摘要:
從絕緣性能優(yōu)異的薄涂粉末涂料性能要求出發(fā),在一定噴涂厚度的情況下,選擇合適的材料。
研究了不同種類樹脂、固化劑、填料、催化劑的用量對絕緣耐壓性能的影響,最終得到了優(yōu)良耐電解液性能、優(yōu)異絕緣性能和耐濕熱性能穩(wěn)定的新能源汽車動力電池用粉末涂料。
引言
粉末涂料具有節(jié)能環(huán)保、無VOC排放、裝飾性好、使用安全等特點(diǎn), 近年來國內(nèi)粉末涂料技術(shù)發(fā)展迅速涂料在線coatingol.com。
隨著人民生活水平的提高,在日新月異的汽車行業(yè)中,新能源汽車由于產(chǎn)品噪音小,行駛穩(wěn)定性高,并且實(shí)現(xiàn)零排放的綠色環(huán)保等特點(diǎn)在各地迅速發(fā)展。
而作為綠色出行的新能源汽車, 由于續(xù)航里程越來越長、串聯(lián)電池組多、相鄰電池的間距小,同時(shí)汽車電池組在行駛過程中容易發(fā)熱、溫度高,所以電池之間絕緣材料的質(zhì)量是決定汽車動力電池良好運(yùn)行的關(guān)鍵因素。
必須要有高性能的絕緣材料來提高新能源動力電池的適用性、延長其使用壽命。
由于傳統(tǒng)的動力電池多用絕緣紙來進(jìn)行電池之間的絕緣防護(hù)與包裝使用,絕緣紙具有良好的絕緣性能與柔韌性能。
但由于動力電池生產(chǎn)過程復(fù)雜,且絕緣紙與電池外殼中間存在氣隙,容易產(chǎn)生局部放電,影響電池的使用壽命,從而增加了新能源電動汽車行駛過程中的不確定性。
而作為新能源動力汽車用絕緣粉末涂料,不僅施工簡單,而且一次噴涂成型便于安裝和運(yùn)輸。
但由于汽車電池組空間的限制,鋁電池外殼噴涂厚度為100~150μm(而傳統(tǒng)的噴涂的絕緣粉末都在300μm以上),雜質(zhì)和金屬顆粒對于涂層的電絕緣性能影響更大,所以需采用專用的絕緣粉生產(chǎn)設(shè)備,以保證涂層優(yōu)異的絕緣耐壓性能。
同時(shí)絕緣粉末相對于絕緣貼膜生產(chǎn)簡單,不會產(chǎn)生氣隙,附著力良好,不易刮花,并具有優(yōu)異的絕緣耐壓性能、防腐蝕性能和優(yōu)異的耐濕熱穩(wěn)定性,并在高低溫沖擊后仍具有優(yōu)異的絕緣耐壓性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 配方原材料
基礎(chǔ)配方見表1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)設(shè)備:擠出機(jī)、靜電噴槍、烘箱、鹽霧試驗(yàn)箱、測厚儀、絕緣耐壓儀等。
1.3 樣板制備
按配方稱量原材料,混合均勻,用雙螺桿擠出機(jī)擠出,冷卻破碎后用專用高速粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎,過180目標(biāo)準(zhǔn)篩,獲得粉末涂料,所得的粉末涂料采用高壓靜電噴涂,固化時(shí)間為200℃/10min,控制漆膜厚度0.1~0.15mm,然后進(jìn)行各項(xiàng)測試。
1.4 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)項(xiàng)目、方法及指標(biāo)見表2。
2 研究內(nèi)容
由于不同原材料、固化溫度和時(shí)間、工件前處理方式對鋁電池的粉末涂層絕緣性能影響較大,同時(shí)汽車電池組空間有限,限制了新能源汽車動力電池用涂層的厚度(0.1~0.15mm),粉末涂料在生產(chǎn)中帶入的雜質(zhì)對絕緣性能也有一定的影響。
本文研究了一定厚度情況下,不同種類樹脂、固化劑的用量、催化劑和填料對固化后涂層絕緣耐壓性能、電擊穿強(qiáng)度、電擊穿合格率的影響。
2.1 不同環(huán)氧樹脂對電絕緣性能的影響
樹脂是粉末涂料成膜物的最重要組成部分,它的性能必然對涂層的絕緣性能有重大的影響。
