Brevet FR2604030A1 — publié le 19880318

La présente invention est relative aux tissus poreux qui peuvent être utilisés comme filtres, comme supports de membrane, ou de manière plus spécifique comme tissus de séparation pour pile. Un des problèmes les plus difficiles que l'on rencontre aujourd'hui dans la technique des organes de séparation pour pile, consiste à fabriquer de manière économique des tissus poreux destinés à être utilisés comme séparateur pour pile. Bien que l'on ait élaboré dans la technique antérieure, un film microporeux qui est utilisé comme séparateur pour piles, on n'a pas obtenu un tissu poreux ou un fil: dont l'utilisation soit économique. La présente invention fournit un tissu poreux qui n'est pas coûteux à fabriquer contrairement à l'art antérieur. Un tissu poreux caractéristique de l'art antérieur est tel que celui fabriqué par Celanese Corporation à Charlotte, Caroline du Nord sous le nom commercial de "Celgard". Ce film de l'art antérieur est un film en matière plastique extrudé qui est étiré pour le rendre poreux. L'étirage consiste en un procédé d'extension. L'étirage du film est effectué de façon à créer des fissures dans le film. Les fissures obtenues forment des micropores dans le film. Des inconvénients apparaissent dans cette technique antérieure. Un inconvénient consiste en ce que le tissu poreux est très coûteux à fabriquer en raison du nombre d'étapes de traitement. Dans la mesure o le tissu poreux est coûteux à fabriquer, les prix de vente sont élevés. Un autre inconvénient de cet art antérieur, consiste en ce que le film poreux n'est pas adapté pour être utilisé comme séparateur pour piles. Les micropores formés dans le tissu ont une taille trop petite pour que le film 26040'0O soit utilisé de manière économique comme séparateur de pile. Les pores dans l'art antérieur ont une taille allant de 0,02 à 0,04 microns. Cette plage est très inférieure à celle qui est nécessaire dans un séparateur de pile. La plage acceptable de tailles de pore dans les tissus de séparation pour pile, est de préférence de 1 à 12 microns, et en moyenne de 6 microns. La présente invention fournit un tissu ayant des propriétés d'écran suffisantes et des propriétés d'écoulement suffisantes pour avoir une fonction équivalente ou meilleure par rapport à l'art antérieur, et il s'avère moins coûteux à fabriquer. Dans le brevet US-A-4.472.328, on décrit un film ou une feuille poreux. Le film poreux de l'art antérieur est préparé par moulage à l'état-fondu en un film ou une feuille d'une résine choisie parmi un polyéthylène linéaire de basse densité, un polyéthylène de haute densité et un polypropylène. Le film ou la feuille est ensuite étiré. Pendant l'étirage du film, le film se fissure en ménageant ainsi des pores dans le film ou la feuille. Cette technique antérieure présente les mêmes inconvénients que la technique antérieure mentionnée ci-dessus. La présente invention est meilleure que l'art antérieur eu égard à l'aspect économique et à sa meilleure adaptation aux nécessités d'un matériau de séparation pour pile. Un but de la présente invention consiste à fournir un tissu poreux qui soit plus économique à fabriquer que ceux de l'art antérieur. Un autre but de la présente invention consiste à fournir un tissu poreux qui puisse être utilisé comme séparateur de pile. 26040!0 La présente invention a ainsi pour objet un tissu de séparation pour pile, caractérisé en ce qu'il comprend: une nappe fibreuse de fibres thermoplastiques non liées comportant des fibres de surfaces supérieure et inférieure et des fibres intérieures, lesdites fibres de surfaces inférieure et supérieure étant traitées à chaud par chauffage sous pression de façon à former des surfaces en forme de film; et O10 plusieurs pores s'étendant à travers lesdites surfaces supérieure et inférieure, l'état initial desdites fibres n'étant par ailleurs pas modifié de manière notable par la chaleur ou la pression. