导电纤维线芯软电缆及其工艺的制作方法

专利名称：导电纤维线芯软电缆及其工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于电缆领域，涉及一种在绝缘支撑物上有导电层或导电薄膜的若干根线或类似物或编织物构成的可弯曲的软电缆。
人们在日常生活和工作中经常发现很多电气产品上的拖动电线，在频繁弯折、移动、扭曲、振动的工作场合容易发生电线导电线芯断芯的故障。越细的电线由于弯折半径小，发生故障的概率就更大。这是因为电线一般采用金属铜丝制造，材料具有刚性，在频繁弯折、扭曲的情况下容易废劳折断。将铜丝螺旋形绕包在合成纤维上，构成绕组导电线芯，可以大幅度提高线芯耐废劳弯折性能，但也因其导电电阻与材料消耗均要较一般铜芯线高三倍以上，仅能在有限的几种微电流信号线芯上应用。根据1989年中国发明专利CN89108702，其审定号为CN 1019160B审定公告日92、11、18，名称为《新型导电纤维电缆(线芯)及其工艺》和1985年US 4634805美国专利《导电线芯(纤维)或导电织物》(《CONDUCTIVE CABLE OF FABRIC》专利日期87、01、06，分别采用了1000-3000根的腈纶长丝和聚酰胺长纤维化学镀金属构成导电纤维。这种导电线芯耐废劳弯折性能是极好的。但是上述二份专利所述导电纤维的导电性能是较低的。根据上二份专利提供的数据测算。导电纤维的直流电阻值与金属铜丝按同样长度，同样截面计算分别增大约10倍和15倍。
采用化学镀金属的工艺，对有机高分子材料加工的零件进行表面金属化处理，是目前常用的方法。成其是对具有复杂表面形状的零件施镀，其镀层的均匀性是比较理想的。零件的表面与搅动的镀液之间要保持百分之百的动态接触。但对一束合成纤维施镀，难度比较高，因为一束纤维是由众多长丝构成，且成束聚集在一起，越是位于纤维束中间的长丝，其表面直接接触镀液就越困难，大多数长丝表面只能依赖渗透进去的少量化学成分梯度变化很大的镀液进行，镀层难以均匀。美国US 4634805专利与中国CN 89108702专利均采用了流水线制造导电纤维的生产工艺，由于制造导电纤维流水线很长，合成纤维束中长丝的根数不可能过少，否则因牵引力过大会将纤维束拉断。在牵引力和张力的作用下，纤维束每一根长丝必然处于排列整齐，互相平行的张紧状态，化学镀液的渗透就更加困难，金属镀层的不均匀性也就更严重。合成纤维束化学镀金属的另一个问题是，化学镀过程中会产生大量置换出来的氢气，均会附着在纤维束的内部或外部，难以及时排除干净，使镀层金属中间产生空穴，造成镀层疏松。解决这个问题通常是采用机械或气动的方法搅动镀液，排除镀件表面的气体。这种方法对密集成束的合成纤维镀件效果并不理想。同样的道理，一束纤维的长丝根数越多，金属镀层的不均匀性与镀层疏松的问题就越严重。性能上直接反应出来的问题就是导电纤维电阻值高且不稳定。
本发明的目的在于提供一种导电纤维线芯软电缆及其工艺，具体地说，首先提供一种充分细的导电纤维束，以此为主体复合成多种各有特点的电缆线芯的基本构件及导电织物，进而提供各种不同用途的软电缆及其导电纤维的镀铜工艺。
本发明的目的是这样实现的导电纤维柔软电缆包括绝缘外护套、导电线芯及视需要设置的屏蔽层及内绝缘材料层；其导电线芯是以导电纤维束为主体或与金属丝合成纤维丝复合组成的多种导电构件经绞合，或编织，或绕包在一起而构成；其屏蔽层是由上述导电构件编织而成的导电纤维织物所构成；所说的导电纤维束是由线细度小于1旦尼尔(denier)的150至500根聚丙烯腈长纤维束组成，其每根聚丙烯腈长纤维表面镀覆有一层均匀致密的导电金属层铜，而其导电纤维的镀铜工艺是在新设计的镀槽中纤维束处于松驰并受到间断挤压状态下进行一次性镀化学制完成。
为阐述方便，先对本专利


如下图1为本专利化学镀铜示意图。
图2为一段表面镀铜的聚丙烯腈纤维7的结构示意图。
图3为一束导电纤维束8的示意图。
图4为一根导电纤维捻线9示意图。
