Tietoliikennekaapeleiden PE-yhdisteet: tyypit ja ominaisuudet

PE-yhdisteet viestintäkaapeleihin ovat erityisesti valmistettuja polyeteenipohjaisia materiaaleja, joita käytetään puhelin-, data- ja valokuitukaapeleiden eristeenä ja vaippana. Ne tarjoavat tarkan yhdistelmän alhaista dielektristä häviötä, kosteudenkestävyyttä, mekaanista sitkeyttä ja pitkän aikavälin lämpöstabiilisuutta, joita viestintäinfrastruktuuri vaatii – usein tehokkaammin kuin PVC:n ja muiden polymeerivaihtoehtojen haudatussa, antenni- ja merenalainen kaapeliympäristössä.

Miksi PE-yhdisteet ovat tiedonsiirtokaapeleiden valinta?

Polyeteeni on ollut tietoliikennekaapeleiden eristyksen selkäranka 1950-luvulta lähtien. Sen hallitseva asema perustuu mitattavissa oleviin sähköisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin, joita vaihtoehtoiset materiaalit kamppailevat samanaikaisesti.

Nämä luvut selittävät, miksi tietoliikennestandardit, kuten IEC 60189, ITU-T K.52 ja ASTM D1248, viittaavat PE-yhdisteisiin signaalia kuljettavien johtimien vertailueristemateriaalina.

Tietoliikennekaapeleissa käytetyt PE-yhdisteiden tyypit

Kaikki polyeteeni eivät ole samanlaisia. Jokainen laatu on suunniteltu vastaamaan tiettyä kaapelin rakennevaatimusta, ja väärän tyypin valinta johtaa ennenaikaiseen vikaan, signaalin heikkenemiseen tai prosessointiongelmiin suulakepuristuslinjalla.

Korkeatiheyspolyeteeni (HDPE)

HDPE:n kiteisyys on 60–80 %, mikä antaa sille korkeimman jäykkyyden ja kemiallisen kestävyyden standardi PE-laaduista. Sitä käytetään ulkovaipana suoraan hautaavissa ja kanavaan asennetuissa kaapeleissa, joissa maaperän rasitus, jyrsijöiden hyökkäys ja mekaaniset vaikutukset ovat ensisijaisia ​​huolenaiheita. Tyypillinen vetolujuus on 20–37 MPa murtovenymän ollessa yli 500 %. HDPE-vaipat ovat vakiona Telcordia GR-20:n kanssa yhteensopivissa geelitäytteisissä puhelinjakokaapeleissa ja HDPE-kanavaisissa kuituoptisissa kaapeleissa.

Matalatiheyspolyeteeni (LDPE)

LDPE:n dielektrisyysvakio on niinkin alhainen kuin 2,25 ja häviökerroin alle 0,0003, joten se on suositeltava eristys yksittäisille kierretyille pareille moniparisissa puhelinkaapeleissa ja koaksiaalikaapelin eristeissä. Sen pehmeys – Shore D-kovuus 44–48 – mahdollistaa tiukan kiertämisen ilman eristeseinän halkeamia, mikä on kriittistä kaapeleissa, joiden pariluku on yli 100.

Keskitiheyspolyeteeni (MDPE)

MDPE kattaa LDPE:n joustavuuden ja HDPE:n sitkeyden välisen kuilun. MDPE-yhdisteet, joiden tiheys on 0,926–0,940 g/cm3, ovat hallitseva valinta ulkoilmakaapeleiden ja itsekantavien kaapeleiden ensisijaiseksi vaippaksi, kun vaaditaan jännitysmurtumiskestävyyttä jatkuvassa vetokuormituksessa. Hyvien MDPE-yhdisteiden ESCR-arvot ylittävät 1 000 tuntia ASTM D1693 F50 -testissä.

Lineaarinen matalatiheyksinen polyeteeni (LLDPE)

LLDPE yhdistää matalatiheyksiset sähköiset ominaisuudet parantuneeseen puhkaisun kestävyyteen ja repäisylujuuteen sen lyhytketjuisen haarautuvan rakenteen ansiosta. Se määrätään yhä useammin ohutseinämäiselle eristeelle kategorian 6A ja kategorian 8 datakaapeleissa, joissa eristeseinä on ohut jopa 0,15 mm, mutta sen on kestettävä toistuva taipuminen rakenteellisissa johdotusasennuksissa.

