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[發(fā)泡絕緣] 線纜發(fā)泡技術(shù)
P:2009-07-09 15:41:34
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通信網(wǎng)絡(luò)之完整性,除了機(jī)房內(nèi)之軟硬體及其周邊附屬設(shè)備外,通信電纜扮演著送信與受信二端間連絡(luò)主要傳輸媒介.通信電纜不僅品質(zhì)需符合未來整體服務(wù)數(shù)位網(wǎng)絡(luò)(ISDN)之要求外,所占用之空間也不容忽視,二者更是息息相關(guān).近十年來欲使通信網(wǎng)絡(luò)傳輸更快速,除了設(shè)備增強(qiáng)外,通信電纜也做了重大變革,紛紛采用發(fā)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(yuǎn)(近)端串音及衰減等與材料發(fā)泡方式更是立竿見影.
發(fā)泡的目的
一般材料發(fā)泡的目的在于使制品輕量化,并加強(qiáng)制品隔熱性與可擾性,及降低材料成本.而線纜用材料發(fā)泡的目的,則在降低材料的介質(zhì)常數(shù).
材料發(fā)泡方式
為了增加傳輸容量及速率,降低材料介質(zhì)常數(shù)(Dielectric Constant)系最佳途徑,而使用發(fā)泡PE材料則可達(dá)成此目的,其材料發(fā)泡方式一般區(qū)分為二種方式:
化學(xué)發(fā)泡方法
物理發(fā)泡 (氮?dú)獍l(fā)泡)
傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡
于PE絕緣材料制料過程中,混合適當(dāng)比例熱效應(yīng)發(fā)泡劑,其使于芯線制程時,利用溫度促使發(fā)泡劑產(chǎn)生化學(xué)分解變化,于PE材料內(nèi)部形成氣泡,此項材料對溫度反應(yīng)相當(dāng)靈敏( ±1℃),溫控設(shè)備稍受外界影響,其發(fā)泡度變化極大,目前此項方式發(fā)泡度可達(dá)到40-50%,且此發(fā)泡材料須置放于干燥環(huán)境內(nèi),否則水分進(jìn)入材料后于押出易導(dǎo)致芯線電容,外徑不穩(wěn)定,此二項于通信電纜遠(yuǎn)(近)端將造成不良影響.
為減小介質(zhì)常數(shù),其所用基材應(yīng)為低介質(zhì)常數(shù)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(fā)泡度與介電常數(shù),波長短縮率,時間延遲關(guān)系圖
在靜電容量要求一定的場合,降低絕緣材料的實效介質(zhì)常數(shù),則芯線徑便可減小.此時,一定尺寸的線纜管中,就可多設(shè)線路,在多心線纜場合有很大的優(yōu)點.
材料發(fā)泡,則強(qiáng)度下降,故薄絕緣場合發(fā)泡度只限于20-30%,厚絕緣時則約達(dá)50%左右,屬于較低發(fā)泡的類別.
4.3 發(fā)泡度的測定方法
線纜發(fā)泡層的發(fā)泡度,可利用普通的密度測定法計測,所謂發(fā)泡度乃指發(fā)泡體中含多少百分比的氣體,可應(yīng)用下式表示之
期中,d = 發(fā)泡體密度
d0 = 基材原有的密度
密度測定法
線纜發(fā)泡層密度的簡便方法
電容值測定方法:浸于水中測其電容值
請參考9.0詳細(xì)說明
4.4 押出發(fā)泡法
發(fā)泡劑的類別
揮發(fā)性發(fā)泡劑
化學(xué)發(fā)泡劑
4.5 目前市售發(fā)泡PE之發(fā)泡劑
高密度用尿素類
低密度用碳酸類
大部分發(fā)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(xù).
4.6 發(fā)泡押出用押出機(jī)
押出機(jī)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(jī)在設(shè)計上應(yīng)注意下列各點:
設(shè)計小壓縮比的螺桿；
設(shè)置反壓調(diào)節(jié)器,以控制適當(dāng)?shù)姆磯海?
機(jī)頭與眼模部阻力盡量減小；
螺旋廊寬減小.
4.7 押出條件
發(fā)泡線押出的時候,其押出條件受押出機(jī)尺寸,螺桿構(gòu)造,螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)及發(fā)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(fā)泡.
押出條件例如壓力,溫度,及押出時間等發(fā)生變化,則押出成品特性亦發(fā)生很大變化.
