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    期刊專利論文

    動(dòng)力電池組封裝用導(dǎo)熱聚氨酯膠的研究

    來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)2024年12月20日

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    周亞民彭 敏彭小蘭

    東莞理工學(xué)院化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院廣東 東莞 523808)

     

    來(lái)源:聚酯工業(yè)‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

      2024年7月第37卷第4期

     

    摘要

    隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展動(dòng)力電池組的封裝工藝和導(dǎo)熱材料選擇已成為核心技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵議題。 本文對(duì)動(dòng)力電池組封裝的要求和挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入分析探討了導(dǎo)熱材料在動(dòng)力電池組封裝中的關(guān)鍵作用并對(duì)導(dǎo)熱聚氨酯膠的性能評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了闡述并對(duì)導(dǎo)熱聚氨酯膠的制備工藝及其工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)解析并探討了這些工藝參數(shù)如何影響導(dǎo)熱聚氨酯膠的性能。 同時(shí)深入討論了導(dǎo)熱聚氨酯膠在動(dòng)力電池組封裝中的應(yīng)用性能通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的細(xì)致研可以為動(dòng)力電池組的高效封裝和性能提升提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的持續(xù)進(jìn)步

    關(guān)鍵詞

    動(dòng)力電池組封裝導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱聚氨酯膠

     引言

    聚 氨酯材料 因 其 具有 彈 性 模 量好 、 保 光 性 佳 、 高 黏附力 等 特點(diǎn) 而 廣 泛 應(yīng) 用 于 紡 織 、 服裝 、 木 器 、 皮革 和 印 刷 等 行業(yè) [ 1 3 ] 。 在 紡 織 制 品 領(lǐng) 域 , 水 性 聚 氨酯分散體主要應(yīng)用 于染 色助 劑 、 印 花粘合劑 、 防 皺整 理劑 、 抗靜 電 整理劑 、 拒水拒油 整 理劑 、 免燙 整 理劑 和 羊 毛織 物 防氈 縮整理 。

     

    近年來(lái) , 隨著 物質(zhì)生 活 的 日 益 豐 富 , 人們對(duì)紡 織 品 也有 不 同 的 個(gè)性需求 。 圍 繞水性 聚 氨酯在紡織 品 領(lǐng)域 的 應(yīng)用 , 研究人員 對(duì) 聚 氨酯材料開(kāi)展 了 不 同 的 改性研究 [ 4 8 ] 。 唐 賢 材 [ 9 ] 以 聚 酯 二元 醇 和 聚 醚 二 元 醇為軟 段 , 異 佛 爾 酮 二 異 氰 酸 酯 ( I PDI ) 為 硬 段 , 羥丙基硅油 為 改性劑 制 備水性 聚 氨酯 , 研究表 明 加 入 3 % 的 羥丙基硅 油 能 大 幅 提 高 涂 層 織 物 的 防 水 能力 , 且 織 物 手 感 滑 爽 、 柔 順 ; 陳 炳 基 [ 1 ° ] 在 紡 織 面料鞋材 的 應(yīng)用 中 , 加 入蓖 麻 油 改性 的 水性 聚 氨 酯后 其紡 織 涂 層 的 耐 水 和 力 學(xué) 性 能 得 到 很 大 的 提 高 ; 王傳李[ 1 1 ] 以 水 性 聚 氨 酯 與 丙 烯 酸 酯 化 學(xué) 鍵 結(jié) 合 的 形式 制 備無(wú)氟拒水劑 , 其在整理織 物耐淋水等 級(jí)為 4 級(jí) , 靜態(tài)水 接 觸 角 最 高 為 1 5 0 ° , 斷裂 強(qiáng) 度 、 透氣率和 透 濕率得 到 提 高 ; 樊 高 晴 [ 1 2 ] 用 生 物 基 多 元 醇蓖麻 油 ( C O ) 替 代 石 油 基二元 醇 合 成 水 性 聚 氨酯 , 并 用 甲 基 丙 烯 酸 異 冰 片 酯 ( I B O M A ) 進(jìn) 行 共 聚 改性 , 制 得用 于 印 花 的 粘合劑 , 進(jìn) 而改善紡織 制 品 的 著色 效 果 ; 張 孟 等 [ 1 3 ] 以 聚 乙 二 醇單 甲 醚- b - 聚 甲 基丙烯酸 乂 盡二 甲 基 氨 基 乙 酯 為 分散 劑 , 制 備 了 正方形 B i O C l 晶 體 , 并 以 該 晶 體 為 珠 光 顏 料 , 水 性 聚 氨 酯 作 黏合 劑 , 制 得 了 珠 光 印 花 涂 層 , 其 涂 層 透 濕 率 > 5 5 0 0 g / ( m 2 . d ) , 透 氣 率 在 1 5  ̄ 24 mm/ s 之 間 , 耐 洗 和 耐 摩 擦 色 牢 度 達(dá) 到 4 級(jí) 及 以 上 ; 李楚璇等 [ 1 4 ] 以 1〇1 5 5 0 改性水性 聚氨酯乳液 , 研 究發(fā)現(xiàn)該樹(shù)脂 的 凍 融 穩(wěn)定性 、 儲(chǔ)存穩(wěn) 定性 、 離 心 穩(wěn) 定性和稀釋穩(wěn)定性依然較好 , 耐水性能得到 提高 。

