超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線材料和導(dǎo)體預(yù)熱工藝分析

張 新，蘇丹丹

超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線材料和導(dǎo)體預(yù)熱工藝分析

張 新，蘇丹丹

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214206）

汽車輕量化已成為主機(jī)廠及其配套行業(yè)的重要課題，超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線是解決汽車輕量化的重要途徑之一。文章考察不同材料對(duì)超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線耐刮磨、耐低溫、阻燃、耐油等性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕緣材料選用XLPE+PP，采用一次共擠工藝生產(chǎn)，制作線材綜合性能最佳，對(duì)不同溫度下的導(dǎo)體進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)導(dǎo)體預(yù)熱溫度為60 ℃時(shí)，線材的附著力、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率性最優(yōu)，制備線材各項(xiàng)性能均符合超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線性能要求，此類線材的成功研制，為以后其他類型的薄壁汽車線提供技術(shù)參考。

超薄壁；汽車線材料；低煙無鹵阻燃；刮磨實(shí)驗(yàn)；導(dǎo)體預(yù)熱；工藝分析

汽車線纜在汽車中發(fā)揮的作用如同人體的神經(jīng)和血脈，用來傳遞動(dòng)力和信號(hào)[1]。目前，由于油價(jià)飛漲，加之環(huán)境污染嚴(yán)重，故而國(guó)家在汽車行業(yè)提出了節(jié)能減排的措施及油耗要求，輕量化已經(jīng)成為各汽車生產(chǎn)廠家的重要課題[2]。

汽車線質(zhì)量約占汽車質(zhì)量的1%～2%，由于高壓線的存在，新能源汽車所占質(zhì)量比例更大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛高級(jí)燃油汽車線質(zhì)量為20～30 kg，每行駛100 km，25 kg的線束消耗能量約為50 W，相當(dāng)于燃燒0.1 kg汽油的能量。研究表明，若汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油消耗可降低8%，車重每減輕100 kg，每100 km油耗可降低0.3～0.6 L，CO2排放量可減少約5 g/km[3]。因此，更小、更輕的導(dǎo)線不僅能降低成本，而且還能降低整車質(zhì)量、節(jié)省使用材料、降低汽車油耗。相對(duì)于此，新能源汽車受空間限制，能給予汽車線的敷設(shè)空間更小，故要求汽車線外徑盡可能小。為了降低汽車質(zhì)量，各零部件質(zhì)量要盡可能降低。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，薄壁型汽車線也得到了飛速發(fā)展[4]。

1 汽車線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品性能要求

1.1 汽車線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

汽車工業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)，自1885年世界上第一輛汽車誕生以來，世界汽車工業(yè)已經(jīng)走過了一個(gè)多世紀(jì)的歷程。目前，傳統(tǒng)汽車工業(yè)主要還是由歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也是由其制定，主要汽車大國(guó)，如美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本和韓國(guó)都非常重視提高汽車電線電纜技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作，均制定了品類齊全的汽車電線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的汽車工程學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE）1127、SAE 1128、SAE 1560；德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)（Deutsches Institut für Normung, DIN）72551、VW60306；日本的JIS C3406、JASO D611、JASO D618；法國(guó)的NF R13414、NF R13415，韓國(guó)的KSC 3311；中國(guó)的QC/T 730等，這些標(biāo)準(zhǔn)均具有較高水準(zhǔn)，代表當(dāng)代汽車電線的發(fā)展水平。

1.2 產(chǎn)品性能要求

目前行業(yè)趨勢(shì)是傳統(tǒng)的厚壁電線向薄壁直至超薄壁發(fā)展，電線的絕緣厚度在不斷減薄，最薄厚度為0.16 mm，這對(duì)電線制造精度提出了很高要求，即0.22 mm2及以下型號(hào)，外徑公差在±0.05 mm以內(nèi)。超薄壁電線的應(yīng)用，緩解了整車布線空間不足，降低了整車質(zhì)量，在汽車節(jié)能、環(huán)保、成本、舒適度等方面都有較大優(yōu)化。研究主要討論日標(biāo)汽車線標(biāo)準(zhǔn)（JASO D611）中型號(hào)為CHFUS的超薄壁低煙無鹵汽車線，截面積為0.22 mm2，導(dǎo)體和絕緣滿足JASO D611標(biāo)準(zhǔn)要求，此款線材可以用于傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車，目前主要應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車。

汽車線耐刮磨和耐低溫性能是一對(duì)矛盾指標(biāo)，刮磨要求線材使用的絕緣材料具備高硬度，才能保證刮磨性能合格；低溫要求所使用的材料要相對(duì)柔軟，保證通過?40 ℃彎曲實(shí)驗(yàn)，另外，超薄壁汽車線需要通過耐油、阻燃和附著力實(shí)驗(yàn)，是此款線材制成的另一個(gè)難點(diǎn)，針對(duì)以上關(guān)鍵指標(biāo)，從選材和工藝方面進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到最優(yōu)材料和工藝組合。

