В рамках этого важного сегмента рынка реализуется множество продаваемых вместе, но очень несхожих деталей и устройств, используемых для выполнения различных функций, от небольших деталей без каких бы то ни было специальных компонентов оборудования до электрических генераторов. Провода и кабели только переносят электрические заряды, а для создания электрической сети необходимо:
- соединительные устройства, переключатели;
- электроэнергетическое оборудование;
- двигатели и устройства управления;
- оборудование для измерений и управления;
- оборудование для освещения и прокладки электрических проводов;
- токопроводящее оборудование;
- устройства без токонесущих проводов;
- оборудование воздушных столбовых линий; В этой связи данный рынок потребляет значительную часть конструкционных пластмасс и композитов, как видно из таблицы 1. Таблица 1. Доля сектора электрического и электронного оборудования (исключая провода и кабели) в общем объеме потребления по каждому семейству. Материалы | % | | ABS (полиакрилонитрил-бутадиен-стирол) | 19-28* | | PA (полиацетат) | 8-19* | | POM (полиоксиметилен) | 9-12* | | PBT (полибутилентерефталат) | 21 | | PC (поликарбонат) исключая оптические среды | 7 | | PC/ABS | 20-25* | | PP (полипропилен) | 7 | | Термоотверждающиеся пластмассы | 13 |
* - в соответствии со странами, годами и источниками. Значительная часть термоотверждающихся пластмасс и композитов уходит на производство электрического оборудования общего назначения и оборудования, предназначенного для особых применений. Как можно видеть из примеров приведенных в таблице 2 для SMC/BMC, для каждого конкретного применения на рынке представлены специальные марки. Таблица 2. Примеры специальных марок SMC/BMC. Характеристики | Шкафы | Корпуса ламп | Переключатели | | Плотность | 1,8 | 1,8 | 2 | | Модуль, гПa | 8,5 | 11 | 12 | | Ударное воздействие, кДж/м2 | 80 | 80 | 30 | | HDT (температура допустимойдеформации) °C | >220 | >220 | >240 | | CUT °C | 160 | 160 | 160 | | Прочность на пробой, кв/мм | 25 | 25 | 20 | | Индекс следования | 600 | 600 | 600 | | Кислородный индекс | 35 | 35 | 22 | | Класс пожаростойкости UL94 | V0 | V0 | HB | | Абсорбция воды, % | 0,25 | 0,25 | 0,1 |
CUT: температура бесперебойного использования без напряжения
Соединительные устройства, переключатели, электрические распределители, коробки плавких предохранителей и прочая электрическая арматура
Это очень важный рынок, для которого необходим точный баланс электрических и механических свойств, износостойкости, затрат и, в конце концов, эстетических свойств. На этом широком поле деятельности существует жесткая конкуренция между конструкционными термопластами и SMC/BMC для основных применений, а также полипропиленом и полиэтиленом или ПВХ для деталей, несущих меньшую эксплуатационную нарузку и, находящимися на другом полюсе высокотехнологичными пластмассами, такими как: полиэфиркетоны, полиэфиримиды, жидкокристаллические полимеры…
Например:
- поликарбонаты и полифениленовые эфиры используются там, где нет необходимости в устойчивости к воздействию химических веществ;
- полиамид обычно используется, но его применение ограничено его чувствительностью к воздействию влаги;
- частичнокристаллический синдиотактический полистирол (SPS), армированный на 30% стекловолокном (HDT>225°C), применяется в электрических и электронных устройствах. Его способность к металлизации позволяет использовать его в отрасли, занимающейся производством соединительных устройств;
- термопластические полиэфиры, PET и PBT, обычно используются, но полиэтилен нафталат, который имеет некоторые эксплуатационные характеристики лучше, чем у них, все еще слишком дорог;
- PEEK, PEI… используются для некоторых специальных применений, оправдывающих их высокую стоимость;
- ненасыщенные полиэфиры и их композиты используются для производства предохранительных коробок низкого напряжения, коробок низкого и среднего напряжения, опор клеммников, соединительных устройств, деталей переключателей, а также кнопок;
- фенольные формовочные порошки используются для производства: корпусов, крышек и несущих плат для переключателей, несущих плат, коммутационных устройств, и устройств низкого напряжения;
- меланин и мочевиноформальдегидные смолы используются для изготовления: корпусов электрических распределительных устройств, регуляторов, распределителей, коробок плавких предохранителей и распределительных коробок, переключателей ближнего и дальнего света фар, устройств низкого и высокого напряжения, вилок и розеток низкого напряжения, переключателей;
- эпоксидные смолы и их композиты используются для производства клеммных плат;
- полиимиды используют для изготовления клеммных плат и коробок, соединительных устройств, деталей прерывателей цепи.
