光纤松套管填充油膏的配制_性能和选用

1、光纤松套管填充油膏的配制、性能和选用陈炳炎(常州神雁光纤通信有限公司, 江苏 常州 213161) 摘 要 光纤松套管填充油膏是光缆中关键的结构部件之一。本文综合介绍了光纤油膏的配制的基本原理, 并从光缆的使用要求出发, 分析和讨论了光纤油膏的性能和选用。 关键词 光纤; 光缆; 光纤填充油膏 中图分类号 TN 818 文献标识码 A 文章编号 100621908 (2000) 0520012210Com po s it ion , proper t ie s an d se lec t ion of f ill in g ge l f or f iber loo se- tubeCH EN

2、B in g 2yan(C h angzho u Sh enyan O p t ica l F ibe r T e lecomm un ica t io n Co. , L td. , C h angzho u 213161, C h ina)A bstrac t: F illing ge l fo r f ibe r loo se2tube is o ne o f th e k ey co n st ruc t ive com po nen t s in a f ibe r op t ic cab le. T h e p re sen t p ap e r rev iew s th e ge

3、ne ra l p r inc ip le o f com po sit io n and fab r ica t io n o f f ibe r f illing ge l and ba sed o n th e requ irem en t s o f f ibe r op t ic cab le app lica t io n, th e p rop e r t ie s and se lec t io no f f ibe r f illing ge l a re ana ly sed and d isscu ssed.Key words: op t ica l f ibe r; f

4、 ibe r op t ic cab le;f ibe r f illing ge l定性的决定要素之一。 本文试就光纤油膏的组成、性能和选用等有关问题进行分析和探 讨。前言1以光纤松套管为基本组成单元的光缆,是最主要的通信光缆结构形式, 包括 SZ 层 绞式光缆和中心松套管式光缆。 光纤松套管中填充的油膏, 俗称光纤油膏。 在光缆中, 除 光纤以外的结构材料中, 对成缆光纤性能影 响最大的莫过于光纤油膏了。 光纤油膏对松套管中光纤有两方面的保护作用: 1) 防止空 气中的潮气侵蚀光纤; 2) 对光纤起衬垫作 用, 缓冲光纤受振动、冲击、弯曲等机械力的 影响。在光缆的生产和使用实践中, 人们对

5、光 纤油膏对光缆特性的影响的认识, 远不如对光纤等其他材料的认识来得深刻和具体。 但 事实上, 光纤油膏又恰恰是光缆性能长期稳光纤油膏的基本组成光纤油膏是将一种 (或几种) 胶凝剂分散 到一种 ( 或几种) 基础油中, 从而形成的一种 稠粘性半固体物质。为了改善有关性能, 还需 加入少量的抗氧剂或其他添加剂 (如防腐剂、 表面活性剂、氢气清除剂等)。因而, 光纤油膏 有三个组成部分: 基础油、胶凝剂及抗氧剂。 当胶凝剂主要是无机物时, 光纤油膏是一种 化学混合物溶体; 当胶凝剂为高分子聚合物 时, 光纤油膏是一种高分子聚合物分散体。2. 1基础油基础油是光纤油膏的基材, 其占油膏的 质量百分比

6、为 70% 90% 。光纤油膏的一些2 收稿日期 2000206229 作者简介 陈炳炎 ( 1939 -) , 男, 常州市人, 常州神雁陈炳炎: 光纤松套管填充油膏的配制、性能和选用13油、合成油、硅油三大类。 矿物油能满足油膏的基本使用要求且价廉, 但低温性能较差。合 成油中最常用的是聚 2烯烃, 其高低温性能 均优于矿物油, 但价格较高, 因其与矿物油同 为碳氢化合物, 可以无限混溶, 因而可将两者 混合使用。硅油的温粘特性优于其他基础油, 如二甲基硅油在- 70 + 200°C 之间, 物理 性能基本不变, 适用于作为超低温时使用的 光纤油膏的基础油, 但价格高, 且与矿物

7、油、 合成油不相溶。大多数基础油的粘度随温度的降低而增 加, 为使光缆油膏不致于在低温下过稠, 在高 温下过稀而影响使用, 必须调节其粘度指数, 所谓粘度指数就是用来表示粘度随温度变化 而变化的比率。 要调节粘度指数就需在油膏 中加入粘度指数改进剂, 粘度指数改进剂为 高分子聚合物。在低温时, 高分子聚合物的分 子链卷曲凝聚起来, 绝大多数形成胶体微粒, 对油的粘度几乎没有影响, 但在加热后, 由于 高分子聚合物溶胀, 凝聚力减小, 分子链伸 展, 流体力学体积增大, 伸展的高分子链相互 纠缠, 油液内摩擦增大, 导致油液的粘度增 加。 粘度指数改进剂正是基于在不同的温度 下, 改进剂呈现不同