     

    以 下 研究 以 市售 有 機(jī)硅助 劑 ( LPW 7 3 3 ) 為 改 性劑 、 用 丙酮法 合 成 水 性 有 機(jī)硅 改性 聚 氨 酯 樹(shù)脂 , 并用 儀器對(duì) 自 制 樹(shù)脂進(jìn) 行表征 、 測(cè) 試 , 并在紡織 品 上進(jìn) 行應(yīng)用 測(cè) 試 。

    1.動(dòng)力電池組封裝要求和導(dǎo)熱材料選擇

    1. 1 動(dòng)力電池組封裝的要求和挑戰(zhàn)

    動(dòng)力電池組封裝要求涵蓋了多個(gè)維度以確保電池在復(fù)雜且嚴(yán)苛的使用環(huán)境中保持性能穩(wěn)定并可以安全運(yùn)行。 首先封裝材料需要具備優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性和耐油性能夠抵御各類電解液和其他化學(xué)品的侵蝕。 其次封裝材料需要具備極好的耐高低溫性能能夠在極端溫度下保持良好的力學(xué)性能防止因熱脹冷縮導(dǎo)致尺寸變化或結(jié)構(gòu)失效。 再次封裝設(shè)計(jì)需要確保電池內(nèi)部組件不受水分影響同時(shí)還需要滿足阻燃環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)減少對(duì)環(huán)境的危害。 最后封裝材料需要有優(yōu)異的抗介電性能, 確保電池在高壓工作狀態(tài)下的安全性[1]

     

    1. 2 導(dǎo)熱材料在動(dòng)力電池組封裝中的作用

    封裝設(shè)計(jì)不僅要求保證電池模塊的力學(xué)穩(wěn)定絕緣性和防護(hù)性還必須兼顧高效的熱管理性以確保電池組運(yùn)行的安全與壽命。 導(dǎo)熱材料如導(dǎo)熱硅膠片導(dǎo)熱灌封膠散熱石墨膜等被廣泛應(yīng)用在新能源汽車動(dòng)力電池包中其能夠有效填充電池單體之間的空隙傳導(dǎo)并分散電池工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量防止局部過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)而維持電池系統(tǒng)的溫度均衡。 此外針對(duì)不同的散熱方式例如液冷風(fēng)冷或相變冷卻系統(tǒng)),選用適宜的導(dǎo)熱材料可增強(qiáng)散熱效果提高電池系統(tǒng)的整體能效并有助

    于延長(zhǎng)電池使用壽命提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力及安全性

    2.導(dǎo)熱聚氨酯膠的性能評(píng)價(jià)方法

    2. 1 熱導(dǎo)率測(cè)試方法

    按照 ASTM D5470 進(jìn)行測(cè)試測(cè)試時(shí)可能需要在多個(gè)厚度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)消除邊界效應(yīng)從而得到不受接觸熱阻影響的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)

     

    . 2 力學(xué)性能測(cè)試方法

    拉伸性能測(cè)試采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(UniversalTesting Machine, UTM)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率以及彈性模量的測(cè)定。 按照硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》 (GB / T 528—2009)或其他適用的標(biāo)準(zhǔn)將試樣裁剪成標(biāo)準(zhǔn)尺寸后在恒定速度下進(jìn)行拉伸直至破壞記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)

     

    剪切性能測(cè)試通過(guò)專用的剪切強(qiáng)度測(cè)試儀評(píng)估聚氨酯膠的剪切強(qiáng)度確保在承受剪切載荷時(shí)仍能保持良好的黏接效果。 按照膠粘劑 剪切強(qiáng)度的測(cè)定剛性材料對(duì)剛性材料)》 (GB / T 7124—2008)

