Badanie powłok proszkowych z polietylenu do skrzynek akumulatorowych

Abstrakcja

Opracowano sześć rodzajów powłok proszkowych z polietylenu do skrzynek akumulatorowych, wykorzystując modyfikację polietylenu o różnych właściwościach. Badając wskaźnik płynięcia, właściwości mechaniczne i odporność na działanie kwasów powłok z polietylenu uzyskanych w różnych schematach mieszania, wybrano formułę powłoki proszkowej z polietylenu o najlepszych właściwościach. Przygotowana powłoka proszkowa z polietylenu spełnia wymagania dotyczące wyrównania powierzchni skrzynek akumulatorowych, a jednocześnie charakteryzuje się doskonałymi właściwościami mechanicznymi i odpornością chemiczną, co może skutecznie wydłużyć żywotność skrzynek akumulatorowych.

Słowa kluczowe

Skrzynka na baterie; Polietylen; Mieszanie; Powłoki proszkowe
Kod klasyfikacyjny: TQ637.82
Kod dokumentu: A

1 Wprowadzenie

W obliczu coraz bardziej rygorystycznych wymagań w zakresie ochrony środowiska, kontrola emisji spalin i redukcja zanieczyszczeń powietrza stały się ważnymi wskaźnikami ochrony środowiska [1].

Pojazdy napędzane tradycyjnymi paliwami zazwyczaj wykorzystują paliwa kopalne jako źródło napędu, a ich najpoważniejszą wadą jest emisja dużej ilości spalin, która poważnie zanieczyszcza środowisko. Z kolei nowe pojazdy energetyczne, wykorzystujące akumulatory jako napęd trakcyjny, nie emitują spalin i nie powodują zanieczyszczenia atmosfery, dlatego cieszą się coraz większym zainteresowaniem rynku [2].

W trakcie eksploatacji przemysłowych skrzynek akumulatorowych ulegają one erozji pod wpływem kwasu akumulatorowego, co przyspiesza korozję i awarie skrzynek. Dlatego też ochrona antykorozyjna skrzynek akumulatorowych zawsze była gorącym tematem badań. Przemysłowe skrzynki akumulatorowe są zazwyczaj wykonane ze stali węglowej, która sama w sobie nie zapewnia dobrych właściwości antykorozyjnych [3].

Dlatego tylko poprzez obróbkę powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych ścian skrzynek można skutecznie poprawić ich właściwości antykorozyjne. Powszechnie stosowaną technologią obróbki powierzchni jest nakładanie warstwy powłoki antykorozyjnej na powierzchnię skrzynki, która musi być nie tylko odporna na erozję kwasową, ale także ściśle przylegać do podłoża.

Powłoki proszkowe z polietylenu składają się zazwyczaj z żywicy polietylenowej, dodatków, wypełniaczy, pigmentów itp. Są to termoplastyczne powłoki proszkowe o doskonałej odporności chemicznej i wysokiej opłacalności.

Biorąc pod uwagę wymagania antykorozyjne skrzynek akumulatorowych, a także wymagania dotyczące wyglądu i kosztów, powłoki proszkowe z polietylenu stanowią ekonomicznie opłacalną opcję powłoki antykorozyjnej. Istnieje jednak sprzeczność między właściwościami mechanicznymi a płynnością polietylenu. Powłoki proszkowe z polietylenu zazwyczaj trudno jest uzyskać zarówno doskonałą płynność, jak i właściwości mechaniczne, dlatego muszą być modyfikowane, aby spełnić wymagania dotyczące powłok skrzynek akumulatorowych. W niniejszym badaniu, poprzez mieszanie modyfikacji polietylenu o różnych właściwościach, zaprojektowano powłokę proszkową z polietylenu do skrzynek akumulatorowych. Powłoka ta charakteryzuje się doskonałymi właściwościami mechanicznymi, odpornością chemiczną, wysoką przyczepnością i dobrym wyrównaniem powierzchni.

