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GISELE DE CARVALHO
Análise combinada dos efeitos dos revestimentos
nas propriedades de fibras ópticas comerciais
Tese apresentada ao Instituto de Química,
Universidade Estadual Paulista, como parte
dos requisitos para obtenção do título de
Doutor em Química
Orientador: Prof. Dr. Younés Messaddeq
Araraquara
2007
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Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais, Dorival e Cecília. Grandes conhecedores da
verdade, da sabedoria e de mim mesma. Que nunca me deixam desistir e que me
ensinam todo dia, que uma vida se constrói com paciência, fé e perseverança.
Porque para vencer é preciso ser forte. Sempre.
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ii
Agradecimentos
Agradeço ao meu orientador, Prf. Dr. Younès Messaddeq, pelos ensinamentos,
paciência e direcionamento constantes.
Agradeço à Fundação CPqD, especialmente os Srs. Alexandre Bagarolli e
Sebastião Sahão Júnior pela possibilidade de execução deste trabalho.
Agradeço aos amigos e companheiros de trabalho Bernardo J. G. de Aragão,
Joceli G. Angellini, José Eduardo Volponi e Edmilson Sanches Silva pela
disponibilidade e preciosa ajuda na realização dessa etapa.
Agradeço a toda minha família, que sempre acredita em mim e me incentiva a
continuar, mesmo quando me faltam forças.
Agradeço a todos os servidores e docentes do IQ/UNESP – Araraquara, que
contribuíram valiosamente para a conclusão desse projeto.
Enfim, agradeço a todos meus amigos, que carrego no coração, que de perto ou
de longe torcem, vibram e sofrem com minhas conquistas e mazelas.
iii
“Fora da Caridade não há Salvação”
(Jesus Cristo)
Agradeço a Deus o presente de me deixar levantar todos os dias, errar, acertar,
cair e levantar. E sempre aprender.
RESUMO
A integridade das rotas ópticas depende da confiabilidade das fibras, que é
afetada pelas condições de fabricação das fibras e cabos (matérias primas
empregadas na fabricação do vidro e do revestimento e processo de fabricação) e
pelas condições de operação da rota (ambiente da rota óptica e as tensões
aplicadas durante o lançamento e vida útil). O objetivo deste trabalho é avaliar a
degradação dos materiais que compõem as fibras ópticas e as consequências das
variações de seus aspectos físico-químicos nas propriedades mecânicas e ópticas
das fibras. Para tal foram realizados três tipos de envelhecimento nas amostras: 1 –
envelhecimento hidrotérmico (em água deionizada a 85°C por 14, 28 e 49 dias) de
amostras com revestimento acrilato e de carbono; 2 – envelhecimento em campo
resultante em perda de confiabilidade mecânica e óptica; e 3 – envelhecimento por
passagem de 500 mW, sob raio de curvatura de 10mm durante 30 minutos em de
amostras com revestimento acrilato e de carbono. Observou-se que para o primeiro
método de revestimento, as amostras revestidas têm resistência mecânica mais
baixa que as amostras decapadas com H
2
SO
4
a quente, possivelmente devido à
mudança local de pH ou a atividade da água na superfície vítrea, dependendo do
mecanismo de degradação do revestimento: cross link ou cisão de cadeias. No
segundo método de envelhecimento, para as amostras com problemas de
resistência mecânica, notou-se que o problema se encontrou na formulação dos
revestimentos, faltando plastificante no revestimento primário e excedendo o mesmo
material no revestimento secundário. Esse efeito tornou o polímero interno menos
aderido ao vidro, e o externo menos capaz de suportar as tensões mecânicas
normais de utilização da fibra óptica, tornando o guia de onda menos resistente
mecanicamente. Para as amostras com problemas de atenuação óptica, a causa do
problema foi a formulação equivocada do revestimento secundário, evidenciada pela
alta Tg desse material. Deste modo, sob uma dada variação de temperatura, as
tensões criadas pela diferença de coeficiente de expansão térmica dos dois
revestimentos forçava tração entre eles, diminuindo a adesão do revestimento
primário à superfície vítrea, tornando a amostra mais susceptível à perdas ópticas
induzidas por microcurvaturas. No terceiro método de envelhecimento, nota-se que a
passagem de potência não foi um ofensor suficientemente grave a ponto de afetar a
resistência mecânica das amostras, porém revestimentos composição distinta
apresentaram degradação distinta, variando do cross link à cisão das cadeias. Este
trabalho pretende dar suporte à métrica de confiabilidade da rede de comunicações
ópticas e desenvolver uma nova metodologia de avaliação da degradação dos
materiais das fibras ópticas, sugerindo um método que seja abrangente às diversas
condições de uso e de composição das amostras.
Palavras-chaves: Fibra óptica; confiabilidade mecânica e óptica; envelhecimento;
mecanismo de degradação dos revestimentos; atividade da água na superfície.
ii
ABSTRACT
The integrity of optic network depends on the reliability of optical fibers, affected by
cable and fibers manufacture conditions (materials and process) and by the
environmental use conditions (tensions applied during installation and long term use).
The objective of this work is to evaluate degradation of the materials and the
consequences of its physical-chemical aspects variations in the mechanical and optic
properties of fibers. So, three types of aging in the samples had been carried
through: 1 – hydro-thermal aging (in deionized water at 85°C for 14, 28 and 49 days)
of samples with acrilate and carbon coatings; 2 – field aging resulting in loss of
mechanical and optical reliability; and 3 – aging by optical power of 500 mW, under
10 observed that for the first covering method, the coated samples had lower
mechanical resistance than the uncoated samples (with hot H
2
SO
4
), due to local
change of pH or changes of water activity in the glass surface, depending on the
degradation mechanism of the coating material: cross link or chain scission. In the
second aging method, for the samples with mechanical reliability problems, we noted
the problem was in the formularization of coating, where it was missing plasticizer in
the primary coating and exceed in the secondary coating. This effect became internal
polymer not adhered enough to the glass, and external one incapable to support the
normal mechanical tensions of use of an optic fiber, causing low mechanical
reliability. For the samples with problems of optical attenuation, the cause of the
problem was the wrong preparation of secondary coating, evidenced by its high Tg
value. Under a given temperature variation, tensions created for the difference of
thermal expansion coefficient of two coatings forced traction at the interface, affecting
the adhesion of primary coating to the glass surface, making the sample more
susceptible to losses induced by microbending. In the third aging method, we note
that optical power was not an effective factor to affect the mechanical resistance of
the studied samples, however different composition coatings presented distinct
degradation, varying from cross link to chain scission. This work intends to support
the metric of optical network reliability study and develop a new method of evaluation
of the degradation of optical fibers materials, suggesting an analysis methodology
useful for the different compositions and use of optical fibers.
Key words: Optical fiber; mechanical and optical reliability; aging; coating
degradation mechanism; surface water activity.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. 1- Esquema de uma fibra óptica com duplo revestimento polimérico
1
.......8
Figura 1. 2 - Refração da luz que passa do ar para o vidro
1
. ....................................9
Figura 1. 3- Reflexão total interna da luz
1
................................................................10
Figura 1. 4 - Luz sendo transmitida na fibra óptica pelo fenômeno da reflexão total
interna
2
.....................................................................................................................11
Figura 1. 5 – Princípio da técnica MCVD..................................................................13
Figura 1. 6 – Esquema de fabricação da preforma...................................................14
Figura 1. 7 – Esquema de uma torre de puxamento. ...............................................16
Figura 1. 8 – Gráfico do comportamento do volume específico em função da
temperatura para materiais vítreos e cristalinos
3
. ....................................................17
Figura 1. 9 - Esquema da rede de sílica vítrea e estrutura tetraédrica de [SiO
4
]
4
...19
Figura 1. 10 – Comparação entre a estrutura da: a) sílica cristalina e b) sílica vítrea.
..................................................................................................................................20
Figura 1. 11 – Esquema de uma formação de um polímero.....................................21
Figura 1. 12 – Reação esquemática da formação do poli-uretano acrilato...............22
Figura 1. 13 - Superfície com um defeito elíptico, sob ação de uma tensão uniforme
a
σ
16
...........................................................................................................................29
Figura 1. 14 - Esquema de uma distribuição bimodal de tensões de ruptura
[modificado de
35
] ......................................................................................................35
Figura 2. 1 – Tipos de garras do ensaio de tração : a)polias ; b)garras pneumáticas;
c)amostras coladas em etiquetas; d)amostra colocada dentro de um capilar de
borracha
35
43
Figura 2. 11 - Esquema do ensaio de flexão em dois pontos [modificado de
35
]. 44
Lista de Figuras
ii
Figura 2. 1 - Deslocamento oscilatório de um polímero. 48
Figura 2. 2 - Espectro de FTIR típico de um revestimento poliuretano acrilato. 54
Figura 2. 3 - Princípio do ensaio de In Situ Modulus. 55
Figura 2. 4 – Gráfico característico obtido no ensaio de In Situ Modulus. 56
Figura 2. 5 - Princípio do ensaio de Pullout. 57
Figura 2. 6 - Esquema geral do equipamento de TGA. 59
Figura 2. 7 - Aumento de atenuação por microcurvatura
75
. 61
Figura 2. 8 - Ação de tensão de compressão e de tração no revestimento, antes e
após remoção do vidro. 63
Figura 2. 9 – Lay out do envelhecimento das fibras por potência. 66
Figura 2. 12 - Equipamento de DMTA usado para as análises. 68
Figura 2. 13 - Suporte utilizado para ensaios de fibras ópticas no equipamento de
DMTA. 68
Figura 2. 14 - Layout do ensaio de medida de atenuação por microcurvaturas. 70
Figura 3. 1 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
ensaiadas: a) revestidas e b) decapadas..................................................................73
Figura 3. 2 - Resultados da análise DMTA: a) fator de perda e b) módulo de
armazenamento. .......................................................................................................76
Figura 3. 3 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
RA1: a) revestidas e b) decapadas...........................................................................84
Figura 3. 4 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
RC: a) revestidas e b) decapadas.............................................................................85
Figura 3. 5 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
analisadas: a) revestidas e b) decapadas.................................................................97
Lista de Figuras
iii
Figura 3. 5 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
ensaiadas: a) revestidas e b) decapadas................................................................104
Figura 3. 6 - Perfil do revestimento após extração.................................................105
Figura 3. 7 - Corpo-de-prova após ensaio de determinação da força de adesão...106
Figura 3. 8 - DMTA característico das amostras ensaiadas: a) CR e b) CP...........107
Figura 3. 9 – Visualização das amostras: a)CR e b) CP com Microscópio eletrônico
de varredura............................................................................................................110
Figura 3. 10 – Curvas de TGA das amostras CP. ..................................................111
Figura 3. 11 – Curvas de TGA das amostras CR...................................................112
Figura 3. 11 – Curvas de TGA das amostras ASA.................................................116
Figura 3. 12 – Curvas de TGA das amostras BCA.................................................117
Figura 3. 15 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras
ensaiadas, revestidas e decapadas. .......................................................................118
Figura 3. 16 - Gráfico da sensibilidade das amostras BCA, BSA e ASA em função da
carga aplicada.........................................................................................................119
Figura 3. 17 - DMTA característico das amostras ensaiadas: a) ASA e c) BCA.....121
Figura 3. 18 - Variação do coeficiente de expansão térmica (linhas cheias) em
função da temperatura. ...........................................................................................123
LISTA DE TABELAS
Tabela 2. 1 – Amostras analisadas...........................................................................64
Tabela 3. 1 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.............74
Tabela 3. 2 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento
polimérico..................................................................................................................75
Tabela 3. 3 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário. ........................75
Tabela 3. 4 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição
vítrea)........................................................................................................................76
Tabela 3. 5 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
..................................................................................................................................77
Tabela 3. 6 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.............86
Tabela 3. 7 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento
polimérico..................................................................................................................87
Tabela 3. 8 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário. ........................88
Tabela 3. 9 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição
vítrea)........................................................................................................................89
Tabela 3. 10 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
..................................................................................................................................90
Tabela 3. 11 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração. ..........97
Tabela 3. 12 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento
polimérico..................................................................................................................98
Tabela 3. 13 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário. ......................98
Lista de tabelas
v
Tabela 3. 14 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição
vítrea)........................................................................................................................99
Tabela 3. 15 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
................................................................................................................................100
Tabela 3. 14 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração. ........104
Tabela 3. 15 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento
polimérico................................................................................................................105
Tabela 3. 16 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário. ....................106
Tabela 3. 17 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição
vítrea)......................................................................................................................108
Tabela 3. 18 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
................................................................................................................................108
Tabela 3. 19 - Teor de voláteis no revestimento das fibras (%)..............................112
Tabela 3. 21 – Resultados do ensaio de TGA. .......................................................117
Tabela 3. 23 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração. ........120
Tabela 3. 24 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento
polimérico................................................................................................................120
Tabela 3. 25 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário. ....................120
Tabela 3. 26 - Resultados da análise de DMTA (Tg = temperatura de transição
vítrea)......................................................................................................................121
Tabela 3. 27 - Valores de Tg dos revestimentos das amostras analisadas (°C).....122
Tabela 3. 28 - Resultados das medidas de DEF e DIR (μm)..................................123
INDÍCE
1. APRESENTAÇÃO........................................................................................1
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO TEÓRICA E ESTADO DA ARTE
1. HISTÓRICO..................................................................................................7
2. ASPECTOS GERAIS DA FIBRA ÓPTICA...................................................8
3. FABRICAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS.......................................................12
4. MATERIAIS DA FIBRA ÓPTICA................................................................17
5. RESISTÊNCIA DAS FIBRAS ÓPTICAS....................................................27
6. POTÊNCIA NO GUIA DE ONDA................................................................36
7. CONCLUSÃO PARCIAL DO CAPÍTULO I ................................................38
CAPÍTULO II – MATERIAIS E MÉTODOS
1. INTRODUÇÃO............................................................................................41
2. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ...................................................................43
3. MATERIAIS ................................................................................................64
4. MÉTODOS DE ENVELHECIMENTO..........................................................65
Indice
vii
CAPÍTULO III – RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÕES
1. ENVELHECIMENTO HIDRO-TÉRMICO 1 – FIBRAS COM
REVESTIMENTO ACRILATO...................................................................................73
2. ENVELHECIMENTO HIDRO-TÉRMICO 2 – FIBRAS COM
REVESTIMENTO DE CARBONO.............................................................................84
3. ENVELHECIMENTO POR PASSAGEM DE ALTA POTÊNCIA ................96
4. ENVELHECIMENTO EM CAMPO 1 – REDUÇÃO DA CONFIABILIDADE
MECÂNICA.............................................................................................................103
‘
6. DISCUSSÃO GERAL...............................................................................126
7. CONCLUSÕES.........................................................................................130
8. TRABALHOS FUTUROS .........................................................................131
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................132
1. Apresentação
Uma das vertentes mais sólidas no campo de telecomunicações e sistemas de
transmissão de dados é a utilização de fibras ópticas para transportar informações,
de maneira similar ao uso de fios elétricos ou ondas de rádio. Esse trabalho se inicia
com uma breve introdução sobre fibras ópticas, seu histórico, teoria da propagação e
dispersão da luz e a sua utilização em telecomunicações no Capítulo I.
Os cabos ópticos atuais utilizados em redes de longa distância têm uma estrutura
com muitas fibras juntas. Para proteger a fibra das agressões do ambiente externo,
eles são produzidos com a inserção de materiais que absorvem o impacto mecânico
e químico do ambiente, como os géis de preenchimento e os cabos de alumínio, que
são colocados no interior para dar sustentação e maior resistência, protegendo as
fibras. Ainda no Capítulo I veremos a estrutura dos cabos de fibras ópticas e seus
materiais constituintes.
Tecnologicamente, avanços significativos vêm sendo obtidos para suprir a
demanda crescente de sistemas com alta velocidade e larga banda de transmissão,
visando transportar mais informação mais rapidamente.
Existem várias técnicas que aumentam a capacidade de transmissão das redes.
