водостойкий кабель
Классы МПК: | H01B7/28 влагой, коррозией, химическим или атмосферным воздействием G02B6/44 механические конструкции для обеспечения прочности на разрыв и внешней защиты волокон, например, оптический передающий кабель |
Автор(ы): | АНЕЛЛИ Пьетро (IT), КОЛОМБО Джанфранко (IT) |
Патентообладатель(и): | ПИРЕЛЛИ КАВИ Э СИСТЕМИ С.П.А. (IT) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-10-06 публикация патента:
20.09.2003 |
Изобретение касается волоконно-оптического кабеля, который является устойчивым к радиальному проникновению и к продольному распространению воды. Кабель содержит растворимый в воде полимерный материал, способный разбухать под действием воды. При поступлении воды в этот кабель распространение воды блокируется за счет объединенного эффекта набухания растворимого в воде материала и образования водного раствора упомянутого материала, который имеет предварительно определенную вязкость, для препятствования протеканию остаточной воды. Растворимый в воде материал предпочтительно выбирают из полиакриламида, модифицированного поливинилового спирта, сополимеров винилового спирта/винилацетата, поливинилпирролидона и их смесей, причем материал предпочтительно является сополимером винилового спирта/винилацетата. Материал можно экструдировать, чтобы образовать трубчатые элементы для охватывания оптических волокон, например двухслойные трубчатые элементы, в которых внутренний слой сделан из растворимого в воде материала, а наружный слой сделан из обычного полимера типа ПЭ, ПП или ПБТ. 3 с. и 31 з.п.ф-лы, 5 ил., 7 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12
Формула изобретения
1. Волоконно-оптический кабель, содержащий продольную полость, простирающуюся вдоль длины кабеля, по меньшей мере, одно оптическое волокно, размещенное внутри упомянутой продольной полости, причем упомянутая продольная полость дополнительно содержит твердый компактный элемент внутри себя, при этом упомянутый твердый компактный элемент содержит растворимый в воде полимерный материал, который при случайном поступлении воды в кабель способен образовывать водный раствор с предварительно определенной вязкостью с целью блокирования протекания воды на протяжении 10 м от точки поступления. 2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый твердый и компактный элемент содержит 30% по весу или более упомянутого растворимого в воде полимерного материала. 3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый твердый и компактный элемент содержит 50% или более упомянутого растворимого в воде полимерного материала. 4. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый твердый и компактный элемент содержит более чем 75% по весу упомянутого растворимого в воде полимерного материала. 5. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый твердый компактный элемент представляет собой структурный элемент кабеля, способный вмещать и защищать по меньшей мере одно оптическое волокно, расположенное внутри упомянутой продольной полости. 6. Кабель по п. 5, отличающийся тем, что упомянутый структурный элемент является трубчатым элементом, а упомянутая продольная полость определена внутренним объемом упомянутого трубчатого элемента. 7. Кабель по п. 6, отличающийся тем, что упомянутый трубчатый элемент содержит двуслойную стенку, в которой внутренний слой выполнен из упомянутого растворимого в воде твердого материала, а наружный слой выполнен из обычного не растворимого в воде полимерного материала. 8. Кабель по п. 7, отличающийся тем, что упомянутый трубчатый элемент содержит третий наружный слой, выполненный из растворимого в воде твердого полимерного материала. 9. Кабель по п. 6, отличающийся тем, что упомянутый трубчатый элемент выполнен из единственной оболочки из упомянутого растворимого в воде твердого материала. 10. Кабель по п. 5, отличающийся тем, что упомянутый структурный элемент, способный вмещать по меньшей мере одно оптическое волокно, представляет собой имеющую канавки жилу, содержащую по меньшей мере одну канавку, продольно расположенную на наружной поверхности упомянутой жилы, а продольная полость определена внутренним объемом упомянутой канавки. 11. Кабель по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере стенки упомянутой канавки сделаны из растворимого в воде твердого полимерного материала. 12. Кабель по п. 10, отличающийся тем, что упомянутая имеющая канавки жила выполнена полностью из упомянутого растворимого в воде твердого полимерного материала. 13. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что твердый компактный элемент, выполненный из растворимого в воде полимерного материала, представляет собой ленту. 14. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что растворимый в воде полимерный материал имеет растворимость в воде по меньшей мере 100г/л. 15. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый водный раствор имеет вязкость по меньшей мере 104 сП (10 н![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
Описание изобретения к патенту
Настоящее изобретение относится к кабелю, в частности волоконно-оптическому кабелю, который является устойчивым к радиальному проникновению и к продольному распространению воды. Настоящее изобретение также касается способа сохранения высокого сопротивления прохождению воды как в жидком состоянии, так и в парообразном состоянии внутри кабелей, в частности волоконно-оптических кабелей. Кабели и, в частности, волоконно-оптические кабели используются в условиях окружающей среды, они включают в себя контакт с водой как в жидкой форме, так и в форме пара. Наличие молекул воды внутри оптических кабелей, и в особенности близко к оптическим волокнам, приводит к снижению пропускной способности волокон. Упомянутое снижение пропускной способности волокон обусловлено, в частности, диффузией водяного пара через вторичное и первичное покрытия пастой на оптическом волокне и последующей конденсацией воды на границе раздела между пастой и вторичным покрытием и стеклом и первичным покрытием. Эта конденсация может приводить к локальному разъединению между пастой и вторичным покрытием или между стеклом и первичным покрытием, вызывая появление неравномерных механических напряжений ("микроизгибов"), которые могут вызывать затухание передаваемого сигнала. Контакт оптических