CN113957712A - 一种玄武岩纤维布、其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维布、其制备方法和应用，涉及电动汽车技术领域。玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行织造和浸渍，织造的过程中，控制玄武岩纤维布平方米克重在350‑400g/m2；浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂为水溶液的形式，浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8‑15％和抗静电剂0.05‑0.3％。通过织造和浸渍工艺的改进，使浸渍完成之后的玄武岩纤维布的隔热、阻燃、绝缘、耐高温的性能均十分优异。采用本发明制备的玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料使用，能够有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。

Description

一种玄武岩纤维布、其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种玄武岩纤维布、其制备方法和应用。
背景技术
近年来，传统内燃机汽车所造成的环境问题和石油资源紧缺使人们将视野投向了新能源汽车。纯电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为新能源汽车的重要发展方向。国内外开发生产电动汽车的厂家热情高昂，车型和产量快速增长。随着购买新能源车型的消费者越来越多，电动车的安全性也成为了大家的关注焦点，然而电动车自燃事件再次提醒了人们电动车的安全问题。目前，汽车行业内、材料科研人员、普通消费者都对电池安全问题，特别是行驶中或充电时的热失控问题特别关注。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维布及其制备方法，旨在提供一种综合性能优异的玄武岩纤维布。
本发明的另一目的在于提供上述玄武岩纤维布的应用，旨在有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行织造和浸渍，织造的过程中，控制玄武岩纤维布平方米克重在350-400g/m2；
浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂为水溶液的形式，以质量分数计，浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.05-0.3％。
在可选的实施方式中，以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.1-0.2％，余量为水；
优选地，抗静电剂为离子型抗静电剂；
更优选地，抗静电剂选自十六烷基氯化铵、十三烷基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵和十二烷基磺酸钠中的至少一种。
在可选的实施方式中，浸渍的过程控制产品可燃物含量为3-5％；
优选地，浸渍的过程控制产品含水率小于等于0.3％。
在可选的实施方式中，浸渍的过程是采用浸渍处理剂浸渍处理2次，每次浸渍处理均包括浸泡和烘干。
在可选的实施方式中，浸泡是控制浸泡时间为3-6min，优选为4-5min。
在可选的实施方式中，烘干是控制烘干温度为120-130℃，烘干时间为15-20min。
在可选的实施方式中，织造的过程中，控制玄武岩纤维线密度为100-160tex，经向密度为12-15根/cm，纬向密度为11-14根/cm；
优选地，玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构。
第二方面，本发明提供一种玄武岩纤维布，其通过前述实施方式中任一项的制备方法制备而得。
第三方面，本发明提供前述实施方式中的玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料中的应用。
第四方面，本发明提供一种电动汽车的电池结构，包括电池盒和保护材料，保护材料为上述玄武岩纤维布；
优选地，保护材料贴敷于电池盒外侧；
优选地，保护材料用于在电池盒内隔绝电池盒和电芯。
本发明具有以下有益效果：发明人优化了玄武岩纤维布的制备方法，织造过程控制玄武岩纤维布平方米克重在350-400g/m2，制备得到密实度较高的玄武岩纤维布；在浸渍工艺中，发明人改进了浸渍处理剂的组成，使浸渍完成之后的玄武岩纤维布的隔热、阻燃、绝缘、耐高温的性能均十分优异。采用本发明制备的玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料使用，能够有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所制备得到的玄武岩纤维布的实物图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
针对电动汽车出现的热失控问题，发明人创造性地在电池盒外使用保护材料，将保护材料贴在汽车电池盒与其它部件连接处，或者电池盒内隔绝电池盒与电芯，通过这种方法有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。
