物理发泡绝缘工艺.docx

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物理发泡绝缘工艺

物理发泡绝缘工艺

物理发泡方法具有发泡度高、较低的介电常数ε和介质损耗角tgδ，降低了电缆衰减，发泡均匀性好、发泡孔细密、密闭、生产效率高等一系列优点和好处，适应了当今通信发展的传输频率越来越高，要求传输电缆的带宽越来越宽的要求。

物理发泡绝缘在CATV、数字传输系统、要求低衰减传输测试等电缆上，获得广泛采用。

物理发泡绝缘生产线设备的关键部分是：

气体注入和气体流量控制系统，挤出机和机头，冷却水槽长度和牵引控制，直径/电容自动反馈控制系统。

一.发泡机理

物理发泡是利用塑料挤出过程中直接注入气体或液态气体来实现发泡。

物理发泡是采用气体作发泡剂，所以消除了化学发泡剂的弊端，即绝缘体内不存在化学发泡方法产生的残余物或水份，使绝缘的介质损耗大幅度下降。

物理发泡可消除化学发泡的许多工艺加工限制，易于制得泡孔微小、发泡均匀的优质绝缘。

物理发泡绝缘材料由基本树脂（绝缘塑料）、发泡剂和成核剂构成。

成核剂是一种细密微粒、散热化学吹塑剂；在物理发泡和获得良好的泡沫结构，并使电缆具有良好的电性能方面，成核剂起着至关重要的作用。

成核剂类型对泡沫绝缘结构和绝缘电性能影响较大。

成核剂的浓度在保证最佳电性能基础上，应使其尽可能最小。

物理发泡过程中为了易于泡孔生成，还在PE材料中添加一定量的成核剂，常用的主要成份为偶氮二酰胺。

成核剂通过混料搅拌均匀地分布于熔融PE中，经过一定的高温诱导期后分解放热，形成一个个“微核”。

成核剂比例高则意味着熔体中“微核”的密度高，它将导致泡孔生长的压力增加，这时生成的泡孔比较细密。

然而由于有机成核剂分解产生小等极性分子，对降低绝缘的介电常数极不利，但只要能做到均匀分布就不会对电缆的驻波性产生不利影响。

物理发泡法主要应用于聚乙烯，也同样应用于氟塑料。

进行物理发泡时，聚合物（即PE绝缘料）应同成核剂混合，同时把气态或液态的发泡剂注入熔融的聚合物中，并令其从熔解状态析出，使之在挤出过程中不断产生凝聚中心与气泡。

成核剂能使气泡的大小及分布变得均匀。

通常使用的发泡剂有氟利昂-11、氮气（N2）、二氧化碳。

目前，采用较多的是氮气发泡及氟碳代用品发泡等。

氮气发泡是通过压缩空气启动注入水泵，在一定的压力下使氮气高压泵升压，并通过稳流阀进行控制，然后从喷头把氮气注入挤出机中。

当氮气在高压作用下，像雾状一样喷入挤出机内熔融的聚乙烯之中，同时与聚乙烯中的成核剂发生核化，挤出后在空气中，形成发泡绝缘。

而氟碳及代用品发泡是将液化的氟碳发泡剂定量注入挤出机后迅速气化，熔融于融化状态的聚乙烯中形成气泡。

氮气物理发泡的主要过程就是将氮气溶解于熔融的聚乙烯（PE）之中，形成微细的泡孔结构。

在挤出机机筒内，含有少量成核剂的PE料经加热搅拌充分塑化后，将氮气注入。

与氮气的注入压力Pi≥1.9P0（P0为机筒内压力,即熔体压力）时,氮气流的注入速率为音速,在音速注气的条件下可保证单位时间内氮气的注入量正比于氮气的压力。

为了增加氮气的溶解度，机筒氮气注入段的压力一般保持在200bar以上，而先进的氮气注射系统可提供50～700bar范围内，波动在±1bar稳定氮气流（1bar=105Pa）。

氮气注入后，经过搅拌，氮气在熔体中处于过饱和状态。

当熔体挤出后，由于高压环境突然消失，于是氮气在成核剂周围形成大量微泡孔，此后进入泡孔生长期。

更多的氮气由熔体溢出进入微泡孔。

泡孔随着内部压力的升高，克服泡壁的内应力而胀大。

同时绝缘外层冷却，又在内部形成一定的压力环境，最后整个发泡绝缘层冷却固定化。

成长期的微环境分析对于控制泡孔的质量至关重要。

熔体温度高的情况下，粘度下降，弹性增大，泡孔成长容易，但泡孔成长过度则又会产生泡孔合并现象，而通常不希望出现这种情况。

因为电缆的阻抗均匀性要好，对泡孔就要求均匀细密，另外熔体的粘度下降也不利于内导体的定位，是产生“空心”现象的一个因素。

而熔体温度低，则气泡生长的临界压力值升高，不利于达到高发泡度。

泡沫绝缘的泡沫发展和稳定，产生于聚合物在出挤出机机头时，绝缘材料的发泡度程度，除和基本树脂、成核剂配比有关外，基本是靠控制气体的注入量来调节；为了获得所希望的发泡度，注入气体的流量可参照以下公式：

