线缆发泡技术.doc

线缆发泡技朮1、 前 言通信网络之完整性，除了机房内之软硬件及其周边附属设备外，通信电缆扮演着送信与受信二端间连络主要传输媒介。通信电缆不仅质量需符合未来整体服务数字网络(ISDN)之要求外，所占用之空间也不容忽视，二者更是息息相关。近十年来欲使通信网络传输更快速，除了设备增强外，通信电缆也做了重大变革，纷纷采用发泡聚乙烯为绝缘材料，促使电缆特性更能符合较佳通信效果。其中电气特性如静电容量、电容不平衡、远(近)端串音及衰减等与材料发泡方式更是立竿见影。2、 发泡的目的一般材料发泡的目的在于使制品轻量化，并加强制品隔热性与可扰性，及降低材料成本。而线缆用材料发泡的目的，则在降低材料的介质常数。3、 材料发泡方式为了增加传输容量及速率，降低材料介质常数(Dielectric Constant)系最佳途径，而使用发泡PE材料则可达成此目的，其材料发泡方式一般区分为二种方式：(一) 化学发泡方法(二) 物理发泡 (氮气发泡)4、 传统化学发泡于PE绝缘材料制料过程中，混合适当比例热效应发泡剂，其使于芯线制程时，利用温度促使发泡剂产生化学分解变化，于PE材料内部形成气泡，此项材料对温度反应相当灵敏( 1)，温控设备稍受外界影响，其发泡度变化极大，目前此项方式发泡度可达到40-50%，且此发泡材料须置放于干燥环境内，否则水分进入材料后于押出易导致芯线电容，外径不稳定，此二项于通信电缆远(近)端将造成不良影响。为减小介质常数，其所用基材应为低介质常数的材料，目前线缆最常用者为PE。在特殊的场合，也有利用PP、PS及TEFLON为基材的。4.1 PE发泡度与介电常数，波长短缩率，时间延迟关系图時間延遲Vp1005.0904.64.8804.4介電常數704.250604.0波長短縮率403.8時間遲延303.6203.42.22.01.81.61.41.22.4103.21.03.0100806040200發 泡 度發泡度%介電常數時間延遲ns/M波長短縮率%02.325.0865.6 102.1554.9068.1202.0084.7270.6301.8574.5773.040.51.7184.3776.3501.5874.2079.4601.4604.0382.7701.3383.8686.5801.2243.6990.4901.1493.5893.31001.0003.00100.04.2 PE发泡之特性关系表發泡度、絕緣厚度、及破壞電壓的關系，則如下所列發泡度%絕緣厚度mm破壞電壓KV501.08.810.4500.452.24.6601.02.63.2600.71.42.7发泡度与材料抗张特性的关系如下表列发泡度%抗张强度KG/MM2伸长率%171.10490181.17500270.85490330.78350390.65370400.55280450.53300470.46260500.3015001.5550在静电容量要求一定的场合，降低绝缘材料的实效介质常数，则芯线径便可减小。此时，一定尺寸的线缆管中，就可多设线路，在多心线缆场合有很大的优点。材料发泡，则强度下降，故薄绝缘场合发泡度只限于20-30%，厚绝缘时则约达50%左右，属于较低发泡的类别。4.3 发泡度的测定方法线缆发泡层的发泡度，可利用普通的密度测定法计测，所谓发泡度乃指发泡体中含多少百分比的气体，可应用下式表示之期中，d = 发泡体密度d0 = 基材原有的密度1、 密度测定法2、 线缆发泡层密度的简便方法3、 电容值测定方法：浸于水中测其电容值4、 请参考9.0详细说明4.4 押出发泡法发泡剂的类别a.