押出溫度系指熔融材料的實際溫度,當(dāng)溫度不同的時候,押出線的發(fā)泡特性亦起變異,溫度在某一特定范圍的時候,發(fā)泡特性最良好,高或低于此項范圍,都無法得到品質(zhì)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(fā)泡特性亦有相當(dāng)大的影響,材料在螺缸停留時間亦應(yīng)保持在某一特定范圍內(nèi),才能押出特性良好的發(fā)泡線來.
綜上所敘,可知發(fā)泡押出作業(yè)實為一項需要相當(dāng)高技術(shù)水準(zhǔn)的作業(yè),押出條件設(shè)定稍有不慎,就很難制造出品質(zhì)良好的發(fā)泡電線,作業(yè)人員應(yīng)從不斷體會中獲得良好的經(jīng)驗,精益求精,才能達(dá)到提高水準(zhǔn),高品質(zhì)的境界.
4.8 發(fā)泡情形如下圖
4.9 押出條件的影響
押出溫度的影響
采用添加發(fā)泡劑進(jìn)行押出發(fā)泡的時候,押出溫度條件對發(fā)泡特性的良莠占有決定性地位,押出溫度如能與發(fā)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(shù)很少,溫度上升則氣泡分布逐漸均勻,發(fā)泡度漸行提高,在到達(dá)某溫度的時候,發(fā)泡度最高,并得到極細(xì)微的氣泡構(gòu)造；溫度再上升則氣泡粗大化,并有氣泡破裂現(xiàn)象,形成不均勻的氣泡構(gòu)造.
此項最適當(dāng)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.
螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)的影響
螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)對發(fā)泡狀態(tài)也有相當(dāng)影響性.回轉(zhuǎn)數(shù)增加的時候,發(fā)泡度也逐漸增加,氣泡構(gòu)造更形微細(xì),直至達(dá)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(dāng)?shù)穆輻U回轉(zhuǎn)數(shù),誠極重要.
4.10 外眼形狀的影響
押出發(fā)泡用眼模,在設(shè)計時必須考慮外眼出口后的膨脹性,若以A表示材料發(fā)泡前后的斷面積比,則
此處Dd = 外眼孔徑
Dcw = 完成線外徑
Dw = 導(dǎo)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(fā)泡外眼孔徑,可利用前式變形,求出如下
當(dāng)發(fā)泡后的完成外徑及導(dǎo)體外徑?jīng)Q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(shè)計的重要項目.在發(fā)泡押出場合,眼模內(nèi)角通常皆略大于實體押出眼模的角度.
低發(fā)泡薄層押出的場合,入口角約60-90 ,出口角9-15 ,設(shè)極廊長或不設(shè)長,這樣設(shè)計眼模便能得到良好的押出表面,押出發(fā)泡用眼模代表例
4.11 厚發(fā)泡層的冷卻
發(fā)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(fā)泡,應(yīng)設(shè)相當(dāng)距離的空冷段,厚層押出后急冷,則發(fā)泡度降低,押出表面常起波浪,成為芯線變形原因之一.
發(fā)泡體本為隔熱材料,芯線表面與內(nèi)部溫度相差很大,便會發(fā)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(jié)果很容易發(fā)生變形與潰裂現(xiàn)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(xiàn)象,亦發(fā)生部分的變形,應(yīng)設(shè)法使線完全浸入水中冷卻.
4.12 發(fā)泡絕緣周期性的不良
在絕緣芯線縱向,若有輕微的發(fā)泡度及外徑變動,則在高精度的高頻線纜,便導(dǎo)致特性阻抗的變化,結(jié)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(jié)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(guān)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(shè)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
選用品質(zhì)均勻的材料；
材料供入定量化；
保持一定的押出溫度；
保持螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)不變；
維持一定溫度的導(dǎo)體預(yù)熱；
維持一定的線速.
