Hợp chất PE dùng cho cáp truyền thông: Loại và tính chất

Hợp chất PE cho cáp truyền thông là các vật liệu dựa trên polyetylen có công thức đặc biệt được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt và vỏ bọc trong cáp điện thoại, dữ liệu và cáp quang. Chúng mang lại sự kết hợp chính xác giữa tổn thất điện môi thấp, khả năng chống ẩm, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt lâu dài mà cơ sở hạ tầng truyền thông yêu cầu - thường vượt trội so với PVC và các chất thay thế polymer khác trong môi trường cáp chôn, trên không và cáp ngầm.

Tại sao hợp chất PE là vật liệu được lựa chọn cho cáp truyền thông

Polyethylene là vật liệu cách nhiệt cho cáp truyền thông từ những năm 1950. Sự thống trị của nó phụ thuộc vào các đặc tính vật lý và điện có thể đo lường được mà các vật liệu thay thế khó có thể sánh kịp.

Những số liệu này giải thích tại sao các tiêu chuẩn viễn thông như IEC 60189, ITU-T K.52 và hợp chất PE tham chiếu ASTM D1248 làm vật liệu cách điện tham chiếu cho dây dẫn mang tín hiệu.

Các loại hợp chất PE được sử dụng trong cáp truyền thông

Không phải tất cả polyetylen đều giống nhau. Mỗi loại được thiết kế để giải quyết một yêu cầu kết cấu cáp cụ thể và việc chọn sai loại sẽ dẫn đến hỏng hóc sớm, suy giảm tín hiệu hoặc các vấn đề xử lý ở dây chuyền ép đùn.

Polyethylene mật độ cao (HDPE)

HDPE có độ kết tinh từ 60–80%, mang lại độ cứng và khả năng kháng hóa chất cao nhất trong các loại PE tiêu chuẩn. Nó được sử dụng làm lớp vỏ ngoài cho cáp chôn trực tiếp và cáp lắp đặt trong ống dẫn, nơi ứng suất của đất, sự tấn công của loài gặm nhấm và tác động cơ học là mối quan tâm hàng đầu. Độ bền kéo điển hình là 20–37 MPa với độ giãn dài khi đứt trên 500%. Vỏ bọc HDPE là tiêu chuẩn cho cáp phân phối điện thoại chứa đầy gel và cáp quang bọc nhựa HDPE phù hợp với Telcordia GR-20.

Polyethylene mật độ thấp (LDPE)

LDPE có hằng số điện môi thấp tới 2,25 và hệ số tiêu tán dưới 0,0003, khiến nó trở thành vật liệu cách nhiệt được ưu tiên cho các cặp xoắn riêng lẻ trong cáp điện thoại nhiều cặp và điện môi cáp đồng trục. Độ mềm của nó — độ cứng Shore D từ 44–48 — cho phép xoắn chặt mà không làm nứt thành cách điện, điều này rất quan trọng đối với cáp có số cặp trên 100.

Polyethylene mật độ trung bình (MDPE)

MDPE thu hẹp khoảng cách giữa tính linh hoạt của LDPE và độ bền của HDPE. Với mật độ 0,926–0,940 g/cm3, hợp chất MDPE là lựa chọn ưu tiên cho lớp vỏ chính của cáp tự hỗ trợ và trên không ngoài trời, nơi cần có khả năng chống nứt do ứng suất dưới tải trọng kéo dài. Giá trị Khả năng chống nứt ứng suất môi trường (ESCR) đối với các hợp chất MDPE tốt vượt quá 1.000 giờ trong thử nghiệm ASTM D1693 F50.

Polyethylene mật độ thấp tuyến tính (LLDPE)

LLDPE kết hợp các đặc tính điện mật độ thấp với khả năng chống đâm thủng và độ bền xé được cải thiện do cấu trúc phân nhánh chuỗi ngắn của nó. Nó ngày càng được chỉ định cho cách điện thành mỏng trên cáp dữ liệu loại 6A và loại 8, trong đó thành cách điện mỏng tới 0,15 mm nhưng phải chịu được sự uốn cong nhiều lần khi lắp đặt hệ thống dây có cấu trúc.

Hợp chất PE dạng tế bào (bọt)

Chất cách điện PE xốp - có hàm lượng khoảng trống từ 30–60% - làm giảm hằng số điện môi hiệu dụng xuống mức thấp nhất là 1,45, điều này trực tiếp làm tăng tốc độ truyền tới mức tối đa theo lý thuyết. Trong cáp đồng trục để phân phối băng thông rộng và CATV (SCTE/IEC 61196), chất điện môi PE rắn đạt tốc độ truyền lan (VOP) khoảng 66%, trong khi chất điện môi PE xốp đạt 82–89% VOP - một sự cải thiện đáng kể về hiệu suất băng thông trên mỗi đơn vị chiều dài.

