DE3688019T2

DE3688019T2 - Kabel, enthaltend eine gelartige zusammensetzung.

Info

Publication number: DE3688019T2
Application number: DE8686901172T
Authority: DE
Inventors: Charles Gartside; Charles Levy; James Overton; Raymond Taylor
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Inc
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1986-01-09
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2006-01-10
Also published as: US4701016A; JPH0752254B2; WO1986004691A1; EP0210252A1; CA1288409C; DE3688019D1; JPS62501587A; US4810395A; EP0210252B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kabel, beispielsweise Nachrichtenübertragungskabel, insbesondere optische Faserkabel, die eine gelartige Zusammensetzung enthalten, um mindestens teilweise Lücken in solchen Kabeln auszufüllen.
Gele und Fette spielen eine bedeutsame Rolle in der Technik und werden häufig als Schmierstoffe verwendet. Gele und Fette finden aber auch Anwendung im Nichtschmierbereich, beispielsweise als Kabelfüllverbindungen. Ein Gel ist typischerweise eine feste oder halbflüssige Substanz mit einem Verdickungs- oder Gelierwirkmittel in einem flüssigen Träger. Die in Gelen oder Fetten verwendeten Geliermittel sind häufig Fettsäureseifen, es werden aber auch Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt, beispielsweise Tonerde, Quarz, organische Farben, aromatische Amide und Harnstoffderivate verwendet. Nichtseifenförmige Verdicker sind typischerweise als relativ isometrische kolloidale Partikel zugegen. Beispielsweise sind Quarzstaubpartikel typischerweise im wesentlichen sphärisch ausgebildet und einige Tonerdepartikel sind tendenziell plättchenförmig. Alle Arten von Geliermittel bilden eine Netzwerkstruktur, in welcher der Träger durch Kapillarkräfte gehalten wird.
Wenn an eine Probe von Gel eine niedrige Belastungsspannung angelegt wird, wirkt das Material im wesentlichen wie ein fester Körper. Wenn die Belastungsspannung einen kritischen Wert übersteigt, dann fließt das Material und die Viskosität nimmt rasch ab. Die Abnahme der Viskosität ist weitgehend reversibel, da sie typischerweise durch den Bruch der Netzwerkverbindungen zwischen den Füllerpartikeln verursacht wird, und diese Verbindungen können sich wieder bilden, wenn die überkritische Belastung aussetzt.
Eine wünschenswerte Eigenschaft eines Gels ist das Fehlen von Synerese, das heißt die Fähigkeit eine gleichförmige Konsistenz zu behalten. Generell wird die Synerese dadurch gesteuert, daß die Dispersion einer adäquaten Menge von kolloidalen Partikeln oder anderen Geliermittel sichergestellt wird. Andere wünschenswerte Eigenschaften von Gelzusammensetzungen, beispielsweise der Oxidationswiderstand, werden mittels geeigneter Additive erzielt oder verbessert.
Es sind Gele bekannt, die mit kolloidalen Silica (Quarz) und anderen kolloidalen Partikeln gefüllt sind. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent 3.714.041 organische Flüssigkeiten, die mit pyrogenitischen Silica, mit Silica-Aerogels und faserigem Asbest verdickt sind. Das U.S.-Patent 4.396.514 offenbart eine Schmierzusammensetzung mit einem Gehalt an abgeschiedenem Silica (Quarzstaub). Das US-Patent 4 265 775 offenbart ein nichtauslaufendes thixotropisches, in der Wärme leitendes Material, welches Silicon als flüssigen Träger, Quarzfasern und ein thermisch leitendes Füllerpulver enthält.
Gelzusammensetzungen sind als Kabelfüllmaterial verwendet worden. In konventionellen (elektrischen) Nachrichtenkabeln dienen Füllzusammensetzungen in erster Linie dazu, den Eintritt von Wasser und die Ausbreitung von Wasser in dem Kabel zu verhindern. In optischen Faserkabeln besteht eine weitere wichtige Funktion der Füllzusammensetzung darin, die optischen Fasern in einem Zustand niedriger Belastungsspannung zu halten.
Zu bekannten Kabelfüllzusammensetzungen gehören mit Öl gestreckte Gummis und Rohvaseline. Als Beispiel des erstgenannten siehe US-Patent 4 464 013 und für das letztgenannte das US-Patent 4 333 706. Das letztgenannte Patent offenbart eine Füllzusammensetzung mit einer Rohvaseline als Basismaterial und anorganischen Mikrokügelchen. EP 0 067 009 lehrt, daß eine hohe Viskosität notwendig ist, um Öltrennung unter Druck zu vermeiden und das ein Material niedriger Viskosität fließen würde.
Eine Kabelfüllmischung, insbesondere eine optische Faserkabelfüllzusammensetzung sollte eine Vielzahl von Erfordernissen erfüllen. Zu diesen Erfordernissen gehört, daß die physikalischen Eigenschaften des Kabels in einem ziemlich breiten Temperaturbereich innerhalb zulässiger Grenzen verbleiben, beispielsweise von ungefähr -40º bis ungefähr 76ºC. Es ist auch wünschenswert, daß die Zusammensetzung im wesentlichen frei von Synerese über den Temperaturbereich ist. Füllmischungen zur Anwendungen in optischen Faserkabel sollten außerdem einen relativen niedrigen Schermodul aufweisen. Gemäß Stand der Technik ist der Schermodul ein kritischer Materialparameter der Füllkomponenten von optischen Faserkabel, da die Auffassung besteht, daß diese direkt mit dem Betrag an Mikrobiegeverlust der Faser im gefüllten Kabel zu tun haben. Wegen einer Diskussion des Mikrobiegeverlustes siehe Optical Fiber Telecommunications, S. E. Miller et al, Academic Press, New York (1979), S. 158-161.
Typischerweise ist der Mikrobiegeverlust schwieriger bei großen Wellenlängen als bei kurzen Wellenlängen in den Griff zu bekommen. Deshalb sind die Anforderungen auf die mechanischen Eigenschaften einer Füllmischung für Faserkabel typischerweise im wesentlichen viel schwieriger für ein Kabel zu erfüllen, das beispielsweise bei 1,55 um verwendet werden soll, als wenn das Kabel für eine kürzere Betriebswellenlänge, beispielsweise bei 1,3 um Verwendung findet. Obzwar wir herausgefunden haben, daß einige Füllzusammensetzungen des Standes der Technik bei Wellenlängen bis zu ungefähr 1,3 um durchaus zufriedenstellend arbeiten, haben wir festgestellt, daß dies bei längeren Wellenlängen häufig nicht der Fall ist.
