CN114974661A - 一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法 - Google Patents

一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法。所述绝缘电线包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，所述绝缘电线的孔隙率为10‑60vol%，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm‑15μm、优选0.1μm‑10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20‑100%。

Description

一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法
技术领域
本发明涉及绝缘材料领域，具体涉及一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法。
背景技术
环保汽车中的EV(Electric Vehicle，电动车)、PHEV(Plug-in Hybrid ElectricVehicle，插电混合电动车)、HEV(Hybrid Electric Vehicle，混合电动车)用马达经常在施加了极高电压的同时在高温条件下使用，因此防止高温下局部放电的无放电设计非常重要。然而，无放电设计需要准确设计变压器(Inverter)、承受马达内部产生的电涌(surge)电压，以及假定车辆运行环境为最坏情况，这使得绝缘薄膜的设计难度极高。又，为了减少充电时间和扩大驱动范围，EV的电池电压很可能会从400V上升至800V，因此强烈要求对应800V的绝缘设计。可是，对应800V的绝缘设计时，需要满足绝缘薄膜厚型化、高耐热和低诱电。因此，电线形状为圆线的情况下，绝缘树脂的材料需要从EI/AI变更为PI。然而，由于PI的高耐热性，在形成动力端子的熔融(fusing)熔接时皮膜残留成为问题。再者，与传统的HEV用马达相比，EV用马达需要更高的电流值，因此需要增加圆线数量，这导致熔融时的皮膜残留成为更严重的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线及方法，通过在绝缘电线外周面的绝缘皮膜中设计特殊的孔结构，从而实现降低绝缘电线的低诱电化和皮膜重量，因此强化绝缘同时得以减少熔融時皮膜残留。
为此，第一方面，本发明提供一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线。所述绝缘电线包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，所述绝缘电线的孔隙率为10-60vol％，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm-15μm、优选0.1μm-10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20-100％。
较佳地，所述绝缘皮膜包括直接层叠在导体外周面的没有气孔的第一绝缘皮膜和层叠在所述第一绝缘皮膜外周面的具有气孔的第二绝缘皮膜。
较佳地，所述绝缘皮膜还包括层叠在所述第二绝缘皮膜外周面的没有气孔的第三绝缘皮膜；优选地，所述第三绝缘皮膜为耐电涌膜。
较佳地，所述一层或多层绝缘皮膜的全膜厚是40-70μm。
较佳地，所述一层或多层绝缘皮膜的绝缘树脂为聚酰亚胺。
较佳地，形成所述第二绝缘皮膜的绝缘清漆包括基底清漆和作为相分离剂的化学式I所示的酯化合物；
Figure BDA0003642340960000021
其中，R1和R2选自CmHn，m选自1～9的任意自然数，n选自3～19的任意自然数；R3选自H、R1OCO、R2OCO中的一种；R1和R2可以相同也可以不同。
较佳地，n＝2m+1或者n＝2m-1；优选地，所述酯化合物占基底清漆的1～50wt％。
较佳地，所述第二绝缘皮膜具有膜内分层的、相互交错层叠配置且层与层之间大致平行的皮肤层和气孔层。
较佳地，所述绝缘电线的PDIV为1250Vp以上、V-t时间为20小时以上。
