[发明专利]有机无机复合水性涂布材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机无机复合水性涂布材料及其制备方法。

背景技术

微孔薄膜的应用广泛，在具有一定孔隙率、良好机械性能等条件下可以作为锂离子电池隔膜。隔膜是其重要组成部件，起到隔离正负极、允许锂离子通过的作用，对锂离子电池的安全性至关重要。

现今锂离子电池的隔膜材料大部分是有聚烯烃类，如聚乙烯、聚丙烯或两者复合材料等，它们具有较好的孔隙分布、机械性能、耐化学性能。但是聚烯烃材料存在热稳定性差、电解液润湿性差等缺点，为了进一步提高锂离子电池的安全性能以及电化学性能，需要进一步提高隔膜的热稳定性、机械性能以及亲液性。

本发明制备出一种新型纤维素基水凝胶分散体系，并将此与无机纳米颗粒复合制备出一种有机无机复合的水性涂布材料，用此有机无机复合的水性涂布材料改性微孔薄膜后，增强了基底微孔薄膜的热稳定性能和机械性能，对锂离子电池的安全性有着显著的提高。

本发明与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：首先，本发明制备的纤维素基水凝胶具有热稳定性好，低固含量下具有较好的粘结效果；其次，由于纤维素基水凝胶具有良好的保水作用，这有利于提高隔膜对电解液的保持效果；第三，大幅度提高基底微孔薄膜的热稳定性和机械强度；第四，用此纤维素基水凝胶分散体系与无机纳米颗粒复合后的水性涂层与基底薄膜粘合牢固，有利于隔膜规模化生产，并且提高隔膜的热稳定性、力学性能、润湿性和离子导电性；最后，制备的凝胶为水相体系，取代了传统的改性隔膜使用的PVDF或者PVDF-HFP等有机溶剂体系，具有安全、绿色、环保的特点。本发明对提高锂离子电池隔膜电池安全性能、电化学性能以及使用寿命等方面具有重要意义。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种有机无机复合水性涂布材料，此涂布材料使用的是一种纤维素基的水凝胶分散体系，该凝胶分散体系取代了传统有机相体系，具有低固含量高粘结效果的特点，使电池的生产更加的环保。

本发明的目的之二在于提供该涂布材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明首先合成纤维素基水凝胶，然后将纤维素基水凝胶与无机纳米颗粒复合，合成纤维素基水凝胶，首先将纤维素首先溶解在丙酮、丁酮、2-丁酮的一种或者两种以上的混合物，其中纤维素的是硝基纤维素、单醋酸纤维素、二醋酸纤维素或三醋酸纤维素中的一种，纤维素分子量为5000-50000，纤维素中羟基占质量百分比为3%-10%，乙酰基质量百分含量75-82%，纤维素与有机多异腈酸酯的摩尔比为1-5，纤维素与预聚物反应温度为65-85℃，反应时间为1-2.5小时；

将上述纤维素有机溶液与异腈酸酯官能预聚物进行接枝反应，其中纤维素与有机多异腈酸酯的摩尔比为1-5，反应温度为65-85℃，反应时间为1-2.5小时，反应催化剂为二丁基锡二月桂酸酯，二丁基二月桂酸锡中的一种；反应结束后加入三乙胺或者乙二胺进行中和，中和度为0.8-1.0；然后加入去离子水乳化，减压蒸馏蒸出有机溶剂形成纤维素水相凝胶水相分散液。

本发明的一种用于有机无机复合水性涂布材料，其特征在于该涂布材料的组成及质量百分含量为：

无机纳米粒子水性分散液10～60%

纤维素水凝胶分散液2～30%

表面活性剂0.2～4%

去离子水余量；

所述的纤维素水凝胶分散液是纤维素有机溶液与异腈酸酯官能预聚物在水溶液中进行接枝聚合反应而形成的三维网状纤维素水凝胶分散体系，所形成的聚合物的接枝率为10～50%，其固含量为：2～10%；所述的异腈酸酯官能预聚物是由亲水扩链剂与有机多异腈酸酯经预聚合反应得到的异腈酸酯官能预聚物。

上述的纤维素水凝胶平均颗粒尺寸在50～800nm。

上述的纤维素为硝基纤维素、单醋酸纤维素、二醋酸纤维素或三醋酸纤维素，纤维素重均相对分子量为5000～50000，纤维素中羟基占质量百分比为3%～10%，乙酰基质量百分含量75～82%。

上述的有机多异腈酸酯为：异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的一种。

上述的无机纳米粒子水性分散液的固含量为10～60%，其中的无机纳米粒子为：二氧化硅粒子、三氧化二铝粒子、二氧化钛粒子、二氧化锆粒子、硅钛分子筛、硅铝分子筛中的至少一种,粒径为50～100nm。

上述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚乙二醇、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123、聚醚F127、聚山梨酯、月桂醇硫酸钠中的至少一种。