JP4643609B2 - 電気導体の保護のためのジャケット材料 - Google Patents
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Description
本発明のもう1つの目的は、ジャケットや導体についての譲歩なしに、滅菌操作のような極めて厳しい使用条件に耐えることができるジャケット材料を提供することである。
本発明のこれら及びこの他の目的は、以降の説明の再吟味から明らかになるであろう。
本発明は、電気信号を伝送する導電性ケーブルと光信号を伝送する光ファイバーケーブルを含む、各種のいろいろな電磁エネルギー伝導性材料を被覆するに適切な改良された保護ジャケット材料である。本発明のジャケットは、繰り返しのスチーム滅菌処理のような過酷な環境条件や、繰り返しの屈曲のような攻撃的な取扱いの要請に耐えなければならないケーブルの保護に使用するに特に適切である。
次のようにして、本発明のジャケットとして使用するに適する複合材料の膜を作成した。ミシガン州のミッドランドにあるダウコーニング社より商品名Q3−6611のシリコーン接着剤を入手した。Q3−6611はジメチルメチル水素シロキサンコポリマー、ジメチルビニル化とトリメチル化のシリカ、及び石英を含んだ。この材料は、95000センチボイズの粘度を有する1液で灰色のどろどろした流動性のある液体である。硬化の後であるが延伸膨張PTFE構造に含浸させる前に、この材料は、ショアーA60のジュロメーター測定値、700psiの引張強度、及び125%の伸びを有する。
参考にして取り入れているGoreの米国特許第3953566号明細書に従って作成された延伸膨張PTFEのサンプルの膜に、各々の混合物の複合材料を施した。
このようにして塗布された後、その膜を150℃のオーブンで10分間硬化させた。膜の片は非常に良好な伸縮性を有し、シリコーンの普通の低温流れ性は示さなかった。
本発明の1つの用途を例証する目的で、得られたシートを、可撓性プリント回路板材料と交互の層に配置した。次いでこの複合材料を500ポンドで150℃の加熱されたプレスに10分間配置した。得られた可撓性複合材料は、層の間の優れた接着性とある程度の伸縮性を有した。
フィラー材料を含まないシリコーンを用い、もう1つの混合物を作成した。この材料は、ダウコーニング社のQ1−4010シリコーンコンフォーマルコーティングであった。Q1−4010はジメチルメチル水素シロキサンコポリマー、ジメチルシロキサン、ジメチルビニル末端化シリカ、及びトリメチル化シリカを含んだ。このシリコーンを塩化メチレンの溶媒を用いて希釈した。混合は、同様に均一な色が得られるまで室温で攪拌することによって行った。
この同じ作業を多数の延伸膨張PTFE膜のサンプルについて行った。次いで各々のサンプルを150℃で10分間硬化させた。
次のようにして本発明のチューブ状複合材料を作成し、下記に示す仕方でワイヤーのジャケットとして試験した。
次のようにしてポリテトラフルオロエチレンの分散系を調製した。E.I.duPont de Nemours and Companyから入手したPTFE樹脂を17体積%のISOPAR−C潤滑剤で混合した。この混合物を200psiでペレットに圧縮した。このペレットをラム式押出機によって300psiで押出し、押出チューブを作成した。この押出チューブを約300℃で5秒間乾燥した。次いでこのチューブを24フィート/分の線速度にて4:1で延伸膨張させた。次いで延伸膨張したチューブを395℃で17秒間焼成した。得られたチューブは、約0.5g/ccの密度と約0.030インチの名目上の肉厚を有した。
・1000ポンドの引張用ロードセルを備えたインストロン4201万能試験機
・100ポンドの圧縮用ロードセル
・半径0.003インチ×幅0.250インチのブレードジグ
・デルロン(Delron)絶縁スペーサー
・ショート検出器
・Teledyne Taber Model V−5剛性試験器
・90°Tik Tok試験器
・Pelton−Crane Validator Plusオートクレーブ
1.剛性について試験サンプルは、Teledyne Taber Model V−5剛性試験器を用い、メーカーが推奨する方法を踏襲して試験した。
2.試験サンプルのジャケットを取り出し、寸法を測定し、インストロン4201万能試験器を用いて次の方法によって引張強度試験を行った。
(a)試験すべきサンプルを6インチの長さに切り、サンプルのコアを除去する。
(b)ジャケット材料を測定して全体の外径、肉厚、及びジャケットの内径を求める。
(c)1000ポンドのロードセルを使用し、メーカーが推奨する方法を用いてインストロン4201を調整し、安定化させる。
