線纜發泡技朮

1、 前 言
通信網絡之完整性，除了機房內之軟硬體及其周邊附屬設備外，通信電纜扮演著送信與受信二端間連絡主要傳輸媒介。通信電纜不僅品質需符合未來整體服務數位網絡(ISDN)之要求外，所占用之空間也不容忽視，二者更是息息相關。近十年來欲使通信網絡傳輸更快速，除了設備增強外，通信電纜也做了重大變革，紛紛采用發泡聚乙烯為絕緣材料，促使電纜特性更能符合較佳通信效果。其中電氣特性如靜電容量、電容不平衡、遠(近)端串音及衰減等與材料發泡方式更是立竿見影。

2、 發泡的目的
一般材料發泡的目的在于使制品輕量化，并加強制品隔熱性與可擾性，及降低材料成本。而線纜用材料發泡的目的，則在降低材料的介質常數。

3、 材料發泡方式
為了增加傳輸容量及速率，降低材料介質常數(Dielectric Constant)系最佳途徑，而使用發泡PE材料則可達成此目的，其材料發泡方式一般區分為二種方式：
(一)  化學發泡方法
(二)  物理發泡 (氮氣發泡)

4、 傳統化學發泡
于PE絕緣材料制料過程中，混合適當比例熱效應發泡劑，其使于芯線制程時，利用溫度促使發泡劑產生化學分解變化，于PE材料內部形成氣泡，此項材料對溫度反應相當靈敏( ±1℃)，溫控設備稍受外界影響，其發泡度變化極大，目前此項方式發泡度可達到40-50%，且此發泡材料須置放于干燥環境內，否則水分進入材料后于押出易導致芯線電容，外徑不穩定，此二項于通信電纜遠(近)端將造成不良影響。
為減小介質常數，其所用基材應為低介質常數的材料，目前線纜最常用者為PE。在特殊的場合，也有利用PP、PS及TEFLON為基材的。

4.1 PE發泡度與介電常數，波長短縮率，時間延遲關系圖

4.2 PE發泡之特性關系表

發泡度與材料抗張特性的關系如下表列

發泡度
% 抗張強度
KG/MM2 伸長率
%
17 1.10 490
18 1.17 500
27 0.85 490
33 0.78 350
39 0.65 370
40 0.55 280
45 0.53 300
47 0.46 260
50 0.30 150
0 1.5 550

在靜電容量要求一定的場合，降低絕緣材料的實效介質常數，則芯線徑便可減小。此時，一定尺寸的線纜管中，就可多設線路，在多心線纜場合有很大的優點。
材料發泡，則強度下降，故薄絕緣場合發泡度只限于20-30%，厚絕緣時則約達50%左右，屬于較低發泡的類別。

4.3 發泡度的測定方法

線纜發泡層的發泡度，可利用普通的密度測定法計測，所謂發泡度乃指發泡體中含多少百分比的氣體，可應用下式表示之
期中，d = 發泡體密度
d0 = 基材原有的密度
1、 密度測定法
2、 線纜發泡層密度的簡便方法
3、 電容值測定方法：浸于水中測其電容值
4、 請參考9.0詳細說明

4.4 押出發泡法
發泡劑的類別

揮發性發泡劑

 化學發泡劑

4.5 目前市售發泡PE之發泡劑
1、 高密度用尿素類
2、 低密度用碳酸類
大部分發泡劑的分解生成物都具有吸濕性，生成的氣體亦常含水分，故在要求低損失的場合，押出線必須施行干燥手續。

4.6 發泡押出用押出機
押出機的L/D約20-28，并有較長的供料段，壓縮比約2.0-2.5，押出機在設計上應注意下列各點：
(1) 設計小壓縮比的螺杆﹔
(2) 設置反壓調節器，以控制適當的反壓﹔
(3) 機頭與眼模部阻力盡量減小﹔
(4) 螺旋廊寬減小。

4.7 押出條件
發泡線押出的時候，其押出條件受押出機尺寸，螺杆構造、螺杆回轉數及發泡劑濃度等要因素影響，很難得到通用的原則，重點在如何使材料迅速熔融，并使分解氣溶于材料中，直到出眼模口后才開始發泡。
押出條件例如壓力、溫度、及押出時間等發生變化，則押出成品特性亦發生很大變化。
押出溫度系指熔融材料的實際溫度，當溫度不同的時候，押出線的發泡特性亦起變異，溫度在某一特定范圍的時候，發泡特性最良好，高或低于此項范圍，都無法得到品質良好的押出線。
押出時材料在螺缸的停留時間，稱為押出時間，對發泡特性亦有相當大的影響，材料在螺缸停留時間亦應保持在某一特定范圍內，才能押出特性良好的發泡線來。
綜上所敘，可知發泡押出作業實為一項需要相當高技朮水准的作業，押出條件設定稍有不慎，就很難制造出品質良好的發泡電線，作業人員應從不斷體會中獲得良好的經驗，精益求精，才能達到提高水准、高品質的境界。

