Модифицированный ПБТ: проверенная эффективность в автомобильных и электронных деталях
Среди семейства пластмасс есть материал, известный своей исключительной механической прочностью, выдающейся термостойкостью и отличными электрическими свойствами, что делает его «хардкорным игроком» среди конструкционных пластиков — это ПБТ. Когда вы пользуетесь электроинструментами, водите машину или пользуетесь бытовой техникой, вы, вероятно, уже находились в «тесном контакте» с ПБТ. Этот, казалось бы, обычный, но высокоэффективный конструкционный пластик незаметно обеспечивает надежную работу современной промышленности.
ПБТ представляет собой кристаллический линейный насыщенный полиэфир, получаемый поликонденсацией очищенной терефталевой кислоты (ПТА) или диметилтерефталата (ДМТ) с 1,4-бутандиолом (БДО). ПБТ имеет плотность примерно 1,30–1,32 г/см³, температуру плавления 225–235°C, демонстрирует хорошую скорость кристаллизации и короткие циклы формования, что повышает эффективность производства. Детали из ПБТ легко формуются методом литьевого формования за короткие циклы, что помогает снизить производственные затраты. Кроме того, ПБТ обладает такими преимуществами, как влагостойкость, износостойкость, маслостойкость и низкая ползучесть.
В настоящее время мировое годовое потребление ПБТ превышает 1 миллион тонн. Он занимает важное место среди пяти основных конструкционных пластиков общего назначения (PA, ПБТ, ПК, ПОМ, ППО) и является незаменимым ключевым материалом в таких областях, как электроника/электроприборы и автомобильная промышленность.
Однако ПБТ имеет такие недостатки, как горючесть, значительное выделение низкомолекулярных соединений при контакте с хладагентами, недостаточные диэлектрические свойства, склонность тонкостенных деталей к короблению, что ограничивает область его применения. Чтобы компенсировать недостатки характеристик чистой смолы ПБТ, были проведены различные исследования по ее модификации.
I. Текущий статус исследований по модификации инженерных пластмасс ПБТ
Для удовлетворения промышленных потребностей рынок предпочитает модифицировать ПБТ для улучшения его функциональности. В настоящее время такие методы, как модификация сополимеризацией, модификация неорганическими наполнителями, технология нанокомпозитов и модификация смесей, в основном используются внутри страны и за рубежом для улучшения общих характеристик ПБТ. Исследования по модификации материалов ПБТ в основном сосредоточены на обеспечении высокой прочности, высокой огнестойкости, низкой деформации, низкой утечки и низких диэлектрических свойств.
1. Механические свойства
Чистая смола ПБТ имеет относительно низкую прочность на растяжение, прочность на изгиб и модуль упругости при изгибе, что ограничивает ее широкое применение в промышленных областях. Модификация необходима для улучшения его механических свойств. Стекловолокно (GF) предлагает такие преимущества, как высокая применимость, простые процессы наполнения и низкая стоимость. Добавление стекловолокна к ПБТ позволяет реализовать присущие преимущества смолы ПБТ, одновременно значительно улучшая прочность на разрыв, прочность на изгиб и ударную вязкость продуктов из ПБТ с надрезом.
2. Огнестойкость
Чистый ПБТ может достичь рейтинга UL94 HB только при испытаниях на вертикальное горение. Он легковоспламеняющийся, постоянно капает во время горения (потенциально распространяет пламя), что ограничивает его применение в автомобильной, электронной/электрической и текстильной отраслях. Для модификации огнезащитных свойств обычно добавляют галогенированные и безгалогенные антипирены. Галогенированные антипирены при горении выделяют токсичный дым, содержащий галогеноводороды, что представляет опасность для здоровья человека и окружающей среды. ЕС запретил некоторые галогенированные антипирены. Для огнезащитной модификации ПБТ преимущественно используются антипирены на основе фосфора и неорганические.
При использовании неорганических антипиренов их чрезмерное добавление может ухудшить механические свойства материала. Антипирены на основе фосфора лишены этого недостатка и обладают превосходными характеристиками, такими как низкий дымовыделение, низкая токсичность и высокая огнестойкость. Они часто работают синергетически с азотсодержащими соединениями для создания более эффективных огнезащитных систем. Антипирены на основе фосфора при горении выделяют фосфорный ангидрид, вызывающий обезвоживание и обугливание горючего материала. Слой угля снижает теплопроводность, замедляет или предотвращает образование горючих газов. Кроме того, фосфорный ангидрид образует расплавленный слой, покрывающий горючую поверхность, препятствующий выделению горючих газов.
