Основные материалы, используемые при изготовлении оптических кабелей (часть 1)

1. Общие сведения

При изготовлении ОК помимо ОВ используются следующие основные материалы:

  • краски ("чернила") для окраски ОВ;
  • заполнители (гидрофобные компаунды, порошки, водоблокирующие нити и ленты) для защиты ОК от распространения влаги;
  • полибутилентерефталат, поликарбонат, полиамид для изготовления оптических модулей;
  • полиэтилентерефталатные ленты для скрепления элементов сердечника ОК;
  • полиэтиленовые композиции для изготовления корделей;
  • стеклопластиковые стержни, арамидные нити, стальная проволока для силовых элементов;
  • алюминиевая и стальная лента для изготовления комбинированных оболочек ОК;
  • полиэтиленовые композиции, поливинилхлоридные пластикаты, полиуретаны, полиамиды для изготовления наружных оболочек ОК.

Характеристики основных материалов, используемых при изготовлении ОК, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики материалов, используемых для изготовлении оптических кабелей.

 

Материал Модуль Юнга, Н/мм2 Плотность, г/см3 Коэффициент термического расширения, 1/°К
Кварцевое стекло 72500 2,20 5,5·10-7
Полибутилентерефталат 1600 1,31 1,5·10-4
Полиамид 1700 1,06 7,8·10-5
Поликарбонат 2300 1,20 6,5·10-5
Арамидное волокно 100000 1,45 -2·10-6
Стеклопластик 5000... 6000 6,6·10-6
Сталь 200 000 7,8 1,3·10-5
ПЭНП 200... 300 0,92 (1...2,5)·10-4
ПЭСП 400... 700 0,93 (1...2,5) 10-4
ПЭВП 1000 0,95 (1...2,5)·10-4
ПВХ пластикат 60 1,3 1,5·10-4

 

В качестве материалов для изготовления оптических модулей используются в основном полибутилентерефталат, поликарбонат и полиамид, имеющие механические характеристики, обеспечивающие защиту ОВ, размещаемых внутри оптических модулей, от внешних воздействий.

Кордели (конструктивные элементы заполнения сердечника ОК повинной скрутки, используемые в качестве элементов заполнения сердечника) изготавливаются в виде сплошных стержней диаметром, аналогичным диаметру оптических модулей, из полиэтиленовых композиций. В ряде случаев взамен корделей используют оптические модули с гидрофобным заполнителем, не содержащие ОВ.

В настоящей главе приведены лишь основные сведения по материалам для изготовления ОК. В частности, не приводятся характеристики скрепляющих и кодирующих лавсановых нитей, "чернил" ультрафиолетового отверждения для окраски ОВ и т.д.

Приводимые технические характеристики являются усреднёнными и не содержат ссылок на методы их определения.

При изготовлении ОК могут быть использованы равноценные материалы и изделия различных производителей, что предусматривается техническими условиями на производство конкретного типа ОК.

2. Краски ("чернила") для оптических волокон

Используются, в основном, "чернила" ультрафиолетового отверждения, наносимые на ОВ для их цветового кодирования. "Чернила" обеспечивают стойкость цветовой окраски в течение всего срока службы ОК, не оказывают влияния на характеристики передачи ОВ, стойки к химическим материалам, применяемым в конструкциях ОК. "Чернила" прозрачны для оптического излучения, что обеспечивает возможность использования системы юстировки LID в автоматических аппаратах для сварки ОВ и возможность подключения к ОВ оптических телефонов для организации служебной связи по ОВ в процессе строительства и эксплуатации.

Учитывая, что в оптическом модуле размещается, как правило, до 12 ОВ, для их окраски используются "чернила" преимущественно следующих цветов: голубой, оранжевый, зеленый, коричневый, серый, белый, красный, черный, желтый, фиолетовый, розовый, бирюзовый.

При размещении в оптическом модуле ОК от 14 до 36 ОВ окраска ОВ производится, как правило, теми же цветами, однако с нанесением на ОВ с номерами от 13 до 24 дополнительной сплошной цветовой полоски, а на ОВ с номерами от 25 до 36 с нанесением дополнительной штриховой цветовой полоски.

Фирма DCM Desotech (Нидерланды) изготавливает "чернила" серии Cablelite 751 для окраски оптических волокон (табл. 2). "Чернила" выпускаются 16 расцветок. 

