CN111525076A - 一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,在制备聚烯烃隔膜的热定型工序前,向聚烯烃隔膜半成品上依次喷涂交联助剂和交联剂,最后于100~150℃条件下加热定型,得到所述高机械强度的聚烯烃隔膜;其中所述交联剂、所述交联助剂和所述聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:0.8~1.5:5~10,所述聚烯烃隔膜半成品带有支链,所述交联助剂为偶氮化合物或有机过氧化物中的一种,所述交联剂为双重氮杂化胺。本发明通过调节交联剂、交联助剂和聚烯烃隔膜的质量比,使单层聚烯烃隔膜内部的聚烯烃分子产生交联,改善了隔膜微孔的结构,在最大限度增强隔膜机械强度的同时维持隔膜韧性,不仅可避免隔膜被异物刺穿导致电池短路,并且有利于后续卷绕加工。
Description
技术领域
本发明属于锂电子电池隔膜制造领域,具体涉及一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。经过近二十年发展,锂离子电池已在体积比能量、质量比能量、质量比功率、循环寿命和充放电效率等方面得到大幅提升,可以有效应用到动力汽车领域。锂离子电池隔膜是锂离子电池的主要组件,随着动力汽车的飞速发展,动力汽车行业对锂离子电池隔膜要求提高,希望开发一种高机械强度的隔膜,以提升电池的安全性能。。
目前获得高机械强度的隔膜主要的技术方法有:(1)提高隔膜的纵向MD和横向TD的拉伸倍率至6-10倍,以提高隔膜的强度,但是最终制备得到的隔膜产品的拉伸强度<2500kg/cm2,穿刺强度<600gf,在电池多次充放电过程中会发生化学反应形成枝晶,枝晶可能刺穿隔膜从而引发电池短路和***的安全隐患。(2)通过添加超高分子量聚乙烯以提升隔膜的强度,然而采用超高分子量的聚乙烯,会导致隔膜在制备过程中的挤出塑化效果明显下降,同时造成产品出现晶点、黑点等外观缺陷,严重影响了产品的良品率和生产连续性。
中国专利CN110277527A公开了一种具有较好力学性能的聚丙烯微孔膜及其制备方法,包括将聚丙烯和成核剂混合后依次经过挤出、流延,得到流延片;将所述流延片进行双向同步拉伸,得到聚丙烯微孔膜;所述双向同步拉伸为同时进行纵向拉伸和横向拉伸。然而该方法制备得到的隔膜的机械强度仍然偏低,无法应用于动力汽车行业。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,通过向聚烯烃隔膜间加入交联剂和交联助剂,以有效增强隔膜的拉伸强度和穿刺强度,并且不需要使用超高分子量的聚烯烃,因此制备成品不会出现晶点、黑点等外观缺陷,从而保证了隔膜产品的良品率。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,在制备聚烯烃隔膜的热定型工序前,向聚烯烃隔膜半成品上先喷涂80℃~100℃加热后的交联助剂,然后喷涂交联剂,最后于100~150℃条件下加热定型,得到所述高机械强度的聚烯烃隔膜;
其中所述交联剂、所述交联助剂和所述聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:0.8~1.5:5~10,所述聚烯烃隔膜半成品带有支链,所述交联助剂为偶氮化合物或有机过氧化物中的一种,所述交联剂为双重氮杂化胺,所述双重氮杂环胺的结构式为:
其中偶氮化合物或有机过氧化物的交联助剂可在80℃~100℃条件下失去氮原子或者氧氢原子,形成带自由电荷的碳自由基,在100~150℃条件下加热时,该碳自由基会攻击聚烯烃隔膜半成品上带有支链的主链碳原子,使其失去氢原子并与之交联;同时双重氮杂化胺交联剂在该温度下失去四个氮原子得到带自由基的卡宾结构,该自由基与聚烯烃主链端基的碳原子交联,最终使得单层隔膜内部的聚烯烃分子产生交联作用,从而改善了聚烯烃隔膜的微孔结构,使得隔膜微孔的孔径变小且分布均一,最终得到一种高机械强度的聚烯烃隔膜。并且通过调节交联剂、交联助剂和聚烯烃隔膜半成品的比例,发挥交联剂和交联助剂协同作用,最大程度增强聚烯烃隔膜机械强度的同时维持隔膜的韧性。
优选地,所述交联剂、所述交联助剂和所述聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1:8。当三者的重量比为1:1:8时,制备得到的聚烯烃隔膜的拉伸强度和穿刺强度最高且仍保持韧性,可用于卷绕加工。
优选地,所述聚烯烃隔膜半成品的支化度为10%~20%。聚烯烃的支化度为支链上碳原子数与总碳原子数的比值,而仅有带支链的碳原子可与交联助剂产生交联作用,因此支化度越高,交联助剂的交联作用越强,隔膜内聚烯烃分子的交联作用越强。
优选地,所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯、聚1-戊烯、聚1-己烯、聚1-辛烯、聚4-甲基-1-戊烯中的任意一种。不同种类的聚烯烃均可通过该制备方法得到具有高机械强度的单层聚烯烃隔膜。
