CN101978432A - 包含具有不规则表面的聚合物绝缘材料的导体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包括导体和包裹所述导体的聚合物绝缘材料的通信电缆，所述聚合物绝缘材料具有发泡的内部并且具有由纵向延伸的圆形峰和谷形成的外表面。还提供了制备该聚合物绝缘材料或者具有相同或类似的峰/谷外表面的非发泡聚合物绝缘材料的方法，所述方法通过孔口挤出熔融的热塑性聚合物以涂覆穿过所述孔口的导体，从而在所述导体上形成聚合物绝缘材料，所述孔口限定所述聚合物绝缘材料的外表面，所述外表面包括纵向延伸的圆形峰和谷，所述峰覆盖至少约30％的所述外表面并且具有为所述峰宽度至少50％的高度。

Description

包含具有不规则表面的聚合物绝缘材料的导体
发明领域
本发明涉及用于导体的聚合物绝缘材料，其中所述绝缘材料的表面具有波状外形以在将绝缘材料挤出到导体的应用中或者在绝缘导线的通信应用中或者在两种应用中提供优点。
发明背景
通常，将聚合物绝缘材料作为具有环形横截面的光滑涂层以期望的厚度挤出施涂到导体上以提供特定应用所期望的信号传输特性。一般使用两种类型的挤出方法：压力挤出和熔融-拉伸挤出。在压力挤出中，熔融的热塑性聚合物在挤出模头中与导体接触，然后从模头出来的压出物为聚合物绝缘的导体。挤出孔口的直径决定所述聚合物绝缘材料的外径。在熔融拉伸挤出中，将熔融的热塑性聚合物挤压成具有比导体直径更大直径的管，然后将该管状物拉伸到通入到该挤压成的管的内部的导体上。这使得所挤压成的熔融聚合物管转变成圆锥形，通常称作熔融圆锥体。在压力挤压中，导体向前通过挤出模头的速度与产生自模头的熔融聚合物的速度相同。在熔融拉伸挤出中，导体速度大于挤出速度，其具有将熔融圆锥体拉至比所挤出的更薄壁厚的效果，其中聚合物绝缘材料的厚度比所挤压成的管的厚度更薄。该熔融圆锥体的拉出以拉伸比率(DDR)限定，该拉伸比率是聚合物绝缘材料的横截面积与环形模腔的横截面积相比的比率。通常将热塑性含氟聚合物作为聚合物绝缘材料通过熔融拉伸挤出挤压到导体上，由于它们的挤出特性，其将挤压速率限制在低速(相对于聚烯烃)，而更易挤出的聚烯烃通常通过压力而挤出以在导体上形成聚合物绝缘材料。
导体上的大多数聚合物绝缘材料是实心聚合物，即非发泡的。也已经使用了发泡聚合物绝缘材料。在挤出发泡技术中，其中将高压惰性气体注入到挤出机中的熔融聚合物中，并且使用熔融拉伸挤出以形成聚合物绝缘材料，优选使发泡延迟直至熔融聚合物接触导体，否则熔融圆锥体会变得易碎，并且必须降低拉伸比率以避免圆锥体破损而导致不完全涂覆的导体。用于挤出发泡的拉伸比率一般在5至30∶1的范围内，而对于非发泡的聚合物，拉伸比率通常至少为80∶1。虽然发泡聚合物绝缘材料与实心的(非发泡的)聚合物绝缘材料相比提供改善的介电常数和降低的电容的优点，但是已限制了发泡的绝缘材料的使用。
美国专利5,990,419陈述了双绞对的聚合物绝缘的导体之间的串话问题，其提出：减少串话可通过以下方法来实现：降低双绞对之间的电容，增加导体之间的中心至中心距离，以及使导体之间的空间的介电常数减小。该专利接受发泡的绝缘材料的存在，但将其舍弃，而倾向于提供如图1所示的具有纵向延伸的肋(延伸自绝缘材料的外表面)的实心绝缘材料，即增加其直径。所述肋增加了介于导体之间的间距和夹带在双绞对的导体之间的空气(当它们如图7C所示互相紧靠时)，从而降低了导体之间的介电常数。这种方法的缺点是在生产肋以增加绝缘材料直径和其重量中要消耗额外的聚合物。
美国专利公布2006/0207786公开了各种不同的实心聚合物绝缘材料的横截面，其旨在改善沿双绞对的绝缘导体的长度方向的阻抗均匀性。这些横截面中的一些夹带着空气，如图9-11所示。所公开的图12是常规的双层绝缘导体的横截面，内层197是发泡聚合物，而外层198是实心聚合物，表明内层具有比外层更低的强度，并且需要发泡步骤，这是不利的[0050]。
与实心的聚合物绝缘材料相比，当向发泡的绝缘材料施加力时，所述发泡聚合物绝缘材料的低强度是一个问题，所述力趋于挤压发泡的绝缘材料，从而降低了有效绝缘厚度。例如当将一对发泡的聚合物绝缘的导体双绞，即双绞在一起以形成聚合物绝缘的导体的双绞对时，挤压力是存在的。由于扭绞的绞距从约0.5英寸(12.7mm)缩短至约0.3英寸(7.6mm)，因此挤压力增加。发泡的绝缘材料的挤压可通过增加发泡的绝缘材料的厚度而补偿，但是这具有增加电缆尺寸和使用更大量的聚合物的缺点。
美国专利5,990,419和美国专利公布2006/0207786，不采用发泡聚合物绝缘材料来解决其问题，舍弃此类绝缘材料，而倾向于提出各种实心的聚合物绝缘材料构型。
发明概述
