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聚碳酸酯(PC)在可穿戴设备外壳上的应用

来源: 时间:2021-10-08 分类:行业资讯

       对于重要性较低的部件,如健身或健康跟踪器,最看重的是机械性能或设计自由度。而对于更为紧要的部件,如药物注射,剂量的准确性与一致性、材料的灭菌与生物相容性则是需要额外重点考虑的因素。

       保护可穿戴设备(如电子产品或药物)的内部部件。这包括对于外界环境(湿气或化学物质)及设备使用者(例如抗冲击性)的耐受性;防止用户直接接触电子部件;设备与用户之间的通信。外壳可以起到主动且直接的作用如实现光信号、显示;或间接作用,如信号传输到智能手机等其它设备;为设备提供有吸引力且符合用户直觉的设计。

       阻燃型PC+ABS共混物(聚碳酸酯+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的特点是实现了性能与生产率的平衡,适用于多种电子应用。例如,其拉伸模量为2700MPa,屈服应力为60MPa,在23℃时的悬臂梁冲击冲击强度为“无断裂”。但这些关于机械性能的数字尚不足以说明它是一种良好的外壳材料,因为对内部部件的保护仅靠机械稳定性是不够的。在注塑和装配过程中,应根据机械性能、尺寸与热稳定性、阻燃性(如UL认证要求)以及其它性能(如可加工性)进行选择。

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       可穿戴设备材料的选择过程应从确定尺寸要求开始。壁厚可以或应该如何?不同的部分有多大?反过来,这对于挑选在可选定厚度下成型的材料非常重要。可穿戴设备的发展趋势是小型化和轻质化,以提高穿戴舒适性和用户对设备的接受程度。除了采用更智能的电池概念,更薄、更轻巧的外壳也被用来服务于这一要求。小型设备的壁厚甚至可以低于0.5mm,这意味着小型设备将倾向于兼具韧性和刚性的外壳材料,它们能在成型过程中填充极薄的壁厚。

       外壳材料的刚度和韧度是一项特殊的挑战,因为凭第一印象可感知厚壁比薄壁能承受更高的机械应力。标准DINEN60601-1专门针对的是带电医疗设备,但上述机械性能测试方法可为医疗设备所需的机械要求提供粗略的指导值。标准DINEN60601-1提到了三种不同的测试,组装后的设备应该能在不发生明显损坏的情况下通过上述测试。

      首先,用250N的连续冲击力进行5s的冲击试验;其次,用0.5kg的钢球从至少1.3m的高度落到外壳上进行冲击试验;第三,从至少1m的高度对外壳本身进行跌落试验。与设备机械稳定性有关的材料性能之一,是在不同温度下的缺口冲击强度。Makrolon2458或BayblendFR3010等材料在该试验过程中不会在20℃下断裂,且预计在环境条件下可满足试验要求。更严格的抗冲击要求,如低温多轴冲击性能,可能需要由PC材料才能满足。

       如前所述,从制造角度来看,薄壁设计也会带来挑战。要填充壁厚小于1mm的设备,必须使用低熔体粘度的聚合物。例如,对于壁厚为0.5mm的Makrolon2458聚碳酸酯成型部件,其流道仅为1mm壁厚部件的三分之一。虽然低粘度(分子量也相应较低)的聚碳酸酯可以很容易地填充薄壁设备,并且其内应力也比较低,但在机械性能方面表现就不那么理想。

       聚碳酸酯的分子量(与粘度相对应)与机械性能之间的关系如图1所示。粘度的降低将导致机械性能降低,如悬臂梁缺口强度所示。对于低分子量材料,必须增大壁厚以弥补其性能的不足。 因此,在材料的流动性与坚固性之间找到适当的平衡,并将其与经过调整的注塑工艺参数相结合就变得十分重要。

       此外,聚碳酸酯的化学性质也与分子量有关。聚合物链较长的聚碳酸酯能更好地耐受化学侵蚀。同时,内部应力(如模内应力)对聚碳酸酯的耐化学性具有重要影响。在设备中采用总体内应力水平较低的材料,有利于获得更高的耐化学性。这就意味着应审慎选择聚碳酸酯的粘度,以获得合适的机械性能,同时不增加其内应力。

       可穿戴设备会经常接触各种各样的化学物质,如润肤乳液或清洁消毒剂。 除了所接触化学物质的性质外,接触时间和温度也很重要。接触时间长(无论是由于产品寿命长还是密集接触)或高温,对外壳材料来说都颇具挑战。在低应力水平和环境(接触时间、成分等)下,醇类、漂白剂、次氯酸盐、过氧化物和醛类等最常见的消毒剂都会产生影响,具体视聚碳酸酯等级的不同而异。

       为了获得理想的耐受力,低应力水平(内、外应力)有助于确保可穿戴设备能耐受所接触的大多数液体,如汗液或乳液。然而,由于这些液体成分各异,当每种液体与聚碳酸酯材料相遇时,其表现可能有所不同。对聚碳酸酯等缩合聚合物而言,关键介质是高pH值(>10)介质和(或)胺类/铵盐。对于耐化学性要求高于PC或PC+ABS的应用,聚碳酸酯与半结晶树脂(如PC/聚酯共混Makroblend)的结合对油脂和大多数清洁剂具有更高的耐受性。

       另一个受壁厚影响的参数是阻燃性。标准DINEN60601-1中提到,对壁厚最薄的部件的阻燃防护等级为V2级或更高(UL94V级),但该标准是针对带永久性电源连接的医疗设备的。新的可穿戴设备标准(DINIEC63203-101-1)目前正在制定中,目前尚不清楚该标准是否会提及任何阻燃要求。如果需要防火保护,阻燃等级将取决于供电以及设备故障期间对患者造成损害的风险。幸运的是,聚碳酸酯已经具有一定的固有自熄特性(如,大多数等级的聚碳酸酯可以很容易地达到V2UL标准)。

      其它重要的材料特性包括热稳定性和尺寸稳定性。材料的热稳定性对于生产过程和设备的使用条件都很重要。例如,这种装置在炎热的夏天是否可能被遗忘在车内?此时车内温度可能高达80℃。但对于通常用于连接电路板上电子元件(如,塑料相机镜头)的焊料回流焊,也可能涉及在温度高达150℃的烘箱中加热全部组件。热稳定的材料可防止在焊料回流工艺中发生翘曲或变形。Makrolon聚碳酸酯可以轻松满适在100℃高温下长久使用,在121℃高温下短期使用的要求。尺寸稳定性高的材料对于保持精确的公差,以及在设备使用过程中随温度波动而保持稳定非常重要。通常,材料的CLTE特性被用于计算潜在的尺寸变化,Bayblend和Makrolon的CLTE较低,分别为0.75x10–4/K和0.65x10–4/K。聚碳酸酯的耐高温特性意味着Makrolon的低CLTE可在高达145℃的玻璃转化温度内得以维持。

      因此,强烈建议在设计过程的早期阶段即对可穿戴设备的外壳材料加以选择,并兼顾制造在内的方方面面,以帮助选择最适当的外壳材料。


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