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氟塑料PTFE、FEP、ETFE、PFA的电气性能:介电常数/介电损耗、电击穿、介电阻抗等【图文讲解大金氟树脂的电气特性】
来源: | 作者:shjinfu | 发布时间: 2024-10-06 | 182 次浏览 | 分享到:


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上海劲孚化工科技有限公司

     www.shjinfu.com.cn(上海劲孚化工科技  021-57629631)--亚太地区(氟)化工原料与特种新材料专业供应商。

     公司致力于氟树脂工业与其他特种新材料产业的前沿技术与销售,目前主要经营氟塑料(PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等)、色母、氟涂料、PEEK芳纶、碳纤维、玻璃纤维、功能性化学品及其他特种新材料。  



一:大金氟塑料PTFE优异的电气绝缘性

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大金PTFE电气性质说明
  

介电特性(介电常数/介电损耗)

    ①大金PTFE的非极性结构,使其具有较小的介电常数(约2.1),及非常小的介电损耗(不超过10-4)以及优异的高频特性。。

    ②介电常数在室温转变点(19℃和30℃)附近会突然发生变化。另外,聚合结束时残留的触媒及痕量杂质,在低温下也会轻微影响介电损耗。

    ③当大金PTFE用作支撑绝缘体时,通常会添加填料以增强其机械强度。此时呈现复合介电体特性,在低频区,大金Polyflon  PTFE的介电常数和介电损耗会增加,尤其在吸水和潮湿时,增加的趋势更明显,必须注意。

介电强度(电击穿)    大金PTFE的电击穿强度受成型加工条件的影响很大。大金  PTFE绝缘膜一般通过车削圆柱状成型品得到。成型过程中的结晶度和空隙率以及车削时的表面划痕等都会影响电击穿强度。
介电阻抗    PTFE在室温下具有很高的体积电阻和表面电阻。
耐电弧性    大金PTFE受电弧作用分解变成低级的碳氟化合物并挥发,不会留下碳等导电痕迹。

     

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大金PTFE的介电常数、介电损耗
 

以下图1和图2 均采用日本产大金PTFE:型号M-12材料,做介电特性图解:

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 [图1:大金PTFE的介电常数--频率特性(23℃)]

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 [图2:左图为大金PTFE的介电常数--温度特性(频率100Hz);右边图为大金PTFE的介电损耗--温度特性]

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大金PTFE的介电强度
 
    A:瞬间击穿

60Hz交流电

    ①高分子量的PTFE的电击穿强度不受结晶化度(40-80%)的影响,在低分子量条件下,当结晶化度相对较低时,电击穿强度会轻微下降。。

    ②空隙的存在会明显降低PTFE的电击穿强度。对于车削成的绝缘膜,介电击穿强度会由于内部应力降低。当混入灰尘和其他杂质时电击穿强度也会降低。

    ③图3表明电击穿强度随温度的变化。从图中可以明显看出,随着温度的升高,电击穿强度逐渐降低。

   ④室温条件下的电击穿强度和膜厚成正比,比例为厚度的0.4~0.6次方。低温条件下电击穿强度为厚度的一次方。
直流电    直流电条件下,PTFE绝缘效应明显增强。即使不对电极周边特别考虑,与交流电相比,击穿电压也会增加,并且电击穿强度与厚度成正比。


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[图3:大金PTFE的介电击穿强度和温度之间的关系]

   B:长时间击穿--耐电晕性。

     在此多一嘴、插一句概念定义,以便大家对电晕和电弧的理解。电弧是电极之间或电极与其它物体之间发生的放电现象,电弧发生位置发生在电极之间或电极与其它物体之间;电晕是气体环境中产生的一种电气放电现象,电晕发生位置发生在导体表面附近的空气中。

     可以产生电晕的条件下长时间施加电压,击穿电压明显降低。因为PTFE的氟原子具有高电负性,因此很容易被1~2eV的低能电子电离并开始分解。

      空隙的存在会降低耐电晕性,如果减少空隙可以改善耐电晕性并延迟介电击穿。

      图4表明不同PTPE膜厚下,电晕产生或消失时的电压值。在图中直线以上的电压会出现电晕破坏,因此必须在直线以下的电压条件下使用PTFE。从图4可以有公式可以计算出:电晕产生电压和电晕消除电压(具体可来咨询上海劲孚化工技术组)。

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[图4:大金PTFE的电晕特性]

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大金PTFE的介电阻抗

    A:体积电阻

    PTFE在室温下具有很高的体积电阻,即使是在200℃的高温条件下,也会超过1017Ω·cm.作为绝缘材料,PTFE具有优异的体积电阻和耐热性(图5)


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[图5:大金PTFE的体积电阻和温度的关系]

     B:表面电阻

     PTFE具有很高的表面电阻,即使是在潮湿的条件下,其洁净表面也有约1015Ω的表面电阻。但是,如果表面被离子化合物等污染,这一值就会降低。

     PTFE很容易通过摩擦带电。应当注意因摩擦产生电荷吸引灰尘、水汽等,从而降低表面电阻。清洁PTFE表面时,可以使用浸过非离子型水溶性表面活性剂的布擦拭,然后用丙酮或氟素溶剂清洗并晾干。




