专利名称：使用二氧化钛降低数据通信线缆中时滞的氟化乙烯丙烯共聚物(fep)改性的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信线缆(cable)。更具体地，本发明涉及使用改性绝缘层(modifiedinsulation)的数据通信线缆。
背景技术：
在通信工业中，常见通信线缆的一种类型是由四对导体形成的LAN(Local AreaNetwork，局域网络)线缆。所述导体对由两根彼此缠绞的电线制成，常常称为双绞线(twisted pair)。典型的高速通信线缆可以包括大量的由外层护套(jacket)包封住的屏蔽双绞线或非屏蔽双绞线。这种线缆的结构通常遭遇的一个问题是会在线缆内的双绞线之间发生信号干扰或串音(crosstalk)，以及受到线缆外部的其他信号源、特别是邻近线缆中运行的非屏蔽双绞线的干扰。为了减少串音的发生率，在非屏蔽数据通信线缆中的双绞线具有彼此不同的缠距(twist rate)，使得通常4对LAN线缆具有缠距彼此不同的4对。然而，由于为了解决串音问题的不同缠距，产生了另一个线缆结构障碍，称为时滞(skew)。例如，对于任何给定长度的线缆，沿着缠距不同的两个相邻双绞线所发出的相同信号会在不同的时间达到线缆末端。这种现象的发生是由于在同一线缆中比起另外一对，捻距(lay length)较短(缠距较长)的一对的缠绞必然会导致在捻距较短的双绞线中的物理导体途径长于捻距较长(缠距较短)的一(或多)对双绞线的导体途径(conductorpath)。所产生的时间差已知为“时滞”。例如，在1000’线缆中，该双绞线中的每一对由于它们为缠绞形式所以会超过1000英尺的长度。假设对于LAN线缆使用正常尺寸的铜导体/绝缘层，所述典型长度的电绞线会导致在最快(最长捻距)的双绞线中的各电线需要约1010英尺的电线，在最慢的(最短捻距)的双绞线中的各电线需要约1030英尺的电线，其他双绞线需要上述之间的量。因此，沿着捻距最长的双绞线传播的信号会比沿捻距最短的双绞线传播的信号更早到达约2%。根据最常用的测试标准，对于100米长的线缆10存在以下要求，S卩，在任意两对之间信号从线缆10的一端传播到另一端所花费的时间差不能超过45纳秒。时滞性质和相关的信号/时间差不仅仅受到各种双绞线中的导体的物理长度的影响。在双绞线中所使用的绝缘层由于(一或多个)绝缘层所产生的介电特性也作用于信号传播速度。该作用是通信信号部分地通过导体对上的绝缘层而降低了传播速度的结果。因此，在较长的(较短捻距)的双绞线中，信号至绝缘层的介电耦合降低了传播速度。此外，用于绝缘的各聚合物具有其自身的介电常数。一些聚合物具有低的介电常数以及相应的对信号速度更小的作用。这种聚合物的一个实例为FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)。其他聚合物如聚丙烯具有更高的介电常数，并因此显示出对信号速度更大的副作用。这进一步加剧了时滞问题。许多LAN线缆在同一线缆内的不同双绞线上使用两种或更多类型的绝缘层。已经解决时滞问题的现有技术中的一个途径为通过在较慢的各双绞线中使绝缘层发泡(foaming)增加这些双绞线中的相对信号传播速度。通过泡沫化所述绝缘层，降低了介电常数，从而实现了较慢的双绞线(捻距较短的双绞线)中的信号快于较快的双绞线(捻距最长的双绞线)中的信号，从而降低了线缆双绞线中的整体信号速率差，并因此减少了时滞。然而，起泡方法具有很多缺点，昂贵，导致生产线速度降低(挤出更慢)，难以控
