聚全氟乙丙烯(FEP)絕緣電纜制造和應(yīng)用

1、聚全氟乙丙烯（fep）絕緣電纜制造和應(yīng)用含氟塑料與其他塑料相比，具有更優(yōu)異的耐高低溫、耐腐蝕、耐侯性、電氣絕緣性、不吸收水及低的摩擦系數(shù)等等特性，因此它已經(jīng)成為現(xiàn)代尖端科學(xué)技術(shù)、軍工生產(chǎn)和各工業(yè)領(lǐng)域所不能缺少的新型塑料之一。目前在電線電纜工業(yè)中應(yīng)用的氟塑料有：聚四氟乙烯（f-4）、聚全氟乙丙?。╢-46）、四氟乙烯和乙烯的共聚物（f-40）、三氟氯乙烯和乙烯的共聚物（f-30）、聚三氟氯乙烯（f-3）和聚偏二氟乙烯（f-2）等。聚全氟乙丙烯（f-46），除使用溫度比聚四氟乙烯約低50外，它幾乎具有聚四氟乙烯的所有優(yōu)良性能。它在85205的使用溫度范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的電氣特性、優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性、

2、特出的抗光熱老化性能、不燃及較好的機(jī)械強(qiáng)度。聚全氟乙丙烯（f-46）克服了聚四氟乙烯不能用塑料擠出機(jī)加工的缺點(diǎn)，它的加工性能好，可使用生產(chǎn)效率較高的螺桿擠出加工工藝的特點(diǎn)，促進(jìn)了它的應(yīng)用和發(fā)展。一，聚全氟乙丙烯（f46）的結(jié)構(gòu)和性能聚全氟乙丙烯是四氟乙烯和六氟丙烯（cf2cf cf3）的共聚物，簡(jiǎn)稱fep或f-46。聚全氟乙丙烯中的六氟丙烯（cf2cf cf3）是以嵌段方式進(jìn)入聚合物骨架的，它的分子式結(jié)構(gòu)為：-（cf2cf2）x（cf2cf）xncf2其中四氟乙烯約為8283（重量比），六氟丙稀為1718。由于三氟甲基（ cf3）取代了部分氟原子，因而破壞了聚四氟乙烯的結(jié)晶性（f46的結(jié)晶度為

3、4050；f-4的結(jié)晶度在5575），分子鏈的長(zhǎng)度也比四氟乙烯短，從而降低了粘度，使它能在擠出機(jī)上擠出加工，大大改善了工藝性，使它成為替代f4材料，作為耐高溫電線電纜的絕緣和護(hù)套材料而獲得廣泛應(yīng)用。聚全氟乙丙烯具有聚四氟乙烯相仿的優(yōu)良電氣絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，硬度和抗拉強(qiáng)度比聚四氟乙烯略有提高，而工藝性大為改善。結(jié)晶相熔融溫度（280）約比聚四氟乙烯低50左右，但它仍可長(zhǎng)期使用于85204溫度范圍，并且在常溫下比聚四氟乙烯有較好的抗冷流性，只是摩擦系數(shù)略低。聚全氟乙丙烯也存在有耐應(yīng)力開裂性能和耐電暈不佳的缺點(diǎn)，使得它不能應(yīng)用于高壓絕緣。從環(huán)保要求衡量，聚全氟乙丙烯和聚四氟乙烯一樣，都是含有鹵數(shù)f

4、的非環(huán)保型材料，對(duì)環(huán)境和人類健康都有不良的影響。聚全氟乙丙烯既具有聚四氟乙烯相似的寶貴特性，又具有熱塑性塑料的優(yōu)良加工性能，從而使它成為替代f-4材料在電線電纜上獲得廣泛應(yīng)用。在電線電纜上，聚全氟乙丙烯可用作高頻高溫要求的傳輸線、安裝線、電子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的連接線、宇宙航空、航天用電線以及腐蝕性環(huán)境中使用的各種安裝線、油泵電纜和潛油電機(jī)繞組線等應(yīng)用。聚全氟乙丙烯和聚四氟乙烯的主要性能比較，見表1所示。表1 f-46和f-4主要性能比較材料名稱性能項(xiàng)目聚全氟乙丙烯f-46聚四氟乙烯f-4比重2.173.142.12.2吸水率(24h)0.010.01耐燃性（氧指數(shù)）9595硬度p46d5065抗拉強(qiáng)

