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施爱伟:汽车用交联电线及其加工技术

时间:2017-02-21 12:20 来源:工大在线

  汽车用交联电线及其加工技术

  施爱伟

  一、概述

  1. 汽车电线的发热和受热

  在汽车电气系统运行过程中,电线的绝缘材料受热的作用性能会逐步退化、直至失效。

  这种热主要来自:

  ——周围环境,特别是发动机附近温度很高;

  ——电线传导电流自身产生的热量而产生温升。

  电线的绝缘材料的工作温度比环境温度高至少30℃,通常发动机舱内发动机附近使用的电线额定耐热温度为125℃到150℃。

  电线在额定工作温度下连续工作时间应不低于3000小时并应保证在车辆寿命期内绝缘材料具有需要的机械性能。

  2. 交联技术

  汽车内需要很多耐热电线,耐热电线载流量更大、更安全。通常使用的绝缘材料都是热塑性材料,热塑性材料容易成型加工。交联方法是当前提高材料耐热性能的重要手段。

  热塑性材料通过交联由线型高分子结构转化为体型网状高分子,由热塑性转变为热固性。材料的机械性能,耐热性能、耐液体性能都得到改善。

  交联方法有多种,主要分为化学法和物理法:

  ——化学法是用加入过氧化物的材料,在高温高压下通过过氧化物分解引发材料高分子材料产生自由基,从而发生交联反应。

  ——物理法是通过电子射线轰击材料的分子链,产生自由基,从而发生交联反应。

  两种交联方法材料和装备区别很大:

  ——化学法必须使用专门的挤出设备,和专门的交联管道以及专门的材料。设备占地比较庞大,一次性投入大,比较适合大截面厚壁的电线,可交联材料范围比较窄。

  ——辐照交联方法对挤出设备没有特殊要求,只需把成型的电线拿到有辐射条件的地方辐照即可。可交联的聚合物非常广泛,从PVC、PE到TPEE均可交联。不需必须增加设备投资。当然,辐照加工设备的投资也是比较巨大的。

  3. 交联电线的优势

  交联电线的耐热性好,可以承载更大的电流。相对经济性更好。

  交联电线遇到高热后不熔不融,耐过热性能好,使用更安全。通常XLPE可以瞬间热过载达到200℃。交联电线的机械性能和耐溶剂和各种液体性能也有所提高。

  交联电线更容易做到耐燃烧,目前已经能做到无卤阻燃,环保特性更优异。

  主要交联电线品种见下表:

  材料

  耐热温度德国

  型号GM型号Ford

  型号日本

  型号SAE型号主要

  用途

  XLPE125℃FLR2XCU-R3XLPE3TAD/3TBDAESSXTXL发动机舱

  XLPVC100℃FLRX AVSSX 远发动机

  XLPO150℃FLR91XCU-R4XLPO4TAD/4TBD 近发动机

  XLETFE175℃FLR7X 自动变速箱

  XLPVDF150℃FLR10X 高耐磨、高耐油

  XLTPEE150℃FLR33X 高耐磨、耐热

  二、辐照原理和辐照参数

  1. 照射装置

  所谓电子束(EB)辐照技术,就是利用在高压电场中加速后的电子射线照射物质,通过高能电子与物质的相互作用来电离和激励各种物质的分子,从而引发化学反应以改善材料的性能或生成新材料,是一种新的加工技术和工艺。电子束辐照技术和其他先进的高电压应用技术被视为有益环境保护的“绿色技术”而得到推广。

  

 

  产生电子束(EB)的设备叫电子加速器。电子加速器有高压电源部分,真空束流管和辐照窗组成。辐照生产线还需要一套束下传动系统和控制系统。

  2、辐照参数

  1)加速电压

  电子通过加速器获得高能量,而轰击绝缘材料。加速电压越大,电子穿透材料更深。上述的穿透力决定了每个设备处理的电线的规格,而且还依赖于导线的绝缘层的材料密度。如下图所示在不同的加速电压下相对剂量与深度的关系曲线。

  

 

  2)辐照剂量

  绝缘材料的交联程度和辐照剂量有关,辐照剂量用Rad或Gy为单位(10MRad=100kGry),1Rad=1J/g。辐照剂量越大,活化的自由基越多。

  辐照剂量和速器辐照窗口得尺寸,辐照电子束的电流以及生产速度有关。

  3. 辐照剂量的计算

  由于电线是圆形的,中心有金属导体阻隔电子,所以一次辐照只能使向上的部分得到照射。

  电线的照射有效射程由和导体相切的电线外圆的弦长决定,而不是绝缘厚度。

  在不同厚度上辐照剂量得分布也是不均匀的,所以必须通过多次辐照解决辐照均匀性的问题。通过计算的到的辐照剂量只是个平均值。

  

 

  通常,电线在辐照窗下要往复100圈左右,每一圈辐照剂量D (Mrad) 是:

  D =η×(ΔE/ΔR)×I/(1. 67×W×V)

  其中:

  η = 电子束效率= 0.9

  (ΔE /ΔR) = 吸收效率 = 200

  I = 电子束电流 (mA)

  W = 扫描宽度 (cm)

  V = 线速度,m/min

  因此 Dn = N×D

  其中 N = 圈数

  三、辐照交联材料的配方

  交联材料的配方比较复杂,需要考虑各种性能的综合平衡。除了基料外主要是:

  ——交联敏化剂和官能团

  ——抗氧化剂

  ——阻燃剂

  ——其它性能平衡助剂。

  1)敏化剂

  聚乙烯达到所需要的交联度的辐照剂量通常在20~40Mrad。造成辐照交联的效率低不仅不利于生产率的提高,而且高剂量辐照交还会伴随一些不利的副反应。诸如热效应导致高分子产生发泡、静电积累与放电等。

  为了提高辐射加工的效率,减少不利的副效应,可以在体系中添加敏化剂或多官能团单体,用来提高体系的辐射交联G值(每吸收100eV,产生变化的单位数),减少聚合物交联改性所需要的辐照剂量,提高辐射加工的能力和产量,加速交联进程。

  同时由于多官能团单体(敏化剂)在辐射加工中与辐射氧化、辐射裂解过程竞争大分子自由基增加交联反应,也抑制了与交联过程不利的副反应。这就是所谓聚合物的辐射强化交联或敏化交联。

  添加多官能团单体如二乙炔(diacetylenes),在聚合物非晶区辐照中聚合物与自由基反应增加交联G值,添加2% 的2.4-己二炔-1.6双(正丁基氨基酯)[(2.4-hexadiym-1.6-bis-n-butyl.ureth.ane)的聚乙烯交联G值是纯聚乙烯的15倍。

  2)抗氧剂

  由于聚合物中溶解氧的存在和辐射加工中氧向聚合物中非晶区的扩散侵入,交联加工同时也伴随着辐射氧化裂解反应。由于辐射加工后绝缘中俘陷自由基的存在,将于扩散进入的氧发生后氧化,这不仅影响产品的使用寿命也影响其电气和机械性能。因此,在绝缘材料中必须加入抗氧剂,以减少这一过程。

  常用的抗氧剂主要是酚类和胺类。这些抗氧剂与聚合物中俘陷自由基反应而稳定,避免氧化。

  由于抗氧剂和有效和自由基反应,抑制氧化的抗氧剂也会增加所需要的辐射剂量。

  3)阻燃剂

  由于聚乙烯等聚合物是可燃的,一般均填加阻燃剂解决其阻燃性的问题。常用的阻燃剂有含卤阻燃剂、十溴二苯醚、十溴二苯乙烷,氢氧化铝、以及无机氧化物、填料等。

  在辐照加工及高温应用中含卤阻燃剂也易发生卤化氢,使用要与稳定剂相配合。金属氢氧化物阻燃虽属环保型,往往要填加很大量才能达到阻燃效果,易导致绝缘机械性能和电气性能的损失。无机填料最好要经过偶联处理,改善聚合物与填加剂间的界面关系。

  四、辐照加工工艺和产品综合性能的测定

  辐照加工工艺直接影响和决定产品的质量和各项性能,辐照时应注意:

  1)加速器的电子能量与绝缘材料结构。绝缘的厚度必须小于电子束的有效射程,以减少电荷在材料中的沉积。

  2)控制束流或传输速度,改善束下传输系统与环境热交换,减缓辐射热效应的累积。

  3)为了预防EB辐射中的不良后果,必须从聚合物配方与辐照效应、辐照加工工艺条件、环境与后处理等,协调完成。

  4)防止辐照过程中的物理损伤。

  产品综合性能的测定:

  1)交联度的测定

  因为电线的耐热性、耐液体性是与绝缘的交联度密切相关的。通常电线对绝缘交联度的表征方法主要有两种:

  ——凝胶含量测定,要求百分含量大于50%(PE);

  ——热延伸及残留变形率在规定条件下,热延伸不大于100%,残变率小于4%。

  ——差热分析(DTA)。

  2)力学性能测试,包括:

  ——抗张强度,通常要大于12.5Mpa;

  ——断裂伸长率:通常要大于150%。

  3)老化寿命:

  根据电线使用的工作温度选定老化条件(如工作温度为125℃,3000h老化),老化后强度及伸长率保留百分率大于75%。

  4)其它相关性能测试:

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