一体式异型导热绝缘硅橡胶支撑结构件及其制备方法与流程

本发明涉及储能设备，尤其涉及一种储能设备导热件，更加涉及一体式异型导热绝缘硅橡胶支撑结构件及其制备方法。

背景技术：

1、随着户用储能系统快速普及，模块化集成设计已成为行业主流发展方向。当前户用储能电芯模块普遍采用金属支架支撑、pp/pc绝缘片隔离、外置散热器辅助散热的分体式结构，以此实现模组支撑、绝缘与散热功能。但该传统结构存在诸多固有技术缺陷，难以适配储能设备高可靠、低成本、长寿命的使用需求。

2、首先，传统结构零部件分散、装配工序繁琐，包含定位、贴装、锁固等多道工序，装配工时长，物料管理与人工成本偏高，且多层装配易产生累积公差，产品不良率显著提升，不利于自动化规模化量产。

3、其次，分体式多层结构形成多重接触界面，整体界面热阻高，散热效率差。在常规1c充放电工况下，电芯稳态温升偏高、局部热点明显，长期高温运行会加速电芯衰减，使电池循环寿命缩短，设备热安全裕量不足。

4、同时，现有技术的绝缘结构与支撑结构相互分离，无集成限位结构。设备长期经受高低温交变、运输振动等工况后，绝缘片易发生滑移、翘曲错位，易引发绝缘失效、短路打火等安全隐患，且结构位移会进一步增大热阻，形成性能持续劣化的恶性循环。

5、虽然业者目前也有尝试采用硅橡胶制备导热绝缘的支撑结构件，但结果皆不甚满意。主要在于，其一想要改善导热性能和支撑强度需要大量的导热填料和增强填料，而导热填料和增强填料于硅橡胶基体中难以分散均匀，故而无法一体式成型出兼顾导热及绝缘的硅橡胶支撑结构件。其二，高含量的导热填料会削弱硅橡胶基体本身的拉伸、撕裂、刚性等性能。即使调整密炼条件和精密控制模具也仅能制得力学性能不佳的平面制品，难以一体式获得绝缘性能、散热性能和机械强度皆较佳的异型的硅橡胶支撑结构件。

6、综上，现有分体结构存在装配复杂、散热差、可靠性低等问题，严重制约户用储能模块综合性能。因此，研发一种高性能的集支撑、绝缘、高效散热于一体的结构件，是目前本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明提供了一种一体式异型导热绝缘硅橡胶支撑结构件及其制备方法。基于特定的制备原料可获得一体式的集支撑、绝缘和散热的异性硅橡胶支撑结构件，该异性硅橡胶支撑结构件不仅具有较高的绝缘性能，且导热及机械性能皆较佳。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种一体式异型导热绝缘硅橡胶支撑结构件，包括由制备原料一体成型的主体部、支撑部和安装部，所述支撑部由所述主体部向一侧延伸而得，所述安装部设于所述主体部和/或所述支撑部上，以重量份数计，所述制备原料包括100份硅橡胶基体、550~750份复合导热填料、8~15份疏水型气相白炭黑、8~15份mq硅树脂、3~6份芳纶浆粕纤维、1.5~2.2份2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷、0.5~1.2份交联助剂和4~6份硅烷偶联剂。

3、本发明的制备原料包括硅橡胶基体、复合导热填料、疏水型气相白炭黑、mq硅树脂、芳纶浆粕纤维、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷、交联助剂和硅烷偶联剂。其中，硅橡胶基体本身耐高低温、电气绝缘优异、弹性韧度高，可作为具有绝缘性能的主体材料使用。复合导热填料于硅橡胶基体中构建连续导热通路，可赋予材料较高的导热能力，故而使得结构件具有较佳的导热性能。疏水型气相白炭黑作为补强填料，可大幅提升硅橡胶拉伸强度、撕裂强度、尺寸稳定性，让软质硅橡胶具备结构支撑刚性，满足支架承载不变形得需求，且其自带疏水防潮特性，可强化绝缘可靠性。mq硅树脂可提升硅橡胶得耐高温性、粘接性及成型脱模性，并进一步优化电气绝缘击穿强度、耐漏电起痕，适配高压储能绝缘要求，还可降低高温下形变蠕变，保证长期支撑结构不塌陷。芳纶浆粕纤维作为一种高强度、高模量、绝缘、耐温纤维填料，可进一步增强结构刚性、抗弯折、抗压缩形变本身不导电、耐高压，辅助提升整体绝缘。2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷和交联助剂可实现硅橡胶高温硫化交联，从而固化成型为硬质结构件。硅烷偶联剂可有效解决硅橡胶基体与复合导热填料的、白炭黑、芳纶纤维界面相容性，使组分分散均匀，避免填料团聚，从而让导热通路更连续，导热性能更佳，且提升界面结合力，材料不分层、不开裂，以改善机械性能。

4、简单的来说，本发明在硅橡胶基体的基础上，辅以导热组分、增强组分、绝缘组分、疏水组分、固化体系的复配可一次性成型而同时实现结构支撑、电气绝缘、导热散热、尺寸稳定等功能，可直接成型成各种异性的结构支撑件。

