維護(hù)性大功率鉛酸蓄電池改性瀝青封口劑的研制

李暉，吳林君，郭麗，岳四安

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

0 引言

傳統(tǒng)瀝青封口劑主要應(yīng)用于干電池和維護(hù)性鉛酸蓄電池的密封，隨著各種新型電池的出現(xiàn)，符合SH 0421-2005性能標(biāo)準(zhǔn)的瀝青封口劑已不能滿足一些新型電池密封的技術(shù)要求。例如，目前電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，瀝青封口劑沒有延度的要求，導(dǎo)致瀝青的粘韌性差，在傾斜搖擺時，電池槽蓋如果有相對運動，瀝青就會有裂縫，導(dǎo)致電池漏液，不僅損害了電池的性能而且它的酸液會污染周圍的環(huán)境甚至危害他人；此外，需要提高封口劑的粘韌性以及耐候性，其相應(yīng)的指標(biāo)是延度和老化后延度。在SH 0421-2005標(biāo)準(zhǔn)中，針入度是隨耐寒溫度的降低而逐步增大，當(dāng)瀝青封口劑的使用溫度范圍變大，最低溫度如果到達(dá)-30℃時，在常溫下這種封口劑就太軟，所以需要研制一種耐低溫-30℃，但針入度（25℃）不能大于55 1/10mm，而不是標(biāo)準(zhǔn)所要求的僅僅只要大于50 1/10mm的瀝青封口劑。針對上述問題，參照道路瀝青行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了維護(hù)性大功率鉛酸蓄電池的瀝青封口劑產(chǎn)品的研制技術(shù)指標(biāo)，如表1所示，并運用正交試驗方法進(jìn)行研制。

表1 蓄電池瀝青封口劑產(chǎn)品的研制技術(shù)指標(biāo)

1 研制方案與原材料的選型

改性瀝青是摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、天然瀝青、磨細(xì)的橡膠粉或者其他材料等外摻劑（改性劑），使瀝青或瀝青混合料的性能得以改善而制成的瀝青復(fù)合體系。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）接枝嵌斷共聚物加入瀝青中，既能改善加工性又能顯著改善瀝青的抗高、低溫性能和回彈性能，成為聚合物改性瀝青最佳的改性劑[1～3]。因此，我們采用SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）接枝嵌斷共聚物做為主要改性劑，參照SBS橡膠瀝青防水涂料的生產(chǎn)工藝[4]，在基質(zhì)瀝青中加入與電池殼材料類似的SBS彈性體樹脂，其具體流程圖見圖1，其中基質(zhì)瀝青、SBS和其它輔助改性劑的選型說明如下：

圖1 研制方案流程圖

1.1 基質(zhì)瀝青的選型。我國蓄電池行業(yè)廣泛使用的封口劑都采用瀝青加礦油、橡膠、煤粉、松香等自行配制，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由于原材料石油瀝青供貨不穩(wěn)定，存在質(zhì)量差、成本高、污染環(huán)境，封口劑質(zhì)量差異大。本文探討改用牌號為70#的道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，確保主要原材料的性能穩(wěn)定性[5]。

1.2 主要改性劑SBS的選型。SBS是改性添加劑中的重要組成部分，它是用陰離子聚合法制得的苯乙烯和丁二烯的三嵌段共聚物。其分子鏈的中段是聚丁二烯，兩端是聚苯乙烯，SBS具有兩相結(jié)構(gòu)，橡膠相PB連續(xù)相，PS形成微區(qū)分散在橡膠相中，起物理交聯(lián)作用[6]。根據(jù)SBS中S與B的比例不同和分子結(jié)構(gòu)的差異，SBS分為線型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)兩種。星型結(jié)構(gòu)的SBS有較高的抗流淌溫度，線型結(jié)構(gòu)有較好的低溫柔性，它們都與瀝青有良好的互溶性[6]。由于我們的封口劑對低溫性能要求高，故選擇線型結(jié)構(gòu)。為了混合均勻，我們又選用了最新產(chǎn)品“接枝SBS”[7]。

1.3 其它輔助改性劑的選型。①溶劑：用于改性瀝青的溶劑一般為汽油、機(jī)油，作用為適當(dāng)溶解瀝青，有助于瀝青混合均勻[4]。我們選用油份含量高，雜質(zhì)少的X型機(jī)油。②填充劑：由于瀝青加入SBS橡膠后會變軟，太軟容易變形，需要加入填充劑定型。這種填充劑應(yīng)耐酸，顆粒越小越好[4]。③穩(wěn)定劑：穩(wěn)定劑可以改變改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，改性劑粒子由互不相連的球形分布或“互穿網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)變?yōu)榉稚ⅰ⒕鶆蚍植忌踔脸蔀楹蜑r青之間沒有明顯相界面的均相結(jié)構(gòu)，改善改性劑和瀝青之間的相容性，提高了SBS改性瀝青的軟化點，提高了SBS改性瀝青的熱儲存性能[8]，還可以使?jié)沧⒊鰜淼臑r青質(zhì)地均勻、光滑。④防老劑：SBS分子鏈中存在著不飽合的C=C雙鍵，在加工過程中及應(yīng)用中易因光、熱、氧等因素發(fā)生老化，影響其使用性能。采用受阻酚和亞磷酸酯的配合使用是抗氧化劑配合使用效應(yīng)最成功的例子[9～13]，故我們選用了該種防老劑。

