汽車用交聯(lián)電線及其加工技術

1、汽車用交聯(lián)電線及其加工技術施愛偉一、概述1. 汽車電線的發(fā)熱和受熱在汽車電氣系統(tǒng)運行過程中，電線的絕緣材料受熱的作用性能會逐步退化、直至失效。這種熱主要來自：周圍環(huán)境，特別是發(fā)動機附近溫度很高；電線傳導電流自身產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生溫升。電線的絕緣材料的工作溫度比環(huán)境溫度高至少30，通常發(fā)動機艙內發(fā)動機附近使用的電線額定耐熱溫度為125到150。電線在額定工作溫度下連續(xù)工作時間應不低于3000小時并應保證在車輛壽命期內絕緣材料具有需要的機械性能。2. 交聯(lián)技術汽車內需要很多耐熱電線，耐熱電線載流量更大、更安全。通常使用的絕緣材料都是熱塑性材料，熱塑性材料容易成型加工。交聯(lián)方法是當前提高材料耐熱性能的

2、重要手段。熱塑性材料通過交聯(lián)由線型高分子結構轉化為體型網(wǎng)狀高分子，由熱塑性轉變?yōu)闊峁绦浴２牧系臋C械性能，耐熱性能、耐液體性能都得到改善。交聯(lián)方法有多種，主要分為化學法和物理法：化學法是用加入過氧化物的材料，在高溫高壓下通過過氧化物分解引發(fā)材料高分子材料產(chǎn)生自由基，從而發(fā)生交聯(lián)反應。物理法是通過電子射線轟擊材料的分子鏈，產(chǎn)生自由基，從而發(fā)生交聯(lián)反應。兩種交聯(lián)方法材料和裝備區(qū)別很大：化學法必須使用專門的擠出設備，和專門的交聯(lián)管道以及專門的材料。設備占地比較龐大，一次性投入大，比較適合大截面厚壁的電線，可交聯(lián)材料范圍比較窄。輻照交聯(lián)方法對擠出設備沒有特殊要求，只需把成型的電線拿到有輻射條件的地方輻照

3、即可。可交聯(lián)的聚合物非常廣泛，從PVC、PE到TPEE均可交聯(lián)。不需必須增加設備投資。當然，輻照加工設備的投資也是比較巨大的。3. 交聯(lián)電線的優(yōu)勢交聯(lián)電線的耐熱性好，可以承載更大的電流。相對經(jīng)濟性更好。交聯(lián)電線遇到高熱后不熔不融，耐過熱性能好，使用更安全。通常XLPE可以瞬間熱過載達到200。交聯(lián)電線的機械性能和耐溶劑和各種液體性能也有所提高。交聯(lián)電線更容易做到耐燃燒，目前已經(jīng)能做到無鹵阻燃，環(huán)保特性更優(yōu)異。主要交聯(lián)電線品種見下表：材料耐熱溫度德國型號GM型號Ford型號日本型號SAE型號主要用途XLPE125FLR2XCU-R3XLPE3TAD3TBDAESSXTXL發(fā)動機艙XLPVC100

4、FLRXAVSSX遠發(fā)動機XLPO150FLR91XCU-R4XLPO4TAD4TBD近發(fā)動機XLETFE175FLR7X自動變速箱XLPVDF150FLR10X高耐磨、高耐油XLTPEE150FLR33X高耐磨、耐熱二、輻照原理和輻照參數(shù)1. 照射裝置 所謂電子束(EB)輻照技術，就是利用在高壓電場中加速后的電子射線照射物質，通過高能電子與物質的相互作用來電離和激勵各種物質的分子，從而引發(fā)化學反應以改善材料的性能或生成新材料，是一種新的加工技術和工藝。電子束輻照技術和其他先進的高電壓應用技術被視為有益環(huán)境保護的“綠色技術”而得到推廣。 產(chǎn)生電子束(EB)的設備叫電子加速器。電子加速器有高壓電

5、源部分，真空束流管和輻照窗組成。輻照生產(chǎn)線還需要一套束下傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。2、輻照參數(shù)1）加速電壓電子通過加速器獲得高能量，而轟擊絕緣材料。加速電壓越大，電子穿透材料更深。上述的穿透力決定了每個設備處理的電線的規(guī)格，而且還依賴于導線的絕緣層的材料密度。如下圖所示在不同的加速電壓下相對劑量與深度的關系曲線。2）輻照劑量絕緣材料的交聯(lián)程度和輻照劑量有關，輻照劑量用Rad或Gy為單位（10MRad100kGry），1Rad1Jg。輻照劑量越大，活化的自由基越多。輻照劑量和速器輻照窗口得尺寸，輻照電子束的電流以及生產(chǎn)速度有關。3. 輻照劑量的計算由于電線是圓形的，中心有金屬導體阻隔電子，所以一次輻照

6、只能使向上的部分得到照射。電線的照射有效射程由和導體相切的電線外圓的弦長決定，而不是絕緣厚度。在不同厚度上輻照劑量得分布也是不均勻的，所以必須通過多次輻照解決輻照均勻性的問題。通過計算的到的輻照劑量只是個平均值。通常，電線在輻照窗下要往復100圈左右，每一圈輻照劑量D (Mrad) 是: D =(E/R)I(1. 67WV)其中： = 電子束效率= 0.9 (E /R) = 吸收效率 = 200I = 電子束電流 (mA)W = 掃描寬度 (cm)V = 線速度，m/min因此 Dn = ND其中N = 圈數(shù)三、輻照交聯(lián)材料的配方交聯(lián)材料的配方比較復雜，需要考慮各種性能的綜合平衡。除了基料外主

