光纤电缆元件和包括其的光纤电缆构造的制作方法

本发明涉及一种光纤电缆元件并且涉及一种包括光纤电缆元件的光纤电缆构造。

光纤电缆元件通常包括管和被该管包覆的一根或多根光纤，即该一根或多根光纤在该管的中空空间内。此类管通常被称为缓冲管。光纤电缆构造通常包括护套和被护套包覆的若干光纤电缆元件。取决于光纤电缆构造的目标功能和容量，光纤电缆构造可包括一个或多个光纤电缆元件，通常从一个直至且包括12个，而每个光纤电缆元件内的光纤的数目通常也从1个直至且包括12个变化。缓冲管可以是宽松的管、紧密的管或半紧密的管(或半宽松的管或松紧的管)。在宽松的管中，光纤可以在由该管限制的空间内移动。在紧密的缓冲管中，光纤完全无法移动。在半紧密的管中，光纤具有有限的运动可能性。

往往用于光纤电缆构造中的部件的材料是用于光纤的透明塑料纤维或玻璃纤维，以及用于缓冲管的热塑性聚合物，诸如聚碳酸酯(pc)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)。护套可以例如由热塑性塑料(例如hdpe、tpu、pvc或聚酰胺-12)制成。它具有保护以免受外部环境影响的功能，并且通常不包括增强部件。光纤电缆元件还可包括在光纤上的涂层，以及任选地在缓冲管内部的触变凝胶。

由光纤电缆构造所任选地包括的其他部件包括一个或多个强度构件、充填管、在缓冲管之间的充溢凝胶(floodinggel)、剥离绳(ripcord)、阻水系统、内片，以及捆扎在一根或多根光纤电缆元件周围的一个或多个条带构造，以及任选地在护套内部的强度构件和充填管。缓冲管与充填管之间的充溢凝胶应保护电缆芯免受水渗透。强度构件可以由例如芳香族聚酰胺纤维、高分子量聚乙烯纤维和其他高强度纤维或纤维增强塑料、金属网、金属丝和条带制成，而对于充填管，可以使用由例如聚乙烯或聚丙烯制成的中空管。

光纤电缆构造的一般目标是增加给定的可用空间内的传输容量，或者在减少空间需求的同时保持高容量，以及同时在各种条件下保持性能完整性。换句话说，尺寸应减小，并保留功能性，同时应限制由于机械应力和环境应力而导致的信号损失或信号衰减。较小的尺寸不仅需要较小的空间，而且还可允许降低的安装成本和管道租赁成本，尤其是在人口密集的家庭环境中。

当前的光纤电缆构造的问题是，用pbt或pc制成的缓冲管的尺寸减小是危险的并且在各种条件下(例如在发生温度变化的条件下或在光纤电缆构造暴露于安装中所使用的清洁溶剂以在切割后从光纤元件上去除触变凝胶的条件下)导致信号损失。常用于光纤电缆的清洁溶剂包括高浓度的异丙醇、丙酮或乙醇。

本发明的目的是提供不会表现出上述问题或表现出较小程度的上述问题的光纤电缆构造和可用于所述光纤电缆构造中的光纤电缆元件。同时，应保持良好的可安装性，换句话说允许良好的剥离、清洁和拼接。

已经用根据本发明的光纤电缆元件和用包括该光纤电缆元件的光纤电缆构造实现了该目的。根据本发明的光纤电缆元件包括管和在该管的中空空间内的一根或多根光纤，其中该管由半结晶半芳香族聚酰胺制成或由包含该半结晶半芳香族聚酰胺和至少一种其他组分的组合物制成，并且其中该半结晶半芳香族聚酰胺

-具有为至少100℃的玻璃化转变温度(tg)，并且

-由衍生自二胺、二羧酸以及相对于二胺、二羧酸和其他聚酰胺形成单体的总摩尔量的0-5摩尔％的其他聚酰胺形成单体的重复单元组成，

-并且至少55摩尔％的二羧酸是芳香族二羧酸。

在此，玻璃化转变温度(tg)是通过根据iso-11357-1/2,2011的方法以20℃/min的加热和冷却速率测量的。

根据本发明的光纤电缆元件的效果在于，与pbt和pc相比，该管(在此还进一步称为缓冲管)具有信号传输保持、机械应力抗性、环境应力抗性和耐溶剂性的更好组合，并且另选地可设计成具有更小的尺寸，即具有更小的壁厚，并且最终具有更小的外径和更小的内径，同时保持良好的机械应力抗性、良好的环境应力抗性和良好的耐溶剂性。用下面进一步显示的示例说明了该效果。

