CN108467543A - 阻燃木塑材料及制备方法、电池箱体 - Google Patents

阻燃木塑材料及制备方法、电池箱体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻燃木塑材料及制备方法、电池箱体，所述木塑材料中包含无卤复合阻燃剂，所述无卤复合阻燃剂至少包括石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂。本发明提供的阻燃木塑材料不仅具有强度高、耐冲击好、可塑性强的优点，同时还具有非常好的阻燃性能。由于采用石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂作为阻燃剂，以较低的成本获得优良的阻燃性能，相比于现有技术中没有添加石棉纤维的木塑材料，能够有效延长燃烧时火焰燃烧达到一定高度所需要的时长。

Description

阻燃木塑材料及制备方法、电池箱体
技术领域
本发明涉及阻燃材料技术领域，具体涉及一种阻燃木塑材料及制备方法、电池箱体。
背景技术
锂电池以其高比能量、长循环寿命、无记忆效应、安全可靠以及快速充放电等优点而成为新型电源技术研究的热点,目前已经广泛地应用在可携式电子产品以及新能源电动车上。锂电池使用过程中需要频繁的进行大功率充放电，充放电的过程中会产生大量的热，存在极大的安全隐患。
现有的锂电池箱体大多采用具有良好综合性能的塑料加工而成，主要为非阻燃的普通玻纤增强聚丙烯，该材料具有以下特点：(1)较好的刚性、耐冲击性能、耐热性能，在受到外力作用时不宜变形或破损；(2)聚丙烯具有良好的防渗透性，可以防止长期使用过程中由于潮气进入电池引起六氟磷酸锂电解液分解的情况出现；(3)可以使用振焊、热封等风口工艺对聚丙烯进行加工，最大程度确保了在使用过程中电解液的密封效果。当聚丙烯的极限氧指数只有17.8％，在空气中遇火易燃，燃烧时会产生熔滴，造成火焰迅速蔓延，存在严重的安全隐患。
还有一部分锂电池的单体外壳或箱体采用含卤阻燃ABS制成，由于不能使用热封工艺对其进行加工，大大限制了其在新能源动力锂电池领域的应用。另外，含卤玻纤增强丙烯燃烧时产生大量的黑岩，甚至释放出有毒气体，不符合新能源汽车的环保要求，因此，不能广泛使用。
申请号为201710882824.X的中国专利公开了一种高弹性阻燃木塑包装材料及其制备方法，其将植物纤维和碳纤维均粉碎成粉末，并进行表面有机化改性，以使该材料具有阻燃性能。但其制备出的阻燃材料的抗冲击强度比较低，由于使用硅酸铝作为主要的阻燃助剂，无法大幅度提高材料的阻燃性能。
申请号为201610504774.7的中国专利公开了一种低VOC玻纤增强聚丙烯无卤阻燃符合材料及应用，添加了表面涂覆相容剂的空心玻璃微珠，与玻纤增强聚丙烯相容性好，可有效降低材料的密度，少量阻燃剂的添加使得复合材料阻燃性能提高。但是空心玻璃微珠会明显降低复合材料强度。当使用该材料制造锂电池的箱体时，箱体容易在撞击的作用下发生损坏，无法起到保护作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种强度高、塑性好、阻燃性好的阻燃木塑材料及制备方法，以及使用上述阻燃木塑材料制成的电池箱。
为达上述目的，一方面，本发明采用如下技术方案：
一种阻燃木塑材料，所述木塑材料中包含无卤复合阻燃剂，所述无卤复合阻燃剂至少包括石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂。
优选地，所述木塑材料按重量份数包括：
石棉纤维 6至8份
氢氧化铝 3至5份
无卤磷系阻燃剂 3至5份；
优选地，所述无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵；
优选地，所述石棉纤维包括温石棉纤维、角闪石石棉纤维、水镁石石棉纤维中的任1种或者至少2种的组合。
为达上述目的，另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种阻燃木塑材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制备纤维混合物；
(2)在高温环境下，将石棉纤维、氢氧化铝、无卤磷系阻燃剂以及热塑性树脂加入所述纤维混合物中混合，得到所述阻燃木塑材料。
优选地，步骤(2)包括：
优选地，所述热塑性树脂包括聚丙烯；
优选地，所述聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒；
优选地，所述无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
