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Dokumentenidentifikation DE602004004108T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001625597
Titel Kabel mit einem stark ausgedehnten Schaumstoff aus einem Polymermaterial mit ultrahohem Strangaufweitungsverhältnis
Anmelder CommScope, Inc. of North Carolina, Hickory, N.C., US
Erfinder BLEW, Douglas, J., Mooresville, NC 28117, US;
HOUSTON, Eddy, R., Maiden, NC 28650, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 602004004108
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.03.2004
EP-Aktenzeichen 047607874
WO-Anmeldetag 30.03.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/US2004/009708
WO-Veröffentlichungsnummer 2004102591
WO-Veröffentlichungsdatum 25.11.2004
EP-Offenlegungsdatum 15.02.2006
EP date of grant 03.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H01B 3/44(2006.01)A, F, I, 20061205, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01B 7/285(2006.01)A, L, I, 20061205, B, H, EP   B29C 44/32(2006.01)A, L, I, 20061205, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf Kommunikationskabel und insbesondere auf Kabel mit einem stark ausgedehnten Schaumstoff einer gleichmäßigen, kleinen und geschlossenzelligen Eigenschaft gerichtet.

Hintergrund der Erfindung

Es ist von Yuto und Suzuki (US-Patente 4,547,328 und 4,683,166) gelehrt worden, dass der Zusatz von Kunststoff mit mindestens 20 Gewichtsprozent, welcher ein Düsenaufweitungsverhältnis (DSR) von 55% oder mehr aufweist, zu einem Polymergemisch bestimmte Vorteile bei der Herstellung eines Koaxialkabels aufweist. Speziell der Zusatz eines Polymers, welches ein DSR von 55% oder mehr aufweist, erhöht die Elastizität des geschmolzenen Polymers, was eine bessere Kontrolle über den Prozess ermöglicht, wobei eine Leitung mit einer geschäumten Isolation beschichtet wird. Die Lehren zeigen, dass Vorteile von einem hohen Schäumungsgrad (Ausdehnungsverhältnis) und einer Zellstruktur des geschäumten Polymers, welche 50 Mikron oder kleiner ist, erzielt werden. Kleine Zellstrukturen bei hohen Ausdehnungsverhältnissen sind für die Eigenschaften eines geringen elektrischen Verlustes (einer geringen Dämpfung), eines geringen Materialverbrauchs und einer verbesserten mechanischen Festigkeit erstrebenswert. Es ist für den Fachmann klar, dass der Stand der Technik auf ein Material, welches ein DSR von 55% oder mehr bei nicht weniger als 20% des Gesamtgemisches beschränkt ist, um die vorab erwähnte erstrebenswerte Zellstruktur, das hohe Ausdehnungsverhältnis und einen Risswiderstand bei Spannung zu erhalten. Um jedoch eine Dimensionsbeständigkeit und eine mechanische Festigkeit des Kabels zu verbessern, wurde die geschäumte Isolationsschicht mit einer ungeschäumten kompakten Polymerschicht oder Haut beschichtet. Es ist bekannt, dass eine solche Schicht den Herstellungsprozess erschwert und die Kosten eines Anfangskapitals und eines permanenten Materialverbrauchs erhöht. Darüber hinaus sind Materialien mit einem hohen DSR selbst elektrisch unvorteilhaft und beeinflussen die elektrische Reinheit (den Verlustfaktor) des Kabels negativ.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt elektrische Kommunikationselemente, wie z.B. Leitungen und Kabel, bereit, welche eine herausragende Kombination aus einem geringen Verlustfaktor und einem hohen Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung in entweder einem kompakten oder vorzugsweise einem geschäumten Zustand aufweisen. Diese neuartige Kombination von Eigenschaften erzielt die folgenden einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften gleichzeitig in derselben Struktur:

  • • Ein hoher Schäumungsgrad von mindestens 50%, besser zwischen 50% und 85%.
  • • eine Schaumstruktur von feinen und gleichmäßigen Zellen, welche geschlossener Natur sind und vorzugsweise kleiner als 100 Mikron sind, was eine ausgezeichnete mechanische Stoßfestigkeit ergibt.
  • • Ein Risswiderstandsleistungsverhalten gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung, welches in der Lage ist, in der Industrie bekannte Haltbarkeitstests zu bestehen, so dass 100°C über mehr als 100 Stunden fehlerfrei überstanden werden, während es bei einem Spannungsniveau des 1-fachen des Isolationsaußendurchmessers aufgewickelt ist.
  • • Ein Dämpfungsniveau, welches geringer als dasjenige ist, welches mit früheren Ausführungsformen möglich ist, welche elektrisch nachteilige Kunststoffeigenschaften eines DSR von mehr als 55% bei Mischungsverhältnissen von mindestens 20 Gewichtsprozent erfordern.
  • • Ein geringeres Gewicht des Kunststoffes und damit geringere Kosten für das Kommunikationselement im Vergleich zu Kommunikationselementen eines ähnlichen Verwendungszweckes und Endeinsatzes nach dem Stand der Technik.

