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新能源汽车用热收缩套管材料研究现状分析

   次浏览   本站   2021-01-28

引言

 

热收缩材料利用其受热收缩的特点,能够起到对电线电缆的接头绝缘、密封、固定、标识、保护和屏蔽等作用。

新能源汽车是世界发展的趋势,中国汽车工业协会统计数据表明,预计至2030年,新能源汽车销量可达2500万辆。预计到21世纪中叶,传统燃油汽车将被新能源电动汽车取代。热收缩材料因其性能优越、使用方便而在新能源汽车领域受到广泛的应用,随着社会的进步、科技的发展,国内市场对于热收缩材料的需求在逐步扩大,高性能热缩材料的开发也已迫在眉睫。基于此,本文重点介绍了在新能源汽车领域应用的热收缩套管材料产品的特征和种类,并对热收缩套管材料在新能源汽车领域的发展前景进行了展望。

 

1热收缩机理

 

热收缩材料可以在加热时进行“记忆收缩”的过程即为材料内部的分子链段在低温时发生冻结和在高温时重新回复的形变过程。拥有“记忆收缩”的材料在受热进入高弹态之后进行外力扩张,之后迅速冷却“冻结”其被拉伸的高分子链,材料使用时再将材料加热至高弹形变,解冻内部还存在应力的高分子链段,在内应力的驱使下完成材料的链段收缩回复过程,在宏观上导致材料自动恢复到原来的状态。

热收缩材料利用了高分子材料的弹性特性,即结晶高分子聚合物经高能射线辐照或者化学试剂处理后产生交联点,形成交联的网状结构,在升温至熔点以上并施加外力作用进行拉伸或扩张,并在拉伸或扩张时迅速冷却降温可维持拉伸或扩张后的形变状态,而这种扩张形变后的材料在再次升温到熔点以上时,形变在无外力的作用下会很快消除,收缩恢复到原来状态。

材料因受外力产生变形并冷却固定,之后解除外力再加热又恢复原状的行为称为“热收缩效应”。热收缩从微观本质上讲来源于内部网络的交联结构。交联是材料热收缩的重要前提之一。热收缩套管材料是将经过混炼后的原材料经过成型、交联、扩张、定型而制成。

 

2热缩材料典型生产工艺

 

2.1成型热缩套管产品的成型工艺

一般采用注塑成型和挤出成型。注塑成型是通过螺杆搅拌一定温度下完全熔融的塑料材料,用高压射入模腔,经冷却固化后得到成品。注塑成型的优点是生产速度快、效率高,操作可实现自动化,尺寸可以由大到小,而且制品尺寸精确。挤出成型是物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用,一边受热塑化一边被螺杆向前推送,连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。挤出成型的优点是生产连续、效率高、操作简单。

2.2交联

辐照交联是热收缩产品制造中的重要环节,对于硅橡胶类的热缩管一般采用硫化交联,聚烯烃类的热缩管材料一般采用辐射交联。辐照交联是利用电子加速器等高能量的放射源对聚合物进行照射,在聚合物链段上产生游离基,游离基之间彼此相结合形成交联链,最终聚合物的分子量增加,并且线性状的高分子结构转变成具有网状的高分子结构。

交联的控制直接决定了后续的扩张工艺性和产品的性能。如果交联度过低,扩张时产品的厚度和均匀性得不到保证,收缩时也很难恢复到原有的状态;如果交联度过高,会导致产品发硬脆化,在后续的扩张工艺中容易发生材料爆裂而无法使用。

交联的均匀性对产品也会有很大的影响。均匀性不好会造成材料有的部位交联度高,有的部位交联度低;低的部位材料收缩性能下降导致无法正常恢复,高的部位材料塑性变差容易发生开裂。因此要合理控制辐射量和辐射均匀性。辐射交联一般形成在材料的无定形区域,同时也会缩小材料的晶区。材料的无定形区和晶区的分布情况以及交联密度与均匀性对聚合物的热收缩性能有非常重要的影响,因此材料的共混工艺和交联工艺是制得高性能热缩材料的关键工艺。