Da auf Quarzglas basierende optische Fasern typischerweise ihre niedrigsten Verluste bei oder nahe 1,55 um Wellenlänge aufweisen, besteht ein großes Interesse daran, im gegebenen Fall die Telekommunikationssysteme mit optischen Fasern bei ungefähr dieser Wellenlänge zu betreiben. Es ist deshalb wichtig, daß die Einrichtungen zur Erzeugung optischer Faserkabel zur Verfügung zu haben, die keine signifikante, verkablungsinduzierte Verluste bei langen Wellenlängen aufweisen, einschließlich bei ungefähr 1,55 um. Es wird eine neue Gelmixtur offenbar, die diese unter anderem als Füllzusammensetzung für optische Faserkabel bei ungefähr 1,55um geeignet macht.
Gemäß vorliegender Erfindung ist ein Kabel wie in Anspruch 1 definiert vorgesehen.
Es wurde eine im wesentlichen nicht auslaufende Gelzusammensetzung mit einem niedrigen Schermodul erfunden. Die Zusammensetzung weist außerdem eine niedrige kritische Dehnungsfestigkeit auf, welcher Parameter einen ausgeprägten Effekt auf den Mikrobiegeverlust in optischen Faserkabeln aufweist, wie wir entdeckt haben.
Die Zusammensetzung weist Öl, ein Geliermittel, beispielsweise kolloidale Partikel, und gegebenenfalls einen Auslaufverhinderer auf. Zu den in der Durchführung der Erfindung nützlichen Ölen zählen Öl vom ASTM- Typ (ASTM D-226 Test) 103, 104A, oder 104B (oder Mischungen hiervon), naphthenische oder paraffinische Öle mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,860 und einem maximalen Stockpunkt (ASTM D97) von weniger als ungefähr -4ºC, und Polybutenöle mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,83 und einem maximalen Stockpunkt (ASTM D97) von weniger als ungefähr 18ºC. Das kolloidale Partikel- Füllermaterial weist vorzugsweise Quarzpartikel auf, beispielsweise Quarzstaub oder Kieselpuder. Bevorzugte Auslaufverhinderer sind Styren-Gummi oder Styren-Gummi-Styren- Block-Copolymere, und/oder halbflüssige Gummis, beispielsweise Polyisobutylen mit hoher Viskosität. Block-Copolymere und halbflüssige Gummis werden kollektiv als Gummi-Polymerisate bezeichnet. Andere Ingredienzen, beispielsweise ein thermischer Oxidationsstabilisator kann gegebenenfalls zugegen sein.
Der Einbezug eines Gummi-Polymerisats in die Gelzusammensetzung ermöglicht die Reduktion des Betrags an kolloidalen Partikeln, die der Mischung zugefügt werden muß, um die Synerese des Gels zu verhindern. Diese Veringerung kann zu Kostenersparnissen im Vergleich zu vorbekannten Gelzusammensetzungen des hier betrachteten Types führen. Ferner macht es die Formulierung von nicht auslaufenden Zusammensetzungen möglich, die sehr niedrige kritische Dehnungsfestigkeiten aufweisen.
Gelzusammensetzungen gemäß der Erfindung weisen typischerweise mindestens ungefähr 77 Gewichtsprozent Öl (oder Mischungen von Ölen) und zwischen ungefähr 4 und ungefähr 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 10 Gewichtsprozent, kolloidale Partikel (typischerweise mit einer BET-Oberflächengröße von ungefähr 50 bis ungefähr 400 m2/gm). Zusammensetzungen mit einem Gehalt von Gummipolymerisat enthalten typischerweise weniger als ungefähr 5 Gewichtsprozent Gummi-Block-Copolymer (oder eine Mischung solcher Copolymere) oder alternativ weniger als ungefähr 15 Gewichtsprozent halbflüssiges Gummi. Gummi-Block-Copolymere, die bei der Durchführung der Erfindung nützlich sind, weisen ein Styren/Gummi-Verhältnis zwischen ungefähr 0,1 und ungefähr 0,8 sowie ein Molekulargewicht auf, wie es durch die Viskosität in Toluol bei 45ºC bestimmt wird und zwar von ungefähr 1,0 PaΦs (100 cp) in einer 20 gewichtsprozentigen Gummilösung bis ungefähr 20 PaΦs (2.000 cp) in einer 15 gewichtsprozentigen Gummilösung. Polyisobutylen und andere halbflüssige Gummis, die bei der Durchführung der Erfindung nützlich sind, haben ein Flory-Molekulargewicht zwischen ungefähr 20.000 und ungefähr 70.000 und fließen typischerweise langsam unter ihrem eigenen Gewicht bei 20ºC. Die Brookfield-Viskosität bei 60ºC ist typischerweise oberhalb von ungefähr 3.000 PaΦs (30.000 Poise). Ein bevorzugtes kolloidales Material ist Quarzstaub, vorzugsweise mit einem Überzug, welches das Quarzstaubmaterial hydrophob macht.
Zusammensetzungen gemäß der Erfindung können vorzugsweise als Füllmischungen für optische Faserkabel verwendet werden. Solche Füllzusammensetzungen weisen eine kritische Dehnungsfestigkeit von weniger als ungefähr 70 Pa bei 20ºC auf. Optische Faserkabel, einschließlich optische Faserbandkabel für eine einzelne Mode, bei denen solche Füllzusammensetzungen mit niedriger Dehnungsfestigkeit verwendet werden, können sehr geringe Mikrobiegeverlust aufweisen, selbst bei langen Wellenlängen wie 1,55 um.
Fig. 1 zeigt ein verallgemeinertes Spannungs/Dehnungs- Diagramm von thixotropischem Material,
Fig. 2 zeigt die Spannungs/Dehnungs-Kurven von vorbekannten Gel und von zwei exemplarischen Zusammensetzungen gemäß der Erfindung,
Fig. 3 zeigt die Spannungs/Dehnungs-Kurve für vier exemplarische Gelzusammensetzungen mit variierendem Füllergehalt,
Fig. 4 zeigt exemplarische Daten über Öltrennung als eine Funktion des Prozentsatzes an Auslaufverhinderer in der Zusammensetzung,
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines gefüllten optischen Faserbandkabels,
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines gefüllten verseilten optischen Faserkabels im Querschnitt und
