CN102334167A - 具有交联外层的多层绝缘导体 - Google Patents

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CN102334167A CN2010800093311A CN201080009331A CN102334167A CN 102334167 A CN102334167 A CN 102334167A CN 2010800093311 A CN2010800093311 A CN 2010800093311A CN 201080009331 A CN201080009331 A CN 201080009331A CN 102334167 A CN102334167 A CN 102334167A
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Abstract

本发明公开了一种绝缘导体(10)和用于制造它的方法。绝缘导体包括细长导体(12)和两层绝缘系统。两层绝缘系统具有第一绝缘层(14)，第一绝缘层包括与细长导体邻近的芳香族热塑性材料。第一绝缘层沿着其长度具有小于约0.051mm(0.002英寸)的厚度。该绝缘系统还包括第二绝缘层(16)，第二绝缘层包括邻近第一绝缘层的交联的含氟聚合物。第一绝缘层的体积小于绝缘系统的总体积的约26％。

Description

具有交联外层的多层绝缘导体
相关申请
本申请涉及发明名称也为“Multi-Layered Insulated Conductor withCrosslinked Outer Layer(具有交联外层的多层绝缘导体)”的美国申请No.12/380,532和发明名称为“Method for Extrusion of Multi-Layer CoatedElongate Member”的美国申请No.12/380,516，这两个美国申请都与本申请同一天递交，通过引用将两个美国申请的公开内容结合于此。
技术领域
本申请涉及绝缘导电体，且更特别地，涉及具有覆盖芳族聚合物内层的交联外层的多层绝缘导体。
背景技术
电绝缘导线通常用在其中通过极限条件对绝缘体的物理、机械、电和热特性进行测试的环境中。在多种情况中，用于绝缘体的材料具有希望用于实现一个或多个这些特性的良好性能的品质，但以牺牲一个或多个其它目标特性为代价，这会消极地影响实现想要的和商业上吸引人的特性的整体平衡的努力。多层绝缘系统在视图实现这种特性平衡方面会是有用的。
随着航空应用逐渐向着更高性能标准发展，尺寸和重量形成用在这些应用中的电线和电缆的整体设计要求的重要部分。将希望降低绝缘体总厚度，特别是在初级电线(即，用来形成电缆或束的那些电线)中，以同时降低电线的重量和尺寸。通过降低初级电线的直径，对应的这些电线束-以及用作它们的保护包覆层的任何外部金属编织物和/或护套-也可以具有较小的整体直径，且因此较轻。可替换地，或组合，较小和较轻的初级电线会允许在不必对布线、密封和/或电缆约束硬件系统进行重大改变的情况增加将捆扎到与较少、较重电线一样的空间中的电线数量。
高性能含氟聚合物广泛使用，并且是用在飞机电线绝缘系统中的可接受等级的材料。然而，降低这些材料的壁厚以获得重量减轻通常导致机械性能变坏和电弧轨迹阻抗的增加，这将被预期还导致不可接受的电性能。
由于安全原因，故障电流电弧放电，或“电弧轨迹”在飞机配线中是特别不希望的。绝缘故障通常由于先前存在的缺陷而出现在配线中，引起电弧放电着火，并且或破坏电缆或装置的连接它的整个区域。通常，由附近存在的电解作用液体的辅助而具有初始高阻抗的泄漏电流导致湿的电弧轨迹，随后在时间周期内阻抗降低，最终，导致高能短路电弧放电。另一方面，干的电弧轨迹也会出现，并且会引起突然的低阻抗分流。任一种情况都会导致重大的故障。
在现有的绝缘导体中发现了这些和其它缺陷。
发明内容
根据本发明的示例性实施方式，公开了一种绝缘导体。该绝缘导体包括细长导体和两层绝缘系统。两层绝缘系统具有包括邻近细长导体的芳香族热塑性材料的挤压的第一绝缘层和包括邻近第一绝缘层的交联的含氟聚合物的挤压的第二绝缘层，该第一绝缘层沿着其长度具有小于约0.051mm(0.002英寸)的厚度。第一绝缘层的体积小于绝缘系统的总体积的约26％。
