CN211788292U - 一种高阻隔性漆包线 - Google Patents

Abstract

本实用新型是针对现有漆包线对空气中氧气和水蒸气等气体的阻隔性能都十分有限、使得导电线线芯容易被氧化的问题，提供一种低成本的用于保护导电线芯不易受到氧化的，对氧气和水蒸气具备高阻隔性漆包线。该漆包线，包括导电线芯，所述导线线芯外覆盖有隔离氧气和水蒸气的阻隔性涂层，所述阻隔性涂层外覆盖有混入脱氧剂的绝缘漆层，所述绝缘漆层外覆盖有对绝缘漆层进行保护的强化层。本实用新型的高阻隔性漆包线，能够有效隔绝氧气和水蒸气渗透，大幅度降低导电线芯氧化速度，从而大幅度提高导线长期使用的传输功率和保证电信号的传输效果，同时降低综合使用成本。

Description

一种高阻隔性漆包线

技术领域

本实用新型涉及电线线缆相关技术领域，具体地说，涉及一种通过使漆包线绝缘层获得高效氧气和水蒸气分子阻隔性能，以长期保持导电线芯导电性能的漆包线。

背景技术

传统高分子化合物膜对空气中氧气和水蒸气等气体的阻隔性能都十分有限。比如阻隔性较好的“PET(聚氨酯，广泛用于可乐果汁等酸性和易腐饮料包装罐)/LDPE(低密度聚乙烯)药品包装用复合膜”在25μm厚度下对水蒸气的透过量为5.5g/(m²·24h)，对氧气的透过量为4000ml/(m²·24h)。易于理解，厚度更低，对绝缘和导热等关键性能要求更高的漆包线绝缘漆层的气体阻隔性能会远低于举例中主要用于阻隔外部气体的药品包装用复合膜，其他导线虽然可以加厚绝缘层，但绝缘层本身的阻隔性依然不能满足长期大功率输电和信号传输所需。

公知领域中有大量在绝缘层中添加无机填料的公开专利，比如东芝公司申请号为03178737.1的发明专利《漆包线》，其用二氧化硅等扁平无机填料均匀弥散和填充于绝缘涂层中，用来提高绝缘层的耐电压冲击能力。但此类专利中二氧化硅并未形成在导电线芯表层的致密氧气和水蒸气分子隔离层，也不能使绝缘层拥有自发消耗氧气的能力，对于提高绝缘层对氧气和水蒸气分子的阻隔毫无效果。

铜导线的导电性能会显著受到其化学成分影响，当氧气分子透过绝缘漆层接触导线表面时，会使铜导线表面氧化产生Cu₂O和CuO。氧化铜会严重影响铜导线的机械性能和焊接性能，并且极大提高导线的表面电阻，而且氧化铜无法阻隔氧气进一步对导线中心的渗透和氧化，这会缓慢提高导线的电阻并降低导线的电性能和机械性能。当表面氧化的导线上接通交流电，尤其是高频交流电时，电流因趋肤效应集中于高电阻的铜线表面，导线就会异常发热导致功率的线损提高，甚至使导线(尤其是导线绝缘层)和设备过热烧毁。在电子设备的小型化和成本制约下，重载的导线产生大量电阻热不可避免，而化学反应的速度与温度正相关。当电线温升每提高10摄氏度，导线受到氧化的速度会提高4倍，绝缘层的老化速度也类似。而绝缘层温度升高时，对氧气分子的阻隔效果也会明显降低甚至失效。这就是说，当导线传输大电流，尤其是高频大电流时，导线的导电线芯氧化速度可能会提高数十倍。对于如电动汽车引擎、大功率PWM系统、大功率开关电源、大型电机变频系统等大功率高价值电器来说，导线的快速氧化失效是无法接受的。现有的解决办法是加大导线截面积来降低电阻热和温升，以及加厚绝缘层厚度减少氧分子渗入，增大导线直径还能提高导线长期使用氧化性能下降后的功率储备。但是这显著提高了设备成本，并有碍元件的小型化改进。

