國網智能電表殼體塑膠材料的研制

胡玉娟，麥偉宗，蘇仕瓊，黃李勝，李 景

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

隨著我國人均居民用電量持續增加，加上智能電網的全面建設和農村電網改造升級等促進因素，智能電表外殼塑膠材料的需求量也迅速增長。國家電網公司要求智能電表外殼應具有阻燃、密封、防塵、防潮、防水功能，并具有一定的強度，上緊螺絲后不變形，要求使用絕緣、阻燃、防光老化的環保材料。由于玻纖增強阻燃PC 具有優異的抗老化性、耐腐蝕性以及足夠優異的力學性能等優勢，完全適用于注塑形成電表外殼。目前玻纖增強阻燃PC 材料的高端市場幾乎被國外幾家巨頭公司如沙伯、陶氏等壟斷。進口膠料普遍采用PC 基材樹脂添加短纖、阻燃劑、抗氧化劑等制成，膠粒注塑出來的產品制件阻燃性能優異，表面光滑無浮纖。然而該類材料售價非常之高，不適用于我國智能電表行業的迅速發展;低端市場又被各種品質參差不齊的二次回收改性料所充斥，這類材料的力學性能與電性能在使用過程中會快速損耗，因而存在相當嚴重的安全隱患。因此，市場呼吁品質高而價格適中的增強阻燃PC 電表外殼專用料。

本研究主要采用無堿長玻璃纖維增強聚碳酸酯，通過添加適合的增韌劑、阻燃劑、潤滑劑、紫外線吸收劑及抗氧劑，經過雙螺桿擠出造粒而生產出滿足客戶需求的塑膠粒料。該產品注塑出來的制件表面光滑無浮纖，且具有良好的力學與阻燃性能，完全適用于電表外殼。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PC 樹脂，沙伯基礎創新塑料;玻璃纖維(GF)，巨石集團;溴代三嗪阻燃劑FR -245，市售;有機硅系阻燃劑FR5100，市售;增韌劑FC -35B，市售;潤滑劑748E，市售;抗氧劑1076、168，金海雅寶。

1.2 主要試驗儀器、設備

TE65 型雙螺桿擠出機，南京諾達公司;PL860/270 型注塑機，海天有限公司;WGT-S 透光率/霧度測定儀，上海精科有限公司;XLD -10 液晶電子拉力試驗機，承德市金建檢測儀器公司;XJU -5.5 懸臂梁沖擊試驗機，承德市金建檢測儀器公司;XNR-400B 熔體流動速率儀，承德市金建檢測儀器公司;色差儀，愛麗色有限公司。

1.3 樣品制備

首先按照PC 樹脂+0.3%潤滑劑748E +0.1%抗氧劑1010 +0.05%抗氧劑168 的劑量設計基礎配方，經過低速攪拌機進行預分散，混勻后在雙螺桿中擠出熔融造粒。在基礎配方的基礎上按照5%、10%、15%、20%的不同添加量經過雙螺桿擠出做成4個增強配方粒料。將基礎配方粒料與增強配方粒料分別用注塑機制成國標樣條，放置24h 后測試力學性能，篩選出最佳的玻纖增強配方。

然后按照上述方法與步驟，在增強配方的基礎將增韌劑按照2%的間隔遞增直到10%添加量制作5個增強增韌配方，分析力學性能后篩選出最優增強增韌配方。

最后在最優增強增韌的配方基礎上，將FR245阻燃劑按照1%、2%、3%、4%、5%、6%的劑量制作6個增強增韌阻燃配方，將FR5100 阻燃劑按照0.5%、1%、1.5%、2%劑量制作4 組增強增韌阻燃配方，測試分析出最優增強增韌阻燃配方。

2 結果與討論

2.1 玻纖含量的影響

從表1 看出，隨著GF 含量的增多，拉伸強度與彎曲強度都逐漸增大，沖擊強度與伸長率都逐漸減小。當玻纖含量10%時，斷裂伸長率顯著降低，材料沖擊強度減少到最低，之后隨著玻纖含量增加，沖擊強度基本穩定在8.5kJ/m2左右不變。同時，由于材料比重會隨玻纖含量增多而迅速增大，考慮到注塑件的經濟成本，本研究將該專用料的增強配方控制為玻纖含量為10%。

