DE3718449A1

DE3718449A1 - Duennwandige hochleistungsdrahtisolation

Info

Publication number: DE3718449A1
Application number: DE19873718449
Authority: DE
Inventors: Stuart Karl Randa
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1986-06-02
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1987-12-03
Also published as: GB8712643D0; IT8720746A0; FR2606543B1; JPH0752606B2; IT1205052B; GB2191330B; NL8701285A; FR2606543A1; GB2191330A; JPS6324503A; US4716073A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Draht zur Übermittlung elektronischer Signale, der zur Isolation mit einem Fluorpolymerschaum überzogen ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung von Ethylen/Tetrafluorethylen- (ETFE) oder Ethylen/Chlortrifluorethylen-Polymeren (ECTFE) zur Herstellung eines geschäumten isolierenden Überzugs für Draht zur Übermittlung elektronischer Signale, wobei der geschäumte Überzug von einem schützenden Mantel oder einer schützenden Haut aus einem der beiden Polymeren umgeben ist.

Elektrische Drähte werden zur Übermittlung elektronischer Signale verwandt. Solche Drähte müssen geschützt oder isoliert werden, wozu gewöhnlich Kunststoffüberzüge aus dem geschmolzenen Zustand auf und um den Draht extrudiert werden. Diese Kunststoffmaterialien sind so ausgewählt, daß sie eine niedrige dielektrische Konstante und einen niedrigen Verlustfaktor haben. Kürzlich wurde gefunden, daß, wenn der Kunststoff bei der Aufbringung auf den Draht geschäumt wird, die dielektrische Konstante wegen der Bildung zahlreicher kleiner Zellen im Schaum wünschenswert erniedrigt wird.

Geschäumte Isolierungen auf Übermittlungsdrähten sind im US-Patent 30 72 583 von S. K. Randa offenbart, wo ein nukleiertes Schäumungsverfahren zur Extrudierung von perfluoriertem Polymerschaum, z. B. Ethylen/Propylen-Copolymer (FEP), mit einem gelösten Gas als Treibmittel beschrieben ist. Wegen seiner hohen Viskosität ist es schwierig, FEP-Schaum in hohen Geschwindigkeiten auf Drähte zu extrudieren.

Die US-Patente 43 31 619 und 43 94 460 von Chung et al betreffen eine nukleierte, chemisch geschäumte Schaumzusammensetzung auf Basis von fluorierten Copolymeren, vorzugsweise von Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymeren. Dieses Patent beschreibt Schaum auf dem Draht nur hinsichtlich seiner durchschnittlichen Zellgrösse. Es spricht nicht auf das Problem der niedrigen Durchschlagsfestigkeit an, die auf strukturelle Mängel des Schaums zurückzuführen sind. Strukturell und elektrisch kann die Schaumisolierung geschwächt werden, wenn mehrere Schaumzellen radial zwischen dem Draht und der äusseren Oberfläche der Schaumisolierung aneinandergereiht und/oder wenn zwei oder mehrere überdurchschnittlich grosse Schaumzellen so aneinandergereiht sind oder wenn die Grösse einer einzelnen Zelle der Dicke der Isolation nahekommt. Die Werte elektrischer Tests sind in diesen Patenten nicht wiedergegeben, jedoch lassen die Beispiele durch den Hinweis, "ein Minimum an Nadellöchern erscheine auf den Oberflächen", erkennen, dass Nadellöcher in dem Überzug vorhanden sind.

Manchmal wird eine Haut oder ein Mantel um die Schaum- Draht-Konstruktion gelegt, um den Aufbau zu schützen. Beispielsweise offenbart das US-Patent 43 09 160 von Poutanen et al eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildung eines Schaumüberzugs und einer ungeschäumten Haut um einen Telefondraht. Das Patent legt dar, dass der Schaum gute elektrische Eigenschaften (d. h. eine niedrige Dielektrizitätskonstante) gewährleistet und die ungeschäumte äussere Schicht oder Haut gute mechanische Eigenschaften mit sich bringt. In diesem Patent werden der Schaum und die Haut aus dem gleichen Kunststoffmaterial hergestellt, jedoch fluorierte Polymere nicht erwähnt.

