علوم و فناوری کامپوزیت

امکان سنجی استفاده از جداکننده های باتری سرب-اسید به عنوان افزودنی در کامپوزیت های پلی اتیلنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد،مهندسی مواد،دانشگاه صنعتی شریف،تهران.

2 دانشجوی دکتری،پژوهشکده علوم و فناوری نانو، دانشگاهصنعتی شریف، تهران.

3 دانشیار، مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران.

چکیده

باتری‌های سرب-اسید بخش قابل‌توجهی از بازار جهانی باتری‌ها هستند که با توجه به عمر کوتاه آن‌ها، با چالش‌های زیست‌محیطی جدی مرتبط با ضایعات باتری های سرب-اسید مواجه هستیم. یکی از اجزای این باتری‌ها جداکننده‌های آن‌ها است، که علاوه بر پلی‌اتیلن، سیلیکا و مقادیری از ترکیبات سرب نیز دارند. در این پژوهش از جداکننده باتری سرب اسید و پلی‌اتیلن به عنوان زمینه برای تهیه کامپوزیتی استفاده شد که به دلیل حضور سیلیکا می‌تواند خواص مکانیکی پلی‌اتیلن را بهبود بخشد. نمونه‌هایی با زمینه پلی‌اتیلن پرچگالی و خطی کم‌چگالی به همراه 5 تا 15 درصد وزنی جداکننده‌ی باتری سرب-اسید تهیه شده و خواص مکانیکی و حرارتی آن‌ها مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفت. با تجزیه و تحلیل نتایج آزمون گرماسنجی تفاضلی روبشی، نوع پلی‌اتیلن در جداکننده باتری پلی‌اتیلن پرچگالی تعیین شد. با افزودن جداکننده‌ی باتری به زمینه پلی‌اتیلن پرچگالی مدول کشسانی حدود %22 و مدول خمشی حدود %55 افزایش یافت. این بهبود برای مدول کشسانی پلی‌اتیلن خطی کم‌چگالی تقریباً %35 بود. برای نمونه با زمینه پلی‌اتیلن پرچگالی حاوی 15 درصد جداکننده استحکام تسلیم از 1.25 مگاپاسکال به 28 مگاپاسکال و برای نمونه با زمینه پلی‌اتیلن کم چگالی حاوی 15 درصد جداکننده استحکام تسلیم از 9.11 مگاپاسکال به 7.13 مگاپاسکال افزایش یافته است. سختی و مدول برای 15 درصد جداکننده در بیشینه مقدار را دارند. بنابراین 15 درصد جداکننده مقداری بهینه برای بهبود خواص مکانیکی نمونه‌ها است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Feasibility of using lead-acid battery separators as additives in polyethylene composites

نویسندگان [English]

