KR100681478B1

KR100681478B1 - 축전지용 극판면지 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR100681478B1
Application number: KR1020050039396A
Authority: KR
Inventors: 류희만
Original assignee: 중앙특수제지(주)
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2007-02-09
Also published as: KR20060116883A

Abstract

본 발명은 천연펄프 및 합성섬유를 개질화된 저융점 합성섬유 및 양이온 전분으로 결합시키고, 추가로 활성탄 또는 카본섬유를 첨가하여 이루어지는 축전지용 극판면지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 극판면지는 자동차 등의 축전지에서 양극판이나 음극판 상에 활물질이 용이하게 부착될 수 있도록 하기 위하여 사용되어 왔던 기존의 종이와 부직포의 단점을 보완한 특수 소재로서 우수한 물성을 가지는 동시에 환경친화적 소재이다.

축전지, 극판면지, 폴리에스터, 개질화 바인더, 펄프, 활성탄

Description

축전지용 극판면지 및 이의 제조방법{Paper for enveloping a plate in battery and a method for manufacturing the paper}

본 발명은 축전지 내의 양극판과 음극판을 둘러싸는 극판면지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 천연펄프 및 합성섬유를 개질화된 저융점 합성섬유 및 양이온 전분의 바인더를 이용하여 결합시키고, 활성탄 또는 카본섬유를 첨가하여 이루어지는 환경친화적 축전지용 극판면지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

방전 후 외부전원을 사용하여 충전함으로써 반복 사용할 수 있는 전지를 축전지(蓄電池)라 하며 대표적인 것으로는 납축전지와 알칼리 축전지가 있다. 일반적으로 납축전지는 싼 값으로 제조 가능하고 넓은 온도 범위에서 고출력을 낼 수 있어 자동차의 기초 전원으로 많이 이용된다. 납축전지는 축전지 내에 납으로 된 음극판과 이산화납으로 된 양극판을 교대로 설치하고 여기에 황산으로 이루어지는 전해액을 주입하여 이루어진다.

납 축전지는 충전과 방전이 반복됨에 따라 전극판과 전해액 사이에 화학 반 응을 일으켜서 음극판과 양극판이 고체의 황산납(Pb(SO₄)₂)으로 변하거나, 원상으로 가역반응을 하는 중에 전극판이 변형되어 상호 접촉되거나 또는 전극판 사이에 내부 방전이 일어나기 때문에 이를 방지하기 위하여 각 극판상의 활물질을 극판면지(또는 도포용지라고도 불려짐)로 둘러싸서 사용하는 것이 일반적이다.

본 발명은 이러한 축전지, 특히 납축전지 내의 양극판이나 음극판의 활물질을 둘러싸는 극판면지에 관한 것이다. 축전지용 극판면지는 전류의 흐름을 원활하게 하기 위하여 균일하고 일정한 통기성을 가져야하며, 충전과 방전을 반복할 때 활물질이 쉽게 베어 나오지 않도록 치밀한 조직 구조를 가지고 있어야 하며, 황산액 중에서 오래 견딜 수 있어야 하며, 내충격성이 높아야 하며 쉽게 변형되지 않아야 하는 특성이 요구된다.

종래 극판면지는 종이나 부직포 등의 소재를 사용하였다. 그러나, 종이는 조직이 치밀하여 활물질 손실을 최소화할 수 있다는 장점은 있지만, 내산성이 약하여 전해질에 용해되어 소실된다는 단점이 있다. 한편, 부직포는 소수성이며, 내산성이 강하여 전해질에 잘 녹지는 않으나 조직이 엉성하여 활물질이 극판 표면으로 전이되어 손실되는 단점이 있다. 종이나 부직포 이외에도 강화 섬유 등이 사용되었지만, 기후조건에 따라 축전지 성능이 우수하지 못할 뿐만 아니라 인장강도가 약하고 사용수명이 짧은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명자는 상기와 같은 종래의 축전지용 극판면지의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과 천연 펄프와 합성 펄프를 혼합하여 특수하게 제조된 극 판면지를 개발하게 되었다.

