耐電弧光滑電線的製作方法

2023-05-26 05:23:46

專利名稱：耐電弧光滑電線的製作方法
技術領域：
本申請涉及電纜結構，更具體地說，涉及一種用於電纜的層狀絕緣體。
背景技術：
在高性能機身電線領域，例如應用於商用和軍用飛機上，這類電線必須滿足嚴格 的性能等級。總體來說，在工業上增強電線的性能特性同時保持或減輕其重量是一個主要 目標。電線/絕緣體組合產品必須保持一些重要的性能特性，包括熱機械性能、耐電弧 性、紫外-雷射標記能力、耐磨性、動態耐切透性(dynamiccut-through resistance)和光 滑表面。在現有技術中，包括純聚醯亞胺絕緣帶和Teflon (含氟聚合物)包覆的聚醯亞胺 絕緣帶的聚醯亞胺絕緣帶已被當成主要的絕緣體而加以應用。聚醯亞胺具有很多有益的性 能，包括良好的機械性能和絕緣性能。但是，作為絕緣帶，聚醯亞胺需要被施加而不能進行 熔融擠出，這是因為高分子量的聚醯亞胺由於性能參數需要造成很難被擠壓。這些聚醯亞胺絕緣帶，除了它們具有的大部分優點外，在耐幹和溼電弧徑跡性能 方面(dry and wet arc resistance tracking)較差。儘管最新的聚醯亞胺絕緣帶具有含 氟聚合物包覆層，從而具有改善了的電弧徑跡性能，但它們仍不能理想地滿足所需的耐電 弧標準。公知的，含氟聚合物(包括Teflon )具有良好的耐電弧性能，從而在用於機身 用途的電線中，被廣泛地應用在主絕緣層之上的第二層中。例如無熔渣的PTFE(聚四氟乙 烯-Teflon )絕緣帶被施加於第一聚醯亞胺絕緣體上。該結構的現有技術的電纜的一個 例子，例如根據工業標準AS22759/80-82和86-92機身電線，在附圖1中示出。然而，另一個對機身電線關注點是對既需光滑又可印記(例如紫外雷射印記)的 追求。為了使得外部的聚四氟乙烯層可印記，添加劑尤其是二氧化鈦和其它相關物質(顏 料)被加入聚四氟乙烯絕緣帶中。這些添加材料儘管很容易被紫外雷射標記，但通常成倍 地減弱電纜的其它重要性能，包括耐電弧性能。例如，常見的添加劑二氧化鈦被採用，是由 於它能增強含氟聚合物(聚四氟乙烯)的紫外雷射標記性能(增強標記對比度)，但它也擅 長維持電弧，因而同時減弱了電線的耐電弧性。在該行業中另一個期望的性能參數是表面光滑電線，其至少保持當前的 AS22759/80-82和86-92性能水平(機身電纜的工業標準)。然而，由於絕緣帶的結構，電線 不是無稜邊的和光滑的，並且，由於為了上述提到的標記目的而在PTFE中添加的添加劑， 電線在耐溼電弧試驗中性能不佳。這樣，受到這些局限，典型的當前機身電線的規格僅要求
3電線分別通過「溼-電弧徑跡」在中等或薄的壁厚時分別為在90%和85%。

發明內容
本發明克服了現有技術的不足，提供了一種電線，該電線具有被主絕緣層和次絕 緣層包覆的導體。第三薄層施加在次絕緣層上，該第三層被設置有顏色添加劑的各種標記， 從而使得外表面不僅光滑而且可標記，同時在主絕緣層和次絕緣層裡則不需要添加這類添 加劑。通過將紫外雷射標記和染色功能分離並局限於電線的絕緣系統的外部層，整體的 絕緣系統可被設計成具有更好的機械和電性能。例如，僅在處在外面的薄的PTFE絕緣物的 第三層上摻雜二氧化鈦和顏色添加劑，且使次絕緣層為天然PTFE (純的且無添加劑)。在本發明的一種結構中，對薄的第三絕緣層的摻雜是通過熔體擠出、包裹、塗抹或 以其它方式處理次絕緣層外表面以增加第三層而實現的。一個例子是將紫外雷射感光劑 (二氧化鈦)和顏色添加劑添加到處在外面的第三絕緣層中的熔接過程。通過將處於外面的第三絕緣層(或包覆絕緣層)和次絕緣層分開，這允許次絕緣 層在製作時不添加標記添加劑，從而整個絕緣層的整體耐電弧性得以提高。事實上，純PTFE 的第二絕緣帶可以做得比較薄，從而允許在形成主絕緣層時更自由，例如在所使用的絕緣 帶的成份方面。更進一步，這種PTEF帶來的次絕緣層的電弧徑跡性能的改進使得在電線絕緣層 中的整體聚醯亞胺濃度，例如第一絕緣帶層的聚醯亞胺成分相對於含氟聚合物成分增加 了，這樣獲得了更好的熱和機械性能，卻沒有損失耐電弧性能。這種特性使得在滿足特定需求的機械特性時有更多的設計選擇，同時也能滿足通 過必要的性能標準。例如，這種布置使得電纜能在檢測等級95%或者更高時通過耐電弧測 試，並滿足 AS22759/80-/82 以及 AS22759/86-/92 的要求。最後，本發明提供了一種電線，該電線具有導體、主絕緣層和次絕緣層。第三絕緣 層被施加於所述次絕緣層上，這裡所述第三絕緣層包括在所述電線的三個絕緣層中僅有的 標記添加劑。


