KR20230154451A - 포팅 제품을 위한 폴리우레탄 발포 조성물 및 이의 용도 - Google Patents

포팅 제품을 위한 폴리우레탄 발포 조성물 및 이의 용도 Download PDF

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KR20230154451A
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징밍 차오
위동 치
웨이웨 티안
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 개시내용은 (A) 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 폴리올을 포함하는 폴리올 성분으로서, 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7의 평균 히드록실 기 관능가 및 300 내지 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가짐; 및 (B) 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함하는 이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 발포 조성물에 관한 것이며; 여기서, (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 양으로 하나 이상의 난연제, 및 하나 이상의 발포제를 포함하고; 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위 이내이다. 본 개시내용은 추가로 폴리우레탄 발포 조성물을 사용하여 배터리를 포팅하는 방법에 관한 것이다.

Description

포팅 제품을 위한 폴리우레탄 발포 조성물 및 이의 용도
본 개시내용은 일반적으로 폴리우레탄 발포 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 2-성분 폴리우레탄 발포 조성물 및 이를 사용하는 제품 포팅 방법에 관한 것이다. 폴리우레탄 발포 조성물은 적용 중 균형 잡힌 반응성 프로파일을 보이고, 개선된 물성과 낮은 수준의 난연제로 엄격한 가연성 표준에 대한 준수성을 갖는 성형 발포체를 제공한다.
현재, 배터리 에너지 밀도를 증가시키기 위해 작은 간격으로 쌓인 다층 원통형 배터리가 사용된다. 경화된 포팅 재료는 진동, 고온 다습과 같은 다양한 사용 조건 하에서 배터리의 장기간 안정성을 확보하기 위해 만족스러운 물성과 전기적 안정성이 요구된다. 또한, 포팅 재료는 균형 잡힌 반응성 프로파일을 보일 필요가 있다. 반응 포팅제는 초기 낮은 점도와 충분히 느린 점도 증가를 보여 배터리 팩의 간격을 채울 수 있는 충분한 유동 능력을 가능하게 하면서, 또한 신속한 이형을 가능하게 하도록 충분히 빠르게 경화되어 짧은 몰딩 사이클 시간을 가능하게 하는 것이 바람직하다.
현재 사용된 포팅 기술은 흔히 만족스러운 물리적 성능을 제공하지 못하고, 여전히 UL-94 표준에 따라 요구된 V0 가연성 성능을 충족하기 위해 증가된 양의 고체 및/또는 액체 난연제를 포함시킬 필요가 있다.
따라서, 작업 수명에 걸쳐 바람직한 안정성/내구성을 추가로 제공하는, 제품, 예를 들어 배터리 팩을 포팅하기 위한 시간 효율적이고, 이에 따라 보다 비용 효율적인 공정을 용이하게 하는 포팅제에 대한 당업계의 요구가 여전히 존재한다.
본 발명자들은 포팅 재료로서 사용하기 위해 바람직한 유동 프로파일을 나타내고, 난연제가 감소되고, 물성이 개선된 발포체를 형성하는 2-성분 조성물을 개발하였다.
일 실시형태에서, 본 개시내용은 하기를 포함하는 폴리우레탄 발포 조성물을 기술한다:
(A) 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 폴리올을 포함하는 폴리올 성분으로서, 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7의 평균 히드록실 기 관능가 및 300 내지 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가짐; 및
(B) 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함하는 이소시아네이트 성분;
여기서, (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 양으로 하나 이상의 난연제, 및 하나 이상의 발포제를 추가로 포함하고;
이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위 이내임.
또 다른 실시형태에서, 본 개시내용은 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물로부터 제조된 폴리우레탄 발포체를 기술하고, 상기 폴리우레탄 발포체는 폴리우레탄 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제를 포함하고, 폴리우레탄 발포체는 25℃에서 3.5 MPa 초과의 인장 강도를 갖고, 폴리우레탄 발포체는 23℃에서 0.05 W/(m·K) 미만의 열 전도도를 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 본 개시내용은 하기를 포함하는, 제1항의 폴리우레탄 발포 조성물을 사용하는 제품(예를 들어, 배터리)의 포팅 방법을 기술한다:
(i) 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물을 제공하는 단계;
(ii) (B) 이소시아네이트 성분과 (A) 폴리올 성분을 혼합함으로써 반응 혼합물을 형성하는 단계; 및
(iii) 반응 혼합물을 배터리의 밀폐된 공간에 주입하고, 반응 혼합물이 반응, 팽창 및 경화되는 단계.
또 다른 실시형태에서, 본 개시내용은 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포체를 포함하는 포팅된 제품(예를 들어, 포팅된 배터리)을 기술한다.
또 다른 실시형태에서, 본 개시내용은 제품(예를 들어, 배터리)의 포팅에 대해 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물의 용도를 기술한다.
상기 일반적 설명 및 하기 상세한 설명 둘 모두는 단지 예시적이고 설명적이고, 임의의 방식으로 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해된다.
도 1은 본 개시내용에 따른 배터리용 포팅 수지로서 원통형 배터리 없이 제조된 폴리우레탄 발포체의 사진이다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 공통적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가진다. 또한, 본원에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 기타 참고 문헌은 참조로서 포함된다.
본원에 개시된 것과 같은, "및/또는"은 "및, 또는 대안으로서"를 의미한다. 모든 범위는 달리 명시되지 않는 한, 종점을 포함한다.
본원에 개시된 것과 같은, 본원에 언급된 모든 백분율은 달리 명시되지 않는 한 중량 기준이며 온도는 ℃이다.
폴리우레탄 발포 조성물
본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물은 (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분을 포함하는 2-성분 조성물이다.
