硼酸丙三醇聚酯在铝电解电容器工作电解液中的应用研究*

2013-08-09周攀登刘仁其龙立平

化学工程师 2013年1期

周攀登，刘仁其，龙立平

（湖南城市学院化学与环境工程学院，湖南益阳 413000）

有机硼高分子化合物具有独特的理化性能，如阻燃性、耐高温高压性能非常好，因此，其在高压（>350）、超高压（>450）铝电解电容器[1]中具有极高的应用潜质。高压超高压铝电解电容器在环保汽车、环保电力、环保空调、变频器、UPS电源、高档音响等有着广泛应用。铝电解电容器主要由电容芯子和工作电解液构成。工作电解液的重要作用是随时修补阳极氧化膜上出现的缺陷，维护电容器的性能。除制造工艺水平、阳极铝箔质量等原因外，工作电解液性能是影响电容器产品质量的一个重要影响因素。工作电解液的性质决定了电解电容器工作温度特性、耐压范围和耐纹波电流大小以及电容器寿命，成为高性能高压、超高压铝电解电容器研制的关键技术之一。开发研制具有特定结构和组成的新型耐高压、超高压的添加剂[2]，是明显提高此类铝电解电容器电性能的有效方法和发展趋势[3]。

目前，在国外John Tony Kinard[4]等人研制了一种2-甲基-1，3-丙二醇与硼酸的酯化产物，用于铝电解电容器的工作电解液，通过加入不同的添加剂使电解液的闪火电压可以在300～800V之间选择。这种电解液的应用，使得纯度为98%的铝箔可以替代99.99%的铝箔应用到高压电容其中，并得到了较好的结果。而我国的高端铝电解电容器技术与国外还有很大差距，国内大多数节能灯企业的专用中高压铝电解电容器的工作电解液仍为第二代，部分仅在此基础上稍加改进，因此，必须重视其技术的升级，加大研发力度。

1 实验部分

1.1 实验原料与仪器

乙二醇，硼酸，PVA，癸二酸铵，甘露醇，壬二酸氢铵，十二双酸铵，五硼酸铵，烷基癸二酸铵，对硝基苯甲酸，次亚磷酸铵等均为国产分析纯或电容纯，硼酸丙三醇聚酯为自制。

集热式恒温加热磁力搅拌器，闪火电压测试仪，电导率测试仪均为国产仪器。

1.2 工作电解液的配制

本研究采用乙二醇作主溶剂，添加适当的PVA作为粘度剂，辅以次亚磷酸铵为抗水合剂，以对硝基苯甲酸来提高电解液的形成能力。通过正交试验[6]来选取最佳的电解液配方，在进行正交试验之前，对溶剂体系极其配制步骤进行了理论分析，确定了影响因素及其大概范围。得出影响溶剂体系性能优劣的主要因素为反应温度、PVA用量及硼酸用量。

因此，在进行正交试验时，通过改变PVA用量（A，g）、反应温度（B，℃）、硼酸用量（C，g），对每个因素选择三个水平，不考虑因素之间的交互作用，选用L9（34）正交表进行优选实验，因素水平见表1所示。

表1 正交因素水平表Tab.1 Orthogonal table

具体制备流程如下：

乙二醇40g，加热温度（B/℃）硼酸质量（C/g）PVA（A/g）反应2h→加热到60℃，加癸二酸铵2.5，保温0.5h→升温到80℃加甘露醇1.0g，壬二酸氢铵0.2g，十二双酸铵0.2→升温到130℃保温半小时后加0.1g PVA，0.25g壬二酸氢铵，1.5g五硼酸铵，保温2h→加入烷基癸二酸铵1.5g→冷却至100℃，加入对硝基苯甲酸0.2g，次亚磷酸铵0.2g。

然后冷至室温再测各参数，确定制备工作电解液的最优配方[7]。考虑到第四步原料不同的加入时间，进行了两组正交试验，通过对各参数的测定来确定最优的工作电解液配方。

1.3 正交试验方案

正交试验一数据如表2所示。

表2 正交试验一数据Tab.2 Data of orthogonal test 1

正交试验二数据如表3所示。

表3 正交试验二数据Tab 3 Data of orthogonal test 2

1.4 工作电解液性能的测定

采用闪火电压测试仪分别测定各组电解液的闪火电压[8]，采用电导率测试仪测定各组工作电解液的导电率。

2 结果与讨论

2.1 闪火电压

表4 试验一闪火电压测定结果Tab.4 Data of spark voltage test 1

表5 试验二闪火电压测定结果Tab.5 Data of spark voltage test 2

从两组实验的数据可以看出，试验二中各组所用测试时间均较长，故试验一较试验二好。

2.2 导电率

采用电导率测试仪测定各组工作电解液的导电率，其测定结果见表8。

表6 导电率测定结果Tab.6 Data of Conductivity

2.3 正交实验结果分析

确定实验因素的优水平和最优水平组合：

分析A因素各水平对实验指标的影响。由表2可以看出，A1的影响反映在第1、2、3号试验中，A2的影响反映在第4、5、6号试验中，A3的影响反映在第7、8、9号试验中。

A因素的1水平所对应的试验指标之和为：KA1=3530+2700+3450=9680，kA1=KA1/3=3227；A因素的 2 水平所对应的试验指标之和为：KA2=3262+3120+3260=9642，kA2=KA2/3=3214；A因素的 3 水平所对应的试验指标之和为：KA3=3330+3430+3370=10130，kA3=KA3/3=3377。

根据正交设计的特性，对A1、A2、A3来说，三组试验的试验条件是完全一样的（综合可比性），可进行直接比较。如果因素A对试验指标无影响时，那么kA1、kA2、kA3应该相等，但由上面的计算可见，kA1、kA2、kA3实际上不相等。说明，A因素的水平变动对试验结果有影响。因此，根据kA1、kA2、kA3的大小可以判断A1、A2、A3对试验指标的影响大小。由于试验指标为导电率，而kA3>kA1>kA2，所以可断定A3为A因素的优水平。

同理，可以计算并确定B1、C3分别为B、C因素的优水平。三个因素的优水平组合A3B1C3为本试验的最优水平组合，即工作电解液的最优配方为：PVA量0.450g，反应温度120℃，硼酸量0.400g。