锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法
【专利摘要】本发明涉及一种锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法。该聚合方法采用氟碳溶剂为助溶剂，水为分散介质，无机过硫酸盐为引发剂、酯为调节剂，温度84-86℃、压力2.0～2.2MPa下进行聚合反应，引发剂和调节剂的加入方式为连续加入。本发明方法聚合条件温和，聚合产物不含任何乳化剂且杂质含量少，分子量大小适中，分布系数窄，产物热化学稳定性好，粘度适中、具有良好的加工性能。
【专利说明】锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种聚偏氟乙烯的聚合方法，具体涉及一种锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，属于高分子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]聚偏氟乙烯（PVDF)是指偏氟乙烯单体的均聚物或共聚物。PVDF分子链的重复单元为-CH2-CF2-基团的交替排列，这种特殊的分子结构决定了 PVDF氟树脂兼具含氟树脂和通用树脂的特性，具有优良的耐化学、耐高温、耐氧化性和高介电常数。除此之外，热塑性PVDF比全氟树脂具有优良的机械性能和加工性能，因此，PVDF被广泛用于锂电池粘结剂。
[0003]在锂离子电池中，PVDF主要用作电极粘结剂。在调制电极浆料时，将PVDF粘结剂用NMP (N-甲基吡咯烷酮）溶解，加入到电极活性物质的有机溶剂中调制成浆料，再涂敷在金属集电体上制成电极。制备电极浆料时，粘度是浆料的一项重要性能指标，粘度太小，电极活性物质会产生沉降，粘度太大，不能将电极活性物质分散均匀，同样会降低电极质量。例如，CN101460558A提供了一种基于聚偏氟乙烯的导电组合物，30~60份的流体热塑性PVDF，其具有4~15kP的熔体粘度（在230°C和IOOs-I下测量）；25~62份的粘性热塑性PVDF，其具有15~40kP的熔体粘度。
[0004]PVDF用作电极粘结剂时，除了对粘度的特别要求外，洁净度也是影响电极质量的一个重要因素，传统的偏氟乙烯VDF聚合工艺大多是采用乳液聚合和悬浮聚合，都需要加入助剂使体系保持稳定，聚合结束时再通过水洗将助剂除去。US2007290407\US7045584等均采用此工艺。尽管通过水洗等工艺过程可以将助剂大部分除去，但很难完全除净。含有未除净的助剂会影响聚合物的电性能，同时助剂的加入和除去也会增加其成本，增加工艺的复杂性。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法。
[0006]本发明的技术方案如下：
[0007]一种聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，包括步骤如下：
[0008](1)向反应釜中加入水、沸程为80_120°C的氟碳溶剂和pH缓冲调节剂，抽空、除氧，至氧含量≤20ppm ;所述氟碳溶剂：水=1 :10~15重量比，pH缓冲调节剂占水重量的
O.01 ~0.08wt% ；
[0009](2)反应釜升温至80-85°C，通入单体偏氟乙烯至釜压2. O~2. 2MPa，搅拌，加入无机过硫酸盐引发剂，首次过硫酸盐引发剂加量占水重量0.005~O. lwt%,开始聚合反应，保持温度84-86°C，釜压维持在2. O~2. 2MPa，反应15_20min，再匀速补加无机过硫酸盐引发剂，同时匀速加入分子量调节剂。
[0010]单体偏氟乙烯总量与步骤（1)反应釜中加入水的用量的比例为O. 1~1 :1重量比；分子量调节剂用量为反应单体总重量的0.01-5. 0wt%。
[0011](3)保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到规定重量时，停止反应。
[0012](4)回收未反应的单体，加热回收氟碳溶剂、分离出聚偏氟乙烯产品、烘干。
[0013]根据本发明，所述氟碳溶剂的沸程80°C _120°C，市场可购。选自山东华夏神舟新材料有限公司产的氟碳溶剂(全氟碳环醚混合物)，氟碳溶剂FF31 (衢州江天氟化学有限公司产)。
[0014]根据本发明，所述分子量调节剂为低分子量酯，进一步优选的，分子量调节剂为丙酸乙酯、丙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯等。
