加氢基础油在光缆填充油膏上的复合应用

李力军　沈江波　王海园

摘要：加氢基础油作为光缆填充膏的主要材料，其性能的优劣对油膏质量影响很大，矿物型加氢基础油分环烷基和石蜡基两大类（中间基介于两者之间），其理化性能各有所长。文章从采用不同类基础油为原料生产的光缆填充油膏（纤膏、缆膏）的质量方面，分析了加氢环烷基油与加氢石蜡基油的优劣，并找出基础油类型对填充油膏主要性能的影响。提出了复合使用两类基础油，实现了优势互补、缺陷相抵、性价最优的效果。

关键词：加氢基础油；光缆填充油膏；复合应用

中图分类号：TE626.9 文献标识码：A

The Complex Application of Hydrotreated Base Oils in Optical Fiber Cable Ointment

LI Li-jun, SHEN Jiang-bo, WANG Hai-yuan

(Kunshan Xinhuan Petrochemical Co.,Ltd, Kunshan 215333, China)

Abstract:Hydrotreated base oils are the main materials for optical fiber cable ointment. The quality of ointment will be greatly affected by the base oil. Hydrotreated naphthenic and paraffinic mineral base oils have their own features. Based on the quality of filling ointment in optical cable (optical fiber and cable ointments) produced from different base oils, the advantages and disadvantages of naphthenic and paraffinic base oils and their impacts on the optical fiber cable ointment were analyzed. And the complex application of these two kinds of base oils was put forward. The results showed that the ointment products are cost-benefit and have excellent performances.

Key words:hydrotreated base oil; optical fiber cable ointment; complex application

0 引言

众所周知，加氢基础油是提高润滑油质量的最有效手段，它不仅体现在工矿设备、车辆润滑的使用上，而且作为一种填充材料在光纤、光缆油膏领域也得到了广泛应用。大家都知道，光通信是靠光缆传输信息的，光缆的核心材料是光纤，光纤的保护神是纤膏和缆膏；光纤在水分、潮气和应力的作用下，会产生应力腐蚀，在含氢环境中会产生氢损；光纤一但受到腐蚀和氢损将会大大降低光缆信息的传输性能，也就是说纤膏和缆膏的质量好坏，将直接影响到光缆的传输性能。光缆填充膏是光电缆中广泛采用的阻水材料，在光电缆中起着密封、防水、隔潮和缓冲防护作用，性能优良的油膏能使光缆在各种严酷的自然环境和恶劣气候下，特别是在海底隧道、潮湿地域等环境下更具阻水能力、抗冻性和耐高温性，从而延长光缆的使用寿命。而加氢基础油作为光缆填充膏的主要材料，其性能优劣对油膏质量影响很大。

加氢基础油分为石蜡基与环烷基，其性能各有所长，各有不足，对填充材料来说其石蜡基油的优点是：粘温性好、闪点高、密度小、生物降解好；其缺点是低温性差（倾点高）、溶解性差、安定性差、分子结构不稳定、生物降体性好。而环烷基油的性能正好与石蜡基油相反。

本文通过我公司几年来供应上海一家光通材料厂填充油膏的生产应用中，找出基础油类型对填充油膏主要性能的影响。与大家一起讨论，以提高光纤、光缆填充油膏的质量和性价比，促进光通信行业科学健康地发展。

1 光纤、光缆填充油膏的性能要求、基本组成、生产过程

1.1 光纤性能要求

（1）填充膏的分类

以使用功能来分可分为纤膏（直接同光纤接触，适用于光纤松套管内或大束管内、带状光缆用。主要起保护光纤在管内柔软与弯曲等特性）和缆膏（不直接同光纤接触，适用于光缆、缆芯的间隙及涂覆在缆芯包装外表面，用于阻止水渗入光缆内）；从填充膏的触变性上看又可分为触变型和非触变型；从组成上看又可分为矿物油膏、合成油膏和硅油膏（性能好但价格贵，所占比例较小）。

（2）填充膏的特性分析

光缆填充膏的特性是在宽的温度范围内不溶化，而且无相变或结构变化，在低的温度时保持柔软性，温度升高时没有滴流现象（-40～+80 ℃），油膏在缆芯不发生泡涨、有良好的兼容性。无毒性、不含易燃物质，对人体皮肤没有过敏，可用肥皂或洗洁精洗净，易擦拭干净。光缆填充膏是一种可塑性的半流体，它具有固体和液体的双重性质。从光缆使用的角度看，它有如下特点：

