具有接枝涂层的点火线及其制造方法

专利名称：具有接枝涂层的点火线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及绝缘电导体，特别涉及火花塞及类似点火装置的点火线。
背景技术：
一般火花塞的点火线包括导电芯、导体或半导体涂层、隔离涂层、电绝缘层、提供增强的抗张强度的加固层以及绝缘外鞘或套，还可包括各种粘合剂和其它内层。该外套也常在其外表面设置装饰层或印刷部分。上述各层以不同的结合方式和顺序设置，其特定的设置方式根据预期的应用环境及其它因素而不同。
除了各种固体或绞合金属线结构，导电芯还可具有一绕线结构。典型的绕线芯具有一编织或机织的绝缘芯元件，例如绳，以提高抗张强度。该元件可具有一铁氧体或其它涂层，用于依次被金属线包裹、涂敷粘合剂及/或导电或半导体层。这种绕线导电芯的例子在Miyamoto等所申请的美国专利第4435692号和Coffe等所申请的美国专利第4700171号中均有提及。Miyamoto等所申请的绕线点火电缆中的电阻丝由一机织元件如机织的芳胺线缠绕，该机织元件涂有聚氯乙烯/铁氧体混合物以提供导电芯。电阻丝和铁氧体涂敷芯依次由机织加固元件和聚乙烯和三元乙丙橡胶(EPDM)混合物的挤压套包覆。Coffe等所提供的点火线与Miyamoto等所提供的点火线在某些方面彼此相似，如导电芯由浸渍涂布一加固元件形成，该加固元件则由具一绝缘层的玻璃纤维束形成，其中绝缘层包含EPDM和磁性粒子例如氧化铁的混合物。其次，该涂敷机织芯用电阻丝导体例如各种镍合金呈螺旋形地缠绕。而后，Coffe等的电阻丝由一半导体热塑性聚合物——例如硅树脂或丙烯酸聚合物浸渍涂布。该半导体热塑性聚合物包含碳粒子和隔离剂，该隔离剂允许随后应用的绝缘层被彻底剥离。Coffe的导电芯涂敷有一由EPDM形成的绝缘层、可选玻璃纤维编织层及聚合物套，其中该聚合物套由EPDM、乙烯基醋酸共聚物、酚类抗氧化剂和金属盐抗氧化剂的混合物形成。一般地，对于Miyamoto等和Coffe等所描述的导电芯，隔离涂层用于该导电芯外部或与一导电涂层合成一体，以在将终端或连接器应用于点火线时便于将该绝缘层从导电芯去除。
点火线绝缘层可由各种具电绝缘性的材料制成，这些材料在内燃机的高工作温度下可抗降解。各种线结构中用作绝缘层的材料如EPDM和各种硅。
典型的加固层由玻璃纤维制成，并具有一机织护套。该加固层直接机织于绝缘层上，或者预先机织好，再应用于绝缘层上。
因为绝缘套构成点火线的外壁，故典型的绝缘套由既抗高温又耐磨损的材料制成。根据可能的应用和其他因素，各种材料都曾被用于该绝缘套，例如EPDM、各种硅树脂和其他材料。该套挤压成形于绝缘层上。该挤压成形方法可以改变套和下层绝缘层的热、机械和/或化学性能。同样地，这既可影响绝缘套外表面的全部外观，又影响绝缘套的抗磨损性。
如上述所提及的，在许多点火线应用中，应用装饰材料是可取的，例如各种油墨等等，用于在线上印刷字体，例如制造商名称、产品号、线尺寸、制造商的标识或商标、性能特征、说明书或其它重要信息，也可以在线上印刷装饰外观。因为设于外表面上，这些材料要承受高温、来自污垢及其他罩下磨损源的磨损、机械应力、化学或其他促进其降解的制剂。
为提高绝缘线的机械、热及化学性能，该套可具有一涂敷其上的涂层材料。Kawaguchi等申请的美国专利第4000362号披露了一种电绝缘金属线，该电绝缘金属线具有一涂敷在该金属线上的隔离层，该隔离层上叠置有一固化于其上的绝缘层。该绝缘层经在隔离层上涂敷和固化一具有隔离能力的含硅绝缘漆形成于隔离层上。该含硅绝缘漆的隔离能力使绝缘层容易地从隔离层上剥离。由于Kawaguchi的这些设计用于隔离涂层上便于从线套外表面去除，一般认为Kawaguchi的这些设计不适合用于保护装饰材料和提高套抗磨损性。