本發明通過以下的文字和

可更好地理解，這裡圖1是現有技術的機身電線(AS22759/80-82，86-92)圖2表示根據本發明一個實施方式的多層絕緣機身電纜；和圖3表示根據本發明另一個實施方式的多層絕緣機身電纜。
具體實施例方式在本發明的一個實施方式中，提供了一電線(或電纜)10，其具有導體芯(12)和絕 緣層20。如前所述，電線10普遍應用於機身領域，但是本發明並不局限在該這方面。在圖2中所示的電線10的導體芯12是多根絞合的導體元件14。為了說明本發 明的突出特徵，每一導體元件14包括19股32AWG鍍鎳銅(19X32,20的美國電線規格NPC 導體)。但是，應當理解每一單獨導體元件14可用其它任何符合所需應用的導體材料製造。此外，本發明與將在下面描述的絕緣層20相關的特點是可應用在單獨的實心結構(僅一個 元件)的導體芯12上。在本發明的一個實施方式中，如圖2所示，絕緣層20包括第一主絕緣層22、次絕緣 層24和包覆層26。
在一種布置中，主絕緣層22優選地由複合絕緣帶(例如DupontTM120TW T 561)構 成，其總厚度大約0.0012英寸。這樣的絕緣帶可由構成，在該聚醯亞胺基體的兩側上包覆 有改性聚四氟乙烯。在另一布置中，用於主絕緣層的絕緣帶是簡單的沒有包覆的聚醯亞胺 絕緣帶。在本發明的一個布置中，為了形成層22，這樣的一個絕緣帶在導體芯12上以大約 51-54%的重疊，優選為53%的重疊螺旋纏繞。在大約50%重疊時的纏繞相當於主絕緣層 的厚度大約為兩倍的絕緣帶的厚度。對絕緣層22的這種設計被用作說明本發明的突出特 色。但是，應該清楚的是，在本發明的範圍中，其它將主絕緣層22施加到導體芯12的方法 也可應用。次絕緣層24優選地採用由天然的無熔渣的聚四氟乙烯構成纏繞絕緣帶形成，其 厚度基本上為0. 0015-0. 0020英寸，也可以是0. 0005-0. 004英寸的範圍。理想地，用於次 絕緣層24的絕緣帶由不含添加劑的天然聚四氟乙烯構成，但是它們也可由含重量上4%或 更少二氧化鈦和/或10%或更少的其它添加劑的改性聚四氟乙烯構成。這種絕緣帶可為成 薄片的無熔渣澆注(cast)或延展(expanded)形式。儘管理想的是，為利用接下來描述的 第三絕緣層26的優點，聚四氟乙烯絕緣帶應不含添加劑，但是一些少量的添加劑(或可能 的雜質)也不會損害本發明的有益之處。如同形成主絕緣層22的絕緣帶，這個絕緣帶也是以大約51-54%重疊，優選53% 的重疊螺旋纏繞在主絕緣層22上。與現有技術不同，次絕緣層不含任何添加劑例如標記添 加劑，這樣使整個電纜絕緣層20具有非常好的耐電弧性能。對次絕緣層24的這種設計作 為代表性結構來說明本發明的突出特色。但是，和主絕緣層22 —樣，應該清楚在本發明的 範圍內，其它將次絕緣層23施加到主絕緣層22的方法也可應用。在本發明的一個實施方式中，第三絕緣層26被施加到次絕緣層24的外面。有利的 是，它可以藉助於熔接來施加，其中利用表面處理並然後被熔接到次絕緣層24的外表面上 來施加聚四氟乙烯。在該布置中，第三絕緣層26優選的被若干次個重複施加，每一重複優 選為厚度0. 0001-0. 0004英寸的層。每一施加重複可以在0. 00005-0. 001英寸的範圍內。 但是，應該清楚第三絕緣層26還可有其它方式施加，例如熔體擠出、纏繞或塗抹。熔接包覆材料(聚四氟乙烯熔接包覆層26)被設計用於給電線添加顏色，使得電 線10在其表面上具有紫外雷射可標記性。出於這一目的，聚四氟乙烯層可包含標記添加 齊IJ，例如二氧化鈦。儘管這存在上述確定的耐電弧性能方面的缺陷，因為第三絕緣層26相 對於整個次絕緣層的厚度很小而使得這個影響最小化。此外，採用熔接包覆施加的外部包覆層或第三絕緣層26還有另外的優點，即可 以使次絕緣層(其為纏繞的聚四氟乙烯絕緣層)內的螺旋凹痕平整化，這不僅使標記更容 易，還消除了稜邊(由絕緣帶的纏繞形成)，從而增強了耐磨性，且避免了由於物理環境危 害造成的絕緣帶絕緣體突然被卡住或展開的情況。