Studie av polyetenpulverbeläggningar för batterilådor

Abstrakt

Sex typer av polyetenpulverbeläggningar för batterilådor utformades genom blandningsmodifiering av polyeten med olika egenskaper. Genom att testa smältflödeshastigheten, de mekaniska egenskaperna och syrabeständigheten hos beläggningsfilmerna i polyetenpulverbeläggningarna som erhölls från olika blandningsscheman, valdes formeln för polyetenpulverbeläggning med bäst heltäckande prestanda. Den framställda polyetenpulverbeläggningen kan uppfylla kraven på ytutjämning för batterilådor och har samtidigt utmärkta mekaniska egenskaper och kemisk resistens, vilket effektivt kan förbättra batterilådornas livslängd.

Nyckelord

Batterilåda; Polyeten; Blandning; Pulverlackering
Klassificeringskod: TQ637.82
Dokumentkod: A

1 Inledning

Med de allt strängare kraven på miljöskydd har kontroll av avgasutsläpp och minskning av luftföroreningar blivit viktiga miljöskyddsindikatorer [1].

Traditionella bränsledrivna fordon använder vanligtvis fossila bränslen som kraftkälla, och deras allvarligaste nackdel är utsläppet av stora mängder avgaser, vilket allvarligt förorenar miljön. Däremot producerar nya energifordon som använder ackumulatorer som dragkraft inga avgaser och orsakar ingen förorening i atmosfären, så de är alltmer gynnade av marknaden [2].

Under industriella batteriboxars livslängd eroderas de av batterisyra, vilket accelererar korrosion och haveri hos boxarna. Därför har korrosionsskydd hos batteriboxar alltid varit ett hett forskningsämne. Industriella batteriboxar är vanligtvis tillverkade av kolstål, vilket i sig inte har bra korrosionsskyddsprestanda [3].

Därför kan endast ytbehandling av lådornas inner- och ytterväggar förbättras effektivt. En vanligt förekommande ytbehandlingsteknik är att applicera ett lager av korrosionsskyddande beläggning på lådytan, och beläggningen måste inte bara motstå syraerosion utan också fästa tätt mot underlaget.

Polyetenpulverbeläggningar består vanligtvis av polyetenharts, tillsatser, fyllmedel, pigment etc. De är termoplastiska pulverbeläggningar med utmärkt kemisk resistens och hög kostnadseffektivitet.

Med tanke på kraven på korrosionsskydd för batterilådor, såväl som kraven på utseende och kostnad, är polyetenpulverbeläggningar ett ekonomiskt genomförbart alternativ för korrosionsskydd. Det finns dock en motsägelse mellan polyetenens mekaniska egenskaper och flytbarhet. Polyetenpulverbeläggningar har vanligtvis svårt att uppnå både utmärkt flytbarhet och mekaniska egenskaper, så de måste modifieras för att uppfylla beläggningskraven för batterilådor. I denna studie utformades en polyetenpulverbeläggning för batterilådor genom blandningsmodifiering av polyeten med olika egenskaper. Denna beläggning har utmärkta mekaniska egenskaper, kemisk resistens, hög vidhäftning och god ytjämnhet.

2 Experimentell sektion

2.1 Experimentella råmaterial och instrument

2.1.1 Råvaror

• Polyeten (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polyeten (PE-D): Dow Chemical;
• Polyeten (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japan;
• Polyetenlim (MAH-g-PE): Modell SZ-07, Huangshan Beno Technology;
• Antioxidant: Modell K7001, Luan JIENT;
• Ljusstabilisator: Modell UV531, BASF;
• Polyetenvaxflytmedel: Shanghai Additive Factory;
• Kärnbildningsmedel: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, USA;
• Pigmentkimrök: Modell R600R, Cabot.

2.1.2 instrument

• Dubbelskruvsextruder: Modell T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Plattvulkaniseringsmaskin: Modell XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Miljömässig spänningssprickbildningstestare: Modell NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Universell testmaskin för plast: Modell WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Experimentella metoder

2.2.1 Förberedelse av pulverlackeringar

Råmaterialen vägdes enligt formeln i tabell 1 och tillsattes till en mixer för höghastighetsblandning. Blandningen tillsattes sedan till en dubbelskruvsextruder för smältextruderingsgranulering vid 160 °C. Granulerna placerades i en kvarn för att krossas till pulver, följt av klassificering och siktning.

