超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆及其在蝶形引入光缆中的应用

 摘要：本文简要介绍了超高模量聚乙烯纤维材料的性能，详细分析了超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆的弯曲性能、拉伸特性和简单识别方法；通过将超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆用作蝶形引入光缆的加强构件，验证了其在蝶形引入光缆中应用的可行性。

关键词：超高模量聚乙烯纤维，增强塑料杆；弯曲性能；拉伸强度；蝶形引入光缆

1.引言

近年来，随着国家政策性支持及光通信行业的深入发展，光缆作为最基础的传输媒介，也在不断面临技术升级和产品更新换代。特别是引入光缆，需要产品性能更高、成本更低、使用寿命更长、便于安装维护、敷设美观等条件。由于人们对高速网络信息传输的迫切需求，使得引入光缆及其组件产品应用越来越普及，用量逐年递增。其中，蝶形引入光缆因为重量轻、外径小、成本低、弯曲性能优，被大规模应用于光纤到户网络布线中。

目前，蝶形引入光缆中对称放置的两根非金属加强构件材料主要是玻璃纤维增强塑料杆（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）和芳纶增强塑料杆（Kevlar Fiber Reinforced Plastic，KFRP）。玻璃纤维增强塑料杆具有价格便宜、耐腐蚀、抗静电、机械强度高等优点。但是，其最小弯曲半径相对较大，模量相对较低，在实际使用中易折断、表面含有毛刺、耐磨性差等。芳纶增强塑料杆具有质量轻、耐酸碱、模量高等优点。但是，由于其价格昂贵，且材料来源主要依赖从国外限量的进口。一直以来，光缆生产厂家希望寻找到机械强度优、模量高、成本低的新型光缆非金属加强构件，来弥补KFRP和GFRP各自的不足，以满足光纤光缆市场需求。

本文将介绍一种新型非金属加强构件——超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber Reinforced Plastic，PFRP），通过对材料性能的分析和试用，验证了其在蝶形引入光缆中应用的可行性。

2.超高模量聚乙烯纤维简介

超高模量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优点与和碳纤维、芳纶纤维并称三大高性能纤维^[1]。超高模量聚乙烯纤维是上世纪七十年代后期，以白色粉末状超高分子量聚乙烯为原料，采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技术，成功制备的一种分子量超过百万的高性能纤维^[2]。

UHMWPE纤维具有良好的力学性能，是比强度最高的商业化纤维。它具有高模量、高能量吸收能力和抗冲击能力，比其它高性能纤维有更优越的耐磨性。同时，它还具有耐腐蚀性能，在酸碱溶液中强度不会降低，在海水中也不会溶胀和水解，并且具有抗紫外线和日光照射以及抗霉的能力。然而，UHMWPE纤维又具有以下几点不足：(1)由于聚乙烯的熔点只有150℃左右，不耐高温，所以不适宜在高温下使用；(2)UHMWPE纤维的抗蠕变能力较差，在持续受力作用下易发生形变，所以不适宜在持续受力的情况下使用；(3)因为其结构具有化学惰性，表面极性较低，与其它材料的粘合性能较差，所以用于复合材料制造难度较大。

由于超高模量聚乙烯纤维具有超高强度、超高模量、低密度、耐磨损、耐低温、耐紫外线、抗屏蔽、柔韧性好、冲击能量吸收高及耐强酸强碱化学腐蚀等众多的优异性能。目前，在海洋产业、军事装备、体育器械、航空航天、医疗建筑及通讯领域中发挥了举足轻重的作用。根据UHMWPE纤维当前在国内的广泛应用，已经制定有国家标准GB/T 29544-2013《超高分子量聚乙烯纤维》。

3.超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆性能分析

在蝶形引入光缆结构中，加强构件是以具有一定刚性的圆杆形式存在的，它在满足蝶形引入光缆拉伸特性的同时，也要起到一定的结构支撑作用。同样，超高模量聚乙烯材料用作蝶形引入光缆加强构件时，也是以圆形增强塑料杆的形式存在的，即超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆，是由超高模量聚乙烯纤维经过浸胶、固化等制成的非金属纤维增强塑料杆。

通常，人们在蝶形引入光缆中使用增强塑料杆时，首先主要考虑增强材料的弯曲性能、拉伸强度以及快速的识别方法。

3.1超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆弯曲性能

通信行业标准YD/T 1181.3-2002《光缆用非金属加强件的特性 第3部分：芳纶增强塑料杆》中，对芳纶增强塑料杆的最小弯曲半径规定为：在10倍试样本体直径时，表面无裂纹或毛刺、无弯折、不解体、手感光滑。为研究超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆的最小弯曲特性，按照以上标准要求，将超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆绕在直径为10mm的圆筒上（PFRP试样本体直径为0.5mm），如图1所示。

 

图1 超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆弯曲示意图

 

