ПЭ-соединения для кабелей связи: виды и свойства

ПЭ компаунды для кабелей связи представляют собой специально разработанные материалы на основе полиэтилена, используемые в качестве изоляции и оболочки в телефонных, информационных и оптоволоконных кабелях. Они обеспечивают точное сочетание низких диэлектрических потерь, влагостойкости, механической прочности и долгосрочной термической стабильности, которое требуется инфраструктуре связи, — часто превосходя ПВХ и другие полимерные альтернативы при прокладке подземных, воздушных и подводных кабелей.

Почему полиэтиленовые соединения являются предпочтительным материалом для кабелей связи

Полиэтилен является основой изоляции кабелей связи с 1950-х годов. Его доминирование сводится к измеримым электрическим и физическим свойствам, с которыми альтернативные материалы с трудом могут сравниться одновременно.

Эти цифры объясняют, почему телекоммуникационные стандарты, такие как IEC 60189, ITU-T K.52 и АСТМ Д1248, используют полиэтиленовые соединения в качестве эталонного изоляционного материала для проводников, передающих сигнал.

Типы полиэтиленовых соединений, используемых в кабелях связи

Не весь полиэтилен одинаков. Каждая марка разрабатывается с учетом конкретных требований к конструкции кабеля, и выбор неправильного типа приводит к преждевременному выходу из строя, ухудшению сигнала или проблемам обработки на экструзионной линии.

Полиэтилен высокой плотности (HDPE)

ПЭВП имеет кристалличность 60–80%, что обеспечивает ему высочайшую жесткость и химическую стойкость среди стандартных марок полиэтилена. Он используется в качестве внешней оболочки на кабелях, прокладываемых непосредственно под землей и в воздуховодах, где основными проблемами являются нагрузка на почву, нападение грызунов и механическое воздействие. Типичная прочность на разрыв составляет 20–37 МПа с удлинением при разрыве более 500%. Оболочки из полиэтилена высокой плотности входят в стандартную комплектацию гелевых распределительных телефонных кабелей и волоконно-оптических кабелей с каналом из полиэтилена высокой плотности, соответствующих стандарту Телкордия ГР-20.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД)

ПЭНП имеет диэлектрическую проницаемость всего 2,25 и коэффициент диэлектрических потерь ниже 0,0003, что делает его предпочтительной изоляцией для отдельных витых пар в многопарных телефонных кабелях и диэлектриках коаксиальных кабелей. Его мягкость — твердость по Шору D 44–48 — позволяет туго скручивать без разрушения изоляционной стенки, что критично для кабелей с числом пар более 100.

Полиэтилен средней плотности (MDPE)

MDPE устраняет разрыв между гибкостью LDPE и прочностью HDPE. При плотности 0,926–0,940 г/см3 компаунды MDPE являются основным выбором для первичной оболочки наружных антенных и самонесущих кабелей, где требуется стойкость к растрескиванию под напряжением при длительной растягивающей нагрузке. Значения устойчивости к растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESCR) для хороших компаундов MDPE превышают 1000 часов в тесте ASTM D1693 F50.

Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE)

LLDPE сочетает в себе электрические свойства низкой плотности с улучшенной стойкостью к проколу и прочностью на разрыв благодаря своей короткоцепочечной разветвленной структуре. Его все чаще используют для тонкостенной изоляции кабелей передачи данных категорий 6А и 8, где толщина изоляционной стенки составляет всего 0,15 мм, но она должна выдерживать многократные изгибы в структурированных проводных системах.

Ячеистые (вспененные) полиэтиленовые соединения

Изоляция из вспененного полиэтилена с содержанием пустот 30–60% снижает эффективную диэлектрическую проницаемость до 1,45, что напрямую увеличивает скорость распространения до теоретического максимума. В коаксиальных кабелях для широкополосного и кабельного телевидения (SCTE/IEC 61196) твердые полиэтиленовые диэлектрики достигают скорости распространения (VOP) примерно 66 %, тогда как диэлектрики из вспененного полиэтилена достигают 82–89 % VOP, что является значительным улучшением эффективности использования полосы пропускания на единицу длины.

Сшитый полиэтилен (XLPE)

Химическая или радиационная сшивка преобразует структуру термопластичного полиэтилена в термореактивную сетку. Изоляция из сшитого полиэтилена сохраняет свою форму при температурах плавления полиэтилена (около 110°C для полиэтилена высокой плотности), что обеспечивает постоянную рабочую температуру 90°C и устойчивость к короткому замыканию до 250°C. Он предназначен для кабелей связи со стояком и пленумом в строительных установках в соответствии с испытаниями на пламя IEC 60332 и UL 910, где сохранение целостности цепи в условиях пожара является обязательным.

Ключевые требования к производительности и как им соответствуют полиэтиленовые соединения

Целостность сигнала на больших расстояниях

Для витой пары диаметром 0,4 мм с изоляцией из ПЭНП и толщиной стенки 0,2 мм характеристическое сопротивление составляет примерно 100 Ом — целевое сопротивление для структурированной кабельной системы согласно ISO/IEC 11801. Поддержание жесткого допуска по диэлектрической проницаемости плюс-минус 0,05 на протяжении всего производственного цикла необходимо для поддержания изменения импеданса ниже 2 Ом, что является пороговым значением для возникновения измеримых обратных потерь в Гигабитные каналы Ethernet.