本发明在一个方面提供了改善挤压问题的发泡的聚合物绝缘的导体，从而使介电和电容优点能够被用于通信电缆而不增加电缆的尺寸。该电缆包括导体和包裹所述导体的聚合物绝缘材料，所述聚合物绝缘材料具有发泡的内部并且具有由纵向延伸的圆形峰和谷形成的外表面。所述聚合物绝缘材料的表面具有波状的外观，不同的是通常用于形成导体的双绞对的绝缘材料的直径为例如45密耳(1.14mm)，所述绝缘导体的横截面非常小，肉眼难以看到所述波状外观。成圆形的峰改善了它们挤出的结构以形成导体的聚合物绝缘材料。沿着聚合物绝缘材料的外表面的峰的效果是抗挤压。该抗压性通过峰的以下方面得到增强：(a)所述峰的密度大于发泡的内部的密度，(b)聚合物绝缘材料可在所述峰的外表面上具有非发泡层，或者(c)所述峰是非发泡的。与发泡的绝缘材料的内部相比，所述峰更大的密度增加了抗压性。在峰表面具有非发泡层是增加峰密度的另一条途径。此类层担当抗压的穹顶(顶冠)的作用。可进行挤出加工以在聚合物绝缘材料的整个外表面上提供非发泡层，其中峰和谷两者都具有该非发泡的外层。整个峰可以是非发泡的，其也抗聚合物绝缘材料的挤压。
所存在的峰的数目将取决于所述聚合物绝缘材料的直径。由于直径增加，因此周长也增大，这意味着：为小直径聚合物绝缘材料所选择的峰宽，如果用在更大直径的聚合物绝缘材料上，将需要更多的峰。所述峰不高并且不尖，因为这样的构型不增加抗压性。这样的峰在经历挤压之后趋于折叠在它们自己上面。用于本发明中的峰相对于高度具有足够的宽度，使得它们在挤压期间不会折叠。优选的峰的定量特性独立地如下：(i)所述峰的高度不大于所述峰的宽度的约150％，(ii)所述峰覆盖所述聚合物绝缘材料外表面的至少约30％(所述峰在谷圆周线上的占有面积)，以及(iii)所述峰具有至少为峰宽约50％的高度。当峰的宽度减小时，峰的数目应当增加以提供相当的改善。对于非常小尺寸(直径)的通信电缆，例如其中绝缘材料的总体厚度为约6至14密耳(0.150至0.360mm)，则所述峰的高度为所述总厚度的至少约25％。总体厚度为从导体表面至峰顶部的绝缘材料厚度。峰的宽度为穿过峰的基部的距离，其中它们与谷相交。从谷所限定的圆周线(谷圆周线)至峰的顶部测量峰的高度。
制备上述通信电缆的方法包括将可发泡的熔融的热塑性聚合物挤出到导体上，然后使所述聚合物在所述导体上发泡从而获得对导体的包裹以形成具有发泡的内部的聚合物绝缘材料，所述挤出包括形成如所述聚合物绝缘材料的所述外表面的所述纵向延伸的峰和谷。所述挤出可以是压力挤出或熔融拉伸挤出。
通过挤出而在聚合物绝缘材料的外表面上提供峰可能增加挤出难度，即可能需要降低挤出速率(速度)以保持峰的尺寸。如果挤出太快，所述熔融的热塑性聚合物趋于不均匀地挤出到峰区域中，导致周期性的峰变尖和/或高度变矮。这能够通过降低挤出速率避免，但产量降低。本发明的另一个方面是通过设计所挤出的峰而使该挤出难度最小化的挤出方法。这样的方法包括通过孔口挤出熔融的热塑性聚合物以涂覆穿过所述孔口的导体，从而在所述导体上形成聚合物绝缘材料，所述孔口限定所述聚合物绝缘材料的外表面，所述外表面包括纵向延伸的圆形峰和谷，所述峰覆盖所述外表面的至少约30％并且具有为所述峰的宽度的至少50％的高度。峰的宽度和它们的圆形达到了最小化，以消除对挤出速率的任何不利影响。上述峰的细节适用于该方法和前面段落中所提到的方法。所述峰的不可折叠性意味着所述峰不是窄的，其非常有助于该挤出有益效果。
本发明的该方法方面适用于压力挤出或熔融拉伸挤出。在熔融拉伸挤出的情况下，成圆形的峰也被拉伸，由此在聚合物绝缘材料上的峰小于从孔口挤出的峰。本发明的该方法方面适用于形成实心的聚合物绝缘材料(即非发泡的)和形成发泡聚合物绝缘材料。在发泡聚合物绝缘材料的情况下，所述挤出方法包括使聚合物绝缘材料发泡的附加步骤，优选当所述聚合物绝缘材料接触导体时。不管是实心聚合物(即不发泡的)还是当接触导体时发泡的聚合物，在它们的熔融拉伸挤出中所形成的熔融圆锥体中峰的存在使所述熔融圆锥体增强，从而能够增加拉伸比率而导致产量提高。
在本发明的并且通过本发明方法制备的所有聚合物绝缘材料中，所述聚合物可以是可挤出用于涂覆导体的任何热塑性聚合物，并且具有具体的通信应用所期望的电特性、物理特性、以及热特性。最常见的此类聚合物绝缘材料是聚烯烃和含氟聚合物，并且这些聚合物可用于本发明中。也可使用除聚烯烃之外的非氟化聚合物。
本发明的另一个方面是如下用于制备所述聚合物绝缘材料的挤出模头：用于向导体上挤出熔融的热塑性聚合物以在其上形成聚合物绝缘材料的挤出模头，所述模头具有形成所述聚合物绝缘材料的外表面的表面，所述模头表面具有一系列放射状间隔的纵向延伸的圆形凹槽，其中所述聚合物绝缘材料的外表面具有纵向延伸的圆形峰和谷，所述峰对应于所述模头表面上的所述凹槽，所述挤出模头包括使导体居于所述聚合物绝缘材料中心的导向装置。上述峰的细节适于形成这些峰的凹槽。在压力挤出的情况下，模头表面(孔口)的尺寸一般将是聚合物绝缘的导体的尺寸，而所挤出的峰的尺寸一般将与聚合物绝缘材料表面上的峰的尺寸相同。在熔融拉伸挤出的情况下，所挤出的管和在其外表面上的峰将大于在导体上形成的聚合物绝缘材料的相应尺寸。将根据所用的拉伸比率收缩尺寸。
附图简述
图1是不定长度的本发明的发泡的聚合物绝缘的导体的一个实施方案的放大透视图。
图2是本发明的发泡的聚合物绝缘的导体的另一个实施方案的进一步放大剖面图；
图3是本发明的发泡的聚合物绝缘的导体的另一个实施方案的进一步放大剖面图；
图4是本发明的发泡的聚合物绝缘的导体的另一个实施方案的进一步放大剖面图；
图5是本发明的发泡的聚合物绝缘的导体的另一个实施方案的进一步放大的不完整剖面图；
图6示出了用于获得聚合物绝缘材料和实施本发明方法的直角挤出机头设计的若干个实施方案的不完整剖面图；并且
图7示出了图6的挤出模头的不完整剖面图。