  • Ali Ghasemkhani 1
  • Mohammadreza Shojaei 2
  • Gholamreza Pircheraghi 3

1 Material Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

2 Institute for Nanoscience Nanotechnology, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

3 Material Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Lead-acid batteries are a significant part of the global battery market; however, due to limited life of these batteries, we are faced with major environmental challenges associated with lead-acid battery waste. One of their main components is the separator. In addition to polyethylene and silica, the separator of these batteries also contains lead compounds. In this research, lead-acid battery separator and polyethylene were used as a matrix for preparing a composite that could improve polyethylene's mechanical properties due to the presence of silica. Samples of HDPE and LLDPE with 5% to 15% lead-acid battery separator were prepared and their mechanical and thermal properties were evaluated and compared. By analyzing the DSC results, the type of polyethylene in the battery separator, HDPE, was determined. By adding the battery separator to HDPE matrix, elastic modulus increased by about 22% and bending modulus by about 55%. For LLDPE elastic modulus increased by approximately 35%. The yield strength of the sample, with HDPE matrix containing 15% separator has increased from 25.1 MPa to 28 MPa, and for the sample, with LLDPE matrix containing 15% separator, yield strength increased from 11.9 MPa to 13.7 MPa. Hardness and modulus for 15% of the separator are at maximum value. Consequently, 15 wt.% separator is an optimal value to improve samples' mechanical properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Recycling
  • Lead-acid battery
  • Composite
  • Mechanical properties
  • Polyethylene
مراجع
[1]  Bernardes, A.M., Espinosa, D.C.R., Tenório, J.S., “Recycling of Batteries: A Review of Current Processes and Technologies,” Journal of Power sources, Vol. 130, No. 1-2, pp. 291-298, 2004.
[2]  Pircheraghi, G., Nowrouzi, M., Nemati, S., “Fabrication of Polyethylene Separator for Lead-acid Batteries from Waste and Recycled Silica and Investigation of its Performance,” Journal of Cleaner Production, Vol. 250, No. 1-2, pp. 119535, 2020.
[3]  Palacin, M. R., “Recent Advances in Rechargeable Battery Materials: A Chemist’s Perspective,” Chemical Society Reviews, Vol 38, No. 9, pp. 2565-2575, 2009.
[4]  Zhang, W., Tu, Z., Qian, J., Choudhury, S., Archer, L.A., Lu, Y., “Design Principles of Functional Polymer Separators for High‐energy, Metal‐Based Batteries,” Small, Vol. 14, No .11, pp. 1703001, 2018.
 [5] Culpin, B., "Separator Design for Valve-regulated Lead.acid Batteries," Journal of Power sources, Vol 53, No.1, pp. 127-135, 1995.
[6]  Toquet, F., “Study of the Combined Roles of the Silica.Oil. UHMWPE Formulation and Process Parameters on Morphological and Electrical Properties of Battery Separators,” PhD Thesis., Université de Lyon, France, 2017.
 [7] Rand, D.A.J., Holden, L.S., May, G.J., Newnham, R.H., Peters, K., "Valve-regulated Lead.acid Batteries," Journal of Power Sources, Vol. 59, No. 1-2, pp. 191-197, 1996.
 [8] Wei, X., Nie, Z., Luo, Q., Li, B., Chen, B., Simmons, K., Sprenkle, V., Wang, W., “Nanoporous Polytetrafluoroethylene.Silica Composite Separator as A High‐performance All‐vanadium Redox Flow Battery Membrane,” Advanced Energy Materials, Vol. 3, No. 9, pp. 1215-1220, 2013.
 [9] Burillo, G., Clough, R.L., Czvikovszky, T., Guven, O., Le Moel, A., Liu, W., Singh, A., Yang, J., Zaharescu, T., “Polymer Recycling: Potential Application of Radiation Technology,” Radiation Physics and Chemistry, Vol. 64, No. 1, pp. 41-51, 2002.
[10] Ignatyev, Igor A, Wim Thielemans., Bob Vander Beke.,
“Recycling of Polymers: A Review.” ChemSusChem, Vol. 7, No. 6, pp. 1579-1593, 2014.
[11] Moens, E.K., De Smit, K., Marien, Y.W., Trigilio, A.D., Van Steenberge, P.H., Van Geem, K.M., Dubois, J.L., D’hooge, D.R., “Progress in Reaction Mechanisms and Reactor Technologies for Thermochemical Recycling of Poly (Methyl Methacrylate),” Polymers, Vol. 12, No. 8, pp. 1667, 2020.
[12] Nemati, S., Pircheraghi, G., “Fabrication of a form-stable phase change material with green fatty acid and recycled silica nanoparticles from spent lead-acid battery separators with enhanced thermal conductivity.” Thermochimica Acta, Vol. 693, No. 1, pp. 178781, 2020.
[13] Shojaei, M.R., Pircheraghi, G., Alinoori, A., “Sustainable SBR/silica nanocomposites prepared using high-quality recycled nanosilica from lead-acid battery separators.” Journal of Cleaner Production, Vol. 370, No. 2, pp. 133316, 2022.
[14] Shirkavand, M., Azizi, H., Ghasemi, I., Karabi, M., Rashedi, R., “Correlation Between Microstructure and Rheological Properties in High Density Polyethylene with Broad Distribution of Molecular Weigh.” In Persian, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 28, No. 1, 27-38, pp. 3-12, 2015.
[15] Vosoghifar, H, rahbaripour, A., “Examination of High Density Polyethylene,” In Persian, Promotional Scientific Journal of Mechanical Vol. 20, No. 80, pp. 49-56, 2011.
[16] Moghaddam, M, K., Shabanian, M., “A Review on Evolution of Polyethylene Pipes: Production Methods and Standards,” In persian, Polymerization, Vol. 5, No. 4, pp. 84–91, 2015.
[17] Hua, Y.Q., Zhang, Y.Q., Wu, L.B., Huang, Y.Q., Wang, G.Q., “Mechanical and Optical Properties of Polyethylene Filled with Nano SiO2.” Journal of Macromolecular Science, Part B: Physics, Vol. 44, No. 2, pp. 149-159, 2005.
[18] Scott, C., Ishida, H., Maurer, F.H.J., “Melt State Dynamic
Mechanical Properties of Polyethylene.EPDM.silicon Dioxide
Composites,” Journal of reinforced plastics and composites, Vol. 10,
No. 5, pp. 463-476, 1991.
[19] Bula, K., Jesionowski,T., “Effect of Polyethylene Functionalization on Mechanical Properties and Morphology of PE.SiO2 Composites.” Composite Interfaces, Vol. 17, No. 5-7, pp. 603-614, 2010.
[20] Alghamdi, R.D., Yudhanto, A., Lubineau, G., Abou-Hamad, E., Hadjichristidis, N., “Polyethylene Grafted Silica Nanoparticles Via Surface-initiated Polyhomologation: A Novel Filler for Polyolefin Nanocomposite,” Polymer, Vol. 254, No. 2, pp. 125029, 2022.
[21] Jesionowski, T., Krysztafkiewicz, A., “Influence of silane coupling agents on surface properties of precipitated silicas,” Applied Surface Science, Vol. 172, No. 1-2, pp. 18-32, 2001.
 
 
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 9، شماره 4
اسفند 1401
صفحه 2075-2082
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار