable. En una realización específica, las fibras de vidrio de la esterilla de refuerzo 230 incluyen primeras fibras con diámetros de fibra de entre 6 µm y 30 µm, o entre 8 µm y 12 µm, y las segundas fibras con diámetros de fibra de al menos 6 µm.
Como se describe en la presente memoria, en algunas realizaciones el componente humectante puede ser un componente humectable del aglutinante resistente a los ácidos (por ejemplo, un grupo funcional hidrófilo) o un aglutinante hidrófilo que se mezcle/combine con el aglutinante resistente a los ácidos. En otras realizaciones, el componente humectante puede ser una solución humectable (por ejemplo, una solución de almidón o de celulosa) que se aplique a la esterilla de refuerzo 230 de manera que la solución humectable sature la esterilla de refuerzo 230 o esté dispuesta sobre al menos una superficie de la esterilla de refuerzo 230 después de que se seque la solución humectable. En otra realización más, el componente humectante puede ser una pluralidad de fibras componentes (por ejemplo, de celulosa, algodón, otras fibras naturales, poliéster, otras fibras sintéticas o una combinación de fibras naturales y/o sintéticas) que están unidas con la esterilla de refuerzo 230. Según una realización, las fibras componentes pueden formar una esterilla de fibras componentes que estén unidas como mínimo a un lado de la esterilla de refuerzo de vidrio 230 de forma que la esterilla de refuerzo 230 incluya una configuración de esterilla de dos capas. En otra realización, las fibras componentes pueden estar mezcladas con las fibras de vidrio de forma que al formar la esterilla de vidrio las fibras componentes se enmarañen y con, se unan a, las fibras de vidrio. En otras realizaciones, el componente humectante puede ser una combinación de los componentes humectantes descritos anteriormente (es decir, un aglutinante con un componente humectable, una solución humectable y/o una fibra componente).
Con referencia ahora a las figuras 3A-C, se ilustran varias configuraciones de esterilla de refuerzo de electrodo. La figura 3A ilustra una configuración en la que un electrodo 300 tiene una única esterilla de refuerzo 302 dispuesta en
o cerca de una superficie exterior. Como se ha descrito anteriormente, la esterilla de refuerzo 302 puede incluir un material y/o capa conductores de manera que permita el flujo de electrones sobre una superficie y/o a través de la
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esterilla de refuerzo 302 hacia un terminal de la batería. La esterilla de refuerzo 302 también puede incluir un componente humectante como se ha descrito anteriormente para mejorar las propiedades de humectabilidad de la esterilla 302. La esterilla de refuerzo 302 puede cubrir parcial o totalmente la superficie exterior del electrodo 300. La configuración de la figura 3B es similar a la de la figura 3A, excepto que está dispuesta una esterilla de refuerzo adicional 304 sobre o cerca de una superficie opuesta del electrodo 300 de modo que el electrodo 300 está intercalado entre las dos esterillas de vidrio 302 y 304. Cualquiera de las esterillas de refuerzo 302 y 304 o ambas pueden incluir un material y/o capa conductores para permitir el flujo de electrones hacia un terminal de la batería así como un componente humectante. Como tal, el electrodo 300 puede estar intercalado entre dos esterillas de refuerzo conductoras 302 y 304. La Figura 3C ilustra una configuración en la que una esterilla de refuerzo 306 envuelve o rodea el electrodo 300. Aunque la figura 3C ilustra la esterilla de refuerzo 306 envolviendo completamente el electrodo 300, en muchas realizaciones está abierto un lado superior de la esterilla 306, o una porción de la misma. La esterilla de vidrio 306 puede incluir el material y/o la capa conductores como se ha descrito anteriormente para permitir el flujo de electrones, así como de un componente humectante.
Con referencia de nuevo a las figuras 1 y 2, una esterilla de refuerzo 240 está situada cerca de una superficie del electrodo positivo 202. La esterilla de refuerzo 240 puede estar dispuesta y/o acoplada con un electrodo positivo 202 de manera similar a la disposición y acoplamiento de la esterilla de refuerzo 230 con respecto al electrodo negativo
212. Por ejemplo, la esterilla 240 de refuerzo puede estar dispuesta parcial o totalmente sobre la superficie del electrodo positivo 202 para cubrir parcial o totalmente la superficie, puede estar situada sobre una superficie interior del electrodo 202 (es decir, adyacente al separador 220) en lugar de la configuración mostrada sobre la superficie exterior, y/o puede estar impregnada o saturada con el material activo positivo 204 de manera que la esterilla de refuerzo 240 esté parcial o totalmente dispuesta dentro de la capa de material activo 204. Al igual que la esterilla de refuerzo 230, la esterilla de refuerzo 240 proporciona también un soporte adicional para ayudar a reducir los efectos negativos del desprendimiento de las partículas de material activo positivo debido a repetidos ciclos de carga y descarga.