5、度mn/m2200300160250(分散)屈服強(qiáng)度mn/m2147196210抗壓強(qiáng)度mn/m211249126極限伸長(zhǎng)率250380250400脆化溫度8080最高使用溫度+205+260擊穿強(qiáng)度（短時(shí)間）mv/m202520耐電弧，s165360體積電阻率v,.m10161016介電常數(shù)：（106hz）2.12.1介質(zhì)損耗角正切值：tg（106hz）0.00070.0002耐輻照性差差二，聚全氟乙丙烯絕緣的擠出加工聚全氟乙丙烯絕緣加工流程，雖然如同一般熱塑性塑料的擠出加工。但是，由于聚全氟乙丙烯的擠出加工溫度較高（高達(dá)350以上），它是含氟塑料，f-46樹脂在高溫熔融擠出中，會(huì)有一些含氟

6、氣體分解出來，這些分解物對(duì)金屬材料具有強(qiáng)烈的腐蝕作用；雖然f-46的粘度較比f-4樹脂有所降低，但是其熔融粘度仍高達(dá)104106泊，遠(yuǎn)比一般的熱塑性樹脂的粘度大。f-46樹脂的粘度約比一般熱塑性塑料的粘度大10100倍，因而要求擠出設(shè)備有足夠的功率；聚全氟乙丙烯樹脂的擠出加工，對(duì)擠出設(shè)備、模具、冷卻、導(dǎo)體線芯和控制都提出了一系列不同于一般性熱塑性塑料擠出加工的要求。1，擠出設(shè)備（擠出機(jī)）如上所述，f-46樹脂，它是含氟塑料，在高溫熔融擠出中，會(huì)有一些含氟氣體分解出來，這些分解物對(duì)一般金屬材料具有強(qiáng)烈的腐蝕作用。因此，擠出f-46所用的擠出機(jī)的機(jī)筒、螺桿、機(jī)頭、模具等，不能采用45鋼或38crm

7、oal合金等材料制造。當(dāng)這些材料與f-46高溫熔融體接觸時(shí)，這些材料在幾天或幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)表面腐蝕和剝落。剝落的黑色金屬腐蝕物混進(jìn)擠出絕緣中，嚴(yán)重影響擠出絕緣的質(zhì)量和外觀。熔融的氟聚合物樹脂對(duì)許多金屬都具有腐蝕性，凡與熔融體接觸的部件必須由特種耐腐蝕材料制成。因此，擠出f-46所用的擠出機(jī)的機(jī)筒、螺桿、機(jī)頭、模具等，應(yīng)采用高鎳基合金材料，如hastelloy、inconel、monel和xaloy等；國(guó)產(chǎn)材料有上海上鋼五廠生產(chǎn)的新3鋼（gh113）等。擠出f-46的擠出機(jī)，應(yīng)具有分段獨(dú)立控制的加熱器，它的最高加熱溫度應(yīng)不低于420。溫度控制器要求穩(wěn)定、波動(dòng)小，應(yīng)防止線路電壓的波動(dòng)影響擠出溫度

8、。由于聚全氟乙丙烯的粘度相對(duì)還是較大，因而擠出設(shè)備應(yīng)有足夠的功率動(dòng)力；擠出設(shè)備放置地應(yīng)有強(qiáng)烈的通風(fēng)和排風(fēng)設(shè)施，防止有害的含氟氣體的堆積，危害環(huán)境和人；螺桿、模具等粘有fep樹脂時(shí)，嚴(yán)禁采用燃燒化的處理方式，應(yīng)采用銅刮削工具清理。2，擠出機(jī)的機(jī)筒和螺桿鑒于f-4樹脂其熔融粘度高達(dá)104106泊，遠(yuǎn)比一般的熱塑性樹脂的粘度大，是一般熱塑性塑料的粘度的10100倍，為了使擠出的樹脂充分熔融、塑化均勻，應(yīng)當(dāng)使擠出機(jī)的機(jī)筒和螺桿適當(dāng)長(zhǎng)。擠出機(jī)的機(jī)筒長(zhǎng)度和直徑比為20：130：1。擠出機(jī)的機(jī)筒應(yīng)有35個(gè)獨(dú)立控制的加熱區(qū)，加熱區(qū)中配備能在溫度范圍為316425精確操作（0.6）的溫度控制器。加熱器應(yīng)有鑄青銅

