光纤和带纤的二次套塑及其余长控制Word格式.docx

1、度上取决于二次套塑的质量 .而二次套塑工 艺中最主要的控制参数是光纤或光纤带在束 管中的余长 （以下简称余长 ）二次套塑工艺 与其说是一种技术 ,不如说是一门艺术 .我们 所追求的不仅是其机械的严格性 ,而且是设 备,工艺 ,材料三者统一的完美性 . 本文就二墩套塑工艺中的下列问题进行 对苯二甲酸丁二醇酯 ）,也有采用高密度 聚乙烯和改性聚丙烯作为束管材料 ,但固它 们的杨氏模量较低 ,只适用于制作大 R 寸束 管 .本文主要讨论 PBT 塑料的工艺特性 . PBT 塑料是一种可以热成型的热塑性 材料它在不同温度下的力学聚集态如图 1 所示 这里以标准的二次套塑生产线为例 （参 见图 2）.P

2、BT 塑料的柬管成型分三个区域 : 1）挤塑机内的熔融挤出区 ;2）从出模口到陈炳炎 :形变破璃态高弹态粘流志./温度图 1PBT 塑料在不同温度 F 的力学聚复忠 为脆化温度 ;丁 .为玻璃化温度 ;l 为熔化温 度 ;l 为分解温度余长牵引之问束管成形区 ;3）进入冷水槽到 主牵引直到收线之间光纤或带纤的余长形成 区三个区域中 PBT 塑料处于不同的力学聚 集态 .呈现不同的物理性能状态 ,分别分析如 r2.1PBT 塑料在挤塑机内熔融挤出的性能 分析PBT塑料的熔化温度在 230.C左右，挤 塑机中PBT的熔融加工温度为250270.C 之间.聚合物处于粘流态 ,大分子链活动能 图2标准

3、二次套塑生产线示意图1 为放线槊;2 为油膏充填装置 3 为挤塑机4 为电控柜5 为热水稽|6 为余长牵弓轮;7为冷水槽 8 为主牵引 ;9为测径仪 10 为收线架力增加 ,链段同时或相继朝同一方向运动在 外力作用下 .整个大分子链闻互相滑动而产 生形变 ,外力除去后不能恢复原状 ,此谓不可 逆的塑性形变塑料在挤压性主要取决于熔体的流变性 ,亦即熔体粘度的性状 .通常 .熔 体粘度随着剪切速率的增加以及温度的增高 而降低.图3给出一个典型的 PBT 的流变曲 线对于 PBT 塑料而言 .希望熔体粘度高一 点,有利于挤出成型的稳定性 .如熔体粘度太 低 ,虽然流动性较好 .但保持形状的能力较 差

4、，容易造成挤出的不稳定陛通常,PBT塑 料的制造商通过提高PBT树脂的本征粘度 （Intrinsicviscosity） 来提高其熔体粘度 .表 1 给出几种常用牌号的PBT塑料的流变性能. 1rJ 0 0BaverAG 根 D1800帅速率,s 图 3 典型的 PBT 流变曲线表 1 几种常用牌号的 PBT 塑料的漶变性能比较光纤与电缆其应用技术 1999年第 5 期 从表1可见,PBT塑料的本征粘度愈 大其熔体粘度（Meltviscosity）愈大.而其熔 体流动指数 （MeltflowIndex） 愈小.反之亦然用于二次套塑的 PBT 塑料 250.C 时的熔 体粘度范围在 t200Pa

5、?s之间为宜美国GE公司的HR326从1995年进人中国市 场以来 ,因其抗水解的优良性能 .得到了推广 应用.但其熔体粘度太低 .用普通的单螺杆挤 塑机能稳定地挤出成型 .但若采用销钉式 （PIN）螺杆因剪切速率大，造成HR326PBT 的熔体粘度太低而难以稳定地挤出成型.鉴于此种情况美国GE公司在1998年 下半年推出了改进的 HR326PBT 塑料,将 原来的熔体粘度为430Pa?s编号为C9）的PET料改进为熔体粘度为950Pa?s编号 为C1）的PBT料，型号仍为HR326不变.从 而使挤出成型稳定性得到提高它和其他型 号的 PBT 塑料一样适用于多种形式的螺杆 但作为 PBT 塑料

