CN115847973A - 多层复合聚丙烯材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层复合聚丙烯材料及其制备方法和应用。该多层复合聚丙烯材料包括呈层叠设置的第一改性层,芯层和第二改性层;其中,第一改性层包括第一改性聚丙烯;芯层包括聚丙烯;第二改性层包括第二改性聚丙烯;第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯分别独立选自:顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、丙烯酸接枝改性的聚丙烯、丙烯酸‑顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、二乙烯三胺‑甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺‑丙烯酸接枝改性聚丙烯和丙烯酸酯接枝改性聚丙烯中的一种或多种。该材料表面张力高且稳定性好,能与金属牢固结合,可用于制备复合集流体、极片或电池。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域,特别涉及多层复合聚丙烯材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前,基于高分子聚合物膜的复合集流体得到新能源行业的广泛关注和应用。该复合集流体的制备过程通常为:采用物理气相沉积(PVD)的方法在高分子薄膜(如聚丙烯、聚乙烯、聚酯类等)上沉积一层金属(铝、铜等)材料。制备出的具备一定导电能力的表面金属化的薄膜即为复合集流体。相比传统的集流体,基于高分子聚合物膜的复合集流体具备成本低、质量轻和内部绝缘性好等优势。这些优势使得复合集流体在电池中应用时能够降低电池的成本、并提升电池的能量密度及安全性。
在众多基于高分子聚合物膜的复合集流体中,基于聚丙烯膜的复合集流体较为常见。然而,以传统聚丙烯膜为基膜制备复合集流体过程中,由于聚丙烯膜自身材料极性较弱,导致其表面张力较低,低表面张力的聚丙烯膜与高表面张力的金属层之间的亲合力较差,从而引发二者界面之间的附着力较低,结合不牢固,即存在表面粘附性能差的问题。为了解决这一问题,通常采用聚丙烯膜表面电晕的方法,提高膜的表面张力,从而提升聚丙烯膜与金属材料的结合牢固性,但这一方法存在如下不足:电晕处理后的高分子薄膜表面张力不稳定,存放一段时间后,表面张力降低,最后与处理前的高分子薄膜表面张力接近,即存在存储不稳定的问题。
发明内容
基于此,本发明提供了一种表面张力高且存储稳定性好,与金属亲和力强,且能牢固结合在一起的多层复合聚丙烯材料,其可用于制备复合集流体,进一步用于极片或电池。
技术方案如下:
一种多层复合聚丙烯材料,其结构包括呈层叠设置的第一改性层,芯层和第二改性层;
所述第一改性层包括第一改性聚丙烯;
所述芯层包括聚丙烯;
所述第二改性层包括第二改性聚丙烯;
所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯分别独立选自:顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、丙烯酸接枝改性的聚丙烯、丙烯酸-顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、二乙烯三胺-甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺-丙烯酸接枝改性聚丙烯、丙烯酸酯接枝改性聚丙烯和极性改性分子中的氢被甲基、乙基或卤素原子取代的改性聚丙烯中的一种或多种。
在其中一个实施例中,所述第一改性聚丙烯和所述第二改性聚丙烯的接枝率均≥0.1%。
在其中一个实施例中,所述第一改性聚丙烯的熔融指数为(3.1-4.1)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.6。
在其中一个实施例中,所述第二改性聚丙烯的熔融指数为(3.2-4.0)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.6。
在其中一个实施例中,在所述第一改性层中,所述第一改性聚丙烯的质量百分含量≥20%。
在其中一个实施例中,所述第一改性层中还包括第一聚丙烯和第一抗氧化剂。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述第一改性层中包括所述第一聚丙烯0%-79.8%,所述第一改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第一抗氧化剂0.1%-0.6%。
在其中一个实施例中,所述第一聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度为89%-97%。
在其中一个实施例中,所述第一抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,在所述第二改性层中,所述第二改性聚丙烯的质量百分含量≥20%。
在其中一个实施例中,所述第二改性层中还包括第二聚丙烯和第二抗氧化剂。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述第二改性层中包括所述第二聚丙烯0%-79.8%,所述第二改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第二抗氧化剂0.1%-0.6%。
在其中一个实施例中,所述第二聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度为89%-97%。
在其中一个实施例中,所述第二抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,所述聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度≥97%。
在其中一个实施例中,所述芯层还包括第三抗氧化剂。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述芯层中包括所述聚丙烯99.5%-99.8%以及第三抗氧化剂0.2%-0.5%。
在其中一个实施例中,所述第三抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,所述多层复合聚丙烯材料的厚度≥1μm,其中,所述第一改性层和第二改性层的厚度占比分别独立为5%-15%,所述芯层的厚度占比为70%-90%。
本发明还提供一种如上所述的多层复合聚丙烯材料的制备方法,包括如下步骤:
在200-260℃条件下熔融包含所述第一改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第一改性层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备芯层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述第二改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第二改性层中间体;
在15-60℃条件下通过制片工艺将所述第一改性层中间体、芯层中间体和第二改性层中间体复合成型制备多层复合聚丙烯材料中间体;
对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行双向拉伸处理制备所述多层复合聚丙烯材料,且纵向总拉伸比为5-9倍、横向总拉伸比为4-8倍;
其中,所述双向拉伸为同步拉伸或异步拉伸;
(1)所述同步拉伸包括如下步骤:
逐步升温,分别在152-157℃、156-160℃、159-162℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行第一拉伸处理、第二拉伸处理和第三拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体I;
逐步升温,分别在162-165℃、162-169℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体I进行第一热定型处理和第二热定型处理,制备所述多层复合聚丙烯材料;
(2)所述异步拉伸包括如下步骤:
在145-155℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行纵向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体II;
在150-160℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料II中间体进行横向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体III;
在165-170℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料III进行热成型处理,制备多层复合聚丙烯材料IV;
在120-135℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料IV进行热处理,制备所述多层复合聚丙烯材料。
本发明还提供一种复合集流体,其结构包括呈层叠设置的第一保护层,第一金属层,支撑层,第二金属层和第二保护层;