图5为一根导电纤维绕线11结构示意图。
图6为一根以导电纤维捻线为芯的捻绕组线13的结构示意图。
图7为另一根以导电纤维绕线为芯的绕绕组线14的结构示意图。
图8为一根中心补强的导电纤维捻线结构示意图。
图9为一根并列补强的导电纤维捻线结构示意图。
图10为由多根导电纤维束与补强纤维束绞合构成的电缆的结构示意图。
图11为一根导电纤维绕线为线芯构成的电缆的结构示意图。
图12为由一根捻绕组线为线芯构成的电缆的结构示意图。
图13为由一根绕绕组线为线芯构成的电缆的结构示意图。
图14为由多根导电纤维束绞合为线芯构成的电缆的结构示意图。
图15为由一根绕绕组线和多根导电纤维捻线绞合为线芯构成的电缆的结构示意图。
图16为采用导电纤维束编织成的屏蔽层构成的电缆的结构示意图。
图17为采用导电纤维束绕包的屏蔽层构成的电缆的结构示意图。
图18为由导电纤维束编织构成的导电织物的结构示意图。
下面结合附图对本专利作详细说明。
导电纤维束是对一束150～500根线细度小于1旦尼尔(denier，ldenier＝1g/9000m)的聚丙烯腈长纤维采取自催化化学镀铜获得的。
对聚丙烯腈长纤维化学镀铜前首先要进行予处理。予处理主要包括三道工序1、除油将纤维束浸泡在碱生水溶液中2分钟，除去纤维表层的油渍，再用温水漂洗干净；2、敏化经过除油工序处理的长纤维，再浸到氯化亚锡，盐酸水溶液中3分钟，再用水轻轻漂洗干净；3、活化经过上述二道工序处理的纤维束再浸泡在氯化钯、硼酸、盐酸水溶液中5分钟，再用水漂洗干净。此时纤维束每根长丝的表面覆盖一层均匀、少量、结合力强的锡与钯的离子团。
经过予处理的长纤维束就可以进行化学镀铜处理。
请参阅图1，化学镀铜的设备是由轧辊1，镀槽2，挡板4，镀液5构成。镀液5是由硫酸铜、氢氧化钠、酒石酸钾钠、甲醛配制的水溶液。
化学镀铜的过程是按如下程序进行的首先将长纤维束3均匀摊铺在处于镀槽2上部空间的二个轧辊1中间，纤维束3下部用浸在镀液中位于镀槽内近底部的挡板4挡住，纤维束3大部分浸泡在镀液5中，启动轧辊1，纤维束3在化学镀铜过程中处于松驰并受到间断挤压状态下进行，连续镀铜30至6分钟，一次完成镀铜工艺。取下长纤维束3，再经过水洗、醇洗、烘干。
均匀摊铺在轧辊1中间经过予处理的长纤维束3，处于悬挂状的大部分是浸在镀液5中，在运行状态中的长纤维束3除受到轧辊小牵引力外还受到三个力的作用1、自身形成向下的重力；2、镀液5对长纤维束形成一个向上的浮力；3、由于长纤维束3浸在镀液5中发生化学反应，产生氢气，又产生了一个向上的浮力。二个向上的浮力相加大于重力，所以长纤维束受到向上的合力，会漂浮起来，但受到挡板4阻挡，仍会浸在镀液5中，所以浸在镀液5中的长纤维束3只能处于松驰状态，这就使长纤维束3中每根长丝之间形成相对离散状，每束的长丝根数越少，离散状也越理想。又由于长纤维束3受到轧辊1牵引力作圆周运动，搅动了镀液，这样就保证了长纤维束每一根长丝的圆周表面能与镀液5进行充分有效的动态接触，从而保证了化学反应的一致及纤维镀层的均匀性。长纤维束3在镀液5中化学反应时，线束内的每一根长丝表面会产生置换出来的氢气，排除长纤维束上的氢气是由轧辊1完成的。轧辊1有二个作用一是牵引力纤维束形成往复的圆周运动；二是二个轧辊之间可以形成一个较强的(可以调整大小)的挤压力，采用直接压迫法逼使化学反应过程产生的气体全部从长纤维束上及时排除干净。化学反应与间断挤压这个过程不停的循环进行就在长丝表面形成均匀致密的铜层。由于轧辊1的二个转轮是相反方向同步运转，与长纤维束只产生牵引而不会发生相对摩擦和剪切，所以不会给极细小的纤维长丝带来任何的机械损伤。又由于轧辊的运行速度与化学镀反应速度是匹配的，也就可以减少化学反应的时间。
