NL8701285A

NL8701285A - Dunwandige isolering met hoge kwaliteit voor draad.

Info

Publication number: NL8701285A
Application number: NL8701285A
Authority: NL
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1986-06-02
Filing date: 1987-06-01
Publication date: 1988-01-04
Also published as: JPS6324503A; GB8712643D0; DE3718449A1; FR2606543A1; GB2191330B; IT8720746A0; US4716073A; FR2606543B1; GB2191330A; JPH0752606B2; IT1205052B

Description

N.0. 34546 *

Dunwandige isolering met hoge kwaliteit voor draad.

GEBIED YAN DE UITVINDING

Deze uitvinding heeft betrekking op de toepassing van etheen/te-trafluoretheen- (ETFE) of etheen/chloortrifiuoretheen- (ECTFE) polymeren voor de produktie van een opgeschuimde bekleding voor isolatie over 5 draad voor het doorgeven van elektronische signalen, waarbij de opgeschuimde bekleding omgeven is door een beschermende mantel of huid vervaardigd uit een van de twee polymeren.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

Elektrische draad wordt gebruikt voor het doorgeven van elektroni-10 sche signalen. De draad moet worden beschermd, of geïsoleerd, en kunststof-bekledingen worden gewoonlijk geëxtrudeerd uit een gesmolten toestand op en rond de draad. Als kunststofmaterialen worden die gekozen, welke een lage diëlektrische constante en een lage dissipa-tiefaktor bezitten. Reeds gevonden was, dat wanneer de kunststof wordt 15 opgeschuimd wanneer deze op de draad wordt aangebracht, de diëlektrische constante, zoals gewenst, wordt verlaagd als gevolg van de vorming van talrijke kleine cellen in het schuim.

Opgeschuimde isolatie rond transmissie-draad is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.072.583 op naam van S.K. Randa, waarin hij 20 een door kiemen veroorzaakte schuimwerkwijze beschrijft voor het extru-deren van geperfluoreerd polymeerschuim, bijvoorbeeld van het copoly-meer van etheen/propeen (FEP), met een opgelost gasvormig opblaasmid-del. Wegens de hoge viscositeit ervan is FEP-schuim moeilijk met grote snelheden te extruderen op draad.

25 De Amerikaanse octrooischriften 4.331.619 en 4.394.460 op naam van Chung et al. hebben betrekking op een door kiemen gevormde chemische opblaas-schuimsamenstelling, gebaseerd op gefluoreerde copolymeren, bij voorkeur etheen-chloortrifluoretheen-copolymeren. Dit octrooi schrift beschrijft het schuim op draad alleen in termen van gemiddelde cel-30 grootte. Het heeft geen betrekking op het probleem van lage diëlek-trische sterkte als gevolg van structureel falen van het schuim. Schuim-isolatie kan structureel en elektrisch worden verzwakt, wanneer verscheidene schuimcellen radiaal worden gericht tussen de draad en het uitwendige oppervlak van de schuim-isolatie, en/of wanneer twee of meer 35 schuimcellen, die aanzienlijk groter zijn dan het gemiddelde, zo zijn gericht of wanneer de grootte van een enkele cel de dikte van de isolatie benadert.'Elektrische proefgegevens zijn niet weergegeven in deze octrooi schriften, maar de voorbeelden houden in, dat speldegaatjes aan- **· *» .J ' ; ) -·· y* i V i ». w 2 wezig zijn in de bekleding door vermelden dat "een minimum aan spelde-gaatjes in het oppervlak aanwezig zijn".

Soms wordt een huid of mantel rond de schuim-draad-constructie aangebracht om het geheel te beschermen. Het Amerikaanse octrooi schrift 5 4.309.160 op naam van Poutanen et al. vermeldt bijvoorbeeld een apparatuur en een methode voor de vorming van een schuim en een niet geschuimde huid rond telefoondraad. Het octrooi schrift leert, dat het schuim goede elektrische eigenschappen verschaft (bijvoorbeeld lage di-elektrische constante) en dat de niet geschuimde buiten!aag of huid 10 goede mechanische eigenschappen verschaft. In dit octrooi schrift zijn het schuim en de huid vervaardigd uit hetzelfde kunststofmateriaal, maar gefluoreerde polymeren zijn niet vermeld.

Op overeenkomstige wijze leert Maillefer Technical Report 17 ex-trusietechnieken voor de schuim-huid-extrusie op draad. Dit artikel 15 heeft hoofdzakelijk betrekking op polyetheenschuim/polyetheenhuid-con-structies, en vermeldt niet de toepassing van fluor bevattende polymeren.

