Akkumulátordobozok polietilén porbevonatainak vizsgálata

Absztrakt

Hatféle polietilén porbevonatot terveztek akkumulátordobozokhoz különböző tulajdonságokkal rendelkező polietilén keverési módosításával. A különböző keverési sémákkal kapott polietilén porbevonatok bevonófóliáinak olvadékfolyási sebességének, mechanikai tulajdonságainak és savállóságának vizsgálatával kiválasztották a legjobb átfogó teljesítményt nyújtó polietilén porbevonat formuláját. Az elkészített polietilén porbevonat megfelel az akkumulátordobozok felületkiegyenlítési követelményeinek, ugyanakkor kiváló mechanikai tulajdonságokkal és vegyi ellenállással rendelkezik, ami hatékonyan javíthatja az akkumulátordobozok élettartamát.

Kulcsszavak

Akkumulátordoboz; Polietilén; Keverés; Porbevonatok
Osztályozási kód: TQ637.82
Dokumentumkód: A

1 Bevezetés

A környezetvédelem egyre szigorúbb követelményeivel a kipufogógáz-kibocsátás szabályozása és a légszennyezés csökkentése fontos környezetvédelmi mutatóvá vált [1].

A hagyományos üzemanyaggal működő járművek általában fosszilis tüzelőanyagokat használnak energiaforrásként, és legsúlyosabb hátrányuk a nagy mennyiségű kipufogógáz kibocsátása, ami súlyosan szennyezi a környezetet. Ezzel szemben az új energiahordozókkal működő járművek, amelyek akkumulátorokat használnak vontatási energiaként, nem termelnek kipufogógáz-kibocsátást és nem szennyezik a légkört, így egyre inkább előnyben részesítik őket a piac [2].

Az ipari akkumulátordobozok élettartama alatt az akkumulátorsav korrodálja őket, ami felgyorsítja a dobozok korrózióját és meghibásodását. Ezért az akkumulátordobozok korrózióvédelme mindig is forró kutatási téma volt. Az ipari akkumulátordobozok általában szénacélból készülnek, amely önmagában nem rendelkezik jó korróziógátló tulajdonságokkal [3].

Ezért csak a dobozok belső és külső falain végzett felületkezeléssel lehet hatékonyan javítani a korróziógátló teljesítményüket. Egy gyakran alkalmazott felületkezelési technológia a doboz felületére felvitt korróziógátló bevonat rétege, amely bevonatnak nemcsak a savas eróziónak kell ellenállnia, hanem szorosan kell tapadnia az aljzathoz is.

A polietilén porbevonatok általában polietilén gyantából, adalékanyagokból, töltőanyagokból, pigmentekből stb. állnak. Ezek hőre lágyuló porbevonatok, kiváló vegyszerállósággal és magas költséghatékonysággal.

Figyelembe véve az akkumulátordobozok korrózióvédelmi követelményeit, valamint a megjelenéssel és a költségekkel szemben támasztott követelményeket, a polietilén porbevonatok gazdaságilag megvalósítható korrózióvédelmi bevonási lehetőséget jelentenek. Ellentmondás van azonban a polietilén mechanikai tulajdonságai és folyékonysága között. A polietilén porbevonatoknak általában nehéz kiváló folyékonysági és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezniük, ezért módosítani kell őket, hogy megfeleljenek az akkumulátordobozok bevonási követelményeinek. Ebben a tanulmányban különböző tulajdonságokkal rendelkező polietilén módosításának keverésével egy polietilén porbevonatot terveztek akkumulátordobozokhoz. Ez a bevonat kiváló mechanikai tulajdonságokkal, vegyi ellenállással, nagy tapadású és jó felületi kiegyenlítődéssel rendelkezik.

