文| 明卫平　熊金平　北京化工大学材料科学与工程学院

 

 

       目前，我国已经成为电子产品的生产大国和消费大国，是全球的电子产品制造中心。在电子产品的常用原材料中，塑料以其质量轻、强度高、电绝缘性能优良以及良好的稳定性和安全可靠性，成为电器设备中仅次于金属材料的第二大原材料， 同时也是电子设备中应用量增长最快的原材料，目前在家用电子产品中塑料的使用量均在60% 以上，在消费类电子产品中也有广泛应用，如仪器仪表、通讯器材、数码相机、计算机等的外壳和零件。然而塑料在聚合、加工、仓储、运输及使用过程中会发生热氧化及老化等腐蚀失效，其后果是机械性能及物理性能发生劣化，以至于部分或全部失去使用性能，从而严重影响了电子设备的使用寿命以及性能，特别是在苛刻环境条件下，常造成电子设备的提前失效，甚至引起产品的安全问题。相对于金属材料的腐蚀失效，塑料的变质和腐蚀失效更呈现多样性，且缺乏规律，金属的腐蚀一般在表面开始发生，逐渐向内部扩展，而塑料的腐蚀失效多从内部发生。所以对塑料的腐蚀失效多，特别是老化失效形式和机理的认识以及对塑料的改性， 对于扩大其在电子设备中的应用具有较大的指导作用。

 

 

    电器设备结构件中常用的塑料

 

 

       电器设备结构件塑料种类繁多，应用面较为广泛，电气设备结构件主要包括传动部件（齿轮、凸轮、轴承）、固定件（支架、座盘、把手、铰链、螺钉等）和外观部件（如壳体、外框、罩、盘等）。目前在电器设备结构件应用最为广泛的塑料主要有：

 

 

      ABS、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜和尼龙等工程塑料。按照使用环境可以将结构件中用塑料分为：

 

 

       1. 电器结构件

 

 

       这类结构件对于塑料电学性能要求较高，可以分为接插件、线圈骨架、转换开关、继电器等。这些结构件要求塑料具有较高的介电性能以及足够的机械强度，较高的耐热性能、尺寸精度和尺寸稳定性。常用的接插件塑料有聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 及其改性和增强产品，更为高端的电路接插件采用聚砜（PSU）、聚邻苯二甲酰胺 （PPA） 和聚酰亚胺（PI）。这一类的结构件需要根据相关零件要求的性能挑选相关材料。比如低频接插件要求绝缘电阻高以及介电强度高， 所以在使用时需要选用聚碳酸酯、聚砜以及尼龙等制作，而高频接插件要求介电损耗小，介电常数低，所以在选用时选用绝缘性能优异的聚四氟乙烯以及改性聚苯醚等；变压器骨架应该具有优良的介电性能， 良好的耐溶剂性和耐老化性，一般使用增强PET、聚碳酸酯、聚砜等；高频线圈骨架除与变压器骨架有相同要求，还要求较好的高频介电性能，采用聚砜、改性聚苯醚等； 转换开关要求材料介电性能好，并具有优良的尺寸稳定性、耐热性和良好的阻燃性， 可选用尼龙6、改性聚苯醚、聚砜等制造； 继电器在要求材料具有优良的电绝缘性能、耐热性的同时还要求有良好的成型加工性， 熔融流动性较好，一般采用尼龙46 等。

 

 

       2. 外壳结构件形状复杂，产量大，对电性能无特别的要求，但要求在具有一定的力学强度，在设备中一般用于受力但不与电路直接接触的部位，如计算机的外壳、摄像机壳体、电动机工作罩、电池组件容纳壳等。一般这些外壳类结构件在要求高强度、高刚度和耐冲击性的同时，还要求具有一定的耐热性，适用于这一类结构件的塑料有：聚碳酸酯、ABS、尼龙6、抗冲PS、增强PBT 等。

 

 

       3. 耐磨结构件

 

 

       这类结构件一般对电性能和机械强度要求不高，但必须具有优良的耐磨性能。在电器上一般用于受力较小，但运转速度较高的部位上，如齿轮件、轴类零件等。通常可选用聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、尼龙和聚四氟乙烯等来制造。例如，利用聚甲醛优良的耐磨性及尺寸稳定性，可用于制造打印机前底盘、微动开关凸轮、CD 转换器等电器结构件等。

 

 

       4. 弹性零件

 

 

