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投稿指南关键词 中心管光纤带光缆 阻燃性 低烟无卤聚烯烃
随着光纤通信向FTTB（光纤到大楼）、FT－TO（光纤到办公室）、FTTH（光纤到家庭）等方向的发展，越来越需要大芯数、低接续损耗和低安装成本的光缆线路。为此，电信业务经营者正在积极寻求一种通用的光缆产品，以便将传统的外线光缆延伸到室内。使用这种光缆产品可免除外线光缆进建筑物时与室内光缆间的接头，从而减小接续损耗，并缩短光缆进建筑物时所需的盘留长度。设计这种光缆所要解决的问题在于，既要提供传统外线光缆所具有的牢固性和抗环境性，又要给予室内光缆所需的阻燃性和低烟特性。
1阻燃材料
在传统的外线光缆中，大部分材料（例如光纤缓冲管用的聚烯烃或PBT、松管和缆芯中的填充油膏和制作护套所用的聚烯烃）都不具备阻燃性。因而，想把外线光缆延伸到室内，必须尽量减少这些材料的用量，并寻求替代品。通常，用于外线光缆的聚烯烃护套为光缆提供足够的牢固性和抗环境性，而且它与光缆缆芯中的填充油膏有良好的相容性。光纤缓冲管材料也能与填充油膏相容。因此，在寻找替代品时，要考虑尽量保持原有材料的有用性能。
最常用的阻燃材料有聚氯乙烯（PVC）和阻燃聚烯烃两大类，这两种材料的阻燃机理不同。
1.1聚氯乙烯PVC
PVC是一种广泛应用于室内的有效阻燃聚合物。在燃烧时，作如下化学反应：
PVC——→HC1+炭+副产品
我们可以用添加剂使PVC改性，以改善其机械、环境和热学性能。在这些改进中，最重要的可能是低烟树脂的开发，这里采用如CaCO3之类的添加剂来接受HC1，以减少HC1的散发，但这会降低阻燃性。也就是说，PVC的阻燃性与气态HC1直接相关。
对于外线光缆，安装温度可能低达-30℃。大部分未经改性的PVC在低温时的性能都不及聚烯烃。尤其在低温时，普通PVC的冲击强度大为降低，因而不宜在室外环境中使用。
1.2无卤阻燃聚烯烃
在电（光）缆工业中，诸如聚乙烯等的聚烯烃护套料被普遍用于外线环境中。它们比较经济，而且在机械性能与热学性能之间能提供优良的平衡。然而，目前通常用于室外光缆的聚烯烃并不阻燃。最早的阻燃聚烯烃采用氧化锑（一种卤素添加剂）来实现阻燃，而无卤的阻燃聚烯烃到70年代初才开始在市场出售。这些树脂应用金属水化物来实现无卤阻燃。当这种材料被高温加热时，金属氢氧化物产生水，相关反应如下：
水化物聚烯烃——→H2O+炭+副产品
无卤阻燃聚烯烃的阻燃机理与PVC不同。后者依靠迅速失去质量，而前者则依靠保持质量。所产生的被碳化的炭和吸热的去水作用两者都影响护套的阻燃性能。阻燃无卤聚乙烯的性能与标准聚乙烯的性能接近，而同时具有与PVC相同或更高的阻燃性能。
2光缆设计
朗讯科技按用户要求开发了一种室内外两用光缆。用户要求大芯数的光纤带光缆，并要求光缆要经济、牢固，适合室内外使用环境，且工艺简单。为了满足上述要求，选用了全介质设计，采用流行的中心管式缆芯结构和在护套中的直线加强件。
2.1缆芯设计
缆芯采用填充油膏的聚合物芯管来提供对光纤带的良好保护，最多能容纳18根12芯光纤带。光纤带被捆在芯管中的油膏内，填充油膏防止水或其它液体沿芯管流动。当受压时，油膏还为芯管提供流体静压分量来抵抗外来压力。然而，大部分填充油膏都是高度可燃的以石油为基础的材料，室内外两用光缆中使用这些油膏必须采取相应的补救措施。
芯管材料选用两种聚合物，并进行了试验。一种是常用于传统外线光缆中作芯管的聚丙烯，另一种是低烟无卤（LSZH）聚烯烃。从表1中可以看出，聚丙烯具有较好的机械性能。与之相反，LSZH聚烯烃由于阻燃填料的含量高，具有大约两倍子聚丙烯的比重。这些填料增加了成品的重量，但有
利于减少热收缩。此外，LSZH聚烯烃的燃烧热为聚丙烯的2／3，使LSZH材料用作室内外光缆的芯管具有潜在的吸引力。然而，LSZH聚烯烃对于从填充混合物中吸收石油衍生物的抵抗能力较差，而最终未被选用。
表1 芯管材料的比较
| 材料名称 | 密度 （g/cm3） |
断裂拉伸强度（MPa） | 伸长率（%） | 低温脆性 （℃） |
燃烧热 （j/g） |
| 聚丙烯 | 0.897 | 24.8 | 490 | <-25 | 46387 |