在传统技术中，对寿命和可靠性有较高要求的导线，除非是有专用阻隔层的大型电缆线(如采用玻璃布和氢氧化铝保护层的隔氧电缆等，厂家论文称，此类特种电缆会使绝缘层成本提高九倍甚至更高)，因为绝缘层难以确保对氧气和水蒸气的阻隔性能，往往需要对铜导线进行镀锡或者镀镍进行防氧化保护，通过锡或镍表面致密的氧化层，或者说钝化层防止氧气对铜的氧化腐蚀。以最常见铜镀锡工艺来说，一般有电镀法和热浸镀锡法。典型铜镀锡电镀法需要对铜线先退火，再清洗，然后用20:1的纯硫酸和纯硫酸亚锡，以及若干光亮剂、稳定剂和其他助剂进行电镀，会产生大量无法处理的酸性有毒废水。为保证铜导线上锡层的附着力，往往还要先用剧毒的氰化铜电镀打底后再镀锡。这都会造成极为严重的水污染。而热浸镀锡法(将锡加热到熔化，然后浸入铜导线)成本高、生产效率低、锡损耗量大、操作危险性大、工艺能耗大，需要排放铜线清洗酸、镀锡锅需要连续排放酸性气体和其他工艺废水，也是高污染和高能耗行业。

铜导线经镀锡后虽然可以实现对铜导线的防氧化保护，但是锡的电阻率比铜高一个数量级(铜的电阻率是1.75×10-8Ω·m，而锡的电阻率是 1.13×10-7Ω·m)。铜镀锡导线在高频交流电的趋肤效应下，电流密度最大的导线表面，其表面电阻还是过高，难以作为高质量信号线。与之类似，镍的电阻率高达7.0×10-6Ω·m，即相同镀层厚度下，铜镀镍导线的表面电阻比铜镀锡导线高约62倍。更不必说当锡和镍氧化后的氧化膜电阻率大幅度降低的问题了。所以铜镀锡导线无法用于低电阻无氧铜导线领域，广泛用于无损音频数据传输的高端纯银导线也有类似甚至更严重的问题。

所以在当前技术条件下，除非采用极为昂贵的铜镀金或者银镀金工艺，否则导线的长期电阻稳定性和在传输大电流交流电或者高频信号电流下的导电性无法两者兼得。同时，长期使用的导线(比如输电电缆和建筑预埋的导线等)考虑到多年后铜线芯氧化后的电阻问题，需要大幅度加大绝缘层厚度和铜导线直径以提高安全余量储备，这造成了极大的资源浪费。

因此为了解决导线绝缘层对水蒸气和氧气分子阻隔性不够强的问题，必须考虑采用多种其他行业的成熟技术对导线产品实现技术革新。其中便可以考虑需要高度阻隔性的食品包装行业的成熟技术以降低生产成本。

在食品包装行业，为确保食品的风味和抗菌要求，食品包装膜(袋)和饮料瓶等容器都有高度的隔离性要求。以往的食品包装技术中，高隔离性包装膜往往是多层膜结构，比如通过在两层高分子膜中夹装一层致密的铝箔复合膜隔绝氧气和水分渗透，这会带来较高的生产成本。在长期研究发展后，食品包装薄膜行业已经形成了大量低成本的高分子膜表面高阻隔性膜涂覆技术。包装薄膜和塑料容器的高阻隔性膜涂覆技术就是其中的典型技术。

研究发现，在塑料制品表面涂覆25.4μm厚度PVDC(聚偏二氯乙烯) 溶液形成的高阻隔膜对氧气的阻隔性比同样厚度的PET(聚对苯二甲酸乙二酯，最常的果汁可乐等饮料的容器材料)高13至16倍，比PS(聚苯乙烯) 高80至150倍，对水蒸气的阻隔效果也类似。另一种主流技术途径是在高分子薄膜表面用等离子表面处理技术，化学气相沉积，蒸镀或者溅射一层极薄 (厚度小于50纳米)的SiOx(SiOx主要是各种氧化硅的混合物)薄膜也可起到有效阻隔氧气和水蒸气渗透高分子薄膜的效果。

此外，食品行业还发展出了品种丰富的脱氧剂，用于减少包装内的食品在富氧环境中的油脂酸败和细菌滋生等问题。食品行业常见的脱氧剂包括还原铁粉、亚硫酸盐系、酶系脱氧剂等，用于通过氧化还原反应消耗向食品包装袋内渗入的微量氧气。此类产品因为进行了大规模生产，成本可以接受。

实用新型内容

本实用新型是针对现有漆包线对空气中氧气和水蒸气等气体的阻隔性能都十分有限、使得导电线线芯容易被氧化的问题，提供一种低成本的用于保护导电线芯不易受到氧化的，对氧气和水蒸气具备高阻隔性漆包线。

本实用新型所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种高阻隔性漆包线，包括导电线芯，其特征在于，所述导电线芯外覆盖有隔离氧气和水蒸气的阻隔性涂层，所述阻隔性涂层外覆盖有混入脱氧剂的绝缘漆层，所述绝缘漆层外覆盖有对绝缘漆层进行保护的强化层。

