CN113253406B - 一种非金属加强型耐核辐射光缆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非金属加强型耐核辐射光缆及其制备方法，光缆包括缆芯护套层及耐核辐射层，耐核辐射层包括保护单元和加强单元，保护单元包覆在缆芯外周，保护单元的内壁与缆芯贴合匹配设置，保护单元的外壁设置有沿缆芯轴向方向延伸的螺旋凹槽，加强单元嵌设在所述螺旋凹槽中；保护单元包含三元乙丙橡胶、耐核辐射剂、相容剂，硫化剂，促进剂，防老剂，阻燃剂；耐核辐射剂包括环氧树脂、云母粉和滑石粉混合填料、纳米石墨烯、碳化硼粉、重晶石粉。本发明制备耐核辐射层，形成可抗高强度辐射的致密性涂层，大大提高了耐辐射性和辐射吸收性能，能够在核电站中长期使用，采用螺旋嵌设的加强单元提高了整个光缆的抗拉性能。

Description

一种非金属加强型耐核辐射光缆及其制备方法

技术领域

本发明涉及光缆结构设计技术领域，尤其是指一种非金属加强型耐核辐射光缆及其制备方法。

背景技术

随着光纤技术的不断发展，光纤已成为目前信息传输的最理想媒介。光纤具有损耗小、抗电磁干扰能力强、寿命长等特点，同时也基于数字化仪控系统的日益成熟，光纤光缆在环境复杂的核电站等场所也逐渐得以推广应用。

在我国最新的第三代核电站中，光缆敷设总长超过50公里。核电站厂区面积较大，集成化设备程度高，通讯需求密集且稳定性要求较高，这就对光缆的安全稳定性提出了很高的要求。光缆必须具备耐受DBA(设计基准事故)和DBA后的事故辐照、化学喷淋、温度和压力等环境因素的能力。所有的光缆敷设都需要通过廊道、电缆沟、金属桥架等复杂环境，且光缆至少能承受2700N的抗拉负荷。在核电站60年寿命期内，光缆也须具备60年工作寿命。显然现有的光缆结构以及材料难以满足上述特定环境的使用要求。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中光缆无法满足在核电站中的敷设需求，提供一种非金属加强型耐核辐射光缆及其制备方法，既能够满足在核电站中敷设，又满足对机械性能的需求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种非金属加强型耐核辐射光缆，包括缆芯及包覆在缆芯外的护套层，位于缆芯和护套层之间设置有耐核辐射层，所述耐核辐射层包括保护单元和加强单元，所述保护单元包覆在缆芯外周，所述保护单元的内壁与缆芯贴合匹配设置，所述保护单元的外壁设置有沿缆芯轴向方向延伸的螺旋凹槽，所述加强单元嵌设在所述螺旋凹槽中；

所述保护单元包含重量份数计的三元乙丙橡胶50～60份、耐核辐射剂30～50份、相容剂5～10份，硫化剂1～3份，促进剂1～3份，防老剂3～5份，阻燃剂3～5份；

所述耐核辐射剂包括重量份数计的环氧树脂30～50份、云母粉和滑石粉混合填料35～40份、纳米石墨烯15～20份、碳化硼粉10～20份、重晶石粉5～10份。

在本发明的一个实施例中，所述缆芯为层绞式缆芯，所述层绞式缆芯包括非金属中心加强件和以“S-Z”绞合方式绞合在非金属加强件外的松套管，所述松套管内设置有光纤单元和阻水纤油膏。

在本发明的一个实施例中，所述缆芯为中心管式缆芯，所述中心管式缆芯包括中心束管以及嵌设在中心束管中的非金属加强件，所述非金属加强件对称嵌设在中心束管的束管壁内，所述中心束管中设置有光纤单元和阻水纤油膏。

在本发明的一个实施例中，所述缆芯为骨架式缆芯，所述骨架式缆芯包括支撑骨架，所述支撑骨架的中心嵌设有非金属加强件，所述支撑骨架的外周开设有多个骨架槽，多个所述骨架槽周向均匀分布在支撑骨架上，所述骨架槽内设置有光纤单元。