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tissu de séparation pour pile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: à ménager un espace dans un ensemble de cylindres, à chauffer ledit ensemble de cylindres, à acheminer une nappe fibreuse de fibres thermoplastiques non liées dans ledit espace Emtre lesdits cylindres; à faire tourner suffisamment lesdits cylindres pour entraîner entre eux ledit tissu et traiter à chaud les surfaces supérieure et inférieure de celui- ci en y maintenant une certaine porosité. Le tissu de séparation de pile de la présente invention comprend une nappe fibreuse de fibres thermoplastiques de polypropylène non liées, comportant des fibres de surface supérieure et des fibres de surface inférieure. Les surfaces de fibres de surface inférieure et suPérieur de la nappe fibreuse, sont traitées à chaud et liées par fusion en chauffant sous pression. Les surfaces inférieure et supérieure de la nappe fibreuse sont chauffées et la pression y est appliquée à l'aide d'une paire de cylindres d'acier. Le chauffage est ajusté de façon à traiter à chaud seulement les surfaces des fibres superficielles tout en n'affectant presque pas les fibres supérieures inférieures et intérieures de la nappe. Lorsque l'on traite à chaud les fibres de surface, on applique une pression afin d'assurer que les fibres traitées à chaud viennent en contact les unes des autres de façon à les fixer entre elles. Lorsque les fibres traitées à chaud viennent en contact les unes des autres, elles se lient par fusion entre elles en formant des surfaces inférieure et supérieure poreuses en forme de film. Ces pores sont formés car la majorité des espaces subsistent entre les fibres de surface qui ne sont presque pas modifiées. Les fibres de surface qui ne sont pas modifiées et les fibres intérieures permettent à la nappe fibreuse en combinaison avec les surfaces poreuses en forme de film de conserver à peu près sa porosité initiale. Ceci résulte en un tissu en forme de film ayant une excellente porosité. La présente invention va être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé, sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe transversale du tissu de la présente invention illustrant la nappe fibreuse; La figure 2 illustre le tissu passant entre les cylindres pressés et chauffés; La figure 3 est une vue en coupe transversale du tissu de la figure 2 après que celui-ci soit passé entre les cylindres pressés et chauffés; et La figure 4 est une vue en coupe correspondant à la figure 3 illustrant la nature poreuse du tissu. La présente invention est relative aux tissus poreux, plus particulièrement aux tissus poreux qui sont susceptibles d'être utilisés comme séparateurs dans des piles au lithium. Le tissu de la présente invention est fabriqué en préparant une nappe fibreuse de fibres thermoplastiques formée par cardage, assemblage à l'air, en milieu humide, par soufflage à l'état fondu ou par préparation d'un tissu non tissé, et en faisant passer cette nappe entre une paire de cylindres d'acier chauffés et pressés. La nappe peut avoir un poids de 23, 9 à 47,8 g/m2, le poids préféré étant d'environ 43,0 g/m2. La chaleur issue des cylindres traite les surfaces supérieure et inférieure des fibres superficielles de la nappe fibreuse. Dans la présente invention, le traitement à chaud. est tel qu'il provoque l'écoulement minimum d'une fibre thermoplastique de façon à modifier de manière notable sa structure de surface. La température et la pression des cylindres sont ajustées de façon à ce que le gradient de fusion crée des points de fixation entre les fibres de surface tout en permettant aux fibres supérieures, inférieures et intérieures de rester à peu près sous la forme de fibres. Dans la présente invention, le gradient de fusion représente. le gradient de température à travers la masse de la nappe lorsque la nappe est dans l'espace entre une paire de cylindres de façon à seulement traiter à chaud les surfaces des fibres superficielles et créer des points de fixation. Dans la présente invention, les points de fixation correspondent au plus faible degré d'adhérence initial entre les fibres voisines. Quand on applique une pression sur