介質(zhì)損耗測(cè)試技術(shù)在漆包線生產(chǎn)的應(yīng)用探討

介質(zhì)損耗測(cè)試技術(shù)在漆包線工業(yè)的應(yīng)用探討作者：葉賢忠（上海迪安電工器材有限公司，上海，201201）摘要：本文綜述了國內(nèi)漆包線行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，論述了漆包線介質(zhì)損耗原理以及介質(zhì)損耗測(cè)試系統(tǒng)在科研、生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的應(yīng)用與發(fā)展。關(guān)鍵詞：漆包線介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗譜圖介質(zhì)損耗測(cè)試譜圖儀自上個(gè)世紀(jì)末以來，地球上發(fā)生最大的事件毫無疑問是互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。它改變了人們的思維方式，行為方式甚至?xí)淖內(nèi)说膬r(jià)值觀。特別以蘋果公司，微軟公司，阿里巴巴公司，百度公司，騰訊公司為代表的IT新軍的崛起，已經(jīng)讓所有人類傳統(tǒng)交往方式，行為方式進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。而作為典型傳統(tǒng)制造業(yè)范疇的全球漆包線制造業(yè)，也悄悄的進(jìn)行著一場(chǎng)所謂地理重心的東移，不經(jīng)意間，中國的漆包線年用量和產(chǎn)量均已經(jīng)超過150萬噸，占全球份額的60%以上，也就是說中國的漆包線行業(yè)已經(jīng)承載著大半個(gè)地球的電器運(yùn)轉(zhuǎn)的責(zé)任，這是對(duì)世界極大的貢獻(xiàn)。作為漆包線行業(yè)的每個(gè)從業(yè)人員都應(yīng)該為此感到驕傲。目前中國已經(jīng)有3-5家具有國際領(lǐng)先水平的漆包線制造集團(tuán)，中國已經(jīng)進(jìn)入了漆包線生產(chǎn)大國和準(zhǔn)強(qiáng)國階段。中國漆包線行業(yè)也應(yīng)該更加自信面對(duì)未來的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。而歐美人對(duì)漆包線的研究也隨著漆包線重心的東移以及本國經(jīng)濟(jì)的衰退而喪失了激情和信心。以往以歐美人制定漆包線標(biāo)準(zhǔn)，而由上海電纜研究所翻譯成國家標(biāo)準(zhǔn)的方式已經(jīng)不能適應(yīng)中國作為漆包線生產(chǎn)大國的的需要了。歐美人也制定了一套標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)制造漆包線測(cè)試儀器，中國人拼命模仿的所謂“老八樣”測(cè)試儀器（電壓，軟化擊穿，耐刮等）也顯然不適合中國向漆包線生產(chǎn)強(qiáng)國邁進(jìn)的雄心壯志。2004年上海迪安電工器材有限公司在國內(nèi)首次研制成功的介質(zhì)損耗測(cè)試儀、耐電暈測(cè)試儀，預(yù)示著中國已經(jīng)開始有能力研究高端的漆包線測(cè)試儀器。隨后國產(chǎn)激光測(cè)徑儀器，在線粒子測(cè)試儀的研發(fā)成功徹底擺脫國產(chǎn)儀器以“老八樣”打天下的局面。以往對(duì)漆包線的檢測(cè)是“中醫(yī)把脈”憑經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)如今有了介質(zhì)損耗測(cè)試儀，就相當(dāng)于漆包線診所有了“心電圖”，有了'B超”。將來還應(yīng)該引入'CT機(jī)”有“核磁共振”。以往的行業(yè)論文對(duì)漆包線的固化與介質(zhì)損耗譜圖的關(guān)系有諸多論述，本文將不多重復(fù)，而著重對(duì)“介質(zhì)損耗測(cè)試圖譜儀”在漆包線領(lǐng)域的應(yīng)用做拓展性的探討。