5G 应用、机器人、智能家居、可穿戴设备……塑料应用的关键材料大盘点！

2020年1月10日，第53届CES（国际消费类电子产品展览会）在美国拉斯维加斯世界贸易中心（WTCLV）落下帷幕。在今年的CES展会上，智能家居和可穿戴设备等展品依旧火热，5G、机器人与机器智能等作为今年的展示主题获得了大量关注。产品与技术的发展从来都离不开材料的支持，在以上热点领域中，我们随处可见高分子材料的身影。故本文将对上述领域的发展及塑料在其中的应用加以盘点，以飨读者。

 

5G应用——高频特性、优散热、耐腐蚀材料受追捧

 

在过去一年里，无论是5G最终商用化落地，还是各类5G手机充斥市场，5G都成为整个科技行业的关键词之一。当5G时代来临，更多的目光也瞄准了5G网络所催生的新领域和新机遇，如5G手机、电脑、5G基站建设等等。对5G产品而言，应用材料是制约其发展的要素之一。

 

5G手机

 

提及5G商用化产品，首当其冲是5G手机。在过去一年里，如华为、中兴、小米等手机品牌纷纷发布5G手机。从以上手机品牌发布的新产品来看，市场对手机结构、形态等也提出新要求，如要求手机小型化、超薄化、全面屏等。而这些都需要新的工艺和材料支撑。

 

◆手机后壳材料

 

5G应用对设备材料提出了严苛的要求。比如过去几年还很流行的金属壳体手机，现在就遇上了问题——由于5G毫米波对金属极为敏感，因此使用金属外壳将会屏蔽信号。目前5G手机趋向使用的外壳材料有玻璃、陶瓷和复合板等非金属材料。

 

 

塑料复合材料凭着优越的性能，成为手机后盖的潮流选择。当中，最热门的要数PC/PMMA复合板材。这种材料是将PMMA和PC通过共挤制得，包括PMMA层和PC层。作为手机外壳来说，PMMA具有较高的硬度和耐磨性，所以可用于手机盖板的外层使用。但是由于性脆，所以复合PC作为内层，这样材料的整体韧性得以提高，保证了整体的冲击强度。

 

◆手机天线材料

 

作为无线通信的重要一环，天线技术革新亦是推动无线连接发展的关键动力。对于智能手机天线应用，随着手机外观设计的一体化和内部设计的集成化，手机天线已从早期的外置天线发展为内置天线，并且形成了以软板为主流工艺的市场格局。

 

目前应用较多的软板基材主要是聚酰亚胺(PI)，但是由于PI基材的介电常数和损耗因子较大、吸潮性较大、可靠性较差，因此PI软板的高频传输损耗严重、结构特性较差，已经无法适应当前的高频高速趋势。5G频率上升带来的天线数量上升和集成化趋势已经逐渐显现，LCP（液晶聚合物）和MPI（改性聚酰亚胺）软板代替传统PI软板已成定局。

 

LCP是介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物，在熔融态时一般呈现液晶性，具备优异的耐热性能和成型加工性能。MPI是将传统PI进行加工和改性，将传统的PI不熔难以加工、粘接性能不理想、固化温度太高、合成工艺要求高等缺点在一定程度上进行修正。

 

LCP、MPI与传统PI相比，有明显的优势，相比传统PI，LCP损耗值为2‰-4‰，比PI损耗小10倍，在10GHz以下时，MPI性能与LCP接近，均大幅领先于PI，在高于10GHz时，LCP性能显著。基于5G发展的需求，LCP和MPI等更能适应高频环境的材料登场，替代PI的发展趋势已经确立。

 

◆5G设备导热散热材料

 

高频率、硬件零部件的升级以及联网设备和天线数量的成倍增长，设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在，电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害也日益严重。与此同时，伴随着电子产品的更新升级，设备的功耗不断增大，发热量也随之快速上升。

 