5. 材料物理發(fā)泡方式
5.1 物理發(fā)泡(氮?dú)獍l(fā)泡)
此發(fā)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?dú)庾⑷隤E材料形成均勻氣泡.此設(shè)備最大缺陷是壓縮機(jī)壽命短及注孔阻塞,如今新的壓縮機(jī)元件及氮?dú)庾⑷肟滓咽勾嗽O(shè)備煥然一新,提高可靠度.物理發(fā)泡早期是用于同軸電纜(CATV),由于外徑約3.5ψmm故其發(fā)泡度可達(dá)70%,而不影響其電纜機(jī)械強(qiáng)度.現(xiàn)今以三層同時押出(skin-foam-skin)應(yīng)用于通信電纜絕緣芯線,如圖2所示.內(nèi)層是使用低密度充實PE,厚度約10μm緊密粘著于導(dǎo)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(fā)泡層由充實PE混合約1%成核劑(Nucleating)后于押出機(jī)注入氮?dú)?形成均勻氣泡而與內(nèi)層緊密結(jié)合,避免發(fā)生氣泡直接與導(dǎo)體非連續(xù)密著,導(dǎo)致絕緣導(dǎo)體松脫.由于無此項顧慮,故發(fā)泡度可提高至60%；外層系使用充實PE能使外觀平整.
5.2 應(yīng)用氮?dú)獍l(fā)泡之優(yōu)點
5.2.1 發(fā)泡度可利用氮?dú)饬髁看笮】刂谱匀?且可達(dá)到60%,用于改善芯線外徑與靜電容量之關(guān)系,更能符合各種不同通信電纜規(guī)格.
5.2.2 化學(xué)發(fā)泡的發(fā)泡劑含有雜質(zhì),熱分解時仍有殘留；物理發(fā)泡則以高純度氮?dú)獍l(fā)泡,基本上不會發(fā)生如此現(xiàn)象.
5.2.3 由于影響近端串音衰減,其原因有芯線偏心,此現(xiàn)象大部分緣于制造中冷卻不足造成.如果提高發(fā)泡度,則芯線外徑較小,相對地冷卻速度快,此現(xiàn)象將可消失.
5.2.4 遠(yuǎn)端串音衰減其影響原因仍包括芯線偏心(電容不平衡),其現(xiàn)象同第3項.
5.2.5 化學(xué)發(fā)泡其未分解雜質(zhì)殘留于絕緣體,而物理發(fā)泡此現(xiàn)象則微乎其微,依下列實驗數(shù)據(jù)比較(表1),物理發(fā)泡的耐壓程度仍較佳.
5.2.6 絕緣體抗張強(qiáng)度:氮?dú)獍l(fā)泡形成氣泡均勻與高密度PE密切結(jié)合,不僅老化前抗張強(qiáng)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(fā)泡絕緣抗張強(qiáng)度優(yōu)于化學(xué)發(fā)泡約176%.
5.2.7 物理發(fā)泡的絕緣內(nèi)層補(bǔ)償發(fā)泡度愈高,其伸長率愈差.但較之化學(xué)發(fā)泡有較佳之伸長率,如表3.
5.2.8 偏心率低.
5.2.9 化學(xué)發(fā)泡于高發(fā)泡時,其發(fā)泡層與導(dǎo)體間易產(chǎn)生氣隙,如此縱向水分易沿其氣隙前進(jìn).眾所周知,水是通電纜最主要敵人之一,而物理發(fā)泡藉絕緣體內(nèi)層與銅線緊密粘著,水分無法進(jìn)入,力保電纜特性彌堅.
5.2.10 絕緣內(nèi)層系充實PE且與銅線密切結(jié)合,遇熱不易收縮.
5.2.11 化學(xué)發(fā)泡材料易吸收空中水分,制造前如未干燥,將造成發(fā)泡不均勻?qū)е码姎馓匦允苡绊?如干燥不適當(dāng)材料將造成預(yù)發(fā)泡；物理發(fā)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.
說明:化學(xué)發(fā)泡劑微孔結(jié)構(gòu)大小不一,而物理特性微孔大小均一,所以特性阻抗穩(wěn)定,衰減量小,當(dāng)發(fā)泡度達(dá)70～80%時要考慮用Foam-Skin法.
6.1 什么是物理發(fā)泡
以不活潑的氣體充入絕緣介質(zhì)層構(gòu)成細(xì)密均勻微孔結(jié)構(gòu),各微孔間互不相通,類似一個一個密封包.它的優(yōu)點是高度發(fā)泡,又不含極性分子的發(fā)泡殘留物,因此它的傳輸性能優(yōu)良；由于它的不透水氣性,性能穩(wěn)定,使用壽命長.早期歐美會用過Freon或HCFC氣體,它的優(yōu)點是生產(chǎn)加工容易,但缺點是發(fā)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(xiàn)在多改用氮?dú)獍l(fā)泡.
