1 Введение
В связи с быстрым развитием коммуникационных технологий за последнее десятилетие область применения волоконно-оптических кабелей значительно расширилась. По мере того, как растут требования к окружающей среде, предъявляемые к волоконно-оптическим кабелям, увеличиваются и требования к качеству используемых в них материалов. Водонепроницаемая лента для волоконно-оптических кабелей — распространенный водонепроницаемый материал, используемый в волоконно-оптической промышленности. Ее роль в герметизации, гидроизоляции, защите от влаги и буферизации волоконно-оптических кабелей получила широкое признание, а ее разновидности и характеристики постоянно улучшались и совершенствовались с развитием волоконно-оптических кабелей. В последние годы в оптические кабели была внедрена структура «сухого сердечника». Этот тип водонепроницаемого материала для кабелей обычно представляет собой комбинацию ленты, нитей или покрытия, предотвращающую продольное проникновение воды в сердечник кабеля. С ростом популярности волоконно-оптических кабелей с сухим сердечником, материалы для них быстро вытесняют традиционные наполнители для кабелей на основе вазелина. В качестве материала сухого сердечника используется полимер, который быстро впитывает воду, образуя гидрогель, который набухает и заполняет каналы проникновения воды в кабеле. Кроме того, поскольку материал сухого сердечника не содержит липкой смазки, для подготовки кабеля к сращиванию не требуются салфетки, растворители или чистящие средства, что значительно сокращает время сращивания кабеля. При этом сохраняется малый вес кабеля и хорошее сцепление между внешней армирующей нитью и оболочкой, что делает его популярным выбором.
2. Влияние воды на кабель и механизм водостойкости.
Основная причина, по которой необходимо принимать различные меры по предотвращению попадания воды в кабель, заключается в том, что вода, попадающая в кабель, разлагается на ионы водорода и OH-, что увеличивает потери при передаче по оптическому волокну, снижает его характеристики и сокращает срок службы кабеля. Наиболее распространенными мерами по предотвращению попадания воды являются заполнение зазора между жилой и оболочкой кабеля нефтяной пастой и водоотталкивающей лентой, которые предотвращают вертикальное распространение воды и влаги, тем самым обеспечивая защиту от воды.
При использовании синтетических смол в больших количествах в качестве изоляторов в волоконно-оптических кабелях (в первую очередь в кабелях) эти изоляционные материалы также не застрахованы от проникновения воды. Образование «водяных древовидных структур» в изоляционном материале является основной причиной ухудшения характеристик передачи. Механизм, посредством которого изоляционный материал подвергается воздействию «водяных древовидных структур», обычно объясняется следующим образом: из-за сильного электрического поля (другая гипотеза заключается в том, что химические свойства смолы изменяются под воздействием очень слабого разряда ускоренных электронов) молекулы воды проникают через различное количество микропор, присутствующих в оболочке волоконно-оптического кабеля. Молекулы воды будут проникать через различное количество микропор в материале оболочки кабеля, образуя «водяные древовидные структуры», постепенно накапливая большое количество воды и распространяясь в продольном направлении кабеля, влияя на его характеристики. После многолетних международных исследований и испытаний, в середине 1980-х годов, был найден оптимальный способ производства водоотводящих ветвей: перед экструзией кабеля в кабель был обернут слоем водопоглощающего и расширяющегося водонепроницаемого барьера, который замедлял и препятствовал росту ветвей, блокируя проникновение воды внутрь кабеля и предотвращая его продольное распространение; в то же время, из-за внешних повреждений и проникновения воды, водонепроницаемый барьер также мог быстро блокировать воду, не допуская её продольного распространения по кабелю.
3. Обзор кабельного водонепроницаемого барьера
3.1 Классификация водонепроницаемых барьеров для волоконно-оптических кабелей
Существует множество способов классификации водонепроницаемых материалов для оптических кабелей, которые можно разделить по структуре, качеству и толщине. В целом, их можно классифицировать по структуре: двухсторонние ламинированные водонепроницаемые материалы, односторонние водонепроницаемые материалы с покрытием и композитные пленочные водонепроницаемые материалы. Водонепроницаемая функция водонепроницаемого материала в основном обусловлена материалом с высокой водопоглощающей способностью (называемым водонепроницаемым материалом), который быстро набухает при контакте с водой, образуя большой объем геля (водонепроницаемый материал может поглощать в сотни раз больше воды, чем сам), тем самым предотвращая образование водоотводящих ветвей и препятствуя дальнейшему проникновению и распространению воды. К таким материалам относятся как природные, так и химически модифицированные полисахариды.