Er bestaat een behoefte aan extrusie met hoge snelheid van zowel schuim als huid op elektrische draad.

20 . OVERZICHT VAN DE UITVINDING

Deze uitvinding heeft betrekking op opgeschuimde bekledingen van hoge elektrische kwaliteit rond een centrale draad, bedekt met een uitwendige niet opgeschuimde polymeerhuid voor bescherming. Het schuim en de huid worden vervaardigd uit een copolymeer van etheen/tetrafluor-25 etheen (ETFE) of een copolymeer van etheen/chloortrifluoretheen (ECTFE). Het schuim en de huid kunnen worden vervaardigd uit hetzelfde copolymeer, maar dit behoeft niet zo te zijn. De gebruikte copolymeren moeten 40-60 mol.% etheen (E), 60-40 mol.% tetrafluoretheen (TFE) of chloortrifluoretheen (CTFE) bevatten en kunnen tevens tot 10 mol.% van 30 een copolymeriseerbaar monomeer bevatten, dat nagenoeg vrij is van te-logene activiteit. Dit termonomeer kan bij voorkeur een vinylmonomeer zijn, dat een zijketen bevat met tenminste twee koolstofatomen, zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.342.777; of een peril uoralkyl ethyl een met de formule CH2=CHRf als beschreven in het 35 Amerikaanse octrooischrift 4.123.602. Het ETFE-copolymeer moet smelt-viscositeiten bezitten in het gebied van 0,5 tot 0,9 x 104 poise bij 298eC, zoals gemeten met ASTM D-1238. Indien de huid een lagere smelt-viscositeit heeft dan het schuimpolymeer vergemakkelijkt dit extrusie van de huid rond het schuim.

40 Het schuim verschaft een lage diëlektrische constante. De uit- .¾ 7 -i O " ··'.

O J ~·4 - i j ·? 3 wendige huid is niet opgeschuimd en heeft een hogere diëlektrische constante, maar de huid verandert niet op significante wijze de wederzijdse capaciteitseigenschappen, als gemeten tussen paren in het kabel-samenstel.

5 De keuze van ETFE- of ECTFE-materialen voor telecornmunicatiedraad en -kabel (telefoon- en optische vezel) is een gunstige constructie.

Een reeds beschikbaar schuim was Teflon® FEP fluorkoolstofschuimhars (TFE/HFP), dat wil zeggen gefluoreerd etheen/propeen volgens het Amerikaanse octrooischrift 3.072.583, dat een betere warmtebestendigheid en 10 vlambestendigheid geeft dan het daarvoor bekende polyetheen en de niet gespecificeerde “kunststof" volgens het Amerikaanse octrooi schrift 4.309.610.

In vergelijking met FEP-schuim geven de onderhavige ECTFE- of ETFE-constructies echter verrassende verbeteringen met betrekking tot 15 bestandheid tegen verbrokkelen, diëlektrische sterkte, kleurbaarheid en gemak van fabricage. Verwacht zou kunnen worden, dat de toepassing van ETFE en/of ECTFE zou resulteren in onvoldoende diëlektrische constante en dissipatie-faktor omdat de polymeren slechter zijn in elektrische eigenschappen dan FEP. De constructies volgens deze uitvinding 20 hebben echter goede elektrische eigenschappen.

Verder zou verwacht kunnen worden, dat vlamwerende middelen aan deze materialen toegevoegd zouden moeten worden, die minder bestendig zijn tegen branden dan het geperf1uoreerde FEP, met als gevolg verdere verminderingen van elektrische eigenschappen en extrusiesnelheid, maar 25 gevonden is, dat een geschikte vlamwerendheid van een kabel bundel bereikbaar is zonder de toepassing van vlamwerende middelen. Deze beklede draden hebben een gedrag dat voldoet aan de test UL 910, de standaard commerciële Steiner-tunneltest voor vlamvoortplanting en rook.

BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

30 De uitvinding maakt het mogelijk, dat fluorpolymeren tot schuim-isolatie met ongebruikelijk dunne wand kunnen worden vervaardigd rond draad, beschermd door een dunne harde huid of mantel rond het schuim. Dunnere wanden zijn gewenst, omdat ruimte bespaard wordt. Bijvoorbeeld heeft een 24 AWG vaste draad met een 0,125 mm (5 mil) dikke wand van 35 schuim-isolatie er omheen een uitwendige diameter van slechts 0,76 mm (30 mil), terwijl indien de wand 0,5 mm (20 mil) dik is, de diameter 1,5 mm (60 mil) is, dus ongeveer tweemaal zo groot.