[0015]根据本发明优选的，步骤（2)中，首次过硫酸盐引发剂加量占水重量0.008~
O.01wt%o
[0016]根据本发明，步骤（2)中，补加的无机过硫酸盐引发剂的量是无机引发剂首次加量的2-4重量倍。匀速补加的无机过硫酸盐引发剂所用时间为1-1. 5h。
[0017]根据本发明，步骤（2)中，匀速加入分子量调节剂所用时间为1-1. 5h。
[0018]根据本发明优选的，步骤（2)中，所述无机过硫酸盐引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾；配制成浓度l_10wt%的溶液，采用连续加入的方式注入。优选的，配制引发剂溶液的浓度为 l_5wt%。
[0019]根据本发明优选的，步骤（2)中，所述分子量调节剂配制成浓度l_10wt%的溶液，采用连续加入的方式注入。优选`的聚合用分子量调节剂溶液配制的浓度为l_5wt%。
[0020]本发明的单体偏氟乙烯是在储槽内陆续打入反应釜，当反应达到规定单体重量时停止加料，停止反应。
[0021]本发明制备的聚偏氟乙烯分子量100万-120万,分子量分布系数为I~2。优选的聚偏氟乙烯分子量105万-110万,分子量分布系数为I. 4~1.6。
[0022]本发明的一个优选的方案：向IOL反应爸中加入6. 5kg无离子水、O. 5kg氟碳溶剂、质量浓度10%的磷酸氢铵溶液50g作pH缓冲剂；抽空、除氧，至氧含量< 20ppm ;储槽内单体偏氟乙烯重量为5kg，然后对反应釜升温，同时往反应釜充入偏氟乙烯单体升压，待反应釜的釜温达到85°C、釜压达到2. OMPa，用计量泵打入30g质量浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入70g质量浓度为2. 0%过硫酸铵引发剂溶液和200g的浓度为3. 0%的乙酸乙酯调节剂溶液，打入时间I. 5小时；聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体；加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干。
[0023]本发明制备的聚偏氟乙烯具有适中的粘度，在20°C下，本发明的聚偏氟乙烯配制成10wt%的正甲基吡硌烷酮（NMP，基吡硌烷酮）溶液，粘度为2. 5-12. OPa. s,优选粘度为
10.0-11. 5Pa. S ;且该聚偏氟乙烯具有高的洁净度，适合用于锂电池电极浆料中作为粘结剂。
[0024]本发明的聚偏氟乙烯无皂乳液聚合，为了解决无皂乳液聚合前期单体水溶性差，单体含量少反应速度慢的难题，本发明使用氟碳溶剂为助溶剂，氟碳溶剂不参与反应且有利于提高单体在分散介质中的溶解度，从而提高反应速度；
[0025]本发明的聚偏氟乙烯无皂乳液聚合，为了解决聚合后期乳液不稳定的难题，本发明采用无机过硫酸盐类引发剂，该类引发剂首先在水相中分解生成自由基，继而与溶于水中的单体分子引发聚合并进行链增长，形成了一端带有亲水基团（-S04)的自由基活性链齐聚物，使齐聚物本身具有表面活性剂的作用，当这些齐聚物达到临界胶束浓度时，彼此靠拢在一起形成胶束，并增溶单体，形成乳胶粒，稳定乳液；
[0026]本发明的聚偏氟乙烯无皂乳液聚合，聚合时，为了保证引发剂和调节剂在釜中各个位置的均匀度同时又能保证合适的反应速度，本发明将引发剂和调节剂稀释到一定浓度加入，同时采取连续加药方式，从而保证了产品分子量的均匀度。
[0027]无皂乳液聚合是乳液聚合中的一种，但不加乳化剂，无皂乳液聚合比使用乳化剂的乳液聚合更洁净；本发明的分散介质是水，加少量氟碳溶剂起到助溶的作用，引发剂引发聚合后还可起到一定的乳化作用。本发明的无皂乳液聚合法制备聚偏氟乙烯，可避免了悬浮聚合和乳液聚合必须加入昂贵助剂并且复杂的水洗工艺的缺点。本工艺操作简单，制造成本低，制备的聚偏氟乙烯树脂不但洁净性好，且具有较高的分子量和较窄的分子量分布能够满足锂电池对电极粘结剂粘度的要求(锂电池对产品粘度的要求粘度范围2. 5-15. OPa. S)。从而即保证了产品具有良好的加工性能，又具有高粘结性和高稳定性。与现有技术相比，本发明首次提供了一种锂电池电极粘结剂专用高洁净度、适中粘度PVDF生产聚合工艺，该生产工艺简单，聚合产品化学稳定性好、粘结性强。
【具体实施方式】
[0028]下面通过实施例和对比例进一步说明本发明。但不限于此。实施例所用原料均可市购。
[0029]所用氟碳溶剂为山东华夏神舟新材料有限公司产，执行标准：Q/DYS012-2007，技术指标为：外观，无色透明液体；沸程，80~120°C ;馏出物含量，> 95%;密度(230C ±1。。），1· 73~I. 78g/ml ;pH值6~7;水份，≤1OOppm0实施例中聚合釜与反应釜同义。
