Štúdia o polyetylénových práškových náteroch pre batériové boxy

abstraktné

Šesť typov polyetylénových práškových náterov pre batériové boxy bolo navrhnutých modifikáciou polyetylénu s rôznymi vlastnosťami. Testovaním rýchlosti toku taveniny, mechanických vlastností a odolnosti voči kyselinám náterových filmov polyetylénových práškových náterov získaných z rôznych schém miešania bola vybraná receptúra ​​polyetylénového práškového náteru s najlepším komplexným výkonom. Pripravený polyetylénový práškový náter spĺňa požiadavky na vyrovnávanie povrchu batériových boxov a zároveň má vynikajúce mechanické vlastnosti a chemickú odolnosť, čo môže účinne zlepšiť životnosť batériových boxov.

Kľúčové slová

Batériová skrinka; Polyetylén; Miešanie; Práškové nátery
Klasifikačný kód: TQ637.82
Kód dokumentu: A

1 Úvod

S čoraz prísnejšími požiadavkami na ochranu životného prostredia sa kontrola emisií výfukových plynov a znižovanie znečistenia ovzdušia stali dôležitými ukazovateľmi ochrany životného prostredia [1].

Tradičné vozidlá na palivá vo všeobecnosti používajú ako zdroj energie fosílne palivá a ich najzávažnejšou nevýhodou sú emisie veľkého množstva výfukových plynov, ktoré vážne znečisťujú životné prostredie. Naproti tomu vozidlá na nové zdroje energie, ktoré ako trakčnú energiu používajú akumulátorové batérie, neprodukujú výfukové emisie a nespôsobujú žiadne znečistenie ovzdušia, takže sú na trhu čoraz viac uprednostňované [2].

Počas životnosti priemyselných batériových skríň sú erodované kyselinou z batérií, čo urýchľuje koróziu a poruchu skríň. Preto je antikorózna ochrana batériových skríň vždy horúcou témou výskumu. Priemyselné batériové skrine sú zvyčajne vyrobené z uhlíkovej ocele, ktorá sama o sebe nemá dobré antikorózne vlastnosti [3].

Preto iba povrchovou úpravou vnútorných a vonkajších stien krabíc je možné účinne zlepšiť ich antikoróznu účinnosť. Bežne používanou technológiou povrchovej úpravy je nanesenie vrstvy antikorózneho náteru na povrch krabíc, pričom náter musí nielen odolávať erózii kyselinami, ale aj tesne priľnúť k podkladu.

Polyetylénové práškové nátery zvyčajne pozostávajú z polyetylénovej živice, prísad, plnív, pigmentov atď. Sú to termoplastické práškové nátery s vynikajúcou chemickou odolnosťou a vysokou nákladovou efektívnosťou.

Vzhľadom na požiadavky na antikoróznu ochranu batériových boxov, ako aj na požiadavky na vzhľad a cenu, sú polyetylénové práškové nátery ekonomicky prijateľnou možnosťou antikorózneho náteru. Existuje však rozpor medzi mechanickými vlastnosťami a tekutosťou polyetylénu. Polyetylénové práškové nátery je zvyčajne ťažké dosiahnuť vynikajúcu tekutosť aj mechanické vlastnosti, preto je potrebné ich upraviť tak, aby spĺňali požiadavky na náter batériových boxov. V tejto štúdii bol navrhnutý polyetylénový práškový náter pre batériové boxy zmiešaním modifikácie polyetylénu s rôznymi vlastnosťami. Tento náter má vynikajúce mechanické vlastnosti, chemickú odolnosť, vysokú priľnavosť a dobrú vyrovnávaciu schopnosť povrchu.

2 Experimentálna časť

2.1 Experimentálne suroviny a prístroje

2.1.1 Suroviny

• Polyetylén (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polyetylén (PE-D): Dow Chemical;
• Polyetylén (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japonsko;
• Polyetylénové lepidlo (MAH-g-PE): Model SZ-07, Huangshan Beno Technology;
• Antioxidant: Model K7001, Luan JIENT;
• Stabilizátor svetla: Model UV531, BASF;
• Polyetylénový vosk, ktorý sa tečie: Šanghajská továreň na prísady;
• Nukleačné činidlo: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, USA;
• Pigmentový uhlíkový čierny: Model R600R, Cabot.

2.1.2 nástrojov

• Dvojzávitovkový extrudér: Model T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Vulkanizačný stroj na plechy: Model XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Tester trhlín v prostredí pod napätím: Model NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Univerzálny testovací stroj na plasty: Model WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Experimentálne metódy

2.2.1 Príprava práškových náterov

Suroviny boli odvážené podľa vzorca v tabuľke 1 a pridané do miešačky na vysokorýchlostné miešanie. Zmes bola potom pridaná do dvojzávitovkového extrudéra na granuláciu extrúziou z taveniny pri teplote 160 °C. Granule boli vložené do mlyna na rozdrvenie na prášok, po čom nasledovala klasifikácia a preosiatie.

