Composti PE per cavi di comunicazione: tipi e proprietà

Composti PE per cavi di comunicazione sono materiali a base di polietilene appositamente formulati utilizzati come isolamento e rivestimento nei cavi telefonici, dati e in fibra ottica. Forniscono la precisa combinazione di bassa perdita dielettrica, resistenza all'umidità, tenacità meccanica e stabilità termica a lungo termine richiesta dalle infrastrutture di comunicazione, spesso superando le prestazioni del PVC e di altre alternative polimeriche negli ambienti con cavi interrati, aerei e sottomarini.

Perché i composti PE sono il materiale preferito per i cavi di comunicazione

Il polietilene è stato la spina dorsale dell'isolamento dei cavi di comunicazione sin dagli anni '50. La sua posizione dominante si riduce a proprietà elettriche e fisiche misurabili che i materiali alternativi faticano a eguagliare contemporaneamente.

Queste cifre spiegano perché gli standard di telecomunicazione come IEC 60189, ITU-T K.52 e ASTM D1248 fanno riferimento ai composti PE come materiale isolante di riferimento per i conduttori che trasportano segnali.

Tipi di composti PE utilizzati nei cavi di comunicazione

Non tutto il polietilene è uguale. Ogni qualità è progettata per soddisfare specifici requisiti di costruzione del cavo e la scelta del tipo sbagliato porta a guasti prematuri, degradazione del segnale o problemi di elaborazione sulla linea di estrusione.

Polietilene ad alta densità (HDPE)

L'HDPE ha una cristallinità del 60–80%, che gli conferisce la massima rigidità e resistenza chimica tra i gradi di PE standard. Viene utilizzato come rivestimento esterno su cavi interrati direttamente e installati in condotti dove lo stress del terreno, l'attacco dei roditori e l'impatto meccanico sono le preoccupazioni principali. La resistenza alla trazione tipica è 20–37 MPa con allungamento a rottura superiore al 500%. Le guaine in HDPE sono standard sui cavi di distribuzione telefonica riempiti di gel e sui cavi in ​​fibra ottica canalizzati in HDPE conformi a Telcordia GR-20.

Polietilene a bassa densità (LDPE)

L'LDPE offre una costante dielettrica pari a 2,25 e un fattore di dissipazione inferiore a 0,0003, rendendolo l'isolamento preferito per i singoli doppini intrecciati nei cavi telefonici multicoppia e nei dielettrici dei cavi coassiali. La sua morbidezza (durezza Shore D di 44–48) consente torsioni strette senza rompere la parete isolante, il che è fondamentale nei cavi con un numero di coppie superiore a 100.

Polietilene a media densità (MDPE)

L'MDPE colma il divario tra la flessibilità dell'LDPE e la tenacità dell'HDPE. Con una densità di 0,926–0,940 g/cm3, i compositi MDPE sono la scelta dominante per la guaina primaria dei cavi aerei esterni e autoportanti dove è richiesta resistenza alla rottura da stress sotto carico di trazione sostenuto. I valori di resistenza alla rottura da stress ambientale (ESCR) per i buoni composti MDPE superano le 1.000 ore nel test ASTM D1693 F50.

Polietilene lineare a bassa densità (LLDPE)

L'LLDPE combina proprietà elettriche a bassa densità con una migliore resistenza alla perforazione e allo strappo grazie alla sua struttura ramificata a catena corta. È sempre più specifico per l'isolamento a parete sottile su cavi dati di categoria 6A e categoria 8, dove la parete isolante è sottile fino a 0,15 mm ma deve resistere a flessioni ripetute in installazioni di cablaggio strutturato.

Composti PE cellulari (schiuma).

L'isolamento in PE espanso, con un contenuto di vuoti del 30–60%, riduce la costante dielettrica effettiva fino a 1,45, aumentando direttamente la velocità di propagazione verso il massimo teorico. Nei cavi coassiali per la distribuzione a banda larga e CATV (SCTE/IEC 61196), i dielettrici in PE solido raggiungono una velocità di propagazione (VOP) di circa il 66%, mentre i dielettrici in PE espanso raggiungono l'82-89% di VOP: un miglioramento significativo nell'efficienza della larghezza di banda per unità di lunghezza.

Polietilene reticolato (XLPE)

La reticolazione chimica o mediante radiazione converte la struttura termoplastica del PE in una rete termoindurente. L'isolamento XLPE mantiene la sua forma al di sopra del punto di fusione del PE (circa 110°C per l'HDPE), garantendo una temperatura operativa continua di 90°C e valori nominali di cortocircuito fino a 250°C. È specificato per cavi di comunicazione con montante e plenum in installazioni di edifici sottoposti a test di fiamma IEC 60332 e UL 910, dove è obbligatorio mantenere l'integrità del circuito in condizioni di incendio.

Requisiti prestazionali chiave e come i composti PE li soddisfano

Integrità del segnale su lunghe distanze

Per un doppino intrecciato con diametro di 0,4 mm isolato con LDPE con uno spessore di parete di 0,2 mm, l'impedenza caratteristica è di circa 100 ohm: l'impedenza target per il cablaggio strutturato secondo ISO/IEC 11801. Mantenere una stretta tolleranza della costante dielettrica di più o meno 0,05 durante il ciclo di produzione è essenziale per mantenere la variazione di impedenza al di sotto di 2 ohm, che è la soglia per causare una perdita di ritorno misurabile nei collegamenti Gigabit Ethernet.

