酚醛模塑料耐漏電起痕性能改進(jìn)方法的探討及其應(yīng)用
時(shí)間:2018-04-09 瀏覽數(shù) (10167)
1.前言
酚醛模塑料是歷史最悠久，產(chǎn)量也最大的熱固性塑料，廣泛應(yīng)用于電訊、電機(jī)、電器、汽車、儀表、辦公器具和日用器皿等行業(yè)。它具有優(yōu)良的電絕緣性和制品尺寸穩(wěn)定性，較好的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。但酚醛模塑料用于低壓電器產(chǎn)品時(shí)，它的耐漏電痕跡性能不及聚酯類、氨基類等其他熱固性塑料。酚醛模塑料的相比漏電起痕指數(shù)（Comparative Tracking Index）即CTI值較低，通常屬于絕緣組別Ⅲb類（≤175V），而只有通過浸漆等表面處理后CTI值才有可能提高到175V～275V。氨基模塑料一般為絕緣組別Ⅲa類(CTI為175V～350V)，但用石棉做填料時(shí)，其CTI值可大幅度提高，達(dá)到絕緣組別Ⅰ類（CTI≥600V）。不飽和聚酯模塑料的CTI值一般都達(dá)到絕緣組別Ⅰ類①。本文就提高酚醛模塑料的耐漏電痕跡性能的方法進(jìn)行初步探討并應(yīng)用到本公司的新產(chǎn)品開發(fā)。
2.高分子絕緣材料的漏電起痕及其理論分析①②
2.1高分子絕緣材料的漏電起痕
高分子絕緣材料的表面受到潮氣和具有正負(fù)離子污染物的污染時(shí)，在外加電壓作用下其表面的泄漏電流比干凈的表面要大得多。該泄漏電流將產(chǎn)生熱量，蒸發(fā)潮濕污染物，使絕緣材料的表面處于不均勻的干燥狀態(tài)，導(dǎo)致絕緣表面形成局部干燥點(diǎn)或干燥帶。干區(qū)使表面電阻增大，這樣電場就變得不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò)放電。在電場和熱的共同作用下，促使絕緣材料表面碳化，碳化物電阻小，促使施加電壓的電極尖端形成的電場強(qiáng)度增大，因而更容易發(fā)生閃絡(luò)放電。如此惡性循環(huán)，直到引起施加電壓的電極間表面絕緣破壞，形成導(dǎo)電通道，產(chǎn)生漏電起痕。
高分子絕緣材料一旦發(fā)生漏電起痕，即出現(xiàn)三種劣變現(xiàn)象，一是出現(xiàn)碳化的黑色樹枝狀導(dǎo)電通道，經(jīng)過連續(xù)多次放電，導(dǎo)電通道逐漸增長，當(dāng)兩電極被橋聯(lián)起來時(shí)，材料便發(fā)生擊穿破壞；二是在多次放電作用下，材料著火，發(fā)生破壞；三是材料出現(xiàn)一些凹坑，當(dāng)放電不斷繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，凹坑加深，產(chǎn)生電腐蝕，有時(shí)發(fā)生擊穿破壞，有時(shí)并不被擊穿。
2.2高分子絕緣材料漏電起痕的理論分析
高分子絕緣材料電痕化時(shí)的閃絡(luò)放電產(chǎn)生火花，火花作為熱源，使絕緣材料表面的溫度局部升高，使之逐漸發(fā)生化學(xué)組成上或結(jié)構(gòu)上的變化，如氫氣、低分子烴和其他氣體的逸出；分子鏈發(fā)生斷鏈或交聯(lián)；分子鏈的支化度和結(jié)晶度發(fā)生變化以及分子的同分異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)變等。因此，絕緣材料耐漏電起痕性能主要由高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和復(fù)合物組成決定。耐漏電試驗(yàn)中，材料若有可燃性揮發(fā)物產(chǎn)生，就容易引起燃燒而破壞；材料在閃絡(luò)放電過程中若不易殘留碳痕和不易產(chǎn)生揮發(fā)物時(shí)，其耐漏電性必然好些。
從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上看，高分子材料電痕化反應(yīng)機(jī)理與熱分解反應(yīng)機(jī)理有相似之處。由放電產(chǎn)生的熱量足以使高分子絕緣材料發(fā)生熱分解，當(dāng)熱分解后產(chǎn)生的熱能達(dá)到原子間的鍵能時(shí)，鍵能小的鍵自然會先斷。例如，酚醛樹脂中較弱的C—H鍵（84Kcal/mol）先斷，較強(qiáng)的H—O鍵（110Kcal/mol）后斷，兩者都留下碳?xì)埩粑?，因此容易產(chǎn)生電痕化。在聚酯樹脂中，酯基（—COO—）熱分解為不可燃的CO2氣體，并且—COO—中C—O鍵上的O的p電子與羰基（O=C—）中雙鍵的Л電子產(chǎn)生p—Л共扼效應(yīng)，從而C—O鍵的鍵長相應(yīng)縮短，其鍵能得到增強(qiáng)，因此不易產(chǎn)生電痕化。
