FI85311B - Elementkonstruktion foer en kabel, saosom en optisk kabel. - Google Patents

Description

1 85311

Elementtirakenne kaapelia, kuten optista kaapelia varten Elementkonstruktion för en kabel, säsom en optisk kabel

Keksinnön kohteena on elementtirakenne kaapelia, ku-5 ten optista kaapelia varten.

Esimerkiksi optisen kaapelin toisiovaipparakenne käsittää toisiovaippaputken ja sen sisällä kuitukanavassa olevat optiset kuidut, jolloin putki ympäröi kuituja väljästi sallien aksiaalisen liikkeen kuitujen ja putken 10 välillä.

Primääripäällystetyn tai paljaan optisen kuidun tai useammasta tällaisesta kuidusta muodostuvan kuitukimpun suojaus väljällä toisiovaipalla on yleisesti tunnettua. Toisiovaipan, joka yleensä on muoviputki, pääasiallisena 15 tarkoituksena on suojella kuitua tai kuitukimppua ulkoi silta mekaanisilta rasituksilta ja jännitykseltä. Väljän toisiovaippaputken tehtävänä on lisäksi antaa kuiduille häiriötön liikkumatila termisiä mittamuutoksia tai suoja-vaippaan kohdistuvien mekaanisten voimien aiheuttamia 20 mittamuutoksia varten. Toisiovaippauksessa kuiduille pyritään antamaan tietty ylimääräinen pituus (bias), jotta kuidut eivät joutuisi venytykseen, vaikka vaippa hiukan venyykin.

Koska putki on kuitenkin suhteellisen pieni, käytet-25 tyjen muovien kimmokertoimet alhaisia (<2500 N/mm2) ja niiden lämpölaajenemiskertoimet suuria (n. 10‘V°K), ei putkipäällyste yksin takaa kovinkaan suurta "venymä/ puristumaikkunaa" kuiduille.

Tämän puutteen korjaamiseksi on tunnettua valmistaa 30 optinen kaapeli siten, että optiset kuidut järjestetään spiraalimaisesti kiertyviksi kaapelissa, joko yhteisen keskielementin päälle kerrattuissa toisiovaippaputkissa, keskielementtiin muodostetuissa V-urissa tai kuten suomalaisessa patenttihakemuksessa 872792 on esitetty, putken -35 läpi kulkevissa kuitukanavissa, jotka kiertyvät putken pituussuunnassa spiraalimaisesti eteenpäin ja sijaitsevat putken kulloisessakin poikkileikkauksessa epäsymmetrisesti putken keskiakseliin nähden.

2 85311

Toisiovaipan kiertäminen spiraalimaisesti tai oskil-loivasti tarkoittaa sen saattamista tietylle taivutushal-kaisijalle, mikä aikaansaa yhdessä kuitujen radiaalisen välyksen kanssa sen, että kuitujen suhteellinen liikevara 5 venymän ja puristuman suhteen kasvaa merkittävästi. Kes- kielementtiratkaisuissa, jossa keskielementti tyypillisesti on metallia tai muovikomposiittia, on epäkohtana lähinnä monivaiheinen, arka ja häiriöaltis valmistus. Niinpä seuraavassa keskitytään, kuitenkaan poissulkematta 10 muita ratkaisuja, kuvaamaan lähinnä sellaisia kaapelira kenteita, jotka sallivat kuiduille suuren liikevaran ilman puristumisvaaraa tai minimitaivutussäteiden alitusta, ja jotka samalla mahdollistavat kaapelin varman ja helpon valmistusmenetelmän.

15 Kun optisen kaapelin rakenne on edullisimmillaan pie nikokoinen ja vaipoissa käytettyjen muovilaatujen kimmo-kertoimet keskinkertaisia, vaatii vaipparakenne väistämättä lisävahvikkeita, varsinkin maa- ja ilmakaapeleissa. Nämä lisävahvikkeet muodostuvat tyypillisesti erillisistä 20 teräslanka- tai aramidikuitulujitteista, jotka lisäävät kaapelin dimensioita ja painoa sekä valmistus- ja asennuskustannuksia, tai muovimatriisiin sijoitetuista kuitumaisista partikkeleista, kuten lasi-, talkki-, hiili-tms. kuidut. Näin vahvistetuilla muoveilla on se hait-25 tapuoli, että ne soveltuvat huonosti suulakepuristukseen, mikä on edullisin tapa valmistaa kaapelin sydämenä toimivaa toisiovaippaa. Lisäksi kimmomodulin kasvaessa niiden kovuus ja hauraus kasvaa, mikä tekee nisstä vaikeasti käsiteltäviä normaalissa kaapelituotantolaitoksessa, ke-30 lauksessa tms. mekaanisessa käsittelyssä.

