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()文章编号:100197312019070711505---软包锂离子电池铝塑膜的热封性能研究
2
吕尚书1,
*
(重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室,重庆41.00020;
)重庆工商大学机械工程学院,重庆42.00020
、摘 要:和80μm流延聚丙烯热封层铝塑膜(1#样品)80μm流延聚丙烯热封层铝塑膜(2#样品)0μm 选取4
接枝改性P作为研究对象,在不同热封温度、热封时间、热封压力、热封层厚度和热封层P热封层铝塑膜(3#样品)种类的条件下,对3种不同软包锂离子电池铝塑膜进行热封研究。利用万能试验机和扫描电镜等,对3种不同铝塑膜的热封强度和热封结合界面进行分析。结果表明,3种不同铝塑膜的最佳热封工艺均为热封温度为230℃,
,。1#样品的热封强度最高仅为9/热封时间为1热封压力为1.2s0MPa8.9N15mm;3#样品的热封强度最高为//热封压力对铝塑膜114.3N15mm;2#样品的热封强度最高可达144.4N15mm。在0.5~1.0MPa的范围内,
热封强度的影响不显著,热封温度和热封时间成为影响样品热封强度的主要因素。在相同的热封条件下,CPP热封层的热封效果要明显好于P剥离实验失效模式为界面破PPGMA热封层。热封剥离失效界面的研究表明,-g-坏和剥离破坏两种破坏模式并存,如果对铝箔进行表面处理,增加铝箔CPP与铝箔间的界面没有紧密机械啮合,与C可能会成为提高铝塑膜热封强度的有效手段之一。PP间的机械结合力,关键词:热封温度;热封时间;热封强度 铝塑膜;中图分类号:文献标识码:911A TM
:/DOI10.3969i.ssn.1001-9731.2019.07.021j
0 引 言
铝塑复合薄膜是包装、建筑和冷却领域的常用功
[]13-。能材料,现已应用于软包锂离子电池领域(LIB)锂离子电池是一种可以充放电到负载中并多次循环使
用的电池。它由一个或多个电化学电池组成,是许多便携式电信设备的基本电源。手机、笔记本电脑和掌上电脑等移动电子设备的快速发展带来了对二次电池需求的增加。因此,二次电池技术最近变得越来越重要,并成为信息技术设备部件的核心产业。此外,越来越需要轻便、小巧但性能更好的电子设备,这些电子设备需要更轻、更小、更薄且运行时间更长的二次电池。特别是那些中型或大型移动设备,需要消耗大量的电能才能实现长续航操作。因此,复合薄膜包装的锂离子电池在市场上具有优势,它可以提供更多的电量,同时保持薄的器件外形。软包锂离子电池通常包裹在铝/聚合物层压膜中。复合薄膜在服役期间对气、光、水和电解质腐蚀具有较高的阻隔性能,从而衍生出了一种3层复合薄膜。尼龙(聚酰胺,层提供机械耐PA)久性,铝层阻挡气体和水蒸气,聚丙烯(层增加稳PP)
]45-。定性和热封性[
很多研究团队进行了铝塑膜的热封性能研究。
[6]
薄膜的界面KellPE)y等计算并测量了各种聚乙烯(
*
发现高压对热封性能并无增益,确定了在温度高温度,
[]
于聚合物熔点时的热封性能。Planes等7研究了单层聚乙烯和1~3层涂覆铝的PET层复合薄膜的热封性能,优化了复合聚合物薄膜的热封参数。StehlinFg
8]等[研究了热封温度对各种聚乙烯薄膜热封强度的影响,发现热封强度随热封温度的变化而变化,薄膜中的[]非晶态聚乙烯分数也随之变化。Mueller等9研究了压板温度和热封时间对线性低密度聚乙烯(LLDPE)
热封强度的影响,通过扫描电子显微镜(观察了SEM)材料的剥离断裂表面,发现热封温度的对材料的影响
[0]与L研究了取LDPE的非均相组成有关。Tsuii等1j
向PALDPE-和L-层压薄膜的结晶度对热封强度的影响,发现结晶度对薄膜机械性能有很大影响。Yuan
11]等[用L作为热封剂LDPE和低密度聚乙烯(LDPE)研究了聚合物薄膜的热封性能,发现热封强度主要由
压板温度决定,热封时间为次要因素。
[2]
目前关于铝塑膜热封性能的研究较少。Xia等1
研究了钼酸盐处理的铝箔与聚丙烯接枝甲基丙烯酸缩
、、水甘油酯(丙烯酸(马来酸酐(对GMA)AA)MAH)聚合物铝层压膜剥离强度的影响,发现钼酸盐处理的