본원에서 사용된 것과 같은, 용어 "2-성분"은 폴리우레탄 발포 조성물이 사용 전 서로 분리된 부분으로 제공된다는 것을 의미한다. 일반적으로, 본 개시내용에 따른 조성물은 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 폴리올을 포함하는 적어도 하나의 제1 성분(본원에서 "폴리올 성분", "폴리올 성분 (A)", 또는 "OH 성분"으로도 지칭됨), 및 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함하는 제2 성분(본원에서 "이소시아네이트 성분", "이소시아네이트 성분 (B)", 또는 "NCO 성분"으로도 지칭됨)을 포함할 수 있다. 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분은 별도로 제조, 저장, 이송 및 제공될 수 있으며, 예를 들어 포팅될 제품에 적용되기 직전 또는 적용 전 즉시 조합될 수 있다. 이들 두 성분이 접촉하게 되면, 폴리올 기가 이소시아네이트 기와 반응하여 우레탄 연결을 형성하는 경화 반응이 시작되는 것으로 간주된다. 두 성분을 접촉시켜 형성된 반응성 폴리우레탄 분산액은 "반응 혼합물" 또는 "경화성 혼합물"로 지칭될 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물에 포함된 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위 이내일 수 있다. 일부 실시형태에서, 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 하기 종점 중 임의의 2개를 조합하여 수득된 범위 이내일 수 있다: 0.5:1, 0.8:1, 1:1, 1.2:1, 1.5:1, 1.8:1, 2:1, 2.2:1, 2.5:1, 3:1, 4:1, 및 5:1. 일부 특정 실시형태에서, 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 4:1, 또는 0.5:1 내지 3:1, 바람직하게는 0.5:1 내지 2.5:1, 0.8:1 내지 3:1, 0.8:1 내지 2.5:1, 1:1 내지 2.5:1, 1.2:1 내지 2.2:1, 또는 0.8:1 내지 2.0:1; 보다 바람직하게는 0.8:1 내지 1.8:1, 1:1 내지 2:1, 1.2:1 내지 2:1, 또는 1:1 내지 1.8:1 범위 이내일 수 있다.
본원에서 사용된 것과 같은, 용어 "NCO/OH 비"는 폴리우레탄 발포 조성물에서 이소시아네이트 기 수 대 히드록실 기 수의 비를 지칭하거나; 보다 구체적으로, 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물의 이소시아네이트 성분 중 이소시아네이트 기 수 및 폴리올 성분 중 히드록실 기 수 사이의 비를 지칭한다.
본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물은 하나 이상의 발포제를 추가로 포함한다. 하나 이상의 발포제는 폴리올 성분 또는 이소시아네이트 성분에 포함될 수 있다. 폴리우레탄 발포 조성물에 사용된 발포제는 탄화수소, 히드로플루오로카본, 히드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 디알킬 에테르 또는 플루오린-치환된 디알킬 에테르, 또는 이의 임의의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 물리적 발포제를 포함한다. 이들 유형의 발포제는 프로판, 이소펜탄, n-펜탄, n-부탄, 이소부탄, 이소부텐, 시클로펜탄, 디메틸 에테르, 1,1-디클로로-1-플루오로에탄(HCFC-141b), 클로로디플루오로메탄(HCFC-22), 1-클로로-1,1-디플루오로에탄(HCFC-142b), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄(HFC-365mfc), 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a), 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea), 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(HFC-245fa), 히드로플루오로올레핀(HCFO), 히드로플루오로올레핀(HFO), 예컨대 LBA, 및 이의 임의의 조합을 포함한다. 폴리우레탄 발포 조성물은 또한 화학적 발포제, 예컨대 물, 카르복실산, 포름산, 및 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 발포제는 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에 포함될 수 있다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 발포제는 폴리올 성분에 포함된다. 일반적으로, 발포제는 폴리올 성분 100 중량부당 1 내지 20 중량부를 구성한다.
본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물은 하나 이상의 난연제를 추가로 포함한다. 하나 이상의 난연제는 폴리올 성분 및/또는 이소시아네이트 성분에 포함될 수 있다. 본원에서 사용된 것과 같이, 용어 "난연제(flame retardant, fire retardant)"는 화재가 시작되는 것을 방지하거나 화재 확산을 지연시키고, 추가 탈출 시간을 제공하기 위해 가연성 재료에 첨가되는 다양한 물질을 지칭한다. 상기 난연제는 예를 들어 박리 흑연, 포스포네이트 에스테르, 포스페이트 에스테르, 할로겐화 포스페이트 에스테르 또는 이의 조합을 포함한다. 본 발명에서 사용하기 위한 포스포네이트 에스테르는 화학식 R-P(O)(OR')(OR")로 나타내어질 수 있고, 상기 식에서, R, R 및 R"는 각각 독립적으로 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬이다. 상기 그룹의 바람직한 구성원은 디메틸 메틸포스포네이트(DMMP) 및 디에틸 에틸 포스포네이트(DEEP)이다. 본 개시내용에서 사용될 수 있는 포스페이트 에스테르는 트리알킬 포스페이트, 예컨대 트리에틸 포스페이트(TEP), 및 트리크레실 포스페이트이다. 난연과 관련되어 있는 할로겐화된 포스페이트 에스테르는 당업계에 알려져 있고, 일반식 P(O)(OR'X,n)(OR"X"n)(OR",X"'n)으로 나타내어질 수 있고, 상기 식에서, R', R" 및 R'"는 각각 독립적으로 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬이고, X', X" 및 X'"는 각각 독립적으로 할로겐이고, n은 1 내지 3의 정수이다. 할로겐화된 포스페이트 에스테르의 예는 2-클로로에탄올 포스페이트; 1-클로로-2-프로판올 포스페이트[트리스(1-클로로-2-프로필) 포스페이트](TCPP); 트리스(1,3-디클로로-2-프로필) 포스페이트로도 지칭된 1,3-디클로로-2-프로판올 포스페이트; 트리(2-클로로에틸) 포스페이트; 트리(2,2-디클로로이소프로필) 포스페이트; 트리(2,3-디브로모프로필) 포스페이트; 트리(1,3-디클로로프로필) 포스페이트; 테트라키스(2-클로로에틸) 에틸렌 디포스페이트; 비스(2-클로로에틸) 2-클로로에틸포스포네이트; 클리포스페이트 [2-클로로에틸 디포스페이트]; 테트라키스(2-클로로에틸)에틸렌디포스페이트; 트리스-(2-클로로에틸)-포스페이트, 트리스-(2-클로로프로필)포스페이트, 트리스-(2,3-디브로모프로필)-포스페이트, 트리스(1,3-디클로로프로필)포스페이트 테트라키스(2-클로로에틸-에틸렌 디포스페이트 및 테트라키스(2-클로로에틸)에틸렌옥시에틸렌디포스페이트를 포함한다. 화학식 [(BrCH2)3C-CH2O], PO(OCYHCH2Cl)3-, 상기 식에서, Y는 수소, 1 내지 3개의 탄소 원자를 갖는 알킬, 또는 클로로알킬 기이고, n은 0.95 내지 1.15인 트리브로모노펜틸 클로로알킬 포스페이트가 또한 사용될 수 있다. 일부 특정 실시형태에서, 난연제는 트리클로로프로필포스페이트 및/또는 트리에틸 포스페이트이다. 일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포체에 포함된 하나 이상의 난연제는 비-고체 난연제로부터 선택된다.
