CN110982177A - 一种阻燃导热纳米复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阻燃导热纳米复合材料及其制备方法与应用，该阻燃导热纳米复合材料，其原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30‑70份，玻璃纤维10‑40份，导热粉体5‑35份，阻燃剂15‑45份，纳米阻燃导热促进剂0.5‑10份，偶联剂0.5‑3份，增韧剂5‑15份，相容剂0.5‑5份，抗氧剂0.1‑1份，润滑剂0.1‑1份。本发明的阻燃导热纳米复合材料通过优选导热粉体、阻燃剂和纳米阻燃导热促进剂，保证了材料在电池外壳体中应用时的导热、阻燃和力学性能。同时优选分散剂和相容剂，保证了各种添加剂在树脂中的分散，通过优选高流动性树脂，提供了优良的加工性能，保证了其对复杂电池外壳体结构的精确制备和与电池模块的有效贴合。

Description

一种阻燃导热纳米复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及改性复合材料技术领域，特别是涉及一种阻燃导热纳米复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，市场上存在多种基材的电池外壳，包括钢壳、铝壳和塑料壳，在塑料壳中，聚丙烯为基材的电池外壳占了很大一部分。虽然塑料外壳体给电池的设计和推广带来了更大的便利，但是塑料本身的热传导性能差。电池在充放电过程中会产生大量的热量，导致整个电池的环境相对复杂，也会存在一定的安全隐患。
目前阻燃聚丙烯应用于电池壳的专利有诸多报道，但仍然存在诸如阻燃效果不理想、力学性能欠佳，没有兼顾电池的散热性能等缺陷。
中国专利CN102453280 A公开了一种基于聚丙烯材料的动力电池外壳材料及其制备方法，阻燃性能和力学性能均有所提升，但是该电池外壳的导热性能较差，电池充放电过程中产生的热量可能会导致其他的危害。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供阻燃导热纳米复合材料及其制备方法与应用。
为了实现上述目的，采用如下技术方案：一种阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，该复合材料由以下质量份数的原料组成：
聚丙烯树脂30-70份、
玻璃纤维10-40份、
导热粉体5-35份、
阻燃剂15-45份、
纳米阻燃导热促进剂0.5-10份、
偶联剂0.5-3份、
增韧剂5-15份、
相容剂0.5-5份、
抗氧剂0.1-1份以及润滑剂0.1-1份；
其中，所述的导热粉体为氮化硼、氮化铝、氧化铝以及碳化硅中的一种或几种，所述的纳米阻燃导热促进剂包括有机蒙脱土，层状双氢氧化物，碳纳米管以及石墨烯中的一种或几种。
优选技术方案中，所述的阻燃剂分为无卤阻燃剂，所述的无卤阻燃剂为三聚氰胺多聚磷酸盐、焦磷酸哌嗪以及二乙基次磷酸铝中的一种或几种。
优选技术方案中，所述的阻燃剂为含卤阻燃剂，所述的含卤阻燃剂为由十溴二苯乙烷、溴代三嗪以及四溴双酚A中的一种或几种与三氧化二锑共同组成的复配阻燃剂。
优选技术方案中，所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或N-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷。
优选技术方案中，所述的聚丙烯树脂为在温度为230℃、载荷为2.16kg测试条件下熔融指数为30-70g/10min的均聚聚丙烯。
优选技术方案中，所述的玻璃纤维为无碱短玻璃纤维，玻纤长度为10-20mm。
优选技术方案中，所述的增韧剂为聚烯烃弹性体，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯，所述的抗氧剂为酚类抗氧剂1010和/或亚磷酸酯类抗氧剂16，所述的润滑剂包括多元醇酯、硬脂酸盐和乙撑双脂肪酸酰胺中的一种或几种。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种制备上述阻燃导热纳米复合材料的方法，该制备方法包括如下步骤：
S1、按配方备料，将聚丙烯树脂、玻璃纤维、导热粉体、阻燃剂、纳米阻燃导热促进剂、偶联剂、增韧剂、相容剂以及抗氧剂混合搅拌均匀；
S2、将混合物置于一双螺杆挤出机，通过高温熔融挤出，再利用造粒机造粒，即制得所述的阻燃导热纳米复合材料。
本发明技术方案还提供一种汽车电池外壳，该电池外壳的原料中包含上述方案中的阻燃导热纳米复合材料。所述的电池外壳优选通过注塑机模压成型，并且所述注塑机的注塑温度优选为180-220℃。
本发明的阻燃导热纳米复合材料通过优选导热粉体、阻燃剂和纳米阻燃导热促进剂，保证了材料在电池外壳体中应用时的导热、阻燃和力学性能。同时优选分散剂和相容剂，保证了各种添加剂在树脂中的分散，通过优选高流动性树脂，提供了优良的加工性能；特别是在作为制备汽车电池外壳时，电池外壳成品的阻燃效果好，而且其中的纳米复合材料还能实现对复杂电池外壳体结构的精确制备和与电池模块的有效贴合。
具体实施方式
为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下结合具体实施例对本发明作具体介绍。
实施例1
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，导热粉体5份，阻燃剂15份，纳米阻燃导热促进剂0.5份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为50g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；导热粉体为氮化硼；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，二者添加的质量比为2：1；纳米阻燃导热促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
实施例2
