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阻燃增强PET在线圈骨架上的应用瓶颈及其解决方案

线圈骨架是电子电器设备中最为常见的一种部件,它是一种用于绕制线圈、起到支撑作用的支架。最常见的线圈骨架有变压器线圈骨架、电感线圈骨架、电磁阀线圈骨架以及点火线圈骨架等。

目前市场上常见的线圈骨架材料有阻燃PA、阻燃增强PBT以及阻燃增强PET等。随着市场竞争的日趋激烈,电子产品厂家不断的从降低成本和提升产品性能方面来迎合消费者的需求。在这种趋势下,凸显出阻燃增强PET材料的优势:与改性尼龙相比,PET材料的系统成本只有尼龙材料的三分之二,而吸水率小于尼龙,电气性能远远超越PA材料;而与PBT相比,PET除了具有PBT的特性外,还具有更高的耐热性和长期使用温度、更高的力学性能、成本亦低于PBT产品,更为重要的是PET比PBT具有更优异的电气性能,更适用于电气性能要求较高的线圈骨架材料。

 

但PET要想成功应用于线圈骨架材料,需要解决很多瓶颈:

(1)要求线圈骨架用料具有优异的表观性能以及较短的注塑周期。

由于线圈骨架材料本身结构以及注塑过程工艺欠缺,会使线圈骨架表面不光滑甚至有毛刺,导致绕线时挂住漆包线而断线,从而影响线圈产品质量以及生产顺畅性。同时,线圈骨架的生产商一般为劳动密集型企业,效率是这类企业追求利润最大化的最为关键因素。

 

而由于PET主链上带有刚性的苯环,分子链柔顺性差,活动能力弱,结晶过程中,首先要越过极高的“能垒”完成的从顺式到反式的转变,需要更多的能量,使其结晶速度是所有工程塑料中最慢的,正是因为其结晶速度慢使其注塑周期比普通工程塑料长很多,不仅严重影响注塑生产效率,也极易产生外观问题。要解决PET结晶速度慢的问题,必须从两个方面入手,第一降低顺式到反式反转的“能垒”,需要用促进剂来“捋顺”PET分子链,让其更容易完成顺式到反式的反转;其次,通过成核剂的异象成核作用来加快PET晶核的生长过程,在PET结晶的全过程中帮助其迅速的完成结晶。

顺式

 

反式

 

 

相同的结晶和熔融条件下,DSC图中的材料的热结晶峰的半峰宽反应材料结晶速度,宽值越窄,材料的结晶速度越快。从图中我们可以发现,在促进剂和成核剂的共同作用下,经过结晶改性后的PET的半峰宽为22.14,只有未改性PET(41.25)的一半,极大的缩短了材料的成型周期,提升了注塑效率,避免产生外观问题。与上述不同的是,国内有些PET产品的峰值偏较多低(196.54℃),更多的是由于PET分子链的断裂或增塑过多引起,虽然可提高材料的结晶速度(降低峰宽),但是极大的影响材料的力学性能。

 

 

(2)要求线圈骨架材料具有优异强度的同时还要具有一定的韧性。

线圈骨架缠绕漆包线时基本采用自动或半自动方式,若线圈外涨力超出骨架的刚性,线圈骨架会出现变形或不易察觉的微裂纹,用户使用时易导致电击穿而引发事故,甚至有些独特结构的线圈骨架,要求先把注塑好线圈骨架打开,绕线后再闭合。

虽然PET具有超越PBT近似PA的强度,但PET链段结构中酯基与苯环形成的共轭体系,增大分子链的刚性,导致PET耐冲击性能较差,因此在线圈骨架应用上,就必须赋予PET材料一定的韧性。但PET是一种很特殊的聚合物,常规添加增韧剂的方法并不能有效提升PET的韧性,这是因为增韧剂会对PET结晶产生抑制作用,导致PET结晶不完善,最终影响材料韧性。与之相对的反应挤出的改性方法,则更为有效。通过将PET增粘剂与带有反应性基团的增韧剂复配制得反应性抗冲改性剂,能够在不影响PET结晶完善度的前提下实现PET材料的高抗冲性能,其抗冲强度较普通PET材料提升约30%,从而满足线圈骨架对材料韧性的要求。该方法已经申请国家专利(申请号:201310694395.5)。

 

(3)要求线圈骨架用料具有优异的耐热性

线圈骨架工作在超大电流下时,会产生大量的热量,一旦周边散热性能不足,极易积蓄高温,耐温性差的线圈骨架,会在高温下产生变形,从而影响电气性能,甚至引发事故,产生安全隐患。线圈骨架选材时,一般要求材料在1.82MPa下的热变形温度在200℃以上。

 

正如前面所述的,PET分子结构的不仅使其结晶速度慢,结晶时间长,并且使PET结晶不完善,严重影响PET材料耐温性。未经过结晶改性的30%玻纤增强的阻燃PET材料的热变形温度(HDT)在常温注塑条件下只有100℃左右。为了获得结晶完善、耐高温的PET材料,通常材料供应商会要求注塑工厂注塑时模具温度在130℃以上。而应用促进剂和成核剂协同作用的方法,在提高PET结晶速率的同时,可有效的改善PET的结晶完善度,只需要在90℃模温下就能够达到220℃以上的热变形温度,这就意味着注塑工厂不需要添加模温机,常温条件下注塑便可达到近200℃的热变形温度,可以有效的降低设备及电力成本。

 

综上,根据线圈骨架对材料的要求,上海日之升所开发的阻燃增强PET材料不仅能够满足线圈骨架材料的基本要求(如UL94,1.6mm V0级),并且拥有极短的注塑成型周期、高强度、优良的抗冲击性能以及优异的耐热性,能够完全满足线圈骨架使用要求。

 

阻燃增强PET材料不仅可以应用于线圈骨架,还可应用于接插件、继电器底座、定时器外壳、电源插头及电器开关等众多部件。