采用一束150～500根，线细度小于1旦尼乐(denier)的聚丙烯腈长纤维原料，置于松驰和采取间断挤压工艺条件下进行化学镀铜，与已有技术采用1000根丝，处于排列整齐，互相平行工艺条件下进行化学镀铜制造的导电纤维，所能达到的技术性能有明显的区别。本工艺生产的导电纤维7与前述的方法比较导电直流电阻同比降低50％以上；抗拉强度同比提高20％。由于金属镀层质量高，镀速快、工艺简单化学镀导电金属不再需要反复多次进行，仅一次就可以完成。长丝表面也仅由一层金属铜镀层6构成。
采用本发明提供的化学镀工艺技术制造的导电纤维束8是一种小单元的导电体，选择不同的根数捻合起来构成线径为0.20-0.4mm的导电纤维捻线。
按照IEC 227规定的试验方法，本专利导电纤维耐废劳弯折性能优于14万次，已超过IEC 227规定的3万次指示，也超出了大多数软电线电缆实际所需要的性能。另一方面虽然采用本发明提供的导电纤维导电性能和机械抗拉强度都有了大幅度提高，但由于导电纤维70％左右的截面是绝缘的合成纤维材料，聚丙烯腈自身抗拉强度也仅为2.5-3.0/denier，仅单独使用导电纤维作为导电线芯是难以满足大多数柔软型电线电缆导电线芯对导电及抗拉强度的性能要求。
本发明是将导电纤维束与其它金属材料，非金属材料复合构成，性能优势互补的导电线芯基本构件，再通过对基本构件的组合构成导电线芯，以适应不同品种、规格柔软型电线电缆的要求。
以下是多种典型的导电线芯基本构件基本构件之一导电纤维束8。参阅图2和图3，它是由每根聚丙烯腈细丝3表面镀覆一层金属铜6，构成的导电纤维细丝7，多根导电纤维细丝7集聚构成导电纤维束8。
基本构件之二导电纤维捻线9。参阅图4，它是由导电纤维束8加捻构成。
基本构件之三导电纤维绕线11。参见图5，它是由一束导电纤维束8螺旋形绕包在一根细铜丝或细铜锡合金丝10上构成。
基本构件之四捻绕组线13和绕绕组线14。参阅图6和图7，它是由单根或多根细铜丝、细铜锡合金丝也可以是单根或多根轧扁的细铜丝，细铜锡合金丝等金属丝12，螺旋形绕包在一根导电纤维捻线9构成捻绕组线13。或将上述金属丝12绕包在一根导电纤维绕线11上构成绕绕组线14。
在上述典型的四种基本构件中心或与基本构件并列，加入高强度、低弹力的合成纤维束，又可以构成一组机械抗拉增强的基本构件。如将补强合成纤维束与导电的基本构件组合也能达到同样的补强目的。参阅图8和图9，由导电纤维捻线9及夹在捻线中心或与捻线并列的补强纤维束15而构成补强导电纤维线。同样，这种补强方法也可与其他导电基本构件组合。
以下对多种典型的导电线芯基本构件作必要的说明。
导电纤维束8与导电纤维捻线9是由多根直径约为0.01mm的镀铜细纤维丝构成，耐废劳弯折性能较一般软电线提高了100倍以上。但因为导电纤维细丝，约70％的截面是非金属纤维材料，与金属实体铜丝比较直流电阻要高5倍左右。所以单一的导电纤维束8只能适用于加工柔软型电线电缆的屏蔽层；单一的导电纤维捻线9也仅能适用于加工柔软型电线电缆的屏蔽层和柔软型微电流信号电缆的导电线芯。
导电纤维绕线11。由于线芯中加了一根细铜丝或细铜锡合金丝，导电纤维绕线直流电阻较导电纤维捻线降低的2倍。虽然在导电纤维绕线中，细金属丝的耐废劳弯折性能远不如导电纤维，在使用过程中易折断，但由于导电纤维难以折断仍起到导通作用；又由于使用过程中大多数电线的废劳应力主要集中在线段的个别部位，如电线连接件的根部，所以金属丝个别部位的折断，对导线直流电阻总体影响并不大。根据试验在1m长的线段上，金属丝每一个断点对整段导线直流电阻的影响仅为0.05-0.1％。采用铜锡合金丝导电性能较铜丝降低，但柔韧性较铜丝提高。导电纤维绕线适用于柔软型电线电缆的屏蔽层，也适用于柔软型信号电缆和控制电缆的导电线芯。也可以适用小型动力电缆导电线芯。
一般的铜丝绕组线是由一根或多根细铜丝螺旋形绕包在一束合成纤维的载体上构成。由于合成纤维是绝缘的，所以其直流电阻值是细铜丝展开的长度的电阻值，直流电阻与材料消耗均较直线铜丝提高三倍以上。本发明所述捻绕组线13或绕绕组线14的载体是导电纤维捻线9或导电纤维绕线11，绕组螺旋之间的间隙被导电载体导通，构成较小的直线直流电阻。所以导电性能较导电纤维捻线提高2.5-4.2倍。导电率最好的组合其线经仅比实体铜丝同比大5％左右。其中采用轧扁型金属丝，柔韧性优于圆形的金属丝，采用铜锡合金丝柔韧性也优于铜丝，但导电性能较铜丝稍差。本发明所述铜丝绕组线可适用于控制电缆和动力电缆的导电线芯，也可以应用在信号电缆线芯上。