Solu (vaahto) PE-yhdisteet

Vaahdotettu PE-eristys — jonka huokospitoisuus on 30–60 % — alentaa tehollisen dielektrisyysvakion niinkin alhaiseksi kuin 1,45, mikä lisää suoraan etenemisnopeutta kohti teoreettista maksimia. Laajakaista- ja CATV-jakeluun tarkoitetuissa koaksiaalikaapeleissa (SCTE/IEC 61196) kiinteä PE-dielektriikka saavuttaa noin 66 %:n etenemisnopeuden (VOP), kun taas vaahto-PE-dielektriikka saavuttaa 82–89 % VOP:n, mikä parantaa merkittävästi kaistanleveyden tehokkuutta pituusyksikköä kohden.

Silloitettu polyeteeni (XLPE)

Kemiallinen tai säteilysilloitus muuttaa termoplastisen PE-rakenteen kertamuoviverkostoksi. XLPE-eriste säilyttää muotonsa PE-sulamispisteen yläpuolella (HDPE:lle noin 110 °C), mikä antaa sille jatkuvan 90 °C:n käyttölämpötilan ja oikosulkuluokituksen jopa 250 °C. Se on määritetty nousu- ja liitäntäkaapeleille rakennusasennuksissa IEC 60332- ja UL 910 -liekkitestien mukaisesti, joissa piirien eheyden säilyttäminen tulipalossa on pakollista.

Tärkeimmät suorituskykyvaatimukset ja kuinka PE-yhdisteet täyttävät ne

Signaalin eheys pitkillä etäisyyksillä

Halkaisijaltaan 0,4 mm:n kierretylle parille, joka on eristetty LDPE:llä seinämänpaksuuteen 0,2 mm, ominaisimpedanssi on noin 100 ohmia – strukturoidun kaapeloinnin tavoiteimpedanssi standardin ISO/IEC 11801 mukaan. Tiukka dielektrisyysvakion toleranssin säilyttäminen 2 ms, joka on välttämätön, jotta tuotantoimpedanssi pysyy alle 0,05 ohissa. kynnys, joka aiheuttaa mitattavissa olevan tuottohäviön Gigabit Ethernet -linkeissä.

Kestää ympäristön hajoamista

Tiedonsiirtokaapelit, jotka asennetaan putkiin, suoraan maahan upotettuina tai kiinnitettyinä antennijohtoihin, altistuvat UV-säteilylle, kosteudelle, hapettimille ja lämpötilan vaihteluille 20–40 vuoden käyttöiän ajan. PE-yhdisteet näihin sovelluksiin on stabiloitu:

• Noilimustaa 2–3 painoprosenttia UV-suojaukseen – kustannustehokkain suoja mustavaippaisille ulkokaapeleille, joka tarjoaa yli 20 vuoden UV-kestävyyden ankarimmissa aurinko-ilmastoissa.
• Estetyt amiinivalostabilisaattorit (HALS) luonnollisille tai värillisille yhdisteille, joissa hiilimustaa ei voida käyttää.
• Antioksidanttipakkaukset (fenoli- ja fosfiittiseokset), jotka estävät hapettumisen haurautta suulakepuristuksen aikana 200–230 °C:ssa ja kaapelin käyttöiän aikana.
• Kupariset deaktivaattorit suorakosketuseristyksessä estämään metallikatalysoitua hapettumista johtimen rajapinnassa.

Prosessin vakaus nopeilla ekstruusiolinjoilla

Nykyaikaiset tietoliikennekaapelin suulakepuristuslinjat kulkevat nopeudella 500–1 500 m/min ohutseinämäisen parieristyksen vuoksi. Näillä nopeuksilla PE-seoksen sulavirtausindeksin (MFI) on oltava täsmälleen sovitettu työkaluun ja linjanopeuteen – tyypillisesti 0,3–2,0 g/10 min (ASTM D1238, 190 °C/2,16 kg) eristyslaaduille ja 0,2–0,8 g/10 min vaippalaaduille. Lämpöstabiilisuuden on oltava riittävä vastustaakseen hajoamista 3–8 minuutin viipymisajan aikana suulakepuristimen tynnyrissä ilman geelien muodostumista, värjäytymistä tai viskositeetin ajautumista.

Liekin ja savun suorituskyky sisäkaapeleille

Liitäntä- tai nousutiloissa olevien sisäviestintäkaapeleiden on läpäistävä liekin etenemis- ja savutiheystestit. Vakio PE ei ole luonnostaan ​​palonestoaine, joten näihin sovelluksiin tarkoitetut yhdisteet sisältävät halogeenittomia palonestoaineita (HFFR) - pääasiassa alumiinitrihydraattia (ATH) tai magnesiumhydroksidia 40–65 painoprosentin kuormituksella. Tuloksena olevan yhdisteen on silti saavutettava dielektrisyysvakio alle 3,0 ja häviökerroin alle 0,01 säilyttääkseen riittävän signaalin suorituskyvyn, mikä vaatii huolellista ATH-hiukkaskoon ja pintakäsittelyn valintaa.