選擇適當(dāng)?shù)奶盍蠈μ岣吒叻肿咏^緣材料的耐漏電起痕性有較顯著的作用。材料的電痕化是由兩個(gè)相對過程所決定的，即碳的形成和碳的揮發(fā)，當(dāng)前者快于后者時(shí)，便發(fā)生電痕化。氧化反應(yīng)過程最容易產(chǎn)生揮發(fā)性的碳（CO或CO2），如果材料中加入富氧的化合物作為填料，例如水合氧化鋁（Al2O3.3H2O）即氫氧化鋁，則其耐漏電起痕性可得到改善，其化學(xué)反應(yīng)為：
Al2O3.3H2O + 3C ——→ CO↑ + Al2O3 + 3H2 ↑
氫氧化鋁是一種有效的無機(jī)阻燃劑，因此，許多加入氫氧化鋁的阻燃塑料的CTI值都較原來的高。石棉作為填料對絕緣材料的耐漏電起痕性也有改善。當(dāng)材料表面的高分子化合物被破壞時(shí)，由于石棉的優(yōu)良耐高溫性能，阻礙了碳化通道的進(jìn)一步發(fā)展，防止了材料的進(jìn)一步劣化。
3. 試驗(yàn)
3.1 主要試驗(yàn)原料
a. 酸法酚醛樹脂（自制）
b. 木粉、短棉絨等α纖維素（工業(yè)品）
c. 復(fù)合偶聯(lián)劑（自制）
d. 其它原料皆為工業(yè)品
3.2 主要試驗(yàn)設(shè)備
a. SK250開放式煉塑機(jī)（無錫橡塑機(jī)械廠制造）
b. RTT型低壓耐漏電起痕試驗(yàn)儀（武漢七一二研究所制造）
c. 45t平板硫化機(jī)（上海大中華橡膠機(jī)械公司制造）
d. 3mm厚Ф100圓片模（自制）
3.3 酚醛模塑料的制備及其耐漏電起痕性能測試
各種原料（有的經(jīng)過預(yù)處理）混合均勻后，在開煉機(jī)上按一般酚醛模塑料的輥壓工藝加熱輥壓成片，冷卻粉碎，壓制Ф100圓片③，經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)④，然后按GB4207-84標(biāo)準(zhǔn)⑤在RTT型低壓耐漏電起痕試驗(yàn)儀上測試。
4. 試驗(yàn)結(jié)果及討論
4.1 酚醛樹脂中游離酚等低分子物對酚醛模塑料CTI的影響
酚醛樹脂中游離酚等低分子物含量低，酚醛模塑料的耐漏電性有所提高（見表1）。因?yàn)榉尤渲鳛槟Ｋ芰系闹黧w樹脂，低分子有機(jī)物含量低，模塑料在耐漏電試驗(yàn)中就不易產(chǎn)生可燃性揮發(fā)物。
4.2 α纖維素的表面處理對酚醛模塑料CTI的影響
木粉、短棉絨等天然性的α纖維素表面富含油脂等低分子有機(jī)物，如果對其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，既有脫脂的作用，又有使其與酚醛樹脂偶聯(lián)的作用，那么對酚醛模塑料的CTI值就有提高的可能（見表2）。
4.3 氫氧化鋁的加入量對酚醛模塑料CTI的影響
氫氧化鋁作為常用的無機(jī)阻燃劑，在塑料中廣泛被采用，并且由于其富含氧，在電痕化時(shí)，形成可揮發(fā)的碳，減少了殘留碳，這樣對酚醛模塑料CTI值的提高有利（見表3）。但由于氫氧化鋁的比重大，且對生產(chǎn)設(shè)備和成型加工設(shè)備的磨損較大，所以在酚醛模塑料中的加入量受到限制。
4.4 應(yīng)用情況
結(jié)合上述改進(jìn)方法，本公司應(yīng)用于產(chǎn)品EA-5555J、EA-5558J酚醛模塑料的研制中，這兩只產(chǎn)品已經(jīng)得到美國UL公司的認(rèn)可，它們的CTI達(dá)到UL746A標(biāo)準(zhǔn)⑥的PLC（Performance Level Categories）3級（175V～250V），達(dá)到了德國Bakelite公司同類產(chǎn)品PF2836（225V/250V）、PF85（125V/150V）的技術(shù)要求。
5. 結(jié)論
a. 控制酚醛樹脂中有機(jī)低分子物的含量，對天然的α纖維素進(jìn)行表面處理，加入像Al(OH)3這樣富氧的無機(jī)化合物等方法不失為提高酚醛模塑料耐漏電起痕指數(shù)（CTI）的行之有效的方法。
b. 上述方法應(yīng)用于本公司的EA-5555J、EA-5558J新產(chǎn)品中，使這兩種產(chǎn)品達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。
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