DE69116703T2

DE69116703T2 - Isolierte Leiter mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69116703T2
Application number: DE69116703T
Authority: DE
Inventors: Lawrence Carl Muschiatti
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-05
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2011-02-06
Also published as: EP0442346B1; IE910392A1; DE69116703D1; KR910016016A; CA2035781A1; JPH04215210A; EP0442346A1

Description

Hintergrund der Erfindung

In der Luft können metallische Leiter elektrische Impulse bei Geschwindigkeiten übertragen, die sich der Lichtgeschwindigkeit annähern. Jedoch werden reine Leiter in den meisten Anwendungen nicht verwendet, da die Leiter mechanisch gestützt werden müssen, und aufgrund von Risiken wie Kurzschluß, Erschütterung und Feuer, die auftreten können, wenn andere Materialien sich zu nahe an Elektrizität-übertragenden Leitern befinden oder direkt mit Elektrizität-übertragenden Leitern in Kontakt stehen. Zur Vermeidung derartiger Probleme und Risiken werden Leiter mit einer nichtleitenden Isolierung umgeben. Auf atomaren Niveau enthält diese Isolierung Ladungen, die polarisiert werden können und mit dem elektrischen Impuls, der entlang des Leiters wandert, in Wechselwirkung stehen. Diese Wechselwirkung verzögert den Fluß des elektrischen Impulses durch den Leiter und beschränkt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des übertragenen elektrischen Impulses.
Die Dielektrizitätskonstante K eines Materials ist ein Maß für die Polarisierbarkeit der Ladungen in einem Material. Wenn die Dielektrizitätskonstante zunimmt, nimmt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines elektrischen Impulses ab, der entlang eines Leiters wandert, der von dem Material mit der höheren K umgeben ist. Wenn umgekehrt die Dielektrizitätskonstante gegen 1,0 - der Dielektrizitätskonstanten von Luft - abnimmt, nähert sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines elektrischen Impulses, der entlang eines Leiters&sub1; der von dem Material mit der niedrigen K umgeben ist, wandert, der Lichtgeschwindigkeit. Gebräuchliche Isolierung hat eine Dielektrizitätskonstante, die bedeutend größer als die von Luft ist. Demgemäß übertragen Leiter innnerhalb solcher gebräuchlicher Isolierung elektrische Impulse mit Geschwindigkeiten, die geringer sind als die eines reinen Leiters in der Luft.
Neuere Fortschritte bezüglich der Fähigkeiten von Rechnern und der Telekommunikation erfordern höhere Fortpflanzungsgeschwindigkeiten über isolierten Leitern. Verschiedene Isoliermaterialien und Strukturen sind offenbart worden; es besteht jedoch noch ein Mangel an einem isolierten Leiter, der elektrische Signale bei Geschwindigkeiten überträgt, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen.
US-A-3 309 458 und 3 332 814 von Yoshimura et al. und die japanische Patentveröffentlichung JP-A-73/35355 offenbaren eine Isolierung aus geschäumtem Polystyrol. In den Patenten von Yoshimura et al. ist das geschäumte Polystyrol sehr hart und brüchig, kann ein bis zu 97 % größeres Volumen als das nicht-geschäumte Polystyrol und eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 1,03 haben. Das geschäumte Polystyrol ist mit flexiblem Polyethylenband verklebt, um die Steifheit des Polystyrols auszugleichen. Die Konstruktion aus flexiblem Band/geschäumtem Polystyrol wird als Isolierung zwischen den zwei Leitern in einem Koaxialkabel verwendet.
Die japanische Patentveröffentlichung JP-A-73/35355 offenbart einen Isolationsdraht, der durch Extrusionsbeschichtung eines Leiters mit einer Isolierschaum-Zusammensetzung hergestellt wird, die aus Polystyrol, einem Treibmittel und Wasser besteht. Der prozentuale Anteil an Löchern in der Schaum-Isolierung ist 90,6 %.
Wilkenloh et al. in US-A-4 107 354 und die japanische Patentveröffentlichung JP-A-56/167201 offenbaren eine Isolierung von geschäumtem Polyolefin. Wilkenloh et al. offenbaren ein Koaxialkabel, in dem der Kern-Leiter mit einem Dielektrikum beschichtet ist, das eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1,32 bis 1,1 hat. Das Dielektrikum umfaßt ein extrudiertes zellenförmiges Polyethylen oder Polypropylen, das durch direktes Einspritzen eines Treibmittels in einer flüssigen Form in das Polymer während der Extrusion zellenförmig gemacht wurde. Das sich ergebende Polyolefin hat eine Schaumdichte zwischen 0,10 und 0,21 g/cm³.
Die japanische Patentveröffentlichung JP-A-56/167201 offenbart einen Isolationsdraht, umfassend ein geschäumtes Polyolefin, das auf einen Leiter extrudiert ist. Das geschäumte Polyolefin ist ein Copolymer von Ethylen und α-Olefin, das mehr als vier Kohlenstoffatome hat, welches ein Treibmittel enthält. Das Ausgangs(nicht-geschäumte)-Copolymer hat eine Dichte von 0,926 bis 0,960 g/cm³. Das extrudierte Polyolefin hat einen prozentualen Schaumanteil von 82 %.
Suzuki offenbart in US-A-4 379 858 eine Copolymerharz-Matrix, die darin dispergiert, poröse Fragmente enthält. Die Harzmatrix umfaßt ein Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether Copolymer. Die porösen Fragmente haben eine Porosität von 40- 90 % und sind aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen und Polypropylen, ausgewählt. In den Fragmenten eingeschlossene Luft dehnt sich während des Schmelz-Formverfahrens aus, um Blasen in der Matrix zu bilden. Das Produkt ist zur Isolierung von Draht oder Kabel geeignet.
Perelman, US-A-4 304 713 und 4 368 350, und die britische Patentveröffentlichung GB-A-2 143 237 offenbaren geschäumte Fluorpolymere als elektrische Isolierung. Perelman offenbart ein geschäumtes, schmelzextrudierbares perfluoriniertes Ethylen-Propylen-Polymer, das ein PTFE-Nukleierungshilfsmittel enthält. Vorzugsweise hat das geschäumte Perfluorpolymerharz eine geschlossene Zellstruktur - wobei die Zellen in einem Größenbereich von 10 bis 40 mil (0,25-1,02 mm) liegen -, eine so geringe Schaumdichte wie 1,0 g/cm³ und einen Isolationsverlust von weniger als 1,8 db/30,4 m (1,8 db/100 ft.) bei 1000 MHz. Das geschäumte Harz kann verwendet werden, um ummantelte elektrische Leiter und/oder Koaxialkabel herzustellen, worin wenigstens ein Leiter an das geschäumte, schmelzextrudierte Harz gebunden ist.
Die britische Patentveröffentlichung GB-A-2 143 237 offenbart eine geschäumte Fluorpolymer-Isolierung, die in einem Verfahren zur Herstellung eines Koaxialkabels mit geringem Gewicht auf einem Draht schmelzextrudierbar ist. Die bevorzugte geschäumte Isolierung hat einen berichteten Hohlraumgehalt von 65%.
Die europäische Patentveröffentlichung EP-A-211 505 und US-A-3 953 566 und 4 096 227 von Gore offenbaren eine poröse PTFE-Isolierung. EP-A-211 505 offenbart ein flexibles, elektrisches Hochspannungs-Isolierband, umfassend ein Band aus verstrecktem, porösem PTFE, das ein Fluorelastomer aufweist, welches in den Poren desselben an wenigstens einer Oberfläche des PTFE-Bandes imprägniert ist. Das imprägnierte, poröse PTFE hat eine so geringe Dielektrizitätskonstante wie 1,3. Das Fluorelastomer ist in den Oberflächenporen eingefügt, um zu verhindern, daß die inneren offenen Zellen durch äußere Kräfte zerquetscht werden. Zur Isolierung eines Drahters oder Kabels wird das modifizierte PTFE-Band spiralförmig auf den Leiter aufgewickelt oder in Längsrichtung an dem Leiter befestigt.
In US-A-3 953 566 und 4 096 227 offenbart Gore ein verstrecktes, amorph-versperrtes PTFE, das als ein elektrischer Isolator brauchbar ist. Das PTFE hat einen Gehalt an Amorphem von mehr als etwa 5 % und eine Mikrostruktur, die durch Knoten gekennzeichnet ist, die durch Fibrillen miteinander verbunden sind (d.h. offene Zellen) . Die verstreckte PTFE-Isolierung in einem Koaxialkabel hat eine Dielektrizitätskonstante von 1,2 bis 1,8.
US-A-4 204 086 offenbart die Bildung einer geschäumten Polymer-Isolierung auf einem Draht durch Extrusion eines geschmolzenen Polymers, das ein Keimbildungsmittel zur Initiierung der Bildung von Hohlräumen enthält, die durch ein Treibmittel aufgeblasen werden sollen, während sich das Polymer aus der Schmelze abkühlt.
