Studi Pelapis Serbuk Polietilen untuk Kotak Baterai

Abstrak

Enam jenis lapisan bubuk polietilen untuk kotak baterai dirancang melalui modifikasi pencampuran polietilen dengan sifat yang berbeda. Dengan menguji laju aliran leleh, sifat mekanik, dan ketahanan asam dari lapisan film bubuk polietilen yang diperoleh dari skema pencampuran yang berbeda, formula lapisan bubuk polietilen dengan kinerja komprehensif terbaik berhasil dipilih. Lapisan bubuk polietilen yang dihasilkan dapat memenuhi persyaratan perataan permukaan kotak baterai, dan pada saat yang sama memiliki sifat mekanik dan ketahanan kimia yang sangat baik, yang dapat secara efektif meningkatkan masa pakai kotak baterai.

Kata kunci

Kotak baterai; Polietilen; Pencampuran; Pelapis bubuk
Kode Klasifikasi: TQ637.82
Kode Dokumen: A

1 Pendahuluan

Dengan semakin ketatnya persyaratan perlindungan lingkungan, pengendalian emisi gas buang dan pengurangan polusi udara telah menjadi indikator perlindungan lingkungan yang penting [1].

Kendaraan berbahan bakar konvensional umumnya menggunakan bahan bakar fosil sebagai sumber tenaga, dan kelemahan utamanya adalah emisi gas buang dalam jumlah besar, yang sangat mencemari lingkungan. Sebaliknya, kendaraan energi baru yang menggunakan baterai sebagai tenaga traksi tidak menghasilkan emisi gas buang dan tidak menimbulkan polusi di atmosfer, sehingga semakin diminati pasar [2].

Selama masa pakai kotak baterai industri, kotak tersebut terkikis oleh asam baterai, yang mempercepat korosi dan kerusakannya. Oleh karena itu, anti-korosi kotak baterai selalu menjadi topik penelitian yang hangat. Kotak baterai industri biasanya terbuat dari baja karbon, yang kinerja anti-korosinya sendiri kurang baik [3].

Oleh karena itu, hanya dengan melakukan perawatan permukaan pada dinding bagian dalam dan luar kotak, kinerja anti-korosinya dapat ditingkatkan secara efektif. Teknologi perawatan permukaan yang umum digunakan adalah dengan mengaplikasikan lapisan anti-korosi pada permukaan kotak, dan lapisan tersebut tidak hanya harus tahan terhadap erosi asam tetapi juga melekat erat pada substrat.

Pelapis bubuk polietilen biasanya terdiri dari resin polietilen, aditif, pengisi, pigmen, dan lain-lain. Ini adalah pelapis bubuk termoplastik dengan ketahanan kimia yang sangat baik dan efektivitas biaya yang tinggi.

Dengan mempertimbangkan persyaratan anti-korosi kotak baterai, serta persyaratan tampilan dan biaya, pelapis serbuk polietilena merupakan pilihan pelapis anti-korosi yang ekonomis. Namun, terdapat kontradiksi antara sifat mekanik dan fluiditas polietilena. Pelapis serbuk polietilena biasanya sulit untuk mencapai fluiditas dan sifat mekanik yang sempurna, sehingga harus dimodifikasi agar memenuhi persyaratan pelapisan kotak baterai. Dalam studi ini, pelapis serbuk polietilena untuk kotak baterai dirancang dengan mencampur modifikasi polietilena dengan sifat yang berbeda. Pelapis ini memiliki sifat mekanik yang sangat baik, ketahanan kimia, daya rekat tinggi, dan perataan permukaan yang baik.

2 Bagian Eksperimen

2.1 Bahan Baku dan Instrumen Percobaan

2.1.1 Bahan Baku

• Polietilen (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polietilen (PE-D): Dow Chemical;
• Polietilen (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Jepang;
• Perekat polietilen (MAH-g-PE): Model SZ-07, Teknologi Huangshan Beno;
• Antioksidan: Model K7001, Luan JIENT;
• Stabilisator cahaya: Model UV531, BASF;
• Agen aliran lilin polietilen: Pabrik Aditif Shanghai;
• Agen nukleasi: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, AS;
• Pigmen karbon hitam: Model R600R, Cabot.

2.1.2 Instrumen

• Ekstruder sekrup kembar: Model T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Mesin vulkanisir pelat: Model XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Penguji retak tegangan lingkungan: Model NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Mesin uji universal untuk plastik: Model WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Metode Eksperimental

2.2.1 Persiapan Pelapis Serbuk

Bahan baku ditimbang sesuai formula pada Tabel 1 dan dimasukkan ke dalam mixer untuk pencampuran berkecepatan tinggi. Campuran kemudian dimasukkan ke dalam ekstruder sekrup ganda untuk granulasi ekstrusi leleh pada suhu 160°C. Granul dimasukkan ke dalam mesin penggiling untuk dihancurkan menjadi bubuk, kemudian diklasifikasikan dan diayak.

