DE1055631B - Verfahren zur Herstellung von mit mehreren isolierenden und leitenden Schichten aus Polytetrafluoraethylen aufgebauten koaxialen Impuls- und geraeuschfreien Geraetekabeln - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines koaxialen Kabels für die Übertragung von hochfrequenten Strömen und insbesondere Impulsen mit einer besonderen Eignung zur Aufbringung von leitenden Kunststoffmischungen. Die Erfindung ist besonders auf die Schaffung verlustarmer und geräuschfreier Instrumenten- oder Geratekabel· und Miniatur-Impulskabel gerichtet, die sich bei besonders hohen Temperaturen verwenden lassen, bei denen die Klebfähigkeit der Schichten, insbesondere auch bei zusätzlichen Biegebeanspruchungen, ungünstig beeinflußt wird.

Geräteimpulskabel werden beispielsweise in der chemischen Indiistrie dort verwendet, wo bestimmte Arbeitsvorgänge an räumlich weit von ihnen entfernten Stellen laufend überwacht werden sollen. Sie dienen zur Übertragung von Meßimpulsen zu den Überwachungsgeräten oder übertragen, auch impulsgesteuerte Ströme zur Steuerung von maschinellen Arbeitsgängen. Die Kabel müssen dabei vielfach durch Räume verhältnismäßig sehr hoher Temperatur hindurchgeführt werden.

Zahlreiche Anwendungen erfordern ferner wärmefeste Gerätekabel mit besonders kleinen Abmessungen und geringem Gewicht, die aber trotzdem außerordentlich wärmefest sein müssen, wie z. B. bei der Übertragung elektrischer Impulse, die als Maß für Druckkräfte dienen, die z. B. in Verbrennungsmotoren erzeugt werden. Ganz allgemein werden derartige Gerätekabel dort verwendet, wo physikalische Werte in elektrische Impulse umgesetzt an einem fernen Ort unter Vermeidung jeder Verzerrung der Meßkurve beobachtet bzw. gemessen werden sollen.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäß hergestellten wärmefesten Impulskabel sind die mit sehr hohen Spitzenspannungen arbeitenden Radareinrichtungen, bei denen z. B. die hochgespannten Impulse vom Modulator zum Oszillator durch Kabel übertragen werden müssen. Dier hierbei auftretenden Erwärmungen im Kabel sind sehr erheblich.

Die bisher für derartige Zwecke verwendeten Gummikabel bestanden grundsätzlich aus einem koaxialen Aufbau von Leiter, Gummiisolation, elektrisch leitendem Gummi und einer Umflechtung. Die leitende GummLschicht hatte dabei die Aufgabe, in. bekannter Weise die Corona-Entladungen zu verhindern Diese Kabel weisen aber erhebliche Mängel insofern auf, als Gummi wenig temperaturbeständig ist und nicht nur sehr hohe dielektrische Verluste hat, sondern sich auch seine Dielektrizitätskonstante mit der Frequenz und Temperatur stark ändert, wodurch die Signale unzulässig gedämpft und verzerrt werden. Die entstehende, von den dielektrischen Verlusten abhängige Erwärmung des Kabels beschleunigt überdies die Kabelalterung.

Verfahren
zur Herstellung von mit mehreren
isolierenden und leitenden Schichten
aus Polytetrafluoräthylen aufgebauten
koaxialen Impuls- und geräuschfreien
Gerätekabeln

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Januar 1954

George Robert■'Leef₁ Millburn, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

In einem eigenen älteren Vorschlag wurde zur Beseitigung der genannten Nachteile bereits eine Kabelkonstruktionvorgeschlagen, bei welcher an Stelle von Gummi Polyäthylen verwendet wird. Die Eigenschaften von Impulskabeln aus Gummi konnten dadurch wesentlich verbessert werden. Ein Nachteil dieser Kabelkonstruktion war jedoch die in vielen Fällen doch nicht ausreichende Wärmebeständigkeit. Viele moderne Maschinen arbeiten bei Temperaturen, die weit über dem zulässigen Temperaturbereich dieser Polyäthylenkabel liegen, denen sich derartige Impuls-Steuer- oder Meßkabel aber trotzdem aus Gründen des beengten Raumes auf kürzeste Entfernung nähern müssen. Das Polyäthylen-Impulskabel versagt bei mehr als 100° C und ist demnach für solche Zwecke ungeeignet.

