CN113039617B - 聚合物涂覆的电线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供绝缘电导体如电线以及通过增强电导体和基础绝缘热塑性层(例如包括PAEK)之间结合强度来制备这种绝缘电导体对抗局部放电的方法。这种绝缘电导体可以包括：电导体；电导体至少一部分表面上的绝缘涂层；电导体与绝缘涂层间的氧化物层。生产这种绝缘电导体的方法可以包括在环境大气压下向电导体上挤出绝缘聚合物以及随后的热处理步骤，后者也可以在环境大气压下实施。
Description
技术领域
本申请主要涉及绝缘电导体以及与这种绝缘电导体有关的方法的领域。
背景技术
电导体是允许电荷(电流)流过的材料。电线是最常见的电导体形式之一，和通常由金属如铝、铜或它们的合金制成。在这些电导体中电子发生流动，而由于电子在原子间的移动和与之相关的高速运动，这会产生热量。
没有电绝缘体的帮助，含电导体如电线的设备不能正常工作。具体地，为防止产生过热/火灾问题、防止电击和确保导体和与导体相关的设备的正常运行和安全，电线通常涂覆有绝缘体。例如，为了避免在使用过程中可能导致局部放电的气隙，绝缘层与内在电导体之间的粘合非常重要。例如，导体和相邻绝缘层间可能会发生放电，特别是当导体和绝缘层之间(如上所述)、绝缘层内部和/或绝缘层外部(此时材料放电到附近的另一电线或电机元件，即电晕放电)存在气隙/脱层时。当电线聚集形成(如在绕组电机中)时，良好的附着(绝缘层和电导体之间不含或含很小的气隙)对于缓解至少第一种放电模式来说特别重要。
因多种原因，聚合物是电线绝缘的常用材料。一些聚合物具有很强的电阻，可以是柔性的(因此在拐角处易于弯曲并安全地引入接电箱)，可以容易地散热，可以缓慢燃烧，并且相对便宜。具体地，聚醚酮如聚醚醚酮(PEEK)由于它们典型的高温操作窗口和对工业和汽车环境中存在的许多化学品具有固有的耐受性而是极好的电线绝缘材料。但在金属(例如在电导体内应用的那些)上直接挤出热塑性聚合物如PEEK通常是有问题的，因为这些热塑性聚合物通常不能与这些金属很好地粘合(如上文所述，其中存在与气隙和脱层相关的许多问题)。据信这些聚合物对导体的粘合受处理过程中氧化物层的存在/形成的影响，和本领域中通常认为氧化物层的存在对粘合不利。因此，已尝试在涂覆/粘合过程中从金属表面除氧，以在电导体上提供绝缘层。例如，参见EP3441986，其在这里作为参考全文引入。还采用了替代的方法来解决粘合问题，包括应用多个聚合物层(例如包括烤漆层)。例如，参见美国专利公开No.2015/0021067，其在这里作为参考全文引入。在这种多层布置中，相邻层间的脱层仍可能不利地造成在绝缘电线内形成气隙。
已经有些尝试通过应用“压力涂覆”技术来改进绝缘体和内在导线间的密切接触，从而提高绝缘体与电线的粘合性。压力涂覆不同于一般的挤出，因为在压力涂覆中，电线芯/芯轴回退到热塑性挤出工具内的外部成型模内。这使得电线离开机器之前用高压树脂涂覆。在压力涂覆中，使用与产品外径大小相似的模具，且电线丝以涂覆后形式离开挤出机。与之相比，在传统的“护套或套管涂覆”中，应用更大的工具组件，在电线穿过机器时沿相同方向挤出管子；在离开挤出机后拉出管子和使之与导体接触。护套或套管涂覆设备中形成模和芯/芯轴在机器出口处齐平或接近齐平，并且管子离开和导体之间存在气隙。这样运行所述过程时，管子向下拉而与导体紧密接触。
通常认为，压力涂覆技术可提高绝缘层对电线的“抓紧力”，但这些技术不会与电线表面上的内在氧化物层产生任何粘合。另外，与其它替代方法如其中可能应用更大的套管工具组件的夹套涂覆相比，压力涂覆可能是不希望的，因为前者允许更低的压力、更容易控制绝缘同心度/均匀性和更快的涂覆线速度。
有利的是提供用于制备涂覆电导体的进一步方法，其中所述涂覆电导体可在聚合物涂层和内在导体之间提供有效粘合。
发明内容
本发明提供获得涂覆(绝缘)电导体的方法，和具体提供在绝缘涂层与电导体之间产生有效粘合的方法。本发明进一步描述了所形成的涂覆电导体及其性能和特征。
与传统理解相反，本发明人开发的生产涂覆电导体的方法在环境空气中实施，不需要严格注意从大气中排除氧。这里所公开的方法提供的涂覆/绝缘电导体在绝缘涂层与内在电导体之间充分粘合。正如下文更全面描述和证实的，通过这种方法生产的涂覆电导体有利地具有很强的耐受绝缘涂层从电导体上脱层的能力。
在一个方面，本发明提供一种绝缘电导体，其包括：在其至少一部分表面上包括氧化物层的电导体；和在至少一部分所述氧化物层上的绝缘涂层，其中所述绝缘电导体在绝缘涂层与电导体和/或氧化物层之间表现出粘合性，从而绝缘涂层不能从电导体上剥离。所述绝缘涂层“不能剥离”的特征可以指所述绝缘涂层不能以完全或部分管状形式从电导体上拉下来(例如在环境条件/在室温下空气中)。
电导体特性可以变化。在一些实施方案中，所述电导体为电线。在一些实施方案中，所述电导体具有圆形、方形、三角形、矩形、多边形或椭圆形的横截面形状。在一些实施方案中，所述电导体包括铜、铝或它们的组合。在特定实施方案中，所述电导体包括铜。在一些实施方案中，所述电导体包括银、镍或金涂层。
类似地，绝缘涂层的特性可以变化。在一些实施方案中，绝缘涂层包括聚芳基醚酮(PAEK)。示例性的PAEK聚合物包括但不限于聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。在某些实施方案中，绝缘涂层还可以包括一种或多种纤维、填料或它们的组合。在一些实施方案中，绝缘涂层包括PAEK与一种或多种含氟树脂的聚合合金。在其它实施方案中，绝缘涂层基本由聚合物如PAEK组成。
