CN104672781A - 一种电动汽车电池箱体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，本发明先将石墨烯与玻璃纤维复合，得到复合纤维，再以复合纤维所得三维编织物为骨架，用复合树脂填充。本发明加工方便，易于成型，生产成本低，所得材料具有高机械性能和高导热效率，阻燃性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别涉及一种电动汽车电池箱体材料的制备方法。
背景技术
一直以来电动汽车的电池箱体都采用易于成型的金属箱体，但金属箱体过于笨重且耐腐蚀程度不高，给实际应用带来很大问题。随着注塑成型技术的不断发展，人们开始把目光转移到树脂材料上。例如，德国法兰克福电动车(EV)的电池箱体过去由金属制成，如今，热塑性塑料和热固性塑料的电池箱体正在开发中，而热塑性塑料材质的电池模块框架已经正式投入生产。
但是，相对于传统燃料汽车，电动汽车最危险的部分就是电池组，而目前来看，电池系统的特点是易燃易爆，这就对电动汽车的安全性提出了挑战。而电池箱体作为电池组的载体，对电池组的安全工作和防护起着关键作用。
车辆的运行状况十分复杂，上下颠簸、剧烈的扭转和抖动都在所难免。为避免运行时电池之间、电池与其它物体之间频繁的相互摩擦、碰撞、挤压，需要给电池以可靠的保护和缓冲。三维编织复合材料是一种高比强度、高比模量、抗冲击、耐腐蚀的高性能新材料，这就使三维编织复合材料作为制作第一承力结构件和高性能制件成为可能。和传统的层合复合材料相比，三维编织复合材料在受到冲击后，能很好地抵抗冲击损伤的扩展。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在。石墨烯是世界上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
玻璃纤维绝缘性能好绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，利用三维编制可塑造其存在的形态，作为填充材料，可以增强基材的抗压性、抗拉性、抗冲击性。利用与大功率电池外包装板材的填充材料，可以大大增加其机械性能。
经文献检索发现，有关纤维增强树脂复合材料的专利侧重于无机/有机纤维与树脂材料界面粘附性能的研究。中国专利号CN 102775622 A，名称为纤维增强热塑性复合材料的制备方法及其应用，该专利的纤维增强热塑性复合材料通过编织工艺成型，得到了三维结构的复合材料，虽然赋予材料较高的刚度，但是由于树脂成型过程所需温度较高，如果采用有机纤维做增强材料则会对有机纤维的性能造成损害。此外，该专利是将纤维在树脂中浸渍冷却后直接编织成型的，得到的浸渍带刚度较高，会给编织带来一定的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，加工方便，易于成型，生产成本低，所得材料具有高机械性能和高导热效率，阻燃性能优良。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，括以下步骤：
(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中，超声处理20-60min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍5-10min，取出玻璃纤维，在50-60℃下真空干燥4-8h。
通过将玻璃纤维浸入氧化性溶液中处理，以除去玻纤表面的杂质并使玻璃纤维表面粗造化增大比表面积，以提升石墨烯的结合强度。
硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液改性玻璃纤维后，可以有效地利用氧化石墨烯上的含S基团，提升石墨烯的结合强度。
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为0.3-1.2mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至40-50℃浸渍1-2小时，取出玻璃纤维，在50-60℃下真空干燥4-8h得复合纤维。
通过水热条件，将石墨烯较好地附着在玻璃纤维上，结合牢固。
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物；
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
本发明先将石墨烯与玻璃纤维复合，得到复合纤维，复合纤维导热性能佳，这时的复合纤维柔软度较好，易于编织成型，再以复合纤维所得三维编织物为骨架，用复合树脂填充，三维编织物为骨架除了在横、纵向均有较高的机械强度外，相比较于单一的改性环氧型树脂材料，由于复合纤维所得三维编织物为骨架的存在，复合纤维本身能提高材料的导热散热性能，此外，复合纤维成三维编织物后在树脂中分布均匀合理，导热均匀性好，有效的提高了材料的导热性能，导热性能的改善从而提高了材料的阻燃性能。
作为优选，所述氧化性溶液为质量浓度7-35％的硝酸溶液，或质量浓度3.0-8.0％的硫酸溶液与质量浓度10-30％的双氧水按照1：1-1.5体积比的混合溶液。
作为优选，硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为1％-5％。
作为优选，所述复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：热固性树脂100份，改性竹炭10-15份，偶联剂1-2份，分散剂1-2份，润滑剂1-1.5份，亚磷酸酯热氧稳定剂0.5-1份。
本发明在改进石墨烯、玻璃纤维和树脂的结合方式后，还对树脂的配方进行了改性。尤其是在配方中添加了改性竹炭，改性竹炭的使用，首先能提高树脂的导热散热性能，同时，改性竹炭成本较低，可部分代替树脂的使用，降低生产成本；由于使用了改性后的竹炭，在树脂中的分散较均匀且与树脂的结合较牢固，不影响材料的整体强度。
作为优选，所述改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液，稀酸溶液用量为竹炭重量的5-8％，搅拌混合均匀后，在180-200℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径在100纳米至10微米的竹炭颗粒。竹炭未改性之前为无机材料，较难与树脂结合，采用本发明的改性方法，使竹炭表面的亲水基团减少，而亲油基团增加，使它能更好地同树脂结合。
