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优质氟塑料电缆高发泡绝缘电缆制造研发
随着世界各国经济的蓬勃发展，高层建筑不断创造新的高度。上海的金贸大厦和随后的环球金融大厦在不断刷新中国***高建筑的新高度纪录，台湾***高楼“101大楼”已经达到508米，而***新发布的阿联酋“迪拜塔”的目标高度竟然超过800米，象征着全球经济的欣欣向荣。但同时911恐怖袭击的阴影未能完全散去，又使得高层建筑的防火、防恐怖袭击问题显得尤其突出，美国911以后规定全国所有的高层建筑都须***采用以氟塑料FEP绝缘为主的CMP防火电缆。中国的氟塑料电缆也开始在包括金贸大厦在内的主要城市的高层建筑中广泛应用。
除了对线缆的防火提出更高要求以外，随着新能源和新技术的层出不穷，对高技术电子设备的传输性能也提出了越来越高的要求。其相应配套的电缆的结构逐渐向较小的方向发展。例如在高层建筑或航天、核电站等特殊的场合，其监控电缆和信号传输电缆除了防火和耐高温性能以外。还要求越来越高的传输频率。所以越来越多的这一类电缆除了采用氟塑料进行绝缘以外，还采用了物理发泡技术，以降低氟塑料绝缘层的平均介电常数，使得氟塑料绝缘线芯的衰减大大降低，极大的提高了线缆的传输速率。在达到同样电气性能的条件下，线芯的尺寸缩小，可以大量节省绝缘材料，降低成本，同时线芯的传输性能也得到很大的改善。
以目前常用的50欧姆同轴电缆为例，采用氟塑料物理发泡绝缘和实心绝缘相比，在同样的电气参数和性能条件下，其效果见下图一所示。
从图一可以得知，对氟塑料绝缘电缆采用物理发泡技术以后，发泡度如果从实心的0％提高到50％，材料大约可以节省66％，而传输速率比率(相对于信号在真空中的传输速率)却可以从66％提升到81％。以一般典型氟塑料FEP(聚全氟乙丙烯)为例，每公里的材料可以节省近3万元(按照杜邦公司FEP材料价格约人民币400元／kq计算)。如果发泡度进一步从50％提升到70％ ，材料更可以节省81％ ，而传输速率比率却可以达到88％左右。材料节省将非常可观。
从图一中可以看出，为了满足防火性能和传输性能的要求，对氟塑料绝缘采用物理发泡技术是必要的，而且发泡度越高，电缆芯线就可以做得越小，材料越省而传输性能越佳。
瑞士麦拉菲尔公司从1995年开始，通过与******的氟塑料厂家合作，研发并成功设计了一系列新的zl****技术和相应设备，使得以前氟塑料线芯绝缘发泡度从原先的50％左右一举成功达到了65％左右。生产实践证明，节省材料的效果非常显著。
为了满足日益增加的安全性能要求，氟塑料的材料范围也越来越扩大，越来越多的防火性能优越的材料涌现，如PFA、PETFE等氟塑料，可以满足各种电缆线芯的制造和不同耐温等级的要求。
下文就上述氟塑料高发泡度绝缘制造解决方案介绍一些主要的技术、zl****和设备。
一、氟塑料高发泡度绝缘制造设备的主要特点和性能
这套多功能新型绝缘制造设备，根据配置不同，可以涵盖直径从0.2mm到3.0mm的实心或绞合导体，及0.5mm到12.0mm的绝缘线芯的生产，***高生产速度可从200 m／min到1 000m／min，并且能适应多种材料如实心和发泡FEP、PFA、PE、PP在高速条件下进行生产。
在设备中采用了以下新研发zl****及技术：
◇ 发泡材料及发泡技术的研究
◇ 芯线生产的平稳及高速
◇ 生产线的高成品率
具备很高同心度的三层共挤可调中机头(型号有ECH3／9F和ECH7／1 8F)、新设计的高压氮气注入系统、一个特殊的主动式预热机及极低张力损耗的牵引机等，使设备的稳定性和产量都有大幅度的提高。为此我们的工艺zj****专门设计了一种新型的电容／直径闭环控制系统，即C／D控制系统。
