超薄壁低烟无卤阻燃汽车线材料和导体预热工艺分析

张 新，苏丹丹

超薄壁低烟无卤阻燃汽车线材料和导体预热工艺分析

张 新，苏丹丹

（无锡工艺职业技术学院，江苏 宜兴 214206）

汽车轻量化已成为主机厂及其配套行业的重要课题，超薄壁低烟无卤阻燃汽车线是解决汽车轻量化的重要途径之一。文章考察不同材料对超薄壁低烟无卤阻燃汽车线耐刮磨、耐低温、阻燃、耐油等性能的影响。实验结果表明，绝缘材料选用XLPE+PP，采用一次共挤工艺生产，制作线材综合性能最佳，对不同温度下的导体进行预热，当导体预热温度为60 ℃时，线材的附着力、抗张强度和断裂伸长率性最优，制备线材各项性能均符合超薄壁低烟无卤阻燃汽车线性能要求，此类线材的成功研制，为以后其他类型的薄壁汽车线提供技术参考。

超薄壁；汽车线材料；低烟无卤阻燃；刮磨实验；导体预热；工艺分析

汽车线缆在汽车中发挥的作用如同人体的神经和血脉，用来传递动力和信号[1]。目前，由于油价飞涨，加之环境污染严重，故而国家在汽车行业提出了节能减排的措施及油耗要求，轻量化已经成为各汽车生产厂家的重要课题[2]。

汽车线质量约占汽车质量的1%～2%，由于高压线的存在，新能源汽车所占质量比例更大，据统计，一辆高级燃油汽车线质量为20～30 kg，每行驶100 km，25 kg的线束消耗能量约为50 W，相当于燃烧0.1 kg汽油的能量。研究表明，若汽车整车质量降低10%，燃油消耗可降低8%，车重每减轻100 kg，每100 km油耗可降低0.3～0.6 L，CO2排放量可减少约5 g/km[3]。因此，更小、更轻的导线不仅能降低成本，而且还能降低整车质量、节省使用材料、降低汽车油耗。相对于此，新能源汽车受空间限制，能给予汽车线的敷设空间更小，故要求汽车线外径尽可能小。为了降低汽车质量，各零部件质量要尽可能降低。随着新能源汽车的快速发展，薄壁型汽车线也得到了飞速发展[4]。

1 汽车线相关标准和产品性能要求

1.1 汽车线相关标准介绍

汽车工业作为传统行业，自1885年世界上第一辆汽车诞生以来，世界汽车工业已经走过了一个多世纪的历程。目前，传统汽车工业主要还是由欧美日等发达国家主导，相关标准也是由其制定，主要汽车大国，如美国、德国、法国、日本和韩国都非常重视提高汽车电线电缆技术和产品标准化工作，均制定了品类齐全的汽车电线国家标准或行业标准，如美国的汽车工程学会（Society of Automotive Engineers, SAE）1127、SAE 1128、SAE 1560；德国的标准化学会（Deutsches Institut für Normung, DIN）72551、VW60306；日本的JIS C3406、JASO D611、JASO D618；法国的NF R13414、NF R13415，韩国的KSC 3311；中国的QC/T 730等，这些标准均具有较高水准，代表当代汽车电线的发展水平。

1.2 产品性能要求

目前行业趋势是传统的厚壁电线向薄壁直至超薄壁发展，电线的绝缘厚度在不断减薄，最薄厚度为0.16 mm，这对电线制造精度提出了很高要求，即0.22 mm2及以下型号，外径公差在±0.05 mm以内。超薄壁电线的应用，缓解了整车布线空间不足，降低了整车质量，在汽车节能、环保、成本、舒适度等方面都有较大优化。研究主要讨论日标汽车线标准（JASO D611）中型号为CHFUS的超薄壁低烟无卤汽车线，截面积为0.22 mm2，导体和绝缘满足JASO D611标准要求，此款线材可以用于传统燃油车和新能源汽车，目前主要应用于新能源电动汽车。

