案例分享 | 连接器母座螺纹管断裂失效分析
2026-03-03PC是一种常见的工程塑料，具有强度高、韧性好、收缩率较低、绝缘性能优异等特点，广泛应用于电子电气产品的外壳和绝缘部件。但PC材料成型的制件易发生应力开裂，限制了其在某些产品设计上的应用。
塑料应力开裂是指由低于塑料机械强度的各种应力引起塑料件内部或外部的开裂，这类开裂受所处环境影响（如液体或气体分子侵蚀）而加速发展，通常称为ESC。
现有研究主要集中在材料特性、不同溶剂和成型工艺等对应力开裂的影响，针对其他塑料对PC塑料件应力开裂的影响鲜有报道。本文针对某电气设备中PC塑料件开裂的失效进行分析，探讨了开裂形成的原因和机理，得出了产品设计时材料选型与应用的又一注意事项。
1 失效情况 2 结果与讨论 连接器母座的螺纹管位于电气设备内部，可排除外部环境对断裂失效的影响，应在设备内部寻找失效原因。取断裂失效的连接器和未断裂的连接器进行对比分析，通过SEM、FTIR、GC⁃MS、TG和DSC等分析方法确认失效原因。 采用SEM对断面进行观察，结果见图2。可以看出，断口表面基本垂直于螺纹旋转轴方向，断口比较平齐，尤其是螺纹内侧面平如镜面。由内侧面向外侧面，出现了放射状条带，条带部位有一些分裂的碎片。整个图片呈现突出的脆性断裂的特征，无明显的塑性形变残存。根据图2断面特征可以推断断口裂纹起源于螺纹内侧，向螺纹外侧面扩展，主要断裂模式为脆性断裂。此外，从图2（b）和（d）断口放射状条带的图片发现有疑似腐蚀导致的碎片和孔洞状形貌。图2与文献报道的PC材料ESC现象断口特征类似，断面都很光滑，断口有放射状条带和残留碎片，因此，推测断裂的原因可能是化学腐蚀导致的环境应力开裂。 图2 连接器断裂面的SEM照片 初步分析，造成图2中螺纹管脆性断裂的原因可能是异物侵蚀，即根据图2推测可能受到化学腐蚀，但也有可能是材料批次差异导致断裂，即断裂产品的材料性能较差。从失效分析角度考虑，需要对影响因素进行逐个排查。以下通过FTIR、DSC、TG和GC⁃MS等方法对断裂样品和未断裂样品的材料差异和断裂面是否存在异物进行分析。 对断裂样品和未断裂样品进行FTIR分析，取样品远离螺纹处的另一端的塑料外壳进行衰减全反射分析，结果见图3。图3呈现了PC材料的特征吸收峰，其中2800~3000cm-1为—CH3和—CH2—对称伸缩振动峰与不对称伸缩振动峰，1770cm-1处为—C=O伸缩振动峰，1596、1504 cm-1处为苯环特征吸收峰，与文献报道的一致。对比图3中断裂样品和未断裂样品的特征吸收峰，可以发现两者基本一致，因此，两者在FTIR谱图上无明显区别。 图3 断裂样品和未断裂样品的塑料外壳的FTIR谱图 为进一步确认断裂和未断裂样品的塑料外壳材料是否存在差别，对两者进行DSC和TG分析。DSC测试时先以20 ℃/min的速率程序升温至280 ℃去除热历史，程序降温后再以20 ℃/min速率二次升温，二次升温曲线见图4。从图4中可以看出，断裂样品和未断裂样品的Tg非常接近，均为146 ℃左右。TG测试以20 ℃/min的速率升温至800 ℃，测试结果见图5。从图5可以看出，两者的热失重曲线几乎完全重叠。将DSC测试的Tg和TG测试的起始分解温度（Tonset）等列于表1。表1中断裂样品和未断裂样品的Tg、起始分解温度和残留质量非常接近，结合FTIR光谱分析的结果，可以认为断裂样品和未断裂样品的材料几乎无差别。 图4 断裂样品和未断裂样品的塑料外壳的DSC曲线 图5 断裂样品和未断裂样品的塑料外壳的TG曲线 表1 DSC和TG测试结果 为了确认是否有异物侵蚀，取断裂样品和未断裂样品的螺纹处塑料置于样品测试瓶中于180 ℃加热5 min，对其有机挥发成分进行GC⁃MS分析，采用全扫描模式，测试结果见图6和图7。