Tabel 1 Formula Pelapis Serbuk Polietilen

2.2.2 Persiapan Pelapis

Metode pencelupan fluidized bed digunakan untuk menyiapkan lapisan bubuk polietilen pada permukaan kotak baterai. Permukaan kotak baterai pertama-tama di-sandblasting, kemudian dipanaskan hingga 250-350°C dalam oven. Setelah itu, lapisan bubuk polietilen diaplikasikan dengan metode pencelupan fluidized bed, dan plastisasi dicapai dengan menggunakan panas sisa dari benda kerja atau dengan menempatkannya dalam oven.

2.2.3 Persiapan Sampel untuk Pengujian Kinerja

Sampel untuk pengujian sifat mekanik serbuk polietilena disiapkan dengan pencetakan kompresi.

2.3 Pengujian Kinerja

• Laju aliran leleh (MFR) pelapis bubuk polietilen diuji sesuai dengan GB/T 3682-2018;
• Kinerja retak tegangan lingkungan (ESC) dari pelapis bubuk polietilena diuji sesuai dengan GB/T 1842-2008;
• Sifat tarik pelapis serbuk polietilena diuji sesuai dengan GB/T 1040.2-2018;
• Ketahanan asam terhadap pelapis bubuk polietilena diuji menggunakan larutan asam sulfat 30% (fraksi massa) sesuai dengan GB/T 11547-2008;
• Daya rekat lapisan serbuk polietilena diuji sesuai dengan GB/T 9286-2008.

Indikator kinerja utama pelapis bubuk polietilena untuk kotak baterai ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Indikator Kinerja Utama Pelapis Polietilen untuk Kotak Baterai

3 Hasil dan Diskusi

3.1 Analisis Kinerja Polietilen

Menganalisis parameter kinerja berbagai jenis polietilena merupakan prasyarat untuk merancang formula pelapis serbuk polietilena campuran. Dalam studi ini, 5 jenis polietilena yang berbeda dipilih sebagai bahan baku pelapis serbuk, dan sifat-sifatnya diuji sesuai dengan standar yang relevan. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3.

Seperti yang dapat dilihat dari Tabel 3, PE-A dan PE-B memiliki laju alir leleh yang sangat tinggi, sehingga dapat memenuhi persyaratan untuk perataan permukaan lapisan yang tinggi. Namun, ketangguhan PE-A dan PE-B relatif buruk. Perpanjangan putus PE-A hanya 100%, dan waktu ketahanan retak tegangannya hanya 1 jam, sehingga tidak dapat memenuhi persyaratan sifat mekanis pelapis kotak baterai. PE-C adalah polietilena berdensitas rendah linier dengan laju alir leleh sedang, yang pada dasarnya dapat memenuhi persyaratan perataan pelapis biasa, tetapi ketangguhannya juga buruk. Baik PE-D maupun PE-E adalah polietilena berdensitas rendah linier metalosena, dan keduanya memiliki ketangguhan dan kekuatan tarik yang sangat baik. Perbedaannya adalah PE-E memiliki indeks alir leleh yang sangat rendah, yang tidak dapat memenuhi persyaratan tampilan perataan lapisan.

Tabel 3 Sifat-sifat Berbagai Jenis Polietilen

3.2 Pemilihan dan Optimasi Polietilen

Laju alir leleh (MFR) polietilena merupakan indikator yang mencerminkan fluiditas polietilena dalam keadaan leleh panas, dan sampai batas tertentu mewakili efek perataan lapisan polietilena. Umumnya, semakin tinggi nilai MFR, semakin baik efek perataan lapisan. Namun, semakin tinggi nilai MFR, semakin rendah massa molekul relatif polietilena biasanya, dan semakin buruk sifat mekanisnya. Oleh karena itu, seringkali sulit untuk memenuhi persyaratan fluiditas dan sifat mekanis pada saat yang sama, yang juga diverifikasi oleh hasil uji yang ditunjukkan pada Tabel 3. Jika polietilena dengan sifat yang berbeda dicampur dan digunakan bersama-sama untuk membuat campuran memiliki fluiditas dan sifat mekanis yang sangat baik, secara teoritis, pelapis serbuk polietilena dengan sifat komprehensif yang memenuhi persyaratan dapat disiapkan.