第二方面，本发明提供一种强化绝缘电线的绝缘性能和减少皮膜熔融残留的方法。所述绝缘电线包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，所述绝缘电线的孔隙率为10-60vol％，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm-15μm、优选0.1μm-10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20-100％。
附图说明
图1是动力端子的绝缘电线熔接示意图。
图2是绝缘皮膜的熔融残留示意图。
图3是绝缘电线的结构示意图。
图4是绝缘皮膜的熔融摄像示意图。
具体实施方式
通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
本公开示出的强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线，包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm-10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20-100％。上述孔结构具有合适的气孔尺寸和气孔分布深度，因此能够在降低绝缘电线皮膜重量的同时还降低其低诱电化。如果气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的比例低于20％，会在熔融时发生皮膜残留，传导不良或介电常数提高从而在电线间产生放电，导致马达烧损。另外，如果气孔尺寸超出0.1μm-10μm的范围，也会在气孔内发生放电，导致绝缘不良(马达烧损)。
所述绝缘电线的孔隙率为10-60vol％。如果绝缘电线的孔隙率过大，则皮膜弹性模量会降低，加工时会出现皮膜凹痕，会导致绝缘不良；如果绝缘电线的孔隙率过小，则在熔融时会产生皮膜残留，传导不良或介电常数提高从而在电线线间产生放电，导致马达烧损。
一些技术方案中，所述绝缘皮膜包括直接层叠在导体外周面的具有气孔的绝缘皮膜。此时气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的100％。
一些技术方案中，所述绝缘皮膜包括直接层叠在导体外周面的没有气孔的第一绝缘皮膜和层叠在所述第一绝缘皮膜外周面的具有气孔的第二绝缘皮膜。没有气孔的第一绝缘皮膜作为高贴合层，能够维持导体-皮膜间的密接性，而包覆在高贴合层表面的第二绝缘皮膜则可以赋予绝缘电线特殊的孔结构，促使绝缘皮膜低介电化。
形成第一绝缘皮膜的清漆可为固含量15-50wt％的聚合物清漆，例如固含量15-30wt％的聚酰亚胺清漆。聚酰亚胺基底清漆包含聚酰亚胺前驱体和溶剂。所述溶剂没有特别限定，一般可为有机溶剂，例如可选自N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲苯中的至少一种。作为示例，所述第一绝缘皮膜的厚度是2-10μm。
聚酰亚胺前驱体包括衍生自二胺和二酸酐单体并能够转化成聚酰亚胺的任何聚酰亚胺前体材料，例如聚酰胺酸等。
二胺优选为芳族二胺，例如可举出苯二胺(PPD)、二氨基二苯醚(ODA)、4,4'-二氨基-2,2'-二甲基联苯、4,4'-二氨基-3,3'-二甲基联苯、双(4-氨基苯基)硫醚、3,3'-二氨基二苯砜、1,4-双(4-氨基苯氧基)苯、1,3-双(3-氨基苯氧基)苯、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)]苯基]六氟丙烷、2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、9,9-双(4-氨基苯基)芴、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、4,4'-双(4-氨基苯氧基)联苯、1,3-双(4-氨基苯氧基)苯、2,2'-双(三氟甲基)联苯胺等。这些二胺可以单独使用一种，也可以两种或者两种以上混合使用。
二酸酐优选为芳族二酸酐，例如可举出均苯四甲酸二酸酐(PMDA)、联苯四羧酸二酐(BPDA)、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐、双环[2.2.2]辛-7-烯-2,3,5,6-四羧酸二酐、1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐、1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐、1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基砜四羧酸二酐、4,4'-(六氟异亚丙基)二邻苯二甲酸酐、4,4'-(4,4'-异亚丙基二苯氧基)双邻苯二甲酸酐、4,4'-氧双邻苯二甲酸酐、双(1,3-二氧代-1,3-二氢异苯并呋喃)5-羧酸)-1,4-亚苯基酯等。这些二酸酐可以单独使用一种，也可以两种或者两种以上混合使用。
