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，強力威

(國家動力及儲能電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，浙江湖州 313100)

近年來，隨著電動助力車的廣泛應(yīng)用，對鉛酸蓄電池產(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)致電池壽命嚴重衰減，甚至出現(xiàn)漏液、著火等安全風險問題。

本文通過對市場上的電動助力車用鉛酸蓄電池槽蓋進行隨機采樣，按照GB/T22199.1-2017《電動助力車用閥控式鉛酸蓄電池 第1 部分：技術(shù)條件》標準[1]和GB/T 23754-2019《鉛酸蓄電池槽、蓋》標準[2]對樣品進行檢測，探尋影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素及其應(yīng)對措施，進而為電池塑殼企業(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 檢驗項目

隨機采樣市場16 批次不同廠家的電動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 個批次，6-DZM-20 的樣品8 個批次，每個批次各取15 個樣品。按標準分別對16 個批次樣品的耐電壓、耐沖擊性、耐熱性、鐵含量、還原高猛酸鉀含量、阻燃性項目進行檢驗，具體檢驗項目詳見表1。

表1 鉛酸蓄電池蓋檢驗項目

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

表2 不同類型產(chǎn)品不合格率統(tǒng)計表

2 產(chǎn)品質(zhì)量問題及原因分析、對策

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，應(yīng)嚴格把關(guān)進貨渠道、產(chǎn)品檢驗，基體樹脂在常、低溫條件下應(yīng)具有較好的耐沖擊強度，以防止蓄電池在運輸過程及低溫條件下出現(xiàn)開裂漏酸的危險，同時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ABS AG15A1 復(fù)配，保證材料較好的常、低溫耐沖擊強度及剛性[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，減小對力學性能的影響。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的力學性能

表6 不同阻燃劑制備阻燃ABS的阻燃性能

通過比對試驗可以看出，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 級阻燃ABS，但會不同程度影響材料的力學性能，特別是對拉伸強度和耐沖擊強度的影響最為明顯。這是ABS 基體樹脂本身的結(jié)構(gòu)特點和織態(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ABS 拉伸強度和耐沖擊強度的影響。由圖1 可知，當阻燃劑含量達到20%(質(zhì)量分數(shù))時，拉伸強度下降10%，耐沖擊強度下降50%[5]。綜合力學性能和阻燃性能，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ABS拉伸強度和耐沖擊強度的影響

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

加強筋不僅可以提高塑料產(chǎn)品的強度和剛度，減少扭歪現(xiàn)象，而且可以使塑料成型時容易充滿型腔。加強筋的合理分布和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是產(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。加強筋的數(shù)量和加強筋的高度與制品的剛度成正比，在蓋質(zhì)量不變時，加強筋的高度增加10 倍可使平板的剛度提高40 倍左右，而加強筋的數(shù)量增加10 倍僅能使平板的剛度提高3 倍左右[6]。另外，當受到?jīng)_擊作用時，加強筋連接點處會出現(xiàn)缺口應(yīng)力。缺口應(yīng)力決定節(jié)點的強度,進而決定蓄電池蓋的強度。少量地增大加強筋連接點處相對圓角半徑可以提高節(jié)點的彎曲強度。

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ABS AG15A1 復(fù)配，保 證ABS 母 材具有較好的常、低溫耐沖擊強度及剛性。建議加大科技投入，結(jié)合力學性能、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，合理增加加強筋數(shù)量和高度，少量地增大加強筋連接點處相對圓角半徑，充分發(fā)揮加強筋耐沖擊性的支撐功能。建議加大生產(chǎn)工藝管控力度，加強企業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵點控制，通過用偶聯(lián)劑等對阻燃劑進行活化處理，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。