8、的分子形态会影响油液 的粘度, 从而达到改善油液温粘特性的目的。 粘度指数改进剂有聚甲基丙烯酸酯、聚异丁 烯、乙烯丙烯共聚物 (如三元乙丙胶) 等。2. 2 胶凝剂胶凝剂是一类增稠触变剂, 其约占光纤 油膏的质量百分比 5% 20% 。 增稠触变剂的作用是将流动的基础油增稠成粘稠的不流 动的半固体状态。 它同基础油一起决定着光 纤油膏的一系列性能。 胶凝剂分无机和有机 两类。常用的光纤油膏的胶凝剂有脂肪酸盐、 有机膨润土、气相二氧化硅、石蜡和多种高分子 共聚物 ( 如苯乙烯和橡胶的加氢共聚物) 等。与无机胶凝剂相比, 聚合物胶凝剂与基础 油的混溶性更好, 在较高的混溶温度下, 性能更能保持稳定

9、。在光纤油膏的制备中, 胶凝剂的选用和 配制对油膏的性能起着举足轻重的作用。 例 如光纤油膏的一个基本物理性能要求是不应 出现油分离和脱水收缩, 亦即光纤油膏在使 用温度范围内和寿命期中应保持均匀分散体 的能力。如果在光缆使用过程中, 出现油分离 及脱水收缩, 油膏出现凝胶现象, 固液分相, 光纤松套管中有的地方将没有油膏, 有的地 方则油膏结块, 松套管中的光纤将受到不均 匀的应力而导致微弯损耗的急剧增加。 防止 油分离和脱水收缩, 关键在于胶凝剂在基础 油中必须能长期保持其完全分散状态。 应正 确选用和配制胶凝剂, 使基础油分子均匀而 稳定地混合溶解在胶凝剂分子链构成的网架 之中, 形成一

10、种稳定的多相分散体。光纤油膏既然以阻水为目的, 其组分材 料当然不应含有任何亲水程度强的物质。 通常用 HL B 值, 即亲憎平衡度来衡量物质的亲 水性能。一般将非离子型化合物(离子型物质一般亲水性强, 不在考虑之列) 的 HL B 值分 成 0 20。 完全疏水的有含直链烷烃的石蜡和非极性高分子聚合物的聚异丁烯, 它们的HL B 值为零。在选择油膏组成的材料的选用 时要考虑 HL B 值较低的物质。2. 3 抗氧剂各类碳氢化合物在与空气接触时, 都有 发生氧化的倾向, 而一旦生成自由基, 就会发 生连锁反应, 使氧化加速, 生成大量的醇、醛、 酸等。后者将进一步反应生成聚合物, 使整个体系的

11、粘度增加, 油膏性能恶化, 即出现“老 化”现象。 氧化过程还有析氢作用, 这将影响 光纤性能。因而光纤油膏中必须加入抗氧剂, 以阻止自由基的产生及其引起连锁反应。 抗 氧剂通常采用烷基酚及芳胺两个系列, 一般含量小于 1% 。光纤与电缆及其应用技术2000 年第 5 期14接近另一个链上的O H 时, 后者的 H 原子光纤油膏的触变性光纤油膏所具有的最基本特性就是触变 性。触变性是当施加外力时, 光纤油膏在剪切 力的作用下, 粘度下降, 呈现流动性, 但当外 力去除后, 经过一段时间, 粘度增加, 又回复 到不会流动的粘稠态, 但不一定恢复到原来 的粘度和稠度。光纤油膏的触变性对二次套塑工艺

12、和敷 设时对光纤的机械保护作用有很大意义。 在 二次套塑工艺中, 光纤油膏被泵入挤塑机机 头, 注入光纤松套管中, 油膏在机械泵的剪切 作用下, 粘度迅速下降, 变成流体, 可以均匀 而稳定地充入松套管。松套管成形后, 作用在 油膏上的外力消失, 油膏逐渐回复到粘稠状 态, 不流动, 形成稳定的缓冲层。另外, 在光缆 敷设过程中, 光缆受到弯曲、振动、冲击等外 力作用时, 会导致光纤在平衡位置附近振动 形成周期极小的晃动, 其晃动影响到光纤油 膏, 油膏粘度下降, 从而对光纤起到缓冲保 护, 避免光纤因受到僵硬的反作用力而造成 微弯损耗。光纤油膏的触变性是由胶凝剂的增稠触 变作用所决定。 以气

