非金属材料认证在家电产品认证中的应用

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简介:The Application of Non-metallic Material Certification in the Household Appliances Certification摘要:家电产品中非金属材料的电气、耐热、阻燃、物理机械、老化等性能对于产品质量具有至关重要的作用,本文主 ...
测试耗材

The Application of Non-metallic Material Certification in the Household Appliances Certification

摘要:家电产品中非金属材料的电气、耐热、阻燃、物理机械、老化等性能对于产品质量具有至关重要的作用,本文主要介绍了该类认证的主要内容及认证结果的应用,有利于提高家电产品中非金属材料质量和可靠性。
关键词:非金属材料;认证;耐热;阻燃;老化
Abstract:In the household appliances, the performances of non-metallic material, such as electric, heat-resistance, flame retardant, physical and mechanical properties, and ageing, play an crucial role in the product quality. This paper mainly introduces the main part of this kind of certification and the application of certification result, which is beneficial to improve the non-metallic material quality and reliability in the household appliances.
Key words:non-metallic material;certification; heat-resistance;flame retardant;ageing

  前言
  家用电器产品中大量地使用了一些非金属材料,如塑料、橡胶等。这些非金属材料主要起绝缘、防触电、支撑、固定等作用。出于安全的角度,家电产品的国家和国际安全标准中,均要求其所使用的非金属材料及其零部件必须具有充分的耐热、耐燃、耐电痕化、电气强度、机械强度等性能,以保证其在产品工作过程中的安全性。以国标为例,据现行国家标准GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分:通用要求》中第30条款的要求:对于非金属材料制成的外部零件、用来支撑带电部件(包括连接件)的绝缘材料零件以及提供附加绝缘或加强绝缘的热塑性塑料材料零件,其恶化可能导致器具不符合本标准,应充分耐热;非金属材料零件,对点燃和火焰蔓延应是具有抵抗力的。
  因此,为了防止家电产品出现火灾、触电、短路等危险,根据材料的特性正确选用非金属材料是非常重要的。如果产品中非金属材料选用不当,容易导致产品损坏或不合格。家电产品的可靠性在很大程度上依靠材料的可靠性(材料的老化性能),材料的老化性能是材料本身在长期的工作环境中保持固有特性的稳定能力。因此,家电产品中非金属材料的电气性能、耐热性能、阻燃性能、物理机械性能、老化性能等对于产品的电气、防火、机械等安全要求以及产品的可靠性具有至关重要的作用。