该系统可I,X~E据氟塑料发泡工艺及采用挤管式挤出模具等特点，将物理发泡工艺做到***优的效果。且响应速度极快，可使生产启动过程大大地缩短。系统可以在线自动跟踪由于电容和发泡度随环境变化而产生的偏移，并自动进行校正。这样可将原先氟塑料50％左右的发泡度大幅度提高到60％ ～65％左右的发泡度，在提高传输电缆的性能的同时，也提高了产品的成品率和产量。
二、该绝缘生产线的性能
满足前面所述高性能电缆制造的要求，这是对现有挤出加工技术的一种挑战。我们为此专门成立了一个研发团队，与日本住友(SUMITOMO)公司合作，设计开发了一条新型多功能绝缘生产线，它既可以生产高性能的尺寸细小的传输电缆、也可以生产高性能的数据电缆和信号电缆。导体直径0.2mm～0.6mm (***小0.18mm)，绝缘外径0.5mm～3.0mm，***高生产速度1000m／min。
我们对原有生产线的整体性能进行研究后，决定把研发要点关注在以下方面：
◇ 发泡技术的变革
◇ 芯线生产的稳定性
◇ 生产线新型C／D控制系统
首先，在发泡材料的挤出融合过程中，要求氮气尽可能细密地融入绝缘材料中。我们对这个过程进行了详尽的研究。这个领域的难题在于尽可能在满足非常小的发泡气孔尺寸并满足足够机械强度的前提下提高材料的发泡度和稳定性。我们的目标是将PE和FEP材料的发泡度提高到70％并且将其气孔尺寸限制在20微米以内。***终我们采用这条新型生产线已可以进行实心PE、PP、FEP、PFA材料和发泡PE、PPP、FEP、PFA材料的生产。
当然这些成果的取得如果得不到绝缘材料供应商的合作是不可想象的，我们与世界******的材料供应商合作，共同开发了一些新材料以满足所要研发的产品性能。这些新材料现在都已在我们的这条生产线上取得足够wm****的经验工艺数据，并推向市场。我们通过大量的试验后已掌握了这些材料的***佳工艺数据，可以使我们的生产线在以后的生产过程中达到***短的启动时间和***佳的成品率。
其次，第二个领域的研发难题在于芯线挤出后如何保证***好的生产速度和稳定性性能。所有绝缘工序的后续设备设计都为了满足在挤出后保证***佳产品性能的前提下达到***高生产速度。产品性能包括：同心度、椭圆度、外皮的光滑性、产品延伸率及导体与绝缘的粘合性等，为了保证高速生产时的成品率，也就是保持产品的上述性能，生产时的张力须***保持尽可能的小、并且在高速情况下生产的张力也须***非常稳定。
同样，针对这样高技术含量的生产线，其生产的高成品率也是设计时的主要关注点。我们注意到在正常生产过程中须***在没有工艺zj****在现场进行工艺调节和工艺指导的条件下生产线也能自动进行调节控制，达到***佳性能。所以我们不断改进，将生产线的重复性做到足够好并且尽可能缩短启动时间和降低***终的废品率。在这样的前提下对生产线设备进行研发，***终我们取得了新型的电容／直径控制系统(即C／D控制系统)技术的成功并由此取得了欧美及日本和中国的zl****。
三、生产线的描述和新研发的设备介绍
1．发泡技术的变革一挤出机组
发泡机组的核心是挤出机，它的***佳尺寸应该是综合考虑产品的质量和产量而设计和选择的。我们新研发了NMC45—30“F”型挤出机并使它具有******的适应不同材料的多功能性和卓越的线性度。它配备有双金属机筒及两根不******型的螺杆以适合氟塑料及普通绝缘料如(PE、PP)的挤出。它具有在挤出实心氟塑料和普通绝缘料时的高出胶量及在挤出发泡氟塑料、P E时的高稳定性等特点。氮气注入点位于机筒内的位置是经过精心选择和计算的，配合特殊螺杆形式的设计后达到***佳挤出性能的要求。氮气注入点的位置直接决定了发泡的气孔尺寸大小，这是一个非常关键的工艺参数。在机筒内共有两个注气点，各自间隔2—3个螺纹左右，分别针对氟塑料发泡和P E发泡两种工艺。这样的设计可以达到***佳化的气孔尺寸要求。另外我们在机筒温度的控制系统上也化了很大的努力，安装了一种新型的冷却风扇在挤出机的机筒上，使得挤出机在启动加热时风扇的冷却量非常小，然后随着加热温度逐渐接近设定值，冷却功率逐渐增加，特别是当温度进入设定值一定范围内后，它将与增强型加热系统协同工作，大大改善了温度加热升温过程及设定温度变化时的线性度和平稳性。
