文| 明衛(wèi)平　熊金平　北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

 

 

       目前，我國已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，是全球的電子產(chǎn)品制造中心。在電子產(chǎn)品的常用原材料中，塑料以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、電絕緣性能優(yōu)良以及良好的穩(wěn)定性和安全可靠性，成為電器設(shè)備中僅次于金屬材料的第二大原材料， 同時(shí)也是電子設(shè)備中應(yīng)用量增長最快的原材料，目前在家用電子產(chǎn)品中塑料的使用量均在60% 以上，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中也有廣泛應(yīng)用，如儀器儀表、通訊器材、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)等的外殼和零件。然而塑料在聚合、加工、倉儲、運(yùn)輸及使用過程中會發(fā)生熱氧化及老化等腐蝕失效，其后果是機(jī)械性能及物理性能發(fā)生劣化，以至于部分或全部失去使用性能，從而嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的使用壽命以及性能，特別是在苛刻環(huán)境條件下，常造成電子設(shè)備的提前失效，甚至引起產(chǎn)品的安全問題。相對于金屬材料的腐蝕失效，塑料的變質(zhì)和腐蝕失效更呈現(xiàn)多樣性，且缺乏規(guī)律，金屬的腐蝕一般在表面開始發(fā)生，逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，而塑料的腐蝕失效多從內(nèi)部發(fā)生。所以對塑料的腐蝕失效多，特別是老化失效形式和機(jī)理的認(rèn)識以及對塑料的改性， 對于擴(kuò)大其在電子設(shè)備中的應(yīng)用具有較大的指導(dǎo)作用。

 

 

    電器設(shè)備結(jié)構(gòu)件中常用的塑料

 

 

       電器設(shè)備結(jié)構(gòu)件塑料種類繁多，應(yīng)用面較為廣泛，電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)件主要包括傳動(dòng)部件（齒輪、凸輪、軸承）、固定件（支架、座盤、把手、鉸鏈、螺釘?shù)龋┖屯庥^部件（如殼體、外框、罩、盤等）。目前在電器設(shè)備結(jié)構(gòu)件應(yīng)用最為廣泛的塑料主要有：

 

 

      ABS、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚烯烴、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜和尼龍等工程塑料。按照使用環(huán)境可以將結(jié)構(gòu)件中用塑料分為：

 

 

       1. 電器結(jié)構(gòu)件

 

 

       這類結(jié)構(gòu)件對于塑料電學(xué)性能要求較高，可以分為接插件、線圈骨架、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器等。這些結(jié)構(gòu)件要求塑料具有較高的介電性能以及足夠的機(jī)械強(qiáng)度，較高的耐熱性能、尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。常用的接插件塑料有聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 及其改性和增強(qiáng)產(chǎn)品，更為高端的電路接插件采用聚砜（PSU）、聚鄰苯二甲酰胺 （PPA） 和聚酰亞胺（PI）。這一類的結(jié)構(gòu)件需要根據(jù)相關(guān)零件要求的性能挑選相關(guān)材料。比如低頻接插件要求絕緣電阻高以及介電強(qiáng)度高， 所以在使用時(shí)需要選用聚碳酸酯、聚砜以及尼龍等制作，而高頻接插件要求介電損耗小，介電常數(shù)低，所以在選用時(shí)選用絕緣性能優(yōu)異的聚四氟乙烯以及改性聚苯醚等；變壓器骨架應(yīng)該具有優(yōu)良的介電性能， 良好的耐溶劑性和耐老化性，一般使用增強(qiáng)PET、聚碳酸酯、聚砜等；高頻線圈骨架除與變壓器骨架有相同要求，還要求較好的高頻介電性能，采用聚砜、改性聚苯醚等； 轉(zhuǎn)換開關(guān)要求材料介電性能好，并具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和良好的阻燃性， 可選用尼龍6、改性聚苯醚、聚砜等制造； 繼電器在要求材料具有優(yōu)良的電絕緣性能、耐熱性的同時(shí)還要求有良好的成型加工性， 熔融流動(dòng)性較好，一般采用尼龍46 等。

 

 