En algunas realizaciones, la esterilla de refuerzo 240 puede incluir un material y/o capa conductor/conductora para permitir el flujo de electrones sobre una superficie y/o a través de la esterilla de refuerzo 240 hasta el terminal positivo 208. En tales realizaciones, los electrones pueden fluir ya sea a través de la esterilla de refuerzo 240 o a través de la rejilla/conductor 206, dependiendo de qué superficie conductora proporciona un camino eléctrico de menor resistencia eléctrica. Por ejemplo, los electrones próximos al terminal positivo 208 pueden fluir a lo largo de un camino eléctrico de la rejilla/conductor 206, mientras que los electrones alejados del terminal 208 pueden fluir a lo largo de un camino eléctrico de la esterilla de refuerzo 240. En algunas realizaciones tanto la esterilla de refuerzo 230 como la esterilla de refuerzo 240 pueden incluir ambas un material conductor y/o capa conductora para permitir el flujo de electrones sobre o relativamente a ambas esterillas. Tanto la esterilla de refuerzo 230 como la esterilla de refuerzo 240 pueden incluir ambas un componente humectante, como se ha descrito en la presente memoria.
Con respecto a las funciones de refuerzo de las esterillas de refuerzo 230 y/o 240, en algunas realizaciones los aspectos de refuerzo de estas esterillas se pueden mejorar mezclando fibras que tengan diferentes diámetros de fibra. Las esterillas de refuerzo 230 y 240 (denominadas a continuación esterilla de refuerzo 230) pueden tener características y composiciones similares, y pueden incluir una mezcla de dos o más fibras gruesas de diferentes diámetros. En una realización la esterilla de refuerzo 230 incluye múltiples primeras fibras gruesas, que tienen diámetros de fibra en el intervalo entre 6 µm y 13 µm aproximadamente, entre 6 µm y 11 µm, o entre aproximadamente 8 µm y 13 µm. Las primeras fibras gruesas están mezcladas con múltiples segundas fibras gruesas, que tienen diámetros de fibra de al menos 6 µm, preferiblemente entre 6 µm y 7 µm. En algunas realizaciones, las múltiples segundas fibras gruesas pueden incluir un apresto de material silano. La mezcla de fibras gruesas de dos o más diámetros diferentes da como resultado una esterilla que es suficientemente resistente para soportar estructuralmente el material activo, como se ha descrito más arriba, y para resistir los diversos procesos de fabricación de la placa, al tiempo que se minimiza también el espesor y tamaño global de la esterilla. Puede ser deseable reducir el espesor de la esterilla de refuerzo 230 a la vez que se mantiene la resistencia de la esterilla, porque la esterilla de refuerzo 230 es típicamente un componente químicamente inactivo, y por tanto no contribuye al proceso electroquímico de la batería. La reducción del volumen de la esterilla de refuerzo 230 ayuda a minimizar el volumen de componentes de la batería que no contribuyen electroquímicamente.
En una realización la esterilla de refuerzo 230 puede incluir una mezcla de entre 10% y 95% de las primeras fibras gruesas y entre 5% y 80% de las segundas fibras gruesas. En otra realización, la esterilla de refuerzo 230 puede incluir una mezcla de entre 70% y 95% de las primeras fibras gruesas y entre 5% y 30% de las segundas fibras gruesas. En otra realización, la esterilla de refuerzo 230 puede incluir una mezcla de entre 40% y 90% de las primeras fibras gruesas y entre 5% y 30% de las segundas fibras gruesas. En otra realización, la esterilla de refuerzo 230 puede incluir una mezcla de entre 10% y 20% de las primeras fibras gruesas y entre 60% y 80% de las segundas fibras gruesas. En aún otra realización, la mezcla de las primeras fibras gruesas y de las segundas fibras gruesas es aproximadamente igual (es decir, 50% de las primeras y segundas fibras gruesas).
