添加聚乙烯醇水溶性纤维对锌银电池用辅助隔膜性能的影响

2021-06-01胡晓东李红祝刘江涛李荣年何世勇

高科技纤维与应用 2021年2期

胡晓东，李红祝，刘江涛，李荣年，何世勇

[1.浙江鹏辰造纸研究所有限公司(浙江省造纸研究所)，杭州 311215；2.特种化学电源国家重点实验室，贵州梅岭电源有限公司，贵州遵义 563003]

聚乙烯醇水溶性纤维(以下简称PVAF)是一种用聚乙烯醇为原料纺制的，根据要求可调节在0～100 ℃水以充分溶解的纤维。其有多种方法制取，湿法纺丝方法只能制得水溶温度高于80 ℃的水溶性纤维，主要用于一次性医疗卫生用非织造布或花边等。特殊用途的低温水溶性纤维，一般采用干法纺丝[1]。PVAF具有理想的水溶性和强度，具有良好的耐碱性、亲水性。PVAF在湿纸页干燥时能溶解成半溶体，在纤维之间形成有效的粘接[2]，是纤维质碱性电池隔膜材料较理想的纤维状粘接剂[3]。

电池隔膜是电池的重要组成部分之一。它位于电池正负极之间，主要作用是隔离电池正负极活性物质，防止因两极活性物质直接接触而产生电池内部的短路，从而影响电池的使用寿命。电池隔膜质量的好坏直接影响电池的放电性能、储存性能和力学性能等[3]。

锌银电池是战略战术导弹、水中兵器等武器系统重要的单机设备，通常为控制、舵机、遥测、安全等系统供电[4]。由于锌银电池的特殊性，锌银电池中的隔膜由主隔膜和辅助隔膜构成。锌银电池用辅助隔膜是制作锌负极板的关键材料之一，要求具有定量低、厚度薄、强度高、吸碱速度快、耐碱性好等特性。随着锌银电池的发展，对辅助隔膜的强度性能提出了更高的要求，用户希望在其他性能基本不变的情况下，能进一步提高辅助隔膜的强度性能。PVAF具有良好的亲水性、耐碱性和粘接性能，且它是一种纤维状粘接剂，在增加隔膜强度的同时，对隔膜的微孔结构影响较小。因此，我们选择PVAF作为增强剂，开展了添加PVAF对锌银电池用辅助隔膜性能影响的试验研究。

1 实验部分

1.1 原材料

麻浆(市售)，PVAF(2.0 dtex×4 mm，70 ℃，四川维尼纶厂)，分散剂(市售)。

1.2 试验仪器及设备

高速组织捣碎机，上海标本模型厂；纸样抄取器，陕西科技大学机械厂；纸张干燥设备(自制)；电脑测控抗张试验机，四川长江造纸仪器有限责任公司；撕裂度测定仪，杭州轻通博科自动化技术有限公司；隔膜面电阻仪，天津市蓝佳电子仪器厂。

1.3 隔膜样品制备

按定量18 g/m2进行抄片，PVAF的添加量分别为0、3%、5%、7%、10%(质量分数，对绝干浆)，称取一定量的麻浆和PVAF，将两种纤维混合在一起，加入一定量的水，用高速组织捣碎机分散，将分散好的浆料倒入烧杯中，加入一定量的分散剂，搅拌使纤维分散均匀后，将浆料倒入纸样抄取器内，滤水后形成湿纸页，抄取湿纸页后在干燥设备上烘干。

1.4 性能测试

(1)抗张强度按GB/T 12914—2018 纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法(20 mm/min)进行测试。