6、的二次套塑挤塑机 .通常应 使用高效均匀又不产生过度剪切效应的螺扦 为宜.挤塑机螺杆的长径比从 24:l 到30:1 长径比太大 . 在高温下的 PBT 料滞留时间 太长,会产生分子链断裂的降解现象 ,严重的 可能导致挤出的束管变成脆性物体2.2PBT塑料在出模口到余长牵引之间的束管成形区的性能分析 在这一区间 .PBT 塑料的温度从熔融状 态温度迅速下降 ,出模口,进入热水槽 .到达 余长牵引轮热水槽水温通常在4575.C之 间.高于PBT塑料的玻璃化温度（4045.C 之间 ）此时.聚合物的大分子链已不能运动 , 但链段尚有活动能力 ,在外力作用下能产生 较大形变 ,此谓高弹形变这是 PB

7、T 束管成 形过程中的个重要区域 .这-区段决定了 束管的拉伸比（DrawDownRate）;这一区域 的温度和经历时间也决定了 PBT京管的结 晶程度.PBT塑料是一种半结晶材料，通常 在柬管制或时 .还不能充分结晶而达到其结 晶平衡度 .因而在二次套塑束管制成后一段 时问内,PET束管还会继续缓慢地结晶，以 期达到其结晶平衡度，这就造成PBT束管的 挤塑后收缩（PostExtrusionShrinkage）因 此束管在长度方向进一步缩短 ,使得光纤或 带纤在束管中的余长增加为了减小PBT束 管的挤塑后收缩，必须提高PBT塑料在束管 成型过程中的结晶度由于PBT塑料的结晶 主要发生在高于玻璃

8、化温度的热水槽区城 , 因此适当提高热水槽的温度可以加速结晶或 适当增加热水槽长度 .在牵引速度不变时则 可以增长结晶时间 .两者均有利于加速结晶 减小挤塑舌收缩下面给出一组实验结果 .可 证实上述情况 .热水槽水温对 PBT 束管挤出后收缩的影响 （引自 Hoechsr 公司技术资料 ） 试样 :材料 Celanex2001PBT 束管 2.51.7.长度 L 一 30era样本数 /,15注:*试验兼件1:试样放在烘箱内，85C ,24h * 试验条件 2:试样放在烘箱内 135.c,24h 结果说明 :热水槽水温愈高 .PBT 束管成型过 程中结晶度愈高 ,挤塑后收缩愈小 PBT 束管的

9、挤塑后收缩 ,在束管挤出后 24h 内,在高于玻璃化温度的环境中 ,束管呈 自由状态时可高达0,40.5但在二次套 塑生产环境中 ,光纤或带纤束管通常存放在 室温下.温度低于玻璃化温度 ,后结晶很小 , 同时,束管是以一定收线张力绕在盘上 ,限制 了束管的进一步收缩 ,因此 .挤塑后收缩比上 列实验数据低得多当束管式光缆的挤制护 套时,将遇到 200C 以上的高温 .护套挤出 后,尽管护套经冷水槽冷却 ,但据实验资料表 明光缆内还有6070.C的温度可持续119光纤和带纤的二次套塑及其亲长控制 2 天,才能达到与环境温度平衡 ,此期间束管 会产生较大后结晶 ,由于光缆其它元件的限 制,不可能产

10、生较大后收缩 .但能转换为较大 的 PBT 柬管的内应力 ,造成结构的不稳定 性囡此 ,要在工艺上尽量减小束管的挤塑后 收缩.以保证光缆的质量 关于拉伸比的问题说明如下，当PBT从 出模口挤出遇空气迅速冷却 ,然后进入热水 槽.PBT塑料从没有取向的熔融状态，在熔 化温度到玻璃化温度之间 .沿牵引方向拉伸 到原来长度的若干倍 .这是一种高弹形变 ,由 于分子取向以及因取向而使分子链之间的吸 力增加的结果,PBT柬管在拉伸方向的拉伸 强度冲击强度杨氏模量的恢复 .均有明显 提高在给定的拉伸速度和温度下 ,拉伸比越 大,取向程度越高通常PBT塑料的最佳拉伸比范围在911之间拉伸比的计算公式为:DD

