一种丙烯腈粘结剂粉体及其制备方法与流程

1.本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种丙烯腈粘结剂粉体及其制备方法。


背景技术：

2.锂离子电池是近年来高速发展的一种新型高性能蓄能电池，具有电压高、质量轻、比能量密度高、自放电小等优点。其应用范围涵盖了民用、国防、航空航天等领域。锂离子电池的电极是通过在用金属箔制成的集流体上涂布正/负极活性物质并干燥后制成的，这是锂离子电池电极不同于其他电池电极的独特制造工艺，为了将集流体与电极活性物质粘在一起，就需要使用少量粘合剂。目前，在锂离子电池的工业生产中，普遍采用含氟类聚合物作为电池正极材料的粘合剂，如聚偏氟乙烯(pvdf)等，并以有机溶剂n-甲基吡咯烷酮(nmp)作为溶剂，辅以少量导电剂，得到有机体系的正极浆料。目前pvdf存在生产过程中容易污染环境、价格昂贵、溶胀率较高、粘结力弱、低温电性能较差等缺点。因此开发一款粘结成本低廉、性能优异、溶胀率低、低温电性能较好的正极粘结剂代替pvdf就成了亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种丙烯腈粘结剂粉体及其制备方法，通过加入软单体、硬单体、交联单体、功能性单体与(甲基)丙烯腈进行乳液聚合，得到一种具有强极性、高剥离力的聚丙烯腈粘结剂乳液，再利用聚丙烯腈粘结剂乳液通过干燥工艺制备丙烯腈粘结剂粉体。将丙烯腈粘结剂粉体溶于nmp，代替pvdf，提高粘结力，提高低温电性能，降低溶胀率，可广泛应用于锂电池正极用粘结剂，具有广泛的市场前景。
4.实现本发明目的的具体技术方案是：
5.一种丙烯腈粘结剂粉体，其特点是以质量百分比计，包括：
[0006][0007][0008]
所述的软单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸十八烷基酯、丙烯酸十四烷基
酯、丙烯酸十七烷基酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸乙酯及丙烯酸异丁酯中的一种或几种；
[0009]
所述的硬单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸异冰片酯、苯乙烯及醋酸乙烯酯中的一种或几种；
[0010]
所述的极性单体为丙烯腈及甲基丙烯腈的一种或几种；
[0011]
所述的功能性单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯、β-丙烯酰氧基丙酸、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯及甲基丙烯酸羟丁酯中的一种或几种；
[0012]
所述的交联单体为丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、三聚氰酸三烯丙酯、季戊四醇三烯丙基醚、甲基丙烯酸缩水甘油酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、n-羟甲基丙烯酰胺及n-甲氧基甲基丙烯酰胺一种或几种；
[0013]
所述的反应型阴离子乳化剂为丙烯酰胺基异丙基磺酸钠、烯丙氧基羟丙基磺酸钠、乙烯基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、脂肪醇醚乙烯基磺酸钠及烷基酰胺乙烯磺酸钠中的一种或几种；
[0014]
所述的缓冲剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵及氢氧化锂中的一种或几种；
[0015]
所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠及过硫酸铵中的一种或几种；
[0016]
所述的氧化剂为过硫酸盐、过氧化氢及叔丁基过氧化氢中的一种或几种；
[0017]
所述的还原剂为甲醛次硫酸氢钠、异抗坏血酸及焦亚硫酸钠中的一种或几种。
[0018]
本发明还提供了一种丙烯腈粘结剂粉体的制备方法，该方法包括下述步骤：
[0019]
(1)、预乳液的配制：将50-90％的反应型阴离子乳化剂、50-90％的缓冲剂加入去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将全部的硬单体、软单体、极性单体、功能性单体和交联单体的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度300～800转每分钟，搅拌15～45分钟，制得预乳液；
[0020]
(2)、引发剂溶液的配制：将50-90％的引发剂加入去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0021]
(3)、种子乳液的配置：将剩余的反应型阴离子乳化剂、缓冲剂及引发剂加入去离子水中，搅拌使其溶解，加入2-10％的预乳液，缓慢加热至65～75℃，反应10～30分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0022]
(4)、将全部的氧化剂加入去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0023]
(5)、将全部的还原剂加入去离子水中，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0024]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在65～75℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间2.5～4小时，滴加结束后保温0.1～1小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间5～15min，继续保温1.5～2.5小时，最后抽真空20～50分钟；抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0025]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过干燥工艺进行造粉，即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0026]
所述的一种丙烯腈粘结剂粉体的制备方法，其特征在于，原料以质量百分比计：
[0027][0028]
所述的软单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸十八烷基酯、丙烯酸十四烷基酯、丙烯酸十七烷基酯、丙烯酸十六烷基酯及丙烯酸乙酯及丙烯酸异丁酯中的一种或几种；