Таблица 2 - Основные характеристики "чернил"

 

Параметр Единица измерения Значение
Прочность на растяжение мПа 25...30
Удлинение (эластичность) % 2...4
Модуль упругости при 2,5% эластичности мПа 1450...1650
Испаряемость % 1
Температура вспышки °С >93
Вязкость при 25°С мПа-с 1700...2500

 

3. Гидрофобные заполнители

В качестве гидрофобных заполнителей преимущественно применяют гидрофобные гелеоб-разные компаунды. Заполнители на основе порошкообразных материалов, нити и ленты (выполняются, в основном, на основе распушенной целлюлозы, разбухающей при контакте с водой и образующей "пробку" для дальнейшего ее распространения) применяют значительно реже.

Гидрофобные компаунды, используемые в качестве заполнителей оптических модулей, помимо задачи защиты ОВ от воздействия влаги выполняют также функцию амортизатора для ОВ при механических воздействиях на ОК, а также функцию смазки, уменьшающей трение между ОВ и стенкой оптического модуля.

Гидрофобные заполнители отличаются диапазоном рабочих температур и назначением: внутримодульные заполнители, применяемые для заполнения модулей с ОВ, и межмодульные заполнители, применяемые для заполнения свободного пространства в сердечниках ОК и в бронепокровах, выполняемых из стальных проволок или стеклопластиковых стержней.

Внутримодульные заполнители характеризуются значительно более высокими предъявляемыми к ним требованиями и имеют меньшую вязкость по сравнению с межмодульными заполнителями.

Гидрофобные заполнители марки TFC фирмы MWO GmbH. Гидрофобные заполнители марки TFC - сверхчистые, тиксотропные продукты с низкой вязкостью и высокой прозрачностью. Они изготавливаются двух типов: ТFС 1529 и TFC 1129 (табл. 3).

Заполнители TFC совместимы с материалами, используемыми в ОК.

Заполнитель типа TFC 1529 - нестекающий компаунд, имеет стабильные характеристики до -40°С. Свободен от силиконовых масел.

Заполнитель типа TFC 1129 - нестекающий компаунд со стабильными характеристиками до -60°С. Свободен от силиконовых масел.

Таблица 3 - Основные технические характеристики заполнителей марок ТFС 1529 и ТFС 1129

 

Параметр Единица измерения TFC 1529 TFC 1129
Вязкость при 25°С мПа-с 7000... 8000 6200... 6800
Конусная пенетрация при:
+25°С
- 40°С

мм/ 10

300...400
200...260

300...400
250...320
Маслоотделение, 24 ч при 80°С % Нет Нет
Летучесть, 24 ч при 80°С % <0,2 <0,2
Плотность, при 25°С г/см3 0,83 0,82
Температура вспышки °С >220 >230

 

Гидрофобные заполнители фирмы Henkel KGaA. Гидрофобные заполнители марок Macroplast CF 250, 300 и 320 используются для заполнения модулей с ОВ. Заполнители этих марок могут вводиться в ОК при нормальной температуре, каплепадение отсутствует при температуре до 100°С. Заполнители не оказывают воздействия на ОВ, совместимы с полимерными материалами ОК, остаются вязкими при температуре до -80°С, не содержат силикона и неорганических заполнителей.

Гидрофобный заполнитель марки Macroplast CF 290 (табл. 4) предназначен для заполнения межмодульного пространства и защищает элементы ОК от воздействия влаги. Изготавливается на основе углеводородов и синтетических полимеров. Цвет заполнителя янтарный.

Таблица 4 - Основные технические характеристики заполнителя Macroplast CF 290

 

Параметр Единица измерения Значение
Конусная пенетрация при:
+ 22°С
-10°С
-20°С
мм/ 10
240
215
175
Маслоотделение, 24 ч при 150°С % 5
Плотность при 20°С г/см3 - 0,88
Температура вспышки °С >230

 

Гидрофобные заполнители фирмы BPLC (Франция). Гидрофобные нетоксичные заполнители Naptel предназначены для внутримодульного (Naptel 308) и междумодульного (Naptel 851, 842, 827, 867) заполнения ОК. Производятся на основе полиизобутилена с добавлением воска (табл. 5, 6). Изготавливаются в виде гомогенного вязкого геля белого цвета.

