1 Einleitung
Mit der rasanten Entwicklung der Kommunikationstechnologie im letzten Jahrzehnt hat sich das Anwendungsgebiet von Glasfaserkabeln stetig erweitert. Da die Anforderungen an die Umweltbedingungen von Glasfaserkabeln kontinuierlich steigen, erhöhen sich auch die Anforderungen an die Qualität der verwendeten Materialien. Glasfaserkabel-Abdichtungsbänder sind ein gängiges Material in der Glasfaserindustrie. Ihre Funktion als Dichtungs-, Wasserdichtungs-, Feuchtigkeits- und Puffermaterial ist allgemein anerkannt, und ihre Varianten und Eigenschaften wurden mit der Weiterentwicklung der Glasfasertechnik kontinuierlich verbessert und perfektioniert. In den letzten Jahren wurde die „Trockenkern“-Struktur in Glasfaserkabel eingeführt. Dieses Kabelabdichtungsmaterial besteht üblicherweise aus einer Kombination von Bändern, Garnen oder Beschichtungen, die das Eindringen von Wasser in den Kabelkern verhindern. Mit der zunehmenden Akzeptanz von Trockenkern-Glasfaserkabeln ersetzen diese Materialien rasch die traditionellen, auf Vaseline basierenden Kabelfüllmassen. Das Trockenkernmaterial verwendet ein Polymer, das Wasser schnell aufnimmt und ein Hydrogel bildet, das aufquillt und die Wassereintrittskanäle des Kabels ausfüllt. Da das trockene Kernmaterial kein klebriges Fett enthält, sind zur Vorbereitung des Kabels auf das Spleißen keine Tücher, Lösungsmittel oder Reinigungsmittel erforderlich, wodurch sich die Spleißzeit erheblich verkürzt. Das geringe Gewicht des Kabels und die gute Haftung zwischen dem äußeren Verstärkungsgarn und dem Mantel bleiben erhalten, was es zu einer beliebten Wahl macht.
2. Der Einfluss von Wasser auf das Kabel und den Wasserbeständigkeitsmechanismus
Der Hauptgrund für die Notwendigkeit verschiedener Maßnahmen zur Wasserabdichtung liegt darin, dass eindringendes Wasser im Kabel in Wasserstoff und OH⁻-Ionen zerfällt. Dies erhöht die Übertragungsdämpfung der Glasfaser, mindert deren Leistungsfähigkeit und verkürzt die Lebensdauer des Kabels. Die gängigsten Maßnahmen sind das Einbringen von Vaseline und das Anbringen von wasserabweisendem Klebeband. Diese werden in den Spalt zwischen Kabelkern und -mantel gefüllt, um die vertikale Ausbreitung von Wasser und Feuchtigkeit zu verhindern und somit die Wasserabdichtung zu gewährleisten.
Werden Kunstharze in großen Mengen als Isolatoren in Glasfaserkabeln (zunächst in Kabeln) verwendet, sind auch diese Isoliermaterialien nicht vor Wassereintritt geschützt. Die Bildung von „Wasserbäumen“ im Isoliermaterial ist die Hauptursache für die Beeinträchtigung der Übertragungsleistung. Der Mechanismus, durch den das Isoliermaterial durch Wasserbäume beeinflusst wird, wird üblicherweise wie folgt erklärt: Aufgrund des starken elektrischen Feldes (eine andere Hypothese besagt, dass die chemischen Eigenschaften des Harzes durch die sehr schwache Entladung beschleunigter Elektronen verändert werden) dringen Wassermoleküle durch die unterschiedlich zahlreichen Mikroporen im Mantelmaterial des Glasfaserkabels ein. Die Wassermoleküle dringen durch die unterschiedlich zahlreichen Mikroporen im Kabelmantelmaterial ein, bilden „Wasserbäume“, sammeln allmählich eine große Menge Wasser an und breiten sich in Längsrichtung des Kabels aus, was die Kabelleistung beeinträchtigt. Nach jahrelanger internationaler Forschung und Erprobung wurde Mitte der 1980er Jahre ein Verfahren entwickelt, um die Entstehung von Wasseransammlungen im Kabel zu verhindern. Dabei wird das Kabel vor der Extrusion mit einer wasserabsorbierenden und -ausdehnenden Schicht umhüllt, um das Wachstum der Wasseransammlungen zu hemmen und zu verlangsamen und die Ausbreitung des Wassers im Kabelinneren in Längsrichtung zu verhindern. Gleichzeitig kann die Wasserbarriere auch bei äußeren Beschädigungen und eindringendem Wasser schnell das Wasser ableiten und dessen Ausbreitung in Längsrichtung des Kabels verhindern.
