基于热塑性的耐电弧材料用于电气应用
背景技术：
1.技术领域
1.所公开的概念整体涉及用于电接触和非接触应用的基于热塑性的可持续绝缘材料，以在短路事件期间承受电弧和放电以确保电路保护。
2.2.背景技术
3.在短路事件期间，为额定电流的约若干数量级的过载电流通过电路。为了保护电路免受由过载电流引起的损坏的影响，电路断路器暂时使电触头脱离接合。通过该电路的过量电流以高能量电弧的形式瞬时放电。所生成的电弧需要立即猝灭或熄灭，以防止火势的进一步发展以确保安全性。
4.通常，将绝缘体作为外罩、封装部件或包覆部件、连接器、开关等用于此类电接触/非接触应用中的电路保护。热固性材料(例如环氧树脂和不饱和聚酯)通常已知作为绝缘材料用于电气系统和电子系统，并且以保护电子部件免受短路的影响。这些热固性材料被采用为粘合剂、密封剂、涂层、浸渍剂、外罩、模制品和灌封化合物，以在电子部件周围产生无空隙绝缘。胺固化环氧树脂和酸酐固化环氧树脂经常被采用为粘合剂、密封剂、浸渍剂和涂层。酸酐固化环氧树脂主要用于封装和灌封目的。胺固化环氧树脂用于包覆电子部件。
5.针对给定的应用基于多种因素(诸如期望的介电特性，以及物理和机械强度、耐化学性、操作温度范围和热循环、尺寸稳定性、负载下对机械蠕变的耐性以及对冲击和振动的耐性)选择特定的热固性材料。期望的介电特性包括介电强度、耐局部放电性、体积电阻率、表面电阻率、介电常数、耐电弧性和耗散因数。这些特性可受到温度以及无机填料(诸如二氧化硅、氧化铝和玻璃)的影响。
6.然而，存在与已知热固性材料相关联的缺点。热固性材料是交联材料，一旦包覆部件不再需要用于其预期用途，则该包覆部件必须被填埋或焚烧。在两种情况下，碳足迹在较高侧。另外，在热固性模制期间，毒性和挥发性排放可对处于长期暴露下的人类造成严重健康危害。因此，本领域期望且需要开发合适的替代材料。例如，基于热塑性的材料已被认为是传统环氧树脂和不饱和聚酯的可行替代物。基于热塑性的材料表现出优点，诸如可回收且相对可持续；可以比对应的热固性材料更低的成本和更快的循环时间来制造它们；它们可增加设计灵活性(壁厚减小、压配合特征等)并且它们是轻质的，提供安装的便易性。然而，基于热塑性的材料还具有与其相关联的缺点，诸如，它们具有高吸湿性；它们易受紫外光和臭氧损坏的影响；并且与热固性材料相比，它们通常表现出较差的耐环境性。
7.因此，本领域中仍然需要开发改进的基于热塑性的复合材料(例如聚合物)，以用于封装和绝缘表现出热塑性材料的期望特性的同时最小化或排除与其相关联的缺点的电子部件。根据所公开的概念，可将填料和添加剂掺入(例如装入)到热塑性聚合物基体中以便改进其电特性以及改善猝灭高能量电弧以进行电路保护的能力。
技术实现要素：
8.通过所公开的概念的实施方案满足上述需要和其他需要，所公开的概念的实施方案提供用于电接触和非接触应用的绝缘材料的基于热塑性的复合材料，以在短路事件期间承受电弧和放电以确保电路保护。
9.在一个方面，所公开的概念提供了基于热塑性的复合材料绝缘体，其包含：30重量％至70重量％的热塑性聚合物基体；10重量％至40重量％的非卤化阻燃填料；0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂；5重量％至40重量％的增强填料；和5重量％至15重量％的功能性填料，其中该基于热塑性的复合材料绝缘体呈选自以下的形式：壳体、外壳、外罩、封装部件或包覆部件，以用于电接触/非接触部件，并且其中该基于热塑性的复合材料绝缘体能有效猝灭在短路事件期间产生的高能量电弧。
10.该热塑性聚合物基体可选自由以下组成的组：聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚碳酸盐、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜以及它们的共混物和混合物。该热塑性聚合物基体可选自由以下组成的组：聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚酰胺(pa)以及它们的共混物和混合物。
11.该非卤化阻燃填料选自由以下组成的组：磷基化合物、磷酸盐基化合物、金属氢氧化物基化合物以及它们的共混物和混合物。该非卤化阻燃填料可选自由以下组成的组：三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺亚膦酸盐、金属膦酸盐、磷酸锆、铝基氧化物、镁基氧化物、镁基氢氧化物、铝基氢氧化物、硼酸锌、金属氧化物以及它们的共混物和混合物。该非卤化阻燃填料可选自由以下组成的组：金属氢氧化物基化合物和一水化铝，以及任选地云母。
12.该加工助剂和界面粘合增进剂可选自由以下组成的组：气相法氧化铝、气相法二氧化硅、笼型聚倍半硅氧烷以及它们的共混物和混合物。
13.该增强填料可包括玻璃纤维。
14.该功能性填料可选自由以下组成的组：纳米粘土、纳米滑石、云母以及它们的共混物和混合物。
15.在某些实施方案中，在保持耐电弧性/耐电痕性的同时，添加非碳着色剂以实现黑色。
16.在另一方面，所公开的概念提供了容纳在基于热塑性的复合材料中的电接触/非接触部件，其包含：30重量％至70重量％的热塑性聚合物基体；10重量％至40重量％的非卤化阻燃填料；0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂；5重量％至40重量％的增强填料；和5重量％至15重量％的功能性填料，其中该基于热塑性的复合材料呈选自以下的形式：外壳、外罩、封装部件或包覆部件，并且其中该基于热塑性的复合材料能有效猝灭在短路事件期间产生的高能量电弧。