从图6的总离子流色谱图（TIC）可以看出，断裂品在保留时间25.3 min处有一尖峰，而未断裂品在此处则无此色谱峰。此处色谱峰对应的质谱图见图7，可以看出，离子峰的质荷比（m/z）主要有104、149、150和205等。经过仪器自带的软件分析，结合相关文献报道，TIC谱图中对应的化学物质为邻苯二甲酸二丁酯（DBP）。DBP在离子源的轰击下，裂解为m/z 149、150、205和223等离子，这些离子可作为DBP的定性离子。对断裂品断面进行FTIR分析，并将光谱与塑料外壳和DBP的光谱对比得到图8，可以看到，断面处相比塑料外壳增加了1724 cm-1的振动峰，而此峰与DBP的—C=O伸缩振动峰一致，因此，FTIR分析结果进一步佐证了断面处被DBP污染。 图6 断裂样品和未断裂样品螺纹处挥发物的总离子流色谱图 图7 断裂品挥发物在保留时间25.3 min处的质谱图 图8 断裂样品断面、塑料外壳和DBP的FTIR谱图 为了确认DBP的来源，对螺纹管周围的材料进行分析。由图1可知，连接器螺纹管内部通孔需要穿入套管保护的线缆，螺纹管根部有一环形橡胶软垫。断裂样品和未断裂样品的差别在于使用了不同的套管，断裂样品使用了软质PVC套管，未断裂样品使用了PO套管，因此，取断裂样品和未断裂样品的套管以及橡胶软垫分析上述DBP的来源。断裂样品的套管、未断裂样品的套管和橡胶软垫分别置于样品测试瓶中180 ℃加热5 min，对其有机挥发成分进行GC⁃MS分析，测试结果见图9。可以看到，断裂样品配套的PVC套管的挥发物TIC图与图6中断裂样品螺纹处的挥发物的保留时间完全一致，均为25.3 min，而橡胶软垫和未断裂样品配套的PO套管则无明显挥发物。图10为PVC套管挥发物在25.3 min处的质谱图，可以看出m/z 149、150、205和223等离子峰，与图7完全一致，表明挥发物为DBP。图7和图10中m/z 149离子丰度最高，该离子峰一般作为DBP的定量离子，采用选择离子扫描（SIM）模式，对m/z 149离子进行定量分析，以正己烷作为溶剂对套管进行萃取，得出PVC套管中的DBP含量为23.9 %（质量分数）。 通过上述FTIR、DSC、TG和GC⁃MS分析数据可知，断裂样品和未断裂样品的材料几乎无差别，断裂样品的螺纹处受到了与之接触的PVC套管中的DBP的污染，而未断裂样品则无化学物质污染的痕迹，因此，连接器母座断裂的原因很有可能是受到了DBP的侵蚀而导致的应力开裂。 ESC的影响因素较多，如应力大小、溶剂种类、分子量、结晶、取向等。对于同一材料的制件，存在一临界应力，当大于此临界应力时，溶剂的侵蚀可造成ESC现象，小于此临界应力，制件可以稳定的保持完好状态，溶剂不同，此临界应力值也不同。因此，在一定应力作用下，溶剂是影响ESC的关键因素，能与聚合物产生强相互作用的溶剂风险更高。 通常，溶剂对聚合物的溶解作用可以通过溶度参数（δ）表征，溶度参数越接近，溶剂越容易溶解聚合物。一般采用Hildebrand溶度参数来评估溶剂与聚合物的溶解过程，但Hildebrand溶度参数δ未考虑分子极性和氢键等因素的影响，因此主要适用于非极性聚合物的溶解过程。鉴于PC具有一定极性，采用适用范围更广的Hansen溶度参数计算PC和DBP的溶解性更具合理性。Hansen将内聚能E分成ED、EP和EH 3个部分，分别由色散力、极性作用和氢键作用形成，对应的溶度参数分别为δD、δP和δH。