3.4.5. Материалы для конструктивных элементов волоконно-оптических кабелей

Общие положения. Остановимся на материалах основных элементов ОК. Профилированный сердечник ОК изготавливают из поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана или полипропилена. Кордель (заполнитель) может выполняться из полиэтилена, поливинилхлорида, полиуретана, резины и содержать хлопчатобумажную нить различной расцветки, упрочняющие элементы или токопроводящие жилы [13]. Скрепляющие элементы изготавливают из нитей (хлопчатобумажных, полимерных, стеклонитей), лент (полиамидных, полиэтилентерефтапатных, фторопластовых, бумажных), полимерных металлизированных пленок. Армирующие элементы для ОК отличаются высокой прочностью на разрыв (2000 — 3000 МПа), высокой гибкостью, имеют большой модуль Юнга (60000 — 100000 МПа) и малую массу.

Во многих случаях одним из основных требований к ОК является отсутствие металлических элементов в его конструкции. В этом случае армирующие элементы выполняют из неорганических или полимерных материалов. Это позволяет к тому же существенно уменьшить массу кабеля, увеличить его стойкость к многократным деформациям изгиба, кручения, перемотке и увеличить срок службы.

Синтетические высокомодульные материалы. Синтетические волокна обладают высокой механической прочностью, нагревостойкостью и малой усадкой [20]. Некоторые характеристики представлены в табл. 3.9.

Лучшее волокно СВМ имеет разрывную прочность, превосходящую прочность всех природных, искусственных и синтетических волокон (2000 — 2500 МПа). Но волокно СВМ очень жесткое — его прочность в узле составляет 20 — 40% от исходной. Оксалон имеет меньшую прочность (600 — 800 МПа) и меньшую жесткость. Процент сохранения прочности в узле у него в 1,5 — 3 раза больше, чем у СВМ, и составляет 60%.

Наиболее стойкими к химическим реагентам оказались волокна СВМ, оксалон и фенилон. Остальные волокна стойки либо к кислотам, либо к щелочам.

По стойкости к воздействию микроорганизмов лучшими являются СВМ, высокомодульный винол, лавсан и фенилон.

СВМ, оксалон, сульфон, аримид при температурах от 150 до 300оС имеют усадку не более 1 — 2%. Нитрон Т и высокомодульный винол при 150оС имеют незначительную усадку, при повышении температуры до 200 — 300оС усадка нитрона Т достигает 10 — 16%.

В процессе изготовления упрочняющих сердечников и жгутов, а затем и кабелей нити подвергаются воздействию ряда факторов: изгибам и истиранию при тростке и скрутке, натяжению до 10,0 — 15,0 Н, нагреву до 170 — 200оС при ошланговании полиэтиленом и поливинилхлоридным пластикатом. При наложении оболочки из резины и вулканизации изделия температурный интервал изменяется от 100 до 213оС, и возможно воздействие пара.

Влияние технологических факторов в процессе изготовления кабелей оценивалось по изменению прочности нитей.

Технологические факторы не влияют на прочность нитей СВМ линейной плотности 58,9 и 29,4 текс. Прочность нити СВМ толщиной 100 текс сначала снижалась после операции тростки, а после скрутки кабеля и наложения оболочки возрастала почти до исходных значений.

Технологические операции влияют также на прочностные свойства высокомодульных поливинилспиртовых волокон. Так, после скрутки сердечника и жгутов прочность нитей уменьшается, а после наложения поливинилхлоридной оболочки на кабель увеличивается до исходных значений. Изменение прочности высокомодульных поливинилспиртовых волокон свидетельствует о том, что эти волокна, обладающие большой удельной объемной энергией межмолекулярного взаимодействия (4,33 — 4,75 кДж/моль), очевидно, еще способны к дальнейшей релаксации.

Волокно фенилон также исследовалось в одном из типов кабелей. Такие операции, как скрутка, оплетка, несколько уменьшили прочность волокна. При наложении оболочки, как и в случае применения винола, прочность увеличилась.

Увеличение прочности всех исследованных волокон при наложении шланга обусловлено ориентацией и стабилизацией структуры волокна при натяжении и тепловом воздействии, нарушенных при скрутке и оплетке.

Изменение прочности полиэфирных нитей обусловлено изменением их структуры. Так, например, при натяжении и тепловом воздействии происходит ориентация макромолекул, что связано с рекристаллизацией волокна при повышенных температурах (100 — 200 С). Снижение прочности нитей при этом может быть обусловлено уменьшением числа связей в аморфных областях и, кроме того, усилением процесса дезориентации макромолекул. Относительное удлинение и тепловая усадка исследованных волокон не изменяются при изготовлении кабелей. Таким образом, влияние технологических факторов на свойства синтетических волокон при изготовлении кабеля незначительно.

Таблица 3.9. Основные характеристики синтетических волокон

Параметр

Значение для

СВМ

оксалона

терлона

нитрона

сульфона

фенилона

ари-

мида

высокомодуль-

ного винола

лавсана

термофикси-

рованного

Разрывная прочность, МПа

2230

637

482

320

343

562

580

764

876

Относительное удлинение, %

4,6

2,3

7,6

11,7

12,8

20,8

8,5

4,7

9,8

Толщина, текс

100

22,7

31,2

16,6

14,2

50

14,2

93,4

345

Прочность в узле, %,

от исходной прочности

23

64,7

61

76

76

71

69

48

55

Грибостойкость после воздействия микроорганизмов в течение 30 суток, балл

1

3

3

3

1

3

0

Сохранение прочности, %, при воздействии:

температуры, оС

200- 1ч

250 — 1ч

300- 1ч

80 — 3 мес.

60- 2ч

пара при давлении

0,4 Мпа — 40 мин.

