聚乙烯絕緣CO2物理發泡淺析

徐季新

摘? 要：該文主要論述了在物理發泡射頻同軸電纜的生產過程中，CO2發泡和N2發泡相比具有提高物理發泡射頻同軸電纜絕緣的發泡度，從而降低成本，提高衰減性能的優點，闡述了CO2注氣系統的原理及在生產過程中為避免液態的CO2汽化形成“干冰”堵塞氣管而采取的措施，還論述了CO2注氣壓力和流量的計算方法，為生產過程中CO2流量和壓力的穩定控制提供了理論依據，并結合實例進行了進一步分析。

關鍵詞：注入壓力? 背壓? 臨界壓力? 同軸電纜? 物理發泡聚乙烯絕緣? 絕熱指數

中圖分類號：TQ325? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0061-03

Abstract： This paper mainly discusses the production process in physical foaming RF coaxial cable， CO2 foaming and N2 foaming compared with physical foaming RF coaxial cable insulation foaming degree， to reduce cost， improve the attenuation performance， the principle of CO2 injection system and the measures taken in the production process to avoid "dry ice" blocking the gas pipe due to the vaporization of liquid CO2，the calculation method of CO2 injection pressure and flow provides a theoretical basis for the stable control of CO2 flow and pressure in the production process， and combined with examples are further analyzed.

Key Words： Injection pressure; Back pressure; Critical pressure; Coaxial cable; Foamded? polyolefin dielectric; Adiabatic exponent

隨著我國移動通信行業的迅猛發展，特別是我國的4G網絡全面建設，以及即將到來的5G網絡建設規劃，作為重要傳輸線的射頻同軸電纜迎來了新一輪的發展機遇，同時也對射頻同軸電纜的電氣性能提出了更高的要求。CO2物理發泡聚乙烯絕緣射頻同軸電纜具有高發泡度、低衰減、可靠性好等優點，被廣泛用于射頻同軸電纜絕緣生產過程，尤其是大規格同軸電纜的絕緣生產過程。該文概述了CO2絕緣發泡的優點、注氣系統及生產過程中壓力與流量的控制方法。

1? CO2絕緣發泡的優點

目前，射頻同軸電纜的生產廠家基本上都采用N2和CO2進行物理發泡，一般而言，小規格的射頻同軸電纜使用N2發泡，大規格的射頻同軸電纜采用CO2發泡，特別是用于基站建設用的射頻同軸電纜已基本采用CO2發泡。相對于N2物理發泡，CO2發泡具有以下優點。

（1）CO2有很好的惰性，CO2分子沒有極性，分子間作用力小，熔點和沸點低，鍵能大，原子間作用力強，分子具有很高的熱穩定性。

（2）CO2在熔融的聚合物中的可溶性比N2高10倍，可獲得較高的發泡度，降低絕緣的介電常數從而減小電纜的衰減常數。

2? CO2注氣系統及發泡過程簡述

圖1所示為CO2的注氣系統。發泡劑CO2從鋼瓶內通過減壓閥調節到適當的壓力（一般大于36bar）進入增壓裝置，將CO2增壓到預定的工作壓力，輸送到與擠塑機機筒連接的注氣針，通過注氣針中的噴嘴，按照設定的CO2流量定量地注入擠塑機機筒內的PE絕緣料中，并通過螺桿的旋轉攪拌擴散到熔融的絕緣料中，同時被推擠到發泡機頭內的模具中成型。溶解有CO2的絕緣料出模具口后，氣體壓力被迅速釋放并做絕熱膨脹，溶解在絕緣料中的CO2氣體分子因過飽和而形成氣泡。絕緣進入水槽溫度降低、粘度增大，抑制氣泡的過度增大，避免氣泡的過度生長而形成“串孔”。

由于聚乙烯絕緣發泡用CO2為液態，液態的CO2在氣化時吸收大量的熱而使周圍的溫度降低，如圖2所示，注氣管道中因部分CO2冷凝成“干冰”變得狹小，甚至堵塞，導致CO2注氣不穩或無法注氣，因此要在注氣系統中儲氣罐安裝加熱裝置，保證注氣量的穩定。

同時注氣針采用可調方式，密封圈采用耐高溫、不易變形材質，保證其氣密性，如圖3所示。

3? CO2壓力與流量控制

CO2氣體在注入壓力和流量穩定與否對射頻同軸電纜的結構尺寸、發泡度、發泡的均勻性等有著重要的影響，進而影響射頻同軸電纜的特性阻抗、電容、衰減常數、電壓駐波比等電氣性能參數。

絕緣料在機筒中加熱、熔融，伴隨著螺桿的旋轉被壓縮、剪切、攪拌會產生一個機筒面的壓力Pc（即絕緣料背壓Pc）、CO2氣體的注入壓力Pg大于絕緣料背壓Pc，就可以注入機筒內。然而，由于擠塑機電機轉速的穩定性、絕緣材料的質量、加熱溫度的穩定性等諸多因素的影響，機筒面的壓力Pc是隨時間連續變化的，以筆者公司物理發泡生產線的擠出機為例，根據對該公司生產的長期觀察，其變化的范圍通常在1～3bar。根據研究表明，在氣流流速低于聲速和注入壓力不變的情況下，氣體的流量是隨絕緣背壓的變化而成指數關系變化的。從絕緣發泡的機理可知，氣體的注入量發生微小變化，也會使得含有氣體的絕緣料在出模后泡孔壓力釋放生長過程中產生很大的變化，即發泡度發生較大的變化，造成電纜在長度方向上的不均勻性而影響信號的傳輸。