安全电池外壳的快速成型

长纤维热塑性材料模压成型适用于生产大面积部件，例如：电动汽车的电池外壳。但是，这些部件对材料提出了极高的要求。它们必须具有良好的机械性能，还必须具有阻燃性。专为该工艺开发的两种树脂牌号能够满足这些要求，因此可以替代热固性SMC模塑料来制造此类部件。

标题图：如图中的电池盖所示，大面积部件可通过直接长纤维模压成型实现优质生产。

英威达公司生产的PA66 Mobius NPD 555 FR GF50等优化材料是该工艺的理想选择 ©英威达

由于可预见的数量和部件尺寸，塑料生产商和加工商将电动汽车的电池外壳和电池盖视为要求极其苛刻的产品。因为这些部件对机械性能和耐热性具有极高的要求，它们属于最难生产的电动汽车产品之一。尺寸达2m²且重量达50kg的电池外壳对加工商来说是一个巨大的挑战。在热塑性材料领域，直接长纤维热塑性材料模压成型（D-LFT工艺）是一项关键的制造技术（图1）。

目前，大部分D-LFT机器都通过两个混配装置进行操作。第一个混料机用于熔化和均化材料。在第二个装置——混炼挤出机中，连续长纤维或短切纤维被引入并被聚合物润湿。材料参数（例如：流动性和与纤维表面的相容性）以及加工参数（例如：螺杆速度、温度和螺杆形状）对部件中的最终纤维长度起着决定性的作用，最终影响产品质量。通过一个具有可变横截面的喷嘴，聚合物熔体被挤出到加热传送带上，然后根据部件重量进行切割。针型抓手将其夹起并插入模具中，从而形成最短的流动路径。

图1：在D-LFT工艺中，聚合物和添加剂在第一个混料机中混合，而增强纤维则在第二个混料机中被引入并被聚合物熔体润湿（来源：Navraj Singh Heer，韦仕敦大学弗劳恩霍夫复合材料研究创新平台；图：© Hanser）

电池外壳不断增长的需求

自UL 2596标准（电池外壳材料的热性能和机械性能测试方法）于2022年初出台以来，人们对电池外壳和电池盖材料的需求及其阻燃性能的要求越来越高。但是，阻燃剂的使用通常会严重损害聚合物基体对玻璃纤维的润湿性，从而导致机械性能严重下降，主要表现在强度和抗冲击性方面。

美国塑料生产商英威达开发了两种专门用于D-LFT工艺的聚酰胺66（PA66）配方：Mobius NPD 555和Mobius NPD 555 FR。它们可以在PA66常用加工温度范围内（280-310°C）被加工成致密聚合物熔体，也可以使用所有常规配置的D-LFT设备。玻璃纤维增强PA66的良好性能也可以通过D-LFT工艺获得。此外，在自动化加工过程中，大量聚合物熔体还可以通过针型抓手被嵌入D-LFT模具并进行压缩。这同样适用于阻燃配方Mobius NPD 555 FR。另外，新产品具有良好的纤维润湿性，纤维含量至少可以达到50wt.%，同时还可为部件带来可再现的、平衡的机械性能。

图2：PA66 Mobius NPD 555 GF30和GF50与阻燃Mobius NPD 555 FR GF30和GF50在–40°C、室温（23°C）和80°C条件下的拉伸弹性模量和拉伸强度：两个型号的数值只有略微不同（来源：英威达；图：© Hanser）

阻燃型号具有相同的机械性能

为了进行机械表征并确定新开发材料的防火性能，德国弗劳恩霍夫化学技术研究所（ICT）用D-LFT工艺生产了高度取向的面板并对此进行了检测。测量用根据ISO 1110标准调节的试样进行，它们被沿着纤维方向从面板上切割下来。测试过程表明，即使在不同的温度条件下进行拉伸测试，阻燃Mobius NPD 555 FR和非阻燃Mobius NPD 555之间都不存在任何明显差异（图2）。30%和50%玻璃纤维增强且壁厚为3mm的Mobius NPD 555 FR达到了UL94 V-0的防火等级要求。

图3：两种PA66与PP-GF30和PA6-GF30的缺口冲击强度比较：在23°C时，阻燃PA66-GF50的数值接近非阻燃PP-GF30（来源：英威达；图：© Hanser）

