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【线缆百科】氟塑料线缆制作工艺和应用

环球线缆资源2018-05-13 09:06:37


概述

氟塑料电缆,英文名:Fluoroplastics Cable,用来专指以氟塑料为外套的电线电缆。氟塑料电缆具有优良的耐候性、耐热性,摩擦系数较小,化学性能稳定,具有较好的电绝缘性能。因此氟塑料电缆在石油、冶金、化工、电力、航天等环境恶劣的行业有着重要用途。在电线电缆的生产中,常用的氟塑料有聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯和乙烯共聚物等,用以制造各种耐热、耐高温绝缘电线、测(油)井电缆、地质探测电缆、加热电缆,F级和H级电机引接线,耐辐照电线,电磁线,射频同轴电缆,煤矿用阻燃电缆的A型电缆等。


种类

氟塑料电缆可以制成实芯和绝缘两种形式,其中物理发泡氟塑料电缆在国外已有生产和使用,在国内尚在研制过程中,平时我们所说的氟塑料电缆通常指实芯氟塑料电缆。

三种常见形式:单芯电缆、同轴电缆、多芯电缆。

1、单芯电缆

或者称作高温电线,其结构是内导体为单根或多股铜线(镀锡铜线),导体外径0.4~2.0MM,绝缘为氟塑料,绝缘层厚度在0.3~0.5MM,常用作航空导线、电子和电气设备布线以及特殊场合的照明线。

2、同轴电缆

内导体为单根或多股铜引(镀锡铜银铜线),直径为1.25~1.6MM,有三种绝缘形式:A、氟塑料绝缘,厚度为0.5~0.7MM,B、氟塑料发泡绝缘,厚度为2.5~3.0MM,C、氟塑料与聚乙烯组合绝缘,即内层用氟塑料绝缘,外层用聚乙烯绝缘,其中氟塑料的厚度为0.04~0.07MM。这类电缆常用作射频电缆和电子设备的连接线。

3、多芯电缆

将单芯电线或同轴电缆绞合在一起,便于为多芯电缆。其中有对绞的,也有非对绞的,分别用作工业计算机控制和自动化仪表仪器控制,对于特殊场合的五类、超五类电缆,数据传输、音频视频传输等,也采用这种氟塑料电缆。


特性

氟塑料拥有高度的化学稳定性和耐化学腐蚀性能,耐火、耐高温、阻燃等特性,因此在电线电缆行业有着广泛的应用,特种电缆如:耐高温电缆、阻燃电缆、耐腐蚀电缆等大都采用氟塑料做为护套外层。氟塑料电线电缆拥有的特性如下:

1、阻燃:氟塑料的氧指数高,燃烧时火焰扩散范围小,产生的烟雾量少。用其制作的电缆适合对阻燃性要求严格的地方,例如计算机网络、地铁、车辆、高层建筑等公共场合,一旦发生火灾,人们可以有一定的时间疏离,而不被浓烟熏倒,争取到宝贵的救援时间。

2、电气性能优异:相对于聚乙烯而言,氟塑料的介电常数更低,因此,与同结构的同轴电缆相比较,氟塑料电缆的衰减更小,更适合于高频信号传输,当今电缆的使用频率越来越高已经成为潮流,同时又由于氟塑料能耐高温,所以常用作传输通信设备的内部接线、无线发射馈线与发射机之间的跳线和视频音频线。此外,氟塑料电缆的介电强度、绝缘电阻好,适合作重要仪表仪器的控制电缆。

3、耐高温:氟塑料有着超乎寻常的热稳定性,使得氟塑料电缆能适应150~200度的高温环境,而常见的聚乙烯、聚氯乙烯电缆只适用于70~90度的工作环境。另外,在同等截面导体的条件下,氟塑料电缆可以传输更大的许用电流,这就大大提高了电缆的使用范围,由于这种独特的性能,氟塑料电缆常用于飞机、舰艇、高温炉以及电子设备的内部布线、引接线等。

4、机械化学性能完美:氟塑料的化学键能高,具有高度的稳定性,几乎不受温度变化的影响,有着优良的耐气候老化性能和机械强度;而且不受各种酸、碱和有机溶剂物影响,因此适用于环境气候变化大、有腐蚀性场合,如石化、炼油、油井仪器控制等。

5、利于焊接连线:在电子仪器中,有不少接线是采用焊接方法进行连接,由于一般塑料的熔融温度低,在高温时容易融化,需要熟练的焊接技术,而有些焊点必须要有一定的焊接时间,这也成为氟塑料电缆受到欢迎的原因,如通信设备和电子仪器的内部接线。

