JP2002533905A - 電気化学電池用の耐衝撃性改良ポリスチレンシール - Google Patents
電気化学電池用の耐衝撃性改良ポリスチレンシールInfo
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Abstract
Description
のような電気化学電池用のシール部材に係り、特に空気電池用の非通気性ガスケ
ットに関する。 小型アルカリ空気電池のような電気化学電池は、補聴器のような電気装置用の
安定的な高エネルギー源である。アルカリ電解質は電池の境界内に封鎖されて、
電池外部及びできればそれが収容される電気装置に対する腐蝕損傷を防止しなけ
ればならない。
ない。一般に、小型アルカリ空気電池は、活性空気電極に空気を供給するために
その基部に少なくとも1つの空気開口を有する外側金属容器、疎水性フィルム層
、空気電極、セパレータ層、アノードマスク、及び電解質を含む。これら電池ア
センブリは、ガスケットと、電池容器の開口端を封鎖し、それによってアルカリ
電解質内に封鎖する電池カバーでキャップされる。ここで、用語「ガスケット」
は電池部品間の流体密着ジョイントを与えるための非通気性シール部材を意味す
る。
イロン、ポリプロピレン又はポリスルホン、好ましくはナイロン、特にナイロン
66で製造されている。しかし、小型アルカリ空気電池用のガスケットを含むアル
カリガルバニ電池用のナイロンシールは、主要な欠点を有する。 第1に、ナイロンは水分を吸収し、腐食性電解質内で加水分解しやすくしてし
まう。ナイロンの水分を吸収するという傾向の結果として、それは成形前に乾燥
しなければならない。成形後、その結果のシール又はガスケットの寸法及び特性
は、水分を吸収するナイロンの傾向に影響される。アミド結合の鎖切断によりナ
イロンの加水分解が起こる。鎖切断は材料を脆弱化し、電池のシール不全と漏れ
を導く。このように、ナイロンガスケットの場合、脆弱化がガスケットを応力亀
裂しやすくし、ガスケットの不全及び電池からの電解質の漏れをもたらす。 これを克服するため、アルカリガルバニ電池では、時にはシールの内側に保護
コーティングが使用される。特に、アルカリガルバニ電池用のナイロンシールは
、通常アスファルトコーティングされる。アスファルトコーティングの塗布は付
加的な工程及び材料を伴い、電池の全体的なコストを高める。
限伸びを有することである。安全性の理由のため、アルカリガルバニ電池用のシ
ールは、ガルバニ電池の内圧が許容限界を超えて増加した場合、圧力解放をコン
トロールするように設計される。これは、許容限界を超えてガルバニ電池の内圧
が高まった場合に破裂するように設計された相対的に薄い部分を有するシールを
形成することで達成される。十分なスペースが電池内に与えられて、その薄い部
分を広げて破裂させなければならない。通常の水分条件下、ナイロンはその最初
の長さの300%以上に伸長する。この高レベルの伸びは電池内部に大量のスペー
スを必要とし、シール及び電池の設計を制限する。従って、アルカリ電池内でシ
ール材としての使用に必要な物理的及び化学的要求を満たし、かつ相対的に低い
極限伸びを有するシール構成用の材料を利用することが望ましい。
の水分含量に依存することである。特に、ナイロンの強さは、その水分含量に依
存し、相対湿度にも依存する。従って、望ましくないことにナイロンガルバニ電
池シールのベント圧、すなわちシールの薄い部分が破裂する圧力は相対湿度に依
存する。 ポリプロピレン製ガルバニ電池シールは、予想使用温度の高い限度、すなわち
75〜85℃で大きく軟化しやすい。この軟化の結果、シールの加圧シールゾー
ン内の荷重と応力緩和下、振れ温度が低くなり、ひいては電解質の漏れ及び信頼
できない電池性能をもたらす。
高いコストのため(ナイロン66の約2.5倍)かなり制限されている。その相対的
に高いコストに加え、ポリスルホンは水分を吸収する傾向もあり、シールに成形
する前に約0.02%以下の水分含量に乾燥しなければならない。成形前にポリスル
ホンを乾燥するというこの余分な工程は、ポリスルホンからガルバニ電池シール
を製造する全コストをさらに高める。
れを含む場合、公知のシールに比し、改良された性能特性及び他の利点を有する
ガルバニ電池シールを提供できることを見出した。特に、従来のシール、特にナ
イロンに比し、耐衝撃性改良スチレンポリマー製のシールは、アルカリ媒体に対
して優れた耐薬品性を示し、ほとんど水分を吸収せず、低い線形熱膨張係数を有
し、高圧における良い耐熱性を示し、成形後急速に冷却し、低い溶融粘度を有し