所述支撑层包括根据如上所述的复合聚丙烯材料。
在其中一个实施例中,所述第一保护层和第二保护层分别独立包括:不活泼金属及其合金、金属氧化物和碳材料中的一种或多种;
所述第一金属层和第二金属层分别独立包括电阻率≤8×10-8Ω·m的金属及其合金。
在其中一个实施例中,不活泼金属选自镍和/或铬。不活泼金属合金选自镍基合金、铬基合金和镍铬铜合金中的一种或多种。金属氧化物选自氧化铜、氧化铝、氧化镍、氧化铬、氧化钴和铜铬氧化物中的一种或多种。碳材料选自石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米量子点、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的一种或多种。
在其中一个实施例中,电阻率≤8×10-8Ω·m的金属选自铜、铝、银、金、锌、钼、钴、镍中的一种或多种,符合要求的合金选自铜合金、铝合金和镍合金中的一种或多种。
本发明还提供一种极片,包括如上所述的复合集流体。
本发明还提供一种电池,包括如上所述的极片。
与现有方案相比,本发明具有以下有益效果:
本发明构建了一种具有特殊结构的复合聚丙烯材料,其包括层叠设置的第一改性层、芯层和第二改性层,所述第一改性层和第二改性层均包括经极性分子改性的聚丙烯;所述芯层包括聚丙烯。
通过在聚丙烯层的表层中加入经极性分子改性的聚丙烯,以提升复合聚丙烯材料的表面极性,进而提升其表面张力。进一步地,经极性分子改性的聚丙烯不易结晶,且能够抑制聚丙烯的结晶,提升自由体积。通过改性层(表层)表面张力和自由体积的提升共同促进了复合聚丙烯材料的表面粘附性能,与金属结合力强,能与金属牢固地结合在一起。并且,由于改性聚丙烯中极性分子与聚丙烯是通过共价键连接,结构稳定,从而使得表层表面张力稳定,存储过程中不会发生表面张力的衰减,表现出优异的存储稳定性。故,若以本发明制备的复合聚丙烯材料作为复合集流体的基材,能与金属层牢固粘结,提升电池性能。
此外,本发明的多层复合聚丙烯材料制备过程简单易操作,适合放大化生产。
附图说明
图1是本发明一实施例中的多层复合聚丙烯材料的结构示意图;
图2是本发明一实施例中的复合集流体的结构示意图;
图3是以实施例1、2、3及对比例1制备的复合集流体样品为电池的电极集流体,所测得的能量密度随循环次数变化的结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明中,以开放式描述的技术特征中,包括所列举特征组成的封闭式技术方案,也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
在本发明中,涉及到数值区间,如无特别说明,上述数值区间内视为连续,且包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地,当范围是指整数时,包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外,当提供多个范围描述特征或特性时,可以合并该范围。换言之,除非另有指明,否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
本发明仅具体地公开了一些数值范围。然而,任意下限可以与任意上限组合形成未明确记载的范围;以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围,同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外,每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
本发明中的温度参数,如无特别限定,既允许为恒温处理,也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
在本发明中,涉及数据范围的单位,如果仅在右端点后带有单位,则表示左端点和右端点的单位是相同的。比如,150-160℃表示左端点“150和右端点“160”的单位都是℃(摄氏度)。
在本发明中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中,“多种”的含义是至少两种,例如两种,三种等,除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中,“若干”的含义是至少一个,例如一个,两个等,除非另有明确具体的限定。
如果没有特别的说明,本发明的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本发明的所有步骤可以顺序进行,也可以随机进行,优选是顺序进行的。例如,所述方法包括步骤(a)和(b),表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b),也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如,所述提到所述方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法,例如,所述方法可以包括按照步骤(a)、(b)和(c),也可包括步骤(a)、(c)和(b),也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
需要说明的是,在本发明的描述中,对于方位词,如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于叙述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作,不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在描述位置关系时,除非另有规定,否则当一元件例如层、膜或基板被指为在另一膜层“上”时,其能直接在其他膜层上或亦可存在中间膜层。进一步说,当层被指为在另一层“下”时,其可直接在下方,亦可存在一或多个中间层。亦可以理解的是,当层被指为在两层“之间”时,其可为两层之间的唯一层,或亦可存在一或多个中间层。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下,意图在于覆盖不排他的包含,除非使用了明确的限定用语,例如“仅”、“由……组成”等,否则还可以添加另一部件。
除非相反地提及,否则单数形式的术语可以包括复数形式,并不能理解为其数量为一个。
此外,附图并不是以1:1的比例绘制,并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制,以便于理解本发明,但不一定按照真实比例绘制,附图中的比例不构成对本发明的限制。
在本发明中,接枝率指接枝到聚丙烯上的极性单体的质量与接枝后聚丙烯的质量比。
在本发明中,横向拉伸比是指拉伸后的材料相对于未拉伸前的材料在横向方向(或宽度)的伸长倍数,纵向拉伸比是指拉伸后的材料相对于未拉伸前的材料在纵向方向(或长度)的伸长倍数。
虽然基于聚丙烯膜的复合集流体具备成本低、质量轻、内部绝缘性好等特点,但聚丙烯膜自身材料极性较弱,导致其表面张力较低,低表面张力的聚丙烯膜与高表面张力的金属层之间的亲合力较差,从而引发二者界面之间的附着力较低,结合不牢固,即存在表面粘附性能差的问题,以及表面张力不稳定的问题。
对此,本发明提供了一种表面张力高且存储稳定性好,与金属亲和力强,且能牢固结合在一起的多层复合聚丙烯材料。
技术方案如下:
一种多层复合聚丙烯材料,其结构包括呈层叠设置的第一改性层,芯层和第二改性层;
所述第一改性层包括第一改性聚丙烯;
所述芯层包括聚丙烯;
所述第二改性层包括第二改性聚丙烯;
所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯分别独立选自:顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、丙烯酸接枝改性的聚丙烯、丙烯酸-顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、二乙烯三胺-甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺-丙烯酸接枝改性聚丙烯和丙烯酸酯接枝改性聚丙烯中的一种或多种。
相比于未改性聚丙烯,经极性分子改性的聚丙烯具有更大的极性和表面张力。本发明通过在聚丙烯层的表层中加入经极性分子改性的聚丙烯,以提升复合聚丙烯材料的表面极性,进而提升其表面张力。进一步地,经极性分子改性的聚丙烯不易结晶,且能够抑制聚丙烯的结晶,提升自由体积。通过改性层(表层)表面张力和自由体积的提升共同促进了复合聚丙烯材料的表面粘附性能,其与金属结合力强,且能与金属牢固地结合在一起。
图1是本发明其中一实施例制得的复合聚丙烯材料的结构示意图,其中101表示第一改性层,102表示芯层,103表示第二改性层。
可以理解地,在本发明中,第一改性层和第二改性层的作用相同,但第一改性层和第二改性层中的材料种类以及含量可以相同也可以不同。