       弹性零件如线扣和柔软的垫片，可采用聚丙烯（PP） 和聚乙烯（PE） 塑料。有些产品的表面需柔软、防撞击，有些产品要便于手持，可以用热塑性弹性体塑料（TPE）。

 

 

       5. 耐腐性结构件

 

 

       对电性能要求不高，但必须具有优良耐腐蚀性的电器结构件，主要用于在不同腐蚀介质中工作的电器，通常可选用聚四氟乙烯、氯化聚醚和PPS 等制造。如在各类化学电池和燃料电池中采用聚四氟乙烯作为微孔渗透膜。

 

 

      塑料的腐蚀失效即老化

 

 

       塑料的腐蚀主要是指塑料在化学介质和其它环境因素（如应力、光、热等）共同作用因变质而引起的失效，其腐蚀形式主要有溶胀溶解、化学裂解、应力腐蚀开裂和老化等。其中溶胀溶解、化学裂解主要是由于塑料浸泡腐蚀介质中时，介质向塑料基体内部扩散、渗透，而产生的破坏； 应力腐蚀断裂是介质和应力共同作用下出现的失效；老化是由于塑料的化学组成、分子结构和物理状态等内因和经受光、热电、机械应力、氧气、臭氧、化学介质等外因作用而引起的腐蚀现象。一般把材料在化学介质或化学介质与其他因素共同作用下腐蚀失效称为化学老化；而把在大气环境中，因受太阳紫外线、空气中的氧和环境温度、湿度的作用导致的性能劣化称为大气老化或环境老化。实践证明，设备结构件的大气老化是电子设备中塑料常见的腐蚀现象。

 

 

       塑料的老化形式现象有很多，主要变化归纳为 4 个方面：

 

 

      （1） 外观的变化

 

 

       例如变色、龟裂、银纹、发枯、变硬、变软、变脆、变形、失光、粉化、起泡、剥落等。

 

 

      （2） 物理性能的变化

 

 

        例如密度、溶体指数、导热系数、透光率、透气率、分子量、羰基含量变化等。

 

     
      （3） 力学性能变化

 

 

        例如拉伸强度、伸长率、冲击强度、弯曲强度、硬度、弹性、附着力、耐磨强度等改变。

 

 

       （4） 电性能变化

 

 

        例如绝缘电阻、介电常数、介质损耗、击穿电压等改变。

 

 

       老化不仅会使物理性能（如颜色、表面光洁度等）发生劣化，而且会造成机械性能的降低（如抗冲强度与拉伸强度降低， 材料由延性变成脆性等），会造成电子设备部分或全部失去使用性能，特别是要求电学性能的接插件，由于老化造成介电常数、绝缘性能的变化，使得接插件失效或者性能下降，从而造成电子产品失效或者出现安全事故。近年来家用产品中出现的失火、漏电、爆炸等事故，部分是由于热老化造成塑料结构件变形，而引起电容器的击穿；或者接插结构件由于老化造成绝缘性能下降，而引起漏电、爬电，短路， 酿成重大事故。

 

 

       那么影响塑料老化的因素主要有哪些呢？我们可以将影响塑料的因素分为内因和外因，内因是变化的根据，外因是变化的条件，外因通过内因起作用。

 

 

       从内因来看，塑料的化学结构、物理结构、成型加工条件以及外来杂质等都对塑料的耐老化能力有影响，从化学结构上来看，塑料不论是合成的还是天然的，在化学结构中必然存在一些弱键，这些弱键成为老化反应的突破口，如ABS 的不饱和双键；聚碳酸酯的酯键；尼龙的酰胺键、聚甲醛的半缩醛端基和醚键；聚砜的碳硫键等，不同的塑料由于其化学结构以及成型条件不同，其老化性能也不尽相同，在受到外部因素时，化学结构或者成型条件中的缺点成为老化突破口，随后进行各种类型的老化过程，有的以降解为主，有的以交联过程为主，有的则综合两者，不同的塑料，不仅老化性能不同，老化机理也存在差异。

 

 

       那影响塑料老化的外因主要有物理因素、化学因素和生物因素等。包括太阳光、氧、臭氧、热、水分以及工业有害气体、微生物等大气环境因素。此外，机械应力的作用、成型加工条件的影响也属于外因。

 

 

     （1） 紫外光

 

 

       紫外光是影响塑料老化最主要的外因之一。太阳光中的紫外光会使塑料分子中的化学键激发，若有氧或水存在时处于激发状态的化学键将会进一步发生化学裂解。

 