但是，作为电池盒的保护材料需要具备隔热、阻燃、绝缘、耐高温的综合性能，一般的材料无法满足需求。
玄武岩纤维是以天然玄武岩为原料，在1500℃左右高温熔融后，经铂铑合金漏板成型，由拉丝机高速拉制连续几万米不断而得到的纤维。玄武岩矿因其火山喷发熔浆冷却形成的原因，其矿物原料经高温熔融后拉制出的连续玄武岩纤维是一种新型的环保型无机纤维材料，具有轻质高强、耐高温、高绝缘、耐腐蚀、抗氧化、绝热隔音等优异性能。玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维之后的又一种高技术纤维，为航天航空、汽车船舶、土建交通、能源环境、化工消防等领域开发新材料应用提供了更好的选择。因此，有望利用玄武岩纤维布作为保护材料。
但是，现有的玄武岩纤维布无法满足综合性能的要求，特别是布边容易形成毛刺、耐温性能不好。
本发明实施例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行织造和浸渍，发明人通过优化织造和浸渍两步的具体工艺，能够制备得到耐温性能、定型效果、强度等性能均能够满足要求的产品，具有非常好的市场应用前景。
S1、织造
织造是控制玄武岩纤维布平方米克重在350-400g/m2，以制备得到密实度较高的产品，提升布料的强度，有利于提高隔热的性能。若平方米克重过轻不能满足隔热要求，过重则会造成原料浪费。
具体地，玄武岩纤维布平方米克重可以为350g/m2、360g/m2、370g/m2、380g/m2、390g/m2、400g/m2等，也可以为以上相邻值之间的任意值。
在一些实施例中，织造的过程中，控制玄武岩纤维线密度为100-160tex，经向密度为12-15根/cm，纬向密度为11-14根/cm；玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构。
通过进一步控制织造过程的具体参数，包括纤维线密度、经向密度、纬向密度等，能够保证产品的隔热性能，提高经向拉伸断裂强力和纬向拉伸断裂强力。
具体地，玄武岩纤维线密度可以为100tex、110tex、120tex、130tex、140tex、150tex、160tex等，也可以为以上相邻值之间的任意值。
具体地，经向密度可以为12根/cm、13根/cm、14根/cm、15根/cm等，也可以为以上相邻值之间的任意值。
具体地，纬向密度可以为11根/cm、12根/cm、13根/cm、14根/cm等，也可以为以上相邻值之间的任意值。
S2、浸渍
浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂为水溶液的形式，以质量分数计，浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.05-0.3％。发明人优化了浸渍处理剂的组成和用量，以进一步提升产品的耐高温性能，若这两种组分的用量过大过小均会导致性能的下降。
在一些实施例中，以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.1-0.2％，余量为水，配方简单，操作方便。一般而言，作为浸渍处理剂还可以包括很多组分如柔软剂和偶联剂，但是发明人发现仅含有这两种组分且用量在上述范围内效果是最好的，能够达到更好的耐高温性能和阻燃性能。
具体地，丙烯酸乳液为市购产品，可以为市售普通丙烯酸水溶性乳液，如东莞智顺公司的ZS-9890A型、四川林才新材料厂的201型等。
进一步地，抗静电剂可以为市购离子型抗静电剂，抗静电剂选自十六烷基氯化铵、十三烷基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵和十二烷基磺酸钠中的至少一种，以上几种抗静电剂均适合于本发明实施例的浸渍工艺。
本发明实施例通过浸渍的工艺改进，其目标是控制产品可燃物含量为3-5％，控制产品含水率小于等于0.3％。特别是可燃物含量不能低于3％，否则玻璃纤维定型效果达不到要求，任意裁剪时布边会出现毛丝甚至散开导致无法使用；可燃物含量也不能过高，否则会降低材料的耐温性能，这可能是由于浸渍料是高分子化合物，不耐高温，当达到一定含量后对产品耐温性能造成突变性的影响。
在一些实施例中，为达到产品要求浸渍的过程是采用浸渍处理剂浸渍处理2次，每次浸渍处理均包括浸泡和烘干。若为1次浸渍则可燃物含量不能满足要求，若超过2次浸渍则会降低材料的耐温性能。
进一步地，浸泡是控制浸泡时间为3-6min，优选为4-5min，如3min、4min、5min、6min等。
进一步地，烘干是控制烘干温度为120-130℃(如120℃、125℃、130℃等)，烘干温度不能高于140℃。烘干时间为15-20min(如15min、16min、17min、18min、19min、20min等)，以保证含水量低于0.3％。
需要指出的是，因为本发明实施例所确定的玄武岩纤维布经纬纱密实度高，烘干温度不能高于140℃，保持比较低的烘干温度，长时间烘干，保证处理液在纤维中的均匀分布。
本发明实施例提供一种玄武岩纤维布，其通过上述制备方法制备而得，通过织造和浸渍工艺的改进能够使得到玄武岩纤维布产品满足如下指标：
(1)含水率≤0.3％；
(2)可燃物含量3～5％；
(3)玄武岩纤维布经向拉伸断裂力≥2400N，纬向拉伸断裂力≥2200N，强度高，经纬向性能基本均衡；