US-A-4 894 488 offenbart ein Kabel, umfassend einen rohrförmigen äußeren Leiter und wenigstens einen inneren Leiter zur Übertragung elektrischer Signale. Zwischem dem inneren und dem äußeren Leiter befindet sich ein geschäumtes dielektrisches Material. Dieses Dielektrikum wird durch die Extrusion eines Olefin-Polymers oder eines Fluorpolymers mit einem Treibmittelgas gebildet.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch isolierten Leiter, umfassend ein elektrisch leitfähiges Element, das von einer geschäumten Polymer-Isolierung umgeben ist, die ein Hohlraumvolumen von mehr als 75% hat, worin die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des isolierten Leiters mehr als 90% der Lichtgeschwindigkeit beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das geschäumte Polymer eine ultramikrozelluläre Struktur hat und das elektrisch leitfähige Element umhüllt, und worin die ultramikrozelluläre Struktur aus einem synthetischen, kristallinen, semi-kristallinen oder amorphen Polymer einer hohen Molmasse zusammengesetzt ist und einen großen Anteil geschlossener polyedrischer Zellen hat, die durch luftdurchlässige Wände einer Dicke von weniger als 2 um definiert sind, wobei im wesentlichen das gesamte Polymer die Zellwände ausmacht und gleich-förmige Textur und uniplanare Orientierung aufweist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kabel, umfassend eine Vielzahl der obigen elektrisch isolierten Leiter.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung des obigen elektrisch isolierten Leiters.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Das elektrisch-leitfähige Element der Erfindung ist typischerweise ein Draht mit einem relativ kleinen medianen Durchmesser. Metalle wie Kupfer, Kupfer-Legierungen, Aluminium und Materialien, die mit Metallen wie Zinn, Silber, Kupfer oder Nickel plattiert sind, sind sowohl in Litzen- als auch in fester Form als Drähte geeignet. Kupfer ist ein bevorzugtes Draht-Material. Der mediane Durchmesser des Drahtes kann von 0,00049 inch bis 0,032 inch (AWG 56 bis AWG 20) (0,01-0,81 mm) reichen und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,006 bis 0,013 inch (0,15-0,33 mm).
Das ultramikrozelluläre, geschäumte Polymer, das den Draht isoliert hat ein Hohlraumvolumen von mehr als 75 %, vorzugsweise mehr als 85 % und mehr bevorzugt vom mehr als 94 %. Geeignte ultramikrozelluläre, geschäumte Polymere sind in US-A-3 375 211, US-A-3 584 090, US-A-3 503 907 und US-A- 3 696 181 offenbart. Diese ultramikrozelluläre Struktur besteht aus einem hochmolekularen, synthetischen, mikrokristallinen, semi-kristallinen oder amorphen Polymer und hat einen großen Anteil geschlossener polyedrischer Zellen, die durch luftdurchlässige Wände einer Dicke von weniger als 2 µm definiert sind, wobei im wesentlichen das gesamte Polymer die Zellwände ausmacht und gleichförmige Textur und uniplanare Orientierung aufweist. Um das erwünschte Hohlraumvolumen zu erreichen, müssen die ultramikrozellulären Polymerzellen an einem bestimmten Punkt ein Blähmittel enthalten, dessen Permeabilitätskoeffizient zur Diffusion durch die Wände geringer als der von Luft ist, wobei das Blähmittel befähigt ist, einen Dampfdruck von wenigstens 30 mm Hg (4,00 x 10³ Pa) bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts des Polymers zu erzeugen.
Da die Polymerwände der fertigen ultramikrozellulären Struktur filmartig mit einer Dicke von weniger als 2 µm sind, muß demgemäß das Polymer zumindestens eine zur Filmbildung geeignete molare Masse haben. Zusätzlich dazu muß das Polymer der ultramikrozellulären Struktur eine ausreichende Festigkeit verleihen, damit die bestimmte zellenförmige Struktur derselben nicht beim Aufblähen zerstört wird, um so z.B. dem Zerreißen bei einer wesentlichen Verstreckung der Zellwände zu widerstehen. Aus diesem Grund sollte das Polymer eine Streckfestigkeit von wenigstens 1000 psi (6,89 x 10&sup6; Pa), gemessen durch die ASTM-Testmethode D638-58, haben. Damit andererseits das Aufblähen so erfolgt, daß die erwünschten Hohlraumniveaus erhalten werden, muß die aus Polymer zusammengesetzte Struktur derartig sein, daß sie in dem ausgedehnten Zustand "nachgeben" kann, z. B. elastisch ist, so daß eine wesentliche Verformung unter internen-externen Druckdifferenzen stattfindet, d.h. Unterschieden von einer Atmosphäre oder weniger (da dies die Grössenordnung der Druckdiffenzen ist, die für das Zusammenbrechen und Aufblähen zur Verfügung stehen). Unter wesentlicher Verformung versteht man, daß die ultramikrozelluläre Struktur im ausgedehnten Zustand, d.h. wenn sie einen inneren Druck von wenigstens etwa einer Atmosphäre hat, nachgiebig ist, so daß ihr Volumen um wenigstens 10 % unter einer Belastung von 10 pounds pro Quadratinch (6,89 x 10&sup4; Pa) zusammengedrückt werden kann, und daß sie wenigstens etwa 50 % ihres ursprünglichen Volumens beim Wegnehmen der Belastung wiedererlangen kann. Strukturen, die sich nicht in diesem Maß zusammendrücken lassen sind insgesamt zu steif und gewährleisten so keinen ausreichenden Grad an Elastizität, um auf die Druckunterschieden zu reagieren. Wenn die Struktur sich darüber hinaus nicht in zufriedenstellendem Maß nach dem Wegnehmen der Belastung erholt, ist sie nicht ausreichend flexibel, um dem Brechen und Zerreißen der Zellwände standzuhalten.
Ein wesentliches Merkmal des Polymers, das die Zellwände ausmacht, ist, daß es selektive Permeabilität gegenüber verschiedenen Gasen aufweist; insbesondere, daß es hinsichtlich Luft permeabel, aber weniger permeabel gegenüber Blähmitteldämpfen ist. Ohne diese Eigenschaft wären Bemühungen zum Erhalten einer vollständigen Ausdehnung nicht erfolgreich, da das Blähmittel vorzeitig verlorengehen würde, bevor genügend Luft in die Zellen eingedrungen wäre. Die Klasse der kristallinen, kristallisierbaren und amorphen Polymere der Erfindung ist sehr geeignet, um diese Funktion zu erfüllen, wobei kristalline und kristallisierbare Polymere besonders gut geeignet sind.
Beispiele synthetischer organischer Polymere, die zur Herstellung ultramikrozellulärer Strukturen geeignet sind, umfassen die Klasse synthetischer, kristalliner und kristallisierbarer organischer Polymerer, z.B. Polykohlenwasserstoffe wie lineares Polyethylen, Polypropylen, stereoreguläres Polypropylen oder Polystyrol; Polyether wie Polyformaldehyd; Vinylpolymere wie Polyvinylidenfluorid; sowohl aliphatische als auch aromatische Polyamide wie Polyhexamethylenadipamid und das Polyamid aus 2,2-Bis-p-aminophenylpropan und Isophthalsäure; sowohl aliphatische als auch aromatische Polyurethane wie das Polymer aus Ethylen-bis-chlorfomiat und Ethylendiamin; Polyester wie Polyhydroxypivalinsäure und Polyethylenterephthalat; Copolymere wie Polyethylenterephthalat/isophathalat und äquivalente Copolymere, und die Klasse synthetischer, amorpher, organischer Polymerer, z.B. Polyvinylchlorid; und copolymere von Perfluor-2,2-dimethyl-1,3- dioxol mit einem oder mehreren Fluor-enthaltenden Monomeren wie Tetrafluorethylen. Die Polymere sollten einen Erweichungspunkt von wenigstens 40 ºC haben.
Eine der Eigenschaften der ultramikrozellulären Strukturen ist der hohe Grad an Orientierung des Polymers in den Zellwänden, welche zu der einzigartigen Festigkeit dieser Strukturen beiträgt. Deshalb umfaßt eine bevorzugte Klasse von Polymeren solche Materialien, die auf einen Orientierungsvorgang so ansprechen, daß sie wesentlich fester und stärker werden. Diese Klasse von Polymeren ist dem Fachmann wohlbekannt und umfaßt z.B. lineares Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat und Copolymere derselben.
Aus der vorhergehenden Offenbarung ist es klar, daß die Polymere, die zur Herstellung der zellulären Strukturen der Erfindung geeignet sind, eine annehmbare Permeabilität gegenüber Luft bei Raumtemperatur haben müssen, z.B. einen Diffusionskoeffizienten von wenigstens 10&supmin;¹³ cm³/cm² s cm cm Hg [cm³ ist das Gasvolumen bei STP (Standardtemperatur und Standarddruck), cm² ist die spezifische Oberfläche, cm ist die Probendicke und cm Hg ist der Druckunterschied von einer Probenseite zur anderen (0,1 cm Hg = 1,333,2 Pa)] haben.
Das ultramikrozelluläre Polymer wird aus einer Polymerlösung gebildet, die Polymer, Lösungsmittel und gegebenenfalls Blähmittel umfaßt. Daslösungsmittel bildet, zusätzlich dazu, daß es das Polymer bei erhöhter Temperatur und Druck löst, die Zellen innerhalb des Polymers bei adiabatischer Ausdehnung. Um dies zu erreichen, muß das Lösungsmittel die folgenden Kriterien erfüllen:
(a) das Lösungsmittel sollte einen Siedepunkt von wenigstens 25 ºC und vorzugsweise wenigstens 60 ºC unterhalb des Schmelzpunkts des verwendeten Polymers haben;
(b) Das Lösungsmittel sollte im wesentlichen nichtreaktiv mit dem Polymer und dem Blähmittel während des Vermischens und Jet-Spinnverfahrens sein, und
(c) das Lösungsmittel sollte eine Lösung bilden, die einer schnellen Verdampfung beim Entladen in eine Luft-Atmosphäre bei Umgebungstemperatur und -druck unterliegt.
