1、介质损耗测试技术在漆包线工业的应用探讨作者：叶贤忠(上海迪安电工器材有限公司，上海，201201)摘要：本文综述了国内漆包线行业的发展趋势，论述了漆包线介质损耗原理以及介质损耗测试系统在科研、生产和应用过程中的应用与发展。关键词：漆包线 介质损耗 介质损耗谱图 介质损耗测试谱图仪一、前言自上个世纪末以来，地球上发生最大的事件毫无疑问是互联网的飞速发展。它改变了人们的思维方式，行为方式甚至会改变人的价值观。特别以苹果公司，微软公司，阿里巴巴公司，百度公司，腾讯公司为代表的 IT 新军的崛起，已经让所有人类传统交往方式，行为方式进入了一个崭新的时代。而作为典型传统制造业范畴的全球漆包线制造业，也悄
2、悄的进行着一场所谓地理重心的东移，不经意间，中国的漆包线年用量和产量均已经超过150 万吨，占全球份额的 60%以上，也就是说中国的漆包线行业已经承载着大半个地球的电器运转的责任，这是对世界极大的贡献。作为漆包线行业的每个从业人员都应该为此感到骄傲。目前中国已经有 3-5 家具有国际领先水平的漆包线制造集团，中国已经进入了漆包线生产大国和准强国阶段。中国漆包线行业也应该更加自信面对未来的挑战和机会。而欧美人对漆包线的研究也随着漆包线重心的东移以及本国经济的衰退而丧失了激情和信心。以往以欧美人制定漆包线标准，而由上海电缆研究所翻译成国家标准的方式已经不能适应中国作为漆包线生产大国的的需要了。欧美
3、人也制定了一套标准来设计制造漆包线测试仪器，中国人拼命模仿的所谓“老八样”测试仪器（电压，软化击穿，耐刮等）也显然不适合中国向漆包线生产强国迈进的雄心壮志。2004 年上海迪安电工器材有限公司在国内首次研制成功的介质损耗测试仪、耐电晕测试仪，预示着中国已经开始有能力研究高端的漆包线测试仪器。随后国产激光测径仪器，在线粒子测试仪的研发成功彻底摆脱国产仪器以“老八样”打天下的局面。以往对漆包线的检测是“中医把脉”凭经验，现如今有了介质损耗测试仪，就相当于漆包线诊所有了“心电图” ，有了“B 超” 。将来还应该引入“CT 机”有“核磁共振” 。以往的行业论文对漆包线的固化与介质损耗谱图的关系有诸多论
4、述，本文将不多重复，而着重对“介质损耗测试图谱仪”在漆包线领域的应用做拓展性的探讨。二、漆包线的介质损耗机理1、漆包线漆膜介质分子结构特性漆包线是在铜、铝导体上涂覆绝缘漆后固化成膜后的典型绝缘电线结构，其核心性能除了导体以外，主要是绝缘漆固化后所表征的性能。这其中有电性能，机械性能，化学性能等。这些性能都是可以从传统的“老八样”测试仪器进行检测和评估。漆包线漆作为高分子合成绝缘材料，其微观的介质物理和化学特性是影响其绝缘性能的理论基础，漆包线漆膜作为热固性材料成膜，相当于无数个具有线性结构的分子中的活性基团在一定的条件下（如高温下） ，相结合成为高分子网状结构。由于活性基团之间的结合度并不是
5、100%的发生，势必会有剩余的活性基团一端链接在分子链上，另一端还游离在分子间，这些活性官能团往往是带极性的，是（+） 或（- ） ，这些带电的官能团就会在高分子内形成有极基团。或者叫偶极子。2、漆膜内部偶极子极化及热损耗这些“单身”未配对的极性基团是高分子内部活跃分子，一方面它们是漆膜固化交联的生力军，但一旦漆膜成膜后部分未参与反应的极性基团就成为了分子间的偶极子。A) 将漆膜至于交变电场下，这些偶极子因为带有电荷也随着电压的正负极性变化做趋向改变，就相当于在电极之间做折返跑，这种趋向节奏往往会由于分子间的阻力而滞后于电场的变化，实际上是一种阻尼运动，就会有损耗并发热，从而就形成了介质损耗。
6、其实这种极化都是在分子间游离极性基团之间发生的，是相对稳定的。介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下:如果把被测漆膜看做是一对并联的电容和电阻，而加在其两极的电压为 ，产生的电流为 ，则可以得到如下向量图：图 1.介质损耗角向量图其中有功功率为 P=UIR，而无功功率为 Q=UIC，则介质损耗因数 tg=I R/IC。所以我们通过测量 就能得到介质损耗因数。B) 如果除了施加以上交变电场，另外再对样品加热升温，在介质内部就有少量的极性低分子物质随着温度的升高，活性增强，参与到极化过程，使介质损耗值产生波动甚至增加。在一定的温区内，这种变化是可以观察的到，但并
