专利名称：具有空气通道的糊料挤压绝缘体的制作方法
技术领域：
本发明涉及绝缘线圈和通过糊料挤压聚四氟乙烯绝缘体制造绝缘线圈的方法。
背景技术：
多年来聚四氟乙烯(PTFE)细粉被用作线圈的绝缘体。但是，尽管PTFE具有合乎要求的高分子量(即低介电常数和低损耗因子)的特性，但由于其工艺局限，因此也使用其它聚合物作为线圈的绝缘体，特别是用在大直径、高频率同轴传输的电缆中。
聚四氟乙烯(PTFE)细粉是PTFE的一种类型，通过水分散体的聚合反应，随后使分散体凝固并干燥所得的凝固固体产物，最终得到细粉。因为PTFE细粉在熔融条件下不能充分流动以实施熔融工艺，因此采用将细粉加工成制品并通过挤压涂覆在线圈上的方法，这样的方法不需要熔体流动。这种挤压方法称为糊料挤压，该方法见述于美国专利2,685,707。在糊料挤压过程中，糊料挤压组合物由PTFE细粉和有机润滑剂混合而成。所述润滑剂在25℃的粘度至少为0.45厘泊，在随后的挤压过程中是液体。PTFE吸收润滑油，得到干燥的、压力聚结的糊料挤压组合物，也称为润滑的PTFE细粉。通常糊料挤压过程在20～60℃进行，在此过程中，润滑的细粉被强制通过模具形成润滑的未固化挤出物。而后通常在温度为100～250℃下加热所述润滑的未固化挤出物，使润滑油挥发并从挤出物中去除。大多数情况下，干燥后的挤出物被加热到接近或高于PTFE的熔点温度(通常为327～500℃)，使PTFE烧结。
对于某些可能存在屏蔽信号传输的建筑物的区域(比如建筑物内或其周围、隧道或车库)的无线电宽带通讯来说，能传递高频率电磁波的电缆尤其有用。在无障碍地区同样使用这种电缆，但是在这种地区需要精密控制必须在长距离内分布的信号水平，不受其它临近信号的干扰。
高频率传输电缆要求绝缘体具备尽可能最低的介电常数εT和损耗因子tanδ，以得到合乎需要的衰减特征。如美国专利5,922,155所公开，最好是小于约1.8的介电常数。绝缘材料如含氟化合物和聚乙烯的介电常数接近大约2。如美国专利3,771,934和5,922,155所教导，可在熔体可流动聚合物构成的绝缘材料中引入气孔来降低介电常数。
在最常用的聚合物中，PTFE具有最低的损耗(损耗因子)。因此，虽然使用熔融挤压技术，很容易形成如聚乙烯或熔体可流动的含氟聚合物等其他聚合物(如PFA[TFE/全氟代(烷基乙烯基)共聚物]和FEP(TFE/六氟丙烯共聚物)。它们的损耗没有PTFE低。举例来说，在1M Hz的频率时，PTFE的损耗因子比PFA低两倍多，比聚乙烯或FEP低三倍多。尽管如此，PTFE很难构成大直径线圈用绝缘体，因为干燥未固化挤出物(即从糊料挤压的PTFE细粉厚结构中去除润滑油)非常困难。大直径的PTFE绝缘体因其需要大量的PTFE细粉而价格昂贵。
高频率通讯电缆的另一个重要要求就是不可燃性。含氟聚合物具备不可燃性，而聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯的结构都不具备。在含氟聚合物中，PTFE受热时具有最高稳定性。
糊料挤压的PTFE的绝缘线圈具有低的介电常数和损耗因子，在其制造过程中只需要少量的PTFE细粉，因此相当符合高频率电缆的需要。
发明概述本发明提供了一种绝缘线圈，所述绝缘线圈包含导体和环绕在所述导体周围的糊料挤压PTFE细粉形成的绝缘体。糊料挤压绝缘体含有至少一个与导体空间分离的封闭连续纵向的空气通道。优选绝缘体经过干燥而后烧结。在优选实施方案中，绝缘线圈是同轴电缆的一部分。