Uma delas é o uso da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM
– sigla de wavelength division multiplexing), onde diferentes sinais são codificados
em guias ópticos com diferentes comprimentos de onda, sendo transmitidos
simultaneamente em uma única fibra óptica. Quanto mais comprimentos de onda
puderem ser inseridos em uma fibra, mais canais de comunicação estão disponíveis
por fibra e maior é sua capacidade de transmissão. Deste modo, alterações podem
ser esperadas no comportamento dos materiais da fibra óptica quando expostos a
Apresentação
2
situações de alta potência, uma vez que foram inicialmente projetados para suportar
a passagem de alguns modos de transmissão. O princípio teórico dessa técnica será
apresentado também no Capítulo I.
Outro aspecto importante no estudo das redes ópticas é a investigação da sua
confiabilidade. A integridade das rotas ópticas depende da confiabilidade das fibras
ópticas, constituída de duas componentes: a) a confiabilidade óptica e b) a
confiabilidade mecânica.
A confiabilidade óptica deve garantir uma atenuação do sinal menor ou no
máximo de 0,2 dB/km. A confiabilidade mecânica, por sua vez, deve ser tal que a
vida útil de uma fibra seja em média de 30 anos ou mais. Para isso, a resistência
mecânica da fibra deve ser muito alta (tensão de ruptura aproximadamente 5 a 6
GPa, com taxa de carregamento em torno de 1 GPa/s) e a fibra deve apresentar
elevada resistência à fadiga estática, isto é, resistência ao crescimento de trincas
superficiais na presença de água e tensão mecânica. Ainda no Capítulo I, trataremos
da resistência mecânica das fibras ópticas, bem como os fatores que a afetam e os
métodos de avaliá-la.
Tanto a confiabilidade óptica quanto a mecânica são afetadas pelas condições de
fabricação das fibras e dos cabos ópticos e pelas condições de operação da rota. As
condições de fabricação envolvem as matérias primas empregadas na fabricação do
vidro e do revestimento das fibras, bem como o processo de fabricação escolhido. Já
as condições de operação envolvem o ambiente da rota óptica e as tensões
aplicadas nos cabos e nas fibras durante o lançamento e a vida útil dos cabos.
Matérias primas impuras e controle de processo inadequado podem resultar em:
a) revestimento de alta permeabilidade à água e/ou frágil; e b) vidro com alta
concentração de defeitos superficiais que, combinados com tensões elevadas
Apresentação
3
durante o lançamento dos cabos e o tempo de vida na rota, podem acarretar em
elevadas perdas ópticas e decréscimo na vida útil das fibras.
No que diz respeito à contribuição dos materiais, um certo interesse surgiu nos
últimos anos a respeito do papel do revestimento, pois este componente tem uma
influência importante na resistência à fadiga e atenuação da fibra. O revestimento
tem por finalidade proteger a fibra de vidro do ambiente externo, de perdas de sinal
por microcurvaturas e da corrosão por tensão ou fadiga. Ele é aplicado tão logo a
fibra é puxada e antes dela tocar qualquer superfície externa.
Os materiais usados como revestimento estão sujeitos a sofrer mudanças na sua
estrutura quando submetidos a processos de envelhecimento, e essas mudanças se
refletem nas suas propriedades físico-químicas e mecânicas. Esses efeitos são de
extrema importância para o revestimento das fibras ópticas, pois de sua integridade
depende a integridade da parte vítrea da fibra, que é o guia de onda. A degradação
do meio ambiente vem pela variação térmica ou pela exposição do revestimento à
ambientes adversos.
Para que seja avaliada a influência do material do revestimento em uma fibra
óptica, é necessário que se entenda o mecanismo de degradação deste quando
submetido a situações adversas. Existem vários parâmetros que podem descrever
as condições de degradação de um revestimento, entre eles os módulos de perda e
armazenamento (E’ e E’’), temperatura de transição vítrea (Tg), nível de reticulação
(cura), etc. Para a determinação destes parâmetros muitas técnicas podem ser
utilizadas, como DMTA, FTIR, TGA, DSC, etc. A descrição de cada um dos
parâmetros e sua importância na determinação do mecanismo de degradação dos
polímeros, bem como das técnicas utilizadas para a sua determinação serão
apresentados no Capítulo II.
Apresentação
4
Embora o revestimento não contribua diretamente para a confiabilidade mecânica
da fibra, pois seu módulo é cerca de 100 vezes menor que o do vidro de sílica, a sua
degradação cria uma condição onde este material possibilita a exposição da
superfície vítrea ao ambiente, causando redução da integridade óptica e mecânica
do guia de onda. Para a avaliação da degradação desse material, o efeito do tempo
é muito importante, pois se deseja garantir a extrapolação prática dos resultados
para períodos de ao menos 20 anos. Então, se faz necessário um modelo de ensaio
e cálculo que leve em consideração o comportamento mecânico dos materiais
durante sua utilização, dependendo do ambiente que se encontram. Como é
experimentalmente inviável que se faça medidas que durem 20 anos, em geral
utiliza-se o envelhecimento acelerado das amostras e posterior análise de falhas. As
técnicas de preparação dos corpos de prova, envelhecimento e caracterização dos
materiais das amostras serão descritos no Capítulo II.
Embora as técnicas de caracterização utilizadas nesse trabalho já fossem
bastante conhecidas para a análise de polímeros, elas tiveram de ser otimizadas
para uso em fibras ópticas, de modo a fornecerem resultados satisfatórios que
permitam a correlação entre defeitos dos componentes da fibra e variações na sua
confiabilidade mecânica e óptica. Isso se deve à particularidade dessa análise, onde:
a) a amostra se apresenta em dimensões reduzidas;
b) o material a ser analisado está acoplado a outro (neste caso, o vidro)
Esse trabalho tem como objetivos avaliar a degradação dos revestimentos que
compõem as fibras ópticas e as consequências das variações de seus aspectos
físico-químicos nas propriedades mecânicas e ópticas das fibras, utilizando como
base a combinação de técnicas conhecidas, que normalmente são utilizadas
separadamente.
Apresentação
5
Este trabalho pretende dar suporte à métrica de confiabilidade da rede de
comunicações ópticas através da coleta de dados experimentais e posterior
definição de alguns indicadores de desempenho e confiabilidade. Em especial,
pretende-se desenvolver uma nova metodologia de avaliação da degradação dos
materiais das fibras ópticas, bem como sugerir um método de avaliação que seja
abrangente às diversas condições de uso e de composição das amostras.
Como veremos no Capítulo III, essa avaliação é possível e pode ser realizada
com sucesso em diversos tipos de fibras e de agressões ambientais sofridas por
elas.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
7
1. Histórico
O conceito fundamental de fibras ópticas como guia para transportar sinais
luminosos contendo informação é conhecido há muito tempo. O fenômeno chamado
reflexão total interna que pode confinar a luz dentro de um vidro ou outros materiais
mais densos que o ar tem sido estudado desde o século XIX.
Em 1950, Brian O´Brien nos Estados Unidos e Harry Hopkins e Narinder Kapany
na Inglaterra sugeriram o que nos levaria hoje à estrutura básica de uma fibra óptica.
O conceito fundamental era criar uma fibra com duas camadas onde a luz seria
conduzida na camada interna, o núcleo. A segunda camada, a casca, teria índice de
refração menor que a primeira, e funcionaria então como um isolante, confinando a
luz dentro do núcleo. Isso evitava que a luz, dentro da camada interna, tocasse
qualquer coisa que tivesse índice de refração maior, permitindo que o sinal
escapasse.
Em 1966, Charles K. Hao e George Hokham do Standard Laboratories
(Inglaterra), publicaram uma análise teórica que indicava a sílica como um bom
material para a fabricação de fibras de vidro para transportar sinais luminosos. Em
1970, a Corning Glass Works (atualmente Corning Inc.) começou a fabricar
comercialmente as fibras de sílica com baixa perda, utilizando o laser diodo, como
uma fonte de luz coerente para a utilização em fibras ópticas para telecomunicações.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
8
2. Aspectos Gerais da Fibra Óptica
2.1 Definição
Uma fibra óptica é um guia de onda constituída de um núcleo e uma casca,
ambos vítreos. O índice de refração η
1
do núcleo deve ser maior que o índice de
refração η
2
da casca, a fim de que o sinal óptico fique confinado dentro da fibra,
como será detalhado mais adiante. A diferença entre os índices de refração não
precisa ser muito grande, em geral fica em torno de 1%.
Por fora, a fibra é envolta por uma camada dupla polimérica, normalmente com
raio de 62,5μm, destinada a protegê-la das agressões do ambiente externo,
principalmente a umidade (Figura 1. 1).
Figura 1. 1- Esquema de uma fibra óptica com duplo revestimento polimérico
1
.
A propagação da luz em uma fibra óptica se dá pelo fenômeno de reflexão total
interna no núcleo.
2.2 Propagação do sinal
A medida mais importante dos materiais transparentes é seu índice de refração
(η), que é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade
da luz no material:
mat
vac
c
c
=
η
(equação 1. 1)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
9
A luz sempre viaja mais rapidamente no vácuo que em outros ambientes, devido
à inexistência de partículas, então o índice de refração dos materiais será sempre
maior que 1,0. Quanto maior for o índice, mais opticamente denso é o material.
Em um meio uniforme, onde o índice é constante, a luz viaja em linhas retas.
Quando o meio é não uniforme, devido a uma variação de composição ou uma
descontinuidade, a luz sofre reflexão ou refração. O mesmo acontece quando a luz
passa pela superfície entre dois materiais uniformes com índices de refração
diferentes: há um desvio na sua trajetória (como por exemplo, quando a luz passa do
ar para o vidro (Figura 1. 2)).
Figura 1. 2 - Refração da luz que passa do ar para o vidro
1
.
Devido à diferença de índice de refração entre os dois meios, a velocidade do
feixe é alterada, variando o comprimento de onda e causando seu desvio. O feixe é,
portanto, dividido em dois raios: um refratado (transmitido) e um refletido. O ângulo
com o qual a luz atinge a interface entre os meios e a diferença de índice de
refração entre eles é o que determina a quantidade de luz que será refletida/
refratada e a intensidade do desvio do feixe.
A relação entre os ângulos de incidência e de refração é dada pela Lei de Snell:
RI
ri
sensen
η
η
=
(equação 1. 2)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
10
onde η
i
e I são o índice de refração do meio inicial e o ângulo de incidência da luz
na superfície; e η
r
e R são o índice de refração do meio para o qual a luz passa e o
ângulo de refração, respectivamente.
De acordo com a lei de Snell, o ângulo da refração é sempre igual ao de
incidência, portanto, à medida que o ângulo de incidência aumenta, o ângulo de
refração aumenta também. Há um ângulo de incidência para o qual o ângulo de
refração será de 90º, e o raio refratado emerge paralelo à interface entre os meios e
a luz não poderá sair do meio. Ou seja, há um ângulo crítico para a refração, e
acima dele, a luz ficaria presa no meio, que é conhecido como ângulo crítico
(Figura 1. 3).
Se o ângulo de incidência for maior que o ângulo crítico, não haverá transmissão
no segundo meio, em vez disso, toda luz será refletida de volta para o meio de
incidência (Figura 1. 3). Este fenômeno é conhecido como reflexão total interna.
Figura 1. 3- Reflexão total interna da luz
1
.
É esse fenômeno que faz com que a luz fique confinada dentro das fibras ópticas;
e como o ângulo de reflexão é sempre igual ao ângulo de incidência, a luz
continuará a ser totalmente refletida até a outra extremidade da fibra (Figura 1. 4).
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
11
É para que essa condição se realize que se faz necessário que o núcleo tenha
índice de refração maior que o da casca.
Figura 1. 4 - Luz sendo transmitida na fibra óptica pelo fenômeno da reflexão total interna
2
.
Para que a o sinal seja transportado dentro da fibra, o ângulo de incidência da
onda deve ser tal que seja possível o fenômeno da reflexão total interna. Há,
portanto, um limite de aceptância, um ângulo máximo ao qual os raios que entram na
fibra ficam confinados em seu núcleo. Esse limite se chama abertura numérica, e
para a luz vinda do ar, entrando na fibra, é dada por:
(
)
2
1
2
1
2
0
ηη
−=NA
onde
0
η
é o índice de refração do núcleo e
1
η
, o índice de refração da casca.
2.3 Tipos de fibras
As fibras ópticas não são todas iguais. Cada tipo é feito de uma maneira para
atender necessidades diferentes, e com o passar dos anos elas vêm sendo
modificadas para suprir as exigências do avanço tecnológico. Elas podem ser
classificadas de acordo com os seguintes critérios:
1. material de que são feitas - o material é selecionado de acordo com as
diferentes aplicações e requerimentos. A fibra de vidro é a mais usual, composta
de sílica ou quartzo fundido, é extremamente pura, e a adição de impurezas
(equação 1. 3)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
12
específicas na matriz vítrea pode modificar o índice de refração e melhorar as
propriedades do guia.
2. perfil de índice de refração do núcleo - em índice degrau e índice gradual,
dependendo do perfil de mudança de índice de refração entre casca e núcleo
3. propagação da luz no núcleo – modo é um conceito físico que descreve como
uma onda eletromagnética se propaga em um meio, corresponde à distribuição
de energia dentro da área seccional da fibra, que pode ser monomodo
(propagação em um único modo) ou multimodo (propagação em diversos
modos)
3. Fabricação de Fibras Ópticas
Os dois cilindros concêntricos de sílica que compõem as fibras ópticas poderiam
ser fabricados diretamente pela fusão da sílica, mas é difícil conseguir fibras
homogêneas e de alta pureza por esse método.
A fabricação da fibra se faz a partir de uma pré-forma, cuja geometria deve seguir
perfeitamente o perfil de diâmetro e de índice de refração do núcleo e da casca,
como descrito a seguir.
3.1 Preparação da pré-forma
Existem muitos métodos de fabricação de pré-forma, mas todos se baseiam no
princípio da deposição química em fase de vapor, que permite obter sílica de alta
pureza. Em todos esses métodos, um cloreto em forma de vapor é oxidado ou
hidrolisado e depositado sobre um substrato, para se obter um material o mais puro
possível, de acordo com a reação:
SiCl
4
+ O
2
→ SiO
2
+ 2 Cl
2
1700ºC
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
13
A técnica mais correntemente utilizada para essa reação é a deposição química
modificada em fase de vapor (MCVD – Modified Chemical Vapor Deposition - Figura
1. 5).
Figura 1. 5 – Princípio da técnica MCVD.
Por esse método, o substrato é um cilindro oco de sílica pura. Esse tubo servirá
para que sejam passados os vapores que fazem parte da reação química que
formará o vidro. Ele é colocado horizontalmente e é submetido a uma rotação em
torno de seu eixo longitudinal durante toda a deposição, a fim de se obter um
depósito uniforme. Os gases que reagirão, chamados precursores, são injetados em
uma das extremidades do tubo, e os produtos e dejetos da reação são recolhidos
pelo outro lado (Figura 1. 6).
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
14
Figura 1. 6 – Esquema de fabricação da preforma.
A reação descrita ocorre pela inserção de cloreto de silício (SiCl
4
) e oxigênio (O
2
),
produzindo um pó branco fino de sílica não consolidada e cloreto gasoso que será
descartado.
O processo é completado pela deposição de uma nova camada de sílica no
interior do tubo. Essa camada será ainda mais pura e de melhor qualidade que a
utilizada para o substrato, que servirá para se obter uma superfície bem lisa sobre a
qual material formador do núcleo da fibra será depositado.
A fim de se obter um vidro transparente, o tubo é aquecido com ajuda de uma
chama alimentada por oxigênio e hidrogênio que se movimenta ao longo do tubo. O
calor permite que a reação química ocorra, e que a camada fina de pó se vitrifique,
produzindo um filme homogêneo de vidro transparente de alta qualidade. A camada
de sílica produzida desse modo tem índice de refração de 1,45.
Uma vez que a casca está formada, resta fabricar o núcleo da fibra no espaço
restante. O núcleo é também constituído de sílica, porém, como ele deve ter um
índice de refração mais alto que a casca, é necessária a adição de um dopante.
