鉛酸蓄電池蓋阻燃性與低溫耐沖擊性研究

沈 杰，宋亞娟，張滿琴，徐 震，強(qiáng)力威

(國(guó)家動(dòng)力及儲(chǔ)能電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江湖州 313100)

近年來，隨著電動(dòng)助力車的廣泛應(yīng)用，對(duì)鉛酸蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量要求日益提高。而電池蓋存在質(zhì)量缺陷可導(dǎo)致電池壽命嚴(yán)重衰減，甚至出現(xiàn)漏液、著火等安全風(fēng)險(xiǎn)問題。

本文通過對(duì)市場(chǎng)上的電動(dòng)助力車用鉛酸蓄電池槽蓋進(jìn)行隨機(jī)采樣，按照GB/T22199.1-2017《電動(dòng)助力車用閥控式鉛酸蓄電池 第1 部分：技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)[1]和GB/T 23754-2019《鉛酸蓄電池槽、蓋》標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，探尋影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素及其應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而為電池塑殼企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量提出合理化建議和提供技術(shù)支撐。

1 檢驗(yàn)項(xiàng)目

隨機(jī)采樣市場(chǎng)16 批次不同廠家的電動(dòng)助力車用閥控式鉛酸蓄電池槽蓋樣品，其中6-DZM-12 的樣品8 個(gè)批次，6-DZM-20 的樣品8 個(gè)批次，每個(gè)批次各取15 個(gè)樣品。按標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)16 個(gè)批次樣品的耐電壓、耐沖擊性、耐熱性、鐵含量、還原高猛酸鉀含量、阻燃性項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，具體檢驗(yàn)項(xiàng)目詳見表1。

表1 鉛酸蓄電池蓋檢驗(yàn)項(xiàng)目

表2 為不同類型產(chǎn)品不合格率統(tǒng)計(jì)表。結(jié)果顯示，參與檢驗(yàn)的16 批次樣品，在阻燃性項(xiàng)目中，符合V-0 級(jí)阻燃要求的有9 個(gè)批次，不符合V-0 級(jí)阻燃要求的有7 個(gè)批次，不合格率43.8%；在低溫耐沖擊項(xiàng)目中，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的有14 個(gè)批次，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的有2 個(gè)批次，不合格率12.5%。其中，6-DZM-12 型電池蓋共8 個(gè)批次，不符合V-0 級(jí)阻燃要求的有3 批次，不合格率37.5%，低溫耐沖擊項(xiàng)目不合格的有2 個(gè)批次，不合格率25.0%；6-DZM-20 型電池蓋共8 個(gè)批次，不符合V-0 級(jí)阻燃要求的有4 個(gè)批次，不合格率50%，低溫耐沖擊項(xiàng)目均合格，不合格率為0%。

表2 不同類型產(chǎn)品不合格率統(tǒng)計(jì)表

2 產(chǎn)品質(zhì)量問題及原因分析、對(duì)策

產(chǎn)品質(zhì)量問題及安全隱患如表3 所示。

表3 產(chǎn)品質(zhì)量問題及安全隱患

2.1 ABS 基體樹脂的選擇

蓄電池外殼ABS 基體樹脂材料選購時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)進(jìn)貨渠道、產(chǎn)品檢驗(yàn)，基體樹脂在常、低溫條件下應(yīng)具有較好的耐沖擊強(qiáng)度，以防止蓄電池在運(yùn)輸過程及低溫條件下出現(xiàn)開裂漏酸的危險(xiǎn)，同時(shí)還要具有一定的剛性，減少蓄電池在使用過程中出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，ABS 基體樹脂常、低溫耐沖擊及彎曲性能數(shù)據(jù)詳見表4。結(jié)合成本考慮，建議選用高耐沖擊ABS D-120A 和通用級(jí)ABS AG15A1 復(fù)配，保證材料較好的常、低溫耐沖擊強(qiáng)度及剛性[3]。

表4 ABS基體樹脂常低溫耐沖擊及彎曲性能數(shù)據(jù)