13、相二氧化硅作为胶凝剂 与基础油构成的油膏分子结构为例: 气相二 氧化硅是一种常用的胶凝剂, 其比表面积在70 300m 2 g 之间。 由于二氧化硅表面有许 多O H 基团, 因而是亲水的, 所以在制备二氧 化硅时必须对其表面进行改性, 使其变成亲 油的。一般所用的表面覆盖剂有氯硅烷、硅氧 烷低聚物、丁醇、季戊四醇等。 通常用二甲基 二氯硅烷进行表面覆盖处理。 通过表面改性后, 二氧化硅与基础油混合溶解后, 二氧化硅 质点表面上残留的O H 基之间形成弱氢键将 相邻质点相互结合, 形成三维的网架结构, 而 基础油分子即陷落在网架之间, 从而使油膏 形成一种稳定的, 非流动的稠粘胶体。如图 1

14、所示, 氢键的形成是指: 当一个链上的氧原子3能分出一部分电子云与前者 O原子的电子云相互交盖而产生O H O 型次价键, 这种键没有固定的键角或键长, 氢键的键能在41. 84kJ m o l 以下, 远小于主价键键能, 但分 子之间可以通过氢键构成立体交联结构。 当光纤油膏受到外力影响时, 弱氢键断裂, 油膏 分子从网架结构变成线状结构, 油膏从稠粘 体变成流体。当外力去除后, 弱氢键又将相邻 质点联结起来, 光纤油膏又回到稠粘状态。这就是触变性的形成机理。图 1 油膏的触变性示意图在上述基础油、二氧化硅、抗氧剂为主体 构成的光纤油膏结构中, 二氧化硅的表面改性剂, 如二甲基二氯硅烷, 本

15、质上还是一种偶 联剂。化学键理论认为: 这类化合物中含有一种亲无机物的基团 X , 它能与二氧化硅表面 上的 S iO H 起化学反应形成化学键; 另一 种是亲有机物的基团 Y , 它能与基础油中的有机分子反应形成化学键, 从而将无机类的二氧化硅和有机类的基础油这样两种反差很 大的材料, 以化学键的形成而“偶联”起来, 获 得了良好的结合效果。在这个油膏组成中, 为 了进一步提高体系的稳定性, 减小油分离现象, 还可在二氧化硅的基础上, 加入有机胶凝 剂, 如苯乙烯乙烯丙烯共聚物。 另外, 不 同的基础油在油膏网架结构中的油分离程度 也不一样, 如采用相同分子量的合成油聚n 癸烯和聚异丁烯相比

16、较, 后者油分离小 于前者, 这是由两者不同的分子结构所造成的。陈炳炎: 光纤松套管填充油膏的配制、性能和选用15近年来高分子聚合物类的胶凝剂得到了很大的发展, 例如采用苯乙烯和橡胶的加氢 共聚物作为胶凝剂。 该胶凝剂中存在两类共 聚物结构, 二嵌段共聚物和三嵌段共聚物。在 二嵌段共聚物中, 苯乙烯键接在橡胶链节的 一端; 在三嵌段共聚物中, 苯乙烯键接在橡胶 链节的两端。如图 2 所示, 后者的交叉分子网 络, 形成油膏的弹性成分, 前者无法形成交叉 分子网络, 提供了油膏的触变成份。增稠作用 则由橡胶分子的缠绕所造成。应力时, 油膏不能起到缓冲保护作用。屈服应力的大小, 取决于上述二氧化硅

17、表面残余 O H 基的氢键架桥程度的大小, 因此必须通 过控制氢键架桥的大小, 即通过控制残余 O H 基的数量来调节。研究表明, 在光纤油膏 组份中的抗氧剂, 尽管其占的质量百分比很 小, 但抗氧剂分子上的O H 基也可能参与氢 键架桥, 因此, 选用的抗氧剂应当是不参与氢 键架桥, 或是官能度小于 1 的材料。 否则的 话, 当抗氧剂分子中的O H 基参与二氧化硅 的氢键架桥时, 光纤油膏的粘度和屈服点会 显著提高, 室温下的屈服应力会大大超过50P a。图 2 苯乙烯橡胶共聚物分子结构示意图光纤油膏的触变性还可从下列两个流变 特性曲线加以阐明。 图 3 是光纤油膏的表观 粘度2剪切速率曲

