JP4617538B2 - 高周波信号伝送用製品の絶縁用ポリテトラフルオロエチレン混合粉末およびそれを用いた高周波信号伝送用製品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の誘電損失が少なく、しかも末端加工性にも優れた高周波信号伝送用製品、およびこの製品の絶縁層の形成に好適なポリテトラフルオロエチレン(PTFE)混合粉末に関する。
【0002】
【従来の技術】
同軸ケーブルやLANケーブルのような高周波信号を伝送するケーブルには常に誘電損失が生ずる。同じく高周波信号を伝送する各種伝送機器に使用されるプリント配線基板についても、誘電損失が重要なファクターとなっている。
【0003】
誘電損失は誘電率(ε)と誘電正接(tan δ)との関数であり、いずれも小さい方が好ましい。誘電損失を低減するため、これらの電気的特性に優れたPTFEを絶縁被覆層材料として使用している高周波ケーブルが提案されている(特開平11−31422号公報、特開平11−283448号公報、特開2000−21250号公報)。
【0004】
PTFEは熱処理(焼成処理)することによって融点、誘電率、誘電正接、さらには機械的強度が変化する。たとえば未焼成のPTFEは融点が340±7℃と高く誘電率(ε)は1.8、誘電正接(tan δ)は0.5×10-4(いずれも12GHzでの測定値。以下同様)と低いが、不完全に焼成(半焼成)すると融点が327±5℃と下がり誘電率(ε)は2.0、誘電正接(tan δ)は0.7×10-4と高くなる。完全に焼成すると、融点は323±5℃とさらに低くなり、誘電率(ε)は2.1、誘電正接(tan δ)は2.0×10-4と高くなる。また、機械的強度は焼成することにより向上する。
【0005】
したがって、誘電損失の点からは未焼成または半焼成PTFEを使用することが有利であり、一方、末端加工や強度面からは焼成PTFEを使用することが有利である。
【0006】
そこで前記公報では、誘電率や誘電正接といった電気的特性を維持しつつ、加工性を向上させるために焼成PTFE、半焼成PTFEおよび未焼成PTFEを組み合せた絶縁被覆層が提案されている。
【0007】
特開平11−31442号公報では、未焼成PTFE絶縁被覆層の焼成の仕方を外表面側の焼成度を高くする(ラジアル方向のPTFEの焼成度の傾斜化)方法を提案している。
【0008】
特開平11−283448号公報では、絶縁被覆層を基本的に未焼成または半焼成PTFEとし、加工すべき末端部分(末端から10cm程度)のみ完全焼成PTFEを使用すること(芯線の長手方向での焼成度の傾斜化)を提案している。
【0009】
さらに特開2000−21250号公報では、絶縁被覆層としてPTFEの多孔質層を用い、さらに表面部分を焼成して結晶化率を75〜92%と高くしている(ラジアル方向での焼成度の傾斜化)。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしケーブルの末端を加工するときの末端加工性は、ラジアル方向での焼成度の傾斜化では、末端をニッパなどで剥離したり切断したとき未焼成または半焼成PTFEでは綺麗に切れず繊維化し、糸を引いた状態となる。
【0011】
したがって、前記特開平11−283448号公報のように完全焼成PTFEを使用しない限り、末端加工を綺麗に行なうことはできないと考えられていた。
【0012】
このように従来は、高周波ケーブルの絶縁被覆層用のPTFEについては、焼成度や結晶化度などの検討は種々行なわれているが、分子量に関しての検討はされていない。本発明は今まで未検討であった分子量にも着目し、低分子量PTFEが繊維化しにくい点を考慮し、さらに焼成度を加味して、電気的特性だけではなく加工性、特に末端加工性にも優れたPTFE絶縁被覆層用の材料を開発した。
【0013】
本発明は、PTFEを絶縁被覆層として有する高周波ケーブルの末端加工をスムーズに行なうことができ、しかも誘電損失が少ない高周波ケーブル、さらにそうしたPTFE絶縁被覆層を与えるPTFE粉末を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、テトラフルオロエチレン(TFE)を乳化重合して得られる低分子量PTFE粉末と高分子量PTFE粉末とを混合することによって得られる混合粉末であることを特徴とする高周波信号伝送用製品の絶縁用PTFE混合粉末に関する。
