CN116769442A - 一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及IPC分类的C09J领域，尤其涉及一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶及制备方法。聚氨酯结构胶，包括A组份，以质量份计，包括：油脂20～60份，有机树脂1～20份，功能助剂2～15份，填料40～150份，颜料1～10份；还包括B组份，以质量份计，包括：醇酯预聚体40～80份，纳米金属氧化物粒子10～30份，颜料1～5份。聚氨酯结构胶，其本申请具有优异的力学性能以及柔韧性能，能够确保力学强度的同时，防止通常聚氨酯结构胶在长期使用过程中出现的发脆现象。能够在诸如汽车锂电池领域内作为重要配件使用，能够具有长期有效且不易损坏的产品优点。
Description
技术领域
本发明涉及IPC分类的C09J领域，尤其涉及一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶及制备方法。
背景技术
随着全球环保型经济和社会的建设，新能源汽车开发与研发近些年已经如火如荼的展开。最近几年新能源汽车发展较快，每年增速50％以上。传统的小汽车、大巴车等油动车将逐步被新能源汽车所取代，锂电池等动力电池将成为新能源汽车的主要能源。
而在新能源汽车的电力系统中胶粘剂是实现电力驱动系统稳定、高效、持久、安全工作的一个核心因素之一。客观来看，胶粘剂在动力电池上主要有为动力电池提供防护效果、提供安全可靠的轻量化设计、热管理和帮助动力电池应对更复杂的使用环境四大作用，因此胶粘剂的应用越来越广泛，但同时对粘接胶的性能要求也越来越高。并且由于电动汽车在行驶过程中会发生振动，且使用环境的温湿度变化差异大，会导致电池内部结构发生变化，使得电池安全可靠性降低，使用时会比较危险，所以对胶粘剂的要求也逐年增高，尤其是抗衰老和胶黏剂力学性能方面。
现有技术(CN111303820)提供了一种动力电池粘结用聚氨酯结构胶，其原料中主要采用了多亚甲基多苯基异氰酸酯，具有很高的官能度，硬度含量明显偏高，导致结构胶在长期的使用过程中，出现发脆和延展性差等情况，影响了产品的正常使用。
因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶及制备方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，包括A组份，以质量份计，包括：油脂20～60份，有机树脂1～20份，功能助剂2～15份，填料40～150份，颜料1～10份；还包括B组份，以质量份计，包括：醇酯预聚体40～80份，纳米金属氧化物粒子10～30份，颜料1～5份。
作为一种优选的方案，所述油脂为植物油、动物油、合成油中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述油脂为植物油和改性植物油；所述油脂为植物油和氢化改性植物油的质量比为2～3:1。
作为一种优选的方案，所述油脂为植物油和改性植物油的质量比为2.5:1。
作为一种优选的方案，所述植物油为蓖麻油、氢化蓖麻油、大豆油、羟基改性大豆油中的任一种。
作为一种优选的方案，所述有机树脂为环氧树脂、酚醛树脂、酮醛树脂、聚烯烃树脂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述有机树脂为酮醛树脂。
作为一种优选的方案，所述酮醛树脂的重均分子量为1000～20000。
作为一种优选的方案，所述酮醛树脂的重均分子量为1000～10000。
作为一种优选的方案，所述酮醛树脂的重均分子量为2000～3000。
作为一种优选的方案，所述功能助剂为触变剂、抗滴落剂、抗紫外剂、消泡剂、流平剂、润滑剂、湿润剂、阻燃剂、抗氧化剂中的至少两种。
作为一种优选的方案，所述功能助剂为触变剂，消泡剂和润滑剂；所述触变剂，消泡剂和润滑剂的质量比为4～6：0.5～1.5：1～2。
作为一种优选的方案，所述触变剂为气相二氧化硅、有机硅膨润土、聚酰胺蜡、高岭土中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述消泡剂为有机硅消泡剂或非有机硅消泡剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述润滑剂为聚四氟乙烯。
作为一种优选的方案，所述填料为阻燃填料、导热填料、颜填料、空心玻璃微珠、分子筛、固体碳材料中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述填料为阻燃填料，导热填料以及空心玻璃微珠；所述阻燃填料，导热填料以及空心玻璃微珠的质量比为2～3：1～1.5：0.1～0.5。
作为一种优选的方案，所述阻燃填料氢氧化铝、氧化铝、氢氧化镁、氧化镁中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述导热填料为石墨烯、氮化硼、氮化硅中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述空心玻璃微珠的平均目数为400～3000目。
作为一种优选的方案，所述醇酯预聚体为异氰酸酯类和聚醚多元醇类的预聚合产物。