2 Sekcja Eksperymentalna

2.1 Surowce i instrumenty eksperymentalne

Surowce 2.1.1

• Polietylen (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polietylen (PE-D): Dow Chemical;
• Polietylen (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japonia;
• Klej polietylenowy (MAH-g-PE): Model SZ-07, Huangshan Beno Technology;
• Przeciwutleniacz: Model K7001, Luan JIENT;
• Stabilizator światła: Model UV531, BASF;
• Środek zwiększający przepływ wosku polietylenowego: Shanghai Additive Factory;
• Środek nukleujący: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, USA;
• Pigment sadza: Model R600R, Cabot.

2.1.2 instrumentów

• Ekstruder dwuślimakowy: Model T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Maszyna wulkanizacyjna do płyt: model XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Urządzenie do badania pęknięć naprężeniowych w środowisku: model NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa do tworzyw sztucznych: Model WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Metody eksperymentalne

2.2.1 Przygotowanie powłok proszkowych

Surowce ważono zgodnie ze wzorem podanym w tabeli 1 i wprowadzano do mieszalnika szybkoobrotowego. Następnie mieszaninę wprowadzano do wytłaczarki dwuślimakowej w celu granulacji metodą wytłaczania ze stopu w temperaturze 160°C. Granulki umieszczano w młynie w celu rozdrobnienia na proszek, a następnie klasyfikowano i przesiewano.

Tabela 1 Wzór powłoki proszkowej polietylenowej

2.2.2 Przygotowanie powłok

Do przygotowania powłok proszkowych z polietylenu na powierzchni obudów akumulatorów zastosowano metodę zanurzania w złożu fluidalnym . Powierzchnię obudowy akumulatora najpierw poddano piaskowaniu, a następnie nagrzano do temperatury 250-350°C w piecu. Następnie powłokę proszkową z polietylenu nałożono metodą zanurzania w złożu fluidalnym, a uplastycznienie uzyskano wykorzystując ciepło resztkowe przedmiotu obrabianego lub umieszczając go w piecu.

2.2.3 Przygotowanie próbek do testów wydajnościowych

Próbki do badania właściwości mechanicznych proszku polietylenowego przygotowano metodą formowania tłocznego.

2.3 Testowanie wydajności

• Wskaźnik płynięcia stopu (MFR) powłok proszkowych z polietylenu badano zgodnie z normą GB/T 3682-2018;
• Odporność powłok proszkowych polietylenowych na pękanie naprężeniowe (ESC) została przetestowana zgodnie z normą GB/T 1842-2008;
• Właściwości rozciągające powłok proszkowych z polietylenu badano zgodnie z normą GB/T 1040.2-2018;
• Odporność powłok proszkowych polietylenu na działanie kwasów badano przy użyciu 30% (ułamek masowy) roztworu kwasu siarkowego zgodnie z normą GB/T 11547-2008;
• Przyczepność powłok proszkowych z polietylenu badano zgodnie z normą GB/T 9286-2008.

Główne wskaźniki efektywności powłok proszkowych z polietylenu stosowanych w obudowach akumulatorowych przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2 Główne wskaźniki wydajności powłok polietylenowych dla obudów akumulatorowych

3 Wyniki i dyskusja

3.1 Analiza wydajności polietylenu

Analiza parametrów użytkowych różnych rodzajów polietylenu jest warunkiem wstępnym do zaprojektowania receptury mieszanych powłok proszkowych z polietylenu. W niniejszym badaniu wybrano 5 różnych rodzajów polietylenu jako surowce do powłok proszkowych, a ich właściwości zbadano zgodnie z odpowiednimi normami. Wyniki przedstawiono w tabeli 3.

