具有交聯外層的多層絕緣導體的製作方法

2023-05-23 18:26:56

專利名稱：具有交聯外層的多層絕緣導體的製作方法
技術領域：
本申請涉及絕緣導電體，且更特別地，涉及具有覆蓋芳族聚合物內層的交聯外層的多層絕緣導體。
背景技術：
電絕緣導線通常用在其中通過極限條件對絕緣體的物理、機械、電和熱特性進行測試的環境中。在多種情況中，用於絕緣體的材料具有希望用於實現一個或多個這些特性的良好性能的品質，但以犧牲一個或多個其它目標特性為代價，這會消極地影響實現想要的和商業上吸引人的特性的整體平衡的努力。多層絕緣系統在視圖實現這種特性平衡方面會是有用的。隨著航空應用逐漸向著更高性能標準發展，尺寸和重量形成用在這些應用中的電線和電纜的整體設計要求的重要部分。將希望降低絕緣體總厚度，特別是在初級電線(即， 用來形成電纜或束的那些電線)中，以同時降低電線的重量和尺寸。通過降低初級電線的直徑，對應的這些電線束-以及用作它們的保護包覆層的任何外部金屬編織物和/或護套-也可以具有較小的整體直徑，且因此較輕。可替換地，或組合，較小和較輕的初級電線會允許在不必對布線、密封和/或電纜約束硬體系統進行重大改變的情況增加將綑紮到與較少、較重電線一樣的空間中的電線數量。高性能含氟聚合物廣泛使用，並且是用在飛機電線絕緣系統中的可接受等級的材料。然而，降低這些材料的壁厚以獲得重量減輕通常導致機械性能變壞和電弧軌跡阻抗的增加，這將被預期還導致不可接受的電性能。由於安全原因，故障電流電弧放電，或「電弧軌跡」在飛機配線中是特別不希望的。絕緣故障通常由於先前存在的缺陷而出現在配線中，引起電弧放電著火，並且或破壞電纜或裝置的連接它的整個區域。通常，由附近存在的電解作用液體的輔助而具有初始高阻抗的洩漏電流導致溼的電弧軌跡，隨後在時間周期內阻抗降低，最終，導致高能短路電弧放電。另一方面，幹的電弧軌跡也會出現，並且會引起突然的低阻抗分流。任一種情況都會導致重大的故障。在現有的絕緣導體中發現了這些和其它缺陷。 發明內容
根據本發明的示例性實施方式，公開了一種絕緣導體。該絕緣導體包括細長導體和兩層絕緣系統。兩層絕緣系統具有包括鄰近細長導體的芳香族熱塑性材料的擠壓的第一絕緣層和包括鄰近第一絕緣層的交聯的含氟聚合物的擠壓的第二絕緣層，該第一絕緣層沿著其長度具有小於約0.051mm(0.002英寸)的厚度。第一絕緣層的體積小於絕緣系統的總體積的約26%。在一種優選實施方式中，導體為20AWG和2_G (即，具有在約0. 46mm (0.0180 英寸)和約1.04mm(0. 041英寸)之間的直徑)之間的多股導體，第一絕緣層包括聚醚醚酮並具有在約0.013mm(0. 0005英寸)和0. 051mm(0. 002英寸)之間的範圍內的厚度，第二絕緣層包括交聯的聚(乙烯-四氟乙烯)，絕緣系統具有在約0. 15mm(0. 006英寸)和 0. 18mm(0. 007英寸)之間的範圍內的厚度。根據本發明的另一種示例性實施方式，提供了一種用於製造絕緣導體的方法。該方法包括下述順序步驟提供細長導體；將芳香族熱塑性材料熔化擠壓在細長導體的外表面上，以形成第一絕緣層，第一絕緣層沿著其長度具有小於0. 051mm(0. 002英寸)的大致均勻的厚度；將包括含氟聚合物和交聯劑的混合物熔化擠壓在第一絕緣層的外表面上，以形成覆蓋並與第一絕緣層接觸的第二絕緣層，從而提供具有在約0. 15mm(0. 006英寸)至 0. 18mm(0. 007英寸)範圍內的總厚度的絕緣系統，其中按體積計第一絕緣層的體積小於絕緣系統的總體積的約26%。該方法還包括使第二絕緣層交聯的步驟。本發明的某些示例性實施方式的優點包括提供了一種具有耐用、輕質絕緣系統的絕緣導體。本發明的某些示例性實施方式的其它優點包括，絕緣導體出人意料地實現絕緣體重量和尺寸的降低，同時維持或改善機械性能和電弧軌跡阻抗，以滿足可接受的電性能標準。根據示例性實施方式的接下來結合附圖進行更詳細的描述，本發明的其它特徵和優點將會是明顯的，附圖通過舉例的方式圖示本發明的原理。