волокон с водой в жидком состоянии может происходить либо вследствие проникновения воды с плохо обернутого конца (во время хранения или укладки кабеля), либо вследствие случайного повреждения этой оболочки. Наличие воды, в особенности воды в жидком состоянии, и возможности ее продольного распространения внутри кабелей также могут вызывать повреждение устройства, к которому подсоединены кабели. Следовательно, ввиду вышеупомянутого, преимущественно следует блокировать распространение воды и по возможности больше ограничивать длину кабеля, который после контакта с водой следует очищать. Контакт оптических волокон внутри кабеля с водой в парообразном состоянии встречается, когда эта вода проникает сквозь слои, которые образуют оптический кабель, таким образом получая возможность попасть внутрь к тому месту, где расположены оптические волокна. Вплоть до весьма высоких значений относительной влажности (обычно приблизительно 75-80%) оптические волокна не имеют отрицательных последствий из-за наличия водяного пара и могут даже оставаться в таких условиях в течение нескольких лет. Выше этого порога высокая влажность в контакте с поверхностью оптических волокон может привести к недостаткам, подобным недостаткам, вызываемым контактом с водой в жидком состоянии (например, отслоению, локальному разделению между стеклом и покрытием и/или разделению между различными слоями покрытия, явлению микроизгибов), которые могут приводить к повышениям затухания. Наконец, длительный контакт воды (либо воды в жидком состоянии, либо воды в парообразном состоянии) с поверхностью волокна типа контакта, который происходит после расслоения между стеклом и первичным покрытием, может привести к снижению механической прочности стеклянной части волокна. Диапазон решений в отношении ограничения или предотвращения попадания воды в кабели описан в прототипе. Например, чтобы ограничить проникновение воды в жидком состоянии в волоконно-оптические кабели, известно применение введения наполнителя, блокирующего прохождение текучей среды, обычно консистентной смазки или полимеризованного масла, в структуру кабеля, с целью создания физического барьера прохождению воды в кабель. Эти наполнители, поскольку они не имеют каких-либо конкретных физико-химических взаимодействий с водой, также известны как "инертные блокирующие материалы". Примеры этих инертных блокирующих наполнителей раскрыты в патентах ЕР 811864, США 5285513, США 5187763 и ЕР 541007. Введение упомянутых инертных блокирующих наполнителей в структуру оптического кабеля во время изготовления часто является трудоемким, например, требуя обработку концов ("головок") этих кабелей, которые должны быть обмотаны таким образом, чтобы предотвратить какую-либо потерю наполнителя. Кроме того, во время монтажа и/или эксплуатации кабеля, чтобы обеспечить возможность осуществлять соединения между различными отрезками кабеля, необходимо вымывать блокирующий наполнитель из всех компонентов оптического кабеля, что может приводить к повреждению оптических волокон из-за воздействия растворителей и трения. Другое известное решение в отношении ограничения поступления воды в оптические кабели предусматривает использование способных разбухать под действием воды материалов, то есть веществ, способных поглощать некоторое количество воды, вследствие чего увеличивая свой объем. В отличие от описанных выше материалов, эти материалы также известны как "активные блокирующие материалы". Как правило, эти способные разбухать под действием воды материалы рассредотачиваются на опорах, сделанных из волокнистого пластмассового материала, например лентах или нитях, размещаемых близко к структурам кабеля, которые требуется защищать от контакта с водой. Например, в патенте США 4867526 описан кабель, содержащий ленту, выполненную из нетканого материала (в частности, сложного полиэфира), пропитанного раствором водопоглощающего материала, в частности полиакриловой кислотой, сделанной нерастворимой с помощью структурирования, которая способна расширяться при контакте с водой. В патенте США 5138685 описан кабель, содержащий слоистую ленту, состоящую из двух наложенных слоев из нетканого полимерного материала, между которыми помещается способный разбухать под действием воды материал в порошкообразной форме. В патенте США 5642452 описан кабель, содержащий нити, пропитанные способным разбухать под действием воды материалом, в частности полиакриловой кислотой. Эти нити намотаны вокруг центрального армирующего элемента вместе с трубчатыми элементами, содержащими оптические волокна, которые заполнены обычным "инертным" блокирующим материалом. Согласно описанию, приведенному в этом патенте, такая конфигурация способна предотвращать продольное прохождение воды в звездообразных областях, образованных спиральной намоткой трубчатых элементов вокруг центрального элемента. В патенте США 4767184 описан оптический кабель с имеющей канавки жилой, и в этих канавках размещаются несколько полос наложенных оптических волокон, каждая из которых покрыта пленкой полимера, содержащей способный разбухать под действием воды или набухающий материал. В сочетании с полосами оптических волокон, имеющих покрытие, содержащее способный разбухать под действием воды материал, можно использовать покрытие из того же материала, применяемое к жиле с канавками, в то время как в канавках, в которых отсутствуют полосы оптических волокон, необходимо использовать порошок, образованный из водопоглощающего материала. В патенте Германии DE 1765647, касающемся обычных телекоммуникационных кабелей с металлическим проводником, раскрыт 4-проводный кабель, в котором жила кабеля и провода обернуты фольгой толщиной 100 мкм, сделанной из низкоомыленного высокополимеризированного поливинилового спирта. Заявитель обнаружил, что если используются способные разбухать под действием воды волокнистые ленты, то во время изготовления кабеля необходимо включать дополнительную операцию обертывания. Кроме того, часто возникает проблема высвобождения способных разбухать под действием воды порошков, в результате чего получается, что, с одной стороны, эффект блокирования воды оказывается более низким, где это необходимо, и, с другой стороны, во время монтажа/эксплуатации структура кабеля должна быть без наличия этих порошков. Более