一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料及其制备方法、对位芳纶涂层隔膜

文档序号:686144 发布日期:2021-04-30 浏览:33次 >En<

阅读说明:本技术 一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料及其制备方法、对位芳纶涂层隔膜 (Para-aramid and polyetherimide blend slurry, preparation method thereof and para-aramid coating diaphragm ) 是由 袁海朝 徐锋 李腾 苏碧海 于 2020-12-30 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料及其制备方法、对位芳纶涂层隔膜。其制备方法中,通过合成对位芳纶时提高添加氯化钙的量让游离的钙离子跟氯离子占据对位芳纶中的氢和氧的位置来消除对位芳纶纳米纤维之间的氢键,然后利用聚丁二醇来阻断对位芳纶分子之间的连接,控制大分子之间的聚合,使对位芳纶浆料形成高分散不易变质的浆料,然后添加经过溶解后的聚醚酰亚胺溶液,让高分散型的对位芳纶纳米纤维均匀的吸附在聚醚酰亚胺分子链当中,当浆料萃取固化时,聚醚酰亚胺分子会因造孔剂的脱离,形成多孔网撑起对位芳纶纳米纤维的骨架,使整体隔膜产生耐高温,高孔隙率的涂层隔膜。(The invention discloses para-aramid and polyetherimide blend slurry, a preparation method thereof and a para-aramid coating diaphragm. In the preparation method, the amount of added calcium chloride is increased when para-aramid is synthesized, free calcium ions and chloride ions occupy positions of hydrogen and oxygen in para-aramid to eliminate hydrogen bonds between para-aramid nano fibers, then polybutylene glycol is used for blocking connection between para-aramid molecules, polymerization between macromolecules is controlled, the para-aramid slurry is made into highly-dispersed slurry which is not easy to deteriorate, then dissolved polyetherimide solution is added, the highly-dispersed para-aramid nano fibers are uniformly adsorbed in a polyetherimide molecular chain, when the slurry is extracted and solidified, the polyetherimide molecules can be separated due to pore-forming agents to form a porous net to support a skeleton of the para-aramid nano fibers, and the whole membrane is made into a coating membrane with high temperature resistance and high porosity.)

一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料及其制备方法、对位芳 纶涂层隔膜

技术领域

本发明涉及锂电池隔膜技术领域,特别是涉及一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料及其制备方法、对位芳纶涂层隔膜。

背景技术

对位芳纶涂层虽然具有很高的耐温性能,但是其分子量对于隔膜的涂层具有很大的影响,合成过程中很难把握其合适的分子量,分子量过小耐温性和粘结力都有所降低,分子量太大很容易固化变质,所以在合成过程中需要一种方法控制其分子量。

对位芳纶纤维之间吸附能力很强,涂覆在隔膜表面很容易粘结在一起,使隔膜的孔隙率变的很小,现需要一种特殊的骨架结构分开和撑起纳米纤维,让其在隔膜上有足够的孔径。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中对位芳纶涂层导致隔膜孔隙率减小的技术缺陷,而提供一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料的制备方法。

本发明的另一个目的,是提供上述制备方法制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料。

本发明的另一个目的,是提供一种对位芳纶涂层隔膜。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是:

一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料的制备方法,包括以下步骤:

步骤1:将氯化钙加入至N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,加热搅拌至氯化钙完全溶解,得第一混合溶液;

其中,氯化钙和NMP的质量比为(8-15):(85-92);

加热温度为60-80℃,搅拌时间为40-80min;

步骤2:将步骤1所得第一混合溶液降温至室温,然后向所述第一混合溶液中加入聚丁二醇并搅拌均匀,再加入气相纳米陶瓷颗粒,搅拌均匀后砂磨得第二混合溶液;

其中,第一混合溶液、聚丁二醇和气相纳米陶瓷颗粒的质量比为(87-92):(3-5):(3-10);

砂磨时间为15-20min,砂磨转速为800-1000r/min;

步骤3:惰性气体保护下,将步骤2所得第二混合溶液降温至10-15℃,然后向第二混合溶液中加入对苯二胺,搅拌使对苯二胺完全溶解得第三混合溶液;将第三混合溶液降温至-2-0℃,加入对苯二甲酰氯,在-2-0℃温度下搅拌10-15min,然后恢复至室温继续搅拌15-20min得第四混合溶液;

