1. 前言

从小轿车、大客车、公共汽车、卡车和房车到火车、通勤列车、地铁、有轨电车和无人驾驶运输车辆，现代个人交通、公共交通和货物运输工具种类繁多。这些交通运输工具提供短途和长途客运交通（包括个体、群体和大批量人群的运输）和货物运输，这些交通工具普遍采用燃料驱动的和电力驱动的发动机。

现代交通工具大量使用电子电气设备，这些重要设备有些事乘客可见的，有些是乘客看不见的，安装的数量取决于交通工具的类型以及主要的应用要求，例如：

• 移动性
• 安全性
• 舒适性
• 能源效率

2. 电气设备及部件

2.1. 电气部件的范围及材料要求

图 1 -连接器和开关。 *从交通工具供电设备、发电机或蓄电池（蓄能系统）到电动马达、电器、传感器或电子设备，连接器和开关在每一个电气部件中发挥重要作用。在凡是用电的场景，都可见到连接器和开关。

近年来，塑料在电气设备的开发和创新中受到重视。塑料具有电气绝缘和隔热的明显优势，也允许设计师设计尺寸更小和重量更轻的部件。塑料应用领域非常广泛，但每种应用必须达到越来越严格的众多不同的国际标准。目前使用的许多不同塑料是为了满足这些五花八门的国际、国内标准定制的。设计师在设计一个特定的部件或组件时，最终的塑料选择在很大程度上取决于塑料的机械、电气和防火性能。

机械性能

例如，选择聚酰胺的原因常常是因为其良好的韧度和刚性。在连接器中，可以设计所谓“活铰链”。这样的连接器容易断开和关闭但不会断裂。韧度对接线板卡扣连接尤其重要，使组装变得容易。聚酰胺通常也具有良好的抗热老化能力。电气部件微型化使部件的工作温度升高，因此，抗老化能力非常重要。另外，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有尺寸稳定性和水解稳定性高的优点。

电学性能

除了体积电阻率和表面电阻率，另一项重要的电学性能要求是用介电强度表示的绝缘效率，测量单位为千伏/毫米。这在纯电动汽车和混合动力汽车（以下统称为“xEV 汽车”）中尤为重要，xEV 汽车要求在高达 150°C 及以上的温度条件下保持介电强度。5G 技术和无人驾驶技术（高级驾驶辅助系统）的应用，需要要求更高的介电常数（Dk）对交流电和信号以及损耗因数（Df）的要求。介电常数越接近 1，信号的传输越好。另一个关键参数是相对漏电起痕指数或 CTI（单位为伏特），该参数表征绝缘材料的电击穿（漏电起痕）性能。

漏电起痕是指绝缘材料表面上的电击穿，大的电压差会在材料表面形成炭化痕迹，从而提供导电通道，导致电击穿。相对漏电起痕指数越高，材料的抗电击穿性能越好。添加某些无卤阻燃剂可使聚合物改性料的相对漏电起痕指数达到与纯聚合物相同的值。

防火性能

塑料暴露于热源或火源时往往容易着火。电能使用或设备故障（可能）会使部件发热，因此，电子电气部件的塑料的消防安全尤其重要。

在欧洲，国际电工委员会（IEC）制定的技术标准规范了连接器和开关的消防安全要求。一些最重要的标准包括 IEC 60898 断路器标准、IEC 60947 工业控制设备标准和 IEC 60335 家用电器标准。除了 IEC 标准，在欧洲和亚洲也采用美国保险商试验所（UL）的标准，例如，UL 94 V-0 标准是全世界任何地区最常用的可燃性要求。IEC 标准认证基于材料测试或成品部件测试，具体取决于最终应用。但是，UL 测试总是对材料进行测试。虽然这些方法存在差异，但所有测试的共同特点是，对引燃火源以及样品暴露于该火源的方式作出了规定。

在为连接器或开关选择合适的聚合物时，必须在消防安全与机械和电学性能之间进行平衡考虑。现在，有多种无卤阻燃剂可供选择，设计者可以优化聚合物组合物。

2.2. 电气设备用无卤阻燃剂概述

金属次磷盐非常适合玻璃纤维增强聚酰胺和聚酯，添加量约 20%，常常与含氮协效剂结合使用。主要优势包括磷含量高（＞ 23%）、不亲水和热稳定性好（＞ 320°C），因此，适合无铅焊料焊接作业。将金属次磷酸盐与含磷协效剂结合使用可进一步提高可加工性。

