超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線材料和導體預熱工藝分析

張 新，蘇丹丹

超薄壁低煙無鹵阻燃汽車線材料和導體預熱工藝分析

張 新，蘇丹丹

（無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214206）

汽車輕量化已成為主機廠及其配套行業的重要課題，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。實驗結果表明，絕緣材料選用XLPE+PP，采用一次共擠工藝生產，制作線材綜合性能最佳，對不同溫度下的導體進行預熱，當導體預熱溫度為60 ℃時，線材的附著力、抗張強度和斷裂伸長率性最優，制備線材各項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參考。

超薄壁；汽車線材料；低煙無鹵阻燃；刮磨實驗；導體預熱；工藝分析

汽車線纜在汽車中發揮的作用如同人體的神經和血脈，用來傳遞動力和信號[1]。目前，由于油價飛漲，加之環境污染嚴重，故而國家在汽車行業提出了節能減排的措施及油耗要求，輕量化已經成為各汽車生產廠家的重要課題[2]。

汽車線質量約占汽車質量的1%～2%，由于高壓線的存在，新能源汽車所占質量比例更大，據統計，一輛高級燃油汽車線質量為20～30 kg，每行駛100 km，25 kg的線束消耗能量約為50 W，相當于燃燒0.1 kg汽油的能量。研究表明，若汽車整車質量降低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、更輕的導線不僅能降低成本，而且還能降低整車質量、節省使用材料、降低汽車油耗。相對于此，新能源汽車受空間限制，能給予汽車線的敷設空間更小，故要求汽車線外徑盡可能小。為了降低汽車質量，各零部件質量要盡可能降低。隨著新能源汽車的快速發展，薄壁型汽車線也得到了飛速發展[4]。

1 汽車線相關標準和產品性能要求

1.1 汽車線相關標準介紹

汽車工業作為傳統行業，自1885年世界上第一輛汽車誕生以來，世界汽車工業已經走過了一個多世紀的歷程。目前，傳統汽車工業主要還是由歐美日等發達國家主導，相關標準也是由其制定，主要汽車大國，如美國、德國、法國、日本和韓國都非常重視提高汽車電線電纜技術和產品標準化工作，均制定了品類齊全的汽車電線國家標準或行業標準，如美國的汽車工程學會（Society of Automotive Engineers, SAE）1127、SAE 1128、SAE 1560；德國的標準化學會（Deutsches Institut für Normung, DIN）72551、VW60306；日本的JIS C3406、JASO D611、JASO D618；法國的NF R13414、NF R13415，韓國的KSC 3311；中國的QC/T 730等，這些標準均具有較高水準，代表當代汽車電線的發展水平。

1.2 產品性能要求

目前行業趨勢是傳統的厚壁電線向薄壁直至超薄壁發展，電線的絕緣厚度在不斷減薄，最薄厚度為0.16 mm，這對電線制造精度提出了很高要求，即0.22 mm2及以下型號，外徑公差在±0.05 mm以內。超薄壁電線的應用，緩解了整車布線空間不足，降低了整車質量，在汽車節能、環保、成本、舒適度等方面都有較大優化。研究主要討論日標汽車線標準（JASO D611）中型號為CHFUS的超薄壁低煙無鹵汽車線，截面積為0.22 mm2，導體和絕緣滿足JASO D611標準要求，此款線材可以用于傳統燃油車和新能源汽車，目前主要應用于新能源電動汽車。

汽車線耐刮磨和耐低溫性能是一對矛盾指標，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柔軟，保證通過?40 ℃彎曲實驗，另外，超薄壁汽車線需要通過耐油、阻燃和附著力實驗，是此款線材制成的另一個難點，針對以上關鍵指標，從選材和工藝方面進行驗證分析，得到最優材料和工藝組合。

1.2.1耐刮磨試驗

實驗要求按照JASO D618中的第6.7.2條規定進行操作，汽車線耐刮磨實驗裝置如圖1所示。實驗結果判定，試樣沿軸向方向間隔100 mm，順時針旋轉90°，四個面要做刮磨實驗，每個面耐刮磨次數不少于50次，試樣的單面刮磨次數未達到規定的次數，出現導通報警、絕緣被磨穿，則判定不合格。

1—負荷；2—刮針移動距離；3—針座；4—試樣；5—夾具；6—試樣臺。

1.2.2低溫卷繞試驗

實驗要求按照JASO D618標準中第6.6.1條規定進行操作，設備示意如圖2所示。

1—芯軸；2—試樣；3—重物。

1）試樣制備：取2條600 mm長試樣，兩端各剝去25 mm絕緣，使用自動旋轉裝置，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）實驗結果判定：若有導體露出，判斷為不合格；若無導體露出，則進行耐壓試驗，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 結構設計和材料選擇

與傳統線材相比，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，導體采用壓縮導體，壓縮導體減小了導體外徑，從而確保絕緣的最薄點合格；線材可以通過JASO D611標準耐刮、耐低溫、耐油、耐熱、耐延燃等實驗，保證線材的安全、可靠。