(2)湿抗张强度按GB/T 465.2—2008 纸和纸板浸水后抗张强度的测定进行测试。

(3)撕裂度按GB/T 455—2002 纸和纸板撕裂度的测定(爱利门道夫法)进行测试。

(4)吸碱速度按GB/T461.1—2002 纸和纸板毛细吸液高度的测定(克列姆法)进行测试，溶液为30%的KOH。

(5)浸碱收缩率按GB/T 459—2002 纸和纸板伸缩性的测定进行测试。溶液为30%的KOH，浸渍时间为24 h。

(6)面电阻按SJ/T 10171.5—1991 隔膜面电阻的测定进行测试。

2 结果与讨论

2.1 添加PVAF对锌银电池用辅助隔膜抗张强度的影响

在锌银电池负极板的制作过程中，辅助隔膜的干强度要满足负极板制作过程中的工艺要求；在极板的化成过程中，由于辅助隔膜是与负极活性物质一起作为一个整体的极板浸渍在30%的KOH水溶液中，因此还要求辅助隔膜应具有一定的湿态强度。辅助隔膜干、湿强度随PVAF添加量的变化情况如图1、图2所示。

图1 添加PVAF对辅助隔膜干强度的影响

图2 添加PVAF对辅助隔膜湿强度的影响

由图1、图2可以看出，辅助隔膜的干、湿强度随着PVAF添加量的增加而提高。这是由于麻浆的纤维较长，纤维之间的交织接触点较多，而PVAF在湿态隔膜加热加压条件下能形成半溶状粘接纤维，使麻浆纤维之间形成有效的粘接，且这种粘接作用随着PVAF添加量的增加而增强。

2.2 添加PVAF对锌银电池用辅助隔膜撕裂度的影响

辅助隔膜在锌银电池中起到包封负极活性物质的作用。在制作负极板时，隔膜放入制作模具时需要张紧，这既对隔膜的抗张强度有一定的要求，也对隔膜的耐撕裂性能有较高的要求。撕裂度是衡量纤维质隔膜耐撕裂性能的一个指标，撕裂度越高，表明隔膜的耐撕裂性能越好。添加PVAF对辅助隔膜撕裂度的影响如图3所示。

图3 添加PVAF对辅助隔膜撕裂度的影响

由图3可见，随着PVAF添加量的增加，辅助隔膜的撕裂度不断提升；当添加量超过7%时，撕裂度上升趋势变缓。这是由于PVAF添加量大于7%以后，隔膜中PVAF已形成了分布密度较高的网络，再增加其添加量，PVAF的网络密度已逐渐趋向饱和，因此隔膜撕裂度的提高逐渐变缓。

2.3 添加PVAF对锌银电池用辅助隔膜吸碱速度的影响

锌银电池对辅助隔膜的吸碱速度有较高的要求，它在一定程度上影响一次锌银储备电池的激活时间。添加PVAF对辅助隔膜吸碱速度的影响如图4所示。

图4 添加PVAF对辅助隔膜吸液速度的影响

由图4可以看出，随着PVAF添加量的增加，辅助隔膜的吸碱速度有所下降，但下降幅度较小。这主要是由于添加PVAF后，隔膜中纤维之间的结合强度增加，隔膜的致密程度有所提高。而PVAF本身由于含有亲水基团(—OH)，对隔膜的亲水性影响较小。因此，添加PVAF对辅助隔膜的吸液速度有一定的影响，但影响程度较小。

2.4 添加PVAF对锌银电池用辅助隔膜浸碱收缩率的影响

锌银电池所用的电解液一般为30%的KOH溶液，在极板化成时，辅助隔膜与负极活性物质作为一个整体被浸渍在电解液中，这就要求辅助隔膜具有较低的浸碱收缩率。若浸碱收缩度过大，容易造成辅助隔膜的破裂，影响极板的电性能。图5为不同的PVAF添加量对辅助隔膜收缩率影响的试验结果。

图5 添加PVAF对辅助隔膜浸碱收缩率的影响

由图5可以看出，当PVAF的添加量在0～5%时，辅助隔膜的收缩率没有变化，当PVAF的添加量超过5%以后，辅助隔膜的收缩率有较明显的降低。这是由于PVAF是一种高分子合成纤维，其本身具有较好的耐碱性能。当添加量小于5%时，PVAF在隔膜中尚未形成有效的网络，因此隔膜的浸碱收缩率没有变化；当PVAF添加量大于5%以后，隔膜中的PVAF逐渐形成了网络，且这种网络密度随PVAF添加量的增加而逐渐提高，从而使隔膜的收缩率逐渐降低。