天丝纤维在碱锰电池隔膜中的应用研究

陆燕华 王 虹 余调娟 汤人望

(浙江省普瑞科技有限公司，杭州，311215)

天丝纤维在碱锰电池隔膜中的应用研究

陆燕华 王 虹 余调娟 汤人望

(浙江省普瑞科技有限公司，杭州，311215)

介绍了天丝纤维的特性和在碱锰电池隔膜生产中的应用情况。天丝纤维经打浆设备处理后能较好地原纤化，可与丝光化木浆、耐碱性纤维和水溶性纤维混合湿法抄造碱锰电池隔膜。测试结果表明，天丝纤维的加入可以生产出性能指标良好的电池隔膜。原纤化的天丝纤维是碱锰电池隔膜生产的理想原料。

天丝纤维，碱锰电池隔膜，原纤化

天丝纤维是一种溶剂型纤维素纤维，具有棉的“舒适性”、涤纶的“强度”、毛织物的“豪华美感”和真丝的“独特触感”及“柔软垂坠”，无论在干态或湿态下，均极具韧性。与同样以纤维素为原料的粘胶纤维相比，天丝纤维又具有生产过程环保、无毒、无污染的优点。天丝纤维适用范围广，几乎涵盖纺织各个领域，采用针织或机织工艺已生产出棉、毛、丝、麻型等各类优质高档产品，但是天丝纤维由于成本原因在湿法非织造布上的应用相对较少。碱锰电池隔膜是一种湿法非织造布，粘胶纤维是其主要原料之一。粘胶纤维的生产工序较复杂，生产过程产生的废气、废水和固体废弃物如处理不当将会严重污染环境。由于“三废”的治理技术难度大，投资费用高，西方国家早已缩减了粘胶纤维的产量，国内粘胶纤维生产的发展也因“三废”处理问题而受到限制。随着国际环保呼声日趋高涨，环保型纤维原料开发与应用必然成为发展趋势。

天丝纤维取向性好，纤维中巨原纤的结晶化程度高，并更趋向沿纤维轴向排列。当受到外界因素如摩擦和振动等作用时，巨原纤很容易从纤维的表面分离出来，即原纤化［1］。通过对原纤化程度的控制，可生产不同结构的产品。天丝纤维还具有良好的吸水性和吸湿性，较高的湿模量赋予天丝纤维在小负荷和中等负荷作用下产生变形较小的特性，使产品具有较高的尺寸稳定性和抗皱性。天丝纤维的上述特性使其能替代粘胶纤维用于碱锰电池隔膜的生产。

电池隔膜在电池中处于电池正负极之间，其质量直接影响到电池的使用寿命﹑高温或低温下的使用性能和电池的贮存性能等［2-3］。碱锰电池隔膜主要应用于一次性碱锰电池中，碱锰电池的电解液一般为30%的氢氧化钾溶液，因此要求电池隔膜具有良好的隔离性能、离子渗透性、化学稳定性、尺寸稳定性、吸液性、保液性和吸液速度等，还应具有一定的机械强度和韧性［4-5］。

1 电池隔膜湿法抄造工艺

1.1 天丝纤维原纤化处理

天丝纤维用作电池隔膜原料时可进行打浆使其分丝帚化，即原纤化。天丝纤维的原纤化程度与加入量主要是对电池隔膜的紧度、孔径、孔隙率、吸碱率和吸碱速度等产生重要影响。

隔膜的孔径影响隔膜的隔离性能和离子通过性能。隔膜的孔径过大，电池容易发生短路;隔膜孔径太小则会影响电解液离子的通过速度，影响电池的放电性能［6］。天丝纤维原纤化程度高则孔隙率高，且小孔数量较多;反之，则孔隙率低且大孔数量较多。吸碱速度是电池隔膜吸收电解液速度快慢的性能指标，直接反映了隔膜中小孔含量的多少，因为碱液从下部向上部爬渗，主要靠毛细管力的作用。如果隔膜大孔含量高，毛细现象不明显，易造成隔膜中碱液分布不匀，从而导致隔膜的不均匀膨胀，往往会造成下部隔膜管内层起皱，且使隔膜吸碱时间延长，反之则有相反的结果［7］。吸碱率的大小体现了隔膜承载电解液的能力，较高的吸碱率能够在电池的正负极板之间引入足够的离子导电电解液［8］，保证电池的正常工作运转。对天丝纤维进行适当的原纤化处理有利于提高隔膜的孔隙率，减小孔径。