Fig. 7 zeigt eine exemplarische Kurve des mittleren zusätzlichen Verlustes bei einem optischen Faserbandkabel gegen die kritische Dehnungsfestigkeit der Kabelfüllzusammensetzung.
Die Spannungs/Dehnungs-Diagramme der Fig. 1 bis 3 stellen konstante Dehnungsratekurven dar.
Gemäß einem breiten Aspekt besteht die Erfindung in einer Gelzusammensetzung von Materialien mit einer niedrigen kritischen Dehnungsfestigkeit und aus Partikeln, die eine solche Zusammensetzung enthält. In einem anderen Aspekt besteht die Erfindung in einer gefüllten Gelzusammensetzung mit einer niedrigen Öl-Synerese und aus Gegenständen, die eine solche Zusammensetzung enthalten. Beispiele von Gegenständen, welche die erfindungsgemäße Zusammensetzung enthalten, sind optische Faserkabel, z. B. ein optisches Einzelmode-Faserbandkabel. Es sei jedoch vorausgeschickt, daß die Kombination der Eigenschaften, welche die neue Zusammensetzung der Materialien ausmachen, auch für andere Anwendungen nützlich ist.
Die Zusammensetzung gemäß der Erfindung weist mindestens zwei hauptsächliche Bestandteile, nämlich Öl und einen kolloidalen Füller auf und häufig auch als dritten hauptsächlichen Bestandteil einen Auslaufhemmer. Der letztere kann entweder ein Gummi-Block-Copolymer, einen halbflüssigen Gummi hoher Viskosität (auch als halbfester Gummi bezeichnet) oder ein anderer geeigneter Gummi sein. Diese Bestandteile werden nunmehr im einzelnen beschrieben.
Zu den bei der Durchführung der Erfindung nützlichen Ölen zählen die Polybutenöle mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,83 und einem maximalen Stockpunkt (ASTM D97) von weniger als ungefähr 18ºC, oder naphthenische oder paraffinische Öle vom ASTM-Typ 103, 104A, 104B (oder Mischungen hiervon) mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,86 und einem maximalen Stockpunkt (ASTM D97) von weniger als ungefähr -4ºC. Spezielle Beispiele von Ölen, die zur Durchführung der Erfindung nützlich sind, sind Polybutenöl (ein synthetisches Kohlenwasserstofföl mit einem Stockpunkt nach ASTM D97 von -35ºC, einer SUS-Viskosität 1005 bei 99ºC, einem spezifischen Gewicht von 0,8509, einem mittleren Molekulargewicht 460), welches von der Amoco Chemical Corporation, Texas City, Texas, unter der Handelsbezeichnung L- 100 erhältlich ist; und ein weißes Mineralöl (Stockpunkt nach ASTM D97 von -25ºC, einer SUS-Viskosität von 53,7 bei 99ºC, einem mittleren spezifischen Gewicht von 0,884 und einem maximalen Gehalt an aromatischen Ölen von 1 Gewichtsprozent) welches von der Penreco, Butler, Pennsylvania unter der Handelsbezeichnung Drakeol 35 erhältlich ist. Weitere Öle, die voraussichtlich bei der Durchführung der Erfindung brauchbar sind, sind triglyzeridbasierende Pflanzenöle, wie Rizinusöl und andere synthetische Kohlenstofföle, wie Polypropylenöle. Für Anwendungen, welche feuerhemmende Eigenschaften erforderlich machen (beispielsweise Faserkabel zur Anwendung auf Kundengrundstücken) sind chlorierte Paraffinöle mit einem Chlorgehalt von ungefähr 30 bis 75 Gewichtsprozent und einer Viskosität bei 25ºC von zwischen 1 und 100 PaΦs (100 und 10.000 cps) nützlich. Ein Beispiel eines solchen Öls ist Paroil 152, welches von Dover Chemical Company of Dover, Ohio erhältlich ist. Polymerisierte Ester der Acrylsäure oder ähnliche Materialien sind als Stockpunkt-Absenkmittel bei der Zugabe unterhalb von 5 Gewichtsprozent nützlich. Ein Beispiel ist ECA 7955, erhältlich von der Exxon Chemical Company.
Zu den bei der Durchführung der Erfindung nützlichen kolloidalen Füllern gehört kolloidales Quarz, welches entweder hydrophyl oder hydrophob sein kann und vorzugsweise aus einem hydrophoben Quarzstaub mit einer BET-Oberflächengröße zwischen ungefähr 50 und ungefähr 400 m2/gm besteht. Als Beispiel eines hydrophoben, zur Durchführung der Erfindung nützlichen Quarzstaubes wird mit Polydimethylsiloxan beschichteter Quarzstaub mit einer BET-Oberflächengröße von ungefähr 80 bis 120 m2/gm genannt, der ungefähr 5 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält und von der Cabot Corporation of Tuscola, Illionois, unter der Handelsbezeichnung Cab-O-Sil N70-TS erhältlich ist. Ein beispielsweise hydrophyles kolloidales Material ist Quarzstaub mit einer BET-Oberflächengröße von ungefähr 175 bis 225 m2/gm, einer nominalen Partikelgröße von 0,012 um, einem spezifischem Gewicht von 2,2 und von der Carbot Corporation unter der Handelsbezeichnung Cab-O-Sil M-5 erhältlich. Andere bei der Durchführung der Erfindung nützliche kollidiale Füller sind ausgefällter Quarzstaub und Tonerde wie Bentonite mit oder ohne Oberflächenbehandlung.
Zu den Gummi-Block-Copolymeren, die vorteilhaft in Zusammensetzungen gemäß der Erfindung verwendet werden können, zählen Styren-Gummi und Styren-Gummi-Styren-Block-Copolymere mit einem Styren/Gummi-Verhältnis zwischen ungefähr 0,1 und 0,8. Exemplarische Blockgummis sind a) Styren-Ethylen-Propylen-Block- Copolymere (SEP) mit einem Styren/Gummi-Verhältnis von ungefähr 0,59, unplastifiziert, mit einem spezifischen Gewicht von ungefähr 0,93, einer Bruchfestigkeit (ASTM D-412) von 2 068 427 Pa (300 psiz), erhältlich von der Shell Chemical Company of Houston, Texas, unter der Handelsbezeichnung Kraton G 1701; b) Styren-Ethylen-Butylen-Block-Copolymer (SEB), mit einem Styren/Gummi-Verhältnis von ungefähr 0,41, erhältlich von der Shell Chemical Company unter der Bezeichnung TRW-7-1511; c) Styren-Ethylen-Butylen-Styren-Block-Copolymer (SEBS) mit einem Styren/Gummi-Verhältnis von ungefähr 0,16, unplastifiziert und mit einem spezifischen Gewicht von ungefähr 0,90, einer 750 %igen Längung, einem 300 %-Modul (ASTM D-412) von 2 413 165 Pa (350 psi) und erhältlich von der Shell Chemical Corporation unter der Handelsbezeichnung Kraton G 1657. Andere Styren-Gummi oder Styren-Gummi-Styren-Block-Copolymere, die bei der Durchführung der Erfindung nützlich sein könnten, sind Styren- Isopren-Gummi (SI) und Styren-Isopren-Styren-(SIS)-Gummi, Styren-Butadien (SB) und Styren-Butadien-Styren-(SBS)-Gummi. Ein Beispiel von 515 ist Kraton D 1107 und ein Beispiel von SBS ist Kraton D 1102, beide von der Shell Chemical Company erhältlich.
