具有防電暈效果的ptfe材料的製作方法

2023-06-24 09:18:41 2

專利名稱：具有防電暈效果的ptfe材料的製作方法
具有防電暈效果的PTFE材料本發明涉及聚四氟乙烯(PTFE)基材料及其應用，比如用於製造電纜。近來航空工業的發展使得機載電子設備的數量顯著增加。此外，大型運輸機的出現和降低飛行對環境的影響的期望促使航空製造商們尋求最小化飛機重量的途徑。對航空設備上使用的電纜而言，這種趨勢就表現為製造能夠在儘量不改變重量或尺寸的情況下輸送越來越高的電壓的電纜。在這種條件下，由於電子雪崩的原因，電壓增大的結果是在電纜中產生由空氣電離引起的局部放電現象。這種現象中，在強電場下的電子獲得的能量足以引起中性分子(例如構成空氣的氣體分子)電離並因此產生新的自由電子，這些新的自由電子又會使其它中性分子電離。當電壓足夠大時，就產生了電弧。這種現象也被稱作電暈效應，其受到各種因素的影響，比如其中發生放電的材料的性質和溫度以及環境氣壓。實際上，當氣壓降低時，產生放電的電壓也會降低。然而，飛機的平均飛行高度一般為10000米，那裡的氣壓約為200到300hPa。所以，這些飛行條件有助於產生電暈效應。當包括包裹有絕緣材料的導電芯線的電纜中出現局部放電時，該絕緣材料會承受不同的應力:-熱應力，由產生局部放電的區域中的局部溫度升高所引起；-化學應力，由局部放電過程中產生的臭氧和硝酸所引起；-機械應力，由該材料的表面腐蝕以及該材料中的孔隙增大所引起。這些應力均會導致該材料退化，從單純的老化直至產生裂縫。專利申請US 2004/0031620介紹了一種電纜，其中圍繞導電芯線的絕緣材料是添加了金屬氧化物二氧化鈦的聚醯胺醯亞胺基或聚酯醯亞胺基的基質。這種材料可以防止電暈效應。然而，某些應用需要採用同時具備電絕緣特性和良好耐熱能力的材料，比如PTFE。不過，目前為止尚未實現在擠制PTFE中添加其含量能夠獲得防電暈效果的金屬氧化物(也被稱作載子)，比如二氧化鈦。實際上，這種添加會引起兩個主要問題:-PTFE中存在載子會使得PTFE疏鬆多孔，從而導致獲得低密度的PTFE材料。然而，為了不鼓勵電暈效應，就必須限制存在於材料中的空氣的量，因此必須限制存在於其中的孔隙的數量。-PTFE中存在載子還會給材料擠制過程帶來問題，比如更大的擠制壓力或輥軋時的破碎風險。可以向配方中加入潤滑劑來解決這些現象。但是，在乾燥階段，在摻加了潤滑劑的材料內潤滑劑也容易產生孔隙，從而產生低密度的材料。本發明人的工作使其開發出了一種基於聚四氟乙烯和金屬氧化物的新型材料，其不但具有防電暈的效果，還克服了上述問題。所以，本發明涉及一種常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，製備該材料的混合料包含:-PTFE ；-金屬氧化物，其重量比為5%到15%，優選為5%到12%，更優選為5%到10%；
-潤滑劑，其重量比為15%到30%，優選為20%到27%；-潤溼劑，其重量比為0.1%到1%，優選為0.3%到0.7% ；重量百分比是相對於PTFE的總重量而言的。在此，「PTFE」指改性或非改性的PTFE。改性是指其支鏈是通過氧原子連接到PTFE的碳鏈的這樣的支鏈PTFE。「常用密度」指密度大於1.45的PTFE基材料。「金屬氧化物」主要指鹼土金屬氧化物、過渡金屬氧化物和賤金屬氧化物。有利地，金屬氧化物選自二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅、氧化鎂和氧化銀。在擠制後，按上述製備的PTFE材料具備以下成分:-PTFE ；-金屬氧化物，其重量比為5%到15%，優選為5%到12%，更優選為5%到10%；-痕量潤滑劑和/或潤溼劑；重量百分比是相對於PTFE的總重量而言的。優選地，潤滑劑是烴基液體，比如異構烴，尤其是Isopar ，而潤溼劑則是脂肪醇，有利地是十二醇(dod6Can-l-ol)。潤溼劑能使PTFE與載子混合得更好，從而有助於獲得均勻的混合料。Isopar (埃克森美孚化工公司)是一種高純度合成異構烴的混合物。因此，根據本發明的材料可以使局部放電過程中產生的電子(防電暈效果)消散。選取適當比例的金屬氧化物和潤滑劑，以及使用潤溼劑，可以獲得最終的高密度PTFE材料。並且，該材料可以擠制。有利地，對金屬氧化物粒子的粒度和比表面積進行控制。宜採用的粒度介於IOnm到Iym之間，優選地介於150nm到500nm之間。同樣,應選取的金屬氧化物粒子的比表面積介於3m2/g到200m2/g之間,優選地介於5m2/g到50m2/g之間。根據本發明的一種實施方式，該材料還包含重量比為0%到3%的顏料。