JP5230943B2 - 空気チャネル付きペースト押出絶縁体 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁線とポリテトラフルオロエチレンの絶縁体をペースト押出することによるその製造方法に関する。

ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ファインパウダーは長年の間、電線絶縁体として使用されてきた。しかし高分子量ＰＴＦＥの好ましい特性、すなわち低誘電率と低散逸率にもかかわらず、電線用の絶縁の形成においては、特に大口径、高周波数同軸伝送ケーブルでは、ＰＴＦＥの処理制限の理由から他の重合体が使用されてきた。

ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ファインパウダーは、水分散液重合に続いて分散の凝固ならびにその結果生じる凝固固体を乾燥させてファインパウダーを得ることによって製造されるタイプのＰＴＦＥである。ＰＴＦＥファインパウダーは溶融加工を可能にするほど十分に溶融状態において流れないので、粉を物品に作り上げて、メルトフローを必要としない押出法によって電線上にコーティングされている。この押出法はペースト押出として知られており、たとえば米国特許公報（特許文献１）に記載されている。ペースト押出ではＰＴＦＥファインパウダーを、２５℃、少なくとも０．４５センチポアズの粘度で、その後の押出の状態で液体である有機潤滑剤と混合することでペースト押出組成物が形成される。ＰＴＦＥは潤滑剤を吸い上げ、乾燥させた圧力融合ペースト押出組成物が得られ、これも潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーと称される。典型的には２０〜６０℃の温度で行なわれるペースト押出の間に、潤滑ファインパウダーをダイに通して潤滑性未加工押出物を形成する。次にこの潤滑性未加工押出物を通常は１００〜２５０℃の温度で加熱し、押出物から潤滑剤を蒸発させかつ散逸させる。ほとんどの場合、乾燥させた押出物はＰＴＦＥの融点近くかまたはそれ以上の温度、典型的には３２７℃〜５００℃の間に加熱してＰＴＦＥを焼結する。

高周波数電磁放射を伝送可能なケーブルは、たとえば建物、トンネルまたはガレージ内またはその周りなどの構造物が信号伝送を阻止することのある領域の無線帯域幅における通信に特に有用である。同様にかかるケーブルは遮るもののない領域でも使用できるが、ここでは、ほかの近隣の信号の干渉を受けることなく遠距離に配送されなければならない、正確に制御された信号レベルとする必要がある。

高周波数伝送ケーブルは、所望の減衰特性を得るために、可能な限り低い誘電率ε_Ｔおよび可能な限り低い散逸率ｔａｎδを有する絶縁を必要とする。米国特許公報（特許文献２）に開示されているように、約１．８未満の誘電率が好ましい。フッ素重合体およびポリエチレンなどの絶縁材は約２に近い誘電率を有している。米国特許公報（特許文献３）および（特許文献４）で教示されるように、誘電率を低減するために、溶融流動性の重合体でできた絶縁中に空気室を導入し得る。

通常使用される重合体のうち、ＰＴＦＥは最も低い損失（散逸率）を有している。よって、ポリエチレンまたは溶融流動性のフッ素重合体、たとえばＰＦＡ［ＴＦＥ／ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体］およびＦＥＰ（ＴＦＥ／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）などの他の重合体は溶融押出技法を使って容易に形成されるが、それらの損失はＰＴＦＥほど低くない。たとえば、１ＭＨｚの周波数でＰＴＦＥの散逸率はＰＦＡよりも２倍を超えて低く、ポリエチレンまたはＦＥＰよりも３倍を超えて低い。それにもかかわらず、ペースト押出されたＰＴＦＥファインパウダーの厚い構造体から潤滑剤を除去するために未加工押出物を乾燥させるのが困難なことから、ＰＴＦＥは電線用の大口径の絶縁体に形成するのが困難であった。大口径ＰＴＦＥ絶縁体は、要求されるＰＴＦＥファインパウダーの量のために高価でもあった。