二、漆包線的介質(zhì)損耗機(jī)理1、 漆包線漆膜介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特性漆包線是在銅、鋁導(dǎo)體上涂覆絕緣漆后固化成膜后的典型絕緣電線結(jié)構(gòu)，其核心性能除了導(dǎo)體以外，主要是絕緣漆固化后所表征的性能。這其中有電性能，機(jī)械性能，化學(xué)性能等。這些性能都是可以從傳統(tǒng)的“老八樣”測(cè)試儀器進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。漆包線漆作為高分子合成絕緣材料，其微觀的介質(zhì)物理和化學(xué)特性是影響其絕緣性能的理論基礎(chǔ)，漆包線漆膜作為熱固性材料成膜，相當(dāng)于無數(shù)個(gè)具有線性結(jié)構(gòu)的分子中的活性基團(tuán)在一定的條件下（如高溫下），相結(jié)合成為高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于活性基團(tuán)之間的結(jié)合度并不是100%的發(fā)生，勢(shì)必會(huì)有剩余的活性基團(tuán)一端鏈接在分子鏈上，另一端還游離在分子間，這些活性官能團(tuán)往往是帶極性的，是（+）或（-），這些帶電的官能團(tuán)就會(huì)在高分子內(nèi)形成有極基團(tuán)。或者叫偶極子。2、 漆膜內(nèi)部偶極子極化及熱損耗

這些“單身”未配對(duì)的極性基團(tuán)是高分子內(nèi)部活躍分子，一方面它們是漆膜固化交聯(lián)的生力軍，但一旦漆膜成膜后部分未參與反應(yīng)的極性基團(tuán)就成為了分子間的偶極子。A）將漆膜至于交變電場(chǎng)下，這些偶極子因?yàn)閹в须姾梢搽S著電壓的正負(fù)極性變化做趨向改變，就相當(dāng)于在電極之間做折返跑，這種趨向節(jié)奏往往會(huì)由于分子間的阻力而滯后于電場(chǎng)的變化，實(shí)際上是一種阻尼運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有損耗并發(fā)熱，從而就形成了介質(zhì)損耗。其實(shí)這種極化都是在分子間游離極性基團(tuán)之間發(fā)生的，是相對(duì)穩(wěn)定的。介質(zhì)損耗因數(shù)，是指介質(zhì)損耗角正切值，簡(jiǎn)稱介損角正切。介質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下:介質(zhì)損耗因數(shù)被測(cè)試品的有功功餐被測(cè)試品的無功功率介質(zhì)損耗因數(shù)被測(cè)試品的有功功餐被測(cè)試品的無功功率QxlOO%如果把被測(cè)漆膜看做是一對(duì)并聯(lián)的電容和電阻，而加在其兩極的電壓為方，產(chǎn)生的電流為'，則可以得到如下向量圖：Ic純電容CIcIc純電容CIc圖1.介質(zhì)損耗角向量圖其中有功功率為P=UIr，而無功功率為Q=UIC，則介質(zhì)損耗因數(shù)tg6=IR/IC。所以我們通過測(cè)量&就能得到介質(zhì)損耗因數(shù)。B）如果除了施加以上交變電場(chǎng)，另外再對(duì)樣品加熱升溫，在介質(zhì)內(nèi)部就有少量的極性低分子物質(zhì)隨著溫度的升高，活性增強(qiáng)，參與到極化過程，使介質(zhì)損耗值產(chǎn)生波動(dòng)甚至增加。在一定的溫區(qū)內(nèi)，這種變化是可以觀察的到，但并不劇烈。隨著溫度的持續(xù)升高到某一臨界點(diǎn)，高分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)發(fā)生質(zhì)的變化，從初始的分子間運(yùn)動(dòng)上升到分子內(nèi)部鏈段的運(yùn)動(dòng)，也就是，分子鏈段開始極化，這種極化一旦發(fā)生，是劇烈的，是雪崩式的，會(huì)使介質(zhì)損耗值急劇上升，直至材料擊穿。