外护套料加工工艺特性优化方案

光缆设计原则是选择合理结构和合适原材料，可靠的保护光纤，使光纤在施工和运行过程中不受损伤，在使用环境中保持长久寿命。如何选用光缆外护套材料，主要取决于光缆的使用条件和运行环境，如满足要求的机械性能（抗拉伸和侧压、耐冲击、抗扭转和反复弯曲等），耐特殊环境性能（如耐高温、耐寒冷和潮气、耐紫外线、阻燃、耐化学腐蚀性等）以及电气绝缘性能（耐电痕、绝缘等）。

在光缆外护套工艺中，常用材料有中密度聚乙烯（MDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、低烟无卤阻燃聚烯烃（LSZH）、尼龙（PA）、弹性体（TPU）和阻水缆油膏、钢／铝带、阻水带、芳纶纱等。下面主要介绍与护套工艺相关的几种材料。

4.6.3.1　聚乙烯（PE）护套料

绝大多数纯聚乙烯塑料为单组分塑料，其主要成分为聚乙烯树脂，仅含有少量的添加剂，如抗氧剂、紫外线吸收剂、着色剂等。聚乙烯的力学性能与其结晶度分子量大小有关，与其他热塑性材料相比，聚乙烯的拉伸强度比较低，抗蠕变性能也较差。当聚乙烯制品较长时间与醇、醛、酸、酯、表面活性剂等极性溶剂或蒸气接触时，即使只受到较低应力的作用，材料并未发生显著的变形或延伸，仍有可能会发生破裂，这种现象称为环境应力开裂（The Environmental Stress Cracking Resistance，ESCR），起因是聚乙烯制品在成型过程中因温度变化、大分子取向和结晶等因素产生内应力，经过环境的诱发和外部应力的作用，材料在达到其断裂强度之前即发生破坏。耐环境应力开裂的时间与所接触的介质有关，影响耐环境应力开裂的因素还有分子量、分子量分布、结晶度、分子链的微观现象等。分子量越大、分子量分布窄、晶片间连接的分子就越多，材料ESCR越好，材料的寿命就越长。因此，聚乙烯作为电线电缆、通信光缆的外护层材料时，应选择分子量较高且分子量分布较窄的聚乙烯，其耐环境应力开裂性能要优良。

纯聚乙烯在无氧条件下受热时稳定，但在有氧存在的条件下容易发生氧化作用，且氧化作用在加热情况下会催化加速氧化，进而导致电绝缘性能变差，氧化作用的影响还与受热时间的长短有关。如果聚乙烯护套料在60℃下长时间受热，则电气绝缘性能显著降低。

电线电缆、通信光缆聚乙烯外护套料由于日光中紫外线照射和空气中氧的作用影响，聚乙烯中大分子发生解聚，分子结构受到破坏，其材料性能逐渐下降。因此，电缆、通信光缆用护套料中必须添加炭黑、抗氧剂、紫外线吸收剂和爽滑剂等加工助剂来改善其相关性能。虽然炭黑可有效地抵御紫外线对材料的侵蚀，但随着炭黑含量的增加，ESCR随之下降，因此炭黑含量必须控制在一定的范围之内。目前，绝大多数光缆、电缆使用的护套料都是经过加工改性后的聚乙烯护套料，甚至是回收的各类聚乙烯材料经过共混改性而成，在满足光缆使用寿命和通信要求的情况下，这种做法不仅可以降低原油的消耗，而且能够充分有效利用再生资源，为人类环境保护做出积极贡献。

光缆用聚乙烯护套料既有高密度聚乙烯（HDPE）、中密度聚乙烯（MDPE），也有线性低密度聚乙烯（LLDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）几种类型，其中LDPE和LLDPE使用量相对要少很多。LDPE是在高压下发生共聚反应聚合而成的，链支化度高，结构不够规整，结晶度低，柔顺性和延伸性较好。HDPE是在低压下共聚而成，分子结构规整，链支化度低，刚性、韧性较好和抗张强度较大，模量大，耐磨性好。分子量分布窄，分子排列规整、有序，较好耐环境应力开裂性和较宽的温度使用范围，与填充油膏的相容性好。MDPE由乙烯单体与丙烯或1－丁烯的第二单体聚合而成，或由HDPE与LDPE一定比例共混而成，性能介于HDPE与LDPE之间，兼有LDPE的柔顺性和HDPE的优良抗张强度。LLDPE是乙烯单体与α－烯烃在低压气象或溶液法聚合而成，链支化度比HDPE高比LDPE低，分子量分布较窄，有较好的耐环境应力开裂性、刚性、耐热性和耐低温性，但熔体粘度高，所以加工性能较差。聚乙烯护套料受分子结构的影响，材料的无序区更易吸收填充油膏，不同密度的聚乙烯护套料无序区含量的顺序为LDPE＞LLDPE＞MDPE＞HDPE。所以，LDPE油膏相容性最差，HDPE与油膏的相容性最好。