(4)导热系数≤0.25W/(m.K)；
(5)阻燃等级UL-V0级；
(6)耐温，喷枪火焰≥1000℃，30min不烧穿，且耐电压≥10kv。
因此，本发明实施例所生产的玄武岩纤维布有以下几个明显的优点：(1)是导热系数低，隔热性能好；(2)耐高温性能优异，布面高温1000℃长达30min不烧穿；(3)耐电击穿性能好，即使1000℃/30min火焰烧蚀后测试耐电压10kv未击穿。
本发明实施例还提供上述玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料中的应用，该保护材料由于具备非常好的耐温、阻燃、隔热、强度等性能，可以对电池盒形成很好的保护。
本发明实施例提供一种电动汽车的电池结构，包括电池盒和保护材料，保护材料为上述玄武岩纤维布；保护材料可以贴敷于电池盒外侧，用于阻隔电池盒与其他连接部件；保护材料也可以用于在电池盒内隔绝电池盒和电芯。该电池结构由于使用了本发明实施例所制备的玄武岩纤维布，可以有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行的织造和浸渍，具体如下：
(1)织造：控制玄武岩纤维线密度约为136tex，经向密度为14根/cm，纬向密度为12根/cm，玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构，玄武岩纤维布平方米克重为370g/m2。
(2)浸渍：将步骤(1)织造得到的布料进行两次浸渍处理，每次浸渍处理均是在浸渍处理剂中浸泡5min，然后在125℃的条件下烘干20min；
其中，以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液10％和抗静电剂(十六烷基氯化铵)0.15％，余量为水。
实施例2
本实施例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行的织造和浸渍，具体如下：
(1)织造：控制玄武岩纤维线密度约为110tex，经向密度为15根/cm，纬向密度为14根/cm，玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构，玄武岩纤维布平方米克重为350g/m2。
(2)浸渍：将步骤(1)织造得到的布料进行两次浸渍处理，每次浸渍处理均是在浸渍处理剂中浸泡4min，然后在120℃的条件下烘干20min；
其中，以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8％和抗静电剂(十六烷基氯化铵)0.1％，余量为水。
实施例3
本实施例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，包括依次进行的织造和浸渍，具体如下：
(1)织造：控制玄武岩纤维线密度约为160tex，经向密度为12根/cm，纬向密度为11根/cm，玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构，玄武岩纤维布平方米克重为400g/m2。
(2)浸渍：将步骤(1)织造得到的布料进行两次浸渍处理，每次浸渍处理均是在浸渍处理剂中浸泡5min，然后在130℃的条件下烘干15min；
其中，以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液15％和抗静电剂(十六烷基氯化铵)0.2％，余量为水。
对比例1
本对比例提供一种玄武岩纤维布，是市购常规玄武岩纤维布BW200布。
对比例2
本对比例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，与实施例1的步骤大致相同，不同之处仅在于：只进行一次浸渍处理。
对比例3
本对比例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，与实施例1的步骤大致相同，不同之处仅在于：进行四次浸渍处理。
对比例4
本对比例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，与实施例1的步骤大致相同，不同之处仅在于：以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括：丙烯酸乳液10％、聚四氟乙烯乳液2％、氨基硅油柔软剂1％、氨基硅烷偶联剂0.5％、冰醋酸0.05％、十二烷基磺酸钠抗静电剂0.1％、全氟聚醚表面活性剂0.01％、余量为水。
对比例5
本对比例提供一种玄武岩纤维布的制备方法，与实施例1的步骤大致相同，不同之处仅在于：以质量分数计，浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括：丙烯酸乳液6％、聚氨酯乳液6％、氨基硅油柔软剂1％、氨基硅烷偶联剂0.5％、冰醋酸0.05％、十二烷基二甲基苄基氯化铵抗静电剂0.1％、全氟聚醚表面活性剂0.01％、余量为水。
试验例1
测试实施例1中步骤(1)所制备的玄武岩纤维布和对比例1中产品进行性能对比，包括经向拉伸断裂强力、纬向拉伸断裂强力和耐高温性，如表1所示。