본 발명의 목적은 천연펄프와 합성섬유를 사용하여 종이와 부직포의 장점을 동시에 갖는 축전지용 극판면지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균일하고 일정한 통기성, 치밀한 조직 구조, 우수한 내산성 및 내충격성을 가지는 축전지용 극판면지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 축전지용 극판면지를 제조하기 위한 간단하고도 효율적인 축전지용 극판면지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 활물질이 도포된 양극과 음극을 각각 본 발명에 따라 제조된 특수지인 극판면지로 둘러싸는 것으로 축전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있는 축전지용 극판면지를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 극판면지는 천연펄프 20 내지 80 중량% 및 폴리에스터, 아크릴, 레이온, 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합성섬유 80 내지 20 중량%를 혼합한 펄프 혼합물 100 중량부; 개질화된 저융점 합성섬유 5 내지 20 중량부; 양이온 전분(건조중량) 5 내지 15 중량부; 및 활성탄 또는 카본섬유 5 내지 30 중량부를 혼합하여 통상적인 제지공정을 통하여 시트로 제조함으로써 얻어진다.

본 발명에 사용되는 천연펄프의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 목재 펄프가 바람직하다. N-BKP(Naded-Bleach Kraft Pulp, 침엽수 표백 펄프) 또는 L-BKP(광엽수 표백 펄프)가 일반적으로 사용되며, 펄퍼에서 물 중에 1 내지 10중량% 농도로 해리시킨 다음 리파이너에서 비팅시켜 사용된다.

본 발명에 따른 합성섬유는 폴리에스터, 아크릴, 레이온, 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합성섬유를 사용한다. 합성섬유는 5 내지 15mm로 전단한 다음 펄퍼에서 물 중 1 내지 10중량% 농도로 해리시켜 사용된다.

본 발명에서는 천연 펄프와 합성섬유가 융착될 수 있도록 하기 위하여 바인더로서 개질화된 저융점 합성섬유 및 양이온 전분을 사용한다. 화학섬유는 자체 결속력이 없으므로, 천연펄프와 결합되지 못하지만, 본 발명에 따라 바인더를 첨가한 후 건조 공정 단계에서 열을 공급하여 온도를 90-110℃로 상승시키면 천연펄프와 화학섬유간의 융착이 일어나게 되어 특수지가 얻어진다. 바인더의 사용 함량은 당업자에 의하여 용이하게 결정될 수 있으나, 천연펄프와 합성섬유 총 100 중량부 당 개질화된 저융점 합성섬유는 5 내지 20 중량부, 그리고 양이온 전분은 건조중량을 기준으로 5 내지 15 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다. 바인더의 함량이 상기 함량 미만으로 사용될 경우는 천연펄프와 합성섬유 간의 융착이 제대로 이루어지지 않고, 상기 함량 범위보다 많이 사용된다 하더라도 펄프와 섬유간의 융착이 더 이상 증가되지는 않으므로 비경제적이다.

개질화된 저융점 합성섬유란 고도의 복합방사 기술을 이용하여 제조된 섬유로서 중합체가 상대적으로 낮은 온도에서 용융되므로 본 발명에서 매트릭스를 이루는 피융착 천연펄프와 합성섬유에 쉽게 융착되는 특성을 나타낸다. 이중 LMP(Low Melting Polyester)는 건축 자재나 침장용으로 최근 사용이 늘고 있는 추세이다.

본 발명에 사용되기에 적합한 저융점 합성섬유는 그 종류가 특별히 제한되지는 않으나 3.5 내지 5 데니어, 강도가 3 내지 4g/de, 신장율 35 내지 60%, 융점 90 내지 110℃인 경우 천연펄프와 합성섬유의 결속력을 강화시켜 줄 수 있으며, 저융점 합성섬유 중 가장 바람직한 것은 융점 90 내지 110℃인 저융점 폴리에스터(LMP)이다.

저융점 합성섬유는 천연펄프 및 합성섬유와 함께 펄퍼에서 혼합된다.

양이온 전분은 일반적으로 분말 형태로서 시판되며, 약 15 내지 25% 농도로 물과 혼합하여 호화시킨 다음 믹싱 체스트(mixing chest)에 넣어 다른 기타 첨가제와 함께 혼합한다.

