CN102170717B - 一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆及其制造方法 - Google Patents
一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆及其制造方法，包括两根导电电极(1)、PTC材料层(3)、绝缘层(4)、金属屏蔽层(5)和护套层(6)，两根导电电极(1)相互平行，设在PTC材料层(3)中，在PTC材料层(3)的外部依次设有绝缘层(4)、金属屏蔽层(5)和护套层(6)，其特征在于：在每根导电电极(1)上设有中间电阻层(2)，中间电阻层(2)位于PTC材料层(3)中。该半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，结构新颖、生产简单，电缆的启动电流小，控温性能稳定，可广泛应用于石油、化工、轻工、农副产品加工等部门的伴热保温等工程上。
Description
技术领域
本发明涉及一种发热电缆，属于电热器件技术领域，具体地说是一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆及其制造方法。
背景技术
自控温伴热电缆是美国RAYCHEM公司80年代开发成功的智能型保温伴热产品，其应用越来越广泛。普通自控温伴热电缆的主元件是PTC芯带，由两根平行的导电电极，外敷一层基体，是一种具有正温度系数(简称PTC)特性的高分子半导体材料，芯带外层依次为阻燃绝缘层、屏蔽层和护套层。当伴热电缆接通电源时，电流便由一根电极经过跨接于两电极之间的PTC材料垂直到达另一电极，形成回路，电能转化为热能，使PTC发热材料升温。PTC芯带的安全性和稳定性决定了自控温伴热电缆的质量，而安全性和稳定性主要是由PTC材料性能和材料与电极二者的接触电阻决定。当PTC材料的性能达到一定质量要求，而其它工艺不能提高时，PTC芯带的性能主要由接触电阻决定。由于一般PTC材料与电极二者材料的热膨胀系数不同，且电极表面与发热体呈物理电接触，二者的附着力小，当通电后，瞬间启动电流较大，由于有温度梯度，电极与发热体不能协同作用而易脱离形成间隙，引起接触电阻的增大及其波动，并会引发界面火花，破坏PTC材料的组成，并使接触电阻增大；在下一次通电加热、冷却过程中进一步增加接触电阻，如此循环，造成电缆电阻值不断增加，PTC效应和电-热转换功能逐渐衰退，产品质量和稳定性下降，且随微火花的扩大有着火的可能性。因此启动电流低、接触电阻稳定是自控温伴热电缆安全性和稳定性的重要前提。
目前市场上提高自控温伴热电缆质量的主要方法和工艺是提高PTC材料的性能，如中国专利申请《一种高分子自控温伴热带》申请号CN200910210502.6是通过改变配方降低启动电流；中国石油化工总公司申请的《自控温加热电缆用树脂组合物》，专利号为CN97119459.9，是通过加入粘接性材料改善材料与电极的粘接性。也有通过对导电电极进行结构改造以提高产品质量，如住友电气工业株式会社的专利申请JP昭63-32886和日立电线株式会社的专利申请JP昭58-106787，是在电极和PTC材料之间设置一层低电阻材料来改善体系的电阻稳定性；松下电器产业株式会社的专利特开平6-13165(或JP6013165A)采用导电弹性体电极来改善PTC材料与电极的粘接性从而提高电阻稳定性；松下电器产业株式会社申请的中国专利《PTC热敏电阻用电极及其制造方法以及PTC热敏电阻》，专利号CN99123909.1，是在电极上通过烧结导电性粉末形成一层具有导电性的烧结层，表面具有凹凸形状，进而提高PTC材料和电极的粘接力，降低了接触电阻值，并可提高接触电阻的稳定性；美国RAYCHEM公司的《含导电聚合物电动装置》专利JP2788968则是通过电极沉积处理使电极表面具有凹凸形状进而提高接触电阻的稳定性。
上述方法虽然各有优点，但不能同时大幅降低启动电流和提高接触电阻的稳定性，或者存在工艺复杂、成本高的问题，其应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种启动电流小、接触电阻稳定的新型结构的半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆。
本发明的另一个目的在于提供一种工艺简单、容易制造、能降低生产成本的半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的制造方法。