为了确定天丝纤维原纤化情况，在原纤化过程中取样，采用显微镜放大100倍进行观察。原纤化过程中纤维形态变化见图1。

由图1可见，天丝纤维在原纤化处理之前纤维表面光滑，呈圆柱状，用其生产电池隔膜会因纤维之间结合疏松，造成产品紧度小、孔径大、强度下降;纤维原纤化处理30 min时，纤维吸水润胀变粗，表面不再光滑，沿着纤维纵向出现了细小分支;随着原纤化处理时间的延长，纤维变得柔软、扭曲，表面出现越来越多的分丝，而且分丝变得又细又长，这些分丝有助于减小电池隔膜的孔径，在提高隔离性能的同时还能提高机械强度。

图1 天丝纤维原纤化前后纤维形态比较

1.2 纤维分散

采用浙江省普瑞科技有限公司专用的设备将丝光化木浆、耐碱性纤维和水溶性纤维分别分散后，按一定比例与原纤化的天丝纤维混合并进一步分散。因选用的纤维长度较长(一般为3～6 mm)，且耐碱性纤维对水的润湿性较差，容易发生纤维的絮聚，难以实现均匀分散，天丝纤维经原纤化后易与其他纤维缠绕在一起，所以需要加入一定的分散剂并连续搅拌来改善纤维的分散状况。目前常用的分散剂有聚氧化乙烯﹑羧甲基纤维素钠﹑聚丙烯酰胺等。分散过程容易在浆料中引入气泡，导致浆料的絮聚，需要时可加入适量的消泡剂。

1.3 成形技术

湿部成形状况直接影响隔膜的各项性能，尤其是碱锰电池实现无汞化后隔膜的成形匀度对隔膜性能的影响更为明显。无汞条件下氧化锌在隔膜内易产生针状结晶，导致电池发生内部短路，缩短电池的使用寿命。为了防止针状结晶的穿透，在不增加隔膜厚度的条件下必须提高隔膜成形匀度，减小其最大孔径。生产碱锰电池隔膜的耐碱性纤维长度较长，为了防止纤维在上网时产生絮聚，影响成形匀度，上浆浆料需要较高的稀释度(达到0.02% ～0.065%的低质量浓度)，以获得良好的分散和成形效果。生产碱锰电池隔膜时斜网成形器上网的浆料质量浓度选用0.02% ～0.08%较为适宜。

1.4 干燥技术

碱锰电池隔膜干燥的关键是控制干燥温度﹑水分和压榨压力，确保水溶性纤维发挥良好的黏结作用，提高隔膜的抗张强度。如果干燥温度低于水溶性纤维水溶温度，则起不到黏结作用，只有在稍高于水溶温度下烘干，才能体现黏结效果;但是干燥温度过高，不但隔膜容易黏结毛毯，还会降低隔膜强度。因此，干燥温度控制在高于水溶温度10～15℃时效果较好。为了发挥水溶性纤维的黏结效果，不但要有合适的温度，还必须要有足够的水分，一般干燥时隔膜含水量在50% ～60%为宜，因为水分过多，不利于生产的顺利进行，水分过少水溶性纤维黏结作用不明显。此外，压榨压力越大，水溶性纤维与主体纤维接触越紧密，黏结效果就越好;但压力太大，致使隔膜紧度太高也会影响隔膜的其他性能。