В таблице 3 даны примеры свойств некоторых марок пластмасс, здесь перечислены не все семейства, а свойства для SMC/BMC даны в предыдущей таблице. Таблица 3. Примеры свойств некоторых пластмасс (данные округлены) Товарные пластики | PE | PP | PP | | Армирование | отсутствует | отсутствует | тальк | | Плотность | 0,95 | 0,9 | 1,1 | | Модуль упругости, гПa | 0,8 | 1,1 | 2 | | Ударное воздействие, дж/м | 100 | 200 | 100 | | HDT °C | 50 | 60 | 70 | | CUT °C | 100 | 120 | 120 | | Стоимость, индекс | 1 | | | | Конструкционные пластмассы | PET/PBT | PA | SPS | | Армирование стекловолокном | 30% | 30% | 30% | | Огнестойкость | FR | FR | FR | | Плотность | 1,55 | 1,4 | 1,3 | | Модуль упругости, гПa | 10 | 7 | 9 | | Ударное воздействие, дж/м | 100 | 220 | 70 | | HDT °C | 220 | 250 | 225 | | CUT °C | 120 | 120 | 90 | | Стоимость, индекс | | | | | Конструкционные пластмассы | PPE | PC | PPS | | Армирование стекловолокном | 30% | 30% | 30% | | Плотность | 1,3 | 1,4 | 1,5 | | Модуль упругости, гПa | 8 | 8 | 9 | | Ударное воздействие, дж/м | 100 | 150 | 50 | | HDT °C | 140 | 150 | 250 | | CUT °C | 100 | 110 | 210 | | Стоимость | | | | | Конструкционные пластмассы | PEI | PEEK | LCP | | Армирование стекловолокном | 30% | 30% | 30% | | Плотность | 1,5 | 1,5 | 1,7 | | Модуль упругости, гПa | 9 | 10 | 13-24* | | Ударное воздействие, дж/м | 100 | 100 | 8-300* | | HDT °C | 200 | 300 | 230 | | CUT °C | 170 | 250 | 220 | | Стоимость | | | |
- свойства зависят от направления испытаний.
PET – полиэтилентерефталат, PPE – полифениленэфир, PPS – полифениленсульфид, PEI – полиэфиримид, PEEK – полиэфирэфиркетон, LCP – жидкокристаллический полимер. На рисунках 1, 2 и 3 показаны затраты на более высокие рабочие параметры. Затраты возрастают при температуре бесперебойного использования. HDT (температура допустимой деформации) зависит от матрицы (высокие затраты за высокие эксплуатационные характеристики) и армирования (умеренные затраты). Армирование оказывает особенно большое влияние на модуль упругости.  Рис. 1. Зависимость затрат от температуры бесперебойного использования.  Рис. 2. Зависимость затрат от температуры допустимой деформации.  Рис. 3. Зависимость затрат от модуля упругости.
Выработка электроэнергии
В стандартных генераторах, в основном, пластмассы не используются, но:
- расширяется использование композитов в ветряных турбинах;
- существует большое количество исследований и разработок по использованию пластмассовых пленок при производстве фотоэлектрических элементов с тем, чтобы заменить силоксан;
- их можно использовать для производства пластмассовых мембран и плат для топливных элементов.
Фотоэлектрические солнечные батареи
Помимо пластмассовых рам, которые используются для изготовления солнечных батарей, активно разрабатываются способы использования полимерных пленок в качестве дешевых и эластичных материалов для солнечных элементов.
В настоящее время фотоэлектрические батареи производят из тонких и жестких листов силикона в сочетании с другими полупроводниковыми материалами. Стандартные серийно производимые панели преобразуют примерно одну десятую долю солнечной энергии в электрическую, т. е. можно сказать, что эффективность составляет примерно 10%. У большинства преобразующих панелей КПД примерно 20%.
Задачей использования полимеров при изготовлении фотоэлектрических батарей является получение очень дешевых активных материалов, даже если производительность и будет очень низкой. Таким образом, дешевое массовое производство может позволить реализовать промышленное и бытовое применение. В настоящее время между собой конкурирует несколько способов:
- осаждение слоя мероцианинового красителя на прозрачную электропроводящую пленку полиэфира, покрытую оксидом индия и олова (ITO). Опробовались структуры из двух слоев: алюминий/ мероцианин /ITO и серебро/ мероцианин /ZnO/ITO (самая эффективная структура);
- производство двухслойной пленки из фталоцианина меди и перилентетракарбонового производного. Была достигнута эффективность преобразования энергии примерно в 1%;
- технология Гретцеля, заключающаяся в соединении полимера и жидкого электролита, обладает коэффициентом преобразования более 10%, фотоэлектрическая генерация происходит в полимере, а электролит обеспечивает перенос заряда, со временем жидкий электролит испаряется по мере того, как эксплуатационная температура увеличивается;
- аморфным кремнием можно заменять дорогие и более эффективные жесткие монокристаллические и поликристаллические кремниевые листы, которые используются при изготовлении обычных солнечных панелей. Хотя он и менее эффективен, чем кристаллический кремний, его можно наносить на эластичную пластмассовую фольгу с помощью усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Ожидается, что этот вид фольги с аморфным кремнием можно будет обрабатывать с низкими затратами, используя методы обработки, применяемые для пленок;
- гибрид, изготовленный из небольших наностержней, диспергированных в органическом полимере, может легко быть встроен между электродами, и может на настоящий момент вырабатывать примерно 0,7 В;
- производство пластмассовых батарей за счет смешивания проводящего полимера, MDMO-PPV, с молекулой из карбон фулерена...