17.基于热塑性的复合材料可提供120秒至180秒的耐电弧性、400伏特至600伏特的相对电痕指数(comparative tracking index(cti))、从v2到v0的阻燃评级以及15kv/mm至25kv/mm的介电强度。该部件可具有低电压应用，该低电压应用具有12v至240v的绝缘能力，其中额定值为15a至30a。该部件可定位在室内或类室内环境中。基于热塑性的复合材料可容纳微型断路器或电弧和接地故障断路器。
18.在再一方面，所公开的概念提供了一种用于将电接触/非接触部件与基于热塑性的复合材料绝缘的方法。该方法包括：将30重量％至70重量％的热塑性聚合物、10重量％至
40重量％的非卤化阻燃填料、0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂、5重量％至40重量％的增强填料和5重量％至15重量％功能性填料组合以形成基于热塑性的复合材料；构造该基于热塑性的复合材料的电接触/非接触部件；将该电接触/非接触部件定位在室内或类室内环境中。
19.构造步骤可包括选自由以下组成的组的过程：施加、沉积和定位基于热塑性的复合材料以封装电接触/非接触部件。构造步骤可包括将基于热塑性的复合材料引入注塑或压缩模制过程中。
具体实施方式
20.所公开的概念通常涉及基于热塑性的材料，例如基于热塑性的复合材料，这些基于热塑性的材料是已知的基于热固性的材料(例如，不饱和聚酯)的合适替代物，作为用于电接触/非接触应用中的电路保护的绝缘体，诸如但不限于壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，其容纳或包封一个或多个电子部件，包括连接器、继电器部件、开关、断路器、电磁开关、接线盒、接地故障和电弧故障断路器、致动器和绝缘部件、终端开关、传感器等。根据所公开的概念，外壳、外罩和封装部件或包覆部件完全或不完全由基于热塑性的复合材料构成和/或构造。另选地，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件已沉积或施加到涂层、层或膜的表面，该表面包括所公开的概念的基于热塑性的复合材料。在某些实施方案中，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件容纳或包封微型断路器以及电弧和接地故障断路器。例如，覆盖容纳在其中的部件的外壳功能，如盖、底座或者盖和底座的组合。
21.基于热塑性的材料被用作电接触/非接触应用中的绝缘体，例如壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，用于包括室内或类室内(在封闭/开放的室内环境内)的操作环境，并且更具体地，这些应用是低电压应用，诸如具有12v至240v的绝缘能力的住宅应用，其中额定值为15a至30a。
22.这些绝缘体通过猝灭放电产生的高能量电弧来确保电路保护。此外，这些绝缘体通过在短路事件期间保持足够的介电强度来确保安全性。由基于热固性的聚合物/塑料材料形成的传统的电气或电子器件壳体、外罩和包覆部件或封装部件是不可回收的、填埋式的或焚烧式的，并且通常具有较高的碳足迹和手印。使用可回收、更环保并且具有较低的碳足迹和手印的基于热塑性的材料克服与热固性材料相关联的问题。然而，呈其原始形式的基于热塑性的材料不具有承受高能量电弧和电痕的固有能力。因此，基于热塑性的材料掺入(例如装入)有适当的成分或填料，诸如阻燃剂、矿物填料和纳米或微观形式的增强物，以赋予基于热塑性的材料有利的特性，例如能够承受高能量电弧和电痕的能力，这些特性在基于热固性的材料中是固有的。
23.所公开的概念还包括用于制备基于热塑性的复合材料的方法，以及用于将这些基于热塑性的复合材料作为绝缘体施加以用于电接触/非接触应用中的电路保护的方法。
24.根据所公开的概念，基于热塑性的复合材料是通过掺入(例如装入)到热塑性聚合物(例如，基体、一种或多种填料)中而新开发的，这将赋予一个或多个有利或期望的特性(例如，在基于热固性的材料种是固有的)。所开发的基于热塑性的材料符合epa和加利福尼亚州提案规定以及符合reach和rohs，具有减少的碳足迹和手印，并且表现出电接触/非接触应用中的电路保护的预期应用所需的阻燃性、耐电弧性、耐电痕性、介电强度以及长期的
静态/动态机械及热力学特性。这些材料和制剂通过一系列操作来制备和处理，该一系列操作包括粉碎、高剪切混合、挤出和注塑技术/工艺。
25.基于热塑性的复合材料包括热塑性聚合物或其共混物或混合物的聚合物基体。适用的合适的热塑性聚合物选自各种已知的热塑性聚合物，诸如但不限于聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰胺(pa)(尼龙)(pa6、pa66、pa6t、pa9t、pa12、pa4t)、聚碳酸盐(pc)、聚苯醚(ppe)、聚苯硫醚(pps)、聚甲醛(pom)或聚缩醛、聚丙烯(pp)、聚乙烯(hdpe、ldpe)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚醚砜(pes)以及它们的共混物和混合物。在某些实施方案中，热塑性聚合物选自聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚酰胺(pa)以及它们的共混物和混合物。基于热塑性的复合材料中的热塑性聚合物的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，热塑性聚合物以30％至70％的浓度范围存在。
26.热塑性聚合物或其共混物或混合物，例如基体，被掺入或装入有一种或多种填料组分，包括阻燃填料、加工助剂和界面粘合增进剂、功能性填料和增强填料，以形成基于热塑性的复合材料。