发明详述
在图1中，聚合物绝缘的导体2包括导体4和包裹导体的发泡聚合物绝缘材料6。提供聚合物绝缘材料6的发泡特性的空隙近似为球形的，并且以绝缘材料中的小圆圈7示于图1中。导体4居于聚合物绝缘材料6的中心。聚合物绝缘材料6的外表面由沿聚合物绝缘的导体2的长度方向延伸的峰8和谷10构成。峰8和谷10互相交替，即，所述谷将邻近的峰相互分开。峰8的顶部12是圆形的。在图1的实施方案中，有六个峰8和六个谷10，并且谷具有包括聚合物绝缘材料外表面上的纵向延伸区域的宽度。峰和居间的谷的数目，以及峰的宽度(在它们基部)和谷的宽度可根据聚合物绝缘的导体2期望的通信应用选择。
在图2中，包裹导体16的发泡聚合物绝缘材料14具有十二个交替纵向延伸的峰18和谷20，峰的顶部22是圆形的。
图2的实施方案具有三个直径(圆周线)，由峰顶部所定义的用虚线沙表示的外径24、用虚线表示的中径26、以及由谷20的圆周线所定义的内径。中径26是相同重量的发泡聚合物绝缘材料14(当以均匀厚度的聚合物绝缘材料(和相同的空隙率)而不是具有峰和谷挤出时)的直径。所述峰可简单地添加到该中径中，但优选重新分配相同重量的聚合物绝缘材料以形成峰/谷构型，其中外径24大于中径26，但是如图2所示，由横跨相对的谷20的距离表示的内径小于中径。当峰18经受挤压力时，它们趋于使发泡聚合物绝缘材料14的外径降低至接近中径。相比之下，当所述聚合物绝缘材料是均匀厚度的并且具有与外径相同的中径26时，相同的挤压力趋于将中径降低至内径20，因而与当存在峰和谷时相比降低了所述绝缘材料的有效厚度。具有形成其外表面的峰和谷的绝缘材料(例如根据图2的)的更大的有效厚度(在挤压后)可通过以下事实表明：发泡的聚合物绝缘的导体的双绞对所期望的阻抗可在不增加聚合物量以补偿挤压中损失的绝缘材料厚度的情况下获得。相反，阻抗增加可通过降低形成相同空隙率的均匀厚度的发泡聚合物绝缘材料的聚合物的量而获得。
在图3中，包裹导体32的发泡聚合物绝缘材料30具有相同数目的如图2中的峰18和谷20那样纵向延伸的峰34和谷36，但是如图3中所示，峰34更宽并且谷更窄。如图2中那样，峰34在它们顶部成圆形。
在图4中，包裹导体42的发泡聚合物绝缘材料40具有相同数目的如图3中那样纵向延伸的峰44和谷46，但是峰44足够宽，使得谷46具有很小的宽度至没有宽度。在该实施方案中，谷46简单地位于邻近的峰44的交叉点(连接点)处。峰44的顶部成圆形。
图4的实施方案示出了可能存在于该实施方案以及本发明的发泡聚合物绝缘材料的其它实施方案中的另外特征。发泡聚合物绝缘材料40可沿所述聚合物绝缘材料的长度方向在其内表面上包括非发泡层48，该非发泡层接触导体42。发泡聚合物绝缘材料40还可沿聚合物绝缘材料40的长度方向在其外表面上包括非发泡层50。这两层可在挤出期间通过形成聚合物绝缘材料的挤出物外表面的快速激冷效应，从而形成层50，并且通过在挤出过程中当导体接触熔融的聚合物绝缘材料时，导体的激冷效应而形成层48。当被加热以向在其上形成绝缘材料的发泡聚合物呈现热表面时，所述导体的温度优选为通常不大于约240°F(116℃)的温度。当所述聚合物为含氟聚合物时，其大大小于熔融聚合物的温度(通常至少350℃)。该激冷效应是为了充分冷却熔融聚合物以防止发泡发生，而所述聚合物绝缘材料的内部被发泡。在这种情况下，所述聚合物绝缘材料的内部是介于非发泡层之间的区域(在横截面上)。层48和50的厚度是互相独立的，其取决于来自不同来源的激冷效应。虽然层48和50以将这些层与发泡聚合物绝缘材料40的内部分开的线的形式示出，但是这些层是通过过渡区域成为所述聚合物绝缘材料的一部分的；在过渡区域中，发泡密度从非发泡的转变成发泡聚合物绝缘材料40内部的发泡密度。“非发泡的”是指在放大40倍下，在发泡聚合物的内部和外表面处的区域内几乎看不见空隙，所述发泡聚合物可被看作是非发泡层，例如层48和50。可能偶尔有空隙存在于这些层中，其产生自所述热塑性聚合物中存在的低沸点部分如低聚物的挥发。在外部和内部的绝缘材料表面的一侧或两侧处的非发泡层(其中空隙仅偶尔出现或者一点也不出现，无疑要大大小于所述绝缘材料内部的空隙率)的厚度应当优选总计不超过所述绝缘材料总体厚度的25％。如果存在，非发泡层各自为至少约1(0.025mm)至2密耳(0.05mm)厚。
峰18(图2)、34(图3)和44(图4)的圆顶的存在与峰的宽度一起抗挤压。所述圆顶通过它们自身提供抗压性。为了获得这种效果，所述峰需要足够宽，使得它们在被施加通信电缆制造中所经受的挤压力之后不折叠在它们自身上面。在图2中，例如，所述宽度将在谷20所限定的聚合物绝缘材料的圆周线处测量。在图4中，所述谷没有可测量的宽度，但是形成这些谷的峰的连接点(交叉点)也限定了发泡的绝缘材料的内径和周围线，可由其来测量峰的宽度。优选地，所述峰的宽度是它们高度的至少75％，更优选至少100％。
所述发泡聚合物绝缘材料的外表面上非发泡层的存在(例如图4中由层50所示)增加了所述峰的抗压性，并因此增加了所述发泡聚合物绝缘材料的抗压性。这产生自非发泡层如层50的穹顶形状，及其与介于峰之间的谷中所存在的非发泡层部分的互相连结作用。在导体表面处沿绝缘材料内表面的非发泡层(如图4的层48)的存在防止在导体表面处存在空隙而造成通讯信号的回波损耗。