3 Übersicht über die Kabelwassersperre
3.1 Klassifizierung von Wassersperren für Glasfaserkabel
Es gibt viele Möglichkeiten, Glasfaserkabel-Wassersperren zu klassifizieren. Die Klassifizierung erfolgt anhand ihrer Struktur, Qualität und Dicke. Im Allgemeinen lassen sie sich nach ihrer Struktur in doppelseitig laminierte, einseitig beschichtete und Verbundfolien-Wassersperren einteilen. Die Wassersperre beruht hauptsächlich auf dem stark wasserabsorbierenden Material (der sogenannten Wassersperre). Dieses quillt nach Kontakt mit Wasser schnell auf und bildet ein großes Gelvolumen (die Wassersperre kann ein Vielfaches ihres Eigenvolumens an Wasser aufnehmen). Dadurch wird die Bildung von Staunässe verhindert und das Eindringen und die Ausbreitung von Wasser unterbunden. Dabei kommen sowohl natürliche als auch chemisch modifizierte Polysaccharide zum Einsatz.
Obwohl diese natürlichen oder halbnatürlichen Wasserblocker gute Eigenschaften besitzen, haben sie zwei gravierende Nachteile:
1) Sie sind biologisch abbaubar und 2) leicht entzündlich. Daher ist ihr Einsatz in Glasfaserkabelmaterialien unwahrscheinlich. Die andere Art von synthetischem Material im Wasserschutzmittel sind Polyacrylate, die als Wasserschutzmittel für Glasfaserkabel verwendet werden können, da sie folgende Anforderungen erfüllen: 1) Im trockenen Zustand können sie den bei der Herstellung von Glasfaserkabeln entstehenden Spannungen entgegenwirken;
2) Im trockenen Zustand sind sie den Betriebsbedingungen von Glasfaserkabeln (Temperaturwechsel von Raumtemperatur bis 90 °C) gewachsen, ohne die Lebensdauer des Kabels zu beeinträchtigen, und halten auch kurzzeitig hohen Temperaturen stand.
3) Wenn Wasser eindringt, können sie schnell aufquellen und ein Gel mit einer Ausdehnungsgeschwindigkeit bilden.
4) Es wird ein hochviskoses Gel hergestellt, dessen Viskosität auch bei hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum stabil bleibt.
Die Synthese wasserabweisender Mittel lässt sich grob in traditionelle chemische Verfahren unterteilen – die Umkehrphasenpolymerisation (Wasser-in-Öl-Polymerisations-Vernetzungsverfahren), die herstellerspezifische Vernetzungspolymerisation – das Scheibenverfahren – und das Bestrahlungsverfahren – die Gammabestrahlung mit Kobalt-60. Die Vernetzungsmethode basiert auf der Kobalt-60-Gammabestrahlung. Die verschiedenen Synthesemethoden führen zu unterschiedlichen Polymerisations- und Vernetzungsgraden und stellen daher sehr hohe Anforderungen an das in wasserabweisenden Bändern benötigte wasserabweisende Mittel. Nur wenige Polyacrylate erfüllen diese vier Anforderungen. Erfahrungsgemäß können wasserabweisende Mittel (wasserabsorbierende Harze) nicht als Ausgangsmaterial für die Vernetzung von Natriumpolyacrylat verwendet werden, sondern müssen in einem Mehrkomponenten-Vernetzungsverfahren (d. h. in einer Mischung verschiedener Komponenten des vernetzten Natriumpolyacrylats) eingesetzt werden, um eine schnelle und hohe Wasseraufnahme zu erzielen. Die grundlegenden Anforderungen sind: Die Wasseraufnahmekapazität muss etwa das 400-fache erreichen, und innerhalb der ersten Minute müssen 75 % des vom wasserabweisenden Material aufgenommenen Wassers absorbiert werden. Anforderungen an die thermische Stabilität beim Trocknen des wasserabweisenden Materials: Langzeit-Temperaturbeständigkeit bis 90 °C, maximale Betriebstemperatur bis 160 °C, kurzzeitige Temperaturbeständigkeit bis 230 °C (besonders wichtig für fotoelektrische Verbundkabel mit elektrischen Signalen). Anforderungen an die Stabilität des Gels nach der Wasseraufnahme: Nach mehreren Temperaturzyklen (20 °C bis 95 °C) muss das Gel eine hohe Viskosität und Festigkeit aufweisen. Die Stabilität des Gels variiert erheblich in Abhängigkeit vom Syntheseverfahren und den vom Hersteller verwendeten Materialien. Gleichzeitig gilt: Je schneller die Expansionsrate, desto besser. Einige Produkte konzentrieren sich einseitig auf die Geschwindigkeit. Der Einsatz von Additiven ist nicht förderlich für die Hydrogelstabilität, da er die Wasserrückhaltekapazität beeinträchtigt und somit die Wasserabweisung verhindert.