того, после завершения водопоглощающего эффекта известные способные разбухать под действием воды материалы ведут себя подобно инертным наполнителям, устанавливая простой физический барьер прохождению воды. Таким образом, необходимо обеспечить достаточное количество этих материалов в структуре кабеля, который требуется защитить. Однако в некоторых структурах оптического кабеля, например типа пластмассовых трубчатых элементов, содержащих свободно расположенные оптические волокна, количество подлежащего использованию материала является чрезмерным и неэкономичным, и, следовательно, в этих случаях используются обычные инертные блокирующие материалы. Также существует возможность, что нежелательное набухание этой способной разбухать под действием воды массы (даже при наличии небольшой величины относительной влажности) может вызвать явление затухания передаваемого сигнала вследствие неравномерного распределения давления на поверхность оптических волокон, даже при условиях, которые в ином случае не будут вредны для функционирования кабеля. Кроме того, как обнаружил заявитель, оптические волокна в контакте с материалом в форме частиц с размером частиц больше приблизительно 1 мкм могут подвергаться явлению микроизгибов, в результате чего введение элементов типа полос или нитей, содержащих способные разбухать под действием воды порошки, в непосредственном контакте с волокнами представляет ощутимый риск увеличения затухания, даже независимо от наличия влаги. В случае полос оптического волокна, покрытых пленкой из способного разбухать под действием воды материала, описанного в патенте США 4767184, заявитель обнаружил, что если используемые способные разбухать под действием воды материалы имеют тенденцию к набуханию, даже до очень незначительной степени, при наличии сравнительно низкой величины относительной влажности, которая сама по себе не будет вредной для оптических волокон, это набухание может привести либо к неравномерному распределению давления по волокну, покрытому этим материалом, либо к чрезмерному окружению оптического волокна, причем оба эти явления представляют недостатки, которые могут приводить к явлению затухания передаваемого сигнала. Заявитель также обнаружил, что после расширения набухающий материал не способен правильно заполнять все пустоты внутри кабеля, особенно в случае, когда подлежащие заполнению пространства имеют весьма нерегулярную форму, например, типа звездообразных областей, образуемых намоткой оптических трубчатых элементов, пространств между оптическими волокнами и т.п. Таким образом, остается опасность, что в этих местах, даже после того, как связанный с ними набухающий материал достигнет максимальной возможной степени расширения, в структуре кабеля останутся каналы, хотя и меньшего размера, через которые свободно может протекать вода. Кроме того, полное набухание способных разбухать под действием воды материалов обычно требует некоторого количества времени, в течение которого поток воды полностью не блокируется, и это может привести к повреждению значительной длины кабеля от продольного проникновения воды, особенно в случае, когда пустая часть включенной полости большая. И наконец, любое из вышеупомянутых решений, применяемых на практике в известной технике, подразумевает введение в структуру кабеля дополнительного элемента (типа порошков, лент, фольги и т.д.). Это обычно приводит к введению дополнительных этапов в процесс изготовления кабеля, а также к возможным громоздким операциям во время соединения концов кабеля и/или восстановления поврежденных участков упомянутого кабеля. В соответствии с настоящим изобретением было определено, что кабель, который не имеет элементов жидкого или порошкового типа для блокирования протекания воды, можно изготовить путем объединения полостей, имеющихся в этом кабеле, с твердым материалом, способным растворяться в проникающей воде, для образования с этой водой раствора, который является достаточно вязким, чтобы блокировать или по меньшей мере значительно препятствовать этому протеканию воды. В частности, упомянутый твердый материал может быть благоприятно сформирован в конструктивный элемент оптического кабеля типа трубки или жилы с прорезями, подходящий для вмещения и защиты оптических волокон. Таким образом, один аспект настоящего изобретения касается волоконно-оптического кабеля, содержащего продольную полость, простирающуюся вдоль длины кабеля, по меньшей мере одно оптическое волокно, расположенное внутри упомянутой полости, и твердый и компактный элемент, связанный с этой полостью, отличающегося тем, что упомянутый твердый и компактный элемент содержит растворимый в воде полимерный материал, который, после случайного попадания воды в кабель, способен образовывать водный раствор с заранее определенной вязкостью, чтобы блокировать протекание воды в пределах 10 м от точки поступления воды. Этот твердый и компактный элемент предпочтительно содержит приблизительно 30% или больше, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 50%, упомянутого растворимого в воде полимерного материала. В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления этот твердый и компактный элемент составляет более приблизительно 75% упомянутого растворимого в воде полимерного материала. Упомянутый водный раствор предпочтительно имеет вязкость, составляющую по меньшей мере приблизительно 104 сП (10 н![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
фиг. 1 представляет схематический вид в поперечном разрезе примера соответствующего изобретению волоконно-оптического кабеля такого типа, который содержит трубчатый элемент с центральной опорой;
фиг. 2 представляет вид в поперечном разрезе трубчатого элемента соответствующего изобретению кабеля с двухслойным покрытием, содержащим оптические волокна;
фиг. 3 представляет тот же самый вид в поперечном разрезе трубчатого элемента, как на фиг.2, после поступления воды;
фиг.4 представляет схематический вид в поперечном разрезе другого примера волоконно-оптического кабеля в соответствии с изобретением, имеющего жилу с канавками;
фиг. 4а представляет альтернативный вариант осуществления кабеля, показанного на фиг.4;