На сегодняшний день наилучшее решение с использованием только полимера, достигает коэффициента преобразования всего в несколько процентов.
Топливные элементы
Существует много типов топливных элементов:
- на основе протонообменных мембран (PEM);
- на основе фосфорной кислоты (PAFC);
- с прямым окислением метанола (DMFC);
- щелочные (AFC);
- твердооксидные (SOFC);
- с расплавленным карбонатным электролитом (MCFC);
- восстанавливаемые (RFC).
Для элементов, которые эксплуатируются при низких и умеренных температурах, пластмассы могут быть использованы для изготовления мембран и пластин.
Подходящими пластмассами для этих применений могут быть полибензимидазол (PBI), LCP и PPS.
Для элементов, которые работают при высоких температурах, пластмассы являются кандидатами для изготовления:
- мембран: сульфированный фторполимер, производимый компанией Dupont (Nafion®), имеется на рынке, но при высоких температурах его проводимость значительно снижается;
- связующих элементов для твердого топлива (топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом): полиэтилен, полипропилен и полибутилен.
Двигатели и системы управления
При производстве двигателей используются жидкие смолы, пластмассы и композиты для изготовления изоляции, несущих плат, клеммных плат и корпусов. Здесь конкурируют или дополняют друг друга несколько семейств. Сюда относятся:
- эпоксидные смолы и их компоненты: из них производят держатели обмоток, формовки обмоток поверх, клеммные коробки, двигатели;
- меланин и мочевиноформальдегидные смолы используются для изготовления: корпусов небольших электродвигателей;
- фенольные формовочные порошки используются для изготовления корпусов обмоток и несущих плат;
- полиимиды используют для изготовления корпусов обмоток генераторов, клеммных плат и коробок, соединительных устройств, формовок обмоток поверх, рамок обмоток, изоляции оси ротора.
Оборудование измерительных систем и систем управления
Существует большой выбор полимеров, которые можно использовать для производства изолирующих материалов и оболочек, в зависимости от предъявляемых технических и экономических требований, например:
- ABS: корпуса для тестеров;
- полипропилен: корпуса для тестеров;
- поликарбонат: прозрачные оболочки, увеличительные окошки;
- PMMA (полиметилметакрилат): прозрачные оболочки, увеличительные окошки;
- ненасыщенные полиэфиры и их композиты: корпуса электрических счетчиков;
- фенольные формовочные порошки: корпуса, крышки, несущие платы электрических счетчиков.
Оборудование для освещения
В устройствах освещения используются прозрачные пластмассы для пропускания света, композиты и пластмассы для коробок и корпусов, каучуки для обеспечения водонепроницаемости. Стоит, например, упомянуть:
- поликарбонат: сектор устройств освещения потребляет примерно 3% всего поликарбоната;
- акриловые смолы: прозрачные оболочки;
- ненасыщенные полиэфиры и их композиты: городские фонарные столбы;
- фенольные формовочные порошки: цоколи ламп.
- меланин и мочевиноформальдегидные смолы используются для изготовления вилок и розеток низкого напряжения, переключателей ближнего и дальнего света фар;
- полиимиды для изготовления цоколей ламп;
- силиконы: герметизация для уличного освещения и изоляция среднего и высокого напряжения.
Оборудование для прокладки проводов
PE, PVC, а также композиты применяются очень широко:
- PVC для кабельных полок;
- полиэтилен для труб;
- ненасыщенные полиэфиры и их композиты: кабельные полки, трубы;
- композиты: оборудование для воздушных линий на столбах.
Композитные столбы особого назначения
Композитные столбы особого назначения в настоящее время производятся несколькими компаниями, но они дороже, чем деревянные столбы, и используются только в нескольких нишах рынка, там, где:
- их меньшая масса имеет критическое значение;
- имеет критическое значение их износостойкость;
- эстетические соображения оправдывают повышение затрат.