Tabuľka 1 Vzorec polyetylénového práškového náteru

2.2.2 Príprava náterov

Na prípravu polyetylénových práškových povlakov na povrchu batériových skríň sa použila metóda ponárania do fluidného lôžka . Povrch batériovej skrine sa najskôr opieskoval a potom sa v peci zahrial na 250 – 350 °C. Následne sa polyetylénový práškový povlak naniesol ponáraním do fluidného lôžka a plastifikácia sa dosiahla pomocou zvyškového tepla obrobku alebo jeho umiestnením do pece.

2.2.3 Príprava vzoriek na testovanie výkonnosti

Vzorky na testovanie mechanických vlastností polyetylénového prášku boli pripravené lisovaním pod tlakom.

2.3 Testovanie výkonu

• Rýchlosť toku taveniny (MFR) polyetylénových práškových náterov bola testovaná v súlade s normou GB/T 3682-2018;
• Účinnosť polyetylénových práškových náterov na praskanie v dôsledku environmentálneho napätia (ESC) bola testovaná v súlade s normou GB/T 1842-2008;
• Ťahové vlastnosti polyetylénových práškových náterov boli testované v súlade s normou GB/T 1040.2-2018;
• Odolnosť polyetylénových práškových náterov voči kyselinám bola testovaná s použitím 30 % (hmotnostný podiel) roztoku kyseliny sírovej v súlade s normou GB/T 11547-2008;
• Priľnavosť polyetylénových práškových náterov bola testovaná v súlade s normou GB/T 9286-2008.

Hlavné výkonnostné ukazovatele polyetylénových práškových náterov pre batériové boxy sú uvedené v tabuľke 2.

Tabuľka 2 Hlavné výkonnostné ukazovatele polyetylénových povlakov pre batériové boxy

3 Výsledky a diskusia

3.1 Analýza výkonnosti polyetylénu

Analýza výkonnostných parametrov rôznych typov polyetylénu je predpokladom pre návrh receptúry zmiešaných polyetylénových práškových náterov. V tejto štúdii bolo ako suroviny pre práškové nátery vybraných 5 rôznych typov polyetylénu a ich vlastnosti boli testované v súlade s príslušnými normami. Výsledky sú uvedené v tabuľke 3.

Ako je vidieť z tabuľky 3, PE-A a PE-B majú extrémne vysoké indexy toku taveniny, takže dokážu splniť požiadavky na vysokú vyrovnávaciu schopnosť povlaku. Húževnatosť PE-A a PE-B je však relatívne nízka. Predĺženie pri pretrhnutí PE-A je iba 100 % a doba odolnosti voči praskaniu v dôsledku napätia je iba 1 hodina, takže nemôže splniť požiadavky na mechanické vlastnosti povlakov batériových boxov. PE-C je lineárny polyetylén s nízkou hustotou so strednou rýchlosťou toku taveniny, ktorý v podstate spĺňa požiadavky na vyrovnávaciu schopnosť bežných povlakov, ale jeho húževnatosť je tiež nízka. PE-D aj PE-E sú metalocénové lineárne polyetylény s nízkou hustotou a oba majú vynikajúcu húževnatosť a pevnosť v ťahu. Rozdiel je v tom, že PE-E má extrémne nízky index toku taveniny, ktorý nemôže splniť požiadavky na vyrovnávací vzhľad povlaku.

Tabuľka 3 Vlastnosti rôznych typov polyetylénu

3.2 Výber a optimalizácia polyetylénu

Index toku taveniny (MFR) polyetylénu je ukazovateľ odrážajúci tekutosť polyetylénu v tavenom stave a do istej miery predstavuje vyrovnávací účinok polyetylénového povlaku. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je hodnota MFR, tým lepší je vyrovnávací účinok povlaku. Čím vyššia je však hodnota MFR, tým nižšia je relatívna molekulová hmotnosť polyetylénu a tým horšie sú jeho mechanické vlastnosti. Preto je často ťažké splniť požiadavky na tekutosť aj mechanické vlastnosti súčasne, čo potvrdzujú aj výsledky testov uvedené v tabuľke 3. Ak sa polyetylén s rôznymi vlastnosťami zmieša a použije spoločne, aby zmes mala vynikajúcu tekutosť aj mechanické vlastnosti, teoreticky je možné pripraviť polyetylénové práškové povlaky s komplexnými vlastnosťami, ktoré spĺňajú požiadavky.