Таблица 5 - Основные технические характеристики гидрофобного заполнителя Naptel 308

 

Параметр Единица измерения Значение
Температура каплепадения °С >250
Вязкость при 20°С:
2 об/мин
5 об/мин
10 об/мин
0,1 Па-с
150000
70000...90000
40000... 54000
Плотность при 20°С г/см3 0,89...0,90
Температура вспышки °С >200
Диэлектрические потери при 20°С, 50 Гц, 5000 В/см < 10-4
Электрическое сопротивление при 20°С (от 50 Гц до 1 МГц) Ом-см >1016
Относительная диэлектрическая проницаемость при 20°С <3

 

Таблица 6 - Основные технические характеристики гидрофобных заполнителей Naptel851,842, 827, 867

 

Параметр Единица измерения 851 842 827 867
Температура каплепадения °С 90 80 70 90
Вязкость при 120°С сСт 75. ..90 175. ..225 75. ..100 100.. .150
Температура вспышки °С 175 230 200 220
Диэлектрические потери при 23°С 10-4 10-4 10-4 10-4
Электрическое сопротивление при 23°С Ом-см 1016 1016 1016 1016
Относительная диэлектрическая проницаемость при 23°С 2,3 2,3 2,3 2,3

 

Водоблокирующие тиксотропные компаунды фирмы ВР GSP (Великобритания). Водо-блокирующие тиксотропные компаунды Optiflll 5300, 5270 предназначены для внутримодуль-ного, а компаунд Optiflll 5209 и компаунды Insojell - для межмодульного заполнения ОК. Рабочий диапазон температур от -60 до +150°С. Компаунды Optiflll изготавливаются в виде геля из синтетических материалов и/или на основе минеральных масел с инертными'заполнителями (табл. 7).

Таблица 7 - Основные технические характеристики компаундов Optifill 5300, 5270, 5209

 

Параметр Единица измерения 5300 5270 5209
Плотность при 20°С г/см3 0,85 0,85 0,90
Температура вспышки °С 230 230
Вязкость при 20°С мПа-с 9000... 11 000 9000.. .11000 20000.. .24000
Критический предел текучести при 20°С   35 25

 

Компаунды Insojell 4822 и 5724 применяются для межмодульного заполнения сердечников ОК и изготавливаются на основе минерального масла и воска (табл. 8).

Таблица 8 - Технические характеристики компаундов Insojell

 

Параметр Единица измерения 4822 5724
Температура каплепадения °С более 73 100
Конусная пенетрация при 25°С 0,10мм 70.. .90 160
Конусная пенетрация при 10°С 0,10мм >30
Кинематическая вязкость при 100°С сСт 13...20
Температура вспышки °С >230 >230
Удельное объёмное сопротивление при 100°С Ом-см >1012 >1012
Удельное объёмное сопротивление при 23°С Ом-см >1015 >1015
Относительная диэлектрическая проницаемость при 23°С <2,3 <2,3

 

Водоблокирующие ленты и нити компании Geca-Topes (Нидерланды). Используются для получения так называемого "сухого водозащищённого кабеля". Обычно для этого две водоблокирующие нити располагают вокруг центрального силового элемента; одну водо-блокирующую ленту вокруг сердечника; слой из водоблокирующей пряжи используют в качестве упрочняющего силового элемента.

Основные технические характеристики водоблокирующих нитей и лент компании Geca-Topes приведены в таблице 9, 10.

Таблица 9 - Основные технические характеристики водоблокирующих нитей марки GTB

 

Параметр Единица измерения GTB50 GTB 100 GTB 150 GTB10 GTB20 GTB35
Удельный вес г/100 м 20 10 6,7 100 50 25
Прочность на разрыв Н 20 9 7 56 36 28
Относительное удлинение % 11 11 11 8 10 10
Скорость водопоглощения мг/мин 15 15 15 32 40 28
Кратковременная термостойкость °С 230 230 230 230. 230 230
Длительная рабочая температура °С 150 150 150 150 150 150

 

Таблица 10 - Основные технические характеристики водоблокирующих лент GFS FreeSwell

 

Параметр Единица измерения 1110 1120 ИЗО 1140 GTI TopSweU 1240
Масса на длину площади г/м2 50 56 68 87 117
Толщина мм 0,17 0,20 0,23 0,25 0,34
Прочность на разрыв Н/см 25 25 25 25 35
Относительное удлинение % 11 11 11 11 11
Скорость водопоглощения мг/мин 2,5 4 7 10 10
Высота набухания мг/3 мин 4 6 10 15 15
Кратковременная термостойкость °С 200 200 200 200 230
Длительная рабочая температура °С 90 90 90 90 90