本发明进一步提供形成环绕导体的绝缘体的方法，所述方法包括使用挤压设备糊料挤压润滑的PTFE细粉，所述挤压设备包括模头、模心和至少一个通道形成构件，所述模头和模心构成聚流室，通向挤压模孔，所述通道形成构件定位在模孔内，所述模芯具有中心口径，用于传送导体，所述糊料挤压包括将润滑的PTFE细粉强制通过所述聚流室，从挤压模孔出口挤出成为润滑的未固化挤压物环绕所述导体形成绝缘体，所述绝缘体含有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道。
在一个优选实施方案中，通道形成构件由挤压模孔的上游支撑住。在另一个优选实施方案中，挤压设备包含多个通道形成构件，形成多个彼此分离的封闭纵向通道。在更优选的实施方案中，润滑的PTFE细粉被强制环绕着通道形成构件，进入导体和通道形成构件之间，在压力聚结作用下，润滑的PTFE细粉成为润滑未固化挤出物，环绕在所述导体周围。优选挤出设备在聚流室和挤压模孔之间具有高剪切区域，高剪切可引起物质纤化，在所述高剪切区域的上游进行压力聚结。优选润滑的未固化挤出物经过干燥，最优选使气体循环通过润滑的未干燥挤出物的空气通道，以有助于在干燥过程中去除润滑油。在更多应用中，还优选烧结干燥后的挤出物。
附图概述
图1是本发明使用的挤出设备的部分纵向截面图。
图2是图1的挤出设备使用的模芯端部的一个实施方案的放大透视图。
图3是使用图2举例说明的模芯端部构成的绝缘体的部分透视图。
图4是用于图1的挤出设备的模芯端部的第二实施方案的放大透视图。
图5是使用图4举例说明的模芯端部构成的绝缘体的部分透视图。
图6是按照本发明制备的具有包含绝缘体和纵向空气通道的绝缘线圈的同轴电缆的部分透视剖面图。
发明详述本发明涉及环绕导体糊料挤压润滑的PTFE细粉而形成绝缘体的方法，其中所述绝缘体含有至少一个与导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。在制造过程中，绝缘体内的空气通道能够帮助去除未固化挤出物中的挥发性润滑油，并降低烧结产品的介电常数，这对于高频率通讯电缆尤其有用。
润滑的PTFE细粉的糊料挤压方法可通过参考图1来理解，其中所述挤压设备1有机筒2和模头4两部分。在设备1内有室3，提供润滑的PTFE，将其导入挤压模孔5。模芯10位于上述室中，用来成型PTFE，至少一个通道形成构件8位于模孔5内。模头和模芯使室3在称为聚流区域15的区域内会聚。通道形成构件8由挤压设备1支撑，优选由模孔5的上游支撑，最优选由模芯10支撑。优选通道形成构件8相对于模孔的出口7凹进至上游模孔5处。模芯10的中心口径11传送导体12。导体12可以为单股或多股线圈。此外，如图1说明，聚流区域在室3和模孔5的连接处存在高剪切区域19。
将润滑的PTFE细粉(通常在压力下装料以填满室3)置于室3内，而后经挤料柱塞9进行糊料挤压，所述挤料柱塞9位于室3与挤压模孔5相对的另一末端处，并向挤压模孔5的方向移动，迫使润滑的PTFE细粉通过挤压模孔5，从模孔出口7处被挤压出，环绕在导体12周围。优选模芯10和通道形成构件8的定位使得润滑PTFE细粉被强制环绕在通道形成构件8周围以及进入导体12和通道形成构件8之间，并在聚流区域15内、优选在高剪切区域19的上游区域经压力聚结会聚在一起，形成环绕在导体周围的润滑的未固化挤出物。