Tabel 4 Skema Pencampuran yang Berbeda

 Dapat dilihat dari Tabel 3 bahwa PE-A dan PE-B memiliki laju alir leleh yang tinggi, tetapi PE-B memiliki ketangguhan yang relatif lebih tinggi, sehingga PE-B dapat digunakan sebagai bahan matriks untuk meningkatkan fluiditas campuran; PE-D dan PE-E memiliki sifat mekanik yang baik dan dapat digunakan sebagai bahan matriks untuk meningkatkan sifat mekanik campuran. Namun, PE-E memiliki laju alir leleh yang rendah, sehingga tidak cocok sebagai bahan matriks. Untuk polietilena dengan massa molekul relatif rata-rata yang besar, seperti PE-E, kerapatan belitan rantai tinggi dan laju alirnya rendah. Namun, ketika dikenakan beban eksternal, mekanisme luluhnya terutama adalah deformasi geser, dan aliran molekul yang jelas tidak mudah terjadi, sehingga memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi [6]. Oleh karena itu, PE-B dan PE-D dicampur dalam proporsi yang berbeda untuk menyiapkan polietilena termodifikasi campuran. Pada saat yang sama, untuk meningkatkan gaya ikatan antara lapisan bubuk polietilena dan substrat kotak baterai, jumlah perekat polietilena (MAH-g-PE) yang sesuai harus ditambahkan. Perekat polietilena adalah pengikat yang dibuat dengan mencangkokkan maleat anhidrida ke polietilena. Sebagai kesimpulan, 6 skema pencampuran yang berbeda dirancang, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.

3.3 Analisis Kinerja Pelapis Serbuk Polietilen

Berdasarkan Tabel 1, sesuai skema pencampuran pada Tabel 4, bahan baku dicampur, diekstrusi, dan dihancurkan untuk menyiapkan pelapis serbuk polietilena. Laju alir leleh, sifat tarik, ketahanan retak tegangan, dan ketahanan asam pelapis serbuk diuji sesuai dengan standar nasional. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 5.

Tabel 5 Hasil Uji Kinerja Berbagai Skema Pencampuran

Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 5, laju alir leleh campuran menurun drastis seiring dengan peningkatan proporsi PE-D. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa ketika PE-B (dengan massa molekul relatif rendah) dicampur dengan PE-D (dengan massa molekul relatif tinggi) dan diekstrusi leleh oleh ekstruder, rantai molekul yang panjang akan melilit rantai molekul yang pendek, sehingga mengakibatkan penurunan laju alir leleh yang cepat. Oleh karena itu, penambahan polietilena dengan fluiditas rendah sangat berpengaruh terhadap fluiditas campuran, dan pertimbangan khusus perlu diberikan pada penambahannya saat merancang formula pelapis serbuk polietilena campuran. Dari perspektif lain, fluiditas PE-D (polietilena dengan fluiditas rendah) juga dapat ditingkatkan secara signifikan setelah dicampur dengan PE-B (polietilena dengan fluiditas relatif tinggi). Hal ini disebabkan polietilena dengan rantai molekul pendek dapat disisipkan secara rapat ke dalam polietilena dengan rantai molekul panjang, sehingga membentuk struktur berlapis, sehingga melemahkan ikatan rantai molekul. Pengubah aliran untuk polietilena dengan massa molekul relatif tinggi biasanya menggunakan prinsip ini untuk meningkatkan fluiditas polietilena [7].

Tabel 5 juga menunjukkan bahwa kekuatan tarik dan perpanjangan putus lapisan serbuk polietilena campuran meningkat secara bertahap seiring dengan penambahan PE-D. Hal ini menunjukkan kompatibilitas yang baik antara kedua jenis polietilena tersebut. Hal ini terutama disebabkan oleh nilai entalpi dan entropi PE-B dan PE-D yang serupa, sehingga pada dasarnya tidak ada perubahan energi bebas campuran, dan kompatibilitas antara kedua jenis polietilena tersebut tinggi. Dibandingkan dengan Skema 1, Skema 6 menunjukkan peningkatan kekuatan yang signifikan, perpanjangan putus meningkat 2 kali lipat, dan ketangguhan lapisan meningkat secara signifikan. Meskipun kekuatan dan ketangguhan lapisan meningkat secara signifikan seiring dengan penambahan PE-D, laju peningkatannya jauh lebih rendah daripada laju penurunan laju alir leleh. Hal ini disebabkan oleh penambahan PE-B yang mengurangi kerapatan ikatan rantai molekul PE-D, sehingga aliran rantai molekul lebih mungkin terjadi selama proses peregangan, sementara efek gesernya melemah.

Untuk lapisan polietilena yang diaplikasikan pada permukaan kotak baterai, pelepasan tegangan yang disebabkan oleh kecenderungan struktur internal untuk stabil dan konsentrasi tegangan yang terbentuk di area sudut dapat menyebabkan retak lapisan. Oleh karena itu, ketahanan retak tegangan merupakan standar penting untuk mengukur masa pakai lapisan. Hasil uji tegangan lingkungan pada Tabel 5 menunjukkan bahwa ketahanan retak tegangan lapisan serbuk polietilena konsisten dengan ketangguhannya. Artinya, semakin tinggi ketangguhan lapisan, semakin baik pula ketahanan retak tegangannya. PE-D dapat meningkatkan ketahanan retak tegangan lapisan serbuk polietilena campuran secara signifikan.

