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绝缘薄涂粉末涂料在新能源汽车电池上的应用
2021年05月26日    阅读量:     新闻来源:中国牛涂网 ntw360.com  |  投稿

从绝缘性能优异的薄涂粉末涂料性能要求发,在一定喷涂厚度的情况下,选择合适的材料;


研究了不同种类树脂,同化剂,填料,催化剂的州量对绝缘耐压性能的影响,最终得到了优良耐电解液性能,优异绝缘性能和耐湿热性能稳定的新能源汽车动力电池用粉末涂料.


粉末涂料具有节能环保、无VOC排放、装饰性好、使用安全等特点, 近年来国内粉末涂料技术发展迅速。


随着人民生活水平的提高,在日新月异的汽车行业中,新能源汽车由于产品噪音小,行驶稳定性高,并且实现零排放的绿色环保等特点在各地迅速发展。


而作为绿色出行的新能源汽车, 由于续航里程越来越长、串联电池组多、相邻电池的间距小,同时汽车电池组在行驶过程中容易发热、温度高,所以电池之间绝缘材料的质量是决定汽车动力电池良好运行的关键因素中国牛涂网ntw360.com


必须要有高性能的绝缘材料来提高新能源动力电池的适用性、延长其使用寿命。


由于传统的动力电池多用绝缘纸来进行电池之间的绝缘防护与包装使用,绝缘纸具有良好的绝缘性能与柔韧性能。


但由于动力电池生产过程复杂,且绝缘纸与电池外壳中间存在气隙,容易产生局部放电,影响电池的使用寿命,从而增加了新能源电动汽车行驶过程中的不确定性。


而作为新能源动力汽车用绝缘粉末涂料,不仅施工简单,而且一次喷涂成型便于安装和运输。


但由于汽车电池组空间的限制,铝电池外壳喷涂厚度为100~150μm(而传统的喷涂的绝缘粉末都在300μm以上),杂质和金属颗粒对于涂层的电绝缘性能影响更大,所以需采用专用的绝缘粉生产设备,以保证涂层优异的绝缘耐压性能。


同时绝缘粉末相对于绝缘贴膜生产简单,不会产生气隙,附着力良好,不易刮花,并具有优异的绝缘耐压性能、防腐蚀性能和优异的耐湿热稳定性,并在高低温冲击后仍具有优异的绝缘耐压性能。


1 实验部分


1.1 配方原材料


基础配方见表1。

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1.2 试验设备


试验设备:挤出机、静电喷枪、烘箱、盐雾试验箱、测厚仪、绝缘耐压仪等。


1.3 样板制备


按配方称量原材料,混合均匀,用双螺杆挤出机挤出,冷却破碎后用专用高速粉碎机进行粉碎,过180目标准筛,获得粉末涂料,所得的粉末涂料采用高压静电喷涂,固化时间为200℃/10min,控制漆膜厚度0.1~0.15mm,然后进行各项测试。


1.4 试验方法


试验项目、方法及指标见表2。

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2 研究内容


由于不同原材料、固化温度和时间、工件前处理方式对铝电池的粉末涂层绝缘性能影响较大,同时汽车电池组空间有限,限制了新能源汽车动力电池用涂层的厚度(0.1~0.15mm),粉末涂料在生产中带入的杂质对绝缘性能也有一定的影响。


本文研究了一定厚度情况下,不同种类树脂、固化剂的用量、催化剂和填料对固化后涂层绝缘耐压性能、电击穿强度、电击穿合格率的影响。


2.1 不同环氧树脂对电绝缘性能的影响


树脂是粉末涂料成膜物的最重要组成部分,它的性能必然对涂层的绝缘性能有重大的影响。


双酚A型环氧树脂本身具有优良的电性能、耐热性和机械强度、耐化学性能非常优异,是制造绝缘粉末涂料的极好品种。


本试验选用不同厂家生产的一步法环氧树脂、二步法环氧树脂,同时选用了双氰胺固化剂,颜料、填料、催化剂等,对比了不同环氧树脂对涂层电击穿强度、机械强度、耐热性等的影响。实验结果如表3所示。

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从表3可以看出,二步法生产的E-12环氧树脂的电击穿强度明显优于一步法E-12环氧树脂,均满足客户击穿电压≥5kV的要求。


一步法合成时,制得的树脂相对分子质量分布较宽,有机氯含量高,影响了涂层的固化速度,涂层的交联密度不高,所以涂层击穿电压不高;


二步法合成反应呈均相进行,链增长比较平稳,制得的树脂相对分子质量分布较窄,有机氯含量低,固化涂层的交联密度高,耐电压性能良好。


所以在薄涂绝缘性能优异电池外壳粉末的制备过程中,推荐使用二步法合成的双酚A 型环氧树脂,且含氯量要低,相对分子质量分布要窄。


在不同环氧当量树脂的搭配中,由于2种树脂的黏度不同,对工件的包裹性均大于单一的环氧树脂,且绝缘性能更加优异,容易形成致密性良好、稳定、连续、光滑平整的涂层。


在一定厚度的绝缘粉末生产过程中,可选择不同环氧当量的树脂进行匹配,根据实际情况的不同,搭配适合客户要求的产品。


2.2 固化剂的用量对涂层性能的影响

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从表4看出,当潜伏性双氰胺用量比较少时,涂层的耐压性能和物理性能相对较差,且耐电解液性能不佳,这是由体系固化不完全造成的。


