工程師生產(chǎn)和維修中必不可少小小熱縮管
2025-3-11 13:38:22??????點(diǎn)擊：
熱縮管與膠帶和尼龍?jiān)鷰б粯樱枪こ處煿ぞ呦湟约爸圃臁⑸a(chǎn)和維修中必不可少的元素。它主要還是用于覆蓋和保護(hù)電線接頭，但用途遠(yuǎn)不止于此。
熱縮管可以用來(lái)對(duì)不規(guī)則形狀的物體進(jìn)行臨時(shí)甚至長(zhǎng)期的修復(fù)，因?yàn)樗梢耘c所包裹的物體完全貼合。熱縮管有許多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是易于使用，只需將其滑到接頭或物體上，用熱風(fēng)槍(或火柴或火焰，如果你只有這些)加熱，它就會(huì)神奇地縮小。
然而，就像我們常常使用的許多其他物品一樣，這種多功能管材的開發(fā)歷程、工作原理和用途以及可用的產(chǎn)品背后的故事也很復(fù)雜。請(qǐng)注意，即使我們這個(gè)行業(yè)常常會(huì)用縮寫，但熱縮管也很少被稱為“HST，而是直接用“heat shrink”。
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熱縮管由交聯(lián)聚合物制成，交聯(lián)聚合物中的單體單元交聯(lián)在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)。這些熱固性和彈性聚合物的表現(xiàn)與熱塑性聚合物的表現(xiàn)截然不同。
交聯(lián)聚合物的機(jī)械行為與溫度的關(guān)系由其剪切模量(施加的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之比)表示，圖1比較了高度交聯(lián)、粗交聯(lián)和非交聯(lián)聚合物之間的剪切模量。
請(qǐng)注意，眾所周知的彈性體具有橡膠的柔韌性和彈性，是松散交聯(lián)的聚合物。這些長(zhǎng)而隨機(jī)卷曲的松散交聯(lián)材料可以輕松拉伸，但當(dāng)力或應(yīng)力消除時(shí)會(huì)恢復(fù)到其原始形狀(圖2)。
隨著管材直徑的收縮，它就會(huì)緊緊地與所覆蓋的物體相貼合。這是由于交聯(lián)熱固性聚合物的特性：受熱后，它會(huì)試圖恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。
當(dāng)用于覆蓋電線接頭時(shí)，它可提供物理保護(hù)并可保持接頭區(qū)域的絕緣。在某些情況下，套管“在其內(nèi)部”用于保護(hù)接頭，然后還封裝整個(gè)組件(圖3)。
收縮過程是不可逆的。與電工膠帶不同，它不會(huì)開裂或老化，而且會(huì)形成更流線型、更貼合的保護(hù)殼(圖4)。
它還可用于將多根電線綁束在一起，改善電線和線束的外觀，并增加應(yīng)力消除(圖5)。
與膠帶和扎帶一樣，熱縮管的用途非常廣泛。它可用于連接斷裂的木棍和包裹破損的物體。與膠帶不同，它不會(huì)在其覆蓋的物體上留下任何殘留物。也不同于粘合劑，它不需要干燥時(shí)間或化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)“融入”或影響其接觸的物體的表面，根據(jù)具體情況，這可能是好事，也可能是壞事。
熱縮管可由多種熱塑性塑料制成，包括聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、氟橡膠(用于高溫和腐蝕性環(huán)境)、氯丁橡膠、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和Kynar樹脂。
熱縮管的歷史
第二次世界大戰(zhàn)后，人們發(fā)現(xiàn)輻射可用于改變某些塑料的分子結(jié)構(gòu)并誘導(dǎo)交聯(lián)。因此，即使溫度升高，它們也不會(huì)熔化或流動(dòng)，這與大多數(shù)會(huì)熔化或流動(dòng)的聚合物形成了鮮明對(duì)比。20世紀(jì)50年代末，化學(xué)工程師兼Raychem公司創(chuàng)始人Paul Cook使用所謂的“輻射化學(xué)”(因此得名Raychem)開發(fā)了兩種產(chǎn)品：輕型飛機(jī)電纜和熱縮管。
在交聯(lián)過程中，將聚合物暴露在輻射下會(huì)在聚合物原子之間形成共價(jià)鍵。這些共價(jià)鍵使聚合物具有塑性記憶，這意味著一旦聚合物交聯(lián)并拉伸成膨脹形狀，當(dāng)施加一定的熱量時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)收縮回其原始尺寸。
