新材料在低压电器上的应用及发展趋势

新材料在低压电器上的应用及发展趋势一、低压电器对塑料材料的一般要求塑料应用于电器产品上，主要是基于它的绝缘性。从电性能方面考虑，塑料可大致分为三类：第一类是非极性的或稍带极性的塑料，如通用塑料中的大部分烯烃类塑料，像PE、PP、PS等。这类材料介电常数和介电损耗低，电阻率高，而且不受外界频率和温度、湿度的影响。第二类是极性大的材料，如有增塑剂的PVC、酚醛模塑料以及尼龙等。它们的介电强度和介电损耗比第一类大得多，且电阻率也较低。第三类材料介于一、二类之间，介电常数在3～5之间，tanδ在10-3～10-2之间，电阻率在1014～1016Ω之间，这类材料有有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚碳酸酯PBT、聚酰亚胺等。值得注意的是，第二类和第三类塑料受外界频率、温度和湿度的影响很大。但对于低压电器用塑料而言，电绝缘性往往并不很重要，这是因为由于绝缘引起的问题很少，一般塑料都能胜任低压电器对材料绝缘性的要求。相比之下，其他性能就显得更重要些，这些性能包括：力学性能、热性能、阻燃性能、加工性能、是否环保、性价比和使用寿命等。聚碳酸酯、尼龙和PBT虽然属于第二、三类材料，但由于其优异的力学性能、热性能和加工性能，被低压电器制造商选为首选材料。但纯的材料还不能满足低压电器对材料诸多性能的要求，因些需通过改性来实现。二、工程塑料的改性方法及效果1.力学性能和热性能的改进尼龙（PA）和PBT属结晶型材料，添加矿物或玻璃纤维可大大提高材料的力学性能和热性能。尤以玻璃纤维增强效果昀为明显，表1是不同材料改性前后的对照表。表1PA6、PA66和PBT改性前后对照表PA6PA66PBT检测项目引用标准单位未增强30%玻纤增强未增强30%玻纤增强未增强30%玻纤增强密度GB/T1033-86g/cm31.141.371.141.371.311.58拉伸强度GB/1040-92MPa741588015151140断裂伸长率GB/T1040-92%2002601.53002弯曲强度GB/T9341-2000MPa11116112716782195弯曲模量GB/T9341-2000MPa250060003000680023406500简支梁冲击强度ISO179-1:2000kJ/㎡5.615.54.013.55.39.0（缺口）热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃6321670256542052.阻燃性能的改进电器产品已渗透到各个领域，无论是工业制造、交通运输、国防、还是家电、通讯等无处不在。由于塑料是一种可燃物质，在发生火灾时，塑料起到了助燃作用。据统计因电器老化或电器意外故障引起的火灾占火灾总数的半数以上。因此，出于安全原因，用于电子电器的塑料产品均需要阻燃。传统的阻燃剂被认为是不环保的，易产生二恶英等致癌物质，欧盟已明令禁止在电子电气产品中使用某些有害物质，因此，电子电器用塑料均要采用环保型阻燃剂。（1）有卤环保型阻燃体系在塑料中使用有卤阻燃剂量昀大的是十溴联苯醚。虽然欧盟在禁止使用的有害物质中将其列为豁免名单，但由于在生产这种阻燃剂时，其相关的副产物难以除尽，因此选用十溴联苯醚存在着潜在的危险。目前可供选用的有卤环保型阻燃剂有十溴二苯乙烷、溴化聚苯乙烯、溴化环氧、BC-58（苯氧基四溴双酚A碳酸酯齐聚物）等。（2）无卤环保型阻燃体系随着欧盟RoHS指令的颁布实施，无卤阻燃已是大势所趋。目前较成熟的无卤阻燃剂有三大类：一是磷系阻燃剂、二是氮系阻燃剂、三是氢氧化物阻燃剂、磷系阻燃剂和氮系阻燃剂可用于PC、尼龙和PBT中。近几年还开发了硅系阻燃剂和芳香族磺酸盐类阻燃剂，这些阻燃剂用到PC中起到了很好的效果。三、电器专用料的性能与用途1.PA6电器专用料尼龙6（PA6）是由己内酰胺开环缩聚而成，聚酰胺大分子结构中含有大量的酰胺基团，大分子末端为氨基（－NH2）或羧基（－COOH），是一种强极性，能形成氢键且具有一定反应活性的半结晶性聚合物。由于有大量的酰胺键，而酰胺键可以与水分子配位形成氢键，因此表现出一定的吸水性。PA6具有优异的综合性能：强度高、韧性较好（湿态）；耐油、耐有机溶剂、耐化学药品性能好；摩擦系数小，自润滑性能优良；加工性能好。