高周波数通信ケーブルに対するもう１つの重要な要件は、不燃性であり、これをフッ素重合体は備えることができるが、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリ塩化ビニルの構造体は備えることができない。フッ素重合体のうちで、ＰＴＦＥは熱に対して最も高い安定性を有する。

誘電率が低く、散逸率が低く、その製造に少量のＰＴＦＥファインパウダーを要するペーストされた押出ＰＴＦＥの絶縁線が、高周波数ケーブルで使用するのに非常に望ましいであろう。

米国特許第２，６８５，７０７号明細書 米国特許第５，９２２，１５５号明細書 米国特許第３，７７１，９３４号明細書 米国特許第５，９２２，１５５号明細書

本発明は導体と、導体の周りのペースト押出されたＰＴＦＥファインパウダーの絶縁体とを有する絶縁線を提供する。ペースト押出された絶縁体は、導体から離間して配置された少なくとも１つの閉連続長手方向空気チャネルを有する。絶縁体を乾燥させ、続いて焼結することが好ましい。好適な実施形態において、絶縁線は同軸ケーブルの一部である。

本発明は、導体の周りに絶縁体を形成する方法であって、押出装置において潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーをペースト押出する工程を具え、前記押出装置がダイ、心棒および少なくとも１つのチャネル形成部材を含む方法をさらに提供する。ダイと心棒は押出オリフィスに至る収束チャンバーを形成し、チャネル形成部材はオリフィスに位置決めされている。心棒は、導体を供給するための中心穴を有している。潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーはチャンバーに通され、導体の周りの潤滑性未加工押出物としてオリフィス出口から押し出され、導体から離間して配置された少なくとも１つの閉長手方向空気チャネルを有する絶縁体を形成する。

好適な一実施形態において、チャネル形成部材はオリフィスの上流で支持される。別の好適な実施形態において押出装置は、互いに離間して配置された複数の閉長手方向チャネルを形成する複数のチャネル形成部材を有する。さらに好適な実施形態において、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーはチャネル形成部材の周囲で導体とチャネル形成部材との間のスペース内に押し込まれ、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーを圧力融合（ｃｏａｌｅｓｃｉｎｇ）させて導体の周りの潤滑性未加工押出物とする。好ましくは押出装置は、チャンバーとオリフィスの接合部に形成された高いせん断領域を有し、これにより実質的なフィブリル化が生じ、圧力融合が高せん断領域の上流で行なわれる。好ましくは潤滑性未加工押出物は乾燥させられ、最も好ましくは、乾燥中に潤滑剤の除去を容易にするために、ガスが潤滑性未加工押出物の空気チャネルを通って循環される。ほとんどの適用例において、乾燥させた未加工押出物を焼結するのも好ましい。

本発明は、導体の周りに潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーをペースト押出する方法に関し、導体から離間して配置された少なくとも１つの閉連続長手方向空気チャネルを有する絶縁体を形成する。絶縁体中の空気チャネルは、製造中に未加工押出物から蒸発した潤滑剤の除去を支援し、高周波数通信ケーブルに特に有用な焼結製品の誘電率を低減する方法を提供する。

潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーのペースト押出の方法は、バレル２とダイ４とを有する押出装置１が示されている図１を参照すれば理解できる。装置１の内部に押出オリフィス５に至る、潤滑性ＰＴＦＥを供給するためのチャンバー３が画定されている。ＰＴＦＥを成形するための心棒１０がチャンバー内に位置決めされ、少なくとも１つのチャネル形成部材８がオリフィス５内に位置決めされている。ダイと心棒は、チャンバー３を収束区域１５と指定された領域に収束させる。チャネル形成部材８は好ましくはオリフィス５の上流で押出装置１によって支持され、最も好ましくは心棒１０で支持される。好ましくは、チャネル形成部材８はオリフィスの出口７の上流でオリフィス５内に嵌込まれる。心棒１０は導体１２を支給するための中心穴１１を有している。導体１２は単一ストランド線または多ストランド線のいずれであってもよい。さらに図１に示すように、収束区域はチャンバー３とオリフィス５との接合部において高せん断領域１９を有している。

潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーは、通常はチャンバー３に適合するよう圧力下で成形された装入材料として、チャンバー３内に置かれ、次に押出オリフィス５に向けて移動して潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーを強制的に押出オリフィス５に通し、導体１２の周りのオリフィス出口７から押し出す、押出オリフィス５に対向する末端のチャンバー３に位置決めされたラム９によってペースト押出される。好ましくは心棒１０とチャネル形成部材８は、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーがチャネル形成部材８の周囲と導体１２とチャネル形成部材８の間のスペース内に押し込まれ、好ましくは高せん断領域１９の上流で収束区域１５において圧力融合を受け、導体の周りに潤滑性未加工押出物を形成するように位置決めされている。

潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーは、ペースト押出中にフィブリルと称する小さな連続繊維様構造物に変形するＰＴＦＥの一次粒子を含み、したがってこのファインパウダーはフィブリル化すると考えられる。潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーは、押出装置１を通されるときにせん断力によってフィブリル化される。実質的なフィブリル化は、チャンバー３と、チャネル形成部材８とオリフィス５の壁の間のオリフィス領域５の接合部における高せん断領域１９で起こる。これらのフィブリルはもともとペースト押出の方向を向いており、このことは押出後は、潤滑性押出物が押出方向に特に強いことを意味している。本発明の好適な方法では、高せん断領域１９における実質的なフィブリル化に先立ち、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーは導体１２の周りで圧力融合される。フィブリル化が早すぎると押出物の導体への付着が妨げられることがあり、これらの領域における重合体の編成が不十分なために押出物に脆弱な領域が生じることがある。

導体を供給する速度は、潤滑性ＰＴＦＥが強制的にオリフィスを通されるときの速度に近づけることがさらに好ましく、さらに絶縁体の導体への良好な付着を図っている。

本発明で使用されるチャネル形成部材８の一実施形態が図１に示されており、図２でこれを斜視で見ることができる。図２において、チャネル形成部材８は心棒チップ６によって提供されており、チップは心棒１０へ取り付けるためのネジ接続のようなコネクター要素１８を含み、オリフィス５に位置決めされるチャネル形成部材８を支持している。図示のように、本実施形態の心棒チップ６は、チャネル形成部材として働く３つのパイ状セグメント２０にシリンダーを分割する３つの半径方向スペース２３を有するシリンダーとして記載することができる。半径方向スペース２３は上流では大きいが、出口７またはオリフィス５の近くでサイズが小さくなるようにテーパが付いている。心棒チップ６はまた、心棒穴１１から送り込まれる導体１２（図示せず）を収容するための中心穴２１も含む。各パイ状セグメントは、心棒穴１１と流体連通する心棒チップ６の長さ方向に走る穴２２を有しており、この穴を通して真空引きを行なうかまたは別法として、後で詳述するように、押出中に空気を吸引して乾燥中の潤滑剤の除去を支援する。

図３に示す絶縁線３０は導体１２とペースト押出されたＰＴＦＥの絶縁体１６を有しており、図２に示す心棒チップ６を有する押出装置１を使用して形成される。絶縁体は互いに離間して配置された複数の閉連続長手方向空気チャネル１７を有し、導体の周りに対称的に配置されている。絶縁体１６は、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーが心棒チップ６のパイ状セグメント２０の周りと、導体と導体１２から離間して配置された３つのパイ状閉連続長手方向空気チャネル１７を形成する心棒チップとの間のスペースに押し込まれるときに形成される。押出物の圧力融合は好ましくは、ＰＴＦＥが半径方向スペース２３を通過して中心スペース２１に至り、次いで導体と図１に示す高せん断領域１９の上流のチャネル形成部材との間のスペースに入るときに起こる。