Zu den halbflüssigen Gummis, die bei der Durchführung der Erfindung als nützlich angetroffen worden sind, gehören hochviskose Polyisobutylene mit einem Flory-Molekulargewicht zwischen ungefähr 20.000 und 70.000. Ein Beispiel hiervon ist Polyisobultylen mit einem Flory-Molekulargewicht von ungefähr 42.600 bis 46.100, einem spezifischem Gewicht von ungefähr 0,91 und einer Brookfield-Viskosität bei 350ºF (ungefähr 177ºC) von ungefähr 260 bis 350 Pas (26.000 bis 35.000 cps) erhältlich von der Exxon Chemical Company of Houston, Texas unter der Handelsbezeichnung Vistanex LM-MS. Andere Gummis, die bei der Durchführung der Erfindung als nützlich erachtet werden, sind Butylgummi, Ethylen-Propropylen-Gummi (EPR), Ethylen-Propylen- Dimer-Gummi (EPDM), und chlorierte Botylgummi mit einer Mooney- Viskosität ML 1+8 bei 100ºC (ASTM D-1646) von zwischen ungefähr 20 und 90. Beispiele obiger Gummis sind Butyl 077, Vistalon 404, Vistalon 3708 bzw. Chlorobutyl 1066, die alle von der Exxon Chemical Company erhältlich sind. Nützlich sind auch depolymerisierte Gummis mit einer Viskosität bei 38ºC von zwischen ungefähr 400 und 4.000 Pas (40.000 und 400.000 cps). Ein Beispiel hiervon ist DPR 75 von Hardman, Inc. of Belleville, New Jersey.
Eine Zusammensetzung gemäß der Erfindung enthält typischerweise zwischen ungefähr 77 und ungefähr 95 Gewichtsprozent Öl. Wenn ein Auslaufhemmer zugegen ist und der Hemmer aus einem Gummi- Block-Copolymer besteht, dann beträgt der Ölgehalt typischerweise zwischen ungefähr 90 und 95 Gewichtsprozent. Wenn andererseits der Auslaufhemmer ein halbflüssiger Gummi ist, dann beträgt der Ölgehalt typischerweise zwischen ungefähr 77 und ungefähr 91 Gewichtsprozent. Die Zusammensetzung umfaßt ferner höchstens 15 Gewichtsprozent vorzugsweise höchstens 10 Gewichtsprozent kolloidale Partikel. Wenn die kolloidalen Partikel Quarzstaub sind, dann liegt ein typischer Bereich zwischen 2 und ungefähr 10 Gewichtsprozent, wobei 5 bis 8 Gewichtsprozent zur Zeit für einige Anwendungen bevorzugt werden. Der Auslaufhemmergehalt der Zusammensetzung liegt typischerweise zwischen ungefähr 0,5 und 15 Gewichtsprozent, wobei der zur Zeit bevorzugte Bereich für Block-Copolymer-Gummis zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 5 Gewichtsprozent beträgt und für halbflüssige Gummis zwischen ungefähr 3 und ungefähr 15 Gewichtsprozent. Gegebenenfalls kann die Zusammensetzung auch kleinere Beträge von oxydativen Stabilisatoren und anderen die Eigenschaften modifizierenden Additiven enthalten. Ein beispielsweise Stabilisator ist Tetrakis [Methylen 3-(3',5'- Dietherbutyl-4'hydroxyphenyl)Propionat] Mathan, erhältlich von Ciba-Geigy unter der Handelsbezeichnung Irganox 1010. Typischerweise machen die hauptsächlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (das heißt Öl, kolloidale Partikel und falls zugegen Auslaufhemmer) ungefähr 99 Gewichtsprozent oder mehr der gesamten Mischung aus.
Kolloidale Füllerpartikel im Öl können das Öl gelieren lassen, indem sie ein Netzwerk bilden, beispielsweise durch Bindungen von Oberflächenhydroxylgruppen. Solche Gele sind in der Lage, eine Last unterhalb eines kritischen Wertes der Belastungsspannung zu tragen. Oberhalb dieses Spannungspegels wird das Netzwerk zerrissen und das Material nimmt flüssigkeitsartigen Charakter an, das heißt es fließt unter Spannung. Ein solches Verhalten wird oft als thixotropisch bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine verallgemeinerte Spannungs/Dehnungs-Kurve bei konstanter Dehnungsrate für thixotropisches Material und gibt einige bedeutsame Parameter wieder. Im Abschnitt 10 der Spannungs-Dehnungs-Kurve wirkt das Material im wesentlichen als ein elastischer Festkörper. Der Abschnitt erstreckt sich von der Spannung Null bis zu der kritischen Dehnungsspannung σc. Die Dehnung entsprechend σc ist als γc ersichtlich, die kritische Scherdehnung. Per Definition zeigen die Koordinaten σc, γc den Beginn der Dehnung und die Größe σc/γc (oder dσ/dγ für σ< σc) ist als Schermodul (Ge) des Materials bekannt.
Nach den Lehren des Standes der Technik sollen Füllkomponenten für optische Faserkabel niedrige Werte von Ge aufweisen und die Fachleute betrachten allgemein den Modul als kritischen Parameter der Füllverbindung für optische Faserkabel. Wir haben jedoch entdeckt, daß mindestens für einige Anwendungen ein niedriger Wert von Ge der Füllzusammensetzung nicht genügend ist, um niedrige Kabelverluste zu garantieren, und daß ein weiterer Parameter beeinflußt werden muß. Diese Parameter ist die kritische Dehnungsspannung σc. Wir betrachten die Entdeckung, daß σc ein kritischer Parameter einer Faserkabel- Füllverbindung ist, als wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung, weil dies bei der Formulierung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen behilflich war. Während beispielsweise ein exemplarisches Einzelmode-Faserkabel, das mit einem kommerziell erhältlichen Gel mit einer kritischen Dehnungsspannung von ungefähr 140 Pa gefüllt war, einen mittleren, zusätzlichen Verlust bei 1,55 um von 0,2 dB/km aufwies, zeigte ein ähnliches Kabel, welches mit einer beispielsweisen Gelzusammensetzung gemäß der Erfindung (σc 10 Pa) gefüllt war, im wesentlichen einen mittleren zusätzlichen Verlust von 0.
