CN103258594A - 具有聚氯乙烯交叉填充物的局域网电缆 - Google Patents

具有聚氯乙烯交叉填充物的局域网电缆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有聚氯乙烯交叉填充物的局域网电缆。通信电缆包括护套和多个双绞线，每个双绞线具有彼此绞绕的两个绝缘的导体。将交叉填充物配置在所述双绞线之间，其中所述交叉填充物由使用卤代塑化剂作为主塑化剂并且在100MHz-500MHz的频率下具有低于0.01的耗散因数的PVC配方构造而成。

Description

具有聚氯乙烯交叉填充物的局域网电缆
技术领域
本申请涉及通信电缆(cable)。尤其是，本申请涉及网络电缆结构体。
背景技术
通信电缆广泛地分为两种配置，光纤电缆和金属导体电缆，其每种配置都具有影响穿过其的所承载的通信信号的其自己独特的一组结构参数。
对于金属导体电缆，一种典型的配置是LAN(局域网)电缆，其通常由包封在护套中的四对绞型(twisted)绝缘的铜导体构造而成。其它更大的电缆可采用更多对导体。
在该典型的四对LAN电缆结构体中，除了外部护套外，八个初级(primary)导体中每个也都单独涂敷有绝缘层。在其它部件中，LAN电缆通常包括含有交叉填充物(cross-filler)的带状物或各种挤出型材，以为了更好的NEXT(近端串扰)性能而分开双绞线(twisted pairs)。
在各种情况下，除了考虑电气性能，还存在一些需要满足的可燃性能测试。一个这样的关键测试是NFPA(National Fire Protection Association)262燃烧测试(或UL910)，其是用于测试可安装于空气处理空间例如建筑管道系统中的电线或电缆的火焰移动和生烟的标准测试方法。
在该背景下，考虑到FEP(氟化乙烯聚合物)树脂显著的电气和燃烧特性，其是用于LAN电缆应用的典型材料选择。除了其作为双绞线的初级导体上的绝缘体的用途外，FEP目前还是用于包括交叉填充物的带状物或各种挤出型材的理想材料选择，因为其具有优异的电气性能和良好的燃烧和冒烟性能(smoke performance)。
替换的现有技术配置已经使用了具有大量共混到聚合物组成中的阻燃剂填充物的LDPE和VLDPE(低密度聚乙烯和超低密度聚乙烯)的混合物。将这样的高度填充的LDPE和/或VLDPE烯烃共混物用于交叉填充物，以降低LAN电缆的成本。但是，即使当用阻燃剂填充物高度填充时，这样的LDPE和VLDPE聚合物相对于FEP仍然表现出较差的抗冒烟性质和抗燃烧特性。
其它聚合物有例如具有阻燃剂填充物的PVC(聚氯乙烯)(如，FRPVC)，但是，由于不具有塑化添加剂的PVC对于电缆应用往往是过于刚性的，因此现有技术结构体不将PVC用于CAT6LAN带状物或交叉填充物，以分开双绞线。当将塑化添加剂加入到PVC中时，它们趋向于使PVC的电气性能退化，造成太多的信号衰减而在大多数CAT6LAN应用中是没有用的。例如，通常使用的在用于电线和电缆配置中的PVC绝缘体中的塑化剂是基于酯的塑化剂，其可对最终的PVC化合物的耗散因数具有负面影响。
通常，存在由靠近电线的介电材料的存在所造成的电能的耗散。介电材料的耗散因数是由所述材料造成的功率损失率的量度。一些聚合物与其它聚合物相比具有更好(更低)的耗散因数。同样地，取决于聚合物的不同配方(例如加入聚合物中的不同添加剂、阻燃剂、加工助剂等)，同样的聚合物可显示出不同的耗散因数。