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Kommunikationselement bereitgestellt, welches einen Leiter und eine umgebende geschäumte Kunststoffisolation umfasst. Die geschäumte Kunststoffisolation umfasst ein Polymer mit nicht mehr als 20 Gewichtprozent, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis von mehr als 55% aufweist. Vorzugsweise wird das Polymer mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis mit einem oder mehreren elektrisch und/oder umgebungsbedingten herausragenden zusätzlichen Polymerzusammensetzungen gemischt, um erwünschte mechanische, elektrische, thermische Eigenschaften sowie Haltbarkeitseigenschaften und Kostenvorteile zu erzielen, welche bisher physikalisch nicht gleichzeitig bei derselben Ausführungsform existieren konnten. Insbesondere weisen die zusätzlichen Polymerzusammensetzungen eine hohe thermisch verstärkte Stabilität auf, wie sie durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von größer als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist. Noch besser weist die zusätzliche Polymerzusammensetzung eine oxidative Induktionszeit von mehr als 20 Minuten auf.

Vorzugsweise weist die zusätzliche Polymerzusammensetzung einen Verlustfaktor auf, welcher geringer als derjenige des Polymers mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und geringer als 75 Mikroradianten, besser geringer als 50 Mikroradianten ist.

Die Isolation, welche durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt ist, weist einen Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung von mehr als 100 Stunden bei 100°C auf, während sie bei einem Spannungsniveau des 1-fachen des Isolationsaußendurchmessers aufgewickelt ist, ohne radiale oder longitudinale Risse aufzuzeigen.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt umfasst die geschäumte Kunststoffisolation ein Olefinpolymer mit ungefähr 15 Gewichtprozent, welches ein Düsenaufweitungsverhältnis mit einem Wert von größer als 55% aufweist. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt umfasst die geschäumte Kunststoffisolation ein Polyethylen geringer Dichte mit nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, welches einen Düsenaufweitungsverhältnis von mehr als 55% aufweist, und zumindest eine zusätzliche Polyolefinzusammensetzung mit einer hohen thermisch verstärkten Stabilität, welche durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von größer als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist. Vorzugsweise weist die zumindest eine zusätzliche Polyolefinzusammensetzung einen Verlustfaktor auf, welcher geringer als derjenige des Polyethylens geringer Dichte, welches das hohe Düsenaufweitungsverhältnis aufweist, und geringer als 75 Mikroradianten ist.

Das erfindungsgemäße isolierte elektrische Kommunikationselement kann in verschiedenen Arten von Strukturen ausgeführt sein, welche für eine elektrische Kommunikation eingesetzt werden, wie z.B. in Koaxialkabeln, Zuführungskabeln und paarverseilten Kabeln.

Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Kommunikationskabel bereit, welches einen Leiter und eine umgebende geschäumte Kunststoffisolation umfasst. Die geschäumte Kunststoffisolation umfasst ein Gemisch aus einem ersten Polyolefin, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis mit einem Wert von mehr als 55% aufweist und in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichtprozent vorhanden ist, und zumindest einem zusätzlichen Polyolefin, welches eine hohe thermisch verstärkte Stabilität aufweist, wie sie durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von größer als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist.

Vorzugsweise weist das mindestens eine zusätzliche Polyolefin einen Verlustfaktor auf, welcher geringer als derjenige des Polyolefins mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und geringer als 75 Mikroradianten ist. Das zusätzliche Polyolefin kann in geeigneter Weise ein hoch stabilisiertes Polyolefin sein, welches phenolische Antioxidantien und/oder Gemische aus phenolischen Antioxidantien und Phosphiten wie auch Lichtstabilisatoren vom gehinderten Amin-Typ aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Einige der Merkmale und Vorteile der Erfindung sind beschrieben worden, andere werden aus der detaillierten Beschreibung, welche folgt, und aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

1 ist eine perspektivische aufgeschnittene Darstellung, welche ein Koaxialkabel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 ist eine perspektivische aufgeschnittene Darstellung, welche ein Zuführungskabel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

3 ist eine Perspektivedarstellung, welches ein erfindungsgemäßes paarverseiltes Kabel darstellt;

4 ist eine Fotografie, welche einen Prüfling für einen Risstest bei einer thermisch verstärkten Spannung vor einem Test darstellt;

5 ist eine Fotografie, welche einen Prüfling für einen Risstest bei einer thermisch verstärkten Spannung nach einem Test darstellt, mit einem Fehlerniveau, bei welchem Risse sichtbar sind;

6 ist ein Graph, welcher darstellt, wie die Dämpfung in einem Kabel durch einen Verlustfaktor der Isolationszusammensetzung beeinflusst wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden vollständig mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen einige, aber nicht alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen dargestellt sind. Die Erfindung kann tatsächlich in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die Ausführungsformen, welche hier dargelegt werden, eingeschränkt angesehen werden; sondern diese Ausführungsformen sind vorhanden, so dass diese Offenbarung die anzuwendenden rechtlichen Anforderungen erfüllt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen durchweg gleiche Elemente.

