CN1902718B - 具有空气通道的糊料挤压的绝缘导线、其制备方法及包括其的同轴电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种绝缘导线，所述绝缘导线具有导体和环绕所述导体的糊料挤压的PTFE细粉绝缘体。所述糊料挤压的绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。本发明进一步提供了一种在挤压设备中通过糊料挤压润滑的PTFE细粉来形成环绕导体的绝缘体的方法，所述挤压设备包括模头、模芯和至少一个形成通道的构件，所述模头和模芯形成导向挤压模孔的会聚室，并且所述形成通道的构件设在模孔内。所述模芯具有用于供给导体的中心孔。将润滑的PTFE细粉强制通过所述室，并作为环绕所述导体之润滑的生挤压物从模孔出口挤出，形成绝缘体，所述绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道。

Description

具有空气通道的糊料挤压的绝缘导线、其制备方法及包括其的同轴电缆
发明领域
本发明涉及绝缘导线和通过糊料挤压聚四氟乙烯绝缘体制造绝缘导线的方法。 
发明背景 
多年来聚四氟乙烯(PTFE)细粉被用作导线的绝缘体。但是，尽管PTFE具有合乎要求的高分子量(即低介电常数和低损耗因子)的特性，但由于其加工局限，因此也使用其它聚合物作为导线的绝缘体，特别是用在大直径、高频率同轴传输的电缆中。 
聚四氟乙烯(PTFE)细粉是PTFE的一种类型，通过水分散聚合，随后使分散体絮凝并干燥所得的絮凝固体以得到细粉。因为PTFE细粉在熔融条件下不能充分流动以实施熔融加工，因此将细粉加工成制品并通过挤压法涂覆在导线上，这样的方法不需要熔体流动。这种挤压方法称为糊料挤压，该方法见述于美国专利2,685,707。在糊料挤压过程中，糊料挤压组合物由PTFE细粉和有机润滑剂混合而成。所述润滑剂在25℃的粘度至少为0.45厘泊，在随后的挤压条件下是液体。PTFE吸收润滑剂，得到干燥的、压力聚结的糊料挤压组合物，也称为润滑的PTFE细粉。糊料挤压过程通常在20～60℃进行，在此过程中，润滑的细粉被强制通过模具形成润滑的生(green)挤出物。而后通常在100～250℃的温度下加热所述润滑的生挤出物，使润滑剂挥发并从挤出物中去除。大多数情况下，干燥后的挤出物被加热到接近或高于PTFE的熔点温度(通常为327～500℃)，使PTFE熔结。 
对于某些可能存在屏蔽信号传输的建筑物的区域(比如建筑物内或其周围、隧道或车库)的无线电带宽通讯来说，能传递高频率电磁 波的电缆尤其有用。在无障碍地区同样使用这种电缆，但是在这种地区需要精密控制必须在长距离内分布的信号水平，而不受其它临近信号的干扰。 
高频率传输电缆要求绝缘体具备尽可能最低的介电常数εT和损耗因子tanδ，以得到合乎需要的衰减特征。如美国专利5,922,155所公开的，小于约1.8的介电常数是合乎需要的。绝缘材料如含氟化合物和聚乙烯的介电常数接近大约2。如美国专利3,771,934和5,922,155所教导，可在熔体可流动聚合物形成的绝缘材料中引入气孔来降低介电常数。 
在最常用的聚合物中，PTFE具有最低的损耗(损耗因子)。因此，虽然使用熔融挤压技术，很容易形成如聚乙烯或熔体可流动的含氟聚合物等其他聚合物(如PFA[TFE/全氟代(烷基乙烯基醚)共聚物]和FEP(TFE/六氟丙烯共聚物)，但它们的损耗没有PTFE低。举例来说，在1MHz的频率时，PTFE的损耗因子是PFA的二分之一或更低，是聚乙烯或FEP的三分之一或更低。尽管如此，PTFE很难形成大直径导线用绝缘体，因为干燥生挤出物以从糊料挤压的PTFE细粉厚结构中去除润滑剂是非常困难的。大直径的PTFE绝缘体因其需要基本的PTFE细粉而价格昂贵。 
高频率通讯电缆的另一个重要要求就是不可燃性。含氟聚合物具备不可燃性，而聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯的结构都不具备。在含氟聚合物中，PTFE受热时具有最高稳定性。 
具有低的介电常数和损耗因子、在其制造过程中只需要少量的PTFE细粉的、糊料挤压的PTFE绝缘导线，对于高频率电缆将是十分理想的。 
发明概述 