5、进一步的，本发明于100份硅橡胶基体的基础上使用550~750份复合导热填料，其高含量的导热材料可赋予结构件具有较佳的导热性能，而如此高含量的复合导热填料能于硅橡胶基体中均匀分散，主要基于硅烷偶联剂的表面改性、疏水气相白炭黑控流变防团聚、mq硅树脂润湿降黏、芳纶浆粕纤维的物理分散四种作用的协同。具体的，通过硅烷偶联剂对复合导热填料进行表面改性，可将亲水性的复合导热填料改成亲胶表面，彻底解决高填充下粉体团聚、沉降、与硅橡胶界面脱粘的问题，还能降低填料之间的摩擦，大幅提升填料可填充极限，在高填充下仍能混炼均匀。经过疏水改性的气相白炭黑和硅橡胶相容性极好，体系中形成三维网状触变结构，使高填充导热填料体系剪切变稀，黏度降低，防止导热填料沉降分层，还能起到微纳空间隔离作用，把大量导热粉体互相隔开，避免抱团结块，让均匀分散。mq硅树脂和硅橡胶、导热填料都高度相容，润湿包覆导热填料表面，也可降低高填充体系整体黏度，提升填料与基体的浸润性，减少界面空隙，既利于高填充，又保证高导热同时不破坏绝缘性能。芳纶浆粕纤维在体系中形成微细网络骨架，物理阻隔高含量的导热填料局部堆积、定向沉降，还能分担内应力，弥补高填充复合导热填料后硅橡胶拉伸、撕裂、刚性变差的问题，让高填充硅橡胶下的硅橡胶仍能制得性能优异的结构支撑件。

6、作为本发明的一技术方案，击穿强度≥18kv/mm，硬度为65~76shorea，拉伸强度≥2.0mpa，断裂伸长率≥50%，导热系数≥2.0w/m·k，撕裂强度≥6.0kn/m。

7、作为本发明的一技术方案，所述硅橡胶基体为乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶和甲基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶的混合物，所述乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶的相对分子量为65~70万且乙烯基含量为0.03~0.12%，所述甲基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶的相对分子量为45~55万且乙烯基含量为0.07~0.18%，所述乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶和所述甲基封端的甲基乙烯基硅橡胶生胶的质量比为6~8:4~2。

8、作为本发明的一技术方案，所述复合导热填料为球形氧化铝和片状氮化硼的复配物且两者的重量比为6~9:1。

9、作为本发明的一技术方案，所述片状氮化硼的dv50为15~45μm，所述球形氧化铝为第一氧化铝、第二氧化铝和第三氧化铝的复配物，且质量比为5~6:2~3:1，所述第一氧化铝的dv50为25~70μm，所述第二氧化铝的dv50为5~15μm，所述第三氧化铝的dv50为0.5~5.0μm。

10、作为本发明的一技术方案，所述芳纶浆粕纤维为对位芳纶浆粕，纤维长度为0.5~2.0mm，长径比为50~150，比表面积为8~12m2/g。

11、作为本发明的一技术方案，所述疏水型气相白炭黑的比表面积为120~300m2/g，所述mq硅树脂的m/q比为0.3~1.5且分子量为2500~4500。

12、作为本发明的一技术方案，所述所述交联助剂选自三烯丙基异氰脲酸酯或三甲代烯丙基异氰酸酯。

13、作为本发明的一技术方案，所述硅烷偶联剂选自kh-171、kh550、kh560和kh570中的至少一种。

14、作为本发明的一技术方案，所述主体部为平坦薄层结构且厚度为0.5~2.0mm，所述支撑部具有网格状或肋板状结构，所述安装部具有安装孔、卡扣或导向柱。

15、本发明第二方面提供了前述的一体式异型导热绝缘硅橡胶支撑结构件的制备方法，包括以下步骤：

16、（1）复合导热填料预处理

17、将所述复合导热填料干燥后于高速混合机中喷入部分所述硅烷偶联剂进行混合得第一物料；

18、（2）芳纶浆粕纤维预处理

19、将所述芳纶浆粕纤维与剩余的所述硅烷偶联剂进行混合得第二物料；

20、（3）混炼

21、将所述硅橡胶基体、所述疏水型气相白炭黑、所述mq硅树脂进行密炼后，分步加入所述第一物料进行混炼，再加入所述第二物料进行混炼，降低温度后加入所述2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷和所述交联助剂进行混炼得混合物料，

22、（5）后处理

23、将所述混合物料依次进行真空脱泡、模压成型并二次硫化。

24、本发明的制备方法先通过硅烷偶联剂分别对复合导热填料和芳纶浆粕纤维进行改性，从而改善其与硅橡胶基体的相容。通过选择硅橡胶基体、复合导热填料、疏水型气相白炭黑、mq硅树脂、芳纶浆粕纤维、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷、交联助剂和硅烷偶联剂这些特定组分作为制备原料，不仅可使各组分分散均匀，也不破坏硅橡胶基体本身的性能，通过一次性模压成型就可制得导热、绝缘、机械性能较佳的异型支撑结构件，可大大降低生产工序，并使后续制成结构件的装配效率提升、公差自动补偿、产线物料减少。