随着塑料工业技术的飞速发展，成本低、性能优良、应用场景广泛、种类更多的塑料材料逐渐替代金属、陶瓷和木材等材料，成为工业工程中应用广泛的材料之一。工程塑料具有良好的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性和电绝缘性能，在机械制造、电子电气、汽车、航空等工程领域应用较多[1-3]。应用于电气工程领域的电气设备种类较多，包含发电机、高压线路、电机、断路器、开关等设备。为了更好地满足产业发展的用电需求，提升用电安全性，电气设备的使用场景不断扩大，设备使用性能不断提升。电气设备正向轻量化、微型化、集成化方向转型，对应用于电气设备的工程塑料的质量、加工性能、功能性要求提高[4-5]。为进一步提升工程塑料的性能，国内外学者对工程塑料进行多种改性，从而满足电气设备领域的应用需要。本研究以工程塑料为研究对象，概述工程塑料的定义、分类，分析不同种类的工程塑料的优缺点，基于目前应用较广泛的工程塑料，以聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等为例，论述不同种类的工程塑料在电气设备领域的应用现状和发展趋势，为未来电气领域新型工程塑料的研发提供参考。1工程塑料基本概述工程塑料相比于通用塑料，能够满足工程应用的特殊要求，综合性能更强。工程塑料可以分为通用工程塑料和特种工程塑料，通用工程塑料的力学性能良好，能够在较宽的温度范围和相对苛刻的环境下使用，包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯等。聚酰胺具有良好的耐磨性、较好的阻燃性、较高的力学强度等特性，常用于替代钢铁、铜等金属材料；但其耐高温性能还有待提升[6-7]。聚碳酸酯具有良好的力学性能、易加工、优良的耐热耐老化性能、较好的绝缘性等优点，但其耐磨性不强[8]。聚甲醛具有良好的拉伸强度和弯曲强度、尺寸稳定性好等特性；但其耐酸碱性能相对较差。聚苯醚具有较好的阻燃性能、介电化学性，刚性大、耐磨、无毒等特点；但其可能出现应力开裂。聚酯具有力学性能、耐磨性、电绝缘性能良好等特点，但其制作工艺相对复杂。特种工程塑料的综合性能强，耐热温度达150 ℃以上，包含聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜类、芳香族聚酰胺、聚芳酯、聚苯酯、聚芳醚酮等[9-11]。2工程塑料在电气设备方面的应用2.1聚酰胺塑料聚酰胺具有良好的耐热性能、耐磨、耐油、耐电解质腐蚀和电绝缘性能，且强度高、韧性强，在电气发电机、矿山电气设备、高压电气开关、继电器部件、电子电器元件、断路器等领域广泛应用[12-13]。涡轮发动机技术的不断发展，对材料的耐热性能提出更高的要求。刘冰肖[14]对涡轮增压发动机用聚酰胺的制备条件进行研究，以提升聚酰胺的耐热性能。以聚对苯二甲酰癸二胺(PA10T)、对苯二甲酸、己二胺和己二酸为原料，通过熔融缩聚法制成半芳香族耐高温PA10T/66。结果表明：最佳的改性条件为玻璃纤维(GF)含量为30%，PA10T/66/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度相比改性前分别提高141%和99%，且在0.45 MPa载荷下的复合材料的热变形温度最高为286 ℃。电气设备领域中，聚酰胺塑料需要具有良好的阻燃性能和抗静电化学性，避免由于静电、放电造成火灾[15]。由于聚酰胺塑料的极限氧指数(LOI)在20%~22%，限制其在电气领域中的应用。为提升聚酰胺塑料的阻燃性能、抗静电化学性，陶国良等[16]采用二乙基次磷酸铝(ALPi)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等材料，对聚酰胺塑料进行熔融共混改性。结果表明：当添加剂的含量为15份，聚酰胺改性塑料的燃烧等级为V-0级，LOI值为31%，电阻值下降8个数量级，燃烧实验证明聚酰胺塑料表面形成保护性炭层，保护层提升材料的阻燃性能。贾义军等[17]为提升电子元器件用聚酰胺塑料的阻燃性能和力学性能，添加三聚氰胺脲酸盐(MCA)，采用熔融共混法改性聚酰胺工程塑料。