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，导热粉体5份，阻燃剂15份，纳米阻燃导热促进剂0.5份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为50g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；导热粉体为氮化硼；阻燃剂为十溴二苯乙烷和三氧化二锑混合物，二者的添加质量比为3：1；纳米阻燃导热促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
该实施例2与实施例1的区别仅在于，阻燃剂为十溴二苯乙烷和三氧化二锑混合物，添加质量比为3：1。
实施例3
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，导热粉体5份，阻燃剂15份，纳米阻燃导热促进剂0.5份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为70g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；导热粉体为氮化硼；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，二者添加的质量比为2：1；纳米阻燃导热促进剂为碳纳米管；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
该实施例3与与实施例1的区别仅在于：纳米阻燃促进剂为碳纳米管。
对比例1
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，阻燃剂15份，纳米阻燃导热促进剂0.5份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为50g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，二者添加的质量比为2：1；纳米阻燃导热促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
该对比例1与实施例1的区别仅在于，原料中未添加导热剂这一组分。
对比例2
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，导热粉体5份，纳米阻燃导热促进剂0.5份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为70g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；导热粉体为氮化硼；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，二者添加的质量比为2：1；纳米阻燃导热促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
该对比例2与实施例1的区别仅在于，原料中未添加阻燃剂这一组分。
对比例3
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂30份，玻璃纤维10份，导热粉体5份，阻燃剂15份，偶联剂0.5份，增韧剂5份，相容剂0.5份，抗氧剂0.1份，润滑剂0.1份。
其中，上述的聚丙烯选自在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为50g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为10mm；导热粉体为氮化硼；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，二者添加的质量比为2：1；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，螺杆长径比为35，螺杆转速为300r/min。
该对比例3与实施例1的区别仅在于，原料中未添加阻燃导热促进剂这一组分。
实施例4
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂50份，玻璃纤维25份，导热粉体20份，阻燃剂30份，纳米阻燃导热促进剂5份，偶联剂1份，增韧剂10份，相容剂2份，抗氧剂0.5份，润滑剂0.5份。
其中，聚丙烯树脂为在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为50g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为15mm；导热粉体为氮化铝；阻燃剂为二乙基次磷酸铝；纳米阻燃导热促进剂为层状双氢氧化物；偶联剂为N-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168，添加质量比例为1：1；润滑剂为多元醇酯。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为200℃，螺杆长径比为55，螺杆转速为350r/min。
实施例5
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂70份，玻璃纤维45份，导热粉体35份，阻燃剂45份，纳米阻燃导热促进剂10份，偶联剂5份，增韧剂15份，相容剂5份，抗氧剂1份，润滑剂1份。
其中，聚丙烯为在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为30g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为20mm；导热粉体为氧化铝；阻燃剂为焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸盐，添加比例为2：1；纳米阻燃导热促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为硬脂酸盐。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为220℃，螺杆长径比为75，螺杆转速为400r/min。
