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2009/05/29
作者：张海军
一、引言
在我国，光纤通信从70年代开始起步，到现在已有30余年，30年来，光纤和光缆制造技术不断进步，尤其近10年来，无论从技术革新、工艺控制还是从设备改进等方面都得到了长足发展和提高。随着扩内需和国家信息化工程3G、IPTV、FTTX等的大力推进，光纤光缆产业基本未受金融泡沫的影响，得到了快速发展。光纤光缆的本身要求就很高，因为光纤和铜缆不同，光纤纤维的表面上存在着很多微裂纹，水分和潮气一旦侵入，裂纹会慢慢生长并不断扩大，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，水峰衰耗慢慢增大，最后使光纤不能承受很大的应力而断裂。如今，国家线路网络的规划也越来越规范，光网路的设计也越来越具有前瞻性，所敷设的光缆等基础设施也不可能经常会换来换去，所以如何保证所敷设的光缆在25左右的时间内可靠运行，是每一个搞工程施工和设计者必须考虑的问题。
二、影响光缆质量稳定性和可靠性的关键因素
光缆设计技术的重点是尽最大可能的保护光纤，因为常用的光纤是由石英玻璃制成的。虽说石英玻璃光纤具有优良的物理和化学性能，但是石英玻璃光纤的脆性，使其在由预制棒拉成光纤的过程中会在光纤表面产生一些微裂纹，光缆结构设计的关键就是要想方设法保证光纤表面产生的一些微裂纹不会受到外界环境机械应力和潮气的作用，否则光纤上的微裂纹会扩展甚至引起疲劳断裂。我们把光纤做成光缆就是要对光纤提供尽可能的保护，光缆要长期适应不同的敷设环境，保持稳定运行几十年，没有性能优良的材料，是无法做到的。
光缆的稳定性和可靠性就是衡量一个光缆长期寿命的问题，光纤的寿命主要由光纤在运行期间所受的应力所决定，当光纤长期应变（长期工作时所受应变）小于光纤强度筛选应变的1/3 ～1/5时就可保证光纤寿命20～30年。随着光纤制造工艺的逐步提高，工艺越来越完善，光纤的筛选应力也相应的有所提升，所以从理论上分析保证光纤30年的寿命应该没有问题。所以保证光缆长期可靠稳定运行，其材料性能的影响显得非常关键，特别是一些关键性原材料的影响。
1、光缆用PBT材料
制作光纤束管的主要材料是PBT，全名是聚对苯二甲酸丁二醇酯，是光缆制造过程中对光纤保护的最后一道屏障，由于光缆用PBT要求具有优异的耐侧压性能，所以对PBT的特性粘度要求很高。PBT增粘的方法主要有反应扩链、固相增粘和直接合成，反应原理如（1）式所示：
研究发现，PBT的水解老化性能与聚合物分子中羧端基COOH的含量有关，羧端基含量越高，水解反应速度越快，在此反应过程中羧端基的含量会进一步增加，当含量达到70毫克当量/千克时，PBT就会脆化开裂。所以PBT材料抗水解特性的技术和工艺关键就是在制造过程中设法减少羧端基的含量，好的工艺和技术控制可以把羧端基的含量控制到最小。
2、光缆用护套材料
光缆护套是光缆制造过程中对光纤保护的第一道屏障，因为它是直接接触外界环境条件，温度变化、化学腐蚀、日晒雨淋等直接作用，所以必须具有一定的强度和良好的化学稳定性，在常温下不溶于有机溶剂，耐多种酸、碱及盐类溶液的腐蚀，水密性好，水蒸气渗透性低等特点。线缆行业使用的护套料主要是聚乙烯，分为LLDPE、MDPE、HDPE，此三种护套料也各有优缺点，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由于聚乙烯分子结构中有很多长短不等的支链，支链愈多，大分子之间的聚集态愈不规整，其结晶度愈低，弹性模量也愈低，故在光缆生产中较少采用。
近两年受国家拉动内需，运营商兴建网络的影响，光纤光缆需求火爆，出现了供不应求的局面，此种情况下，肯定会孕育出一批小规模的生产厂家，在追求利润最大化的驱使下，难免会有一些厂家对产品质量的重视程度不够，采用再生护套料来做光缆的外护套。这样生产出来的光缆，通过正常的手段或者目测往往不太容易发现问题，各大运营商和相关的检测机构并不一定都具备相关的检测标准和设备，很难发现这些隐形的质量隐患，对国家的光网络存在极大的风险。