三、漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試儀1、 高頻（1MHZ）漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試儀在IEC60317標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)用在高頻線圈中的聚氨酯漆包線以及聚氨酯復(fù)合尼龍的產(chǎn)品中都規(guī)定了其在1Mhz頻率下的介質(zhì)損耗值必須小于300X10-4,儀器的目標(biāo)是需要在室溫條件下讀取漆包線的靜態(tài)介質(zhì)損耗值。并在實(shí)際生產(chǎn)中加以控制。本文不詳細(xì)展開。2、 介質(zhì)損耗-溫度譜圖測(cè)試儀（低頻1KHZ）在IEC60851-5中對(duì)1KHZ下測(cè)量漆包線介質(zhì)損耗一溫度曲線有詳細(xì)要求。A）設(shè)計(jì)原理為了模擬測(cè)量漆包線漆膜的介質(zhì)損耗變化過程，我們將漆包線外表涂覆一層導(dǎo)電石墨，作為一電極，使之與漆包線導(dǎo)體之間形成一電容和電阻的組合體（圖2）。

漆膜 石墨導(dǎo)體銅導(dǎo)線漆膜 石墨導(dǎo)體銅導(dǎo)線電容電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2.待測(cè)試漆包線樣品結(jié)構(gòu)原理圖我們?cè)O(shè)計(jì)一電橋，用該電橋向漆包線樣品施加一電壓值為1.0伏，頻率為lkHZ的交變電場(chǎng)，然后將樣品置于特殊設(shè)計(jì)的加熱單元中。使之加熱升溫，用電橋讀取漆包線樣品隨溫度上升過程中的瞬時(shí)介質(zhì)損耗值的變化，將該種變化情況描繪成“介質(zhì)損耗值一一溫度曲線”以此研究分析漆包線的各種特性。B）各品種漆包線介質(zhì)損耗溫度譜圖聚氨酯漆包線（PU）的譜圖聚氨酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)中有大量的較低分子的異氰酸封閉物，一旦分子鏈段發(fā)生運(yùn)動(dòng)極化，就會(huì)有“散架式”的極化效應(yīng)。這種化學(xué)結(jié)構(gòu)也是保證聚氨酯有可焊性的必要條件。普遍的聚氨酯線的譜圖特點(diǎn)是某一溫度點(diǎn)急劇上升以后直至漆包線樣品電容擊穿（圖3）。（一般聚氨酯漆包線升溫至300度左右就會(huì)出現(xiàn)不可逆的擊穿，在儀器的譜圖中由于設(shè)定縱坐標(biāo)0.1的上限，所以不可見，只做研究分析）。也有少量的聚氨酯品種譜圖（圖4）,曲線在0.1上下高點(diǎn)下凹，然后上升直至電容擊穿，這是由于聚氨酯漆中混合的聚酯成份較多的特點(diǎn)?？珊感钥赡軙?huì)稍差。圖3?聚氨酯漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試曲線

圖4?聚氨酯漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試曲線(聚酯雜質(zhì)較多)聚酯漆包線(PE)譜圖普通聚酯以乙二元醇和丙三醇與對(duì)苯二甲酸或二甲酯通過酯交換反應(yīng)而成的合成高分子結(jié)構(gòu)，鏈段結(jié)構(gòu)以脂肪性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈段一旦參與極化，由于鏈段之間有關(guān)聯(lián)，所以并不會(huì)有象聚氨酯類的“散架式”極化，而是在一定高度有一定的回落,然后待溫度繼續(xù)升高，下一輪更劇烈的極化開始，曲線再次上升直至電容擊穿，曲■r'?'"?"T'7'"T"T~7"'T'TT"7"?j-4-4-|sf4"T4,,i?i,,t4t4+十…+__ —-??