應用於電纜領域時，根據本發明的材料呈帶狀，在擠制和剪切後通常長數千米，寬3mm到400mm。在商業化時,該帶狀材料的寬度有利地為5mm到30mm。本發明還涉及上述PTFE材料的製造方法，該方法包括以下步驟:-混合PTFE、金屬氧化物、潤滑劑、潤溼劑，還可加入顏料；以及-對從混合步驟獲得的產物進行擠制。優選地，所述混合步驟分兩步實施。這時該方法包括以下步驟:-製備第一混合料，其包含金屬氧化物和PTFE粉末；-製備第二混合料，其包含潤滑劑、潤溼劑，還可加入顏料；-將第二混合料噴撒在第一混合料上；-拌和均勻，然後對所獲產物進行篩分；以及-對所獲產物進行擠制。該方法可以獲得更加均質的產品，因為其顯著限制了團粒。不然，在後續的輥軋步驟中，考慮到希望獲得的最終帶狀材料的薄度(約為50 μ m到200 μ m厚)，材料中是否存在團粒於是成為了很關鍵的因素。如上文所述，該方法在擠制後通常還包括兩個補充步驟:
-輥軋；以及-乾燥。輥軋時的壓力大於150巴，而乾燥時的溫度介於130° C到230° C之間。當該帶狀材料被用作原料時，其可以以生料形式供貨，當已被製作成為成品中的樣式時，可以以熟料形式供貨。烘熟步驟是在溫度低於450° C、優選地低於400° C的爐子中進行的。最後，本發明還涉及根據本發明的材料的不同用途。按照第一用途，根據本發明的材料是電氣絕緣材料，尤其適宜於製造電纜。特別地，該材料的特性使其成為了適宜於航空領域應用的優質材料。因此，本發明的目的在於一種電纜，所述電纜包括纏繞在導體芯線周圍的用根據本發明的材料製成的帶狀材料。所謂「導體芯線」，是指能夠導電的線，比如直徑為數毫米的銅線或氧化鋁線，該線還可經過銀處理以改善其導電性。同一電纜可包含一根或多跟導體芯線。在纏繞一條或多條根據本發明的帶狀材料之前，可以先給導體芯線包覆聚醯亞胺薄膜，比如Kapton (杜邦公司)類型的聚醯亞胺薄 膜。有利地，該電纜可以通過包括以下步驟的方法來製造:-將上述帶狀材料纏繞在導體芯線周圍；以及-在低於450°C、優選地低於400° C的溫度下烘熟電纜。按照第二用途，根據本發明的材料被用作電氣絕緣材料，尤其是航空領域中的電氣絕緣材料。實際上，除了防電暈效果外，根據本發明的材料有利地還具備耐熱特性。閱讀下文示例，將更好地理解本發明，該示例僅作示例用途。例1:兩種PTFE材料配方的比較配方:
權利要求
1.一種常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，製備該材料的混合料包含:-PTFE ； -重量比為5%到15%的金屬氧化物； -重量比為15%到30%的潤滑劑； -重量比為0.1%到1%的潤溼劑，這些重量百分比是相對於PTFE的總重量而言的。
2.一種常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，包含:-PTFE ； -重量比為5%到15%的金屬氧化物； -痕量潤滑劑和/或潤溼劑，這些重量百分比是相對於PTFE的總重量而言的。
3.根據權利要求1或2所述的材料，其中，所述潤滑劑為烴基液體，比如異構烴。
4.根據權利要求1至3之一所述的材料，其中，所述潤溼劑為脂肪醇，比如十二醇。
5.根據權利要求1至4之一所述的材料，其中，所述金屬氧化物選自二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅、氧化鎂和氧化銀。
6.根據權利要求1至5之一所述的材料，還包含重量比為0%到3%的顏料。
7.根據權利要求1至6之一所述的材料，為帶狀材料。
8.—種製造根據權利要求1至7之一所述的材料的方法，該方法包括下列步驟: -混合所述PTFE、所述金屬氧化物、所述潤滑劑、所述潤溼劑，還可加入所述顏料；以及 -對所獲產物進行擠制。
9.一種電纜，其包括纏繞在導體芯線周圍的根據權利要求7所述的帶狀材料。
10.一種製造根據權利要求9所述的電纜的方法，該方法通過將所述帶狀材料纏繞在導體芯線周圍並在最高為450° C的溫度下烘熟來製造所述電纜。
11.一種將根據權利要求1至7之一所述的材料用作電氣絕緣材料的用途。
全文摘要
本發明涉及一種高密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料及其應用，比如用於製造電纜。根據本發明的PTFE基材料包含PTFE、金屬氧化物、潤滑劑和潤溼劑。
文檔編號H01B9/00GK103081030SQ201180033266
公開日2013年5月1日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年7月2日
發明者大衛·卡德, 以馬內利·加霍德 申請人:三品高性能塑料製品控股公司