11、R （DD;）/（, D）（1）式中 Dn 为模套内径 ;D 为柬管外径 ;D为模芯外径；D.为束管内径2.3PBT 塑料在进入冷水槽后的性能分析 通常二次套塑的冷水槽水温在 14 20.C之间,PBT束管从余长牵引进入冷水槽 后，塑料处于低于玻璃化温度T,呈玻璃态. 聚合物的大分子链和链段均被冻结 . 在外力 作用下 ,只是链段作瞬间形变 ,外力去除后 . 恢复原状,此即弹性形变 利用PBT管的弹 性变形是获得光纤或带纤在束管中余长的方 法之，PBT束管进入冷水槽后，通过冷收 缩,形成光纤或带纤在束管中的杂长也是在 这一区间发生 .当塑料在低于脆化温度 T 时,大分子链和链段完全冻结 ,将出

12、现不能拉 仲和压缩的脆性.显然，包古PBT束管的光 缆的使用温度是不能低于脆化温度的 3余长形成的机理 二次套塑工艺中的一个关键是如何做到 余长的设计值 .不同的光缆结构中 ,要求光纤 或带纤在束管中有不同的余长值余长的定 义为:一 （LLr）/L7?100（2）式中 L, 为光纤 （或带纤轴线 ）的长度 ;Lr 为 束管长度 .在二次套塑工艺中 ,余长的形成主要有两种方法：热桩驰（Thermalrelaxation）和弹 性拉伸（ControlledStretching）分别说明如 下.3.1热松弛法如图 4 所示.光纤（或带纤）从放线盘放 出 ,通过挤塑机机头 ,挤上 PBT 塑料柬管 .

13、并 在束管中充以油膏 ,由余长牵引轮进行牵引 光纤（或带纤 ）和束管在轮式余长牵引轮上得 到锁定 .光纤（或带纤）在余长牵引轮上会形 成一定的负余长 （详见后述 ）束管在热水槽 和余长牵引轮区域,PBT束管温度在4j 75.C之问，高于其玻璃化温度（PBT塑料的 玻璃化温度丁 g在4045C之间）.进八冷 水槽后【温度通常设置在l420.C之间）, PBT产生冷收缩，不仅补偿了其在余长牵引 轮上的负余长 ,而且得到了所需的正余长此 时一主牵引的牵引张力很低 ,使束管得到充分 的热梧弛 .主牵引的线速度低于余长牵引到 线速度 ,速度差应按所得到的余长值进行调 节这样得到的具有光纤 （或带纤 ）正

14、余长的 束管在离开主牵引到收线盘时基本上没有 内应力 .从而得到一个稳定的光纤 （或带纤 ） 引轮牵引至所需束管（或带纤）.因为在履带式余长牵引上 .束管中外径 ,束管在轮上绕若干圈 使光纤与束管锁的光纤 （或带纤 ）未锁定.光纤（或带纤 ）可在定.然后进人冷水槽 .由于光 纤有一定的张束管中滑行 .当 PBT 束管离开主牵引轮后 .力 ,因此在余长牵引轮上 ,束 管中的光纤会靠高张力消失 .PBT 束管弹性恢复 ,长度缩短 .向轮的内缘 .因而光纤的缠 绕直径 r 必然小从而使管内的光纤 （或带纤 ）得到所需的余 长此时 ,收线盘的张力应适当选定 .并保持 稳定.使束管在收线盘上不致残留较大

15、的内 应力,从而得到稳定的束营成品 从上述分析可见 :当采用热松驰为主 要机理来形成余长的二次套塑生产线的最佳 配置为 :轮式余长牵引与履带式主牵引的组 合;当采用以弹性拉伸为主要机理来形成余 长的二次套塑生产线的最佳配置为 :履带式 余长牵引与双轮主牵引的组合后者的余长 值可做得比前者大 .4影响余长的主要因素在二次套塑工艺中 ,影响余长的因素较 多,其中有些因素可用作调节余长的工艺手 段 ,有的因素虽能影响余长值 .但不宜作为余 长的调节手段现以标准二次套塑生产线为 例来加以说明 （参见图 2）.4.1光纤放线张力对余长的影响 光纤在一定的张力下放出 ,经挤塑机机 头,挤上 PBT 束管