Geeignete Flüssigkeiten, die sich für die Erfindung als brauchbar erwiesen, umfassen Methylenchlorid, Fluortrichlormethan, 2,2-Dimethylbutan, Pentan, Hexan und Methanol.
Es kann zuweilen erwünscht sein, in die Polymerlösung ein Keimbildungsmittel wie Kohlendioxid, Stickstoff, ein Silicat, eine Mischung von Silicaten oder eine gesättigte aliphatische oder cycloaliphatische Verbindung einzugeben, die wenigstens eine kovalente Fluor-Kohlenstoff-Bindung und mehr Fluoratome als Kohlenstoffatome aufweist, um erhöhte Keimbildung zu ergeben.
Die Funktion des Blähmittels, entweder in der Polymerlösung vorliegend oder in die Zellen des ultramikrozellulären Polymers eingebaut, ist es, eine osmotische Triebkraft zu erzeugen, die befähigt ist, das Aufblähen der Zellstruktur zu verursachen. Demgemäß muß ein derartiges Blähmittel eine "relativ schlechte Hindurchwanderungsfähigkeit " haben, worunter verstanden wird, daß sein Permeabilitätskoeffizient bei 25 ºC zur Diffusion durch die Zellwände niedriger als der von Luft ist. So müssen die Dämpfe des Blähmittels unfähig dazu sein, die Zellwände zu durchdringen z.B. von der Probe nach außen -, und zwar so schnell wie Luft die Zellwände durchdringen kann, z.B. in die Probe hinein, ansonsten könnte ein vollständiges Aufblähen der Zellen bei kontinuierlichem Aussetzen der Probe an eine Luft-Atmosphäre nicht erreicht werden. Ein Blähmittel mit schlechter Hindurchwanderungsfähigkeit ist eines, dessen Permeabilitätskoeffizient zur Diffusion durch die Zellwände nicht nur geringer als der von Luft ist, sondern das auch unfähig ist, die gleichen Zellwände bei Raumtemperatur, z.B. unterhalb von 40 ºC, mit einer solchen Geschwindigkeit zu durchdringen, daß die Hälfte oder mehr desselben in eine Luft-Atmosphäre durch Diffusion innerhalb der Zeitspanne eines Tages, vorzugsweise innerhalb einer Zeitspanne eines Monats oder länger, entweicht. Das letztere gewährleistet tatsächlich, daß die Struktur - entweder zusammengebrochen oder nicht - ihren Aufbläh-Aktivator (das Blähmittel mit schlechter Hindurchwanderungsfähigkeit) während einer vernünftigen Lagerungszeitspanne beibehält.
Die minimale Menge an Blähmittel, die in jeder Zelle enthalten ist, ist zur Realisierung einer angemessenen osmotischen Triebkraft von Bedeutung, um zuverlässiges und ausreichend schnelles Selbst-Aufblähen im vollsten Maß zu erreichen. So sollte eine große Anzahl der Zellen wenigstens eine gewisse Menge des Blähmittels enthalten. Da das Blähmittel in einem gasförmigen Zustand existieren muß, um eine osmotische Triebkraft zu erzeugen, muß es entweder ein Gas bei Raumtemperatur sein, oder fähig sein, bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des synthetischen, die Wände definierenden, Polymers zu verdampfen. In der Praxis wurde gefunden, daß das Blähmittel fähig sein muß, einen Dampfruck von wenigstens 30 mm Hg (4,00 x 10³ Pa) bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts des Polymers zu erzeugen, um auf zuverlässige Weise wohldefinierte Hohlräume bereitzustellen, in die die Außenluft in gängigen Zeitspannen eindiffundieren kann. Wenn deshalb der Dampfdruck des Blähmittels in teilweise zusammengebrochenen (d.h. weniger als vollständig aufgeblähten) Zellen wenigstens 30 mm Hg (4,00 x 10³ Pa) bei Raumtemperatur ist, bläht sich die Struktur normalerweise von selbst in Luft, wie gewünscht, auf. Jedoch können auch Blähmittel erfolgreich verwendet werden, deren Dampfdrücke geringer als 30 mm Hg (4,00 x 10³ Pa) bei Raumtemperatur sind, obwohl häufig eine zusätzliche Stufe oder kurzes Erwärmen der Struktur oberhalb von Raumtemperatur, aber unterhalb des Polymer-Erweichungspunkts, um den Partialdruck des Blähmittels zu erhöhen, dazu beitragen, die Zeitspanne zu reduzieren, die notwendig ist, damit vollständiges Aufblähen erfolgt.
Natürlich lassen sich höhere Blähmittel-Innendrücke anwenden, und sie sind in der Tat bevorzugt, insbesondere, wenn die eingeschlossene Zellstruktur Wände nahe dem oberen Dickenlimit (2 µm) hat, oder wenn das die Wände umfassende Polymer einen hohen Biegemodul (über 100 000 psi (6,89 x 10&sup8; Pa)) bei Raumtemperatur hat.
Die Permeationsgeschwindigkeit eines Blähmittels durch ein gegebenes Polymer nimmt zu, wenn seine Diffundierbarkeit und Löslichkeit zunehmen. Demgemäß sollten verwendbare Blähmittel eine so große molekulare Größe haben, wie es mit dem erforderlichen minimalen 30 mm Hg (4,00 x 10³ Pa) -Dampfdruck vereinbar ist, und geringe Lösungsmittelstärke oder Affinität für die eingesperrten Polymer-Zellwände haben. Eine bevorzugte Klasse derartiger Blähmittel läßt sich beispielhaft durch Verbindungen aufführen, deren Moleküle chemische Bindungen haben, die von denen verschieden sind, die für das eingeschlossene Polymer gefunden werden, die ein geringes Dipolmoment und eine sehr geringe atomare Polarisierbarkeit haben. Weiterhin ist es vorteilhaft, obwohl nicht notwendig, daß das Blähmittel ein Feststoff oder eine Flüssigkeit mit einem hohen Dampfdruck unter Umgebungsbedingungen ist, damit geringe Mengen des Blähmittels in der festen oder flüssigen Phase in jeder teilweise zusammengebrochenen Zelle, zusätzlich zu dem Blähmitteldampf vorliegen. Für derartige Systeme wird der Blähmitteldampf aus dem festen oder flüssigen Blähmittel-"Reservoir" ergänzt, wenn sich die zusammengebrochene Struktur aufbläht, wodurch die vollständige osmotische Triebkraft bis zum Zustand des vollständigen Aufblähens beibehalten wird. Materialien, die bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck nicht gasförmig sind, sind bevorzugt, da sie bei einem gegebenen Gewicht weniger Volumen einnehmen; so kann die Masse der nicht aufgeblähten Strukturen in geeigneter Weise minimiert werden. Produkte, die die normalerweise flüssigen und festen Blähmittel enthalten, müssen bestenfalls in der Atmosphäre einfach erwärmt werden, damit ein Teil des Blähmittels verdampft, und so spontan das Aufblähen verursacht wird.
Geeignete Blähmittel sind aus der Gruppe, bestehend aus Schwefelhexafluorid und gesättigten aliphatischen und cycloaliphatischen Verbindungen ausgewählt, die wenigstens eine kovalente Fluor-Kohlenstoff-Bindung haben und worin die Anzahl der Fluoratome die Anzahl der Kohlenstoffatome übersteigt. Vorzugsweise sind die gesättigten aliphatischen und cycloaliphatischen Verbindungen Perhalogenalkane bzw. Perhalogencycloalkane, in denen wenigstens 50 % der Halogene Fluor sind. Obwohl die aliphatischen und cycloaliphatischen Blähmittel Ether- Sauerstoff-Bindungen enthalten können, sind sie vorzugsweise frei von Stickstoffatomen, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und reaktiven funktionellen Gruppen. Spezifische Bei spiele von Blähmitteln umfassen Difluorethan, Tetrafluorethan, Schwefelhexafluorid, Chlortri fluormethan, Dichlordi fluormethan, CF&sub3;CF&sub2;CF&sub2;OFHCF&sub3;, 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan, sym-Dichlortetrafluorethan, Perfluorcyclobutan, Perfluor-1,3- dimethylcyclobutan und isomere Perfluordimethylcyclobutan- Mischungen. Mischungen von zwei oder mehr Blähmitteln können oft vorteilhafterweise verwendet werden.
Abgesehen von den vorhergehenden Eigenschaften sollte verstanden werden, daß die Blähmittel unter den Verfahrensbedingungen inert, d.h. thermisch stabil, und unter Umgebungsbedingungen chemisch und hydrolytisch stabil sein müssen.
Zur Herstellung eines isolierten Leiters wie einem Draht wird die Polymerlösung, die Polymer, Lösungsmittel und gegebenenfalls Blähmittel, Keimbildungsmittel und/oder andere Additive (Flammverzögerungsmittel, Farbstoffe, usw.) enthält, über einem sich bewegenden Draht in Luft bei Umgebungstemperatur und -druck flash-gesponnen. Überraschenderweise wird der Draht durch das geschäumte Polymer vollständig beschichtet, und dieses behält die vorteilhaften Eigenschaften der ultramikrozellulären Struktur, wie die kleinen, im wesentlichen gleichförmigen, geschlossenen Zellen, die aus dünnen orientierten Zellwänden bestehen, und eine enge Zellgrößenverteilung bei. Diese Eigenschaften der ultramikrozellulären Struktur ergeben hohe Zugfestigkeit, flexible, pneumatische Schaum-Beschichtungen mit sehr hohen Hohlraumvolumen-Niveaus, hohen Innendrükken, sehr geringen Schaumdichten und Fortpflanzungsgeschwindigkeiten entlang des isolierten Leiters, die größer als 90 %, vorzugsweise größer als 95 %, der Lichtgeschwindigkeit sind. Es ist sogar noch überraschender, jedoch wesentlich, daß die vorteilhaften Eigenschaften der ultramikrozellulären Struktur beibehalten werden, wenn das ultramikrozelluläre Polymer in sehr dünnen Ringen über Drähte von geringem Durchmesser aufge tragen wird, z.B. bei der Herstellung isolierter Drähte eines äußeren medianen Durchmessers von weniger als 0,050 inch (1,27 mm) und einer ringförmigen Isolierdicke von weniger als 0,020 inch (0,51 mm).