作为一种优选的方案，所述异氰酸酯类为二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基异氰酸酯中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述异氰酸酯类为二苯基甲烷二异氰酸酯。
作为一种优选的方案，所述聚醚多元醇为聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃中的至少一种；所述聚醚多元醇的平均分子量为200～2500。
作为一种优选的方案，所述聚醚多元醇为平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的混合物，质量比为0.5～1：3～4：1～1.5。
作为一种优选的方案，所述平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的质量比为0.8：3.5：1.2。
本申请中，通过选用特定分子量下的聚乙二醇作为预聚体原料，能够使得最终获得聚氨酯结构胶具有优异的力学性能以及粘结性能，还具有一定的耐蒸煮性能。本申请人认为：本申请中采用的预聚体中的NCO基团能够有效的与A组份中的羟基交联固化成大分子，能够有效兼具良好的内聚以及柔性链段，同时当平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的质量比为0.8：3.5：1.2时，此时适宜含量的低分子量聚乙二醇能够异氰酸酯形成更加紧密的氨基甲酸酯键，使得组合物内部的分子间作用增强，赋予了结构胶以合适的粘度，避免了涂布困难现象，但如果高分子量的聚乙二醇的含量增高，软段比例增高的情况下能够进一步的降低刚性基团的数量，反而负面影响分子间作用力的增强作用。
作为一种优选的方案，所述纳米金属氧化物粒子为氧化锌、氧化方硅、氧化钛、氧化锑、氧化钼、氧化铝中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述纳米金属氧化物粒子为改性氧化锌。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌的制备方法步骤包括以下几步：(1)将琥珀酸酐溶解于DMF溶液中，并加入一定量的(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，在水浴温度60～80℃下加热搅拌1～2小时；(2)之后将含有氧化锌的DMF溶液，滴加进反应溶液，持续搅拌反应2～3小时后获得预处理氧化锌；(3)将预处理氧化锌粒子与2-甲基咪唑和硝酸锌混合并加入的乙醇溶剂，在匀速下搅拌，搅拌温度为55～60℃进行聚合反应，将得到的产物洗涤、干燥，即得。
作为一种优选的方案，所述聚合反应的时间为4～4.5小时。
作为一种优选的方案，所述氧化锌与2-甲基咪唑以及硝酸锌的质量比为0.3～1:10～12:3～5。
作为一种优选的方案，所述氧化锌与2-甲基咪唑以及硝酸锌的质量比为0.5:11:4.5。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌的平均粒径为550～600nm。
本申请中，本申请中通过选用特定制备的改性氧化锌纳米粒子，能够有效提高结构胶的力学性能的同时，具有良好的结构韧性，避免发脆现象影响结构胶的长期使用。本申请人认为：在特定制备条件下获得的本发明的改性纳米氧化锌能够通过其内部的框架支撑结构在结构胶内部作为单独的支撑位点，在受到外力的过程中能够起到优异的框架支撑作用，但是单纯的框架与结构胶本体难以起到良好的相容以及连接作用，本申请中制备的特定粒径下的改性氧化锌可以在保持良好框架的同时，赋予多羟基框架表面，形成与结构胶主体体系的分子间作用效果，从而形成极强的连接效果。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌与醇酯预聚体的质量比为1～1.5:6～7。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌与醇酯预聚体的质量比为1.2:6.5。
本申请中，申请人进一步的发现，当合适的控制改性氧化锌与醇酯预聚体的质量比为6.5:1.2时，能够确保具有良好柔韧性的同时保持良好的防水防溶剂以及防腐蚀效果。本申请人认为：改性氧化锌的加入虽然能够极力的作为支撑和连接点构建强力的力学连接网络，但是过多的改性氧化锌的加入也会引起过大的结构胶内聚力，并且多羟基的引入，始终会影响整体体系对于水分以及溶液体系的亲和和防渗透效果。当改性氧化锌的含量较多时，水分在体系内部的迁移以及渗透速率更快，从而影响结构胶的整体性能。
作为一种优选的方案，醇酯预聚体的制备方法包括以下步骤：将聚醚多元醇120℃真空脱水半小时，冷却至70℃加入异氰酸酯，75-80℃下反应3小时结束。