形成所述第二绝缘皮膜的绝缘清漆可包括基底清漆和作为相分离剂的化学式I所示的酯化合物。例如，所述第二绝缘皮膜的厚度是20-65μm。
其中，R1和R2选自CmHn，m选自1～9的任意自然数，n选自3～19的任意自然数；R3选自H、R1OCO、R2OCO中的一种；R1和R2可以相同也可以不同。优选地，n＝2m+1或者n＝2m-1。
Figure BDA0003642340960000041
一些示例中，R1和R2选自饱和烃(烷烃)，R3选自H。可以根据烘烤条件自由选择易于使用的具有烷烃官能团端基的酯化合物。例如，R1和R2选自甲基、乙基、丁基、烯丙基、异丁基、正己基、2-乙基己基、正辛基、异壬基、壬基、异癸基、丁基苄基中的一种。一些实施方式中，R1和R2为甲基，R3为H。
此时，酯化合物可以使用邻苯二甲酸二甲酯(DMP,Dimethyl phthalate)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP,Diethyl phthalate)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP,Dibutyl phthalate)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP，Diisononyl Phthalate)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP,Di-n-octylphthalate)中的至少一种。例如，具体实施例中可使用DMP作为相分离剂。
一些示例中，R1和R2选自不饱和烃，R3选自H。该不饱和烃可以是直链烯烃，也可以是环烷烃。作为示例，酯化合物可以使用邻苯二甲酸二环己酯(DCHP，DicyclohexylPhthalate)、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP，Diallyl Phthalate)中的至少一种。
一些示例中，R1和R2选自CmHn，m选自1～9的任意自然数，n选自3～19的任意自然数；R3选自R1OCO、R2OCO中的一种。优选地，R1和R2相同。作为示例，酯化合物可以使用偏苯三酸三-正丁基酯(TBT，Tributyl TriMellitate)、偏苯三酸三辛酯(TOTM，Trioctyltrimellitate)中的至少一种。
现有技术提及使用聚丙二醇为相分离剂，其与本发明中使用的相分离剂具有完全不同的化学结构。聚丙二醇容易导致绝缘皮膜的孔隙直径变大从而绝缘破坏电压变低。原因是：聚丙二醇末端有羟基，羟基与绝缘树脂例如聚酰亚胺的分子相容性较高，因此相分离能力低。其结果是存在如下缺点：不能制作致密的相分离结构，结果使孔隙直径变大，如平均气泡的孔径在4～5μm以上。此外为了制孔还需要引入如下复杂操作：使添加了聚丙二醇的聚醚酰亚胺的溶剂干燥后，于加压下注入二氧化碳而提取聚丙二醇。据推测，这是因为无法通过加热使聚丙二醇热分解而除去。若使用本发明的酯化合物则可以实现低温热分解，从而由于能容易地孔隙化而具备较高优越性。因此本发明无论是从相分离剂的种类，还是孔隙直径，亦或是工艺复杂度，都在现有技术的基础上进行了优化。
使用碳原子数目不同的上述结构的相分离剂，对绝缘清漆制备的绝缘皮膜的孔隙率无较大影响。不过，碳原子数目越大，例如达到10以上时，酯化合物的热分解温度和沸点变高，酯化合物残留在绝缘树脂中的时间变长，会导致气孔尺寸变大，绝缘破坏电压相应变低。
绝缘清漆在加热环境下，随着溶剂因受热开始挥发而绝缘树脂的浓度变高，树脂和酯化合物发生相分离，变为微细化的酯化合物分散在树脂中的形态。之后，通过树脂固化而使微细化的酯化合物固定化，然后通过热分解而排出到树脂外，从而形成气泡。
所述酯化合物占基底清漆的1～50wt％。如果酯化合物的含量过少，则绝缘清漆形成的绝缘皮膜的孔隙率降低，得不到低介电常数化的效果。相反，如果酯化合物的含量过多，则难以与绝缘树脂很好地混合，绝缘清漆本身变得浑浊而失去流动性，或制成的膜(film)容易变脆。优选地，酯化合物占基底清漆的5～20wt％。