涂层冲击性能与其他性能不佳。但是当固化剂用量在超过一定程度的时候,不但会增加配方成本,还会因为胶化速度加快而影响涂层的耐冲击效果。


另外不同厂商生产的E-12环氧树脂环氧值的范围各有差异,所以在设计配方时,应当根据所选用双酚A型环氧树脂环氧值的具体情况,首先计算固化剂的理论用量,然后在此理论基础上通过具体试验进行验证,并最终确定实际固化剂用量。


2.3 催化剂对涂层性能的影响


咪唑类能够明显地降低纯环氧粉末涂料成膜温度或缩短涂料固化时间。在粉末涂料中可以大大降低粉末涂料的交联反应温度,同时可以提高涂层的交联密度,节约反应时间,使涂层固化更加充分。

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由表5可以看出,随着催化剂用量的增加,反应速度逐渐增加,交联密度逐渐增大,但涂层的外观逐渐变差。涂层耐腐蚀性能逐渐变好,涂层的电绝缘性能不断变好,到一定程度之后涂层的电绝缘冲击性能变差。


综合考虑性能、成本和客户现场要求的外观、击穿强度,咪唑类促进剂的推荐用量为0.3%~0.6%。


2.4 填料对涂层性能的影响

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由表6可知,加入硫酸钡之后电绝缘性能变低,虽然加入氧化铝和轻质碳酸钙之后绝缘性能优异,但是涂层有橘皮,因为轻质碳酸钙和氧化铝的吸油量较大且轻质碳酸钙的耐酸性能不好。


而且轻质碳酸钙在制作的过程中,会残余少量的导电性杂质。用氧化铝做填料时,涂膜具有优异的导热性能和良好的耐击穿性能,不过氧化铝的莫氏硬度高,在生产过程中对设备的损耗大且容易带入金属杂质,从而影响涂层的电绝缘性能。


所以绝缘粉末最常用的是硅微粉,较高的介电常数使其在绝缘粉中应用广泛。碳酸钙介电常数高,但是耐酸性不好,所以绝缘粉末制备过程中,只能加入少量碳酸钙提高涂层的粉碎性和上粉率。


2.5 不同厂家固化剂的影响


环氧树脂与双氰胺的反应如式(1):


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从表7可以看出,双氰胺H效果最佳,J次之,I效果最差,不同厂家生产的双氰胺的工艺、固化速度、纯度不一样,与E-12环氧树脂的交联密度不一样,双氰胺H与环氧树脂固化效果最好。


双氰胺I、J和环氧树脂搭配固化后效果不佳,绝缘耐压效果要稍差于H,可能是在双氰胺I和J制备的过程中带入其他杂质,所以造成涂层的电绝缘不佳。


对于一定厚度(0.1~0.15mm)的电绝缘粉末涂料,要选择纯度高、与其他材料相容性效果好、固化后绝缘性能优异的双氰胺,以保证涂层的绝缘耐压性能。


将批量生产的粉末在客户现场进行喷涂,同时进行绝缘耐压测试,结果如表8所示,合格率为97%。


在喷涂施工时,严格控制喷涂环境,由于喷涂线是全新安装,所以在安装时难免会残留金属颗粒和其他杂质,静电喷涂的粉末经过回收之后,会将管道中和喷涂房中的金属颗粒和杂质带入,从而影响涂层的电绝缘性能;


对于绝缘粉的喷涂环境,同时注意保护好施工环境,同时要提供性能优异的绝缘修补漆对击穿涂层进行修补,以提高客户铝电池外壳喷涂的成品率。

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此外,粉末涂料在生产过程中,难免会混入一些金属颗粒和杂质,很难得到完全纯净的粉末涂料,从而影响粉末的绝缘性能。


对于绝缘粉末的生产来讲,尽量使用专用的绝缘粉末生产设备,尽量进行简单有效的金属颗粒控制和杂质处理,减少对绝缘粉末性能的影响。同时要控制好烘烤时间,避免涂层没有完全固化而造成涂层的绝缘耐压性能不佳。

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3 结语


在一定厚度(0.1~0.15mm)要求下的新能源汽车用绝缘粉末涂料,同时对涂层的绝缘耐压要求较高,所以必须严格筛选各种原材料。


按照客户的标准来确定合适的配方,控制生产过程中杂质的混入,获得优良耐热性、优异防腐性能和电绝缘性能优异的粉末涂料,同时要配套好性能优异的绝缘修补漆,主要有以下几点建议:


(1)选择二步法生产的环氧树脂,同时选择环氧当量不同的树脂进行匹配,加入适量的咪唑类催化剂,提高涂层的交联密度,同时保证涂料外观光滑平整且保证工件的边角覆盖率,形成均匀、完整、连续性好、质地紧密的涂层;


(2)选择介电常数小、电阻系数大的填料,同时保证涂层的电绝缘性能良好,保证涂层在相对温度较高情况下的耐热性能和绝缘性能;


(3)严格筛选各种原材料,同时隔绝生产过程中杂质的混入,使用专用的绝缘粉末生产设备,避免杂质和金属颗粒的带入而影响涂层的电绝缘性能。

来源:尹臣 程里 欧阳建群 梁泳田  广州擎天材料科技有限公司 广州510860


标签:粉末涂料工业涂料固化剂技术中心汽车漆树脂涂装应用原材料
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