2 Kísérleti részleg

2.1 Kísérleti alapanyagok és eszközök

2.1.1 Nyersanyagok

• Polietilén (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polietilén (PE-D): Dow Chemical;
• Polietilén (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japán;
• Polietilén ragasztó (MAH-g-PE): SZ-07 modell, Huangshan Beno Technology;
• Antioxidáns: K7001 modell, Luan JIENT;
• Fénystabilizátor: UV531 modell, BASF;
• Polietilénviasz folyási szer: Shanghai Additive Factory;
• Gócképző ágens: Hyperform HPN-20E modell, Milliken Chemical, USA;
• Pigmentált korom: R600R modell, Cabot.

2.1.2 Hangszerek

• Kétcsigás extruder: T-35 modell, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Lemezvulkanizáló gép: XLB-D modell, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Környezeti feszültségrepedés-vizsgáló: NYK-06 modell, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Univerzális műanyagvizsgáló gép: WDS-3 modell, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Kísérleti módszerek

2.2.1 Porbevonatok előkészítése

A nyersanyagokat az 1. táblázatban található képlet szerint mértük le, és egy nagy sebességű keverőbe adtuk. A keveréket ezután egy kétcsigás extruderbe adagoltuk olvadékextrudálásos granuláláshoz 160 °C-on. A granulátumokat egy malomba helyeztük porrá zúzáshoz, majd osztályoztuk és szitáltuk.

1. táblázat A polietilén porbevonat képlete

2.2.2 Bevonatok előkészítése

Fluidágyas mártással történő eljárással polietilén porbevonatokat vittek fel akkumulátordobozok felületére. Az akkumulátordoboz felületét először homokfúvással kezelték, majd kemencében 250-350°C-ra melegítették. Ezt követően fluidágyas mártással vitték fel a polietilén porbevonatot, és a lágyítást a munkadarab maradékhőjének felhasználásával vagy kemencébe helyezéssel érték el.

2.2.3 Minták előkészítése teljesítményvizsgálathoz

A polietilén por mechanikai tulajdonságainak vizsgálatához mintákat présöntéssel készítettünk.

2.3 Teljesítményteszt

• A polietilén porbevonatok olvadékfolyási sebességét (MFR) a GB/T 3682-2018 szabvány szerint vizsgálták;
• A polietilén porbevonatok környezeti feszültségrepedés (ESC) teljesítményét a GB/T 1842-2008 szabvány szerint vizsgálták;
• A polietilén porbevonatok szakítószilárdsági tulajdonságait a GB/T 1040.2-2018 szabvány szerint vizsgálták;
• A polietilén porbevonatok savállóságát 30 tömegszázalékos kénsavoldattal vizsgálták a GB/T 11547-2008 szabvány szerint;
• A polietilén porbevonatok tapadását a GB/T 9286-2008 szabvány szerint vizsgálták.

Az akkumulátordobozok polietilén porbevonatainak fő teljesítménymutatóit a 2. táblázat mutatja.

2. táblázat Az akkumulátordobozok polietilén bevonatainak fő teljesítménymutatói

3 Eredmények és vita

3.1 A polietilén teljesítményelemzése

A különböző típusú polietilének teljesítményparamétereinek elemzése előfeltétele a kevert polietilén porbevonatok formulájának megtervezésének. Ebben a tanulmányban 5 különböző típusú polietilént választottak ki porbevonatok alapanyagaként, és tulajdonságaikat a vonatkozó szabványoknak megfelelően tesztelték. Az eredményeket a 3. táblázat mutatja.

