Estudio sobre recubrimientos de polietileno en polvo para cajas de baterías

Resumen

Se diseñaron seis tipos de recubrimientos en polvo de polietileno para cajas de baterías mediante la modificación de la mezcla de polietileno con diferentes propiedades. Tras analizar la fluidez, las propiedades mecánicas y la resistencia a los ácidos de las películas de recubrimiento obtenidas con diferentes esquemas de mezcla, se seleccionó la fórmula con el mejor rendimiento integral. El recubrimiento en polvo de polietileno preparado cumple con los requisitos de nivelación superficial de las cajas de baterías y, al mismo tiempo, posee excelentes propiedades mecánicas y resistencia química, lo que permite prolongar eficazmente la vida útil de las mismas.

PALABRAS CLAVE

Caja de batería; Polietileno; Mezcla; Recubrimientos en polvo
Código de clasificación: TQ637.82
Código del documento: A

1 Introducción

Con los requisitos cada vez más estrictos de protección del medio ambiente, el control de las emisiones de gases de escape y la reducción de la contaminación del aire se han convertido en indicadores importantes de protección del medio ambiente [1].

Los vehículos de combustible tradicional generalmente utilizan combustibles fósiles como fuente de energía, y su mayor inconveniente es la emisión de grandes cantidades de gases de escape, que contaminan gravemente el medio ambiente. Por el contrario, los vehículos de nueva energía que utilizan baterías de almacenamiento como fuente de tracción no producen emisiones de escape ni contaminan la atmósfera, por lo que gozan de una creciente popularidad en el mercado [2].

Durante su vida útil, las cajas de baterías industriales se erosionan por el ácido de la batería, lo que acelera su corrosión y sus fallos. Por lo tanto, la anticorrosión de las cajas de baterías siempre ha sido un tema de investigación de gran interés. Las cajas de baterías industriales suelen estar hechas de acero al carbono, que por sí mismo no ofrece un buen rendimiento anticorrosivo [3].

Por lo tanto, solo mediante un tratamiento superficial en las paredes internas y externas de las cajas se puede mejorar eficazmente su rendimiento anticorrosivo. Una tecnología de tratamiento superficial comúnmente utilizada consiste en aplicar una capa de recubrimiento anticorrosivo sobre la superficie de la caja. Este recubrimiento debe resistir la erosión ácida y adherirse firmemente al sustrato.

Los recubrimientos en polvo de polietileno suelen estar compuestos de resina de polietileno, aditivos, cargas, pigmentos, etc. Son recubrimientos termoplásticos en polvo con excelente resistencia química y alta rentabilidad.

Considerando los requisitos anticorrosivos de las cajas de baterías, así como los requisitos de apariencia y costo, los recubrimientos de polietileno en polvo son una opción económicamente viable. Sin embargo, existe una contradicción entre las propiedades mecánicas y la fluidez del polietileno. Los recubrimientos de polietileno en polvo suelen ser difíciles de lograr con una fluidez y propiedades mecánicas excelentes, por lo que deben modificarse para cumplir con los requisitos de recubrimiento de las cajas de baterías. En este estudio, mediante la modificación de mezclas de polietileno con diferentes propiedades, se diseñó un recubrimiento de polietileno en polvo para cajas de baterías. Este recubrimiento posee excelentes propiedades mecánicas, resistencia química, alta adhesión y buena nivelación de la superficie.

2 Sección experimental

2.1 Materias primas e instrumentos experimentales

Materias primas 2.1.1

• Polietileno (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polietileno (PE-D): Dow Chemical;
• Polietileno (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japón;
• Adhesivo de polietileno (MAH-g-PE): Modelo SZ-07, Tecnología Huangshan Beno;
• Antioxidante: Modelo K7001, Luan JIENT;
• Estabilizador de luz: Modelo UV531, BASF;
• Agente de flujo de cera de polietileno: Fábrica de aditivos de Shanghai;
• Agente nucleante: Modelo Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, EE.UU.;
• Pigmento negro de carbón: Modelo R600R, Cabot.

2.1.2 Instrumentos

• Extrusora de doble tornillo: Modelo T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Máquina vulcanizadora de placas: Modelo XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Probador de agrietamiento por tensión ambiental: Modelo NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Máquina de ensayos universal para plásticos: Modelo WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Métodos experimentales

2.2.1 Preparación de recubrimientos en polvo

Las materias primas se pesaron según la fórmula de la Tabla 1 y se añadieron a un mezclador para mezclar a alta velocidad. Posteriormente, la mezcla se introdujo en una extrusora de doble tornillo para la granulación por extrusión fundida a 160 °C. Los gránulos se introdujeron en un molino para su trituración y posterior clasificación y tamizado.

