国网智能电表壳体塑胶材料的研制

胡玉娟，麦伟宗，苏仕琼，黄李胜，李 景

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州510665)

随着我国人均居民用电量持续增加，加上智能电网的全面建设和农村电网改造升级等促进因素，智能电表外壳塑胶材料的需求量也迅速增长。国家电网公司要求智能电表外壳应具有阻燃、密封、防尘、防潮、防水功能，并具有一定的强度，上紧螺丝后不变形，要求使用绝缘、阻燃、防光老化的环保材料。由于玻纤增强阻燃PC 具有优异的抗老化性、耐腐蚀性以及足够优异的力学性能等优势，完全适用于注塑形成电表外壳。目前玻纤增强阻燃PC 材料的高端市场几乎被国外几家巨头公司如沙伯、陶氏等垄断。进口胶料普遍采用PC 基材树脂添加短纤、阻燃剂、抗氧化剂等制成，胶粒注塑出来的产品制件阻燃性能优异，表面光滑无浮纤。然而该类材料售价非常之高，不适用于我国智能电表行业的迅速发展;低端市场又被各种品质参差不齐的二次回收改性料所充斥，这类材料的力学性能与电性能在使用过程中会快速损耗，因而存在相当严重的安全隐患。因此，市场呼吁品质高而价格适中的增强阻燃PC 电表外壳专用料。

本研究主要采用无碱长玻璃纤维增强聚碳酸酯，通过添加适合的增韧剂、阻燃剂、润滑剂、紫外线吸收剂及抗氧剂，经过双螺杆挤出造粒而生产出满足客户需求的塑胶粒料。该产品注塑出来的制件表面光滑无浮纤，且具有良好的力学与阻燃性能，完全适用于电表外壳。

1 实验部分

1.1 主要原料

PC 树脂，沙伯基础创新塑料;玻璃纤维(GF)，巨石集团;溴代三嗪阻燃剂FR -245，市售;有机硅系阻燃剂FR5100，市售;增韧剂FC -35B，市售;润滑剂748E，市售;抗氧剂1076、168，金海雅宝。

1.2 主要试验仪器、设备

TE65 型双螺杆挤出机，南京诺达公司;PL860/270 型注塑机，海天有限公司;WGT-S 透光率/雾度测定仪，上海精科有限公司;XLD -10 液晶电子拉力试验机，承德市金建检测仪器公司;XJU -5.5 悬臂梁冲击试验机，承德市金建检测仪器公司;XNR-400B 熔体流动速率仪，承德市金建检测仪器公司;色差仪，爱丽色有限公司。

1.3 样品制备

首先按照PC 树脂+0.3%润滑剂748E +0.1%抗氧剂1010 +0.05%抗氧剂168 的剂量设计基础配方，经过低速搅拌机进行预分散，混匀后在双螺杆中挤出熔融造粒。在基础配方的基础上按照5%、10%、15%、20%的不同添加量经过双螺杆挤出做成4个增强配方粒料。将基础配方粒料与增强配方粒料分别用注塑机制成国标样条，放置24h 后测试力学性能，筛选出最佳的玻纤增强配方。

然后按照上述方法与步骤，在增强配方的基础将增韧剂按照2%的间隔递增直到10%添加量制作5个增强增韧配方，分析力学性能后筛选出最优增强增韧配方。

最后在最优增强增韧的配方基础上，将FR245阻燃剂按照1%、2%、3%、4%、5%、6%的剂量制作6个增强增韧阻燃配方，将FR5100 阻燃剂按照0.5%、1%、1.5%、2%剂量制作4 组增强增韧阻燃配方，测试分析出最优增强增韧阻燃配方。

2 结果与讨论

2.1 玻纤含量的影响

从表1 看出，随着GF 含量的增多，拉伸强度与弯曲强度都逐渐增大，冲击强度与伸长率都逐渐减小。当玻纤含量10%时，断裂伸长率显著降低，材料冲击强度减少到最低，之后随着玻纤含量增加，冲击强度基本稳定在8.5kJ/m2左右不变。同时，由于材料比重会随玻纤含量增多而迅速增大，考虑到注塑件的经济成本，本研究将该专用料的增强配方控制为玻纤含量为10%。

表1 不同玻纤含量的PC 力学性能Table 1 Mechanical properties of PC with different content of GF

2.2 增韧剂对材料力学性能的影响

国家电网公司要求智能电表组装完成后要按照IEC 60068 -2 -75 进行弹簧锤测试。测试时智能电表安装在正常工作位置，弹簧锤以0.2J 的动能作用在仪表外壳，不出现肉眼看到的损伤以及影响电表信息改变。

为尽可能提高材料的韧性以满足这一要求，本研究探索了马来酸酐接枝聚烯烃FC -35B 对材料力学性能的影响。从表2 中可以看到添加增韧剂后，材料的冲击强度有大幅度提高。FC -35B 添加到6%时，材料冲击性能高达13.2kJ/m2，达到峰值。此后，随着材料增韧剂含量的添加冲击强度保持不变。增韧剂的添加会稍微降低拉伸强度与弯曲强度，但是总体来说影响不大。

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

关于马来酸酐接枝聚烯烃增韧PC 的作用原理有以下两个方面，一方面FC -35B 中的MAH 极性基团与玻纤表面形成表面键合，极大提高了玻纤与PC 之间的表面接触。另一方面聚烯烃为弹性粒子，在外力作用下引发周围基质产生银纹与剪切带，并能吸收冲击能［1］。