Благодаря той свободе придания свойств, проектирования и обработки, которой обладают композиты, некоторые производители, такие как KaZaK Composites Inc., разрабатывают новые концепции и теории для того, чтобы оправдать высокие затраты:
- соображениями безопасности, которую повышают инновационные столбы. Энергопоглощающие свойства композита и интеллектуальное проектирование соединены воедино для того, чтобы спроектировать механизм, поглощающий энергию ударного воздействия автомобиля. При аварии столб будет отсоединяться от подвесных проводов, минимизируя ущерб, который наносится кабелям, а также необходимость дорогостоящих ремонтных работ;
- экономией на затратах на ремонт деревянных столбов, имеющих повреждения в нижней части, что чаще всего имеет место. Такая поврежденная нижняя часть извлекается и заменяется новой, сделанной из композита. Верхняя деревянная часть, со всем оставшимися в неприкосновенности оборудованием и арматурой, сохраняется во время процедуры замены. Столб водружается на место и эксплуатируется с более низкими окончательными затратами по сравнению с теми, которые могли бы понадобиться при замене столба новым деревянным.
Токопроводящее оборудование
Изоляторы являются хорошим примером конкуренции между традиционными материалами и полимерами.
Некерамические изоляторы имеют целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными фарфоровыми изоляторами. К их числу относятся:
- небольшая масса за счет высокого механического отношения предела прочности к массе, которая равна примерно половине массы фарфорового изолятора;
- стойкость к ударным нагрузкам;
- свобода проектирования, позволяющая получать более сложные формы;
- повышенная стойкость к повреждениям;
- простота установки;
- простота обработки;
- более низкие затраты на материально-техническое обслуживание.
- более низкие окончательные затраты.
Тем не менее, некерамические изоляторы часто дороже керамических.
Обычно используется несколько решений:
- секло и фарфор.
- этилен-пропиленовый каучук - EPR или EPDM.
- силикон: в таблице 4 даны примеры свойств гидрофобных силиконов. Силикон используется для устройств с размещением в районах с высоким уровнем загрязнения воздуха, где использование керамических и композитных изоляторов приводит к частым замыканиям. Это позволяет снизить эксплуатационные расходы и избежать сбоев в электроснабжении. Некоторые марки проявляют прекрасную способность к образованию токопроводящего мостика, а также высокую противоэрозионную устойчивость в рамках широкого диапазона напряжений;
- сплавы кремния с этилен-пропиленовыми каучуками, которые, в большей или меньшей степени, обладают достоинствами обоих полимеров, но не обладают их недостатками;
- пластмассы, армированные стекловолокном (GFRP), ненасыщенные полиэфирные или эпоксидные смолы. У эпоксидных смол рабочие параметры, в целом, лучше, чем у ненасыщенного полиэфира: устойчивость к истиранию, устойчивость к образованию царапин при использовании металлических прокладок, устойчивость к воздействию щелочей и растворителей. Таблица 4. Свойства кремниевых материалов, используемых для производства изоляции. Свойство | Тип 1 | Тип 2 | | Твердость по Шору A | 50 | 65 | | Диэлектрическая постоянная (100 Гц) | 3,51 | 3,67 | | Коэффициент диссипации | 0,034 | 0,017 | | Стойкость к образованию токопроводящих следов | 1A4,5 | 1A4,5 | | Удельное объемное сопротивление | 1,6x10e14 | 1,6x10e14 | | Удлинение при разрыве, % | 450 | 260 | | Относительный удельный вес | 1,5 | 1,56 | | Предел прочности при раздирании, Н/мм | 17 | 13 | | Прочность на разрыв, мПa | 5,0 | 4,2 |
Эпоксидные смолы также обладают хорошей диэлектрической прочностью, электрической изоляцией, низкой усадкой при отверждении и прекрасной адгезией к металлам и дереву.
При создании множества компонентов электрического оборудования, таких как: соединительные устройства, переключатели, электрическая арматура, устройства измерения и системы управления, арматура для освещения и токопроводящая арматура…, широко используются полимеры, благодаря их универсальности, непревзойденному балансу свойств, сочетающемуся со свободой проектирования и обработки, часто ведущим к выработке экономичных и инновационных решений, которые оправдывают их превосходство на рынке. В целом ряде случаев они вытеснили с рынка стекло и фарфор для ряда применений. Имеются также многообещающие перспективы для традиционных применений, таких как столбы, а также для вновьвозникающих технологий, таких как фотоэлектрические солнечные батареи и топливные элементы.
Используются практически все семейства полимеров: товарные, конструкционные пластмассы (полиамиды, термопластические полиэфиры), каучуки (EPDM, силоксаны и сплавы, полиуретан…), и высокотехнологичные экзотические полимеры, такие как полибензимидазол или сульфированные фторполимеры.
http://www.omnexus.com |