润滑的PTFE细粉包含PTFE基本微粒，所述微粒在糊料挤压中，变形为小体积相互联结的类纤维结构，即原纤，因此将细粉描述为被纤化。润滑的PTFE细粉因被强制通过挤压设备1而被剪切力纤化。大量的纤化发生在高剪切区域19，所述区域位于室3和模孔区域5的连接处，并且在通道形成构件8和模孔5的壁之间。这些原纤基本按糊料挤压的方向取向，这意味着挤出以后，润滑的挤出物在挤出方向上尤其坚固。在本发明的优选的方法中，在高剪切区域19被大量纤化之前，润滑的PTFE细粉在导体12周围压力聚结。过早的纤化会减弱挤出物与导体之间的附着力，并由于聚合物的不良汇合产生挤出物的薄弱区域。
还优选传送导体的速度接近润滑的PTFE被强制通过模孔的速度，这进一步保证绝缘体和导体之间有更好的附着力。
本发明使用的通道形成构件8的一个实施方案在图1中举例说明，并通过图2的透视图再作描述。在图2中，通道形成构件8由模芯端部6提供。模芯端部6包括连接元件18，比如螺纹连接模芯10，模芯10支撑通道形成构件8定位于模孔5内。如图说明，这个实施方案的模芯端部6可以被描述为有三个径向间隙23的圆筒，所述间隙将圆筒分为三个饼形部分20，用做通道形成构件。径向间隙23上游尺寸较大但在出口7或模孔5附近削减为较小的尺寸。模芯端部6也包括中央空隙21来容纳导体12(未显示)，导体由模芯口径11传送。每个饼形部分都有穿过整个模芯端部6长度的口径22，以和模芯口径11流体连接，通过口径22在挤压过程中抽真空或注入空气来帮助干燥过程中去除润滑油，这将在下文中有更详细描述。
图3显示使用带有图2显示的模芯端部6的挤压设备1制成的具有导体12和糊料挤压PTFE的绝缘体16的绝缘线圈30。绝缘体有多个封闭连续纵向空气通道17，所述通道彼此分离，并在导体周围对称分布。润滑的PTFE细粉被强制环绕在模芯端部6的饼形部分20周围，并被强制进入导体和模芯端部之间，构成三个与导体12空间分离的饼形的封闭连续纵向通道17，由此形成了绝缘体16。挤出物的压力聚结优选在PTFE经过径向空隙23，到达中央空隙21，而后进入到导体和图1中显示的高剪切区域19的通道形成构件上游的空间的过程中发生。
本发明所使用的模芯端部40的可选择实施方案在图4的透视图中举例说明。模芯端部40也有连接元件44，与具有细端46的模芯端部主体45连接。模芯端部40的通道形成构件包含4根环绕在中心管43周围的空间对称的管42，中心管43用来容纳从模芯口径11供给的导体(未显示)。四根管42和中心管43从模芯端部主体45的细端46延伸出，其中中心管43延伸的距离比四根管42短。模芯端部主体45含有合适的通道(未显示)，因此四根管42与模芯模孔11流体相连。因此在挤压过程中，可以在管中抽真空或在管路中注入空气来帮助干燥过程中去除润滑油。这将在下文中详细描述。
通过使用含有图4中显示的模芯端部的挤压设备可以得到图5中显示的绝缘线圈50，所述线圈含有导体12和糊料挤压PTFE的绝缘体51。绝缘体含有多个彼此分离的封闭连续纵向空气通道，并环绕在导体周围对称分布。润滑的PTFE细粉被强制环绕在通道形成构件的管上，并被强制进入导体和管之间，形成了具有四根与导体12分离的封闭的连续纵向空气通道52的绝缘体51。挤出物的压力聚结优选在PTFE进入导体和挤压设备高剪切区域的管状通道形成构件上游之间时发生。
