氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的研制_万家华.pdf

2008年第 2期 No 2 2008 电 线 电 缆 ElectricW ire 物理发泡绝缘 微同轴电缆 设计 工艺 研制 中图分类号 TM 248 3文献标识码 A文章编号 1672 6901 2008 02 0016 05 Developm ent ofM icro Coaxial Cableswith Physically Foa m ed Fluoropolymer Insulation WAN Jia hua et al Jiangx iL ianchuang Cable Technology Co L td Jia n 343000 China Abstract In ter ms of a newly developedm icro coaxial cable with physically foa med fluoropoly mer FEP insulation the design basis essentials for the constructionaldesign mainmaterialproperties aswellas the process structure and characteristics of the cable sa mple are given Keywords fluoropolymer FEP physically foa med insulation m icro coaxial cable design process development 收稿日期 2007 09 20 作者简介 万家华 1948 男 高级工程师 作者地址 江西吉安市高新技术开发区京九大道 16 18 号 343000 0 引 言 人类进入了 21世纪 随着通信事业的飞速发 展 对用于高温 200e 及以下环境条件比较严酷 场所作移动通信设备和高频传输电缆的需求越来越 多 在国家军用标准 GJB973A 20045柔软和半硬射 频电缆通用规范6及 GJB5163 20015军用电线电缆 系列型谱6中 射频电缆中有微孔氟塑料绝缘同轴 电缆的结构类型 这种微孔结构属于打孔 多孔 聚 四氟乙烯包带或聚四氟乙烯绳 这种结构的最大缺 陷是电缆损耗较大 重量重 结构和传输性能的稳定 性不高 而聚乙烯发泡绝缘射频同轴电缆虽然损耗 低 重量轻 传输性能优异等特点 但其最大的不足 是耐高温性能低 因此 承受的传输功率较低 强度 也不高 近年来 我国的移动通信得到了迅速发展 移动 通信用户已超过 4亿 作为一种补充 廉价的 小灵 通 0也得到了人们的普遍欢迎 小灵通 0基站覆盖 区域小所需功率也小 但是数量众多 基站天线一般 安装在已有建筑物的顶上 春夏秋冬 日晒雨淋 所 以安装使用环境比较差 且工作频带则正在从常规 900 1800MH z向更高的 3 GH z发展 而我国于 2000 年发布的无线通信用的同轴电缆行业标准已经不能 满足上述需要 我公司研制开发的氟塑料 聚全 氟乙丙烯 FEP 物理发泡绝缘微同轴电缆是采用国 际上先进的氮气物理发泡工艺 皮 泡 皮三层共挤 技术和使用引进的氟塑料物理发泡绝缘挤出生产 线 生产的氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆具有衰 减低 柔软 耐高温 阻燃和耐腐蚀等特点 特别适用 于航空航天 军事装备 野战通信设备和仪器 以及 移动通信的小型基站等领域 1 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的设计 依据 由于氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆产品目前 还没有国家标准和行业标准 我们主要根据美国 BELDEN公司生产的符合美国 M I L 标准的氟塑料 发泡绝缘同轴电缆产品 如 RG 58 RG 59 U 等型号 规格 并参照相应的美国 MIL 标准和用户提出的技 术要求作为本电缆设计依据 2 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆设计要点 2 1 电缆结构设计 为了与使用的系统及设备的输入阻抗相匹配 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的特性阻抗一般为 75 8 和 50 8 电缆的结构与普通的射频同轴电缆 基本一样 都是由内导体 绝缘介质 外导体 护套等 组成 其最大的区别在于绝缘介质的选择和加工 现 