光纤电缆的制作方法

申请的交叉引用

本申要求2015年4月27日提交的ep申请号15165190.8的优先权的权益，所述申请的内容是本申请的基础并且以引用的方式整体并入本文。

背景技术：

光纤电缆包括用于传输光学信号的光纤并且还包括包封光纤的外套元件。例如，缓冲管包围相应数量的光纤，并且电缆外套包围多个缓冲管。电缆外套和缓冲管通常由合成材料形成。

对于户内应用，光纤电缆的防火性或至少耐火性是重要的，具体地是因为光纤电缆一旦引起火灾就承担着火灾从建筑中的一个场所传播到另一个房间或地区的风险。因此，外套元件(诸如电缆外套或缓冲管)应被设计成耐火的或甚至可自动灭火的。

设计光纤电缆的外套元件的耐火材料的一种常规方法是使用膨胀的添加剂，也就是说，当在发生火灾的情况下经受热量时分解形成包含气体的泡沫和/或与所述泡沫反应的成分。这类膨胀试剂已经是已知的；在外套元件的聚合物基的护套材料中，它们在点燃时产生碳质泡沫，从而向光纤提供热保护，将火灾前沿向回推并且在防火电缆暴露在火焰和/或热量下的区段周围蔓延。只要光学电缆被碳质泡沫所包围并且气体形成物或泡沫形成物未耗尽，就能保持防火性。

然而，在发生火灾的情况下，火灾经常产生狂风。此外，由消防设施或天花板处的水喷嘴喷洒的水可将保护泡沫从纤维电缆上冲掉，因此只要火灾在整个建筑中没有完全熄灭，就会承受再燃风险。此外，加热电缆与其他物体或人的任何接触都可能对泡沫状保护层造成局部损坏，因此再次暴露电缆核心。

本申请的目的是提供具有改进的耐火性的光纤电缆。

技术实现要素：

在一个实施方案中，光纤电缆包括多根光纤和包围多根光纤的至少一个管状外套元件，其中所述外套元件包括外套材料，所述外套材料至少包含相互混合的以下组成部分：第一组成部分，所述第一组成部分为热塑性聚合物；第二组成部分，所述第二组成部分是能够在热量的影响下释放气体以用于生成泡沫的膨胀材料；以及第三组成部分，所述第三组成部分是能够在热量的影响下分解形成用于使泡沫硬挺的玻璃和/或陶瓷材料的硬挺剂。

另外的特征和优点将在接下来的详细描述中进行阐述，并且本领域的技术人员将借助于所述描述很容易理解或通过实践如书面描述及其权利要求书以及附图中描述的实施方案很容易认识其部分内容。

应当理解，上述概述和以下详述仅是示例性的，并且意图提供用于理解权利要求的性质和特征的概观或框架。

包括附图以提供进一步理解并且所述附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施方案并且所述描述用来解释各实施方案的原理和操作。