Amint a 3. táblázatból látható, a PE-A és a PE-B rendkívül magas olvadékfolyási sebességgel rendelkezik, így megfelelnek a bevonat magas felületi kiegyenlítő képességére vonatkozó követelményeknek. A PE-A és a PE-B szívóssága azonban viszonylag gyenge. A PE-A szakadási nyúlása csak 100%, feszültségrepedés-állósági ideje pedig mindössze 1 óra, így nem tudja kielégíteni az akkumulátordoboz-bevonatok mechanikai tulajdonságkövetelményeit. A PE-C egy lineáris, kis sűrűségű polietilén, mérsékelt olvadékfolyási sebességgel, amely alapvetően megfelel a hagyományos bevonatok kiegyenlítő képességére vonatkozó követelményeknek, de szívóssága is gyenge. Mind a PE-D, mind a PE-E metallocén lineáris, kis sűrűségű polietilén, és mindkettő kiváló szívóssággal és szakítószilárdsággal rendelkezik. A különbség az, hogy a PE-E rendkívül alacsony olvadékfolyási indexszel rendelkezik, ami nem tudja kielégíteni a bevonat kiegyenlítő megjelenésére vonatkozó követelményeket.

3. táblázat Különböző típusú polietilének tulajdonságai

3.2 Polietilén kiválasztása és optimalizálása

A polietilén olvadékfolyási sebessége (MFR) a polietilén forró olvadékállapotú folyékonyságát tükrözi, és bizonyos mértékig a polietilén bevonat kiegyenlítő hatását is képviseli. Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb az MFR érték, annál jobb a bevonat kiegyenlítő hatása. Minél azonban magasabb az MFR érték, annál alacsonyabb a polietilén relatív molekulatömege, és annál rosszabbak a mechanikai tulajdonságai. Ezért gyakran nehéz egyszerre teljesíteni a folyékonysági és a mechanikai tulajdonságokra vonatkozó követelményeket, amit a 3. táblázatban bemutatott vizsgálati eredmények is igazolnak. Ha különböző tulajdonságokkal rendelkező polietiléneket kevernek össze és együtt használnak fel, hogy a keverék kiváló folyékonysági és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezzen, elméletileg olyan polietilén porbevonatok állíthatók elő, amelyek átfogó tulajdonságokkal rendelkeznek, és megfelelnek a követelményeknek.

4. táblázat Különböző keverési sémák

 A 3. táblázatból látható, hogy mind a PE-A, mind a PE-B magas olvadékfolyási sebességgel rendelkezik, de a PE-B viszonylag nagyobb szívóssággal rendelkezik, így a PE-B mátrixanyagként használható a keverék folyékonyságának javítására; a PE-D és a PE-E jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, és mátrixanyagként használható a keverék mechanikai tulajdonságainak javítására. A PE-E azonban alacsony olvadékfolyási sebességgel rendelkezik, így nem alkalmas mátrixanyagként. A nagy átlagos relatív molekulatömegű polietilén, mint például a PE-E esetében a láncok összefonódási sűrűsége magas, az áramlási sebessége pedig alacsony. Azonban külső terhelések hatására a folyásmechanizmusa főként a nyíródeformáció, és a molekuláris áramlás nem könnyen alakul ki, így nagy szilárdságú és szívósságú [6]. Ezért a PE-B-t és a PE-D-t különböző arányokban keverték össze a módosított polietilén előállításához. Ugyanakkor a polietilén porbevonat és az akkumulátordoboz hordozója közötti kötési erő javítása érdekében megfelelő mennyiségű polietilén ragasztót (MAH-g-PE) kell hozzáadni. A polietilén ragasztó egy kötőanyag, amelyet maleinsavanhidrid polietilénre oltásával állítanak elő. Összefoglalva, 6 különböző keverési sémát terveztek, amint azt a 4. táblázat mutatja.

3.3 Polietilén porbevonatok teljesítményelemzése

Az 1. táblázat alapján, a 4. táblázatban szereplő keverési sémák szerint a nyersanyagokat összekeverték, extrudálták és zúzták a polietilén porbevonatok előállításához. A porbevonatok olvadékfolyási sebességét, szakítószilárdsági tulajdonságait, feszültségrepedés-állóságát és savállóságát a nemzeti szabványoknak megfelelően vizsgálták. Az eredményeket az 5. táblázat mutatja.