 

Водоблокирующие ленты фирмы Lantor (Нидерланды). Лента типа ЗЕ5410 с максимальной температурой эксплуатации 90°С используется в ОК с "сухим" сердечником, ее размещают в зазорах между конструктивными элементами сердечника, а также в зазорах защитных покровов. Основные технические характеристики водоблокирующей ленты типа ЗЕ5410 приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Водоблокирующая лента типа ЗЕ5410

 

Параметр Единица измерения Значение
Толщина мм 0,25
Масса на единицу площади г/м2 60
Прочность на разрыв Н/см 40
Относительное удлинение % 14
Скорость набухания мм/мин 7
Высота набухания мм 8

 

4. Материалы для скрепления элементов сердечника ОК

Основным материалом для скрепления элементов сердечника ОК повивной скрутки является полиэтилентерефталатная лента, обеспечивающая фиксацию элементов конструкции сердечника до наложения полимерной оболочки и предотвращающая вытекание из сердечника гидрофобного заполнителя.

Плёнка полиэтилентерефталатная марки ПЭТ-Э производится Владимирским химическим заводом, изготавливается в соответствии с ГОСТ 24234-80 и предназначается для скрепления конструктивных элементов ОК (табл. 12). Она может эксплуатироваться при температуре от -65 до +155°С.

Таблица 12 - Основные технические характеристики плёнки марки ПЭТ-Э

 

Параметр Единица измерения Значение для плёнки толщиной, мкм
12 20 25 35 50 70 100 125 175 190 250
Плотность г/см3 1,390... 1,400
Предел прочности, не менее МПа 172 172 172 177 177 177 177 177 177 157 157
Относительное удлинение при разрыве, не менее % 70 70 70 70 80 80 100 100 100 100 100
Удельное объёмное электрическое сопротивление, не менее Ом-м 1014
Электрическая прочность при 23°С, 50 Гц, не менее кВ/м 220 220 220 170 170 140 140 120 90 90 80

 

5. Материалы для силовых элементов ОК

В качестве центрального силового элемента ОК повивной скрутки используют стеклопла-стиковый стержень, а также стальную проволоку или трос с полимерным покрытием. Для изготовления ОК, предназначенных для прокладки в грунт, в качестве центрального силового элемента преимущественно используется стеклопластиковый стержень, с целью повышения стойкости ОК к внешним электромагнитным воздействиям.

Стальная проволока используется в бронепокровах ОК, прокладываемых в грунт (в том числе в скальный грунт и грунт, подверженный мерзлотным явлениям). Применение ее обеспечивает более высокую стойкость ОК к растягивающим и раздавливающим усилиям при меньших габаритах и стоимости ОК по сравнению с ОК, выполненным на основе диэлектрических силовых элементов, а также упрощает трассопоисковые работы.

Стеклопластиковые стержни и арамидные нити (наиболее широко известные торговые марки арамидных нитей - "кевлар" и "тварон") применяют, в основном, в качестве силовых элементов диэлектрических ОК, предназначенных для подвески на опорах ЛЭП, опорах контактной сети и автоблокировки электрифицированных железных дорог, а также для ОК, предназначенных для прокладки в условиях сильных электромагнитных воздействий.

Материалы Twaron изготавливаются фирмой Acordis Twaron Products (Нидерланды) (табл. 13). В практике производства ОК используются:

  • арамидные волокна Twaron 2200 и Twaron 1055;
  • во деблокирующие арамидные нити Twaron 1052 (покрытые суперабсорбирующими полимерами), применяют для размещения рядом с ОВ;
  • рипкорд Twaron 1005 и Twaron 1006, размещают под наружной полимерной оболочкой ОК для облегчения ее разделки;
  • композит арамидных нитей и эпоксидной смолы (стеклопластиковый стержень) размещают в центре ОК модульной конструкции;
  • арамидные ленты, используются для наружной обмотки подвесных ОК с целью защиты их от повреждения выстрелами из охотничьего оружия.

