物理发泡电缆绝缘材料.pdf

物理发泡电缆绝缘材料的现状及发展趋势物理发泡电缆绝缘材料的现状及发展趋势 段春来 张 云 项 建 李志明 汪晓明 上海凯波特种电缆料厂有限公司 浙江万马天屹通讯线缆有限公司 摘摘 要 要 介绍了应用于移动通信 RF 射频同轴电缆 广电系统 CATV 同轴电缆和铁路数字信号电缆的物理 发泡绝缘电缆材料的特点 使用状况以及今后的发展趋势 关键词 关键词 物理发泡 同轴电缆 铁路数字信号电缆 聚乙烯绝缘料 1 前言 前言 随着我国电力 电子 通讯等行业的高速发展 我国已经成为世界上最大的电缆生产国 物理发泡技术在通信电缆中的推广运用 对通信行业的发展起到了巨大的推动作用 在通信 电缆中 绝缘材料的发泡方式有化学发泡和物理发泡两种 因化学发泡的发泡度较低 且发 泡剂的残留对电缆的电气指标有一定程度的负面影响 所以 目前的应用不及物理发泡广泛 物理发泡技术 含N2 CO2两种方式 主要应用于移动通信领域的RF射频同轴电缆制造 以及广电系统CATV同轴电缆 近几年发展起来的铁路数字信号电缆等的生产制造 上述三 类电缆的应用领域不同 其各项性能指标要求也不相同 因此对发泡绝缘材料的相应要求也 不一样 以下本文将分别对这三类电缆所用的发泡绝缘材料的牌号 性能 特点 缺陷及今 后的发展趋势做以简单介绍 2 移动通信 移动通信RF射频电缆用聚乙烯绝缘料射频电缆用聚乙烯绝缘料 移动通信RF射频同轴电缆所适用的代表性标准为 YD T 1092 2004 通信电缆 无线通 信用50 泡沫聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆 此系列电缆的适用测试频率可达 3000MHz 测试频率很高 对电缆在高频条件下的衰减要求相应也高 同时衰减指标是此 类电缆生产过程控制的最重要电气性能指标之一 达到高要求的衰减指标也是发泡绝缘料面 临的最大挑战 根据射频同轴电缆衰减常数的计算公式 1 2 3 1 如下 常温 20 射频同轴电缆衰减常数 r g 1 在常温 20 下导体衰减常数 r D KK d K d D lg f1061 2 213 r 3 2 其中 电缆总衰减 dB m r 电缆导体衰减 dB m g 电缆介质衰减 dB m 电缆失配衰减 dB m f 工作频率 MHz r 发泡绝缘料的等效介电常数 D 外导体等效直径 mm d 内导体外径 mm 注 当外导体为平直圆管时 D可取绝缘外径数值 当外导体为皱纹圆管时 D 2 DD 波谷波峰 或者D 波谷波峰 DD 1 当外导体是编织型时 D 绝缘外径 1 5倍编织线直径 一般情况下 内导体是平直圆型实心连续体 此时d可以取内导体外径 K1 根据外导体材质构成所确定的系数 铜管取1 0 铝管取1 28 K2 根据外导体形状所确定的系数 平滑管取1 0 皱纹管取1 2 K3 根据内导体材质构成所确定的系数 铜线和铜管取1 0 铜绞线取1 2 复绞铜线取2 3 在常温 20 下介质衰减常数 g 9 08 10 2ftg r r 3 其中 tg r 等效介质损耗角正切 f r 同 2 式 由此可见 电缆的使用频率越高 衰减常数越大 在低频条件下 电缆的总衰减以导体 的衰减为主 在高频条件下 绝缘衰减所占比例会越来越大 所以对发泡料的电学性能要求 也越来越高 即要求等效介电常数和等效介质损耗角正切的数值越来越低 才能保障电缆的 衰减越小 由公式 4 1 和 5 2 可以看出 发泡绝缘料的等效介电常数 r 1P12 1P212 4 其中 P 发泡度 发泡前绝缘材料的介电常数 r 发泡绝缘材料的等效介电常数 发泡绝缘材料的等效介质损耗角正切 tg tg 1P12 P2tg 12P12 P1tg2 5 其中 P 发泡度 发泡前绝缘材料的介电常数 tg 为绝缘材料发泡前的介质损耗角正切 发泡绝缘材料的等效介电常数和等效介质损耗角正切 不仅和发泡前材料的介电常数及介质 损耗角正切有关 还和材料的发泡度有关 当材料发泡前的介电常数和介质损耗角正切越小 时 