一、为什么塑料的温度评定不能只给一个数字
32.1 条开篇就把问题说透了:材料性能是温度与时间的连续函数。温度低时劣化慢,温度高时劣化快。不能给材料指定单一温度额定值,因为这样的额定值取决于:
- 材料的通用类型、添加剂与填料;
- 应用所要求的性能与遇到的应力水平;
- 工作制(duty cycle);
- 以及零件失效对触电、着火或人身伤害风险的影响程度。
所以 UL 746C 给出的不是"一个温度",而是四套并行的评定方法(32.2 + Table 32.1)。任选其一即可,但四者的适用前提、所需数据量和得出的温度上限完全不同。选对方法,往往能让一个"温度超标"的设计合法通过;选错方法,可能白白换料。
二、Table 32.1:四种方法怎么选
| 方法 | 章节 | 概要 |
|---|---|---|
| 功能使用温度指数 Functional-use thermal index | 33 | 最通用的方法。不需要任何材料配方信息,温度限值由材料在应用中承担的功能决定 |
| 通用温度指数 Generic thermal index | 34 | 基于材料的通用类型(化学结构、填料、添加剂等)给出最高温度限值;不需要了解材料的终端用途功能 |
| 相对温度指数 Relative Thermal Index (RTI) | 35 | 基于与具有良好现场使用史的对照材料进行长期关键性能保持率的相对比较;需要基本了解材料的终端用途 |
| 相对热能力 Relative Thermal Capability (RTC) | 36 / 37 | 基于材料在特定应用中的使用,需识别并控制所要求的性能应力水平。最具体的方法,使用前必须已有长期热老化性能数据(即先有 RTI) |
四条"升级"条款值得单独标出来,它们是这条路能走通的法律依据:
- 33.4:最高工作温度超过 Table 33.1 值的聚合物材料,若符合通用温度指数(34)、RTI(35)或 RTC(36)的要求,则认为可接受。
- 34.4:超过 UL 746B Table 7.1 值的,若符合功能使用温度指数(33)、RTI(35)或 RTC(36),则认为可接受。
- 35.4:使用温度高于适用 RTI 的,若符合功能使用温度指数(33)或 RTC(36),则认为可接受。
三、方法一:功能使用温度指数(第 33 章 / Table 33.1)
33.1:Table 33.1 列出"材料在承担特定功能的应用中"被指定的最高温度限值,与材料通用类型无关。
| 应用领域 | 外壳(°C / °F) | 其他部件(°C / °F) |
|---|---|---|
| 便携式、有人值守、间歇工作制家用设备 | 80 / 176 | 65 / 149 |
| 所有其他便携式设备 | 65 / 149 | 65 / 149 |
| 所有其他设备 | 50 / 122 | 50 / 122 |
(脚注 a:装饰件不受这些温度限值约束。)
33.2:功能使用温度指数与厚度和着色无关。这是它相对 RTI 的一个优势。
33.3 给出完整判据:若材料的最高工作温度不超过 Table 33.1 的值,且满足以下条件,则认为可接受——对成品零件在模应力条件处理(见 UL 746A)前后进行电气与物理性能试验,以及针对阻燃性能进行 70°C 下 7 天或「最高使用温度 + 10°C」中较高者的条件处理。若条件处理后的要求与接收态要求相同且试验结果合格,接收态试验可免除。
两个例外:
- Exception No.1:模应力条件处理对刚性热固性材料和低压发泡模塑件不做要求;
- Exception No.2:若同时满足以下两条,阻燃条件处理可不做——(a) 材料不因长期热老化而降低阻燃性能;(b) 用于该判定的热老化方案包含了厚度等于或小于成品件壁厚的试样。
四、方法二:通用温度指数(第 34 章)
34.1:UL 746B 的 Table 7.1 列出了基于可接受的使用经验、材料的化学结构、以及在绝缘系统与电气设备试验中的性能认知而被指定通用温度指数的材料清单。该指数适用于该通用材料组的每一个成员。
- 34.2:除非 UL 746B Table 7.1 另有说明,材料的通用温度指数按 50°C(122°F) 计。
- 34.3:除非 Table 7.1 另有说明,通用温度指数与厚度和着色无关。
- 34.4:超过 Table 7.1 值的,走 33 / 35 / 36 章。
搜到的资料里常提到"PBT 的通用指数为 75°C",这个数字来自 UL 746B Table 7.1,不是 746C 本身——引用时要标明出处。
