专利名称：具有防电晕效果的ptfe材料的制作方法
具有防电晕效果的PTFE材料本发明涉及聚四氟乙烯(PTFE)基材料及其应用，比如用于制造电缆。近来航空工业的发展使得机载电子设备的数量显著增加。此外，大型运输机的出现和降低飞行对环境的影响的期望促使航空制造商们寻求最小化飞机重量的途径。对航空设备上使用的电缆而言，这种趋势就表现为制造能够在尽量不改变重量或尺寸的情况下输送越来越高的电压的电缆。在这种条件下，由于电子雪崩的原因，电压增大的结果是在电缆中产生由空气电离引起的局部放电现象。这种现象中，在强电场下的电子获得的能量足以引起中性分子(例如构成空气的气体分子)电离并因此产生新的自由电子，这些新的自由电子又会使其它中性分子电离。当电压足够大时，就产生了电弧。这种现象也被称作电晕效应，其受到各种因素的影响，比如其中发生放电的材料的性质和温度以及环境气压。实际上，当气压降低时，产生放电的电压也会降低。然而，飞机的平均飞行高度一般为10000米，那里的气压约为200到300hPa。所以，这些飞行条件有助于产生电晕效应。当包括包裹有绝缘材料的导电芯线的电缆中出现局部放电时，该绝缘材料会承受不同的应力:-热应力，由产生局部放电的区域中的局部温度升高所引起；-化学应力，由局部放电过程中产生的臭氧和硝酸所引起；-机械应力，由该材料的表面腐蚀以及该材料中的孔隙增大所引起。这些应力均会导致该材料退化，从单纯的老化直至产生裂缝。专利申请US 2004/0031620介绍了一种电缆，其中围绕导电芯线的绝缘材料是添加了金属氧化物二氧化钛的聚酰胺酰亚胺基或聚酯酰亚胺基的基质。这种材料可以防止电晕效应。然而，某些应用需要采用同时具备电绝缘特性和良好耐热能力的材料，比如PTFE。不过，目前为止尚未实现在挤制PTFE中添加其含量能够获得防电晕效果的金属氧化物(也被称作载子)，比如二氧化钛。实际上，这种添加会引起两个主要问题:-PTFE中存在载子会使得PTFE疏松多孔，从而导致获得低密度的PTFE材料。然而，为了不鼓励电晕效应，就必须限制存在于材料中的空气的量，因此必须限制存在于其中的孔隙的数量。-PTFE中存在载子还会给材料挤制过程带来问题，比如更大的挤制压力或辊轧时的破碎风险。可以向配方中加入润滑剂来解决这些现象。但是，在干燥阶段，在掺加了润滑剂的材料内润滑剂也容易产生孔隙，从而产生低密度的材料。本发明人的工作使其开发出了一种基于聚四氟乙烯和金属氧化物的新型材料，其不但具有防电晕的效果，还克服了上述问题。所以，本发明涉及一种常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，制备该材料的混合料包含:-PTFE ；-金属氧化物，其重量比为5%到15%，优选为5%到12%，更优选为5%到10%；
-润滑剂，其重量比为15%到30%，优选为20%到27%；-润湿剂，其重量比为0.1%到1%，优选为0.3%到0.7% ；重量百分比是相对于PTFE的总重量而言的。在此，“PTFE”指改性或非改性的PTFE。改性是指其支链是通过氧原子连接到PTFE的碳链的这样的支链PTFE。“常用密度”指密度大于1.45的PTFE基材料。“金属氧化物”主要指碱土金属氧化物、过渡金属氧化物和贱金属氧化物。有利地，金属氧化物选自二氧化钛、氧化铝、氧化锌、氧化铜、氧化镁和氧化银。在挤制后，按上述制备的PTFE材料具备以下成分:-PTFE ；-金属氧化物，其重量比为5%到15%，优选为5%到12%，更优选为5%到10%；-痕量润滑剂和/或润湿剂；重量百分比是相对于PTFE的总重量而言的。优选地，润滑剂是烃基液体，比如异构烃，尤其是Isopar ，而润湿剂则是脂肪醇，有利地是十二醇(dod6Can-l-ol)。润湿剂能使PTFE与载子混合得更好，从而有助于获得均匀的混合料。Isopar (埃克森美孚化工公司)是一种高纯度合成异构烃的混合物。因此，根据本发明的材料可以使局部放电过程中产生的电子(防电晕效果)消散。选取适当比例的金属氧化物和润滑剂，以及使用润湿剂，可以获得最终的高密度PTFE材料。并且，该材料可以挤制。有利地，对金属氧化物粒子的粒度和比表面积进行控制。宜采用的粒度介于IOnm到Iym之间，优选地介于150nm到500nm之间。同样,应选取的金属氧化物粒子的比表面积介于3m2/g到200m2/g之间,优选地介于5m2/g到50m2/g之间。根据本发明的一种实施方式，该材料还包含重量比为0%到3%的颜料。