본 발명에서는 천연펄프와 합성섬유를 결합하기 위하여 바인더로서 저융점 합성섬유와 양이온 전분을 함께 사용하는데, 이 두 성분을 함께 사용함으로써 이 중 하나의 성분만을 단독으로 사용할 때보다 제조되는 극판면지의 보류(retention) 및 강도가 증가될 수 있다.

활성탄 또는 카본섬유는 전도성을 높이기 위하여 사용되며, 축전지의 시동성을 높일 수 있다. 활성탄 또는 카본섬유는 천연펄프와 합성섬유의 펄프 혼합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부 사용되는데, 5 중량부 미만으로 사용될 경우는 전도성 향상에 도움이 되지 않으며, 30중량부 넘게 사용된다 하더라도 전도성이 더 이상 증가되지는 않으므로 비경제적이다. 일반적으로 제지 공정에서 사용되는 충전물의 크기가 250 내지 350 메쉬이므로, 본 발명에서 사용되는 활성탄 또한 250 내지 350 메쉬인 것이 바람직하다. 카본섬유는 특별한 제한은 없으나, 펄프 및 합성섬유가 잘 혼합되며 일정한 저항을 갖기 위하여 1.5 내지 3 데니어, 길이 5 내지 10mm인 카본섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

각 구성성분의 함량이 상기한 범위를 벗어나더라도 얻어지는 극판면지의 물성에 큰 변화는 없으나, 내산성과 내충격성을 최적으로 조절하기 위하여 각 구성성분은 상기 함량 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 본 발명에 따른 극판 면지에는 천연펄프 20 내지 80 중량% 및 합성섬유 80 내지 20 중량%를 혼합한 펄프 혼합물이 사용되는데 천연펄프가 20중량% 미만(합성섬유 80중량% 초과)으로 포함되는 경우는 인열강도가 낮아지며, 성긴 조직으로 인하여 활물질이 손실되거나 전해액으로 용출되고, 천연펄프가 80중량%를 초과(합성섬유 20중량% 미만)하여 포함되는 경우는 내산성이 낮아지게 된다. 상기한 비율로 혼합된 천연펄프와 합성섬유를 혼합한 펄프 혼합물 100 중량부를 기준으로 개질화된 저융점 합성섬유 5 내지 20 중량부, 양이온 전분(건조중량) 5 내지 15 중량부, 및 활성탄 또는 카본섬유 5 내지 30 중량부 범위를 벗어날 경우 내산성과 내충격성이 낮아져 축전지용 극판면지로서 적합하지 않다.

본 발명에 따른 극판면지를 제조하기 위한 바람직한 구체예에서는, 천연 펄프, 합성섬유, 및 바인더 이외에도 중성 초지에서 내수 효과를 높이기 위한 사이징제(sizing agent)로서 AKD(alkyl ketene dimer) 및 생성물의 강도를 높이기 위한 습윤제로서 에폭시 지력 증강제를 각각 천연펄프와 합성섬유 총 100 중량부를 기준 으로 1~5 중량부와 1~6 중량부 첨가한다.

또한, 필요에 따라 분산제, 보류 촉진제, 지력강화제, 소포제, 이형제 등이 더 포함될 수 있으며, 이들의 사용 함량은 당업자가 용이하게 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 극판면지를 구성하는 각 성분의 함량이 상기한 범위를 벗어나면 원하는 물성이 얻어지지 않는다.

본 발명에 따른 극판면지는 천연 펄프를 사용하므로 인열강도가 뛰어나고, 합성섬유를 사용하므로 내산성이 우수하며, 고해기에서 섬유사들을 미세하고 균일하게 고해시켜 줌으로서 극판면지가 균일한 통기성을 유지할 수 있도록 하는 것이 가능하게 된다.

극판면지의 제조 공정은 일반적인 제지 공정을 따르며 이러한 제지 공정은 제지 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.

