周亚民，彭 敏，彭小兰
（东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东 东莞 ５２３８０８）
来源：聚酯工业
2024年7月第37卷第4期
随着电动汽车行业的迅猛发展，动力电池组的封装工艺和导热材料选择已成为核心技术研发的关键议题。 本文对动力电池组封装的要求和挑战进行了深入分析，探讨了导热材料在动力电池组封装中的关键作用，并对导热聚氨酯胶的性能评价体系进行了阐述，并对导热聚氨酯胶的制备工艺及其工艺参数的优化进行了详细解析，并探讨了这些工艺参数如何影响导热聚氨酯胶的性能。 同时，深入讨论了导热聚氨酯胶在动力电池组封装中的应用性能，通过对这些关键技术的细致研究，可以为动力电池组的高效封装和性能提升提供坚实的理论基础和实践指导，推动电动汽车行业的持续进步。
动力电池组封装；导热材料；导热聚氨酯胶
聚 氨酯材料 因 其 具有 弹 性 模 量好 、 保 光 性 佳 、 高 黏附力 等 特点 而 广 泛 应 用 于 纺 织 、 服装 、 木 器 、 皮革 和 印 刷 等 行业 ［ １ ３ ］ 。 在 纺 织 制 品 领 域 ， 水 性 聚 氨酯分散体主要应用 于染 色助 剂 、 印 花粘合剂 、 防 皱整 理剂 、 抗静 电 整理剂 、 拒水拒油 整 理剂 、 免烫 整 理剂 和 羊 毛织 物 防毡 缩整理 。
近年来 ， 随着 物质生 活 的 日 益 丰 富 ， 人们对纺 织 品 也有 不 同 的 个性需求 。 围 绕水性 聚 氨酯在纺织 品 领域 的 应用 ， 研究人员 对 聚 氨酯材料开展 了 不 同 的 改性研究 ［ ４ ８ ］ 。 唐 贤 材 ［ ９ ］ 以 聚 酯 二元 醇 和 聚 醚 二 元 醇为软 段 ， 异 佛 尔 酮 二 异 氰 酸 酯 （ Ｉ ＰＤＩ ） 为 硬 段 ， 羟丙基硅油 为 改性剂 制 备水性 聚 氨酯 ， 研究表 明 加 入 ３ ％ 的 羟丙基硅 油 能 大 幅 提 高 涂 层 织 物 的 防 水 能力 ， 且 织 物 手 感 滑 爽 、 柔 顺 ； 陈 炳 基 ［ １ ° ］ 在 纺 织 面料鞋材 的 应用 中 ， 加 入蓖 麻 油 改性 的 水性 聚 氨 酯后 其纺 织 涂 层 的 耐 水 和 力 学 性 能 得 到 很 大 的 提 高 ； 王传李［ １ １ ］ 以 水 性 聚 氨 酯 与 丙 烯 酸 酯 化 学 键 结 合 的 形式 制 备无氟拒水剂 ， 其在整理织 物耐淋水等 级为 ４ 级 ， 静态水 接 触 角 最 高 为 １ ５ ０ ° ， 断裂 强 度 、 透气率和 透 湿率得 到 提 高 ； 樊 高 晴 ［ １ ２ ］ 用 生 物 基 多 元 醇蓖麻 油 （ Ｃ Ｏ ） 替 代 石 油 基二元 醇 合 成 水 性 聚 氨酯 ， 并 用 甲 基 丙 烯 酸 异 冰 片 酯 （ Ｉ Ｂ Ｏ Ｍ Ａ ） 进 行 共 聚 改性 ， 制 得用 于 印 花 的 粘合剂 ， 进 而改善纺织 制 品 的 着色 效 果 ； 张 孟 等 ［ １ ３ ］ 以 聚 乙 二 醇单 甲 醚－ ｂ － 聚 甲 基丙烯酸 乂 尽二 甲 基 氨 基 乙 酯 为 分散 剂 ， 制 备 了 正方形 Ｂ ｉ Ｏ Ｃ ｌ 晶 体 ， 并 以 该 晶 体 为 珠 光 颜 料 ， 水 性 聚 氨 酯 作 黏合 剂 ， 制 得 了 珠 光 印 花 涂 层 ， 其 涂 层 透 湿 率 ＞ ５ ５ ０ ０ ｇ ／ （ ｍ ２ ． ｄ ） ， 透 气 率 在 １ ５ ￣ ２４ ｍｍ／ ｓ 之 间 ， 耐 洗 和 耐 摩 擦 色 牢 度 达 到 ４ 级 及 以 上 ； 李楚璇等 ［ １ ４ ］ 以 １〇１ ５ ５ ０ 改性水性 聚氨酯乳液 ， 研 究发现该树脂 的 冻 融 稳定性 、 储存稳 定性 、 离 心 稳 定性和稀释稳定性依然较好 ， 耐水性能得到 提高 。
以 下 研究 以 市售 有 机硅助 剂 （ ＬＰＷ ７ ３ ３ ） 为 改 性剂 、 用 丙酮法 合 成 水 性 有 机硅 改性 聚 氨 酯 树脂 ， 并用 仪器对 自 制 树脂进 行表征 、 测 试 ， 并在纺织 品 上进 行应用 测 试 。
１． １ 动力电池组封装的要求和挑战
