สารประกอบ PE สำหรับสายสื่อสาร: ประเภทและคุณสมบัติ

สารประกอบ PE สำหรับสายสื่อสาร เป็นวัสดุที่ทำจากโพลีเอทิลีนสูตรพิเศษ ซึ่งใช้เป็นฉนวนและหุ้มฉนวนในโทรศัพท์ ข้อมูล และสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก โดยนำเสนอการผสมผสานที่แม่นยำของการสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ ความต้านทานต่อความชื้น ความทนทานทางกล และความเสถียรทางความร้อนในระยะยาวตามที่โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารต้องการ ซึ่งมักจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่า PVC และทางเลือกโพลีเมอร์อื่นๆ ในสภาพแวดล้อมสายเคเบิลแบบฝัง ทางอากาศ และใต้น้ำ

เหตุใดสารประกอบ PE จึงเป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับสายเคเบิลสื่อสาร

โพลีเอทิลีนเป็นแกนหลักของฉนวนสายเคเบิลสื่อสารมาตั้งแต่ปี 1950 ความโดดเด่นของมันมาจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพที่วัดได้ซึ่งวัสดุทดแทนต้องดิ้นรนเพื่อให้เข้ากันได้ในเวลาเดียวกัน

ตัวเลขเหล่านี้อธิบายว่าทำไมมาตรฐานโทรคมนาคม เช่น IEC 60189, ITU-T K.52 และ มาตรฐาน ASTM D1248 อ้างอิงสารประกอบ PE เป็นวัสดุฉนวนอ้างอิงสำหรับตัวนำส่งสัญญาณ

ประเภทของสารประกอบ PE ที่ใช้ในสายสื่อสาร

เอทิลีนบางชนิดไม่เหมือนกัน แต่ละเกรดได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการก่อสร้างสายเคเบิลเฉพาะ และการเลือกประเภทที่ไม่ถูกต้องจะนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร สัญญาณเสื่อมโทรม หรือปัญหาในการประมวลผลที่สายการอัดขึ้นรูป

โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE)

HDPE มีความเป็นผลึก 60–80% ทำให้มีความแข็งและทนทานต่อสารเคมีสูงสุดเมื่อเทียบกับเกรด PE มาตรฐาน มันถูกใช้เป็นแจ็กเก็ตด้านนอกบนสายเคเบิลแบบฝังโดยตรงและแบบติดตั้งท่อ ซึ่งความเครียดของดิน การโจมตีของสัตว์ฟันแทะ และผลกระทบทางกลเป็นข้อกังวลหลัก ความต้านทานแรงดึงโดยทั่วไปคือ 20–37 MPa โดยมีการยืดตัวที่จุดแตกหักมากกว่า 500% แจ็คเก็ต HDPE เป็นมาตรฐานสำหรับสายเคเบิลกระจายโทรศัพท์แบบเติมเจลและสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกแบบท่อ HDPE ที่สอดคล้องกับ เทลคอร์เดีย GR-20

โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE)

LDPE มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำเพียง 2.25 และปัจจัยการกระจายต่ำกว่า 0.0003 ทำให้เป็นฉนวนที่ต้องการสำหรับคู่บิดเกลียวแต่ละตัวในสายโทรศัพท์หลายคู่และไดอิเล็กทริกของสายโคแอกเซียล ความนุ่มนวล — ความแข็ง Shore D อยู่ที่ 44–48 — ช่วยให้บิดแน่นได้โดยไม่ทำให้ผนังฉนวนแตก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในสายเคเบิลที่มีจำนวนคู่มากกว่า 100

โพลีเอทิลีนความหนาแน่นปานกลาง (MDPE)

MDPE เชื่อมช่องว่างระหว่างความยืดหยุ่นของ LDPE และความเหนียวของ HDPE ด้วยความหนาแน่น 0.926–0.940 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร สารประกอบ MDPE จึงเป็นตัวเลือกที่โดดเด่นสำหรับเปลือกหลักของสายเคเบิลทางอากาศกลางแจ้งและสายเคเบิลแบบรองรับในตัว ซึ่งจำเป็นต้องมีความต้านทานการแตกร้าวจากความเค้นภายใต้ภาระแรงดึงที่ยั่งยืน ค่าความต้านทานการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อม (ESCR) สำหรับสารประกอบ MDPE ที่ดีนั้นเกิน 1,000 ชั่วโมงในการทดสอบ ASTM D1693 F50

โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น (LLDPE)

LLDPE ผสมผสานคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นต่ำเข้ากับความต้านทานการเจาะและความต้านทานการฉีกขาดที่ดีขึ้น เนื่องจากมีโครงสร้างการแตกแขนงแบบสายสั้น มีการระบุไว้มากขึ้นสำหรับฉนวนผนังบางบนสายเคเบิลข้อมูลประเภท 6A และประเภท 8 โดยที่ผนังฉนวนมีความบางเพียง 0.15 มม. แต่ต้องทนต่อการงอซ้ำ ๆ ในการติดตั้งสายไฟที่มีโครงสร้าง

สารประกอบ PE เซลลูล่าร์ (โฟม)

ฉนวน PE โฟมที่มีปริมาณช่องว่าง 30–60% จะช่วยลดค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพให้ต่ำเพียง 1.45 ซึ่งจะเพิ่มความเร็วการแพร่กระจายโดยตรงไปยังค่าสูงสุดทางทฤษฎี ในสายโคแอกเซียลสำหรับการกระจายบรอดแบนด์และ CATV (SCTE/IEC 61196) ไดอิเล็กทริก PE แบบแข็งมีความเร็วการแพร่กระจาย (VOP) ประมาณ 66% ในขณะที่ไดอิเล็กทริกโฟม PE มี 82–89% VOP ซึ่งเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพแบนด์วิธต่อความยาวหน่วยอย่างมีนัยสำคัญ

โพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE)

การเชื่อมขวางทางเคมีหรือการแผ่รังสีจะแปลงโครงสร้างเทอร์โมพลาสติก PE ให้เป็นเครือข่ายเทอร์โมเซต ฉนวน XLPE ยังคงรูปร่างไว้เหนือจุดหลอมเหลว PE (ประมาณ 110°C สำหรับ HDPE) ทำให้มีอุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องที่ 90°C และอัตราการลัดวงจรสูงถึง 250°C มีการระบุไว้สำหรับสายเคเบิลสื่อสารแบบยกสูงและแบบ plenum ในการติดตั้งในอาคารภายใต้การทดสอบเปลวไฟ IEC 60332 และ UL 910 ซึ่งจำเป็นต้องรักษาความสมบูรณ์ของวงจรภายใต้สภาวะที่เกิดเพลิงไหม้

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพหลักและวิธีที่สารประกอบ PE เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านั้น

ความสมบูรณ์ของสัญญาณในระยะไกล

สำหรับคู่บิดเกลียวเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4 มม. ที่หุ้มฉนวนด้วย LDPE ถึงความหนาของผนัง 0.2 มม. อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะอยู่ที่ประมาณ 100 โอห์ม ซึ่งเป็นอิมพีแดนซ์เป้าหมายสำหรับการเดินสายแบบมีโครงสร้างตามมาตรฐาน ISO/IEC 11801 การรักษาค่าเผื่อคงที่ไดอิเล็กตริกที่แน่นไว้ที่บวกหรือลบ 0.05 ตลอดขั้นตอนการผลิตถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อรักษาความแปรผันของอิมพีแดนซ์ให้ต่ำกว่า 2 โอห์ม ซึ่งเป็นเกณฑ์ในการทำให้เกิดการสูญเสียผลตอบแทนที่วัดได้ในกิกะบิต ลิงค์อีเทอร์เน็ต

ความต้านทานต่อการเสื่อมโทรมของสิ่งแวดล้อม

สายเคเบิลสื่อสารที่ติดตั้งในท่อร้อยสาย ฝังโดยตรง หรือพันเข้ากับสายส่งทางอากาศต้องเผชิญกับรังสี UV ความชื้น สารออกซิไดซ์ และการหมุนเวียนของอุณหภูมิสำหรับอายุการใช้งาน 20–40 ปี สารประกอบ PE สำหรับการใช้งานเหล่านี้มีความเสถียรด้วย:

• คาร์บอนแบล็กที่ 2–3% โดยน้ำหนักสำหรับการคัดกรองรังสียูวี — การป้องกันที่คุ้มค่าที่สุดสำหรับสายเคเบิลกลางแจ้งที่มีแจ็กเก็ตสีดำ ให้ความต้านทานรังสียูวีได้นานกว่า 20 ปีในสภาพอากาศสุริยะที่รุนแรงที่สุด
• สารเพิ่มความคงตัวของแสงเอมีนแบบขัดขวาง (HALS) สำหรับสารประกอบธรรมชาติหรือสารประกอบที่มีสีซึ่งไม่สามารถใช้คาร์บอนแบล็คได้
• แพ็คเกจสารต้านอนุมูลอิสระ (ส่วนผสมฟีนอลิกและฟอสไฟต์) เพื่อป้องกันการเปราะที่เกิดจากออกซิเดชันระหว่างการอัดขึ้นรูปที่อุณหภูมิ 200–230°C และตลอดอายุการใช้งานของสายเคเบิล
• ตัวปิดการทำงานของทองแดงในฉนวนแบบสัมผัสโดยตรงเพื่อยับยั้งการเกิดออกซิเดชันที่เร่งปฏิกิริยาของโลหะที่ส่วนต่อประสานของตัวนำ

ความเสถียรในการประมวลผลบนสายการอัดรีดความเร็วสูง

สายอัดรีดสายเคเบิลสื่อสารสมัยใหม่ทำงานที่ 500–1,500 ม./นาที สำหรับฉนวนคู่ที่มีผนังบาง ที่ความเร็วเหล่านี้ สารประกอบ PE จะต้องมีดัชนีการไหล (MFI) ที่ตรงกับเครื่องมือและความเร็วของเส้นอย่างแม่นยำ โดยทั่วไป 0.3–2.0 กรัม/10 นาที (ASTM D1238, 190°C/2.16 กก.) สำหรับเกรดฉนวน และ 0.2–0.8 กรัม/10 นาทีสำหรับเกรดแจ็คเก็ต ความเสถียรทางความร้อนต้องเพียงพอที่จะต้านทานการเสื่อมสภาพในช่วงเวลาพัก 3-8 นาทีในกระบอกอัดรีดโดยไม่มีเจล การเปลี่ยนสี หรือความหนืดลอยตัว

ประสิทธิภาพเปลวไฟและควันสำหรับสายเคเบิลภายในอาคาร

สายเคเบิลสื่อสารภายในอาคารในช่อง plenum หรือไรเซอร์จะต้องผ่านการทดสอบการแพร่กระจายของเปลวไฟและความหนาแน่นของควัน PE มาตรฐานไม่มีสารหน่วงไฟโดยเนื้อแท้ ดังนั้นสารประกอบสำหรับการใช้งานเหล่านี้จึงรวมสารหน่วงไฟที่ปราศจากฮาโลเจน (HFFR) — อะลูมิเนียมไตรไฮเดรตเป็นส่วนใหญ่ (ATH) หรือแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ที่ปริมาณ 40–65% โดยน้ำหนัก สารประกอบที่ได้จะต้องได้ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำกว่า 3.0 และปัจจัยการกระจายต่ำกว่า 0.01 เพื่อรักษาประสิทธิภาพของสัญญาณที่เพียงพอ ซึ่งจำเป็นต้องเลือกขนาดอนุภาค ATH และการรักษาพื้นผิวอย่างระมัดระวัง

เกรดและมาตรฐานอ้างอิงทั่วไป

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติเมื่อระบุสารประกอบ PE

ความเข้ากันได้ของตัวนำ

ตัวนำทองแดงเปลือยที่สัมผัสกับ PE สามารถเร่งการย่อยสลายแบบออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงได้ การระบุสารประกอบที่มีตัวยับยั้งการทำงานของทองแดงในตัว เช่น Irganox MD 1024 จะช่วยยืดอายุของฉนวนได้ 2-3 เท่าในการทดสอบการเร่งอายุที่อุณหภูมิ 100°C เมื่อเทียบกับ PE ที่ไม่เสถียร ตัวนำทองแดงกระป๋องลดลงแต่ไม่ได้ขจัดข้อกังวลนี้

