Для применений в области электрических и электронных устройств необходимо наличие самых различных часто абсолютно противоположных друг другу свойств, таких как жесткость или гибкость, электрическая изоляция или проводимость.
Существует самая различная мотивация для использования полимеров:
- техническая: пластмассы обеспечивают исключительный баланс изоляции, массы, рабочих параметров, простоты обработки, эстетики и затрат;
- экономическая: пластмассы являются экономическим откликом на необходимость массовости производства, а также низкую производительность, присущую электронике;
- эстетическая: пластмасса приятна в обращении и дает значительно большую свободу дизайна, чем керамика, стекло, дерево и прочие вытесняемые традиционные материалы. Какова промышленная и экономическая действительность?
Простой ответ на простой вопрос: примерно 10 миллионов тонн всех полимеров.
В таблице 1 показано мировое потребление полимеров по отдельным рынкам. Данные обрабатывались по регионам и по времени. Таблица 1. Потребление полимеров. Мировой рынок | % | | Упаковка | 38 | | Строительство | 18 | | Автомобильная и транспортная промышленность | 7 | | Электричество и электроника | 7 | | Промышленность | 5 | | Спорт и досуг | 5 | | Мебель и постельные принадлежности | 4 | | Прочие предметы для домашнего хозяйства | 5 | | Сельское хозяйство | 3 | | Медицина | 1 | | Прочее | 3 |
Каковы функциональные возможности, необходимые для электрической и электронной промышленности?
В таблице 2 схематично показана универсальность сектора электрической и электронной промышленности. Имеется несколько целевых свойств, которые могут быть противоположны друг другу или быть самого разного уровня в том, что касается конечного применения: жесткость или гибкость, электрическая изоляция или проводимость, устойчивость к низкому или высокому напряжению… Сектор электрических и электронных устройств является крупным потребителем конструкционных и специальных полимеров. Таблица. 2. Сектор электрических и электронных устройств: основные функциональные свойства. Электрические и электронные устройства | Свойства | | Детали электрических устройств | Уровень напряжения | | Долговечность | | Огнестойкость | | Жесткость | | Провода и кабели | Уровень напряжения | | Долговечность | | Огнестойкость | | Эластичность | | Детали электронных устройств | Изоляция | | Проводимость | | Долговечность | | Огнестойкость |
В зависимости от целевого применения необходимыми функциональными возможностями обычно являются:
1. защита электрических и электронных устройств от ограничений по состоянию окружающей среды:
- механическое повреждение;
- химическое воздействие;
- электрические помехи;
- разрушение под влиянием атмосферных воздействий;
2. защита окружающей среды от электрических рисков:
- электрическая изоляция;
- контролируемая проводимость для того, чтобы избежать внешнего электрического воздействия. Магический квадрат свойств
Для того чтобы их можно было применять для производства электрических и электронных устройств, полимеры должны обладать подходящим балансом:
1. изолирующих свойств. Обычно необходима высокая изолирующая способность, но для некоторых применений нужна средняя изолирующая способность, а для других применений необходима высокая проводимость;
2. механических эксплуатационных характеристик в зависимости от применения и условий эксплуатации. Сюда могут включаться все статические и динамические механические свойства по: трению, сдвигающему усилию, сжатию, ударному воздействию, ползучести, ослаблению напряжения, усталости…;
3. долгосрочного сопротивления старению в соответствии с температурой эксплуатации. Эта температура может быть определена в соответствии с индексом температур UL, но существуют и другие подходы;
4. огнестойкости в соответствии с толщиной детали, которая часто определяется в соответствии с Классами пожаростойкости UL. Изолирующий или проводящий полимер?
Как видно из приводимых примеров, наличие нескольких стандартов или инструкций может привести к различным определениям. Ассоциация электронной промышленности по упаковочным материалам и некоторые европейские стандарты для корпусов оборудования угольных шахт классифицируют полимеры в соответствии с их удельным поверхностным электрическим сопротивлением, в то время как в некоторых каучуковых стандартах используется объемное удельное сопротивление. Таблица 3. Примеры электрического сопротивления. Удельное поверхностное электрическое сопротивление, ом/кв | | Упаковка | | Проводящее или EMI* | <105 | | Рассеивающее или ESD** | 105-1012 | | Изолирующее | >1012 | | Корпуса оборудования для угольных шахт | | Анти-электростатическое | <109 | | Защищающие от поражения электрическим током | >106 | | Объемное удельное сопротивление, ом/см | | Электрическое отопление | | Электрического отопления | <102 | | Резинотехнические изделия | | Проводящее | <105 | | Изолирующее | >109 | | *электромагнитные помехи**электростатическое рассеивающее |
Электрическое отопление, наиболее трудная задача, которая сейчас разрабатывается, и, например, BASF, представляет полиацеталь с сопротивлением в диапазоне 10 ом/см, которая дает постоянную температуру 110°C за счет применения напряжения 12 В в течение 1000 часов. Индекс температур лаборатории по технике безопасности в США (UL)
Индекс температуры это максимальная температура, которая вызывает 50% ослабление исследуемого параметра на протяжении очень длительного периода времени. Он выводится на основании серии долговременных испытаний на старение при длительном нагреве в печи. Индекс температуры UL зависит от:
1. Целевых параметров. В перечне Индексов температур UL существует три категории в зависимости от рассматриваемых свойств:
- только электрические;
- электрические и механические, без ударного воздействия;
- электрические и механические, с ударным воздействием.