物理發(fā)泡特性:
高發(fā)泡度,低介電常數(shù)；
低電容；
高傳輸速度；
低衰減常數(shù)；
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使用壽命長.
6.2 CATV 電纜物理發(fā)泡絕緣料探討(實例)
6.2.1 有線電視電纜即CATV電纜,發(fā)展至今已經(jīng)歷了四代.CATV電纜對于改善廣播電視的質(zhì)量,實現(xiàn)全國有線聯(lián)網(wǎng)的多功能傳輸有極其重要的作用,在國內(nèi)外都獲得廣泛應(yīng)用.
目前,隨著CATV電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)朝著信息高速公路的方向發(fā)展,第四代CATV電纜 —— 物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜,以其介電常數(shù)小,高頻衰減低,縱向密封性能好,性能穩(wěn)定,使用壽命長,節(jié)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(fā)和研制物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜成為當(dāng)今電纜行業(yè)的主題.高質(zhì)量的物理發(fā)泡電纜關(guān)鍵取決于物理發(fā)泡絕緣材料.
如何正確選用性能優(yōu)良的絕緣材料,對于發(fā)揮物理發(fā)泡生產(chǎn)線的作用和達(dá)到發(fā)泡度較高的絕緣效果比較重要.在研制物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜的同時,注重 對物理發(fā)泡材料性能分析,通過選用了幾種物理發(fā)泡材料后,在生產(chǎn)設(shè)備上的使用效果比較,甲廠商的物理發(fā)泡絕緣料生產(chǎn)的生理發(fā)泡電纜性能比較穩(wěn)定 (表四).
6.2.2 對物理發(fā)泡絕緣料性能分析
物理發(fā)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(shù)ε和介質(zhì)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(dāng)今最理想的高頻絕緣材料.從其發(fā)泡聚乙烯結(jié)構(gòu)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(gòu)成絕緣體泡沫的骨架,一般要求這種絕緣層氣孔細(xì),數(shù)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(xué)發(fā)泡技術(shù)難以滿足上述要求,如今只有通過物理發(fā)泡絕緣技術(shù)才能使絕緣發(fā)泡度達(dá)到70%以上.為獲得較高的物理發(fā)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(xué)公司物理發(fā)泡絕緣料
甲廠化學(xué)公司生產(chǎn)的物理發(fā)泡絕緣料,是采用調(diào)節(jié)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(shù),同時也提高了熔體的強(qiáng)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
6.2.5.1 當(dāng)注氣壓力由4.5MPa增大到5.7MPa時,三種物理發(fā)泡料均能達(dá)到75%的發(fā)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(dāng)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(jī)內(nèi)破裂,說明熔體強(qiáng)度低,無法承受發(fā)泡過程中的氣體壓力,從而無能力支撐成形后的高發(fā)泡空間.而甲廠料由于有足夠的熔體強(qiáng)度,氣泡沒有破裂,使發(fā)泡度達(dá)到80%以上.
6.2.5.3 由甲廠化學(xué)公司物理發(fā)泡料產(chǎn)生發(fā)泡度的變化與其絕緣等效介電常數(shù)函數(shù)關(guān)系見圖三:
試驗結(jié)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(jī)械性能,從而達(dá)到比較理想的一種物理發(fā)泡絕緣材料.它有低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切,使衰減降到最低；有良好的熔融溫度和熔融強(qiáng)度,在發(fā)泡的作用下產(chǎn)生氣泡核,承受氣體壓力而不使泡沫破裂；有足夠的機(jī)械性能構(gòu)成泡沫體的骨架,經(jīng)受作用于電纜的外力.從其技術(shù)指標(biāo)及試驗結(jié)果看,甲廠化學(xué)公司的物理發(fā)泡絕緣料具有以下特點
1)比較小的介電常數(shù)；(2)介質(zhì)損耗角正切很小(<0.6*10-4)；(3)發(fā)泡度高,可達(dá)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(xiàn)象,表面光潔度比較高.
7. 外模選用參考(計算式) 如下
8. 結(jié)束語
物理發(fā)泡絕緣用的聚乙烯不僅應(yīng)具備優(yōu)良的電氣性能,同時還應(yīng)具備優(yōu)良的工藝性能和機(jī)械性能.隨著我國CATV系統(tǒng)及接入網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,物理發(fā)泡同軸電纜的需求越來越多,質(zhì)量要求也越來超高.使用美國量子化學(xué)公司物理發(fā)泡料制造出的物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜性能更優(yōu)良,質(zhì)量更可靠,同時將會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.美國量子化學(xué)公司生產(chǎn)的物理發(fā)泡料以其擠出性能好,形成氣泡細(xì)微,高頻性能好,價格適中,質(zhì)量可靠等優(yōu)勢,將逐步應(yīng)用到通信電纜絕緣領(lǐng)域中去.