    或其他針對(duì)導(dǎo)熱膠黏劑的特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試

     

    硬度測(cè)試使用邵氏硬度計(jì)如邵爾 A 型或 型硬度計(jì)),按照塑料 負(fù)荷變形溫度的測(cè)定》(GB /T 2411—2008)或相應(yīng)硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量聚氨酯膠的硬度值

    2. 3 化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試方法

    耐熱老化測(cè)試按照硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》 (GB / T 7141—2008),將樣品置于恒定高溫環(huán)境中一定時(shí)間后通過(guò)觀察外觀變化硬度變化導(dǎo)熱系數(shù)衰減以及通過(guò) FTIR光譜分析、TG 熱重分析、DSC 差示掃描量熱法等手段檢測(cè)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化以評(píng)估材料的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性

     

    耐濕熱測(cè)試按照電氣絕緣材料 濕熱條件下抗電強(qiáng)度和介質(zhì)損耗因數(shù)的試驗(yàn)方法》(GB/ T 29415—2013),模擬濕熱環(huán)境對(duì)膠體的影響試驗(yàn)考察其吸濕體積電阻率介電常數(shù)及介質(zhì)損耗角正切等參數(shù)的變化從而評(píng)估其在潮濕條件下的化學(xué)穩(wěn)定性

    3 .導(dǎo)熱聚氨酯膠的制備工藝與工藝參數(shù)優(yōu)化

    3. 1 聚氨酯膠合成工藝

    A 組分主要包含聚醚多元醇例如化學(xué)式為HO⁃(CH2CH2O) n⁃H),其中 n 代表聚合度。 此外為了提高導(dǎo)熱性能會(huì)添加特定比例的改性蓖麻油以及其他導(dǎo)熱填料如金屬氧化物碳基材料等例如 Al 2O3 或石墨烯等這些填料具有較高的熱導(dǎo)率),以及少量白炭黑(SiO2 )作為補(bǔ)強(qiáng)劑

     

    B 組分主要由多異氰酸酯如甲苯二異氰酸酯TDI 或二苯基甲烷二異氰酸酯 MDI,化學(xué)式分別為C6H5NCO ( NCO)2 ⁃C6H4 ⁃C6H4 ⁃NCO) 構(gòu)成并可能含有催化劑和其他助劑來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)速度和最終產(chǎn)品的性能[3]。

     

    制備過(guò)程中在嚴(yán)格控制兩組分比例的條件下混合并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成脲鍵(⁃NH⁃CO⁃O⁃) 和縮二脲結(jié)構(gòu)(⁃NH⁃CO⁃NH⁃CO⁃),形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚氨酯彈性體確保良好的導(dǎo)熱性能。 工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)如表 1 所示

     

    動(dòng)力電池組封裝用導(dǎo)熱聚氨酯膠的研究

     

    3. 2 導(dǎo)熱材料添加工藝及比例優(yōu)化

    導(dǎo)熱聚氨酯膠黏劑的制備工藝涉及對(duì)多種原材料的選擇和配比優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的力學(xué)性能耐熱性和導(dǎo)熱性。 在制作過(guò)程中關(guān)鍵步驟包括異氰酸酯與多元醇的化學(xué)反應(yīng)以及導(dǎo)熱填料的添加與分。 例如在一項(xiàng)公開(kāi)的專利技術(shù)中導(dǎo)熱聚氨酯膠黏劑的制備采用了雙組分體系其中A 組分包含聚醚多元醇:HO⁃(CH2CH2O) n⁃H)、改性蓖麻油以及其他助劑并加入一定比例的導(dǎo)熱填料如氧化鋁按質(zhì)量百分比計(jì)可達(dá) 20% ~ 67% ,同時(shí)可能還添加少量白炭黑(SiO2 )作為補(bǔ)強(qiáng)填料。 B 組分則通常含有異氰酸酯基團(tuán)的化合物例如異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI,結(jié)構(gòu)式為 HN = C = O⁃C6H11NCO⁃)。 在制備過(guò)程中兩組分按照特定的比例混合并且通過(guò)精確控制溫度攪拌速度和真空脫氣等工藝參數(shù)確保膠黏劑性的穩(wěn)定及導(dǎo)熱性能的最大化

     

