RU2084049C1

RU2084049C1 - Nonwoven material for separators of lead-acid storage batteries

Info

Publication number: RU2084049C1
Application number: RU9494039651A
Authority: RU
Inventors: С.В. Конюхова; Н.В. Пузанова; Н.В. Кашанова; Л.Н. Карышенская
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Научно-исследовательский институт нетканых материалов"
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1997-07-10
Also published as: RU94039651A

Abstract

FIELD: manufacture of lead storage cells. SUBSTANCE: nonwoven material is composed of three fibrous layers bonded together, external ones being composed of mixture of 80 mass percent of copolyester fibers of linear density 0.33 tex liable to thermal shrinkage at 190-220 C and 20 mass percent of viscous fibers of linear density 0.31 tex; intermediate layer is of polyester fibers having linear density 0.17 tex. Projections may be made on one side of material throughout entire width of sheet and respective depressions on other side; projections are alternating with flat areas; material density on projections and flat areas is the same. EFFECT: improved quality of material. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Известен нетканый сепарационный материал, выполненный по крайней мере из трех волокнистых слоев, каждый из которых сформирован из смеси низкоплавких извитых волокон, химически стойких к воздействию электролита, с синтетическими волокнами на основе органических соединений с высокой точкой плавления. Наружные слои сформированы из извитых волокон, которые полностью или частично имеют линейную плотность более высокую, чем линейная плотность волокон внутренних слоев. Волокнистые слои скреплены между собой под воздействием тепла и давления. Этот материал описан в заявке Японии N 58-21775, кл. H 01 M 2/16, опубл. 04.05.83 г. Повышенная плотность известного материала, имеющего двухмерную структуру, и ее недостаточная объемная пористость, создаваемая лишь за счет использования извитых волокон, отличающихся между собой линейной плотностью, вызывают повышенное электросопротивление. Known non-woven separation material made of at least three fibrous layers, each of which is formed from a mixture of low-melting crimped fibers chemically resistant to electrolyte, with synthetic fibers based on organic compounds with a high melting point. The outer layers are formed from crimped fibers, which fully or partially have a linear density higher than the linear density of the fibers of the inner layers. The fibrous layers are bonded to each other under the influence of heat and pressure. This material is described in Japanese application N 58-21775, class. H 01 M 2/16, publ. 05/04/83, The increased density of the known material having a two-dimensional structure, and its insufficient bulk porosity, created only through the use of crimped fibers that differ in linear density, cause increased electrical resistance.

Известен также нетканый материал для сепараторов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, описанный в а.с. СССР N 1757408, кл. Н 01 M 2/16, заявл. 22.08.90 г. опубл. 30.08.94. Also known non-woven material for separators of lead-acid batteries described in A.S. USSR N 1757408, class H 01 M 2/16, decl. 08/22/90, publ. 08/30/94.

Указанный материал состоит из двух наружных и промежуточного волокнистых слоев, скрепленных между собой. Каждый из волокнистых слоев выполнен из смеси гидрофобных высокоусадочных сополиэфирных волокон и гидрофильных вискозных волокон в соотношении 80 20% мас. При этом сополиэфирные и вискозные волокна в наружных слоях имеют линейную плотность 0,33 и 0,31 текс соответственно, а сополиэфирные и вискозные волокна в промежуточном слое имеют линейную плотность 0,17 и 0,31 текс соответственно. Высокоусадочные сополиэфирные волокна способны к усадке при температуре 190 220^oC.The specified material consists of two outer and intermediate fibrous layers bonded to each other. Each of the fibrous layers is made of a mixture of hydrophobic highly shrinkable copolyester fibers and hydrophilic viscose fibers in a ratio of 80 to 20% by weight. In this case, the copolyester and viscose fibers in the outer layers have a linear density of 0.33 and 0.31 tex, respectively, and the copolyester and viscose fibers in the intermediate layer have a linear density of 0.17 and 0.31 tex, respectively. Highly shrinkable copolyester fibers are capable of shrinkage at a temperature of 190 220 ^o C.