高质量的光缆护套料，其抗拉强度和断裂伸长率都远远高于行业标准要求的16MPa和350％（MDPE）。而用再生料生产的护套料和高质量的护套料各性能相比有不小差异，特别是机械性能的批量稳定性和老化前后的变化率。按照标准要求，抗张强度变化率不大于25%，断裂伸长率不大于20%，我们对用不同比例的再生料和高质量的全新料进行了老化前后机械性能的对比，如下表所示：
3：为比例稍多再生料的护套料
从上表可以看出，虽说后两种护套料抗拉强度和断裂伸长率老化前后都符合标准，但前后变化率的差异性是很大的，由于添加了再生料，其抗紫外线能力和耐环境应力开裂也会存在很大差别，护套作为光缆最终的保护层，如果按照要适应复杂多变的气候环境，2号和3号很难保证25-30年时间长期的稳定。
3、其它原材料
油膏：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。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，在光缆生产过程中尽量选用触变系数大的纤膏，以保证光缆低温性能的稳定。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，这一点需要引起我们的重视。
金属复合带：在光缆原材料成本中金属复合带占较大的比重。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，因为金属铬本身在大气中极易氧化成一层极薄的钝化层，即使在潮湿大气中和一般酸性环境中都很稳定，所以用在光缆复合带中非常适合。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，此钢带在潮湿大气中，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，极大增加了析氢的可能性。
三、一种新结构的光缆
因为在光缆生产过程中，PBT套管式直接接触光纤的，是最关键的原材料，生产厂家为了确保产品质量，一般不会在PBT上选用很差的材料，大部分都是在外护套材料上选用再生料。据此，国外出现了一种新结构的光缆，如下图所示：
另外还有一种是护套在挤制时采取双层共挤的方式，内层用普通的护套料，外层根据光缆的敷设场所选用特种护套材料生产，同样可以保证光缆的性能更加稳定，寿命更长。其实不管采取那种方式，都是利用材料的优异性能来更好的保护光纤，以期更加稳定长期有效的运行。
四、结论
光缆是通信网信息传输的重要载体，是国家信息产业链中不可缺少的重要部分，它的发展健康与否，直接关系到国家信息产业的发展。所以我们呼吁，有远见卓识的光缆企业一定要在生产中选用品牌厂家的复合标准的优质原材料，只有和业绩稳定、质量过硬、信誉良好的材料厂商建立长期的战略合作伙伴关系，才能真正从源头上对光缆的产品质量进行有效控制，才能充分保证光缆产品质量的长期可靠、稳定，才能更好的为我国信息化网络建设服务。
在我国，光纤通信从70年代开始起步，到现在已有30余年，30年来，光纤和光缆制造技术不断进步，尤其近10年来，无论从技术革新、工艺控制还是从设备改进等方面都得到了长足发展和提高。随着扩内需和国家信息化工程3G、IPTV、FTTX等的大力推进，光纤光缆产业基本未受金融泡沫的影响，得到了快速发展。光纤光缆的本身要求就很高，因为光纤和铜缆不同，光纤纤维的表面上存在着很多微裂纹，水分和潮气一旦侵入，裂纹会慢慢生长并不断扩大，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，水峰衰耗慢慢增大，最后使光纤不能承受很大的应力而断裂。如今，国家线路网络的规划也越来越规范，光网路的设计也越来越具有前瞻性，所敷设的光缆等基础设施也不可能经常会换来换去，所以如何保证所敷设的光缆在25左右的时间内可靠运行，是每一个搞工程施工和设计者必须考虑的问题。
二、影响光缆质量稳定性和可靠性的关键因素