  1 非金属材料认证的内容
  认证是指由第三方确认产品、过程和服务符合特定要求,并给予书面保证的程序。非金属材料认证是中国质量认证中心(CQC)开展的针对非金属材料及其零部件性能的CQC标志认证,对用于电子电气产品中的非金属材料和零部件进行电气性能、耐热性能、阻燃性能、物理机械性能、老化性能等进行测试和评价,建立公开的认证数据库,并通过持续监督保证其性能和材质持续保持稳定。认证的内容主要包括以下几个方面:
  1.1 耐热性能
  耐热性能的测试和评价主要依据GB/T 5169.21标准对材料进行球压试验。聚合物材料一般受热会软化,从而影响材料的其它性能,如机械性能、电绝缘性能等,进而引发产品的安全隐患。球压试验作为电工产品的非金属材料的耐热试验,用于评估电工产品及其零部件的固体绝缘材料(不包括陶瓷)的耐热性能。试验过程是用一个20 N±0.2 N 的负荷通过半径2.5 mm 的钢球压在厚度不小于3 mm 的平面样品表面,在试验温度下保持1 h,冷却后测量压痕的尺寸。通过压痕尺寸大小来评估样品在试验温度下的耐热软化情况。规定压痕最大尺寸不超过2.0 mm 为合格。与产品中针对具体零部件进行的球压试验不同的是,在非金属材料认证中进行的球压试验,通常并不是按照某个指定温度来进行试验并判定该指定温度下的结果是否合格,而是以5℃为间隔,逐步升温,在每个温度下进行球压试验,直到结果出现不合格。最终给出的结果是球压试验合格的最高温度值。
  1.2 阻燃性能
  阻燃性能的测试和评价主要包括灼热丝试验和燃烧等级试验。灼热丝试验是依据GB/T 5169.10~GB/T 5169.13标准进行。在电工产品内部,一定条件下,例如流过导线的故障电流、元件过载以及不良接触的情况下,某些元件会达到某一温度而使附近的可燃材料起燃。灼热丝试验就是利用模拟技术评定灼热元件或过载电阻之类的热源在短时间内造成热应力影响的着火危险性。试验的灼热丝是一个规定的电阻丝环,用电加热到规定的温度,使灼热丝的顶端接触样品达到规定的一段时间(30 s),观察和测量样品的燃烧情况,并以此评估样品对试验温度的灼热试验等级。非金属材料认证时,通常会对指定厚度的样品进行试验,以25℃为间隔,逐步升温,在每个温度下进行灼热丝试验,直到样品出现不合格或发生起燃。灼热丝结果通常会给出两个值,一个是灼热丝可燃性指数(GWFI),表示该样品在指定厚度下的灼热丝试验合格最高温度;另个一是灼热丝起燃温度(GWIT),表示该样品在指定厚度下的灼热丝试验发生起燃最低温度。
  除了灼热丝试验以外,另一个评价阻燃性能的方法就是燃烧等级试验,燃烧等级试验作为着火预选试验是对材料进行的燃烧特性试验,试验是评估材料在试验火源点燃下的燃烧情况,依据GB/T 5169.16标准进行。将指定厚度的样品进行水平或垂直状态的燃烧试验,根据燃烧的速率、余焰余灼、滴落物等现象,可将材料划分为不同等级,水平燃烧等级有HB75、HB、HB40,垂直燃烧等级有V-2、V-1、V-0。
  1.3 耐电痕化性能
  绝缘材料在电场的作用下,由于受到水和杂质的污染,在表面形成闪络现象,慢慢破坏材料的绝缘结构,形成导电通道,造成短路,这种现象就是电痕化。耐电痕化性能主要是依据GB/T 4207标准对样品进行耐电痕化试验。在非金属材料认证中,通常并不在指定的电压下对样品进行试验,而是以25V为间隔,逐步提高试验电压,在每个电压下进行试验,直到试验样品出现不合格。最终结果以相比电痕化指数(CTI)表示,其结果值的含义为该材料进行电痕化试验的合格的最高电压值。
  1.4 电气性能
  电气性能的测试和评价主要包括了电气强度、体积电阻率和表面电阻、介电常数等。电气强度(介电强度)是指绝缘材料在电场作用下被击穿的单位厚度的电压。所有的绝缘材料都是在一定的电场强度内是保持绝缘的,高于一定电场强度后其绝缘性会被破坏产生击穿现象。电气强度测试按照标准GB/T 1408.1进行,试验是在绝缘材料两边施加连续变化的电压,当电压超过一定值时试验样品被击穿,该电压就是样品的击穿电压。样品的击穿电压与样品厚度有关,厚度越大,击穿电压越高。所以试验规定了样品的厚度值,击穿电压与厚度的比值就是电气强度。
  体积电阻和表面电阻都是表征材料的电绝缘性能。体积电阻是在试样的相对两表面上放置的两电极间所加的直流电压与流过电极间的稳态电流之商;表面电阻是在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商。试验按照标准GB/T 1410进行,体积电阻和表面电阻可以同时进行测试,但测试表面电阻时或多或少的总要包括体积电阻,所以只能近似测量表面电阻。
  介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数。电介质在交变电场作用下,所积累的电荷有两种分量:(1)有功功率。一种为所消耗发热的功率,又称同相分量;(2)无功功率,又称异相分量。异相分量与同相分量的比值即称为介质损耗。通常用正切tanδ表示。介电常数和介质损耗按照标准GB/T 1409进行,可同时测得。试验通过一定电路测定以样品材料为介质的电容,计算出样品的介电常数和介质损耗。测量结果受频率、温度、湿度和电场强度的影响。
  1.5 物理机械性能
  物理机械性能评价主要包括拉伸、弯曲、冲击、压缩等性能。拉伸试验是评估材料受到拉伸力的情况下材料会伸长、变形、产生应力、甚至发生断裂的特性。塑料、橡胶和泡沫材料分别按照GB/T 1040、GB/T 528、GB/T 6344标准进行。试验时通过夹住标准样条两头的夹具分离产生对样品的拉伸力,夹具分离速率即样品拉伸速率为可控。记录样品在整个拉伸过程中的受力以及事先在样品上做好的两个标记线间的距离,直到样品发生断裂。可以测定样品的拉伸强度、拉伸模量、拉伸断裂强度、拉伸断裂伸长率等性能。
  弯曲试验采用三点式的弯曲模型进行,塑料和泡沫材料分别按照GB/T 9341、GB/T 8812标准进行。试验时在样品下面规定长度的两端上给予两个支撑,在两个支撑点的中心点样品的上方通过速率可控的压头移动来施加压力,使样品产生弯曲变形。记录弯曲过程受力及样品变形的位移,可以测得样品的弯曲强度、弯曲模量等。
  冲击试验是评估材料受到外界冲击力产生断裂的抵抗能力。冲击试验有两种,一种是悬臂梁冲击,一种是简支梁冲击。这两个试验方法的区别在于:悬臂梁冲击是让条形样品垂直放置,夹住样品下半部,试验冲击摆锤作用在样条中部,摆锤运动平面与样条长度方向处于一个平面;简支梁冲击是让样条水平放置,两端从冲击方向的后面支撑,摆锤作用于样条中部,摆锤运动平面与样条长度方向垂直。样品可以是有缺口(标准化的缺口)或者无缺口,通过摆锤冲击将样品破坏后根据摆锤的剩余能量可以测得样品被破坏消耗的能量,即可测得样品的冲击强度。
  压缩试验是用于评估材料受到压缩后的应力、应变以及被破坏的特性。塑料和泡沫材料分别按照GB/T 1041、GB/T 8813标准进行试验,试验通过上下两个平面压块作用于样品表面,产生压力,观测样品受压过程中的应变、应力以及破坏点。可以测定压缩强度、压缩模量以及压缩应变。
  1.6 老化性能
  塑料暴露于自然或人工环境条件下性能随时间变坏的现象称为老化现象。老化试验就是模拟自然或材料使用环境对样品材料进行处理,使其按照符合实际情况的机理进行正常或加速老化。可按照标准ISO 4665进行。老化性能的结果评价通常是基于材料的某种性能,如拉伸性能、电气强度等,经过某种条件一定时间的老化后,其考察的性能还能保持在什么样的程度。
  1.7 材料的身份认定(指纹图谱)
  非金属材料认证制度为了对所认证的材料进行有效的控制,引入了指纹图谱的测试技术,主要通过非金属材料的红外光谱、差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TGA)所形成的图谱和曲线对材料进行识别。将认证材料的这些图谱和曲线保留并放入数据库中,在后续的监督中,对所监督的材料进行红外光谱、差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TGA)试验,试验结果与数据库的图谱和曲线进行对比。当谱图和曲线存在较大差异时,认为材料本身发生比较大的变化,需要进行各种性能的监督检测。