动力电池组封装要求涵盖了多个维度，以确保电池在复杂且严苛的使用环境中保持性能稳定，并可以安全运行。 首先，封装材料需要具备优异的耐化学腐蚀性和耐油性，能够抵御各类电解液和其他化学品的侵蚀。 其次，封装材料需要具备极好的耐高低温性能，能够在极端温度下保持良好的力学性能，防止因热胀冷缩导致尺寸变化或结构失效。 再次，封装设计需要确保电池内部组件不受水分影响，同时还需要满足阻燃环保标准，以降低火灾风险，减少对环境的危害。 最后，封装材料需要有优异的抗介电性能， 确保电池在高压工作状态下的安全性［１］
１． ２ 导热材料在动力电池组封装中的作用
封装设计不仅要求保证电池模块的力学稳定性、绝缘性和防护性，还必须兼顾高效的热管理性能，以确保电池组运行的安全与寿命。 导热材料如导热硅胶片、导热灌封胶、散热石墨膜等被广泛应用在新能源汽车动力电池包中，其能够有效填充电池单体之间的空隙，传导并分散电池工作时产生的大量热量，防止局部过热现象的发生，进而维持电池系统的温度均衡。 此外，针对不同的散热方式（例如液冷、风冷或相变冷却系统），选用适宜的导热材料可增强散热效果，提高电池系统的整体能效，并有助
于延长电池使用寿命，提升电动汽车的续航能力及安全性。
２． １ 热导率测试方法
按照 ＡＳＴＭ Ｄ５４７０ 进行测试，测试时，可能需要在多个厚度点进行测量，并通过数学模型来消除边界效应，从而得到不受接触热阻影响的实际导热系数。
２． ２ 力学性能测试方法
拉伸性能测试：采用万能材料试验机（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＴｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ， ＵＴＭ）进行拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量的测定。 按照《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》 （ＧＢ ／ Ｔ ５２８—２００９）或其他适用的标准，将试样裁剪成标准尺寸后，在恒定速度下进行拉伸直至破坏，记录数据并计算各项力学参数。
剪切性能测试：通过专用的剪切强度测试仪评估聚氨酯胶的剪切强度，确保在承受剪切载荷时仍能保持良好的黏接效果。 按照《胶粘剂 剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》 （ＧＢ ／ Ｔ ７１２４—２００８）
或其他针对导热胶黏剂的特定标准进行测试。
硬度测试：使用邵氏硬度计（如邵尔 Ａ 型或 Ｄ型硬度计），按照《塑料 负荷变形温度的测定》（ＧＢ ／Ｔ ２４１１—２００８）或相应硬度测试标准测量聚氨酯胶的硬度值。
２． ３ 化学稳定性测试方法
耐热老化测试：按照《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》 （ＧＢ ／ Ｔ ７１４１—２００８），将样品置于恒定高温环境中一定时间后，通过观察外观变化、硬度变化、导热系数衰减以及通过 ＦＴＩＲ光谱分析、ＴＧ 热重分析、ＤＳＣ 差示扫描量热法等手段检测其化学结构的变化，以评估材料的耐热性和化学稳定性。
耐湿热测试：按照《电气绝缘材料 湿热条件下抗电强度和介质损耗因数的试验方法》（ＧＢ／ Ｔ ２９４１５—２０１３），模拟湿热环境对胶体的影响试验，考察其吸湿性、体积电阻率、介电常数及介质损耗角正切等参数的变化，从而评估其在潮湿条件下的化学稳定性。
３． １ 聚氨酯胶合成工艺
Ａ 组分：主要包含聚醚多元醇（例如，化学式为ＨＯ⁃（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ） ｎ⁃Ｈ），其中 ｎ 代表聚合度。 此外，为了提高导热性能，会添加特定比例的改性蓖麻油以及其他导热填料（如金属氧化物、碳基材料等，例如 Ａｌ ２Ｏ３ 或石墨烯等，这些填料具有较高的热导率），以及少量白炭黑（ＳｉＯ２ ）作为补强剂。
Ｂ 组分：主要由多异氰酸酯（如甲苯二异氰酸酯ＴＤＩ 或二苯基甲烷二异氰酸酯 ＭＤＩ，化学式分别为Ｃ６Ｈ５ＮＣＯ 与（ ＮＣＯ）２ ⁃Ｃ６Ｈ４ ⁃Ｃ６Ｈ４ ⁃ＮＣＯ） 构成，并可能含有催化剂和其他助剂来调节反应速度和最终产品的性能［３］。
制备过程中，在严格控制两组分比例的条件下，混合并发生交联反应，生成脲键（⁃ＮＨ⁃ＣＯ⁃Ｏ⁃） 和缩二脲结构（⁃ＮＨ⁃ＣＯ⁃ＮＨ⁃ＣＯ⁃），形成三维网络结构的聚氨酯弹性体，确保良好的导热性能。 工艺参数优化数据如表 １ 所示。
