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复合带所用材料及复合工艺对光缆工艺特性和质量的影响

钢塑复合带、铝塑复合带主要用于通信光缆、通信电缆外护层,与护套料粘结在一起构成综合护层,起保护缆芯免受潮气侵蚀的挡潮层作用,同时对缆芯具有铠装作用,抵抗外界的作用力,为通信光缆、通信电缆在各种应用场合敷设等提供机械保护,保证应用的稳定性、可靠性。

  以光纤为载体的光通信,具有传输频带极宽,通信容量很大的特点,在现代通信中广泛采用光纤通信,进行超大容量的信号传输,因此,对载体的可靠性、稳定性要求就非常高,否则将可能导致大面积通信障碍。在长途光缆通信系统中,光纤光缆传输特性更应该是长期稳定的。把光纤做成光缆,就是要选择性能优良的原材料,对光纤进行保护,保证使用期内光纤传输的可靠性、稳定性。在光缆中钢塑复合带、铝塑复合带对保护光纤具有十分重要的作用。

  近年来,光缆市场竞争激烈,价格不断下降,光缆制造的成本压力很大,导致生产复合带的成本压力也很大,一些企业甚至出现生存危机。在严峻的形势下,这些厂家采用劣质材料以次充好,使得市场上复合带品质良莠不齐,这样的厂家只注重自己的经济效益,不讲社会责任,给光纤光缆通信带来重大隐患。

  本文将通过对钢塑、铝塑复合带的分析,来说明复合带用的材料以及生产工艺对光缆工艺特性、光缆质量的影响,以及如何通过简便的办法来辨别复合带的优劣。

  一、钢塑、铝塑复合带的现状

  我们与北邮华飞研究所对从各地光缆生产现场采集来的国内具有代表性的十几家复合带产品进行测试,结果如下:

  1、机械性能:

  抗拉强度、RP0.2(非比例延伸强度)和断裂伸长率三项指标,他们取决于复合带的金属基带,反映基带的性能。

  钢塑复合带最高抗拉强度可达到376.07Mpa、最高RP0.2(非比例延伸强度)达到351.12Mpa,最高断裂伸长率达到29.82 %;而最低抗拉强度只达到 343.15 Mpa、最低RP0.2(非比例延伸强度)为262.47 Mpa,最低断裂伸长率只有17.52 %;有些厂家即使是在同一复合带上提取的六个试样,所测试的数据相差确很大,σ达到20.975 ,说明他们使用的基带性能很不稳定,离散性大。而有的厂家产品的性能就比较稳定,离散性很小σ仅为1.212。

  铝塑复合带最高抗拉强度可达到97.56Mpa、最高RP0.2(非比例延伸强度)达到70.84Mpa,最高断裂伸长率达到32.74 %;而最低抗拉强度只达到 77.04 Mpa、最低RP0.2(非比例延伸强度)48.16 Mpa,最低断裂伸长率只有15.10 %;有些厂家即使是同一复合带提取六个式样,所测试的数据相差却较大。而有的厂家性能指标均很好,离散性σ仅为1.547。

  从测试数据分析,不同厂家所采用的基带差异还是很大的,采用进口镀铬钢带的,机械性能好,离散性很小;而国产钢带的性能就不稳定、离散性大,应该说,在材料方面,国产钢带性能差距还是不小的。从铝带来看,国内不同铝厂生产出的电缆铝基带质量差异也是十分明显的。

  2、粘接性能:

  剥离强度——衡量金属基带与薄膜之间的粘接性能的指标。从钢塑复合带试验结果分析,四家产品试样不合格,其中两家产品试样A、B两个面剥离强度都不合格,两家产品试样A面不合格、B面合格;只有少数厂家产品非常好,A、B两个面剥离强度都很大,且相差很小,标准方差仅为0.114。它使用的钢基带是进口镀铬钢带。

