一种基于复合材料的特种光缆的制作方法

1.本发明涉及光缆技术领域，具体涉及一种基于复合材料的特种光缆。


背景技术：

2.现如今，网络建设如火如荼，大到信息高速公路的建设，小到光纤入户的发展，现代的信息科技已经和光通信技术到了难解难分的程度，光通信作为主要通信网，不论是互联网，还是移动通信等信息，都需要通过基站收集后给光通信系统进行远距离传输，随着未来数据通信的爆炸式增长，现有基础网络压力将越来越大，网络载体手机、电脑、平板等的普及，对于通信技术的要求越来越高，为了满足人们对于网络的需求，享受上网冲浪带来的快乐，不得不建立许许多多大大小小的网络基站，随着5g业务的开展，对于承载着网络传输信号任务的光缆的要求也与日俱增，由于光缆使用的广泛性，按照用途来分类，可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆以及用户光缆，使用环境的不同，导致需要光缆的特性也不同。
3.当前，光缆结构中主要包括光纤以及保护光纤的管套，通信用光缆由于使用范围广，距离长，需要架空悬挂所以对性能的要求更高。公开号为cn109505131a的中国专利公开了一种光缆用自修复芳纶加强芯，通过制备包括芳纶基体、芳纶基体表面的聚多巴胺层、以及涂覆在聚多巴胺层表面的聚氨酯层，增强芳纶加强芯的自修复性能，但是该芳纶加强芯并不是直接置于外护套层，在受到冲击时，外护套层首当其冲更容易产生裂痕，由于外护套层作为整个光缆的第一保护线，一旦它被破坏，光缆内部的构件直接暴露在空气以及极端天气中，更容易遭受损坏，从而降低整个光缆的使用寿命，另外如果光缆护套层的强度不够，在遇到连续极端冰雹天气时，极有可能会导致护套层被砸伤产生裂缝，尤其是在通信领域，光缆架空悬挂，维修困难，高空作业也给维修人员带来了风险。
4.基于此，本发明提供了一种高强度且有自修复功能的特种光缆。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于复合材料的特种光缆，通过制备具有自修复功能以及高强度的外护套，解决以下几点问题：(1)光缆在极端天气下容易破损的问题；(2)高空悬挂型光缆维修困难的问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种基于复合材料的特种光缆，包括光纤组、加强件、缆膏、绝缘铜导线、开缆绳、轧纹钢带、外护套；所述光纤组由内到外包括光纤、纤膏、松套管；所述加强件、绝缘铜导线、开缆绳与光纤组两两相切或稍有间隙放置；所述光纤组、加强件、绝缘铜导线与开缆绳外层包覆有轧纹钢带；所述外护套包覆于轧纹钢带表面；所述外护套是由外护套原料通过挤出机，在轧纹钢带表面挤出制成；所述外护套包括以下重量份原料：自修复聚丙烯80-160份、有机纳米土3-7份、抗氧化剂2-8份、抗uv炭黑1-3份、促进剂1-5份、稳定剂3-6份；所述自修复聚丙烯是通过将环氧基团引入聚丙烯，再接枝具有自修复功能的二硫键制成；所述有机纳米土是通过马来酸酐对有机纳米土插层改性，再接入端羟基聚丁二烯制成。
8.进一步地，所述自修复聚丙烯的具体制备方法为:
9.(1)将引发剂0.5-1g与甲基丙烯酸缩水甘油酯5-10ml加入高速混料机中混匀得到混合物；
10.(2)在双螺杆挤出机中放入8-15g聚丙烯，在熔融状态下加入5.5-10.5m l步骤(1)中的混合物挤出造粒，得到具有反应活性的聚丙烯中间体；
11.(3)将5-15g聚丙烯中间体溶于50-70m l甲苯溶剂中，加入1-2m l催化剂以及5-8g的3,3
′‑
二硫代二丙酸，通入氮气，升温至90-110℃反应6-10h，将产物过滤后旋转蒸发，除去低沸物，在30-50℃下真空干燥得到自修复聚丙烯。
12.通过上述技术方案，在过氧化二异丙苯的引发下，甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚丙烯熔融聚合，将环氧基团经过化学修饰添加到聚丙烯分子链中，得到环氧聚丙烯；再将羧基封端的3,3
′‑
二硫代二丙酸与环氧聚丙烯在催化剂的作用下进行开环反应，从而在环氧聚丙烯中引入二硫键，得到自修复聚丙烯。
