ترکیبات پلی اتیلن برای کابل های ارتباطی: انواع و ویژگی ها

ترکیبات پلی اتیلن برای کابل های ارتباطی مواد بر پایه پلی اتیلن فرموله شده ویژه ای هستند که به عنوان عایق و پوشش در کابل های تلفن، دیتا و فیبر نوری استفاده می شوند. آنها ترکیب دقیقی از تلفات دی الکتریک کم، مقاومت در برابر رطوبت، چقرمگی مکانیکی و پایداری حرارتی طولانی مدت را ارائه می دهند که زیرساخت های ارتباطی به آن نیاز دارند - اغلب بهتر از PVC و سایر جایگزین های پلیمری در محیط های کابلی مدفون، هوایی و زیردریایی.

چرا ترکیبات پلی اتیلن ماده انتخابی برای کابل های ارتباطی هستند؟

پلی اتیلن ستون فقرات عایق کابل های ارتباطی از دهه 1950 بوده است. تسلط آن به خواص الکتریکی و فیزیکی قابل اندازه گیری می رسد که مواد جایگزین به طور همزمان برای مطابقت با آنها تلاش می کنند.

این ارقام توضیح می دهند که چرا استانداردهای مخابراتی مانند IEC 60189، ITU-T K.52 و ASTM D1248 به ترکیبات پلی اتیلن به عنوان ماده عایق مرجع برای هادی های حامل سیگنال اشاره می کنند.

انواع ترکیبات پلی اتیلن مورد استفاده در کابل های ارتباطی

همه پلی اتیلن ها یکسان نیستند. هر گرید برای پاسخگویی به نیاز ساخت کابل خاص طراحی شده است و انتخاب نوع نادرست منجر به خرابی زودرس، تخریب سیگنال یا مشکلات پردازش در خط اکستروژن می شود.

پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)

HDPE دارای بلورینگی 60 تا 80 درصد است که بالاترین سفتی و مقاومت شیمیایی را نسبت به گریدهای استاندارد PE دارد. از آن به عنوان ژاکت بیرونی در کابل های دفن مستقیم و کانال نصب شده استفاده می شود که استرس خاک، حمله جوندگان و ضربه مکانیکی نگرانی های اصلی هستند. استحکام کششی معمولی 20-37 مگاپاسکال با ازدیاد طول در هنگام شکست بیش از 500٪ است. ژاکت‌های HDPE روی کابل‌های توزیع تلفن پر از ژل و کابل‌های فیبر نوری با کانال HDPE مطابق با Telcordia GR-20 استاندارد هستند.

پلی اتیلن کم چگالی (LDPE)

LDPE ثابت دی الکتریک کمتر از 2.25 و ضریب اتلاف کمتر از 0.0003 را ارائه می دهد که آن را به عایق ترجیحی برای جفت های پیچ خورده منفرد در کابل های تلفن چند جفت و دی الکتریک کابل کواکسیال تبدیل می کند. نرمی آن - سختی Shore D 44-48 - امکان چرخش محکم بدون ترک خوردن دیواره عایق را فراهم می کند، که در کابل هایی با تعداد جفت بالای 100 بسیار مهم است.

پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE)

MDPE شکاف بین انعطاف پذیری LDPE و چقرمگی HDPE را پر می کند. با چگالی 0.926-0.940 گرم بر سانتی متر مکعب، ترکیبات MDPE انتخاب غالب برای غلاف اولیه کابل های هوایی و خود نگهدارنده در فضای باز هستند که در آن مقاومت در برابر ترک استرس تحت بار کششی پایدار مورد نیاز است. مقادیر مقاومت در برابر ترک تنش محیطی (ESCR) برای ترکیبات خوب MDPE در آزمون ASTM D1693 F50 بیش از 1000 ساعت است.

پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE)

LLDPE خواص الکتریکی کم چگالی را با بهبود مقاومت در برابر سوراخ شدن و استحکام پارگی به دلیل ساختار انشعاب زنجیره کوتاه خود ترکیب می کند. این به طور فزاینده ای برای عایق دیواره نازک در کابل های داده دسته 6A و دسته 8 مشخص می شود، جایی که دیواره عایق به ضخامت 0.15 میلی متر است اما باید در برابر خم شدن مکرر در تاسیسات سیم کشی ساخت یافته مقاومت کند.

ترکیبات پلی اتیلن سلولی (فوم).

عایق پلی اتیلن فوم دار - با محتوای خالی 30-60٪ - ثابت دی الکتریک موثر را تا 1.45 کاهش می دهد که مستقیماً سرعت انتشار را به سمت حداکثر نظری افزایش می دهد. در کابل های کواکسیال برای توزیع پهن باند و CATV (SCTE/IEC 61196)، دی الکتریک های پلی اتیلن جامد به سرعت انتشار (VOP) تقریباً 66 درصد می رسند، در حالی که دی الکتریک های پلی اتیلن فوم به 82 تا 89 درصد VOP دست می یابند - بهبود قابل توجهی در بازده پهنای باند در واحد طول.

