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PA和PBT,在高压应用中大放异彩

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-08-02 561
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 应用及案例
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众多电气应用——尤其是电动汽车行业对热塑性材料的电气性能提出了越来越高的要求。这也带来了一个问题,即该领域常用的聚合物是否仍能满足这些要求。塑料制造商朗盛(Lanxess)针对聚酰胺和聚对苯二甲酸丁二醇酯在更高电压和更高温度条件下的适用性进行了研究。

热塑性材料在电气电子(E&E)领域常被用做电绝缘体。其主要原因是它们满足了人们对电气部件和防火部件的安全要求,同时具有高性价比。例如;它们在较宽的温度范围内表现出了良好的电气和机械性能;它们的长期热稳定性对于很多应用领域来说都足够高;与阻燃剂相结合时,它们还具有良好的阻燃性;良好的熔体流动性和加工性能使其能够通过注塑成型或挤出成型大批量生产高性价比部件。


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基于聚酰胺6(PA6)、PA66和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的化合物已在电气电子行业使用了几十年。其典型应用包括连接器(图1)、电子外壳、断路器和接线端子。这两种材料在室温下都是良好的绝缘体(分别是1015和1016Ωcm),并且具有高介电强度和耐电痕性。PA6和PA66的电气特性与温度和湿度相关,但却与各种应用无关。而PBT的电气特性在较宽的温度范围内基本保持不变。此外,与PA不同的是,PBT基本不会吸收环境中的水分。PA尤其是PBT的电气特性具有优异的长期热稳定性。

更严格的要求——电动汽车行业更甚


最近,这两种热塑性材料都面临着更严峻的挑战,某些情况下还有新的挑战。电动汽车行业——包括相关的充电基础设施更是如此。这些领域的部件通常暴露在高温、强电流和高压环境下。在这种情况下,它们还必须保持电绝缘性能,并且不允许发生漏电起痕。此外,在电动汽车行业,正如在传统的电气电子行业、消费电子产品和家用电器领域,具有相同甚至更高性能的小型化零部件的趋势仍在继续。其后果之一是部件需要承受更大的热负荷,并且因漏电流或电击穿产生缺陷的风险增加。


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图1:高压连接器是PA6、PA66和PBT化合物的典型应用之一 ©朗盛


以这些新需求为契机,朗盛利用其Durethan(包括PA6和PA66)和Pocan(PBT)产品系列中的化合物对体积电阻率和介电强度等电气特性与温度、水分含量和壁厚的相关性进行了研究。同时,它们是否是增强复合材料、是否有阻燃包装都被考虑在内。研究人员还对产品系列中的哪些化合物达到了最高绝缘等级(CTI 600)进行了研究。此外,耐电痕性也在热老化和标准气候条件下老化后进行了测定。他们还解决了如何将电动汽车高压系统(经常暴露在600V以上的电压环境中)的部件根据IEC 60664-1标准规定的设计指南设计成能够承受漏电起痕电流的问题。总之,这些分析旨在为客户提供材料建议和支持,帮助他们设计出能够承受极高电应力的电子元件。



图2:玻璃纤维增强PA6和PBT化合物的体积电阻率与温度的相关性:在较高温度条件下,PBT体
积电阻率的下降幅度小于聚酰胺(来源:朗盛;图:© Hanser)


图3:体积电阻率与水分含量的相关性:以PA6-GF30(Durethan BKV30H3.0)为例,水分含量越高,电阻率越低。吸湿后的体积电阻率在室温条件下比高温条件下降得更快(来源:朗盛;图:© Hanser)


温度对体积电阻率的影响


化合物的体积电阻率测试根据IEC 62631-3-1标准在厚度为1mm的新制试样上进行。体积电阻率是两个电极或带电部件之间施加的电压与测得的电流之商。体积电阻率ρ(Ωcm)是材料特性参数之一,它与电导率成倒数关系,用于将材料划分为绝缘体、半导体和导体。


测试表明,化合物的体积电阻率随着温度的升高而降低,但是这种变化对于PBT来说不太明显(图2)。不含阻燃剂的化合物与含无卤阻燃剂包装的化合物之间没有显著差异。即使在140°C的绝对干燥状态下,PA6和PA66化合物的体积电阻率仍能达到108Ωcm。因此,它们满足了在该温度范围内用于高压系统的塑料的标准要求。PBT的体积电阻率在相同的温度条件下明显更高。


PA高吸湿性的影响


水分含量的增加会导致PA6和PA66化合物的体积电阻率下降。含阻燃剂和不含阻燃剂的玻璃纤维增强产品以及未填充产品的性能基本相似。它们的体积电阻率在室温条件下显著降低(图3)。但这对大多数应用场景而言并不重要,且电阻值在下降后很快趋于平稳。在较高的温度条件下,电阻率相对而言下降得不太明显,但总体而言这些数值都处于较低水平。因此,体积电阻率可能会降至适用于高压应用的最小体积电阻率108Ωcm之下。在这种情况下,该材料将将不再具有足够的绝缘效果。但是,因为这么高的温度会造成吸湿材料二次干燥,这种情况事实上很少发生并且只在极其恶劣的环境下发生。与PA6相应规格相比,PA66化合物的比体积电阻率随水分含量增加而降低的幅度较小——在23°C时大约下降10的一次方。