五、方法三:RTI(第 35 章)
35.1:RTI 基于 UL 746B 所述的长期热老化数据评定。
35.2 说明了 UL 746B 程序的核心:在若干高温下分别老化,测量性能变化到预定水平所需时间,将时间的对数对绝对温度的倒数作图,用最小二乘回归取最佳拟合直线。时间-温度关系可表达为:
log₁₀(t) = A + B / T
其中:
- A = 常数(频率因子)
- B = 活化能常数(回归斜率)
- T = 绝对温度,K(°C + 273.16)
注:67.7 与 68.7 节的算例均使用以 10 为底的对数回归(67 节:A = −4.232、B = 3423,代入 T = 403.16 K 得 t ≈ 18,132 h,与该节给出的相关寿命一致)。做计算时务必确认 B 与对数的底一致,否则 RTC 会算错十几度。
35.3:把候选材料与同时试验的、具有已验证现场使用史的对照材料进行比较,即可估计候选材料预期具有可接受现场使用史的 RTI 水平。每种材料可以建立多个 RTI——每个指数对应一项特定性能、颜色与厚度。
这就是为什么黄卡上会看到三个 RTI:电气(Elec)、机械冲击(Mech w/impact)、机械强度(Mech w/o impact)。取哪个?取应用所要求的关键性能对应的那一个;如果多个性能都关键,取最低的那个作为限制值。36.8 条进一步说明:若某一关键性能(如机械冲击)算出的 RTC 提高了温度限值,超过了另一关键性能(如机械无冲击或电气)的 RTI,则后者的 RTI 应被视为限制温度。
六、方法四:RTC(第 36 章计算法)
6.1 基本思想
36.1:RTC 是有机绝缘材料在设备最长预期寿命内能够保持关键性能、并执行其预期机械或电气功能的最高工作温度。一般而言 RTI 可用来代表 RTC,前提是已考虑关键(机械、电气、冲击)性能的性质与材料的最小厚度。
关键一句:如果设备设计允许更大程度的热劣化,材料可以在高于 RTI 的温度下工作。 这就是 RTC 存在的理由——它把"设计余量"折算成"温度余量"。
36.2 强调:RTC 不能通过简单查看材料性能(短期性能档案或长期 RTI)来测定。必须测量关键性能的水平值,以确定在特定终端应用中允许多大程度的劣化。
6.2 四个输入
36.1 列出需要定义的四项(64.1 细化):
- (a) UL 746B 程序得出的 RTI;
- (b) 寿命方程斜率参数 B(按 35.2 定义);
- (c) 超性能因子 P(excess performance factor)——由关键性能超出可接受已知值的水平确定;
- (d) 一个或多个老化温度下的性能-时间劣化特性,用于确定性能劣化到未老化值的 reduced fraction f 所需的时间 t₁,以及正常寿命终止时间 t₀。
P 的算法(64.1 的例):某外壳材料,终端产品标准定义的最低冲击强度为 6.75 J(5 ft-lb);由于增加壁厚或其他加强设计,外壳能持续承受 13.5 J(10 ft-lb)的冲击。则 P = 10/5 = 2。
f 的算法(64.2):f = 50 / P。P = 2 → f = 25%。
F 的算法:F = t₁ / t₀,其中 t₀ 为劣化至 50% 的寿命终止时间,t₁ 为劣化至 f% 的时间。若有多个温度的数据,取最小的 F(64.2)。
6.3 计算公式
RTC = [ 1 / (RTI + 273.16) − log₁₀(F) / B ]⁻¹ − 273.16
6.4 标准 67 节算例复盘
67.1–67.8 给了一个完整例子,值得逐行看懂:
背景:一款软线连接的家用吹风机外壳,内含非绝缘带电件,最高预期使用温度 137.0°C(278.6°F)。材料为 PBTP(聚对苯二甲酸丁二醇酯),机械冲击 RTI = 130°C(266°F),电气与机械无冲击 RTI = 140°C(284°F),基于 200/190/180/170°C 的老化数据。无 DSC 与 TG 数据。
三级判定:
- 67.2 功能使用温度指数不合格:部件 137°C > 有人值守间歇家用设备外壳的 80°C 限值;
- 67.4 RTI 不合格:137°C > 冲击 RTI 130°C;
- 67.5 若符合 RTC(第 36 章)要求,则在该具体吹风机型号上以 137°C 使用可接受。
关键性能判定(67.6):该应用要求电气(防介电击穿与过大泄漏电流)、机械无冲击(支撑导体与构件)、机械带冲击(防止触及带电件、维持电气间距)以及阻燃特性保持。该材料的冲击性能劣化速率最高(RTI 最低),因此是最关键性能。
