CN103995329A - 一种新型非金属层绞式矿用光缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型非金属层绞式矿用光缆，包括缆芯及套装在缆芯外部的护套组件，所述的缆芯包括加强芯及至少一根环绕加强芯绞合的光纤套管，所述的光纤套管内装有若干光纤且每光纤套管内光纤排列方式不一；所述的护套组件包括外护套、护套、加强层以及内护套，所述的内护套、加强层、护套以及外护套由里至外依次包敷在缆芯上，所述的加强层由若干加强条组成且所述的加强条均匀围绕在内护套上，所述的外护套内设置有开缆绳，在缆芯与内护套之间填充有缆膏；其中，所述加强条和加强芯由FRP材料制成，使光缆抗拉强度高，能满足大芯数光纤需求，且避免被雷击、防止产生静电燃爆可燃气体、敷设简单。

Description

一种新型非金属层绞式矿用光缆

技术领域

本发明涉及一种层绞式光缆，尤其涉及一种新型非金属层绞式矿用光缆，属于光通信传输技术领域。

背景技术

随着通信事业的迅速发展，光缆被广泛运用于通信事业，其中层绞式光缆是运用最为广泛的一种光缆。现有的层绞式光缆由于在敷设过程中需要承受较大的拉力、侧压力等等外力，因此需要在光缆中心添加中心加强件，而加强件通常采用钢筋材料制成，这样便增加了光缆的重量，增加了敷设的难度。

目前光缆加强芯通常采用金属磷化钢丝，虽然金属加强芯具有较强抗拉性能，但在矿场等雷电多发的特殊场合，因金属加强芯与钢塑复合层金属间会产生放电，使光缆被雷电击穿，造成光缆损坏，使通信中断，而且产生的静电可燃爆可燃气体，容易造成安全隐患。

综上所述，为解决现有矿用光缆结构上的不足，需要设计一种抗拉能力强、满足大芯数光纤需求、避免被雷击、防止产生静电燃爆可燃气体、敷设简单的新型非金属层绞式矿用光缆。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种抗拉强度高、满足大芯数光纤需求、避免被雷击、防止产生静电燃爆可燃气体、敷设简单的新型非金属层绞式矿用光缆。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种新型非金属层绞式矿用光缆，包括缆芯及套装在缆芯外部的护套组件，所述的缆芯包括加强芯及至少一根环绕加强芯绞合的光纤套管，所述的光纤套管内装有若干光纤且每光纤套管内光纤排列方式不一；所述的护套组件包括外护套、护套、加强层以及内护套，所述的内护套、加强层、护套以及外护套由里至外依次包敷在缆芯上，所述的加强层由若干加强条组成且所述的加强条均匀围绕在内护套上，所述的外护套内设置有开缆绳，在缆芯与内护套之间填充有缆膏；其中，所述加强条和加强芯由FRP材料制成。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述的光纤套管内还填充有纤膏，纤膏可以防止光纤位移时相互间的摩擦。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，每光纤套管内光纤排列方式、光纤数量不一，所述的光纤套管内光纤分别按三角形、圆周、多边形、不规则方式排列。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述的外护套由聚氯乙烯材料制成，所述的护套由高密性聚乙烯材料制成，所述的内护套由聚乙烯材料制成。所述外护套由氧指数大于34的超高阻燃聚氯乙烯护套料材料制成，在遇到火情的情况下可以有效阻断火源，保护光缆，使制得的外护层阻燃效果达到最佳。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述FRP材料由以下重量份数成分组成：PA66：40-60份，增强纤维：20-40份，环氧树脂：15-30份，相容剂：0.5-3份，偶联剂：0.5-3份，引发剂：0.05-0.2份。

本发明加强条和加强芯是由FRP材料制成，质量轻、比强度高，具有优良的耐腐蚀性和抗疲劳性能，能保证光缆有足够的拉伸力和压扁力。又因为FRP材料为非金属材料，不存在铁氧化析氢的问题，避免雷击的可能，也回避了电源传播这一难题，避免出现因为静电燃爆可燃气体的安全隐患，而且不会产生电磁感应影响信号传输。

本发明FRP材料是以增强纤维材料增强PA66和环氧树脂的复合塑料。PA66(聚己二酰己二胺)是产量最大、应用最广的工程塑料之一，其强度、耐磨性、耐热性和耐气候性等性能接近甚至超越合金材料，但是它的比重大约只有1.15g/cm3，能大幅降低复合塑料的比重。但是，单一PA66存在吸水率较大，冲击强度较低等缺点，因此，本发明添加增强纤维材料、环氧树脂和一些加工助剂，结合各自的优点和成分之间的协同作用制成性能优良的FRP复合材料。

