开关插座塑胶料耐久性评价及质量控制.docx

    开关插座塑胶料耐久性评价及质量控制    彭 坚 胡利芬（工业产品环境适应性国家重点实验室 广州 510300）Reference：对开关插座塑胶料的耐久性评价作了简要介绍，通过材料一致性分析方法对塑胶料的质量控制进行了说明，并进行了一些案例分析Keys：开关插座；塑胶料；耐久性；质量控制用全国生产电气开关的企业有1500多家，电工品牌接近2000个电工产品和品牌的发展主要集中在近20年，生产厂家主要集中在广东、浙江，国外品牌多在国内贴牌生产，全国开关插座年销量超过200亿元左右，中国目前已经成为世界电器产品生产、消费和出口大国中国的电工产品已面临着扩大规模没有发展空间的局面，只有把产品做强，向上升级拓展发展空间产品性能和功能的改善与提升，很大程度上依赖于产品环境友好、环境耐久性、元器件及材料质量稳定性等关键性能的提升目前开关插座企业水平参差不齐，大公司对产品的寿命设计及零部件和材料具有较高的控制能力，而部分中小企业存在生产工艺稳定性较差，耐久性测试及寿命设计研究不够严格等问题历年《中国火灾年鉴》资料显示，我国每年发生的电气火灾占首位，约为全年火灾总数的30%左右，其中50%由电气线路引起，劣质开关插座引起的占相当的比例。

1 开关插座关键材料材料及部件设计是开关插座寿命最重要的因素，关系着居家用电的安全关键材料如下：1.1 塑胶料聚碳酸酯（PC）：PC是一种性能优良的工程材料，机械性能好，其抗冲击和抗蠕变性能突出 ，尺寸稳定性好、透光率很高 ，带有抗污染、抗冲击、高阻燃性、耐黄变等特性主要用于面板、按钮、固定架、后座、透明片聚酰胺 （PA66）：PA66的抗拉强度高、硬度高，有较高的抗冲击力电气性能好，耐疲劳性很突出，耐磨性高，摩擦系数小且有自润滑作用因其摩擦系数小，尼龙料主要用来生产保护门丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）：其综合性能好，冲击强度较高，化学稳定性好，介电性能优良；成型后产品收缩率小，尺寸较稳定，表面有光泽，可抛光和电镀有高抗冲、高耐热、阻燃1.2 金属材料黄铜是由铜和锌所组成的合金α单相黄铜，具有良好的塑性，能承受冷热加工黄铜导电性能好，重复回弹力较差主要用于铜柱端子以及只起导电连接用的无须重复回弹的部件锡磷青铜有更高的耐蚀性，耐磨损，导电性能好，重复回弹力优秀主要用于插套以及起导电连接用而且必须重复回弹的部件银的复合材料是通过复合工艺组合而成的新型材料它既能保留Ag的电性能，并能通过复合效应获得原成分所不具备的性能，银复合材料已成为近代先进材料的一大类。

主要用于开关产品的跷板银的复合材料中的一部分，通过添加特殊金属，使材料具有优越的耐熔焊性和耐损耗性长寿命银合金，用于制作银触点，使得产品的温度升高最小2 开关插座塑胶料耐久性评价开关插座塑胶料耐久性评价和质量稳定控制是开关插座的重要产品竞争力因素开关插座产品在不同的工况和环境中使用，随着使用时间的增加，塑胶材料老化降解可能产生短的碳链，进一步被氧化后可能产生小分子杂质，而加工和改性助剂在老化过程中会迁移到材料表面，这些变化都会引起其各种性能（特别是电气和阻燃性能）的改变材料降解老化与各项因素相关，材料类别及其添加剂、填充剂，材料性能值及其应用中的应力水平，工作时间及零件故障的影响引起材料老化的环境因素包括：光（辐射强度、时间）、热（温度、循环变化）、水（湿度、状态）、污染物（化学）、电场、机械应力、生物对于塑胶料的老化而言，温度是最重要的老化因素，而温度与开关插座塑胶料部件位置电场强度和电流相关材料温度极限类型包括：1）功能使用温度指数：确定温度极限的最普通方法不需了解材料的组成成分，只根据材料的使用功能来确定其温度极限2）普通热指数：根据材料的类别（化学结构，填充剂，添加济等）来确定最高温度极限，而不考虑其最终使用状况。