фиг. 5 представляет график вязкости растворимого в воде полимера в функции его концентрации в водном растворе. Кабель типа так называемого трубчатого элемента (в особенности типа свободной трубки), как представлено на фиг.1, имеет в самом внутреннем в радиальном направлении положении поддерживающий элемент, содержащий усиливающий элемент, обычно сделанный из стеклополимера 5, покрытого слоем 6 полимера до данного диаметра. Кабель имеет один или больше трубчатых элементов или трубок 7, навитых вокруг поддерживающего элемента 5 и вокруг его покрывающего слоя 6, внутри которых размещены оптические волокна 3, расположенные по отдельности или собранные в связки, ленты, мини-трубки (то есть микрооболочку, окружающую связку оптических волокон) и т.п. Количество присутствующих трубчатых элементов (которые также могут быть расположены на нескольких слоях) и размеры этих трубчатых элементов зависят от предполагаемой пропускной способности кабеля, а также от условий использования этого кабеля. Например, предусмотрены кабели только с одним трубчатым элементом (и в этом случае центральный элемент 5 и его покрытие 6 отсутствуют), и предусмотрены кабели с шестью, восемью или более трубчатыми элементами, навитыми одним или более слоями (например, до 24 трубчатых элементов, связываемых на двух слоях). Трубчатые элементы 7, в свою очередь, удерживаются вместе в охватывающем слое 8, образованном, например, путем обертывания, и предпочтительно объединяются с усиливающим элементом 9, например, слоем волокон кевлар (Kevlar
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
Две разделяющие оболочку мононити 1), расположенные продольно относительно кабеля, могут быть включены внутрь усиливающего слоя 9. Наконец, кабель содержит защитную внешнюю оболочку 11, сделанную обычно из полиэтилена. Относительно определенных требований, также могут присутствовать дополнительные защитные слои, например металлические слои, либо внутри, либо снаружи описанной структуры. В соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения в кабеле с описанной выше структурой трубчатые элементы 7 можно делать с двухслойной стенкой, в которой внутренний слой 7b сделан из твердого материала со свойствами блокирования воды, а наружный слой 7а сделан из обычного материала типа полибутилентерефталата (ПБТ), полипропилена (ПП), полиэтилена (ПЭ) или сополимера этилена и пропилена (СЭП). На фиг.2 показан трубчатый элемент 7 с двухслойной стенкой (изготовленный, например, путем совместной экструзии), самый наружный слой 7а которой сделан из обычного полимерного материала (например, ПЭ, ПП, СЭП или ПБТ), тогда как самый внутренний слой 7b сделан из твердого растворимого в воде полимерного материала. Пространство внутри трубки, не заполненное оптическими волокнами, обычно бывает пустым. Внутри трубчатого элемента располагают одно или более оптических волокон (3), обычно свободно, раздельно или собранными в форме волоконных лент, мини-трубок или аналогичных элементов. Материал, формирующий внутренний слой 7b трубчатого элемента, представляет собой твердый экструдируемый материал с механическими свойствами, более или менее подобными механическим свойствам наружного слоя 7а, так что толщина всего трубчатого элемента предпочтительно не отличается от типичной толщины трубчатого элемента с единственным обычным слоем. Как правило, трубчатый элемент, например, с наружным диаметром 3 мм может иметь стенку с общей толщиной приблизительно 0,6-0,7 мм, разделенной почти на равные части между внутренним растворимым в воде слоем 7b и внешним обычным слоем 7а. При случайном попадании воды растворимый в воде полимерный материал внутреннего слоя 7b двухслойного трубчатого элемента растворяется, по меньшей мере, частично в проникающей воде, начиная от исходного местоположения (представленного на чертеже пунктирной линией), как показано на фиг.3, образуя вязкий раствор 4, который перемещается между волокнами, таким образом заполняя свободные пространства (обычно с очертанием неправильной формы), независимо от их формы, до тех пор, пока не будет поглощено все свободное поперечное сечение трубчатого элемента. Благодаря соответствующему выбору свойств растворимого в воде материала слоя 7b, таким способом образованный водный раствор имеет вязкость, которая является достаточно высокой, чтобы препятствовать последующему распространению воды вдоль кабеля, пока это распространение не будет блокировано в пределах нескольких метров от точки проникновения воды. Таким образом, без введения в трубчатый элемент дополнительных материалов типа порошков, блокирующих текучих сред и т.п., которые могут вызывать, между прочим, существенное увеличение веса кабеля, образуется блокировка распространения воды, которая случайно проникла в кабель. В дополнение к свободному поперечному сечению внутри трубчатых элементов 7, описанная выше структура кабеля содержит области 8а снаружи трубчатых элементов, обычно описываемые как звездообразные области, через которые может проходить вода, которая случайно проникла в кабель. Согласно настоящему изобретению, слой 6 полимера для покрытия центрального элемента 5 преимущественно выполнен, полностью или в наружных слоях, из твердого растворимого в воде материала, который обладает упомянутыми выше свойствами. Этот слой 6 покрытия может быть выполнен либо с помощью экструдирования (совместной экструзией в случае, где обеспечивается более внутренний слой обычного типа и более внешний слой из твердого блокирующего воду полимерного материала), либо посредством применения компактной ленты (продольной или спиралевидной) из твердого, полимерного блокирующего воду материала поверх центрального элемента 5 (который необязательно может быть уже частично покрыт). Там, где это является подходящим, также можно предусмотреть, чтобы наружный слой трубчатых элементов 7 был из блокирующего воду материала или, в качестве альтернативы, весь трубчатый элемент был сделан из блокирующего воду материала. Если требуется, то охватывающий слой 8 согласно настоящему изобретению можно делать (полностью или частично) путем обертывания компактной лентой из твердого, блокирующего воду полимерного материала или, в качестве альтернативы, экструдированным слоем из такого же материала. Наличие слоев из твердого, растворимого в воде полимерного материала в слоях 6 и 8 и размер упомянутого твердого, растворимого в воде полимерного материала, представленного в этих