Der Abschnitt 11 der Spannungs/Dehnungs-Kurve nach Fig. 1 stellt den Bereich dar, welcher wachsende Werte der zunehmenden Dehnung für zunehmende Spannung zeigt. Die Spannung σy ist der maximale Spannungswert, den das Material bei einer gegebenen Dehnungsrate aushalten kann, wobei γy der entsprechende Dehnungswert darstellt. Für Dehnungen größer als γy, nimmt die Spannung zuerst ab (Abschnitt 12 der Kurve) und wird dann im wesentlichen dehnungsunabhängig für noch größere Werte der Dehnung (Abschnitt 13). Das Material zeigt somit flüssigkeitsartiges Verhalten für γ> γy. Während σc typischerweise im wesentlichen unabhängig von der Dehnungsrate ist, ist σy eine Funktion der Dehnungsrate. Für sehr niedrige Dehnungsraten nähert sich σy dem Wert σc. Für sehr langsame Deformationen ist σc daher die maximale Spannung.
Die erfindungsgemäßen Gelzusammensetzungen haben sehr niedrige kritische Dehnungsspannungen wie diese beispielsweise mittels eines Konus- und Platte-Rheometers gemessen werden. Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von thixotropen Materialien sind an sich bekannt. Die kritische Dehnungsspannung des Materials gemäß der Erfindung ist kleiner als ungefähr 70 Pa und ist für einige Anwendungen vorzugsweise unterhalb 35 Pa, alle Werte bei 20ºC gemessen.
Fig. 2 gibt exemplarische Spannung/Dehnungs-Kurven bei konstanter Dehnungsrate (0,58%/sek) für eine Gelzusammensetzung nach dem Stand der Technik (20) und für zwei erfindungsgemäße Zusammensetzungen (21 und 22). Die beispielhafte Zusammensetzung nach dem Stand der Technik stellt ein kommerziell erhältliches gelartiges Material dar, das zur Anwendung als optische Faser- Kabel-Füllzusammensetzung von der Synco Corporation of Bohemia, New York, unter der Handelsbezeichnung Syncofox vertrieben wird. Es wurde festgestellt, daß die kritische Dehnungsspannung (bei der festgestellten Dehnungsrate und Raumtemperatur) ungefähr 140 Pa und der Modul ungefähr 13 KPa aufwies. Die Kurven 21 und 22 wurden bei Zusammensetzungen erhalten, die zwei zuvor erwähnte Materialien enthielten (Drakeol 35 und 8 bzw. 5 Gewichtsprozent Cab-O-Sil N70-TS). Die erstere Zusammensetzung hatte ein σc von ungefähr 18 Pa und ein Ge von ungefähr 4 KPa und die letztere von ungefähr 2 PA bzw. 0,5 KPa.
Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind unter anderem eine Funktion des kolloidalen Partikelgehaltes. Dies wird in Fig. 3 dargestellt, welche Spannung/Dehnungs-Kurven bei konstanter Dehnungsrate (0,57%/sek) für vier exemplarische Zusammensetzungen zeigt. Alle vier Materialien enthalten Drakeol 35, wobei die Kurven 30 bis 35 für Kompositionen mit 8, 7, 6 bzw. 5 Gewichtsprozent Cab- O-Sil N70-TS erhalten wurden. Es ist evident, daß σc sowie Ge mit abnehmendem Partikelgehalt abnehmen.
Da die mechanische Festigkeit des von dem kolloidalen Füllmaterials gebildeten Netzwerkes von der mittleren effektiven Anzahl der Bindungsplätze per Partikel abhängen, welche wiederum eine Funktion der Partikelzusammensetzung, des chemischen Zustandes der Partikeloberfläche sowie der Partikelgestalt, - Größe und dergleichen ist, ist es nicht möglich, eine universell gültige Beziehung zwischen kolloidalem Partikelgehalt und σc anzugeben, und einfaches Experimentieren kann erforderlich sein, um den geeigneten Prozentsatz eines gegebenen kolloidalen Füllers herauszufinden.
Zur Illustration des obigen Punktes: wir haben gefunden, daß eine 97,5/2,5-gewichtsprozentige Mischung von Mineralöl/hydrophylem Quarzstaub im wesentlichen die gleiche Dehnungsspannung wie eine 97/7-gewichtsprozentige Mischung des Mineralöls mit hydrophoben Quarzstaub von im wesentlichen gleicher Partikelgröße aufwies (jedoch hatte die erstere Mischung eine größere Auslauftendenz als die letztere). Wahrscheinlich hat das hydrophobe Material weniger Oberflächenhydroxylgruppen als der hydrophyle (unbehandelte) Quarzstaub, was zu einem Netzwerk geringerer mechanischer Festigkeit als das von den hydrophilen kolloidalen Partikeln für einen gegebenen Quarzstaubgehalt erzeugte Netzwerk führt.
Das Ölrückhaltvermögen des erfindungsgemäßen Gels wird mittels Zufügung einer oder mehrerer Auslaufhemmer (zum Beispiel Gummipolymere) zu dem Öl verbessert. Wir haben das Ölrückhaltevermögen dadurch getestet, indem ein Verfahren verwendet wurde, welches im wesentlichen dem Ölrückhalttest PE- 89 der Rural Electrification Authority (REA) entspricht. Gemäß unserem Verfahren wird der Kern und der Kernwickel von einem einen Luftkern aufweisenden faseroptischen Kabel einer Länge von 30,5 cm (12 Zoll) [ID des Kabelmantels 0,63 cm (0,25 Zoll)] entfernt. Zwei 35,6 cm (14 Zoll) lange Stücke von standardmäßigen (12 Faser) optischen Faserbändern werden aufeinandergelegt und der Stapel in das Kabel eingefügt, ein vorstehendes Ende des Kabels an die Außenseite des Kabels mit Band befestigt und das andere vorspringende Ende bündig mit dem Kabelende abgeschnitten. Das zu testende Gel wird in das mit Band befestigte Ende des Kabels eingespritzt. Das gefüllte Kabel wird in horizontaler Stellung während ungefähr 24 Stunden gehalten und dann mit dem bandbefestigten Ende nach oben in einem Ofen bei 60ºC oder 81ºC aufgehängt. Nach einer Stunde wird jegliches Gel, welches infolge der unterschiedlichen thermalen Ausdehnung vorsteht, entfernt. Die Proben verbleiben in dem Ofen während 24 Stunden und herabtropfendes Öl wird aufgesammelt und das aufgesammelte Öl am Ende der Testperiode gewogen. Wenn ein meßbarer Betrag an Tropföl zugegen ist, wird die Gelzusammensetzung als den Ölrückhaltetest nicht bestanden betrachtet.
Wir haben auch einen Öltrenntest verwendet. Der Test umfaßte Zentrifugieren (mit einer Zentrifuge des Models HT der International Equipment Company oder dergleichen) einer Gelprobe von 30 gm während 60 Minuten bei 10 000 Umdrehungen pro Minute sowie Dekantieren und Wiegen des getrennten Öls am Ende der Testperiode.
