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[发泡绝缘] 线缆发泡技术

P:2009-07-09 15:41:34

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通信网络之完整性,除了机房内之软硬体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.通信电缆不仅品质需符合未来整体服务数位网络(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.
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.
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:
化学发泡方法
物理发泡 (氮气发泡)
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
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
密度测定法
线缆发泡层密度的简便方法
电容值测定方法:浸于水中测其电容值
请参考9.0详细说明
4.4 押出发泡法
发泡剂的类别
挥发性发泡剂
化学发泡剂
4.5 目前市售发泡PE之发泡剂
高密度用尿素类
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:
设计小压缩比的螺杆;
设置反压调节器,以控制适当的反压;
机头与眼模部阻力尽量减小;
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,都无法得到品质良好的押出线.
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术水准的作业,押出条件设定稍有不慎,就很难制造出品质良好的发泡电线,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,高品质的境界.
4.8 发泡情形如下图
4.9 押出条件的影响
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.
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
此处Dd = 外眼孔径
Dcw = 完成线外径
Dw = 导体或芯线外径
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

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
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便显着加大.
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
选用品质均匀的材料;
材料供入定量化;
保持一定的押出温度;
保持螺杆回转数不变;
维持一定温度的导体预热;
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)
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,如今新的压缩机元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3.5ψmm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10μm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.
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 远端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.
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70~80%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:
高发泡度,低介电常数;
低电容;
高传输速度;
低衰减常数;
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ε和介质损耗角正切tgδ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.以往的化学发泡技术难以满足上述要求,如今只有通过物理发泡绝缘技术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
6.2.5.1 当注气压力由4.5MPa增大到5.7MPa时,三种物理发泡料均能达到75%的发泡度,但甲厂料的加工性能略好些,其绝缘表面颜色比乙厂料白.
6.2.5.2 当注气压力由5.7MPa增大到6.5 MPa时,乙厂料A和乙厂B都因气泡在挤出机内破裂,说明熔体强度低,无法承受发泡过程中的气体压力,从而无能力支撑成形后的高发泡空间.而甲厂料由于有足够的熔体强度,气泡没有破裂,使发泡度达到80%以上.
6.2.5.3 由甲厂化学公司物理发泡料产生发泡度的变化与其绝缘等效介电常数函数关系见图三:
试验结果表明,比例合适的高,低密度聚乙烯混合料具有低密度聚乙烯的加工性能,又具有高密度聚乙烯的机械性能,从而达到比较理想的一种物理发泡绝缘材料.它有低的介电常数和介质损耗角正切,使衰减降到最低;有良好的熔融温度和熔融强度,在发泡的作用下产生气泡核,承受气体压力而不使泡沫破裂;有足够的机械性能构成泡沫体的骨架,经受作用于电缆的外力.从其技术指标及试验结果看,甲厂化学公司的物理发泡绝缘料具有以下特点1)比较小的介电常数;(2)介质损耗角正切很小(<0.6*10-4);(3)发泡度高,可达到80%以上;(4)加工性能好;(5)形成的绝缘线芯泡孔成形好,无串孔现象,表面光洁度比较高.
7. 外模选用参考(计算式) 如下
8. 结束语
物理发泡绝缘用的聚乙烯不仅应具备优良的电气性能,同时还应具备优良的工艺性能和机械性能.随着我国CATV系统及接入网络的迅速发展,物理发泡同轴电缆的需求越来越多,质量要求也越来超高.使用美国量子化学公司物理发泡料制造出的物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆性能更优良,质量更可靠,同时将会带来更大的经济效益和社会效益.美国量子化学公司生产的物理发泡料以其挤出性能好,形成气泡细微,高频性能好,价格适中,质量可靠等优势,将逐步应用到通信电缆绝缘领域中去.

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P:2009-07-09 20:38:28

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楼主所介绍的相关公式能否和大家分享一下,谢谢了!

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