16、,管内充油膏 .经热水槽 于柬管的缠绕直径许 （如图 6 所示）. 所在余长牵引轮上 ,光纤长度小于束 管长度 ,负余长为 :纷（F）秆 /行 ?100 （3）图 6 在亲长牵引轮上光纤在柬营中位置的示意图 在上式中 .显然.秆为常数 .它是由牵引 轮轮径和束管外径所决定 .而许不是常数 , 竹的大小 ,亦即光纤向束管内侧靠近的程 度.取决于光纤的放线张力以及充在管内 的光纤油膏的粘度光纤放线张力 F 愈大. 光纤拉得愈紧 ,则光纤在管内靠向内侧愈甚 负余长愈大 .反之亦然 .因此 ,光纤放线张力 愈大 ,束管成品的正余长愈小 ;张力愈小 ,正 余长愈大 .由此可见 ,光纤的放线张力是调节 余

17、长的有效工艺参数之 .214.2冷热水温差对余长的影响 光纤柬管在热水槽和余长牵引轮区的温 度在4j7j C之间,进人冷水槽后.水温在 1420C之间，光纤柬管冷收缩，从而产生 正余长 ,这不仅补偿了在余长牵引轮上的负 余长,并得到所需的正余长 .可见.这里柬管 的冷收缩是得到正余长的主要因素冷收缩 得到的正余长值取决于冷热水温差和 PBT 塑料及光纤的热胀系数 .其数学表达式 : 一 （一 T,j （丁） 一 r 4）式中7为热水槽水温;7为冷水槽水温；g 为光纤的热胀系数 ir 为 PBT 的热胀系数 由于 PBT 塑料的热胀系数是温度的函 数,在几十.C的冷热水温差的范围中.PBT 塑料

18、的热胀系数有较大的变化，以HUIS的 3001/3013为例,其热胀系数与温度的关系 曲线如图 7 所示.图 7 热胀系数与温度的关系 因此,通常只能以一个平均的热胀系数 来作定性的估计 .作为冷热水温设定的依据 例如HULS3001/3013在2380 口 c的范围 内取其平均值为1_3X1O/.C从数值计算 可见,冷热水温的调节是余长控制的最主要 因素.水温差愈大 ,正余长愈大 ,反之亦然 4.3主牵引张力对余长的影响 主牵引张力是施加在从余长牵引到主牵 引之间的光纤柬管上 ,这一段正是束管处于 冷水槽经受冷收缩的区间因而牵引张力对 束管的弹性拉伸作用是对束管的冷收缩起抵 制作用 ,在标准

19、的二次套塑生产线中 .正余长 主要是由束管的冷收缩程度来决定的 ,因而, 此时主牵引张力对光纤余长起到局部的调节 作用:牵引张力愈大 ,对冷收缩的牵制愈甚 , 正余长愈小 ;牵引张力愈小 ,冷收缩愈自由 , 正泉长就愈大 .5 光纤油膏在二次套塑中的性能分析 通常在光纤油膏的制作中需加人触变增 厚剂使油膏具有定的触变陛（Thixotropy） 光纤油膏在二次套塑工艺中 的性状以及其成缆后对柬管中光纤或带纤的 机械保护作用在很大程度上与其触变性有 关加人触变增厚剂使光纤油膏分子中的硅 原子上的表面羟基（一 oH）之间有弱氢键将 相邻质点相互结合 .使油膏形成具有固态的 网状结构 （如图 8 所示

20、 ）.从而使光纤油膏在 静止状态下 .呈现为一种稳定的 ,非流动的稠 粘肢体 .当油膏受到扰动时 .如在二次套塑工 艺中 ,光纤油膏被泵人挤塑机机头 ,注人光纤 束管过程中 .在剪切力的作用下 .弱氢键断 裂,油膏分子由网状结构变成线状结构 ,油膏 从稠粘肢体变成流体 .因此油膏才能均匀地 充人柬管内 ,当加在油膏上的扰动力消除后 , 弱氢键又将相邻质点连结起来 ,光纤油膏叉 回到稠粘胶态 ,从而防止束管中 1 油膏产生滴 流但光纤油膏的扰动力消除后 ,油膏不可能 完全回到扰动前的分子结构 .而且回复需要 定的时问 .这段时间称为工艺窗口 （Pro teSSWi ndow）通过调节光纤油膏的配