在一些实施方案中，提供绝缘电导体，其中所述电导体为具有圆形横截面的电线，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于或等于1.10：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
在一些实施方案中，提供绝缘电导体，其中所述电导体为具有矩形横截面的电线，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于1.60：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
在一些实施方案中，通过如下过程确定所述绝缘涂层不能从电导体上剥离：在绝缘涂层中产生缺口或撕口；在环境条件下，在空气中由缺口或撕口沿涂覆电导体纵向方向剥离绝缘层，以尝试从电导体上剥离绝缘层；和观察到绝缘层不能以完全或部分管状形式从电导体上剥离。在一些实施方案中，提供包括这里公开的绝缘电导体的电动机。
在本发明的另一个方面，提供一种制备绝缘电导体的方法，包括：提供在其至少一部分表面上包括金属氧化物的电导体；将聚合物绝缘涂层挤出到至少一部分电导体上，其中所述挤出在环境大气条件下实施；冷却涂覆后的电导体；热处理冷却的涂覆后的电导体；和冷却热处理后的涂覆后的电导体，以提供绝缘电导体。在一些实施方案中，所述挤出采用夹套涂覆工具。在一些实施方案中，所述挤出采用压力涂覆工具。因此，在一些实施方案中，所述方法提供涉及压力涂覆技术的独特方法，从而提供在电导体和绝缘涂层之间具有粘合的涂覆电导体，而这种电导体通常不能由压力涂覆方法获得。
在某些实施方案中，所述热处理包括使经过冷却的涂覆电导体处于或高于聚合物绝缘涂层的玻璃化转变温度。所述热处理还可包括使加热的涂覆电导体在该温度下保持特定时间。在一些实施方案中，所述挤出和热处理在环境大气压下实施。本发明还包括按本发明提供的方法制备的绝缘电导体。
本发明包括但不限于如下实施方案：
实施方案1：一种绝缘电导体，包括：在其至少一部分表面上包括氧化物层的电导体；和在至少一部分所述氧化物层上的绝缘涂层，其中所述绝缘电导体在绝缘涂层与电导体和/或氧化物层之间表现出粘合性，从而绝缘涂层不能从电导体上剥离。
实施方案2：前述实施方案的绝缘电导体，其中所述电导体为电线。
实施方案3：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体具有圆形、方形、三角形、矩形、多边形或椭圆形的横截面形状。
实施方案4：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体包括铜、铝或它们的组合。
实施方案5：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体包括铜或铜合金。
实施方案6：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体包括银、镍或金涂层。
实施方案7：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层包括聚芳基醚酮(PAEK)。
实施方案8：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层还包括一种或多种纤维、填料或它们的组合。
实施方案9：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层基本由聚芳基醚酮(PAEK)组成。
实施方案10：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层包括选自如下的聚合物：聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
实施方案11：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层包括PAEK与一种或多种含氟树脂的聚合合金。
实施方案12：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体为具有圆形横截面的电线，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于或等于1.10：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
实施方案13：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中所述电导体为具有矩形横截面的电线，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于1.60：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
实施方案14：前述实施方案任一项的绝缘电导体，其中通过如下过程确定所述绝缘涂层不能从电导体上剥离：在绝缘涂层中产生缺口或撕口；在环境条件下，在空气中由缺口或撕口沿涂覆电导体纵向方向剥离绝缘层，以尝试从电导体上剥离绝缘层；和观察到绝缘层不能以完全或部分管状形式从电导体上剥离。
实施方案15：包括前述实施方案任一项的绝缘电导体的电动机。