铝箔的剥离强度大约是未处理的10倍。与纯PP相比,GMAAAP的界面剥离强度-、-或MAH-改性的P
[]13
显著提高。K研究了工艺参数对挤压接枝ang等
);基金项目:重庆市基础与前沿研究计划资助项目(重庆市重点产业共性关键技术创新专项重点研发资助cstc2015cA50027jyj
)项目(cstc2017zdc-zdfX0083yy
:收到初稿日期:收到修改稿日期:通讯作者:吕尚书,2019042420190612E-maillvshanshu63.com----@1g
:(),,,,,。作者简介吕尚书 1980-女山西太谷人在读硕士助教从事新型包装材料研究
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/铝层粘附性能的影响,发现可以在高温条件下增PP
加反应时间和接枝聚合物链与铝之间的化学反应速率来改善粘合性。本文选取3种不同热封层的铝塑膜作为研究对象,通过分析3种不同铝塑膜的主要热封参数,研究了不同热封温度、热封时间、热封压力、热封层厚度和热封层种类等对铝塑膜热封强度的影响。讨论了热封时间、热封材料层厚度和热封材料加工工艺等对铝塑膜热封强度的影响。
购为研究对象,3种不同铝塑膜分别标记为1,2和3#,
自紫江新材料科技股份有限公司。表1为3种不同铝塑膜的材料组成及厚度。铝塑膜最外层是聚酰胺(,起到一定装饰作用,具有一定的防刺穿能力以PA)及防漏性能;中间层是铝箔,防止水分和气体的渗透;最内层是CPP或甲基丙烯酸甘油酯熔融接枝改性的
热封层。其中,热封层对热封机械PP(PPPGMA)-g-性能影响最大。
1.2 样品制备
为了表征热封区域,将样品切割并叠置以热封。/根据G首先将铝塑膜切成特定尺寸BT22638.708, -的条带,长度为1宽度为1然后将两条00mm,5mm;
相同长度的铝塑膜热封在一起形成一个热封试样。
1 实 验
1.1 原材料
实验选取4热封层铝0μm流延聚丙烯(CPP40)-塑膜、热封层铝塑膜和80μm流延聚丙烯(CPP80)-)热封层铝塑膜作80μm接枝改性PP(PPPGMA80-g--表1 3种不同铝塑膜的材料组成及厚度
lasticTable1Comositionandthicknessofthreedifferentaluminumfilms -p p
试样1#
2#3#
材料组成CPP40- CPP80- PPPGMA80--- g
总厚度/mμ
90
130 130
聚酰胺厚度/mμ
20
20 20
铝箔厚度/mμ
25
25 25
粘合剂厚度/mμ
5
55
1.3 样品热封
首先将制备的热封试样在锂电池真空封口机(型号Z东莞市精鼎自动化设备科技有限公司)上KF20,-热封,然后将热封试样面对面放置在热封试验机的上部和下部热封钳之间,来研究和优化每种铝塑膜的热封温度和热封时间。热封条件为:温度范围160~
。在整个热封过程中将压力热封时间1~1230℃,2s。热封后,设定为0.将铝塑膜在环境条件5~1.0MPa
下冷却至25℃。1.4 剥离强度实验
通过TH-苏州拓博机械设8901A型万能试验机(备有限公司)进行剥离强度实验,以测试试样的热封强度。将试样与垂直于张力方向的热封线对齐。所有测
/试均在约2应变速率为4记录5℃下进行,5mmmin,最大负载。热封强度(定义为最大拉伸载荷HSS值)
/除以样品宽度,单位为N15mm。对于每种热封条件,HSS样品≥5个。
/值在4效果远好于4s时热封的样0N15mm左右,
品。
2 结果与讨论
2.1 热封温度对样品HSS值的影响
图1为在1.不同热封温度对0MPa热封压力下,样品热封强度的影响。其中,1#样品热封层CPP厚度为40μm,2#样品热封层CPP厚度为80μm。从图1()可以看出,热a1#样品在170℃,4s的热封条件下,封强度(接近或等于0,这可能是由于CHSS值)PP层的不充分熔化,从而阻止了热封层之间的分子相互扩散,并没有起到有效的热封效果。随着样品热封温度的提升,HSS值呈线性增加。当将热封时间提升到时,可以发现在1样品的HS8和12s70℃的条件下,S图1 在1.0MPa热封压力下不同热封温度对样品热
封强度的影响
Fi1Theinfluenceofdifferentheatsealintemera --ggp
