CN104981878A - 具有改进的刮擦磨损耐受性的多层绝缘导体 - Google Patents

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Abstract

公开了一种绝缘导体和用于制造其的方法。绝缘导体包括长形导体和多层绝缘系统。该多层绝缘系统具有包括覆盖长形导体的芳香族热塑性材料的第一绝缘层、和包括邻近该第一绝缘层的全氟聚合物的第二绝缘层。第一和第二绝缘层每个都被应用为这样的厚度，使得该多层绝缘系统呈现出的刮擦磨损耐受性显著地大于第一和第二绝缘层单独在该厚度时的刮擦磨损耐受性的总和。

Description

具有改进的刮擦磨损耐受性的多层绝缘导体
技术领域
本申请是针对绝缘电导体，并且更特别地针对导致对刮擦磨损(scrapeabrasion)的改善的耐受性(resistance)的多层绝缘导体。
背景技术
电绝缘电线通常用在绝缘的物理、机械、电气、热性能被置于极端条件下测试的环境中。对由绝缘的机械磨损导致的失效的耐受性保持为用于初级电线的重要性能要求，特别是在航空应用中。
然而，由于这些应用朝着不断提高的性能标准前进，尺寸和重量形成用于这些应用中的电线和电缆的整体设计要求的重要部分。因此，虽然增加的绝缘厚度可提供更好的磨损耐受性，额外的绝缘体积增加了重量并增加了刚度，使得电线和电缆难以操纵。然而，降低总体绝缘厚度以减少重量和尺寸常规地与磨损耐受性的降低相关联。
将被解决的问题是在当前绝缘导体中所发现的上述缺点和其他缺点。
发明内容
一种绝缘导体提供了解决方案。该绝缘导体包括长形(elongate)导体和多层绝缘系统，该多层绝缘系统具有挤压的(extruded)第一绝缘层和挤压的第二绝缘层，其中该挤压的第一绝缘层包括覆盖长形导体的芳香族(aromatic)热塑性材料，该挤压的第二绝缘层包括与第一绝缘层接触的全氟聚合物(perfluoropolymer)。第一和第二绝缘层每个的壁厚度被设置为使得该多层绝缘系统呈现出的刮擦磨损耐受性显著地大于第一和第二绝缘层在该厚度时的刮擦磨损耐受性的总和。
附图说明
结合示出了本发明的原理的、借助于示例的方式示出的附图，本发明的其他特征和优势将从示例性所述的下列的更详细地描述而变得显而易见。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的绝缘导体的透视图，其中绝缘层被部分移除。
图2示出了图1的绝缘导体沿着线2-2截取的横截面视图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的绝缘导体的侧视图，其中绝缘层被部分移除，并且其中导体是编织电缆。
具体实施方式
其中类似的部件在不止一个附图中出现，为了清楚起见，尝试使用类似的附图标记。
示例性实施例是针对一种多层绝缘导体，该多层绝缘导体将高模量层与具有低的表面能量的固态润滑剂层组合，其出人意料且增效地呈现改善的刮擦磨损耐受性而同时保持允许该导体在广泛范围的应用中(包括航空应用)使用的尺寸和重量。
根据本发明的示例性实施例，公开了一种绝缘导体。该绝缘导体包括长形导体和多层绝缘系统，该多层绝缘系统具有挤压的第一绝缘层和挤压的第二绝缘层，其中该挤压的第一绝缘层包括覆盖长形导体的芳香族热塑性塑料，该挤压的第二绝缘层包括与第一绝缘层接触的全氟聚合物。第一和第二绝缘层每个的壁厚度被设置为使得该多层绝缘系统呈现出的刮擦磨损耐受性显著地大于第一和第二绝缘层单独在该厚度时的刮擦磨损耐受性的总和。
在一个目前优选的实施例中，绝缘导体是长形的导体并且是具有挤压的第一绝缘层和挤压的第二绝缘层的双层绝缘系统，其中该挤压的第一绝缘层包括覆盖长形导体的PEEK并且具有约0.003英寸的平均壁厚度，该挤压的第二绝缘层包括覆盖第一绝缘层并且与该第一绝缘层接触的PTFE并且具有约0.003英寸的平均壁厚度。
在另一个目前优选的实施例中，绝缘导体是包括编织电缆的长形的导体并且是具有挤压的第一绝缘层和挤压的第二绝缘层的双层绝缘系统，其中该挤压的第一绝缘层包括覆盖长形导体的退火的(annealed)PEEK并且具有约0.0055英寸的平均壁厚度，该挤压的第二绝缘层包括覆盖第一绝缘层并且与该第一绝缘层接触的FEP并且具有约0.0085英寸的平均壁厚度。
本发明的某些示例性实施例的优势包括：提供了一种绝缘导体，其具有耐用、低重量的绝缘系统。