三聚氰胺聚磷酸盐（MPP）非常适合玻璃纤维增强聚酰胺 6,6。为了达到 UL 94 V-0 的性能要求，添加量约 25%。该产品具有良好的热稳定性（最高耐温 370°C）。三聚氰胺聚磷酸盐常常作为协效剂与磷系阻燃剂结合使用。

三聚氰胺氰尿酸盐（MC）特别适合用于无填料和含矿物填料的聚酰胺，在不含填料的聚酰胺中添加 10 - 15%的三聚氰胺氰尿酸盐可以达到的 UL 94 V-0 防火要求，在含少量玻璃填料的聚酰胺 6 中添加不超过 20%的三聚氰胺氰尿酸盐可以达到 UL 94 V2 的防火要求。三聚氰胺氰尿酸盐常常作为协效剂与磷系阻燃剂结合使用。

红磷是一种单质磷的聚合形式，主要用于玻璃纤维增强的聚酰胺 6,6，添加量为 5 - 8%。由于其固有的颜色，组合物限于红色或黑色。另外，必须考虑防止降解的问题。

芳基磷酸酯（例如，苯二酚双（二苯基磷酸酯））和聚膦酸酯主要添加于苯乙烯类共混物（添加量 10 - 20%）以达到 UL 94 V-0 标准的要求。这些产品常常用作阻燃剂组合物中的共同组分，其缺陷是，在高的加工温度下，可能产生塑化效应和具有一定的挥发性。阻燃剂在聚合物表面渗出可能对电学性能产生负面影响。

氢氧化镁（MDH）作为填料添加至聚合物中。为了达到 UL 94 V-0 的防火要求，添加量高约 45 - 50%。该产品的热稳定性有限，主要用于含少量玻璃纤维的聚酰胺 6。

图 2 - 图片版权 ©BASF

聚磷酸铵与含氮协效剂相结合，可以用于聚烯烃，添加量约 20 - 30%。

关于这些阻燃剂的更详细信息及化学分子式，参见磷氮无机阻燃剂协会电子电气产品小册子。

2.3. 在电气部件中使用的聚合物及合适的阻燃剂体系

下表总结了在不同的聚合物中使用无卤阻燃剂和不同含量的玻璃纤维能够达到的典型技术性能。表中的值仅供参考，精确的性能参数取决于使用的特定聚合物、添加剂组合以及加工条件。

图 3 - 达到 UL 94 V-0 标准要求的 磷氮无机阻燃剂体系示例

3. 电子设备和印刷电路板

3.1. 概述

现在，电子设备发挥越来越重要的作用，这些电子设备可以提高汽车的安全性、舒适性、便捷性等车辆性能。一辆普通轿车包含约 500 个以上的有源电子元件（相当于一台迷你计算机）和多个平方米的印刷电路板（PCB）。如下面所述，已经开发了传感器和响应元件的复杂交互技术，这一趋势还将继续。

图 4 - 汽车电子产品

图 5 - 图片版权 ©A. BEARD

几乎所有电子元器件都被集成到一块印制电路板内。出于安全原因，印制电路板也需要达到相应的阻燃要求，UL 94 V-0 阻燃性标准是最广泛使用的要求。许多印制电路板材料需要添加阻燃剂体系才能达到这一要求。

一块 PCB 版的骨架是一块覆铜箔层压板（CCL），后者由薄铜箔覆盖在通常环氧树脂预浸材料上经层压形成。达到美国电气制造商协会（NEMA）标准的多个等级的阻燃层压板材料用于制造 PCB 板。在 PCB 工业使用的著名预浸材料包括 FR-2（酚醛棉纸），FR-3（棉纸、环氧树脂），FR-4（玻璃布、环氧树脂），FR-5（玻璃布、环氧树脂），FR-6（毛面玻璃、聚酯）。

《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的欧盟指令》（2011/65/EU（RoHS 2）+（EU）2015/863（RoHS 3））已引起了基材市场的变化 ，因为该指令自 2006 年 7 月起禁止使用含铅（Pb）的产品，除非其使用被明确豁免。过去，铅被用作易熔金属合金中的焊料。无铅焊料的工艺温度更高，因此，必须重新设计基材组合物。