在本发明的一个实施例中，所述光纤单元为散状光纤、带状光纤或光纤束。

在本发明的一个实施例中，所述非金属加强件为FRP杆。

在本发明的一个实施例中，所述缆芯外还包覆有阻水层，所述阻水层为绕包或纵包的阻水带。

在本发明的一个实施例中，所述加强单元为芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维。

在本发明的一个实施例中，所述护套层为辐射交联发泡工艺生产的低烟无卤阻燃聚烯烃。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种非金属加强型耐核辐射光缆的制备方法，包括以下步骤：

制备缆芯，其中缆芯包括层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯；

在缆芯外包覆阻水层，采用阻水带纵包或绕包在缆芯外周，纵包阻水带时，阻水带的搭边宽度大于5mm；绕包阻水带时，阻水带的绕包重叠率为25％～45％；

使用注塑机在阻水层外挤压注塑耐核辐射层，耐核辐射层的内壁贴敷在阻水层上，与阻水层外形匹配，改变注塑机机头的注塑型腔，在耐核辐射层的外壁上注塑形成沿轴向方向延伸的螺旋凹槽；

将芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维作为加强单元嵌绕进耐核辐射层外的螺旋槽中；

在耐核辐射层的外部挤管注塑护套层。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的非金属加强型耐核辐射光缆，制备耐核辐射层，利用环氧树脂、云母粉和滑石粉混合填料、纳米石墨烯、碳化硼粉、重晶石粉配合三元乙丙橡胶、相容剂，硫化剂，促进剂，防老剂，阻燃剂反应，形成可抗高强度辐射的致密性涂层，大大提高了耐辐射性和辐射吸收性能，能够在核电站中长期使用，并且，在耐核辐射层外壁设置有沿缆芯轴向方向延伸的螺旋凹槽，在螺旋凹槽中嵌设加强单元，直接提高了耐核辐射层的抗拉伸性能，从而间接提高了整个光缆的抗拉性能，本发明完全为非金属材料结构，能够满足核电站等场所复杂恶劣环境下的长期通信需求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明的非金属加强型耐核辐射光缆的截面结构示意图；

图2是本发明的耐核辐射层的立体结构示意图；

图3是本发明的层绞式缆芯组成的光缆的结构示意图；

图4是本发明的中心管式缆芯组成的光缆的结构示意图；

图5是本发明的骨架式缆芯组成的光缆的结构示意图；

图6是本发明的非金属加强型耐核辐射光缆的制备方法流程图。

说明书附图标记说明：1、缆芯；11、光纤单元；12、松套管；13、非金属加强件；14、中心束管；15、支撑骨架；16、骨架槽；2、耐核辐射层；21、保护单元；22、加强单元；23、螺旋凹槽；3、阻水层；4、护套层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1和图2所示，本发明的一种非金属加强型耐核辐射光缆，包括缆芯1及包覆在缆芯外的护套层4，位于缆芯1和护套层4之间设置有耐核辐射层2，所述耐核辐射层2包括保护单元21和加强单元22，所述保护单元21包覆在缆芯1外周，所述保护单元21的内壁与缆芯1贴合匹配设置，所述保护单元21的外壁设置有沿缆芯1轴向方向延伸的螺旋凹槽23，所述加强单元22嵌设在所述螺旋凹槽23中；所述保护单元21为具有可抗高强度辐射的致密性保护层，大大提高了耐辐射性和辐射吸收性能，所述加强单元22嵌设在在螺旋凹槽23中，直接提高了耐核辐射层2的抗拉伸性能，从而间接提高了整个光缆的抗拉性能，从而使本实施例的光缆能够满足核电站等场所复杂恶劣环境下的长期通信需求。

具体地，所述加强单元22为芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维，本实施例中选用芳纶纱作为加强单元，所述芳纶纱具有密度小，拉伸模量高，断裂强度高和断裂延伸率低的特殊性能；在较高的温度下，能保持固有的稳定性，非常低的收缩率，较低的蠕变以及非常高的玻璃化转变温度，另外具有较高的抗腐蚀性能，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化学性能，是优越的光缆加强单元材料。

具体地，为了保证缆芯1具有一定的阻水性能，本实施例中在所述缆芯1外还包覆有阻水层3，所述阻水层3包覆在缆芯1外侧，不仅能起到阻水作用，还能够防止缆芯1松散，保持缆芯1的圆整性，设置阻水层3后，所述耐核辐射层2挤包在阻水层3外。

具体地，所述阻水层3采用阻水带，所述阻水带的包覆方式有两种，采用阻水带纵包或绕包在缆芯外周，为了保证阻水带的阻水性能，纵包阻水带时，阻水带的搭边宽度大于5mm；绕包阻水带时，阻水带的绕包重叠率为25％～45％。

