一种微孔薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于聚合物薄膜技术领域,具体涉及一种微孔薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着新能源汽车的迅速普及,电池包安全越来越受到认为关注。目前的电池模组内装有大量的化学物质,在充放电和工作的过程中有可能产生大量气体。同时电池工作时温度升高也会导致压力的积聚。如果这些压力得不到及时的平衡和释放,会造成壳体密封失效、变形甚至爆炸等。同时环境中的水汽、灰尘、油污、颗粒等也会对密封电池包内部的敏感电子元器件造成损伤,严重影响电池包可靠性。
电池包防爆阀是一种汽车零部件配件,其目的在于维持电池包内外气压平衡、阻隔液体油污灰尘进入电池包壳体并在电池发生热失控时及时泄压。防爆阀用薄膜是整个产品核心组件,起到快速透气平衡内外压差、阻隔灰尘油污和参与防爆泄压的功能。除以上功能外,防爆阀薄膜需要耐受化学试剂、高低温、紫外线等等,以提高防爆阀在苛刻环境中的可靠性。目前主流电池包防爆阀主要采用的防水透气材料是PTFE微孔膜。
目前,关于PTFE微孔膜及其制备方法的研究和报道也有很多。CN106832695A公开了一种用于防爆阀的PTFE薄膜及其制备方法,所述PTFE薄膜包括以下重量份的组分:PTFE树脂50~65份,氧化钙5~20份,干冰2~10份,聚氨酯5~15份,聚苯酯10~20份;其制备方法包括原料预处理、称量备料、搅拌混合、干燥处理、熔融处理、冷却处理、切割处理和成膜处理。该发明得到的用于防爆阀的PTFE薄膜具有性能优异、可靠性高、稳定性好和成本低廉的特点。但是,得到的PTFE薄膜的透气性能、耐水压性能和力学强度难以兼顾,且制备过程中使用的溶剂也存在环境污染问题。
CN103722859A公开了一种膨体聚四氟乙烯密封膜的制备方法,所述制备方法包括:将选取的膨体聚四氟乙烯微孔薄膜料卷装置放卷机上,使膨体聚四氟乙烯微孔薄膜首端穿过左、右牵引辊之间的隙间,在左牵引辊和右牵引辊的牵引下,使膨体聚四氟乙烯微孔薄膜接触水平作业平台,然后由左、右牵引辊及水平作业平台左端的左压辊或右端的右压辊同步来回移动,左、右压辊的压力为0.5~2MPa,温度在150~250℃,且膨体聚四氟乙烯微孔薄膜被层层压延平铺叠加在水平作业台上,并每层上端面上均匀地喷涂黏胶剂以复合粘接在一起,直至所需厚度,后在50~150℃水平作业平台上静置24小时,最后去边裁剪。该发明得到的聚四氟乙烯微孔薄膜可在制作膨体聚四氟乙烯密封垫片中应用。US5417743公开了一种采用PTFE分散树脂为原料,通过拉伸工艺制备具有“纤维/节点”微观结构的多孔PTFE薄膜,所述纤维与纤维间的孔隙起到透气的功能。但是,上述两种专利制备得到的PTFE薄膜的孔径大小、孔径分布、孔径大小和孔隙率均难以控制,普适性较差,因此很难进行工业化生产和应用。
因此,开发一种工艺简单、操作方便的制备方法,制备得到透气性能和耐压性能优异的微孔薄膜,是本领域迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种微孔薄膜及其制备方法和应用,所述制备方法通过将烧结、粉碎后得到的完全烧结料或半烧结料与聚四氟乙烯树脂新料进行混合、模压、烧结和车削,得到所述微孔薄膜;所述制备方法利用烧结料与新料的复合,成功制备得到了孔径大小、孔径分布和孔隙率可调整的微孔薄膜;所述制备方法操作简单,无需使用特殊的设备和仪器,制备过程中不需要额外添加致孔剂和溶剂,环保无污染,有利于工业化批量化生产,为制备微孔薄膜提供了一种新的方法。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种微孔薄膜的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将第一聚四氟乙烯树脂进行预烧结、粉碎,得到完全烧结料或半烧结料;
(2)将步骤(1)得到的完全烧结料或半烧结料与第二聚四氟乙烯树脂进行混合、模压、烧结、车削,得到所述微孔薄膜。
本发明提供的微孔薄膜的制备方法,首先将第一聚四氟乙烯树脂进行预烧结,粉碎,得到完全烧结料或者半烧结料;然后将得到的半烧结料或者完全烧结料和第二聚四氟乙烯树脂进行混合,这一步骤重新混入聚四氟乙烯料是为了得到兼具优异透气性能和力学强度的微孔薄膜;最后依次进行模压、烧结和车削等步骤,即可得到所述微孔薄膜。
本发明提供的微孔薄膜的制备方法通过对第一聚四氟乙烯树脂进行预烧结,得到半烧结料或者完全烧结料,然后通过将半烧结料或者完全烧结料与第二聚四氟乙烯树脂(新料)进行混合,烧结等操作,成功制备得到了兼具优异透气性能和力学强度的微孔薄膜;所述制备方法工艺简单,不需要致孔剂和溶剂,适合大批量工业化生产和应用。
