吸水率对尼龙6介电强度的影响研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 塑料工业 CH INA PLASTICS INDUSTRY 第 38卷第 6期 2010年 6月 作者简介 : 吴博 , 男 , 1976年生 , 硕士 , 讲师 , 长期从事塑料降解和阻燃改性研究工作 , 已在国内外刊物发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 文章十 余篇 , 申请国家专利多项。 材料测试 与 应 用 吸水率对尼龙 6介电强度的影响研究 吴 　博 , 庞承焕 (金发科技股份有限公司 , 广东 广州 510520) 　　摘要 : 为获知水分对尼龙 6介电强度的影响情况 , 将样品在不同条件下进行吸水处理后 , 按 ASTM D149—1997a Method A测试介电强度 , 获得了吸水率对尼龙 6介电强度影响的规律。结果表明 , 尼龙 6的介电强度随吸水率的增大 而下降。还对吸水率影响尼龙 6介电强度的机理进行了探讨。 关键词 : 吸水率 ; 尼龙 6; 介电强度 中图分类号 : TQ32316　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1005 - 5770 (2010) 06 - 0044 - 03 Study the Influence of W a ter Absorption on the D ielectr ic Strength of Nylon6 WU Bo, PANG Cheng2huan ( KingFa Science & Technology Co. , L td. , Guangzhou 510520, China) Abstract: To get the influence of water absorp tion on the dielectric strength of PA6, this paper, made the samp les absorbed water under different conditions, tested the dielectric strength according to ASTM D149 - 1997a Method A, and got the influence rules of water absorp tion on the dielectric strength of PA6. The re2 sults indicated that the dielectric strength decreased with the increasing of water absorp tion. The mechanism of the water absorp tion changing the dielectric strength of PA6 was also discussed in this paper. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s: W ater Absorp tion; PA6; D ielectric Strength 　　聚酰胺 6 ( PA6) 是一种广泛应用的工程塑料 , 而增强改性是 PA6重要的改性手段 , 经过增强改性 的 PA6在电子电气工业中 , 可用于制造绝缘插座、 支撑架、外壳等器件。对于工频绝缘材料来说 , 介电 强度是一个重要的性能指标 , 介电强度的定义是击穿 电压与绝缘体厚度的比值 [ 1 ] , 即材料能长期承受的 最大场强。由于主链中重复出现的酰胺基是一个极性 基团 , 和水分子之间能够形成氢键 , 因此和聚烯烃等 疏水性聚合物相比 , 具有较大的吸水率 [ 2 ] , 其制品 常因吸水而引起电性能变化 , 对准确测定 PA6类材 料的介电强度带来了极大的干扰。为获得吸水率对其 介电强度的影响规律 , 笔者对 PA6原树脂和玻纤增 强 PA6树脂进行实验研究。 1　实验部分 111　实验样品 PA6原树脂 (以下记为 PA6) : PA6 Volgam id 27, 俄罗斯古比雪夫氮公司 ; 30%玻纤增强 PA6 树脂 (以下记为 PA62G30) : PA62G30 N2108, 金发科技股 份有限公司。将以上树脂注塑成 10 mm ×10 mm × 018 mm的方板作为实验样品。 