分别介绍如下 1 内导体 内导体采用裸铜线 铜包钢 镀银 铜线或镀银铜包钢线等材料 可单根亦可多根束绞 而成 但必须都是软态的 表面应圆整光亮无油污 否则可能影响产品的衰减和回波损耗 内导体的直 径一般不大于 1 0 mm 2 氟塑料发泡绝缘层 该产品的最大特点 即最大优势就是绝缘采用氟塑料物理发泡挤出 由 于 FEP氟塑料的介电性能 耐化学腐蚀性等各项性 能都十分接近 PTFE 聚四氟乙烯 长期工作温度 可达 200e 而且与聚乙烯同样也能在熔融状态注 入氮气发泡 制得低介损 低介电系数 外径小 耐高 温 材料省的高频传输线 为了增强内导体与发泡 氟塑料绝缘之间的粘接强度及发泡绝缘芯线外径尺 寸的稳定 均匀和防潮 所以 FEP绝缘层采用实芯 内皮 发泡层 实芯外皮的结构形式 即皮 泡 皮 结构 本公司采用进口的三层共挤专用机头在引进 的比利时高登公司的氟塑料物理发泡挤出生产线上 实现 FEP氟塑料皮 泡 皮绝缘芯线挤出 3 外导体 外导体一般采用铝塑复合带纵包 镀锡铜丝编织 视不同的使用要求 还可以采用镀 银铜丝编织 编织密度一般均不低于 95 单根编 织软铜丝的直径一般为 0 08 0 12 mm 对于移动通信的小型基站使用的氟塑料发泡微 同轴电缆 其外导体一般采用铜带纵包焊接轧纹形 式 轧纹有环形和螺旋形两种方式 它能够使得同轴 电缆在机械上更加柔软 而在电气上由于电介质与 外导体的有效直径之间加入了空气而减小了有效介 电常数 起到了增加发泡度的作用 轧纹外导体的 具体结构由外导体直径 轧纹深度 轧纹节距和铜带 厚度四个参数决定 4 护套 根据电缆使用温度等级及安全环保 的要求 分别使用不同的护套材料 如阻燃聚氯乙烯 或低烟无卤阻燃聚烯烃或 FEP氟塑料 5 电缆结构 电缆结构的示意图见图 1 2 2 氟塑料绝缘介质的选用 众所周知 在目前已知的氟塑料品种中 既具有 耐 200e 高温 低的介电常数和介质损耗 又可以熔 融挤出的只有 FEP F46聚全氟乙丙烯 和 PFA 可 熔性聚四氟乙烯 及特殊 PFA 这三种可发泡氟塑 料的基本性能见表 1 目前 世界上主要生产发泡氟塑料的公司据了 解有美国的杜邦公司 3 M 公司及比利时苏威公司 杜邦和 3M公司生产的发泡氟塑料型号分别是 FEP CX 5010 5030 和 FEP 6307 R2R 其典型性能参数 见表 2 a 外导体纵包编织型 b 外导体轧纹型 图 1 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆结构示意图 1 内导体 2 FEP实芯内皮 3 FEP发泡层 4 FEP实芯外皮 5 铝塑复合带纵包 6 编织外导体 7 轧纹外导体 8 护套 表 1 三种可发泡氟塑料的基本性能的对比 项目名称FEP F46 PFA特殊 PFA 介电常数 1 962 001 94 介质损耗 8 24 10 411 9 10 44 00 10 4 工作温度 e200250260 熔点 e250 270300 310300 310 测试频率为 2 GHz 表 2 杜邦和 3M 公司发泡 FEP性能的对比 项目名称 FEP CX 5010 杜邦 FEP 6307 R2R 3M 密度 g cm3 2 152 15 熔融指数 g 10 m in 7 07 5 熔点 e260260 介电常数 1MHz2 12 05 损耗因数 1MHz7 10 48 10 4 极限氧指数 95 95 以上两种型号的 FEP发泡氟塑料主要性能相 差不大 是生产耐高温低损耗微同轴电缆的理想绝 缘介质 我公司目前是使用杜邦公司的 FEP CX 5010发泡氟塑料 2 3 护套材料的选用 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的护套依据美 国 M IL标准及用户使用环境要求的不同 可分别采 用阻燃聚氯乙烯 PVC 低烟无卤阻燃聚烯烃或 FEP PVDF 聚偏氟乙烯 等护套材料 来满足不同 使用温度环境所需的机械性能和耐环境性能 3 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆制造的 工艺要点 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆生产的工艺 17 2008年第 2期 No 2 2008 电 线 电 缆 ElectricW ire 转速太低则外皮偏薄易导致线芯 表面不光滑圆整并有可能因线芯中吸附水气而影响 衰减 对于微同轴电缆 一般内皮厚度控制在 0 05 mm 外皮厚度控制在 0 10 mm 左右 FEP 氟塑料 物理发泡绝缘挤出与 FEP 实芯绝缘挤出一样采用 挤管式 