La longitud de las fibras gruesas puede contribuir también a la resistencia global de la esterilla de refuerzo 230, al enredarse físicamente con fibras o haces de fibras adyacentes y/o crear puntos de contacto adicionales en los cuales fibras separadas se unen mediante un aglutinante. En una realización las primeras y segundas fibras gruesas tienen longitudes de fibra en el intervalo entre 0,85 cm (1/3 pulgada) y 3,81 cm (1 ½ pulgada), aunque es más
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común un límite superior de longitud de 3,18 cm (1 1/4 pulgada). Este intervalo de longitudes proporciona suficiente resistencia a la esterilla a la vez que permite a las fibras dispersarse en una solución de agua clara para aplicaciones de tratamiento de la esterilla. En otra realización las primeras y segundas fibras gruesas pueden tener longitudes de fibra en el intervalo entre 1,27 cm y 1,91 cm (1/2 -3/4 pulgada). Las longitudes de fibra de las primeras fibras gruesas pueden ser diferentes de las longitudes de fibra de las segundas fibras gruesas. Por ejemplo, en una realización, las primeras fibras pueden tener una longitud media de fibra de 0,85 cm (1/3 pulgada), mientras que las segundas fibras gruesas tienen una longitud media de fibra de 1,91 cm (3/4 pulgada). Las longitudes de fibra de las primeras fibras gruesas pueden ser diferentes de las longitudes de fibra de las segundas fibras gruesas. Por ejemplo, en una realización, las primeras fibras pueden tener una longitud media de fibra de aproximadamente 0,85 cm (1/3 pulgada), mientras que las segundas fibras gruesas tienen una longitud media de fibra de 1,91 cm (3/4 pulgada). En una realización, cualquiera de primeras y segundas fibras gruesas, o ambas, tienen una longitud media de fibra de al menos 0,85 cm (1/3 pulgada), mientras que, en otra realización, cualquiera de primeras y segundas fibras gruesas, o ambas, tienen una longitud media de fibra de al menos 1,27 cm (1/2 pulgada).
El tipo y cantidad de aglutinante usado para unir las primeras y segundas fibras gruesas entre sí puede contribuir también a la resistencia y espesor globales de la esterilla de refuerzo 230. Como se ha descrito más arriba, el aglutinante es generalmente un aglutinante resistente a los ácidos y/o químicamente resistente que proporciona la durabilidad para soportar el entorno ácido a lo largo de la vida útil de la batería, la resistencia para soportar la operación de añadir la pasta sobre la placa, y la permeabilidad para permitir la penetración de la pasta. Por ejemplo, el aglutinante puede ser un aglutinante acrílico, un aglutinante de melamina, un aglutinante UF, o similar. El aglutinante puede también incluir y unir el material conductor a las primeras y/o segundas fibras gruesas. Un mayor uso de aglutinante puede reducir el espesor de la esterilla de refuerzo 230 al crear más uniones entre fibras y densificar la esterilla de refuerzo 230. El aumento de uniones entre fibras puede también aumentar la resistencia de la esterilla de refuerzo 230. En una realización, el aglutinante está aplicado a las primeras y segundas fibras gruesas de tal modo que el aglutinante supone entre 5% y 45% en peso de la esterilla de refuerzo 230 o entre 15% y 35% en peso de la esterilla de refuerzo. En otra realización, el aglutinante está aplicado a las primeras y segundas fibras gruesas de tal modo que supone entre 5% y 30% en peso de la esterilla de refuerzo 230.
Tal como se describe en la presente memoria, el material conductor se puede mezclar con el aglutinante o un aglutinante secundario y aplicar a las primeras y/o segundas fibras gruesas durante la fabricación de la esterilla de refuerzo 230 o a continuación de la misma. Por ejemplo, el aglutinante puede incluir fibras conductoras (por ejemplo fibras de carbono) y/u otro material conductor (por ejemplo grafito). En algunas realizaciones el aglutinante puede incluir entre 5-30% de partículas de grafito. La esterilla de refuerzo 230 resultante puede tener una resistencia eléctrica menor que 100.000 ohmios por cuadrado y, más comúnmente, menor que 50.000 ohmios por cuadrado, para permitir el flujo de electrones sobre una superficie de, o a través de, la esterilla de refuerzo.
El componente humectante se puede mezclar con el aglutinante en algunas realizaciones. La esterilla de refuerzo 230 resultante puede tener o presentar una altura media de absorción de agua de al menos 0,5 cm tras su exposición al agua durante 10 minutos, realizada según el método ISO 8787. El componente humectante es soluble en una solución ácida de la batería de plomo-ácido, por lo que una parte significativa de la esterilla de fibras no tejidas se pierde debido a la disolución del componente humectante. Se puede perder, por ejemplo, entre 5 y 85% de la esterilla de refuerzo 230.