  从钢塑复合带耐水性剥离强度试验数据来看,只要两家厂的产品试样合格,其余各家均都不合格,反映出大多数产品耐水环境性能差。

  热封强度——衡量复合带A、B面之间的粘合性能的指标,它直接影响复合带纵包搭接“封缝”成为档潮层的好坏。从试验结果看,钢塑复合带一个厂家产品试样仅17.21N/cm不合格,大多数厂家产品试样在17.88到19.77N/cm之间,个别厂家最好达37.72N/cm;铝塑复合带一个厂家仅16.92 N/cm不合格,其他在19.49到24.65 N/cm之间。

  剪切强度——衡量复合带热合后耐受剪切力的性能,它直接反映了做成光缆后,钢塑、铝塑复合带热合“封缝”处承受外力的好坏。从试验数据分析,虽然全部产品均达到在热合区不产生剪切破坏的要求,但是从各个厂家产品剪切力值来看,差异还是较大的,钢塑复合带最好的厂家热合区剪切力值达到578.87N/cm;而最差的厂家才只达到435.16N/cm。铝塑复合带最好的厂家热合区剪切达到182.14N/cm;而最差的厂家仅达到119.51N/cm。

  复合带的粘接性能主要与薄膜所采用的材料性能有关,与生产厂家的复合工艺水平有关,与金属基带的品质有关。从测试数据分析,性能优良的产品采用的是进口镀铬钢基带、优质电缆铝基带,而他们选用的共聚物以及他们的工艺水平也是精良的。

  3、相容性:

  金属塑料复合带与光缆中的油膏长期接触,因此需要考虑与油膏的相容性。耐填充复合物试验就是观察在油膏中,金属基带与共聚物薄膜之间会不会起泡或分层,即考核复合带与光缆填充油膏的相容性。试验方法是将每组六个试验样片50mm×50mm浸没在盛有光缆填充油膏的烧杯中,然后把烧杯放置在恒温68±1℃的烘箱里168h后观察。试验结果:全部通过。

  为了区分优劣,我们把时间延长至192h、216h和240h后观察。复合带在经过240h加速老化试验后,总体来看,钢塑复合带合格率为61%,铝塑复合带合格率为58%,铝塑复合带塑料层发生脱落占到8%。同时,我们也看到三个厂家的钢塑复合带试样、三个厂家的铝塑复合带试样在全过程的加速试验中都一直处在无气泡、无分层的良好状态。

  试验结果说明,复合带与油膏的相容性是稳定的。经过加速老化试验后可见,钢塑复合带与油膏的相容性要优于铝塑复合带与油膏的相容性;不同厂家的产品仍然存在明显的差异。

  4、抗腐蚀性:

  考核金属塑料复合带在酸性或碱性环境中,共聚物薄膜与金属基带之间会不会分层,会不会对金属基带造成腐蚀。试验按照YD/T723要求进行,将每组6个钢塑复合带试片分别放在0.1mol/LHCL溶液浸泡480h后观察,两个厂家的非镀铬钢带产品试样不合格;当加大溶液浓度,放在0.2mol/LHCL溶液浸泡240h后观察,二个厂家的非镀铬钢带产品试样膜脱落并全部氧化,其他厂家均合格;当再加大溶液浓度,放在0.3mol/LHCL溶液浸泡192h后观察,四个厂家产品试样经过长时间严酷环境的考验仍然全部合格,并且还能达到8~10级的耐腐蚀等级。将每组6个铝塑复合带试片分别放在0.1mol/L NAOH溶液浸泡480h后观察,二个厂家的产品试样不合格,其中一个厂家已几乎全被腐蚀;当加大溶液浓度,放在0.2mol/L NAOH溶液浸泡240h,仅一厂家产品试样通过;当再加大溶液浓度,放在0.3mol/L NAOH溶液浸泡192h后观察,全部试样不能通过。

  试验的结果反映出不同厂家产品耐腐蚀性的差异很大。钢塑复合带中耐腐蚀性好的是镀铬钢带,而非镀铬钢带耐腐蚀性能就差得多。

  5、介电性能:

  YD/T723“通信电缆光缆用金属塑料复合带”标准中要求,双面钢塑复合带和铝塑复合带介电强度2kVd.c.,1min不击穿,经试验全部试样都通过。为此,我们又把电压提高到5kVd.c.,1min结果全部试样仍然都通过,这说明双面钢塑复合带和铝塑复合带介电强度完全达到要求,而且有较大的安全系数。

