基于漆包線(xiàn)潤(rùn)滑劑對(duì)繼電器有機(jī)污染的技術(shù)初探

陳志君，文尚暉，張 琦，何 東

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

電磁繼電器內(nèi)部的非金屬材料，特別是非金屬材料中的有機(jī)類(lèi)材料，是繼電器內(nèi)部有機(jī)揮發(fā)氣氛的主要來(lái)源之一[1]。研究資料表明，潔凈的金屬材料以及無(wú)機(jī)類(lèi)非金屬材料(如玻璃、陶瓷等)，在繼電器最高工作環(huán)境溫度下(一般不高于125℃)，其揮發(fā)出的有機(jī)氣氛不是觸點(diǎn)材料自身產(chǎn)生，而是來(lái)源于觸點(diǎn)材料表面吸附的外來(lái)有機(jī)污染[2]。因此，繼電器內(nèi)部非金屬材料，特別是有機(jī)類(lèi)材料的揮發(fā)，是繼電器內(nèi)部有機(jī)氣氛需要關(guān)注的重點(diǎn)。

線(xiàn)圈組被稱(chēng)為繼電器內(nèi)部最大的有機(jī)氣氛來(lái)源[7](不含繼電器內(nèi)部帶入的外來(lái)有機(jī)污染)，組成線(xiàn)圈組的非金屬零部件主要有骨架、安裝線(xiàn)、薄膜、漆包線(xiàn)等。前三者的主要類(lèi)型有聚四氟乙烯骨架、AKF-200康銅線(xiàn)、LCP骨架、聚酰亞胺或聚四氟乙烯薄膜等，它們都具有耐高溫特性和顯著的熱穩(wěn)定性，所以?xún)H有極輕微的揮發(fā)。而占整個(gè)線(xiàn)圈組質(zhì)量90%的漆包線(xiàn)，如常用的聚酰亞胺漆包線(xiàn)，盡管漆膜的主要成分聚酰亞胺也具有較強(qiáng)的耐高溫和熱穩(wěn)定性，但因其特殊加工工藝(見(jiàn)下文詳細(xì)敘述)，卻是其主要的有機(jī)氣氛來(lái)源[3]。因此，對(duì)線(xiàn)圈組漆包線(xiàn)漆膜(有機(jī)材料)揮發(fā)控制技術(shù)的研究是繼電器非金屬材料以及繼電器零部件的揮發(fā)控制技術(shù)研究的關(guān)鍵。

本文采用真空熱失重測(cè)試法、GC-MS氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)法、紅外光譜檢測(cè)法就各部件材料產(chǎn)生的有機(jī)氣氛對(duì)電磁繼電器有機(jī)污染的影響程度進(jìn)行評(píng)定，并研究新工藝方法去污染。

2 漆包線(xiàn)的組成

目前，國(guó)內(nèi)繼電器行業(yè)多數(shù)使用QY-1的聚酰亞胺漆包線(xiàn)作為線(xiàn)圈組的繞組，QY-1型聚酰亞胺漆包線(xiàn)分為金屬線(xiàn)芯和漆膜兩部分。漆膜主要成分為聚酰亞胺絕緣漆，一般是由漆基、溶劑或稀釋劑和輔助材料三部分組成。將聚酰亞胺酯溶解在二甲苯、甲苯、酚類(lèi)等溶劑或稀釋劑中，在高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)、脫水，冷卻后固化在金屬線(xiàn)芯上，部分廠(chǎng)家會(huì)通過(guò)添加有機(jī)硅這種物質(zhì)增強(qiáng)漆膜的流動(dòng)性和附著力[4]。

漆包線(xiàn)生產(chǎn)時(shí)，還需要使用帶有一定粘性的潤(rùn)滑劑來(lái)保證漆包線(xiàn)在上到線(xiàn)盤(pán)的過(guò)程中保持平整、緊密以及在運(yùn)輸和使用過(guò)程中確保不發(fā)生松線(xiàn)、垮線(xiàn)。潤(rùn)滑劑涂覆在漆膜外層，一般潤(rùn)滑劑的基本組成為液體石蠟與120#溶劑汽油的混合物(石蠟與汽油比例約為5:100)，其中液體石蠟含量較少，但在潤(rùn)滑劑中主要起到使漆包線(xiàn)之間保持一定粘性的作用。

采用紅外光譜測(cè)試方法對(duì)漆包線(xiàn)表面物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，詳見(jiàn)下圖：

圖1 QY-1漆包線(xiàn)萃取物紅外譜圖

由圖1可知，圖譜顯示2924cm-1、2854cm-1、1459cm-1等吸收峰均來(lái)自脂肪鏈-CH2-的紅外(IR)特征吸收，即石蠟的吸收峰信息，說(shuō)明常用的QY-1漆包線(xiàn)外層含有石蠟，且占主要百分比。