       2. 外殼結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，產(chǎn)量大，對電性能無特別的要求，但要求在具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，在設(shè)備中一般用于受力但不與電路直接接觸的部位，如計(jì)算機(jī)的外殼、攝像機(jī)殼體、電動(dòng)機(jī)工作罩、電池組件容納殼等。一般這些外殼類結(jié)構(gòu)件在要求高強(qiáng)度、高剛度和耐沖擊性的同時(shí)，還要求具有一定的耐熱性，適用于這一類結(jié)構(gòu)件的塑料有：聚碳酸酯、ABS、尼龍6、抗沖PS、增強(qiáng)PBT 等。

 

 

       3. 耐磨結(jié)構(gòu)件

 

 

       這類結(jié)構(gòu)件一般對電性能和機(jī)械強(qiáng)度要求不高，但必須具有優(yōu)良的耐磨性能。在電器上一般用于受力較小，但運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高的部位上，如齒輪件、軸類零件等。通?？蛇x用聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、尼龍和聚四氟乙烯等來制造。例如，利用聚甲醛優(yōu)良的耐磨性及尺寸穩(wěn)定性，可用于制造打印機(jī)前底盤、微動(dòng)開關(guān)凸輪、CD 轉(zhuǎn)換器等電器結(jié)構(gòu)件等。

 

 

       4. 彈性零件

 

 

       彈性零件如線扣和柔軟的墊片，可采用聚丙烯（PP） 和聚乙烯（PE） 塑料。有些產(chǎn)品的表面需柔軟、防撞擊，有些產(chǎn)品要便于手持，可以用熱塑性彈性體塑料（TPE）。

 

 

       5. 耐腐性結(jié)構(gòu)件

 

 

       對電性能要求不高，但必須具有優(yōu)良耐腐蝕性的電器結(jié)構(gòu)件，主要用于在不同腐蝕介質(zhì)中工作的電器，通?？蛇x用聚四氟乙烯、氯化聚醚和PPS 等制造。如在各類化學(xué)電池和燃料電池中采用聚四氟乙烯作為微孔滲透膜。

 

 

      塑料的腐蝕失效即老化

 

 

       塑料的腐蝕主要是指塑料在化學(xué)介質(zhì)和其它環(huán)境因素（如應(yīng)力、光、熱等）共同作用因變質(zhì)而引起的失效，其腐蝕形式主要有溶脹溶解、化學(xué)裂解、應(yīng)力腐蝕開裂和老化等。其中溶脹溶解、化學(xué)裂解主要是由于塑料浸泡腐蝕介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)向塑料基體內(nèi)部擴(kuò)散、滲透，而產(chǎn)生的破壞； 應(yīng)力腐蝕斷裂是介質(zhì)和應(yīng)力共同作用下出現(xiàn)的失效；老化是由于塑料的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)等內(nèi)因和經(jīng)受光、熱電、機(jī)械應(yīng)力、氧氣、臭氧、化學(xué)介質(zhì)等外因作用而引起的腐蝕現(xiàn)象。一般把材料在化學(xué)介質(zhì)或化學(xué)介質(zhì)與其他因素共同作用下腐蝕失效稱為化學(xué)老化；而把在大氣環(huán)境中，因受太陽紫外線、空氣中的氧和環(huán)境溫度、濕度的作用導(dǎo)致的性能劣化稱為大氣老化或環(huán)境老化。實(shí)踐證明，設(shè)備結(jié)構(gòu)件的大氣老化是電子設(shè)備中塑料常見的腐蝕現(xiàn)象。

 

 

       塑料的老化形式現(xiàn)象有很多，主要變化歸納為 4 個(gè)方面：

 

 

      （1） 外觀的變化

 

 

       例如變色、龜裂、銀紋、發(fā)枯、變硬、變軟、變脆、變形、失光、粉化、起泡、剝落等。

 

 

      （2） 物理性能的變化

 

 

        例如密度、溶體指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、透光率、透氣率、分子量、羰基含量變化等。

 

     
      （3） 力學(xué)性能變化

 

 

        例如拉伸強(qiáng)度、伸長率、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度、彈性、附著力、耐磨強(qiáng)度等改變。

 

 