3.3 Eigenschaften des wasserabweisenden Bandes Da das Kabel während der Herstellung, Prüfung, des Transports, der Lagerung und der Verwendung Umwelteinflüssen standhalten muss, ergeben sich aus Sicht der Verwendung von Glasfaserkabeln folgende Anforderungen an das wasserabweisende Band:
1) Erscheinungsbild der Faserverteilung, Verbundwerkstoffe ohne Delamination und Pulverisierung, mit einer gewissen mechanischen Festigkeit, geeignet für die Anforderungen des Kabels;
2) gleichmäßige, wiederholbare und stabile Qualität; bei der Kabelherstellung kommt es nicht zu Delaminationen.
3) hoher Expansionsdruck, schnelle Expansionsgeschwindigkeit, gute Gelstabilität;
4) gute thermische Stabilität, geeignet für verschiedene Weiterverarbeitungsprozesse;
5) hohe chemische Stabilität, enthält keine korrosiven Bestandteile, resistent gegen Bakterien- und Schimmelpilzkorrosion;
6) gute Kompatibilität mit anderen Materialien von Glasfaserkabeln, Oxidationsbeständigkeit usw.
4 Leistungsstandards für die Wasserbarriere von Glasfaserkabeln
Zahlreiche Forschungsergebnisse belegen, dass unzureichende Wasserbeständigkeit die Langzeitstabilität der Kabelübertragungsleistung erheblich beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung ist im Herstellungsprozess und bei der Werksprüfung von Glasfaserkabeln schwer zu erkennen, tritt aber allmählich während der Verlegung und nach der Inbetriebnahme auf. Daher ist die zeitnahe Entwicklung umfassender und präziser Prüfstandards, die eine allgemein akzeptable Bewertungsgrundlage bieten, dringend erforderlich. Die umfangreichen Forschungen, Untersuchungen und Experimente des Autors zu wasserabweisenden Bändern haben eine adäquate technische Basis für die Entwicklung technischer Standards für diese Bänder geschaffen. Die Leistungsparameter der Wasserbarriere werden anhand der folgenden Kriterien bestimmt:
1) die Anforderungen der Norm für Glasfaserkabel an die Wasserstoppvorrichtung (hauptsächlich die Anforderungen an das Glasfaserkabelmaterial in der Norm für Glasfaserkabel);
2) Erfahrung in der Herstellung und Verwendung von Wassersperren sowie entsprechende Prüfberichte;
3) Forschungsergebnisse über den Einfluss der Eigenschaften von wasserabweisenden Bändern auf die Leistungsfähigkeit von Glasfaserkabeln.
4.1 Erscheinungsbild
Das Erscheinungsbild des Wassersperrbandes sollte durch gleichmäßig verteilte Fasern gekennzeichnet sein; die Oberfläche sollte flach und frei von Falten, Knicken und Rissen sein; das Band sollte keine Einrisse in der Breite aufweisen; das Verbundmaterial sollte frei von Delaminationen sein; das Band sollte fest aufgewickelt sein und die Kanten des handgeführten Bandes sollten keine „Strohhutform“ aufweisen.
4.2 Mechanische Festigkeit des Wasserstopps
Die Zugfestigkeit des Dichtungsbandes hängt vom Herstellungsverfahren des Polyestervlieses ab. Bei gleichen Mengenbedingungen ist das Viskoseverfahren hinsichtlich der Zugfestigkeit besser als das Warmwalzverfahren, allerdings ist das Band auch dünner. Die Zugfestigkeit des Dichtungsbandes variiert je nach Art der Kabelwicklung.