在本文中半结晶聚酰胺被理解为该聚酰胺是具有以玻璃化转变温度(tg)为特征的无定形域和以熔融温度(tm)为特征的结晶域的热塑性聚合物。

更具体地，用于根据本发明的光纤电缆元件的管中的半结晶半芳香族聚酰胺的玻璃化转变温度(tg)为至少100℃，优选地至少110℃，更优选地至少120℃。在本文中，玻璃化转变温度(tg)是通过根据iso-11357-1/2,2011的差示扫描量热(dsc)方法在n2气氛中以20℃/min的加热和冷却速率在预干燥的样品上测量的。在本文中，tg是根据母热曲线(parentthermalcurve)的一阶导数(关于温度)的峰处的值计算的，该峰对应于第二加热循环中的母热曲线的拐点。

同样优选地，半结晶半芳香族聚酰胺的熔融温度(tm)为至少240℃，更优选地至少270℃。在本文中，熔融温度是通过根据iso-11357-1/3,2011的dsc方法在n2气氛中以20℃/min的加热和冷却速率在预干燥的样品上测量的。在本文中，tm是根据第二加热循环中的最高熔融峰的峰值计算的。

半结晶半芳香族聚酰胺合适地具有至少20j/g，优选地至少30j/g，并且更优选地至少40j/g的熔化焓(△hm)。在本文中，熔化焓(△hm)是通过根据iso-11357-1/3,2011的dsc方法在n2气氛中以20℃/min的加热和冷却速率在预干燥的样品上测量的。在本文中，△hm是根据第二加热循环中的熔融峰下的表面计算的。

本文将半芳香族聚酰胺理解为包含衍生自芳香族单体(即包含芳香族基团或主链的单体)和脂肪族单体(即包含脂肪族主链的单体)的重复单元的聚酰胺。在本文中，包含芳香族主链的单体可以是例如芳香族二羧酸、或芳香族二胺、或芳基烷基二胺，或它们的任何组合。

在根据本发明的光纤电缆元件中使用的半结晶半芳香族聚酰胺包含衍生自基本上由二羧酸和二胺组成的单体的重复单元。在本文中，相对于二羧酸的总摩尔量，该二羧酸包含至少55摩尔％的芳香族二羧酸。

该半结晶半芳香族聚酰胺可包含衍生自除二羧酸和二胺以外的聚酰胺形成单体的其它重复单元；所述除二羧酸和二胺以外的聚酰胺形成单体为例如单官能羧酸、三官能羧酸、单官能胺和三官能胺、环状内酰胺和α,ω-氨基酸，以及它们的组合。然而，相对于半结晶半芳香族聚酰胺中衍生为重复单元的单体的总摩尔量，即相对于二胺、二羧酸和其他聚酰胺形成单体的总摩尔量，该其他单体的摩尔量应保持限于0-5摩尔％，优选地在0-2.5摩尔％的范围内，更优选地在0-1摩尔％的范围内。

在本发明的一个优选实施方式中，半结晶半芳香族聚酰胺包含衍生自二羧酸和二胺的重复单元，其中所述二羧酸包含至少65摩尔％，优选地至少75摩尔％，更优选地90-100摩尔％的芳香族二羧酸。摩尔百分比(摩尔％)为相对于二羧酸的总摩尔量。在本文中，二羧酸可包含少量的脂肪族二羧酸，最高至并且包括35摩尔％，优选地至多25摩尔％，甚至更优选地至多10摩尔％。最优选地，相对于二羧酸的总摩尔量，脂肪族二羧酸以0-2.5摩尔％的量存在(如果有的话)。