кислоты соляной

25% при 20'С-24ч

кислоты азотной

25% при 20'С - 24ч

щелочи 40% при

20'С — 20 ч

бензина при

20'С — 24 ч

трансформаторного масла при 120'С — 24 ч

90

97

100

100

100

86,4

73

53

69

100

95

100

88,2

80,0

100

95

83,3

62

34

100

100

85

97,3

94

72,0

100

90

100

54

разрушение

100

100

100

85,4

56,2

31,7

90

100

разрушение

83

62

65

94

100

79,4

76,4

85,3

73,5

88,2

100

83,3

92,0

81,0

97

94,2

83,3

74

44

85

93

92

100

98

91,7

98

85,7

87,7

85

79

разрушение

100

100

52,5

разрушение

разрушение

100

100

разрушение

разрушение

разрушение

разрушение

100

100

100

разрушение

разрушение

100

98

99

100

разрушение

100

100

Усадка после

воздействия, %:

температуры, 'С

150- 1ч

250 — 1ч

300- 1ч

пара при давлении

0,4 МПа — 40 мин.

0

0

0

0,1

0

0,06

0,48

0,4

0

0

0

0,4

2

16

16,7

0,5

1,6

3,3

0,8

5,6

3,9

0,4

0,06

1,04

0,32

1,3

разрушение

разрушение

разрушение

1,5

10,0

С начала 90-х годов последнего тысячелетия были сняты ограничения КОКОМ, введенные по инициативе США, на передачу в бывшие социалистические страны так называемых высоких технологий и ряда продуктов на их основе. Это позволило в конструкциях ОК применять нити СВМ типа кевлар фирмы Dupont и нити типа тварон фирмы Akzo Nobel. Эти нити обладают хорошо сбалансированными физическими и химическими свойствами. Рассмотрим некоторые из основных свойств этих нитей.

1. Отличные свойства при растяжении:

  • нити кевлар и тварон способны выдерживать большие линейные нагрузки при малом относительном удлинении, это позволяет им защищать оптические волокна от деформаций, которые могут ухудшить характеристики передачи сигнала в кабелях;
  • эти нити идеально подходят для очень длинных ОК. Их очень большая разрывная длина под действием собственного веса позволяет создавать и использовать большие пролеты на воздушных линиях для подвесного кабеля, чем это было возможно раньше.

2. Превосходная стабильность размеров:

  • волокно кевлар и тварон обладают высокой устойчивостью к ползучести и эффективно противостоят необратимым изменениям длины под нагрузкой в процессе эксплуатации;
  • нити практически не подвержены воздействию предельных температур, возникающих при эксплуатации изделия на открытом воздухе, не теряют прочности при высокой температуре и не становятся хрупкими в условиях арктического климата;
  • низкий (отрицательный) коэффициент теплового линейного расширения позволяет сократить до минимума обусловленные температурой (обратимые) изменения длины кабеля.

3. Отличные диэлектрические свойства:

  • кевлар и тварон обладают отличными изоляционными свойствами, которые позволяют создавать кабельные конструкции, обеспечивающие электрическую безопасность, устойчивость к разряду молнии и неподверженность к помехам.

4. Прочность и устойчивость к внешним повреждениям:

  • хорошая устойчивость к абразивному изнашиванию, отличные баллистические свойства и хорошие усталостные характеристики позволяют создавать долговечные кабели;
  • кевлар и тварон не поддерживают горения и сгорают только, если их держать в огне. Они не способствуют распространению пламени и тепла.

5. Малый вес и объем. Гибкость:

  • эти свойства облегчают использование кабеля, позволяя уменьшить поперечное сечение кабеля и обеспечивая создание легких и гибких конструкций.

6. Хорошая текстильная перерабатываемость, свобода при проектировании:

  • нити кевлар и тварон можно использовать как для центрального силового элемента, так и для периферийного силового армирования. Выпускается широкая номенклатура толщины нитей, и их можно перерабатывать на имеющемся производственном оборудовании, не жертвуя при этом их эксплуатационными характеристиками;
  • армирующие материалы полностью совместимы с другими конструкционными материалами для кабелей;
  • гибкость и не вызывающая затруднений переработка обеспечивают снижение риска повреждения оптических волокон в процессе переработки.

7. Проверенная практикой надежность:

  • многие годы практического применения волокон кевлар и тварон доказали их надежность и экономичность. Армирование составляет небольшую часть затрат в стоимости кабеля, но оно требует применения надежного материала с проверенными на практике характеристиками.

Некоторые характеристики армирующих материалов, используемых в кабельной промышленности, приведенны в табл. 3.10. Нити тварон в настоящее время применяются для решения специальных проблем заказчика. Из них выпускают ленты для баллистической защиты самонесущих ОК, разрывные корды, для вскрытия оболочки кабелей. Армированные твароном стержни могут быть использованы в качестве центрального силового элемента в волоконно-оптических кабелях. Такой стержень является композитом из коллимированных арамидных нитей тварон и эпоксидной смолы. Армированные твароном стержни перед силовыми элементами из стандартного эпоксистекла Е (FRP) имеют следующие преимущества: более высокий модуль упругости при растяжении (+ 25%); отрицательный температурный коэффициент расширения (противодействует положительным температурным коэффициентам других присутствующих пластиков); меньшую плотность (-35%); большую гибкость (меньшая жесткость).