การเข้ารหัสสีและการระบุคู่

สายเคเบิลหลายคู่ใช้ฉนวนรหัสสีเพื่อระบุตัวนำและคู่แต่ละตัว สารประกอบ PE ยอมรับสีมาสเตอร์แบทช์ได้หลากหลาย แต่เม็ดสีจะต้องไม่ส่งผลเสียต่อค่าคงที่ไดอิเล็กทริก คาร์บอนแบล็คทำให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้นจึงจำกัดอยู่เพียงแจ็คเก็ตตัวนอกเท่านั้น สำหรับฉนวนคู่ เม็ดสีอินทรีย์ที่ระดับการโหลดต่ำกว่า 1.5% จะรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าให้อยู่ในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนมาตรฐาน

การรีไซเคิลและความยั่งยืน

สารประกอบ PE เป็นเทอร์โมพลาสติก (ยกเว้น XLPE) และสามารถรีไซเคิลได้ในทางเทคนิค อย่างไรก็ตาม โครงสร้างสายเคเบิลหลายชั้นที่มีชั้นประสานกันของโพลีเมอร์ที่แตกต่างกันทำให้เกิดความท้าทายในการแยก ผู้ผลิตสายเคเบิลกำลังระบุโครงสร้าง PE ที่เป็นวัสดุเดี่ยวมากขึ้นเรื่อยๆ โดยที่ทั้งฉนวนและแจ็คเก็ตเป็นแบบ PE เพื่อให้สามารถรีไซเคิลเครื่องจักรที่หมดอายุการใช้งานได้ โดยเป็นไปตามข้อกำหนดแผนปฏิบัติการเศรษฐกิจหมุนเวียนของสหภาพยุโรปที่มีผลตั้งแต่ปี 2026 เป็นต้นไป

การจัดเก็บและการจัดการ

เม็ดสารประกอบ PE ควรเก็บไว้ในถุงหรือไซโลที่ปิดสนิทที่อุณหภูมิต่ำกว่า 40°C และความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่า 60% แม้ว่าการดูดซับความชื้นของ PE จะต่ำมาก แต่ความชื้นที่พื้นผิวที่ถูกดูดซับบนเม็ดอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวและเป็นช่องว่างในฉนวนผนังบางที่ความเร็วการอัดขึ้นรูปสูง แนะนำให้ทำให้แห้งล่วงหน้าที่ 60–70°C เป็นเวลา 2–4 ชั่วโมง เมื่อเก็บเม็ดไว้ในสภาพชื้นหรือหลังจากเก็บไซโลเป็นเวลานาน

การพัฒนาที่เกิดขึ้นใหม่ในสารประกอบ PE สำหรับสายเคเบิลสื่อสาร

ในขณะที่โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารก้าวไปสู่ 5G backhaul, เครือข่ายออปติกแบบพาสซีฟ 10 กิกะบิต (XGS-PON) และลิงก์ทดลองความถี่เทราเฮิร์ตซ์ แถบประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กทริกก็เพิ่มขึ้น

• สารประกอบ PE นาโนคอมโพสิตที่รวมเอาออร์กาโนเคลย์หรืออนุภาคนาโนซิลิกาที่การโหลด 2–5% ได้แสดงให้เห็นว่าการปรับปรุง ESCR 30–40% และการปรับปรุงโมดูลัสแรงดึง 15–20% โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้ของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกในการทดลองที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิล่าสุด
• PE ชีวภาพที่ได้มาจากเอทานอลจากอ้อย (ตัวอย่างเชิงพาณิชย์ ได้แก่ Braskem I'm Green PE) นำเสนอโปรไฟล์คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหมือนกันกับ PE ที่ได้จากฟอสซิล โดยมีการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 2.15 กก. CO2e ต่อโพลีเมอร์หนึ่งกิโลกรัม ซึ่งสนับสนุนผู้ผลิตสายเคเบิลตามข้อผูกพันในการลดคาร์บอนตามมาตรฐาน ISO 14064
• ไอโอโนเมอร์ PE แบบซ่อมแซมตัวเองที่อยู่ระหว่างการพัฒนาสำหรับการใช้งานสายเคเบิลใต้น้ำสามารถซ่อมแซมรอยแตกขนาดเล็กในผนังฉนวนที่เกิดจากความเครียดทางกลซ้ำๆ ซึ่งอาจช่วยยืดอายุการใช้งานของสายเคเบิลใต้น้ำจากอายุการใช้งานการออกแบบ 25 ปีในปัจจุบันเป็น 40 ปี