In ähnlicher Weise lehrt der Maillefer Technical Report 17 Extrusionstechniken zur Schaum-Haut-Extrusion auf Drähte. Es betrifft jedoch hauptsächlich Polyethylenschaum/Polyethylenhaut- Konstruktionen und weist nicht auf die Verwendung von fluorhaltigen Polymeren hin.

Es besteht ein Bedarf hinsichtlich der Hochgeschwindigkeits- Extrusion von sowohl Schaum als auch Haut auf elektrische Drähte.

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Draht, der mit einem ein Ethylen/Chlortrifluorethylen-Copolymer oder Ethylen/Tetrafluorethylen-Copolymer enthaltenden Fluorpolymerschaum und auf dem Schaum mit einer ein Ethylen/Chlortrifluorethylen- Copolymer oder Ethylen/Tetrafluorethylen-Copolymer enthaltenden ungeschäumten Fluorpolymerhaut überzogen ist.

Die Erfindung umfasst geschäumte Überzuge hoher elektrischer Qualität, um ein Mitteldraht, welche durch eine äussere ungeschäumte polymere Haut geschützt sind. Der Schaum und die Haut werden aus einem Copolymer aus Ethylen/ Tetrafluorethylen (ETFE) oder einem Copolymer aus Ethylen/ Chlortrifluorethylen (ECTFE) hergestellt. Schaum und Haut können aus dem gleichen Copolymer hergestellt sein, müssen es aber nicht. Die verwandten Copolymere sollten 40 bis 60 Mol-% Ethylen (E), 60 bis 40 Mol-% Tetrafluorethylen (TFE) oder Chlortrifluorethylen (CTFE) enthalten und können auch bis zu 10 Mol-% eines copolymerisierbaren Monomeren enthalten, welches im wesentlichen frei von telogener Aktivität ist. Dieses Termonomer ist vorzugsweise ein Vinylmonomer, welches eines Seitenkette mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen, wie in der US-PS 33 42 777 beschrieben, aufweist; oder ein Perfluoralkylethylen mit der Formel CH₂=CHR_f, wie in der US-PS 41 23 602 beschrieben. Das ETFE- Copolymer soll Schmelzviskositäten im Bereich von 0,5 bis 0,9 · 10⁴ Poise bei 298°C aufweisen, gemessen nach ASTM D-1238. Falls die Haut eine niedrigere Schmelzviskosität aufweist als das geschäumte Polymer, erleichtert dies die Extrusion der Haut um den Schaum.

Der Schaum bewirkt eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Die äussere Haut ist nicht geschäumt und hat eine höhere Dielektrizitätskonstante, jedoch verändert die Haut die zwischen den Paaren in der Kabelanordnung gemessenen gegenseitigen Kapazitätseigenschaften nicht wesentlich.

Die Auswahl von ETFE- oder ECTFE-Materialien für Telekommunikationsdrähte und -kabel (Telefon und optische Fasern) ergibt eine vorteilhafte Zusammenstellung. Ein bislang verfügbarer Schaum war Teflon®/FEP-Fluorkohlenstoffschaumharz (TFE/HFP) gemäss der US-PS 30 72 583, d. h. fluoriertes Ethylen/Propylen, das eine bessere Hitze- und Flammbeständigkeit als das bislang bekannte Polyethylen und der nicht näher spezifizierte "Kunststoff" der US-PS43 09 610 ergab.

Gleichwohl, im Vergleich zum FEP-Schaum ergeben die vorliegenden ECTFE- oder ETFE-Konstruktionen überraschende Verbesserungen hinsichtlich der Stauchfestigkeit, Durchschlagsfestigkeit, Färbbarkeit und Einfachheit der Herstellung. Es könnte vermutet werden, dass die Verwendung von ETFE und/oder ECTFE zu nicht ausreichenden dielektrischen Konstanten und Verlustfaktoren führt, weil die Polymeren hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften FEP unterlegen sind, jedoch haben die erfindungsgemässen Konstruktionen gute elektrische Eigenschaften.