27.阻燃填料存在于基于热塑性的复合材料中，用于电弧猝灭(电弧)。在短路事件期间，其中所产生的电弧电离空气中存在的氧气，并且将氧气转化为氧自由基(等离子体介质)。所生成的等离子体介质携带大量能量，需要猝灭该大量能量以防止电弧传播到发展中的火灾中。(在电弧事件期间)暴露于高能量下的阻燃填料开始释气。在释气期间，阻燃填料将自由基产生到环境中。这些自由基与氧自由基配对以抑制等离子体。该现象负责猝灭电弧。
28.合适的阻燃填料包括在电弧事件期间释放自由基的那些。例如，卤素基化合物在猝灭电弧方面是有效的，因为它们在释气期间释放溴离子或氯离子来猝灭电弧等离子体。然而，由于它们对环境和人类生命的毒性影响，环境保护局(epa)已禁止卤素基阻燃剂。根据所公开的概念，将非卤化基阻燃剂作为卤素基阻燃剂的替代方案提供。在某些实施方案中，非卤化基阻燃填料包括磷基和磷酸盐基的化合物和/或金属氢氧化物基化合物中的一者或多者，这些化合物能够在暴露于高能量时释放自由基并且随后抑制由短路事件产生的氧等离子体，同时符合epa和加利福尼亚州提案规定并满足reach和rohs要求。非卤化基阻燃填料包括非卤化基阻燃剂的独立(或单一)化合物和/或协同组合或组合物，诸如但不限于三聚氰胺聚磷酸盐和/或亚膦酸盐、金属亚膦酸盐、磷酸锆、铝或镁基氧化物或氢氧化物、硼酸锌、金属氧化物以及它们的共混物和混合物。在基于热塑性的复合材料中的非卤化基阻燃填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，非卤化基阻燃填料以10％至40％的浓度范围存在。
29.在短路事件期间的电弧现象包括以下四个阶段：1)电弧产生，2)电弧放电(空气和表面)，3)电弧电痕(表面)和4)电弧消灭。装入有阻燃填料的基于热塑性的复合材料响应于阶段2)通过使在绝缘体表面上的电弧形成延迟并且在释气期间释放自由基来抑制等离子体。在阶段3期间，装入有阻燃填料的热塑性复合材料形成具有最小炭化的阻挡层，并且在阶段4提供对基底的吸热冷却。
30.在某些实施方案中，选择阻燃填料，例如非卤化阻燃填料，并将其掺入或装入到热塑性聚合物基体中，以在短路事件的气相法期间提供火焰抑制。例如，三聚氰胺聚磷酸盐
(mpp)在气相法期间产生po
2-、po
3-和po-自由基，并且在热解期间释放n2惰性气体。另外，例如，金属亚膦酸盐在气相法期间产生alpo2自由基和不可燃气体。在某些其他实施方案中，选择阻燃填料，例如非卤化阻燃填料，并将其掺入或装入到热塑性聚合物基体中，以在气相法和凝相两者期间提供自由基清除。例如，一水合铝产生h oh-自由基，并且形成金属氧化物层，以及形成水。
31.加工助剂和界面粘合增进剂包括气相法氧化铝、气相法二氧化硅、笼型聚倍半硅氧烷(poss)以及它们的共混物和混合物中的一者或多者。掺入或装入到基于热塑性的复合材料中的加工助剂和界面粘合增进剂的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，加工助剂和界面粘合增进剂以0.1％至2％的浓度范围存在。在某些实施方案中，通过添加加工助剂和界面粘合增进剂(例如，气相法氧化铝和/或气相法二氧化硅)来实现改进的介电特性。
32.增强填料包括玻璃纤维。掺入或装入到热塑性复合材料中的增强填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，增强填料以5％至40％的浓度范围存在。在某些实施方案中，通过添加玻璃纤维来实现改进的强度和热导率。
33.功能性填料包括粘土、云母、滑石或它们的混合物或共混物。掺入或装入到基于热塑性的复合材料中的功能性填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，功能性填料以5％至15％的浓度范围存在。此外，功能性填料的形式会变化。在某些实施方案中，功能性填料呈纳米颗粒的形式，例如纳米滑石和/或纳米粘土和/或微粒。
34.在某些实施方案中，将非碳着色剂添加到基于热塑性的复合材料中以实现期望的黑色，而不牺牲耐电弧性/耐电痕性，例如，保持耐电弧性/耐电痕性。
35.新开发的基于热塑性的复合制剂增强热塑性聚合物的以下特性和特征中的一者或多者：120秒至180秒的耐电弧性(plc5和plc4)、400伏特至600伏特的相对电痕指数(cti)、从v2到v0的阻燃评级以及15kv/mm至25kv/mm的介电强度。在某些实施方案中，该介电强度可改进1.5倍至3倍。
36.新开发的基于热塑性的复合制剂，以及完全或不完全由该新开发的基于热塑性的复合制剂构成或构造的壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，提供了以下电弧猝灭机制或行为中的一者或多者：猝灭并抑制在电弧期间产生的离子和等离子体；不释放任何毒性气体；在气相法和凝相/基底相两者上工作；并且促进非碳质炭形成。
37.根据所公开的概念，基于热塑性的复合制剂适用于形成和/或构造容纳一个或多个电气/电子部件的电气/电子壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，该一个或多个电气/电子部件包括连接器、继电器部件、开关、断路器(例如微型断路器)、电磁开关、接线盒、接地故障和电弧故障断路器、致动器和绝缘部件、终端开关和传感器。
