Studie o polyethylenových práškových nátěrech pro bateriové boxy

Abstraktní

Šest typů polyethylenových práškových povlaků pro bateriové boxy bylo navrženo modifikací polyethylenu s různými vlastnostmi. Testováním rychlosti toku taveniny, mechanických vlastností a odolnosti vůči kyselinám u povlakových filmů polyethylenových práškových povlaků získaných z různých schémat míchání byla vybrána receptura polyethylenového práškového povlaku s nejlepšími komplexními vlastnostmi. Připravený polyethylenový práškový povlak splňuje požadavky na vyrovnání povrchu bateriových boxů a zároveň má vynikající mechanické vlastnosti a chemickou odolnost, což může účinně zlepšit životnost bateriových boxů.

Klíčová slova

Krabice na baterie; Polyethylen; Míchání; Práškové lakování
Klasifikační kód: TQ637.82
Kód dokumentu: A

1 Úvod

S rostoucími přísnějšími požadavky na ochranu životního prostředí se kontrola emisí výfukových plynů a snižování znečištění ovzduší staly důležitými ukazateli ochrany životního prostředí [1].

Tradiční vozidla na palivo obvykle používají jako zdroj energie fosilní paliva a jejich nejzávažnější nevýhodou jsou emise velkého množství výfukových plynů, které silně znečišťují životní prostředí. Naproti tomu vozidla na nová paliva, která jako trakční pohon používají akumulátory, neprodukují výfukové emise a nezpůsobují žádné znečištění ovzduší, takže jsou na trhu stále více upřednostňována [2].

Během životnosti průmyslových bateriových boxů jsou narušovány kyselinou z baterií, což urychluje korozi a selhání boxů. Proto je antikorozní ochrana bateriových boxů vždy žhavým tématem výzkumu. Průmyslové bateriové boxy jsou obvykle vyrobeny z uhlíkové oceli, která sama o sobě nemá dobré antikorozní vlastnosti [3].

Proto lze účinně zlepšit antikorozní vlastnosti pouze provedením povrchové úpravy vnitřních a vnějších stěn krabic. Běžně používanou technologií povrchové úpravy je nanesení vrstvy antikorozního povlaku na povrch krabice, přičemž povlak musí nejen odolávat erozi kyselinami, ale také těsně přilnout k podkladu.

Polyethylenové práškové barvy se obvykle skládají z polyethylenové pryskyřice, přísad, plniv, pigmentů atd. Jsou to termoplastické práškové barvy s vynikající chemickou odolností a vysokou cenovou efektivitou.

Vzhledem k antikorozním požadavkům na bateriové boxy, stejně jako k požadavkům na vzhled a cenu, jsou polyethylenové práškové povlaky ekonomicky proveditelnou možností antikorozního nátěru. Existuje však rozpor mezi mechanickými vlastnostmi a tekutostí polyethylenu. U polyethylenových práškových povlaků je obvykle obtížné dosáhnout vynikající tekutosti i mechanických vlastností, proto je nutné je modifikovat tak, aby splňovaly požadavky na povlakování bateriových boxů. V této studii byl pomocí modifikace polyethylenu s různými vlastnostmi navržen polyethylenový práškový povlak pro bateriové boxy. Tento povlak má vynikající mechanické vlastnosti, chemickou odolnost, vysokou přilnavost a dobrou vyrovnávací schopnost povrchu.

2 Experimentální část

2.1 Experimentální suroviny a přístroje

2.1.1 Suroviny

• Polyethylen (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polyethylen (PE-D): Dow Chemical;
• Polyethylen (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japonsko;
• Polyetylenové lepidlo (MAH-g-PE): Model SZ-07, Huangshan Beno Technology;
• Antioxidant: Model K7001, Luan JIENT;
• Stabilizátor světla: Model UV531, BASF;
• Polyethylenový vosk, tekutý přípravek: Šanghajská továrna na přísady;
• Nukleační činidlo: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, USA;
• Pigmentová čerň: Model R600R, Cabot.

2.1.2 nástrojů

• Dvoušnekový extruder: Model T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Vulkanizační stroj na desky: Model XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Tester trhlin v prostředí pod napětím: Model NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Univerzální zkušební stroj pro plasty: Model WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Experimentální metody

2.2.1 Příprava práškových nátěrů

Suroviny byly zváženy podle vzorce v tabulce 1 a přidány do míchačky pro vysokorychlostní míchání. Směs byla poté přidána do dvoušnekového extruderu pro granulaci extruzí z taveniny při teplotě 160 °C. Granule byly vloženy do mlýna k rozdrcení na prášek, následovala třídění a prosítání.