因此，需要发展能够改进套外表面保护功能的点火线，例如提高耐热性和抗磨损性。同时，也需要发展增强对装饰材料保护功能的点火线，该装饰材料应用于线套的外表面，例如油墨。

发明内容
一方面，本发明提供一种具有涂层的点火线，该涂层化学接枝并结合于绝缘套的外表面。进一步地，该涂层可为透明的，既可为绝缘套层外表面提供洁净的涂层，又可与装饰层结合应用于该表面。该涂层适于向绝缘套提供改善的抗磨损性。该涂层还提供良好的表面抛光，例如点火线外表面上洁净涂层抛光。
第二方面，本发明包括点火线，该点火线包括导电芯、由绝缘衬底包围导电芯组成的绝缘层，包围该绝缘层的绝缘套以及化学接枝并结合于绝缘套至少部份外表面的涂层。该绝缘套还可包括应用于其外表面的装饰层使得该涂层也向该装饰层提供类似向绝缘套提供的保护功能。
第三方面，该涂层、绝缘套和绝缘层优选由硅树脂形成。
第四方面，该涂层向该绝缘套提供增强的抗磨损性，而并未降低绝缘层及绝缘套的电或机械性能特征。


为了更清楚地说明本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述。其中图1是本发明点火线的立体图；以及图2是沿图1所示点火线的2-2方向的剖视图。
具体实施例方式
参照图1-2，一种点火线10包括一个被一层绝缘层14包围的导电芯12以及包括一个具有一个外表面20的套18，该外表面20包括一层装饰层22以及一层通过化学或物理接枝方法接枝并结合于其上的含硅涂层24，由此改善点火线10的耐磨损和耐热性，而不会对下面的绝缘层14、套18或装饰层的机械、热和/或化学性质产生不利影响。所述绝缘层14采用一种被挤压在导电芯12上的绝缘材料。而后将一加固元件，例如玻璃纤维编织物16应用于绝缘层14上以增强机械强度。套18挤压成形于编织层16上，并由一绝缘材料组成，可提高点火线的抗高温能力，同时绝缘材料也可提供其他电绝缘性能。含硅树脂涂层材料被接枝并结合至套18上。
导电芯12可为电导体金属线或线绳，一个柔韧、单一的碳化纤维或纤维绳，具有铁氧体或其他涂层的编织或机织纤维绕线束，或任何一种普遍用于点火线和/或电缆的其他电导线结构。优选地，导电芯12是绕线芳纶纤维(Kevlar)芯，该芯具有由铜-镍合金(重量比为12％镍/88％铜)缠绕的铁氧体涂层。该Kevlar芯具有编织绳或线结构，例如，一个Kevlar线直径约0.35英寸(Kevlar DT140)并有一个铁氧体涂层涂覆于其外表面上。一优选的铁氧体涂层包括铜-锌铁氧体微粒混合物，该微粒的平均粒子尺寸约200-300目(mesh)，在聚合物基中占40％的重量。当使用铜-锌铁氧体时，其他铁氧体也被认为适合使用，因为他们将能响应绕组中的电流产生一个磁域，以增加电线的电感及电磁干扰抑制。聚合物基可包括适用于点火线应用环境的导电或不导电聚合物，包括那些由导电和不导电胶乳材料制成的聚合物。一种合适的导电胶乳的例子是Key Polymer制造的WC 2193。在一种优选结构中，所述铜-镍合金线的线径约为0.0035英寸(规格(gauge)39)且以线圈密度为约147圈/英寸缠绕在涂覆了铁氧体涂层的Kevlar芯周围。而后，缠绕了导电芯12的线被涂敷一种商用导电胶乳材料和本领域普通技术人员习知的隔离剂，例如HB Fuller制造的导电胶乳材料EFTEC WB 2693或Key Polymer制造的WC 2193，以及隔离剂Grafo 1145(由Fuchs Lubricants Co.制造)。导电芯12的直径约为0.058英寸(+/-10％)，阻抗约为170欧姆/英尺(+/-10％)。