雙酚A型環(huán)氧樹脂本身具有優(yōu)良的電性能、耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性能非常優(yōu)異,是制造絕緣粉末涂料的極好品種。
本試驗(yàn)選用不同廠家生產(chǎn)的一步法環(huán)氧樹脂、二步法環(huán)氧樹脂,同時(shí)選用了雙氰胺固化劑,顏料、填料、催化劑等,對比了不同環(huán)氧樹脂對涂層電擊穿強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性等的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
從表3可以看出,二步法生產(chǎn)的E-12環(huán)氧樹脂的電擊穿強(qiáng)度明顯優(yōu)于一步法E-12環(huán)氧樹脂,均滿足客戶擊穿電壓≥5kV的要求。
一步法合成時(shí),制得的樹脂相對分子質(zhì)量分布較寬,有機(jī)氯含量高,影響了涂層的固化速度,涂層的交聯(lián)密度不高,所以涂層擊穿電壓不高;
二步法合成反應(yīng)呈均相進(jìn)行,鏈增長比較平穩(wěn),制得的樹脂相對分子質(zhì)量分布較窄,有機(jī)氯含量低,固化涂層的交聯(lián)密度高,耐電壓性能良好。
所以在薄涂絕緣性能優(yōu)異電池外殼粉末的制備過程中,推薦使用二步法合成的雙酚A 型環(huán)氧樹脂,且含氯量要低,相對分子質(zhì)量分布要窄。
在不同環(huán)氧當(dāng)量樹脂的搭配中,由于2種樹脂的黏度不同,對工件的包裹性均大于單一的環(huán)氧樹脂,且絕緣性能更加優(yōu)異,容易形成致密性良好、穩(wěn)定、連續(xù)、光滑平整的涂層。
在一定厚度的絕緣粉末生產(chǎn)過程中,可選擇不同環(huán)氧當(dāng)量的樹脂進(jìn)行匹配,根據(jù)實(shí)際情況的不同,搭配適合客戶要求的產(chǎn)品。
2.2 固化劑的用量對涂層性能的影響
從表4看出,當(dāng)潛伏性雙氰胺用量比較少時(shí),涂層的耐壓性能和物理性能相對較差,且耐電解液性能不佳,這是由體系固化不完全造成的。
涂層沖擊性能與其他性能不佳。但是當(dāng)固化劑用量在超過一定程度的時(shí)候,不但會增加配方成本,還會因?yàn)槟z化速度加快而影響涂層的耐沖擊效果。
另外不同廠商生產(chǎn)的E-12環(huán)氧樹脂環(huán)氧值的范圍各有差異,所以在設(shè)計(jì)配方時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)所選用雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧值的具體情況,首先計(jì)算固化劑的理論用量,然后在此理論基礎(chǔ)上通過具體試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,并最終確定實(shí)際固化劑用量。
2.3 催化劑對涂層性能的影響
咪唑類能夠明顯地降低純環(huán)氧粉末涂料成膜溫度或縮短涂料固化時(shí)間。在粉末涂料中可以大大降低粉末涂料的交聯(lián)反應(yīng)溫度,同時(shí)可以提高涂層的交聯(lián)密度,節(jié)約反應(yīng)時(shí)間,使涂層固化更加充分。
由表5可以看出,隨著催化劑用量的增加,反應(yīng)速度逐漸增加,交聯(lián)密度逐漸增大,但涂層的外觀逐漸變差。涂層耐腐蝕性能逐漸變好,涂層的電絕緣性能不斷變好,到一定程度之后涂層的電絕緣沖擊性能變差。
綜合考慮性能、成本和客戶現(xiàn)場要求的外觀、擊穿強(qiáng)度,咪唑類促進(jìn)劑的推薦用量為0.3%~0.6%。
2.4 填料對涂層性能的影響
由表6可知,加入硫酸鋇之后電絕緣性能變低,雖然加入氧化鋁和輕質(zhì)碳酸鈣之后絕緣性能優(yōu)異,但是涂層有橘皮,因?yàn)檩p質(zhì)碳酸鈣和氧化鋁的吸油量較大且輕質(zhì)碳酸鈣的耐酸性能不好。