3）相对热指数：将材料的长期重要性能值与标准材料的性能值相对比，从而求出该材料的温度极限需要了解其最终使用基本功能4）相对热性能：确定温度极限的最具体的方法根据材料具体使用情况下的应力水平来确定材料的温度极限在确定其温度极限前，需要了解材料的长期热老化性能长期热老化性能取决于“最高操作温度” （Maximum Operating Temperature，MOT）或者是“相对温度指数”（Relative Thermal Index，RTI），因为这些数值几乎决定了一种物料是否适用于某种成品对于成品生产商而言，如果在进行成品安全测试时所录得的操作温度高于所用物料的最高容许温度，几乎就只有两个可行的选择：①改用其它可承受较高温度的物料；②更改成品设计，以降低对操作温度的要求聚合物的长期热老化试验就是测试材料RTI等性能以判定材料性的重要测试方法对复杂的产品设计而言，往往一点小变动也会牵一发而动全身所以，选择合适或较高 RTI 的物料是获得更佳成本效益的方法GB 2099、GB 1002、GB 1003标准和CNCA-01C-003塑胶料的测试要求主要有：耐非正常热、耐燃和耐电痕化试验，相同材料、同一供应商只做一次。

提供《非金属材料证明文件要求》文件，可免除UL 1363移动电源插座标准对绝缘材料要求参考UL746C，即对“无人照管、连续工作、便携式设备”的要求，对材料耐久性提出了要求3 开关插座塑胶件质量控制开关插座塑胶件质量与材料和注塑件的工艺有关例如，按钮间缝隙与模具和材料收缩相关，按钮间缝隙越小越均匀，显得高档而精致3.1 注塑工艺影响因素(如图1)3.2 塑胶材料的一致性控制3.2.1 材料一致性确认制度使用材料认证指纹图谱数据库，为产品一致性控制提供技术支持在产品认证中，检测和评价工程师利用材料指纹图谱数据库，查询和核对产品中所使用的材料，利于控制产品一致性，提高认证有效性3.2.2 材料分子图谱指纹分析利用材料的分子图谱特性，制定快速的一致性检测评价方法简称指纹图谱分析1）不同的高分子材料有不同的红外指纹区图谱和分子碎片热裂解图谱；2）回收的高分子材料分子量会下降，导致材料的玻璃化温度、结晶度、熔融温度和分解温度的改变；3）颜基比和颜填料的改变会在高分子材料的热重变化中反映，并在最后残留的灰分中体现4）高分子材料的改变一般会导致比重（或密度）的变化3.2.3 分子图谱指纹分析依据标准1）红外光谱分析(IR) GB/T 6040；2）热分析（DSC）ISO 11357；3）热分析（TGA）ISO 11358；4）密度GB/T1033（塑料）；5）密度GB/T 6343 （泡沫塑料及橡胶）。

3.2.4 材料指纹图谱数据库建立与使用1）材料耐热、耐燃和耐漏电起痕等关键特性型式试验；2）材料的指纹图谱分析；3）认证材料的标准指纹图谱库的建立；4）待测产品的材料指纹图谱分析；5）待测产品的材料指纹图谱与标准图谱库的比较；6）待测产品的材料与标准图谱库的材料一致性评判，流程见图2通常的型式试验时间长、费用高且对零部件造成破坏性损失，指纹分析相对说来准确、快速、成本较低，从材料结构和组成来进行一致性控制，比较有效通常高分子材料的个别组分发生变化甚至材料类型发生变化时，从外表上往往无法识别，通过指纹分析可以快速准确的判断材料是否发生变化，从而可以识别和控制材料的一致性材料变化监控关键点：1）用什么手段检测材料变化？材料一致性分析技术（材料分子图谱指纹分析，见图3）2）监测哪些材料变化？材料标准数据库的建立（产品典型材料标样数据库，见图3）3）依据什么监测材料的哪些性能？典型产品失效对应材料关键特性及对应分子图谱指纹分析，见图34）检测材料变化了哪些？材料认证单元材料变化边界控制（水口料、阻燃剂等变化对应材料分子图谱指纹，见图3）3.2.5 一致性一般性判定准则1）红外光谱：主要特征峰一致；特征峰峰值波数无明显变化；特征峰峰形和相对强度不变。