Para aumentar o índice da sílica, habitualmente se utiliza uma leve concentração de
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
15
cloreto de germânio (GeCl
4
) aos gases precursores. A oxidação desse gás produz o
óxido de germânio, de acordo com a reação seguinte:
GeCl
4
+ O
2
→ GeO
2
+ 2 Cl
2
O óxido de germânio puro tem um índice de refração de 1,60. Uma vez que uma
concentração [C] de GeO
2
é adicionada à sílica, o vidro obtido tem um índice de
refração de:
(
)
222
222
][
SiOGeOSiO
nnCnn −+=
Deste modo, para obter um vidro cujo índice de refração é 1,46, é suficiente uma
concentração de GeO
2
de 6,3%.
Outros dopantes podem ser adicionados à sílica, como o flúor, que diminui o
índice de refração, ou o óxido de fósforo (P
2
O
5
), que o aumenta ligeiramente. Este
último é utilizado para reduzir a viscosidade da sílica, promovendo uma distribuição
mais uniforme dos dopantes e possibilitando que a temperatura de depósito possa
ser diminuída, reduzindo as chances da pré-forma ser deformada pelo calor.
Quando o número necessário de camadas sucessivas depositadas é alcançado
(normalmente de 30 a 100) começa o fenômeno de retração. Esta operação consiste
em aquecer a superfície do tubo, até 2000ºC o que permite, sob a ação de tensões
superficiais, reduzir seu diâmetro até se fechar completamente, formando uma barra,
que chamamos de pré-forma. Essa barra é perfeitamente transparente e possui uma
estrutura geométrica parecida com a fibra que se deseja fabricar. Depois disso, a
pré-forma vai para o processo de fibragem.
1. Puxamento (fibragem)
O puxamento, ou fibragem, consiste em, sob ação do calor, fazer com que a pré-
forma tome a forma de uma fibra de vidro de 125 μm de diâmetro, mantendo as
Equação 1. 4
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
16
relações de índice de refração e razão de diâmetro do núcleo/casca. Esta operação
é realizada em uma torre de puxamento (Figura 1. 7).
Figura 1. 7 – Esquema de uma torre de puxamento.
O puxamento começa pelo aquecimento da pré-forma até a temperatura de
amolecimento da sílica (~2000
º
C). Nessa temperatura, pela ação da gravidade, a
pré-forma se torna um fio, e passa por um controlador de diâmetro.
Após a saída do forno, o fio passa por um aplicador de revestimento, para que ela
seja envolta pela camada dupla aplicada concentricamente, completada por
radiação ultravioleta. A viscosidade das resinas utilizadas varia muito com a
temperatura e é necessário o resfriamento da fibra antes da aplicação do
revestimento. Por isso, é crucial, de acordo com a velocidade do puxamento, que se
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
17
mantenha uma distância mínima entre o forno e o dispositivo de aplicação do
polímero.
4. Materiais da fibra óptica
4.1 A sílica vítrea
Um vidro pode ser definido como um sólido não cristalino que apresenta o
fenômeno da transição vítrea. O estado físico correspondente é chamado estado
vítreo. A transição vítrea ocorre na ausência do processo de cristalização, e o vidro é
considerado um líquido super resfriado.
A maneira convencional de se produzir um vidro consiste em resfriar um liquido
suficientemente rápido para que a cristalização não tenha tempo de acontecer. Para
o melhor entendimento desse fenômeno, é interessante seguir a evolução de uma
variável termodinâmica, como a entalpia ou o volume, em função da temperatura. A
Figura 1. 8 representa a evolução do volume em função da temperatura para um
vidro e para um sólido cristalino
3
.
Figura 1. 8 – Gráfico do comportamento do volume específico em função da temperatura para
materiais vítreos e cristalinos
3
.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
18
Uma vez que o líquido é resfriado, se observa em geral uma contração do seu
volume. Quando se chega no ponto de solidificação (ou fusão), T
f
, dois fenômenos
podem ser observados:
• se a velocidade de resfriamento for baixa, o líquido se cristalizará, e com isso
haverá uma mudança abrupta do volume (geralmente uma contração). Se a
temperatura continuar a diminuir, o sólido cristalino se contrairá novamente, e a
inclinação da curva do cristal muda, sendo inferior àquela do líquido inicial. Isso
ocorre porque o coeficiente de dilatação do cristal é menor que o do líquido.
• se a velocidade de resfriamento for alta, na temperatura de fusão não ocorrerá
cristalização, e o volume continuará a decrescer de acordo com a inclinação da
curva do líquido (sem descontinuidade da velocidade de contração do volume),
até a temperatura de transição vítrea, Tg, onde a inclinação da curva diminuirá
para se aproximar àquela da curva do sólido cristalino. Essa mudança da
inclinação marca a passagem do líquido super-fundido ao vidro, e a existência
dessa temperatura diferencia o vidro dos sólidos amorfos usuais. A viscosidade
do líquido decresce continuamente à medida que a temperatura abaixa. A
passagem pela Tg corresponde à uma viscosidade de cerca de 1 Kpoise. Ao
contrário da Tf, o valor de Tg varia com a velocidade de resfriamento do líquido.
Assim, normalmente se fala em um intervalo de temperatura de transição vítrea.
No caso da sílica vítrea, esse intervalo está compreendido entre 1100 e 1250°C.
O vidro de sílica é constituído de uma cadeia de estruturas tetraédricas [Si-O
4
]
ligadas entre si pelos seus vértices. O átomo de silício se encontra no centro de um
tetraedro de átomos de oxigênio (Figura 1. 9). Cada oxigênio está ligado a dois
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
19
átomos de silício, permitindo a interconexão entre as unidades estruturais de SiO
4
.
adjacentes.
Figura 1. 9 - Esquema da rede de sílica vítrea e estrutura tetraédrica de [SiO
4
]
4
.
Apesar da não periodicidade da rede, a distância interatômica de Si-O e O-O
respeita uma distância média igual a 1,61 ± 0.01Å e 2,63 ± 0.01Å respectivamente, e
o ângulo médio de O-Si-O no tetraedro é de 109,7 ± 0.4°
4
. Assim, a primeira esfera
de coordenação do silício presente na sílica vítrea é praticamente idêntica àquelas
presentes nas fases cristalinas da sílica como o quartzo ou a cristobalita. A estrutura
se afasta do estado cristalino a partir da décima esfera de coordenação. Na
realidade, a desordem estrutural da sílica vítrea é causada principalmente pela
variação do ângulo Si-O-Si que se faz pela desordem causada nos tetraedros
(Figura 1. 10). A sílica vítrea é caracterizada por um ângulo médio de 144º, conforme
definido por Mozzi e Waren
5
, formando anéis constituídos de átomos de silício
ligados entre si em ponte. Esses anéis têm dimensão variável, contendo de 3 a 9
tetraedros
6
.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
20
(a) (b)
Figura 1. 10 – Comparação entre a estrutura da: a) sílica cristalina e b) sílica vítrea.
4.2 Revestimento
A aplicação de uma camada de revestimento é vital para a fibra, uma vez que ela
irá proteger o vidro das agressões externas. O revestimento desempenha um papel
importante na resistência à fadiga mecânica e para evitar atenuação de sinal nas
fibras ópticas. Deve ser aplicado tão logo a fibra é puxada, antes dela tocar qualquer
superfície.
Diferentes tipos de revestimentos podem ser aplicados sobre a fibra, dependo da
aplicação à qual ela será submetida. Em geral, se distinguem três tipos de
revestimento: poliméricos, metálicos ou cerâmicos.
4.2.1 Revestimentos poliméricos (orgânicos ou inorgânicos)
Desde o início da fabricação das fibras ópticas, os revestimentos têm sido usados
amplamente. Óleos de silicone, Kyner, acetato de vinil-etileno, borracha de
polibutadieno e epóxi-acrilato foram bastante empregados nas fibras de
telecomunicações.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
21
A maior parte das fibras de telecomunicações são revestidas por uma camada
dupla de revestimento aplicada pelo processo de dip coating, composta por:
• um polímero interno (primário) que fica em contato direto com a casca da fibra,
de baixo módulo de elasticidade, que protege o guia de onda contra as perdas
de sinal causadas por microcurvaturas e difusão da água;
• um polímero externo (secundário) de alto módulo de elasticidade, que tem como
função proteger a fibra de danos mecânicos e atuar como barreira contra a água.
O termo polímero designa grandes moléculas (macromoléculas) constituídas pela
repetição de unidades estruturais. É uma cadeia longa e repetitiva de átomos,
formados pela ligação de várias moléculas idênticas (Figura 1. 11). Em sua grande
maioria são orgânicos, mas existem também vários inorgânicos, como as siliconas,
que alternam em sua rede principal átomos de silício e oxigênio.
.
Figura 1. 11 – Esquema de uma formação de um polímero
O processo de formação dos polímeros é chamado polimerização
7
. Trata-se do
conjunto de reações químicas intermoleculares, segundo ao qual as moléculas dos
monômeros se unem umas às outras por ligações covalentes, formando os
polímeros, num processo que chamamos de formação de ligações cruzadas.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
22
Uma vez que o polímero se trata de uma série de unidades repetidas, a formação
desses compostos obedece a lei geral das reações de adição. Nessas reações, os
reagentes se somam e não há perda de matéria, ou seja, todos os átomos das
moléculas dos monômeros estão na molécula do polímero. Quando essas moléculas
são todas iguais eles são chamados homopolímeros de adição, como, por
exemplo, a formação de polietileno, que conta com inúmeras moléculas de etileno
unidas em uma cadeia, repetindo as unidades de -CH2-CH2- :
Por outro lado, se unidades diferentes são unidas por reações de adição, sem
perda de nenhum dos átomos pertencentes as moléculas iniciais, temos os
chamados copolímeros de adição, que é o caso da copolimerização para a
formação do poli-uretano acrilato, mostrada na Figura 1. 12.
Figura 1. 12 – Reação esquemática da formação do poli-uretano acrilato
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
23
Os revestimentos poli-uretano acrilato são os mais frequentemente utilizados
devido à sua velocidade de aplicação e versatilidade. Em telecomunicações são os
mais largamente utilizados por promoverem uma boa proteção frente às agressões
mecânicas externas, além de apresentar uma certa permeabilidade à água,
desempenhando o papel de barreira contra a difusão.
O estudo dos revestimentos para aplicações em fibras ópticas segue a tendência
de reduzir as emissões de componentes orgânicos voláteis (VOC) durante o
processo de secagem. Entre os sistemas potenciais usados para chegar nesse
objetivo, revestimentos industriais foto-curáveis por luz ultra violeta são os mais
considerados.
A maior parte dos polímeros orgânicos comerciais passa por reações de radiação
de luz ultravioleta (UV), pois possuem grupos cromóforos (regulares ou impurezas)
capazes de absorver a luz UV. Uma vez que o espectro da luz solar que penetra na
atmosfera contém uma porção de luz UV, é importante que os polímeros de
utilização externa passem por esse tipo de tratamento prévio. Além disso, essa
exposição à radiação é na maioria das vezes útil para os polímeros, pois resulta em
maior resistência mecânica.
Isso significa dizer que polímeros com taxas muito baixas de radiação UV podem
ser menos resistentes em campo do que o esperado, e, no caso das fibras ópticas,
fornecer menor proteção mecânica ao vidro do que o necessário.
Porém, a sobre-exposição do material polimérico à radiação ultravioleta, seja
durante seu processamento ou durante sua utilização, também pode causar a sua
degradação.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
24
O termo degradação é usado para indicar mudanças nas propriedades físicas das
macromoléculas causadas por reações químicas que envolvem quebra das cadeias
ou ligações cruzadas em excesso. A degradação pode ser de muitos tipos
8
:
• Química – quando o processo ocorre unicamente pela ação de
interferentes químicos (ácidos, bases, solventes, gases reativos, etc.).
Esse tipo de degradação ocorre normalmente apenas em temperaturas
elevadas, devido a alta energia de ativação necessária para essas
reações.
• Térmica – é quando em altas temperaturas o polímero passa por
transformações químicas sem a influência de nenhum outro composto. Ë
muito difícil diferenciar entre a degradação térmica e a termo-química, pois
raramente os polímeros são materiais completamente “puros”. As
impurezas e os aditivos podem reagir com a matriz polimérica em altas
temperaturas.
• Biológica – refere-se aos ataques de microorganismos, que produzem uma
grande variedade de enzimas que são capazes de reagir com os polímeros
sintéticos ou naturais. Na realidade, o ataque enzimático é um processo
químico que é induzido por microorganismos a fim de obter alimentação,
que nesse caso é o carbono.
• Mecânica – trata-se de efeitos macroscópicos que se dão sob a influência
de tensão mecânica externa. As forças mecânicas aplicadas em um
polímero resultam em quebras das ligações da cadeia principal.
• Induzida por luz ou fotodegradação – significa mudanças físicas e químicas
causadas por radiação de luz ultravioleta ou visível em polímeros.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
25
• Induzida por radiação de alta energia de radiação eletromagnética (raios x
e raios gama) ou radiação de partículas (raios alfa, elétrons acelerados,
nêutrons, produtos de fissão nuclear)
Neste trabalho serão focadas a degradação termo-oxidativa (em presença de
calor e ambiente com oxigênio) e a fotodegradação.
4.2.2 Revestimentos metálicos
Os metais ou ligas metálicas de baixo ponto de fusão como alumínio, estanho,
antimônio, chumbo, ouro ou cobre podem ser utilizados para revestir as fibras
ópticas
9, 10
. Os revestimentos metálicos conferem melhor proteção frente à umidade
exterior
11
e apresentam altos valores de resistência mecânica, próximos ao teórico
para sílica pura.
O revestimento é geralmente aplicado em linha na torre de fibragem fazendo a
fibra passar por um reservatório contendo o metal fundido. Os revestimentos
metálicos são bastante herméticos. Suas principais vantagens são:
• Aplicações a altíssimas temperaturas
• Herméticos à umidade
• Maior resistência
Arridge e Heywood
a
(1967 apud BISWAS) foram os primeiros a demonstrar a
deposição de um revestimento metálico sobre a fibra de sílica pelo uso de um
processo de resfriamento. Neste processo, a fibra passa por um banho de metal ou
liga fundidos e depois é rapidamente resfriada. Esse processo pode ser usado para
revestir fibras com alumínio, estanho, zinco, índio, chumbo ou ouro.
a
ARRIDGE, R., HEYWOOD, D. Brit. J. Appl. Phys. 18 447 (1967)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
26
Outros métodos para deposição metálica na fibra são usados, como magneton
sputtering, deposição de íon plasma, deposição a vapor e dip-coating em líquidos
organometálicos. Porém, esse tipo de revestimento é de difícil aplicação uniforme
em longos comprimentos de fibra, e perdas de sinal por microcurvatura podem surgir
pela variação e diferença no coeficiente de expansão térmica das camadas
b
(BECKER; HUTTINGER, 1998 apud TAYLOR et al., 2004, p. 131
12
).
4.2.3 Revestimentos cerâmicos/amorfos
Como já citado, embora largamente utilizados, os revestimentos poliméricos são
susceptíveis à fadiga e não são totalmente hemérticos como barreira à água e
umidade. Para resolver esse problema, são estudados revestimentos cerâmicos opu
amrfos, aplicados pela deposição a vapor que possibilita a aplicação de um filme
bem fino (cerca de 1 μm), com uma camada de um revestimento polimérico em
seguida. Essa classe de revestimentos tem alta resistência à fadiga mecânica.
Recentemente, alguns trabalhos investigaram o carbono amorfo como
revestimento de fibras ópticas. A resistência média encontrada nesse caso é de 4 a
5 kgf
2
, pouco menor que as fibras de revestimento polimérico, que é esperada
13
6
kgf
2
mas que pode ser controlada pela espessura do filme.
Revestimentos de carbono se mostram promissores devido à sua estrutura
amorfa, isenta de contornos de grãos. Quando depositados em camadas finas (20
μm) por CVD (chemical vapor deposition) apresentam excelentes propriedades
herméticas, e estudos
c
(BRÜGGERT; HÜTTINGER, 1999 apud TAYLOR et al. 2004,
p. 131
12
) reportam que o coeficiente de difusão para o hidrogênio nesse material é
de 2 x 10
-16
cm
2
/s, seis ordens de grandeza menores que no vidro de sílica. Além
b
BECKER, A., HÜTTINGER, K. J., Carbon 36 177-199 (1998)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
27
disso, eles são facilmente aplicados, e essas vantagens fazem com esse material
seja uma excelente alternativa aplicação para fibras em ambientes severos.