[0029]
所述的硬单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸异冰片酯、苯乙烯及醋酸乙烯酯中的一种或几种；
[0030]
所述的极性单体为丙烯腈及甲基丙烯腈的一种或几种；
[0031]
所述的功能性单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯、β-丙烯酰氧基丙酸、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯及甲基丙烯酸羟丁酯中的一种或几种；
[0032]
所述的交联单体为丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、三聚氰酸三烯丙酯、季戊四醇三烯丙基醚、甲基丙烯酸缩水甘油酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、n-羟甲基丙烯酰胺及n-甲氧基甲基丙烯酰胺一种或几种；
[0033]
所述的反应型阴离子乳化剂为丙烯酰胺基异丙基磺酸钠、烯丙氧基羟丙基磺酸钠、乙烯基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、脂肪醇醚乙烯基磺酸钠及烷基酰胺乙烯磺酸钠中的一种或几种；
[0034]
所述的缓冲剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵及氢氧化锂中的一种或几种；
[0035]
所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠及过硫酸铵中的一种或几种；
[0036]
所述的氧化剂为过硫酸盐、过氧化氢及叔丁基过氧化氢中的一种或几种；
[0037]
所述的还原剂为甲醛次硫酸氢钠、异抗坏血酸及焦亚硫酸钠中的一种或几种。
[0038]
所述的一种丙烯腈粘结剂粉体的制备方法，其特征在于，所述的干燥工艺为喷雾干燥、干燥粉碎及冷冻干燥中的一种。
[0039]
丙烯腈粘结剂粉体主要应用于锂电池正极活性材料(如：licoo2、limn2o4、lifepo4等)与集流体的粘结。
[0040]
本发明所述的丙烯腈粘结剂粉体及其制备方法，具有以下有益效果：
[0041]
(1)利用反应型乳化剂，最大程度的降低小分子的析出，降低了粘结剂中小分子对电池充放电的影响；(2)丙烯腈粘结剂粉体具备优异的耐电解液，较低的溶胀率，同时具有优异的粘结力；(3)制备过程中，使用水而非有机溶剂做介质，低碳环保，成本低廉；(4)施工
简单，丙烯腈粘结剂粉体容易制备，干燥快。
具体实施方式
[0042]
下面结合实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0043]
实施例1
[0044]
(1)、预乳液的配制：将2.5份的烯丙氧基羟丙基磺酸钠、1.5份的氢氧化锂加入350份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将50份的甲基丙烯酸甲酯、37.5份的丙烯酸丁酯、150份的丙烯腈、7.5份的甲基丙烯酸和5份的丙烯酰胺的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度400转每分钟，搅拌30分钟，制得预乳液；
[0045]
(2)、引发剂溶液的配制：将0.75份的过硫酸铵加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0046]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的烯丙氧基羟丙基磺酸钠、0.5份的氢氧化锂、0.25份的过硫酸铵加入225份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入5％的预乳液，缓慢加热至70℃，反应25分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0047]
(4)、将0.075份的叔丁基过氧化氢加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0048]
(5)、将0.1份的异抗坏血酸加入15份的去离子水中，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0049]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在70℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间3.5小时，滴加结束后继续保温0.5小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间10分钟，继续保温2小时，最后抽真空30分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0050]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过喷雾干燥即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0051]
实施例2
[0052]
(1)、预乳液的配制：将2份的烯丙氧基羟丙基磺酸钠、2.5份的氢氧化锂加入250份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将62.5份的苯乙烯、30份的丙烯酸异辛酯、137.5份的丙烯腈、10份的甲基丙烯酸和10份的丙烯酰胺的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度300转每分钟，搅拌45分钟，制得预乳液；
[0053]
(2)、引发剂溶液的配制：将0.75份的过硫酸铵加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0054]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的烯丙氧基羟丙基磺酸钠、0.75份的氢氧化锂、0.25份的过硫酸铵加入150份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入2％的预乳液，缓慢加热至65℃，反应30分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0055]
(4)、将0.075份的叔丁基过氧化氢加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0056]
