周珍福 朱洪濤 王 翔
長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司 摘要：本文通過(guò)對(duì)光纜護(hù)層用兩種主要劣質(zhì)材料(回收護(hù)套料和鍍錫鋼帶)與正常護(hù)套料和鍍鉻鋼帶的實(shí)驗(yàn)分析、比較，探討了相關(guān)的劣質(zhì)材料和光纜的性能。
關(guān)鍵詞：光纜護(hù)層，劣質(zhì)材料，使用壽命 0 前言
近幾年來(lái)，我國(guó)的通信光纖光纜市場(chǎng)一直處于比較低迷的困境。一方面是光纜產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，另一方面是光纖和光纜的價(jià)格持續(xù)走低。在這種形勢(shì)下，光纜制造企業(yè)只有使出渾身解數(shù)，盡可能降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)市場(chǎng)竟?fàn)幜Α?BR> 降低生產(chǎn)成本主要包括兩方面：一是內(nèi)部挖潛，降低消耗；二是降低原材料的采購(gòu)成本。在過(guò)去，光纖在光纜的成本中占主導(dǎo)地位，隨著光纖價(jià)格的下降，其它材料的成本比重越來(lái)越大。所以目前更多的光纜制造廠家在降低原材料采購(gòu)成本時(shí)，最明顯的表現(xiàn)是在原材料的選擇上降低標(biāo)準(zhǔn)，有的甚至以次充好，這樣帶來(lái)的后果無(wú)疑是產(chǎn)品質(zhì)量在某些方面的降低。
作為光纜的使用者，希望了解如何去識(shí)別材料的差異。本文將通過(guò)對(duì)光纜護(hù)層用兩種主要材料的一些重要指標(biāo)進(jìn)行比較分析，通過(guò)對(duì)比來(lái)說(shuō)明光纜質(zhì)量的差別。一種材料的質(zhì)量好，它應(yīng)該好在什么地方，會(huì)對(duì)提高光纜性能及可靠性起哪些作用；對(duì)于質(zhì)量差的材料該注意些什么指標(biāo)，差的地方會(huì)對(duì)光纜性能及可靠性造成什么影響。
我們從市場(chǎng)上采購(gòu)了兩種現(xiàn)行廉價(jià)的光纜護(hù)層用的主要材料-----回收護(hù)套料和鍍錫鋼帶。進(jìn)行了材料測(cè)試、生產(chǎn)加工試驗(yàn)以及對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的成品纜進(jìn)行全性能測(cè)試，并對(duì)所有測(cè)試項(xiàng)目與正常護(hù)套料和鍍鉻鋼帶進(jìn)行了比較。 1 聚乙烯護(hù)套料的比較
光纜的護(hù)套直接與外界環(huán)境相接觸，所以護(hù)套材料的選擇需要考慮多方面的因數(shù)。它應(yīng)能有效地抵御一切外來(lái)的機(jī)械、物理、化學(xué)的損傷，并能適應(yīng)各種敷設(shè)方式和應(yīng)用環(huán)境，保證光纜有足夠長(zhǎng)的使用壽命。現(xiàn)在普遍使用的光纜外護(hù)套料為聚乙烯， 線纜行業(yè)使用的聚乙烯護(hù)套料主要有：LLDPE、MDPE、HDPE。MDPE和HDPE具有較高的硬度、楊氏模量，較低的熱變形、磨耗、透水率和摩擦系數(shù)。早期的HDPE護(hù)套料有回縮大、耐環(huán)境應(yīng)力和加工性能差等缺點(diǎn)；MDPE護(hù)套料則是結(jié)合了LLDPE和HDPE的優(yōu)點(diǎn)，專為光纜開(kāi)發(fā)的護(hù)套材料，具有更好的綜合性能。近年來(lái)隨著材料技術(shù)的發(fā)展，HDPE護(hù)套料的上述缺點(diǎn)也得到了解決。如上海石化采用北歐雙峰技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的DH050T及DH170T。因此，它們都是適于制造光纜護(hù)套的材料。 1.1光纜護(hù)套料應(yīng)滿足的要求
1.1. 1加工性能