在一种优选实施方式中，导体为20AWG和26AWG(即，具有在约0.46mm(0.0180英寸)和约1.04mm(0.041英寸)之间的直径)之间的多股导体，第一绝缘层包括聚醚醚酮并具有在约0.013mm(0.0005英寸)和0.051mm(0.002英寸)之间的范围内的厚度，第二绝缘层包括交联的聚(乙烯-四氟乙烯)，绝缘系统具有在约0.15mm(0.006英寸)和0.18mm(0.007英寸)之间的范围内的厚度。
根据本发明的另一种示例性实施方式，提供了一种用于制造绝缘导体的方法。该方法包括下述顺序步骤：提供细长导体；将芳香族热塑性材料熔化挤压在细长导体的外表面上，以形成第一绝缘层，第一绝缘层沿着其长度具有小于0.051mm(0.002英寸)的大致均匀的厚度；将包括含氟聚合物和交联剂的混合物熔化挤压在第一绝缘层的外表面上，以形成覆盖并与第一绝缘层接触的第二绝缘层，从而提供具有在约0.15mm(0.006英寸)至0.18mm(0.007英寸)范围内的总厚度的绝缘系统，其中按体积计第一绝缘层的体积小于绝缘系统的总体积的约26％。该方法还包括使第二绝缘层交联的步骤。
本发明的某些示例性实施方式的优点包括提供了一种具有耐用、轻质绝缘系统的绝缘导体。
本发明的某些示例性实施方式的其它优点包括，绝缘导体出人意料地实现绝缘体重量和尺寸的降低，同时维持或改善机械性能和电弧轨迹阻抗，以满足可接受的电性能标准。
根据示例性实施方式的接下来结合附图进行更详细的描述，本发明的其它特征和优点将会是明显的，附图通过举例的方式图示本发明的原理。
附图说明
图1图示了根据本发明的示例性实施方式的绝缘导体的透视图，其中部分地去除了绝缘层。
图2图示了图1的绝缘导体沿着线2-2的剖视图。
在相同的部件在多于一幅附图中出现的情况中，为了清楚起见，已经努力采用相同的附图标记。
具体实施方式
转向图1，本发明的示例性实施方式涉及绝缘导体10，其包括细长导体12和绝缘系统，绝缘系统具有第一绝缘层14和第二绝缘层16。
细长导体12可以为任何适合规则的电线，并且可以为实心的或多股的(即，由缠绕在一起的多个较小的电线构成)。图2图示了图1中示出的绝缘导体的剖视图，其中细长导体12为多股导体，其优选应用在飞机或其中该导体经受振动的其它环境中。导体12通过为铜或其它金属，如铜合金或铝。如果使用纯铜，则它可以涂覆有锡、银、镍或用于减轻氧化和改善可焊性的其它金属。多股导体可以为单层的、同心的或其它类型的。对于实心导体，该导体优选具有在从约0.404mm(0.0159英寸)至约0.81mm(0.032英寸)范围内的直径，对于多股导体，该导体具有从约0.46mm(0.0180英寸)至约1.04mm(0.041英寸)范围内的直径。这些直径对应于20AWG-26AWG电线的标准尺寸。
第一绝缘层14覆盖并邻近细长导体12。第一绝缘层14由挤压的芳香族热塑性材料构成，以提供沿其长度具有大致均匀的厚度的第一绝缘层14，这不能通过交叉缠绕技术恰当地实现。例如，可以通过任何合适的挤压技术，如管子挤压或压力挤压，涂覆第一绝缘层14。如将会认识到的那样，管子挤压涉及其中使正被挤压的材料接触它在挤压机模头外面被涂覆到的表面的技术，而压力挤压涉及其中使正被挤压的材料接触它被涂覆到的表面同时它仍然位于挤压机模头内的技术。
选择用于第一绝缘层14(也称为内或芯层)的材料被选择为在室温和高温都具有高的拉伸模量(如根据ASTM D638测量的那样)。在一种实施方式中，第一绝缘材料在25℃具有至少1241MPa(180,000psi)的拉伸模量。而且，该材料通常被选择为抵抗与下层导体12的结合；结合增加了后续脱模的困难。具有这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)，聚酰亚胺(PI)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚酰胺酰亚胺(PAI)，聚砜(PS)和聚醚砜(PES)，以及这些材料的可混溶的混合物。优选地，第一绝缘层包括PEEK。第一绝缘层14优选不是交联的，且优选不应当包含任何交联剂，虽然其它添加剂通过用在绝缘应用中，如可以任选地提供颜料和/或抗氧化剂。