本发明的某些实施例的另一优势包括：该多层绝缘导体通过这些层的组合意想不到地实现了改善的刮擦磨损耐受性，其刮擦磨损耐受性显著地大于将从使用那些单独的层的组合所期望的个体作用的加和。
转到图1，本发明的示例性实施例针对包括长形导体12和具有第一绝缘层14和第二绝缘层16的绝缘系统的绝缘导体10。虽然本文中主要是关于长形导体12是单根或多股导体的主电线，但是可以认识到，绝缘导体10也可以是编织电缆或其他的电线束。在长形导体12是电缆的实施例中，构成电缆的电线可以已经被绝缘和/或屏蔽，或可以没有被绝缘和/或屏蔽，如果已经被绝缘，每个单独的电线可独立地使用常规的绝缘部或根据示例性实施例的绝缘系统。在电缆的情况下，第一和第二绝缘层14、16从而包覆整个编织的电线束以形成绝缘导体10，如图3所示。
长形导体12可以是任何合适的规格并且可以是实心的或成股的(即，由很多较小的电线扭在一起而形成)。图2示出了图1中示出的绝缘导体的横截面视图，其中长形导体12是成股的导体，其优选地用于飞机或该导体将经受振动的其他装置中的应用中。导体12通常是铜或其他金属，诸如铜合金或铝。如果使用纯铜，其可被涂覆有锡、银、镍或其他金属，以减少氧化并改进可焊接性。成股导体可以是同节距、同心或其他类型的。对于实心导体，导体优选地具有在约0.204英寸(约5.18mm)到约0.016英寸(约0.40mm)范围中的直径，或者对于成股导体，导体优选地具有在约0.232英寸(约5.89mm)到约0.019英寸(约0.48mm)范围中的直径，其对应于4AWG到26AWG电线的成股直径。典型的是4AWG、6AWG、8AWG、10AWG、12AWG、14AWG、16AWG、18AWG、20AWG、22AWG、24AWG、和/或26AWG的导体。
第一绝缘层14覆盖长形导体12并且邻近该长形导体12。第一绝缘层14包括挤压的芳香族热塑性材料。第一绝缘层14可通过任何合适的挤压技术，诸如例如管挤压，而被施加。如将认识到的，管挤压是指这样的技术，其中被挤压的材料在挤压机铸模外被接触到其将被施加的表面，而压力挤压是指这样的技术，其中将被挤压的材料当其仍处于挤压机铸模中时被接触到其将被施加到的表面上。
选择用于第一绝缘层14的材料(在一些情况下可以是内层或芯部层)是芳香族热塑性材料，其选择为在室温和在高温下都具有非常高的拉伸模量(如根据ASTM D638测量的)。更特别地，第一绝缘层可以是包含来自于聚酮族中的一种或多种化合物的聚亚芳基醚酮(polyaryleneetherketone)或混合物；示例性的这些材料包括聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚醚酮酮(polyetherketoneketone，PEKK)和聚醚酮(polyetherketone，PEK)、聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)以及其混合物。优选地，第一绝缘材料14包括PEEK。在一些实施例中，用于第一绝缘层14的芳香族材料可以被退火。
第二绝缘材料16与第一绝缘材料14接触。类似于第一绝缘材料14，第二绝缘材料16也被挤压以提供沿着其长度基本均匀的厚度，这带来了光滑的外表面。类似于第一绝缘层14，第二绝缘层16可通过管挤压技术或压力挤压技术而被施加。第二绝缘层16包括具有低的表面能量的材料，诸如全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(MFA)、全氟聚醚(PFPE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)以及其混合物。在优选的实施例中，第二绝缘层的全氟聚合物为PTFE或FEP。
应当进一步认识到的是，如果全氟聚合物被应用为第一绝缘层14并且芳香族热塑性材料被应用为第二绝缘层16(即，覆盖第一绝缘层14)，也可以实现该效果。
已经确定的是，对于这样一种绝缘系统，其是以任意顺序施加的具有高模量的芳香聚合物的层(诸如PEEK)和全氟聚合物(诸如PTFE)的薄层的组合，提供了在刮擦磨损耐受性方面出乎意料和意想不到的提高，其刮擦磨损耐受性远大于该两层以相同总厚度单独提供时所期望的加和效果。在一些情况下，根据示例性实施例的多层绝缘系统呈现出的刮擦磨损耐受性比第一和第二绝缘层单独以那个厚度时的刮擦磨损耐受性的总和大50％，并且在一些情况下，大出100％，甚至在一些实施例中呈现出一到两个数量级的幅度提高。
