1 Introduction
Avec le développement rapide des technologies de communication au cours de la dernière décennie, le champ d'application des câbles à fibres optiques s'est considérablement étendu. Face à des exigences environnementales toujours plus strictes, les exigences relatives à la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication des câbles à fibres optiques s'accroissent également. Le ruban d'étanchéité pour câbles à fibres optiques est un matériau couramment utilisé dans l'industrie. Son rôle d'étanchéité, d'imperméabilité, de protection contre l'humidité et d'amortissement est largement reconnu, et ses variantes et performances ont été continuellement améliorées et perfectionnées au fil du développement des câbles à fibres optiques. Ces dernières années, la structure à « âme sèche » a fait son apparition dans les câbles optiques. Ce type de matériau barrière à l'eau est généralement une combinaison de ruban, de fil ou de revêtement empêchant l'eau de pénétrer longitudinalement dans l'âme du câble. L'adoption croissante des câbles à fibres optiques à âme sèche a conduit à la substitution rapide des composés de remplissage traditionnels à base de vaseline par les matériaux utilisés. Le matériau à âme sèche utilise un polymère qui absorbe rapidement l'eau pour former un hydrogel, lequel gonfle et remplit les canaux de pénétration d'eau du câble. De plus, comme le matériau de l'âme sèche ne contient pas de graisse collante, aucun chiffon, solvant ou produit nettoyant n'est nécessaire pour préparer le câble à l'épissure, ce qui réduit considérablement le temps d'épissure. La légèreté du câble et l'excellente adhérence entre le fil de renforcement extérieur et la gaine sont préservées, ce qui en fait un choix populaire.
2. L'impact de l'eau sur le câble et le mécanisme de résistance à l'eau
La principale raison pour laquelle il est nécessaire de mettre en œuvre diverses mesures d'étanchéité est que l'eau pénétrant dans le câble se décompose en ions hydrogène et OH⁻, ce qui augmente les pertes de transmission de la fibre optique, réduit ses performances et diminue la durée de vie du câble. Les mesures d'étanchéité les plus courantes consistent à remplir l'espace entre l'âme et la gaine du câble avec de la pâte de pétrole et du ruban étanche afin d'empêcher la propagation verticale de l'eau et de l'humidité, assurant ainsi une protection efficace contre l'infiltration d'eau.
Lorsque des résines synthétiques sont utilisées en grande quantité comme isolants dans les câbles à fibres optiques (notamment dans les câbles), ces matériaux isolants ne sont pas à l'abri des infiltrations d'eau. La formation d'« arborescences d'eau » dans l'isolant est la principale cause de la dégradation des performances de transmission. Le mécanisme par lequel les arborescences d'eau affectent l'isolant est généralement expliqué comme suit : sous l'effet d'un champ électrique intense (une autre hypothèse suggère que les propriétés chimiques de la résine sont modifiées par la très faible décharge d'électrons accélérés), les molécules d'eau pénètrent à travers les micropores présents en nombre variable dans la gaine du câble à fibres optiques. Ces molécules d'eau s'infiltrent à travers ces micropores, formant des « arborescences d'eau », et accumulent progressivement une grande quantité d'eau qui se propage longitudinalement dans le câble, affectant ainsi ses performances. Après des années de recherche et d'essais internationaux, au milieu des années 1980, une méthode a été mise au point pour éliminer au mieux la formation d'arêtes de verre : avant l'extrusion du câble, une couche absorbante et extensible, formant une barrière étanche, inhibe et ralentit la croissance des arborescences de verre, bloquant ainsi l'eau à l'intérieur du câble dans sa partie longitudinale. Parallèlement, en cas de dommages externes ou d'infiltration d'eau, cette barrière étanche bloque rapidement l'eau et empêche la formation d'arêtes de verre dans sa partie longitudinale.
3 Aperçu de la barrière étanche à l'eau par câble
3.1 Classification des barrières d'étanchéité pour câbles à fibres optiques
Il existe plusieurs méthodes de classification des barrières d'étanchéité pour câbles optiques, selon leur structure, leur qualité et leur épaisseur. On distingue généralement trois types de barrières : les barrières laminées double face, les barrières à revêtement simple face et les barrières en film composite. L'étanchéité de ces barrières repose principalement sur leur matériau à forte capacité d'absorption d'eau. Ce matériau, appelé barrière d'étanchéité, gonfle rapidement au contact de l'eau, formant un gel volumineux (la barrière peut absorber des centaines de fois sa capacité initiale), ce qui empêche la formation de buée et la propagation de l'eau. Ce matériau peut être composé de polysaccharides naturels ou modifiés chimiquement.