绝缘层14挤压成形于导电芯12上并提供一绝缘层以电隔离或机械保护该导电芯12。该挤压成形方法形成的机械结合相对脆弱，使得该绝缘层14易于从导电芯12上剥离。绝缘层14的厚度约为0.061英寸(+/-0.005英寸)，并由用于点火线和/或电缆的柔韧绝缘热固聚合物材料构成，例如各种绝缘弹性体，包括各种硅树脂、EPDM和其他具有适合的机械强度、耐热性、电隔离性以及其他点火线应用中所需特性的绝缘弹性体。优选地，绝缘层14由硅树脂或含硅弹性体基质组成。挤压用于绝缘层14的材料的方法和装置是公知的。在一实施例中，绝缘层14包括Specialty Products and Polymers公司制造的GS67FM硅树脂。
玻璃纤维编织层16用于向点火线10提供机械强度。在一实施例中，该玻璃纤维编织层16由8.5ppi标准方平组织的自然玻璃纤维纱构成。玻璃纤维编织层16可直接编织在绝缘层14的表面，但也可将含绝缘层的线插入预先编织好的护套中。编织图案可为机织图案、简单螺旋图案等等，例如通常用于点火线和/或缆线的图案。
绝缘套层18，挤压成形于玻璃纤维编织层16上，用于进一步提供电绝缘或隔离以及点火线10外表面的耐热性和抗磨损性。套18由用于点火线和/或电缆的柔韧绝缘热固聚合物材料构成，例如各种绝缘弹性体，包括各种硅树脂和其他具有适合的机械强度、耐热性、电隔离性以及其他点火应用中所需特性的绝缘弹性体。优选地，绝缘套层18由硅树脂复合物制成，该复合物作用于通常用于检测车辆及其点火线的整个温度范围，例如能够经受425-600或更高温度范围的高温，也能够在低城-58℃下保持柔韧性及应有的电性能特征。绝缘套层18优选稍厚于绝缘层14，在一具体实施例中具有0.077英寸(+/-0.005英寸)的厚度。在一实施例中，绝缘套18由Specialty Productsand Polymers公司制造的GS67FM硅树脂挤压而成。绝缘套层18也可结合一可用于控制套18的颜色特别是套18外表面20的颜色的染料或其他着色剂。表1举例说明了本发明根据上述设计的包括硅树脂绝缘层和硅树脂绝缘套层的多个点火线的尺寸。
表1

本发明的点火线设计可扩展并应用于任何其他尺寸的点火线。
套18的表面20能使用各种不同材料、末道漆以及技术用各种颜色进行表面抛光，例如通过各种油墨印刷、收缩性薄膜包装贴花(shrink-wrapappliqués)的使用、压花等等，以获得期待的改善点火线外装饰层22外观。可选择装饰层22的颜色或其他物理特征以与绝缘套18的外表面20外观形成对照，或者绝缘套18外表面20的外观。装饰层22可采用多种形式，包括印刷信息，例如制造商名称、产品号、线尺寸、制造商标识或商标、性能特征、说明书或其它重要信息，或者一排装饰设计。例如，含硅树脂套18可包括产生黑蓝色的着色剂，而装饰层22可印刷银色油墨，以在套表面20上形成与之对比的银色字母。
为向点火线10提供改进的抗磨损性和耐热性，并帮助保持和/或加强套表面20和所用的任何装饰层22的美观度或装饰外观，在套表面20上涂覆一涂层24。该涂层24最好为一层相对较薄(即微米厚度)的透明、硅基或含硅涂层材料。在一优选实施例中，涂层24厚度约为5-40微米。涂层24通过如化学接枝方法接枝和结合于具有坚固共价化学健的绝缘套层18的外表面20。涂层24优选为透明涂层，更佳为洁净涂层，以能够给绝缘套层的外表面提供一洁净涂层抛光。然而，普遍认为涂层24也可结合各种已知染色剂、着色剂等等，用于使该涂层24具有半透明、甚至不透明的特征，并提供更多种的色调、阴影和色彩。涂层24可利用任何涂层材料混合物形成，该混合物可有效地使涂层接枝和结合于绝缘套层18的24。接枝优选采用化学接枝方法，但也建议价将各种物理接枝方法作其他应用并可扩展用于本发明。当绝缘套层18包含硅树脂，涂层24优选包含接枝和结合硅树脂。
优选的涂层24可由下列实施例1详细描述的涂层材料混合物形成。
实施例1一种优选的透明涂层24可由涂层材料混合物制成，该涂层材料混合物包括35-45重量份的硅树脂预聚物、少于1重量份的硅烷偶联剂、少于1重量份的催化剂、少于1重量份的接枝引发剂和平衡反应溶剂。