1 stellt ein erfindungsgemäßes isoliertes elektrisches Kommunikationselement, welches als ein Koaxialkabel 10 ausgeführt ist, dar. Das Koaxialkabel umfasst einen Kabelkern 11, welcher einen Innenleiter 12 eines geeigneten elektrisch leitenden Materials und eine umgebende kontinuierliche zylindrische Wand aus einem ausgedehnten geschäumten dielektrischen Kunststoffmaterial 14 aufweist. Das Dielektrikum 14 ist eine ausgedehnte Schaumzusammensetzung. Vorzugsweise weisen die Zellen des Dielektrikums 14 eine geschlossenzellige Konfiguration und eine einheitliche Größe, typischerweise mit einem Durchmesser von weniger als 200 Mikron und besser von weniger als 100 Mikron auf. Vorzugsweise ist das geschäumte Dielektrikum 14 haftend oder reibend durch eine dünne Schicht eines haftenden oder reibenden Materials 13 mit dem Innenleiter 12 verbunden. Der Innenleiter kann aus einem massiven Kupfer, einem Kupferrohr, einem mit Kupfer verkleideten Stahl, einem mit Kupfer verkleideten Aluminium oder anderen Leitern, welche massiv, hohl oder strangförmig in der Konstruktion sind, ausgebildet sein. Der Innenleiter weist vorzugsweise eine glatte Oberfläche auf, kann aber auch gewellt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist nur ein einziger Innenleiter 12 dargestellt, aber es ist klar, dass die vorliegende Erfindung auch bei Kabeln anwendbar ist, welche mehr als einen Innenleiter aufweisen, die voneinander isoliert sind und einen Teil des Kerns 10 ausbilden. Darüber hinaus ist der Innenleiter 12 bei der dargestellten Ausführungsform eine Leitung, welche aus einem Aluminiumkern 12a mit einer äußeren mit Kupfer verkleideten Schicht 12b ausgebildet ist.

Der Kern 11 wird durch eine kontinuierliche röhrenförmige Umhüllung 15 mit einer glatten Wand eng umgeben. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die röhrenförmige Umhüllung 15 aus einem Aluminiumstreifen ausgebildet, welcher in einer röhrenförmigen Konfiguration ausgebildet ist, wobei die sich gegenüberliegenden Seitenkanten des Streifens zusammenstoßen und wobei die zusammenstoßenden Kanten kontinuierlich durch eine kontinuierliche Schweißnaht in Längsrichtung, welche mit 16 bezeichnet ist, verbunden sind. Das Schweißen kann im Allgemeinen derart durchgeführt werden, wie es in den US-Patenten mit den Nrn. 4,472,595 und 5,926,949 beschrieben ist. Während eine Herstellung der Umhüllung 15 durch eine Schweißnaht in Längsrichtung, wie sie bevorzugt wird, dargestellt worden ist, erkennt der Fachmann, das andere Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen kontinuierlichen dünnwandigen röhrenförmigen bimetallischen Umhüllung eingesetzt werden könnten. Vorzugsweise ist die innere Oberfläche der röhrenförmigen Umhüllung 15 kontinuierlich und über ihre gesamte Länge und über ihren gesamten Umfangsbereich mit der äußeren Oberfläche des geschäumten Dielektrikums 14 durch eine dünne Schicht eines Klebstoff 17 verbunden. Eine bevorzugte Klasse eines Klebstoffs für diesen Zweck ist ein statistisches Copolymer von Ethylen und Acrylsäure (EAA) oder EAA, welches mit kompatiblen anderen Polymeren gemischt ist. Die äußere Oberfläche der Umhüllung 15 wird von einem Schutzmantel 18 umgeben. Geeignete Zusammensetzungen für den äußeren Schutzmantel 18 umfassen thermoplastische Beschichtungsmaterialien, wie z.B. Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyurethan und Kautschuke. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Schutzmantel 18 vorzugsweise mit der äußeren Oberfläche der Umhüllung 15 durch eine Klebstoffschicht 19 verbunden, um dadurch die Biegeeigenschaften des Koaxialkabels zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Klebstoffschicht 19 eine dünne Schicht eines Klebstoffes, wie z.B. des EAA-Copolymers oder Gemischen davon, welche vorab beschrieben sind. Obwohl in der Zeichnung eine Klebstoffschicht 19 dargestellt ist, kann der Schutzmantel 18 auch direkt mit der äußeren Oberfläche der Umhüllung 15 verbunden sein.