Таблица 3.10. Основные параметры арамидных нитей кевлар и тварон и других армирующих материалов

Материал

Плотность, г/см3

Сопротивление разрыву, МПа

Модуль уп-

ругости, ГПа

Относительное удлинение при разрыве, %

ТКЛР,

1/К

Кевлар 49

29

1,44

3070

2950

114

72

2,5

3,6

-2х 10-6

Тварон 2200

1055

1,45

2900

2900

115

125

2,7

2,5

-3х10-6

Стальная проволока

7,86

1960

200

2,0

6,6х10-6

Силикатное

стекловолокно

2,48

4580

86

5,4

3,1х10-6

Высокопрочное

полиэтиленовое

волокно

0,98

2650

95

3 ... 4

В табл. 3.11 приведены для сравнения характеристики физических свойств армированных арамидом и стеклом стержней.

Таблица 3.11. Основные параметры стержней, армированных арамидом и стеклом

Стержень

Модуль упругости при

растяжении, ГПа

Прочность при растяжении, МПа

Удельный вес,

г/см

ТКЛР, 1/К

Aralinе

68

1600

1,3

-2х10-6

Стекло-EP/UP

45...55

1200...1500

2,1...2,3

7х10-6

Армирующие материалы из стеклопластика и металла. Интересен еще один вид армирующих материалов, который чаще всего используюется для усиления сердечника ОК—это стеклопластики. Прутки из этого материала выполняют из пучка стекловолокон, пропитанных полиэфирной смолой (Япония) [20]. Основные параметры стеклопластиковых прутков [21...24] приведены в табл. 3.12. Прутки изготавливаются диаметром от 2,5 до 15 мм неограниченной длины. Для изготовления прутков стекловолокно с отдающих катушек пропускают через ванну с пропитывающим составом и печь предварительной просушки. Поверх заготовки накладывают еще один слой стекловолокна, затем заготовку сушат и полимеризируют. Всю технологическую операцию осуществляют за один проход.

Из металлических армирующих элементов, применяемых в ОК, следует упомянуть стальные проволоки с латунным покрытием или полимерной оболочкой, тросы, металлические стержни с цилиндрическими канавками. Возможно применение углеродного волокна. В некоторых конструкциях ОК используют оплетки из указанных материалов, упрочненные нитями полимеры.

Оболочки могут выполняться из комбинации стеклянных или синтетических нитей, пропитанных эпоксидным компаундом, при этом не только повышается разрывная прочность и стойкость к кручению, но и увеличивается стойкость к продавливанию и герметичности. При радиальной толщине оболочки 0,25 мм и общем диаметре кабеля 1,53 мм относительное удлинение его при усилии растяжения 400 Н составляет 1%. Модуль упругости материала оболочки приблизительно равен 55 ГПа, плотность материала из стекловолокна, пропитанного эпоксидным компаундом, составляет 2,2 г/см3. Материал выдерживает 1000000 циклических перегибов при 20%-ной предельной нагрузке растяжения и сохраняет ОВ в целостности.

Таблица 3.12. Основные параметры стекпопластиковых стержней

Стержень

Удельная плот-

ность, г/cм3

Разрывная прочность, МПа

Прочность на

изгиб, МПа

Модуль упругости, ГПа

ТКЛР, 1/К

Neptco (США)

> 1500

48000

>52

5,9х10-6

Polystal (Германия)

2,1

> 1500

>50

6,6х10-6

Cousin (Франция)

> 1600

>50

6х10-6

Россия

1,85...2,15

900... 1200

950...1250

50

Водоблокирующие материалы для волоконно-оптических кабелей. Все кабели бывают в такой ситуации, когда может быть повреждена оболочка. Кабели для наружной прокладки особенно подвержены воздействию воды и влаги, которая может проникнуть через небольшие дефекты оболочки или плохо выполненное соединение. В кабелях, которые постоянно подвержены сильному влиянию влаги, вода диффундирует через пластиковую оболочку, независимо от того, как хорошо изготовлена или наложена оболочка. Для предотвращения диффузии воды внутрь на кабель перед наложением оболочки (в некоторых конструкциях ОК) накладывается слой металлической (алюминиевой или свинцовой) фольги. Вода, проникающая в кабель со свободным пространством между волокнами или между трубками модулей, распространяется по сердечнику кабеля до тех пор, пока не достигнет наиболее низкой физической точки, где она будет собираться. Вода снижает срок службы кабеля, разрушая стекло. Возникает риск того, что в результате высокой концентрации водорода будет возрастать затухание в волоконе.

Наилучшим способом предотвращения проникновения воды и влаги является заполнение свободного пространства между волокнами, трубками, лентами с волокнами и оболочкой водозащитным материалом, который предотвращает дальнейшее распространение воды в кабеле и таким образом ограничивает риск повреждения оболочки. В качестве водоблокирующих материалов могут использоваться гидрофобные компаунды, разбухающие порошки, ленты, нити или комбинации этих материалов. Компаунд, поглощающий гидроксильные группы, может быть использован в качестве заполнителя трубки ОМ или паза модуля профильной конструкции. Обычные компаунды используются для заполнения свободного пространства и между скрепляющими лентами сердечника кабеля, лентами брони кабеля. Разбухающая лента наносится, как правило, поверх элементов с ОВ или поверх сердечника кабеля.

Ключевыми параметрами для этих материалов являются: физические характеристики (блокирование распространения воды, вязкость, предел текучести, рабочая температура, технологическая стабильность, дренажные свойства и минимальное маслоотделение); химические характеристики (совместимость с акрилатными покрытиями волокна, совместимость с окрашивающими покрытиями волокна, совместимость с полимерными материалами, используемыми в конструкции кабеля); стоимость.