硅树脂预聚物优选适于固化的RTV硅树脂以提供硅树脂聚合物涂层24。偶联剂优选硅烷偶联剂，更优选氨基硅烷(amino-functional silane)偶联剂。该催化剂优选用于通过将硅树脂聚合物涂层24聚合至绝缘套层18外表面促进接枝。接枝引发剂通过接枝使绝缘套层外表面接收具有硅树脂预聚物和所述偶联剂的涂层24。一般认为通过在绝缘套层18外表面20改变绝缘套层18硅树脂材料的化学键，接枝引发剂适于在绝缘套层产生接枝受体部位。
一种优选的涂层材料混合物包括40.00重量份硅树脂预聚物，优选DC1-2620(Dow Corning制造)，为一份RTV甲氧基硅氧烷硅树脂溶液，含有，按重量，＞60％八甲基三硅氧烷，15.0-40.0％二甲基甲苯基甲氧基硅氧烷，3.0-7.0％甲基三甲氧基硅烷以及3.0-7.0％甲苯，描述为用于产生弹性塑料敷形涂料；60.00重量份反应溶剂DCOS-30(Dow Corning制造)，为甲基硅氧烷液体，含有，按重量，＞60％十甲基四硅氧烷；0.25重量份单体硅烷Silquest A-1100(GE Silicones制造)，为作为偶联剂的γ-氨丙基三乙氧基硅烷；0.10重量份甲基乙基酮(MEK)过氧化物(0.01％MEK)增塑剂中的有机催化剂，含有，按重量，大约58.0％的2，2，4三甲基-1，3-戊二醇二异丁酸酯，32-34％甲基乙基酮过氧化物，6.0％三甲基丙二醇，1-2％甲基乙基酮，0.7％过氧化氢和0.7％水；以及0.01重量份高氯酸银(0.01％甲苯)。
各种成分的重量百分比进一步如下表2所示，表2

该用于涂层24的涂层材料混合物通过下述方法，将各成分以优选百分比(重量份)混合而成。
首先，该方法包括形成接枝前驱聚合物的步骤。为形成接枝前驱聚合物，硅烷偶联剂被混入部分硅树脂预聚物。这些成分通过搅拌器完全混合在一起以搅拌均匀。混合后，允许混合物静置足够长时间，以使得硅烷偶联剂形成具有或接枝于硅树脂预聚物的化学键，从而形成接枝前驱聚合物。在此例中，硅树脂预聚物是一份DC1-2620的RTV甲氧基硅氧烷硅树脂溶液，偶联剂是以SilquestA-1100形式的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的单体硅烷，则静置时间约24小时。一般认为硅烷单体接枝至硅树脂预聚物，在聚合物上形成梳状分子结构，其还对接枝前驱聚合物接枝到绝缘套层外表面的后续接枝反应起到接枝引发部位的作用。通过使用部分硅树脂预聚物，意味着优选使用大约等量(体积或重量)预聚物和偶联剂混合形成接枝预聚物。尽管这些量是优选的，少一点预聚物或多一点预聚物都可用于制造接枝预聚物。
第二，在形成接枝预聚物的步骤之后，该方法包括将硅树脂预聚物和反应溶剂的平衡液混合足够长时间以将其彻底混合。在一实施例中，混合时间为约5分钟。这将随混合速度等的改变而变化。
第三，在硅树脂预聚物、硅烷单体和反应溶剂的混合物之后，加入MEK过氧化物形式的接枝聚合催化物，并在搅拌器中通过搅拌不到10分钟将这些成分完全混合在一起。
第四，将已放置如上所述足够长时间的接枝前驱聚合物加入并混合约15分钟。
第五，将甲苯中高氯酸银形式的接枝引发剂加入，并通过搅拌约30分钟与其他成分完全混合在一起。
而后将涂层材料混合物用于浸渍涂布并通过化学接枝或接枝聚合化学地结合于绝缘套层12。当应用浸渍涂布时，也可使用喷射涂布或其他已知涂布方法。通过化学接枝，意味着在涂层24的涂层材料混合物和绝缘套层18的外表面20之间会产生某些交联和共价结合。
特别是，线10的绝缘套层18浸入一定量涂层材料混合物中，然后在烤箱中部份固化，固化温度在650-800之间，固化时长约0.5分钟或更短。接着将点火线10通过水浴冷却至室温。因为完成接枝和/或硅树脂预聚物固化的过程需用约72小时，可将硅氧烷基滑润剂应用于涂层16表面以防止点火线粘在其他表面，直至固化或接枝完成。这样，在硅树脂聚合物涂层24完全固化前，点火线10可得到进一步处理或另作它用。