【0015】
両PTFE粉末の混合は、共凝析法で行なうのが好ましい。
【0016】
かかる混合粉末のうちの低分子量PTFE粉末は、数平均分子量が100万±50万であり、示差走査熱量計による結晶融解曲線上に現れる吸熱カーブの最大ピーク温度(以下、「最大吸熱ピーク温度」という)が327±5℃の粉末である。一方の高分子量PTFE粉末は数平均分子量が450万±100万であり、最大吸熱ピーク温度が340±7℃である粉末である。また、共凝析して得られる混合粉末が、その示差走査熱量計による結晶融解曲線上に現れる吸熱カーブのピーク温度(以下、「吸熱ピーク温度」という)として327±5℃および340±7℃に明確なピークをもっていることを特徴とする。
【0017】
さらに、前記混合粉末は、その示差走査熱量計による結晶融解曲線上の327±5℃に現れる吸熱カーブのピークP327と340±5℃に現れる吸熱カーブのピークP340の基線からの高さの比P327/P340が、1/9〜9/1であることが好ましい。
【0018】
本発明はまた、前記のPTFE混合粉末を用いて成形して得られる高周波ケーブルなどの高周波信号伝送用製品にも関する。
【0019】
かかる高周波ケーブルは、たとえば前記PTFE混合粉末をペースト押出して得られる絶縁被覆層を高分子量PTFEの高温側の最大ピーク温度以下の温度で焼成することにより製造できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明のPTFE混合粉末は低分子量PTFE粉末と高分子量PTFE粉末とからなる。これらのPTFE粉末は、TFEの単独重合体であっても、他の単量体で変性された変性PTFEであってもよい。
【0021】
本発明で用いる低分子量PTFE粉末の数平均分子量は、100万±50万である。数平均分子量が大きくなると繊維化現象が現れてき始め、小さすぎるとたとえば共凝析時に未凝析粒子の残存率が増大するので工業生産的に好ましくない。
【0022】
この低分子量PTFEは、乳化重合法で重合し製造された粉末である。その1次平均粒径(重力沈降法によって測定される濁度計の値から算出される粒径。以下同様)としては、通常約0.02〜0.5μm、好ましくは0.1〜0.3μmである。
【0023】
また、最大吸熱ピーク温度(結晶融点)は327±5℃であり、このものの誘電率(ε)は2.0〜2.2、誘電正接(tan δ)は2.0×10-4〜2.7×10-4である。
【0024】
一方の高分子量PTFE粉末は、450万±100万、好ましくは350万〜500万の数平均分子量をもつ。数平均分子量が大きくなると成形性がわるくなり、少なすぎると機械的強度や電気的特性が低下していく。
【0025】
この高分子量PTFEは、乳化重合法で重合し製造された粉末である。その1次平均粒径としては、通常約0.1〜0.5μm、好ましくは0.2〜0.3μmである。
【0026】
また、最大吸熱ピーク温度(結晶融点)は340±7℃であり、このものの誘電率(ε)は2.0〜2.2、誘電正接(tan δ)は1.9×10-4〜2.4×10-4と低い。
【0027】
なお、両PTFE粉末の平均粒径がほぼ同じであることが、均一な混合、特に均一な共凝析ができ、均一に分散した混合粉末が得られる点から好ましい。乳化重合法は従来と同様の条件でよい。
【0028】
つぎに低分子量PTFEと高分子量PTFEとを混合して混合粉末を製造するのであるが、本発明においては、混合法として乾式混合法(ドライブレンド法)でも、低分子量PTFEの水性分散液と高分子量PTFE水性分散液同士を混合し共凝析する方法でもよい。特に、乳化重合法で得られる微細なPTFE粒子(いわゆるファインパウダー)を使用するときは、共凝析法が好ましい。共凝析法は従来の条件でよく、2つの水性分散液を混合したのち機械的な撹拌力を作用させる方法が好ましい。その際、塩酸や硝酸などの無機酸類またはその金属塩を凝析剤として併用してもよい。また、有機液体を存在させたり、要すればフィラーを共存させたりしてもよい。ただし、これらの方法に限定されるものではない。共凝析後、脱水、乾燥して本発明の混合粉末が得られる。この混合粉末の平均粒径は、たとえば200〜1000μm程度とするのが、成形のし易さの点から好ましい。
