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摘 要：該文主要论述了在物理发泡射频同轴电缆的生产过程中，CO2发泡和N2发泡相比具有提高物理发泡射频同轴电缆绝缘的发泡度，从而降低成本，提高衰减性能的优点，阐述了CO2注气系统的原理及在生产过程中为避免液态的CO2汽化形成“干冰”堵塞气管而采取的措施，还论述了CO2注气压力和流量的计算方法，为生产过程中CO2流量和压力的稳定控制提供了理论依据，并结合实例进行了进一步分析。
关键词：注入压力 背压 临界压力 同轴电缆 物理发泡聚乙烯绝缘 绝热指数
中图分类号：TQ325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）03（b）-0061-03
Abstract： This paper mainly discusses the production process in physical foaming RF coaxial cable， CO2 foaming and N2 foaming compared with physical foaming RF coaxial cable insulation foaming degree， to reduce cost， improve the attenuation performance， the principle of CO2 injection system and the measures taken in the production process to avoid "dry ice" blocking the gas pipe due to the vaporization of liquid CO2，the calculation method of CO2 injection pressure and flow provides a theoretical basis for the stable control of CO2 flow and pressure in the production process， and combined with examples are further analyzed.
Key Words： Injection pressure; Back pressure; Critical pressure; Coaxial cable; Foamded polyolefin dielectric; Adiabatic exponent
随着我国移动通信行业的迅猛发展，特别是我国的4G网络全面建设，以及即将到来的5G网络建设规划，作为重要传输线的射频同轴电缆迎来了新一轮的发展机遇，同时也对射频同轴电缆的电气性能提出了更高的要求。CO2物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆具有高发泡度、低衰减、可靠性好等优点，被广泛用于射频同轴电缆绝缘生产过程，尤其是大规格同轴电缆的绝缘生产过程。该文概述了CO2绝缘发泡的优点、注气系统及生产过程中压力与流量的控制方法。
1 CO2绝缘发泡的优点
目前，射频同轴电缆的生产厂家基本上都采用N2和CO2进行物理发泡，一般而言，小规格的射频同轴电缆使用N2发泡，大规格的射频同轴电缆采用CO2发泡，特别是用于基站建设用的射频同轴电缆已基本采用CO2发泡。相对于N2物理发泡，CO2发泡具有以下优点。
（1）CO2有很好的惰性，CO2分子没有极性，分子间作用力小，熔点和沸点低，键能大，原子间作用力强，分子具有很高的热稳定性。
（2）CO2在熔融的聚合物中的可溶性比N2高10倍，可获得较高的发泡度，降低绝缘的介电常数从而减小电缆的衰减常数。
2 CO2注气系统及发泡过程简述
图1所示为CO2的注气系统。发泡剂CO2从钢瓶内通过减压阀调节到适当的压力（一般大于36bar）进入增压装置，将CO2增压到预定的工作压力，输送到与挤塑机机筒连接的注气针，通过注气针中的喷嘴，按照设定的CO2流量定量地注入挤塑机机筒内的PE绝缘料中，并通过螺杆的旋转搅拌扩散到熔融的绝缘料中，同时被推挤到发泡机头内的模具中成型。溶解有CO2的绝缘料出模具口后，气体压力被迅速释放并做绝热膨胀，溶解在绝缘料中的CO2气体分子因过饱和而形成气泡。绝缘进入水槽温度降低、粘度增大，抑制气泡的过度增大，避免气泡的过度生长而形成“串孔”。