如现有技术图1所示，在各种频率范围内，基于酯的塑化剂(在PVC中使用50phr)仍然导致PVC在100MHz-500MHz的频率下显示出超过0.01的耗散损失因素。
发明内容
本申请的配置克服了现有技术配置的缺点，并在LAN电缆中采用了PVC交叉填充物，其中填充物和塑化剂的PVC配方使得PVC对于用作交叉填充物是足够柔性的，而且还同时显示良好的耐火和抗冒烟性能，以及可接受的电气性能。
例如，在其它特征中，本发明的配置采用卤代邻苯二甲酸酯，例如溴化邻苯二甲酸酯塑化剂，其在相对于更普通的现有技术的基于酯的塑化剂相等的填充水平下产生具有显著更低的耗散因数的PVC配方。
为了该目的，通信电缆包括护套和多个双绞线，各双绞线具有彼此绞绕的两个绝缘的导体。将交叉填充物布置在双绞线之间，其中交叉填充物由使用卤代塑化剂作为主塑化剂且在100MHz-500MHz的频率下具有低于0.01的耗散因数的PVC配方构造。
附图说明
通过下述说明和附图可以最好地理解本发明，其中：
图1是使用非卤代塑化剂作为主塑化剂的现有技术PVC配方的现有技术耗散因数图；
图2显示了根据本发明配置的具有交叉填充物的LAN电缆；
图3是将使用非卤代塑化剂作为主塑化剂的现有技术PVC配方与使用卤代塑化剂作为主塑化剂的本发明PVC配方相比的耗散因数图。
具体实施方式
在如图2所示的一个实施方式中，显示了LAN(局域网)电缆10，例如CAT6CMP(增压(区域，Plenum))UTP LAN电缆(种类6250MHz-非屏蔽双绞线)。为了说明的目的，在CAT6型LAN电缆的背景下说明了本发明配置的显著特征，但是，本发明不限于该方面。被要求满足一些燃烧测试规范的其它电缆也可采用本技术。
如图2所示，LAN电缆10具有由例如FRPVC(阻燃聚氯乙烯)构造的护套12。在护套12内，存在四个双绞线20。每个双绞线由彼此绞绕的两个初级导体22形成。如图1所示，初级导体22典型地由覆盖有绝缘层24的铜线导体23制成。如上所述，为了示例性目的，电缆10是四对LAN电缆，但是应理解本发明配置的显著特征可用在具有更多或更少双绞线20的电缆上。
在本发明的配置中，用于绝缘层24的聚合物材料可由FEP(氟化乙烯聚合物)、FRPP(阻燃剂聚丙烯)或其它聚合物制成。任选地，在一些双绞线20上的一些绝缘层24可由第一聚合物例如FEP制成，而在一些双绞线20上的其它绝缘层24由FR烯烃例如FRPP制成，以平衡燃烧/冒烟性质、机械性质及成本。应理解双绞线20上的绝缘层24的绝缘材料的任何选择都在本发明的意图之内。
例如，在一种配置中，在两个双绞线20上的绝缘层24由耐火烯烃成分例如FRPP制成，而剩下两个双绞线20上的其它两个绝缘层24由FEP制成。在其它实例中，所有四个双绞线20可以使用FEP制成；3个双绞线20由FEP制成，而一个双绞线20使用FRPP；3个双绞线20由FRPP制成，而一个双绞线20使用FEP；以及所有四个双绞线20都使用FRPP制成。
理想地，由于FEP的花费，其使用受到限制，但是由于其出色的燃烧和冒烟性质以及其良好的电气性能，其用在至少一些双绞线20上。本发明电缆10及其它元件的构造允许用FEP绝缘的双绞线20的数量的有利的减少，并仍然保持所需要的增压和CAT6等级，如下面更详细描述的。
如图2所示，除了双绞线20外，电缆10还具有由FRPVC制成的交叉填充物30。如上所述，在高性能CAT6电缆中，通常需要带状物或其它挤出型材例如交叉填充物以减小电缆10内的不同双绞线20之间的串扰(cross-talk)。如背景技术中所述，FEP和高度阻燃聚烯烃已经用在用于制造交叉填充物的现有技术配置中。由于通常使用的非卤代塑化剂使得FRPVC具有差的电气性能(即高耗散因数)，因此通常不使用FPRVC。