低沸點炭氫化合物系(丙烷、丁烷、戊烷)b.溶劑系(石油醚、有機氯化物)c.氮氣挥发性发泡剂d.無機系(碳酸氫鈉、炭酸銨)e.有機系(聯氨系、硝酸靈系、偶氮系)化学发泡剂4.5 目前市售发泡PE之发泡剂1、 高密度用尿素类2、 低密度用碳酸类大部分发泡剂的分解生成物都具有吸湿性，生成的气体亦常含水分，故在要求低损失的场合，押出线必须施行干燥手续。4.6 发泡押出用押出机押出机的L/D约20-28，并有较长的供料段，压缩比约2.0-2.5，押出机在设计上应注意下列各点：(1) 设计小压缩比的螺杆(2) 设置反压调节器，以控制适当的反压(3) 机头与眼模部阻力尽量减小(4) 螺旋廊宽减小。4.7 押出条件发泡线押出的时候，其押出条件受押出机尺寸，螺杆构造、螺杆回转数及发泡剂浓度等要因素影响，很难得到通用的原则，重点在如何使材料迅速熔融，并使分解气溶于材料中，直到出眼模口后才开始发泡。押出条件例如压力、温度、及押出时间等发生变化，则押出成品特性亦发生很大变化。押出温度系指熔融材料的实际温度，当温度不同的时候，押出线的发泡特性亦起变异，温度在某一特定范围的时候，发泡特性最良好，高或低于此项范围，都无法得到质量良好的押出线。押出时材料在螺缸的停留时间，称为押出时间，对发泡特性亦有相当大的影响，材料在螺缸停留时间亦应保持在某一特定范围内，才能押出特性良好的发泡线来。综上所叙，可知发泡押出作业实为一项需要相当高技朮水准的作业，押出条件设定稍有不慎，就很难制造出质量良好的发泡电线，作业人员应从不断体会中获得良好的经验，精益求精，才能达到提高水准、高质量的境界。4.8 发泡情形如下图芯線膨脹完后眼模氣泡形成大氣壓（過飽和氣體）發泡劑的分解在繼續進行材料流動方向高壓領域（氣體在材料中溶解）4.9 押出条件的影响(1) 押出温度的影响采用添加发泡剂进行押出发泡的时候，押出温度条件对发泡特性的良莠占有决定性地位，押出温度如能与发泡剂分解温度充分配合，必可制造出特性良好的成品。低温押出气泡数很少，温度上升则气泡分布逐渐均匀，发泡度渐行提高，在到达某温度的时候，发泡度最高，并得到极细微的气泡构造温度再上升则气泡粗大化，并有气泡破裂现象，形成不均匀的气泡构造。此项最适当温度条件，端视材料别而异，除利用实验来决定外，实别无良途可循。(2) 螺杆回转数的影响螺杆回转数对发泡状态也有相当影响性。回转数增加的时候，发泡度也逐渐增加，气泡构造更形微细，直至达到某限度为止。超过此限度后，效果反而下降，故如何决定适当的螺杆回转数，诚极重要。4.10 外眼形状的影响押出发泡用眼模，在设计时必须考虑外眼出口后的膨胀性，若以A表示材料发泡前后的断面积比，则D2cw-D2wD2d-D2wA=此处Dd = 外眼孔径Dcw = 完成线外径Dw = 导体或芯线外径 發泡押出外眼孔徑計算一般薄层押出的时候，膨胀比约等于2，厚层押出则膨胀比约等于4，押出发泡外眼孔径，可利用前式变形，求出如下若A=2，則 当发泡后的完成外径及导体外径决定时，外眼孔径便可利用公式很简便的求出来。外眼入口角也为设计的重要项目。在发泡押出场合，眼模内角通常皆略大于实体押出眼模的角度。低发泡薄层押出的场合，入口角约60-90，出口角9-15，设极廊长或不设长，这样设计眼模便能得到良好的押出表面，押出发泡用眼模代表例38MM EMBED Equation.3 發泡押出用外眼4.11 厚发泡层的冷却发泡层的特性，受冷却条件的影响很大，气泡系在外眼出口后才开始膨胀，为使其完全发泡，应设相当距离的空冷段，厚层押出后急冷，则发泡度降低，押出表面常起波浪，成为芯线变形原因之一。