更小部件,高电气强度


化合物的电气强度Ed(kV/mm)根据IEC 60243-1标准在新制试样上进行了研究。电气强度是指材料不失去其电绝缘性能所能承受的最大电场强度。在材料损坏或电击穿的情况下会检测到电弧或电火花。此外,电气强度还取决于环境温度、材料水分含量、试样厚度以及电流类型(直流或交流)。它有助于在给定电压条件下在避免电击穿的同时确定部件带电元件之间的最小距离。例如:高电气强度材料可用于尽可能缩减高压连接器的空间。


测量结果表明,试样厚度为1mm的PA6、PA66和PBT化合物的电气强度在温度的影响下具有完全不同的表现。PBT化合物的电气强度在高达140°C的高温下基本保持不变。但另一方面,随着温度的升高,PA化合物的电气强度会从室温条件下的高水平显著降低(图4)。但是,绝对干燥状态下的PA6和PA66化合物的电气强度仅在温度达120°C以上时降至10kV/mm以下,因此也满足了典型工作温度条件下的高压应用对材料的最低要求。


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图4:玻璃纤维增强PA6和PBT化合物的电气强度与温度的相关性:PBT的电气强度在整个温度范围
内基本没有变化,但是PA的电气强度在温度达80°C左右时显著降低(来源:朗盛;图:© Hanser)


测量结果还表明,与体积电阻率相比,化合物的电气强度很大程度上取决于壁厚。电气强度随着试样厚度的增加而显著降低(图5)。其主要原因是,壁厚更小散热更好,因此能够延缓受热并防止过早电击穿。这种行为也是其他塑料的特性之一,它有助于促成部件的小型化。

高耐电痕性变得越来越重要


耐电痕性代表着材料在高压和污染条件下防止在表面形成爬电路径的能力。耐电痕性越高,短路的风险越低。耐电痕性的特征值是相对漏电起痕指数(CTI,IEC 60112)。它通过在位于两个带电电极之间的试样上慢慢滴下标准的电解液来确定。CTI A是五个试样经受了50滴电解液而不发生故障的最高电压值。


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图5:室温条件下PA6-GF30(Durethan BKV30H3.0)的电气强度与试样厚度的相关性:电气强度随
着试样厚度的增加而急剧下降。这主要是因为壁厚更小散热更好(来源:朗盛;图:© Hanser)


CTI值主要取决于聚合物的化学结构、聚合物的碳化行为、温度、材料表面张力和表面粗糙度以及塑料着色剂和添加剂的类型。CTI值在印刷电路板的生产过程中发挥着尤为重要的作用,因为电触点(引脚)之间的距离变得越来越小,因此耐电痕载体材料极有必要。此外,高CTI值在需要高浪涌电压保护的其他电气电子和电动汽车应用中也必不可少。


一般来说,无卤阻燃和非阻燃PA6、PA66和PBT化合物的CTI值高于卤素阻燃剂包装的化合物(表1)。非增强型化合物通常会比增强型化合物获得更高的CTI值。PA化合物的吸湿性不会对它们的CTI值或耐电痕性产生重大的影响。研究还表明,在120°C热老化和标准气候条件下老化后,化合物的CTI值基本没有变化。因此,即使在老化后它们也能保持可靠的耐电痕性。

600V以上的CTI测量没有意义


电动汽车应用中不断增加的电压带来了一个问题,即塑料的CTI值是否不应在电压高于600V时进行测量。不这样做的原因有多个。例如:在测试过程中滴到样品上的电解液通常会在高压产生的温度下蒸发,而这会歪曲测量结果。此外,在超过600V的电压条件下,样品表面可能会产生空气放电,而这也会影响测量结果。

高压部件设计指南
CTI测试本质上是一种在标准条件下对材料进行直接比较的方法,它不应与应用的工作电压直接关联,因为CTI值为600并不意味着材料不能在600V以上的电压环境下使用。IEC 60664/VDE 0110–1标准在这方面提供了指导。它制定了可用于转换CTI测试结果并优化高压部件设计的设计指南。


表1:PA6、PA66和PBT化合物的典型CTI值(来源:朗盛)

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该标准适用于频率高达30kHz时标称电压高达1000V(交流电)和1500V(直流电)的部件。考虑了多个变量的流程图用于确定设计部件的最小爬电距离和最小电气间隙。这些变量包括所研究材料所属的绝缘材料组,其依据包括CTI值、标称电压范围、标称浪涌电压以及由部件安装位置确定的污染程度。针对在800V标称电压环境下使用的高压连接器(标题图),如果采用CTI值为600的材料,那么设计指南和流程图将得出部件在2级污染条件下的最小爬电距离为4mm。

结语


研究得出了以下针对高压部件(如用于电动汽车的部件)的建议:由于电气特性与温度和湿度的相关性,PA6和PA66化合物的使用温度可高达120°C,而PBT化合物可在高达150°C的温度条件下保持其电气特性。如果应用需要高耐电痕性,则可使用CTI值为600的化合物,两种热塑性材料皆可。它们同样适用于电压高于600V的应用。即使在120°C的温度条件下长期老化,这两个化合物系列的耐电痕性也基本没有下降。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者:Sarah Luers,Stefan Theiler


来源:荣格-《国际塑料商情》

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