辅助的外皮挤出机我们选择了NMA30—24DF。对此我们特殊设计了两根螺杆可以适合实心氟塑料和实,UPE材料的挤出。当生产氟塑料皮泡皮工艺时，该挤出机的氟塑料出胶被分为两个流路，分别到内皮分流器和外皮分流器，这样保证了氟塑料皮泡皮工艺的平稳挤出。另外一个NMA20—24D挤出机在挤出皮泡皮PE工艺时提供足够的内皮出胶量。
通过我们的长期研究，一个好的内皮和外皮的挤出能极大的改善氟塑料发泡产品的产量和稳定性，并通过一个新的三层共挤机头(皮泡皮)得到有效的生产。
我们专门设计和制造的氟塑料皮泡皮三层共挤机头ECH3／9 F(见图二)，它具有同心度调节功能，可以与一台或二台辅助挤出机协同工作(内皮和外皮)。它在与一台辅助挤出机工作时，材料被分为两路，分别到内皮和外皮分流器中，这样可以满足皮泡皮三层共挤的效果。在内皮和外皮要求特别高时，须***采用两台辅助挤出机协同工作，该三层共挤机头可以分别与这两台挤出机连接以生产皮泡皮产品。
该机头采用防腐蚀材料Inconel(镍铬合金铁为基料的合金材料)制造，配备了三个加热区：
◇ 控制模套温度的独立模套区
◇ 内皮分流器的特殊温控区
◇ 机头主体温控区
一个特殊的导体导引装置，可以精细调节导体引入机头的位置，并配备真空泵的快速接口连接。该机头是免维护设计。其拆卸和组装时间极短，无需特殊拆装工具就可以迅速拆卸机头并进行装配。为了适应细小电缆的生产，机头结构非常紧凑，机体的直径降低到112mm左右，使机头在启动加热时热传导时间大大缩短，所以可以迅速达到设定温度。
我们对氮气高压注入系统的一系列变革导致了现在我们配备的氮气注气装置具有非常高的稳定性。我们关注的是：在挤出机注气流量在***小可能为0.5升／小时、注气点温度可能超过300°C的情况下须***保证非常恒定的注气流量。为了达到上述目标，我们首先改善了注气时外界因素对流量的影响：通过改善压缩空气的质量(降低含油量、含水量等)及它的稳定性、监控并控制氮气本身的质量、增加提高配电的稳定性装置等。使得氮气通过配备高精度调节阀、特殊过滤装置及高精度控制系统等，可以满足***小0.5升／小时注气流量的高稳定注气。上述变革同样可以大大改善现有注气装置的注气稳定性，可以通过更新改造使现有氮气注气装置达到新的工作精度!
由于注气的极低流量特性及工作时的高温等特殊性，注气针内的喷嘴工作温度在氟塑料发泡时可能会超过200°C，在小流量时的注气流量可能随温度的变化而产生波动，所以须***对注气针作改进。我们设计了一种特殊的注气针水冷系统，可以使注气针工作温度稳定在40°C - 50°C左右。使得注气流量非常稳定。而且避免了机械装置的受热膨胀可能产生漏气等现象，有利于延长注气针寿命。这个装置的改进使得注气系统不仅在氟塑料发泡时满足了其特殊的工艺要求，而且在PE发泡时大大地延长了昂贵的注气针寿命。
2、芯线的生产高速稳定性
针对特别细小的电缆绝缘生产，工艺上特别困难的是平稳的启动过程及极小的张力控制。所有部件设计都应满足在2N～4N的小张力下稳定生产，例如主动式放线机装备有一个高精度的气动舞蹈轮，其张力由生产线总控系统进行控制，并配备交流四象限电机可以保证高速及高稳定张力的放线要求。
为保证整条生产线张力的稳定性，我们特别装备了一个高精度张力传感器对张力进行闭环控制，它装备在独立的预热机处，进行张力测量并通过牵引机进行控制，为此我们与预热机供应商一起设计了特殊的独立式预热机，这个预热机配备的陶瓷导轮可以满足在0.2mm导体的生产过程中张力平稳的要求，并只有极小的热量损耗。所配备的非接触式预热温度测量仪安装在非常接近挤出机头的位置，可以达到极小热量损耗的目的。针对在某些特殊工艺条件下更高预热温度的要求，我们设计了一个附加的热风预热机，在该预热机后可以进一步增加预热效果。