les cylindres, ces derniers amènent les fibres traitées à chaud à s'étaler et à rentrer en contact avec les autres fibres de surface pour former des surfaces inférieure et supérieure en forme de film tout en les fixant simultanément entre elles. On remarquera que la majorité des fibres de surfaces inférieure et supérieure et des fibres intérieures de la nappe, n'est presque pas affectée par la chaleur et la pression des cylindres et que ces fibres restent à peut près dans leur état initial sous la forme de fibres intactes. Dans la mesure o une quantité importante des fibres thermoplastiques traitées à chaud, reste sous la forme de fibres intactes, les espaces et les pores restent entre les fibres de la nappe fibreuse en permettant à la nappe de rester fibreuse. La figure 1 illustre l'état initial du tissu de la présente invention qui est une nappe fibreuse non tissée 10 de fibres thermoplastiques 12 de polypropylène. Comme cela est illustré sur la figure 2, on fait passer la nappe fibreuse 10 entre un ensemble de cylindres d'acier 14, seul deux étant illustrés qui sont chauffés et sur lesquels on applique une pression. Bien que l'on préfère que les cylindres soient en acier, on peut utiliser d'autres matériaux classiques. Ces cylindres peuvent être chauffés à une température de 140, 5C à 157'C, une température de 146C étant préférée. La pression "P" appliquée sur les cylindres soumet également la nappe fibreuse à une pression de 89,3-142,9 kg/cm, une pression de 125,0 kg/cm étant préférée. Les cylindres 14 sont entraînés de façon à tourner autour de leurs axes comme cela est indiqué par les flèches "R" sur la figure 2. Lorsque l'on fait passer la nappe fibreuse 10 dans l'espace entre les cylindres, les fibres thermoplastiques de polypropylène 12 sur les surfaces inférieure et supérieure de la nappe, qui viennent en contact avec les cylindres écartés et chauffés, sont traitées à chaud. Lorsque ces fibres sont traitées à chaud, la pression appliquée sur les cylindres amène le matériau traité à chaud à s'écouler en venant ainsi au contact des autres fibres de surface et à s'y fixer pour former des surfaces en forme de film comportant des pores. Les fibres préférées sont préparées par Hercules Inc. de Norcross, Georgie et elles sont vendues comme fibres de polypropylène T- 181. Cette fibre de polypropylène particulière a une plus large plage de fusion que les autres fibres, ce qui permet ainsi de mieux commander la fusion initiale des fibres. Bien que l'on préfère les fibres de polypropylène, on peut utiliser d'autres fibres telles que des fibres de polyamide, de polyester, de polysulfone, de polysulfure de phénylène, des fibres cellulosiques ou des mélanges de celles-ci, en obtenant des résultats légèrement différents. De plus, la combinaison de la chaleur et de la pression fournit un tissu comportant des surfaces supérieure 22 et inférieure 24 en forme de film et plusieurs pores 28 à l'intérieur de celles-ci comme cela est illustré sur les figures 3 et 4. Lorsque les fibres des surfaces supérieure 22 et inférieure 24 sont traitées à chaud comme cela est illustré surles figures 2 et 3, une quantité importante d'espaces et de zones ouvertes subsiste sur ces surfaces en laissant ainsi les pores 28 à travers celles-ci et en permettant au tissu de rester poreux. Afin d'illustrer plus en détail la structure exceptionnelle du tissu de la présente invention, la figure 4 qui correspond à la vue en coupe transversale de la figure 3, illustre la surface supérieure 22, la surface inférieure 24, les fibres intérieures 12 non modifiées et les pores 28 qui subsistent après refroidissement du matériau traité à chaud. La figure 4 illustre également la porosité du tissu en montrant le passage d'un fluide indiqué par les flèches "F" disposées & travers celui- ci. Comme cela est illustré sur la figure 4, les pores 28 ménagés dans les surfaces supérieure 22 et inférieure 24 permettent en combinaison avec les fibres intérieures 12 non modifiées, d'obtenir une porosité importante à travers le tissu. Lorsque l'on a testé le tissu, on a