光缆材料的质量评价标准

光缆材料的质量评价（上） 摘 要本文介绍了光缆主要材料应具备的特性，如何评价材料的优劣，劣质材料对光缆的性能影响，以及在可靠性和寿命方面需要考虑的问题。涉及的材料包括护套材料、油膏、套管材料和金属包带等。关键词：光缆，材料，质量，可靠性前言我们知道，光纤是传输光信号的载体，它可以传送超大容量的信号，然而光纤本身是脆弱的。传输的信息量越大时，对载体的可靠性要求就越高。人们把光纤做成光缆，是对光纤的保护，光缆要适应不同的敷设环境，要能使用很多年。必须使用性能优良的材料，才能保证在使用期内对光纤的保护。光缆的基本设计原则是： 1，提供适度的机械保护。2，保证光缆适应长期恶劣的环境条件，热，氧，紫外线，化学物质等。3，保证成缆后光纤在运行时尽量少受应力，通常成缆光纤的长期残余应力不超过筛选张力的20%至25%。4，光缆应易于施工，敷设和维护，具有较小的摩擦系数，易于开缆，接续简便。1光缆的性能我们可以从两个大的方面来考虑，一是使用性能，二是可靠性。作为使用性能，包括光学特性、机械性能、环境性能等；而可靠性则是基于对长期寿命的考虑。除了合理的光缆生产工艺和结构，材料性能的影响是很关键的，特别对于光缆的可靠性是至关重要的。因此对于光缆材料的选择，需要从多方面来平衡：机械强度是否对光纤形成足够的保护；在各种气候条件下性能的下降速度如何；是不是在生产加工时具有可操作性；合理的成本；对环境的影响。在光缆发展过程中，沿用了一些电缆用的材料，如聚乙烯护套，油膏，金属复合带等。针对光缆的特殊性，这些材料或多或少都做了改性。在光缆得以广泛应用的这20年中，材料也是在不断地发展变化。最近一段时间，国际和国内光缆市场急剧变化，价格不断下降。由此光缆制造的成本压力也不断增加。在过去，光纤在光缆的成本中占主导地位，通常占到70，随着光纤价格的下降，其它材料的成本比重越来越大。在光缆市场上，不同价格的光缆的成本存在着差别，那么所用材料也可能有所不同。有些光缆产品，虽然可以通过光缆的出厂验收，但其所用原材料的品质上存在缺陷，会对光缆的可靠性带来潜在的问题。光缆的使用者，希望了解如何去识别材料的差异。本文将通过对光缆材料的一些重要性能指标的分析，来说明材料的质量差别如何来区分，一种材料的质量好，它应该好在什么地方，会对提高光缆性能和可靠性起哪些作用。对于质量差的材料应该注意些什么指标，差的地方会对光缆性能和可靠性造成什么影响。高分子材料使用寿命的预测从重量和占的体积来看，光缆中的大部分材料是高分子材料，高分子材料的使用寿命通常使用阿仑尼乌斯定理来预测2：(1)其中k是高聚物反应速率(降解)，A是常数，E是活化能，R是气体常数，T是绝对温度。将公式1对时间积分，可得到(2)公式2的左边代表在t时间内发生的反应或分子降解的数量。如果分子降解数目达到临界值Mc，高聚物就会失效。达到临界值Mc所需的时间Tc被定义为高聚物的使用寿命。(3)从上式可以看出，高分子材料的使用寿命主要取决于材料的活性和使用环境。护套材料光缆的护套直接与外界环境相接触，护套材料的选择需要考虑多方面的因素。聚乙烯分子结构为，-CH2-CH2n-。它具有相对密度小，化学稳定性好、耐水、介电常数小，电绝缘性能好等特点。简单的分子结构使其具有良好的化学稳定性，加之具有合理的成本，从上世纪40年代起，聚乙烯就广泛地用于通信电缆护套材料。电信与线缆工艺的不断发展对护套材料的改进提出新的要求。而聚乙烯制造工艺的不断进步，包括催化剂和反应过程的技术进步，使得聚乙烯护套材料的性能能够满足这些新的需求。线缆行业使用的聚乙烯护套料主要有：LLDPE，MDPE，HDPE。