A limitação corrente envolve a relação entre os parâmetros de deposição e as
propriedades dos filmes. Pequenas variações nas condições de deposição levam a
mudanças drásticas na taxa de crescimento do filme, na microestrutura do carbono
ou suas propriedades mecânicas
b
. As propriedades de hermeticidade são
relacionadas com o tamanho das partículas no plano e com a separação atômica
para um grupo de microestruturas do carbono.
5. Resistência das fibras ópticas
As tensões a que uma fibra está submetida em campo podem ser divididas em
tensão de tração, torção e flexão (curvatura).
A tração ocorre quando a fibra é forçada axialmente, durante a fabricação ou
instalação. Apesar da resistência à tração de uma fibra de vidro ser ligeiramente
menor que de um cabo de metal (14 GPa para as fibras e 20 GPa para os metais),
quando é submetida a uma tensão, ela não tem deformação plástica como os
metais. Além disso, a superfície das fibras é repleta de pequenos defeitos e trincas,
distribuídos aleatoriamente, fazendo com que a sua resistência seja diminuída. De
fato, as resistências encontradas para fibras ópticas comerciais são em torno de 5,5
GPa
14
.
A tensão de torção pode ocorrer durante o processo de instalação ou durante a
vida útil do guia de onda como resultado de expansão ou contração térmicas. A
resistência da fibra a esse tipo de tensão é muito baixa.
c
BRÜGGERT, M., HU, Z., HÜTTINGER, K. J., Carbon 37 2021-30 (1999)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
28
A flexão ocorre quando a fibra é submetida a um raio de curvatura, quando, por
exemplo, o cabo percorre um caminho onde há uma mudança de direção, ou é
curvado durante a instalação para entrar no duto de passagem.
Normalmente em campo a fibra sofre, sobretudo, as tensões de tração e flexão,
uma vez que ela deve ser projetada para suportar as condições de temperatura às
quais será submetida sem sofrer variações devidas ao calor.
5.1 O mecanismo de ruptura das fibras
A resistência dos materiais à ruptura pode ser caracterizada por sua resistência
coesiva.
Resistência coesiva teórica de um material é a tensão na qual ele rompe quando
é livre de defeitos, e depende das forças de ligação entre os átomos da estrutura.
Ela foi definida por OROWAN
d
(1949 apud EVANNO, 1999
5
) como sendo:
2
1
0
.
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
d
E
th
γ
σ
onde :
E
: módulo de Young (Pa)
γ
2
: energia necessária para separar dois planos atômicos do material (J)
0
d : distância entre dois planos atômicos em equilíbrio (m)
No caso das fibras ópticas, a resistência mecânica é muito dependente da
resistência da sílica, por esse ser o material mais rígido do conjunto que forma o
guia de onda.
Para a sílica vítrea, a resistência coesiva teórica é estimada em torno de 20 GPa,
mas experimentalmente esse valor elevado não é observado. De fato as fibras atuais
d
OROWAN E., Rep. Prog. Physics 12 48-55 (1949)
(equação 1. 5)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
29
apresentam uma resistência mecânica de tração de aproximadamente 5 a 6 GPa,
em condições normais de utilização. Essa diferença de valores foi explicada pela
primeira vez por Griffith, em 1920
15
.
O estudo sugeriu a existência de micro fissuras na superfície do vidro, que agem
como concentradores de tensão, como mostrado na Figura 1. 13.
Figura 1. 13 - Superfície com um defeito elíptico, sob ação de uma tensão uniforme
a
σ
16
.
A teoria de Griffith reforça a idéia que a fragilidade dos vidros em geral é devida
ao fato de que as fissuras tendem a redistribuir o campo das tensões internas, e a
ruptura ocorre quando essas tensões atingem um valor crítico.
Para explicar a tendência destes materiais à fratura, Evans e Hutchinson
17
sugeriram que existe uma relação entre a velocidade de crescimento de trincas e o
fator de intensidade de tensão KI :
n
i
AKV =
Sendo V, a velocidade de crescimento das trincas; e A e n, constantes
relacionadas com a geometria e o material da amostra.
Porém, observamos que esse comportamento “teórico” só acontece quando a
amostra está no vácuo. Isto porque o ambiente (mais precisamente as variações de
(equação 1. 6)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
30
umidade e temperatura que ele proporciona) influi no crescimento das trincas da
fibra.
A presença de vapor d’água do ambiente se manifesta por uma propagação lenta
das fissuras, mesmo que sem tensão. Os pequenos defeitos da fibra, mesmo que
ela esteja submetida a uma tensão bem abaixo do seu limite, podem evoluir e causar
a fratura da fibra. Esse crescimento das trincas na ausência de qualquer tipo de
tensão é o chamado crescimento sub-crítico de trincas, ou fadiga
18
, e é visto como
um processo de corrosão.
Para o vidro de sílica, a propagação das fissuras (ou corrosão) resulta da ruptura
das ligações Si-O da rede vítrea pelas moléculas de água, segundo a reação:
Si-O-Si + H-O-H Si-OH + OH-Si
Uma vez que este fenômeno pode causar a ruptura da fibra, a fadiga (ou
crescimento sub-crítico de trincas) é um fator muito importante no estudo da
confiabilidade mecânica das fibras, e tem sido exaustivamente estudado. E deste
modo, é vital controlar a atividade do ambiente na degradação das propriedades
físico-químicas e mecânicas dos materiais da fibra óptica.
5.2 Os fatores que afetam a resistência das fibras
O método mais comum de determinação da resistência mecânica de uma fibra é
pela medida de sua tensão de ruptura, ou seja, a tensão na qual os defeitos da
superfície e interior da amostra crescem a tal ponto que provocam a ruptura da fibra,
resultando na completa perda de transmissão óptica. Porém, existem vários fatores
que influenciam na resistência mecânica da fibra, e diretamente no valor de sua
tensão de ruptura. Esses fatores podem ser externos (temperatura, umidade,
ambiente drástico, etc.) ou estarem na própria fibra.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
31
Durante a fabricação, manuseio, instalação ou conexões, defeitos podem ser
introduzidos na estrutura ou superfície da fibra, que causarão a degradação
principalmente da sua resistência mecânica
19
. Entre os fatores que desempenham
este papel, os mais importantes são:
1. variação de diâmetro ao longo da fibra;
2. tensões residuais originadas pela fabricação;
3. micro trincas superficiais;
4. defeitos do interior da fibra, chamados defeitos intrínsecos.
Durante a fabricação, tensões podem ser originadas pelas diferenças de
propriedades térmicas entre a casca e o núcleo, e serão “retidas” pela fibra,
originando o que chamamos de tensão residual. A tensão residual é aquela que é
introduzida na fibra durante o processamento da pré-forma, e causa a diminuição da
resistência mecânica e a fratura espontânea da fibra durante a utilização. Além
disso, a tensão residual pode levar a anisotropia ao longo da fibra
20
, que ocasiona
diferenças de índice de refração. Esta diferença é indesejável, pois pode resultar em
perdas de sinal transmitido.
Há dois mecanismos que explicam a indução deste tipo de tensão: o processo
térmico e o mecânico
21
. Termicamente, a tensão pode ser induzida pela diferença
de coeficiente de expansão térmica entre a casca e o núcleo, independentemente
das condições de fibragem
22
. Mecanicamente, o mecanismo é dado pela diferença
de módulo de Young ou de viscosidade entre casca e núcleo. A tensão induzida
mecanicamente é proporcional à tensão aplicada durante o puxamento. A medida
para essa propriedade pode ser feita de diversas formas, como por espectroscopia
na região do infravermelho
23
ou tomografia computadorizada acoplada a técnica de
tunelamento
16
.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
32
O revestimento polimérico auxilia na proteção dos defeitos intrínsecos da sílica
contra a degradação do ambiente e seus elementos, como, por exemplo, a umidade.
Portanto, variações na estrutura do polímero de revestimento causarão variações na
efetividade de sua proteção.
Mesmo que o revestimento polimérico seja uma proteção para a fibra das
agressões do ambiente, as temperaturas muito elevadas, muito baixas ou alta
umidade relativa podem causar a degradação do guia de onda
e
(CHANDAN et
al.,1992 apud LOPEZ, OVERTON, 1994
24
).
Os materiais poliméricos estão sujeitos a sofrer mudanças na sua estrutura
quando submetidos a processos de envelhecimento, e essas mudanças se refletem
nas suas propriedades físico-químicas e mecânicas. Esses efeitos são de extrema
importância para os polímeros de revestimento de fibras ópticas, pois de sua
integridade depende a integridade da parte vítrea da fibra, que é o guia de onda.
A degradação do meio ambiente vem pela variação térmica ou pela exposição do
revestimento à ambientes adversos. Então, parâmetros referentes ao revestimento
como cura
25, 26, 27
, resistência
28
e força de adesão entre o polímero e o vidro
29, 30
contribuem para a efetividade da proteção do revestimento à fibra contra o ambiente
externo, auxiliando no bom desempenho da fibra óptica.
No caso das fibras revestidas, é esperado que o revestimento proteja a parte
vítrea dos efeitos do ambiente, ao menos até que seja mantida sua integridade. Os
autores do trabalho acima citado (CHANDAN et al.,1992 apud LOPEZ, OVERTON,
1994
24
) também mostraram que a resistência pode até aumentar se a degradação
do revestimento possibilitar um aumento da atividade da água na superfície vítrea da
e
CHANDAN, H.C. Proceedings of IWCS, 41 238-246 (1992)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
33
fibra, favorecendo o aumento da densidade e da gravidade dos defeitos pré-
existentes no vidro.
Esse tipo de resultado sugere que as propriedades mecânicas e físico-químicas
do polímero têm um papel importante no comportamento da resistência da fibra após
a decapagem. Por exemplo, se o revestimento tem alta densidade de ligações
cruzadas, significa que há menor espaço livre em sua estrutura para permitir a
difusão da água
61
. A densidade de ligações cruzadas pode ser determinada através
do grau de cura e do módulo de elasticidade
32
. Assim, se as propriedades do
polímero mudam durante o envelhecimento, pode-se esperar que o perfil de
resistência também mude.
Outro ponto é que moléculas de água que podem estar presentes na interface
vidro/revestimento induzindo a perda de adesão do polímero na fibra, expondo a
superfície do vidro à corrosão
e
.
Por esse motivo, vários trabalhos foram desenvolvidos com a finalidade de
estudar o comportamento das fibras ópticas na presença de água
25, 34
. Por
praticidade de ensaio, a análise das amostras em água é feita de maneira acelerada,
ou seja, pela imersão das amostras em água a temperaturas altas, como 85
º
C, por
exemplo (WEIBULL, W., 1920 apud MATTHEWSON, 1994
35
)
e, f, 36
.
5.3 Teoria da ruptura das fibras ópticas
Para explicar a ruptura das fibras ópticas, utiliza-se em geral a teoria do elo mais
fraco
37
, na qual a fibra é considerada como a junção de elementos perfeitamente
independentes do ponto de vista da ruptura, e é o elemento mais frágil que iniciará a
ruptura do sólido inteiro.
f
WEIBULL, W., 1920
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
34
A lei estatística que melhor se adapta ao estudo da resistência mecânica das
fibras ópticas é a Lei de Weibull
38
.
A representação da lei estatística de Weibull é dada pelo cálculo do número
cumulativo de defeitos N(
σ
) da seguinte forma :
()
m
o
u
N
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
σ
σσ
σ
onde,
σ
: tensão aplicada
σ
u
: parâmetro de posição, caracteriza a tensão sob a qual a
probabilidade de ruptura é nula
σ
o
:parâmetro de escala
m : parâmetro de forma
Desta maneira, a probabilidade de fratura F(
σ
,L) de uma fibra de comprimento L
pode ser escrita:
()
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−=
m
o
LLF
σ
σ
σ
exp1,
Escrevendo a equação 1.8 em forma logarítmica, obtemos a expressão seguinte:
()
0
lnln
1
1
ln
1
ln
σσ
−=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
m
FL
A representação gráfica de
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
− FL 1
1
ln
1
ln
em função de ln (
σ
) é chamada
Diagrama de Weibull, que tem o perfil como mostrado na Figura 1. 14.
(equação 1. 8)
(equação 1. 9)
(equação 1. 7)
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
35
Figura 1. 14 - Esquema de uma distribuição bimodal de tensões de ruptura [modificado de
35
]
Normalmente, plota-se a probabilidade cumulativa de fratura em função da tensão
de ruptura, para que se tenha uma idéia da resistência mecânica dos materiais
42
Este diagrama permite determinar os parâmetros m, que é correspondente à
inclinação da curva.
O parâmetro m caracteriza a dispersão do tamanho dos defeitos. Um valor
elevado de m indica que existe ao longo da fibra um tamanho médio de defeitos. Um
valor baixo de m revela que os defeitos presentes na superfície da fibra têm
dimensões bem diversas, e rompem em valores de tensão bem diferentes.
Na maior parte dos casos, os pontos experimentais que são plotados no diagrama
de Weibull não podem ser representados por uma única reta. De fato, duas ou mais
seções de reta, de inclinações diferentes são necessárias para descrever
corretamente a distribuição de tensões de ruptura da fibra, como visto na Figura 1.
14.
A região 1 caracterizada por um valor elevado do parâmetro m representa os
defeitos menores, que rompem em tensões mais altas. Esses defeitos, chamados
normalmente de defeitos intrínsecos, podem estar presentes no interior da pré-forma
ou são criados na operação de puxamento. Quanto à região 2, caracterizada por um
valor baixo de m, representa os defeitos chamados extrínsecos. Esses, podem ter
várias origens
5
: presença de poeira no forno de puxamento; presença de partículas
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
36
nos materiais utilizados como revestimento, etc. Esses defeitos normalmente são
detectados quando o comprimento da amostra aumenta.
6. Potência no guia de onda
Atualmente, o avanço da utilização das comunicações ópticas criou a
necessidade da utilização de novas tecnologias para transporte de dados. Essas
novas tecnologias requerem que os componentes físicos da rede sejam a elas
adaptados, a fim de serem capazes de transportar o sinal requerido sob a potência
necessária.
Deste modo, é importante que se saiba se os materiais atualmente existentes
serão aptos a operar na nova faixa de transmissão de sinal e potência, uma vez que
esses podem ser degradados pelo efeito térmico que pode ocorrer na transmissão.
A base lógica para esse estudo se origina na demanda continuamente crescente
de sistemas de comunicações modernos e na necessidade de diminuição do custo
por bit transmitido. No campo das comunicações ópticas, existem várias técnicas
que aumentam a capacidade de transmissão das redes. Uma delas é o uso da
multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM – sigla de wavelength
division multiplexing), onde diferentes sinais são codificados em guias ópticos com
diferentes comprimentos de onda, sendo transmitidos simultaneamente em uma
única fibra óptica. Quanto mais comprimentos de onda puderem ser inseridos em
uma fibra, mais canais de comunicação estão disponíveis por fibra e maior é sua
capacidade de transmissão.
Adicionalmente, por razões econômicas, à medida que os sistemas de
comunicação caminham para a rede óptica, as operadoras se empenham em
transmitir a informação em longos trechos de fibra, buscando paralelamente a
diminuição dos custos necessários para a regeneração do sinal. Esses longos
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
37
trechos requerem sinais de saída de alta intensidade, necessidade pela qual se
usam amplificadores, como os de fibra dopada com érbio (EDFA – sigla de erbium
doped fiber amplifier). O uso combinado da tecnologia WDM e dos EDFA´s
proporcionaram uma explosão nos níveis de sinal transmitido usados em redes de
fibras ópticas.
Para aumentar a capacidade de transmissão de um sistema de 40 canais é
necessário um sinal inserido maior que 500 mW. A tendência por altas taxas de sinal
cresce ainda mais com o interesse pelos amplificadores Raman, que devem operar
acima da faixa de 500mW - 1W. Em conclusão, podemos dizer que as redes de
telecomunicações modernas têm que transportar sinal óptico acima de 1W para
satisfazer a demanda de grande largura de banda e baixo custo.