许多制造商在开发新材料时利用这个机会改用了无卤阻燃剂。

3.2. FR-4 级印刷电路板的技术要求

FR-4 级 PCB 板采用由玻璃纤维增强的环氧树脂制造，最普遍应用于电子工业（约占 80%），这类 PCB 版必须达到多项要求：

• 经过高压蒸煮试验（PCT）之后，不起泡、不分层
• 在无铅焊接过程中不分解、不分层
• 具有耐酸、耐碱和耐氧化剂化学侵蚀能力
• 不吸水或吸水很少
• 耐内部层压板电迁移（导电阳极丝）
• 热胀系数（CTE）小
• 对玻璃化转变温度（Tg）无影响或影响很小
• 对电学性能尤其介电常数 Dk 和介质损耗 Df 无影响或影响限小
• 对铜箔抗剥离强度和内层附着力无影响或影响很小
• 对压合制程预浸材料的树脂流动无影响
• 在光学性能方面，不存在需要进行质量检测的团块

3.3. 反应型阻燃剂和树脂改性

反应型阻燃剂与聚合物化学键合，解决了蒸气化等大部分迁移问题。

DOPO（ 9,10-二氢-9-氧杂-10-膦杂菲-10-氧化物）是一种含 P-H 键的环状次膦酸。P-H 键是一种单官能团，但是，可以进行多次改性，通过适当催化，可以被接枝至 C=C 链或与环氧基反应。现在，DOPO 可以被视为主要基本材料，用于制备含磷环氧树脂（玻化温度高达 150°C）。可以通过商业途径从不同供应商处购买 DOPO。为了满足 PCB 市场不断增长的需求，过去几十年，全球 PCB 产能一直增加。

聚（1,3-亚苯基甲基膦酸酯）：该产品拥有羟基，能与聚合物反应，可作为环氧树脂固化剂。建议将其与氢氧化铝或一水氧化铝结合使用。据报告称，该产品具有耐高温稳定性（高压蒸煮试验表明，其玻化温度高）。

最近，市场上推出了含环氧基和羟基的磷系反应型阻燃剂（例如，膦酸酯低聚物）。

3.4. 非反应型填料

金属氢氧化物

无论单独使用或与其它阻燃剂结合使用，金属氢氧化物无机物都是有效的阻燃剂。其作用机理是，在热分解期间吸收热量，释放水和生成氧化物膜，能冷却聚合物，稀释燃烧气体产物，并通过生成氧化物膜保护聚合物基质。另外，氧化物膜还可以吸附烟灰微粒，降低烟密度。这些无机阻燃剂的另一个重要优点是，能将聚合物的热胀系数降低至很低。

氢氧化铝（ATH）

虽然人们担心氢氧化铝仅具有中等热稳定性（普通氢氧化铝在约 200°C 开始分解），但是，该产品仍在无卤阻燃剂组合物中使用。如果单独使用，添加量必须相当高才能达到燃烧性能要求。因此，氢氧化铝常与其它阻燃剂结合使用。

图 6 - 含电子元器件的印刷电路板 图片版权 ©NABALTEC

一水氧化铝（勃姆石）

改用工作温度更高得多的无铅焊料对氢氧化铝是一项挑战。该产品可以被一水氧化铝（勃姆石）替代，后者在高达 340°C 时具有耐高温稳定性，因此，在无铅焊接过程中，不会发生分解和释放水（水可加快导电阳极丝效应，CAF）。含勃姆石的层压板具有非常高的热稳定性，最终得到的可靠性非常高的产品既适合长期使用，也适合在高温下使用，例如，在汽车产品中（“在发动机罩下面”）使用。但与氢氧化铝相比，勃姆石的阻燃效率较低，因此，建议将其与其它无卤阻燃剂或基于线型酚醛树脂的环氧树脂阻燃剂体系结合使用。

