1. 서론
지난 10여 년간 통신 기술의 급속한 발전과 함께 광섬유 케이블의 적용 분야가 확대되어 왔습니다. 광섬유 케이블에 대한 환경 규제가 강화됨에 따라 광섬유 케이블에 사용되는 재료의 품질에 대한 요구 사항 또한 높아지고 있습니다. 광섬유 케이블 방수 테이프는 광섬유 케이블 산업에서 흔히 사용되는 방수 재료로, 밀봉, 방수, 방습 및 완충 보호 기능을 제공하며, 광섬유 케이블 기술의 발전과 함께 종류와 성능이 지속적으로 개선되고 완벽해지고 있습니다. 최근에는 광케이블에 "드라이 코어(dry core)" 구조가 도입되었습니다. 이 유형의 케이블 방수 재료는 일반적으로 테이프, 실 또는 코팅의 조합으로 구성되어 케이블 코어 내부로 물이 세로 방향으로 침투하는 것을 방지합니다. 드라이 코어 광섬유 케이블의 사용이 증가함에 따라 기존의 바세린 기반 케이블 충진재를 드라이 코어 광섬유 케이블 재료가 빠르게 대체하고 있습니다. 드라이 코어 재료는 물을 빠르게 흡수하여 하이드로겔을 형성하는 고분자를 사용하며, 이 하이드로겔이 팽창하여 케이블의 물 침투 경로를 메웁니다. 또한, 건식 코어 소재는 끈적이는 기름기를 함유하지 않아 케이블 접합 전 준비 과정에서 닦는 도구, 용제 또는 세척제가 필요하지 않아 접합 시간이 크게 단축됩니다. 케이블의 경량성과 외피와 외피 사이의 우수한 접착력은 그대로 유지되어 널리 사용되고 있습니다.
2. 물이 케이블 및 방수 메커니즘에 미치는 영향
다양한 방수 조치를 취해야 하는 주된 이유는 케이블 내부로 침투한 물이 분해되어 수소 이온과 OH- 이온을 생성하는데, 이는 광섬유의 전송 손실을 증가시키고 광섬유 성능을 저하시키며 케이블 수명을 단축시키기 때문입니다. 가장 일반적인 방수 조치는 석유 페이스트를 채우거나 방수 테이프를 부착하는 것으로, 이는 케이블 심선과 외피 사이의 틈을 메워 물과 습기가 수직으로 확산되는 것을 막아 방수 효과를 발휘합니다.
합성수지가 광섬유 케이블(특히 케이블)의 절연체로 대량 사용될 경우, 이러한 절연체는 수분 침투에 취약합니다. 절연체 내부에 형성되는 "수목(water tree)"은 전송 성능 저하의 주요 원인입니다. 절연체가 수목에 의해 영향을 받는 메커니즘은 일반적으로 다음과 같이 설명됩니다. 강한 전기장(또는 가속된 전자의 매우 약한 방전에 의해 수지의 화학적 성질이 변한다는 가설)으로 인해 수분 분자가 광섬유 케이블 외피에 존재하는 수많은 미세 기공을 통해 침투합니다. 수분 분자는 케이블 외피의 미세 기공을 통해 침투하여 "수목"을 형성하고, 점차 많은 양의 수분을 축적하여 케이블의 길이 방향으로 확산시키면서 케이블 성능에 영향을 미칩니다. 수년간의 국제적인 연구 및 테스트 끝에 1980년대 중반, 케이블 내부에 수분이 침투하여 나무가 자라는 현상을 제거하는 최적의 방법을 찾아냈습니다. 그것은 바로 케이블 압출 전에 수분 흡수 및 팽창이 가능한 방수층으로 케이블을 감싸는 것이었습니다. 이 방수층은 케이블 내부의 세로 방향으로의 수분 확산을 억제하고 늦추는 역할을 합니다. 또한, 외부 손상이나 수분 침투가 발생할 경우에도 방수층이 신속하게 물을 차단하여 케이블의 세로 방향 확산을 방지합니다.
3. 케이블 방수 장벽 개요
3.1 광섬유 케이블 방수 장벽 분류
광케이블 방수막은 구조, 품질, 두께 등 다양한 기준으로 분류할 수 있습니다. 일반적으로 구조에 따라 양면 적층 방수막, 단면 코팅 방수막, 복합 필름 방수막으로 나눌 수 있습니다. 방수막의 방수 기능은 주로 높은 흡수성을 가진 소재(수분 흡수재)에 기인합니다. 이 소재는 물과 접촉하면 빠르게 팽창하여 큰 부피의 겔을 형성합니다(수분 흡수재는 자체 부피의 수백 배에 달하는 물을 흡수할 수 있습니다). 따라서 물뿌리개가 자라는 것을 방지하고 물의 지속적인 침투 및 확산을 막습니다. 이러한 소재에는 천연 다당류와 화학적으로 변형된 다당류가 모두 포함됩니다.
이러한 천연 또는 반천연 수분 차단제는 좋은 특성을 가지고 있지만, 두 가지 치명적인 단점이 있습니다.