Tabuľka 4 Rôzne schémy miešania

 Z tabuľky 3 je zrejmé, že PE-A aj PE-B majú vysoké rýchlosti toku taveniny, ale PE-B má relatívne vyššiu húževnatosť, takže PE-B sa môže použiť ako matricový materiál na zlepšenie tekutosti zmesi; PE-D a PE-E majú dobré mechanické vlastnosti a môžu sa použiť ako matricové materiály na zlepšenie mechanických vlastností zmesi. PE-E má však nízku rýchlosť toku taveniny, takže nie je vhodný ako matricový materiál. Pri polyetyléne s veľkou priemernou relatívnou molekulovou hmotnosťou, ako je PE-E, je hustota previazania reťazcov vysoká a rýchlosť toku nízka. Avšak pri vystavení vonkajšiemu zaťaženiu je jeho mechanizmom klzu hlavne šmyková deformácia a zjavný molekulárny tok nie je ľahko dosiahnuteľný, takže má vysokú pevnosť a húževnatosť [6]. Preto sa PE-B a PE-D zmiešali v rôznych pomeroch, aby sa pripravil zmesový modifikovaný polyetylén. Zároveň, aby sa zlepšila spojovacia sila medzi polyetylénovým práškovým náterom a substrátom batériového boxu, malo by sa pridať vhodné množstvo polyetylénového lepidla (MAH-g-PE). Polyetylénové lepidlo je spojivo pripravené naštepením maleínanhydridu na polyetylén. Záverom bolo navrhnutých 6 rôznych schém miešania, ako je uvedené v tabuľke 4.

3.3 Analýza výkonnosti polyetylénových práškových náterov

Na základe tabuľky 1, podľa schém miešania v tabuľke 4, boli suroviny zmiešané, extrudované a drvené na prípravu polyetylénových práškových náterov. Rýchlosť toku taveniny, pevnostné vlastnosti v ťahu, odolnosť voči praskaniu pod napätím a odolnosť práškových náterov voči kyselinám boli testované v súlade s národnými normami. Výsledky sú uvedené v tabuľke 5.

Tabuľka 5 Výsledky výkonnostných testov rôznych schém miešania

Ako je vidieť z tabuľky 5, tok taveniny zmesi rýchlo klesá so zvyšujúcim sa podielom PE-D. Je to hlavne preto, že keď sa PE-B (s nízkou relatívnou molekulovou hmotnosťou) zmieša s PE-D (s vysokou relatívnou molekulovou hmotnosťou) a extruduje sa z taveniny extrudérom, dlhé molekulárne reťazce obaľujú krátke molekulárne reťazce, čo vedie k rýchlemu poklesu tokovej rýchlosti taveniny. Preto má pridané množstvo polyetylénu s nízkou tekutosťou veľký vplyv na tekutosť zmesi a pri navrhovaní receptúry zmiešaných polyetylénových práškových náterov by sa mala venovať osobitná pozornosť jeho pridanému množstvu. Z iného hľadiska sa tekutosť PE-D (polyetylénu s nízkou tekutosťou) môže tiež výrazne zlepšiť po zmiešaní s PE-B (polyetylénom s relatívne vysokou tekutosťou). Je to preto, že polyetylén s krátkymi molekulárnymi reťazcami sa môže husto vložiť do polyetylénu s dlhými molekulárnymi reťazcami, čo spôsobí vytvorenie vrstevnatej štruktúry, čím sa oslabí previazanie molekúl reťazcov. Modifikátory toku pre polyetylén s vysokou relatívnou molekulovou hmotnosťou zvyčajne využívajú tento princíp na zlepšenie tekutosti polyetylénu [7].

Z tabuľky 5 tiež vyplýva, že pevnosť v ťahu a predĺženie pri pretrhnutí zmiešaných polyetylénových práškových náterov sa postupne zvyšujú so zvyšujúcim sa množstvom pridaného PE-D, čo naznačuje, že kompatibilita medzi týmito dvoma rôznymi typmi polyetylénu je dobrá. Je to hlavne preto, že hodnoty entalpie a entropie PE-B a PE-D sú podobné, takže v podstate nedochádza k žiadnej zmene voľnej energie zmesi a kompatibilita medzi týmito dvoma typmi polyetylénu je vysoká. V porovnaní so schémou 1 má schéma 6 výrazné zvýšenie pevnosti, predĺženie pri pretrhnutí sa zvyšuje dvojnásobne a húževnatosť náteru sa výrazne zlepšuje. Hoci sa pevnosť a húževnatosť náteru so zvyšujúcim sa množstvom pridaného PE-D výrazne zlepšujú, miera zlepšenia je oveľa nižšia ako miera poklesu rýchlosti toku taveniny. Je to preto, že pridanie PE-B znižuje hustotu previazania molekúl PE-D, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť toku molekúl počas procesu naťahovania, zatiaľ čo šmykový účinok sa oslabuje.