5. táblázat Különböző keverési sémák teljesítménytesztjének eredményei

Amint az az 5. táblázatból látható, a keverék olvadékfolyási sebessége gyorsan csökken a PE-D arányának növekedésével. Ez főként azért van, mert amikor a PE-B-t (alacsony relatív molekulatömegű) PE-D-vel (nagy relatív molekulatömegű) keverik, és extruderrel olvadékextrudálják, a hosszú molekulaláncok beborítják a rövid molekulaláncokat, ami az olvadékfolyási sebesség gyors csökkenéséhez vezet. Ezért az alacsony folyékonyságú polietilén hozzáadott mennyisége nagyban befolyásolja a keverék folyékonyságát, és különös figyelmet kell fordítani a hozzáadott mennyiségre a kevert polietilén porbevonatok formulájának tervezésekor. Más szempontból a PE-D (alacsony folyékonyságú polietilén) folyékonysága szintén jelentősen javítható a PE-B-vel (viszonylag nagy folyékonyságú polietilén) való összekeverés után. Ez azért van, mert a rövid molekulaláncú polietilén sűrűn beilleszthető a hosszú molekulaláncú polietilénbe, ami réteges szerkezetet képez, ezáltal gyengítve a molekulaláncok összefonódását. A nagy relatív molekulatömegű polietilén folyásmódosítói általában ezt az elvet alkalmazzák a polietilén folyékonyságának javítására [7].

Az 5. táblázatból az is látható, hogy a kevert polietilén porbevonatok szakítószilárdsága és szakadási nyúlása fokozatosan növekszik a PE-D hozzáadott mennyiségének növekedésével, ami azt jelzi, hogy a két különböző típusú polietilén közötti kompatibilitás jó. Ez főként annak köszönhető, hogy a PE-B és a PE-D entalpia- és entrópiaértékei hasonlóak, így a keverék szabadenergiája alapvetően nem változik, és a két típusú polietilén közötti kompatibilitás magas. Az 1. reakcióvázlathoz képest a 6. reakcióvázlat jelentősen megnöveli a szilárdságot, a szakadási nyúlás a kétszeresére nő, és a bevonat szívóssága jelentősen javul. Bár a bevonat szilárdsága és szívóssága jelentősen javul a PE-D hozzáadott mennyiségének növekedésével, a javulás mértéke jóval alacsonyabb, mint az olvadékfolyási sebesség csökkenési mértéke. Ez azért van, mert a PE-B beépítése csökkenti a PE-D molekuláris láncainak összefonódási sűrűségét, így a molekuláris láncok áramlása nagyobb valószínűséggel következik be a nyújtási folyamat során, miközben a nyíróhatás gyengül.

Az akkumulátordoboz felületére felvitt polietilén bevonat esetében a belső szerkezet stabilizációs hajlama és a sarkokban kialakuló feszültségkoncentráció által okozott feszültségfelszabadulás a bevonat repedését okozhatja. Ezért a feszültségrepedés-állóság fontos szabvány a bevonat élettartamának mérésére. Az 5. táblázatban szereplő környezeti igénybevételi teszteredményekből látható, hogy a polietilén porbevonat feszültségrepedés-állósága összhangban van a szívósságával, azaz minél nagyobb a bevonat szívóssága, annál jobb a feszültségrepedés-állóság. A PE-D jelentősen javíthatja a kevert polietilén porbevonat feszültségrepedés-állóságát.