Tabla 1 Fórmula del recubrimiento de polvo de polietileno

2.2.2 Preparación de recubrimientos

Se empleó un método de inmersión en lecho fluidizado para preparar recubrimientos de polvo de polietileno en la superficie de las cajas de baterías. La superficie de la caja se sometió primero a un chorro de arena y luego se calentó a 250-350 °C en un horno. Posteriormente, se aplicó el recubrimiento de polvo de polietileno mediante inmersión en lecho fluidizado, y la plastificación se logró utilizando el calor residual de la pieza o colocándola en un horno.

2.2.3 Preparación de muestras para pruebas de rendimiento

Se prepararon muestras para probar las propiedades mecánicas del polvo de polietileno mediante moldeo por compresión.

2.3 Prueba de rendimiento

• La tasa de flujo de fusión (MFR) de los recubrimientos en polvo de polietileno se probó de acuerdo con GB/T 3682-2018;
• El rendimiento del agrietamiento por tensión ambiental (ESC) de los recubrimientos de polvo de polietileno se probó de acuerdo con GB/T 1842-2008;
• Las propiedades de tracción de los recubrimientos en polvo de polietileno se probaron de acuerdo con GB/T 1040.2-2018;
• La resistencia al ácido de los recubrimientos en polvo de polietileno se probó utilizando una solución de ácido sulfúrico al 30 % (fracción de masa) de acuerdo con GB/T 11547-2008;
• La adhesión de recubrimientos de polvo de polietileno se probó de acuerdo con GB/T 9286-2008.

Los principales indicadores de rendimiento de los recubrimientos de polvo de polietileno para cajas de baterías se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Principales indicadores de rendimiento de los recubrimientos de polietileno para cajas de baterías

3 Resultados y discusión

3.1 Análisis del rendimiento del polietileno

El análisis de los parámetros de rendimiento de diferentes tipos de polietileno es fundamental para el diseño de la fórmula de recubrimientos en polvo de polietileno mixto. En este estudio, se seleccionaron cinco tipos diferentes de polietileno como materia prima para recubrimientos en polvo, y sus propiedades se analizaron de acuerdo con las normas pertinentes. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Como se puede ver en la Tabla 3, el PE-A y el PE-B tienen índices de fluidez extremadamente altos, por lo que pueden cumplir con los requisitos de alta nivelación de la superficie del recubrimiento. Sin embargo, la tenacidad del PE-A y el PE-B es relativamente baja. El alargamiento a la rotura del PE-A es solo del 100% y su tiempo de resistencia al agrietamiento por tensión es de solo 1 h, por lo que no puede cumplir con los requisitos de propiedades mecánicas de los recubrimientos de cajas de batería. El PE-C es un polietileno lineal de baja densidad con un índice de fluidez moderado, que básicamente puede cumplir con los requisitos de nivelación de los recubrimientos ordinarios, pero su tenacidad también es baja. Tanto el PE-D como el PE-E son polietilenos lineales de baja densidad de metaloceno, y ambos tienen excelentes tenacidad y resistencia a la tracción. La diferencia es que el PE-E tiene un índice de fluidez extremadamente bajo, que no puede cumplir con los requisitos de apariencia de nivelación del recubrimiento.

Tabla 3 Propiedades de los diferentes tipos de polietileno

3.2 Selección y optimización del polietileno

El índice de fluidez (MFR) del polietileno refleja su fluidez en estado termofusible y, en cierta medida, representa el efecto de nivelación del recubrimiento. Generalmente, cuanto mayor sea el valor de MFR, mejor será el efecto de nivelación del recubrimiento. Sin embargo, cuanto mayor sea el valor de MFR, menor será su masa molecular relativa y peores sus propiedades mecánicas. Por lo tanto, suele ser difícil cumplir simultáneamente los requisitos de fluidez y propiedades mecánicas, como lo demuestran los resultados de las pruebas que se muestran en la Tabla 3. Si se mezclan polietilenos con diferentes propiedades y se utilizan juntos para lograr una mezcla con excelentes propiedades de fluidez y mecánicas, teóricamente se pueden preparar recubrimientos de polietileno en polvo con propiedades que cumplen con todos los requisitos.