38.基于热塑性的复合材料作为绝缘体有效提供电路保护，并且具有通过短路测试的能力。例如，具有出色性能的包括聚对苯二甲酸丁二醇酯的基于热塑性的复合材料通过了短路测试。ul489序列z程序被用作对当断开断路器并分离接触时聚合物的可重复地中断短路故障并保留其绝缘特性的能力的表示。对额定为120/240v的20安培的断路器成对地进行测试。执行5,000安培的短路故障3次。功率因数设置为介于0.45至0.50之间。在短路测试之后，序列z程序需要断路器经历介电电压承受测试。断开和跳闸位置中的120/240v断路器必
须承受1,480v(7.1.9)而不发生故障达60秒。测试设备监测负载侧连接上的泄漏电流。
39.在某些实施方案中，包括聚对苯二甲酸丁二醇酯的基于热塑性的复合材料装有基于金属氢氧化物的非卤化阻燃填料。在某些实施方案中，该基于金属氢氧化物的非卤化阻燃填料是一水合铝(也称为勃姆石)，其任选地与云母组合。该基于热塑性的复合材料适用于气相法和冷凝相两者，并且在电弧猝灭方面非常有效。另外，基于热塑性的复合材料在电弧事件之后促进较少的炭化是很重要的，因为含碳炭化可能会促进电介质故障，因为它在本质上是导电的。
40.根据所公开的概念，基于热塑性的复合材料被定位成诸如涵盖电子部件的外表面，作为绝缘体。基于热塑性的复合材料可基于在形成基于热塑性的复合材料中所选择的特定填料提供各种期望的特性。该基于热塑性的复合材料可被采用于各种应用，包括用于电子部件的电路保护的壳体、外壳、模制品和封装。
41.基于热塑性的材料通常被描述为塑料材料，例如聚合物，其在高于特定温度时变得柔韧或可模制(例如，在热量下软化或熔化)，并且在冷却下固化(例如硬化并变得刚性)。如先前所描述，所公开的概念的基于热塑性的复合材料包括热塑性聚合物，例如热塑性聚合物基体。在所公开的概念中使用的合适的热塑性聚合物是诸如可以商品名lw9030 nc010(杜邦公司(dupont))、b4450gf(巴斯夫公司(basf))和xfr 6842gf30(塞拉尼斯公司(celanese))商购获得的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂。
42.通常，术语“纳米尺寸”或“纳米颗粒”是指具有介于1纳米与100纳米之间的平均颗粒或晶粒尺寸的颗粒材料。纳米颗粒可与颗粒尺寸在微米范围内的颗粒区分开来。也就是说，术语“微尺寸”和“微粒”是指平均颗粒或晶粒尺寸大于约1μm的颗粒材料。任何尺寸的纳米颗粒，也就是说，范围为约1nm至小于约100nm的纳米颗粒可用于所公开的概念的组合物中。
43.微尺寸和/或纳米尺寸的填料可包括微颗粒、微管、微血小板、微纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米血小板、纳米纤维以及它们的共混物，并且可被特定地选择和添加以赋予基于热塑性的复合材料改进的电特性。例如，热塑性聚合物基体(例如树脂)通常表现出比填料更低的介电特性。微尺寸和/或纳米尺寸的填料的非限制性示例包括氧化铝、二氧化硅、poss、玻璃纤维、其他无机材料以及它们的共混物。这些填料提供了基于热塑性的复合材料的改进的介电特性。
44.根据常规方法和工艺，使用常规技术和设备制备基于热塑性的复合材料。例如，将热塑性聚合物(例如热塑性聚合物基体(例如树脂))与填料组合在一起以形成混合物或共混物。组合这些组分的顺序(例如将填料装入到热塑性聚合物基体中)并不是关键的，并且通常在室温和大气压条件下进行。在某些实施方案中，使用双螺杆挤出工艺来合成新的基于热塑性的制剂/复合材料，然后使用常规的模制方法(诸如注塑、压缩模制或增材制造等)来产生部件，例如，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件。
45.所公开的概念的基于热塑性的复合材料使用各种常规方法和工艺形成外壳、外罩、封装部件或包覆部件。常规的绝缘材料或封装材料是使用铸造工艺形成的，该铸造工艺包括时间段，例如约8小时至10小时，用于设置/固化。然而，在所公开的概念的某些实施方
案中，用基于热塑性的复合材料直接容纳、绝缘或封装电子部件。例如，聚合物/填料制剂产生基于热塑性的复合材料，其被施加、沉积或定位到电子部件的表面上。在其他实施方案中，用基于热塑性的复合材料间接容纳、隔热或封装电子部件。在这些实施方案中，通常采用常规的注塑工艺或压缩模制工艺和相关联的设备。将聚合物/填料制剂注入模具中以形成基于热塑性的复合壳。然后将电子部件定位在该外壳的内部。无论是用基于热塑性的复合材料直接还是间接容纳或封装，在电子部件表面与基于热塑性的复合材料之间任选地存在缓冲液。在某些实施方案中，缓冲液(诸如但不限于聚氨酯灌封材料)呈气室或材料的形式，位于电子部件表面与基于热塑性的复合材料之间。
46.在某些其他实施方案中，使用常规的增材制造工艺和相关联的设备形成基于热塑性的复合材料。
47.在又一个实施方案中，将基于热塑性的复合材料施加到电子部件的表面作为涂层、层或膜。通过采用常规的热沉积工艺来施加基于热塑性的复合材料。在施加基于热塑性的复合材料之前，电子部件的表面任选地经历制备过程。该制备过程包括对表面进行预涂覆或预处理，以促进或增强该基于热塑性的复合材料的施加和/或粘合。
48.基于热塑性的复合材料包括广泛的厚度。在某些实施方案中，基于热塑性的复合材料是注塑部件，其厚度在约0.5mm至几英寸的范围内。在其他实施方案中，其中该热塑性复合材料是涂层或膜，厚度可为约10微米至约225微米。
49.虽然已经详细地描述了本发明所公开的概念的特定实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，可以根据本公开的总体教导内容来开发出那些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，而不限制本发明所公开的概念的范围，本发明所公开的概念的范围由所附权利要求书的全部范围以及其任何和所有等同物给出。