tureontheheatsealinstrenthofsamlesun - -ggp der1.0MPaheatsealinressure -gp
##
可看出,b)2样品和1样品的规律基本 从图1(
一致,在1随着热封温70~220℃范围内进行热封时,度的提升,样品的HS在2S值呈线性增加;20~230℃区间热封时,样品的HSS值趋于稳定。由图1可知,,在230℃区间热封12s1和2#样品热封HSS值达到最大值。通过图1可以看出,在热封时间和热封压力
吕尚书:软包锂离子电池铝塑膜的热封性能研究
一定的条件下,样品的HSS值随着热封温度的提升而迅速提升,但当热封温度达到210~230℃后,样品的HSS值便趋于稳定,而且热封层厚度越厚,样品的HSS值越高。这是由于提升热封温度可以使热封层材料更彻底地熔合,使其热粘能力得到更充分地利用,样品的HSS值随热封温度的增加而增加。当达到一定温度后,热封材料完全熔化并填充热封区域,从而使样品的HSS值达到稳定存在的最大值。由于热封材料已经完全融化,即使温度继续升高,也不能进一步提升样品的HSS值。说明热封温度对样品的HSS值有直接影响,在230℃时可以达到最佳热封效果。.2 热封时间对样品HSS值的影响
图2为在1.0MPa热封压力下,不同热封时间对样品热封强度的影响。其中,1#样品热封层CPP厚度为40μm,2#样品热封层CPP厚度为80μm。从图2(a)可以看出,1#样品,随着热封时间的增加,样品的HSS值明显增加。从4s增加到8s时,样品的HSS值增长明显;但从8s增长到12s时,样品的HSS值已经提升不明显,特别是在230℃条件下,
样品的HSS值基本不再变化。
图2 在1.0MPa热封压力下,
不同热封时间对样品热封强度的影响
Fig 2The effect of different heat sealing
time on theheat sealing strength of samples under 1.0MPaheat sealing
pressure 从图2(
b)可以看出,2#样品,在170~210℃之间,随着热封时间的增加,样品的HSS值也明显增加;当热封温度超过210℃后,热封时间从4s增长到8s时,样品的HSS值增加明显,但从8s增加到12s时,样品的HSS值增长幅度明显变小。与热封温度对样品的HSS值的影响类似,随着热封时间的增加而增加。结合2.1可知,
热封时间和热封温度同时影响样品的热封强度,当热封时间为12s,热封温度为230℃
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时,1和2#样品的HSS值可达到最大值,分别为98.9
和144.4N/15mm。2.3 热封压力对样品HSS值的影响
为了研究热封压力对样品热封强度的影响,选择
2#样品作为研究对象,实验条件为230℃热封12s,分别在不同热封压力下进行热封实验。图3为230℃热
封12s条件下,不同热封压力对样品热封强度的影响。从图3可以看出,在不同的热封压力下,样品的HSS值都在140N/15mm左右,在1.0MPa下达到最大值为144.4N/15mm。随着热封压力的增加,
样品的热封强度变化不明显,说明在0.5~1.0MPa的范围内,热封压力对铝塑膜热封强度的影响不显著。
图3 不同热封压力对样品热封强度的影响
Fig 3The effect of different heat sealing
pressure onheat sealing
strength of samples2.4 热封层厚度对样品HSS值的影响图4为在热封温度230℃,热封压力1.0MPa下,不同热封层厚度样品的热封强度曲线,其中1#样品热封层CPP厚度为40μm,2#样品热封层CPP厚度为80μm。从图4可以看出,热封层CPP厚度为80μm的样品,热封时间分别为4,8和12s时,
其热封强度分别为122.8,139.7和144.4N/15mm;热封层CPP厚度为40μm的样品,热封时间分别4,8和12s时,
其热封强度分别为54.3,97.5和98.9N/15mm。由此说
明,热封层厚度对铝塑膜的HSS值影响明显,在一定范围内,相同材质的铝塑膜的热封强度随热封层厚度的增大而增大。
图4 不同热封层厚度样品的热封强度曲线