9、或鑄鋁制成。最好使用具有比例積分微商控制作用的控制器。擠出機(jī)螺桿的壓縮比為32：1，螺桿應(yīng)有一較長(zhǎng)的進(jìn)料區(qū)，一個(gè)1至3轉(zhuǎn)的過渡段和一個(gè)約占四分之一長(zhǎng)度的計(jì)量段。螺桿端部加一個(gè)混合段可提高加工性。3，擠出機(jī)頭和模具f-46擠出機(jī)的機(jī)頭和模具應(yīng)呈流線型，要求表面光潔，避免死角的存在。f-46樹脂的擠出，一般采用擠管式模具，因?yàn)閒-46的熔融粘度和拉力大，不適宜采用擠壓式模具。擠管式模具以一定的拉（壓）伸比（ddr）來防止f-46在擠出中出現(xiàn)的熔融破裂和提高生產(chǎn)效率。拉伸比（ddr）的定義為：d2dd2g ddr d2d2式中：dd模套內(nèi)徑（mm）；dg模芯外徑（mm）；d擠出外徑（mm）；d線芯外

10、徑（mm）。為使絕緣外徑均勻，線芯和絕緣層結(jié)合緊密，應(yīng)使電纜絕緣層的拉伸比不過大，一般取拉伸比為2080之間。較大的拉伸比通常允許使用較高的生產(chǎn)線速度，有利于提高生產(chǎn)效率，但不能超過一定值，這將根據(jù)所應(yīng)用的樹脂性能而決定。拉伸平衡系數(shù)（dbr），表明了絕緣層外層拉伸和絕緣層內(nèi)層拉伸之比，其表示式為：dbrdd / dg d/d = dd / d dg/d上式中符號(hào)含義同前所示。dd / d: dg/d 一般取為1.151.20：1較好。對(duì)不同材料牌號(hào)的f-46樹脂，樹脂生產(chǎn)制造商會(huì)提供ddr和dbr的相應(yīng)的擠出指引。在十字機(jī)頭的后部要求有一段可控制的抽真空以調(diào)節(jié)熔融錐體長(zhǎng)度，使錐體達(dá)到理想長(zhǎng)度

11、。熔融錐體長(zhǎng)度太長(zhǎng)將導(dǎo)致較大的擠出線徑變化；熔融錐體太短，將會(huì)導(dǎo)致錐體的斷裂。對(duì)于杜邦公司fep100氟聚合物樹脂，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明：錐體長(zhǎng)度為6476mm，可以達(dá)到令人滿意的156：1拉伸比（ddr）和1.00的拉伸平衡系數(shù)。如果使用拉伸比平衡系數(shù)較高，則可用較短的錐體長(zhǎng)度。擠出機(jī)的模具套中應(yīng)安裝熔融熱電偶和熔融壓力傳感器。為了獲得精確的測(cè)量值，熱電偶應(yīng)延伸到熔融流動(dòng)樹脂槽的中心線。4，線芯預(yù)熱和擠出冷卻擠出前電纜線芯應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱的目的是除去線芯上的水份、油污，防止擠出時(shí)模芯溫度的下降而引起擠出材料內(nèi)壁發(fā)生熔融破裂。熔融破裂是f-46擠出加工工藝的一個(gè)突出特性。熔融破裂使擠出物出現(xiàn)有規(guī)律的橫向