Bekannt ist an sich schon die Verwendungvon hochwärmebeständigem Polytetrafluoräthylen (PTFE) für koaxiale Kabel wie auch für halbleitende Schichten,

4-5 die auf isolierenden Schichten, z. B. aus Gummi- oder einem anderen Dielektrikum angeordnet sind. Bekannt ist ferner die Herstellung der Leitfähigkeit von an sich isolierenden Stoffen durch Einbettung von leitenden Teilchen, wie z. B. Ruß oder Graphit.

So Für geräuscharme Kabel ist es auch bekanntgeworden, das Dielektrikum zwischen benachbarten leitfähigen Schichten aus Gummi einzubetten. Wenn an Stelle von Gummi das PTFE verwendet wird, so ergeben sich infolge der wachsartigen Beschaffenheit

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dieses Stoffes Schwierigkeiten mit der Haftung sowohl am Leiter als auch an den benachbarten Schichten. Diese Haftungsschwierigkeiten sind um so unangenehmer, als PTFE infolge seiner vorzüglichen Wärmebeständigkeit ja gerade bei solchen Kabeln besondere Bedeutung hat, die betriebsmäßig hohen Temperaturen unterliegen oder diese selbst erzeugen.. Die PTFE-Schichten in thermisch hoch beanspruchten Kabeln neigen dazu, unter Bildung feinster, aber auch größerer Hohlräume zwischen dem Leiter und der Schicht oder zwischen den Schichten selbst eine verhältnismäßig schwache Verbindung mit benachbarten stofflichen Grenzflächen einzugehen. Die Zuverlässigkeit der Kabel, die z. B. Impulse sehr hoher Spannungen übertragen oder Impulse verhältnismäßig kleiner Spannungen, aber mit sehr großen Anforderungen an die Impulsform übertragen müssen, wird durch das Entstehen solcher Hohlräume, z. B. durch Biegebeanspruchungen, schon bei normaler Temperatur, aber insbesondere bei erhöhter Temperatur sehr stark herabgesetzt. Diese Hohlräume entstehen sowohl bei der Herstellung des Kabels als auch bei der mechanischen Beanspruchung des fertigen Kabels.

ZurVermeidung dieser Schwierigkeiten und Mängel wird ein Verfahren zur Herstellung von mit mehreren isolierenden und leitenden Schichten aus Polytetrafluoräthylen aufgebauten koaxialen Impulskabeln und geräuschfreien! Gerätekabeln angegeben, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß zur guten Verankerung der Schichten auf dem Leiter und miteinander der ersten auf dem Leiter in Form einer Suspension oder Paste aus leitendem Polytetrafluoräthylen aufzubringenden Schicht kurz vor der Aufbringung eine Säure, vorteilhafterweise Salzsäure, zugesetzt wird und der Säuregrad hierfür auf den p_H-Wert von 1,5 und die weiteren, mit dem Leiter nicht in Kontakt stehenden Schichten zur Auf rechterhaltung ihrer kolloidalen Stabilität auf einen p_H-Wert über 4, vorteilhafterweise zwischen 4 und 8,9, eingestellt wird, wobei die Suspension, wie an sich bekannt, im Tauch- und die Paste im Spritzverfahren aufgebracht wird.