слоях, определяются наличием свободных поперечных сечений (например, звездообразных областей 8а, упомянутых выше) и требованиями блокирования протекания воды в кабеле в более или менее узких местах. В свою очередь, усиливающий слой 9 может содержать нити или стержни из твердого, растворимого в воде полимерного материала упомянутого выше типа. Кроме того или в качестве альтернативы стержням или нитям, которые могут быть включены в усиливающий слой 9, внешняя оболочка 11 может быть образована из двух слоев, содержащих внутренний слой 11а, сделанный из твердого, растворимого в воде материала. Основываясь на упомянутых выше принципах, настоящее изобретение также можно применять к кабелю с имеющей канавки жилой. Кабель с имеющей канавки жилой, как показано на фиг.4, имеет, в самом внутреннем в радиальном направлении положении, усиливающий элемент 12, сделанный, например, из стеклополимера, на котором имеется жила 13 с канавками (которую обычно экструдируют), образованная в соответствии с изобретением из твердого, растворимого в воде материала. Канавки 14 проходят по непрерывной спирали или по чередующемуся s-z пути полностью вдоль всей наружной поверхности упомянутой жилы, с целью размещения в них оптических волокон 3; аналогично упомянутому выше способу оптические волокна 3 можно располагать по отдельности или собирать в виде лент, мини-трубок и т.п. на дне канавок, свободно (то есть с избытком длины) или с натяжением. Согласно альтернативному варианту осуществления, упомянутую жилу с канавками можно делать только частично из растворимого в воде полимерного материала, как показано на фиг.4а. В этом случае изготавливают двухслойную жилу с канавками (например, путем двойного экструдирования или совместного экструдирования слоев из двух полимеров), в которой внутренняя часть 13а жилы сделана из обычного полимерного материала (например, ПЭ или ПП), а внешняя часть с канавками 13b сделана из соответствующего изобретению растворимого в воде материала. В качестве альтернативы, имеющая канавки жила 13 может быть сделана полностью из обычного материала типа ПЭ или ПП. В этом случае в канавках можно размещать специальные U-образные элементы 15, сделанные из растворимого в воде материала, причем здесь можно, например, выполнять совместное экструдирование элементов и жилы с канавками или изготавливать элементы отдельно и впоследствии вставлять их в канавки. Например, имеющая канавки жила может иметь диаметр между 4 и 12 мм и может содержать от 1 до 10 канавок в зависимости от пропускной способности требуемого кабеля. Размеры самих канавок определяются количеством имеющихся в них волокон (которые могут быть собраны в виде волоконных лент) и степенью свободы, предусмотренной для этих волокон. Затем имеющую канавки жилу 13 покрывают слоем 16 полимера, предпочтительно состоящего из твердого, растворимого в воде материала, который закрывает канавки; это покрытие можно делать либо в форме экструдированной оболочки, либо в виде продольного или спиралеобразного обертывания. Этот слой, в свою очередь, может быть окружен дополнительной усиливающей лентой 17, сделанной, например, из сложного полиэфира, и затем окружен усиливающим слоем или армированием, сделанным, например, из кевлара 18, который может включать мононити или стержни, выполненные из твердого, растворимого в воде материала. Дополнительное обертывание 19, сделанное, например, из сложного полиэфира, окружает армирование 18 и само окружено внешней оболочкой 21, изготавливаемой обычно из полиэтилена; слой твердого, растворимого в воде материала 20 можно располагать под внешней оболочкой 21 и во всех зонах, в которые предположительно может проникнуть вода. Как упомянуто выше, для целей настоящего изобретения твердый и компактный элемент, содержащий твердый, растворимый в воде материал, должен быть таким, чтобы при рабочих температурах кабеля (и при реальном отсутствии воды) он не был текучим, волокнистым или порошкообразным и имел механические свойства типа модуля упругости, разрушающей нагрузки, относительного удлинения при разрыве и т.п., сравнимые со свойствами материалов, используемых для изготовления элементов кабеля. В соответствии с этим элементы оптического кабеля, выполненные из упомянутого материала, могут предпочтительно заменять один или более структурных элементов оптического кабеля (например, закрывающую оболочку, трубки, имеющие канавки жилы и т.д.), которые, как правило, изготавливают из обычных полимерных материалов. В то же самое время свойства растворимости в воде этого материала должны быть такими, чтобы образовывать водный раствор достаточной вязкости для блокирования протекания воды при предусмотренных условиях. В частности, изложенные выше свойства также могут быть такими в предпочтительном случае, в котором упомянутый твердый элемент сделан по существу (то есть больше, чем приблизительно на 75%) из растворимого в воде полимерного материала. Кроме того, растворимый в воде материал в соответствии с изобретением предпочтительно должен быть легко экструдируемым в один из вышеупомянутых твердых и компактных элементов. Твердый и компактный элемент, связанный с продольной полостью, внутри которой требуется блокировать протекание воды, содержит по меньшей мере 30% по весу и предпочтительно, по меньшей мере, 50% по весу растворимого в воде полимерного материала. Этот твердый элемент с функцией блокирования воды, таким образом, может содержать помимо вышеупомянутого растворимого в воде полимерного материала другие материалы, которые можно благоприятно смешивать с этим растворимым в воде полимером, например, типа других совместимых полимерных материалов или обычных полимерных добавок, таких как наполнители, например углеродная сажа, или неорганические наполнители (например, карбонат кальция или гидроокись магния), стабилизаторы, пигменты или красители и пластификаторы. Согласно предпочтительному варианту осуществления, этот твердый и компактный элемент состоит по существу, то есть больше, чем приблизительно на 75% по весу, из растворимого в воде полимерного материала, остальная часть состава представлена обычными добавками для полимерных составов. По меньшей мере, 5% общего веса состава предпочтительно составляет пластификатор. Заявитель обнаружил, что в кабеле по настоящему изобретению, когда вязкость раствора, образованного из растворимого в воде материала, увеличивается, возможно увеличение размеров полости, внутри которой должно происходить блокирование воды и/или снижение времени, затрачиваемого на блокирование этого протекания воды. В частности, заявитель обнаружил, что для достаточного блокирования протекания воды особенно выгодно использовать полимерный растворимый в воде материал, который образует водные растворы, достигающие значений вязкости приблизительно 104 сП (10 н