1) 생분해성이 있고 2) 인화성이 매우 높습니다. 이러한 이유로 광섬유 케이블 소재에는 사용하기 어렵습니다. 방수재로 사용되는 또 다른 합성 소재는 폴리아크릴레이트인데, 이는 다음과 같은 조건을 충족하기 때문에 광케이블 방수재로 사용할 수 있습니다. 1) 건조 상태에서 광케이블 제조 과정에서 발생하는 응력을 견딜 수 있습니다.
2) 건조 상태에서는 광케이블의 작동 조건(실온에서 90°C까지의 열 순환)을 케이블 수명에 영향을 주지 않고 견딜 수 있으며, 단시간 동안 고온에도 견딜 수 있습니다.
3) 물이 들어가면 빠르게 팽창하여 팽창 속도가 빠른 젤을 형성할 수 있습니다.
4) 고온에서도 점도가 매우 높은 젤을 생성할 수 있으며, 젤의 점도는 장시간 안정적으로 유지됩니다.
발수제 합성은 크게 전통적인 화학적 방법인 역상 중합법(수중유 중합 가교법), 자체 가교 중합법인 디스크법, 그리고 조사법인 코발트 60 γ선법으로 나눌 수 있습니다. 가교법은 코발트 60 γ선 조사법을 기반으로 합니다. 합성 방법에 따라 중합 및 가교 정도가 다르기 때문에 발수 테이프에 필요한 발수제에 대한 요구 조건이 매우 엄격합니다. 실제 경험에 따르면, 위의 네 가지 조건을 모두 충족하는 폴리아크릴레이트는 극히 드뭅니다. 따라서 발수제(흡수성 수지)는 단일 성분의 가교된 폴리아크릴산나트륨의 원료로 사용할 수 없으며, 빠르고 높은 흡수율을 얻기 위해서는 다중 중합체 가교법(즉, 다양한 성분의 가교된 폴리아크릴산나트륨 혼합물)을 사용해야 합니다. 기본 요구 사항은 다음과 같습니다. 수분 흡수율은 약 400배에 달해야 하고, 수분 흡수 속도는 첫 1분 안에 흡수된 수분의 75%를 흡수할 수 있어야 합니다. 수분 흡수 후 건조 열 안정성 요구 사항은 장기적으로 90°C의 내열성, 최대 작동 온도 160°C, 순간 내열 온도 230°C(특히 전기 신호가 포함된 광전 복합 케이블에 중요)입니다. 수분 흡수 후 겔 형성 안정성 요구 사항은 여러 번의 열 순환(20°C~95°C) 후에도 겔의 안정성이 유지되어야 하며, 높은 점도와 강도를 보여야 합니다. 겔의 안정성은 합성 방법과 제조업체에서 사용한 재료에 따라 크게 달라집니다. 또한 팽창 속도가 빠를수록 좋은 것은 아니며, 일부 제품은 속도만을 추구하여 첨가제를 사용하는데, 이는 하이드로겔의 안정성에 도움이 되지 않고 수분 보유 능력을 저하시켜 방수 효과를 얻지 못하는 결과를 초래합니다.
3.3 방수 테이프의 특징 케이블은 제조, 시험, 운송, 보관 및 사용 과정에서 환경 시험을 견뎌야 하므로 광케이블 사용 관점에서 케이블 방수 테이프에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다.
1) 외관상 섬유 분포가 양호하고, 복합재료는 박리 및 분말 발생이 없으며, 일정 수준의 기계적 강도를 갖추고 있어 케이블의 요구 사항에 적합합니다.
2) 균일하고 반복 가능하며 안정적인 품질을 가지며, 케이블 형성 과정에서 박리되거나 불량품이 발생하지 않습니다.
3) 높은 팽창 압력, 빠른 팽창 속도, 우수한 겔 안정성;
4) 우수한 열 안정성으로 다양한 후속 가공에 적합합니다.
5) 화학적 안정성이 높고 부식성 성분을 함유하지 않으며 박테리아 및 곰팡이 침식에 강합니다.
6) 광케이블의 다른 재료와의 우수한 호환성, 산화 저항성 등
4. 광케이블 방수 성능 표준
수많은 연구 결과에 따르면, 방수 성능이 기준에 미달할 경우 케이블 전송 성능의 장기 안정성에 심각한 악영향을 미칩니다. 이러한 악영향은 광섬유 케이블의 제조 공정 및 공장 검사 단계에서는 발견하기 어렵지만, 설치 후 사용 과정에서 점차 나타납니다. 따라서 모든 관계자가 수용할 수 있는 평가 기준을 마련하기 위해 포괄적이고 정확한 시험 표준을 시의적절하게 개발하는 것이 시급한 과제입니다. 저자의 광범위한 방수 벨트 연구, 탐색 및 실험은 방수 벨트 기술 표준 개발을 위한 충분한 기술적 기반을 제공합니다. 방수 성능 매개변수는 다음을 기준으로 결정합니다.