4.8 發泡情形如下圖

 4.9 押出條件的影響
(1) 押出溫度的影響
采用添加發泡劑進行押出發泡的時候，押出溫度條件對發泡特性的良莠占有決定性地位，押出溫度如能與發泡劑分解溫度充分配合，必可制造出特性良好的成品。
低溫押出氣泡數很少，溫度上升則氣泡分布逐漸均勻，發泡度漸行提高，在到達某溫度的時候，發泡度最高，并得到極細微的氣泡構造﹔溫度再上升則氣泡粗大化，并有氣泡破裂現象，形成不均勻的氣泡構造。
此項最適當溫度條件，端視材料別而異，除利用實驗來決定外，實別無良途可循。

(2) 螺杆回轉數的影響
螺杆回轉數對發泡狀態也有相當影響性。回轉數增加的時候，發泡度也逐漸增加，氣泡構造更形微細，直至達到某限度為止。超過此限度后，效果反而下降，故如何決定適當的螺杆回轉數，誠極重要。

4.10 外眼形狀的影響
押出發泡用眼模，在設計時必須考慮外眼出口后的膨脹性，若以A表示材料發泡前后的斷面積比，則
此處Dd = 外眼孔徑
Dcw = 完成線外徑
Dw = 導體或芯線外徑

 一般薄層押出的時候，膨脹比約等于2，厚層押出則膨脹比約等于4，押出發泡外眼孔徑，可利用前式變形，求出如下：

 當發泡后的完成外徑及導體外徑決定時，外眼孔徑便可利用公式很簡便的求出來。
外眼入口角也為設計的重要項目。在發泡押出場合，眼模內角通常皆略大于實體押出眼模的角度。
低發泡薄層押出的場合，入口角約60-90?，出口角9-15?，設極廊長或不設長，這樣設計眼模便能得到良好的押出表面，押出發泡用眼模代表例

 4.11 厚發泡層的冷卻
發泡層的特性，受冷卻條件的影響很大，氣泡系在外眼出口后才開始膨脹，為使其完全發泡，應設相當距離的空冷段，厚層押出后急冷，則發泡度降低，押出表面常起波浪，成為芯線變形原因之一。
發泡體本為隔熱材料，芯線表面與內部溫度相差很大，便會發生變形，故厚層押出一定要實行分段冷卻的技巧才行。
押出線尚未充分冷卻便開始卷取，結果很容易發生變形與潰裂現象，故冷卻水槽末段一定要維持充分的低溫，芯線倘有浮出水面現象，亦發生部分的變形，應設法使線完全浸入水中冷卻。

4.12 發泡絕緣周期性的不良
在絕緣芯線縱向，若有輕微的發泡度及外徑變動，則在高精度的高頻線纜，便導致特性阻抗的變化，結果影響線纜特性，引起不良。
特性阻抗變動的時候，在變動部分便引超電波的反射，結果使線纜特性，例如電壓定在波比(VSWR)變劣，特別是特性阻抗呈周期性變動場合，倘每隔1長便有特性阻抗變化，則利用下式關系，在所示頻率時其VSWR便顯著加大。
在要求高性能場合，一定要設法使制造條件固定，此時必須注意下列各點，才能使變異減為最低
(1) 選用品質均勻的材料﹔
(2) 材料供入定量化﹔
(3) 保持一定的押出溫度﹔
(4) 保持螺杆回轉數不變﹔
(5) 維持一定溫度的導體預熱﹔
(6) 維持一定的線速。
5. 材料物理發泡方式
5.1 物理發泡(氮氣發泡)
此發泡方式如圖1，所使用之材料為充實型聚乙烯于芯線制程，可使用較廣泛材料軟化溫度(+10℃)，然后利用超音速原理將氮氣注入PE材料形成均勻氣泡。此設備最大缺陷是壓縮機壽命短及注孔阻塞，如今新的壓縮機元件及氮氣注入孔已使此設備煥然一新，提高可靠度。物理發泡早期是用于同軸電纜(CATV)，由于外徑約3.5ψmm故其發泡度可達70%，而不影響其電纜機械強度。現今以三層同時押出(skin-foam-skin)應用于通信電纜絕緣芯線，如圖2所示。內層是使用低密度充實PE，厚度約10μm緊密粘著于導體，使二者間不留任何間隙，防止水汽及石油膏縱向滲入其間而破壞電纜特性﹔發泡層由充實PE混合約1%成核劑(Nucleating)后于押出機注入氮氣，形成均勻氣泡而與內層緊密結合，避免發生氣泡直接與導體非連續密著，導致絕緣導體松脫。由于無此項顧慮，故發泡度可提高至60%﹔外層系使用充實PE能使外觀平整。