일반적으로, 폴리올 성분 100 중량부당 1 내지 40 중량부의 난연제가 포함된다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 100 중량부당 1, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 16, 또는 18, 내지 20, 25, 30, 35 또는 40 중량부의 난연제가 포함된다. 일부 실시형태에서, 포함된 난연제의 양은 폴리올 성분의 5 내지 40 중량부, 5 내지 30 중량부, 5 내지 25 중량부, 또는 5 내지 20 중량부 범위 이내에 포함된다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물에 포함된 하나 이상의 난연제의 양은 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하이다. 일부 실시형태에서, 난연제는 성형된 발포체 중 난연제의 수준이 최종 발포체의 15 중량% 이하가 되도록 특정한 양으로 사용된다. 바람직하게는, 난연제는 성형된 발포체의 1 내지 15 중량%이다. 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 성형된 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제를 포함하면서, UL-94 표준에 따른 V0 가연성 요건을 충족한다고 밝혀진다.
상기 성분에 더불어, 셀룰러 중합체를 제조하는 데에서 후속 사용을 용이하게 할 목적으로 폴리우레탄 발포 조성물에 존재하는 특정한 다른 성분을 갖는 것이 흔히 바람직하다. 이들 성분 중 하나 이상은 폴리올 성분 및/또는 이소시아네이트 성분에 포함될 수 있다. 이러한 추가적 성분 중에는 촉매, 계면활성제, 보존제, 안료, 착색제, 산화방지제, 생물학적 지연제, 보강제, 안정화제 및 충전제가 있다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 3차 아민 화합물, 유기금속 화합물, 및 이의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 촉매를 추가로 포함한다. 예시적인 3차 아민 화합물은 트리에틸렌디아민, N-메틸모르폴린, N,N-디메틸시클로헥실아민, N,N',N'-디메틸아미노프로필헥사히드로트리아진, 2-히드록시-N,N,N-트리메틸프로판-1-아미늄 포르메이트, 펜타메틸디에틸렌트리아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 1-메틸-4-디메틸아미노에틸피페라진, 3-메톡시-N-디메틸프로필아민, N-에틸모르폴린, 디에틸에탄올아민, N-코코모르폴린, N,N-디메틸-N',N'-디메틸 이소프로필프로필렌디아민, N,N-디에틸-3-디에틸아미노프로필아민 및 디메틸벤질아민을 포함한다. 예시적인 유기금속 촉매는 유기수은, 유기납, 유기철 및 유기주석 촉매를 포함한다. 적합한 주석 촉매는 염화 제1주석, 디부틸주석 디라우레이트와 같은 카르복실산의 주석 염, 및 미국 특허 제2,846,408호에 개시된 것과 같은 다른 유기금속 화합물을 포함한다. 알칼리 금속 알콕시드와 같은 폴리이소시아누레이트를 생성하는 폴리이소시아네이트의 삼량체화를 위한 촉매가 또한 선택적으로 본원에서 이용될 수 있다. 상기 촉매는 폴리우레탄 형성 속도를 상당히 증가시키는 양으로 사용된다. 일반적인 양은 폴리올 성분 100 중량부당 0.001 내지 3 중량부의 촉매이다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 경화까지 발포 반응 혼합물을 안정화시키기 위해 하나 이상의 계면활성제를 추가로 포함한다. 상기 계면활성제는 유리하게는 실리콘 계면활성제, 예컨대 액체 또는 고체 유기실리콘 계면활성제를 포함한다. 상기 계면활성제는 붕괴와 크고 불균일한 셀의 형성에 대해 발포 반응 혼합물을 안정화시키기 위해 충분한 양으로 이용된다. 일반적으로, 폴리올 성분 100 중량부당 0.2 내지 3 중량부, 바람직하게는 1 내지 2 중량부의 계면활성제가 본 목적에 적합하다.
당업계에 알려져 있는 다른 혼합물 또는 재료가 폴리우레탄 발포 조성물에 포함될 수 있고, 이는 본 발명의 범위 내에 속한 것으로 이해된다.
폴리올 성분
본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물에 포함된 폴리올 성분은 하나 이상의 폴리올을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 둘 이상의 폴리올을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물에 포함된 하나 이상의 폴리올은 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본원에서 사용된 것과 같은, 용어 "폴리올"은 둘 이상의 히드록실 기를 갖는 화합물을 지칭한다. 폴리올은 정확히 2개의 히드록실 기를 갖는 경우 "디올"이고, 정확히 3개의 히드록실 기를 갖는 경우 "트리올"이고, 정확히 4개의 히드록실 기를 갖는 경우 "테트라올"이고, 정확히 5개의 히드록실 기를 갖는 경우 "펜탄올"이다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 3 이상의 평균 히드록실 기 관능가를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 7 이하의 평균 히드록실 기 관능가를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 3, 3.2, 3.4, 또는 3.5, 내지 5, 5.6, 5.8, 6, 6.5 또는 7의 평균 히드록실 기 관능가를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7, 예를 들어 3 내지 6.8, 3 내지 6.5, 3 내지 6, 3 내지 5.8, 3 내지 5.6, 3.4 내지 7, 3.4 내지 6.8, 3.4 내지 6.5, 3.4 내지 6, 3.4 내지 5.8, 또는 3.4 내지 5.6의 평균 히드록실 기 관능가를 갖는다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 300 mg KOH/g 초과의 평균 히드록실 기 수를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 1,000 mg KOH/g 미만의 평균 히드록실 기 수를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 예를 들어 300, 305, 310, 315, 320, 325, 또는 330 내지 700, 750, 800, 850, 900, 950 또는 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 갖는다. 일부 실시형태에서, 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올은 300 내지 1000 mg KOH/g, 300 내지 950 mg KOH/g, 300 내지 900 mg KOH/g, 310 내지 1000 mg KOH/g, 310 내지 950 mg KOH/g, 320 내지 1000 mg KOH/g, 또는 320 내지 950 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 갖는다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분은 적어도 하나의 폴리에스테르 폴리올을 포함할 수 있다. 동일한 원자의 선형 사슬에서 둘 이상의 에스테르 연결을 함유하는 화합물은 본원에서 "폴리에스테르"로 알려져 있다. 폴리에스테르 및 폴리올인 화합물은 본원에서 "폴리에스테르 폴리올"로 알려져 있다.