其中,对苯二胺和对苯二甲酰氯的摩尔比为1:1;

第二混合溶液的质量和对苯二胺与对苯二甲酰氯的总质量的比为(93-95):(5-7);

步骤4:向步骤3所得第四混合溶液中加入碳酸二甲酯造孔剂,搅拌均匀得第五混合溶液;

其中,第四混合溶液和碳酸二甲酯的质量比为(93-95):(5-7);

搅拌公转转速为35-40r/min,自转转速为1000-1500r/min;

步骤5:将聚醚酰亚胺颗粒加入至NMP中,60-80℃搅拌直至聚醚酰亚胺颗粒完全溶解得第六混合溶液;

其中,聚醚酰亚胺颗粒和NMP的质量比为(10-20):(80-90);

步骤6:将步骤4所得第五混合溶液和步骤5所得第六混合溶液混合,搅拌均匀得对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料;

其中,第五混合溶液和第六混合溶液的质量比为(70-80):(20-30)。

本发明的另一方面,是应用上述制备方法制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料。

本发明的另一方面,一种对位芳纶涂层隔膜,包括基膜和涂覆在所述基膜一侧或两侧上的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料形成的涂层。涂覆方式为网纹辊辊涂,使用萃取固化液对涂覆在基膜上的浆料进行萃取固化。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

1.本发明提供的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,添加氯化钙的量较多,让游离的钙离子跟氯离子占据对位芳纶中的氢和氧的位置来消除对位芳纶纳米纤维之间的氢键,然后利用聚丁二醇来阻断对位芳纶分子之间的连接,控制大分子之间的聚合,使对位芳纶浆料形成高分散不易变质的浆料,从而避免隔膜孔隙率减小,进而避免透气值增加。

2.本发明提供的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,添加经过溶解后的聚醚酰亚胺,让高分散型的对位芳纶纳米纤维均匀的吸附在聚醚酰亚胺分子链当中,当浆料萃取固化时,聚醚酰亚胺分子会因造孔剂的脱离,形成多孔网撑起对位芳纶纳米纤维的骨架,使整体隔膜产生耐高温,高孔隙率的涂层隔膜。

3.本发明提供的对位芳纶涂层隔膜,透气性和耐热性良好。

附图说明

图1为实施例1制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜的电镜图;

图2所示为对比例1制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜的电镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1

一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料的制备方法,包括以下步骤:

步骤1:将8质量份的氯化钙加入至92质量份的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,使用搅拌夹套升温至60℃,搅拌60min,至氯化钙完全溶解,得第一混合溶液;

步骤2:将步骤1所得第一混合溶液降温至室温,然后向所述第一混合溶液中加入聚丁二醇并通过船桨式搅拌器搅拌均匀,搅拌时间为5min,关闭自转,船桨式搅拌器的公转速度为35r/min(搅拌机里的搅拌器为船桨式,一般比较大,搅拌速度比较慢,称为公转,在船桨式的搅拌叶有小的分散盘,会随着搅拌器公转,在公转的过程中自身也转动,而且转速很快,称为自转),然后加入气相纳米陶瓷颗粒并搅拌均匀,公转速度为40r/min,自转速度为2000r/min,搅拌时间为30min,最后加入棒销式纳米砂磨机当中进行砂磨,砂磨转速设置为900r/min,砂磨时间为15min;按照质量份数计,所述第一混合溶液、聚丁二醇和气相纳米陶瓷颗粒的比例为87:3:10。

步骤3:将反应釜通入氮气保护,将步骤2所得第二混合溶液降温至10℃,然后向第二混合溶液中加入对苯二胺,搅拌15min使对苯二胺完全溶解得第三混合溶液;将第三混合溶液降温至-2℃,加入对苯二甲酰氯,在-2℃温度下搅拌10min,然后恢复至室温继续搅拌15min得第四混合溶液;所述对苯二胺和对苯二甲酰氯的摩尔比为1:1;所述第二混合溶液的质量和对苯二胺与对苯二甲酰氯的总质量的比为93:7。

步骤4:向步骤3所得第四混合溶液中加入碳酸二甲酯造孔剂,通过船桨式搅拌器搅拌均匀得第五混合溶液;搅拌时间为30min,船桨式搅拌器的公转速度为35r/min,自转速度为1000r/min,第四混合溶液和碳酸二甲酯的质量比为95:5。