2 配方及主要工藝參數(shù)的確定

雖然瀝青的組分很復(fù)雜，但是瀝青封口劑封合后要達(dá)到電池不漏液，即在于它粘韌性強(qiáng)、耐老化，其關(guān)鍵指標(biāo)在于瀝青的軟化點和針入度。此類問題可以采用正交試驗設(shè)計法確定配方及主要參數(shù)。根據(jù)新型封口劑的性能要求，主要考察軟化點和針入度。根據(jù)其工藝流程，確定本試驗需考察SBS用量、溶劑用量、填充劑用量、穩(wěn)定劑用量、防老劑用量、剪切速度、發(fā)育時間。

表2 因素位級表

把以上的討論，綜合成一張因素位級表，如表2所示。設(shè)計試驗方案采用正交試驗表L8（27），能安排7個2位的因素。考察的主要指標(biāo)是封口劑的軟化點和針入度，實驗方案的實施見表3，獲得八個試驗的結(jié)果。直觀比較八個試驗結(jié)果，容易看出：針入度，都在指標(biāo)要求范圍內(nèi)；但是軟化點有的不滿足指標(biāo)要求，其中第8號試驗的軟化點最高。接下來進(jìn)行簡單極差計算找出最佳的各種改性劑的質(zhì)量百分含量及工藝參數(shù)。在表3每一列的下方，分別列出了軟化點位級Ⅰ（簡稱Ⅰ）、軟化點位級Ⅱ（簡稱Ⅱ）與極差R，它們進(jìn)行如下計算：Ⅰ=①+③+⑤+⑦=88+68+80+85=321（軟化點值之和），同樣，Ⅱ=②+④+⑥+⑧=372,是由第1列中四個位級2（A2）的軟化點加在一起得出。其它六列計算Ⅰ、Ⅱ的方法跟第1列相同。為了檢查計算是否正確，對每列計算得的Ⅰ和Ⅱ進(jìn)行驗證：Ⅰ+Ⅱ=693（即8次試驗軟化點的總和）。至于各列的極差R，由各列Ⅰ、Ⅱ兩數(shù)中大數(shù)減去小數(shù)即得。如：第1列SBS用量的R=372-321=51。現(xiàn)在按照R的大小，把因素的大致主次順序，以及選用的位級安排如表4所示。根據(jù)表4，可以看出SBS用量、發(fā)育時間以及填充劑用量是主要因素，其次是防老化劑、攪拌速度、溶劑用量，穩(wěn)定劑用量為最次要因素，所以，本著節(jié)約成本的原則，對穩(wěn)定劑用量選擇1位級即理論值用量，得出的配方及工藝參數(shù)如表4所示。

3 綜合性能測試

利用正交試驗法，我們得出了封口劑配方及工藝參數(shù)，并按此配方和工藝參數(shù)分別做了三個樣品，參照各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研制技術(shù)指標(biāo)測試，試驗結(jié)果見表5，滿足表1的要求。接下來，通過做模擬封合試驗進(jìn)行效果檢查，將已封好的電池槽與蓋用行吊拉開分離，現(xiàn)場觀察。

表3 實施試驗方案和測試結(jié)果表

表4 因素從主到次順序表

表5 綜合性能測試實施效果表

在試驗過程中，為防止瀝青封口劑通過槽蓋之間的小縫隙流入電池內(nèi)部，設(shè)計了專用密封圈；在電池槽蓋澆注過程中，摸索出最佳灌注溫度為210℃－220℃，能使?jié)沧⒊鰜淼臑r青表面光滑，質(zhì)地均勻。在電池槽和蓋封口過程中改性瀝青流動性好，易操作。在灌注封口劑過程前后沒有溢流現(xiàn)象，滿足裝配要求。在模擬封口試驗中發(fā)現(xiàn)三種瀝青粘附性好，粘結(jié)力強(qiáng)，不容易分離。

4 結(jié)論

本文介紹了一種維護(hù)性大功率鉛酸蓄電池瀝青封口劑新產(chǎn)品的研制，其技術(shù)指標(biāo)和綜合性能應(yīng)用滿足了新型電池封口劑的使用要求。采用了正交試驗方法，獲得了封口劑最佳配方。以SBS作為主要改性劑，輔以適量的溶劑、填充劑、防老劑和穩(wěn)定劑，加入到基質(zhì)瀝青中，能大幅度改善瀝青的軟化點、耐候性以及粘韌性，生產(chǎn)工藝簡單。在電池配有密封圈的情況下，封口劑仍需要進(jìn)一步探索調(diào)整配方，增加填充劑用量，從而降低運動粘度，減少施工難度。

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