表征温度对PTFE粉末流动性的影响

2026-04-07

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引言

尽管人们对将聚四氟乙烯粉末用于电池制造（特别是干法电极工艺）抱有浓厚兴趣，但由于一些材料和加工挑战，其具体应用仍然有限。干法工艺涉及处理活性材料、导电添加剂和PTFE的粉末。PTFE独特的原纤化特性对此工艺至关重要；它用于形成缠结的聚合物链网络，以结合其他颗粒，从而为电极创造坚固的自支撑薄膜。

一个主要挑战是，在纯PTFE的初始处理和输送步骤中，必须严格避免这种关键的原纤化。过早的原纤化会显著降低粉末的流动性，使其难以加工，甚至可能无法使用。为防止这种情况，建议在低温下处理PTFE粉末。然而，保持整个生产线在低温下既困难又耗能。为了解决这一矛盾，需要一个强大的分析工具来精确表征粉末流动性随温度变化的行為。这允许确定一个既能保证可接受的流动性，又能最小化能源成本的温度范围。

在这份合作应用说明中，大金化学欧洲公司（大金）和 Granutools 展示了如何根据温度来表征纯PTFE的流动性。使用GranuDrum在室温和低温下测试了两种等级的PTFE粉末。结果揭示了流动性对温度的显著依赖性，这通过GranuDrum的内聚指数进行了量化。

GranuDrum HT

GranuDrum 仪器是一种基于旋转滚筒原理的自动化粉末流动性测量方法。一个带有透明侧壁的水平圆柱体（称为滚筒）内装有一半的粉末样品。滚筒以2 rpm到60 rpm的角速度绕其轴旋转。一个CCD相机为每个角速度拍摄快照（40张图像，间隔1秒）（见图1）。通过边缘检测算法检测每张快照上的空气/粉末界面。随后，计算平均界面位置以及围绕该平均位置的波动。然后，对于每个旋转速度，根据界面波动测量内聚指数 [2]。

图1：GranuDrum测量原理示意图。

内聚指数仅与颗粒间的内聚力有关。内聚力强的粉末会导致间歇流动，而内聚力弱的粉末则导致规则流动。因此，内聚指数接近零对应于非内聚粉末。当粉末内聚性增加时，内聚指数相应增加，流动性降低。

GranuDrum HT 的操作方式与GranuDrum相同，但增加了在受控温度下进行测量的能力，温度范围从室温到250°C。在整个加热过程和测量期间，会记录样品池的温度。此外，可以通过取消选择"启用加热"来禁用样品池的加热（见图2），从而允许在不加热样品池但记录温度的情况下进行实验。

图2：GranuDrum高温型软件中的加热参数。

尽管测量是在低温和室温下进行的，但在这项工作中，使用了GranuDrum高温型以利用其温度记录功能。加热功能被禁用。

材料与方法

在室温和冷却至1°C后，测试了两种批次的纯PTFE（大金公司提供），一种是市售的 Polyflon PTFE F-201 (F201)，另一种是研发等级的 Polyflon PTFE BDP (研发级)。为了实现低温条件，使用了一个聚苯乙烯泡沫箱和一个温度计来监测内部温度。将冰袋放入箱内以保持低温。

图3：聚苯乙烯泡沫箱的图片，温度计插入箱内。

图4：（左）用于冷却箱内粉末的冰袋图片。（右）用于监测温度的温度计图片。

对于在室温下进行的测量，粉末直接在GranuDrum中进行测试。对于低温下的测试，用冰袋冷却聚苯乙烯泡沫箱，直到其达到约0°C。将粉末在GranuDrum的样品池中于该温度下在箱内调理半天。然后将样品池从箱中取出，放入GranuDrum中，开始测量。对于F201，还测试了其他温度，方法是在调理后将粉末和样品池升温至10°C、15°C或18°C。

结果与讨论

在图5中，可以看到实验期间记录的温度。平均而言，粉末在室温下的测试温度约为20°C，在低温条件下约为1°C。速度序列（递增速度序列：2、10、30、60 rpm）足够短，确保了每次测量期间温度的稳定。每种粉末在不同温度下测试三次以评估可重复性。