       （4） 電性能變化

 

 

        例如絕緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、擊穿電壓等改變。

 

 

       老化不僅會使物理性能（如顏色、表面光潔度等）發(fā)生劣化，而且會造成機(jī)械性能的降低（如抗沖強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度降低， 材料由延性變成脆性等），會造成電子設(shè)備部分或全部失去使用性能，特別是要求電學(xué)性能的接插件，由于老化造成介電常數(shù)、絕緣性能的變化，使得接插件失效或者性能下降，從而造成電子產(chǎn)品失效或者出現(xiàn)安全事故。近年來家用產(chǎn)品中出現(xiàn)的失火、漏電、爆炸等事故，部分是由于熱老化造成塑料結(jié)構(gòu)件變形，而引起電容器的擊穿；或者接插結(jié)構(gòu)件由于老化造成絕緣性能下降，而引起漏電、爬電，短路， 釀成重大事故。

 

 

       那么影響塑料老化的因素主要有哪些呢？我們可以將影響塑料的因素分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因是變化的根據(jù)，外因是變化的條件，外因通過內(nèi)因起作用。

 

 

       從內(nèi)因來看，塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、成型加工條件以及外來雜質(zhì)等都對塑料的耐老化能力有影響，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來看，塑料不論是合成的還是天然的，在化學(xué)結(jié)構(gòu)中必然存在一些弱鍵，這些弱鍵成為老化反應(yīng)的突破口，如ABS 的不飽和雙鍵；聚碳酸酯的酯鍵；尼龍的酰胺鍵、聚甲醛的半縮醛端基和醚鍵；聚砜的碳硫鍵等，不同的塑料由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)以及成型條件不同，其老化性能也不盡相同，在受到外部因素時(shí)，化學(xué)結(jié)構(gòu)或者成型條件中的缺點(diǎn)成為老化突破口，隨后進(jìn)行各種類型的老化過程，有的以降解為主，有的以交聯(lián)過程為主，有的則綜合兩者，不同的塑料，不僅老化性能不同，老化機(jī)理也存在差異。

 

 

       那影響塑料老化的外因主要有物理因素、化學(xué)因素和生物因素等。包括太陽光、氧、臭氧、熱、水分以及工業(yè)有害氣體、微生物等大氣環(huán)境因素。此外，機(jī)械應(yīng)力的作用、成型加工條件的影響也屬于外因。

 

 

     （1） 紫外光

 

 

       紫外光是影響塑料老化最主要的外因之一。太陽光中的紫外光會使塑料分子中的化學(xué)鍵激發(fā)，若有氧或水存在時(shí)處于激發(fā)狀態(tài)的化學(xué)鍵將會進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)裂解。

 

 

      （2） 溫度

 

 

       塑料吸收陽光熱量，溫度升高或者內(nèi)部溫度引起熱老化，同時(shí)也能促進(jìn)其他化學(xué)老化，日照也使增塑劑等液態(tài)組分揮發(fā)，同時(shí)促進(jìn)腐蝕介質(zhì)更快的向高塑料內(nèi)部滲透。

 

 

      （3） 濕氣

 

 

       大氣環(huán)境中的降水、潮濕（水汽）等因素都會影響塑料的老化。雨水，特別是凝露形成的水膜，能夠滲入塑料內(nèi)部，使塑料內(nèi)的某些水溶性物質(zhì)、增塑劑被水溶解、抽提或吸收，從向逐步改變塑料的組成和成分比例，會使耐水性差的高聚物產(chǎn)生滲脹、變形、水解等，從而加速塑料的老化。如果塑料分子結(jié)構(gòu)中含有可水解基團(tuán)（如酰胺基、酯基、縮醛基等）的話， 在雨水或潮濕的長期作用下，往往會發(fā)生水解反應(yīng)。

 

 

      （4） 輻射

 

 

       當(dāng)塑料處于高能輻射時(shí)，若所用輻射劑量很大，則可以徹底破壞其結(jié)構(gòu)，甚至使它完全變成粉末，在一般劑量的輻射下， 塑料的性質(zhì)也有不同程度的變化。輻射化學(xué)效應(yīng)主要是大分子鏈的交聯(lián)與裂解。