好的电气绝缘体一般也是好的隔热体，因此在发泡工艺中许多氮气气体存在于绝缘材料中，起到了强的隔热作用，发泡度越高其隔热作用越强，而特别是在发泡度70％以上时较明显，而且电缆的机械强度也随着降低。所以为保护电缆的生产性能，在电缆有效冷却时应非常小心地进行控制。我们设计的冷却系统不仅能实现有效的冷却效果，也能满足极低的张力损耗和******的张力稳定性的要求。我们组合了V形托架结构、环形喷嘴、有效浸没系统等设计，可以根据不同工艺的需要随时调整冷却方式，使冷却系统达到***优化效果。
在生产线启动过程中，为了使细小电缆平稳启动，须***有一个启动的微动过程，使所有传动部分在启动前先处于微动状态，这样可以避免启动瞬间的张力冲击。为此我们在多路牵引水槽中增加了额外的同步电机(见图三)。一般而言在牵引机处配备一台同步电机对牵引轮进行同步牵引就足够了。但在小张力损耗的要求下，5个转向轮的轴承处也存在小的滚动摩擦，所以我们额外配备了一个小功率的同步电机。通过它的同步运行可以使生产线在启动过程中平稳启动及在生产过程中保证******的张力稳定性及极小的张力损耗。
四、瑞士麦拉菲尔公司的zl****技术
-新的电容，直径闭环控制系统(OlD控制系统)的工业化应用当上述所有设备进行改进和更新改造后，下一步我们将注意力放在为特殊工艺要求而配备的生产线电容／直径闭环控制系统上。
一个传统的绝缘生产线的电容／直径闭环控制系统一般包括下列3个闭环控制系统：其中两个是针对电容的闭环控制系统，一个是移动水槽的位置控制，另一个是控制氮气注气流量，第三个是通过调节牵引机的牵引速度或挤出机的挤出速度来控制绝缘的直径。这些控制系统都是通过调节下列其中一个参数来控制另一个参数：
标准直径控制系统：
◇ 牵引机速度或挤出机速度标准电容控制系统：
◇ 氮气的注气压力
◇ 移动水槽的位置
通过不断的研究，我们发现对新的氟塑料发泡等特殊工艺而言，传统的C／D控制系统已不能完全满足要求，表现在：
◇ 移动水槽的位置调节范围太小(一般从位置0％ ～ 50％ 左右进行调节的电容值约为4PF／m左右，而大于50％位置时对电容值影响很小)
◇ 如果仅对氮气注气装置的注气压力作小的调整，则反应相对较慢，而且压力小的波动对电容的影响也偏大我们通过研究发现：
◇ 在采用挤管式模具的发泡挤出工艺中，发泡效果与绝缘料模套出口处的真空锥管长度的大小相关
◇ 电容和直径也随着真空锥管长度的大小而调整
◇ 在一个好的挤出机温度设定的情况下，发泡仅与下列3种因素相关：
a)氮气注气压力
b)挤出模口的锥管长度
C)移动水槽的位置
所以我们针对氟塑料发泡等特殊工艺研发了一种特殊的电容／直径闭环控制系统(C／D控制系统，见图四)，该系统适合于在发泡工艺中采用挤管式挤出模具进行生产等情况的自动工艺控制，也就是将发泡与模El的真空锥管长度参数联系在一起，将它作为一种关键工艺参数进行控制。
所以新的直径控制将是：
-生产线速度或挤出机速度
新的电容控制是：
-模口的真空锥管长度
-移动水槽的位置
我们针对新的C／D闭环自动控制系统进行了一系列的产品试验，目的是找出该系统在各种不同条件下真空锥管长度对电容影响的数据，从而得出以后在工艺校正过程中所需的工艺参数。
试验数据表明在真空锥管长度的大小对其他的参数不产生影响的情况下可以调节产品的直径和电容。如果生产线处于稳定状态及真空锥管长度处于正常调节范围内，产品的其他参数如同心度、椭圆度、导体材料粘合力等不受真空锥管长度调节的影响。正常在发泡度为55％时的气孔尺寸为17微米，如果超过真空锥管长度调节范围时，气孔尺寸就会扩大并影响同心度。通过这些现象，我们较容易的将真空锥管长度对电容影响的数值找出来，可以确定新的C/D系统对电容的调节范围。
通过这些试验，我们建立了产品模型来确定***佳的C／D控制参数。我们可以将工艺调节的***敏感参数确定下来，这样不管在生产过程中首要因素为何种生产参数，比如说是电容的稳定性还是气孔尺寸或是真空锥管长度等等，***佳的真空锥管长度参数都是需要考虑的。