实施方案16：一种制备绝缘电导体的方法，包括：提供在其至少一部分表面上包括氧化物层的电导体；将聚合物绝缘涂层挤出至电导体和/或氧化物层上，使得所述绝缘涂层不能从电导体上剥离，其中所述挤出在环境大气条件下实施；冷却涂覆后的电导体；热处理冷却的涂覆后的电导体；和冷却热处理后的涂覆后的电导体，以提供绝缘电导体。
实施方案17：前述实施方案的方法，其中所述挤出应用压力涂覆工具。
实施方案18：前述实施方案任一项的方法，其中所述挤出采用夹套涂覆工具。
实施方案19：前述实施方案任一项的方法，其中所述热处理包括使冷却的涂覆后的电导体处于或高于聚合物绝缘涂层的玻璃化转变温度。
实施方案20：前述实施方案任一项的方法，其中所述热处理还可包括使加热的涂覆后电导体在所述温度下保持特定时间。
实施方案21：前述实施方案任一项的方法，所述挤出和热处理在环境大气压下实施。
实施方案22：前述实施方案任一项的方法，其中所述电导体为电线。
实施方案23：前述实施方案任一项的方法，其中所述电导体具有圆形、方形、三角形、矩形、多边形或椭圆形的横截面形状。
实施方案24：前述实施方案任一项的方法，其中所述电导体包括铜、铝或它们的组合。
实施方案25：前述实施方案任一项的方法，其中所述电导体包括银、镍或金涂层。
实施方案26：前述实施方案任一项的方法，其中所述绝缘涂层包括聚芳基醚酮(PAEK)。
实施方案27：前述实施方案任一项的方法，其中所述绝缘涂层还包括一种或多种纤维、填料或它们的组合。
实施方案28：前述实施方案任一项的方法，其中所述绝缘涂层基本由聚芳基醚酮(PAEK)组成。
实施方案29：前述实施方案任一项的方法，其中所述绝缘涂层包括选自如下的聚合物：聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
实施方案30：前述实施方案任一项的方法，其中所述绝缘涂层包括PAEK与一种或多种含氟树脂的聚合合金。
实施方案31：按前述实施方案任一项方法制备的绝缘电导体。
通过阅读如下结合附图(下面将简要描述)的详细描述，本发明的这些和其它特征、方面和优点将更明显。本发明包括上述实施方案中两个、三个、四个或更多个的任意组合以及在本申请中所述的任意两个、三个、四个或更多个特征或因素的组合，无论这些特征或因素是否在这里描述的具体实施方案中明确进行了组合。本发明需要全面阅读，从而所公开发明的任何可分离特征或因素均可以在其各个方面和实施方案中进行组合，上下文另有明确规定除外。本发明的其它方面和优点将由如下描述变得更明显。
附图说明
为了理解本发明的实施方案，参考所附附图。附图不必按比例绘制，和附图中的附图标记指本发明示例性实施方案的组件。附图只是示例性的，不应构成对本发明的限制。
图1是本发明方法的通用示意图；
图2是裸铜电线的tanδ动态温度扫描图；
图3是实施例1的热处理样品的tanδ扫描图线，给出了第一次扫描(实线)和第二次扫描(虚线)中斜率的计算；和
图4是实施例1的未处理样品的tanδ扫描图线，给出了第一次扫描(实线)和第二次扫描(虚线)中斜率的计算。
具体实施方式
下面将更全面地描述本发明。但本发明可以以许多不同的形式体现，且不应理解为局限于这里描述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开内容更加全面和完整，并向本领域技术人员全面表述了本发明的范围。正如本说明书和权利要求中所应用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的不定冠词和定冠词均包括复数形式。
本发明提供一种涂覆后的电导体以及生产这种涂覆后的电导体的方法。正如下文更详细地描述，涂层通常为绝缘材料，从而使得涂覆后的电导体为绝缘电导体。令人惊奇地，这里提供的涂覆电导体可在环境大气压(例如不严格除氧)下生产，从而使得所述涂覆电导体包括在绝缘涂层与电导体之间的至少部分氧化物层。尽管如此，正如这里所证实，所述绝缘涂层与电导体表现出足够的粘合力，和在一些实施方案中表现出非常优秀的粘合力，这与有关消除这种氧化物层的重要性的常规理念正好相反。
在第一个方面，本发明提供了如图1所概述的用于生产涂覆电导体的方法。如图所示，所述方法包括四个步骤，即提供涂覆电导体的挤出步骤、冷却所得到的涂覆电导体、热处理步骤和提供所需产品的第二冷却步骤。挤出步骤通常包括熔融热塑性聚合物并将其施用到电导体表面上。在所公开方法的挤出步骤中可以采用压力或夹套涂覆技术。挤出通常应用专用于此目的的仪器实施，其包括用于引导电导体进入模孔、牵引电导体从中穿过和使电导体与熔融聚合物接触从而在产生预定绝缘涂层厚度的条件下拉出电线的设备。在电导体上挤出热塑性聚合物的方法是已知的。例如在https://www.victrex.com/～/media/ literature/en/victrex_extrusion-brochure.pdf中给出了示例性方法，其在这里作为参考全文引入。本领域熟练技术人员知道改变过程条件可获得一致的绝缘涂层或变化的涂层厚度等。
本发明的挤出有利地不需要在无氧条件下实施。实际上，在某些实施方案中，所述挤出步骤在环境大气下(如在(未处理的)空气中，其中不会故意从大气中去除氧)下实施。因此，在一些实施方案中，可将所述挤出描述为在氧存在下实施。无需预处理步骤来确保电导体在其上挤出绝缘涂层之前基本无氧化物(例如在EP3441986中概述的在无氧保护性气氛下进行等离子体处理，其在这里作为参考全文引入)。