图5：两种粉末在室温和低温下进行GranuDrum测量期间记录的温度。

相应的流动性结果显示在图6中。在室温条件下，F201和研发级粉末表现出相似的内聚行为。内聚指数范围约为40到20，并观察到剪切稀化行为。这意味着在室温下，对于这两种粉末，内聚性随着剪切速率的增加而降低，流动性增加。

当温度降至1°C时，观察到内聚指数发生显著变化。对于所有速度和两种粉末，内聚指数至少降低了2倍。这证实了在低温下处理PTFE对于改善流动性非常有益。在1°C时仍存在剪切稀化现象，但不如室温下强烈。

图6：两种粉末在20°C和1°C下内聚指数随旋转速度的变化函数。

图8展示了F201在不同旋转速度下内聚指数与温度之间的关系。内聚力随温度非线性增加，当温度接近20°C时，增加速率变得更加显著。这表明随着温度下降，流动性的改善会减缓。因此，将温度降低到某一点以下会产生递减的回报。这些数据为寻找处理温度提供了基础，该温度能在足够的流动性和合理观察到的内聚力随温度升高而增加的现象可归因于PTFE原纤化的开始。此过程的理论起始温度约为19°C。低于此温度时，PTFE的长聚合物链结晶成三斜晶相，不太可能伸长形成原纤。当温度接近或超过19°C时，PTFE链可以显著原纤化，并在颗粒表面形成小的原纤，如图7示意。这些初生原纤可以增加颗粒间的物理缠结和相互作用，导致更高的内聚力和更低的流动性。内聚力的非线性增加（见图8）与此机制一致，因为温度越接近并超过19°C，原纤化越显著。

图7：远低于19°C的PTFE颗粒（左）和在20°C下部分原纤化的颗粒（右）的示意图。

结论

在制备用于电极制造的粉末混合物之前，纯PTFE粉末必须经过处理、输送和/或包装，直至到达其将被原纤化的场所。虽然原纤化对于在干法涂层工艺中获得自支撑薄膜是必要的，但在干法工艺之前的所有步骤中都应避免此现象。事实上，过早的原纤化将导致粉末流动性下降，使粉末无法使用。因此，建议在低于原纤化起始温度的条件下处理纯PTFE粉末。已知该温度约为19°C，刚好低于室温。根据使用PTFE的工厂或国家/地区，室温通常在20°C至30°C之间。将实验室甚至整个生产线保持在19°C以下，目标温度越低，挑战越大，成本也越高。此外，关于温度对PTFE粉末流动性的影响知之甚少。在这种情况下，很难预测在确保良好流动性的同时冷却能耗最低的温度阈值。因此，评估温度对PTFE流动性的影响以优化处理温度至关重要。

这项研究证实，PTFE粉末的处理温度对其流动性有显著且非线性的影响。本文使用GranuDrum测量了温度对纯PTFE粉末流动性的影响，显示出当温度从20°C降至1°C时，内聚指数明显下降，流动性相应增加。这种效应很可能归因于PTFE的温度依赖性原纤化，它在较高温度下增加了颗粒缠结，从而增加了颗粒间的相互作用。

通过GranuDrum测量的内聚指数对流动性进行量化，可以评估流动性随温度降低而改善的程度。使用可轻松放置在冷却系统中的样品池，可以简单且可重复地进行低温实验。此外，GranuDrum高温型提供的温度监测功能可以准确测量整个测试过程中的温度，确保温度稳定恒定。这使得能够表征冷却带来的流动性改善，从而找到处理PTFE的温度，同时兼顾足够的流动性和冷却系统可接受的能源成本。这为未来优化纯PTFE处理开辟了道路。

致谢

本研究是大金和Granutools专业知识结合的成果。我们感谢大金提供粉末以及他们在PTFE和原纤化方面的专业知识。

Salvatore Pillitteri, 颗粒科学家 -- 电池专家, Granutools

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