、相対的に低い引張り強さを有し、高い衝撃靱性を有し、比較的高いガラス転移
温度を有し、比較的低い破断点伸び及びより高い水素透過性を有する。これら特
性の結果、ずっと低コストで製造でき、かつ電池使用の際に遭遇する温度及び相
対湿度の範囲に渡ってほどんど変化しない優れた性能特性を示すガルバニ電池シ
ールをもたらす。
分及び加水分解にほとんど感受性でない小型アルカリ空気電池用のガスケットを
提供できることをも見出した。結果として、スチレンポリマーブレンドで形成さ
れたガスケットを小型アルカリ空気電池に使用することにより、ガスケット不全
による電解質の漏れを実質的にほとんど示さないと考えられる小型アルカリ空気
電池を提供できる。
されたガルバニ電池シール部材を提供する。さらに詳しくは、該スチレンポリマ
ーブレンドは、スチレンポリマーと耐衝撃性改良剤のブレンドを含み、又は高耐
衝撃性ポリスチレンとポリブタジエンゴムのブレンドで形成されて、スチレン相
と別個のゴム相を形成する。一実施形態では、シール部材は、小型電池用、特に
小型アルカリ空気電池用ガスケットである。
る。一実施形態では、電池は小型アルカリ空気電池であり、かつシール部材は小
型アルカリ空気電池用ガスケットである。 第2局面の好ましい実施形態では、以下を含む小型空気電池が提供される; 基部と、直立した側壁と、開口端上部を有し、かつ前記基部に少なくとも1つ
の空気開口を有する容器; 前記容器と電気的に接触する空気電極と、該空気電極の上に配置されたアノー
ド材と、前記空気電極と前記アノード材との間のセパレータ層と、前記空気電極
及び前記アノード材とイオン的に接触する電解質; 前記アノード材と電気的に接触する電池カバー;及び 前記電池容器と前記カバーとの間に配置され、かつ加圧される電気絶縁ガスケ
ットであって、スチレンポリマーブレンドで製造されたガスケット。 好ましくは、スチレンポリマーブレンドは、耐応力緩和剤、好ましくはポリ(
フェニレンオキシド)又は無機フィラーを含む。 本発明は、図面の参照により、さらに理解されるだろう。
メッキスチール正極カバー12、スチール缶14、金属化プラスチックフィルム
ラベル16、粉末状亜鉛アノード18、黄銅電流コントローラ20、水酸化カリ
ウム電解質22、二酸化マンガン及び炭素カソード24、不織布セパレータ26
、スチール内側電池カバー28、及びメッキスチール負極カバー30を含む。ア
ルカリ性の水酸化カリウム電解質22とスチール内側電池カバー28との間にシ
ール32が配置される。 シール32は、4つの重要な機能を果たす。第1に、それはスチール缶14を
アノードから電気的に絶縁する電気絶縁体として役立つ。第2に、シール32は
、電池から電解質が漏れることを防止する。第3に、シール32は、電池の内圧
が所定限界を超えた場合に破裂するように設計された相対的に薄い領域34を含
む。第4に、シール32は、電池から水素ガスが出ていく速度を制御する。
品は、活性炭素のような活性材料とバインダーの混合物を含む第1層16と、電
流コレクタである第2層18と、疎水性膜である第3層を有する積層電極である
空気電極17を含む。内部部品は、アノードマスク13、及び空気電極とアノー
ドマスクとの間のセパレータ層14を含む。セパレータ層14は、電解質イオン
の通過は許容するが、空気電極内のイオンのアノードマスクへの移動は妨げる。
電池内部品10、12、13、14、16、17及び18は容器21に収容され
、この容器21は電流コレクタ18と電気的に密接に接触し、かつその開口で、
電気絶縁シールガスケット22及びアノード3に電気接触している電池カバー2
3によって封鎖される。シールガスケット22は、電池容器21とカバー23と
の間に放射状に締め付けられて、電解質の漏れに対する主要バリアを形成する。
容器21の基部は、少なくとも1つの空気開口30を含み、空気拡散チャンバー
34内の空気の空気電極17への出入りを与える。容器基部は、空気電極から薄
い弾性の変形性リング35によって分離されうる。
立の際に容器21と電池カバー23の間に挿入される。代わりに、シールガスケ
ット22は、シールガスケット22を容器21又はカバー23上にインサート成
形によって形成することができる。 図8及び9に示される本発明の実施形態は小型空気電池であるが、本発明は、
AA、AAA、AAAA、C及びD電池のようなアルカリ電池を含む一般的な電
気化学電池に適用することは理解すべきである。 例えば図1でシール32によって示されるような、又は図8及び9でシールガ