  2 非金属材料认证结果的应用
  在家电的产品认证中,对于非金属材料的要求正逐步从单纯的部件要求逐步扩展到对材料和部件共同要求。例如在GB 4706.1-1998的标准中对于无人照看器具中支撑带电部件的绝缘部件要求是“该零部件通过灼热丝750℃试验”,而在GB 4706.1-2005的标准中规定“对于无人照看器具中支撑带电部件的绝缘部件,该部件需通过灼热丝850℃试验,或者如果制成该绝缘部件材料的GWFI超过850℃也认为满足标准要求”。这说明基于对家电要求进行的针对其非金属材料的特性试验结果,可以直接用于该材料制成的用于家电产品的部件的合格评价。但是由于在材料制成制品后,材料的有些性能能直接传递,不会随着尺寸变化而变化,有些性能则会随着尺寸发生一定变化趋势,所以,在家电产品中应用材料认证的结果时,需要对性能结果进行核实。
  2.1 耐热性能
  耐热性能能够直接传递,不会因为尺寸的改变而改变,所以其结果值可以直接应用,以此判定是否符合整机标准要求。例如,证书中给出的球压试验最高合格温度为80℃,当该材料制成的部件用于外壳时,由于外壳耐热要求为球压75℃通过,所以可以判定合格。当该材料制成的部件用于支撑带电的绝缘部件时,由于耐热要求为球压125℃通过,所以判定为不合格。
  2.2 阻燃性能
  阻燃性能能够直接从材料传递给部件,但会受到厚度的影响,因此,在测定阻燃性能时都会在某一个指定的厚度下进行。相同的材料,样品越薄阻燃性越差,样品越厚阻燃性越好,因此,在进行材料认证时,往往会采用一个较薄的样品进行试验,其试验结果可以被较厚的样品直接采用。例如,某材料认证的燃烧等级在样品厚度为1.0 mm使达到了V-0级,那么可以认为,厚度大于1.0 mm的样品燃烧等级肯定也能达到V-0级。但厚度小于1.0 mm的样品,由于厚度变小阻燃性能会变差,则不一定能达到V-0级。基于这个原因,对于家电产品中的非金属部件,如果部件厚度不小于材料认证中样品的厚度,则材料认证的结果可以直接用于该部件。反之,则不能直接采用。直接采用的结果通常是GWFI、GWIT、燃烧等级等,可以与家电产品标准对材料的要求进行直接比较,并判定结果是否符合标准要求。例如标准要求GWFI至少850℃,目前材料认证的结果为GWFI 800℃,可以判定不合格。
  2.3 耐电痕化性能
  耐电痕化性能可以直接从材料传递给部件,不受部件尺寸的影响。结果可以直接与标准的要求进行比较来判定是否合格。例如产品标准要求某部件的耐电痕化指数最少175V,目前,该部件的材料的认证结果为CTI 250,就是说该材料能够通过的最高电压为250V,因此判定为合格。
  2.4 电气性能
  电气性能都是以单位厚度或体积的性能来表征,因此,在产品部件中的相关性能与部件尺寸有关系。例如某部件要求耐压5000V,该部件的材料认证结果其电气强度为2 kV/mm,表示该材料每1mm能够承受的击穿电压不超过2kV,要达到标准耐压5000V的要求,则该部件厚度不能小于2.5 mm。同理,部件的体积电阻需要用材料的体积电阻率乘以部件的体积来进行计算。
  2.5 物理机械性能
  材料的物理机械性能是单位面积或厚度的各种性能,所以产品部件的相关性能与部件尺寸有关系。例如,某材料的无缺口冲击强度为100 kJ/m2,该材料制成的部件在产品中要求为能耐0.2J的冲击,则该部件的横截面不能低于2 mm2,以此可以通过部件的横截面来判定部件是否合格。同理,拉伸、弯曲、压缩性能等都可以以此来类推。
  2.6 老化性能
  老化性能是材料的固有属性,与材料尺寸没有关系,因此材料的老化性能是可以直接用于部件的,但需要注意的是老化性能是基于某种性能的,例如某材料基于电气强度的热老化结果,1000h后电气强度下降了1%,该结果只基于电气强度的结果,不能直接用于其它性能。
  2.7 材料的身份认定(指纹图谱)
  材料的指纹图谱主要用于材料的一致性监控和判定。对于认证过的材料,在数据库中已经有该材料的红外、DSC和TGA图谱的存在,可以对抽查的材料和部件的红外、DSC和TGA图谱进行比较以判定材料是否保持一致。如果材料发生变化,或者在部件的加工过程中加入一些其他成分(颜料、脱模剂除外),则其图谱和曲线会全部或部分发生变化,只要其中一种图谱和曲线发生变化,则认为材料已经发生了较大变化,需要对其性能进行重新确认以满足标准要求。例如某外壳件的抽查结果图谱比较如下:
  三种图谱和曲线的结果重合非常一致,材料未发生改变,判定材料保持一致。这种利用图谱来判定材料一致性的手段,弥补了家电产品无法识别材料一致性的缺点,同时较简单、快速,避免了一些耗时耗成本的性能试验如老化性能试验等,能迅速有效地对材料的一致性进行识别。