在本发明中,经极性分子改性的第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯分别独立地选自:顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝改性的聚丙烯(PP-g-AA)、丙烯酸-顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯(PP-g-AA-MAH))、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯(PP-GMA)、二乙烯三胺-甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯(PP-g-GMA-DETA)、丙烯酰胺接枝改性的聚丙烯(PP-g-AAm)丙烯酰胺-丙烯酸接枝改性聚丙烯(PP-g-AAc-AAm)、丙烯酸酯接枝改性聚丙烯及极性改性分子中的氢被甲基、乙基或卤素原子取代的聚丙烯中的一种或多种,采用这样的改性聚丙烯能够更好地提升聚丙烯的极性,提高表面张力以及存储稳定性。可以理解地,在本发明中,第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯的种类可以相同也可以不同。
经发明人研究发现,聚丙烯分子中的极性分子含量增加,进而引起第一改性层和第二改性层的表面张力呈现增大的趋势;极性分子在聚丙烯分子中一方面起到扰乱分子排列规整性的作用,另一方面又起到结晶成核的作用,二者相互制约,影响自由体积。另外,接枝率的高低还会影响材料的成膜性和表面缺陷,进而影响良品率。可以理解地,所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯的接枝率可以相同也可以不同。
在本发明其中一个实施例中,所述第一改性聚丙烯和所述第二改性聚丙烯的接枝率均≥0.1%,包括但不限于为:0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%或1.6%。优选地,所述第一改性聚丙烯和所述第二改性聚丙烯的接枝率分别独立为0.2%-1.5%,这样能够协同提高复合聚丙烯的表面张力和自由体积,进而提高其与金属的结合力。
经发明人研究发现,改变第一改性层和/或第二改性层中改性聚丙烯的熔融指数,能够调控改性层的表面张力和自由体积,成膜性和力学性能。可以理解地,所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯的熔融指数可以相同也可以不同。
在本发明其中一个实施例中,所述第一改性聚丙烯的熔融指数为(3.1-4.1)g/10min/(230℃/2.16kg),包括但不限于为3.1g/10min、3.2g/10min、3.3g/10min、3.4g/10min、3.5g/10min、3.6g/10min、3.7g/10min、3.8g/10min、3.9g/10min、4.0g/10min和4.1g/10min。优选地,在本发明中,所述第一改性聚丙烯的熔融指数为(3.2-4.0)g/10min/(230℃/2.16kg),这样能够协同提高复合聚丙烯的表面张力和自由体积,进而提高其与金属的结合力,以及保证材料成膜性、良品率和力学性能。
在本发明其中一个实施例中,所述第二改性聚丙烯的熔融指数为(3.1-4.1)g/10min/(230℃/2.16kg),包括但不限于为3.1g/10min、3.2g/10min、3.3g/10min、3.4g/10min、3.5g/10min、3.6g/10min、3.7g/10min、3.8g/10min、3.9g/10min、4.0g/10min和4.1g/10min。优选地,在本发明中,所述第二改性聚丙烯的熔融指数为(3.2-4.0)g/10min/(230℃/2.16kg),这样能够协同提高复合聚丙烯的表面张力和自由体积,进而提高其与金属的结合力,以及保证材料成膜性、良品率和力学性能。
经发明人研究发现,改变第一改性层和/或第二改性层中改性聚丙烯的分子量分布指数,也能够调控改性层的表面张力和自由体积,以及成膜性、良品率和力学性能。可以理解地,所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯的分子量分布指数可以相同也可以不同。
在本发明其中一个实施例中,所述第一改性聚丙烯的分子量分布指数为4.5-5.6,包括但不限于为4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5和5.6。优选地,所述第一改性聚丙烯的分子量分布指数为4.6-5.5,这样能够协同提高复合聚丙烯的表面张力和自由体积,进而提高其与金属的结合力,以及保证材料成膜性、良品率和力学性能。
在本发明其中一个实施例中,所述第二改性聚丙烯的分子量分布指数为4.5-5.6,包括但不限于为4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5和5.6。优选地,所述第二改性聚丙烯的分子量分布指数为4.6-5.5,这样能够协同提高复合聚丙烯的表面张力和自由体积,进而提高其与金属的结合力,以及保证材料成膜性、良品率和力学性能。
参见上述描述,在改性层中添加经极性分子接枝后的改性聚丙烯,即可增加改性层的极性,经发明人进一步研究发现,改变第一改性层和第二改性层中改性聚丙烯的含量,能够调控改性层的表面张力和自由体积,以及材料成膜性、良品率和力学性能。
在其中一个实施例中,在所述第一改性层中,所述第一改性聚丙烯的质量百分含量≥20%,包括但不限于为20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、48%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%、80%、85%、88%、90%、92%、95%、96%、98%、99.8%、99%和100%。
在其中一个实施例中,所述第一改性层中还包括第一聚丙烯和第一抗氧化剂。通过聚丙烯、抗氧化剂的作用,改善复合聚丙烯材料的成膜性、良品率和力学性能。
在其中一个实施例中,所述第一聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),包括但不限于为3.0g/10min、3.1g/10min、3.2g/10min、3.3g/10min、3.4g/10min、3.5g/10min、3.6g/10min、3.7g/10min、3.8g/10min和3.9g/10min。
在其中一个实施例中,所述第一聚丙烯的分子量分布指数为4.5-5.2,包括但不限于为4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1和5.2。
经发明人研究发现,聚丙烯的等规度影响改性层中高分子的排列规整性,进一步影响自由体积、结合力和粘附性能,另外还对复合聚丙烯材料的力学性能和成膜性有影响。
在其中一个实施例中,所述第一聚丙烯的等规度为89%-97%,包括但不限于为89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%和97%。优选地,在本发明中所述第一聚丙烯的等规度为90%-96%,这样能够协同复合聚丙烯材料的表面张力、自由体积、力学性能、良品率和成膜性。
在其中一个实施例中,所述第一抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述第一改性层中包括所述第一聚丙烯0%-79.8%,所述第一改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第一抗氧化剂0.1%-0.6%。其中,第一聚丙烯的含量包括但不限于为0%、2%、5%、10%、15%、20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、49.8%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%和79.8%,优选为20%-50%;第一改性聚丙烯的含量包括但不限于为20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、48%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%、80%、85%、88%、90%、92%、95%、96%、99.8%和99.9%,优选为20%-99.8%;所述第一抗氧化剂的含量包括但不限于为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%,优选为0.2%-0.5%。
鉴于在本发明中,第一改性层和第二改性层作用相同,针对第二改性层的描述可参照第一改性层,具体如下:
在其中一个实施例中,在所述第二改性层中,所述第二改性聚丙烯的质量百分含量≥20%,包括但不限于为20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、48%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%、80%、85%、88%、90%、92%、95%、96%、98%、99.8%、99%和100%。优选地,在所述第一改性层中,所述第一改性聚丙烯的质量百分含量≥20%;且在所述第二改性层中,所述第二改性聚丙烯的质量百分含量≥20%。这样更能够协同复合聚丙烯材料的表面张力、自由体积、力学性能、良品率和成膜性。
在其中一个实施例中,所述第二改性层中还包括第二聚丙烯和第二抗氧化剂。通过聚丙烯、抗氧化剂的作用,改善复合聚丙烯材料的成膜性、良品率和力学性能。