Помимо традиционных антипиренов, добавление нанонаполнителей к материалам ПБТ также может улучшить огнестойкость и противокапельные характеристики без ущерба для технологичности.
3. Деформация коробления
Материал ПБТ имеет относительно легкое молекулярное проскальзывание, что приводит к высокой ориентации и кристаллизации, что приводит к высокой скорости усадки. Это вызывает коробление деталей из ПБТ, особенно крупных тонкостенных. Для ПБТ, армированного стекловолокном, анизотропная природа добавленных стекловолокон приводит к разной степени усадки в разных направлениях во время литья под давлением, что увеличивает коробление детали. Это влияет не только на качество поверхности и качество сборки пластиковых изделий, но и на их прочность.
Чтобы решить проблему коробления деталей из ПБТ, помимо улучшения конструкции деталей, конструкции пресс-форм и параметров обработки, модификация самого материала ПБТ может уменьшить коробление. В последние годы деформация коробления материалов ПБТ была улучшена в первую очередь за счет добавления неорганических наполнителей и смешивания/легирования.
Кроме того, аморфные полимеры, такие как поликарбонат (ПК), сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС) и сополимер стирола и акрилонитрила (САН), не подвергаются кристаллизации во время литья под давлением. Смешивание их с ПБТ может эффективно снизить скорость усадки ПБТ.
4. Показатели кровотечения/экссудации
Из-за незавершенных реакций сырья при производстве ПБТ образуются небольшие молекулы и олигомеры. Изделия, изготовленные из немодифицированного материала ПБТ, при определенных условиях могут проявлять кровотечение/экссудацию, что влияет на функциональность детали. Когда материалы ПБТ используются в таких компонентах, как глушители компрессоров холодильников, бобины катушек двигателя или изоляционные рамы кондиционеров, уникальные условия эксплуатации могут вызвать выделение большого количества мелких молекул. Они могут растворяться в хладагентах (например, фреоне, дихлордифторметане) и потенциально засорять линии хладагента, что приводит к сбою в охлаждении.
Выделяющие вещества из ПБТ в основном состоят из низкомолекулярных олигомеров самой смолы и небольшого количества добавок. Использование стекловолокна, смол высокой вязкости и наполнение определенным количеством адсорбента может уменьшить кровотечение/экссудацию ПБТ.
5. Диэлектрические свойства.
Применение материалов ПБТ в интегральных схемах и электромагнитной защите придает большое значение его диэлектрическим свойствам, которые влияют на скорость передачи сигнала и потери. В последние годы к диэлектрическим свойствам изоляционных материалов предъявляются более строгие требования, требуя, чтобы для изоляционных смоляных материалов диэлектрическая проницаемость не превышала 2,8. Диэлектрические свойства чистого ПБТ не могут удовлетворить требования связи, что делает разработку материалов ПБТ с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями существенной.
В настоящее время модификация диэлектрических свойств ПБТ в основном включает в себя наполнение или смешивание сополимеров с низкой диэлектрической проницаемостью. Обычно используемые наполнители включают порошок политетрафторэтилена (ПТФЭ) и полые стеклянные микросферы. Углеродные нанотрубки также оказывают положительное влияние на диэлектрические свойства ПБТ, но чрезмерное их добавление может увеличить как диэлектрическую проницаемость, так и диэлектрические потери.
С быстрым развитием электромобилей (EV) передача высокого напряжения предъявляет более высокие требования к диэлектрической прочности материалов разъемов. Хотя ПБТ обладает хорошей дугостойкостью и подходит для высокоскоростного формования, его низкая диэлектрическая прочность не позволяет использовать его для передачи высокого напряжения в электромобилях. Изменение диэлектрических свойств ПБТ с помощью проводящих или керамических наполнителей может улучшить диэлектрическую прочность и обеспечить безопасность электромобилей.
II. Применение модифицированных инженерных пластиков ПБТ
1. Автомобильная отрасль.
С постепенным развитием «замены стали пластмассами» все больше цветных металлов и сплавов заменяется пластмассами. Хорошая химическая стойкость, устойчивость к растрескиванию под напряжением, износостойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям, устойчивость к старению и высокая прочность делают ПБТ широко используемым в наружных деталях автомобилей. Примеры включают кронштейны рычагов стеклоочистителей, бамперы, дверные ручки, корпуса зеркал, панели днища кузова, боковые панели кузова, вентиляторы радиатора, радиопрозрачные крышки, угловые решетки и компоненты освещения.
