線纜發(fā)泡技Jit

1、前言

通信網(wǎng)絡之完整性，除了機房內(nèi)之軟硬件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重要傳輸媒介。通信電纜不僅質量需符合未

來整體服務數(shù)字網(wǎng)絡（ISDN）之規(guī)定外，所占用之空間也不容忽視，兩者更是

息息相關。近十年來欲使通信網(wǎng)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(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（近）端串音及衰減

等與材料發(fā)泡方式更是立竿見影。

2、發(fā)泡的目的

一般材料發(fā)泡的目的在于使制品輕量化，并加強制品隔熱性與可擾性，

及減少材料成本。而線纜用材料發(fā)泡的目的，則在減少材料的介質常數(shù)。

3、材料發(fā)泡方式

為了增長傳輸容量及速率，減少材料介質常數(shù)（DiclcctricConstant）系最佳

途徑，而使用發(fā)泡PE材料則可達成此目的，其材料發(fā)泡方式一般區(qū)分為二種

方式：

（一）化學發(fā)泡方法

（二）物理發(fā)泡（氮氣發(fā)泡）

4、傳統(tǒng)化學發(fā)泡

于PE絕緣材料制料過程中，混合適當比例熱效應發(fā)泡劑，其使于芯線制

程時，運用溫度促使發(fā)泡劑產(chǎn)生化學分解變化，于PE材料內(nèi)部形成氣泡，此

項材料對溫度反映相稱靈敏(±1C),溫控設備稍受外界影響，其發(fā)泡度變化

極大，目前此項方式發(fā)泡度可達成40-50%,月.此發(fā)泡材料須置放于干燥環(huán)境

內(nèi)，否則水分進入材料后于押出易導致芯線電容，外徑不穩(wěn)定，此二項于通

信電纜遠(近)端將導致不良影響。

為減小介質常數(shù)，其所用基材應為低介質常數(shù)的材料，目前線纜最常用

者為PE。在特殊的場合，也有運用PP、PS及TEFLON為基材的。

4.1PE發(fā)泡度與介電常數(shù)，波長短縮率，時間延遲關系圖

發(fā)泡度

發(fā)泡度％

介電常數(shù)

時間延遲ns/M

4.2PE發(fā)泡之特性關系表

波長短縮率％

發(fā)泡度與材料抗張?zhí)匦缘年P系如下表列

發(fā)泡度、絕緣厚度、及破壞電壓的關系,

0

夢助下所列

5.08發(fā)泡度％

發(fā)泡度抗張強度伸長率

%KG/MM2%

171.10490

181.17500

270.85490

330.78350

390.65370

400.55280

450.53300

470.46260

500.30150

01.5550

在靜電容量規(guī)定一定的場合，減少絕緣材料的實效介質常數(shù)，則芯線徑

便可減小。此時，一定尺寸的線纜管中，就口J多設線路，在多心線纜場合有

很大的優(yōu)點。

材料發(fā)泡，則強度下降，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，可運用普通的密度測定法計測，所謂發(fā)泡度乃指

do—(1

P=(--------)x100

cl。

=(1--)x100

d。

發(fā)泡體中含多少比例的氣體，可應用下式表達之

期中，d二發(fā)泡體密度

do二基材原有的密度

1'密度測定法

2、線纜發(fā)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具體說明

4.4押出發(fā)泡法

發(fā)泡劑的類別

京9江9、&如廣&低沸點炭氫化合物系(丙烷、丁烷、戊烷)

揮發(fā)性發(fā)泡劑

<b.溶劑系(石油酸、有機氯化物)

化學發(fā)泡劑卜杜兔筑系(碳酸氫鈉、炭酸錢)

4,5目前市售發(fā)4瞬?熊耙焦、硝酸靈系、偶氮系)

1、高密度用尿素類

2、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,

故在規(guī)定低損失的場合，押出線必須施行干燥手續(xù)。

4.6發(fā)泡押出用押出機

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)設計小壓縮比的螺桿；

(2)設立反壓調節(jié)器，以控制適當?shù)姆磯海?/p>

(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(fā)泡線押出的時候，其押出條件受押出機尺寸，螺桿構造、螺桿回