①光缆的理想缓冲材料，可使光纤免受外界带来的应力损伤而导致的微弯损耗；

②粘度适中，触变性强，可在常温下填充；

③遇水膨胀阻水型：吸水速度快，吸水率高，阻水性能好；受热膨胀阻水型：遇热膨胀快，膨胀均匀，不硬不脆；

④优良的温度性能，且具有长期稳定性；

⑤与光缆材料有良好的相容性，酸值小，耐氧化等；

⑥良好的工艺性及质量稳定性。

填充膏的特性对光缆性能的影响有很多，如：闪点过低则易燃；滴点过低则高温下易滴流；析氢量过大会造成光损耗增加；与光缆元件（材料）相容性差，会使元件变形，强度和延伸率下降，影响光缆的使用寿命等等。填充膏的各种特性也有相关性，往往一种特性的改善会伴随另一种特性的降低，如滴点的增高可能会使锥入度降低。因此，填充膏的特性是一个综合优化的结果，不能只以某一个特性参数来衡量。

（3）填充膏的关键特性

填充膏的相容性事关光缆的寿命，是特别重要的特性。根据目前所涉及到的光缆材料，都要考虑与它们的相容性。这里不涉及以膏为准选择其他材料，还是以其他光缆材料选择膏的问题，只规定出相容性的界线。

相容性是考察油膏长期与光缆中的其他物质相接触时，是否对其他材料产生溶胀而降低性能，是否对其他材料造成腐蚀。虽然相容性与被考察的两种材料的化学结构和化学成分都有关，但由于油膏的成分相对光缆中的其他材料而言更复杂；而且有一定的流动性，可与其他材料充分接触，所以在考虑光缆中材料的相容性时，油膏是相当关键的。表1为油膏与其他光缆材料的相容性试验。是将其他材料浸在油膏中，在一定高温下保持相当的时间达到加速老化，然后测试材料的溶胀程度和其他性能的变化，如机械性能等。

保证油膏与其他材料的相容性，除了大量的试验外，保证油膏的配方合理和材料稳定以及生产过程的严格控制是很关键的，也是决定成本和价格的关键。如纤膏一般都使用石蜡基加氢油作为基础油，且大多采用进口原料（性能稳定）。缆膏则采用国产环烷-中间基加氢油为基础油（价格较低）。

（4）主要性能分析

①锥入度

通常只是一个静态物理量，本身既不能表征填充膏流变性能，也不能表明其触变性，但在某些时候可以用来判定它软硬的程度，尤其对光纤填充膏，在-40～+80 ℃温度范围内希望膏的锥入度曲线越平坦越好，使得光纤在缆内有最大余度的伸缩性，不会产生微弯损耗，保证光缆的可靠传输。因此锥入度指标在光纤油膏中是非常重要的，所以说光纤填充膏必须具有一定的锥入度和低温性能。既要保证光缆在冬季和恶劣气温下顺利填充，又要保证光纤在低温环境下的使用性能。

②闪点、滴点

闪点体现填充膏在空气中自燃的可能性，应保证在光缆试验和使用的整个温度范围内不自燃。滴点是反映在一定的条件下，填充膏在试验过程中达到一定流动性的温度。滴点的高低可直接影响到光缆的使用温度，为使通信光电缆在较高温度下安装铺设或运行过程中填充膏不流失和滴落，因此要求填充膏的滴点越高越好。现国家行业标准规定，纤膏滴点≥200 ℃、缆膏滴点≥150 ℃。

③油分离

油分离是考核在一定温度下油从填充膏中分离出来的数量。若油分离过大，则在使用过程中油易从缆芯中分离滴落，将导致油膏变硬，从而对缆芯产生应力，影响光缆的传输质量；填充膏的油分离量随温度升高而增加，理论上讲油分离越小越好，但规定的太小将会给制造带来困难，从性价比上看也是值得考虑的。油分离量直接影响到相容性和光缆滴流特性。

