物理发泡讲座

第 1 頁，共 16 頁 線纜發泡技朮 1、 前 言 通信網絡之完整性，除了機房內之軟硬體及其周邊附屬設備外，通信電纜扮演著送信與受信二端間連絡主要傳輸媒介。通信電纜不僅品質需符合未來整體服務數位網絡(ISDN)之要求外，所占用之空間也不容忽視，二者更是息息相關。近十年來欲使通信網絡傳輸更快速，除了設備增強外，通信電纜也做了重大變革，紛紛采用發泡聚乙烯為絕緣材料，促使電纜特性更能符合較佳通信效果。其中電氣特性如靜電容量、電容不平衡、遠(近)端串音及衰減等與材料發泡方式更是立竿見影。

2、 發泡的目的 一般材料發泡的目的在于使制品輕量化，并加強制品隔熱性與可擾性，及降低材料成本。而線纜用材料發泡的目的，則在降低材料的介質常數。

3、 材料發泡方式 為了增加傳輸容量及速率，降低材料介質常數(Dielectric Constant)系最佳途徑，而使用發泡PE材料則可達成此目的，其材料發泡方式一般區分為二種方式： (一) 化學發泡方法 (二) 物理發泡 (氮氣發泡)

4、 傳統化學發泡 于PE絕緣材料制料過程中，混合適當比例熱效應發泡劑，其使于芯線制程時，利用溫度促使發泡劑產生化學分解變化，于PE材料內部形成氣泡，此項材料對溫度反應相當靈敏( ±1℃)，溫控設備稍受外界影響，其發泡度變化極大，目前此項方式發泡度可達到40-50%，且此發泡材料須置放于干燥環境 第 2 頁，共 16 頁

內，否則水分進入材料后于押出易導致芯線電容，外徑不穩定，此二項于通信電纜遠(近)端將造成不良影響。 為減小介質常數，其所用基材應為低介質常數的材料，目前線纜最常用者為PE。在特殊的場合，也有利用PP、PS及TEFLON為基材的。

4.1 PE發泡度與介電常數，波長短縮率，時間延遲關系圖

發泡度% 介電常數 時間延遲ns/M 波長短縮率%

0 2.32 5.08 65.6

發 泡 度 介電常數 波長短縮率 時間遲延

0 20 40 60 80 100

5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 80 70 60 50 40 30 20 10 100 90 Vp ε 時間

延遲 第 3 頁，共 16 頁 4.2 PE發泡之特性關系表

發泡度與材料抗張特性的關系如下表列 發泡度 % 抗張強度 KG/MM2 伸長率 % 17 1.10 490

18 1.17 500 27 0.85 490 33 0.78 350 39 0.65 370 40 0.55 280 45 0.53 300 47 0.46 260 50 0.30 150 0 1.5 550 在靜電容量要求一定的場合，降低絕緣材料的實效介質常數，則芯線徑便可減小。此時，一定尺寸的線纜管中，就可多設線路，在多心線纜場合有很大的優點。 材料發泡，則強度下降，故薄絕緣場合發泡度只限于20-30%，厚絕緣時則約達50%左右，屬于較低發泡的類別。 4.3 發泡度的測定方法 發泡度、絕緣厚度、及破壞電壓的關系， 則如下所列 發泡度% 絕緣厚度mm 破壞電壓KV 50 1.0 8.8~10.4

50 0.45 2.2~4.6 第 4 頁，共 16 頁

線纜發泡層的發泡度，可利用普通的密度測定法計測，所謂發泡度乃指發泡體中含多少百分比的氣體，可應用下式表示之

期中，d = 發泡體密度 d0 = 基材原有的密度 1、 密度測定法 2、 線纜發泡層密度的簡便方法 3、 電容值測定方法：浸于水中測其電容值 4、 請參考9.0詳細說明

4.4 押出發泡法 發泡劑的類別

揮發性發泡劑

化學發泡劑 4.5 目前市售發泡PE之發泡劑 1、 高密度用尿素類 2、 低密度用碳酸類 大部分發泡劑的分解生成物都具有吸濕性，生成的氣體亦常含水分，故在要求低損失的場合，押出線必須施行干燥手續。

4.6 發泡押出用押出機 押出機的L/D約20-28，并有較長的供料段，壓縮比約2.0-2.5，押出機在設計上應注意下列各點：

100)1(100)(dddddPa.低沸點炭氫化合物系(丙烷、丁烷、戊烷) b.溶劑系(石油醚、有機氯化物) c.氮氣

d.無機系(碳酸氫鈉、炭酸銨) e.有機系(聯氨系、硝酸靈系、偶氮系) 第 5 頁，共 16 頁

(1) 設計小壓縮比的螺杆﹔ (2) 設置反壓調節器，以控制適當的反壓﹔ (3) 機頭與眼模部阻力盡量減小﹔ (4) 螺旋廊寬減小。

4.7 押出條件 發泡線押出的時候，其押出條件受押出機尺寸，螺杆構造、螺杆回轉數及發泡劑濃度等要因素影響，很難得到通用的原則，重點在如何使材料迅速熔融，并使分解氣溶于材料中，直到出眼模口后才開始發泡。 押出條件例如壓力、溫度、及押出時間等發生變化，則押出成品特性亦發生很大變化。 押出溫度系指熔融材料的實際溫度，當溫度不同的時候，押出線的發泡特性亦起變異，溫度在某一特定范圍的時候，發泡特性最良好，高或低于此項范圍，都無法得到品質良好的押出線。 押出時材料在螺缸的停留時間，稱為押出時間，對發泡特性亦有相當大的影響，材料在螺缸停留時間亦應保持在某一特定范圍內，才能押出特性良好的發泡線來。 綜上所敘，可知發泡押出作業實為一項需要相當高技朮水准的作業，押出條件設定稍有不慎，就很難制造出品質良好的發泡電線，作業人員應從不斷體會中獲得良好的經驗，精益求精，才能達到提高水准、高品質的境界。