スケット22によって示されるようなシール部材は、耐衝撃性改良ポリスチレン
材料から製造され、又はこれを含んで構成される。好ましい改良ポリスチレン材
料は、スチレンの脆弱性を減らし、かつその靱性を高める耐衝撃性改良剤とブレ
ンドされたスチレンポリマーを含んで構成される。
ジオタクチックポリスチレン(SPS)が挙げられる。汎用ポリスチレンは無定
形で、広く使用される汎用ポリマーであり、その100℃というガラス転移温度の
ためガルバニ電池の使用温度で極端に脆い。シンジオタクチックポリスチレンは
、Dow Corning Companyによって商品名Questra(登録商標)で販売されており、半
結晶熱可塑性ポリマーである。しかし、無定形汎用ポリスチレンの不規則なアタ
クチック構造と対照的に、シンジオタクチックポリスチレンはポリマー鎖に沿っ
て高度に規則的な交互構造に配列されたスチレンモノマー単位で構成されている
。この規則的な構造がポリマー鎖を結晶化させる。結晶化度は、材料のガラス転
移温度付近又はそれ以上の温度における強度及び耐熱性を高める。従って、耐熱
性及び強度特性が改良されているためシンジオタクチックポリスチレンが好まし
い。本発明のガルバニ電池シール部材を調製するのに適する他のスチレンポリマ
ーとしては、スチレンコポリマー及びハロゲン化スチレンポリマーが挙げられる
。
改良剤の例としては、ポリオレフィン性熱可塑性エラストマー及び2つの硬い熱
可塑性ブロック間にエラストマーブロックを有するトリブロックコポリマーが挙
げられる。ポリオレフィン性熱可塑性エラストマーの例としては、共重合される
エチレン、オクタン、及びブチレンモノマー単位から、メタロセン触媒の存在下
でのように重合されて、飽和炭化水素ゴム材料が生成されるものが挙げられる。
ガルバニ電池シール部材を調製しうる耐衝撃性改良スチレンポリマーブレンドの
調製に使用可能な好ましいトリブロックコポリマー耐衝撃性改良剤は、無定形ポ
リスチレンである熱可塑性ブロックを有するものが挙げられる。無定形ポリスチ
レンブロックは、ポリオレフィン性エラストマーと比較してSPS及びGPPS
のようなスチレンポリマー中の混和性を高める。好ましいトリブロックコポリマ
ー耐衝撃性改良剤としては、スチレン−ブタジエン−スチレン(S-B-S)、スチレ
ン−イソプレン−スチレン(S-I-S)、スチレン−エチレン/ブチレン−スチレン(
S-EB-S)及びスチレン−エチレン/プロピレン−スチレン(S-EP-S)ブロックコポ
リマーが挙げられる。S-EB-S及びS-EP-Sコポリマーは、不飽和のいかなる部位を
も含まず、それゆえ酸化分解されにくいので、より好ましい。
衝撃性ポリスチレン(HIPS)である。高耐衝撃性ポリスチレンは、ポリブタ
ジエンゴムをスチレンモノマー中に溶解することによって製造される。スチレン
が重合すると、それはポリスチレンで閉鎖された別個のポリブタジエン相の周囲
に連続相を形成する。スチレンモノマーが伝統的な触媒と共に重合され、その結
果アタクチック無定形相になる。いくつかのゴムは、ポリスチレン相に化学的に
グラフトされる。その結果、HIPSはポリブタジエンゴムの均質な取込みによ
る優れた靱性を有する。
り、Dow Corning Companyによって商品名AIM(登録商標)で販売されている。
AIM(登録商標)は、改良されたゴム相の取込みを有するHIPS様の製品であ
る。それゆえに、AIM(登録商標)は非常に強靱な材料であり、かつ本発明のシ
ール部材の調製のための優れた材料である。AIM(登録商標)は、耐衝撃性改良
汎用ポリスチレン、耐衝撃性改良シンジオタクチックポリスチレン及び従来の高
耐衝撃性ポリスチレンとは、それが改良された変形特性を示すとうい点で異なる
。特に、AIM(登録商標)は、ナイロン同様に曲がりかつ延性のある変形を受け
ることができる。これにより、シール部材の亀裂及びガルバニ電池の漏れが生じ
る前に、該材料に耐衝撃性改良汎用ポリスチレン、耐衝撃性改良シンジオタクチ
ックポリスチレン及び従来の高耐衝撃性ポリスチレンよりも高い応力を経験させ
る。
ーブレンドは、好ましくは、例えばシール部材を介してネイルが取り付けられる
時、又は電池缶が圧着されて電池が封鎖される時に、亀裂又は破損することなく
ガルバニ電池中にシール部材を取り付けるのに必要な最小限の耐衝撃性改良剤を
含む。汎用ポリスチレン及びシンジオタクチックポリスチレンのように未改良ス
チレン材料は、それらが比較的低コスト、良い加工特性、水分に依存しない物理
的性質、及びアルカリ媒体に対する耐性のため、アルカリ電解質を含有するガル
