DE102006004011A1

DE102006004011A1 - Optisches Kabel und Verfahren zur Herstellung eines optischen Kabels

Info

Publication number: DE102006004011A1
Application number: DE102006004011A
Authority: DE
Inventors: Stefan Fruhnert; Andreas Dr. Stingl
Original assignee: CCS Technology Inc
Current assignee: Corning Research and Development Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09
Also published as: CN101375194A; US20090116797A1; WO2007085473A1; EP1979776A1

Abstract

Ein optisches Kabel umfasst eine Kabelseele (100), die optische Übertragungselemente (10) enthält, die ein zentral angeordnetes Zugentlastungselement (20) umgeben. Als weiteres Zugentlastungselement sind Garne (31) die Kabelseele (100) umgebend angeordnet. Die gesamte Anordnung ist von einem Kabelmantel (400) umgeben. Als Materialien für die Aderhüllen (2) der optischen Übertragungselemente, die Zugentlastungselemente (20) und den Kabelmantel (400) wird ein thermoplastisches Material verwendet, in das Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet sind. Durch die Verwendung derartiger pflanzenfasergefüllter Kunststoffmaterialien lassen sich die Materialeigenschaften von Aderhülle, Kabelmantel und Zugentlastungselementen, wie beispielsweise das Schrumpfverhalten von Materialien bei der Fertigung sowie die Querdruck- und Zugfestigkeit, verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Kabel, bei dem mindestens eine Komponente des optischen Kabels ein Material aus einem Kunststoff enthält. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kabels, bei dem mindestens eine Komponente des optischen Kabels ein Material aus einem Kunststoff enthält.

Ein optisches Kabel umfasst im Allgemeinen eine Kabelseele, die von einem Kabelmantel umgeben ist. Die Kabelseele kann mehrere optische Übertragungselemente, die beispielsweise als Festadern oder Bündeladern ausgebildet sind, enthalten. Im Falle einer Festader ist ein Lichtwellenleiter von einer festen Schutzhülle aus einem geeigneten Kunststoffmaterial umgeben. Bei einer Bündelader sind mehrere Lichtwellenleiter zu einem losen Bündel angeordnet, das von einer Aderhülle umgeben ist.

In der Kabelfertigung werden als Materialien für den Kabelmantel und die Aderhüllen der optischen Übertragungselemente überwiegend thermoplastische Kunststoffe verwendet. Diese werden erwärmt und mit Hilfe eines Extruders als Schlauch zur Ausbildung des Kabelmantels um die Kabelseele beziehungsweise zur Ausbildung einer Aderhülle um die zu einem Bündel angeordneten Lichtwellenleiter extrudiert. Das optische Kabel wird anschließend in einem Kühlbecken auf Raumtemperatur abgekühlt.

Aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen tritt dabei ein ausgeprägter Materialschrumpf auf. Die Ursachen hierfür liegen beispielsweise in einem Orientierungsschrumpf und einem Schrumpfvorgang durch Nachkristallisation. Der Orientierungsschrumpf wird dadurch hervorgerufen, dass orientierte Polymerketten bei einer Temperaturänderung bestrebt sind, wieder in ihren nicht orientierten Ausgangszustand zurückzukehren. Ein Schrumpfprozess aufgrund von Nachkristallisation tritt bei teilkristallinen Kunststoffen, wie beispielsweise Polyamid oder Polybutylentherephtalat, auf. Nach Erwärmen des Polymers sind die Kristallite aufgeschmolzen. Bei einem anschließenden Abkühlungsvorgang kristalliert das Polymermaterial teilweise. Der Kristallisationsvorgang setzt sich auch nach Abkühlung in Form einer Nachkristallisation fort, wodurch ein Materialschwinden hervorgerufen wird.

Durch ein derartiges thermisches Schwinden infolge einer Abkühlung des optischen Kabels nach einer Mantelextrusion treten hohe axiale Stauchkräfte auf. Um zu verhindern, dass aufgrund eines Kabelschrumpfs die Faserüberlänge einen spezifizierte Länge nicht überschreiten, muss in der Kabelfertigung ein Schrumpfprozess einer Ader beziehungsweise des Kabelmantels stets kontrolliert und kompensiert werden. Um den Schwund zu kompensieren, werden derzeit häufig Stützelemente aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem Stahl verwendet.