Рис. 3.22. Реологические характеристики стандартных водоблокирующих компаундов фирмы DussekCampbell

Рис. 3.22. Реологические характеристики стандартных водоблокирующих компаундов фирмы DussekCampbell

Рис. 3.23. Зависимости, характеризующие технологическую стабильность одного из компаундов фирмы DussekCampbell

Рис. 3.23. Зависимости, характеризующие технологическую стабильность одного из  компаундов фирмы DussekCampbell

Композиции компаундов выбирают таким образом, чтобы обеспечить приемлемые реологические характеристики, которые влияют на величину излишка волокна в трубках, стабильность технологического процесса введения компаунда в трубку, производительность процесca, дренажные свойства материала. Критическое значение предела текучести обусловливается усилием, необходимым для начала истечения желеобразного компаунда. Текучесть должна находиться в определенных пределах, чтобы не оказывать влияния на передающие характеристики оптического волокна. Высокое значение предела текучести (>70 Па) может способствовать возникновению напряжений, воздействующих на оптическое волокно. В то же время низкое значение предела текучести (< 25 Па) может повысить дренажные свойства компаунда, что ухудшает водоблокирующие характеристики материала.

Реологические характеристики стандартных компаундов фирмы Dussek Campbell [25] приведены на рис. 3.22, 3.23 и 3.24. Масла, содержащиеся в желеобразных компаундах, не должны вызывать набухания или повреждения акрилатного покрытия оптического волокна. Эта фирма провела испытания оптических волокон после ускоренного старения с целью определения критических напряжений, которые могут привести к образованию дефектов в покрытии оптического волокна. Соответствующие испытания были проведены также на окрашенных оптических волокнах, что позволило оценить стойкость кодирующей окраски к действию водоблокирующих компаундов.

Рис. 3.22. реологические характеристики стандартных водоблокирующих компаундов фирмы DussekCampbell

Рис. 3.22. реологические характеристики стандартных водоблокирующих компаундов фирмы DussekCampbell

Водоблокирующие компаунды не должны негативно влиять на полимерные материалы, которые используются в конструкциях волоконно-оптических кабелей. Для оценки возможного влияния были проведены испытания на абсорбцию по методу Дамббела при температуре 70оС в течение 28 суток. Значения величины абсорбции составили для полибутилентерефталата — 0 %, для полиэтилена высокой плотности — 5 %, для полиэтилена средней плотности — 6 %.

Основные водоблокирующие компаунды фирмы имеют следующие характеристики.

Оптифил-4900 совместим с полипропиленом. Рабочие температуры – от – 40оС до +85оС.

Оптифил-5264 совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры – от -60о'С до +80оС. Применяется в ленточных волоконно-оптических кабелях для заполнения трубок большого диаметра.

Оптифил-5264С совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры – от – 60оС до +100оС. Применяется в ленточных волоконно-оптических кабелях для заполнения трубок большого диаметра.

Оптифил-5270 совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры – от -60оС до +100оС. Применяется при изготовлении волоконно-оптических кабелей на высокоскоростных экструзионных линиях.

Оптифил-5300 модификация оптифила-5270. Совместим с полибутилентерефталатом. Стоимость материала снижена за счет одновременного снижения температурных и реологических характеристик.

Основные параметры внутримодульных заполнителей ряда других фирм приведены в табл. 3.13.

Остановимся на водоблокирующих лентах, например, фирмы Firet [26], которая выпускает неламинированные и ламинированные водоблокирующие ленты. Ленты: ЗС1144, ЗС1164, ЗС1174 — обладают высокой прочностью; ЗС1252, ЗЕ5672 — обладают высокой прочностью и полупроводимостью (используются также в качестве экрана); ЗЕ1154 — обладают высокой прочностью на разрыв и растяжение при высокой температуре; ЗЕ1241, ЗЕ1252-обладают повышенным сопротивлением старению и температурным нагрузкам; ЗЕ1091, ЗЕ5401, ЗЕ5421 — обладают малым весом для экономичного водоблокирования ОК; ЗС1450, ЗС1460-обладают способностью подклеивать экранную проволоку; ЗС1600 — обладают металлопроводящими свойствами и используются в качестве подушки под гофрированную алюминиевую оболочку.

В табл. 3.14 — 3.16 приведены основные характеристики водоблокирующих лент и нитей.

Материалы защитных покрытий. Оболочку ОК выполняют чаще всего из полиэтилена низкого, среднего и высокого давления, поливинилхлорида, полиуретана или фторопласта. Возможно выполнение оболочки из алюминия или стали.

Остановимся более подробно на характеристиках полиэтилена (ПЭ), как наиболее часто употребимого материала. Полиэтилен средней и высокой плотностей (более твердых видов) используется в ОК в связи с высокими показателями по прочности и сопротивлению деформации при высоких температурах. Самая высокая температура при постоянной эксплуатации не должна превышать 60 — 70оС с допуском кратковременного нагревания до 90оС, при условии, что кабель не подвергается одновременно механическому стрессу. Точка плавления ПЭ — приблизительно 110-130оС.

Таблица 3.13. Основные параметры внутримодульных гидрофобных заполнителей разных фирм