Zwei Verfahren, Autoklav-Spinnen und Extrusions-Spinnen, sind zur Herstellung isolierter Leiter der Erfindung geeignet. Bei beiden Verfahren wird eine Polymer-Lösung unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gebildet; dann wird die Lösung in einen Bereich niedrigerer Temperatur und niedrigeren Drucks (normalerweise Raumtemperatur und einem Druck von etwa 1 Atmosphäre) überführt, wobei die Lösung sehr rasch verdampft, und ein sich bewegender Draht mit dem geschäumten Material beschichtet wird.
Beim Autoklav-Spinnen wird ein Autoklav von vorherbestimmten Volumen mit einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff gespült und bis zu 90 % seiner Kapazität mit einer Mischung aus Polymer, Lösungsmittel und gegebenenfalls Blähmittel, Keimbildungsmittel und/oder anderen Additiven für spezifische Endanwendungen gefüllt. Das Volumen des Autoklavs hängt von Faktoren ab, wie der Länge des zu isolierenden Drahts, der Größe des Drahts, der erwünschten Isolierdicke, der Stabilität des Polymers und der annehmbaren Verweilzeit der bestimmten Polymerlösung. Einliter- und Dreiliter-Autoklaven sind typisch, jedoch wurden kleinere oder größere Größen verwendet, um ultramikrozelluläre Schäume zu spinnen.
Zur Bildung einer Lösung wird die Mischung erwärmt, um das Polymer zu lösen; der Druck im Autoklaven wird auf einen höheren Druck als dem Dampfdruck des Lösungsmittels erhöht, und die Mischung wird gerührt. Einige Polymere und Lösungsmittel werden getrocknet, bevor sie dem Autoklaven zugegeben werden, um Molmassenabbau während der Bildung der Lösung und des Beschichtungs- (oder Spinn-)Verfahrens zu verhindern.
Sobald die Lösung gebildet ist, wird die Lösungstemperatur auf die erwünschte Spinntemperatur erniedrigt. Die Spinntemperatur hängt von einer Vielzahl von Variablen ab, einschließlich dem Polymertyp, Lösungsmitteltyp, der Lösungs-Zusammensetzung, der Polymer-Konzentration, Polymer-Löslichkeit, dem Sinterpunkt (z.B. dem Punkt, an dem das Polymer oberhalb seines Schmelzpunkts vorliegt, und eine große Menge des Lösungsmittels verdampft ist), der erwünschten Schaumdichte und der Spinngeschwindigkeit.
Der Boden des Autoklaven kann mit einer Siebpaket-Haltevorrichtung versehen sein, die eine Siebträgerplatte und einen Satz von Sieben (Siebpaket) enthält, um sowohl unerwünschtes teilchenförmiges Material abzufiltern als auch einen Gegendruck auf die Lösung zu erzeugen, die in dem Autoklaven verbleibt, wenn die Polymerlösung den Autoklaven verläßt. Bis zu drei Siebe mit einer Maschenweite, die von der Scherempfindlichkeit und Viskosität der Lösung abhängt, die spinnbeschichtet werden soll, werden allgemein verwendet. Ein typisches Siebpaket umfaßt Siebe einer Maschenweite von 100, 200 und 325 mesh (149, 74 und 44 µm) . Die Siebträgerplatte hält das Siebpaket an seinem Platz. Der Druck über der Lösung wird beibehalten (z.B. mit einem inerten Gas wie Stickstoff), um zu verhindern, daß die Lösung siedet, und um die Lösung durch das System zu drücken.
Nachdem die Lösung den Autoklaven verlassen hat und durch das Siebpaket - falls eines vorliegt - geleitet wurde, wird die Lösung schnell verdampft und auf den Draht aufgetragen. Diese Stufe erfordert ein Mittel zur schnellen Verdampfung der Lösung, ein Mittel zum Bewegen des Drahts und ein Mittel zum Beschichten der schnell verdampften Lösung auf den sich bewegenden Draht. Um eine gleichförmige Beschichtung zu gewährleisten, kann ein Mittel zur Steuerung des Lösungsflusses inbegriffen sein. Wenn z.B. die Lösung den Autoklaven verläßt, kann sie zu einem Dosierventil geleitet werden, das den Lösungsfluß steuert. Alternativ kann das Dosierventil in dem Ausrüstungstück eingebaut sein, das das Mittel zur schnellen Verdampfung umgibt, z.B. einem Kreuzkopf, und nachdem die Lösung den Autoklaven verlassen hat, kann sie direkt zu dem Kreuzkopf geleitet werden. Es kann auch erwünscht sein, die Lösung von dem Autoklaven zu einem Auffangbehälter oder einem Sammelgefäß zu leiten, bevor sie schnell verdampft wird. Ein Sammelgefäß kann nach einem Dosierventil angeordnet sein, oder beim Fehlen eines Dosierventils kann das Sammelgefäß ein Mittel zur Steuerung des Lösungsflusses enthalten, wie einen sich bewegenden Kolben, der auch den Druckabfall durch das Mittel zur schnellen Verdampfung steuert. Beim Nichtvorliegen eines Akkumulators kann ein inertes Gas wie Stickstoff verwendet werden, um den Druckabfall durch das Mittel zur schnellen Verdampfung zu steuern. In einer typischen Verfahrensanordnung verläßt die Lösung den Boden des Autoklaven in einer senkrechten Richtung, und der sich bewegende Draht wandert in einer horizontalen Ebene. Ein Kreuzkopf, der entweder an der Siebpaket-Haltevorrichtung, dem Ventil oder dem Sammelgefäß befestigt ist, kann verwendet werden, um die Lösung in der Richtung des sich bewegenden Drahtes zu drehen, und um auch die Draht-Beschichtungsspitzen und -düsen (Spinndüsen) zu halten. Das Kreuzkopfmuster variiert und kann in Abhängigkeit von der Rheologie und der auf den Draht zu spinnenden Lösung einfach oder komplex sein. Der Durchmesser des Fließpfades kann variieren, ist aber im allgemeinen einviertel eines inches [¼ inch (6,35 mm) bis etwa ½ inch (12,7 mm)] am Spitzen- oder Düseneingang. Falls notwendig, kann der Kreuzkopf durch gebräuchliche Verfahren zum Fließen der Lösung mit konstanter Geschwindigkeit konstruiert sein.
Die verwendeten Spitzen und Düsen sind typisch für jene, die bei Drahtbeschichtungs-Verfahren und/oder beim Faserspinnen verwendet werden. Die Konstruktionen variieren hinsichtlich der Länge, dem Durchmesser der Öffnung, der Größe des Innenwinkels, der Anzahl und Größe der Eintrittswinkel und der Gratlänge. Diese geometrischen Faktoren werden auf der Basis der Lösungsrheologie, der Lösungsmittel-Verdampfungseigenschaften, der Drahtgröße und der Beschichtungsdicke ausgewählt. Die Düse kann mit Erweiterungen von verschiedenen Innendurchmessern und Längen versehen werden, um die Geschwindigkeit der Lösungsmittelverdampfung während des schnellen Verdampfens zu steuern, und um die Umgebung (Luft, Lösungsmitteldampf, N&sub2;, usw.) und den Druck an der Oberfläche der schnell verdampfenden Lösung zu verändern. Es können entweder Druck- oder Schlauchspitzen/Düsen-Apparaturen verwendet werden. In einer Druckspitzen/Düsen-Apparatur steht das schnell verdampfte Material in Kontakt mit dem Draht unter einem Druck in der Düse, so daß ein beschichteter Draht die Düse verläßt. Bei einer Schlauchspitzen/Düsen-Apparatur geht der Draht durch einen Schlauch aus Material hindurch, wenn das Material und der Draht die Düse verlassen. Außerhalb der Düse fällt der Schlauch aus Material auf dem Draht in Gegenwart eines Vakuums zusammen.
Das Mittel zum Bewegen des Drahtes kann umfassen: eine Draht- Abspulvorrichtung oder -Spule niedriger Spannung, die den Draht hält und ihn zu dem Beschichtungsverfahren weiterleitet, eine Draht-Vorheizvorrichtung hoher Geschwindigkeit, um die Temperatur des Drahtes auf eine Temperatur zu erhöhen, die mit dem Beschichtungsmaterial kompatibel ist, einen Drahtabwischer, um den Draht zu reinigen, eine Vorrichtung zum Geradebiegen des Drahts, eine Winde, um die Geschwindigkeitsrate des Drahts durch die Beschichtungs- und die Aufnahmestufen zu steuern, und eine Aufnahmevorrichtung oder Spule, die den beschichteten Draht aufnimmt. Sowohl Aufnahmevorrichtungen vom Rollen- als auch Spulentyp können verwendet werden.
Das gesamte Lösungs-Behandlungssystem bis zu, und einschließlich, Kreuzkopf/Spitze/Düse wird erwärmt und/oder isoliert, um die erwünschte Spinntemperatur beizubehalten. Druck und Temperatur können an verschiedenen Punkten entlang des Fließpfades kontrolliert werden.
In Abhängigkeit von dem Polymertyp, der Zusammensetzung der Spinnmischung und den Spinnbedingungen (Menge des Polymers, Temperatur, Druck, Kreuzkopf/Düsen-Geometrie, usw.), kann die geschäumte Polymerisolierung, die auf den Draht durch das vorhergehende Verfahren aufgetragen ist, etwas zusammenfallen. Typischerweise erfolgt ein derartiges Zusammenfallen, wenn Blähmittel aus den Zellen der Isolierung mit einer Geschwindigkeit entweicht, die schneller ist, als Luft durch die Zellwände und in die Zellen eindringt. Falls das Zusammenfallen eintritt, kann es sein, daß der beschichtete Draht, der auf der Aufnahmevorrichtung aufgespult wurde, wieder aufgebläht werden muß, um die Schaumdichte zu minimieren, und um die Flexibilität, Pneumatik und Fortpflanzungsgeschwindigkeit zu maximieren. Wenn zusätzlich dazu die Polymerlösung, die durch das vorhergehende Verfahren auf den Draht aufgetragen ist, kein Blähmittel enthält, muß die Polymer-Beschichtung mit einem Blähmittel behandelt werden, um einen elektrisch isolierenden Leiter der Erfindung herzustellen.
