工程塑料在电气设备方面的应用及展望

工程塑料在电气设备方面的应用及展望

魏晓达

大连豪普塑胶工业有限公司辽宁省大连市 116113

摘要：随着塑料工业技术的飞速发展，成本低、性能优良、应用场景广泛、种类更多的塑料材料逐渐替代金属、陶瓷和木材等材料，成为工业工程中应用广泛的材料之一。工程塑料具有良好的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性和电绝缘性能，在机械制造、电子电气、汽车、航空等工程领域应用较多。应用于电气工程领域的电气设备种类较多，包含发电机、高压线路、电机、断路器、开关等设备。为了更好地满足产业发展的用电需求，提升用电安全性，电气设备的使用场景不断扩大，设备使用性能不断提升。电气设备正向轻量化、微型化、集成化方向转型，对应用于电气设备的工程塑料的质量、加工性能、功能性要求提高。为进一步提升工程塑料的性能，国内外学者对工程塑料进行多种改性，从而满足电气设备领域的应用需要。

关键词：工程塑料；电气设备方面；应用及展望

引言

与金属材料和无机非金属材料相比，塑料材料具有成本低、生产便捷、材料种类多等优势，在多个领域广泛应用。近些年，随着电气设备向轻量化、微型化、精细化方向发展，阻燃塑料在电气领域的应用成为当前热点[。但部分塑料材料中含有较多的碳、氢等元素，耐热性能有待提升，在发生火灾时易发生二次燃烧。通常利用材料改性的方式改进塑料材料的阻燃性能，进一步扩大塑料材料在电气设备领域的应用范围。

1工程塑料基本概述

工程塑料相比于通用塑料，能够满足工程应用的特殊要求，综合性能更强。工程塑料可以分为通用工程塑料和特种工程塑料，通用工程塑料的力学性能良好，能够在较宽的温度范围和相对苛刻的环境下使用，包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯等。聚酰胺具有良好的耐磨性、较好的阻燃性、较高的力学强度等特性，常用于替代钢铁、铜等金属材料；但其耐高温性能还有待提升。聚碳酸酯具有良好的力学性能、易加工、优良的耐热耐老化性能、较好的绝缘性等优点，但其耐磨性不强。聚甲醛具有良好的拉伸强度和弯曲强度、尺寸稳定性好等特性；但其耐酸碱性能相对较差。聚苯醚具有较好的阻燃性能、介电化学性，刚性大、耐磨、无毒等特点；但其可能出现应力开裂。聚酯具有力学性能、耐磨性、电绝缘性能良好等特点。特种工程塑料的综合性能强，耐热温度达150℃以上，包含聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜类、芳香族聚酰胺、聚芳酯、聚苯酯、聚芳醚酮等。

2电子设备工程塑料应用分析

电子结构设计主要从以下四个方面提高了整个产品适应不同工作环境的能力:根据电子设备的结构和功能，分析了用工程塑料替代某些金属材料的可行性。1)电子底盘主要用于安装各种电气部件，并提供可靠的机械结构强度和刚度，以保证整个产品的正常运行。工程塑料因其不同的成型方法和配方而具有不同的机械性能，但通常具有较高的强度，因此材料可以根据具体的应用要求进行选择。与轻质金属材料如铝合金(2.7×103千克/立方米)和镁合金(1.8×103千克/立方米)相比，大多数工程塑料(1.1)因此，用工程塑料代替金属材料是降低结构重量的重要途径。2)结构部件可以改善电气设备的散热，将装置的温升控制在允许的范围内，或者保证设备部件能够抵抗突然的温度变化引起的热冲击。工程塑料的导热性、耐热性和热膨胀性与金属材料的热膨胀性有很大不同。常规电子设备的工作温度为20C ~ + 85C，并且可以使用最常用的工程塑料，如聚碳酸酯+127C的热偏转温度。导热系数对电子设备很重要。大多数工程塑料的导热系数通常在0.14至0.34瓦/(μ)之间。目前，各种工程塑料导热系数研究掺杂高导热系数介质形成高导热系数复合材料。虽然复合材料的导热性增加了数百倍，达到20至35瓦/(μ)，但与传统的金属热分散材料(120至250瓦/(μ))相比，仍有很大差异。因此，对于高密度集成雷达电子设备，工程塑料不应用作热传导和传热部件的材料。3、通过结构设计，电子底盘可以提高整个设备抵御恶劣环境的能力，适合各种极端环境条件。大多数工程塑料对酸、碱、盐等介质具有良好的耐腐蚀性能，其电化学性能优于金属材料。4、电子设备应采取结构措施，尽量减少从外部环境到项目内部的电磁干扰，同时减少电磁波向内部设备外部环境的泄漏。由于电磁屏蔽的要求，外壳通常由金属材料制成，以保证外壳的导电性，并提供电磁屏蔽的内部环境。大多数工程塑料是高分子材料，其导电性差是限制其在电子设备中使用的主要原因。在工程塑料的外表面涂上导电涂层，使表面具有一定的导电性，可以作为金属屏蔽。