3 漆包線(xiàn)潤(rùn)滑劑對(duì)繼電器的有機(jī)污染

繼電器常用聚酰亞胺漆包線(xiàn)通常耐溫等級(jí)為220℃，在后續(xù)繼電器裝配過(guò)程的真空烘烤過(guò)程中，因線(xiàn)圈組焊頭和繼電器裝配(如磁鋼組掛錫、線(xiàn)圈組引出線(xiàn)與引出桿錫焊連接等)使用到錫焊工藝，需使用錫焊材料S-Sn40PbSbA，其固相溫度183℃，所以一般真空烘烤溫度不超過(guò)180℃；而繼電器的最高工作溫度按GJB65B或GJB2888均為125℃。

聚酰亞胺材料在(200～260)℃時(shí)連續(xù)使用材料性能不受影響，所以漆包線(xiàn)漆膜中的聚酰亞胺在繼電器裝配和使用過(guò)程性能較穩(wěn)定。但漆包線(xiàn)漆膜加工中用到的有機(jī)硅、有機(jī)溶劑等，經(jīng)蒸發(fā)和烘焙后仍會(huì)有極少量殘留在漆包線(xiàn)的漆膜中。這些溶劑在繼電器工作環(huán)境中受熱慢慢散發(fā)出來(lái)，在密封環(huán)境中吸附在繼電器觸點(diǎn)、軸孔等金屬組件表面，在電弧的作用下逐漸腐蝕這些金屬部件。由于觸點(diǎn)材料為金銀銅合金或鍍層采用鍍金層，金材料表面能較高，較易吸附有機(jī)氣體，且這種吸附作用隨貯存過(guò)程中的溫度升高而加強(qiáng)。

此外，漆包線(xiàn)所用潤(rùn)滑劑中，汽油是一種低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑，在后續(xù)的真空烘烤過(guò)程中容易揮發(fā)去除，不會(huì)殘留在繼電器內(nèi)部造成有機(jī)污染。而石蠟是一種常用的工業(yè)潤(rùn)滑劑，屬于高分子碳?xì)浠衔?，沸點(diǎn)(200～300)℃，與汽油相比屬于一種高沸點(diǎn)的有機(jī)物，殘留在線(xiàn)圈內(nèi)部的幾率較大。在電磁繼電器試驗(yàn)、存儲(chǔ)以及使用過(guò)程中，在高溫等環(huán)境因素作用下，殘留的石蠟就有可能緩慢揮發(fā)出有機(jī)污染氣氛，并逐漸吸附、聚集在繼電器觸點(diǎn)表面。

以上涉及的有機(jī)硅、有機(jī)溶劑、石蠟等漆包線(xiàn)中的有機(jī)殘留物的揮發(fā)氣體，當(dāng)聚集在觸點(diǎn)表面的有機(jī)膜層厚度超過(guò)一定程度之后，若繼電器產(chǎn)品觸點(diǎn)壓力不足以克服觸點(diǎn)表面的有機(jī)膜層，就會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)有機(jī)污染增大，以及在高溫運(yùn)行狀態(tài)下有機(jī)膜層高溫降解形成碳化物質(zhì)，最終導(dǎo)致繼電器失效。[5]

圖2是阻性壽命后接觸電阻超差樣品失效觸點(diǎn)的形貌，可見(jiàn)接觸部位呈黑色，典型的有機(jī)膜污染物質(zhì)燒蝕碳化后的情況：

圖2 失效觸點(diǎn)接觸部位形貌

圖3 失效樣品測(cè)試位置邊緣紅外光譜圖

圖4 失效樣品測(cè)試位置中心紅外光譜圖

分別對(duì)樣品黑色區(qū)域邊緣及中心位置進(jìn)行紅外光譜掃描，紅外光譜圖分別見(jiàn)圖3及圖4。紅外光譜圖結(jié)果顯示，中心位置透過(guò)率低(Y軸小)，譜圖峰特征弱，這通常是由于碳粒子的反射導(dǎo)致紅外信號(hào)減弱造成的，即中心位置存在碳類(lèi)物質(zhì)成分。邊緣位置紅外光譜圖顯示，2916cm-1、2849cm-1、1468cm-1、717cm-1等吸收峰均來(lái)自脂肪鏈-CH2-的紅外特征吸收，其中在1739cm-1處為酯類(lèi)油(脂肪酸多元醇酯)的特征吸收，1514cm-1、1411cm-1處為羧酸鹽的紅外特征吸收。即紅外光譜分析結(jié)果顯示，黑色區(qū)域顯示有機(jī)酸鹽增稠劑+礦物基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑脂特征，推測(cè)黑色區(qū)域成分為潤(rùn)滑脂及其碳化物質(zhì)的可能性較高。