本发明所述完全烧结料指的是粉碎后的料在DSC测试的一次升温曲线上只有320~330℃区间内的一个熔融峰;所述半烧结料指的是粉碎后的料在DSC测试的一次升温曲线上有2个熔融峰,一个峰在320~330℃之间,另外一个在340~350℃区间。
本发明中,所述烧结料包括半烧结料和完全烧结料;下文涉及到相同描述,均具有相同的含义。
优选地,步骤(1)所述预烧结的温度为340~380℃,例如343℃、346℃、349℃、352℃、355℃、358℃、361℃、364℃、369℃、372℃、375℃或379℃,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,步骤(1)所述预烧结的时间为2~10h,例如2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h或9.5h,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
本发明提供的微孔薄膜的制备方法,通过对预烧结的时间和温度进行控制,可控制得到半烧结料或者完全烧结料,可根据不同聚四氟乙烯树脂的特点进行调整。
优选地,步骤(1)所述预烧结的温度为<360℃且>340℃(例如342℃、344℃、346℃、348℃、350℃、352℃、354℃、356℃或358℃等),所述预烧结的时间<5h且>2h(例如2.3h、2.6h、2.9h、3h、3.3h、3.6h、3.9h、4h、4.3h、4.6h或4.9h等),粉碎后得到所述半烧结料。
根据实验验证和材料的特点,本发明提供的微孔薄膜的制备方法中预烧结的温度<360℃且>340℃,预烧结时间<5h且>2h时,粉碎后得到的为半烧结料。
优选地,步骤(1)所述预烧结的温度为360~380℃(例如362℃、364℃、366℃、368℃、370℃、372℃、374℃、376℃或378℃等),所述预烧结的时间为5~10h(例如5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h或9.5h等),粉碎得到所述完全烧结料。
根据实验验证和材料的特点,本发明提供的微孔薄膜的制备方法中预烧结的温度为360~380℃,预烧结时间为5~10h时,粉碎后得到的为完全烧结料。
优选地,步骤(1)所述粉碎的方法包括干磨法、水磨法或气磨法中的任意一种或至少两种的混合。
优选地,经步骤(1)所述粉碎后材料的D10为10~50μm,例如15μm、20μm、25μm、30μm、34μm、40μm或45μm,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值,进一步优选为20~30μm。
优选地,经步骤(1)所述粉碎后材料的D50为50~150μm,例如60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm或140μm,进一步优选为60~100μm。
优选地,经步骤(1)所述粉碎后材料的D90为150~300μm,例如170μm、190μm、210μm、230μm、250μm、270μm或290μm,进一步优选为200~250μm。
本发明提供的微孔薄膜的制备方法中,对于步骤(1)粉碎后材料的粒径大小和粒径分布有一定的要求,粉碎后材料的D90为150~300μm之间,最终制备得到的微孔薄膜会兼具优异的透气性能和耐水压性能;如果D90大于300μm,最终得到的微孔薄膜的透气性能好,但是耐水压性能较差;如果D90小于150μm,最终得到的微孔薄膜透气性能较差。
优选地,步骤(2)所述完全烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~2.5),例如1:0.5、1:0.9、1:1.3、1:1.5、1:1.7、1:1.9、1:2.1、1:2.3或1:2.4等,优选为1:(0.2~0.4)。
优选地,步骤(2)所述半烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~1),例如1:0.25、1:0.3、1:0.35、1:0.4、1:0.55、1:0.6、1:0.7、1:0.8或1:0.9等,进一步优选为1:(0.2~0.4)。