Tabulka 1 Vzorec polyethylenového práškového laku

2.2.2 Příprava nátěrů

Pro přípravu polyethylenových práškových povlaků na povrchu bateriových boxů byla použita metoda ponoru do fluidního lože . Povrch bateriového boxu byl nejprve otryskán pískem a poté zahřát v peci na 250–350 °C. Poté byl polyethylenový práškový povlak nanesen ponoru do fluidního lože a plastifikace byla provedena pomocí zbytkového tepla obrobku nebo jeho umístěním do pece.

2.2.3 Příprava vzorků pro testování výkonnosti

Vzorky pro testování mechanických vlastností polyethylenového prášku byly připraveny lisováním.

2.3 Testování výkonu

• Intenzita toku taveniny (MFR) polyethylenových práškových povlaků byla testována v souladu s normou GB/T 3682-2018;
• Výkon polyethylenových práškových nátěrů proti praskání v důsledku environmentálního napětí (ESC) byl testován v souladu s normou GB/T 1842-2008;
• Tahové vlastnosti polyethylenových práškových povlaků byly testovány v souladu s normou GB/T 1040.2-2018;
• Odolnost polyethylenových práškových nátěrů vůči kyselinám byla testována za použití 30% (hmotnostní podíl) roztoku kyseliny sírové v souladu s normou GB/T 11547-2008;
• Přilnavost polyethylenových práškových povlaků byla testována v souladu s normou GB/T 9286-2008.

Hlavní výkonnostní ukazatele polyethylenových práškových povlaků pro bateriové boxy jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 Hlavní ukazatele výkonnosti polyethylenových povlaků pro bateriové boxy

3 Výsledky a diskuse

3.1 Analýza výkonnosti polyethylenu

Analýza výkonnostních parametrů různých typů polyethylenu je nezbytným předpokladem pro návrh receptury práškových barev ze směsi polyethylenu. V této studii bylo jako suroviny pro práškové barvy vybráno 5 různých typů polyethylenu a jejich vlastnosti byly testovány v souladu s příslušnými normami. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 3.

Jak je patrné z tabulky 3, PE-A a PE-B mají extrémně vysoké indexy toku taveniny, takže mohou splňovat požadavky na vysokou vyrovnávací schopnost povlaku. Houževnatost PE-A a PE-B je však relativně nízká. Prodloužení při přetržení PE-A je pouze 100 % a doba odolnosti proti praskání v důsledku napětí je pouze 1 hodina, takže nemůže splňovat požadavky na mechanické vlastnosti povlaků bateriových boxů. PE-C je lineární polyethylen s nízkou hustotou se střední rychlostí toku taveniny, který v podstatě splňuje požadavky na vyrovnávací schopnost běžných povlaků, ale jeho houževnatost je také nízká. PE-D i PE-E jsou metalocenové lineární polyethyleny s nízkou hustotou a oba mají vynikající houževnatost a pevnost v tahu. Rozdíl spočívá v tom, že PE-E má extrémně nízký index toku taveniny, který nemůže splňovat požadavky na vyrovnávací vzhled povlaku.

Tabulka 3 Vlastnosti různých typů polyethylenu

3.2 Výběr a optimalizace polyethylenu

Index toku taveniny (MFR) polyethylenu je ukazatel odrážející tekutost polyethylenu v taveninovém stavu a do jisté míry představuje vyrovnávací účinek polyethylenového povlaku. Obecně platí, že čím vyšší je hodnota MFR, tím lepší je vyrovnávací účinek povlaku. Čím vyšší je však hodnota MFR, tím nižší je obvykle relativní molekulová hmotnost polyethylenu a tím horší jsou jeho mechanické vlastnosti. Proto je často obtížné splnit požadavky na tekutost i mechanické vlastnosti současně, což potvrzují i ​​výsledky zkoušek uvedené v tabulce 3. Pokud se smíchá a použije polyethylen s různými vlastnostmi, aby směs měla vynikající tekutost i mechanické vlastnosti, lze teoreticky připravit polyethylenové práškové povlaky s komplexními vlastnostmi, které splňují požadavky.