7、要是：交聯(lián)敏化劑和官能團抗氧化劑阻燃劑其它性能平衡助劑。1）敏化劑聚乙烯達到所需要的交聯(lián)度的輻照劑量通常在2040Mrad。造成輻照交聯(lián)的效率低不僅不利于生產(chǎn)率的提高，而且高劑量輻照交還會伴隨一些不利的副反應。諸如熱效應導致高分子產(chǎn)生發(fā)泡、靜電積累與放電等。為了提高輻射加工的效率，減少不利的副效應，可以在體系中添加敏化劑或多官能團單體，用來提高體系的輻射交聯(lián)G值（每吸收100eV，產(chǎn)生變化的單位數(shù)），減少聚合物交聯(lián)改性所需要的輻照劑量，提高輻射加工的能力和產(chǎn)量，加速交聯(lián)進程。同時由于多官能團單體（敏化劑）在輻射加工中與輻射氧化、輻射裂解過程競爭大分子自由基增加交聯(lián)反應，也抑制了與交聯(lián)過程不利的

8、副反應。這就是所謂聚合物的輻射強化交聯(lián)或敏化交聯(lián)。添加多官能團單體如二乙炔(diacetylenes)，在聚合物非晶區(qū)輻照中聚合物與自由基反應增加交聯(lián)G值，添加2% 的2.4-己二炔-1.6雙(正丁基氨基酯)（2.4-hexadiym-1.6-bis-n-butyl.ureth.ane）的聚乙烯交聯(lián)G值是純聚乙烯的15倍。2）抗氧劑由于聚合物中溶解氧的存在和輻射加工中氧向聚合物中非晶區(qū)的擴散侵入，交聯(lián)加工同時也伴隨著輻射氧化裂解反應。由于輻射加工后絕緣中俘陷自由基的存在，將于擴散進入的氧發(fā)生后氧化，這不僅影響產(chǎn)品的使用壽命也影響其電氣和機械性能。因此，在絕緣材料中必須加入抗氧劑，以減少這一過程

9、。常用的抗氧劑主要是酚類和胺類。這些抗氧劑與聚合物中俘陷自由基反應而穩(wěn)定，避免氧化。由于抗氧劑和有效和自由基反應，抑制氧化的抗氧劑也會增加所需要的輻射劑量。3）阻燃劑由于聚乙烯等聚合物是可燃的，一般均填加阻燃劑解決其阻燃性的問題。常用的阻燃劑有含鹵阻燃劑、十溴二苯醚、十溴二苯乙烷，氫氧化鋁、以及無機氧化物、填料等。在輻照加工及高溫應用中含鹵阻燃劑也易發(fā)生鹵化氫，使用要與穩(wěn)定劑相配合。金屬氫氧化物阻燃雖屬環(huán)保型，往往要填加很大量才能達到阻燃效果，易導致絕緣機械性能和電氣性能的損失。無機填料最好要經(jīng)過偶聯(lián)處理，改善聚合物與填加劑間的界面關系。四、輻照加工工藝和產(chǎn)品綜合性能的測定輻照加工工藝直接影響

10、和決定產(chǎn)品的質量和各項性能，輻照時應注意：1）加速器的電子能量與絕緣材料結構。絕緣的厚度必須小于電子束的有效射程，以減少電荷在材料中的沉積。2）控制束流或傳輸速度，改善束下傳輸系統(tǒng)與環(huán)境熱交換，減緩輻射熱效應的累積。3）為了預防EB輻射中的不良后果，必須從聚合物配方與輻照效應、輻照加工工藝條件、環(huán)境與后處理等，協(xié)調完成。4）防止輻照過程中的物理損傷。 產(chǎn)品綜合性能的測定：1）交聯(lián)度的測定因為電線的耐熱性、耐液體性是與絕緣的交聯(lián)度密切相關的。通常電線對絕緣交聯(lián)度的表征方法主要有兩種：凝膠含量測定，要求百分含量大于50%（PE）；熱延伸及殘留變形率在規(guī)定條件下，熱延伸不大于100%，殘變率小于4%

11、。差熱分析（DTA）。 2）力學性能測試，包括：抗張強度，通常要大于12.5Mpa；斷裂伸長率：通常要大于150%。3）老化壽命：根據(jù)電線使用的工作溫度選定老化條件（如工作溫度為125，3000h老化），老化后強度及伸長率保留百分率大于75%。4）其它相關性能測試：如耐溶劑，耐燃燒，耐磨等。五、交聯(lián)電線簡單識別方法1）產(chǎn)品標識識別：德國型號中代表絕緣材料的字母Y用X替換，即代表經(jīng)過交聯(lián)處理。如FLR2X T125就是耐熱125交聯(lián)PE絕緣電線。通用（GM）在型號末端需要標準絕緣材料的縮寫，凡是縮寫以為X（或XL）開頭的材料都是交聯(lián)材料，如CU-R4XLPO的就是耐熱150交聯(lián)PO絕緣電線。福特的型號只標識了耐熱等級，對材料沒要求。有時同一溫度等級有多種絕緣材料，為了防止混淆，我們在型號后面會注明所用材料（縮寫）。如3TBD（XLPE）和3TBD（PVC），3TBD（PP）。2）耐熱試驗識別：用二十瓦電烙鐵燙一下絕緣層，真正的輻照電線電纜應該沒有明顯凹陷，