 

      （2） 温度

 

 

       塑料吸收阳光热量，温度升高或者内部温度引起热老化，同时也能促进其他化学老化，日照也使增塑剂等液态组分挥发，同时促进腐蚀介质更快的向高塑料内部渗透。

 

 

      （3） 湿气

 

 

       大气环境中的降水、潮湿（水汽）等因素都会影响塑料的老化。雨水，特别是凝露形成的水膜，能够渗入塑料内部，使塑料内的某些水溶性物质、增塑剂被水溶解、抽提或吸收，从向逐步改变塑料的组成和成分比例，会使耐水性差的高聚物产生渗胀、变形、水解等，从而加速塑料的老化。如果塑料分子结构中含有可水解基团（如酰胺基、酯基、缩醛基等）的话， 在雨水或潮湿的长期作用下，往往会发生水解反应。

 

 

      （4） 辐射

 

 

       当塑料处于高能辐射时，若所用辐射剂量很大，则可以彻底破坏其结构，甚至使它完全变成粉末，在一般剂量的辐射下， 塑料的性质也有不同程度的变化。辐射化学效应主要是大分子链的交联与裂解。

 

 

    防老化采取的措施

 

 

       塑料的老化既然存在内因和外因，那么防老化也可以从两方面采取措施。一方面，可用添加防老剂的方法来抑制光、热、氧等外因对塑料的作用或者采用改进聚合和成型加工工艺或者改性的方法，提高塑料本身对外因的稳定性；另一方面也可以采用物理防护方法使塑料避免受到外因的作用。

 

 

       防老剂是一类能够防护和抑制光、热、氧、臭氧、重金属离子等外因对塑料产生破坏作用的物质。添加防老化可以改善塑料的加工性能，延长塑料的储存和使用寿命，方法简便且效果显著，是当前塑料防老化的主要途径。依据防老剂的作用机理和功能，可以分为以下几种：

 

 

     （1） 抗氧剂能够抑制氧化反应和臭氧老化反应。

 

 

     （2） 紫外线稳定剂防止和抑制光氧化反应的发生和发展。

 

 

     （3） 热稳定剂

 

 

      防止塑料在加工（高温下）和使用过程中受热而发生降解或交联。

 

 
    （4） 防霉剂防止塑料发生霉腐。添加防老剂的方法，对于塑料通常是在树脂捏合、造粒时加入，也可在聚合或聚合反应的后处理时加入。

 

 

      在电子设备结构设计中，应该根据具体使用环境，选用那些对光、热、臭氧等因素具有较高稳定性和本身具有耐霉性的塑料，同时，应该选用添加了防老剂的材料品种。

 

 

       从改性方法方面，由于成型后的塑料制品中，或多或少都存在残余的内应力。如果内应力相当大，则会使塑料制品在使用过程中发生翘曲、龟裂和性能严重变坏。成型后进行退火热处理，可以消除残余内应力，预防过早产生开裂（特别是有金属嵌件的制品）。

 

 

       物理防护主要是指在塑料表面涂覆上一层防护层，防止大气老化，具体方法有：

 

 

      （1） 涂漆

 

 

        许多塑料都可以采用涂漆的方法来提高耐候性。选用涂料时，应注意涂料与塑料之间的适应性问题。

 

 

      （2） 镀金属

 

 

       在塑料制品表面镀上一层金属保护膜， 能对塑料的老化起到良好的防护效果，还可以使其表而具有金属特性，扩大了应用范围。目前，镀金属的塑料品种以ABS 和聚丙烯占多数。此外，聚砜、聚苯醚等工程塑料也可以用镀金属的方法提高耐候性。

 

 

    （3） 涂布防老剂溶液

 

 

      将塑料制品浸入含有防老剂的溶液中， 或将这些溶液涂布在制品上，使能抑制外因作用的防老剂都集中在表面形成保护膜， 从而可起到显著的防护效果。

 

 

    结论

 

 

       塑料是电子产品结构件中使用仅次于金属材料的的第二大原材料，随着塑料性能的不断改性，塑料将得到更加广阔的应用。通过本文我们可以看到塑料结构件的使用环境常由多种腐蚀因素组合作用， 构成设备的材料也由多种材质和形态组成，腐蚀环境较为复杂，因此我们在塑料结构件选材或者设计塑料的防腐蚀体系时，不应仅仅考虑其使用要求，更应该考察该塑料在使用环境下的耐老化性能以及防老化措施的可实施性。