第二绝缘层16覆盖并与第一绝缘层14接触。与第一绝缘层一样，第二绝缘层16也被挤压成型，以沿着其长度提供大致均匀的厚度，这产生平滑的外表面。与第一绝缘层14一样，也可以通过管子挤压或压力挤压技术涂覆第二绝缘层16。第二绝缘层16包括含氟聚合物。然而，第二绝缘层16也可以为聚酰胺、聚酯或聚烯烃，或这些材料的可混溶的混合物。在一种实施方式中，第二绝缘层包括从由聚(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)，和这些材料的可混溶的混合物构成的组中选择的含氟聚合物，这些材料中的任一种都可以提供特别坚硬平滑的外层。其它合适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)。在一种实施方式中，为第二绝缘层16选择的聚合材料在25℃具有至少414MPa(60,000psi)的拉伸模量。在优选实施方式中，第二绝缘层的含氟聚合物为ETFE。与优选不交联的第一绝缘层14不同，第二绝缘层16是交联的。交联优选通过辐照发生，虽然例如也可以采用化学交联。第二绝缘层16中的交联程度使得所产生的绝缘导体10能够在负荷下暴露至高温后满足预定水平的电弧轨迹阻抗或预定水平的电介质强度，优选满足这二者。
第一绝缘层14具有小于约0.051mm(0.002英寸)的大致均匀的厚度，典型地在从约0.013mm(0.0005英寸)至约0.051mm(0.002英寸)的范围内，且更优选地在从约0.025mm(0.001英寸)到约0.051mm(0.002英寸)的范围。第二绝缘层16具有大致均匀的厚度，使得第一和第二绝缘层的合并厚度在约0.15mm(0.006英寸)至约0.18mm(0.007英寸)的范围内。第一绝缘层的芳香族聚合物的体积为绝缘系统的总体积的约26％或小于26％。
除了第一和第二绝缘层的聚合成分之外，每一层可以包括任何用于电线绝缘的常规成分，如抗氧化剂，UV稳定剂，颜料或其它着色剂或遮光剂和/或阻燃剂。第二绝缘层(但优选地不是第一绝缘层)还可以包括交联剂，以在辐照步骤期间实现交联。其它添加剂，包括交联剂，可以一起占该层的小于10％的重量，优选为重量的约7％或更少。
实例
参照接下来的实例进一步描述本发明，以说明性的或不是以限制性的方式呈现所述实例。
具有0.942mm(0.0371英寸)外径的软韧铜的20AWG同心多股导体被镀锡。PEEK(如从Victrex公司获得的PEEK 450G)在挤压之前在160℃在空气循环烘箱中干燥24小时。采用挤压机料筒将PEEK管子挤压在导体上，达到24∶1的长度内径比(L/D)，以达到0.048mm(0.0019英寸)的平均厚度。
随后将ETFE层挤压在PEEK上。在一个实施例中，通过以2∶1的比率(按重量计)混合第一低熔体流动速率、高分子量的乙烯-四氟乙烯共聚物(从Asahi Glass公司获得，商标名称为Fluon C-55A，并声称具有如根据ASTM D1238测量的在4.0-6.7克每10分钟范围内的熔体流动速率)和第二高熔体流动速率、低分子量的乙烯-四氟乙烯共聚物(从Daikin Industries获得，商标名称为Neoflon EP 7000，并声称具有如根据ASTM D1238测量的在15-25克每10分钟范围内的熔体流动速率)提供ETFE。这种混合物一起占第二绝缘层重量的93％。剩余的是添加剂，包括0.75％(按重量计)的酚类防老剂Irganox 1010(从Ciba Geigy公司获得)，1.25％(按重量计)的无机填料和颜料(从DuPont获得)和5.0％(按重量计)的交联剂异氰尿酸三烯丙酯(“TAIC”)(从Nippon Kasei Chemical公司获得)。
采用旋转混合机对第二绝缘层成份(除交联剂)桶混40分钟，在此之后，将混合物送入用于27mm、40∶1L/D的共同旋转相互啮合Leistritz双螺杆挤压机的计重喂料器。将TAIC引入挤压机料筒中至下游路径的约三分之二处，随后将全部第二绝缘层混合物股绞成颗粒状。
颗粒状的第二绝缘层材料在60℃在空气循环烘箱中干燥8小时，在此之后，采用与PEEK层挤压机串联的第二31.8mm(1.25英寸)的挤压机根据已知的双层挤压技术以单次通过配置将管子挤压在PEEK层上，达到0.084mm(0.0033英寸)的平均壁厚。用于ETFE挤压机的L/D比率为24∶1。
双层绝缘电线随后被暴露至商用1MeV电子束的电子束照射，以将该电线暴露至范围在5和32毫拉德(Mrad)之间的不同照射水平。紧跟着照射之后，绝缘电线在160℃退火30分钟。
以类似的方式制备其它样品，但其中在稍微较高的整体重量比例的第二绝缘层(93.3％，按重量计)的情况下，Neoflon和Fluon ETFE成份以1∶1的重量比混合，颜料的重量相应地降低(1％，按重量计)。还制备更多的样品，其中仅第二绝缘层中的ETFE为Neoflon(约93.3％，按总重量计)。