Polyethylene liên kết ngang (XLPE)

Liên kết ngang hóa học hoặc bức xạ chuyển đổi cấu trúc PE nhựa nhiệt dẻo thành mạng nhiệt rắn. Vật liệu cách nhiệt XLPE giữ được hình dạng trên điểm nóng chảy PE (khoảng 110°C đối với HDPE), mang lại nhiệt độ hoạt động liên tục ở 90°C và định mức ngắn mạch lên tới 250°C. Nó được chỉ định cho cáp truyền thông dạng ống đứng và cáp truyền thông được xếp hạng toàn thể trong hệ thống lắp đặt tòa nhà theo thử nghiệm ngọn lửa IEC 60332 và UL 910, trong đó việc duy trì tính toàn vẹn của mạch điện trong điều kiện cháy là bắt buộc.

Các yêu cầu về hiệu suất chính và cách hợp chất PE đáp ứng chúng

Tính toàn vẹn tín hiệu trên khoảng cách xa

Đối với cặp xoắn có đường kính 0,4 mm được cách điện bằng LDPE có độ dày thành 0,2 mm, trở kháng đặc tính là khoảng 100 ohm — trở kháng mục tiêu cho hệ thống cáp có cấu trúc theo tiêu chuẩn ISO/IEC 11801. Việc duy trì dung sai hằng số điện môi chặt chẽ cộng hoặc trừ 0,05 trong quá trình sản xuất là điều cần thiết để duy trì biến đổi trở kháng dưới 2 ohm, đây là ngưỡng gây ra suy hao phản hồi có thể đo lường được trong các liên kết Gigabit Ethernet.

Chống suy thoái môi trường

Cáp liên lạc được lắp đặt trong ống dẫn, chôn trực tiếp hoặc buộc vào dây truyền tin trên không sẽ tiếp xúc với bức xạ UV, độ ẩm, chất oxy hóa và chu kỳ nhiệt độ trong thời gian sử dụng từ 20–40 năm. Các hợp chất PE cho các ứng dụng này được ổn định bằng:

• Muội than ở mức 2–3% trọng lượng để sàng lọc tia cực tím — giải pháp bảo vệ tiết kiệm chi phí nhất cho cáp ngoài trời có vỏ bọc màu đen, mang lại khả năng chống tia cực tím hơn 20 năm trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt nhất của mặt trời.
• Chất ổn định ánh sáng amin bị cản trở (HALS) dành cho các hợp chất tự nhiên hoặc có màu mà không thể sử dụng muội than.
• Gói chống oxy hóa (hỗn hợp phenolic và photphit) để ngăn ngừa hiện tượng giòn oxy hóa trong quá trình ép đùn ở 200–230°C và trong suốt thời gian sử dụng của cáp.
• Chất khử hoạt tính đồng trong cách điện tiếp xúc trực tiếp để ngăn chặn quá trình oxy hóa được xúc tác bằng kim loại ở bề mặt dây dẫn.

Xử lý ổn định trên dây chuyền ép đùn tốc độ cao

Dây chuyền ép đùn cáp truyền thông hiện đại chạy ở tốc độ 500–1.500 m/phút để cách nhiệt cặp vách mỏng. Ở những tốc độ này, hợp chất PE phải có chỉ số dòng chảy nóng chảy (MFI) khớp chính xác với tốc độ dụng cụ và dây chuyền - thường là 0,3–2,0 g/10 phút (ASTM D1238, 190°C/2,16 kg) đối với cấp cách nhiệt và 0,2–0,8 g/10 phút đối với cấp vỏ bọc. Độ ổn định nhiệt phải đủ để chống lại sự xuống cấp trong thời gian lưu trú từ 3–8 phút trong thùng máy đùn mà không có gel, biến màu hoặc trôi độ nhớt.

Hiệu suất ngọn lửa và khói cho cáp trong nhà

Cáp thông tin liên lạc trong nhà ở không gian thông gió hoặc ống đứng phải vượt qua các bài kiểm tra độ lan truyền ngọn lửa và mật độ khói. PE tiêu chuẩn vốn không phải là chất chống cháy, vì vậy các hợp chất dành cho các ứng dụng này kết hợp chất chống cháy không chứa halogen (HFFR) - chủ yếu là nhôm trihydrat (ATH) hoặc magie hydroxit với tải trọng 40–65% trọng lượng. Hợp chất thu được vẫn phải đạt được hằng số điện môi dưới 3,0 và hệ số tiêu tán dưới 0,01 để duy trì hiệu suất tín hiệu đầy đủ, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận kích thước hạt ATH và xử lý bề mặt.