Bei ungestützten Kabelaufbauten wird ein Mantelschrumpf direkt auf die Kabelseele übertragen. Bei derartigen Kabelaufbauten wird versucht, durch ein gezieltes fertigungstechnisches Eingreifen auf Linienparameter innerhalb einer Fertigungslinie den Ader- beziehungsweise Mantelschrumpf zu kom pensieren. Dazu werden beispielsweise die Fasern, Adern beziehungsweise die gesamte Kabelseele vorgespannt beziehungsweise vorgedehnt.

Auch im Betrieb des optischen Kabels zeigen die thermoplastischen Kunststoffmaterialien bei Temperaturwechseln ein ausgeprägtes thermisches Schrumpf- oder Expansionsverhalten, das sich negativ auf die Kabeleigenschaften, wie beispielsweise die optische Dämpfung, auswirken kann. Das Schrumpfen oder Ausdehnen des Mantelmaterials muss daher fertigungstechnisch und konstruktiv kompensiert werden. Zur Kompensation von Schwund und Expansion im Betrieb des optischen Kabels sind ebenfalls vorwiegend innerhalb der Kabelseele Stützelemente aus glasfaserverstärktem Kunststoff beziehungsweise metallische Armierungsmittel vorgesehen.

Eine spezifische Anforderung, die an ein optisches Kabel gestellt wird, ist die Querdruckfestigkeit und die Zugfestigkeit der Ader beziehungsweise des Kabels. Sie wird im Wesentlichen durch die Kabelkonstruktion und die Materialparameter, wie den Elastizitätsmodul (E-Modul), den Kriechmodul, die Streckspannung, die Bruchspannung und die Schlagzähigkeit, gekennzeichnet. Wünschenswert ist ein hoher E-Modul, eine hohe Bruchspannung beziehungsweise -dehnung, eine hohe Schlagzähigkeit und eine geringe Abnahme des Kriechmoduls als Funktion der Zeit/Belastung. Um die geforderte Querdruckfestigkeit zu erreichen, wird die Kabelkonstruktion derzeit anforderungsgemäß hinsichtlich Kabeltyp und Ader- und Kabeldimension angepasst. Um die geforderte Zugfestigkeit zu erreichen, werden in das optische Kabel Zugelemente aus Aramid, glaserfaserverstärkten Kunststoffen oder Metallen eingebettet.

Thermoplastische Materialien zeigen im Allgemeinen unter konstanter Belastung eine zeitabhängige Deformation, das sogenannte Kriechen. Die in der Ader- beziehungsweise dem Kabelmantel eingesetzten Thermoplaste zeigen ein ausgeprägtes Kriechverhalten. Um die Kriechfestigkeit bei optischen Kabeln unter Last zu erhöhen, wird derzeit beispielsweise die Kabeldimension erhöht, oder es werden innerhalb des optischen Kabels kriechfeste Materialien, wie glasfaserverstärkte Kunststoffe, Aramid oder Stahl, eingesetzt.

Die in der Kabelfertigung verwendeten thermoplastischen Materialien enthalten hauptsächlich synthetisch polymerisierte Kohlenwasserstoffe. Unter umwelttechnischen Gesichtspunkten, wie Energieverbrauch und Schutz der Ressourcen, ist es wünschenswert, den Anteil an synthetisch polymerisierten Kunststoffen zu vermindern beziehungsweise Thermoplaste auf der Basis von synthetisch polymerisierten Kohlenwasserstoffen durch umweltfreundlichere Materialien zu ersetzen. Der Umweltschutz wird derzeit nur im Rahmen von Recyclingverfahren, die eine Wiederverwendung der synthetischen Kunststoffe ermöglichen, berücksichtigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Kabel anzugeben, bei dem die optischen Übertragungseigenschaften verbessert sind. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kabels anzugeben, bei dem die optischen Übertragungseigenschaften verbessert sind.

Die Aufgabe in Bezug auf das optische Kabel wird gelöst durch ein optisches Kabel mit einer Kabelseele, die mindestens ein optisches Übertragungselement mit mindestens einem Lichtwellenleiter umfasst, und einer Hülle, die die Kabelseele um gibt. Die Hülle weist ein Material aus einem Kunststoff auf, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält.

Die Aufgabe in Bezug auf das optische Kabel wird gelöst durch ein optisches Kabel mit einer Kabelseele, die mindestens ein optisches Übertragungselement mit mindestens einem Lichtwellenleiter umfasst, und mit einer Hülle, die die Kabelseele umgibt. Die Hülle weist ein Material aus einem Kunststoff auf, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält.