폴리우레탄 발포 조성물에 이용된 폴리에스테르 폴리올은 10,000 g/mol을 초과하지 않는 분자량을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 적어도 2(즉, f ≥ 2)의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 10을 초과하지 않는(즉, f ≤ 10)의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 2 내지 8, 2 내지 7, 3 내지 7, 3 내지 6, 또는 3 내지 5 범위 이내의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 300 mg KOH/g 초과의 히드록실 기 수를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 1,000 mg KOH/g 미만의 히드록실 기 수를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 300 내지 950 mg KOH/g, 300 내지 900 mg KOH/g, 310 내지 1000 mg KOH/g, 310 내지 950 mg KOH/g, 320 내지 1000 mg KOH/g, 또는 320 내지 950 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리에스테르 폴리올은 디올 및 또한, 선택적으로, 폴리올(예를 들어, 트리올, 테트라올) 및 디카르복실산 및 또한, 선택적으로, 폴리카르복실산(예를 들어, 트리카르복실산, 테트라카르복실산) 또는 히드록시카르복실산 또는 락톤의 중축합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 폴리에스테르 폴리올은 또한 유리 폴리카르복실산 대신, 상응하는 폴리카르복실산 무수물, 또는 상응하는 저급 알코올의 폴리카르복실산 에스테르로부터 유래될 수 있다.
적합한 디올은 에틸렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 펜틸렌 글리콜, 헥살렌 글리콜, 폴리알킬렌 글리콜, 예컨대 폴리에틸렌 글리콜, 및 또한 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 및 네오펜틸 글리콜을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 2 초과의 폴리에스테르 폴리올 관능가가 달성되어야 하는 경우, 3 이상의 관능가를 갖는 폴리올은 선택적으로 폴리올 조성물에 포함될 수 있다(예를 들어, 트리메틸올프로판, 글리세롤, 에리트리톨, 펜타에리트리톨, 트리메틸올벤젠 또는 트리스히드록시에틸 이소시아누레이트).
적합한 디카르복실산은 지방족 산, 방향족 산, 및 이의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 적합한 방향족 산의 예는 프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산, 및 테트라히드로프탈산을 포함한다. 적합한 지방족 산의 예는 헥사히드로프탈산, 시클로헥산 디카르복실산, 아디프산, 아젤라산, 세바스산, 글루타르산, 테트라클로로프탈산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 말론산, 수베르산, 2-메틸 석신산, 3,3-디에틸 글루타르산, 2,2-디메틸 석신산, 및 트리멜리트산을 포함한다. 본원에서 사용된 것과 같은, 용어 "산"은 또한 상기 산의 임의의 무수물을 포함한다. 추가로, 벤조산 및 헥산 카르복실산과 같은 모노카르복실산은 최소화되거나 개시된 조성물로부터 제외되어야 한다. 포화 지방족 및/또는 방향족 산은 또한 아디프산 또는 이소프탈산과 같은 본 개시내용에 따른 용도에 적합하다.
일부 실시형태에서 폴리올 성분은 적어도 하나의 폴리에테르 폴리올을 포함할 수 있다. 동일한 원자의 선형 사슬에서 둘 이상의 에테르 연결을 함유하는 화합물은 본원에서 "폴리에테르"로 알려져 있다. 폴리에테르 및 폴리올인 화합물은 "폴리에테르 폴리올"이다.
폴리우레탄 발포 조성물에 이용된 폴리에테르 폴리올은 10,000 g/mol을 초과하지 않는 분자량을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 적어도 2(즉, f ≥ 2)의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 10을 초과하지 않는(즉, f ≤ 10)의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 2 내지 8, 2 내지 7, 3 내지 7, 3 내지 6, 또는 3 내지 5 범위 이내의 히드록실 기 관능가를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 300 mg KOH/g 초과의 히드록실 기 수를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 1,000 mg KOH/g 미만의 히드록실 기 수를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 폴리에테르 폴리올은 300 내지 950 mg KOH/g, 300 내지 900 mg KOH/g, 310 내지 1000 mg KOH/g, 310 내지 950 mg KOH/g, 320 내지 1000 mg KOH/g, 또는 320 내지 950 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 본 개시내용에서 사용하기 위한 폴리에테르 폴리올은 다가 알코올 개시 화합물과 알킬렌 옥시드의 부가 중합에 의해 수득된다. 상기 다가 알코올의 예는 글리세린, 소르비톨, 수크로오스, 글루코오스, 프룩토오스, 락토오스 또는 다른 당류를 포함한다. 일부 실시형태에서, 개시 화합물은 소르비톨 또는 수크로오스이다. 이러한 다가 알코올뿐만 아니라 물, 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 또는 디에틸렌 글리콜과 이들 알코올의 혼합물이 개시 화합물로서 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 적합한 소르비톨- 또는 수크로오스/글리세린-개시된 폴리에테르의 예는 Voranol™ 360, Voranol™ RN411, Voranol™ RN490, Voranol™370, Voranol™ 446, Voranol™ 520, Voranol™ 550, Voranol™ RN 482, Tercarol™ RF 55 또는 VORANOL™ RH 360 폴리올을 포함하고, 이들은 모두 The Dow Chemical Company로부터 입수가능하다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리올 성분 100 중량부당 50 내지 95 중량부의 하나 이상의 폴리올, 예를 들어 폴리올 성분 100 중량부당 55 내지 95 중량부, 60 내지 95 중량부, 65 내지 90 중량부, 또는 70 내지 90 중량부의 하나 이상의 폴리올을 포함한다. 특정 실시형태에서, 폴리올 성분은 폴리올 성분 100 중량부당 적어도 18 중량부, 또는 적어도 20 중량부의, 적어도 3.5, 적어도 3.8 또는 적어도 4.0의 히드록실 기 관능가를 갖는 하나 이상의 폴리올을 포함한다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분은 기재된 바와 같은 하나 이상의 발포제 및 난연제를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분은 본원에 기재된 것과 같은 촉매, 계면활성제, 보존제, 안료, 착색제, 산화방지제, 생물학적 지연제, 보강제, 안정화제, 충전제, 및 이의 임의의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 폴리올 성분은 촉매, 계면활성제, 및 이의 조합으로부터 선택된 하나 이상을 추가로 포함될 수 있다.
