CN107698928A - 一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法 - Google Patents

一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铅酸蓄电池技术领域。本发明公开一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其包括制备改性水镁石、制备改性云母、制备改性复合阻燃剂、原料混合、注塑成型等步骤，其中复合阻燃剂采用硅藻土负载碳酸氢钠的方式制得。通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳具有较高的机械强度，抗冲击强度；具有较好的韧性，具有较高的拉伸强度和弯曲模量；具有较好的阻燃性能，其阻燃性能远高于国家标准中对塑料阻燃性能的要求；具有良好的热稳定性能，同时也具有较好的耐高电压性能。

Description

一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池技术领域。尤其是涉及一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法。
背景技术
铅酸蓄电池经过100多年的发展，相关技术已经趋于成熟，成本也较低廉，被广泛应用于交通、通讯、电力、军事、航海等众多经济领域，成为一种不可或缺的化学电源。铅酸蓄电池塑壳作为铅酸蓄电池的重要部件，其起到承载极板、隔板和电解液等电池重要部件的作用，要求其具有较好的耐化学腐蚀性能、较高的稳定性、高强度和良好的机械加工性能。
现有技术中，铅酸蓄电池塑壳常采用ABS树脂作为原料，经注塑制得铅酸蓄电池塑壳，但ABS树脂耐候性能、化学稳定性等性能较差、阻燃性能较差，同时其机械性能也较差，经过一段时间使用后常规出现性能的大幅滑坡，出现力学性能劣化，材料***发脆等问题，甚至存在爆燃等危险，难以满足当下铅酸蓄电池制造的相关要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有高强度并且具有较高韧性的，同时较好阻燃效果的铅酸蓄电池用塑壳。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量1～2倍的改性剂中超声处理20～40分钟，然后在40～50℃下干燥制得改性水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至40～50μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理30～40分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.0～1.5wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理1～2小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡30～40分钟并烘干，然后将其加入到25～30℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量0.5～1倍的改性剂中混合均匀，然后在60～70℃下干燥制得改性复合阻燃剂；
d）原料混合：按60～80份ABS树脂，30～40份PVC树脂，15～20份丁腈橡胶，10～12份改性水镁石，5～10份改性云母，10～14份改性复合阻燃剂，1～2份抗氧化剂，1.5～2.5份抗老剂，4～6份硬脂酸，60～100份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌10～20分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳。
现有技术中的铅酸蓄电池塑壳以ABS树脂和PVC树脂为原料，但是这一组合作为原料，存在强度不够高，韧性较差等缺点，因此，本发明的目的主要是为了增强塑壳的强度，同时改善塑壳的韧性。本发明中，依据不同维度材料对树脂材料强度的增强作用，添加了近改性后的一维材料颗粒状的以硅藻土为基体的复合阻燃剂、二维材料以纤水镁石为主要成分的增强纤维和二维材料层片状的云母，从多方位改善树脂材料的强度，通过纤维的连接作用，将树脂材料紧密的结合在一起，即使是受到强外力的作用时，也能保持其原有的形态而不损坏，在纤维增强之外，还辅助以层片状的云母和颗粒状的复合阻燃剂辅助增强树脂间的结合力，形成一种以纤维网络为主体，颗粒状复合阻燃剂和层片状为辅助的增强体结构；丁腈橡胶，具有耐热性能好，耐化学稳定性能好，抗静电性能好，其具有一定的弹性，但其弹性又稍低于其他种类的橡胶，在其添加后既能在一定程度上改性塑壳的弹性，使塑壳具有一定的韧性，但又不至于弹性太大，影响塑壳的强度，在改善塑壳的韧性之外，还能改善塑壳的耐寒性能、耐化学稳定性等性能；同时，最重要的一点是，丁腈橡胶与PVC树脂具有较好的相溶性能，两者能够良好结合。此外，添加的抗氧化剂和抗老剂能够赋予塑壳相应的抗性性能，保证塑壳具有较长久的使用寿命；硬脂酸作为热稳定性剂添加，能增加塑壳的耐热及耐寒性能。
本发明的目的是为了塑壳的阻燃性能，为了实现这一目的，在塑壳的原料中加入了一些具有阻燃效果的原料，水镁石和复合阻燃剂。水镁石是一种富含羟基的矿物，其受热后会发生分解，吸收热量进而起到阻燃的作用，其受热分解温度大致为450℃，可以在较高温度阶段起到阻燃的作用；复合阻燃剂由负载碳酸氢钠的硅藻土组成，其阻燃效果通碳酸氢钠受热分解实现，碳酸氢钠的受热分解温度为270℃，可以在较低温度阶段起到阻燃的作用，通过硅藻土在饱和碳酸氢钠溶液中浸泡的方式进行负载，可以使的碳酸氢钠更好的进入硅藻土的孔道中，使得具有更好的负载效果，负载得也更加稳定；水镁石和复合阻燃剂分别在较低温度和较高温度上实现阻燃作用，相互辅助，相互配合，使得本发明中的塑壳具有较好的阻燃效果。