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
- гидроксильная группа (-ОН)
- группа простых эфиров (-СОС-)
- группа сложных эфиров (-СО-O-)
- аминогруппа (-NН2)
- карбоксильная группа (-СООН)
- амидная группа (-CO-NH-). Примерами этих полимеров являются полиакриловая кислота, полиакриламид, сополимеры полиакриламида/акриловой кислоты, метакриловая кислота, поливинилпирролидон и полимеры, производные от поливинилового спирта, типа превращенных в сложные и простые эфиры сополимеров поливинилового спирта и, в частности, сополимеров винилового спирта/винилацетата. Среди вышеупомянутых материалов предпочтительным является использование полиакриламидов, модифицированного поливинилового спирта, сополимеров винилового спирта/винилацетата или поливинилпирролидона. Термин "модифицированный поливиниловый спирт" включает в себя, но не ограничен ими, нижеприведенные полимеры, полученные посредством:
a) частичной этерификации поливинилового спирта (например, эпоксидированием, путем введения групп типа -(СН2СН2-О-)n-ОН) в цепь гомополимера ПВА (поливинилацетата);
b) частичной этерификации групп спиртов (точно так же, подходящий гомополимер сложного полиэфира можно гидролизовать для введения в него гидроксильных функций)
или
c) блокирования сополимеризации, таким образом получая, например, поли(виниловый спирт-со-полиэтиленоксид) из винилацетата, простой эфир монометила полиоксиметилена и используя диизоцианат или диэпоксид в качестве удлинителя цепей. Для целей настоящего изобретения особенно предпочтителен сополимер винилового спирта/винилацетата (далее называемый сополимером ВС-ВАС), который может быть получен частичным гидролизом ацетатных групп гомополимера поливинилацетата (ПВАс). В частности, степень гидролиза гомополимера ПВАс находится между приблизительно 50% и приблизительно 95%, предпочтительно между приблизительно 70% и приблизительно 90%. Что касается степени гидролиза сополимера, то заявитель обнаружил, что для нулевой степени гидролиза (то есть для гомополимера поливинилацетата) растворимость в воде является очень умеренной, равной приблизительно 0,01 г/л при температуре 20oС. При увеличении степени гидролиза гидрофильные свойства материала увеличиваются, наряду с его растворимостью, до приблизительно 300 г/л для степени гидролиза, составляющей приблизительно 88%. Однако заявитель отмечает, что дальнейшие повышения степени гидролиза приводят к соответствующему снижению растворимости материала в воде. Фактически, в случае полного гидролиза ацетатных групп полученный гомополимер поливинилового спирта имеет чрезвычайно низкую растворимость (1,43 г/л при температуре 20oС), даже если материал все еще высокогидрофильный. Таким образом, для целей настоящего изобретения предпочитают использовать сополимер ВС-ВАС со степенью гидролиза, которая является неполной, чтобы гарантировать хорошую растворимость этого полимера в воде, и которая является достаточно высокой, чтобы гидрофильные свойства полимера оказались достаточными для гарантирования адекватной степени взаимодействия с водой. Кроме того, заявитель обнаружил, что помимо степени гидролиза гомополимера ПВАс одной переменной, способной влиять на свойства блокирования воды материала, является молекулярный вес сополимера ВС-ВАС, в особенности коэффициент вязкости полимера. Коэффициент вязкости полимера определяется здесь как отношение между вязкостью водного 4% раствора полимера (измеряемой при температуре 20oС вискозиметром с падающим шариком Хопплера) и вязкостью воды (измеряемой при температуре 20oС вискозиметром с падающим шариком Хопплера); для одинаковой степени гидролиза полимера этот коэффициент вязкости пропорционален молекулярному весу полимера. Как правило, для одинакового коэффициента вязкости, по мере увеличения степени гидролиза сополимера ВС-ВАС его молекулярный вес уменьшается. Фактически заявитель обнаружил, что сополимеры ВС-ВАС с низкими коэффициентами вязкости реагируют быстрее в присутствии воды, поглощая большие количества воды и набухая быстрее, чем сополимеры с более высоким молекулярным весом. Кроме того, также наблюдали, что водные растворы полимеров со слишком низким коэффициентом вязкости быстро не достигают достаточной вязкости, благодаря которой эффективно блокируется продольное распространение воды. Согласно заявленному техническому решению, это возможно вследствие того, что хотя эти сополимеры имеют относительно высокую растворимость в воде (в некоторых случаях даже выше, чем растворимость полимеров с аналогичной степенью гидролиза и более высокой ММ (молекулярной массой)), для достижения требуемой вязкости концентрация полимера в растворе должна быть достаточно высокой, обычно по меньшей мере 30% по весу. Таким образом, увеличенное количество полимера, который должен быть растворен, включает повышение времени для образования раствора, имеющего требуемую вязкость, и, следовательно, увеличение длины кабеля, на которую воздействует продвижение воды, прежде чем она будет блокирована. Заявитель также обнаружил, что если коэффициент вязкости используемого полимера слишком низкий, то при наличии значений относительной влажности меньше 75-80% поверхность этого полимера может покрываться липким слоем, вызванным частичным поглощением воды. Липкость этой поверхности обычно нежелательна, поскольку помимо проблем, связанных с трудностью манипулирования этим материалом при таких условиях, любой контакт этой поверхности с оптическими волокнами может приводить к явлениям затухания. С другой стороны, заявитель обнаружил, что сополимеры ВС-ВАС с достаточно высоким коэффициентом вязкости способны относительно быстро образовывать раствор с достаточно высокой концентрацией (например, между 10% и 20% по весу), имеющий вязкость, необходимую для блокирования протекания воды в