通过“刮擦磨损耐受性”是指当其外表面重复地被刮擦或摩擦时对绝缘包覆的磨损的耐受性，其通常是通过针磨损试验(needle abrasion test)而测量的，在该试验中，具有预定直径的针以每分钟预定数量的行程在预定的载荷下、在绝缘导体上刮擦预定长度。根据工业标准试验的任何常规的针磨损试验都可被试验，最广泛接受的是欧洲标准EN 3475,Part 503。
可通过任意常规的针磨损试验而被测量。不希望被理论所限制，可以相信，如果芳香聚合物的最小厚度已经被施加，则全氟聚合物提供了液压润滑。这使得能够形成主电线、电缆和其他形式的绝缘导体，其有着具有卓越的磨损耐受性而同时保持薄壁和轻重量的外护套。
也就是，虽然磨损耐受性也可通过提供高模量材料的单个厚层的包覆而被改进，但是电线将变得过于僵硬。示例性实施例通过提供两层系统而实现了优越的磨损耐受性，而同时最小化高模量层的厚度，并且在对于高模量层的特定最小厚度仍然满足的情况下，保持使用那个系统的电线、电缆或其他导体中的柔性。
除了第一和第二绝缘层的聚合物构成，每个层可包括对于电线绝缘的任意常规的构成，诸如抗氧化剂、紫外线稳定剂、色素或其他的染色或遮光剂和/或阻燃剂。
实现在示例性实施例中看出的刮擦磨损增效效果(如通过EN 3475,Part503——“针磨损试验”——所测量的，其全部内容接合于此并且随后更详细地描述)的绝缘层14、16的厚度，以及特别的第一绝缘层14(即高模量层)的最小平均壁厚度，将根据多个因素而变化，包括它们将被施加到的长形导体12的厚度。例如，在使用20AWG单根股线或12AWG多股电线的实施例中，高模量层具有至少约0.003英寸(约0.076mm)的平均壁厚度，并且全氟聚合物层具有小于约0.004英寸(约0.102mm)的平均壁厚度，典型地在从约0.002英寸(约0.050mm)到约0.004英寸(约0.100mm)的范围中。
在另一采用8AWG的实施例中，高模量层的最小平均壁厚度约0.004英寸(约0.102mm)以实现增效效果，而全氟聚合物层可具有小于约0.004英寸(约0.102mm)的平均壁厚度，典型地在从约0.002英寸(约0.050mm)到约0.004英寸(约0.100mm)的范围中。
在采用编织电缆的实施例中，高模量层的最小平均壁厚度约0.0055英寸(约0.140mm)以实现增效效果，而全氟聚合物层可具有小于约0.010英寸(约0.25mm)的平均壁厚度，并且在一个实施例中是约0.0085英寸(约0.216mm)。在电线和电缆的设计领域中的常规技术人员可以认识到对于具有大的电缆直径的护套的总体壁厚度的增加以在非常薄的层的情况下最小化“褶皱(wrinkling)”问题的需求，该褶皱问题可能更甚于实现文中描述的刮擦磨损性能的最小厚度。
示例
本发明进一步关于下列示例而描述，其借助于图示、并且非限制的方式来呈现。
示例1
具有0.0371英寸的外径的软退火铜的20AWG同心成股导体被镀锡。PEEK(其作为来自于Victrex公司的PEEK 450G)在即将挤压之前在空气循环烘箱中以160摄氏度、24小时烘干。通过使用长度内径比(L/D)为24:1的挤压机机筒，PEEK被管挤压到导体上方，平均厚度为0.003英寸。
PTFE层(来自于ElringKlinger的Moldflon MF100005)接着被挤压到PEEK上方，厚度为0.003英寸，接着以170摄氏度退火一个小时。
示例2
第二绝缘导体以与示例1相同的方式构造，并且具有相同的总体壁厚度，除了PEEK被挤压到0.002英寸的厚度，并且PTFE被挤压到0.004英寸的厚度。
比较示例1
第一比较示例是以与示例1相同的方式构造，除了没有施加第二绝缘层，使得导体仅具有0.003英寸的PEEK层。
比较示例2
第二比较示例是以与示例2相同的方式构造，除了没有施加第二绝缘层，使得导体仅具有0.002英寸的PEEK层。
比较示例3
第三比较示例是使用与其他示例中相同的基体导体以类似的方式形成的，除了整个绝缘包覆是0.0066英寸厚的PTFE层。
所有的示例都是根据如在欧洲标准EN 3475,Part 503(“针磨损试验”)描述的刮擦磨损试验而测试的，其全文引用于此作为参考。简而言之，在该测试中，具有20密尔(mils)的直径的金属圆形针在经包覆的电线的上表面上重复地刮擦。针和样本的纵向被保持为相对于彼此成直角。在针的上方固定到夹具的重量控制垂直于绝缘部的表面的重量。重量是施加到保持针的头部的500克(约4.9牛顿或约1.1磅)的载荷。电机驱动、往复的凸轮机构和相对件用于将样品来回移动以在平行于样本的轴线的方向上传送研磨行程。行程的长度是0.394英寸(10mm)，并且行程的频率是每分钟110次行程(55个行程循环)。