本发明提供的微孔薄膜的制备方法中步骤(2)将烧结料和第二聚四氟乙烯树脂进行混合时,控制所述完全烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~2.5),所述半烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~1)时,才能够得到强度高且透气性能优异的微孔薄膜,如果烧结料的含量较低,则会影响微孔薄膜的透气性,如果第二聚四氟乙烯树脂的含量较低,则会影响微孔薄膜的强度。
优选地,步骤(2)所述混合后还包括筛选的步骤。
优选地,步骤(2)所述模压的时间为5~50min,例如10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min或45min,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值,优选为10~30min。
优选地,步骤(2)所述模压的压力为8~30MPa,例如10MPa、12MPa、14MPa、16MPa、18MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa或28MPa,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值,进一步优选为10~20MPa。
优选地,步骤(2)所述烧结在先升温后降温的条件下完成。
所述先升温后降温的方法为:将体系升温至300~335℃(例如303℃、306℃、309℃、312℃、315℃、318℃、321℃、324℃、328℃或332℃等),保温2~4h(例如2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h或3.8h等),升温至350~390℃(例如353℃、356℃、359℃、361℃、364℃、368℃、372℃、375℃、378℃、382℃、384℃、388℃或390℃等),保温4~6h(例如4.2h、4.4h、4.6h、4.8h、5h、5.2h、5.4h、5.6h或5.8h等),降温至300~335℃(例如304℃、308℃、312℃、316℃、320℃、324℃、328℃、332℃或334℃等),保温2~4h(例如2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h或3.8h等),降至室温,进行下一步操作。
作为优选技术方案,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将第一聚四氟乙烯树脂和填料进行预烧结、通过干磨法、水磨法或气磨法进行粉碎,得到完全烧结料或半烧结料;所述粉碎后材料的D10为10~50μm,D50为50~150μm,D90为150~300μm;
(2)将步骤(1)得到的完全烧结料或半烧结料与第二聚四氟乙烯树脂进行混合、筛选、在压力为8~30MPa下模压5~50min、在先升温后降温条件下进行烧结、车削,得到所述微孔薄膜;所述完全烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~2.5);所述半烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比为1:(0.2~1);所述先升温后降温的方法为:将体系升温至300~335℃,保温2~4h,升温至350~390℃,保温4~6h,降温至300~335℃,保温2~4h,降至室温,进行下一步操作。
第二方面,本发明提供一种微孔薄膜,所述微孔薄膜通过如第一方面所述的制备方法制备得到。
通过本发明提供的制备方法制备得到的微孔薄膜的扫描电镜图如图1所示,从图1可以看出微孔薄膜具有孔隙结构,进而具有很好的透气性能。
第三方面,本发明提供一种如第二方面所述的微孔薄膜在透气组件、包装盖贴片或LED车灯防水透气膜中的应用。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的微孔薄膜的制备方法通过将第一聚四氟乙烯进行半烧结和粉碎,得到了半烧结料或完全烧结料;然后将得到的半烧结料或者完全烧结料和第二聚四氟乙烯树脂进行混合、模压、烧结和车削等操作,成功制备得到的兼具优异耐压性能和优异透气性能的微孔薄膜;通过控制预烧结的时间和温度,以及烧结料和第二聚四氟乙烯树脂的质量比,还可以控制最终得到的微孔薄膜的孔径分布和孔径大小;采用本发明提供的制备方法制备得到的微孔薄膜的气通量为72~1200mL/min/cm2@7Kpa;耐水压为10~>30kPa;孔径为0.5~6μm;密度为0.7~1.9g/cc;厚度为0.22mm;收缩率均<3%;拉伸强度为5.2~17.8MPa。