2.2 ABS 材料阻燃劑的選擇

ABS 材料具有較好的韌性、硬度以及剛性相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能，目前鉛酸蓄電池蓋常用阻燃劑以溴系阻燃劑應(yīng)用最為廣泛。由于C-Br 鍵的鍵能較低，溴系阻燃劑與常用聚合物的分解溫度范圍接近，因此它們可實(shí)現(xiàn)同步阻燃[4]。而且溴系阻燃劑可與銻復(fù)配使用，可減少阻燃劑添加用量，減小對(duì)力學(xué)性能的影響。溴系阻燃劑主要有四溴雙酚A 系FR-1524、三溴苯酚系三(三溴苯基)氰尿酸酯FR-245 等。未添加阻燃劑的母材與添加四溴雙酚A 系和三溴苯酚系阻燃ABS的力學(xué)性能詳見表5。不同阻燃劑制備阻燃ABS 的阻燃性能詳見表6。

表5 不同阻燃劑制備阻燃ABS的力學(xué)性能

表6 不同阻燃劑制備阻燃ABS的阻燃性能

通過比對(duì)試驗(yàn)可以看出，四溴雙酚A 系阻燃劑和三溴苯酚系阻燃劑的引入均可制備出UL94 V-0 級(jí)阻燃ABS，但會(huì)不同程度影響材料的力學(xué)性能，特別是對(duì)拉伸強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度的影響最為明顯。這是ABS 基體樹脂本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和織態(tài)結(jié)構(gòu)決定的，而且隨著阻燃劑加入量的增加，影響程度相應(yīng)加重。圖1 為阻燃劑含量對(duì)ABS 拉伸強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度的影響。由圖1 可知，當(dāng)阻燃劑含量達(dá)到20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降10%，耐沖擊強(qiáng)度下降50%[5]。綜合力學(xué)性能和阻燃性能，優(yōu)選三溴苯酚系溴代三嗪FR-245 阻燃劑。

圖1 阻燃劑含量對(duì)ABS拉伸強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度的影響

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

加強(qiáng)筋不僅可以提高塑料產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，減少扭歪現(xiàn)象，而且可以使塑料成型時(shí)容易充滿型腔。加強(qiáng)筋的合理分布和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品低溫耐沖擊性能的重要影響因素。6-DZF-20 型蓋低溫耐沖擊性合格率明顯高于6-DZF-12 型蓄電池蓋，詳見圖2～3。加強(qiáng)筋的數(shù)量和加強(qiáng)筋的高度與制品的剛度成正比，在蓋質(zhì)量不變時(shí)，加強(qiáng)筋的高度增加10 倍可使平板的剛度提高40 倍左右，而加強(qiáng)筋的數(shù)量增加10 倍僅能使平板的剛度提高3 倍左右[6]。另外，當(dāng)受到?jīng)_擊作用時(shí)，加強(qiáng)筋連接點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)缺口應(yīng)力。缺口應(yīng)力決定節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度,進(jìn)而決定蓄電池蓋的強(qiáng)度。少量地增大加強(qiáng)筋連接點(diǎn)處相對(duì)圓角半徑可以提高節(jié)點(diǎn)的彎曲強(qiáng)度。

圖2 6-DZF-20型蓄電池蓋

圖3 6-DZF-12型蓄電池蓋

3 結(jié)論

選購優(yōu)質(zhì)原料，提升產(chǎn)品自檢能力。建議選用高沖擊ABS D-120A 和通 用級(jí)ABS AG15A1 復(fù)配，保 證ABS 母 材具有較好的常、低溫耐沖擊強(qiáng)度及剛性。建議加大科技投入，結(jié)合力學(xué)性能、耐熱性及耐候性等綜合性能，合理選擇阻燃劑類別，優(yōu)選三溴苯酚系溴代三嗪FR-245 阻燃劑。建議優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，合理增加加強(qiáng)筋數(shù)量和高度，少量地增大加強(qiáng)筋連接點(diǎn)處相對(duì)圓角半徑，充分發(fā)揮加強(qiáng)筋耐沖擊性的支撐功能。建議加大生產(chǎn)工藝管控力度，加強(qiáng)企業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵點(diǎn)控制，通過用偶聯(lián)劑等對(duì)阻燃劑進(jìn)行活化處理，改善ABS 和阻燃劑之間的相容性，使阻燃劑在ABS 材料中均勻分布，提高產(chǎn)品性能一致性。