结果表明：改性聚酰胺塑料拉伸强度为78 MPa，弯曲强度为126 MPa，阻燃性能等级为UL-94的V-0级，相比电痕化指数为600 V，且改性后聚酰胺塑料的加工性能也略有提升。张雪等[18]为提升电子、电器产品中聚酰胺塑料的阻燃性能，通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性的氧化石墨烯(GO)，并利用改性GO提升聚酰胺塑料的阻燃性能。结果表明：聚酰胺复合材料拉伸强度从32 MPa提高至43 MPa，LOI值达到28.5%，热分解速率明显降低，聚酰胺塑料阻燃性能明显提升。为提升电气设备中聚酰胺的电学性能，付鹏等[19]对电气换能器中聚酰胺塑料的加工性能进行研究，通过热压法制备奇-奇数聚酰胺(PA)1111铁电薄膜，研究不同极化条件下PA1111的铁电化学性。结果表明：50 MV/m的极化电场强度下，聚酰胺薄膜的压电应变常数达到-3.9 pC/N，压电电压常数达到-169 (mV·m)/N。朱永军等[20]采用微纳层叠多层共挤技术，对聚酰胺进行改性，制备聚偏氟乙烯/聚酰胺11(PVDF/PA11)复合材料。结果表明：聚酰胺含量为7.5%时，改性复合材料的介电常数最大，为59.46，相比改性前提高77.17%，拉伸强度和断裂伸长率也略有提升。2.2聚酯塑料聚酯塑料具有良好的耐热性能、加工性能、耐用性能和力学性能，且成本较低，在电机电器的绝缘槽、电机系统具有广泛的应用[21]。随着电机电气向小型化趋势发展，针对电机电气用聚酯材料的散热性能、电学性能的要求更高。张世明等[22]对电机用聚酯薄膜的力学性能和电学性能的影响因素进行研究。结果表明：结晶度、黏度影响聚酯塑料的力学性能和电学性能，聚酯塑料的拉伸强度、断裂伸长率、表面电阻率、介质损耗因数与电气强度和局部放电电压呈负相关关系。为提升聚酯材料的绝缘性能，吕程[23]对电机系统使用的聚酯进行改性，以接枝烯丙基后的碳纳米管为改性剂，制备复合聚酯塑料。结果表明：经过改性后，复合聚酯材料的电化学性明显提升，当改性剂质量分数为0.075%，与未改性聚酯材料相比，聚酯塑料的击穿场强提高5.3%，体积电阻率提高736.4%。由于聚酯塑料具有整齐的分子结构，容易结晶，表面电阻率高达1014 Ω，在应用过程中容易产生静电。当聚酯应用于电气设备中，易引起放电反应，造成产品报废，甚至引起火灾。王济源等[24]选择2,5-呋喃二甲酸(FDCA)、对苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)为改性剂，通过原位聚合法对应用于电气设备的聚酯塑料进行抗静电改性。结果表明：改性后的聚酯塑料表面电阻率由1014 Ω降至109 Ω数量级，抗静电性、耐久性和耐热性均得到提升。为提升聚酯塑料的应力性能，张晓萌等[25]采用炭黑和短切碳纤维为改性剂，通过熔融混合法制备聚酯复合材料，并探究复合材料的导电化学性、应力松弛性能。结果表明：改性聚酯复合材料具有良好的导电性，电阻率为1.6 Ω·cm，拉伸应变为3.5×10-3，复合材料的弹性模量为380.6 MPa。秦兆立[26]对电池隔膜上使用的聚酯进行改性，利用静电纺丝技术在聚酯纺丝液中加入羊毛角蛋白，进一步增加聚酯电池隔膜的电化学性能。结果表明：经过改性后聚酯材料的电容器循环性能由原来的800次提高至9 000次，电容保持率达88.42%，进一步提升材料的耐用性。马悦[27]使用N-TiO2粉末为改性剂，采用溶胶-凝胶法对聚酯塑料进行改性，提升聚酯塑料的光催化性能。结果表明：经过改性后聚酯塑料的拉伸强度为2.578 MPa，光催化性能增强，改性后的聚酯塑料能在光电发电设备中具有良好的应用前景。2.3聚碳酸酯塑料聚碳酸酯是应用广泛的工程塑料，具有良好的韧性、比密度高、透光性能强，在电子器件、发电设备领域有良好的应用价值，但聚碳酸酯硬度较低、耐紫外性能不强，在室外环境下易发生老化，限制其进一步使用[28-29]。为了避免聚碳酸酯塑料在电气外壳使用时出现过热现象，王进炜等[30]进一步对聚碳酸酯塑料进行改性，以提升材料的导热性能。以高导热六方氮化硼为改性剂，通过共混反应制备复合聚碳酸酯塑料。结果表明：当质量分数为20%，复合聚碳酸酯塑料的热导率最高，达到0.700 3 W/(m·K)，相比改性前提升2.96倍，且电绝缘性能也保持较高水平，能够满足电气材料的外壳使用要求。