Az akkumulátordobozok polietilén porbevonatát folyamatosan korrodálja az akkumulátorsav, ezért kiváló korrózióállósággal kell rendelkeznie. Az 5. táblázatban található savállósági vizsgálati eredményekből látható, hogy miután az 1. reakcióvázlat szerint előállított polietilén porbevonatot savas oldatba merítik, nem képződnek buborékok vagy oldódás, de erős duzzanat következik be, és a bevonat tapadási fokozata csak 5; az 1. reakcióvázlattal összehasonlítva a 2. reakcióvázlat szerint előállított bevonat viszonylag kevésbé duzzad a savas oldattal történő korrodálás után, és a tapadás eléri a 3. fokozatot; a más reakcióvázlatokkal előállított polietilén bevonatok nem mutatnak nyilvánvaló korróziós jelenséget, és a bevonat tapadása elérheti az 1. fokozatot. Maga a metallocén PE-D kiváló kémiai ellenállással rendelkezik, így az adagolási mennyiség fokozatos növelésével a bevonat korrózióállósága fokozatosan javul.

A fent tervezett, különböző formulákkal készült polietilén porbevonatok teljesítményvizsgálatai alapján az eredmények azt mutatják, hogy a 3. és 4. reakcióvázlat szerint előállított polietilén porbevonatok nemcsak nagy folyékonysággal rendelkeznek, hanem kiváló mechanikai tulajdonságokkal és korróziógátló teljesítménnyel is, amelyek megfelelnek az akkumulátordobozok porbevonataival szemben támasztott teljesítménykövetelményeknek. Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb a polietilén porbevonatok olvadékfolyási sebessége, annál jobb a kiegyenlítő teljesítmény és annál simább a bevonat felülete. Ha az általánosan használt polietilén porbevonatok olvadékfolyási sebessége nagyobb, mint 10 g/(10 perc), akkor megfelelnek a magasabb kiegyenlítő követelményeknek. Az 5. és 6. reakcióvázlat szerinti olvadékfolyási sebesség azonban alacsonyabb, mint 10 g/(10 perc), így nem tudják teljesíteni a kiegyenlítő követelményeket. Bár az 1. reakcióvázlat viszonylag magas olvadékfolyási sebességgel rendelkezik, szilárdsága és szívóssága gyenge, és nem felel meg a savállósági vizsgálatnak; a 2. reakcióvázlat nem mutat észrevehető javulást a mechanikai tulajdonságokban, és a tapadás savas bemerítés után csökken, így olyan helyzetekben alkalmazható, ahol magas bevonat megjelenési követelmények, de alacsony mechanikai tulajdonságok és korróziógátló teljesítménykövetelmények szükségesek.

Következtetés 4

Ebben a tanulmányban különböző tulajdonságokkal rendelkező polietilén keverésével és felhasználásával különböző keverési módokkal módosított polietilén porbevonat-sémákat terveztek, és a különböző sémák teljesítményét tesztelték. Az eredmények azt mutatják, hogy a 3. és 4. séma szerint tervezett polietilén porbevonatok nemcsak az akkumulátordoboz-védőbevonat felületkiegyenlítési követelményeit elégítik ki, hanem jó mechanikai tulajdonságokkal és korróziógátló teljesítménnyel is rendelkeznek. A kutatási eredmények fontos szerepet játszanak az akkumulátordobozok korrózióvédelmében, és a kutatási ötletek fontos iránymutató jelentőséggel bírnak a polietilén porbevonatok módosításának tervezéséhez.

Referenciák

[1] Ji Y. A hazai porbevonat piac gyorsan növekszik [J]. Építőanyag-ipari Információk, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Az új energiájú járműfejlesztés nehézségeinek és ellenintézkedéseinek rövid elemzése [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Ipari akkumulátordobozok korrózióvédelmi technológiája [J]. Hajóépítési technológia, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK és mások. Az új bevonatok legújabb kutatási eredményei [J]. Bevonatok és védelem, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Kiváló minőségű polietilén porbevonatok kutatása [J]. Bevonattechnológia, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Nagy sűrűségű polietilén keverékek ütésállósága és olvadékfolyási sebessége [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y és mások. Kutatási eredmények az ultranagy molekulatömegű polietilén hordozók fluiditásmódosításában [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Kapcsolódó hozzászólások:

Hőre lágyuló por akkumulátor dobozokhoz