温度对塑料的影响和塑料的电性能

温度对塑料的影响和塑料的电性能北京化工大学材料科学与工程学院2005.11.28苑会林目录•（一）绪论•（二）温度和热对塑料的影响•（三）电性能分析•（四）塑料的阻燃性和抑烟性（一）绪论•设计人员必须了解温度的上升和降低是如何影响塑料制品的性能的。•塑料对温度变化很敏感，当处于高温时，非晶态树脂将变软并在150℉（73℃）以上时就很快失去室温时的物理性能。工程塑料、半结晶塑料、结晶型塑料和液晶塑料具有较高的耐温性能，当温度为150℉时它们的物理性能变化较小。温度增加时液晶树脂的性能变化更小。•因此，设计时必须了解制品的使用温度范围。不管任何时候制品都必须满足在使用温度范围内的正常使用。温度和热对塑料的影响•制品的最终使用温度对设计有很大的影响。•当温度增加时，塑料材料的物理性能，比如蠕变、模量、拉伸性能和韧性都受影响•结晶型、半结晶型和液晶树脂因为有很强的分子键的晶体分子结构，所以，随温度的变化性能变化较小。结果，在温度增加时，这些材料的物理性能降低较小。当在无负荷作用下升温时，它们也仍保持它们的物理形状，但是一旦到达到玻璃化转变温度时，这时它们开始像冰一样融化。这些材料随温度升高，它们物理性能在降低，会产生弯曲和蠕变，但是不会像无定型树脂那样变软和流动热变形温度（HDT）•热变形温度（HDT）不是材料的上限使用温度。HDT是美国材料试验学会标准测试样条在两端被固定而中心承受66或264psi的压力并且以均匀速度升温的温度控制在油浴中样条变形0.010in时的温度。•国标温度对塑料力学性能的影响热老化和氧化效应•塑料的热老化和氧化效应是在老化箱里测试样条来评价的。把无应力的测试样条放入老化箱中，在不同温度下老化一定的时间。在一定的时间间隔取一次测试样品，分别在室温下测定这些样条的拉伸性能和弯曲性能。根据这些数据可以得出材料的物理性能与老化时间或老化温度的关系图。这些数据被用来测试材料的热稳定性，还被用于在设计时估计特定的温度和时间下材料的弯曲模量温度对塑料模量与时间关系的影响粉化•粉化是长期氧化效应的结果，它并不像开裂那样严重，但是表面会脱色。尼龙制件经常被用作舟船的结构材料，所以常被日晒而引起粉化，用适量的研磨清洁剂可使其恢复。为防止表面氧化效应在制备树脂时添加少量抗氧化剂，不会影响制品的其他物理性能。碳黑是常用的并且很有效的抗氧化添加剂，制造者常常把它混合到树脂中去温度对塑料模量与时间关系的影响30%短纤维增强塑料的性能LCP液晶聚合物；PAI聚酰亚胺；PEI聚醚亚胺；PES聚芳基砜；PPS聚苯硫醚；PSU聚砜；PEEK聚醚醚酮耐热性耐热添加剂基本上有两种类型一种是当材料被置于高温下时能阻碍材料表面氧化，高温时把热稳定剂混入树脂中，这样可减少制品表面的氧化效应，所有塑料材料在高温应用时都需加热稳定剂。由杜邦公司生产的作为尼龙66的热稳定剂使树脂显现出些许绿色，正与材料的原色即乳白透明色形成对比；第二种热稳定剂是在制备过程中用来保护树脂的。制备过程中热敏性树脂需要保护，以免注射的料筒受强热或高剪切温度时熔化树脂而造成材料脱色或分解。用户使用温度塑料树脂的用户使用温度是基于材料的分子结构、增强材料、制品使用时承受的力、环境、添加剂和制品使用的寿命。新型塑料树脂，如液晶树脂，特殊情况下可耐400-500℉的高温。每种树脂都有用户使用温度，使用时不可以超过这个温度温度指数•温度指数是用来对材料最高使用范围进行分级的又一种方法。电和机械应用的令人满意的连续的最高使用温度都在树脂的性能说明表中列出，这些数据是经过测试得出的。对于电和机械应用中的温度则分为受冲击和不受冲击两种情况分别列出。