Fig. 4 zeigt exemplarische Daten hinsichtlich des Effekts von unterschiedlichen Beträgen eines speziellen Auslaufhemmers (SEP) auf zwei Mischungen aus Öl/Quarzstaub. Die Öltrennung wurde gemäß oben beschriebenen Zentrifugierverfahren bestimmt und wird als Prozent des Gesamtbetrages an Öl in der Zusammensetzung ausgedrückt. Die Kurve 40 und 41 beziehen sich auf Gele, die 7 bzw. 6 Gwichtsprozent Cab-O-Sil N70-TS in Drakeol 35 enthalten. Damit die Komposition gutes Ölrückhaltevermögen bis zu ungefähr 60ºC oder ungefähr 80ºC aufweist, ist es wünschenswert, daß sie bei Raumtemperatur eine Öltrennung nicht größer als ungefähr 7 bzw. ungefähr 2,5% mit obigem Zentrifugaltest zeigt wie wir zur Zeit glauben.
Tafel I zeigt die Wirkungen von verschiedenen unterschiedlichen Auslaufhemmern auf die Öltrennung, und zwar für zwei unterschiedliche Öle (Drakeol 35 und L-100). Die drei Block-copolymere enthaltende Zusammensetzungen weisen 92 Gewichtsprozent Öl, 6 Gwichtsprozent Cab-O-Sil N70-TS und 2 Gewichtsprozent Hemmer auf und die halbflüssiges Gummi enthaltenden Zusammensetzungen weisen 6 Gewichtsprozent N70-TS, die angezeigten Beträge des Hemmers und 89 bzw. 84 Gewichtsprozent Drakeol 35 auf. Tabelle I Öltrennvermögen Hemmer % Trennung Drakeol-35 % Trennung
Tabelle II zeigt Daten bezüglich Öltrennung für mehrere Zusammensetzungen, welche keine Auslaufhemmer enthalten. Obzwar die Zunahme der Konzentration an Quarzstaub im Öl zu einer Abnahme der Öltrennung führt, ist es evident, daß die Zufügung eines Auslaufhemmers relativ effektiver ist als die Zunahme des kolloidalen Partikelgehaltes der Zusammensetzung, wenn die Öltrennung oder das Abtropfen verhindert werden soll. Da die Zunahme des kolloidalen Partikelgehaltes eines Gels bis zu dem Punkt, bei welches Synerese vermieden wird, zu einer Zunahme der kritischen Dehnungsspannung führt, können die niedrigen Werte der kritischen Dehnungsspannung, die für mindestens einige der Zusammensetzungen für optische Faserkabel benötigt werden, nicht ohne die Verwendung von Auslaufhemmern erhalten werden. Die Daten der Tabelle II wurden mit N70-TS Drakeol-35 erhalten. Tabelle II Öltrennvermögen Quarzstaub in Gewichtsprozent Öltrennung
Untersuchte exemplarische Zusammensetzungen sind in Tabelle III gezeigt. Tabelle III Zusammensetzungen (Teile in Gewichtsprozent) Brakeol Kraton Irganox
Die Zusammensetzungen wurden durch bekannte Methoden zubereitet und umfaßten typischerweise Mischen von Öl, Auslaufhemmer, Antioxidanzien und kolloidales Partikelmaterial, und zwar zuerst bei Umgebungstemperatur und -druck, dann bei Umgebungstemperatur und bei einem partiellen Vakuum [typischerweise weniger als ungefähr 39.997 Pa (300 Torr)]. Einige Zusammensetzungen, beispielsweise E, wurden auf ungefähr 150ºC während Umrührens erhitzt und bei dieser Temperatur während ungefähr 4 Stunden gehalten.
Die erhaltenden Zusammensetzungen wurden bewertet einschließlich der Bestimmung von σc und Ge mittels Konus- und- Platte-Rheometrie und Öltrenn- und/oder Ölrückhaltetests. Eine beispielsweise Zusammenfassung der Eigenschaften ist in Tabelle IV dargestellt, wobei der Schlüssel der Zusammensetzung sich auf Tabelle III bezieht und alle Messungen von σc und Ge bei 22ºC vorgenommen wurden. Tabelle IV Zusammensetzg. Zeit (Std.) Öltrennung Kabeltropfen Fehler gut
a) kein Rühren
b) Rühren während der angegebenen Zeit im Meßaufbau
c) Raumtemperatur, Zentrifugiermethode
d) gemäß den in der Beschreibung diskutierten Kriterien
e) Grenzlinie
Eine bedeutsame Anwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung besteht in einer Kabelfüllmischung speziell für optische Faserkabel. Gefüllte optische Faserkabel sind dem Stand der Technik gut bekannt. Fig. 5 zeigt ein beispielsweise gefülltes optisches Faserbandkabel 50 und Fig. 6 zeigt ein exemplarisches gefülltes verseiltes optisches Faserkabel im Querschnitt. In Fig. 5 werden die optischen Faserbänder 51 in einen Vielbandstapel 53 zusammengesetzt, der von einem inneren Mantel 54 und einem äußeren Mantel 56 umgeben ist, wobei sich eine Einbettungsschicht 55 zwischen dem inneren und äußeren Mantel befindet. An 56 sind Verstärkungsglieder 57 eng gekoppelt. Typischerweise wird der Bandstapel schraubenförmig gedreht, um für Dehnungserleichterung in den gebogenen Kabeln zu sorgen.
In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 60 das zentrale Verstärkungsglied, 61 ist eine Pufferschicht, welches zur Polsterung der optischen Faser 62 dient. Die Anordnung wird von dem äußeren Mantel 64 umgeben, wobei die Füllzusammensetzung 63 im wesentlichen den verfügbaren Raum innerhalb 64 ausfüllt. Einheiten des in Fig. 6 gezeigten Types können direkt oder im Zusammenbau mit einer Vieleinheitsstruktur verwendet werden. Die gezeigten Kabel sind nur beispielhaft zu verstehen und andere bekannten Ausbildungen können angewendet werden. Die erfindungsgemäße Füllzusammensetzung wird als potentiell nützlich bei jeder Kabelausbildung betrachtet, die zur Aufnahme einer Füllzusammensetzung vorgesehen ist.
Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen mittleren zusätzlichem Kabelverlust und kritischer Dehnungsspannung der Kabelfüllzusammensetzung, wie diese in einer beispielhaften Art von optischen Einzelmode-Faserbandkabel beobachtet wurde. Wie ersichtlich führte die Anwendung von Füllzusammensetzung gemäß der Erfindung mit σc ≤ 70 Pa in Kabel zu einem mittleren zusätzlichen Verlust als ungefähr 0,1 dB/km. Es versteht sich, daß Fig. 7 nur zur Illustration gedacht ist und daß unterschiedliche Kabelkonstruktionen unterschiedliche Verluste zeigen können.