聚乙烯應(yīng)具有優(yōu)秀的流變性能，好的聚乙烯具有均一穩(wěn)定的融熔指數(shù)。適于不同的纜徑，能達(dá)到一定的擠出速度。穩(wěn)定的擠出流量，保證產(chǎn)品幾何形狀、外觀的完整性，即產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)表面粗糙，皺紋，竹節(jié)，起泡，局部變細(xì)等。為了適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，作為光纜的護(hù)套材料的批量間性能的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的，因?yàn)榕恐g的不穩(wěn)定性而頻繁調(diào)整擠出工藝勢(shì)必會(huì)影響光纜的最終性能。質(zhì)量不好的護(hù)套料，特別是回收護(hù)套料每一批內(nèi)和批與批之間是很難保證其性能穩(wěn)定性的，因此在擠出光纜護(hù)套時(shí)，需不斷調(diào)整工藝參數(shù)，這樣將最終影響到光纜質(zhì)量的穩(wěn)定。
1.1. 2低回縮性能
低收縮是光纜護(hù)套材料的重要參數(shù)之一，未受控制的回縮將使光纜發(fā)生變形，對(duì)光纖造成微彎或宏彎損耗，從而影響光纜的傳輸性能。開(kāi)發(fā)低回縮的光纜護(hù)套料也是材料供應(yīng)商致力發(fā)展的方向。就材料本身而言，影響回縮的因素有分子量、分子量分布、支鏈長(zhǎng)度和支鏈密度等，另外護(hù)套料的反復(fù)加工過(guò)程也會(huì)影響護(hù)套料的收縮。
1.1. 3好的機(jī)械性能
對(duì)于光纜護(hù)套來(lái)說(shuō)，機(jī)械性能方面需要考慮的有屈服強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率，耐磨性等。另外值得特別關(guān)注的是PE護(hù)套料機(jī)械性能的批量穩(wěn)定性和老化前后的變化率。
1.1. 4耐侯性、耐環(huán)境性和老化性
護(hù)套材料直接與外界環(huán)境相接觸，為了保證長(zhǎng)期的的使用壽命，必需考慮氣候和環(huán)境的影響。聚乙烯的老化和失效可能來(lái)自以下幾個(gè)方面：
1.1.4.1耐熱氧老化：
耐熱氧老化用兩方面的指標(biāo)來(lái)評(píng)估，老化前后的機(jī)械性能變化率，另一點(diǎn)是氧化誘導(dǎo)期OIT，OIT與材料中抗氧劑的含量，類型和分散性密切相關(guān)。
1.1.4.2耐紫外線：
在聚乙烯護(hù)套料中，通常是采用添加炭黑來(lái)吸收紫外線。其阻擋紫外線的效果與炭黑的含量，適當(dāng)?shù)念w粒大小和類型，及其分散程度有關(guān)。在聚乙烯護(hù)套料的生產(chǎn)過(guò)程中，如果混合的工藝不過(guò)關(guān)，炭黑分散度和炭黑吸收系數(shù)是不容易達(dá)到要求或是不穩(wěn)定的。如果炭黑分散度和炭黑吸收系數(shù)達(dá)不到要求，這樣的材料在光纜敷設(shè)后就可能在抗紫外線老化方面存在隱患，特別是應(yīng)用于架空光纜時(shí)。美國(guó)聯(lián)碳公司對(duì)這方面進(jìn)行過(guò)很深的研究，圖1、圖2展示了炭黑分散度的比較。圖3、圖4顯示了2.6%含量炭黑護(hù)套料的抗紫外線曲線圖。在電線電纜和通信電纜的應(yīng)用中，實(shí)地經(jīng)驗(yàn)已清楚地顯示，摻有2.6%分散均勻的炭黑（微粒粒度低于20毫微米）的聚乙烯能在戶外維持35年以上。
圖1 炭黑分散程度較好 圖2 炭黑分散程度較差
圖3聚乙烯在QUV測(cè)試機(jī)中的耐候性表現(xiàn) 圖4 聚乙烯在戶外的耐候性表現(xiàn) 1.1.4.3耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂：聚乙烯塑料在含有皂類、保濕劑、油或洗滌劑的環(huán)境中受到應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出機(jī)械性能失效而表面發(fā)生開(kāi)裂。特別是管道纜和直埋纜所處的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，如果選用護(hù)套料不當(dāng)將會(huì)直接影響光纜性能。 1.2 材料測(cè)試比較
我們將回收護(hù)套料和正常護(hù)套料進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1所列的測(cè)試結(jié)果可以看出，回收護(hù)套料的機(jī)械性能、耐侯性，耐環(huán)境性和老化性是極差的，這將直接影響光纜的使用壽命。正常護(hù)套料各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)光纜的可靠性特別是光纜的使用壽命有足夠的保障。