聚乙烯护套料相对于尼龙、低烟无卤阻燃护套料来说，其加工温度范围宽，熔体流动速率适中，是属于最易加工的一类塑料材料，表4.6.3是不同密度的PE护套料性能指标。一般情况下，聚乙烯护套料在80℃条件适当烘干处理即可获得较好的挤出表面效果，螺杆至机头模口的加工温度控制在160℃～240℃，不同的材料其加工温度差异性较大。

表4.6.3　不同密度PE护套料性能指标

4.6.3.2　尼龙

聚酰胺（Polyamide，PA），俗称尼龙（Nylon），密度1.15g／cm3，是分子主链上含有重复酰胺基团（—NHCO—）的热塑性树脂总称，是美国DuPont公司最先开发用于纤维的树脂，1939年实现工业化。聚酰胺主链上含有许多重复的酰胺基，用作塑料时称尼龙，用作合成纤维时称之为锦纶，聚酰胺可由二元胺和二元酸制取，也可以用ω－氨基酸或环内酰胺来合成。根据二元胺和二元酸或氨基酸中含有碳原子数的不同，可制得多种不同的聚酰胺。因此，聚酰胺品种繁多，有PA－6、PA－66、PA－12、PA－46、PA－610、PA－612、PA－1010等多达几十种，其中以PA－6、PA－66、PA－610的应用最广泛。

PA－6、PA－66和PA－610的链节结构分别为［NH（CH2）5CO］、［NH（CH2）6－NHCO（CH2）4－CO］和［NH（CH2）6－NHCO（CH2）8－CO］。PA－6和PA－66主要用于纺制合成纤维，称为锦纶－6和锦纶－66。常用的锦纶纤维可分为两大类：一类是由二胺和二酸缩聚而得的聚己二酸己二胺，其长链分子的化学结构式为H－［HN（CH2）x－NHCO（CH2）y－CO］－OH。这类锦纶的相对分子量一般为17000～23000。根据二元胺和二元酸的碳原子数不同，可以得到不同的锦纶产品，并可通过加在锦纶后的数字区别，其中前一数字是二元胺的碳原子数，后一数字是二元酸的碳原子数。例如锦纶66是由己二胺和己二酸缩聚制得；锦纶610是由己二胺和癸二酸制得。另一类是由己内酰胺缩聚或开环聚合得到的，其长链分子的化学结构式为H－［NH（CH2）xCO］－OH。根据其单元结构所含碳原子数目，可得到不同品种的命名。例如锦纶6是由含6个碳原子的己内酰胺开环聚合而得。锦纶都由带有酰胺键（－NHCO－）的线型大分子组成，分子中有－CO－和－NH－基团，可以在分子间或分子内形成氢键结合，也可以与其他分子相结合，所以锦纶吸湿能力较好，并且能够形成较好的结晶结构。

PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性。尼龙－610、尼龙－12都是一种力学性能非常优良的热塑性工程塑料，尼龙适于用玻璃纤维和其他填料进行增强改性，提高性能和扩大应用范围。因此，尼龙－12由于优异机械特性，被广泛应用于汽车（如软管、车身、仪表盘、发动机罩、邮箱外壳等）、光电缆防鼠、防白蚁护套、光纤紧包材料等。

在光缆中使用尼龙作为外护套料时，因尼龙料易受潮，护套表面容易起泡，如泡孔、出现粒状物或破损。因此尼龙材料本身需要真空包装，运输损破、密封不良或开包未及时用完等，均须长时间预烘干。最好用抽真空（真空度应大于0.05MPa）、旋转烘干器加热去除水分，烘干温度宜为（80±5）℃，烘干时间建议不低于4小时，若尼龙受潮则应延长烘干时间至8小时或更高，烘干温度太高会氧化并变色（白色尼龙会变黄色），每次干燥量最好不超过烘干容器容积3／5。如容量太大，烘干器内物料难以旋转，造成受热不均，时间短水分难以除净，时间太长又会使部分物料氧化变色，无法满足挤出表面要求。但日常使用抽真空烘干方式比较难以实现，而采用烘干塔式则较为常见，为了获得更好的加工工艺，再结合生产线速度、挤出外径和光缆加工长度，在条件允许情况下采用双烘干塔进行烘干处理可能效果更佳。