2 电池隔膜性能检测结果

2.1 电池隔膜质量

隔膜的物理指标按照国家标准测试方法进行检测;最大孔径采用气泡试验法，按SJ/T10171.10隔膜最大孔直径测定。测试结果见表1和表2。

表1 隔膜的技术指标与质量检测结果

表2 隔膜孔径测定结果

从表1和表2的测试结果可以看出，以天丝纤维为原料的电池隔膜的各项质量检测结果均略优于粘胶纤维生产的电池隔膜。吸碱速度与吸碱率高，说明用原纤化的天丝纤维生产的电池隔膜孔隙率高，且小孔数量较多。隔膜纵横向伸缩率低说明纤维耐碱性能好，纤维之间的缠绕交织状态良好。采用原纤化的天丝纤维代替粘胶纤维，隔膜的孔径有所降低，隔膜的致密性有所提高，这对降低无汞碱锰电池自放电有一定的作用［9］。

2.2 隔膜对电池电性能的影响

天丝纤维隔膜采用与粘胶纤维隔膜同样的无汞碱锰电池配方和组装工艺装配5号电池，进行初放电性能及贮存性能对比试验。放电试验采用DMP-1型电池恒功率放电分析仪，按GB/T 7117—1998的规定进行。具体测试方法为:检测9只电池，采用 3.9 Ω 放电，每天放电 1 h，终止电压为0.8 V。贮存性能按国外的常规方法，采用在60℃的温度下连续老化一个月后测定。初始放电性能及贮存后的放电性能以平均放电时间表示，测定结果见表3。

表3 电池性能检测结果

从表3可以看出，采用原纤化天丝纤维生产的隔膜组装的电池老化后的放电时间比采用粘胶纤维生产的隔膜组装的电池有一定的提高，说明选用原纤化天丝纤维提高了电池隔膜的使用性能，天丝纤维可以替代粘胶纤维用于碱锰电池隔膜的生产。

3 结论

天丝纤维可通过打浆设备处理，达到较好的原纤化程度，采用原纤化的天丝纤维生产的碱锰电池隔膜各项性能指标略优于粘胶纤维生产的隔膜，并能改善电池性能，因此原纤化的天丝纤维是碱锰电池隔膜的理想原料。目前天丝纤维的价格较粘胶纤维高，随着天丝纤维生产技术的提高，生产成本的降低，在湿法制备碱锰电池隔膜工艺中天丝纤维将是粘胶纤维良好的替代品。

［1］许英健，王景翰.新一代纤维——天丝及其分析［J］.中国纤检，2006(4):43-44.

［2］日本高度纸工业株式会社.无汞碱锰电池用隔膜［J］.电池工业，2001，8(6):147-149.

［3］SHIGEMATSU，TOSHIHIRO.Non-woven fabric for separator of alkali cell and method for production thereof:JP，03/06376［P］.2003-5-22.

［4］冉景慧，王习文.湿法非织造布制备碱锰电池隔膜的研究［J］.天津造纸，2008(2):42-45.

［5］TANAKA，MASANAO.Alkaline battery separator and process for producing the same:US，515540［P］.2000-2-29.

［6］KUBO，YOSHIYO.Separator paper for alkaline battery and the alkaline battery:US，20060014080［J］.2005-6-16.

［7］王力臻，谷书华.碱锰电池隔膜的吸液性能［J］.电池，2002，32(1):22-23.

［8］于天，梁云.两种纤维素纤维的原纤化及抄造特性［J］.纸和造纸，2008，27(4):21-24.

［9］李荣年，王虹.细旦维纶在电池隔膜中的应用［J］.产品用纺织品，2006，24(11):32-34.

Study on application of Tencel fiber in alkali-manganese battery separator

Lu Yanhua，Wang Hong，Yu Tiaojuan and Tang Renwang
(Zhejiang Prime Technical Co.，Ltd.)

The characteriatic of Tencel fiber and its application in manufacturing alkali-mangnese battery separator were introduced.Tencel fiber could be fibrillated properly by beat process and could be mixed with mercerizing wood pulp and alkali resistance fiber and water soluble fiber to wet form alkali-mangnese battery separator.Test result demonstrated that addition of Tencel fiber could manufacture battery separator with good performance index.The fibrillated Tencel fiber is a ideal material on manufacturing alkali-mangnese battery separator.

Tencel fiber，alkali-mangnese battery sepeator，fibrillating

TS102.511;TS176.5

B

1004－7093(2010)09－0014－03

2010－08－11

陆燕华，女，1976年生，工程师。主要从事特种功能纸和非织造布的研究开发。