耐热强的热塑性树脂(超级工程塑料)一般难溶于溶剂而形成基底清漆。如果不是易溶于溶剂的树脂材料，就不能与上述的酯化合物形成很好的混合状态，达到良好的相容。基于该考虑，基底清漆中的绝缘树脂优选为热固性树脂。所述热固性树脂的种类不受限制，采用本领域常用的热固性树脂即可。一些技术方案中，所述热固性树脂包括但不限于聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯并噁唑、聚苯并咪唑中的至少一种。实施例中可使用聚酰亚胺(PI)。
制备绝缘清漆时，可将相分离剂均匀分散在基底清漆中。将基底清漆与相分离剂混合均匀的方法可为通常的搅拌方法，例如机械搅拌。搅拌温度和搅拌时间可以根据实际需求进行选择。例如，搅拌温度可为20～40℃，搅拌时间可为1～2小时。
所述第二绝缘皮膜具有膜内分层的、相互交错层叠配置且层与层之间大致平行的气孔层和皮肤层。所述皮肤层(skin layer)的特点是不含气孔且与气孔层具有(大致)平行。而且皮肤层与气孔层无明显的界面，即、形成不间断的一体化绝缘膜结构。所述气孔层具有蜂窝状的孔貌特征。一些技术方案中，所述气孔层的气孔尺寸为0.1～10μm。上述气孔层的厚度明显高于皮肤层的厚度。作为示例，所述第二绝缘皮膜的气孔层和皮肤层的厚度比例为300：1～2：1。本发明集合气孔层和皮肤层于同一绝缘皮膜内部，其间不存在界面。因此在绝缘电线的使用环境下，能防止电流不停歇地流通从而得到较高的绝缘破坏电压。
一些技术方案中，所述绝缘皮膜还包括层叠在所述第二绝缘皮膜外周面的没有气孔的第三绝缘皮膜。优选地，所述第三绝缘皮膜为耐电涌膜。作为示例，所述第三绝缘皮膜的厚度是25～50μm，优选35～45μm。形成第三绝缘皮膜的绝缘清漆可为固含量24～26wt％(例如25wt％)、二氧化硅含量10～40phr的聚酰亚胺清漆。
所述一层或多层绝缘皮膜的全膜厚是40-70μm。本发明之所以将一层或多层绝缘皮膜的全膜厚设计在上述范围内，是因为绝缘性和熔融性的兼顾。
所述一层或多层绝缘皮膜的绝缘树脂为聚酰亚胺。本发明优选使用聚酰亚胺作为绝缘树脂的原因是耐热性、绝缘性和可挠性。
本发明所述绝缘电线的PDIV为1250Vp以上、V-t时间为20小时以上。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例中使用的清漆介绍如下：PEI(Polyester Imide)是聚酯酰亚胺清漆，重均分子量为4000，固含量为45wt％。PAI(Polyamide-imide)为聚酰胺酰亚胺清漆，重均分子量为25000，固含量为30wt％。PI采用的Ulmide-D28为住井工业制聚酰亚胺清漆，重均分子量为36000，固含量为26～28wt％。SURGETECT-D25为住井工业制耐电涌聚酰亚胺清漆，重均分子量为36000，固含量为24～26wt％，含有10-40phr的二氧化硅。实施例1-4形成第二绝缘皮膜的绝缘清漆为自制，是在100重量份Ulmide-D28中添加10重量份相分离剂，搅拌1小时后，备用。
制备比较例1的绝缘电线。具体而言，通过对铜进行铸造、拉伸、拉丝及软化，得到截面为圆形且平均直径为1mm的导电体。将高密接酯酰亚胺清漆涂布在上述导电体的外周面上形成第一绝缘皮膜(PEI)，待定型后在第一绝缘皮膜(PEI)的外表面继续涂布酯酰亚胺清漆形成第二绝缘皮膜(PEI)，待定型后在第二绝缘皮膜(PEI)的外表面继续涂布胺化清漆形成第三绝缘皮膜(PAI)，在加热炉的入口温度为350℃、加热炉的出口温度为450℃的条件下进行烘烤，得到绝缘电线。
制备比较例2的绝缘电线。与比较例1基本相同，区别在于省略第二绝缘皮膜(PEI)的涂布。
制备比较例4的绝缘电线。具体而言，通过对铜进行铸造、拉伸、拉丝及软化，得到截面为圆形且平均直径为1mm的导电体。将Ulmide-D28清漆涂布在上述导电体的外周面上形成第一绝缘皮膜(PI)，待定型后在第一绝缘皮膜(PI)的外表面继续涂布Ulmide-D28清漆形成第二绝缘皮膜(PI)，待定型后在第二绝缘皮膜(PI)的外表面继续涂布SURGETECT-D25清漆形成第三绝缘皮膜(PI)，在加热炉的入口温度为350℃、加热炉的出口温度为450℃的条件下进行烘烤，得到绝缘电线。
制备比较例3的绝缘电线。与比较例1基本相同，区别在于省略第三绝缘皮膜(PI)的涂布。
制备实施例1、3-4的绝缘电线。与比较例4基本相同，区别在于第二绝缘皮膜的厚度和涂布第二绝缘皮膜使用添加(特殊)相分离剂的绝缘清漆。