优选地，在进行混合过程中，使用混匀机进行混合，所述混匀机的转速为1500至1800转/分钟，和/或，所述混匀机的搅拌时长为20至40分钟，和/或，所述混匀机内部的温度为100至118℃。
优选地，步骤(1)中，制备所述纤维混合物的步骤包括：
A、取30至55重量份的植物纤维和3至8重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态；
B、向步骤A中的粉末中加入5至13重量份的碳酸氢钠水溶液并进行搅拌；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入5至8重量份的甲苯磺酸溶液并继续搅拌；
D、对所述步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入3至10重量份的偶联剂后继续搅拌；
E、对所述步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到所述纤维混合物。
优选地，在步骤B中，在温度为40至60℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为1至3小时；
在步骤C中，在温度为50至70℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为0.5至3小时；
在步骤D中，在温度为80至100℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为2至3小时。
优选地，所述偶联剂包括钛酸酯偶联剂；和/或，
所述步骤D中进行过滤使用的滤网的网目200至270目；和/或，
所述步骤E中进行过滤使用的滤网的网目为325至400目。
优选地，所述碳酸氢钠水溶液的浓度为5wt％至15wt％；和/或，
甲苯磺酸溶液的浓度为5wt％至10wt％。
再一方面，本发明采用以下技术方案：
一种电池箱体，所述电池箱体的材料采用如上所述的阻燃木塑材料，或者，采用如上所述的制备方法制造出的阻燃木塑材料。
本发明提供的阻燃木塑材料中加入了无卤复合阻燃剂，使得本发明中的阻燃木塑材料较未添加无卤复合阻燃剂的热塑性材料的弯曲强度和冲击强度最大能够提升59％和42％。本申请中的阻燃木塑材料不仅具有强度高、耐冲击好、可塑性强的优点，同时还具有非常好的阻燃性能。由于采用石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂作为无卤复合阻燃剂，以较低的成本获得优良的阻燃性能，能够有效延长燃烧时火焰燃烧达到150mm所需要的时长,相比于现有技术中没有添加无卤复合阻燃剂的木塑材料可延缓燃烧速率20％以上。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明提供的阻燃木塑材料的制备方法的流程图；
图2示出本发明提供的阻燃木塑材料中无卤复合阻燃剂含量与火焰燃烧至一定高度所需要的时间的关系图；
图3示出本发明提供的阻燃木塑材料中无卤复合阻燃剂含量与弯曲强度和冲击强度的关系。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请提供了一种阻燃木塑材料，木塑材料中包含无卤复合阻燃剂，无卤复合阻燃剂至少包括石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂。具体地，木塑材料按重量份数包括：
石棉纤维 6至8份
氢氧化铝 3至5份
无卤磷系阻燃剂 3至5份。
其中，优选地，无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵；石棉纤维包括温石棉纤维、角闪石石棉纤维、水镁石石棉纤维中的任1种或者至少2种的组合，更加优选地，石棉纤维为天然温石棉纤维。由于石棉纤维价格低廉，获得渠道广泛，能够在不额外大幅增加生产成本的同时，有效提高阻燃性能。在此，需要说明的是，本申请中的聚磷酸铵的重量份数为3至5份，该重量份数的聚磷酸铵是作为阻燃剂使用的，并非作为发泡剂使用。聚磷酸铵和氢氧化铝价格低廉，容易获得，作为阻燃剂使用时，能够获得非常好的阻燃效果。
如图2所示，当木塑材料中的无卤复合阻燃剂的含量达到15％时，燃烧过程中当火焰的高度至150mm需要的时间约为160s。没有添加无卤复合阻燃剂的木塑材料，燃烧过程中当火焰的高度至150mm需要的时间约为100s，将时间延长了1分钟，本申请中的木塑材料的阻燃性能更高，当火灾发生时，能够为救援争取更多的时间。