■ Da es sich um ein Kunststoffkabel handelt, dessen nichtmetallische Schichten aus elastischen hochpolymeren Stoffen bestehen, so- lag es zunächst nahe, die üblichen bei der Verwendung derartiger Kabel bekannten Verfahren zu benutzen. In erster Linie stand hier das bekannte Spritzverfahren zur Verfügung, neben dem auch noch das Bandierungsverfahren in Frage gekommen wäre. Beide Verfahren aber versagten, weil es mit ihrer Hilfe nicht möglich ist, Schichten herzustellen, die bei einer Dicke von nur wenigen hundertstel Millimetern ohne Lufteinschlüsse auf ihrer Unterlage haften müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise angewandt bei Kabeln nach Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Geräte-Impulskabels, das bei besonders geringem Außendurchmesser als Miniatur-Impulskabel bezeichnet wird;

Fig. 2 zeigt eine sogenannte triaxiale Konstruktion, die außer dem rohrförmigen Rückleiter eine leitende Abschirmung für eine von dem Signalstromkreis des Kabels isolierte und unabhängige Erdung trägt.

In Fig. 1 bedeutet 1 den Innenleiter, 2 eine dünne leitende Schicht der erfindungsgemäßen auf gebrachten Polytetrafluoräthylenmischung, 3 eine solche Schicht aus Polytetrafluoräthylen als Dielektrikum, 4 eine weitere leitende Schicht wie bei 2, 5 einen Außenleiter z, B. aus Drahtgeflecht und 6 einen Mantel aus polymerem, elastischem Kunststoff, wie auch z. B. Polytetrafluoräthylen.

In Fig. 2, für die die gleichen Bezugsziffern und Angaben wie für die Fig. 1 gelten, ist außer der ersten Umflechtung 5 noch eine weitere Umflechtung 7 vorgesehen, die von einer dünnen Isolierschicht 8 umgeben ist. Diese Isolierschicht 8 trennt die Umflechtungen 5 und 7 von der Drahtumflechtung 9 und. besteht vorzugsweise bei den sehr dünnen Miniaturkabeln aus einer Umwicklung von Polytetrafluoräthylenband.

Die metallischen Umflechtungen der gemäß der Erfindung hergestellten Impulskabel bestehen gewöhnlich aus versilbertem Kupferdraht. Für besondere Zwecke können einzelne der Beflechtungen aus magnetischen, rostfreien Stahldrähten bestehen, In gewissen Fällen kann außerhalb der Ummantelung eine Schutzarmierung angeordnet werden. Zweckmäßig kann die Wärmefestigkeit des Impulskabels noch dadurch unterstützt werden, daß die äußere Schicht 6 aus einem Geflecht bzw. Gemisch aus Polytetrafluoräthylen aus hoch wärmefestem und gut wärmeleitendem Ummantelungsmaterial, wie z. B. Glasfasern-, besteht.

Ein wärmefestes Impulskabel, das bis zu 200° C betriebsfähig ist und Impulse mit einer Spitzenspannung von etwa S kV und einigen Millisekunden Dauer bei einer Frequenz von ungefähr 1000 Impulsen pro Sekunde übertragen kann, wird zweckmäßig als triaxiale Konstruktion nach Fig. 2 folgendermaßen aufgebaut :

1. Sieben Litzen

(Drahtstärke 0,4 mm) 1,21 mm Durchmesser

2. Halbleiterschicht 1,32 mm Durchmesser

3. Dielektrikum 3,86 mm Durchmesser

4. Halbleiterschicht
(Stärke: 0,05 mm)

5. Umflechtung 1 4,83 mm Durchmesser

7. Umflechtung 2 5,59 mm Durchmesser

8. Isolierung 5,84 mm Durchmesser

9. Umflechtung 3 6,61 mm Durchmesser

6. Mantel 7,62 mm Durchmesser

Der vorstehende Aufbau entspricht einem Miniatur-Impulskabel, bei dem neben einer hohen- elektrischen Leistung auch noch die getrennte metallische Abschirmung vorgesehen worden ist.

Wenn das Impulskabel entsprechend der Fig. 1 auch als Miniaturkabel für hohe Spannungen verwendbar ist, so können in ihm bei der Verwendung als nichtmikrofonisches, verlustarmes Gerätekabel aber auch nur kleine Signalspannungen in der Größenordnung von z, B. Mikrovolt störungsfrei übertragen werden. Bei derart angewandten Kabeln wirkt sich der angegebene Kabelaufbau dahin aus, daß Störgeräusch-Spannungen, die oft im Kabel selbst entstehen und im Verhältnis zu den Signalspannungen sehr erhebliche Werte erreichen können, unschädlich gemacht werden.