按照本发明方法的糊料挤压优选在20-60℃完成，但也可以使用超出此范围的温度。通常在100-250℃加热润滑未固化挤压物，使挤出物中的润滑油挥发并去除，从而干燥挤出物。按照本发明的优选方式，将适合实施挥发性润滑油的汽提(如空气)在干燥过程中循环通过挤出物的气体通道。这个过程可有利地通过引入气体来完成，或者通过向模芯口径11处施加真空来完成(真空引起气体流动通过图2描述的模芯端部6的模芯口径22或图4中描述的模芯端部40的管42)。这气流引起气体流动通过未固化的挤出物中新形成的通道，而且气流持续通过挤出物已被干燥固化的部分。气流连续流向挤出物终端，在此处，空气通道起通气口的作用，排放出泵入的空气(和挥发性润滑油)或使绝缘体吸入气体。气流通过挤出物使干燥时间显著缩短。以前，干燥步骤限制了工业规模中由高分子量PTFE制备的制品的尺寸。在本发明之前，使用PTFE只能制备涂覆有小直径绝缘体的线圈，因为大直径绝缘体的厚壁将阻碍去除挥发性润滑油。使用本发明，纵向空气通道和降低PTFE的积聚有利于去除挥发性润滑油，从而使得可由高分子量PTFE构成大直径电缆。
按照本发明的方法可以制备具有较大范围的直径(如大约2mm到大约125mm)的绝缘线圈。可以有利地使用本发明制备出直径大于大约8mm、更优选大于10mm、甚至更优选大于大约15mm、最优选大于大约20mm的绝缘线圈。特别优选的范围是大约10mm至大约50mm。由于缩短了干燥时间，使用本发明可以经济地制备大直径线圈。
干燥后，大多数应用情况下，优选将挤出物在烘箱中烧结，在327-500℃下加热一段足以使线圈周围的绝缘体更加坚固的时间。
本发明进一步提供了同轴电缆，所述电缆含有按照上述方法制备的绝缘线圈。同轴电缆通常包含内导体，同心环绕内导体的外导体，位于导体和外保护套之间的糊料挤压PTFE制备的绝缘体。图6举例说明了含有使用图1的挤压设备和图4描述的模芯端部40制备的绝缘线圈的同轴电缆60，所显示的是多股绞线导线61的中心核部分，糊料挤压PTFE细粉形成的环绕导线的绝缘体62含有四根与导体空间分离的封闭连续纵向的管状空气通道63。在绝缘体62周围是编织成网状的外导体64和外保护套65。
为了获得同轴电缆要求的高频率的衰减特性，介电绝缘体的介电常数必须尽可能接近1。含氟聚合物因其介电常数低而知名。未经烧结的PTFE的介电常数大约为1.7，烧结后的PTFE大约为2。绝缘体中结合空气通道能把介电常数降低到同轴电缆传递高频率电磁波辐射的有用范围。
在最常用的聚合物中，PTFE具有最低的损耗(损耗因子)。使用熔融挤压技术，其他聚合物如聚乙烯或熔体可流动含氟聚合物等(如PFA[TFE/全氟代(烷基乙烯基)共聚物]和FEP(TFE/六氟丙烯共聚物)很容易形成，但是它们的损耗没有PTFE低。举例来说，在1MHz的频率时，PTFE的损耗因子比PFA低两倍多，比聚乙烯或FEP低三倍多。本发明的方法使有利地利用PTFE细粉合乎需要的性质(即低介电常数和低损耗)成为可能，以及能够使用PTFE作为大直径高频率电缆的绝缘层。进一步说，PTFE的高度热稳定性使得含氟聚合物比其它商业常用的聚合物更合乎需要。
权利要求
1.一种绝缘线圈，所述绝缘线圈包含导体和环绕在所述导体上的由糊料挤压PTFE细粉制成的绝缘体，其中所述绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。
2.权利要求1的绝缘线圈，其中所述绝缘体具有多个彼此分离的封闭连续纵向空气通道。
3.权利要求2的绝缘线圈，其中所述纵向空气通道环绕在导体周围对称分布。