而且輕質(zhì)碳酸鈣在制作的過程中,會殘余少量的導(dǎo)電性雜質(zhì)。用氧化鋁做填料時(shí),涂膜具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和良好的耐擊穿性能,不過氧化鋁的莫氏硬度高,在生產(chǎn)過程中對設(shè)備的損耗大且容易帶入金屬雜質(zhì),從而影響涂層的電絕緣性能。
所以絕緣粉末最常用的是硅微粉,較高的介電常數(shù)使其在絕緣粉中應(yīng)用廣泛。碳酸鈣介電常數(shù)高,但是耐酸性不好,所以絕緣粉末制備過程中,只能加入少量碳酸鈣提高涂層的粉碎性和上粉率。
2.5 不同廠家固化劑的影響
環(huán)氧樹脂與雙氰胺的反應(yīng)如式(1):
從表7可以看出,雙氰胺H效果最佳,J次之,I效果最差,不同廠家生產(chǎn)的雙氰胺的工藝、固化速度、純度不一樣,與E-12環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度不一樣,雙氰胺H與環(huán)氧樹脂固化效果最好。
雙氰胺I、J和環(huán)氧樹脂搭配固化后效果不佳,絕緣耐壓效果要稍差于H,可能是在雙氰胺I和J制備的過程中帶入其他雜質(zhì),所以造成涂層的電絕緣不佳。
對于一定厚度(0.1~0.15mm)的電絕緣粉末涂料,要選擇純度高、與其他材料相容性效果好、固化后絕緣性能優(yōu)異的雙氰胺,以保證涂層的絕緣耐壓性能。
將批量生產(chǎn)的粉末在客戶現(xiàn)場進(jìn)行噴涂,同時(shí)進(jìn)行絕緣耐壓測試,結(jié)果如表8所示,合格率為97%。
在噴涂施工時(shí),嚴(yán)格控制噴涂環(huán)境,由于噴涂線是全新安裝,所以在安裝時(shí)難免會殘留金屬顆粒和其他雜質(zhì),靜電噴涂的粉末經(jīng)過回收之后,會將管道中和噴涂房中的金屬顆粒和雜質(zhì)帶入,從而影響涂層的電絕緣性能;
對于絕緣粉的噴涂環(huán)境,同時(shí)注意保護(hù)好施工環(huán)境,同時(shí)要提供性能優(yōu)異的絕緣修補(bǔ)漆對擊穿涂層進(jìn)行修補(bǔ),以提高客戶鋁電池外殼噴涂的成品率。
此外,粉末涂料在生產(chǎn)過程中,難免會混入一些金屬顆粒和雜質(zhì),很難得到完全純凈的粉末涂料,從而影響粉末的絕緣性能。
對于絕緣粉末的生產(chǎn)來講,盡量使用專用的絕緣粉末生產(chǎn)設(shè)備,盡量進(jìn)行簡單有效的金屬顆粒控制和雜質(zhì)處理,減少對絕緣粉末性能的影響。同時(shí)要控制好烘烤時(shí)間,避免涂層沒有完全固化而造成涂層的絕緣耐壓性能不佳。
3 結(jié)語
在一定厚度(0.1~0.15mm)要求下的新能源汽車用絕緣粉末涂料,同時(shí)對涂層的絕緣耐壓要求較高,所以必須嚴(yán)格篩選各種原材料。
按照客戶的標(biāo)準(zhǔn)來確定合適的配方,控制生產(chǎn)過程中雜質(zhì)的混入,獲得優(yōu)良耐熱性、優(yōu)異防腐性能和電絕緣性能優(yōu)異的粉末涂料,同時(shí)要配套好性能優(yōu)異的絕緣修補(bǔ)漆,主要有以下幾點(diǎn)建議:
(1)選擇二步法生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂,同時(shí)選擇環(huán)氧當(dāng)量不同的樹脂進(jìn)行匹配,加入適量的咪唑類催化劑,提高涂層的交聯(lián)密度,同時(shí)保證涂料外觀光滑平整且保證工件的邊角覆蓋率,形成均勻、完整、連續(xù)性好、質(zhì)地緊密的涂層;
(2)選擇介電常數(shù)小、電阻系數(shù)大的填料,同時(shí)保證涂層的電絕緣性能良好,保證涂層在相對溫度較高情況下的耐熱性能和絕緣性能;
(3)嚴(yán)格篩選各種原材料,同時(shí)隔絕生產(chǎn)過程中雜質(zhì)的混入,使用專用的絕緣粉末生產(chǎn)設(shè)備,避免雜質(zhì)和金屬顆粒的帶入而影響涂層的電絕緣性能。