CN113603962A - 一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，原料组成包括以下重量百分数的组分：高抗冲聚丙烯20%~30%；高流动高抗冲聚丙烯30~40%；增韧剂8~12%；焦磷酸哌嗪类阻燃剂22~26%；超支化聚酰胺酯1~5%；超分散剂0.1%~0.5%，其它助剂0.7%~2%。本发明中，通过添加超支化聚酰胺酯，改善了聚丙烯复合材料的极性。通过添加超分散剂防止无卤阻燃剂团聚。并发现超支化聚酰胺酯与超分散剂能发生协同作用，明显提高复合材料的韧性，满足新能源汽车蓄电池外壳材料对韧性要求。该高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于实施和操作，易于工业化生产，具备广阔的应用前景。

Description

一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及聚丙烯复合材料领域，具体涉及一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯因其具有密度小、强度高、硬度大、耐磨、耐弯曲疲劳、耐热温度高、耐湿和耐化学性优良、容易加工成型、价格低廉等优点一直是汽车工业和塑料工业关注的焦点。电池包是新能源动车（电动车）的核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过壳体包络构成电池包主体。电池包壳体作为电池模板的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。其要满足强度刚度要求和电器设备外壳防护等级IP67设计要求并提供碰撞保护。因此需要开发出一款高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料。
在无卤阻燃研究和高分子材料产品开发中发现哌嗪磷酸盐类阻燃剂表现优异。已经广泛应用在聚丙烯及玻纤增强体系中。在CN112409693A、CN109503941A、CN105061887A等诸多专利中都公开了焦磷酸哌嗪作为阻燃剂在无卤阻燃聚丙烯中的应用。采用这些常规的阻燃体系，尽管可以提高材料的阻燃性能，但是焦磷酸哌嗪阻燃剂作为强极性化合物，粉体容易吸水团聚，导致在加工过程中易架桥断条，降低生产效率。同时由于粉体和树脂相容性较差，分散不均匀，导致样条表面粗糙有白点，严重影响材料的力学性能。因此提高焦磷酸哌嗪阻燃剂在聚丙烯材料中的分散问题成为制备一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的关键问题。
专利CN110079009A公开了焦磷酸哌嗪阻燃体系中使用了双端极性有机硅分散剂作为超分散剂，高长径比填料和纳米填料以获得一种超高流动性的无卤阻燃聚丙烯材料。但是该体系材料由于大量矿物填料的存在，导致最后产品的韧性过低，冲击强度只有25-32J/M。远达不到蓄电池外壳材料对于韧性的要求。专利CN112409693A也公开了一种使用焦磷酸哌嗪阻燃剂生产的无卤阻燃聚丙烯材料。但是该专利中添加了低熔点润滑阻燃剂，以及有机含硫化合物。该专利发明的材料阻燃性能优异，但是成分过于复杂，且添加低熔点成分，导致材料整体力学性能不足，无法满足蓄电池外壳材料要求。
发明内容
本发明提供了一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，该复合材料同时具备V0级阻燃性能和优异的韧性，可作为蓄电池外壳材料。
具体技术方案如下：
一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，原料组成包括以下重量百分数的组分：
高抗冲聚丙烯 20%~30%；
高流动高抗冲聚丙烯 30%~40%；
增韧剂 8%~12%；
焦磷酸哌嗪类阻燃剂 22%~26%；
超支化聚酰胺酯 1%~3%；
超分散剂 0.1%~0.5%
其它助剂 0.7%~2.0%
本发明中，以高抗冲聚丙烯及高流动高抗冲聚丙烯为基体。通过引入超支化聚酰胺酯提高了聚丙烯体系的极性，同时再通过引入聚酯型超分散剂作为分散剂。本发明意外发现，超支化聚酰胺酯与聚酯型超分散剂产生了协同，大大提高焦磷酸哌嗪阻燃剂在聚丙烯树脂的分散效果。从而制备出一款高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料。
作为优选，所述的高抗冲聚丙烯其熔融指数为2~5g/10min（230℃，2.16kg），常温悬臂梁缺口冲击强度大于等于700 J/m。所述的高流动高抗冲聚丙烯选自熔融指数为80~120g/10min，常温悬臂梁缺口冲击强度大于等于50 J/m。。选用上述的聚丙烯作为基料，能够使其具有优良的力学性能。
作为优选，所述的增韧剂选自聚乙烯辛烯共弹性体（POE）。选用POE作为增韧剂，能够很好地提高本发明高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的韧性。
超支化聚合物是一种高度支化的结构，外形紧凑，具有大量反应性末端基团。由于这些结构特征，它们的性质与普通线性聚合物有较大差异，如：流变特性、利用大分子间力的作用吸附染料等。超支化聚合物通常由缩聚反应生成，超支化聚酰胺酯是由二异丙醇氨和酸酐缩聚而成的。通过对酸酐和改性末端基团的筛选，可以合成多种不同性质的聚合物，使其具有不同的溶解性、兼容性、界面张力等。
