Si una cubierta de fibra se expone al sol durante mucho tiempo o se congela en un almacén frigorífico durante mucho tiempo, ¿se agrietará?
Sí, la cubierta exterior de plástico de la fibra óptica común (es decir, la funda protectora) se degrada fácil y rápidamente a nivel físico y químico cuando se expone a la luz solar durante mucho tiempo o se congela en un almacén frigorífico durante mucho tiempo, lo que provoca que se endurezca, se vuelva quebradiza e incluso se agriete. Este fenómeno está determinado por las propiedades físicas y químicas intrínsecas de los materiales poliméricos.
I. Degradación por fotodegradación bajo exposición solar (degradación por rayos UV y envejecimiento térmico)
Las fundas de la mayoría de los latiguillos o cables de fibra óptica convencionales están hechas de polímeros como cloruro de polivinilo (PVC), poliuretano (PU) o libre de halógenos y bajo humo (LSZH).
- Reacción fotoquímica: La radiación ultravioleta (UV) de la luz solar tiene una alta energía de fotones. Cuando estos rayos UV inciden sobre la funda de plástico, rompen los enlaces químicos de las cadenas moleculares del polímero, generando radicales libres y desencadenando la reacción de fotodegradación.
- Pérdida de aditivos: Durante el procesamiento del plástico, se suelen añadir plastificantes para garantizar su flexibilidad. Las altas temperaturas continuas generadas por la radiación solar exterior aceleran la volatilización y degradación de estos aditivos elásticos.
- Mecanismo de agrietamiento: A medida que las cadenas moleculares se rompen y los plastificantes se pierden, el material de la funda pierde gradualmente su elasticidad, y su superficie se decolora, endurece y fragiliza. Bajo tensiones mecánicas externas (como el balanceo del cable causado por el viento o las vibraciones), y la expansión y contracción térmica debido a las diferencias de temperatura diurnas y nocturnas, se forman microfisuras en la superficie de la funda, que finalmente se extienden hasta formar grietas y desprendimientos macroscópicos.
II. Fragilización por baja temperatura en almacenes frigoríficos (fenómeno de fragilización por frío)
Todos los materiales poliméricos tienen un indicador físico específico: la temperatura de transición vítrea (T_g).
- Transición de estado: Cuando la temperatura está por encima de T_g, los segmentos de las cadenas moleculares del polímero pueden moverse libremente, y el material exhibe buena elasticidad y flexibilidad (estado de alto caucho); sin embargo, cuando la temperatura ambiente desciende por debajo de T_g, el movimiento de los segmentos moleculares dentro del material se “congela”, y el comportamiento mecánico del material cambia a un estado duro y frágil similar al del vidrio inorgánico (estado vítreo).
- Limitaciones de las fundas convencionales: La temperatura de transición vítrea de las fundas de PVC convencionales suele estar entre -10 ext{°C} y -30 ext{°C}. En entornos de almacenes frigoríficos por debajo de -20 ext{°C} o -30 ext{°C}, las cubiertas exteriores de plástico ordinarias se endurecen y fragilizan rápidamente.
- Mecanismo de agrietamiento: El revestimiento de plástico en estado “vítreo” tiene una resistencia extremadamente pobre al impacto y a la flexión. Si la cubierta se mueve, se dobla o sufre una colisión externa en un almacén frigorífico, el revestimiento no puede liberar el estrés mediante deformación elástica, lo que provoca una fractura frágil (es decir, “grietas por congelación”) con una deformación muy baja.
III. Soluciones de ingeniería y diseño de productos especiales
En entornos extremos como la exposición a luz ultravioleta intensa al aire libre, almacenes frigoríficos extremadamente fríos o alternancia de calor y frío, las fibras ópticas con fundas de plástico tradicionales a menudo no pueden funcionar de manera fiable a largo plazo. Por ello, en ingeniería, la armadura metálica completa o el diseño de encapsulación especial resistente a temperaturas extremas se suelen emplear para eliminar por completo los riesgos de envejecimiento del polímero.
Solución 1: Latiguillo de fibra óptica con armadura totalmente metálica y sin protección de plástico (solución completa para envejecimiento por UV y fragilización por frío)
Se sustituye completamente la funda de plástico tradicional por tubos de acero sin costura y capas de trenzado metálico. Los materiales metálicos no temen la radiación ultravioleta del sol y tienen excelentes propiedades mecánicas en un rango muy amplio de -200 ext{°C} a varios cientos de grados Celsius, sin experimentar transiciones vítreas como el plástico.
- OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord: Este latiguillo utiliza una estructura de alambre de acero galvanizado de 0.6 mm, un tubo de acero sin costura de 1.0 mm y fibra óptica. Su estructura es totalmente metálica, sin funda de plástico, y tiene un rango de temperatura de uso de -40 ext{°C} a 85 ext{°C}, evitando perfectamente la degradación de la funda de plástico causada por los rayos UV.
- OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord: Utiliza un tubo de acero inoxidable sin costura de 0.9 mm y fibra óptica de poliimida de 200 °C, sin funda de plástico convencional. Su rango de temperatura de funcionamiento es de -200 ext{°C} a 200 ext{°C}, extremadamente resistente a altas y bajas temperaturas, y puede operar de forma continua en almacenes de congelación profunda o expuesto a la intemperie.
Solución 2: Sensores de fibra Bragg encapsulados en tubos de acero sin costura (para sistemas de sensores de fibra óptica)
En la ingeniería de sensores de fibra Bragg (FBG), la monitorización de la temperatura y la deformación en estructuras de acero en almacenes frigoríficos o expuestas al sol es una necesidad común. El uso de sensores con tubos de acero inoxidable sin costura como capa protectora garantiza la fiabilidad del funcionamiento a largo plazo.
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Se encapsula en un solo tubo de acero inoxidable sin costura con un diámetro exterior de solo 0.9 mm. El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 ext{°C} a 100 ext{°C}, utilizado para reemplazar sensores convencionales con fundas de plástico, eliminando los riesgos de fallo debido a la fragilización en almacenes frigoríficos y el agrietamiento al aire libre de las fundas de plástico.
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Si se aplica en la criogenia (como bio-almacenes a ultra baja temperatura por debajo de -40 ext{°C}, entornos de nitrógeno líquido, etc.) con temperaturas aún más bajas y entornos más severos, este sensor de temperatura encapsulado en tubo de acero inoxidable sin costura puede soportar un rango de funcionamiento de -200 ext{°C} a 300 ext{°C}. La protección física es extremadamente robusta, siendo completamente inmune a los efectos químicos y físicos del envejecimiento ambiental.