挤出中使用的材料可以变化。电导体通常包括适合导电的任何材料。在特定的实施方案中，电导体包括能够氧化的金属，和在一些这类实施方案中，电导体在其至少一部分表面上包括这种金属。电导体通常包括金属，如包括铜、铝或其组合或合金的材料。在一些实施方案中，电导体上可包括在其上面的涂层如金属涂层。金属涂层例如可以包括银、镍或金(提供具有金属涂层/金属镀层的导体)。虽然本发明中提到在电导体上施用热塑性聚合物，但应注意这里概括的原理和方法也可用于在其它材料(如包括非电导体的金属的材料)上施用热塑性聚合物。
电导体的大小和形状可以变化。在某些实施方案中，电导体为电线。例如，电导体可以为含铜电线(如铜电线)、含铝电线(如铝电线)或电镀铜或镀铝电线。电导体可以具有任何横截面形状，如圆形、方形、三角形、矩形、多边形或椭圆形，只要所述大小和形状与方法中采用的挤出设备相容即可。
正如本领域所知，施用于电导体的聚合物材料包括热塑性聚合物，例如其可通过加热软化和熔融，和可在液体状态下加工(例如通过挤出)。在某些实施方案中，聚合物材料包括聚芳基醚酮(PAEK)。PAEK为一种半结晶的热塑性聚酮。聚合物材料通常包括大部分PAEK，即至少约70wt％的PAEK(正如下文更详细描述的那样，剩余部分例如为填料、纤维或其它聚合物)。在进一步的实施方案中，聚合物材料包含至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约98％或至少约99wt％的PAEK。在一些实施方案中，聚合物材料基本由PAEK组成。示例性的PAEK聚合物包括但不限于选自如下的那些：聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
如上所述，在一些实施方案中，聚合物材料除了PAEK外，还包括一种或多种附加组分。除了PAEK外，聚合物材料通常可以包括适合于性能增强的任何添加剂，此时PAEK用作主要的绝缘。在一些实施方案中，聚合物材料包括PAEK和一种或多种纤维、填料或它们的组合。可在这里公开的热塑性聚合物中任选地包括的纤维和/或填料可以为已知用于增强一种或多种聚合物特性的任何材料。各种相关的填料是已知的，和可以在这里公开的树脂和/或相应的绝缘涂层内应用。某些示例性填料和其它添加剂包括但不限于玻璃球、玻璃纤维、各种形式的碳(如颜色、纳米管、粉末、纤维)、射线遮光剂如硫酸钡(BASO4)、次碳酸铋、氧氯化铋、钨、冷却填料如氮化硼(BN)基质、着色剂/颜料、加工助剂及其组合。
在其它实施方案中，聚合物材料可包括一种或多种附加的聚合物(如提供与PAEK的聚合物合金)。例如，在一些实施方案中，聚合物材料可以含一种或多种含氟聚合物。已知多种含氟聚合物易于混溶到PAEK中达到相当高的百分比(如高达30％)，且这种组合物/合金可在这里提供的方法中应用。在一些实施方案中，向PAEK中引入一种或多种含氟聚合物可提供物理方面的好处，这是因为含氟聚合物通常具有关于介电常数和介电性的出色电性能(但耐磨性通常较差且不可粘合)，和可以为材料赋予某些特性，比如减小摩擦(这可能会使最终产品更易于安装，例如安装在紧密填充的电机槽中)。在一些实施方案中，将附加聚合物的含量保持在稍低的水平，如使约70％或更多的聚合物材料为PAEK，或约80％或更多、约85％或更多、约90％或更多、约95％或更多、约98％或更多、或约99％或更多的聚合物材料为PAEK。
挤出步骤后，使所得的涂覆电导体至少稍微冷却，例如低于材料的玻璃化转变温度(Tg)。冷却后，对涂覆电导体进行热处理。这种热处理步骤通常包括在高温下(例如在或高于涂覆电导体上绝缘涂层的Tg下)处理涂覆电导体。在一些实施方案中，该温度可以为或高于聚合树脂的熔点(Tm)。在各种实施方案中，对于该加热处理步骤来说，足以至少部分重新熔融树脂的任何温度都足够了。热处理的参数不特别限定，且热处理可有利地在含氧气氛下实施，例如在环境大气条件如在(未处理的)空气中进行。用于加热的合适方法是公知的，并且可以在这里公开的方法中应用。例如，在各种实施方案中，热处理步骤通过使涂覆电导体经受在烘箱内产生的热来实施。在各种实施方案中，热处理步骤可采用辐射加热、红外加热、感应加热、微波加热、通过流体传导加热、对流加热以及它们的组合中的一种或多种。在一些实施方案中，热处理包括单一加热，但不限于此。在一些实施方案中，使涂覆电导体加热两次或更多次(其间进行冷却)。在某些实施方案中，为确保涂层熔融且能够流动以获得足够的粘合性，可能希望多次加热。
在热处理步骤中，加热涂覆电导体(如上所述一次或多次)，然后在所述高温下保持给定时间段。该时间段可以变化，和例如可以为几秒或几分钟到几小时。作为一个例子，在一些实施方案中，通过将涂覆电导体放置入烤箱中并在其中保持约1分钟或更长时间(例如约1分钟到约2小时或约5分钟到约30分钟)来实施加热。
热处理后，使热处理后的涂覆电导体冷却，例如冷却到环境温度。所得的涂覆电导体令人惊奇地在电导体与其上的绝缘涂层之间表现出足够的、甚至优良的粘合性。具体地，已经发现这种涂覆电导体高度耐受绝缘涂层从内在电导体上脱层。因此，令人惊讶地发现，这里概述的方法导致与所得涂覆电导体相关的独特性质。虽然不打算受理论所局限，但据信这里概述的多步方法(包括挤出、冷却和重新加热涂覆电导体)提供的涂覆产品在导体表面的金属氧化物层与相邻聚合物绝缘材料中存在的PAEK之间具有很好的粘合。下文实施例中以小板测试形式所提到的测试数据表明，事实上，金属氧化物与PAEK之间产生的粘合强度意外地大于金属氧化物与导体金属之间的粘合强度。注意的是在一些实施方案中，可能有益的是测量涂覆电导体的动态机械响应的变化(将在下文更详细地描述)，以确认在所公开的方法中在导体与绝缘层之间提供足够粘合的条件。
