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            上海耐素新材料科技有限公司
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            常見問題

            淺議有機絕緣材料耐電痕化的對策

            2016-06-16 點擊數:1875

            上海山彤電子與浙江大學有機高分子系共同研究中發現,有機絕緣材料電痕化的因素主要有:

            1 基體樹脂的影響

            Raychem公司在70年代系統研究了含碳氫聚合物的氧指數與CTI值之間的關系,發現樹脂的氧指數越高,其CTI值越低。這是因為在熱、紫外線等高能場作用下,氧指數越高的材料形成的炭越多,形成炭的通路越容易。因此,有電痕化設計要求的制品,應盡量選擇氧指數低的塑膠樹脂為基體材料 。他們還推算出CTI和成炭率之間的換算關系,如圖1所示。圖1所示的成炭率與CTI之問的關系適用于碳氫類高分子材料,對于硅橡膠類材料,盡管具有較高的氧指數,但是由于不存在碳源,CTI值響因素探t也較高。Prabu等 發現,EPDM與硅橡膠在雙輥開煉機上混煉得到的混合物,隨著硅橡膠含量的增加,混合物的CTI值線性增加。當硅膠的含量由0%增加到100%時,絕緣體系的CTI值由415 V增加到520V。

            2 玻纖和填料的影響

            為了提高聚合物絕緣材料的功能性,一般會添加玻纖、填料、阻燃劑等功能性助劑,這些助劑會影響材料的CTI。玻纖對絕緣材料的CTI有負面影響,這是因為玻纖會增加表面的粗糙度,從而形成電應力集中點,容易產生放電,因此降低玻纖的外露有助于提高材料的CTI。填料的影響比較復雜,較細的填料可以阻礙支化碳的形成,因此可以大幅度提高絕緣材料的CTI。此外,添加無機物能吸收放電產生的高能粒子和紫外線,減少局部放電對絕緣材料的破壞,使空間電荷和局部放電引起的介質損耗分量減少。專利US390184US4731405指出采用添加鈦白粉的方式提高聚碳酸酯的CTI值,顯現出較好的效果。專利US4668718和US5994429指出采用添加磷酸鈣和氫氧化鋁的方式可提高環氧敷銅板的CTI,但磷酸鈣和氫氧化鋁由于不耐酸堿,在后續的PCB制程潛在品質缺陷,加上近年以來因環保的要求,磷酸鈣和氫氧化鋁也不能滿足無鉛化制程的溫度要求,故逐漸被淘汰使用。上海山彤電子與浙江大學共同研究開發的新產品納米CTI功能填料,因具有化學惰性強,穩定性好、耐酸堿、耐高溫、耐電暈、高CTI、硬度適中等優點,尤其是需要耐高溫、耐腐蝕、高CTI、耐電暈的應用環境。專利US404397 l、US4052356、US4296021、US4421888、US5326806、US6221947等指出采用添加填料,如硫酸鈣、高嶺土、硅酸鋁、滑石粉、硅灰石和硼酸鋁等,可大幅度提高玻纖增強聚酯的CTI值。專利US4373052指出,在聚苯醚中添加滑石粉和磷酸鈣有助于提高CTI的水平 。Ersoy等 卅研究發現在絕緣材料中添加硼酸鋅、硼酸鈉等填料,在發生電痕化時,硼酸鋅和硼酸鈉等會在絕緣材料表面形成一層玻璃態結構,大幅度抑制碳的沉積,從而可以降低對絕緣材料表面的侵蝕破壞對于硅橡膠類非有機烴體系的絕緣材料,電痕化的主要原因是電腐蝕。

             L H Meyer等 研究發現,填充二氧化硅粉體可以大幅度降低電腐蝕,從而提高耐電痕化能力。通過接觸角測試發現,納米二氧化硅填充的絕緣材料的接觸角要小于同含量下微米二氧化硅填充的絕緣材料的接觸角,填充納米二氧化硅的硅橡膠不容易被環境雜質附著在表面,因此納米二氧化硅對電痕化的改善效果較優。合適的填料可以提高聚合物絕緣材料CTI,但是過量的填料會對CTI帶來負面效應。M GVeena等R 研究發現,在環氧樹脂中填充二氧化硅,隨著二氧化硅含量的增加,環氧樹脂的CTI值逐步遞增,當二氧化硅含量為15%時,材料的CTI值達到值590 V,繼續增加二氧化硅的含量,材料的CTI值下降到525 V。這可能由于填料含量過高無法有效分散,使二氧化硅填料團聚嚴重,導致CTI值下降。