步骤5:将聚醚酰亚胺颗粒加入至N-甲基吡咯烷酮中,60℃加热搅拌直至聚醚酰亚胺颗粒完全溶解得第六混合溶液;所述聚醚酰亚胺颗粒和N-甲基吡咯烷酮的质量比为10:90;

步骤6:将步骤4所得第五混合溶液和步骤5所得第六混合溶液混合,搅拌均匀得对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,搅拌时间为30min;第五混合溶液和第六混合溶液的质量比为70:30。

一种对位芳纶涂层隔膜,包括厚度为12μm的PE基膜和涂覆在所述基膜两侧上的上述对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料形成的涂层。其中,涂覆方式为网纹辊辊涂

对比例1

对比例1相比于实施例1,不包含步骤5和步骤6,步骤4得到的第五混合溶液作为对位芳纶浆料。

实施例2

一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料的制备方法,包括以下步骤:

步骤1:将11质量份的氯化钙加入至89质量份的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,使用搅拌夹套升温至70℃,搅拌60min,至氯化钙完全溶解,得第一混合溶液;

步骤2:将步骤1所得第一混合溶液降温至室温,然后向所述第一混合溶液中加入聚丁二醇并通过船桨式搅拌器搅拌均匀,搅拌时间为7min,关闭自转,公转速度为35r/min,然后加入气相纳米陶瓷颗粒并搅拌均匀,公转转速为40r/min,自转转速为2000r/min,搅拌时间为35min,最后加入棒销式纳米砂磨机当中进行砂磨,砂磨转速设置为900r/min,砂磨时间为17min;按照质量份数计,所述第一混合溶液、聚丁二醇和气相纳米陶瓷颗粒的比例为90:4:6。

步骤3:将反应釜通入氮气保护,将步骤2所得第二混合溶液降温至12℃,然后向第二混合溶液中加入对苯二胺,搅拌17min使对苯二胺完全溶解得第三混合溶液;将第三混合溶液降温至-1℃,加入对苯二甲酰氯,在-2℃温度下搅拌13min,然后恢复至室温继续搅拌17min得第四混合溶液;所述对苯二胺和对苯二甲酰氯的摩尔比为1:1;所述第二混合溶液的质量份数和对苯二胺与对苯二甲酰氯的总质量份数的比为94:6。

步骤4:向步骤3所得第四混合溶液中加入碳酸二甲酯造孔剂,搅拌均匀得第五混合溶液;搅拌时间为30min,公转速度为37r/min,自转速度为1300r/min,按照质量份数计,第四混合溶液和碳酸二甲酯的比为94:6。

步骤5:将聚醚酰亚胺颗粒加入至N-甲基吡咯烷酮中,80℃加热搅拌直至聚醚酰亚胺颗粒完全溶解得第六混合溶液;所述聚醚酰亚胺和N-甲基吡咯烷酮的质量比为15:85;

步骤6:将步骤4所得第五混合溶液和步骤5所得第六混合溶液混合,搅拌均匀得对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,搅拌时间为30min;按照质量份数计,第五混合溶液和第六混合溶液的比为75:25。

实施例3

一种对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料的制备方法,包括以下步骤:

步骤1:将15质量份的氯化钙加入至85质量份的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,使用搅拌夹套升温至80℃,搅拌至氯化钙完全溶解,得第一混合溶液;

步骤2:将步骤1所得第一混合溶液降温至室温,然后向所述第一混合溶液中加入聚丁二醇并搅拌均匀,搅拌时间为10min,关闭自转,公转转速35r/min,然后加入气相纳米陶瓷颗粒并搅拌均匀,搅拌公转速度为40r/min,自转速度为2000r/min,搅拌时间为40min,最后加入棒销式纳米砂磨机当中进行砂磨,砂磨转速设置为900r/min,砂磨时间为20min;按照质量份数计,所述第一混合溶液、聚丁二醇和气相纳米陶瓷颗粒的比例为92:5:3。

步骤3:将反应釜通入氮气保护,将步骤2所得第二混合溶液降温至15℃,然后向第二混合溶液中加入对苯二胺,搅拌20min使对苯二胺完全溶解得第三混合溶液;将第三混合溶液降温至0℃,加入对苯二甲酰氯,在-2℃温度下搅拌15min,然后恢复至室温继续搅拌20min得第四混合溶液;所述对苯二胺和对苯二甲酰氯的摩尔比为1:1;所述第二混合溶液的质量份数和对苯二胺与对苯二甲酰氯的总质量份数的比为95:5。