6、氟塑料原料的价格高、电缆生产难度大:生产成本高,销售价格自然也高,这也限制了产品的应用,然而,也正因为如此,使得竞争厂家少,需要使用氟塑料电缆的客户也就不会过于的计较价格因素了。



挤出工艺

由于氟塑料原料价格较高,电缆生产挤出工艺难度大,在生产过程中材料挤出时会有有毒气体排出,所以氟塑料电缆的生产成本高,其市场销售价格也较高。以下为氟塑料电缆挤出工艺的几个注意点:

1、挤出方式的选择

含氟塑料熔体的熔融粘度极大,在热塑性氟塑料的加工过程中,不宜采用压力式挤出,依据熔体有足够的强度且允许拉伸,故可采用套管式模具挤出方式生产氟塑料电线电缆。

2、挤出模具

套管式模具挤出时,模具是热塑性氟塑料挤出工序中最关键的影响因素,不合适的模具可能会造成松套、熔体断裂、表面波纹、外径波动大等问题出现,严重时可能无法挤出成型。在实际生产中,控制合理的拉伸系数以确保绝缘与导体间的粘结力就显得尤为重要。拉伸平衡DRB值不应小于1.0,否则会出现绝缘松套现象,尤其是单线挤出时,其值应调到1.05~1.15之间,但DRB值不能大于1.2,否则会在挤出速度较快时出现熔融椎体破裂,影响产品质量。一般情况下,热塑性氟塑料挤出模具的承线长度不超过15mm比较合适。对于加工线径较大,拉伸比DDR在5~10之间的情况下,需将挤出模具的承线长度提高到12mm左右,以便加大模具内熔融树脂的压力和减小挤出外径的波动,达到稳定挤出的目的。

3、挤出温度由于氟塑料原料价格较高,电缆生产挤出工艺难度大,在生产过程中材料挤出时会有有毒气体排出,所以氟塑料电缆的生产成本高,其市场销售价格也较高。以下为氟塑料电缆挤出工艺的几个注意点:

1、挤出方式的选择

含氟塑料熔体的熔融粘度极大,在热塑性氟塑料的加工过程中,不宜采用压力式挤出,依据熔体有足够的强度且允许拉伸,故可采用套管式模具挤出方式生产氟塑料电线电缆。

2、挤出模具

套管式模具挤出时,模具是热塑性氟塑料挤出工序中最关键的影响因素,不合适的模具可能会造成松套、熔体断裂、表面波纹、外径波动大等问题出现,严重时可能无法挤出成型。在实际生产中,控制合理的拉伸系数以确保绝缘与导体间的粘结力就显得尤为重要。拉伸平衡DRB值不应小于1.0,否则会出现绝缘松套现象,尤其是单线挤出时,其值应调到1.05~1.15之间,但DRB值不能大于1.2,否则会在挤出速度较快时出现熔融椎体破裂,影响产品质量。一般情况下,热塑性氟塑料挤出模具的承线长度不超过15mm比较合适。对于加工线径较大,拉伸比DDR在5~10之间的情况下,需将挤出模具的承线长度提高到12mm左右,以便加大模具内熔融树脂的压力和减小挤出外径的波动,达到稳定挤出的目的。

3、挤出温度

挤出热塑性氟塑料时,其温度的设定与所挤出的线径和速度成正比关系,线径越大,挤出机螺杆转速越高,那么设定的温度也越高。在挤出过程中,通过观察氟塑料熔融椎体的状态判断温度是否得当。若温度过低,则会导致绝缘应内应力的存在而开裂;受热过度则会导致氟塑料局部发生分解,造成电缆绝缘或护套表面存在气泡,严重影响产品质量。同时,线芯进入机头前应经过预热,在模具和熔融椎体外增加保温加热罩,避免温度变化导致熔融椎体粘度变化,而影响挤出速度及产品质量。

4、冷却控制

氟塑料是一种结晶型有机高分子材料,所以不宜采用定型冷却骤冷方式,由于氟塑料的挤出温度较高,所以冷却介质的温度应达到材料晶核生长速度和晶粒生长速度的最佳比例。挤出后的绝缘或护套应采用分段冷却方式进行冷却,即水槽水温从高到低进行设置,避免急速冷却造成松套或在挤出物中形成内应力。

挤出热塑性氟塑料时,其温度的设定与所挤出的线径和速度成正比关系,线径越大,挤出机螺杆转速越高,那么设定的温度也越高。在挤出过程中,通过观察氟塑料熔融椎体的状态判断温度是否得当。若温度过低,则会导致绝缘应内应力的存在而开裂;受热过度则会导致氟塑料局部发生分解,造成电缆绝缘或护套表面存在气泡,严重影响产品质量。同时,线芯进入机头前应经过预热,在模具和熔融椎体外增加保温加热罩,避免温度变化导致熔融椎体粘度变化,而影响挤出速度及产品质量。