            3 阻燃劑的影響

                  在阻燃高分子絕緣材料中可以觀察到,隨著溴系阻燃劑的增加,放電強度隨之上升 l。一般鹵素類阻燃劑含有一些游離鹵素,從而會增加絕緣材料表面的電導率。隨著鹵素含量的增加,電腐蝕的深度加劇,使絕緣材料容易被擊穿破壞。鹵素的協效阻燃劑銻白的添加也會導致CTI下降,這是因為銻白加速鹵素從絕緣材料中的脫離。chryver等 發現,采用不同的溴系阻燃劑,耐電痕化能力差別較大。其中,采用高分子量的溴化苯乙烯(HP7010)阻燃玻纖增強PBT,可以獲得較高的CTI值。這是由于HP一7010的分子量高,耐熱性好,游離溴含量低。因此要獲得優異的CTI性能,選擇合理的阻燃劑非常重要。隨著有機絕緣領域對于阻燃體系的無鹵化要求越來越高,人們開始關注無鹵阻燃劑對絕緣材料電痕化的影響。采用紅磷、磷酸鹽等磷系阻燃劑以及氮系阻燃劑均可以得到較為理想的CTI,這可能是由于紅磷等的分解速度較快,從而阻礙碳化過程的持續進行口 。Sullalt等【2 發現,將新型金屬磷酸鹽阻燃劑與MPP合理搭配,能夠實現絕緣材料的阻燃性能與電

            氣性能的平衡。采用金屬磷酸鹽類新型阻燃PBT體系,金屬磷酸鹽會促進成炭而使材料的CTI值下降,而氮系阻燃劑的分解速度較快,使碳層無法形成,從而具有良好的耐電痕化性能。

            4 其他添加劑的影響

                 根據電磁場理論,在不均勻電場中,相對介電常數高的小分子容易向電場強度高的部位遷移,使缺陷電場分布平均化,局部放電活動大為減少。添加電壓穩定劑等物質后,這些物質會在固體絕緣表面析出,降低表面電阻,增加局部區域的介電常數,阻礙局部放電,達到緩和電場分布的目的,同時俘獲導致聚合物老化降解的熱電子和自由基等。此外,在類似針一板電極體系下,這類物質有利于緩和針尖處的電場分布。常見抑制劑有苯乙酮、二戊鐵、聚乙二醇衍生物、乙烯.丙烯酸共聚物、硬酸酯等。專利US5234984指出,在聚苯硫醚中添加0.5份的聚乙二醇酯,可以將聚苯硫醚的CTI由150 V提高到225 Vt 。

            3 測試條件的影響

                  在電痕化測試過程中,由于存在電弧放電現象,因此電極金屬的種類嚴重影響測試結果(ASTM D 5288)。測試相同高分子絕緣材料的電痕化,在AC條件下,白金電極>青銅電極>黃銅電極;而在DC條件下,黃銅電極>青銅電極>白金電極。此外,銅電極在電場作用下容易發生電解反應,使干帶變窄導致放電迅速發生 。一般情況下,絕緣材料對于交流電的耐電痕化能力遠高于直流電,這是因為DC有較高的電應力,漏電電流比AC場高一個數量級。在靜電場作用下,更多的污染物會向電極處靠近。此外,正電極比負電極的耐電痕化能力強,具體機理還不清楚。S John等 研究了改性塑料作為絕緣材料在DC條件下的CTI值,結果表明絕緣材料的CTI呈現較低的水平。

            4 結構設計與環境因素的影響

                  高分子絕緣材料在使用過程中的電痕化取決于材料的耐電痕化能力和使用環境兩方面。合理的結構設計可以改善電痕化能力,如避免絕緣材料接觸污染物,避免導體間污染物的聚集,加大爬電距離等。對于室內使用的絕緣材料,盡量保證通風,降低環境濕度 ”。研究表明,CTI值越低,電氣產品結構設計的爬電距離越大 ” 。當絕緣材料保持干燥、清潔、沒有損傷時,材料的耐電痕化能力可以保持在良好的水平。由于硅橡膠不含碳氫結構,因此難于發生電痕化現象,所以在較為重要的使用條件下,可以選用硅橡膠類高分子絕緣體系 。

                 碳氫鍵高分子材料電痕化的重要原因是放電誘發紫外線和熱的聯合作用導致絕緣材料表面形成炭層,終使絕緣材料發生破壞,而硅橡膠類高分子材料電痕化的重要原因是放電導致電腐蝕。因此抑制放電、降低材料的侵蝕破壞、阻礙炭層的形成、改善絕緣制品的結構設計等手段都可提高絕緣材料的耐電痕化能力。

                 目前,在高分子絕緣材料領域,直流電使用的領域越來越多,比如大型蓄電池組、汽車供電系統等。由于該領域的研究較少,如何提高直流條件下的電痕化能力將成為未來高分子絕緣材料的一個重要研究方向。上海山彤電子與浙江大學共同研究開發的新產品納米CTI功能填料,因具有化學惰性強,穩定性好、耐酸堿、耐高溫、耐電暈、高CTI、硬度適中等優點,故在需要耐高溫、耐腐蝕、高CTI、耐電暈的使用環境有良好應用。 該納米新材料五大特性:

                  :化學惰性強,穩定性好、耐酸堿、耐高溫且不失光澤,耐候性好;

                  第二:吸收x、γ射線、阻擋紫外線、抗輻射,高CTI值、耐電暈效果好;

                  第三:活化度高,吸油量低,可大量添加減少樹脂用量,減低材料成本;

                  第四:硬度適中,減少設備磨損,延長設備使用壽命;

                    第五:納米粒徑、分散好,提高附著力,改善制品的力學性能。

            本產品已應用于UV油墨、橡塑改性、電子材料、電工材料、絕緣材料等行業,新型阻燃技術、納米技術、高頻介電材料等新技術全面應用于高分子絕緣材料,使電痕化的研究進入一個新的階段。

             


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