18、线, 当剪切速率增大时, 弱 氢键逐步断裂, 粘度下降。而当剪切速率逐渐 减小时, 弱氢键又逐步形成, 光纤油膏又逐步 恢复其粘稠度, 但不可能完全恢复到原始状 态, 所以回复曲线的粘度通常要低于原始粘 度。图 4 是光纤油膏的剪切应力2剪切速率曲 线, 当剪切速率增大时, 油膏的剪切应力增 大, 当剪切速率减小时, 油膏的剪切应力也下 降, 但如粘度曲线一样, 上升和下降曲线不会 重合, 上升和下降曲线所构成的滞后回线的 面积大小反映了使弱氢键断裂所需要的能量 的大小, 因而滞后回线的面积, 即可衡量触变 性的能量。 该图上的屈服应力是指油膏分子 间的引力开始断裂, 油膏开始流动时的剪切 应

19、力。 流变曲线上的屈服应力控制在 1050P a 之间, 屈服应力太小, 油膏甚至在重力 作用下就会滴流。屈服应力太大, 光纤受机械图 3 粘度剪切速率曲线图 4 剪切应力剪切速率曲线按光纤油膏的流变特性, 它是一种非牛 顿流体, 对其在不同剪切速率下的表观粘度 的实际测量, 可得到光纤油膏触变性的几个 定量指标。 通常用旋转式粘度计, 如 B roo k 2 f ie ld 粘度计, 在不同转速下测量油膏的表观 粘度, A STM D 2196 推荐的定义如下:1) 切薄指数 流体在低旋转速度下的表观粘度与在其10 倍 旋 转 速 度 下 ( 如 在 转 速 为 2rm in 和光纤与电缆及

20、其应用技术2000 年第 5 期1620 rm in , 5 rm in 和 50 rm in 或 6 rm in和加以分析和探讨。4. 1长期使用中性能保持稳定在 B e llco re 文件 GR 2202CO R E 1998 年 版“Gen e r ic R equ irem en t s fo r O p t ica l F ib e r an d O p t ica l F ib e r C ab le”中就此对光纤油膏 提出了两个要求:60 rm in 的各种组合下) 的表观粘度之比值称为切薄指数。 切薄指数表示在高剪切速率 下与低剪切速率下, 流体变稀薄的程度。 显 然, 对光

21、纤油膏而言, 切薄指数愈大, 在光纤二次套塑工艺中愈容易被齿轮泵泵入挤塑机 机头, 填充油膏的工艺性能越好。2) 触变度 一般触变度可有两种测量方法: 其一是在最低旋转速度 ( 2 rm in ) 下, 分别测量转速 增加时的表观粘度与转速下降时的表观粘度之比值, 显然这两者之差, 正是上述滞后回线 所反映的。此比值 (即触变度) 愈大, 油膏的触变 性愈佳。 其二是在恒定的最低转速 ( 2 rm in ) 下, 保持 30m in , 分别测量 30m in 后的油 膏的表观粘度和起始时的表观粘度, 两者之比值即为触变度。 触变性流体, 在恒温下, 在 恒定的剪切速率下, 其剪切应力随时间的

22、增 加而递减, 相应的表观粘度也随时间的增加 而下降。表观粘度下降到一定值时即行停止,这表明系统已达平衡。 这种变化是可逆的。1)光纤油膏的氧化诱导期 (O IT ) 不小于 20m in。光纤油膏在 70 ±20°C 温度下不滴2 )流。光纤油膏的氧化诱导期的测量, 实际上是一种加速老化试验。 根据光纤油膏在高温 下 (190±0. 5°C ) 测得的氧化诱导时间 (O IT )可推算其在常温下的使用寿命, 按 B e llco re标 准, 光 纤 油 膏 的 氧 化 诱 导 期 应 不 小 于20m in , 才能保证在常温下的正常使用寿命。 通常

23、光纤油膏氧化诱导期的大小取决于抗氧剂的含量, 从表 1 中可以看出光纤油膏中抗氧剂的含量对O IT 的影响。从表 1 也可看出, 析氢与氧化反应之间 的关系, 加入适量的抗氧剂不仅大大增加氧化诱导期, 也大大减小了析氢值。光纤油膏的主要性能要求光纤油膏的通常使用温度为- 40 +80°C , 最基本的使用要求是光纤油膏有较低 的屈服应力, 在低温下有足够的柔软性, 同时 要有低的油分离, 保证在 80°C 高温时油膏不 会从光缆中滴出。 这两方面的性能要求往往是矛盾的, 但却是必要的。例如为了减小油分 离, 提高高温不滴流性能, 就要求油膏的粘度 大一点, 屈服应力高一点。