光缆设计技术的重点是尽最大可能的保护光纤，因为常用的光纤是由石英玻璃制成的。虽说石英玻璃光纤具有优良的物理和化学性能，但是石英玻璃光纤的脆性，使其在由预制棒拉成光纤的过程中会在光纤表面产生一些微裂纹，光缆结构设计的关键就是要想方设法保证光纤表面产生的一些微裂纹不会受到外界环境机械应力和潮气的作用，否则光纤上的微裂纹会扩展甚至引起疲劳断裂。我们把光纤做成光缆就是要对光纤提供尽可能的保护，光缆要长期适应不同的敷设环境，保持稳定运行几十年，没有性能优良的材料，是无法做到的。
光缆的稳定性和可靠性就是衡量一个光缆长期寿命的问题，光纤的寿命主要由光纤在运行期间所受的应力所决定，当光纤长期应变（长期工作时所受应变）小于光纤强度筛选应变的1/3 ～1/5时就可保证光纤寿命20～30年。随着光纤制造工艺的逐步提高，工艺越来越完善，光纤的筛选应力也相应的有所提升，所以从理论上分析保证光纤30年的寿命应该没有问题。所以保证光缆长期可靠稳定运行，其材料性能的影响显得非常关键，特别是一些关键性原材料的影响。
1、光缆用PBT材料
制作光纤束管的主要材料是PBT，全名是聚对苯二甲酸丁二醇酯，是光缆制造过程中对光纤保护的最后一道屏障，由于光缆用PBT要求具有优异的耐侧压性能，所以对PBT的特性粘度要求很高。PBT增粘的方法主要有反应扩链、固相增粘和直接合成，反应原理如（1）式所示：
小分子PBT+小分子PBT↔大分子PBT+H2O （1）
不同的增粘方法生产出的PBT性能也大不一样，好的工艺生产出的PBT具有特性粘度一致性好、弯曲模量较高、束管回缩较小和机械强度较强等特点。光缆生产厂家可根据检测设备和手段，有针对性的选取关键原材料，以保证产品的质量。下表是两种不同工艺生产的PBT：| 项目 | 单位 | PBT1 | PBT2 | |
| 熔融指数 | g/10min | 12.92 | 9.5 | |
| 拉伸屈服强度 | N/mm2 | 59.8 | 52.6 | |
| 拉伸屈服伸长率 | % | 9.8 | 5.8 | |
| 断裂伸长率 | % | 185 | 96.6 | |
| 拉伸弹性模量 | Mpa | 2780 | 2520 | |
| 悬臂梁缺口冲击强度 | 23℃ | KJ/m2 | 8.23 | 5.3 |
| -40℃ | KJ/m2 | 7.59 | 4.6 | |
PBT材料还有另外一个关键性能是抗水解。因为PBT是由对苯二甲酸和丁二醇单体在高温和真空下酯化、脱水缩聚而成，而它在水的作用下其水解反应是可逆的，也就是说它在湿热的环境下可以使缩聚后的PBT材料分解，分子链断裂，从而使其分子量下降，当下降到一定程度后，水解后的PBT树脂会出现脆化、韧性下降、易于开裂，最后会丧失机械性能，起不到应有的作用。其水解反应如下式所示：
2、光缆用护套材料
光缆护套是光缆制造过程中对光纤保护的第一道屏障，因为它是直接接触外界环境条件，温度变化、化学腐蚀、日晒雨淋等直接作用，所以必须具有一定的强度和良好的化学稳定性，在常温下不溶于有机溶剂，耐多种酸、碱及盐类溶液的腐蚀，水密性好，水蒸气渗透性低等特点。线缆行业使用的护套料主要是聚乙烯，分为LLDPE、MDPE、HDPE，此三种护套料也各有优缺点，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由于聚乙烯分子结构中有很多长短不等的支链，支链愈多，大分子之间的聚集态愈不规整，其结晶度愈低，弹性模量也愈低，故在光缆生产中较少采用。
近两年受国家拉动内需，运营商兴建网络的影响，光纤光缆需求火爆，出现了供不应求的局面，此种情况下，肯定会孕育出一批小规模的生产厂家，在追求利润最大化的驱使下，难免会有一些厂家对产品质量的重视程度不够，采用再生护套料来做光缆的外护套。这样生产出来的光缆，通过正常的手段或者目测往往不太容易发现问题，各大运营商和相关的检测机构并不一定都具备相关的检测标准和设备，很难发现这些隐形的质量隐患，对国家的光网络存在极大的风险。
高质量的光缆护套料，其抗拉强度和断裂伸长率都远远高于行业标准要求的16MPa和350％（MDPE）。而用再生料生产的护套料和高质量的护套料各性能相比有不小差异，特别是机械性能的批量稳定性和老化前后的变化率。按照标准要求，抗张强度变化率不大于25%，断裂伸长率不大于20%，我们对用不同比例的再生料和高质量的全新料进行了老化前后机械性能的对比，如下表所示：
