輻照交聯(lián)技術(shù)在航空航天用電線電纜上的應(yīng)用 

一、前言

        20世紀(jì)90年代以前，我國電線電纜應(yīng)用輻照交聯(lián)的產(chǎn)品市場很小，很多電線電纜輻照用加速器基本為閑置狀態(tài)。但是近十幾年來，輻照交聯(lián)絕緣電線電纜在我國的需求量飛速增加，在控制電纜、儀表電纜、機(jī)車車輛用電纜、汽車用電纜、圓形導(dǎo)體低壓電力電纜、航空航天用電纜中，大量采用，估計(jì)輻照交聯(lián)絕緣電線電纜用量在百萬公里，而且發(fā)展勢頭看好。
        在航空航天用電線電纜中，輻照交聯(lián)電線有交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電線，乙烯一四氟乙烯共聚物絕緣電線(X—ETFE絕緣電線)等，其中X-ETFE絕緣電線正是當(dāng)今航空用電線中的兩種主要線種之一。
        上海電纜研究所在上世紀(jì)九十年代作為”攻關(guān)組組長單位，曾組織對輻照交聯(lián)X-ETFE絕緣電線進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，尤其對X-ETFE電纜料及X-ETFE絕緣電線的生產(chǎn)工藝等作了大量研究工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并對其性能特點(diǎn)有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識。本文介紹我們對X-ETFE絕緣電線的一些認(rèn)識，以期與大家進(jìn)行更深層次的交流。

二、X-ETFE絕緣電線及其主要特性介紹
        ETFE是氟碳聚合物中比重較小的一種，其比重約為1．73，ETFE具有優(yōu)異的機(jī)械、電氣及耐輻照性能，其抗張強(qiáng)度可達(dá)40MPa以上，非常耐磨、耐彎曲、耐應(yīng)力開裂，在低氣壓下一般無雜質(zhì)、氣體揮發(fā)等，即釋氣性很好，因此不會對設(shè)備中其他元器件產(chǎn)生污染。其具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐各種航空航天用油、液體，根據(jù)ETFE具有的綜合性能，ETFE絕緣本身應(yīng)是航空航天用的很好的一個(gè)線種，事實(shí)也是如此，在飛機(jī)中，衛(wèi)星上使用了ETFE絕緣電線。但是ETFE有一個(gè)缺點(diǎn)，其溫度等級較低，為150℃，這就限制了它在航空航天上的應(yīng)用，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，人們開發(fā)了X-ETFE絕緣電線。
        X-ETFE絕緣電線是采用特殊的可交聯(lián)ETFE絕緣料，擠包成電線后，經(jīng)電子束輻照而交聯(lián)，X-ETFE除保持ETFE原有特性外，其溫度等級提高到200"C，其絕緣一般采用薄絕緣結(jié)構(gòu)，如單層絕緣電線的絕緣厚度為0.15mm，所以在相同載流量要求下，電線重量輕，這一點(diǎn)對航空航天飛行器來說是非常重要的，所以自上世紀(jì)70年代以來，這一線種就深受航空航天業(yè)的青睞，目前在幾乎所有的航空航天飛行器中，無論是軍用還是民用都大量使用這種線纜。
       目前，X-ETFE已形成一個(gè)系列，其中包括單層絕緣、雙層絕緣、多芯、帶屏蔽、護(hù)套等等。X-ETFE絕緣電線的主要標(biāo)準(zhǔn)為美國軍標(biāo)MIL—W-22759，在國內(nèi)，GJB 773A一2000版中也包括了X-ETFE絕緣電線。
       在X-ETFE絕緣電線的標(biāo)準(zhǔn)中，對X-ETFE絕緣電線提出了很高的要求，為保證電線性能能達(dá)到這些要求，制定了多項(xiàng)試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括機(jī)械、電氣、浸各種油、液體，溫度考驗(yàn)等等。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，其中大部分試驗(yàn)項(xiàng)目，對X-ETFE絕緣電線來說是沒有太大問題的，制造者如果用正宗的ETFE料作絕緣都能達(dá)到要求，但是其中有兩項(xiàng)試驗(yàn)是很難達(dá)到的，且這兩項(xiàng)試驗(yàn)都與交聯(lián)有關(guān)。
       一項(xiàng)試驗(yàn)名為交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)，由于氟塑料的特殊性，X-ETFE很難像交聯(lián)聚烯烴那樣測凝膠含量或熱延伸來確定其交聯(lián)度，所以采取了下面交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下：把一定長度的試樣兩端各剝?nèi)ヒ欢谓^緣，兩端導(dǎo)體上掛上規(guī)定重量，然后把試樣懸掛在規(guī)定直徑的試棒上，如圖1所示，在300℃環(huán)境下放置7h，然后要通過2500V，5min的耐壓試驗(yàn)，因?yàn)楫?dāng)ETFE未交聯(lián)時(shí)，其熔點(diǎn)在270℃左右，而現(xiàn)在要經(jīng)過300°C，7小時(shí)的高溫壓力下試驗(yàn)，所以只有交聯(lián)度達(dá)到相當(dāng)程度，才能通過。

        另一項(xiàng)試驗(yàn)是X-ETFE絕緣的斷裂伸長率，這是個(gè)很普通的試驗(yàn)，幾乎所有的電線電纜都要做這項(xiàng)試驗(yàn)，但對X-ETFE來說，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相當(dāng)高的要求。我們知道交聯(lián)后絕緣的斷裂伸長率會下降，因此早期國外X-ETFE絕緣電線的斷裂伸長率指標(biāo)定為50％，而如今提高到150％，對此類產(chǎn)品來說，這是非常高的要求，但作為高性能的航空航天用產(chǎn)品，這也是必要的。
        以上這二項(xiàng)試驗(yàn)事實(shí)上是相互制約的，這是一對矛盾，若要提高交聯(lián)度。往往以降低斷裂伸長率為代價(jià)，而能很好地解決這一矛盾是提高水平的表現(xiàn)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)判斷，如能解決這一對矛盾，即能通過這兩項(xiàng)試驗(yàn)，則基本上可通過標(biāo)準(zhǔn)對X—ETFE的全部試驗(yàn)項(xiàng)目。