пределах требуемых периодов времени. Однако, более того, при наличии относительной влажности ниже 75-80% эти сополимеры, как можно обнаружить, не демонстрируют каких-либо явлений поверхностной клейкости, вызываемой частичным поглощением воды, в случае сополимеров низкого молекулярного веса. Однако сополимеры ВС-ВАС с чрезмерно высоким коэффициентом вязкости могут иметь чрезмерно низкую скорость растворения в контакте с водой, в результате чего до блокирования вода может протекать на слишком большие расстояния (например, много метров) внутри кабеля. Таким образом, заявитель нашел, что для целей настоящего изобретения особенно подходящими являются сополимеры винилового спирта/винилацетата с коэффициентом вязкости больше приблизительно 5. Коэффициент вязкости сополимера находится предпочтительно между приблизительно 8 и приблизительно 40, однако более предпочтительными все же являются сополимеры винилового спирта/винилацетата с коэффициентом вязкости между приблизительно 10 и приблизительно 30. Можно благоприятно использовать смеси сополимеров с различными молекулярными весами, с целью объединения определенных выгодных воздействий каждого сополимера. Примерами имеющихся в продаже материалов с требуемыми свойствами являются материалы, продаваемые под торговыми наименованиями Mowiol
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212456/8804.gif)
Поглощение воды в парообразном состоянии
При использовании сополимеров ВС-ВАС, продаваемых под торговой маркой Mowiol (Hoechst AG), были подготовлены 10 пластин толщиной 1 мм. В таблице 1 приведены коэффициенты вязкости и степень гидролиза используемых полимеров и содержание пластификатора в смеси. Взвешенные образцы с габаритами 20
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
Измерение гигроскопических способностей
Одна пластина была отформована из гранул коммерческого сополимера ВС-ВАС, гидролизованного до 80%, от компании Aldrich (Олдрич) и с коэффициентом вязкости, равным приблизительно 25, и 1 пластина была отформована из полиэтилена средней плотности (ПЭСП), обе толщиной приблизительно 0,2 мм. Из пластины ПЭСП были получены два диска, имеющих рабочую поверхность 16 см2, которые использовались для закрывания, посредством подходящей арматуры, открытых отверстий двух ячеек 30 см3 для испытания водопроницаемости в соответствии с ASTM E96, модифицированных путем введения в каждую ячейку панаметрического (Panametrics) датчика с гибридной головкой для измерения относительной влажности (чувствительность приблизительно 2 мВ/%ОВ) и введения проводов для этого датчика через герметичный паз. Ячейки были собраны в защитной камере с перчатками, заполненными сухим воздухом (OВ<1%). Одна из них, которая служила в качестве эталона, была пустой и содержала только датчик, другая также содержала, наряду с датчиком, часть приблизительно из 1 г сополимера ВС-ВАС. Это количество пропорционально содержанию, предусмотренному в типичном кабеле в соответствии с изобретением, содержащем двухслойный трубчатый элемент (наружный слой из 0,2 мм ПЭ и внутренний слой из 0,15 мм блокирующего воду сополимера) и полоску блокирующего воду сополимера толщиной приблизительно 0,15 мм для общего количества приблизительно 30 г/м растворимого в воде материала. Собранные ячейки с датчиками, снабжаемыми электроэнергией и подсоединенными к устройству регистрации данных, затем были извлечены из защитной камеры с перчатками и помещены в герметичный контейнер, в котором поддерживалась относительная влажность 100%. Результаты приведены в таблице 2. Из этих данных видно, что после проникновения воды через диски ПЭСП относительная влажность в двух ячейках увеличилась через некоторое время от начального значения приблизительно 7%. Однако при использовании ячейки, содержащей сополимер ВС-ВАС в предусмотренной пропорции, значение относительной влажности медленно повышается до 60% после 6500 часов, в то время как в случае пустой ячейки оно увеличивается быстрее, пока не превысит, по истечении 2000 часов, опасный порог относительной влажности 80% и достигает 100% приблизительно через 5500 часов. На основании изменения кривой для ячейки, содержащей растворимый в воде сополимер, было установлено, что после 20 лет относительная влажность достигнет значения приблизительно 75%. На основании полученных экспериментальных результатов полагают, что это испытание является истинным представлением ситуации для кабеля с коэффициентом ускорения 10 из-за уменьшенной толщины (0,2 мм вместо обычных 2 мм) внешней оболочки ПЭСП. Таким образом, из этого тестирования можно считать, что в диэлектрическом кабеле, содержащем элементы, выполненные из твердого, растворимого в воде материала в количестве приблизительно 30 г/м, погруженном в воду при температуре окружающего воздуха, внутренняя относительная влажность после приблизительно 9 лет все еще составляет 60% и достигает 75% только после 20 лет, в то время как в случае идентичного кабеля традиционного типа относительная влажность превышает критический порог 80% уже после 3 лет. Пример 3
Способность блокирования проникновения воды в трубки
Используя коммерческий сополимер ВС-ВАС Mowiol, был приготовлен ряд смесей в смесителе для сухих продуктов, с помощью которых трубчатые двухслойные элементы были экструдированы в конфигурацию на фиг.1 с внутренним диаметром 1,7 мм и наружным диаметром 3,0 мм, средняя толщина сополимера ВС-ВАС составляла 0,3 мм в качестве внутреннего слоя, остальная часть была сделана из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и содержала 11 оптических волокон. Затем трубчатые элементы были подвергнуты испытанию продольного проникновения воды. Тестирование было выполнено в соответствии со способом, предусмотренным в стандарте EIA/TIA-455-82B, с разницей, заключающейся в том, что длина используемого трубчатого элемента составляла 10 м. Полученные результаты (в среднем 3 испытания) представлены в таблице 3. Затем были повторены три тестирования на проникновение на трубчатом элементе согласно смеси 3а, дающие среднее значение 3,75 м, которое хорошо согласуется с вышеупомянутыми тестированиями. Тестирования подтвердили, что двухслойные трубчатые элементы без блокирующего материала, используя сополимер ВС-ВАС в качестве твердого, растворимого в воде материала для внутренней части (в частности, с коэффициентом вязкости, превышающим 3), способны препятствовать продольному распространению воды при случайном ее попадании, блокируя это распространение на протяжении нескольких метров от точки входа. Пример 4