附图说明

结合附图，根据以下描述，本文公开的特征和优点显而易见，在附图中：

图1以横截面图示出示例性光纤，

图2示出在暴露在火灾引发的热量下之前，在原始条件下的外套元件区段的外套材料，

图3示出图2的外套材料在暴露在火灾引发的热量下时的转变，

图4示意性地示出组成外套材料的第一示例性材料，

图5示出组成外套材料的替代性的、第二示例性材料，

图6示出随时间的推移而测量的示例性外套材料的热量释放速率和总热量释放，

图7示出随时间的推移而测量的图6的外套材料和两种常规的外套材料的热量释放速率，并且

图8示出随时间的推移的图7的三种外套材料的总烟雾产生量。

具体实施方式

根据本公开的方面，光纤电缆的外套元件的改进的耐火性可通过外套元件的外套材料来提供，其中外套材料包括能够在热量的影响下分解形成玻璃和/或形成陶瓷材料的硬挺剂。除硬挺剂之外，外套元件还可例如包括膨胀材料和热塑性聚合物。因此，由于形成作为硬挺剂的结果形成的玻璃或陶瓷材料，在发生火灾的情况下，由借助于膨胀材料形成的泡沫被硬挺或硬化。机械刚性和坚固性可因此被传递给泡沫，并且硬挺的/硬化的泡沫在光纤电缆周围形成耐机械保护层。硬挺剂是玻璃或陶瓷材料的前体，诸如二氧化硅的前体、磷酸盐玻璃的前体或另一种玻璃或陶瓷材料的前体。玻璃或陶瓷形成分子和/或结构网络，其是使泡沫变硬并且支撑泡沫的刚性骨架结构或结构网络。所获得的结构上增强的网由此对火灾引发的风和其他机械影响是耐机械的，所述火灾引发的风和其他机械影响可使泡沫变形，将泡沫从光纤电缆核心周围冲洗掉或以其他方式将泡沫从所述光纤电缆核心周围局部地移除。结构上增强的泡沫因此形成稳定且持久的保护层，从而显著地增加了光纤电缆的耐火性。

根据本公开的方面，硬化剂或硬挺剂可与外套元件的其他材料共混以形成外套元件的复合材料。复合材料能够挤压并且可用来形成光纤电缆组件(包括具有增加的耐火性的缓冲管和/或电缆外套)的各种成分。

优选地，硬挺剂是有机地-反应性(即，有机(organo)反应性)硬挺剂。例如，有机硅化合物或有机磷化合物可用作在热量的影响下分解形成玻璃和/或陶瓷的有机的(organic)物质。由于玻璃或陶瓷在选择的有机的硬挺剂由火灾引发的热量加热时被生成，可形成例如二氧化硅或氧化磷。

在燃烧的外套材料中用作硬挺剂、用于生成结构上增强的网的玻璃或陶瓷前体并不需要作为无机的组成部分被提供。有机的硬挺剂可以是有机的物质，所述有机的物质可改进光纤电缆护套的归因于在外套元件的未点燃的、原始状态中缺乏任何无机的材料的机械弹性和柔性。作为进一步的益处，由于有机的硬挺剂容易地与热塑性聚合物反应，因而相对较小数量(诸如少于外套材料的按重量计10％)的有机的硬挺剂就可满足要求。由于有机的硬挺剂，外套材料能够形成结构网络，所述结构网络向在加热和/或暴露在火灾下期间形成的网增强的泡沫提供刚性和机械稳定性，反之在室温下，在点燃之前，外套元件的外套材料保持其弹性。

图1示出在横向于电缆轴向方向的方向上呈横截面图的常规的光纤电缆。光纤电缆10包括多根光纤15。光纤15由至少一个外套元件20包围；例如像由缓冲管5和/或电缆外套25包围。根据本公开的方面，十二根光纤15可被布置在相应的缓冲管5中并且由所述相应的缓冲管5包围，并且多个(六个)缓冲管可由电缆外套25包围。在缓冲管5之间，用于抵抗张力而机械地使电缆稳定(尤其在轴向方向上)的加强元件18可被提供在光纤电缆10的中心处。外套元件20的外套材料21可以是化合物主体1，所述化合物主体1是由挤压过程得到的挤压物的复合材料。

当如图1所描绘的光纤电缆10暴露在建筑内的火灾或引发的热量下时，外套元件20的材料首先被暴露在热量和/或火焰下。根据本公开的方面，外套元件20的材料21可被设计成使得它更加容易地阻挡热量和/或防止火灾接近电缆核心。由于膨胀材料，外套材料21形成碳质刚性泡沫。在外套材料21的最接近于环境大气的那些区域中，具体在外套元件的外部圆周表面处，来自环境空气的氧气穿过泡沫，从而形成炭泡沫的炭泡沫层。同时，膨胀添加剂分解并且由此释放使碳质炭膨大的气体。此外，根据本公开的方面，硬挺剂与碳质炭反应并且转化成玻璃和/或陶瓷材料，由此形成用于机械地使碳质泡沫和/或炭泡沫层稳定的三维的结构上增强的网。由于结构上增强的网因此形成，膨大的泡沫在膨大之后保持其性质，即使在火灾引发的狂风存在的情况下或在其他机械影响存在的情况下。例如，由泡沫形成的、由玻璃或陶瓷材料支撑的结构上增强的网可不再被由消防设施喷洒的水冲洗掉。