这里提供的涂覆电导体包括电导体和其上的绝缘涂层，在所述电导体和绝缘涂层之间具有金属氧化物，这使其区别于某些已知的涂覆电导体。应理解所存在的特定金属氧化物取决于电导体的组成(例如铜电导体将包括铜氧化物)。在电导体和绝缘涂层之间存在的氧化物的程度可根据处理条件发生变化，例如实施方法步骤的特定环境、材料在热处理步骤中在高温下保持的时间以及挤出和/或热处理的温度等。如上所述，尽管未量化，据信所公开的涂覆导体包括存在于电导体表面的金属氧化物与绝缘聚合物的PAEK之间的强粘合。同样，不打算受理论所局限，据信绝缘聚合物的PAEK和金属氧化物之间存在这些粘合导致所述涂覆产品的强度/一体性(使它们在很大程度上不易受这里相对传统产品描述的剥离类型影响)。
本发明的涂覆电导体与某些已知的涂覆电导体的典型区别不仅在于氧化物和由此形成的粘合类型，而且在于其物理特性，即电导体和绝缘涂层之间的粘合强度。粘合强度可以以各种方式来评价。
在一些实施方案中，从绝缘涂层由内在电导体上的手动可剥离性(在这里也称为“可剥离性”)来描述所公开的涂覆电导体。可剥离的绝缘涂层可以以管状形式从电导体上轻易剥下来。随可剥离性下降，这变得越来越不可能，取代的是绝缘涂层作为碎片被剥下来。例如，可以实施手动剥离测试，其中在绝缘涂层中形成缺口/撕口，并沿涂覆电导体的长度方向剥离绝缘涂层以尝试从电导体上剥离绝缘涂层。粘合力不足的产品易于例如以长的整片绝缘涂层沿涂覆电导体的长度剥离。本发明范围内的产品不具有这种可剥离性。相反，所公开的涂覆电导体具有足够的粘合性，不能发生任何明显程度的剥离(例如绝缘层不能以完全或部分管状形式从内在电导体上剥离)。参见验证手动剥离的非限定性实施例。
在某些实施方案中，当试图形成缺口/撕口和/或剥离时，本发明的涂覆电导体表现出仅形成绝缘涂层的一小部分碎屑。这里描述的各种产品都具有后一种特性，即绝缘涂层不容易从内在电导体上剥离。在一些实施方案中，所公开的涂覆电导体在入侵式成形之后特别是在绝缘涂层和电导体之间没有明显脱层(包括没有脱层)。入侵式成形在本领域通常理解为对于圆形电线，绕其自身内径包裹，并检查形成体的内径(ID)产生皱纹或脱层的情况。对于矩形截面的入侵式成形，所述包裹可以替代为长轴、短轴上部分弯曲、任何内径的螺旋形弯头或者在无明显脱层、开裂或不利损坏的情况下处理所有的扭曲。脱层是材料分为多层的一种故障模式(此处为绝缘涂层与电导体分离)。脱层可很容易地进行视觉观察，即通过观察电导体与绝缘涂层之间的界面来进行。在各个实施方案中，在使所公开的涂覆电导体经历所述入侵式成形方法之前和之后，肉眼(即没有进行放大)有利地观察不到脱层。各种测试方法都是已知的，和也可用于评价没有脱层。
在一些实施方案中，通过用其阻尼动态机械响应验证的粘合强度来描述所公开的涂覆电导体。已经发现处理程度会阻碍聚合物-涂覆电线的动态机械响应，和这种阻尼是聚合物与电线粘合的指标。阻尼可以在动态机械分析仪(DMA)上通过tanδ的动态温度扫描来测定。例如参见K.P.Menard,Dynamic Mechanical Analysis：A Practical Introduction,CRC Press,1999，其在这里作为参考引入。Tanδ定义为损耗模量(E″)与存储模量(E′)的比值，并因此表示由于能量的粘性耗散而引起的阻尼。这种分析非常类似于所公开方法的热处理步骤(取涂覆电线并在第一和第二次热处理中检查其动态响应，其中第二次加热指热处理后的产品)。
例如，如果对铜裸线实施动态温度扫描，则tanδ与温度的曲图不显著，没有明显的转变峰。参见图2。如果绝缘铜电线进行相同的DMA方法，则tanδ与温度的曲线将呈现如图3和4所示的绝缘层聚合物的典型范围内的明显转变。作为一个例子，PEEK的转变在150℃以上开始。
已经认识到与弱粘合聚合物层相比，强粘合绝缘涂层在tanδ转变区有阻尼响应。通过计算第一次动态温度扫描期间开始热转变时的曲线斜率，可以量化该效果。然后保持绝缘电线在其最高熔融温度(通过差示扫描量热法DSC测定)下一分钟，然后冷却至室温。然后在随后的动态温度扫描期间计算第二斜率。通过用第一次扫描期间获得的斜率除以第二次扫描期间获得的斜率，量化阻尼程度。
本发明人已经发现tanδ阻尼的程度表示了聚合物与电导体之间的粘合力。对于某些实施方案，当粘合力不足时，例如具有圆形截面的导线，其阻尼比大于1.10。换句话说，当粘合力很差时，动态温度扫描期间对绝缘体和电线的加热会导致两个热循环期间tanδ的斜率明显变化。图3描述了一个这样的示例性实施方案。但在这种实施方案中，当粘合良好时，加热循环对tanδ的影响更弱，所述比值小于或等于1.10。图4描述了一个这样的示例性实施方案。
这种DMA斜率表示了电导体与绝缘涂层间接触的紧密程度。未粘合的电线在电导体/绝缘层界面处会出现微小滑移。当在未处理的电线上运行第一次DMA循环时，这实际上再现了所公开方法的热处理步骤(如上文所详细描述)。如果粘合有改进，由于连接到了基底的氧化铜层，电线在第二次DMA循环时会呈现不同的响应。对粘合好的样品(如按所公开方法提供)，因为已经通过粘合到内在氧化铜层上消除了初始的微小滑移，斜率差别小得多。
在一个具体的实施方案中，提供具有圆形横截面的电线形式的涂覆电导体，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于或等于1.10：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
