等离子体辐射对聚烯烃电池隔膜纸性能的影响

第34卷第3期化工新型材料Vol 34 No. 32006年3月NEW CHEMICAL MATERIALS61等离子体辐射对聚烯烃电池隔膜纸性能的影响陈均志任便利刘军海(陕西科技大学轻化工助剂省重点实验室,威阳712081)摘要采用等离子体对聚烯烃合成纤维纸改性后,进行丙烯酸接枝,使之适用于电池隔膜。重点讨论了等离子体放电功率对聚烯烃纸吸碱率、吸碱高度、抗张强度、丙烯酸的接枝率等因素的影响。并通过接触角测定、多媒体显微镜、红外对接枝样品的表面进行了分析。关键词聚烯烃纸,电池隔膜,等离子体,改性dudy on modification of polyolefine paper used as battery separaterChen junzhi Ren Bianli Liu junhaiShaanxi University of Science and Technology, Xianyang 712081)Abstract The paper described modification of Polyolefine paper with acrylic acid induced by plasma. GraftedPolyolefine paper can be used as battery separator. It was found that the grafting yield, tensile strength, absorbance alkaline ratio, absorbance alkaline height were influced by plasma power. The AAc-grafted polyolefine paper was characKey words polyolefine paper, battery separator, plasma, modification随着微电子技术的迅速发展,极大地促进了移镍、氢-镍电池隔膜材料基本上依赖进口。动通讯和计算机行业更新换代步伐的加快。电器元聚烯烃纤维的分子结构中没有亲水性基团,且件被要求体积更小功能更齐全,待机时间更长。为结晶度很高,纤维截面呈圆形,具有强烈的憎水性,此,蓄电元件中的电池就成为其中要求改进的重要其隔膜成型多采用热轧或纺粘等无纺布生产工艺元件之一。而电池隔膜被喻为电池的“第三极本文通过PP(聚丙烯纤维)与ES(聚乙烯/聚丙烯)是镉镍、氢镍电池的重要组成部分之一,起着隔离双组分纤维复配,采用可以控制匀度、定量、适合于阴阳极不使电池发生短路,吸收电解液,让导电离子业生产的湿法造纸工艺抄造出合成纤维纸,再采能够顺利通过,以及让气体透过隔膜等作用。其质用等离子体设备通过氩气对纸样进行处理,然后进量的好坏直接影响到电池的充放电性能、高低温性行丙烯酸接枝极大的提高了纸的亲水性能,使之适能荷电的贮存及使用寿命等等24,因此要求电池于用作电池隔膜。隔膜材料必须具有优良的耐酸碱性和低电阻性。通常电池隔膜多选择合成纤维如:聚酰胺纤维、聚乙醇1改性机理纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维等,其中聚等离子体是一种具有足够带电数量且有相等正烯烃纤维以其良好的耐磨性、弹性,优异的耐酸碱、负电荷数的气体,当气体电离产生的带电粒子密度耐氧化性、耐高温性及重量轻为首选材料。但聚烯达到一定数值时,物质的状态会发生变化而产生等烃纤维的亲水性极差,必须对其进行改性处理,才可离中国煤化工基本原子和分子、满足电池隔膜的要求。美国、日本已成功将其用于激手机等电池而国内在此方面尚处于研究阶段,镉-整体1CNMHG是一种导电气体,在,m周即付在着电性差异,因而作者简介:陈均志(1948—),男教授,现担任陕西科技大学化学与化工学院书记。主要从事轻化工材料、助剂的开发和研究发表论文55篇。62·化工新型材料第34卷在整个体系中存在电场及带电粒子间的相互作用Gp、W分别为绝对抗张强度(N/m)定量(g/m2)当存在外界激励时,等离子体内的带电粒子得以不3.5接触角的测定断加速,在提升其自身能量的同时,通过相互间的碰采用静态法测定聚烯烃纸表面的接触角撞,将能量转化或转移。