Gemäß einer Ausbildungsform des optischen Kabels ist die Pflanzenfaser als eine Faser aus Holz ausgebildet. Die Pflanzenfaser kann insbesondere als eine Faser aus Bambus, Kokos, Hanf, Sisal, Jute oder Flachs ausgebildet sein.

Das Material aus der Pflanzenfaser wird vorzugsweise als Faser mit einer Länge von bis zu 50 mm in das Material aus dem Kunststoff eingebettet. Das Material aus der Pflanzenfaser kann auch in Form eines Fasermehls in das Material aus dem Kunststoff eingebettet sein.

Der Masseanteil des Materials aus der Pflanzenfaser beträgt vorzugsweise mehr als 5 % an der Gesamtmasse der Hülle. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Masseanteil des Materials aus der Pflanzenfaser an der Gesamtmasse der Hülle annähernd 95 %.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Material aus dem Kunststoff ein Polymer.

Gemäß einer weiteren Ausbildungsform des optischen Kabels ist die Hülle aus mindestens zwei Schichten gebildet. Eine der zwei Schichten der Hülle weist das Material aus dem Kunststoff auf, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.

Die Hülle kann als ein Kabelmantel des optischen Kabels ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optischen Kabels weist das mindestens eine optische Übertragungselement eine Hülle auf, die den mindestens einen Lichtwellenleiter umgibt. Die Hülle des mindestens einen optischen Übertragungselements weist das Material aus dem Kunststoff auf, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das mindestens eine optische Übertragungselement als eine Bündelader und die Hülle des mindestens einen optischen Übertragungselements als eine Aderhülle der Bündelader ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kabelseele mindestens ein Zugentlastungselement auf. Das mindestens eine Zugentlastungselement weist das Material aus dem Kunststoff auf, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.

Gemäß einem weiteren Merkmal des optischen Kabels umfasst das optische Kabel mehrere der Bündeladern. Das mindestens eine Zugentlastungselement ist als ein zentrales Element in der Kabelseele angeordnet, um das die mehreren der einen Bündelader angeordnet sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform des optischen Kabels ist das mindestens eine Zugentlastungselement von einer Hülle umgeben, die das Material aus dem Kunststoff umfasst, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.

Eine weitere Ausführungsform des optischen Kabels sieht vor, dass das mindestens eine Zugentlastungselement aus zwei Schichten gebildet ist. Eine der zwei Schichten weist ein glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial auf, wohingegen eine andere der beiden Schichten das Material aus dem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optischen Kabels enthält das mindestens eine Zugentlastungselement eine Vielzahl von Garnen, die die mehreren der einen Bündelader umgeben.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform des optischen Kabels ist das mindestens eine optische Übertragungselement als ein Faserbändchen ausgebildet, das mehrere des mindestens einen Lichtwellenleiters umfasst. Das optische Übertragungselement ist von mehreren des mindestens einen Zugentlastungselements umgeben.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kabels angegeben. Das Verfahren sieht das Bereitstellen eines pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterials, das ein Polymer und ein Füllmaterial enthält, wobei das Füllmaterial ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält, vor. Das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial wird erwärmt. Des Weiteren wird eine Kabelseele bereitgestellt, die mindestens ein optisches Übertragungselement mit mindestens einem Lichtwel lenleiter umfasst. Das erwärmte pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial wird um die Kabelseele zur Formung eines Kabelmantels extrudiert.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere des mindestens einen Lichtwellenleiters zu einem Lichtwellenleiterbündel angeordnet. Das erwärmte pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial wird um das Lichtwellenleiterbündel zur Formung einer Aderhülle einer Bündelader extrudiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Zugentlastungselement bereitgestellt, das das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial enthält. Des Weiteren werden mehrere der einen Bündelader bereitgestellt. Mehrere der einen Bündelader werden um einen Umfang des Zugentlastungselements angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden um die Kabelseele Garne als Zugentlastungselemente angeordnet, wobei die Garne das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial enthalten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines optischen Kabels, das ein thermoplastisches Material enthält, in das ein Material aus Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet ist,

2 eine zweite Ausführungsform eines optischen Kabels, das ein thermoplastisches Material enthält, in das ein Material aus Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet ist,

3 eine dritte Ausführungsform eines optischen Kabels, das ein thermoplastisches Material enthält, in das ein Material aus Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet ist,

4 eine Kabelseele eines optischen Kabels, die ein thermoplastisches Material enthält, in das ein Material aus Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet ist,

5 eine vierte Ausführungsform eines optischen Kabels, das ein thermoplastisches Material enthält, in das ein Material aus Pflanzenfasern als Füllstoff eingebettet ist

6 eine Fertigungseinheit zur Herstellung eines optischen Kabels mit einem reduzierten Anteil an thermoplastischen Materialien.