發(fā)泡的目的
一般材料發(fā)泡的目的在于使制品輕量化,并加強(qiáng)制品隔熱性與可擾性,及降低材料成本.而線纜用材料發(fā)泡的目的,則在降低材料的介質(zhì)常數(shù).
材料發(fā)泡方式
為了增加傳輸容量及速率,降低材料介質(zhì)常數(shù)(Dielectric Constant)系最佳途徑,而使用發(fā)泡PE材料則可達(dá)成此目的,其材料發(fā)泡方式一般區(qū)分為二種方式:
化學(xué)發(fā)泡方法
物理發(fā)泡 (氮?dú)獍l(fā)泡)
傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡
于PE絕緣材料制料過程中,混合適當(dāng)比例熱效應(yīng)發(fā)泡劑,其使于芯線制程時,利用溫度促使發(fā)泡劑產(chǎn)生化學(xué)分解變化,于PE材料內(nèi)部形成氣泡,此項材料對溫度反應(yīng)相當(dāng)靈敏( ±1℃),溫控設(shè)備稍受外界影響,其發(fā)泡度變化極大,目前此項方式發(fā)泡度可達(dá)到40-50%,且此發(fā)泡材料須置放于干燥環(huán)境內(nèi),否則水分進(jìn)入材料后于押出易導(dǎo)致芯線電容,外徑不穩(wěn)定,此二項于通信電纜遠(yuǎn)(近)端將造成不良影響.
為減小介質(zhì)常數(shù),其所用基材應(yīng)為低介質(zhì)常數(shù)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(fā)泡度與介電常數(shù),波長短縮率,時間延遲關(guān)系圖
在靜電容量要求一定的場合,降低絕緣材料的實效介質(zhì)常數(shù),則芯線徑便可減小.此時,一定尺寸的線纜管中,就可多設(shè)線路,在多心線纜場合有很大的優(yōu)點.
材料發(fā)泡,則強(qiáng)度下降,故薄絕緣場合發(fā)泡度只限于20-30%,厚絕緣時則約達(dá)50%左右,屬于較低發(fā)泡的類別.
4.3 發(fā)泡度的測定方法
線纜發(fā)泡層的發(fā)泡度,可利用普通的密度測定法計測,所謂發(fā)泡度乃指發(fā)泡體中含多少百分比的氣體,可應(yīng)用下式表示之
期中,d = 發(fā)泡體密度
d0 = 基材原有的密度
密度測定法
線纜發(fā)泡層密度的簡便方法
電容值測定方法:浸于水中測其電容值
請參考9.0詳細(xì)說明
4.4 押出發(fā)泡法
發(fā)泡劑的類別
揮發(fā)性發(fā)泡劑
化學(xué)發(fā)泡劑
4.5 目前市售發(fā)泡PE之發(fā)泡劑
高密度用尿素類
低密度用碳酸類
大部分發(fā)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(xù).
4.6 發(fā)泡押出用押出機(jī)
押出機(jī)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(jī)在設(shè)計上應(yīng)注意下列各點:
設(shè)計小壓縮比的螺桿；
設(shè)置反壓調(diào)節(jié)器,以控制適當(dāng)?shù)姆磯海?
機(jī)頭與眼模部阻力盡量減小；
螺旋廊寬減小.
4.7 押出條件
發(fā)泡線押出的時候,其押出條件受押出機(jī)尺寸,螺桿構(gòu)造,螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)及發(fā)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(fā)泡.
押出條件例如壓力,溫度,及押出時間等發(fā)生變化,則押出成品特性亦發(fā)生很大變化.
押出溫度系指熔融材料的實際溫度,當(dāng)溫度不同的時候,押出線的發(fā)泡特性亦起變異,溫度在某一特定范圍的時候,發(fā)泡特性最良好,高或低于此項范圍,都無法得到品質(zhì)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(fā)泡特性亦有相當(dāng)大的影響,材料在螺缸停留時間亦應(yīng)保持在某一特定范圍內(nèi),才能押出特性良好的發(fā)泡線來.