形成本发明的发泡聚合物绝缘材料的外表面的峰的数目以及由此的谷的数目将随峰的宽度和所述发泡聚合物绝缘材料的直径而变化，所述直径决定从峰延伸的圆周。一般来讲，所述发泡聚合物绝缘材料将具有至少5个峰。图2-4示出了相同数目的峰(12)，使得当峰的宽度增加时能够进行视觉比较。这些聚合物绝缘材料全部具有较小的直径，其中所述峰的高度占所述绝缘材料总体厚度的较大百分比(当如上所述进行测量时)，例如至少为总厚度的至少25％。图5示出了更加厚得多的发泡聚合物绝缘材料52，即具有大直径，其中峰54和谷56与图2中的峰18和谷20的宽度相同。图5中可看到的八个峰54仅覆盖该发泡聚合物绝缘材料的外表面的一小部分。对于图5的实施方案，将需要比足以环绕图2的发泡聚合物绝缘材料的十二个峰多得多的峰54以获得相同的效果。
对于作为用于通信电缆的绝缘导体的双绞对的此类应用，所述聚合物绝缘材料的总体厚度(从导体表面至峰顶的距离)，包括任何外表面和内表面非发泡层如图4的层48和50(如果存在的话)，一般为约4至20密耳(0.1至0.5mm)，优选约6至14密耳(150-350μm)。这些相同的最小尺寸适用于其它通信应用，不同的是最大总体厚度可以更大，例如对于其它应用如同轴电缆最大为约100密耳(2.5mm)，其中所述发泡聚合物绝缘材料将中心导体与外导体分开，所述外导体通常通过编织物施加到聚合物绝缘材料上，并且总体绝缘材料厚度将通常为约15密耳(0.38mm)至100密耳(2.5mm)。一般来讲，金属化的塑料薄膜如聚酯薄膜将被包裹在聚合物绝缘材料的外表面周围，在编织物之前横跨在谷之上，使金属化的薄膜表面面向编织物。也通常将夹套施加到双绞对或者同轴构造物之上以形成所述通信电缆。可将多股双绞对一起包裹在单个夹套中。
就双绞对绝缘材料的厚度而言，如上所公开的峰的高度优选为总体的聚合物绝缘材料厚度的至少25％，更优选为其至少30％，并且甚至更优选为其至少40％。一般来讲，如果峰的高度不超过峰的宽度的150％，优选不超过其125％，并且更优选不超过其100％，则能够避免挤压期间峰的折叠。当然，峰也要足够宽，使得它们在挤压后不折叠，其一般在当峰的宽度为峰的高度的至少75％，更优选至少100％，并且甚至更优选为峰的高度的至少125％时获得。峰宽的另一个指示是峰在聚合物绝缘电缆的圆周线上的覆盖范围，这种情况下的圆周线是指谷的表面(层面)所表示的发泡聚合物绝缘材料的内径。优选地，所述峰覆盖发泡聚合物绝缘材料的圆周(谷表面)的至少35％，并且更优选至少40％，并且甚至更优选至少50％。
用于制备发泡的聚合物绝缘的导体的一个实施方案是图6中所示的熔融拉伸挤出。在图6中，直角挤出机头60同轴装配有主体62、模头64和模头尖端66。将用惰性气体加压(注入)的熔融热塑性聚合物68通过挤出机的端口70(未示出)给料到模头64中，并且直角挤出机头主体62包括相对于模头尖端66环绕的槽72，其能够使该熔融聚合物完全围绕模头尖端流动，并且进入和通过介于模头64和模头尖端66之间的狭窄环形间隙(孔口)74。模头尖端66具有中轴导线(导体)导向装置76，其用于将导体78同轴引导到熔融热塑性聚合物的圆锥体80中，所述圆锥体80通过从介于模头64和模头尖端66之间的环形孔口74挤出而形成。环形孔口74限定了管状熔融聚合物组合物的挤出尺寸，所述熔融聚合物组合物通过真空被拉伸强迫通过导线导向装置76以形成圆锥体80，其最终成为覆盖在导体78上的聚合物绝缘材料82。所述熔融聚合物绝缘材料的发泡由伴随来自模头64的熔融聚合物出现的压力释放促成，但是其还是被延迟到聚合物被拉伸到导体上，然后进行发泡并将如此形成的发泡绝缘导体冷却以使发泡结构凝固。
所述环形孔口包括一系列的沿挤出方向的凹槽84，如图7中最佳所见，其被放射状地间隔(优选均匀地)在环形孔口74的外表面周围。所述凹槽在发泡聚合物绝缘材料的外表面上形成峰和谷。在图7所示的实施方案中，八个凹槽84将形成作为发泡聚合物绝缘材料的外表面的八个峰和谷。如图6所示，当圆锥体80从环形孔口74出现时，其壁厚大于形成在导体78上的发泡聚合物绝缘材料的壁厚。刚挤出时的峰(未示出)尺寸也大于形成发泡聚合物绝缘材料外表面的峰的最终尺寸。在给定的熔融热塑性聚合物的挤出速率下，导体通过导线导向装置76的速度更大以便获得所期望的拉伸比率。拉伸比率(DDR)越高，所述圆锥体的壁厚和所述圆锥体表面上的峰变薄的程度就越大，并且发泡的聚合物绝缘的导体的生产速率就越大。本领域的技术人员知道如何估算环形孔口的大小以在所用的拉伸比率下获得期望的发泡聚合物绝缘材料尺寸。通常限制所述圆锥体(如图6中的圆锥体80)的长度，以使所述熔融聚合物在发泡开始之前与导体接触。在挤出涂覆生产线上，发泡(在图6中未示出)的开始一般可通过熔融聚合物外观的改变(例如，对于无颜料的聚合物，由半透明的外观转变成不透明的外观)而肉眼可见。因此，与非发泡聚合物绝缘材料的生产相比较，用于生产发泡聚合物绝缘材料的拉伸比率是小的，并且通常在20∶1至30∶1的范围内。本发明的方法可获得这些拉伸比率以及更高的拉伸比率，即使所述发泡聚合物绝缘材料不是均匀厚度的。所述圆锥体上纵向延伸的峰的存在加强了所述圆锥体，从而有助于获得更高的拉伸比率，并因而增加了发泡的聚合物绝缘的导体的生产速率。
