1 Einleitung
Um die Längsabdichtung von Glasfaserkabeln zu gewährleisten und zu verhindern, dass Wasser und Feuchtigkeit in das Kabel oder die Anschlussdose eindringen und das Metall und die Faser korrodieren, was zu Wasserstoffschäden, Faserbruch und einem starken Abfall der elektrischen Isolationsleistung führen kann, werden üblicherweise die folgenden Methoden zur Verhinderung von Wasser und Feuchtigkeit angewendet:
1) Das Innere des Kabels wird mit thixotropem Fett gefüllt, darunter wasserabweisende (hydrophobe), quellfähige und wärmeausdehnende Typen. Diese öligen Materialien erfordern große Füllmengen, hohe Kosten, Umweltbelastung, schwierige Reinigung (insbesondere beim Spleißen mit Lösungsmitteln) und erhöhen das Eigengewicht des Kabels.
2) Die Verwendung von Heißklebe-Wassersperrringen zwischen Innen- und Außenmantel ist ineffizient und komplex und wird nur von wenigen Herstellern beherrscht. 3) Die Verwendung von Trockenaufschäummaterialien (wasserabsorbierendes Aufschäumpulver, wasserabweisendes Band etc.) ist eine weitere Möglichkeit. Diese Methode erfordert jedoch hohe Technologie, einen hohen Materialverbrauch und hohe Kosten; zudem ist das Eigengewicht des Kabels zu hoch. In den letzten Jahren hat sich die „Trockenkern“-Struktur bei Glasfaserkabeln etabliert und wird im Ausland erfolgreich eingesetzt. Insbesondere bei der Lösung des Problems des hohen Eigengewichts und des komplexen Spleißprozesses von Glasfaserkabeln mit vielen Adern bietet sie unübertroffene Vorteile. Das in diesem „Trockenkern“-Kabel verwendete Wassersperrmaterial ist wasserabweisendes Garn. Dieses Garn absorbiert schnell Wasser, quillt auf und bildet ein Gel, das den Wasserkanal des Kabels abdichtet und so die Wasserundurchlässigkeit gewährleistet. Darüber hinaus enthält das wasserabweisende Garn keine öligen Substanzen, und die für die Spleißvorbereitung benötigte Zeit kann durch den Verzicht auf Tücher, Lösungsmittel und Reinigungsmittel erheblich reduziert werden. Um ein einfaches Verfahren, eine bequeme Konstruktion, zuverlässige Leistung und kostengünstige wasserabweisende Materialien zu erzielen, haben wir ein neuartiges wasserabweisendes Garn für Glasfaserkabel entwickelt – ein quellfähiges, wasserabweisendes Garn.
2. Wasserblockierungsprinzip und Eigenschaften des wasserblockierenden Garns
Die wasserabweisende Funktion von wasserabweisendem Garn beruht darauf, dass die Fasern des Garns ein großes Gelvolumen bilden (die Wasseraufnahme kann ein Vielfaches des Eigenvolumens erreichen; beispielsweise dehnt sich Wasser innerhalb der ersten Minute von ca. 0,5 mm auf ca. 5,0 mm Durchmesser aus). Das Gel besitzt eine sehr hohe Wasserspeicherkapazität und verhindert effektiv das Wachstum von Kondenswasser. Dadurch wird das Eindringen und die Ausbreitung von Wasser verhindert und somit die gewünschte Wasserbeständigkeit erreicht. Da Glasfaserkabel während der Herstellung, Prüfung, des Transports, der Lagerung und der Verwendung verschiedenen Umweltbedingungen standhalten müssen, muss wasserabweisendes Garn für den Einsatz in Glasfaserkabeln folgende Eigenschaften aufweisen:
1) Ein sauberes Erscheinungsbild, gleichmäßige Dicke und eine weiche Textur;
2) Eine gewisse mechanische Festigkeit, um die Zuganforderungen bei der Kabelherstellung zu erfüllen;
3) schnelles Aufquellen, gute chemische Stabilität und hohe Festigkeit bei der Wasseraufnahme und Gelbildung;
4) Gute chemische Stabilität, keine korrosiven Bestandteile, resistent gegen Bakterien und Schimmelpilze;
5) Gute thermische Stabilität, gute Witterungsbeständigkeit, anpassungsfähig an verschiedene nachfolgende Verarbeitungs- und Produktionsverfahren sowie an verschiedene Einsatzumgebungen;
6) Gute Kompatibilität mit anderen Materialien von Glasfaserkabeln.