通过以上试验我们得到了C／D控制系统的调节范围，该数值是基于对其他工艺参数不产生影响的前提下得到的。我们得到结果是：大约真空锥管长度变化10mm左右，就可以调节电容约16PF／m。一般而言我们新设计的NMC45—30DF需要新C／D闭环控制系统调节范围为±5PF／m就足够了。
所以我们仅需采取真空锥管长度调节范围中***佳的一段来调节电容就足够发挥作用了。这样就可以迅速调节发泡电容数值来修正由于温度的变化或氟塑料材质等问题对发泡等参数的影响。该调节可以在始终处于***佳工艺的状况下进行。
在挤出机中大的变化量来自于氮气注气压力的变化对发泡的影响，我们可以采用新的C／D控制系统对这种因素进行迅速的调节，消除任何氮气流量的波动对电容或发泡的影响。
一般氮气注气压力的调节影I]l~iJ***终电容或发泡的时间为3分钟～4分钟左右，而新的C／D控制系统可以迅速对其产生的影响做出校正，一旦有误差被检测出，新的C／D控制系统将迅速做出调节反应，使之达到设定值。
这项技术我们已经在欧美、日本和中国取得zl****，我们在氟塑料等材料的发泡试验上取得的结果是非常满意的。同样在其他类似材料的发泡工艺上也应取得类似的结果，我们期望这新的C／D控制系统可以作为在发泡工艺中采取挤管式挤出模具的通用控制方法。
现在这个zl****技术已配备到我们所有的氟塑料多功能绝缘生产线中，与我公司专有技术EXTRUCELL一起提供给客户一个***好的解决方案，能在不影响其他工艺参数的前提条件下，通过该系统迅速改善生产线的稳定性、可靠性和重复性。
我们将该技术装备到绝缘生产线上的时间已超过7年。通过采用该技术以后，系统控制的精度明显提高并且在启动过程中可以达到迅速稳定的效果，拓宽了生产线的工艺窗口，提高了成品率和生产效率，使得客户在市场上的竞争力大大增强。
五、新技术应用到高频小同轴电缆的实例
为了面对前面所述新产品的挑战，我公司将新的研发成果应用到新型绝缘生产线中，发现我们新的研发成果应用到新型生产线上以后可以适应更大的产品范围和更高的产品工艺要求。
高频小同轴电缆样品；
高频小同轴电缆特别是3G交换机内和移动通讯跳线电缆在欧美和我国以及日本都有非常好的发展前景。我们的客户根据实际应用的要求对我们生产线提出了传输频率达到2.2GHz、驻波比VSWR保证在1.15以内等产品性能要求。我们通过采用上述新技术后，发泡度能够达到63％左右(发泡材料采用杜邦公司***新FFR系列，标准发泡度在55％)，说明我们的新技术能极大地提升氟塑料的发泡性能，并极大地改善了氟塑料高频通信电缆及聚乙烯等材料的发泡尺寸和稳定性，使得这种高频通信电缆在不影响机械强度的情况下提高发泡度，并降低材料成本和通过降低介电常数来改善电气传输性能。这样可以满足后续设备如高速编织机以及绕包工序等设备的生产需要。如图五所示。
超级计算机传输电缆样品
日本住友公司与瑞士麦拉菲尔公司合作，研发和制造了目前世界上***快的超级计算机“地球模拟器”所用的电缆，该超级计算机速度可达4O万亿次，是目前世界上***快的超级计算机。它的传输电缆要求8TB／s带宽在及12.3GB／s的传输频率，整个超级计算机内共有83200根高速传输电缆在工作。每根电缆的芯线都采用新型生产线来生产，其发泡尺寸和稳定性都达到非常高的要求。发泡度非常高，可以进一步降低电缆尺寸并通过降低介电常数而改善电气传输性能，电缆如图六所示。
六、结论
***终我们的研究成果已大大超过我们原先设定的目标，新的C／D闭环控制系统，低张力生产技术和氟塑料发泡技术等都应用到了新型生产线中，提供了包括高端数字通信电缆和微同轴电缆等多种产品的全套解决方案。这些方案非常适合一些需要在高端通信领域有所发展的客户的需求。为此，我们物理发泡新技术在2004年世界线缆杂志的评选中，被评为“2003年度线缆行业杰出产品”
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