背景技术：
1.技术领域
1.所公开的概念整体涉及用于电接触和非接触应用的基于热塑性的可持续绝缘材料，以在短路事件期间承受电弧和放电以确保电路保护。
2.2.背景技术
3.在短路事件期间，为额定电流的约若干数量级的过载电流通过电路。为了保护电路免受由过载电流引起的损坏的影响，电路断路器暂时使电触头脱离接合。通过该电路的过量电流以高能量电弧的形式瞬时放电。所生成的电弧需要立即猝灭或熄灭，以防止火势的进一步发展以确保安全性。
4.通常，将绝缘体作为外罩、封装部件或包覆部件、连接器、开关等用于此类电接触/非接触应用中的电路保护。热固性材料(例如环氧树脂和不饱和聚酯)通常已知作为绝缘材料用于电气系统和电子系统，并且以保护电子部件免受短路的影响。这些热固性材料被采用为粘合剂、密封剂、涂层、浸渍剂、外罩、模制品和灌封化合物，以在电子部件周围产生无空隙绝缘。胺固化环氧树脂和酸酐固化环氧树脂经常被采用为粘合剂、密封剂、浸渍剂和涂层。酸酐固化环氧树脂主要用于封装和灌封目的。胺固化环氧树脂用于包覆电子部件。
5.针对给定的应用基于多种因素(诸如期望的介电特性，以及物理和机械强度、耐化学性、操作温度范围和热循环、尺寸稳定性、负载下对机械蠕变的耐性以及对冲击和振动的耐性)选择特定的热固性材料。期望的介电特性包括介电强度、耐局部放电性、体积电阻率、表面电阻率、介电常数、耐电弧性和耗散因数。这些特性可受到温度以及无机填料(诸如二氧化硅、氧化铝和玻璃)的影响。
6.然而，存在与已知热固性材料相关联的缺点。热固性材料是交联材料，一旦包覆部件不再需要用于其预期用途，则该包覆部件必须被填埋或焚烧。在两种情况下，碳足迹在较高侧。另外，在热固性模制期间，毒性和挥发性排放可对处于长期暴露下的人类造成严重健康危害。因此，本领域期望且需要开发合适的替代材料。例如，基于热塑性的材料已被认为是传统环氧树脂和不饱和聚酯的可行替代物。基于热塑性的材料表现出优点，诸如可回收且相对可持续；可以比对应的热固性材料更低的成本和更快的循环时间来制造它们；它们可增加设计灵活性(壁厚减小、压配合特征等)并且它们是轻质的，提供安装的便易性。然而，基于热塑性的材料还具有与其相关联的缺点，诸如，它们具有高吸湿性；它们易受紫外光和臭氧损坏的影响；并且与热固性材料相比，它们通常表现出较差的耐环境性。
7.因此，本领域中仍然需要开发改进的基于热塑性的复合材料(例如聚合物)，以用于封装和绝缘表现出热塑性材料的期望特性的同时最小化或排除与其相关联的缺点的电子部件。根据所公开的概念，可将填料和添加剂掺入(例如装入)到热塑性聚合物基体中以便改进其电特性以及改善猝灭高能量电弧以进行电路保护的能力。
技术实现要素：
8.通过所公开的概念的实施方案满足上述需要和其他需要，所公开的概念的实施方案提供用于电接触和非接触应用的绝缘材料的基于热塑性的复合材料，以在短路事件期间承受电弧和放电以确保电路保护。
9.在一个方面，所公开的概念提供了基于热塑性的复合材料绝缘体，其包含：30重量％至70重量％的热塑性聚合物基体；10重量％至40重量％的非卤化阻燃填料；0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂；5重量％至40重量％的增强填料；和5重量％至15重量％的功能性填料，其中该基于热塑性的复合材料绝缘体呈选自以下的形式：壳体、外壳、外罩、封装部件或包覆部件，以用于电接触/非接触部件，并且其中该基于热塑性的复合材料绝缘体能有效猝灭在短路事件期间产生的高能量电弧。
10.该热塑性聚合物基体可选自由以下组成的组：聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚碳酸盐、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜以及它们的共混物和混合物。该热塑性聚合物基体可选自由以下组成的组：聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚酰胺(pa)以及它们的共混物和混合物。
11.该非卤化阻燃填料选自由以下组成的组：磷基化合物、磷酸盐基化合物、金属氢氧化物基化合物以及它们的共混物和混合物。该非卤化阻燃填料可选自由以下组成的组：三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺亚膦酸盐、金属膦酸盐、磷酸锆、铝基氧化物、镁基氧化物、镁基氢氧化物、铝基氢氧化物、硼酸锌、金属氧化物以及它们的共混物和混合物。该非卤化阻燃填料可选自由以下组成的组：金属氢氧化物基化合物和一水化铝，以及任选地云母。
12.该加工助剂和界面粘合增进剂可选自由以下组成的组：气相法氧化铝、气相法二氧化硅、笼型聚倍半硅氧烷以及它们的共混物和混合物。
13.该增强填料可包括玻璃纤维。
14.该功能性填料可选自由以下组成的组：纳米粘土、纳米滑石、云母以及它们的共混物和混合物。
15.在某些实施方案中，在保持耐电弧性/耐电痕性的同时，添加非碳着色剂以实现黑色。
16.在另一方面，所公开的概念提供了容纳在基于热塑性的复合材料中的电接触/非接触部件，其包含：30重量％至70重量％的热塑性聚合物基体；10重量％至40重量％的非卤化阻燃填料；0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂；5重量％至40重量％的增强填料；和5重量％至15重量％的功能性填料，其中该基于热塑性的复合材料呈选自以下的形式：外壳、外罩、封装部件或包覆部件，并且其中该基于热塑性的复合材料能有效猝灭在短路事件期间产生的高能量电弧。