其特性比较见图1、2图2从以上各项特性可见，MDPE和HDPE具有较高的硬度、杨氏模量，较低的热变形、磨耗、透水率、热回缩和摩擦系数。早期的HDPE护套料有回缩大，耐环境应力差，加工性能差等缺点。MDPE护套料则是结合了LLDPE和HDPE的优点，专为光缆开发的护套材料，具有更好的综合性能。近年来随着材料技术的发展，HDPE护套料的上述缺点也得到了很大的改进。因此，它们都是适于制造光缆护套的材料。LLDPE由于一些性能上的弱点，在光缆生产中较少采用。聚乙烯光缆护套材料的要求 加工性：聚乙烯应具有优秀的流变性能。适于不同的缆径，能达到一定的挤出速度。挤出后有良好的表面，不会因为材料不稳定的流变性而产生差的表面效果，如皱纹，竹节，起泡等。为了适应大规模生产，作为光缆的护套材料的批量间性能的稳定性也是至关重要的。因为批量之间的不稳定性而频繁调整挤出工艺势必会影响光缆的最终性能。这里我们对比了分别采用聚合法和共混法生产的两种不同牌号的MDPE的熔体指数的批量分布，可以明显地看出：这两种护套料的批量稳定性水平有很大的差异，A材料在光缆的生产制造过程中挤出参数可保持稳定，至少从加工工艺这方面，光缆护套的最终质量可得以保证。而B材料的熔体指数波动很大，在挤出光缆护套时，需不断调整工艺参数，这样有可能影响到光缆的最终质量的稳定。图3，两种MDPE的批量熔体指数统计(A为聚合法，B为共混法) 回缩：低收缩是光缆护套材料的重要参数之一，未受控制的回缩将使光缆发生变形，对光纤造成微弯或宏弯损耗。开发低回缩的光缆护套料也是材料供应商致力发展的方向。就材料本身而言，影响回缩的因素有分子量，分子量分布，支链长度，支链密度等。另外加工过程的热历史也会影响成缆后护套的最终收缩。 机械性能：对于光缆护套来说，机械性能方面需要考虑的有屈服强度，抗拉强度，断裂伸长率，耐磨性等。高质量的光缆护套料，其抗拉强度和断裂伸长率均远远高于国内标准要求的12MPa和350 (MDPE)。最为重要的的机械性能是批量稳定性和老化前后的变化率，以下我们对比了光缆护套料A和B的老化前后的机械性能，虽然都可以满足要求，但差异是明显的。表1MDPE护套料A MDPE护套料B抗拉强度 (MPa) 断裂伸长率(%) 抗拉强度 (MPa) 断裂伸长率(%)老化前 22.0 615 22.2 797老化后 21.2 615 19.5 634老化前后变化率 4 % 0% 12% 20% 耐侯性，耐环境性和老化性：护套材料直接与外界环境相接触，为了保证长期的的使用寿命，必需考虑气候和环境的影响。聚乙烯的老化和失效可能来自以下几个方面：热氧老化：热氧老化用两方面的指标来评估，机械性能的老化前后变化率前面已有论述，另一点是氧化诱导期OIT，OIT与材料中抗氧剂的含量，类型和分散性密切相关。紫外线：在聚乙烯护套料中，通常是采用添加碳黑来吸收紫外线。其阻挡紫外线的效果与碳黑的含量，适当的颗粒大小和类型，及其分散程度有关。其测量方式为碳黑吸收系数：测试方法是将含有碳黑的聚乙烯熔融后压制成约10m厚的薄膜，用紫外分光光度计测定波长375nm处紫外光的吸光度，通过计算即可得出碳黑吸收系数值。一般技术要求该值要大于400。在聚乙烯护套料的生产过程中，如果混合的工艺不过关，碳黑吸收系数是不容易达到要求或是不稳定的。我们曾经检测到某些护套料样品的碳黑吸收系数低于300。对这样的材料在光缆敷设后就可能在抗紫外线老化方面存在隐患，特别是应用于架空光缆时。环境应力开裂：聚乙烯塑料在含有皂类、保湿剂、油或洗涤剂的环境中受到应力时，就会表现处机械性能失效而表面发生开裂。耐环境应力开裂的测试方法是将聚乙烯护套料制成1.75-2.0mm厚的试片，在其表面刻出0.3-0.4mm深的刻痕，将试片弯曲于试样架中；然后浸泡于500.5C的 10% Igepal （表面活性剂）水溶液中保持一定的时间，观测出现第一个裂纹的时间。