Наличие в промежуточном слое известного материала 80% сополиэфирных волокон, линейная плотность которых почти в 2 раза ниже линейной плотности сополиэфирных волокон в наружных слоях в сочетании с высокой набухаемостью в электролите вискозных волокон приводит к тому, что плотность промежуточного слоя оказывается существенно более высокой, чем плотность наружных слоев. Способность сополиэфирных волокон к высокой (порядка 38 55%) усадке под воздействием тепла в процессе изготовления материала в сочетании с их относительно высокой линейной плотностью, а вискозных волокон к повышенному набуханию в электролите, играя положительную роль в наружных слоях материала за счет создания более мелких и разветвленных пор, в промежуточном слое сказываются отрицательно. Промежуточный слой из-за повышенной плотности затрудняет прохождение потока ионов, что приводит к повышению электросопротивления сепаратора и снижению начального разрядного напряжения аккумуляторной батареи в особенности при ее работе в условиях пониженных температур окружающей среды, когда активность потока ионов мала. The presence in the intermediate layer of the known material of 80% copolyester fibers, the linear density of which is almost 2 times lower than the linear density of the copolyester fibers in the outer layers, combined with the high swelling of viscose fibers in the electrolyte, leads to the fact that the density of the intermediate layer is significantly higher than the density outer layers. The ability of copolyester fibers to high (about 38 55%) shrinkage under the influence of heat during the manufacturing process of the material in combination with their relatively high linear density, and viscose fibers to increased swelling in the electrolyte, playing a positive role in the outer layers of the material by creating smaller and branched pores in the intermediate layer affect negatively. Due to the increased density, the intermediate layer complicates the passage of the ion flux, which leads to an increase in the electrical resistance of the separator and a decrease in the initial discharge voltage of the battery, especially when it is operated at low ambient temperatures, when the ion flux activity is low.

Изобретение направлено на создание нетканого материала для сепараторов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, обладающего повышенными эксплуатационными свойствами. Эта задача решается за счет того, что в нетканом материале для сепараторов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, состоящем из двух наружных и промежуточного волокнистых слоев, скрепленных между собой, у которого наружные слои выполнены из смеси сополиэфирных волокон линейной плотности 0,33 текс, способных к термоусадке при температуре 190 220^oC, и вискозных волокон линейной плотности 0,31 текс в соотношении 80 20 мас. промежуточный слой выполнен из полиэфирных волокон линейной плотности 0,17 текс.The invention is directed to the creation of a nonwoven material for separators of lead-acid batteries having enhanced performance properties. This problem is solved due to the fact that in the nonwoven material for separators of lead-acid batteries, consisting of two outer and intermediate fibrous layers bonded to each other, in which the outer layers are made of a mixture of copolyester fibers with a linear density of 0.33 tex, capable of heat shrink at a temperature of 190 220 ^o C, and viscose fibers with a linear density of 0.31 tex in a ratio of 80 to 20 wt. the intermediate layer is made of polyester fibers with a linear density of 0.17 tex.

Благодаря тому, что промежуточный слой выполнен полностью из полиэфирных волокон низкой линейной плотности, усадка которых под воздействием температуры в процессе изготовления материала незначительна, плотность промежуточного слоя становится примерно одинаковой с плотностью наружных слоев, что в сочетании с высокой объемной пористостью наружных слоев и сохранением высокой химической стойкости к воздействию электролита приводит к снижению электросопротивления сепаратора и к повышению начального разрядного напряжения аккумуляторной батареи при низкоактивном потоке ионов в условиях пониженных температур эксплуатации аккумуляторной батареи. Due to the fact that the intermediate layer is made entirely of low linear density polyester fibers, whose shrinkage is insignificant under the influence of temperature during the manufacturing process, the density of the intermediate layer becomes approximately the same as the density of the outer layers, which, combined with the high bulk porosity of the outer layers and the preservation of high chemical resistance to electrolyte leads to a decrease in the electrical resistance of the separator and to an increase in the initial discharge voltage of the battery th battery at low active ion stream in the battery operating conditions of low temperature.