Las configuraciones descritas más arriba de la esterilla de refuerzo 230 proporcionan esterillas que tienen una resistencia a la tracción total de al menos 13,61 kg/7,62 cm (30 libras/3 pulgadas) y más comúnmente al menos de 15,88 kg/7,62 cm (35 libras/3 pulgadas). Específicamente, la esterilla de refuerzo 230 tiene una resistencia a tracción en la dirección de la máquina de al menos 9,98 kg/7,62 cm (22 libras/3 pulgadas) y una resistencia a tracción en la dirección transversal de la máquina de al menos 5,9 kg/7,62 cm (13 libras/3 pulgadas). Se ha hallado que las esterillas descritas más arriba tienen una resistencia suficiente para soportar el material activo y para resistir las diversas tensiones impuestas durante la fabricación y el procesado (por ejemplo aplicación de la pasta o del material activo) de la placa o electrodo. Una esterilla de refuerzo 230 que no tenga los atributos de resistencia a la tracción descritos más arriba puede no se lo suficientemente fuerte para soportar el material activo aplicado (por ejemplo impedir su desprendimiento y similares) y/o puede plantear problemas de procesado, tales como rotura de la esterilla al aplicar la pasta de material activo (por ejemplo plomo u óxido de plomo) sobre la esterilla de vidrio durante el proceso de refuerzo de la placa.
Además, la configuración de la esterilla de refuerzo 230 descrita más arriba proporciona esterillas que tienen un espesor de 254 µm o menor (10 milésimas de pulgada) (es decir, 0,010 pulgadas) y, más comúnmente, de 228,6 µm
o menor (9 milésimas de pulgada (0,009 pulgadas). En una realización, la esterilla de refuerzo 230 tiene un espesor en el intervalo de 152,4 µm a 203,2 µm (6 a 8 milésimas de pulgada, es decir, de 0,006 pulgadas a 0,008 pulgadas), y preferiblemente de 177,8 µm (7 milésimas de pulgada). Estas esterillas ocupan un espacio mínimo dentro del electrodo e interior de la batería, lo que permite incluir materiales electroquímicamente activos adicionales (por ejemplo electrolito y/o plomo o pasta de óxido de plomo adicionales) en la batería, aumentado con ello la vida útil y la eficacia de la batería. Las esterillas descritas más arriba presentan la combinación única de tamaño o espesor mínimo y resistencia, siendo a la vez eléctricamente conductoras. Las esterillas pueden tener también un tamaño de poros en el intervalo entre 50 micras y 5 mm.
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Con referencia ahora a la figura 5, se muestra un método 500 de fabricación de una placa de una batería de plomoácido. En el bloque 510, se proporciona una rejilla de material de aleación de plomo. La rejilla de material de aleación de plomo puede ser para un electrodo positivo (por ejemplo, rejilla/conductor 206) o para un electrodo negativo (por ejemplo, rejilla/conductor 216) de una batería. En el bloque 520, se aplica una pasta de material activo a la rejilla de material de aleación de plomo para formar una placa o electrodo de batería (es decir, electrodo negativo o positivo). En el bloque 530, se aplica una esterilla de fibras no tejidas a una superficie de la pasta del material activo de manera que la esterilla de fibras no tejidas esté dispuesta al menos parcialmente dentro de la pasta de material activo. Como se describe en la presente memoria, la esterilla de fibras no tejidas puede incluir múltiples fibras, un material aglutinante que une las múltiples fibras entre sí, un componente humectante y un material conductor dispuesto al menos parcialmente dentro de la esterilla de fibras no tejidas para ponerse en contacto con la pasta de material activo. El componente humectante puede proporcionar capacidad de absorción que permita una humectación completa de los electrodos de una batería de plomo-ácido. El material conductor puede ser cualquier material descrito en la presente memoria y/o una capa conductora que se forme sobre la esterilla de fibras no tejidas. La esterilla de fibras no tejidas puede ofrecer una resistencia eléctrica menor que
100.000 ohmios por cuadrado, aproximadamente, para permitir el flujo de electrones sobre una superficie de la esterilla de fibras no tejidas. En algunas realizaciones, la esterilla de fibras no tejidas puede estar dispuesta dentro de la pasta de material activo entre 2,54 µm (0,001 pulgadas) y 508 µm (0,020 pulgadas), aproximadamente.
En algunas realizaciones, el método puede incluir también aplicar una segunda esterilla de fibras no tejidas a una superficie opuesta de la pasta de material activo de manera que la rejilla de material de aleación de plomo se disponga entre las dos esterillas de fibras no tejidas. La segunda esterilla de fibras no tejidas puede contener también un material conductor que esté dispuesto al menos parcialmente dentro de la segunda esterilla de fibra no tejida para estar en contacto con la pasta de material activo. En algunas realizaciones, la esterilla de fibras no tejidas puede tener un espesor de 228,6 µm (0,009 pulgadas) o menos y/o una resistencia a la tracción de al menos 13,61 Kg /7,62 cm (30 libras/3 pulgadas).