本发明提供了一种绝缘导线，所述绝缘导线具有导体和环绕所述导体的糊料挤压的PTFE细粉绝缘体。该糊料挤压的绝缘体具有至 少一个与导体空间分离的封闭连续纵向的空气通道。优选绝缘体经过干燥而后熔结。在优选实施方案中，绝缘导线是同轴电缆的一部分。 
本发明进一步提供了一种在挤压设备中通过糊料挤压润滑的PTFE细粉来形成环绕导体的绝缘体的方法，所述挤压设备包括模头、模芯和至少一个形成通道的构件，所述模头和模芯形成导向挤压模孔的会聚室，并且所述形成通道的构件位于模孔内。所述模芯具有用于供给导体的中心孔。将润滑的PTFE细粉强制通过所述室，并作为环绕所述导体之润滑的生挤压物从模孔出口挤出，形成绝缘体，所述绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道。 
在一个优选实施方案中，形成通道的构件由模孔的上游支撑。在另一个优选实施方案中，挤压设备具有多个形成通道的构件，其形成多个彼此分离的封闭纵向通道。在更优选的实施方案中，润滑的PTFE细粉被强制环绕着形成通道的构件，进入导体和形成通道的构件之间的空间，润滑的PTFE细粉压力聚结为环绕所述导体的润滑生挤出物。优选挤出设备具有在室和模孔的连接处形成的高剪切区域，其导致基本纤化，在所述高剪切区域的上游进行压力聚结。优选润滑的生挤出物经过干燥，最优选使气体循环通过润滑的未干燥生挤出物的空气通道，以有助于在干燥过程中去除润滑剂。在更多应用中，还优选熔结干燥后的生挤出物。 
附图简要说明 
图1是本发明使用的挤出设备的部分纵向截面图。 
图2是图1的挤出设备中使用的模芯端部的一个实施方案的放大透视图。 
图3是使用图2图示的模芯端部形成的绝缘体的部分透视图。 
图4是用于图1的挤出设备中的模芯端部的第二实施方案的放 大透视图。 
图5是使用图4图示的模芯端部形成的绝缘体的部分透视图。 
图6是按照本发明制备的包括具有绝缘体和纵向空气通道的绝缘导线的同轴电缆的部分透视剖面图。 
发明详述 
本发明涉及糊料挤压润滑的PTFE细粉环绕导体而形成绝缘体的方法，其中所述绝缘体具有至少一个与导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。在制造过程中，绝缘体内的空气通道有助于去除生挤出物中的挥发性润滑剂，并降低熔结产品的介电常数，这对于高频率通讯电缆尤其有用。 
润滑的PTFE细粉的糊料挤压方法可通过参考图1来理解，其中所述挤压设备1有机筒2和模头4。在设备1内有被限定的室3，其用于提供导向挤压模孔5的润滑的PTFE。模芯10位于上述室中，用来成型PTFE，至少一个形成通道的构件8位于模孔5内。模头和模芯使室3在称为会聚区域15的区域内会聚。形成通道的构件8由挤压设备1支撑，优选由模孔5的上游支撑，最优选由模芯10支撑。优选形成通道的构件8在模孔的出口7的上游模孔5处凹进。模芯10具有的中心孔11用于供给导体12。导体12可以为单股或多股导线。此外，如图1图示，会聚区域在室3和模孔5的连接处存在高剪切区域19。 
将润滑的PTFE细粉(通常作为压力下成形的进料以适应室3)置于室3内，而后被柱塞9糊料挤压，所述柱塞9位于室3中，在与挤压模孔5相对的端，并向挤压模孔5的方向移动，迫使润滑的PTFE细粉通过挤压模孔5，并从模孔出口7处被挤出，环绕导体12。优选模芯10和形成通道的构件8的位置使得润滑PTFE细粉被强制环绕形成通道的构件8，进入导体12和形成通道的构件8之间的空间，并在会聚区域15内、优选在高剪切区域19的上游区域经受压力聚 结，形成环绕导体的润滑的生挤出物。 
润滑的PTFE细粉包含PTFE基本微粒，所述微粒在糊料挤压过程中，变形为小体积相互联结的类纤维结构，即原纤，因此细粉被称之为纤化。润滑的PTFE细粉因被强制通过挤压设备1而被剪切力纤化。基本的纤化发生在高剪切区域19，所述区域位于室3和模孔区域5的连接处，并且在形成通道的构件8和模孔5的壁之间。这些原纤基本按糊料挤压的方向取向，这意味着挤出以后，润滑的挤出物在挤出方向上尤其坚固。在本发明的优选的方法中，在高剪切区域19被基本纤化之前，润滑的PTFE细粉在导体12周围压力聚结。过早的纤化会减弱挤出物与导体之间的附着力，并由于聚合物的不良接合产生挤出物的薄弱区域。 
还优选导体以其速度接近润滑的PTFE被强制通过模孔的速度供给，这进一步保证了绝缘体对导体有更好的附着力。 