Способность сохранять пропускную способность в случае попадания воды
Был подготовлен двухслойный трубчатый элемент, как описано в примере 3, используя материал 3а таблицы 1 в качестве внутреннего слоя. Пять метров этого трубчатого элемента, содержащего 12 оптических волокон, были размещены в беспорядке и положены горизонтально на полку камеры искусственного климата. Один конец трубчатого элемента был подсоединен, посредством герметичного соединения, к 1 м стеклянной пипетке, которая вначале была пустой, размещенной вертикально снаружи камеры искусственного климата. 12 оптических волокон были пропущены сквозь пипетку. Затем каждое волокно было приварено, снаружи пипетки, на одном конце к отрезку подсоединенного оптического волокна и подсоединено посредством этой разводки к источнику света СИД (светоизлучающих диодов) Fujikura FLU-312, в то время как другой конец был соединен с одним из входов датчика оптической мощности Fujikura FPM-Gol, который снабжал энергией измеритель оптической мощности Fujikura FPM-01. По волокну направляли свет на длине волны 1550 нм, и эта длина волны является длиной волны, на которой волокна особенно чувствительны к напряжениям микроизгибов. После завершения сборки и стабилизирования отсчетов на всех оптических волокнах отсчет установили на нуль так, что, начиная с этого момента, каждый канал обеспечил разность между мгновенной мощностью, передаваемой волокном, и начальным значением в момент времени установки на нуль. В этот момент при температуре 20oС пипетку заполняли водой, сохраняя постоянный напор на уровне 1 м относительно плоскости, на которой лежит находящийся в беспорядке трубчатый элемент. После достижения остановки протекания воды (впоследствии было обнаружено, что это происходило в среднем на расстоянии 3,75 м трубчатого элемента) начиналась регистрация изменений в передаваемой мощности, при ступенчатом изменении температуры каждые 20-24 часа. Минимальная температура, достигнутая во время эксперимента, была равна -40oС. Полученные значения затухания в виде среднего значения трех повторенных испытаний на 4 волокнах приведены в таблице 4. Как можно заметить, действие растворимого в воде материала на проникновение воды в кабель не вызывает больших изменений в затухании, даже при наличии больших изменений температуры. Следовательно, система может сохраняться в нормальном эксплуатационном режиме даже после случайного проникновения воды и, только когда удобно так делать, после локализации момента поступления воды, например, посредством точного измерения затухания, необходимый ремонт и/или замены могут быть проведены, например, через несколько месяцев. Пример 5
Способность блокирования просачивания воды в кабеле
Это тестирование состояло в воздействии на волоконно-оптический кабель постоянного напора одного метра воды по всей секции кабеля, соответствующего давлению 0,1 бара (104 Па), и в измерении времени, занимаемого фронтом воды для прибытия в местоположение полной остановки внутри кабеля. Волоконно-оптический кабель, используемый в этом тестировании, по существу имел структуру, представленную на фиг.3, и, в частности, состоял из:
- центральной опоры 5 из стеклополимера диаметром 3 мм;
- ленты из сополимера ВС-ВАС шириной 13 мм и толщиной 0,3 мм, навитой спиралью с перекрытием приблизительно 50% вокруг опоры, для образования покрытия 6;
- семи трубчатых элементов 7 с наружным диаметром 3 мм, навитых спиралью вокруг этой обернутой опоры, причем эти трубчатые элементы состояли из двойного слоя, где внутренний слой сделан из сополимера ВС-ВАС, имеющего толщину 0,35 мм, в то время как наружный слой сделан из полиэтилена низкой плотности, имеющего толщину 0,4 мм;
- 11 оптических волокон диаметром приблизительно 250 мкм, размещенных свободно внутри каждого трубчатого элемента;
- второй ленты из сополимера ВС-ВАС шириной 14 мм, толщиной 0,35 мм, навитых в виде спирали с перекрытием приблизительно 50% вокруг группы трубчатых элементов, с целью образования обертывания 8;
- внешней оболочки 11 из полиэтилена низкий плотности толщиной приблизительно 1 мм. В отличие от кабеля, показанного на фиг.3, усиливающего слоя или армирования 9 не было. Сополимер ВС-ВАС (Mowiol, Hoechst AG), используемый для изготовления различных элементов упомянутого выше кабеля, имеет коэффициент вязкости 10, степень гидролиза 74 и пластифицирован 5% глицерином, и обозначен в таблице 1 позицией 3а. Стеклянная колонка длиной один метр была заполнена водой, содержащей краситель (синий метилен), для обеспечения возможности различать фронт текучей среды внутри кабеля и была соединена с одним концом кабеля, как описано выше. Тестирование было проведено на кабеле длиной 6 м при температуре окружающего воздуха. Таблица 5 демонстрирует длину кабеля, через которую проходит фронт текучей среды, и время, затрачиваемое на это перемещение. Как показано в таблице 5, кабель был способен (только через 24 часа) блокировать продвижение текучей среды в пределах его длины меньше 3 м от точки инфильтрации этой жидкости. Пример 6
Свойства растворимости материалов
Чтобы оценить растворимые в воде полимерные материалы, были сформованы две пластины с размерами приблизительно 20
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
Механические свойства материалов
Сравнение между механическими свойствами растворимого в воде полимерного материала, который можно использовать в соответствующем настоящему изобретению кабеле (сополимеры винилового спирта/винилацетата, продаваемые под торговой маркой Mowiol компанией Hoechst), и соответствующими свойствами обычных материалов, используемых в кабелях (полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и полибутилентерефталат (ПБТ)), приведено в таблице 6. Значения сополимера ВС-ВАС относятся к сополимеру Mowiol
![водостойкий кабель, патент № 2212722](/images/patents/258/2212593/174.gif)
Класс H01B7/28 влагой, коррозией, химическим или атмосферным воздействием
Класс G02B6/44 механические конструкции для обеспечения прочности на разрыв и внешней защиты волокон, например, оптический передающий кабель