Несмотря на то, что эти природные или полуприродные водоотталкивающие средства обладают хорошими свойствами, у них есть два существенных недостатка:
1) они биоразлагаемы и 2) обладают высокой воспламеняемостью. Это делает их маловероятным использование в материалах для волоконно-оптических кабелей. Другой тип синтетического материала в водостойком материале представлен полиакрилатами, которые могут использоваться в качестве водостойких материалов для оптических кабелей, поскольку они отвечают следующим требованиям: 1) в сухом состоянии они могут противодействовать напряжениям, возникающим при производстве оптических кабелей;
2) В сухом состоянии они выдерживают условия эксплуатации оптических кабелей (термические циклы от комнатной температуры до 90 °C) без ущерба для срока службы кабеля, а также могут выдерживать высокие температуры в течение коротких периодов времени;
3) При попадании воды они быстро набухают и образуют гель со скоростью расширения.
4) образуют высоковязкий гель, вязкость которого остается стабильной даже при высоких температурах в течение длительного времени.
Синтез водоотталкивающих средств можно условно разделить на традиционные химические методы – метод обращенно-фазовой полимеризации (метод сшивания полимеризацией «вода в масле»), собственные методы сшивания полимеризацией – дисковый метод, метод облучения – метод гамма-излучения «кобальта-60». Метод сшивания основан на методе гамма-излучения «кобальта-60». Различные методы синтеза имеют разную степень полимеризации и сшивания, и поэтому предъявляют очень строгие требования к водоотталкивающему агенту, необходимому в водоотталкивающих лентах. Лишь очень немногие полиакрилаты могут соответствовать вышеуказанным четырем требованиям. Согласно практическому опыту, водоотталкивающие агенты (водопоглощающие смолы) не могут использоваться в качестве сырья для однокомпонентного сшитого полиакрилата натрия, а должны применяться в многокомпонентном методе сшивания (т.е., в смеси различных компонентов сшитого полиакрилата натрия) для достижения цели быстрого и многократного водопоглощения. Основные требования: коэффициент водопоглощения должен достигать примерно 400 раз, скорость водопоглощения должна обеспечивать поглощение 75% воды водоотталкивающим составом за первую минуту; требования к термической стабильности водоотталкивающего состава при высыхании: долговременная термостойкость 90°C, максимальная рабочая температура 160°C, мгновенная термостойкость 230°C (особенно важно для фотоэлектрических композитных кабелей с электрическими сигналами); требования к стабильности после образования геля при водопоглощении: после нескольких термических циклов (20°C ~ 95°C) стабильность геля после водопоглощения должна быть высокой вязкости и прочности после нескольких термических циклов (от 20°C до 95°C). Стабильность геля значительно варьируется в зависимости от метода синтеза и используемых материалов производителя. При этом не следует считать, что чем быстрее скорость расширения, тем лучше; некоторые продукты стремятся к максимальной скорости, а использование добавок не способствует стабильности гидрогеля, разрушая водоудерживающую способность и не обеспечивая водостойкости.
3.3 Характеристики водонепроницаемой ленты. Поскольку кабель в процессе производства, испытаний, транспортировки, хранения и эксплуатации подвергается воздействию окружающей среды, с точки зрения использования оптического кабеля, требования к водонепроницаемой ленте для кабеля следующие:
1) Внешнее распределение волокон, композитные материалы без расслоения и порошкообразного покрытия, обладающие определенной механической прочностью, подходящие для нужд кабеля;
2) однородное, воспроизводимое, стабильное качество, при формировании кабеля не будет расслоения и образования
3) высокое давление расширения, высокая скорость расширения, хорошая стабильность геля;
4) хорошая термическая стабильность, подходит для различных последующих обработок;
5) высокая химическая стабильность, не содержит коррозионных компонентов, устойчив к бактериальной и плесневой эрозии;
6) хорошая совместимость с другими материалами оптического кабеля, устойчивость к окислению и т. д.
4. Стандарты эффективности защиты оптических кабелей от воды
Многочисленные результаты исследований показывают, что недостаточная водостойкость негативно влияет на долговременную стабильность характеристик передачи кабеля. Этот вред трудно обнаружить в процессе производства и заводской инспекции оптоволоконного кабеля, но он постепенно проявляется в процессе прокладки кабеля после его эксплуатации. Поэтому своевременная разработка всеобъемлющих и точных стандартов испытаний, обеспечивающих основу для оценки, приемлемой для всех сторон, стала неотложной задачей. Обширные исследования, изыскания и эксперименты автора в области водонепроницаемых лент обеспечили адекватную техническую основу для разработки технических стандартов для водонепроницаемых лент. Параметры водонепроницаемости определяются на основе следующих критериев:
1) требования стандарта на оптический кабель для водонепроницаемых элементов (в основном, требования к материалу оптического кабеля, указанные в стандарте на оптический кабель);
2) опыт в производстве и использовании водонепроницаемых барьеров и соответствующие протоколы испытаний;
3) Результаты исследований влияния характеристик водонепроницаемых лент на рабочие характеристики волоконно-оптических кабелей.
