聚四氟乙烯结构与性能及稳相同轴电缆应用研究 Ⅱ

2022-07-25 11:05:43 嘉兴翼波电子有限公司 浏览次数 118

上一章我们着重介绍了聚四氟乙烯(PTFE)的分子结构,分子链结构以及物相特性,通过对聚四氟乙烯自身结构与特性的解析,我们深入了解了PTFE成为稳相电缆介质层材料绝佳选择的原因。本章我们将具体介绍PTFE在生产使用中的常见形式及其在稳相电缆应用中的加工工艺。

 

PTFE膜在生产使用中的常见形式

PTFE膜是以聚四氟乙烯为原料,采用特殊工艺,经压延、挤出、双向拉伸等方法制成的微孔性薄膜。从形式上说,PTFE膜在生产使用中三种常见形式是平板膜、中空纤维膜和管式膜。

PTFE平板膜的表面有许多微孔结构,孔隙尺寸范围从0.02μm到15μm不等,表面微孔结构类似于蜘蛛网状。杜邦公司在1960年首次将拉伸工艺引入PTFE膜的生产制造,成功制造出了PTFE微孔膜,但受当时的工艺条件限制,所制作出的微孔还有诸多缺陷。在此之后,美国,欧洲、日本陆续采用双向拉伸法成功制备出了孔隙均匀、尺寸稳定的PTFE平板膜。PTFE中空纤维膜疏水性强,孔隙均匀可控,且由于中空纤维结构的存在,其拥有良好的自支撑性,能够显著地提高过滤效率,因此常用于膜蒸馏。PTFE管式膜的直径比中空纤维膜大,同样属于自支撑结构,可用于空气进化及水过滤。

在稳相电缆应用中,PTFE薄膜经切割形成微孔带,多层绕包后形成电缆的绝缘层。


PTFE在稳相电缆中的应用

聚四氟乙烯是一种结晶型高分子材料,从分子结构上看聚四氟乙烯是热塑性材料,其熔点在327℃附近,但由于其大分子碳主链两侧具有电负性极强的氟原子,氟原子间的斥力很大,使大分子链内旋转困难,分子链段僵硬。此外其直链的结构也增加了分子链间的作用力,这就使得聚四氟乙烯的熔融黏度极高,即使是把它加热到熔点以上,聚四氟乙烯仍只会呈现出凝胶态而不会出现熔融状态,黏度可达1010~1011Pa•S。即便是加工温度达到分解温度而发生分解时,PTFE仍不能流动无法被注塑或挤出,并且聚四氟乙烯粉料在受到剪切力的作用下易于成纤维状,因此聚四氟乙烯不能采用传统热塑性塑料的熔融加工方法来加工。

行业内通常采用推压挤出的方法来制备电缆的PTFE绝缘。通过在PTFE的分散粉料中加入润滑剂使其变成具有粘性的糊状物,再通过将糊状挤出获得均匀的坯料,然后放入推挤机中推压挤出,再经过脱脂工艺除去润滑剂后高温烧结成型,使得原本分散开的分子链发生缠结而形成块体材料从而制备得到PTFE绝缘电缆。

PTFE微孔带绕包作电缆绝缘介质是稳相电缆绝缘层的另外一种重要加工工艺形式。

PTFE微孔薄膜的前端生产工艺与PTFE推挤非常相似,也有筛料、混料、熟化及预压成型等前置工序,但在推挤出的半成品需要经过车削或者辊压成膜,并在不同速率的罗拉下进行拉伸牵引,最终形成具有单向或双向拉伸状态的PTFE微孔膜。降低PTFE的密度将其制备成微孔膜能够有效降低PTFE绝缘的介电常数,是减小电缆衰减与重量的最常用且最重要方式之一。


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图  9.  PTFE微孔膜的生产流程图


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图  10.  单向拉伸与双向拉伸的PTFE微孔膜微结构图

 

市场上的PTFE绕包带规格较多,各电缆生产商对PTFE绕包带的选择主要取决于自身生产经验与产品属性,一般根据电缆内导体与介质半径来选用不同宽度与厚度的绕包带。绕包带厚度及叠边宽度的不同会影响介质绕包层数,进而影响电缆的直径。

电缆介质层的性能与绕包设备密不可分。在设置绕包设备的外径、节距等参数后,还需根据实际的线径大小调整设备的速度与张力。翼波采用最稳定、最精密的绕包设备,由经验丰富的设计人员根据不同型号的电缆需求调试设备,选择最优的生产速度。


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图  11.  PTFE微孔带绝缘稳相电缆生产工艺示意图

 

此外,由于PTFE特殊的物相结构与特性,PTFE绝缘材料必须在温度19℃以下、湿度50%以下的环境中进行保存与操作,以避免其在加工前结构与性能发生变化从而对产品加工与性能产生影响。翼波的物料仓库与组件生产车间严格控制环境温度与湿度,保障PTFE的性能不发生变化。

 

PTFE绝缘介质的密度与传输速率

电磁波在稳相同轴电缆中的传输速率 v 主要与介质的介电常数 εr 有关,通过推挤烧结出来的稳相电缆绝缘介电常数一般为1.7~2.3,因此推挤绝缘的传输速率一般为电磁波在真空中传输速率(即光速)的70~77%。

射频同轴电缆传输衰减 a 受介质介电常数 εr 和损耗角正切值 tan θ 的影响较大。因此翼波与行业内其他企业都普遍采取优选绝缘材料,或增加材料中空气占比从而减小介质层密度,达到降低绝缘材料 εr 与 tan θ 的目的。

低密度的PTFE微孔带通过多层绕包的工艺形成稳相电缆的绝缘层,由于膜自身具有较低的密度,因此能有效降低电缆绝缘层的 εr 与 tan θ,达到提升稳相电缆传输速度、降低传输衰减的目的。同规格采用PTFE微孔带绕包绝缘电缆比PTFE实心推挤电缆传输速率高15%左右,传输衰减优化超过 15%。

 

结语

PTFE凭借其优越的介电性能、耐化学腐蚀性、耐高温性能以及低摩擦系数、电击穿强度高等特点,被广泛应用于电信、测试测量、国防与航天等领域,已经成为现代工业中不可缺少的重要绝缘介质。作为同轴电缆绝缘介质的绝佳选择,PTFE在减小衰减、维持信号稳定传输上功不可没。

翼波研发团队深入学习材料特性后,依靠自身研发能力与完善的硬件设施,设计生产了一系列具备高性能、低损稳相特点的电缆,比如翼波常规电缆系列中的FSB系列、FSD系列以及测试电缆中的FABtest系列。对材料与结构的深入研究应用,为设计与生产适应不同应用场景的电缆组件打下了坚实基础。

 

 

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