管材的制造來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)的擠出工藝。將基礎(chǔ)材料與其他添加劑(如著色劑和紫外線穩(wěn)定劑)混合，然后擠出。為了轉(zhuǎn)化單體，交聯(lián)以形成聚合物是在擠出后通過輻射完成的，或者在塑料配方和擠出階段通過化學(xué)方法完成。
具體操作細(xì)節(jié)屬于商業(yè)機(jī)密。PVC、聚乙烯、聚酰胺等通常通過電子束處理進(jìn)行交聯(lián)，而其他聚合物則需要α射線或γ射線，甚至紫外線或射頻輻射。
交聯(lián)后的管子被拉伸(通常通過氣壓)到所需尺寸，通常是其原始直徑的兩倍，此時(shí)，它處于膨脹狀態(tài)，具有記憶性。當(dāng)管子暴露在高溫下(通常稱為收縮溫度或活化溫度)時(shí)，它會(huì)松弛回到其原始直徑并處于恢復(fù)狀態(tài)。
除了Raychem，全球還有許多此類管材供應(yīng)商，包括Sumitomo、Alpha Wire和Elcon。雖然2:1是最常見的膨脹/恢復(fù)比，但其他標(biāo)準(zhǔn)比率也有3:1、4:1甚至6:1。一般而言，HST供應(yīng)商建議使用適合應(yīng)用的最小收縮比。
五花八門的品種
熱縮管有各種顏色(圖6)。有時(shí)，這些顏色用于顏色編碼，以幫助識(shí)別電纜，例如紅色代表電源、黑色代表接地、綠色代表低壓。在其他情況下，它用于增強(qiáng)產(chǎn)品的外觀和吸引力，例如用于游戲的“開放式”PC。甚至還有透明的HST，可以讓接合處或所有被覆蓋的部分清晰可見。
其他變化還涉及襯里。有一種雙層塑料襯里，內(nèi)襯在外襯收縮時(shí)熔化，從而封裝電線接頭。還有的襯里具有與熱熔膠非常相似的可熔粘合劑，當(dāng)管材加熱收縮時(shí)，粘合劑粘附在電線上并形成防水、耐腐蝕的覆蓋層。當(dāng)電纜(HST覆蓋)需要穿過導(dǎo)管和管道或受到物理?yè)p壞時(shí)，需要使用具有額外耐磨性的HST。
在溫度方面，標(biāo)準(zhǔn)套管在約90℃至100℃時(shí)收縮。但是，有些型號(hào)的套管本身可以承受更高的溫度，因此收縮溫度也更高，額定值為150℃和200℃。甚至還有基于特氟龍的HST，有250℃的收縮溫度并且壁極薄，因此，它幾乎是一層看不見的“皮膚”，不會(huì)干擾電纜的滑動(dòng)，并能最大限度地減少電纜的體積。
還有符合UL VW-1耐燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的型號(hào)，該測(cè)試定義并限制了材料對(duì)持續(xù)燃燒的支持。這種“垂直火焰”測(cè)試評(píng)估了材料沿垂直懸掛的電線抵抗火焰的能力，其目標(biāo)是防止火焰蔓延，尤其是在通風(fēng)系統(tǒng)和管道中。
管材易于收縮是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。雖然不建議使用，但對(duì)于小而薄的管材，可以使用火柴，對(duì)于較大的管材，可以使用丁烷燃料噴燈。然而，明火會(huì)帶來(lái)明顯的風(fēng)險(xiǎn)，因此最好使用電動(dòng)或封閉火焰的熱風(fēng)槍。
這些熱風(fēng)槍可以是直接的“手槍”式熱風(fēng)槍，類似于電吹風(fēng)(如果溫度足夠高并且管材是低溫型號(hào)，也可以使用)，或者是具有彎曲氣流路徑的熱風(fēng)源，以達(dá)到更好的覆蓋效果(圖7)。與管道焊接不同，管道焊接需要高溫和大量熱能，因此需要火焰作為熱源，而熱縮管不需要太多熱能，因此可以使用更安全的熱風(fēng)槍。
薄壁、大眾化的HST在五金店和家裝店中隨處可見。它不需要特殊技能、培訓(xùn)或使用技巧——這也是HST的眾多優(yōu)點(diǎn)之一。一包六根6英寸長(zhǎng)的?英寸黑色聚烯烴管零售價(jià)約為3美元，而四英尺長(zhǎng)的?英寸雙壁粘合劑襯里管零售價(jià)約為10美元。
方便、簡(jiǎn)單、易于使用
熱縮管和透明膠帶、拉鏈袋和創(chuàng)可貼(僅舉幾例)一樣，對(duì)于我們的生活不可或缺，并且看上去簡(jiǎn)單、使用方便，而且能解決很多問題，這些產(chǎn)品有的符合最初的設(shè)計(jì)初衷，有的則不符合。不過，不管是哪一種產(chǎn)品都需要大量的材料科學(xué)和生產(chǎn)專業(yè)知識(shí)，才能使其低成本、廣泛的普及