尼龙料加工温度均比较窄，加工温度要精准控制。由于尼龙的粘性大，加工温度和螺膛保温时间均应满足工艺要求，若保温时间不够，可能导致机头压力过高而损坏机头（尼龙－6的挤出温度较窄，温度太高会引起焦烧，温度太低尼龙会迅速冷却固化堵塞口模）。挤出成型所用的聚酰胺的分子量较大，易选用排气式螺杆挤出机，长径比（18～22）∶1，压缩比为（3.2～4）∶1，螺距等于螺杆直径。为了保证尼龙料具有较好的加工工艺，下料口温度240℃～250℃，机身和法兰加热温度245℃～260℃，机头240℃。

尼龙料在光缆外护套加工过程中，还需要注意如下几点：

（1）停机时间较长时会出现温度降低，尼龙料凝固导致螺杆被“卡死”，此时需高温加热融化才可以启动螺杆。

（2）螺杆被尼龙料卡死时，应先关掉挤出机进料口，待螺杆高温加热达到设定温度后，初始螺杆转速2rpm，启动螺杆观察机头压力变化情况，同时察看电机皮带和螺杆是否转动，一旦发现异常必须立即停机处理。

（3）待螺杆料排出初始物料后，应及时增大螺杆转速至15～30rpm将螺堂内长时间塑化老料排空，再打开下料口，同时迅速调整加热温度为工艺规定参数，然后再将螺杆转速设置为5rpm继续排料。

（4）当温度下降到工艺规定值时，高转速排出熔融料中料渣，检查是否有气泡和划痕，无异常后应快速停机清理干净模口，并迅速穿入缆芯绑接好缆头开机联动生产。

（5）生产完后清理螺杆和烘干器时，螺膛首先应在料斗中加入少许PE料，然后低速启动螺杆排空尼龙料，直到PE料从模口出料后停机，然后按照正常程序清理螺杆、机头和模具等。清理加热器和料斗时，必须打开烘干器和机身料斗，对所有设备死角清理干净，否则在加工其他护套料时，容易引起光缆脱皮、表面有划痕等质量事故。

4.6.3.3　低烟无卤阻燃护套料

阻燃护套料可分为含卤阻燃料和低烟无卤阻燃料。含卤阻燃料是以聚氯乙烯（PVC）为基础树脂、增塑剂和稳定剂以一定的比例共混塑化而成。它是一种热敏感的材料，按最高允许工作温度分为70℃，80℃，90℃，105℃四大类。无卤阻燃料是以聚烯烃为基础树脂、无机阻燃剂，如Al（OH）3、Mg（OH）2等与其他的助剂加工而成。

当今电力行业、室内布线及电子信息化等行业突飞猛进，人们对线缆的环保、健康安全要求越来越高，原来传统的PVC阻燃护套料无法满足时代需要，尤其是在地铁、机场、船舶、高层建筑、家用电器等领域使用电线电缆、通信光缆的场合，低烟无卤阻燃护套料由于具有良好的阻燃性能、机械性能和无卤素有毒腐蚀性气体等优点而被大力推广和应用。在火灾时，强烈弥漫的浓烟使受害者辨不清方向，延长了在火中滞留的时间。据有关资料介绍，透光率为70%时，人的裸视分辨物象的能力只有5m左右。而PVC燃烧时所发出的烟透光率在15%以下，即人在浓烟中其裸视距离仅为2m左右。浓烟的另一个特征是随热气流传播异常迅速，速度可达20m／min以上。由此可见，在保障人民的生命和财产安全前提下，采用无卤低烟阻燃材料就显得至关重要。

1）阻燃机理

阻燃剂分类：按化学成分可分为有机阻燃剂和无机阻燃两大类。有机阻燃剂又分为磷系和卤系两个系列。由于有机阻燃剂分解产物毒性大、烟雾大等缺点，逐步被无机阻燃剂所替代。无机阻燃剂主要有氢氧化铝、氢氧化镁、红磷、氧化锑、氧化锡、氧化钼和硼酸锌等。