本発明で使用する心棒チップ４０の別の実施形態が斜視で図４に示されている。この心棒チップ４０も、テーパ端４６で心棒チップ本体４５に接続するコネクター要素４４を有している。心棒チップ４０のチャネル形成部材は、心棒穴１１から供給された導体（図示せず）を収容するために中心チューブ４３の周りに対称的に離間して配置された４本のチューブ４２から構成される。４本のチューブ４２と中心チューブ４３は心棒チップ本体４５のテーパ端４６から延びており、中心チューブの心棒チップ本体４５のテーパ端４６からの延びは、チューブ４２より短くなっている。心棒チップ本体４６は、押出の間にチューブを通して真空引きが可能なように、または別法として空気をチューブに通して、後で詳述するように乾燥の間に潤滑剤を除去するのを支援するために、４本のチューブ４２が心棒穴１１と流体連通するように適切な通路（図示せず）を有している。

図５に示す絶縁線５０は、導体１２とペースト押出されたＰＴＦＥの絶縁体５１を有しており、図４に示す心棒チップを具備した押出装置を使用して形成される。絶縁体は、互いに離間して配置された複数の閉連続長手方向空気チャネルを有し、導体の周りに対称的に配置されている。絶縁体５１は、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーがチャネル形成部材のチューブの周りと、導体と導体１２から離間して配置された４つの円形閉連続長手方向空気チャネル５２を具備する絶縁体５１を形成するチューブとの間のスペースに押し込まれるときに形成される。押出物の圧力融合は好ましくは、ＰＴＦＥが導体と、押出装置の高せん断領域の上流の管状チャネル形成部材との間のスペースに入るときに起こる。

本発明の方法によるペースト押出は、好ましくは２０〜６０℃の温度で実施されるが、この範囲以外の押出温度も使用可能である。次いで潤滑性未加工押出物を通常１００〜２５０℃の温度で加熱して、押出物から潤滑剤を蒸発させかつ追い出して、押出物を乾燥させる。本発明の好適な形態にしたがって、蒸発した潤滑剤を運ぶのに適切なガス、たとえば空気を乾燥させる間押出物の空気チャネルを通して循環させる。これはガスを導入することにより、または別法として心棒穴１１に真空をかけて、これにより図２に示す心棒チップ６における穴２２または図４に示す心棒チップ４０におけるチューブ４２にガス流れを通過さして好都合に達成される。このガス流によって、未加工押出物中の新規に形成された空気チャネルを通るガス流が生じ、この流れは乾燥させられる押出物の一部を通って継続される。このガス流は空気チャネルがベントとして作用する押出物の終点まで継続し、吸い上げたガス（ならびに蒸発した潤滑剤）を放出するかまたは吸入したガスを絶縁体中に収容する。乾燥時間は、乾燥させる押出物を通るガス流によって実質的に短縮される。以前は乾燥ステップが、商業的に実現可能な方法で高分子量のＰＴＦＥから製造可能な物品のサイズを制限していた。本発明以前は、大口径の絶縁体は肉厚が大きく潤滑剤の蒸発を妨げることから、小口径の絶縁体を具備した被覆線のみがＰＴＦＥを使って製造可能であった。しかし本発明により、長手方向の空気チャネルとＰＴＦＥの質量の減少によって潤滑剤の抽出が容易になり、高分子量ＰＴＦＥから大口径ケーブルの形成が可能になる。

広範囲の直径、たとえば約２ｍｍ〜約１２５ｍｍの絶縁線は、本発明による方法を使用して製造可能である。本発明は、約８ｍｍを超える直径、より好ましくは１０ｍｍを超え、さらに好ましくは約１５ｍｍを超え、最も好ましくは約２０ｍｍを超える絶縁線を製造するのに好都合に利用される。特に好ましい範囲は約１０ｍｍ〜約５０ｍｍである。かかる大口径は、乾燥時間の短縮により、本発明を使用することによって経済的に製造可能である。

乾燥後、ほとんどの適用例では、押出物は、電線の周りの絶縁体を強化するのに十分な期間、３２７℃〜５００℃の温度までオーブンで加熱することによって焼結されるのが好ましい。

