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阻燃增強PET在線圈骨架上的應用瓶頸及其解決方案

線圈骨架是電子電器設備中最為常見的一種部件,它是一種用于繞制線圈、起到支撐作用的支架。最常見的線圈骨架有變壓器線圈骨架、電感線圈骨架、電磁閥線圈骨架以及點火線圈骨架等。

目前市場上常見的線圈骨架材料有阻燃PA、阻燃增強PBT以及阻燃增強PET等。隨著市場競爭的日趨激烈,電子產品廠家不斷的從降低成本和提升產品性能方面來迎合消費者的需求。在這種趨勢下,凸顯出阻燃增強PET材料的優勢:與改性尼龍相比,PET材料的系統成本只有尼龍材料的三分之二,而吸水率小于尼龍,電氣性能遠遠超越PA材料;而與PBT相比,PET除了具有PBT的特性外,還具有更高的耐熱性和長期使用溫度、更高的力學性能、成本亦低于PBT產品,更為重要的是PET比PBT具有更優異的電氣性能,更適用于電氣性能要求較高的線圈骨架材料。

 

但PET要想成功應用于線圈骨架材料,需要解決很多瓶頸:

(1)要求線圈骨架用料具有優異的表觀性能以及較短的注塑周期。

由于線圈骨架材料本身結構以及注塑過程工藝欠缺,會使線圈骨架表面不光滑甚至有毛刺,導致繞線時掛住漆包線而斷線,從而影響線圈產品質量以及生產順暢性。同時,線圈骨架的生產商一般為勞動密集型企業,效率是這類企業追求利潤最大化的最為關鍵因素。

 

而由于PET主鏈上帶有剛性的苯環,分子鏈柔順性差,活動能力弱,結晶過程中,首先要越過極高的“能壘”完成的從順式到反式的轉變,需要更多的能量,使其結晶速度是所有工程塑料中最慢的,正是因為其結晶速度慢使其注塑周期比普通工程塑料長很多,不僅嚴重影響注塑生產效率,也極易產生外觀問題。要解決PET結晶速度慢的問題,必須從兩個方面入手,第一降低順式到反式反轉的“能壘”,需要用促進劑來“捋順”PET分子鏈,讓其更容易完成順式到反式的反轉;其次,通過成核劑的異象成核作用來加快PET晶核的生長過程,在PET結晶的全過程中幫助其迅速的完成結晶。

順式

 

反式

 

 

相同的結晶和熔融條件下,DSC圖中的材料的熱結晶峰的半峰寬反應材料結晶速度,寬值越窄,材料的結晶速度越快。從圖中我們可以發現,在促進劑和成核劑的共同作用下,經過結晶改性后的PET的半峰寬為22.14,只有未改性PET(41.25)的一半,極大的縮短了材料的成型周期,提升了注塑效率,避免產生外觀問題。與上述不同的是,國內有些PET產品的峰值偏較多低(196.54℃),更多的是由于PET分子鏈的斷裂或增塑過多引起,雖然可提高材料的結晶速度(降低峰寬),但是極大的影響材料的力學性能。

 

 

(2)要求線圈骨架材料具有優異強度的同時還要具有一定的韌性。

線圈骨架纏繞漆包線時基本采用自動或半自動方式,若線圈外漲力超出骨架的剛性,線圈骨架會出現變形或不易察覺的微裂紋,用戶使用時易導致電擊穿而引發事故,甚至有些獨特結構的線圈骨架,要求先把注塑好線圈骨架打開,繞線后再閉合。

雖然PET具有超越PBT近似PA的強度,但PET鏈段結構中酯基與苯環形成的共軛體系,增大分子鏈的剛性,導致PET耐沖擊性能較差,因此在線圈骨架應用上,就必須賦予PET材料一定的韌性。但PET是一種很特殊的聚合物,常規添加增韌劑的方法并不能有效提升PET的韌性,這是因為增韌劑會對PET結晶產生抑制作用,導致PET結晶不完善,最終影響材料韌性。與之相對的反應擠出的改性方法,則更為有效。通過將PET增粘劑與帶有反應性基團的增韌劑復配制得反應性抗沖改性劑,能夠在不影響PET結晶完善度的前提下實現PET材料的高抗沖性能,其抗沖強度較普通PET材料提升約30%,從而滿足線圈骨架對材料韌性的要求。該方法已經申請國家專利(申請號:201310694395.5)。

 

(3)要求線圈骨架用料具有優異的耐熱性

線圈骨架工作在超大電流下時,會產生大量的熱量,一旦周邊散熱性能不足,極易積蓄高溫,耐溫性差的線圈骨架,會在高溫下產生變形,從而影響電氣性能,甚至引發事故,產生安全隱患。線圈骨架選材時,一般要求材料在1.82MPa下的熱變形溫度在200℃以上。

 

正如前面所述的,PET分子結構的不僅使其結晶速度慢,結晶時間長,并且使PET結晶不完善,嚴重影響PET材料耐溫性。未經過結晶改性的30%玻纖增強的阻燃PET材料的熱變形溫度(HDT)在常溫注塑條件下只有100℃左右。為了獲得結晶完善、耐高溫的PET材料,通常材料供應商會要求注塑工廠注塑時模具溫度在130℃以上。而應用促進劑和成核劑協同作用的方法,在提高PET結晶速率的同時,可有效的改善PET的結晶完善度,只需要在90℃模溫下就能夠達到220℃以上的熱變形溫度,這就意味著注塑工廠不需要添加模溫機,常溫條件下注塑便可達到近200℃的熱變形溫度,可以有效的降低設備及電力成本。

 

綜上,根據線圈骨架對材料的要求,上海日之升所開發的阻燃增強PET材料不僅能夠滿足線圈骨架材料的基本要求(如UL94,1.6mm V0級),并且擁有極短的注塑成型周期、高強度、優良的抗沖擊性能以及優異的耐熱性,能夠完全滿足線圈骨架使用要求。

 

阻燃增強PET材料不僅可以應用于線圈骨架,還可應用于接插件、繼電器底座、定時器外殼、電源插頭及電器開關等眾多部件。

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