 5.2 應用氮氣發泡之優點
5.2.1 發泡度可利用氮氣流量大小控制自如，且可達到60%，用于改善芯線外徑與靜電容量之關系，更能符合各種不同通信電纜規格。
5.2.2 化學發泡的發泡劑含有雜質，熱分解時仍有殘留﹔物理發泡則以高純度氮氣發泡，基本上不會發生如此現象。
5.2.3 由于影響近端串音衰減，其原因有芯線偏心，此現象大部分緣于制造中冷卻不足造成。如果提高發泡度，則芯線外徑較小，相對地冷卻速度快，此現象將可消失。
5.2.4 遠端串音衰減其影響原因仍包括芯線偏心(電容不平衡)，其現象同第3項。
5.2.5 化學發泡其未分解雜質殘留于絕緣體，而物理發泡此現象則微乎其微，依下列實驗數據比較(表1)，物理發泡的耐壓程度仍較佳。
5.2.6 絕緣體抗張強度：氮氣發泡形成氣泡均勻與高密度PE密切結合，不僅老化前抗張強度高，而且于高溫石油膏老化試驗后，較原來特性變化極小。如表2示知，物理發泡絕緣抗張強度優于化學發泡約176%。
5.2.7 物理發泡的絕緣內層補償發泡度愈高，其伸長率愈差。但較之化學發泡有較佳之伸長率，如表3。
5.2.8 偏心率低。
5.2.9 化學發泡于高發泡時，其發泡層與導體間易產生氣隙，如此縱向水分易沿其氣隙前進。眾所周知，水是通電纜最主要敵人之一，而物理發泡藉絕緣體內層與銅線緊密粘著，水分無法進入，力保電纜特性彌堅。
5.2.10 絕緣內層系充實PE且與銅線密切結合，遇熱不易收縮。
5.2.11 化學發泡材料易吸收空中水分，制造前如未干燥，將造成發泡不均勻導致電氣特性受影響，如干燥不適當材料將造成預發泡﹔物理發泡除成核劑僅以簡單干燥外，其余材料并不受空氣水分影響。

芯線外徑/銅線外徑(mm/mm) 水中電容
(PF/M) 絕 緣 層    (押出/發泡) 老化前抗張強度(MPA) 老化后抗張強度(MPA)
0.62/0.4 220 二層/物理 21.4 20.4
0.62/0.4 220 三層/物理 21.6 20.6
0.62/0.4 234 二層/物理 22.5 21.7
0.62/0.4 234 三層/物理 22.9 22.0
1.14/0.5 116 二層/化學 10.4 10.8
0.86/0.4 116 二層/化學 13.4 13.2
1.34/0.6 166 二層/化學 13.7 13.2

芯線外徑/銅線外徑(mm/mm) 水中電容
(PF/M) 絕 緣 層      (押出/發泡) 老化前伸長率
(%) 老化后伸長率
(%)
0.62/0.4 220 三層/物理 716 654
0.62/0.4 234 三層/物理 736 678
1.06/0.5 116 三層/物理 794 719
1.14/0.5 116 二層/化學 502 415
0.86/0.4 116 二層/化學 538 480
13.4/0.6 166 二層/化學 550 458

6. 列舉CATV同軸線（物理發泡）

 絕緣體 特  點 缺  點
第一代 SOLID PE 加工簡單 衰減量大
第二代 化學發泡 發泡度50%以下 有化學發泡劑殘留
影響介電性
第三代 SOLID PE
(藕狀縱孔) 衰減較一、二代低 藕狀易滲水，國外規定使用壽命5年
第四代 物理發泡 發泡度達80% 微孔密閉，性能穩定
衰減量小，使用壽命長