4、冷却控制

氟塑料是一种结晶型有机高分子材料,所以不宜采用定型冷却骤冷方式,由于氟塑料的挤出温度较高,所以冷却介质的温度应达到材料晶核生长速度和晶粒生长速度的最佳比例。挤出后的绝缘或护套应采用分段冷却方式进行冷却,即水槽水温从高到低进行设置,避免急速冷却造成松套或在挤出物中形成内应力。



加工工艺

用作氟塑料绝缘电线的绝缘材料主要有聚四氟乙烯PTFE、聚全氟乙丙烯FEP以及其它氟塑料,根据不同氟塑料的加工特点,一般采用以下三种加工工艺。

1、热挤工艺当挤出机内部机筒温度达到350°C----390°C左右时,把F46氟塑料加入料斗,利用螺杆旋转的推力,通过成型模具均匀连续的包覆在导电线芯上,冷却后定型。此方法用Φ30、Φ60、Φ90等高温塑料挤出机,常生产F46型、F40型等氟塑料绝缘产品。

2、推挤工艺把粉状的聚四氟乙烯塑料预压成筒型,放人机筒,利用活塞推力,通过成型模具均匀连续的包覆在导电线芯上,然后进行380。C的高温烧结,冷却后定型。此方法用F4推压机,生产F4(PTFE)型产品。

3、绕包工艺用切成一定宽度的聚四氟乙烯薄膜带绕包到线芯上,然后进行烧结定型。此方法用绕包机及烧结炉,通常生产AFR型、FSFB型等电线。

A.氟塑料挤出工艺的发展

PTFE不能熔融挤出,必须通过薄膜绕包或糊状挤出来生产电线电缆,需使用专门设备,设备复杂,工艺流程长,且生产是间歇性的,生产速度也受限制。因此开发可熔融挤出的氟塑料一直是高分子界的重大课题。 FEP是首先开发成功的可熔融挤出氟塑料。它几乎保持了PTFE的所有优异性能,至今仍是除PTFE外使用最为广泛、用量最大的含氟塑料。 FEP的连续使用温度为200℃,PFA的成功开发才真正有了可在250℃下使用的熔融挤出氟塑料,但价格昂贵。 ETFE、PVDF,在基本保持了PTFE的各种性能下,以他们比重小、强度大、耐辐照三大优势在含氟塑料中崭露头角,且在电线电缆中也获得了广泛应用。

B.氟塑料挤出设备

除PVDF允许用一般挤出机挤出电线外,其他各种氟塑料都要用高温挤出机生产电线电缆。 熔融氟树脂用高温挤出机的要求: 有足够的加热功率,确保高温(例如450 ℃左右)条件下树脂能够熔融挤出; 与熔体接触的部件:螺杆、螺膛、机头及其组件、模具等,都要用高温耐腐蚀合金,如镍基合金(包括国内的新三号钢),主要是由于挤出过程中可能产生的HF等含氟气体具有很强的腐蚀性。

C.氟塑料挤出材料

与不同氟塑料有不同的使用温度一样,导体也需不同的适用温度。考虑到挤出时可能产生的气体对导体的腐蚀,氟塑料电线电缆几乎都使用镀银、镀锡、镀镍等镀复导体。电线电缆研究、生产者应根据电线电缆用户的需要,正确选择导体和绝缘材料,既要满足客户要求,又要让绝缘材料用得恰到好处。因此,应熟悉、掌握各种氟塑料的特性。

D.氟塑料挤出工艺

含氟塑料熔体的熔融粘度极大,不宜采用"压力式"挤出(否则会对设备提出太苛刻的要求);但熔体有足够的强度,允许拉伸,所以几乎都是采用"套管式"挤出来生产电线电缆,通过控制合理的拉伸系数保证绝缘与导体间的粘结力。 "套管式"挤出中,模具的设计或生产中的"配模",都应保证DDR、DBR两个参数之值在挤出材料允许的合理范围之内。

DBR称之为(平衡)拉伸系数(拉伸度),表示外层熔体与内层熔体受拉伸程度的比。 DDR称之为拉伸比(配模比),表示拉伸程度或允许生产速度。 DDR、DBR都是材料参数,DDR、DBR允许值越大,评价为材料挤出工艺好。 不同材料,DDR、DBR不一样;同种材料,牌号不同(MI不同),DDR、DBR也不一样。不同材料、不同牌号的这两个参数及其允许范围,线缆研究、生产者必须掌握。 作为其性,MI越大,DDR、DBR允许较大;绝缘挤出的DBR、DDR比护套挤出时大。

