氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的研制_万家华

E l ec tric W ire &Cable 2008年4月A pr .,2008

氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的研制

万家华, 王敏华, 钱 琳

(江西联创电缆科技有限公司,江西吉安343000)

摘要:论述了氟塑料)))聚全氟乙丙烯(FEP)物理发泡绝缘微同轴电缆的设计依据、结构设计要点、主要材料的性能、制造工艺要点及研制样品的工艺结构和性能。

关键词:FEP 氟塑料;物理发泡绝缘;微同轴电缆;设计;工艺;研制中图分类号:TM 248.3

文献标识码:A

文章编号:1672-6901(2008)02-0016-05

D evelop m ent of M icro -Coaxial Cables w it h Physica lly -Foa m ed F l u oropo l y m er Insulation

WAN Jia -hua ,et a l

(Ji angx -i L i anchuang Cab l e T echnology Co .,L t d .,Jia 'n 343000,Ch i na)

Ab stract :In ter m s of a new ly -deve l oped m icro -coax i a l cable w ith physicall y -foa m ed fluo ropo ly m er(FEP)insu lati on ,the design basis ,essenti a ls for the construc tiona l desi gn ,m a i n m ater i a l properti es as w ell as t he process structure and character istics o f the cable sa mp le are g iven .

K ey w ords :fl uoropo l ym er FEP;physicall y -foa m ed i nsu l a tion ;m icro -coax ial cab le ;des i gn ;process ;develop ment

收稿日期:2007-09-20

作者简介:万家华(1948-),男,高级工程师.

作者地址:江西吉安市高新技术开发区京九大道16-18

号[343000].

0 引 言

人类进入了21世纪,随着通信事业的飞速发展,对用于高温(200e )及以下环境条件比较严酷场所作移动通信设备和高频传输电缆的需求越来越多。在国家军用标准G JB973A-20045柔软和半硬射

频电缆通用规范6及G J B5163-20015军用电线电缆系列型谱6中,射频电缆中有微孔氟塑料绝缘同轴电缆的结构类型,这种微孔结构属于打孔(多孔)聚四氟乙烯包带或聚四氟乙烯绳,这种结构的最大缺陷是电缆损耗较大,重量重,结构和传输性能的稳定性不高。而聚乙烯发泡绝缘射频同轴电缆虽然损耗低、重量轻、传输性能优异等特点,但其最大的不足是耐高温性能低,因此,承受的传输功率较低,强度也不高。

近年来,我国的移动通信得到了迅速发展,移动通信用户已超过4亿,作为一种补充,廉价的/小灵通0也得到了人们的普遍欢迎。/小灵通0基站覆盖区域小所需功率也小,但是数量众多;基站天线一般安装在已有建筑物的顶上,春夏秋冬,日晒雨淋,所以安装使用环境比较差,且工作频带则正在从常规

900/1800MH z 向更高的3GH z 发展,而我国于2000年发布的无线通信用的同轴电缆行业标准已经不能

满足上述需要。我公司研制开发的氟塑料)))聚全氟乙丙烯(FEP)物理发泡绝缘微同轴电缆是采用国际上先进的氮气物理发泡工艺,皮-泡-皮三层共挤技术和使用引进的氟塑料物理发泡绝缘挤出生产线,生产的氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆具有衰减低、柔软、耐高温、阻燃和耐腐蚀等特点,特别适用于航空航天、军事装备、野战通信设备和仪器,以及移动通信的小型基站等领域。

1 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的设计依据

由于氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆产品目前还没有国家标准和行业标准,我们主要根据美国BELDEN 公司生产的符合美国M I L 标准的氟塑料发泡绝缘同轴电缆产品,如RG 58、RG 59/U 等型号规格,并参照相应的美国M I L 标准和用户提出的技术要求作为本电缆设计依据。

2 氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆设计要点

2.1 电缆结构设计

为了与使用的系统及设备的输入阻抗相匹配,氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的特性阻抗一般为758和508,电缆的结构与普通的射频同轴电缆基本一样,都是由内导体、绝缘介质、外导体、护套等