树脂的DAM性能数据表以表格的形式列出，这些数据用来评估作为特殊应用的材料，并且它们是UL和材料供应商们提供的，是可信的。这些数据对低温时处于脆性的材料也是适用的，这个数据可以从树脂性能数据表中找到。线性热膨胀系数•所有材料在受热或冷却时都会引起它长度或体积尺寸上的变化。•当和金属或其它不同的材料相互配合安装时，设计者必须要考虑它们的膨胀率和收缩率。•许多材料、特别是纤维增强的和液晶树脂材料在流动方向和垂直于流动方向上的膨胀系数是不同的线性热膨胀系数热应力对制品施加压力可使它在结构上产生内应力。当把制品固定在一个地方并限制其移动,然后将其加热或冷却，制品中应力就会增加。当材料收缩或膨胀时，制品的内部就会产生力，这种力被称为内部热应力。可能有热（内）应力问题的组装消除膨胀应力的设计控制不同的热膨胀电性能分析•热塑性塑料和热固性树脂是极好的电绝缘材料，它们在电和电子工业中应用广泛，为电和电子装置的电流传递运用起绝缘作用。PVC聚合物为铜制品对商业的和工业电线的绝缘提供了主要的护套应用。除了高压电能传送线路应用之外，热固性和热塑性塑料在所有方面都以证明了它们的价值。它们有优良的机械性能和电绝缘性，所以它们是做开关、插销、连接器、线圈包皮和电流传导装置的好材料。下面部分描述了用于电器的塑料的重要电性能。体积电阻率•当使用为直流电压时，材料传导电流能力的坏如何是测材料电阻的一种方法。体积电阻率的测量法是测试一定厚度的样品两侧电极之间阻抗，把测试得到的欧姆乘以电极板截面积再除以样品的厚度得到的数据，电阻率单位为Ω·cm，如图7.7a所示。根据样品测试条件诸如温度、相对湿度、测试电压和样品的水分含量，测试结果可能改变。塑料被认为是很好的绝缘体，它的电阻率值为1014Ω·cm，而电阻率值在103和1012Ω·cm之间的材料是半导体，典型塑料的电阻率值见表7.2表面电阻系数•通过材料表面电流的测量法是表面电阻系数的一种测试法。表面电阻系数主要是测试塑料由于表面结构，尤其是湿度引起的导电性，（见图7.7b）。现象，诸如在考虑电器插座的插头之间的塑料绝缘体的距离时，不考虑表面泄露（传导率）的问题就可能成问题，可能造成很大的错误。因此，在用于高电压设计在两电插头之间增加肋或者凹槽结构的设计可以增加两电极间的长度。电性能测试(a)体积电阻率；(b)表面电阻率体积电阻数据介电（绝缘）强度•介电（绝缘）强度测量的是加在塑料上的电压不断增加直到被击穿前的塑料的绝缘能力。测试如图7.8所示，当电流通过一定厚度的样品时，施加电压直至击穿时得电压与厚度的比值为介电强度。影响测量结果的变量有温度、样品厚度、湿度、使用电压的变化速率和测试时间。成型制品测试表面的任何污染或者孔洞都会降低树脂的绝缘强度，并且会引起电弧或者产生可穿过样品的传导路径，从而导致过早的被击穿。介电强度测试原理介电常数•对于像雷达装置和微波装置这些常在高频情况下使用的绝缘材料来说，介电常数是非常重要的，它是材料被极化时的磁化系数。当电场存在于材料的周围时，材料中的分子就会沿着电流方向在电场中排列，出现这种现象就被称为极化作用。当用交流电来使电场改变时，分子的极化随之改变。介电常数是一个无量纲常量，用来测量分子的极性随电场变化而变化的难易程度。温度、制品厚度、电流的交变频率和样品的湿度的改变都会引起介电常数改变。多种绝缘材料的介电常数值和耗散因子见表7.3所示耗散因子•用交流电（60Hz）使极性迅速交变，由于快速的极化方向改变激活了分子，测试样品就产生热量。样品中热耗散量的测定以耗散因子（DF）来表征。DF表示的是在1MHz或其它规定的频率下测量得到的由于发热变为热能损失的能量与经此材料穿透而过的能量之间的比值。设计电子元件需要低耗散因子。