如图3所示，当木塑材料中的无卤复合阻燃剂的重量百分含量在5％至15％之间时，木塑材料具有较高的弯曲强度，同时还具有较好的抗冲击强度，能够被应用在具有一定冲击力的环境中，扩大了木塑材料能够应用的范围。
如图1所示，本申请还提供了一种阻燃木塑材料的制备方法，下面详细描述制备方法的各种实施例：
实施例一
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)制备纤维混合物；
(2)在高温环境下，将石棉纤维、氢氧化铝、无卤磷系阻燃剂以及热塑性树脂加入纤维混合物中混合，得到阻燃木塑材料。
实施例二
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)制备纤维混合物；
A、取30重量份的植物纤维和3重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态，其中，植物纤维包括麻纤维、秸秆纤维或木纤维中的一种或几种；
B、向步骤A中的粉末中加入5重量份的浓度为5wt％的碳酸氢钠水溶液，在温度为40℃状态下搅拌1小时；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入5重量份的浓度为5wt％的甲苯磺酸溶液，在温度为50℃的状态下搅拌0.5小时；
D、对步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入3重量份的偶联剂，在温度为80℃状态下搅拌反应2小时，其中，偶联剂包括钛酸酯偶联剂，用于过滤的过滤网的网目为200目；
E、对步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到纤维混合物，其中，用于过滤的过滤网的网目为400目。
(2)制备阻燃木塑材料
从步骤(1)中制备的纤维混合物中取40重量份，并将其与3重量份的无卤磷系阻燃剂、6重量份的石棉纤维、3重量份的氢氧化铝、50重量份的热塑性树脂、2重量份的丁二酸丁二醇酯、3重量份的磷酸三丁酯进行混合，得到阻燃木塑材料。其中，优选地，热塑性树脂包括聚丙烯，聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒，无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
在上述混合过程中，使用混匀机进行混合，混匀机的转速为1500转/分钟，混匀机的搅拌时长为20分钟，混匀机内部的温度为100℃。
混合完成后获得阻燃木塑材料，将其放入至混炼机组中进行挤出造粒，得到阻燃木塑材料母粒。母粒经干燥后，按照母粒所要使用的领域和环境不同，可以对其进行再次加工成型。比如，要将母粒加工成锂离子电池单体的壳体，或者锂电池的箱体，只需将干燥后的母粒按照相应的ASTM标准进行注塑成型即可。
实施例三
(1)制备纤维混合物；
A、取55重量份的植物纤维和8重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态，其中，植物纤维包括秸秆纤维或木纤维；
B、向步骤A中的粉末中加入13重量份的浓度为15wt％的碳酸氢钠水溶液，在温度为60℃状态下搅拌3小时；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入8重量份的浓度为10wt％的甲苯磺酸溶液，在温度为70℃的状态下搅拌3小时；
D、对步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入10重量份的偶联剂，在温度为100℃状态下搅拌反应3小时，其中，偶联剂包括钛酸酯偶联剂，用于过滤的过滤网的网目为270目；
E、对步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到纤维混合物，其中，用于过滤的过滤网的网目为325目。
(2)制备阻燃木塑材料
从步骤(1)中制备的纤维混合物中取45重量份，并将其与5重量份的无卤磷系阻燃剂、8重量份的石棉纤维、5重量份的氢氧化铝、60重量份的热塑性树脂、3重量份的丁二酸丁二醇酯、5重量份的磷酸三丁酯进行混合，得到阻燃木塑材料。其中，优选地，热塑性树脂包括聚丙烯，聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒，无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
在上述混合过程中，使用混匀机进行混合，混匀机的转速为1800转/分钟，混匀机的搅拌时长为40分钟，混匀机内部的温度为118℃。
