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 相关申请
本申请为 2010 年 7 月 30 日递交的同时待审的美国专利申请 No.12/846,880 的部 分继续申请， 将上述申请全部引入本文作为参考。
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 (modified insulation) 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 Area Network， 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 (conductor path)。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， 即， 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， 即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。 附图说明
通过以下的说明和附图将会更好地理解本发明， 其中 ：
图 1 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 1 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 1 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( 满足 CAT 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 0.5 英寸 ( 最短捻距 - 最慢双绞线 ) 至约 0.9 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 0.5 英寸 )， 相邻双绞线 12b-12d 各自具有更低的缠距 ( 较长的捻距 )， 为 0.55 英寸 (12b)、 0.75 英寸 (12c) 和 0.9 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℃， 和甚至更高 的加工温度， ~360℃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℃， 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℃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℃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 %~15 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 1 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 1 所示， FEP+10% 二 氧化钛显示出最好的结果。
表1
在制造通信线缆时， 除了需要监控的时滞之外， 申请人还注意到损耗因子是另一 个问题。该损耗因子与线缆中的插入损耗 (insertion loss)( 衰减 ) 相关。随着损耗因子 的增加， 线缆中的信号损失越多。过多的信号损失会导致例如缆线不能通过 EIA-TIA( 电 子 工 业 联 盟 - 通 信 工 业 协 会 (Electronic Industries Alliance-Telecommunications
Industry Association)) 对于插入损耗的要求。 对于双绞线 12 而言， 在包覆层 / 绝缘层 14 中使用的不同添加剂， 除了改变介电常数以外， 还会不利地影响损耗因子。如上表 1 所示， 二氧化钛， 除了提 高介电常数以外， 相对纯 FEP 而言， 还不显示对损耗因子的显著增加。
现在来看在 LAN 线缆 10 中示意性实施本发明的一个示意性设置 (arrangement)， 在第一现有技术设置中， 原型制造的 LAN 线缆构造为具有包覆有 FEP 的两 (2) 对双绞线 12 和包覆有 FR 烯烃 (Flame Resistant olefin， 耐燃烯烃 ) 的两 (2) 对双绞线 12。在这种情 况中， 使用 FEP 是由于其理想的电学性质及其出色的耐燃性。但是为了降低成本， 仅在两 (2) 对双绞线上使用 FR 烯烃。
下表 2 示出了这种结构、 传播速度 / 时间和所得时滞测量值。
2×2 结构 捻距 最短 最长 第二短 第二长 双绞线 12a 12d 12b 12c 颜色 蓝色 橙色 绿色 棕色 绝缘层类型 FEP FR 烯烃 FEP FR 烯烃 时滞
时间延迟 469ns 501ns 466ns 504ns 38ns表2
( 信号经过 100m 或测试线缆的时间 )