Es könnte ferner vermutet werden, dass diesen Materialien, welche weniger flammenresistent sind als perfluoriertes FEP, flammenhemmende Mittel zugesetzt werden müssen, mit sich daraus ergebenden weiteren Nachteilen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften und der Extrusionsgeschwindigkeit, jedoch ist gefunden worden, dass eine angemessene Flammenresistenz eines Kabelbündels auch ohne die Verwendung von flammenhemmenden Mitteln erreichbar ist. Diese überzogenen Drähte zeigen eine hinreichende Leistungsfähigkeit gemäss UL 910, dem herkömmlichen, kommerziellen Steiner-Tunnel-Test für Flammenausbreitung und Rauch.

Die Erfindung ermöglicht es, aus Fluorpolymeren ungewöhnlich dünnwandige Schaumisolierungen um Drähte herzustellen, die durch eine dünne harte Haut oder einen solchen Mantel um den Schaum geschützt sind. Dünnere Wände sind deshalb erwünscht, weil Raum gespart wird. Beispielsweise weist ein massiver AWG-24-Draht mit einer diesen umgebenden 0,125 mm (5 mil) dicken Wand aus Schaumisolierung einen äusseren Durchmesser von nur 0,76 mm (30 mil) auf, wogegen der Durchmesser 1,5 mm (60 mil) beträgt, also etwa die doppelte Stärke, wenn die Wand 0,5 mm (20 mil) dick ist.

Gedrehte Drahtpaare, d. h. ineinander verdrehte Drähte, werden gewöhnlich zur Übermittlung elektrischer Signale verwandt. Gedrehte Drähte sind vorteilhaft wegen ihrer Einfachheit. Je niedriger die dielektrische Konstante der Isolation, desto höher ist die Geschwindigkeit und Qualität des Signals. Die erfindungsgemäss verwandten fluorierten Harze haben eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante, und das Schäumen dieser Fluorpolymeren erniedrigt die Dielektrizitätskonstante weiter, was die Isolierung noch wünschenswerter macht. Unglücklicherweise neigt ein schaumisolierter Draht beim Verdrehen zur Stauchung des Schaums, was zu einer erhöhten gegenseitigen Kapazität und manchmal zu verminderter Durchschlagsfestigkeit führt.

Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit wird gemäss der Erfindung eine dünne Haut (5 bis 35% der gesamten Isolationsdicke) aus ungeschäumten ETFE oder ECTFE als Überzug für die Beschichtung verwandt. Diese Haut kann mittels einer zweiten Extrusion aufgebracht werden oder mittels einer dualen simultanen Extrusion.

Es wurde gefunden, dass der äussere Überzug mit seiner höheren dielektrischen Konstante wenig Einfluss auf die gesamte dielektrische Konstante ausübt und, umgekehrt, wenig Einfluss auf die Geschwindigkeit und Qualität des übermittelten Signals. Deshalb kann die ungeschäumte zähe Haut auf der Aussenseite des Schaums angeordnet werden, ohne die Kabelleistung zu beeinträchtigen. Mit dem Vorhandensein der schützenden Haut kann der innere Überzug mit einem noch höheren Anteil an Zellen geschäumt werden. Weiterhin, falls das Hautpolymer eine hohe Fliessfähigkeit in der Schmelze aufweist, unterstützt dies die Extrusionsfähigkeit der Gesamtzusammensetzung bei der simultanen Extrusion. Die Haut gewährt eine grössere Widerstandsfähigkeit gegen Druckkräfte, wie sie bei der Herstellung von verdrehten Paaren auftreten.