(5)、将0.1份的异抗坏血酸加入15份的去离子水中，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0057]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在65℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间4小时，滴加结束后继续保温1小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间15分钟，继续保温2.5小时，最后抽真空50分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0058]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过干燥粉碎即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0059]
实施例3
[0060]
(1)、预乳液的配制：将3.75份的丙烯酰胺基异丙基磺酸钠、2.5份的氢氧化锂加入200份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将25份的甲基丙烯酸异冰片酯、5份的丙烯酸十七烷基酯、200份的丙烯腈、10份的丙烯酸和10份的n-羟甲基丙烯酰胺的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度800转每分钟，搅拌15分钟，制得预乳液；
[0061]
(2)、引发剂溶液的配制：将1份的过硫酸铵加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0062]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的丙烯酰胺基异丙基磺酸钠、0.5份的氢氧化锂、0.25份的过硫酸铵加入150份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入10％的预乳液，缓慢加热至75℃，反应10分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0063]
(4)、将0.125份的叔丁基过氧化氢加入12.5份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0064]
(5)、将0.175份的异抗坏血酸加入20份的去离子水中，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0065]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在75℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间2.5小时，滴加结束后继续保温0.1小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间5分钟，继续保温1.5小时，最后抽真空20分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0066]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过喷雾干燥即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0067]
实施例4
[0068]
(1)、预乳液的配制：将3.25份的对苯乙烯磺酸钠、3份的碳酸氢钠加入275份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将17.5份的丙烯酸异冰片酯、20份的丙烯酸乙酯、175份的丙烯腈、25份的丙烯酸和12.5份的n-羟甲基丙烯酰胺的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度500转每分钟，搅拌40分钟，制得预乳液；
[0069]
(2)、引发剂溶液的配制：将1份的过硫酸钾加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0070]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的对苯乙烯磺酸钠、0.5份的碳酸氢钠、0.25份的过硫酸钾加入175份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入8％的预乳液，缓慢加热至72℃，反应22分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0071]
(4)、将0.05份的过硫酸钠加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0072]
(5)、将0.075份的焦亚硫酸钠加入12.5份的去离子水，搅拌使其溶解得到还原剂
水溶液；
[0073]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在72℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间3小时，滴加结束后继续保温0.7小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间8分钟，继续保温1.7小时，最后抽真空40分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0074]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过喷雾干燥即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0075]
实施例5
[0076]
(1)、预乳液的配制：将2.25份的乙烯基磺酸钠、3.25份的碳酸氢钠加入375份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将20份的丙烯酸异冰片酯、30份的丙烯酸乙酯、150份的丙烯腈、37.5份的丙烯酸和12.5份的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度650转每分钟，搅拌35分钟，制得预乳液；
[0077]