熱縮管可以用來(lái)對(duì)不規(guī)則形狀的物體進(jìn)行臨時(shí)甚至長(zhǎng)期的修復(fù)，因?yàn)樗梢耘c所包裹的物體完全貼合。熱縮管有許多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是易于使用，只需將其滑到接頭或物體上，用熱風(fēng)槍(或火柴或火焰，如果你只有這些)加熱，它就會(huì)神奇地縮小。
然而，就像我們常常使用的許多其他物品一樣，這種多功能管材的開發(fā)歷程、工作原理和用途以及可用的產(chǎn)品背后的故事也很復(fù)雜。請(qǐng)注意，即使我們這個(gè)行業(yè)常常會(huì)用縮寫，但熱縮管也很少被稱為“HST，而是直接用“heat shrink”。
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熱縮管由交聯(lián)聚合物制成，交聯(lián)聚合物中的單體單元交聯(lián)在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)。這些熱固性和彈性聚合物的表現(xiàn)與熱塑性聚合物的表現(xiàn)截然不同。
交聯(lián)聚合物的機(jī)械行為與溫度的關(guān)系由其剪切模量(施加的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之比)表示，圖1比較了高度交聯(lián)、粗交聯(lián)和非交聯(lián)聚合物之間的剪切模量。
請(qǐng)注意，眾所周知的彈性體具有橡膠的柔韌性和彈性，是松散交聯(lián)的聚合物。這些長(zhǎng)而隨機(jī)卷曲的松散交聯(lián)材料可以輕松拉伸，但當(dāng)力或應(yīng)力消除時(shí)會(huì)恢復(fù)到其原始形狀(圖2)。
隨著管材直徑的收縮，它就會(huì)緊緊地與所覆蓋的物體相貼合。這是由于交聯(lián)熱固性聚合物的特性：受熱后，它會(huì)試圖恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。
當(dāng)用于覆蓋電線接頭時(shí)，它可提供物理保護(hù)并可保持接頭區(qū)域的絕緣。在某些情況下，套管“在其內(nèi)部”用于保護(hù)接頭，然后還封裝整個(gè)組件(圖3)。
收縮過程是不可逆的。與電工膠帶不同，它不會(huì)開裂或老化，而且會(huì)形成更流線型、更貼合的保護(hù)殼(圖4)。
它還可用于將多根電線綁束在一起，改善電線和線束的外觀，并增加應(yīng)力消除(圖5)。
與膠帶和扎帶一樣，熱縮管的用途非常廣泛。它可用于連接斷裂的木棍和包裹破損的物體。與膠帶不同，它不會(huì)在其覆蓋的物體上留下任何殘留物。也不同于粘合劑，它不需要干燥時(shí)間或化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)“融入”或影響其接觸的物體的表面，根據(jù)具體情況，這可能是好事，也可能是壞事。
熱縮管可由多種熱塑性塑料制成，包括聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、氟橡膠(用于高溫和腐蝕性環(huán)境)、氯丁橡膠、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和Kynar樹脂。
熱縮管的歷史
第二次世界大戰(zhàn)后，人們發(fā)現(xiàn)輻射可用于改變某些塑料的分子結(jié)構(gòu)并誘導(dǎo)交聯(lián)。因此，即使溫度升高，它們也不會(huì)熔化或流動(dòng)，這與大多數(shù)會(huì)熔化或流動(dòng)的聚合物形成了鮮明對(duì)比。20世紀(jì)50年代末，化學(xué)工程師兼Raychem公司創(chuàng)始人Paul Cook使用所謂的“輻射化學(xué)”(因此得名Raychem)開發(fā)了兩種產(chǎn)品：輕型飛機(jī)電纜和熱縮管。
在交聯(lián)過程中，將聚合物暴露在輻射下會(huì)在聚合物原子之間形成共價(jià)鍵。這些共價(jià)鍵使聚合物具有塑性記憶，這意味著一旦聚合物交聯(lián)并拉伸成膨脹形狀，當(dāng)施加一定的熱量時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)收縮回其原始尺寸。