1) 광케이블 표준의 방수 요구 사항(주로 광케이블 표준의 광케이블 재질 요구 사항);
2) 방수 장벽 제조 및 사용 경험과 관련 시험 보고서;
3) 방수 테이프의 특성이 광섬유 케이블 성능에 미치는 영향에 대한 연구 결과.
4.1 외관
방수 테이프의 외관은 섬유가 고르게 분포되어 있어야 하고, 표면은 평평하고 주름, 접힘, 찢어짐이 없어야 하며, 테이프 폭 방향으로 갈라진 부분이 없어야 하고, 복합 재료는 박리되지 않아야 하며, 테이프는 단단하게 감겨 있어야 하고, 손으로 잡았을 때 테이프 가장자리가 "밀짚모자 모양"으로 변형되지 않아야 합니다.
4.2 워터스톱의 기계적 강도
방수 테이프의 인장 강도는 폴리에스터 부직포 테이프의 제조 방법에 따라 달라지는데, 동일한 조건에서 비스코스 방식으로 제조한 제품이 열연 방식으로 제조한 제품보다 인장 강도가 우수하고 두께도 더 얇습니다. 또한, 방수 테이프의 인장 강도는 케이블을 감싸는 방식이나 케이블 주위를 감싸는 방식에 따라서도 달라집니다.
이는 두 종류의 발수 테이프에 대한 핵심 지표이며, 시험 장비, 용액 및 시험 절차를 통일해야 합니다. 발수 테이프의 주요 발수 물질은 부분적으로 가교된 폴리아크릴산나트륨 및 그 유도체로, 수질의 조성 및 특성에 민감합니다. 발수 테이프의 팽윤 높이 기준을 통일하기 위해 탈이온수를 사용하는 것이 바람직합니다(증류수는 예외적으로 사용됨). 탈이온수에는 음이온 및 양이온 성분이 없어 기본적으로 순수한 물이기 때문입니다. 발수 테이프의 흡수율은 수질에 따라 크게 달라집니다. 순수한 물에서의 흡수율이 공칭값의 100%라고 할 때, 수돗물에서는 40~60%(지역별 수질에 따라 다름), 해수에서는 12%입니다. 지하수나 하수 등의 경우 흡수율을 정확하게 측정하기 어렵고, 그 값 또한 매우 낮게 나타납니다. 방수 효과와 케이블의 수명을 확보하려면 팽창 높이가 10mm 이상인 방수 테이프를 사용하는 것이 가장 좋습니다.
4.3 전기적 특성
일반적으로 광케이블은 전기 신호 전송에 금속선을 사용하지 않으므로 반도체 저항 방수 테이프를 사용하지 않고, 33 Wang Qiang 등에서 언급된 광케이블 방수 테이프만 사용합니다.
전기 신호가 발생하기 전의 전기 복합 케이블은 계약에 따라 케이블 구조에 따른 특정 요구 사항을 충족해야 합니다.
4.4 열 안정성 대부분의 방수 테이프는 다음과 같은 열 안정성 요구 사항을 충족합니다. 장기 내열 온도 90°C, 최대 작동 온도 160°C, 순간 내열 온도 230°C. 방수 테이프의 성능은 이러한 온도에서 일정 시간 동안 변하지 않아야 합니다.
팽창성 소재의 가장 중요한 특성은 겔 강도이며, 팽창률은 초기 수분 침투 거리(1m 미만)를 제한하는 용도로만 사용됩니다. 우수한 팽창 소재는 적절한 팽창률과 높은 점도를 가져야 합니다. 팽창률이 높고 점도가 낮더라도 방수성이 떨어지는 소재는 방수 성능이 저하됩니다. 이는 여러 번의 열 순환 시험을 통해 확인할 수 있습니다. 가수분해 조건에서 겔은 저점도의 액체로 분해되어 품질이 저하됩니다. 이를 위해 팽창 분말을 함유한 순수 물 현탁액을 2시간 동안 교반합니다. 생성된 겔을 과량의 물과 분리한 후 회전식 점도계에 넣어 95°C에서 24시간 전후의 점도를 측정합니다. 이를 통해 겔 안정성의 차이를 확인할 수 있습니다. 일반적으로 20°C에서 95°C까지 8시간, 95°C에서 20°C까지 8시간씩 반복하여 시험을 수행합니다. 관련 독일 표준에서는 8시간씩 126회 반복 시험을 요구합니다.
4.5 호환성 방수층의 호환성은 광섬유 케이블의 수명과 관련하여 특히 중요한 특성이므로, 지금까지 사용된 광섬유 케이블 재료와 관련하여 반드시 고려해야 합니다. 호환성은 시간이 지남에 따라 확인되므로 가속 노화 시험을 사용해야 합니다. 즉, 케이블 재료 시편을 깨끗하게 닦은 후 건조 방수 테이프로 감싸고 100°C의 항온 챔버에서 10일 동안 보관한 후 무게를 측정합니다. 시험 후 재료의 인장 강도와 신장률은 20% 이상 변화해서는 안 됩니다.
게시 시간: 2022년 7월 22일