  二、复合带所用材料对光缆工艺及质量的影响

  目前,在光缆中使用的金属塑料复合带主要材料是电镀铬钢带、电缆用铝带、乙烯丙烯酸共聚物等。金属塑料复合带的各项性能与它所采用的原材料性能密切相关。从试验结果来看,金属基带的品质决定了复合带的机械性能、抗腐蚀性能的品质,同时金属基带、共聚物的品质直接关系到复合带的粘结性能的品质。对光缆质量有着严格要求的用户,需要对原材料性能进行控制,以确保光缆的品质。

  钢塑复合带的基带应采用镀铬钢带(TinFreeSteel)简称TFS,镀铬钢带的特点是:由于钢带表面镀有一层铬,铬的化学性质很稳定,在常温下,放在空气中或浸在水里,不会生锈,耐腐蚀性能非常好。由于金属铬在大气中易氧化形成一层极薄的钝化层,所以耐环境性能好,在一般酸性环境中很稳定,在潮湿大气中也很稳定。镀铬钢带附着力强,有资料显示,它对有机涂层的附着力比镀锡钢带强3~6倍,因此镀铬钢塑复合带的粘结性能好。镀铬钢带还具有很好的耐高温性能,铬的熔点高达1900℃。

  有些厂家为了降低成本,采用镀锡钢带为基带生产钢塑复合带。镀锡钢带(ETS)在干燥洁净的大气中具有良好耐腐蚀性,但是,镀锡层表面的针孔、气泡等是不可避免的,因此在潮湿大气和表面凝露或浸水条件下,容易发生腐蚀,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。锡镀层耐热性差,熔点仅232℃,因此镀锡钢塑复合带在应用中由于挤护套时的高温,使得剥离强度存在不确定性。

  还有的厂家采用无镀层钢带也称为黑铁皮(BlackPlate)或CMQ(CanmakersQualityBlack Plate)制罐级黑铁皮为基带生产钢塑复合带。这种钢带突出的缺点是耐腐蚀性特别差,在潮湿大气和表面凝露或浸水条件下,很容易发生腐蚀,在酸性或减性环境中,腐蚀速度非常快,造成钢带穿孔、漏气、进潮,导致通信障碍;这种复合带的钢基带与薄膜之间的附着性差,剥离强度很低,纵包搭接处易出现缝隙而进潮,做成光缆以后,钢基带与护套容易出现分离,构不成综合粘结护层,挡潮性能非常差。

  由于耐腐蚀性差、与薄膜的粘结性差,所以,用镀锡钢带、黑铁皮做成的钢塑复合带往往不能通过光缆用金属塑料复合带标准所规定的耐腐蚀性试验。

  应该指出,氢损是造成光纤衰减增加的一个危险因素。我们知道,活性金属与酸反应、两种有电位差的金属在酸性环境中,哪怕是弱酸性的环境中的电化学反应,都会有析氢。镀锡钢带和黑铁皮都存在析氢的内因条件,如果油膏酸值过大,如果护套破损,应用环境中具备一定的条件,就可能在腐蚀过程中形成微电池,极大的增加了氢气生产的风险,对光纤造成很大的危害。

  如何鉴别钢塑复合带的基带是镀铬钢带、镀锡钢带还是黑铁皮呢?从严格科学角度可以通过光谱仪、镀层厚度分析仪、扫描电镜等方法鉴定,但是光缆制造厂、通信运营商通常不具备这些仪器。不妨我们推荐一种在实践中摸索出来的简便易行而又有实效的鉴别方法:剪一段(长度约200mm左右)钢塑复合带(或者剪一段光缆综合护套,把它剥开并去除护套料,然后再把裸露的钢塑复合带展开);用酒精灯或打火机把钢塑复合带上的塑料薄膜烧掉,之后观察:凡是镀铬钢塑复合带烧后为白色略带一点淡黄色;而镀锡钢塑复合带或无镀层钢塑复合带烧后为黑色或略带深兰色。