Beispiel

Ein 1 km langer Abschnitt eines optischen Faserbandkabels wurde durch bekannte Verfahrensschritte hergestellt. Das Kabel enthielt 3 Bänder mit jeweils 12 Fasern, die Fasern waren Einzelmode- Fasern mit einem mittleren Verlust bei 1,55 um von 0,23 dB/km (vor der Verkabelung) mit einer Standardabweichung von ± 0,05 dB/km. Die Kabelkonstruktion war im wesentlichen wie in Fig. 5 gezeigt. Das Kabel wurde mit einer Füllzusammensetzung der Komposition A nach Tabelle 111 und mit einem σc von ungefähr 10 Pa gefüllt. Nach der Verkabelung wurde der Faserverlust bei 1,55 um erneut gemessen. Der mittlere zusätzliche Verlust wurde als im wesentlichen unverändert angetroffen (0,22 dB/km mit einer Standardabweichung von ± 0,04 dB/km).
Zu den zur Zeit bevorzugten Zusammensetzungen für optische Einzelmode-Faserkabel gemäß der Erfindung zählen die Füllzusammensetzungen A, E und L der Tabelle 127. Die Zusammensetzungen wurden generell mit Schwankungen ± 1,0 Gewichtsprozent für Öl, ± 0,2 Gewichtsprozent für den kolloidalen Partikelfüller, ± 0,2 Gewichtsprozent für den Hemmer und ± 0,1 Gewichtsprozent für den Antioxidanten zubereitet. Es könnten jedoch andere Grenzen akzeptabel sein. Für andere Anwendungen des erfindungsgemäßen Gels können unterschiedliche Zusammensetzungen vorteilhafter sein und die Fachleute werden in der Lage sein, die geeigneten Bestandteile und Formulierungsbereiche zu finden, basierend auf den Prinzipien und den hierin offenbarten Ergebnissen. Alle solche Variationen werden als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung betrachtet.