制，最终产生很高的废品率。此外，发泡的绝缘层容易被压碎，并因此可能引起线缆/双绞线不能通过必要的耐压碎测试。实施上，发泡的绝缘层甚至可能在(将导体)缠绕(成对)期间过度地挤压/压碎。因此，必须加大发泡双绞线上的绝缘层尺寸以进行弥补。这增加了线缆的总尺寸，而由于终端用户通常优选的是直径较小的线缆，这给终端用户带来了问题。克服上述缺点的一个方式为操纵双绞线中的导体绝缘层的电学性质，通过将添加剂混合到聚合物中并将这些混合物挤出成电线作为增压线缆(plenum cable)双绞线的主要包覆物(coating)，从而在线缆的各双绞线之间获得规律化的电学性能。就此而言，代替现有技术的情况，即加速线缆中慢速双绞线中的信号传播以减少时滞，而是将添加剂引入快速双绞线(捻距最长)的绝缘层中以降低信号传播速度，甚至降低至典型LAN线缆的四对之间的传播速度，由此减少了时滞。在本文中，已经在快速双绞线(fast pair)的绝缘层中使用了不同的添加剂,所述添加剂包括但不限于玻璃珠、滑石、氧化锌和氟化钙。尽管这些添加剂可以显示出一些有利的电学性质，但是它们在其他方面负面影响了绝缘层的可加工性(挤出品质/速度等)，以及不利地作用于损耗因子(dissipation factor)(介电材料中的功率损耗与通过该介电材料传送的全部功率的比值)。
发明内容
本发明通过操纵双绞线中的一些导体绝缘层的电学性质克服了这些缺点，通过将二氧化钛混合到聚合物中并将该混合物挤出在电线上作为增压线缆双绞线的主要包覆物，从而在线缆的各双绞线之间获得规律化的电学性能。代替现有技术的情况，S卩加速线缆的慢速双绞线中的信号传播以减少时滞，本发明将二氧化钛引入快速双绞线(捻距最长)的绝缘层中以降低信号传播速度，由此减少时滞。快速双绞线的主要电学性质通过改性绝缘材料以操纵导体绝缘层的介电常数而进行操纵。本发明使用了典型的挤出工艺，如与起泡工艺相反的，由此获得了较快的生产线速率、更低的成本、更好的工艺控制性和降低的废品率。在与泡沫产品相关的现有技术中观察到的压碎问题被大大地降低，并且在本发明的许多情况中被消除，并因此实现了使用直径更小的双绞线，这进而减小了线缆的尺寸，并向终端用户提供了优选的产品。为此目的，本发明涉及一种线缆，其具有绝缘导体的第一双绞线，其具有第一捻距和第一绝缘层，产生第一信号传播速率(signal propagation rate);和绝缘导体的第二双绞线，其具有第二捻距和第二绝缘层，产生第二信号传播速率。所述第二信号传播速率快于所述第一信号传播速率，在沿所述第一双绞线和所述第二双绞线传播的信号之间产生了第一数量的信号时滞。存在护套包覆各双绞线。将二氧化钛加入至所述第二双绞线的导体的绝缘层中，从而增加所述第二双绞线的导体的绝缘层的介电常数，降低所述第二信号传播速率，产生了第二数量的信号时滞，该第二数量的信号时滞小于所述第一数量的信号时滞。
通过以下的说明和附图将会更好地理解本发明，其中图I显示了在一个实施方案中具有双绞线的非屏蔽数据通信线缆。
具体实施方式
在一个实施方案中，如图I所示，数据通信线缆10包括多对双绞线12a_12d，每对双绞线具有不同的捻距，并且每对双绞线均包覆有绝缘包覆层14。将双绞线束拧成缆(cabled)，并且包裹在护套16内。出于说明目的，本发明以典型的八根电线的LAN线缆(包括4对双绞线12a_12d)为例进行表述。但是，本发明并不限于此。本发明的原理也可以应用于数量更少或更多的双绞线设置。关于在每对双绞线12a_12d上使用的绝缘层14的材料，本申请的显著特征可以与任何其他用作LAN线缆的主要绝缘层的聚合物联合使用。但是，出于说明目的，本发明中，在至少一对双绞线12上的绝缘包覆层14使用FEP (氟化乙烯丙烯共聚物)为例进行描述。在其余双绞线12上的绝缘包覆层14可以由FEP制成，或者可以用任何其他有利的绝缘层制成，包括但不限于PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PTFE (聚四氟乙烯)、ECTFE (乙烯-三氟氯乙烯)、ETFE (乙烯-四氟乙烯)、PFA、MFA、PPO (聚苯醚)、PPS (聚苯硫醚)、PEEK (聚醚醚酮)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PBT (聚对苯二甲酸丁二酯醇)、PA (聚酰胺，如尼龙(Nylon))、PEI (聚醚酰亚胺)、PU (聚氨酯)、TPE (热塑性弹性体)和TPV (热塑性硫化橡胶)。