因此，电磁辐射和散热也是未来高频率高功率电子产品要着力解决的一个问题。为此，电子产品在设计时会加入越来越多的电磁屏蔽及导热器件，电磁屏蔽和散热材料及器件的作用将愈发重要，未来需求也将持续增长。

 

以导热石墨烯为例，5G手机有望在更多关键零部件部位采用定制化导热石墨烯方案，同时复合型和多层高导热膜由于具备更优的散热效果也将会被更多采用。

 

基站建设材料

 

在5G时代，对基站和有源天线等设备的需求将大幅增加。从5G建设需求来看，5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式。历次基站的升级，都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。5G基站的海量增长，将同步带动PCB（印刷电路板）、天线振子及天线罩等器件应用的大幅增长。

 

 

◆PCB材料

 

在5G基站中，PCB作为最基础的连接装置将被广泛使用。PCB产业界广泛应用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4(环氧树脂玻纤布覆铜板)，该材料是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。玻璃纤维布和特殊树脂是PCB的重要原材料之一，玻璃纤维布作为增强材料，起着绝缘和增加强度的作用；特殊树脂作为填充材料，起着粘合和提升板材性能的作用。

 

在目前高速高频化的趋势下，较为主流的PCB材料包括聚四氟乙烯树脂(PTFE)、环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺三嗪树脂(BT)、热固性氰酸脂树脂(CE)、热固性聚苯醚树脂(PPE)和聚酰亚胺树脂(PI)等。对于基站PCB而言，最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性，前两点上PTFE基板都具有较好的性能，基于此，可以说PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。

 

◆天线罩材料

 

天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境的作用。复合材料天线外罩能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用，而且透波效果非常好。

 

透波复合材料是由增强纤维和树脂基体构成的，两者的电性能好才能成型出电性能好的透波材料。树脂基体主要有传统的不饱和聚酯树脂(UP)、环氧树脂(EP)、改性酚醛树脂(PF)以及近年来开始研究和应用的氰酸酯树脂(CE)、有机硅树脂、双马来酰亚胺树脂(BMI)、聚酰亚胺(P1)、聚四氟乙烯(PTFE)等新型的耐高温树脂。增强体目前大多都采用玻璃纤维，而国内透波复合材料使用的增强材料主要是E玻璃纤维和S玻璃纤维，M玻璃纤维使用量较少。Kevlar(芳纶)最初由美国杜邦公司发明，Spectra1000在各种频率下均表现出优异的介电性能，且具有的低密度、高强度、高模量和高抗冲击性能，使其在高性能天线罩的制造中具有极大的吸引力。

 

◆天线振子材料

 

在4G时代，半波振子是最为普遍的天线产品运用方案，但为了满足5G时代的性能要求，新型的工艺——3D选择性电镀塑料振子方案应运而生。这种工艺采用了内含有机金属复合物的改性塑料材料，用注塑成型的方式将复杂的3D立体形状进行一次性制造，再利用特殊技术使塑料表面金属化，因此具有小型化、轻型化、性能好等优点，有望成为5GMassiveMIMO（大规模天线技术，是5G通信中提高系统容量和频谱利用率的关键技术）场景下的产品运用首选。

 

综上，对塑料行业来说，5G时代的到来无疑是种利好。当然，如何生产出性能符合5G产业建设需求的优质新材料，成为相关企业思考的重中之重。

 

可穿戴设备——舒适、安全无毒、柔性材料是重点

 

根据国际数据研究公司IDC的一份研究报告，2019年可穿戴设备市场全球出货量预估为2.229亿台，到2023年，耳戴式设备和手表出货量将占整体可穿戴出货量的70%以上。消费者对复杂小型设备的喜好增加及互联设备的日益普及，正在推动可穿戴材料市场的发展。可穿戴设备市场的不断发展，则进一步推动了各种可穿戴设备原材料的需求。

 

