تحليل مواد غلاف الكابلات الضوئية: حماية شاملة من التطبيقات الأساسية إلى التطبيقات الخاصة

الغلاف أو الغلاف الخارجي هو الطبقة الواقية الخارجية في هيكل الكابل البصري، ويتكون بشكل أساسي من مادة غلاف البولي إيثيلين ومادة غلاف البولي فينيل كلوريد، ويتم استخدام مادة غلاف مقاومة للهب وخالية من الهالوجين ومادة غلاف مقاومة للتتبع الكهربائي في مناسبات خاصة.

1. مادة غلاف البولي إيثيلين
البولي إيثيلين (PE) هو اختصار لكلمة بولي إيثيلين، وهو مركب بوليمري يتكون من بلمرة الإيثيلين. تُصنع مادة غلاف البولي إيثيلين الأسود عن طريق خلط راتنج البولي إيثيلين مع مُثبِّت، وأسود الكربون، ومضاد للأكسدة، ومُلدّن بنسب مُحددة، ثمّ تحبيبه. تُصنّف مواد غلاف البولي إيثيلين المستخدمة في أغلفة الكابلات الضوئية إلى بولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، وبولي إيثيلين خطي منخفض الكثافة (LLDPE)، وبولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة (MDPE)، وبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، وذلك حسب الكثافة. ونظرًا لاختلاف كثافتها وبنيتها الجزيئية، فإنّ خصائصها تختلف. يتكوّن البولي إيثيلين منخفض الكثافة، المعروف أيضًا باسم بولي إيثيلين عالي الضغط، من خلال بلمرة الإيثيلين عند ضغط عالٍ (أعلى من 1500 ضغط جوي) ودرجة حرارة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية باستخدام الأكسجين كمُحفِّز. لذا، تحتوي السلسلة الجزيئية للبولي إيثيلين منخفض الكثافة على فروع متعددة بأطوال مختلفة، وتتميز بدرجة عالية من التفرع، وبنية غير منتظمة، وبلورية منخفضة، ومرونة واستطالة جيدتين. أما البولي إيثيلين عالي الكثافة، المعروف أيضًا باسم بولي إيثيلين الضغط المنخفض، فيُصنع عن طريق بلمرة الإيثيلين عند ضغط منخفض (1-5 ضغط جوي) ودرجة حرارة 60-80 درجة مئوية باستخدام محفزات من الألومنيوم والتيتانيوم. وبفضل التوزيع الضيق للوزن الجزيئي للبولي إيثيلين عالي الكثافة والترتيب المنتظم للجزيئات، فإنه يتمتع بخصائص ميكانيكية جيدة، ومقاومة كيميائية عالية، ونطاق واسع لدرجات حرارة الاستخدام. ويُصنع غلاف البولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة عن طريق مزج البولي إيثيلين عالي الكثافة والبولي إيثيلين منخفض الكثافة بنسبة مناسبة، أو عن طريق بلمرة مونومر الإيثيلين والبروبيلين (أو المونومر الثاني وهو 1-بيوتين). لذا، يقع أداء البولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة بين أداء البولي إيثيلين عالي الكثافة والبولي إيثيلين منخفض الكثافة، فهو يتمتع بمرونة البولي إيثيلين منخفض الكثافة ومقاومة التآكل وقوة الشد الممتازة للبولي إيثيلين عالي الكثافة. يُبلمر البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة باستخدام طريقة الطور الغازي أو المحلول تحت ضغط منخفض مع مونومر الإيثيلين و2-أوليفين. تتراوح درجة تفرع البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة بين درجتي التفرع للبولي إيثيلين منخفض الكثافة والبولي إيثيلين عالي الكثافة، مما يمنحه مقاومة ممتازة لتشقق الإجهاد البيئي. تُعد مقاومة تشقق الإجهاد البيئي مؤشرًا بالغ الأهمية لتحديد جودة مواد البولي إيثيلين، حيث تشير إلى ظاهرة تشقق عينة الاختبار عند تعرضها لإجهاد الانحناء في بيئة تحتوي على مواد فعالة سطحية. تشمل العوامل المؤثرة على تشقق الإجهاد في المادة: الوزن الجزيئي، وتوزيع الوزن الجزيئي، والتبلور، والبنية المجهرية للسلسلة الجزيئية. كلما زاد الوزن الجزيئي، وضيق توزيع الوزن الجزيئي، وزادت الروابط بين الرقائق، تحسنت مقاومة المادة لتشقق الإجهاد البيئي، وزاد عمر الخدمة للمادة. في الوقت نفسه، يؤثر تبلور المادة أيضًا على هذا المؤشر. فكلما انخفضت درجة التبلور، تحسنت مقاومة المادة للتشقق الناتج عن الإجهاد البيئي. تُعد قوة الشد والاستطالة عند الكسر لمواد البولي إيثيلين مؤشرًا آخر لقياس أداء المادة، ويمكنهما أيضًا التنبؤ بنهاية عمرها الافتراضي. يُسهم محتوى الكربون في مواد البولي إيثيلين في مقاومة تآكل الأشعة فوق البنفسجية بفعالية، كما تُحسّن مضادات الأكسدة خصائصها المضادة للأكسدة بشكل ملحوظ.