芳香族二羧酸合适地选自对苯二甲酸、4,4'-联苯二羧酸和萘二甲酸，或它们的任意混合物，或它们中的一种或多种与间苯二甲酸的组合。在本文中，间苯二甲酸的量保持足够低以保持半结晶半芳香族聚酰胺的半结晶特性。合适地，相对于二羧酸的总摩尔量，半结晶半芳香族聚酰胺包含至多40摩尔％，优选地至多30摩尔％，更优选地至多20摩尔％的间苯二甲酸。同样，优选地，二羧酸包括量为相对于二羧酸的总摩尔量的至少50摩尔％，更优选地至少60摩尔％，甚至更优选地至少70摩尔％，并且最优选地至少80摩尔％的对苯二甲酸和/或萘二甲酸。其优点是光纤电缆构造和其中的缓冲管的环境应力抗性更好。

二胺合适地包括脂肪族二胺，以及任选地除了脂肪族二胺还包括芳香族二胺。脂肪族二胺合适地包括直链脂肪族二胺，并且还可任选地包括支链脂肪族二胺和/或环状脂肪族二胺。芳香族二胺、直链脂肪族二胺和支链和/或环状脂肪族二胺的量被选择为使得半结晶半芳香族聚酰胺的半结晶特性得以保留。优选地，相对于二胺的总摩尔量，该二胺包含至少50摩尔％，更优选地至少60摩尔％，还更优选地至少75摩尔％的直链脂肪族二胺。其优点是更好地保持了光纤电缆构造和其中的缓冲管的机械完整性。

直链二胺的示例是1,2-乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-五亚甲基二胺、1,6-六亚甲基二胺、1,7-七亚甲基二胺、1,8-八亚甲基二胺、1,9-壬二胺、1,10-癸二胺、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺和1,18-十八烷二胺。这些二胺是直链脂肪族c2-c18二胺。

支链脂肪族二胺的示例是2-甲基-五亚甲基二胺，2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、2,4,4-三甲基六亚甲基二胺和2-甲基-1,8-辛二胺。环状脂肪族二胺的示例是1,4-二氨基环己烷、4,4'-亚甲基-双(环己基胺)(pac)、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基环己基甲烷(mac)；3,3',5,5'-四甲基-4,4'-二氨基环己基甲烷；2,2',3,3'-四甲基-4,4'-二氨基环己基甲烷；降冰片烷二胺；以及异佛尔酮二胺(ipd)。

在一个具体的实施方式中，其中相对于二羧酸的总摩尔量，所述二羧酸包括至少95摩尔％的芳香族二羧酸，所述二羧酸包含至少60摩尔％的对苯二甲酸，并且相对于二胺的总摩尔量，所述二胺包含至少50摩尔％的直链脂肪族二胺，并且相对于所述二胺、二羧酸和其他物质的总量，有至多10摩尔％的其他单体组分(除二胺和二羧酸之外)。

在其一个优选的实施方式中，半结晶半芳香族聚酰胺包含相对于二羧酸的总摩尔量的60-100摩尔％的对苯二甲酸、0-40摩尔％的间苯二甲酸和0-2.5摩尔％的另一种二羧酸，以及相对于二胺的总摩尔量的60-100摩尔％的直链脂肪族c4-c6二胺、0-40摩尔％的直链脂肪族c7-c12二胺和0-10摩尔％的另一种二胺。

在其另一优选实施方式中，半芳香族聚酰胺包含相对于二羧酸的总摩尔量的10-35摩尔％的间苯二甲酸和65-90摩尔％的对苯二甲酸，相对于二胺的总摩尔量的75摩尔％的直链脂肪族二胺，以及相对于二胺和二羧酸以及其他物质的总量的至多2.5摩尔％的其他单体组分(除二胺和二羧酸之外)。该实施方式的优点在于，使用以所述量存在的间苯二甲酸与对苯二甲酸的存在的组合时，光纤电缆构造和其中的缓冲管的延展性和环境应力抗性更好，同时允许调节挤出条件和施加更低的挤出温度，从而导致更稳定的挤出过程。