【0029】
低分子量PTFE粉末と高分子量PTFE粉末の混合割合は、前記吸熱ピーク温度の基線からの高さの比P327/P340が1/9〜9/1となるような割合とすることが好ましい。低分子量PTFEの量が多くなると押出成形加工性がわるくなり、少なくなると混合状態が区分けされにくくなる傾向にある。好ましくはP327/P340は2/8〜8/2、さらに好ましくは2.5/7.5〜7.5/2.5である。
【0030】
吸熱ピーク温度の基線からの高さとは、たとえば図1に示すように、吸熱カーブのベースラインの沿って基線1を引き、その基線からの各ピークの頂点2の高さをいう。
【0031】
重量比としては、たとえば低分子量PTFE/高分子量PTFEが1/9〜8/2、好ましくは2/8〜7/3、さらに好ましくは3/7〜6/4である。低分子量PTFEが少なすぎると末端加工性の向上効果が小さくなり、多すぎると電気的特性(誘電損失など)が悪化する。
【0032】
かくして得られる本発明のPTFE混合粉末の誘電率(ε)は、通常、約1.7〜2.3、誘電正接(tan δ)は通常、約0.5×10-4〜2.5×10-4の範囲にある。
【0033】
本発明のPTFE混合粉末は、従来公知の成形法にしたがって、各種の高周波信号伝送機器用の各種部品や絶縁層に成形加工される。
【0034】
高周波信号伝送機器用の各種部品としては、たとえば携帯電話、各種コンピュータ、通信機器、その他の電子回路のプリント配線基板、ケーシング、アンテナのコネクタなどが代表例としてあげられるが、これらのみに限られるものではない。プリント配線基板などの成形品は、本発明のPTFE混合粉末を圧縮成形、押出圧延成形などの従来公知の成形法によって製造できる。
【0035】
高周波信号伝送機器用の絶縁層としては、同軸ケーブル、LANケーブル、フラットケーブルなどの高周波信号伝送用ケーブルの絶縁被覆層などが代表例としてあげられるが、これらのみに限られるものではない。
【0036】
高周波信号伝送用の同軸ケーブルの一般的な構造は、金属の芯線の周囲に絶縁被覆層を設け、さらにその外側に外皮として金属製の被覆層が設けられた構造となっている。本発明のPTFE混合粉末は絶縁被覆層用の材料として有用である。以下、同軸ケーブルの絶縁被覆層をぺースト押出法で形成する方法について説明するが、この製法に限られるものではない。
【0037】
本発明のPTFE混合粉末を公知のペースト押出助剤と混合して圧縮予備成形して円筒状の予備成形体とする。ついでこの予備成形体をペースト押出機に装填し、芯線上に押出し、加熱(150〜250℃)乾燥したのち、焼成処理を少なくとも低分子量PTFEの融点以上に加熱して行なう。さらには、高分子量PTFEの高温側の最大ピーク温度以下で行なうことが好ましい。その後、外皮を常法にしたがって被覆する。
【0038】
本発明のPTFE混合粉末は、このペースト押出工程および焼成工程においても、優れた特性を発揮する。
【0039】
すなわち、従来は未焼成のPTFE粉末をペースト押出して絶縁被覆層を形成していたが、未焼成のPTFE粉末は容易に繊維化してしまうため、押出圧を高くする必要があり、また被覆層の表面がウネることがあった。本発明のPTFE混合粉末は繊維化しない低分子量PTFE粉末を混合しているため、押出成形時の繊維化が抑えられ、押出圧を小さくすることができ、得られる被覆層表面を平滑にすることができる。
【0040】
この焼成処理は、高分子量PTFEの優れた電気的特性を維持するため、できるだけ未焼成または半焼成の段階で止める必要がある。しかし、従来の高分子量PTFE単独の場合、誘電率や誘電正接などの電気的特性が焼成温度の影響を大きく受けるため焼成温度管理を慎重にしなければならなかった。ところが本発明のPTFE混合粉末では、低分子量PTFEの共存により焼成温度の電気的特性への影響が緩和されるため、多少焼成温度がブレても電気的特性が比較的類似したものが得られるので、焼成温度の管理が容易になり、また歩留も向上する。
【0041】