Tabell 1 Formel för polyetenpulverbeläggning

2.2.2 Beredning av beläggningar

En fluidiserad bädd -doppningsmetod användes för att framställa polyetenpulverbeläggningar på ytan av batterilådor. Batterilådans yta sandblästrades först och värmdes sedan upp till 250-350 °C i en ugn. Därefter applicerades polyetenpulverbeläggningen genom fluidiserad bädd-doppning, och plasticering uppnåddes med hjälp av arbetsstyckets restvärme eller genom att placera det i en ugn.

2.2.3 Förberedelse av prover för prestandatestning

Prover för att testa de mekaniska egenskaperna hos polyetenpulver framställdes genom kompressionsgjutning.

2.3 Prestandatestning

• Smältflödeshastigheten (MFR) för polyetenpulverbeläggningar testades i enlighet med GB/T 3682-2018;
• Polyetenpulverbeläggningars prestanda mot miljöspänningssprickbildning (ESC) testades i enlighet med GB/T 1842-2008;
• Draghållfastheten hos polyetenpulverbeläggningar testades i enlighet med GB/T 1040.2-2018;
• Syrabeständigheten hos polyetenpulverbeläggningar testades med en 30 % (massfraktion) svavelsyralösning i enlighet med GB/T 11547-2008;
• Vidhäftningen hos polyetenpulverbeläggningar testades i enlighet med GB/T 9286-2008.

De viktigaste prestandaindikatorerna för polyetenpulverbeläggningar för batterilådor visas i tabell 2.

Tabell 2 Huvudsakliga prestandaindikatorer för polyetenbeläggningar för batterilådor

3 Resultat och diskussion

3.1 Prestandaanalys av polyeten

Att analysera prestandaparametrarna för olika typer av polyeten är en förutsättning för att utforma formeln för blandade polyetenpulverbeläggningar. I denna studie valdes 5 olika typer av polyeten ut som råmaterial för pulverbeläggningar, och deras egenskaper testades i enlighet med relevanta standarder. Resultaten visas i tabell 3.

Som framgår av tabell 3 har PE-A och PE-B extremt höga smältflödeshastigheter, så de kan uppfylla kraven på hög ytutjämning av beläggningen. Seghet hos PE-A och PE-B är dock relativt dålig. Brottöjningen hos PE-A är endast 100 % och dess spänningssprickbildningstid är endast 1 timme, så den kan inte uppfylla de mekaniska egenskapskraven för batteriboxbeläggningar. PE-C är linjär lågdensitetspolyeten med en måttlig smältflödeshastighet, som i princip kan uppfylla utjämningskraven för vanliga beläggningar, men dess seghet är också dålig. Både PE-D och PE-E är metallocen linjär lågdensitetspolyeten, och båda har utmärkt seghet och draghållfasthet. Skillnaden är att PE-E har ett extremt lågt smältflödesindex, vilket inte kan uppfylla kraven på beläggningens utjämningsutseende.

Tabell 3 Egenskaper hos olika typer av polyeten

3.2 Val och optimering av polyeten

Smältflödeshastigheten (MFR) för polyeten är en indikator som återspeglar polyetenens fluiditet i smälttillstånd, och den representerar till viss del polyetenbeläggningens utjämningseffekt. Generellt sett gäller att ju högre MFR-värde, desto bättre är beläggningens utjämningseffekt. Men ju högre MFR-värde, desto lägre är vanligtvis polyetenens relativa molekylmassa, och desto sämre är dess mekaniska egenskaper. Därför är det ofta svårt att uppfylla kraven på både fluiditet och mekaniska egenskaper samtidigt, vilket också verifieras av testresultaten som visas i tabell 3. Om polyeten med olika egenskaper blandas och används tillsammans för att få blandningen att ha både utmärkt fluiditet och mekaniska egenskaper, kan teoretiskt sett polyetenpulverbeläggningar med omfattande egenskaper som uppfyller kraven framställas.