出于说明目的，护套16可以为用于LAN线缆或其他构造类似的线缆的任何典型聚合物。如本发明背景部分所述，为了最小化LAN线缆10内的相邻双绞线12之间的串音，该相邻的双绞线12具有不同的缠距，并且因此具有不同的捻距。双绞线12的彼此不同的捻距，导致每对双绞线12每单位长度线缆10的导体长度不同，由此导致沿不同双绞线传播的信号在不同的时间到达线缆10末端。在一个实施方案中，如图I所示，线缆10具有四(4)对双绞线12a_12d，每对具有彼此不同的捻距。例如，在典型的LAN线缆10 GiMCAT 5e 4pair UTP标准(非屏蔽双绞线))中，双绞线12a-12d的捻距的范围为从O. 5英寸(最短捻距-最慢双绞线)至约O. 9英寸(最长捻距-最快双绞线)。如上所述，一对双绞线，即双绞线12a，具有高缠距(最短捻距为O. 5英寸)，相邻双绞线12b-12d各自具有更低的缠距(较长的捻距)，为O. 55英寸(12b)、0. 75英寸(12c)和O. 9英寸(12d)。在本文中，双绞线12a有时被称为“慢速双绞线”，双绞线12d可以被称作“快速双绞线”。注意到，上述实例性的捻距仅为示意性质。LAN线缆中任何系列的不同捻距均可以利用本发明的特征。由于双绞线12a_12d具有上述实例性的捻距，其中假设在所有四对双绞线12a-12d上使用相同的绝缘层14，沿双绞线12a (慢速双绞线)传播的信号将比沿双绞线12b-12d传播的信号花费更长的时间到达线缆10的末端。实际上，具有最长捻距的双绞线12d(快速双绞线)将花费最少量的时间到达线缆10的末端。在本发明中，双绞线12a显示出与双绞线12d具有最大差异(以及与12b和12c具有差异)，引起了线缆时滞。重要的是记住，缠距单独不能确定信号传播的速度。其他因素，重要的是绝缘层14的类型，大大地影响了信号速度。因此，可以使沿双绞线12a ( 捻距最短的双绞线，在本领域中有时称为“慢速双绞线”)传播的信号实际上比沿具有较长捻距的双绞线12(如双绞线12b-12d)更快地传播，如果双绞线12上的绝缘层14彼此不同且这些绝缘层14显示出不同的介电常数的话。根据本发明，为了减少线缆10在双绞线12a_12d之间的时滞，绝缘包覆层14可以通过加入添加剂进行改性，并将该添加剂挤出至最快的双绞线12 (可以是双绞线12a-12d中的任一个，基于缠距+所选绝缘层14)上，增加该最快双绞线的介电常数，由此降低信号传播的速度，使得在快速双绞线12中的信号最终以接近较慢速双绞线12的时间到达线缆10的末端。例如，在使用FEP作为一些或所有的双绞线12a_12d上的绝缘层14的LAN设置中，基础的FEP具有大致为2. 07的介电常数。然而，通过添加15%的二氧化钛，在双绞线12d上的FEP的有效介电常数可以增加到2. 65，并且对损耗因子的影响很小(将在下文中更详细地讨论损耗因子)。添加10%的二氧化钛将双绞线12d上的FEP的有效介电常数提高至2. 49，对损耗因子的不利作用也很小。在最快双绞线12上的FEP的有效介电常数可以通过改变二氧化钛的百分比进行调节。必须注意的一个性质为加入至双绞线12d上的FEP绝缘层14的添加剂的稳定性，这是因为FEP在高温下被挤出。例如，FEP具有高的熔点，基本上高达 260°C，和甚至更高的加工温度， 360°C以上(以获得足够低的粘度用于高速挤出)。然而，大多数有机材料，包括大多数聚合物，在这些高温下恶化，使得它们不适于用作添加剂。但是根据本实施方案，所使用的添加剂为无机材料，如二氧化钛，其可以在很高的温度下使用，常常高于500°C，从加工角度来看，这使得其有利地用作添加剂。例如，二氧化钛可以在远超过500°C的加工温度下使用。