通常的标准要求为大于96小时。而现有材料厂商提供的指标有96h, 500h, 和1000h。不同牌号的产品之间，在耐环境应力开裂的水平上还是存在着很大的差别。我们可以看出，作为光缆最终的保护层，光缆护套料的要求是多方面的而且是非常严格的。既要适应许多不同的复杂的气候环境，又要保证长期（至少25年）的稳定。可以这样说， 线缆的护套材料是聚乙烯众多的应用领域中可靠性要求最高的地方之一。然而类似于B样品这样的材料，在目前国内的光缆行业中不乏使用者，需要引起光缆用户的重视油膏油膏按其在光缆结构中的位置分为纤膏和缆膏。纤膏在松套管内，直接与光纤接触，缆膏则在套管外。油膏在通常状态下是半固体，在剪切力作用下流动性增强(触变性)。油膏的性能主要从以下几个方面来考虑： 相容性：相容性是考察油膏长期与光缆中的其它物质相接触时，是否对其它材料产生溶胀而降低性能，是否对其它材料造成腐蚀。虽然相容性与被考察的两种材料的化学结构和化学成份都有关，但由于油膏的成份相对光缆中的其它材料而言更复杂；而且有一定的流动性，可与其它材料充分接触，所以在考虑光缆中材料的相容性时，油膏是相当关键的。表2为光缆材料的相容性关系。表2光纤涂层及着色层或带纤树脂 套管材料 金属包带 护套纤膏 缆膏 相容性试验时将其它材料浸在油膏中，在高温下保持一段时间，经过加速老化，然后测试材料的溶胀程度和其它性能的变化，如机械性能等。保证油膏与其它材料的相容性，除了大量的试验外，保证油膏的配方合理和配料稳定以及生产过程的严格控制是很关键的。因为纤膏与光纤直接接触，为避免对光纤造成不可预期的影响，纤膏一般都使用合成油作为基质。触变性：触变性是油膏最基本的物理特性，当施加外力时，油膏在剪切力的作用下，粘度下降，呈流动性，但外力去除后，经过一段时间，粘度增加，又恢复到不流动的状态。触变性对于油膏的重要性在于：光缆生产过程中，油膏在剪切力作用下，应具有足够的流动性，以便于充满光缆内的缝隙；成缆后，油膏应保持相当稳定，温度升高时不滴流，低温时不变硬变脆，使光纤受力。其它性能： 滴点：一定的滴点主要保证光缆的滴流性能。通常光缆要求70下不滴流，而多数油膏的滴点在150以上。 锥入度：常温下，锥入度应该是考核油膏批量一致性的参数。而低温锥入度应足够大以保证在低温下油膏不会对光纤产生负面的作用力。 析油和挥发量：油膏成份稳定性的指标。油膏是一种混合体，在光缆使用和运行过程中液体组分不应分离出来。所以油膏除了需要良好的胶体配方外，还应注意控制低分子量油类成份的含量。 闪点：安全性指标，低的闪点意味着易燃。 粘度：单一条件下的粘度只是个批量一致性指标。对于光缆用的油膏来说，不同温度下的粘度-剪切力曲线是很重要的，它可以从另一面反映油膏的触变性能。粘度曲线的稳定也有利于光缆制造过程的工艺控制。 氧化诱导期：抗老化性方面的指标。 吸水时间：吸水型缆膏吸水速度的指标。 酸值：油膏含酸性物质的量化指标。关于析氢氢损是造成光纤衰减增加的一个危险因素。特别是光纤油膏直接与光纤接触，所以人们对油膏的析氢非常重视。其实在正常情况下，在所有的光缆材料中，油膏产氢的可能性和量相对来说都是相当小的，我们知道，油膏的主要成份是基础油和二氧化硅, 他们都是比较惰性的材料。要从正常的油膏产品中产生氢分子是不太容易的。如果油膏生产过程中原材料和工艺控制不严格，引入了成分不明的化学物质，会增加产氢的可能性。由于种种原因，一段时间以来，一提到氢损就联想到油膏。然而这样会使我们忽略一些真正危险的产氢物质。