轉數(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)生很大變億。

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(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，都無法得到質量良好的押出線。

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

稱大的影響，材料在螺缸停留時間亦應保持在某一特定范圍內(nèi)，才干押

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)實為一項需要相稱高技Jit水準的作業(yè)，

押出條件設定稍有不慎，就很難制造出質量良好的發(fā)泡電線，作業(yè)人員

應從不斷體會中獲得良好的經(jīng)驗，精益求精，才干達成提高水準、高質

量的境界。

4.8發(fā)泡情形如下圖

眼模

3大氣壓（過飽和氣體）膨脹完后

高壓領域

4.9押出

芯線

⑴押出港度：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：

切、

采用添加IJ進亍押出烯制贏新道林福寸發(fā)泡特性的良

莠占有決定性地位，排雷黑蝴鸛裂箱劑分解溫度充足配合，必可制造出

材料流動方向------

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,

在到達某溫度的時候，發(fā)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(xiàn)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，除運用實驗來決定外，實別無

良途可循。

(2)螺桿回轉數(shù)的影響

螺桿回轉數(shù)對發(fā)泡狀態(tài)也有相稱影響性。回轉數(shù)增長的時候，發(fā)泡度也

逐漸增長，氣泡構造更形微細，直至達成某限度為止。超過此限度后，效果

反而下降，故如何決定適當?shù)穆輻U回轉數(shù)，誠極重要。

4.10外眼形狀的影響

押出發(fā)泡用眼模，在設計時必須考慮外眼出口后的膨脹性，若以A表達

材料發(fā)泡前后的斷面積比，則

D2CW-D2W此處口＜1=外眼孔徑

A=__________

D?d-D2wDew=完畢線外徑

口亞=導體或芯線外銜5

?汗Dd

.：

：

?

：

?

：?.：

.：

：

?

：

?

.：

安

??????????????

一般薄埒

出則膨脹比約等于4,押

出發(fā)泡外眼孔徑,可運用前式變形，求出如下

加二尸+(丁叵若A=2,則囚=產(chǎn)丁卬

當發(fā)泡后的完畢外徑及導體外徑?jīng)Q定期，外眼孔徑便可運用公式很簡便

的求出來。

外眼入口角也為設計的重要項目。在發(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(fā)泡用眼模代表例

厚煽層的懶

4.11I發(fā)泡押出用外眼

發(fā)：,氣泡系在外眼出口后才開始膨

脹，為使其完全發(fā)泡，E38MM距離的空冷段,厚層押出后急冷，則發(fā)泡度

減少，押出表面常起波浪，成為芯線變形因素之一。

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。

押出線尚未充足冷卻便開始卷取，結果很容易發(fā)生變形與潰裂現(xiàn)象，故

冷卻水槽木段一定要維持充足的低溫，芯線倘有浮出水面現(xiàn)象，亦發(fā)生部分

的變形，應設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

r138.1,D

z=^T,og7

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，在變動部分便引超旦波的反射，結果使線纜特性,

「0.3

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，則運用下式關系，在所示頻率時其VSWR便顯著加

大。

在規(guī)定高性能場合，一定要設法使制造條件固定，此時必須注意下列各

點，才干使變異減為最低

(1)選用質量均勻的材料；

(2)材料供入定量化；

(3)保持一定的押出溫度；

(4)保持螺桿回轉數(shù)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(fā)泡方式

5.1物理發(fā)泡(氮氣發(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(+10C),然后運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，如今新的壓縮機組

件及氮氣注入孔已使此設備煥然一新，提高可靠度。物理發(fā)泡初期是用于同

軸電纜(CATV),由于外徑約3.53mm故其發(fā)泡度可達70%,而不影響其電纜

機械強度。現(xiàn)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(nèi)層是使用低密度充實PE,厚度約101】m緊密粘著于導體，使兩