Параметр

SEPPIC

Н.В. Fuller

Dussek Campbell Limited

Бритиш

Петролеум Амоко

Henkel KGaA

Seppic GC

901

Seppic OF

300 SF

Lunectra

ОС 389

Lunectra OC

254 SI

Optifill 5255

Optifill 5261

Naptel Ор

308

Macroplast

CF 250

Macroplast

CF 300

Цвет

Прозрачно белый

Прозрачный

Оранжевый гель

Оранжевый гель

Белый

Бледно желтый

Белый

Плотность при 70оС г/смз

1,0

0,8

0,86

0,86

0,98

0,88

0,89-0,90

0,83

0,83

Температура вспышки, С

> 250

235

> 220

> 300

250

135

> 250

> 230

> 230

Содержание воды, ppm

< 300

< 300

< 100

< 100

< 100

< 100

Вязкость, cps

6500

3000

> 1000

> 1000

1500

4000

6500

Пенетрация, 1/мм

410±20

365

360

310

370

340

390-450

460

390

Отделение масла, %

< 0,6

< 1

0

< 0,5

0

0

< 8 за 24 ч

при 150оС

0

0

Выделение водорода, %

< 0,004

< 0,004

< 0,024

< 0,022

< 0,002

< 0,002

ТКЛР, 1/К

9х10-4

7х10-4

Температура каплепаде-ния, оС

> 100

> 200

Не плавится

Не плавится

> 200

Летучесть, %,

за24ч

< 1

150 оС

< 1

150 оС

< 0,03

100 оС

< 0,5

150 оС

< 2

150 оС

< 0,2

100 оС

< 0,2

100 оС

Таблица 3.14. Основные характеристики водоблокирующих лент фирмы Firet

Тип

ленты

Толщи-

на, мм

Масса

г/м2

Разрывная

прочность, Н/см

Удлинение,

%

Скорость

разбухания,

мм/мин

Высота разбухания, мм

ЗЕ 1101

0,25

72

30

12

4

5

ЗЕ 1111

0,30

82

30

12

6

7

ЗЕ 1131

0,35

77

40

12

5

6

ЗЕ 1141

0,35

87

40

12

7,5

9

ЗЕ 5721

0,3

80

40

12

9

11

Таблица 3.16. Основные характеристики водоблокирующих нитей фирмы Firet

Тип

нити

Диаметр, мм

Масса

г/м2

Разрывная

прочность, Н

Удлинение,

%

Поглощение воды, г/м

Масса на 9000 м

3WY003

0,35/0,35

0,09

20

15

1,6

775

3WY006

0,6/0,45

0,13

25

15

2,3

1140

3WY017

1,75/1,2

0,5

25

15

14

4500

3WY025

2,5/1,8

1

90

15

28

9000

Таблица 3.16. Основные характеристики водоблокирующих лент с ламинироваными нитями фирмы Firet

Тип

ленты

Толщи-

на, мм

Масса

г/м2

Разрывная

прочность, Н/см

Удлинение,

%

Скорость

разбухания,

мм/мин

Высота разбухания, мм

Пробивное напряжение,

кВ

ЗL 1120

0,25

85

35

12

3,5

5

ЗL 1542

0,29

85

30

13

9

10

ЗL 2542

0,3

103

59

15

9

10

5/5

Как и другие термопласты на холоде ПЭ становится жестким, хрупкость наступает при температуре около -65оС. Предел прочности при растяжении при 20оС составляет 10-25 МПа. Самое меньшее удлинение до наступления разрыва 500%. ПЭ стоек к старению; время эксплуатации материала практически не ограничено, если он применяется внутри помещения и не подвергается прямому солнечному свету. Если в ПЭ отсутствует стабилизатор ультрафиолетового излучения, то в материале образуются трещины. Самым распространенным стабилизатором ультрафиолетового излучения является газовая сажа. В связи с этим погодоустойчивый ПЭ, применяемый вне помещения, обычно черного цвета.

При комнатной температуре ПЭ имеет высокий уровень сопротивления на большую часть химикалий, масел и растворителей, обладает низким уровнем водопроницаемости по сравнению с ПХВ. Это означает, что ПЭ в качестве материала оболочки хорошо защищает от влаги кабель, используемый во влажных и сырых условиях.

Полиэтилен не содержит пластификаторы и поэтому не влияет на другие материалы миграцией пластификатора. Но при контакте с поливинилхлоридом, резиной и т.п. ПЭ может впитывать в себя малые количества пластификатора, поэтому его следует использовать в сочетании с безмиграционным поливинилхлоридом или применять какую-либо форму защиты против миграции пластификатора. Полиэтилен — воспламеняемый материал, для улучшения его огнестой кости используют разные добавки.

Полиэтиленовые композиции, использующиеся в качестве оболочек волоконно-оптических кабелей, должны иметь [27]: высокий модуль упругости и повышенную механическую прочность; малую усадку; низкий коэффициент трения.

Малая усадка полиэтиленового покрытия кабелей очень важна, так как при воздействии температурных циклов возникают растягивающие силы и как следствие, — микроизгибы волокна, что приводит к увеличению затухания оптического сигнала или даже обрывам волокна. Характеристики различных типов полиэтиленов, применяемых в кабельной промышленности, приведены в табл. 3.17.

Таблица 3.17. Характеристики полиэтиленов, используемых для оболочек и кабелей

Характеристика

Значения для

ПЭНП

ЛПЭНП

ПЭСП

ПЭВП

Показатель текучести расплава, г/30 мин

0,21

0,55

0,65

0,15

Плотность, кг/м3

931

932

945

958

Прочность на сжатие, MПa

9,3

11,3

16,5

23,7

Разрывная прочность, МПа

17,6

16,2

26,8

28,5

Удлинение, %

800

700

800

800

Модуль упругости, МПа

262

379

621

1000

Температура плавления, оС

110

119

125

130

Твердость по Шору

54

56

61

68

Сопротивление истиранию, мг/100 циклов

30

23

16

14

Скорость прохождения водяных паров, г/м2 24ч

18,0

11,5

7,9

4,9

Коэффициент абсорбции

440

440

440

440

Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц

2,48

2,48

2,54

2,55

tg δ

0,0003

0,0003

0,0003

0,0003

Примечание:

1. Все полиэтиленовые композиции содержат 2,5 % сажи. Скорость прохождения водных паров определяется по ASTM Е 96-80 при температуре 100оС и относительной влажности 90%. Широкое молекулярно-массовое распределение.