17.基于热塑性的复合材料可提供120秒至180秒的耐电弧性、400伏特至600伏特的相对电痕指数(comparative tracking index(cti))、从v2到v0的阻燃评级以及15kv/mm至25kv/mm的介电强度。该部件可具有低电压应用，该低电压应用具有12v至240v的绝缘能力，其中额定值为15a至30a。该部件可定位在室内或类室内环境中。基于热塑性的复合材料可容纳微型断路器或电弧和接地故障断路器。
18.在再一方面，所公开的概念提供了一种用于将电接触/非接触部件与基于热塑性的复合材料绝缘的方法。该方法包括：将30重量％至70重量％的热塑性聚合物、10重量％至
40重量％的非卤化阻燃填料、0.1重量％至2重量％的加工助剂和界面粘合增进剂、5重量％至40重量％的增强填料和5重量％至15重量％功能性填料组合以形成基于热塑性的复合材料；构造该基于热塑性的复合材料的电接触/非接触部件；将该电接触/非接触部件定位在室内或类室内环境中。
19.构造步骤可包括选自由以下组成的组的过程：施加、沉积和定位基于热塑性的复合材料以封装电接触/非接触部件。构造步骤可包括将基于热塑性的复合材料引入注塑或压缩模制过程中。
具体实施方式
20.所公开的概念通常涉及基于热塑性的材料，例如基于热塑性的复合材料，这些基于热塑性的材料是已知的基于热固性的材料(例如，不饱和聚酯)的合适替代物，作为用于电接触/非接触应用中的电路保护的绝缘体，诸如但不限于壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，其容纳或包封一个或多个电子部件，包括连接器、继电器部件、开关、断路器、电磁开关、接线盒、接地故障和电弧故障断路器、致动器和绝缘部件、终端开关、传感器等。根据所公开的概念，外壳、外罩和封装部件或包覆部件完全或不完全由基于热塑性的复合材料构成和/或构造。另选地，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件已沉积或施加到涂层、层或膜的表面，该表面包括所公开的概念的基于热塑性的复合材料。在某些实施方案中，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件容纳或包封微型断路器以及电弧和接地故障断路器。例如，覆盖容纳在其中的部件的外壳功能，如盖、底座或者盖和底座的组合。
21.基于热塑性的材料被用作电接触/非接触应用中的绝缘体，例如壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，用于包括室内或类室内(在封闭/开放的室内环境内)的操作环境，并且更具体地，这些应用是低电压应用，诸如具有12v至240v的绝缘能力的住宅应用，其中额定值为15a至30a。
22.这些绝缘体通过猝灭放电产生的高能量电弧来确保电路保护。此外，这些绝缘体通过在短路事件期间保持足够的介电强度来确保安全性。由基于热固性的聚合物/塑料材料形成的传统的电气或电子器件壳体、外罩和包覆部件或封装部件是不可回收的、填埋式的或焚烧式的，并且通常具有较高的碳足迹和手印。使用可回收、更环保并且具有较低的碳足迹和手印的基于热塑性的材料克服与热固性材料相关联的问题。然而，呈其原始形式的基于热塑性的材料不具有承受高能量电弧和电痕的固有能力。因此，基于热塑性的材料掺入(例如装入)有适当的成分或填料，诸如阻燃剂、矿物填料和纳米或微观形式的增强物，以赋予基于热塑性的材料有利的特性，例如能够承受高能量电弧和电痕的能力，这些特性在基于热固性的材料中是固有的。
23.所公开的概念还包括用于制备基于热塑性的复合材料的方法，以及用于将这些基于热塑性的复合材料作为绝缘体施加以用于电接触/非接触应用中的电路保护的方法。
24.根据所公开的概念，基于热塑性的复合材料是通过掺入(例如装入)到热塑性聚合物(例如，基体、一种或多种填料)中而新开发的，这将赋予一个或多个有利或期望的特性(例如，在基于热固性的材料种是固有的)。所开发的基于热塑性的材料符合epa和加利福尼亚州提案规定以及符合reach和rohs，具有减少的碳足迹和手印，并且表现出电接触/非接触应用中的电路保护的预期应用所需的阻燃性、耐电弧性、耐电痕性、介电强度以及长期的
静态/动态机械及热力学特性。这些材料和制剂通过一系列操作来制备和处理，该一系列操作包括粉碎、高剪切混合、挤出和注塑技术/工艺。
25.基于热塑性的复合材料包括热塑性聚合物或其共混物或混合物的聚合物基体。适用的合适的热塑性聚合物选自各种已知的热塑性聚合物，诸如但不限于聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰胺(pa)(尼龙)(pa6、pa66、pa6t、pa9t、pa12、pa4t)、聚碳酸盐(pc)、聚苯醚(ppe)、聚苯硫醚(pps)、聚甲醛(pom)或聚缩醛、聚丙烯(pp)、聚乙烯(hdpe、ldpe)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚醚砜(pes)以及它们的共混物和混合物。在某些实施方案中，热塑性聚合物选自聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚酰胺(pa)以及它们的共混物和混合物。基于热塑性的复合材料中的热塑性聚合物的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，热塑性聚合物以30％至70％的浓度范围存在。
26.热塑性聚合物或其共混物或混合物，例如基体，被掺入或装入有一种或多种填料组分，包括阻燃填料、加工助剂和界面粘合增进剂、功能性填料和增强填料，以形成基于热塑性的复合材料。