7、不剧烈。随着温度的持续升高到某一临界点，高分子内部运动发生质的变化，从初始的分子间运动上升到分子内部链段的运动，也就是，分子链段开始极化，这种极化一旦发生，是剧烈的，是雪崩式的，会使介质损耗值急剧上升，直至材料击穿。三、漆包线介质损耗测试仪1、高频(1MHZ) 漆包线介质损耗测试仪在 IEC60317 标准中对应用在高频线圈中的聚氨酯漆包线以及聚氨酯复合尼龙的产品中都规定了其在 1Mhz 频率下的介质损耗值必须小于 30010-4, 仪器的目标是需要在室温条件下读取漆包线的静态介质损耗值。并在实际生产中加以控制。本文不详细展开。2、介质损耗-温度谱图测试仪（低频 1KHZ）在 IEC60851
8、-5 中对 1KHZ 下测量漆包线介质损耗温度曲线有详细要求。A）设计原理为了模拟测量漆包线漆膜的介质损耗变化过程，我们将漆包线外表涂覆一层导电石墨，作为一电极，使之与漆包线导体之间形成一电容和电阻的组合体（图 2） 。图 2.待测试漆包线样品结构原理图我们设计一电桥，用该电桥向漆包线样品施加一电压值为 1.0 伏，频率为 1kHZ 的交变电场，然后将样品置于特殊设计的加热单元中。使之加热升温，用电桥读取漆包线样品随温度上升过程中的瞬时介质损耗值的变化，将该种变化情况描绘成“介质损耗值温度曲线” ，以此研究分析漆包线的各种特性。B) 各品种漆包线介质损耗温度谱图 聚氨酯漆包线(PU)的谱图 聚
9、氨酯的化学结构中有大量的较低分子的异氰酸封闭物，一旦分子链段发生运动极化，就会有“散架式”的极化效应。这种化学结构也是保证聚氨酯有可焊性的必要条件。普遍的聚氨酯线的谱图特点是某一温度点急剧上升以后直至漆包线样品电容击穿（图 3） 。 （一般聚氨酯漆包线升温至 300 度左右就会出现不可逆的击穿，在仪器的谱图中由于设定纵坐标 0.1 的上限，所以不可见，只做研究分析） 。也有少量的聚氨酯品种谱图（图 4） ，曲线在 0.1 上下高点下凹，然后上升直至电容击穿，这是由于聚氨酯漆中混合的聚酯成份较多的特点。可焊性可能会稍差。图 3.聚氨酯漆包线介质损耗测试曲线图 4.聚氨酯漆包线介质损耗测试曲线（聚
10、酯杂质较多） 聚酯漆包线(PE)谱图普通聚酯以乙二元醇和丙三醇与对苯二甲酸或二甲酯通过酯交换反应而成的合成高分子结构，链段结构以脂肪性网状结构，分子链段一旦参与极化，由于链段之间有关联，所以并不会有象聚氨酯类的“散架式”极化，而是在一定高度有一定的回落，然后待温度继续升高，下一轮更剧烈的极化开始，曲线再次上升直至电容击穿，曲线呈双峰特点（图 5） 。图 5.聚酯漆包线介质损耗测试曲线图 6.聚酯亚胺漆包线介质损耗测试曲线 聚酯亚胺漆包线(PEI)谱图聚酯亚胺或者耐热改性聚酯由于引入了具有苯环结构的亚胺结构以及塞克成分，化学结构具有立体网状结构，与普通聚酯相比，曲线切线温度提高，曲线的双峰特点更
11、加明显， 即下凹幅度更大。 （图 6） 单涂层聚酰胺酰亚胺（PAI）谱图聚酰胺酰亚胺漆由二甲苯甲烷二异氰酸酯 MDI 制成，其有类似聚氨酯的链段特点，所以谱图也显单峰特点，但拐点温度要比聚氨酯高的多（图 7） 。有时在纵坐标 0.1以上发现下凹现象。图 7.聚酰胺酰亚胺漆包线介质损耗测试曲线 复合漆包线(PEI+PAI ）谱图谱图形状与 PEI 相似，第一拐点反映了底层 PEI 链段开始极化的特点，而面层 PAI的极化，主要反映在第二峰的被推高，同时第一拐点温度适当被推高，漆层厚度搭配和各层的固化情况也会影响图谱的形状。 （图 8）图 8.复合（PEI+PAI）漆包线介质损耗测试曲线 自粘漆包
12、线的（PU+SB）/ (PEI+SB)谱图自粘漆包线的谱图决定于所用自粘漆的品种和耐温级别，以聚氨酯为底涂覆聚乙烯缩丁醛的醇溶性自粘漆为例，自粘层的特点反映在第一峰（图 9） 。但考虑自粘层是热塑性材料，在烘炉中只是挥发溶剂而已，并没有形成固化，所以其介质损耗峰没有实际意义。也没必要去切线。图 9.自粘性漆包线介质损耗测试曲线四、介质损耗谱图的应用1、指纹记录以上各漆包线品种的谱图，反映了各类别漆包线漆谱图曲线大致趋势，但各制漆厂家不同的绝缘漆，其配方谱图形状是特定的，制造成漆包线后的固化度的高低，只会对谱图的拐点温度有左右移动，但基本形状是一致的，如图 10 所示，这就给漆包线介质损耗谱图的