Bien que ces bloqueurs d'eau naturels ou semi-naturels possèdent de bonnes propriétés, ils présentent deux inconvénients majeurs :
1) ils sont biodégradables et 2) ils sont hautement inflammables. Cela les rend peu susceptibles d'être utilisés dans les matériaux des câbles à fibres optiques. L'autre type de matériau synthétique dans la résistance à l'eau est représenté par les polyacrylates, qui peuvent être utilisés comme résistances à l'eau pour les câbles optiques car ils répondent aux exigences suivantes : 1) lorsqu'ils sont secs, ils peuvent contrer les contraintes générées lors de la fabrication des câbles optiques ;
2) lorsqu'ils sont secs, ils peuvent résister aux conditions de fonctionnement des câbles optiques (cycles thermiques de la température ambiante à 90 °C) sans affecter la durée de vie du câble, et peuvent également résister à des températures élevées pendant de courtes périodes ;
3) lorsque l'eau pénètre, ils peuvent gonfler rapidement et former un gel avec une vitesse d'expansion.
4) produire un gel très visqueux, même à haute température, la viscosité du gel reste stable pendant longtemps.
La synthèse des hydrofuges peut être globalement divisée en méthodes chimiques traditionnelles – la méthode en phase inverse (polymérisation eau-dans-huile suivie d'une réticulation), la méthode de polymérisation par réticulation développée spécifiquement – la méthode sur disque, et la méthode d'irradiation – la méthode aux rayons gamma du cobalt 60. Cette dernière repose sur l'irradiation aux rayons gamma du cobalt 60. Les différentes méthodes de synthèse présentent des degrés de polymérisation et de réticulation variables, imposant ainsi des exigences très strictes quant à l'agent hydrofuge utilisé dans les rubans hydrofuges. Seuls quelques polyacrylates répondent à ces exigences. En pratique, les agents hydrofuges (résines absorbantes) ne peuvent être utilisés seuls comme matières premières pour la polyacrylate de sodium réticulée ; ils doivent être employés dans une méthode de réticulation multipolymère (c'est-à-dire un mélange de polyacrylates de sodium réticulés de différentes proportions) afin d'obtenir une absorption d'eau rapide et importante. Les exigences de base sont les suivantes : le facteur d’absorption d’eau doit atteindre environ 400, et le taux d’absorption doit permettre d’absorber 75 % de l’eau dès la première minute. Concernant la stabilité thermique du gel après séchage : résistance à une température de 90 °C en continu, température de fonctionnement maximale de 160 °C et résistance à une température instantanée de 230 °C (particulièrement importante pour les câbles composites photoélectriques avec signaux électriques). Pour la stabilité du gel après absorption d’eau : après plusieurs cycles thermiques (20 °C à 95 °C), le gel doit présenter une viscosité et une résistance élevées. La stabilité du gel varie considérablement selon la méthode de synthèse et les matériaux utilisés. Par ailleurs, une vitesse d’expansion trop rapide n’est pas forcément synonyme de meilleure performance. Certains produits privilégient la vitesse, et l’utilisation d’additifs nuit à la stabilité de l’hydrogel et détruit sa capacité de rétention d’eau, sans pour autant garantir une bonne imperméabilité.
3. 3 caractéristiques du ruban étanche à l'eau Étant donné que le câble subit des tests environnementaux lors de sa fabrication, de ses tests, de son transport, de son stockage et de son utilisation, les exigences relatives au ruban étanche à l'eau pour câble optique sont les suivantes :
1) aspect de la distribution des fibres, matériaux composites sans délamination ni poudre, avec une certaine résistance mécanique, adaptés aux besoins du câble ;
2) Qualité uniforme, répétable et stable ; lors de la formation du câble, il ne se délaminera pas et ne produira pas de défauts.
3) pression d'expansion élevée, vitesse d'expansion rapide, bonne stabilité du gel ;
4) bonne stabilité thermique, adaptée à divers traitements ultérieurs ;
5) haute stabilité chimique, ne contient aucun composant corrosif, résistant à l'érosion bactérienne et fongique ;
6) bonne compatibilité avec les autres matériaux du câble optique, résistance à l'oxydation, etc.
4 Normes de performance de barrière d'étanchéité pour câbles optiques
De nombreuses études montrent qu'une étanchéité insuffisante des câbles à fibres optiques nuit gravement à la stabilité à long terme de leurs performances de transmission. Ce problème, difficile à détecter lors de la fabrication et du contrôle qualité en usine, se manifeste progressivement lors de la pose du câble après utilisation. Il est donc urgent d'élaborer rapidement des normes d'essai complètes et précises, permettant une évaluation consensuelle. Les recherches, explorations et expérimentations approfondies menées par l'auteur sur les bandes d'étanchéité ont fourni une base technique solide pour l'élaboration de normes techniques les concernant. Les paramètres de performance de la valeur d'étanchéité sont déterminés comme suit :
1) les exigences de la norme relative aux câbles optiques pour le joint d'étanchéité (principalement les exigences relatives au matériau du câble optique dans la norme relative aux câbles optiques) ;
2) expérience dans la fabrication et l'utilisation de barrières d'eau et rapports d'essais pertinents ;
3) résultats de recherche sur l'influence des caractéristiques des rubans d'étanchéité à l'eau sur les performances des câbles à fibres optiques.