Getwiste draadgaren, dat wil zeggen twee draden die rond elkaar zijn getwist worden gewoonlijk gebruikt voor het doorgeven van elektri-40 sche signalen. Getwiste draden zijn gunstig vanwege de eenvoud ervan.

7 λ ·; - ^ ς 4

Hoe lager de diëlektrische constante van de Isolatie, des te beter is de snelheid en kwaliteit van het signaal. De gefluoreerde harsen, die bij deze uitvinding worden gebruikt, hebben een zeer lage diëlektrische constante en het opschuimen van deze fluorpolymeren verlaagt ver-5 der de diëlektrische constante zodat de isolatie nog meer gewenst is.

Helaas heeft het twisten van een met schuim geïsoleerde draad een neiging het schuim te verbrokkelen, hetgeen tot gevolg heeft een verhoogde wederzijdse capaciteit en soms een verlaging van de diëlektrische sterkte.

10 Voor het verbeteren van de mechanische sterkte wordt een dunne huid (5% tot 35% van de gehele dikte van de isolatie) van een niet opgeschuimd ETFE of ECTFE gebruikt bij deze uitvinding als een bovenbe-kleding. De huid kan worden aangebracht in een secundaire extrusie of in een dubbele gelijktijdige extrusie.

15 Gevonden werd dat de buitenbekleding met de hogere diëlektrische constante ervan weinig invloed heeft op de totale diëlektrische constante en op zijn beurt weinig invloed op de transmissie-snelheid en kwaliteit van het signaal. Derhalve kan de niet opgeschuimde taaie huid worden aangebracht als de buitenlaag van het schuim zonder afbreuk te 20 doen aan de kwaliteit van de kabel. Bij aanwezigheid van de beschermende huid kan de inwendige bekleding tot een zelfs hogere mate van lege ruimtes worden opgeschuimd. Wanneer het polymeer van de huid een hoge smeltvloei baarheid heeft kan dit weer bijdragen in de extrudeerbaarheid van de totale samenstelling in een gelijktijdige extrusie. De huid ver-25 schaft een betere bestandheid tegen verbrokkelende krachten, zoals die optreden bij het maken van getwiste paren.

Zonder deze taaie uitwendige bekledingen is het moeilijk miniatuur getwiste: uit een paar draden bestaande structuren (dat wil zeggen dunne isolaties) te vervaardigen met de lage wederzijdse capaciteiten (5 tot 30 15 pf/ft) die nodig zijn voor kabelsystemen en nog een geschikte di-elektrische sterkte tussen de paren bezitten.

De toegepaste fluorpolymeren verschaffen een lage diëlektrische constante in opgeschuimde vorm, een hoge diëlektrische sterkte in niet opgeschuimde vorm en lage wederzijdse capaciteiten tussen getwiste 35 paren van geïsoleerde draden. Ze verschaffen ook bestandheid tegen hoge temperatuur, lage vlamverspreiding en rook-emissie zonder de toevoeging van vlam- en rook-onderdrukkende middelen, mechanische sterkte voor de twistbehandeling, gebruikt voor het vervaardigen van getwiste paren van draden, sterkte, taaiheid en goede kleurbaarheid van de iso- ^ 40 latie op elke draad hetgeen de installatie en het onderhoud vergemakke- -λ jy :·*, · ;>* i·* S λ - r- V : -J 3 :» -J ** 5 lijkt.

Volgens een uitvoeringsvorm kan de dunne huid van vast gefluoreerd polymeer tegelijkertijd worden geëxtrudeerd met het schuim onder toepassing van twee extrudeerinrichtingen en een kruiskop.

5 De beschreven schuim-huid-composieten hebben typisch een schuim met een leeg gehalte van 25-70¾ met een wanddikte van 2-30 mil (0,05-0,76 mm) bedekt door een vaste huid met een dikte van 0,5-5 mil (0,013-0,127 mm), en een gemiddelde celgrootte van 0,05-0,12 mm (2-5 mil) (dichter bij 0,05 mm in dunne isolaties en dichter bij 0,12 mm in 10 dikkere isolaties).