通过调节真空泵的压力大小来控制 FFEP 绝缘与内导体间粘接力及模具出口处熔融塑料锥体 的长度 一般锥体的长度控制在 20 30 mm 为了 保证导体与发泡绝缘的良好粘接 内导体需预热 预 热温度一般控制在 155e 左右 挤出的发泡绝缘线 芯冷却采用分段冷却 前段为 65e 热水 热水槽长 度 5 m左右 后段为常温水 FEP发泡绝缘挤出的工艺控制参数主要是外径 和水电容 通过微调氮气流量 螺杆转速及收线速 度 将外径和水电容控制在规定范围内且波动幅度 小而稳定 切忌大起大落 线芯的同心度也是一个 重要的控制指标 好的工装和工艺应能将同心度控 制在 95 以上 本公司引进的生产线挤出机头为免 调偏心机头 使用国外的模具因精度高基本上还行 但使用国内的或自制的模具 同心度较难达标 为此 我们设计制作了一个可调偏心外摸托盖 装配在机 头上 较好地解决了同心度问题 另外 FEP在使用 前应在 70 80e 温度下干燥 3 4 h 则挤出效果更 好 3 2 挤出模具的选择 由于 FEP F46 氟塑料在熔融挤出温度下 粘 度还是相当高 达 10 4 10 6 泊 比其它热塑性树脂 大 10 100倍 所以即使在比其他热塑性树脂低的 剪切速率下 比高压聚乙烯低一个数量级 比尼龙 低二个数量级 挤出时也会发生熔融破裂 即挤出 物表面粗糙 有横向裂纹 无光泽等产品表面粗化现 象 因此 FEP氟塑料挤出应选择较小的剪切速率 对每一种树脂 它的挤出速度是由剪切速率而 定的 因为 r 6 Q S1 1 s 式中 r为剪切速率 Q 为树脂的体积流量 S1为模 芯与模套之间的环形截面积 若把 Q化成每分钟挤出的速度 V 则 r 6 V 100 S2 60 S1 10V S2 S1 式中 V 为收线速度 S2为产品的环形截面积 因此 为了达到小的剪切速率从而防止 FEP挤 出时发生融体破裂 最好的方法是增大模芯与模套 之间的环形截面积 所以 FEP氟塑料发泡挤出 包 括实芯挤出 大多采用挤管式模具挤出 从事氟塑料挤出的人都知道 FEP实芯挤出时 由于 FEP具有较大的伸长率 达 300 以上 所以其 内 外模配合的拉伸比 DDR 一般在 80 120甚至 更高 而拉伸平衡比 配模系数 DRB 一般在 1 0左 右 而 FEP物理发泡挤出 则由于其绝缘体是由封 闭的细密泡孔组成 其伸长率较之实芯 FEP大大降 低 大的配模拉伸比会产生大的剪切速率而易导致 融体破裂而破坏泡孔结构 发泡线芯表面粗糙 根 据我们的工艺实践 FEP发泡绝缘挤出的模具拉伸 比 DDR 一般在 10左右 而拉伸平衡比 DRB 一 般在 0 8左右 线速度在 30 40 m m in 则挤出成 型效果较好 当然还应根据产品电容值选择合适的 氮气流量和线速度来控制好发泡度 才能生产出合 18 2008年第 2期 No 2 2008 电 线 电 缆 ElectricW ire 模孔由于磨损 尺寸可能不很准确 漆膜 圆整度偏差等因素影响 每道次漆包线的实际外径 可能有偏差 但最终外径 平均值 相差不大 3 应控制好第一道漆膜厚度 从漆包工艺理 论上讲 第 1道漆膜不能太厚 也不能太薄 根据我 们的经验 第 1道漆膜厚度应不超过其他道次的漆 膜厚度 因而第 1道模具尺寸不宜大 第 1道模具 尺寸可以根据总漆膜厚度 漆的固体含量 涂漆道数 而定 4 由于受车速 漆的温度 粘度 品种 车型 立式 卧式 等因素的影响 每个厂根据自己实际 情况对系数 0 2623和 0 345进行微小修正 5 此经验公式可以用于快速估算漆膜 便于 快速配模 控制外径 提高生产率 可以把它编成软 件 同时利用该公式筛选工艺 调整模具 使每道次 涂覆的漆膜尽可能均匀 3 结束语 模具法涂漆可以应用高固体含量的漆包线漆 顺应了世界各国对环保的需要 降低了化学溶剂的 消耗 这些溶剂是从石油中提炼出来的 降低了化学 溶剂的消耗 即节约了能源 模具法涂漆质量稳定 易操作 不仅能减少污染 还能降低成本 因而是值 得推广的涂漆技术 模具法涂漆配模经验公式不仅 能指导生产 还能找出最佳配模方案 对提高生产 力 进一步稳定产品质量具有深远的意义 上接第 19页 在研制过程中 我们觉得内导体和 FEP发泡绝 缘之间的粘接强度不是很大 特别是发泡度比较大 的产品有时达不到用户要求的剪切力指标 尽管导 体进行了预热并挤了 FEP内皮 但粘接仍不是很理 想 虽然内皮加厚有助于增强粘接 但会增大绝缘 层的等效介电常数 使衰减增大 得不偿失 若有一 种可耐高温 400e 的粘接剂与 FEP料混合后挤内 皮 将能有效地提高内导体和 FEP发泡绝缘之间的 粘接力 希望国内有关公司 企业能尽快研制出这种 高温粘接剂 6 结束语 以上所述是笔者在研制氟塑料物理发泡绝缘微 同轴电