  3 非金属材料认证的应用在家电产品认证中的作用
  (1)材料认证的结果可以用于家电产品中相应部件合格判定,通常无需再对非金属部件进行随机测试。同时,对于那些由于尺寸较小或较复杂而无法进行有关性能评估的非金属部件,通过材料认证的结果可以进行有效的性能评估。
  (2)相同材料做成的不同零部件,可以根据其材料特性和部件尺寸进行有效评估,无需针对不同部件进行多次测试评价。
  (3)对于同一牌号的多种颜色样品,可以通过几种典型颜色的样品认证覆盖全色的样品,避免每一种颜色重复检测。
  (4)一张证书的材料可以用于多种产品和零部件,避免重复测试,节约成本。
  (5)通过材料认证的指纹图谱能快速、准确的对材料的一致性进行判定,满足家电产品认证对一致性控制的要求。
  (6)非金属材料认证的结果通常测试的是某一性能的极限值,对于家电产品设计时对于非金属材料的筛选有无可比拟的优势。

  4 总结
  (1)非技术材料认证是CQC推出的针对非金属材料及其零部件性能以及材质一致性的标志认证,认证结果与家电产品认证对非金属材料的认证要求保持一致。
  (2)非金属材料认证的结果可以直接或经计算后用于产品的合格判定。
  (3)非金属材料认证对于材料一致性控制和非金属材料的设计筛选有无可模拟的优势。
  (4)从产品控制角度出发,大力发展非金属材料认证有利于家电产品中非金属材料质量的提高和控制,同时有利于保持产品的可靠性。

 

图1 某外壳件的红外图谱比较

图2 某外壳件的DSC 曲线比较


图3 图2 某外壳件的TGA 曲线比较


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