圖1圖示了根據本發明的示例性實施方式的絕緣導體的透視圖，其中部分地去除了絕緣層。圖2圖示了圖1的絕緣導體沿著線2-2的剖視圖。在相同的部件在多於一幅附圖中出現的情況中，為了清楚起見，已經努力採用相同的附圖標記。
具體實施例方式轉向圖1，本發明的示例性實施方式涉及絕緣導體10，其包括細長導體12和絕緣系統，絕緣系統具有第一絕緣層14和第二絕緣層16。細長導體12可以為任何適合規則的電線，並且可以為實心的或多股的(S卩，由纏繞在一起的多個較小的電線構成)。圖2圖示了圖1中示出的絕緣導體的剖視圖，其中細長導體12為多股導體，其優選應用在飛機或其中該導體經受振動的其它環境中。導體12通過為銅或其它金屬，如銅合金或鋁。如果使用純銅，則它可以塗覆有錫、銀、鎳或用於減輕氧化和改善可焊性的其它金屬。多股導體可以為單層的、同心的或其它類型的。對於實心導體，該導體優選具有在從約0. 404mm(0. 0159英寸)至約0. 81mm(0. 032英寸)範圍內的直徑，對於多股導體，該導體具有從約0.46mm(0.0180英寸)至約1. 04mm(0. 041英寸)範圍內的直徑。這些直徑對應於20AWG-26AWG電線的標準尺寸。第一絕緣層14覆蓋並鄰近細長導體12。第一絕緣層14由擠壓的芳香族熱塑性材料構成，以提供沿其長度具有大致均勻的厚度的第一絕緣層14，這不能通過交叉纏繞技術恰當地實現。例如，可以通過任何合適的擠壓技術，如管子擠壓或壓力擠壓，塗覆第一絕緣層14。如將會認識到的那樣，管子擠壓涉及其中使正被擠壓的材料接觸它在擠壓機模頭外面被塗覆到的表面的技術，而壓力擠壓涉及其中使正被擠壓的材料接觸它被塗覆到的表面同時它仍然位於擠壓機模頭內的技術。選擇用於第一絕緣層14(也稱為內或芯層)的材料被選擇為在室溫和高溫都具有高的拉伸模量(如根據ASTM D638測量的那樣)。在一種實施方式中，第一絕緣材料在25°C 具有至少1241MPa(180，000pSi)的拉伸模量。而且，該材料通常被選擇為抵抗與下層導體 12的結合；結合增加了後續脫模的困難。具有這些特性的示例性芳香族材料包括聚醚醚酮 (PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，聚醚酮(PEK)，聚醯亞胺(PI)，聚醚醯亞胺(PEI)，聚醯胺醯亞胺 (PAI)，聚碸(PQ和聚醚碸(PEQ，以及這些材料的可混溶的混合物。優選地，第一絕緣層包括PEEK。第一絕緣層14優選不是交聯的，且優選不應當包含任何交聯劑，雖然其它添加劑通過用在絕緣應用中，如可以任選地提供顏料和/或抗氧化劑。第二絕緣層16覆蓋並與第一絕緣層14接觸。與第一絕緣層一樣，第二絕緣層16 也被擠壓成型，以沿著其長度提供大致均勻的厚度，這產生平滑的外表面。與第一絕緣層14 一樣，也可以通過管子擠壓或壓力擠壓技術塗覆第二絕緣層16。第二絕緣層16包括含氟聚合物。然而，第二絕緣層16也可以為聚醯胺、聚酯或聚烯烴，或這些材料的可混溶的混合物。在一種實施方式中，第二絕緣層包括從由聚(乙烯-四氟乙烯)(ETFE)，聚(乙烯-三氟氯乙烯)(ECTFE)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚四氟乙烯；四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯三元共聚物(THV)，和這些材料的可混溶的混合物構成的組中選擇的含氟聚合物，這些材料中的任一種都可以提供特別堅硬平滑的外層。