21、方和 工艺 ,可以改变该工艺窗口的时间长短 .在二 次套塑中 .光纤油膏在出模口充人柬管后直 到离开主牵引这段过程中 ,是束管中光纤余 长形成的过程 ,不论是由于 PBT 束管的热松 弛或是通过 PBT 束管的弹性拉伸形成余长 光纤或光纤带在柬管内必须产生相对滑动 . 因此 .在这一过程中 ,光纤油膏必须有足够的 光纤与电缆及其应用技术 1999年第 5 期 流动性 .亦即具有较低的牯度 .不致限制光纤 或带纤的滑动 .因此.光纤油膏的稠粘性恢复 时间即工艺窗口 ,应当大于二次套塑中余长 最终形成的时间 .图 8 抽膏的触变性币意 （引自 UNGEI 公司技术资料 ） 光纤油膏的触变性可从下列

22、两个流变特 性曲线加以阐明 .图 9 是光纤油膏的粘度剪 切速率曲线 ,当剪切速率增大时 ,弱氢键逐步 断裂 .粘度下降 ,当剪切速率逐渐减小时 .光纤油膏逐步恢复其粘稠度 .但不可能完全回复到原始状态 ,所以在同剪切速率时 ,回复 曲线的粘度要低于原始粘度 .图 10 是剪切应 力与剪切速率的关系曲线 ,当剪切速率增大 . 剪切应力增大 ;当剪切速率减小时 .剪切应力 也下降 .但如粘度曲线一样 .上升和下降曲线 不会重合 .上升和下降曲线所构成的滞后回 线的面积的大小反映了使弱氢键断裂所需要 的能量的大小 .因而滞后回线的面积即为触 变性的度量 .图上的屈服应力 （YieldPoint）

23、是指油膏离子间的引力开始断裂 ,油膏开始 流动时的剪切应力 ,流变曲线上的屈服应力 应控制在1050N/m（Pa）之间，屈服应力 太小 .油膏甚至在重力作用下就会滴流 ,屈服 应力太大 ,光纤受机械应力时 ,油膏不能起到 缓冲保护作用 .由此可见 ,光纤油膏在束管中 的滴流性能 ,虽与油膏的粘度大小有一定关 系,但在很大程度上取决于其屈服应力 .屈服 应力愈大 ,愈不易滴流 .光纤油膏的漓流性能 与其针人度大小并无直接关系 . 坫度 剪叼埋市图 9 粘度剪讶速率曲线四立刀图 10 剪切应力一剪切速宰曲线 光纤油膏的粘度还随着温度的升高而下 降.因而也可以在二次套塑工艺中对光纤油 膏加热降低其粘

24、度 ,更有利于油膏的填充 . 挤塑机机头中充膏模具的设计和选用 , 必须保证油膏通路顺畅 ,充膏均匀平稳 .充膏 压力不能太大 .如果充膏压力过大 ,加上采用 的油膏粘度也较大时 ,在出模口 ,油膏会对进 入柬管的光纤产生牵引作用 ,使余长不可控 地增大 ,这是极需避免的 6光纤余长的在线测量 光纤在柬管中的余长的测量通常有两种 方法:一是用手工截取一定基准长度工的 柬管 .随后.将束管中的光纤拉出 ,测量光纤 的实际长度按式 （23 即可计算出余长值 e对于叠带式带纤束管，由于带纤在束管中 是以一定节距螺旋绞台而成 .当手工测量余 长时.带纤从束管中抽出 ,放平后测其长度 , 再按原螺旋节距

25、值折算带纤在束管中的长度陈炳炎光纤和带纤的二莰套塑及其泉长控制L,第二种方法是将成品光缆进行拉伸试验,测出光缆和光纤的应变一拉力负载曲线 如图 1所示 .比较图中的光缆和光纤的应变 曲线,在光纤开始出现直变负载下的光缆应 变（）即为成品光缆中的光纤余长 .但须注 意:如样品为中心柬管式光缆 ,上述余长测量 值为光纤或带纤在束管中的余长 .如样品为 层绞式光缆 .上述余长测量值并非光纤或带 纤在束管中的余长 .而是光缆中光纤或带纤 的拉伸应变窗口 .它既与光纤在束管中的余 长有关,还与束管尺寸 ,SZ 绞式节距等参数 有关这是光缆质量的最重要的参数之一 . 063I0.000310lF图 11