trouvé de manière inattendue que le tissu conservait une porisité importante. Une structure poreuse des tissus est nécessaire si les tissus sont destinés à être utilisés dans des piles. La porosité est essentielle dans la mesure o les pores ménagés dans un tissu permettent la mise en place d'un contact ionique en laissant les électrolytes passer à travers ceuxci et en réalisant ainsi une liaison entre les électrodes. Le tissu poreux assure ainsi une fonction nécessaire. Un film semi-poreux ou non poreux, ne permet- pas qu'ait lieu le passage suffisant d'un électrolyte entre les électrodes dans une pile, ce qui limite donc le contact ionique. En utilisant des fibres de polypropylène conformément à la présente invention, on obtient des avantages sur le plan du coût et de l'efficacité par rapport à l'art antérieur. Un autre avantage de la présente invention par rapport à l'art antérieur, consiste en ce que l'on peut obtenir la même efficacité ou une meilleure efficacité par rapport à l'art antérieur pour un prix nettement inférieur. Les tissus de l'art antérieur ne sont pas adaptés pour être utilisés comme séparateur de pile dans la mesure o la taille de leurs pores est inférieure à celle qui est nécessaire dans bon nombre d'applications comme séparateur de pile. Encore un autre avantage de la présente invention par rapport à l'art antérieur, consiste en ce que l'on obtient des caractéristiques de durée de vie de la pile et de tension de la pile,équivalentes ou supérieuresà celles de l'art antérieur même si le tissu de la présente invention comporte de plus gros pores et qu'il a une distribution plus étroite des pores. Le tableau 1 suivant récapitule les résultats des essais entre un échantillon de la présente invention et un échantillon de l'art antérieur. On a comparé les deux échantillons en égard aux plages de proprié- tés acceptablesqui sont nécessaires dans un tissu si celui-ci est destiné à être utilisé comme séparateur de pile. Tableau 1 Propriétés physiques Plage Présente Art accept. invention antér. Poids du tissu (g/m2) 23,9-47,8 43,6 11,9-14,3 Epaisseur (micron) 2,5-10, 2 6,3 2,5 Volume de pores (%) min 30 56 38-46 Résistance à la trac- 1,251,79/ 1,75/ 3,57/ tion, à sec (kg/cm) 0,36-0,71 0,32 0,36 piobi.t à l'air azier (m3/min/m2) 0-1,83 0,57 0 Taille des pores max (microns) max 90 80 moyenne (microns) 1-12 8 0,02-0,04 Résist. interne 10-50 29 2,5-10 KOH (35%) (milliohm/cm2) Tension initiale de la pile (volts) min 2,0 2,7 2,5 Comme cela est mentionné dans le tableau, la présente invention permet d'obtenir une tension de pile supérieure à l'art antérieur malgré la taille moyenne plus élevée des pores et la résistance interne plus élevée. Une tension de pile élevée est une exigence primordiale pour un tissu en vue d'un fonctionnement approprié comme séparateur de pile. Bien que les tissus de l'art antérieur soient adaptés pour être utilisés comme séparateur de pile, ils comportent des pores qui sont trop fins par rapport à la taille des particules à la migration desquelles ils doivent s'opposer. Le tissu de séparation pour pile de la présente invention a des avantages marqués par rapport à l'art antérieur dans la mesure o on obtient une filtration appropriée et un volume de pores plus élevé qui est amélioré, et ceci pour un coût nettement inférieur à celui de l'art antérieur. On donne ci-dessous un exemple du tissu de la présente invention. Cet exemple n'est pas donné à titre limitatif de la présente invention. Exemple On a fait passer dans l'espace délimité entre deux cylindres d'acier chauffés et pressés, une nappe de fibres de polypropylène partiellement désordonnées l1 de 1,5 deniers, préparée à l'aide d'un dispositif de formation de nappe, tel que des cardeuses, des dispositifs d'assemblage pneumatique, un dispositif de soufflage à l'état fondu, un dispositif à filament continu, et même un dispositif d'assemblage en milieu humide, et pesant environ 43 g/m2. Les cylindres ont été chauffés à une température d'environ 149'C (une plage de températures de 140,5'C à 160'C est permise) et on les a maintenus