图2示出外套元件20的靠近其外部表面1a的区域的截面图。外套元件20(其例如可以是缓冲管5或电缆外套25)可作为化合物主体1(诸如挤压物)被形成。由图2中直的上部线表示的外部表面1a例如可以是圆柱形圆周表面的一部分。沿外套元件20的轴向方向(图2中水平地)延伸的虚线指示电缆外套25或缓冲管5的圆周外部表面1的最初的径向位置。

图3示意性地示出在火灾引发的热量存在的情况下图2的外套材料21的转变。由于在外套材料21中包括的膨胀成分，在靠近外部表面1a的区域中，外套材料21归因于包含气体6的碳质泡沫17的形成而开始膨大。膨胀成分是当加热时能够释放气体6的发泡剂或起泡剂。由于气体被截留在加热的外套材料21中，外套材料21的体积增加并且因此在径向外侧方向上膨大，因此迫使任何火焰和/或热量远离光纤电缆的核心并且因此使管状元件20的任何穿孔或泄漏密封。

图3示出外套元件20的膨大的外套材料21的热量引发的转变的中间状态。图3中的水平虚线指示如图2中所示的外套元件21的圆周外部表面1a的初始位置。从图3明显看出，转变的外套材料21的圆周表面已经膨大超过其最初的位置并且将要进一步膨大。最后的膨大系数(在图3中尚未实现)可例如总计达初始的、未转化的外套材料的体积的30倍或甚至更大。

如从图3中进一步明显看出，膨胀面8存在于外套材料内侧，所述膨胀面8移动远离未转化的外套材料21在其中开始燃烧和/或膨大的内部燃烧面9。侧向地在燃烧面9外侧，碳质泡沫17因此被形成，由膨胀材料12释放的气体6被截留在所述碳质泡沫17中。此外，在外套材料的靠近光纤电缆的外面的那些区域中，外套材料暴露在来自环境空气的氧气下，因此在外套元件20的径向最外区域中形成炭泡沫22的层。在这个区域中，来自周围大气的氧气被包含在炭泡沫22中。

复合的外套材料21被选择成使得由于在复合外套材料21中借助于硬挺剂共同生成玻璃或陶瓷的网，碳质泡沫17或区域中最靠近光学电缆的膨大的外部圆周的至少炭泡沫22被机械地或结构增强。因此，泡沫17、22被呈现成对外部机械影响(诸如狂风、与喷洒的或溢出的水的接触或与其他物体的机械接触)具有持久性。即使在这类影响存在的情况下，外套材料的膨大的和增强的泡沫17、22将保留其形状，由此防止并且密封膨大的保护层中的并且由硬挺的泡沫形成的任何泄漏，因此可靠地保护了电缆核心以免被点燃。提供有这种新型复合外套材料21的光纤电缆10被呈现是耐火的或甚至是可自动灭火的。

图4示意性地示出组成外套材料21的第一示例性材料。外套材料21可以是包括三种组成部分a、b、c的化合物材料。这些组成部分可以是主要组成部分或可替代地，可与另外组成部分化合。就数量而言，这些组成部分a、b、c都不需要是主要组成部分。然而，至少这些三种组成部分被提供在图4中所示的外套材料21中。根据图4，外套材料21包括热塑性聚合物11(作为第一组成部分a)，所述塑性聚合物11充当用于生成碳质泡沫17的碳源并且之后吸收炭泡沫22的碳质含氧层的来自环境空气的氧气。作为热塑性聚合物11，例如，可使用聚烯烃、聚氨酯或工程塑料(诸如对苯二甲酸聚丁二烯(pbt))。热塑性聚合物的另外的实例是聚丁二烯、聚酯、聚丙烯或聚乙烯。根据关于希望的挤压温度的需要，具体的聚合物材料可被选择用于形成构成外套元件20的挤压物或化合物主体1。替代工程塑料，聚烯烃或聚氨酯可被用作热塑性聚合物。此外，这些的共混物或混合物可用作热塑性聚合物。

作为第二组成部分b，外套材料21包括膨胀材料12或成分。膨胀材料12在被加热时是膨胀的或起泡的，因此释放气体并且形成泡沫。作为膨胀12，可使用可膨大石墨。可膨大石墨通过处理石墨使得它吸收大量的插层分子来获得。正常地，将硫酸插入石墨中。替代可膨大石墨，外套材料21可包括例如采用氮与磷之间的协同作用的另一种膨胀添加剂。包含磷和氮的物质的组合可被选择为膨胀材料12以便能够在热量的影响下释放氮基气体(即，包含氮气的气体)。