2. В табл. 3.17 и далее по тексту используются следующие сокращения: ПЭНП – полиэтилен низкой плотности; ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности; ПЭСП - полиэтилен средней плотности; ПЭВП - полиэтилен высокой плотности.

Таблица 3.18. Влияние плотности и показателя текучести расплава (ПТР) полиэтилена на степень усадки

Тип полиэтилена

ПТР,

г/10 мин

Степень усадки, %

ЛПЭНП

0,55

0,6

ПЭСП

0,7

2,0

ПЭСП

0,6

1,5

ПЭВП

0,15

3,5

ПЭВП

0,20

2,5

Зависимость характеристик полиэтилена от его плотности показана рис. 3.25. Для оболочек волоконно-оптических кабелей особенно важное значение имеет коэффициент температурного расширения и его зависимость от температуры (рис. 3.26). На степень усадки полиэтилена влияют его плотность и показатель текучести расплава (табл. 3.18).

Усадку определяли на медной проволоке, изолированной полиэтиленом; толщина изоляции составляла 1 мм.

Рис.3.25. Зависимость характеристик полиэтилена от его плотности

Рис.3.25. Зависимость характеристик полиэтилена от его плотности

Рис.3.26. Зависимость коэффициента температурного расширения от температуры для различных типов полиэтиленов

Рис.3.26. Зависимость коэффициента температурного расширения от температуры для различных типов полиэтиленов

Коэффициент трения материала непосредственно связан с его пластичностью и кристалличностью. При повышении плотности величина коэффициента трения снижается, одновременно увеличиваются усадка и жесткость. Коэффициент трения и кристалличность полимера зависят также в сильной степени от условий экструзии и охлаждения.

Быстрое охлаждение слоя материала снижает его кристалличность, приводит к возникновению внутренних напряжений и большой усадки.

Термопластиковый полиуретановый эластомер (TPU) относительно дорогой материал, и в связи с этим не так широко применяется в кабельном производстве. Однако он обладает первоклассными механическими характеристиками, такими как высокий показатель предела прочности при растяжении (30 — 50 МПа) и выдерживает натяжение в 400 — 700 % до наступления разрыва. Замечательные показатели по абразивному износу указывают на исключительную пригодность материала в качестве оболочки для кабелей с потребностью в таком показателе, например, для военных полевых кабелей и кабелей в двигающихся частях разных машин. Полиуретан сохраняет свою гибкость при t = -40оС и обладает хорошим сопротивлением к маслам, нефти, большинству растворителей, кислороду и озону. TPU не содержит пластификаторы и поэтому не оказывает влияния на другие материалы миграцией пластификатора.

Поливинилхлорид (ПВХ), смесь поливинилхлорида, пластификаторов, стабилизаторов и других материалов, которые могут изменяться в виде и градации. Поливинилхлорид размягчается под действием температуры и твердеет при понижении температуры. Мягкость при различной температуре зависит от количества пластификатора, поэтому его рекомендуется использовать при рабочей температуре не ниже — 10оС. Если не указано, то поливинилхлорид для изготовления оболочек можно использовать при температуре окружающей среды +70оС. При инсталляции с высокой температурой необходимо соблюдать предосторожность, чтобы не подвергать кабель постоянному воздействию высокой нагрузки. При температуре около 100оС на протяжении длительного периода времени стандартный ПВХ будет становиться жестким, это обусловлено выпариванием пластификаторов из материала. Специальные компаунды, такой как ПВХ 105, одобренные SEMKO для длительного использования при температуре +105оС, содержат меньшее количество летучих пластификаторов и таким образом сохраняют мягкость более длительное время.

Поливинилхлорид имеет высокую прочность и сопротивление разрыву. Для различных областей применения может быть подобрана различная прочность материала через рецептуру различных видов ПВХ с содержанием пластификаторов. Поливинилхлорид имеет практически неограниченный срок службы, если не используется вне помещении. Для использования вне помещения наиболее подходит черный ПВХ, но ПВХ светлого цвета с соответствующим составом может также обладать высоким сопротивлением воздействию окружающей среды. Он имеет высокую сопротивляемость к воздействию озона, а также к воздействию кислот, щелочей, машинных масел и других растворителей. Однако некоторые растворители масла могут выделять пластификаторы из ПВХ, делая его твердым. Сопротивление этим маслам и растворителям можно улучшить, если использовать ПВХ с меньшей возможностью выделения пластификаторов. Из-за выделения пластификаторов после длительного контакта с лакированными поверхностями или другими пластическими материалами ПВХ может делать эти поверхности липкими и привести к дальнейшим изменениям их свойств. Лаки на основе целлюлозы и полистиролы особенно подвержены влиянию, а термоусаживаемые пластики и эмалированные поверхности менее уязвимы этими эффектами. Чистый, жесткий ПВХ содержит 57% соединений хлора, которые делают материал негорючим. Хлор (как гидрохлоридная кислота) подавляет процесс горения в горючих газах.

Поливинилхлорид, используемый в кабелях, может смягчаться при добавлении различных материалов, которые во многих случаях являются горючими и уменьшают самозатухающие свойства ПВХ, в основном, при повышенной температуре. С помощью добавления различных пламязадерживающих химикатов, эти свойства могут быть значительно улучшены даже в случае стандартного ПВХ и высокой температуры.

Самозатухающие свойства ПВХ могут быть установлены с помощью лабораторных измерений кислородного индекса, температуры самовозгорания и с помощью простых методов испытания огнем.

Полиамид (ПIA, нейлон) в основном используется как защитное покрытие полиэтиленовых иди ПВХ оболочек в кабелях, которые подвергаются значительным механическим воздействиям (таким как термиты и мелкие грызуны) или воздействию химических веществ, а также в качестве буферного покрытия для волокон.

