線纜發泡技術

線纜發泡技Jit

1、前言

通信網絡之完整性，除了機房內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

來整體服務數字網絡（ISDN）之規定外，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，

及減少材料成本。而線纜用材料發泡的目的，則在減少材料的介質常數。

3、材料發泡方式

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

項材料對溫度反映相稱靈敏(±1C),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成40-50%,月.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)端將導致不良影響。

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，也有運用PP、PS及TEFLON為基材的。

4.1PE發泡度與介電常數，波長短縮率，時間延遲關系圖

發泡度

發泡度％

介電常數

時間延遲ns/M

4.2PE發泡之特性關系表

波長短縮率％

發泡度與材料抗張特性的關系如下表列

發泡度、絕緣厚度、及破壞電壓的關系,

0

夢助下所列

5.08發泡度％

發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

在靜電容量規定一定的場合，減少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，就口J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，可運用普通的密度測定法計測，所謂發泡度乃指

do—(1

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

cl。

=(1--)x100

d。

發泡體中含多少比例的氣體，可應用下式表達之

期中，d二發泡體密度

do二基材原有的密度

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具體說明

4.4押出發泡法

發泡劑的類別

京9江9、&如廣&低沸點炭氫化合物系(丙烷、丁烷、戊烷)

揮發性發泡劑

<b.溶劑系(石油酸、有機氯化物)

化學發泡劑卜杜兔筑系(碳酸氫鈉、炭酸錢)

4,5目前市售發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,

故在規定低損失的場合，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)設計小壓縮比的螺桿；

(2)設立反壓調節器，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，螺桿構造、螺桿回

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，才干押

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稱高技Jit水準的作業，

押出條件設定稍有不慎，就很難制造出質量良好的發泡電線，作業人員

應從不斷體會中獲得良好的經驗，精益求精，才干達成提高水準、高質

量的境界。

4.8發泡情形如下圖

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，除運用實驗來決定外，實別無

良途可循。

(2)螺桿回轉數的影響

螺桿回轉數對發泡狀態也有相稱影響性?；剞D數增長的時候，發泡度也

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，故如何決定適當的螺桿回轉數，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表達

材料發泡前后的斷面積比，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=產丁卬

當發泡后的完畢外徑及導體外徑決定期，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

厚煽層的懶

4.11I發泡押出用外眼

發：,氣泡系在外眼出口后才開始膨

脹，為使其完全發泡，E38MM距離的空冷段,厚層押出后急冷，則發泡度

減少，押出表面常起波浪，成為芯線變形因素之一。

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。

押出線尚未充足冷卻便開始卷取，結果很容易發生變形與潰裂現象，故

冷卻水槽木段一定要維持充足的低溫，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

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(+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。物理發泡初期是用于同

軸電纜(CATV),由于外徑約3.53mm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；發泡

*此圖系NOKIA-MA1LLEFER公司

泡而與內層緊密結合，避免發氣憤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。

充實PE粒

圖1成核劑

*此圖系NOKIA-MAILLEFER公

5.2.1發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。假如提高發泡度，則芯線外徑較小，相對地冷卻

速度快，此現象將可消失。

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）,物理發泡的耐壓限度仍較佳。

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，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，其發泡層與導體訶易產氣憤隙，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

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。

5211化學發泡材料易吸取空中水分，制造前如未干燥，將導致發泡不均勻

導致電氣特性受影響，如干燥不適當材料將導致預發泡；物理發泡除

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(KV)

表2絕緣內層(充實PE)

火花針孔數

((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（物理發泡）

絕緣體特點缺陷

第一代SOLIDPE加工簡樸衰減量大

有化學發泡劑殘留

第二代化學發泡發泡度50%以下

影響介電性

SOLIDPE藕狀易滲水，國外規定

第三代衰減較一、二代低

（藕狀縱孔）使用壽命5年

微孔密閉，性能穩定

第四代物理發泡發泡度達80%

衰減量小，使用壽命長

說明：化學發泡劑微孔結構大小不一，而物埋特性微孔大小均一，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。初期歐美會用過Freon或HCFC氣體，它的優點是生產加工容易，但

缺陷是發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。

6.2CATV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伶用,

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。

如何對的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

和達成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，通過選用了幾種物理發泡材

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

物理發泡絕緣重要用于CATV同軸電纜，重要是用來傳遞高頻信號，

因而規定材料的介電常數。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，一般規定這種絕緣層氣孔細，數量多，分布均勻一致,

彼此間不連通，并且表面要光滑平整，這樣才干保持電纜的特性阻抗均勻性

和防潮性。以往的化學發泡技Jit難以滿足上述規定，如今只有通過物理發泡

絕緣技Jit才干使絕緣發泡度達成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，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

行發泡。通過選用不同配比的聚乙烯混合料，在實際生產在線進行實驗，從

中對絕緣料的性能進行比較，現將實驗結果列表，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—

最大發泡度％506080

出模狀態差中良

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泡，發泡度只能達成50%;再提高發

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，發泡度只能達成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測，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

達成80%。取切片通過顯微鏡觀測，發泡度達成80%時，氣泡直徑比較均勻，

為10?20nm,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％