Mit Bezug auf 2 wird nun ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Kommunikationselements dargestellt, welches als einen Zuführungskabel 20 des Typs ausgeführt ist, welcher bei der Übertragung von RF-Signalen eingesetzt wird, wie z.B. ein Kabel für Fernsehsignale, Satellitensignale, Mobilfunksignale, Daten und dergleichen. Das Kabel 20 umfasst einen Kabelkern 21, welcher einen länglichen Innenleiter 22 und eine dielektrische Schicht 24, welche den Innenleiter umgibt, umfasst. Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht 24 mit dem Innenleiter 22 durch eine Klebstoffschicht 23 verbunden, welche zum Beispiel aus einem Ethylen-Acrylsäure (EAA)-, Ethylen-Vinylacetat (EVA)- oder Ethylen-Methylacrylat (EMA)-Copolymer oder einem anderen geeigneten haftenden oder reibenden Material ausgebildet ist. Der Innenleiter 22 ist vorzugsweise aus einer mit Kupfer verkleideten Stahlleitung ausgebildet, aber eine andere leitende Leitung (z.B. Kupfer) kann auch eingesetzt werden. Die dielektrische Schicht 24 ist ein geschäumtes Polymer, welches kontinuierlich von dem Innenleiter 22 zu der benachbarten darüberliegenden Schicht verläuft, es kann aber auch eine äußere massive Schicht oder Haut vorhanden sein. Eine elektrisch leitende Abschirmung 25 ist um die dielektrische Schicht 24 herum aufgetragen. Die leitende Abschirmung 25 ist vorzugsweise durch eine Klebstoffschicht 26 mit der dielektrischen Schicht 24 verbunden. Die Klebstoffschicht 26 kann aus irgendeinem der Materialien ausgebildet sein, welche vorab bezüglich der Klebstoffschicht 23 diskutiert wurden. Die leitende Abschirmung 25 verhindert vorzugsweise eine Streuung der Signale, welche durch den Innenleiter 22 übertragen werden, und eine Störung von äußeren Signalen. Die leitende Abschirmung 25 ist vorzugsweise aus einem Abschirmungsband ausgebildet, welches sich in Längsrichtung entlang des Kabels erstreckt. Das Abschirmungsband wird vorzugsweise in Längsrichtung derart aufgetragen, dass die Ränder des Abschirmungsbandes entweder aneinander stoßen oder sich überlappen, um für eine Abschirmungsüberdeckung von 100% zu sorgen. Vorzugsweise überlappen sich die Ränder des Abschirmungsbandes in der Längsrichtung. Das Abschirmungsband umfasst zumindest eine leitende Schicht, wie z.B. eine dünne metallische Folienschicht. Das Abschirmungsband ist vorzugsweise ein verbundenes Laminatband, welches eine Polymerinnenschicht mit äußeren Metallschichten, welche mit den gegenüberliegenden Seiten der Polymerinnenschichten verbunden sind, aufweist. Die Polymerinnenschicht ist typischerweise ein Polyolefin- (z.B. ein Polypropylen-) oder ein Polyesterfilm. Die Metallschichten sind typischerweise dünne Aluminiumfolienschichten. Mehrere längliche Leitungen 27 umgeben die leitende Abschirmung 25. Die länglichen Leitungen 27 sind vorzugsweise verflochten, um ein Geflecht 28 auszubilden, können sich aber stattdessen in einer bidirektionalen Weise überlappen, können unidirektional verwendet werden oder können eine hin und her verlaufende Anordnung ausbilden (in der Industrie mit SZ oder ROL bezeichnet). Die länglichen Leitungen sind aus Metall und sind vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, können aber aus irgendeinem geeigneten Material, wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein. Ein Kabelmantel 29 umgibt das Geflecht 28 und schützt das Kabel vor Feuchtigkeit oder anderen Umgebungseffekten. Der Mantel 29 ist vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material, wie z.B. Polyethylen oder Polyvinylchlorid ausgebildet. Es ist klar, dass mehrere längliche Folienabschirmungen und mehrere längliche Leitungsschichten kombiniert und angepasst werden können, um eine zusätzliche elektrische Abschirmung und/oder eine zusätzliche mechanische Festigkeit zu erzielen.

Mit Bezug auf 3 wird nun eine noch andere Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Kommunikationselementes, welches als ein vielpaariges Kommunikationskabel 30 ausgeführt ist, dargestellt. Das Kabel 30 weist einen röhrenförmigen Kabelmantel 31 auf, welcher vier verdrillte Paare von isolierten Leitern 32, 33, 34 und 35 umgibt. Der Mantel 31 ist aus einem flexiblen Polymermaterial ausgebildet und wird vorzugsweise durch Schmelzextrusion ausgebildet. Jedes Polymermaterial, welches herkömmlicherweise bei einer Kabelkonstruktion eingesetzt wird, kann in geeigneter Weise eingesetzt werden. Jeder isolierte Leiter in dem verdrillten Paar umfasst einen Leiter 36, welcher durch eine Schicht eines Isolationsmaterials 37 umgeben wird. Der Leiter 36 kann eine metallische Leitung oder irgendeiner der gut bekannten metallischen Leiter sein, welcher bei Leitungs- und Kabelanwendungen eingesetzt wird, wie z.B. Kupfer, Aluminium, mit Kupfer verkleidetes Aluminium und mit Kupfer verkleideter Stahl. Vorzugsweise besitzen die Leitungen 18 bis 26 eine AWG-Dicke. Vorzugsweise ist die Dicke des Isolationsmaterials 37 dünner als ungefähr 25 mil, besser dünner als ungefähr 15 mil und für bestimmte Anwendungen sogar dünner als 10 mil.