پلی اتیلن متقاطع (XLPE)

اتصال عرضی شیمیایی یا تشعشعی ساختار پلی اتیلن ترموپلاستیک را به یک شبکه ترموست تبدیل می کند. عایق XLPE شکل خود را بالاتر از نقطه ذوب پلی اتیلن (حدود 110 درجه سانتیگراد برای HDPE) حفظ می کند و دمای کار مداوم 90 درجه سانتیگراد و درجه اتصال کوتاه تا 250 درجه سانتیگراد را به آن می دهد. برای کابل های ارتباطی با درجه بالا و پلنوم در تاسیسات ساختمانی تحت آزمایشات شعله IEC 60332 و UL 910 مشخص شده است، که در آن حفظ یکپارچگی مدار در شرایط آتش سوزی اجباری است.

الزامات عملکرد کلیدی و چگونگی برآورده شدن ترکیبات پلی اتیلن با آنها

یکپارچگی سیگنال در فواصل طولانی

برای یک جفت پیچ خورده با قطر 0.4 میلی‌متر عایق‌شده با LDPE تا ضخامت دیواره 0.2 میلی‌متر، امپدانس مشخصه تقریباً 100 اهم است - امپدانس هدف برای کابل‌کشی ساختاریافته بر اساس ISO/IEC 11801. حفظ تحمل ثابت دی‌الکتریک محکم در طول تولید به اضافه یا منهای 0.0 میلی‌متر است. که آستانه ایجاد از دست دادن بازگشت قابل اندازه گیری در لینک های اترنت گیگابیتی است.

مقاومت در برابر تخریب محیط زیست

کابل های ارتباطی نصب شده در مجراها، به طور مستقیم دفن شده یا به سیم های پیام رسان هوایی متصل می شوند، در معرض تابش UV، رطوبت، عوامل اکسید کننده و چرخه دما برای عمر مفید 20 تا 40 سال هستند. ترکیبات PE برای این کاربردها با:

• کربن سیاه در 2 تا 3 درصد وزنی برای غربالگری UV - مقرون به صرفه ترین محافظت برای کابل های بیرونی با پوشش مشکی، ارائه بیش از 20 سال مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش در شدیدترین آب و هوای خورشیدی.
• تثبیت کننده های نور آمین مانع (HALS) برای ترکیبات طبیعی یا رنگی که در آن کربن سیاه نمی تواند استفاده شود.
• بسته های آنتی اکسیدانی (ترکیب فنولیک و فسفیت) برای جلوگیری از شکنندگی اکسیداتیو در طول اکستروژن در دمای 200-230 درجه سانتیگراد و در طول عمر کابل.
• غیرفعال کننده های مس در عایق تماس مستقیم برای سرکوب اکسیداسیون کاتالیزور فلز در رابط هادی.

پایداری پردازش در خطوط اکستروژن با سرعت بالا

خطوط اکستروژن کابل های ارتباطی مدرن با سرعت 500 تا 1500 متر در دقیقه برای عایق بندی جفت جداره نازک اجرا می شوند. در این سرعت‌ها، ترکیب PE باید دارای شاخص جریان مذاب (MFI) باشد که دقیقاً با سرعت ابزار و خط مطابقت داشته باشد - معمولاً 0.3-2.0 گرم در 10 دقیقه (ASTM D1238، 190 درجه سانتیگراد / 2.16 کیلوگرم) برای درجات عایق و 0.2-0.8 گرم در 10 دقیقه برای درجه ژاکت. پایداری حرارتی باید برای مقاومت در برابر تخریب در طول زمان های ماندگاری 3 تا 8 دقیقه در بشکه اکسترودر بدون ژل، تغییر رنگ یا رانش ویسکوزیته کافی باشد.

عملکرد شعله و دود برای کابل های داخلی

کابل های ارتباطی داخلی در فضاهای پلنوم یا رایزر باید آزمایش های انتشار شعله و چگالی دود را پشت سر بگذارند. پلی اتیلن استاندارد ذاتاً مقاوم در برابر شعله نیست، بنابراین ترکیبات برای این کاربردها از مواد بازدارنده شعله بدون هالوژن (HFFR) - عمدتاً تری هیدرات آلومینیوم (ATH) یا هیدروکسید منیزیم در بارهای 40 تا 65 درصد وزنی استفاده می کنند. ترکیب حاصل باید همچنان به ثابت دی الکتریک زیر 3.0 و ضریب اتلاف زیر 0.01 برسد تا عملکرد سیگنال کافی را حفظ کند، که به انتخاب دقیق اندازه ذرات ATH و عملیات سطحی نیاز دارد.