Jak widać z Tabeli 3, PE-A i PE-B charakteryzują się wyjątkowo wysokim wskaźnikiem płynięcia, dzięki czemu spełniają wymagania dotyczące wysokiego wyrównania powierzchni powłoki. Jednakże wytrzymałość PE-A i PE-B jest stosunkowo słaba. Wydłużenie przy zerwaniu PE-A wynosi zaledwie 100%, a jego czas odporności na pękanie naprężeniowe wynosi zaledwie 1 godzinę, więc nie może on spełnić wymagań dotyczących właściwości mechanicznych powłok obudów akumulatorowych. PE-C to liniowy polietylen o niskiej gęstości o umiarkowanym wskaźniku płynięcia, który zasadniczo spełnia wymagania dotyczące wyrównania zwykłych powłok, ale jego wytrzymałość jest również słaba. Zarówno PE-D, jak i PE-E to metalocenowy liniowy polietylen o niskiej gęstości i oba charakteryzują się doskonałą wytrzymałością i wytrzymałością na rozciąganie. Różnica polega na tym, że PE-E ma wyjątkowo niski wskaźnik płynięcia, co nie pozwala na spełnienie wymagań dotyczących wyrównania wyglądu powłoki.

Tabela 3 Właściwości różnych rodzajów polietylenu

3.2 Dobór i optymalizacja polietylenu

Wskaźnik płynięcia stopu (MFR) polietylenu jest wskaźnikiem odzwierciedlającym płynność polietylenu w stanie stopionym na gorąco i w pewnym stopniu reprezentuje efekt wyrównywania powłoki polietylenowej. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa wartość MFR, tym lepszy efekt wyrównywania powłoki. Jednak im wyższa wartość MFR, tym zazwyczaj niższa jest względna masa cząsteczkowa polietylenu i gorsze jego właściwości mechaniczne. Dlatego często trudno jest spełnić wymagania dotyczące zarówno płynności, jak i właściwości mechanicznych, co potwierdzają również wyniki badań przedstawione w tabeli 3. Jeśli polietylen o różnych właściwościach zostanie zmieszany i użyty razem, aby uzyskać mieszaninę o doskonałej płynności i właściwościach mechanicznych, teoretycznie można przygotować powłoki proszkowe polietylenowe o kompleksowych właściwościach spełniających wymagania.

Tabela 4 Różne schematy mieszania

 Z tabeli 3 wynika, że ​​zarówno PE-A, jak i PE-B mają wysokie wskaźniki płynięcia stopu, ale PE-B ma stosunkowo wyższą wytrzymałość, więc PE-B może być stosowany jako materiał matrycy w celu poprawy płynności mieszanki; PE-D i PE-E mają dobre właściwości mechaniczne i mogą być stosowane jako materiały matrycy w celu poprawy właściwości mechanicznych mieszanki. Jednakże PE-E ma niski wskaźnik płynięcia stopu, więc nie nadaje się jako materiał matrycy. W przypadku polietylenu o dużej średniej względnej masie cząsteczkowej, takiego jak PE-E, gęstość splątania łańcucha jest wysoka, a szybkość przepływu jest niska. Jednakże, gdy jest poddawany obciążeniom zewnętrznym, jego mechanizm plastyczności jest głównie odkształceniem ścinającym, a oczywisty przepływ cząsteczkowy nie występuje łatwo, więc ma wysoką wytrzymałość i wytrzymałość [6]. Dlatego PE-B i PE-D zmieszano w różnych proporcjach w celu przygotowania mieszanego modyfikowanego polietylenu. Jednocześnie, w celu poprawy siły wiązania między powłoką proszkową z polietylenu a podłożem obudowy akumulatora, należy dodać odpowiednią ilość kleju polietylenowego (MAH-g-PE). Klej polietylenowy to spoiwo otrzymywane poprzez szczepienie bezwodnika maleinowego na polietylenie. Podsumowując, zaprojektowano 6 różnych schematów mieszania, jak pokazano w tabeli 4.

3.3 Analiza wydajności powłok proszkowych z polietylenu

Na podstawie tabeli 1, zgodnie ze schematami mieszania przedstawionymi w tabeli 4, surowce zmieszano, wytłoczono i rozdrobniono w celu przygotowania powłok proszkowych z polietylenu. Przebadano wskaźnik płynięcia, wytrzymałość na rozciąganie, odporność na pękanie naprężeniowe oraz odporność na działanie kwasów powłok proszkowych zgodnie z normami krajowymi. Wyniki przedstawiono w tabeli 5.