Erfindungsgemäß wird das isolierte elektrische Kommunikationselement hergestellt, indem eine schäumbare Polymerzusammensetzung um einen Leiter extrudiert wird und dafür gesorgt wird, dass die Zusammensetzung schäumt und sich ausdehnt. Der Schäumungsprozess kann chemische und/oder mechanische Treibmittel, wie z.B. Stickstoff, einsetzen, welche herkömmlicherweise bei der Leitungs- und Kabelindustrie zur Herstellung einer geschäumten Isolierung angewendet werden. Die Polymerzusammensetzung umfasst ein Polymer mit nicht mehr als 20 Gewichtprozent, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis von mehr als 55% aufweist. Das Vorhandensein des Polymers mit einem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis sorgt für ausgezeichnete Schäumungseigenschaften für die Isolierung. Vorzugsweise umfasst die Polymerzusammensetzung mindestens ein zusätzliches Polymer, welches nach seinen herausragenden elektrischen Eigenschaften und/oder Umgebungsstabilitätseigenschaften ausgewählt wird. Polymere, welche zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können aus jeder Anzahl von handelsüblich verfügbaren Polymerzusammensetzungen, welche herkömmlicherweise in der Leitungs- und Kabelindustrie eingesetzt werden, ausgewählt sein, welche Polyolefin, wie z.B. Polypropylen und Polyethylen mit einer geringen, mittleren oder hohen Dichte umfassen. Insbesondere wird für eine Verwendung als eine Komponente mit einem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis Polyethylen geringer Dichte, vorzugsweise ein Polyethylen mit einer Dichte in dem Bereich von ungefähr 0,915 g/cm3 bis ungefähr 0,930g/cm3, bevorzugt. Die zusätzliche Polymerkomponente ist vorzugsweise ein Polyethylen mittlerer und/oder hoher Dichte. Vorzugsweise weist dieses zusätzliche Polymer eine hohe thermisch verstärkte Stabilität auf, wie sie durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von größer als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist.

Die Fähigkeit einer verformbaren polymeren Molekularkette, Energie zu speichern, beeinflusst den Umfang einer Ausdehnung, welche den Einwirkungen von Temperatur und Belastung nachfolgend stattfindet. Ein Polymer, wie z.B. ein Polyethylen (LDPE) geringer Dichte mit langen Ketten und seitlicher Verzweigung speichert mehr Energie und erholt sich mit einer höheren Rate nach einer Bearbeitung, als dasjenige LDPE eines vergleichbaren Molekulargewichtes mit kürzeren Ketten und geringerer seitlicher Verzweigung. Die Messung der Erholung kann durch das Düsenaufweitungsverhältnis (DSR) bestimmt werden, welches durch die folgende Beziehung bestimmt wird: DSR (%) = [(ds – d0)/d0 × 100]

Dabei ist ds ein Außendurchmesser des extrudierten Materials und d0 ist ein Innendurchmesser einer Öffnung, welche in einem Ausflussplastometer, welches in dem ASTM D1238 definiert ist, vorhanden ist. ds und d0 können während einer Messung eines Schmelzindex (MI) durch ein Ausflussplastometer erhalten werden. Der Durchmesser der Öffnung wird bei Raumtemperatur gemessen, gewöhnlicherweise bevor die Vorrichtung erwärmt wird. Der sich ergebende Durchmesser des Extrudats wird gemessen, nachdem es ihm ermöglicht worden ist, sich auf Raumtemperatur abzukühlen. Typische Einstellungen für den ASTM D1238-Test, wobei ein Polyethylen geringer Dichte eingesetzt wird, sind eine Temperatur von 190°C und eine Belastung von 2160 Gramm.

Es wird theoretisiert, dass eine Molekulargewichtsverteilung (Mw/Mn) eine wichtige Rolle bei der Identifikation von hohen Düsenaufweitungseigenschaften spielt. In dem Geltungsbereich dieser Untersuchung wurde gezeigt, dass LDPE-Verbindungen mit einem MWD von acht (8) oder höher eine wesentlich höhere Düsenaufweitung und Schmelzelastizität ergeben – was erstrebenswert für die Ausbildung einer geschäumten dielektrischen Isolierung geringer Dichte von Kommunikationselementen ist. Während diese Eigenschaften eher für diejenigen LDPE-Harze, welche unter Verwendung eines Reaktionsprozesses in einem Autoclave gefertigt werden, inhärent sind, können LDPE-Harze, welche durch ein bestimmtes röhrenförmiges oder ein anderes Reaktionsprodukt hergestellt werden, ein ähnliches Leistungsverhalten ergeben. Ein Polydispersitätswert oder ER-Wert, wie er durch Equistar Chemicals definiert ist, ist auch ein Indikator der Schmelzelastizität des Polyethylenprodukts. Das Verfahren zur Messung des ER-Wertes ist in einem Artikel von R. Shroff u. a. mit dem Titel "New Measures of Polydispersity from Rheological Data on Polymer Melts", J. Applied Polymer Science, Vol. 57, Seiten 1605–1626 (1995) und in dem US-Patent 5.534,472 beschrieben. Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, korrelieren Materialien mit einer hohen Düsenaufweitung mit erhöhten ER-Werten und besseren Schäumungsergebnissen.