일부 실시형태에서, 폴리올 성분은 ASTM D2196에 따라 측정된, 200 cSt 내지 38,000 cSt, 예를 들어 200 cSt 내지 35,000 cSt, 또는 250 cSt 내지 35,000 cSt의 25℃에서의 점도를 가질 수 있다.
이소시아네이트 성분
본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물에 포함된 이소시아네이트 성분은 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올과 반응성인 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이소시아네이트 화합물은 이소시아네이트 단량체, 이소시아네이트 예비중합체, 개질된 이소시아네이트 및 이의 조합으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본원에 사용된 것과 같은, "이소시아네이트 단량체"는 둘 이상의 이소시아네이트 기를 함유하는 임의의 화합물이다. "방향족 이소시아네이트"는 하나 이상의 방향족 고리를 함유하는 이소시아네이트이다. "지방족 이소시아네이트"는 방향족 고리를 함유하지 않는다. 일부 실시형태에서, 이소시아네이트 화합물은 방향족 이소시아네이트를 포함한다.
본 개시내용에 따라 사용하기에 적합한 이소시아네이트 단량체는 방향족 이소시아네이트, 지방족 이소시아네이트, 카르보디이미드 개질된 이소시아네이트, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 개시내용에 따라 사용하기에 적합한 방향족 이소시아네이트의 예는 메틸렌 디페닐 디폴리이소시아네이트("MDI"), 예컨대 4,4-MDI, 2,4-MDI 및 2,2'-MDI, 또는 개질된 MDI, 예컨대 카르보디이미드 개질된 MDI 또는 알로파네이트 개질된 MDI의 이성질체; 톨루엔-디폴리이소시아네이트("TDI"), 예컨대 2,4-TDI, 2,6-TDI의 이성질체, 나프탈렌-디폴리이소시아네이트("NDI"), 예컨대 1,5-NDI의 이성질체, 및 이의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본 개시내용에 따라 사용하기에 적합한 지방족 이소시아네이트의 예는 헥사메틸렌 디폴리이소시아네이트("HDI")의 이성질체, 이소포론 디폴리이소시아네이트("IPDI")의 이성질체, 자일렌 디폴리이소시아네이트("XDI")의 이성질체, 메틸렌-비스-(4-시클로헥실이소시아네이트)("HMDI")의 이성질체, 및 이의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 이소시아네이트 단량체는 이소포론 디이소시아네이트(IPDI), 메틸렌-비스-(4-시클로헥실이소시아네이트)(HMDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 디이소시아네이트 단량체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물의 이소시아네이트 성분은 임의의 유기 폴리이소시아네이트, 개질된 폴리이소시아네이트, 이소시아네이트 기반 예비중합체, 및 이의 혼합물을 사용하여 제조될 수 있다. 이는 지방족 및 지환족 이소시아네이트를 포함할 수 있지만, 방향족, 특히 다관능성 방향족 이소시아네이트, 예컨대 2,4- 및 2,6-톨루엔디이소시아네이트 및 상응하는 이성질체 혼합물; 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디페닐-메탄디이소시아네이트(MDI) 및 상응하는 이성질체 혼합물; 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디페닐메탄디이소시아네이트 및 폴리페닐 폴리메틸렌 폴리이소시아네이트(PMDI)의 혼합물; 및 PMDI 및 톨루엔 디이소시아네이트의 혼합물이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 예비중합체 제형을 제조하는 데 사용된 폴리이소시아네이트는 MDI 또는 PMDI 또는 이들 중 임의의 미정제 혼합물이다.
이소시아네이트 화합물은 상기 기재된 것과 같이 0.5:1 내지 5:1 범위 이내인 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비를 수득하기 위한 양으로 이용된다.
일부 실시형태에서, 이소시아네이트 성분은 기재된 바와 같은 하나 이상의 발포제 및 난연제를 포함할 수 있다.
이소시아네이트 성분은 본원에 기재된 것과 같은 촉매, 계면활성제, 보존제, 안료, 착색제, 산화방지제, 생물학적 지연제, 보강제, 안정화제, 충전제, 및 이의 임의의 조합 중 하나 이상으로부터 선택된 성분(들)을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이소시아네이트 성분은 ASTM D2196에 따라 측정된, 150 mPa·s 내지 20,000 mPa·s, 150 mPa·s 내지 18,000 mPa·s, 또는 200 mPa·s 내지 18,000 mPa·s의 25℃에서의 점도를 가질 수 있다.
폴리우레탄 발포체
폴리우레탄 발포체는 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형될 수 있다.
일반적으로, 폴리우레탄 발포체는 (i) 기재된 것과 같은 (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 발포 조성물을 제공하는 단계; (ii) (B) 이소시아네이트 성분과 (A) 폴리올 성분을 혼합함으로써 반응 혼합물을 형성하는 단계; (iii) 반응 혼합물을 반응, 팽창 및 경화하여 폴리우레탄 발포체를 성형하는 조건에 적용하는 단계를 통해 성형될 수 있다.
폴리올 성분은 상기 기재된 것과 같은 하나 이상의 폴리올을 포함한다. 폴리올 성분에 포함된 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7의 평균 히드록실 기 관능가 및 300 내지 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 갖고, 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올 및 이의 임의의 조합으로부터 선택된다. 일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리올 성분 100 중량부당 50 내지 95 중량부의 하나 이상의 폴리올, 예를 들어 폴리올 성분 100 중량부당 55 내지 95 중량부, 60 내지 95 중량부, 65 내지 90 중량부, 또는 70 내지 90 중량부의 하나 이상의 폴리올을 포함한다.