2）差示扫描量热分析：曲线形状（玻璃化温度、结晶温度、熔融温度等温度峰）无明显的变化；温度变化不大于5℃，温度变化趋势一致（同大或同小）3）热重分析：曲线形状和变化趋势（拐点和降解的速率等）无明显变化；降解变化数量相同；降解起始、终止温度和一阶微分峰温变化不大于25℃；各降解段降解量和残余量变化不大于8%3.2.6 回收料的控制1）回收料及再生料控制：通过回收来源追溯控制，一致性可以控制，再生料的初始性能可以控制2）再生料老化：不同比例回收料制成的再生料老化后性能衰减差异较大，回收料比例大的性能差再生料的使用必须考虑老化后性能，注意使用环境条件3）再生料的识别技术：不同比例的回收料的再生料可以通过IR、DSC、TG的材料分子图谱识别，如图4～图6可以通过不同回收料的再生料分子图谱的固定和材料性能范围的认定，对再生料进行认证3.2.7 插头插座非金属材料一致性认证要求根据CNCA-01C-003:2011，对其耐热、耐燃、耐电痕化等性能有要求的非金属材料（如插座底座、插头内架等），应有与其对应的红外光谱曲线、差示扫描量热曲线、热重分析曲线等证明性文件出具此证明文件的实验室需具有相关标准的CNAS认可资质并由认证机构认可，如认证委托人不能提供，则由认证机[来自wwW.lw5u.coM]构推荐相关实验室出具，见表2。

4 失效案例分析4.1 案例1：密封条失效某密封条在使用过程中，密封条吸胀形变， 挤出正常槽位， 失去密封效果合格样品（ 产品定型时）的标准谱图与待测样品（失效密封条产品留样）的分子谱图比较，结果与分析见图7至图91）红外分析（如图7）待测样品与标准样品的红外比较，谱图显示材料均为三元乙丙橡胶2）热重分析（如图8）待测样品与标准样品的热重比较，谱图显示分解温度差别较大，有机物和无机物的含量基本相同，但在550℃ 左右分解的碳酸钙含量有较大差别3）差示扫描量热分析（如图9）待测样品与标准样品的差示扫描量热比较，谱图显示玻璃化转变温度基本相同4）分析与结论通过上述分析， 得出以下结论：待测样品与合格样品的有机主体成分相同，有机物与无机物的含量基本相同，只是待测样品加大了碳酸钙的用量，导致分解温度差异较大案例分析的材料为密封橡胶材料，其绝大多数性能没有下降，但材料的改变导致密封材料的吸水率发生改变，部分产品在使用过程中密封材料吸水膨胀变形过大，达不到密封效果4.2 案例2：塑料电镀件耐久性断裂塑料电镀件，经过开关试验发现，少数塑料电镀件在开关耐久性试验2000次后断裂，而大部分直到试验50000次都未断裂。

1）红外光谱（IR）分析（如图10）断裂产品和合格产品塑料红外光谱无明显差别，说明两种电镀件的塑料材质基本相同2）差示扫描量热（DSC）分析（如图11）根据DSC曲线可以得出塑料组分的玻璃化转变温度（Tg），列于表3低温处为ABS的Tg，高温处为PC的Tg比较发现，断裂件和合格件塑料组分的Tg无明差别3）热失重（TGA）分析（如图12）由TGA曲线可以求出塑料的起始分解温度和820℃时的样品残余量，列于表4断裂件和合格件塑料中无严重相分离从表5可知，断裂件塑料样品的分解残余量比合格件的略高，表明两种电镀件塑料的组成略有差别4）扫描电子显微镜（SEM）分析设断裂件经开关耐久性试验造成的断裂面为断面1，合格件的与断面1相应部位的断面为断面3图13是断面1和断面3的SEM照片由图13可见，虽然是相应部位，但断面形态不同，断裂件塑料的分散相呈较大颗粒分散，分散性和界面粘结均相对较差，认为这是电镀件容易。