Ohne diese zähen äusseren Überzüge ist es schwierig, miniaturisierte (d. h. dünne Isolationen) verdrehte Drahtpaarstrukturen mit niedrigen gegenseitigen Kapazitäten (5 bis 15 pf/ft) herzustellen, wie sie für Kabelsysteme benötigt werden, und zugleich eine adäquate Durchschlagsfestigkeit zwischen den Paaren zu erzielen.

Die verwandten Fluorpolymere ergeben eine niedrige dielektrische Konstante in geschäumter Form, eine hohe Durchschlagsfestigkeit in ungeschäumter Form und eine niedrige gegenseitige Kapazität zwischen verdrehten Paaren isolierter Drähte. Sie bewirken weiterhin hohe Temperaturwiderstandsfähigkeit, niedrige Flammenausbreitung und Rauchentwicklung ohne die Zugabe von Flammen- und Rauchunterdrückern, mechanische Festigkeit bei der zur Herstellung von verdrehten Drahtpaaren verwandten Paarbildung, Stärke, Zähigkeit und gute Färbbarkeit der Isolierung auf jedem Draht zur Unterstützung der Installierung und Wartung.

In einer Ausführungsform kann die dünne Haut aus festem fluoriertem Polymer zugleich mit dem Schaum unter Verwendung von zwei Extrudern und einem Querspritzkopf extrudiert werden.

Typischerweise bestehen die beschriebenen Schaum-Haut-Zusammensetzungen aus einem Schaum mit 25 bis 70% Hohlraumgehalt mit einer Wanddicke von 0,05 bis 0,76 mm (2 bis 30 mil), der mit einer festen Haut von 0,013 bis 0,127 mm (0,5 bis 5 mil) Dicke bedeckt ist und eine durchschnittliche Zellgröße von 0,05 bis 0,12 mm (2 bis 5 mil) aufweist (näher an 0,05 mm in dünnen Isolationen und näher an 0,12 mm in dicken Isolationen).

Eine Anordnung für die simultane Extrusion von Schaum und Haut auf Draht besteht aus einem Davis-Standard-Extruder von 5 cm (2″) Durchmesser mit einem 24/1-Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D), ausgerüstet mit einem Gleichstrom-Motorantrieb, der zu einer Schneckengeschwindigkeit von wenigstens 50 Upm in der Lage ist, zur Schäumung unter Verwendung von entweder flüssiger oder gasförmiger "Freon"-22-Fluorkohlenstoff- Injektion geeigneten Schnecken, einem Hilfs-Schnecken- Extruder mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1″) und einem L/D von 20/1 zur Bereitstellung der Schmelze, welche die äussere Haut bildet, einem elektronischen Draht-Vorheizer, einem kommerziell erhältlichen, dualen Winkelkopf für Schaum- Haut-Beschichtungen mit einer Spritzdüse, einem Wasserbad, einem Capstan mit Wechselstrom-Motorantrieb, der zu Drahtgeschwindigkeiten von 15 m/min bis zu einer Höhe von 1675 m/min (50 bis 5500 fpm) in der Lage ist, und "in-line"-elektronischer Ausrüstung zur kontinuierlichen Überwachung des Durchmessers des isolierten Drahtes und seiner Kapazität. Der Schmelzdruck des geschmolzenen Harzes wird beobachtet und die Drahtgeschwindigkeit oder Extrusionsgeschwindigkeit entsprechend eingestellt.

Jedes flüssige oder gasförmige Schäumungsmittel kann zur Schaumbildung verwandt werden. Das zu schäumende Polymer kann ein nukleierendes Mittel wie Bornitrid enthalten. Der Schaum und die Haut können nach jedem herkömmlichen Verfahren auf den Draht extrudiert werden.