En algunas realizaciones, las múltiples fibras pueden incluir una mezcla de fibras gruesas como se describió anteriormente. Por ejemplo, las múltiples fibras pueden incluir primeras fibras con diámetros de fibra de entre 8 µm y 13 µm y segundas fibras con diámetros de fibra de al menos 6 µm. En algunas realizaciones, el aglutinante puede incluir el material conductor. El aglutinante se puede aplicar a la esterilla entre 5% y 45% en peso, entre 20% y 30% en peso, y similares. En algunas realizaciones, el material conductor puede incluir múltiples fibras conductoras que estén enmarañadas con fibras de la esterilla de fibras no tejidas.
Con referencia ahora a la figura 6, se ilustra una realización de un método 600 de fabricación de una esterilla de fibras no tejidas para reforzar una placa o electrodo de una batería de plomo-ácido (en lo sucesivo esterilla de refuerzo). El método aquí descrito se puede usar para producir esterillas de refuerzo tanto para baterías de inmersión en plomo-ácido como para separadores en baterías con AGM. En el bloque 610, se proporcionan múltiples fibras de vidrio. Las fibras de vidrio pueden ser fibras gruesas, microfibras, o una combinación de fibras gruesas y microfibras. En el bloque 620, se aplica un aglutinante resistente a los ácidos a las múltiples fibras de vidrio para unir las múltiples fibras de vidrio entre sí para formar la esterilla de refuerzo. En el bloque 630, se añade un componente humectante a las fibras de vidrio y/o a la esterilla de refuerzo para aumentar la humectabilidad/capacidad de absorción de la esterilla de refuerzo. Tal como se describe en la presente memoria, la capacidad de humectación/absorción de la esterilla de refuerzo puede aumentarse de forma que la esterilla de refuerzo tenga o presente una altura media de absorción de agua y/o una altura media de absorción de una solución de agua/ácido de al menos 0,5 cm después de la exposición durante 10 minutos a la solución respectiva según el ensayo realizado de acuerdo con el método ISO 8787. Se puede aplicar un material conductor a las fibras de vidrio y/o a la esterilla de refuerzo del bloque 640. La aplicación del material conductor puede incluir proporcionar una capa de fibras conductoras y/u otros materiales conductores y colocar esta capa encima de la esterilla de vidrio. El material conductor puede incluir también un revestimiento que esté aplicado a la esterilla. En algunas realizaciones, el material conductor puede estar añadido a un aglutinante que esté aplicado a la esterilla de fibras. En otras realizaciones, el material conductor puede incluir fibras conductoras que estén dispuestas al menos parcialmente dentro de, y/o enmarañadas con, la esterilla de fibras.
En algunas realizaciones, la aplicación del componente humectante incluye aplicar el aglutinante resistente a los ácidos, donde el aglutinante resistente a los ácidos incluye un material conductor y/o un componente humectable (por ejemplo, un grupo funcional hidrófilo, una mezcla aglutinante hidrófila y resistente a los ácidos, y similares) que funciona para aumentar la humectabilidad/capacidad de absorción de la esterilla de fibra no tejida. En otra realización, la aplicación del componente humectante incluye la aplicación de una solución humectable (por ejemplo, solución de almidón de celulosa y similares) a la esterilla de refuerzo de manera que la solución humectable sature la esterilla de refuerzo o esté dispuesta sobre al menos una superficie de la esterilla de refuerzo tras el secado de la solución humectable.
En otra realización más, la aplicación del componente humectante incluye la unión de múltiples fibras componentes (por ejemplo, fibras de celulosa y similares) con las múltiples fibras de vidrio de la esterilla de refuerzo. En tales realizaciones, la esterilla de refuerzo puede incluir entre 40 y 95% de las fibras de vidrio y hasta 50% de las fibras de celulosa y, más comúnmente, entre 10 y 40% de las fibras de celulosa. En una realización específica, la esterilla de refuerzo puede incluir entre 60 y 80% de las fibras de vidrio y entre 10 y 40% de las fibras de celulosa. En otras
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realizaciones adicionales, la aplicación del componente humectante puede incluir la aplicación de cualquier combinación de los componentes humectantes descritos en la presente memoria, tales como las fibras componentes, la solución humectable y/o el aglutinante resistente a los ácidos que tiene un componente humectable.