1.2.1耐刮磨試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)要求按照J(rèn)ASO D618中的第6.7.2條規(guī)定進(jìn)行操作，汽車線耐刮磨實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定，試樣沿軸向方向間隔100 mm，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，四個(gè)面要做刮磨實(shí)驗(yàn)，每個(gè)面耐刮磨次數(shù)不少于50次，試樣的單面刮磨次數(shù)未達(dá)到規(guī)定的次數(shù)，出現(xiàn)導(dǎo)通報(bào)警、絕緣被磨穿，則判定不合格。

1—負(fù)荷；2—刮針移動(dòng)距離；3—針座；4—試樣；5—夾具；6—試樣臺(tái)。

1.2.2低溫卷繞試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)要求按照J(rèn)ASO D618標(biāo)準(zhǔn)中第6.6.1條規(guī)定進(jìn)行操作，設(shè)備示意如圖2所示。

1—芯軸；2—試樣；3—重物。

1）試樣制備：取2條600 mm長(zhǎng)試樣，兩端各剝?nèi)?5 mm絕緣，使用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，將樣品固定到芯軸上，并在兩邊加載重物，此款線材掛重物為0.5 kg，樣品與芯軸垂直，放置在-40 ℃冷凍箱中4 h。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定：若有導(dǎo)體露出，判斷為不合格；若無導(dǎo)體露出，則進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓為 3 kV，其中升壓速度為500 V/s，耐壓不擊穿，則判定合格。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇

與傳統(tǒng)線材相比，CHFUS主要在耐低溫、耐刮磨、耐油和超薄壁等方面有著苛刻要求，導(dǎo)體采用壓縮導(dǎo)體，壓縮導(dǎo)體減小了導(dǎo)體外徑，從而確保絕緣的最薄點(diǎn)合格；線材可以通過JASO D611標(biāo)準(zhǔn)耐刮、耐低溫、耐油、耐熱、耐延燃等實(shí)驗(yàn)，保證線材的安全、可靠。

2.1 導(dǎo)體設(shè)計(jì)和工藝

采導(dǎo)體采用7/(0.2±0.004) mm高導(dǎo)電率的無氧銅，7根導(dǎo)體采用1+6的正規(guī)絞合，保證導(dǎo)體圓整，同時(shí)在絞合時(shí)使用特殊的分線方式，選用合適的絞合模具，使導(dǎo)體具有緊壓效果，按照理論計(jì)算，結(jié)構(gòu)為7/(0.2±0.004) mm的導(dǎo)體，絞合外徑約為0.6 mm。經(jīng)過緊壓后，為了保證絕緣的標(biāo)稱厚度和最薄點(diǎn)達(dá)到或者超過標(biāo)準(zhǔn)要求，絞合導(dǎo)體實(shí)際標(biāo)稱外徑為0.55 mm，且滿足20 ℃導(dǎo)體直流電阻不大于54.4 Ω/km、導(dǎo)體的節(jié)徑比為10～15，圓整度≥97％。

2.2 絕緣材料選擇和擠出工藝

此款線材標(biāo)準(zhǔn)要求為無鹵材料，要滿足耐刮磨、耐低溫、阻燃、耐油要求，這些指標(biāo)相互制約，需要找到其平衡點(diǎn)，需通過多次實(shí)驗(yàn)找出最佳的材料組合方式。

2.2.1材料選擇

CHFUS線材生產(chǎn)難點(diǎn)是平衡刮磨和低溫性能之間的關(guān)系，同時(shí)也兼顧燃燒和耐油性能。聚丙烯（Polypropylene, PP）具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能、耐磨性能和耐化學(xué)試劑性能[5-6]，將其作為驗(yàn)證材料（其為非極性材料，一般無鹵阻燃劑都為極性材料），大量添加后，會(huì)影響其機(jī)械性能，因此，保證其他性能合格的前提下，無鹵阻燃劑不能大量添加，從不同材料的性能測(cè)試結(jié)果（表1）可以看出其他性能滿足條件下，阻燃性能（標(biāo)準(zhǔn)要求70 s內(nèi)自動(dòng)熄滅）達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 不同材料的性能測(cè)試結(jié)果

材料PPXLPEXLPE(內(nèi))+PP(外)TPEE 刮磨次數(shù)/次65456035 低溫性能未擊穿擊穿未擊穿未擊穿 燃燒性能/s75141820 耐油性能通過通過通過通過

注：熱塑性聚酯彈性體（Thermoplastic Polyester Elastomer, TPEE）。

XLPE汽車線專用阻燃料，其基體材料主要為高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE）/乙烯-醋酸乙酯（Ethylene Vinyl Acetate, EVA）作為HDPE的改性材料，能夠保證HDPE和無鹵阻燃劑有較好得相容性；EVA是一種常見的聚烯烴材料，它是由乙烯-醋酸乙烯共聚而成，其具有結(jié)晶度低，抗沖擊性、填料相溶性和熱密封性高等特點(diǎn)。隨著醋酸乙烯（Vinyl Acetate, VA）含量的增加，EVA在寒冷狀態(tài)下的韌性、耐沖擊性、柔軟性、環(huán)境應(yīng)力開裂性以及填料的相容性、輻照交聯(lián)性、耐油和反復(fù)彎曲性能均有提高[7]。研究主要選用VA/熔融指數(shù)（Melt Index, MI）為28/2～3作為改性劑，從表1可以看出，添加EVA材料后，阻燃效果最好，但是由于基料的硬度不夠，耐磨性能沒有到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)要求刮磨次數(shù)≥50次）。

