热缩管与胶带和尼龙扎带一样，是工程师工具箱以及制造、生产和维修中必不可少的元素。它主要还是用于覆盖和保护电线接头，但用途远不止于此。
热缩管可以用来对不规则形状的物体进行临时甚至长期的修复，因为它可以与所包裹的物体完全贴合。热缩管有许多优点，其中之一就是易于使用，只需将其滑到接头或物体上，用热风枪(或火柴或火焰，如果你只有这些)加热，它就会神奇地缩小。
然而，就像我们常常使用的许多其他物品一样，这种多功能管材的开发历程、工作原理和用途以及可用的产品背后的故事也很复杂。请注意，即使我们这个行业常常会用缩写，但热缩管也很少被称为“HST，而是直接用“heat shrink”。
热缩管由交联聚合物制成，交联聚合物中的单体单元交联在一起形成三维网络。这些热固性和弹性聚合物的表现与热塑性聚合物的表现截然不同。
交联聚合物的机械行为与温度的关系由其剪切模量(施加的应力与产生的应变之比)表示，图1比较了高度交联、粗交联和非交联聚合物之间的剪切模量。
图1：图表显示了各类交联聚合物的剪切模量与温度性能。资料来源：Science Direct
请注意，众所周知的弹性体具有橡胶的柔韧性和弹性，是松散交联的聚合物。这些长而随机卷曲的松散交联材料可以轻松拉伸，但当力或应力消除时会恢复到其原始形状(图2)。
图2：交联是橡胶和类似材料具有弹性特性的原因。来源：Science Direct
随着管材直径的收缩，它就会紧紧地与所覆盖的物体相贴合。这是由于交联热固性聚合物的特性：受热后，它会试图恢复到原来的尺寸。
当用于覆盖电线接头时，它可提供物理保护并可保持接头区域的绝缘。在某些情况下，套管“在其内部”用于保护接头，然后还封装整个组件(图3)。
图3：当施加热量(此处来自火焰喷灯)时，管材在接头处收缩。来源：R.S. Hughes
收缩过程是不可逆的。与电工胶带不同，它不会开裂或老化，而且会形成更流线型、更贴合的保护壳(图4)。
图4：这款热缩套管应用得当，管材与底层连接接头的完美贴合。来源：Alpha Wire via Newark Electronics
它还可用于将多根电线绑束在一起，改善电线和线束的外观，并增加应力消除(图5)。
图5：热缩管也可用于覆盖多线束。来源：HellermannTyton
与胶带和扎带一样，热缩管的用途非常广泛。它可用于连接断裂的木棍和包裹破损的物体。与胶带不同，它不会在其覆盖的物体上留下任何残留物。也不同于粘合剂，它不需要干燥时间或化学性质，不会“融入”或影响其接触的物体的表面，根据具体情况，这可能是好事，也可能是坏事。
热缩管可由多种热塑性塑料制成，包括聚烯烃、聚氯乙烯(PVC)、氟橡胶(用于高温和腐蚀性环境)、氯丁橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和Kynar树脂。
第二次世界大战后，人们发现辐射可用于改变某些塑料的分子结构并诱导交联。因此，即使温度升高，它们也不会熔化或流动，这与大多数会熔化或流动的聚合物形成了鲜明对比。20世纪50年代末，化学工程师兼Raychem公司创始人Paul Cook使用所谓的“辐射化学”(因此得名Raychem)开发了两种产品：轻型飞机电缆和热缩管。
在交联过程中，将聚合物暴露在辐射下会在聚合物原子之间形成共价键。这些共价键使聚合物具有塑性记忆，这意味着一旦聚合物交联并拉伸成膨胀形状，当施加一定的热量时，它就会自动收缩回其原始尺寸。
管材的制造来源于标准的挤出工艺。将基础材料与其他添加剂(如着色剂和紫外线稳定剂)混合，然后挤出。为了转化单体，交联以形成聚合物是在挤出后通过辐射完成的，或者在塑料配方和挤出阶段通过化学方法完成。