Ein nicht mikrofonisches Impuls- bzw. Gerätekabel entsprechend der Fig. 1 kann folgendermaßen aufgebaut werden:

1. Sieben Litzen

(Drahtstärke 0,25 mm) .... 0,76 mm Durchmesser

2. Halbleiterschicht 0,86 mm Durchmesser

3. Dielektrikum 2,39 mm Durchmesser

4. Halbleiterschicht
(Stärke: 0,05 mm)

5. Umflechtung 3,3 mm Durchmesser

6. Mantel 4,32 mm Durchmesser

Die halbleitenden, aus einer Mischung von Polytetrafluoräthylen mit kolloidalem Kohlenstoff, wie z. B.

Claims (6)

Graphit, bestehenden Schichten werden zweckmäßig als Flüssigkeit auf das Kabel gebracht. Es wird der Kunststoff-Kohlenstoff-Mischung ein Lösungsmittel zugesetzt, so daß eine Suspension entsteht. Es ist nun möglich, das Kabel im Tauchverfahren mit der halbleitenden Schicht zu bedecken, und das Kabel kann diesem Verfahren mehrfach bzw. so lange unterzogen werden, bis die gewünschte Schichtdicke vorhanden ist. Die halbleitende Suspension aus· PTFE, kolloidalem Graphit und Lösungsmittel wird zur Erzielung einer guten Stabilität auf eine Wasserstoffionen-Konzentration vom pH-Wert größer als 4 gebracht. Für den ersten Überzug des Drahtes wird die Suspension kurz vor der Anwendung für eine gute Haftung der Halbleiterschicht auf dem Draht auf den pH-Wert von 1,5 1S gebracht. Für die nachfolgenden Überzüge soll der pH-Wert zwischen 4 und 8,9 liegen. Die Einstellung des pH-Wertes erfolgt zweckmäßig unter Verwendung von konzentrierter Salzsäure. Für die Dosierung des kolloidalen Kohlenstoffes und die Erzielung eines halbleitenden Überzuges mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 5000 Ohm · cm hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Kohlenstoff 15 bis 60%, vorzugsweise 20%, des Mischungsgewichtes von PTFE und Kohlen- «5 stoff ausmacht. Das Verhältnis der festen Bestandteile zum Lösungsmittel soll in dem Bereich zwischen 1:3 bis 3:1 liegen. Bei Leitgummim isehungen ist ein Griaphitgehalt von 20% als solcher bekannt. Eine Halbleiterschicht, die entsprechend diesen Mischungsverhältnissen hergestellt wurde und aus fünf Tauchschichten bestand, hatte einen spezifischen Widerstand von etwa 100 bis 500 Ohm · cm. Wie schon erwähnt, lassen sich die nichtleitenden, isolierenden Sdhichten aus PTFE mittels der bekannten Spritztechnik aufbringen. Hierbei erwies es sich jedoch als zweckmäßig, das Material in einem pastenförmigen Zustand auszustoßen. Dieser pastenförmige Zustand unterscheidet sich bezüglich seiner Fließeigenschaften von der bei Kunststoffen thermoplastischer Art durch Erwärmung zu, erreichenden Plastifizierung dies Materials. Das PTFE soll vielmehr durch Beigabe von etwa 20 Gewichtsprozent gereinigtem, leichtem Mineralöl mit verhältnismäßig tiefem Siedepunkt oder einem flüchtigen Schmiermittel, wie z. B. Naphtha, in einen pastenförmigen Zustand gebracht werden. Damit steht es in Zusammenhang, daß die Spritzdüse der Spritzmaschine eine wesentlich größere Bohrung haben muß als der Außendurchmesser des hindurchgezogenen Kabels. Das Tauchverfahren wird an Hand der Fig. 3 näher erläutert. Der Draht bzw. das Kabel läuft von der auf der Achse 11 befestigten und vonl2 aus angetriebenen Spule 10 durch einen Behälter 15, der ein Benetzungsund ein Reinigungsmittel enthält, und biegt dann über die Rolle 16 aus der 'horizontalen in die vertikale Richtung um. Er gelangt dann in einen weiteren Behälter 17, in dem die halbleitende Suspension