نمرات و استانداردهایی که معمولاً به آنها ارجاع می شود

ملاحظات عملی هنگام تعیین ترکیبات پلی اتیلن

سازگاری هادی

هادی های مسی لخت در تماس با پلی اتیلن می توانند تخریب اکسیداتیو را در دماهای بالا تسریع کنند. مشخص کردن یک ترکیب با یک غیرفعال کننده مس یکپارچه - مانند Irganox MD 1024 - عمر عایق را با ضریب 2 تا 3 در آزمایش های پیری تسریع در 100 درجه سانتیگراد در مقایسه با PE ناپایدار افزایش می دهد. هادی های مسی قلع دار این نگرانی را کاهش می دهند اما از بین نمی روند.

کدگذاری رنگ و شناسایی جفت

کابل های چند جفت از عایق رنگی برای شناسایی هر هادی و جفت استفاده می کنند. ترکیبات پلی اتیلن طیف گسترده ای از رنگ های مستربچ را می پذیرند، اما رنگدانه نباید بر ثابت دی الکتریک تأثیر منفی بگذارد. کربن سیاه ثابت دی الکتریک را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد و بنابراین به ژاکت های بیرونی محدود می شود. برای عایق بندی جفتی، رنگدانه های آلی در سطوح بارگذاری کمتر از 1.5 درصد، خواص الکتریکی را در محدوده تحمل استاندارد حفظ می کنند.

بازیافت و پایداری

ترکیبات پلی اتیلن ترموپلاستیک هستند (به جز XLPE) و از نظر فنی قابل بازیافت هستند. با این حال، ساختارهای کابل چند لایه با لایه‌های پیوندی از پلیمرهای مختلف چالش‌های جداسازی را ایجاد می‌کنند. سازندگان کابل به طور فزاینده ای ساختارهای پلی اتیلن تک ماده ای را مشخص می کنند - که در آن عایق و ژاکت بر پایه پلی اتیلن هستند - تا بازیافت مکانیکی پایان عمر را مطابق با الزامات برنامه اقدام اقتصاد دایره ای اتحادیه اروپا که از سال 2026 به بعد اجرا می شود، امکان پذیر کنند.

ذخیره سازی و جابجایی

گلوله های ترکیبی پلی اتیلن باید در کیسه ها یا سیلوهای مهر و موم شده در دمای کمتر از 40 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی زیر 60 درصد نگهداری شوند. اگرچه جذب رطوبت پلی اتیلن بسیار کم است، اما رطوبت سطحی جذب شده روی گلوله ها می تواند باعث ایجاد عیوب و حفره های سطحی در عایق دیواره نازک در سرعت های اکستروژن بالا شود. زمانی که گلوله ها در شرایط مرطوب یا پس از نگهداری طولانی مدت در سیلو نگهداری می شوند، پیش خشک کردن در دمای 60 تا 70 درجه سانتی گراد به مدت 2 تا 4 ساعت توصیه می شود.

پیشرفت های نوظهور در ترکیبات پلی اتیلن برای کابل های ارتباطی

با حرکت زیرساخت های ارتباطی به سمت بک هال 5G، شبکه های نوری غیرفعال 10 گیگابیتی (XGS-PON) و لینک های آزمایشی فرکانس تراهرتز، نوار عملکرد مواد دی الکتریک در حال افزایش است.

• ترکیبات پلی اتیلن نانوکامپوزیت حاوی ذرات آلی رس یا سیلیکا در بارگذاری 2 تا 5 درصد، بهبود 30 تا 40 درصدی در ESCR و 15 تا 20 درصد بهبودی در مدول کشش بدون تغییر قابل اندازه‌گیری در ثابت دی الکتریک در آزمایش‌های اخیر نشان داده‌اند.
• پلی اتیلن مبتنی بر زیستی مشتق شده از اتانول نیشکر (نمونه های تجاری عبارتند از Braskem I'm Green PE) مشخصات الکتریکی یکسانی را با پلی اتیلن مشتق شده از فسیل با کاهش ردپای کربن تقریباً 2.15 کیلوگرم CO2e در هر کیلوگرم پلیمر ارائه می دهد و از تولیدکنندگان کابل حمایت می کند که تعهدات کاهش کربن ISO 14064 را دنبال می کنند.
• یونومرهای پلی اتیلن خود ترمیم شونده در حال توسعه برای کاربردهای کابل زیردریایی می توانند ریزترک های دیوار عایق ناشی از استرس مکانیکی مکرر را ترمیم کنند و به طور بالقوه عمر کابل زیردریایی را از عمر طراحی 25 ساله فعلی به 40 سال افزایش دهند.