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

*此圖系NOKIA-MA1LLEFER公司

泡而與內(nèi)層緊密結合，避免發(fā)氣憤泡直接與導體非連續(xù)密著，導致絕緣導體

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。

充實PE粒

圖1成核劑

*此圖系NOKIA-MAILLEFER公

5.2.1發(fā)泡度浜唆流量大小控制-自如l+呼達成60B6

5.2.2化學及

度氮左

5.2.3由于第

中冷卻局限性導致。假如提高發(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。

524遠程串音衰減其影響因素仍涉及芯線偏心（電容不平衡），其現(xiàn)象同第3

項。

5.2.5化學發(fā)泡其未分解雜質殘留于絕緣體，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)泡的耐壓限度仍較佳。

5.2.6絕緣體抗張強度：氮氣發(fā)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，并且于高溫石油膏老化實驗后，較本來特性變化

極小。如表2示知，物理發(fā)泡絕緣抗張強度優(yōu)于化學發(fā)泡約176%。

5.2.7物理發(fā)泡的絕緣內(nèi)層補償發(fā)泡度愈高，其伸長率愈差。但較之化學發(fā)

泡有較佳之伸長率，如表3。

5.2.8偏心率低。

5.2.9化學發(fā)泡于高發(fā)泡時，其發(fā)泡層與導體訶易產(chǎn)氣憤隙，如此縱向水分

易沿其氣隙前進。眾所周知，水是通電纜最重要敵人之一，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且與銅線密切結合，遇熱不易收縮。

5211化學發(fā)泡材料易吸取空中水分，制造前如未干燥，將導致發(fā)泡不均勻

導致電氣特性受影響，如干燥不適當材料將導致預發(fā)泡；物理發(fā)泡除

成核劑僅以簡樸干燥外，其余材料并不受空氣水分影響。

表1

試樣編號

銅導體

士實驗電數(shù)(KV)

表2絕緣內(nèi)層(充實PE)

火花針孔數(shù)

((化遂叫卜能的正枷張強度

芯線外徑/銅線夕演(K徘中電容絕緣層(押出/

(m科卿電?K度針孔務卿孤h發(fā)泡)?絕緣夕幗加實PE)

0.62/0.4220二層/物出20.4

0.62/0.41220

三層/物理國5三酹哪出芯繳

0.62/0,4&234二層/物理22.521.7

0.62/0.4234三層/物理22.922.0

1.14/0.5116二層/化學10.410.8

0.86/0.4116二層/化學13.413.2

1.34/0.6166二層/化學13.713.2

表3

芯線外徑/銅線外徑水中電容絕緣層(押出/發(fā)老化前伸長率老化后伸長率

(mm/mm)(PF/M)泡)(%)(%)

0.62/0.4220三層/物理716654

0.62/0.4234三層/物理736678

1.06/0.5116三層/物理794719

1.14/0.5116二層/化學502415

0.86/0.4116二層/化學538480

13.4/0.6166二層/化學550458

6.列舉CATV同軸線（物理發(fā)泡）

絕緣體特點缺陷

第一代SOLIDPE加工簡樸衰減量大

有化學發(fā)泡劑殘留

第二代化學發(fā)泡發(fā)泡度50%以下

影響介電性

SOLIDPE藕狀易滲水，國外規(guī)定

第三代衰減較一、二代低

（藕狀縱孔）使用壽命5年

微孔密閉，性能穩(wěn)定

第四代物理發(fā)泡發(fā)泡度達80%

衰減量小，使用壽命長

說明：化學發(fā)泡劑微孔結構大小不一，而物埋特性微孔大小均一，所以

特性阻抗穩(wěn)定，衰減量小，當發(fā)泡度達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(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。初期歐美會用過Freon或HCFC氣體，它的優(yōu)點是生產(chǎn)加工容易，但