    為了進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)熱材料的添加工藝及比例可通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)篩選和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分析不同導(dǎo)熱填料種類如金屬氧化物碳基填料等)、粒徑分布填充量等因素對(duì)最終產(chǎn)品性能的影響。 國(guó)家規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)例如電子工業(yè)用灌封及密封材料技術(shù)條件等相關(guān)文件也可能會(huì)對(duì)導(dǎo)熱聚氨酯膠的性能指標(biāo)提出具體要求從而指導(dǎo)生產(chǎn)工藝調(diào)

     

    . 3 藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)熱聚氨酯膠性能的影響

    在導(dǎo)熱聚氨酯膠的制備工藝中工藝參數(shù)的選擇與控制對(duì)最終產(chǎn)品的性能表現(xiàn)具有決定性影響例如通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物多元醇:HO⁃(R'O)⁃OH)與異氰酸酯:R⁃N = C = O)的比例可以改變聚氨酯鏈段結(jié)構(gòu)從而影響其力學(xué)性能熱穩(wěn)定性能反應(yīng)溫度是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)在適如 0 ~ ℃ ),能有效促進(jìn)聚氨酯預(yù)聚體⁃NO ⁃O端基的有效縮合合成出分子量適中的聚合物接影響膠黏劑的黏度和固化速度

     

     

     4.導(dǎo)熱聚氨酯膠在動(dòng)力電池組封裝中的應(yīng)用性能研究

    4. 1 導(dǎo)熱聚氨酯膠在動(dòng)力電池組封裝中的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)

    在動(dòng)力電池組封裝技術(shù)中導(dǎo)熱聚氨酯膠作為一種關(guān)鍵的黏接與密封材料其應(yīng)用性能研究對(duì)于提升電池組的安全性穩(wěn)定性及效能至關(guān)重要。 聚氨酯(PU)因其特殊的分子結(jié)構(gòu)可通過(guò)化學(xué)改性實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性能如添加特定填料如金屬氧化物等來(lái)提高其熱傳導(dǎo)效率。 這種導(dǎo)熱聚氨酯膠不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能能夠有效抵抗振動(dòng)和沖擊確保電芯之間的穩(wěn)定連接和整體結(jié)構(gòu)的牢固性而且還具備良好的絕緣性能以及對(duì)溫度變化的高度適應(yīng)性[4]

     

    4. 2 導(dǎo)熱聚氨酯膠封裝動(dòng)力電池組的熱管理效果

    在新能源汽車動(dòng)力電池組封裝技術(shù)中導(dǎo)熱聚氨酯膠因其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能而受到廣泛關(guān)。 聚氨酯作為一類高性能聚合物材料在電池封裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究中展現(xiàn)出了卓越的綜合優(yōu)勢(shì)。 當(dāng)應(yīng)用于動(dòng)力電池組封裝時(shí)導(dǎo)熱聚氨酯膠能夠有效提升電池系統(tǒng)的熱管理效果。 導(dǎo)熱聚氨酯膠內(nèi)含特定填料如金屬氧化物或碳基材料如石墨烯碳纖維),增強(qiáng)了其導(dǎo)熱性能能夠在電池充放電過(guò)程中迅速將內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱系統(tǒng)從而防止局部過(guò)熱確保電池工作溫度維持在安全范圍內(nèi)延長(zhǎng)電池使用壽命并提高整體能效。 通過(guò)精心設(shè)計(jì)和制備的雙組分或多組分聚氨酯體系不僅可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能以滿足抗震絕緣以及密封需求還能優(yōu)化傳熱路徑確保動(dòng)力電池組在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和可靠性

     

    4. 3 導(dǎo)熱聚氨酯膠封裝動(dòng)力電池組的安全性能分析

    在動(dòng)力電池組封裝技術(shù)中導(dǎo)熱聚氨酯膠因其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。 在動(dòng)力電池組的應(yīng)用中導(dǎo)熱聚氨酯膠不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電芯間的高效黏接與固定還能夠有效傳導(dǎo)電池工作過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量從而提升電池系統(tǒng)的散熱效能防止局部過(guò)熱導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)

    5 結(jié)語(yǔ)

    綜 上所述動(dòng)力電池組封裝是新能源汽車技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要領(lǐng)域對(duì)材料的性能要求極為嚴(yán)。 導(dǎo)熱聚氨酯膠作為動(dòng)力電池組封裝中的重要材在保證電池組穩(wěn)定性能熱管理效果和安全性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱聚氨酯膠的性能評(píng)價(jià)方法制備工藝參數(shù)的優(yōu)化以及應(yīng)用性能研究的探討有助于更好地理解和應(yīng)用這一材料推動(dòng)動(dòng)力電池組封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步

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