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 | нит- рона | сульфона | фенилона | ари- мида | высоко- модуль- ного ви- нола | лавсана термофикси- рованного | |
| Разрывная прочность, МПа | |||||||||
| Относительное удлинение, % | 4,6 | 2,3 | 7,6 | 11,7 | 12,8 | 20,8 | 8,5 | 4,7 | 9,8 |
| Толщина, текс | 22,7 | 31,2 | 16,6 | 14,2 | 14,2 | 93,4 | |||
| Прочность в узле, %, от исходной прочности | 64,7 | ||||||||
| Грибостойкость после воздействия микроорганизмов в течение 30 суток, балл | — | — | |||||||
| 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 | 86,4 | 88,2 80,0 83,3 | 97,3 72,0 разрушение | 85,4 56,2 31,7 разрушение | 79,4 76,4 85,3 — 73,5 88,2 — — — — | 83,3 92,0 81,0 94,2 83,3 | 91,7 85,7 87,7 разрушение | 52,5 разрушение разрушение разрушение разрушение разрушение разрушение | разрушение разрушение — разрушение |
| Усадка после воздействия, %: температуры, 'С 150- 1ч 250 — 1ч 300- 1ч пара при давлении 0,4 МПа — 40 мин. | 0,1 | 0,06 0,48 0,4 | 0,4 | 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 | 1,44 | 2,5 3,6 | -2х 10-6 | ||
| Тварон 2200 | 1,45 | 2,7 2,5 | -3х10-6 | ||
| Стальная проволока | 7,86 | 2,0 | 6,6х10-6 | ||
| Силикатное стекловолокно | 2,48 | 5,4 | 3,1х10-6 | ||
| Высокопрочное полиэтиленовое волокно | 0,98 | 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 | 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 | >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 | — |
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.
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.
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 | Seppic OF 300 SF | Lunectra ОС 389 | Lunectra OC 254 SI | Optifill 5255 | Optifill 5261 | Naptel Ор | 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 | > 220 | > 300 | > 250 | > 230 | > 230 | |||
| Содержание воды, ppm | < 300 | < 300 | < 100 | < 100 | — | — | — | < 100 | < 100 |
| Вязкость, cps | — | — | > 1000 | > 1000 | |||||
| Пенетрация, 1/мм | 410±20 | 390-450 | |||||||
| Отделение масла, % | < 0,6 | < 1 | < 0,5 | < 8 за 24 ч при 150оС | |||||
| 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 | |||||
| ЗЕ 1111 | 0,30 | |||||
| ЗЕ 1131 | 0,35 | |||||
| ЗЕ 1141 | 0,35 | 7,5 | ||||
| ЗЕ 5721 | 0,3 |
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 | 1,6 | |||
| 3WY006 | 0,6/0,45 | 0,13 | 2,3 | |||
| 3WY017 | 1,75/1,2 | 0,5 | ||||
| 3WY025 | 2,5/1,8 |
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 | 3,5 | — | ||||
| ЗL 1542 | 0,29 | — | |||||
| ЗL 2542 | 0,3 | 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 | ||||
| Прочность на сжатие, MПa | 9,3 | 11,3 | 16,5 | 23,7 |
| Разрывная прочность, МПа | 17,6 | 16,2 | 26,8 | 28,5 |
| Удлинение, % | ||||
| Модуль упругости, МПа | ||||
| Температура плавления, оС | ||||
| Твердость по Шору | ||||
| Сопротивление истиранию, мг/100 циклов | ||||
| Скорость прохождения водяных паров, г/м2 24ч | 18,0 | 11,5 | 7,9 | 4,9 |
| Коэффициент абсорбции | ||||
| 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.
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