抗电弧性能•使用中尤其是在高压应用中如果表面上出现电弧，抗电弧性能就非常重要了，这些涉及到开关、断路器和汽车点火器等高压应用的场合。热固性塑料是在制品应用中具有这种特性的首选塑料。抗电弧性能是通过测量材料的表面在高压电能的作用下产生电流通道或者零件表面材料热分解的性能。测试试验如图7.9所示，用电极在测试样品的表面按照一定的距离放置，以便使塑料表面局部加热。试验要测量通过绝缘材料表面形成传导通路的时间，以秒计。材料的击穿时间越长则抗电弧性越好相应的电磁指数•美国保险商实验所（UL）已开发了一种更现实的试验，用来确定被污染表面的抗电弧性。在UL试验中，用氯化铵溶液浸湿电极的接触表面，CTI数值是按规定电流在电极之间导致导电通道形成所要求的电压值。•对电和电子装置的其它UL试验要更加详细而精确，它们在材料和最终使用的范围。在用户或者工厂能保证制品获得UL认证付诸使用之前，对整个制品必须经过UL检测。如果销售时必须要有UL合格证的话，设计者必须懂得UL认证的具体条款。其它制品检测机构，如加拿大用户安全管理部门（CSA）（与美国的UL类似）和其它外国政府检测机构都有他们自己的要求，并且通常对出售到他们国家的与电有关的制品都有相似的要求。抗电弧测试塑料的电性能•塑料树脂是极好的绝缘体，它们可以具有很好的机械性、化学性、阻燃和抑烟性能和隔热性等特性，满足了商业和工业上对电器的要求。热固性塑料和一些热塑性树脂是各种电器都适合的材料，除了最极端条件的电器应用之外。塑料的阻燃性和抑烟性•塑料制品研究的一个重要方面就是材料的可燃性和烟形成的能力。塑料支撑电子加热元件，所以常用做许多电动工具的机架和护罩。用户安全和防火法规更多是要求材料阻燃。塑料的阻燃性是根据它在标准海平面高度上支持塑料样品燃烧的最低含氧量来评定的，即氧指数（OI）。空气中的含氧量为20%。制品的OI值越高，它燃烧所需要的氧气量就越多；反之，OI值越小，这种材料要保持燃烧就越容易。一些塑料树脂本身就是阻燃材料。当在这些树脂中加入阻燃添加剂时，如果把该树脂放入火中或将其点燃时，就能起到将该材料与氧气隔离的作用。UL94燃烧性能测试(a）对缓慢燃烧塑料的UL94HB—ASTM燃烧性能和测试(b)UL94V0—V1—V2—自熄测试UL94HB：水平燃烧•经常是用纵向V0、V1、或V2方式行不通时才采用这种方法。如果老化和UL检测还没完成的话就要将塑料制品进入市场，或者用其它的评定方法行不通时，才使用这种方法测定，这是临时的也经常是塑料的最终评定方法UL94V0、V1、V2、V5：垂直燃烧•UL94V0和V5是塑料“保险费”分级的方法，从点燃后把火焰移开后样品能快速自熄到在一定的时间间隙内无燃烧的熔体滴落（也就是说，即燃烧着的熔体滴落在位于测试样品下面的一英尺的棉花垫上，不能引燃棉花）。要求火焰长度为3/4英寸，并且用UL94V0、V1、V2每一可燃检测都要进行两次燃烧。•UL94V1评定方法与V0类似，只不过它要求的自熄时间要长些。这种检测允许熔体滴落在棉花垫上，但不能点燃棉花。•UL94V2和V1相同，只是它允许燃烧着的熔滴能够将一英尺下面的棉垫点燃。•UL94V5是最严格的检测方法，它涉及到了塑料制品实际在火焰里的寿命。实验要求火焰长度为5英寸，对测试样品施加5次燃烧，其间不允许有熔滴滴落，不允许测试样品有明显的扭曲，也不能产生有任何被烧出来的洞。美国实验所UL94燃烧检测法的要求测试条件标准HBV0V1V2第一次点燃后燃烧的时间第二次点燃后燃烧的时间5个样品10次点燃总的燃烧时间第二次点燃后炽热的燃烧时间点燃棉花10s10s50s30s否30s30s250s60s否30s30s250s60s是样品燃烧到标线END•2005.11.28