13.进一步地，步骤(1)中，所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯中的任意一种。
14.进一步地，步骤(3)中，所述催化剂为三乙胺。
15.进一步地，所述有机纳米土的制备方法为：
16.s1：将苯乙烯6-8g、马来酸酐1-3g、硅藻土2-4g、过氧化二异丙苯0.1-0.5g以及丙酮0.5-5ml在烧瓶中摇匀，升温反应，过滤、洗涤、真空干燥6-10h，得到改性硅藻土；
17.s2:取15-20g改性硅藻土，加入300-500ml乙醇溶剂中，常温下搅拌3-6h，通入氮气除氧，加入20-30g端羟基聚丁二烯、0.3-0.5m l催化剂，继续搅拌8-15h,分离乙醇，洗涤4-8次，真空干燥，得到有机纳米土。
18.通过机械化学合成法，在过氧化二异丙苯作用下引发马来酸酐与硅藻土插层改性，将马来酸酐连接到硅藻土上，得到马来酸酐化硅藻土；在催化剂的作用下，将马来酸酐化硅藻土中的马来酸酐基团与端羟基聚丁二烯中的羟基进行开环酯化反应，在马来酸酐化的硅藻土中引入聚丁二烯，得到有机纳米土。
19.进一步地，步骤s1中，所述温度为80-100℃，时间为5-8h。
20.进一步地，步骤s2中，所述催化剂为对甲苯磺酸。
21.进一步地，所述外护套材料的制备方法为：
22.a:将重量份的自修复聚丙烯、有机纳米土、抗氧化剂、抗uv炭黑、促进剂、稳定剂倒入高速混料机中，设置螺杆转速为1500-3000r/mi n,高速混合1-2h，得到预混料；
23.b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为100-300℃，螺杆转速为300-500r/mi n，挤出造粒，得到外护套材料。
24.本发明的有益效果：
25.(1)本发明将自修复聚丙烯作为光缆外护套层的基体材料，由于其结构中含有键能较低的二硫键，有着更好的动态交换性，具有在温和条件下发生可逆交换的条件优势，光缆外护套在产生划痕后，高分子主链与其他链上的二硫键发生交换反应，从而使切口附近的高分子链被重新连接起来，因此具有二硫键的自修复材料可以通过高分子内部的二硫键断裂与重组实现自修复的过程，通过在光缆外护套引入二硫键，可以在光缆外护套破损时及时进行自修复避免裂纹扩大，节约人工、时间与金钱成本，同时延长光缆的使用寿命。
26.(2)本发明中有机纳米土是通过改性硅藻土制成，硅藻土是以蛋白石为主要矿物组分的硅质生物沉积岩，主要是由硅藻的遗骸以及细胞壁的沉积而成，硅藻土中含有果胶和二氧化硅，质地坚硬，本身就具有一定的力学强度，能够提高光缆的力学性能，又由于硅藻土通过马来酸酐的插层改性与聚丁二烯结合，而聚丁二烯分子链呈锯齿状排列，具有柔顺性，能够提高硅藻土与基材的相容性，所以在光缆结构中，硅藻土与聚丁二烯一起产生协同作用，可以提高光缆的拉伸强度和韧性，进一步提高光缆的力学性能。
27.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明一种基于复合材料的特种光缆结构示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1所示，本发明为一种基于复合材料的特种光缆，依次包括，光纤组、加强件、缆膏、绝缘铜导线、开缆绳、轧纹钢带、改性外护套，所述光纤组由内到外包括光纤、纤膏、松套管，所述加强件、绝缘铜导线、开缆绳与光纤组两两相切或稍有间隙放置，所述光纤组、加强件、绝缘铜导线以及开缆绳外层包覆有轧纹钢带，所述改性外护套包覆于轧纹钢带表面。
32.实施例1
33.一、自修复聚丙烯的制备
34.(1)将过氧化二异丙苯0.5g,与甲基丙烯酸缩水甘油酯5ml加入高速混料机中混匀得到混合物。
35.(2)在双螺杆挤出机中放入8g聚丙烯，在熔融状态下加入5.5m l步骤(1)中的混合物挤出造粒，得到具有反应活性的聚丙烯中间体。通过盐酸吡啶法测定聚丙烯中间体中环氧基团含量进行表征，称取2g聚丙烯中间体，加入30ml盐酸-吡啶溶液，加热回流0.5h,冷却至室温，加入15ml中性丙酮冲洗后，滴入3滴酚酞指示剂，用0.2mo l的氢氧化钠乙醇标准溶液进行滴定，至溶液变色停止反应，同时做空白试验。按照以下公式计算聚丙烯中间体中环氧基团的含量：