이를 간단히 설명하면, 천연펄프를 펄퍼(pulper)에서 1 내지 10 중량% 농도로 수중에 해리시키고, 리파이너(Refiner)에서 20~40˚SR로 비팅한다. 합성섬유는 5 내지 15mm로 전단한 다음 칼비터 등의 섬유 특수 비터(Beater)에서 1 내지 10중량% 농도(바람직하게는 3 중량%)로 해리시킨다. 그 다음 상기 천연펄프와 합성섬유를 개질화된 저융점 합성섬유와 함께 펄퍼에서 혼합한다. 그 다음 믹싱 체스트에 호화된 양이온 전분, 활성탄 또는 카본섬유, AKD, 에폭시 수지 등의 첨가제를 혼합한 후 펄퍼 내의 원료과 함께 바트(Vat)를 이용하여 초지한 후 일반 장망 습식 초지기 생산 공정과 같이 압착 탈수 후 건조 드라이어(Dryer)를 통과시킨다. 이때, 조직의 치밀성과 지필의 고강도를 얻기 위해 사용된 바인더에 의하여 소재간의 열 융착이 일어나 본 발명에 따른 극판면지가 생성된다.

상기와 같이 제조된 극판면지 원단을 필요한 크기로 제단하여 평량 15 내지 30g/m²,두께 50~70×10^-3mm인 축전지용 극판면지를 얻는다.

본 발명에 따른 극판면지는 충전하여 재사용가능한 축전지에 사용되며, 특히 순간 시동성이 요구되는 자동차용 배터리(납 축전지)에 적합하다. 납 축전지의 활물질인 납이나 산화납은 유연하며 강성이 약하므로, 통상적인 다공성 부직포를 사용할 경우에는 대량의 활물질 손실이나 전해액으로의 용출 등의 문제점이 야기될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 내산성을 향상시키고 전해액과의 직접적인 접촉으로 인해 양극이나 음극의 활물질이 전해액으로 직접 용출되는 것을 막기 위하여, 본 발명에 따라 제조된 극판면지를 각 극판에 밀착시킨다.

본 발명에 따라 제조된 극판면지를 축전지 내 극판에 사용하면 활물질이 전해액으로 과량 용해되는 것을 막을 수 있고, 납의 치밀화 현상을 방지할 수 있어 축전지의 사이클 수명을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 극판면 보호와 내구성, 반응성(시동성)이 우수한 배터리의 성능을 갖게 해야 한다. 부직포의 내산성과 종이의 치밀한 조직 특성을 모두 갖는 펄프와 합성섬유를 혼합한 습식 특수지를 생산한다. 이러한 특수지는 종이보다 강도가 높고, 제조단가가 매우 낮은 신소재로서 "천과 같은 종이" 특성을 가진다.

극판면지의 평량은 제조공정 조건에 따라 당업자가 용이하게 조정할 수 있으 나, 본 발명에서는 평균 평량을 15 내지 30g/㎡로 조정한다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

극판면지의 제조

가. 천연펄프

N-BKP(Naded-Bleach Kraft Pulp)를 펄퍼(Pulper)에서 물 중에 5.0 중량% 농도로 해리시킨 다음, 펄프의 커팅을 위하여 리파이너(Refiner)에서 40˚SR로 비팅시켰다.

나. 합성섬유

5 내지 15mm로 전단한 다음 특수 해리 펄퍼에서 물 중 3 중량% 농도로 해리시켰다.

다. 배합

천연펄프 500 kg, 폴리에스터 합성섬유 500 kg, 개질화된 저융점 합성섬유(일본 Kuraray Co. Ltd.사 제품, N-700) 50 kg을 펄퍼에서, 그리고 양이온 전분(Amylofax T2200) 10 kg을 물 50kg에 넣은 다음 100℃로 가열하여 호화시켜 얻은 양이온 전분 바인더, AKD 20 kg, 및 에폭시 수지 50 kg을 믹싱 체스트에서 각각 혼합한 후 다음과 같은 일반적인 제지 공정을 거쳐 초지를 제조하였다.

라. 특수지 제조

바트 →압착(Press)→건조(Dryer)→포프 릴(Pope Reel)

물성비교

본 발명에 따라 제조된 극판면지를, 상용화되고 있는 종이(비교샘플 1) 및 부직포(비교샘플 2) 소재와 비교하였다.

각 샘플의 인열강도(tear strength), 인장강도(tensile strength), 및 내산성 시험의 측정방법은 다음과 같다.