表1 不同玻纖含量的PC 力學性能Table 1 Mechanical properties of PC with different content of GF

2.2 增韌劑對材料力學性能的影響

國家電網公司要求智能電表組裝完成后要按照IEC 60068 -2 -75 進行彈簧錘測試。測試時智能電表安裝在正常工作位置，彈簧錘以0.2J 的動能作用在儀表外殼，不出現肉眼看到的損傷以及影響電表信息改變。

為盡可能提高材料的韌性以滿足這一要求，本研究探索了馬來酸酐接枝聚烯烴FC -35B 對材料力學性能的影響。從表2 中可以看到添加增韌劑后，材料的沖擊強度有大幅度提高。FC -35B 添加到6%時，材料沖擊性能高達13.2kJ/m2，達到峰值。此后，隨著材料增韌劑含量的添加沖擊強度保持不變。增韌劑的添加會稍微降低拉伸強度與彎曲強度，但是總體來說影響不大。

表2 不同FC－35B 含量的PC+10%GF 力學性能Table 2 Mechanical properties of PC+10% GF with different FC－35

關于馬來酸酐接枝聚烯烴增韌PC 的作用原理有以下兩個方面，一方面FC -35B 中的MAH 極性基團與玻纖表面形成表面鍵合，極大提高了玻纖與PC 之間的表面接觸。另一方面聚烯烴為彈性粒子，在外力作用下引發周圍基質產生銀紋與剪切帶，并能吸收沖擊能［1］。

2.2 阻燃劑對材料性能的影響

國家電網公司智能電表宣貫材料要求電表外殼料阻燃試驗按照IEC 60695-2-11 執行，試驗溫度為650℃±10℃，作用時間為30s。本研究結合實際生產需要，采用1.6mm 標準樣條，酒精燈點燃測試。

2.2.1 阻燃劑對材料阻燃性能的影響

對于FR245，從表3 中看出，添加量在5%時，材料阻燃性能達到V0 級別。FR245 為溴代三嗪系阻燃劑，其含溴量67%，含N 量4%，在實際中廣泛應用于PC 阻燃體系中。其作用原理為燃燒時釋放大量HBr 煙霧，HBr 捕捉燃燒時產生的活性自由基，生成活性較低的溴自由基以致燃燒延緩或終止，同時HBr 難燃燒且比空氣的密度大，能覆蓋在材料的表面以隔絕空氣［2］。

表3 不同阻燃劑對PC+10%GF+6%FC－35B阻燃性能影響Table 3 Effects of different flame retardants on the flame retardancy of PC+10%GF+6%FC－35B

從表3 中還看出，有機硅阻燃劑FR5100 達到V0 阻燃時僅需1.5%的添加量，具有相比FR245 更好的阻燃效能。其阻燃機理為:在燃燒時，材料表面的聚硅氧烷與塑料的碳化物復合，形成Si-C 無機隔熱隔氧層［3］。

2.2.2 阻燃劑對材料力學性能的影響

從表4 看到，FR245 添加量較少時，材料拉伸強度隨著添加量的增大稍微降低，但是降低幅度不大。但是添加量超過3%以后，材料沖擊性能與斷裂伸長率迅速下降，當添加到5%含量時，此時材料達到V0 阻燃級別，材料的沖擊性能已經由初始的13.2kJ/m2下降到6.5kJ/m2，降幅約50%。

表4 不同FR245 含量的PC+10%GF+6%FC－35B的力學性能Table 4 Mechanical properties of PC+10%GF+6%FC－35B with different content of FR245

由表5 可以看到，FR5100 不同添加量對增強增韌配方的力學性能的影響不大，添加量為1.5%時，此時材料阻燃級別達到V0，此時材料拉伸性能基本不變，沖擊性能甚至有部分提高。這是因為有機硅阻燃劑與PC 相容性好，另外阻燃劑結構中中含有的Si-O 基團能提高材料中分子間的柔順性［4］。