Em condições padrão, as fibras ópticas atuais podem transportar com segurança
até 1W de sinal óptico. Porém, essa alta taxa cria novos desafios para os
componentes passivos da rede óptica. Esses componentes ópticos como isoladores,
atenuadores, fibras com grades de Bragg, splitters, acopladores, emendas e
conectores básicos são tipicamente usados imediatamente depois da amplificação
do sinal e, portanto, estão expostos aos níveis mais altos do sinal transportado. Sua
função normalmente é filtrar o sinal (por exemplo, em termos de comprimento de
onda) e direcioná-lo para determinados caminhos ou conexões entre fibras. Quando
um sinal intenso chega até um dos componentes ópticos, a densidade de potência
local pode atingir o nível onde os materiais, superfícies e revestimentos podem
degradar ou ser destruídos (por exemplo, por efeitos térmicos) ou perder sua
funcionalidade antes do tempo de vida útil esperado.
Muitos são os problemas associados à alta potência nos sistemas ópticos atuais,
tais como:
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
38
• danos nos conectores;
• variações na dispersão das fibras ópticas
39
;
• fusão do núcleo da fibra
39
;
• queda na resistência mecânica da fibra de vidro
39, 40
;
• a degradação do revestimento polimérico da fibra
39
;
• aumento de atenuação por espalhamento Rayleigh
41
A maioria deles decorre do aumento da temperatura de operação dos
componentes da rede quando da passagem de alta potência. Nos últimos anos
obteve-se progressos relevantes no estudo dos mecanismos de degradação térmica
dos materiais para fibras ópticas, tanto do revestimento polimérico como da fibra de
vidro, usando-se principalmente espectroscopia de infravermelho
39, 39, 41, 42
. Entre os
resultados mais interessantes, vemos o direcionamento para o aprofundamento do
estudo de degradação do revestimento polimérico de fibra
42
.
Contudo, com a mudança das condições de utilização dos elementos da rede
óptica se faz necessário um estudo direcionado à degradação e tempo de vida dos
materiais desenvolvidos para uso em baixa potência quando submetidos a ambiente
de alta potência. Esse estudo deve compreender avaliação da evolução da
resistência mecânica e do tempo de vida útil dos materiais atualmente empregados
quando utilizados em sistemas de alta potência.
7. Conclusão Parcial do Capítulo I
Como pôde ser observado, a confiabilidade mecânica e óptica de uma fibra óptica
usada como guia de onda, depende fortemente das características de seus
materiais, principalmente vidro e revestimento. Para a análise desses materiais
separadamente existem muitas técnicas conhecidas e trabalhos publicados.
Capítulo I - Introdução teórica e estado da arte
39
Porém, nota-se uma lacuna quando se trata da combinação das técnicas de
análise, a fim de se comprar os dados de degradação dos revestimentos das fibras
ópticas com a resistência mecânica e óptica do guia de onda. Esse estudo vem de
encontro a uma necessidade preeminente no setor de telecomunicações, que é a
análise de problemas de amostras que sofrem degradação em campo.
Adicionalmente, o novo panorama de utilização das fibras ópticas em sistemas
sob alta potência abre a preocupação sobre o comportamento dos materiais que
compõem o guia de onda quando submetidos a essa nova demanda. Não obstante,
novos tipos de materiais de revestimento vêm sendo amplamente utilizados na
fabricação de fibras ópticas, como por exemplo, o carbono, a fim de melhorar a
hermeticidade do guia de onda.
Este trabalho tem como objetivos a elaboração de um estudo sistêmico para o
desenvolvimento de metodologia de análise de materiais poliméricos de fibras
ópticas considerando suas dimensões reduzidas, com o intuito de analisar as
características destes quando em uso em fibras comerciais.
Esse trabalho abordará a utilização combinada das técnicas de caracterização
físico-química de materiais poliméricos para chegar a uma análise final precisa da
influência destes no comportamento óptico e mecânico das fibras ópticas comerciais
em situações diversas: em campo, sob passagem de alta potência e sob
envelhecimento acelerado – tanto para fibras com revestimento de acrilato quanto
de carbono.
Assim, será possível traçar um paralelo entre as propriedades e condições de
degradação do revestimento e as características mecânicas e ópticas das fibras,
podendo-se prever como será o desempenho do produto em função da qualidade
de seus materiais.
Capítulo II – Materiais e Métodos
41
1. Introdução
A confiabilidade óptica e mecânica das redes de telecomunicações tem sido
objeto de um crescente interesse desde a introdução das fibras ópticas como guia
de onda há 30 anos atrás.
A integridade das rotas ópticas depende da confiabilidade das fibras de vidro,
constituída de duas componentes:
a) confiabilidade óptica - deve garantir uma atenuação do sinal menor ou no
máximo de 0,2 dB/km
b) confiabilidade mecânica - a vida útil de uma fibra deve ser em média de 30
anos ou mais. Para isso, a resistência mecânica da fibra deve ser muito alta
(tensão de ruptura aproximadamente 5 a 6 GPa, com taxa de carregamento em
torno de 1 GPa/s) e ela deve apresentar elevada resistência à fadiga estática,
isto é, resistência ao crescimento de trincas superficiais na presença de água e
tensão mecânica.
Tanto a confiabilidade óptica quanto a mecânica são afetadas pelas condições de
fabricação das fibras e cabos ópticos e pelas condições de operação da rota. As
condições de fabricação envolvem as matérias primas e métodos empregados na
fabricação do vidro e do revestimento das fibras. Já as condições de operação
envolvem o ambiente no qual a fibra está introduzida e as tensões aplicadas durante
o lançamento e a vida útil.
Se as matérias primas forem impuras ou controle de processo for inadequado,
muitos problemas podem ocorrer. Por exemplo, é possível que se tenha um
revestimento de baixa hermeticidade ou fragilizado; ou ainda que o vidro tenha alta
concentração de defeitos superficiais. Esses fatores combinados com ambientes
Capítulo II – Materiais e Métodos
42
hostis de operação podem acarretar em elevadas perdas ópticas e decréscimo na
vida útil das fibras.
No que diz respeito à contribuição dos materiais, um certo interesse surgiu nos
últimos anos a respeito do papel do revestimento polimérico, pois este componente
tem uma influência importante na resistência à fadiga e atenuação da fibra.
Muitos métodos estão disponíveis para investigar as características físico-
químicas e mecânicas dos polímeros usados nos revestimento das fibras ópticas
43
.
Entre as muitas técnicas conhecidas, a análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA)
e a espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourrier (FTIR)
tem sido exaustivamente empregadas para investigar o grau de cura
43, 44
e
degradação
45
do revestimento polimérico.
As técnicas utilizadas para a investigação da degradação do revestimento
polimérico nesse trabalho foram escolhidas com base na sua importância e
reconhecimento na literatura de caracterização dos componentes das fibras ópticas.
Embora essas técnicas já fossem conhecidas, elas tiveram de ser otimizadas para
uso em fibras ópticas, de modo a fornecerem resultados satisfatórios que permitam a
correlação entre defeitos dos componentes da fibra (vidro e revestimento) e
variações na sua confiabilidade mecânica e óptica. Isso se deve à particularidade
dessa análise, onde:
c) a amostra se apresenta em dimensões reduzidas;
d) o material a ser analisado está acoplado a outro (neste caso, o vidro)
As técnicas mecânicas e físico-químicas mais utilizadas para caracterização dos
materiais das fibras ópticas dividem-se pelos diversos parâmetros que se deseja
obter. Os resultados obtidos com cada técnica devem ser combinados uns com os
Capítulo II – Materiais e Métodos
43
outros, para uma análise completa do desempenho dos materiais. As técnicas de
análise mais importantes são detalhadas a seguir.
2. Técnicas experimentais
2.1 Ensaio de tração de fibras ópticas decapadas
2.1.1 Resistência mecânica
O ensaio de tração uniaxial é o mais comum entre as técnicas de determinação
da tensão de ruptura de fibras ópticas. Esse teste consiste em prender a amostra
pelas extremidades, e puxá-las em direção coaxial à amostra. A tensão aplicada age
sobre todo o corpo de prova de maneira uniforme.
A fibra pode estar presa no equipamento de várias maneiras diferentes (Figura 2.
1), de modo que a garra não insira tensão à fibra na colocação ou durante o ensaio.
O método mais utilizado é enrolar duas ou três voltas de fibra em torno de uma polia
recoberta com borracha, que evita que o atrito entre a amostra e a polia cause
escoriação na fibra, criando uma região de fragilidade propícia à ruptura. O diâmetro
da polia deve ser tal que a tensão de flexão que a fibra é submetida em torno dela
seja desprezível.
Figura 2. 1 – Tipos de garras do ensaio de tração : a)polias ; b)garras pneumáticas; c)amostras
coladas em etiquetas; d)amostra colocada dentro de um capilar de borracha
35
Capítulo II – Materiais e Métodos
44
No ensaio dinâmico, as garras são acopladas a um equipamento de tração que,
através de uma célula de carga, aplica uma carga que varia constantemente e mede
a força (N) de ruptura.
O ensaio de flexão em dois pontos foi realizado no equipamento Fiber Sigma,
também com tensão de 0,9 GPa/s. Os corpos de prova das amostras decapadas e
revestidas eram de 50 mm de comprimento, decapados na região central quando
necessário. Neste ensaio, um pequeno comprimento de fibra é colocado entre duas
placas, como mostrado na Figura 2. 2.
Figura 2. 2 - Esquema do ensaio de flexão em dois pontos [modificado de
35
].
Para a fixação da fibra, ela se acomoda em dois “grooves”, de profundidade
conhecida que impedem que ela deslize durante o ensaio.
Nesse ensaio dinâmico as placas se aproximam até a fratura do corpo de
prova. A tensão de fratura da fibra é determinada então por:
(
)
,
0
..5.01
αεεσ
+= E
gc
f
ddd
d
2
198,1
+−
=
ε
25,075,0' −=
αα
(Equação 2.8)
(Equação 2.9)
(Equação 2.10)
Capítulo II – Materiais e Métodos
45
onde:
E
0
= módulo de Young (~72 GPa, para sílica fundida)
ε
= deformação no momento da ruptura
α = parâmetro de correção (= 6)
d
f
= diâmetro da fibra (125 μm)
d
c
= diâmetro da fibra com revestimento(250 μm)
d = distância entre as duas placas no momento da ruptura
2d
g
= profundidade total dos dois grooves
2.1.2 Decapagem das amostras
O revestimento das fibras ópticas é retirado por inúmeras razões.
Em campo, a decapagem (processo de retirada do revestimento) é feita para
possibilitar a clivagem que antecede a emenda de fibras ópticas, e facilitar o
alinhamento preciso durante a emenda e a conectorização, uma vez que a baixa
estabilidade dimensional do revestimento dificulta esse alinhamento, aumentando o
risco de perda óptica no processo.
Em laboratório, a remoção do revestimento é necessária em diversas situações,
como por exemplo, na investigação da confiabilidade mecânica da fibra. Há três
classes de experimentos onde a decapagem se faz indispensável
45
:
1) Medição da resistência inerte ou inicial da fibra (parâmetro importante em
modelos teóricos de cálculo de tempo de vida das fibras) - para minimizar a
ação do meio ambiente sobre a superfície vítrea, é importante que a medição
da resistência da fibra nua seja feita imediatamente após a retirada do
revestimento
46
.
2) Estudo da superfície vítrea da fibra quando exposta à água (pode degradar
fortemente a fibra na ausência de tensões, sob condições determinadas) – o
Capítulo II – Materiais e Métodos
46
estudo desse fenômeno envolve o envelhecimento da fibra sem tensão, após a
retirada do revestimento, para que a rugosidade da superfície seja alterada e
observada, utilizando técnicas de microscopia de tunelamento
47
ou força
atômica
a
(YUCE et al., 1992 apud MATTHEWSON et al., 1997, p. 490
48
).
3) Análise do efeito do revestimento na degradação das propriedades físico-
químicas e mecânicas de fibras ópticas - as fibras ópticas quando estão
expostas à umidade e tensões externas, sofrem fadiga (estática e dinâmica) e,
conseqüentemente, degradação dos seus materiais. Os polímeros de
revestimento não são herméticos, isto é, não excluem completamente a
umidade da superfície da fibra, portanto não evitam totalmente a fadiga, porém,
agem como uma barreira, evitando a degradação acelerada. Deste modo, é
importante comparar o comportamento da fibra revestida e decapada, ou seja,
a interação direta da superfície da fibra com o polímero de revestimento.
Para a remoção adequada do revestimento, a técnica escolhida deve ser tal que
não cause dano à superfície vítrea, não aumente a concentração de defeitos, não
deixe resíduos e não afete as características químicas do vidro.
Uma das técnicas conhecidas é dilatar o revestimento com um solvente, fazendo
com que este perca sua integridade mecânica e possa ser facilmente removido sem
que se toque a fibra. Porém, essa técnica deixa resíduos difíceis de serem
removidos sem prejudicar a superfície da fibra
48
.
Uma alternativa para a retirada do revestimento é a imersão da amostra em ácido
sulfúrico a quente (180-200ºC)
45
, muito utilizada em trabalhos com fibras de sílica
fundida.
a
YUCE, H.H. OFC’ 92 Technologic Digital, paper PD 21, 1992.
Capítulo II – Materiais e Métodos
47
Aparentemente, um ambiente tão agressivo como o ácido sulfúrico poderia
modificar a superfície da fibra, e provocar o aparecimento de rugosidade, que
influenciaria na qualidade de seus materiais. Porém, Rondinella
b
(RONDINELLA,
MATTHEWSON, 1993 apud MATTHEWSON et al., 1997, p. 490
48
) e Choi
49
estudaram a rugosidade após a decapagem e exposição da fibra ao ácido por
microscopia de força atômica, e concluíram que nenhuma ou pequenas mudanças
foram observadas, evidenciando que o ácido a quente não modifica o estado inicial
do vidro, independente do tempo de imersão da amostra no ácido.
Em seus trabalhos, Sloan
50
e Matthewson
45
estudaram as propriedades
mecânicas de fibras ópticas com diferentes graus de cura do revestimento, utilizando
a técnica de decapagem com H
2
SO
4
à quente, e concluíram que mesmo com
diferentes níveis de cura no polímero, o processo não modifica as propriedades
mecânicas das fibras ópticas.
Observa-se, portanto, que a decapagem à quente com ácido sulfúrico é uma
técnica que não interfere nas propriedades físico-químicas e mecânicas das fibras,
apresentando-se, portanto, como uma boa escolha para a retirada do revestimento
polimérico em diferentes tipos de análise.
Neste trabalho, a decapagem da fibra foi empregada com a finalidade de
quantificar-se a interferência de um revestimento degradado ou de baixa qualidade
na resistência mecânica da fibra óptica.
A abordagem inovadora deste trabalho é comparar a diferença na resistência
mecânica de fibras de origens diferentes, antes a após a decapagem, e relacionar
essas diferenças com outras propriedades das fibras, tais como a degradação do
b
RONDINELLA, Proceedings of Society Photo-Optical Instrumental Engineering, 2074, 52-68
(1993)
Capítulo II – Materiais e Métodos
48
revestimento e a concentração de defeitos na superfície vítrea. Os resultados desta
investigação permitirão uma correlação direta entre os mecanismos de degradação
do revestimento com os da superfície vítrea, tornando a técnica de medição da
resistência mecânica antes e após a remoção do revestimento, um indicador da
qualidade dos materiais empregados na fabricação de fibras ópticas.
2.2 Análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA)
50
A análise térmica dinâmico-mecânica tem como objetivo determinar as variações
nas propriedades de um material à medida que ele é submetido a uma tensão
mecânica, em um dado intervalo de temperatura.
Quando um material elástico é solicitado através da aplicação de uma tensão
senoidal, este responde imediatamente através de uma deformação também
senoidal. Todos os materiais poliméricos são viscoelásticos, isto é, apresentam
simultaneamente deformação elástica e plástica. Portanto, quando se ensaia um
polímero solicitado com tensão senoidal, a resposta será também senoidal, porém
atrasada em relação à solicitação (Figura 2. 3).