Een apparatuuropstelling voor de gelijktijdige extrusie van schuim en huid op draad bestaat uit een Davis Standard extruder met een diameter van 2" (5 cm) met een verhouding van lengte tot diameter (L/D) van 24/1, voorzien van een gelijkstroom-aandrijfmotor, die de worm een 15 snelheid van tenminste 50 omwentelingen per minuut kan verlenen, wormen, ontworpen voor opschuimen voor toepassing van hetzij vloeibare hetzij gasvormige "Freon" 22-fluorkoolstofinjectie, een extra wormex-trudeerinrichting met een diameter van 1" (2,54 cm) met een L/D van 20/1, gebruikt voor het verschaffen van de smelt, die de buitenhuid 20 vormt, een elektronische voorverhitter voor draad, een commerciële kruiskop voor dubbele bekleding schuim-huid met een extrusiemondstuk, een waterbad, een bandspanningsreguleerder met een wisselstroomaan-drijfmotor voor het verschaffen van draadsnelheden van 50 fpm tot zelfs 5500 fpm (15-1675 meter/min), en in lijn elektronische inrichting voor 25 het continu waarnemen van de diameter en capaciteit van de geïsoleerde draad. De smeltdruk van de gesmolten hars wordt waargenomen en de draadsnelheid ingesteld of overeenkomstig de extrusiesnelheid ingesteld.

Elk vloeibaar of gasvormig opschuimmiddel kan worden gebruikt voor 30 het bevorderen van de schuimvorming. Het op te schuimen polymeer kan een kiemvormingsmiddel bevatten, zoals boornitride. Het schuim en de huid kunnen op elke gebruikelijke wijze op draad worden geëxtrudeerd.

De voorbeelden lichten de aard van de uitvinding toe. In de voor-35 beelden was de inrichting als bovenstaand beschreven. Een druk-extru-siemondstuk met spinopeningen van 0,028 inch (0,71 mm) of 0,023 inch (0,9 mm) werd gebruikt. Mondstukken met inwendige hoeken van 15e tot 60* kunnen worden gebruikt. Temperaturen van zuiger, adaptor en kruiskop van 600e-635eF (316-335eC) worden toegepast. De temperatuur van het 40 mondstuk was 700°F (371eC), de smeltdruk was 600 psi (4,1 MPa), "Freon" a 7 eras 5 6 22 fluorpolymeergasdruk van 90 psig {0,6 MPa) werd toegepast, de snelheid van de worm was 20 omwentelingen per minuut en de snelheid van de draad was 650 fpm {198 m/min). De afschuifsnel heid van de hars bij het mondstukoppervlak werd berekend als 7 x 10^ seconden-!.

5 Vergelijkend voorbeeld A

In dit voorbeeld werd een schuim van etheen/tetrafluoretheen {ETFE) copolymeer geëxtrudeerd voor de vorming van isolatie rond een draad. Geen huid was aanwezig.

ETFE, 50/50 mol.% met een kleine hoeveelheid perfluorbutyl-etheen-10 terpolymeer {hetgeen ongeveer 20,4 gew.X etheen, 77,5 gew.% tetrafluor-etheen en 2,1 gew.S C4FgCH=CH2) met een smeltviscositeit van 0,9 x 104 poise werd toegepast voor het extruderen van een 6 mil (0,15 mm) schuim met een leeg gehalte van ongeveer 40¾ op AWG 24 vaste koperdraad {20,1 mil [0,5 mm] in diameter). De schuimcellen werden ge- 15 sloten en hadden een gemiddelde diameter van 2 mil (50 micrometer) als bepaald door meting van vergrote doorsnede-foto's van de monsters. Deze 31 mil (0,8 mm) totale draadconstructie bezat een coaxiale kabelcapaci-teit van 72± pF/ft. Dit komt overeen met een diëlektrische constante van 1,85 (niet opgeschuimd ETFE heeft een diëlektrische constante van 20 2,6).

De draadconstructie heeft de volgende extra eigenschappen: treksterkte is 2000 psi {13,8 MPa) voor de opgeschuimde bekleding. De rek door trekken is 100¾ voor de opgeschuimde bekleding. De bestandheid tegen verbrokkelen voor de draadconstructie is 712 pounds (323 kg). De 25 draad wordt samengeperst tussen twee parallelle platen met een lengte van 2 inch (50,8 mm) en falen wordt beschouwd de kracht te zijn, die nodig is voor het veroorzaken van elektrische kortsluiting van de platen ten opzichte van de geleider. Diëlektrische sterkte is 500 volt/mil (volt/25,4 micrometer).

30 Wanneer opgeschuimde draadconstructies overeenkomstig aan deze werden gevormd tot paren bleek de wisselstroom-diëlektrische sterkte minder dan 2000 VDC te zijn.