测试方法：经向拉伸断裂强力和纬向拉伸断裂强力的测试方法参照GB/T7689.5《增强材料机织物试验方法第5部分：玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长率的测定》；耐高温1000℃/30min测试是指将布料水平置于圆环上，布料下方利用火焰加热使布料加热面温度达到1000℃，看上方的布料是否烧穿洞。
表1玄武岩纤维布性能测试结果
项目 对比例1 实施例1
单位质量(g/m<sup>2</sup>) 180～220 350～400
经向拉伸断裂强力(N) 1436 2506
纬向拉伸断裂强力(N) 1109 2351
1000℃/30min 烧穿 未烧穿
可见，本申请实施例的织造工艺所制备得到的玄武岩纤维布在强度和耐温性能上均明显优于对比例1。
试验例2
测试实施例1中玄武岩纤维布以及对比例2-3中所得到的玄武岩纤维布的性能，包括外观、可燃物含量和耐温性能，结果见图1和表2。
图1中(a)表示实施例1中浸渍处理前，(b)表示对比例2一次浸渍之后，(c)表示实施例1二次浸渍处理后。
表2玄武岩纤维布性能测试结果
Figure BDA0003328283330000101
结果显示，若玄武岩纤维布不做浸渍处理，布边裁切后会散开，无法使用；当浸渍一次之后可燃物含量低于3％时，布边仍然有毛刺，不方便使用；当二次浸渍之后可燃物含量在3～5％，浸渍原料对玄武岩纤维布的定型效果很好。但是，若采用三次及以上浸渍的方式，可燃物含量超过5％以后，玄武岩纤维布的耐温性能下降，达不到预期的使用温度要求。
试验例3
测试对比例4和5中制备得到的玄武岩纤维布的性能，结果如下：
表1玄武岩纤维布性能测试结果
Figure BDA0003328283330000102
结果显示，配方考虑比较全面的浸渍处理剂，包括两种组合主浸渍处理剂乳液、柔软剂、偶联剂、PH调节剂、抗静电剂、表面活性剂等成分配制的处理剂，浸渍处理后的玄武岩纤维布，可燃物含量、经纬向拉伸断裂力满足设计指标，但是耐温性能下降，不能满足设计要求。本申请通过采用组分更为简单的配方，相比于传统配方，能够提升纤维布的综合性能，具备意料不到的技术效果。
综上所述，本发明提供一种玄武岩纤维布、其制备方法和应用，发明人优化了玄武岩纤维布的制备方法，织造过程控制玄武岩纤维布平方米克重在350-400g/m2，制备得到密实度较高的玄武岩纤维布；在浸渍工艺中，发明人改进了浸渍处理剂的组成，使浸渍完成之后的玄武岩纤维布的隔热、阻燃、绝缘、耐高温的性能均十分优异，且不会出现布边散开的情况。采用本发明制备的玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料使用，能够有效降低电池发热导致的汽车自燃风险。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种玄武岩纤维布的制备方法，其特征在于，包括依次进行织造和浸渍，所述织造的过程中，控制玄武岩纤维布平方米克重在350-400g/m2；
所述浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂为水溶液的形式，以质量分数计，所述浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.05-0.3％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以质量分数计，所述浸渍的过程中所采用的浸渍处理剂包括丙烯酸乳液8-15％和抗静电剂0.1-0.2％，余量为水；
优选地，所述抗静电剂为离子型抗静电剂；
更优选地，所述抗静电剂选自十六烷基氯化铵、十三烷基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵和十二烷基磺酸钠中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的过程控制产品可燃物含量为3-5％；
优选地，所述浸渍的过程控制产品含水率小于等于0.3％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的过程是采用所述浸渍处理剂浸渍处理2次，每次浸渍处理均包括浸泡和烘干。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浸泡是控制浸泡时间为3-6min，优选为4-5min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烘干是控制烘干温度为120-130℃，烘干时间为15-20min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述织造的过程中，控制玄武岩纤维线密度为100-160tex，经向密度为12-15根/cm，纬向密度为11-14根/cm；
优选地，玄武岩纤维布的组织结构为平纹结构。
8.一种玄武岩纤维布，其特征在于，其通过权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备而得。
9.权利要求8中所述的玄武岩纤维布作为电动汽车电池盒保护材料中的应用。
10.一种电动汽车的电池结构，其特征在于，包括电池盒和保护材料，所述保护材料为权利要求8中所述的玄武岩纤维布；
优选地，所述保护材料贴敷于电池盒外侧；
优选地，所述保护材料用于在电池盒内隔绝电池盒和电芯。
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