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines optischen Kabels, das eine Kabelseele 100 umfasst, die von einem Kabelmantel 400 umgeben ist. Die Kabelseele 100 enthält ein zentral angeordnetes Stützelement 60 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Um das Stützelement 60 sind umfänglich mehrere optische Übertragungselemente 10 in Form von Bündeladern angeordnet. Eine derartige Bündelader umfasst mehrere Lichtwellenleiter 1, die von einer Aderhülle 2 umgeben sind. Das optische Kabel kann als füllmassenfreies Kabel oder als ein Kabel mit einer Seelenfüllmasse 50, wie in 1 gezeigt, ausgebildet sein. Die Seelenfüllmasse verhindert, dass sich innerhalb der Kabelseele Feuchtigkeit in Längsrichtung entlang der optischen Übertragungselemente ausbreiten kann. Zur Unterstützung dieser Wirkung enthält die Kabelseele ein Quellgarn 70, das beispielsweise ein SAP (Super Absorbent Poymer)-Pulver enthält.
Die Kabelseele 100 ist von einer Vlieshülle 300 umgeben, über die der Kabelmantel 400 extrudiert wird. Die Vlieshülle 300 bildet einen thermischen Schutz der Kabelseele vor den hohen Temperaturen, die bei der Extrusion des Kabelmantels 400 auftreten. Die Vlieshülle 300 kann zusätzlich die Funktion haben, das Eindringen von Feuchtigkeit in die Kabelseele zu verhindern. Dazu enthält die Vlieshülle ebenso wie das Quellgarn ein SAP-Pulver. Als SAP-Materialien werden beispielsweise Salze aus einer Acrylsäure verwendet. Bei Kontakt mit Feuchtigkeit bewirkt das SAP-Pulver eine Volumenvergrößerung der Vlieshülle 300 beziehungsweise des Quellgarns 70, sodass die Vlieshülle beziehungsweise das Quellgarn aufquillen und die Kabelseele gegen eindringendes Wasser abdichten. Erfindungsgemäß enthält der Kabelmantel 400 ein thermoplastisches Material, in das ein Material aus einer Pflanzenfaser als Füllstoff eingebettet ist. Ebenso kann auch die Aderhülle 10 ein thermoplastisches Material aufweisen, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Kabels, bei dem der Anteil an thermoplastischen Materialien reduziert ist. Das optische Kabel der 2 umfasst eine Kabelseele 100, die mehrere Festadern 10' als optische Übertragungselemente enthält. Eine Festader 10' weist in ihrem Inneren einen Lichtwellenleiter 1' auf, der von einer festen Schutzhülle aus einem Kunststoffmaterial umgeben ist. Die Kabelseele 100 ist von einem mehrschichtigen Aufbau, im Falle der Kabelanordnung der 2 von einem zweischichtigen Aufbau einer Hülle 200, umgeben. Die Hülle 200 umfasst eine Schicht 201, die ein thermoplastisches Material enthält, und eine Schicht 202, die ein thermoplastisches Material enthält, in das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser eingebettet ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Kabels bei dem der Anteil an thermoplastischen Materialien reduziert ist. Das optische Kabel ähnelt der in 1 dargestellten Kabelanordnung. Es umfasst eine Kabelseele 100, die mehrere Bündeladern 10 enthält, die um ein zentral angeordnetes Zugentlastungselement 20 angeordnet sind. Zur Abdichtung der Kabelseele ist ein Quellgarn 70 vorgesehen. Das Zugentlastungselement 20 weist ein thermoplastisches Material auf, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält. Die Kabelseele 100 ist von einem weiteren Zugentlastungselement 30 umgeben. Das Zugentlastungselement 30 enthält mehrere Garne 31, die ein Kunststoffmaterial aufweisen, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält. Das Zugentlastungselement 30 ist ähnlich der Kabelanordnung der 1 von einer Vlieshülle 300 umgeben, um die ein Kabelmantel 400 extrudiert ist.