+???*線呈雙峰特點(diǎn)(圖5)。1亠二?“■"亙一玄“也“衛(wèi)—i"広■r'?'"?"T'7'"T"T~7"'T'TT"7"?j-4-4-|sf4"T4,,i?i,,t4t4+十…+__ —-??+???*線呈雙峰特點(diǎn)(圖5)。1亠二?“■"亙一玄“也“衛(wèi)—i"広.“i■.三.丄…Eii"iEi"i"5j1"i"i￡"i"iHT*...+?.亠二…$...丄亠..+....T"|Wr-T'"Tii"."Tr■i"I聚酯亞胺漆包線(PEI)譜圖聚酯亞胺或者耐熱改性聚酯由于引入了具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的亞胺結(jié)構(gòu)以及塞克成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與普通聚酯相比，曲線切線溫度提高，曲線的雙峰特點(diǎn)更加明顯，即下凹幅度更大。（圖6）單涂層聚酰胺酰亞胺（PAI）譜圖聚酰胺酰亞胺漆由二甲苯甲烷二異氰酸酯MDI制成，其有類似聚氨酯的鏈段特點(diǎn)，所以譜圖也顯單峰特點(diǎn)，但拐點(diǎn)溫度要比聚氨酯高的多（圖7）。有時(shí)在縱坐標(biāo)0.1以上發(fā)現(xiàn)下凹現(xiàn)象。圖7.聚酰胺酰亞胺漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試曲線⑤復(fù)合漆包線（PEI+PAI）譜圖譜圖形狀與PEI相似，第一拐點(diǎn)反映了底層PEI鏈段開始極化的特點(diǎn)，而面層PAI的極化，主要反映在第二峰的被推高，同時(shí)第一拐點(diǎn)溫度適當(dāng)被推高，漆層厚度搭配和各層的固化情況也會(huì)影響圖譜的形狀。（圖8）圖8.復(fù)合（PEI+PAI）漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試曲線⑥自粘漆包線的（PU+SB）/（PEI+SB）譜圖自粘漆包線的譜圖決定于所用自粘漆的品種和耐溫級(jí)別，以聚氨酯為底涂覆聚乙烯縮丁醛的醇溶性自粘漆為例，自粘層的特點(diǎn)反映在第一峰（圖9）。但考慮自粘層是熱塑性材料，在烘爐中只是揮發(fā)溶劑而已，并沒有形成固化，所以其介質(zhì)損耗峰沒有實(shí)際意義。也沒必要去切線。

圖9?自粘性漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試曲線四、介質(zhì)損耗譜圖的應(yīng)用1、指紋記錄以上各漆包線品種的譜圖，反映了各類別漆包線漆譜圖曲線大致趨勢(shì)，但各制漆廠家不同的絕緣漆，其配方譜圖形狀是特定的，制造成漆包線后的固化度的高低，只會(huì)對(duì)譜圖的拐點(diǎn)溫度有左右移動(dòng)，但基本形狀是一致的，如圖10所示，這就給漆包線介質(zhì)損耗譜圖的指紋功能提供可能。制漆廠可以對(duì)所生產(chǎn)的各種漆種進(jìn)行譜圖存檔，以供客戶參考。漆包線制造廠也可以比對(duì)譜圖，對(duì)供應(yīng)商的供漆提供跟蹤監(jiān)督。圖10.不同配方試樣的曲線對(duì)比2、 樣品的分析功能當(dāng)你拿到客戶的漆包線樣品，可以通過介質(zhì)損耗測(cè)試儀進(jìn)行譜圖測(cè)試，分析出該樣品所用漆包線漆種類，耐溫等級(jí)，涂覆結(jié)構(gòu)等信息，以便制造滿足客戶要求的漆包線。3、 耐溫指數(shù)的快速判定高分子材料行業(yè)關(guān)于耐溫指數(shù)的快速判定在過去的幾十年一直在探討，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的主要有如下幾種儀器，如表1：這些儀器的缺點(diǎn)都需要將高分子材料（漆包線漆的樣品）制成一定的粉末樣品，升溫速度非常慢才能檢測(cè)材料的性能。表1.