材料发泡后的等效介电常数和等效介质损耗角正切也越小 当材料的发泡度越大时 发 泡后材料的等效介电常数和等效介质损耗角正切越小 既然发泡后绝缘材料的等效介电常数 和等效介质损耗角正切受发泡前材料的介电常数和介质损耗角正切及发泡度三个因素的影 响 那是否可以选择材料发泡前的介电常数和介质损耗角正切较大 但可以获得很大发泡度 的材料呢 由公式 6 1 射频同轴电缆的特性阻抗 射频同轴电缆的特性阻抗 Zc d D lg 138 6 其中 r D d 同 2 式 及公式 4 可知 材料的发泡度受电缆特性阻抗的限制 例如 如果发泡前混合材料的介 电常数为2 32 可计算出特性阻抗为50 的HCAAY 50 12电缆阻抗允许的发泡度大约在 60 75 范围内 发泡度过高则特性阻抗偏高 发泡度过低 则特性阻抗偏低 阻抗过高 或过低 都是RF同轴电缆生产制造中所严格控制的 所以 要想生产出特性阻抗合格且高 2 频条件下衰减较小的RF射频同轴电缆 须要求材料发泡前的介电常数和介质损耗角正切小 且可进行较大程度的发泡 目前 国内用于生产RF射频同轴电缆的绝缘料主要是采用高密度聚乙烯 HDPE 低 密度聚乙烯 LDPE 以及成核剂母料混合发泡的方式 高密度聚乙烯 HDPE 因其分子结构呈线性 密度大 支链少 所以一般来讲 和低 密度聚乙烯相比其介电常数较大 而介质损耗角正切较小 因为介质损耗角正切比介电常数 对RF同轴射频电缆衰减的影响更大 所以一般将HDPE作为发泡料的主材料 但因其线性结 构使得熔体粘度大 弹性低 张力低 不利于产生均匀高发泡度泡孔结构 因而不能独立用 作高发泡度材料 目前国内应用较多的进口高密度聚乙烯主要为陶氏化学的6944和北欧化工 的1123 其性能指标见表1 表表1 高密度聚乙烯发泡料的性能高密度聚乙烯发泡料的性能 项目 名称 密度 g cm3 熔指 g 10min 拉伸强 度 MPa 断裂伸 长率 介电常数 1MHz 介质损耗角正 切 1MHz 介质损耗角正 切 1 8GMHz 6944 0 965 8 33 1 650 2 34 0 00004 1123 0 963 8 33 600 2 35 0 00005 0 00006 这两种材料的介质损耗角正切都比较小 但价格也非常高 目前 国内相应电缆厂家 都力 求选择国产料 以便降低成本 但国产高密度聚乙烯的介质损耗角正切 基本都比上述两种 材料大 要想弥补国产料的上述不足 一方面尽量选择介质损耗角正切较小的牌号 另一方 面要在电缆特性阻抗允许的情况下尽量提高材料的发泡度 高密度聚乙烯的介质损耗角正切 受其聚合方法 催化剂的残留 添加剂的种类和含量的影响而有所不同 高密度聚乙烯的聚 合方法主要有气相法 淤浆法和溶液法三种 这些工艺中 有的包含脱除催化剂的步骤 有 的只有使催化剂失活的步骤 当然 即便是同一种聚合方法 不同的生产企业 具体步骤也 有差别 另外 有些高密度聚乙烯中含有开口剂和爽滑剂 有的则没有 所以应选择不含开 口剂和爽滑剂的产品 因此 在选择材料时 尽量要了解材料的生产过程 从材料的物理性 能角度来考虑 应当选择熔指在5g 10min以上的产品 这样熔体的粘度较小 延展性较好 有利于发泡 如果选用熔指较小的高密度聚乙烯 则材料的粘度较大 发泡困难 挤出时因 出现熔体破裂现象 电缆绝缘表面亦较粗糙 低密度聚乙烯 LDPE 分子链上带有很多支链 密度小 熔体的强度较大 弹性好 因此 发泡时泡孔均匀细腻 比高密度更适合发泡 另一方面 由于LDPE的密度小 支链 多 其介质损耗角正切较HDPE大 且硬度较HDPE小 因此也不能独立用作RF同轴射频电 缆的发泡材料 目前 国内应用较多的进口低密度聚乙烯主要为陶氏化学的1253和北欧化工 的1120 其性能指标如表2 表表2 低密度聚乙烯发泡料的性能低密度聚乙烯发泡料的性能 项目 名称 密度 g cm3 熔指 g 10min 拉伸强 度 MPa 断裂伸 长率 介电常数 1MHz 介质损耗角正 切 1MHz 介质损耗角正 切 1 8GMHz 