为了进行比较研究，同一台D-LFT机器被用于生产非阻燃PA6-聚丙烯（PP）树脂面板以及阻燃Mobius NPD 555 FR-聚丙烯（PP）面板来进行机械测试。玻璃纤维长度及其分布是决定D-LFT纤维化合物机械性能的主要因素。玻璃纤维含量为30wt.%的Mobius NPD 555 FR达到的加权平均值为3.3mm，而玻璃纤维含量为50%的Mobius NPD 555 FR达到的加权平均值为2.5mm。因此，这两个型号都远高于同一工厂生产的玻璃纤维含量为30%的PA6对比样品的平均值2.1mm。但是，由玻璃纤维含量为30%的PP制成的对比样品达到了明显更高的平均值5.3mm。玻璃纤维长度主要影响着冲击性能（图3）。尽管如此，与PP相比，纤维长度缩短50%只会导致缺口冲击强度降低30%。纤维含量为30wt.%的阻燃Mobius NPD 555 FR优于非阻燃PA6。此外，通过将纤维含量增加到50%，Mobius NPD 555 FR的缺口冲击性能可达到与PP-GF30相同的水平。

图4：Mobius NPD 555 FR GF30和GF50与PP-GF30和PA6-GF30在 23°C和 80°C的温度条件下的拉伸弹性模量和拉伸强度对比：GF30型号的值与其他两种聚合物几乎一样，而GF50型号明显优于它们（来源：英威达；图：© Hanser）

在对以相同方式生产和调节的样品进行拉伸测试的过程中，PP-GF30、PA6-GF30和阻燃PA66 Mobius NPD 555 FR GF30在室温条件下取得了相似的弹性模量。相较之下，在80°C的温度条件下，Mobius NPD 555 FR GF30的弹性模量比PP-GF30高了25%（图4）。即使在室温条件下，该材料的强度也比PP-GF30高了30%，与PA6-GF30相当。由于Mobius NPD 555 FR的阻燃配方能够很好地润湿玻璃纤维，因此玻璃纤维含量有望增加到至少50wt.%。Mobius NPD 555 FR GF50的缺口冲击强度值与PP-GF30相同，但拉伸强度却高出65%，刚度（以拉伸弹性模量表示）则几乎翻倍（图4）。凭借这些特性，生产壁厚明显更薄的D-LFT部件已成为可能，它们在安装空间和材料消耗方面都经过了优化，并且符合防火标准。

老化后的拉伸强度仍保持一致

在汽车应用中使用塑料的决定性因素是老化行为。在典型试验过程中，样品在85°C和85%的相对湿度条件下储存1000小时，然后通过拉伸试验进行评估。PA66Mobius NPD 555 GF30样品的拉伸强度在整个老化过程中保持同一水平，而对比材料PA6-GF30的拉伸强度则降低了约15%（图5）。

图5：Mobius NPD 555 FR GF30与PA6-GF30在85°C和85%的相对湿度条件下老化后的拉伸强度：与PA6相反，PA66的值只是略有降低（来源：英威达；图：© Hanser）

SMC模塑料的竞争对手

随着PA66配方Mobius NPD 555的开发，尤其是阻燃型号Mobius NPD 555 FR的开发，聚合物已可用于D-LFT工艺，并且在广泛的应用温度范围内表现出了极佳的机械性能，包括在老化条件下。此外，它们提供了在D-LFT工艺中使玻璃纤维含量达到50wt.%以上的可能性。另外，使用Mobius NPD 555 FR还可以满足UL94 V-0等级的要求。凭借这些功能特性，D-LFT材料和热固性SMC（片状模塑料）材料之间的差距被消除了。

Mobius NPD 555能够以比 SMC工艺短五倍的周期时间制造可回收的大体积部件。

由于新开发的PA66的吸水率较低，因此在使用期间，长度可达2m的电池外壳和电池盖预计只会发生轻微的尺寸变化。它能使可用的安装空间得到最佳利用。极佳的机械性能还使壁厚得以减少，因此可用于设计薄壁部件。更短的周期时间和更少的材料消耗也确保了经济优势。UD层压板或有机板材等增强元件的应用可以用另一种方式更高效地进行实施，因为由于D-LFT材料和纤维基质预制件的玻璃纤维含量同样高，翘曲倾向显著降低。此外，前景光明的热失控预试验也正在进行中。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Karl Schnetzinger，Bernhard Forschler

来源：荣格-《国际塑料商情》

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