与形成于芯12和绝缘层14之间以及绝缘层14或加固层16(当使用时)和绝缘套层18之间的机械结合不同，通过接枝形成于绝缘套层18和涂层24之间坚固的化学键大大地提高了绝缘套层18抗磨损性以及点火线10的耐热性，以使得点火线的有效寿命显著提高。因涂层24上固化的涂层材料混合物优选透明的，绝缘套层18的外表面20能够通过装饰层22在接枝前装饰性地加强，而且与使用挤压成形处理加一保护层例如涂层18不同，本发明的接枝方法不改变绝缘套层18外表面20的装饰外观或者导致装饰层22的去除或变形或其他不良效果。使用本发明的绝缘套层18和涂层24上特定固化涂层材料混合物可以获得这些优点，而不反过来影响绝缘套层18、下层绝缘层14或装饰层22的机械、热和/或化学特性。涂层24也可向点火线10表面提供美观优良的抛光。这一美观的外表类似于将洁净的涂层应用于上漆或着色表面外部例如广泛应用于改善汽车、各种船只、娱乐运载工具等外部。涂层24可应用于点火线10整个外表面20、一部分外表面或几部分外表面。优选地，如这里所述，涂层24将用于点火线10整个外表面20以最大化对该表面的保护。优选地涂层24是透明的，以使得下层装饰层22通过涂层24可见。除了是透明的，涂层进一步优选足够洁净或未上色以提供绝缘套层18外表面20上的洁净涂层。然而，可以理解涂层24也可使用各种着色剂、染色剂等等，以对该层着色或遮蔽该层，同样可以改变浓度、颜色，以使得该层为半透明的或进一步基本或完全不透明。这种外观范围可在化学接枝和化学键结合的涂层24中实现。
外装饰层26，类似于上述装饰层22，也可应用于透明涂层24的外表面。当与装饰层22的保护作用相比，认为在这种结构中上述的部分保护作用减小时，可能需使用或更希望涂层26应用于线10和涂层24的外表面。可以将装饰层22和外装饰层26分别应用或者以各种结合方式一起应用。
因此很显然，根据本发明，提供了一种用于火花塞和类似点火装置的点火线及其制造方法，以实现上述目标获得相应优点。进一步地，本发明还描述一种应用于火花塞和类似点火装置的点火线的涂层材料混合物及其制造方法。当然可以理解，前面描述的仅是本发明的优选实施例，并不能将本发明限于所描述的特定实施例。例如，接枝技术可包括辐照或压缩结合方法，以充分将涂层20固化或接枝于套18。这些或其他技术已经得到过说明，例如美国专利第6630644号中已描述，在此可以引用作为参考。与化学接枝方法相比，这些或其他技术通过利用物理方法可大幅度改进涂层的接枝或结合。这种接枝方法也可与本发明结合使用。此外，根据对点火线10的应用要求，本发明也可扩展至除了硅树脂套材料以外的绝缘套材料，例如那些由EPDM或各种氯化聚乙烯弹性体(CPE)制成的材料，也可扩展至这些材料和各种硅树脂的共聚物。
很显然，根据上述说明，可对本发明作多种修改和变化。因此，可以理解，本发明并不局限于以上特定描述，而可涵盖所附权利要求范围内的所有实现方式。
权利要求
1.一种点火线，包括导电芯；包围所述导电芯的绝缘层；包围所述绝缘层的绝缘套层；以及接枝及结合于所述绝缘套层至少部分外表面的涂层。
2.根据权利要求1所述的点火线，进一步包括置于所述绝缘层与所述绝缘套层之间的加固元件。
3.根据权利要求2所述的点火线，其中所述加固元件包含机织玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的点火线，其中所述绝缘层包含一种硅树脂。
5.根据权利要求1所述的点火线，其中所述绝缘套层包含一种硅树脂。
6.根据权利要求1所述的点火线，其中所述涂层包含一种硅树脂。