27.阻燃填料存在于基于热塑性的复合材料中，用于电弧猝灭(电弧)。在短路事件期间，其中所产生的电弧电离空气中存在的氧气，并且将氧气转化为氧自由基(等离子体介质)。所生成的等离子体介质携带大量能量，需要猝灭该大量能量以防止电弧传播到发展中的火灾中。(在电弧事件期间)暴露于高能量下的阻燃填料开始释气。在释气期间，阻燃填料将自由基产生到环境中。这些自由基与氧自由基配对以抑制等离子体。该现象负责猝灭电弧。
28.合适的阻燃填料包括在电弧事件期间释放自由基的那些。例如，卤素基化合物在猝灭电弧方面是有效的，因为它们在释气期间释放溴离子或氯离子来猝灭电弧等离子体。然而，由于它们对环境和人类生命的毒性影响，环境保护局(epa)已禁止卤素基阻燃剂。根据所公开的概念，将非卤化基阻燃剂作为卤素基阻燃剂的替代方案提供。在某些实施方案中，非卤化基阻燃填料包括磷基和磷酸盐基的化合物和/或金属氢氧化物基化合物中的一者或多者，这些化合物能够在暴露于高能量时释放自由基并且随后抑制由短路事件产生的氧等离子体，同时符合epa和加利福尼亚州提案规定并满足reach和rohs要求。非卤化基阻燃填料包括非卤化基阻燃剂的独立(或单一)化合物和/或协同组合或组合物，诸如但不限于三聚氰胺聚磷酸盐和/或亚膦酸盐、金属亚膦酸盐、磷酸锆、铝或镁基氧化物或氢氧化物、硼酸锌、金属氧化物以及它们的共混物和混合物。在基于热塑性的复合材料中的非卤化基阻燃填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，非卤化基阻燃填料以10％至40％的浓度范围存在。
29.在短路事件期间的电弧现象包括以下四个阶段：1)电弧产生，2)电弧放电(空气和表面)，3)电弧电痕(表面)和4)电弧消灭。装入有阻燃填料的基于热塑性的复合材料响应于阶段2)通过使在绝缘体表面上的电弧形成延迟并且在释气期间释放自由基来抑制等离子体。在阶段3期间，装入有阻燃填料的热塑性复合材料形成具有最小炭化的阻挡层，并且在阶段4提供对基底的吸热冷却。
30.在某些实施方案中，选择阻燃填料，例如非卤化阻燃填料，并将其掺入或装入到热塑性聚合物基体中，以在短路事件的气相法期间提供火焰抑制。例如，三聚氰胺聚磷酸盐
(mpp)在气相法期间产生po
2-、po
3-和po-自由基，并且在热解期间释放n2惰性气体。另外，例如，金属亚膦酸盐在气相法期间产生alpo2自由基和不可燃气体。在某些其他实施方案中，选择阻燃填料，例如非卤化阻燃填料，并将其掺入或装入到热塑性聚合物基体中，以在气相法和凝相两者期间提供自由基清除。例如，一水合铝产生h oh-自由基，并且形成金属氧化物层，以及形成水。
31.加工助剂和界面粘合增进剂包括气相法氧化铝、气相法二氧化硅、笼型聚倍半硅氧烷(poss)以及它们的共混物和混合物中的一者或多者。掺入或装入到基于热塑性的复合材料中的加工助剂和界面粘合增进剂的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，加工助剂和界面粘合增进剂以0.1％至2％的浓度范围存在。在某些实施方案中，通过添加加工助剂和界面粘合增进剂(例如，气相法氧化铝和/或气相法二氧化硅)来实现改进的介电特性。
32.增强填料包括玻璃纤维。掺入或装入到热塑性复合材料中的增强填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，增强填料以5％至40％的浓度范围存在。在某些实施方案中，通过添加玻璃纤维来实现改进的强度和热导率。
33.功能性填料包括粘土、云母、滑石或它们的混合物或共混物。掺入或装入到基于热塑性的复合材料中的功能性填料的量或浓度会变化。在某些实施方案中，基于基于热塑性的复合材料的总重量，功能性填料以5％至15％的浓度范围存在。此外，功能性填料的形式会变化。在某些实施方案中，功能性填料呈纳米颗粒的形式，例如纳米滑石和/或纳米粘土和/或微粒。
34.在某些实施方案中，将非碳着色剂添加到基于热塑性的复合材料中以实现期望的黑色，而不牺牲耐电弧性/耐电痕性，例如，保持耐电弧性/耐电痕性。
35.新开发的基于热塑性的复合制剂增强热塑性聚合物的以下特性和特征中的一者或多者：120秒至180秒的耐电弧性(plc5和plc4)、400伏特至600伏特的相对电痕指数(cti)、从v2到v0的阻燃评级以及15kv/mm至25kv/mm的介电强度。在某些实施方案中，该介电强度可改进1.5倍至3倍。
36.新开发的基于热塑性的复合制剂，以及完全或不完全由该新开发的基于热塑性的复合制剂构成或构造的壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，提供了以下电弧猝灭机制或行为中的一者或多者：猝灭并抑制在电弧期间产生的离子和等离子体；不释放任何毒性气体；在气相法和凝相/基底相两者上工作；并且促进非碳质炭形成。
37.根据所公开的概念，基于热塑性的复合制剂适用于形成和/或构造容纳一个或多个电气/电子部件的电气/电子壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件，该一个或多个电气/电子部件包括连接器、继电器部件、开关、断路器(例如微型断路器)、电磁开关、接线盒、接地故障和电弧故障断路器、致动器和绝缘部件、终端开关和传感器。
38.基于热塑性的复合材料作为绝缘体有效提供电路保护，并且具有通过短路测试的能力。例如，具有出色性能的包括聚对苯二甲酸丁二醇酯的基于热塑性的复合材料通过了短路测试。ul489序列z程序被用作对当断开断路器并分离接触时聚合物的可重复地中断短路故障并保留其绝缘特性的能力的表示。对额定为120/240v的20安培的断路器成对地进行测试。执行5,000安培的短路故障3次。功率因数设置为介于0.45至0.50之间。在短路测试之后，序列z程序需要断路器经历介电电压承受测试。断开和跳闸位置中的120/240v断路器必
