抗压性

76现代传输

现代传输

１．前言

物理发泡聚乙烯绝缘结构因其较高的发泡度、良好的泡

孔均匀性和优良的电气性能且能适应长距离传输而受到越来

越多的青睐。通过物理发泡工艺制备的皮-泡-皮三层共挤绝

缘结构，由于其介电常数小、衰减小、损耗系数小、绝缘电

阻高、绝缘结构成本低等优良的电气性能被广泛应用于铁路

数字信号电缆、通信电缆和光电复合缆中[1-2]。聚乙烯发泡

结构的抗压性能不好一直是影响电缆结构性能稳定性的关键

因素，由于其抗压性较差，在实际成产过程中将影响电缆的

一次参数、二次参数等性能指标，导致电缆的合格率下降并

影响其使用性能。因此，通过选取适当的材料及调整发泡层

的物料配比和工艺参数来提高皮-泡-皮三层共挤绝缘结构的

抗压性能具有重要意义。

２．皮－泡－皮绝缘的结构及材料

2.1皮-泡-皮三层共挤绝缘结构

皮-泡-皮三层共挤绝缘结构由实心内皮层、发泡层和

含色母料的实心外皮层组成。内皮层采用线性低密度聚乙烯

（批号为7540），主要作用为提高与导体之间的附着力；发

泡层采用高密度聚乙烯（批号为6944）、低密度聚乙烯（批

号为1253）和成核剂（批号为0078）共混制备的发泡料，主

要作用为制备高发泡度的绝缘层，提高绝缘层的抗压强度和

介电强度；外皮层采用高密度聚乙烯（批号为3364），主要

作用为提高绝缘线芯的耐磨强度，外皮层中添加色母料，起

到绝缘颜色标识的作用。

对于内皮层和外皮层两种材料的选取，主要依据其熔融

指数、拉伸强度、断裂伸长率、介电常数、介质损耗角正切

值等参数。同种材料在前几项指标的差距较小，我们选取的

批号为3364和7540的两种材料，其介电常数和介质损耗角正

切值较小，分别为2.33和2.28，0.000052和0.00007，这两

个指标的值越小，绝缘线芯的特性阻抗越高，衰减越低。另

外，这两种材料的加工性能在同等级别产品中较好，得到产

品的电气性能和结构性能较好。

2.2物理发泡原理及影响因素

根据等人的模型、Fick定律和Henry定律以及理

想气体定律可知，外界压力的减少就使得相应的气泡压力差

变大，气泡增长能力增强。熔体的表面张力是气泡增长的阻

皮-泡-皮三层共挤绝缘结构抗压

性能的研究

■ 吴涛 王国权 卞凤贤 谭言秦

（江苏亨通线缆科技有限公司江苏吴江215234）

皮－泡－皮三层共挤绝缘结构由于其介电常数小、衰减小、损耗系数小、绝缘电阻高、绝缘结构成本低等优良的电气性能被

广泛应用于铁路数字信号电缆、通信电缆和光电复合缆中，但其发泡结构的抗压强度不高，将影响电缆结构和性能的稳定

性。通过选取适当的原材料，调整发泡料中材料配比及生产工艺参数，可以提高绝缘结构的抗压强度。不同材料配比的发泡

度、泡孔均匀性各不相同，适当增加ＨＤＰＥ和成核剂含量可以提高绝缘结构的抗压强度，且最大抗压强度可达到１０００Ｎ。通

过各种改善措施可以大幅提高绝缘结构的抗压强度，从而满足实际应用及产品的性能要求。

电缆 绝缘线芯 物理发泡 抗压性能

Doi:10.3969/.1673-5137.2017.04.009

Thethreelayersco-extrusionskin-foam-skininsulationstructureduetoitxcellentelectricalproperty,suchaslowerdielectric

constant,smallerattenuationanddissipationfactor,higherinsulationresistance,lowercost,iswidelyudinsignalcable,

stabilityofthestructureandperformanceareinfluencedbyits

pressivepropertycanbeimprovedbyadjustedmaterialratio

andtechnologicalparameter,differentmaterialcompositionimpactonthefoamingdegreeandtheuniformityofpore,whichcan

beimprovedbyincreasingtheproportionofHDPEandnucleatingagent,imumcompressivestrengthcanbe

pressivestrengthofinsulationwirecanbeimprovedlargelybythoofmanners,whichpromotethis

insulationstructure'spracticalapplicationinactualproduct.

cable；insulationwire；physicalfoaming；compressiveperformance

Abstract:

KeyWords：

摘要：

关键词：

线缆材料

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77现代传输

现代传输

力，只有熔体壁有足够的强度，即有足够大的表面张力才能

保证获得足够大的发泡度[3]。

LDPE的熔体强度不高，纯LDPE的发泡度一般低于

60%[4]，HDPE能提供较大的熔体强度，所以在实际生产中，

HDPE和LDPE可按一定比例混合，从而获得合适的发泡性能、

加工性能和电气性能。在PE发泡料的混合物中，HDPE具有优

异的电气性能、机械性能，但发泡加工性能不好，其结构立

构规整性较高，聚合物的结晶度高，熔点也高于成核剂的分

解温度，导致成核剂在熔融的HDPE中分散性不佳，从而影响

了材料的发泡度。LDPE的电气性能、机械性能相对较低，但

发泡加工性能较好，高压或低压制备的线性LDPE拥有较长的

分子链，分子间的自由体积较多，物理发泡过程中发泡氮气

在高温、高压以及螺杆的剪切搅拌作用下更容易进入这些自

由体积生成气泡核，成为气泡的生长点。此外，成核剂的分

解温度高于LDPE的熔点，因而能在熔融的LDPE中均匀分散生

成气泡核，在一定温度和注氮压力条件下生长发泡。

2.3发泡料的组成及配比

根据以上理论分析，在其他条件相同的情况下，使用不

同材料配比的发泡料制备了皮-泡-皮三层共挤绝缘结构，具

体材料配比方案如下表：

表1：发泡料材料配方表

根据以往生产经验，我们设定内皮层的厚度为0.02-

0.04mm，外皮层厚度为0.10-0.12mm。从表中可以看出，通

过方案1和方案2对比可知，随着成核剂含量的增加，材料

的发泡度由46%增加到50%，但发泡度仍未达到生产要求。通

过方案2和方案3对比可知，HDPE材料含量的增加，可以提高

发泡料的发泡度，发泡度可达到63%，基本满足生产需求。

通过方案3和方案4对比可知，在HDPE和LDPE配比相同的情况

下，继续增加成核剂的含量，发泡度基本保持不变，说明成

核剂含量对发泡程度的影响有一个极限值，超过这个极值其

对发泡度的影响可以忽略。另外，我们同样设计了方案5和

方案6两个配方，主要是为了观察不同配比材料对材料的发

泡度、泡孔均匀性、绝缘拉伸性和抗压性的影响。

2.4绝缘结构剖面分析

图1：不同材料配比的绝缘结构剖面图

图1为不同材料配比绝缘结构剖面图。从图1中可以看

出，方案1中HDPE和成核剂含量较少，样品的发泡度较低；

方案2中增加了成核剂的含量，发泡度有所提升，但由于

HDPE含量较少，熔体强度较低，出现泡孔穿孔、贯穿的现

象；方案六中增加了HDPE和成核剂的含量，熔体强度有较大

的提高，可以承受气泡生长产生的拉伸应力，成核剂的增加

使泡核的分散更加均匀，因而可以看到绝缘结构的发泡度和

均匀性均有较大改善。

2.5绝缘结构抗压性分析

图2：不同材料配比绝缘结构的时间-压力曲线

根据TB/T3100.1-2004《铁路数字信号电缆第1部分：

一般规定》第2号修改单中绝缘抗压缩性能的试验方法中的

相关规定，屏蔽四线组绝缘线芯的抗压强度应达到700N，持

续时间1min。抗压试验是将两根绝缘线芯扭绞在一起，形成

节距为30mm的扭绞线对，保持线对两端开路，将一端连接实

验设备，用两块表面光滑的金属板对扭绞线对进行恒定压力

试验，压力为X±5N（X为设定值），时间为60s。本文通过

调节材料配比来提高绝缘线芯的抗压强度，详细结果分析见

下文。

图2为不同材料配比绝缘结构的抗压性曲线图。从图中

可以看出，不同材料配比的绝缘结构的抗压强度各不相同。

方案1中HDPE和成核剂的含量均较低，材料发泡度较小，抗

压性价差。方案2中增加了成核剂的含量，发泡度有所提

方案1方案2方案3方案4方案5方案6

6944(g)7

1253(g)3

0078(g)1.01.51.52.02.03.0

发泡度(%)465063645564

方案1方案2方案3

线缆材料

TelecomCableMaterials

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现代传输

高，但由于HEPD的含量较低，材料的熔体强度不够，造成

发泡结构中泡孔均匀性较差，泡孔穿孔或贯通，因而抗压性

较低。方案3至方案6中提高了HDPE的占比，绝缘结构的抗压

强度明显增加，且随着成核剂含量的增加，绝缘结构的抗压

性也优速提高，说明提高熔体强度和适当增加成核剂的含

量，可以提高发泡材料的发泡度和泡孔的均匀性，从而提高

了绝缘结构的抗压性能。方案6中绝缘结构的抗压强度达到

最大值，为1000N。

