CN1079982C - 设置在稳定的塑料绝缘内的金属传输介质 - Google Patents

Abstract

一种用于包含有填充材料(30)的通信电缆中的绝缘导体(20)，它包括铜导体(25)和由两层同心绝缘层组成的复合绝缘系统(27)。绝缘的内泡沫层(28)是由包含稳定剂系统的微孔塑料材料(28)组成的，绝缘的外层(29)叫做包覆层，它是由稳定的固态塑料材料组成的。在各微孔层和固态层中的稳定剂系统包含起抗氧剂和金属减活化剂作用的双功能部分，它还具有相对高的耐析出能力。在微孔材料中，稳定剂的双功能部分的含量实质上大干在包覆层中的含量，正如人们所发现的，与铜导线相邻的稳定剂在微孔层中的含量决定了复合绝缘氧化性能水平。

Description

设置在稳定的塑料绝缘内的金属传输介质

在发明涉及一种设置在稳定的塑料绝缘内的金属传输介质。

众所周知。金属导体传输介质已广泛地用于通信中，这种介质典型地包括许多由线芯组成的绝缘导体绞合线对，每个绝缘导体通常包括具有绝缘材料覆盖的金属导体，线芯通常是封装在护层系统中，该系统至少包括一塑料护套。

虽然在过去的十年里，光纤传输在使用中已获得了惊人的提高，而金属导体也一直在使用着。然而，在如此竞争的环境下，任何电缆包括绝缘金属导体的制造者都应当克服其电缆本身所出现的任何问题。

其中的一个问题就涉及到用来包覆每个金属导体的绝缘系统。通常，该绝缘系统包括一泡沫状的或膨胀的内绝缘层，而外绝缘层是由固体绝缘材料组成的。在许多实例中，绝缘材料是一种由聚烯烃塑料材料组成的化合物，特别是一种由聚乙烯塑料材料和稳定系统所构成的化合物。

人们已经发现，这样的绝缘材料具有优异的机械和电气特性。然而，人们也已经确定，聚烯烃相对低的热稳定性在长期使用以后可能会出现问题，要是不把这个问题提出来，绝缘材料在暴露于相对高的温度下时很可能会破裂，这样的温度是会出现的，例如，在美国的西南部区域。例如，当架空电缆或埋地电缆的绝缘导体部分暴露于接点周围即封闭处周围的空气中时，就会出现导体绝缘的破裂。

人们会考虑到，缺少热稳定性可能是由于构成绝缘化合物稳定系统并广泛用于通信电缆中的填充材料的析出造成的，另外，还可以看到，在铜导体的表面和绝缘材料的稳定系统之间会出现有害的反应。结果，使金属导体的铜促使聚乙稀绝缘的氧化，从而使其加速地劣化，铜促使聚烯烃绝缘的氧化导致了通信电缆过早地损坏。

在由M.G.Chan，V.J.Kuck，F.C.Schiling，K.D.Dye和L.D.Loan所著的题为“在铜导体外泡沫聚乙稀通信电缆的稳定性”(“Stabilization of FoamedPolyethylene CommunicationCable Over Copper Conductors”)的文章中，就已经讨论了关于在铜导体外泡沫状绝缘的稳定性，它发表在1991年5月22～24日在瑞士的洛桑的举办第十三届聚合物稳定和老化的发展的国际年会的科研报告集中。

制造者们已经提出了稳定性问题，解决的方法，就是在绝缘材料的化合物中包含有抗氧剂和金属减活化剂，见美国专利3668298。另外，最近，在绝缘化合物中的抗氧剂和金属减活化剂组分的含量已经增加了，然而，可以确信，所要使用的稳定剂的数量要有一定的上限，例如，可以相信，添加约0.25％重量含量的包含有抗氧剂和金属减活化剂的稳定剂将满足所有长期使用的要求。

本发明的目的是提供一种现有技术中还未出现的电缆，它是由具有足够热稳定性的聚烯烃化合物作为绝缘的导体组成的，它使得金属导体绝缘的整体经通常采用的试验证实可以保持相对长的时间周期，所需要的化合物应当是价格合理，便于用于金属导体，而不需要额外的资金投入。