| 项目 | MDPE护套料1 | MDPE护套料2 | MDPE护套料3 | |||
| 抗拉强度 （MPa） | 断裂伸长率（%） | 抗拉强度 （MPa） | 断裂伸长率（%） | 抗拉强度 （MPa） | 断裂伸长率（%） | |
| 老化前 | 26.35 | 949.2 | 24.15 | 797.0 | 21.92 | 760.2 |
| 老化后 | 24.64 | 882.8 | 21.44 | 680.3 | 18.37 | 624.9 |
| 老化前后变化率 | 6.5% | 7.0% | 11.2% | 14.6% | 16.2% | 17.8% |
注1：为全新料
2：为比例较少再生料的护套料3：为比例稍多再生料的护套料
从上表可以看出，虽说后两种护套料抗拉强度和断裂伸长率老化前后都符合标准，但前后变化率的差异性是很大的，由于添加了再生料，其抗紫外线能力和耐环境应力开裂也会存在很大差别，护套作为光缆最终的保护层，如果按照要适应复杂多变的气候环境，2号和3号很难保证25-30年时间长期的稳定。
3、其它原材料
油膏：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。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，在光缆生产过程中尽量选用触变系数大的纤膏，以保证光缆低温性能的稳定。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，这一点需要引起我们的重视。
金属复合带：在光缆原材料成本中金属复合带占较大的比重。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，因为金属铬本身在大气中极易氧化成一层极薄的钝化层，即使在潮湿大气中和一般酸性环境中都很稳定，所以用在光缆复合带中非常适合。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，此钢带在潮湿大气中，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，极大增加了析氢的可能性。
三、一种新结构的光缆
因为在光缆生产过程中，PBT套管式直接接触光纤的，是最关键的原材料，生产厂家为了确保产品质量，一般不会在PBT上选用很差的材料，大部分都是在外护套材料上选用再生料。据此，国外出现了一种新结构的光缆，如下图所示：
1-着色单模或多模光纤；2-纤膏；3-光纤微套管；4-纤膏；5-PBT中心套管；
6- 阻水带；7-抗张元件（钢丝、FRP、KRP等）；8-撕裂绳；9-PE护套；10-皱纹钢带。
此光缆是先用小PBT套管包覆光纤，而后小套管绞合或者直放等方式再放在一大中心PBT套管中，这样光纤得到了双层PBT套管的机械保护，加上皱纹钢带及外护套的保护，其抗压抗拉性能大大提高，完全能够保证25-30年甚至更长时间的寿命。6- 阻水带；7-抗张元件（钢丝、FRP、KRP等）；8-撕裂绳；9-PE护套；10-皱纹钢带。
另外还有一种是护套在挤制时采取双层共挤的方式，内层用普通的护套料，外层根据光缆的敷设场所选用特种护套材料生产，同样可以保证光缆的性能更加稳定，寿命更长。其实不管采取那种方式，都是利用材料的优异性能来更好的保护光纤，以期更加稳定长期有效的运行。
四、结论
光缆是通信网信息传输的重要载体，是国家信息产业链中不可缺少的重要部分，它的发展健康与否，直接关系到国家信息产业的发展。所以我们呼吁，有远见卓识的光缆企业一定要在生产中选用品牌厂家的复合标准的优质原材料，只有和业绩稳定、质量过硬、信誉良好的材料厂商建立长期的战略合作伙伴关系，才能真正从源头上对光缆的产品质量进行有效控制，才能充分保证光缆产品质量的长期可靠、稳定，才能更好的为我国信息化网络建设服务。