从图1中可以看出，绕在10mm圆筒上的PFRP表面无裂纹、无毛刺、且手感光滑，满足最小弯曲半径为10倍试样本体直径性能要求。

3.2超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆拉伸强度

对于新开发用于蝶形引入光缆的超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆，更重要的是考虑其拉伸强度是否能满足蝶形引入光缆拉伸性能要求。因此，根据YD/T 1181.3-2011《光缆用非金属加强件的特性 第3部分：芳纶增强塑料杆》中拉伸强度试验方法和要求，对随机抽取的5段超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆拉伸性能进行检测，拉伸试验曲线如图2所示，相应的数值见表1。

 

图2超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆拉伸试验曲线

 

从表1中可以看出，PFRP的平均拉伸强度为1965.4Mpa，平均拉伸弹性模量为80.7GPa。明显优于YD/T 1181.3-2011中要求的KFRP拉伸强度≥1600Mpa，拉伸弹性模量≥52GPa，及YD/T 1181.1-2002中要求的GFRP拉伸强度≥1100Mpa，拉伸弹性模量≥50GPa。

 

表1 超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆拉伸试验数值

 

试验过程中，根据芳纶增强塑料杆力学性能试验方法和YD/T 1181的要求，设定拉伸速率为5mm/min；其中，拉伸试验装置中试样两端采用圆弧式夹具固定，如图3所示。观察图中PFRP拉伸断裂面可以发现，断裂面处纤维不规则，呈现出松散状，且断裂面一端的PFRP发生了解体。以上现象表明PFRP已经发生了严重的塑性变形，且有形成网状纤化物的迹象，因而属于韧性断裂。

 

图3超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆拉伸试验示意图

 

3.3超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆识别方法

在日常蝶形引入光缆生产或使用过程中，若想要进行相应非金属加强构件种类（KFRP，GFRP和PFRP）的区分和确认，除了根据以上分析的弯曲性能和拉伸性能之外，还可通过燃烧试验法进行快速识别。

如图4所示，为三种不同非金属加强构件燃烧后的残留物。其中，（a）图中KFRP燃烧残留物表现为黑色絮状碳化物、易碎；在燃烧过程中靠近火焰时不熔缩，接触火焰点燃后延燃，且冒黑烟；（b）图中GFRP燃烧残留物表现为银灰色纤维状、易撕断；在燃烧过程中靠近火焰时不熔缩，接触火焰点燃后不延燃、微卷，冒黑烟；（c）图中PFRP完全燃烧无残留；在燃烧过程中靠近火焰时熔缩，接触火焰点燃后快速延燃，冒黑烟。

因此，通过材料特性、燃烧过程特征及燃烧残留物，可以快速区分以上三种材料。

 

            

（a）                       （b）                          （c）

（a）KFRP；（b）GFRP；（c）PFRP

图4不同材质纤维增强塑料杆燃烧残留物对比

 

4.超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆在蝶形引入光缆中的应用

根据蝶形引入光缆用加强构件性能指标要求，以及PFRP材料优异的特性，试制了加强构件采用PFRP的蝶形引入光缆（GJXFH）。根据加强构件在蝶形引入光缆结构中起到的支撑作用，分析采用PFRP试制的蝶形引入光缆的拉伸特性和温度特性。

4.1蝶形引入光缆拉伸性能分析

拉伸试验依据YD/T 1997.1-2014试验方法及指标要求（拉伸速率为100mm/min，受试长度约为60m；在长期允许拉力（40N）下光纤应变不大于0.2%，在短期允许拉力下（80N）光纤应变应不大于0.4%，光纤无明显附加衰减，护套应无目力可见的开裂）进行试验，拉伸试验曲线如图5所示，具体数值见表2。

 

图5 蝶形引入光缆拉伸试验曲线图（光纤应变曲线及光功率变化曲线）

 

表2 蝶形引入光缆拉伸试验光纤应变数值

 

由PFRP蝶形引入光缆的光纤应变值和试验曲线图，表明其拉伸性能均满足设计和标准要求。

4.2蝶形引入光缆温度性能分析

将PFRP蝶形引入光缆放置在高低温试验箱中，依据YD/T 1997.1-2014试验方法及C级指标要求（-40℃~+60℃，允许光纤附加衰减≤0.4 dB/km）进行高低温循环试验。试验测试结果如图6所示，结果表明均满足设计和标准要求。

 

图6 蝶形引入光缆温度衰减测试结果

 

通过试制含有超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆的蝶形引入光缆，及其主要性能指标的测试，验证了超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆在蝶形引入光缆中应用的可行性。

5.总结

本文简要介绍了超高模量聚乙烯纤维材料的性能，详细分析了超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆的弯曲性能、拉伸特性和简单识别方法，通过燃烧试验方法说明了其与KFRP和GFRP的简单识别方法。最后，将超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆用作蝶形引入光缆的加强构件，通过试验验证了超高模量聚乙烯纤维增强塑料杆在蝶形引入光缆中应用的可行性。

参考文献

[1]  尹晔东. 超高分子量聚乙烯纤维的发展状况[J].化工新型材料,2008,36(10):51-53.

[2]  赵刚,赵莉,谢雄军. 超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展[J].纤维复合材料,2011, (1):50-56.

  来源：西安西古光通信有限公司  王正刚，刘少锋，张卫强，朱勇，张义军