表5 不同FR5100 含量的PC+10%GF+6%FC－35B的力學性能Table 5 Mechanical properties of PC+10%GF+6%FC－35B with different content of FR5100

2.2.3 復配阻燃劑的影響

FR245 價格便宜，但是添加量大，且V0 阻燃級別時的添加量對材料的韌性損耗較大。FR5100 添加量小，基本不影響材料力學性能，但是此材料單價非常昂貴。以往有研究表明硅系阻燃劑與溴系阻燃劑共同使用時能增加燃燒成炭量從而具有協助阻燃作用［5］，作者研究了二者復配體系的降本增效優化配方。

優化配方是在增強增韌配方的基礎上首先控制FR245 添加量為3%，在此添加量下溴代三嗪對材料力學性能破壞較弱，然后按照0.1% 添加量FR5100 的間隔制作5 組樣品，做酒精燈燃燒測試，試驗證明0.5%添加量FR5100 時材料達V0 阻燃級別。

從表6 中看到，V0 阻燃時復配阻燃劑配方的材料力學性能相比單一溴代三嗪FR245 阻燃劑添加具有更優異的力學性能，相比有機硅阻燃劑FR5100雖然力學性能稍微有些下降，但需要提出的是復配體系具有更好的成本優勢。

表6 材料V0 級別時使用不同阻燃劑配方的力學性能Table 6 Mechanical properties of materials at V0 with different flame retardants levels

2.3 材料的加工性能討論

2.3.1 加工符合性

本研究開發出來的專用料在注塑國網公司C5電表底蓋時，設置料筒溫度為250℃～280℃，注塑壓力為60MPa ～100MPa，注塑速度為50 ～80，注塑出來的產品外觀光滑平整，無肉眼可見的浮纖以及其他缺陷。

2.3.2 性能應用符合性

本研究開發出來的專用料注塑成國網C5 電表底蓋后，在產品柱上打螺絲沒有出現開裂現象，人工錘敲表蓋無部位出現裂紋，110℃平板上擱置8h變形不超過0.2mm，純冰醋酸浸泡1h 后無應力開裂，戶外放置72h 后肉眼看不到顏色變化，完全符合國網公司關于表蓋材料的要求。

3 結論

(1)本研究開發了一種符合國家電網公司要求的表外殼專用料，該電表料的最優材料配方:80%PC 1000R +10%玻纖+6%FC -35B 增韌劑+3%溴代三嗪阻燃劑FR -245 +0.5%有機硅阻燃劑FR5100 +0.3%潤滑劑748E +0.1%抗氧劑1076 +0.2%抗氧劑168。

(2)馬來酸酐接枝聚烯烴顯著提高玻纖增強PC 的增韌效果。

(3)溴代三嗪阻燃劑添加量大，V0 阻燃添加量時對材料力學性能損耗大，有機硅阻燃劑添加量小，同時顯著提高材料的沖擊性。按一定比例復配兩種阻燃劑，既可有效提高阻燃效率又不影響材料力學性能，同時具有良好的經濟成本優勢。

［1］呂通建，吳爽，沈燕俠，等. PC 及PC/ABS 合金的增韌研究［J］. 塑料工業，2004，32(6):25 -28.

［2］魯建，劉柯，王玉忠. 三嗪衍生物的合成及其用與ABS 的阻燃研究［J］. 四川大學學報，2003，39(3):514 -517.

［3］Iji M，Serizawa S. Silicone derivatives as new flame retardants for aromatic thermoplastics used in electronin devices［J］. Polymers for advanced Technologies，1998，9(10 -11):593 -600.

［4］李曉俊，劉小蘭，劉憲增，等. 硅樹脂阻燃聚碳酸酯的研究［J］. 工程塑料應用，2005，33(2):16 -18.

［5］Ebdon J R，Hunt B J，Jones M S，et al. Chemical modification of polymers to improve flame retardance-Ⅱ，The influence of silicon-containing groups［J］. Polymer Degradation and Stability，1996，54(2 -3):395 -400.