Tabell 4 Olika blandningsscheman

 Det framgår av tabell 3 att både PE-A och PE-B har höga smältflödeshastigheter, men PE-B har relativt högre seghet, så PE-B kan användas som matrismaterial för att förbättra blandningens fluiditet; PE-D och PE-E har goda mekaniska egenskaper och kan användas som matrismaterial för att förbättra blandningens mekaniska egenskaper. PE-E har dock en låg smältflödeshastighet, så det är inte lämpligt som matrismaterial. För polyeten med en stor genomsnittlig relativ molekylmassa, såsom PE-E, är kedjehoptrasslingsdensiteten hög och flödeshastigheten låg. Men när den utsätts för externa belastningar är dess flytmekanism huvudsakligen skjuvdeformation, och uppenbart molekylflöde uppstår inte lätt, så den har hög hållfasthet och seghet [6]. Därför blandades PE-B och PE-D i olika proportioner för att framställa en blandad modifierad polyeten. Samtidigt, för att förbättra bindningskraften mellan polyetenpulverbeläggningen och batteriboxens substrat, bör en lämplig mängd polyetenlim (MAH-g-PE) tillsättas. Polyetenlimmet är ett bindemedel som framställs genom ympning av maleinsyraanhydrid på polyeten. Sammanfattningsvis utformades 6 olika blandningsscheman, såsom visas i tabell 4.

3.3 Prestandanalys av polyetenpulverbeläggningar

Baserat på tabell 1, enligt blandningsschemana i tabell 4, blandades, extruderades och krossades råmaterial för att framställa polyetenpulverbeläggningar. Smältflödeshastigheten, draghållfasthetsegenskaperna, spänningssprickhållfastheten och syrabeständigheten hos pulverbeläggningarna testades i enlighet med nationella standarder. Resultaten visas i tabell 5.

Tabell 5 Resultat av prestandatest för olika blandningsscheman

Som framgår av tabell 5 minskar blandningens smältflödeshastighet snabbt med ökande andel PE-D. Detta beror främst på att när PE-B (med låg relativ molekylmassa) blandas med PE-D (med hög relativ molekylmassa) och smältextruderas med en extruder, omsluter de långa molekylkedjorna de korta molekylkedjorna, vilket resulterar i en snabb minskning av smältflödeshastigheten. Därför har den tillsatta mängden polyeten med låg fluiditet stor inverkan på blandningens fluiditet, och särskild hänsyn bör tas till dess tillsatta mängd vid utformning av formeln för blandade polyetenpulverbeläggningar. Ur ett annat perspektiv kan fluiditeten hos PE-D (polyeten med låg fluiditet) också förbättras avsevärt efter att ha blandats med PE-B (polyeten med relativt hög fluiditet). Detta beror på att polyeten med korta molekylkedjor kan införas tätt i polyeten med långa molekylkedjor, vilket får den att bilda en skiktad struktur och därigenom försvaga molekylkedjetrasslingen. Flödesmodifierare för polyeten med hög relativ molekylmassa använder vanligtvis denna princip för att förbättra fluiditeten hos polyeten [7].

Det framgår också av tabell 5 att draghållfastheten och brottöjningen för de blandade polyetenpulverbeläggningarna gradvis ökar med ökningen av den tillsatta mängden PE-D, vilket indikerar att kompatibiliteten mellan de två olika typerna av polyeten är god. Detta beror främst på att entalpi- och entropivärdena för PE-B och PE-D är likartade, så det sker i princip ingen förändring i blandningens fria energi, och kompatibiliteten mellan de två typerna av polyeten är hög. Jämfört med schema 1 har schema 6 en signifikant ökning i hållfasthet, brottöjningen ökar med 2 gånger och beläggningens seghet förbättras avsevärt. Även om beläggningens hållfasthet och seghet förbättras avsevärt med ökningen av den tillsatta mängden PE-D, är förbättringshastigheten mycket lägre än minskningen av smältflödeshastigheten. Detta beror på att införlivandet av PE-B minskar molekylkedjeintrasslingsdensiteten hos PE-D, vilket gör det mer sannolikt att molekylkedjeflöde uppstår under sträckningsprocessen, medan skjuvningseffekten försvagas.