Figura 2. 3 - Deslocamento oscilatório de um polímero.
Este atraso é o resultado do tempo necessário para que ocorram rearranjos
moleculares associados ao fenômeno de relaxação da cadeia polimérica ou
Capítulo II – Materiais e Métodos
49
segmentos dela, ou ainda de grupos laterais ou parte deles. Assim, a deformação
resposta se apresentará fora de fase com relação à solicitação aplicada. Nessas
condições, para facilidade de análise do comportamento, é conveniente separar a
resposta em uma componente completamente em fase, dita elástica, e uma
completamente fora de fase, dita viscosa. Portanto o módulo de elasticidade do
sistema E* é a soma vetorial do módulo relativo à componente elástica E’ –
conhecido como módulo de estocagem ou armazenamento -; e o módulo relativo à
componente plástica E”, conhecido por módulo de perda:
E* = E’ + iE’’
A razão entre a energia perdida por um ciclo (dissipada na forma de calor) e a
energia potencial máxima estocada por ciclo (totalmente recuperável) é chamada de
amortecimento ou atrito interno. Este termo, também conhecido por tangente de
perda, pode ser obtido através da relação entre os módulos de perda e estocagem,
ou seja:
tan δ =
'
''
E
E
O valor tan
δ
- amortecimento ou perda de energia - é um indicativo de quão
longe está o material do comportamento elástico ideal. Materiais com alto
amortecimento dissipam muito da energia que foi usada para deformá-lo, na forma
de calor.
Materiais poliméricos apresentam um comportamento intermediário entre a
dissipação total da energia (Newtoniano) e o comportamento ideal, onde tan
δ
é zero
(perda de energia = 0).
(Equação 2. 1)
(Equação 2. 2)
Capítulo II – Materiais e Métodos
50
Matematicamente, o amortecimento pode ser interpretado como sendo a variável
que define a taxa de mudança do módulo de elasticidade. Assim, o ponto máximo da
derivada do módulo de elasticidade é onde módulo de elasticidade muda
drasticamente seu valor, e o material passa de elastomérico para vítreo. Neste
ponto, está a temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero.
A temperatura de transição vítrea permite identificar o estado vítreo/elastomérico
do material em função da temperatura ambiente
52
. Se a temperatura de transição
vítrea for abaixo da temperatura ambiente, significa que, em condições normais de
uso, o polímero está no estado elastomérico. Se, por outro lado, a temperatura de
transição vítrea for maior que a temperatura ambiente, o polímero se apresentará no
estado vítreo quando em condições normais de uso.
Além disso, a Tg é um dos parâmetros de avaliação do grau de degradação do
polímero, pois quanto mais envelhecido estiver o revestimento menor será a sua Tg
b
(RONDINELLA, MATTHEWSON, 1993 apud MATTHEWSON et al., 1997, p. 490
48
).
Isso ocorre devido ao fato da degradação causar rompimento das ligações cruzadas
do polímero, fazendo com que ele passe mais facilmente (com menor quantidade de
calor – menor temperatura) do estado vítreo ao elastomérico.
Esta técnica pode também fornecer informações sobre o grau de reticulação dos
polímeros
44
. Se um material tem uma grande densidade de ligações cruzadas
(reticulação), ele está mais rígido, e assim, quando submetido a uma tensão
mecânica, não será capaz de armazenar a energia transferida a ele. Deste modo, o
termo E” na Equação 2.2, que se refere à quantidade de energia não armazenada,
será alto, o que eleva também o valor de tan
δ
. Ou seja, podemos distinguir quando
um material está mais reticulado a medida que o valor de tan
δ
aumenta.
Capítulo II – Materiais e Métodos
51
Quando é feito ensaio de DMTA em uma fibra, seus três componentes básicos
estarão sujeitos à perturbação termo-mecânica: vidro, revestimento primário e
revestimento secundário. Aparecerão, portanto, picos no valor de tan
δ
nas
temperaturas de transição vítrea desses componentes. O vidro de sílica tem Tg em
torno de 900°C, portanto todos os picos que aparecerem antes dessa temperatura
podem ser atribuídos aos polímeros de revestimento.
Em seu trabalho, Grimado
53
, descreve a técnica DMTA para análise de
revestimentos de fibras ópticas. A grande dificuldade na análise desse tipo de
material é que eles possuem dimensões micrométricas e estão depositados sobre a
fibra de vidro, que, devido à sua fragilidade, pode romper com as tensões cíclicas.
Sendo assim, a análise de fibras ópticas por DMTA requer a elaboração de um lay
out especial para fixar as fibras e a escolha adequada dos parâmetros de ensaio
(freqüência, amplitude)
54
.
Gebizlioglu e Kurkjian
55
realizaram uma análise buscando a correlação entre a
resistência mecânica de fibras ópticas e as características termo-mecânicas dos
seus revestimentos. Concluíram que as fibras que apresentam maior resistência
mecânica são aquelas as quais o revestimento sofre poucas alterações após serem
envelhecidas, de acordo com as medidas de Tg.
2.3 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourrier
(FTIR)
Quando uma radiação na região do infravermelho (400 a 4000 cm-1) incide sobre
uma molécula qualquer, a frequência é convertida em rotação ou vibração molecular.
Dependendo do tamanho dos átomos e tipo de ligações entre eles, a freqüência
absorvida será característica, criando um espectro de absorção de energia
característico de cada material. Ou seja, a espectroscopia na região do
Capítulo II – Materiais e Métodos
52
infravermelho com Transformada de Fourrier (FTIR) funciona como uma técnica de
caracterização dos componentes de um material.
A técnica FTIR vem sendo muito empregada no estudo de materiais poliméricos
56
, através da determinação semi-quantitativa de bandas específicas do polímero
que podem indicar a sua degradação ou cura. A medida mais específica desses
processos é o crescimento da banda de absorção característica de compostos
carbonílicos (ligações C = O) entre 1710 e 1730 cm
-1
. Quanto maior a intensidade
desta banda, mais avançado é a cura do material. Porém, o aumento dessa banda
pode significar degradação, pois a formação de compostos carbonílicos na cadeia
polimérica é fruto dos processos termo e foto-oxidativos
57
.
Durante o processo de cura ou degradação de um polímero, as ligações C - H são
substituídas por ligações C = O da seguinte maneira
78
:
R-H + O
2
→ R• + OH
2
•
R-H + OH
2
• → R• + H
2
O
2
Iniciação
R
• + O
2
→ RO
2
•
Estabilização
RO
2
• + RH → R• + RO
2
H
Propagação
RO
2
H → x (RO• + HO•) + 1-x (RO + H
2
O)
RO• + RH → R• + ROH
OH• + RH → R• + H
2
O
Degeneração da
cadeia
R• + R• + ROH →
Terminação
O que diferencia a cura (também chamada acrilatação) da degradação do
polímero de revestimento de fibras ópticas é a quantidade de grupos carbonila
(C=O) presentes. Isto significa que há um nível ideal de acrilatação, ou seja, de
Capítulo II – Materiais e Métodos
53
substituição das ligações C-H por ligações C=O. Se esse nível não for atingido ou for
ultrapassado haverá problemas mecânicos e/ou ópticos na fibra, resultantes da cura
insuficiente ou excessiva do revestimento.
A análise quantitativa das bandas específicas dos polímeros é comparativa, e
consiste em medir a área das bandas de absorção das ligações C = O (1720 cm
-1
),
C - H (830 e 1450 cm
-1
) e C - C (1600 cm
-1
) e calcular uma relação R
56
, sendo:
R
1
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−
)1450(
1
cmHC
OC
R
2
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−
)830(
1
cmHC
OC
R
3
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
CC
OC
Os valores das constantes R
1
, R
2
e R
3
possibilitam a comparação entre amostras
e a identificação de qual possui maior concentração de ligações C = O, e, deste
modo, maior cura ou degradação
59
.
O trabalho de Högström
60
descreve as mudanças estruturais que ocorrem em
revestimentos de poliacrilato quando expostos à ambientes degradativos. As
mudanças na estrutura se caracterizaram como degradação em alguns casos e
acrilatação em outros e foram perfeitamente identificadas através da técnica de
FTIR.
No trabalho de Frantz
43
foi apresentado uma gama de ensaios para determinação
de cura do polímeros, entre elas o FTIR. Os autores concluíram que essa técnica
permite resultados sensíveis e reprodutíveis para diferenciar polímeros com
diferentes níveis de acrilatação.
(Equação 2. 3)
(Equação 2. 4)
(Equação 2. 5)
Capítulo II – Materiais e Métodos
54
Um espectro de FTIR típico de revestimento de acrilato, onde estão assinalados
os picos utilizados para a caracterização e o grupo funcional correspondente a cada
pico é apresentado na Figura 2. 4.
Figura 2. 4 - Espectro de FTIR típico de um revestimento poliuretano acrilato.
2.4 Determinação in-situ das propriedades mecânicas do revestimento
primário
Para determinar as propriedades mecânicas do polímero do revestimento das
fibras ópticas, normalmente encontram-se algumas dificuldades. Isso se deve às
pequenas dimensões deste material, e ao fato de este estar fortemente aderido à
fibra.
Muitos são os trabalhos que analisam os polímeros do revestimento de fibras
ópticas a partir do seus estudo em filmes finos
61, 62
. Porém, existe uma diferença
entre as propriedades dos filmes finos e do polímero aplicado sobre a fibra óptica.
Essa variação pode ser atribuída principalmente à diferença de dimensões dos dois
tipos de amostra
61
, pois o revestimento da fibra tem raio de alguns micrômetros,
enquanto os filmes finos se apresentam com milímetros de espessura. Com isso, as
Capítulo II – Materiais e Métodos
55
características ligadas ao grau de cura, módulo de elasticidade e densidade de
ligações cruzadas podem ser diferentes.
Assim, são necessárias técnicas de medição das propriedades dos revestimentos
in-situ, ou seja, medidas das características do polímero na própria fibra óptica.
Entre as técnicas mais conhecidas, destaca-se o In Situ Modulus, que é a medida do
módulo de elasticidade do revestimento primário, e o Pull Out Force, que mede a
força de adesão do revestimento primário ao vidro.
2.4.1 In situ Modulus
A técnica de medida do módulo de elasticidade do revestimento primário (In Situ
Modulus) é conhecida há muito tempo
63
. Em 1985, Taylor
64
descreveu um método
de puxar o vidro para fora de uma fibra revestida. De acordo com esse trabalho, o
módulo de cisalhamento do revestimento primário pode ser medido na própria fibra
óptica, pela fixação da fibra em um substrato (aproximadamente 10 mm) e
puxamento do vidro pelo outro lado (Figura 2. 5).
Figura 2. 5 - Princípio do ensaio de In Situ Modulus.
A fibra é tensionada por tração, e mede-se a força solicitada em função do
deslocamento da fibra de vidro “para fora” do revestimento. O módulo de
cisalhamento do revestimento primário pode ser calculado pela curva força vs
deslocamento (Figura 2. 6), como se segue:
Capítulo II – Materiais e Métodos
56
E =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅⋅
+
f
P
D
D
L
lnI
)1(
π
υ
Onde:
υ
é o fator de Poisson, geralmente 0,5 no caso de fibras de vidro
L é o deslocamento da fibra de vidro
I é a inclinação do gráfico de força vs deslocamento obtido no ensaio de tração
Dp é o diâmetro do revestimento primário + diâmetro da fibra de vidro
Df é o diâmetro da fibra de vidro
Figura 2. 6 – Gráfico característico obtido no ensaio de In Situ Modulus.
O ensaio de In Situ Modulus pode ser usado como uma medida sensível das
mudanças que ocorrem no revestimento primário durante o envelhecimento
acelerado das fibras ópticas
62, 65
. Com esse resultado, é possível determinar se o
revestimento está degradado pelo envelhecimento natural; ou ainda se a
degradação envolve ligações cruzadas (sobrecura) - endurecem a cadeia polimérica
- ou cisão de cadeias - que a fragiliza.
(Equação 2. 6)
In situ
0
5
10
15
20
25
00,511,522,53
deslocamento (mm)
força (N)
Capítulo II – Materiais e Métodos
57
Este ensaio permite, deste modo, a verificação da condição do revestimento no
que diz respeito à sua degradação, e a avaliação de sua performance como barreira
protetora da fibra.
2.4.2 Pull Out force
O ensaio de determinação da força de Pull Out é realizado para a determinação
da força de adesão do revestimento primário à superfície vítrea da fibra óptica
66
.
A geometria do ensaio de Pullout é similar à usada para o ensaio de In Situ
Modulus (Figura 2. 7), exceto que apenas o revestimento da fibra é fixado ao
suporte. A resposta do ensaio é um gráfico bastante parecido com a curva do ensaio
In Situ modulus (Figura 2. 6), a força para retirar o vidro do polímero é medida como
sendo o ponto máximo do gráfico, determinando o nível de adesão que existe entre
a fibra e o revestimento.
Figura 2. 7 - Princípio do ensaio de Pullout.
Capítulo II – Materiais e Métodos
58
A adesão medida depende de uma série de fatores:
• Adesão do revestimento primário ao vidro;
• Tensões mecânicas exercidas pelo revestimento no vidro (p. ex. tensão
térmica, cura);
• Eventos mecânicos que podem ocorrer no revestimento durante o ensaio
(p. ex. delaminação);
• Parâmetros do ensaio (p. ex. temperatura, velocidade do ensaio).
Assim como no In Situ Modulus, as mudanças observadas no perfil do ensaio de
Pull Out podem ser consideradas como um indicativo de degradação do
revestimento.
2.5 Análise termogravimétrica (TGA)
A análise termogravimétrica é uma técnica na qual pode-se observar variações na
massa da amostra em função da temperatura
67
. O equipamento que realiza essa
análise consiste em uma termo balança que registra as variações de massa de um
material à medida que se aumenta a temperatura a que ele é submetido (Figura 2.
8).
A curva resultante de variação de massa em função da temperatura fornece
informações a respeito da estabilidade térmica do material, e, além disso, permite
avaliar a presença de componentes voláteis na amostra, pelo seu desprendimento
em temperaturas características.
Capítulo II – Materiais e Métodos
59
Figura 2. 8 - Esquema geral do equipamento de TGA.
No caso de fibras ópticas, essa análise é especialmente interessante para a
determinação da presença de água ou plastificantes nos componentes da fibra:
vidro e revestimento, cuja presença é verificada pela perda de massa entre 40 e
120°C. O plastificante tem como importante função melhorar as propriedades
mecânicas da matriz à qual foi adicionado, tais como fluidez, flexão, dureza,
alongamento e resistência à tração.
68
.
O International Union of Pure and Applied Chemistry, define os plastificantes
como "substâncias incorporadas a plásticos ou elastômeros com a finalidade de
aumentar sua flexibilidade, processabilidade ou capacidade de alongamento. Um
plastificante pode reduzir a viscosidade do fundido, abaixar sua temperatura de
transição de segunda ordem (temperatura de transição vítrea, ou Tg) ou diminuir seu
módulo de elasticidade"
69
.
Os plastificantes geralmente são usados visando a modificação das propriedades
mecânicas dos materiais poliméricos, com o incremento da flexibilidade e redução
da resistência mecânica evitando possíveis descontinuidades e zonas quebradiças.
Capítulo II – Materiais e Métodos
60
Os plastificantes provocam uma redução da força intermolecular na cadeia
polimérica, produzindo um decréscimo na força de coesão, força de tensão e
transição vítrea
70
.
A água é considerada como plastificante natural, portanto a determinação da sua
presença na fibra é necessária, pois se em quantidades não controladas, o ataque
das moléculas de H
2
O reflete-se como um processo corrosivo, que fragiliza a fibra
de vidro por quebrar as ligações Si-O do vidro
71
, conforme explicitado no Capítulo II.
O estudo de Szum et al
72
trata a susceptibilidade à absorção de água do
revestimento como um parâmetro que afeta a estabilidade hidrolítica do polímero, ou
seja, a capacidade do material de resistir à entrada da água em suas cadeias, que
destrói as ligações cruzadas, e causa degradação. Deste modo, a função do
revestimento como barreira de proteção contra água fica comprometida, e o vidro
fica sujeito a sofrer a ação corrosiva das moléculas de H
2
O.