Resistenza al degrado ambientale

I cavi di comunicazione installati in condotti, interrati direttamente o fissati a cavi di messaggeria aerea sono esposti a radiazioni UV, umidità, agenti ossidanti e cicli di temperatura per una durata di servizio di 20-40 anni. I compound di PE per queste applicazioni sono stabilizzati con:

• Nerofumo al 2–3% in peso per la schermatura UV: la protezione più economica per cavi esterni rivestiti di nero, che fornisce oltre 20 anni di resistenza ai raggi UV nei climi solari più rigidi.
• Stabilizzatori alla luce con ammine impedite (HALS) per composti naturali o colorati dove non è possibile utilizzare il nerofumo.
• Pacchetti antiossidanti (miscele fenoliche e fosfitiche) per prevenire l'infragilimento ossidativo durante l'estrusione a 200–230°C e durante la vita utile del cavo.
• Disattivatori di rame nell'isolamento a contatto diretto per sopprimere l'ossidazione catalizzata dal metallo sull'interfaccia del conduttore.

Stabilità di lavorazione su linee di estrusione ad alta velocità

Le moderne linee di estrusione di cavi di comunicazione funzionano a 500–1.500 m/min per l'isolamento di coppie a parete sottile. A queste velocità, il composto PE deve avere un indice di fluidità (MFI) perfettamente adeguato alla velocità dell'utensile e della linea: in genere 0,3–2,0 g/10 min (ASTM D1238, 190°C/2,16 kg) per i gradi di isolamento e 0,2–0,8 g/10 min per i gradi con rivestimento. La stabilità termica deve essere sufficiente per resistere alla degradazione durante tempi di permanenza di 3–8 minuti nel cilindro dell'estrusore senza gel, scolorimento o deriva della viscosità.

Prestazioni di fiamma e fumo per cavi indoor

I cavi di comunicazione interni negli spazi plenum o montanti devono superare i test di propagazione della fiamma e densità del fumo. Il PE standard non è intrinsecamente ritardante di fiamma, quindi i composti per queste applicazioni incorporano ritardanti di fiamma privi di alogeni (HFFR), prevalentemente triidrato di alluminio (ATH) o idrossido di magnesio con carichi del 40–65% in peso. Il composto risultante deve ancora raggiungere una costante dielettrica inferiore a 3,0 e un fattore di dissipazione inferiore a 0,01 per mantenere prestazioni di segnale adeguate, il che richiede un'attenta selezione delle dimensioni delle particelle di ATH e del trattamento superficiale.

Gradi e standard comunemente citati

Considerazioni pratiche nella specifica dei composti PE

Compatibilità dei conduttori

I conduttori in rame nudo a contatto con PE possono accelerare la degradazione ossidativa a temperature elevate. La scelta di un composto con un disattivatore di rame integrato, come Irganox MD 1024, prolunga la durata dell'isolamento di un fattore 2–3 nei test di invecchiamento accelerato a 100°C rispetto al PE non stabilizzato. I conduttori in rame stagnato riducono ma non eliminano questo problema.

Codifica colore e identificazione della coppia

I cavi multicoppia utilizzano un isolamento codificato a colori per identificare ciascun conduttore e coppia. I compound di PE accettano un'ampia gamma di colori masterbatch, ma il pigmento non deve influenzare negativamente la costante dielettrica. Il nerofumo aumenta significativamente la costante dielettrica ed è quindi limitato ai rivestimenti esterni. Per l'isolamento delle coppie, i pigmenti organici a livelli di carico inferiori all'1,5% mantengono le proprietà elettriche entro le tolleranze standard.

Riciclabilità e sostenibilità

I compound di PE sono termoplastici (eccetto XLPE) e tecnicamente riciclabili. Tuttavia, le costruzioni di cavi multistrato con strati incollati di diversi polimeri presentano sfide di separazione. I produttori di cavi stanno specificando sempre più costruzioni monomateriale in PE – in cui sia l’isolamento che il rivestimento sono a base di PE – per consentire il riciclaggio meccanico a fine vita in conformità con i requisiti del Piano d’azione per l’economia circolare dell’UE che entrerà in vigore dal 2026 in poi.

Stoccaggio e movimentazione

I pellet composti in PE devono essere conservati in sacchi sigillati o silos a temperature inferiori a 40°C e umidità relativa inferiore al 60%. Sebbene l’assorbimento di umidità del PE sia estremamente basso, l’umidità superficiale assorbita dai pellet può causare difetti superficiali e vuoti nell’isolamento a parete sottile ad alte velocità di estrusione. Si consiglia la pre-essiccazione a 60–70°C per 2–4 ore quando i pellet sono stati immagazzinati in condizioni umide o dopo uno stoccaggio prolungato in silos.

Sviluppi emergenti nei composti PE per cavi di comunicazione

Mentre l’infrastruttura di comunicazione si sposta verso il backhaul 5G, le reti ottiche passive da 10 Gigabit (XGS-PON) e i collegamenti sperimentali a frequenza terahertz, il livello delle prestazioni per i materiali dielettrici sta aumentando.

• I composti PE nanocompositi che incorporano nanoparticelle di argilla organica o silice con un carico del 2–5% hanno dimostrato un miglioramento del 30–40% nell'ESCR e un miglioramento del 15–20% nel modulo di trazione senza alcun cambiamento misurabile nella costante dielettrica in recenti studi peer-reviewed.
• Il PE a base biologica derivato dall'etanolo della canna da zucchero (esempi commerciali includono Braskem I'm Green PE) offre un profilo di proprietà elettriche identico al PE di derivazione fossile con una riduzione dell'impronta di carbonio di circa 2,15 kg di CO2e per kg di polimero, supportando i produttori di cavi che perseguono gli impegni di riduzione del carbonio ISO 14064.
• Gli ionomeri PE autoriparanti in fase di sviluppo per applicazioni su cavi sottomarini possono riparare micro-fessure nella parete isolante causate da stress meccanici ripetuti, estendendo potenzialmente la durata di servizio del cavo sottomarino dagli attuali 25 anni di vita prevista fino a 40 anni.