缺陷是發(fā)泡后微孔粗大而不均勻，影響反射（回波）特性，旦會破壞臭氧層，因

此現(xiàn)在多改用氮氣發(fā)泡。

物理發(fā)泡特性：

1、高發(fā)泡度，低介電常數(shù)；

2、低電容；

3、高傳輸速度；

4、低衰減常數(shù)；

5、結構穩(wěn)定使用壽命長。

6.2CATV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

改善廣播電視的質量、實現(xiàn)全國有線聯(lián)網(wǎng)的多功能傳輸有極其重要的伶用,

在國內(nèi)外都獲得廣泛應用。

目前，隨著CATV電纜網(wǎng)絡系統(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今電纜行業(yè)的主題。高質量的物理發(fā)泡電纜

關鍵取決于物理發(fā)泡絕緣材料。

如何對的選用性能優(yōu)良的絕緣材料，對于發(fā)揮物理發(fā)泡生產(chǎn)線的作用

和達成發(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)泡絕緣重要用于CATV同軸電纜，重要是用來傳遞高頻信號，

因而規(guī)定材料的介電常數(shù)。和介質損耗角正切tg8比較小，才干把傳輸衰減

減少到最低。聚乙烯樹脂是當今最抱負的高頻絕緣材料。從其發(fā)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，一般規(guī)定這種絕緣層氣孔細，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，這樣才干保持電纜的特性阻抗均勻性

和防潮性。以往的化學發(fā)泡技Jit難以滿足上述規(guī)定，如今只有通過物理發(fā)泡

絕緣技Jit才干使絕緣發(fā)泡度達成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甲廠化學公司物理發(fā)泡絕緣料

甲廠化學公司生產(chǎn)的物理發(fā)泡絕緣料，是采用調節(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

度，減少熔體的粘度，得到最抱負的加工性能，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Jit指標與乙廠A與B料對照參見表四：

表四

技7ft性能指針對照表

甲廠甲廠乙廠乙廠

項目

HD-PE(A)LD-PE(B)(A)(B)

密度g/cn?0.9630.9170.9540.945

熔融指數(shù)g/10min8.42.165.14.98

抗拉強度MPa29.811.724.321.44

斷裂伸長率％12006105201070

介電常數(shù)1MHz2.362.272.362.22

介質損耗角正切

0.4*1O-40.6*IO-40.8*IO-40.32*IO4

1MHz

6.2.4實驗及結論

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(fā)泡。通過選用不同配比的聚乙烯混合料，在實際生產(chǎn)在線進行實驗，從

中對絕緣料的性能進行比較，現(xiàn)將實驗結果列表，見表五。

表五

不同配比材料實驗結果

項目1號2號3號

氣泡孔直徑（um）10-2515?2510-20

纜芯直徑變化率％532

串孔率％31—

最大發(fā)泡度％506080

出模狀態(tài)差中良

纜芯缺陷粗糙軟——

由實驗可知:

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(fā)泡，發(fā)泡度只能達成50%;再提高發(fā)

泡度時，絕緣層表血狀況粗糙。通過顯微鏡觀測切片，氣泡間出現(xiàn)串孔現(xiàn)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(fā)泡度只能達成60%;發(fā)泡度提高時，絕緣層表面由光滑逐漸呈

不規(guī)則形狀變化，同時通過顯微鏡取切片觀測，發(fā)現(xiàn)氣泡破碎，出現(xiàn)氣

泡間串孔現(xiàn)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(fā)泡度可以

達成80%。取切片通過顯微鏡觀測，發(fā)泡度達成80%時，氣泡直徑比較均勻，

為10?20nm,無串孔現(xiàn)象，直徑變化率為1%以內(nèi)。絕緣出模后，有約3mm

的短暫不發(fā)泡現(xiàn)象，通過它可以有效地控制絕獴的偏心問題。同時，絕緣層

表面光滑平整。

6.2.5甲廠化學公司的物理發(fā)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

不同材料實驗結果

乙廠乙廠

項目甲廠化學公司料

(A)(B)

氣泡孔直徑um10-2010?2015-25

纜芯直徑變化率％223

串孔率％