老化数据(67.7):
| 老化温度(°C) | 劣化至 50% 的时间(h) |
|---|---|
| 180 | 2010 |
| 170 | 3360 |
| 160 | 4530 |
| 150 | 7170 |
回归得 A = −4.232、B = 3423;冲击 RTI 130°C 对应的相关寿命为 18,132 小时。
P 与 F(67.8):终端产品标准要求吹风机能承受 3 英尺跌落;试验显示外壳能持续承受 6 英尺跌落。故 P = 6/3 = 2,f = 50/2 = 25%。由性能-时间劣化特性(Figure 67.1)得最小比值 F = 1500/1000 = 1.5。
计算:RTC = [ 1/(130 + 273.16) − log₁₀(1.5)/3423 ]⁻¹ − 273.16 = 138.5°C(281.3°F)
结论:138.5°C > 137.0°C,材料在该应用中使用可接受。
注意这里的关键跳变——P 来自设计余量(跌落高度从 3 ft 提到 6 ft),不是来自材料。这就是为什么同一个材料在 A 产品上不合格、在 B 产品上合格。
七、方法四(续):RTC 作图法(第 37 / 65 / 68 章)
37 章给的是另一条 RTC 路径:对实际零件做热老化,而不是纯计算。
37.6 + Figure 37.1 的作图步骤(用反温度-对数小时坐标纸):
(a) 在材料的指定 RTI 处画一条垂直线(点 1),直至与材料的相对热耐久曲线相交(点 2)。该交点的纵坐标值即为相关因子 A 的估计值。
(b) 从交点(点 2)画一条水平线,延伸至最高零件温度点(点 3)。
(c) 画一条与该热耐久曲线平行、且通过步骤 b 确定的最高零件温度点(点 3)的直线——这就是相对热能力曲线。
65.1 的老化实施规则:零件样品在从 RTC 曲线读出的对应零件老化温度下老化 1000 小时,且零件老化温度不得超过原材材料热老化研究中所用的老化温度。老化完成后冷却至室温,再做强调材料功能用途的成品试验。长期受载(弯曲、压缩、拉伸)的聚合物件还须符合 UL 746A 的蠕变分析。
两个例外:
- Exception No.1:经各方同意,可采用更高温度更短时间或更低温度更长时间,但时间不得少于 300 小时;
- Exception No.2:若 DSC、TG 等热分析技术表明在材料老化温度以上的温区不存在影响材料活化能的转变,则零件老化温度可以超过原研究的老化温度。
65.2 的两种老化方式:
- (a) 产品接电源,调节输入电压使被测零件达到热点老化温度(可能需要旁通安全电路,或在高温环境房间/试验箱内进行);若加热元件断开导致试验提前结束,按 Figure 37.1 的热耐久曲线选更低温度更长时间重做;
- (b) 在循环风烘箱中老化所需时间。
65.1 的前置要求:老化前须从最关键的长期热老化数据(37.6)生成 RTC 曲线。
标准 68 节算例复盘
68.1–68.10 给了 Alternate RTC 的完整算例:
背景:家用吹风机外壳,含非绝缘带电件,最高预期使用温度 154.0°C(309.2°F)。PBTP 材料,机械冲击 RTI = 130°C,电气与机械无冲击 RTI = 140°C,老化数据在 200/190/180/170°C 取得。无 DSC/TG 数据。
三级判定全部不合格:
- 68.2 功能使用温度指数:154°C > 80°C;
- 68.3 通用温度指数:154°C > PBTP 的 75°C;
- 68.4 RTI:154°C > 冲击 RTI 130°C。
老化数据(68.7):
| 老化温度(°C) | 劣化至 50% 的时间(h) |
|---|---|
| 180 | 390 |
| 170 | 848 |
| 150 | 7651 |
| 140 | 14286 |
回归得 A₁ = log₁₀(A) = −20.7519297、B₁ = B·log₁₀(e) = 10329.35299;冲击 RTI 130°C 对应相关寿命 73,969 小时(Figure 37.1 的 A 线)。
求 RTC 曲线(68.8):以最高应用温度 154°C 与相关时间 73,969 h 代入,得到冲击性能的 RTC 曲线方程。
代入 1000 小时:得零件烘箱老化温度 190°C(374°F)。但 65.1 允许的最高老化温度为 200°C(因为电气与机械无冲击 RTI 是基于最高材料老化温度 200°C 的数据确定的)。