汽车线耐刮磨和耐低温性能是一对矛盾指标，刮磨要求线材使用的绝缘材料具备高硬度，才能保证刮磨性能合格；低温要求所使用的材料要相对柔软，保证通过−40 ℃弯曲实验，另外，超薄壁汽车线需要通过耐油、阻燃和附着力实验，是此款线材制成的另一个难点，针对以上关键指标，从选材和工艺方面进行验证分析，得到最优材料和工艺组合。

1.2.1耐刮磨试验

实验要求按照JASO D618中的第6.7.2条规定进行操作，汽车线耐刮磨实验装置如图1所示。实验结果判定，试样沿轴向方向间隔100 mm，顺时针旋转90°，四个面要做刮磨实验，每个面耐刮磨次数不少于50次，试样的单面刮磨次数未达到规定的次数，出现导通报警、绝缘被磨穿，则判定不合格。

1—负荷；2—刮针移动距离；3—针座；4—试样；5—夹具；6—试样台。

1.2.2低温卷绕试验

实验要求按照JASO D618标准中第6.6.1条规定进行操作，设备示意如图2所示。

1—芯轴；2—试样；3—重物。

1）试样制备：取2条600 mm长试样，两端各剥去25 mm绝缘，使用自动旋转装置，将样品固定到芯轴上，并在两边加载重物，此款线材挂重物为0.5 kg，样品与芯轴垂直，放置在-40 ℃冷冻箱中4 h。

2）实验结果判定：若有导体露出，判断为不合格；若无导体露出，则进行耐压试验，耐压为 3 kV，其中升压速度为500 V/s，耐压不击穿，则判定合格。

2 结构设计和材料选择

与传统线材相比，CHFUS主要在耐低温、耐刮磨、耐油和超薄壁等方面有着苛刻要求，导体采用压缩导体，压缩导体减小了导体外径，从而确保绝缘的最薄点合格；线材可以通过JASO D611标准耐刮、耐低温、耐油、耐热、耐延燃等实验，保证线材的安全、可靠。

2.1 导体设计和工艺

采导体采用7/(0.2±0.004) mm高导电率的无氧铜，7根导体采用1+6的正规绞合，保证导体圆整，同时在绞合时使用特殊的分线方式，选用合适的绞合模具，使导体具有紧压效果，按照理论计算，结构为7/(0.2±0.004) mm的导体，绞合外径约为0.6 mm。经过紧压后，为了保证绝缘的标称厚度和最薄点达到或者超过标准要求，绞合导体实际标称外径为0.55 mm，且满足20 ℃导体直流电阻不大于54.4 Ω/km、导体的节径比为10～15，圆整度≥97％。

2.2 绝缘材料选择和挤出工艺

此款线材标准要求为无卤材料，要满足耐刮磨、耐低温、阻燃、耐油要求，这些指标相互制约，需要找到其平衡点，需通过多次实验找出最佳的材料组合方式。

2.2.1材料选择

CHFUS线材生产难点是平衡刮磨和低温性能之间的关系，同时也兼顾燃烧和耐油性能。聚丙烯（Polypropylene, PP）具有优异的机械性能、电性能、耐磨性能和耐化学试剂性能[5-6]，将其作为验证材料（其为非极性材料，一般无卤阻燃剂都为极性材料），大量添加后，会影响其机械性能，因此，保证其他性能合格的前提下，无卤阻燃剂不能大量添加，从不同材料的性能测试结果（表1）可以看出其他性能满足条件下，阻燃性能（标准要求70 s内自动熄灭）达不到标准要求。

表1 不同材料的性能测试结果

材料PPXLPEXLPE(内)+PP(外)TPEE 刮磨次数/次65456035 低温性能未击穿击穿未击穿未击穿 燃烧性能/s75141820 耐油性能通过通过通过通过