| LSZH聚烯烃 | 1.50 | 13.8 | 170 | -25.5 | 15554 |
为了防止水在芯管与护套间流通，为芯管包上浸渍了遇水膨胀聚合物的阻水带。阻水带内的聚合物也具有中等的固有阻燃性。
2.2护套设计
光缆护套的主要功能是保护光纤不受加工、安装和恶劣环境的影响而受损伤。
另外，护套必须
有足够的硬度来抵抗来自上述原因的过量拉伸和压力应变。这里，硬度是用足够厚度的聚合物护套和其中的介质加强件来取得的，这在中心管式光缆中较为常用。护套中的加强件具有足够的压缩与拉伸硬度，以补偿热收缩和过度拉伸／压缩负载。位于直径两端的加强件总是把中性轴（在纯弯曲
时的零应变线）推到通过它们的中心和缆芯中心的位置上。这种定向给光缆一种优先的弯曲方向，使缆中的光纤应变最小。它既提供了柔软性又提供了稳定性。
在这种光缆设计中，护套材料必须提供在外线环境中所需的保护，以及对室内应用很重要的阻燃性。为了满足这些要求，选用了LSZH聚烯烃护套料。这种材料以小于16KI／g的燃烧热，提供优良的阻燃性。为了能抵抗暴露于紫外光下所产生的劣化，LSZH聚烯烃中混有2.6％的碳黑。这种材料也具有足够的机械牢固性，使得用它作护套的光缆能够通过Bellcore GR－20－CORE的全部机械与环境要求。
3原始型光缆的燃烧与老化试验
3.1燃烧试验
制造两根标准尺寸的原始型光缆，一根用聚丙烯作芯管材料，另一根则用LSZH聚烯烃作芯管材料，按照IEC 332－2和61034－2对它们进行试验。结果，两根光缆都能通过IEC 61034－2的烟浓度试验。在 IEC 332－2的燃烧试验中，LSZH芯管光缆符合试验要求，聚丙烯芯管光缆则没有通过。
IEC 332－2的2.5条规定：“在试样上测得的烧焦部分长度不能超过喷灯底边上面2.5m的高度，前后两面都不能超过”。聚丙烯芯省光缆在前面（喷灯）的整个试验长度全部损坏，而在后面损坏了2.5m。通过试验的LSZH芯管光缆只是在前面损坏了1m。
3.2 化试验
在进行上述燃烧试验的同时，还检查了LSZH芯管的老化性能。在温度为85℃和相对湿度为0％的情况下，将包含144根光纤和填充混合物的LSZH芯管老化7天，然后把填充混合物与光纤带从一根经老化的芯管中和一根未经老化的基准LSZH芯管中取出。从每根管子上切下薄膜试样，通过动态机械分析（DMA）来检查每片薄膜试样的机械性能与温度的关系。
未经老化和已经老化的LSZH芯管试样的模量对温度的关系是在高于一20℃的温度下，未经老化的LSZH芯管的机械性能劣于聚丙烯。包含填充混合物的LSZH芯管加速老化，使管子的机械性能显著劣化，这是由于填充混合物中的石油衍生物使聚合物膨胀所致。在40℃时，经老化的LSZH聚烯烃芯管的模量要比未经老化的几乎小一个数量级，而比聚丙烯的模量要小两个数量级。
4光缆设计的改进
上述火焰试验结果表明，聚丙烯芯管的光缆护套中所包含的阻燃材料不足以保护缆芯。护套一旦被破坏，火焰迅速把充有油膏的芯管消灭掉，导致光缆损坏。相反，LSZH芯管的光缆具有足够的阻燃性，能把可燃的填充混合物与强烈的热和火焰中屏蔽开来。然而，在LSZH芯管上所进行的老化试验表明，这种材料由于对石油衍生物具有较高的吸收能力，不能与填充混合物相容。
鉴于上述结论，对上述原始型光缆的设计作了改进。新设计的意图是利用牢固的聚丙烯芯管，同时增加护套的阻燃性能，以保证符合垂直级的火焰试验。所用的方法是，在聚丙烯芯管光缆的外护套中增加阻燃材料，数量与通过的LSZH芯管光缆的芯管中所含的相当。定量地说，首先根据各自的内径与外径，确定芯管和护套的截面积A，然后分别乘以各种材料的密度ρ，确定各个部件（芯管和护套）的质量M（M＝A×ρ），再把原来的芯管质量MC加到原来的护套质量MJ上，得出新设计护套的质量 MNJ（MNJ=MJ＋Mc），然后把芯护套的质量除以材料的密度，确定新护套的截面积 ANJ（ANJ＝MNJ／ρ），用这个面积就能计算新护套的外径。
5机械、光学和温度性能试验
除上述阻燃性能外，对室内外两用光缆进行了机械。光学和温度性能方面的全面验证，以保证光缆的可靠性。试验按贝尔通信研究所（Bellcore）的方法和电子工业协会（EIA）的光纤试验方法进行。
表2列出光缆在1310nm和1550nm上的衰减测量结果。上述试验结果证明，这种光缆设计完全适合于室内外应用。