膨胀材料12例如可包括含量在23％与25％之间的磷和/或含量在18％与20％之间的氮。膨胀材料12的堆密度例如可处于0.4g/cm3与0.8g/cm3之间的范围中，优选大约0.6g/cm3。作为膨胀材料，例如可使用exolitop765(clariant)或budit3167(budenheim)。

作为第三组成部分c，外套材料21可包括能够在热量的影响下分解形成玻璃和/或陶瓷无机的材料的硬挺剂13。一旦由于外套材料在火灾引发的热量的影响下膨大而形成泡沫17、22，硬挺剂13就用来使所述泡沫17、22硬挺(也就是硬化)。硬挺剂13优选有机地反应性(即，有机反应性)硬挺剂，从而消除向外套材料21添加无机的材料10的需要。因此，由于除了由于火灾之外，有机硬挺剂不会转化成无机的物质(陶瓷或玻璃)，因而电缆外套25或缓冲管5的弹性和柔性不会受硬挺剂13的妨碍。例如，用作缓冲剂13的有机的物质可以是用于形成二氧化硅的有机硅化合物(诸如硅氧烷)。可替代地，硬挺剂可以是用于在分解时形成包含磷的玻璃和/或陶瓷的有机磷化合物。例如，可使用氧化磷(pxoy)的有机的前体。

以原始复合外套材料21包含这些三种成分a、b、c开始，图4示意性地示出了在火灾情景下其随时间的推移发生的转变。随着增加的时间t并且因此随着增加的温度t，膨胀材料12开始生成气体6。热塑性聚合物11、膨胀成分和气体因此形成碳质泡沫17。在外套元件20的最暴露在电缆外侧的环境空气下的最外侧区域中，来自空气的氧气由碳质泡沫17吸收25，因此从而形成炭泡沫22层。由于气体6被截留在其中，碳质泡沫17和炭泡沫22向电缆核心提供热绝缘。例如由膨胀材料12释放的气体6可以是氮气、氨气或氧气。由于膨胀材料12被提供在其中，加热的外套材料的膨大系数可高达外套材料的最初体积的30倍或更多倍。因此，转变的、膨大的外套材料的密度可以是其最初密度的1/30或甚至更少。

任选地，如由图4中的虚线所指示，膨胀材料12可被选择成使得它在释放气体6时或之前进一步生成催化剂14从而促进形成炭泡沫22。形成的催化剂14从而具体地可以是无机的酸，诸如磷基酸。例如，次磷酸酯、磷化物、膦酸酯或次磷酸铝或另一种包含磷的材料可作为催化剂的前体材料被形成和/或采用。

随着时间的推移，也就是如图4中指示随着上升的温度，硬挺剂13(即，第三组成部分c)可被转化成或至少部分地被转化成玻璃或陶瓷。玻璃3或陶瓷4是否被形成取决于温度上升、火灾和/或热量的冲击的持续时间以及取决于选择的特定类型的硬挺剂13。优选地，硬挺剂13可以是有机的物质，因此从而保留了外套元件20的弹性直到当实际的火灾事故发生时，玻璃形成和/或陶瓷形成开始逐步形成。

由于玻璃3和/或陶瓷材料4的形成，碳质泡沫17和/或炭泡沫22的结构被增强，因此从而在外套元件20的玻璃形成和/或陶瓷化在其中已经发生的那些区域中获得结构上增强的网23。一旦玻璃转化的或陶瓷化的结构上增强的网23在外套材料21中形成，外套材料21就太硬或太耐久以至于不能被机械力(诸如与其他物体接触)从电缆核心移除，扭曲或移位。另外，外套材料21可不再被火灾引发的风吹走或被水的冲击冲洗掉。因此，由于在外套材料21中形成的陶瓷或玻璃的结构上增强的网23，外套材料21在碳质泡沫17和尤其炭泡沫22已经生成的至少那些区域中被硬化或硬挺。尽管如下情形：现在结构上增强的外套材料20是低密度的泡沫，但是由于玻璃成分或陶瓷成分在其中形成，外套材料被机械地增强。