綜上所敘,可知發(fā)泡押出作業(yè)實為一項需要相當(dāng)高技術(shù)水準(zhǔn)的作業(yè),押出條件設(shè)定稍有不慎,就很難制造出品質(zhì)良好的發(fā)泡電線,作業(yè)人員應(yīng)從不斷體會中獲得良好的經(jīng)驗,精益求精,才能達(dá)到提高水準(zhǔn),高品質(zhì)的境界.
4.8 發(fā)泡情形如下圖
4.9 押出條件的影響
押出溫度的影響
采用添加發(fā)泡劑進(jìn)行押出發(fā)泡的時候,押出溫度條件對發(fā)泡特性的良莠占有決定性地位,押出溫度如能與發(fā)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(shù)很少,溫度上升則氣泡分布逐漸均勻,發(fā)泡度漸行提高,在到達(dá)某溫度的時候,發(fā)泡度最高,并得到極細(xì)微的氣泡構(gòu)造；溫度再上升則氣泡粗大化,并有氣泡破裂現(xiàn)象,形成不均勻的氣泡構(gòu)造.
此項最適當(dāng)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.
螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)的影響
螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)對發(fā)泡狀態(tài)也有相當(dāng)影響性.回轉(zhuǎn)數(shù)增加的時候,發(fā)泡度也逐漸增加,氣泡構(gòu)造更形微細(xì),直至達(dá)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(dāng)?shù)穆輻U回轉(zhuǎn)數(shù),誠極重要.
4.10 外眼形狀的影響
押出發(fā)泡用眼模,在設(shè)計時必須考慮外眼出口后的膨脹性,若以A表示材料發(fā)泡前后的斷面積比,則
此處Dd = 外眼孔徑
Dcw = 完成線外徑
Dw = 導(dǎo)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(fā)泡外眼孔徑,可利用前式變形,求出如下
當(dāng)發(fā)泡后的完成外徑及導(dǎo)體外徑?jīng)Q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(shè)計的重要項目.在發(fā)泡押出場合,眼模內(nèi)角通常皆略大于實體押出眼模的角度.
低發(fā)泡薄層押出的場合,入口角約60-90 ,出口角9-15 ,設(shè)極廊長或不設(shè)長,這樣設(shè)計眼模便能得到良好的押出表面,押出發(fā)泡用眼模代表例
4.11 厚發(fā)泡層的冷卻
發(fā)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(fā)泡,應(yīng)設(shè)相當(dāng)距離的空冷段,厚層押出后急冷,則發(fā)泡度降低,押出表面常起波浪,成為芯線變形原因之一.
發(fā)泡體本為隔熱材料,芯線表面與內(nèi)部溫度相差很大,便會發(fā)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(jié)果很容易發(fā)生變形與潰裂現(xiàn)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(xiàn)象,亦發(fā)生部分的變形,應(yīng)設(shè)法使線完全浸入水中冷卻.
4.12 發(fā)泡絕緣周期性的不良
在絕緣芯線縱向,若有輕微的發(fā)泡度及外徑變動,則在高精度的高頻線纜,便導(dǎo)致特性阻抗的變化,結(jié)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(jié)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(guān)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(shè)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
選用品質(zhì)均勻的材料；
材料供入定量化；
保持一定的押出溫度；
保持螺桿回轉(zhuǎn)數(shù)不變；
維持一定溫度的導(dǎo)體預(yù)熱；
維持一定的線速.
5. 材料物理發(fā)泡方式
5.1 物理發(fā)泡(氮?dú)獍l(fā)泡)
此發(fā)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?dú)庾⑷隤E材料形成均勻氣泡.此設(shè)備最大缺陷是壓縮機(jī)壽命短及注孔阻塞,如今新的壓縮機(jī)元件及氮?dú)庾⑷肟滓咽勾嗽O(shè)備煥然一新,提高可靠度.物理發(fā)泡早期是用于同軸電纜(CATV),由于外徑約3.5ψmm故其發(fā)泡度可達(dá)70%,而不影響其電纜機(jī)械強(qiáng)度.現(xiàn)今以三層同時押出(skin-foam-skin)應(yīng)用于通信電纜絕緣芯線,如圖2所示.內(nèi)層是使用低密度充實PE,厚度約10μm緊密粘著于導(dǎo)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(fā)泡層由充實PE混合約1%成核劑(Nucleating)后于押出機(jī)注入氮?dú)?形成均勻氣泡而與內(nèi)層緊密結(jié)合,避免發(fā)生氣泡直接與導(dǎo)體非連續(xù)密著,導(dǎo)致絕緣導(dǎo)體松脫.由于無此項顧慮,故發(fā)泡度可提高至60%；外層系使用充實PE能使外觀平整.