在用于进一步研究的所形成的大量不同批次的样品导体样本中，内(PEEK)层的厚度、总绝缘体厚度(PEEK和ETFE层)和照射水平独立地变化。
随后研究所形成的样本以确定它们通过工业标准电弧轨迹制造要求(对于具有0.20mm(0.008英寸)的交联ETFE绝缘体的20AWG镀锡电线，采用可使用程序根据Boeing规格支持标准BSS-7324进行，用于满足Boeing制造标准BMS 13-48K，并且通过引用将该制造要求结合于此)的作为内层厚度、内层相对于总的双层绝缘系统的体积百分比和照射水平大的函数的能力。仅其中对于给定的变量组至少90％的绝缘导体未受电弧轨迹测试损坏的样品组被认为通过电弧轨迹测试目的。(在测试标准中提出的要求是必须89％未损坏。)
通过使涂覆电线经受交联验证测试(Proof of Crosslinking Test，CPT)，还研究所有形成的绞合线的机械性能，CPT的完整细节在名称为“CrosslinkProof(Accelerated Aging)”的Mil Std 2223，方法4003(通过引用将其结合于此)中提出。
简要地，该测试是要确定电线是否具有在处于机械负荷的同时暴露至高温预定时间周期之后残留的预定水平的电介质强度。希望高性能电线在甚至高于绝缘体的熔点的高温下在短时间曝光内(从数分钟到数小时)也能够承受变形。
将作为张力的变形力施加至绝缘导体的每个末端，该末端悬挂到紧轴上使得绝缘系统位于导体和紧轴之间的部分处于压缩，而该导体处于张紧。
0.68kg(1.5磅)的负荷施加至根据示例性实施方式的涂覆导体的20AWG样品的每个末端，20AWG样品悬挂在具有12.7mm(0.5英寸)的外径的紧轴上。如此悬挂到紧轴上的样品随后在空气循环烘箱中在300±3℃调节1小时，而其它样品悬挂7小时。通过每个样品的空气的速率(在室温测量)不小于30米每分钟(100英尺每分钟)。在调节之后，烘箱关闭，门打开，并允许样品在烘箱中冷却至少1小时。当冷却时，解除样品的张紧，从紧轴上去除，拉直，并在其中心点再次在12.7mm(0.5英寸)紧轴上缠绕180度，但绝缘体的在加热期间已经靠着紧轴的部分现在位于弯曲部的外面。随后将样品在室温下浸入5％盐溶液中4小时，末端定位为保留在盐溶液的外面。在调节周期结束时，2500伏均方根(Volt rms)、50赫兹交流电压以250-500伏每秒的均匀速率施加在盐溶液中的导体和电极之间。将该电势维持至少5分钟。测试要求的泄漏电流极限设为20毫安培。任何泄漏电流超过20毫安培的事件记录为故障。
采用基于CPT结果根据经验确定的公式将绝缘力(insulation strength)计算为优点图，用于使两个绝缘层中的每一个的厚度和交联水平与机械性能相关联。将绝缘力计算为
( 3 * I ) + O * R 32 Mrads
其中I＝第一绝缘层的厚度(千分之几英寸)；O＝第二绝缘层的厚度(千分之几英寸)；以及R＝用来交联第二绝缘层的辐照水平(毫拉德)。
选择该特定的优点图，因为芳香族聚合物具有比交联含氟聚合物高的模量，并且因为交联含氟聚合物层的模量取决于交联水平，交联水平又取决于辐照水平和引入的交联剂的量。
根据这些试验确定可以实现其中第一绝缘层为PEEK且第二绝缘层为初级交联ETFE的薄的、双层绝缘系统，其满足轻重量标准，同时出乎意料地同时保持合适的机械和电学特性，如电弧轨迹阻抗。这样做时，确定(1)具有约0.051mm(0.002英寸)或更小的厚度的芳香族PEEK层，(2)芳香族PEEK在绝缘系统中按体积计小于约26％，(3)小于或等于13毫拉德以产生交联的含氟聚合物ETFE第二绝缘层(其中在试验中交联剂以约5％(按重量计)的量存在)的辐照，和(4)至少3.5的绝缘力的组合可以用来制造具有总绝缘体重量的绝缘导体，对于20AWG导体，该总绝缘体重量为0.30kg每305米(0.65磅每1000英尺)或更小，并且其仍然能够通过用于电弧轨迹阻抗和CPT机械性能(即，电介质强度)的工业标准测试。更特别地，关于绝缘力，确定3.5或更大的绝缘力将满足1小时CPT要求，而7.5或更大的绝缘力将满足7小时CPT要求。
在一种实施方式中，第一绝缘层具有在0.025mm至0.051mm(0.001英寸至0.002英寸)范围内的厚度，第二绝缘层具有对应于暴露于5-13毫拉德范围的辐照的交联水平。在另一种实施方式中，第一绝缘层具有在0.018mm至0.051mm(0.0007英寸至0.002英寸)范围内的厚度，第二绝缘层具有对应于暴露于9-13毫拉德范围的辐照的交联水平。