本発明においては、結晶化率は、全体で10〜90%、好ましくは20〜80%である。
【0042】
このように焼成の加熱条件は重要なファクターであり、製品の特性に影響を与えるので、できるだけ正確に温度管理できる方法が好ましい。本発明では、限定されるものではないが、溶融塩中にペースト押出後のケーブルを通して加熱焼成する、いわゆるソルトバス法が好適に採用される。使用する溶融塩としては硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの1/1混合物などが好ましい。
【0043】
かくして得られる絶縁被覆層の誘電率(ε)は1.5〜2.3、好ましくは1.8〜2.2であり、誘電正接(tan δ)は0.7×10-4〜2.0×10-4、好ましくは0.8×10-4〜1.2×10-4である。
【0044】
本発明のPTFE混合粉末を使用して製造したプリント配線基板や高周波信号伝送ケーブルなどの本発明の高周波信号伝送用製品は、低分子量PTFEの働きにより末端加工や剥離時に基板や絶縁被覆層が繊維化を起こしにくく、現場での作業性が向上する。
【0045】
【実施例】
つぎに本発明を実施例および比較例をあげて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【0046】
実施例1
(PTFE混合粉末の製造)
乳化重合で得られた低分子量PTFE粒子(数平均分子量60万、最大吸熱ピーク温度329℃、平均粒径0.2μm。ダイキン工業(株)製のポリフロンL−5)の水性分散液(濃度20%)と乳化重合で得られた高分子量PTFE粒子(数平均分子量460万、最大吸熱ピーク温度345℃、平均粒径0.25μm。ダイキン工業(株)製のポリフロンF104)の水性分散液(濃度25%)とを固形部重量比で1/1にて混合し、攪拌しながら共凝析し、乾燥してPTFE混合粉末を得た。
【0047】
このPTFE混合粉末の結晶融解曲線を示差走査熱量計(セイコー電子(株)製のRDC220)により、昇温速度10℃/分の条件で描き、吸熱ピークを調べたところ、329℃と345℃にピーク温度をもつ吸熱ピークが存在した(他にもピークはあった)。ついで329℃と345℃の吸熱ピークの基線からの高さを調べたところ、P329/P345は4/6であった。なお、この示差走査熱量計による測定法は、原料PTFEの最大ピーク温度の測定にも使用した。
【0048】
(高周波ケーブルの絶縁被覆層の形成)
上記で製造したPTFE混合粉末100重量部にペースト押出助剤(アイソパーE。エクソン社製の石油系溶剤)を24重量部配合し24時間熟成した後、専用の予備プレス成形機(内径38mmとマンドレル外径16mmの円筒金型をもつ)に充填し、面圧力1.96MPaで加圧して円筒状予備成形体(長さ500mm、外径38mm、内径16mm)を作製した。
【0049】
この円筒状予備成形体をペースト押出機(ジェニングス社製。シリンダー径8mm、マンドレル径16mm、ダイオリフィス径1.32mm)に装填し、芯線(アメリカンワイヤーゲージサイズ24:直径0.127mmの銀メッキ銅線19本の撚り線、見掛け外径0.65mm)上に巻取り速度15m/分でペースト押出して被覆し、150℃のオーブン(通過時間10秒)ついで250℃のオーブン(通過時間10秒)にて押出助剤を乾燥除去し、ついで340℃のソルトバス(硝酸カリウム/硝酸ナトリウム=1/1)中を20秒間通過させて加熱処理(焼成処理)し、外径1.15mmの絶縁被覆層を有するPTFE被覆ケーブルを作製した。
【0050】
得られた被覆ケーブルの表面は平滑でウネリは見とめられなかった。また、ペースト押出時のラム圧力は60MPaと低圧であった。
【0051】
この被覆ケーブルから芯線を抜き取り、2mごとに前記の条件で示差走査熱量計により結晶吸熱カーブを調べたところ、吸熱ピークの位置は混合粉末の位置と同じであった。また、原料混合粉末と被覆層との結晶融解熱量変化から算出した結晶転化率は、0.50〜0.53の範囲に入っていた。
【0052】
さらに末端加工性を調べるため、ワイヤーストリッパーで被覆を剥がしたところ、繊維化せずに容易に絶縁層を切断でき、しかも綺麗な切断面であった。
【0053】