1253 0 919 1 8 11 4 600 2 27 0 00007 1120 0 924 5 12 2 500 2 28 0 00004 0 00015 上述两种材料的介质损耗角正切也都比较小 但是价位较高 国内相关电缆厂家也都希望能 够在国内寻找替代品籍以降低成本 在选择低密度聚乙烯时 除了要尽量选择介质损耗角正 切值较小的产品外 更主要的是选择发泡加工性能好的产品 即选择带有长支链较多的产品 影响低密度聚乙烯介质损耗角正切的因素 除了聚合方法外引发剂不同 原材料的精致程度 3 不同 成品的介质损耗角正切会有差异 更主要的是其分子结构 低密度聚乙烯的分子结构 中包含部分羧基 双键等基团 另外甲基含量的多少也会影响到介质损耗角正切 另外 分 子量分布的大小 也影响材料的发泡性能 分子量分布较大时 一般发泡性能较好一些 为了降低成本 很多厂家在积极探索选用国产料 有的则进口料和国产料共同使用 即 高密度采用进口料 而低密度采用国产料 也有些厂家则已经大部分使用了国产料 这样 就有效的降低了成本 当然 也有些厂家仍在继续使用成本较高的进口发泡聚乙烯 目前 RF射频同轴电缆所用的成核剂母料多为陶氏化学的0078 此母料为无机成核剂 母料 本身的介质损耗角正切较小 在挤出过程中 一般情况下不会受热分解 亦不会出现 极性化学生成物的残留 可较好地降低电缆的衰减常数 3 CATV系列同轴电缆用物理发泡绝缘料系列同轴电缆用物理发泡绝缘料 CATV系列同轴电缆所适用的代表性标准为 GY T 135 1998 有线电视系统物理发泡 聚乙烯绝缘同轴电缆入网技术条件和测量方法 此类电缆使用测试频率在1000MHz以内 对发泡绝缘材料自身的电学性能要求不太高 材料的发泡度也不是很大 一般在60 75 之间 生产此类电缆 也是用高密度聚乙烯 低密度聚乙烯和成核剂母料混合发泡 高密度聚 乙烯 低密度聚乙烯和成核剂母料的混合比例一般为 50 80 50 20 0 7 1 为了优化电缆的衰减 驻波等性能 还需要对各种原材料的具体牌号加以优选 目前 这类 电缆的原材料已经达到全部国产化阶段 国内相关电缆厂家常用的国产高密度聚乙烯有兰化 的60550 大庆石化的2200J 独山子石化的6070等 进口高密度聚乙烯有陶氏化学的6944 韩国韩华的8600H等 其性能如表3 表表3 高密度聚乙烯发泡料的性能高密度聚乙烯发泡料的性能 名称名称 项目项目 605502200J60706944 8600H 密度 g cm3 0 9550 9640 9610 965 0 96 熔指 g 10min 7 5 5 7 8 7 5 拉伸强度 MPa 27 26 28 33 1 28 断裂伸长率 800 80 800650 700 介电常数 1MHz 2 34 2 4 介质损耗角正切 1MHz 0 000040 0005 低密度聚乙烯也同样应选择长支链较多 熔体强度较大的产品 并且要求其分子量分布 较宽 产品中无开口剂 爽滑剂等添加剂 材料的熔指 无特别要求 可以为2g 10min 10g 10min 此类材料可从中石化 陶氏化学 韩华等石化企业购得 也可通过将几种聚乙 烯混配或改性而制得 目前 国内相关电缆厂家常用的低密度聚乙烯发泡料有燕山石化的 1C7A 陶氏化学的1253 韩华的8600L等 凯波的0608也以其较高的性价比得到了市场的认 可 上述材料的性能指标见表4 表表4 低密度聚乙烯发泡料的性能低密度聚乙烯发泡料的性能 名称名称 项目项目 1C7A0608 1253 8600L 密度 g cm3 0 9180 919 0 919 0 92 熔指 g 10min 7 2 1 8 2 拉伸强度 MPa 12 11 11 4 15 3 断裂伸长率 550 650 600 600 4 介电常数 1MHz 2 23 2 27 2 28 介质损耗角正切 1MHz 0 000080 000070 0008 凯波厂的0608在浙江万马天屹通信线缆有限公司试用的SYWV 75 5的电缆性能检测报 告如图1 