在材料选择方面，由于应用于可穿戴设备的材料与人体肌肤直接接触，因此需要具备安全、透气、耐用、舒适、灵活度、柔软度和贴合度好等特性，高分子材料成为可穿戴设备的主要材料之一。应用于可穿戴设备的高分子材料包括硅胶、聚胺酯、弹性体TPE、TPU及各种胶黏剂等。

 

在可穿戴设备市场中，硅胶是最常用的材料之一。这是由于硅胶质地柔软亲肤透气，佩戴起来非常舒适通透。此外，硅胶作为热固性的一种弹性体，还具备安全无毒、无味的优点，且不溶于水和任何溶剂，能够持久耐用、防水、防汗，这让它很适合作为运动可穿戴设备的材料。比如三星在去年推出的GalaxyWatchActive智能手表，其表带就采用多色硅胶材料打造，质地非常轻巧，官方数据显示重量仅为25克，且佩戴在手上完全不会妨碍户外活动、运动及健身等。另外，由于硅胶具有生物相容性，因此还可用于各种皮肤护理应用，包括用于撕贴式的可穿戴皮肤应用，以及用于可穿戴医疗设备的生物医学级硅胶。

 

 

谈及医疗可穿戴设备，据数据显示，除了消费电子产品方面的可穿戴设备市场增长势头迅猛，医疗可穿戴设备的市场也持续增长和成熟。根据MarketsandMarkets的最新报告，预计到2027年，全球医用可穿戴设备市值将达到327.1亿美元，复合年增长率为18.3%。

 

各企业也将目光聚焦于医疗可穿戴设备市场的发展。比如此前3M推出一款全新应用于医疗设备的高端胶粘剂产品——3M™长戴型医用转移胶带4075，作为一款压敏性转移胶带，可长期穿戴，并可粘贴于多种表面，为此产品工程师能够选择使用各种类型的背衬材料。据悉，这种医用转移胶带对皮肤表层具有超强附着力，根据背衬材料的不同，最长粘附时间可达14天之久。

 

对可穿戴设备，尤其是医疗可穿戴设备而言，电池续航能力也是非常重要的一个指标。Nature此前报道了一种用来测量人类心率或血压的新型柔性自供电电子设备，完美解决了电量问题。通过在聚对二甲苯塑料超薄基板上结合纳米化图案的太阳能电池(OPV)和有机化学晶体管(OETs)，可以实现光能量对电能的转化，且可以实现器件拉伸变形下仍保持高转换效率(900个拉伸释放周期下效率仅下降至初始值的75%左右)。

 

此外，数据存储也是可穿戴设备需考虑到的重要问题。在此方面，高分子材料也持续发力。比如，此前曾报道塑料柔性磁存储芯片问世。据悉，这种呈膜状的“智能塑料”芯片使用蚀刻表面种植有氧化镁的硅，再通过转印法在由PET制成的柔性塑料表面上植入磁性存储芯片以制成。不仅轻薄，且拥有良好的数据存储和处理能力。

 

另外，随着可穿戴柔性器件的研究与开发被广泛关注，柔性导电材料也成为研究重点。目前，柔性导电材料的设计思路主要有三类：第一类是通过结构设计，将传统金属材料设计为可拉伸结构（金属不具有柔性，在拉伸过程中易于发生断裂而失效）；第二类是以导电聚合物作为柔性电极材料，常用的导电聚合物有聚3-己基噻吩(P3HT)、聚苯胺fPANI)、聚吡咯(PPY)、聚3,4-乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)以及它们的衍生物；第三类是将导电纳米材料与柔性的基体材料通过一定方式结合来制备柔性导电材料。

 

将导电纳米材料与柔性基体材料复合具有方法简单、原材料灵活多样、易于集成等特点，是制备柔性导电材料的理想方法之一。在此方法中，导电纳米材料可选取碳纳米管或石墨烯等纳米碳材料，或金属纳米线、金属纳米颗粒等，其种类丰富，选择灵活；柔性基体材料可选取聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺以及聚氨酯等。

 

机器人——轻质、高硬度、智能传感、柔性材料是趋势

 

