安徽物理发泡FEP电缆的挤出工艺介绍

1、物理发泡FEP的简介
        为了进一步提高同轴射频电缆的电气性能，降低电缆传输损耗，提高电缆传输功率，需要采用介质损耗角正切、介电常数更小的绝缘材料。通常采用发泡的方式来降低绝缘。
        目前可以用作同轴射频电缆绝缘且耐温等级在200℃以上的材料一般有聚全氟乙丙烯(FEP，简称F46)、聚四氟乙烯、发泡FEP、发泡聚四氟乙烯四种。FEP是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，其中六氟丙烯的含量约为15％；聚四氟乙烯是分子结构完全对称的无支化线性聚合物，几乎是完全结晶的聚合物(结晶度为93％～98％)；发泡FEP是一些气体以泡孔形式存在于FEP中；发泡聚四氟乙烯是一些气体以泡孔形式存在于聚四氟乙烯中。
        这四种材料相比，物理发泡FEP和发泡聚四氟乙烯的耗角正切值可达4×10(负5次方），而FEP和聚四氟乙烯的耗角正切值为2×10(负4次方）；发泡FEP和发泡聚四氟乙烯的s值可达1．50，而FEP和聚四氟乙烯的e值为2．10。FEP和发泡FEP一般采用挤塑方法进行生产，生产速度可达100 m／min，连续生产长度可达几十公里；聚四氟乙烯和发泡聚四氟乙烯一般采用推挤或绕包方法进行生产，生产速度为10 m／min左右，连续生产长度只有几百米。综合来说，发泡FEP用作同轴射频电缆的绝缘是很有前途的。
        发泡FEP可分为物理发泡FEP和化学发泡FEP两种，两者的区别在于所采用的发泡剂不同。化学发泡FEP一般采用偶氮二甲酰胺等在高温下会分解产生气体的有机物作为发泡剂，有机发泡剂分解后在材料中会有残留。化学发泡FEP的t驴值一般约为10（负4次方），只能用于频率较低(≤3 GHz)的同轴射频电缆中。物理发泡FEP直接采用气体作为发泡剂。由于氮气具有无毒、无臭、无腐蚀、不燃烧、气态下化学惰性等优点，因此物理发泡FEP一般采用氮气作为发泡剂。物理发泡FEP的t驴值可达4×10（负5次方），因而可以用于10 GHz以上的高频同轴射频电缆中。现在同轴射频电缆的研制和生产都向频率更高的方向发展，所以开展对物理发泡FEP挤出工艺的研究是非常必要和及时的。

2、物理发泡FEP的生产流程
        物理发泡FEP的生产流程如图1所示。在所有生产设备中，高温发泡挤出机***为关键。该挤出机熔融FEP并均匀地注入氮气，然后将含有氮气的FEP熔体均匀稳定地从机头中挤出，包覆到导线上，完成发泡FEP的挤塑。由于FEP是高腐蚀性材料，在加工过程中会对挤出机产生腐蚀作用，因此，我们选用的FEP发泡挤出机须***在保证设备制造精度的同时，还要保证与FEP材料接触的部分(如挤出机的螺杆、机筒、机头等)是耐高温、耐腐蚀、耐磨的材料。物理发泡FEP挤出温度较高，一般为400℃左右，所以挤出机的加热能力应在400℃以上，有的甚至达到450℃。为了保证整个挤出过程的稳定，加热区温度控制精度应优于±2℃。导体预热温度应为160℃或更高。这样才能使导体与物理发泡FEP绝缘结合紧密。移动的热水冷却水槽长度应大于l m，固定的冷水冷却水槽长度应大于30m，这样才能保证发泡FEP充分冷却和成形。为了对生产过程进行在线监测，生产线应配备在线直径测量系统、在线电容测量系统。物理发泡FEP生产需要将高压氮气注入到熔融FEP中，因此氮气加压系统应将钢瓶中氮气的压力(3～10 MPa)加压到30MPa，甚至50 MPa。氮气加压系统应将加压后的氮气均匀稳定地注入到高温发泡挤出机内的熔融FEP中，气体流量一般可控制在3～10 L／h。为了保证物理发泡FEP生产的稳定，收放线系统应保证收放线张力均匀，收放速度稳定，当挤出机螺杆转速发生变化时，收放线系统应能立即反馈，及时调整。
 