Die Wiederaufbläh- oder Nachspinn-Aufblähstufe umfaßt das Eintauchen des isolierten Drahts in Lösungen von 10 bis 100 Gew.-% Blähmittel in einem Lösungsmittel. Mit Lösungen, die weniger als 100 % Blähmittel enthalten, wird der eingetauchte Draht von der Blähmittel-Lösung entfernt und schnell in Wasser von 60-70 ºC eingetaucht, um das Lösungsmittel zu entfernen, und dann in einem Ofen oder an Luft getrocknet. Wenn 100 % Blähmittel verwendet werden, werden die Drähte einfach an der Luft oder in einem Ofen getrocknet. Dieses Verfahren kann entweder als ein ansatzmäßiges oder kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden und kann als eine Stufe in dem Flash- Spinn-Verfahren zwischen dem Draht-Beschichtungsvorgang und dem Aufwickeln erfolgen, z.B. zwischen dem Kreuzkopf und der Winde, oder als ein abgetrenntes zweites Verfahren unter Verwendung des beschichteten Drahtes, der aus dem Flash-Spinn- Verfahren als das Beschickungsmaterial gesammelt wurde.
Als das Blähmittel sind flüssiger Stickstoff, teilweise halogenierte und vollständig halogenierte Chlorfluor-Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffe beim Faserspinnen verwendet worden, und sollten auch bei diesem Verfahren anwendbar sein. Lösungsmittel wie Methylenchlorid sind geeignet. Die Blähmittellösungs-Zusammensetzung, Eintauchzeit/Eintauchtemperatur sind durch die Natur des ultramikrozellulären, aufgeblähten Schaums und die Zusammensetzung der ursprünglichen Spinn- Mischung bestimmt. In einigen Fällen ist das Eintauchen in Blähmittel-Lösung nicht notwendig und Wiederaufblähen auf eine optimale Dichte kann durch einfaches Erwärmen des mit ultramikrozellulärem Schaum beschichteten Drahts während einiger Minuten bei einer Temperatur erfolgen, die den Siedepunkt des Lösungsmittels oder Blähmittels übersteigt. Eintauch-Temperaturen von mehr als Umgebungstemperatur und Drücke, die größer oder kleiner als Umgebungsdruck sind, sind angewendet worden, um Fasern aufzublähen, und sie können in dem Verfahren verwendet werden.
Bei dem Extrusions-Spinn-Verfahren werden Pellets des Polymers in dem Extruder von geeigneter Größe geschmolzen, und die Polymerschmelze wird in einen Extrudermischer eindosiert. Eine Dosierpumpe liefert dem Extrudermischer Lösungsmittel in geeigneten Mengen. Nach dem Vermischen wird die homogene Lösung durch eine Siebpaket-Anordnung, die ähnlich der ist, die bei dem Autoklav-Spinn-Arbeitsgang verwendet wird, zu einer Kreuzkopf/Spitzen/Düsen-Anordnung zudosiert, durch die der Draht geleitet wird. Die Kreuzkopf/Spitzen/Düsen-Anordnung, die Drahtbehandlungs- und Wiederaufbläh-Verfahren sind im wesentlichen die gleichen wie die, die bei dem Autoklaven verwendet wurden.
Das System wird erwärmt und/oder isoliert, um die erwünschte Spinn-Temperatur zu erhalten und beizubehalten. Die Spinndrücke und das Fließen der Lösung können mit Mischextrudern, Zahnradpumpen und Ventilen gesteuert werden. Die Mischschnecke kann aus einer der vielen erhältlichen, handelsüblichen Konstruktionen oder eigenen Konstruktionen ausgewählt werden. Statische Mischer können ebenfalls anstelle des Extrudermischers verwendet werden.
Andere Extruder/Mischer-Anordnungen sind ebenfalls akzeptierbar. Lange, 40 zu 1 (Länge zu Durchmesser) oder größere Extruder können mit verschiedenen Schnecken, Mischbereichen und Wärmeaustauschern bestückt werden. In derartigen Systemen treten die Pellets des Polymers in den Beschickungstrichter ein und werden in dem Übergangsbereich der Schnecke in eine Schmelze umgewandelt. Lösungsmittel wird entweder in den Übergangsbereich oder mehr bevorzugt in die erste Dosierungszone der Schnecke eingespritzt. Darauffolgt ein Mischbereich, der Teil der Schnecke, statisch oder irgendeine Kombination der beiden sein kann. Nach dem Vermischen unter Bildung einer homogenen Lösung kann die Lösung zu dem Schnellverdampfungs- oder Beschichtungsmittel, wie einer Kreuzkopf/Spitzen/Düsen Vorrichtung, durch einen zweiten Dosierungsbereich auf der Schnecke, der genügend lang ist, um die notwendige Wärmeübertragung zu ermöglichen, um die Lösung auf die erwünschte Temperatur abzukühlen, oder durch einen Wärmeübertragungsbereich in eine Zahnradpumpe zudosiert werden.
Als eine Alternative zu dem vorhergehenden Extrusions-Verfahren, in dem die Lösung gebildet und zu dem Schnellverdampfungsmittel in einem Einfachextruder gegeben wird, kann eine Doppelextrusion verwendet werden, die zwei Extruder beinhaltet. Falls Doppelextrusion verwendet wird, wird der erste Extruder verwendet, um das Polymer zu schmelzen, und um - wie oben beschrieben - eine homogene Lösung herzustellen. Die Lösung wird dann in den Beschickungsbereich des zweiten Extruders gegeben, der verwendet wird, um die Lösung abzukühlen und sie dem Kreuzkopf zuzudosieren. Der zweite Extruder kann durch andere Wärmeübertragungs-/Dosierungs-Vorrichtungen ersetzt werden, die in der Technik bekannt sind.
Es können noch weitere Kombinationen des Polymer-Schmelzens, des Vermischens der Lösungsmittel, der Wärmeübertragungs- und Dosierungsausrüstungen, die in der Technik bekannt sind, verwendet werden, um die Lösung dem Kreuzkopf zum Spinnen über dem sich bewegenden Draht zuzudosieren.
Obwohl die vorhergehende Diskussion und die folgenden Beispiele primär auf einen einzelnen isolierten Leiter und dessen Herstellung ausgerichtet sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Dem Fachmann wird klar sein, daß mehrere Leiter in einem Kabel vereinigt werden können. Z.B. können mehrere Leiter, die in relativ fixierten Stellungen voneinander getrennt sind, durch die Düsenanordnung hindurchgeführt werden, wobei sie gleichzeitig mit einer kontinuierlichen Polymer- Beschichtung beschichtet werden. Alternativ können individuell isolierte Leiter zusammengefügt werden und durch eine Vielzahl gebräuchlicher Mittel, einschließlich Verbindungsstücken, zusammengehalten werden, um das Kabel zu bilden. Beispiele Beispiel 1 Eine Lösung der Zusammensetzung Polypropylen-Homopolymer Methylenchlorid Freon Cab-O-Sil
wurde in einem 1 l-Autoklaven vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht durch eine 0,018 inch (0,46 mm)-Öffnung bei einer Lösungstemperatur von 144 ºC und einem Autoklaven- Druck von 800 psig (5,62 10&sup6; Pa) versponnen. Der mit ultramikrozellulärem (UMC) Schaum isolierte Draht hatte einen Außenseiten-Durchmesser (OD) von 0,047-0,043 inch (1,19-1,22 mm) beim Austreten aus der Düse und vor dem Gasentleeren. Teile des isolierten, gasentleerten Drahts wurden durch Eintauchen in eine auf Volumen bezogene 20/80-Mischung von Freon 114 (F-114) und Methylenchlorid zwanzig Minuten nachträglich aufgebläht (ausgedehnt), worauf unmittelbares Eintauchen in Wasser von 60 ºC und Ofentrocknen bei 60 ºC während zwanzig Minuten folgte. Der nachträglich aufgeblähte Draht war pneumatisch mit einem zum Schluß gemessenen OD von 0,047-0,049 inch (1,19-1,24 mm). Der nachträglich aufgeblähte Draht wurde wie folgt charakterisiert: Isolierungsdichte (g/cm³) Durchschnittliche Zellengrösse (µm) % Freon Festigkeit (g pro d) Dehnung (%)
Ein Zweifuß (0,61 m)-Bereich des aufgeblähten Drahts wurde in Litzenform umhüllt, und die Fortpfanzungsverzögerung wurde nach der Pulseingangs-Pulsausgangs-Methode gemessen. Bei einer Belastung von 100 Ω und einer Eingangsleistungserhöhungs- Zeitspanne von 1 ns wurde die Fortpfanzungsverzögerung zu 1,05 ns/ft (3,44 ns/m) gemessen, was einer Fortpfanzungsgeschwindigkeit (proz. V.P.) von 96,8 % äquivalent ist.
Zwei Abschnitte des aufgeblähten Drahts wurden in zwei Positionen einer 22-Draht-Flachkabel-Konstruktion eingefügt und ihre Signal-Übertragungseigenschaften wurden gemessen. Die proz. V.P. und die Kapazitanz wurden mit 10 Fuß (3,05 m)- Proben gemessen. Die proz. V.P. wurde durch Auffinden der halben Wellenresonanzfrequenz der Probe bestimmt, worin proz. V.P. = (Frequenz x 20)/9,8425 ist. Die proz. V.P. bezieht sich auf die Geschwindigkeit der Fortpflanzung in Luft. Elektrische Ergebnisse Kapazitanz in pF/ft (pF/m) bei 10 KHz Fortpflanzungsgeschwindigkeit (%) Durchschlagfestigkeit (VAC)

