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一、前言

     当今的光通信光缆中室内光缆已经成为大家关注的焦点。早期的室内光缆比较多的运用于通讯设备间互联跳接及室内综合布线,结构也比较单一,现今的室内光缆已经远远超出了这些范畴,广泛的应用于光纤到户、通讯基站射频拉远、安防监控、感温感测、军用野战、应急抢修等诸多领域,其应用环境早已超出了纯粹意义上“室内”的概念,在机械性能、环境性能、阻燃环保性能上提出了更高的要求。正是诸多错综复杂的要求使得室内光缆的结构设计、材料选用、工艺制定和试验方法也花样繁多。

     在室内光缆设计过程中,光纤和加强构件的选用和设计相对比较简单,作为保护单元的各类护套材料则性能各异,首先要确定性能的符合性,其次要考虑成本的合理性,同时也要满足易于加工的可行性,所以选用合适的护套材料成为了最为关键的步骤。


二、室内光缆的一般要求

     早期作为设备跳线和室内综合布线使用的室内光缆,通常都采用紧套光纤作为最基本的单元,放置在中心位置,用芳纶均匀分布在周围,然后松包一层或多层护套材料作成型保护。其中光纤紧套层主要起缓冲作用,减免外力对光纤的侧向弯折或冲击受力,紧套层通常采用PVC或LSZH;芳纶是主要的抗拉元件,首先承受和抵消光缆受到的纵向拉力;外护套通常也采用PVC或LSZH材质,能有效减缓或防止光纤受力,也起到一定的防潮作用,最主要的作用是减缓环境温度变化对光纤的影响,考虑到室内安装布线的要求,通常外护套具有一定的阻燃性,并且符合相关的环保要求。

     室内光缆的设计必须考虑到使用的方便,干式无油膏。结构性能上针对不同区域满足不同的标准要求。如欧洲市场要求的IEC-60794,美国市场要求的ICEA-596 或Bellcore GR-409,以及中国市场要求的YD/T1258,满足标准中所要求的机械性能测试、温度循环测试和其他阻燃及烟气毒性等指标。


三、室内光缆的特殊要求

     当室内光缆的用途越来越广泛的时候,其性能指标要求也越来多,原有条件指标也越来越高,尤其是环境性能上比如耐高低温、耐油、耐磨、耐腐蚀、超柔等性能,这些特殊的要求是常规意义上的PVC和LSZH聚烯烃所达不到的,下面结合光缆的性能要求介绍几种特殊用途的材料,也分析一下各自的优缺点,供大家参考。

     1、尼龙紧套料PA12

     (1)尼龙紧套料PA12介绍

     PA12的学名为聚十二内酰胺,又称尼龙12。其聚合的基本原料是丁二烯,可依赖于石油化工,是半结晶热塑性材料。

     (2)物性数据表


     (3)性能特点

     PA12吸水率很低,其性能随湿度改变产生的变化小,尤其是模具成型中变化极小。在室温或零下的低温状态下,PA12具有优异的抗冲击力和抗缺口冲击力。PA12具有良好的抗脂、油、燃料、液压机液体、溶剂和盐溶液等性能,化学稳定性比较优越。PA12具有杰出的抗应力断裂能力,包括拉伸和压缩,在高频循环负载下有杰出的耐老化性。它的流动性很好,收缩率在0.2%到1.0%之间,加入了添加剂(稳定剂、增塑剂、增强剂、填充料等)经过改性后的PA12能适合光纤紧包薄壁高速挤出。根据产品需要,可选择达到UL94V-0级别的阻燃PA12。

     (4)挤出设备及工艺

     螺杆:推荐采用螺杆长径比:≥25:1;压缩比:2.5:1~3.0:1,为得到良好的熔融塑化效果,建议使用45mm以上挤塑机。

     (5)尼龙紧套光纤的结构性能及典型应用


     尼龙属于半结晶材料,所以在常温及高低温下都具有优异的稳定性,其耐温范围可达到-45℃~105℃,在此范围内都只有极小的变化,在温度循环试验条件相对比较苛刻的条件下,采用尼龙作为紧套保护层肯定是首选。

     2、低烟无卤阻燃热塑性聚氨酯弹性体护套料(TPU)