なお、加熱(焼成)処理後の誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を、以下に示す測定法により調べたところ、12GHzでの誘電率(ε)は2.28、誘電正接(tan δ)は1.76×10-4であった。
【0054】
誘電率および誘電正接の測定
PTFE粉末100重量部と押出助剤(アイソパーE)24重量部とを混合し、押出機(シリンダー径130mm、金型ダイス内径12mm)によりペースト押出して丸棒を得、これを70℃のカレンダーロール(28m/分)にて圧延してフィルム化し、200℃の熱風乾燥炉で乾燥して厚さ150μmのPTFE未焼成フィルムとする。この未焼成フィルムを前記ソルトバス中に20秒間浸漬した加熱処理PTFEフィルムを50mmに切断し、ネットワークアナライザー(ヒューレットパッカード社製のHP8510)により空洞共振器法で共振周波数およびQ値を測定し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求める。
【0055】
比較例1
実施例1において高分子量PTFEを単独で使用したほかは同様にしてペースト押出し、PTFE被覆ケーブルを作製した。ペースト押出時のラム圧力は73MPaであった。
【0056】
また、実施例1と同様に吸熱ピークを調べたところ原料PTFE粉末と同じ位置にピークを有しており、結晶転化率は0.20〜0.23であった。また、この加熱処理後の絶縁被覆の12GHzでの誘電率(ε)は2.15、誘電正接(tan δ)は0.94×10-4であった。
【0057】
さらに末端加工性を調べるため、ワイヤーストリッパーで被覆を剥がしたところ、切断面で繊維化が生じた。
【0058】
実施例2
乳化重合で得られた低分子量PTFE粒子(ダイキン工業(株)製のポリフロンL−5)の水性分散液(濃度20%)と乳化重合で得られた高分子量PTFE粒子(数平均分子量480万、最大吸熱ピーク温度347℃、平均粒径0.28μm)の水性分散液(濃度25%)とを固形部重量比で1/1にて混合し、攪拌しながら共凝析し、乾燥してPTFE混合粉末を得た。
【0059】
このPTFE混合粉末の結晶融解曲線を示差走査熱量計により、吸熱ピークを調べたところ、329℃と347℃にピーク温度をもつ吸熱ピークが存在した。ついで329℃と347℃の吸熱ピークの基線からの高さを調べたところ、P329/P347は4.5/5.5であった。
【0060】
このPTFE混合粉末100重量部と押出助剤(アイソパーE)24重量部とを混合し、押出機(シリンダー径130mm、金型ダイス内径12mm)によりペースト押出して丸棒を得、これを70℃のカレンダーロール(28m/分)にて圧延してフィルム化し、190℃の熱風乾燥炉で乾燥して厚さ500μmのPTFE未焼成フィルムとした。このフィルムを50mmに切断し、前記ネットワークアナライザーにより空洞共振器法で共振周波数およびQ値を測定し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0061】
さらに前記未焼成PTFEフィルムを330℃、335℃、340℃、345℃および360℃に維持されたソルトバスに30秒間浸漬し、空気中で放冷して加熱処理PTFEフィルムを作製した。
【0062】
これらの加熱処理PTFEフィルムについて示差走査熱量計により融解熱量を測定し、加熱処理前後の融解熱量から結晶転化率を求めた。結果を表1に示す。
【0063】
ついで前記ネットワークアナライザーを用いて空洞共振器法で共振周波数およびQ値を測定し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0064】
比較例2
高分子量PTFE粉末を単独で使用したほかは実施例2と同様にして未焼成PTFEフィルムを作製し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0065】
ついで実施例2と同様に330℃、335℃、340℃、345℃および360℃に維持されたソルトバスに30秒間浸漬し、空気中で放冷して加熱処理PTFEフィルムを作製し、示差走査熱量計により融解熱量を測定し、加熱処理前後の融解熱量から結晶転化率を求めた。結果を表1に示す。