④粘度特性

对于环境应用而言，填充膏必须具有粘度，这样就可以与生产同步把填充膏填入挤塑管或缆芯中。对于冷填充膏，其应具有剪切稀化功能，即填充膏的粘度随剪切速度上升而下降，变成一种在环境温度下注入的流性液体，其原因在于粒状键的断裂及其分子取向的变化。因此光缆填充膏应具有触变性能。当它受到剪切作用时，随剪切率的增加粘度下降。而在一定剪速下，随着时间的延长，剪切应力下降，粘度降低。当达到一定时间后，剪切力不再变化，当停止剪切后粘度又开始缓慢上升，这种过程不完全可逆。因此选择合适的粘度，在缆膏加工过程和长期使用中是非常重要的。一般来讲：粘度既不能过小也不能过大，因为光缆在加工过程中希望粘度小些，便于填入缆芯，但粘度太小则加工时填充膏易流失，在缆芯受力时起不到缓冲的作用；而若粘度过大，影响缆芯的自由伸缩，易产生应力集中，造成微弯和大弯损耗。

⑤析氢、酸值和氧化诱导期（OIT）

众多资料表明，填充膏的析氢是影响光缆传输衰减的重要因素之一，因填充膏中有油和触变剂，它的表面存在-OH基团，当其长期使用时可产生氢气，氢气渗入光纤时腐蚀玻璃纤维，导致光纤强度下降，损耗增加。同时由于填充膏的组成中有油和添加剂，这就包含了许多酸性组分，若酸性过大则对周围材料产生影响（如氧化、腐蚀等），还可能在水的作用下产生H+或OH-离子作用于光纤表面，对光缆的传输性能造成不良影响，因此对填充膏而言，应严格控制其析氢和酸值。酸值可预测填充膏的腐蚀性，并反映对析氢的影响，但影响有多大，有待进一步研究；氧化诱导期即反映产品的氧化安定性，它表明填充膏的抗氧化能力，这对填充膏的使用和贮存都很有意义。表2为填充膏在同一温度不同时间老化后的析氢量和氧化诱导期，从表2中可以看出填充膏在连续高温条件下，析氢量会逐渐增加，氧化性能变差。

1.2 基本组成

(1)基础油

填充油膏的主体部分，一般占油膏约 70%~90%，填充油膏的性能大多取决于基础油的类型和组成。

(2)稠化剂

约占油膏的5%~15%。一般使用锂皂、钙皂、复合锂皂，它的主要作用是能在基础油中分散和形成结构骨架，并使基础油被吸附和固定在结构骨架中，从而形成具有塑性的半流体状油膏。稠化剂为油膏这种胶体结构分散体系的分散相，而基础油为体系的分散介质。

（3）添加剂

用量不超过5%，主要有抗氧剂和增粘剂。用于改善油膏的氧化安定性及提高调整稠度。

1.3 生产过程

（1）光纤填充膏工艺流程（见图1）

（2）光缆填充油膏工艺流程（见图2）

皂化法工艺过程是一种化学过程。从光缆填充膏的组成、生产过程看，它与工业用润滑脂极为相似，可以说它是一种特殊的润滑脂。

2 光缆填充油膏基础油的主要类型及其作用机理

与工业润滑脂相仿，用于填充膏的基础油主要有矿物油（加氢基础油）、合成油与植物油等，因价格及性能方面的限制后两类应用较少，所以我们以矿物类加氢基础油来阐述。加氢基础油具有饱和烃含量高、低硫、低氮、低芳烃含量，优良的热氧化安定性，较低的挥发度、良好的粘温性能等优点。一般分子的碳原子数在C₂0～C40，包括含有不同烃类的组分，表3列出了基础油的组成与其重要理化特性的关系，表4列出了基础油中各组分的氧化性能与对抗氧剂的感受性。

石蜡基加氢油一般含烷烃（主要为异构）超过50%，粘度指数高、倾点高、密度小、胶质含量低；而环烷基油环烷烃含量超过50%（多为双环或三环烷基衍生物），其性能恰恰与石蜡基油相反。一个好的基础油其组成应有一适当的范围，它取决于各种性能的综合平衡，并与原油的类别、加工工艺有关。由于基础油中烷烃、环烷烃具有不同特性，因而对填充油膏的锥入度、闪点、滴点、油分离、析氢量、酸值和氧化诱导期的影响各不相同，有利有弊。从胶体化学的角度来看，填充油膏是一个稠化剂为分散相和一个非极性（基础油）液体为分散介质的两相结构的胶体分散体系。所谓分散体系，是指一种物质以微粒状态分散到另一种物质内形成的一种稳定体系。这两种组分既不是简单的溶解，也不是简单的混合，其安定性取决于分散相的表面和分散介质的吸引力。填充油膏和稠化剂分子或分子聚结体在基础油中形成三维的结构骨架，基础油就被维系在这种结构的骨架的空隙里，如同一块海绵体浸满了液体一样。