Pri polyetylénovom povlaku nanesenom na povrch batériového boxu môže uvoľnenie napätia spôsobené tendenciou vnútornej štruktúry stabilizovať sa a koncentráciou napätia vytvorenou v rohových oblastiach spôsobiť praskanie povlaku. Preto je odolnosť proti praskaniu pod napätím dôležitým štandardom na meranie životnosti povlaku. Z výsledkov testu environmentálneho namáhania v tabuľke 5 je zrejmé, že odolnosť polyetylénového práškového povlaku proti praskaniu pod napätím je v súlade s jeho húževnatosťou, to znamená, že čím vyššia je húževnatosť povlaku, tým lepšia je odolnosť proti praskaniu pod napätím. PE-D môže výrazne zlepšiť odolnosť zmiešaného polyetylénového práškového povlaku proti praskaniu pod napätím.

Polyetylénový práškový náter pre batériové boxy je neustále korodovaný kyselinou z batérií, preto musí mať vynikajúce antikorózne vlastnosti. Z výsledkov testu odolnosti voči kyselinám v tabuľke 5 je zrejmé, že po ponorení polyetylénového práškového náteru pripraveného podľa schémy 1 do kyslého roztoku nedochádza k žiadnym bublinám ani rozpúšťaniu, ale dochádza k silnému napučaniu a stupeň priľnavosti náteru je iba 5; v porovnaní so schémou 1 má náter pripravený podľa schémy 2 po korodovaní kyslým roztokom relatívne menšie napučanie a priľnavosť dosahuje stupeň 3; polyetylénové nátery pripravené podľa iných schém nevykazujú žiadny zjavný jav korózie a priľnavosť náteru môže dosiahnuť stupeň nad 1. Samotný metalocén PE-D má vynikajúcu chemickú odolnosť, takže s postupným zvyšovaním jeho pridávaného množstva sa antikorózne vlastnosti náteru postupne zlepšujú.

Výsledky testov výkonnosti polyetylénových práškových náterov s rôznymi vyššie uvedenými receptúrami ukazujú, že polyetylénové práškové nátery pripravené podľa schémy 3 a schémy 4 majú nielen vysokú tekutosť, ale aj vynikajúce mechanické vlastnosti a antikoróznu odolnosť, čo spĺňa požiadavky na výkonnosť práškových náterov pre batériové boxy. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je rýchlosť toku taveniny polyetylénových práškových náterov, tým lepšia je vyrovnávacia schopnosť a hladší je povrch náteru. Ak je rýchlosť toku taveniny bežne používaných polyetylénových práškových náterov vyššia ako 10 g/(10 min), spĺňajú vyššie požiadavky na vyrovnávaciu schopnosť. Rýchlosti toku taveniny podľa schémy 5 a schémy 6 sú však nižšie ako 10 g/(10 min), takže nemôžu splniť požiadavky na vyrovnávaciu schopnosť. Hoci schéma 1 má relatívne vysokú rýchlosť toku taveniny, jej pevnosť a húževnatosť sú nízke a neprechádza testom odolnosti voči kyselinám; schéma 2 nevykazuje žiadne zjavné zlepšenie mechanických vlastností a priľnavosť sa po ponorení do kyseliny znižuje, takže sa môže použiť v situáciách, kde sa vyžadujú vysoké požiadavky na vzhľad náteru, ale nízke požiadavky na mechanické vlastnosti a antikoróznu odolnosť.

Záver 4

V tejto štúdii boli navrhnuté rôzne schémy práškového náteru modifikovaného polyetylénu zmiešaním a použitím polyetylénu s rôznymi vlastnosťami a bol testovaný výkon rôznych schém. Výsledky ukazujú, že polyetylénové práškové nátery navrhnuté podľa schémy 3 a schémy 4 nielenže spĺňajú požiadavky na vyrovnávanie povrchu ochranného náteru batériových skríň, ale majú aj dobré mechanické vlastnosti a antikoróznu ochranu. Výsledky výskumu zohrávajú dôležitú úlohu v antikoróznej ochrane batériových skríň a výskumné myšlienky majú dôležitý usmerňujúci význam pre návrh modifikácie polyetylénových práškových náterov.

Referencie

[1] Ji Y. Domáci trh s práškovými nátermi rýchlo rastie [J]. Informácie o stavebnom priemysle, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Stručná analýza ťažkostí a protiopatrení vývoja vozidiel s novými energetickými zdrojmi [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Technológia proti korózii priemyselných batériových boxov [J]. Shipbuilding Technology, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK a kol. Najnovší pokrok vo výskume nových náterov [J]. Nátery a ochrana, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Výskum vysokokvalitných polyetylénových práškových náterov [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Rázová húževnatosť a rýchlosť toku taveniny zmesí polyetylénu 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 vo výskume modifikácie tekutosti nosičov z polyetylénu s ultravysokou molekulovou hmotnosťou [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Súvisiace príspevky:

Termoplastický prášok do batériových boxov