【0066】
ついで前記ネットワークアナライザーを用いて空洞共振器法で共振周波数およびQ値を測定し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0067】
実施例3
実施例2において、低分子量PTFEとして(数平均分子量380万、最大吸熱ピーク温度338℃、平均粒径0.24μm。ダイキン工業(株)製のポリフロンF201)を使用したほかは実施例2と同様にして未焼成PTFEフィルムを作製し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0068】
ついで実施例2と同様に330℃、335℃、340℃、345℃および360℃に維持されたソルトバスに30秒間浸漬し、空気中で放冷して加熱処理PTFEフィルムを作製し、示差走査熱量計により融解熱量を測定し、加熱処理前後の融解熱量から結晶転化率を求めた。結果を表1に示す。
【0069】
ついで前記ネットワークアナライザーを用いて空洞共振器法で共振周波数およびQ値を測定し、12GHzにおける誘電率(ε)および誘電正接(tan δ)を求めた。結果を表1に示す。
【0070】
【表1】
【0071】
表1から明らかなように、加熱(焼成)処理温度が335℃に設定されているとき、加熱温度がプラスマイナス5℃変動した場合(330℃〜340℃)、高分子量PTFE粉末を単独で使用したもの(比較例2)では誘電率が0.33と大きく変動するが、低分子量PTFE粉末を配合することにより、誘電率の変動を0.03(実施例2)および0.15(実施例3)と低く抑えることができる。
【0072】
このことは、加熱(焼成)処理温度管理を緩やかにすることがでできることを示している。
【0073】
【発明の効果】
本発明によれば、成形性に優れ、かつ焼成温度管理がしやすい絶縁層形成用のPTFE混合粉末を提供できる。本発明のPTFE混合粉末を使用して形成された高周波信号伝送機器の絶縁層は、低い値の誘電率や誘電正接をもち、しかも末端加工性が向上したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】示差走査熱量計で測定したときの吸熱ピーク温度の基線からの高さを決定する方法を説明するための仮想の結晶融解曲線である。
【符号の説明】
1 基線
2 吸熱ピークの頂点
Claims (2)
- ポリテトラフルオロエチレン混合粉末をペースト押出して得られる絶縁被覆層を高分子量ポリテトラフルオロエチレンの高温側の最大ピーク温度以下の温度で焼成する高周波ケーブルの製法であり、前記ポリテトラフルオロエチレン混合粉末が、テトラフルオロエチレンを乳化重合して得られる低分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末と、テトラフルオロエチレンを乳化重合して得られる高分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末とを混合することによって得られる混合粉末であって、該低分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末が100万±50万の数平均分子量と327±5℃の示差走査熱量計による結晶融解曲線上に現れる吸熱カーブの最大ピーク温度を有し、該高分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末が450万±100万の数平均分子量と340±7℃の示差走査熱量計による結晶融解曲線上に現れる吸熱カーブの最大ピーク温度を有し、かつ混合粉末がその示差走査熱量計による結晶融解曲線上に現れる吸熱カーブとして327±5℃および340±7℃に明確なピーク温度を有することを特徴とする高周波ケーブルの製法。
- 前記混合粉末が、低分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末と高分子量ポリテトラフルオロエチレン粉末を共凝析して得られたものである請求項1記載の高周波ケーブルの製法。
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