(d)クロスヘッド速度を2インチ/分に、サンプルのクランプを1インチの距離に設定する。
(e)試験すべきサンプルをクランプに取り付け、引張る。
(f)いくつかのサンプルを引張り、各々の引張りについて「ピーク」値を記録し、次いで平均ピーク力について値を平均する。
(g)下記の式を用い、試験しているサンプルについて平均PSIを計算し、記録する。
特定のパラメーターとして、
・100ポンドの圧縮セル
・0.05インチ/分
・半径0.003インチ×幅0.250インチのブレードジグ
(a)試験すべきサンプルを6インチの長さに切り、サンプルのコアを除去する。
(b)先の試験で測定した全体の外径、肉厚、及びジャケットの内径を記録する。
(c)100ポンドの圧縮ロードセルを使用し、メーカーが推奨する方法を用いてインストロン4201を調整し、安定化させる。
(d)クロスヘッド速度を0.05インチ/分に設定し、デルロンスペーサーと半径0.003インチのブレードジグを装着する。
(e)試験すべきサンプルを半径0.003インチ×幅0.250インチのブレードジグに装着し、ショート検出器と赤いリード線をロードセルに、黒いリード線をそのジグに取り付ける。
(f)いくつかのサンプルの圧縮を行い、ショート検出器がショートを検出したときにクロスヘッドを停止させ、各々の圧縮について「ピーク」値を記録する。平均ピーク力についての値を平均し、記録する。
・マンドレル外径…0.320インチ
・屈曲速度 …15サイクル/分
・張力 …1ポンド
・行ったサイクル…496653回
サンプルの評価として、全てのサンプルについてジャケットの損傷、クラック、割れなどは全く発生しなかった。
ジャケットの評価のみが所望であったため、屈曲試験の際に電気的試験は行わなかった。
(a)サンプル材料をTik Tok試験器に装着した。
(b)次いでサンプルを前記の屈曲速度でマンドレルの上で反対方向に繰り返しの90°の屈曲に供した。
(c)示した数のサイクルを終えた後、サンプルを目視によって評価した。
・温度…270〜274°F
・圧力…30〜38psi
・時間…5分間
オートクレーブ処理の後、上記のようにして引張強度と切断試験を行い、材料特性変化を測定した。
(a)電気的モニターのためにケーブルのサンプルを調製し、全ての中央の導体を一緒に接続し、約18インチのリード線に取り付けた。シールドを一緒に接続し、それも18インチのリード線に取り付けた。試験サンプルの反対の端部は露出され、不慮のショートを防ぐためにワイヤーを離した。
(b)装着された平たいプレートを備えた100ポンドの圧縮ロードセルを有するインストロン4210万能試験器を用いた。この万能試験器に半径0.003インチのブレードジグを装着した。
(c)試験サンプルからのリード線は、SLAUGHTERシリーズ103/105−MP Hi−Pot試験器に取り付けた。
(d)試験サンプルは、半径0.003インチのブレードの上に垂直に配置した。ブレードは、サンプルの上に経路ができるようにサンプルの1つの端に配置した。
(e)圧縮セルは、試験サンプルに丁度触れるように配置し、クロスヘッド速度は1.0インチ/分未満に設定した。
(f)Hi−Pot試験器は10mAの電流限界で500Vの直流に設定した。
(g)次いで万能試験器の圧縮サイクルを開始し、同時にサンプルのショートを注視した。ショートが示されたとき、読み取りを行う。
(a)一緒に接続されて端部で約18インチのリード線に取り付けられた導体のデージーチェインを用い、電気的監視のためにサンプルを調製した。
(b)サンプルの1つの端を180°コルクネジ屈曲試験器のクランプに装入した。
(c)次いでサンプルを3回転捩じり(反時計回り)、次いで反対のクランプに接続した。
(d)サンプルを200/50Point Break検出ボックスに接続した。
(e)破壊が生じるまで試験器を15±1サイクル/分で運転した。
(f)破壊の後、破壊までのサイクル数を記録した。
テーバー剛性試験
テーバー剛性試験は、試験サンプルの可撓性の指標である。テーバー数が高い程、サンプルはより剛性である。この値は、ある試験サンプルと別なサンプルの剛性を定量する相対値である。試験サンプルの6番(100%シリコーンのジャケット)のデータは、先の生産ロットから得られた試験データより求めた。これは、ユーザー承認のための試験に使用される値である。
サンプルを対照標準サンプルに比較し、全てのサンプルは、シリコーン対照標準よりも可撓性が高く、延伸膨張PTFEジャケットの対照標準より可撓性が低い。
