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TFRP——新一代高性能光缆增强材料

时间:2015-08-21 16:20:45

2015年初的“两会”上,李克强总理在《政府工作报告》中提出制定“互联网+”行动计划。“互联网+”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合,推动技术进步、效率提升和组织变革,提升实体经济创新力和生产力,打造“大众创业、万众创新”的新气象。本质上,“互联网+”就是以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新型态。由此可见,建设高速的互联网对于经济和社会的发展有着重大的意义。实现这一愿景的根本基础是光纤到户(FTTx),而作为FTTx“最后一公里”的蝶形引入光缆自然重任在肩。如何安全可靠地把蝶缆接入千家万户,如何提速降费,运营商也都拼尽全力。TFRP的出现为运营商提供了一种全方位的解决方案:质优、价廉和环保的新一代增强材料。

一、超高模量聚乙烯纤维

TFRP优异的机械性能主要来源于所使用的纤维材料——超高模量聚乙烯纤维。自二十世纪早期合成纤维问世以来,合成纤维的强度和模量一直停留在很低的水平。直至二十世纪60年代末到70年代初,荷兰帝斯曼开发的超高模量聚乙烯纤维以及美国杜邦开发的芳纶,才使合成纤维材料的强度与模量取得了革命性的进展。


1. 超高模量聚乙烯纤维是目前比强度最高的工业长纤

超高模量聚乙烯(UHMPE)纤维是一种超高模量、超高分子量的纤维,同时具有高强度、低密度、耐腐蚀、耐老化、耐疲劳等优异品质。其分子量在500-900万之间,是普通聚乙烯分子量的几十倍。分子量越高,机械性能越好,但是如此之高的分子量也使其难以直接挤出和规模化生产,直至帝斯曼于二十世纪70年代开发出冻胶纺丝技术,才使超高模量聚乙烯纤维成功商业化。

超高模量聚乙烯纤维对于光缆行业来说并不陌生,但由于长期以来未能解决其在光缆加工中的适应性问题,一直没有被规模化应用。随着技术的不断进步,超高模量聚乙烯纤维可以和特定树脂在高温下固化成型,极大地提高TFRP在成缆过程中的耐热性,有效地解决了加工适应性的问题。

二、TFRP在蝶形引入光缆中的应用

蝶缆中的加强元件主要通过抗拉作用来保护光纤。加强元件必须满足特定的要求:首先具有较高的抗拉强度和拉伸模量,其次具有较小的弯曲半径,最后还要满足高效、环保等要求。

目前,蝶缆中采用的非金属加强元件主要有GFRPGlass Fiber Reinforce Plastic)和KFRPKelvar FiberReinforce Plastic)。TFRPTrevo® Fiber Reinforced Plastic)是近年来开发成功并商业化的一种新型FRPTFRP以超高模量聚乙烯纤维为原料,结合先进的树脂和固化工艺制作而成。和其它传统FRP相比,TFRP有更高的机械性能和弯曲性能,生产过程高效环保。

2.1、优异的机械性能

由于采用了超高模量的纤维作为原料,TFRP的拉伸性能得到显著提升。同等尺寸下的TFRP的拉伸性能比KFRP25%以上;同等拉伸强力下,TFRP用较小的直径就能够满足蝶缆的技术要求。例如,通过行业标准60N/100N的拉伸测试的TFRP,直径仅为0.58mm,截面积比KFRP减小了20%以上。小直径的FRP可以提高成缆的工艺稳定性,降低偏心的风险。


2. 塑料增强杆性能对比

a)相同直径下,TFRP抗拉性能优于KFRP;(b)相同拉力的情况下,TFRP具有更小的直径

除了优异的抗拉性能之外,TFRP还具有极佳的抗弯性能。相比较现有的其它FRP TFRP的弯曲半径更小,而且可以做到“折而不断”,弯折后还能继续发挥抗拉的作用。


3.TFRP(右图)的弯曲半径相比于KFRP(左图)的弯曲半径

以直径0.5mm TFRP制成的蝶缆为例,在40N/80N的长期/短期拉力作用下,应变分别为0.162%0.334%,满足行业标准的性能要求,同时衰减、高低温循环、阻燃等测试均合格。