为充分说明发明的特点，还有必要对导电线芯基本构件总体的技术性能作出比较。直流电阻性能不同的基本构件与实体的铜丝导线比较分别高了20％至50％，基本构件之间的电阻率相差四倍，为满足载流量从数毫安(信号线)到上百安培(动力线)这样一个范围内应用提供了必要的方便条件。基本构件耐废劳弯折的性能不同的构件之间也相差达10倍左右，但与一般的实体铜丝导电线芯比较仍分别提高10-100倍，优点仍是显著的。另一方面由于载流量较大的控制电缆与动力电缆，线径均比较粗，而电线本身耐废劳弯折性能，是随电线弯折半径增大成几何级数提高的。所以实际使用中，控制电缆与动力电缆对导电线芯耐废劳弯折性能的设计与细小的信号线是不需要等同的。正是因为所设计的导电线芯基本构件性能上可以互补，所以才有可能具备采用构件组合的方式用于广泛的领域，同时也可以根据不同柔软型电线电缆的实际使用情况，有针对性的采用最经济的技术设计方案。
以下对采用导电线芯基本构件组合设计构成典型的柔软系列电缆作进一步阐述。
图10是由多根导电纤维捻线9与补强的纤维束15绞合后包裹绝缘外护层16构成的电缆，同样的方法也适用于其他导电基本构件补强的组合。
参见图11，它是由一根导电纤维绕线11与绝缘外护层16构成的软电线。
参见图12和图13，是由一根铜丝捻绕组线13或绕绕组线14分别与绝缘外护层16构成的软电线。
图11至图13是由一个导电纤维基本构件组成导电线芯的结构设计方案。改变导电纤维的根数(在500根以内的范围)，改变铜丝的粗细(一般在0.05-0.15mm之间)，改变金属丝材质(铜丝或铜锡合金丝)以及改变金属丝的截面形状(圆形或扁形)，可以设计出一组不同规格的柔软型导电线芯的电缆。主要设计参数的范围是线芯直径0.10-0.70mm；直流电阻0.1-6Ω/m；耐废劳弯折强度1-14万次。
参见图14，它是由多根导电纤维捻线9绞合构成的导电线芯，并与绝缘外护层16构成的电缆。
图14是采用多个同一种基本构件组合构成柔软型导电线芯结构设计方案。这种组合方式同样也适用导电纤维绕线11和铜丝绕组线13和14。通过对基本构件组成要素的调整又可以设计出一组不同规格的柔软型导电线芯的电缆。这一组导电线芯主要设计参数的范围，可以将目前已知的一般软电线所有的规格包括在内，而耐弯折的性能又可以分别对应提高10-100倍。
参见图15，它是由导电纤维捻线9绞合在一根铜丝绕组线14上组合构成导电线芯并与绝缘外护层16构成的电缆。
图15是由多种基本构件组合构成的柔软型导电线芯结构设计方案。这种组合方式同样也可以包括导电纤维绕线11。这种设计方案的特点是，参与组合的基本构件中较硬的一种应位于导电线芯中间，处于这个位置的线芯折断概率要低于圆周表面的线芯。
图16是含有用导电纤维束编织的屏蔽层的电缆结构示意图。它是由包裹导电线芯的绝缘护层18，导电纤维束编织的屏蔽层17，以及电缆外护套16构成的电缆。
参见图17，它是由导电线芯和包裹导电线芯的绝缘护层18用导电纤维束8绕包的屏蔽层17，电缆外护套16构成的电缆。
参见图16和图17，其加工电缆屏蔽层的方式也适用导电纤维捻线9和导电纤维绕线11。采用导电纤维束制造电缆的屏蔽层，复盖面积可以达到近于100％，在频率较低的范围应用，具有更好的屏蔽效果，而采用导电纤维捻线和导电纤维绕线制造电缆的屏蔽层具有较小的直流电阻。这可以根据电缆的实际要求选用。对电缆的屏蔽层采用二种不同的基本构件进行编织也是可行的，在性能上也有互补的作用。采用本专利提供的屏蔽层，柔软的性能也是明显的，也同样是难废劳弯折的。
图18是由导电纤维捻线9编织的导电织物。导电的织物也能采用导电纤维绕线11编织构成。