表1回收護(hù)套料和正常護(hù)套料測(cè)試結(jié)果比較
測(cè)試項(xiàng)目 標(biāo)準(zhǔn)值 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 回收PE料實(shí)測(cè)值 測(cè)試結(jié)果 正常PE料實(shí)測(cè)值 測(cè)試結(jié)果
拉伸強(qiáng)度 20Mpa GB1040 19.7 不合格 21.4 合格
斷裂伸長(zhǎng)率 600% GB1040 85.8 不合格 821.9 合格
耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂 48h(0/10) GB2951.39 2/10 不合格 0/10 合格
200C氧化誘導(dǎo)期 30min GB2951.37 3.88 不合格 55 合格
炭黑含量 2.60.25% GB2951.36 1.276 不合格 2.68 合格
炭黑分散度 6分 GB15065-94附錄A 3 不合格 8 合格
老化后強(qiáng)度變化率 25% GB2951.7 1.01 合格 0.9 合格
老化后伸長(zhǎng)率 25% GB2951.7 -42.1 不合格 2.8 合格
與纜膏相容性試驗(yàn) 9% 1002C，240h.重量法 1.02% 合格 0.02% 合格 1.3 工藝試驗(yàn)
光纜用戶對(duì)材料的加工性并不關(guān)心，前面已經(jīng)描述過(guò)，從材料的加工過(guò)程和產(chǎn)品表現(xiàn)也能反應(yīng)出材料質(zhì)量的優(yōu)劣。
正常護(hù)套料加工時(shí)表面光滑，有光澤，擠出直徑均勻，無(wú)刺激性氣味。
回收護(hù)套料生產(chǎn)的纜表面毛糙，暗淡，有很多針眼并伴有雜質(zhì)，擠塑時(shí)有較強(qiáng)的刺激性氣味。擠塑�？谒闹艹练e有大量雜質(zhì)，見(jiàn)圖5、圖6。通過(guò)材料的加工特性，不難看出回收護(hù)套料的長(zhǎng)期質(zhì)量穩(wěn)定性值得懷疑。
圖5 擠塑�？谒闹艹练e有大量雜質(zhì) 圖6 擠塑�？诘粝碌碾s質(zhì)
1.4 成品纜測(cè)試
我們分別用回收護(hù)套料和正常護(hù)套料生產(chǎn)了GYTS-18B1和GYTA-18B1兩種結(jié)構(gòu)的光纜，按YD/T901-2001《核心網(wǎng)用光纜，層絞式通信用室外光纜》，進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)。所有測(cè)試項(xiàng)目都能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。 2 覆膜鋼帶的比較
2.1 覆膜鋼帶的性能
鋼帶在光纜原材料成本中占較大的比重。鋼帶由中間的基帶和兩面的聚合物薄膜(通常為EAA)組成。其性能要求主要有以下幾個(gè)方面：
2.1.1機(jī)械性能
需要一定的強(qiáng)度和延伸率，強(qiáng)度主要是由基帶提供，而延伸率也是考核基帶的延伸率。
2.1.2粘接性能
這有三個(gè)方面的含義：一是鋼帶可以與聚乙烯護(hù)套粘合，二是鋼帶在縱包時(shí)搭接處需要自粘，三是聚合物薄膜與基帶的粘合強(qiáng)度。粘接性能主要與聚合物薄膜所用材料的性能有關(guān)。
2.1.3相容性和抗腐蝕性
由于光纜中有油膏存在，金屬?gòu)?fù)合帶會(huì)長(zhǎng)期與油膏接觸，這就需要考慮與油膏的相容性。而相容性所觀察的對(duì)象是看在油膏中基帶與聚合物薄膜是否會(huì)起泡或分層。抗腐蝕性是指復(fù)合帶在酸性或堿性環(huán)境中會(huì)不會(huì)分層或?qū)鶐г斐筛g。 2.2 覆膜鋼帶的性能與其原材料選用的關(guān)系
比如復(fù)合鋼帶的基帶，通常用鍍鉻鋼帶，鍍鉻層的特點(diǎn)是即在潮濕大氣中很穩(wěn)定，同時(shí)在一般酸性環(huán)境中也很穩(wěn)定。這是因?yàn)榻饘巽t本身在大氣中極易氧化成一層極薄的鈍化層。試驗(yàn)和長(zhǎng)期的使用證明，鍍鉻鋼帶用在光纜復(fù)合帶中的相當(dāng)穩(wěn)定可靠的。
