双壁热缩管在汽车铝线防腐中的应用

来源：线束世界•作者：线束世界•2024-05-24 09:17

热缩管用于电子和航空等领域中电线的绝缘和机械保护。在这些管材中，双壁热缩管被用于汽车线束在电线接头处的防水处理。近年来，为了提高燃油效率、减轻车辆重量以减少二氧化碳排放，铝线作为传统铜线的替代品受到了关注。我们已经开发了一种新型双壁热缩管，用于铝线端子的防腐蚀保护。

01 介绍

热缩管在加热时会径向收缩，广泛应用于电子、汽车、航空等各个工业领域，用于电线接头的绝缘保护、管道的防腐蚀等多种用途。自1964年以来，住友电工株式会社一直在生产和销售以SUMITUBE为商标的热缩管。在20世纪80年代，该公司开发了由热熔胶内层和热缩外层组成的双层热缩管，并开始生产供应这种管材。当管材加热收缩时，热熔胶层会熔化并贴合被覆物体的不平整表面，从而展现出高绝缘保护和防水性能。由于这些显著特性，双层管现在被用于汽车、电子产品、航空和其他各种工业产品中。

特别是在汽车领域，近年来为了应对二氧化碳排放规定，提高燃油效率和减轻车辆重量的需求日益增长。作为减轻车辆重量的手段，电线的铜导体已被广泛替换为铝导体。与此相关的一个问题是如何保护连接到铝导体的铜端子，防止在铝/铜接头处发生异种金属腐蚀。本文报告了新型双层管的开发，该管可用于需要保护端子免受腐蚀的铝电线。

02 开发的背景和目标

直到现在，我们已经生产并供应了主要用于防水PVC*2涂层和聚乙烯涂层电线的单对单、单对多和多对多配置的接线接头的热熔胶管。同时，随着铝电线在汽车中的广泛使用，各种尺寸的铝线和各种形状的连接器正在被设计出来。与大尺寸、高电流铝线相关的问题，例如用作电池电缆的铝线，主要是它们的防腐处理困难，因为涂覆在连接点上的粘合剂需要时间固化。

图1. 用热缩管覆盖带端子的铝电线的示意图

除了(1) 防止由于铝导体和铜端子之间的异种金属腐蚀导致的铝溶出外，当用热缩管覆盖大尺寸铝线时，还应注意以下两点（图1）：

(2) 防止热熔胶从管子中流出，进入使用环境中的螺栓紧固孔，以及 (3) 选择最适合电线尺寸和端子形状的管子，以防止在使用中由于电线边缘和/或端子边缘的应力集中导致管子破裂。

由于热缩管需在大规模生产基础上自动收缩以提高工效并消除保护性能的波动，因此有必要通过使用收缩机（见表1）来确保连续的加工性和重复性。

表1：新研制油管与常规油管的区别

为了满足客户在-40至120°C温度环境下使用铝线的需求，热缩管的外层需要由一种材料制成，该材料能在使用环境中保持其形状，并且在电线在收缩过程中不会退化的温度下收缩。此外，粘合剂需要保持对电线和端子的粘附力，并且在120°C下不会流出管外。表2展示了材料选择的开发目标，表3显示了热缩管的目标性能。

表2：材料选择的发展目标

表3：新管道的目标特性列表

管道的腐蚀保护性能可以通过检查是否存在水溶液从外部进入铝导体和铜端子之间的连接处的途径来评估，该连接处被管道覆盖。在耐久性测试之后，对管子进行了气密性测试，通过检查其防水性能来评估其腐蚀保护性能。

03 油管外层

热缩管的制造方法和收缩原理

热缩管的生产涉及三个过程：挤出、电子束辐照和扩张。在挤出过程中，树脂被形成为管状，然后在电子束辐照过程中进行交联。在扩张过程中，交联后的管子被加热软化，通过施加内部压力径向扩张，然后冷却成型为热缩管的形状（见图2）。对于内壁带有热熔胶的双层热缩管，在挤出过程中会挤出一个内侧添加了胶粘层的两层管。

图2：热缩管的制造方法

图3展示了管材如何发展出热缩性的原理。当由结晶区和非晶区组成的结晶树脂被电子束辐照时，非晶区形成了分子相互连接的交联点。结果，树脂变成了交联树脂。

图3所示：热收缩发生原理

通过加热，交联树脂得到扩张，并通过冷却固定形状，以产生扩张的交联树脂。当扩张的交联树脂被加热到等于或高于结晶区的熔点时，晶体就会熔化并软化。在这个过程中，由于交联点的存在（形状记忆效应），树脂会发生热收缩，直到其形状恢复到扩张前的状态。