3 两类加氢基础油及复合使用制得的光缆油膏性能比较

光纤、光缆油膏的质量从原材料来讲主要取决于基础油的性能。为了考察不同类型加氢基础油对油膏质量的影响，我们分别以加氢石蜡基油、加氢环烷基油生产的纤膏、缆膏的典型数据以及用两种油复合使用生产的纤膏、缆膏的数据进行了比较。

（1）表5是分别以加氢石蜡基油和加氢环烷基油为基础油生产的光纤填充膏典型技术数据；

（2）表6是分别以加氢石蜡基油和加氢环烷基油为基础油生产的光缆填充膏典型技术数据；

（3）表7是以两种加氢基础油（1∶1）复合使用生产的光纤填充膏典型技术数据；

（4）表8是以两种加氢基础油（1∶1）复合使用生产的光缆填充膏典型技术数据。

从表5~表8评价结果可以看出以下几点:

（1）在合理配方和工艺条件下，以加氢石蜡基、环烷基和两者复合使用为基础油生产的纤膏和缆膏产品皆能达到国家通信行业标YD/T 839.3-2000规定的质量指标，在目前国内市场上均能占有一席之地。

（2）以加氢石蜡基为基础油生产的纤膏和缆膏优势在于：滴点高，密度小，闪点高；粘温性能较环烷基优；氧化安定性较环烷基良。弱点在于：胶体安定性差；低温差，析油与蒸发量偏大。

（3）以加氢环烷基为基础油生产的纤膏和缆膏优势在于：低温好，胶体安定性优良；析油与蒸发量小；与光缆材料相容性良。弱点在于：粘温性能差；密度大，闪点低。

（4）以两种（加氢石蜡基油和加氢环烷基油，混合比为1∶1）复合使用为基础油生产的光纤光缆填充油膏产品的质量优势在于：

①具有优良的胶体安定性，胶体结构稳定，不收缩，体系不分油。

②具有优良的氧化安定性，油膏体系酸值小，蒸发量也较小，这与复合基础油的化学组成(烷烃、环烷烃)有很大关系。

③根据试验数据得知，复合后的纤膏与缆膏，在与所有光缆材料相容性和腐蚀性试验中，都较其他两种（石蜡基和环烷基）纤膏和缆膏好。

④复合型（石蜡基和环烷基）所制得的纤膏和缆膏综合了石蜡基与环烷基油膏的性能优势，兼具两类油膏产品的优点，相对掩盖了两类油膏的缺点，故该产品具有优良的胶体安定性，氧化安定性和满意的相容性。

4 讨论

（1）用复合型基础油生产的纤膏和缆膏，其质量和性能皆符合国家通信行业标准YD/T 839.3-2000（通信电缆、光缆用填充和涂覆复合物）的要求，但由于体系属性、构型有别，产品性能各有特色，用户可根据需要，选择符合自己使用要求的光纤光缆填充油膏产品。

（2）为不断提高纤膏与缆膏产品的质量和性能，用心研究各类基础油的特性、结构以及在纤膏、缆膏中的作用机理；研究纤膏缆膏的组成、配方和制备工艺对油膏结构与性能的关系，只有这样，油膏生产厂才能从根本上处理好产品配方工艺与质量、性能之间的关系，有的放矢地实现产品成本与质量、性能的有机统一。

（3）复合型纤膏、缆膏其产品质量水平达到并优于国外同类产品的先进水平，对于提高我国光通信产业的整体水平有着十分重要的积极作用，也为加氢基础油开辟了新的应用领域。

参考文献：

［1］ 王丙申.石油产品应用指南［M］. 北京:石油工业出版社，2002: 74-84.

［2］ 朱廷彬.润滑脂技术大全［M］. 北京:中国石化出版社,2005:26-35.

［3］ 程丽华,吴金林.石油产品基础知识［M］. 北京:中国石化出版社,2006:1-10.

收稿日期:2008-09-08。

作者简介：李力军（1962-），男，工程师，1981年毕业于新疆石油学校炼油专业，现在昆山新环石化有限公司主要从事油品开发应用工作。