环氧树脂本身有着力学性能高、附着力强、固化收缩率小等优点，而且还具有工艺性好、优良的电绝缘性、稳定性、耐热性等性能。因此，将环氧树脂与PA66共混，结合两种聚合物的优点制备出满足足够拉伸力、耐气候性等力学性能的FRP材料。同时，环氧树脂可以改善PA66与增强纤维材料之间的界面黏结强度和基体刚性，提高FRP的力学性能。

但是由于PA66难以与增强纤维发生良好的黏结，影响增强效果，而且未经处理的增强纤维表面呈现化学惰性，与环氧树脂基体浸润性差，也会导致复合材料黏结性差，严重影响了最终制成的FRP材料优异性能的发挥。所以需要改善PA66和环氧树脂共混基体与增强纤维之间的界面结合能力。首先，本发明加入一定量的偶联剂对增强纤维进行表面处理，提高增强纤维与共混基体的界面黏结力，获得良好的界面层；其次，本发明加入了一定量的相容剂对共混基体进行处理，使界面性能得到改善。这样，通过分别对增强纤维和共混基体进行处理，提高共混基体与增强纤维间的界面黏结性能，提高增强效果。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、PBO纤维中的一种或多种。由于碳纤维和PBO纤维的强度、模量、耐高温等性能明显优于玻璃纤维，所以本发明增强纤维进一步优选碳纤维、PBO纤维中的一种或两种。而且，基于本发明PA66和环氧树脂共混基体材料加入量，本发明增强纤维的加入量控制在20-40份。因为研究发现当增强纤维的加入量大于20份时，FRP材料的力学性能开始显著提高，而当增强纤维的加入量超过40份时，FRP材料的力学性能基本已经稳定，不会出现增长趋势。因此，本发明增强纤维的加入量进一步优选为30-35份。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述相容剂为PA-g-MAH、不饱和聚酯树脂中的一种或两种。随着增强纤维用量的增加，由于增强纤维与共混基体的界面黏结能力较差，FRP材料的力学性能基本保持不变，无法满足使用需求。因此，本发明加入相容剂对共混基体进行改性，改善其与增强纤维的界面黏结能力，提高增强效果，改善FRP材料的力学性能。通过试验表明，PA-g-MAH和不饱和聚酯树脂复合使用时使被拔出增强纤维表面黏附了一层树脂，增强了共混基体与增强纤维之间的界面黏结作用。因为，本发明进一步优选PA-g-MAH和不饱和聚酯树脂复配使用。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。碳酸酯偶联剂处理经热空气氧化的增强纤维后提高增强纤维与共混基体的界面黏结力，获得良好的界面层，提高增强纤维的增强效果。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述引发剂为氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化2-乙基已酸叔丁酯、邻苯二甲酸二仲辛酯中的一种或多种。本发明FRP材料中还加入了引发剂，引发剂有利于提高基材的流动性，但是引发剂含量过多，会导致FRP材料力学性能恶化。因此，本发明将引发剂的加入量控制在0.05-0.2份，不仅能提高基材流动性，而且不会影响FRP材料的力学性能。

在上述的一种新型非金属层绞式矿用光缆中，所述FRP材料的制备方法包括以下步骤：

S1、按比例称取一定量的增强纤维，在500-650℃进行热空气氧化处理1-3h，然后按比例称取偶联剂，将热空气氧化处理后的增强纤维在偶联剂中浸渍活化1-3h后在100-150℃下烘干；

S2、按比例称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的增强纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料；其中，所述挤出机挤出温度为180-260℃，喂料频率为25-35赫兹，主机转速为300-350转/分。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明采用FRP材料代替现有金属磷化钢丝做光缆的加强芯，使光缆中不存在金属材质的加强芯或者金属复合层，不存在引起雷击的条件，从而在保证光缆抗拉强度的同时，提供了良好的防雷击性能；也回避了电源传播这一难题，避免出现因为静电燃爆可燃气体的安全隐患。

2.本发明从结构上还增设了保护缆芯的加强层，加强层使用多根FRP材料制成的铠装加强条，既能保证足够的拉伸力，又能满足整个光缆的压扁力，在矿井内可以直接开槽布线，不需要预装管道，大大节省布线时间。