其它合適的含氟聚合物包括全氟烷氧基聚合物(PFA)和氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)。在一種實施方式中，為第二絕緣層16選擇的聚合材料在25°C具有至少414MPa(60，000psi)的拉伸模量。在優選實施方式中，第二絕緣層的含氟聚合物為ETFE。與優選不交聯的第一絕緣層14不同，第二絕緣層16是交聯的。交聯優選通過輻照發生，雖然例如也可以採用化學交聯。第二絕緣層16中的交聯程度使得所產生的絕緣導體10能夠在負荷下暴露至高溫後滿足預定水平的電弧軌跡阻抗或預定水平的電介質強度，優選滿足這二者。第一絕緣層14具有小於約0. 051mm(0. 002英寸)的大致均勻的厚度，典型地在從約0. 013mm(0. 0005英寸)至約0. 051mm(0. 002英寸)的範圍內，且更優選地在從約 0. 025mm(0. 001英寸)到約0. 051mm(0. 002英寸)的範圍。第二絕緣層16具有大致均勻的厚度，使得第一和第二絕緣層的合併厚度在約0. 15mm(0. 006英寸)至約0. 18mm(0. 007英寸)的範圍內。第一絕緣層的芳香族聚合物的體積為絕緣系統的總體積的約或小於 26%。除了第一和第二絕緣層的聚合成分之外，每一層可以包括任何用於電線絕緣的常規成分，如抗氧化劑，UV穩定劑，顏料或其它著色劑或遮光劑和/或阻燃劑。第二絕緣層(但優選地不是第一絕緣層)還可以包括交聯劑，以在輻照步驟期間實現交聯。其它添加劑，包括交聯劑，可以一起佔該層的小於10%的重量，優選為重量的約7%或更少。實例參照接下來的實例進一步描述本發明，以說明性的或不是以限制性的方式呈現所述實例。具有0. 942mm (0. 0371英寸)外徑的軟韌銅的20AWG同心多股導體被鍍錫。 PEEK (如從Victrex公司獲得的PEEK 450G)在擠壓之前在160°C在空氣循環烘箱中乾燥24 小時。採用擠壓機料筒將PEEK管子擠壓在導體上，達到M 1的長度內徑比(L/D)，以達到0. 048mm(0. 0019英寸)的平均厚度。隨後將ETFE層擠壓在PEEK上。在一個實施例中，通過以2 1的比率(按重量計)混合第一低熔體流動速率、高分子量的乙烯-四氟乙烯共聚物(從Asahi Glass公司獲得，商標名稱為Fluon C-55A，並聲稱具有如根據ASTM D1238測量的在4. 0-6. 7克每10分鐘範圍內的熔體流動速率)和第二高熔體流動速率、低分子量的乙烯-四氟乙烯共聚物(從 Daikin hdustries獲得，商標名稱為Neof Ion EP 7000，並聲稱具有如根據ASTM D1238測量的在15-25克每10分鐘範圍內的熔體流動速率)提供ETFE。這種混合物一起佔第二絕緣層重量的93%。剩餘的是添加劑，包括0.75% (按重量計)的酚類防老劑Irganox 1010(從 Ciba Geigy公司獲得)，1.25% (按重量計)的無機填料和顏料(從DuPont獲得)和5.0% (按重量計)的交聯劑異氰尿酸三烯丙酯(「TAIC」)(從Nippon Kasei Chemical公司獲得)。採用旋轉混合機對第二絕緣層成份(除交聯劑)桶混40分鐘，在此之後，將混合物送入用於27mm、40 1L/D的共同旋轉相互嚙合Leistritz雙螺杆擠壓機的計重餵料器。 將TAIC引入擠壓機料筒中至下遊路徑的約三分之二處，隨後將全部第二絕緣層混合物股絞成顆粒狀。顆粒狀的第二絕緣層材料在60°C在空氣循環烘箱中乾燥8小時，在此之後，採用與PEEK層擠壓機串聯的第二 31. 8mm(l. 25英寸)的擠壓機根據已知的雙層擠壓技術以單次通過配置將管子擠壓在PEEK層上，達到0.084mm (0.0033英寸)的平均壁厚。用於ETFE 擠壓機的L/D比率為M 1。