(1)内导体。内导体采用裸铜线、铜包钢、镀银铜线或镀银铜包钢线等材料,可单根亦可多根束绞而成,但必须都是软态的,表面应圆整光亮无油污,否则可能影响产品的衰减和回波损耗,内导体的直径一般不大于1.0mm。

(2)氟塑料发泡绝缘层。该产品的最大特点,即最大优势就是绝缘采用氟塑料物理发泡挤出。由于FEP氟塑料的介电性能、耐化学腐蚀性等各项性能都十分接近PTFE(聚四氟乙烯),长期工作温度可达200e,而且与聚乙烯同样也能在熔融状态注入氮气发泡,制得低介损、低介电系数、外径小、耐高温、材料省的高频传输线。为了增强内导体与发泡氟塑料绝缘之间的粘接强度及发泡绝缘芯线外径尺寸的稳定、均匀和防潮,所以FEP绝缘层采用实芯内皮+发泡层+实芯外皮的结构形式,即皮-泡-皮结构。本公司采用进口的三层共挤专用机头在引进的比利时高登公司的氟塑料物理发泡挤出生产线上实现FEP氟塑料皮-泡-皮绝缘芯线挤出。

(3)外导体。外导体一般采用铝塑复合带纵包+镀锡铜丝编织,视不同的使用要求,还可以采用镀银铜丝编织,编织密度一般均不低于95%,单根编织软铜丝的直径一般为0.08~0.12mm。

对于移动通信的小型基站使用的氟塑料发泡微同轴电缆,其外导体一般采用铜带纵包焊接轧纹形式,轧纹有环形和螺旋形两种方式,它能够使得同轴电缆在机械上更加柔软,而在电气上由于电介质与外导体的有效直径之间加入了空气而减小了有效介电常数,起到了增加发泡度的作用。轧纹外导体的具体结构由外导体直径、轧纹深度、轧纹节距和铜带厚度四个参数决定。

(4)护套。根据电缆使用温度等级及安全环保的要求,分别使用不同的护套材料,如阻燃聚氯乙烯或低烟无卤阻燃聚烯烃或FEP氟塑料。

(5)电缆结构。电缆结构的示意图见图1。2.2氟塑料绝缘介质的选用

众所周知,在目前已知的氟塑料品种中,既具有耐200e高温、低的介电常数和介质损耗,又可以熔融挤出的只有FEP(F46聚全氟乙丙烯)和PFA(可熔性聚四氟乙烯)及特殊PFA,这三种可发泡氟塑料的基本性能见表1。

目前,世界上主要生产发泡氟塑料的公司据了解有美国的杜邦公司、3M公司及比利时苏威公司,杜邦和3M公司生产的发泡氟塑料型号分别是:FEP CX5010(5030)和FEP6307R2R,其典型性能参数见表2

。

(a)

外导体纵包编织型

(b)外导体轧纹型

图1氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆结构示意图

1-内导体2-FEP实芯内皮3-FEP发泡层4-FEP实芯外皮5-铝塑复合带纵包6-编织外导体7-轧纹外导体8-护套表1三种可发泡氟塑料的基本性能的对比项目名称FEP(F46)PF A特殊PFA

介电常数¹1.962.00 1.94

介质损耗¹8.24@10-411.9@10-44.00@10-4工作温度/e200250260熔点/e250~270300~310300~310

¹测试频率为2GH z

表2杜邦和3M公司发泡FEP性能的对比

项目名称

FEP CX5010

(杜邦)

FEP6307R2R

(3M)密度/(g/c m3)2.15 2.15

熔融指数/(g/10m i n)7.07.5

熔点/e260260介电常数1M H z2.1 2.05

损耗因数1M H z7@10-48@10-4

极限氧指数/%>95>95

以上两种型号的FEP发泡氟塑料主要性能相差不大,是生产耐高温低损耗微同轴电缆的理想绝缘介质,我公司目前是使用杜邦公司的FEP CX 5010发泡氟塑料。

2.3护套材料的选用

氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的护套依据美国M I L标准及用户使用环境要求的不同,可分别采用阻燃聚氯乙烯(PVC)、低烟无卤阻燃聚烯烃或FEP、PVDF(聚偏氟乙烯)等护套材料,来满足不同使用温度环境所需的机械性能和耐环境性能。

3氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆制造的工艺要点

氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆生产的工艺流程与常规的同轴电缆是一样,由内导体y挤绝缘(FEP发泡)y外导体y挤护套等组成,但具体工艺却不尽相同,特别是氟塑料物理发泡绝缘挤出工艺,与氟塑料实芯绝缘挤出工艺,甚至与聚乙烯发泡绝缘挤出工艺都有很大的不同,而且氟塑料物理发泡绝缘挤出工艺水平的高低对电缆的传输性能指标的优劣至关重要,必须加以认真研究和对待。

3.1氟塑料物理发泡绝缘挤出

氟塑料物理发泡绝缘挤出是该产品的关键工序和工艺,其工艺水平的高低将直接影响电缆质量的优劣,本公司是在从比利时高登公司引进的氟塑料物理发泡绝缘挤出生产线上进行试制的,先进的设备对产品的研制提供了有利条件。

首先,内导体放线应采用主动放线并使用拉拔模对单根导体进行拉拔,以使导体外径均匀,光亮圆整且无油污,这有利于改善成品电缆的衰减和回波损耗,拉拔装置还应配置拉拔主动牵引,使生产线放线张力与收线张力保持同步。

氟塑料物理发泡绝缘挤出采用氮气作为发泡剂,发泡FEP(FEEP)绝缘结构采用皮-泡-皮的型式,即在内导体表面挤包一层实芯FEP(内皮),在内皮表面挤包发泡FEP,在发泡FEP表面再挤包一层实芯FEP(外皮),并通过设备上配置的瑞士制造的三层共挤专用机头实现FEP皮-泡-皮的挤出,内、外皮使用杜邦FEP9443料,发泡层使用杜邦FEP CX5010料。通过调节内、外皮挤出机的转速来控制内、外皮的厚度,通过调节氮气流量和发泡挤出机的转速来控制发泡FEP层的发泡度和厚度,并结合收线速度及内、外皮的厚度来控制发泡线芯的水电容。要细心地调节外皮挤出机的转速,转速太高则外皮偏厚且易导致发泡FEP的不稳定,发泡度降低,水电容不稳定;转速太低则外皮偏薄易导致线芯表面不光滑圆整并有可能因线芯中吸附水气而影响衰减。对于微同轴电缆,一般内皮厚度控制在0.05 mm、外皮厚度控制在0.10mm左右。FEP氟塑料物理发泡绝缘挤出与FEP实芯绝缘挤出一样采用挤管式,通过调节真空泵的压力大小来控制FFEP 绝缘与内导体间粘接力及模具出口处熔融塑料锥体的长度,一般锥体的长度控制在20~30mm。为了保证导体与发泡绝缘的良好粘接,内导体需预热,预热温度一般控制在155e左右。挤出的发泡绝缘线芯冷却采用分段冷却,前段为65e热水,热水槽长度5m左右,后段为常温水。

FEP发泡绝缘挤出的工艺控制参数主要是外径和水电容,通过微调氮气流量、螺杆转速及收线速度,将外径和水电容控制在规定范围内且波动幅度小而稳定,切忌大起大落。线芯的同心度也是一个重要的控制指标,好的工装和工艺应能将同心度控制在95%以上,本公司引进的生产线挤出机头为免调偏心机头,使用国外的模具因精度高基本上还行,但使用国内的或自制的模具,同心度较难达标,为此我们设计制作了一个可调偏心外摸托盖,装配在机头上,较好地解决了同心度问题。另外,FEP在使用前应在70~80e温度下干燥3~4h,则挤出效果更好。

3.2挤出模具的选择

由于FEP(F46)氟塑料在熔融挤出温度下,粘度还是相当高,达104~106泊,比其它热塑性树脂大10~100倍,所以即使在比其他热塑性树脂低的剪切速率下(比高压聚乙烯低一个数量级,比尼龙低二个数量级)挤出时也会发生熔融破裂,即挤出物表面粗糙,有横向裂纹,无光泽等产品表面粗化现象,因此,FEP氟塑料挤出应选择较小的剪切速率。