Таблица 13 - Основные технические характеристики арамидных волокон Twaron

 

Параметр Единица измерения 2200 1055
Плотность г/см3 1,45 1,45
Разрывное усилие МПа 2900 2900
Удлинение при разрыве % 2,7 2,5
Модуль упругости ГПа 115 125

 

Полистал-композиты производства фирмы Poliystal Composites GmbH (ФРГ) обладают хорошими прочностными характеристиками и гибкостью, диэлектрическими свойствами, низкой плотностью и оптимальным коэффициентом теплового расширения. В качестве основы композиционных силовых элементов используются, в основном, стекловолокно или арамидные волокна, а в качестве связующих материалов смолы, термопластичные материалы и др. В зависимости от материала основы и связующего материала различают полистал-композиты трёх типов: Р, Е и А (табл. 14). Материалом основы для типов Р и Е служит стекловолокно, а для типа А - арамидные волокна.

Таблица 14 Основные технические характеристики полистал-композитов

 

Параметр Единица измерения Р Е А
Плотность г/см3 2,1 2,1 1,45
Содержание стекловолокна (армидного волокна) % 80 83 70
Удлинение при разрыве % >2,8 >2,8 2,2
Модуль упругости Н/мм2 > 50000 60000 > 75000
Предел прочности при растяжении Н/мм2 >1500 1700 >2000
Коэффициент теплового расширения 1/°С 6,6·10-6 4,4·10-6 2,0·10-6

 

Полистал-композиты выпускаются в виде круглого прутка диаметром от 0,5 до 16 мм, разрывная прочность составляет соответственно от 300 до 285600 Н.

Стальная оцинкованная проволока круглого сечения используется для бронирования ОК и изготавливается в соответствии с требованиями ГОСТ 1526-81. "Проволока стальная оцинкованная для бронирования электрических проводов и кабелей. Технические условия".

Проволока выпускается 20 типоразмеров: диаметром 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 0,80; 1,00; 1,20; 1,40; 1,60; 1,80; 2,00; 2,20; 2,40; 2,50; 2,60; 2,80; 3,00; 4.00; 5,00; 6,00мм.

Цинковое покрытие по проволоке должно быть сплошным, без пропусков, трещин. Оно не должно растрескиваться и отслаиваться при спиральной навивке проволоки на цилиндрический сердечник. При диаметре проволоки от 0,30 до 0,50 мм отношение диаметра сердечника к диаметру проволоки равно 4, а для проволоки диаметром от 0,50 до 6,00 мм отношение равно 6.

Проволока поставляется в мотках из одного отрезка или на катушках. Масса проволоки в мотках в зависимости от её диаметра составляет от 1,5 до 40 кг, а на катушках от 1,5 до 100 кг. Обычно проволока покрывается консервационным маслом, но по требованию потребителя она может быть поставлена без консервационного покрытия.

С целью защиты проволоки от повреждений при хранении и транспортировке она должна быть упакована в соответствии с требованиями ГОСТ 1526-81.

6. Материалы для комбинированных оболочек
(алюминиевая и стальная ленты с полимерным покрытием)

Используются для изготовления алюмополиэтиленовых (АЛПЭТ) и сталеполиэтиленовых (СТАЛПЭТ) оболочек ОК, обеспечивающих защиту кабеля от поперечной диффузии влаги через полимерные оболочки. Применяются при изготовлении ОК, предназначенных для эксплуатации в воде (прокладываемые в затапливаемой водой кабельной канализации, болотах, через водные преграды и т.п.). Наличие у ОК комбинированной оболочки упрощает также проведение трассопоисковых работ, а применение оболочки "сталь-полиэтилен" обеспечивает повышение стойкости ОК к воздействию грызунов.

Стальные ленты с двухсторонним полимерным покрытием фирмы Dow Chemical. Предназначены для изготовления сталепоэлителеновых оболочек ОК, обеспечивающих защиту от механических воздействий, грызунов, а также поперечной диффузии влаги. Поставляются ленты трех типов: Zetabon S 252, S 262 и S 2102 (табл. 15).

Таблица 15 - Общие технические характеристики стальных лент Zetabon

 

Параметр Единица измерения S252 S262 S2102
Толщина ленты мм 0,115±0,012 0,155±0,015 0,251 ±0,023
Толщина полимерного покрытия мм 0,058+0,013 0,058+0,013 0,058+0,013
Площадь поверхности на 1 кг веса м2/кг 0,989 0,754 0,479