改用 200°C:代入公式得零件老化时间 330 小时(Figure 37.1 的 B 线)。330 h > 65.1 Exception No.1 的 300 小时最低要求,成立。
验证(68.9–68.10):3 个样品旁通安全电路接电源,调节输入电压使零件达到老化温度;200°C / 330 小时后冷却至室温,按第 56 章从 0.91 m(3 英尺)高度跌落到硬木表面;再做介电耐压与适用的阻燃试验。结果合格,则该材料在该应用中最高可用于 154°C。
八、循环超温:等效连续使用温度 Teq(第 38 / 66 章)
38.1:电气产品在运行期间或紧随运行之后,可能经历循环或瞬态温度峰值。若已有材料的长期老化信息(见第 35 章 RTI),则超过相应温度指数限值的短期超温在特定应用与结构中可能是可接受的。有时需要用第 36 章的 RTC 程序来判定可接受性。
38.2 举了个直观例子:带自动复位温控器的加热器具,通常在最初几个工作循环中经历最大的温度偏移;后续运行中,由于环境空气温度升高,温控器会在更低的峰值温度下切断电路。
计算方法(38.4)
当时间-温度曲线明确、且可用一系列 (i) 恒温暴露(温度 Tᵢ,占整个循环时间的比例 fᵢ) 构成的"阶跃函数"近似时,等效连续使用温度定义为:
T_eq = − B / ln [ Σ fᵢ · exp(−B / Tᵢ) ]
其中:
- T_eq 为等效连续使用温度,单位 K;
- B 为 Arrhenius 关系 L = A·e^(B/T) 的活化能常数,B = −E/R;
- E 为活化能,单位电子伏特;R 为玻尔兹曼常数 8.62×10⁻⁵;
- Tᵢ 为各恒温段的绝对温度,K;
- Σ fᵢ = 1。
标准 66 节算例复盘
66.1:蒸汽熨斗的底板上装有叶片式温控器。运行 3 分钟后达到热平衡,温控器按 Figure 66.1 的实测时间-温度特性循环工作。周期内最高温度 180°C,最低 130°C。酚醛温控器材料经长期热老化(第 35 章)后,所有性能的 RTI 均被指定为 170°C。机械无冲击与电气性能的 Arrhenius 活化能常数 B = 16425.3(因温控器位于器具外壳内部,机械带冲击 RTI 不视为关键)。
Table 66.1 的周期性时间-温度数据:
| 循环时间占比 | 温度(°C) | 循环时间占比 | 温度(°C) | |
|---|---|---|---|---|
| 0.05 | 140 | 0.05 | 170 | |
| 0.05 | 150 | 0.05 | 162 | |
| 0.05 | 160 | 0.10 | 156 | |
| 0.05 | 168 | 0.10 | 147.2 | |
| 0.05 | 174 | 0.20 | 141.2 | |
| 0.10 | 180 | 0.15 | 134 |
(占比合计 = 1.00)
代入 38.4 的公式:T_eq = 162.12°C(323.82°F)
66.5 的结论:162.12°C < 指定的 RTI 170°C,故该酚醛材料在该温控器应用中被认为可接受。
这个例子很有说服力——实测峰值 180°C 已经超过 RTI 170°C,但因为高温只占循环的一小部分,等效连续温度只有 162°C,反而合格。反过来,如果只看峰值就判不合格,就白白否掉了一个好设计。
38.3 补了一句:多数应用中产品经历指数式的温度升与降,持续时间与时间常数取决于产品几何形状、零件的热质量与热源强度。66.4 还给出一个更精确的数学解,用于温度在时间区间 (t₁–t₂) 上被连续定义为 [T(t)] 的情形(标准中该表达式以公式形式给出)。
九、配套的两项温度试验
模应力消除变形(第 29 / 61 章)
29.1:按 Table 4.1 选用 61.1 或 61.2 条件处理后,材料不得在条件处理结束时立即触摸判定为软化,冷却至室温后也不得出现导致下列后果的收缩、翘曲或其他变形:
- (a) 减小不同极性非绝缘带电件之间、非绝缘带电件与可触及死金属/接地金属之间、非绝缘带电件与外壳之间的间距至低于最小可接受值;
- (b) 使非绝缘带电件或内部布线可触及,或破坏外壳完整性致内部零件得不到可接受的机械保护;
- (c) 导致设备不符合电源线应力释放要求(如适用);
- (d) 干扰设备的预期操作或维修。
例外:61.1 与 61.2 的条件处理对刚性热固性材料和低压发泡模塑件不做要求。
两个方法的温度基准:
| 方法 | 适用(Table 4.1 脚注 e) | 温度基准 | 时间 |
|---|---|---|---|
| 61.1(a) | V、5VA 或通过 12/20 mm 成品火焰试验的外壳 | 实际运行条件下测得的最高材料温度 +10°C,且不低于 70°C | 7 小时 |
| 61.1(b) | 同上(替代方法) | 试验小室空气温度 60°C(在设备支撑面处测量),设备按温度试验方式运行;不加载或不连续加载的设备接 106% 或 94% 额定电压中产生较高温度者 | 7 小时 |
| 61.2 | HB 外壳 | 按 60.1 条件处理期间测得的最高材料温度 +10°C,且不低于 70°C | 7 小时 |
61.2 的 Exception:若设备在 60.1 条件处理中电气烧毁,烘箱温度改为实际运行条件下测得的最高外壳温度 + 10°C,或 60.1 条件下未烧毁时达到的最高温度 + 10°C。
随后还有两项:
- 30.1(模应力后输入):按 61.2 条件处理后,空载额定电压下运行(63.1),输入电流不得超过未处理样品在适用输入试验中测得的空载电流的 150%。
- 31.1(应变释放):样品冷却至室温后,做应变释放试验并符合设备适用要求(仅当应力释放方式与外壳相关时,见脚注 f)。
球压试验(第 24.4 / 62 章)
24.4.1:球压温度应至少等于使用温度 +(40°C − 环境温度),且不低于 95°C,按第 62 章试验。
62.1:本试验方法确定"标准力通过球形施加、造成规定压入量"时的温度值,方法见 IEC 60695-10-2。
62.2:外壳及其他外部绝缘材料部件(陶瓷材料除外)应按指示进行试验。试验在若干温度下进行,以确定条件处理后压痕直径为 2.0 ±0.1 mm 时的具体温度。
严峻条件与异常操作中的温度相关判据
- 28.1:完成 60.1 程序且未电气烧毁的设备,其空载电流输入不得超过未处理样品测得空载电流的 150%。
- 28.2:条件处理中烧毁时,不得 (a) 外壳持续燃烧超过 1 分钟,或 (b) 引燃外壳附近的白薄纸或粗布指示物。
- 27.1:异常操作试验(59.1)中,材料不得引燃,不得暴露带电件,设备所放置或被覆盖的可燃材料不得灼热或燃烧。材料的翘曲、收缩、膨胀或开裂本身不判不合格,只要外壳附近的可燃指示物未被引燃。
十、五个常见误区
误区 1:把黄卡上三个 RTI 取平均值。 必须取应用关键性能对应的那一个;多个性能关键时取最低值。36.8 明确规定:某一性能的 RTC 提高后,另一性能的 RTI 成为限制温度。
误区 2:RTC 结论可以复用到别的产品。 36.4 / 37.4 白纸黑字:RTC 结论不能外推到另一个终端用途,即使使用相同材料、甚至相同零件。RTC 绑定的是"材料 + 该应用的应力水平"。
误区 3:算完 RTC 就结束。 36.7 要求另行确认短期热效应——软化、翘曲、快速分解。热塑性用 HDT / 球压 / 维卡,热固性用 TGA。这一步没有数据不能跳过。
误区 4:Teq 的步进函数随便取。 38.4 末句要求近似步进函数在所有点上都要超过实测特性。台阶取低了,Teq 偏乐观,结论无效。
误区 5:模应力条件处理一律做。 29.1 的 Exception 豁免刚性热固性材料与低压发泡模塑件;33.3 的 Exception No.1 同样豁免。这两类件做该试验是浪费。
十一、检查清单
- 实测或预估部件最高使用温度(含异常与严峻条件)
- 按 Table 32.1 选择评定方法,按 33.4 / 34.4 / 35.4 判断是否需"升级"
- 方法一:核对 Table 33.1(80 / 65 / 50°C),确认装饰件豁免
- 方法二:查 UL 746B Table 7.1,未列明时按 50°C
- 方法三:取黄卡上应用关键性能对应的 RTI,多性能关键时取最低
- 方法四:准备 RTI、B(确认对数底)、P(设计余量实测)、F(性能-时间曲线,多温度取最小)
- 计算 RTC 后按 36.7 补充短期热效应评估(HDT / 球压 / 维卡 / TGA)
- 按 36.8 交叉核对其他关键性能的 RTI 是否成为限制温度
- Alternate RTC(37 章):确认零件老化温度 ≤ 原研究老化温度,时间 ≥ 300 h
- 循环温度:构造"包住"实测曲线的步进函数,计算 Teq 并与 RTI 比对
- 确认材料是否属于刚性热固性或低压发泡,豁免项(29.1 / 33.3)逐一核对
- 记录结论的使用边界(材料牌号、厚度、颜色、应用、应力水平),防止被误外推