이소시아네이트 성분은 상기 기재된 것과 같이 폴리올 성분 중 하나 이상의 폴리올과 반응성인 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함한다. 하나 이상의 이소시아네이트 화합물은 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비가 0.5:1 내지 5:1 범위 이내이도록 포함된다.
하나 이상의 발포제는 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에 포함된다. 일부 실시형태에서, 상기 기재된 것과 같은 탄화수소, 히드로플루오로카본, 히드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 디알킬 에테르 또는 플루오린-치환 디알킬 에테르, 또는 이의 임의의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 물리적 발포제가 포함된다. 일반적으로, 발포제는 폴리올 성분 100 중량부당 1 내지 20 중량부를 구성한다.
추가로, 하나 이상의 난연제는 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에 포함된다. 일부 실시형태에서, 폴리우레탄 발포체에 포함된 하나 이상의 난연제는 비-고체 난연제로부터 선택된다. 일반적으로, 폴리올 성분 100 중량부당 1 내지 40 중량부의 난연제가 포함된다.
일부 실시형태에서, 반응 혼합물은 밀폐된 공간 내에서 반응, 팽창 및 경화하여 상기 밀폐된 공간 내에 폴리우레탄 발포체를 성형한다. 일부 실시형태에서, 반응 혼합물은 실온 이상에서 반응, 팽창 및 경화된다.
일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 경질이다.
일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 표준 대기압에서 ISO 527-2에 따라 측정된 3.5 MPa 초과의 25℃에서 인장 강도를 갖는다.
일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 65℃의 온도에서 ISO 527-2에 따라 측정된 1.0 MPa 초과의 65℃에서 인장 강도를 갖는다.
일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 최종 발포체의 총 중량을 기준으로, 15 중량% 이하의 난연제를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 성형된 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제를 포함하면서, UL-94 표준에 따른 V0 가연성 요건을 충족한다.
일부 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 ASTM C 518에 따라 측정된 23℃에서 0.05 W/(m·K) 미만의 열 전도도를 갖는다.
특정 실시형태에서, 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 표준 대기압에서 ISO 527-2에 따라 측정된 3.5 MPa 초과의 25℃에서 인장 강도, ASTM C 518에 따라 측정된 0.05 W/(m·K) 미만의 열 전도도를 갖고, 성형된 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제 수준에서 UL-94 표준에 따른 V0 가연성 요건을 충족한다. 또 다른 특정 실시형태에서, 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 폴리우레탄 발포체는 ISO 527-2에 따라 측정된 3.5 MPa 초과의 25℃에서 인장 강도 및 1.0 MPa 초과의 65℃에서 인장 강도, ASTM C 518에 따라 측정된 23℃에서 0.05 W/(m·K) 미만의 열 전도도를 갖고, 성형된 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제 수준에서 UL-94 표준에 따른 V0 가연성 요건을 충족한다.
폴리우레탄 발포 조성물의 적용
본 개시내용은 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포 조성물을 사용하여 제품(예를 들어, 배터리)을 포팅하는 방법을 추가로 기술한다.
일 예시적인 실시형태에서, 방법은 (i) 기재된 것과 같은 (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분을 포함하는 폴리우레탄 발포 조성물을 제공하는 단계; (ii) (B) 이소시아네이트 성분과 (A) 폴리올 성분을 혼합함으로써 반응 혼합물을 형성하는 단계; (iii) 반응 혼합물을 제품의 밀폐된 공간에 주입하고, 반응 혼합물이 반응, 팽창 및 경화되는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응 혼합물은 실온 하에서 또는 승온에서 반응, 팽창 및 경화된다.
일부 실시형태에서, 밀폐된 공간은 몰드, 또는 몰드의 공동이다. 이들 실시형태에서, 반응 혼합물은 목적하는 밀도로 개구부를 통해 몰드로 주입될 수 있고, 개구부가 닫힌 채 몰드 내부에서 반응, 팽창 및 경화된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 개별 배터리는 몰드 내에 배치되고, 주입된 반응 혼합물은 배터리 사이의 간격을 채우기 위해 고려된다. 탈형이 필요한 경우, 몰드는 선택적으로 45 내지 65℃의 온도로 가열된다. 즉, 일부 실시형태에서, 반응 혼합물은 45 내지 65℃에서 밀폐된 공간으로 주입된다. 일부 실시형태에서, 몰드는 반응 중 진공 제어 하에 있다. 주입 중량은 일반적으로 200 내지 450 kg/m3, 바람직하게는 250 내지 350 kg/m3의 충전 밀도를 통해 제어될 수 있다는 것이 이해된다. 일부 실시형태에서, 필요한 경우, 탈형은 반응이 개시되고 10 내지 60분 또는 수 시간 후 수행된다.
본 개시내용은 본원에 기재된 것과 같은 폴리우레탄 발포체를 포함하는 제품을 추가로 제공한다. 일부 실시형태에서, 제품은 포팅 재료로서 폴리우레탄 발포체를 포함한다.
일부 실시형태에서, 제품은 폴리우레탄 발포 조성물로부터 성형된 반응 혼합물을 제품의 치수를 정의하는 밀폐된 공간(예를 들어, 몰드)에 포팅하고, 선택적인 탈형 단계 전에 반응 혼합물을 반응, 팽창 및 경화함으로써 제조된다.
일부 실시형태에서, 제품은 본 개시내용에 따른 제품의 포팅 방법을 사용하여 제조된다.
또한 본원에 기재된 것은 포팅 제품을 위한 폴리우레탄 발포 조성물(기재된 것과 같음)의 용도이다.
실시예
본 발명의 일부 실시형태들이 이제 하기 실시예에 기술될 것이며, 여기서 모든 부 및 백분율은 달리 명시되지 않는 한 중량 기준이다.
원료
실시예에 사용된 원료는 하기 표 1에 열거되고, 기재된다.
[표 1]
샘플 제조
폴리우레탄 발포 조성물을 하기 표 2에 열거된 제형에 따라 제조하였다.
[표 2]
각각의 제조된 샘플의 경우, 난연제는 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 양으로 존재하였다.
제조된 조성물로부터의 발포체의 제조는 하기와 같이 실시하였다.