如上所述，来自模头64的熔融聚合物的激冷在发泡聚合物绝缘材料的外表面上提供非发泡的聚合物层。该非发泡层的存在增加了所述峰的平均密度(与其内部之中的发泡聚合物绝缘材料的密度相比)。这种本质上的密度增加提高了所述峰的抗压性，并因此提高了发泡聚合物绝缘材料的抗压性。本发明的方法通过从单一来源(即使用单个挤出机)挤出熔融的热塑性聚合物来获得该效果。在该实施方案中，形成发泡聚合物绝缘材料的所有聚合物穿过直角挤出机头60中的端口70。
在本发明的另一个实施方案中，如果期望的是增加非发泡层的厚度和所述峰的平均密度，于是改进了图6中的直角挤出机头60以在发泡聚合物绝缘材料的外表面上形成非发泡层，其不取决于模头64的激冷效应。根据该实施方案，提供环形槽90，其形成在主体62和模头64之间。主体62还具有端口92，熔融聚合物从第二挤出机(未示出)给料到其中。这能够使熔融聚合物环绕模头64。再改进直角挤出机头主体62以形成围绕模头64的环形间隙94，并且环形槽90包括环形开口96。该改进能够使熔融聚合物流过端口92以流进环形间隙94中，然后与从端口70进入模头的熔融聚合物接触。流自环形间隙94的熔融聚合物沿模头64的外壁流动以从环形孔口74出来，作为适形于模头中凹槽(如模头64的凹槽84)的外部非发泡层，以在本发明的发泡聚合物绝缘材料的峰和谷的外表面上提供非发泡层。经由端口92进入主体62的熔融聚合物未用惰性气体加压，其中该熔融聚合物是未发泡的，然而一旦接触导体时，下面的熔融聚合物发泡。该外层(如图4的层50)的厚度由流过端口92的熔融聚合物和流过端口70的熔融的发泡聚合物的相对流动速率控制。
图6中未示出的另一种改进将提供与模头64中的凹槽84直接连通的类似于槽90的槽。这样的连通可通过在新槽和每个凹槽84之间连通的通道(未示出)获得。新槽将位于与所述凹槽相对的位置以使这些端口能够被机器加工到模头上。根据该改进，通过端口92由第二挤出机(未示出)进料的熔融聚合物的量将足以提供所期望的发泡聚合物绝缘材料的峰中非发泡聚合物层的厚度，可能使基本上全部峰制成非发泡聚合物。在该实施方案的实践中，可能不必经由通过环形间隙94给料的熔融聚合物来提供非发泡层。
可使用任何使聚合物发泡的方法来形成聚合物绝缘材料的发泡区域。然而，优选的是，所用方法将得到近似成球形的小且均匀的单元(空隙)，从而得到电性能的最佳组合，例如低回波损耗和高信号传输速度。在这点上，所述单元的直径优选为约50微米并且平均空隙率为约10至70％。对于双绞对，所述聚合物绝缘材料的空隙率将通常为约15至35％。对于同轴电缆，平均空隙率将为约10-70％。根据以下公式，平均空隙率通过将发泡的绝缘材料的重量与相同尺寸的非发泡的绝缘材料(相同的聚合物)的重量相比来确定；
空隙率(％)＝100(1-[发泡的重量/非发泡的重量])。
这是所述绝缘材料的发泡部分与非发泡部分一起的平均空隙率。用于在所述绝缘材料的发泡区域中获得此发泡结果的优选方法是将高压惰性气体注入到如上所述的挤出机中的熔融聚合物中，熔融聚合物通过端口70(图6)给料，并且使熔融聚合物包含发泡单元成核剂。当在挤出模头的下游发泡时，所述成核剂引发均匀尺寸的小单元形成。由高压惰性气体注入而引起的发泡会将发泡延迟足够长的时间，使得所挤出的聚合物管在发泡开始之前被拉伸到导体上。优选地，本发明所用的添加到聚合物中的发泡单元成核剂在挤出机加工条件下是热稳定的。此类试剂的实例包括美国专利4,877,815(Buckmaster等人)中公开的那些，即热稳定的有机酸和磺酸盐或膦酸盐，其优选与氮化硼和美国专利4,764,538中公开的热稳定无机盐组合。优选的有机酸或盐具有分子式F(CF2)nCH2CH2-磺酸或膦酸或盐，其中n为6、8、10或12或者它们的混合。
如果非发泡的内层和外层存在于发泡聚合物绝缘材料中，可通过增加注入熔融聚合物中的惰性气体的压力增加所述绝缘材料内部的空隙率以补偿非发泡层，即，提供与不存在非发泡层时相同的平均空隙率和相同的电容。
用于制备发泡聚合物绝缘材料的本发明方法还适用于导体的挤压涂布。在挤压涂布中，所述模头将与图7的类似，不同的是环形间隙和形成峰和谷的凹槽将更小，与所期望的发泡聚合物绝缘材料的尺寸差不多相同。还将改进图1的直角挤出机头，使得模头尖端在模头内终止，以便可发泡的熔融热塑性聚合物在模头内接触导体，其中导体从模头露出时发泡聚合物涂层已在其上面。导体通过导线导向装置的速度将与熔融聚合物的挤出速率相同。压力挤出中的发泡同样可在熔融拉伸挤出中获得。
本发明的另一个方面是通过熔融拉伸挤出或压力挤出的挤压涂布方法以形成具有与上述那些类似的峰和谷(作为聚合物绝缘材料的外表面)的聚合物绝缘材料，其中所述聚合物绝缘材料可以是如上所述发泡的或全部是非发泡的。为了制备非发泡聚合物绝缘材料，从挤压涂布过程中删去制备发泡的步骤，例如惰性气体的高压注入和发泡单元成核剂的掺入。当然，在发泡聚合物绝缘材料的外表面和/或内表面上制备非发泡层的部件也将不是必需的，因为整个聚合物绝缘材料将是非发泡的(实心的)。