Neben der Verwendung von organischen Faserstrukturen als Füllstoff für die thermoplastischen Materialien der Garne 31 und des zentral angeordneten Zugentlastungselements 20 können auch die Aderhüllen der Bündeladern sowie der Kabelmantel 400 ein Kunststoffmaterial aufweisen, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält.
Des Weiteren kann das Zugentlastungselement 20 neben den optischen Übertragungselementen auch von mindestens einer Blindader 80 umgeben sein. Solcher Blindadern weisen bisher ein Material aus einem reinen Kunststoff auf, über das eine Aderhülle extrudiert ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen als Material für die Blindader ein thermoplastische Material zu verwenden, in das ein organischer Füllstoff aus einem Material aus einer Pflanzenfaser eingebettet ist. Das pflanzenfaserverstärkte Material wird von einer Hülle 81 umgeben.
4 zeigt eine Kabelseele eines optischen Kabels. Um ein zentral angeordnetes Zugentlastungselement sind mehrere Bündeladern 10 und ein Quellfaden 70 angeordnet. Das Zugentlastungselement weist eine innere Schicht 21 und eine äußere Schicht 22 auf. Die innere Schicht 21 wird aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Die äußere Schicht 22 umfasst ein Kunststoffmaterial, in das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser eingebettet ist.
5 zeigt ein optisches Kabel, das als ein Bändchenkabel ausgebildet ist. Das optische Übertragungselement 10 umfasst mehrere Lichtwellenleiter 1, die nebeneinander angeordnet sind. Innerhalb der Kabelseele 100, die von einem Kabelmantel 400 umgeben ist, befinden sich Zugentlastungselemente 40. Die Zugentlastungselemente weisen erfindungsgemäß ein Kunststoffmaterial auf, in dem als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser eingebettet ist.
Wie die 1 bis 5 zeigen, enthalten die Aderhüllen 2, die Hülle 200, die die Kabelseele umgibt, der Kabelmantel 400 aber auch die Zugentlastungselemente ein thermoplastisches Material, in das ein Material aus einer Pflanzenfaser als Füllstoff eingebettet ist. Als thermoplastische Materialien werden Polymere, beispielsweise Polyethylen, Polyprophylen, Polystyrol, Polyamid, Polybutylentherephtalat und/oder Epoxidharze sowie Polyesterharze verwendet. Als organische Füll stoffmaterialien werden Pflanzenfasern aus Weich-/Hartholz, Hanf, Sisal, Jute, Kokosholz, Bambus oder Flachs verwendet.
Die Stabilität von derartigen pflanzenfaserverstärkten Kunststoffen kann durch den Faseranteil sowie die Art der Fasern entscheidend beeinflusst werden. Je höher der Pflanzenfaseranteil ist, desto stabiler und unempfindlicher ist das Material gegenüber einem Schrumpfprozess und in Bezug auf die Zug- und Querdruckfestigkeit. Diese Pflanzenfasermaterialien werden vorzugsweise mit einem Volumenanteil von 5 % bis 95 in die thermoplastischen Grundmaterialien als Füllstoffe eingebettet.
Als Fasern kommen Langfasern mit Längen von bis zu 5 mm oder Kurzfasern mit Längen zwischen 0,1 mm und 0,5 mm zum Einsatz. Es kann aber auch anstelle der Fasern ein Fasermehl verwendet werden. Dazu werden die Pflanzenfasern zu Feinpartikeln mit einer Korngröße kleiner als 100 μm vermahlen. Das so gewonnene Fasermehl wird vorzugsweise für Hüllen mit dünnen Wanddicken verwendet. Beim Einsatz von Fasermehl anstelle von Bruchstücken von Pflanzenfasern wird die Oberflächenqualität einer Hülle, die einen derartigen pflanzenfaserverstärkten Kunststoff enthält, verbessert.