在本發明的另一個實施方式中，同樣採用圖2來說明，主絕緣層22是由絕緣帶製成，絕緣帶包括聚醯亞胺基體，在聚醯亞胺基體膜的兩側都包覆了改性聚四氟乙烯。這個絕 緣帶然後以大約63-70%重疊，優選的65%的重疊螺旋纏繞在導體芯上。在這個布置中，主 絕緣層22的絕緣帶以大約為65%的重疊纏繞不僅導致主絕緣層的總厚度是絕緣帶厚度的 三倍，還導致更光滑輪廓的外表面。纏繞在其上的次絕緣層24是由天然的無熔渣聚四氟乙烯絕緣帶構成，厚度大約 為0. 0015英寸或者更小。而且，該絕緣帶也是以大約65%重疊螺旋纏繞在主絕緣層22上。 由於次絕緣層24是由純聚四氟乙烯構成，不含標記添加劑，它在製作時的厚度可比正常情 況小，因為它純的不含添加劑成分的配方，可在較小厚度時可達到所需要的絕緣和機械性 能。另外，以大約65%的重疊纏繞還導致更光滑輪廓的外表面。和第一種布置相似，例如藉助於上述的聚四氟乙烯熔接的方式，第三包覆層26被 作為最終外層施加於主絕緣層24上。第三絕緣層26可以在若干重複過程中施加，每一個 重複過程的厚度大約0. 0001-0. 0004英寸。在本發明的另一實施方式中，如圖2所示，電線10具有相同的導體芯12、主絕緣層 22和次絕緣層24。在本實施例中，第三絕緣層(或包覆層)26是螺旋纏繞的聚四氟乙烯絕 緣帶，厚度為0. 0015英寸，以大約10%的重疊施加。和上述的第三絕緣層26相似，這一層 所用的聚四氟乙烯被設計成對電線10添加顏色，並且使電線10在其表面具有紫外雷射印 記性，例如通過包含二氧化鈦添加劑。儘管這樣會存在上述確定的耐電弧性能相關的缺陷， 但因為第三絕緣層26相對於整個次絕緣層24的厚度很小，這種影響被最小化。如圖3所示，在本發明的另一個實施方式中，一個另外的中間熔接包覆層23添加 到主絕緣層22和次絕緣層24之間。在這個布置中，如前面例子中的，在採用聚四氟乙烯包 覆的聚醯亞胺絕緣帶而形成主絕緣層22之後進行。此後，熔接包覆層23施加於主絕緣層24上。這一內部熔接包覆層23優選的採用 若干個重複步驟施加，這裡每一個重複步驟的厚度優選是大約0. 0001-0. 0005英寸。每一 次施加的重複步驟可以為0. 00005-0. 001英寸。內部包覆層23有利地布置為覆蓋並密封 主絕緣層22，同時為次絕緣層24提供光滑、無稜邊表面作為基底。這增加了電纜10外表面 的整體光滑性。在施加內部包覆層23之後，次絕緣層24和熔接包覆層26如上所述施加。根據上述的實施方式，外部熔接包覆層26給電線10的設計者提供了具備合適的 設計方案的機會，即允許在標記時有良好的雷射對比度。電線表面的高的雷射印記對比度 是工業上大力追求的。通過在薄層施加的第三絕緣層26如通過熔接施加的絕緣層中添加 添加劑，以及保持次絕緣層24為純的聚四氟乙烯絕緣帶，電線10能夠在不損失耐溼電弧性 的同時保持最大的雷射對比度。第三絕緣層還使得電線10具有表面光滑性，這也是工業上 所追求的性能。將標記成分添加到薄熔接施加的第三絕緣層26，與下面的由聚四氟乙烯絕緣帶制 成的次絕緣層分開，使得電線10的設計者具有另外的自由度去探尋具有獨特特性的新的 電線設計。例如，一個這樣的性能特性是「動態切透」(dynamic cut-thru)性能電線。「動態 切透」性能，被設計用於度量電纜或電線絕緣體抵抗鋒利邊緣切割並因此在使用狀態下短 路的能力，主要是由在絕緣體20中、如在主絕緣層22中存在的聚醯亞胺的量來決定。但 是，聚醯亞胺材料損害電纜10的耐溼電弧性能，因而在主絕緣帶和第二絕緣體上包覆聚四氟乙烯成為必要。本發明的設置，由於純的聚四氟乙烯次絕緣層24而極大提高了溼耐電弧 性能，在第一絕緣體22中的聚醯亞胺成分可以增加以增強絕緣體的機械性能(例如動態 切透)，同時仍滿足耐溼電弧性的標準。對於當前存在的電線系統，按照AS22759/80-/82， 86-/92和BMS-1360中規定的電線系統，是不可能具有這種靈活性的。