二:大金熔融氟树脂FEP优异的电气绝缘性

     FEP的螺旋状的(-CF2-CF2-)主链上有-CF3基团,与PTFE相比,就是-CF3基团取代了-F。因此,FEP并不是完全的非极性结构,但是电气特性与PTFE相似。

介电特性(介电常数/介电损耗)

    ①与PTFE相近,不同的是其在接近室温时并无转移点(见图6左图)。

   ②在高温区与PTFE略有不同,不过仍具有10-4的优异的高频特性(见图6右图)。

     近年来在通信领域(特别是今年2024年高速线火爆),由于接收和传输的信息量不断增大,常常选择介电损耗低的材料。为满足上述需求,大金开发了NP-3180和NP-1105,其介电损耗为4×10-4(常温,2.45GHz),该值只有常规FEP的1/3。
耐电压性     FEP的耐电压特性接近PTFE,不过FEP能够熔融挤出成型。与PTFE相比,FEP制成的绝缘薄膜稳定性好,更不容易受到加工损伤,结晶化度和空隙率的影响。(见图8)
介电阻抗(体积电阻率、表面电阻率)

     体积电阻率:即使在接近170℃的高温下,FEP的体积电阻率也能达到或超过1017Ω,是极好的耐高温绝缘材料(见图8)。     

    表面电阻率极大,洁净表面的电阻可高达1015Ω或以上。但是,如果表面受离子物质污染,表面电阻率将降低。此外,由于FEP极易带电,所以要格外注意其吸附灰尘、水分等,而导致表面电阻率的降低。

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[图6:图左边为大金FEP温度与介电常数的关系;图右边为大金FEP介电损耗随温度的变化]

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[图7:图左边为大金FEP薄膜厚度与绝缘击穿电压的关系;中间图为大金FEP绝缘击穿时间与强度的关系;图右边为FEP体积电阻率随温度的变化]




三:大金熔融氟树脂ETFE优异的电气绝缘性

介电性能     ETFE是一种具有很好高频绝缘性能的材料。(如果是交联ETFE原料,制品辐照后,那介电性能发生天翻地覆的变化。有关交联X-ETFE电气性及辐照性等需要了解更多请咨询上海劲孚化工,我们也有专门这块的知识储备。)
电阻      在温度接近室温的情况下,ETFE的体积电阻率高达1017ΩNaN,但是在高温条件下,体积电阻率会降低。另外,ETFE的表面电阻在1014Ω。
介电击穿     ETFE在35μm厚的薄膜中每0.1mm绝缘击穿强度不小于12KV。另外ETFE具有较高的抗冲击性并且是优秀的电线包覆用材料。


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[图8:大金ETFE介电常数随温度的变化] (EP500系是指大金EP521,EP506,EP541等 ETFE型号; EP600系是指大金EP610,EP620等ETFE型号)

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[图9:不同温度下大金ETFE介电损耗的变化]

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[图10:体积电阻率和绝缘击穿电压。图10左边为大金ETFE温度与体积电阻率的关系;图10右边为大金ETFE薄膜厚度与绝缘击穿电压的关系]




四:大金熔融氟树脂PFA优异的电气绝缘性

      非极性的PTFE和极性分子的PFA的分子量是存在巨大差异的,分子内键性能和排列也是不同的。PTFE的分子量为300-700万;可熔性聚四氟乙烯(PFA)的分子量为30-50万。考考大家:FEP和ETFE的分子量通常在多少?

介电性能      PFA在宽阔的频率及温度条件下具有极低的极性,而且介电常数和介电损耗稳定且较低(见图11)

体积电阻

表面电阻

      PFA具有较高的体积电阻和表面电阻(1018Ω),击穿电压2KV/mil。绝缘性优异,常用于电线包覆。(图12)



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[图11:左图为大金PFA在不同频率下介电常数。右边图为大金PFA的在不同频率下介电损耗]

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[图12:大金PFA体积电阻与温度的关系]




五:氟聚合物的电气性能(介电常数)的浅谈

       聚合物的介电常数与分子本身的结构有关,同时也受环境温度和湿度的影响。介电常数是聚合物绝缘性的指征。

      ①分子内键性能和排列有关:

      a.分子极性越强,介电常数越高。

      b.非极性材料,极化程度越小,介电常数越小。。

      c.极性取代基团影响更大,数目越多,介电常数越大。

      ②温度增加,介电常数越大!

      温度的增加本身就是一个熵增的过程,导致分子外层电子运动速度增加,加速了放热过程。

     ③湿度增加,介电常数越大:

      材料的极性越强,受湿度的影响越明显。主要因为潮湿,导致水分子扩散到高分子的分子间,使其极性增加。同时潮湿的空气作用于聚合物表面,很快就能使介质表面形成水膜层,产生离子化,增加表面电导,从而使介电常数增加。


     本资料属于上海劲孚化工内部授课课件的整理,未经许可、不可转载‌抄袭!


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