7.根据权利要求1所述的点火线，其中所述涂层是透明的。
8.根据权利要求6所述的点火线，其中所述涂层的硅树脂通过固化包含硅树脂预聚物、反应溶剂、硅烷单体和催化剂的混合物形成，其中所述催化剂用于催化所述涂层至所述绝缘套层的聚合及接枝。
9.根据权利要求8所述的点火线，其中所述催化剂包含有机过氧化物。
10.根据权利要求9所述的点火线，其中所述有机过氧化物包含甲基乙基酮过氧化物。
11.根据权利要求8所述的点火线，其中用于形成所述涂层的混合物还包含接枝引发剂，该接枝引发剂用于在绝缘套层产生接枝受体部位。
12.根据权利要求11所述的点火线，其中所述接枝引发剂包含金属盐。
13.根据权利要求12所述的点火线，其中所述金属盐包含高氯酸银。
14.根据权利要求8所述的点火线，其中所述硅烷单体包含氨基硅烷。
15.根据权利要求1所述的点火线，进一步包括用于所述绝缘套至少部分外表面的装饰层。
16.一种制造点火线的方法，包括下列步骤形成导电芯；形成绝缘层以包围所述导电芯；形成绝缘套以包围所述绝缘层；以及形成涂层以包围所述绝缘套；其中所述透明涂层化学地结合于所述绝缘套层至少部分外表面。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括下列步骤在形成绝缘套层之前，提供一加固元件以包围所述绝缘层，其中该绝缘套层也包围所述加固元件。
18.根据权利要求16所述的方法，其中形成涂层的步骤包括通过浸渍涂布或喷射涂布法至少之一，使用预聚合溶液，在绝缘套外表面涂覆一涂层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述预聚合溶液包含硅树脂预聚合溶液。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述硅树脂预聚合溶液包含具有硅树脂预聚合物、反应溶剂、硅烷单体和催化剂的溶液，其中催化剂用于催化所述涂层至所述绝缘套层的聚合及接枝。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述催化剂包含有机过氧化物。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述有机过氧化物包含甲基乙基酮过氧化物。
23.根据权利要求20所述的方法，其中用于形成所述涂层的混合物还包含接枝引发剂，该接枝引发剂用于在绝缘套层产生接枝受体部位。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述接枝引发剂包含金属盐。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述金属盐包含高氯酸银。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述硅烷单体包含氨基硅烷。
27.根据权利要求16所述的方法，进一步包括下列步骤在形成所述透明涂层之前，将装饰层涂覆于所述绝缘套层外表面。
全文摘要
本发明提供一种点火线，包括导电芯、包围该导电芯的绝缘层、包围该绝缘层的绝缘套以及接枝和结合于所述绝缘套至少部分外表面的涂层。该涂层和绝缘套优选硅树脂材料制成。涂层用于为绝缘套外表面提供增强的耐热性、抗磨损性以及其他益处。该涂层可为透明的且为点火线外表面提供美观的洁净涂层，或者被染色或着色而在点火线外表面产生各种其他装饰特征。该涂层提供各种增强的保护功能，而不减小绝缘层或绝缘套的电或机械性能。该涂层也适于对可应用于绝缘套外表面的装饰层提供保护。
文档编号H01B7/36GK101031983SQ200580029324
公开日2007年9月5日 申请日期2005年7月5日 优先权日2004年7月2日
发明者布拉德利·T·霍珀 申请人:费德罗-莫格尔公司