Fig 4Heat sealing
strength curves of samples withdifferent thickness of heat sealing
layer2.5 热封层种类对样品HSS值的影响
为了研究热封层种类对样品热封强度的影响,选择2和3#样品作为研究对象,2#为80μm CPP热封层,3#为80μm PP-g-PGMA热封层。在1.0MPa热207118
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封压力、相同热封层厚度的条件下,研究热封层材料种类对样品HSS值的影响。图5为不同热封层种类对样品HSS值的影响。
度基本保持平稳不会再有明显提升。从图5还可以看
出,在相同热封时间和热封压力的条件下,在任何热封温度,这说明C2#样品的HSS值都大于3#样品,PP热封层的热封效果要明显好于PPPGMA热封层,-g-样品接枝改性后不仅没有提高热封强度,反而起到了负面作用。这可能是由于在PPPGMA接枝过程-g-中,由于P或者接枝物有单体P接枝物降解比较厉害,和引发剂残留,降低了PP的力学性能。
2.6 热封剥离失效界面的研究
,由前述可知,在热封压力为1.热封温度为0MPa
热封时间为1230℃,2s时,2#样品的HSS值最高,
图5 不同热封层种类对样品HSS值的影响
Fi5Effectofdifferenttesofthermalsealson gyp
valueofsamlesHSS p
随着热封温度和热封时间的延长,2 由图5可知,
和3#样品的HSS值均呈线性变大。热封温度越高,热封时间越长,热封效果越好。这说明,接枝改性的PPPGMA热封层和单纯CPP热封层具有相似的性-g-质,温度越高热封层融化越充分,热封效果越好,但当热封层在一定热封温度和热封时间内,已经充分融化,这时候继续提升热封温度和热封时间,样品的热封强
热封性能最好。因此将此热封工艺下的2#样品进行
剥离实验,然后对其失效界面进行宏观和微观分析,如()图6所示。由图6可以看出,失效模式为界面破坏a
]1415-。由图6(和剥离破坏两种破坏模式并存[可以b)看出,剥离破坏处,铝箔表面光滑,CPP与铝箔间的界
面没有紧密机械啮合,如果对铝箔进行表面处理,增加铝箔与C可能会成为提高铝塑膜PP间的机械结合力,热封强度的有效手段之一。
图6 热封剥离失效界面的宏观和微观SEM图
eelinFi6MacroscoicandmicroscoicSEMdiaramsofthefailureinterfaceofheatsealin pggppgg
热封层厚度对铝塑膜的HS在一定明,S值影响明显,
3 结 论
范围内,相同材质的铝塑膜的热封强度随热封层厚度()1 3种铝塑膜最佳的热封工艺均为热封压力
,。为1.热封温度为2热封时间为10MPa30℃,2s
热封层铝塑膜的热封强度最80μm流延聚丙烯(CPP)/高可达144.4N15mm;80μm接枝改性PP(PP-g-/热封层铝塑膜的热封强度最高为1PGMA)14.3N说明热封层P15mm,P的接枝改性并没有提高铝塑
膜的热封强度;热封层铝塑40μm流延聚丙烯(CPP)
/膜的热封强度最高仅为9这是由于C8.9N15mm,PP层的不充分熔化,阻止了热封层之间的分子相互扩散,
因此没有起到有效的热封效果。
()2S值的影响研究表明, 热封压力对样品HS在0.热封压力对样品封强度的5~1.0MPa的范围内,影响不显著,热封温度和热封时间成为影响样品热封强度的主要因素,在一定范围内,热封温度越高,热封时间越长,样品的热封强度越高。
(3)S值的影响研究表 热封层厚度对样品HS的增大而增大。
(4)S值的影响研究表 热封层种类对样品HS明,CPP热封层的热封效果要明显好于PPPGMA-g-热封层,样品接枝改性后不仅没有提高热封强度,反而起到了负面作用。
()剥离实验失5 热封剥离失效界面的研究表明,效模式为界面破坏和剥离破坏两种破坏模式并存,
如果对铝箔CPP与铝箔间的界面没有紧密机械啮合,进行表面处理,增加铝箔与C可PP间的机械结合力,
能会成为提高铝塑膜热封强度的有效手段之一。参考文献:
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