本专利具有如下有益效果1、本专利提供的导电纤维线芯软电缆性能可靠、经济实用，耐废劳弯折，可分别适用于作为信号电缆，控制电缆和动力电缆。
2、本专利提供的聚丙烯腈导电纤维束与已有技术相比，其直流电阻同比降低50％，抗拉强度同比提高20％。
3、本专利提供的由导电纤维束与金属材料、合成纤维材料复合成的导电线芯基本构件，采用绞合、编织、绕包等办法组合制造适用不同要求和场合的柔软耐废劳、耐弯折、载流量在毫安至上百安培范围的优质电缆。其使用面广。应用领域大。
权利要求
1.一种导电纤维线芯软电缆，包括绝缘外护层(16)、导电线芯及视需要设置的屏蔽层(17)及内绝缘层，其特征在于其导电线芯是以导电纤维束(8)为主体或与金属丝合成纤维丝复合组成的多种导电构件绞合、或编织、或绕包在一而构成；其屏蔽层是由上述导电构件编织而成的导电织物所构成；其导电纤维束(8)是由150至500根细度小于1旦尼尔(denier)的聚丙烯腈长纤维组成，其每根聚丙烯长纤维(3)表面镀覆有一层均匀致密的导电金属层铜(6)。
2.如权利要求1所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的一种导电构件是以多束导电纤维束(8)集聚加捻构成的导电纤维捻线(9)。
3.如权利要求1所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的一种导电构件是以一组导电纤维束(8)螺旋状绕包在一根细铜丝或铜锡合金丝(10)上而构成的导电纤维绕线(11)。
4.如权利要求2所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的一种导电构件是以导电纤维捻线(9)为中心，其外周由单根或多根金属丝(12)螺旋形绕包而构成的捻绕组线(13)。
5.如权利要求3所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的一种导电构件是以导电纤维绕线(11)为中心，其外围由单根或多根细金属丝(12)螺旋形绕包而构成的绕绕组线(14)。
6.如权利要求2所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的一种导电构件是以导电纤维捻线(9)和夹在捻线中心或并列的补强纤维束(15)而构成的补强导电纤维线。
7.如权利要求4或5所述的导电纤维线芯软电缆，其特征在于所说的细金属丝(12)是细铜丝或轧扁的细铜丝，或细铜锡合金丝或轧扁的细铜锡合金丝。
8.一种导电纤维线芯软电缆的导电纤维的镀铜工艺，首先是对聚丙烯腈长纤维分别进行在碱性溶液中浸泡除油，在氯化亚锡、盐酸水溶液中敏化和在氯化钯、硼酸、盐酸水溶液中活化予处理和水洗，再进入由硫酸铜、氢氧化钠、酒石酸钾钠、甲醛配制的水溶液组成的镀液的化学镀槽中镀铜，然后进行水洗、醇洗和干燥而成，其特征在于聚丙烯腈长纤维束(3)均匀摊铺在处于镀槽(2)上部空间的二个轧辊(1)中间，纤维束(3)下部用浸在镀液中位于镀槽内近底部的挡板(4)挡住，纤维束(3)大部分浸泡在镀液(5)中；启动轧辊(1)纤维束(3)在化学镀铜过程中处于松驰并受到间断挤压状态下进行，连续镀铜30至60分钟，一次完成镀铜工艺。
全文摘要
一种导电纤维线芯软电缆,由一束150～500根聚丙烯腈长纤维,经过化学镀铜处理,使纤维束具备导电性能,导电纤维束以及或与其他金属材料、纤维材料复合,构成电缆的导电线芯基本构件。对基本构件进行多种组合加工成电缆的导电线芯和屏蔽层,也可编织成导电的织物。本发明提供的柔软电缆性能可靠,经济实用,耐废劳弯折,适宜用作为信号电缆、控制电缆和动力电缆。
文档编号H01B13/00GK1192568SQ9710630
公开日1998年9月9日 申请日期1997年3月3日 优先权日1997年3月3日
发明者马明朴, 忻松筠 申请人:马明朴, 曹正尚, 忻松筠