步骤4:向步骤3所得第四混合溶液中加入碳酸二甲酯造孔剂,搅拌均匀得第五混合溶液;搅拌时间为30min,搅拌公转速度为40r/min,自转速度为1500r/min,按照质量份数计,第四混合溶液和碳酸二甲酯的比为93:7。

步骤5:将聚醚酰亚胺颗粒加入至N-甲基吡咯烷酮中,80℃加热搅拌直至聚醚酰亚胺颗粒完全溶解得第六混合溶液;所述聚醚酰亚胺和N-甲基吡咯烷酮的质量比为20:80;

步骤6:将步骤4所得第五混合溶液和步骤5所得第六混合溶液混合,搅拌均匀得对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,搅拌时间为30min;按照质量份数计,第五混合溶液和第六混合溶液的比为80:20。

对比例2

对比例2相比于实施例3,其区别在于,步骤1中,氯化钙和N-甲基吡咯烷酮的质量比为3:97。其他步骤与实施例3一致。

实施例4

一种对位芳纶涂层隔膜,包括厚度为12μm的PE基膜和涂覆在所述基膜两侧上的上述实施例1-3的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料以及对比例1-2制备的对位芳纶浆料。其中,涂覆方式为网纹辊辊涂,使用萃取固化液对涂覆在基膜上的浆料进行萃取固化。

把萃取槽分10个小槽,让隔膜上下穿过每个槽,槽深约一米,前三槽采用不同比例的萃取液,萃取固化液为去离子水与NMP混合液,第一槽NMP与水的质量比为5:1,第二槽为NMP与水的质量比为1:1,第三槽为NMP与水的质量比为2:3,过程经过三种不同浓度的凝固浴萃取,其他槽采用去离子水洗涤。

聚醚酰亚胺与对位芳纶都溶于溶剂NMP当中,当浆料经过水时,因为溶剂会更容易溶于水中,水将浆料中的溶剂夺走,浆料中因为缺少溶剂,浆料中的高分子将会凝固粘接在隔膜上,为防止浆料凝固过于快而导致孔径过小,所以将萃取前在水中加溶剂减缓凝固,整个过程称为凝固浴。

涂覆参数为:放卷张力32N;萃取张力18N;烘道张力6N;收卷张力2N;网纹辊速比调节140%;进料速度要保持有回液;烘箱温度平均50℃。

图1为实施例1制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜的电镜图;图2所示为对比例1制备的浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜的电镜图。从图1可以看出,对位芳纶纳米纤维完全分散开,均匀的分散在聚醚酰亚胺骨架上,且孔隙率较高。而图2中因为缺少聚醚酰亚胺的骨架导致芳纶纤维完全粘接在一起,使孔隙率降低。其原因在于,添加经过溶解后的聚醚酰亚胺溶液,让高分散型的对位芳纶纳米纤维均匀的吸附在聚醚酰亚胺分子链当中,当浆料萃取固化时,聚醚酰亚胺分子会因造孔剂的脱离,形成多孔网撑起对位芳纶纳米纤维的骨架,使整体隔膜产生耐高温,高孔隙率的涂层隔膜。

实施例1-3制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料和对比例1、2制备的对位芳纶浆料形成的对位芳纶涂层隔膜性能参数如下表所示:

从上表可以看出,实施例1-3中制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料制备的对位芳纶涂层隔膜的透气性和热收缩性能相比于对比例1-2制备的浆料制备的对位芳纶涂层隔膜显著提高。

对比例2中制备的浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜,相比于实施例3制备的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料涂覆形成的对位芳纶涂层隔膜,透气值答复增加,且热收缩率显著增加,这主要是由于实施例3中,添加氯化钙的量较多,让游离的钙离子跟氯离子占据对位芳纶中的氢和氧的位置来消除对位芳纶纳米纤维之间的氢键,然后利用聚丁二醇来阻断对位芳纶分子之间的连接,控制大分子之间的聚合,使对位芳纶浆料形成高分散不易变质的浆料,从而避免隔膜孔隙率减小,进而避免透气值增加。

依照本发明内容进行工艺参数调整,均可制备本发明的对位芳纶与聚醚酰亚胺共混浆料,并表现出与实施例1基本一致的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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