基本的化学知识告诉我们，最简单的产生氢气的方法有两种：一是比较活性的金属与酸反应（公式4），二是两种有电位差的金属在酸性环境中，哪怕是弱酸性的环境中的电化学反应，如图4。所以对于氢损，我们更应该对光缆中的金属，以及光缆结构可能产生酸性环境的因素加以注意。(4)图4所以油膏在其原材料成份清楚并严格控制的前提下，其产氢的量和可能性将远远小于光缆中的金属元件的作用。值得注意的是，油膏如果酸值过大的话，将使金属元件产生氢气的可能性增加。金属复合带金属复合带在光缆原材料成本中占较大的比重。光缆中的金属复合带分为钢塑复合带和铝塑复合带。金属复合带由中间的金属带基和两面的聚合物薄膜(通常为EAA)组成。金属复合带的性能要求主要有以下几个方面：机械性能：金属复合带需要一定的强度和延伸率，金属复合带的强度主要是由金属带基提供，而延伸率也是考核的金属带基的延伸率。粘接性能：这有三个方面的含义：一是金属复合带可以与聚乙烯护套粘合，二是金属带在纵包时搭接处需要自粘，三是聚合物薄膜与金属带基的粘合强度。金属复合带的粘接性能主要与聚合物薄膜所用材料的性能有关。相容性和抗腐蚀性：由于光缆中有油膏存在，金属复合带会长期与油膏接触，这就需要考虑与油膏的相容性。而相容性所观察的对象是看在油膏中金属带基与聚合物薄膜是否会起泡或分层。抗腐蚀性是指复合带在酸性或碱性环境中会不会分层或对金属带基造成腐蚀。金属复合带的各项性能与其原材料的选用密切相关。比如复合钢带的带基，通常用镀铬钢带，镀铬层的特点是1，在潮湿大气中很稳定。2，在一般酸性环境中很稳定。这是因为金属铬本身在大气中极易氧化成一层极薄的钝化层。试验和长期的使用证明，镀铬钢带用在光缆复合带中的相当稳定可靠的。也有光缆厂家采用成本相对较低的镀锡钢带为带基的复合钢带。钢基镀锡板在干燥洁净的大气中具有良好耐蚀性，但镀锡层表面的孔隙是不可避免的，因此在潮湿大气和表面凝露或浸水条件下，易形成微电池发生腐蚀，尤其是在酸性或有微量盐份存在的环境中，腐蚀速度相当快。所以镀锡钢带往往不能通过光缆用金属复合带标准所规定的耐腐蚀性试验。而且由于Fe和Sn之间的电位差，腐蚀过程中微电池的形成，也极大增加了氢气生成的风险。我们用同一厂家生产的分别采用镀铬钢带和镀锡钢带为带基的复合带，按照YD/T 723.1-94标准检测其抗腐蚀等级。将镀铬钢带A和镀锡钢带B浸泡于0.1mol/L盐酸中20天，结果镀铬钢带A仅边缘有少量腐蚀，而镀锡钢带B锈蚀严重，薄膜完全脱落。表3抗腐蚀等级 要求 结果镀铬钢带A 7 8镀锡钢带B 7 0在目前国内市场的成本压力下，如样品B这类的复合钢带在为数不少的光缆厂中还在采用，甚至包括一些大的光缆厂家。对光缆品质有着严格要求的用户，需要最基本的原材料性能以控制，以确保光缆在漫长的使用期内的正常运行。同种材质的带基，不同的品牌之间也有很大的质量差异。除了机械性能的差异之外，通常质量较差的金属带会表现在均匀性差，缺陷较多，在生产制造过程中易断裂。聚合物薄膜也有不同的成份，如EAA膜、PE膜及PE/EAA复合膜等，当然也存在着质量差异。套管材料套管是光缆制造过程中对光纤的第一道机械保护层。按照光缆的设计原则，成缆后光纤在运行时尽量少受应力，这就需要选用适当的套管材料并加以合理的工艺控制，以对光纤加以足够的机械保护，并形成合理的光纤余长。目前通用光缆所采用的套管材料有PBT、PP单层，PP/PC双层。与光缆中的其它聚合物材料一样，热氧老化是可靠性方面首先考虑的因素之一，这也是通过OIT和老化前后机械性能变化来控制。所不同的是，套管两面都与油膏接触，所以在对套管材料进行老化性能试验时还需要引入油膏的因素。另外，光缆接续时套管要在接头盒内作盘留，这时套管长期外于弯曲状态，受到弯曲应力。