Tabelle 1: Ergebnisse einer Düsenaufweitung von LDPE-Komponenten

Im Zuge dieser Experimente wurde eine Liste von primären Polyethylenverbindungen (HDPE) und sekundären Polyethylenverbindungen einer geringen Dichte und einer hohen Düsenaufweitung auf elektrisches Leistungsverhalten bezüglich des elektrischen Verlustfaktors eines Formprüflings von 75 mil (0,075 Zoll) untersucht. Dieser Parameter wird auch austauschbar als ein Verlustfaktor des Materials bezeichnet. Ein HP/Agilent 4342A Q-Meter wurde verwendet, um den Verlustfaktor und die dielektrische Konstante bei einer Frequenz von 1 Megahertz (MHz) zu messen. Typischerweise wird diese Messung in Einheiten von Mikroradianten oder dem 10–6-fachen eines Radianten angegeben.

Die LDPE-Komponente wird als „rein" spezifiziert; das heißt, sie weist wenige oder keine Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Schlupf oder Antihaftzusätze auf. LDPE-Harze, welche einen hohen Umfang an Stabilisatoren oder Bearbeitungshilfsstoffen enthalten, erfüllen nicht die elektrischen Kriterien und Wärmealterungseigenschaften, welche für optimale Dämpfungseigenschaften festgelegt sind. Diesbezüglich enthält die HDPE-Komponente des geschäumten dielektrischen Gemisches mindestens die Umgebungsstabilisatoren und Antioxidantien, welche erforderlich sind, um für eine thermisch beschleunigte Dauerstabilität und einen Risswiderstand gegenüber einer thermisch beschleunigten Spannung des HDPE/LDPE geschäumten Gemisches zu sorgen. Es ist wichtig, anzumerken, dass, während Stabilisatoren für ein Leistungsverhalten über die Lebensdauer erforderlich sind, der Zusatz solcher Stabilisatoren typischerweise die elektrische Dämpfung negativ beeinflusst. Um die erwünschte Umgebungsstabilisierung mit optimalen Dämpfungseigenschaften zu bewerkstelligen, besteht ein bevorzugtes System aus einem primären phenolischen Hochleistungs-Antioxidans, wie z.B. Irganox 1010 oder 1076 (Ciba Chemicals), und einem sekundären Phosphit-Co-Stabilisator, wie z.B. Irgafos 168 (Ciba Chemicals). Die Kombination der primären und sekundären Antioxidantien sorgt für einen Synergieeffekt und beeinflusst die thermisch beschleunigte Dauerstabilität des geschäumten Produktes. Darüber hinaus umfasst das Stabilisatorsystem vorzugsweise einen dritten multifunktionalen Dauerstabilisator, welcher zu der Familie der Lichtstabilisatoren vom gehinderten Amin-Typ (HALS) gehört, welcher für eine zusätzliche Dauerumgebungsstabilität und einen Wetterschutz (UV) sorgt. Wenn die Werte, welche für eine effektive UV-Stabilisierung erforderlich sind, gegeben sind, wird theoretisiert, dass die zusätzliche HALS-Belastung einen negativen Einfluss auf den Verlustfaktor (und damit auf die Dämpfung) des HDPE, welcher bei der Herstellung von Koaxialkabeln verwendet wird, aufweist. Testergebnisse, welche in Tabelle 2 dargestellt sind, zeigen, dass die Dämpfungsfaktoren von HDPE-Verbindungen, welche verschiedene Gemische von primären und sekundären Antioxidatien und HALS enthalten, dieser vorhergesagten Theorie nicht folgen.

Das Gemisch von Antioxidantien und HALS, welches bei dieser speziellen Entwicklung verwendet wurde, wird wie folgt beschrieben:

  • • phenolisches Antioxidans Irganox 1010 – Vorgabe 200 ppm
  • • Gemisch aus phenolischen Antioxidantien und Phosphiten Irgafos 168 – Vorgabe 400 ppm
  • • Lichtstabilisator vom gehinderten Amin-Typ Chimassorb 944 oder Tinuvin 622 – Vorgabe 400 ppm
  • • Calciumstearat – 600 ppm

Handelsübliche Gemische, wie z.B. Irganox B215 (Ciba), können bezogen werden, welche auch für das richtige Verhältnis von primären und sekundären Antioxidantien sorgen. Es sollte klar sein, dass andere Gemische von ähnlichen Komponenten von alternativen Herstellern in verschiedenen anderen Konzentrationen auch dazu dienen, den Zustand des Materials zu beschreiben.