4.权利要求1的绝缘线圈，其中所述绝缘体经过烧结。
5.一种同轴电缆，所述同轴电缆包含权利要求1的绝缘线圈。
6.权利要求1的绝缘线圈，其中所述绝缘体的直径大于大约8mm。
7.权利要求1的绝缘线圈，其中所述绝缘体的直径大于大约10mm。
8.一种形成环绕导体的绝缘体的方法，所述方法包括使用挤压设备糊料挤压润滑的PTFE细粉，所述挤压设备包括模头、模心和至少一个通道形成构件，所述模头和模心构成聚流室，通向挤压模孔，所述通道形成构件定位在模孔内，所述模芯具有中心口径，用于传送导体，所述糊料挤压包括将润滑的PTFE细粉强制通过所述聚流室，从所述挤压模孔出口挤出成为润滑的未固化挤压物，环绕所述导体形成绝缘体，所述绝缘体含有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道。
9.权利要求8的方法，其中所述通道形成构件由所述模孔上游的挤压设备支撑。
10.权利要求8的方法，所述方法进一步包含干燥润滑的未固化挤出物的步骤。
11.权利要求10的方法，所述方法进一步包含烧结所述干燥的挤出物的步骤。
12.权利要求8的方法，其中所述挤压设备含有多个通道形成构件，所述通道形成构件构成多个彼此分离的封闭纵向空气通道。
13.权利要求12的方法，其中所述多个通道形成构件在所述模孔处对称分布在所述导体周围。
14.权利要求8的方法，其中所述润滑的PTFE细粉被强制环绕着所述通道形成构件，进入位于所述导体和所述通道形成构件之间，在压力聚结作用下，所述润滑的PTFE细粉成为所述未固化挤出物，环绕在所述导体周围。
15.权利要求14的方法，其中所述挤压设备在所述聚流室和所述模孔的连接处具有高剪切区域，所述高剪切区域引起所述润滑的PTFE的大量纤化，并且所述压力聚结在所述高剪切区域的上游完成。
16.权利要求15的方法，其中所述通道形成构件由所述高剪切区域上游的挤压设备支撑。
17.权利要求8的方法，其中所述导体的传送速度与所述润滑的PTFE细粉被强制通过所述模孔的速度大致相同。
18.权利要求8的方法，其中所述绝缘体的直径大于大约8mm。
19.权利要求8的方法，其中所述绝缘体的直径大于大约10mm。
20.权利要求10的方法，所述方法进一步包含在所述干燥过程中使空气循环通过润滑的未固化挤出物中的所述纵向空气通道。
全文摘要
本发明提供了一种绝缘线圈，所述绝缘线圈包含导体和环绕在所述导体上的由糊料挤压PTFE细粉制成的绝缘体。所述糊料挤压的绝缘体具有至少一个与所述导体空间分离的封闭连续纵向空气通道。本发明进一步提供了一种形成环绕导体的绝缘体的方法，所述方法包括使用挤压设备糊料挤压润滑的PTFE细粉，所述挤压设备包括模头、模心和至少一个通道形成构件，所述模头和模心构成聚流室，通向挤压模孔，所述通道形成构件定位在模孔内，所述模芯具有中心口径，用于传送导体，所述糊料挤压包括将润滑的PTFE细粉强制通过所述聚流室，从挤压模孔出口挤出成为润滑的未固化挤压物环绕所述导体形成绝缘体，所述绝缘体含有至少一个与所述导体空间分离的封闭的纵向空气通道。
文档编号B29C47/54GK1902718SQ200480039168
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月21日 优先权日2003年12月31日
发明者D·N·莱维, K·埃施巴赫 申请人:纳幕尔杜邦公司