由于聚乙烯绝缘发泡用CO2为液态，液态的CO2在气化时吸收大量的热而使周围的温度降低，如图2所示，注气管道中因部分CO2冷凝成“干冰”变得狭小，甚至堵塞，导致CO2注气不稳或无法注气，因此要在注气系统中储气罐安装加热装置，保证注气量的稳定。
同时注气针采用可调方式，密封圈采用耐高温、不易变形材质，保证其气密性，如图3所示。
3 CO2压力与流量控制
CO2气体在注入压力和流量稳定与否对射频同轴电缆的结构尺寸、发泡度、发泡的均匀性等有着重要的影响，进而影响射频同轴电缆的特性阻抗、电容、衰减常数、电压驻波比等电气性能参数。
绝缘料在机筒中加热、熔融，伴随着螺杆的旋转被压缩、剪切、搅拌会产生一个机筒面的压力Pc（即绝缘料背压Pc）、CO2气体的注入压力Pg大于绝缘料背压Pc，就可以注入机筒内。然而，由于挤塑机电机转速的稳定性、绝缘材料的质量、加热温度的稳定性等诸多因素的影响，机筒面的压力Pc是随时间连续变化的，以笔者公司物理发泡生产线的挤出机为例，根据对该公司生产的长期观察，其变化的范围通常在1～3bar。根据研究表明，在气流流速低于声速和注入压力不变的情况下，气体的流量是随绝缘背压的变化而成指数关系变化的。从绝缘发泡的机理可知，气体的注入量发生微小变化，也会使得含有气体的绝缘料在出模后泡孔压力释放生长过程中产生很大的变化，即发泡度发生较大的变化，造成电缆在长度方向上的不均匀性而影响信号的传输。 当注气针喷嘴的面积为定值，注入压力Pg增大，喷嘴处的气体流速达到声速（340m/s）时，气体流量就不再受背压Pc的影响，而仅与此时的注入压力Pg有关，这种状态称为气流流速为声速时的“临界压力”。
临界压力PO和背压Pc的关系：
式中，背压Pc为背压（bar）;PO为临界压力（bar）;k为绝缘指数，对于二氧化碳k=1.66。注入压力必须大于或等于临界压力，设PO=Pg，则式（1）为：
注气针的噴嘴直径由下式得出：
式中，D为气针喷嘴直径（mm）;D2为绝缘的内径直径即内导体外径（mm），D1为绝缘的外径（mm）;L为生产线速度（m/min）;W为发泡度（%），Pg为气体的注入压力（bar）。
根据式（2）和式（3）调整注气系统的工艺参数。
4 采用CO2发泡实例
例如，生产“7/8”规格线缆，挤塑机注气处背压Pc为110bar，注气压力为252bar（>2.05PO），绝缘外径为22.42mm，发泡度为79.4%，生产出绝缘发泡微孔结构见图4。
从图4可以看出，气孔结构较为均匀细密，无串孔现象，对其500m成品进行测试，衰减常数结果见图5、电压驻波比结构见图6。
从图5、图6可知，电压驻波比在5～3000MHz的频率范围内最大值为1.0710（YD/T 1092-2013行业标准要求在5～1880MHz使用频段≤1.15，在1880～2700MHz使用频段≤1.20），表明聚乙烯绝缘发泡均匀稳定、结构一致、阻抗一致，传输性能良好。“7/8”馈线电缆在各频点要求的衰减远远小于YD/T 1092-2013行业标准要求（见表1）。
5 结语
聚乙烯绝缘使用CO2作为发泡剂，可以提高射频同轴电缆的发泡度，进而提高其高频衰减、电压驻波比、抗压、抗弯等性能，且由于发泡度提高了可以降低绝缘材料的使用量，降低成本。该文针对CO2的注气系统、生产过程中流量和压力控制进行了简要说明和分析，但如何使用CO2发泡得到更高发泡绝缘且均匀细密的气孔保证射频同轴电缆的一致性，从而获得高性能的产品，还需要广大同行进行探讨。
参考文献
[1] 龚健华.物理发泡PE绝缘挤出时氮气压力与流量的控制[J].光纤与电缆及其应用技术，1995（5）：3-6.
[2] 张磊.物理发泡工艺与同轴电缆参数的关系[A].中国通信学会通信线路委员会.中国通信学会2010年光缆电缆学术年会论文集[C].2010：6.
[3] 李庆和.物理发泡同轴电缆周期性不均匀原理及实例分析[J].光纤与电缆及其应用技术，1999（2）：3-7.
[4] 何亚东.聚合物微发泡材料制备技术应用研究进展[J].塑料，2004（5）：9-15.