FD

D2P＝k×LS×SA×（1－）

BD

上述公式中：

LS——挤出线速度；

SA——挤出绝缘厚度；

BD、FD——基料和发泡料的密度；

P——注入气体的压力；

D——注入气体喷咀尺寸。

注入的气体被溶解在加压状态下的熔融聚合物里，被充分分解，在挤塑过程中产生核化和形成气泡。

二.工艺设备及工艺设计

挤出机需要有检测中段、机头等多处压力的装置，最好以挤出压力作为整条生产线的基准参数。

螺杆的设计，在其前段可加BM段，利于料的塑化，并设置防止料、气倒流的“瓶颈”。

在后段逐步加压，设置稳流段。

螺杆要油冷或水冷控温。

熔体从螺杆挤出后通过计量泵（齿轮泵）稳定出胶量。

齿轮泵的齿要细，其配合和密封要好，转速最好是使用变频高速器控制。

高压氮气注射系统，范围50～700bar，其稳定性、密封要好。

内导体预热设备要有足够的功率，能实现导体温度调节范围在常温~150℃。

芯线的牵引要稳定而有力。

冷却水槽要有足够的长度。

对于大规格物理发泡同轴电缆来说，直径10～50mm绝缘，高达80%左右的发泡度，要使其满足均匀、密闭，低损耗的要求，生产条件已达到了极限。

设备的可靠性，工艺条件的要求甚高。

由于成核剂分解诱导期较长且具有突发性，挤出后仍有残余，故模口温度要低，否则在高温环境中，绝缘层的内部会出现泡孔过生长，导致泡孔破裂、并泡，大小不均，甚至产生开孔状态破坏绝缘结构。

另外其分解要放热，也会导致绝缘粘度下降，同心度不稳定。

工艺实践中发现成核剂含量0.5%左右即能满足要求，且单对发泡度而言，PE发泡料产品在恰当工艺条件下均可达到80%以上。

高密度聚乙烯（HDPE）的介电常数为2.35，而低密度聚乙烯（LDPE）的介电数常数约为2.32，两种成分的配比对产品电性能影响不大，一般建议HDPE：

LDPE=80：

20，LDPE成份的增加有利于绝缘发泡结构的稳定，而HDPE对结构强度有好处。

PE发泡料的熔体温度一般为180℃，实际上由于注气段之前塑化段较短，温度应设置得高一些，以实现熔体较充分的塑化。

机头区域温度要降低，整个温度设置由前到后逐步收敛，呈类似正弦波分布曲线，效果较好。

氮气的注入位置在机身的中段，其工艺参数的设置对能否实现高发泡度至关重要。

由分子热力学原理可知分子热运动越快（温度高），密度越大，其表现出来的压力越大。

随着熵的增加，分子热运动不一样的两个系统发生交流后，将趋于均衡。

理论推导可得：

当Pi≥1.9P0时,注气速度Vi等于音速,如图5—2所示,其中Pi为注气压力,P0为熔体压力;NL（NimarLotre）为折算常态（1bar）时的体积（升）,h为小时。

实际上此处的Vi的氮气分子由注气系统进入机筒和由机筒进入注气系统的差值的宏观表现。

注入机筒的氮气经过搅拌溶解于塑料熔体，在温度一定的情况下，其溶解度正相关于熔体压力，故在注气段，熔体应保持较高压力，在工艺调试中通常需使其处于150bar～200bar。

而为了实现稳定的音速注气，注气压力应在350bar以上。

P0

P0

图5－2

a）半压力式

b）压力式

A为模芯内径，B为模套内径，C为定径区长度

图5-3模具结构型式

通过简单计算会发现氮气注入量会远高于绝缘中包容的气体体积，这有两方面的原因。

其一是因为注气嘴的注气量是在日常态环境注入的时计量的，此时在微观上返回注气嘴的分子数可忽略不计，而在向高压溶体注气时，虽然仍是音速注气，但流量则有了较大的减少。

其二，当熔体挤出模口时，熔体中的压力环境由100bar级降至10bar级，在绝缘冷却的过程中，其温度由450K降至300K，这样泡孔中将残留3~5bar的压力，有时绝缘做得不理想，有较多大泡孔时，剖开绝缘会听漏气声。