发泡体本为隔热材料，芯线表面与内部温度相差很大，便会发生变形，故厚层押出一定要实行分段冷却的技巧才行。押出线尚未充分冷却便开始卷取，结果很容易发生变形与溃裂现象，故冷却水槽末段一定要维持充分的低温，芯线倘有浮出水面现象，亦发生部分的变形，应设法使线完全浸入水中冷却。4.12 发泡绝缘周期性的不良在绝缘芯线纵向，若有轻微的发泡度及外径变动，则在高精度的高频线缆，便导致特性阻抗的变化，结果影响线缆特性，引起不良。特性阻抗变动的时候，在变动部分便引超电波的反射，结果使线缆特性，例如电压定在波比(VSWR)变劣，特别是特性阻抗呈周期性变动场合，倘每隔1长便有特性阻抗变化，则利用下式关系，在所示频率时其VSWR便显著加大。在要求高性能场合，一定要设法使制造条件固定，此时必须注意下列各点，才能使变异减为最低(1) 选用质量均匀的材料(2) 材料供入定量化(3) 保持一定的押出温度(4) 保持螺杆回转数不变(5) 维持一定温度的导体预热(6) 维持一定的线速。5. 材料物理发泡方式5.1 物理发泡(氮气发泡)圖1* 此圖系NOKIA-MAILLEFER 公司提供成核劑充實PE粒此发泡方式如图1，所使用之材料为充实型聚乙烯于芯线制程，可使用较广泛材料软化温度(+10)，然后利用超音速原理将氮气注入PE材料形成均匀气泡。此设备最大缺陷是压缩机寿命短及注孔阻塞，如今新的压缩机组件及氮气注入孔已使此设备焕然一新，提高可靠度。物理发泡早期是用于同轴电缆(CATV)，由于外径约3.5mm故其发泡度可达70%，而不影响其电缆机械强度。现今以三层同时押出(skin-foam-skin)应用于通信电缆绝缘芯线，如图2所示。内层是使用低密度充实PE，厚度约10m紧密粘着于导体，使二者间不留任何间隙，防止水汽及石油膏纵向渗入其间而破坏电缆特性发泡层由充实PE混合约1%成核剂(Nucleating)后于押出机注入氮气，形成均匀气泡而与内层紧密结合，避免发生气泡直接与导体非连续密着，导致绝缘导体松脱。由于无此项顾虑，故发泡度可提高至60%外层系使用充实PE能使外观平整。充實PE粒成核劑* 此圖系NOKIA-MAILLEFER 公司提供圖1物理發泡方式氮氣5.2 应用氮气发泡之优点5.2.1 发泡度可利用氮气流量大小控制自如，且可达到60%，用于改善芯线外径与静电容量之关系，更能符合各种不同通信电缆规格。5.2.2 化学发泡的发泡剂含有杂质，热分解时仍有残留物理发泡则以高纯度氮气发泡，基本上不会发生如此现象。5.2.3 由于影响近端串音衰减，其原因有芯线偏心，此现象大部分缘于制造中冷却不足造成。如果提高发泡度，则芯线外径较小，相对地冷却速度快，此现象将可消失。5.2.4 远程串音衰减其影响原因仍包括芯线偏心(电容不平衡)，其现象同第3项。5.2.5 化学发泡其未分解杂质残留于绝缘体，而物理发泡此现象则微乎其微，依下列实验数据比较(表1)，物理发泡的耐压程度仍较佳。5.2.6 绝缘体抗张强度：氮气发泡形成气泡均匀与高密度PE密切结合，不仅老化前抗张强度高，而且于高温石油膏老化试验后，较原来特性变化极小。如表2示知，物理发泡绝缘抗张强度优于化学发泡约176%。5.2.7 物理发泡的绝缘内层补偿发泡度愈高，其伸长率愈差。但较之化学发泡有较佳之伸长率，如表3。5.2.8 偏心率低。5.2.9 化学发泡于高发泡时，其发泡层与导体间易产生气隙，如此纵向水分易沿其气隙前进。众所周知，水是通电缆最主要敌人之一，而物理发泡藉绝缘体内层与铜线紧密粘着，水分无法进入，力保电缆特性弥坚。5.2.10 绝缘内层系充实PE且与铜线密切结合，遇热不易收缩。