作为优选，所述稀酸溶液为质量浓度为0.8-1.2％的硝酸溶液与质量浓度为1-3％的磷酸溶液按照1:1-1.5体积比的混合物。
作为优选，所述热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或几种。
作为优选，所述分散剂为聚乙烯蜡，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺。
作为优选，所述偶联剂选自硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570中的一种或几种。
作为优选，所述复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至160-180℃，密炼20-30min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
本发明的有益效果是：
1、加工方便，易于成型，生产成本低。
2、制得的材料在机械性能方面，增强了电池组箱体的强度、塑性、冲击韧性、多次冲击抗力；在热学性能方面，具有高效导热性，阻燃性能优良。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中(质量浓度7％的硝酸溶液)，超声处理60min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍10min，硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为1％，取出玻璃纤维，在50℃下真空干燥8h。
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为0.3mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至40℃浸渍2小时，取出玻璃纤维，在50℃下真空干燥8h得复合纤维。
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物。
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：邻甲酚醛环氧树脂(市售)100份，改性竹炭10份，偶联剂(硅烷偶联剂KH550)1份，聚乙烯蜡1份，乙撑双硬脂酰胺1份，亚磷酸酯热氧稳定剂(市售)0.5份。
复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至160℃，密炼30min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液(质量浓度为0.8％的硝酸溶液与质量浓度为3％的磷酸溶液按照1:1体积比的混合物)，稀酸溶液用量为竹炭重量的5％，搅拌混合均匀后，在180℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径约为10微米的竹炭颗粒。
经检测，所得材料的性能如下：抗压强度：72MPa，弯曲弹性模量：11.3GPa，冲击强度：50Kj/m2，导热系数为0.38w/(m·k)。
实施例2：
一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中(质量浓度35％的硝酸溶液)，超声处理20min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍5min，硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为5％，取出玻璃纤维，在60℃下真空干燥4h。
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为1.2mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至50℃浸渍1小时，取出玻璃纤维，在60℃下真空干燥4h得复合纤维。
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物。
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：联苯型环氧树脂(市售)100份，改性竹炭15份，偶联剂2份(硅烷偶联剂KH550与KH560按1:1的质量比的混合物)，聚乙烯蜡2份，乙撑双硬脂酰胺1.5份，亚磷酸酯热氧稳定剂(市售)1份。
复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至180℃，密炼20min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液(质量浓度为1.2％的硝酸溶液与质量浓度为1％的磷酸溶液按照1:1.5体积比的混合物)，稀酸溶液用量为竹炭重量的8％，搅拌混合均匀后，在200℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径约1微米的竹炭颗粒。
经检测，所得材料的性能如下：抗压强度：71MPa，弯曲弹性模量：11GPa，冲击强度：49Kj/m2，导热系数为0.41w/(m·k)。
实施例3：
一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中(质量浓度3.0％的硫酸溶液与质量浓度30％的双氧水按照1：1体积比的混合溶液)，超声处理30min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍8min，硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为3％，取出玻璃纤维，在50℃下真空干燥6h。
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为0.8mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至45℃浸渍1.5小时，取出玻璃纤维，在55℃下真空干燥6h得复合纤维。
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物。
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：线型双酚A酚醛树脂(市售)100份，改性竹炭12份，偶联剂1.5份(硅烷偶联剂KH570)，聚乙烯蜡1.5份，乙撑双硬脂酰胺1.2份，亚磷酸酯热氧稳定剂(市售)0.8份。