2.2 阻燃剂对材料性能的影响

国家电网公司智能电表宣贯材料要求电表外壳料阻燃试验按照IEC 60695-2-11 执行，试验温度为650℃±10℃，作用时间为30s。本研究结合实际生产需要，采用1.6mm 标准样条，酒精灯点燃测试。

2.2.1 阻燃剂对材料阻燃性能的影响

对于FR245，从表3 中看出，添加量在5%时，材料阻燃性能达到V0 级别。FR245 为溴代三嗪系阻燃剂，其含溴量67%，含N 量4%，在实际中广泛应用于PC 阻燃体系中。其作用原理为燃烧时释放大量HBr 烟雾，HBr 捕捉燃烧时产生的活性自由基，生成活性较低的溴自由基以致燃烧延缓或终止，同时HBr 难燃烧且比空气的密度大，能覆盖在材料的表面以隔绝空气［2］。

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

从表3 中还看出，有机硅阻燃剂FR5100 达到V0 阻燃时仅需1.5%的添加量，具有相比FR245 更好的阻燃效能。其阻燃机理为:在燃烧时，材料表面的聚硅氧烷与塑料的碳化物复合，形成Si-C 无机隔热隔氧层［3］。

2.2.2 阻燃剂对材料力学性能的影响

从表4 看到，FR245 添加量较少时，材料拉伸强度随着添加量的增大稍微降低，但是降低幅度不大。但是添加量超过3%以后，材料冲击性能与断裂伸长率迅速下降，当添加到5%含量时，此时材料达到V0 阻燃级别，材料的冲击性能已经由初始的13.2kJ/m2下降到6.5kJ/m2，降幅约50%。

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

由表5 可以看到，FR5100 不同添加量对增强增韧配方的力学性能的影响不大，添加量为1.5%时，此时材料阻燃级别达到V0，此时材料拉伸性能基本不变，冲击性能甚至有部分提高。这是因为有机硅阻燃剂与PC 相容性好，另外阻燃剂结构中中含有的Si-O 基团能提高材料中分子间的柔顺性［4］。

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

2.2.3 复配阻燃剂的影响

FR245 价格便宜，但是添加量大，且V0 阻燃级别时的添加量对材料的韧性损耗较大。FR5100 添加量小，基本不影响材料力学性能，但是此材料单价非常昂贵。以往有研究表明硅系阻燃剂与溴系阻燃剂共同使用时能增加燃烧成炭量从而具有协助阻燃作用［5］，作者研究了二者复配体系的降本增效优化配方。

优化配方是在增强增韧配方的基础上首先控制FR245 添加量为3%，在此添加量下溴代三嗪对材料力学性能破坏较弱，然后按照0.1% 添加量FR5100 的间隔制作5 组样品，做酒精灯燃烧测试，试验证明0.5%添加量FR5100 时材料达V0 阻燃级别。

从表6 中看到，V0 阻燃时复配阻燃剂配方的材料力学性能相比单一溴代三嗪FR245 阻燃剂添加具有更优异的力学性能，相比有机硅阻燃剂FR5100虽然力学性能稍微有些下降，但需要提出的是复配体系具有更好的成本优势。

表6 材料V0 级别时使用不同阻燃剂配方的力学性能Table 6 Mechanical properties of materials at V0 with different flame retardants levels

2.3 材料的加工性能讨论

2.3.1 加工符合性

本研究开发出来的专用料在注塑国网公司C5电表底盖时，设置料筒温度为250℃～280℃，注塑压力为60MPa ～100MPa，注塑速度为50 ～80，注塑出来的产品外观光滑平整，无肉眼可见的浮纤以及其他缺陷。

2.3.2 性能应用符合性

本研究开发出来的专用料注塑成国网C5 电表底盖后，在产品柱上打螺丝没有出现开裂现象，人工锤敲表盖无部位出现裂纹，110℃平板上搁置8h变形不超过0.2mm，纯冰醋酸浸泡1h 后无应力开裂，户外放置72h 后肉眼看不到颜色变化，完全符合国网公司关于表盖材料的要求。

3 结论

(1)本研究开发了一种符合国家电网公司要求的表外壳专用料，该电表料的最优材料配方:80%PC 1000R +10%玻纤+6%FC -35B 增韧剂+3%溴代三嗪阻燃剂FR -245 +0.5%有机硅阻燃剂FR5100 +0.3%润滑剂748E +0.1%抗氧剂1076 +0.2%抗氧剂168。

(2)马来酸酐接枝聚烯烃显著提高玻纤增强PC 的增韧效果。

(3)溴代三嗪阻燃剂添加量大，V0 阻燃添加量时对材料力学性能损耗大，有机硅阻燃剂添加量小，同时显著提高材料的冲击性。按一定比例复配两种阻燃剂，既可有效提高阻燃效率又不影响材料力学性能，同时具有良好的经济成本优势。

［1］吕通建，吴爽，沈燕侠，等. PC 及PC/ABS 合金的增韧研究［J］. 塑料工业，2004，32(6):25 -28.

［2］鲁建，刘柯，王玉忠. 三嗪衍生物的合成及其用与ABS 的阻燃研究［J］. 四川大学学报，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］李晓俊，刘小兰，刘宪增，等. 硅树脂阻燃聚碳酸酯的研究［J］. 工程塑料应用，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.