套管在应力状况下的老化也有相应的试验方法：将套管弯曲成一定的半径的圈，再进行加热老化，观察老化后套管是否会出现开裂。PBT由于在聚合物材料中有较高的弯曲模量和优秀的机械强度，在工程塑料中相对容易的挤出加工性，在早期就被选作光缆套管材料。但在初期，PBT有两个不易克服的缺点：水解和回缩。水解：PBT合成过程会在分子链的端头留下羧端基 -COOH，假如未加保护的PBT松套管暴露在湿热环境下，存在的水分会对PBT其水解作用，结果导致分子量下降，随着分子量下降至一定程度，水解后的PBT树脂主要出现脆化、丧失韧性、以及易于开裂等。见下图5:图5回缩：PBT是高结晶性的聚合物，加工后的二次结晶会造成套管回缩，余长难于控制。套管的回缩会持续到光缆敷设后。特别是在温差较大的地区，架空敷设的光缆在反复的温度变化过程中充分结晶，其极大的后收缩曾引起光缆变形，衰耗上升，甚至断纤，给通信造成潜在的危害。所以PBT的生产厂商一直在致力于光缆套管用PBT的改性。抗水解性和回缩性得到了很大的改善。因为PBT的改性需要先进的合成工艺，在国内市场上有多种不同的光缆套管用PBT，这些材料的质量是存在较大差异的。另外，光缆的结构和制造工艺也对套管回缩的控制起着至关重要的作用。PP/PC双层套管则从根本上解决了水解和回缩的问题。首先这两种材料都没有产生水解的基团。其次PC是完全非结晶的材料，没有回缩产生。单层的PP主要用于较大尺寸的套管，如光纤带光缆，这需要填充与PP相容的专用油膏。加强芯加强芯是光缆中的主要受力元件，它决定了光缆的拉伸性能。加强芯应具有高的杨氏模量，较小的密度，在国内光缆行业中，加强芯通常采用高模量钢丝，玻纤增强塑料GRP也越来越多地得到应用。钢丝和GRP的物理性能比较见下表：表4钢丝 GRP杨氏模量（GPa） 180-200 45-55抗张强度 (MPa) 1500-2000 1000-1500密度 (g/cm3) 7.8 2.0GRP重量轻，不导电，在国内主要用于全介质光缆的生产。采用GRP为加强芯的光缆的成本要高于钢丝加强芯光缆，这是因为一方面GRP价格更高，另一方面它的模量低，为了满足同样的光缆机械性能设计要求，采用的GRP的直径要比钢丝粗，或需辅以芳纶纱。但在欧美，由于全介质结构的光缆重量轻，耐腐蚀，除了可防强电，防雷的优点，还便于敷设安装，其使用的比例要高于国内。为了满足光缆的可靠性，钢丝的性能要考虑以下几个方面：机械性能：钢丝应有足够高的模量，因为光缆的拉伸特性是根据钢丝的模量和直径来计算的。一定力值F下的光缆应变(5)E是钢丝模量，A是钢丝截面积。实际上，光缆用的加强芯钢丝模量一般在180-200GPa之间，相对变化不大。有时候，不同的用户对光缆承受张力的要求不一样。例如，对于管道敷设的光缆，标准要求在短期张力为1500N。有的用户要求为3000N，满足这两种要求的光缆所用的钢丝的截面积是不一样的，后者应是前者的一倍。耐腐蚀性：对于钢丝的防腐蚀，有三种方式：镀锌、磷化和用不锈钢丝。显然不锈钢丝的效果最好，但价格昂贵。镀锌就是在钢丝表面镀一层金属锌，磷化就是对钢丝进行磷化处理，在表面形成一层磷酸盐保护层。镀锌钢丝已较少采用。主要原因在于其产氢的潜在危险：金属锌和金属铁之间有明显的电位差，有潮汽的条件下可以在钢丝表面形成微电池，电离出氢气。在酸性条件下产氢的速度将大大加快。而磷化层则没有这种可能。磷化钢丝的抗腐蚀性能与磷化层配方，磷化工艺，磷化层的厚度和均匀性有关。钢丝生产者对这些参数都应有严格的控制和测试。另外，钢丝最终的抗腐蚀性也应经过测试。缺陷：如果钢丝的制造过程没有得到严格的控制，钢丝的局部有缺陷，这样就形成局部的薄弱点，可能在缺陷处断裂。材料供应者的质量保证体系好的原材料品质，是生产出高质量的