Yleisesti viitatut arvosanat ja standardit

Käytännön huomioita määritettäessä PE-yhdisteitä

Johtimen yhteensopivuus

Paljaat kuparijohtimet, jotka ovat kosketuksissa PE:n kanssa, voivat nopeuttaa oksidatiivista hajoamista korotetuissa lämpötiloissa. Seoksen määrittäminen integroidulla kuparin deaktivaattorilla – kuten Irganox MD 1024 – pidentää eristeen käyttöikää kertoimella 2–3 nopeutetuissa vanhentamistesteissä 100°C:ssa verrattuna stabiloimattomaan PE:hen. Tinatut kuparijohtimet vähentävät, mutta eivät poista tätä huolta.

Värikoodaus ja parien tunnistus

Moniparikaapelit käyttävät värikoodattua eristystä jokaisen johtimen ja parin tunnistamiseen. PE-yhdisteet hyväksyvät laajan valikoiman masterbatch-värejä, mutta pigmentti ei saa vaikuttaa haitallisesti dielektrisyysvakioon. Hiilimusta nostaa dielektrisyysvakiota merkittävästi ja on siksi rajoitettu ulkovaippoihin. Parieristyksenä orgaaniset pigmentit alle 1,5 %:n kuormitustasoilla säilyttävät sähköiset ominaisuudet standarditoleranssien sisällä.

Kierrätettävyys ja kestävyys

PE-yhdisteet ovat termoplastisia (paitsi XLPE) ja ovat teknisesti kierrätettäviä. Kuitenkin monikerroksiset kaapelirakenteet, joissa on eri polymeerien sidoskerroksia, aiheuttavat erotteluhaasteita. Kaapelivalmistajat määrittelevät yhä useammin monomateriaalista PE-rakenteita – joissa sekä eristys että vaippa ovat PE-pohjaisia ​​– mahdollistaakseen mekaanisen kierrätyksen käyttöiän lopussa EU:n kiertotalouden toimintasuunnitelman vaatimusten mukaisesti, jotka tulevat voimaan vuodesta 2026 alkaen.

Varastointi ja käsittely

PE-seospelletit tulee varastoida suljetuissa pusseissa tai siiloissa alle 40°C:n lämpötilassa ja alle 60 %:n suhteellisessa kosteudessa. Vaikka PE-kosteuden absorptio on erittäin alhainen, pellettien pintakosteus voi aiheuttaa pintavikoja ja onteloita ohutseinäisessä eristeessä suurilla ekstruusionopeuksilla. Esikuivaus 60–70°C:ssa 2–4 ​​tuntia on suositeltavaa, kun pellettejä on säilytetty kosteissa olosuhteissa tai pitkäaikaisen siilosäilytyksen jälkeen.

Tietoliikennekaapeleiden PE-yhdisteiden uusi kehitys

Viestintäinfrastruktuurin siirtyessä kohti 5G-backhaul-yhteyttä, 10 gigabitin passiivisia optisia verkkoja (XGS-PON) ja terahertsitaajuisia kokeellisia linkkejä, dielektristen materiaalien suorituskykytarve nousee.

• Nanokomposiitti PE-yhdisteet, joissa on orgaanisia savea tai piidioksidin nanohiukkasia 2–5 %:n kuormituksella, ovat osoittaneet 30–40 prosentin parannuksen ESCR:ssä ja 15–20 prosentin parannuksen vetomoduulissa ilman mitattavaa muutosta dielektrisyysvakiossa viimeaikaisissa vertaisarvioiduissa kokeissa.
• Sokeriruoko-etanolista johdettu biopohjainen PE (kaupallisia esimerkkejä ovat Braskem I'm Green PE) tarjoaa identtisen sähköisen ominaisuusprofiilin kuin fossiilisista johdetuista PE:stä ja vähentää hiilijalanjälkeä noin 2,15 kg CO2e polymeerikiloa kohti, mikä tukee kaapelinvalmistajia, jotka noudattavat ISO 14064 -standardin mukaisia ​​hiilidioksidin vähentämissitoumuksia.
• Merenalaisten kaapelisovelluksiin kehitteillä olevat itsestään paranevat PE-ionomeerit voivat korjata toistuvan mekaanisen rasituksen aiheuttamia mikrohalkeamia eristeseinässä, mikä saattaa pidentää merenalaisen kaapelin käyttöikää nykyisestä 25 vuoden suunnittelusta 40 vuoteen.