一种水性聚脲涂料及其制备方法、水性聚脲涂层及其应用与流程

本发明涉及聚脲涂料，尤其涉及一种水性聚脲涂料及其制备方法、水性聚脲涂层及其应用。

背景技术：

1、随着全球环保意识的提高和可再生能源技术的不断成熟，新能源汽车已成为汽车行业发展的主流趋势。新能源汽车的发展不仅能够减轻对传统燃油资源的依赖，降低环境污染，还能促进汽车产业的转型升级。在各国政府加大环保力度的背景下，新能源汽车的市场需求持续增长。根据中国汽车工业协会所公布的数据，2022年新能源汽车持续爆发式增长，全年销量超680万辆，市场占有率提升至25.6%。随着新能源汽车的火热，越来越多消费者会选择新能源汽车。而新能源汽车的安全问题，也逐渐成为大众关注的重点。

2、新能源电动汽车的最大安全隐患来自动力电池，动力电池在充电和放电的过程中都会产生大量的热量，老化的电池容易出现过充、过放、过温乃至电动汽车自燃等异常现象。此外，汽车在遭受猛烈撞击之后很容易让电池里面的化学物质产生反应引起爆炸、火灾等安全隐患。

3、此外，新能源汽车电池的工作状态容易受到温度的影响。在夏天气温较高，尤其是在南方，气温最高可达40 ℃以上，高温下电池箱内部的温度上升较快，电池的容量也会较快衰减，严重影响电池寿命。在冬天气温低时，特别是在东北地区，气温低至-30 ℃，电池箱内部会在短时间内降温较多，低温下电池快充有安全风险，并且电池能量得不到充分释放，新能源汽车续航能力大幅下降。而且，电池使用过程中若发生燃烧事故，箱体温度会上升，金属材料发热将会引发周边易燃易爆物的燃烧甚至爆炸。

4、gb 18384-2020《电动汽车安全要求》中规定电池单体发生热失控后，电池系统在5min内不起火不爆炸，为车内人员预留一定的安全逃生时间。为提高新能源汽车电池的防爆导热性能，目前采用较多的是在电池组内加入由导热硅胶或热绝缘片制成的散热组件，减少热源和散热设备的热阻，提高模组的传热效率。但散热组件只能在电芯发生热失控时在一定程度上将热量带走，使电池组在5 min内不起火不爆炸，却很难提供更长的逃生时间并进一步减少损失。此外，剪裁的隔热层片材并不能完全符合新能源汽车电池箱体的形状，会留下缝隙。在电池箱体内侧和外侧喷涂防爆导热涂料可以有效避免隔热层片材与电池箱体形状不贴合的缺陷。

5、中国发明专利申请201810459244.4公开了一种针对新能源汽车电池箱体用的防腐防火涂料，其按照质量分数包括以下组分：环氧树脂10~20%、氯化橡胶3~11%、聚酰胺树脂4~14%、磷酸二氢铝5~15%、丙三醇4~14%、四溴双酚a 5~15%、硅油溶液0.5~1%、玻璃纤维5~15%、环己酮3~13%、磷酸锌2~12%、200号溶剂汽油6~16%、助剂2.5~5%。该发明中的涂料添加了溴系阻燃剂四溴双酚a，溴系阻燃剂不仅会在聚合物体系中发生迁移，也会在生物体内累积产生毒性，会对人类健康和环境造成危害。同时该技术中的涂料的导热性能有待提高，难以兼具导热性能和防爆性能。

6、中国发明专利申请201711288449.2公开了一种用于新能源汽车电池箱体的阻燃防水涂料，其原料按重量份包括如下组分：丙烯酸乙酯30~60份、阻燃剂15~30份、水30~60份、滑石粉0~10份、高铝矾土0~10份、钛白粉0~10份、分散剂1~3份、成膜助剂0.5~1份、消泡剂0.5~1份和过硫酸铵3~5份，阻燃剂为聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇的混合物。该发明中所用的是添加型阻燃剂，通过简单的物理混合，把阻燃剂添加到涂料中。添加型阻燃剂与聚合物树脂存在相容性问题，添加过量的阻燃剂不仅会牺牲聚合物材料本身的力学性能，而且阻燃剂易游离于聚合物基体外，导致阻燃的耐久性下降，并造成污染，对人体产生不利影响。同时该技术中的涂料的隔热性能有待提高，难以兼具导热性能和防爆性能。

7、因此，如何提供一种兼具导热性能和防爆性能的涂料，对于新能源汽车行业今后的发展至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水性聚脲涂料及其制备方法、水性聚脲涂层及其应用，解决现有新能源汽车电池箱体涂料无法兼具导热性能和防爆性能的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种水性聚脲涂料，包括以下质量份数的制备原料：

4、氧化石墨烯改性聚醚胺100~200份，二异氰酸酯100~200份，超支化聚胺50~150份，封端单体300~400份，甲基丙烯磺酸25~50份，水50~100份。