在另一个具体的实施方案中，提供具有矩形横截面的电线形式的涂覆电导体，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于1.60：a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1(由DSC确定)；b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；c)第二次将涂覆电线加热至T1；d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
在另一个实施方案中，提供了用于获得在电导体和绝缘涂层之间具有足够粘合水平的涂覆电导体的方法。所述“足够水平”可以变化，和可以例如按这里概述的任何方法来定义。所述方法通常包括控制这里描述的方法的各种参数，以获得产品的动态机械响应的特定阻尼(例如对于圆形横截面的导线，获得小于或等于1.10的tanδ阻尼比，而对矩形横截面的导线，获得小于1.60的tanδ阻尼比)。
应注意的是DMA测试可能受例如聚合物绝缘涂层中大量填料/添加剂/其它聚合物的存在影响。因此，在一些实施方案中，这里针对DMA提供的测试方法和结果对于具有低浓度的其它组分(例如小于约10％其它组分、小于约5％其它组分或小于约2％其它组分)的PAEK基聚合物绝缘涂层特别相关。作为一般考虑，当认为绝缘涂层的DSC踪迹复杂时，不适合于用DMA方法评价。
如下所述，这里提供的某些涂覆电导体的特性可基于响应于纵向拉伸所呈现的局部放电来进一步描述。为热处理和对比(未热处理)涂覆电线施加给定的应变(如20％的应变)。有利地设计这种测试以排除电线表面的电晕放电，和只显示电导体上或绝缘层本身内部的缺陷。电线沿直径为电线直径5倍的芯轴绕2圈，模拟电机绕组应用中的成形或将电线安装到系统中的弯曲半径。设计该测试以确定产品一旦受到应力和成形后，在电导体和绝缘层之间是否有明显的气隙(这表明电导体和绝缘层之间是否有足够的粘合)。正如下文更详细地描述，在低电压值(例如低于6000VAC)下达到高局部放电(例如大于20pC PD)则证明存在明显的气隙。
为了排除在双绞线PDIV测试中典型的电晕(表面放电)(此时在外部气隙处可能发生放电)，将缠绕在芯轴上的电线圈浸入饱和盐水浴中。盐水浴有浸没在水表面以下用于测试的接地电极。这种盐水浴有效地将电线表面的所有电荷直接带到浸没的地下，因此在PD测量回路上看不到电晕效应。可在水面上放置介电油或绝缘流体(如硅油)，以防止在电线进入水浴的入口处放电。电气测试领域的技术人员很容易识别电线表面的电晕放电，可以作为特征性的嗡嗡声被看到和听到，由这种表面电晕造成的结果应该被忽略。在所示实施方案中的具体绝缘流体为硅油。这种处理/测试(包括所述的应变和芯轴成形)模拟了入浸式处理和电机绕组，这是涂覆电导体要经受的典型条件。因此，在一些实施方案中，这些结果可能与评估给定产品在其将被使用的条件下表现出良好粘合能力特别相关。在某些实施方案中，在没有持续20pC放电的情况下，测试中所公开的涂覆电导体呈现出6000VAC或更大的值。注意的是对于每个实施方案，该测试并不总是有结论，例如极薄的涂覆电导体可能在6000VAC之前就故障，但对于某些涂覆电导体，以这种方式评价粘合强度是一种有用的方法，其可以确认产品具有足够的性能，使其在相关情况下在无明显脱层时使用。
在这个测试方法中设计20％的应变和随后入侵式成形以产生气隙。经受本发明中提供的方法的产品不会出现与以前公开值(高达6000VAC)类似的局部放电，或在浴液中(对于非常薄的涂层)发生介电故障。在20％应变和入侵式成形后，在适当粘合的电线(按这里公开的方法提供)中不会发生超过20Pc或更小的持续放电。偶尔会有未粘合电线可能发生20％应变和不产生气隙入浸式成形；这也不会显示20pC的持续放电，但在热处理时斜率分析中对于DMA测试响应中会明显显示。因此，在一些实施方案中，上文讨论的部分放电分析和DMA分析相组合，可能特别适合于分析涂覆电线。
应理解所公开的涂覆电导体和相关方法不限于其上具有单层绝缘(如PAEK)层的电导体。相反，本发明打算进一步包括在其上涂覆有一个或多个附加涂层的产品。正如这里所描述或证实的，本发明人独特地开发了电导体和热塑性聚合物涂层之间形成强粘合的能力。一旦获得了这样的第一涂层(如这里所述)，则其它层将不再具体限制。因此，具有一、二、三、四、五或更多附加层的涂覆电导体也在本发明的范围内，其中这些附加层可以相同的或不同，并且例如可以包括通过共挤出或随后成层而与绝缘涂层聚合物粘合的任何聚合物。这种任选的附加层可以全部是聚合物，或者可以包含上文描述的任何类型的填料和/或添加剂。这里公开的绝缘电导体可用于不同的应用。例如，在一些实施方案中，本发明提供了一种包括这里描述的一个或多个绝缘电导体的电动机。
实施例
实施例1：在AWG 15铜电线上的PEEK(Vestakeep 5000G)
制备两个样品，一个进行热处理步骤和另一个不进行。电线为AWG 15铜电线，和使用3/4″24:1热塑性挤出机以9FPM的速率应用管式涂覆十字头施用0.006″标称的PEEK绝缘层。涂覆前用外部热源在含氧环境(环境空气)中使电线预热至约400℉。使用0.285″模头和0.210芯轴(设计用于套管涂覆技术，通常认为其不利于粘合的形成)在AWG 15电线上拉伸热塑性PEEK。挤出后，使每个涂覆产品完全冷却。一个产品不再进一步加工，而另一个产品随后在高于PEEK玻璃化转变温度下加热(熔融)，并在环境空气中冷却。在下面实施例5的表1中给出了表征这些样品的方法以及所有表征数据。