图5根据本公开的又一其他方面示意性地示出外套材料21的另一个示例性材料组成。与图4相反，图5示出催化剂14或催化剂前体，所述催化剂14或催化剂前体可作为第四成分d在外套材料21的原始材料组成中被提供，而不是仅在发生火灾的情况下当膨胀材料12转化成泡沫时形成。因此，形成碳质泡沫17的催化作用将在火灾演化期间在时间上更早地(即，在较低温度t处)开始。图5中另外的过程类似于上文描述的图4中的那些过程。附图仅是示意性的。具体地，由箭头指示的反应将实际上相互作用并且在时间上(也就是在温度增加期间)重叠。此外，单独的转换步骤或转变步骤的进程取决于所考虑的外套元件的局部区域的位置(参见图2和图3)，包括外套元件距电缆核心的径向距离并且尤其距圆周外部表面1a的距离。

在此外没有另外的组成部分存在的情况下，外套材料21可排外地分别由图4或图5中所示的那些组成部分组成。外套材料21可包括含量在60％与90％之间的热塑性聚合物11。外套材料21可包括含量在10％与30％之间(优选20％至30％之间)的膨胀材料12。外套材料21还可包括含量在1％与10％之间(优选2％至5％之间)的硬挺剂13。如本文中所公开，材料组成中的单独的成分或化合物的所有的数值和比例范围是重量百分比。上述数值范围可适用于具有或不具有另外的组成部分的外套材料组成。

作为任选地包含在图4或图5的外套材料中的另外的成分，例如，烟雾抑制剂(诸如硼酸盐)可被提供。烟雾抑制剂可以按重量计计5％与10％之间的量提供。

上文描述的外套材料组成21可用于形成电缆外套25和/或缓冲管5。例如，包围电缆核心的电缆外套25可由外套材料21形成。例如，电缆外套25可具有2mm与20mm之间的横截面直径和0.1mm与3mm之间的厚度。可替代地，缓冲管可由外套材料21形成。

相应的外套元件20的外套材料21优选是挤压物，所述挤压物是塑料挤压过程的产物，在所述塑料挤压过程中用于在图5的情况下外套材料21的成分a、b、c和d以及任何另外的成分借助于挤压机被混合和挤压。由此，硬挺剂13可作为粉末或作为球粒被化合并且与热塑性聚合物11、膨胀材料12和任何另外的任选成分组合。

任何常规的塑料挤压化合器可用于将聚合物基质、膨胀添加剂和陶瓷前驱体或玻璃前驱体一起混合在一起。挤压机的荷载可被选择处于20％与40％之间。例如，可使用同向旋转的双螺杆挤压机(诸如tex28v)，所述同向旋转的双螺杆挤压机具有十二个块和十一个区并且具有28mm的螺杆直径和42mm的长度。具有同向旋转气缸和28mm直径的双螺杆侧向进料器可用来将不同的添加剂(其例如可以是粉末或球粒的形式)进料至挤压机中。优选地，添加剂(例如，膨胀材料12和硬挺剂13)在被进料至挤压机中之前被预混合。它们可作为球粒材料以300rpm被进料至挤压机中，因此从而产生在30％与50％之间变化的转矩百分比。例如，进料速率针对球粒(组成部分a)可被选择为2kg/h，并且针对粉末添加剂(组成部分b)可被选择为1.33kg/h。包括外套材料21的化合的组成部分的最后的挤压物可在水冷却池中被冷却，并且可应用真空泵以便在使用钢绞线切割器将挤压物切粒之前将水从挤压物移除。关于桶状温度分布，挤压机温度分布可例如在区1和区2中被选择成150℃并且在区3至10中被选择为190℃，并且在挤压机出口处染料最终为180℃。这些数值仅是示例性的；挤压机温度可以是不同的并且可取决于使用的热塑性聚合物来选择。