本发明使用的形成通道的构件8的一个实施方案在图1中图示，并通过图2的透视图再作描述。在图2中，形成通道的构件8由模芯端部6提供。模芯端部6包括连接元件18，比如用于接到模芯10的螺纹连接，模芯10支撑位于模孔5内的形成通道的构件8。如图所示，这个实施方案的模芯端部6可以被描述为有三个径向间隙23的圆筒，所述间隙将圆筒分为三个饼形部分20，用做形成通道的构件。径向间隙23上游尺寸较大但在出口7或模孔5附近渐缩为较小的尺寸。模芯端部6也包括中央空隙21来容纳导体12(未显示)，导体由模芯孔11进给。每个饼形部分都有穿过整个模芯端部6长度的孔22，以和模芯孔11流体连接，通过孔22在挤压过程中抽真空或注入空气来帮助干燥过程中去除润滑剂，这将在下文中有更详细描述。 
图3显示使用带有图2显示的模芯端部6的挤压设备1制成的具有导体12和糊料挤压PTFE的绝缘体16的绝缘导线30。绝缘体有多个封闭连续纵向空气通道17，所述通道彼此分离，并在导体周 围对称排布。润滑的PTFE细粉被强制环绕模芯端部6的饼形部分20，并被强制进入导体和模芯端部之间的空间，形成三个与导体12空间分离的饼形的封闭连续纵向通道17，由此形成了绝缘体16。挤出物的压力聚结优选在PTFE经过径向空隙23，到达中央空隙21，而后进入到导体和图1中显示的高剪切区域19的形成通道的构件上游之间的空间的过程中发生。 
本发明所使用的模芯端部40的可选择实施方案在图4的透视图中图示。模芯端部40也有连接元件44，与具有渐细端46的模芯端部主体45连接。模芯端部40的形成通道的构件包括4根在中心管43周围的对称间隔的管42，中心管43用来容纳从模芯孔11进给的导体(未显示)。四根管42和中心管43从模芯端部主体45的渐细端46延伸出，其中中心管43从模芯端部主体45的渐细端46延伸的距离比四根管42短。模芯端部主体45具有合适的通道(未显示)，由此使四根管42与模芯模孔11流体连通。由此在挤压过程中，可以在管中抽真空或在管中注入空气来帮助干燥过程中去除润滑剂。这将在下文中详细描述。 
通过使用具有图4中显示的模芯端部的挤压设备形成图5中显示的绝缘导线50，所述导线具有导体12和糊料挤压PTFE的绝缘体51。绝缘体具有多个彼此分离的封闭连续纵向空气通道，并在导体周围对称排布。润滑的PTFE细粉被强制环绕形成通道的构件的管，并被强制进入导体和管之间的空间，形成了具有四个与导体12空间分离的封闭的连续纵向空气通道52的绝缘体51。挤出物的压力聚结优选在PTFE进入导体和挤压设备高剪切区域的管状形成通道的构件上游之间的空间时发生。 
按照本发明方法的糊料挤压优选在20-60℃进行，但也可以使用超出此范围的温度。随后，通常在100-250℃加热润滑生挤压物，使挤出物中的润滑剂挥发并去除，从而干燥挤出物。按照本发明的优选方式，将适合实施挥发性润滑剂的气体(如空气)在干燥过程中循环 通过挤出物的空气通道。这可有利地通过引入气体来完成，或者通过向模芯孔11处施加真空来完成(真空引起气体流动通过图2描述的模芯端部6的孔22或图4中描述的模芯端部40的管42)。这气体流动引起气体流动通过生的挤出物中新形成的空气通道，而且气流持续通过挤出物已被干燥固化的部分。气流连续流向挤出物终端，在此处，空气通道起通气口的作用，排放出泵入的空气(和挥发性润滑剂)或使绝缘体吸入气体。气流通过挤出物使干燥时间显著缩短。以前，干燥步骤限制了工业规模中由高分子量PTFE制备的制品的尺寸。在本发明之前，使用PTFE只能制备有小直径绝缘体的涂覆导线，因为大直径绝缘体的厚壁将阻碍挥发润滑剂。使用本发明，纵向空气通道和降低PTFE的用量有利于去除润滑剂，从而使得由高分子量PTFE形成大直径电缆。 
按照本发明的方法可以制备具有较大范围的直径(如大约2mm到大约125mm)的绝缘导线。可以有利地使用本发明制备出直径大于大约8mm、更优选大于10mm、甚至更优选大于大约15mm、最优选大于大约20mm的绝缘导线。特别优选的范围是大约10mm至大约50mm。由于缩短了干燥时间，使用本发明可以经济地制备大直径导线。 
干燥后，大多数应用情况下，优选将挤出物在烘箱中熔结，在327-500℃下加热一段足以强化环绕导线的绝缘体的时间。 