在机器人领域，材料的选择也尤为重要。比如在机器人结构中，基体材料作为主要的结构材料，用来承受一定的载荷，一般以轻质材料为主。一些轻质的金属材料可用作基体材料。此外，高分子材料也是常用材料，这是因为高分子材料不仅密度小、耐腐蚀且具有粘弹性。

 

 

在机器人设计中，材料轻量化是一个重要因素。以工业机器人为例，其轻量化的设计和材料就可帮助制造商在提高生产效率的同时降低能源成本。提及此，巴斯夫和新松机器人在前两年联合开发的工业用协作机器人，或许可以给我们带来启发。

 

2017年，巴斯夫在CHINAPLAS上首次展出与新松联合开发的机器人。据悉，该款机器人采用巴斯夫Elastollan®热塑性聚氨酯弹性体、Ultramid®长纤维玻纤增强聚酰胺和用于3D打印的Ultrasint®聚酰胺-6。这些材料具有诸多优异特性，包括材料强度高、触感舒适、耐磨损、耐化学腐蚀和电绝缘性强等等。与传统材料相比，Elastollan和Ultramid加工方式简单，更易着色和装饰。这些先进材料不仅是一种更轻盈的替代材料，还可通过注塑成型、CNC或3D打印等方式加工成复杂的形状，使加工更为便捷。

 

将塑料应用于工业机器人，无疑是极具创新性及充满挑战的，不过其优势也很明显。比如，将外壳材料更多地使用塑料替换金属，可进一步减轻机器人重量、降低能耗；又如，由于塑料可以通过模压成型，因此有助于优化材料用量，进一步缩小机器人尺寸，以便在相对狭窄的空间中良好作业。

 

聚酰胺是应用于机器人上的一种主要高分子材料，而为何如此呢？以巴斯夫和新松联合开发的机器人为例，该款机器人的杆件材料采用了长玻纤聚酰胺，这款聚酰胺材料具有较高的硬度满足机械要求，高撕裂强度和低磨损可以保证机械臂在长时间的工作过程中保持优秀的性能和状态。相对金属，聚酰胺材料同时具有较低的密度，所以在减重方面也扮演了重要的角色。

 

此前，德国Festo公司研发的“最接近人类构造的机械手”ExoHand也采用了聚酰胺材料。ExoHand仿生手臂可像手套一样进行佩戴，从外部支撑人的手部，从而提高其力量与耐力。借助ExoHand仿生手臂，单独手指可以主动活动，并由此增强力度。ExoHand仿生手臂在外形上可以匹配用户的单独手型，并利用聚酰胺通过选择性激光烧结(SLS)工艺加工而成，其移动由八个气动致动器完成，传感器接收手指的力度、角度和位置等信息。

 

在智能机器人技术日益发展的今天，普通材料已不能满足一些机器人的设计需求，愈发多的智能材料被开发出来，如传感器材料、磁致伸缩材料和压电材料等，这其中高分子材料也起到一定作用。比如压电材料——智能机器人可以通过“压电效应”把压力转换成电信号，从而让机器人可以产生触觉。目前已经投入应用的新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子材料。有机高分子压电材料主要是一些有机高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后所形成的高分子薄膜具有压电性，如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。其独特的优点是质轻柔软、抗扯强度高、耐冲击。另外，在高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅或钛酸钡制成的高分子压电薄膜，也是一种制备方法。

 

近五年来，不断发展的仿生学也为机器人技术带来了全新的研究方向，软体机器人是其中之一。这类机器人具有无限的自由度，能随意弯曲扭转甚至变形，运作过程安全柔顺，较传统机器人有更强的适应能力和更多的功能，在医疗卫生、教育服务、紧急救援和智能制造等方面有广阔的应用前景。软体机器人的关键在于智能柔性材料的应用，目前制作软体机器人的主要材料有：形状记忆合金、弹性体高分子材料和高分子复合物。

 