须承受1,480v(7.1.9)而不发生故障达60秒。测试设备监测负载侧连接上的泄漏电流。
39.在某些实施方案中，包括聚对苯二甲酸丁二醇酯的基于热塑性的复合材料装有基于金属氢氧化物的非卤化阻燃填料。在某些实施方案中，该基于金属氢氧化物的非卤化阻燃填料是一水合铝(也称为勃姆石)，其任选地与云母组合。该基于热塑性的复合材料适用于气相法和冷凝相两者，并且在电弧猝灭方面非常有效。另外，基于热塑性的复合材料在电弧事件之后促进较少的炭化是很重要的，因为含碳炭化可能会促进电介质故障，因为它在本质上是导电的。
40.根据所公开的概念，基于热塑性的复合材料被定位成诸如涵盖电子部件的外表面，作为绝缘体。基于热塑性的复合材料可基于在形成基于热塑性的复合材料中所选择的特定填料提供各种期望的特性。该基于热塑性的复合材料可被采用于各种应用，包括用于电子部件的电路保护的壳体、外壳、模制品和封装。
41.基于热塑性的材料通常被描述为塑料材料，例如聚合物，其在高于特定温度时变得柔韧或可模制(例如，在热量下软化或熔化)，并且在冷却下固化(例如硬化并变得刚性)。如先前所描述，所公开的概念的基于热塑性的复合材料包括热塑性聚合物，例如热塑性聚合物基体。在所公开的概念中使用的合适的热塑性聚合物是诸如可以商品名lw9030 nc010(杜邦公司(dupont))、b4450gf(巴斯夫公司(basf))和xfr 6842gf30(塞拉尼斯公司(celanese))商购获得的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂。
42.通常，术语“纳米尺寸”或“纳米颗粒”是指具有介于1纳米与100纳米之间的平均颗粒或晶粒尺寸的颗粒材料。纳米颗粒可与颗粒尺寸在微米范围内的颗粒区分开来。也就是说，术语“微尺寸”和“微粒”是指平均颗粒或晶粒尺寸大于约1μm的颗粒材料。任何尺寸的纳米颗粒，也就是说，范围为约1nm至小于约100nm的纳米颗粒可用于所公开的概念的组合物中。
43.微尺寸和/或纳米尺寸的填料可包括微颗粒、微管、微血小板、微纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米血小板、纳米纤维以及它们的共混物，并且可被特定地选择和添加以赋予基于热塑性的复合材料改进的电特性。例如，热塑性聚合物基体(例如树脂)通常表现出比填料更低的介电特性。微尺寸和/或纳米尺寸的填料的非限制性示例包括氧化铝、二氧化硅、poss、玻璃纤维、其他无机材料以及它们的共混物。这些填料提供了基于热塑性的复合材料的改进的介电特性。
44.根据常规方法和工艺，使用常规技术和设备制备基于热塑性的复合材料。例如，将热塑性聚合物(例如热塑性聚合物基体(例如树脂))与填料组合在一起以形成混合物或共混物。组合这些组分的顺序(例如将填料装入到热塑性聚合物基体中)并不是关键的，并且通常在室温和大气压条件下进行。在某些实施方案中，使用双螺杆挤出工艺来合成新的基于热塑性的制剂/复合材料，然后使用常规的模制方法(诸如注塑、压缩模制或增材制造等)来产生部件，例如，壳体、外壳、外罩和封装部件或包覆部件。
45.所公开的概念的基于热塑性的复合材料使用各种常规方法和工艺形成外壳、外罩、封装部件或包覆部件。常规的绝缘材料或封装材料是使用铸造工艺形成的，该铸造工艺包括时间段，例如约8小时至10小时，用于设置/固化。然而，在所公开的概念的某些实施方
案中，用基于热塑性的复合材料直接容纳、绝缘或封装电子部件。例如，聚合物/填料制剂产生基于热塑性的复合材料，其被施加、沉积或定位到电子部件的表面上。在其他实施方案中，用基于热塑性的复合材料间接容纳、隔热或封装电子部件。在这些实施方案中，通常采用常规的注塑工艺或压缩模制工艺和相关联的设备。将聚合物/填料制剂注入模具中以形成基于热塑性的复合壳。然后将电子部件定位在该外壳的内部。无论是用基于热塑性的复合材料直接还是间接容纳或封装，在电子部件表面与基于热塑性的复合材料之间任选地存在缓冲液。在某些实施方案中，缓冲液(诸如但不限于聚氨酯灌封材料)呈气室或材料的形式，位于电子部件表面与基于热塑性的复合材料之间。
46.在某些其他实施方案中，使用常规的增材制造工艺和相关联的设备形成基于热塑性的复合材料。
47.在又一个实施方案中，将基于热塑性的复合材料施加到电子部件的表面作为涂层、层或膜。通过采用常规的热沉积工艺来施加基于热塑性的复合材料。在施加基于热塑性的复合材料之前，电子部件的表面任选地经历制备过程。该制备过程包括对表面进行预涂覆或预处理，以促进或增强该基于热塑性的复合材料的施加和/或粘合。
48.基于热塑性的复合材料包括广泛的厚度。在某些实施方案中，基于热塑性的复合材料是注塑部件，其厚度在约0.5mm至几英寸的范围内。在其他实施方案中，其中该热塑性复合材料是涂层或膜，厚度可为约10微米至约225微米。
49.虽然已经详细地描述了本发明所公开的概念的特定实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，可以根据本公开的总体教导内容来开发出那些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，而不限制本发明所公开的概念的范围，本发明所公开的概念的范围由所附权利要求书的全部范围以及其任何和所有等同物给出。
再多了解一些
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