雙層絕緣電線隨後被暴露至商用IMeV電子束的電子束照射，以將該電線暴露至範圍在5和32毫拉德(Mrad)之間的不同照射水平。緊跟著照射之後，絕緣電線在160°C退火30分鐘。以類似的方式製備其它樣品，但其中在稍微較高的整體重量比例的第二絕緣層 (93. 3%，按重量計)的情況下，Neoflon和Fluon ETFE成份以1 1的重量比混合，顏料的重量相應地降低(1%，按重量計)。還製備更多的樣品，其中僅第二絕緣層中的ETFE為 Neoflon (約93. 3 %，按總重量計)。在用於進一步研究的所形成的大量不同批次的樣品導體樣本中，內(PEEK)層的厚度、總絕緣體厚度(PEEK和ETFE層)和照射水平獨立地變化。隨後研究所形成的樣本以確定它們通過工業標準電弧軌跡製造要求(對於具有 0. 20mm(0. 008英寸)的交聯ETFE絕緣體的20AWG鍍錫電線，採用可使用程序根據Boeing規格支持標準BSS-73M進行，用於滿足Boeing製造標準BMS 13-48K，並且通過引用將該製造要求結合於此)的作為內層厚度、內層相對於總的雙層絕緣系統的體積百分比和照射水平大的函數的能力。僅其中對於給定的變量組至少90%的絕緣導體未受電弧軌跡測試損壞的樣品組被認為通過電弧軌跡測試目的。(在測試標準中提出的要求是必須89%未損壞。)通過使塗覆電線經受交聯驗證測試(Proof of Crosslinking Test，CPT)，還研究所有形成的絞合線的機械性能，CPT的完整細節在名稱為「Crosslink Proof (Accelerated Aging)」的Mil Std 2223，方法4003(通過引用將其結合於此)中提出。簡要地，該測試是要確定電線是否具有在處於機械負荷的同時暴露至高溫預定時間周期之後殘留的預定水平的電介質強度。希望高性能電線在甚至高於絕緣體的熔點的高溫下在短時間曝光內(從數分鐘到數小時)也能夠承受變形。將作為張力的變形力施加至絕緣導體的每個末端，該末端懸掛到緊軸上使得絕緣系統位於導體和緊軸之間的部分處於壓縮，而該導體處於張緊。0. 68kg(1. 5磅)的負荷施加至根據示例性實施方式的塗覆導體的20AWG樣品的每個末端，20AWG樣品懸掛在具有12. 7mm(0.5英寸)的外徑的緊軸上。如此懸掛到緊軸上的樣品隨後在空氣循環烘箱中在300士3°C調節1小時，而其它樣品懸掛7小時。通過每個樣品的空氣的速率(在室溫測量)不小於30米每分鐘(100英尺每分鐘)。在調節之後，烘箱關閉，門打開，並允許樣品在烘箱中冷卻至少1小時。當冷卻時，解除樣品的張緊，從緊軸上去除，拉直，並在其中心點再次在12. 7mm(0. 5英寸)緊軸上纏繞180度，但絕緣體的在加熱期間已經靠著緊軸的部分現在位於彎曲部的外面。隨後將樣品在室溫下浸入5%鹽溶液中 4小時，末端定位為保留在鹽溶液的外面。在調節周期結束時，2500伏均方根(Volt rms)、 50赫茲交流電壓以250-500伏每秒的均勻速率施加在鹽溶液中的導體和電極之間。將該電勢維持至少5分鐘。測試要求的洩漏電流極限設為20毫安培。任何洩漏電流超過20毫安培的事件記錄為故障。採用基於CPT結果根據經驗確定的公式將絕緣力(insulation strength)計算為優點圖，用於使兩個絕緣層中的每一個的厚度和交聯水平與機械性能相關聯。將絕緣力計算為
權利要求
1.一種絕緣導體，包括細長導體；和兩層絕緣系統，具有擠壓的第一絕緣層，包括鄰近細長導體的芳香族熱塑性材料，該第一絕緣層在其長度上具有小於約0. 051mm(0. 002英寸)的厚度；和擠壓的第二絕緣層，包括鄰近第一絕緣層的交聯的含氟聚合物，第一絕緣層的體積小於絕緣系統的總體積的約沈％。