引張強度試験もまた、前記のテーバー試験と同様な傾向を示したが、1つの若干の相違を示した。サンプル1、2、3番(Q1−4010樹脂)は増加したが、サンプル5番(X1−4105樹脂)は期待された増加を示していない。解釈は不明である。対照標準サンプル6番と7番の間の関係も若干異なり、サンプル3番はサンプル7番よりも高い。解釈は不明である。試験サンプル6番の最小値は、Q7−4750材料についての業者のデータシートによれば1200psiである。
半径0.003インチ×幅0.250インチのブレードジグを用いて0.05インチ/分のクロスヘッド速度で切断試験を行い、ジャケット材料の1枚の厚さを貫くに必要な最大力を記録した。各種の構造について行った試験は、材料を貫くに必要な最大力にサンプルの厚さが影響せず、ショートが認められるまでの時間に影響するに過ぎないことを示唆した。
屈曲試験の結果は破壊を示さなかった。クラック、割れ、又は皺は全く認められなかった。認められた唯一の結果は、全ての屈曲試験の際に見られた一般的なジャケットの変色であり、これはアルミニウムマンドレルの使用によるものである。従来のシリコーンジャケットは表面磨耗の兆候を示した。
オートクレーブ処理後引張強度・切断試験を、前記と同様にして、オートクレーブ処理した1種のみのサンプルについて行った。この試験サンプルは5番であった。結果は、オートクレーブ処理によって引張強度と切断値が増加することを示した。
次のようにして、本発明の平坦なフィルムを作成した。
1ポンドのduPont T−3512樹脂あたりに145ccのISOPAR−Kの混合物を用いて分散系を作成した。ラム式押出機によりGoreのダブルキャビティダイを用いてこの混合物を押出した。次いで押出された材料を厚さ0.026インチから厚さ0.006インチに圧延した。次いでこの材料を再度厚さ0.0042インチに圧延した。次いで得られた材料を乾燥した。次いで乾燥された圧延材料を、130フィート/分の線速度で3.55:1の名目上の延伸速度で延伸膨張させた。最後に、延伸膨張された材料を約369℃の温度で焼成した。得られた材料は、次の特性、即ち、0.75g/ccの密度、70%の気孔率、12psiの泡立ち点、膜の縦軸方向の10610psiのマトリックス引張強度、3.55:1の名目上の延伸比、膜の横軸方向の2735psiのマトリックス引張強度、及び8300の転倒カップ水蒸気透過速度(MVTR)を有した。
密度は、材料の寸法を測定し、単位面積あたりのその重量を計算することによって求めた。
気孔率は、Micromeritics Model 1310オートチコメーター(autotychometer)を用いてサンプルの真密度を計算することによって求めた。続いて行った手順はヘリウムを用い、ヘリウムで満たされた雰囲気にサンプルを5分間曝すことによってサンプルの空気を排除し、1インチ×1インチのサンプルの水置換によるアルキメデス法によってサンプルの嵩密度を求め、次の計算によって気孔率を求める。
気孔率=1−((嵩密度/真密度))×100
引張強度は、インストロン引張試験器シリーズIXを用い、ASTMD−882(薄いプラスチックシートの引張特性)に従って測定した。引張試験器のクロスヘッド速度は約20インチ/分であり、ゲージ長さは2インチに設定した。
カップアセンブリーを1/1000gの精度で秤量し、試験サンプルの中央の上に逆さにして置いた。水の移動は、水槽の水と飽和塩溶液の間の、その方向に拡散による水の流束を与える駆動力によって与えられた。サンプルを5分間試験し、次いでカップアセンブリーを取り出し、再度1/1000gの精度で秤量した。サンプルのMVTRをカップアセンブリーの重量増加から計算し、サンプル表面積の1平方メートルあたりで24時間あたりの水のグラムで表した。
このようにして作成した複合材料を、図4と5に示した構造のように同軸ケーブルのまわりに螺旋状に巻回した。巻回した後、その巻回されたケーブルを110℃のオーブンに15分間入れ、シリコーン材料を硬化させ、同軸ケーブルに複合材料ジャケットを結合させた。
延伸膨張PTFEの存在は、導体アセンブリーに半径方向の拘束を確立する。この半径方向の拘束は、伝送ラインに電気的ロスの安定性を付与するため、高周波同軸伝送ラインの作成に特に有用である。
本発明の複合材料をさらに加工する次の例は、より以上に改良された特性を得るために採用することができる。
前記の例3に従って3フィートのチューブ複合材料を作成した。各々の端部から内側に2インチの拡張を含むチューブの各々の端部をダウコーニング社のQ1−4010シリコーンとISOPAR−C溶媒の体積部で1:1の溶液の中に沈めた。その溶液からそのチューブの端部を取り出し、120℃のオーブンに30分間入れ、シリコーンを硬化させた。次いでそのチューブの全体をその溶液の中に沈め、完全に浸透させた。浸透の後、その溶液からチューブを取り出し、前記のオーブンに30分間入れた。