几种常用线缆绝缘材料的DDR、DBR


PFA

FEP

ETFE

LDPE

PVC

DBR

1~1.2

1~1.2

1~1.2

1~1.1

1~1.105

BBR

20~400

20~350

20~80

1.3~10

1.2~5

机头、摸头推荐温度(℃)

390~400

80~390

~330

~

~


应用领域

高频数据传输电线电缆

PTFE聚四氟乙塑料(F4)不仅电绝缘性突出,而且在较宽的使用温度区间及频率范围内,具有低介电常数并有特别低的损耗因子,介电强度、介电常数(2.3~2.1)、体积电阻率和表面电阻率保持良好,并直至它们的玻璃化转变温度都不受温度影响; 它们具有低吸湿性,使介电性能很少受湿度的影响;PTFE聚四氟乙烯塑料(F4)的电性能不随时间改变);几乎对所有化学品和溶剂呈惰性,甚至在高温和压力下也能保持它们的优异性能,特别适用于需要低衰减的数据传输电缆。 因而,在一些要求耐高温同时又要防火的场合用它们做射频电缆绝缘介质,有利于提高传输信号的质量,采用PTFE聚四氟乙烯聚合物做绝缘层,也做外护套。

汽车工业

PTFE聚四氟乙烯塑料另外一个重要用途是:在苛刻环境下用做连接线,最高使用温度为250℃。 PTFE聚四氟乙烯塑料绝缘电缆可通过UL标准80℃耐油试验,轿车中也有许多地方使用PTFE聚四氟乙烯塑料绝缘电线,如腐蚀油用自动传动装置的电缆;汽油油面传感器;制动磨擦传感器等;

建筑行业

随着我国城市化加速,高层建筑增多,人们对电线电缆火灾事认识的加强,各领域对电缆防火的要求也越来越高,加上受设空间的限制,要求电线电缆线径要小、载流量要大。PTFE聚四氟乙烯塑料的高热稳定性、高阻燃性、低损耗已经成为人们关注的热点,采用PTFE聚四氟乙烯塑料绝缘用于特殊场合的连结线,可满足上述要求,是PTFE聚四氟乙烯塑料绝缘电线电缆有待拓展的一个领域。

石油行业

由于需要注入的蒸汽温度高达300℃,压力也可达到20 MPa,油井内部常年处于一种高温高压的环境,因此对于工作在这种高温高压环境的电缆来说,如何克服严苛的环境,把井下测井数据传输到井上就成为一个重要的问题。 氟塑料电缆拥有耐高温的特性,在300℃的高温下可以保持工作,耐压性能同样优秀,因此在石油行业也有越来越广泛的应用。

电力行业

电力行业的电线电缆应用环境非常复杂,高温(定子、转子、空冷器入口)、浸泡液体(油槽、油管路、水管路及变压器)、容易遭到机械损坏(机坑、风洞)。对电缆的要求十分苛刻。氟塑料电缆可以有效的克服这些恶劣环境,是适合的使用电缆。电力行业耐高温电缆。

航天航空

电线电缆是将电源与用电设备及用电设备相互之间连接起来形成飞机电网络的材料。随着航空工业的日益发展和对飞机性能的提高以及机载设备的更新,飞机传送的信息量逐渐增加,在整个飞机系统中起着"神经"、"血管"作用的传输线,对其性能的要求也越来越高。尤其是飞机内部环境复杂,电线电缆的应用除了考虑其电气性能、机械性能和化学性能外,还应综合考虑电网络匹配关系、抗干扰能力、载流量大小、使用环境、机械强度、电缆保护等因素。 氟塑料电缆具有轻量化,抗干扰,以及优异的物理化学性能,在航天航空中正在发挥越来越重要的作用。

其它行业

在其它方面,PTFE聚四氟乙烯塑料绝缘电线电缆主要用于:家用电器加热导线;化工设备用电探测用的自控电缆;卤素灯泡固定架引接线;热电偶电线;特殊油井钻井设备数据记录电缆等。工程机械电缆等地方,应用领域也在不断扩大。

氟塑料电缆已在工业自动化控制中得到越来越多的应用,在冶金、石化、电站等高温环境,用氟塑料电缆是种很好的选择。此外,氟塑料电缆因其阻燃且燃烧时烟量少,可以广泛用于高层建筑、地下商场、隧道、宾馆、医院内的一般布线。