合适的聚酰胺的示例是基于对苯二甲酸(t)的均聚酰胺，例如pa-5t、pa-7t、pa-8t、pa-9t、pa-10t、pa-11t、pa-12t；以及基于萘二甲酸的均聚酰胺，例如pa-8n、pa-9n、pa10和pa-12n，以及它们的共聚物。其他示例是由表达式pa-xt/yt表示的共聚酰胺，其中t是对苯二甲酸，并且x和y是选自直链脂肪族c4-c6二胺的两种或更多种二胺，或选自直链脂肪族c4-c6的一种或多种二胺和选自直链c7-c18二胺的一种或多种二胺。其他合适的聚酰胺是由表达式pa-xt/xi表示的共聚酰胺，其中t是对苯二甲酸并且i是间苯二甲酸，并且x代表包括选自直链c4-c12二胺的至少一种二胺的一种或多种二胺。

在根据本发明的光纤电缆元件中的缓冲管中的半结晶半芳香族聚酰胺合适地具有至少80，优选地至少85，并且更优选地至至少90的粘度值(vn)。在本文中通过根据iso307，第四版的方法在25℃下在0.005g/ml的聚合物浓度下在96％硫酸中测量vn。较高的vn的优点是包括所述光纤电缆元件的光纤电缆构造具有甚至更好的环境应力因素抗性。粘度值可以高达200或甚至更高，但优选地为至多160。在vn大于200时，挤出压力变得非常高并且结晶速率非常缓慢。

光纤电缆元件中的管可以由半结晶半芳香族聚酰胺组成，或者由包含半结晶半芳香族聚酰胺和至少一种其他组分的聚合物组合物制成。合适地，该组合物包含选自以下的至少一种组分：润滑剂、着色剂、成核剂、阻燃剂和稳定剂，以及可用于光纤缓冲管的聚合物组合物中的任何其他辅助添加剂。可能存在但是量有限的其他组分包括其他聚合物、[例如冲击改性剂]、纤维状增强剂和无机填充剂。

同样合适地，该组合物由至少60重量％的半结晶半芳香族聚酰胺、0-35重量％的一种或多种其他聚合物、0-40重量％的纤维状增强剂(例如芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和其他纤维状增强剂)或无机填充剂(例如滑石、云母、高岭土、硅灰石、蒙脱石、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化硅、氧化锌、氧化铝、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、玻璃薄片、玻璃球、中空玻璃球)或它们的组合，以及0-20重量％的一种或多种其他组分组成。

优选地，该组合物由至少75重量％的半结晶半芳香族聚酰胺、0-20重量％的一种或多种其他聚合物、0-20重量％的纤维状增强剂或无机填充剂或它们的组合，以及0-10重量％的一种或多种其他组分组成。

更优选地，该组合物由至少85重量％的半结晶半芳香族聚酰胺、0-10重量％的一种或多种其他聚合物、0-10重量％的纤维状增强剂或无机填充剂或它们的组合，以及0-10重量％的一种或多种其他组分组成。

优选地，组合物中的所述一种或多种其他组分优选地包含选自润滑剂、着色剂、成核剂、阻燃剂和稳定剂的一种或多种组分。

光纤电缆元件中的管可以是宽松的(loose)管、紧密的(tight)管或半宽松的管[也称为半紧密的管或松紧的管]。优选地，该管是宽松的管，该管内部的中空空间至少部分地填充有触变凝胶。该管是至少部分地填充有触变凝胶的宽松的管的优点是施加在光纤上的力较小并且因此信号完整性优异。触变凝胶允许纤维在管中移动并阻止水与光纤接触。

根据本发明的光纤电缆元件和光纤电缆构造中的光纤适当地由玻璃纤维组成。也可以使用由适用于光学数据传输的其他材料制成的纤维。光纤电缆元件中的光纤数目适当地为1至12的整数。光纤可包括涂层。适当地，光纤电缆元件中的每根光纤都具有不同颜色的涂层。

由半结晶半芳香族聚酰胺组成或由根据本发明的组合物制成的缓冲管允许应用较小的尺寸。适当地，缓冲管的壁厚为至多0.40mm，优选地至多0.30mm，更优选地至多0.20mm。壁厚可以很好地在0.1-0.175mm的范围内。缓冲管的内径合适地为至多1.75mm，优选地至多1.6mm，更优选地至多1.5mm，并且最优选地至多1.4mm。缓冲管的外径可为约2.2mm和更大，但是优选地，该外径为至多2.15mm，更优选地至多2.0mm，甚至更优选地至多1.75mm，并且最优选地至多1.6mm。