Для одной и тоже марки с той же толщиной три индекса могут быть и одинаковы, и различны. В таблице 4 даны некоторые примеры.
2. Марки: см. рисунок 1, на котором даны индексы температур UL для 50 состояний полиамидов.
3. Толщины испытываемых образцов. Индексы температур UL увеличиваются по мере увеличения толщины образцов. Например, для определенной марки полиамида, индексы температур UL в одной и той же категории составляют:
- 75°C для 0,7 мм толщины;
- 95°C для 1,5 мм толщины;
- 105°C для 3 мм толщины. Таблица 4. Примеры индексов температуры UL. Материал | Толщина, мм | Электрические и механические свойства, °C | Электрические свойства, °C | | Включая ударное воздействие | Без ударного воздействия | | Эпоксидные смолы | 1,5 | 130 | 130 | 130 | | Полиамид | 1,5 | 75 | 85 | 105 | | Полиэтилен | 1,6 | 50 | 50 | 50 |
Рис. 1. Пример индексов температуры UL для 50 состояний полиамида.
Подобно всем лабораторным методам, метод определения индекса температуры является условным измерением, которое должно интерпретироваться, оно должно быть лишь одним из элементов для формулирования суждения. Класс пожаростойкости лаборатории по технике безопасности в США (UL)
Класс пожаростойкости UL94 дает основную информацию о способности материала гасить пламя, если возникнет возгорание.
Образцы можно испытывать горизонтально (H) или вертикально (V); здесь рассматриваются: скорость сгорания, срок тушения и капанье полимера.
К числу основных категорий относятся:
- 5V: попадает в две категории. UL94-5VA самый высокий показатель для пластмассы (наилучшие показатели), на втором месте UL94-5VB (допускает прожигание отверстия);
- VO: потушено через 10 с., ни протекания, ни горящих частиц;
- V1: потушено через 30 с., ни протекания, ни горящих частиц;
- V2: потушено через 30 с., ни протекания, ни горящих частиц;
- HB: горизонтальное горение при максимальной скорости 76 мм/мин.
Показатель UL зависит от:
1. Марки: от природы способный к сгоранию полимер может быть классифицирован как V0 для специальной огнестойкой марки или, наоборот, от природы огнеупорный полимер может быть классифицирован как HB для специальной марки, содержащей очень легковоспламеняющийся пластификатор.
2. Толщины образца. Для одной и той же марки ненасыщенной полиэфирной смолы показатели UL следующие:
- HB для 0,7 мм толщины;
- V0 для 1,5 мм толщины.
Дымовая непроницаемость является еще одним приобретающим все большее значение параметром, измеряемым по оптической плотности.
Огнеупорные добавки могут быть галогенизированы или не содержать галогенов, что уменьшает коррозионную активность, снижает токсичность и риски загрязнения. Какие семейства полимеров?
Термоотверждающиеся пластмассы и композиты широко используются в секторе электрических и электронных устройств, как видно из таблицы 5. Таблица 5. Потребление полимеров электрической и электронной промышленностью: доля каждого вида полимеров в потреблении. Вид | Доля, % | | Термопласты | 76 | | Термоотверждающиеся пластмассы | 16 | | Композиты | 8 | | Каучуки | <1 | | TPE | <1 |
Которая из пластмасс?
Так же, как и в других секторах с массовым производством, чаще всего объектом потребления являются промышленно изготовленные пластмассовые продукты, как можно видеть на рисунке 2. Но конструкционные и специальные пластмассы широко используются в секторе электрических и электронных устройств. Рис. 2. Доли рынка пластмасс, используемых в электрической и электронной промышленности (PE – полиэтилен, PVC – поливинилхлорид, Thermosets – термореактопласты, EVA – сополимер этилена и винилацетата, PA – полиамид, PP – полипропилен, Others – другие). 
Почему мы используем полимеры?
Здесь существует много причин благодаря универсальности самих пластмасс:
- изолирующие свойства, но и возможность сделать полимеры проводимыми;
- гибкость или жесткость пластмасс;
- ударопрочность по сравнению со стеклом и керамикой;
- эластичность и герметизирующие свойства вулканизированных каучуков и, в меньшей степени, TPE;
- замена традиционных материалов из-за исключительного сочетания свойств, которых невозможно достигнуть при использовании керамики и стекла;
- простота обработки;
- возможность приспосабливания к небольшим партиям;
- малая масса и возможность миниатюризации;
- универсальность проектирования, позволяющая получать самые разнообразные формы, которые невозможно получить из традиционных материалов;
- сокращение затрат;
- возможность соединения нескольких полимеров для интеграции нескольких функциональных возможностей за счет исключительной комбинации свойств. Например, соформование твердой пластмассы и мягкого TPE;
- эстетика: прозрачность, возможность нанесения печати и краски, декорирование в процессе формования.
У полимеров имеются и некоторые общие недостатки:
- высокая стоимость сырья (но привлекательная окончательная стоимость);
- проблемы с утилизацией. Пластмассы являются главным изолирующим материалом, который используется в электрической и электронной промышленности. Для выполнения некоторых функций они незаменимы, и их ни с чем не сравнимое соотношение свойств в сочетании со специальным проектированием и технологическими методами часто приводит к появлению экономических решений, которые оправдывают их господствующее положение на рынке. Они вытеснили стекло и керамику из многих сфер применения в секторе электрических и электронных устройств.
В следующих статьях будут даны исследования и примеры относительно:
- деталей для электрического сектора;
- проводов и кабелей;
- электронных устройств. Майкл Байрон http://www.omnexus.com
|