24、但为了改善光纤油 膏的工艺性能, 保证在低温下足够的锥入度, 以减小光纤的附加损耗, 就要求油膏的粘度 小一点, 屈服应力也相应低一些。因而在光纤 油膏的制作时必须兼顾两方面的性能。 光纤 油膏制作的难度就在于正确选用配方、材料 及工艺, 以满足各种使用要求。下面就若干使用要求对光纤油膏的性能4表 1析氢和 O IT 与抗氧剂含量的关系抗氧剂含量%析氢 H 2B cm 3·k g- 1( 24 天, 40°C )O IT tm in00. 234< 0. 57> 120氧化诱导期的测量可按 A STM D 3895进行, 笔者在差热分析仪上测量光纤油膏样 品 的

25、 D SC 曲线 ( 差示扫描量热法) , 来得到O IT 值。 具 体 方 法 如 下: 取 油 膏 样 品 35m g, 放入铝碟, 装进差热分析仪的炉内, 通 以流量为 60 ±5mL m in 的氮气, 以每分钟10°C 的速率升温至于 190±0. 5°C , 恒温几分 钟后, 将氮气切换成氧气, 流量保持不变, 读出通氧开始时到油膏发生氧化反应之间的时 间, 即为氧化诱导期, 如图 5 所示。图 5 中 D SC 曲线是一根吸热2放热曲陈炳炎: 光纤松套管填充油膏的配制、性能和选用17断。光纤油膏的另一个重要指标是锥入度,它是油膏稠度(即软硬

26、程度) 的度量。 其测量 方法为: 在规定的温度和载荷下, 锥入度计的标准圆锥体 ( 质量为 150g ) 在 5 s 内垂直沉入 油膏试样的深度。这一锥入深度称锥入度, 以110mm 为单位。 具体测量方法可按 GB T 269291 进行。 锥入度愈大, 稠度愈小, 反之 亦然。与光纤油膏的粘度相比, 锥入度是一个更直观而容易检测的指标。在二次套塑中, 不 同外径的光纤松套管需采用不同锥入度 ( 在25°C 时) 的光纤油膏。按笔者经验, 对于外径 小于 3mm 的光纤松套管, 光纤油膏的锥入 度应在 410 110mm 左右为宜, 对于外径在图 5 光纤油膏的O IT 测量曲线

27、线, 当温度从室温开始上升时, 油膏样品在熔 融温度下发生吸热熔化, 因油膏是个多组分 材料, 各组分熔点不尽相同, 因而熔融峰的温 度范围较宽。 当油膏样品开始氧化时产生放热反应。从而很方便在D SC 曲线上读出O IT值。光纤油膏的滴流性能并不是油膏的内禀 性能, 它除了与油膏的有关性能相关外, 还与 光缆的结构有关。 油膏滴流性能主要取决于 其屈服应力和油分离。 为保证油膏在高温下 不滴流, 需适当提高屈服应力, 减小油分离。 此外, 适当提高油膏的粘度也有助于改善滴 流性能。 正因为光纤油膏的滴流是一个二次 性能参数, 其试验条件和方法需根据光缆的 使用环境和结构而定。 通用的试验方法

28、可按FO T P 281 (Com po u n d F low (D r ip ) T e st fo r F illed F ib e r O p t ic C ab le) 进行。 商用光缆的 滴流试验温度在 65 80°C ( 24h ) 之间。 军用 光缆可高达 150°C (6h )。具体的试验条件, 包 括光缆试样的制备、端部处理, 应根据光缆的 实际使用条件, 由用户和光缆制造商商定。4. 2 光缆工艺要求为适应光纤二次套塑工艺中油膏的填 充, 油膏必须有良好的触变性。 具体来说, 应当对选用的油膏切薄指数有一个适量的指 标。 笔者建议, 应当根据光纤二次套

29、塑工艺 中, 光纤油膏在填充系统中实际受到的平均剪切速率, 换算到 B roo k f ie ld 粘度计的相应 转速, 按A STM D 2196 的相关规定来测定油膏的有效切薄指数, 比较各种品牌光纤油膏的有效切薄指数, 以对其可泵性进行定量判左右的带纤松套管锥入度应减小到10mm330 110mm 左右。应当指出: 光纤油膏的锥入度和粘度是两个不同的性能参数, 两者之 间没有一定的相关性。 例如光纤油膏的高温 滴流的改善是通过减小油分离, 提高屈服应 力, 以及适当提高粘度, 但不等于要减少锥入度(即提高稠度)。4. 3 光缆在低温使用的要求通信光缆的最低使用温度取决于光缆的 使用环境和