Tabela 5 Wyniki testów wydajności różnych schematów mieszania

Jak widać z tabeli 5, wskaźnik płynięcia mieszanki gwałtownie spada wraz ze wzrostem udziału PE-D. Dzieje się tak głównie dlatego, że gdy PE-B (o niskiej względnej masie cząsteczkowej) jest mieszany z PE-D (o wysokiej względnej masie cząsteczkowej) i wytłaczany w procesie topienia za pomocą wytłaczarki, długie łańcuchy cząsteczkowe owijają się wokół krótkich łańcuchów cząsteczkowych, co powoduje gwałtowny spadek wskaźnika płynięcia. Dlatego ilość dodanego polietylenu o niskiej płynności ma duży wpływ na płynność mieszanki i należy zwrócić szczególną uwagę na tę ilość podczas projektowania receptury mieszanych powłok proszkowych z polietylenu. Z drugiej strony, płynność PE-D (polietylenu o niskiej płynności) może również ulec znacznej poprawie po zmieszaniu z PE-B (polietylenem o stosunkowo wysokiej płynności). Dzieje się tak, ponieważ polietylen o krótkich łańcuchach cząsteczkowych może być gęsto wbudowywany w polietylen o długich łańcuchach cząsteczkowych, tworząc strukturę warstwową, osłabiając w ten sposób splątanie łańcuchów cząsteczkowych. Modyfikatory przepływu dla polietylenu o dużej masie cząsteczkowej zwykle wykorzystują tę zasadę w celu poprawy płynności polietylenu [7].

Z Tabeli 5 wynika również, że wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu mieszanych powłok proszkowych z polietylenu stopniowo rosną wraz ze wzrostem ilości dodanego PE-D, co wskazuje na dobrą kompatybilność między tymi dwoma rodzajami polietylenu. Wynika to głównie z podobnych wartości entalpii i entropii PE-B i PE-D, co oznacza, że ​​energia swobodna mieszanki zasadniczo nie ulega zmianie, a kompatybilność między tymi dwoma rodzajami polietylenu jest wysoka. W porównaniu ze Schematem 1, Schemat 6 charakteryzuje się znacznym wzrostem wytrzymałości, dwukrotnym wzrostem wydłużenia przy zerwaniu i znaczną poprawą wytrzymałości powłoki. Chociaż wytrzymałość i udarność powłoki znacznie się poprawiają wraz ze wzrostem ilości dodanego PE-D, szybkość poprawy jest znacznie niższa niż szybkość spadku wskaźnika płynięcia stopu. Wynika to z faktu, że dodanie PE-B zmniejsza gęstość splątania łańcuchów cząsteczkowych PE-D, co zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia przepływu łańcuchów cząsteczkowych podczas procesu rozciągania, a jednocześnie osłabia efekt ścinania.

W przypadku powłoki polietylenowej nałożonej na powierzchnię obudowy akumulatora, odprężanie spowodowane tendencją do stabilizacji struktury wewnętrznej i koncentracją naprężeń w narożnikach może powodować pękanie powłoki. Dlatego odporność na pękanie naprężeniowe jest ważnym parametrem pomiaru trwałości powłoki. Z wyników badań naprężeń środowiskowych przedstawionych w tabeli 5 wynika, że ​​odporność na pękanie naprężeniowe powłoki proszkowej polietylenu jest zgodna z jej wytrzymałością, tzn. im wyższa wytrzymałość powłoki, tym lepsza odporność na pękanie naprężeniowe. PE-D może znacząco poprawić odporność na pękanie naprężeniowe mieszanej powłoki proszkowej polietylenu.