12、裂紋。造成這種情況的原因是f-46的熔融粘度較高，當(dāng)它從機(jī)頭和模子擠出時(shí)，如遭受過度的剪切作用，即當(dāng)擠出速度使得擠出物的流動(dòng)速度超過f-46的臨界剪切速率（309、209秒1時(shí)），熔融的樹脂就處于非穩(wěn)流狀態(tài)，材料出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，產(chǎn)生熔融破裂使產(chǎn)品表面粗糙、無光澤、彎曲時(shí)發(fā)生破裂。線芯預(yù)熱應(yīng)盡量靠近擠出十字機(jī)頭，線芯的預(yù)熱溫度取決于應(yīng)用情況，但預(yù)熱器在典型的線速度為500英尺/分（152米/分）操作時(shí)，應(yīng)能把導(dǎo)體線芯加熱到149204。線芯擠出前后，都應(yīng)防止抖動(dòng)，抖動(dòng)會(huì)影響擠出絕緣的均勻性，造成偏心等缺陷。在十字機(jī)頭兩側(cè)應(yīng)裝上固定的滑輪以減少線芯的顫動(dòng)。經(jīng)過擠出絕緣后的絕緣芯線，應(yīng)先通過一段0.

13、31.5米的空氣冷卻區(qū)，然后進(jìn)入溫度為3866的溫水冷卻，以達(dá)到均勻冷卻和防止絕緣體中生成收縮空隙。如果絕緣擠出后急速冷卻，則會(huì)在絕緣表面產(chǎn)生收縮孔，影響絕緣質(zhì)量；急速冷卻也會(huì)造成絕緣內(nèi)外層收縮不均勻，形成絕緣層的應(yīng)力，使用中由于絕緣應(yīng)力存在而造成應(yīng)力開裂。冷卻條件，很大程度取決于絕緣層的厚度和所用絕緣材料的性能。從耐高溫和耐腐蝕的要求，導(dǎo)體線芯多采用涂銀或涂鎳銅線。一般也可采用銅線導(dǎo)體或涂錫銅線，如國(guó)內(nèi)的af200和afp200型電線就是采用涂錫銅線或銅線作為導(dǎo)體芯線。5，擠出工藝控制聚全氟乙丙烯f-46的擠出溫度的控制，應(yīng)使擠出物料塑化均勻、良好，并且不分解。從物料擠出觀察，擠出物料應(yīng)透明

14、易拉伸、無氣泡和纖維狀。擠出溫度設(shè)置和控制可為下表2所示值：表2 f-46擠出加工溫度設(shè)置范圍（）物料名稱機(jī)筒（身）溫度機(jī)頭溫度擠出模子溫度f-46220250300330320350320350350370370390擠出進(jìn)料口處的溫度稍低，以避免物料吃不進(jìn)因溫度高而包住螺桿。模子溫度高，有利于絕緣擠出表面光潔；但是溫度不能過高，溫度過高會(huì)產(chǎn)生氣泡，而溫度過低則會(huì)使表面粗糙。擠出溫度應(yīng)隨著擠出絕緣壁的厚度、擠出所用材料的熔融指數(shù)、螺桿轉(zhuǎn)速的快慢、高低等因素而有所變化。擠出絕緣壁薄、物料熔融指數(shù)低、螺桿轉(zhuǎn)速高，則應(yīng)提高擠出溫度設(shè)置，反之則應(yīng)降低擠出溫度。要求擠出溫度設(shè)置分布合理、穩(wěn)定，以保證擠

15、出樹脂的充分、均勻塑化，同時(shí)又不會(huì)造成物料的分解、破壞。擠出加工中樹脂的降解將大大降低f-46的應(yīng)用性能，因此擠出加工過程中避免樹脂降解是值得關(guān)注的問題。降解是由于熔融溫度過高，樹脂在擠出機(jī)中滯留時(shí)間過長(zhǎng)以及/或螺桿的過大剪切力而造成的。一般，擠出過程中應(yīng)避免熔體流動(dòng)指數(shù)增加大于10。熔體流動(dòng)指數(shù)增加大于10，通常發(fā)生于393的5分鐘后或382下的45分鐘后，但在360的60分鐘后，只增加5。這說明在擠出機(jī)的操作溫度下保持?jǐn)D出機(jī)內(nèi)樹脂的流動(dòng)的重要性，同時(shí)也說明了即使擠出機(jī)關(guān)閉一小段時(shí)間，仍然應(yīng)該降低擠出機(jī)溫度的原因。6，擠出質(zhì)量和問題f-46絕緣和護(hù)套電線電纜，在使用過程中往往會(huì)存在有開裂問題