  同一种材质的钢基带,不同品牌之间也有很大的质量差距。目前,国内生产光缆用镀铬钢基带的企业都是一些小企业,设备陈旧、工艺落后、原料成份不稳。与国外产品相比,整体看国产材料质量差距仍较大,化学成分波动大、机械性能不稳定、离散性大,这在本文第一节的试验中就可以看出;成品尺寸精度不高,国外产品厚度公差控制在±5μm以内,而国内的产品往往高达±8μm,过大的公差也使得光缆制造成本不可控性增大;表面缺陷多,夹杂、针孔等,这些缺陷往往很隐蔽不易发现,生产光缆过程中易断带。显然给用户使用造成废品率高。

  铝基带的品质对铝塑复合带的机械性能、耐腐蚀性能同样有着决定的作用,国内不同铝厂产品的品质差异也是十分明显的,选用品质优良的电缆铝基带是生产优质铝塑复合带的基础。

  对于共聚物材料的要求是,既要与金属基带有很好的粘结性能,同时又要与护套料有很好的粘结性能。目前比较理想的材料是乙烯丙烯酸共聚物(EAA)或甲基乙烯丙烯酸共聚物(EMAA),这是一种有极性的材料,它能与金属粘结的很好,同时与护套料又有很好的相容性。由于EAA熔点低,纵包搭接自粘性能好,通常不需要使用热风枪。

  三、复合带工艺对光缆工艺及质量的影响

  1、复合工艺对光缆生产工艺的影响

  金属塑料复合带由金属层和在其一面或两面复合上共聚物薄膜组成。衡量复合工艺的主要技术指标是复合带的粘结性能。粘结性能通常指以下三个方面:一是金属基带与薄膜的粘结性能,二是复合带之间的粘结性能,三是复合带与护套料的粘结性能。要获得优良的粘结性能,一是靠选材,二是靠工艺。就工艺而言,光缆用钢塑复合带、铝塑复合带普遍采用流延复合法、热粘复合法生产,近年来随着金属塑料复合带工艺技术的不断进步,热贴薄膜已由过去的PE膜、EAA(EMAA)单层膜发展到今天的EAA/PE/EAA、EAA/PE/PE结构膜。正常情况下,复合带厂家通过原材料把关,通过严格的工艺控制,能够生产出合格的产品,满足生产光缆的要求。EAA/PE/EAA结构膜由于熔点低,纵包搭接自粘性能好,通常不需要使用热风枪;而EAA/PE/PE结构膜则由于熔点较高,纵包时通常需要使用热风枪。

  由于复合带厂家管理水平、工艺水平、装备技术水平参差不齐,生产出来的产品质量差异很大,劣质产品会对光缆生产带来很大的麻烦。

  2、机械变形对光缆生产工艺的影响

  金属塑料复合带运用到光缆生产中,还必须要根据要求的宽度分切成条,分切质量的好坏直接影响光缆生产。钢塑复合带、铝塑复合带分切后应无刀痕、无荷叶边、端面平整,带子放出来时是平直的,这样,在光缆生产过程中则易于成型,搭接处不易翘起,粘结良好,综合护层挡潮效果好。反之则不然。

  3、动摩擦系数对光缆生产工艺的影响

  我们曾经用不同的铝塑复合带在纵包台上进行模拟生产环境实验,用西安秦邦专利技术制造出来的平滑型铝塑复合带与普通铝塑复合带过纵包台各模具时阻力明显不一样,前者比后者阻力小26.6%~55.5%。我们还采用GB10006的方法对铝塑复合带动摩檫系数(μd)进行测试,在法向压力9.81N情况下,前者μd在0.3~0.4之间,而后者则高达0.6左右。金属塑料复合带的带面摩檫系数对光缆生产工艺的影响是明显的,特别是铝塑复合带,因为它的机械强度远远低于钢塑复合带,所以抗拉力、抗变形能力相对要小得多。实际工作中,除了工艺调整问题、故障或其他人为因素外,过大的动摩擦系数往往是造成光缆生产中铝塑复合带断带的主要原因。采用带面摩擦系数小的铝塑复合带,生产光缆时复合带变形小、易成型,它带来的好处首先是不易断带,减少了断带的烦恼;其次是在工艺配合良好的情况下,可以明显提高生产线速度,即提高工作效率;最大的好处还是保证了光缆的质量,由于铝带的机械变形小,所以铝塑综合护层的机械性能好,对保证光缆寿命有好处。上海网讯光缆材料有限公司、西安秦邦电信材料有限责任公司已经将动摩擦系数作为对产品的考核指标加以控制。