为了说明的目的，使用交叉填充物30以显示电缆10内的双绞线20之间的分隔元件。但是，应理解该间隔物/交叉填充物的形状仅用于说明本发明配置的显著特征的目的。可将交叉填充物30替换地形成为填充物/间隔物的带状物或其它非交叉的型材，只要其是使用下述配方制成的。
在本发明的配置中且根据一个实施方式，交叉填充物30由使用卤代酯塑化剂作为主塑化剂(仅在此种情况下)的PVC构成，其中所述PVC配方在100MHz-500MHz的频率下具有低于0.01的耗散因数，如在下文中更详细描述的。
注意，PVC可出现数千种不同的配方，包括基础(basic)聚合物结构(分子量)、所使用的塑化剂、填充物等...。根据一个实施方式，一种示例的PVC配方如下：
Figure BSA00000879901500041
从上面的描述中，FRP45是主塑化剂，并且可化学地描述为四溴双(2-乙基己基)邻苯二甲酸酯。
在上述实例中，溴化DOP是唯一使用的塑化剂，并且在60phr至100phrPVC树脂，其是显著的(substantial)成分，而剩余的成分是阻燃剂填充物、稳定剂、着色剂、加工润滑剂以及稳定剂。
注意，PVC可与CPVC(氯化PVC)或者CPE(氯化聚乙烯)共混，以实现额外的阻燃性质。
上述实例旨在作为交叉填充物30的一个示例性PVC配方。但是，应理解可进行变化，条件是卤代酯塑化剂仍然为主塑化剂，这意味卤代酯塑化剂是聚合物成分中塑化剂的主要成分。例如，在其它实施方式中，可使用下述PVC配方(成分的份的范围)：
Figure BSA00000879901500051
(FR＝阻燃剂-SS＝烟抑制剂)
卤代塑化剂可以包括，但是并不限于：溴化邻苯二甲酸酯；氯化邻苯二甲酸二酯；溴化偏苯三酸酯；氯化偏苯三酸酯；溴化石蜡；氯化石蜡；以及氯化聚乙烯(CPE)。
非卤代塑化剂可以包括，但不限于：邻苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、季戊四醇酯、磷酸酯、脂肪族二羧酸酯、磺酸酯、磺酰胺、柠檬酸酯、环氧化脂肪酸酯、苯甲酸酯；以及包含但不限于单体例如己二酸、癸二酸、壬二酸和商购的含有丙烯酸酯、醋酸酯、腈、氨基甲酸酯或聚醚酯官能度的相容聚合物的聚合物塑化剂体系。
金属水合物阻燃剂可包括，但不限于：三水合铝、勃姆石、氢氧化镁、碳酸镁、硼酸锌、涂覆有阻燃剂或烟抑制剂的金属水合物、或两种或更多种金属水合物的组合。
PVC混合物可具有包含一种或多种下述元素的烟抑制剂或烟抑制剂的组合：Mo、Zn、Sn、Cu、Fe、Si、B、P、C或N。
上述PVC配方基于填充物和卤代塑化剂具有优异的燃烧和冒烟性能，以及良好的电气性能，以降低NEXT(近端串扰)而不会影响电缆的插入损耗性能。
此外，虽然优选的PVC交叉填充物配方通常相比LDPE或VLDPE趋向于更硬，但是其与基于FEP的交叉填充物比是更柔性的。用上述PVC交叉填充物30的配方制造的最终电缆10表现出与用FR烯烃交叉填充物制造的电缆的柔性特性类似的柔性特性。
本发明的配置已经提供了如下预料不到的结果：非常大量卤代酯塑化剂的使用和几乎(差不多)或全部除去非卤代酯塑化剂实际上不仅导致了所需的耐火性质，而且还导致充分的柔性同时在100MHz-500MHz的频率下产生低于0.01的PVC配方的耗散因数。参见例如图3，其显示了使用现有技术塑化剂相对于溴化邻苯二甲酸酯(所有都在50phr)的PVC的耗散因数的比较。