实施例6
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂70份，玻璃纤维45份，导热粉体35份，阻燃剂45份，纳米阻燃导热促进剂10份，偶联剂5份，增韧剂15份，相容剂5份，抗氧剂1份，润滑剂1份。其中，聚丙烯为在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为30g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为20mm；导热粉体为氧化铝；阻燃剂为四溴双酚A和三氧化二锑混合物，添加质量比为3：1；纳米阻燃促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为硬脂酸盐。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为220℃，螺杆长径比为75，螺杆转速为400r/min。
该实施例6与实施例5的区别仅在于，阻燃剂为四溴双酚A和三氧化二锑混合物，添加质量比为3：1。
对比例4
一种阻燃导热纳米复合材料，原料按照下列质量份数组成：聚丙烯树脂70份，玻璃纤维45份，纳米阻燃导热促进剂10份，偶联剂5份，增韧剂15份，相容剂5份，抗氧剂1份，润滑剂1份。
其中，聚丙烯为在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为30g/10min的均聚聚丙烯；玻璃纤维的长度为20mm；纳米阻燃促进剂为有机蒙脱土；偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；增韧剂为聚烯烃弹性体；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；抗氧剂为酚类抗氧剂1010和亚磷酸酯类抗氧剂168；润滑剂为硬脂酸盐。
阻燃导热纳米复合材料的制备方法：将上述各原料组分通过高速混合机搅拌混合均匀，再送入双螺杆挤出机进行挤出，最后通过切粒机进行造粒，即制得目标产物；其中，双螺杆挤出机的挤出温度为220℃，螺杆长径比为75，螺杆转速为400r/min。
该对比例3与实施例6的区别仅在于，未添加阻燃剂和导热粉体。
将上述实施例1-6和对比例1-4所制备的阻燃导热纳米复合材料分别通过模压制成电池外壳，并对制备的电池外壳性能进行测试，具体测试如下：
导热性能：依据ASTM D5470标准进行测试；
阻燃性能：依据UL-94标准进行测试。
氧指数：依据GB 2406.2标准进行测试。
测试结果如表1所示：
表1：实施例1-6和对比例1-4的电池外壳性能
样品 导热系数W/(m·K) 阻燃性能 氧指数
实施例1 0.341 V0 31
实施例2 0.352 V0 28
实施例3 0.347 V0 31
对比例1 0.287 V0 30
对比例2 0.338 无阻燃等级 20
对比例3 0.323 V1 27
实施例4 0.412 V0 32
实施例5 0.429 V0 31
实施例6 0.433 V0 27
对比例4 0.285 无阻燃等级 18
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，该复合材料由以下质量份数的原料组成：
聚丙烯树脂30-70份、
玻璃纤维10-40份、
导热粉体5-35份、
阻燃剂15-45份、
纳米阻燃导热促进剂0.5-10份、
偶联剂0.5-3份、
增韧剂5-15份、
相容剂0.5-5份、
抗氧剂0.1-1份以及
润滑剂0.1-1份；
其中，所述的导热粉体为氮化硼、氮化铝、氧化铝以及碳化硅中的一种或几种，所述的纳米阻燃导热促进剂包括有机蒙脱土，层状双氢氧化物，碳纳米管以及石墨烯中的一种或几种。
2.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂分为无卤阻燃剂，所述的无卤阻燃剂为三聚氰胺多聚磷酸盐、焦磷酸哌嗪以及二乙基次磷酸铝中的一种或几种。
3.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂分为含卤阻燃剂，所述的含卤阻燃剂为由十溴二苯乙烷、溴代三嗪以及四溴双酚A中的一种或几种与三氧化二锑共同组成的复配阻燃剂。
4.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或N-（β一氨乙基）-γ-氨丙基三甲（乙）氧基硅烷。
5.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂为在温度为230℃、载荷为2.16kg测试条件下熔融指数为30-70g/10min的均聚聚丙烯。
6.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的玻璃纤维为无碱短玻璃纤维，玻纤长度为10-20mm。
7.根据权利要求1中所述的阻燃导热纳米复合材料，其特征在于，所述的增韧剂为聚烯烃弹性体，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯，所述的抗氧剂为酚类抗氧剂1010和/或亚磷酸酯类抗氧剂16，所述的润滑剂包括多元醇酯、硬脂酸盐以及乙撑双脂肪酸酰胺中的一种或几种。
8.一种制备如权利要求1-7中任一项所述阻燃导热纳米复合材料的方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
S1、按配方备料，将聚丙烯树脂、玻璃纤维、导热粉体、阻燃剂、纳米阻燃导热促进剂、偶联剂、增韧剂、相容剂以及抗氧剂混合搅拌均匀；
S2、将混合物置于一双螺杆挤出机，通过高温熔融挤出，再利用造粒机造粒，即制得所述的阻燃导热纳米复合材料。
9.一种汽车电池外壳，其特征在于，该电池外壳的原料中包含如权利要求1-7中的任一项所述的阻燃导热纳米复合材料。
10.根据权利要求书9所述的汽车电池外壳，其特征在于，所述的电池外壳通过注塑机模压成型，所述注塑机的注塑温度为180-220℃。
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