优选地,所述偶氮化合物为2,2-偶氮双(2-甲基丁腈)、2,2-偶氮双(异丁腈)、2,2-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)、和2,2-偶氮双(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)中的一种或多种。
优选地,所述有机过氧化物为过氧化新癸酸四甲基丁酯、过氧化二碳酸双(4-丁基环己基)酯、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯、过氧化苯甲酰、过氧化二苯甲酰中的一种或多种。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)在制备聚烯烃隔膜的热定型工艺阶段前,向聚烯烃隔膜半成品上依次喷涂交联助剂和交联剂,使得单层聚烯烃隔膜内部的聚烯烃分子之间产生交联,热定型后,隔膜微孔的孔径减小且分布均一,制备得到的聚烯烃隔膜机械强度增大,避免隔膜被异物刺穿导致电池短路的情况。
(2)调节交联剂、交联助剂和聚烯烃隔膜半成品之间的重量比以及聚烯烃隔膜的支化度,发挥交联剂和交联助剂的协同作用,可最大限度增强聚烯烃隔膜的机械强度的同时维持隔膜的韧性。
(3)该聚烯烃隔膜的制备方法简单,并且不需要采用超高分子量的聚烯烃即可得到具有高机械强度的隔膜,因此隔膜成品不会出现外观缺陷,保证了产品的良品率和生产连续性。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,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条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
偶氮化合物和有机过氧化物在80℃~100℃条件下加热,均可形成带自由电荷的碳自由基,因此本申请的具体实施方式中,以交联助剂过氧化苯甲酰为例进行实验验证与分析。
实施例1
本实施例提供了一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,具体为:
S1、将市售支化度为15%的聚乙烯分子与分子量为1000的液体石蜡油按质量比为4:6进行混合,通过双螺杆同向挤出机熔融挤出得到约200℃的熔体;
S2、将步骤S1得到的所述熔体通过铸片冷却,得到40℃的凝胶;
S3、将步骤S2得到的所述凝胶先纵向MD后横向TD拉伸,在温度100℃条件下分别逐次拉伸10倍,得到30μm的拉伸膜;
S4、将步骤S3得到的所述拉伸膜通过萃取槽,利用萃取剂二氯甲烷除去所述拉伸膜微孔中的石蜡油,再通过干燥清除萃取剂,得到具有微孔的聚烯烃隔膜半成品;
S5、将交联助剂过氧化苯甲酰于90℃条件下加热后均匀喷涂于步骤S4得到的所述聚烯烃隔膜半成品上,然后继续向所述聚烯烃隔膜半成品上喷涂交联剂双重氮杂化胺;
S6、将步骤S5得到的所述聚烯烃隔膜半成品于120℃条件下加热定型,得到所述高机械强度的聚烯烃隔膜;
其中所述交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1:8。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于:交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:0.8:8。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于:交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1.5:8。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于:(1)步骤S6中加热定型温度为100℃;(2)制备过程中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:0.8:10。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于:(1)步骤S6中加热定型温度为150℃;(4)制备过程中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1.5:5。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于:不喷涂所述交联助剂,直接将所述双重氮杂化胺的交联剂均匀喷涂于所述聚烯烃隔膜半成品上,其中交联剂和聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:8,然后于120℃条件下加热,得到聚烯烃隔膜。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于:步骤S5中不喷涂所述双重氮杂环交联剂,并且交联助剂和聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:8,然后于120℃条件下加热,得到聚烯烃隔膜。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于:制备原料中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:0.3:8。