手动剥离性
应用依赖手动剥离的方法来评价绝缘涂层与电导体间的粘合强度。从靠近一端的绝缘电线的周边除去1.5"的长度。然后用剃须刀将绝缘涂层从该端开始切开0.5"长度。然后按1-3的标度评价从电线上分离绝缘涂层所需的努力。如果在切割后需要很少努力或不费力就可将绝缘层剥落，则取值为1。如果开始剥离绝缘层时需要努力，但一旦开始则很容易剥离，则取值为2。如果绝缘层无法剥落，或者如果在截面上的剥落小于0.125″，则取值为3。手动剥离测试导致未经热处理的样品的值为“1”，而经过热处理的样品的值为“3”。
阻尼比
应用TA Instruments DSC Q2000表征样品的热行为，其中应用ASTM D3418–15：Standard Test Method for Transition Temperatures and Enthalpies of Fusion andCrystallization of polymers by Differential Scanning Calorimetry,2015。从电导体上移除绝缘层，并在铝盘中于30℃下平衡，然后以10℃/min的恒定速率加热至400℃。然后应用10℃/min的恒定速率将样品冷却回30℃。以10℃/min的速率将样品再次加热至400℃。应用TA Instruments Universal Analysis 2000v4.5A软件分析DSC数据。熔融吸热峰确定为339℃。
基于ASTM D4065-12实施DMA测试以确定动态温度扫描中的tanδ曲线：StandardPractice for Plastics：Dynamic Mechanical Properties：Determination and Reportof Procedures,2012，其在这里作为参考引入。应用带有悬臂夹具的TA instruments Q800DMA通过从室温到339℃的动态温度扫描测定tanδ，其中在339℃等温保持1分钟。样品以3℃/min的恒定速率加热，同时30μm恒定振幅下用1Hz固定频率弯曲振荡置换。初始温度扫描完成后，将样品冷却至室温。然后应用与初始加热升温相同的参数实施第二次动态温度扫描。两次加热循环完成后，将DMA数据输入OriginLab的OriginPro 2019b v.9.65数据分析和绘图软件。计算对应于绝缘层热转化拐点后的斜率。然后通过用第一个斜率除以第二个斜率，得出每次动态温度扫描所获得的斜率比。对于未经热处理的样品，该比值为1.65。而热处理后的样品，该比值为0.76。
实施例2：AWG 15铜电线上的PEEK(Solvay KT-820NT)
制备两个样品，一个进行热处理步骤和另一个不进行。类似于实施例1的样品，制备这些样品，差别在于应用不同的PEEK树脂，和挤出速率为8英尺/分钟。在下面实施例5的表1中给出了表征数据。
实施例3：AWG 18铜电线上的PEEK(Victrex 381G)
制备两个样品，一个进行热处理步骤和另一个不进行(类似于上文实施例1的方法进行制备)。电线为AWG 18铜电线，和使用3/4″24:1热塑性挤出机以15.5FPM的速率应用管式涂覆十字头施用0.00145″标称的PEEK绝缘层。涂覆前用外部热源使电线预热至约400℉。使用0.253″模头和0.200芯轴在AWG 18电线上拉伸热塑性PEEK。挤出后，使每个涂覆产品完全冷却。一个产品不再进一步加工，而另一个产品随后在高于PEEK玻璃化转变温度下加热(熔融)1小时，并在环境空气中冷却。在下面实施例5的表1中给出了表征数据。
对比例1：Dacon D-20APK2 AWG 20铜电线。
这是用于对比的标称壁厚为0.003的商购产品(铜电线上涂覆PEEK)。PEEK涂层很容易用电线剥皮器从涂覆产品上剥离，且不能保持成形性。
实施例4：AWG 20.5铜电上的PEEK(Victrex 150G)
用热处理步骤(与上文实施例1的相应方法类似)制备样品。电线为AWG 20.5铜电线，和施用了0.0039″标称的PEEK绝缘层。涂覆前用外部热源使电线预热至约400℉。挤出后，使涂覆产品完全冷却。随后在高于PEEK玻璃化转变温度下加热(熔融)1小时，并在环境空气中冷却。在下面实施例5的表1中给出了表征数据。
实施例5：矩形铜电线上的PEEK(Solvay KT-820NT)。
制备两个样品，一个进行热处理步骤和另一个不进行(类似于上文实施例1的方法进行制备)。电线为矩形铜电线，和使用1″24:1热塑性挤出机以3.6FPM的速率应用管式涂覆十字头施用0.0075″标称的PEEK绝缘层。涂覆前用外部热源使电线预热至约400℉。使用0.400″模头和0.361芯轴在矩形电线上拉伸热塑性PEEK。挤出后，使每个涂覆产品完全冷却。一个产品不再进一步加工，而另一个产品随后在高于PEEK玻璃化转变温度下加热(熔融)1小时，并在环境空气中冷却。本实施例下面的表1中给出了表征数据。
在各个实施例中测试的不同树脂和电线表明，对于所选特定树脂或所选特定电线(尺寸和/或形状)来说，变化不大或者没有变化。因此应理解这里公开的方法不是树脂级专用的，PAEK树脂以及填充树脂和合金树脂也适合应用所公开的方法来实施(例如基于热处理值的tanδ降低、粘结改进和无明显脱层的可能成形等)。
表1：
受益于前述描述中所给出的教导，本发明所属领域的技术人员将会想到本发明的许多调整和其它实施方案。因此，应理解本发明不限于所公开的具体实施方案，所述调整和其它实施方案也包括在所附权利要求的范围内。虽然在这里采用具体的术语，但它们仅用于通用意义进行描述，而不作为限制的目的。