En algunas realizaciones, las múltiples fibras de vidrio pueden incluir primeras fibras de vidrio con diámetros de fibra de entre las 8 µm y las 30 µm. En tales realizaciones, el método 600 puede incluir además proporcionar múltiples segundas fibras de vidrio con diámetros de fibra entre 0,01 µm y 5 µm y unir las múltiples segundas fibras de vidrio con las primeras fibras de vidrio mediante el aglutinante resistente a los ácidos. La adición de las segundas fibras de vidrio puede aumentar la humectabilidad/capacidad de absorción de la esterilla de refuerzo de manera que la esterilla de refuerzo presente una altura media de absorción de agua y/o una altura media de absorción de una solución de agua/ácido de al menos 1,0 cm después de la exposición durante 10 minutos a la solución respectiva según el ensayo realizado de acuerdo con el método ISO 8787. En algunas realizaciones, las fibras componentes (por ejemplo, fibras de celulosa y similares) pueden estar unidas con las múltiples primeras fibras de vidrio y con las múltiples segundas fibras de vidrio. En tales realizaciones, la esterilla de refuerzo puede incluir entre 40 y 80% aproximdamente de las primeras fibras de vidrio, entre 10 y 50% de las segundas fibras de vidrio y entre 5 y 40% de las fibras de celulosa. En otra realización, la esterilla de refuerzo puede incluir entre 40 y 50% de las primeras fibras de vidrio, entre 20% y 30% de las segundas fibras de vidrio y entre 20% y 30% de las fibras de celulosa.
Ejemplos
Se prepararon dos esterillas de refuerzo según las realizaciones descritas en la presente memoria. Se midió la resistencia de las esterillas. A continuación se proporcionan los métodos de fabricación de las esterillas y los resultados.
1. Estructura de refuerzo utilizando grafeno como revestimiento conductor
Para producir el recubrimiento conductor de grafeno, se preparó una mezcla en suspensión utilizando grafeno (xGnP-M-15 de XG Sciences) y un aglutinante acrílico (RHOPLEXTM HA-16 de Dow Chemical). La mezcla en suspensión se preparó de manera que contenía aproximadamente 0,5% de aglutinante y 1,5% de grafeno. Después se utilizó una pistola de pulverización para aplicar la mezcla a una esterilla de vidrio (esterilla Dura-Glass® PR-9 y B10). La esterilla se secó entonces a 125ºC durante aproximadamente 1 hora y se curó a 175ºC durante aproximadamente 3 minutos. Se midió entonces la resistencia superficial y los resultados se proporcionan en la Tabla 1 a continuación.
Tabla 1: Esterilla reforzada utilizando grafeno como revestimiento conductor
- Muestra
- Resistencia superficial (KΩ) Longitud de la muestra (cm) Anchura de la muestra (cm) Resistividad superficial (KΩ/cuadrado) Peso antes del recubrimiento (g) Grafeno (%)
- B-10 (1)
- 1,84 14,3 12,2 1,6 0,7609 15,8%
- B-10 (2)
- 3,41 14,2 12,2 2,9 0,7643 14,5%
- B-10 (3)
- 2,25 14,2 11,9 1,9 0,7334 17,3%
- PR-9 (1)
- 13,76 14,2 12 11,6 0,4577 10,1%
- PR-9 (2)
- 18,26 14,2 12,3 15,8 0,4651 11,7%
- PR-9 (3)
- 5,29 14,7 12,2 4,4 0,4728 8,9%
Utilizando el material grafeno, no se mostró una pérdida de peso significativa del recubrimiento después de un ensayo ácido estándar (40% en peso de ácido sulfúrico, 70ºC durante 72 horas). Como tales, las esterillas de vidrio con recubrimiento de grafeno experimentan pérdida de peso similar a las esterillas de vidrio no recubiertas. Sin embargo, se observó una ligera caída en la conductividad después de la exposición de la esterilla a ácido sulfúrico durante un tiempo prolongado. Esta ligera caída de conductividad puede indicar la reacción entre el grafeno y el ácido sulfúrico.
2. Esterilla de refuerzo utilizando CNS (Nanoestructura de carbono) como revestimiento conductor
Para producir el revestimiento conductor de CNS, se preparó una mezcla en suspensión utilizando CNS (de Applied Nanostructured Solutions LLC) y/o un aglutinante acrílico (RHOPLEXTM HA-16 de Dow Chemical). La mezcla en suspensión se preparó de forma que contenía aproximadamente 1% de aglutinante (o sin aglutinante) y 0,5% de CNS. Se colocó en la mezcla una esterilla de vidrio (esterilla Dura-Glass® PR-9 o esterilla ligada por centrifugación de poliéster, no revestida) y se aspiró el agua por vacío. Se obtuvo un revestimiento uniforme del CNS. A
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continuación la esterilla se secó a 125ºC durante aproximadamente 1 hora y se curó a 175ºC durante aproximadamente 3 minutos. La resistencia superficial se midió a continuación y los resultados se proporcionan en la Tabla 2 a continuación.