为了显示上述PVC配方不仅仅用于产生具有良好电气性能的交叉填充物30是良好的，还将它们相对于现有技术交叉填充物测试燃烧和冒烟性质，以显示其提供比得上FEP和比其它FR烯烃配方(例如FRPE、FRPP等...)更好的优先的(prior)燃烧和冒烟性质。
回到本发明配置的测试结果，将上述NFPA262燃烧测试应用于意图用在管、增压间(plenum)、或用于环境空气分布的其它空间的建筑物内部的电缆，例如电缆10。任何在这些区域内使用的电缆必须是“增压级的”(plenumrated)，以不用管道而安装。一种该增压等级测试是NFPA262测试。为了通过NFPA262测试，这些电缆必须对燃烧蔓延具有显著的抵抗，并且在燃烧期间产生低水平的烟。如上所述，燃烧蔓延和生烟直接涉及到在电缆10上使用护套，以及尤其是在双绞线20上使用绝缘体。由于需要使用低烟绝缘体和护套材料，这些增压级的电缆是由NEC(National Electric Code)规定的三种大前提(major premise)数据通信电缆类型中成本最高的。
NFPA262燃烧测试使用称为Steiner Tunnel的测试装置。该腔室为25英寸长×18英寸宽×12英寸高。将11.25英寸宽的盘(tray)用电缆的单层(例如彼此并排放置的电缆10)装填，使得充满所述盘的宽度。随后将电缆暴露到300,000btu的燃烧中20分钟。在测试过程期间，燃烧不应该传播超过5英尺，最大冒烟(peak smoke)必须不超过0.5(IogI0/I)的值，并且平均冒烟值不应该超过0.15(IogIo/I)。注意IogI0/I指光学密度，其中I是在规定波长λ下穿过样品的光的强度(透射光强度)，而I0是进入样品之前的光的强度或入射光强度(或功率)。如果将电缆测试两次，且在每次测试之后都满足全部三个标准，则认为已经通过了所述测试。
为了显示电缆10的效力，将由本发明PVC配方(使用卤代邻苯二甲酸酯塑化剂)制成的交叉填充物30相对于由基于含有具有1.63比重的所有的阻燃剂体系的LDPE和VLDPE的共混物的FR烯烃所制成的现有技术交叉填充物进行测试。
下表1显示了NFPA262测试的结果：
表1
NFPA262Steiner Tunnel数据：FR烯烃交叉填充物技术相对于本发明PVC交叉填充物组成
两次燃烧的平均值-0.015″壁套混合物
Figure BSA00000879901500071
NFPA262的要求
燃烧蔓延         5.0′或更小
最大冒烟         0.50或更小
平均冒烟         0.15或更小
如下实施上述测试：使用具有交叉填充物的本发明的电缆10配置，使用FEP双绞线20和2个FRPP双绞线20，其具有15密耳的基于PVC的增压级护套混合物的整体护套。
由上述表1可见，PVC交叉填充物30相对于类似配置的FR烯烃交叉填充物在所有的测试标准中显示出改善的性能，同时相比于FR烯烃交叉填充物或FEP交叉填充物是显著成本更低的。这样的交叉填充物30可用在电缆10中，代替FR烯烃交叉填充物以提供更好的燃烧、冒烟或成本性能，或者代替FEP交叉填充物以节约相当大的成本，同时保持相当的燃烧和冒烟性能。实际上，由于改进的交叉填充物30如此富余地通过了NFPA标准，因此仅仅使用1个FEP双绞线20或甚至不使用FEP双绞线20(所有都是FRPP)的本发明电缆10的其它示例性设计也很可能通过NFPA262的燃烧和冒烟标准。