现有技术中存在的上述问题已经通过由设置在绝缘系统中的传输介质组成的电缆而克服了。

本发明提供了一种通信电缆，它包括一设置在所述线芯上的护套系统，所述护套系统包括：一管状部件，它将所述许多绝缘导体放置在其内；一屏蔽系统，它设置在所述管状部件上；和一塑料护套，它是用来封装所述屏蔽系统和由许多绝缘导体组成的线芯，每个所述绝缘导体的特征在于：

一个纵向伸展的金属导体；

一个微孔绝缘材料内层；和

一个固态绝缘材料外层，所述各绝缘材料的内层和外层包含一个稳定剂系统，它包括起抗氧剂和金属减活化剂作用的双功能部分，它具有相对高的耐析出能力，在所述外层中的所述双功能部分的重量百分比实质上小于在所述内层中所述双功能部分的含量。

本发明还提供了一种绝缘导体，它包括一个纵向伸展的金属导体，其特征在于，它还包括：

一个微孔绝缘材料的内层；和

一个固态绝缘材料的外层，各绝缘材料的所述内层和外层分别包含有稳定剂系统，该稳定剂系统包括起抗氧剂和金属减活化剂作用的双功能部分，它还具有相对高的耐析出能力，在所述外层中，双功能部分的重量百分比实质上小于在所述内层中的双功能部分的重量百分比。

图1是电缆端部截面图，它包括由许多塑料绝缘导体所组成的线芯，和护套系统；

图2是绝缘导体的端部图，它具有两个稳定的绝缘同心层，其内层是一种膨胀塑料材料，可称作泡沫层，外层可称作外覆层；

图3是一图表，它描述了在经过加工和预老化以后绝缘中双功能稳定剂的含量随在原材料阶段外覆层中和泡沫中的双功能稳定剂平均重量百分比的变化；

图4是一图表，它描绘了氧化感应时间随原材料中用于泡沫和外覆层中的双功能稳定剂平均重量百分比的变化；

图5是一图表，它描绘了试验台试验的结果。

现参照图1，它示出了由标号20所表示的通信电缆，电缆20包括线芯22和由护套23构成的护套系统

线芯22包括许多塑料绝缘金属导体26-26的线对24-24，每个绝缘导体26-26(见图2)包括一金属导体25，它通常是铜，和绝缘系统27。

绝缘系统27包括两层，内层28是由一种膨胀的塑料材料，也就是微孔塑料材料，所组成的，层28通常称作泡沫层，内层的塑料材料是一种化合物，它是由聚烯烃塑料材料，发泡剂和稳定剂所组成的物质，通常，聚烯烃塑料材料是聚乙烯。

内层是由聚烯烃组成的，如聚乙烯，其已经通过化学发泡剂而膨胀了，虽然可以采用其它类似的发泡剂，但发泡剂最好是偶氮二酰胺，其化学结构如下：

I₂N-CO-N＝N-CO-NH₂在绝缘加工过程中，发泡剂分解以提供气体，使最终的绝缘层28包含发泡剂的分解产物。

绝缘系统27还包括一外层29，外层29通常叫作外覆层，它包括固态塑料材料，如聚乙烯，稳定系统和着色剂材料。对26AWG铜线，金属导体的直径是0.016英寸，并且绝缘导体的外径约为0.029英寸，外覆层具有约0.002英寸的厚度，每单位长度内层所需塑料材料的数量基本等于外层的数量。最好是，内层和外覆层的塑料材料为聚烯烃，例如高密度聚乙烯或聚丙烯。前述绝缘导体通常称作DEPIC，它是双膨胀聚乙烯绝缘导体(dual expanded polyethyleneinsulated conducter)的缩写。

放置在线芯内的是填充材料30，一种该填充材料是Flexgel填充材料，Flexgel是AT&T公司注册的商标，适用的填充材料公开在美国专利4464013中；另一种填充材料是由聚乙烯和矿脂组成的，通常叫作PE/PJ，见美国专利3717716。填充材料也要稳定剂，它是被放置在导体中的间隙内和导体与通常称作线芯包覆层的管状部件31之间。

导体绝缘的每层均提供了稳定剂系统，它包括抗氧剂作用和金属减活化剂作用，并且它还包括一具有相对高的耐填充材料析出的部分。抗氧剂意指止链剂和/或过氧化分解剂，金属减活化剂意指其螯合金属离子。在现有技术中，在金属导体绝缘中，用于聚稀烃的稳定系统已包含了抗氧剂，如位阻的酚，和金属减活化剂的组合物。