Voorbeeld 1

Een schuim-huid-composiet werd geëxtrudeerd op draad met toe-35 passing van hetzelfde ETFE als in vergelijkend voorbeeld A. Deze produceerde een schuim van 5 mil (0,127 mm) met een gehalte aan lege ruimtes van 45¾ en een gepigmenteerde vaste, niet opgeschuimde huid met een dikte van 1 mil (0,025 mm) op AWG #24 koperdraad. De extrusie-omstan-digheden werden zoveel mogelijk gereproduceerd als die, welke gebruikt 40 zijn bij de 6 mil (0,15 mm) schuim-isolatie, gevormd in vergelijkend .d ï ij i >' ii 7 voorbeeld A, behalve dat de hulpextrusie-inrichting 1" (2,54 cm) werd gebruikt voor het verschaffen van gepigmenteerde polymeersmelt van ETFE naar de dubbele bekledingskruiskop voor de huid. De schuimcellen werden gesloten en hadden een gemiddelde diameter van 2 mil (50 micrometer).

5 De 6 mil (0,15 mm) isolatie van schuim-huid werd beproefd door het vormen van getwiste paren. De paren voldeden gemakkelijk aan 2500 V, gemiddeld 6000 V in wisselstroom-diëlektrische sterkte tussen paren.

Dit was verrassend. Een andere belangrijke elektrische meting voor getwiste paren Yan draden is de wederzijdse capaciteit tussen draden. De 10 berekende wederzijdse capaciteitswaarden voor het 6 mil-schuim met een leeg gehalte van 45¾ van vergelijkend voorbeeld A en het 5 mil (0,127 mm) schuim met een gehalte aan lege ruimten van 45%, bedekt met een 1 mil (0,025 mm) vaste huid van voorbeeld 1 zijn 14,2 respectievelijk 14,7 picofarad/ft (46,6 respectievelijk 48,2 picofarad/m) hetgeen beter 15 is dan standaard telefoondraad.

De resultaten van deze twee typen elektrische proeven geven aan, dat de toepassing van een gefluoreerd polymeer in een schuim-huid-iso-latie een aanzienlijke toename van de diëlektrische sterkte geeft met een nagenoeg onbelangrijke toename van de waarde voor wederzijdse capa-20 citeit van getwiste paren.

Voorbeeld 2

In dit voorbeeld was het schuim ECTFE en de huid was ETFE. De techniek was verschillend omdat het ECTFE, Allied "Halar" 558, een chemisch opblaasmiddel bevatte, zodat geen gasvormig opblaasmiddel werd 25 toegevoegd.

De extrusie-inrichting, gebruikt voor ECTFE, had een mcndstukope-ning van 0,040 inch (1 mm) en een hoek van 60°. De temperatuur in de extrusie-inrichting was 249eC, de temperatuur van de kruiskop was 282°C en de temperatuur van het mondstuk was 304eC. De omwentelingssnelheid 30 van de worm voor ECTFE was 13 omwentelingen per minuut.

Het ETFE was overeenkomstig dat van het vergelijkende voorbeeld, behalve dat het een smeltviscositeit van 0,75 x 10^ poise bij 298eC bezat. De smeltdruk bij het mondstuk was 1500-1900 psi (10-12,7 MPa) en de snelheid van de draad was 150 feet/min (4,6 m/min).

35 IR-analyse bevestigde dat het draadmonster een huidbekleding van ETFE-hars bezat. Het schuim daaronder was "Halar" ECTFE-hars "opgeblazen" door het chemische opblaasmiddel dat was opgenomen in de Allied-hars. Berekening toonde, dat het gehalte aan lege ruimten in de isolatie 20% (elektrische gegevens) tot 27% (gewichts- en geometrie-gege-40 vens) was. De diëlektrische sterkte van de primaire E159-58-4 draad- V / V J ^ O ‘.v *r 8 monsters met lengtes van 10 voet, beproefd in een zoutoplossing, was 1500 volt, wisselstroom. Het gemiddelde voltage tussen geleiders van getwiste paren in een uiteindelijke kabel met 4 paren met een lengte van ongeveer 10 voet was gemiddeld 5500 volt, gelijkstroom.

-1 Ή I Λ Λ

f i ; ί ; 1 ·* 'J V

Claims

1. Een elektrische draad, bedekt met een fluorpolymeer-schuim, bestaande uit etheen/chloortrifluoretheen-copolymeer of etheen/tetra-fluoretheen-copolymeer en een uit fluorpolymeer bestaande niet opge- 5 schuimde huid rond het schuim, bestaande uit etheen/chloortrifluor-etheen-copolymeer of etheen/tetrafluoretheen-copolymeer.

2. De draad volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat de schuimlaag een dikte van 0,05-0,76 mm heeft en de huid een dikte van 0,013-0,076 mm heeft.

3. De draad van conclusies 1 en 2, gekenmerkt doordat de draad een vaste of gevlochten koperen draad van 40 tot 20 totaal AWG gauge size is.

4. Paren van draden, gedefinieerd in conclusies 1, 2 of 3. +++++++