Powłoka proszkowa z polietylenu przeznaczona do skrzynek akumulatorowych jest stale poddawana korozji przez kwas akumulatorowy, dlatego musi charakteryzować się doskonałą odpornością na korozję. Z wyników testów odporności na kwasy przedstawionych w Tabeli 5 wynika, że ​​po zanurzeniu powłoki proszkowej z polietylenu przygotowanej zgodnie ze Schematem 1 w roztworze kwasu nie powstają pęcherzyki ani nie następuje rozpuszczenie, ale następuje silne pęcznienie, a stopień przyczepności powłoki wynosi zaledwie 5. W porównaniu ze Schematem 1, powłoka przygotowana zgodnie ze Schematem 2 wykazuje stosunkowo mniejsze pęcznienie po skorodowaniu roztworem kwasu, a stopień przyczepności osiąga 3. Powłoki polietylenowe przygotowane według innych schematów nie wykazują widocznego zjawiska korozji, a stopień przyczepności powłoki może przekraczać stopień 1. Sam metalocenowy PE-D charakteryzuje się doskonałą odpornością chemiczną, więc wraz ze stopniowym zwiększaniem jego ilości, właściwości antykorozyjne powłoki stopniowo się poprawiają.

W testach wydajności powłok proszkowych z polietylenu o różnych formułach zaprojektowanych powyżej, wyniki pokazują, że powłoki proszkowe z polietylenu przygotowane zgodnie ze schematem 3 i schematem 4 charakteryzują się nie tylko wysoką płynnością, ale także doskonałymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na korozję, co może spełnić wymagania dotyczące powłok proszkowych do skrzynek akumulatorowych. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższy wskaźnik płynięcia stopu powłok proszkowych z polietylenu, tym lepsze właściwości wyrównywania i gładsza powierzchnia powłoki. Gdy wskaźnik płynięcia stopu powszechnie stosowanych powłok proszkowych z polietylenu jest wyższy niż 10 g/(10 min), może on spełnić wyższe wymagania dotyczące wyrównywania. Jednakże wskaźniki płynięcia stopu ze schematu 5 i schematu 6 są niższe niż 10 g/(10 min), więc nie mogą one spełnić wymagań dotyczących wyrównywania. Chociaż schemat 1 ma stosunkowo wysoki wskaźnik płynięcia stopu, jego wytrzymałość i udarność są słabe i nie przechodzi testu odporności na kwasy; Schemat 2 nie wykazuje widocznej poprawy właściwości mechanicznych, a przyczepność maleje po zanurzeniu w kwasie, dlatego można go stosować w sytuacjach, w których wymagane są wysokie wymagania dotyczące wyglądu powłoki, ale niskie wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i odporności na korozję.

Wnioski 4

W niniejszym badaniu, poprzez mieszanie i stosowanie polietylenu o różnych właściwościach, zaprojektowano różne schematy mieszania modyfikowanego polietylenu w proszku, a następnie przetestowano ich wydajność. Wyniki pokazują, że powłoki proszkowe polietylenowe zaprojektowane zgodnie ze schematem 3 i 4 nie tylko spełniają wymagania dotyczące wyrównania powierzchni powłoki ochronnej obudowy akumulatora, ale również charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na korozję. Wyniki badań odgrywają istotną rolę w ochronie antykorozyjnej obudów akumulatora, a przedstawione koncepcje badawcze mają istotne znaczenie dla projektowania modyfikacji powłok proszkowych polietylenowych.

Referencje

[1] Ji Y. Rynek krajowych powłok proszkowych dynamicznie rośnie [J]. Building Materials Industry Information, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Krótka analiza trudnej sytuacji i środków zaradczych w rozwoju pojazdów o nowych źródłach energii [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Technologia antykorozyjna przemysłowych skrzynek akumulatorowych [J]. Technologia budowy statków, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK i in. Najnowsze postępy w badaniach nad nowymi powłokami [J]. Powłoki i ochrona, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Badania nad wysokiej jakości powłokami proszkowymi z polietylenu [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Wytrzymałość na uderzenia i wskaźnik płynięcia stopu mieszanek polietylenu o dużej gęstości [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y i in. Postęp badań nad modyfikacją płynności nośników polietylenowych o bardzo dużej masie cząsteczkowej [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Powiązane posty:

Proszek termoplastyczny do skrzynek akumulatorowych