將失效觸點(diǎn)上的黑色異物取樣，對(duì)該黑色異物和漆包線(xiàn)表面潤(rùn)滑劑蒸發(fā)殘?jiān)煌M(jìn)行紅外光譜對(duì)比測(cè)試，詳見(jiàn)圖5。

圖5樣品繼電器中簧片表面黑色異物紅外光譜圖(紅色)顯示，在1100-800cm-1區(qū)間出現(xiàn)明顯Si-O伸縮振動(dòng)吸收峰，表明存在二氧化硅。同時(shí)譜圖低透過(guò)率顯示黑色異物中存在碳，即黑色異物主要存在碳及二氧化硅。

圖5樣品漆包線(xiàn)表面潤(rùn)滑劑蒸發(fā)殘?jiān)t外光譜圖(藍(lán)色)表明，殘?jiān)饕煞轂橥榛男跃酃柩跬?，若烷基改性聚硅氧烷在高溫下裂解，?huì)同時(shí)產(chǎn)生裂解并分解出二氧化硅，此時(shí)成分信息與圖5樣品中黑色異物相近。

圖5 樣品繼電器中簧片表面黑色異物與漆包線(xiàn)表面潤(rùn)滑劑蒸發(fā)殘?jiān)t外光譜對(duì)比圖

圖3、圖4接觸電阻超差樣品失效觸點(diǎn)萃取物紅外譜圖顯示，2916cm-1、2849cm-1、1468cm-1、717cm-1等吸收峰均來(lái)自脂肪鏈-CH2-的紅外(IR)特征吸收，即石蠟的吸收峰信息；其中在1739cm-1處為酯類(lèi)油(脂肪酸多元醇酯C=O)的特征吸收，1514cm-1、1411cm-1處為羧酸鹽的IR特征吸收。存在有機(jī)酸鹽增稠劑+礦物基礎(chǔ)油(即液體石蠟)的潤(rùn)滑脂特征，推測(cè)黑色區(qū)域成分為潤(rùn)滑脂及其碳化物的可能性較高，極有可能來(lái)源于石蠟。

而圖5中漆包線(xiàn)表面潤(rùn)滑劑蒸發(fā)殘?jiān)t外光譜圖(藍(lán)色)有多處吸收峰與圖5中失效觸點(diǎn)表面黑色異物紅外光譜圖(紅色)相近，兩張圖都有石蠟吸收峰信息和脂肪酸多元醇酯C=O信息；圖5的羧酸鹽IR特征說(shuō)明也可能是潤(rùn)滑脂類(lèi)物質(zhì)(潤(rùn)滑脂類(lèi)物質(zhì)同時(shí)含有石蠟和羧酸鹽)。所以推測(cè)極有可能兩者來(lái)源于同一種物質(zhì)(混合物)，均含石蠟。

由以上檢測(cè)結(jié)果可知，漆包線(xiàn)外層的潤(rùn)滑劑對(duì)產(chǎn)品接觸電阻的失效有直接影響。

4 控制技術(shù)研究

由相關(guān)文獻(xiàn)[6]已知，在高于10-2Pa的真空度下，氣體會(huì)不斷地從材料表面釋放出來(lái)。漆包線(xiàn)表面釋放的有機(jī)氣體的來(lái)源主要有：

①初始在漆包線(xiàn)表面上吸附的氣體在真空狀態(tài)下從漆包線(xiàn)表面脫附；

②初始溶解于漆包線(xiàn)漆膜內(nèi)部的物質(zhì)以氣體形式在真空狀態(tài)下從漆包線(xiàn)漆膜內(nèi)部向真空邊界擴(kuò)散，最后在界面上釋放，脫離漆包線(xiàn)；

③殘留、滲透在線(xiàn)圈組匝間的有機(jī)氣體從線(xiàn)圈組中釋放出來(lái)。

所以，烘烤的真空度越高，漆包線(xiàn)內(nèi)部有機(jī)氣體揮發(fā)得越充分。

高溫溫度的參數(shù)確定，首先要確定繼電器線(xiàn)圈組內(nèi)部實(shí)際溫度，使漆包線(xiàn)預(yù)烘烤的溫度大于繼電器線(xiàn)圈組內(nèi)部實(shí)際溫度才能有效完成預(yù)烘烤，避免線(xiàn)圈組實(shí)際使用過(guò)程中因預(yù)烘烤溫度未覆蓋實(shí)際使用溫度、二次揮發(fā)出有機(jī)氣體[7]；同時(shí)漆包線(xiàn)預(yù)烘烤的溫度小于漆包線(xiàn)的最高工作溫度220℃，才能保證漆包線(xiàn)性能不受破壞。