112　主要设备及仪器 注塑机 : CJ 830型 , 中国震德塑料机械有限公 司 ; 介电强度测试仪 : 70522D1492P2B 型 , 美国 H IPOTRON ICS; 分析天平 : GR2200型 , 日本 AND; 恒温恒湿箱 : KTHA2010TBS型 , 台湾 KSON; 精密老 化箱 : IAT2126型 , 台湾巨孚。 113　介电强度测试 按 ASTM D149—1997a Method A 测试 , 选用 TYPE2电极 , 周围介质采用真空硅脂 , 升压速率设 为 210 kV / s。 114　吸水处理 为得到不同吸水率的试样 , 采用自然敞口放置、 恒温恒湿箱调节、水煮、烘箱烘干的方法 , 同时对 PA6和 PA62G30试样进行吸水处理。处理条件及样 品编号见表 1。 样品相对吸水率按公式 (1) 进行计算 : 相对吸水率 =处理后试样质量 -原始试样质量原始试样质量 ×100% (1) ·44· © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 38卷第 6期 吴 　博等 : 吸水率对尼龙 6介电强度的影响研究 2　结果与讨论 211　吸水率对纯 PA6介电强度的影响 对以上不同含水率的 PA6试样进行介电强度测 试 , 得到其随吸水率变化的实验数据 , 结果如表 2 所示。 从表 2可以看到 , 随着吸水率的增加 , PA6的介 电强度减小 , 对以上数据进行线性拟合 , 得到 PA6 介电强度随吸水率变化的关系式 : Y1 = - 31291 3X1 + 411766 R2 = 01964 7 (2) 式中 , Y1 - PA6介电强度 ; X1 - 吸水率 ; R - 相关系 数。从上式可以看出 PA6的介电强度随着吸水率的 增加而下降 , 且线性相关性很强。 212　吸水率对 PA6 - G30介电强度的影响 对以上不同含水率的 PA62G30试样进行介电强 度测试 , 得到其随吸水率变化的实验数据 , 结果如表 3所示。从表 3可以看到 , 随着吸水率的增加 , PA6 的介电强度减小 , 对表 3数据进行线性拟合 , 得到 PA62G30介电强度随吸水率变化的关系式 : Y2 = - 61813 2 X2 + 511302 R2 = 01975 1 (3) 式中 , Y2 - PA62G30介电强度 ; X2 - 吸水率 ; R - 相 关系数。从上式可以看出 , PA62G30的介电强度随着 吸水率的增加而下降 , 且线性相关性很强。 213　PA6与 PA62G30介电强度及受吸水率的影响程 度比较 　　由表 2和表 3的测试数据可以看出 , 经 30%玻 纤增强改性后 , PA6的介电强度提高了 21% , 在同 样的处理条件下 , PA62G30的吸水率较 PA6明显降 低。为了考察吸水率对 PA6和 PA62G30介电强度的 影响程度 , 对式 ( 2 )、式 ( 3 ) 进一步分析 , 见表 4, 并对表 1和表 2数据进行拟合 , 见图 1。 图 1　介电强度随吸水率变化情况 Fig 1　D ielectric strength change with water absorp tion variety 由表 4可以看出 , 当吸水率变化 1%时 , PA6的 ·54· © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 塑 　料 　工 　业 2010年 　　 介电强度改变了约 3129 kV·mm - 1 , PA62G30改变了 约 6181 kV ·mm - 1 ; 要使介电强度改变 1 kV · mm - 1 , PA6吸水率发生 01304%的改变 , PA62G30吸 水率发生 01147%的改变。这表明经 30%玻纤增强改 性后 , PA6的吸水性有了一定改善 , 但从图 1可以看 出 , 介电强度受吸水率的影响变大了。以上分析表 明 , 吸水率对 PA6类产品的介电强度具有一定的影 响 , 因此在这类产品的研究、生产、储存和使用中 , 应密切关注材料吸水造成的影响。 214　吸水率对 PA6介电强度的影响机理探讨 介电强度的定义是击穿电压与绝缘体厚度的比 值 , 当样品厚度统一时 , 绝缘材料介电击穿电压的变 化即体现了其介电强度的变化。介电击穿与力学破坏 相似 , 总是与材料的局部不完善性或某种弱点有关。 