30、敷设方式。 商用光缆的极限低温通常为- 40°C , 特殊场合可能更低, 如我国北 方大兴安林区的架空光缆的极限低温可达-55°C。军用光缆的极限低温也为- 55°C。低温 下使用的光缆, 要求光纤油膏仍能保持足够的柔软性, 使光纤能得到良好的机械缓冲保 护作用, 不然的话, 光纤在僵硬的油膏中将产生严重的微弯损耗。因此, 光纤油膏在极限低 温下应能保持一定的锥入度。据报道, 极限低温为-40°C 的商用光缆, 为使光纤损耗不致明显增加, -40°C 时的光纤油膏的锥入度应不小于 200 110mm 。光纤油膏的低温锥入度几乎取决于基础 油的性

31、能。如前所述矿物油的低温性能较差, 合成油较好, 硅油最好。 考虑到材料成本, 极光纤与电缆及其应用技术2000 年第 5 期18限温度为-30°C , 可采用矿物油; - 40°C , 可管材料时, 光纤油膏需用专用的油膏, 例如采用高粘度的聚 2烯烃作为基础油, 这可大大 提高对 HD P E 的相容性。聚 2烯烃对光纤涂 层的相容性也优于矿物油。下面着重讨论光纤油膏对光纤涂层的相 容性:在光纤松套管中, 光纤是直接浸润在光 纤油膏之中, 显而易见: 光纤油膏对光纤涂层的相容性首先要考虑的。 在光纤松套中与光 纤油膏直接接触的可能有光纤复合涂层、光 纤着色层和带纤涂层三

32、种。 通常这三种涂层均为同类基料所组成, 即紫外光固化的丙烯酸脂: 包括聚氨脂丙烯酸脂, 环氧丙烯酯脂,或两者的混合物, 聚丁二烯丙烯酸脂等。涂层 原料由丙烯酸脂低聚物 (预聚物)、单体 (稀释剂) 和光引发剂 (如苯偶联或其衍生物) 组成。光纤着色剂还包括颜料添加剂。 当涂料成形 固化时, 在紫外光固化反应中, 预聚物 ( 或多 官能度单体) 通过打开双键形成分子交联网 络。表征这种交联程度的高低有两个参数: 两 个交联点之间分子链段的平均分子量M c 和 交 联密度 v ( 即单位体积中交联单元的数 目)。 显然, 这两者是成反比的, 即 v 1M c。 交联程度愈高, M c 愈小, v

33、 愈大, 反之亦然。 这两个交联网络参数可以决定涂层的机械性 能。 如硬度和弹性模量, 以及涂层与油液 (溶 剂) 的相互作用等。例如, 在光纤复合涂层中, 一次 ( 内) 涂层交联程度较低, M c 大, v 小, 故 涂层较软, 弹性模量较低, 用以缓冲光纤微 弯。 而二次 (外) 涂层交联程度较高,M c 小, v 大, 因而涂层有足够的机械强度对光纤起机 械保护作用, 并能抵抗光纤油膏中的油液对 其的溶胀作用。光纤涂层 (包括光纤复合涂层、着色层和 带纤涂层) 与光纤油膏中基础油的相互作用 程度取决于涂层的化学组成和固化程度 ( 交 联密度)、基础油的化学组成和分子体积、浸 润的时间和

34、温度。采用矿物油和合成油的混和油; -50°C 需用合成油; - 60°C 非硅油不可了。 对于低温使用的油膏, 必须采用低倾点、低凝点的基础 油。 采用合成油时其玻璃化转变温度及结晶温度均需低于极限低温。 在低温下光纤油膏的屈服应力对于缓冲光纤在松套管中的机械晃动有很大意义, 屈 服应力从常温到低温时的变化情况, 可从某 品牌的屈服应力实测数据来加以说明: 该品牌光纤油膏在常温 ( 25°C ) 时的屈服应力为11P a, 而在- 40°C 时为 66. 2P a。应当说这是 一个比较合理的数值。4. 4 与光缆结构材料的相容性要求一种优质的光纤油膏必

