线缆发泡技术

1、线缆发泡技朮1、刖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。

2、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（土C），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

3、（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，时间延迟关系图發泡度%介電常數時間延遲ns/M波長短縮率%0第2頁，共16頁5.0865.6第18頁，共16頁4.2 PE发泡之特性关系表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/MM 2伸长率%171.10490181.17500270.85490330.78350390.65370400.55280450.53300470.46260500.3015001.5550發泡度、絕緣厚度

4、、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KV501.08.810.4500.452.24.6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P （- d） 100dd （1 ） 100 d期中，d =发泡体密度do =基材原有的密度1、密度测定法2

5、、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广a.低沸點炭氫化合物系（丙烷、丁烷、戊烷）挥发性发泡剂=b.溶劑系（石油醚、有機氯化物）匚c.氮氣d.無機系（碳酸氫鈉、炭酸銨）化学发泡剂.-e有機系（聯氨系、硝酸靈系、偶氮系）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

6、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，直到出眼模口后才幵始发泡。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

7、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发泡情形如下图眼模材料流動方向發泡劑的分解在繼續進行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

8、，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-D2w此处Dd =外眼孔径A=2 2D d-D wDew =完

9、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。夕卜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60-900,出口角9-150,设极廊长或不EMBEDEquatio n.338MM發泡押出用外眼设长，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幵始膨 胀

10、，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幵始卷取，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，弓I起不良。1381 DZ苕叫特性阻抗变动的时候，在变动部分便引超电波的反射， 结

11、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f為大。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)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 C)，然后利用超音速原理将氮气注入PE材料

12、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3.5如mm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10卩m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

13、 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。物理發泡方式充實PE粒成核劑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

14、。525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。526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%527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。528偏心率低。529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

15、，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試樣編號絕緣發泡層絕緣外層（充實PE）絕緣內層（充實PE）銅導體試驗電數（KV）火花針孔數長度（KM）平均單位長度針孔數（個/KM）1329142.1圖2 三層押出芯線芯线外径/铜线外径水中电容绝缘层老化前抗张强度老化后抗张强度(mm/mm)(PF/M)（押出/发泡）(MPA)(MPA)0.62/0.4220二层/物理21.42

16、0.42表230.62/0.4220三层/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/铜线外径水中电容绝缘层老化前伸长率老化后伸长率(mm/mm)(PF/M)（押出/发泡）(%)(%)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/

17、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、一代低藕状易渗水，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

18、 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

19、 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 一一 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、纵向密圭寸性能好、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，幵发和研制物理 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

20、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)。622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於匕较小，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

21、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

22、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*10-4624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（口 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

23、: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%o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1020卩m，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u 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4.5M