5、优选的，所述氧化石墨烯改性聚醚胺的制备方法为：

6、在室温条件下，将聚醚胺和氧化石墨烯分散在有机溶剂中，将所得混合物与脱水剂混合，在20~50℃反应12~24 h，得到氧化石墨烯改性聚醚胺；

7、所述聚醚胺的分子量为2000~5000；

8、所述聚醚胺与氧化石墨烯的质量比为2~3:1。

9、优选的，所述二异氰酸酯包括tdi、ipdi、mdi、hdi和hmdi中的一种或几种。

10、优选的，所述超支化聚胺的制备方法包括：

11、将乙二胺与甲醇在保护气氛下0~10℃混合，向所得混合物中逐滴加入丙烯酸甲酯，升温至30~50 ℃反应12~24 h，减压蒸馏，得到超支化聚胺；

12、所述乙二胺与甲醇的质量比为1:2~6；所述保护气氛为氮气。

13、优选的，所述封端单体的制备方法为：

14、将甲基环己二胺与异氰酸酯丙烯酸乙酯混合，在保护气氛中进行化合反应，得到封端单体；

15、所述甲基环己二胺与异氰酸酯丙烯酸乙酯的质量比为2:1~2；

16、所述保护气氛为氮气；所述化合反应的温度为0~10 ℃，时间为30~60 min。

17、本发明提供了上述技术方案所述水性聚脲涂料的制备方法，包括以下步骤：

18、将氧化石墨烯改性聚醚胺、二异氰酸酯和超支化聚胺混合，进行第一反应，将所得产物与封端单体混合，进行第二反应，得到中间产物；

19、将所述中间产物与甲基丙烯磺酸混合，进行第三反应后，将所得产物与水混合，进行剪切分散，得到水性聚脲涂料。

20、优选的，所述氧化石墨烯改性聚醚胺、二异氰酸酯和超支化聚胺混合的温度为0~10 ℃；所述第一反应的温度为0~10 ℃，时间为20~30 min；所述第二反应的温度为0~10℃，时间为20~30 min；所述第三反应的温度为0~10℃，时间为10~20 min；所述剪切分散的搅拌转速为100~150 r/min，时间为40~60 min。

21、本发明提供了一种水性聚脲涂层，制备原料包括上述技术方案所述水性聚脲涂料、导热填料和多面空心球形阻隔抑爆材料；所述导热填料包括氧化镁和氧化铝。

22、优选的，所述水性聚脲涂料与导热填料的质量比为12~13：1~2；所述氧化铝与氧化镁的质量比为1~2：1~2；所述水性聚脲涂料与多面空心球形阻隔抑爆材料的质量比为10~12:1~2；所述氧化铝的粒径为20~30 nm，氧化镁的粒径为5~10 μm，所述多面空心球形阻隔抑爆材料的粒径为50~100 nm。

23、本发明提供了上述技术方案所述水性聚脲涂层在新能源汽车电池外壳涂层中的应用。

24、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

25、本发明制备的水性聚脲涂层不但具有很好的导热效果，同时还具有良好的防爆效果，且粘结强度、耐水性和耐腐性优异，非常适合应用在新能源汽车电池箱体上。本发明所述水性聚脲涂层具有良好的防爆性能是由于其分子结构中含有大量的脲基(-nh-co-)，当遇到高温或火焰时，脲基会发生热分解反应，生成大量的氮气(n2)和小部分一氧化碳(co)和氨(nh3)。这些气体会迅速向外扩散，形成一层惰性气体屏障，有效地防止了爆炸事故的发生；超支化聚醚胺具备多反应位点，便于功能化，同时增强了其亲水性，具有环境友好性；聚醚胺经石墨烯改性后，增强涂料的耐腐蚀和耐候性；同时由于多面空心球形阻隔抑爆材料的加入增强了其防爆性能：1)火焰中的自由基与材料碰撞销毁，减少了自由基数量，降低了火焰强度；2)火焰通过多孔的阻隔抑爆材料时被分成大量的小股火焰，使得火焰的锋面不再连续；3)冲击波在抑爆材料的小室内发生连续反射作用，使部分冲击波能量转化为材料的塑性形变；当冲击波能量较高时，其冲击剪切作用使球形抑爆材料由塑性形变转变为结构破损，从而达到衰减冲击波的目的。

26、本发明所述水性聚脲涂层具有良好的导热性是由于球形氧化铝、氧化镁粉体存在很好的协同配合作用：氧化铝的尺寸达到纳米级，氧化镁的尺寸是微米级，氧化铝的添加能够填充氧化镁之间的空隙，提高粉体之间的热量传递，进而提升导热率。这可以使新能源汽车的电池不受环境温度的影响，避免在夏天高温时电池容量衰减过快以及在冬天低温时电池能量得不到充分释放、新能源汽车续航能力大幅下降的问题，有效提高电池寿命和新能源汽车的续航能力。

27、本发明的水性聚脲涂料以水为分散介质，具有低毒、环保的特点，不会对人体和环境造成危害，具有很好的市场前景。

28、本发明提供的水性聚脲涂层具有非常优异的力学强度以及防水防腐蚀性能。新能源汽车的电池大多都设置在车身底板下方，电池安装的位置容易接触到雨水、泥浆等，是腐蚀的重灾区。本发明的水性聚脲涂层在极大程度上提高了新能源汽车电池的安全性。

29、本发明的防爆导热水性聚脲涂层具有良好的防爆导热性能。将水性聚脲涂料与氧化铝、氧化镁共同喷涂于电池箱体内外表面后，遇火时会依靠涂层自身的防爆性和导热性形成保护层并及时将热量散出，延缓火势对新能源电池的直接侵袭，从而有效提高新能源电池结构的耐火极限。