綜合PP和XLPE的優(yōu)點(diǎn)，將PP和XLPE同時(shí)擠出，其中PP從間色機(jī)中擠出，擠出工藝參照絕緣全包色的擠出原理；PP料通過間色環(huán)，將薄薄一層PP塑料包覆在XLPE外層，外層的PP料具有較好的硬度，保證耐刮磨性能合格，XLPE具有良好的阻燃性能，保證燃燒性能合格。表1數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了理論設(shè)想的合理性，即TPEE由于材料硬度不夠，耐磨性能最差。

2.2.2預(yù)熱工藝

成品線材直徑為（1.0±0.05）mm，要保證線材通過耐刮磨測(cè)試，擠出時(shí)必須對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)以下進(jìn)行精確控制：

1）JASO D618標(biāo)準(zhǔn)第6.5條規(guī)定，導(dǎo)體和絕緣的附著力要大于或者等于5 N，對(duì)導(dǎo)體不同預(yù)熱溫度附著力進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如表2所示。導(dǎo)體的預(yù)熱溫度為60 ℃時(shí)，線材的附著力、強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率性等綜合性能最佳（80 ℃時(shí)，絕緣無法從導(dǎo)體上剝下，導(dǎo)體被拉斷，無測(cè)試數(shù)據(jù)）；

表2 不同導(dǎo)體預(yù)熱問題線材性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)項(xiàng)目 溫度/℃ 20406080 附著力/N3.04.56.5－ 拉升強(qiáng)度/MPa11.711.511.0－ 斷裂伸長(zhǎng)率/%155172185－

2）保證線材的同心度，只有線材具有較高同心度才能保證每個(gè)面都能通過耐刮磨測(cè)試，模芯孔徑選擇比導(dǎo)體外徑大0.05 mm，模套尺寸為成品線材的標(biāo)稱直徑尺寸即1.0 mm，使用免調(diào)機(jī)頭，最大限度地保證線材不偏心；

3）采用主動(dòng)放線裝置，保證生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)體不被拉細(xì)，同時(shí)放線端使用儲(chǔ)線裝置，張力大小適中，從而保證生產(chǎn)時(shí)線材不會(huì)抖動(dòng)及張力穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

從汽車導(dǎo)線輕量化發(fā)展趨勢(shì)入手，闡述了國(guó)內(nèi)汽車線設(shè)計(jì)開發(fā)參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)研究了日標(biāo)超薄壁無鹵汽車線的材料挑選和導(dǎo)體預(yù)熱工藝，絕緣材料選用XLPE+PP共擠得擠出方式，保證耐刮磨、低溫、阻燃和耐油性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

導(dǎo)體用7/0.2 mm規(guī)格，采用特殊的壓縮工藝，導(dǎo)體外徑為0.55 mm，在生產(chǎn)過程中對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行預(yù)熱，絕緣和導(dǎo)體附著力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過以上的工藝及選材成功研制出了超薄壁無鹵低煙阻燃汽車線，CHFUS線材成功試制，對(duì)于超薄壁汽車線及汽車輕量化課題的深入研究具有重大意義。

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Analysis of Ultra-thin-walled Low-smoke Halogen-free Flame Retardant Automotive Wire and Conductor Preheating Process

ZHANG Xin, SU Dandan

( Wuxi Vocational Institute of Arts & Technology, Yixing 214206, China )

Lightweight of automobile has become an important topic in the original equipment manufactures and its supporting industries. Ultra-thin-walled low-smoke halogen-free flame retardant automobile wire is one of the important ways to solve the lightweight of automobile.In this paper, the effects of different materials on the scratch resistance, low temperature resistance, flame retardant and oil resistance of ultra-thin-walled low-smoke halogen-free flame retardant automobile wire are investigated. The experimental results show that when the insulation material is XLPE+PP combination and the single co-extrusion process is used, the comprehensive performance of the wire is the best.Through the preheating of conductor at different temperatures, when the preheating temperature of the conductor is 60 °C, the adhesion, strength and elongation of the wire is the best. The performance of the wire meets the requirements of ultra-thin-walled low-smoke halogen-free flame retardant automobile wire. The successful development of this kind of wire would provide technical reference for other types of thin-walled automobile wire in the future.

Ultra-thin-walled; Automotive wire; Low-smoke halogen-free flame retardant; Scratch test; Preheating of conductor; Process analysis

U466

A

1671-7988(2023)10-172-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.035

張新（1979—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫€纜材料和線纜設(shè)計(jì)，E-mail:zhangxin1862@163.com。