Tabla 2: Esterilla reforzada utilizando CNS (Nanoestructura de carbono) como revestimiento conductor
- Muestra
- Resistencia superficial (Ω) Longitud de la muestra (cm) (pulgada) Anchura de la muestra (cm) (pulgada) Resistividad superficial (Ω/cuadrado) CNS % Comentario
- PR-9 (1)
- 180 35,56 (14) 30,48 (12) 154,3 2.50% con aglutinante
- PR-9 (2)
- 65 35,56 (14) 35,56 (14) 65,0 15% sin aglutinante
- PR-9 (3)
- 53 35,56 (14) 35,56 (14) 53,0 25% con aglutinante
- PR-9 (4)
- 50 35,56 (14) 35,56 (14) 50,0 15% sin aglutinante
- PR-9 (5)
- 66 35,56 (14) 35,56 (14) 66,0 25% sin aglutinante
- Poliéster (1)
- 239 34,29 (13,5) 34,29 (13,5) 239,0 0.3% con aglutinante
- Poliéster (2)
- 68 34,29 (13,5) 34,29 (13,5) 68,0 2% con aglutinante
- Poliéster (3)
- 132 34,29 (13,5) 34,29 (13,5) 132,0 0.66% con aglutinante
Mediante el uso del material CNS, no se mostró o experimentó una pérdida significativa de peso del recubrimiento después de un ensayo ácido estándar (40% en peso de ácido sulfúrico, 70ºC durante 72 horas). Como tales, las esterillas de vidrio revestidas con CNS experimentan una pérdida de peso similar a las esterillas de vidrio no revestidas. Además, no se observó una caída significativa en la conductividad después de que la esterilla se expuso a ácido sulfúrico durante un tiempo prolongado. Se cree que dado que el CNS tiene la estructura de una "matriz reticulada de nanotubos de carbono", aunque el ácido sulfúrico ataque algo de carbono, toda la estructura permanece conectada y, por lo tanto, la conductividad del recubrimiento no se ve afectada. Teniendo en cuenta estos resultados, el CNS puede ser una opción mejor como recubrimiento conductor que el grafeno. Además, el recubrimiento de CNS proporciona una conductividad mucho mejor (es decir, menos resistencia) que el grafeno en esterillas no tejidas. Por ejemplo, como se muestra en la Tabla 1, se utilizan kilo ohmios como unidades para expresar la resistencia del grafeno, mientras que en la Tabla 2, se utilizan ohmios como unidades para la resistencia del CNS.
Se fabricaron varias esterillas de refuerzo según las realizaciones descritas en la presente memoria y se ensayaron para determinar la humectabilidad/capacidad de absorción de las esterillas. Las pruebas de humectabilidad/capacidad de absorción se desarrollaron según el método ISO 8787. Las esterillas se expusieron tanto a una solución de agua como a una solución de agua/ácido, donde la concentración de ácido sulfúrico era aproximadamente de 40%. Los resultados de los ensayos se muestran en la Tabla 3 a continuación.
Tabla 3: Muestra de esterilla reforzada
Altura media de Altura media de ID. de Descripción de absorción de agua Desv. absorción de ácido Desv.
Aglutinante
muestra la muestra después de 10 estándar (40%) después de estándar minutos (cm) 10 minutos (cm)
100% fibras de RHOPLEXTM
Control 0,0 0 0,0 0,0
vidrio gruesas HA-16
50% fibras de vidrio 1,9 cm RHOPLEXTM
K249 T, 50% HA-16 celulosa
50% fibras de vidrio 1,9 cm Hycar® FF
K249 T, 50% 26903 celulosa
3 50% fibras de 2,7 0,05 1,9 0,25
Hycar® FF
vidrio 1,9 cm
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- Altura
- media de Altura media de
- ID. de muestra
- Descripción la muestra de Aglutinante absorción de agua después de 10 Desv. estándar absorción de ácido (40%) después de Desv. estándar
- minutos (cm)
- 10 minutos (cm)
- K249
- T, 25% 26903
- celulosa,
- 25%
- 206-253
También se fabricó y ensayó una esterilla de control para proporcionar un punto de comparación o punto de referencia para las otras esterillas probadas. La esterilla de control incluye 100% de fibras de vidrio gruesas (fibras de vidrio T) con una longitud media de fibra de aproximadamente 1,91 cm (3/4 pulgadas) y un diámetro medio de fibra de aproximadamente 13 µm. Las fibras de vidrio se unieron entre sí con un aglutinante resistente a los ácidos vendido por Dow Chemical bajo el nombre comercial de RHOPLEXTM HA 16. El aglutinante resistente a los ácidos se aplicó de manera que tuviera una Pérdida por Ignición (LOI) de aproximadamente 20%. La esterilla de control mostró una altura media de absorción de agua y una altura media de absorción de ácido de aproximadamente 0,0 cm después de la exposición a las soluciones respectivas durante 10 minutos. Dicho de otro modo, la esterilla de control no mostró esencialmente humectabilidad/absorción.
