CN109517385B - 一种碳纤维复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料，包含聚苯硫醚65～95重量份、碳纤维短纤5～35重量份，以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，还包含聚苯砜10～50重量份、碳化硅晶须2～50重量份。本发明的材料具有阻燃性、导热、耐热、韧性、强度、耐药品性好、翘曲度低的特点，且适合于注塑成型加工。本发明还提供了一种用本发明材料制作的新能源汽车电池外框，尤其是电池下盖。

Description

一种碳纤维复合材料
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种用于构成承载新能源汽车电池的框体的碳纤维复合材料，以及使用该碳纤维复合材料制备的电池框体。
背景技术
随着石油等资源的减少和价格的攀升及其在使用过程中对环境的污染，电动汽车取代传统使用柴汽油的汽车已经是汽车行业的必然趋势。而阻碍电动汽车快速发展和普及的核心技术为动力电池技术，由于电池要提供足够的电量给汽车，在产生足够电能的同时，也会产生很多的热量，因此电池外壳需要有导热耐热和阻燃能力以及足够的机械强度。现有技术中电池的外壳主要有金属合金、有机聚合物等材料制成。金属合金制作的电池外壳比较笨重、且导电不够安全；而多数的有机聚合物的导热耐热性能不足。
中国专利申请CN20161123809.5公开了一种用于锂离子动力和储能电池的含聚苯硫醚的电池盒。其优点在于电池盒具有耐热性强、强度高、耐电解液溶解、阻燃性强的特点。但是电池的导热性能不强，降低电池的使用寿命。
日本专利申请JP2015-48410A公开了一种能形成阻燃、耐热性强、强度高、翘曲度低的框体用材料，但由于以聚碳酸酯为基体，所以其不耐电解液溶解。
中国专利申请CN200580011115.X公开了一种使用导热性聚合物盒的电池，其优点在于其导热性聚合物盒中含有导热性比聚合物基材到一个数量级的导热电绝缘材料，提高了电池盒的导热效率，提高电池的使用寿命，但未提到这种电池盒的机械强度、阻燃性和耐溶剂腐蚀性。
可见，现有技术往往仅满足电池框体的某些的性能要求，而不满足另一些要求。所以，需要一种碳纤维复合材料，兼具有阻燃、导热、耐热、韧性强、强度高、耐药品性好、翘曲度低的特点，且适合于注塑成型加工。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，而提供一种阻燃、导热、耐热、韧性强、强度高、耐药品性好，翘曲度低，且适合于注塑成型加工的电池用框体碳纤维复合材料，以及由其制备的电池框体。
本发明提供的碳纤维复合材料，包含聚苯硫醚65～95重量份、碳纤维短纤5～35重量份，以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，还包含聚苯砜10～50重量份、碳化硅晶须2～50重量份。
本发明中，聚苯硫醚是聚合物分子主链中带有苯硫基的热塑性树脂，能提供材料在溶液和电解液中的耐溶剂性、阻燃性、耐热性和刚性的性能。含量优选为70～90重量份，能进一步确保材料很高的阻燃性和机械强度(拉伸强度和弯曲强度)。
本发明中，碳纤维短纤是用碳纤维编织而成的二维或三维纤维材料经过切断机短切而成，能提高高分子材料的机械强度(拉伸强度和弯曲强度)、导热性的性能。含量优选10～30重量份，能提供材料足够的机械强度和导热性而不影响其他性质。
本发明中，聚苯砜，又称聚芳砜，简称PPSU，是一种耐高温的无定形聚合物，能降低翘曲度、提供刚性和韧性、耐高温性、耐热氧化性。以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，聚苯砜含量优选20～40重量份，更优选25～35重量份，这样能在提供足够的低翘曲度、刚性和韧性，耐高温性、耐热氧化性，而不影响材料的导热性。
本发明中，碳化硅晶须是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的碳化硅短纤维，能提供给材料高热传导性、高绝缘性和高机械强度。以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，碳化硅晶须优选10～40重量份，更优选20～30重量份，可以提高材料的综合性能。
相对于分布在聚苯硫醚相中，所述碳化硅晶须富集在聚苯砜相中时，材料的性能较优越。即：聚苯砜相中的碳化硅晶须体积/(聚苯砜相中的碳化硅晶须体积+聚苯硫醚相中的碳化硅晶须体积)＞聚苯砜相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)。