具体地，所述护套层4为辐射交联发泡工艺生产的低烟无卤阻燃聚烯烃，具有一定的阻燃性能和抗辐射性能，表面平滑、致密，即使长期暴露在恶劣的外部环境中，也能够抵抗吸附放射性污染物。

本实施例技术方案中，保护单元的具体组份如下表1：

表1本实施例技术方案中，耐核辐射剂的具体组份如下表2：

表2

参照表1所示，以三元乙丙橡胶作为基料，配备耐核辐射剂与基料相容，生成保护单元的整体结构体系，采用相容剂、硫化剂、促进剂加速三元乙丙橡胶的硫化速度、以及三元乙丙橡胶与基料相容的速度；采用防老剂和阻燃剂提高耐核辐射层的化学性能，使其具有抗老化性能以及阻燃特性；

具体地，所述相容剂为二甲苯或丙酮中的任意一种；

具体地，所述硫化剂为过氧化二异丙苯和酚醛树脂中任意一种；

具体地，所述促进剂为促进剂D、促进剂M、促进剂CZ中的任意一种；

具体地，所述防老剂为防老剂4010NA、防老剂RD和防老剂MB中的一种或几种；

具体地，所述阻燃剂为阻燃聚烯烃。

参照表2所示，利用环氧树脂、云母粉和滑石粉混合填料、纳米石墨烯、碳化硼粉、重晶石粉制备耐核辐射剂，其中，环氧树脂的主链或支链上含有较多的稳定基团，经受核辐射时聚合物几乎不会降解；云母粉和滑石粉混合填料不含有经辐射后会转变为具有放射性的元素，可以有效的保证耐核辐射层的稳定性；纳米石墨烯、碳化硼粉、重晶石粉能够有效防止放射线穿透，耐核辐射性能显著，在10⁷Gy的辐射剂量下仍然能够保持稳定。

本实施例的非金属加强型耐核辐射光缆的缆芯可以根据需求设置不同给的形式，包括：层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯。

参照图3所示，所述缆芯1为层绞式缆芯，所述层绞式缆芯包括非金属中心加强件13和以“S-Z”绞合方式绞合在非金属加强件13外的松套管12，其中绞合节距60～90mm，所述松套管12内设置有光纤单元11和阻水纤油膏，所述光纤单元11为散状光纤。

参照图4所示，所述缆芯1为中心管式缆芯，所述中心管式缆芯包括中心束管14以及嵌设在中心束管14中的非金属加强件13，所述非金属加强件13对称嵌设在中心束管14的束管壁内，所述中心束管14中设置有光纤单元11和阻水纤油膏，光纤单元11为光纤束。

参照图5所示，所述缆芯1为骨架式缆芯，所述骨架式缆芯包括支撑骨架15，所述支撑骨架15的中心嵌设有非金属加强件13，所述支撑骨架的外周开设有多个骨架槽16，多个所述骨架槽16周向均匀分布在支撑骨架15上，所述骨架槽16内设置有光纤单元11，所述光纤单元为带状光纤。

具体地，上述层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯中的非金属加强件13为FRP杆，所述FRP杆为纤维增强复合塑料，是英文(Fiber Reinforced Plastics)的缩写。FRP杆是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料；FRP杆具有质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀等特性。

具体地，上述层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯中的光纤单元11为散状光纤、带状光纤或光纤束，根据实际需求均可以设置不同形式及芯数的光纤单元。

参照图6所示，一种非金属加强型耐核辐射光缆的制备方法，包括以下步骤：

制备缆芯，其中缆芯包括层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯；

在缆芯外包覆阻水层，采用阻水带纵包或绕包在缆芯外周，纵包阻水带时，阻水带的搭边宽度大于5mm；绕包阻水带时，阻水带的绕包重叠率为25％～45％；

使用注塑机在阻水层外挤压注塑耐核辐射层，耐核辐射层的内壁贴敷在阻水层上，与阻水层外形匹配，改变注塑机机头的注塑型腔，在耐核辐射层的外壁上注塑形成沿轴向方向延伸的螺旋凹槽；

将芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维作为加强单元嵌绕进耐核辐射层外的螺旋槽中；

在耐核辐射层的外部挤管注塑护套层。

本实施例中，以层绞式缆芯为例制备非金属加强型耐核辐射光缆：

步骤1：将光纤在45g放线张力下进行着色和固化处理，在裸光纤外涂覆着色层，在50g收线张力下完成收线，得到着色光纤；

步骤2：采用油膏填充式套塑工艺制备松套管，在套塑过程中，上述光纤通过放线装置和张力稳定装置进入过纤针管，再通过挤塑机机头挤塑松套管，同时根据在线测量保证松套管圆整度，保证光纤余长在工艺要求范围内；

步骤3：将多根松套管以200g的放线张力从放线架放出，与中心加强件一起经过分线板和绞合设备以一定的绞合节距绞合在一起组成缆芯；

步骤4:：在缆芯外绕包阻水带，阻水带的绕包重叠率为25％～45％；

步骤5：使用注塑机在阻水层外挤压注塑耐核辐射层，耐核辐射层的内壁贴敷在阻水层上，与阻水层外形匹配，改变注塑机机头的注塑型腔，在注塑型腔内设置有螺旋凸起，这样，在耐核辐射层的外壁上就能够注塑形成沿轴向方向延伸的螺旋凹槽；

步骤6：将芳纶纱嵌绕进耐核辐射层外的螺旋槽中，同时在耐核辐射层的外部挤管注塑护套层，完成非金属加强型耐核辐射光缆的制备。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种非金属加强型耐核辐射光缆，包括缆芯及包覆在缆芯外的护套层，其特征在于，位于缆芯和护套层之间设置有耐核辐射层，所述耐核辐射层包括保护单元和加强单元，所述保护单元包覆在缆芯外周，所述保护单元的内壁与缆芯贴合匹配设置，所述保护单元的外壁设置有沿缆芯轴向方向延伸的螺旋凹槽，所述加强单元嵌设在所述螺旋凹槽中；

所述保护单元包含重量份数计的三元乙丙橡胶50～60份、耐核辐射剂30～50份、相容剂5～10份，硫化剂1～3份，促进剂1～3份，防老剂3～5份，阻燃剂3～5份；

所述耐核辐射剂包括重量份数计的环氧树脂30～50份、云母粉和滑石粉混合填料35～40份、纳米石墨烯15～20份、碳化硼粉10～20份、重晶石粉5～10份。

2.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述缆芯为层绞式缆芯，所述层绞式缆芯包括非金属中心加强件和以“S-Z”绞合方式绞合在非金属加强件外的松套管，所述松套管内设置有光纤单元和阻水纤油膏。

3.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述缆芯为中心管式缆芯，所述中心管式缆芯包括中心束管以及嵌设在中心束管中的非金属加强件，所述非金属加强件对称嵌设在中心束管的束管壁内，所述中心束管中设置有光纤单元和阻水纤油膏。

4.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述缆芯为骨架式缆芯，所述骨架式缆芯包括支撑骨架，所述支撑骨架的中心嵌设有非金属加强件，所述支撑骨架的外周开设有多个骨架槽，多个所述骨架槽周向均匀分布在支撑骨架上，所述骨架槽内设置有光纤单元。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述光纤单元为散状光纤、带状光纤或光纤束。

6.根据权利要求2-4任意一项所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述非金属加强件为FRP杆。

7.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述缆芯外还包覆有阻水层，所述阻水层为绕包或纵包的阻水带。

8.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述加强单元为芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维。

9.根据权利要求1所述的非金属加强型耐核辐射光缆，其特征在于：所述护套层为辐射交联发泡工艺生产的低烟无卤阻燃聚烯烃。

10.一种非金属加强型耐核辐射光缆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

制备缆芯，其中缆芯包括层绞式缆芯、中心管式缆芯、骨架式缆芯；

在缆芯外包覆阻水层，采用阻水带纵包或绕包在缆芯外周，纵包阻水带时，阻水带的搭边宽度大于5mm；绕包阻水带时，阻水带的绕包重叠率为25％～45％；

使用注塑机在阻水层外挤压注塑耐核辐射层，耐核辐射层的内壁贴敷在阻水层上，与阻水层外形匹配，改变注塑机机头的注塑型腔，在耐核辐射层的外壁上注塑形成沿轴向方向延伸的螺旋凹槽；

将芳纶纱、玻璃纤维纱或碳纤维作为加强单元嵌绕进耐核辐射层外的螺旋槽中；

在耐核辐射层的外部挤管注塑护套层。

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