Se fabricó una primera esterilla (es decir, ID de Muestra 1) que incluía aproximadamente 50% de fibras de vidrio gruesas con una longitud media de fibra de aproximadamente 1,91 cm (3/4 pulgadas) y un diámetro medio de fibra de aproximadamente 13 µm, y que incluía 50% de fibras de celulosa con una longitud media de fibra de 2,40 mm aproximadamente. Las fibras de celulosa se fabricaron a partir de una suspensión de pasta mediante el pre-remojo de un cartón Kraft en agua (por ejemplo, el cartón Kamloops Chinook Kraft fabricado por Domtar) y la agitación del cartón Kraft empapado en agua durante al menos 10 minutos. La suspensión de pasta de fibras de celulosa se combinó entonces con las fibras de vidrio. Las fibras de vidrio gruesas y las fibras de celulosa se unieron entre sí con el aglutinante RHOPLEXTM HA-16 de manera que tuvieran una LOI de aproximadamente 20%. La primera esterilla mostró una altura media de absorción de agua de 0,8 cm aproximadamente, con una desviación estándar de 0,15 después de la exposición a la solución acuosa durante 10 minutos. La primera esterilla mostró también una altura media de absorción de agua/ácido de 1,2 cm aproximadamente, con una desviación estándar de 0,12 después de la exposición a la solución de agua/ácido durante 10 minutos.
Se fabricó una segunda esterilla (es decir, la ID de muestra 2) con aproximadamente 50% de fibras de vidrio gruesas y 50% de fibras de celulosa que tenían propiedades de fibra similares a las de la primera esterilla. Las fibras de vidrio gruesas y las fibras de celulosa se unieron entre sí con un aglutinante resistente a los ácidos vendido por Lubrizol bajo el nombre comercial Hycar® FF 26903. El aglutinante se aplicó de manera que tuviera una LOI de aproximadamente 20%. La segunda esterilla mostró una altura media de absorción de agua de 0,9 cm aproximadamente, con una desviación estándar de 0,15 después de la exposición a la solución acuosa durante 10 minutos. La segunda esterilla también mostró una altura media de absorción de solución de agua/ácido de 0,9 cm aproximadamente, con una desviación estándar de 0,15 después de la exposición a la solución de agua/ácido durante 10 minutos.
Se fabricó una tercera esterilla (es decir, la ID de muestra 3) que incluía aproximadamente 50% de fibras de vidrio gruesas y 25% de fibras de celulosa con propiedades de fibra similares a las de la primera y la segunda esterillas. La tercera esterilla incluía también aproximadamente un 25% de microfibras de vidrio con un diámetro medio de fibra de 0,76 µm aproximadamente (es decir, fibras Johns Manville 206-253). Las fibras de vidrio gruesas, las microfibras de vidrio y las fibras de celulosa se unieron entre sí con el aglutinante Hycar® FF 26903 de manera que tuvieran una LOI de aproximadamente 20%. La tercera esterilla mostró una altura media de absorción de agua de aproximadamente 2,7 cm con una desviación estándar de 0,05 después de la exposición a la solución acuosa durante 10 minutos. La tercera esterilla también mostró una altura media de absorción de solución de agua/ácido de aproximadamente 1,9 cm con una desviación estándar de 0,25 después de la exposición a la solución de agua/ácido durante 10 minutos.
Como se muestra en los resultados de ensayos anteriores, la adición del componente humectante a la esterilla de refuerzo, que en este caso incluía fibras de celulosa, aumentó significativamente la humectabilidad/capacidad de absorción de la esterilla de refuerzo. Además, la inclusión de microfibras de vidrio en la esterilla de refuerzo junto con el componente humectante aumentó significativamente la humectabilidad/capacidad de absorción de la esterilla de refuerzo más allá de la mostrada añadiendo el componente humectante solo.
Cuando se proporciona un intervalo de valores, se entenderá que cada valor intermedio, hasta la décima de la unidad del límite inferior a menos que el contexto indique claramente lo contrario, entre los límites superior e inferior de ese intervalo, se incluye también específicamente. Se incluye cada intervalo más pequeño entre cualquier valor indicado o valor intermedio en un intervalo establecido y cualquier otro valor indicado o intermedio en un intervalo establecido. Los límites superior e inferior de estos intervalos más pequeños pueden incluirse o excluirse independientemente en el intervalo, y cada intervalo en el que cualquiera, ninguno o ambos límites están incluidos
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