在最佳实施例中，每层绝缘包含Ciba GeigyIrganox^R1010和Irganox MD1024稳定剂，后者是双功能和单功能二者作为金属减活化剂和抗氧剂的。在联邦规定的标准中对于Irganox1010所采用的化学名称是：四〔甲撑(3，5-二特丁基-4-羟基-氢化肉楂酸〕甲烷，对于后者的CAS名称为：2，2-二〔〔3-〔3，5-二(1，1二甲乙基)-4-羟苯基〕-1-含氧丙氧基〕甲基〕-1，3-丙酸炔丙二基3，5一二(1，1-二甲乙基)-4-羟基笨。另一方面，对于Irganox MD1024的化学名称是：N’N’-二〔3-(3’，5’二特丁基-4-羟基-苯基)炔丙基-肼，对于1024的CAS名称为：3，5-二(1，1-二甲乙基)-4-羟基-笨丙酸2-〔3-〔 3，5-二-(1，1二甲乙基)-4-羟基-笨基-1-丙氧基〕酰肼。

Irganox1010稳定剂是相对可提取的，另一方面，双功能Irganox1024稳定剂具有相对高的耐提取性。通常，绝缘的每个内外层包含0.15％重量的Irganox1010稳定剂，双功能稳定剂的重量百分比将在后面讨论。

氧化破裂可能会出现在各绝缘层上，它必须被阻止。绝缘的氧化是由于与泡沫层相邻的铜导体所促使的，包含有抗氧剂/金属减活化剂作用的稳定剂系统可包含在绝缘材料中，用以防止铜所造成的绝缘破裂。然而，当绝缘暴露于某些填充材料时，绝缘中的稳定剂数量会由于析出或反应而减少。再有，发泡剂的反应产物与稳定系统的相互作用也会降低稳定系统的有效性。由于26标准DEPIC相对小的尺寸，所以其最易受到这些问题的损坏。

在各种稳定剂系统浓度含量下进行试验，如图3所示，曲线32描绘了存在于原材料中，即包覆和泡沫层中，以50∶50的比率的双功能稳定剂的计算平均百分比重量，曲线33描绘了在由高性能液体色谱法(HPLC)所测量的，在将原材料提供到铜导体上以后双功能稳定剂的实际平均百分比重量。然后，绝缘导体在有填充材料存在的情况下进行四周的预老化，经过四周的预老化，人们可以看到，双功能稳定剂的剩余量在包覆层中是与双功能稳定剂的原始量无关的，而在泡沫层中就十分相关，当在泡沫层中的含量增加时，剩余量也将增加。

一种计量聚烯烃塑料材料稳定性程度的方法是一种在升高试验温度下叫作氧化感应时间(OIT)的参数、ASTM方法规定了升高试验温度为199℃，而农村电气协会(ERA)规定了对于固态聚烯烃为199℃，对于膨胀的聚烯烃为190℃，见ASTMD4565。OIT表示了通过测量在纯氧条件下材料在测试温度时阻止多长时的氧化而不损坏来表示材料的稳定程度，OIT越高，稳定性越好。

在进行OIT试验以前，在工厂中通常要使式验的电缆在70℃下预老化两周以便绝缘与填充材料的渗透。可以相信，这种预老化可以模拟电缆在准备装运和安装时放置在制造者的线轴库房中的情况。

现在来看图4，它出示了曲线35，它描绘出对于由泡沫内层和固态外层组成的绝缘系统，在200℃下以分钟计的OIT与原材料中Irganox MD1024双功能稳定定剂的平均数量的关系曲线，双功能稳定剂的平均含量约在0.4～0.8％重量的范围内，如图所示，OIT将随稳定剂的平均含量的增加而增加。

在图4中还描绘了曲线37，它示出了一种已经过两周预老化并在电缆结构中包含有填充材料，特别是Flexgel填充材料的绝缘的OIT，曲线37表示了一种绝缘系统，其中在泡沫内层中的双功能稳定剂的含量约为0.8％重量，而包覆层中的双功能稳定剂的含量是变化的。由数字41所示的系统表示具有约0.4％重量稳定剂含量的固态层或包覆层。数字43和45表示了在包覆层中具有约0.6和0.8双功能稳定剂含量值的绝缘系统。