在其中一个实施例中,所述第二聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),包括但不限于为3.0g/10min、3.1g/10min、3.2g/10min、3.3g/10min、3.4g/10min、3.5g/10min、3.6g/10min、3.7g/10min、3.8g/10min和3.9g/10min。
在其中一个实施例中,所述第二聚丙烯的分子量分布指数为4.5-5.2,包括但不限于为4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1和5.2。
在其中一个实施例中,所述第二聚丙烯的等规度为89%-97%,包括但不限于为89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%和97%。优选地,在本发明中所述第二聚丙烯的等规度为90%-96%,这样能够协同复合聚丙烯材料的表面张力、自由体积、力学性能、良品率和成膜性。
在其中一个实施例中,所述第二抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述第二改性层中包括所述第二聚丙烯0%-79.8%,所述第二改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第二抗氧化剂0.1%-0.6%。其中,第二聚丙烯的含量包括但不限于为0%、2%、5%、10%、15%、20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、49.8%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%和79.8%,优选为20%-50%;第二改性聚丙烯的含量包括但不限于为20%、22%、23%、24%、25%、26%、28%、30%、32%、33%、34%、36%、38%、40%、41%、42%、44%、45%、46%、48%、50%、51%、52%、55%、58%、60%、62%、65%、70%、72%、75%、80%、85%、88%、90%、92%、95%、96%、99.8%和99.9%,优选为20%-99.8%;所述第二抗氧化剂的含量包括但不限于为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%,优选为0.2%-0.5%。
在其中一个实施例中,所述芯层的聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),包括但不限于为3.0g/10min、3.1g/10min、3.2g/10min、3.3g/10min、3.4g/10min、3.5g/10min、3.6g/10min、3.7g/10min、3.8g/10min和3.9g/10min。
在其中一个实施例中,所述芯层的聚丙烯的分子量分布指数为4.5-5.2,包括但不限于为4.5、4.6、4.7、4.8、4.8、4.9、5.0、5.1和5.2。
在其中一个实施例中,所述芯层的聚丙烯的等规度≥97%,包括但不限于为97%、98%、99%和100%。
在其中一个实施例中,所述芯层还包括第三抗氧化剂。
在其中一个实施例中,所述第三抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
在其中一个实施例中,以质量百分含量计,所述芯层中包括所述聚丙烯99.5%-99.8%以及第三抗氧化剂0.2%-0.5%。
在其中一个实施例中,所述多层复合聚丙烯材料的厚度≥1μm,因此聚丙烯膜越薄越能促进复合集流体能量密度的提升,同时兼顾生产难度(膜越薄、生产难度越大、良品率越低),优选地,所述多层复合聚丙烯材料的为2μm-20μm。其中,在所述复合聚丙烯材料中,所述第一改性层和第二改性层的厚度占比分别独立为5%-15%,所述芯层的厚度占比为70%-90%。
本发明还提供一种如上所述的多层复合聚丙烯材料的制备方法,包括如下步骤:
在200-260℃条件下熔融包含所述第一改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第一改性层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备芯层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述第二改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第二改性层中间体;
在15-60℃条件下通过制片工艺将所述第一改性层中间体、芯层中间体和第二改性层中间体复合成型制备多层复合聚丙烯材料中间体;
对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行双向拉伸处理制备所述多层复合聚丙烯材料,且纵向总拉伸比为5-9倍、横向总拉伸比为4-8倍;
其中,所述双向拉伸为同步拉伸或异步拉伸;
(1)所述同步拉伸包括如下步骤:
逐步升温,分别在152-157℃、156-160℃、159-162℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行第一拉伸处理、第二拉伸处理和第三拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体I;
逐步升温,分别在162-165℃、162-169℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体I进行第一热定型处理和第二热定型处理,制备所述多层复合聚丙烯材料;
(2)所述异步拉伸包括如下步骤:
在145-155℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行纵向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体II;
在150-160℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料II中间体进行横向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体III;
在165-170℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料III进行热成型处理,制备多层复合聚丙烯材料IV;
在120-135℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料IV进行热处理,制备所述多层复合聚丙烯材料。
(1)在其中一个实施例中,所述双向拉伸为同步拉伸,所述同步拉伸包括两段预热、三段拉伸和两次热定型。
在其中一个实施例中,所述两段预热包括第一预热和第二预热,且温度逐步升高,第一预热温度为130-145℃,第二预热温度为145-155℃;
所述三段拉伸包括第一拉伸,第二拉伸和第三拉伸,且温度逐步升高,第一拉伸温度为152-157℃,第二拉伸温度为156-160℃,第三拉伸温度为159-162℃;经过三段拉伸后,纵向总拉伸比均为5-9倍(如5、6、7、8、9,优选为6-8倍)、横向总拉伸比为4-8倍(如4、5、6、7、8,优选为5-7倍);
所述两次热定型包括第一热定型和第二热定型,且温度逐步升高,第一热定型温度为162-165℃,第二热定型温度为162-169℃。
(2)在其中一个实施例中,所述双向拉伸为异步拉伸,所述异步拉伸包括纵向拉伸,横向拉伸和热处理。
在其中一个实施例中,所述纵向拉伸包括如下步骤:
在110-135℃条件下预热,再在140-150℃条件下进行拉伸,且纵向总拉伸比为5-9倍(如5、6、7、8、9,优选为6-8倍),冷却;
所述横向拉伸包括如下步骤:
在120-140℃条件下预热,再在150-160℃条件下进行拉伸,再在165-170℃条件下热成型,且横向总拉伸比为4-8倍(如4、5、6、7、8,优选为5-7倍);
所述热处理包括如下步骤:
在120-135℃条件下进行热处理,目的是消除膜内部应力,提高膜的热稳定性。
在其中一个实施例中,所述的多层复合聚丙烯材料的制备方法包括如下步骤:
(1)熔融挤出
将上述第一改性层、芯层、第二改性层采用的原料分别加入到对应的双螺杆挤出机内,在200-260℃下熔融,然后经过过滤器(10微米滤网)过滤后,通过模头挤出熔体,模头温度为230-260℃,三层的挤出量控制在(5%-15%):(70%-90%):(5%-15%)。
(2)铸片
模头挤出的熔融聚酯料流延到铸片辊上,经铸片辊及水冷的冷却处理成型,冷却温度为15-60℃。
(3)双向拉伸
双向拉伸可以通过两种方式实现,即同步拉伸和异步拉伸。
a.对于同步拉伸,其拉伸工艺如下:
分为预热区、拉伸区、热定型区三个区域,具体地:
预热区:分为两段,温度依次升高,即130-145℃、145-155℃;
拉伸区:分为三段,温度依次升高,即152-157℃、156-160℃、159-162℃;经过三段拉伸后,拉伸比:纵向总拉伸比为5-9倍、横向总拉伸比为4-8倍。
热定型区:分为两段,温度依次升高,即162-165℃、162-169℃。
b.对于异步拉伸,其拉伸工艺如下:
①纵向拉伸:预热温度:110-135℃;拉伸温度为140-150℃;纵向总拉伸比为5-9倍,然后冷却至室温。
②横向拉伸:预热温度:120-140℃;拉伸温度为150-160℃;热定型温度为165-170℃;横向总拉伸比为4-8倍。
③热处理:热处理温度120-135℃,目的是消除膜内部应力,提高膜的热稳定性。
(4)收卷:
热处理后的膜经平台区空气冷却后,经牵引系统进入收卷系统进行膜片收卷,收卷张力20-30N/m。
本发明还提供一种复合集流体,其结构包括呈层叠设置的第一保护层,第一金属层,支撑层,第二金属层和第二保护层;
所述支撑层包括根据如上所述的复合聚丙烯材料。
本发明提供的复合聚丙烯材料表面张力高且稳定,具有优异的表面粘附性能,与金属结合力强,能与金属牢固地结合在一起。将本发明制备的复合聚丙烯材料作为复合集流体的支撑层(复合集流体的载体),能与金属层牢固粘结,提升电池性能。
在本发明其中一个实施例中,所述支撑层的厚度为1μm-20μm。这样更符合复合集流体的应用要求,同时兼顾制备工艺的难度和成本的高低。
两层金属层位于支撑层的两侧,作用为导电。可以理解地,两层金属层的材料可以一致也可以不一致,厚度可以一致也可以不一致。
在本发明其中一个实施例中,所述第一金属层和第二金属层分别独立包括:电阻率≤8×10-8Ω·m的金属及其合金。
在本发明其中一个实施例中,电阻率≤8×10-8Ω·m的金属为铜、铝、银、金、锌、钼、钴和镍中的一种或多种,符合要求的合金选自铜合金、铝合金和镍合金中的一种或多种。
在本发明其中一个实施例中,所述第一金属层和第二金属层的厚度分别独立为500nm-2000nm,优选为700nm-1200nm,这样具有更好的导电性。
在本发明其中一个实施例中,所述第一金属层和第二金属层分别独立地通过物理气相沉积(如电阻加热真空蒸镀、电子束加热真空蒸镀、激光加热真空蒸镀、磁控溅射等)、电镀、化学镀等方法中的一种或多种制备。
第一保护层和第二保护层设置在金属层远离支撑层的一侧,作用为防止金属导层被化学腐蚀或物理损坏。可以理解地,两层保护层的材料可以一致也可以不一致,厚度可以一致也可以不一致。
在本发明其中一个实施例中,所述第一保护层和第二保护层分别独立包括:不活泼金属及其合金、金属氧化物和碳材料中的一种或多种。
在本发明其中一个实施例中,不活泼金属选自镍和/或铬。不活泼金属合金选自镍基合金、铬基合金和镍铬铜合金中的一种或多种。金属氧化物选自氧化铜、氧化铝、氧化镍、氧化铬、氧化钴和铜铬氧化物中的一种或多种。碳材料选自石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米量子点、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的一种或多种。
在本发明其中一个实施例中,所述第一保护层和第二保护层的厚度分别独立为10nm-150nm,优选为20nm-100nm,且保护层的厚度不得超过金属层厚度的十分之一。
在本发明其中一个实施例中,所述第一保护层和第二保护层的制备方法分别独立为物理气相沉积、化学气相沉积、原位成型、涂布等方法中的一种或多种。其中气相沉积法优选真空蒸镀及磁控溅射;化学气相沉积优选常压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积;原位成型优选在金属层表面原位形成金属氧化物钝化层的方法;涂布法优选模头涂布、刮刀涂布、挤压涂布。
图2是本发明一实施例中的复合集流体的结构示意图,其中,201是第一保护层,202是第一金属层,203是支撑层,204是第二金属层,205是第二保护层。
本发明还提供一种极片,包括如上所述的复合集流体。
本发明还提供一种电池,包括如上所述的极片。
以下结合具体实施例和对比例进行进一步说明,以下具体实施例中所涉及的原料,若无特殊说明,均可来源于市售,所使用的仪器,若无特殊说明,均可来源于市售。
实施例1:
本实施例提供一种多层复合聚丙烯薄膜及其制备方法,复合集流体及其制备方法。
(1)多层复合聚丙烯薄膜:
1)原料:
a.以质量百分含量计,第一改性层组成如下:
第一聚丙烯 79.8%;
第一改性聚丙烯 20%;
第一抗氧化剂 0.2%;
其中,第一聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第一改性聚丙烯为顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第一抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
b.以质量百分含量计,芯层组成如下:
聚丙烯 99.8%;
第三抗氧化剂 0.2%;
其中,聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为97%,第三抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
c.以质量百分含量计,第二改性层组成如下:
第二聚丙烯 79.8%;
第二改性聚丙烯 20%;
第二抗氧化剂 0.2%;
其中,第二聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第二改性聚丙烯为顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第二抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
2)复合聚丙烯薄膜的制备方法如下:
①熔融挤出:
将上述第一改性层、芯层、第二改性层层的原料分别加入到对应的双螺杆挤出机内,在250℃下熔融,然后经过过滤器(10微米滤网)过滤后,通过模头挤出熔体,模头温度为260℃,三层的挤出量比例控制在10%:80%:10%。
②铸片:
将模头挤出的熔融聚酯料流延到铸片辊上,经铸片辊及水冷的冷却处理成型,冷却温度为30℃。
③双向拉伸
采用同步拉伸的工艺,其拉伸工艺如下:分为预热区、拉伸区、热定型区三个区域,具体地:
预热区:分为两段,温度依次升高,即135℃、150℃;
拉伸区:分为三段,温度依次升高,即153℃、157℃、160℃;拉伸比:纵向总拉伸比为6倍、横向总拉伸比为5倍;
热定型区:分为两段,温度依次升高,即163℃、166℃。
④热处理后的膜经平台区空气冷却后,经牵引系统进入收卷系统进行膜片收卷,收卷张力为30N/m。制备出总厚度为4.5微米的多层复合聚丙烯膜,第一改性层和第二改性层的厚度均为0.45微米,芯层的厚度为3.6微米。
(2)复合集流体制备:
①金属导电层的制备:将上述制备的、表面进行清洁处理的多层复合聚丙烯膜置于真空蒸镀的舱体内,以1300-2000℃的高温将金属蒸发室内的高纯铝丝(纯度大于99.99%)熔化蒸发,蒸发后的金属原子经过真空镀膜室内的冷却系统,沉积在高分子基膜的两个表面,形成厚度为1微米的铝金属导电层。
②保护层的制备:通过超声分散的方法将1g碳纳米管均匀分散到999g氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中,配制成固含量为0.1wt.%的涂布液,然后通过模头涂布的工艺将涂布液均匀涂覆到金属导电层的表面,其中涂覆量控制在80微米,最后在100℃下进行干燥。
实施例2:
与实施例1基本相同,区别在于:改变改性层中各原料的含量,具体地:
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为49.8%、50.0%、0.2%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为49.8%、50.0%、0.2%。
实施例3:
与实施例1基本相同,区别在于:改变改性层中各原料的含量,具体地:
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为0%、99.8%、0.2%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为0%、99.8%、0.2%。
实施例4:
与实施例1基本相同,区别在于:改变改性层中各原料的含量,具体地:
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.5%、20.0%、0.5%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.5%、20.0%、0.5%。
实施例5:
与实施例1基本相同,区别在于:改变改性层中各原料的含量,具体地:
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为80.8%、19.0%、0.2%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为80.8%、19.0%、0.2%。
实施例6:
与实施例1基本相同,区别在于:改变改性层中各原料的含量,具体地:
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为0%、99.9%、0.1%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为0%、99.9%、0.1%。
实施例7:
与实施例2基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的接枝率,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为0.9%;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为0.9%。
实施例8:
与实施例2基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的接枝率,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为1.5%;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为1.5%。
实施例9:
与实施例2基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的接枝率,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为0.1%;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为0.1%。
实施例10:
与实施例2基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的接枝率,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为1.6%;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯接枝率为1.6%。
实施例11:
与实施例7基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的熔融指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为3.6g/10min/(230℃/2.16kg);
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为3.6g/10min/(230℃/2.16kg)。
实施例12:
与实施例7基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的熔融指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为4.0g/10min/(230℃/2.16kg);
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为4.0g/10min/(230℃/2.16kg)。
实施例13:
与实施例7基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的熔融指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为3.1g/10min/(230℃/2.16kg);
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为3.1g/10min/(230℃/2.16kg)。
实施例14:
与实施例7基本相同,区别在于:改变改性层中改性聚丙烯的熔融指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为4.1g/10min/(230℃/2.16kg);
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的熔融指数为4.1g/10min/(230℃/2.16kg)。
实施例15:
与实施例11基本相同,区别在于:改变改性层改性聚丙烯的分子量分布指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为5.0;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为5.0。
实施例16:
与实施例11基本相同,区别在于:改变改性层改性聚丙烯的分子量分布指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为4.6;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为4.6。
实施例17:
与实施例11基本相同,区别在于:改变改性层改性聚丙烯的分子量分布指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为5.6;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为5.6。
实施例18:
与实施例15基本相同,区别在于:改变改性层改性聚丙烯的分子量分布指数,具体地:
第一改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为4.5;
第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的分子量分布指数为4.5。
实施例19:
与实施例15基本相同,区别在于:改变了同步拉伸中的纵向拉伸比,三段拉伸处理后总纵向拉伸比为7:1。
实施例20:
与实施例15基本相同,区别在于:改变了同步拉伸中的纵向拉伸比,三段拉伸处理后总纵向拉伸比为8:1。
实施例21:
与实施例15基本相同,区别在于:改变了同步拉伸中的纵向拉伸比,三段拉伸处理后总纵向拉伸比为5:1。
实施例22:
与实施例15基本相同,区别在于:改变了同步拉伸中的纵向拉伸比,三段拉伸处理后总纵向拉伸比为9:1。
实施例23:
与实施例1基本相同,区别在于:改变芯层各原料的含量,具体地:
聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为99.5%、0.5%。
实施例24:
与实施例19基本相同,区别在于:将第一改性层和第二改性层中的顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯均换成丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯。
实施例25:
与实施例19基本相同,区别在于:改变了改性聚丙烯的种类,具体地:将第一改性层和第二改性中的顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯均换成丙烯酸接枝改性的聚丙烯。
实施例26:
与实施例1基本相同,区别在于:改变了第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度,具体地:第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度均为93%。
实施例27:
与实施例1基本相同,区别在于:改变了第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度,具体地:第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度均为90%。
实施例28:
与实施例1基本相同,区别在于:改变了第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度,具体地:第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度均为89%。
实施例29:
与实施例1基本相同,区别在于:改变了第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度,具体地:第一改性层和第二改性层中聚丙烯的等规度均为97%。
实施例30:
与实施例1基本相同,区别在于:芯层中采用的聚丙烯的等规度为99%。
实施例31:
与实施例1基本相同,区别在于:芯层中采用的聚丙烯的等规度为96%。
实施例32:
与实施例1基本相同,区别在于:第一改性层、芯层和第二改性层中采用的抗氧化剂亚磷酸三苯酯的浓度为0.1%。
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.9%、20%、0.1%;
芯层中聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为99.9%、0.1%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.9%、20%、0.1%。
实施例33:
与实施例1基本相同,区别在于:第一改性层、芯层和第二改性层中采用的抗氧化剂亚磷酸三苯酯的浓度为0.6%。
第一改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.4%、20%、0.6%;
芯层中聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为99.4%、0.6%;
第二改性层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.4%、20%、0.6%。
实施例34:
与实施例1基本相同,区别在于:改变第二改性层中顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯的含量,具体地:
(1)多层复合聚丙烯薄膜:
1)原料:
a.以质量百分含量计,第一改性层组成如下:
第一聚丙烯 79.8%;
第一改性聚丙烯 20%;
第一抗氧化剂 0.2%;
其中,第一聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第一改性聚丙烯为顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第一抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