随着电子电器和通讯设备朝小型化、轻量化、高性能化发展，尼龙改性材料的用量越来越大。但是尼龙材料也存在着不足之处。首先阻燃性能不好，未经过改性的尼龙材料不能满足电器行业对材料的阻燃性能要求。其次吸水性较大，导致材料的尺寸变化，同时材料变软，还使得材料的绝缘性能有所降低，表面电阻率从1014Ω.cm降到1012～13Ω.cm。早在1999年，俊尔公司针对市场需求，参照国外同类产品的性能，开发了矿物填充阻燃PA6产品，阻燃达到V-0级，公司将其命名为A4-1，主要用于小型断路器和漏电保护器外壳，具体性能见表2。表2A4-1产品的性能检测项目引用标准单位标准要求密度GB/T1033-86g/cm31.57±0.03拉伸强度GB/1040-92MPa60弯曲强度GB/T9341-2000MPa100简支梁冲击强度（缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡5简支梁冲击强度（无缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡20阻燃性（垂直燃烧法）GB/T2408-963.2㎜V-0阻燃性（灼热丝测试）GB/T5169.13-99s30热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃150漏电起痕指数（CTI）GB/4207-84V300该产品由于选用普通的填料和传统的阻燃剂，因此价格低廉，表面外观也非常平整光滑，能满足普通低压电器外壳的要求，当年许多低压电器厂商都选用了这种材料。这种材料的不足之处是性能偏软，耐热性不够。为此我们开发了A4-2产品。它与A4-1的不同之处是增强材料的种类不一样。A4-2产品有比A4-1产品更高的弯曲强度、弯曲模量和热变形温度。这一产品用于制备出口日本的小型断路器，至今还在使用。具体性能见表3。表3A4-2产品的性能检测项目引用标准单位标准要求密度GB/T1033-86g/cm31.55拉伸强度GB/1040-92MPa75弯曲强度GB/T9341-2000MPa125简支梁冲击强度（缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡7.0简支梁冲击强度（无缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡22.0阻燃性（垂直燃烧法）GB/T2408-963.2㎜V-0阻燃性（灼热丝测试）GB/T5169.13-99s≤12热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃170漏电起痕指数（CTI）GB/4207-84V325~375A4-1和A4-2使用的是传统的阻燃剂，在环保方面存在着一定的缺陷。为了应对欧盟的RoHS指令，满足低压电器制造商对环保材料的要求，我们在A4-1产品的基础上，开发了不含六种有害物质的产品A4-1a。这种产品在性能上与A4-1基本相同，环保方面能通过SGS检测，热稳定性方面也有所提高，性能见表4。表4A4-1a产品的性能检测项目引用标准单位标准要求密度GB/T1033-86g/cm31.55拉伸强度GB/1040-92MPa70弯曲强度GB/T9341-2000MPa110简支梁冲击强度（缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡7.0简支梁冲击强度（无缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡21.0阻燃性（垂直燃烧法）GB/T2408-963.2㎜V-0阻燃性（灼热丝测试）GB/T5169.13-99s≤12热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃150漏电起痕指数（CTI）GB/4207-84V325~375A4类产品虽然有很多长处，但它同时也存在许多缺陷。如力学性能偏低、比重大、含卤、耐热性较差、电性能一般，特别是CTI值较低。为此我们开发了A6类产品，这类产品选用的是无卤阻燃剂，采用玻纤增强。它具有力学性能好、热变形温度高、无卤、CTI值高等特点。虽然垂直燃烧阻燃性能只有V-2级，但960℃灼热丝小于12秒，完全能满足低压电器对壳体材料的要求。