复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至170℃，密炼25min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液(质量浓度为1％的硝酸溶液与质量浓度为2％的磷酸溶液按照1:1体积比的混合物)，稀酸溶液用量为竹炭重量的6％，搅拌混合均匀后，在190℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径约100纳米的竹炭颗粒。
经检测，所得材料的性能如下：抗压强度：79MPa，弯曲弹性模量：12.1GPa，冲击强度：58Kj/m2，导热系数为：0.39w/(m·k)。
实施例4：
一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中(质量浓度8.0％的硫酸溶液与质量浓度10％的双氧水按照1：1.5体积比的混合溶液)，超声处理40min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍7min，硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为2％，取出玻璃纤维，在55℃下真空干燥5h。
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为1mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至45℃浸渍1.5小时，取出玻璃纤维，在55℃下真空干燥5h得复合纤维。
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物。
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：不饱和聚酯树脂(市售)100份，改性竹炭12份，偶联剂1.5份(硅烷偶联剂KH550)，聚乙烯蜡1份，乙撑双硬脂酰胺1.5份，亚磷酸酯热氧稳定剂(市售)0.7份。
复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至170℃，密炼25min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液(质量浓度为1％的硝酸溶液与质量浓度为2％的磷酸溶液按照1:1体积比的混合物)，稀酸溶液用量为竹炭重量的7％，搅拌混合均匀后，在200℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径约在0.5微米的竹炭颗粒。
经检测，所得材料的性能如下：抗压强度：75MPa，弯曲弹性模量：11.5GPa，冲击强度：53Kj/m2，导热系数为：0.39w/(m·k)。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种电动汽车电池箱体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)玻璃纤维表面处理：将玻璃纤维浸入氧化性溶液中，超声处理20-60min，然后将玻璃纤维在硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中浸渍5-10min，取出玻璃纤维，在50-60℃下真空干燥4-8h；
(2)附着石墨烯：将步骤(1)表面处理完的玻璃纤维浸没在浓度为0.3-1.2mg/ml氧化石墨烯溶液中，加热至40-50℃浸渍1-2小时，取出玻璃纤维，在50-60℃下真空干燥4-8h得复合纤维；
(3)三维编织：按照设计的电池箱体形状，将复合纤维进行三维立体编织得三维织物；
(4)注塑成型：将三维织物放入模具中，加入复合树脂，注塑成型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化性溶液为质量浓度7-35％的硝酸溶液，或质量浓度3.0-8.0％的硫酸溶液与质量浓度10-30％的双氧水按照1：1-1.5体积比的混合溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：硅烷偶联剂-二甲基亚砜溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为1％-5％。
4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于：所述复合树脂按重量份计由以下组分混合制成：热固性树脂100份，改性竹炭10-15份，偶联剂1-2份，分散剂1-2份，润滑剂1-1.5份，亚磷酸酯热氧稳定剂0.5-1份。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述改性竹炭的制备方法为：向竹炭中加入稀酸溶液，稀酸溶液用量为竹炭重量的5-8％，搅拌混合均匀后，在180-200℃下干燥至含水量小于0.2％，之后经过气流研磨法得到粒径在100纳米至10微米的竹炭颗粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述稀酸溶液为质量浓度为0.8-1.2％的硝酸溶液与质量浓度为1-3％的磷酸溶液按照1:1-1.5体积比的混合物。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或几种。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯蜡，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述偶联剂选自硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570中的一种或几种。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述复合树脂的制备方法为：将热固性树脂、改性竹炭、偶联剂、分散剂、润滑剂及亚磷酸酯热氧稳定剂投入密炼机中，升温至160-180℃，密炼20-30min，密炼好的物料冷却后，粉碎，再进入双螺杆挤出机中，在温度200-220℃的范围内熔融塑化，挤出造粒。
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