本实用新型中，所述阻隔性涂层为聚偏二氯乙烯涂层。

本实用新型中，当阻隔性涂层为聚偏二氯乙烯涂层时，所述强化层为氟硅橡胶构成的绝缘强化层。

本实用新型红，所述阻隔性涂层为氧化硅涂层。

本实用新型中，所述阻隔性涂层为氧化硅涂层时，所述强化层为柔性热可逆型环氧树脂构成的绝缘层强化层。

本实用新型中，所述阻隔性涂层的厚度不大于35μm。

本实用新型中，所述脱氧剂为亚硫酸盐。

本实用新型中，所述绝缘漆层为聚氯乙烯绝缘漆层或者交联聚乙烯绝缘漆层或者氟塑料绝缘漆层或者橡皮类绝缘漆层或者乙丙橡胶绝缘漆层或者硅橡胶绝缘漆层或者聚氨酯绝缘漆层。

本实用新型的高阻隔性漆包线，能够有效隔绝氧气和水蒸气渗透，大幅度降低导电线芯氧化速度，从而大幅度提高导线长期使用的传输功率和保证电信号的传输效果，同时降低综合使用成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，本实用新型的高阻隔性漆包线，其在横截面的半径方向上，包括导电线芯1，导电线芯1外覆盖有隔离氧气和水蒸气的阻隔性涂层2，阻隔性涂层2外覆盖有混入脱氧剂的绝缘漆层3，绝缘漆层3外覆盖有对绝缘漆层 3进行保护的强化层4。其中导电线芯1可以采用铜导线，银导线或者铜镀银导线。除了金导线外，这类导线都存在被通过绝缘层的氧气氧化，会导致导电性能下降的问题。尤其是信号导线，在高频信号导致的趋肤效应下，铜芯或铝芯表面氧化的导线导电性会急遽恶化，严重影响信号传输。

阻隔性涂层2是涂覆在导电线芯1表面的PVDC(聚偏二氯乙烯)涂层或氧化硅涂层，涂覆在导电线芯1表面。PVDC可采用溶剂溶解后，用辊刷法或毛毡涂刷等方法涂覆，因为厚度很小，所以涂覆后可以快速烘干，也可利用导电线芯1退火后的余热烘干，并不影响后道工艺，缺点是所需PVDC 涂层的厚度相对较厚。这在少数对绝缘层性能有特殊要求的情况下不太适用。而氧化硅涂层可采用蒸镀法覆盖于导电线芯1表面。从原理上说，蒸镀法总体可分为物理蒸镀，和化学蒸镀两种。其中物理蒸镀又可细分为电阻丝蒸镀法、电子束蒸镀法、磁控溅射法；化学蒸镀则主要是等离子体增强化学气相沉积。以上蒸镀法都是食品包装行业的成熟技术，行业领先企业的高阻隔性包装薄膜生产效率可达200米每分钟，对于线形的导电线芯1来说，可以通过在蒸镀室内设置蛇形转向辊的方法，将线材在蒸镀设备的有限空间内转为平面或者立体蒸镀，进一步大幅度提高导电线芯1在蒸镀工艺中进料的线速度。当导电线芯1表面蒸镀氧化硅涂层时，因为高阻隔性涂层2的厚度可低于35μm，也就是低于35/1000毫米，所以不会影响绝缘层的附着力，热传导性和介电系数等性能指标，但仍然可以有效将透过绝缘层后的氧气渗透至导电线芯1表面的速度降低两到三个数量级，同时也极大降低了水蒸气的渗透数量，以避免电化学腐蚀问题。在很多应用领域中，这就意味着可以将导线的使用寿命增加几十倍甚至数百倍。

绝缘漆层3为高分子聚合物，可以采用现有技术中的常用绝缘材料，如聚氯乙烯(PVC)、交联聚乙烯(XLPE)、氟塑料、橡皮类、乙丙橡胶、硅橡胶或聚氨酯等绝缘漆层，但不局限于上述材料，因为导线的绝缘材料已经是充分竞争和公开的技术领域，常规绝缘材料已不存在多少技术门槛，因此不必穷举披露。绝缘漆层3的关键技术特征在于绝缘层3内均匀弥散脱氧剂，在实施例中脱氧剂采用亚硫酸铵。亚硫酸盐是食品包装行业中常用的脱氧剂，基本无毒无害，当其在塑胶中的使用量被控制在一定范围内时，甚至可以用在食品接触材料上。比如日本就批准将亚硫酸盐用于玻璃瓶装啤酒瓶盖垫片的隔氧用途，并允许其与啤酒接触。对于高分子材料本身的性能来说，少量的亚硫酸盐添加剂并不影响其力学等主要性能，同时，由于亚硫酸盐具备还原性，可以持续与渗入绝缘层的氧气发生氧化还原反应，生成硫酸盐，在食品行业的大量实践和我公司对导线绝缘层改性处理的大量实验均表明，只要在绝缘漆层3混入微量亚硫酸盐就可以有效提高绝缘漆层3本身的隔氧性能，同时还能明显降低因为氧化导致的绝缘漆层3高分子材料因氧化导致长期使用中的老化开裂等问题。而且亚硫酸盐被广泛作为橡胶溶液的凝聚添加剂，实践证明对高分子材料的性能影响很小，在微量添加时基本不改变基材性能。