Durch den Einsatz von Materialien aus Pflanzenfasern als Füllstoffe für thermoplastische Materialien lassen sich die Materialeigenschaften von Kabelmänteln, Aderhüllen und Zugentlastungselementen für optische Kabel entscheidend verbessern. So wird durch den Einsatz von Pflanzenfasern als Füllstoffe für thermoplastische Materialien, die für Aderhüllen und Kabelmäntel verwendet werden, eine Stützwirkung und damit eine Verringerung des Materialschrumpfes bei der Abkühlung von einer hohen Extrusionstemperatur auf Raumtemperatur be wirkt. Die Maßhaltigkeit des Extrudats wird durch die Stützwirkung der Pflanzenfasern verbessert. So weisen zum Beispiel Holzfasern aus Massivholz einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der etwa um einen Faktor 10 kleiner ist, als derjenige von ungefüllten thermoplastischen Materialien.
Durch den geringeren Schwund können Zugentlastungselement aus glasfaserverstärkten Kunststoffen oder Stahl, die bisher den Mantelschrumpf verhindert oder eingedämmt hatten, entweder ganz entfallen oder mit deutlich weniger Material aufgebaut werden. So ist es beispielsweise möglich, das Zugentlastungselement 20 mit einem deutlich geringeren Durchmesser als zentrales Stützelement in der Kabelseele vorzusehen. Es ist auch möglich, wie in 4 gezeigt, für das Zugentlastungselement 20 einen Zweischichtaufbau vorzusehen. Dabei weist die innere Schicht 21 beispielsweise einen glasfaserverstärkten Kunststoff oder ein Stahlelement auf, auf dem eine Schicht aus einem pflanzenfaserverstärkten Kunststoff 22 aufgebracht ist. Dadurch kommt es zu einer Einsparung von Kunststoffmaterial und somit auch zu einer Kosteneinsparung, da die Kosten von naturfaserverstärkten Kunststoffen unter den Kosten von reinem Kunststoffmaterial liegen.
Durch den Einsatz von Pflanzenfasern als Füllstoffe für thermoplastische Materialien wird der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffmaterialien deutlich reduziert. Es hat sich gezeigt, dass eine Halbierung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Verwendung von pflanzenfaserverstärkten Kunststoffen im Vergleich zur Verwendung von reinen thermoplastischen Kunststoffen möglich ist.
Des Weiteren werden die Querdruckfestigung und die Zugfestigkeit von Aderhüllen beziehungsweise des gesamten optischen Kabels erhöht. Bei einer Füllung des thermoplastischen Materials mit 30 % Hanffasern erhöht sich der E-Modul von Polyprophylen beispielsweise um einen Faktor 3 bis 4. Hinzu kommt, dass sich auch die Streckgrenze und die Schlagzähigkeit erhöhen. Durch die Verbesserung von Querdruck- und Zugfestigkeit kann bei Verwendung von zusätzlichen klassischen Zugelementen aus Aramid oder glasfaserverstärkten Kunststoffen Material eingespart werden. Des Weiteren zeigen pflanzenfaserverstärkte Kunststoffe aufgrund der elastischen Struktur der Pflanzenfasern ein sehr günstiges Kriechverhalten.
Darüber hinaus werden bei Verwendung von Kunststoffmaterialien, die Pflanzenfasern als Füllstoff enthalten, im Hinblick auf den Umweltschutz Erdölressourcen geschont. Somit kann durch das Füllen von Polymermaterialien mit bis zu 95 % organischem Füllstoff ein wertvoller Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden. Des Weiteren werden bei der Verarbeitung von thermoplastischen Materialien, die hohe Füllstoffanteile aus Pflanzenfasern aufweisen, Betriebs- und Fertigungsanlagen geschont, da organische Füllstoffe im Gegensatz zu anorganischen Füllstoffen einen geringeren Maschinen- und Werkzeugverschleiß hervorrufen.
Ferner sind die Kosten für pflanzenfaserverstärkte Kunststoffen wesentlich geringer als die Kosten von reinen thermoplastischen Materialien beziehungsweise von thermoplastischen Materialien, in die anorganische Füllstoffe eingebettet sind. Neben der Kostenreduzierung geht mit der Verwendung von pflanzenfasergefüllten Kunststoffmaterialien auch eine Gewichtsreduzierung des optischen Kabels einher.