[0036][0037]
式中，v为空白实验消耗氢氧化钠标准溶液的毫升数，ml；v0为试样消耗的氢氧化钠标准溶液的毫升数，ml；c为氢氧化钠标准溶液的浓度，mo l/l；m为试样的重量，g；经计
算，聚丙烯中间体中环氧基团的含量为12.4％。
[0038]
(3)将5g聚丙烯中间体溶于50ml甲苯溶剂中，加入1ml三乙胺以及5g的3,3
′‑
二硫代二丙酸，通入氮气，升温至90℃反应6h，将产物过滤后旋转蒸发，除去低沸物，在30℃下真空干燥得到自修复聚丙烯。通过盐酸吡啶法测定自修复聚丙烯中环氧基团的环氧基团含量，具体方法步骤同(2)相同，经计算自修复聚丙烯样品中环氧基团的含量为8.15％，减少部分是因为聚丙烯中间体结构中的环氧基团与3,3
′‑
二硫代二丙酸结构中的羧基发生反应导致。
[0039]
二、有机纳米土的制备
[0040]
s1：将苯乙烯6g、马来酸酐1g、硅藻土2g、过氧化二异丙苯0.1g以及0.5ml丙酮在烧瓶中摇匀，升温至80℃反应5h，过滤、洗涤、真空干燥6h，得到改性硅藻土。通过滴定法测改性硅藻土中马来酸酐的含量进行表征，称取2g改性硅藻土，加入100ml二甲苯，加热回流0.5h充分混合，冷却后加入过量的0.1mo l/l的koh-乙醇标准溶液，再加热回流8h,冷却后加入2滴酚酞指示剂，用0.1mo l/l的hc l-异丙醇标准溶液反滴过量的koh-乙醇标准溶液，记录过量所消耗的碱量和中和的酸量，按照下列公式计算改性硅藻土中马来酸酐的含量；
[0041][0042]
式中：m为1g改性硅藻土上马来酸酐质量分数，％；c1为koh-乙醇标准溶液,mo l/l；c2为hc l-异丙醇标准溶液,mo l/l；v1为加入过量的koh-乙醇标准溶液的体积，m l；v2为反滴定中和碱所消耗的hc l-异丙醇标准溶液的体积，m l；m为改性硅藻土样品的质量，g；经计算，所得样品中马来酸酐的含量为9.37％。
[0043]
s2:取15g改性硅藻土，加入300m l乙醇溶液中，常温下搅拌3h，通入氮气除氧，加入20g端羟基丁二烯以及0.3ml的对甲苯磺酸，继续搅拌8h,分离乙醇，洗涤4次，真空干燥，得到有机纳米土。通过滴定法测定有机纳米土中马来酸酐的含量，具体方法步骤与s1相同，经计算，有机纳米土样品中，马来酸酐的含量为3.86％，是因为改性硅藻土结构中马来酸酐基团与端羟基丁二烯结构中的端羟基反应导致。
[0044]
三、外护套材料的制备
[0045]
a:将重量份的自修复聚丙烯80份、有机纳米土3份、抗氧化剂2份、抗uv炭黑1份、促进剂1份、稳定剂3份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为1500r/mi n,高速混合1h，得到预混料；
[0046]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为100℃，螺杆转速为300r/mi n，挤出造粒，拉塑成型得到外护套基体材料。
[0047]
实施例2
[0048]
外护套材料的制备
[0049]
a:将重量份的自修复聚丙烯130份、有机纳米土5份、抗氧化剂5份、抗uv炭黑2份、促进剂3份、稳定剂4份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为2500r/mi n,高速混合1.5h，得到预混料；
[0050]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为200℃，螺杆转速为400r/mi n，挤出造粒，得到外护套基体材料。
[0051]
其中自修复聚丙烯和有机纳米土的制备方法同实施例1。
[0052]
实施例3
[0053]
外护套材料的制备
[0054]
a:将重量份的自修复聚丙烯160份、有机纳米土7份、抗氧化剂8份、抗uv炭黑3份、促进剂5份、稳定剂6份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为3000r/mi n,高速混合2h，得到预混料；