폴리올, 난연제, 계면활성제, 화학적 발포제 및 물리적 발포제를 혼합하여 블렌딩된 폴리올을 제조하였다.
수동 혼합 또는 캐논 고압기를 통해 이소시아네이트를 갖는 폴리올 조성물의 반응성 및 자유 상승 밀도를 확인하였다.
수동 발포 공정은 실험실 벤치 믹서 Heidolph PR 32로 실시되었다. 원료의 온도를 23±5℃에서 설정하고, 혼합 속도를 2000 내지 3000 rpm에서 설정한다. 자유 상승 발포 조성물을 컵에 붓고, 반응 시간(크림, 겔화, 무점착)을 결정하였다. 발포체는 일반적으로 15 내지 20 cm의 높이에 도달하였다. 표면 발포체를 제거하고, 발포체를 5*5*5 cm3 정육면체로 절단하여 자유 상승 밀도를 측정하였다.
고압기 발포 공정을 20 내지 25℃ 원료 온도, 70 내지 100 g/s의 아웃풋 및 130 bar의 폴리올/이소시아네이트 압력으로 실시하였다. 자유 상승 발포체를 플라스틱 백을 갖는 20*20*20 cm3 목재 박스에 붓고, 반응 시간(크림, 겔화, 무점착)을 결정하고, 발포체는 일반적으로 15 내지 25 cm의 높이에 도달하였다. 표면 발포체를 제거하고, 발포체를 5*5*5 cm3 또는 10*10*10 cm3 정육면체로 절단하여 자유 상승 밀도를 측정하였다.
배터리 없이 몰드 내에서 발포
혼합된 폴리올과 이소시아네이트를 300 kg/m3 밀도로 20*10*30 cm3 몰드 내로 주입하였다. 경화 후, 물성을 평가하였다.
배터리와 몰드 내에서 발포
2 내지 7개의 층의 원통형 배터리를 몰드 내에 설치하였다.
몰드 및 원통형 배터리를 45 내지 65℃의 온도로 가열하고, 이는 탈형이 필요한 경우 권장된다.
혼합된 폴리올과 이소시아네이트를 주입 개구부에서 열린 몰드 내로 주입한 후 몰드를 밀폐하였다. 밀폐된 몰드 주입의 초기 단계에서, 몰드에 연결된 파이프를 통한 진공 제어는 선택적이었다. 주입 중량은 충전 밀도를 통해 제어되었고, 일반적으로 250 내지 350 kg/m3의 충전 밀도가 적용되었다. 충전 밀도는 배터리 팩 설계에 따라 200 내지 400 kg/m3로 조정될 수 있다.
10 내지 60분 또는 수 시간 후, 배터리 팩을 탈형하였다.
몰드 온도는 신속한 탈형 또는 높은 생산 효율에 중요한 것으로 확인되었다. 45 내지 65℃의 몰드 온도는 신속한 탈형 성능을 위한 적합한 범위로서 확인되었고, 이는 고압 발포기로 실시된 일련의 실험 후 확인되었다.
성능 평가 및 분석
이들 제형으로부터 제조된 발포체에 대해 시험된 성능은 하기 표 3에 열거되어 있다.
[표 3]
측정 정보
ASTM 표준 또는 동등한 표준과 같은 현재의 일반적인 시험법에 따라 물성을 측정한다.
인장 강도는 ISO 527-2를 기반으로 측정되고, 열 전도도는 ASTM C 518을 기반으로 측정된다.
폴리우레탄 발포체의 난연성은 UL 94를 기반으로 측정되고, 모든 시험편 두께는 13 mm이다.
유동 능력 거동은 반응 액체 및 혼합 폴리올 점도와 관련이 있다. 이는 하기와 같이 평가된다:
불량 - 느린 확산 및 높은 점도.
양호 - 중간 확산 및 중간 점도.
우수 - 신속한 확산 및 낮은 점도.
배터리 포팅 적용을 위한 폴리우레탄 발포체에 대해 충족되어야 할 중요 파라미터는 하기를 포함한다:
Figure pct00004
25℃에서 3.5 MPa 초과의 인장 강도;
UL-94 표준에 따른 V0 가연성 요건 충족.
CE1 및 CE2
단독 폴리올로서 3 관능성 폴리올 VORANOL 2070을 사용하여 제조된 발포체는 제형의 8% 또는 16% TCPP 수준에서 인장 강도 사양과 V0 가연성 요건을 모두 충족시키지 못했다.
CE2 및 CE3
20% 4.3 관능성 폴리올 RN 490이 폴리올 측에 첨가되었을 때, 25℃에서 인장 강도는 유의하게 증가했지만, 요구된 3.5 MPa보다 적었다. 이러한 제형은 V0 가연성 시험을 통과하였다.
CE3 및 CE4
고관능성 폴리올 RN 490을 일정하게 유지하고, 3 관능성 폴리올 함량을 높이면서, TCPP를 8%로 감소시켜, 25℃에서 인장 강도는 3.85 MPa 초과로 증가하였다. 그러나, 이러한 제형은 V0 가연성 표준을 충족시키지 못했다.
CE5 및 CE6
고관능성 및 고 OH# 폴리올 RN 482는 폴리올 측의 16% TCPP 또는 TEP와 사용되었다. 이들은 모두 인장 강도 요건에 도달하지 못하고, V0 가연성 시험을 통과하였다. 단독 폴리올로서 고관능성 폴리올의 사용으로 인해, CE5 및 CE6에서 제조된 발포체는 취성이고 부서지기 쉬워, 인장 강도가 낮은 것으로 관찰되었다. 또한, CE5 및 CE6의 폴리올 블렌드 점도는 RN 482의 높은 점도로 인해 매우 높았다. TEP는 TCPP와 유사한 가연성 성능을 가졌다. TEP의 점도가 TCPP에 비해 현저히 낮았지만, 이는 반응액의 초기 유동을 개선하도록 초기 점도를 충분히 감소시키지 못했다. 따라서, 배터리 간의 간격을 채우기 위한 유동 처리는 두 예 모두에 대해 불량하였다.
IE1 및 CE3
IE1의 25℃에서의 인장 강도는 3.40 MPa에서 3.69 MPa로 증가하였고(CE3과 비교할 때), 따라서 인장 강도 요건은 RN 490의 양이 20%에서 25%로 증가했을 때 충족되었다.