根据本发明的这个方面，峰成圆形和峰的宽度是为了使挤出速率增加，不在最终的聚合物绝缘材料中产生扭曲的峰。如果峰太窄和/或如果峰有锐角特征，如美国专利5,990,419的图1中所示，挤出速率受到限制，其造成生产速率的牺牲。所述峰成圆形是指如图2-4的发泡聚合物绝缘材料所示的横截面几乎是圆形的。这是方便的成圆形方式，因为制备该圆形峰的模头中的凹槽通过使用制备圆形凹槽横截面的加工而制备最方便。然而，所述峰在它们顶部可具有其它构型，只要不存在锐角。例如，峰顶可成形为小的平坦区域，其通过围绕在峰的侧面上而结合到两侧上。在本发明方法的该实施方案中，优选的是所述峰的宽度至少与峰高一样，即，峰的宽度至少为峰的高度的100％，并且峰的高度至少为峰的宽度的50％。如以上在非发泡聚合物绝缘材料中所述，被峰占据的绝缘材料圆周的百分比也适用于本发明的该实施方案。当熔融拉伸挤出用于制备非发泡聚合物绝缘材料时，拉伸比率优选为至少50∶1，并且更优选至少70∶1。
在本发明的方法和产品中，所述峰和谷沿绝缘材料的整个长度是连续的并且与导体平行(当挤出时)。将所述聚合物绝缘的导体双绞以形成双绞对。在双绞的过程中，首先通过双绞机将单独的聚合物绝缘的导体退扭，随后将这对聚合物绝缘的导体扭绞在一起。退扭的效果是将绝缘材料外表面上的峰和谷的布置从平行变成螺旋状。进行双绞，使得两个聚合物绝缘的导体的螺旋状的纵向延伸的峰和谷被置于相同的方向。因此，纵向延伸的螺旋状峰和谷的双绞导致双绞对的一个绝缘材料的峰嵌套到另一个绝缘材料的谷中。
可用作聚合物绝缘材料以形成具有或不具有非发泡表面层的非发泡的绝缘材料或者形成非发泡聚合物绝缘材料的含氟聚合物的实例优选为四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物。在这些共聚物中，HFP的含量通常为约6-17重量％，优选为9-17重量％(根据HFPI×3.2计算得出)。HFPI(HFP指数)是在指定的红外线辐射(IR)波长处的IR吸光度，如美国依法注册的发明H130中所公开的那样。优选地，TFE/HFP共聚物包括少量另外的共聚单体以改善性能。优选的TFE/HFP共聚物为TFE/HFP/全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE)，其中烷基包含1至4个碳原子。优选的PAVE单体为全氟(乙基乙烯基醚)(PEVE)和全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)。包含另外的共聚单体的优选TFE/HFP共聚物具有约6-17重量％，优选为9-17重量％的HFP含量以及约0.2至3重量％的PAVE含量(优选为PEVE)，所述共聚物的其余部分为TFE以构成总计100重量％的共聚物。FEP组合物的实例为美国专利4,029,868(Carlson)、5,677,404(Blair)，以及6,541,588(Kaulbach等人)和美国依法注册的发明H130中所公开的那些。FEP是部分结晶的，也就是说，其不是弹性体。部分结晶是指所述聚合物具有一定的结晶度，而且由根据ASTM D 3418所测的可检测的熔点以及至少为约3J/g的熔融吸热量来表征。
可使用可熔融制造以便被熔融挤出的其它含氟聚合物，即包含至少35重量％的氟的聚合物，但优选FEP，因为其可高速挤出性和较低的成本。在具体应用中，乙烯/四氟乙烯(ETFE)聚合物将是适合的，但全氟聚合物是优选的，这些包括四氟乙烯(TFE)和全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE)的共聚物，通常称为PFA，而在某些情况下称为MFA。PAVE单体包括全氟(乙基乙烯基醚)(PEVE)、全氟(甲基乙烯基醚)(PMVE)、以及全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)。TFE/PEVE和TFE/PPVE是优选的PFA。MFA是TFE/PPVE/PMVE共聚物。然而，如上所述，FEP是最优选的聚合物。
本发明中使用的含氟聚合物也是可熔融制成的，即，聚合物在熔融状态下能够充分流动，使得聚合物可通过诸如挤出等熔融工艺来加工，以制备具有足够强度而有用的导线绝缘材料。本发明中使用的全氟聚合物的熔体流动速率(MFR)优选在约5g/10min至约50g/10min的范围内，优选为至少20g/10min，并且更优选为至少25g/10min。
通常通过在聚合反应期间改变引发剂的进料量来控制MFR，如美国专利7,122,609(Chapman)中所公开的那样。对于给定的聚合反应条件和共聚物组合物，聚合反应介质中的引发剂浓度越高，分子量就越小，而MFR就越高。还可通过使用链转移剂(CTA)来控制MFR。根据ASTM D-1238，在熔融聚合物上使用5kg的砝码并且在372℃的熔融温度下测量MFR，如在ASTM D2116-91a(对于FEP)、ASTM D 3307-93(PFA)、以及ASTM D 3159-91a(对于ETFE)中所述的那样。
