提高电容器用BOPP薄膜耐温性能探讨

提高电容器用BOPP薄膜耐温性能探讨
摘要：从原料、工艺等方面对提高电容器用BOPP薄膜耐温性能进行了分析，提出了聚丙烯薄膜耐温性指标、原料指标和关键工艺点。

关键词：电容器BOPP薄膜耐温性能结晶度热收缩率1前言
由于电容器用双向拉伸聚丙烯薄膜具有较高的机械性能和电气性能，聚丙烯薄膜电容器的使用范围越来越广。

为满足电气装置小型化和元件密集化的发展要求，提高聚丙烯薄膜电容器的最高使用温度，特别是在交流回路上使用的电容器，不仅要抑制电容器元件的内部发热，而且要考虑使用的环境温度。

例如，在路灯等照明稳定器上使用的交流回路及马达控制回路上使用的电容器，电网补偿用各种高低压电容器、空调马达启动用电容器、城市轻轨机车用电容器等对电容器的耐热性能有着更高的要求。

用普通BOPP薄膜卷绕而成的电容器随着其工作时间的加长，其内部温升较快，导致电容器的稳定性急剧下降，甚至造成电容器失效，给电气整机或电网带来严重的安全隐患。

因此要求电容器具有较高的使用温度。

作为电介质使用的聚丙烯薄膜耐温性要求：①短时间的快速加热产生的机械变形，即热收缩率适当地小；②在高温下膜的电性能优良；③高温下电性能随时间下降得尽量少。

根据聚丙烯的熔点为165℃这一物理限制，进一步提高电容器用聚丙烯薄膜的使用温度应该是可行的。

2聚丙烯薄膜耐温性指标分析
众所周知，薄膜的耐温性能与薄膜的热收缩率密不可分，高的薄膜热收缩率可导致收卷后膜卷硬度过大，卷绕过紧，从而使薄膜易粘结或在高速分切情况下破裂；在蒸镀Al或Zn时会因过高的热能转换导致薄膜收缩造成金属层皲裂；电容器心子在热聚合时端面易倒伏，造成喷金层剥离或喷金附着力差。

上述因素将导致电容器质量缺陷，这也是为什么要提高薄膜耐温性的原因。

因此，用薄膜的热收缩率指标来衡量聚丙烯薄膜的耐温性能是必然的，但两者之间究竟是什么关系目前尚无定义。

作者查阅相关资料，日本学者提出聚丙烯薄膜在120℃温度下放置15分钟，其横向热收缩率≤1％，纵向热收缩率≤3％（或者横向和纵向热收缩率之和≤4％），薄膜的灰分和内部雾度的积小于10ppm％，等规度大于98．5％的聚丙烯薄膜电容器的最高使用温度可从原来的85℃最高再提高20℃。

因此，提高薄膜的耐温性能，应从聚丙烯薄膜的热收缩机理、原料、工艺等方面进行分析。

3聚丙烯薄膜的热收缩机理分析
分子链的刚柔表征链运动的自由性，链愈柔顺，链段愈容易运动、分离，熔点低，耐热愈差。

大多数高分子链具有柔性，高分子聚丙烯也不例外，在不受外力作用时自发趋于卷曲形状。

电容器用双向拉伸聚丙烯薄膜是通过在一定温度下对聚丙烯粒子的挤出、铸片成型、纵向拉伸、横向拉伸、收卷等过程完成的。

聚丙烯薄膜的热收缩率受其柔性影响，首先表现为薄膜应力的松弛，刚收卷的薄膜热收缩率较时效后的薄膜大；其次，聚丙烯薄膜在纵向和横向拉伸过程中的分子取向无法做到完全的规整排列，薄膜中存在晶区和非晶区，非晶区域也即薄膜中的空洞，给薄膜的收缩提供了空间，薄膜在120℃温度环境下，聚丙烯分子获得能量，使其足于克服主链单键旋转位垒时，链段和整个分子的运动加剧，分子链再次趋于卷曲，出现热收缩。

4原料分析
在合成高聚物的晶体中，分子链通常采取比较伸展的构象。

聚丙烯是具有较大取代基的高分子链，采取螺旋形构象，在晶体中作紧密堆砌时，采取主链中心轴互相平行的方式排列，高分子一旦结晶，排列在晶相中的高分子链的构象就不再改变。

如果聚合物的主链结构具有一定的规整性，高分子链能结晶，结晶造成分子的紧密集聚，增强了分子间的作用力，结晶度愈高，熔点愈高，其耐热性能将提高。

因此，提高薄膜耐温性的关键是提高薄膜的结晶度，使薄膜中的分子排列规整，减少非晶区。

而高聚物分子中取代基团的对称性直接影响薄膜的结晶，为此，如要提高聚丙烯薄膜的结晶度，首先要提高原料的等规度。

目前，国内电容器膜用聚丙烯粒子的等规度一般在96％，结晶度为40％，而采用等规度为98．5％以上的聚丙烯原料，可使结晶度提高到50％。

5工艺分析
高聚物的分子结构是能否结晶的根本原因，但高聚物能否实现结晶，还必须有一定的外部条件。

欲使结晶过程能自发地进行，体系的自由能必须减少，即ΔG ＝ΔG晶－ΔG非晶＜0。

根据高聚物结晶过程分析，影响聚合物结晶的外部条件有两个：
1）温度
当聚合物温度接近熔点Tm时，链段迁移扩散容易，而晶核形成困难，成核速率小；当温度接近玻璃化温度Tg时，成核速率大，而分子链扩散进入晶格困难，晶体生长慢。

一般在Tm和Tg之间有一个最大结晶速率的温度，它与Tm 的关系粗略地服从Tmax≌0．85Tm。

2）进行拉伸或应力取向
在拉伸过程中，原来卷曲的分子链伸展开来，其构象大大减少，分子排列有序性提高，拉伸后的熵S非晶比拉伸前的熵非晶为小，因此，拉伸取向有利于结晶。

另外，拉伸后的薄膜在张紧的情况下进行热处理（热定型），即在高于拉伸温度，低于熔点温度的某一适宜温度（该过程温度控制在聚合物最大结晶速率的温度Tmax，接近于一种等温和静态的结晶过程）对薄膜进行热处理以加速聚合物二次结晶或后结晶过程。

热处理为一松弛过程，通过适当的加热（通常为几秒）能促使分子链段加速重排以提高结晶度和使晶体结构趋于完善，后冷却至室温，其内部分子链的相对位置不易发生移动。

而且聚合物中晶体（微晶）类似“交联点”有限制链段运动的作用，高结晶度微晶密度较高，使大分子链非晶部分变短，因而聚合物的耐热性能得到提高。

因此，提高双向拉伸聚丙烯薄膜耐温性能的工艺关键点为：
（1）挤出温度和激冷辊温度的控制；
（2）薄膜拉伸温度的确定；
（3）热定型温度的确定；
（4）纵向和横向拉伸比的确定。

6结论
通过采用等规度98．5％以上的电工用聚丙烯原料和合理的BOPP双向拉伸工艺，降低薄膜的热收缩率，提高薄膜的耐温性能是完全可能的。

同时，由于聚丙烯薄膜结晶度的提高，分子链排列规整，薄膜的拉伸强度和介电强度也得到了提高。

国外已有相关产品，我公司通过采用高等规度原料并优化拉伸工艺，也已生产出耐温性能明显提高的电容器用聚丙烯薄膜。

参考文献：［1］天津大学化工系高分子教研室编．高分子物理［M］．1979年4月
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