2.3扩张

扩张是利用外力把加热到到高弹态的材料进行沿着特定的方向进行扩大,目前主要使用的方法有机械拉伸法、气体膨胀法、真空吸附法。控制加热扩张温度是特别要注意的因素,温度过高虽然有利于扩张但会导致聚合物材料发生热老化和热降解而影响产品性能。加热温度过高,虽然有利于提高扩张效率,但高温会导致材料老化和分解,影响产品性能;相反,温度过低,会造成分子链断裂,制品强度降低。因此,要确保扩张在合适的温度下进行。

2.4定型

定型是热缩管冷却降温过程,保证制品的形状以及制品取出时不发生变形。

 

3热缩材料在新能汽车中的应用

 

3.1硅胶热缩管

在新能源汽车中硅胶热缩管用来包覆汽车线束。新能源汽车要求绝缘套管的阻燃等级要达到V-0,并通过低烟、燃烧等级、毒性等测试。硅胶热缩管耐温-55~200℃,达到绝缘耐热温度等级H级甚至是C级,同时耐酸碱、耐电晕、防霉菌,击穿电压≥25kV/mm,因此柔软富有弹性的硅胶热缩管是新能源汽车绝缘防护的首选。硅橡胶绝缘材料是以特种有机硅橡胶配合其他聚合物和高性能材料,通过聚合物合金技术制备而成,其基本结构单元由硅-氧链节构成,产品的热稳定性高,在恶劣环境下分子的化学键不断裂、不分解。

侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。因此,其结构中既含有“有机基团”,又含有“无机结构”,这种特殊的组成和分子结构使它既有有机材料的柔韧性又有无机材料的化学稳定性。

3.2双壁带胶热缩管

双壁热缩管内层选用热熔胶,外层采用聚烯烃材料复合加工而成。双壁热缩管主要应用在汽车输油系统管道、刹车系统管道、线束包裹中。新能源汽车中的线束连接器使用双壁热缩管可以有效地防水、耐磨保护。常见的聚烯烃材料有聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚氯乙烯(PVC)和含氟聚合物材料。

3.2.1聚乙烯

聚乙烯(PE)是乙烯经聚合合成的一种热塑性树脂,具有很好的耐低温能力,分子结构稳定性强,电绝缘性能优良,在常温下几乎不溶于任何溶剂,并且能耐酸、碱、盐等的腐蚀[8]。PE的脆性温度低,即使在低温时仍能保持优良的韧性,并且其加工性能优良。

3.2.2乙烯-醋酸乙烯共聚物

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是一类具有橡胶弹性的热塑性树脂,具有良好的韧性、绕曲性及耐应力开裂性和粘结性。EVA中的乙烯链段能和PE中的乙烯链段相互缠结,两相具有较好的相容性,所以EVA对PE有很强的增韧作用,增强PE承受外力和龟裂的能力。根据EVA含量的不同,EVA可分为橡胶、乳液以及塑料。EVA中的醋酸根能与无机粒子良好地结合,因此能在一定程度上改善材料的性能。

3.2.3聚氯乙烯

聚氯乙烯树脂是由氯乙烯单体聚合而成的热塑性高聚物。聚氯乙烯具有良好的阻燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性以及绝缘性;其制品的透明性、隔热性、消声和消震性也好。因此,该材料被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、电力、电讯和包装等许多领域。但也存在溶体表观粘度髙、流动性差,抗冲击性能差,缺口冲击强度低、热稳定性低等缺陷或不足,这些缺陷明显制约了材料应用领域的拓展。

3.2.4含氟聚合物

含氟聚合物是主链为碳碳链,而在侧链和支链上连接有氟原子的一类聚合物材料。这类材料由于氟原子的存在,相比其他的有机聚合物拥有更优越的热稳定性、耐候性和化学惰性等物理和化学性。因此,含氟聚合物材料经过辐照交联成型加工后可制成热收缩性能更优异、抗刺穿能力更强、抗机械摩擦性和绝缘性更良好的热收缩套管材料。

3.3标识热缩管

新能源汽车用标识热缩管主要用于各线束线路的标记标识,方便对新能源汽车线束的识别维修。近年来,标识热缩管因为具有质量轻、使用方便、容易成型、标识永久等优点而广泛应用于线路标识中。

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