郭墨林，何志帥，劉鑫鑫，鐘一平，丁 超

(金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510663)

電器產(chǎn)品在使用過(guò)程中，由于環(huán)境的污染導(dǎo)致絕緣材料表面有污物、潮氣而產(chǎn)生漏電，由此誘發(fā)的腐蝕而損壞絕緣性能。于是設(shè)計(jì)了一種模擬極惡劣條件的加速試驗(yàn)以檢驗(yàn)絕緣材料是否會(huì)形成漏電痕跡，從而能在短時(shí)間內(nèi)區(qū)別固體絕緣材料抗漏電起痕的能力，保證產(chǎn)品在特定環(huán)境條件下的使用安全。CTI測(cè)試是將鉑電極兩端加上電壓，電極搭在測(cè)試樣品上，并在電極間滴加氯化銨溶液，每30 s滴加一滴，兩電極間電流大于1A時(shí)，實(shí)驗(yàn)終止，并記錄所滴加的氯化銨滴數(shù)。根據(jù)ASTM D3638標(biāo)準(zhǔn)，定義恰好50滴污染液會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗[電流大于1A(0.5 s)]的電壓為材料的CTI值。已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)CTI進(jìn)行了研究[1-2]，通常認(rèn)為材料的CTI值與其成碳能力，表面疏水性能、導(dǎo)熱能力，以及復(fù)合材料中的填料種類相關(guān)。文獻(xiàn)認(rèn)為成碳能力越強(qiáng)，CTI越低，比如聚碳酸酯(PC)，聚苯醚(PPE)因其成碳能力強(qiáng)導(dǎo)致CTI較低；而聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)等材料的CTI都能達(dá)到600 V；添加疏水性助劑可以提升材料的CTI[3-5]。

PPS是一種熱塑性高分子材料，其具有優(yōu)異的介電性能、阻燃性以及高耐熱性、耐溶劑、高尺寸穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于電子電氣、汽車、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。PPS材料的主鏈具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，這使得PPS具有高強(qiáng)度，很好的成碳能力阻燃性能好。然而這也導(dǎo)致PPS材料的相比漏電起痕指數(shù)(CTI)很低，只有150 V左右。

因此，本研究使用聚合物共混改性的方法[6-7]，通過(guò)添加CTI性能好的PA66材料來(lái)提升PPS的CTI，制備不同PPS/PA66比例的非增強(qiáng)和玻纖增強(qiáng)材料，系統(tǒng)研究PA和玻纖對(duì)PPS材料CTI性能的影響，并對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行了表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1150CPPS，浙江新和成；U3600PA，英威達(dá)；ECS309A-3-H玻纖，重慶玻纖。

1.2 設(shè)備與儀器

STS-35雙螺桿擠出機(jī)，南京科倍隆機(jī)械有限公司；漏電起痕測(cè)試儀，PTL；S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)，日立；3400電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，英斯特朗；TG209熱重分析儀，耐馳；HIT5.5P電子顯示沖擊儀，茲維克。

1.3 樣品制備

改性PPS材料按配方混合搖勻后加入雙螺桿擠出機(jī)，拉條冷卻造粒后得到改性PPS材料。擠出機(jī)轉(zhuǎn)速為300 rpm，溫度設(shè)置在290 ℃，喂料速率45 kg/h。擠出得到的粒料在120 ℃烘箱中烘干2 h后使用注塑機(jī)注塑，注塑溫度為300 ℃。

1.4 表征方法

CTI測(cè)試：對(duì)3 mm×100 mm×100 mm方板測(cè)試，測(cè)試時(shí)，所使用的氯化銨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，電阻率為385 Ω·cm，調(diào)節(jié)電壓，對(duì)材料進(jìn)行CTI測(cè)試，記錄電流大于1A材料失效時(shí)的氯化銨電解液滴數(shù)。

掃描電子顯微鏡測(cè)試：使用液氮脆斷樣條，然后樣條表面進(jìn)行測(cè)試。

TGA測(cè)試：測(cè)試溫度30～300 ℃，升溫速率20 ℃/min，氮?dú)夥諊?/p>

拉伸強(qiáng)度測(cè)試：測(cè)試速率10 mm/min。

彎曲強(qiáng)度測(cè)試：測(cè)試速率2 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPS/PA合金的CTI性能

表1展示了不同PA含量的PPS/PA合金的不同電壓CTI測(cè)試結(jié)果，可以看出，添加PA可以提升材料的CTI，PA的含量增加到50%，PPS/PA合金的CTI達(dá)到250 V，進(jìn)一步提升PA含量，當(dāng)PA含量達(dá)到80%時(shí)，合金的CTI達(dá)到600 V。這主要是由于PA的成碳能力較差，因此添加PA可以提升CTI，由TGA測(cè)試譜圖(圖1)顯示PPS的殘?zhí)假|(zhì)量明顯高于PA66，也驗(yàn)證了PPS的成碳能力更強(qiáng)。

