Материалы оптических волокон из кварцевого стекла

0

0

Выделение водорода, %

--

--

< 0,004

< 0,004

< 0,024

< 0,022

--

< 0,002

< 0,002

ТКЛР, 1/К

--

--

--

--

9х10^-4

7х10^-4

--

--

--

Температура каплепадения, ^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 13. 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 14. 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 15. 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 -65^оС. Предел прочности при растяжении при 20^оС 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.

Таблица 16. 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 д	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 100^оС и относительной влажности 90%. Широкое молекулярно-массовое распределение.

2. В табл. 16 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 17. 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 на рис. Для оболочек волоконно- оптических кабелей особенно важное значение имеет коэффициент температурного расширения и его зависимость от температуры. На степень усадки полиэтилена влияют его плотность и показатель текучести расплава (табл.18).

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

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 = -40^оС 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 -- 10^оС. Если не указано, то поливинилхлорид для изготовления оболочек можно использовать при температуре окружающей среды +70^оС. При инсталляции с высокой температурой необходимо соблюдать предосторожность, чтобы не подвергать кабель постоянному воздействию высокой нагрузки. При температуре около 100^оС 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 +105^оС, 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 +90^оС. Температура его размягчения приблизительно 150^оС, и он остается гибким при температуре ниже -- 40^оС.

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 200^оС 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.18).

Таблица 18. 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. 19.

Таблица 19. 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, без предъявления 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.)



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.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:

Характеристики клейкости ленты типа Zetabon *S252 приведены в табл. 20.

Таблица 20 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. Характеристика изгиба кабеля в зависимости от толщины защитного шланга для покрытой стали и полимера внешней оболочки LLDPE, оправка 7х

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

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

Список литературы

Д.В. Иоргачев, О.В. Бондаренко Волоконно-оптические кабели и линии связи. -- М.: Эко-Трендз, 2002.