5.2 應(yīng)用氮?dú)獍l(fā)泡之優(yōu)點
5.2.1 發(fā)泡度可利用氮?dú)饬髁看笮】刂谱匀?且可達(dá)到60%,用于改善芯線外徑與靜電容量之關(guān)系,更能符合各種不同通信電纜規(guī)格.
5.2.2 化學(xué)發(fā)泡的發(fā)泡劑含有雜質(zhì),熱分解時仍有殘留；物理發(fā)泡則以高純度氮?dú)獍l(fā)泡,基本上不會發(fā)生如此現(xiàn)象.
5.2.3 由于影響近端串音衰減,其原因有芯線偏心,此現(xiàn)象大部分緣于制造中冷卻不足造成.如果提高發(fā)泡度,則芯線外徑較小,相對地冷卻速度快,此現(xiàn)象將可消失.
5.2.4 遠(yuǎn)端串音衰減其影響原因仍包括芯線偏心(電容不平衡),其現(xiàn)象同第3項.
5.2.5 化學(xué)發(fā)泡其未分解雜質(zhì)殘留于絕緣體,而物理發(fā)泡此現(xiàn)象則微乎其微,依下列實驗數(shù)據(jù)比較(表1),物理發(fā)泡的耐壓程度仍較佳.
5.2.6 絕緣體抗張強(qiáng)度:氮?dú)獍l(fā)泡形成氣泡均勻與高密度PE密切結(jié)合,不僅老化前抗張強(qiáng)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(fā)泡絕緣抗張強(qiáng)度優(yōu)于化學(xué)發(fā)泡約176%.
5.2.7 物理發(fā)泡的絕緣內(nèi)層補(bǔ)償發(fā)泡度愈高,其伸長率愈差.但較之化學(xué)發(fā)泡有較佳之伸長率,如表3.
5.2.8 偏心率低.
5.2.9 化學(xué)發(fā)泡于高發(fā)泡時,其發(fā)泡層與導(dǎo)體間易產(chǎn)生氣隙,如此縱向水分易沿其氣隙前進(jìn).眾所周知,水是通電纜最主要敵人之一,而物理發(fā)泡藉絕緣體內(nèi)層與銅線緊密粘著,水分無法進(jìn)入,力保電纜特性彌堅.
5.2.10 絕緣內(nèi)層系充實PE且與銅線密切結(jié)合,遇熱不易收縮.
5.2.11 化學(xué)發(fā)泡材料易吸收空中水分,制造前如未干燥,將造成發(fā)泡不均勻?qū)е码姎馓匦允苡绊?如干燥不適當(dāng)材料將造成預(yù)發(fā)泡；物理發(fā)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.
說明:化學(xué)發(fā)泡劑微孔結(jié)構(gòu)大小不一,而物理特性微孔大小均一,所以特性阻抗穩(wěn)定,衰減量小,當(dāng)發(fā)泡度達(dá)70～80%時要考慮用Foam-Skin法.
6.1 什么是物理發(fā)泡
以不活潑的氣體充入絕緣介質(zhì)層構(gòu)成細(xì)密均勻微孔結(jié)構(gòu),各微孔間互不相通,類似一個一個密封包.它的優(yōu)點是高度發(fā)泡,又不含極性分子的發(fā)泡殘留物,因此它的傳輸性能優(yōu)良；由于它的不透水氣性,性能穩(wěn)定,使用壽命長.早期歐美會用過Freon或HCFC氣體,它的優(yōu)點是生產(chǎn)加工容易,但缺點是發(fā)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(xiàn)在多改用氮?dú)獍l(fā)泡.
物理發(fā)泡特性:
高發(fā)泡度,低介電常數(shù)；
低電容；
高傳輸速度；
低衰減常數(shù)；
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使用壽命長.
6.2 CATV 電纜物理發(fā)泡絕緣料探討(實例)
6.2.1 有線電視電纜即CATV電纜,發(fā)展至今已經(jīng)歷了四代.CATV電纜對于改善廣播電視的質(zhì)量,實現(xiàn)全國有線聯(lián)網(wǎng)的多功能傳輸有極其重要的作用,在國內(nèi)外都獲得廣泛應(yīng)用.