enthalten ist, wird in ihm mit dieser Suspension bedeckt und gelangt dann in einen Wärme-Konditionierungsofen 18, den der Draht am anderen Ende des Ofens bei 24 wieder verläßt. Dieser Wärmeofen, mit im wesentlichen rohrförmiger Gestalt, besteht aus einem äußeren Aluminiumzylinder 19, einem inneren feuerfesten Glasrohr 20, das von zwei hintereinanderliegenden elektrischen Heizwendeln und einem Wärmeisoliermittel 22 umgeben ist, sowie aus kurzen seitlichen Röhren 21 zum Einführen von Temperaturmeßgeräten. Die getrennt regelbaren Heizwendeln haben die Aufgabe, nach Eintritt des Drahtes in dem Ofen zunächst das Lösungsmittel vollständig zu verdampfen und beim weiteren Durchwandern des Drahtes im oberen Teil des Ofens den halbleitenden Überzug auf dem Draht zum Schmelzen zu bringen. Nach Verlassen des Ofens wird er über die Umlenkrolle 25 geführt und kann weitere derartige Taucheinrichtungen durchlaufen, um dann mittels des Motors 14 und der Haspel 13 auf die Kabeltrommel 26 aufgewickelt zu werden. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von mit mehreren isolierenden und leitenden Schichten aus Polytetrafluoräthylen aufgebauten koaxialen Impuls- und geräuschfreien Gerätekabeln, dadurch gekennzeichnet, daß zur guten Verankerung der Schichten auf dem Leiter und miteinander der ersten auf dem Leiter in Form einer Suspension oder Paste aus leitendem Polytetrafluorethylen aufzubringenden Schicht kurz vor der Aufbringung eine Säure, vorteilhafterweise Salzsäure, zugesetzt wird und der Säuregrad hierfür auf den p_H-Wert von 1,5 unid für die weiteren, mit dem Leiter nicht in Kontakt stehenden Schichten zur Aufrechterhaltung ihrer kolloidalen Stabilität auf einen p_H-Wert über 4, vorteilhafterweise zwischen 4 und· 8,9, eingestellt wird, wobei die Suspension, wie an sich bekannt, im Tauch- und die Paste im Spritzverfahren aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Polytetrafluoräthylenschichten im Durchlaufverfahren durch Tauchnngen und nachfolgende Wärmebehandlung erzeugt werden, wobei jede der. hintereinander zu durchlaufenden Tauch- und Wärmeeinrichtungen vom entstehenden Kabel nur einmal durchlaufen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß. mit dem Tauchverfahren ein Spritzverfahren kombiniert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verarbeitung erforderliche Viskosität der Suspension oder der Pastedurch Beigabe von weichmachenden Mitteln, insbesondere von Mineralöl oder Naphtha, eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelschicht aus Polytetrafluorathylen durch Beimischung von isolierenden, wärmefesten, feinteiligen und inerten Stoffen, z. B. aus- keramischem Material oder Glas, gehärtet wird,

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Polytetrafluorethylen aus einer kohlenstoffhaltigen Mischung besteht, bei der der Kohlenstoff 15 bis 60%, vorzugsweise 20%, des Mischungsgewichtes ausmacht und das Verhältnis der festen Bestandteile Polytetrafluorethylen und Kohlenstoff zum Lösungsmittel in dem Bereich zwischen 1:3 und 3:1 liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 747 693;
britische Patentschrift Nr. 716 540;
USA.-Patentschrift Nr. 1 888 762;
Zeitschrift »Elektrotechnik«, Bd, 1, 1947, S. 106;
Zeitschrift »Der Elektrotechniker«, 1950, S. 69
und 70.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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