低烟无卤阻燃聚烯烃护套料即是在聚烯烃基础树脂中加入具有协同效应的无机阻燃剂（主要为氢氧化铝或氢氧化镁）、防老化剂、润滑剂等，经混合、塑化、混炼造粒而成。在燃烧时，氢氧化铝分解温度约为210°C，320°C已基本上完成了脱水反应2Al（OH）3＝Al2O3＋3H2O，而氢氧化镁在受热时（340℃～490℃）发生分解Mg（OH）2＝MgO＋H2O，二者在燃烧时均会释放出大量结晶水，吸收大量的热量，降低了材料表面的火焰温度，有效减慢或抑制高聚物的燃烧速度，抑制高聚物温度上升延缓热分解，并有利于形成炭化层阻挡热量和氧气进入，减少橡胶、塑料等高分子燃烧产生的大量烟雾。而且，脱水分解产生的水蒸气能降低可燃气体的浓度，分解后的金属氧化物是一种耐高温物质，不仅可以起到阻燃作用，而且还可以起到填充作用，并具有不产生腐蚀性卤气及有害气体、不挥发、效果持久、无毒、无烟和无熔滴等优异特性，是一种新兴的环保型无机阻燃剂。通常，评定材料的阻燃性的一个重要指标是氧指数（OI），它是材料在氧、氮混合气体中，维持平衡燃烧时所需的最低氧浓度。极限氧指数越大，标志材料的阻燃性越好。

有机高分子树脂与无机阻燃剂是两种不同的两项材料，无机阻燃剂经偶联剂处理后再与PE树脂加工成阻燃材料，由于阻燃剂的介入，材料的抗张强度和断裂伸长率会随之下降。如果阻燃剂处理不好，阻燃料局部混炼不均匀，或由于无机阻燃剂比例过大，会导致机械强度和断裂伸长率的大幅下降，而且会严重影响材料的加工性能。(www.xing528.com)

目前，氢氧化铝用量较多，但随着高分子材料加工温度的提高，氢氧化铝易分解，降低阻燃效果，氢氧化镁阻燃剂具有如下优点：①热分解温度达330℃，比氢氧化铝高100℃，有利于塑料加工温度的提高，加快挤塑速度，缩短模塑时间；②氢氧化镁与酸的中和能力强，可较快地中和塑料燃烧过程产生的酸性气体SO2，NOx，CO2等；③氢氧化镁分解能高，有利于吸收燃烧热，提高阻燃效率；④氢氧化镁抑烟能力强、硬度小，对挤塑机螺杆和螺膛摩擦小，有利于延长设备寿命。

目前，关于LSZH材料的标准很多，在通信行业内通常采用的指标要求见表4.6.4。

表4.6.4　低烟无卤阻燃护套料性能指标

2）低烟无卤阻燃料工艺要求

虽然低烟无卤阻燃护套料被广泛应用，但也存在着诸多缺点，如低烟无卤阻燃料置于有油污的环境中时，塑料分子结构会发生变化，造成护套开裂；而且，由于低烟无卤阻燃料中含有大量无机阻燃剂，使得材料的机械物理性能急剧下降（如抗拉强度、断裂伸长率等）。在护套加工时，材料选择不合适，加工温度和模具选配不合理时，容易在钢／铝带搭边处，出现外护套开裂。另外，部分低烟无卤料生产的光缆成品，在烈日连续暴晒和风吹雨打，也会出现外护套开裂现象，情况严重的可能会导致缆芯填充油膏发生迁移现象，影响光缆阻水性能和传输性能，降低光缆使用寿命。低烟无卤阻燃料的挤出工艺要求如下。

（1）烘干

由于无机阻燃剂的加入极易导致材料吸潮，加工前烘干温度控制在80℃、4小时比较适宜，烘干温度不宜超过90℃，受潮严重时应延长烘干时间。

（2）挤出设备

由于低烟无卤料的添加剂较多，熔体粘度大，应采用低压缩比挤出机。螺杆直径越大，加工能力越大。长径比越大，能改进物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，但长径比过大时，会使塑料受热时间加长引起降解，并增大挤出机的功率消耗；长径比过短，会导致混炼不均、塑化不良。实践表明，低烟无卤阻燃聚烯烃护套料使用L／D为20～25的螺杆均可以得到较为理想的外观，但相比而言L／D为20的螺杆挤出表面更加光洁。这是因为低烟无卤阻燃聚烯烃护套料中高填充量的氢氧化镁或氢氧化铝，在L／D为25的螺杆中受热时间较长后易有分解的现象而影响了挤出表面质量。就螺杆压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒间隙等方面而言，压缩比越大、螺槽深度越浅、螺旋角越小、螺杆与料筒间隙越小，对塑料产生的剪切作用和摩擦力增大，物料在螺杆中的剪切生热也越大，容易引起物料分解，不利于低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤出，易出现挤出表面不良。因此，对于螺杆一般选用普通型的螺杆，且压缩比不能过大，一般在（1.1～1.5）∶1比较适宜。