5.2.11 化学发泡材料易吸收空中水分，制造前如未干燥，将造成发泡不均匀导致电气特性受影响，如干燥不适当材料将造成预发泡物理发泡除成核剂仅以简单干燥外，其余材料并不受空气水分影响。表1試樣編號試驗電數(KV)火花針孔數長度(KM)平均單位長度針孔數(個/KM)1329142.12317240.7325240.24349124.15222121.8641200.17616200.88402009514207圖2 三層押出芯線銅導體絕緣內層(充實PE)絕緣發泡層絕緣外層(充實PE)表2芯线外径/铜线外径(mm/mm)水中电容(PF/M)绝 缘 层 (押出/发泡)老化前抗张强度(MPA)老化后抗张强度(MPA)0.62/0.4220二层/物理21.420.40.62/0.4220三层/物理21.620.60.62/0.4234二层/物理22.521.70.62/0.4234三层/物理22.922.01.14/0.5116二层/化学10.410.80.86/0.4116二层/化学13.413.21.34/0.6166二层/化学13.713.2表3芯线外径/铜线外径(mm/mm)水中电容(PF/M)绝 缘 层 (押出/发泡)老化前伸长率(%)老化后伸长率(%)0.62/0.4220三层/物理7166540.62/0.4234三层/物理7366781.06/0.5116三层/物理7947191.14/0.5116二层/化学5024150.86/0.4116二层/化学53848013.4/0.6166二层/化学5504586. 列举CATV同轴线（物理发泡）绝缘体特 点缺 点第一代SOLID PE加工简单衰减量大第二代化学发泡发泡度50%以下有化学发泡剂残留影响介电性第三代SOLID PE(藕状纵孔)衰减较一、二代低藕状易渗水，国外规定使用寿命5年第四代物理发泡发泡度达80%微孔密闭，性能稳定衰减量小，使用寿命长说明：化学发泡剂微孔结构大小不一，而物理特性微孔大小均一，所以特性阻抗稳定，衰减量小，当发泡度达7080%时要考虑用Foam-Skin法。6.1 什么是物理发泡？以不活泼的气体充入绝缘介质层构成细密均匀微孔结构，各微孔间互不相通，类似一个一个密封包。它的优点是高度发泡，又不含极性分子的发泡残留物，因此它的传输性能优良由于它的不透水气性，性能稳定，使用寿命长。早期欧美会用过Freon或HCFC气体，它的优点是生产加工容易，但缺点是发泡后微孔粗大而不均匀，影响反射(回波)特性，且会破坏臭氧层，因此现在多改用氮气发泡。 物理发泡特性：1、 高发泡度，低介电常数2、 低电容3、 高传输速度4、 低衰减常数5、 结构稳定使用寿命长。6.2 CATV 电缆物理发泡绝缘料探讨（实例）6.2.1 有线电视电缆即CATV电缆，发展至今已经历了四代。CATV电缆对于改善广播电视的质量、实现全国有线联网的多功能传输有极其重要的作用，在国内外都获得广泛应用。目前，随着CATV电缆网络系统朝着信息高速公路的方向发展，第四代CATV电缆 物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆，以其介电常数小、高频衰减低、纵向密封性能好、性能稳定、使用寿命长、节省材料等特点，其逐步取代纵孔聚乙烯绝缘同轴电缆已成为历史的必然，开发和研制物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆成为当今电缆行业的主题。高质量的物理发泡电缆关键取决于物理发泡绝缘材料。如何正确选用性能优良的绝缘材料，对于发挥物理发泡生产线的作用和达到发泡度较高的绝缘效果比较重要。