Jo joitakin vuosia on tunnettu ns. termotrooppiset nestekidemuovit (LCP). Valtaosa sulatyöstöön kehitetyistä nestekidepolymeereistä ovat aromaattisia (hydroksibent-soehappopohjaisia) sekapolyestereitä, jotka on valmistet-35 tu useasta erityyppisestä monomeeristä. Muista käytössä olevista yhdisteistä mainittakoon polyatsometiinit, poly-karbonaatit sekä polyesteriamidit ja -imidit. Myös etyy-liselluloosalla on nestekideominaisuuksia ja käyttöpoten- li 3 85311 tiaalia, ja ainakin yksi kaupallinen tuote on olemassa (Ethocel, Monsanto). Näiden muovien molekyylirakenne on pääketjuinen muodostaen jäykän ja säännöllisen rakenteen, jolla on huomattavan korkea sulamispiste, eikä niitä pidä 5 sekoittaa ns. reo- tai lyotrooppisiin nestekidemuoveihin, jotka ovat nesteitä. Markkinoilla olevat synteettiset laadut (mm. Xydar, Vectra, Victrex, rek. tavaramerkkejä) ovat modifioituja sekapolymeerejä, jolloin sulamislämpö-tilaa on saatu alemmaksi ja sulatyöstöominaisuudet parem-10 maksi.

Termotrooppisten nestekidemuovien käyttöominaisuudet ovat erittäin hyvät mitä tulee mekaanisiin ominaisuuksiin, niillä on erittäin suuri lujuus (>>100 MPa) ja korkea kimmomoduli (> lOGPa), sekä äärimmäisen pieni lämpö-15 laajenemiskerroin (< 2xl0'6/°K). Kuitenkin näillä nesteki- demuoveilla on samat haitalliset ominaisuudet kaapelival-mistusta ajatellen kuin edellä kuvatuilla kuitutäyttei-sillä muoveilla; murtovenymä on pieni, mikä tekee niiden mekaanisista ominaisuuksista riittävän hyvät vain työs-20 tössä syntyvän anisotrooppisen rakenteen orientaation suunnassa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudentyyppinen elementtirakenne, jolla ei ole yllä mainittuja epäkohtia. Keksinnön mukaiselle vaipparakenteelle, joka 25 muodostuu ainakin osittain lujitetusta polymeerimateriaa lista, jossa on yksi tai useampia spiraalimaisesti pitkin kaapelin aksiaalisuuntaa kiertyviä johdinkanavia, jossa sähköjohtimet tai optiset kuidut on järjestetty kulkemaan, on tunnusomaista se, että elementtirakenne ainakin 30 osaksi muodostuu matriisin muodostavasta termoplastisesta polymeerimateriaalista, johon on lisätty termotrooppisen nestekiderakenteen omaavaa polymeeriä, jonka molekyylit ovat matriisiaineessa orientoituneet elementtirakennetta lujittavasti olennaisesti spiraalimaisesti kiertyvien --.-35 johdinkanavien suuntaisiksi.

Keksintö perustuu siihen oivallukseen, että sekoittamalla termotrooppista nestekidemuovia ja termoplastista matriisimuovia keskenään nimenomaan kiertyvätilaisen kaa- 4 85311 pelivaipan valmistuksessa, saadaan aikaan taloudellisesti tuotettavissa oleva elementtirakenne, jolla on komposiittimateriaalien mekaaninen kestävyys ja nestekidemuovin spiraalimaisen orientoitumisen takia myös aikaisempia ma-5 teriaaleja olennaisesti parempi taivuteltavuus, suurempi murtovenymä (haurausmurtumataipumus vähenee) ja parempi mekaaninen kestävyys radiaalisuunnassa.

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että elementtirakennetta lujittava teriö motrooppinen nestekidepolymeeri on aromaattinen, p-hyd- roksibentsoehappopohjainen polyesteri-kopolymeeri. Esim. kauppanimellä Vectra myytävä LCP-polymeeri on todennäköisesti 1,4-dikarboksyylbentseenin, 1,4-oksibentsoyylin ja 6,2-oksinaftoyylin monomeerien polymeroitu seos.

15 Keksinnön eräälle toiselle edulliselle sovellutusmuo dolle on tunnusomaista se, että elementtirakennetta lujittava termotrooppinen nestekidepolymeeri muodostuu etyyliselluloosasta.

Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille on 20 tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaati muksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkin avulla viittamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuviot la ja Ib esittävät tunnettuja vaipparakentei- 25 ta, kuvio 2 esittää spiraalimaista kuitukanavaa sisältävää vaipparakennetta pelkistettynä ja perspektiivissä, kuvio 3 esittää kaaviomaisesti LCP-molekyylien rakenteen muuttumista työstössä, ja 30 kuvio 4 esittää erään toisiovaippauslinjan puristus- päätä läpileikkauksessa.

kuvio 5 esittää erään toisen toisiovaippauslinjan pu-ristuspätä läpileikkauksessa.

Kuviossa la on esimerkinomaisesti esitetty poikki-35 leikkaus optisesta kaapelielementistä, jossa kaapelisy- dämeen on muodostettu pituussuunnassa spiraalimaisesti kulkevia V-urakanavia 1, joihin optiset kuidut 3 on sijoitettu. Kuviosta Ib ilmenee eräs keksinnön toinen 5 85311 sovellutusmuoto, jossa toisiovaippa muodostuu kahdesta vaippakerroksesta A ja B. Näistä vain toinen tai molemmat on lujitettu nestekidepolymeerillä, jälkimmäisessä tapauksessa edullisimmin siten, että LCP-molekyylit kiertä-5 vät kerroksissa A ja B vastakkaisiin suuntiin. Poikki leikkaukseltaan soikean muotoinen kuitukanava 2 kerroksessa B kiertyy vaipan pituussuunnassa spiraalimaisesti. Kanavan spiraalimainen kiertyminen selviää parhaiten kuviosta 2, jossa toisiovaippakerrosten A ja C sisällä kul-10 kee ainakin yksi kanava 4 kuituineen 3. Kuvion 2 kuituka nava 4 on poikkileikkaukseltaan ympyränmuotoinen ja sijaitsee kokonaisuudessaan toisiovaipan C pitkittäisen keskiakselin ulkopuolella.

Kuviossa 3 on esitetty LCP-molekyylien rakenteen 15 muuttumisperiaatetta työstössä. Osakuviossa a) sulassa tilassa olevan nestekidemuovin sauvamaiset molekyylit ovat orientoituneet samansuuntaisiksi, anisotrooppisiksi nestekiteiksi 5, joiden keskinäinen orientaatio on umpimähkäinen. Työstössä ja työstön jälkeen jäähtyneessä ra-20 kenteesta molekyylien orientaation on osakuvion b) mukai nen. Molekyylit ovat suoristuneet ohuiksi kuitufibril-leiksi, joilla on lujittava vaikutus, ja jotka kaikki ovat orientoituneet sulan muovin virtaussuuntaan. Lisäksi kiteiden sisällä on tapahtunut molekyylien liukumista 25 orientaation suunnassa, mikä edelleen vahvistaa molekyy lien muodostamaa kuitumaista rakennetta.

Tästä ilmiöstä tulee nimitys itselujittuvat muovit, "Self Reinforcing Polymer". Käytetyistä LCP-pitoisuudesta ja työstönopeudesta riippuen kuitumaisuus ja molekyyli-30 ketjujen venyminen on enemmän tai vähemmän korostettua, jossakin tapauksessa molekyylirakenteen orientoituminen alueiden sisällä saattaa olla riittävä ja tavoiteltava ratkaisu. Kokeissa on todettu, että mitä pienempi LCP-pi-toisuus on, sen suuremman puristusnopeuden se vaatii, 35 jotta kuitumaisuutta esiintyisi.

Käytännön kokeissa, joissa eräisiin yleisiin kauppa-laatua oleviin matriisimuoveihin ja -elastomeereihin on sekoitettu Vectra-nimistä nestekidemuovia, on havaittu, 6 85311 että seoksien vetolujuutta voidaan parantaa jopa 40% ja kimmomodulia 90% lujittamattomien matriisipolymeerien ominaisuuksiin nähden. Samassa seoksessa ei luonnollisestikaan päästä huippuarvoihin kaikissa suhteissa, mutta 5 alan ammattimies pystyy matriisiainetta ja seossuhdetta sekä esim. sulatus- ja puristusparametrejä sopivasti valitsemalla aikaansaamaan tarkoitukseensa sopivan vaip-pamateriaalin, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat ylivoimaiset aikaisempiin käytettyihin materiaaleihin verrat-10 tuna. Keksinnön mukainen elementtirakenne ei sulje pois sitäkään mahdollisuutta, että elementtirakenteen ainakin jossakin kerroksessa olisi lujittavan termotrooppisen nestekidepolymeerin lisäksi tai sijasta myös muita kuitu-lujitteita, kuten aramidi-, lasi- tai hiilikuituja. Täl-15 laisiin ratkaisuihin saattaa johtaa mm. taloudelliset syyt, koska LCP-muovit ovat otistaiseksi kalliita.