バニ電池のシール部材用の理想的な材料である。しかし、未改良スチレン材料は
過度に脆弱であり、かつ電池シールに成形する前に耐衝撃性改良剤と共にブレン
ドしなければならない。
チレンポリマーとポリオレフィン性エラストマー耐衝撃性改良剤の全質量に基づ
いて60〜95質量%のスチレンポリマーと5〜40質量%のポリオレフィン性
エラストマーを含み、約80〜約90質量%のスチレンポリマーと、約10〜約
20質量%のポリオレフィン性エラストマーを含むブレンドが好ましい。トリブ
ロックコポリマー耐衝撃性改良剤の場合、耐衝撃性改良スチレンポリマーブレン
ドは、スチレンポリマーと耐衝撃性改良剤の全質量に基づいて約50〜約95質
量%のスチレンポリマーと、約5〜約50質量%のトリブロックコポリマー耐衝
撃性改良剤を含むことができ、さらに好ましくは約80〜約90質量%のスチレ
ンポリマーと約10〜約20質量%のトリブロックコポリマーを含む。高耐衝撃
性ポリスチレン及び超耐衝撃性ポリスチレンの場合、スチレン相とゴム相の全質
量に基づいて、スチレンポリマー相が約60質量%〜約95質量%を構成し、か
つゴム相が約5質量%〜約40質量%を構成しうる。
来のナイロン電池シール部材と比較して、いくつかの顕著な性能特性を示す一方
、該スチレンポリマーシール部材が、時には特に高温で、許容できない漏れを示
しうることをも見出した。この問題は、スチレンポリマーブレンドの相対的に高
速の応力緩和に起因する。この問題は、例えばシール部材に作用して応力緩和を
補う弾性又はバネ性の保持体又はワッシャを使用することによってのように、シ
ール部材の設計を変更して、応力緩和の影響を弱めることによって克服できる。
しかし、設計変更が必要ない別の変形として、スチレンポリマーブレンドは耐応
力緩和剤の添加によって改良できる。
を添加して、応力緩和を減少させることができる。応力緩和の所望の減少が達成
するのに有効な耐応力緩和の量は、当業者が日常的な実験を行うことによって容
易に決定することができる。低減された応力緩和を示す商業的に入手可能なスチ
レンポリマーブレンドの例は、GE Plasticsから商品名Noryl(登録商標)で入手可
能である。Noryl(登録商標)製品は、HIPSとPPOのブレンドである。Noryl
(登録商標)EM6101は、ナイロンよりも低いプロフィルのシール部材さえ許容しな
がら、電池シール材としての用途に適した組合せの性質を示し、かつアルカリ電
池の全体的なコストを低減する。標準化されたベンチトップ試験に基づき、Nory
l(登録商標)ブレンドは、ナイロン及び他の従来材料よりも熱、クリープ及び応
力緩和耐性が良い。PPOをスチレンシール材に添加しても、電池内環境でのそ
れらの化学的安定性を低減しない。
ック、及びシリカのような無機フィラーが挙げられる。 耐衝撃性改良スチレンポリマー材料が、特定の性能特性を有し、改良されたガ
ルバニ電池シール部材性能を提供することを実証するために、種々の試験を行っ
た。
行い、ナイロンについての同様の適合性試験と比較した。材料は応力下ではなか
った。しかし、応力は劇的にはこの比較に影響しないと考えられる。 ナイロンと未改良の汎用ポリスチレンについての水酸化カリウム耐性は、ナイ
ロンと汎用ポリスチレンの引張り試験片(3.2mm(1/8インチ)厚)を、フルオロポ
リマーバイアル中で水酸化カリウム溶液上に浮かべて、130℃のオーブン内に3
5日間置くことによって比較した。定期的に試験片を取り出し、秤量して溶液中
に戻した。結果(図2に示される)は、130℃で37%水酸化カリウム溶液に3
5日間さらした後ナイロン66の引張り試験片は約14%の質量損失があったのに
対し、未改良の汎用ポリスチレン引張り試験片は、35日後に明かな質量損失が
なかった。
ンチ)厚)を、ナイロン(Zytel 101F)、未改良の汎用ポリスチレン、未改良の
シンジオタクチックポリスチレン、及び耐衝撃性改良シンジオタクチックポリス
チレンから成形した。封鎖されたフルオロポリマービン中37%水酸化カリウム
溶液に各微細引張り試験片を浸し、かつ95℃のオーブン内に39日間置いた。
定期的に試験片を取り出し、秤量して溶液中に戻した。結果(図3に示される)
は、95℃で37%水酸化カリウム溶液に39日間さらした後ナイロン66の微細
引張り試験片は約4.5%の質量損失があったのに対し、試験期間にスチレンポリ
マー材料のいずれも明かな質量損失がなかった。図2及び3に示される結果は、
スチレンポリマーベース材料は、改良又は未改良にかかわらず、水酸化カリウム