[0055]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为300℃，螺杆转速为500r/mi n，挤出造粒，得到外护套基体材料。
[0056]
其中自修复聚丙烯和有机纳米土的制备方法同实施例1。
[0057]
对比例1
[0058]
外护套材料的制备
[0059]
a:将重量份的自修复聚丙烯80份、普通纳米土3份、抗氧化剂2份、抗uv炭黑1份、促进剂1份、稳定剂3份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为1500r/mi n,高速混合1h，得到预混料；
[0060]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为100℃，螺杆转速为300r/mi n，挤出造粒，得到外护套基体材料。
[0061]
其中自修复聚丙烯的制备方法同实施例1。
[0062]
对比例2
[0063]
外护套材料的制备
[0064]
a:将重量份的聚丙烯130份、有机纳米土5份、抗氧化剂5份、抗uv炭黑2份、促进剂3份、稳定剂4份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为2500r/mi n,高速混合1.5h，得到预混料；
[0065]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为200℃，螺杆转速为400r/mi n，挤出造粒，得到外护套基体材料。
[0066]
其中有机纳米土的制备方法同实施例1。
[0067]
对比例3
[0068]
外护套材料的制备
[0069]
a:将重量份的聚丙烯160份、普通纳米土7份、抗氧化剂8份、抗uv炭黑3份、促进剂5份、稳定剂6份倒入高速混料机中，设置螺杆转速为3000r/min,高速混合2h，得到预混料；
[0070]
b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为300℃，螺杆转速为500r/min，挤出造粒，得到外护套基体材料。
[0071]
性能检测
[0072]
对实施例1-实施例3，对比例1-对比例3制备的外护套材料进行取样，参考国家标准gb/t1040.2-2022《塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》采用dss25t型电子万能材料实验机对样品进行拉伸强度以及弯曲强度测试；用刀片在样品表面划出长5cm，宽度约500μm的裂缝，在150℃下修复24h后，再次对外护套材料的拉伸强度进行测试，利用公式(修复后拉伸强度/初始拉伸强度)
×
100％计算样品的修复率；gb/t13525-1992《塑料拉伸冲击性能试验方法》对样品进行冲击性能测试，测试结果见下表：
[0073][0074][0075]
由上表数据可知，实施例1-实施例3制备得到的外护套材料，在拉伸强度，弯曲强度以及抗冲击能力方面均有明显的效果，对比例1与对比例3均使用普通的纳米土材料，未对材料的强度进行更改，与实施例相比，拉伸强度，弯曲强度以及抗冲击能力明显降低，制备的外护套材料强度不高；对比例2中添加有机纳米土，明显提高了外护套材料的拉伸强度、弯曲强度以及抗冲击的能力，与实施例中制备的外护套材料几乎没有差别，具有高强的特性。在修复性能上实施例1-实施例3均有较强的修复性能，对比例1由于使用了自修复聚丙烯，所以在修复性能上和实施例相差不大，对比例2与对比例3，由于使用普通的聚丙烯材料，拉伸强度明显降低，减弱了外护套材料的强度，几乎没有修复性能。
[0076]
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明