Dies ist ein wichtiger Indikator für zwei der wasserabweisenden Bänder, deren Prüfverfahren hinsichtlich Gerät, Flüssigkeit und Testablauf vereinheitlicht werden sollten. Das Hauptmaterial der wasserabweisenden Bänder besteht aus teilvernetztem Natriumpolyacrylat und seinen Derivaten. Da diese empfindlich auf die Zusammensetzung und die Anforderungen an die Wasserqualität reagieren, ist für eine einheitliche Norm der Quellhöhe der wasserabweisenden Bänder die Verwendung von deionisiertem Wasser vorzuziehen (in Ausnahmefällen wird destilliertes Wasser verwendet), da deionisiertes Wasser keine anionischen oder kationischen Bestandteile enthält und somit im Wesentlichen reines Wasser ist. Der Absorptionsmultiplikator des Wasserabsorptionsharzes variiert stark je nach Wasserqualität. Während er in reinem Wasser 100 % des Nennwerts beträgt, liegt er in Leitungswasser zwischen 40 % und 60 % (abhängig von der jeweiligen Wasserqualität), in Meerwasser bei 12 % und in Grundwasser oder Abwasser aufgrund komplexerer Eigenschaften schwer zu bestimmen und daher sehr niedrig. Um die Wasserdichtigkeit und die Lebensdauer des Kabels zu gewährleisten, empfiehlt sich die Verwendung eines Wassersperrbandes mit einer Quellhöhe von > 10 mm.
4.3 Elektrische Eigenschaften
Im Allgemeinen beinhaltet das Glasfaserkabel keine Übertragung elektrischer Signale durch Metalldrähte, daher ist die Verwendung von halbleitendem, wasserabweisendem Isolierband nicht erforderlich. (Ausgenommen hiervon ist beispielsweise das Isolierband für Glasfaserkabel von Wang Qiang, etc., siehe Abschnitt 33.)
Elektrisches Verbundkabel vor dem Vorhandensein elektrischer Signale, spezifische Anforderungen je nach Kabelstruktur gemäß Vertrag.
4.4 Thermische Stabilität Die meisten wasserabweisenden Klebebänder erfüllen die Anforderungen an die thermische Stabilität: Langzeit-Temperaturbeständigkeit bis 90 °C, maximale Betriebstemperatur bis 160 °C, kurzzeitige Temperaturbeständigkeit bis 230 °C. Die Leistung des wasserabweisenden Klebebands sollte sich nach einer bestimmten Zeit bei diesen Temperaturen nicht verändern.
Die Gelstärke ist die wichtigste Eigenschaft eines intumeszierenden Materials, während die Expansionsrate lediglich die anfängliche Wasserdurchdringungstiefe (unter 1 m) begrenzt. Ein gutes Quellmaterial zeichnet sich durch die richtige Expansionsrate und eine hohe Viskosität aus. Ein Material mit schlechter Wasserbarrierewirkung weist selbst bei hoher Expansionsrate und niedriger Viskosität nur unzureichende Wasserbarriereeigenschaften auf. Dies lässt sich durch einen Vergleich mittels Temperaturzyklen überprüfen. Unter hydrolytischen Bedingungen zersetzt sich das Gel zu einer niedrigviskosen Flüssigkeit, was seine Qualität beeinträchtigt. Dies wird durch zweistündiges Rühren einer Suspension aus reinem Wasser und Quellpulver erreicht. Das entstandene Gel wird anschließend vom überschüssigen Wasser abgetrennt und in einem Rotationsviskosimeter vor und nach 24 Stunden bei 95 °C auf die Viskosität geprüft. Der Unterschied in der Gelstabilität wird sichtbar. Üblicherweise erfolgt dies in Zyklen von 8 Stunden von 20 °C auf 95 °C und 8 Stunden von 95 °C auf 20 °C. Die relevanten deutschen Normen fordern 126 Zyklen à 8 Stunden.
4.5 Kompatibilität Die Kompatibilität der Wassersperre ist eine besonders wichtige Eigenschaft im Hinblick auf die Lebensdauer des Glasfaserkabels und sollte daher in Bezug auf die bisher verwendeten Glasfaserkabelmaterialien betrachtet werden. Da die Kompatibilität erst nach längerer Zeit sichtbar wird, muss ein beschleunigter Alterungstest durchgeführt werden. Dabei wird die Kabelmaterialprobe gereinigt, mit einer Lage trockenem, wasserabweisendem Klebeband umwickelt und 10 Tage lang in einer Klimakammer bei 100 °C gelagert. Anschließend wird die Qualität geprüft. Die Zugfestigkeit und Dehnung des Materials dürfen sich nach dem Test um nicht mehr als 20 % verändert haben.
Veröffentlichungsdatum: 22. Juli 2022