2.1 導體設計和工藝

采導體采用7/(0.2±0.004) mm高導電率的無氧銅，7根導體采用1+6的正規絞合，保證導體圓整，同時在絞合時使用特殊的分線方式，選用合適的絞合模具，使導體具有緊壓效果，按照理論計算，結構為7/(0.2±0.004) mm的導體，絞合外徑約為0.6 mm。經過緊壓后，為了保證絕緣的標稱厚度和最薄點達到或者超過標準要求，絞合導體實際標稱外徑為0.55 mm，且滿足20 ℃導體直流電阻不大于54.4 Ω/km、導體的節徑比為10～15，圓整度≥97％。

2.2 絕緣材料選擇和擠出工藝

此款線材標準要求為無鹵材料，要滿足耐刮磨、耐低溫、阻燃、耐油要求，這些指標相互制約，需要找到其平衡點，需通過多次實驗找出最佳的材料組合方式。

2.2.1材料選擇

CHFUS線材生產難點是平衡刮磨和低溫性能之間的關系，同時也兼顧燃燒和耐油性能。聚丙烯（Polypropylene, PP）具有優異的機械性能、電性能、耐磨性能和耐化學試劑性能[5-6]，將其作為驗證材料（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，會影響其機械性能，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試結果（表1）可以看出其他性能滿足條件下，阻燃性能（標準要求70 s內自動熄滅）達不到標準要求。

表1 不同材料的性能測試結果

材料PPXLPEXLPE(內)+PP(外)TPEE 刮磨次數/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，其具有結晶度低，抗沖擊性、填料相溶性和熱密封性高等特點。隨著醋酸乙烯（Vinyl Acetate, VA）含量的增加，EVA在寒冷狀態下的韌性、耐沖擊性、柔軟性、環境應力開裂性以及填料的相容性、輻照交聯性、耐油和反復彎曲性能均有提高[7]。研究主要選用VA/熔融指數（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，耐磨性能沒有到達標準（標準要求刮磨次數≥50次）。

綜合PP和XLPE的優點，將PP和XLPE同時擠出，其中PP從間色機中擠出，擠出工藝參照絕緣全包色的擠出原理；PP料通過間色環，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數據也驗證了理論設想的合理性，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試，擠出時必須對各個環節以下進行精確控制：

1）JASO D618標準第6.5條規定，導體和絕緣的附著力要大于或者等于5 N，對導體不同預熱溫度附著力進行測試，數據如表2所示。導體的預熱溫度為60 ℃時，線材的附著力、強度和伸長率性等綜合性能最佳（80 ℃時，絕緣無法從導體上剝下，導體被拉斷，無測試數據）；

表2 不同導體預熱問題線材性能測試結果

試驗項目 溫度/℃ 20406080 附著力/N3.04.56.5－ 拉升強度/MPa11.711.511.0－ 斷裂伸長率/%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面都能通過耐刮磨測試，模芯孔徑選擇比導體外徑大0.05 mm，模套尺寸為成品線材的標稱直徑尺寸即1.0 mm，使用免調機頭，最大限度地保證線材不偏心；

3）采用主動放線裝置，保證生產時導體不被拉細，同時放線端使用儲線裝置，張力大小適中，從而保證生產時線材不會抖動及張力穩定。

3 結束語

從汽車導線輕量化發展趨勢入手，闡述了國內汽車線設計開發參考的相關標準，重點研究了日標超薄壁無鹵汽車線的材料挑選和導體預熱工藝，絕緣材料選用XLPE+PP共擠得擠出方式，保證耐刮磨、低溫、阻燃和耐油性能達到標準要求。

導體用7/0.2 mm規格，采用特殊的壓縮工藝，導體外徑為0.55 mm，在生產過程中對導體進行預熱，絕緣和導體附著力滿足標準要求。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。

[1] 蔣廷云,陳勝國,王壽山,等.淺談汽車電線束的品質控制[J].汽車電器,2014(4):43-46.

[2] 劉英莉,張旭,程斌.汽車線束輕量化的發展趨勢研究[J].汽車實用技術,2016,41(1):1-3.

[3] 李白.線束系統輕量化發展趨勢-德爾福新型導線技術在汽車線束中的應用[J].技術與應用,2014(4):42- 43.

[4] 吳慶豐.日標薄壁型汽車用耐熱低壓電線設計淺析[J].光纖與電纜及其應用技術,2021(1):37-39.

[5] 何金良,彭琳,周垚.環保型高壓直流電纜絕緣材料研究進展[J].高電壓技術,2017(2):337-343.

[6] ENESCU D,FRACHE A,LAVASELLI M,et al.Novel Phosphorous-nitrogen Intumescent Flame Retardant System:Its Effects on Flame Retardancy and Thermal Properties of Polypropylene[J].Polymer Degradation and Stability,2013,98(1):297-305.

[7] 金標義,吳長順.EVA 在電纜行業的應用和發展前景[J].電線電纜,2015(2):34-36.

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，高級工程師，研究方向為線纜材料和線纜設計，E-mail:zhangxin1862@163.com。