說明：化學發泡劑微孔結構大小不一，而物理特性微孔大小均一，所以特性阻抗穩定，衰減量小，當發泡度達70～80%時要考慮用Foam-Skin法。

6.1 什么是物理發泡？
以不活潑的氣體充入絕緣介質層構成細密均勻微孔結構，各微孔間互不相通，類似一個一個密封包。它的優點是高度發泡，又不含極性分子的發泡殘留物，因此它的傳輸性能優良﹔由于它的不透水氣性，性能穩定，使用壽命長。早期歐美會用過Freon或HCFC氣體，它的優點是生產加工容易，但缺點是發泡后微孔粗大而不均勻，影響反射(回波)特性，且會破壞臭氧層，因此現在多改用氮氣發泡。

 
物理發泡特性：
1、 高發泡度，低介電常數﹔
2、 低電容﹔
3、 高傳輸速度﹔
4、 低衰減常數﹔
5、 結構穩定使用壽命長。

6.2  CATV 電纜物理發泡絕緣料探討（實例）
6.2.1 有線電視電纜即CATV電纜，發展至今已經歷了四代。CATV電纜對于改善廣播電視的質量、實現全國有線聯網的多功能傳輸有極其重要的作用，在國內外都獲得廣泛應用。
目前，隨著CATV電纜網絡系統朝著信息高速公路的方向發展，第四代CATV電纜 -- 物理發泡聚乙烯絕緣同軸電纜，以其介電常數小、高頻衰減低、縱向密封性能好、性能穩定、使用壽命長、節省材料等特點，其逐步取代縱孔聚乙烯絕緣同軸電纜已成為歷史的必然，開發和研制物理發泡聚乙烯絕緣同軸電纜成為當今電纜行業的主題。高質量的物理發泡電纜關鍵取決于物理發泡絕緣材料。
如何正確選用性能優良的絕緣材料，對于發揮物理發泡生產線的作用和達到發泡度較高的絕緣效果比較重要。在研制物理發泡聚乙烯絕緣同軸電纜的同時，注重 對物理發泡材料性能分析，通過選用了几種物理發泡材料后，在生產設備上的使用效果比較，甲廠商的物理發泡絕緣料生產的生理發泡電纜性能比較穩定 (表四)。

6.2.2 對物理發泡絕緣料性能分析
物理發泡絕緣主要用于CATV同軸電纜，主要是用來傳遞高頻信號，因而要求材料的介電常數ε和介質損耗角正切tgδ比較小，才能把傳輸衰減降低到最低。聚乙烯樹脂是當今最理想的高頻絕緣材料。從其發泡聚乙烯結構上分析，它是一種在塑料中存在許多封閉均勻的微孔的材料，由聚乙烯構成絕緣體泡沫的骨架，一般要求這種絕緣層氣孔細，數量多，分布均勻一致，彼此間不連通，并且表面要光滑平整，這樣才能保持電纜的特性阻抗均勻性和防潮性。以往的化學發泡技朮難以滿足上述要求，如今只有通過物理發泡絕緣技朮才能使絕緣發泡度達到70%以上。為獲得較高的物理發泡度，著重考慮聚乙烯材料的綜合加工性能。

6.2.3 甲廠化學公司物理發泡絕緣料
甲廠化學公司生產的物理發泡絕緣料，是采用調節分子量分布的方法來改善熔體的粘彈性，從而提高了材料的熔融指數，同時也提高了熔體的強度，降低熔體的粘度，得到最理想的加工性能，具體是采用高密度聚乙烯(A)和低密度聚乙烯(B)混合使用。其技朮指標與乙廠A與B料對照參見表四：
 

技朮性能指標對照表

項   目 甲   廠
HD-PE (A) 甲   廠
LD-PE (B) 乙 廠
(A) 乙 廠
(B)
密度 g/cm3 0.963 0.917 0.954 0.945
熔融指數g/10min 8.4 2.16 5.1 4.98
抗拉強度MPa 29.8 11.7 24.3 21.44
斷裂伸長率 % 1200 610 520 1070
介電常數 1MHz 2.36 2.27 2.36 2.22
介質損耗角正切 1MHz 0.4*10-4 0.6*10-4 0.8*10-4 0.32*10-4

6.2.4 試驗及結論
高密度聚乙烯和低密度聚乙烯按一定比例進行混合，在成核劑作用下進行發泡。通過選用不同配比的聚乙烯混合料，在實際生產線上進行試驗，從中對絕緣料的性能進行比較，現將試驗結果列表，見表五。
表五            
不同配比材料試驗結果