岑茵等[31]对绝缘电气膜领域使用的聚碳酸酯塑料进行阻燃性能改性，采用磺酸盐为阻燃剂修饰聚碳酸酯薄壁。结果表明：经过修饰后复合聚碳酸酯薄壁能达到V-0阻燃等级，且成膜性能、绝缘性能明显提升，为聚碳酸酯在绝缘电气膜领域的轻量化、功能化方向发展提供参考。为提升聚碳酸酯的电化学性，增强聚碳酸酯的电绝缘性能，赵小佳等[32]对聚碳酸酯进行改性，采用熔融共混法制备了聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物/聚碳酸酯共混物。结果表明：经过改性后，聚碳酸酯材料的介电常数从7.0增至11.5，进一步说明聚碳酸酯的绝缘性略有提升。李富平等[33]以高压变压器中应用的聚碳酸酯绝缘材料为研究对象，研究在不同老化时间和温度下，聚碳酸酯塑料的击穿电压和性能变化情况。结果表明：聚碳酸酯的耐电化学性比聚酯薄膜、芳香纤维更好，且随着老化时间的延长，聚碳酸酯的局部放电起始电压先增加，老化后期变化不大。该研究为聚碳酸酯材料电化学性影响因素提供参考，有利于指导不同老化条件下电气设备的材料使用。2.4其他工程塑料在电气设备领域应用的工程塑料还有聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等[34-36]。聚苯硫醚具有良好的电化学性、阻燃性能、力学性能和耐化学性能，目前在汽车电气系统、发动机组等领域应用广泛[37-38]。为了提升聚苯硫醚材料的电磁屏蔽性能和电化学性，曹轶等[39]以石墨烯纳米片(GNPs)为改性剂，采用热压成型方法制备聚苯硫醚/GNPs复合材料。结果表明：经过改性后，聚苯硫醚/GNPs复合材料具有完善的隔离结构导电网络，且GNPs质量分数为3%时，聚苯硫醚/GNPs复合材料的电导率为25.6 S/m，电磁屏蔽效能为41.0 dB。聚醚醚酮力学性能优良，耐化学性能和耐辐照性能好，能够在高温、高压、高湿度的环境下使用，是理想的电气设备材料，目前在电缆插头、接线盒、电气绝缘膜、连接器上都有使用。由于电气设备在使用过程中容易产生电磁场，对设备正常运行、人体健康都产生影响[40-42]。为了提升电气设备领域的聚醚醚酮抗静电化学性，唐云峰等[43]以碳系导电填料为改性剂，通过熔融共混方法制备聚醚醚酮复合材料，并测定复合材料的导电化学性。结果表明：当碳系导电填料质量分数为6.0%~6.5%时，聚醚醚酮复合材料表面电阻为106~109 Ω，抗静电化学性良好，且力学性能没有显著变化。3工程塑料在电气设备应用的展望电气设备已经渗入生活的各方面，随着电气设备的应用场景不断拓宽，电气设备需要满足低温、高温、潮湿等极端环境要求，还需要满足高压、高辐射等使用要求[44]。因此，工程塑料需要向功能性更强、安全性更好、更易加工的方向转变。为提升高压电气设备用工程塑料的性能，翁书元等[45]对高压电器开关的聚酰胺塑料进行改性，采用十溴二苯乙烷、三氧化二锑与三聚氰胺脲酸盐(MCA)为改性剂，通过熔融共混法提升聚酰胺塑料的阻燃性。结果表明：随着改性剂的添加量增大，聚酰胺塑料的冲击性能下降，最佳的改性剂添加比例为10∶5∶19，聚酰胺塑料的阻燃等级达到V-0、高灼热丝起燃温度为875 ℃。该改性聚酰胺塑料性能强、成本低，未来能够在高压电子元件中具有广泛应用。此外，电气设备正在向经济效益高、环境友好、经久耐用方向转型，应用于电气设备的工程塑料需要进一步满足无毒、无污染、可回收、成本低廉等要求[46-47]。无卤素的聚碳酸酯、聚酰胺等工程塑料材料具有良好的应用潜力，通过适当的改性可以提升工程塑料的综合性能，进一步满足电气设备的使用要求[48]。4结论工程塑料具有较高的力学强度和良好的耐磨性、耐化学腐蚀性能、绝缘性能和耐热性能，在发电设备、电缆插头、高压电气开关、继电器部件、电气绝缘膜等领域有良好的应用。目前，在电气设备领域应用最多的工程塑料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等，通过改性研究，进一步提升工程塑料的耐热性能、抗静电化学性、电化学性和力学性能等。随着电气设备要求的不断提升，工程塑料将向多功能性、安全性、多样化方向发展，高性能、环保型新型工程塑料材料是未来研究的热点。