Các lớp và tiêu chuẩn thường được tham chiếu

Những cân nhắc thực tế khi xác định hợp chất PE

Khả năng tương thích dây dẫn

Dây dẫn đồng trần tiếp xúc với PE có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy oxy hóa ở nhiệt độ cao. Việc chỉ định một hợp chất có chất khử hoạt tính đồng tích hợp — chẳng hạn như Irganox MD 1024 — sẽ kéo dài tuổi thọ cách điện theo hệ số 2–3 trong các thử nghiệm lão hóa cấp tốc ở 100°C so với PE không ổn định. Dây dẫn bằng đồng đóng hộp giảm bớt nhưng không loại bỏ được mối lo ngại này.

Mã màu và nhận dạng cặp

Cáp nhiều cặp sử dụng cách điện có mã màu để xác định từng dây dẫn và từng cặp. Hợp chất PE chấp nhận nhiều loại màu masterbatch khác nhau, nhưng chất màu không được ảnh hưởng xấu đến hằng số điện môi. Muội than làm tăng đáng kể hằng số điện môi và do đó chỉ được sử dụng ở áo khoác ngoài. Đối với cách điện cặp, các chất màu hữu cơ ở mức tải dưới 1,5% duy trì các đặc tính điện trong dung sai tiêu chuẩn.

Khả năng tái chế và bền vững

Hợp chất PE là nhựa nhiệt dẻo (trừ XLPE) và có thể tái chế về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên, kết cấu cáp nhiều lớp với các lớp liên kết bằng polyme khác nhau đặt ra những thách thức về khả năng phân tách. Các nhà sản xuất cáp đang ngày càng chỉ định rõ các kết cấu PE đơn vật liệu - trong đó cả vật liệu cách nhiệt và vỏ bọc đều dựa trên PE - để cho phép tái chế cơ khí khi hết vòng đời tuân thủ các yêu cầu của Kế hoạch hành động kinh tế tuần hoàn của EU có hiệu lực từ năm 2026 trở đi.

Lưu trữ và xử lý

Các viên hỗn hợp PE nên được bảo quản trong túi kín hoặc silo ở nhiệt độ dưới 40°C và độ ẩm tương đối dưới 60%. Mặc dù khả năng hấp thụ độ ẩm của PE cực kỳ thấp nhưng độ ẩm bề mặt được hấp thụ trên viên có thể gây ra các khuyết tật bề mặt và lỗ rỗng trong lớp cách nhiệt thành mỏng ở tốc độ đùn cao. Nên sấy khô trước ở 60–70°C trong 2–4 giờ khi viên được bảo quản trong điều kiện ẩm ướt hoặc sau khi bảo quản trong silo kéo dài.

Những phát triển mới nổi về hợp chất PE cho cáp truyền thông

Khi cơ sở hạ tầng truyền thông hướng tới đường truyền ngược 5G, mạng quang thụ động 10 Gigabit (XGS-PON) và các liên kết thử nghiệm tần số terahertz, thanh hiệu suất cho vật liệu điện môi đang tăng lên.

• Các hợp chất PE nanocomposite kết hợp các hạt nano organoclay hoặc silica ở mức tải 2–5% đã chứng minh sự cải thiện 30–40% về ESCR và cải thiện 15–20% mô đun kéo mà không có sự thay đổi có thể đo lường được về hằng số điện môi trong các thử nghiệm được đánh giá ngang hàng gần đây.
• PE dựa trên sinh học có nguồn gốc từ ethanol mía (ví dụ thương mại bao gồm Braskem I'm Green PE) cung cấp đặc tính điện giống hệt với PE có nguồn gốc từ hóa thạch với mức giảm lượng khí thải carbon khoảng 2,15 kg CO2e trên mỗi kg polymer, hỗ trợ các nhà sản xuất cáp theo đuổi cam kết giảm lượng carbon ISO 14064.
• Các chất ionomer PE tự phục hồi đang được phát triển cho các ứng dụng cáp ngầm có thể sửa chữa các vết nứt nhỏ trên tường cách nhiệt do ứng suất cơ học lặp đi lặp lại, có khả năng kéo dài tuổi thọ sử dụng của cáp ngầm từ tuổi thọ thiết kế 25 năm hiện tại lên 40 năm.