本発明はさらに、上記の方法で製造された絶縁線を具備した同軸ケーブルを提供する。同軸ケーブルは通常は内部導体、この内部導体に同軸に配置された外部導体および導体と外部保護シースとの間のペースト押出されたＰＴＦＥで製造された絶縁体を含む。図６は、図１の押出装置と図４に記載した心棒チップ４０とを使用して製造した絶縁線を有する同軸ケーブル６０を示したものである。ここに示されているのは複数のストランド線導体電線６１でできた中心コア、導体から離間して配置された４つの閉連続長手方向管状空気チャネル６３を有する導体電線の周りのペースト押出されたＰＴＦＥファインパウダーの絶縁体６２である。絶縁体６２の周りには編組または織物外部導体６４と保護外部シース６５とが設けられている。

同軸ケーブルによって求められる高周波数の減衰を得るには、誘電絶縁体の誘電率は可能な限り１に近くなければならない。フッ化重合体は誘電率が低いことで知られている。未焼結のＰＴＦＥの誘電率は約１．７で、焼結ＰＴＦＥの誘電率は約２である。絶縁体に空気チャネルを組み込むと、高周波数電磁放射を伝送する同軸ケーブルにとって有効な範囲まで誘電率が低下する。

さらに、最も一般に使用される重合体のうちＰＴＦＥの損失は最も低い（散逸率）。したがって、ポリエチレンまたは溶融流動性のフッ素重合体、たとえばＰＦＡ［ＴＦＥ／ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体］およびＦＥＰ（ＴＦＥ／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）などの他の重合体は、溶融押出技法を使って容易に形成されるが、それらの損失はＰＴＦＥほど低くない。たとえば、１ＭＨｚの周波数においてＰＴＦＥの散逸率はＰＦＡより２倍を超えて低く、ポリエチレンまたはＦＥＰより３倍を超えて低い。本発明の方法は、ＰＴＦＥファインパウダーの所望の特性、すなわち低誘電率と低損失をうまく利用し、ＰＴＦＥを大口径高周波数ケーブル用の絶縁として形成することが可能である。さらに、ＰＴＦＥの高熱安定性のために、このフッ化重合体がほかの一般的に使用される重合体よりも望ましいものとなっている。
以下に、本発明の好ましい態様を示す。
［１］
導体と前記導体の周りにペースト押出されたＰＴＦＥファインパウダーの絶縁体を含む絶縁線であって、前記絶縁体は前記導体から離間して配置された少なくとも１つの閉連続長手方向空気チャネルを有することを特徴とする絶縁線。
［２］
前記絶縁体が互いに離間して配置された複数の閉連続長手方向空気チャネルを有することを特徴とする［１］に記載の絶縁線。
［３］
前記長手方向空気チャネルが導体の周りに対称的に配置されていることを特徴とする［２］に記載の絶縁線。
［４］
前記絶縁体が焼結されていることを特徴とする［１］に記載の絶縁線。
［５］
［１］に記載の絶縁線を含むことを特徴とする同軸ケーブル。
［６］
前記絶縁体が約８ｍｍを超える直径を有することを特徴とする［１］に記載の絶縁線。
［７］
前記絶縁体が約１０ｍｍを超える直径を有することを特徴とする［１］に記載の絶縁線。
［８］
導体の周りに絶縁体を形成する方法であって、押出装置において潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーをペースト押出する工程を具え、
前記押出装置がダイ、心棒および少なくとも１つのチャネル形成部材を含み、前記ダイと心棒は押出オリフィスに至る収束チャンバーを形成し、前記チャネル形成部材は前記オリフィスに位置決めされ、前記心棒は前記導体を供給する中心穴を有しており、
前記ペースト押出する工程は、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーを前記チャンバーに通して、前記導体の周りの潤滑性未加工押出物として前記オリフィス出口から押出し、前記導体から離間して配置された少なくとも１つの閉長手方向空気チャネルを有する絶縁体を形成することを含む方法。
［９］
前記チャネル形成部材が前記オリフィスの上流で押出装置によって支持されていることを特徴とする［８］に記載の方法。
［１０］
潤滑性未加工押出物を乾燥させるステップをさらに含むことを特徴とする［８］に記載の方法。
［１１］
乾燥させた押出物を焼結するステップをさらに含むことを特徴とする［１０］に記載の方法。
［１２］
前記押出装置が互いに離間して配置された複数の閉長手方向空気チャネルを形成する複数のチャネル形成部材を有することを特徴とする［８］に記載の方法。
［１３］
前記複数のチャネル形成部材が前記オリフィスにおいて前記導体の周りに対称的に配置されることを特徴とする［１２］に記載の方法。
［１４］
前記潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーが前記チャネル形成部材の周りおよび前記導体と前記チャネル形成部材間のスペース内に押し込まれ、前記潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーを圧力融合させて前記導体の周りの前記未加工押出物とすることを特徴とする［８］に記載の方法。
［１５］
前記押出装置は前記チャンバーと前記オリフィスとの接合部で高せん断領域を有し、これにより前記潤滑性ＰＴＦＥの実質的なフィブリル化が生じ、前記圧力融合が前記高せん断領域の上流で行なわれることを特徴とする［１４］に記載の方法。
［１６］
前記チャネル形成部材は前記高せん断領域の上流で押出装置によって支持されることを特徴とする［１５］に記載の方法。
［１７］
前記導体の前記供給は前記潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーが前記オリフィスに押し込まれる速度と近似の速度で行なわれることを特徴とする［８］に記載の方法。
［１８］
前記絶縁体は約８ｍｍを超える直径を有することを特徴とする［８］に記載の方法。
［１９］
前記絶縁体は約１０ｍｍを超える直径を有することを特徴とする［８］に記載の方法。
［２０］
前記乾燥中に、潤滑性未加工押出物中の前記長手方向空気チャネルの中にガスを循環させることをさらに含むことを特徴とする［１０］に記載の方法。