26、光纤和光纤的拉伸应变曲线 为了将光缆余长的实测值与二次套塑的 工艺参数联系起来 .以便二次套塑的工艺控 制,其最佳的方法是在二次套塑生产线上配 有余长在线测量和指示装置这对于叠带式 束管的生产尤为重要 .美国 TSI 公司推出一种 CB100 非接触 式光纤在线余长的测量系统 .该系统是利用 激光多普勒测速原理 （LaserDopplerVe loeimetry）:当一个物体以一定速度通过激光 舟-光束时 .其散射光会产生多普勒频移 .多普勒 频移的大小比例于物体通过激光束的速度 而利用两束激光的交叉区形成测量区 ,该区域通常为宽1.5mm.长20mm.从检测所得 光的频率信息计算出速度 ,再

27、进一步换算到 单位时间内通过的长度 （AL）. 该系统用在二 次套塑生产线上 .如图 12所示.需两个 CB100 测量装置 ,一个装在机头前测量光纤 或带纤的长度 L.另一个装在主牵引后测 量束管的长度 .将两个测量数据处理后 得到在线余长 一 （AL ALr）/AL?100（5） 从而能在二次套塑的控制屏上连续显示 在线余长的测量曲线 .应当指出的是 .上述在线测量的余长值 并不等于真正的束管中光纤或带纤的余长 值,更不反映成品光缆中光纤或带纤的拉伸 窗口这是因为在线测得的余长值是在光纤 或带纤以及束管均处于张力的状态下的余长 值而在成品束管中 .当用手工测量光纤余长 时 ,束管和光纤均处

28、于自由状态因此 .在线 余长值和人工实测余长值不仅其绝对数值不 相等 .而且余长随着其调节因素 （如光纤放线 张力 ,束管在线张力 ,生产线速度及油膏的粘 度等 ）的变化规律也不尽相同例如 .成品束 管中光纤的余长如前所述随光纤放线张力的 增大而减小 .但在线测得的余长却随放线张 力的增大而增大 ,其原围如下 :在线余长测量 中,测得的是挤塑机机头前的光纤长度 ,该位 图 12CB100 测量系统光纤与电缆及其应用技术 1999年第 5 期 置的光纤处于放线张力下 .光纤在张力作用 下弹性伸张 ,长度变长 .而当光纤在束管中形 成正余长时 ,在束管内的光纤已不受任何张 力 ,因而光纤弹性恢复到

29、原始非伸展状态 ,长 度变短 .当人工测量杂长时 ,将光纤从束管段 中抽出,清除油膏 ,测得的是零张力的光纤长 度.因而在线测量的光纤长度大于人工测量 的光纤长度 .光纤放线张力愈大 ,其差值愈 大,从而造成在线测量余长随放线张力增大 而增大 ,但实测成品束管中光纤杂长随放线 张力的增大而减小的现象 通过光纤或带纤在线余长测量值和成品 束管的测量值或通过拉伸应变测量所得到的 光纤或带纤的拉伸窗口之间的相互关系和变 化规律的分析和研究 ,可以对在线余长值进 行校准 ,将这种校准值编人控制的程序中去 , 使之直接反映真实的余长值 ,但只能针对某 些特定的产品来实施 ,要找出普遍适用的校 准规律是相

30、当困难的 .再者 ,迄今为止其测量 精度还不能完全令人满意但无论如何 .余长 的在线测量和指示作为一种相对指标值以反 映二次套塑工艺稳定的情况还是相当有价值的 图 l3 表示叠带式光纤带束管制作时 , CB10O系统的在线余长测量值，从图中可见, 在升速和降速时余长较大 ,正常生产速度时 , 余长指示值为 0.15.束管长度 Lm图 13 在线亲长测量指示7 二次套塑生产线中的收线和放线71 二次套塑生产线中的收线 通常采用转盘式收线 .其中可选用单盘 收线或可自动切换的双盘收线在某些光缆 制造厂家也有采用托盘式收线 ,即是将成型 束管自由地盘绕在托盘上这种收线方式有 利于生产流水线的调度和管理 ,也是线缆行 业中传统的收线方式之一 .但是对于束管式 光缆 ,这种收线方式似乎并不可取 .如前所 述 ,光纤束管有挤塑后收缩的性状 ,当采用转 盘收线时 ,光纤束管以一定张力绕在中转盘 上 .束