式1定义碳化硅晶须在聚苯砜相中的富集程度X：
X＝【聚苯砜相中的碳化硅晶须体积/(聚苯砜相中的碳化硅晶须体积+聚苯硫醚相中的碳化硅晶须体积)】/【聚苯砜相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)】
式1
当X＞1，则碳化硅晶须富集在聚苯砜相中。优选X＞1.5。
进一步地，所述碳化硅晶须的平均直径为200～500nm，平均长度为10～50微米。碳化硅晶须的平均直径大于500nm，长度大于50微米，不利于碳化硅晶须分布到聚苯砜相中；碳化硅晶须的平均直径小于200nm，长度小于10微米，碳化硅晶须对材料的机械强度性能的提高不明显，达不到设计和实用的要求。优选地，碳化硅晶须的平均直径为300～500nm，平均长度为10～30微米。
进一步地，以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，所述碳纤维复合材料还含有2～50重量份的聚苯胺颗粒。
本发明中，聚苯胺是指由苯胺或苯胺同系物或衍生物聚合而成的高分子聚合物，能增强材料导热的性能。含量优选10～40重量份，能提高材料的导热性和机械强度。
相对于分布在聚苯砜相中，所述聚苯胺颗粒富集在聚苯硫醚相时，材料的性能较优越。即：聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积/(聚苯砜相中的聚苯胺颗粒体积+聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积)＞聚苯硫醚相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)。
式2定义聚苯胺颗粒在聚苯硫醚相中的富集程度Y：
Y＝【聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积/(聚苯砜相中的聚苯胺颗粒体积+聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积)】/【聚苯硫醚相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)】
式2
当Y＞1，则聚苯胺颗粒富集在聚苯硫醚相中。优选Y＞1.5。
进一步地，所述聚苯胺颗粒的平均粒径为400～1000nm。其中，当聚苯胺颗粒的平均粒径小于400nm时，聚苯胺颗粒难以均匀分布在聚苯硫醚基体中；当聚苯胺颗粒的平均粒径大于1000nm时，相同体积下，粒子数量少，不利于在厚度方向充分填充电池框体，不利于提高热传导系数。优选地，聚苯胺颗粒的平均粒径为500～700nm。
进一步地，所述聚苯胺颗粒的粒径分布为1.1～1.8。优选地，聚苯胺颗粒的粒径分布为1.4～1.7。
本发明中，可以通过以下方法，控制碳化硅晶须和/或聚苯胺在聚苯砜相和/或聚苯硫醚相中的选择性分布。
方法一：
先将碳化硅晶须在聚苯砜中分散均匀后，再同聚苯硫醚以及其他物质熔融共混。
方法二：
先将聚苯胺在聚苯硫醚中分散均匀后，再同聚苯砜以及其他物质熔融共混。
方法三：
先分别将碳化硅晶须在聚苯砜中、将聚苯胺在聚苯硫醚中分散均匀，再把两者以及其他物质熔融共混。
在上述的各方法中最后实施的熔融共混过程中，不可避免的存在部分碳化硅晶须和/或聚苯胺离开原来的聚合物相，进入另一聚合物相，但可以通过控制熔融共混时的温度、剪切速率、混合时间来抑制此现象，减少碳化硅晶须和/或聚苯胺离开原聚合物相进入另一聚合物相的量。
本发明还提供一种由上述材料制备而得的电池框体。
进一步地，所述电池框体厚度方向上导热系数大于0.5W/m·K。导热系数的提高有助于热量的扩散，提高电池的使用寿命。优选地，厚度方向上的导热系数大于0.8W/m·K；更优选地，厚度方向上的导热系数大于1.2W/m·K。
进一步地，所述电池框体面内方向上导热系数大于0.6W/m·K。优选地，面内方向上的导热系数大于1W/m·K；更优选地，面内方向上的导热系数大于1.5W/m·K。进一步地，所述电池框体拉伸强度大于100MPa。优选大于150MPa。
进一步地，所述电池框体弯曲强度大于100MPa。优选大于150MPa。
进一步地，所述电池框体翘曲度小于5％。优选地，翘曲度小于3％。
进一步地，所述电池框体根据UL94的测试方法测试，阻燃等级为V-0级。