３．皮－泡－皮绝缘结构性能的影响因素

3.1熔体强度的影响

熔体强度一般表示为熔体能支撑它本身重力的强度和气

泡扩张拉伸的强度，发泡后的材料要有一定的强度来满足后

续加工和工作状态所承受的压力。对于同一种树脂，一般熔

融指数越小，熔体强度越高，反之则熔体强度越低。如果熔

体强度过高，则聚合物熔体的流变性较差，发泡时泡孔薄壁

的强度过高将阻碍气泡的扩张，影响发泡度的提高[5]。如果

熔体强度过低，则熔体的抗张轻度和拉伸强度较低，在发泡

时会使气泡增长过度，出现大泡、泡孔贯穿等现象，导致熔

体破裂，气体逃逸，发泡失败。因此，在很大程度上，熔体

强度决定了发泡层中泡孔的结构，从而影响了绝缘结构的抗

压性能。

3.2导体预热温度的影响

导体预热温度的高低将直接影响到发泡层材料发泡度

的高低和泡孔均匀性的好坏。聚合物熔体在模口挤出时温度

通常较高，PE熔融泡体的温度在200℃左右，由于导体温度

相对较低，与其直接接触的熔体内表面温度会急速下降，

发泡停止，形成的泡孔比较细密。而熔体的另一面温度下降

缓慢，气泡可以沿着径向继续向外生长，发泡较为充分。由

于绝缘层内表面快速的冷却限制了泡孔的发泡，而发泡面的

熔体又没有足够的强度来限制泡孔向外过度发泡，容易造成

气泡破裂，与别的气泡串孔、合并，在绝缘内表面处经常会

出现大的气泡、气孔。这些现象表明熔体的发泡度不均匀，

在抗压试验中很容易造成被压导体之间相互导通，影响了电

缆的加工性能和使用性能。因此，在实际生产过程中，设定

合理的导体预热温度成为影响绝缘层泡孔质量的关键因素。

根据我们长期的生产经验，导体预热温度设定为80-100℃之

间，可以获得较好的发泡度，且泡孔的均匀性较好，能够很

好的提高绝缘层的抗压性能。

3.3注气压强的影响

注气压力是控制发泡层物理发泡结构均匀稳定的关键

因素。为了使氮气连续、稳定的注入到熔融发泡料中，需要

保证注气针的压强比料筒中熔体压强高1.5-2.0倍左右。注

入到机筒中的氮气在熔体中的溶解度正比于注氮压力，通常

熔体压强保持在150-200bar，注气压强保持在350bar以上，

使两者间的压强差足够大，在充分搅拌的情况下，熔体能够

发泡充分，从而保证物理发泡形成的泡孔大小均匀且互不连

通[6]。注气针选型常用理论计算公式如下：

其中，

S

为注气针型号，

Q

(L/h)为注气针理论进气流

量，

P

(bar)为注气针的工作压强。通过理论公式计算选取

的注气针，可以同时满足注气流量和注气压强差两个关键

工艺参数指标。在实际生产中，通过调节注气压强可以得

到结构均匀稳定的发泡结构，从而提高其电气性能和抗压

性能。

3.4冷却水槽位置的影响

冷却水槽位置的高低直接影响皮-泡-皮绝缘单线的发泡

质量、机械性能和电气性能。绝缘单线从模口挤出后，由于

绝缘内部压强高于外部大气压，发泡层在气压的作用下向外

膨胀形成气孔。冷却水槽可以抑制发泡层过度发泡和防止绝

缘单线因震动而出现偏心的作用。为了控制发泡气孔的均匀

性和结构的稳定性，就需要精确控制绝缘单线与冷却水槽的

相对位置[7]。

当绝缘单线与冷却水槽的相对位置过近时，会导致绝

缘单线上半部分冷却充分，发泡均匀，而下半部分冷却不充

分，发泡度过高，造成绝缘单线线径和电容不稳定。同时，

下表面与水槽接触太近，还会造成绝缘表面擦伤，导致单线

质量不合格。当绝缘单线与冷却水槽的相对位置过远时，由

于冷却水的冲击和绝缘层自身重力的影响，未冷却的绝缘层

会出现偏心和发泡不均匀性的现象，这将影响绝缘单线的抗

压缩性和一次、二次传输参数等。

另外，由于绝缘单线从机头出来以后，在进入热水槽之

前仍在发泡，进入水槽后发泡基本停止，所以，冷却应在正

常膨胀完成后的一定距离开始，水槽离模口太近，会影响绝

缘层正常膨胀而导致绝缘单线水中电容值不稳定，水槽离模

口太远，会导致绝缘单线发泡度和外径的稳定性。

在实际生产过程中，合理的控制冷却水槽和绝缘单线

的相对位置、冷却水的流量和温度，可以实现最佳的冷却效

果，从而提高绝缘单线的电气性能和表面质量。

４．结束语

通过选取发泡材料的熔融强度、调整材料配比、调节注

氮压力、导体预热温度、冷却水槽的相对位置和冷却水温等

工艺参数，均能有效的提高皮-泡-皮三层共挤绝缘结构的抗

压性能。在实际生产中，深入研究分析各项工艺参数及影响

线缆材料

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线缆材料

TelecomCableMaterials

因素，可以大幅提高绝缘结构的综合性能，从而保证了产品

的质量。

参考文献：

[1]