(2)、引发剂溶液的配制：将0.75份的过硫酸钾加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0078]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的乙烯基磺酸钠、0.375份的碳酸氢钠、0.25份的过硫酸钾加入325份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入7％的预乳液，缓慢加热至68℃，反应24分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0079]
(4)、将0.05份的过氧化氢加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0080]
(5)、将0.075份的甲醛次硫酸氢钠加入12.5份的去离子水，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0081]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在68℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间3小时，滴加结束后继续保温0.6小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间10分钟，继续保温1.6小时，最后抽真空45分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0082]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过冷冻干燥即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0083]
实施例6
[0084]
(1)、预乳液的配制：将2.75份的脂肪醇醚乙烯基磺酸钠、3份的碳酸氢铵加入275份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将15份的甲基丙烯酸环己酯、17.5份的丙烯酸十六烷基酯、162.5份的丙烯腈、50份的丙烯酸羟乙酯和5份的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度550转每分钟，搅拌35分钟，制得预乳液；
[0085]
(2)、引发剂溶液的配制：将1份的过硫酸钾加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0086]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的脂肪醇醚乙烯基磺酸钠、0.5份的碳酸氢铵、0.25份的过硫酸钾加入175份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入7％的预乳液，缓慢加热至71℃，反应28分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0087]
(4)、将0.075份的过氧化氢加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0088]
(5)、将0.1份的甲醛次硫酸氢钠加入15份的去离子水，搅拌使其溶解得到还原剂
水溶液；
[0089]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在71℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间3.7小时，滴加结束后继续保温0.8小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间8分钟，继续保温1.8小时，最后抽真空37分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0090]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过干燥粉碎即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0091]
实施例7
[0092]
(1)、预乳液的配制：将2.75份的对苯乙烯磺酸钠、3份的碳酸氢铵加入300份去离子水中，搅拌使其溶解得到乳化剂水溶液，将25份的甲基丙烯酸环己酯、20份的丙烯酸乙酯、162.5份的丙烯腈、30份的衣康酸和12.5份的三聚氰酸三烯丙酯的混合物作为混合单体，将混合单体加入乳化剂水溶液中，搅拌速度700转每分钟，搅拌35分钟，制得预乳液；
[0093]
(2)、引发剂溶液的配制：将0.75份的过硫酸钠加入25份的去离子水中，搅拌使其溶解，即得引发剂溶液；
[0094]
(3)、种子乳液的配置：将0.75份的对苯乙烯磺酸钠、0.5份的碳酸氢铵、0.25份的过硫酸钠加入187.5份的去离子水中，搅拌使其溶解，加入6％的预乳液，缓慢加热至69℃，反应30分钟，出现明显的蓝色荧光现象，即得种子乳液；
[0095]
(4)、将0.075份的过硫酸钠加入10份的去离子水中，搅拌均匀得到氧化剂水溶液；
[0096]
(5)、将0.1份的焦亚硫酸钠加入15份的去离子水，搅拌使其溶解得到还原剂水溶液；
[0097]
(6)、将剩余的预乳液和步骤(2)的引发剂溶液在69℃分别同时滴加到步骤(3)中的种子乳液中，滴加时间3.2小时，滴加结束后继续保温0.5小时，之后分别同时滴加步骤(4)中的氧化剂水溶液和步骤(5)中的还原剂水溶液，滴加时间8分钟，继续保温2小时，最后抽真空40分钟。抽真空结束，降温冷却，过滤出料，即得聚丙烯腈粘结剂乳液；
[0098]
(7)、将步骤(6)得到的聚丙烯腈粘结剂乳液，通过喷雾干燥即得丙烯腈粘结剂粉体。
[0099]
胶液粘度：将丙烯腈粉体溶于溶剂nmp中，丙烯腈粉体占整个胶液质量的6％，测试胶液粘度；
[0100]
剥离力：将上述胶液与电极活性材料配制成浆料，涂布于集流体上，利用拉力机进行测试；
[0101]
溶胀率：将上述的胶液放于烘箱中，60～80℃烘干制成胶膜，将质量为m0的胶膜浸泡于电解液中，在60℃下放置24h，取出，将胶膜表面的电解液擦拭干净，称量其质量记为m1。
[0102]
溶胀率＝(m
1-m0)/m0*100％
[0103]
测试结果
[0104]
[0105][0106]
从测试结果来看，本发明实施例制备的丙烯腈粘结剂粉体相比pvdf，具有更好的粘结力，更低的溶胀率。本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。