Beispiel 2

Es wurde ein 1 l-Autoklav verwendet, um eine Lösung herzustellen, enthaltend(Gew.-%) : 48 % Ethylen/Propylen-Copolymer (4,0 g/10 min), 45 % Methylenchlorid und 7 % F-114 bei einem Autoklavendruck von 750 psig (5,27 x 10&sup6; Pa) . Diese Lösung wurde über festem 28 AWG (0,32 mm) Kupferdraht versponnen, um einen mit UMC-Schaum isolierten primären Draht herzustellen. Bereiche des isolierten Drahts wurden in einer volumenbezogenen 80/20-Mischung aus CH&sub2;Cl&sub2;/F-114 nachträglich aufgebläht. Die Spinnbedingungen und die Eigenschaften der UMC-Schaumisolierung sind nachstehend angegeben. Spinnbedingungen Eigenschaften der UMC-Schaumisolierung Temperatur der Lösung Beschichtungsgeschwindigkeit in f/min Durchmesser des beschichteten Drahts Dichte Durchschnittliche Zellengrösse proz. Aufblähen Aufbläh-Partialdruck in psi proz. Hohlräume Festigkeit Bruchdehnung Beispiel 3 Eine Lösung der Zusammensetzung: Polypropylen-Homopolymer (0,7 g/10 min) Methylenchlorid Freon Cab-O-Sil (0,3 Teile/100 Teile Polymer)
wurde in einem 1 l-Autoklaven vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht durch eine 0,016 inch (0,41 mm)-Öffnung bei einer Temperatur von 140 ºC und einem Autoklaven-Druck von 1400 psig (9,75 x 10&sup6; Pa) versponnen. Der mit UMC- Schaum isolierte Draht hatte einen OD von 0,049-0,051 inch (1,24-1,30 mm) nach dem nachträglichen Aufblähen in Freon 114.
Der aufgeblähte Draht wurde in eine Flachkabel-Konstruktion eingefügt, und die Kapazitanz und die proz. V.P. einer 10 ft (3,05 m)-Probe wurden zu 11,1 pF/ft (36,4 pF/m) bzw. 98,7 % bestimmt.