Die Beispiele erläutern die Natur der Erfindung. In den Beispielen wurde die oben beschriebene Ausrüstung verwandt. Druckextrusionsdüsen mit Düsenöffnungen von 0,71 mm (0,028 in.) oder 0,9 mm (0,023 in.) wurden verwandt. Düsen mit internen Winkeln von 15° bis 60° können verwandt werden. Zylinder-, Adapter- und Winkelkopftemperaturen von 316 bis 335°C (600 bis 635°F) wurden verwandt. Die Düsentemperatur betrug 371 °C (700°F), der Schmelzdruck 4,1 MPa (600 psi). Ein Gasdruck von 0,6 MPa (90 psig) "Freon"-22 im Fluorpolymer wurde verwandt und die Schneckengeschwindigkeit betrug 20 Upm und die Drahtgeschwindigkeit 198 m/min (650 fpm). Die Schergeschwindigkeit des Harzes an der Düsenoberfläche wurde zu 7 · 10⁴ s^-1 berechnet.

Vergleichsbeispiel A

In diesem Beispiel wurde ein Schaum aus Ethylen/Tetrafluorethylen- Copolymer (ETFE) unter Bildung einer Isolation um einen Draht extrudiert. Eine Haut war nicht vorhanden.

ETFE von 50/50 Mol-% mit einer kleinen Menge Perfluorbutylethylen- Termonomer (was etwa 20,4 Gew.-% Ethylen, 77,5 Gew.-% Tetrafluorethylen und 2,1 Gew.-% C₄F₉CH=CH₂ bedeutet) mit einer Schmelzviskosität von 0,9 × 10⁴ Poise wurde zur Extrudierung eines Schaums von 0,15 mm (6 mil) mit etwa 40% Hohlraumgehalt auf einen massiven AWG-24-Kupferdraht (0,5 mm (20,1 mil) im Durchmesser) verwandt. Die Schaumzellen waren geschlossen und hatten im Mittel einen Durchmesser von 50 µm (2 mil), bestimmt durch Ausmessen vergrösserter Querschnittsphotographien der Proben. Dieser Drahtaufbau von insgesamt 0,8 mm (31 mil) besass eine koaxiale Kabelkapazität von 72 ± pF/ft. Dies entspricht einer dielektrischen Konstante von 1,85 (ungeschäumtes ETFE weist eine dielektrische Konstante von 2,6 auf).

Der Drahtaufbau hat die nachstehenden zusätzlichen Eigenschaften: Die Zugfestigkeit beträgt 13,8 MPa (2000 psi) hinsichtlich des geschäumten Überzugs. Die Zugdehnung beträgt 100% für den geschäumten Überzug. Die Stauchfestigkeit für die Drahtkonstruktion beträgt 323 kg (712 pounds). Der Draht wird zwischen zwei parallelen Platten von 2 in. Länge gequetscht, wobei als Versagen die Kraft angesehen wird, die benötigt wird, um einen elektrischen Kurzschluss der Platten mit dem Leiter Herbeizuführen. Die Durchschlagsfestigkeit beträgt 500 V/25,4 µm (V/mil).

Wenn zu dieser ähnliche geschäumte Drahtkonstruktionen zu Paaren verdreht wurden, wurde eine Gleichstrom-Durchschlagsfestigkeit von weniger als 2000 V Gleichstrom gefunden.

Beispiel 1

Ein Schaum-Haut-Aufbau wurde unter Verwendung des gleichen ETFE, wie in Vergleichsbeispiel A, auf einen Draht extrudiert. Hierdurch wurde ein Schaum von 0,127 mm (5 mil) mit 45% Hohlraum und einer pigmentierten festen ungeschäumten Schicht von 0,025 mm (1 mil) auf einem AWG-Nr. 24-Kupferdraht gebildet. Die Extrusionsbedingungen wurden so nahe, wie möglich, an denen gehalten, die für die in Vergleichsbeispiel A gebildete Schaumisolation von 0,15 mm (6 mil) verwandt wurden, ausser, dass der Hilfsextruder mit 2,54 cm (1 in.) verwandt wurde, um pigmentierte ETFE-Polymerschmelze für den dualen Überzugswinkelkopf für die Haut bereitzustellen. Die Schaumzellen waren geschlossen und betrugen im Durchschnitt 50 µm (2 mil) im Durchmesser.