本发明所采用的技术方案是：该半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，包括两根导电电极、PTC材料层、绝缘层、金属屏蔽层和护套层，两根导电电极相互平行，设在PTC材料层中，在PTC材料层的外部依次设有绝缘层、金属屏蔽层和护套层，其特征在于：在每根导电电极上设有中间电阻层，中间电阻层位于PTC材料层中。
本发明还通过如下措施实施：所述的导电电极为多股绞合的镀锡或镀镍的铜线导电电极，一般由3-37芯绞合而成。
所述的PTC材料层，为发热体，由普通PTC、阻燃PTC或含氟PTC材料制成。
所述的中间电阻层由以热塑性塑料、热塑性弹性体或氟塑料为基体经改性制成的可交联的半导电高分子材料制成，所述半导电高分子材料的体积电阻率为102～106Ω·cm，应远高于PTC材料，形成的电阻层电阻应大于或相当于PTC材料层的电阻，半导电高分子材料的PTC强度小于1.0，半导电高分子材料的200℃的氧化诱导期(OIT)大于100min。
所述的绝缘层和护套层由PE、Teflon FEP或PVDF材料制成。
所述的金属屏蔽层为铝镁合金丝、镀锡铜丝、镀锡铜包铝合金丝或其它金属丝编织网结构，覆盖密度大于80％。
上述半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：(1)、在两根导电电极外层由一台挤出机挤出包覆一层半导电高分子材料作为中间电阻层，同时由另一台挤出机在中间电阻层外挤出敷设PTC材料层，形成PTC芯带；(2)、将制成的PTC芯带经热处理和辐照交联后，在PTC芯带外层挤出包覆绝缘层，然后再经过高速编织机编织一层金属屏蔽层，最后挤出包覆上护套层，最终制成半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆。
由于半导电高分子材料与PTC材料是在熔融状态下共挤出，粘接力非常大，接触电阻稳定，中间电阻层在室温下的电阻大于或相当于PTC材料层的电阻，且中间电阻层电阻与PTC材料层电阻形成串联结构，因此总电阻比普通PTC芯带的电阻高许多，电缆启动电流减少；随着温度的提高，中间电阻层电阻变化较小，而PTC材料层电阻增大，因而PTC材料层的两端电压不断增大，中间电阻层两端电压不断减小，温度继续提高，在动作温度附近，PTC材料层的体积电阻率是中间电阻层的几倍以上，其电阻远大于中间电阻层电阻，PTC材料层的两端电压达到最大值，接近电源电压，体系电压、总电阻、发热温度达到平衡，电缆的自控温性能基本不受影响。
本发明的有益效果在于：结构新颖、生产简单，电缆的启动电流小，控温性能稳定，可广泛应用于石油、化工、轻工、农副产品加工等部门的伴热保温等工程上。
附图说明
图1为本发明的结构断面剖面示意图；
图中：1、导电电极；2、中间电阻层；3、PTC材料层；4、绝缘层；5、金属屏蔽层；6、护套层。
具体实施方式
实施例1
参照附图1制作本发明。一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，包括两根导电电极1、PTC材料层3、绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，两根导电电极1相互平行，设在PTC材料层3中，在PTC材料层3的外部依次设有绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，其特征在于：在每根导电电极1上设有中间电阻层2，中间电阻层2位于PTC材料层3中。
所述的导电电极1为多股绞合的镀锡铜线导电电极，一般由3-37芯绞合而成。
所述的PTC材料层3，为发热体，由普通PTC材料制成。
所述的中间电阻层2由以热塑性塑料为基体经改性制成的可交联的半导电高分子材料制成，所述半导电高分子材料的体积电阻率为4×103Ω·cm，半导电高分子材料的PTC强度为0.85，半导电高分子材料的200℃的氧化诱导期(OIT)为140min。
所述的绝缘层4和护套层6由PE材料制成。
所述的金属屏蔽层5为铝镁合金丝编织网结构，覆盖密度为81％。
上述半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：(1)、在两根导电电极1外层由一台挤出机挤出包覆一层半导电高分子材料作为中间电阻层2，同时由另一台挤出机在中间电阻层2外挤出敷设PTC材料层3，形成PTC芯带；(2)、将制成的PTC芯带经热处理和辐照交联后，在PTC芯带外层挤出包覆绝缘层4，然后再经过高速编织机编织一层金属屏蔽层5，最后挤出包覆上护套层6，最终制成半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆。