en contact sous une pression de 125 kg/cm. La nappe se déplaçait à travers l'espace intermédiaire à une vitesse d'environ 6,1 m/mn. La nappe avait une épaisseur d'environ 5,08 à 7,62 microns après passage à travers l'espace intermédiaire. Lorsque la chaleur atteint la nappe, la surface des fibres de polypropylène sur les surfaces inférieure et supérieure de la nappe, est chauf- fée.. Lorsque les fibres sont chauffées: la pression exercée sur les cylindres, amène les fibres chauffées à rentrer en contact les unes des autres et à se fixer entre elles. Ceci aboutit à la formation de surfaces en forme de film sur et sous le tissu tout en laissant les fibres superficielles à peu près sous la forme de fibres. La plus grande partie des fibres de polypropylène dans la nappe, reste également à peu près non modifiée par la chaleur et la pression, ce qui conserve ainsi leur état initial sous la formede fibres. Dans la mesure o les fibres supérieures et inférieuresrestent sous la forme de fibres intactes, la porosité initiale de la nappe fibreuse est maintenue, ce qui permet ainsi à la structure de la nappe de conserver sa porosité dans l'ensemble. Comme cela est illustré sur le tableau 1, le tissu de la présente invention a une perméabilité à l'air plus élevée que l'art antérieur, ce qui est un résultat direct de la taille des pores dans le tissu de la présente invention. La présente invention est donc mieux appropriée pour être utilisée comme séparateur de pile. 260403C REVENDICATIONS 1. Tissu de séparation pour pile, caractérisé en ce qu'il comprend: une nappe fibreuse (10) de fibres thermoplastiques non liées, comportant des fibres de surfaces supérieure (22) et inférieure(24) et des fibres intérieures (12), lesdites fibres de surfaces inférieure et supérieure étant traitées & chaud par chauffage sous pression de façon à former des surfaces en forme de film; et plusieurs pores (28) s'étendant à travers lesdites surfaces supérieure et inférieure, l'état initial desdites fibres n'étant par ailleurs pas modifié de manière notable par la chaleur ou la pression. 2. Tissu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres thermoplastiques peuvent être choisies parmi des fibres en polypropylène, en polyamide, en polyester, en polysulfone, en polysulfure de phénylène, les fibres cellulosiques ou les mélanges de celles-ci. 3. Tissu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température appliquée à ladite nappe à fibres non liées, est d'environ 140,5C à environ 157'C; 4. Tissu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pression appliquée sur ladite nappe de fibres non liées, est d'environ 89,3 à environ 142,9 kg/cm. 5. Tissu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite nappe fibreuse de fibres thermoplastiques non liées, a une épaisseur d'environ 2,54 à environ 50,8 microns avant qu'elle ne soit traitée à chaud. 6. Tissu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite nappe fibreuse de fibres thermoplastiques liées a un poids d'environ 23,9 à environ 47,8 g/m2. 7. Procédé de fabrication d'un tissu de séparation pour pile suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: à ménager un espace dans un ensemble de cylindres (14), à chauffer ledit ensemble de cylindres, à acheminer une nappe fibreuse de fibres thermoplastiques non liées dans ledit espace desdits cylindres; à faire tourner suffisamment lesdits cylindres pour entraîner entre eux ledit tissu et traiter à chaud les surfaces supérieure et inférieure de celui- ci en y maintenant une certaine porosité. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'on chauffe lesdits cylindres à une température d'environ 140,5'C à 157 C. 9. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que dans ledit espace, ledit tissu est soumis à une pression d'environ 89,3 à 142,9 kg/cm. 10. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit tissu comprend des fibres choisies parmi les fibres de polypropylène, de polyamide, de polyester, de ' polysulfone, de polysulfure de,phénylène, les fibres cellulosiques ou les melanges de celles-ci.