(2)本发明提供的微孔薄膜的制备方法整体工艺简单,无需使用特殊的设备和仪器,制备过程中不需要额外添加致孔剂和溶剂,有利于工业化批量化生产,为制备微孔薄膜提供了一种新的方法。
附图说明
图1为本发明提供的微孔薄膜的扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种微孔薄膜的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)将聚四氟乙烯树脂(大金M18)在380℃下预烧结4h,通过干磨法粉碎,得到D50为90μm、D10为25μm、D90为225μm的完全烧结料;
(2)将1600g步骤(1)得到的完全烧结料和400g聚四氟乙烯树脂(大金M18)混合,在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温2h,升温至380℃,保温4h,降温至335℃,保温2h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
实施例2
一种微孔薄膜的制备方法,包括步骤(1)和步骤(2);其中,步骤(1)与实施例1的步骤(1)相同,步骤(2)具体如下:
(2)将1000g步骤(1)得到的完全烧结料和1000g聚四氟乙烯树脂(大金M18)混合,在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至300℃,保温4h,升温至350℃,保温6h,降温至300℃,保温4h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
实施例3
一种微孔薄膜的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)将聚四氟乙烯树脂(大金M18)在340℃下预烧结4h,通过水磨法粉碎,得到D50为70μm、D10为30μm、D90为250μm的半烧结料;
(2)将1600g步骤(1)得到的半烧结料和400g聚四氟乙烯树脂(大金M18)混合,在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温2h,升温至390℃,保温4h,降温至335℃,保温2h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
实施例4
一种微孔薄膜的制备方法,包括步骤(1)和步骤(2),其中,步骤(1)与实施例3的步骤(1)相同,步骤(2)具体如下:
(2)将1000g步骤(1)得到的半烧结料和1000g聚四氟乙烯树脂(大金M18)混合,在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温4h,升温至350℃,保温6h,降温至335℃,保温4h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
实施例5
一种微孔薄膜的制备方法,其与实施例1的区别仅在于,步骤(2)中聚四氟乙烯树脂的用量为1400g,完全烧结料的用量为600g,其他组分、用量和步骤均与实施例1相同。
实施例6
一种微孔薄膜的制备方法,其与实施例1的区别仅在于,步骤(2)中聚四氟乙烯树脂的用量为1500g,完全烧结料的用量为500g,其他组分、用量和步骤均与实施例1相同。
实施例7
一种微孔薄膜的制备方法,其与实施例1的区别仅在于,步骤(2)中聚四氟乙烯树脂的用量200g,完全烧结料的用量为1800g,其他组分、用量和步骤均与实施例1相同。
实施例8
一种微孔薄膜的制备方法,其与实施例1的区别仅在于,步骤(1)得到的完全烧结料的D90为450μm,D50粒径为180μm,D10粒径为60μm,其他组分、用量和步骤均与实施例1相同。
对比例1
一种微孔薄膜的制备方法,所述方法包括:将2000g聚四氟乙烯树脂(大金M18)在模压压力为20MPa下模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温4h,升温至350℃,保温6h,降温至300℃,保温4h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
对比例2
一种微孔薄膜的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)将聚四氟乙烯树脂(大金M18)在380℃下预烧结4h,通过干磨法粉碎,得到D50为90μm、D10为25μm、D90为225μm的完全烧结料;