3.本发明FRP材料是增强纤维材料增强PA66和环氧树脂的复合塑料，其力学性能、电绝缘性、耐候性等综合性能优良，优于金属材料，而且制备方法简单，不需要进行金属金加工工艺，周期短，成本低。

4.本发明采用FRP材料制成的加强芯和加强条，柔软性更大，将其运用于光缆中更加方便管道施工。

5.本发明外护层使用超高阻燃聚氯乙烯护套料制成，使得本光缆具有优异的阻燃性能。

6.本发明使用高杨氏模量的PBT作为光纤套管材料，可保证束管在加工时良好的耐摩擦性能又能更好的保护光纤。

7.本发明光纤套管内每根光纤套管内光纤排列方式不一样，可以避免光缆受到挤压时，光纤在同一方向受到力的作用导致传输效果受到影响；排列方式不一避免了所有光纤的传输性能因同时被一个方向的力挤压而受影响。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的结构剖视图。

图中，10、本体；11、缆芯；111、加强芯；112、光纤套管；1121、纤膏；1122、光纤；113、缆膏；12、外护套；13、护套；14、加强层；141、加强条；15、内护套；20、开缆绳。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本发明非金属层绞式矿用光缆包括缆芯11及套装在缆芯11外部的护套13，缆芯11包括加强芯111及六根环绕加强芯111绞合的光纤套管112，光纤套管112内光纤1122分别按四边形、圆周、六边形、不规则方式排列，技术人员可通过不同光纤1122芯数确定光纤1122排列方式；护套组件包括外护套12、护套13、加强层14以及内护套15，内护套15、加强层14、护套13以及外护套12由里至外依次包敷在缆芯11上，加强层14由若干加强条141组成且加强条141均匀围绕在内护套15上，外护套12内设置有开缆绳20，缆膏113填充在缆芯11与内护套15之间。本发明光纤套管112内每根光纤套管112内光纤1122排列方式不一样，可以避免光缆受到挤压时，光纤1122在同一方向受到力的作用导致传输效果受到影响；排列方式不一避免了所有光纤的传输性能因同时被一个方向的力挤压而受影响。

本发明从结构上还增设了保护缆芯11的加强层14，加强层14使用多根FRP材料制成的铠装加强条141，既能保证足够的拉伸力，又能满足整个光缆的压扁力，在矿井内可以直接开槽布线，不需要预装管道，大大节省布线时间；光纤套管112内每根光纤套管112内光纤1122排列方式不一样，可以避免光缆受到挤压时，光纤1122在同一方向受到力的作用导致传输效果受到影响。排列方式不一避免了所有光纤1122的传输性能因同时被一个方向的力挤压而受影响，可在光缆进入室内时对外护套12进行开剥，给使用带来方便。

优选地，光纤套管112内还填充有纤膏1121，纤膏1121用于防止光纤1122的位移时相互间的摩擦。

优选地，加强芯111由FRP材料制成，外护套12由聚氯乙烯材料制成，护套13由高密性聚乙烯材料制成，内护套15由聚乙烯材料制成。本发明外护层使用氧指数大于34的超高阻燃聚氯乙烯护套料材料制成，使得本光缆具有优异的阻燃性能，本发明使用高杨氏模量的PBT作为光纤套管112材料，可保证束管在加工时良好的耐摩擦性能又能更好的保护光纤1122；

进一步优选地，加强条141由FRP材料制成。整体采用非金属结构，回避了电源传播这一难题，避免出现因为静电燃爆可燃气体的安全隐患；本发明采用层绞式结构，可以满足大芯数光纤1122需求，以FRP材料制成的杆代替现有金属磷化钢丝做光缆的加强芯111，使光缆中不存在金属材质的加强芯111或者金属复合层，不存在引起雷击的条件，从而在保证光缆抗拉强度的同时，提供了良好的防雷击性能。

其中，上述加强芯111和加强条141由FRP材料制成，所述FRP材料由以下重量份数成分组成：PA66：40-60份，增强纤维：20-40份，环氧树脂：15-30份，相容剂：0.5-3份，偶联剂：0.5-3份，引发剂：0.05-0.2份。

表1：本发明实施例1-4FRP材料的组成成分及其重量份数

实施例1：

按表1中实施例1称取玻璃纤维，在500℃进行热空气氧化处理2h，然后称取碳酸酯偶联剂，将热空气氧化处理后的玻璃纤维在碳酸酯偶联剂中浸渍活化1h后在100℃下烘干。