的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，包括光纤组、加强件、缆膏、绝缘铜导线、开缆绳、轧纹钢带、外护套；所述光纤组由内到外包括光纤、纤膏、松套管；所述加强件、绝缘铜导线、开缆绳与光纤组两两相切或稍有间隙放置；所述光纤组、加强件、绝缘铜导线与开缆绳外层包覆有轧纹钢带；所述外护套包覆于轧纹钢带表面；所述外护套是由外护套材料通过挤出机，在轧纹钢带表面挤出制成；所述外护套材料包括以下重量份原料：自修复聚丙烯80-160份、有机纳米土3-7份、抗氧化剂2-8份、抗uv炭黑1-3份、促进剂1-5份、稳定剂3-6份；所述自修复聚丙烯是通过将环氧基团引入聚丙烯，再接枝具有自修复功能的二硫键制成；所述有机纳米土是通过马来酸酐对有机纳米土插层改性，再接入端羟基聚丁二烯制成。2.根据权利要求1所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，所述自修复聚丙烯的具体制备方法为:(1)将引发剂0.5-1g与甲基丙烯酸缩水甘油酯5-10ml加入高速混料机中混匀得到混合物；(2)在双螺杆挤出机中放入8-15g聚丙烯，在熔融状态下加入5.5-10.5ml步骤(1)中的混合物挤出造粒，得到具有反应活性的聚丙烯中间体；(3)将5-15g聚丙烯中间体溶于50-70ml甲苯溶剂中，加入1-2ml催化剂以及5-8g的3,3
′‑
二硫代二丙酸，通入氮气，升温至90-110℃反应6-10h，将产物过滤后旋转蒸发，除去低沸物，在30-50℃下真空干燥得到自修复聚丙烯。3.根据权利要求2所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，步骤(1)中，所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯中的任意一种。4.根据权利要求2所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，步骤(3)中，所述催化剂为三乙胺。5.根据权利要求1所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，所述有机纳米土的制备方法为：s1：将苯乙烯6-8g、马来酸酐1-3g、硅藻土2-4g、过氧化二异丙苯0.1-0.5g以及丙酮0.5-5ml在烧瓶中摇匀，升温反应，过滤、洗涤、真空干燥6-10h，得到改性硅藻土；s2:取15-20g改性硅藻土，加入300-500ml乙醇溶剂中，常温下搅拌3-6h，通入氮气除氧，加入20-30g端羟基聚丁二烯、0.3-0.5ml催化剂，继续搅拌8-15h,分离乙醇，洗涤4-8次，真空干燥，得到有机纳米土。6.根据权利要求5所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，步骤s1中，所述温度为80-100℃，时间为5-8h。7.根据权利要求5所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，步骤s2中，所述催化剂为对甲苯磺酸。8.根据权利要求1所述的一种基于复合材料的特种光缆，其特征在于，所述外护套材料的制备方法为：a:将重量份的自修复聚丙烯、有机纳米土、抗氧化剂、抗uv炭黑、促进剂、稳定剂倒入高速混料机中，设置螺杆转速为1500-3000r/min,高速混合1-2h，得到预混料；b:将预混料转移至双螺杆挤出机中，设置机头温度为100-300℃，螺杆转速为300-500r/min，挤出造粒，得到外护套材料。

技术总结
本发明公开了一种基于复合材料的特种光缆，包括光纤组、加强件、缆膏、绝缘铜导线、开缆绳、轧纹钢带、外护套；所述光纤组由内到外包括光纤、纤膏、松套管；所述加强件、绝缘铜导线、开缆绳与光纤组两两相切或稍有间隙放置；光纤组、加强件、绝缘铜导线与开缆绳外层包覆有轧纹钢带；外护套包覆于轧纹钢带表面；外护套材料包括自修复聚丙烯、有机纳米土、抗氧化剂、抗UV炭黑、促进剂、稳定剂；其中自修复聚丙烯是通过将环氧基团引入聚丙烯，再接枝具有自修复功能的二硫键制成，又通过对有机纳米土插层改性，再接入端羟基聚丁二烯，制备出有机纳米土，提高光缆的力学强度。提高光缆的力学强度。提高光缆的力学强度。


技术研发人员：陈卫东 张桂林 陈安民 孙琳 周晗 王江山
受保护的技术使用者：宏安集团有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/14