本发明第二方面提供了一种上述汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶的制备方法，步骤包括以下几步：A组分的制备：将油脂，有机树脂，功能助剂，填料，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度为80～120℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌时间为1～5小时，冷却后出料；B组分的制备：将醇酯预聚体，纳米金属氧化物粒子，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度40～50℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌1～5小时冷却后出料。
有益效果：
1、本申请中制备的一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其本申请具有优异的力学性能以及柔韧性能，能够确保力学强度的同时，防止通常聚氨酯结构胶在长期使用过程中出现的发脆现象。能够在诸如汽车锂电池领域内作为重要配件使用，能够具有长期有效且不易损坏的产品优点。
2、本申请中制备的一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其采用不同分子量的聚乙二醇复配，当其复配比例为0.8：3.5：1.2时，聚体中的NCO基团能够有效的与A组份中的羟基交联固化成大分子，能够有效兼具良好的内聚以及柔性链段，适宜含量的低分子量聚乙二醇能够异氰酸酯形成更加紧密的氨基甲酸酯键，使得组合物内部的分子间作用增强，赋予了结构胶以合适的粘度，避免了涂布困难现象。
3、本申请中制备的一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其通过选用特定制备的改性氧化锌纳米粒子，能够有效提高结构胶的力学性能的同时，具有良好的结构韧性，避免发脆现象影响结构胶的长期使用。改性纳米氧化锌能够通过其内部的框架支撑结构在结构胶内部作为单独的支撑位点，在受到外力的过程中能够起到优异的框架支撑作用，但是单纯的框架与结构胶本体难以起到良好的相容以及连接作用，本申请中制备的特定粒径下的改性氧化锌可以在保持良好框架的同时，赋予多羟基框架表面，形成与结构胶主体体系的分子间作用效果。
具体实施方式
实施例1
实施例1第一方面提供了一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，包括A组份，以质量份计，包括：油脂35份，有机树脂10份，功能助剂10份，填料60份，颜料1份；还包括B组份，以质量份计，包括：醇酯预聚体65份，纳米金属氧化物粒子12份，颜料1份；。
油脂为植物油和改性植物油，质量比为2.5:1；植物油为蓖麻油，改性植物油为伊藤公司的AC006。
有机树脂为重均分子量为2000的酮醛树脂，购买自济南大晖化工科技出售的酮醛树脂产品。
功能助剂为触变剂，消泡剂和润滑剂，质量比为5：1：1.5。
消泡剂为BYK-052N；触变剂为气相二氧化硅；润滑剂为聚四氟乙烯，购买自广州京辰塑化出售的聚四氟乙烯产品。
填料为阻燃填料，导热填料以及空心玻璃微珠，质量比为3：1.2：0.3。
阻燃填料氢氧化铝；导热填料为氮化硼；空心玻璃微珠的平均目数为2400目。
醇酯预聚体为异氰酸酯类和聚醚多元醇类的预聚合产物，异氰酸酯类和聚醚多元醇类的质量比为5:3；异氰酸酯类为二苯基甲烷二异氰酸酯；聚醚多元醇为平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的混合物，质量比为0.8：3.5：1.2。
本实施例中，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇购买自上海西盟化工有限公司出售的PEG系列产品。
纳米金属氧化物粒子为改性氧化锌。
改性氧化锌的制备方法步骤包括以下几步，以质量份计：(1)将15份琥珀酸酐溶解于DMF溶液中，并加入10份的(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，在水浴温度65℃下加热搅拌2小时；(2)之后将含有氧化锌的DMF溶液，滴加进反应溶液，持续搅拌反应3小时后获得预处理氧化锌；(3)将预处理氧化锌粒子与2-甲基咪唑和硝酸锌混合并加入的乙醇溶剂，在匀速下搅拌，搅拌温度为60℃进行聚合反应，将得到的产物洗涤、干燥，即得。
聚合反应的时间为4.2小时；氧化锌与2-甲基咪唑以及硝酸锌的质量比为0.5:11:4.5。
改性氧化锌的平均粒径为580nm。
醇酯预聚体的制备方法包括以下步骤：将聚醚多元醇120℃真空脱水半小时，冷却至70℃加入异氰酸酯，75℃下反应3小时结束。
一种上述汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶的制备方法，步骤包括以下几步：A组分的制备：将油脂，有机树脂，功能助剂，填料，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度为100℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌时间为3小时，冷却后出料；B组分的制备：将醇酯预聚体，纳米金属氧化物粒子，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度40℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌3小时冷却后出料。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的质量比为0.5：3：1.5。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：平均分子量为200～250的聚乙二醇，平均分子量为900～1000的聚乙二醇以及平均分子量为2400～2500的聚乙二醇的质量比为1：1：1。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：改性氧化锌的制备方法中，聚合反应的时间为6小时，氧化锌与2-甲基咪唑以及硝酸锌的质量比为1:5:3。