然后称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的玻璃纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料。其中，挤出机挤出温度为200℃，喂料频率为30赫兹，主机转速为300转/分。

实施例2：

按表1中实施例2称取碳纤维，在500℃进行热空气氧化处理2h，然后称取碳酸酯偶联剂，将热空气氧化处理后的碳纤维在碳酸酯偶联剂中浸渍活化1h后在100℃下烘干。

然后称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的碳纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料。其中，挤出温度为200℃，喂料频率为30赫兹，主机转速为300转/分。

实施例3：

按表1中实施例3称取PBO纤维，在550℃进行热空气氧化处理1h，然后称取碳酸酯偶联剂，将热空气氧化处理后的PBO纤维在碳酸酯偶联剂中浸渍活化2h后在120℃下烘干。

然后称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的PBO纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料。其中，挤出温度为200℃，喂料频率为30赫兹，主机转速为300转/分。

实施例4：

按表1中实施例4称取碳纤维和PBO纤维，在500-650℃进行热空气氧化处理1h，然后称取碳酸酯偶联剂，将热空气氧化处理后的碳纤维和PBO纤维在碳酸酯偶联剂中浸渍活化1h后在145℃下烘干。

然后称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的碳纤维和PBO纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料。其中，挤出温度为220℃，喂料频率为35赫兹，主机转速为330转/分。

应用实施例：

将本发明实施例1-4制得的FRP粒料通过现有技术制成FRP加强芯和加强条，运用于本发明新型非金属层绞式矿用光缆中，并对本发明应用实施例1-4制得的新型非金属层绞式矿用光缆进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2：本发明应用实施例1-4制得的新型非金属层绞式

矿用光缆性能测试结果

从表2可以看出，本发明新型非金属层绞式矿用光缆最大衰减值小，光缆传输损耗值小，信号传输稳定。而且本发明新型非金属层绞式矿用光缆中加强芯和加强条采用FRP材料制成，其允许短期压扁力和允许短期拉伸力较大，可满足光缆足够的压扁力和拉伸力，而且光缆更为柔软，更加方便管道施工。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种新型非金属层绞式矿用光缆，包括缆芯及套装在缆芯外部的护套组件，其特征在于，所述的缆芯包括加强芯及至少一根环绕加强芯绞合的光纤套管，所述的光纤套管内装有若干光纤且每光纤套管内光纤排列方式不一；所述的护套组件包括外护套、护套、加强层以及内护套，所述的内护套、加强层、护套以及外护套由里至外依次包敷在缆芯上，所述的加强层由若干加强条组成且所述的加强条均匀围绕在内护套上，所述的外护套内设置有开缆绳，在缆芯与内护套之间填充有缆膏；其中，所述加强条和加强芯由FRP材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述的光纤套管内还填充有纤膏。

3.根据权利要求1所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，每光纤套管内光纤排列方式、光纤数量不一，所述的光纤套管内光纤分别按三角形、圆周、多边形、不规则方式排列。

4.根据权利要求1所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述的外护套由聚氯乙烯材料制成，所述的护套由高密性聚乙烯材料制成，所述的内护套由聚乙烯材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述FRP材料由以下重量份数成分组成：PA66：40-60份，增强纤维：20-40份，环氧树脂：15-30份，相容剂：0.5-3份，偶联剂：0.5-3份，引发剂：0.05-0.2份。

6.根据权利要求5所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、PBO纤维中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述相容剂为PA-g-MAH、不饱和聚酯树脂中的一种或两种。

8.根据权利要求5所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。

9.根据权利要求5所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述引发剂为氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化2-乙基已酸叔丁酯、邻苯二甲酸二仲辛酯中的一种或多种。

10.根据权利要求1或5所述的一种新型非金属层绞式矿用光缆，其特征在于，所述FRP材料的制备方法包括以下步骤：

S1、按比例称取一定量的增强纤维，在500-650℃进行热空气氧化处理1-3h，然后按比例称取偶联剂，将热空气氧化处理后的增强纤维在偶联剂中浸渍活化1-3h后在100-150℃下烘干；

S2、按比例称取PA66、环氧树脂、相容剂、引发剂和上述处理过的增强纤维加入高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，制得FRP粒料；其中，所述挤出机挤出温度为180-260℃，喂料频率为25-35赫兹，主机转速为300-350转/分。