Tabulka 4 Různá schémata míchání

 Z tabulky 3 je patrné, že PE-A i PE-B mají vysoké rychlosti toku taveniny, ale PE-B má relativně vyšší houževnatost, takže PE-B lze použít jako matricový materiál pro zlepšení tekutosti směsi; PE-D a PE-E mají dobré mechanické vlastnosti a lze je použít jako matricové materiály pro zlepšení mechanických vlastností směsi. PE-E má však nízkou rychlost toku taveniny, takže není vhodný jako matricový materiál. U polyethylenu s velkou průměrnou relativní molekulovou hmotností, jako je PE-E, je hustota provázání řetězců vysoká a rychlost toku nízká. Pokud je však vystaven vnějšímu zatížení, jeho mechanismem tečení je hlavně smyková deformace a zjevný molekulární tok není snadný, takže má vysokou pevnost a houževnatost [6]. Proto byly PE-B a PE-D smíchány v různých poměrech za účelem přípravy směsného modifikovaného polyethylenu. Současně by se pro zlepšení spojovací síly mezi polyethylenovým práškovým povlakem a substrátem bateriového boxu mělo přidat vhodné množství polyethylenového lepidla (MAH-g-PE). Polyethylenové lepidlo je pojivo připravené roubováním maleinanhydridu na polyethylen. Závěrem lze říci, že bylo navrženo 6 různých schémat míchání, jak je uvedeno v tabulce 4.

3.3 Analýza výkonnosti polyethylenových práškových nátěrů

Na základě tabulky 1, podle schémat míchání v tabulce 4, byly suroviny smíchány, extrudovány a drceny za účelem přípravy polyethylenových práškových povlaků. Rychlost toku taveniny, tahové vlastnosti, odolnost proti praskání v důsledku napětí a odolnost práškových povlaků vůči kyselinám byly testovány v souladu s národními normami. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 5.

Tabulka 5 Výsledky výkonnostních testů různých schémat míchání

Jak je patrné z tabulky 5, rychlost toku taveniny směsi rapidně klesá se zvyšujícím se podílem PE-D. Je to hlavně proto, že když se PE-B (s nízkou relativní molekulovou hmotností) smíchá s PE-D (s vysokou relativní molekulovou hmotností) a tavenina se extruduje extrudérem, dlouhé molekulární řetězce obalí krátké molekulární řetězce, což vede k rychlému poklesu rychlosti toku taveniny. Proto má přidané množství polyethylenu s nízkou tekutostí velký vliv na tekutost směsi a při navrhování receptury práškových nátěrů ze směsného polyethylenu je třeba věnovat zvláštní pozornost jeho přidanému množství. Z jiného pohledu lze tekutost PE-D (polyethylenu s nízkou tekutostí) po smíchání s PE-B (polyethylenem s relativně vysokou tekutostí) také výrazně zlepšit. Je to proto, že polyethylen s krátkými molekulárními řetězci lze hustě vložit do polyethylenu s dlouhými molekulárními řetězci, což způsobí vytvoření vrstevnaté struktury, čímž se oslabí propletení molekulárních řetězců. Modifikátory toku pro polyethylen s vysokou relativní molekulovou hmotností obvykle využívají tento princip ke zlepšení tekutosti polyethylenu [7].

Z tabulky 5 lze také zjistit, že pevnost v tahu a prodloužení při přetržení směsných polyethylenových práškových povlaků se postupně zvyšují se zvyšujícím se množstvím přidaného PE-D, což naznačuje dobrou kompatibilitu mezi těmito dvěma různými typy polyethylenu. Je to dáno především tím, že hodnoty entalpie a entropie PE-B a PE-D jsou podobné, takže v podstatě nedochází ke změně volné energie směsi a kompatibilita mezi těmito dvěma typy polyethylenu je vysoká. Ve srovnání se schématem 1 má schéma 6 výrazné zvýšení pevnosti, prodloužení při přetržení se zvyšuje dvojnásobně a houževnatost povlaku se výrazně zlepšuje. Přestože se pevnost a houževnatost povlaku se zvyšujícím se množstvím přidaného PE-D výrazně zlepšují, míra zlepšení je mnohem nižší než míra poklesu rychlosti toku taveniny. Je to proto, že přidání PE-B snižuje hustotu provázání molekulárních řetězců PE-D, čímž se zvyšuje pravděpodobnost toku molekulárních řetězců během procesu natahování, zatímco smykový efekt je oslaben.

