PA对PPS材料CTI性能的影响

郭墨林，何志帅，刘鑫鑫，钟一平，丁 超

(金发科技股份有限公司，广东 广州 510663)

电器产品在使用过程中，由于环境的污染导致绝缘材料表面有污物、潮气而产生漏电，由此诱发的腐蚀而损坏绝缘性能。于是设计了一种模拟极恶劣条件的加速试验以检验绝缘材料是否会形成漏电痕迹，从而能在短时间内区别固体绝缘材料抗漏电起痕的能力，保证产品在特定环境条件下的使用安全。CTI测试是将铂电极两端加上电压，电极搭在测试样品上，并在电极间滴加氯化铵溶液，每30 s滴加一滴，两电极间电流大于1A时，实验终止，并记录所滴加的氯化铵滴数。根据ASTM D3638标准，定义恰好50滴污染液会导致试验失败[电流大于1A(0.5 s)]的电压为材料的CTI值。已经有很多学者对CTI进行了研究[1-2]，通常认为材料的CTI值与其成碳能力，表面疏水性能、导热能力，以及复合材料中的填料种类相关。文献认为成碳能力越强，CTI越低，比如聚碳酸酯(PC)，聚苯醚(PPE)因其成碳能力强导致CTI较低；而聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)等材料的CTI都能达到600 V；添加疏水性助剂可以提升材料的CTI[3-5]。

PPS是一种热塑性高分子材料，其具有优异的介电性能、阻燃性以及高耐热性、耐溶剂、高尺寸稳定性，广泛应用于电子电气、汽车、机械、化工等领域。PPS材料的主链具有苯环结构，这使得PPS具有高强度，很好的成碳能力阻燃性能好。然而这也导致PPS材料的相比漏电起痕指数(CTI)很低，只有150 V左右。

因此，本研究使用聚合物共混改性的方法[6-7]，通过添加CTI性能好的PA66材料来提升PPS的CTI，制备不同PPS/PA66比例的非增强和玻纤增强材料，系统研究PA和玻纤对PPS材料CTI性能的影响，并对力学性能进行了表征。

1 实 验

1.1 原材料

1150CPPS，浙江新和成；U3600PA，英威达；ECS309A-3-H玻纤，重庆玻纤。

1.2 设备与仪器

STS-35双螺杆挤出机，南京科倍隆机械有限公司；漏电起痕测试仪，PTL；S-4800扫描电子显微镜(SEM)，日立；3400电子万能试验机，英斯特朗；TG209热重分析仪，耐驰；HIT5.5P电子显示冲击仪，兹维克。

1.3 样品制备

改性PPS材料按配方混合摇匀后加入双螺杆挤出机，拉条冷却造粒后得到改性PPS材料。挤出机转速为300 rpm，温度设置在290 ℃，喂料速率45 kg/h。挤出得到的粒料在120 ℃烘箱中烘干2 h后使用注塑机注塑，注塑温度为300 ℃。

1.4 表征方法

CTI测试：对3 mm×100 mm×100 mm方板测试，测试时，所使用的氯化铵溶液质量分数为0.1%，电阻率为385 Ω·cm，调节电压，对材料进行CTI测试，记录电流大于1A材料失效时的氯化铵电解液滴数。

扫描电子显微镜测试：使用液氮脆断样条，然后样条表面进行测试。

TGA测试：测试温度30～300 ℃，升温速率20 ℃/min，氮气氛围。

拉伸强度测试：测试速率10 mm/min。

弯曲强度测试：测试速率2 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 PPS/PA合金的CTI性能

表1展示了不同PA含量的PPS/PA合金的不同电压CTI测试结果，可以看出，添加PA可以提升材料的CTI，PA的含量增加到50%，PPS/PA合金的CTI达到250 V，进一步提升PA含量，当PA含量达到80%时，合金的CTI达到600 V。这主要是由于PA的成碳能力较差，因此添加PA可以提升CTI，由TGA测试谱图(图1)显示PPS的残碳质量明显高于PA66，也验证了PPS的成碳能力更强。