16、。造成絕緣和護(hù)套開裂的原因主要有：（1） 絕緣或護(hù)套存在內(nèi)應(yīng)力，這是由于線芯或纜芯的預(yù)熱和冷卻不當(dāng)所引起；（2） f-46樹脂的組成不均勻或擠出塑化不良、擠出工藝不當(dāng)所造成；（3） 選用的f-46樹脂的分子量過小或分布過寬造成；（4） f-46樹脂中六氟丙稀含量過低；（5） f-46樹脂中不穩(wěn)定的基團(tuán)產(chǎn)生的大分子斷鏈造成。為此，f-46擠出加工必須根據(jù)擠出絕緣或護(hù)套的不同要求，正確、合理的選擇不同用途的樹脂。為提高擠出質(zhì)量，避免應(yīng)力開裂，必須注意以下問題。（1） 正確合理選擇樹脂的熔融指數(shù)（mi）。熔融指數(shù)較大的樹脂，其擠出工藝性較好，較適合于小型線和薄壁絕緣線；熔融指數(shù)較大的樹脂，主要適合應(yīng)

17、用于絕緣較厚線和護(hù)套擠出使用；（2） 線芯的預(yù)熱和擠出后的緩慢冷卻，有利于降低和減小應(yīng)力開裂的發(fā)生；（3） 根據(jù)f-46樹脂的性能，合理配置模具結(jié)構(gòu)和尺寸。三，聚全氟乙丙烯（fep）樹脂供應(yīng)商及牌號(hào)、性能聚全氟乙丙烯（fep）樹脂，目前國(guó)內(nèi)主要使用國(guó)外進(jìn)口材料，其供應(yīng)商的牌號(hào)和用途，如表3所列。生產(chǎn)供應(yīng)商牌號(hào)名稱主要用途美國(guó)杜邦公司fep100fep140fep160供電線簿層絕緣應(yīng)用；特耐應(yīng)力開裂，作較厚絕緣應(yīng)用；作耐應(yīng)力開裂護(hù)套。日本大金公司np20np30np40供電線簿層絕緣應(yīng)用；特耐應(yīng)力開裂，作較厚絕緣應(yīng)用；作耐應(yīng)力開裂護(hù)套。日本旭硝之公司c88c55c55a供電線絕緣應(yīng)用；作為電纜

18、護(hù)套應(yīng)用；特耐應(yīng)力開裂。國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)七、八年代，由上海有機(jī)氟化學(xué)研究所、天津六零九等單位曾對(duì)fep材料進(jìn)行了專門的開發(fā)研究，尤其是對(duì)fep的應(yīng)力開裂進(jìn)行了多次的專題攻關(guān)，但終因種種原因使國(guó)產(chǎn)的fep材料未能獲得廣泛應(yīng)用。表4列出了美國(guó)杜邦公司fep100的主要特性。表4 fep100的主要特性性能項(xiàng)目特性值astm方法介電常數(shù)：100khz（105hz）1mhz（106hz）2.062.06d-1531介質(zhì)損耗角正切值：tg100khz（105hz）1mhz（106hz）0.00030.0006d-1531介電強(qiáng)度10mil薄扳v/mil1/8英寸板材v/mil2000510d-149機(jī)械性能熔體流動(dòng)指數(shù)g/10分比重拉伸強(qiáng)度mpa伸長(zhǎng)率6.62.1527340d-2116d-762d-1708d-1708熱性能熔點(diǎn)264dat-168表5所列為杜邦公司提供的awg24實(shí)心銅導(dǎo)體擠出fep100的典型操作條件，可供參考使用。表5項(xiàng)目名稱