在研制物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆的同时，注重 对物理发泡材料性能分析，通过选用了几种物理发泡材料后，在生产设备上的使用效果比较，甲厂商的物理发泡绝缘料生产的生理发泡电缆性能比较稳定 (表四)。6.2.2 对物理发泡绝缘料性能分析物理发泡绝缘主要用于CATV同轴电缆，主要是用来传递高频信号，因而要求材料的介电常数和介质损耗角正切tg比较小，才能把传输衰减降低到最低。聚乙烯树脂是当今最理想的高频绝缘材料。从其发泡聚乙烯结构上分析，它是一种在塑料中存在许多封闭均匀的微孔的材料，由聚乙烯构成绝缘体泡沫的骨架，一般要求这种绝缘层气孔细，数量多，分布均匀一致，彼此间不连通，并且表面要光滑平整，这样才能保持电缆的特性阻抗均匀性和防潮性。以往的化学发泡技朮难以满足上述要求，如今只有通过物理发泡绝缘技朮才能使绝缘发泡度达到70%以上。为获得较高的物理发泡度，着重考虑聚乙烯材料的综合加工性能。6.2.3 甲厂化学公司物理发泡绝缘料甲厂化学公司生产的物理发泡绝缘料，是采用调节分子量分布的方法来改善熔体的粘弹性，从而提高了材料的熔融指数，同时也提高了熔体的强度，降低熔体的粘度，得到最理想的加工性能，具体是采用高密度聚乙烯(A)和低密度聚乙烯(B)混合使用。其技朮指标与乙厂A与B料对照参见表四： 表四 技朮性能指针对照表项 目甲 厂HD-PE (A)甲 厂LD-PE (B)乙 厂(A)乙 厂(B)密度 g/cm30.9630.9170.9540.945熔融指数g/10min8.42.165.14.98抗拉强度MPa29.811.724.321.44断裂伸长率 %12006105201070介电常数 1MHz2.362.272.362.22介质损耗角正切 1MHz0.4*10-40.6*10-40.8*10-40.32*10-46.2.4 试验及结论高密度聚乙烯和低密度聚乙烯按一定比例进行混合，在成核剂作用下进行发泡。通过选用不同配比的聚乙烯混合料，在实际生产在线进行试验，从中对绝缘料的性能进行比较，现将试验结果列表，见表五。表五 不同配比材料试验结果项 目1号2号3号气泡孔直径 (m)102515251020缆芯直径变化率 %532串孔率 %31-最大发泡度 %506080出模状态差中良缆芯缺陷粗糙软-由试验可知：1号试样采用低密度聚乙烯比例占5565%，挤出效果差，但具有很好的挤出性能，比较容易在成核剂作用下发泡，发泡度只能达到50%再提高发泡度时，绝缘层表面状况粗糙。通过显微镜观察切片，气泡间出现串孔现象。2号试样采用等同比例的高、低密度聚乙烯，同样具有很好的挤出性能，发泡度只能达到60%发泡度提高时，绝缘层表面由光滑逐渐呈不规则形状变化，同时通过显微镜取切片观察，发现气泡破碎，出现气泡间串孔现象。3号试样采用高密度聚乙烯为6575%时，挤出效果比较好，发泡度可以达到80%。取切片通过显微镜观察，发泡度达到80%时，气泡直径比较均匀，为1020m，无串孔现象，直径变化率为1%以内。绝缘出模后，有约3mm的短暂不发泡现象，通过它能够有效地控制绝缘的偏心问题。同时，绝缘层表面光滑平整。6.2.5 甲厂化学公司的物理发泡绝缘料与两种乙厂料之间，在挤出过程中压力变化结果对比见表六：表六 不同材料试验结果项 目甲厂化学公司料乙 厂(A)乙 厂(B)气泡孔直径m102010201525缆芯直径变化率 %223串孔率 %-11最大发泡度 %807575出模状态良中中缆芯缺陷-微状缆芯颜色纯白乳白乳白由试验可知：6.2.5.1 当注气压力由4.5MPa增大到5.7MPa