Tabla 4 Diferentes esquemas de mezcla

 En la Tabla 3 se puede observar que tanto el PE-A como el PE-B presentan altos índices de fluidez, pero el PE-B presenta una tenacidad relativamente mayor, por lo que puede utilizarse como material matriz para mejorar la fluidez de la mezcla. El PE-D y el PE-E presentan buenas propiedades mecánicas y pueden utilizarse como materiales matriz para mejorar las propiedades mecánicas de la mezcla. Sin embargo, el PE-E presenta un bajo índice de fluidez, por lo que no es adecuado como material matriz. En polietilenos con una masa molecular relativa promedio elevada, como el PE-E, la densidad de enredo de cadenas es alta y el índice de fluidez es bajo. Sin embargo, cuando se somete a cargas externas, su mecanismo de fluencia es principalmente la deformación por cizallamiento, y no es fácil que se produzca un flujo molecular evidente, por lo que presenta alta resistencia y tenacidad [6]. Por lo tanto, se mezclaron PE-B y PE-D en diferentes proporciones para preparar polietileno modificado mezclado. Al mismo tiempo, para mejorar la fuerza de adhesión entre el recubrimiento de polietileno en polvo y el sustrato de la caja de la batería, se debe añadir una cantidad adecuada de adhesivo de polietileno (MAH-g-PE). El adhesivo de polietileno es un aglutinante que se prepara mediante la injertación de anhídrido maleico sobre polietileno. En conclusión, se diseñaron seis esquemas de mezcla diferentes, como se muestra en la Tabla 6.

3.3 Análisis del rendimiento de los recubrimientos de polvo de polietileno

Con base en la Tabla 1, y siguiendo los esquemas de mezcla de la Tabla 4, se mezclaron, extruyeron y trituraron las materias primas para preparar recubrimientos de polietileno en polvo. Se evaluaron el índice de fluidez, las propiedades de tracción, la resistencia al agrietamiento por tensión y la resistencia a los ácidos de los recubrimientos en polvo, de acuerdo con las normas nacionales. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5 Resultados de las pruebas de rendimiento de diferentes esquemas de mezcla

Como se puede observar en la Tabla 5, el índice de fluidez de la mezcla disminuye rápidamente al aumentar la proporción de PE-D. Esto se debe principalmente a que, al mezclar PE-B (de baja masa molecular relativa) con PE-D (de alta masa molecular relativa) y extruirlo en fusión mediante una extrusora, las cadenas moleculares largas envuelven a las cadenas moleculares cortas, lo que resulta en una rápida disminución del índice de fluidez. Por lo tanto, la cantidad añadida de polietileno de baja fluidez influye considerablemente en la fluidez de la mezcla, y debe considerarse especialmente al diseñar la fórmula de recubrimientos en polvo de polietileno mixto. Desde otra perspectiva, la fluidez del PE-D (polietileno de baja fluidez) también puede mejorarse significativamente tras mezclarlo con PE-B (polietileno de fluidez relativamente alta). Esto se debe a que el polietileno de cadenas moleculares cortas puede insertarse densamente en el polietileno de cadenas moleculares largas, formando una estructura en capas y debilitando así el entrelazamiento de las cadenas moleculares. Los modificadores de fluidez para polietileno de alta masa molecular relativa suelen utilizar este principio para mejorar la fluidez del polietileno [7].

La Tabla 5 también muestra que la resistencia a la tracción y el alargamiento a la rotura de los recubrimientos de polietileno en polvo mixtos aumentan gradualmente con la adición de PE-D, lo que indica una buena compatibilidad entre ambos tipos de polietileno. Esto se debe principalmente a que los valores de entalpía y entropía del PE-B y el PE-D son similares, por lo que la energía libre de la mezcla prácticamente no varía y la compatibilidad entre ambos tipos de polietileno es alta. En comparación con el Esquema 1, el Esquema 6 presenta un aumento significativo de la resistencia, el alargamiento a la rotura se duplica y la tenacidad del recubrimiento mejora significativamente. Si bien la resistencia y la tenacidad del recubrimiento mejoran significativamente con la adición de PE-D, la tasa de mejora es mucho menor que la tasa de disminución del índice de fluidez. Esto se debe a que la incorporación de PE-B reduce la densidad de entrelazamiento de la cadena molecular del PE-D, lo que aumenta la probabilidad de que se produzca flujo de la cadena molecular durante el proceso de estiramiento, a la vez que se reduce el efecto de cizallamiento.