本发明提供的一种碳纤维复合材料，该材料使用了聚苯硫醚、碳纤维短纤、聚苯砜和碳化硅晶须，使其具有阻燃、导热、耐热、韧性强、强度高、耐药品性好、翘曲度低的特点，且适合于注塑成型加工。本发明提供的材料适合于新能源汽车电池用框体材料，尤其是电池下盖的要求。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述实施例范围之中。
本发明实施例中各检测项目及测试方法分别如下：
平均粒径和粒径分布：使用光散射法测量，以直径的数均平均值作为样品的平均粒径；粒径分布用光散射法测量测定，其中，粒径分布＝体积平均粒径/数量平均粒径。
相形貌：使用SEM对样品的平滑断面进行摄影，利用图像分析方法，按式1和式2定量分析碳化硅晶须在聚苯砜相中富集程度X、聚苯胺颗粒在聚苯硫醚相中的富集程度Y。
厚度方向上导热系数：使用美国TA公司FL4010型激光法导热系数测试仪测定。样品厚度1mm。
面内方向上导热系数：使用美国TA公司FL4010型激光法导热系数测试仪测定。样品厚度1mm。
拉伸强度：按照标准GB/T1040.2-2006进行测定。实验速度10mm/min。样品尺寸长80mm×宽10mm×厚1mm。
弯曲强度：按照标准GB/T9341-2000进行测定。实验速度1mm/min。长80mm×宽10mm×厚1mm。
翘曲度：将待测试样凸面向上水平放置在一块带有精确刻度的水平塑料板上，试样的每一边的两个角接触水平塑料板，用带有精确刻度的垂直透明塑料板测量试样与水平塑料板之间的最大垂直位移(R)，用水平塑料板上的刻度计算试样与平台最大垂直位移的那条边接触到水平塑料板时的长度(L)，试样的翘曲度为R/L×100％。长80mm×宽80mm×厚1mm。
阻燃性：根据UL94(垂直测试)标准进行测试。样品厚度1mm。
本发明各实施例和对比例中所用的原料：
A-1：碳纤维短纤增强聚苯硫醚树脂，东丽株式会社产TORAYCA A630T-10V，含碳纤维短纤10重量份、聚苯硫醚90重量份。
A-2：碳纤维短纤增强聚苯硫醚树脂，东丽株式会社产TORAYCA A630T-30V，含碳纤维短纤30重量份、聚苯硫醚70重量份。
A-3：聚苯硫醚树脂，东丽株式会社产TORELINAA900，不含碳纤维短纤等增强材料。
B-1：聚苯砜树脂，BASF公司产Ultrason P3010。
C-1：聚苯胺颗粒，石家庄冀安亚大新材料科技有限公司产，平均粒径500nm，粒径分布1.2。
C-2：聚苯胺颗粒，石家庄冀安亚大新材料科技有限公司产，平均粒径500nm，粒径分布1.5。
C-3：聚苯胺颗粒，石家庄冀安亚大新材料科技有限公司产，平均粒径900nm，粒径分布1.5。
D-1：碳化硅晶须，秦皇岛一诺高新材料开发有限公司产，平均直径350nm，平均长度25微米。
D-2：碳化硅晶须，秦皇岛一诺高新材料开发有限公司产，平均直径420nm，平均长度15微米。
实施例1～16
按表1所示的原料配比，使用一台密炼机，将碳化硅晶须同聚苯砜树脂在285℃、180rpm下密炼10min，继而加入碳纤维短纤增强聚苯硫醚树脂，并按需加入聚苯胺颗粒，继续密炼10min，制备出共混塑料。将共混塑料粉碎后，在295℃下，按测试要求注塑成各种形状的样品，供进一步测试。
实施例17
按表1所示的原料配比，使用一台密炼机，将碳化硅晶须同碳纤维短纤增强聚苯硫醚在285℃、180rpm下密炼10min，继而加入聚苯砜树脂和聚苯胺颗粒，继续密炼10min，制备出共混塑料。将共混塑料粉碎后，在295℃下，按测试要求注塑成各种形状的样品，供进一步测试。
实施例18
按表1所示的原料配比，使用一台密炼机，将聚苯胺颗粒同聚苯砜树脂在285℃、180rpm下密炼10min，继而加入碳纤维短纤增强聚苯硫醚树脂和碳化硅晶须，继续密炼10min，制备出共混塑料。将共混塑料粉碎后，在295℃下，按测试要求注塑成各种形状的样品，供进一步测试。
表1
Figure BDA0001414002350000061
Figure BDA0001414002350000071
上述实施例选用的直接原料中，含碳纤维短纤10重量份、聚苯硫醚90重量份或含碳纤维短纤30重量份、聚苯硫醚70重量份，在其他实施例中，选用含聚苯硫醚65～95重量份、碳纤维短纤5～35重量份的原料。
上述实施例选用的直接原料中，碳化硅晶须的平均粒径350nm、平均长度25微米或平均粒径420nm、平均长度15微米。在其他实施例中，选用碳化硅晶须的平均粒径200～500nm，优选300～500nm；选用碳化硅晶须的平均长度10～50微米，优选10～30微米。