根据本发明的光纤电缆元件可以通过以下方法来制造，其中在一根或多根光纤周围通过半结晶半芳香族聚酰胺的熔融挤出，或者通过包含半结晶半芳香族聚酰胺和至少一种其他组分的组合物的熔融挤出来制造缓冲管。光纤可任选地已浸渍有触变凝胶。在熔融挤出步骤之前已经进行了合适的浸渍。

本发明还涉及一种生产光纤电缆元件的方法。在本文中，将如上定义的半结晶半芳香族聚酰胺或聚合物组合物在一根或多根光纤周围挤出。这些光纤可任选地已浸渍有触变凝胶。在该方法中，由半结晶半芳香族聚酰胺或由包含该半结晶半芳香族聚酰胺的组合物形成缓冲管。在通过挤出生产出光纤电缆元件之后，将该光纤电缆元件适当地缠绕在线轴上。也可以将该光纤电缆元件包装和密封，优选地在缠绕在线轴上之后进行包装和密封，这有利于在不出现问题的情况下进一步组装成光纤电缆构造或该光纤电缆构造在最终应用环境中进行安装。

本发明还涉及一种光纤电缆构造，该光纤电缆构造包括护套和被该护套包覆的一个或多个光纤电缆元件。在根据本发明的光纤电缆构造中，至少一个光学元件是如上所述的根据本发明的光学元件。光纤电缆构造还可包括其他部件。任选存在的此类其他部件可以例如选自一个或多个强度构件、充填管、充溢凝胶和/或条带。强度构件可以由例如芳香族聚酰胺纤维或纤维增强塑料组成或包含例如芳香族聚酰胺纤维或纤维增强塑料。充填管可以是由聚乙烯或聚丙烯制成的空管。

用图1进一步解释了本发明。

图1示出了包括多个光纤电缆元件(2)的光纤电缆构造(1)的示意性横截面。在本文中，光纤电缆元件(2)总共有六个，每个包括缓冲管(3)和多根光纤(4)，每个光纤电缆元件(2)有12根光纤，并且光纤电缆构造(1)中总共有72根光纤(4)。图1中的光纤电缆构造(1)还包括护套(5)和强度构件(6)。在如所示的构造中，强度构件还可以用充填管(6)代替。当缓冲管(3)中的至少一个由半结晶半芳香族聚酰胺组成或由根据本发明的组合物制成时，所示的构造代表本发明。

通过以下实施例和对比实验进一步说明了本发明。

在各种实施例(ex)和对比实验(ce)中使用的热塑性聚合物材料。

ce-apc：markrolonet3113，聚碳酸酯；来自covestro。

ce-bpbt：celanex2001，聚对苯二甲酸丁二醇酯；来自celanese。

ce-cpa-46：聚酰胺-46/6(95/5)，vn＝220；来自dsm。

ce-dappa：trogamidt5000，聚酰胺-6-3t(6-3＝2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、2,4,4-三甲基六亚甲基二胺、无定形半芳香族聚酰胺的混合物)；来自evonik。

ex-ippa-i：聚酰胺-9t/xt比率为85/15(x＝2-me-八亚甲基二胺，vn＝110；半结晶半芳香族聚酰胺)；来自kuraray。

ex-iippa-iipa-4t/6t/6i(22/54/24)vn＝100；半结晶半芳香族聚酰胺；来自dsm。

测试样品的成型

使用配备有25mm螺杆的engel110注射成型机，根据527-1a将热塑性聚合物材料注射成型到测试棒的模具中。将温度设置选择为使得将所有样品以tmt20℃的熔融温度注入模具中，或者在聚碳酸酯和trogamidt5000的情况下以270℃的熔融温度注入模具中。除半结晶ppa的模具温度为130℃以外，所有聚合物的模具温度均为80℃。