实施例2
一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，包括两根导电电极1、PTC材料层3、绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，两根导电电极1相互平行，设在PTC材料层3中，在PTC材料层3的外部依次设有绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，其特征在于：在每根导电电极1上设有中间电阻层2，中间电阻层2位于PTC材料层3中。
所述的导电电极1为多股绞合的镀镍的铜线导电电极。
所述的PTC材料层3，为发热体，由阻燃PTC材料制成。
所述的中间电阻层2由以热塑性弹性体为基体经改性制成的可交联的半导电高分子材料制成，所述半导电高分子材料的体积电阻率为5×102Ω·cm，半导电高分子材料的PTC强度为0.8，半导电高分子材料的200℃的氧化诱导期(OIT)为180min。
所述的绝缘层4和护套层6由Teflon FEP材料制成。
所述的金属屏蔽层5为镀锡铜丝编织网结构，覆盖密度大于81％。
上述半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的制造方法，与实施例1相同。
实施例3
一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，包括两根导电电极1、PTC材料层3、绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，两根导电电极1相互平行，设在PTC材料层3中，在PTC材料层3的外部依次设有绝缘层4、金属屏蔽层5和护套层6，其特征在于：在每根导电电极1上设有中间电阻层2，中间电阻层2位于PTC材料层3中。
所述的导电电极1为多股绞合的镀锡的铜线导电电极。
所述的PTC材料层3，为发热体，由含氟PTC材料制成。
所述的中间电阻层2由以氟塑料为基体经改性制成的可交联的半导电高分子材料制成，所述半导电高分子材料的体积电阻率为1×105Ω·cm，半导电高分子材料的PTC强度为0.9，半导电高分子材料的200℃的氧化诱导期(OIT)为160min。
所述的绝缘层4和护套层6由PVDF材料制成。
所述的金属屏蔽层5为镀锡铜包铝合金丝编织网结构，覆盖密度大于81％。
上述半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的制造方法，与实施例1相同。
Claims (2)
1.一种半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆，包括两根导电电极(1)、PTC材料层(3)、绝缘层(4)、金属屏蔽层(5)和护套层(6)，两根导电电极(1)相互平行，设在PTC材料层(3)中，在PTC材料层(3)的外部依次设有绝缘层(4)、金属屏蔽层(5)和护套层(6)，其特征在于：在每根导电电极(1)上设有中间电阻层(2)，中间电阻层(2)位于PTC材料层(3)中；
所述的导电电极(1)为多股绞合的镀锡或镀镍的铜线导电电极；
所述的PTC材料层(3)，由普通PTC、阻燃PTC或含氟PTC材料制成；
所述的中间电阻层(2)由以热塑性塑料、热塑性弹性体或氟塑料为基体经改性制成的可交联的半导电高分子材料制成，所述半导电高分子材料的体积电阻率为102～106Ω·cm，应远高于PTC材料，形成的电阻层电阻应大于或相当于PTC材料层的电阻，半导电高分子材料的PTC强度小于1.0，半导电高分子材料的200℃的氧化诱导期(OIT)大于100min；
所述的绝缘层(4)和护套层(6)由PE、Teflon FEP或PVDF材料制成；
所述的金属屏蔽层(5)为铝镁合金丝、镀锡铜丝、镀锡铜包铝合金丝或其它金属丝编织网结构，覆盖密度大于80％。
2.一种制造权利要求1所述的半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆的方法，其特征在于：它包括以下步骤：(1)、在两根导电电极外层由一台挤出机挤出包覆一层半导电高分子材料作为中间电阻层，同时由另一台挤出机在中间电阻层外挤出敷设PTC材料层，形成PTC芯带；(2)、将制成的PTC芯带经热处理和辐照交联后，在PTC芯带外层挤出包覆绝缘层，然后再经过高速编织机编织一层金属屏蔽层，最后挤出包覆上护套层，最终制成半导电高分子包铜电极自控温伴热电缆。
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