对每一种树脂,它的挤出速度是由剪切速率而定的,因为:

r=

6Q

S1

(1/s)

式中,r为剪切速率;Q为树脂的体积流量;S

1

为模芯与模套之间的环形截面积。

若把Q化成每分钟挤出的速度V,则:

r=

6@V@100@S2

60@S1

=

10V@S2

S1

式中,V为收线速度;S2为产品的环形截面积。

因此,为了达到小的剪切速率从而防止FEP挤出时发生融体破裂,最好的方法是增大模芯与模套之间的环形截面积,所以FEP氟塑料发泡挤出(包括实芯挤出)大多采用挤管式模具挤出。

从事氟塑料挤出的人都知道,FEP实芯挤出时,由于FEP具有较大的伸长率,达300%以上,所以其内、外模配合的拉伸比(DDR)一般在80~120甚至更高,而拉伸平衡比(配模系数DRB)一般在1.0左右,而FEP物理发泡挤出,则由于其绝缘体是由封闭的细密泡孔组成,其伸长率较之实芯FEP大大降低,大的配模拉伸比会产生大的剪切速率而易导致融体破裂而破坏泡孔结构,发泡线芯表面粗糙。根据我们的工艺实践,FEP发泡绝缘挤出的模具拉伸比(DDR)一般在10左右,而拉伸平衡比(DRB)一般在0.8左右,线速度在30~40m/m in,则挤出成型效果较好,当然还应根据产品电容值选择合适的氮气流量和线速度来控制好发泡度,才能生产出合格的FEP发泡绝缘线芯。

3.3外导体和护套的生产

编织外导体型FEP氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的外导体型式与常规的射频同轴电缆基本相同,都是采用铝塑复合带纵包+铜丝编织,只是在编织材料上应根据产品使用温度环境或用户的要求选择是裸铜丝或镀锡铜丝或镀银铜丝,且编织密度比较大,一般不小于95%。而焊接轧纹外导体型式,由于FEP氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的发泡绝缘线芯直径较细,目前国内这样小规格的焊接轧纹生产线据了解还不太成熟,这是我们线缆生产企业和设备制造企业今后需共同努力解决的,也是我们企业今后新产品开发的方向之一。据有关资料介绍,日本三菱电缆工业公司已开发了轧纹外导体型泡沫氟树脂绝缘的射频同轴电缆,该电缆特别适用于小型基站。

至于护套,是与常规电缆一样主要起保护作用,不过由于当今人们日益重视环保和安全,护套材料一般采用阻燃PVC、低烟无卤阻燃聚烯烃或FEP。为了使电缆结构和传输性能稳定,护套挤出一般采用挤压式或半挤管式。

4试制产品实例及测试结果

我公司研制开发了SF WV=75-3(RG59)产品,产品结构及工艺参数为:内导体直径为0.81mm 铜包钢,FFEP绝缘外径为3.56mm,水电容为53? 1L F/m,N2流量为2.1L/h,线速度为35m/m i n,同心度为95%左右,内皮厚度为0.06mm,外皮厚度为0.10mm,平均发泡度约60%。外导体采用铝塑复合带纵包+镀锡铜丝编织,单根镀锡铜丝直径为0.12mm,编织密度大于95%,阻燃聚氯乙烯护套,护套外径为5.6mm,内、外皮使用杜邦FEP9443料,发泡层使用杜邦FEP CX5010料。产品经检测,衰减及回波损耗等主要性能实测值基本达到美国Be l d en公司RG59/U产品性能指标,达到了产品的设计要求。图2、图3分别为用网络分析仪测得的该产品回波损耗和衰减频率特性曲线图。

5研制中需关注的其它问题

FEP氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆研制的关键是FEP物理发泡挤出,由于FEP氟塑料的特殊性,它与聚乙烯物理发泡挤出和控制有较大的不同,需要通过大量的工艺试验来进行研究和完善工艺,而另一方面由于发泡FEP氟塑料原材料价格较高,大约550元/kg,试验的成本太高,因而作为企业不可能随心所欲地进行工艺试验,因此在每次试验前要作好充分的工艺准备,要进行尽可能周到细致地策划,将工艺试验的成本尽量降低,以提高产品的市

