玻璃纤维直接纱增强光缆加强芯的研究与应用

时间：2024-07-28

张志坚，宋长久，章建忠，费其锋，崔峰波，李明，钟洪强，周贤旺

（巨石集团有限公司，桐乡 314500）

0 前言

为增强光缆的强度，光缆内部都设置了加强芯［1-3］（见图1），以前普遍采用钢丝作为光缆的加强芯。使用钢丝作为光缆的加强芯，可以增加光缆的强度，但由于钢丝的耐腐蚀性能差，一般使用一两年就会生锈，产生有害气体，导致氢损，影响光纤的传播性能。另外，由于钢丝的导电性能强，在高压电和雷电的影响下，会产生感应电流，也会影响光缆的性能。因此，这种钢丝加强芯的使用寿命都不长。随着科学技术的不断发展，尤其是乙烯基树脂、玻璃纤维［4］和玻璃钢（FRP）成型工艺的进步，FRP拉挤型材逐渐取代了钢丝成为新型的光缆加强芯。

FRP光缆加强芯主要是以乙烯基树脂和玻璃纤维为主要原料［5］，通过拉挤工艺制成。FRP光缆加强芯耐腐蚀性能强，不会生锈，不会导致氢损，不会影响光纤的传播性能。对电击不敏感，尤其适用于多雷电，多雨等气候环境地区，可紧挨着电源线和电源装置安装，不受其产生的感应电流干扰，与金属芯相比，FRP光缆加强芯有拉伸强度高，重量轻，耐腐蚀，使用寿命长等优势。本文介绍了通过采用自主知识产权，对常规增强拉挤型材用直接纱386T浸润剂配方进行优化，开发出一种新型玻璃纤维直接纱产品，使其毛羽更少，增强光缆加强芯的力学性能，特别是拉伸强度和弯曲强度方面性能突出，拓宽了光缆加强芯的应用领域。

图1 光缆结构示意图［6］

1 实验部分

1.1 原材料

浸润剂：316H，巨石集团有限公司；

浸润剂：386T，巨石集团有限公司；

玻璃纤维：316H，巨石集团有限公司；

玻璃纤维：386T，巨石集团有限公司；

玻璃纤维：A，市场同类产品。

1.2 仪器

毛羽测试仪：自制；

电子天平：BS2202S，赛多利斯；

拉挤生产线：南京诺尔泰；

万能试验机：Z100 型，德国Zwick公司。

1.3 光缆加强芯用玻璃纤维直接纱样品的制备

按照不同的浸润剂配方316H、386T和A，配置稳定的浸润剂，在拉丝成形时对原丝进行表面涂覆，制备的纱筒经烘干后得到316H、386T和A 3 种玻璃纤维直接纱，作为试验材料。

1.4 拉挤成型和光缆加强芯样品的制备［7,8］

将玻璃纤维纱通过乙烯基树脂与固化剂、促进剂、填料按一定比例配置的胶液浸透后，按设定程序进入到加热模具中固化，分别制得直径为2.5 mm的光缆加强芯，由于目前光缆加强芯市场上玻纤含量多控制在80%左右，因此笔者在光缆加强芯拉挤时玻纤含量按80%控制。具体生产工艺如下：

树脂∶固化剂∶促进剂∶填料=100∶1.8∶0.8∶5（质量比）；

拉挤速度：1200 mm/min；

固化工艺：第一区110 ℃，第二区190 ℃；

拉挤成型过程见图2。

图2 光缆加强芯拉挤成型过程图

1.5 性能测试

拉伸强度的测试：按YDT1181.1-2015标准［9］测试，光缆用非金属加强件的特性第1 部分：玻璃纤维增强塑料杆；

弯曲强度的测试：按YDT1181.1-2015 标准测试，光缆用非金属加强件的特性第1 部分：玻璃纤维增强塑料杆；

毛羽性能测试：玻璃纤维纱线在经过一定张力条件下退解，在毛羽测试仪中将纱线中的毛丝以及在退解过程中产生的毛丝收集，毛羽量即为毛丝的总量，毛羽量的计算方法：毛羽量（mg/kg）=毛羽的质量（mg）/ 所测试纱团的质量（kg）［10］。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维毛羽性能测试评价

经过316H浸润剂表面处理的玻璃纤维纱线软硬适中、集束性好，手感滑爽。表1 和图3 是316H、386T和A 3 种样品的毛羽性能测试结果。

表1 毛羽性能对比测试结果

图3 毛羽性能对比示意图

由于光缆加强芯直径大多为0.45～5.00 mm，通常使用100～1200 tex小号数直接纱产品生产，因此对玻纤纱的毛羽和使用顺畅性要求极高，一旦毛羽过多极易产生断纱、毛丝等情况导致堵模，严重影响光缆加强芯制品的质量和生产效率。从表1 中的数据对比分析，可以看出316H样品的毛羽最少，且明显少于386T样品的毛羽，分析原因可能是由于316H产品浸润剂组分中采用的环氧改性聚酯乳液能够有效提高纱线集束性，同时采用脂肪酸酰胺类润滑剂增加纱线的滑爽度，对纱线的耐磨性有较大的提高，因而在相同的使用工艺条件下，产生的毛羽更少，满足光缆加强芯生产的使用工艺性要求；相比而言，386T样品浸润剂成膜后由于粘结性相对要弱，生产的玻纤纱相对要散，集束性一般，因此耐磨性相对要差，毛羽偏多；而市场上同类型用于光缆加强芯的A样品纱线集束性相对较好，毛羽与316H接近。

2.2 光缆加强芯力学性能的测试

分别对采用316H、386T和A样品增强的光缆加强芯的力学能进行对比分析，测试拉伸强度和弯曲强度，测试示意图见图4 和图5，测试结果见表2 和图6。

图4 拉伸强度测试示意图

图5 弯曲强度测试示意图

表2 光缆加强芯力学性能测试

图6 光缆加强芯力学性能对比示意图

通过表2 数据和图6 分析，316H样品的拉伸强度和弯曲强度明显高于386T样品和A样品，分析原因，一方面可能是由于316H浸润剂中所采用的成膜剂环氧改性聚酯乳液与乙烯基树脂相容性好，能够在乙烯基树脂中快速浸透且完全；另一方面可能是由于316H浸润剂中所采用的乙烯基类硅烷基偶联剂中的官能团反应活性较高，能够提高玻纤纱与乙烯基树脂的界面结合性，从而提高了光缆加强芯制品的拉伸强度和弯曲强度等力学性能。