繼電器在實(shí)際使用過(guò)程中，除了要承受工作環(huán)境最高溫度之外，由于繼電器線(xiàn)圈組需要加電動(dòng)作，因此，繼電器線(xiàn)圈組內(nèi)部的實(shí)際溫度為繼電器工作環(huán)境最高溫度與繼電器線(xiàn)圈組長(zhǎng)期加電溫升之和[8][9]。為確定繼電器線(xiàn)圈組內(nèi)部實(shí)際溫度，選取典型繼電器產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，詳見(jiàn)下文：

條目信息：對(duì)期刊全文和圖書(shū)做了大量碎片化加工，如期刊論文中的研究方法、研究前證據(jù)、材料、討論等；圖書(shū)加工到章節(jié)，包含條目的標(biāo)題、摘要 、關(guān)鍵詞，DOI地址以及售價(jià)。

1)試驗(yàn)設(shè)備

表5 試驗(yàn)設(shè)備

2)試驗(yàn)樣品

線(xiàn)圈組共準(zhǔn)備了3個(gè)樣品，每個(gè)樣品安裝一個(gè)傳感器，傳感器分別放置在線(xiàn)圈的內(nèi)(記為1#)、中(記為2#)、外(記為3#)三個(gè)位置。

3)試驗(yàn)環(huán)境

高溫環(huán)境下的溫度特性測(cè)試在公司試驗(yàn)室進(jìn)行。

測(cè)試場(chǎng)所的溫度27℃～30℃；相對(duì)濕度：20%～80%；大氣壓力：86kPa～106kPa。高溫：+125℃。

4)試驗(yàn)過(guò)程

環(huán)境溫度達(dá)到125℃，線(xiàn)圈加額定電壓，每間隔10秒測(cè)試一次3個(gè)傳感器的溫度，得出平均溫度值；后續(xù)待線(xiàn)圈組內(nèi)部溫度基本恒定，適當(dāng)加大間隔時(shí)間測(cè)試傳感器溫度值。

5)試驗(yàn)結(jié)果及分析

線(xiàn)圈溫度測(cè)試數(shù)據(jù)及溫升曲線(xiàn)如下：

表6 線(xiàn)圈加電后溫度-時(shí)間對(duì)照表

圖8 線(xiàn)圈加電后溫度測(cè)試曲線(xiàn)

測(cè)試結(jié)果表明，高溫加電狀態(tài)下，產(chǎn)品線(xiàn)圈的平衡溫度則高不少，大約為174℃，其最高溫度可達(dá)到175℃左右。

所以，漆包線(xiàn)預(yù)烘烤的溫度須大于等于175℃，且小于聚酰亞胺漆包線(xiàn)的最高工作溫度220℃[10]。在這一溫度區(qū)間內(nèi)，溫度越高釋氣效果越好。

按照不同的高溫烘烤溫度、高真空預(yù)烘線(xiàn)圈組漆包線(xiàn)，與未經(jīng)高溫高真空烘烤的漆包線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，使用HS-GC-MS(頂空進(jìn)樣氣相色譜-質(zhì)譜)分析法測(cè)定線(xiàn)圈組漆包線(xiàn)中揮發(fā)性有機(jī)物的殘留量，詳見(jiàn)下表：

表7 檢測(cè)結(jié)果

從表7可知，高溫高真空預(yù)烘烤線(xiàn)圈組漆包線(xiàn)的參數(shù)確定為：烘烤溫度(190±5)℃、真空度<0.001Pa,在該條件預(yù)烘烤漆包線(xiàn)，可以更有效將漆包線(xiàn)中殘留的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步揮發(fā)去除。

5 結(jié)論

本文針對(duì)漆包線(xiàn)對(duì)電磁繼電器接觸電阻的影響進(jìn)行工藝研究，針對(duì)漆包線(xiàn)潤(rùn)滑劑對(duì)有機(jī)污染的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，采取工藝優(yōu)化方案，根據(jù)效果，得到以下結(jié)論：

(1)漆包線(xiàn)組成中殘留的二甲苯、甲苯、酚類(lèi)等溶劑或稀釋劑，有機(jī)硅，表面潤(rùn)滑劑，在后續(xù)的繼電器烘烤、加電過(guò)程中均會(huì)揮發(fā)出有機(jī)污染物，對(duì)繼電器接觸電阻造成不良影響。

(2)對(duì)漆包線(xiàn)進(jìn)行高溫高真空預(yù)烘烤：烘烤溫度(190±5)℃、真空度<0.001Pa，可以更有效將漆包線(xiàn)中殘留的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步揮發(fā)去除；使繼電器實(shí)際工作溫度下，線(xiàn)圈組不再揮發(fā)出有機(jī)污染物造成觸點(diǎn)存在有機(jī)膜污染，避免觸點(diǎn)因接觸電阻大而失效。