场竞争能力。

a)电缆A

端

b)电缆B端

图2

电缆的回波损耗频率特性曲线

图3电缆的衰减频率特性曲线

(下转第33页)表2各道次漆包线外径的变化及漆膜增厚(双面)(单位:mm)涂漆道次1234567101112模具直径D

i

1.05 1.061.07 1.071.08 1.091.09 1.101.111.111.12 1.12

漆包线外径5

i

1.0059 1.01431.0229 1.03021.0379 1.0461.0528 1.06011.0678 1.07331.07941.0846漆膜增厚(双面)0.00590.00840.00870.00730.00770.00810.00680.00730.00770.00550.00610.0053注:本表为立式漆包机涂漆工艺的数据,其中漆膜增厚为每道涂覆所引起的双面增厚值。

2.2经验公式的验证和应用

(1)上述经验公式是运用统计学方法求得的,漆固体含量的测试条件是/1g,1h,180e0。应用实践证明,经验公式求得的漆膜厚度与实际漆膜厚度相差无几,因此,上述经验公式不仅能指导生产,还能计算每一道次增加的漆膜厚度,便于工艺人员找出最佳配模方案,让每一道漆膜烘焙充分,从而提高漆包线的性能。

(2)实际应用当中,漆液有时会含有杂质,导致模孔堵塞;模孔由于磨损,尺寸可能不很准确;漆膜圆整度偏差等因素影响,每道次漆包线的实际外径可能有偏差,但最终外径(平均值)相差不大。

(3)应控制好第一道漆膜厚度。从漆包工艺理论上讲,第1道漆膜不能太厚,也不能太薄。根据我们的经验,第1道漆膜厚度应不超过其他道次的漆膜厚度,因而第1道模具尺寸不宜大。第1道模具尺寸可以根据总漆膜厚度、漆的固体含量、涂漆道数而定。

(4)由于受车速、漆的温度、粘度、品种,车型(立式、卧式)等因素的影响,每个厂根据自己实际情况对系数0.2623和0.345进行微小修正。

(5)此经验公式可以用于快速估算漆膜,便于快速配模,控制外径,提高生产率,可以把它编成软件,同时利用该公式筛选工艺,调整模具,使每道次涂覆的漆膜尽可能均匀。

3结束语

模具法涂漆可以应用高固体含量的漆包线漆,顺应了世界各国对环保的需要,降低了化学溶剂的消耗,这些溶剂是从石油中提炼出来的,降低了化学溶剂的消耗,即节约了能源。模具法涂漆质量稳定,易操作,不仅能减少污染,还能降低成本,因而是值得推广的涂漆技术。模具法涂漆配模经验公式不仅能指导生产,还能找出最佳配模方案,对提高生产力,进一步稳定产品质量具有深远的意义。

(上接第19页)

在研制过程中,我们觉得内导体和FEP发泡绝缘之间的粘接强度不是很大,特别是发泡度比较大的产品有时达不到用户要求的剪切力指标,尽管导体进行了预热并挤了FEP内皮,但粘接仍不是很理想。虽然内皮加厚有助于增强粘接,但会增大绝缘层的等效介电常数,使衰减增大,得不偿失。若有一种可耐高温(400e)的粘接剂与FEP料混合后挤内皮,将能有效地提高内导体和FEP发泡绝缘之间的粘接力,希望国内有关公司、企业能尽快研制出这种高温粘接剂。

6结束语

以上所述是笔者在研制氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆过程中的一些体会和感受,意欲抛砖引玉,与国内同行们共同为国产低损耗、柔软、耐高温、耐腐蚀、阻燃环保的特种射频微同轴电缆的研制开发作出自己不懈的努力。

参考文献:

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团公司第二十三研究所,1996.

[3]洪永华.塑料电线挤出模具设计[M].电子线缆科技情报网,

19.

节约资源,减少污染;

保护自然,万物共存