[6] 杨中林，周持兴，林周进，等.影响物理发泡绝缘熔体强度的因素[J].光纤与电缆及其应用技术，2008（5）：13-16，42.①作者简介：徐季新（1963，11—），男，汉族，江苏南通人，大专，工程师，研究方向：特种电缆。
关键词：注入压力 背压 临界压力 同轴电缆 物理发泡聚乙烯绝缘 绝热指数
中图分类号：TQ325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）03（b）-0061-03
Abstract： This paper mainly discusses the production process in physical foaming RF coaxial cable， CO2 foaming and N2 foaming compared with physical foaming RF coaxial cable insulation foaming degree， to reduce cost， improve the attenuation performance， the principle of CO2 injection system and the measures taken in the production process to avoid "dry ice" blocking the gas pipe due to the vaporization of liquid CO2，the calculation method of CO2 injection pressure and flow provides a theoretical basis for the stable control of CO2 flow and pressure in the production process， and combined with examples are further analyzed.
Key Words： Injection pressure; Back pressure; Critical pressure; Coaxial cable; Foamded polyolefin dielectric; Adiabatic exponent
随着我国移动通信行业的迅猛发展，特别是我国的4G网络全面建设，以及即将到来的5G网络建设规划，作为重要传输线的射频同轴电缆迎来了新一轮的发展机遇，同时也对射频同轴电缆的电气性能提出了更高的要求。CO2物理发泡聚乙烯绝缘射频同轴电缆具有高发泡度、低衰减、可靠性好等优点，被广泛用于射频同轴电缆绝缘生产过程，尤其是大规格同轴电缆的绝缘生产过程。该文概述了CO2绝缘发泡的优点、注气系统及生产过程中压力与流量的控制方法。
1 CO2绝缘发泡的优点
目前，射频同轴电缆的生产厂家基本上都采用N2和CO2进行物理发泡，一般而言，小规格的射频同轴电缆使用N2发泡，大规格的射频同轴电缆采用CO2发泡，特别是用于基站建设用的射频同轴电缆已基本采用CO2发泡。相对于N2物理发泡，CO2发泡具有以下优点。
（1）CO2有很好的惰性，CO2分子没有极性，分子间作用力小，熔点和沸点低，键能大，原子间作用力强，分子具有很高的热稳定性。
（2）CO2在熔融的聚合物中的可溶性比N2高10倍，可获得较高的发泡度，降低绝缘的介电常数从而减小电缆的衰减常数。
2 CO2注气系统及发泡过程简述
图1所示为CO2的注气系统。发泡剂CO2从钢瓶内通过减压阀调节到适当的压力（一般大于36bar）进入增压装置，将CO2增压到预定的工作压力，输送到与挤塑机机筒连接的注气针，通过注气针中的喷嘴，按照设定的CO2流量定量地注入挤塑机机筒内的PE绝缘料中，并通过螺杆的旋转搅拌扩散到熔融的绝缘料中，同时被推挤到发泡机头内的模具中成型。溶解有CO2的绝缘料出模具口后，气体压力被迅速释放并做绝热膨胀，溶解在绝缘料中的CO2气体分子因过饱和而形成气泡。绝缘进入水槽温度降低、粘度增大，抑制气泡的过度增大，避免气泡的过度生长而形成“串孔”。