b.以质量百分含量计,芯层组成如下:
聚丙烯 99.8%;
第三抗氧化剂 0.2%;
其中,聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为97%,第三抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
c.以质量百分含量计,第二改性层组成如下:
第二聚丙烯 69.8%;
第二改性聚丙烯 30%;
第二抗氧化剂 0.2%;
其中,第二聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第二改性聚丙烯为顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第二抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
实施例35:
与实施例1基本相同,区别在于:改变第二改性层中改性聚丙烯的种类,具体地:
(1)多层复合聚丙烯薄膜:
1)原料:
a.以质量百分含量计,第一改性层组成如下:
第一聚丙烯 79.8%;
第一改性聚丙烯 20%;
第一抗氧化剂 0.2%;
其中,第一聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第一改性聚丙烯为顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第一抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
b.以质量百分含量计,芯层组成如下:
聚丙烯 99.8%;
第三抗氧化剂 0.2%;
其中,聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为97%,第三抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
c.以质量百分含量计,第二改性层组成如下:
第二聚丙烯 79.8%;
第二改性聚丙烯 20%;
第二抗氧化剂 0.2%;
其中,第二聚丙烯的熔融指数为3.0g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数为5.2、等规度为96%,第二改性聚丙烯为丙烯酸接枝改性的聚丙烯,其熔融指数为3.2g/10min/(230℃/2.16kg)、分子量分布指数5.5、接枝率为0.2%,第二抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
对比例1:
与实施例1基本相同,区别在于:第一改性层和第二改性层中均不添加顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯。
对比例2:
与实施例1基本相同,区别在于:第一改性层不添加顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯。
对比例3:
与实施例1基本相同,区别在于:三层均为改性层:即第一改性层、第二改性层及芯层中聚丙烯、顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、亚磷酸三苯酯的含量分别为79.8%、20%、0.2%。
对比例4:
与对比例1基本相同,区别在于:复合聚丙烯薄膜制备完成后,进行单面电晕处理,电晕处理强度为16W·min/m2。
测试评价:
1、如前所述制备多层复合聚丙烯薄膜的目的在于提升膜的表面粘附性能及力学性能,进而提升以此聚丙烯薄膜为基材制备的复合集流体的性能,这里对影响聚丙烯膜表面粘附性能的因素即表面张力及表层自由体积、复合集流体中多层复合聚丙烯膜与表层金属层的粘结力等指标进行了测试及表征,此外,还对制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度及由于表层缺陷引起的不良率进行了测试,具体测试方法如下:
①表面张力:按照GB/T 14216-2008对上述制备的多层复合聚丙烯膜的初始及存储三个月后的表面张力进行测试。
②聚丙烯膜表层自由体积:将表面改性聚丙烯层从制备的多层复合聚丙烯膜中剥离下来,然后利用正电子湮灭寿命谱(PALS)对常温下的表层的自由体积进行表征。
③复合集流体中多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力:在一个1mm厚的铝箔上粘接一层Permacel P-94双面胶,在双面胶的上方粘接复合集流体,在复合集流体上方覆盖一层乙烯丙烯酸共聚物薄膜(杜邦Nurcel0903,厚度为50μm),然后在1.3×105N/m2、120℃下热压10s,冷却至室温,裁成150mm×15mm的小条。最后将样品小条的乙烯丙烯酸共聚物薄膜固定于拉力机的上夹具,其余部分固定在下夹具,固定好后二者以180°的角度、100mm/min的速度进行剥离,测试剥离力,即多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力。
④复合聚丙烯膜拉伸强度:测试参照国标GB/T 1040.3-2006。
⑤表层不良率:表面存在缺陷的聚丙烯膜的长度与制备的多层复合聚丙烯膜的总长度之比,其中表面存在缺陷的聚丙烯膜的长度由收卷前的光学缺陷检测系统进行统计。
性能测试结果见下表1:
表1
备注:表中粘结力1及粘结力2分别表示多层复合聚丙烯膜的第一改性层、第二改性层与金属层的粘结力。
结果分析:
(1)由表1可知,相对于对比例1-2,实施例1-35的多层复合聚丙烯膜的表面张力更高,相对于对比例4,实施例1-35的多层复合聚丙烯膜的表面张力更加稳定,对比例3的多层复合聚丙烯膜的表面张力较高且稳定,但是拉伸强度很低。
(2)从实施例1-3和5、6可以看出:提升改性层中改性聚丙烯的含量,改性层的表面张力呈现增大的趋势、自由体积先增大后降低,二者共同作用导致了多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低;由于改性层中改性聚丙烯含量的增加,导致高分子的取向性和结晶度降低,最终导致多层复合聚丙烯膜的拉伸强度降低。
(3)从实施例2、7、8、9和10可以看出:提升改性聚丙烯中极性分子的接枝率,聚丙烯分子中的极性分子含量增加,进而引起改性层的表面张力呈现增大的趋势;极性分子在聚丙烯分子中一方面起到扰乱分子排列规整性的作用,另一方面又起到结晶成核的作用,二者相互制约,导致了自由体积先增大后降低;表面张力及自由体积二者共同的作用导致了多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低;提升极性分子的接枝率,多层复合聚丙烯膜的拉伸强度先升高后降低;且当改性聚丙烯中极性分子的接枝率过高,容易造成表面形成缺陷,导致由于表面缺陷形成的不良率提升。
(4)从实施例7、11、12、13和14可以看出:提升改性层中改性聚丙烯的熔融指数,改性层的表面张力、自由体积均先升高后降低、二者共同作用导致了多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低。由于熔融指数的提升,改性聚丙烯的平均分子量降低,导致制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度降低。且当改性聚丙烯的熔融指数过低,成膜性变差,容易造成表面形成缺陷,导致由于表面缺陷形成的不良率提升。
(5)从实施例11、15、16、17和18可以看出:提升改性层中改性聚丙烯的分子量分布指数,改性层的表面张力、自由体积均先升高后降低、二者共同作用导致了多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低。由于分子量分布指数的提升,改性聚丙烯分子中小分子的含量增加,导致制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度降低。且当改性聚丙烯的分子量分布过低或者过高时,成膜性变差,容易造成表面形成缺陷,导致由于表面缺陷形成的不良率提升。
(6)从实施例15、19、20、21和22可以看出:提升多层复合聚丙烯膜的纵向拉伸倍率,改性层表面张力变化先略有升高后略有降低,自由体积呈现降低的趋势,这是由于高分子的取向性提高所致,二者的共同作用导致多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低。并且,由于多层复合聚丙烯膜的纵向拉伸倍率的提升,将导致多层复合聚丙烯膜的拉伸强度随之提升,但拉伸强度过高,容易造成表面形成缺陷,导致由于表面缺陷形成的不良率提升。
(7)从实施例1、26、27、28和29可以看出:提升改性层中改性聚丙烯的等规度,改性层表面张力先升高后降低,改性层自由体积降低,二者共同作用导致多层复合聚丙烯膜与金属层的粘结力先升高后降低;并且,由于改性层中改性聚丙烯的等规度提升,改性层中的高分子排列规整性提高,将导致多层复合聚丙烯膜的拉伸强度提升。另外,当改性层中改性聚丙烯的等规度过低时,成膜性较差,容易造成表面形成缺陷,导致由于表面缺陷形成的不良率提升。
(8)从实施例1、30和31可以看出:芯层中聚丙烯的等规度对改性层的表面张力及自由体积基本没有影响,主要影响制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度,芯层中聚丙烯的等规度越高,聚丙烯高分子更易发生取向及结晶,从而制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度越高。