[0030]实施例I :向洗净的IOL聚合釜中加入6. 5kg无离子水、O. 5kg氟碳溶剂、质量浓度10%的磷酸氢铵溶液50g作pH缓冲剂；抽空、除氧，至氧含量≤20ppm为合格；配制共计100g质量浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液(引发剂)，200g质量浓度为3. 0%的乙酸乙酯溶液(调节剂)，备用。储槽内单体偏氟乙烯为5kg。然后对聚合釜升温，同时通过往聚合釜充入偏氟乙烯单体来升压，待聚合釜的釜温达到85°C、釜压达到2. OMPa，用计量泵快速打入30g浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入剩余的70g浓度为2. 0%过硫酸铵引发剂溶液(补加引发剂）和200g的浓度为3. 0%的乙酸乙酯调节剂溶液，打入时间I. 5小时。聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体。加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干，测试并包装。
[0031]实施例2 :以IOL的聚合釜为例，向洗净的聚合釜中加入6. 5kg无离子水、O. 5kg氟碳溶剂、PH缓冲剂50gl0%的磷酸氢铵溶液；抽空、除氧，至氧含量< 20ppm为合格；配制共计80g质量浓度为2. 5%的过硫酸铵水溶液（引发剂)，200g质量浓度为3. 0%的乙酸乙酯溶液(调节剂)，备用。然后对聚合釜升温，同时通过往聚合釜充偏氟乙烯单体来升压，待聚合釜的釜温达到85°C、釜压达到2. OMPa，用计量泵快速打入24g浓度为2. 5%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入剩余的56g浓度为2. 5%过硫酸铵引发剂溶液和200g的浓度3. 0%调节剂乙酸乙酯溶液，打入时间I. 5小时。聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体。加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干，测试并包装。
[0032]下面结合乳液聚合、悬浮聚合的比较例进行对比，进一步说明本发明的优良效果。
[0033]比较例I :
[0034]以IOL的聚合釜为例，向洗净的聚合釜中加入7. Okg无离子水、40g全氟辛酸铵溶液、PH缓冲剂50gl0%的磷酸氢铵；抽空、除氧，至氧含量< 20ppm为合格；然后对聚合釜升温，同时通过往聚合釜充偏氟乙烯单体来升压，待聚合釜的釜温达到85°C、釜压达到
2.OMPa，用计量泵快速打入30g浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入剩余的70g浓度为2. 0%引发剂溶液和30g的20. 0%调节剂溶液（乙酸乙酯)，打入时间I. 5小时。聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体。加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干，测试并包装。
[0035]比较例2 ：
[0036]以IOL的聚合釜为例，向洗净的聚合釜中加入7. Okg无离子水、pH缓冲剂50gl0%的磷酸氢铵溶液；抽空、除氧，至氧含量< 20ppm为合格；然后对聚合釜升温，同时通过往聚合釜充偏氟乙烯单体来升压，待聚合釜的釜温达到85°C、釜压达到2. OMPa，用计量泵快速打入30g浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入剩余的70g浓度为2. 0%引发剂溶液和30g的20. 0%乙酸乙酯调节剂溶液，打入时间I. 5小时。聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体。加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干，测试并包装。
[0037]实施例I、实施例2与比较例I、比较例2相比较，结果是实施例1-2聚合物的杂质含量和溶液粘度都远好于比较例。实施例I、实施例2与比较例I、比较例2相比较，所得聚合物分子量适中、分子量分布窄、热化学稳定性显著增高，聚合物物化性能得到较大改善。上述各实施例及对比例的溶液粘度、杂质含量、分子量及其分布及聚合产品其它性能示于表1。