作为优选，所述的超支化聚酰胺酯先由邻苯二甲酸酐、二异丙醇氨缩聚成超支化聚酰胺，再经硬脂酸酯化羟基末端制备得到。经试验发现，该特定结构的超支化聚酰胺酯的引入，可以提高聚丙烯材料的极性提高与焦磷酸哌嗪类阻燃剂的相容性。经分析，可能是由于脂肪酸烷基链的存在，该超支化聚酰胺酯可与聚丙烯兼容，且引入的极性基团直接增加改性PP材料的极性。进一步优选，所述的超支化聚酰胺酯其羟基末端的酯化率为40~60%，如荷兰DSM Hybrane B.V.公司Hybrane PS 2550。
作为优选，所述的助剂包括抗老化剂、EBS、PP蜡、着色剂中至少一种；
所述的抗老化剂选自受阻胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂、亚磷酸盐、金属钝化剂、二苯甲酮类、苯并三唑类光稳定剂中的至少一种。
所述的着色剂可采用市售产品，可根据需要选择着色剂的种类。
本发明还公开了所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于实施和操作，易于工业化生产。
包括以下步骤：
将聚丙烯、增韧剂、超支化聚酰胺酯、超分散剂、其它助剂加入到混合器中混合，然后放入双螺杆挤出机，挤出造粒得到高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料。
作为优选，各原料在混合器中以500~3000rpm高速混合1~20分钟。
作为优选，所述的双螺杆挤出机的熔融区间的温度为170℃~200℃。
本发明还公开了所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料在汽车外饰料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，引入超支化聚酰胺酯作为PP与焦磷酸哌嗪阻燃剂的增容剂，提高两者间的相容性，使其保持优良的力学性能。使用聚酯型超分散剂对焦磷酸哌嗪阻燃剂进行处理，该种类分散剂可以紧紧吸附在阻燃剂的表面，阻碍阻燃剂粒子间的团聚，避免加工下料过程中出现的架桥问题。使用并意外发现，超支化聚酰胺酯与聚酯型超分散剂发生了相互协同，明显提高了聚丙烯复合材料的力学性能。本发明制备得到的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的力学性能保持率高，能满足蓄电池外壳材料使用要求。
本发明的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于实施和操作，易于工业化生产，具备广阔的应用前景。
具体实施方式
高抗冲聚丙烯采用燕山石化有限公司生产的型号为PPB-M02-G的产品，熔融指数为2.5 g/min（230℃，2.16kg）；高流动高抗冲聚丙烯采用韩国SK生产的型号为BX392。熔指为100 g/min（230℃，2.16kg）。POE采用美国杜邦公司型号为8150的产品；超支化聚酰胺酯为荷兰DSM Hybrane B.V.公司Hybrane PS 2550；超分散剂为浙江旭森非卤消烟阻燃剂有限公司生产的DH-602；抗氧剂1010采用德国巴斯夫生产的产品；抗氧剂168也采用德国巴斯夫生产的产品。
对比例1：
将20重量份PPB-M02-G、46重量份BX3920、10重量份POE（8150）、24重量份焦磷酸哌嗪阻燃剂、0.3重量份抗氧剂1010、0.2重量份抗氧剂168、0.2重量份EBS，0.2重量份PP蜡加入转速约为1000rpm的高速混合器中混合5分钟，然后再将混合物放入双螺杆挤出机，在170℃~200℃的温度下挤出造粒获得，得到改性的聚丙烯复合材料。
对比例2：
将20重量份PPB-M02-G、44重量份BX3920、10重量份POE（8150）、24重量份焦磷酸哌嗪阻燃剂、2重量份超支化聚酰胺酯、0.3重量份抗氧剂1010、0.2重量份抗氧剂168、0.2重量份EBS，0.2重量份PP蜡加入转速约为1000rpm的高速混合器中混合5分钟，然后再将混合物放入双螺杆挤出机，在170℃~200℃的温度下挤出造粒获得，得到改性的聚丙烯复合材料。
对比例3：
将20重量份PPB-M02-G、46重量份BX3920、10重量份POE（8150）、24重量份焦磷酸哌嗪阻燃剂、0.5重量份聚酯型超分散剂、0.3重量份抗氧剂1010、0.2重量份抗氧剂168、0.2重量份EBS，0.2重量份PP蜡加入转速约为1000rpm的高速混合器中混合5分钟，然后再将混合物放入双螺杆挤出机，在170℃~200℃的温度下挤出造粒获得，得到改性的聚丙烯复合材料。
实施例1：
将20重量份PPB-M02-G、43重量份BX3920、10重量份POE（8150）、24重量份焦磷酸哌嗪阻燃剂、3重量份超支化聚酰胺酯、0.3重量份聚酯型超分散剂、0.3重量份抗氧剂1010、0.2重量份抗氧剂168、0.2重量份EBS，0.2重量份PP蜡加入转速约为1000rpm的高速混合器中混合5分钟，然后再将混合物放入双螺杆挤出机，在170℃~200℃的温度下挤出造粒获得，得到改性的聚丙烯复合材料。
实施例2:
将20重量份PPB-M02-G、42重量份BX3920、10重量份POE（8150）、24重量份焦磷酸哌嗪阻燃剂、4重量份超支化聚酰胺酯、0.3重量份聚酯型超分散剂、0.3重量份抗氧剂1010、0.2重量份抗氧剂168、0.2重量份EBS，0.2重量份PP蜡加入转速约为1000rpm的高速混合器中混合5分钟，然后再将混合物放入双螺杆挤出机，在170℃~200℃的温度下挤出造粒获得，得到改性的聚丙烯复合材料。
将实施例1~3和对比例1~2制备的五种材料注塑成标准样条，测试力学性能和观察色板外观情况，其结果如表1所示。
表1
测试指标 测试标准 测试条件 单位 对比例1 对比例2 对比例3 实施例1 实施例2
拉伸强度 ISO527/2-93 50mm/min MPa 17.3 17.1 17.4 17.6 17.5
断裂伸长率 ISO527/2-93 50mm/min % 80 87 90 130 125
弯曲强度 ISO178-93 2mm/min MPa 23 23 26 25 24
弯曲模量 ISO178-93 2mm/min MPa 1329 1320 1340 1325 1300
缺口冲击强度 ISO 179 23℃ J/m 78 80 84 112 110
非缺口冲击强度 ISO 179 23℃ J/m 380 400 420 不断 不断
阻燃等级 UL94 / / V0 V0 V0 V0 V0
色板外观 肉眼观察 / / 明显白点 轻微白点 无白点 无白点 无白点
从表1的力学性能可以看出对比例2材料与对比材料1相比，添加了2重量超支化聚酰胺酯，对比材料2冲击性能略有提高，阻燃剂团聚产生的白点情况有所改善。说明超支化聚酰胺酯在一定程度上可以改善焦磷酸哌嗪阻燃剂在聚丙烯材料的分散问题。对比材料3与对比材料2相比，添加了0.5重量份聚酯型超分散剂，测试结果表明，对比材料3的整体性能相比对比材料1均有提升。说明酯型超分散剂能有效防止焦磷酸哌嗪阻燃剂的团聚，提高改性材料整体性能。实施例1中添加量3重量份超支化聚酰胺酯与0.3重量份聚酯型超分散剂，测试结果表明实施例1比对比例1~3材料的冲击强度跟断裂伸长率有了明显的提升，可以满足蓄电池外壳材料的使用要求。证明超支化聚酰胺酯与酯型超分散剂产生协调作用，大大提升阻燃剂在聚丙烯材料的分散效果及界面结合效果。实施例1中添加5重量份超支化聚酰胺酯与0.3重量份聚酯型超分散剂，也同样获得一款高韧性材料。其韧性也比对比例1~3明显提高。但是与实施例1相比并没有明显提升，刚性有轻微下降。因此本发明进一步优化添超支化聚酰胺酯加量为1~3%。

Claims (10)

1.一种高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，原料组成包括以下重量百分数的组分：
高抗冲聚丙烯 20%~30%；
高流动高抗冲聚丙烯 30%~40%；
增韧剂 8%~12%；
焦磷酸哌嗪类阻燃剂 22%~26%；
超支化聚酰胺酯 1%~5%；
超分散剂 0.1%~0.5%
其它助剂 0.7%~2.0%。
2.根据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的高抗冲聚丙烯选自熔融指数为2~5g/10min，常温悬臂梁缺口冲击强度大于等于700J/m。
3.根据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的高流动高抗冲聚丙烯选自熔融指数为80~120g/10min，常温悬臂梁缺口冲击强度大于等于50 J/m。
4.根据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的增韧剂选自聚乙烯辛烯共弹性体。
5.根据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的焦磷酸哌嗪类阻燃剂牌号为5001,生产商为广东顺德同程新材料科技有限公司。
6.据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的超支化聚酰胺酯先由邻苯二甲酸酐、二异丙醇氨缩聚成超支化聚酰胺，再经硬脂酸酯化羟基末端制备得到。
7.根据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的超分散剂为聚酯型超分散剂。
8.据权利要求1所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的其它助剂包括抗老化剂、EBS、PP蜡、着色剂中至少一种；所述的抗老化剂选自受阻胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂、亚磷酸盐、金属钝化剂、二苯甲酮类、苯并三唑类光稳定剂中的至少一种。
9.一种根据权利要求1~8任一项所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚丙烯、增韧剂、焦磷酸哌嗪类阻燃剂、超支化聚酰胺酯、超分散剂及其它助剂加入到混合器中混合，然后放入双螺杆挤出机，挤出造粒得到高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料。
10.一种根据权利要求1~8任一项所述的高韧性v0级阻燃蓄电池外壳用聚丙烯复合材料应用在各类蓄电池外壳领域。
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