Claims (17)
1.一种绝缘电导体，包括：
电导体，其包括在该电导体的至少一部分表面上的氧化物层；和
在至少一部分所述氧化物层上的绝缘涂层，
其中：
在所述绝缘涂层施用到至少一部分所述氧化物层之后，所述电导体和所述绝缘涂层的组合经受热处理，所述热处理包括加热到处于或高于所述绝缘涂层的熔融温度的温度；
所述绝缘电导体在所述绝缘涂层与所述电导体和所述氧化物层的一个或多个之间表现出粘合性，从而在所述热处理之后所述绝缘涂层不能从所述电导体上剥离；和
所述绝缘涂层选自聚芳基醚酮(PAEK)，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，聚醚醚酮酮(PEEKK)，聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)和聚芳基醚酮与一种或多种含氟树脂的聚合合金，
其中所述电导体具有按如下过程测量的tanδ阻尼比：
a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1，由DSC确定；
b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；
c)第二次将涂覆电线加热至T1；
d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；
e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和
f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
2.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体为电线。
3.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体具有圆形、多边形或椭圆形的横截面形状。
4.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体具有方形、三角形或矩形的横截面形状。
5.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体包括铜、铝或它们的组合或合金。
6.权利要求5的绝缘电导体，其中所述电导体包括铜或铜合金。
7.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体包括银、镍或金涂层。
8.权利要求1的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层还包括一种或多种纤维、填料或它们的组合。
9.权利要求2的绝缘电导体，其中所述绝缘涂层还包括一种或多种纤维、填料或它们的组合。
10.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体为具有圆形横截面的电线，其tanδ阻尼比小于或等于1.10。
11.权利要求10的绝缘电导体，其中所述电导体为包括铜或铜合金的电线。
12.权利要求1的绝缘电导体，其中所述电导体为具有矩形横截面的电线，其tanδ阻尼比小于1.60。
13.权利要求12的绝缘电导体，其中所述电导体为包括铜或铜合金的电线。
14.权利要求1的绝缘电导体，其中通过如下过程确定所述绝缘涂层不能从所述电导体上剥离：在所述绝缘涂层中产生缺口或撕口；在环境条件下，在空气中由缺口或撕口沿涂覆电导体纵向方向剥离所述绝缘涂层，以尝试从所述电导体上剥离所述绝缘涂层；和观察到绝缘层不能以完全或部分管状形式从所述电导体上剥离。
15.包括权利要求1的绝缘电导体的电动机。
16.一种制备权利要求1的绝缘电导体的方法，包括：
提供在其至少一部分表面上包括氧化物层的电导体；
将聚合物绝缘涂层挤出至所述电导体和所述氧化物层的一个或多个上，使得所述绝缘涂层不能从所述电导体上剥离，其中所述挤出在环境大气条件下实施；
冷却涂覆后的电导体；
热处理冷却的涂覆后的电导体；和
冷却热处理后的涂覆后的电导体，以提供绝缘电导体。
17.一种绝缘电导体，包括：
电导体，其包括在该电导体的至少一部分表面上的氧化物层；和
在至少一部分所述氧化物层上的绝缘涂层，
其中：
在所述绝缘涂层施用到至少一部分所述氧化物层之后，所述电导体和所述绝缘涂层的组合经受热处理，所述热处理包括加热到处于或高于所述绝缘涂层的熔融温度的温度；和
所述绝缘电导体在所述绝缘涂层与所述电导体和所述氧化物层的一个或多个之间表现出粘合性，从而在所述热处理之后所述绝缘涂层不能从所述电导体上剥离；和
所述电导体为具有矩形横截面的电线，当按如下过程测量时，其tanδ阻尼比小于1.60：
a)在DMA仪器中，第一次将悬臂夹持的涂覆电线从室温加热至对应于熔融吸热峰的温度T1，由DSC确定；
b)在T1下经过一分钟后将涂覆电线冷却回室温；
c)第二次将涂覆电线加热至T1；
d)在第一个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m1；
e)在第二个加热循环期间，确定聚合物热转变区开始时tanδ曲线的斜率m2；和
f)将m1除以m2计算tanδ阻尼比。
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