[0038]表1PVDF产品性能对比
[0039]
【权利要求】
1.一种锂电池电极粘结剂用聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，包括步骤如下： (O向反应釜中加入水、沸程为80-120°C的氟碳溶剂和pH缓冲调节剂，抽空、除氧，至氧含量≤20ppm ;所述氟碳溶剂：水=1 :10~15重量比，pH缓冲调节剂占水重量的0.01~O.08wt% ； (2)反应釜升温至80-85°C，通入单体偏氟乙烯至釜压2.O~2. 2MPa，搅拌，加入无机过硫酸盐引发剂，首次过硫酸盐引发剂加量占水重量0.005~O. lwt%,开始聚合反应，保持温度84-86°C，釜压维持在2. O~2. 2MPa，反应15_20min，再匀速补加无机过硫酸盐引发剂，同时匀速加入分子量调节剂； 单体偏氟乙烯总量与步骤（I)反应釜中加入水的用量的比例为O. I~I :1重量比；分子量调节剂用量为反应单体总重量的0.01-5. 0wt% ； (3)保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到规定重量时，停止反应； (4)回收未反应的单体，加热回收氟碳溶剂、分离出聚偏氟乙烯产品、烘干。
2.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于所述分子量调节剂为丙酸乙酯、丙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯或乙酸甲酯。
3.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于步骤（2)中，首次过硫酸盐引发剂加量占水重量0.008~0.01wt%o
4.如权利要求1所述 的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于步骤（2)中，补加的无机过硫酸盐引发剂的量是无机引发剂首次加量的2-4重量倍。
5.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于步骤（2)中，匀速加入分子量调节剂所用时间为1-1. 5h。
6.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于步骤（2)中，所述无机过硫酸盐引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾；配制成浓度l_10wt%的溶液，采用连续加入的方式注入。
7.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于步骤（2)中，所述分子量调节剂配制成浓度l_10wt%的溶液，采用连续加入的方式注入。
8.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于制备的聚偏氟乙烯分子量100万_120万，分子量分布系数为I~2。
9.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于制备的聚偏氟乙烯分子量105万-110万,分子量分布系数为I. 4~1.6。
10.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯的无皂乳液聚合方法，其特征在于向IOL反应釜中加入6. 5kg无离子水、O. 5kg氟碳溶剂、质量浓度10%的磷酸氢铵溶液50g作pH缓冲剂；抽空、除氧，至氧含量< 20ppm ;储槽内单体偏氟乙烯重量5. OOkg然后对聚合爸升温，同时往反应釜充入偏氟乙烯单体升压，待反应釜的釜温达到85°C、釜压达到2. OMPa，用计量泵打入30g质量浓度为2. 0%的过硫酸铵水溶液，开始聚合反应，15分钟后，用计量泵匀速打入70g质量浓度为2. 0%过硫酸铵引发剂溶液和200g的浓度为3. 0%的乙酸乙酯调节剂溶液，打入时间I. 5小时；聚合反应过程中，保持釜温釜压恒定，当单体反应量达到I. 5kg时，停止反应，回收未反应的单体；加热回收氟碳溶剂、分离产品、烘干。
【文档编号】C08F2/38GK103755851SQ201310744861
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】李秀芬, 王汉利, 王军, 唐妮 申请人:山东华夏神舟新材料有限公司