Tabelle 2: Beschreibung von Antioxidans-Systemen und Verlustfaktoren

Der Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung von einem geschäumten Koaxialteil mit einem Durchmesser von 0,180 Zoll, welches einen 0,0403-Zoll-Mittelleiter aus mit Kupfer verkleideten Stahl aufweist, wurde durch das vorgeschriebene Testverfahren getestet, wobei der geschäumte Kern um einen Formkern, welcher einen Durchmesser des Einfachen des Durchmessers des Elementes unter Test aufwies, gewickelt wurde. Dies versetzte die Prüflinge unter ein vorbestimmtes Spannungsniveau, welches zu ihrem Durchmesser proportional war. Wie in 4 dargestellt ist, ist eine Länge eines Kabelkerns, welcher einen Innenleiter umfasst, der durch ein geschäumtes Dielektrikum umgeben ist, zu einer Schleife geformt und fest um einen nicht beweglichen Abschnitt des Kabelkerns herum gewunden. Diese vorbereiteten Prüflinge werden dann einer Temperatur von 100°C ausgesetzt und periodisch überwacht, bis Risse beobachtet werden, wie es in 5 dargestellt ist. Die Ergebnisse dieser Tests, welche den Einfluss (1) des Einbaus von LDPE mit höherem DSR und (2) der Kombination von primären und sekundären Antioxidatien zusammen mit der HALS-Verbindung darstellen, sind in Tabelle 3 dargestellt:

Tabelle 3: Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung

Der Graph der 6 stellt dar, wie der Verlustfaktor und die Dichte des Isolationsmaterials eine Dämpfung beeinflussen. Die obere Kurve beschreibt eine Dämpfung gegenüber einer Frequenz für Isolierungen, welche aus einer Polymerzusammensetzung mit einem Verlustfaktor von 40 × 10–6 ausgebildet sind, welche in zwei verschiedenen Dichten (0,240 g/cc und 0,200 g/cc) geschäumt worden sind. Die Kurven für die zwei Dichten liegen übereinander. Die zweite Kurve stellt ein Harz mit einem verringerten Verlustfaktor von 22 × 10–6 dar, welches auch mit denselben zwei Dichten geschäumt wurde. Es wird gezeigt, dass eine Verringerung bei dem Verlustfaktor für eine sehr deutliche Verringerung bei einer Dämpfung bei höheren Frequenzen sorgt. Während die Kurven für die zwei Dichten bei dieser bestimmten Größenskalierung der grafischen Darstellung übereinander zu liegen scheinen, offenbart eine vergrößerte Skala, dass die geringere Dichte eine geringfügig, aber vorteilhaft geringere Dämpfung aufweist. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine hochqualitative, umgebungsstabile geschlossenzellige Schaumstruktur einer geringen Dichte mit einem verringerten Verlustfaktor und dementsprechend einer verringerten Dämpfung herzustellen.

Diese Entdeckungen und ihre nachfolgende experimentelle Umsetzung lehren uns, dass die erstrebenswerten Kombinationen von einem hohen Risswiderstand gegenüber einer Belastung, geringer Dämpfung (Verlustfaktor und Dichte), geringen Kosten (Dichte) und einem stabilen, kleinen und geschlossenzellig geschäumten Extrudat auf einer einheitlichen und wiederholbaren Grundlage erzielt werden können, was den neuartigen Kombinationen des vorab erwähnten Materials verdankt wird.


Anspruch[de]
Elektrisches Kommunikationselement, welches einen Leiter und eine umgebende geschäumte Kunststoffisolation umfasst, wobei die geschäumte Kunststoffisolation umfasst:

– ein Olefinpolymer mit nicht mehr als 20 Gewichtsprozent, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis (DSR) von mehr als 55% aufweist, welches durch die folgende Beziehung bestimmt ist DSR (%) = [(ds – d0)/d0 × 100], wobei ds ein Außendurchmesser des extrudierten Materials und d0 ein Innendurchmesser einer Öffnung ist, welche in einem Extrusionsplastometer vorhanden ist, wie es laut ASTM D1238 definiert ist, und