     (1)低烟无卤阻燃热塑性聚氨酯弹性体护套料介绍

     低烟无卤阻燃热塑性聚氨酯弹性体护套料具有极好的韧性、耐磨性、耐油性、低温柔韧性、弹性以及热稳定性,可广泛应用于要求柔软、耐磨、耐油等的通讯野战光缆、风力发电控制缆、船用电缆、动力电缆、机车电缆、汽车电缆、勘探电缆等具有优异的机械性能和耐化学品性能。它具有良好的加工性能,挤出后表面非常细腻,同时具有杰出的耐油性、耐磨性及耐霉性,广泛应用在通讯野战光缆、电线电缆、铁道、汽车等领域。材料符合ROHS指令要求。

    (2)物性数据表

Density密度 1.22~1.28
Hardness,A 邵氏A硬度(可调整) 88±3A
Process Temp C加工温度(参考) 160℃、170℃、165℃
M.I.@185℃ 2.15kg熔指 5.5~8.5
Tensile (MPa) 拉伸强度 >23MPa
Elongation (%)断裂伸长率 >500%
Cold Bend, Max. C低温脆化温度 -65
Dielectric Constant介电常数 3.45
耐油性
NO 1油
拉伸强度变化率
断裂伸长率变化率
70 ℃×168h UL1581
ASTM指定油
<-35
<-30
%
%
耐油性
NO 2油
拉伸强度变化率
断裂伸长率变化率
70 ℃×100h,
类似20#机油
UL1581
ASTM指定油
<-35
<-35
%
%
LOI,ASTM D-2863氧指数 ≥28
阻燃等级(UL) 94V-0(1.5mm)

     (3)挤出设备及工艺

     螺杆:推荐采用螺杆长径比:25:1;压缩比:2.0:1,为得到良好的熔融塑化效果,建议使用45mm以上挤塑机。


     低烟无卤阻燃热塑性聚氨酯弹性体具有良好的加工工艺性能,采用普通的挤出机和工艺即可获得优良的挤出效果。

     3、低烟无卤阻燃弹性体护套料(TPEE)

     (1)低烟无卤阻燃弹性体护套料(TPEE)介绍

     TPEE(热塑性聚酯弹性体)是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物。其中聚醚软段和未结晶的聚酯形成无定形相聚酯硬段部分结晶形成结晶微区,起物理交联点的作用。TPEE具有橡胶的弹性和工程塑料的强度;软段赋予它弹性,使它像橡胶;硬段赋予它加工性能,使它像塑料;与橡胶相比,它具有更好的加工性能和更长的使用寿命;与工程料相比,同样具有强度高的特点,而柔韧性和动态力学性能更好。

     TPEE具有极佳的耐油性,在室温下能耐大多数极性液体化学介质(如酸、碱、胺二醇类化合物),但对卤代烃(氟里昂除外)及酚类的作用却无能为力,其耐化学品的能力随其硬度的提高而提高。TPEE对大多数有机溶剂、燃料及气体的抗溶胀性能和抗渗透性能是好的。

     TPEE具有优异的耐热性能,硬度越高,耐热性越好;TPEE在110~140℃连续加热10h基本不失重,在160℃和180℃分别加热10h,失重仅为0.05%和0.1%,因而TPEE的使用温度非常高,短期使用温度更高,能适应汽车生产线上的烘漆温度(150~160℃),并且它在高低温下机械性能损失小。TPEE在120℃以上使用,其拉伸强度远远高于TPU。此外TPEE还具有出色的耐低温性能,TPEE脆点低于-70℃,并且硬度越低,耐寒性越好,大部分TPEE可在-40℃下长期使用。由于TPEE在高、低温时表现出的均衡性能,它的工作温度范围非常宽,可在-60~200℃使用。

     TPEE的硬度范围宽,可在邵氏35D-80D范围内变化,结构强度为硫化橡胶的2-6倍,具有耐磨、耐曲挠、耐油等优点。相对密度为1.2左右,机械强度好,拉伸强度大于30Mpa,弹性为工程塑料的3-6倍,弯曲强度、拉伸强度、撕裂强度分别为天然橡胶的6-12倍、2-6倍、2-10倍。在低温下,弹性恢复性好,低温缺口冲击强度比TPU和PA11还要好。