 

 

    防老化采取的措施

 

 

       塑料的老化既然存在內(nèi)因和外因，那么防老化也可以從兩方面采取措施。一方面，可用添加防老劑的方法來抑制光、熱、氧等外因?qū)λ芰系淖饔没蛘卟捎酶倪M(jìn)聚合和成型加工工藝或者改性的方法，提高塑料本身對外因的穩(wěn)定性；另一方面也可以采用物理防護(hù)方法使塑料避免受到外因的作用。

 

 

       防老劑是一類能夠防護(hù)和抑制光、熱、氧、臭氧、重金屬離子等外因?qū)λ芰袭a(chǎn)生破壞作用的物質(zhì)。添加防老化可以改善塑料的加工性能，延長塑料的儲存和使用壽命，方法簡便且效果顯著，是當(dāng)前塑料防老化的主要途徑。依據(jù)防老劑的作用機(jī)理和功能，可以分為以下幾種：

 

 

     （1） 抗氧劑能夠抑制氧化反應(yīng)和臭氧老化反應(yīng)。

 

 

     （2） 紫外線穩(wěn)定劑防止和抑制光氧化反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。

 

 

     （3） 熱穩(wěn)定劑

 

 

      防止塑料在加工（高溫下）和使用過程中受熱而發(fā)生降解或交聯(lián)。

 

 
    （4） 防霉劑防止塑料發(fā)生霉腐。添加防老劑的方法，對于塑料通常是在樹脂捏合、造粒時(shí)加入，也可在聚合或聚合反應(yīng)的后處理時(shí)加入。

 

 

      在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)具體使用環(huán)境，選用那些對光、熱、臭氧等因素具有較高穩(wěn)定性和本身具有耐霉性的塑料，同時(shí)，應(yīng)該選用添加了防老劑的材料品種。

 

 

       從改性方法方面，由于成型后的塑料制品中，或多或少都存在殘余的內(nèi)應(yīng)力。如果內(nèi)應(yīng)力相當(dāng)大，則會使塑料制品在使用過程中發(fā)生翹曲、龜裂和性能嚴(yán)重變壞。成型后進(jìn)行退火熱處理，可以消除殘余內(nèi)應(yīng)力，預(yù)防過早產(chǎn)生開裂（特別是有金屬嵌件的制品）。

 

 

       物理防護(hù)主要是指在塑料表面涂覆上一層防護(hù)層，防止大氣老化，具體方法有：

 

 

      （1） 涂漆

 

 

        許多塑料都可以采用涂漆的方法來提高耐候性。選用涂料時(shí)，應(yīng)注意涂料與塑料之間的適應(yīng)性問題。

 

 

      （2） 鍍金屬

 

 

       在塑料制品表面鍍上一層金屬保護(hù)膜， 能對塑料的老化起到良好的防護(hù)效果，還可以使其表而具有金屬特性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前，鍍金屬的塑料品種以ABS 和聚丙烯占多數(shù)。此外，聚砜、聚苯醚等工程塑料也可以用鍍金屬的方法提高耐候性。

 

 

    （3） 涂布防老劑溶液

 

 

      將塑料制品浸入含有防老劑的溶液中， 或?qū)⑦@些溶液涂布在制品上，使能抑制外因作用的防老劑都集中在表面形成保護(hù)膜， 從而可起到顯著的防護(hù)效果。

 

 

    結(jié)論

 

 

       塑料是電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件中使用僅次于金屬材料的的第二大原材料，隨著塑料性能的不斷改性，塑料將得到更加廣闊的應(yīng)用。通過本文我們可以看到塑料結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境常由多種腐蝕因素組合作用， 構(gòu)成設(shè)備的材料也由多種材質(zhì)和形態(tài)組成，腐蝕環(huán)境較為復(fù)雜，因此我們在塑料結(jié)構(gòu)件選材或者設(shè)計(jì)塑料的防腐蝕體系時(shí)，不應(yīng)僅僅考慮其使用要求，更應(yīng)該考察該塑料在使用環(huán)境下的耐老化性能以及防老化措施的可實(shí)施性。