实施例四
(1)制备纤维混合物；
A、取40重量份的植物纤维和5重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态，其中，植物纤维包括麻纤维；
B、向步骤A中的粉末中加入8重量份的浓度为10wt％的碳酸氢钠水溶液，在温度为50℃状态下搅拌2小时；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入6重量份的浓度为8wt％的甲苯磺酸溶液，在温度为60℃的状态下搅拌2小时；
D、对步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入7重量份的偶联剂，在温度为90℃状态下搅拌反应2.5小时，其中，偶联剂包括钛酸酯偶联剂，用于过滤的过滤网的网目为235目；
E、对步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到纤维混合物，其中，用于过滤的过滤网的网目为355目。
(2)制备阻燃木塑材料
从步骤(1)中制备的纤维混合物中取43重量份，并将其与4重量份的无卤磷系阻燃剂、7重量份的石棉纤维、4重量份的氢氧化铝、55重量份的热塑性树脂、2.5重量份的丁二酸丁二醇酯、4重量份的磷酸三丁酯进行混合，得到阻燃木塑材料。其中，优选地，热塑性树脂包括聚丙烯，聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒，无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
在上述混合过程中，使用混匀机进行混合，混匀机的转速为1650转/分钟，混匀机的搅拌时长为30分钟，混匀机内部的温度为108℃。
混合完成后获得阻燃木塑材料，将其放入至混炼机组中进行挤出造粒，得到阻燃木塑材料母粒。母粒经干燥后，按照母粒所要使用的领域和环境不同，可以对其进行再次加工成型。比如，要将母粒加工成锂离子电池单体的壳体，或者锂电池的箱体，只需将干燥后的母粒按照相应的ASTM标准进行注塑成型即可。
实施例五
(1)制备纤维混合物；
A、取50重量份的植物纤维和4重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态，其中，植物纤维包括麻纤维；
B、向步骤A中的粉末中加入10重量份的浓度为12wt％的碳酸氢钠水溶液，在温度为50℃状态下搅拌2小时；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入6重量份的浓度为8wt％的甲苯磺酸溶液，在温度为60℃的状态下搅拌2小时；
D、对步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入7重量份的偶联剂，在温度为90℃状态下搅拌反应2.5小时，其中，偶联剂包括钛酸酯偶联剂，用于过滤的过滤网的网目为240目；
E、对步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到纤维混合物，其中，用于过滤的过滤网的网目为350目。
(2)制备阻燃木塑材料
从步骤(1)中制备的纤维混合物中取40至45重量份，并将其与3至5重量份的无卤磷系阻燃剂、6至8重量份的石棉纤维、3至5重量份的氢氧化铝、50至55重量份的热塑性树脂、2至3重量份的丁二酸丁二醇酯、3至5重量份的磷酸三丁酯进行混合，得到阻燃木塑材料。其中，优选地，热塑性树脂包括聚丙烯，聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒，无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
在上述混合过程中，使用混匀机进行混合，混匀机的转速为1650转/分钟，混匀机的搅拌时长为30分钟，混匀机内部的温度为108℃。
混合完成后获得阻燃木塑材料，将其放入至混炼机组中进行挤出造粒，得到阻燃木塑材料母粒。母粒经干燥后，按照母粒所要使用的领域和环境不同，可以对其进行再次加工成型。比如，要将母粒加工成锂离子电池单体的壳体，或者锂电池的箱体，只需将干燥后的母粒按照相应的ASTM标准进行注塑成型即可。
本申请还提供了一种电池箱体，该箱体可以为单个锂电池的壳体，也可以为用于容置多个锂电池单体的电池箱的箱体，该电池箱体使用上述阻燃木塑材料，或者，采用上述制备方法制造出的阻燃木塑材料制成，能够有效提高木塑材料的阻燃性能。同时，由于本申请中的阻燃材料中不含有卤素，使得本申请中的阻燃木塑材料还具有非常好的机械强度，且耐热性和耐冲击性都非常好。使用本申请中的阻燃木塑材料加工制造电池的箱体或壳体，当箱体受到外力冲击时，电池箱体和壳体不易发生变形和损坏，为电池提供有效保护，防止电池在外力作用下损坏。