在聚合时，通过含水的聚合反应制成的含氟聚合物每106个碳原子包含至少约400个端基。当暴露于热量中时，例如挤出过程中遇到热时，这些端基中的大多数会经历化学反应，例如分解，从而使所挤出的聚合物脱色或其中填充有不均匀的气泡或两者兼有，在这个意义上说它们是不稳定的。这些不稳定的端基的实例包括-COF、-CONH2、-COOH、-CF＝CF2和/或-CH2OH，并且按此类聚合反应方面被确定为聚合反应介质、引发剂、链转移剂(如果有的话)、缓冲剂(如果有的话)的选项。优选地，使含氟聚合物稳定以由稳定的端基置换基本上所有不稳定的端基。优选的稳定化方法是在高温下将含氟聚合物暴露于蒸汽或氟气(后者适用于全氟聚合物)中。含氟聚合物暴露于蒸汽中公开在美国专利3,085,083(Schreyer)中。全氟聚合物暴露于氟气中公开在美国专利4,742,122(Buckmaster等人)和美国专利4,743,658(Imbalzano等人)中。这些方法可用于本发明中。端基的分析描述在这些专利中。-CF3稳定端基(氟化作用的产物)的存在是由氟处理之后不存在不稳定的端基而判定的，并且这是优选的稳定端基，与-CF2H端基稳定的含氟聚合物(蒸汽处理的产物)相比，其提供更小的耗散因子。优选地，不稳定端基的总数构成每106个碳原子不超过约80个此类端基，优选每106个碳原子不超过约40个此类端基，并且最优选每106个碳原子不超过约20个此类端基。
非氟化的热塑性聚合物的实例包括聚烯烃、聚酰胺、聚酯、以及聚亚芳基醚酮，例如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、以及聚醚酮酮(PEKK)。
可用作根据本发明的发泡或非发泡的绝缘材料的聚烯烃的实例包括聚丙烯(例如全同立构聚丙烯)、线性聚乙烯(如高密度聚乙烯(HDPE))、线性低密度聚乙烯(LLDPE)(例如具有0.89至0.92的比重)。通过DowChemical Company的
Figure BPA00001228351000151
催化剂技术制备的线性低密度聚乙烯和得自Exxon Chemical Company的
Figure BPA00001228351000152
聚乙烯均可用于本发明；这些树脂通常被称为(mLLDPE)。这些线性低密度聚乙烯是乙烯与少量更高级α-单烯烃的共聚物，更高级α-单烯烃例如包含4至8个碳原子，通常为丁烯或辛烯。这些热塑性聚合物中的任一种均可为单一聚合物或聚合物的共混物。因此，
Figure BPA00001228351000153
聚乙烯通常为不同分子量的聚乙烯的共混物。
聚烯烃能够比含氟聚合物更快地挤出而不在聚合物绝缘材料中造成瑕疵(例如标志着熔融破裂开始的表面粗糙、绝缘材料中的尺寸不规则或间隙)，从这个意义上讲，聚烯烃比含氟聚合物更容易挤出。因此，当使用挤压涂布时，用于形成根据本发明的聚合物绝缘材料的聚烯烃能够获得足够的生产速率。含氟聚合物一般将需要使用熔融拉伸挤出以获得足够的生产速率。形成绝缘材料的聚合物还可根据所使用的聚合物的特性和要增强的性质包含通常用于聚合物绝缘材料中的其它添加剂，如颜料、挤出助剂、填料、阻燃剂、以及抗氧化剂。
用于本发明的导体是用于通信电缆中所需的用于传输信号的任何材料。此类材料可以是单股形式或者可以是扭绞在一起的多股形式或换句话讲组合形成一体的股线。最常见的此类材料是铜或者含铜的材料。例如，铜导体可镀上不同的金属如银、锡或镍。
实施例
用于这些实施例中的含氟聚合物是可商购获得(自DuPont)的含氟聚合物，其包含10至11重量％的HFP和1-1.5重量％的PEVE，其余为TFE。此FEP具有30g/10min的MFR，并且已通过使用美国专利6,838,545(Chapman)的实施例2的挤出机氟化工艺暴露于氟中而稳定，不同的是氟浓度从‘545实施例中的2500ppm降低至1200ppm。发泡单元成核剂为以下成分的混合物：91.1重量％的氮化硼、2.5重量％的四硼酸钙以及6.4重量％的调聚物B磺酸的钡盐，这些成分的组合总计为100％，如美国专利4,877,815(Buckmaster等人)所公开的那样。为了形成可发泡的含氟聚合物组合物，将含氟聚合物与发泡单元成核剂进行干混合以提供按含氟聚合物加发泡单元成核剂的总重量计0.4重量％的含氟聚合物浓度，然后将所得的混合物在挤出机中混合并作为粒料挤出，然后将所述粒料用于挤出导线涂层/发泡工艺中。用于形成聚合物绝缘材料的未发泡区域的含氟聚合物本身是相同的含氟聚合物。
除非另外指明，用于实施例中的导体是具有22.6密耳(565μm)直径的铜单股导线。除非另外指明，所述实施例的聚合物绝缘材料具有20％的空隙率，并且具有形成聚合物绝缘材料的两个表面的非发泡层。所述非发泡层通过为聚合物绝缘材料的其余部分提供发泡聚合物的相同挤出机形成。通过放大下观察聚合物绝缘的导体的横截面，可观察到绝缘材料内表面处的非发泡层。通过外观上无空隙的绝缘材料表面，可观察到绝缘材料的非发泡外表面。
实施例1
该实施例的发泡聚合物绝缘材料与图2的发泡聚合物绝缘材料类似，其中12个峰分别为4密耳(0.1mm)宽和4密耳(0.1mm)高，并且总绝缘材料厚度为11密耳(0.28mm)。在由谷所限定的内圆周处的绝缘材料厚度为8密耳(0.2mm)。从峰顶至峰顶的绝缘材料直径为约45密耳(1.143mm)。所述峰占据由谷所限定的聚合物绝缘材料的内圆周的约41％。