4.1 Apparence
L'aspect du ruban barrière à l'eau doit présenter des fibres uniformément réparties ; la surface doit être plane et exempte de rides, de plis et de déchirures ; le ruban ne doit pas présenter de fentes dans sa largeur ; le matériau composite ne doit pas se délaminer ; le ruban doit être enroulé serré et les bords du ruban manuel ne doivent pas avoir la forme d'un « chapeau de paille ».
4.2 Résistance mécanique du joint d'étanchéité
La résistance à la traction du joint d'étanchéité dépend du procédé de fabrication du ruban non tissé en polyester. À quantité égale, le procédé viscose offre une meilleure résistance à la traction que le procédé laminé à chaud, et le joint est également plus fin. La résistance à la traction du ruban barrière à l'eau varie selon la manière dont le câble est enroulé autour de celui-ci.
Il s'agit d'un indicateur clé pour deux types de bandes d'étanchéité, pour lesquelles la méthode d'essai doit être harmonisée avec le dispositif, le liquide et la procédure de test. Le principal matériau d'étanchéité de la bande est le polyacrylate de sodium partiellement réticulé et ses dérivés, sensibles à la composition et à la nature de l'eau. Afin d'uniformiser la norme relative à la hauteur de gonflement de la bande, l'utilisation d'eau déminéralisée est recommandée (l'eau distillée est utilisée à titre indicatif), car elle ne contient aucun composant anionique ni cationique et est donc pratiquement pure. Le coefficient d'absorption de la résine absorbante varie considérablement selon la qualité de l'eau : il est de 100 % de sa valeur nominale dans l'eau pure ; de 40 à 60 % dans l'eau du robinet (selon la qualité de l'eau du lieu) ; de 12 % dans l'eau de mer ; et plus complexe, il est difficile de déterminer le pourcentage d'absorption des eaux souterraines ou des eaux usées, et sa valeur est généralement très faible. Pour garantir l'étanchéité et la durée de vie du câble, il est préférable d'utiliser un ruban barrière étanche avec une hauteur de gonflement supérieure à 10 mm.
4.3 Propriétés électriques
De manière générale, le câble optique ne transporte pas de signaux électriques par un fil métallique et ne nécessite donc pas l'utilisation de ruban isolant semi-conducteur résistant à l'eau. Seuls les rubans isolants pour câbles optiques sont utilisés.
Câble composite électrique avant la présence de signaux électriques, exigences spécifiques selon la structure du câble définies dans le contrat.
4.4 Stabilité thermique La plupart des rubans d'étanchéité répondent aux exigences de stabilité thermique : résistance à une température de 90 °C en continu, température de fonctionnement maximale de 160 °C et résistance à une température instantanée de 230 °C. Les performances du ruban d'étanchéité doivent rester inchangées après une période donnée à ces températures.
La résistance du gel est la caractéristique la plus importante d'un matériau intumescent, tandis que le taux d'expansion sert uniquement à limiter la profondeur de pénétration initiale de l'eau (moins d'1 m). Un bon matériau expansif doit présenter un taux d'expansion adéquat et une viscosité élevée. Un matériau barrière à l'eau de mauvaise qualité, même avec un taux d'expansion élevé et une faible viscosité, offrira de faibles propriétés d'étanchéité. On peut le vérifier en effectuant plusieurs cycles thermiques. En conditions hydrolytiques, le gel se décompose en un liquide de faible viscosité, ce qui altère sa qualité. Pour ce faire, on agite une suspension aqueuse de poudre gonflante pendant 2 heures. Le gel obtenu est ensuite séparé de l'excès d'eau et placé dans un viscosimètre rotatif afin de mesurer sa viscosité avant et après 24 heures à 95 °C. On observe ainsi la différence de stabilité du gel. Ce test est généralement réalisé par cycles de 8 heures de 20 °C à 95 °C, puis de 8 heures de 95 °C à 20 °C. Les normes allemandes en vigueur exigent 126 cycles de 8 heures.
4.5 Compatibilité La compatibilité de la barrière d'étanchéité est une caractéristique essentielle pour la durée de vie du câble à fibres optiques et doit donc être prise en compte en fonction des matériaux utilisés. La compatibilité étant un processus long à mettre en évidence, un test de vieillissement accéléré doit être réalisé : l'échantillon de matériau est nettoyé, enveloppé d'une couche de ruban adhésif sec résistant à l'eau et placé dans une enceinte à température constante de 100 °C pendant 10 jours, après quoi sa qualité est mesurée. La résistance à la traction et l'allongement du matériau ne doivent pas varier de plus de 20 % après le test.
Date de publication : 22 juillet 2022