虽然此处仅仅说明和描述了本发明的一些特征，但是本领域技术人员而言现在可以想到许多变型、替代、变化或等同。因此应当理解本申请意图覆盖落入本发明真正精神内的所有这些变型和变化。

Claims (18)

1.通信电缆，所述电缆包括：
护套；
多个双绞线，每个双绞线具有彼此绞绕的两个绝缘的导体；以及
配置在所述双绞线之间的间隔物，其中所述间隔物由使用卤代塑化剂作为主塑化剂并且在100MHz-500MHz的频率下具有低于0.01的耗散因数的PVC配方构造而成。
2.权利要求1的通信电缆，其中所述护套由FRPVC制成。
3.权利要求1的通信电缆，其中所述电缆具有四个双绞线。
4.权利要求3的通信电缆，其中所有四个双绞线使用FRPP(耐火聚丙烯)或其它阻燃烯烃进行绝缘。
5.权利要求3的通信电缆，其中所述双绞线中的三个使用FRPP(耐火聚丙烯)或其它阻燃烯烃进行绝缘，且所述双绞线中的一个使用FEP(氟化乙烯聚合物)或其它含氟聚合物进行绝缘。
6.权利要求3的通信电缆，其中所述双绞线中的两个使用FRPP(耐火聚丙烯)或其它阻燃烯烃进行绝缘，且所述双绞线中的两个使用FEP(氟化乙烯聚合物)或其它含氟聚合物进行绝缘。
7.权利要求3的通信电缆，其中所述双绞线中的一个使用FRPP(耐火聚丙烯)或其它阻燃烯烃进行绝缘，且所述双绞线中的三个使用FEP(氟化乙烯聚合物)或其它含氟聚合物进行绝缘。
8.权利要求3的通信电缆，其中所有四个双绞线都使用FEP(氟化乙烯聚合物)或其它含氟聚合物进行绝缘。
9.权利要求1的通信电缆，其中将CPVC(氯化PVC)与PVC共混。
10.权利要求1的通信电缆，其中所述卤代塑化剂是溴化邻苯二甲酸酯。
11.权利要求10所述的通信电缆，其中所述溴化邻苯二甲酸酯以基本上60phr包含在所述PVC组成中。
12.权利要求1的通信电缆，其中所述间隔物的所述PVC组成中的所述卤代塑化剂的含量为0.1-150phr，且选自溴化邻苯二甲酸酯、氯化邻苯二甲酸酯、氯化偏苯三酸酯、溴化偏苯三酸酯、溴化石蜡、氯化石蜡以及氯化聚乙烯(CPE)中的一种或多种。
13.权利要求12的通信电缆，其中所述间隔物的所述PVC组成还包括低于20phr并低于所述卤代塑化剂的量的非卤代塑化剂，且选自如下的一种或多种：邻苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、季戊四醇酯、磷酸酯、脂肪族二羧酸酯、磺酸酯、磺酰胺、柠檬酸酯、环氧化脂肪酸酯、苯甲酸酯、以及包含但不限于单体例如己二酸、癸二酸、壬二酸和商购的含有丙烯酸酯、醋酸酯、腈、氨基甲酸酯或聚醚酯官能度的相容聚合物的聚合物塑化剂体系。
14.权利要求1的通信电缆，其中所述间隔物的所述PVC组成还包括0.1-300phr的金属水合物阻燃剂填充物，其选自但不限于三水合铝、勃姆石、氢氧化镁、碳酸镁、硼酸锌、涂覆有阻燃剂或烟抑制剂的金属水合物、或两种或更多种金属水合物的组合中的一种或多种。
15.权利要求1的通信电缆，其中所述间隔物的所述PVC组成还包括0.1-100phr的选自如下中的一种或多种的烟抑制剂或烟抑制剂的组合：Mo、Zn、Sn、Cu、Fe、Si、B、P、C或N。
16.权利要求1的通信电缆，其中将所述电缆构造为满足NFP262燃烧和冒烟测试的要求。
17.权利要求1的通信电缆，其中将所述电缆构造为满足CAT6CMP的要求。
18.权利要求1的通信电缆，其中所述间隔物选自带状物、和挤出的热塑性或热固性双绞线隔离物以及挤出的热塑性或热固性交叉填充物。
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