4.8 發泡情形如下圖

芯線 膨脹完后 眼模

氣泡形成 大氣壓（過飽和氣體）

發泡劑的分解在繼續進行 材料流動方向

高壓領域 （氣體在 材料中溶 解） 第 6 頁，共 16 頁

4.9 押出條件的影響 (1) 押出溫度的影響 采用添加發泡劑進行押出發泡的時候，押出溫度條件對發泡特性的良莠占有決定性地位，押出溫度如能與發泡劑分解溫度充分配合，必可制造出特性良好的成品。 低溫押出氣泡數很少，溫度上升則氣泡分布逐漸均勻，發泡度漸行提高，在到達某溫度的時候，發泡度最高，并得到極細微的氣泡構造﹔溫度再上升則氣泡粗大化，并有氣泡破裂現象，形成不均勻的氣泡構造。 此項最適當溫度條件，端視材料別而異，除利用實驗來決定外，實別無良途可循。

(2) 螺杆回轉數的影響 螺杆回轉數對發泡狀態也有相當影響性。回轉數增加的時候，發泡度也逐漸增加，氣泡構造更形微細，直至達到某限度為止。超過此限度后，效果反而下降，故如何決定適當的螺杆回轉數，誠極重要。

4.10 外眼形狀的影響 押出發泡用眼模，在設計時必須考慮外眼出口后的膨脹性，若以A表示材料發泡前后的斷面積比，則 此處Dd = 外眼孔徑 Dcw = 完成線外徑 Dw = 導體或芯線外徑

D2cw-D2w D2d-D2w A= 第 7 頁，共 16 頁

一般薄層押出的時候，膨脹比約等于2，厚層押出則膨脹比約等于4，押出發泡外眼孔徑，可利用前式變形，求出如下

當發泡后的完成外徑及導體外徑決定時，外眼孔徑便可利用公式很簡便的求出來。 外眼入口角也為設計的重要項目。在發泡押出場合，眼模內角通常皆略大于實體押出眼模的角度。 低發泡薄層押出的場合，入口角約60-90º，出口角9-15º，設極廊長或不設長，這樣設計眼模便能得到良好的押出表面，押出發泡用眼模代表例

4.11 厚發泡層的冷卻 發泡層的特性，受冷卻條件的影響很大，氣泡系在外眼出口后才開始膨脹，為使其完全發泡，應設相當距離的空冷段，厚層押出后急冷，則發泡度降低，押出表面常起波浪，成為芯線變形原因之一。 發泡體本為隔熱材料，芯線表面與內部溫度相差很大，便會發生變形，故厚層押出一定要實行分段冷卻的技巧才行。 押出線尚未充分冷卻便開始卷取，結果很容易發生變形與潰裂現象，故

AwDAcwDDd22)1(222wDcwDDd



發泡押出外眼孔徑計算

EMBED Equation.3

發泡押出用外眼

若A=2，則

38MM 第 8 頁，共 16 頁

冷卻水槽末段一定要維持充分的低溫，芯線倘有浮出水面現象，亦發生部分的變形，應設法使線完全浸入水中冷卻。

4.12 發泡絕緣周期性的不良 在絕緣芯線縱向，若有輕微的發泡度及外徑變動，則在高精度的高頻線纜，便導致特性阻抗的變化，結果影響線纜特性，引起不良。

特性阻抗變動的時候，在變動部分便引超電波的反射，結果使線纜特性，例如電壓定在波比(VSWR)變劣，特別是特性阻抗呈周期性變動場合，倘每隔1長便有特性阻抗變化，則利用下式關系，在所示頻率時其VSWR便顯著加

大。 在要求高性能場合，一定要設法使制造條件固定，此時必須注意下列各點，才能使變異減為最低 (1) 選用品質均勻的材料﹔ (2) 材料供入定量化﹔ (3) 保持一定的押出溫度﹔ (4) 保持螺杆回轉數不變﹔ (5) 維持一定溫度的導體預熱﹔ (6) 維持一定的線速。 5. 材料物理發泡方式 5.1 物理發泡(氮氣發泡) 此發泡方式如圖1，所使用之材料為充實型聚乙烯于芯線制程，可使用較廣泛材料軟化溫度(+10℃)，然后利用超音速原理將氮氣注入PE材料形成均勻氣泡。此設備最大缺陷是壓縮機壽命短及注孔阻塞，如今新的壓縮機元件及氮氣注入孔已使此設備煥然一新，提高可靠度。物理發泡早期是用于同軸電纜(CATV)，由于外徑約3.5ψmm故其發泡度可達70%，而不影響其電纜

dDeZlog1.138

ef213.0