本発明の複合材料のチューブを上記の例3に記載した方法に従って作成し、但し5:1の延伸膨張比、7.5フィート/分の線速度とした。得られたチューブは0.030インチの肉厚を有した。
押出されたチューブをダウコーニング社のQ1−4010シリコーンとISOPAR−C溶媒の1:3の溶液の中に沈めた。次いでチューブを取り出し、チューブの両端を支持されたマンドレルの上で巻回した。次いでチューブとマンドレルを110℃のオーブンに30分間入れた。
次いでガイドワイヤーを利用して、光ファイバーの束を引張ってこの複合材料ジャケットに通した。光ファイバーの束は0.137インチの外径を有し、各々のファイバーは0.002インチの外径を有した。この光ファイバーはホウケイ酸ガラス材料から作成された。
本願において本発明の特定の態様を例示し、説明してきが、本発明はこの例示や説明に限定されるべきでない。変化や変更が次の請求の範囲の範疇の中で本発明の一部として取り入れられ、具体化され得ることは明らかであろう。
いくつかの延伸膨張PTFEのサンプルを、トルエンで希釈したX1−4105とQ1−4010シリコーンで含浸した。シリコーンとトルエンの比は3:1であった。これらのサンプルを硬化させ、次いで純粋なトルエンの中に沈めた。サンプルを取り出し、次の72時間にわたって物理的特性における何らかの損失や見た目の劣化について検査した。サンプルは膨潤や重量増加の兆候を示したが、優れた引張、磨耗、及びレジリエンスの性質を有したままであった。サンプルを取り出してそれらを乾燥させた後、それらを再度秤量した。X1−4105を含むサンプルは2.3%の重量低下を示し、一方でQ1−4010を含むサンプルは1.3%の重量低下を示した。シリコーンは複合材料の重量の50%より多いため、これらの重量低下はわずかである。
Claims (6)
- 導体用ジャケットの製造方法であって、
長手方向に非伸縮性である延伸膨張ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)材料の微細多孔質基材である、ポリテトラフルオロエチレン材料の微細多孔質基材を用意し、
シリコーンエラストマーを用意し、
シリコーンエラストマーと溶媒を混合し、接触するとポリテトラフルオロエチレン材料の微細多孔質基材に自由に浸透することができる液体組成物を作成し、
該組成物がポリテトラフルオロエチレン材料の微細多孔質構造を連続して完全に埋封するように、該組成物をポリテトラフルオロエチレン材料に施し、
該組成物から溶媒を除去し、複合材料のジャケット材料を残存させ、
該導体の長手方向の歪みによる負荷を該ジャケットと導体の間で分配するように導体のまわりを該複合材料のジャケット材料でシールすることにより該ジャケットを形成する
ことを含む、導体用ジャケットの製造方法。 - 塩化メチレン、トルエン、及びアセトンからなる群より選択された溶媒を用意し、シリコーンと溶媒を重量で0.1:1〜3:1の比率で混合することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複合材料のジャケット材料が、テープで巻回することによって該導体をシールするために、テープ状に形成される、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記複合材料のジャケット材料が、チューブで前記導体を囲むことによって該導体をシールするために、チューブ状に形成される、請求項1又は2に記載の方法。
- 導体用の改良されたジャケットの製造方法であって、
微細多孔質構造を有するポリマー膜を用意し、
シリコーンと溶媒の混合溶液を用意し、膜の微細多孔質構造に自由に浸透することができる液体組成物を作成し、
該組成物が微細多孔質構造を完全に含浸するように、該組成物で膜を被覆し、
溶媒を除去して膜の中でシリコーンが硬化するように、その含浸された膜をエネルギー源に曝し、微細多孔質構造を連続して完全に埋封するようにシリコーンを含浸した膜を作成し、
該導体の長手方向の歪みによる負荷を該ジャケットと導体の間で分配するように、該導体をシリコーン含浸膜で巻回することによって該ジャケットを形成する
ことを含む、導体用の改良されたジャケットの製造方法。 - 塩化メチレン、トルエン、及びアセトンからなる群より選択された溶媒を用意し、シリコーンと溶媒を重量で0.1:1〜3:1の比率で混合することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
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