也有光纜廠家采用成本相對(duì)較低的鍍錫鋼帶為基帶的復(fù)合鋼帶。鋼基鍍錫板在干燥潔凈的大氣中具有良好耐蝕性，但鍍錫層表面的孔隙是不可避免的，因此在潮濕大氣和表面凝露或浸水條件下，易形成微電池發(fā)生腐蝕，尤其是在酸性或有微量鹽份存在的環(huán)境中，腐蝕速度相當(dāng)快。所以鍍錫鋼帶往往不能通過(guò)光纜用金屬?gòu)?fù)合帶標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的耐腐蝕性試驗(yàn)，而且由于Fe和Sn之間的電位差，腐蝕過(guò)程中微電池的形成，也極大增加了氫氣生成的風(fēng)險(xiǎn)。
我們分別采用鍍鉻鋼帶和鍍錫鋼帶為基帶的復(fù)合帶，按照YD/T 723.1-94標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)其抗腐蝕等級(jí)，其抗腐蝕等級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 鍍鉻鋼帶和鍍錫鋼帶抗腐蝕等級(jí)比較
抗腐蝕等級(jí) 標(biāo)準(zhǔn)要求 測(cè)試結(jié)果 結(jié)論
鍍鉻鋼帶 ≥7 9 合格
鍍錫鋼帶 ≥7 0 不合格
將鍍鉻鋼帶和鍍錫鋼帶浸泡于0.1mol/L鹽酸中20天，結(jié)果鍍鉻鋼帶僅邊緣有少量腐蝕，而鍍錫鋼帶銹蝕嚴(yán)重，薄膜完全脫落，見(jiàn)圖7、圖8。
圖7 鍍鉻鋼帶僅邊緣有少量腐蝕 圖8 鍍錫鋼帶腐蝕嚴(yán)重，薄膜完全脫落
將鍍鉻鋼帶和鍍錫鋼帶浸泡于75C纜膏中7天，結(jié)果鍍鉻鋼帶無(wú)變化，即有很好的相容性，而鍍錫鋼帶聚合物薄膜出現(xiàn)許多小泡泡，見(jiàn)圖9所示，并且浸泡時(shí)間越長(zhǎng)泡泡越多，也就是說(shuō)，在此條件下鍍錫鋼帶與纜膏的相容性較差。
圖9 浸泡于75C纜膏中7天后的鋼帶
在目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的成本壓力下，如鍍錫這類的復(fù)合鋼帶在為數(shù)不少的光纜廠中還在采用，甚至包括一些大的光纜廠家。對(duì)光纜品質(zhì)有著嚴(yán)格要求的用戶，需要對(duì)最基本的原材料性能加以控制，以確保光纜的長(zhǎng)期使用壽命。
2.3 工藝試驗(yàn)
從我們?cè)嚿a(chǎn)的1500米來(lái)看，鍍錫鋼帶在生產(chǎn)中與鍍鉻鋼帶一樣，沒(méi)什么異常現(xiàn)象。即使是同種材質(zhì)的基帶，不同的品牌之間也有很大的質(zhì)量差異。除了機(jī)械性能的差異之外，通常質(zhì)量較差的金屬帶如國(guó)產(chǎn)的基帶，會(huì)表現(xiàn)在均勻性差，缺陷較多，存在有孔洞，在生產(chǎn)制造過(guò)程中易斷裂。 2.4 成品纜測(cè)試
我們用鍍錫鋼帶、鍍鉻鋼帶和回收護(hù)套料、正常護(hù)套料分別做成四個(gè)試驗(yàn)纜樣品，對(duì)其粘合強(qiáng)度（包括鋼帶與鋼帶搭接處、鋼帶與PE護(hù)套料之間）進(jìn)行測(cè)試，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
3 結(jié)論
通過(guò)對(duì)光纜中主要護(hù)層材料-------護(hù)套料和鋼帶的性能要求、材料試驗(yàn)、實(shí)際工藝加工以及成品纜測(cè)試等的分析，我們可以得出以下結(jié)論：
光纜的性能我們應(yīng)該從兩個(gè)大的方面來(lái)考慮，一是使用性，二是可靠性。作為使用性能，包括光學(xué)特性、機(jī)械性能、環(huán)境性能等；而可靠性則是基于對(duì)長(zhǎng)期壽命的考慮。除了合理的光纜生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)，材料性能的影響是非常關(guān)鍵的，特別對(duì)于光纜的可靠性是至關(guān)重要的。我們用回收護(hù)套料和鍍錫鋼帶生產(chǎn)的光纜所有測(cè)試結(jié)果均能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是說(shuō)光纜出廠驗(yàn)收可以保證合格，但其所用原材料在質(zhì)量上存在缺陷，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可能會(huì)對(duì)光纜的可靠性帶來(lái)潛在的問(wèn)題，應(yīng)引起光纖通信行業(yè)的高度關(guān)注。
——本篇論文轉(zhuǎn)載自《中國(guó)第五屆光纖光纜用材料技術(shù)研討會(huì)論文集》。 |