にさらされた時に、ナイロンよりも分解に耐えることを強く示唆している。
ため、減衰全反射−フーリエ変換赤外線(ATR−FTIR)分光法を用いて試
験片の表面におけるいずれの化学変化をも調べた。図4は、吸収ピークの位置及
びそのピークの相対高さが、130℃で39日間37%水酸化カリウム溶液にさら
されたものについて、未処理の汎用ポリスチレン試料に対するものとほほ同様で
あることを示している。同様の結果が、未改良シンジオタクチックポリスチレン
、耐衝撃性改良汎用ポリスチレン、及び耐衝撃性改良シンジオタクチックポリス
チレンに対して見られた。この結果により、スチレンポリマー材料の表面には、
何らの重要な水酸化カリウム分解も起きないことがわかった。
イロンと比較した未処理ナイロンのATR−FTIR分光法における多くの変化
を示している。ナイロン試料のスペクトルグラフの変化は、ナイロンの分解生成
物に伴う新規なピークのためである。一級アミン基が吸収する3,000〜3,500cm-1 領域と、カルボン酸塩が吸収する1,500〜1,600cm-1の領域で2つの大きな変化が
ある。アミンのピークが3,100cm-1ピークを排斥し、1,550cm-1ピーク上の明確な
肩としてカルボン酸基が見られる。アミン末端基の存在は、水中におけるナイロ
ンの加水分解メカニズムに基づいて予想される分解生成物と一致する。
らされた試料に基づく変化をさらに特徴づけた。試料のさらされた領域を集める
ため、表面から取った削りくずを使用して分子量を測定した。GPC分析の結果
は、表1に示されている。水酸化カリウム処理は、ナイロン(Zytel)の分子量
を25の因子だけ減らし、最悪の場合、最大15%だけポリスチレンの分子量を
減少させた。しかし、当該特定条件は130℃試験であり、試料を37%水酸化カ
リウム溶液の表面上に浮かべて、空気にさらした。130℃で39日間、ポリスチ
レンはいくつかの熱酸化分解を経験しうる。その場合でさえ、分子量に少ししか
影響しない。結果は、スチレンポリマーベース材料が、ナイロンよりもずっと水
酸化カリウム中で安定であることを示す。この結果は、スチレンポリマー試料の
分子量の変化が比較的穏やかであるのに対し、ナイロンの質量損失が水性環境中
に溶解可能な非常に低分子量の分解生成物の生成に起因することを示唆している
。
汎用ポリスチレン、10%及び20%のトリブロック耐衝撃性改良剤を含有する
トリブロック改良シンジオタクチックポリスチレン、10%及び20%の耐衝撃
性改良剤を含有するポリオレフィン性耐衝撃性改良汎用ポリスチレン、10%及
び20%のオレフィン性耐衝撃性改良剤を含有するポリオレフィン性耐衝撃性改
良シンジオタクチックポリスチレン、及び7.5%のブタジエンゴムを含有する高
耐衝撃性ポリスチレンを含む9種の異なるロットのポリスチレンからガルバニ電
池シール部材を成形した。最小加工調整して、AA型電池にシール部材を取り付
けた。
能した。しかし、使用した金型が、ナイロンシール部材を製造するために設計さ
れたことを理解しなければならない。金型は、耐衝撃性改良スチレンポリマーブ
レンドのシール部材を成形するために特別に設計される金型の寸法とは異なる寸
法を有する。この相異は、ナイロンによって吸収される水分の量は、使用時より
も成形時の方が少なく、その結果ナイロンシール部材は使用時には成形直後とは
異なる寸法を有することになるという事実に起因する。対照的に、耐衝撃性改良
スチレンポリマーブレンドはほとんど水分を吸収せず、成形直後と比べていかな
る明かな寸法変化も経験しない。耐衝撃性改良スチレンポリマーシール部材の取
付の際に、時として観察される亀裂は、スチレンポリマーベースのシール部材の
成形用に特別に設計された金型を使用する場合には、減少され或いは排除される
だろう。
。ポリブタジエンゴムは、酸化的な攻撃を受けやすい不飽和結合を含む。ゴム含
量の酸化は、該材料を脆弱化し、かつその性能を変える。HIPSから、高い電
池内圧力を軽減するための破裂用の薄い部分を有するアルカリガルバニシール部
材を成形した。この薄い部分が破裂する圧力は、設計及びシール部材の材料特性
の関数である。データ(表2に示される)は、熱酸化的老化後にベント圧が変化
しないことを示している。さらに、ゲル浸透クロマトグラフィー分析の結果(表
3に示される)は、HIPS製品の分子量が71℃で10週間後に最小限増える
ことを示している。さらに、HIPS及びAIM(登録商標)の酸化は、この出願
では重要な問題ではない。
リマー鎖中の長いセグメントの動きを伴うフレキシブルな状態に変化する温度で