对每个电线进行了六次实验，下表1中报告了到失效的所经历循环的平均数量。
表1
样品描述 到失效的平均循环数 绝缘部重量(g)
示例1 7983 0.600
示例2 113 0.631
比较示例1 2148 0.191
比较示例2 11 0.129
比较示例3 219 0.793
示例1反映出，PEEK与PTFE的1:1的比例导致了相比于在仅有一半厚度的PEEK的情况下(比较示例1)的循环数量的大幅增加。其展现出，仅从增加PTFE外层，就实现了4759个循环的增益；然而，人们将预期PTFE的外层将导致不超过200循环的增加效果，因为比较示例3反映出完全包覆有PTFE到6.6密尔的外壁厚度的导体导致略大于200循环的总的到失效循环数。
在循环数量中的超过370％的增加的可观察到的增加相比于可从根据比较示例1和3反映的独立元件所期望的加和的效果来说是增效和出人意料的。
示例2表现出，需要最小厚度的PEEK以实现增效效果，虽然其仍然呈现相对于比较示例2的显著地提高，其中比较示例2是同样的0.002英寸厚的单独的PEEK。
为了确定最小厚度，试验不断重复，其中PEEK的壁厚度从0.002英寸逐渐增加到0.003英寸，而保持外部PTFE层的相同厚度，其结果在表2中示出，其反映出，为了获得到失效的循环数的特别显著的增益，PEEK的壁厚度应当至少为0.003英寸。
表2
示例3
12AWG导体由28AWG镀镍铜的37股线、接着包覆有0.003英寸的PEEK、随后是0.003英寸的PTFE(如Moldflon 10010)而构造。经退火和未退火的样品都被产生，并且该两种样品都经受上述的针磨损试验。通过评价外部PTFE护套被移除、而仅留下0.003英寸的PEEK层的电线，产生了比较示例。结果在表3中反映出。
表3
在该示例中，包含退火PEEK的示例性绝缘系统呈现不止一个数量级的幅度提高，而即使包含未退火的PEEK的示例性系统呈现显著地较高且出人意料的结果，因为PTFE和PEEK的单独的作用的加和效果在组合效果来看是变小的。
示例4
在另一实施例中，提供了8AWG的镀镍铜导体。该导体包覆有逐步增加的、从0.003英寸的PEEK到0.004英寸的PEEK，在每种情况下接着有0.004英寸的PTFE(如Moldflon)。经退火和未退火的样品都被产生，并且该两种样品都经受上述的针磨损试验，除了使用了816g的更重的载荷。结果在表4a和4b中示出，其反映出对于更重的电线和在对于退火和未退火样品的每一种的更重的刮擦磨损条件下的0.004英寸的最小厚度。
表4a——未退火的PEEK
表4b——退火的PEEK
示例5
另一示例通过使用8AWG的导体而进行，其中提供了镀锡铜导体，其中识别的绝缘系统的结果在下表5中示出，其中示例性实施例通过使用未退火的PEEK和PTFE(如Moldflon)而形成。在该示例中，甚至更重的载荷(1223g)被用于针刮擦试验，甚至在更高的载荷下，其反映出显著的增效增益，该更高的载荷可能被预期在样品间更少的差别。
表5
示例6
在另一示例中，提供了8AWG的扭线电缆，再次以与前文描述相同的方式试验，但是使用1223g的载荷。在该示例中，第一、第二绝缘层的顺序被反转，其中润滑层施加在高模量PEEK层下方(这时使用来自于Victrex的4000G)。在该示例中，PTFE(如Moldflon MF10010)和FEP(如TeflonFEP-100)被用作全氟聚合物润滑层。退火和未退火的样品两者都被评价，其中退火在180摄氏度下进行1小时。结果在表6中示出。
表6
示例7
在该示例中，形成包含37包裹束的8AWG扭绞导体，每个束包含7根32AWG镀镍铜股线。根据0.004英寸PEEK覆盖有0.004英寸PTFE(如Moldflon 10010)的示例性实施例的绝缘系统被应用至退火和未退火实施例的样品中。导体经受如上所述的针刮擦试验，这次采用816g的载荷。为了比较，还试验了单独包覆有PEEK和单独包覆有PTFE的导体。结果在表7中表现出。
表7
与文中例示的其他有创造性的绝缘系统一样，该示例的绝缘系统再次示出了刮擦磨损耐受性的增效、出人意料的改善，其远超过由任一组分单独使用的加和效果能够预期的效果。此外，结果可从退火和未退火样品中看出，虽然该改善在退火的样品中反映出更大的总增益。