3. Wasserbeständiges Garn in der Anwendung von Glasfaserkabeln
3.1 Die Verwendung wasserbeständiger Garne in Glasfaserkabeln
Hersteller von Glasfaserkabeln können im Produktionsprozess unterschiedliche Kabelstrukturen einsetzen, um den Bedürfnissen der Anwender entsprechend ihrer jeweiligen Situation und deren Anforderungen gerecht zu werden:
1) Längswasserblockierung des Außenmantels mit wasserblockierenden Garnen
Bei der Armierung mit gewelltem Stahlband muss der Außenmantel längs wasserdicht sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit in das Kabel oder die Anschlussdose zu verhindern. Um diese Längswassersperre des Außenmantels zu erreichen, werden zwei Dichtungsfäden verwendet. Einer verläuft parallel zum Kabelkern des Innenmantels, der andere wird in einem bestimmten Abstand (8 bis 15 cm) um den Kabelkern gewickelt und mit gewelltem Stahlband und Polyethylen (PE) umhüllt. Dadurch bildet der Dichtungsfaden zwischen Kabelkern und Stahlband kleine, geschlossene Kammern. Der Dichtungsfaden quillt innerhalb kurzer Zeit auf und bildet ein Gel, das das Eindringen von Wasser in das Kabel verhindert und es auf wenige kleine Kammern in der Nähe der Fehlerstelle beschränkt. So wird die Längswassersperre erreicht (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Typische Verwendung von wasserabweisendem Garn in Glasfaserkabeln
2) Längswasserblockierung des Kabelkerns mit wasserundurchlässigen GarnenIm Kabelkern können zwei Arten von wasserundurchlässigem Garn verwendet werden. Zum einen im Kabelkern des Stahlbewehrungsdrahtes, wobei zwei wasserundurchlässige Garne parallel zueinander angeordnet sind. Ein weiteres wasserundurchlässiges Garn wird mit größerem Abstand um den Draht gewickelt. Auch hier sind zwei wasserundurchlässige Garne parallel zum Stahlbewehrungsdraht angeordnet. Durch die Verwendung von wasserundurchlässigem Garn mit hoher Dehnfähigkeit wird das Eindringen von Wasser verhindert. Zum anderen wird das wasserundurchlässige Garn auf der Oberfläche des losen Kabelmantels vor dem Zusammenpressen des Innenmantels als Bindegarn verwendet. Zwei wasserundurchlässige Garne werden mit kleinerem Abstand (1–2 cm) in entgegengesetzter Richtung um den Kabelkern gewickelt und bilden so ein dichtes, kleines Sperrgewebe, das das Eindringen von Wasser verhindert und eine „trockene Kabelkernstruktur“ erzeugt.
3.2 Auswahl wasserabweisender Garne
Um bei der Herstellung von Glasfaserkabeln sowohl eine gute Wasserbeständigkeit als auch zufriedenstellende mechanische Verarbeitungseigenschaften zu erzielen, sollten bei der Auswahl von wasserbeständigem Garn folgende Aspekte beachtet werden:
1) Die Dicke des wasserabweisenden Garns
Um sicherzustellen, dass die Ausdehnung des wasserabweisenden Garns die Lücken im Kabelquerschnitt ausfüllt, ist die Wahl der Garnstärke entscheidend. Diese hängt natürlich von den Abmessungen des Kabels und der Ausdehnungsrate des Garns ab. In der Kabelstruktur sollten Lücken minimiert werden. Durch die Verwendung eines Garns mit hoher Ausdehnungsrate kann dessen Durchmesser minimiert werden, wodurch eine zuverlässige Wasserdichtigkeit erzielt und gleichzeitig Kosten gespart werden.
2) Quellverhalten und Gelstärke von wasserblockierenden Garnen
Der Wasserdurchdringungstest nach IEC 794-1-F5B wird am gesamten Querschnitt des Glasfaserkabels durchgeführt. Dazu wird eine 3 m lange Probe des Glasfaserkabels mit einer 1 m hohen Wassersäule beaufschlagt. 24 Stunden ohne Leckage gelten als bestanden. Wenn die Quellgeschwindigkeit des wasserabweisenden Garns nicht mit der Wassereintrittsgeschwindigkeit Schritt hält, kann es sein, dass das Wasser innerhalb weniger Minuten nach Testbeginn durch die Probe geflossen ist und das wasserabweisende Garn noch nicht vollständig gequollen ist. Zwar quillt das Garn nach einer gewissen Zeit vollständig auf und blockiert das Wasser, dies führt jedoch ebenfalls zu einem Testversagen. Ist die Quellgeschwindigkeit zu hoch und die Gelstärke zu gering, kann das Garn dem Druck der 1 m hohen Wassersäule nicht standhalten, und die Wasserabdichtung ist ebenfalls wirkungslos.
3) Weichheit des wasserabweisenden Garns
Da die Weichheit des wasserabweisenden Garns einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Kabels hat, insbesondere auf den Seitendruck, die Stoßfestigkeit usw., ist der Einfluss deutlicher zu spüren. Daher sollte man versuchen, ein weicheres wasserabweisendes Garn zu verwenden.