由此，在本发明中，无机材料如二氧化钛用来调节最快双绞线12的包覆层14中的FEP的介电常数。二氧化钛的成本低于FEP的价格，因此将二氧化钛混入FEP中使得该方法更有成本效益。此外，与大多数有机聚合物和聚合物添加剂不同，二氧化钛不会损害FEP的燃烧性能(fire performance),这使得线缆能够保持其增压级(plenum rating),例如与NFPA 262燃烧试验相关的防火等级(fire rating)。此外，使用无机材料，优选为二氧化钛，作为FEP填料具有其他优势。例如，当在超过500°C进行加工时，没有如填料的析出这样观察到的降级，因此没有在最终的包覆层中观察到泡沫。此外，与二氧化钛混合的可加工性使得绝缘层挤出线速度保持在高水平，该水平接近或等同于FEP本身的挤出线速度，同时包覆层表面保持基本光滑。为此目的，在第一实施方案中，FEP (或其他含氟聚合物)的电学性质通过向该聚合物中引入二氧化钛而改性。在本实施方案中，二氧化钛的加入量为7. 5重量9Γ15重量％。然而，根据本发明，二氧化钛的百分比的变化范围可以为1%至30%(其中挤出加工和加工中的设备磨耗成为问题)。如下表I所示，其中通过比较原FEP、FEP+10% 二氧化钛以及其他FEP主体(host)-无机添加剂材料，示出了对电学性质和损耗因子的影响。如表I所示，FEP+10% 二
氧化钛显示出最好的结果。
权利要求
1.线缆，其包括 绝缘导体的第一双绞线，所述第一双绞线具有第一捻距和第一绝缘层，产生第一信号传播速率； 绝缘导体的第二双绞线，所述第二双绞线具有第二捻距和第二绝缘层，产生第二信号传播速率； 其中，所述第二信号传播速率快于所述第一信号传播速率，在沿所述第一双绞线和所述第二双绞线传播的信号之间产生了第一数量的信号时滞； 至少一个包覆所述各双绞线的护套， 其中将二氧化钛添加到所述第二双绞线的导体的绝缘层中，从而增加所述第二双绞线的导体的绝缘层的介电常数，降低所述第二信号传播速率，产生了第二数量的信号时滞，该第二数量的信号时滞小于所述第一数量的信号时滞。
2.根据权利要求I所述的线缆，所述线缆进一步包括第三绝缘的双绞线和第四绝缘的双绞线，所述双绞线中的每一对分别具有绝缘层，并且每一对具有的捻距分别在所述第一双绞线和第二双绞线的第一捻距和第二捻距之间。
3.根据权利要求I所述的线缆，其中，所述第一双绞线的绝缘层为FR烯烃，所述第二双绞线的绝缘层为FEP。
4.根据权利要求I所述的线缆，其中，所述第二双绞线的绝缘层进一步包括量基本为1%以下的氮化硼。
5.根据权利要求I所述的线缆，其中，向所述第二双绞线的导体上的所述绝缘层中添加的所述二氧化钛的添加量为使得其对所述绝缘层的损耗因子基本没有影响的量。
6.根据权利要求I所述的线缆，其中所述二氧化钛基本在I重量％至30重量％的范围。
7.根据权利要求6所述的线缆，其中所述二氧化钛基本为7.5重量％。
全文摘要
本发明涉及使用二氧化钛降低数据通信线缆中时滞的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)改性，以及提供一种线缆，其包括绝缘导体的第一双绞线，绝缘导体的第二双绞线，该第一双绞线具有第一捻距和第一绝缘层，产生第一信号传播速率；该第二双绞线具有第二捻距和第二绝缘层，产生第二信号传播速率。该第二信号传播速率快于该第一信号传播速率，在沿第一双绞线和第二双绞线传播的信号之间产生了第一数量的信号时滞。该线缆包括包覆双绞线的护套。将二氧化钛添加到第二双绞线的导体的绝缘层中，从而增加第二双绞线的导体的绝缘层的介电常数，降低第二信号传播速率，产生了第二数量的信号时滞，该第二数量的信号时滞小于第一数量的信号时滞。
文档编号H01B11/12GK102810356SQ201210176479
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年6月1日
发明者P.克罗什尔, 蒋启柏 申请人:尼克桑斯公司