注：热塑性聚酯弹性体（Thermoplastic Polyester Elastomer, TPEE）。

XLPE汽车线专用阻燃料，其基体材料主要为高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE）/乙烯-醋酸乙酯（Ethylene Vinyl Acetate, EVA）作为HDPE的改性材料，能够保证HDPE和无卤阻燃剂有较好得相容性；EVA是一种常见的聚烯烃材料，它是由乙烯-醋酸乙烯共聚而成，其具有结晶度低，抗冲击性、填料相溶性和热密封性高等特点。随着醋酸乙烯（Vinyl Acetate, VA）含量的增加，EVA在寒冷状态下的韧性、耐冲击性、柔软性、环境应力开裂性以及填料的相容性、辐照交联性、耐油和反复弯曲性能均有提高[7]。研究主要选用VA/熔融指数（Melt Index, MI）为28/2～3作为改性剂，从表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够，耐磨性能没有到达标准（标准要求刮磨次数≥50次）。

综合PP和XLPE的优点，将PP和XLPE同时挤出，其中PP从间色机中挤出，挤出工艺参照绝缘全包色的挤出原理；PP料通过间色环，将薄薄一层PP塑料包覆在XLPE外层，外层的PP料具有较好的硬度，保证耐刮磨性能合格，XLPE具有良好的阻燃性能，保证燃烧性能合格。表1数据也验证了理论设想的合理性，即TPEE由于材料硬度不够，耐磨性能最差。

2.2.2预热工艺

成品线材直径为（1.0±0.05）mm，要保证线材通过耐刮磨测试，挤出时必须对各个环节以下进行精确控制：

1）JASO D618标准第6.5条规定，导体和绝缘的附着力要大于或者等于5 N，对导体不同预热温度附着力进行测试，数据如表2所示。导体的预热温度为60 ℃时，线材的附着力、强度和伸长率性等综合性能最佳（80 ℃时，绝缘无法从导体上剥下，导体被拉断，无测试数据）；

表2 不同导体预热问题线材性能测试结果

试验项目 温度/℃ 20406080 附着力/N3.04.56.5－ 拉升强度/MPa11.711.511.0－ 断裂伸长率/%155172185－

2）保证线材的同心度，只有线材具有较高同心度才能保证每个面都能通过耐刮磨测试，模芯孔径选择比导体外径大0.05 mm，模套尺寸为成品线材的标称直径尺寸即1.0 mm，使用免调机头，最大限度地保证线材不偏心；

3）采用主动放线装置，保证生产时导体不被拉细，同时放线端使用储线装置，张力大小适中，从而保证生产时线材不会抖动及张力稳定。

3 结束语

从汽车导线轻量化发展趋势入手，阐述了国内汽车线设计开发参考的相关标准，重点研究了日标超薄壁无卤汽车线的材料挑选和导体预热工艺，绝缘材料选用XLPE+PP共挤得挤出方式，保证耐刮磨、低温、阻燃和耐油性能达到标准要求。

导体用7/0.2 mm规格，采用特殊的压缩工艺，导体外径为0.55 mm，在生产过程中对导体进行预热，绝缘和导体附着力满足标准要求。通过以上的工艺及选材成功研制出了超薄壁无卤低烟阻燃汽车线，CHFUS线材成功试制，对于超薄壁汽车线及汽车轻量化课题的深入研究具有重大意义。

[1] 蒋廷云,陈胜国,王寿山,等.浅谈汽车电线束的品质控制[J].汽车电器,2014(4):43-46.

[2] 刘英莉,张旭,程斌.汽车线束轻量化的发展趋势研究[J].汽车实用技术,2016,41(1):1-3.

[3] 李白.线束系统轻量化发展趋势-德尔福新型导线技术在汽车线束中的应用[J].技术与应用,2014(4):42- 43.

[4] 吴庆丰.日标薄壁型汽车用耐热低压电线设计浅析[J].光纤与电缆及其应用技术,2021(1):37-39.

[5] 何金良,彭琳,周垚.环保型高压直流电缆绝缘材料研究进展[J].高电压技术,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] 金标义,吴长顺.EVA 在电缆行业的应用和发展前景[J].电线电缆,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

张新（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为线缆材料和线缆设计，E-mail:zhangxin1862@163.com。