예측된 대로, IE1은 V0 가연성 시험을 통과하였다.
이러한 비교는 이 시스템에서 필요한 인장 강도에 도달하는 데 필요한 고관능성 폴리올의 최소 함량을 예시한다.
IE1 및 IE2
고관능성 폴리올 RN 490이 단독 폴리올로서 사용되었을 때, 인장 강도가 더 높았고, 또한 V0 가연성 시험을 통과하였다.
IE2 및 CE7
CE7은 심지어 고관능성 폴리올 RN 490을 단독 폴리올로서 이용한 경우에도, 폴리올 측의 단지 8% TCPP가 여전히 V0 가연성 시험을 통과하지 못한다는 것을 보였다. 이는 V0 가연성 등급을 충족하기 위해 적절한 양의 고관능성 폴리올 RN 490(CE3)과 적절한 양의 난연제(CE7)가 모두 필요함을 예시한다.
IE3 및 CE5/CE6
낮은 OH# 및 저관능성 폴리올은 발포체 가요성을 개선하여 인장 강도를 증가시키는 데 유용하였다. 또한, 블렌딩된 폴리올의 전체 점도의 감소로 인해 유동 능력이 개선되었다. 이들 예는 물리적 발포체 특성과 유동성의 균형을 보였다. 이러한 균형은 2 또는 3 관능성 폴리올과 높은 OH#를 갖는 순수 소르비톨과 수크로오스 개시된 폴리올의 블렌드를 통해 달성되었다.
IE4 및 CE3
25% 폴리에스테르 PS 3152는 CE3에서 사용된 VORANOL 2070에 비해 IE4에서 대체물로서 사용되었으며, 이는 25℃에서 더 양호한 인장 강도를 제공하고, V0 가연성 시험을 통과하였다.
요약
상기 분석은 고관능성 폴리올의 양이 증가된 인장 강도와 관련이 있음을 보여준다. 난연제의 경우, 폴리올 성분의 중량을 기준으로 16 중량%의 함량이, 형성된 발포체가 적어도 20 중량% 고관능성 폴리올을 함유하는 제형으로 V0 가연성 시험을 통과하기 위해 필요한 것으로 관찰되었다. 고관능성 폴리올이 저관능성 및 낮은 OH 값 폴리올과 혼합된 경우, 양호한 성능(인장 강도, 가연성, 가공)이 달성되었다. 폴리에스테르 폴리올은 또한 2 내지 3 관능성 폴리올을 대체하여 인장 강도를 증가시킬 수 있으며, V0 가연성 성능을 개선할 수 있다.
이러한 결과는 3 내지 7 범위의 평균 관능가 및 300 내지 1000 범위의 히드록실 기 값을 갖는 하나 이상의 폴리올을 포함하는 폴리올 성분을 갖고, 이소시아네이트 성분과 혼합된 본 개시내용에 따른 폴리우레탄 발포체 조성물이, 25℃에서 3.5 MPa 초과의 인장 강도를 갖고, V0 난연제 요건을 충족하는 폴리우레탄 발포체를 제조하며, 이는 포팅 적용, 예를 들어 개선된 배터리 에너지 밀도가 바람직한 배터리 포팅 적용에 유리하게 사용된다는 것을 제안한다.

Claims (10)

  1. 폴리우레탄 발포 조성물로서,
    (A) 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 폴리올을 포함하는 폴리올 성분으로서, 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7의 평균 히드록실 기 관능가 및 300 내지 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가짐; 및
    (B) 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함하는 이소시아네이트 성분을 포함하고;
    여기서, (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 양으로 하나 이상의 난연제, 및 하나 이상의 발포제를 추가로 포함하고;
    이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위 이내인, 폴리우레탄 발포 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 발포제는 적어도 하나의 물리적 발포제를 포함하는, 폴리우레탄 발포 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 난연제는 트리클로로프로필포스페이트 또는 트리에틸포스페이트인, 폴리우레탄 발포 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 2.5:1 범위 이내인, 폴리우레탄 발포 조성물.
  5. 제1항의 폴리우레탄 발포 조성물로부터 제조된 폴리우레탄 발포체로서, 폴리우레탄 발포체의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 난연제를 포함하고, 25℃에서 3.5 MPa 초과의 인장 강도를 갖고, 23℃에서 0.05 W/(m·K) 미만의 열 전도도를 갖는 폴리우레탄 발포체.
  6. 제5항에 있어서, 65℃에서 1.0 MPa 초과의 인장 강도를 갖는 폴리우레탄 발포체.
  7. 제5항에 있어서, UL-94 표준에 따른 V0 가연성 시험을 통과하는 폴리우레탄 발포체.
  8. 배터리의 포팅(potting) 방법으로서,
    (i) 이소시아네이트 성분과 폴리올 성분을 혼합함으로써 반응 혼합물을 형성하는 단계; - 여기서,
    (A) 폴리올 성분은 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 폴리올을 포함하고, 하나 이상의 폴리올은 3 내지 7의 평균 히드록실 기 관능가 및 300 내지 1000 mg KOH/g의 평균 히드록실 기 수를 가짐; 및
    (B) 이소시아네이트 성분은 하나 이상의 이소시아네이트 화합물을 포함함;
    여기서, (A) 폴리올 성분 및 (B) 이소시아네이트 성분 중 하나 또는 둘 모두에서, 폴리우레탄 발포 조성물은 폴리우레탄 발포 조성물의 총 중량을 기준으로 15 중량% 이하의 양으로 하나 이상의 난연제, 및 하나 이상의 발포제를 추가로 포함하고;
    이소시아네이트 성분 대 폴리올 성분의 NCO/OH 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위 이내임 -
    및
    (ii) 반응 혼합물을 배터리의 밀폐된 공간에 주입하고, 반응 혼합물이 반응, 팽창 및 경화되는 단계를 포함하는, 배터리의 포팅 방법.
  9. 제8항에 있어서, 반응 혼합물은 실온 이상에서 반응, 팽창 및 경화되는, 배터리의 포팅 방법.
  10. 제8항에 있어서, 반응 혼합물은 45℃ 내지 65℃에서 밀폐된 공간으로 주입되는, 배터리의 포팅 방법.
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