A análise termogravimétrica, portanto, é capaz de fornecer informações
importantes sobre a integridade dos materiais que compõem o cabo e a fibra óptica,
e que influenciam diretamente em seu comportamento mecânico e óptico em campo.
2.6 Análise da perda de sinal transmitido provocada por microcurvaturas
induzidas
A determinação da sensibilidade óptica a microcurvaturas é uma medida muito
importante na análise dos materiais de uma fibra óptica. Com essa informação, é
possível avaliar se os materiais favorecerão a atenuação do sinal transmitido durante
o tempo de utilização da fibra.
A perda de sinal das fibras ópticas pode ser devida à contribuição de vários
mecanismos
62, 73
, conforme indicado na Equação 2.7:
()
(
)
∑
+++= iCB
A
αλ
λ
λα
4
(Equação 2. 7)
Capítulo II – Materiais e Métodos
61
onde:
A = Coeficiente de Espalhamento Rayleigh.
B = Perda devido a imperfeições no guia de onda e microcurvaturas.
C(λ) = Perda em faixas estreitas do espectro devido a impurezas como OH¯.
αi = Perda devido a absorção intrínseca da sílica e dos dopantes.
O termo constante B da Equação 2.7 refere-se ao aumento de atenuação por
microcurvaturas
74
, caracterizadas por deformações de pequena amplitude (em torno
de alguns mm) e curtos períodos (menores que 1 mm), que causam aumento de
atenuação devido a alterações na geometria da região da interface núcleo/casca da
fibra
83
(Figura 2. 9). Estas deformações são afetadas por fatores como: módulo de
elasticidade e coeficiente de dilatação térmica dos revestimentos da fibra óptica
83
,
módulo de elasticidade e coeficiente de dilatação térmica dos materiais do cabo
óptico, características construtivas do cabo (passo, folga de fibra no tubetes,
características geométricas dos componentes do cabo), revestimento irregular,
tensões externas, variações de temperatura em torno do cabo instalado entre outros
74, 76
.
Figura 2. 9 - Aumento de atenuação por microcurvatura
75
.
Em seu trabalho, Kobayashi
77
estuda a perda de sinal por microcurvaturas de
fibras com filmes finos de polímero de revestimento, relacionada a características
deste polímero, como o módulo de elasticidade dos revestimentos e diâmetro de
cada um deles. Neste estudo, foi possível correlacionar as características do
Capítulo II – Materiais e Métodos
62
material e as condições ideais para que a fibra sofra menos problemas de
microcurvaturas em campo.
Portanto, a análise da sensibilidade óptica a microcurvaturas é um parâmetro
importante na caracterização da fibra óptica, e, por conseguinte da qualidade dos
materiais que a compõem.
2.7 Análise das tensões da interface vidro/revestimento
A sensibilidade a microcurvaturas está diretamente relacionada ao estado de
tensões na interface entre a superfície vítrea e o revestimento da fibra óptica
83
. Para
se entender melhor esse efeito, é preciso analisar como as duas camadas do
revestimento da fibra se comportam em relação a variações de temperatura.
De acordo com o apresentado no Capítulo II, para apresentarem as propriedades
mecânicas apropriadas (boa adesão à superfície vítrea e capacidade de absorver as
tensões devido às microcurvaturas), o revestimento primário deve ser elastomérico
(macio), enquanto que o secundário deve ser vítreo (rígido). Isso resulta em
diferenças em torno de 5 vezes entre os coeficientes de expansão térmica
(tipicamente 25 x 10
-5
/°C para o primário e 5 x 10
-5
/°C para o secundário
83
.
Essa diferença resulta em tensões pela dilatação/contração diferenciada entre as
duas camadas do revestimento da fibra quando do resfriamento do revestimento
após a sua aplicação no puxamento da fibra óptica. Essas tensões serão tão
maiores quanto maior a diferença entre as temperaturas de transição vítrea (Tg) dos
dois revestimentos.
Ou seja, para uma dada variação de temperatura, os revestimentos de fibras
ópticas nas quais a variação de coeficiente de expansão térmica entre o primário e
secundário é muito grande apresentam tensões termicamente induzidas superiores
às esperadas para as fibras onde essa diferença é menor. Como as tensões
Capítulo II – Materiais e Métodos
63
termicamente induzidas são uma das causas do aumento de atenuação por
microcurvaturas, os resultados indicam uma maior susceptibilidade dessa ocorrência
no primeiro caso.
As tensões no revestimento podem ser de desprendimento ou compressão do
revestimento primário sobre o vidro. A literatura trata como condição ideal, para
evitar perdas por microcurvaturas, a predominância de tensões compressivas do
revestimento primário e como desvantagem a presença de tensão de tração
83
.
Uma forma de verificar esta situação é extrair a parte vítrea da fibra e medir o
diâmetro interno do espaço destinado ao vidro antes e após a remoção. A
comparação entre os diâmetros da superfície externa da parte vítrea (DEF) antes da
extração do revestimento e a dimensão interna (DIR) após a extração permite
estabelecer se o revestimento primário está em compressão (DIR < DEF) ou sob
desprendimento (DIR > DEF), como observa-se na Figura 2. 10.
Para isso realiza-se a remoção do vidro com ácido fluorídrico. Pela sua natureza,
o HF atacará somente o vidro, e deixará o revestimento polimérico intacto. Com a
parte vítrea removida, pode se medir os diâmetros relacionados acima, e verificar
qual o tipo de tensão há na interface vidro/revestimento.
Figura 2. 10 - Ação de tensão de compressão e de tração no revestimento, antes e após remoção do
vidro.
Capítulo II – Materiais e Métodos
64
3. Materiais
Os materiais usados nesse projeto são apresentados na Tabela 2. 1.
Tabela 2. 1 – Amostras analisadas
Envelhecimento Amostra Descrição
RA
Amostra de fibra com duplo revestimento acrilato, fabricante A,
envelhecida por 14, 28 e 49 dias
RA1
Amostra de fibra com duplo revestimento acrilato, fabricante B,
envelhecida por 14, 28 e 49 dias
Hidrotérmico
RC
Amostra de fibra com revestimento primário de carbono e
secundário de acrilato, do fabricante B, envelhecida por 14, 28
e 49 dias
RAP
Amostra de fibra com duplo revestimento acrilato, fabricante A,
envelhecida por passagem de potência de 500 mW, por 30
minutos, sob 10 mm de raio de curvatura
RA1P
Amostra de fibra com duplo revestimento acrilato, fabricante B,
envelhecida por passagem de potência de 500 mW, por 30
minutos, sob 10 mm de raio de curvatura
Potência
RCP
Amostra de fibra com revestimento primário de carbono e
secundário de acrilato, do fabricante B, envelhecida por
passagem de potência de 500 mW, por 30 minutos, sob 10 mm
de raio de curvatura
CP
Amostra de fibras ópticas com duplo revestimento acrilato,
fabricante C
, com problemas de resistência mecânica
Em campo 1
CR
Amostra de fibras ópticas com duplo revestimento acrilato,
fabricante C
, tomada como referência, sem problemas de
resistência mecânica
ASA
Amostra de fibras ópticas com duplo revestimento acrilato,
fabricante D,
sem problemas de atenuação
Em campo 2
BCA
Amostra de fibras ópticas com duplo revestimento acrilato,
fabricante E,
com problemas de atenuação
Capítulo II – Materiais e Métodos
65
4. Métodos de Envelhecimento
A fim de se identificar uma metodologia completa e sistemática de análise da
degradação dos materiais de uma fibra óptica e sua relação com a confiabilidade
mecânica e óptica do guia de onda, foram escolhidas três diferentes categorias de
envelhecimento às quais foram submetidas as amostras escolhidas:
• Temperatura e umidade – água deionizada a 85°C por 7, 14, 28 e 49 dias
• Potência e curvatura – sob 500mW de potência, em curvatura de 10mm,
durante 30 minutos
• Envelhecimento natural em campo – amostras com 5 anos de utilização
comercial
O envelhecimento acelerado pode fornecer informações que permitem previsões
sobre o comportamento da amostra quando exposta a ambientes agressivos por
longos períodos de tempo. Estudos envolvendo envelhecimento acelerado são úteis
tanto em trabalhos de pesquisa e desenvolvimento, para avaliar o desempenho de
novos produtos em meios agressivos, como em análises de falha, como estudo
complementar para avaliar o comportamento de uma fibra degradada ou danificada
em condições adversas.
Nesse estudo foi realizada a análise de amostras com defeitos provocados em
laboratório, pelo envelhecimento das fibras em água deionizada a 85°C por 14, 28 e
49 dias. A caracterização dos materiais foi realizada após cada período de
envelhecimento.
Após o envelhecimento, as fibras foram acondicionadas no ambiente de teste por
24 horas antes do início dos ensaios.
A caracterização foi realizada com as técnicas descritas no Estado da Arte após
cada período dos envelhecimentos e na condição não envelhecida. Após os
Capítulo II – Materiais e Métodos
66
envelhecimentos, as fibras foram acondicionadas no ambiente de teste por 24 horas
antes do início dos ensaios.
4.1 Envelhecimento pela passagem de potência
Para estudar o efeito da passagem de altas potências no polímero de
revestimento das fibras ópticas, foram enviadas amostras ao Instituto de
Telecomunicações - Pólo de Aveiro no Campus de Santiago, Portugal, para o
envelhecimento acelerado.
O envelhecimento se dará de acordo com a Figura 2. 11.
Figura 2. 11 – Lay out do envelhecimento das fibras por potência.
A potência utilizada foi de 500 mW, sob raio de curvatura raio de 10mm durante
30 minutos.
Foi utilizado o comprimento de onda de 850 cm
-1
, em feixe de laser contínuo.
4.2 Ensaio de resistência mecânica de fibras ópticas decapadas
4.2.1 Resistência mecânica
O ensaio de tração foi realizado na Máquina Universal de Ensaios servohidráulica
MTS 810, com tensão de 0,9 GPa/s. Os corpos de prova das amostras revestidas
eram de 3 m, com espaço entre garras de 500 mm. No caso das amostras
decapadas, os corpos de prova tinham 1,5 m, com 100 mm de espaçamento entre
as garras.
O ensaio de flexão em dois pontos foi realizado no equipamento Fiber Sigma,
também com tensão de 0,9 GPa/s. Os corpos de prova das amostras decapadas e
Capítulo II – Materiais e Métodos
67
revestidas eram de 50 mm de comprimento, decapados na região central quando
necessário. Neste ensaio, um pequeno comprimento de fibra é colocado entre duas
placas, como mostrado na Figura 2. 2.
4.2.2 Decapagem das amostras
A decapagem do revestimento foi realizada da mesma maneira, tanto para as
amostras do ensaio de flexão em dois pontos quanto para as amostras do ensaio de
tração. O procedimento para decapagem consistiu no gotejamento de ácido sulfúrico
concentrado a 200 ± 10°C na parte central da amostra (extensão de
aproximadamente 5 mm), por cerca de 15 segundos, até a retirada total do
revestimento
48
. Depois disso, os corpos de prova foram passados pela água
deionizada e acetona, a fim de retirar possíveis resíduos de ácido ou partículas de
revestimento que estivessem em sua superfície.
É interessante salientar que, para as amostras com revestimento primário de
carbono, a decapagem retirou apenas o revestimento secundário, e a camada de
carbono foi mantida sobre a parte vítrea da fibra.
4.3 Análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA)
O equipamento utilizado nessa análise foi o MKIII Thermal Analyser da
Rheometric Scientific (Figura 2. 12).
Para que fosse possível a determinação das propriedades de fibras ópticas,
material com tamanho diminuto, foi desenvolvido um suporte para acomodar as
amostras como mostrado na Figura 2. 13, projetado com base no suporte
previamente descrito na literatura
78
. Esse suporte consiste em uma base de aço
inoxidável, com 12 grooves de profundidade média de 200μm, com espaçamento de
0,7mm entre eles.
Capítulo II – Materiais e Métodos
68
Figura 2. 12 - Equipamento de DMTA usado para as análises.
Figura 2. 13 - Suporte utilizado para ensaios de fibras ópticas no equipamento de DMTA.
As amostras para esse ensaio consistiram em pequenos pedaços de fibras
ópticas de aproximadamente 20 mm, fixadas ao suporte com uma camada uniforme
de adesivo cianoacrilato. Essa camada foi aplicada de modo que o adesivo ficasse
Capítulo II – Materiais e Métodos
69
fora da região de teste das amostras, garantindo assim que o resultado obtido fosse
tão somente devido às propriedades da amostra analisada.
A fixação do suporte ao equipamento foi feita com placas de aço inoxidável e uma
pequena barra de politetrafluoretileno (PTFE) a fim de proteger as amostras da
abrasão do aço e ruptura acidental.
O equipamento foi calibrado nas seguintes condições:
• Freqüência: 1 Hz
• Velocidade de aquecimento: 2°C/min
• Intervalo de temperatura: - 40 a 140°C
4.4 Espectroscopia na região do IV com transformada de Fourrier (FTIR)
As amostras utilizadas para a análise de espectroscopia na região do IV foram
preparadas pela fixação de amostras de fibras ópticas abertas em uma lâmina de
vidro.
A secção da amostra para possível análise do revestimento interno foi feita
mediante a passagem pela fibra de uma barra metálica, como descrito em
54
.
4.5 Determinação do módulo de elasticidade in situ
O ensaio de determinação do módulo de elasticidade do revestimento primário (In
situ Modulus) foi realizado na Máquina Universal de Ensaios servohidráulica MTS
810, com tensão de 0,9 GPa/s, em corpos de prova de 30 mm.
O lay out usado no ensaio foi como descrito em 2.4.1.
4.6 Determinação da força de Pull out
O ensaio de determinação da força de adesão do revestimento à superfície vítrea
(Pull Out Force) foi realizado na Máquina Universal de Ensaios servohidráulica MTS
810, com tensão de 0,9 GPa/s, em corpos de prova de 30 mm.
O lay out usado no ensaio foi como descrito em 2.4.2.
Capítulo II – Materiais e Métodos
70
4.7 Análise termogravimétrica (TGA)
A análise termogravimétrica foi realizada pelo equipamento DuPont Instruments,
modelo 951 Thermogravimetric Analyser, com amostras de massa em torno de 10-
15 mg.
Fez-se a varredura de variação de massa entre 40 e 120°C, com rampa de
aquecimento de 5°C/min.
4.8 Análise do sinal transmitido provocada por microcurvaturas induzidas
O ensaio para determinação da sensibilidade a microcurvaturas de uma fibra
óptica segue o procedimento como mostrado no layout observado na Figura 2. 14.
Figura 2. 14 - Layout do ensaio de medida de atenuação por microcurvaturas.
O ensaio consiste em acomodar a fibra no substrato em um raio de 100 mm, e
acima dela posicionar a malha de aço de mesh 70.
A amostra de fibra é conectorizada a uma fonte em uma das extremidades e a um
medidor de potência óptica em outra.
A cada 3 minutos, são adicionados pesos conhecidos de 500g até 3 kg, e a
atenuação do sinal é medida, da forma que se segue:
Pesos conhecidos
Malha de aço, mesh 70
Suporte com a fibra, em um
raio de 100 mm
Capítulo II – Materiais e Métodos
71
A fonte emite um sinal no comprimento de onda de 850 nm que passa pela
amostra e é detectado pelo medidor de potência óptica. A diferença entre a
quantidade de sinal que entrou da fonte e a que é recebida pelo medidor é a
atenuação do sinal devido ao conjunto de agressões ao qual a amostra está
submetida naquele momento.
4.9 Análise das tensões da interface vidro/revestimento
A medida do diâmetro interno do espaço destinado ao vidro das amostras antes e
depois da remoção da parte vítrea foi realizada pela medida em sua imagem obtida
pela microscopia eletrônica de varredura.
Para determinação do diâmetro interno do espaço destinado ao vidro na amostra,
foi feita a medida em seu estado inicial.
