1. مقدمة
مع التطور السريع لتكنولوجيا الاتصالات خلال العقد الماضي، اتسع نطاق استخدام كابلات الألياف الضوئية. ومع تزايد المتطلبات البيئية لهذه الكابلات، تتزايد أيضاً متطلبات جودة المواد المستخدمة فيها. يُعد شريط منع تسرب الماء من المواد الشائعة في صناعة كابلات الألياف الضوئية، وقد حظي دوره في منع التسرب، ومقاومة الماء، والحماية من الرطوبة، والعزل، باعتراف واسع، كما شهدت أنواعه وأداؤه تحسينات مستمرة مع تطور هذه الكابلات. في السنوات الأخيرة، تم إدخال بنية "اللب الجاف" في الكابلات الضوئية. يتكون هذا النوع من مواد منع تسرب الماء عادةً من شريط أو خيوط أو طلاء لمنع تسرب الماء طولياً إلى لب الكابل. ومع تزايد الإقبال على كابلات الألياف الضوئية ذات اللب الجاف، تحل موادها محل مركبات ملء الكابلات التقليدية القائمة على الفازلين. تستخدم مادة اللب الجاف بوليمراً يمتص الماء بسرعة ليشكل هيدروجيلاً، ينتفخ ويملأ قنوات تسرب الماء في الكابل. إضافةً إلى ذلك، ولأن مادة اللب الجافة لا تحتوي على شحوم لزجة، فلا حاجة إلى مناديل أو مذيبات أو منظفات لتحضير الكابل للوصل، مما يقلل وقت الوصل بشكل كبير. كما أن خفة وزن الكابل وقوة الالتصاق بين خيوط التقوية الخارجية والغلاف لا تتأثر، مما يجعله خيارًا شائعًا.
2- تأثير الماء على الكابل وآلية مقاومة الماء
السبب الرئيسي وراء ضرورة اتخاذ تدابير متنوعة لمنع تسرب الماء هو أن الماء المتسرب إلى الكابل يتحلل إلى هيدروجين وأيونات الهيدروكسيد (OH-)، مما يزيد من فقد الإشارة في الألياف الضوئية، ويقلل من كفاءتها، ويقصر عمر الكابل. ومن أكثر التدابير شيوعًا لمنع تسرب الماء ملء الفراغ بين قلب الكابل وغلافه بمعجون البترول، وإضافة شريط عازل للماء، وذلك لمنع انتشار الماء والرطوبة عموديًا، وبالتالي يساهم في منع تسرب الماء.
عند استخدام الراتنجات الاصطناعية بكميات كبيرة كعوازل في كابلات الألياف الضوئية (وخاصةً في الكابلات نفسها)، فإن هذه المواد العازلة لا تخلو من تسرب الماء. ويُعدّ تكوّن "أشجار الماء" في المادة العازلة السبب الرئيسي لتأثيرها على أداء نقل البيانات. ويُفسَّر عادةً تأثير أشجار الماء على المادة العازلة كما يلي: نتيجةً للمجال الكهربائي القوي (أو فرضية أخرى تُشير إلى تغيّر الخصائص الكيميائية للراتنج بفعل التفريغ الضعيف للإلكترونات المُسرَّعة)، تخترق جزيئات الماء المسام الدقيقة الموجودة في غلاف كابل الألياف الضوئية. وتتراكم هذه الجزيئات تدريجيًا بكميات كبيرة من الماء، وتنتشر في الاتجاه الطولي للكابل، مما يؤثر سلبًا على أدائه. بعد سنوات من البحث والاختبار الدولي، في منتصف الثمانينيات، تم التوصل إلى أفضل طريقة للقضاء على ظاهرة تكوّن الأشجار المائية، وهي تغليف الكابل قبل عملية البثق بطبقة من مادة ماصة للماء وحاجز مائي لمنع نمو الأشجار المائية وإبطائه، ومنع انتشار الماء داخل الكابل طولياً؛ وفي الوقت نفسه، يمكن للحاجز المائي أن يمنع الماء بسرعة من الانتشار الطولي للكابل بسبب التلف الخارجي وتسرب الماء.