当该聚合物绝缘的导体与另一个相同的聚合物绝缘的导体以2000转/分钟的双绞速率双绞以形成绞距为0.3英寸(7.6mm)的双绞对时，由于双绞之前单独的聚合物绝缘的导体退扭的结果，一个绝缘材料的峰嵌套到另一个绝缘材料的谷中。该双绞对的阻抗比均匀厚度的更大重量的聚合物的双绞对大2欧姆。在该比较中，具有峰和谷的发泡聚合物绝缘材料重0.706磅/1000英尺，而发泡聚合物绝缘材料(相同的空隙率)重0.725磅/1000英尺。
包含峰和谷的聚合物绝缘材料更大的抗压性由阻抗的提高而显现出来，例如通过该比较所表明的。
实施例2
该实施例的发泡聚合物绝缘材料与图3的类似，并且与实施例1的实施方案的尺寸类似，不同的是所述峰是6密耳(0.150mm)宽的。所述峰占据由谷所限定的聚合物绝缘材料的内圆周的约62％。与相同重量但具有均匀厚度的聚合物绝缘材料的双绞对相比，套叠的双绞对中该聚合物绝缘材料的阻抗提高了3欧姆。
实施例3
该实施例的发泡聚合物绝缘材料与图4的发泡聚合物绝缘材料类似，不同的是所述峰为8密耳(0.2mm)宽和5密耳(0.13mm)高，并且从内表面至谷(峰的互接处)的绝缘材料厚度为6密耳(0.150mm)。
实施例4
同轴电缆通过以下步骤制备：通过熔融拉伸挤出用发泡含氟聚合物挤压涂布的铜导体(与上面的相同)，随后将金属化的带材施加到绝缘材料上，然后将编织过的导线覆盖在带材上以形成同轴电缆的外导体。在一个实验中，发泡的含氟聚合物绝缘材料的直径为74密耳(1.88mm)，并且使用0.918磅(0.416kg)的含氟聚合物制备1000英尺(305m)的同轴电缆。在另一个实验中，发泡的绝缘材料具有与图2的那些相似的十二个峰，但是相隔得更远，并且具有相同的最大直径(从峰顶至峰顶)。形成该绝缘材料的含氟聚合物的量为0.721磅(0.327kg)以制备1000英尺(305m)的电缆，所需的含氟聚合物的量减少了21％以制备相同尺寸和相同长度的同轴电缆。两种绝缘材料的空隙率均为50％。这种聚合物绝缘材料量的节省不用牺牲电缆的电特性。两种同轴电缆均显示出17pF/ft(56pF/m)的电容和84％的信号传播速度(VP)。两种电缆的阻抗均为约70，如以下公式所计算的：阻抗＝101670/(电容×VP)。

Claims (22)

1.包括导体和包裹所述导体的聚合物绝缘材料的通信电缆，所述聚合物绝缘材料具有发泡的内部并且具有由纵向延伸的圆形峰和谷形成的外表面。
2.权利要求1的通信电缆，其中存在至少五个所述峰。
3.权利要求1的通信电缆，其中所述峰具有比所述发泡的内部的密度更大的密度。
4.权利要求1的通信电缆，其中所述聚合物绝缘材料具有非发泡层，所述非发泡层存在于所述外表面上，包括所述峰的外表面，或者存在于邻近所述导体的所述聚合物绝缘材料的表面上，或者存在于两个所述表面上。
5.权利要求1的通信电缆，其中所述峰为非发泡的。
6.权利要求1的通信电缆，其中所述峰覆盖所述聚合物绝缘材料的所述外表面的至少约30％并且具有为所述峰的宽度的至少约50％的高度。
7.权利要求1的通信电缆，其中所述绝缘材料的总厚度为约6至14密耳，并且所述峰的高度为所述总厚度的至少约25％。
8.权利要求1的通信电缆组合，其中所述聚合物绝缘材料的聚合物为含氟聚合物或非氟化聚合物。
9.权利要求1的通信电缆，其中所述发泡聚合物绝缘材料具有至少10％的平均空隙率。
10.权利要求1的通信电缆，其中当被挤压时所述峰不折叠。
11.形成权利要求1的通信电缆的方法，所述方法包括将可发泡的熔融热塑性聚合物挤出到所述导体上，然后使所述聚合物在所述导体上发泡从而获得对所述导体的所述包裹以形成具有发泡内部的所述聚合物绝缘材料，所述挤出包括形成如所述聚合物绝缘材料的所述外表面的所述纵向延伸的峰和谷。
12.权利要求11的方法，其中所述峰具有比所述发泡的内部的密度更大的密度。
13.包括通过孔口挤出熔融的热塑性聚合物以涂覆穿过所述孔口的导体，从而在所述导体上形成聚合物绝缘材料的方法，所述孔口限定所述聚合物绝缘材料的外表面，所述外表面包括纵向延伸的圆形峰和谷，所述峰覆盖所述外表面的至少约30％并且具有为所述峰的宽度的至少50％的高度。
14.权利要求13的方法，其中所述峰的高度不大于所述峰的宽度的约150％。
15.权利要求13的方法，其中所述挤出为压力挤出或熔融拉伸挤出。
16.权利要求15的方法，其中所述挤出为所述熔融拉伸挤出，由此所述峰也被拉伸，从而在所述聚合物绝缘材料的外表面上的所述峰比所述孔口所限定的更小。
17.权利要求15的方法，其中所述熔融拉伸挤出的拉伸比率为至少50∶1。
18.权利要求13的方法，并且另外使所述聚合物绝缘材料发泡。
19.权利要求13的方法，其中所述峰被所述谷互相间隔开。
20.权利要求13的方法，其中所述峰是互相连接的，由此所述谷为所述峰之间的交叉点。
21.权利要求13的方法，其中所述聚合物为含氟聚合物或非氟化聚合物。
22.用于向导体上挤出熔融的热塑性聚合物以在其上形成聚合物绝缘材料的挤出模头，所述模头具有形成所述聚合物绝缘材料的外表面的表面，所述模头表面具有一系列放射状间隔的纵向延伸的圆形凹槽，由此所述聚合物绝缘材料的外表面具有纵向延伸的圆形峰和谷，所述峰对应于所述模头表面上的所述凹槽，所述挤出模头包括使导体居于所述聚合物绝缘材料中心的导向装置。
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