4. 1 Внешний вид
Внешний вид водонепроницаемой ленты должен характеризоваться равномерным распределением волокон; поверхность должна быть ровной и без складок, заломов и разрывов; не должно быть разрывов по ширине ленты; композитный материал должен быть свободен от расслоения; лента должна быть плотно намотана, а края ленты, используемой для ручного нанесения, не должны иметь «соломенной шляпы».
4.2 Механическая прочность водонепроницаемой прокладки
Прочность на разрыв водонепроницаемой ленты зависит от способа изготовления нетканой полиэстерной ленты; при одинаковых количественных условиях метод с использованием вискозы обеспечивает лучшую прочность на разрыв, чем метод горячей прокатки, а также меньшую толщину. Прочность на разрыв водонепроницаемой ленты варьируется в зависимости от способа обмотки кабеля.
Это ключевой показатель для двух типов водонепроницаемых лент, для которых метод испытаний должен быть унифицирован с учетом устройства, жидкости и процедуры испытания. Основным водонепроницаемым материалом в водонепроницаемой ленте является частично сшитый полиакрилат натрия и его производные, которые чувствительны к составу и характеру воды, а также к требованиям к качеству воды. Для унификации стандарта высоты набухания водонепроницаемой ленты следует отдавать предпочтение деионизированной воде (в арбитраже используется дистиллированная вода), поскольку в деионизированной воде отсутствуют анионные и катионные компоненты, что делает ее практически чистой водой. Коэффициент поглощения водопоглощающей смолы в воде разного качества сильно различается: если коэффициент поглощения в чистой воде составляет 100% от номинального значения, то в водопроводной воде он составляет от 40% до 60% (в зависимости от качества воды в каждом конкретном месте); в морской воде — 12%; в подземных или водоотводных водах ситуация сложнее, определить процент поглощения трудно, и его значение будет очень низким. Для обеспечения водонепроницаемости и увеличения срока службы кабеля рекомендуется использовать водонепроницаемую ленту с высотой набухания более 10 мм.
4.3 Электрические свойства
В целом, оптический кабель не содержит металлических проводников для передачи электрических сигналов, поэтому в нем не используется полупроводниковая резистивная лента, за исключением, например, ленты для защиты оптического кабеля от влаги (см. статью Ван Цяна, стр. 33).
Электрический композитный кабель до появления электрических сигналов, особые требования к конструкции кабеля, установленные договором.
4.4 Термическая стабильность Большинство разновидностей водонепроницаемых лент соответствуют требованиям термической стабильности: долговременная термостойкость до 90°C, максимальная рабочая температура 160°C, мгновенная термостойкость 230°C. Характеристики водонепроницаемой ленты не должны изменяться после определенного периода времени при данных температурах.
Прочность геля должна быть наиболее важной характеристикой вспучивающегося материала, в то время как коэффициент расширения используется только для ограничения длины начального проникновения воды (менее 1 м). Хороший вспучивающийся материал должен иметь правильный коэффициент расширения и высокую вязкость. Плохой водонепроницаемый материал, даже с высоким коэффициентом расширения и низкой вязкостью, будет обладать плохими водонепроницаемыми свойствами. Это можно проверить, проведя ряд термических циклов. В условиях гидролиза гель разрушится на жидкость с низкой вязкостью, что ухудшит его качество. Это достигается путем перемешивания суспензии чистой воды, содержащей набухающий порошок, в течение 2 часов. Полученный гель затем отделяют от избытка воды и помещают во вращающийся вискозиметр для измерения вязкости до и после 24 часов при 95°C. Можно увидеть разницу в стабильности геля. Обычно это делается в циклах по 8 часов от 20°C до 95°C и по 8 часов от 95°C до 20°C. Соответствующие немецкие стандарты требуют 126 циклов по 8 часов.
4.5 Совместимость Совместимость водонепроницаемого барьера является особенно важной характеристикой, влияющей на срок службы волоконно-оптического кабеля, и поэтому ее следует учитывать в отношении материалов, используемых в волоконно-оптическом кабеле. Поскольку совместимость проявляется не сразу, необходимо использовать ускоренный тест на старение, то есть образец материала кабеля протирают насухо, обматывают слоем сухой водонепроницаемой ленты и выдерживают в камере с постоянной температурой 100 °C в течение 10 дней, после чего проводят взвешивание. Прочность на разрыв и удлинение материала не должны изменяться более чем на 20% после теста.
Дата публикации: 22 июля 2022 г.