制备实施例2的绝缘电线。与实施例1基本相同，区别在于第二绝缘皮膜的厚度和省略第三绝缘皮膜(PI)的涂布。
表1
Figure BDA0003642340960000071
Figure BDA0003642340960000081
表中的(-)指的是无皮膜或无空孔。
气孔的平均孔径：观察膜截面的SEM，测定有代表性的10个气孔直径，取平均值。
孔隙率根据阿基米德原理通过水中置换法测量绝缘电线的密度(比重，ρf)以及制孔前的电线密度(比重，ρs)，再根据ρf/ρs计算得到孔隙率。孔隙率(％)＝[1-(ρf/ρs)]×100。
PDIV试验采用综研电气株式会社制DAC-6021测试仪。测试条件为：温度25℃，频率50Hz，放电电荷量100pc，将超过它的放电持续5秒以上时视为放电。
V-t试验使用常州威尔岳电气有限公司(CHANGZHOU WELLYUE ELECTRICAL.，LTD.)的正弦波发生装置进行测定。测试条件为温度155℃，频率20kHz，电压1800Vp，电压类型为正弦波。
传导试验采用三和电气仪表数字万用表CD772进行测定。在常温下端子部和电线99根中99根((100％)导通则为〇，反之则为×。
皮膜残留试验采用目测。没有发生皮膜残留则为〇，反之则为×。
比较例1～2的熔融结果虽然符合要求，但是PDIV性能却较差，这是因为绝缘皮膜的介电常数高。比较例3～4的PDIV性能较好，但是熔融结果却较差，这是因为PI皮膜因无空孔导致皮膜的膜重过大。与之相对，实施例1-4的PDIV性能和熔融结果均得以改善，这是因为通过使绝缘皮膜空孔化，使其低介电化，并减少皮膜重量。

Claims (10)

1.一种强化绝缘和减少皮膜熔融残留的绝缘电线，其特征在于，所述绝缘电线包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，所述绝缘电线的孔隙率为10-60vol％，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm-15μm、优选0.1μm-10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20-100％。
2.根据权利要求1所述的绝缘导线，其特征在于，所述绝缘皮膜包括直接层叠在导体外周面的没有气孔的第一绝缘皮膜和层叠在所述第一绝缘皮膜外周面的具有气孔的第二绝缘皮膜。
3.根据权利要求2所述的绝缘导线，其特征在于，所述绝缘皮膜还包括层叠在所述第二绝缘皮膜外周面的没有气孔的第三绝缘皮膜；优选地，所述第三绝缘皮膜为耐电涌膜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的绝缘导线，其特征在于，所述一层或多层绝缘皮膜的全膜厚是40-70μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的绝缘导线，其特征在于，所述一层或多层绝缘皮膜的绝缘树脂为聚酰亚胺。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的绝缘导线，其特征在于，形成所述第二绝缘皮膜的绝缘清漆包括基底清漆和作为相分离剂的化学式I所示的酯化合物；
Figure FDA0003642340950000011
其中，R1和R2选自CmHn，m选自1～9的任意自然数，n选自3～19的任意自然数；R3选自H、R1OCO、R2OCO中的一种；R1和R2可以相同也可以不同。
7.根据权利要求6所述的绝缘清漆，其特征在于，n＝2m+1或者n＝2m-1；优选地，所述酯化合物占基底清漆的1～50wt％。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的绝缘导线，其特征在于，所述第二绝缘皮膜具有膜内分层的、相互交错层叠配置且层与层之间大致平行的皮肤层和气孔层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的绝缘导线，其特征在于，所述绝缘电线的PDIV为1250Vp以上、V-t时间为20小时以上。
10.一种强化绝缘电线的绝缘性能和减少皮膜熔融残留的方法，其特征在于，所述绝缘电线包括导体和层叠在该导体外周面的一层或多层绝缘皮膜，所述绝缘电线的孔隙率为10-60vol％，其中，所述绝缘皮膜含有0.1μm-15μm、优选0.1μm-10μm的气孔且气孔分布深度占绝缘皮膜全膜厚的20-100％。
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