当这些能量或高能态粒子3.6多媒体显微镜的测试作用到作为基质的纤维材料上时,会产生加热、刻将聚烯烃纸试片置于投影仪下,对其放大400蚀、自由基反应等复杂的物理化学反应把PP的烃倍观察纸的表面。基转变成羰基羧基、羟基等极性基团,然后与丙3.7红外光谱测定烯酸接枝,结果使得纤维表面的无定型区增加,比表把聚烯烃纤维纸剪成粉末,与溴化钾压片,用面积变大,亲水性大幅度提高6PE783红外分光光度计对样品进行检测2材料与方法结果与讨论2.1原料及仪器氩气是非反应性气体,该气体原子不直接进入PP纤维,聚乙烯/聚丙烯(ES)纤维;丙烯酸化到高聚物材料表面的大分子链中,但由于这些非反学纯;等离子体发生器功率发射源:SY型300W射应性气体等离子体中高能粒子轰击材料表面的能量频功率源,中科院微电子中心;抗张强度测定仪;接传递,使材料表面活化而产生大量自由基。放电功触角测定仪JC200多媒体显微镜;PE783红外分率对聚烯烃纸纤维表面的活化有很大的作用,因此光光度计。本文控制氩气的压强40Pa,处理时间3min,丙烯酸2.2实验方法溶液浓度20%,温度60℃,接枝反应时间为1h,改变2.2.1制样等离子体放电功率,讨论以下性能对纸张的影响。将PP纤维和ES纤维按一定的配比疏解分散41放电功率对聚烯烃纸接枝率和抗张指数的影响后采用造纸法抄造出紧度为0.250g/cm3的纸。图1为等离子体放电功率对聚烯烃纸接枝率和2.2.2等离子体处理抗张指数的影响。将聚烯烃纸置于等离子体发生器中,开启真空抽气阀,待达到一定的真空度后,通入工作气体,将系列1116255系列2真空度调到所需的工作气压40Pa,打开射频电源,处理一定时间,关闭电源,取出样品。2.2.3丙烯酸接枝把处理后的纸样放入温度为60℃,浓度为20%等离子体放电功率W的丙烯酸水溶液中反应1h,取出纸样,清水洗去残余的丙烯酸,再用沸水煮3h,最后在60℃的烘箱中图1等离子体放电功率对聚烯烃烘干备用。纸接枝率和抗张指数的影响3测试方法由图可看出,2条曲线都有一最大值,即为处理3.1接枝率此紧度聚烯烃纸的最佳功率为20~35W。从对接枝用称重方法测量。率和抗张指数的影响可以分析出:等离子体与聚烯接枝率G(%)=(M-M)/M烃纸表面的作用为基团的活化、交联、表面刻蚀及相M6,M6分别为接枝前后的质量(g)互竞争。在较低的功率下,等离子体中带电粒子的3.2性能测试自身能量较小,活化作用大于交联刻蚀作用。在其吸碱率、吸碱高度按日本电池隔膜标准测试与丙烯酸接枝时,接枝率较高。接枝上去的丙烯酸3.4抗张指数检测的中国煤化工生氢键,纸的抗张强在摆锤式纸张抗张力试验机上进行样品的抗张度CNMHG本放电功率的增大,带力试验。电粒于能量增大,父联剡作用占据了主导,导致活抗张指数(N·m/g)X=Gp/W性基团数量下降,结果造成接枝率先升后下降的变化第3期陈均志等:等离子体辐射对聚烯烃电池隔膜纸性能的影响趋势。交联刻蚀使纸纤维表面结晶区减小而无定型区增加,故纸的抗张强度稍有降低。总的来说,等离子体放电功率对聚烯烃纸的抗张强度影响不是很大4.2放电功率对吸碱率和吸碱高度的影响图2为放电功率对聚烯烃纸吸碱率和吸碱高度的影响。聚烯烃纸的吸碱能力对其作为电池隔膜至关重要,一般吸碱率和吸碱高度在某种程度上能反映电池隔膜的吸碱能力,对于电池隔膜而言,吸碱高度越大,电解液中的离子越容易通过,并且使阴极和图3未处理的聚烯烃纸的表面阳极的化学物质反应越充分,电池容量越大430◆系列1上系列2等离子体放电功率W图2等离子体放电功率对聚烯烃纸吸碱高度和吸碱率的影响图4等离子体处理后聚烯烃纸的表面同时吸碱高度也是吸碱速率的一个反映,而吸碱速率是亲水性能好坏的另一个重要指标7。由烯烃纸的接触角也有一最小值,即最大亲水性能。图可看出,聚烯烃纸的吸碱率和吸碱高度都随放电故用氩等离子体对合成纤维纸进行改性后进行接功率的增大是先升后降。这可能是因为随着放电功枝,可极大提高纸的亲水性能率的增大,纸表面被活化的自由基越来越多,在一定表1等离子体放射功率对聚烯烃纸接触角的影响的反应温度下,它引发丙烯酸对聚烯烃纸的接枝率放射功率/W0203045增加,使纸表面产生了一些含氧基团;这些基团与水接触角/136208155052分子之间能形成氢键,使纸对水的接触角变小,因此,吸碱率和吸碱高度逐渐升高。