13、指纹功能提供可能。制漆厂可以对所生产的各种漆种进行谱图存档，以供客户参考。漆包线制造厂也可以比对谱图，对供应商的供漆提供跟踪监督。图 10.不同配方试样的曲线对比2、样品的分析功能当你拿到客户的漆包线样品，可以通过介质损耗测试仪进行谱图测试，分析出该样品所用漆包线漆种类，耐温等级，涂覆结构等信息，以便制造满足客户要求的漆包线。3、耐温指数的快速判定高分子材料行业关于耐温指数的快速判定在过去的几十年一直在探讨，目前市场上出现的主要有如下几种仪器，如表 1：这些仪器的缺点都需要将高分子材料（漆包线漆的样品）制成一定的粉末样品，升温速度非常慢才能检测材料的性能。表 1.高分子材料温度指数判定仪器对比
14、而漆包线介质损耗温度谱图仪可直接在漆包线线样上实施介电图谱测试，快速直观。它可以指导漆包线固化程度，也可以判别漆包线耐温等级，是漆包线行业目前最直接的分子级谱图分析仪器。但谱图只能判定漆包线的级别，具体的温度指数值的判定还需进一步制定行业规范。4、高温线的真实判断使用介质损耗测试仪检测高温漆包线的结构，可以通过测试介质损耗谱图很容易地做出筛选，正常的 180 级或 200 级复合漆包线，其第一拐点在 180 度，200 度附近，第二拐点在 220 以上，市场上某些用 130 级漆包线漆打底，覆盖 220 级聚酰胺酰亚胺漆所生产的高温线，其第一拐点还在 130 度附近，而第二拐点在 220 以上
15、，两拐点跨度很大。并不是真正的高温线（图 11） 。图 11.假高温曲线（两拐点温度跨距较大）5、固化度的判断漆包线在烘炉中固化过程是高分子链上活性官能团之间的结合成膜过程，固化度并不可能是 100%，那么多少固化度才是体现最佳的漆包线性能呢？不同的产品有不同的要求，例如聚氨酯，自粘线等为了保证良好的自焊性或者粘结性都不能有太大的固化度。以往的诸多论文都强调用谱图第一拐点的形状和拐点温度高低来判断固化是否良好，效果不很明显。其实我们还是应该把注意力集中在谱图的低温区的介质损耗值高低和形态上。毕竟漆包线的使用温度还是在常规的低温区。低分子物质如未固化的单体，残留溶剂的特征都可以再 120 度以下
16、的区域有表征。明显的实验是将测试过一次的漆包线进行第二次测试时，可以发现介质损耗起始水平值会降低，拐点温度会提高，曲线整体右移。这是因为漆包线经历了一次再固化的过程，残余溶剂及低分子挥发掉了，固化度更高的原因。但固化度并不是越高越好，太高会影响漆包线的热冲击性，柔韧性等。所以将介质损耗谱图与常规性仪器名称 基本原理 样品形式差示扫描量热仪（DSC） 测量由于温度变化高分子焓的变化 漆膜微小颗粒热重分析仪（TGA） 测量由于温度变化高分子物质重量的变化 漆膜微小颗粒动态热机械分析仪（DMA）测量由于温度变化机械性能的变化 漆膜微小颗粒热机械分析仪（TMA） 测量由于温度的变化机械尺寸的变化 漆膜
17、微小颗粒介质损耗测试谱图仪 直接测量产品上的介质损耗因素随温度的变化 成品线样能相结合来判定漆包线的固化条件才是科学的方法。6、漆包线的起始介质损耗值聚氨酯的介质损耗起始值比聚酯，聚酯亚胺，以及复合高温线都要高，前者会在 0.015 左右，而后者大部分在 0.08 以下。这和聚氨酯中化学结构中存在能快速分解的异氰酸酯结构有关，而这一结构是保证漆包线可焊性的必备条件。五、结语介质损耗谱图在漆包线行业的应用拓展将随着漆包线介质损耗测试仪的广泛使用，以及行业厂家的实践积累，内容将会越来越丰富。迪安电工新近推出的“高频介质损耗测试仪/漆包线介质损耗图谱仪” TD100PM 多功能机型，将为漆包线厂家特别是生产聚氨酯漆包线的厂家避免了需要购买两台不同仪器的尴尬，做到了一机二用，不但减少设备成本，也省去了操作多台设备的麻烦。漆包线的市场在中国，漆包线的未来看中国，中国漆包线的测试仪器的发展也需要与世界同步甚至走在世界的前列，同时要积极参与全球测试标准制定特别是 IEC 委员会事务中。可喜的是国内已经有许多漆包线生产厂家投入大量资金引入国外精密分析仪器对漆包线漆及导体进行分子结构水平的研究。今天的介质损耗测试仪的发明和使用是漆包线行业发展过程中的里程碑，它必将引领新一轮的高新测试技术在漆包线领域的应用。为中国漆包线行业的发展做出更大的贡献。