Beispiel 4

Eine Lösung der Zusammensetzung des Beispiels 1 wurde in einem 1 l-Autoklaven unter einer N&sub2;-Atmosphäre vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht durch eine 0,019 inch (0,48 mm)-Öffnung versponnen. Die Temperatur der Lösung in dem Autoklaven war 143 ºC bei einem Druck von 1300 psig (9,06 x 10&sup6; Pa) . Die Dichte der UMC-Schaum-Isolierung wurde vor dem nachträglichen Aufblähen zu 0,0199 g/cm³ gemessen. Beispiel 5 Eine Lösung der Zusammensetzung: Polyethylen (0,96 g/cm³; 0,85 g/10 min) Methylenchlorid Freon Cab-O-Sil (l Teil/100 Teile Polymer) Stickstoff (500 psig (3,55 10&sup6; Pa)
wurde in einem 1 l-Autoklaven vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht durch eine Öffnung von 0,014 inch (0,36 mm) Durchmesser versponnen. Es wurden isolierte Drähte mit Durchmessern zwischen 0,044 inch (1,12 mm) und 0,051 inch (1,30 mm) hergestellt. Die Dichte der UMC-Schaumisolierung war vor dem nachträglichen Aufblähen mit 100 % Freon 114 0,031 g/cm³. Die Dichte nach dem nachträglichen Aufblähen war 0,026 g/cm³.

Beispiel 6

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von 42 Gew.-% Polypropylen- Homopolymer wiederholt, das über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht durch eine Öffnung von 0,014 inch (0,36 mm) versponnen wurde.

Beispiel7

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von n-Pentan anstelle von Methylenchlorid als dem Lösungsmittel wiederholt.

Beispiel 8

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von Freon 11 anstelle von Methylenchlorid als dem Lösungsmittel und Freon 114 anstelle von Cab-O-Sil -Siliciumdioxid als dem Keimbildungsmittel wiederholt.

Beispiel9

Beispiel 4 wurde unter Verwendung eines Chlorfluor-Kohlenwasserstoffs wie CHCl&sub2;CF&sub3; anstelle von Methylenchlorid als dem Lösungsmittel wiederholt.

Beispiel 10

Beispiel 4 wurde unter Verwendung eines Fluorkohlenwasserstoffs wie CH&sub2;FCF&sub3; anstelle von Cab-O-Sil -Siliciumdiöxid als dem Keimbildungsmittel und CH&sub2;FCF&sub3; anstelle von Freon 114 als dem Blähmittel wiederholt.

Beispiel 11

Beispiel 4 wurde unter Verwendung eines cyclischen Fluorkohlenstoffs wie Perfluorcyclobutan (C&sub4;F&sub8;) anstelle von Cab-O- Sil -Siliciumdioxid als dem Keimbildungsmittel und C&sub4;F&sub8; anstelle von Freon 114 als dem Blähmittel wiederholt.

Beispiel 12

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von Polyvinylidenfluorid anstelle von Polypropylen-Homopolymer als dem Polymer wiederholt.

Beispiel 13

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von Kohlendioxid anstelle von Cab-O-Sil -Siliciumdioxid als dem Keimbildungsmittel und anstelle von Stickstoff N&sub2; als der Atmosphäre in dem Autoklaven wiederholt.

Beispiel 14

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von 5F&sub6; anstelle von Freon 114 als dem Blähmittel wiederholt.

Beispiel 15

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von Polyethylenterephthalat anstelle von Polypropylen-Homopolymer als dem Polymer bei einer Spinntemperatur von 200-230 ºC wiederholt.

Beispiel 16

Beispiel 4 wurde unter Verwendung von Polycaprolactam (Nylon 6) anstelle von Polypropylen-Homopolymer als dem Polymer, Ethanol anstelle von Methylenchlorid als dem Lösungsmittel und bei einer Spinntemperatur von 170-210 ºC wiederholt.

Beispiel 17

Beispiel 16 wurde ohne ein Keimbildungsmittel und unter Anwendung einer Spinntemperatur von 210-220 ºC wiederholt.

Beisriel 18

Beispiel 16 wurde unter Verwendung von H&sub2;O anstelle von Ethanol als dem Lösungsmittel und CO&sub2; anstelle von Cab-O-Sil -Siliciumdioxid als dem Keimbildungsmittel wiederholt.

Beispiel 19

Beispiel 5 wurde unter Verwendung von Ethylen/Methacrylsäure- Copolymer anstelle von Polyethylen als dem Polymer wiederholt.

Beispiel 20

Beispiel 5 wurde unter Verwendung von neutralisiertem Ethylen/Methacrylsäure-Copolymer anstelle von Polyethylen als dem Polymer wiederholt.

Beispiel 21

Beispiel 5 wurde unter Verwendung von Polyformaldehyd anstelle von Polyethylen als dem Polymer wiederholt.

Beispiel 22

Beispiel 5 wurde unter Verwendung von Polyurethan aus Ethylenbis-chlorformiat und Ethylendiamin anstelle von Polyethylen als dem Polymer wiederholt. Beispiel 23 Eine Lösung der Zusammensetzung: Polyvinylchlorid (logarithmische Viskositätszahl: 0,96 in Tetrahydrofuran) Methylenchlorid Freon Thermolite 31 Stabilizer (3 Teile/100 Teile Polymer) Cab-O-Sil (0,5 Teile/100 Teile Polymer) Stickstoff (500 psig (3,55 x 10&sup6; Pa)
wurde in einem 1 l-Autoklaven bei 200 ºC vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht bei 190 ºC und 1000 psig (7,00 x 10&sup6; Pa) versponnen. Beispiel 24 Eine Lösung der Zusammensetzung: Perfluor-2,2-dimethyl-1,3-dioxol/- Tetrafluorethylen-Copolymer Methylenchlorid Cab-O-Sil (0,5 Teile/100 Teile Polymer) Stickstoff (500 psig (3,55 x 10&sup6; Pa)
wurde in einem 1 l-Autoklaven bei 180-200 ºC vermischt und über festem 30 AWG (0,25 mm) Kupferdraht bei einem Druck von 1000 psig (7,00 x 10&sup6; Pa) versponnen.

