Warum werden Glasfasern in ein mit Gel gefülltes Rohr gelegt? Verhindert das, dass die Fasern belastet werden?
Die Platzierung von Glasfasern in Röhrchen (Puffern), deren Innendurchmesser deutlich größer ist als ihr Außendurchmesser, und das Auffüllen dieser mit einer viskosen Paste, wird in der Glasfaserkommunikations- und Glasfaser-Sensoriktechnik als „Loose-Tube Structure“ bezeichnet.
Dieses Design dient nicht dazu, die Glasfaser zu fixieren. Im Gegenteil, seine primären physikalischen und technischen Ziele sind die Realisierung einer mechanischen Entkopplung zwischen der Glasfaser und der umgebenden Hülse sowie der Schutz vor chemischen und physikalischen Einwirkungen über lange Zeiträume.
Die folgenden Kernprinzipien, sowohl physikalisch als auch mechanisch, liegen diesem Design zugrunde:
I. Mechanische Entkopplung: Wie werden Glasfasern vor Belastung geschützt?
Bei „Loose-Tube“-Glasfasern ist der Innendurchmesser D der Hülse weit größer als der Außendurchmesser d der Glasfaser (z. B. beträgt der Faserdurchmesser nur 125\ \mu\text{m} bis 250\ \mu\text{m}, während der Innendurchmesser der Schutzröhre typischerweise 1.0\ \text{mm} bis 2.0\ \text{mm} oder mehr beträgt).
- Nutzung der „Excess Fiber Length“ (EFL)
Während der Herstellung von „Loose-Tube“-Glasfaserkabeln wird die Länge der Glasfaser absichtlich so gesteuert, dass sie geringfügig länger ist als die Schutzröhre (d. h. eine Überlänge vorhanden ist, typischerweise zwischen 0.1\ \% und 1.0\ \%). Dies bedeutet, dass die Glasfaser im Inneren der Hülse nicht straff gespannt ist, sondern eine geringfügige spiralförmige oder wellenförmige Krümmung aufweist. - Freigabe von Zugspannungen
Wenn das Glasfaserkabel Zugkräften ausgesetzt wird (z. B. durch äußere Einwirkung, Zug beim Verlegen oder thermische Ausdehnung und Kontraktion), dehnt sich die äußere Schutzhülse aus. Aufgrund des großzügigen Platzes im Inneren der Hülse kann sich die Glasfaser frei in der Hülse bewegen und zusätzliche Länge freisetzen, indem sie sich aus der spiralförmigen Krümmung „abwickelt“. Solange die Längenausdehnung der Hülse innerhalb des vorgesehenen Überlängenbereichs liegt, trägt die Glasfaser selbst keine Zugspannung, und ihre axiale Belastung bleibt stets bei 0. - Ausgleich von Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien (wie Siliziumdioxidglas und die äußeren Schichten aus Edelstahl oder Kunststoff) unterscheiden sich erheblich. Bei starken Temperaturschwankungen schrumpft oder dehnt sich die äußere Hülse merklich aus. Die „Loose-Tube“-Struktur ermöglicht es der Glasfaser, sich durch Änderung des Krümmungsradius innerhalb des geräumigen Hülseninneren automatisch an Längenänderungen der Hülse anzupassen und so zu verhindern, dass die Faser reißt oder durch Kompression Mikroverluste entstehen.
II. Die entscheidende Rolle der Füllpaste (Fiber Gel)
Die im Inneren der Hülse verwendete Paste (typischerweise eine thixotrope, wasserabweisende Paste) dient nicht dazu, die Glasfaser zu verkleben. Es handelt sich um ein halfflüssiges, hochviskoses, hydrophobes Medium, dessen Funktion von entscheidender Bedeutung ist:
- Verhinderung von „Spannungskorrosion“ durch Wassermoleküle
Quarzglas (Siliziumdioxid SiO_2) kann unter geringen Spannungen mit Wassermolekülen (H_2O) chemisch reagieren:SiO_2 + H_2O \rightarrow 2SiO-HDies führt zum Bruch von Siliziumdioxid-Bindungen und lässt Mikrorisse an der Oberfläche der Glasfaser schnell expandieren. Dies kann dazu führen, dass die Glasfaser unter einer Zugkraft, die weit unter ihrer theoretischen Bruchgrenze liegt, plötzlich spröde bricht. Die Paste ist stark hydrophob, sie umhüllt die Glasfaser vollständig, schließt Feuchtigkeit vollständig aus und verhindert, dass Wasser entlang der Achse in die Hülse eindringt, falls diese beschädigt wird. - Mechanische Dämpfung und Mikrowellenpufferung
Die viskoelastischen Eigenschaften der Paste bieten ein weiches Polster für die Glasfaser. Wenn das Glasfaserkabel äußeren Hochfrequenzvibrationen, Stößen oder lokalem Seitendruck ausgesetzt ist, absorbiert und dissipiert die Paste einen Teil der mechanischen Energie. Sie wirkt als Dämpfung und Vibrationsschutz und verhindert, dass die Glasfaser lokalisierte, starke mikroskopische Biegungen (Mikroverluste) erfährt, wodurch die Stabilität der optischen Signalübertragung gewährleistet wird.
III. Industrielle nahtlose Stahlrohr-„Loose-Tube“-Glasfaserkabel
Bei Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) kombinieren wir in unseren High-End-Glasfaser- und verteilten Sensorsystemen dieses „Loose-Tube“-Prinzip mit hochfester Metallverarbeitungstechnologie. Wir bieten eine Reihe von Glasfaserkabeln auf Basis nahtloser Edelstahlrohre an (d. h. Fiber in Metal Tube, FIMT).
Bei dieser Struktur nimmt das Edelstahlrohr den Großteil äußerer Druck- und Zugspannungen als hervorragende physikalische Schutzbarriere auf, während die Paste oder ein spezieller Luftspalt im Rohrinneren sicherstellt, dass die Glasfaser auch in rauen Industrieumgebungen (wie z. B. bei der Erdölförderung oder geothermischen Überwachung) frei von Spannungen bleibt.
Typische Produkte umfassen:
- OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Verwendet nahtlose Edelstahlrohre zur Kapselung, gefüllt mit wasserabweisender Paste, zur Aufnahme von Singlemode- oder Multimode-Glasfasern und bietet hervorragenden Schutz vor Feuchtigkeit und äußeren Zug- und Druckkräften.
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable: Für mittlere bis hohe Temperaturen, schützt die Glasfaser mit Polyimidbeschichtung in einer nahtlosen Stahlrohr-„Loose-Tube“-Struktur, um Schäden durch thermische Spannungen und mechanische Belastungen unter rauen Betriebsbedingungen zu verhindern.