人们已经知道，OIT的降低是由于稳定剂含量的降低引起的，然而，人们还不知道，并且在图4已示出了，绝缘系统稳定性的水平在其暴露于电缆填充材料以后，将由微孔层中稳定剂的重量百分比来确定，而与包覆层中稳定剂的含量无关。

用于测试氧化稳定性的另一试验即所谓试验台试验，见1991年9月3日公开的Bellcore技术标准TR-NWT-00421期。前述的OIT试验是一种快速试验，而试验台试验是一种长期试验，准确地应叫作式验台热氧化稳定性性能试验，试验台热氧化稳定性性能试验是一种加速试验，它试图模拟绝缘导体暴露于露天场地的情况。

待测电缆在进行热氧化稳定性试验以前，要使其处于升温条件下，然后将各个导体从预处理好的电缆中取出，通过将其绕在直径等于绝缘导体的外径的心轴上而进行擦拭和加压力。受力的导体会在升温条件下在电话轴架上暴露一特定时间周期(如，90℃，260天)，在该周期结束时，可对导体上的绝缘进行破裂的检查。

在试验中，最好是标准的6英寸(152mm)见方的金属试验台，长48英寸(1.2m)。所有内部接线板，聚乙烯衬垫，框架，接地线等，不必用来支撑导线试样的部分均可以除去，金属托架可以安装用来固定导线试样和监测探极，热源紧密地环绕于试验台上12英寸。

试验台的基底可以塞棉花或垫布以降低试验台内的温度梯度。人们发现，在加热覆层下试验试验台周围采用R11纤维玻璃/石棉可以明显降低试验台内的温度梯度。采用温度控制系统可以保持试验台内所有绝缘导体线圈的温度可在特定试验温度±2℃范围内。在90℃试验情况下，温度范围(绝对)将为88℃至92℃。所采用的分离系统可以监测和永久地记录从不超过4小时的间隔的内部温度。

在拭验中，使用的最后完成的电缆，即25对或更大，它包括使用最小尺寸的导体。从电缆长度上切下30英寸(762mm)长度的电缆，并且每端用乙烯基带来密封或覆盖，将密封电缆在烘箱中放置70℃(158°F)28天。在设定的周期结束时，将试样冷却到室温，选50个绝缘导体(每种颜色5个试样)。如果采用填充电缆，每个导体可以采用清洁的棉布或纸巾来擦式，不要用溶剂来除去填充物。每个导体在从50个导体每端起始13英寸绕心轴绕10个封闭圈。用以减小绕制期间出现的应力变化，导线与心轴的角度可保持大于70°。心轴可以滑出线圈区域而不破坏绕制导体的圆形结构。

每个线圈导体试样可放置到金属托架上，以形成一倒u型回路，其线圈顶部处于与监测温度敏感器相同的水平，该敏感器位于试验台内表面以上3～6英寸(76～152mm)处。监测温度敏感器是放置在倒回路顶部的导体线圈中央，并固定到试验台或托架上，重要的是，敏感器所处平面水平与最顶部线圈相同，并且所有线圈变化不大于特定温度的±2℃。

探针是其尖端朝上垂直安装，并且位于与最低线圈相同的高度上，要求周期性地或连续地检测最低线圈的温度保持在特定温度±2℃内。控制探针是安装试验台壁上，它与监测温度敏感器具有相同的高度，或者它是处于相同高度的基座中心轴处。采用高温切断系统是为了防止由于超高温条件所引起的试样损耗和不适合，建议将温度切断探针安置在最顶部线圈上并与温度监测敏感器相邻。

在所有线圈和敏感器定位后，便可以安置试验台的前盖，加热托架放置在试验台上，试样在90℃(194°F)温度下260天进行测试。

在加热进行了特定点试验周期以后完成测试。该周期可以调整成任何期间，使试样不处于特定温度下，如在观察时间或电力故障期间。在老化进行260天期间，所有绝缘导体线圈保持在90±2℃(194±4°F)下。在绝缘系统经过了之后，在上述测试温度完成后，在5倍放大条件下进行检查，绝缘试样显示出可见破裂将不会超过一个。试验也可以在110℃下完成，以便加速测试和更快地获得结果。