本発明で使用される押出装置の部分縦断面図である。 図１の押出装置に利用されている心棒チップの一実施形態の拡大斜視図である。 図２に示した心棒チップを使用して形成された絶縁体の部分斜視図である。 図１の押出装置で使用する心棒チップの第２の実施形態の拡大斜視図である。 図４に示した心棒チップを使用して形成された絶縁体の部分斜視図である。 本発明に従って製造された絶縁体と長手方向空気チャネルとを有する絶縁線のある同軸ケーブルの部分斜視切断図である。

Claims (3)

1. 導体と前記導体の周りにＰＴＦＥファインパウダーの絶縁体を含み、前記絶縁体が前記導体から離間して配置された少なくとも１つの閉連続長手方向空気チャネルを有する絶縁電線の製造方法であって、
   押出装置によって潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーをペースト押出する工程を具え、
   前記押出装置がダイ、心棒および少なくとも１つのチャネル形成部材を含み、前記ダイと心棒は押出オリフィスに至る収束チャンバーを形成し、前記チャネル形成部材は前記オリフィスに位置決めされ、前記心棒は前記導体を供給する中心穴を有しており、
   前記ペースト押出する工程は、潤滑性ＰＴＦＥファインパウダーを前記チャンバーに通して、前記導体の周りに潤滑性未加工押出物として前記オリフィスの出口から押出すとともに、前記導体から離間して配置された少なくとも１つの閉長手方向空気チャネルを有する絶縁体を形成することを含み、前記少なくとも１つの閉長手方向空気チャネルは前記絶縁体の誘電率を低減するとともに前記潤滑性未加工押出物から蒸発した潤滑剤の除去を支援するためのものである方法。
2. 請求項１に記載の方法によって製造された絶縁電線。
3. 請求項２に記載の絶縁電線を含むことを特徴とする同軸ケーブル。

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