对比例3
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：改性氧化锌为25份。
性能评价
剪切和拉伸性能测试：将实施例和对比例制得的结构胶按照GB/T7124规范粘结至ABS基材上，在25℃固化168小时后，参考GB/T7124进行拉伸和剪切测试，将剪切强度和断裂伸长率记录，每个实施例对比例测试10个试样，测得的数值的平均值记入表1。
防水性测试：将实施例和对比例制得的结构胶涂布2μm厚度，在25℃固化168小时后，采用座滴法进行表面水接触角测试，测试水滴为2微升，定格时间为5秒，计算水接触角度，每个实施例对比例测试10个试样，测得的数值的平均值记入表1。
表1
| 实施例 | 剪切强度(MPa) | 断裂伸长率(％) | 水接触角° |
| 实施例1 | 17.5 | 110.2 | 123.4 |
| 实施例2 | 16.8 | 135.1 | 121.8 |
| 对比例1 | 18.1 | 75.5 | 117.5 |
| 对比例2 | 16.8 | 90.4 | 94.4 |
| 对比例3 | 14.9 | 108.4 | 130.1 |
Claims (10)
1.一种汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：包括A组份，以质量份计，包括：油脂20～60份，有机树脂1～20份，功能助剂2～15份，填料40～150份，颜料1～10份；还包括B组份，以质量份计，包括：醇酯预聚体40～80份，纳米金属氧化物粒子10～30份，颜料1～5份。
2.根据权利要求1所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述油脂为植物油、动物油、合成油中的至少一种。
3.根据权利要求1～2任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述有机树脂为环氧树脂、酚醛树脂、酮醛树脂、聚烯烃树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述功能助剂为触变剂、抗滴落剂、抗紫外剂、消泡剂、流平剂、润滑剂、湿润剂、阻燃剂、抗氧化剂中的至少两种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述填料为阻燃填料、导热填料、颜填料、空心玻璃微珠、分子筛、固体碳材料中的至少一种。
6.根据权利要求1～5任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述醇酯预聚体为异氰酸酯类和聚醚多元醇类的预聚合产物。
7.根据权利要求1～6任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述异氰酸酯类为二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基异氰酸酯中的至少一种。
8.根据权利要求1～7任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述聚醚多元醇为聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃中的至少一种；所述聚醚多元醇的平均分子量为200～2500。
9.根据权利要求1～8任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶，其特征在于：所述纳米金属氧化物粒子为氧化锌、氧化硅、氧化钛、氧化锑、氧化钼、氧化铝中的至少一种。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的汽车锂电池用双组份高强度聚氨酯结构胶的制备方法，其特征在于步骤包括以下几步：A组分的制备：将油脂，有机树脂，功能助剂，填料，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度为80～120℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌时间为1～5小时，冷却后出料；B组分的制备：将醇酯预聚体，纳米金属氧化物粒子，颜料加入搅拌釜中进行混合搅拌，搅拌温度40～50℃，同时抽真空，压力-0.095MPa，搅拌1～5小时冷却后出料。
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