3. نظرة عامة على حاجز الماء للكابلات
3.1 تصنيف الحواجز المائية لكابلات الألياف الضوئية
تتعدد طرق تصنيف حواجز الماء في الكابلات الضوئية، ويمكن تصنيفها وفقًا لبنيتها وجودتها وسماكتها. وبشكل عام، يمكن تصنيفها حسب بنيتها إلى: حواجز ماء مزدوجة الطبقات، وحواجز ماء أحادية الطبقة، وحواجز ماء مركبة. وتعتمد وظيفة حاجز الماء بشكل أساسي على مادة امتصاص الماء العالية (المسماة حاجز الماء)، والتي تتمدد بسرعة عند ملامستها للماء، مكونةً كمية كبيرة من الهلام (حيث يمتص حاجز الماء كمية من الماء تفوق حجمه بمئات المرات)، مما يمنع نمو التفرعات المائية واستمرار تسرب الماء وانتشاره. وتشمل هذه المواد عديدات السكاريد الطبيعية والمعدلة كيميائيًا.
على الرغم من أن هذه المواد الطبيعية أو شبه الطبيعية المانعة لتسرب الماء تتمتع بخصائص جيدة، إلا أنها تعاني من عيبين قاتلين:
1) إنها قابلة للتحلل الحيوي، و2) إنها شديدة الاشتعال. وهذا يجعل استخدامها في مواد كابلات الألياف الضوئية غير مرجح. أما النوع الآخر من المواد الاصطناعية في مقاومة الماء فهو البولي أكريلات، والتي يمكن استخدامها كمقاومات للماء للكابلات الضوئية لأنها تستوفي المتطلبات التالية: 1) عندما تجف، يمكنها مقاومة الإجهادات المتولدة أثناء تصنيع الكابلات الضوئية؛
2) عندما تكون جافة، يمكنها تحمل ظروف تشغيل الكابلات الضوئية (التناوب الحراري من درجة حرارة الغرفة إلى 90 درجة مئوية) دون التأثير على عمر الكابل، ويمكنها أيضًا تحمل درجات الحرارة العالية لفترات قصيرة من الزمن؛
3) عندما يدخل الماء، يمكنها أن تنتفخ بسرعة وتشكل مادة هلامية بسرعة تمدد عالية.
4) إنتاج هلام عالي اللزوجة، حتى في درجات الحرارة العالية، تظل لزوجة الهلام مستقرة لفترة طويلة.
يمكن تقسيم عملية تصنيع المواد الطاردة للماء إلى عدة طرق رئيسية، منها الطرق الكيميائية التقليدية - طريقة الطور المعكوس (طريقة التشابك بالبلمرة في الزيت)، وطريقة التشابك الذاتي - طريقة القرص، وطريقة التشعيع - طريقة أشعة غاما للكوبالت 60. تعتمد طريقة التشابك على أشعة غاما للكوبالت 60. تختلف طرق التصنيع في درجات البلمرة والتشابك، مما يستلزم متطلبات صارمة للغاية لعامل منع الماء المستخدم في الأشرطة المانعة للماء. لا يفي سوى عدد قليل جدًا من البولي أكريلات بالمتطلبات الأربعة المذكورة. وبحسب الخبرة العملية، لا يمكن استخدام عوامل منع الماء (الراتنجات الماصة للماء) كمواد خام لجزء واحد من بولي أكريلات الصوديوم المتشابك، بل يجب استخدامها في طريقة تشابك متعددة البوليمرات (أي مزيج من أجزاء مختلفة من بولي أكريلات الصوديوم المتشابك) لتحقيق امتصاص سريع وعالي للماء. المتطلبات الأساسية هي: أن يصل معدل امتصاص الماء إلى حوالي 400 ضعف، وأن تصل نسبة امتصاص الماء إلى 75% من الماء الممتص بواسطة المادة المقاومة للماء خلال الدقيقة الأولى؛ متطلبات الثبات الحراري لتجفيف المادة المقاومة للماء: مقاومة طويلة الأمد لدرجة حرارة 90 درجة مئوية، وأقصى درجة حرارة تشغيل 160 درجة مئوية، ومقاومة فورية لدرجة حرارة 230 درجة مئوية (وهذا مهم بشكل خاص للكابلات الكهروضوئية المركبة التي تحمل إشارات كهربائية)؛ متطلبات ثبات امتصاص الماء بعد تكوين الهلام: بعد عدة دورات حرارية (من 20 إلى 95 درجة مئوية)، يتطلب ثبات الهلام بعد امتصاص الماء: هلام عالي اللزوجة وقوة هلامية بعد عدة دورات حرارية (من 20 إلى 95 درجة مئوية). يختلف ثبات الهلام بشكل كبير اعتمادًا على طريقة التصنيع والمواد المستخدمة من قبل الشركة المصنعة. في الوقت نفسه، ليس بالضرورة أن يكون معدل التمدد الأسرع هو الأفضل، فبعض المنتجات التي تركز بشكل أحادي على السرعة، تستخدم إضافات لا تُسهم في ثبات الهلام المائي، بل تُدمر قدرته على الاحتفاظ بالماء، دون تحقيق فعالية مقاومة الماء.