在下文，关于示例性外套材料的可燃性特性的一些测试结果参考图6至图8进行描述。外套材料21可包括热塑性聚合物、膨胀试剂和硬挺剂。作为膨胀材料12，可使用op765(clariant的注册商标)，所述op包括含量在23％与25％之间的磷和含量在18％与20％之间的氮，因此采用磷和氮协同作用。使用的膨胀材料12的堆密度是0.6g/cm3。作为热塑性聚合物，使用聚丙烯，并且作为硬挺剂，使用有机地反应性硅氧烷。复合外套材料包括除热塑性聚合物11作为主要组成部分之外，30％的膨胀材料12和5％的硬挺剂。作为另外的组成部分，5％的硼酸锌被包含在外套材料中，从而充当烟雾抑制剂。根据本公开的方面，上述组成仅是示例性的；作为其他热塑性聚合物，可类似地使用有机反应性硬挺剂和/或膨胀材料。

可燃性特性按照ul-94测试协议通过使用竖直地安装的具有12mm×3mm×127mm尺寸的样本进行测试。

当在测试样本的下端处暴露在1kw本生焰的第一应用下十秒时，陶瓷化配方(即，外套材料21的陶瓷的混合物)立即自动熄灭并且不会沿样本传播。在第二火焰应用持续另一个十秒之后，自熄再次发生。根据ul-94协议，陶瓷化配制品被等级分类成v-0。仅在第三另外的火焰应用持续90秒之后，样本点燃。然而，火焰在仅七秒之后再次熄灭。外套材料的测试样本通过ul-94测试，从而有资格称为v-0。在火焰展出期间，致密的自动熄灭的泡沫炭在外套元件样品的表面上形成而不会进一步传播火灾。可在整个测试期间观察到无烟雾产生。根据锥形量热计测量值(iso5660)通过使用水平地固定在样品保持器上的100mm×100mm×3mm的正方形样品测试外套材料在受力的火灾条件下的可燃性特性。当暴露在升高的温度下时，在50kw/m2的辐射下，示出可燃性特性的外套材料21在下文描述并且在图6和图7中描绘。

在图6和图7中，描绘了随时间的推移针对上述外套材料21的配制品测量的热量释放速率(hrr)。另外，如图6中所示，示出了这一类外套材料21的总热量释放(随时间的推移集成的)。在图7中，出于比较，示出两种商业上高的耐燃的外套材料(58140，teknorapex的商标产品和6650，condorcompounds的商标产品)的热量释放速率测量值的测试结果。

如图6和图7所示，本申请的上述外套材料21达到了低于80kw/m2的非常低的热量释放峰值，其指示强的防火剂效果。与标准的聚烯烃化合物(并且聚烯烃hrr或phrr处于1400kwm-2到1800kwm-2的范围中)相比较，可测量到热量释放速率(hrr)减少了多于95％。与标准的聚烯烃基化合物相比较，总热量释放(thr)降低了80％，因此从而证实了在所测试的外套材料21燃烧期间总火灾荷载和/或火灾风险被有效降低，所测试的外套材料21包括组合的磷-氮基的膨胀添加剂以及陶瓷前驱体添加剂。膨胀添加剂在燃烧的第一阶段期间已经开始发泡，从而在材料的顶部建立了阻挡层，因此提供了良好的保护以抵抗火灾传播。相对小量的陶瓷前驱体基化合物帮助使膨胀炭交联，因此从而创建强的三维交联网。燃烧在400秒内停止。最后，由于形成具有紧密内部结构的致密的且稳定的炭，烟雾产生被显著减少，因此从而防止燃料分子扩散成气相。

将外套材料21的测试样品的防火性能与用于电缆外套应用的两种最先的但常规的、可商购获得的防火剂、非腐蚀性材料进行比较。结果显示于图7和图8中。图7示出热量释放速率(hrr)并且图8示出总烟雾产生量(tsp)。与常规地可获得的产品58140和6650相比较，根据上文配制品的外套材料21的测试样品的结果被示出。从图7和图8明显看出，测试样品示出出热量释放速率hrr(图7)的量显著降低，低于常规的配制品的约50％，并且总烟雾产生量tsp(图8)减少多于50％，尤其在250秒之后及稍后的时间。因此，当使用本申请的外套材料时，外套材料(诸如缓冲管和电缆外套)的可燃性特性得到了显著改进，所述本申请的外套材料包括硬挺剂(具体地有机的硬挺剂)，其作为玻璃前体或陶瓷前驱体前体，与热塑性聚合物和膨胀材料组合。

优选地，外套材料21及其所有的组成部分是非卤化的；因此对人类是无毒的。优选地，光纤电缆是户内电缆。