В частном случае использования предлагаемого нетканого материала для сепаратора свинцово-кислотных батарей со свободным электролитом, например, в стартерных батареях негерметизированного типа, предлагаемый материал с одной из его наружных сторон может иметь регулярно расположенные по всей ширине материала непрерывные продольные выступы, а с противоположной стороны материала впадины, соответствующие этим выступам, причем между выступами и впадинами предусмотрены плоские участки, имеющие плотность одинаковую с плотностью выступов. In the particular case of the use of the proposed non-woven material for the separator of lead-acid batteries with free electrolyte, for example, in starter batteries of the unsealed type, the proposed material on one of its outer sides can have continuous longitudinal protrusions regularly located over the entire width of the material, and on the opposite side of the material depressions corresponding to these protrusions, and between the protrusions and depressions there are provided flat portions having a density equal to the density of the protrusions.

Такое конструктивное исполнение обеспечивает необходимый запас электролита в зазоре между телом сепаратора и электродами для свободного перемещения электролита и естественного конвективного перемешивания в приэлектродном пространстве, что имеет особо важное значение при работе аккумулятора в условиях отрицательных температур. Кроме того, одинаковая плотность выступов и впадин в сепараторе для свинцово-кислотных батарей со свободным электролитом способствует снижению турбулентности потоков отходящих газов, образующихся в процессе электрохимической реакции и их более свободному и направленному отводу из электролита, что в свою очередь обеспечивает снижение электросопротивления сепаратора и улучшение стартерных характеристик аккумуляторов при отрицательных температурах. This design provides the necessary supply of electrolyte in the gap between the separator body and the electrodes for free movement of the electrolyte and natural convective mixing in the electrode space, which is especially important when the battery is operating in freezing temperatures. In addition, the same density of protrusions and depressions in the separator for lead-acid batteries with free electrolyte helps to reduce the turbulence of the flow of exhaust gases generated during the electrochemical reaction and their more free and directional removal from the electrolyte, which in turn provides a decrease in the electrical resistance of the separator and improvement starter characteristics of batteries at low temperatures.

На фиг. 1 схематически представлено поперечное сечение нетканого сепарационного материала для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с иммобилизованным электролитом; на фиг. 2 нетканого сепарационного материала для свинцово-кислотных батарей со свободным электролитом. In FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nonwoven separation material for lead-acid storage batteries with an immobilized electrolyte; in FIG. 2 non-woven separation material for lead-acid batteries with free electrolyte.

Как показано на фиг. 1 и 2 предлагаемый нетканый сепарационный материал состоит из двух наружных 1 и промежуточного слоя 2, скрепленных между собой. Наружные слои 1 содержат смесь высокоусадочных сополиэфирных волокон линейной плотности 0,33 текс и вискозных волокон линейной плотности 0,31 текс в соотношении 80 20 мас. Промежуточный волокнистый слой 2 выполнен из полиэфирных синтетических волокон линейной плотности 0,17 текс. As shown in FIG. 1 and 2, the proposed non-woven separation material consists of two outer 1 and an intermediate layer 2, bonded to each other. The outer layers 1 contain a mixture of highly shrinkable copolyester fibers with a linear density of 0.33 tex and viscose fibers with a linear density of 0.31 tex in a ratio of 80 to 20 wt. The intermediate fiber layer 2 is made of polyester synthetic fibers with a linear density of 0.17 tex.

Сепарационный материал, представленный на фиг. 2, на одной из его сторон снабжен регулярно расположенными по всей его ширине непрерывными продольными выступами 3 и соответствующими им впадинами 4 с противоположной стороны материала, чередующимися с плоскими участками 5. The separation material shown in FIG. 2, on one of its sides it is provided with continuous longitudinal protrusions 3 regularly located over its entire width and corresponding cavities 4 on the opposite side of the material, alternating with flat sections 5.