2. مادة غلاف PVC
تحتوي مادة PVC المقاومة للهب على ذرات الكلور، التي تحترق عند تعرضها للهب. وعند احتراقها، تتحلل هذه المادة وتطلق كمية كبيرة من غاز HCL السام والمسبب للتآكل، مما يُسبب أضرارًا ثانوية. إلا أنها تنطفئ تلقائيًا عند ابتعادها عن اللهب، ولذلك فهي لا تنشر اللهب. في الوقت نفسه، تتميز مادة غلاف PVC بمرونة وقابلية تمدد عاليتين، وتُستخدم على نطاق واسع في كابلات الألياف الضوئية الداخلية.

3. مادة غلاف مقاومة للهب وخالية من الهالوجين
نظرًا لأن كلوريد البولي فينيل ينتج غازات سامة عند احتراقه، فقد طُوِّر غلافٌ مقاومٌ للهب نظيفٌ وخالٍ من الهالوجينات، ومنخفض الدخان، وذلك بإضافة مثبطات اللهب غير العضوية Al(OH)3 وMg(OH)2 إلى مواد الغلاف العادية. تُطلق هذه المواد ماء التبلور عند تعرضها للنار، وتمتص كمية كبيرة من الحرارة، مما يمنع ارتفاع درجة حرارة الغلاف واحتراقه. يؤدي إضافة مثبطات اللهب غير العضوية إلى مواد الغلاف المقاومة للهب الخالية من الهالوجينات إلى زيادة موصلية البوليمرات. في الوقت نفسه، تُعدّ الراتنجات ومثبطات اللهب غير العضوية مواد ثنائية الطور مختلفة تمامًا. أثناء التصنيع، من الضروري منع الخلط غير المتجانس لمثبطات اللهب موضعيًا. يجب إضافة مثبطات اللهب غير العضوية بكميات مناسبة. فإذا كانت النسبة كبيرة جدًا، فإن المتانة الميكانيكية والاستطالة عند الكسر للمادة ستنخفض بشكل كبير. تُعدّ مؤشرات مؤشر الأكسجين وتركيز الدخان من أهمّ المؤشرات المستخدمة لتقييم خصائص مقاومة اللهب للمواد الخالية من الهالوجين. يُعرّف مؤشر الأكسجين بأنه الحد الأدنى لتركيز الأكسجين اللازم لاحتراق المادة بشكل متوازن في خليط غازي من الأكسجين والنيتروجين. وكلما ارتفع مؤشر الأكسجين، تحسّنت خصائص مقاومة اللهب للمادة. أما تركيز الدخان، فيُحسب بقياس نفاذية شعاع الضوء المتوازي المار عبر الدخان الناتج عن احتراق المادة في حيز محدد وعلى طول مسار بصري معين. وكلما انخفض تركيز الدخان، انخفضت كمية الدخان المنبعث، وتحسّن أداء المادة.

4. مادة غلاف مقاومة للعلامات الكهربائية
يتزايد استخدام كابلات الألياف الضوئية ذاتية الدعم متعددة الوسائط (ADSS) في نفس أبراج خطوط النقل الهوائية ذات الجهد العالي ضمن أنظمة الاتصالات الكهربائية. وللتغلب على تأثير المجال الكهربائي الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي عالي الجهد على غلاف الكابل، تم تطوير وإنتاج مادة غلاف جديدة مقاومة للتآكل الكهربائي، وذلك من خلال التحكم الدقيق في محتوى الكربون الأسود وحجم وتوزيع جزيئاته، بالإضافة إلى إضافة مواد خاصة تمنحها أداءً ممتازًا في مقاومة التآكل الكهربائي.