由于压力正比于分子数，所以绝缘中包容的气体体积是常压下的数倍。

另外，不论发泡工艺做得如何好，仍有许多氮分子留存于泡壁中（非气态）。

由于物理发泡绝缘层厚度为泡沫结构，冷却时由外向内逐步固化，过程很慢，这易导致内层向外层收缩而脱离内导体，故采用压力式或半压力式模具，见图5-3。

传统上将图5-3a所示结构称为压力式（即挤压式模具），这里将其称为半压力式模具。

图b结构为双锥度型式，设计了一个约3.5度倒角的长锥（在模套上）。

实践证明，对物理发泡绝缘挤出来说，图5-3b结构式适应范围较广，即模套内径对挤出的绝缘外径的影响并不敏感。

作为经验，对于物理发泡绝缘，内导体来说，其模具结构尺寸为：

式中：

P—绝缘发泡度（%）；

d—内导体直径；

D—模芯外径；

A—模芯内径；

B—模套内径；

C—模套承线嘴长度，单位取为mm。

电缆所需的发泡度P，它是根据绝缘的等效介电系数εr来确定。

εr＝[2ε＋1－2P（ε－1）/2ε＋1－2P（ε－1）]×ε

式中：

ε——绝缘材料的介电系数；

P——绝缘的发泡度。

有资料推荐，聚乙烯类短承线径双圆锥形模子（十字机头4/6）的模子尺寸是所需发泡程度的函数。

Die=√（1-E）×Do+E×Dd

三.挤制中容易出现的问题及解决方法

（1）“空心”现象。

“空心”现象的出现一般有两种情况，①绝缘截面中间出现大泡孔（见图5-4a），意味着模具承线段熔体压力不足，绝缘因而欠充实，在发泡过程中造成氮气过多过快的逸出。

这种情况通常也伴随着熔体从模口挤出的透明段过短，发泡锥过陡。

处理办法是将模套同模芯的距离增大（模套伸出一段），同时增加稳流泵转速，以增加承线段处熔体压力，这也意味着内径小的模套有利于得到高质量的绝缘泡沫结构，当然模套内径不能小于极限值（此时螺杆转速升高，绝缘外径也只能达到标称值）。

②绝缘截面内层出现大泡孔现象（见图5-4b），最可能是因为内导体的预热过高。

（2）偏心泡沫绝缘挤出后很长距离的缓慢冷却，内部结构仍未定形，再加上泡沫层厚而密度低，冷却水的浮力较大，因而易于产生偏心现象。

解决的方法是采用较低的挤出熔体温度，并采用空气、水分段地间隔冷却，以减低浮力的影响。

（3）残余应力的存在当绝缘存在着残余应力时，切断绝缘线芯后，绝缘层会沿内导体有一定量的回收缩。

残余的应力对电缆的安装及使用影响很大，可能导致使用中电缆与连接器脱离，另外也不利于连接器的装配。

残留应力通常是由于拉伸比过大而引起的。

解决的方法有两点：

①可通过提高挤出压力的设定，模芯、模套的距离缩短一些，出线速度下降一些来加以调整，②可在不影响泡孔质量情况下提高内导体的预热，以增加内层的粘度。

（4）工艺调试中的其他问题原则上说对于很多问题的解决都应该从以下四方面考虑：

即材料、模具、熔体、环境条件、绝缘冷却。

挤出机中熔体的压力、温度环境需用细致分析，利用它们与螺杆的转速、温度，以及齿轮泵转速的关系，调整到较理想的发泡状态。

由于大尺寸、高发泡度的绝缘制造基本上已处于设备与工艺的极限，因此工艺参数调整幅度要小。

有时重要参数的微小变化也会导致意料不到的结果。

图5－4两种空心现象的状态

四.物理发泡绝缘的隔层（共挤）挤出技术

为扩大现有CATV电缆绝缘的物理发泡挤出工艺的应用领域，特别是将它推广到薄层绝缘的高速挤出，以满足话缆生产的需要，新开发的物理发泡绝缘的隔层挤出技术，挤出的绝缘为实心内层、发泡绝缘层、外层组型的三层结构，这种新工艺可同时满足CATV电缆、小型同轴电缆和现代通信电缆的需要。

用这种工艺生产的话缆线芯与用化学发泡法话缆线芯相比，它的绝缘质理更好，生产费用更低。

1，三层绝缘

与传统的话缆发泡绝缘技术不同的是，隔层挤出工艺可使绝缘获得内层、发泡层和外层的三层结构。

各层均有特别的作用，其中：

内层挤包在导体上，这是一层很薄的实心层，标称厚度为10μm，它使得导体和绝缘层间有良好的附着性；因厚度很薄，故对绝缘整体的电性能影响很小。

发泡层作为绝缘介质，要求其发泡度尽可