云母和硅藻土都是亲水性的无机矿物，其不经过亲油性的表面改性难以与树脂材料进行良好的结合，对于这两种无机材料的表面改性都是利用硅烷偶联剂对其进行表面改性，但是对于两种无机材料进行表面改性的具体方法又根据由于硅藻土还需要负载碳酸氢钠作为复合阻燃剂，因此两者具体的改性过程及相关处理过程迥异。云母是一种层状硅酸盐矿物，其常与一些杂质矿物共生，所以需要在改性前将其与盐酸溶液混合除去其中的氧化物杂质，然后再投入到硅烷偶联剂丙酮溶液中进行表面改性，选择丙酮溶液是因为丙酮溶液与云母和硅烷偶联剂都具有良好的亲和性，超声处理加快改性处理的速率。硅藻土中往往含有一些有机物杂质和一些易热分解杂质，因此在改性前先将硅藻土进行盐酸和水清洗，使杂质尽量除去，硅藻土负载碳酸氢钠制得复合阻燃剂后，改性时使用甲苯作为硅烷偶联剂的溶剂，也是根据硅烷偶联剂和硅藻土的性质决定的，改性时采用加热的方式进行改性，使能获得一个较好的改性效果。
作为优选，水镁石为纤水镁石。
纤水镁石为纤维状矿物，能够更好的起到增强塑壳机械强度的作用。
作为优选，步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，3～5wt%聚苯乙烯微球，0.1～1wt%硅烷偶联剂KH550，余量为水组成。
作为优选，聚苯乙烯微球的粒径为150～200nm。
改性剂用于对矿物的表面改性，这一改性过程是采用具有与树脂具有较好结合性能的聚苯乙烯微球包覆在纤维表面完成的，聚苯乙烯微球与矿物之间的结合采用偶联剂的辅助进行，将聚苯乙烯微球与偶联剂分散于水中，制成混合液；由于采用的聚苯乙烯微球的直径为150～200nm范围内，因此其使用超声技术分散于水中之后形成聚苯乙烯微球胶体，超声分散后制得胶体这样更容易在矿物表面进行包覆操作。
作为优选，丁腈橡胶为丙烯腈含量为24～28%的丁腈橡胶。
丙烯腈含量为24～28%的丁腈橡胶为中丙烯腈丁腈橡胶，中丙烯腈丁腈橡胶虽然没有高丙烯腈丁腈橡胶的高耐油性能，但是其具有更优良的耐寒性能，显然对于铅酸蓄电池塑壳，耐寒性能更加的重要，具有较高耐寒性能的塑壳可以保证铅酸蓄电池在低温环境下也能正常使用，而不会发生因塑壳损坏而产生的失效报废问题。
作为优选，抗氧剂为抗氧剂1078，抗老剂为抗老剂1010，溶剂为二甲苯或N-甲基吡咯烷酮中的一种。
作为优选，硅藻土的粒径为50～100μm。
作为优选，步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为2.0～3.0mol/L。
作为优选，步骤e中，注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为220～260℃，成型模具的温度为50～70℃，保压压力为70～85MPa，保压时间为6～9s。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳具有较高的机械强度，抗冲击强度；
（2）通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳具有较好的韧性，具有较高的拉伸强度和弯曲模量；
（3）通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳具有较好的阻燃性能，其阻燃性能远高于国家标准中对塑料阻燃性能的要求；
（4）通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳具有良好的热稳定性能，同时也具有较好的耐高电压性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量1倍的改性剂中超声处理20分钟，然后在40℃下干燥制得改性水镁石；水镁石为纤水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至40μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理30分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.0wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理1小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡30分钟并烘干，然后将其加入到25℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量0.5倍的改性剂中混合均匀，然后在60℃下干燥制得改性复合阻燃剂；硅藻土的粒径为50μm；
d）原料混合：按60份ABS树脂，30份PVC树脂，15～份丁腈橡胶，10份改性水镁石，5份改性云母，10份改性复合阻燃剂，1份抗氧化剂，1.5份抗老剂，4份硬脂酸，60份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌10分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；丁腈橡胶为丙烯腈含量为24%的丁腈橡胶，抗氧剂为抗氧剂1078，抗老剂为抗老剂1010，溶剂为二甲苯；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳；注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为220℃，成型模具的温度为50℃，保压压力为70MPa，保压时间为6s；
步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，3wt%聚苯乙烯微球，0.1wt%硅烷偶联剂KH550，96.9wt%水；聚苯乙烯微球的粒径为150nm；