(9)从实施例1、4、23、32和33可以看出:提升改性层、芯层中抗氧化剂的含量,制备的多层复合聚丙烯膜的拉伸强度基本呈现先增加后基本不变的趋势,这是由于抗氧化剂含量的提升,可以降低聚丙烯熔融过程中的降解率,从而使得聚丙烯的平均分子量的降低值变小。而改性层、芯层中抗氧化剂的含量的提升对改性层的表面张力及自由体积基本没有影响。
2、为了验证本发明制备的复合集流体在电池应用过程的效果,并与传统复合集流体的应用效果进行对比,这里以实施例1、2、3及对比例1制备的复合集流体样品为电池的电极集流体,以磷酸铁锂为正极材料、石墨为负极材料、碳酸酯为电解液,制备出软包电池,制备的电池在0.5C的充放电倍率下进行循环实验,能量密度(单位质量活性电极材料)随循环次数的变化如图3所示。
从图3可以看出:与传统的复合集流体相比,以本发明制备的复合集流体样品为电池集流体制备的电池的能量密度在循环过程中的衰减变缓,即电池充放电循环性能得到提升,这得益于其基膜与金属层粘结力提升所带来的结构稳定性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (19)
1.一种多层复合聚丙烯材料,其特征在于,其结构包括呈层叠设置的第一改性层,芯层和第二改性层;
所述第一改性层包括第一改性聚丙烯;
所述芯层包括聚丙烯;
所述第二改性层包括第二改性聚丙烯;
所述第一改性聚丙烯和第二改性聚丙烯分别独立选自:顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、丙烯酸接枝改性的聚丙烯、丙烯酸-顺丁烯二酸酐接枝改性的聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、二乙烯三胺-甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺接枝改性的聚丙烯、丙烯酰胺-丙烯酸接枝改性聚丙烯、丙烯酸酯接枝改性聚丙烯和极性改性分子中的氢被甲基、乙基或卤素原子取代的改性聚丙烯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,在所述第一改性层中,所述第一改性聚丙烯的质量百分含量≥20%。
3.根据权利要求2所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第一改性层中还包括第一聚丙烯和第一抗氧化剂;
以质量百分含量计,所述第一改性层中包括所述第一聚丙烯0%-79.8%,所述第一改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第一抗氧化剂0.1%-0.6%。
4.根据权利要求3所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第一聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度为89%-97%。
5.根据权利要求3所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第一抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,在所述第二改性层中,所述第二改性聚丙烯的质量百分含量≥20%。
7.根据权利要求6所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第二改性层中还包括第二聚丙烯和第二抗氧化剂;
以质量百分含量计,所述第二改性层中包括所述第二聚丙烯0%-79.8%,所述第二改性聚丙烯20%-99.9%以及所述第二抗氧化剂0.1%-0.6%。
8.根据权利要求7所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第二聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度为89%-97%。
9.根据权利要求7所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第二抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
10.根据权利要求1至9任一项所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第一改性聚丙烯和所述第二改性聚丙烯的接枝率均≥0.1%。
11.根据权利要求10所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第一改性聚丙烯的熔融指数为(3.1-4.1)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.6;和/或
所述第二改性聚丙烯的熔融指数为(3.2-4.0)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.6;和/或
所述聚丙烯的熔融指数为(3.0-3.9)g/10min/(230℃/2.16kg),分子量分布指数为4.5-5.2,等规度≥97%。
12.根据权利要求11所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述芯层还包括第三抗氧化剂;
以质量百分含量计,所述芯层中包括所述聚丙烯99.5%-99.8%以及第三抗氧化剂0.2%-0.5%。
13.根据权利要求12所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述第三抗氧化剂选自亚磷酸三苯酯、丁基羟基茴香醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和对叔丁基邻苯二酚中的一种或多种。
14.根据权利要求1至9任一项所述的多层复合聚丙烯材料,其特征在于,所述多层复合聚丙烯材料的厚度≥1μm,其中,所述第一改性层和第二改性层的厚度占比分别独立为5%-15%,所述芯层的厚度占比为70%-90%。
15.一种权利要求1至14任一项所述的多层复合聚丙烯材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
在200-260℃条件下熔融包含所述第一改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第一改性层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备芯层中间体;
在200-260℃条件下熔融包含所述第二改性聚丙烯的原料,再在230-260℃条件下挤出制备第二改性层中间体;
在15-60℃条件下通过制片工艺将所述第一改性层中间体、芯层中间体和第二改性层中间体复合成型制备多层复合聚丙烯材料中间体;
对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行双向拉伸处理制备所述多层复合聚丙烯材料,且纵向总拉伸比为5-9倍、横向总拉伸比为4-8倍;
其中,所述双向拉伸为同步拉伸或异步拉伸;
(1)所述同步拉伸包括如下步骤:
逐步升温,分别在152-157℃、156-160℃、159-162℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行第一拉伸处理、第二拉伸处理和第三拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体I;
逐步升温,分别在162-165℃、162-169℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体I进行第一热定型处理和第二热定型处理,制备所述多层复合聚丙烯材料;
(2)所述异步拉伸包括如下步骤:
在145-155℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料中间体进行纵向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体II;
在150-160℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料II中间体进行横向拉伸处理,制备多层复合聚丙烯材料中间体III;
在165-170℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料III进行热成型处理,制备多层复合聚丙烯材料IV;
在120-135℃条件下对所述多层复合聚丙烯材料IV进行热处理,制备所述多层复合聚丙烯材料。
16.一种复合集流体,其特征在于,其结构包括呈层叠设置的第一保护层,第一金属层,支撑层,第二金属层和第二保护层;
所述支撑层包括根据权利要求1至14任一项所述的复合聚丙烯材料。
17.根据权利要求16所述的复合集流体,其特征在于,所述第一保护层和第二保护层分别独立包括不活泼金属及其合金、金属氧化物和碳材料中的一种或多种;
所述第一金属层和第二金属层分别独立包括电阻率≤8×10-8Ω·m的金属及其合金中的一种或多种。
18.一种极片,其特征在于,包括权利要求16或17所述的复合集流体。
19.一种电池,其特征在于,包括权利要求18所述的极片。
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