6 zeigt eine Fertigungslinie zur Herstellung eines optischen Kabels in vereinfachter Darstellung. Ein Behälter B1 enthält ein thermoplastisches Kunststoffmaterial P, in das ein Material aus Pflanzenfasern F als Füllstoff eingebettet ist. Der Behälter B1 ist an einen Extruder E1 angeschlossen. Dem Extruder E1 wird ein Bündel von Lichtwellenleitern 1 zugeführt. In dem Behälter B1 wird das Matrixmaterial aus dem Thermoplast und das Füllmaterial aus den Pflanzenfasern erwärmt und ebenfalls dem Extruder E1 zugeführt. In dem Extruder E1 wird das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial NFK um die zu einem Bündel angeordneten Lichtwellenleiter 1 als Aderhülle 2 extrudiert.
Mehrere dieser Bündeladern werden einer Verarbeitungseinheit V zugeführt. In der Verarbeitungseinheit V wird die Kabelseele des optischen Kabels ausgebildet. Dazu werden der Verarbeitungseinheit V ein Zugentlastungselement 20 zugeführt, das ein pflanzenfaserverstärktes Kunststoffmaterial enthält. Des Weiteren werden der Verarbeitungseinheit V Garne 30 zugeführt, die ebenfalls einen pflanzenfaserverstärkten Kunststoff enthalten. In der Verarbeitungseinheit V werden die Bündeladern um das zentrale Zugentlastungselement 20, das aus dem pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist, angeordnet. Um die so geformte Kabelseele werden die Garne 30 angeordnet, die die lose Anordnung der Bündeladern um das zentral angeordnete Zugentlastungselement zusammenhalten.
Die so geformte Kabelseele wird anschließend einem Extruder E2 zugeführt. An den Extruder E2 ist ein Behälter B2 angeschlossen. Dieser enthält ein Kunststoffmaterial P, in das ein organisches Füllmaterial aus Pflanzenfasern F eingebettet ist. Diese Materialmischung wird im Behälter B2 erwärmt und als pflanzenfaserverstärktes Kunststoffmaterial NFK dem Extruder E2 zugeführt. Im Extruder E2 wird das pflanzenfaser verstärkte Kunststoffmaterial NFK um die Vlieshülle 300 als Kabelmantel 400 extrudiert.
Die Mischungen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial und den Pflanzenfasern lassen sich in unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren, wie dem Spritzguss-, dem Extrusions-, Gieß- und Laminierverfahren sowie Formpressen, Strang- oder Profilgießen, erzeugen. Somit können auch sehr kleine filigrane Formen hergestellt werden, die ein thermoplastische Kunststoffmaterial mit eingebetteten Pflanzenfasern enthalten.
Die Gewinnung von Pflanzenfasern, wie beispielsweise von Kokosfasern, erfolgt in einer hammermühle-ähnlichen Maschine, dem Decorticator. Die Faserhüllen werden vor ihrer Verarbeitung leicht angefeuchtet und dann dem Decorticator zugeführt. Im Decorticator werden die Faserhüllen durch eine mit Schlagarmen besetzte Welle aufgeschlagen. Es entsteht dabei zu etwa 65 % Staub und ein Fasergemisch, das anschließend getrocknet wird. Andere Pflanzenfasern, wie beispielsweise Jutefasern, werden durch maschinelles Auskämmen der Faserhüllen gewonnen.
Zum Einbringen der Pflanzenfasern in ein Kunstoffmaterial, der sogenannten Compoundierung, lässt sich beispielsweise ein Zweischneckenextruder verwenden. Die Schneckenkonfiguration und der ort des Fasereinzugs sind hinsichtlich der geringstmöglichen Faserbeschädigung beim Compoundierprozess optimiert. Vor einem Fasereinzug befindet sich ein Knetelement, welches dafür sorgt, dass beim Fasereinzug bereits eine homogenen Schmelze des thermoplastischen Materials vorliegt. Die Fasereinarbeitungsstrecke besteht lediglich aus einer langen Förderstrecke ohne Knetelemente. Auf diese Weise lassen sich die Fasern homogen in die Kunststoffschmelze einarbeiten.