步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为2.0mol/L。
实施例2
一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量1.5倍的改性剂中超声处理25分钟，然后在45℃下干燥制得改性水镁石；水镁石为纤水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至45μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理35分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.2wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理1.5小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡35分钟并烘干，然后将其加入到27℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量0.7倍的改性剂中混合均匀，然后在65℃下干燥制得改性复合阻燃剂；硅藻土的粒径为70μm；
d）原料混合：按65份ABS树脂，35份PVC树脂，17份丁腈橡胶，11份改性水镁石，7份改性云母，11份改性复合阻燃剂，1份抗氧化剂，2份抗老剂，5份硬脂酸，70份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌15分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；丁腈橡胶为丙烯腈含量为25%的丁腈橡胶，抗氧剂为抗氧剂1078，抗老剂为抗老剂1010，溶剂为二甲苯；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳；注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为230℃，成型模具的温度为55℃，保压压力为75MPa，保压时间为7s；
步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，4wt%聚苯乙烯微球，0.5wt%硅烷偶联剂KH550，95.5wt%水；聚苯乙烯微球的粒径为170nm；
步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为2.5mol/L。
实施例3
一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量1.5倍的改性剂中超声处理35分钟，然后在45℃下干燥制得改性水镁石；水镁石为纤水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至45μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理35分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.3wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理1.5小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡35分钟并烘干，然后将其加入到28℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量0.8倍的改性剂中混合均匀，然后在65℃下干燥制得改性复合阻燃剂；硅藻土的粒径为80μm；
d）原料混合：按75份ABS树脂，35份PVC树脂，18份丁腈橡胶，11份改性水镁石，8份改性云母，13份改性复合阻燃剂，2份抗氧化剂，2份抗老剂，5份硬脂酸，90份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌15分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；丁腈橡胶为丙烯腈含量为27%的丁腈橡胶，抗氧剂为抗氧剂1078，抗老剂为抗老剂1010，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳；注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为250℃，成型模具的温度为65℃，保压压力为80MPa，保压时间为8s；
步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，4wt%聚苯乙烯微球，0.5wt%硅烷偶联剂KH550，95.5wt%水；聚苯乙烯微球的粒径为180nm；
步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为2.50mol/L。
实施例4
一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量2倍的改性剂中超声处理40分钟，然后在50℃下干燥制得改性水镁石；水镁石为纤水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至50μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理40分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.5wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理2小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡40分钟并烘干，然后将其加入到30℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量1倍的改性剂中混合均匀，然后在70℃下干燥制得改性复合阻燃剂；硅藻土的粒径为100μm；