对比例4
本对比例与实施例1的不同之处在于:制备原料中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:2:8。
对比例5
本对比例与实施例1的不同之处在于:制备原料中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1:3。
对比例6
本对比例与实施例1的不同之处在于:制备原料中,交联剂:交联助剂:聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1:15。
应用例
分别测定实施例1~5和对比例1-6得到的聚烯烃隔膜上的平均孔径以及隔膜的拉伸强度、穿刺强度性能。
平均孔径测定:采用JW-BK200型孔径测试仪测试。
拉伸强度测定:通过拉伸机根据国标GBT36363/2018方法对隔膜样条进行纵向MD,横向TD双向拉伸测量,直到隔膜断裂,通过拉伸机软件计算得出拉伸强度。
穿刺强度测定:通过穿刺机根据国标GBT36363/2018方法对隔膜样品进行穿刺测量,通过穿刺机软件计算得出穿刺强度。
测定结果如下表所示:
由上述测定结果可知,当调节交联剂、交联助剂和聚乙烯隔膜的质量比,制备得到的聚烯烃隔膜的拉伸强度及穿刺强度都会发生变化。即增加交联剂和交联助剂或降低聚烯烃隔膜的重量比时,隔膜内部聚烯烃分子的交联作用增强,隔膜微孔的孔径降低且分布更均一,因此隔膜的拉伸强度和穿刺强度增强;降低交联剂和交联助剂或增加聚烯烃隔膜的重量比时,隔膜内部聚烯烃分子的交联作用减弱,隔膜微孔的孔径增大,因此隔膜的拉伸强度和穿刺强度降低。当交联剂、交联助剂和聚烯烃隔膜的质量比为1:0.8~1.5:5~10时,制备得到的聚烯烃隔膜的拉伸强度均高于2800kg/cm2,穿刺强度均高于700gf,同时聚烯烃隔膜仍保持良好的韧性,可进行卷绕加工。然而隔膜微孔的孔径过小,低于0.05μm时会阻碍锂离子顺利通过隔膜,从而影响锂电池性能,因此当交联剂、交联助剂和聚烯烃隔膜的质量比为1:1:8时,制备得到的隔膜可在不影响电池性能的同时最大程度上增强隔膜的拉伸强度和穿刺强度,避免隔膜被异物刺穿导致电池短路的情况。
在无交联助剂或交联剂存在的情况下(对比例1-2),或交联助剂的质量比进一步降低(对比例3),或聚烯烃隔膜半成品的质量比进一步增大(对比例6)时,隔膜内部的聚烯烃分子的交联作用降低,隔膜微孔的孔径增大,因此制备得到的隔膜的拉伸强度和穿刺强度显著降低。而在交联助剂的质量比进一步增大(对比例4),或聚烯烃隔膜半成品的质量比进一步降低时(对比例5),虽然制备得到的聚烯烃隔膜的拉伸强度和穿刺强度也增强了,但是隔膜的韧性显著降低,在后续的卷曲加工中出现断裂,因此无法用于锂离子电池的制备中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
2.根据权利要求1所述的一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,其特征在于,所述交联剂、所述交联助剂和所述聚烯烃隔膜半成品的质量比为1:1:8。
3.根据权利要求1所述的一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,其特征在于,所述聚烯烃隔膜半成品的支化度为10%~20%。
4.根据权利要求1所述的一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,其特征在于,所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯、聚1-戊烯、聚1-己烯、聚1-辛烯、聚4-甲基-1-戊烯中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,其特征在于,所述偶氮化合物为2,2-偶氮双(2-甲基丁腈)、2,2-偶氮双(异丁腈)、2,2-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)、和2,2-偶氮双(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高机械强度的聚烯烃隔膜的制备方法,其特征在于,所述有机过氧化物为过氧化新癸酸四甲基丁酯、过氧化二碳酸双(4-丁基环己基)酯、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯、过氧化苯甲酰、过氧化二苯甲酰中的一种或多种。
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