35、须对有关光缆结 构材料有良好的相容性。这些结构材料包括:光纤、松套管材料, 如 PB T (聚对苯二甲酸丁 二醇酯)、PA ( 聚酰胺)、P P ( 聚丙烯)、HD P E(高密度聚乙烯) 等。 光纤油膏的相容性的测量方法是将有关材料制成一定的试样, 按规 定的时间和温度浸润在光纤油膏中, 然后测 量该材料浸润前后的参数变化。 各种材料的 相容性试验参数:1) 松套管材料 (PB T、PA 、P P、HD P E )试验参数为: 质量变化; 拉伸性能 ( 包括 屈服强度、断裂强度、断裂伸长) 变化; 氧化诱导期变化。2) 光纤试验参数包括: ( 1)光纤涂覆材料的质量变化; (2) 光纤涂覆层

36、的弹性模量的变化;( 3) 光纤涂覆层的玻璃化转变温度的变化; (4) 光纤涂覆层的固化度的变化; ( 5) 光纤 涂覆层剥离强度的变化。光纤油膏的相容性主要取决于基础油的 性能。实际表明, 矿物油和合成油都能满足通常相容性的要求, 聚乙烯和聚丙烯由于和矿 物油、合成油均为碳氢化合物, 因而容易吸油溶胀。 因此在用 HD P E 或 P P 作为光纤松套陈炳炎: 光纤松套管填充油膏的配制、性能和选用19当光纤涂层的化学组成确定后, 其成形时的紫外光固化程度对其与光纤油膏的相容 性将起关键作用。光纤涂层固化愈好, 愈不易 受油液的侵蚀, 相容性愈差。特别是光纤着色 层, 如固化不好, 着色层很容

37、易被油液侵蚀,时间一长, 颜色消退, 最后, 光纤表层的着色 层将不复存在。对光纤带而言, 带纤涂层是光 纤的第一层屏障, 必须有良好的固化才能保 持其长期使用的性能。 光纤涂层的固化度可 用红外傅里叶分析法或差热分析法进行测定, 在光缆厂中, 通常可用丁酮擦试法进行定 性检测。光纤涂层之类的交联网状聚合物可通过 直接接触吸收一定量的油液, 这种油液的吸 收称为溶胀。 这种溶胀过程本质上类似于油液与线性聚合物混合, 而形成聚合物溶液的 过程。聚合物与油液混合的倾向(通常用混合 熵表示) 受制于混合热 ( 焓) 对它的促进或抑 制作用。混合热 ( 焓) 是聚合物油液相互作用能量的一种度量, 通常

38、用一个无量纲的参数 来表示。 为负值时, 表示聚合物油液的相 互作用有利于两者的混合, 而 为正值时表 示聚合物油液的相互作用抑制两者的混合。 当聚合物吸收油液溶胀时, 聚合物交联链段 伸展而产生一种弹性收缩力 ( 相当于橡胶弹 性体中的收缩力) , 当这种收缩力与油液吸收的驱动力相平衡时, 就达到溶胀平衡态, 聚合 物的油液吸收即达到饱和。因此, 在光纤油膏的配制中, 应当通过对基础油与光纤涂层的相互作用参数 进行测 定, 用以判断光纤油膏对光纤涂层的相容性, 据此可以选择合适的化学组分来配制高质量的光纤油膏。4. 5 滴点滴点是反映光纤油膏热性能的一个指 标, 油膏在规定的条件下加热, 会

39、随温度升高 而变软, 从杯口滴下第一滴时的温度称为滴点。 油膏熔化成液体后即失去功能。 滴点的高低表示油膏在使用时所能受热的程度。 光 纤油膏的滴点高于光缆使用温度 15 20°C 即可。滴点测定可按国家标准 GB 4929285 进 行。应当指出, 光纤油膏的滴点和光缆的滴 流性能是完全不同的两个概念, 两者无任何 相关性。不能认为油膏滴点愈高, 光缆愈不容 易滴流。 笔者注意到各种品牌的光纤油膏的 滴点大小不等, 如表 2 所示。表 2 不同品牌光纤油膏的滴点指标光纤油膏牌号滴点 T °CL A 444, DA EW ON O P 1002400BU IL O S777

40、SYN CO FO X 415¦ 2N , 3002N U N IGEL 400N150170200220RH EO GEL 200 PRCN A P T EL O P 103, O P 303BU F F ER IT E 117 系列250> 343实际上, 光纤油膏的厂商根据自身的技术特点, 通过对原材料配方和工艺的选择, 研 制出不同品牌的油膏产品, 除了满足一般的基本性能外, 都有所侧重, 以突出其品牌的优 势。 因而, 不同品牌的光纤油膏产品, 不仅是 滴点, 其它性能指标都不尽相同, 以满足不同 用户的要求。作为光缆制造厂商, 在选用光纤 油膏时, 当然也是根据自身