另外，本申请中的阻燃木塑材料具有良好的封装性以及耐六氟磷酸锂电解液的性能，能够很好地适应锂电池的技术要求。
本申请中的电池箱由于具有较好的防火性能和机械性能，当锂电池在安装或非正常使用状态下出现电解液泄漏时，可以有效阻止燃烧、减小火焰蔓延速度，为附近人员逃生和灭火赢得时间，适合广泛应用在电动车上。当电动车发生碰撞时，还能够有效防止电火花产生，大幅度降低燃烧发生的概率，保证电动车驾驶员的人身安全。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种阻燃木塑材料，其特征在于，所述木塑材料中包含无卤复合阻燃剂，所述无卤复合阻燃剂至少包括石棉纤维、氢氧化铝和无卤磷系阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的阻燃木塑材料，其特征在于，所述木塑材料按重量份数包括：
石棉纤维 6至8份
氢氧化铝 3至5份
无卤磷系阻燃剂 3至5份；
优选地，所述无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵；
优选地，所述石棉纤维包括温石棉纤维、角闪石石棉纤维、水镁石石棉纤维中的任1种或者至少2种的组合。
3.一种阻燃木塑材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)制备纤维混合物；
(2)在高温环境下，将石棉纤维、氢氧化铝、无卤磷系阻燃剂以及热塑性树脂加入所述纤维混合物中混合，得到所述阻燃木塑材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括：
取所述纤维混合物40至45重量份，并将其与3至5重量份的无卤磷系阻燃剂、6至8重量份的石棉纤维、3至5重量份的氢氧化铝、50至60重量份的热塑性树脂、2至3重量份的丁二酸丁二醇酯、3至5重量份的磷酸三丁酯进行混合，得到所述阻燃木塑材料；
优选地，所述热塑性树脂包括聚丙烯；
优选地，所述聚丙烯包括可再生聚丙烯颗粒；
优选地，所述无卤磷系阻燃剂包括聚磷酸铵。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在进行混合过程中，使用混匀机进行混合，所述混匀机的转速为1500至1800转/分钟，和/或，所述混匀机的搅拌时长为20至40分钟，和/或，所述混匀机内部的温度为100至118℃。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备所述纤维混合物的步骤包括：
A、取30至55重量份的植物纤维和3至8重量份的碳纤维，将其混合并粉碎至粉末态；
B、向步骤A中的粉末中加入5至13重量份的碳酸氢钠水溶液并进行搅拌；
C、向步骤B中搅拌后的溶液中加入5至8重量份的甲苯磺酸溶液并继续搅拌；
D、对所述步骤C中搅拌后的溶液进行过滤，向过滤后的混合物中加入3至10重量份的偶联剂后继续搅拌；
E、对所述步骤D中搅拌后的混合物进行过滤，得到所述纤维混合物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤B中，在温度为40至60℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为1至3小时；
在步骤C中，在温度为50至70℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为0.5至3小时；
在步骤D中，在温度为80至100℃状态下进行搅拌，和/或，搅拌时长为2至3小时。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂包括钛酸酯偶联剂；和/或，
所述步骤D中进行过滤使用的滤网的网目为200至270目；和/或，
所述步骤E中进行过滤使用的滤网的网目为325至400目。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳酸氢钠水溶液的浓度为5wt％至15wt％；和/或，
甲苯磺酸溶液的浓度为5wt％至10wt％。
10.一种电池箱体，其特征在于，所述电池箱体的材料采用如权利要求1或2所述的阻燃木塑材料，或者，采用如权利要求3至9之一所述的制备方法制造出的阻燃木塑材料。
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