对于强化层4，在阻隔性涂层2采用聚偏二氯乙烯涂层时，为氟硅橡胶构成的绝缘层保护层；在阻隔性涂层2采用氧化硅涂层时，为柔性热可逆型环氧树脂构成的绝缘层保护层。采用这两种组合方案的原因是，聚偏二氯乙烯涂层的高温稳定性远不如氧化硅镀层。当本专利的漆包线长期工作在超过170 摄氏度的工作环境下时，聚偏二氯乙烯涂层的性能稳定性就会受到影响。而氟硅橡胶具备优异的热稳定性，可以在250摄氏度以上的环境中保持性能稳定，甚至可以在300摄氏度时短暂保持本身的性能。此时，氟硅橡胶能够有效维持漆包线的工作可靠性。

作为对比，氧化硅镀层的阻隔性能在高温和低温时都非常稳定。所以此时强化层4主要考虑对绝缘漆层3的防穿刺和防剪切(挤压)保护。易于理解，当绝缘漆层3受到穿刺或者挤压，产生了深入绝缘漆层3内部的孔隙或者压痕迹变形时，氧气就会避免与绝缘漆层3内部的脱氧剂层层反应，直接绕过脱氧剂，快速接触阻隔性涂层2。此时导线的氧气和水蒸气阻隔只能依赖于厚度不超过35μm的氧化硅镀层阻挡。虽然此时漆包线依然具备优异的防氧化性能，但会明显低于设计指标。但是当前技术下，柔性环氧树脂首先具备非常高的力学强度，还易于实现热可逆自修复性能，即受到穿刺后的柔性环氧树脂可以在大约70摄氏度左右(这在电动机，电感线圈等设备和元器件中的非常常见的工作温度)的情况下重新连接内部化学键，实现穿刺孔洞的自修复功能。当柔性热可逆型环氧树脂本身穿刺孔洞自修复后，强化层4也能起到阻止氧气分子向内渗入的效果。而当氧气分子渗入速度足够慢时，绝缘层3穿刺孔隙中的亚硫酸盐会因为浓度差的动力因素自发迁移到孔隙表面 (尤其是在温度较高时)，和氧气分子发生反应将其消耗。

易于理解，这两种不同的阻隔性涂层2和强化层4的适配方案，一个偏向于漆包线的高温阻隔性能稳定性，另一个偏向于穿刺和剪切损坏时阻隔性能稳定性。但是都能在极端情况下保证漆包线的长期使用下的电性能可靠性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种高阻隔性漆包线，包括导电线芯，其特征在于，所述导电线芯外覆盖有隔离氧气和水蒸气的阻隔性涂层，所述阻隔性涂层外覆盖有混入脱氧剂的绝缘漆层，所述绝缘漆层外覆盖有对绝缘漆层进行保护的强化层。

2.根据权利要求1所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述阻隔性涂层为聚偏二氯乙烯涂层。

3.根据权利要求2所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：当阻隔性涂层为聚偏二氯乙烯涂层时，所述强化层为氟硅橡胶构成的绝缘强化层。

4.根据权利要求1所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述阻隔性涂层为氧化硅涂层。

5.根据权利要求4所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述阻隔性涂层为氧化硅涂层时，所述强化层为柔性热可逆型环氧树脂构成的绝缘层强化层。

6.根据权利要求1所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述阻隔性涂层的厚度不大于35μm。

7.根据权利要求1所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述脱氧剂为亚硫酸盐。

8.根据权利要求1所述的一种高阻隔性漆包线，其特征在于：所述绝缘漆层为聚氯乙烯绝缘漆层或者交联聚乙烯绝缘漆层或者氟塑料绝缘漆层或者橡皮类绝缘漆层或者乙丙橡胶绝缘漆层或者硅橡胶绝缘漆层或者聚氨酯绝缘漆层。

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