4) Die Zugfestigkeit, Dehnung und Länge des wasserabweisenden Garns
Bei der Herstellung jeder Kabelrinnenlänge muss das wasserundurchlässige Garn durchgehend und ununterbrochen sein. Dies erfordert eine bestimmte Zugfestigkeit und Dehnbarkeit des Garns, um sicherzustellen, dass es während des Produktionsprozesses nicht reißt und das Kabel bei Dehnung, Biegung oder Verdrehung des Garns nicht beschädigt wird. Die Länge des wasserundurchlässigen Garns hängt hauptsächlich von der Länge der Kabelrinne ab. Um die Anzahl der Garnwechsel in der kontinuierlichen Produktion zu minimieren, ist eine möglichst lange Ausführung vorteilhaft.
5) Der Säure- und Basengehalt des wasserabweisenden Garns sollte neutral sein, da es sonst mit dem Kabelmaterial reagiert und Wasserstoff ausfällt.
6) Stabilität von wasserblockierenden Garnen
Tabelle 2: Vergleich der wasserabweisenden Struktur von wasserabweisenden Garnen mit anderen wasserabweisenden Materialien
| Artikel vergleichen | Geleefüllung | Heißschmelz-Wasserstopperring | Wasserabweisendes Klebeband | Wasserblockierendes Garn |
| Wasserbeständigkeit | Gut | Gut | Gut | Gut |
| Verarbeitbarkeit | Einfach | Kompliziert | Komplexer | Einfach |
| Mechanische Eigenschaften | Qualifiziert | Qualifiziert | Qualifiziert | Qualifiziert |
| Langzeitzuverlässigkeit | Gut | Gut | Gut | Gut |
| Mantelbindungskraft | Gerecht | Gut | Gerecht | Gut |
| Verbindungsrisiko | Ja | No | No | No |
| Oxidationseffekte | Ja | No | No | No |
| Lösungsmittel | Ja | No | No | No |
| Masse pro Längeneinheit des Glasfaserkabels | Schwer | Licht | Schwerer | Licht |
| Unerwünschter Materialfluss | Möglich | No | No | No |
| Sauberkeit in der Produktion | Arm | Ärmer | Gut | Gut |
| Materialhandhabung | Schwere Eisenfässer | Einfach | Einfach | Einfach |
| Investitionen in Ausrüstung | Groß | Groß | Größer | Klein |
| Materialkosten | Höher | Niedrig | Höher | Untere |
| Produktionskosten | Höher | Höher | Höher | Untere |
Die Stabilität von wasserabweisenden Garnen wird hauptsächlich anhand ihrer Kurzzeit- und Langzeitstabilität gemessen. Die Kurzzeitstabilität bezieht sich vor allem auf die Auswirkungen eines kurzfristigen Temperaturanstiegs (Extrusionsmanteltemperatur bis zu 220–240 °C) auf die Wasserabweisungseigenschaften und die mechanischen Eigenschaften des Garns. Die Langzeitstabilität berücksichtigt insbesondere die Alterung des Garns, seine Ausdehnungsrate, Gelstärke und -stabilität sowie Zugfestigkeit und Dehnung. Das Garn muss über die gesamte Lebensdauer des Kabels (20–30 Jahre) wasserabweisend sein. Ähnlich wie bei wasserabweisenden Fetten und Bändern sind Gelstärke und -stabilität des Garns wichtige Kenngrößen. Ein Garn mit hoher Gelstärke und guter Stabilität behält seine guten Wasserabweisungseigenschaften über einen längeren Zeitraum bei. Im Gegensatz dazu zersetzt sich das Gel einiger Materialien gemäß den einschlägigen deutschen Normen unter Hydrolysebedingungen in ein sehr mobiles Material mit niedrigem Molekulargewicht, wodurch die angestrebte Langzeitwasserbeständigkeit verloren geht.
3.3 Anwendung von wasserblockierenden Garnen
Wasserabweisendes Garn ist ein hervorragendes wasserabweisendes Material für optische Kabel und ersetzt Ölpaste, Heißklebe-Wasserabdichtungsringe und Wasserabdichtungsbänder usw., die in der Herstellung optischer Kabel in großen Mengen verwendet werden. Tabelle 2 enthält einige der Eigenschaften dieser wasserabweisenden Materialien zum Vergleich.
4. Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das wasserabweisende Garn ein ausgezeichnetes wasserabweisendes Material ist, das sich für optische Kabel eignet. Es zeichnet sich durch einfache Konstruktion, zuverlässige Leistung, hohe Produktionseffizienz und einfache Anwendung aus. Die Verwendung des Materials zur Füllung des optischen Kabels bietet die Vorteile von geringem Gewicht, zuverlässiger Leistung und niedrigen Kosten.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juli 2022