ПА может использоваться в большом температурном диапазоне и сохранять свои свойства при рабочей температуре до +90оС. Температура его размягчения приблизительно 150оС, и он остается гибким при температуре ниже — 40оС.

По сравнению с ПВХ и ПЭ полиамид является более прочным материалом, с разрывной прочностью при температуре 20'С менее 50 МПа и удлинением разрыва не менее 100 %.

Полиамид очень долговечный материал и хорошо сопротивляется воздействию окружающей среды. Он также обладает высокой защищенностью к воздействию химикатов, масел и прочих растворителей. Кроме того, полиамид не содержит каких-либо пластификаторов и поэтому не влияет на другие материалы через миграцию пластификаторов. Он не взаимодействует с ПВХ.

Фторопласты, содержащие галогены фгора и хлора в различных концентрациях, также часто используются в качестве материала для оболочек оптических кабелей. Механические свойства этих материапов очень хорошие. Температурные свойства фторопластов, их прочность, стойкость к старению, маслам, огню и химикатам позволяют использовать их в очень широком температурном диапазоне и условиях окружающей среды, где другие материалы не могут использоваться.

Пламязадерживающие галогенонесодержспцие материалы используются для оболочек кабелей, к которыми предъявляются особые требования. Одним из таких наиболее часто используемых наполнителей является триоксид алюминия А1(ОН)3. При температуре немного выше 200оС происходит выпаривание и формирование воды, обусловленное уменьшением триоксида алюминия. Этот процесс понижает температуру до значения ниже точки воспламенения, в то же время вода приводит к уничтожению огня. Выпаривание воды также снижает концентричность горючих газов. В результате образуется пламязадерживающий материал оксид алюминия А12О3. Температурные и механические свойства, стойкость к воздействию химикатов этих материалов зависит от полимерной основы и степени наполнителей.

Ряд конструкций ОК требует для своих оболочек и защитных шлангов безгалогенных, огнестойких материалов, применяемых, в основном для оболочек, для предотвращения выделения едких и токсичных газов при воспламенении. Малое выделение дыма облегчает тушение пожара и предоставляет дополнительное время для эвакуации.

На протяжении последних лет многие ведущие производители полимерных материалов из США, Западной Европы и Японии разработали и освоили производство термопластичных и сшиваемых безгалогенных композиций для изоляции, заполнения оболочек кабелей, а также для термоусаживаемых изделий (электроизоляционные трубки, перчатки).

Анализ данных, заимствованных из проспектов различных фирм-изготовителей, позволяет составить представление о диапазоне достигнутых значений наиболее критичных параметров таких композиций (табл. 3.19).

Таблица 3.19. Диапазон основных параметров выпускаемых безгалогенных полимерных композиций

Полимерная

компизиция

Прочность при

разрыве, МПа

Относительное удлинение при разрыве, %

Кислородный индекс, %

Термопластичные

изоляция

оболочка

7,5...13

7...16

140...600

27...50

35…50

Сшитые

изоляция

оболочка

10...14

9...13

125...350

125... 160

23...30

30…40

Типичный безгалогенный полимерный электроизоляционный материал представляет собой полимерную основу (чаще всего гомополимер или сополимер олефинового ряда, эластомер или их комбинация), наполненную мелкодисперсным гидратом алюминия или магния и содержащую некоторые функциональные добавки. При воздействии пламени на такую композицию протекает эндотермическая реакция разложения гидратов с выделением воды. Пары выделившейся воды разбавляют горючие газы, образующиеся при термическом разложении полимерной основы, и экранируют поверхность полимера от воздействия кислорода. Образующиеся окислы металлов создают для полимера дополнительный изолирующий от кислорода слой. Для достижения заметного эффекта содержание гидратов металлов должно быть достаточно большим (50 — 60%), поэтому дополнительный эффект достигается за счет физического «разбавления» полимера минеральной добавкой и, следовательно, относительно снижается количество горючих газов, выделяющихся при его термическом разложении.

Подобные композиции характеризуются также тем, что образующиеся при воздействии открытого пламени газообразные продукты не являются коррозионно-активными (в их составе отсутствуют галогены), плотность дыма и токсичность выделяемых при горении газов относительно невелики.

Качественная оценка ПВХ [19] пластикатов различных рецептур приведена в табл. 3.20.

Таблица 3.20. Качественная оценка ПВХ пластикатов для различных областей применения

Марка,

рецептура ПВХ пластикатов

Область применения по показателям пожарной безопасности

И 40-1ЗА

О-40

Для изоляции и оболочек кабелей общепромышленного назначения, к которым предъявляются требования по нераспространению горения для одиночных образцов без предъявления требований по показателям дымогазовыдежния

НГП 40-32

НГП 30-32

Для оболочек кабелей, не распространяющих горение при групповой прокладке, безпредъявления требований по дымогазовыделению

ИНП

ОНП

ОНП-В

Для изоляции, внутренней оболочки (заполнения) и наружной оболочки кабелей, не распространяющих горение при групповой прокладке, если предъявлены требования по коррозионной активности продуктов горения, токсичности и дымовыделению (АЭС, электростанции, метрополитены, суда, высотные здания и др.)