Claims

1. Kabel mit einem oder mehreren optischen Fasern, die in einer Umhüllung enthalten sind, wobei Zwischenräume zwischen den Fasern und der Umhüllung verbleiben, und mit einem Füllmaterial, welches mindestens teilweise die Zwischenräume ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial Öl, ein Geliermittel und gegebenenfalls einen Auslaufhemmer umfaßt, eine kritische Dehnungsspannungsfestigkeit bei 20ºC von weniger als ungefähr 70 Pa aufweist, so daß die Fasern relativ niedrigen Mikrobiegeverlust bei den Betriebswellenlängen bis zu einschließlich 1,55 um aufweisen können.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial umfaßt:

a) 77 bis 95 Gewichtsprozent Öl oder eine Mischung von Ölen, ausgewählt von

i) paraffinisches oder naphthenisches Öl vom ASTM-Typ 103, 104A oder 104B mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,86 und einem Stockpunkt (ASTMD97) von weniger als -4ºC,

ii) Polybutenöl eines minimalen spezifischen Gewichts von ungefähr 0,83 und einem Stockpunkt (ASTMD97) von weniger als 18ºC,

iii) auf Triglyzerid basierendes Pflanzenöl,

iv) Polypropylenöl,

v) chloriertes Paraffinöl mit einem Chlorgehalt zwischen 30 und 75 Gewichtsprozent und einer Viskosität bei 25ºC von zwischen 1 und 100 Pas und

vi) polymerisierte Ester;

b) 2 bis 15 Gewichtsprozent Geliermittel, wobei das Geliermittel aus kollidialen Partikeln besteht, die ausgewählt sind aus hydrophobem Quarzstaub, hydrophilgeformtem Quarz, ausgefälltem Silicium und Tonerde, wobei ferner die kollidialen Partikel eine BET-Oberflächengröße im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 400 m²/g aufweisen, und

c) 0 bis 15 Gewichtsprozent eines Auslaufhemmers aus folgender Gruppe ausgewählt: Styren-Gummi und Styren-Gummi- Styrenblock-Copolymeren mit einem Styren-Gummi-Verhältnis zwischen ungefähr 0,1 und 0,8,

halbflüssiges Gummi mit einem Flory-Molekulargewicht zwischen 20 000 und 70 000,

Butylgummi, Ethylen-Propylengummi, Ethylenpropylendimergummi, chloriertes Butylgummi mit einer Mooney-Viskosität bei 100ºC (ASTMD-1646) zwischen ungefähr 20 und 90 und

depolymerisiertes Gummi mit einer Viskosität bei 38ºC zwischen ungefähr 400 und 4 000 Pas, wobei die zuvorstehenden Ingredienzen a), b) und c) mindestens 99 Gewichtsprozent der Zusammensetzung des Materials ausmachen.

3. Kabel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens 95 Gewichtsprozent des Öls aus folgenden ausgewählten Ölen bestehen: Öl vom ASTM-Typ 103, 104A und 104B sowie Polybutenöle,

daß die kollidialen Partikel im wesentlichen aus folgenden ausgewählten Partikeln bestehen: hydrophober Qarzstaub und hydrophiler Quarzstaub, daß der gegebenenfalls zugegene Auslaufhemmer im wesentlichen ausgewählt ist aus Styren-Gummi und Styren-Gummi-Styrenblock-Copolymere sowie aus halbflüssigem Gummi

und daß das Füllmaterial eine kritische Dehnungsspannungsfestigkeit aufweist, die kleiner als 35 Pa bei 20ºC ist.

4. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial zwischen ungefähr 90 und ungefähr 95 Gewichtsprozent Öl und zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 5 Gewichtsprozent Auslaufhemmer aufweist und daß der Auslaufhemmer im wesentlichen aus Styren-Gummi oder Styrengummi-Block- Copolymer besteht.

5. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial zwischen ungefähr 77 und ungefähr 91 Gewichtsprozent Öl und zwischen ungefähr 3 und ungefähr 15 Gewichtsprozent Auslaufhemmer aufweist und daß der Auslaufhemmer im wesentlichen aus einem halbflüssigen Gummi besteht.

6. Kabel nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial zwischen ungefähr 2 und ungefähr 10 Gewichtsprozent kollodiale Partikel aufweist.

7. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl im wesentlichen aus paraffinischem und naphthalischem Öl vom ASTM-Typ 103, 104A und 104B und aus Polybutenöl ausgewählt ist und daß die kollidialen Partikel im wesentlichen aus hydrophobem Quarzstaub und hydrophylem Quarzstaub ausgewählt sind und daß das Füllmaterial eine kritische Dehnungsspannungsfestigkeit aufweist, die höchstens 35 Pa bei 20ºC beträgt.

8. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial einen Schermodul kleiner als 13 KPa bei 20ºC aufweist.

9. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial zwischen ungefähr 2 und ungefähr 10 Gewichtsprozent hydrophoben Quarzstaub enthält.

10. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial umfaßt:

a) 77 bis 95 Gewichtsprozent Öl oder eine Mischung von Ölen, ausgewählt von der Klasse bestehend aus

i) paraffinisches oder naphthenisches Öl vom ASTM-Typ 103, 1O4A oder 104B mit einem minimalen spezifischen Gewicht von ungefähr 0,86 und einem Stockpunkt (ASTM D97) unterhalb von -4ºC und

ii) Polybutenöl eines minimalen spezifischen Gewichts von ungefähr 0,83 und einem Stockpunkt (ASTM D97) unterhalb von 18ºC und

b) 2 bis 15 Gewichtsprozent eines Geliermittels, wobei das Geliermittel kollidiale Partikel sind, die im wesentlichen aus hydrophobem Quarzstaub bestehen.