- 인장강도: 한국 산업 규격 KS M 7014(1980)에 따라 각 소재 시편의 인장강도를 측정하였다.

- 인열강도: 한국 산업 규격 KS M 7016(1980) 각 소재 시편의 인열강도를 측정하였다.

- 내산성 시험: 35% 황산 용액에 각 소재 시편을 3일간 담근 후 감량된 정도를 중량%로 측정하였다.

	비교샘플 1 종이 극판면지	비교샘플 2 부직포 극판면지	샘플 본 발명의 제품
평량(g/m²)	16	18	20
두께(10^-3mm)	35	80	52
밀도(g/cm³)	0.46	0.23	0.38
벌크	2.19	4.4	2.60
인장강도(Kgf/15mm)	1.4	4.6	1.2
인열강도(Kgf)	35	180	70
내산성도(감량%)	90%	5%	30%

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 극판면지 샘플은 기존 종이 소재(비교샘플 1)와 비교하여 동일하거나 다소 낮은 인장 강도를 나타내기는 하였으나, 인열강도는 매우 뛰어나며 내산성 또한 매우 우수하였다. 또한, 본 발명에 따른 샘플의 인장강도, 인열강도, 내산성도는 비록 부직포(비교샘플 2)에 비하여 높지는 않았으나, 조직이 훨씬 치밀하여(실험치로 나타나지는 않음) 축전지의 극판 상에 도포된 활물질이 전해액으로 베어 나오지 않고, 제조비용이 훨씬 적게 들므로 비용 대비 효과는 훨씬 월등함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 친환경 기능성 배터리 극판면지는 기존의 종이, 부직포 배터리 극판면지의 단점을 보완하여 내구성, 반응성(시동성)이 뛰어난 것으로, 습식 부직포 제조공법을 변형하여 생산한 제품이다. 본 발명에 따른 극판면지는 우수한 강도와 함께 치밀한 조직 구성, 내산성이 높으며, 무공해성 등으로 인하여 자동차 등의 축전지용 극판면지로 사용되기에 적합하다.

Claims

천연펄프 20 내지 80 중량% 및 폴리에스터, 아크릴, 레이온, 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합성섬유 80 내지 20 중량%를 혼합한 펄프 혼합물 100 중량부; 개질화된 저융점 합성섬유 5 내지 20 중량부; 양이온 전분(건조중량) 5 내지 15 중량부; 및 활성탄 또는 카본섬유 5 내지 30 중량부를 혼합하여 제조된 축전지용 극판면지.
제1항에 있어서, 상기 개질화된 저융점 합성섬유는 융점 90 내지 110℃인 저융점 폴리에스터이고, 그리고 상기 카본섬유는 길이 5 내지 10mm인 축전지용 극판면지.
제1항에 있어서, 사이징제로서 알킬케텐다이머(AKD) 1 내지 5 중량부 및 습윤제로서 에폭시 지력 증강제 1 내지 6 중량부를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 축전지용 극판면지.
제1항에 있어서, 분산제, 보류 촉진제, 지력강화제, 소포제, 및 이형제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지용 극판면지.
천연펄프 20 내지 80 중량% 및 폴리에스터, 아크릴, 레이온, 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합성섬유 80 내지 20 중량%를 혼합한 펄프 혼합물 100 중량부; 개질화된 저융점 합성섬유 5 내지 20 중량부; 양이온 전분(건조중량) 5 내지 15 중량부; 및 활성탄 또는 카본섬유 5 내지 30 중량부를 혼합하여 습식 초지하여, 바트로 처리하고, 압착, 및 건조하여 평량 15 내지 30g/m² 및 두께 50~70×10^-3mm를 갖는 축전지용 극판면지를 제조하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 개질화된 저융점 합성섬유는 융점 90 내지 110℃인 저융점 폴리에스터이고, 그리고 상기 카본섬유는 길이 5 내지 10mm인 제조방법.
제5항에 있어서, 사이징제로서 알킬케텐다이머(AKD) 1 내지 5 중량부 및 습윤제로서 에폭시 지력 증강제 1 내지 6 중량부를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제5항에 있어서, 분산제, 보류 촉진제, 지력강화제, 소포제, 및 이형제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.