CN115160838A

CN115160838A - 一种防火涂料、制备方法及其在动力电池中的应用

Info

Publication number: CN115160838A
Application number: CN202211071568.3A
Authority: CN
Inventors: 李涅; 陈良伟; 陈志斌
Original assignee: Yundi New Energy Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Yundi New Energy Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-02
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2042-09-02
Also published as: CN115160838B

Abstract

本发明防火涂料技术领域，特别是涉及一种防火涂料、制备方法及其在动力电池中的应用，所述防火涂料的制备方法包括以下步骤：S1、制备纳米云母片；S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取金属盐及纳米云母片，用水溶解并搅拌均匀；调节混合液pH为4~5，在纳米云母片表面沉积水合盐、碳酸盐或碳酸氢盐，过滤，取滤渣，在真空干燥得到云母阻燃膨胀剂；S3、制备防火涂料：先将无机树脂与溶剂混合，再加入云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨、过筛得到防火涂料。本发明提供的防火涂料制备方法简单，工艺难度低，制备得到的防火涂料具备结构稳定、表面光滑、防水防油的特点，阻燃效果优异，完全满足UL94 V0级要求。

Description

一种防火涂料、制备方法及其在动力电池中的应用

技术领域

本发明涉及防火涂料技术领域，特别是涉及一种防火涂料、制备方法及其在动力电池中的应用。

背景技术

防火涂料是一种特种涂料，又称阻燃涂料，将防火涂料用于基材表面，能够改变材料表面的燃烧特性，提高材料的耐火能力，减缓火焰蔓延传播速度，或在一定时间内阻止燃烧。

动力电池是指为工具提供动力来源的电源，现多指为机械供电的蓄电池。动力电池是非燃油型非道路机械的首选优秀电力源。一些非道路移动机械的运行功率较大，需要使用大型的动力电池组支撑其电力消耗，工业车辆运行过程中存在过载、短路起火的安全隐患，因此，需要对动力电池进行防火处理，以减缓火焰蔓延传播速度，减少损失。

申请公布号为CN112778804A的中国专利申请公开了一种无机防火除醛涂料，按重量份数计，包括：无机除醛树脂15~30份、稳定剂1~3份、植物纤维素5~13份、无机阻燃粉45~55份、天然云母片15~20份、无机膨胀玻珠1~3份、芳香油5~8份、纳米微孔活性硅1~3份、氯化钯2~6份和光触媒10~15份。该专利申请是通过纳米微孔活性硅、氯化钯、光触媒与无机除醛树脂相互配合，增强涂料的除醛性能，该专利申请的原料组分较为复杂，其主要目的是实现涂料的除醛性能。该专利申请提供的防火涂料原料中包括植物纤维素，受热易形成碳化阻燃层，耐热性较差，长时间受热后容易分解滴落，因此，此类防火涂料难以用于电池箱体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池用防火涂料，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种防火涂料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、制备纳米云母片：以80~1000目天然云母粉为原料，通过物理或化学法剥离天然云母粉得到纳米云母片；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：

以重量份数计，所述云母阻燃膨胀剂的原料包括：纳米云母片1~10份、金属盐1~10份和水20~50份，按上述重量份数称取金属盐及步骤S1所得纳米云母片，用水溶解并搅拌均匀得到混合液；

金属盐溶于水后的混合液pH为4~6时，无需加入0.1mol/L的氨水溶液或NaOH溶液调节溶液pH；金属盐溶于水后的混合液pH小于4时，通过0.1mol/L的氨水溶液或NaOH溶液调节溶液pH为4~6；

再向上述pH为4~6的混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的水合盐、碳酸盐或碳酸氢盐溶液；常温下搅拌30~100min，使得水合盐、碳酸盐或碳酸氢盐沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂；

所述金属盐为氯化盐、硫酸盐、硝酸盐中的任意一种或多种的混合物，所述金属盐中的金属选自锌、铁、铝、钙、锆；

云母阻燃膨胀剂在高温下会迅速吸热并分解释放大量水蒸气以抑制燃烧，此时层状结构的纳米云母片表面形成了致密的阻燃层，该阻燃层并非碳化层，也不会产生有刺激性气味的有机气体；