具体操作细节属于商业机密。PVC、聚乙烯、聚酰胺等通常通过电子束处理进行交联，而其他聚合物则需要α射线或γ射线，甚至紫外线或射频辐射。
交联后的管子被拉伸(通常通过气压)到所需尺寸，通常是其原始直径的两倍，此时，它处于膨胀状态，具有记忆性。当管子暴露在高温下(通常称为收缩温度或活化温度)时，它会松弛回到其原始直径并处于恢复状态。
除了Raychem，全球还有许多此类管材供应商，包括Sumitomo、Alpha Wire和Elcon。虽然2:1是最常见的膨胀/恢复比，但其他标准比率也有3:1、4:1甚至6:1。一般而言，HST供应商建议使用适合应用的最小收缩比。
热缩管有各种颜色(图6)。有时，这些颜色用于颜色编码，以帮助识别电缆，例如红色代表电源、黑色代表接地、绿色代表低压。在其他情况下，它用于增强产品的外观和吸引力，例如用于游戏的“开放式”PC。甚至还有透明的HST，可以让接合处或所有被覆盖的部分清晰可见。
图6：热缩管可用于轻松对连接和端接进行颜色编码，请注意套管是如何覆盖每根电线及其对应的滑套连接器的不规则性。来源：Alpha Wire via Newark Electronics
其他变化还涉及衬里。有一种双层塑料衬里，内衬在外衬收缩时熔化，从而封装电线接头。还有的衬里具有与热熔胶非常相似的可熔粘合剂，当管材加热收缩时，粘合剂粘附在电线上并形成防水、耐腐蚀的覆盖层。当电缆(HST覆盖)需要穿过导管和管道或受到物理损坏时，需要使用具有额外耐磨性的HST。
在温度方面，标准套管在约90℃至100℃时收缩。但是，有些型号的套管本身可以承受更高的温度，因此收缩温度也更高，额定值为150℃和200℃。甚至还有基于特氟龙的HST，有250℃的收缩温度并且壁极薄，因此，它几乎是一层看不见的“皮肤”，不会干扰电缆的滑动，并能最大限度地减少电缆的体积。
还有符合UL VW-1耐燃测试标准的型号，该测试定义并限制了材料对持续燃烧的支持。这种“垂直火焰”测试评估了材料沿垂直悬挂的电线抵抗火焰的能力，其目标是防止火焰蔓延，尤其是在通风系统和管道中。
管材易于收缩是另一个优点。虽然不建议使用，但对于小而薄的管材，可以使用火柴，对于较大的管材，可以使用丁烷燃料喷灯。然而，明火会带来明显的风险，因此最好使用电动或封闭火焰的热风枪。
这些热风枪可以是直接的“手枪”式热风枪，类似于电吹风(如果温度足够高并且管材是低温型号，也可以使用)，或者是具有弯曲气流路径的热风源，以达到更好的覆盖效果(图7)。与管道焊接不同，管道焊接需要高温和大量热能，因此需要火焰作为热源，而热缩管不需要太多热能，因此可以使用更安全的热风枪。
图7：具有弧形输出的加热空气源可以一次性有效地收缩大部分管材圆周，从而节省时间并最大限度地减少“遗漏”。来源：Avantor/VWR International LLC
薄壁、大众化的HST在五金店和家装店中随处可见。它不需要特殊技能、培训或使用技巧——这也是HST的众多优点之一。一包六根6英寸长的¼英寸黑色聚烯烃管零售价约为3美元，而四英尺长的¾英寸双壁粘合剂衬里管零售价约为10美元。
热缩管和透明胶带、拉链袋和创可贴(仅举几例)一样，对于我们的生活不可或缺，并且看上去简单、使用方便，而且能解决很多问题，这些产品有的符合最初的设计初衷，有的则不符合。不过，不管是哪一种产品都需要大量的材料科学和生产专业知识，才能使其低成本、广泛的普及。
(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog，参考链接：A short primer on heat shrink tubing，由Ricardo Xie编译。)
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