Lapisan serbuk polietilena untuk kotak baterai terus-menerus terkorosi oleh asam baterai, sehingga harus memiliki kinerja anti-korosi yang sangat baik. Hal ini dapat dilihat dari hasil uji ketahanan asam pada Tabel 5 bahwa setelah lapisan serbuk polietilena yang dibuat oleh Skema 1 direndam dalam larutan asam, tidak ada gelembung atau pelarutan, tetapi terjadi pembengkakan parah, dan tingkat adhesi lapisan hanya 5; dibandingkan dengan Skema 1, lapisan yang dibuat oleh Skema 2 memiliki pembengkakan yang relatif lebih sedikit setelah terkorosi oleh larutan asam, dan adhesi mencapai tingkat 3; lapisan polietilena yang dibuat oleh skema lain tidak memiliki fenomena korosi yang jelas, dan adhesi lapisan dapat mencapai di atas tingkat 1. Metallocene PE-D sendiri memiliki ketahanan kimia yang sangat baik, sehingga dengan peningkatan jumlah penambahannya secara bertahap, kinerja anti-korosi lapisan secara bertahap ditingkatkan.

Melalui uji kinerja pelapis bubuk polietilena dengan formula berbeda yang dirancang di atas, hasilnya menunjukkan bahwa pelapis bubuk polietilena yang disiapkan oleh Skema 3 dan Skema 4 tidak hanya memiliki fluiditas tinggi, tetapi juga memiliki sifat mekanik yang sangat baik dan kinerja anti-korosi, yang dapat memenuhi persyaratan kinerja pelapis bubuk untuk kotak baterai. Umumnya, semakin tinggi laju aliran leleh pelapis bubuk polietilena, semakin baik kinerja perataan dan semakin halus permukaan pelapis. Ketika laju aliran leleh pelapis bubuk polietilena yang umum digunakan lebih tinggi dari 10 g/(10 menit), ia dapat memenuhi persyaratan perataan yang lebih tinggi. Namun, laju aliran leleh Skema 5 dan Skema 6 lebih rendah dari 10 g/(10 menit), sehingga tidak dapat memenuhi persyaratan perataan. Meskipun Skema 1 memiliki laju aliran leleh yang relatif tinggi, kekuatan dan ketangguhannya buruk, dan gagal dalam uji ketahanan asam; Skema 2 tidak memiliki peningkatan yang nyata dalam sifat mekanis, dan daya rekat berkurang setelah perendaman asam, sehingga dapat diterapkan pada situasi yang memerlukan persyaratan tampilan pelapisan tinggi, tetapi memerlukan persyaratan sifat mekanis dan kinerja anti-korosi yang rendah.

4 Kesimpulan

Dalam penelitian ini, dengan mencampur dan menggunakan polietilena dengan sifat yang berbeda, berbagai skema pelapisan serbuk polietilena termodifikasi dengan pencampuran yang berbeda dirancang, dan kinerjanya diuji. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pelapisan serbuk polietilena yang dirancang sesuai Skema 3 dan Skema 4 tidak hanya dapat memenuhi persyaratan perataan permukaan lapisan pelindung kotak baterai, tetapi juga memiliki sifat mekanik dan kinerja anti-korosi yang baik. Hasil penelitian ini memainkan peran penting dalam perlindungan anti-korosi kotak baterai, dan gagasan penelitian ini memiliki signifikansi panduan yang penting untuk desain modifikasi pelapisan serbuk polietilena.

Referensi

[1] Ji Y. Pasar pelapis bubuk domestik tumbuh pesat [J]. Informasi Industri Bahan Bangunan, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Analisis singkat tentang kesulitan dan tindakan pencegahan pengembangan kendaraan energi baru [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Teknologi anti-korosi kotak baterai industri [J]. Teknologi Pembuatan Kapal, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK, dkk. Kemajuan penelitian terbaru pelapis baru [J]. Pelapisan dan Perlindungan, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Penelitian tentang pelapis bubuk polietilen berkualitas tinggi [J]. Teknologi Pelapisan, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Kekuatan impak dan laju aliran lelehan campuran polietilen berdensitas tinggi [J]. Ilmu dan Teknik Material Polimer, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y, dkk. Kemajuan penelitian dalam modifikasi fluiditas pembawa polietilen dengan berat molekul sangat tinggi [J]. Aplikasi Plastik Teknik, 2014(10): 113-117.

Pos terkait:

Bubuk Termoplastik untuk Kotak Baterai