U polyethylenového povlaku naneseného na povrch bateriové skříně může uvolnění napětí způsobené tendencí vnitřní struktury ke stabilizaci a koncentrací napětí vytvořenou v rohových oblastech způsobit praskání povlaku. Proto je odolnost proti praskání v důsledku napětí důležitým standardem pro měření životnosti povlaku. Z výsledků testů vlivů prostředí v tabulce 5 je patrné, že odolnost polyethylenového práškového povlaku proti praskání v důsledku napětí je v souladu s jeho houževnatostí, tj. čím vyšší je houževnatost povlaku, tím lepší je odolnost proti praskání v důsledku napětí. PE-D může výrazně zlepšit odolnost směsného polyethylenového práškového povlaku proti praskání v důsledku napětí.

Polyethylenový práškový nátěr pro bateriové boxy je neustále korodován bateriovou kyselinou, proto musí mít vynikající antikorozní vlastnosti. Z výsledků testu odolnosti vůči kyselinám v tabulce 5 je patrné, že po ponoření polyethylenového práškového nátěru připraveného podle schématu 1 do kyselého roztoku nedochází k žádným bublinám ani rozpouštění, ale dochází k silnému bobtnání a stupeň adheze nátěru je pouze 5; ve srovnání se schématem 1 má nátěr připravený podle schématu 2 po korozi kyselým roztokem relativně menší bobtnání a adheze dosahuje stupně 3; polyethylenové nátěry připravené podle jiných schémat nevykazují žádný zjevný korozní jev a adheze nátěru může dosáhnout stupně nad 1. Metalocen PE-D sám o sobě má vynikající chemickou odolnost, takže s postupným zvyšováním jeho přidávaného množství se antikorozní vlastnosti nátěru postupně zlepšují.

Výsledky výkonnostních testů polyethylenových práškových povlaků s různými výše uvedenými recepturami ukazují, že polyethylenové práškové povlaky připravené podle schématu 3 a schématu 4 mají nejen vysokou tekutost, ale také vynikající mechanické vlastnosti a antikorozní odolnost, což splňuje výkonnostní požadavky práškových povlaků pro bateriové boxy. Obecně platí, že čím vyšší je rychlost toku taveniny polyethylenových práškových povlaků, tím lepší je vyrovnávací účinnost a hladší je povrch povlaku. Pokud je rychlost toku taveniny běžně používaných polyethylenových práškových povlaků vyšší než 10 g/(10 min), mohou splňovat vyšší požadavky na vyrovnávací schopnost. Rychlosti toku taveniny podle schématu 5 a schématu 6 jsou však nižší než 10 g/(10 min), takže nemohou splňovat požadavky na vyrovnávací schopnost. Ačkoli schéma 1 má relativně vysokou rychlost toku taveniny, její pevnost a houževnatost jsou nízké a neprochází testem odolnosti vůči kyselinám; schéma 2 nevykazuje žádné zjevné zlepšení mechanických vlastností a adheze se po ponoření do kyseliny snižuje, takže jej lze použít v situacích, kdy jsou vyžadovány vysoké požadavky na vzhled povlaku, ale nízké požadavky na mechanické vlastnosti a antikorozní odolnost.

Závěr 4

V této studii byly smícháním a použitím polyethylenu s různými vlastnostmi navrženy různé schémata práškového lakování modifikovaného polyethylenu a byl testován výkon různých schémat. Výsledky ukazují, že polyethylenové práškové povlaky navržené podle schématu 3 a schématu 4 nejen splňují požadavky na vyrovnání povrchu ochranného povlaku bateriových boxů, ale mají také dobré mechanické vlastnosti a antikorozní odolnost. Výsledky výzkumu hrají důležitou roli v antikorozní ochraně bateriových boxů a výzkumné myšlenky mají důležitý vodítko pro návrh modifikačních polyethylenových práškových povlaků.

Reference

[1] Ji Y. Domácí trh s práškovými barvami rychle roste [J]. Informace o stavebním průmyslu, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Stručná analýza obtížné situace a protiopatření vývoje vozidel s novými energetickými zdroji [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Technologie proti korozi průmyslových bateriových boxů [J]. Shipbuilding Technology, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK a kol. Nejnovější pokrok ve výzkumu nových nátěrů [J]. Coating and Protection, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Výzkum vysoce kvalitních polyethylenových práškových nátěrů [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Rázová houževnatost a rychlost toku taveniny směsí polyethylenu s vysokou hustotou [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y a kol. Pokrok ve výzkumu modifikace tekutosti nosičů z ultravysokomolekulárního polyethylenu [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Související příspěvky:

Termoplastický prášek pro bateriové boxy