– mindestens eine zusätzliche Polyolefinzusammensetzung mit einer hohen thermisch verstärkten Stabilität, welche durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von mehr als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist.
Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine zusätzliche Polymer eine oxidative Induktionszeit von mehr als 20 Minuten aufweist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei die Isolation einen Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung von mehr als 100 Stunden bei 100°C aufweist während sie bei einem Spannungsniveau des 1-fachen des Isolationsaußendurchmessers aufgewickelt ist, ohne radiale oder longitudinale Risse aufzuzeigen. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei die Isolation das Olefinpolymer mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und mindestens ein zusätzliches Polymer umfasst, welches einen Verlustfaktor aufweist, welcher geringer als derjenige des Polymers mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und geringer als 75 Mikroradianten ist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine zusätzliche Polymer einen Verlustfaktor von weniger als 50 Mikroradianten aufweist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei die Isolation das Olefinpolymer mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und mindestens ein zusätzliches Polymer umfasst, welches eine hohe thermisch verstärkte Stabilität aufweist, wie sie durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von größer als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist, und auch einen Verlustfaktor von weniger als 75 Mikroradianten aufweist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine zusätzliche Polymer ein hoch stabilisiertes Polyolefin ist, welches phenolische Antioxidantien und/oder Gemische aus phenolischen Antioxidantien und Phosphiten wie auch Lichtstabilisatoren vom gehinderten Amin-Typ aufweist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei die geschäumte Kunststoffisolation ungefähr 15 Gewichtsprozent des Olefinpolymers umfasst, welches ein Düsenaufweitungsverhältnis von mehr als 55% aufweist. Elektrisches Kommunikationselement nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine zusätzliche Polyolefin-Zusammensetzung einen Verlustfaktor aufweist, welcher geringer als derjenige des Polyethylens geringer Dichte und geringer als 75 Mikroradianten ist. Koaxialkabel, welches einen Kabelkern, welcher einen Mittelleiter und ein umgebendes Dielektrikum aufweist, und einen Außenleiter, welcher den Kabelkern umgibt, umfasst, und wobei das elektrische Kommunikationselement nach Anspruch 1 den Kabelkern definiert. Paarverseiltes Kabel, welches mindestens zwei verseilte Paare von isolierten elektrischen Leitern umfasst, wobei das elektrische Kommunikationselement nach Anspruch 1 jeden der isolierten elektrischen Leiter definiert. Elektrisches Kommunikationskabel, welches einen Leiter und eine umgebende geschäumte Kunststoffisolation umfasst, wobei die geschäumte Kunststoffisolation umfasst:

– ein Gemisch aus einem ersten Polyolefin, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis (DSR) von mehr als 55% aufweist und in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichtsprozent vorhanden ist, wobei das Verhältnis durch die Beziehung DSR (%) = [(ds – d0)/d0 × 100] bestimmt ist, wobei ds ein Außendurchmesser des extrudierten Materials und d0 ein Innendurchmesser einer Öffnung ist, welche in einem Extrusionsplastometer vorhanden ist, wie es laut ASTM D1238 definiert ist, und

– mindestens ein zusätzliches Polyolefin, welches eine hohe Umgebungsstabilität aufweist, wie es durch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von mehr als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 definiert ist.
Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 12, wobei das mindestens eine zusätzliche Polyolefin einen Verlustfaktor aufweist, welcher geringer als derjenige des Polyolefins mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis und welcher geringer als 75 Mikroradianten ist. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 13, wobei das mindestens eine zusätzliche Polyolefin ein hoch stabilisiertes Polyolefin ist, welches phenolische Antioxidantien und/oder Gemische aus phenolischen Antioxidantien und Phosphiten wie auch Lichtstabilisatoren vom gehinderten Amin-Typ aufweist. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 12, wobei das Gemisch aus dem ersten Polyolefin und dem mindestens einen zusätzlichen Polyolefin eine oxidative Induktionszeit (OIT) von mehr als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 aufweist. Elektrisches Kommunikationskabel gemäß Anspruch 15, wobei das Gemisch eine oxidative Induktionszeit von 20 Minuten oder mehr aufweist. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 12, wobei das Kommunikationskabel einen Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung von mehr als 100 Stunden bei 100°C aufweist während es bei einem Spannungsniveau des 1-fachen des Isolationsaußendurchmessers aufgewickelt ist, ohne radiale oder longitudinale Risse aufzuweisen. Elektrisches Kommunikationskabel, welches einen Leiter und eine umgebende geschäumte Kunststoffisolation umfasst, wobei die geschäumte Kunststoffisolation ein Gemisch eines ersten Polyolefins, welches ein ultrahohes Düsenaufweitungsverhältnis von mehr als 55% aufweist und in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichtsprozent vorhanden ist, und eines hoch stabilisierten Polyolefins, welches phenolische Antioxidantien und/oder Gemische aus phenolischen Antioxidantien und Phosphiten zusammen mit einem Lichtstabilisator vom gehinderten Amin-Typ enthält. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 18, wobei das Gemisch eine oxidative Induktionszeit (OIT) von mehr als 15 Minuten bei 200°C gemäß dem ASTM-Verfahren 4568 aufweist. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 18, wobei das Gemisch einen Verlustfaktor von weniger als 75 Mikroradianten aufweist. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 18, wobei das Kommunikationskabel einen Risswiderstand gegenüber einer thermisch verstärkten Spannung von mehr als 100 Stunden bei 100°C aufweist während es bei einem Spannungsniveau des 1-fachen des Isolationsaußendurchmessers aufgewickelt ist, ohne radiale oder longitudinale Risse aufzuweisen. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 18, wobei das erste Polyolefin mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis ungefähr 15 Gewichtsprozent des Gemisches ausmacht. Elektrisches Kommunikationskabel nach Anspruch 22, wobei das erste Polyolefin mit dem ultrahohen Düsenaufweitungsverhältnis ein Polyethylen geringer Dichte ist.






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