ある。ガラス転移温度付近及びそれを超えると、該材料は高い応力緩和及びクリ
ープを受ける。種々の材料についてのガラス転移温度が図4に示される。データ
は、スチレン材料がアルカリ電解質を有するガルバニ電池用のシール部材として
使用される場合、2つの利点を有することを示している。第1に、スチレンは水
を吸収しないので、ガラス転移温度は水分に依存しない。第2に、緩和挙動を支
配するポリスチレンマトリックスのガラス転移温度は、いずれの水分レベルでも
ポリプロピレン及びナイロン66より高い。電池の最終用途の高温は、85℃ほど
に高くなりうる。従って、スチレンポリマーベース材料は、ナイロン66よりも少
ない応力緩和及び少ないクリープを受ける。
材料は、最小の熱膨張を受けるべき、すなわち低い線形熱膨張係数を有すべきで
ある。表5に示されるデータは、汎用ポリスチレン以外、スチレン材料は、ナイ
ロンと同程度又はそれより低い線形熱膨張係数を有することを示している。
て重要である。荷重下での撓み温度(DTUL)は、材料が特定荷重量で撓む温度を測
定する標準化方法である。DTULが高い程、材料は良好な耐性を有する。表6に示
したデータは、最低の応力において、ナイロン66が最高の耐熱性を有することを
示唆している。しかしながら、電池内の密封部材において標準的に試験した荷重
に近い荷重下では、低い成型中応力を有し且つ耐衝撃性改良シンジオタクチック
ポリスチレンを含むAIMRは、最高の耐熱性を示している。ナイロン66は、水分を
吸収するので、低めの耐熱性を有している。スチレン系材料は、水分を吸収しな
いので、この欠陥を有していない。この分析から、スチレン系材料は、電池用密
封部材として、ナイロンおよび充填ポリプロピレンよりも良好な耐熱特性を有す
ることが期待される。
を、それぞれ、表7、表8および表9に示す。表7は、スチレンポリマー系材料の極
限引張強度がナイロン66の極限引張強度の50%未満であり、またタルク充填ポリ
プロピレンホモポリマーの極限引張強度と同じかそれより低いことを示している
。スチレン系高分子材料の低めの極限引張強度は、電池用密封部材の成型に関し
ては利点である。とりわけ、スチレンポリマー系材料は、その極限引張強度が低
い故に、比較的厚めの切片で成型でき、成型加工を容易にする。
料、とりわけ耐衝撃性改良シンジオタクチックポリスチレンは、ナイロン66より
も低い破壊時伸び百分率を有する。スチレンポリマー系材料の低めの破壊時伸び
百分率は、電池の製造において有利に利用できる。とりわけ、過剰の内部圧力発
生時に密封部材を膨張させ破裂せしめるのに必要な電池の内部容積量を有意に削
減できる。電池内の過剰の圧力発生時における密封部材の膨張および破裂に必要
な空間量の削減は、改良された稼動寿命および放電容量を有する電池の設計のよ
うな他の目的において有利に利用できる。
よりも強靭であることを一般的に示唆している。この増大した靭性は、電池内へ
の密封部材装填中の密封部材の亀裂または破裂による漏出を低減する。
間を移行するときに生じ得る。低表面エネルギープラスチックは、高表面エネル
ギープラスチックに比し、この移行を抑制する。表10および11に示すデータは、
スチレンポリマー系材料がナイロン66よりも低い表面エネルギーと高い水分接触
角を有することを示唆している。従って、スチレンポリマー系材料から製造した
密封部材は、ナイロン密封部材よりも本質的に良好な漏出性能を有するであろう
。
要である;(2)成型部品が水分含有量即ち相対湿度の関数として寸法変化する;(
3)成型部品の諸性質が水分含有量即ち相対湿度の関数として変化する。表12に示
すように、スチレン系材料は、有意量の水分を吸収せず、従って、これらの望ま
しくない副作用を示さない。
得る。従って、水素の透過を可能にする密封部材は、電池の安全性を向上させる
であろう。表13に示すように、スチレンポリマー系材料は、通常の電池密封部材
(ナイロン66、ポリプロピレンおよびポリスルホンのような)よりも有意に高い水
素透過性を有する。
よりもはるかに速く冷却する傾向にある。表14に示した冷却時間は、モールドか
ら取出し得るようになるまでの成型部品の冷却と固化に要する時間量の指数であ
る。冷却時間が短いほど、使用する成型装置において、短い成型サイクル時間と
高生産量が得られる。
燥を必要としない。ナイロンは、すべて、樹脂水分量を0.10〜0.25重量%に厳格
に調整することが必要である。0.10重量%より低いと、固相状重合がナイロン内
で生じて、溶融物の粘度を増大させ、モールドを満たすのが難しくなり得る。0.