  平滑型铝塑复合带与普通铝塑复合带如何区分呢?在此提供一个简便易行的办法:把铝塑复合带的局部区域用酒精灯或打火机烤几秒钟,然后等到铝塑复合带完全冷却之后再观察:可以看到铝塑复合带经过火烤与未烤的明显分界线,用手轻轻地沿铝塑复合带的纵向去摸,能明显地感觉到摩擦系数有一个突变的分水岭,从很光滑突变到很涩,这就是平滑型铝塑复合带。而普通产品无论火怎么烤,既无火烤的分界线,也没有摩擦系数突变的分水岭。

  4、单盘长度长的金属塑料复合带可以使光缆生产时少接续,减少接续时的风险和提高生产效率;而单盘金属塑料复合带内无接头,则可以降低光缆生产中断带的风险。上海网讯光缆材料有限公司已经能生产单盘长度5000m而且无接头的产品提供用户使用。

  四、结论

  1、金属塑料复合带品质良莠不齐,有的厂家产品品质与国外知名品牌不相上下、在国际市场上同台竞争;而有的厂家则热衷于“挖潜”、偷梁换柱,不考虑社会责任。负责任的光缆生产厂、追求品质的光缆用户对原材料的品质应进行有效的控制。

  2、国产镀铬钢带与进口镀铬钢带相比,国产材料的品质差距还是比较大的,主要表现在化学成分波动大、机械性能不稳定,成品尺寸精度不高,表面缺陷多,夹杂、针孔等。

  3、用镀铬钢带生产的复合带机械性能、抗腐蚀性能、粘结性能等各项性能指标都比较好,能保证光缆的长期稳定可靠的运行。而其他钢带制成的复合带指标相对较差,特别是抗腐蚀性、粘结性能,以及腐蚀过程中的析氢问题,对保证光缆的长期稳定使用存在较大的风险。

  4、平滑型铝塑复合带在进入光缆护套挤出机模具前带面非常平滑,摩擦系数很小,便于加工成型,因此,在通过纵包台预成型模、成型模、定径模具时阻力小,因而变形小。因为变形小,所以不易断带,减少断带的烦恼;在工艺配合良好的情况下,可以明显提高生产线速度,即提高工作效率;因为变形小,所以铝塑综合护层的机械性能好,对保证光缆寿命有好处。同时也解决了薄型铝带上线使用问题。平滑型铝塑复合带一旦加工成光缆后,与护套料牢固的粘结在一起有效的形成挡潮层。

  5、在当前线缆行业价格战的恶性竞争下,为了降低成本,光缆外径尺寸是越做越小,很细的缆芯也要求用0.15mm规格的复合带纵包,确实有点勉为其难。因为缆芯直径小,复合带厚了搭接处容易翘起或弹开,反而不易粘接牢固,质量难以控制。所以建议对现行标准规定的复合带标称厚度应根据实际情况进行修订,例如:可针对光缆不同直径分为三个区段范围使用复合带:缆芯直径大的可以使用0.20mm厚复合带(因为缆芯粗,选用机械性能高的复合带会更安全可靠);缆芯直径小的则使用0.12mm厚度复合带(如若采用0.12mm厚度复合带,纵包时易成型、搭接牢,既可以保证光缆质量,又可以节约材料、降低成本,两全齐美何乐不为。从挡潮效果来说,用0.12mm厚复合带与护套料构成综合护层完全能满足挡潮要求);缆芯直径处于上述两者之间时,使用0.15mm厚复合带。
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