Die Schaum-Haut-Isolierung von 0,15 mm (6 mil) wurde durch Bildung von verdrehten Paaren getestet. Die Paare überstanden ohne weiteres 2500 V, bei einer Gleichstrom-Durchschlagsfestigkeit von durchschnittlich 6000 V zwischen den Paaren. Dies war überraschend. Eine andere wichtige elektrische Messung für verdrehte Drahtpaare betrifft die gegenseitige Kapazität zwischen den Paaren. Die berechneten gegenseitigen Kapazitätswerte für den 6-Mil-Schaum mit 45% Holraumgehalt nach Vergleichsbeipiel A und dem 0,127 mm (5 mil) Schaum mit 45% Hohlraumgehalt, bedeckt mit einer festen Haut von 0,025 mm (1 mil), nach Beispiel 1, betragen jeweils 46,6 und 48,2 picoFarad/m (14,2 und 14,7 picoFarad/ft), was besser ist, als bei Standard-Telefondraht.

Die Ergebnisse dieser beiden Arten elektrischer Tests zeigen an, dass die Verwendung eines fluorierten Polymers in einer Schaum-Haut-Isolierung zu einer wesentlichen Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit bei einer nahezu unbedeutenden Erhöhung des Wertes für die gegenseitige Kapazität der verdrehten Paare führt.

Beispiel 2

In diesem Beispiel bestand der Schaum aus ECTFE und die Haut aus ETFE. Die Technik war verschieden, weil das ECTFE, "Halar" 558 von Allied, ein chemisches Treibmittel enthielt, so dass kein gasförmiges Treibmittel hinzugefügt wurde.

Der für ECTFE verwandte Extruder hatte eine Düsenöffnung von 1 mm (0,040 in.) und einen eingeschlossenen Winkel von 60°. Die Zylindertemperatur betrug 249°C, die Winkelkopftemperatur 282°C und die Düsentemperatur 304°C. Die Schneckengeschwindigkeit für ECTFE betrug 13 Upm.

Das ETFE war ähnlich zu dem im Vergleichsbeispiel, ausser dass es eine Schmelzviskosität von 0,75 × 10⁴ Poise bei 298°C aufwies. Der Druck der Schmelze an der Düse betrug 10 bis 12,7 MPa (1500 bis 1900 psi) und die Drahtgeschwindigkeit 150 ft/min (46 m/min).

Die IR-Analyse bestätigte, dass die Drahtprobe einen Hautüberzug aus ETFE-Harz aufwies. Der Schaum darunter war "Halar"-ECTFE-Harz, "geschäumt" durch das im Harz vorhandene chemische Treibmittel von "Allied". Die Berechnung ergab einen Hohlraumgehalt der Isolation von 20% (elektrische Daten) bis 27% (Gewicht und geometrische Daten). Die Durchschlagsfestigkeit der primären E-159-58-4-Drahtproben von 10 Fuß Länge, getestet in Salzlösung, betrug 1500 V Wechselstrom. Die durchschnittliche Spannung zwischen Leitern in verdrehten Paaren in einem fertiggestellten 4-Paar-Kabel von ungefähr 10 Fuß Länge betrug durchschnittlich 5500 V Gleichstrom.

Claims

1. Elektrischer Draht, dadurch gekennzeichet, dass er mit einem ein Ethylen/Chlortrifluorethylen-Copolymer oder Ethylen/Tetrafluorethylen-Copolymer enthaltenden Fluorpolymerschaum und auf dem Schaum mit einer ein Ethylen/ Chlortrifluorethylen-Copolymer oder Ethylen/Tetrafluorethylen- Copolymerenthaltenden ungeschäumten Fluorpolymerhaut überzogen ist.

2. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumschicht 0,05 bis 0,76 mm dick ist und die Haut eine Dicke von 0,013 bis 0,076 mm aufweist.

3. Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht ein massiver oder litzenförmiger Kupferdraht ist mit einem AWG-Mass von insgesamt 40 bis 20.

4. Drahtpaare nach einem der Ansprüche 1 bis 3.