由于聚乙烯绝缘发泡用CO2为液态，液态的CO2在气化时吸收大量的热而使周围的温度降低，如图2所示，注气管道中因部分CO2冷凝成“干冰”变得狭小，甚至堵塞，导致CO2注气不稳或无法注气，因此要在注气系统中储气罐安装加热装置，保证注气量的稳定。
同时注气针采用可调方式，密封圈采用耐高温、不易变形材质，保证其气密性，如图3所示。
3 CO2压力与流量控制
CO2气体在注入压力和流量稳定与否对射频同轴电缆的结构尺寸、发泡度、发泡的均匀性等有着重要的影响，进而影响射频同轴电缆的特性阻抗、电容、衰减常数、电压驻波比等电气性能参数。
绝缘料在机筒中加热、熔融，伴随着螺杆的旋转被压缩、剪切、搅拌会产生一个机筒面的压力Pc（即绝缘料背压Pc）、CO2气体的注入压力Pg大于绝缘料背压Pc，就可以注入机筒内。然而，由于挤塑机电机转速的稳定性、绝缘材料的质量、加热温度的稳定性等诸多因素的影响，机筒面的压力Pc是随时间连续变化的，以笔者公司物理发泡生产线的挤出机为例，根据对该公司生产的长期观察，其变化的范围通常在1～3bar。根据研究表明，在气流流速低于声速和注入压力不变的情况下，气体的流量是随绝缘背压的变化而成指数关系变化的。从绝缘发泡的机理可知，气体的注入量发生微小变化，也会使得含有气体的绝缘料在出模后泡孔压力释放生长过程中产生很大的变化，即发泡度发生较大的变化，造成电缆在长度方向上的不均匀性而影响信号的传输。 当注气针喷嘴的面积为定值，注入压力Pg增大，喷嘴处的气体流速达到声速（340m/s）时，气体流量就不再受背压Pc的影响，而仅与此时的注入压力Pg有关，这种状态称为气流流速为声速时的“临界压力”。
临界压力PO和背压Pc的关系：
式中，背压Pc为背压（bar）;PO为临界压力（bar）;k为绝缘指数，对于二氧化碳k=1.66。注入压力必须大于或等于临界压力，设PO=Pg，则式（1）为：
注气针的噴嘴直径由下式得出：
式中，D为气针喷嘴直径（mm）;D2为绝缘的内径直径即内导体外径（mm），D1为绝缘的外径（mm）;L为生产线速度（m/min）;W为发泡度（%），Pg为气体的注入压力（bar）。
根据式（2）和式（3）调整注气系统的工艺参数。
4 采用CO2发泡实例
例如，生产“7/8”规格线缆，挤塑机注气处背压Pc为110bar，注气压力为252bar（>2.05PO），绝缘外径为22.42mm，发泡度为79.4%，生产出绝缘发泡微孔结构见图4。
从图4可以看出，气孔结构较为均匀细密，无串孔现象，对其500m成品进行测试，衰减常数结果见图5、电压驻波比结构见图6。
从图5、图6可知，电压驻波比在5～3000MHz的频率范围内最大值为1.0710（YD/T 1092-2013行业标准要求在5～1880MHz使用频段≤1.15，在1880～2700MHz使用频段≤1.20），表明聚乙烯绝缘发泡均匀稳定、结构一致、阻抗一致，传输性能良好。“7/8”馈线电缆在各频点要求的衰减远远小于YD/T 1092-2013行业标准要求（见表1）。
5 结语
聚乙烯绝缘使用CO2作为发泡剂，可以提高射频同轴电缆的发泡度，进而提高其高频衰减、电压驻波比、抗压、抗弯等性能，且由于发泡度提高了可以降低绝缘材料的使用量，降低成本。该文针对CO2的注气系统、生产过程中流量和压力控制进行了简要说明和分析，但如何使用CO2发泡得到更高发泡绝缘且均匀细密的气孔保证射频同轴电缆的一致性，从而获得高性能的产品，还需要广大同行进行探讨。
参考文献
[1] 龚健华.物理发泡PE绝缘挤出时氮气压力与流量的控制[J].光纤与电缆及其应用技术，1995（5）：3-6.
[2] 张磊.物理发泡工艺与同轴电缆参数的关系[A].中国通信学会通信线路委员会.中国通信学会2010年光缆电缆学术年会论文集[C].2010：6.
[3] 李庆和.物理发泡同轴电缆周期性不均匀原理及实例分析[J].光纤与电缆及其应用技术，1999（2）：3-7.
[4] 何亚东.聚合物微发泡材料制备技术应用研究进展[J].塑料，2004（5）：9-15.
[6] 杨中林，周持兴，林周进，等.影响物理发泡绝缘熔体强度的因素[J].光纤与电缆及其应用技术，2008（5）：13-16，42.①作者简介：徐季新（1963，11—），男，汉族，江苏南通人，大专，工程师，研究方向：特种电缆。