两种不同材料的溶度参数距离Ra可表示为式（1）： 式（2）中，RED小于1表示溶剂和聚合物相互作用较强，能够较好的溶解聚合物，大于1表示两者相互作用弱，溶剂不能较好地溶解聚合物。PC和DBP的δD、δP和δH值及PC的Ro值见表2。将表2数据代入式（1）和（2），得到PC和DBP相互作用的溶度参数距离Ra和RED值，结果列于表3。从表3可以看出，PC和DBP的RED值为0.72，小于1，即DBP能够较好的溶解PC。因此，从Hansen溶度参数的角度分析，DBP对PC溶解作用强，能够导致PC分子间作用力降低，在较小应力作用下就能导致部件开裂。 表2 PC、PA66和DBP的Hansen溶度参数 表3 溶剂DBP对PC和PA66的溶度参数半径和RED值 因此，连接器的断裂是由于受到了与之接触的软质PVC套管中的DBP侵蚀，其作用机理可用图11表示。DBP从PVC套管内部析出至套管表面，渗入与之接触的PC螺纹管内表面，使PC材料塑化，分子链间作用力降低，螺纹管内表面缺陷处作为应力集中点，在溶剂和外部应力作用下可产生微变形，该微变形增大了缺陷的表面积，使溶剂更容易渗入并将树脂塑化；随着溶剂进一步渗入，缺陷处会发展成微裂纹；在应力作用下，微裂纹聚集形成裂纹，并在裂纹前端形成更深的塑化区，进一步扩展成更深的裂纹甚至断裂。DBP由螺纹管内部渗透至外部，从而导致由内向外的脆性开裂。由于螺纹管根部受到的应力最大，因此断裂基本上发生在根部。设备运行时会产生大量热量，柜体内的温度可达到50~70 ℃，受此高温影响，套管内的DBP会加快挥发和渗透，因而短时间内就出现了断裂现象。 图11 环境应力开裂过程示意图 3 结论 通过以上分析，说明此软质PVC套管与PC连接器不能一起使用，推而广之，在机械和电气产品设计时，需要考虑软质PVC塑料件和PC塑料件作为相邻部件一起使用的风险。针对本案建议的改进方案可以从2个角度考虑：产品设计角度和材料设计角度。 从产品设计角度分析设计改进方案主要有以下2种：第一种方案为将PVC套管改为其他材料套管，比如PO套管。因该类套管仅含有抗氧剂等少量小分子物质，因此，发生分子挥发或迁移的概率非常低，对PC材料几乎无影响。第二种方案为将连接器的外壳材料由PC改为聚酰胺（PA）等溶度参数与DBP等邻苯类物质相差较大的聚合物材料。以PA66为例，应用Hansen溶度参数分析，其δD、δP和δH值及Ro值列于表2。将表2数据代入式（1）和（2），得到PA66和DBP相互作用的溶度参数距离Ra和RED值，结果见表3。从表3可以看出，PA66和DBP的RED值为6.79，远大于1，说明DBP与PA66之间相互作用很弱。因此，DBP很难侵蚀PA66等PA类材料，含DBP等增塑剂的PVC套管可以与PA材料一起使用。 从材料设计角度分析，改进方案可以分别从PVC套管材料改性或连接器外壳PC材料改性进行分析。PVC材料改性可以使用双季戊四醇酯或氯化石蜡等分子量较大的化合物作为增塑剂，可改善增塑剂的析出，并且此类增塑剂对PC材料的溶解作用非常小，不会导致PC的塑化，大大降低ESC风险。PC材料改性可以采用与耐溶剂性能较强的材料如PA或聚对苯二甲酸二丁酯（PBT）等共混成PC/PA或PC/PBT合金的形式改进其耐溶剂性，如卢家荣等在PC中加入20 %的PA6，样品在二甲苯中浸泡5 min，发现PC/PA6共混物样品表面则无明显变化，断裂伸长率保持为浸泡前的70 %，相比之下，无色透明的PC样品表面发白并出现明显的裂纹，断裂伸长率大幅下降了97 %；钱志国等研究了PC中加入PBT对耐溶剂性能的影响，发现PC/PBT共混比为60/40能获得较好的耐溶剂性能，增加PBT比例，耐溶剂性能更好。 素材来源于网络