高分子材料溫度指數(shù)判定儀器對(duì)比儀器名稱基本原理樣品形式差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)量由于溫度變化高分子焓的變化漆膜微小顆粒熱重分析儀（TGA）測(cè)量由于溫度變化高分子物質(zhì)重量的變化漆膜微小顆粒動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）測(cè)量由于溫度變化機(jī)械性能的變化漆膜微小顆粒熱機(jī)械分析儀（TMA）測(cè)量由于溫度的變化機(jī)械尺寸的變化漆膜微小顆粒介質(zhì)損耗測(cè)試譜圖儀直接測(cè)量產(chǎn)品上的介質(zhì)損耗因素隨溫度的變化成品線樣而漆包線介質(zhì)損耗一溫度譜圖儀可直接在漆包線線樣上實(shí)施介電圖譜測(cè)試，快速直觀。它可以指導(dǎo)漆包線固化程度，也可以判別漆包線耐溫等級(jí)，是漆包線行業(yè)目前最直接的分子級(jí)譜圖分析儀器。但譜圖只能判定漆包線的級(jí)別，具體的溫度指數(shù)值的判定還需進(jìn)一步制定行業(yè)規(guī)范。4、高溫線的真實(shí)判斷使用介質(zhì)損耗測(cè)試儀檢測(cè)高溫漆包線的結(jié)構(gòu),可以通過測(cè)試介質(zhì)損耗譜圖很容易地做出篩選，正常的180級(jí)或200級(jí)復(fù)合漆包線，其第一拐點(diǎn)在180度，200度附近，第二拐點(diǎn)在220以上，市場(chǎng)上某些用130級(jí)漆包線漆打底，覆蓋220級(jí)聚酰胺酰亞胺漆所生產(chǎn)的高溫線,其第一拐點(diǎn)還在130度附近，而第二拐點(diǎn)在220以上，兩拐點(diǎn)跨度很大。并不是真正的高溫線（圖11）。圖11.假高溫曲線（兩拐點(diǎn)溫度跨距較大）5、固化度的判斷漆包線在烘爐中固化過程是高分子鏈上活性官能團(tuán)之間的結(jié)合成膜過程,固化度并不可能是100%，那么多少固化度才是體現(xiàn)最佳的漆包線性能呢？不同的產(chǎn)品有不同的要求，例如聚氨酯，自粘線等為了保證良好的自焊性或者粘結(jié)性都不能有太大的固化度。以往的諸多論文都強(qiáng)調(diào)用譜圖第一拐點(diǎn)的形狀和拐點(diǎn)溫度高低來判斷固化是否良好，效果不很明顯。其實(shí)我們還是應(yīng)該把注意力集中在譜圖的低溫區(qū)的介質(zhì)損耗值高低和形態(tài)上。畢竟漆包線的使用溫度還是在常規(guī)的低溫區(qū)。低分子物質(zhì)如未固化的單體，殘留溶劑的特征都可以再120度以下的區(qū)域有表征。明顯的實(shí)驗(yàn)是將測(cè)試過一次的漆包線進(jìn)行第二次測(cè)試時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)介質(zhì)損耗起始水平值會(huì)降低，拐點(diǎn)溫度會(huì)提高，曲線整體右移。這是因?yàn)槠岚€經(jīng)歷了一次再固化的過程，殘余溶劑及低分子揮發(fā)掉了，固化度更高的原因。但固化度并不是越高越好,太高會(huì)影響漆包線的熱沖擊性，柔韌性等。所以將介質(zhì)損耗譜圖與常規(guī)性能相結(jié)合來判定漆包線的固化條件才是科學(xué)的方法。6、漆包線的起始介質(zhì)損耗值聚氨酯的介質(zhì)損耗起始值比聚酯，聚酯亞胺，以及復(fù)合高溫線都要高，前者會(huì)在0.015左右，而后者大部分在0.08以下。這和聚氨酯中化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在能快速分解的異氰酸酯結(jié)構(gòu)有關(guān)，而這一結(jié)構(gòu)是保證漆包線可焊性的必備條件。五、結(jié)語介質(zhì)損耗譜圖在漆包線行業(yè)的應(yīng)用拓展將隨著漆包線介質(zhì)損耗測(cè)試儀的廣泛使用，以及行業(yè)廠家的實(shí)踐積累，內(nèi)容將會(huì)越來越豐富。迪安電工新近推出的“高頻介質(zhì)損耗測(cè)試儀/漆包線介質(zhì)損耗圖譜儀”TD100PM多功能機(jī)型，將