25重量%より高いと、成型中の発泡と蒸発が生ずる。
有する。この低い引張強度の度合は、破裂するよう設計された領域において一定
厚を有するシール或いは一定圧で破裂するよう設計された領域において厚めであ
るスチレン系ポリマーシールにおける圧力よりも低い。各種材料から製造した同
一形状のシールを試験してシールのガス抜き領域が破裂する圧力を測定した。そ
の結果を表15に示す。スチレンポリマー系材料の低い引張強度のため、シールの
破裂領域は、厚めに形成させ得る。そのため、シールの射出成型は一層容易とな
る。
用の密封部材、とりわけアルカリ電解質を有する電池の密封部材の製造において
極めて有利な性質を有することを示唆している。さらに、上記のデータは、ポリ
アミド類(ナイロンのような)がバッテリーの化学環境における化学侵蝕に対して
感受性であることを示している。また、ポリアミド類は、周囲環境から水分を吸
収して、寸法および機械特性を変化させる。ポリプロピレン(無機物充填または
非充填)は、バッテリーが受ける温度(例えば、70〜80℃)において過度に軟化し
て、漏出と信頼性のない性能を生じ得る。ポリスルホンは、高価であり、射出成
型によりシールを適切に製造するのに極端な高温と低水分値を必要とする。
合させることによる)は、アルカリ電池の化学性による化学侵蝕に対して感受性
でなく、有意な水分を吸収せず、ポリプロピレン(無機物充填または非充填)が軟
化する温度以上でも軟化せず、乾燥も必要としないので、射出成型によって容易
に製造でき、ポリスルホンよりもかなり低温で加工し得る。
改良剤とのブレンディングにより強化させることを必要とする。しかしながら、
過度の耐衝撃性改良は、望ましいものではなく、逆に、高温(70〜80℃)でのポリ
スチレンの軟化をもたらす。経験により、ポリオレフィンまたは水素化ゴム/ス
チレンが耐衝撃性改良において許容し得る2つのタイプのエラストマーであるこ
とが分っている。しかしながら、あらゆるゴム系高分子材料が本用途において機
能し得る。
る使用において使用可能である。シンジオタクチックポリスチレンは結晶性ミク
ロ構造体を生成するが、アタクチックポリスチレンは非晶質である。アタクチッ
クおよびシンジオタクチックポリスチレンは、共に100℃のガラス転移温度を有
する。この温度近くまたはそれ以上では、シンジオタクチックポリスチレンの方
が、その結晶構造が材料の機械強度を維持するので好ましく、一方、アタクチッ
クポリスチレンは、270℃まで軟化しない微結晶が存在しないために軟化する。
従って、100℃近くまたはそれ以上での用途においては、シンジオタクチックポ
リスチレンが極めて好ましい。
ド温度200°F(93.3℃)と溶融温度560°F(293.3℃)で成型した。200個のシールを
コレクター内に集成し、次いで、AA電池中に集成させた。
37%KOHまたはKOHを含むEMDスラリー中で71℃、16週間放置した。次いで、これ
らのサンプルを、それらの分子量をゲル透過クロマトグラフィー(CPC)により測
定することによって化学劣化について分析した。劣化が生じた場合、その劣化は
、NorylR が腐蝕性環境と接触する表面に集中する。従って、各サンプルの表面
の上部10μmを、ミクロトームで切取ることによって集めた。この10μm削り屑を
GPC分析用に溶解させた。
重量平均分子量は、高分子量を有するポリマー鎖がその値に対してより明確にす
る第2の分布モーメントである。サンプル中のポリマー鎖が長さにおいてすべて
等しい場合、数平均分子量と重量平均分子量は等しい(多分散性(Mn/Mw)は単一
性である)。
データは、NorylR EM6101表面の分子量が過酷なKOHおよびEMD環境における処理
によって変化していないことを示している。前述したように、HIPSは、ZytelR 1
01Fよりも、これらの過酷な環境に対してはるかに安定である。図1は、加水分
解性または酸化性鎖切断がNorylの処理中に生じなかったことから、HIPSへのPPO
の添加によりHIPSの安定性が低下しないことを示している。
温度は、試験片上に固定荷重を加えることによって得られ、試験片が一定の距離
で撓むまで試験片を加熱する。従って、HDTにより、温度が上昇する時の材料の
クリープを判断する。HDTが高い程、熱およびクリープに対する材料の耐性は高
い。得られたデータは、NorylR EM6101が加熱およびクリープに対して最も耐性
のあることを明らかに示している。改良された耐性は、Noryl中のPPOに基づく。
応力緩和速度である。Noryl類の上昇したHDTが、これら材料の応力緩和速度も低
下させて改良された漏出性能を得るべきことを示唆している。図6は、ZytelR 10
1F 、HIPSおよびNorylR EM6100の応力緩和を示している。図7は、応力緩和速度
をグラフで示している。これらのグラフは、Noryl内の応力が最低の速度で減衰
していることを示している。従って、アルカリ密封部材の密閉領域内の圧縮性応
力を最長に維持し、それによって最良の漏出性能を得ることが期待される。
したものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである
。
つ130℃のオーブン内に置かれたナイロン引張り試験片と、同一条件下の汎用ポ
リスチレン引張り試験片についての質量損失パーセントの比較を示すグラフであ
る。
かつ95℃のオーブン内に置かれた、0.23mm(0.009インチ)厚さのナイロンの微
細引張り試験片と、このナイロンの微細引張り試験片と同一の条件下の同一サイ
ズ及び形状の種々の異なったポリスチレンベース微細引張り試験片についての質
量損失パーセントの比較である。
汎用ポリスチレン試料の表面のスペクトルグラフと比較した汎用ポリスチレンの
未処理試料の表面の減衰全反射−フーリエ変換赤外線(ATR−FTIR)スペ
クトルグラフである。
ナイロン試料の表面のスペクトルグラフと比較した未処理試料ナイロンの表面の
ATR−FTIRスペクトルグラフである。
る応力緩和対時間のグラフである。
度対時間のグラフである。
Claims (18)
- 【請求項1】 高衝撃性スチレン系ポリマーブレンドから製造した電池密封
部材。 - 【請求項2】 上記スチレン系ポリマーブレンドが、スチレン系ポリマーと
耐衝撃性改良剤とのブレンドを含む請求の範囲第1項記載の密封部材。 - 【請求項3】 上記スチレン系ポリマーブレンドが、スチレン系ポリマーと
耐衝撃性改良剤の総重量基準で、約50〜約95重量%のスチレン系ポリマーと約5
〜約50重量%のスチレン系ポリマーの靭性を向上させる耐衝撃性改良剤とを含む
請求の範囲第2項記載の密封部材。 - 【請求項4】 上記スチレン系ポリマーが、アタクチックポリスチレン、シ
ンジオタクチックポリスチレン、またはその両方を含む上記請求の範囲のいずれ
か1項記載の密封部材。 - 【請求項5】 上記スチレン系ポリマーが、シンジオタクチックポリスチレ
ンである上記請求の範囲いずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項6】 耐衝撃性改良剤が、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー
である請求の範囲第2〜5項のいずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項7】 上記スチレン系ポリマーブレンドが、スチレン系ポリマーと
耐衝撃性改良剤の総重量基準で、約60〜約95重量%のスチレン系ポリマーと約5
〜約40重量%の耐衝撃性改良剤とを含む請求の範囲第6項記載の密封部材。 - 【請求項8】 耐衝撃性改良剤がトリブロックコポリマーである請求の範囲
第2〜5項のいずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項9】 トリブロックコポリマーが、スチレン-ブタジエン-スチレン
、スチレン-イソプレン-スチレン、スチレン-エチレン/ブチレン-スチレンおよ
びスチレン-エチレン/プロピレン-スチレンから選ばれる請求の範囲第8項記載の
密封部材。 - 【請求項10】 上記スチレン系ポリマーブレンドが、スチレン系ポリマー
と耐衝撃性改良剤の総重量基準で、約70〜約95重量%のスチレン系ポリマーと約
5〜約30重量%の耐衝撃性改良剤、好ましくは約80〜約90重量%のスチレン系ポ
リマーと約10〜約20重量%の耐衝撃性改良剤を含む請求の範囲第2〜9項のいずれ
か1項記載の密封部材。 - 【請求項11】 上記スチレン系ポリマーブレンドが、高衝撃性ポリスチレ
ンとポリブタジエンゴムから形成され、スチレン相と独立のゴム相とを含む請求
の範囲第1〜5項のいずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項12】 スチレン相とゴム相の総重量基準で、スチレン相が約60〜
約95重量%を構成し、ゴム相が約5〜約40重量%を構成する請求の範囲第11項記
載の密封部材。 - 【請求項13】 上記スチレン系ポリマーブレンドが耐応力緩和剤を含む上
記請求の範囲のいずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項14】 耐応力緩和剤がポリ(フェニレンオキサイド)である請求の
範囲第13項記載の密封部材。 - 【請求項15】 耐応力緩和が、無機充填剤であり、好ましくはタルク、炭
酸カルシウム、カーボンブラックおよびシリカから選ばれる請求の範囲第13項記
載の密封部材。 - 【請求項16】 ミニアチュア電池用のガスケットとして成型した上記請求
の範囲のいずれか1項記載の密封部材。 - 【請求項17】 上記請求の範囲いずれか1項に記載した密封部材を含む電
池。 - 【請求項18】 電池がミニアチュアアルカリ空気電池であり、密封部材が
ミニアチュアアルカリ空気電池用のガスケットである請求の範囲第17項記載の電
池。
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