光纤元件挤出：

在挤出之前将热塑性聚合物材料全部干燥。将样品在选定的温度设置下挤出，使得所有样品均在tmt15℃的熔融温度下挤出，或者在聚碳酸酯和trogamidt5000的情况下在270℃的熔融温度下挤出。使用伴随的凝胶注入将热塑性聚合物材料挤出在12根光纤的聚集体(总直径为200μm(微米)，每根：直径为100μm的光学玻璃纤维，具有围绕所述玻璃纤维的50μm厚的涂层)周围和该聚集体上。在将管和凝胶共挤出之后，将光纤元件在60℃的水浴中针对所有聚合物进行猝灭，在另一水浴中进一步冷却，在此之后去除附着的水，并缠绕在线轴上。将线轴上的管包装在铝制密封袋中，以防止在进一步分析之前的吸湿。管的外径为1.35mm并且内径为1.0mm。

测试方法

机械性质

在拉伸测试中根据iso527-1/2:2012在23℃的温度下以50mm/min的拉拔速度测量机械性质(拉伸模量[gpa]、拉伸强度[mpa]、断裂伸长率[％])。对于所述测试，使用符合527型1a的测试棒或去除了光学玻璃纤维的挤出管。

80℃下的收缩测试

对于收缩测试，在23℃下精确测量约1m的管长度(l1)。然后将管在80℃的烘箱中保存2小时，并且当冷却回23℃时再次测量精确的长度(l2)。80℃下的收缩率被定义为相对长度变化(％)＝100％×(l1-l2)/l1。

溶剂暴露测试

将管的10cm长区段浸入异丙醇中15分钟。在浸渍后，取出样品并进行评估以查看所述样品是否受到溶剂暴露的影响。接下来，用浸泡在异丙醇中的棉签将样品摩擦10次。再次检查样品的任何溶剂摩擦的影响。

温度循环测试

在长度为约3m(其中的1.5m缠绕在直径为10cm的线轴上)的光纤元件的一个区段上执行温度循环。光纤元件的如此缠绕在线轴(real)上的区段具有连接器。在将光纤元件安装至连接器时，通过用异丙醇摩擦拭将凝胶从光纤元件上去除。将连接器装置作为整体放置在热腔室内，并连接到位于该腔室外的光学测量设备。使样品经受重复的温度循环。使温度在-20℃与80℃之间循环，其中在每个结束温度下保持15分钟的时间并且温度变化率＝2℃/min。将该过程重复100个循环，总计13000分钟至9天(～9天)的总测试时间。在测试完成时，将温度恢复到23℃，并从腔室中取出连接器装置样品。

在开始(初始测量)时、贯穿测试以及结束(最终测量)时测量光衰减。因此，在整个测试过程中监测光透射率的变化。进行目视检查以确定任何损坏或其他异常情况。

报告每次测量的以下信息：

-测试期间的光透射率。当与初始值相比时，在整个测试期间在1310nm处的光损耗<1db时则合格。当与初始值相比时，在整个测试期间1310nm处的光损耗>1db时则不合格。

-外部目视检查的结果。如果未注意到明显变化，则合格。当缓冲管受损时则不合格。

表1.

具有由半结晶半芳香族聚酰胺ex-1和ex-ii制成的缓冲管的光纤元件在热循环测试后显示出低衰减(即，低传输损耗)，而包含pbt、pc、脂肪族聚酰胺-46和无定形聚酰胺-6-3t的比较例(ce-a至ce-d)在热循环测试后显示出高衰减。热循环测试后的目视检查还显示，具有由半结晶半芳香族聚酰胺ex-1和ex-ii制成的缓冲管的光纤元件具有完整的缓冲管，而比较例ce-a、ce-b和ce-d在连接器附近显示出破裂。

具有由半结晶半芳香族聚酰胺ex-1、ex-ii、ce-a、ce-b和ce-d制成的缓冲管的光纤元件具有低收缩率，而脂肪族聚酰胺-46具有不期望的高收缩率。

具有由半结晶半芳香族聚酰胺ex-1和ex-ii以及ce-c制成的缓冲管的光纤元件在在耐溶剂性测试后具有完整的缓冲管，而比较例ce-a、ce-b和ce-d则破裂。

根据本发明制造的光纤元件具有高强度和刚度，这给予了电缆构造设计者在电缆构造设计方面的灵活性并且例如允许使壁厚更薄，整个电缆构造可以更薄并且使用更少的牢固强度构件。此外，根据本发明的光纤元件可以更好地承受典型的安装工序和环境应力，并且如热循环测试所示具有更好的尺寸稳定性。