现在来看图5，它示出了在110℃下列第一次破裂的天数与在包覆层和泡沫层的原材料阶段中1024稳定剂(以百分比重量计)的平均数量的关系曲线图。如图所示，数据点52-52和54-54表示导体在其泡沫层中分别含有约0.4％和0.6％的双功能稳定剂。当在泡沫层中的双功能稳定剂的重量百分比增加时，列第一次破裂的天数也将增加。对于导体在其泡沫层中含有约0.8％稳定剂，如数据点56-56所示，在第一次发现破裂之前经过约210～245天。这些数据表明，在泡沫层中的双功能稳定剂的重量百分比决定了在基准试验中复合泡沫/包覆绝缘的性能，在图5中的水平线也正实了，该性能是与在包覆层中稳定剂的重量百分比无关。

从这些结果中可以得出结论，在泡沫层中的稳定水平是决定性的。为了防止绝缘的破裂，在内泡沫层中所需传输的双功能稳定剂的含量至少约为0.4％重量，最好是在0.4～0.8％重量范围内，它超过了现有技术中在内层，泡沫层中所采用的数量。

该结果飞跃了工业上通常可接受的实际水平，即在内层中稳定剂的数量相对较低，并且与在包覆层中的大约相同。在过去的数年里，在微孔层和包覆层中双功能稳定剂的含量从约0.1％增加到约0.2％，人们发现，绝缘的稳定性是与在包覆层中稳定剂重量百分比数量无关。

现再来看图1，现在完成了电缆的描述，它是由许多绝缘导体形成一线芯所构成的电缆，放置在管状部件31上的是屏蔽系统，它是由铝内屏蔽61所构成的，铝内屏蔽是绕在管状部件31上的以形成纵向搭接接缝63，在内屏蔽61上设置钢外屏蔽65，它具有纵向延伸的搭接接缝67，通常，搭接接缝63和67是偏心圆形的。塑料护套23是与钢外屏蔽65的外表面相配合的，当然，为了能提供适合于绝缘导体完成连接操作，例如，护套系统可以从封闭的或试验台中的电缆端部除去。

Claims (10)

1.一种通信电缆，它包括一设置在所述线芯上的护套系统，所述护套系统包括：一管状部件，它将所述许多绝缘导体放置在其内；一屏蔽系统，它设置在所述管状部件上；和一塑料护套，它是用来封装所述屏蔽系统和由许多绝缘导体组成的线芯，每个所述绝缘导体的特征在于：

一个纵向伸展的金属导体；

一个微孔绝缘材料内层；和

一个固态绝缘材料外层，所述各绝缘材料的内层和外层包含一个稳定剂系统，它包括起抗氧剂和金属减活化剂作用的双功能部分，它具有相对高的耐析出能力，在所述外层中的所述双功能部分的重量百分比实质上小于在所述内层中所述双功能部分的含量。

2.按权利要求1的通信电缆，其中在所述绝缘系统的所述内层中所述稳定剂系统的所述双功能部分的所述含量至少约为0.4％重量。

3.按权利要求1的通信电缆，其中在所述绝缘系统的所述内层中所述稳定剂系统的所述双功能部分的含量是在0.4～0.8％重量范围内。

4.按权利要求1的通信电缆，其中微孔绝缘材料的所述内层是由聚烯烃塑料材料组成的。

5.按权利要求1的通信电缆，其中各所述绝缘导体的所述绝缘外层是由聚烯烃塑料材料组成的。

6.一种绝缘导体，它包括一个纵向伸展的金属导体，其特征在于，它还包括：

一个微孔绝缘材料的内层；和

一个固态绝缘材料的外层，各绝缘材料的所述内层和外层分别包含有稳定剂系统，该稳定剂系统包括起抗氧剂和金属减活化剂作用的双功能部分，它还具有相对高的耐析出能力，在所述外层中，双功能部分的重量百分比实质上小于在所述内层中的双功能部分的重量百分比。

7.按权利要求6的绝缘导体，其中在所述内层中所述稳定剂系统的所述双功能部分的所述含量至少约为0.4％重量。

8.按权利要求6的绝缘导体，其中在所述内层中所述稳定剂系统的所述双功能部分的所述含量是在0.4～0.8％重量范围内。

9.按权利要求6的绝缘导体，其中所述内层和所述外层均由聚烯烃塑料材料组成。

10.按权利要求6的绝缘导体，其中所述内层是由聚烯烃塑料材料组成，它通过偶氮二酰胺而膨胀。

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