新型非金属材料在圆形光缆中的应用与探索

一、概述
      目前在圆形光缆结构中常用的非金属加强层材料主要为芳纶纱加强材料，部分地方为减轻经济压力多采用国产聚酯纱材料作为圆形光缆的加强层材料。国产聚酯纱曾在一定的范围内批量使用，但因此也带来了较多的问题。拉力达不到使用要求、外护极易与纱粘结、耐热性能达不到要求等等。鉴于聚酯纱与芳纶纱相比其明显的缺陷性，其在圆形光缆的应用与前景并不明晰。但近几年来国内自主研发生产的非金属玻纤带和非金属玻纤纱产品在室外结构光缆上有了比较成熟的运用，为国内非金属材料在光缆结构中使用打下良好基础。
 
二、不同非金属材料的技术指标和特点
      1、芳纶纱的技术指标和特点：
      芳纶纤维是一种芳香族聚酰胺纤维，它具有非常优越的机械物理性能和化学性能，如重量低、绝缘性良好、耐腐蚀及抗化学反应、高弹性模量、高强度和高柔韧性等，主要技术指标见表1。

弹性模量(Gpa)	断裂伸长率
70～120	≤2.5%

      2、玻纤带和玻纤纱的技术指标和特点：
      （1）拉伸强度高，伸长率小
      （2）弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大
      （3）为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳
      （4）吸水性小
      （5）弹性系数高，刚性强
      （6）尺寸稳定性、耐热性均佳
      （7）加工性能佳，可成股、束、带等不同形态的产品
      （8）价格便宜
      （9）不易燃烧
      （10）玻纤带和纤维纱的主要技术指标见表2和表3。

弹性模量(Gpa)	断裂伸长率
≥50	≤2.5%

弹性模量(Gpa)	断裂伸长率
≥70	≤2.5%

  
三、非金属材料中的重金属及化合物含量
      非金属材料用于室内外圆形光缆中，因此材料的重金属含量和化合物必须符合相关要求。我们对芳纶纱、玻纤纱、玻纤带进行了测试，测试仪器为3vROHS测试仪，测试结果均满足要求，见表4。  
四、非金属材料在圆形光缆中成缆加工工艺及检测情况
      我们选用2.5mm圆形光缆作为试验产品，三种不同材质的加工工艺分别如下：
      在选用在非金属材料时，我们重点考虑：一是能保证圆形光缆的拉伸性能（即抗拉强度）；二是非金属材料的截面应足够多，以便能均匀完全地包裹紧套光纤，提高圆形光缆的抗压扁和冲击能力；三是光缆结构尺寸。
      1、芳纶纤维纱成缆工艺：
      为了满足150N拉力下光纤应变在0.4%以内，因此我们选用了弹性模量为110GPa，规格为1610dtex的芳纶纱作为非金属加强件。
      加工工艺：
      紧套放线张力150g，芳纶纱放线张力200g，均匀分布在紧套光纤四周，平拖进入机头后挤上低烟无卤外护套,利用原有的45生产线调整工艺后即可生产。
      2、玻纤纱成缆工艺：
      玻纤纱的刚性比较高，因此为了保证室内的柔软性和在150N拉力下光纤应变在0.4%以内，我们选用了弹性模量为70GPa，规格为GY300-F规格的玻纤纱作为非金属加强件。
      加工工艺：
      紧套放线张力150g，玻纤纱放线张力200g，均匀分布在紧套光纤四周，平拖进入机头（放线时与芳纶纱放线略有不同，需要调整玻纤纱出线方式）后挤上低烟无卤外护套。
      3、玻纤带成缆工艺：
      玻纤带的基础材料是玻纤纱，它是将多根玻纤纱用胶水合并在一起。我们根据光缆的外径和拉力情况，选用宽度为4mm厚度为0.25mm的规格进行试验，由于玻纤带的厚度再加上紧套光纤为0.9mm，因此光缆外径我们控制在2.8mm左右。
      加工工艺：
      紧套放线张力150g，玻纤带放线张力1000g，在进机头前需要采用预成型模具将玻纤带均匀包覆在紧套光纤外面，进入机头后挤上低烟无卤外护套。
      4、光缆机械性能检测情况：

检验项目	单位	测试指标	非金属加强件
			芳纶纱	玻纤纱	玻纤带
拉伸应变	﹪	长期拉力80N，缆中光纤应变值≤0.2	0.157	0.167	0.148
	﹪	短期拉力150N，缆中光纤应变值≤0.4	0.292	0.301	0.243
拉伸附加衰减	dB	长期拉力80N，缆中光纤附加衰减绝对值≤0.03	0.004	0.003	0.005
	dB	拉力去除后，缆中光纤残余附加衰减绝对值≤0.03	0.007	0.003	0.002
	/	护套无目视可见开裂	无	无	无
压扁	dB	长期压力1000N，缆中光纤附加衰减绝对值≤0.03	0.005	0.003	0.007
	dB	短暂压力2200N，缆中光纤附加衰减绝对值≤0.4（1550nm）	0.008	0．002	0.005
	/	护套无目视可见开裂	无	无	无
冲击	dB	1N·m，5点，每点3次，光纤残余附加衰减≤0.4（1550nm）	0.003	0.006	0.003
	/	护套无目视可见的任何开裂和损伤	无	无	无
反复弯曲	dB	张力20N，30H，30次，光纤残余附加衰减≤0.4（1550nm）	0.007	0.002	0.001
	/	护套无目视可见的任何开裂和损伤	无	无	无
弯折	/	沿光缆扁平方向施力，最小直径是静态弯曲光缆半径的两倍，光缆应不发生弯折	不弯折	不弯折	不弯折
扭转	dB	张力20N，受扭长度1m，角度±180°，次数20次，光纤残余附加衰减≤0.4（1550nm）	0.008	0.000	0.001
	/	护套无目视可见的任何开裂和损伤	无	无	无
结论			合格	合格	合格

      附光缆中光纤应变图，图1为芳纶纱非金属材料光缆中光纤应变测试图，图2为玻纤纱非金属材料光缆中光纤应变测试图，图3为非金属玻纤带光缆中光纤应变测试图。                       
五、结束语
      非金属玻纤纱和非金属玻纤带生产的圆形光缆，我们通过反复试验及检测，强度和弯曲等机械特性能满足标准要求，另外这两种非金属材料有着优异的加工性能，尤其是玻纤纱成缆工艺比玻纤带成缆工艺更加简单和稳定。同时完全国产化的知识产权和价格使其具有芳纶纱、聚酯纱不可比拟的优势，因此玻纤纱和玻纤带产品不失为一种颇有潜力的替代材料，但产品高低温性能还需要进一步测试和论证。