3、挤出工艺参数的选择
    3．1挤出模具
        在物理发泡FEP挤出工艺中，模具对产品性能有很重要的影响。挤出模具材料和尺寸取决于导体类型、绝缘类型、绝缘层厚度、绝缘材料和发泡度等。物理发泡FEP挤出模具的材料须***选用耐高温、耐腐蚀的Hastelloy(哈氏合金)或其它类似材料(如镍基合金、Inconel合金)。物理发泡FEP挤出与物理发泡PE挤出不同的是，物理发泡PE采用压力式挤出方式，而物理发泡FEP采用挤管式挤出方式，因而两者模具尺寸有很大不同。物理发泡PEP的模具拉伸比为1．05～1．10，而物理发泡FEP的模具拉伸比为5～8，实心FEP的模具拉伸比为50～100。
        图2为物理发泡FEP挤出模具的示意图。如在直径为O．94 mm的铜丝上挤出物理发泡FEP绝缘，绝缘外径2．90 mm，发泡度40％，可以选用的模芯尺寸是1．60 mm／2．75 mm(模芯内径／模芯外径)，模套尺寸是6．15 mm(模套内径)。在实际挤出过程中，要根据挤出的效果来调整模具的设计。如果绝缘外径过大，可以减小模具尺寸；如果绝缘外径过小，可以增大模具尺寸。
 
    3．2挤出温度
        在挤出过程中，挤出温度对挤出质量有重要影响。由于在挤出过程中物理发泡FEP在剪切力作用下容易发生熔体破裂，但随着温度的提高可以降低，因此要尽量提高挤出机的温度设置。一般情况下，从加料段到熔融段、均化段、机头、模口的温度设置如下：290℃(加料段)、340℃(熔融段1)、380℃(熔融段2)、390℃(均化段1)、400℃(均化段2)、400℃(机头1)、410℃(机头2)、430℃(机头3)、430℃(机头4)、430℃(模口)。在实际挤出中还要注意，如果温度过高，会导致发泡FEP熔体强度下降甚至局部分解，发泡FEP绝缘变形、不圆整，甚至抽丝破裂。要结合模具、材料、螺杆转速等综合因素调整温度设置。
    3．3氮气注入压力
        在物理发泡FEP挤出过程中，氮气注入压力直接影响物理发泡FEP的发泡度和挤出工艺的稳定性。物理发泡FEP绝缘同轴射频电缆的特性阻抗、电容、电压驻波比等关键性能都与氮气注入压力有直接关系。氮气注入压力与物理发泡FEP芯线的绝缘外径、导体直径、发泡度、牵引速度、喷嘴流量等直接相关，氮气注入压力应比熔体压力大5 MPa左右，才能保证挤出过程的稳定。氮气注入压力应与挤出温度设置、螺杆转速、模具等综合起来考虑，在实际挤出过程中根据产品的质量状况进行调整。例如，螺杆转速增加时，会导致机筒内的物理发泡FEP料压力增加，这就需要提高氮气注入压力，保持氮气与物理发泡FEP料之间的压差，以保证氮气气流的稳定流动。当增加牵引速度时，为了保证同样的绝缘外径和发泡度，需要提高氮气压力。当在线检测发现电容偏大时，说明发泡度偏小，需要增加氮气压力。在调整中如果发现提高氮气压力效果不好，还要考虑更换气体流量大的喷嘴。
    3．4剪切转速
        在一般挤出条件下，物理发泡FEP的临界剪切速率约为200 s（负1次方）。如果剪切速率太大，就会引起发泡FEP流动不稳定，物理发泡FEP绝缘表面会出现粗糙、起层、抽丝等现象。因此，要合理设置螺杆转速、牵引速度、挤出模具、挤出温度等参数。在其它条件不变的情况下，如果牵引速度过快，也很容易造成发泡FEP熔体破裂，绝缘表面粗糙、抽丝。为了避免这种情况，可以降低牵引速度，降低氮气压力，提高挤出温度。
    3．5其它
        在挤出过程中，很容易出现导体和绝缘层之间附着力过小的情况，可采取以下预防措施：巩充分清洗和预热导体．b．调整模具的尺寸、配模比和拉伸比；c．调节挤出芯线的冷却距离和冷却水温。如果以上措施都不能获得满意的结果，就只能改变工艺，先挤出一层预绝缘层，再进行发泡挤出。

4、结论
        与实心FEP和物理发泡PE相比，物理发泡FEP绝缘具有更突出的优点。例如，物理发泡PE耐温等级只有80℃，而物理发泡FEP耐温等级高达200℃；当其它条件相同时，物理发泡FEP同轴电缆可传输的额定平均功率比物理发泡PE的大4倍以上；物理发泡FEP的质量比实心FEP的质量轻一半多；物理发泡FEP的衰减比实心FEP低20％以上，额定平均功率提高20％以上。目前化学发泡FEP在国内仅有少量应用(主要用于频率3GHz以下的低频同轴电缆或对绞电缆)，物理发泡FEP还没有获得应用。随着物理发泡FEP材料和物理发泡FEP挤出设备、工艺水平的提高，物理发泡FEP必将在10 GHz以上高频同轴电缆、微波低损耗电缆、稳相电缆中得到越来越广泛的应用。