En el caso del recubrimiento de polietileno aplicado a la superficie de la caja de la batería, la liberación de tensiones causada por la tendencia de la estructura interna a estabilizarse y la concentración de tensiones en las esquinas puede provocar grietas. Por lo tanto, la resistencia a las grietas es un parámetro importante para medir la vida útil del recubrimiento. Los resultados de las pruebas de estrés ambiental (Tabla 5) muestran que la resistencia a las grietas del recubrimiento de polietileno en polvo es proporcional a su tenacidad; es decir, a mayor tenacidad, mayor resistencia a las grietas. El PE-D puede mejorar significativamente la resistencia a las grietas del recubrimiento de polietileno en polvo mixto.

El recubrimiento de polietileno en polvo para cajas de baterías se corroe continuamente con el ácido de la batería, por lo que debe tener un excelente rendimiento anticorrosivo. Los resultados de la prueba de resistencia al ácido (Tabla 5) muestran que, tras sumergir el recubrimiento de polietileno en polvo preparado con el Esquema 1 en una solución ácida, no se forman burbujas ni se disuelve, pero sí se produce una importante hinchazón, con un grado de adhesión de tan solo 5. En comparación con el Esquema 1, el recubrimiento preparado con el Esquema 2 presenta una hinchazón relativamente menor tras la corrosión ácida, alcanzando un grado de adhesión de 3. Los recubrimientos de polietileno preparados con otros esquemas no presentan fenómenos de corrosión evidentes, y su adhesión puede superar el grado 1. El metaloceno PE-D posee una excelente resistencia química, por lo que, al aumentar gradualmente su cantidad añadida, el rendimiento anticorrosivo del recubrimiento mejora gradualmente.

A través de las pruebas de rendimiento de los recubrimientos de polietileno en polvo con diferentes fórmulas diseñadas anteriormente, los resultados muestran que los recubrimientos de polietileno en polvo preparados por el Esquema 3 y el Esquema 4 no solo tienen alta fluidez, sino que también tienen excelentes propiedades mecánicas y rendimiento anticorrosivo, que pueden cumplir con los requisitos de rendimiento de los recubrimientos en polvo para cajas de baterías. Generalmente, cuanto mayor sea el índice de fluidez de los recubrimientos de polietileno en polvo, mejor será el rendimiento de nivelación y más lisa será la superficie del recubrimiento. Cuando el índice de fluidez de los recubrimientos de polietileno en polvo de uso común es superior a 10 g/(10 min), puede cumplir con los requisitos de nivelación más altos. Sin embargo, los índices de fluidez de los Esquemas 5 y 6 son inferiores a 10 g/(10 min), por lo que no pueden cumplir con los requisitos de nivelación. Aunque el Esquema 1 tiene un índice de fluidez relativamente alto, su resistencia y tenacidad son deficientes y no pasa la prueba de resistencia al ácido; El esquema 2 no tiene una mejora obvia en las propiedades mecánicas y la adhesión disminuye después de la inmersión en ácido, por lo que se puede aplicar a situaciones donde se requieren altos requisitos de apariencia del recubrimiento, pero se requieren bajas propiedades mecánicas y requisitos de rendimiento anticorrosión.

Conclusión 4

En este estudio, mediante la mezcla y el uso de polietileno con diferentes propiedades, se diseñaron diferentes esquemas de recubrimiento en polvo de polietileno modificado y se evaluó su rendimiento. Los resultados muestran que los recubrimientos en polvo de polietileno diseñados según los Esquemas 3 y 4 no solo cumplen con los requisitos de nivelación superficial del recubrimiento protector de la caja de batería, sino que también presentan buenas propiedades mecánicas y un buen rendimiento anticorrosivo. Los resultados de la investigación son fundamentales para la protección anticorrosiva de las cajas de batería, y sus ideas son de gran importancia para el diseño de modificaciones de recubrimientos en polvo de polietileno.

Referencias

[1] Ji Y. El mercado nacional de recubrimientos en polvo crece rápidamente [J]. Información de la industria de materiales de construcción, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Breve análisis de los problemas y las contramedidas en el desarrollo de vehículos de nueva energía [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Tecnología anticorrosión de cajas de baterías industriales [J]. Shipbuilding Technology, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK, et al. Últimos avances en la investigación de nuevos recubrimientos [J]. Recubrimiento y protección, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Investigación sobre recubrimientos en polvo de polietileno de alta calidad [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Resistencia al impacto y tasa de fluidez de mezclas de polietileno de alta densidad [J]. Ciencia e ingeniería de materiales poliméricos, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y, et al. Avances en la investigación sobre la modificación de la fluidez de portadores de polietileno de peso molecular ultraalto [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

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