在该实施例中， 具有最长捻距的双绞线 12d 为 “橙色” ( 根据其颜色代码命名 ) ； 捻 距第二长的为 “棕色” 或双绞线 12c ； 捻距第二短的为 “绿色” 或双绞线 12b ； 和捻距最短的为 “蓝色” 或双绞线 12a。为了保持低时滞， 捻距最长的两双绞线 12( 基于该长捻距 (12d- 橙色 和 12c- 棕色 )， 使用 FR 烯烃绝缘层。类似地， 在较短捻距的双绞线 12b( 绿色 ) 和 12a( 蓝 色 ) 上使用较好的 FEP。由于双绞线 12b 和 12a 上的 FEP 绝缘层具有比双绞线 12c 和 12d 上的 FR 烯烃更好的介电性质， 即因此即使在捻距较短的双绞线 12a 和 12b 上使用 FEP， 测 试信号实际上也快于经过长捻距双绞线 12c 和 12d 发出的测试信号。这表示双绞线 12c 和 12d， 有时候基于其较长的捻距也称为 “快速” 双绞线， 在该实施例中， 由于不同的绝缘层类 型实际上慢于双绞线 12a 和 12b。在任何事件中，最慢和最快的双绞线之间的信号时滞为 38 纳秒， 其在经过 100 米为 45 纳秒的测试限内。
为了减少 FEP 的使用， 有利的是使用 FR 烯烃代替 FEP 制造第三对双绞线 12， 从而 将 FEP 的使用降低至仅一对双绞线 12。使用现有技术的 FEP 配方， 下表 3 显示了结果。
1×3 结构 捻距 最短 最长 第二短 第二长 双绞线 12a 12d 12b 12c 颜色 蓝色 橙色 绿色 棕色 绝缘层类型 FEP FR 烯烃 FR 烯烃 FR 烯烃 时滞
时间延迟 469ns 501ns 514ns 504ns 45ns表3 ( 信号经过 100m 或测试线缆的时间 )将绿色的双绞线或双绞线 12b 从 FEP 改变成 FR 烯烃， 是因为其为捻距第二短的双 绞线 12， 但是仍然长于双绞线 12a， 蓝色的双绞线。通过这样做， 将该测试双绞线 12b( 绿 色 ) 上的速度从 466 纳秒降低至 514 纳秒。因此， 该测试样品的时滞从 38 纳秒增加到作为 测试上限的 45 纳秒。
然而， 不同于上述实施例， 本设置能够保持使用三 (3) 对 FR 烯烃双绞线 12 和一 (1) 对 FEP 双绞线 12， 同时将时滞降低至 23 纳秒， 甚至低于表 2 中首先的两 (2) 对 FEP 和 两 (2) 对 FR 烯烃的实施例的时滞结果。例如， 如下表 4 所示， 在最快双绞线 (12a， 具有最短 捻距 - 蓝色 ) 上的 FEP 绝缘层 14 中混合有 7.5 重量 % 的二氧化钛， 所上文所解释的。
1×3 结构 捻距 最短 最长 第二短 第二长 双绞线 12a 12d 12b 12c 颜色 蓝色 橙色 绿色 棕色 绝缘层类型 FEP+7.5%TiO2 FR 烯烃 FR 烯烃 FR 烯烃 时滞
时间延迟 491ns 501ns 514ns 504ns 23ns表4
( 信号经过 100m 或测试线缆的时间 )
在该设置中， 将蓝色双绞线或双绞线 12a 从 FEP 改变成 FEP+7.5%TiO2。通过这样 作， 将该测试双绞线 12a( 蓝色 ) 的速度从 469 纳秒降低至 491 纳秒。因此， 该测试样品的 时滞如从如表 3 所示的 45 纳秒降低至远远低于测试极限的 23 纳秒。
上述实施例显示使用二氧化钛作为双绞线 12 中一对双绞线的绝缘层 14 的 FEP 添 加剂， 可以用来降低时滞， 在考虑其他所有条件均相同时。 本设置显示了在线缆结构上的更 大选择范围， 特别是在绝缘层 14 的材料选择上， 从而可以调控时滞的电学测试参数而不显 著地不利影响线缆 10 的其他方面。
在 上 述 各 个 设 置 中， 注意到根据需要可以将额外的添加剂如增容剂 (compatibilizer) 或润滑剂加入到该混合物中以帮助 FEP 和添加剂之间的相容性。例如， 这些添加剂一般在混合 (compounding) 期间添加， 所述添加剂包括氟化橡胶、 丙烯酸类橡 胶、 热塑性弹性体、 氟化聚合物、 丙烯酸类聚合物、 聚碳酸酯和聚乙烯， 条件是这些添加剂不 显著地不利影响上述要实现的改善的时滞结果。一个这种实例为氮化硼， 其用来改善可加 工性。这种氮化硼的含量基本上小于 1%， 理想地为约 0.2%。
在另一个实施方案中， 代替了仅在线缆 10 的一对最快双绞线 12 中使用添加剂以 降低传播速率， 而为了线缆 10 获得更好的时滞结果， 本发明还包 括将上述使用的原理应 用至其它双绞线如次快速的双绞线 12 中。这可以有助于使线缆满足更严格的测试 / 分类 标准。
作为上述特征的结果， 本发明通过调节最快双绞线 12 的包覆层 14 的 FEP 组成， 提 供了比现有技术的 LAN 型数据通信线缆更显著的优点。本发明通过减缓最快双绞线中的信 号速度而防止了时滞， 并且不损害绝缘层的其他物理 / 机械性能以及不增加昂贵的加工成 本。
尽管已经在此说明并描述了本发明的一些特征， 但是本领域技术人员会想到更多的变型、 替代、 改变或等同方案。 因此， 应当理解但是， 本申请意在囊括所有这些落入本发明 的变型和改变。