Testverfahren

Die folgenden Verfahrensweisen wurden verwendt, um die Eigenschaften zu bestimmen, die in den vorhergehenden Beispielen berichtet wurden.
Denier: 1,0 Fuß (0,3 m) einer abgestreiften Isolierung wurde zu 0,1 mg gewogen und zu 9,000 Meter normalisiert. Denier = (g/ft) x (2,952 x 10&sup4; ft)/9000 Meter.
Zugfestigkeit (Gramm pro Denier, gpd) - Ein Abschnitt einer abgestreiften Isolierung wurde zwischen die Einpannvorrichtungen einer Instron-Maschine angeordnet und mit einer Kreuzkopf- Geschwindigkeit von 2 inch pro Minute (0,85 mm/s) auseinandergezogen. Der anfängliche Klemmbackenabstand war 2,0 inch (51 mm) und die volle Skalenbelastung war 500 Gramm. Die Aufzeichnungsgeschwindigkeit war 5,0 inch pro Minute (2,12 mm/s) . Die Zugfestigkeit wurde durch Dividieren der Spitzenbelastung in g durch den Denier berechnet. Die prozentuale Zerreißdehnung wurde aus dem Klemmbackenabstand beim Bruch berechnet:
db aus % Dehnung = db-2/2 x 100.
Pneumatik (Partialdruck des Blähmittels) - Der Partialdruck des Blähmittels innerhalb der geschlossenen Zellen wurde unter Verwendung des Gesetzes der idealen Gase berechnet:
Pi = NiRT/V
worin Pi der Partialdruck des Blähmittels in psi, Ni die Mol- Anzahl des Blähmittels, T 298 K, V das Volumen in cm³ und R = 1205 cm³ x psig x mol x K ist, und da
Ni = g des Blähmittels/Blähmittel-Molmasse = mi/Mi,
ist dann: Pi = (1205 x 298)mi/(V x Mi)
Pi = 3,59 x 10&sup5; di/Mi, worin di = mi/V, falls die Masse des Blähmittels mi pro Masse des Polymers mp als
C&sub1; = mi/mp = d i/df definiert ist, worin df die Dichte des UMC-Schaums ist. Dann wird Pi aus dem Gehalt an Blähmittel-Schaumdichte und der Blähmittel-Molmasse gemäß:
Pi = 3,59 x 10&sup5; Cidf/Mi
berechnet.
Fortpflanzungsgeschwindigkeit (Signalübertragungs-Geschwindigkeit> - Sie wurde bestimmt durch Auffinden der halben Wellen- Resonanzfrequenz einer 10 Fuß (3,05 m)-Kabelprobe. Tests wurden mit einem HP 8753A Network Analyzer mit einem 95044A Transmission Test Set durchgeführt.
Proz. V.P. = (Frequenz x 20)/9,8425.
Fortpfanzungsverzögerung - Gemessen durch die Pulseingangs- Pulsausgangs-Methode. Das Testobjekt wurde durch einen Pulsgenerator gesteuert und wies an seinem hinteren Ende eine Widerstandslast auf, die gleich seiner normalen charakteristischen Impedanz war. Eingangs- und Ausgangssignale wurden unter Verwendung einer Oszilloskop-Sonde gemessen. Der Zeitunterschied zwischen den 50 % Spannungs-Niveaus der zwei Signale wurde als die Fortpfanzungsverzögerung angenommen. Die Fortpfanzungsverzögerung für die Übertragung eines Signals in Luft ist 1,016 ns/ft (3,34 ns/m).
Vol.-% an Hohlräumen (% Hohlräume) - Der Vol-proz. Gehalt an Hohlräumen wurde aus der folgenden Gleichung berechnet:
% Hohlräume = {1-df/[(1 + Ci) dp]} 100, worin
df = Dichte der UMC-Isolierung
dp = Dichte des Polymers
Ci = Gramm Blähmittel/Gramm Polymer.
Falls Ci « 1, ist
% Hohlräume = (1-df/dp) 100.
Dichte - Es wurde eine Strömungsauftriebs-Methode verwendet, um die UMC-Schaumdichten zu bestimmen. Kleine Körbe wurden verwendet, um die Isolierung beim Wiegen zu halten. Eine 190 mm OD x 100 mm tiefe Kristallisationsschale wurde für das Eintauchbad verwendet.
Blähmittelgehalt - Die Blähmittelgehalte wurden durch Wiegen von 0,05 ± 0,01 g der Probe, vor und nachdem die Zellen durch Wärme und Druck zerrissen waren, gemessen. Alle Proben wurden auf 1 ug genau gewogen und wurden mit sauberen Pinzetten und Wegwerf-PVC-Handschuhen gehandhabt. Proben, die in 6 inch x 6 inch x 0,001 inch (152 mm x 152 mm x 0,025 mm)-Aluminiumfolie eingeschlossen waren, wurden 45 Sekunden bei einer Walzen-Temperatur von etwa 20 ºC über dem Schmelzpunkt des Polymers und 5000 lbs. gauge (3,46 x 10&sup7; Pa) Druck zusammengepreßt.
Zellengröße und Zellengrößenverteilung -Die Zellengröße und Zellengrößenverteilung wurden direkt aus Abtast-Elektronen- Mikrophotographien von geeigneter Vergrößerung bestimmt.
Kapazitanz (Kabel) - Die Kapazitanz eines 10 Fuß (3,05 m)- Abschnitts eines Kabels wurde unter Verwendung eines HP 4262A LCR Meters gemessen.
Kapazitanz (isolierter primärer Draht) - Die Kapazitanz von primären Einzeldrähten wurde unter Verwendung eines SCMS Capacitance Monitors (Electron Machine Corporation) gemessen. Eine Probe von isoliertem Draht wurde durch den Hohlraum des Kapazitanz-Monitors geführt, der mit Wasser gefüllt war. Es muß sorgfältig verfahren werden, um zu gewährleisten, daß die Oberfläche des isolierten Drahtes vollständig befeuchtet ist, und alle Blasen eliminiert werden. Ein Ende des Drahts wurde geerdet, und ein 10 KHz-Signal wurde auf den Meßkopf angewendet, der vollständig in Wasser eingetaucht wurde und einen Arm einer Wechselspannungsbrücke darstellt. Die Ablenkungs-Meßvorrichtung wurde auf die Nullablesung eingestellt, und die Kapazitanz direkt in Picofarad/Fuß abgelesen.

Warenzeichen

Cab-O-Sil ist ein eingetragenes Warenzeichen von Cabot Corporation, Boston, MA für ein amorphes Siliciumdioxid-Pulver.
Freon ist ein eingetragenes Warenzeichen von E.I. du Pont de Nemours & Company, Wilmington, DE für fluorierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere bezeichnet Freon 11 Fluortrichlormethan (CCl&sub3;F) und Freon 114 bezeichnet 1,2-Dichlor-1,1,2,2-tetrafluorethan (CClF&sub2;CClF&sub2;).
Thermolite ist ein eingetragenes Warenzeichen von M & T Chemicals, Railway, NJ für organische Zinn-Stabilisatoren.
Es sollte verstanden werden, daß die hierin beschriebenen Formen der Erfindung nur bevorzugte Ausführungsformen sind, und verschiedene Abänderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Elektrisch isolierter Leiter, umfassend ein elektrisch leitfähiges Element, das von einer geschäumten Polymer-Isolierung umgeben ist, die ein Hohlraumvolumen von mehr als 75% hat, worin die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des isolierten Leiters mehr als 90% der Lichtgeschwindigkeit beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das geschäumte Polymer eine ultramikrozelluläre Struktur hat und das elektrisch leitfähige Element umhüllt, und worin die ultramikrozelluläre Struktur aus einem synthetischen, kristallinen, semikristallinen oder amorphen Polymer einer hohen Molmasse zusammengesetzt ist und einen großen Anteil geschlossener polyedrischer Zellen hat, die durch luftdurchlässige Wände einer Dicke von weniger als 2 µm definiert sind, wobei im wesentlichen das gesamte Polymer die Zellwände ausmacht und gleichförmige Textur und uniplanare Orientierung aufweist.

2. Elektrisch isolierter Leiter gemäß Anspruch 1, worin die geschäumte Polymer-Isolierung ein Hohlraumvolumen von mehr als 85% hat.

3. Elektrisch isolierter Leiter gemäß Anspruch 2, worin die geschäumte Polymer-Isolierung ein Hohlraumvolumen von mehr als 94% hat.

4. Elektrisch isolierter Leiter gemäß Anspruch 3, worin die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des isolierten Leiters mehr als 95% der Lichtgeschwindigkeit beträgt.

5. Elektrisch isolierter Leiter gemäß Anspruch 4, worin das Polymer aus der Gruppe, bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Poly(ethylenterephthalat) und Copolymeren derselben ausgewählt ist.

6. Elektrisch isolierter Leiter gemäß Anspruch 5, worin das leitfähige Element ein Draht mit einem medianen Durch-messer von 0,15 mm (0,006 inch) bis 0,33 mm (0,013 inch) ist.

7. Kabel, umfassend eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Elemente gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Verfahren zur Herstellung des elektrisch isolierten Leiters gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:

(a) Vermischen von Polymer, Lösungsmittel und gegebenenfalls Nucleierungshilfsmittel,

(b) Erwärmen und Unter-Druck-Setzen der Mischung unter Bildung und Beibehaltung einer Lösung,

(c) Flash-Spinnen der Polymer-Lösung auf den Leiter in einem Bereich von niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck, wenn der Leiter durch diesen Bereich hindurchgeführt wird,

(d) Eintauchen des mit dem Polymer beschichteten Leiters aus Stufe (c) in eine Lösung, umfassend 10-100 Gew.-% Blähmittel in einem Lösungsmittel, dann Trocknen des beschichteten Leiters, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen, und

(e) Aussetzen des mit Polymer beschichteten Leiters an Luft bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck, um die Polymerbeschichtung zu dem erwünschten Grad aufzublähen, wobei so die ultramikrozelluläre Struktur gebildet wird.

9. Verfahren zur Herstellung des elektrisch isolierten Leiters gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:

(a) Vermischen von Polymer, Lösungsmittel, Blähmittel und gegebenenfalls Nucleierungshilfsmittel,

(d) gegebenenfalls Eintauchen des mit dem Polymer beschichteten Leiters aus Stufe (c) in eine Lösung, umfassend 10-100 Gew.-% Blähmittel in einem Lösungs-mittel, dann Trocknen des beschichteten Leiters, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen, und