3. ثلاث خصائص لشريط منع تسرب الماء: بما أن الكابل يخضع لاختبارات بيئية أثناء التصنيع والاختبار والنقل والتخزين والاستخدام، فمن منظور استخدام الكابلات الضوئية، فإن متطلبات شريط منع تسرب الماء للكابلات هي كما يلي:
1) توزيع ألياف المظهر، مواد مركبة بدون انفصال الطبقات ومسحوق، مع قوة ميكانيكية معينة، مناسبة لاحتياجات الكابل؛
2) جودة موحدة ومتكررة ومستقرة، بحيث لا ينفصل الكابل أثناء تشكيله ولا ينتج عنه أي انفصال في الطبقات.
3) ضغط تمدد عالٍ، سرعة تمدد سريعة، استقرار جيد للهلام؛
4) استقرار حراري جيد، مناسب لمختلف عمليات المعالجة اللاحقة؛
5) استقرار كيميائي عالي، لا يحتوي على أي مكونات أكالة، مقاوم لتآكل البكتيريا والعفن؛
6) توافق جيد مع المواد الأخرى المستخدمة في الكابلات الضوئية، ومقاومة الأكسدة، وما إلى ذلك.
4 معايير أداء حاجز الماء للكابلات الضوئية
تُظهر نتائج العديد من الأبحاث أن عدم كفاية مقاومة الماء يؤثر سلبًا على استقرار أداء نقل البيانات في الكابلات على المدى الطويل. يصعب اكتشاف هذا الضرر أثناء عملية تصنيع كابلات الألياف الضوئية وفحصها في المصنع، ولكنه يظهر تدريجيًا أثناء تركيب الكابل بعد استخدامه. لذا، أصبح من الضروري وضع معايير اختبار شاملة ودقيقة في الوقت المناسب، لإيجاد أساس تقييمي مقبول لدى جميع الأطراف. وقد وفرت الأبحاث والتجارب المكثفة التي أجراها الباحث على أحزمة منع تسرب الماء أساسًا تقنيًا كافيًا لوضع معايير فنية لهذه الأحزمة. وبناءً على ما يلي، يتم تحديد معايير أداء قيمة حاجز الماء:
1) متطلبات معيار الكابلات الضوئية لمانع التسرب المائي (بشكل رئيسي متطلبات مادة الكابلات الضوئية في معيار الكابلات الضوئية)؛
2) خبرة في تصنيع واستخدام الحواجز المائية وتقارير الاختبارات ذات الصلة؛
3) نتائج البحث حول تأثير خصائص الأشرطة المانعة لتسرب الماء على أداء كابلات الألياف الضوئية.
4.1 المظهر
يجب أن يكون مظهر شريط حاجز الماء عبارة عن ألياف موزعة بالتساوي؛ يجب أن يكون السطح مسطحًا وخاليًا من التجاعيد والطيات والتمزقات؛ يجب ألا يكون هناك أي شقوق في عرض الشريط؛ يجب أن تكون المادة المركبة خالية من الانفصال؛ يجب لف الشريط بإحكام ويجب أن تكون حواف الشريط المحمول باليد خالية من "شكل قبعة القش".
4.2 القوة الميكانيكية لمانع التسرب
تعتمد قوة شد شريط منع تسرب الماء على طريقة تصنيع شريط البوليستر غير المنسوج. في ظل نفس الظروف الكمية، تتفوق طريقة الفسكوز على طريقة الدرفلة الساخنة من حيث قوة الشد، كما أن سمك الشريط أقل. وتختلف قوة شد شريط منع تسرب الماء تبعًا لطريقة لف الكابل حوله.