Благодаря хорошей технологичности и изоляционным свойствам ПБТ также широко используется в компонентах салона автомобиля, таких как приборные панели, педали акселератора/сцепления, пепельницы и кронштейны внутренних зеркал. Кроме того, благодаря хорошей маслостойкости ПБТ используется в деталях автомобильных двигателей, таких как компоненты топливной системы и пластины свечей зажигания. ПБТ, модифицированный путем легирования, в последние годы применяется в таких деталях, как втулки и подшипники амортизаторов. Модифицированный ПБТ, обладающий такими преимуществами, как хорошая огнестойкость, диэлектрические свойства, низкая коробление и низкое водопоглощение, также широко используется в компонентах автомобильных двигателей.
2. Область электроники и электроприборов.
Благодаря низким диэлектрическим свойствам, низкой деформации, высокой огнестойкости, высокой прочности, устойчивости к старению и экологичности ПБТ широко используется в электронике и электроприборах. Примеры включают корпуса компьютеров, воспламенители, электрические выключатели, копировальные аппараты, катушки трансформаторов, детали тостеров и железные крышки. Кроме того, модифицированный ПБТ с превосходными диэлектрическими свойствами и легкостью обработки можно использовать для изготовления крышек основания, корпусов и катушек приборов.
Оборудование связи также широко использует PBT, например, соединительные коробки, сетевые порты и промежуточные корпуса для мобильных телефонов и ноутбуков. Модифицированный ПБТ также используется для изготовления компонентов цоколей энергосберегающих ламп.
3. Область машин и оборудования.
Благодаря высокой огнестойкости и термостойкости ПБТ широко используется в машинах и оборудовании, таких как кулачки, шестерни, детали камер, корпуса часов, крышки ртутных ламп и различные кнопки. Для обычных катушек требуются материалы с высокой прочностью изоляции, чтобы избежать электрического пробоя во время использования. При использовании в таких компонентах, как холодильники, также необходим низкий уровень кровотечения/выделения, чтобы предотвратить выход низкомолекулярных выделений из строя механических компонентов.
Благодаря превосходной огнестойкости, хорошей текучести, низким диэлектрическим свойствам и легкости формования ПБТ используется в производстве охлаждающих вентиляторов, например, для компьютерных процессоров, источников питания, двигателей и аналогичных радиаторов.
4. Область связи.
Благодаря своим хорошим диэлектрическим свойствам, технологичности/формовке, стабильности размеров и относительно низкому коэффициенту линейного расширения, ПБТ широко используется в области связи. В беспроводной связи наночастицы Fe₃O₄ добавляются к композитам ПБТ для увеличения поглощения электромагнитных волн для магнитного экранирования, снижая опасность электромагнитного излучения для человека. Это делает его пригодным в качестве пластиковой подложки для основных компонентов мощного оборудования связи.
ПБТ также используется для производства разъемов для передачи сигналов. Модифицированный ПБТ не только обладает необходимой изоляцией, огнестойкостью и устойчивостью к атмосферным воздействиям для разъемов, но также обеспечивает экономическую выгоду и хорошую формуемость, что делает его пригодным для производства разъемов. Он широко используется в телевизионных и сетевых кабельных портах, а также для соединений и передачи данных между различными компонентами устройств в транспортных средствах на новой энергии.
III. Заключение
Было разработано несколько различных методов модификации для устранения конкретных недостатков технических характеристик ПБТ-пластиков в различных областях применения. Благодаря методам модификации, таким как наполнение, смешивание и подготовка нанокомпозитов, ПБТ может достичь превосходной высокой прочности, высокой огнестойкости, низкой деформации, низкой утечки и низких диэлектрических свойств, что соответствует требованиям в автомобильной, электронике/электротехнике, оптическом волокне, текстиле и других областях.
Будущие усилия должны быть сосредоточены на разработке материалов из ПБТ, которые соответствуют экологическим целям с низким уровнем выбросов углерода и потребностям различных отраслей промышленности в высококачественных материалах. Совершенствуя технологии модификации для ускорения разработки функциональных продуктов из ПБТ, сочетание нескольких стратегий модификации может избежать недостатков, связанных с отдельными методами, что приведет к созданию материалов из ПБТ с высокой добавленной функциональностью. Особое внимание следует уделить расширению применения материалов ПБТ в теплопроводности, биотехнологиях и электромагнитной защите, что позволит использовать их во все большем числе областей.