示例8
在该示例中，绝缘系统被用作用于编织电缆的护套，其中PEEK覆盖编织电缆，接着是FEP(Teflon FEP-1000J)。如在其他多个示例中，PEEK以退火和未退火两种形式被评价，以及单独的PEEK和FEP的单个系统护套用作比较。针刮擦试验使用1224g的载荷而进行。该示例的结果在表8中反映出。
表8
在该示例中，该由创造性的绝缘系统的使用反映出在刮擦磨损性能中的特别卓越的增益，特别是当使用退火的PEEK时，具有超过两个数量级的幅度的提高。

Claims (17)

1.一种绝缘导体，包括：
长形导体；以及
多层绝缘系统，其具有
挤压的第一绝缘层，其包括覆盖所述长形导体的芳香族热塑性材料；以及
挤压的第二绝缘层，其包括与所述第一绝缘层接触的全氟聚合物，其中，所述第一和第二绝缘层每个的壁厚度被设置为使得，当刮擦磨损耐受性是根据预定的针磨损试验而测量时，所述多层绝缘系统呈现出的刮擦磨损耐受性比所述第一和第二绝缘层单独在该厚度时的刮擦磨损耐受性的总和大至少50％。
2.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层具有在约0.003英寸到约0.006英寸的范围中的平均壁厚度。
3.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第二绝缘层具有在约0.002英寸到约0.009英寸的范围中的平均壁厚度。
4.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层包括聚亚芳基醚酮。
5.如权利要求4所述的绝缘导体，其中所述聚亚芳基醚酮是从包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、以及其混合物的组中选择的。
6.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层包括PEEK。
7.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述全氟聚合物包括从包括全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(MFA)、全氟聚醚(PFPE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及其混合物的组中选择的化合物。
8.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第二绝缘层包括PTFE或FEP。
9.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层包括PEEK，并且所述第二绝缘层包括PTFE或FEP。
10.如权利要求9所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层具有约0.003英寸的平均壁厚度，并且所述第二绝缘层具有约0.003英寸的平均壁厚度。
11.如权利要求10所述的绝缘导体，其中所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层。
12.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述长形导体是成股导体。
13.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述长形导体是编织电缆。
14.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述第一绝缘层经退火处理。
15.如权利要求1所述的绝缘导体，其中所述预定的针磨损试验采用具有预定直径的针，该针以每分钟预定数量的行程的速率、在预定的载荷下在所述绝缘导体上刮擦预定的长度。
16.如权利要求15所述的绝缘导体，其中预定的针直径是0.020英寸，预定的行程长度是0.394英寸，预定的速率是每分钟110个行程，并且预定的载荷是1.1磅。
17.如权利要求16所述的绝缘导体，其中所述多层绝缘系统呈现的刮擦磨损耐受性比所述第一和第二绝缘层单独以该厚度实现的刮擦磨损耐受性的总和大至少100％。
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