Keksinnön mukaisen elementtirakenteen muodostavien ainesosien sekoitus voidaan suorittaa esim. ekstruuderis-sa ja tuotetta valmistaa suoraan suulakevedolla, tai se-20 koitus voidaan ensin granuloida puolivalmisteeksi ja vas ta sen jälkeen prosessoida kaapelikoneessa tuotteeksi.

Mitä tulee käytettyihin matriisipolymeereihin, voivat ne olla termoplastisia kaapelimuovilaatuja kuten PET (po-lyeteenitereftalaatti), amorfinen PA (polyamidi), PBT 25 (polybutyleenitereftalaatti) tai PC (polykarbonaatti); tai termoplastisia elastomeereja kuten elastomeerisia po-lyolefiineja, polyesterejä tai polyamideja. Jonkinasteinen matriisin orientaatio ja sisäinen lujittuminen voidaan aikaansaada vetämällä kaapelivaipan valmistus-30 vaiheessa teknistä matriisimuovia, kuten polypropeenia tai polyetyleenitereftalaattia, sulatyöstölämpötilansa alapuolella.

Matriisipolymeeri voi olla myös termoplastisen muovin ja elastomeerin seos, esim. elastomeeridispersiolla luji-35 tettu kestomuovi.

Seuraavaksi selvitetään lähemmin edellä esitetyn toi-siovaipparakenteen valmistusta havainnollistamaan LCP-po-lymeerien käyttäytymistä ja orientoitumista työstössä.

li 7 85311

Viitataan kuvioon 4, jossa esitetään esimerkki toisio-vaippauslinjan puristuspäästä, joka soveltuu spiraalimaisella kuitukanavalla varustetun toisiovaipparakenteen valmistukseen. Erillisistä kuiduista nippuihin 18 sidotut 5 kuitukimput etenevät rasvasuukappaleen 6 läpi puristin- päähän 7, joka sisältää kiinteän matriisin 8 sekä akselinsa ympäri pyörivän torpedonpitimen 9, jonka kärjessä on pitimeen nähden kiinteä torpedo 10, jonka pää 11 on epäkeskeinen torpedon pyörimisakseliin nähden.

10 Torpedonpitimeen ja torpedoon on muodostettu keskika- nava 12, johon on sovitettu kiinteä, pyörimätön syöttöjä suojaputki 13, jota pitkin kuituniput 18 ja täyttöra-sva 14, jota on kuvattu nuolella, johdetaan toisiovaippa-elementin 1 sisään.

15 Puristinpäästä nippu 18 sekä täyttörasva etenevät päällystemateriaalin ympäröiminä sulavyöhykkeeseen 15 ja edelleen jäähdytysaltaaseen 16, jossa päällystemateriaali, eli muovimassa 17 kiteytyy torpedopään pyöriessä spiraalimaisella kuitukanavalla varustetuksi toisiovaipaksi 20 1.

Tahdistamalla torpedonpitimen 9 pyörimisnopeus ja linjan vetonopeus oikeassa suhteessa, saadaan kuitukana-valle halutun pituinen spiraalinousu. Pyöritettäessä pi-dintä 9 jatkuvasti samaan suuntaan, on tuloksena jatkuva 25 spiraalimaisesti kiertävä kanava. Jos pyörimissuuntaa vaihdetaan ajoittain, on tuloksena vaihtosuuntaisesti kiertävä spiraalimainen kanava.

Tällä spiraalimaisella kiertyrniseilä saavutetaan se etu, että nestekidepolymeeriketjujen orientaatiolla on 30 myös poikittainen komponentti, joka kiertää vaippaa tyy pillisesti samalla nousulla kuin siihen muodostetut kanavat. Tämä parantaa vaipan taivuteltavuutta ja radiaali-suuntaista lujuutta, koska puristus- ja taivutusjännitys-jakautumat kohdistuvat edullisemmin yksittäisiin nesteki-35 teisiin. Tämä on tunnettu asia köysi- ja vaijerivalmis tustekniikoista, mutta sen soveltaminen komposiittimate-riaaleihin siten, että aikaansaadaan keksinnön mukainen kiertyvätilainen elementtirakenne, on täysin uusi ja tun- 8 85311 nettuihin kaapelivaippoihin nähden ylivoimaisen lopputuloksen tuottava ajatus.