目前,隨著CATV電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)朝著信息高速公路的方向發(fā)展,第四代CATV電纜 —— 物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜,以其介電常數(shù)小,高頻衰減低,縱向密封性能好,性能穩(wěn)定,使用壽命長,節(jié)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(fā)和研制物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜成為當(dāng)今電纜行業(yè)的主題.高質(zhì)量的物理發(fā)泡電纜關(guān)鍵取決于物理發(fā)泡絕緣材料.
如何正確選用性能優(yōu)良的絕緣材料,對于發(fā)揮物理發(fā)泡生產(chǎn)線的作用和達(dá)到發(fā)泡度較高的絕緣效果比較重要.在研制物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜的同時,注重 對物理發(fā)泡材料性能分析,通過選用了幾種物理發(fā)泡材料后,在生產(chǎn)設(shè)備上的使用效果比較,甲廠商的物理發(fā)泡絕緣料生產(chǎn)的生理發(fā)泡電纜性能比較穩(wěn)定 (表四).
6.2.2 對物理發(fā)泡絕緣料性能分析
物理發(fā)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(shù)ε和介質(zhì)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(dāng)今最理想的高頻絕緣材料.從其發(fā)泡聚乙烯結(jié)構(gòu)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(gòu)成絕緣體泡沫的骨架,一般要求這種絕緣層氣孔細(xì),數(shù)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(xué)發(fā)泡技術(shù)難以滿足上述要求,如今只有通過物理發(fā)泡絕緣技術(shù)才能使絕緣發(fā)泡度達(dá)到70%以上.為獲得較高的物理發(fā)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(xué)公司物理發(fā)泡絕緣料
甲廠化學(xué)公司生產(chǎn)的物理發(fā)泡絕緣料,是采用調(diào)節(jié)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(shù),同時也提高了熔體的強(qiáng)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
6.2.5.1 當(dāng)注氣壓力由4.5MPa增大到5.7MPa時,三種物理發(fā)泡料均能達(dá)到75%的發(fā)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(dāng)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(jī)內(nèi)破裂,說明熔體強(qiáng)度低,無法承受發(fā)泡過程中的氣體壓力,從而無能力支撐成形后的高發(fā)泡空間.而甲廠料由于有足夠的熔體強(qiáng)度,氣泡沒有破裂,使發(fā)泡度達(dá)到80%以上.
6.2.5.3 由甲廠化學(xué)公司物理發(fā)泡料產(chǎn)生發(fā)泡度的變化與其絕緣等效介電常數(shù)函數(shù)關(guān)系見圖三:
試驗結(jié)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(jī)械性能,從而達(dá)到比較理想的一種物理發(fā)泡絕緣材料.它有低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切,使衰減降到最低；有良好的熔融溫度和熔融強(qiáng)度,在發(fā)泡的作用下產(chǎn)生氣泡核,承受氣體壓力而不使泡沫破裂；有足夠的機(jī)械性能構(gòu)成泡沫體的骨架,經(jīng)受作用于電纜的外力.從其技術(shù)指標(biāo)及試驗結(jié)果看,甲廠化學(xué)公司的物理發(fā)泡絕緣料具有以下特點
1)比較小的介電常數(shù)；(2)介質(zhì)損耗角正切很小(<0.6*10-4)；(3)發(fā)泡度高,可達(dá)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(xiàn)象,表面光潔度比較高. 7. 外模選用參考(計算式) 如下
8. 結(jié)束語
物理發(fā)泡絕緣用的聚乙烯不僅應(yīng)具備優(yōu)良的電氣性能,同時還應(yīng)具備優(yōu)良的工藝性能和機(jī)械性能.隨著我國CATV系統(tǒng)及接入網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,物理發(fā)泡同軸電纜的需求越來越多,質(zhì)量要求也越來超高.使用美國量子化學(xué)公司物理發(fā)泡料制造出的物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜性能更優(yōu)良,質(zhì)量更可靠,同時將會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.美國量子化學(xué)公司生產(chǎn)的物理發(fā)泡料以其擠出性能好,形成氣泡細(xì)微,高頻性能好,價格適中,質(zhì)量可靠等優(yōu)勢,將逐步應(yīng)用到通信電纜絕緣領(lǐng)域中去.
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