Рис. 3.21. Относительная стоимость ПВХ пластикатов

Марка, рецептура ПВХ пластикатов

Относительная стоимость

И 40-13А (8/2)

100

О 40 (239/1)

96

НГП 40-32

96

НГП 30-32

116

ИНП

95

ОНП

87

ОНП-В

83

Сегодня выбор типа пластиката во многом зависит от его цены. Данные по суммарной стоимости сырьевых компонентов рассматриваемых рецептур ПВХ пластикатов приведены в табл. 3.21. Расчет проводился на одну тонну сырья и для удобства сравнения стоимость одной тонны сырьевых компонентов изоляционного ПВХ пластиката серийной рецептуры 8/2 (марка И 40-13A) принята за 100%. Из приведенных данных видно, что несмотря на существенные технические преимущества ПВХ пластикатов с пониженной пожарной опасностью, их себестоимость, как минимум, не превышает себестоимость серийных ПВХ пластиков. В настоящее время работы по дальнейшему улучшению технических и экономических показателей пластикатов типа НП продолжаются.

Материалы для защиты от грызунов. В качестве брони может быть использована стальная проволока, стеклопластиковые стержни, ленты или оплетка из стальных проволок с джутовой подушкой или защитным шлангом. Выбор материала защитного шланга или брони во многом определяют условия и регионы эксплуатации кабельного изделия. Например, кабели, уложенные вдоль железнодорожных путей, в метро, полевые кабели связи наиболее часто подвергаются повреждениям различными грызунами, насекомыми, вплоть до полного уничтожения целых участков изоляции по всей толщине.

Наибольшую опасность представляют: в тропической зоне термиты, проникающие не только через самые твердые сорта древесины, но и через любые полимерные материалы, которые приводят их в негодность за считанные часы; в более прохладном климате различные виды крыс, луговая собака, малый суслик, полевки, белки и пр.

Основные виды защиты от грызунов можно разделить на две группы. Первая группа включает химические способы защиты с помощью ядохимикатов и репеллентов. Так как ядохимикаты часто приводят к гибели некоторых видов растений и животных, не представляющих угрозы для кабелей, то предстоит еще дополнительная работа по достижению избирательности применяемых веществ данного типа.

Репелленты осуществляют более надежную, безопасную для окружающей среды и эффективную защиту кабелей с пластмассовой изоляцией. Наиболее эффективным является репеллент, состоящий из (5 — 7)% дегидроабиэтиламинпентахлорфенола (ДГЭАПХФ) и (6— 7)% трибугилхлорида олова (ТБХО). В качестве основы рекомендуют применять винилкаучук. Другой репеллент содержит 100 массовых частей полибутилентерефталата (ПБТФ) и 50 массовых частей растворенного в нем полимерного порошка. Специалисты США предлагают на поверхность кабеля, выполненную из полимерного материала, наносить слой из ионов лития с защитной полимерной оболочкой, сохраняющей активность достаточно длительное время.

Вторая группа включает различные виды металлических оболочек, экранов и специальных видов брони. В последнее время кабельная промышленность для реализации стальных оболочек широко стала применять металлические ленты с покрытием. Мировым лидером в области защиты ОК стала фирма DOW. Она выпускает ламинированные алюминиевые и стальные ленты.

Бронированные оптические кабели обычно изготовляются с помощью одной стальной двусторонне покрытой пластиком ленты толщиной 0,115 мм. Эта лента гофрируется и затем продольно формируется вокруг сердечника кабеля. Сталь, покрытая пластиком, обеспечивает образование связи между пластиковым покрытием на стали и полимером внешней оболочки, результатом которой является так называемая «сцепленная оболочка». Структура «сцепленной оболочки» имеет повышенный прогиб, улучшенные прочность на пробой и сопротивление раздавливанию, а также более высокое сопротивление удару [28].

Основные физические характеристики таких лент (например типа Zetabon *S252) [13], следующие:

Металл

Толщина…………………………………………… 0,115 мм + 0,012 мм

Максимальное растягивающее усилие………….. 380 МПа

Минимальное удлинение………………………… 15%

Покрытие

Толщина…………………………………………… 0,055 мм ± 0,0055 мм

Производительность……………………………… 0,966 м2/кг

Характеристики клейкости ленты типа Zetabon *S252 приведены в табл. 3.22.

Таблица 3.22. Характеристики клейкости покрытия ленты

Характеристики

Условия

Методы испытания

Основные результаты (значения)

Отслаивание, Н/м

Покрытие с металлом

DOW СМ-1

840

Тепловая сварка, Н/м

Покрьггие с покрытием

DOW СМ-3

3150

Прилипание к оболочке, Н/м

Покрьггие с оболочкой

DOWCM-4

2800

Эффект старения

После 1 недели при

температуре 68оС

DOW СМ-1

Без ухудшения

Рис. 3.27. Зависимость между прочностью на растяжениеи удлинением оболочки для покрытой стали и полимера LLDPE защитного шланга

Рис. 3.27. Зависимость между прочностью на растяжениеи удлинением оболочки для покрытой стали и полимера LLDPE защитного шланга

Рис. 3.28. Характеристика изгиба кабеля в зависимости от толщины защитного шланга для покрытой стали и полимера внешней оболочки LLDPE, оправка 7х

Рис. 3.28. Характеристика изгиба кабеля в зависимости от толщины защитного шланга для покрытой стали и полимера внешней оболочки LLDPE, оправка 7х

Функциональные возможности оболочки кабеля, выполненной из таких лент, зависят в первую очередь от глубины и плотности гофрирования. Кроме того, правильное внедрение покрытой стали в защитный шланг кабеля улучшает механические свойства кабеля, обеспечивает радиальный барьер влажности при закрытии перекрывающего шва и продольного барьера влажности при соединении покрытой стали с внешней оболочкой, а также коррозионную защиту для металлической ленты. Эти преимущества зависят от правильности проведения технологического процесса во время изготовления кабеля.

На рис. 3.27 и 3.28 показана зависимость между прочностью на растяжение и удлинением, а также зависимость числа изгибов ОК, разрушающих оболочку, от толщины защитного шланга кабеля.

Волоконно-оптические кабели и линии связи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.