圖1 CTI隨PA含量的變化(a)；PPS和PA66的TGA譜圖(b)Fig.1 CTI as a function of PA content (a)； TGA curves of neat PPS and PA66 (b)

表1 不同PA含量的PPS/PA合金的不同電壓CTI測(cè)試結(jié)果Table 1 CTI results as a function of voltage of PPS/PA alloys with various PA contents

同時(shí)，對(duì)電壓為600 V時(shí)測(cè)試后的蝕損深度進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)PA含量為80%時(shí)，蝕損深度為2 mm，而當(dāng)PA含量為100%時(shí)，蝕損深度只有0.2 mm(表2)，該現(xiàn)象說(shuō)明CTI測(cè)試過(guò)程中材料會(huì)發(fā)生熔融，而PA的加入可以減少材料測(cè)試中的熔融，發(fā)生蝕損。

表2 不同PA含量的PPS/PA合金的600V CTI測(cè)試后的蝕損深度Table 2 Erosion depth of PPS/PA alloys with various PA contents after 600 V CTI tests

2.2 玻纖增強(qiáng)PPS/PA合金的CTI性能

玻纖可以顯著提升材料的強(qiáng)度，實(shí)際應(yīng)用中PPS多以玻纖增強(qiáng)的形式存在。因此在玻纖增強(qiáng)體系中，研究不同玻纖含量以及不同PA含量對(duì)玻纖增強(qiáng)PPS材料的CTI性能的影響意義重大。表3展示了不同玻纖含量對(duì)PPS材料CTI的影響，可以看到添加玻纖含量從10%到40%，CTI保持不變，說(shuō)明玻纖對(duì)材料的CTI沒有明顯作用，這可能是由于玻纖不會(huì)影響材料測(cè)試中成碳以及導(dǎo)電通路的形成。進(jìn)一步地，研究40%玻纖增強(qiáng)的PPS材料可以看出通過(guò)添加PA，可以提升材料的CTI，但與非增強(qiáng)體系類似，只有當(dāng)PA含量很高時(shí)，CTI才能得到顯著的增加，這主要是由于玻纖對(duì)體系的CTI沒有顯著影響，根據(jù)非增強(qiáng)體系的研究，PA占樹脂的比例達(dá)到20%以上，材料的CTI可以達(dá)到200 V，PA比例達(dá)到80%以上，材料的CTI可以達(dá)到600 V。在玻纖增強(qiáng)體系，同樣存在此趨勢(shì)。

表4 非增強(qiáng)與增強(qiáng)材料的力學(xué)性能Table 4 The mechanical properties of unreinforced and reinforced materials

2.3 非增強(qiáng)和玻纖增強(qiáng)PPS/PA合金的力學(xué)性能

對(duì)非增強(qiáng)和增強(qiáng)材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩款非增強(qiáng)與增強(qiáng)合金的力學(xué)性能均略低于純PPS或PA材料，這主要是由于PA分散在PPS相中形成了更多的相界面，從而影響力學(xué)性能。圖2是使用甲酸刻蝕PA后的20%PA以及30%PA含量的PPS/PA合金的斷面圖，可以看出PA的分散尺寸達(dá)到幾微米，分散不是十分均勻，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。然而，對(duì)比兩款200 V CTI的非增強(qiáng)和增強(qiáng)PPS/PA合金測(cè)試力學(xué)性能，可以看出增強(qiáng)PPS/PA合金的拉伸、彎曲、以及缺口沖擊強(qiáng)度都有著明顯的提升，有更好的實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 PPS/PA合金刻蝕PA后的SEM圖像：20%PA(a)；30%PA(b)Fig.2 SEM image of the PPS/PA alloy with 20%PA (a)，30% PA (b)after extraction of PA

3 結(jié) 論

本研究首先通過(guò)共混PA、PPS成功制備了PPS/PA合金，然后對(duì)不同PA含量的合金進(jìn)行CTI測(cè)試發(fā)現(xiàn)PA的加入雖然可以提升CTI，但只有當(dāng)PA含量達(dá)到80%以上時(shí)合金的CTI才能達(dá)到600 V。結(jié)合TGA、蝕損深度等表征手法，說(shuō)明主要是 PA不易成碳所以添加量越大材料越不易成碳導(dǎo)致起痕，提升材料的CTI。還研究了玻纖對(duì)增強(qiáng)PPS的CTI性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入玻纖不會(huì)顯著影響材料的CTI，同時(shí)玻纖增強(qiáng)PPS/PA合金的CTI的變化規(guī)律與PPS/PA的比例相關(guān)，與玻纖含量無(wú)明顯關(guān)系。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)PPS/PA合金因?yàn)榻缑嬖黾恿W(xué)性能較非合金稍低，但玻纖增強(qiáng)PPS/PA合金的性能較非增強(qiáng)合金有明顯的提升，有著較高的應(yīng)用價(jià)值。