材料开发

在考虑到对亲水性电池液的抵抗性、对刹车油的抵抗性、通过电子束辐照进行交联的可能性以及生产成本后，我们将可用于新型热缩管的材料缩小到聚乙烯树脂。如图4所示，市面上有不同熔点的聚乙烯树脂可供选择。随着密度和晶体数量的增加，它们提高了熔点、弹性系数、撕裂强度以及其他机械性能。使用温度的上限是120°C。

图4所示：不同类型聚乙烯的弹性模量对熔点的依赖性

由于热缩管应在此温度范围内可靠地保护电线，因此当考虑到一定的余量时，外层材料的熔点需要达到125°C或更高。尽管高密度聚乙烯（HDPE）预计会表现出高强度（穿刺、撕裂等），但其熔点高达约130°C。这个高熔点可能会阻止由这种树脂制成的管材在加热到所需的135°C并保持一分钟时收缩到指定的直径。

为了开发出一种在加热到135°C时能够收缩到指定直径的材料，我们通过将HDPE与各种聚乙烯材料进行聚合物共混来优化材料的熔点（见图5）。

图5所示：热收缩比的温度依赖性

新开发材料在125°C下的撕裂强度也得到了确认，该温度高于使用温度，其强度为7.6 N/mm。这一强度是传统使用材料的两倍或更多。

04 内层热熔胶

聚合物合金

作为内层使用的热熔胶需要具有足够的粘合强度，以便能够粘附于铝电线、导体、端子和外层管材。聚酰胺树脂作为一种热熔胶，因其对PVC包覆电线的良好粘附性而得到广泛应用，并且设计自由度高。然而，这种树脂并不粘附于聚乙烯。为了在这两种树脂之间开发粘合性，我们采用了聚合物合金技术。我们测试了一种聚合物合金，其中纳米至微米尺寸的烯烃橡胶分散在聚酰胺树脂中（见图6）。测试结果证实，添加少量烯烃橡胶对于提高对聚乙烯的高粘合性是有效的，同时保持了对PVC和金属的高粘合性。

图6所示：聚合物合金与简单添加烯烃橡胶的聚酰胺树脂之间的粘附性差异

流动性优化

为了确定热熔胶的目标粘度，我们使用选定的外层材料和具有不同粘度的聚酰胺树脂制作了双层热缩管的原型。我们在-40°C到120°C的使用温度范围内进行了热循环测试，以检查粘合剂的流动性。结果显示，在120°C下，粘合剂的熔体粘度为5,000 Pa·s或更高，并且在此温度下没有流动化。最终，我们决定开发一种新的双层热缩管，使用内层材料的粘度曲线如图7所示。

图7所示：新型双壁热缩管用热熔胶粘度的温度依赖性

05 原型双壁管的评估结果

我们使用新开发的外层材料和内层热熔胶制作了双层管（收缩前：内径=17.8毫米；内层壁厚+外层壁厚=0.8毫米；收缩后：内径=4.5毫米，内层壁厚=1.4毫米，外层壁厚=1.0毫米）。原型管的物理性能和其他性能达到了目标值（表4）。

表4：新研制双壁油管评价结果

图8显示了管子在经历1,000个热循环后的状冠。在端子或电线的边缘处没有观察到管子的撕裂，或者粘合剂向螺栓紧固孔流动。因此，发现原型管保持了与上述热循环暴露前相同水平的防水性能。同时确认，通过优化调整我们的带式输送机型收缩机的收缩条件，新开发的双层管可以连续地热缩装配到带端子的电线上（照片1）。

图8所示：热循环试验后的油管

照片1所示：皮带输送机式收缩机

06 用于其他电线

新开发的双壁热缩管包括内粘接层，不仅可用于铝线的防腐，也可用于pvc包覆线和聚乙烯包覆线的防水。此外，在某些情况下，热缩管可用于装有复杂形状端子的两根或多根电线。为了用含有内粘接层的热收缩管保护这些电线免受腐蚀和水的侵害，在收缩管和使用收缩线时，必须将管粘在导体周围的构件上，不能有缝隙。如果仅用粘接层难以填补油管的空隙，则可以通过在油管收缩时在导体或电线中额外插入补充粘接管来补偿油管的防水性能不足(图2)。