Устойчивость к деградации окружающей среды

Кабели связи, проложенные в кабелепроводах, непосредственно закопанные или прикрепленные к воздушным несущим проводам, подвергаются воздействию УФ-излучения, влаги, окислителей и циклических температур в течение срока службы 20–40 лет. ПЭ-соединения для этих применений стабилизируются с помощью:

• Углеродная сажа в концентрации 2–3% по весу для защиты от УФ-излучения — наиболее экономичная защита для наружных кабелей с черной оболочкой, обеспечивающая более 20 лет устойчивости к УФ-излучению в самом суровом солнечном климате.
• Светостабилизаторы на основе затрудненных аминов (HALS) для натуральных или цветных соединений, в которых нельзя использовать сажу.
• Антиоксидантные пакеты (смеси фенолов и фосфитов) для предотвращения окислительного охрупчивания при экструзии при 200–230°С и в течение срока службы кабеля.
• Медные деактиваторы в изоляции прямого контакта для подавления катализируемого металлами окисления на границе раздела проводников.

Стабильность обработки на высокоскоростных экструзионных линиях

Современные линии экструзии кабелей связи работают со скоростью 500–1500 м/мин для изоляции тонкостенных пар. При этих скоростях полиэтиленовый компаунд должен иметь индекс текучести расплава (MFI), точно соответствующий инструменту и скорости линии — обычно 0,3–2,0 г/10 мин (ASTM D1238, 190°C/2,16 кг) для изоляционных марок и 0,2–0,8 г/10 мин для марок рубашек. Термическая стабильность должна быть достаточной, чтобы противостоять разложению в течение 3–8 минут пребывания в цилиндре экструдера без гелей, обесцвечивания или дрейфа вязкости.

Характеристики пламени и дыма для внутренних кабелей

Кабели связи внутри помещений в вентиляционных камерах или стояках должны пройти испытания на распространение пламени и плотность дыма. Стандартный полиэтилен по своей сути не является огнестойким, поэтому составы для этих применений включают в себя безгалогенные антипирены (HFFR) — преимущественно тригидрат алюминия (ATH) или гидроксид магния с содержанием 40–65% по весу. Полученное соединение должно по-прежнему иметь диэлектрическую проницаемость ниже 3,0 и коэффициент рассеяния ниже 0,01, чтобы сохранить адекватные характеристики сигнала, что требует тщательного выбора размера частиц ATH и обработки поверхности.

Часто упоминаемые оценки и стандарты

Практические соображения при выборе соединений полиэтилена

Совместимость проводников

Голые медные проводники, контактирующие с полиэтиленом, могут ускорить окислительную деградацию при повышенных температурах. Использование соединения со встроенным деактиватором меди, такого как Irganox MD 1024, продлевает срок службы изоляции в 2–3 раза в испытаниях на ускоренное старение при 100 ° C по сравнению с нестабилизированным полиэтиленом. Луженые медные проводники уменьшают, но не устраняют эту проблему.

Цветовое кодирование и идентификация пар

В многопарных кабелях изоляция имеет цветовую маркировку для идентификации каждого проводника и пары. ПЭ-соединения допускают широкий спектр цветов маточной смеси, но пигмент не должен отрицательно влиять на диэлектрическую проницаемость. Углеродная сажа значительно повышает диэлектрическую проницаемость и поэтому ограничивается внешними оболочками. Для парной изоляции органические пигменты при уровне содержания ниже 1,5% сохраняют электрические свойства в пределах стандартных допусков.

Пригодность к вторичной переработке и устойчивое развитие

Соединения полиэтилена термопластичны (кроме сшитого полиэтилена) и технически пригодны для вторичной переработки. Однако многослойные конструкции кабелей со скрепленными слоями из различных полимеров создают проблемы с разделением. Производители кабелей все чаще используют конструкции из мономатериала из полиэтилена, в которых и изоляция, и оболочка изготовлены на основе полиэтилена, чтобы обеспечить механическую переработку по окончании срока службы в соответствии с требованиями Плана действий ЕС по экономике замкнутого цикла, вступающими в силу с 2026 года.

Хранение и обращение

Гранулы полиэтиленового компаунда следует хранить в запечатанных мешках или силосах при температуре ниже 40°C и относительной влажности ниже 60%. Хотя влагопоглощение полиэтилена чрезвычайно низкое, поглощенная поверхностная влага гранул может вызвать дефекты поверхности и пустоты в тонкостенной изоляции при высоких скоростях экструзии. Предварительная сушка при температуре 60–70°C в течение 2–4 часов рекомендуется, если пеллеты хранились во влажных условиях или после длительного хранения в силосах.

Новые разработки в области полиэтиленовых компаундов для кабелей связи

По мере того как коммуникационная инфраструктура движется в сторону транзитной сети 5G, 10-гигабитных пассивных оптических сетей (XGS-PON) и экспериментальных каналов терагерцовой частоты, планка производительности диэлектрических материалов повышается.

• Нанокомпозитные соединения полиэтилена, включающие наночастицы органоглины или кремнезема при загрузке 2–5%, продемонстрировали улучшение ESCR на 30–40% и улучшение модуля упругости на 15–20% без измеримого изменения диэлектрической проницаемости в недавних рецензируемых исследованиях.
• Полиэтилен на биологической основе, полученный из этанола сахарного тростника (коммерческие примеры включают PE Braskem I'm Green), имеет профиль электрических свойств, идентичный полиэтилену, полученному из ископаемого топлива, со снижением углеродного следа примерно на 2,15 кг CO2e на кг полимера, что поддерживает производителей кабелей, соблюдающих обязательства по сокращению выбросов углерода в соответствии со стандартом ISO 14064.
• Самовосстанавливающиеся полиэтиленовые иономеры, разрабатываемые для применения в подводных кабелях, могут устранять микротрещины в изоляционной стенке, вызванные повторяющимися механическими нагрузками, потенциально продлевая срок службы подводных кабелей с нынешних 25 лет до 40 лет.