2.根據權利要求1所述的絕緣導體，其中第二絕緣層具有下述交聯水平中的至少一種(a)使得絕緣導體足以滿足預定水平的電弧軌跡阻抗的交聯水平，和(b)使得絕緣導體在預定負載下暴露至預定溫度下一預定的時間周期之後的預定的介電強度水平的交聯水平。
3.根據權利要求1所述的絕緣導體，其中第一絕緣層具有在0.013mm(0.0005英寸)至 0.05Imm(0.002英寸)範圍內的厚度。
4.根據權利要求1所述的絕緣導體，其中絕緣系統的總厚度在約0.15mm(0. 006英寸) 至約0. 18mm(0. 007英寸)的範圍內。
5.根據權利要求1所述的絕緣導體，其中第一絕緣層包括從由聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、聚碸、聚醚碸及其可溶混的混合物構成的組中選擇的芳香族熱塑性塑料。
6.根據權利要求1所述的絕緣導體，其中第二絕緣層包括從由聚(乙烯-四氟乙烯)、 聚(乙烯-三氟氯乙烯)、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯三元共聚物、全氟烷氧基聚合物和氟化乙烯丙烯聚合物、及其可混溶的混合物構成的組中選擇的交聯含氟聚合物，優選其中第二絕緣層包括交聯的聚(乙烯-四氟乙烯)。
7.一種絕緣導體，包括細長多股導體，具有在約0. 46mm(0.0180英寸)至約1.04mm(0. 041英寸)範圍內的直徑；和兩層絕緣系統，具有擠壓的第一絕緣層，包括鄰近細長導體的聚醚醚酮，該第一絕緣層沿著其長度具有在約0. 013mm(0. 0005英寸)至0. 05Imm(0. 002英寸)範圍內的大致均勻的厚度；和擠壓的第二絕緣層，包括鄰近第一絕緣層的交聯的聚(乙烯-四氟乙烯)，該第二絕緣層沿著其長度具有大致均勻的厚度，第一絕緣層的體積小於第一絕緣層和第二絕緣層的總體積的26%，且絕緣系統的總厚度在約0. 15mm(0. 006英寸)至約0. 18mm(0. 007英寸)的範圍內。
8.根據權利要求7所述的絕緣導體，其中第一絕緣層具有在0.025mm(0. 001英寸)至 0. 051mm(0. 002英寸)範圍內的厚度，並且其中第二絕緣層包括按重量計至少約90%的聚 (乙烯-四氟乙烯)和按重量計至少約5%的交聯劑，並且其中第二絕緣層具有對應於暴露於5-13毫拉德範圍內的輻照的交聯水平。
9.一種用於製造絕緣導體的方法，包括下述步驟提供細長導體；隨後將芳香族熱塑性材料熔融擠壓在細長導體的外表面上，以形成第一絕緣層，第一絕緣層沿著其長度具有小於0. 051mm(0. 002英寸)的大致均勻的厚度；隨後將包括含氟聚合物和交聯劑的混合物熔融擠壓在第一絕緣層的外表面上，以形成覆蓋第一絕緣層並與第一絕緣層接觸的第二絕緣層，從而提供具有在約0. 15mm (0. 006英寸)至 0. 18mm(0. 007英寸)範圍內的總厚度的絕緣系統，其中按體積計第一絕緣層的體積小於絕緣系統的總體積的約26% ；以及隨後使第二絕緣層交聯。
10.根據權利要求9所述的方法，其中芳香族熱塑性材料層包括聚醚醚酮，並且其中含氟聚合物包括聚(乙烯-四氟乙烯)。
全文摘要
本發明公開了一種絕緣導體(10)和用於製造它的方法。絕緣導體包括細長導體(12)和兩層絕緣系統。兩層絕緣系統具有第一絕緣層(14)，第一絕緣層包括與細長導體鄰近的芳香族熱塑性材料。第一絕緣層沿著其長度具有小於約0.051mm(0.002英寸)的厚度。該絕緣系統還包括第二絕緣層(16)，第二絕緣層包括鄰近第一絕緣層的交聯的含氟聚合物。第一絕緣層的體積小於絕緣系統的總體積的約26％。
文檔編號H01B7/02GK102334167SQ201080009331
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月24日 優先權日2009年2月27日
發明者阿肖克·K·麥漢 申請人:泰科電子公司