弹性体高分子材料主要是橡胶类聚合物，柔软之余具有较大的弹性限度，屈服强度内的拉伸不会令其受损，其应力反应呈非线性。目前用在软体机器人上的主要是聚硅氧烷、聚氨酯和聚丙烯酸酯。高分子复合物与弹性体材料的最大区别在于其通过在弹性体材料中添加导电微粒制得，具有导电、导热性。常用的导电微粒包括炭黑、片状石墨、碳纳米管、纳米银箔等，也有使用可导电聚合物如聚苯胺和聚磺苯乙烯制作的。

 

智能家居——安全、免喷涂、抗菌、抗静电材料是主流

 

现代智能家居电器最大的特点就是实现全自动和全智能，无需人看管就能完成日常的家务工作，如洗衣、做饭、煲汤、拖地、洗碗等等。而要实现家居电器智能化，不仅设计、电气等需要满足技术标准，内部电路控制系统需要用到的塑料也都要满足“双高”要求：高灼热丝、高CTI(漏电起痕指数)。

 

 

得益于PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）优良的韧性和抗疲劳性，耐热、耐候性好，电性能佳，吸水率低，其在电子电气领域应用广泛，是现代智能家居电器重要的支持材料。“双高”PBT材料主要应用于电容器外壳、高端电磁炉绕线圈、电饭煲插座接头、微动开关、定时器、线圈骨架。

 

除满足电器安全性需求，目前用户对智能家居的外观也提出较高要求。相较于传统改性塑料而言，由于免喷涂材料具有丰富的色彩、良好的表面光泽、满足多元化的美学需求、良好的耐化学腐蚀性和耐刮擦性能、更加环保、综合使用成本低等优点，因此在智能家居领域也得到不错的发展。以目前常见的扫地机器人为例，大部分产品就采用了高光高亮、效果丰富且金属质感强的免喷涂材料。除了扫地机器人，还有豆浆机、饮水机、电饭锅、热水器、洗衣机、冰箱、空调、电视机等家电都越来越多地应用到免喷涂材料。目前免喷涂材料主要有免喷涂复合PP、免喷涂PC、免喷涂ABS、免喷涂PC/ABS合金等。抗菌塑料也是目前智能家居常用到的一种材料。

 

抗菌塑料是一类在使用环境中本身对沾污在塑料上的细菌、霉菌、醇母菌、藻类甚至病毒等起抑制或杀灭作用的塑料，通过抑制微生物的繁殖来保持自身清洁。抗菌塑料在使用中首先要满足塑料作为基本材料使用时，对其物理、化学、机械等性能的必要要求，同时要考虑具备抗菌这一特殊功能的要求，以及由此产生的附加因素。因此，抗菌塑料要有良好的力学强度外观、化学稳定性，良好的可加工性。目前，抗菌塑料主要通过在普通塑料中添加少量抗菌剂的方法获得。此类材料目前常用在空气净化器、净水器、吸尘器及智能马桶等家居上。

 

此外，抗静电材料在家居领域也有应用。以吸尘器中应用的抗静电材料为例，其能有效解决滤尘袋内灰尘产生的静电，以避免对人体造成伤害，降低环境质量。抗静电塑料一般具有以下特点：表面电阻为106Ω~108Ω，具有良好的抗静电性能；卓越的表面硬度和抗化学溶剂侵蚀性能；抗静电功能不易受湿度和温度的影响；外形美观，平整光滑，透光率高；机械强度高，加工性能好。

 

结语

 

作为一种创新且不可或缺的材料，塑料一直在消费电子产品中扮演着相当重要的角色，从性能、功能、外观等角度考虑，塑料为各类产品的创新和设计提供了可能。随着各类新技术的发展、产品性能的提升和消费者对于产品要求日益提高，产品对应用材料也将提出更高的要求。未来塑料将往哪些方向发展？我们拭目以待。

 

（以上资料来源于：金智创新行业研究中心、艾邦高分子、新材料在线、环球塑化、成都塑料工业展、塑料机械网等；图片来源于网络。）