41、光缆产品的使用 要求, 结合价格因素来选定某种品牌的油膏。 以滴点指标为例, 普通的商用光缆, 最高使用温度在 60 80°C 之间。光纤油膏在二次套塑 工艺及填充松套管的过程中也不会长期处于100°C 以上的温度中。 因此, 滴点高于 150°C的光纤油膏完全可以使用, 而在军用光缆中,使用温度就可能高达 150°C , 当然要选用更 高滴点的光纤油膏。由此可见, 光缆使用条件 的多样性决定了油膏性能的多样性。 奇怪的是, 多种国际品牌的光纤油膏为了进入中国光纤与电缆及其应用技术2000 年第 5 期20市场, 必须通过样品测试, 要符合中国的试验标准

42、, 不然有可能被误认为产品不合格。例如 中国的试验标准中, 滴点要220°C , 有些品 牌的油膏为了将滴点提高到 220°C 以上, 不 惜付出降低低温性能, 提高酸值, 提高密度, 降低锥入度等代价。这样一来, 国际上五彩缤 纷的油膏品牌到了中国不得不变得千篇一律。 据笔者所知, 除了光纤以外, 没有任何国 际标准对一种光缆的结构材料规定过一个统 一的指标。 笔者并不反对光纤油膏产品应当 有权威测量机构的实测数据。 但这种测量数 据应该用以验证该品牌油膏的技术规范是否 属实, 而不是用一个绝对的标准去判断其合 格与否。4. 6 其他性能要求1) 挥发度 光纤油膏的挥发度

43、是衡量油膏在使用和贮存期内, 由于基础油的挥发导致油膏变干 的倾向。 因而挥发度的大小主要取决于基础 油的性质。 油膏的挥发度会限止油膏的填充温度及影响油膏与松套管材料的相容性。 光 纤油膏经长期挥发后, 将会变稠, 滴点降低, 酸值增大, 油分离减小, 从而影响其使用寿 命, 故要求光纤油膏的挥发度愈小愈好。合成油聚 2烯烃、聚异丁烯的挥发度比矿物油 低。光 纤 油 膏 的 挥 发 度 可 按 国 标 GB T7323292 进行测试。 此法是将光纤油膏试样 装在专门的蒸发器中, 置于规定的恒温浴中,使热空气通过试样表面, 经 24h , 根据试样损 失的质量计算挥发损失, 以质量分数表示。

44、2) 闪点 闪点是表示可燃性液体性质的指标之一。在规定的条件下加热油膏, 当油膏达到某 一温度时, 油膏的蒸气和周围空气的混合气体, 一旦与火焰接触, 即发生闪火现象, 最低 的闪火温度谓之闪点。通常用开杯闪点法, 按国标 GB T 287288 来测量光纤油膏的闪点。油膏闪点的高低取决于基础油质量的大小, 以及基础油中是否含有轻质组分及其含 量大小。轻质油或含轻质组分多的基础油, 其 闪点就低, 反之亦然。光纤油膏的闪点与其挥 发度也有一定联系, 闪点低, 挥发度就大, 将 影响油膏的长期使用性能。 光纤油膏的闪点 应不低于 200°C。3) 酸值酸值又称总酸值。 光纤油膏的酸值是

45、表 示油膏中游离酸的含量。中和 1g 油膏所需的氢氧化钾的毫克数即为酸值, 单位是m gg。 酸值的测量可按 GB T 264283 或 GB T7304287 进行。光纤油膏组分中, 有一定的酸性添加剂, 有一定的酸值是正常的。但酸值太 大, 表示游离酸含量过大, 有可能对光纤涂覆和松套管材料产生腐蚀作用。 光纤油膏在长 期的贮存和使用过程中氧化变质时, 酸值也 会增大, 因此酸值大小的变化也可作为油膏 氧化稳定性的衡量尺度。4) 析氢氢气对光纤损耗的影响是一个传统课 题。早在 80 年代初, 人们就发现, 氢分子侵入 光纤会引起光纤可逆或永久的损耗增加, 当 氢分子侵入光纤达到一定的分压时, 光纤损 耗增加; 分压下降, 氢分子逸去后, 损耗下降。当氢分子陷落到光纤玻璃的缺陷部分, 会发生化学反应生成 O H - 离子, 从而使 O H -吸收峰及谐波长的损耗增加, 导致工作波长上光纤损耗的相应增加, 这种氢损是永久性的。 对氢损机理的研究, 导致了光纤掺杂材料及光纤涂层的改进。 现代的单模光纤受氢气的 影响已得到很大的改进。在