图1 CTI随PA含量的变化(a)；PPS和PA66的TGA谱图(b)Fig.1 CTI as a function of PA content (a)； TGA curves of neat PPS and PA66 (b)

表1 不同PA含量的PPS/PA合金的不同电压CTI测试结果Table 1 CTI results as a function of voltage of PPS/PA alloys with various PA contents

同时，对电压为600 V时测试后的蚀损深度进行测试，可以发现当PA含量为80%时，蚀损深度为2 mm，而当PA含量为100%时，蚀损深度只有0.2 mm(表2)，该现象说明CTI测试过程中材料会发生熔融，而PA的加入可以减少材料测试中的熔融，发生蚀损。

表2 不同PA含量的PPS/PA合金的600V CTI测试后的蚀损深度Table 2 Erosion depth of PPS/PA alloys with various PA contents after 600 V CTI tests

2.2 玻纤增强PPS/PA合金的CTI性能

玻纤可以显著提升材料的强度，实际应用中PPS多以玻纤增强的形式存在。因此在玻纤增强体系中，研究不同玻纤含量以及不同PA含量对玻纤增强PPS材料的CTI性能的影响意义重大。表3展示了不同玻纤含量对PPS材料CTI的影响，可以看到添加玻纤含量从10%到40%，CTI保持不变，说明玻纤对材料的CTI没有明显作用，这可能是由于玻纤不会影响材料测试中成碳以及导电通路的形成。进一步地，研究40%玻纤增强的PPS材料可以看出通过添加PA，可以提升材料的CTI，但与非增强体系类似，只有当PA含量很高时，CTI才能得到显著的增加，这主要是由于玻纤对体系的CTI没有显著影响，根据非增强体系的研究，PA占树脂的比例达到20%以上，材料的CTI可以达到200 V，PA比例达到80%以上，材料的CTI可以达到600 V。在玻纤增强体系，同样存在此趋势。

表4 非增强与增强材料的力学性能Table 4 The mechanical properties of unreinforced and reinforced materials

2.3 非增强和玻纤增强PPS/PA合金的力学性能

对非增强和增强材料进行了力学性能测试，发现两款非增强与增强合金的力学性能均略低于纯PPS或PA材料，这主要是由于PA分散在PPS相中形成了更多的相界面，从而影响力学性能。图2是使用甲酸刻蚀PA后的20%PA以及30%PA含量的PPS/PA合金的断面图，可以看出PA的分散尺寸达到几微米，分散不是十分均匀，导致强度下降。然而，对比两款200 V CTI的非增强和增强PPS/PA合金测试力学性能，可以看出增强PPS/PA合金的拉伸、弯曲、以及缺口冲击强度都有着明显的提升，有更好的实际的应用价值。

图2 PPS/PA合金刻蚀PA后的SEM图像：20%PA(a)；30%PA(b)Fig.2 SEM image of the PPS/PA alloy with 20%PA (a)，30% PA (b)after extraction of PA

3 结 论

本研究首先通过共混PA、PPS成功制备了PPS/PA合金，然后对不同PA含量的合金进行CTI测试发现PA的加入虽然可以提升CTI，但只有当PA含量达到80%以上时合金的CTI才能达到600 V。结合TGA、蚀损深度等表征手法，说明主要是 PA不易成碳所以添加量越大材料越不易成碳导致起痕，提升材料的CTI。还研究了玻纤对增强PPS的CTI性能的影响，发现加入玻纤不会显著影响材料的CTI，同时玻纤增强PPS/PA合金的CTI的变化规律与PPS/PA的比例相关，与玻纤含量无明显关系。同时还发现PPS/PA合金因为界面增加力学性能较非合金稍低，但玻纤增强PPS/PA合金的性能较非增强合金有明显的提升，有着较高的应用价值。