但随着放电功率5.3接枝物的红外表征的进一步增大,吸碱率和吸碱高度反而减小,这可能纯聚烯烃纤维接枝后,由聚烯烃纤维的红外谱是由于等离子体对纸表面的交联刻蚀能力大于活性图(图5)可发现,接枝物的谱线上有明显的基的引入,而使接枝率下降所致。1720cm1羰基特征吸收峰,表明丙烯酸单体已接枝到了聚烯烃纤维上。5等离子体引发接枝丙烯酸的聚烯烃纸的表征6结论5.1电子显微镜观察纸表面图3和图4为丙烯酸接枝前后聚烯烃纸的电子(1)氩等离子体处理接枝丙烯酸对聚烯烃纸的显微镜观察图,由图可看出,未处理的聚烯烃纸表面吸水性有很大的改善。的纤维光滑;经氩等离子处理接枝后,样品的表面粗2)改变等离子的放电功率对丙烯酸接枝到聚糙有不同颗粒大小突起物出现,说明纤维表面已被烯烃纸上有很大的影响。得出等离子体处理聚烯烃纸气TV凵中国煤化工电时间3mn、控制氩刻蚀并接枝上丙烯酸亲水基团。5.2接触角及亲水性的测定CNMHG,丙烯酸水溶液的浓表1是改变等离子体放电功率对纸的接触角的度为20%反应温度60℃,反应时间为h影响。由表可看出,随等离子体放电功率的增大,聚(下转第75页)第3期赖高惠编译:军用纳米技术75·率超过20%明显优于现有电池。”米微粒纳米技术提供了许多输送电力到战场上的其它课题3为:“开发高效太阳电池用的基于聚合物方式。研究人员正在利用纳米材料改善电力变压基体中有序黄铜矿量子点阵的新光电材料的合成方器、燃料电池和太阳电池。2004年7月,电学创新法。”这种电池的太阳能转换效率为现有商业技术的协会和电力研究院对这3项课题颁发了纳米技术研3倍。究津贴奖,每项奖金额为100000美元摘自:《 Military8. A Aerospace Electronics》课题1为:“原地监测电力变压器中溶解气体用May,2005纳米管/纳米多孔金属氧化物电子鼻传感器的开发课题2为:“燃料电池用碳纳米管支持的催化纳收稿日期:2005-11-07(上接第63页)[2]吴秀君,许海育改善丙纶亲水性的研究[门印染,200026(11):51-53.[3]文国光主编化学电源工艺学[M].北京:电子工业出版社[4]李国欣,主编新型化学电源导论[M上海:复旦大学出版社[5]朱松然主编.蓄电池手册(第一版)[M]天津:天津大学出版社,1998,74000350030002500200015001000[6]赵化侨等离子体化学与工艺[M,合肥:中国科技大学出版波数/cm社.1999,8.[7]姚占海聚丙烯纤维与丙烯酸辐射接枝共聚反应的研究门高图5纯聚烯烃纤维(a)、接枝后聚烯烃纤维(b)的红外谱图分子材料科学程,1997,(3):16-19[8]柯勤飞.聚丙烯熔喷非织造布的接枝改性工艺及性能研究[J参考文献中国纺织大学学报,1998,(1):9-11.收稿日期:2005-10281]唐健刘杰安峰.新型非织造材料在电池隔膜中的应用[]产修稿日期:2005-11-11业用纺织品,2002,(8):32-35.来稿须知1、本刊要求来稿附有200字左右的中文摘要及相应的英文摘要并附3~8个中、英文关键词(包括作者所在单位的英文名称)。编写摘要应排除已成为常识的内容及背景信息;应着重总结研究的主要发现,反映论文中的新内容和需要强调的观点。摘要应使用第三人称,不使用“本文”、“本研究”等作为摘要的主语,也不应简单重复题名中已有的信息2第一作者简介包括姓别出生年、职务、职称、主要研究方向(获奖情况)。如来稿系获得基金资助产生,请按国家规定的正式名称填写基金项目名称及项目编号3、文后参考文献编排格式(1)期刊:序号]作者题名[J.刊名(可缩写,不用缩写点),年,卷(期):起始页-终止页(2)专著[序号]作者.书名[M].出版地:出版者出版年,起始页终止页(3)会议文献:[序号]编者.会议文集名称[C].会议地点,年份.出版年,起始页终止页(4)专利:[序号专利申请或所有者.专利题名[P]专利号中国煤化工(5)论文集:序号]论文集责任者论文集名称C]出版地CNMHG4、文章限制在3500字左右。《化工新型材料》编辑部