三、X-ETFE制造工藝介紹
         X-ETFE絕緣電線基本生產(chǎn)工藝如下：
        導(dǎo)體→X-ETFE電纜料薄壁擠包導(dǎo)體→電子束輻照交聯(lián)→后處理
        對這一生產(chǎn)工藝作以下分析：
    1．X-ETFE電纜料
        在X-ETFE絕緣制造中，X-ETFE電纜料是關(guān)鍵，在ETFE分子鏈中存在乙烯結(jié)構(gòu)，因此在電子束的輻照下，具有交聯(lián)傾向，而其交聯(lián)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，達(dá)不到交聯(lián)改性目的，因此必須在ETFE樹脂通過一定的方法加入促使交聯(lián)的敏化劑，這樣才可以保證在一定的輻照劑量下取得滿意的交聯(lián)效果，但這是一項(xiàng)有相當(dāng)技術(shù)含量的工作。
        一般來說加入敏化劑的方法是先使ETFE在高溫下熔融，然后再熔融態(tài)下和敏化劑等添加劑共混，這個(gè)溫度在300℃左右，而目前市場可售的敏化劑在這個(gè)高的溫度下均會發(fā)生自聚，如果一旦發(fā)生自聚，則混好的電纜料根本無法連續(xù)擠出，擠包在導(dǎo)體上不成形。針對這種情況采取兩種方法，一是開發(fā)新的高性能的高溫敏化劑，這種方法有些專利，但要合成成功是非常困難的，另一種是改變共混方法，如采用浸漬法，但是效果不能保證，實(shí)例也很少，當(dāng)然最好的辦法是采用市場可售的，已被證明是高效的敏化劑，適當(dāng)?shù)馗脑烊廴诠不煸O(shè)備，達(dá)到無自聚熔融共混的目的。
        在國內(nèi)，目前有少數(shù)電線廠生產(chǎn)X-ETFE絕緣電線，他們均采用購進(jìn)國外現(xiàn)成的X-ETFE電纜料，但仍尚無開發(fā)X-ETFE絕緣料的能力。
    2．電子束輻照交聯(lián)
        X-ETFE絕緣電線輻照劑量在15Mrad左右，但并非經(jīng)過15Mrad輻照后，X-ETFE絕緣都可能通過交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)，這表明交聯(lián)度不夠，國外現(xiàn)成的X-ETFE絕緣料也存在這個(gè)問題，所以對交聯(lián)度驗(yàn)證試驗(yàn)有時(shí)通過，有時(shí)不能通過，不穩(wěn)定。另一個(gè)問題是輻照后，絕緣的顏色有時(shí)會發(fā)黃。為解決上述問題，采取了一些措施，包括采用一定溫度下和在惰性氣體保護(hù)下輻照，采用一定溫度下輻照，即輻照設(shè)備的束下裝置在電線通過部分的溫度較環(huán)境溫度高，這樣非常有利于交聯(lián)過程的完成，甚至在較低的輻照劑量下也能達(dá)到要求。無論是一定溫度下或惰性氣體保護(hù)下輻照，這都需要研制專門的裝置，而且該裝置因不同輻照設(shè)備而不同。
    3．后處理
        經(jīng)輻照交聯(lián)后的X—ETFE絕緣電線中存在氟化氫(盱)，且絕緣內(nèi)有累積電荷，會影響電線壽命，因此要除去氟化氫和累積電荷，這就需后處理。有人對X-ETFE絕緣電線的后處理作了非常細(xì)致的研究，主要結(jié)論是在真空或氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在一定溫度條件下，對消除X-ETFE中氟化氫和累積電荷非常有利。氟化氫的產(chǎn)生與輻照劑量有關(guān)，在自然狀況下，氟化氫等可長時(shí)間存在，而加熱狀態(tài)下，絕緣中的氟化氫濃度僅在幾十秒到幾分鐘可下降一半，這主要原因是隨著溫度升高，自由基能量增加，超過活化能的自由基數(shù)目增加，因而衰減速率加快。此外，國外有報(bào)道，經(jīng)后處理X-ETFE的強(qiáng)度和斷裂伸長率都得到提高，在15Mrad輻照后，經(jīng)后處理，在200℃時(shí)，可以提高20—45％，筆者也做過這方面的試驗(yàn)，但是相比較之下，效果不是很明顯。
        X-ETFE絕緣電線是高技術(shù)產(chǎn)品，除了本文提及到的一些問題之外，還有其他技術(shù)問題，如，如何印字等問題，但其與輻照交聯(lián)關(guān)系不大。

四、結(jié)語
        X-ETFE具有相當(dāng)用量的高性能導(dǎo)線，目前主要生產(chǎn)廠商是美國Tyco—Raychem公司，我國每年從該公司進(jìn)口量以億元計(jì)算，在國內(nèi)雖有極少數(shù)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)這種導(dǎo)線，但限于用進(jìn)口X-ETFE電纜料，且性能不穩(wěn)定，因此在國內(nèi)從X-ETFE電纜料開發(fā)到生產(chǎn)高質(zhì)量X-ETFE絕緣電線的研究開發(fā)意義深遠(yuǎn)。

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