0608的价格在2010年02月的售价约比1C7A低2500元 吨 具有综合技术指标优异 市场竞争力强的性价比 图1 SYWV 75 5电缆的检测报告 用于CATV系列电缆发泡的成核剂母料 目前基本都以偶氮二甲酰胺 AC 母料为主 相应生产厂家主要有陶氏化学 上海凯波 南京华都 淄博先科等 另外 也有些厂家 为 了降低生产成本 直接采用偶氮二甲酰胺作成核剂 但是由于偶氮二甲酰胺为粉状 而聚乙 烯为粒状 所以在混合时不易达成均匀一致 因此 采用此种方法极易出现电缆发泡绝缘发 泡效果不稳定等现象 另外 如果偶氮二甲酰胺存放时间过久 还会出现容易结块现象 会 进一步增加与聚乙烯的均匀混合难度 可能会给连续一致性要求很高的工业化生产带来更大 的困扰 所以在此建议各厂家尽量使用成核剂母料 4 铁路数字信号电缆用物理发泡绝缘料 铁路数字信号电缆用物理发泡绝缘料 铁路数字信号电缆所适用的代表性标准为 TB T 3100 1 5 铁路数字信号电缆 此系列电缆的测试频率较低 最高只有1MHz 以对材料的电学性能要求不及CATV电缆和 移动通信RF电缆高 材料的发泡度要求也比较低 一般都在68 以下 更有些厂家仅仅需 要达到55 非屏蔽组芯线 此类电缆对材料的要求主要有3点 1 要求材料清洁度高 不允许包含过多灰分和杂质 否则会因为生产的芯线较细 造 成在线电容不稳定 2 要求材料的稳定性特别好 这包括成核剂混合的均匀性 生产此材料时的工艺稳定 5 性等 否则也可能造成电缆芯线的电容和外径不稳定 3 发泡后的材料要有一定的强度 足以支撑后续绞合和工作状态中所承受的压力 不 能使泡孔塌陷 更不能使芯线之间导通 为了满足铁路数字信号电缆对发泡材料的上述要求 目前一般都采用高密度聚乙烯和 成核剂 一般为偶氮二甲酰胺 在双螺杆中挤出造粒而成 而不像前述两种电缆的生产 直 接用高密度 低密度和成核剂母料混合后挤出发泡 单纯采用高密度聚乙烯时 发泡后泡孔 强度比较高 这样就能更好的支撑后续绞合和工作状态中所承受的压力 用双螺杆生产 可 以将高密度聚乙烯和成核剂混合的更加均匀 材料的均匀性更好 生产电缆时 工艺更好控 制 目前 国内相关电缆厂家使用的铁路数字信号电缆发泡料主要有北欧化工的1102 4873 上海凯波的0824 天水万维的PE WFGJ 淄博先科的XK1016等 其性能指标如表5 表表5 铁路数字信号缆物理发泡聚乙烯绝缘料的性能铁路数字信号缆物理发泡聚乙烯绝缘料的性能 名称名称 项目项目 1102 48730824PE WFGJXK1016 密度 g cm3 0 948 0 9480 95 0 945 0 945 熔指 g 10min 5 5 5 7 3 6 3 7 拉伸强度 MPa 25 25 20 22 22 断裂伸长率 200 200650 600 550 介电常数 1MHz 2 4 2 3 2 3 2 27 介质损耗角正切 1MHz 0 00005 0 0005 0 0003 上述材料在使用效果上 各有特点 不能完全通过上述指标反映出来 特别是稳定性 抗压 缩和泡孔的均匀性方面 凯波的0824在稳定性上和进口料相似 在抗压缩方面据某些厂家反 应还优于进口料 图2 图3为江苏亨通用进口料和0824所做电缆芯线的截面图 由此可见 0824和进口料在泡孔均匀性方面也基本相同 图 3 进口料 图 2 凯波 0824 5 物理发泡材料的发展趋势物理发泡材料的发展趋势 对于RF射频同轴电缆物理发泡绝缘料 今后主要趋势是聚乙烯绝缘材料国产化以及成 核剂母料的国产化 另外 为了适应RF射频同轴电缆更低的衰减和更高的耐温等级 也可 能会选用氟塑料作为发泡绝缘层 但价格较聚乙烯高的多 除此之外 国外在射频电缆方面 还选用无机材料二氧化硅 SiO2 作为发泡绝缘材料 此种材料生产的电缆不但耐温等级 很高 可高达1700 以上 而且可承受超大功率 可用于大功率雷达 外太空卫星大功率 天线馈线以及其他大功率传输场合 3 对于CATV电缆 发泡料主要集中在材料成本的降低方面 对于铁路数字信号