高聚物介电击穿按其形成的机理 , 大致可以分为本征 击穿、热击穿和放电引起的击穿三种主要形式 [ 3 ]。 从表 2和表 3中可以看出 , 当 PA6的相对吸水 率低 于 01817% , PA62G30 的 相 对 吸 水 率 低 于 01636%时 , 样品击穿位置在电极边沿 , 测试位置处 产生碳化物 , 并且击穿时会产生臭味 ; 当 PA6的相 对吸水率高于 11267% , PA62G30 的吸水率高于 01950%时 , 样品击穿位置在电极中间 , 击穿区域光 洁无碳化物 , 见图 2。 在本实验中所用电极的边沿为半径为 312 mm的 弧 , 尽管在测试前已涂抹了真空硅脂 , 但是在测试时 两电极边沿间肯定会存在空隙 , 空隙中的气体介电强 度比 PA6样品的介电强度低得多 , 当样品的含水率 较低时 , 在高压交变电场作用下 , 电极边沿间的气体 首先发生电离放电。放电时被电场加速的电子和离子 轰击样品表面 , 可以直接破坏高分子结构 , 放电产生 的热量可能引起高分子的热降解 , 放电生成的臭氧和 氮的氧化物将使样品氧化老化 , 反复放电使样品所受 的侵蚀不断加深 , 最后导致材料击穿。即当含水率较 低时 , PA6和 PA62G30的介电击穿机理以放电引起 的击穿为主。 当样品的吸水率超过一定值后 , 在低频下 , 样品 中的水主要以离子电导的形式增加电导电流 , 引起介 电损耗 , 且体系的介电损耗随着水含量的增加而有所 升高 [ 4 ]。另外 , 当 PA6的吸水率增大时 , 分子的降 解程度也随之增大 ; 同时结晶度下降 [ 5 ]。造成材料 的局部缺陷增多。在高压电场作用下 , 由于介电损耗 所产生的热量来不及散发出去 , 热量的积累使样品的 温度上升 , 而随着温度的升高 , 样品的电导率按指数 规律急剧增大 , 电导损耗产生更多的热量 , 又使温度 进一步升高 , 这样恶性循环的结果导致样品发生击 穿。即当样品的吸水率较高时 , PA6和 PA62G30的 介电击穿机理以热击穿为主 , 由于电极中间的场强最 强 , 与样品接触最紧密 , 散热量最小 , 故热击穿多发 生在电极中间。 a -边沿击穿 b -中间击穿 图 2　PA62G30样品表观图 Fig 2　 Images of PA62G30 tested samp les surface 吸水率的升高会引起 PA6和 PA62G30介电损耗 的升高和局部缺陷的增多 , 介电击穿机理从以放电击 穿为主转为以需要能量低的热击穿为主 , 这就是吸水 率增加会引起 PA6类材料介电强度降低的原因。 3　结论 1) 经 30%玻纤增强改性后 , PA6的介电强度提 高了约 21% ; PA6与 PA62G30的介电强度均随吸水 率的升高而线性降低。 2) 经 30%玻纤增强改性后 , PA6在同样吸水处 理条件下吸水性降低 , 但介电强度变化对吸水率的敏 感程度提高。 3) 吸水率对 PA6类材料介电强度的影响来自吸 水后样品介电损耗的升高和局部缺陷的增多 , 导致击 穿机理的变化。 参 　考 　文　献 [ 1 ] American Society for Testing and Materials. ASTM D149 - 97a Standard test method for dielectric breakdown voltage and dielectric strength of solid electrical insulating materials at commercial power frequencies [ S ]. Conshohocken: ASTM International, 1998. [ 2 ] 黄锐. 塑料工程手册 (上册 ) [M ]. 北京 : 机械工业出 版社 , 2000: 279. [ 3 ] 何曼君 , 陈孝维 , 董西侠. 高分子物理 - 修订版 [M ]. 上海 : 复旦大学出版社 , 2000: 401 - 402. [ 4 ] 周宛棣 , 于德梅 , 郭秀生 , 等. 尼龙 6 /粘土聚合物纳米 复合材料的性能表征 (Ⅰ) 电性能研究 [ J ]. 高分子材 料科学与工程 , 2004, 20 (3) : 134 - 135. [ 5 ] 李晖 , 魏莉萍 , 王湘明 , 等. 吸水率对尼龙 66力学性能 的影响研究 [ J ]. 工程塑料应用 , 2008, 36 (8) : 66. (修改稿于 2010 - 04 - 07收到 ) ·64·