虽然前述说明书说明并描述了示例性实施方式，本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明的范围的条件下，可以进行多种变化，并且等同物可以替换其元件。此外，在不偏离实质范围的前提下，可以进行多种修改，以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是，本发明不限于被公开为预期用于执行本发明的具体实施方式的特定实施方式，而是说，本发明将包括落入随附权利要求的保护范围之内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种绝缘导体，包括：
细长导体；和
两层绝缘系统，具有：
挤压的第一绝缘层，包括邻近细长导体的芳香族热塑性材料，该第一绝缘层在其长度上具有小于约0.051mm(0.002英寸)的厚度；和
挤压的第二绝缘层，包括邻近第一绝缘层的交联的含氟聚合物，第一绝缘层的体积小于绝缘系统的总体积的约26％。
2.根据权利要求1所述的绝缘导体，其中第二绝缘层具有下述交联水平中的至少一种：
(a)使得绝缘导体足以满足预定水平的电弧轨迹阻抗的交联水平，和
(b)使得绝缘导体在预定负载下暴露至预定温度下一预定的时间周期之后的预定的介电强度水平的交联水平。
3.根据权利要求1所述的绝缘导体，其中第一绝缘层具有在0.013mm(0.0005英寸)至0.051mm(0.002英寸)范围内的厚度。
4.根据权利要求1所述的绝缘导体，其中绝缘系统的总厚度在约0.15mm(0.006英寸)至约0.18mm(0.007英寸)的范围内。
5.根据权利要求1所述的绝缘导体，其中第一绝缘层包括从由聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚砜、聚醚砜及其可溶混的混合物构成的组中选择的芳香族热塑性塑料。
6.根据权利要求1所述的绝缘导体，其中第二绝缘层包括从由聚(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构成的组中选择的交联含氟聚合物，优选其中第二绝缘层包括交联的聚(乙烯-四氟乙烯)。
7.一种绝缘导体，包括：
细长多股导体，具有在约0.46mm(0.0180英寸)至约1.04mm(0.041英寸)范围内的直径；和
两层绝缘系统，具有：
挤压的第一绝缘层，包括邻近细长导体的聚醚醚酮，该第一绝缘层沿着其长度具有在约0.013mm(0.0005英寸)至0.051mm(0.002英寸)范围内的大致均匀的厚度；和
挤压的第二绝缘层，包括邻近第一绝缘层的交联的聚(乙烯-四氟乙烯)，该第二绝缘层沿着其长度具有大致均匀的厚度，
第一绝缘层的体积小于第一绝缘层和第二绝缘层的总体积的26％，且绝缘系统的总厚度在约0.15mm(0.006英寸)至约0.18mm(0.007英寸)的范围内。
8.根据权利要求7所述的绝缘导体，其中第一绝缘层具有在0.025mm(0.001英寸)至0.051mm(0.002英寸)范围内的厚度，并且其中第二绝缘层包括按重量计至少约90％的聚(乙烯-四氟乙烯)和按重量计至少约5％的交联剂，并且其中第二绝缘层具有对应于暴露于5-13毫拉德范围内的辐照的交联水平。
9.一种用于制造绝缘导体的方法，包括下述步骤：
提供细长导体；随后
将芳香族热塑性材料熔融挤压在细长导体的外表面上，以形成第一绝缘层，第一绝缘层沿着其长度具有小于0.051mm(0.002英寸)的大致均匀的厚度；随后
将包括含氟聚合物和交联剂的混合物熔融挤压在第一绝缘层的外表面上，以形成覆盖第一绝缘层并与第一绝缘层接触的第二绝缘层，从而提供具有在约0.15mm(0.006英寸)至0.18mm(0.007英寸)范围内的总厚度的绝缘系统，其中按体积计第一绝缘层的体积小于绝缘系统的总体积的约26％；以及随后
使第二绝缘层交联。
10.根据权利要求9所述的方法，其中芳香族热塑性材料层包括聚醚醚酮，并且其中含氟聚合物包括聚(乙烯-四氟乙烯)。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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