يُعدّ هذا مؤشرًا رئيسيًا لاثنين من أحزمة منع تسرب الماء، حيث يجب توحيد طريقة الاختبار مع الجهاز والسائل وإجراءات الاختبار. تتكون المادة الرئيسية المانعة لتسرب الماء في شريط منع التسرب جزئيًا من بولي أكريلات الصوديوم المتشابك ومشتقاته، وهي حساسة لتركيب وطبيعة متطلبات جودة المياه. ولتوحيد معيار ارتفاع انتفاخ شريط منع التسرب، يُفضّل استخدام الماء منزوع الأيونات (مع إمكانية استخدام الماء المقطر عند الضرورة)، نظرًا لعدم احتوائه على أي مكونات أنيونية أو كاتيونية، فهو في الأساس ماء نقي. يختلف معامل امتصاص راتنج امتصاص الماء اختلافًا كبيرًا باختلاف جودة المياه؛ ففي الماء النقي، يبلغ معامل الامتصاص 100% من القيمة الاسمية؛ وفي ماء الصنبور، يتراوح بين 40% و60% (بحسب جودة المياه في كل موقع)؛ وفي مياه البحر، يبلغ 12%؛ أما المياه الجوفية أو مياه المجاري فهي أكثر تعقيدًا، ويصعب تحديد نسبة امتصاصها، وبالتالي تكون قيمتها منخفضة جدًا. لضمان فعالية حاجز الماء وعمر الكابل، من الأفضل استخدام شريط حاجز الماء بارتفاع انتفاخ يزيد عن 10 مم.
4.3 الخصائص الكهربائية
بشكل عام، لا يحتوي الكابل الضوئي على أسلاك معدنية لنقل الإشارات الكهربائية، لذا لا يتطلب استخدام شريط مقاوم للماء شبه موصل، باستثناء شريط مقاوم للماء للكابل الضوئي (كما ذكر وانغ تشيانغ، وغيره).
قبل وجود الإشارات الكهربائية، يجب تحديد متطلبات محددة وفقًا لهيكل الكابل بموجب العقد.
4.4 الثبات الحراري: تستطيع معظم أنواع الأشرطة المانعة لتسرب الماء تلبية متطلبات الثبات الحراري: مقاومة حرارية طويلة الأمد تصل إلى 90 درجة مئوية، وأقصى درجة حرارة تشغيل تصل إلى 160 درجة مئوية، ومقاومة حرارية فورية تصل إلى 230 درجة مئوية. يجب ألا يتغير أداء الشريط المانع لتسرب الماء بعد فترة زمنية محددة عند هذه الدرجات.
تُعدّ قوة الهلام أهمّ خصائص المادة المنتفخة، بينما يُستخدم معدل التمدد فقط للحدّ من طول اختراق الماء الأولي (أقل من متر واحد). يجب أن تتمتع المادة المنتفخة الجيدة بمعدل تمدد مناسب ولزوجة عالية. أما المادة ذات الحاجز المائي الضعيف، حتى مع معدل تمدد عالٍ ولزوجة منخفضة، فستكون خصائصها الحاجزة للماء ضعيفة. يمكن اختبار ذلك من خلال مقارنة المادة بعدد من الدورات الحرارية. في ظلّ ظروف التحلل المائي، يتحلّل الهلام إلى سائل منخفض اللزوجة، مما يُؤدّي إلى تدهور جودته. ويتمّ ذلك عن طريق تقليب مُعلّق من الماء النقيّ يحتوي على مسحوق مُنتفخ لمدة ساعتين. ثمّ يُفصل الهلام الناتج عن الماء الزائد ويُوضع في مقياس لزوجة دوّار لقياس اللزوجة قبل وبعد 24 ساعة عند 95 درجة مئوية. يُمكن ملاحظة الفرق في استقرار الهلام. عادةً ما يتمّ ذلك في دورات من 8 ساعات من 20 درجة مئوية إلى 95 درجة مئوية، و8 ساعات من 95 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية. تتطلب المعايير الألمانية ذات الصلة 126 دورة لمدة 8 ساعات.
٤.٥ التوافق: يُعدّ توافق حاجز الماء سمةً بالغة الأهمية فيما يتعلق بعمر كابل الألياف الضوئية، ولذا ينبغي مراعاته عند دراسة مواد كابلات الألياف الضوئية المستخدمة. ولأنّ التوافق يستغرق وقتًا طويلًا ليظهر، يجب استخدام اختبار التقادم المُعجّل، حيث تُمسح عينة مادة الكابل جيدًا، وتُغلّف بطبقة من شريط جاف مقاوم للماء، وتُحفظ في غرفة ذات درجة حرارة ثابتة عند ١٠٠ درجة مئوية لمدة ١٠ أيام، ثم تُوزن. يجب ألا تتجاوز نسبة التغيير في قوة الشد والاستطالة للمادة ٢٠٪ بعد الاختبار.
تاريخ النشر: 22 يوليو 2022