2.2、低成本

TFRP的低成本来源于两方面因素:纤维的低密度和高模量。超高模量聚乙烯纤维的模量为130GPa,超过芳纶模量45%,而超高模量聚乙烯纤维的密度仅为0.97g/cm3,比芳纶密度低33%。因而在蝶缆中使用较少的纤维就能满足技术要求。

2.3、环保的生产工艺

环保也是TFRP的一个突出优势,主要体现在原材料和生产工艺上。超高模量聚乙烯纤维采用纯物理过程生产。生产过程中使用的溶剂做到了近100%的回收再利用,全程几乎不产生工业“三废”。同时TFRP采用环保树脂,不含挥发性有机化合物(VOC),极大地改善了工人的工作环境。TFRP的生产工艺也非常高效,降低了生产过程中的单位能耗。

2.4、使用方便

TFRP2014年下半年引入市场以来,已经陆续在江苏、四川、湖北等地的光缆厂得到了一定规模的应用。通过与蝶缆生产工艺的磨合与改进,TFRP用量正在稳步扩大。TFRP的使用方法与GFRPKFRP基本一致,无需添加额外设备,工艺适应性强,操作简便,光缆厂技术人员和操作人员反馈良好。

三、特种TFRP满足特殊应用

基于超高模量聚乙烯纤维优异的性能和提升潜力,特种TFRP也在不断开发以满足特殊的应用场合。

3.1、微型TFRP用于更紧凑的蝶缆

超高模量聚乙烯纤维的模量最高可达180GPa,制成TFRP后模量可以达到108GPa以上,是现有行业标准的2倍以上。这种纤维制成的直径0.38mmTFRP就可以满足现有蝶缆的技术要求,适用于更紧凑的蝶缆。有助于大幅减少护套料的用量、显著降低成本、同时更便于布线施工。

3.2、抗蠕变TFRP用于自承式蝶缆

荷兰帝斯曼新开发的一款抗蠕变的超高分子量聚乙烯纤维(DM20),它保留了高模量、高强度、低密度、耐老化等特点的同时,具有优异的抗蠕变性能。在20%的破断力载荷下,这种纤维25年的计算蠕变值小于0.3%,具有和芳纶相当的抗蠕变性能。

目前,DM20已经成功地应用于海洋平台的深海(3000m)系泊。凭借其优异的强度、耐老化性能和耐蠕变性能,它可以长时间精确地固定海洋平台而不发生漂移。用DM20制成,可以取代自承式引入光缆中的钢丝吊带。与钢丝相比, TFRP不生锈、不导电、更耐久、更轻便,可以随电线来布线,应用于广大山区和雷电频发的地区。

3.3、带状TFRP用于新型中心束管式光缆

近年来,带状FRP加强的室外用全介质中心束管式光缆(GYFXTF)、小型中心束管式引入光缆(GJYFXTF)正在西南地区被逐步推广。目前使用的带状FRP是玻璃纤维经树脂浸润后,固化成型制得的。玻纤的模量低,为了满足光缆的抗拉要求,带状FRP需要增加玻纤用量,但是这也会增加带状FRP的厚度。较厚的加强带不易包裹。为了解决这一难题,可以采用超高模量聚乙烯纤维与玻璃纤维复合的方法,这样制备的带状TFRP力学性能不仅可以达到光缆的要求,同时更薄、更易纵包。

四、结束语

TFRP是综合性能优越的新一代蝶缆增强材料,它更高的模量和更小的弯曲半径,可以进一步提高光缆的性能,而且使用方便。目前,TFRP已被越来越多的光缆厂选购,采用TFRP生产的蝶缆也已走进千家万户。此外,微型TFRP、抗蠕变TFRP以及带状TFRP可以为光缆新型结构的设计提供更有利的方案。

 

参考文献

[1]励航泉,张晨.聚合物物理学[M].北京:化学工业出版社,200721-24

[2]黄源,蝶形引入光缆生产的几点趋势.  网络电信. 2015. 04

[3]陈炳炎.光纤和光缆的设计和制造[M] 杭州:浙江大学出版社,200376



  来源:帝斯曼爱地纤维功能材料事业部    黄源
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