本发明进一步提供了同轴电缆，所述电缆具有按照上述方法制备的绝缘导线。同轴电缆通常包括内导体，同心环绕内导体的外导体，位于导体和外保护套之间的糊料挤压PTFE制备的绝缘体。图6图示了具有使用图1的挤压设备和图4描述的模芯端部40制备的绝缘导线的同轴电缆60，所显示的是多股绞线导线61的中心核部分，糊料挤压PTFE细粉形成的环绕导线的绝缘体62具有四个与导体空间分离的封闭连续纵向的管状空气通道63。在绝缘体62周围是编织或机织的外导体64和外保护套65。 
为了获得同轴电缆要求的高频率的衰减特性，介电绝缘体的介电常数必须尽可能接近1。含氟聚合物因其介电常数低而知名。未经熔结的PTFE的介电常数大约为1.7，熔结后的PTFE大约为2。在绝缘体中引入空气通道把介电常数降低到同轴电缆传递高频率电磁波辐射的有用范围。 
在最常用的聚合物中，PTFE具有最低的损耗(损耗因子)。尽管使用熔融挤压技术，其他聚合物如聚乙烯或熔体可流动含氟聚合物等(如PFA[TFE/全氟代(烷基乙烯基醚)共聚物]和FEP(TFE/六氟丙烯共聚物)很容易形成，但是它们的损耗没有PTFE低。举例来说，在1MHz的频率时，PTFE的损耗因子是PFA的二分之一或更低，是聚乙烯或FEP的三分之一或更低。本发明的方法使有利地利用PTFE细粉合乎需要的性质(即低介电常数和低损耗)成为可能，以及能够使用PTFE作为大直径高频率电缆的绝缘层。进一步说，PTFE的高度热稳定性使得含氟聚合物比其它商业常用的聚合物更合乎需要。 

Claims (19)

1.一种绝缘导线，所述绝缘导线包括导体和被压力聚结地环绕所述导体的糊料挤压的PTFE细粉绝缘体，其中所述绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。
2.权利要求1的绝缘导线，其中所述绝缘体具有多个彼此分离的封闭连续纵向空气通道。
3.权利要求2的绝缘导线，其中所述纵向空气通道在导体周围对称排布。
4.权利要求1的绝缘导线，其中所述绝缘体经过熔结。
5.权利要求1的绝缘导线，其中所述绝缘体的直径大于8mm。
6.权利要求1的绝缘导线，其中所述绝缘体的直径大于10mm。
7.一种同轴电缆，所述同轴电缆包括权利要求1的绝缘导线。
8.一种形成环绕导体的绝缘体的方法，所述方法包括：在挤压设备中糊料挤压润滑的PTFE细粉，所述挤压设备包括模头、模芯和至少一个形成通道的构件，所述模头和模芯形成导向挤压模孔的会聚室，所述形成通道的构件位于模孔内，所述模芯具有用于供给导体的中心孔，所述糊料挤压包括将润滑的PTFE细粉强制通过所述会聚室，作为环绕所述导体之润滑的生挤压物从所述模孔出口挤出，形成绝缘体，所述绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道，其中所述润滑的PTFE细粉被强制环绕着所述形成通道的构件，并进入位于所述导体和所述形成通道的构件之间的空间，所述润滑的PTFE细粉压力聚结为环绕所述导体的生挤出物，所述挤压设备具有高剪切区域，所述高剪切区域引起所述润滑的PTFE的纤化，并且所述压力聚结在所述高剪切区域的上游完成。
9.权利要求8的方法，其中所述形成通道的构件由所述模孔上游的挤压设备支撑。
10.权利要求8的方法，所述方法进一步包括干燥润滑的生挤出物的步骤。
11.权利要求10的方法，所述方法进一步包括熔结所述干燥的挤出物的步骤。
12.权利要求8的方法，其中所述挤压设备具有多个形成通道的构件，所述形成通道的构件形成多个彼此分离的封闭纵向空气通道。
13.权利要求12的方法，其中所述多个形成通道的构件在所述模孔中在所述导体周围对称排布。
14.权利要求8的方法，其中所述高剪切区域在所述会聚室和所述模孔的连接处。
15.权利要求8的方法，其中所述形成通道的构件由所述高剪切区域上游的挤压设备支撑。
16.权利要求8的方法，其中所述导体的供给以其速度接近所述润滑的PTFE细粉被强制通过所述模孔的速度来进行。
17.权利要求8的方法，其中所述绝缘体的直径大于8mm。
18.权利要求8的方法，其中所述绝缘体的直径大于10mm。
19.权利要求10的方法，所述方法进一步包括在所述干燥过程中使气体循环通过润滑的生挤出物中的所述纵向空气通道。
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