管材的制造來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)的擠出工藝。將基礎(chǔ)材料與其他添加劑(如著色劑和紫外線穩(wěn)定劑)混合，然后擠出。為了轉(zhuǎn)化單體，交聯(lián)以形成聚合物是在擠出后通過輻射完成的，或者在塑料配方和擠出階段通過化學(xué)方法完成。
具體操作細(xì)節(jié)屬于商業(yè)機(jī)密。PVC、聚乙烯、聚酰胺等通常通過電子束處理進(jìn)行交聯(lián)，而其他聚合物則需要α射線或γ射線，甚至紫外線或射頻輻射。
交聯(lián)后的管子被拉伸(通常通過氣壓)到所需尺寸，通常是其原始直徑的兩倍，此時(shí)，它處于膨脹狀態(tài)，具有記憶性。當(dāng)管子暴露在高溫下(通常稱為收縮溫度或活化溫度)時(shí)，它會(huì)松弛回到其原始直徑并處于恢復(fù)狀態(tài)。
除了Raychem，全球還有許多此類管材供應(yīng)商，包括Sumitomo、Alpha Wire和Elcon。雖然2:1是最常見的膨脹/恢復(fù)比，但其他標(biāo)準(zhǔn)比率也有3:1、4:1甚至6:1。一般而言，HST供應(yīng)商建議使用適合應(yīng)用的最小收縮比。
五花八門的品種
熱縮管有各種顏色(圖6)。有時(shí)，這些顏色用于顏色編碼，以幫助識(shí)別電纜，例如紅色代表電源、黑色代表接地、綠色代表低壓。在其他情況下，它用于增強(qiáng)產(chǎn)品的外觀和吸引力，例如用于游戲的“開放式”PC。甚至還有透明的HST，可以讓接合處或所有被覆蓋的部分清晰可見。
其他變化還涉及襯里。有一種雙層塑料襯里，內(nèi)襯在外襯收縮時(shí)熔化，從而封裝電線接頭。還有的襯里具有與熱熔膠非常相似的可熔粘合劑，當(dāng)管材加熱收縮時(shí)，粘合劑粘附在電線上并形成防水、耐腐蝕的覆蓋層。當(dāng)電纜(HST覆蓋)需要穿過導(dǎo)管和管道或受到物理?yè)p壞時(shí)，需要使用具有額外耐磨性的HST。
在溫度方面，標(biāo)準(zhǔn)套管在約90℃至100℃時(shí)收縮。但是，有些型號(hào)的套管本身可以承受更高的溫度，因此收縮溫度也更高，額定值為150℃和200℃。甚至還有基于特氟龍的HST，有250℃的收縮溫度并且壁極薄，因此，它幾乎是一層看不見的“皮膚”，不會(huì)干擾電纜的滑動(dòng)，并能最大限度地減少電纜的體積。
還有符合UL VW-1耐燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的型號(hào)，該測(cè)試定義并限制了材料對(duì)持續(xù)燃燒的支持。這種“垂直火焰”測(cè)試評(píng)估了材料沿垂直懸掛的電線抵抗火焰的能力，其目標(biāo)是防止火焰蔓延，尤其是在通風(fēng)系統(tǒng)和管道中。
管材易于收縮是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。雖然不建議使用，但對(duì)于小而薄的管材，可以使用火柴，對(duì)于較大的管材，可以使用丁烷燃料噴燈。然而，明火會(huì)帶來(lái)明顯的風(fēng)險(xiǎn)，因此最好使用電動(dòng)或封閉火焰的熱風(fēng)槍。
這些熱風(fēng)槍可以是直接的“手槍”式熱風(fēng)槍，類似于電吹風(fēng)(如果溫度足夠高并且管材是低溫型號(hào)，也可以使用)，或者是具有彎曲氣流路徑的熱風(fēng)源，以達(dá)到更好的覆蓋效果(圖7)。與管道焊接不同，管道焊接需要高溫和大量熱能，因此需要火焰作為熱源，而熱縮管不需要太多熱能，因此可以使用更安全的熱風(fēng)槍。
薄壁、大眾化的HST在五金店和家裝店中隨處可見。它不需要特殊技能、培訓(xùn)或使用技巧——這也是HST的眾多優(yōu)點(diǎn)之一。一包六根6英寸長(zhǎng)的?英寸黑色聚烯烴管零售價(jià)約為3美元，而四英尺長(zhǎng)的?英寸雙壁粘合劑襯里管零售價(jià)約為10美元。
方便、簡(jiǎn)單、易于使用
熱縮管和透明膠帶、拉鏈袋和創(chuàng)可貼(僅舉幾例)一樣，對(duì)于我們的生活不可或缺，并且看上去簡(jiǎn)單、使用方便，而且能解決很多問題，這些產(chǎn)品有的符合最初的設(shè)計(jì)初衷，有的則不符合。不過，不管是哪一種產(chǎn)品都需要大量的材料科學(xué)和生產(chǎn)專業(yè)知識(shí)，才能使其低成本、廣泛的普及
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