Kiertyvätilaisen kaapelivaipan valmistustavasta johtuen, jossa muotoilevat työkalut pyörivät muodostettavan 5 vaipan keskiakselin ympäri, tai vaippaa itseään kierre tään työkaluasetelman ympäri, on siis se seuraus, että sulan muovin virtaus ei ole vaipan keskiakselin suuntainen, vaan sitä spiraalimaisesti kiertävä. Erilaisilla oh-jainpinnoilla tai -putkilla voidaan jakaa ja/tai tehostaa 10 muovisulan poikittaista virtauskomponenttia, esim. mat riisin 8 ja torpedon 10 muotoja ja mittoja sekä niiden keskinäistä asemaa muuttamalla vaikutetaan syntyneen ja kiteytyneen toisiovaippaelementin 1 mittasuhteisiin ja muotoihin.

15 Kuviossa 5 esitetty puristinpää on muilta osin ident tinen kuviossa 4 esitetyn puristinpään kanssa, paitsi että materiaalin syöttö tapahtuu kahdesta kohdasta 19,20 kahden puristimen (ei piirretty) toimesta, ja että sekä torpedo 21 että matriisi 22 pyörivät nuolien mukaisesti 20 vastakkaisiin suuntiin. Näin saadaan aikaan kuvion Ib mu kainen vaipparakenne, jossa on kaksi, tarvittaessa vastakkaisiin suuntiin orientoitunutta toisiovaippakerrosta, joiden koostumus voi olla erilainen.

Kuvion 5 mukaista puristinpäätä voidaan tietenkin 25 käyttää kuvion 4 mukaisesti vain yhdellä ainesyötöllä, jolloin muodostuvat toisiovaippakerrostumat ovat samaa ainetta.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerk-30 keihin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

li

Claims (10)

1. Elementtirakenne kaapelia, kuten optista kaapelia varten, joka muodostuu ainakin osittain lujitetusta poly- 5 meerimateriaalista, jossa on yksi tai useampia spiraali- maisesti pitkin kaapelin aksiaalisuuntaa kiertyviä joh-dinkanavia (1;2;4), jossa sähköjohtimet tai optiset kuidut (3) on järjestetty kulkemaan, tunnettu siitä, että elementtirakenne ainakin osaksi muodostuu mat-10 riisin muodostavasta termoplastisesta polymeerimateriaa lista, johon on lisätty termotrooppisen nestekidera-kenteen omaavaa polymeeriä, jonka molekyylit ovat matrii-siaineessa orientoituneet elementtirakennetta lujittavas-ti olennaisesti spiraalimaisesti kiertyvien johdinkanavi-15 en (1;2;4) suuntaisiksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elementtirakenne, tunnettu siitä, että elementtirakennetta lujittava termotrooppinen nestekidepolymeeri on aromaattinen, p-hydroksibentsoehappopohj ainen polyesteri-kopolymeeri.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elementtirakenne, tunnettu siitä, että elementtirakennetta lujittava termotrooppinen nestekidepolymeeri muodostuu etyyli-selluloosasta .

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen element- 25 tirakenne, tunnettu siitä, että elementtiraken teessa on lujittavan termotrooppisen nestekidepolymeerin lisäksi myös muita kuitulujitteita, kuten aramidi-, lasi- tai hiilikuituja.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen ele- 30 menttirakenne, tunnettu siitä, että matriisianne on termoplastista muovia.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen elementtirakenne, tunnettu siitä, että matriisiaine on termoplastista elastomeeria.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen ele menttirakenne, tunnettu siitä, että matriisiaine on termoplastisen muovin ja elastomeerin seos. 10 8531 1

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen elementtirakenne, tunnettu siitä, että ainakin osa matriisiaineesta on orientoitunutta teknistä muovia, kuten polypropeenia tai polyetyleenitereftalaattia.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen element tirakenne, tunnettu siitä, että elementtirakenteeseen kuuluu toisiovaippa, joka muodostuu kahdesta sisäkkäisestä matriisiosasta (A,B;A,C), joista toinen osa on lujitettu.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen element tirakenne, tunnettu siitä, että elementtirakenteeseen kuuluu toisiovaippa, joka muodostuu kahdesta sisäkkäisestä matriisiosasta (A,B;A,C), jotka on lujitettu eri suuntaisilla orientaatiolla omaavilla lujitteilla. Il H 85311