应用于电缆领域时，根据本发明的材料呈带状，在挤制和剪切后通常长数千米，宽3mm到400mm。在商业化时,该带状材料的宽度有利地为5mm到30mm。本发明还涉及上述PTFE材料的制造方法，该方法包括以下步骤:-混合PTFE、金属氧化物、润滑剂、润湿剂，还可加入颜料；以及-对从混合步骤获得的产物进行挤制。优选地，所述混合步骤分两步实施。这时该方法包括以下步骤:-制备第一混合料，其包含金属氧化物和PTFE粉末；-制备第二混合料，其包含润滑剂、润湿剂，还可加入颜料；-将第二混合料喷撒在第一混合料上；-拌和均匀，然后对所获产物进行筛分；以及-对所获产物进行挤制。该方法可以获得更加均质的产品，因为其显著限制了团粒。不然，在后续的辊轧步骤中，考虑到希望获得的最终带状材料的薄度(约为50 μ m到200 μ m厚)，材料中是否存在团粒于是成为了很关键的因素。如上文所述，该方法在挤制后通常还包括两个补充步骤:
-辊轧；以及-干燥。辊轧时的压力大于150巴，而干燥时的温度介于130° C到230° C之间。当该带状材料被用作原料时，其可以以生料形式供货，当已被制作成为成品中的样式时，可以以熟料形式供货。烘熟步骤是在温度低于450° C、优选地低于400° C的炉子中进行的。最后，本发明还涉及根据本发明的材料的不同用途。按照第一用途，根据本发明的材料是电气绝缘材料，尤其适宜于制造电缆。特别地，该材料的特性使其成为了适宜于航空领域应用的优质材料。因此，本发明的目的在于一种电缆，所述电缆包括缠绕在导体芯线周围的用根据本发明的材料制成的带状材料。所谓“导体芯线”，是指能够导电的线，比如直径为数毫米的铜线或氧化铝线，该线还可经过银处理以改善其导电性。同一电缆可包含一根或多跟导体芯线。在缠绕一条或多条根据本发明的带状材料之前，可以先给导体芯线包覆聚酰亚胺薄膜，比如Kapton (杜邦公司)类型的聚酰亚胺薄 膜。有利地，该电缆可以通过包括以下步骤的方法来制造:-将上述带状材料缠绕在导体芯线周围；以及-在低于450°C、优选地低于400° C的温度下烘熟电缆。按照第二用途，根据本发明的材料被用作电气绝缘材料，尤其是航空领域中的电气绝缘材料。实际上，除了防电晕效果外，根据本发明的材料有利地还具备耐热特性。阅读下文示例，将更好地理解本发明，该示例仅作示例用途。例1:两种PTFE材料配方的比较配方:
权利要求
1.一种常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，制备该材料的混合料包含:-PTFE ； -重量比为5%到15%的金属氧化物； -重量比为15%到30%的润滑剂； -重量比为0.1%到1%的润湿剂，这些重量百分比是相对于PTFE的总重量而言的。
2.一种常用密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料，包含:-PTFE ； -重量比为5%到15%的金属氧化物； -痕量润滑剂和/或润湿剂，这些重量百分比是相对于PTFE的总重量而言的。
3.根据权利要求1或2所述的材料，其中，所述润滑剂为烃基液体，比如异构烃。
4.根据权利要求1至3之一所述的材料，其中，所述润湿剂为脂肪醇，比如十二醇。
5.根据权利要求1至4之一所述的材料，其中，所述金属氧化物选自二氧化钛、氧化铝、氧化锌、氧化铜、氧化镁和氧化银。
6.根据权利要求1至5之一所述的材料，还包含重量比为0%到3%的颜料。
7.根据权利要求1至6之一所述的材料，为带状材料。
8.—种制造根据权利要求1至7之一所述的材料的方法，该方法包括下列步骤: -混合所述PTFE、所述金属氧化物、所述润滑剂、所述润湿剂，还可加入所述颜料；以及 -对所获产物进行挤制。
9.一种电缆，其包括缠绕在导体芯线周围的根据权利要求7所述的带状材料。
10.一种制造根据权利要求9所述的电缆的方法，该方法通过将所述带状材料缠绕在导体芯线周围并在最高为450° C的温度下烘熟来制造所述电缆。
11.一种将根据权利要求1至7之一所述的材料用作电气绝缘材料的用途。
全文摘要
本发明涉及一种高密度的聚四氟乙烯(PTFE)基材料及其应用，比如用于制造电缆。根据本发明的PTFE基材料包含PTFE、金属氧化物、润滑剂和润湿剂。
文档编号H01B9/00GK103081030SQ201180033266
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年7月2日
发明者大卫·卡德, 以马内利·加霍德 申请人:三品高性能塑料制品控股公司