För polyetenbeläggningen som appliceras på batterilådans yta kan spänningsutlösning orsakad av den interna strukturens tendens att stabilisera sig och spänningskoncentration som bildas i hörnområdena orsaka sprickbildning i beläggningen. Därför är spänningssprickhållfasthet en viktig standard för att mäta beläggningens livslängd. Det framgår av resultaten från miljöbelastningstesten i tabell 5 att spänningssprickhållfastheten hos polyetenpulverbeläggningen överensstämmer med dess seghet, det vill säga ju högre beläggningens seghet, desto bättre spänningssprickhållfasthet. PE-D kan avsevärt förbättra spänningssprickhållfastheten hos den blandade polyetenpulverbeläggningen.

Polyetenpulverbeläggningen för batterilådor korroderas kontinuerligt av batterisyra, så den måste ha utmärkt korrosionsskyddande prestanda. Det framgår av resultaten av syrabeständighetstestet i tabell 5 att efter att polyetenpulverbeläggningen framställd enligt schema 1 har nedsänkts i syralösning finns det inga bubblor eller upplösning, men kraftig svullnad uppstår, och beläggningens vidhäftningsgrad är endast 5; jämfört med schema 1 har beläggningen framställd enligt schema 2 relativt mindre svullnad efter att ha korroderats av syralösning, och vidhäftningen når grad 3; polyetenbeläggningar framställda enligt andra scheman har inga uppenbara korrosionsfenomen, och beläggningens vidhäftning kan nå över grad 1. Metallocen PE-D i sig har utmärkt kemisk resistens, så med den gradvisa ökningen av dess tillsatta mängd förbättras beläggningens korrosionsskyddande prestanda gradvis.

Genom prestandatesterna av polyetenpulverbeläggningarna med olika formler utformade ovan visar resultaten att polyetenpulverbeläggningarna framställda enligt Schema 3 och Schema 4 inte bara har hög fluiditet, utan också har utmärkta mekaniska egenskaper och korrosionsskyddande prestanda, vilket kan uppfylla prestandakraven för pulverbeläggningar för batterilådor. Generellt sett, ju högre smältflödeshastigheten för polyetenpulverbeläggningar är, desto bättre utjämningsprestanda och desto jämnare blir beläggningsytan. När smältflödeshastigheten för vanligt förekommande polyetenpulverbeläggningar är högre än 10 g/(10 min) kan den uppfylla de högre utjämningskraven. Smältflödeshastigheterna i Schema 5 och Schema 6 är dock lägre än 10 g/(10 min), så de kan inte uppfylla utjämningskraven. Även om Schema 1 har en relativt hög smältflödeshastighet, är dess styrka och seghet dålig, och den misslyckas med syrabeständighetstestet; Schema 2 har ingen uppenbar förbättring av mekaniska egenskaper, och vidhäftningen minskar efter nedsänkning i syra, så den kan appliceras i situationer där höga krav på beläggningens utseende krävs, men låga krav på mekaniska egenskaper och korrosionsskyddande prestanda krävs.

4 Slutsats

I denna studie utformades olika scheman för blandningsmodifierad polyetenpulverbeläggning genom att blanda och använda polyeten med olika egenskaper, och prestandan hos de olika schemana testades. Resultaten visar att polyetenpulverbeläggningarna utformade enligt schema 3 och schema 4 inte bara kan uppfylla kraven på ytutjämning för batteriboxens skyddande beläggning, utan också har goda mekaniska egenskaper och korrosionsskyddande prestanda. Forskningsresultaten spelar en viktig roll i korrosionsskyddet av batteriboxar, och forskningsidéerna har en viktig vägledande betydelse för modifieringsdesignen av polyetenpulverbeläggningar.

Referensprojekt

[1] Ji Y. Den inhemska marknaden för pulverlackering växer snabbt [J]. Information om byggnadsmaterialbranschen, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Kortfattad analys av den preliminära situationen och motåtgärderna för utvecklingen av nya energifordon [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Korrosionsskyddsteknik för industriella batteriboxar [J]. Shipbuilding Technology, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK, et al. Senaste forskningsframstegen gällande nya beläggningar [J]. Coating and Protection, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Forskning om högkvalitativa polyetenpulverbeläggningar [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Slaghållfasthet och smältflödeshastighet för blandningar av högdensitetspolyeten [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y, et al. Forskningsframsteg inom fluiditetsmodifiering av polyetenbärare med ultrahög molekylvikt [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Relaterade inlägg:

Termoplastiskt pulver för batterilådor