3聚酰胺塑料

聚酰胺具有良好的耐热性能、耐磨、耐油、耐电解质腐蚀和电绝缘性能，且强度高、韧性强，在电气发电机、矿山电气设备、高压电气开关、继电器部件、电子电器元件、断路器等领域广泛应用。涡轮发动机技术的不断发展，对材料的耐热性能提出更高的要求，对涡轮增压发动机用聚酰胺的制备条件进行研究，以提升聚酰胺的耐热性能。以聚对苯二甲酰癸二胺(PA10T)、对苯二甲酸、己二胺和己二酸为原料，通过熔融缩聚法制成半芳香族耐高温PA10T/66。结果表明：最佳的改性条件为玻璃纤维(GF)含量为30%，PA10T/66/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度相比改性前分别提高141%和99%，且在0.45MPa载荷下的复合材料的热变形温度最高为286℃。电气设备领域中，聚酰胺塑料需要具有良好的阻燃性能和抗静电化学性，避免由于静电、放电造成火灾。由于聚酰胺塑料的极限氧指数(LOI)在20%~22%，限制其在电气领域中的应用。为提升聚酰胺塑料的阻燃性能、抗静电化学性，采用二乙基次磷酸铝(ALPi)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)等材料，对聚酰胺塑料进行熔融共混改性。结果表明：当添加剂的含量为15份，聚酰胺改性塑料的燃烧等级为V-0级，LOI值为31%，电阻值下降8个数量级，燃烧实验证明聚酰胺塑料表面形成保护性炭层，保护层提升材料的阻燃性能。为提升电子元器件用聚酰胺塑料的阻燃性能和力学性能，添加三聚氰胺脲酸盐(MCA)，采用熔融共混法改性聚酰胺工程塑料。结果表明：改性聚酰胺塑料拉伸强度为78MPa，弯曲强度为126MPa，阻燃性能等级为UL-94的V-0级，相比电痕化指数为600V，且改性后聚酰胺塑料的加工性能也略有提升。为提升电子、电器产品中聚酰胺塑料的阻燃性能，通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性的氧化石墨烯(GO)，并利用改性GO提升聚酰胺塑料的阻燃性能。结果表明：聚酰胺复合材料拉伸强度从32MPa提高至43MPa，LOI值达到28.5%，热分解速率明显降低，聚酰胺塑料阻燃性能明显提升。为提升电气设备中聚酰胺的电学性能，对电气换能器中聚酰胺塑料的加工性能进行研究，通过热压法制备奇-奇数聚酰胺(PA)1111铁电薄膜，研究不同极化条件下PA1111的铁电化学性。结果表明：50MV/m的极化电场强度下，聚酰胺薄膜的压电应变常数达到-3.9pC/N，压电电压常数达到-169(mV·m)/N。采用微纳层叠多层共挤技术，对聚酰胺进行改性，制备聚偏氟乙烯/聚酰胺11(PVDF/PA11)复合材料。结果表明：聚酰胺含量为7.5%时，改性复合材料的介电常数最大，为59.46，相比改性前提高77.17%，拉伸强度和断裂伸长率也略有提升。

结束语

塑料材料具有良好的耐化学性能、力学性能和绝缘性能，且加工便捷、成本低、材料密度低，在电气设备领域具有良好的应用。通过添加阻燃改性剂的方式，可以提升塑料材料的阻燃性能。未来，随着环保要求和电气设备要求的不断提升，阻燃塑料需要向环保化、低毒性和可降解回收方向发展，新型阻燃塑料材料和高效、环保型阻燃剂将成为未来的研究热点。

参考文献

[1]于桂平.机械配件中工程塑料的应用[J].现代工业经济和信息化,2018

[2]戴广.我国工程塑料应用研究[J].橡塑技术与装备,2018

[3].UL标准修改推动帝斯曼工程塑料在电气应用领域发展[J].塑料助剂,2018

[4]生建友,王明月,唐国建,李卫忠.工程塑料在电子设备中的应用[J].工程塑料应用,2018

[5].两种无卤阻燃工程塑料[J].化工文摘,2018