Волокнистые слои 1 и 2 скреплены между собой. Скрепление осуществляют следующим образом. На нижний наружный волокнистый слой 1, сформированный механическим способом из смеси полиэфирных волокон линейной плотности 0,33 текс 80 мас. и вискозных волокон линейной плотности 0,31 текс 20 мас. укладывают механически сформированный промежуточный волокнистый слой 2 из полиэфирных волокон линейной плотности 0,17 текс. На промежуточный волокнистый слой 2 укладывают верхний наружный волокнистый слой 1 из смеси сополиэфирных волокон линейной плотности 0,33 текс и вискозных волокон 0,31 текс, также сформированный известным механическим способом. Полученный трехслойный волокнистый холст скрепляют иглопрокалыванием на иглопробивной машине, сначала сверху вниз, а затем снизу вверх. Затем полученный нетканый материал подвергают двухстадийной термообработке: вначале на агрегате для термоусадки при температуре 190^oC, а затем осуществляют заключительную термообработку на двухвальном каландре с гладкими обогреваемыми валами при температуре 200^oC и давлении 50 Па.The fibrous layers 1 and 2 are bonded to each other. Bonding is as follows. On the lower outer fibrous layer 1, formed mechanically from a mixture of polyester fibers with a linear density of 0.33 tex 80 wt. and viscose fibers with a linear density of 0.31 tex 20 wt. stack a mechanically formed intermediate fiber layer 2 of polyester fibers with a linear density of 0.17 tex. The upper outer fiber layer 1 is laid on the intermediate fiber layer 2 from a mixture of copolyester fibers of linear density 0.33 tex and viscose fibers 0.31 tex, also formed by a known mechanical method. The obtained three-layer fibrous canvas is fastened by needle-piercing on a needle-punched machine, first from top to bottom and then from bottom to top. Then, the obtained nonwoven material is subjected to a two-stage heat treatment: first, on a heat shrink unit at a temperature of 190 ^o C, and then final heat treatment is carried out on a two-shaft calender with smooth heated shafts at a temperature of 200 ^o C and a pressure of 50 Pa.

В результате получают плоский нетканый сепарационный материал для аккумуляторных батарей с иммобилизованным электролитом, представленный на фиг. 1. The result is a flat nonwoven separation material for batteries with immobilized electrolyte shown in FIG. one.

Нетканый сепарационный материал для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей со свободным электролитом, представленных на фиг. 2, получают аналогично вышеописанному материалу, но заключительную термообработку осуществляют в зоне обогреваемых валов двухвального каландра, поверхность одного из валов которого снабжена расположенными по окружности вала ребрами, регулярно чередующимися с плоскими участками, а поверхность другого - соответственно расположенными впадинами и плоскими участками при одинаковом зазоре между поверхностями обоих взаимодействующих валов. The non-woven separation material for lead-acid free electrolyte batteries of FIG. 2, receive similarly to the above material, but the final heat treatment is carried out in the area of the heated shafts of the two-shaft calender, the surface of one of the shafts of which is equipped with ribs located regularly around the shaft circumference, regularly alternating with flat sections, and the surface of the other with correspondingly located cavities and flat sections with the same gap between the surfaces of both interacting shafts.

Таким образом получают сепарационный материал, снабженный на одной стороне регулярно расположенными по всей его ширине непрерывными продольными выступами 3 и соответствующими им впадинами 4, с противоположной стороны материала, чередующимися с плоскими участками 5. In this way, a separation material is obtained that is provided on one side with continuous longitudinal projections 3 regularly spaced along its entire width 3 and their corresponding depressions 4, on the opposite side of the material, alternating with flat sections 5.

Возможность достижения указанного выше технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, подтверждается следующими данными, характеризующими эксплуатационные свойства предлагаемого нетканого сепарационного материала в сравнении с прототипом и серийным сепаратором "Мипласт", приведенными в таблице. The ability to achieve the above technical result obtained by carrying out the invention is confirmed by the following data characterizing the performance properties of the proposed non-woven separation material in comparison with the prototype and serial separator "Miplast" shown in the table.

Claims

1. Non-woven material for lead-acid battery separators, consisting of two outer and intermediate fibrous layers bonded to each other, in which the outer layers are made of a mixture of highly shrinkable copolyester fibers of linear density 0.33 tex, capable of heat shrink at 190 220 ^o C , and viscose fibers with a linear density of 0.31 tex in a ratio of 80 to 20 wt. characterized in that the intermediate layer is made of polyester fibers with a linear density of 0.17 tex.

2. The material according to claim 1, characterized in that on one of its outer sides there are continuously longitudinal protrusions regularly arranged over the entire width of the material, and depressions corresponding to these protrusions on the opposite outer side of the material, wherein flat portions are provided between the protrusions and depressions, having a density identical with the density of the protrusions.