d）原料混合：按80份ABS树脂，40份PVC树脂，20份丁腈橡胶，12份改性水镁石，10份改性云母，14份改性复合阻燃剂，2份抗氧化剂，2.5份抗老剂，6份硬脂酸，100份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌20分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；丁腈橡胶为丙烯腈含量为28%的丁腈橡胶，抗氧剂为抗氧剂1078，抗老剂为抗老剂1010，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳；注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为260℃，成型模具的温度为70℃，保压压力为85MPa，保压时间为9s；
步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，5wt%聚苯乙烯微球，1wt%硅烷偶联剂KH550，94wt%水；聚苯乙烯微球的粒径为200nm；
步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为3.0mol/L。
技术指标：
通过本发明制备而得的铅酸蓄电池阻燃塑壳，材料氧指数≥35%，阻燃性能超过塑料材料可燃性能标准V-0级阻燃标准；
按照GB/T 23754-2009中的相关方法对通过本发明制得的铅酸蓄电池塑壳的下述性能指标进行测试，结果如下：
质量变化率：
耐冲击：低温-30℃下无裂痕；
耐热性：70±2℃，3小时后变化量0.2mm；
耐气压：变化量0.15mm；
耐电压：20KV未击穿；
另外，通过本发明制备得到的铅酸蓄电池塑壳的耐热变形温度为103℃，具有优良的热稳定性，拉伸强度（按照GB/T 1040标准，选用I型式样，拉伸速度为10mm/min）可达68Mpa，弯曲模量（按照GB/T 9341）达3350Mpa，简支梁冲击强度（缺口）（按照GB/T1043）可达35KJ/m2。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）制备改性水镁石：将水镁石加入到水镁石重量1～2倍的改性剂中超声处理20～40分钟，然后在40～50℃下干燥制得改性水镁石；
b）制备改性云母：将云母粉碎至40～50μm后放入到云母3倍云母重量的盐酸溶液中超声处理30～40分钟后用水洗净并烘干，然后将处理后的云母加入到浓度为1.0～1.5wt%硅烷偶联剂KH550的丙酮溶液中，超声处理1～2小时，过滤干燥，制得改性云母；
c）制备改性复合阻燃剂：将硅藻土依次在盐酸溶液和水中各浸泡30～40分钟并烘干，然后将其加入到25～30℃的饱和碳酸氢钠溶液中，超声分散同时烘干水分制得复合阻燃剂，然后将复合阻燃剂加入到复合阻燃剂重量0.5～1倍的改性剂中混合均匀，然后在60～70℃下干燥制得改性复合阻燃剂；
d）原料混合：按60～80份ABS树脂，30～40份PVC树脂，15～20份丁腈橡胶，10～12份改性水镁石，5～10份改性云母，10～14份改性复合阻燃剂，1～2份抗氧化剂，1.5～2.5份抗老剂，4～6份硬脂酸，60～100份溶剂的重量份配比称取各组分，将ABS树脂、PVC树脂和丁腈橡胶混合后在溶剂中浸泡并搅拌10～20分钟，烘干，将剩余组分加入并混合均匀，制得注塑原料；
e）注塑成型：将注塑原料注塑机注塑成型，制得铅酸蓄电池阻燃塑壳。
2.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述的水镁石为纤水镁石。
3.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
步骤a和步骤c中的改性剂由以下重量百分比的原料经超声分散制得，3～5wt%聚苯乙烯微球，0.1～1wt%硅烷偶联剂KH550，余量为水组成。
4.根据权利要求3所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述聚苯乙烯微球的粒径为150～200nm。
5.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述的丁腈橡胶为丙烯腈含量为24～28%的丁腈橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述的抗氧剂为抗氧剂1078，所述的抗老剂为抗老剂1010，所述的溶剂为二甲苯或N-甲基吡咯烷酮中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述的硅藻土的粒径为50～100μm。
8.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述步骤b和步骤c中，盐酸溶液的浓度为2.0～3.0mol/L。
9.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池阻燃塑壳的制备方法，其特征在于：
所述步骤e中，注塑机注塑机注塑成型时，主塑料桶的温度为220～260℃，成型模具的温度为50～70℃，保压压力为70～85MPa，保压时间为6～9s。
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