     (2)物性数据表

(2)物性数据表

性能 单位 典型值
长期使用温度 150
密度 g/cm3 1.28
拉伸强度 Mpa 30
断裂伸长率 % 300
老化条件 温度 180
时间 h 168
老化后拉伸强度保留率 % 81
老化后伸长率保留率 % 80
耐矿物油 浸油温度 100
浸油时间 h 70
拉伸强度变化率 % -15
断裂伸长率变化率 % -20
耐燃料油 浸油温度 70
浸油时间 h 168
拉伸强度变化率 % -10
断裂伸长率变化率 % -8
低温缠绕 -65
介电强度 MV/m 28
20℃体积电阻 Ω.cm 8×1014
氧指数   30
阻燃(单根垂直)   VW-1

     (3)产品性能特点:优异的阻燃性和出色的耐高低温性(-60℃-+150℃)、高度耐油性、耐候性、优异的抗蠕变性和耐疲劳性、极好的低温柔韧性和低的摩擦表面、良好的耐水解性等。

     (4)应用领域:主要用于软管护套、电线、通信光缆、电缆护套、薄壁绝缘电子线、机车线、地铁、舰船等要求安全性要求更高的应用领域。

     4、FEP耐高温阻燃护套材料

     (1)室内光缆中会遇到各种各样耐高低温的使用条件,尤其是在耐高温超过125℃的时候,通常首先必须考虑使用耐高温光纤,其次就是解决光缆外护套在高温条件下的稳定性。

     在众多耐高温护套材料中,具有较高性能的含氟塑料是首选的材料,其中以FEP(聚全氟乙丙烯)和PVDF(聚偏氟乙烯)为代表,因为这两款材料具有比较好的加工性能。下面主要介绍一下FEP材料。

     FEP结晶熔化点为580F,密度为2.15g/CC(克/立方厘米),它是一种软性塑料,其拉伸强度、耐磨性、抗蠕变性低于许多工程塑料。它是化学惰性的,在很宽的温度和频率范围内具有较低的介电常数(2.1)。该材料不引燃,可阻止火焰的扩散。它具有优良的耐候性,摩擦系数较低,从低温到392F均可使用。

     (2)FEP性能特点

     聚全氟乙丙烯FEP又叫 F-46,是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物,六氟丙烯的含量约15%左右,是聚四氟乙烯的改性材料。F-46树脂的耐热性能仅次于聚四氟乙烯,能在-85-+200℃的温度范围内连续使用。即使在-200℃和+260℃的极限情况下,其性能也不恶化,可以短时间使用。F-46树脂的热分解温度高于熔点温度,在400℃以上才发生显著的热分解。

     (3)FEP加工要点

     F-46具有较好的加工工艺性能。可采用通常的挤出法包覆电线电缆的绝缘层。为了正确设计挤出机和模具,控制和掌握F-46树脂的加工条件,首先应了解F-46的流变性能。F-46在390℃温度下剪切应力与剪切速率的关系。其粘度μA随剪切速率加而下降。 F-46的临界剪切速率,如果剪切速率超过此数值,就会引起塑料流动的下均匀,结果使制品表面粗糙,无光泽和起层。

     (4)挤出螺杆参数

   F-46的挤出机,一般采用单头全螺纹、等距、突变压缩型螺杆。为保证F-46树脂的充分塑化,螺杆的均化区长度,通常占螺杆全长的25%左右;螺杆顶端呈圆锥形,以防止树脂的停滞和分解。

   长径比L/D :20:1; 螺距:1D; 压缩比:h1/h2 3:1

     (5)聚全氟乙丙烯FEP在电线电缆中的应用

    聚全氟乙丙烯树脂具有与聚四氟乙烯相似的特性,又有热塑塑料的良好加工工艺,因而使之成为代替聚四氟乙烯的重要材料。F-46在电线电缆生产中广泛应用于高温高频下使用的电子设备传输线,电子计算机内部的连接线,航空宇宙用电线,及其他特种用途安装线、油矿测井电缆、潜油电机绕组线、微电机引出线等等。


四、结束语

     以上几种新型材料逐渐在室内光缆中得到应用,除尼龙紧套料外,其他几种护套料具有共同特点:环保阻燃、耐高低温;具有良好的柔韧性、易加工性,同时具有良好的机械性能和耐温性能,而且不需要经过辐照交联,所以这些材料在室内光缆的行业中具有明显的竞争优势,应用也会越来越广泛。    


 

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