S3、制备防火涂料：

以重量份数计，所述防火涂料包括：云母阻燃膨胀剂10~20份、无机树脂20~30份和溶剂20~50份，先将无机树脂与溶剂按上述重量份数混合，20~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌0.5~4h，得到搅拌均匀的混料，向所述混料中加入S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料；

所述无机树脂为无机硅树脂、无机钛树脂、无机铝树脂、无机硼树脂的一种或任意多种的混合物，由于无机树脂不可燃且高温下不会产生任何有害物质，与云母阻燃膨胀剂牢固结合后能够形成绝缘、致密、稳定的耐高温防火层。

优选的，步骤S1中，所述天然云母粉采用超声、研磨、高温高压水蒸气冲击、硝酸混合加热中的任意一种方法进行剥离。

优选的，步骤S1所得纳米云母片的片径为1~50μm，厚度为1~50nm。

优选的，步骤S2所得云母阻燃膨胀剂的片径为1~50μm，厚度为10~100nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为5~50nm。

作为本发明的进一步方案，步骤S3中，无机硅树脂由硅溶胶与硅烷偶联剂混合交联得到；无机钛树脂由硅溶胶、氢氧化钛溶胶与钛酸酯偶联剂混合交联得到；无机铝树脂由硅铝酸盐、铝酸酯偶联剂混合交联得到；无机硼树脂由硅溶胶、硼酸盐、硼酸酯偶联剂混合交联得到。

优选的，所述溶剂包括有水、乙醇、异丙醇、甲苯、甲醇、乙酸乙酯、二甲苯和二甲基甲酰胺，上述溶剂均具备较好的溶解、分散效果，能够使原料均匀、稳定分散。

优选的，所述溶剂还包括有用于改善涂料物理特性的助剂，所述助剂选自消泡剂、流平剂和润湿剂，所述助剂的重量份数为0.1~2份。

本发明还提供了一种采用上述制备方法制得的防火涂料。

本发明提供的上述防火涂料能够应用于动力电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的防火涂料制备方法简单，工艺难度低，制备得到的防火涂料具备结构稳定、表面光滑、防水防油的特点。

2、本发明提供的防火涂料在高温时候能够吸热释放不可燃气体，并膨胀形成致密、不易脱落的阻燃层，阻燃效果优异，完全满足UL94 V0级要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明云母阻燃膨胀剂的SEM图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例提供了一种防火涂料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、制备纳米云母片：将1000目天然云母粉通过研磨法剥离得到纳米云母片，所得纳米云母片的片径为50μm，厚度为50nm；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取10份氯化钙及10份步骤S1所得纳米云母片，用50份水溶解并搅拌均匀得到混合液，此时混合液pH为5~6，再向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的碳酸钠溶液，常温下搅拌50~100min，使得氯化钙和碳酸钠沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂，如图1所示，所得云母阻燃膨胀剂的片径为50μm，厚度为80nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为30nm；

S3、制备防火涂料：无机硅树脂由硅溶胶与硅烷偶联剂混合交联得到，先将20份无机硅树脂与20份乙醇水溶液混合，20~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌2~4h，得到搅拌均匀的混料，再向混料中加入10份S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料。

本实施例采用上述方法制备得到了防火涂料，该防火涂料经喷涂、刷涂、浸涂、滚涂中一种或多种的组合方式均匀涂布在电池电芯壳体、电池包箱体、电池框架结构上，充分干燥固化后得到防火涂层，该防火涂层具备优异的防火阻燃性能。

实施例2：

S1、制备纳米云母片：将1000目天然云母粉通过研磨法剥离得到纳米云母片，所得纳米云母片的片径为50μm，厚度为45nm；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取10份氯化锌及10份步骤S1所得纳米云母片，用50份水溶解并搅拌均匀得到混合液，此时混合液pH小于4；加入0.1mol/L的稀氨水或NaOH溶液调节混合液pH为4~5，再向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的碳酸钠溶液，常温下搅拌50~100min，使得氯化锌和碳酸钠沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂，所得云母阻燃膨胀剂的片径为50μm，厚度为70nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为30nm；

S3、制备防火涂料：无机硅树脂由硅溶胶与硅烷偶联剂混合交联得到，先将20份无机硅树脂与20份异丙醇混合，20~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌2~4h，得到搅拌均匀的混料，再向混料中加入10份S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料。