表5是A6类产品的性能。表5A6类产品性能检测项目单位PA-A6PA-A6-B密度g/cm31.341.34拉伸强度MPa105100弯曲强度MPa135135简支梁冲击强度（缺口）kJ/㎡8.08.0简支梁冲击强度（无缺口）kJ/㎡40.040.0阻燃性（垂直燃烧法）厚度：3.2㎜V-2V-2阻燃性（灼热丝测试）s＜12＜12热变形温度（1.82MPa）℃200195熔体流动速率G/10min16.020.0漏电起痕指数（CTI）V500~600500~600A6产品虽然在性能上得到了改进，但也出现制品尺寸因收缩不均造成翘曲等现象，A6-B是针对翘曲问题进行的改进产品。A6和A6-B的另一不足是成本略高，有些客户不愿接受。为些我们开发了A8系列产品，它是将A4的低成本和A6的高性能相综合的产物，目前市场前景看好，表6是A8类产品的性能。表6A8产品性能检测项目引用标准单位A8-1A8-2密度GB/T1033-86g/cm31.401.40拉伸强度GB/1040-92MPa7580弯曲强度GB/T9341-2000MPa110125简支梁冲击强度（缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡4.54.5简支梁冲击强度（无缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡21.023.0阻燃性（垂直燃烧法）GB/T2408-963.2㎜V-2V-2阻燃性（灼热丝测试）GB/T5169.13-99s＜12＜12热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃170185漏电起痕指数（CTI）GB/4207-84V500~600500~600从以上介绍可以看出A4系列产品是高阻燃性（离火即熄），但CTI值较低；而无卤阻燃的A6及A8系列产品是高CTI值，但阻燃性稍差，垂直阻燃为V-2级（垂直燃烧有滴落引燃现象）。阻燃性和CTI值是工业电器用材料很关键的性能指标，直接关系到电路的安全性和可靠性。我们投入大量的人力、物力，开发出集A4的高阻燃性和A6、A8的高CTI值于一体的材料——PA-A10。卤系阻燃材料的另一不足之处是燃烧时产生大量的黑烟，在发生火灾时，影响人的迅速转移，因此，在通风条件较差的环境中，有卤阻燃的材料的选择就有一定的限制。近年开发的无卤、环保高阻燃材料呼声越来越高，为此公司新开发出高性价比的无卤、高阻燃性增强材料——PA-A11。PA-A10和PA-A11的具体性能见表7表7PA-A10和PA-A11性能检测项目引用标准单位PA-A10PA-A11密度GB/T1033-86g/cm31.551.53拉伸强度GB/1040-92MPa70105弯曲强度GB/T9341-2000MPa100135简支梁冲击强度（缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡6.55.0简支梁冲击强度（无缺口）ISO179-1:2000kJ/㎡21.021.0阻燃性（垂直燃烧法）GB/T2408-963.2㎜V-0V-0阻燃性（灼热丝测试）GB/T5169.13-99s≤12s≤12s热变形温度（1.82MPa）GB/T1634-89℃180195漏电起痕指数（CTI）GB/4207-84V500~600300~400PA-A10的性能可以与罗地亚C32H2MX30相媲美。2.PA66电器专用料目前电子电器产品正朝着小型化和多功能化方向发展，因此要求所使用的工程塑料不但要阻燃、环保，而且要耐更高的环境温度。由于PA6自身熔点的限制，改性产品的耐热性在某些场合达不到要求。为此我们开发了以PA66为基材的电器用阻燃增强材料。PA66树脂价格比PA6更高。考虑到市场承受能力，我们首先开发了低成本材料BR2M7，它由30%矿物增强，阻燃可达到V-0级，具体性能见表8。表8矿物填充阻燃PA66产品BR2M7性能检测项目引用标准单位BR2M7密度GB/T1033-86g/cm31.70灰分GB9345-88%35拉伸强度GB/1040-92MPa67弯曲强度GB/T9341-2000MPa102弯曲模量GB/T9341-2000MPa6040简支