項   目 1號 2號 3號
氣泡孔直徑 (μm) 10~25 15~25 10~20
纜芯直徑變化率 % 5 3 2
串孔率 % 3 1 ----
最大發泡度 % 50 60 80
出模狀態 差 中 良
纜芯缺陷 粗糙 軟 ----
由試驗可知：
1號試樣采用低密度聚乙烯比例占55~65%，擠出效果差，但具有很好的擠出性能，比較容易在成核劑作用下發泡，發泡度只能達到50%﹔再提高發泡度時，絕緣層表面狀況粗糙。通過顯微鏡觀察切片，氣泡間出現串孔現象。

2號試樣采用等同比例的高、低密度聚乙烯，同樣具有很好的擠出性能，發泡度只能達到60%﹔發泡度提高時，絕緣層表面由光滑逐漸呈不規則形狀變化，同時通過顯微鏡取切片觀察，發現氣泡破碎，出現氣泡間串孔現象。

3號試樣采用高密度聚乙烯為65~75%時，擠出效果比較好，發泡度可以達到80%。取切片通過顯微鏡觀察，發泡度達到80%時，氣泡直徑比較均勻，為10~20μm，無串孔現象，直徑變化率為1%以內。絕緣出模后，有約3mm的短暫不發泡現象，通過它能夠有效地控制絕緣的偏心問題。同時，絕緣層表面光滑平整。

6.2.5 甲廠化學公司的物理發泡絕緣料與兩種乙廠料之間，在擠出過程中壓力變化結果對比見表六：
表六            
不同材料試驗結果

項   目 甲廠化學公司料 乙 廠
(A) 乙 廠
(B)
氣泡孔直徑μm 10~20 10~20 15~25
纜芯直徑變化率 % 2 2 3
串孔率 % ---- 1 1
最大發泡度 % 80 75 75
出模狀態 良 中 中
纜芯缺陷 ---- ---- 微狀
纜芯顏色 純白 乳白 乳白

由試驗可知：
6.2.5.1 當注氣壓力由4.5MPa增大到5.7MPa時，三種物理發泡料均能達到75%的發泡度，但甲廠料的加工性能略好些，其絕緣表面顏色比乙廠料白。
6.2.5.2 當注氣壓力由5.7MPa增大到6.5 MPa時，乙廠料A和乙廠B都因氣泡在擠出機內破裂，說明熔體強度低，無法承受發泡過程中的氣體壓力，從而無能力支撐成形后的高發泡空間。而甲廠料由于有足夠的熔體強度，氣泡沒有破裂，使發泡度達到80%以上。
6.2.5.3 由甲廠化學公司物理發泡料產生發泡度的變化與其絕緣等效介電常數函數關系見圖三：

試驗結果表明，比例合適的高、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機械性能，從而達到比較理想的一種物理發泡絕緣材料。它有低的介電常數和介質損耗角正切，使衰減降到最低﹔有良好的熔融溫度和熔融強度，在發泡的作用下產生氣泡核，承受氣體壓力而不使泡沫破裂﹔有足夠的機械性能構成泡沫體的骨架，經受作用于電纜的外力。從其技朮指標及試驗結果看，甲廠化學公司的物理發泡絕緣料具有以下特點：(1)比較小的介電常數﹔(2)介質損耗角正切很小(<0.6*10-4)﹔(3)發泡度高，可達到80%以上﹔(4)加工性能好﹔(5)形成的絕緣線芯泡孔成形好，無串孔現象，表面光潔度比較高。

7. 外模選用參考(計算式) 如下：

 8. 結束語
物理發泡絕緣用的聚乙烯不僅應具備優良的電氣性能，同時還應具備優良的工藝性能和機械性能。隨著我國CATV系統及接入網絡的迅速發展，物理發泡同軸電纜的需求越來越多，質量要求也越來超高。使用美國量子化學公司物理發泡料制造出的物理發泡聚乙烯絕緣同軸電纜性能更優良，質量更可靠，同時將會帶來更大的經濟效益和社會效益。美國量子化學公司生產的物理發泡料以其擠出性能好、形成氣泡細微、高頻性能好、價格適中、質量可靠等優勢，將逐步應用到通信電纜絕緣領域中去。

［yuzeliang 在 2008-9-17 19:53:49 编辑过］

不是我删除，那是个表格，上面显示不了！

sa571328:
楼主，你为什么要删除（7. 外模選用參考(計算式) 如下：                                                       ）请你补上，谢谢！

我昨天在整理此帖子的时候，第7小项是空的，很可能是楼主没有粘贴上来吧，我本人并没有删除！

 好资料啊，喜欢，