1: Lichtwellenleiter
2: Aderhülle
10: optisches Übertragungselement
11: Blindader
20: zentrales Zugentlastungselement
30: Zugentlastungselement
31: Garn
40: Zugentlastungselement
50: Seelenfüllmasse
60: Zugentlastungselement
70: Quellgarn
80: Aramidgarn
100: Kabelseele
200: Umhüllung
300: Vlieshülle
400: Kabelmantel
B: Behälter
E: Extruder
F: Pflanzenfaser
NFK: pflanzenfaserverstärktes Kunststoffmaterial
P: Polymer
V: Verarbeitungseinheit

Claims

Optisches Kabel – mit einer Kabelseele (100), die mindestens ein optisches Übertragungselement (10) mit mindestens einem Lichtwellenleiter (1) umfasst, – mit einer Hülle (200, 400), die die Kabelseele (100) umgibt, – bei dem die Hülle (200, 400) ein Material aus einem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach Anspruch 1, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Holz ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Bambus ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Kokos ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach Anspruch 1, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Hanf ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach Anspruch 1, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Sisal ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach Anspruch 1, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Jute ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach Anspruch 1, bei dem die Pflanzenfaser als eine Faser aus Flachs ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Material aus der Pflanzenfaser als Faser mit einer Länge von bis zu 50 mm in das Material aus dem Kunststoff eingebettet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Material aus der Pflanzenfaser in Form eines Fasermehls in das Material aus dem Kunststoff eingebettet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Masseanteil des Materials aus der Pflanzenfaser an der Gesamtmasse der Hülle (200, 400) mehr als 5 % beträgt.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Masseanteil des Materials aus der Pflanzenfaser an der Gesamtmasse der Hülle (200, 400) annähernd 95 % beträgt.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Material aus dem Kunststoff ein Polymer enthält.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – bei dem die Hülle (200) aus mindestens zwei Schichten (201, 202) gebildet ist, – bei dem eine der zwei Schichten (201) der Hülle (200) das Material aus dem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Hülle als ein Kabelmantel (400) des optischen Kabels ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, – bei dem das mindestens eine optische Übertragungselement (10) eine Hülle (2) aufweist, die den mindestens einen Lichtwellenleiter (1) umgibt, – bei dem die Hülle (2) des mindestens einen optischen Übertragungselements (10) das Material aus dem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach Anspruch 16, bei dem das mindestens eine optische Übertragungselement als eine Bündelader (10) und die Hülle des mindestens einen optischen Übertragungselements als eine Aderhülle (2) der Bündelader ausgebildet ist.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 17, – bei dem die Kabelseele (100) mindestens ein Zugentlastungselement (20, 30, 40) aufweist, – bei dem das mindestens eine Zugentlastungselement das Material aus dem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach Anspruch 18, – bei dem das optische Kabel mehrere der Bündeladern (10, 11) umfasst, – bei dem das mindestens eine Zugentlastungselement (20) als ein zentrales Element in der Kabelseele (100) angeordnet ist, um das die mehreren der einen Bündelader (10) angeordnet sind.
Optisches Kabel nach Anspruch 19, bei dem das mindestens eine Zugentlastungselement von einer Hülle (81) umgeben ist, die das Material aus dem Kunststoff umfasst, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 19 oder 20, – bei dem das mindestens eine Zugentlastungselement (20) aus zwei Schichten (21, 22) gebildet ist, – bei dem eine der zwei Schichten (21) ein glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial und eine andere der beiden Schichten (22) das Material aus dem Kunststoff aufweist, das als Füllstoff das Material aus der Pflanzenfaser enthält.
Optisches Kabel nach Anspruch 19, bei dem das mindestens eine Zugentlastungselement (30) eine Vielzahl von Garnen (31) enthält, die die mehreren der einen Bündelader (10) umgeben.
Optisches Kabel nach Anspruch 19, – bei dem das mindestens eine optische Übertragungselement als ein Faserbändchen (10) ausgebildet ist, das mehrere des mindestens einen Lichtwellenleiters (1) umfasst, – bei dem das optische Übertragungselement (10) von mehreren des mindestens einen Zugentlastungselements (40) umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Kabels, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterials, das ein Polymer und ein Füllmaterial enthält, wobei das Füllmaterial ein Material aus einer Pflanzenfaser enthält, – Erwärmen des pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterials, – Bereitstellen einer Kabelseele (100), die mindestens ein optisches Übertragungselement (10) mit mindestens einem Lichtwellenleiter (1) umfasst, – Extrudieren des erwärmten pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterials um die Kabelseele (100) zur Formung eines Kabelmantels (400).
Verfahren nach Anspruch 24, umfassend die folgenden Schritte: – Anordnen von mehreren des mindestens einen Lichtwellenleiters (1) zu einem Lichtwellenleiterbündel (10), – Extrudieren des erwärmten pflanzenfaserverstärkten Kunststoffmaterials um das Lichtwellenleiterbündel (10) zur Formung einer Aderhülle (2) einer Bündelader.
Verfahren nach Anspruch 25, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Zugentlastungselements (20), das das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial enthält, – Bereitstellen von mehreren der einen Bündelader (10), – Anordnen von den mehreren der einen Bündelader (10) um einen Umfang des Zugentlastungselements (20).
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem um die Kabelseele (10) Garne (31) als Zugentlastungselemente angeordnet werden, wobei die Garne das pflanzenfaserverstärkte Kunststoffmaterial enthalten.