实施例3：

S1、制备纳米云母片：120-140℃、1.05-1.2个标准大气压下，将1000目天然云母粉通过水蒸气冲击法使云母粉颗粒层间断裂分层，得到剥离的纳米云母片，所得纳米云母片的片径为48μm，厚度为45nm；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取10份硝酸铝及10份步骤S1所得纳米云母片，用50份水溶解并搅拌均匀得到混合液，此时混合液pH小于4；加入0.1mol/L的稀氨水或NaOH溶液调节混合液pH为4~5，再向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的碳酸氢钠溶液，常温下搅拌50~100min，使得硝酸铝和碳酸氢钠沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂，所得云母阻燃膨胀剂的片径为48μm，厚度为80nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为33nm；

S3、制备防火涂料：无机钛树脂由由硅溶胶、氢氧化钛溶胶与钛酸酯偶联剂混合交联得到，先将20份无机钛树脂与20份甲苯-甲醇（1：1）混合液混合，30~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌2~4h，得到搅拌均匀的混料，再向混料中加入15份S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料。

实施例4：

S1、制备纳米云母片：将1000目天然云母粉通过硝酸混合加热法剥离得到纳米云母片，所得纳米云母片的片径为45μm，厚度为40nm；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取10份硝酸锆及10份步骤S1所得纳米云母片，用50份水溶解并搅拌均匀得到混合液，混合液pH小于4；加入0.1mol/L的稀氨水或NaOH溶液调节混合液pH为4~5，再向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的碳酸氢钠溶液，常温下搅拌50~100min，使得硝酸锆和碳酸氢钠沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂，所得云母阻燃膨胀剂的片径为45μm，厚度为78nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为38nm；

S3、制备防火涂料：无机铝树脂由硅铝酸盐、铝酸酯偶联剂混合交联得到，先将20粉无机铝树脂与20份二甲苯混合，30~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌2~4h，得到搅拌均匀的混料，再向混料中加入15份S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料。

实施例5：

S1、制备纳米云母片：将1000目天然云母粉通过超声法剥离得到纳米云母片，所得纳米云母片的片径为45μm，厚度为42nm；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：称取10份氯化钙及10份步骤S1所得纳米云母片，用50份水溶解并搅拌均匀得到混合液，此时混合液pH为5~6，再向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的草酸钠溶液，常温下搅拌50~100min，使得氯化钙和草酸钠沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂，所得云母阻燃膨胀剂的片径为45μm，厚度为72nm，其中纳米云母片表面的沉积层厚度为30nm；

S3、制备防火涂料：无机硼树脂由硅溶胶、硼酸盐、硼酸酯偶联剂混合交联得到，先将25份无机硼树脂与20份二甲基甲酰胺混合，30~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌2~4h，得到搅拌均匀的混料，再向混料中加入15份S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料。

实施例6：

本实施例提供了一种防火涂料，以重量份数计，其原料组分包括：云母阻燃膨胀剂15份、无机硼树脂25份、二甲基甲酰胺20份、0.5份消泡剂和0.5份流平剂。云母阻燃膨胀剂的原料组分包括：纳米云母片10份、氯化钙10份和水50份。

本实施例提供了上述防火涂料的制备方法，其具体步骤与实施例5的不同之处在于，步骤S3中，先将25份无机硼树脂与20份二甲基甲酰胺、0.5份消泡剂和0.5份流平剂混合，再制备得到云母阻燃膨胀剂，其余步骤均与实施例5一致，所得云母阻燃膨胀剂的片径、厚度也与实施例5一致。

本实施例制备得到的防火涂料经喷涂、刷涂、浸涂、滚涂中一种或多种的组合方式均匀涂布在电池电芯壳体、电池包箱体、电池框架结构上，充分干燥固化后得到防火涂层，该防火涂层具备优异的防火阻燃性能。

以市场上现有的防火涂料为对比例，对比例的组分包括以下重量份数的原料：环氧树脂和聚酯改性硅氧烷10份、磷酸二氢铵30份、淀粉15份、发泡剂20份、阻燃剂3份，上述原料混合均匀后利用三辊研磨机研磨得到对比例。