上述实施例选用的直接原料中，聚苯胺颗粒的平均粒径500nm，粒径分布1.2；平均粒径500nm，粒径分布1.5；平均粒径900nm，粒径分布1.5。在其他实施例中，选用聚苯胺颗粒的平均粒径400～1000nm，优选500～700nm；选用聚苯胺颗粒的粒径分布1.1～1.8，优选1.4～1.7。
上述实施例中，碳化硅晶须在聚苯砜相中的富集程度X＞1，优选X＞1.5。
上述实施例中，聚苯胺颗粒在聚苯硫醚相中的富集程度Y＞1，优选Y＞1.5。
对比例1～3
按表2所示的原料配比，使用一台密炼机，将各原料在285℃、180rpm下密炼10min，制备出共混塑料。将共混塑料粉碎后，在295℃下，按测试要求注塑成各种形状的样品，供进一步测试。
表2
Figure BDA0001414002350000072
将实施例和对比例制备的样品，按照本发明提供的方法测定相关的性质如表3所示。
表3
Figure BDA0001414002350000081
从上表中可知，利用实施例1～18制成的材料有很好的导热性、机械强度和阻燃性，并且还有很小的翘曲度，证明用本发明的材料制作的新能源汽车电池框体有很好的性能，可以满足电池的要求，有很广泛的运用前景。另一方面，实施例17、18中碳化硅晶须在聚苯砜相中的富集程度X以及聚苯胺颗粒在聚苯硫醚相中的富集程度Y都小于1，其各性能都较配比相同但碳化硅晶须和聚苯胺颗粒分布状况不同的实施例15、16要差一些。
在其他实施例中，还包括利用实施例1～18的原料材料制成的电池框体。
根据实验所得，以本发明材料所制备的电池框体，厚度方向上导热系数大于0.5W/m·K；优选地，厚度方向上的导热率大于0.8W/m·K；更优选地，厚度方向上的导热率大于1.2W/m·K。电池框体面内方向上导热系数大于0.6W/m·K；优选地，面内方向上的导热率大于1W/m·K；更优选地，面内方向上的导热率大于1.5W/m·K。电池框体拉伸强度大于100MPa；优选大于150MPa。电池框体弯曲强度大于100MPa；优选大于150MPa。电池框体翘曲度小于5％；优选地，翘曲度小于3％。电池框体根据UL94的测试方法测试，阻燃等级为V-0级。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于：包含聚苯硫醚65～95重量份、碳纤维短纤5～35重量份，以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，还包含聚苯砜10～50重量份、碳化硅晶须2～50重量份；
所述碳化硅晶须富集在聚苯砜相中，即：聚苯砜相中的碳化硅晶须体积/(聚苯砜相中的碳化硅晶须体积+聚苯硫醚相中的碳化硅晶须体积)＞聚苯砜相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)；
以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，所述碳纤维复合材料还含有2～50重量份的聚苯胺颗粒；
所述聚苯胺颗粒富集在聚苯硫醚相中，即：聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积/(聚苯砜相中的聚苯胺颗粒体积+聚苯硫醚相中的聚苯胺颗粒体积)＞聚苯硫醚相体积/(聚苯砜相体积+聚苯硫醚相体积)。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳纤维复合材料包含聚苯硫醚70～90重量份、碳纤维短纤10～30重量份，以聚苯硫醚和碳纤维短纤合计100重量份计算，聚苯砜25～35重量份、碳化硅晶须20～30重量份。
3.根据权利要求1至2任一项所述的碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳化硅晶须的平均粒径为200～500nm，平均长度为10～50微米。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳化硅晶须的平均粒径为300～500nm，平均长度为10～30微米。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于：所述聚苯胺颗粒的平均粒径为400～1000nm，粒径分布为1.1～1.8。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料，其特征在于：所述聚苯胺颗粒的平均粒径为500～700nm，粒径分布为1.4～1.7。
7.一种由权利要求1-6任一项材料制备而得的电池框体。
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