金属次磷酸盐和三聚氰胺聚磷酸盐

金属次磷酸盐是另一种常用无卤阻燃剂，可以用于刚性和柔性 PCB 板或类似产品。与大部分其它含磷化合物不同，金属次磷酸盐不具吸湿性，在水和常用溶剂中的溶解度极低，在有水存在时不会发生水解。不水解这一点尤其重要，因为在电子电气应用中，不容许释放磷酸。其它重要优点包括磷含量高（＞ 23%）和热稳定性好（＞ 300°C），适合无铅焊料焊接作业。电学性能测试显示，即使在大大高于 1 吉赫的频率下，Dk 和 Df 基本不受影响。但单独使用金属次磷酸盐不能达到 UL 94 V-0 阻燃等级要求，该产品通常与含氮协效剂（例如，三聚氰胺聚磷酸盐）结合使用，用于改性（含磷或氮）环氧树脂或其与其它聚合物（氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂等）的共混物。为使 1.6 - 0.05 毫米厚度的层压板达到 UL 94 V-0 阻燃等级，首先可以考虑在清漆配方中添加 15 - 20%（重量百分比）的金属次磷酸盐，当然金属次磷酸盐的用量需要根据清漆主要组分的化学性质调整。例如，与一种磷改性环氧树脂结合使用时，建议金属次磷酸盐的添加量为 15 - 20 phr（每百份树脂所用份数）。

金属次磷酸盐也适用于柔性印制电路板胶粘剂。

三聚氰胺聚磷酸盐该产品具有良好的热稳定性，对玻化温度的影响小，可以与其它阻燃剂（例如，次磷酸盐、矿物）结合使用。

4. 娱乐和信息系统壳体材料

4.1.前言

在旅途中，尤其在长途旅行中，人们需要娱乐和信息娱乐活动，交通工具常常提供这些活动设施。电子产品壳体是电子工业的一个细分市场，为音频、视频、DVD 和游戏设备等消费品及信息技术产品提供壳体。这些壳体由不同类型的聚合物树脂制成，例如，高抗冲击聚苯乙烯（HIPS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物（PC/ABS）以及聚苯醚（PPE）/高抗冲击聚苯乙烯共混物（PPE/HIPS）。

根据国际标准，用于生产这些壳体的塑料应达到高的消防安全标准，例如，UL 94 V-0 防火等级或类似阻燃标准。一般来说，使用纯聚合物树脂不可能达到这些要求。

因此，需要在聚合物组合物中添加阻燃剂。在电子产品壳体细分市场，无卤磷系阻燃剂越来越重要，电子工业倾向于改用更可持续的阻燃剂。除了达到消防安全等级要求，这些聚合物树脂-阻燃剂组合物还必须达到其它要求，例如：

• 可加工性

  熔体流动性好，确保良好的可加工性，提高加工产能

• 热稳定性

  尤其要求具有高的热变形温度（HDT）

• 机械性能

  尤其要求具有高的抗冲击强度

• 水解稳定性

  要求具有高的抗水解能力

• 可循环利用性

  聚合物树脂必须易于分离，可以通过标准的工艺实现循环利用

• RoHS 和 WEEE 指令

  聚合物树脂必须符合 RoHS 和 WEEE 指令

4.2. 电子产品和信息娱乐系统壳体用磷氮无机阻燃剂

PPE/HIPS 共混物

添加芳烃磷酸酯、磷酸三苯酯、苯二酚双（二苯基磷酸酯）、双酚 A 双（二苯基磷酸酯）和聚膦酸酯，可以使聚苯醚/高抗冲击聚苯乙烯共混物（PPE/HIPS）具有阻燃性，为达到 UL 94 V-0 防火等级，聚苯醚的典型添加量为 30 - 70%。这些共混物也含 10 - 20%的磷酸三苯酯、苯二酚双（二苯基磷酸酯）、双酚 A 双（二苯基磷酸酯）或聚膦酸酯。

PC/ABS 共混物

磷酸三苯酯、苯二酚双（二苯基磷酸酯）、双酚 A 双（二苯基磷酸酯）和磷酸酯-碳酸酯共聚物是适用于聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共混物（PC/ABS）的无卤阻燃剂。阻燃剂的添加量取决于 PC/ABS 共混物中 PC 与 ABS 的比值。在市售的 PC/ABS 共混物中，ABS 的含量通常不超过 25%，与抗滴落剂结合使用，上述阻燃剂的添加量 8 - 15%（重量百分比），可以达到 UL 94 V-0 防火等级。常用的抗滴落剂是聚四氟乙烯，添加量不超过 0.5%（重量百分数）

图 7 - 图片版权 ©LANXESS