分别采用UL94检测法对经实施例1-6提供的制备方法制得的防火涂料、对比例进行性能检测。分别将实施例1-6所得防火涂料、对比例防火涂料涂覆在离型层上，形成厚度约200μm的涂层，再剥离得到独立的涂层样条，分别对所得涂层样条10秒的燃烧测试，每个样品平行测定2次。V0级标准为10秒内火焰熄灭，无滴落物；V1标准为60秒内火焰熄灭，无滴落物；V2标准为60秒内火焰熄灭，有滴落物。

检测结果如下表所示。

	平行测定一	级别	平行测定二	级别
					实施例1	9.4s火焰熄灭，无滴落物	V0	9.6s火焰熄灭，无滴落物	V0
实施例2	8.7s火焰熄灭，无滴落物	V0	8.5s火焰熄灭，无滴落物	V0
					实施例3	8.9s火焰熄灭，无滴落物	V0	8.8s火焰熄灭，无滴落物	V0
实施例4	9.1s火焰熄灭，无滴落物	V0	9.4s火焰熄灭，无滴落物	V0
					实施例5	8.8s火焰熄灭，无滴落物	V0	9.1s火焰熄灭，无滴落物	V0
实施例6	8.7s火焰熄灭，无滴落物	V0	8.9s火焰熄灭，无滴落物	V0
					对比例	48.7s火焰熄灭，无滴落物	V1	39.1s火焰熄灭，无滴落物	V1

由上表可知，本申请提供的防火涂料具备优异的防火阻燃性能，满足UL94 V0级要求，常用的电池箱体环氧树脂涂料或丙烯酸涂料仅能达到UL94-V1级水平，本申请提供的防火涂料可达到完全不燃，无火焰的状态，具备更优的防火阻燃性能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种防火涂料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、制备纳米云母片：以80~1000目天然云母粉为原料，天然云母粉剥离得到纳米云母片；

S2、制备云母阻燃膨胀剂：

以重量份数计，所述云母阻燃膨胀剂的原料包括：纳米云母片1~10份、金属盐1~10份和水20~50份，按上述重量份数称取金属盐及步骤S1所得纳米云母片，用水溶解并搅拌均匀得到混合液；调节混合液pH为4~6，向混合液内逐滴加入浓度为0.1mol/L的水合盐、碳酸盐或碳酸氢盐溶液，常温下搅拌30~100min，使得水合盐、碳酸盐或碳酸氢盐沉积在纳米云母片表面，当无新的沉淀物生成后过滤，取滤渣，在低于80℃的真空环境下干燥得到云母阻燃膨胀剂；

S3、制备防火涂料：

以重量份数计，所述防火涂料的原料包括：云母阻燃膨胀剂10~20份、无机树脂20~30份和溶剂20~50份，先将无机树脂与溶剂按上述重量份数混合，20~50℃下以150~1000r/min的转速搅拌0.5~4h，得到搅拌均匀的混料，向所述混料中加入S2所得云母阻燃膨胀剂，经研磨机研磨至固体细度低于10μm，200目滤网过筛得到防火涂料；

所述无机树脂为无机硅树脂、无机钛树脂、无机铝树脂、无机硼树脂的一种或任意多种的混合物。

2.根据权利要求1所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述天然云母粉采用超声、研磨、水蒸气冲击、硝酸混合加热中的任意一种方法进行剥离。

3.根据权利要求1所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，步骤S1所得纳米云母片的片径为1~50μm，厚度为1~50nm。

4.根据权利要求1所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，步骤S2所得云母阻燃膨胀剂的片径为1~50μm，厚度为10~100nm，其中纳米云母片表面的沉积层的厚度为5~50nm。

5.根据权利要求1所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，无机硅树脂由硅溶胶与硅烷偶联剂混合交联得到；无机钛树脂由硅溶胶、氢氧化钛溶胶与钛酸酯偶联剂混合交联得到；无机铝树脂由硅铝酸盐、铝酸酯偶联剂混合交联得到；无机硼树脂由硅溶胶、硼酸盐、硼酸酯偶联剂混合交联得到。

6.根据权利要求1所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括有水、乙醇、异丙醇、甲苯、甲醇、乙酸乙酯、二甲苯和二甲基甲酰胺。

7.根据权利要求6中所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，所述溶剂还包括有用于改善涂料物理特性的助剂，所述助剂选自消泡剂、流平剂和润湿剂，所述助剂的重量份数为0.1~2份。

8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得的防火涂料。

9.一种如权利要求8所述的防火涂料在动力电池中的应用。