３． ２ 导热材料添加工艺及比例优化
导热聚氨酯胶黏剂的制备工艺涉及对多种原材料的选择和配比优化，以实现其优异的力学性能、耐热性和导热性。 在制作过程中，关键步骤包括异氰酸酯与多元醇的化学反应以及导热填料的添加与分散。 例如，在一项公开的专利技术中，导热聚氨酯胶黏剂的制备采用了双组分体系，其中Ａ 组分包含聚醚多元醇（如：ＨＯ⁃（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ） ｎ⁃Ｈ）、改性蓖麻油以及其他助剂，并加入一定比例的导热填料如氧化铝，按质量百分比计可达 ２０％ ～ ６７％ ，同时可能还添加少量白炭黑（ＳｉＯ２ ）作为补强填料。 Ｂ 组分则通常含有异氰酸酯基团的化合物，例如异佛尔酮二异氰酸酯（ＩＰＤＩ，结构式为 ＨＮ ＝ Ｃ ＝ Ｏ⁃Ｃ６Ｈ１１ＮＣＯ⁃）。 在制备过程中，两组分按照特定的比例混合，并且通过精确控制温度、搅拌速度和真空脱气等工艺参数确保胶黏剂性的稳定及导热性能的最大化。
为了进一步优化导热材料的添加工艺及比例，可通过实验设计进行科学筛选和改进实验，分析不同导热填料种类（如金属氧化物、碳基填料等）、粒径分布、填充量等因素对最终产品性能的影响。 国家规范或行业标准（例如《电子工业用灌封及密封材料技术条件》等相关文件）也可能会对导热聚氨酯胶的性能指标提出具体要求，从而指导生产工艺的调整。
３． ３ 工艺参数对导热聚氨酯胶性能的影响
在导热聚氨酯胶的制备工艺中，工艺参数的选择与控制对最终产品的性能表现具有决定性影响。例如，通过调整反应物多元醇（如：ＨＯ⁃（Ｒ＇Ｏ）⁃ＯＨ）与异氰酸酯（如：Ｒ⁃Ｎ ＝ Ｃ ＝ Ｏ）的比例，可以改变聚氨酯链段结构，从而影响其力学性能、热稳定性能；反应温度是另一个关键参数，在适宜条件下（如 ６０ ～ ８０℃ ），能有效促进聚氨酯预聚体（⁃ＮＣＯ 端基与⁃ＯＨ端基）的有效缩合，合成出分子量适中的聚合物，直接影响胶黏剂的黏度和固化速度。
４． １ 导热聚氨酯胶在动力电池组封装中的应用性能评价
在动力电池组封装技术中，导热聚氨酯胶作为一种关键的黏接与密封材料，其应用性能研究对于提升电池组的安全性、稳定性及效能至关重要。 聚氨酯（ＰＵ）因其特殊的分子结构，可通过化学改性实现高导热性能，如添加特定填料如金属氧化物等来提高其热传导效率。 这种导热聚氨酯胶不仅具有优异的力学性能，能够有效抵抗振动和冲击，确保电芯之间的稳定连接和整体结构的牢固性，而且还具备良好的绝缘性能以及对温度变化的高度适应性［４］
４． ２ 导热聚氨酯胶封装动力电池组的热管理效果
在新能源汽车动力电池组封装技术中，导热聚氨酯胶因其独特的化学结构和性能而受到广泛关注。 聚氨酯作为一类高性能聚合物材料，在电池封装领域的应用研究中展现出了卓越的综合优势。 当应用于动力电池组封装时，导热聚氨酯胶能够有效提升电池系统的热管理效果。 导热聚氨酯胶内含特定填料如金属氧化物或碳基材料（如石墨烯、碳纤维），增强了其导热性能，能够在电池充放电过程中，迅速将内部产生的热量传导至散热系统，从而防止局部过热，确保电池工作温度维持在安全范围内，延长电池使用寿命，并提高整体能效。 通过精心设计和制备的双组分或多组分聚氨酯体系，不仅可以实现优异的力学性能以满足抗震、绝缘以及密封需求，还能优化传热路径，确保动力电池组在复杂工况下的稳定性和可靠性。
４． ３ 导热聚氨酯胶封装动力电池组的安全性能分析
在动力电池组封装技术中，导热聚氨酯胶因其独特的化学结构和性能优势而受到广泛关注。 在动力电池组的应用中，导热聚氨酯胶不仅能够实现电芯间的高效黏接与固定，还能够有效传导电池工作过程中产生的大量热量，从而提升电池系统的散热效能，防止局部过热导致的安全风险。
综 上所述，动力电池组封装是新能源汽车技术发展中的一个重要领域，对材料的性能要求极为严苛。 导热聚氨酯胶作为动力电池组封装中的重要材料，在保证电池组稳定性能、热管理效果和安全性能方面发挥着关键作用。 通过对导热聚氨酯胶的性能评价方法、制备工艺参数的优化以及应用性能研究的探讨，有助于更好地理解和应用这一材料，推动动力电池组封装技术的不断进步。
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