挤出过程中还有一个影响低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤出的重要因素，那就是挤出机的冷却装置。因为低烟无卤阻燃聚烯烃护套料的特殊性，在挤出过程中，因摩擦而产生大量热量，要求挤出机具有良好的冷却系统，才能控制好工艺温度。这是一个不可忽视的问题，如果温度过高，光缆表面易产生大的气孔，温度过低又会使设备的整机电流加大，容易损伤设备。为解决该问题，可将挤出机冷却系统的风冷改换成水冷系统，变更后，升温有点缓慢，但升温平稳，冷却速度很快，系统温度稳定。

（3）工艺温度控制

随配方体系不同，各种低烟无卤阻燃聚烯烃护套料的挤塑工艺也有所不同。另外，同一种材料，在不同的挤塑设备上工艺温度也略有不同，主要随螺杆结构不同而变化。一般来说，在剪切力大的挤出机上工艺温度要比剪切力小的挤出机上低。另外，不同温区温度对光缆挤出表面质量影响程度不同，其中机头影响最大，其次是计量段，该两区温度过高后极易引起材料分解，从而影响挤出表面质量。

挤出温度设置与挤出设备有关，小型挤出机温度设置偏高一些，大型挤出机温度设置低一些，材料挤出温度范围比较小，温度过高，材料会出现气孔，温度低则塑化不良，挤出产品表面不光滑，挤出加工温度控制在145℃～170℃较理想，机头和模口温度不超过175℃，见表4.6.5。

表4.6.5　LSZH挤出成型时的温度参数

随着技术的不断进步，目前市场上比较成熟的低烟无卤阻燃聚烯烃护套料工艺温度范围还是比较宽的，一般各区温度控制在150℃～170℃范围内，均能得到光洁细腻的表面。一般情况下，低烟无卤阻燃聚烯烃护套料比聚氯乙烯、非阻燃及含卤阻燃聚烯烃护套料工艺温度范围窄。

（4）模具选择

由于低烟无卤阻燃聚烯烃护套料填充材料高，在熔融状态下熔体的强度、拉伸比和粘度与其他线缆材料存在着较大差异，所以对模具的选配也有所不同。首先是模具的挤出方式选择上，在护套挤出的过程中应选用半挤压式，这样能充分保证材料的抗拉强度、伸长率和表面光洁度。其次是模套的选择，由于材料的粘度较大，使得机头的压力很大，当挤出离开模具时会有所膨胀，所以模套应比实际尺寸要小一些。最后，低烟无卤护套料的机械性能没有普通线缆材料和低烟低卤的材料优越，其拉伸比小，只有2.5～3.2，所以在选择模具的时候要求模套的内径不能过大，否则光缆的表面不致密，而且挤包比较松。

（5）挤出速度

提高螺杆转速是实现挤出机提高生产能力的有效途径，对于无卤低烟阻燃料来说，基于其配方特点，螺杆转速不如其他光缆料那样快，主要原因：①螺杆转速越高，对材料的剪切作用力就越大，机身温度越高，易引起其中的无机阻燃剂受热分解；②螺杆转速快后物料摩擦生热也大，温度难于控制，同样易造成阻燃剂受热分解。另外，对于低烟无卤阻燃聚烯烃护套料来说，因其在熔融状态下粘度较大，挤塑过程中主机电流一般比较大，当螺杆转速过快时很容易引起主机的电机超负荷运转。因此，对挤塑机螺膛冷却系统能够满足快速散热提出更高要求。

螺杆转速限制的结果是导致低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤塑成型时生产速度明显低于聚氯乙烯、非阻燃及含卤阻燃聚烯烃护套料。

3）常见质量事故和解决措施

低烟无卤阻燃护套料在护套生产过程中会出现各式各样的质量事故，见表4.6.6。

表4.6.6　常见质量事故原因分析及预防措施

续表