(2)将2000g步骤(1)得到的完全烧结料在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温4h,升温至390℃,保温4~6h,降温至335℃,保温4h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
对比例3
一种微孔薄膜的制备方法,具体包括如下步骤:
(1)将聚四氟乙烯树脂(大金M18)在340℃下预烧结4h,通过水磨法粉碎,得到D50为70μm、D10为30μm、D90为250μm的半烧结料;
(2)将2000g步骤(1)得到的半烧结料在20MPa的压力下进行模压20min,在先升温后降温的条件下进行烧结,所述先升温后降温的方法为:将体系升温至335℃,保温4h,升温至390℃,保温6h,降温至335℃,保温4h,降至室温,进行车削,得到厚度为0.22mm,宽度为150mm的微孔薄膜。
性能测试:
(1)气通量:按照QCT979-2014测试标准进行测试;
将裁切好的测试试样安装在夹紧装置中,将夹紧装置安装于密闭的金属罐中,金属罐一端与气密性测试仪链接,一端使用气管链接气体收集装置。收集气体使用排水法测试体积V,并记录收集气体所需时间T。
按如下公式计算薄膜的气通量:
其中,K代表平均透气流量,mL/(cm2·min);V代表收集气体的体积,mL;
A代表有效面积,cm2;T代表收集气体时间,min。
(2)耐水压:按照QCT979-2014测试标准进行测试;
将裁切好的测试试样安装在夹紧装置中,在夹具中加入10mm高的水柱;将夹紧装置一端与气密性测试仪链接;测试在稳定气压下,1min内有水珠渗出的压力;测试初始压力30kPa,每次测试如果无水渗出就增加1kPa,直达有水渗出;测试五个样品,取最小未渗水气压为测试结果。
(3)孔径分布:按照GB/T 32361-2015标准进行测试;
测试样品使用低表面张力液体浸润确保所有孔隙都充满润湿液。将样品安装到夹具上,并通气,逐步增大气体压力。当气压增大时,液体表面张力被克服直到液体从孔隙中排出,记录此过程中气体压力与气体流量之间的关系,称为“湿”曲线。当液体全部排出后,记录气体压力与气体流量之间的关系,称为“干”曲线;由“干”“湿”曲线计算可得平均孔径。
(4)厚度:使用机械尺规测量薄膜的厚度。
(5)密度:由烧结后圆柱形坯料密度替代,可由烧结后坯料的质量除以坯料体积(通过坯料内径、外径和高计算得到)。
(6)收缩率:将薄膜裁剪成约10cm长,1cm宽的样片,用尺规量取精确长度L0;在200℃烘箱内放置10min后取出冷却至室温。用尺规量取薄膜的长度L;按照收缩率=(L-L0)/L0×100%进行计算;
(7)拉伸强度:按照ASTMD461-87进行测试。
按照上述测试方法测试实施例1~8和对比例1~3得到的微孔薄膜进行测试,测试结果如表1所示:
表1
根据表1数据可以看出:通过本发明提供的制备方法成功制备得了兼具优异耐压性能和优异透气性能的微孔薄膜。
具体而言,采用实施例1~8提供的制备方法制备得到的微孔薄膜的气通量为72~1200mL/min/cm2@7Kpa;耐水压为10~>30kPa;孔径为0.5~6μm;密度为0.7~1.9g/cc;厚度为0.22mm;收缩率均<3%;拉伸强度为5.2~17.8MPa。
比较实施例1和对比例1可以发现,采用聚四氟乙烯树脂直接烧结成的微孔薄膜(对比例1),气通量和孔径测试均为N.D.,说明都无法测试得到,说明其透气性能很差。
比较实施例1和对比例2、比较实施例3和对比例3可以发现,采用100%完全烧结料(对比例2)或者100%半烧结料(对比例3),制备得到的微孔薄膜的气通量很高,但是耐水压和拉伸强度均有所降低。
进一步比较实施例1~2、实施例5~7可以发现,通过调整完全烧结料与聚四氟乙烯树脂的配比,可以调节制品的透气性能、耐水性能和力学性能,得到适合透气膜应用的制品;当完全烧结料用量和聚四氟乙烯树脂的配比低于设定值(实施例6),制备得到的聚四氟乙烯微孔薄膜的透气性较差;反之,当完全烧结料用量和聚四氟乙烯树脂的配比高于设定值(实施例7),制备得到的聚四氟乙烯微孔薄膜的拉伸强度较差。
比较实施例1和实施例8可以发现,完全预烧结料的粒径、粒径分布对制品的透气性能和耐水性能有着重要影响;完全烧结料的粒径越大,制备得到的微孔薄膜的孔隙越大,透气性能越好,但是耐水性能越差。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明一种微孔薄膜及其制备方法和应用,但本发明并不局限于上述工艺步骤,即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。