本發明的另一個優點是，將純聚四氟乙烯的次絕緣層24和薄的第三絕緣層的設 計分立，使得可在電線的第三絕緣層26中自由使用可選擇的含氟聚合物，例如全氟烷氧基 (PFA)、全氟甲基乙烯基醚(MFA)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、氟化乙丙烯(FEP)，以達到在保持 需要的電弧徑跡性能的同時達到較好的耐磨性和耐動態切透性。分立的包覆層26還允許 工程師設計這樣一個方案，在該層中使用納米過濾器，但不存在該納米過濾器脫落的問題 (納米過濾器通常成塊聚集，在化合過程中難以分散)，這樣可以進一步提高熔接層26自身 機械、熱機械、燃燒性能，同時基於主絕緣層22和次絕緣層24還保持了良好的耐電弧性。雖然在這裡僅顯示和描述了本發明的特定的技術特徵，但是對本領域技術人員來 說可進行改進、替換、變化和等同。因此需要指明本申請包含了落入本發明的實質範圍的任 何改進和變化形式。
權利要求
一種電線，所述電線包括導體；主絕緣層；次絕緣層；和第三絕緣層，所述第三絕緣層施加於所述次絕緣層上，其中所述第三絕緣層包括在所述電線的三層絕緣層中使用的僅有的標識/顏色添加劑。
2.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述導體由多根絞合的導體元件構成。
3.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述主絕緣層由聚合物絕緣帶構成。
4.如權利要求3所述的電線，其特徵在於，所述聚合物絕緣帶是具有聚醯亞胺芯部的 絕緣帶。
5.如權利要求4所述的電線，其特徵在於，所述聚醯亞胺芯部在至少一側上由含氟聚 合物包覆。
6.如權利要求3所述的電線，其特徵在於，所述主絕緣層由聚合物絕緣帶構成，該聚合 物絕緣帶圍繞所述導體以大約5-75%的重疊螺旋纏繞。
7.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述次絕緣層是由不含任何添加劑的純聚 四氟乙烯製成的聚合物絕緣帶形成。
8.如權利要求7所述的電線，其特徵在於，所述次絕緣層是由圍繞所述導體以大約 5-75 %重疊螺旋纏繞聚合物絕緣帶而構成。
9.如權利要求7所述的電線，其特徵在於，所述次絕緣層是由厚度大約為 0. 0005-0. 004英寸的聚合物絕緣帶構成。
10.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述第三絕緣層被施加成使得所述電線的 所形成的外表面光滑。
11.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述第三絕緣層由連續的層疊步驟形成， 每一步驟施加大約0. 0001-0. 0004英寸的包覆層。
12.如權利要求1所述的電線，其特徵在於，所述第三絕緣層由聚合物構成，該聚合物 選自聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯、PFA、MFA、ETFE, FEP組成的組。
13.如權利要求12所述的電線，其特徵在於，所述第三絕緣層進一步包括紫外雷射標 記添加劑。
14.如權利要求12所述的電線，其特徵在於，所述第三絕緣層進一步包括顏色添加劑。
15.如權利要求1所述的電線，進一步包括中間包覆層，其位於主絕緣層和次絕緣層之間。
16.如權利要求15所述的電線，其特徵在於，所述中間包覆層在多個重複步驟中施加， 每一步驟大約0. 0001-0. 0004英寸。
17.如權利要求15所述的電線，其特徵在於，所述中間包覆層由聚合物構成，該聚合物 選自聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯、PFA、MFA、ETFE, FEP組成的組。
全文摘要
本發明公開了一種電線，該電線被構造成具有導體(12)、主絕緣層(22)和次絕緣層(24)。第三絕緣層(26)施加在次絕緣層上，其中，第三絕緣層包括在電線的三個絕緣層中使用的僅有的標記添加劑。
文檔編號H01B7/02GK101889316SQ200880119481
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月5日 優先權日2007年12月7日
發明者易軍, 韋恩·丘 申請人:尼克桑斯公司