Para a medida do espaço tomado pelo revestimento foi realizada a retirada da
parte vítrea da amostra, pela imersão em ácido fluorídrico durante 20 minutos, em
banho de ultrassom. Depois disso, as amostras foram passadas em água deionizada
para retirar possíveis resquícios de ácido; e em acetona, para auxiliar na secagem.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
73
Neste capítulo serão apresentados os resultados experimentais obtidos e as
discussões teóricas.
1. Envelhecimento hidro-térmico 1 – fibras com revestimento acrilato
A amostra ensaiada nessa parte do trabalho foi a amostra RA, descrita na Tabela
2. 1.
1.1 Resistência mecânica
Na Figura 3. 1 estão apresentados os dados de resistência mecânica das fibras após
os diferentes períodos de envelhecimento, revestidas e decapadas.
(a) (b)
Figura 3. 1 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras ensaiadas: a)
revestidas e b) decapadas.
Na análise das amostras decapadas, observa-se que os pontos com valor de
tensão de ruptura alto são maiores que os das amostras revestidas, para todos os
tempos de envelhecimento.
Além disso, a distribuição de Weibull das amostras decapadas permaneceu estável
durante os estágios de envelhecimento. Isso significa que a resistência mecânica do
vidro não mudou durante o envelhecimento, pois:
RA - revestidas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
RA - decapadas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
74
a. Os defeitos superficiais do vidro (que são a origem dos pontos de menor
tensão de ruptura da curva) não foram afetados durante o
envelhecimento, tanto em densidade como em gravidade;
b. O processo de decapagem não degradou a superfície vítrea. Se isso
tivesse ocorrido, se observaria uma distribuição aleatória dos valores de
tensão de ruptura.
As fibras revestidas mostram comportamento diferente.
Antes do envelhecimento, a resistência mecânica foi caracterizada por uma
distribuição unimodal da curva de Weibull. Com o envelhecimento, a resistência das
amostras diminuiu, apresentando uma distribuição bimodal em todos os tempos de
envelhecimento. Elas se tornam mais frágeis após 28 dias de imersão em água
deionizada a 85°C e voltam a ser mais resistentes após 49 dias de envelhecimento.
Como será mostrado adiante, essa variação depende das propriedades termo-
mecânicas e estruturais do revestimento polimérico.
1.2 Força de extração do revestimento
Os resultados do ensaio de determinação da força máxima de extração do
revestimento são apresentados na Tabela 3. 1.
Tabela 3. 1 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.
Amostra
Força máxima de
extração (N)
Área da curva
de extração
RA 1,62 ± 0,11 40,7 ± 2,6
RA 14 dias 2,08 ± 0,12 52,7 ± 4,0
RA 28 dias 2,27 ± 0,52 50,0 ± 6,2
RA 49 dias 2,03 ± 0,08 48,9 ± 3,7
Como se pode observar, a força máxima de extração aumentou significativamente
depois de 14 dias de envelhecimento das amostras e depois disso, permaneceu
estável.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
75
1.3 Força de adesão do revestimento à superfície vítrea
A força de adesão do revestimento à superfície vítrea foi pelo ensaio de Pull Out.
Os resultados apresentados na Tabela 3. 2 mostram que a adesão permanece
constante até 14 dias de envelhecimento. Depois de 28 dias, há um decréscimo de
seu valor, que volta a aumentar em 49 dias de envelhecimento a valores ainda mais
altos que os iniciais.
Tabela 3. 2 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento polimérico.
Amostra Força de adesão (N)
RA 22,7 ± 4,4
RA 14 dias 23,4 ± 3,8
RA 28 dias 17,2 ± 2,2
RA 49 dias 27,3± 4,0
1.4 Módulo de elasticidade do revestimento primário
O revestimento primário não apresentou variações em seu módulo de elasticidade
durante o envelhecimento, como vemos na Tabela 3. 3.
Tabela 3. 3 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário.
Amostra Módulo do revestimento primário (MPa)
RA
0,87 ± 0,3
RA 14 dias
0,92 ± 0,3
RA 28 dias
1,13 ± 0,4
RA 49 dias
1,09 ± 0,3
1.5 Análise térmica mecânico-dinâmica (DMTA)
Na Figura 3. 2 e na Tabela 3. 4 vemos a média dos valores do fator de perda (tan
δ) e do módulo de armazenamento (E´) em função da temperatura para as amostras
nos diferentes tempos de envelhecimento.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
76
A temperatura de transição vítrea do revestimento primário varia entre 0 e 7°C
com o envelhecimento. Ou seja, na condição sem envelhecimento e após 28 dias de
imersão em água deionizada a 85°C o revestimento primário é mais macio que após
14 e 49 dias de envelhecimento. Essa comparação indica que as amostras não
envelhecidas e as envelhecidas por 28 dias têm menos ligações cruzadas que as
amostras envelhecidas por 14 ou 49 dias.
Figura 3. 2 - Resultados da análise DMTA: a) fator de perda e b) módulo de armazenamento.
Tabela 3. 4 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição vítrea).
Amostra T
g
primário(°C) T
g
secundário(°C)
tan δ
(primário)
tan δ
(secundário)
E’ (GPa)
RA 0,21 ± 0,20 69,1 ± 3,42 0,09 ± 0,01 0,05 ± 0,00 1,76 ± 0,21
RA 14 dias 6,57 ± 0,50 67,7 ± 5,52 0,09 ± 0,01 0,06 ± 0,00 2,62 ± 0,41
RA 28 dias -2,56 ± 2,59 76,1 ± 5,69 0,07 ± 0,01 0,07 ± 0,01 2,18 ± 0,59
RA 49 dias 7,42 ± 1,78 76,7 ± 3,11 0,08 ± 0,01 0,08± 0,01 1,91 ± 0,18
Para o revestimento secundário, a temperatura de transição vítrea não muda
significantemente com o tempo de imersão. O valor de tan δ aumenta
significativamente depois de 28 dias de envelhecimento e permanece constante
deste tempo em diante.
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
0,11
-40 -20 0 20 40 60 80 100
temperatura
tan
δ
sem envelhecer 14 dias 28 dias 49 dias
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3
3,3
3,6
-40-200 20406080100
Temperatura
E' (GPa)
sem envelhecer 14 dias 28 dias 49 dias
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
77
O módulo de armazenamento (E´) descreve a resposta elástica do revestimento
polimérico à solicitação mecânica. Uma vez que a tensão de flexão atinge seu valor
máximo no revestimento secundário e o módulo do revestimento primário é
aproximadamente 1000 vezes menor que o do secundário, dizemos que o valor
medido de E´ a 20°C (tomado como E´ em temperatura ambiente) se refere ao
módulo de elasticidade do revestimento secundário.
1.6 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de
Fourrier (FTIR)
A densidade relativa das ligações C=O em relação às outras ligações é uma
medida do grau de degradação oxidativa de polímeros
56
. Para cada revestimento
em cada tempo de envelhecimento foram calculadas as densidades relativas das
ligações C=O em relação à ligação C-H e C−C. Esse cálculo foi feito dividindo a área
do pico do grupo C=O pela área dos outros picos. Os resultados estão sumarizados
na Tabela 3. 5.
Tabela 3. 5 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
Revestimento primário Revestimento secundário
Amostra
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
ASE
3,35 ± 0,62 5,24 ± 1,20 27,1 ± 6,3 5,06 ± 1,88 3,91 ± 0,47 8,73 ± 1,56
A14
9,30 ± 0,31 5,94 ± 0,45 23,2 ± 0,6 7,01 ± 0,80 4,51 ± 0,26 13,7 ± 0,24
A28
1,97 ± 0,35 5,39 ± 0,55 3,69 ± 0,31 7,68 ± 0,47 5,70 ± 0,21 14,2 ± 2,75
A49
4,39 ± 0,16 6,22 ± 0,57 23,4 ± 1,5 8,43 ± 0,60 6,00 ± 0,76 18,9 ± 1,15
Podemos notar que o revestimento primário nos envelhecimentos de 14 e 49 dias
apresenta alta degradação oxidativa, uma vez que a relação C=O/C−C e C=O/C-H
(1450 cm
-1
) têm valores altos. Mesmo a relação C=O/C−C sendo mais alta na
condição não envelhecida que após 14 e 49 dias de envelhecimento, essa diferença
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
78
não é estatisticamente significante. Depois de 28 dias de envelhecimento
encontram–se as menores relações C=O/C−C e C=O/C-H (1450 cm
-1
), o que
significa que o polímero passa pelo mecanismo de cisão das cadeias, que é
revelado pela quebra das ligações C=O para formação de ligações C−C e C-H.
Para o revestimento secundário, a degradação oxidativa ocorre intensamente
durante os primeiros 28 dias de envelhecimento térmico. Depois disso, quase
nenhuma variação significativa é observada.
1.7 Discussão parcial
De acordo com os resultados obtidos na caracterização das amostras envelhecidas
em laboratório, podemos dizer que:
• Em todos os tempos de envelhecimentos os valores de tensão de ruptura das
amostras decapadas são maiores que os das amostras revestidas. Esse fato
indica que o revestimento da fibra estudada tem um efeito adverso na
superfície vítrea, que pode ter sido causado pelo aumento da atividade da
água
81, 45
, por exemplo.
• Antes de serem envelhecidas, as fibras revestidas apresentam resistência
mecânica uniforme, caracterizada por uma distribuição de Weibull
monomodal. Com o envelhecimento, a distribuição de Weibull passa a ser
bimodal, com pontos de menor tensão de ruptura, indicando a queda da
resistência das amostras. As fibras decapadas não apresentam variação de
resistência ao longo do envelhecimento, o que denota que a superfície vítrea
não foi afetada. Portanto, uma vez que o envelhecimento não afeta o vidro, a
fragilização das amostras revestidas deve ser atribuída ao revestimento
polimérico.
Muitas das propriedades do revestimento foram investigadas e suas variações
registradas durante o envelhecimento. Para cada estágio de envelhecimento a
comparação entre as propriedades de cada camada de revestimento permitiu
entender como o polímero de revestimento afetou a resistência mecânica da fibra.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
79
A degradação de um polímero é seguida pela variação em algumas de suas
propriedades mecânicas e físico-químicas. Quando um polímero é exposto a um
processo de envelhecimento que envolva degradação química, térmica ou
fotodegradação, há uma competição entre dois mecanismos, a cisão de cadeias e a
ligação cruzada entre as cadeias, e um sempre prevalecerá sobre o outro.
Cisão de cadeias (ou depolimerização) é o processo pelo qual as ligações
intermoleculares são quebradas, aumentando o espaço livre interno da estrutura,
enquanto no mecanismo de ligações cruzadas o oposto ocorre
82
. Qual deles
prevalecerá na degradação do material depende do tipo de polímero, do processo
de envelhecimento (ambiente, temperatura e tempo de exposição) e sistema de
estabilização usado (tipo e quantidade de termo e foto estabilizantes). O mecanismo
prevalecente pode mudar durante a degradação, e, deste modo, as variações nas
propriedades dos polímeros (que dependem do mecanismo que prevalece) também
mudarão.
Considerando cada estágio de envelhecimento das amostras ensaiadas, os
mecanismos de degradação seriam:
1.7.1 Primeiro estágio de envelhecimento – sem envelhecimento até 14 dias
Nesse estágio, o revestimento primário fica mais rígido, como indicado pelo
aumento na temperatura de transição vítrea. Este enrijecimento é devido às ligações
cruzadas entre as cadeias, que é o mecanismo prevalecente neste estágio, como
pode ser confirmado pelo aumento da densidade de ligações C=O em relação às
ligações C-H (1450 cm
-1
). Mesmo assim, a ligação entre cadeias que ocorre neste
período é em pequena intensidade, uma vez que não vemos alteração do valor de
tan δ, nem da força de adesão do revestimento primário à superfície vítrea.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
80
Nesse período, o revestimento secundário também sofre ligação cruzada entre as
cadeias. Este dado é revelado pelo aumento expressivo na densidade das ligações
C=O relativas à ligação C−C e no valor de tan δ. Além disso, o enrijecimento desse
polímero é corroborado pelo aumento do módulo de elasticidade (E’ a 25°C) e da
sua força de extração. Este resultado é consistente com os valores encontrados na
literatura
80
, que mostram que o fator dominante da força de extração dos polímeros
de fibras ópticas é a deformação e fratura do revestimento secundário. A
temperatura de transição vítrea do revestimento secundário não variou em nenhum
dos estágios de envelhecimento.
Como as duas camadas de revestimento se tornaram mais rígidas, temos como
resultado uma leve redução na resistência mecânica das amostras, como visto na
Figura 3. 1.
1.7.2 Segundo estágio de envelhecimento – 14 até 28 dias
Durante esse período, o mecanismo de degradação predominante no
revestimento primário passa a ser a cisão das cadeias. Este fato foi revelado pelo
decréscimo da densidade das ligações C=O em relação às ligações C
−C e C-H
(1450 cm
-1
). O valor de tan δ também diminui significativamente, confirmando a
redução na densidade de ligações cruzadas. A cisão das cadeias resulta no
amolecimento do revestimento primário, que é indicado pela diminuição do valor da
temperatura de transição vítrea a seu valor inicial e diminuição da adesão deste
polímero à superfície vítrea (ensaio de Pull Out).
No revestimento secundário, a formação de ligações cruzadas ainda é o
mecanismo dominante. A densidade relativa das ligações C=O/C-H (830 cm
-1
) e o
valor de tan δ continuam a aumentar. Como o mecanismo continua o mesmo, não se
vê variações nos valores do módulo de elasticidade e na força de extração.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
81
A combinação de cisão de cadeias no revestimento primário com a formação de
ligações cruzadas no secundário resulta na maior fragilização das fibras, como
vemos na Figura 3. 1.
1.7.3 Terceiro estágio de envelhecimento – 28 até 49 dias
O mecanismo de degradação do revestimento primário volta a ser a ligação
cruzada entre as cadeias. Em relação ao segundo estágio, a temperatura de
transição vítrea dessa camada de revestimento aumenta significativamente, assim
como as densidades relativas C=O/C−C e C=O/C-H (1450 cm
-1
). Com a mudança de
mecanismo, a força de adesão do revestimento ao vidro volta a aumentar, chegando
ao mesmo nível do primeiro estágio.
Nenhum dos parâmetros medidos do revestimento secundário mostrou mudanças
significativas em relação ao estágio anterior. Isso significa que, assim como no
segundo estágio, o mecanismo de ligações cruzadas continua a controlar a
degradação, sem afetar significativamente o módulo de elasticidade do polímero e a
sua força de extração.
No final desse estágio, os polímeros dos revestimentos estão em situação
semelhante ao que estavam no final do primeiro estágio. O revestimento primário
apresenta a maior rigidez e adesão à superfície vítrea e o secundário não apresenta
variações na densidade de ligações cruzadas entre as cadeias, não sendo
observado, portanto, variações na força de extração e módulo de elasticidade.
É interessante notar que a resistência mecânica das amostras após 14 ou 49 dias
de envelhecimento é similar, como exceção de alguns poucos pontos de fragilidade.
1.8 Conclusões parciais
Para as amostras investigadas, observou-se que as amostras revestidas têm
resistência mecânica mais baixa que as amostras quando decapadas com ácido
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
82
sulfúrico a quente. Como causa possível, pode ser apontada a mudança de
atividade da água na superfície vítrea
81
.
Durante o envelhecimento em água deionizada a 85°C, enquanto as fibras
decapadas não tiveram sua resistência mecânica afetada, as fibras revestidas
apresentaram degradação nessa propriedade. Com essa observação, podemos
dizer que o envelhecimento não afeta a densidade nem a gravidade dos defeitos da
superfície vítrea.
A diminuição de resistência das amostras revestidas pode ser devida às grandes
modificações nas propriedades mecânicas e físico-químicas de seu revestimento.
Essas mudanças são dependentes do mecanismo que controla a degradação em
cada momento, cisão ou ligação cruzada das cadeias, principalmente no
revestimento primário.
No primeiro e no terceiro estágio de envelhecimento, o mecanismo dominante é a
ligação cruzada, que tende a fechar o espaço livre na estrutura do polímero. Esse
processo diminui a difusão da água até a superfície vítrea da fibra, fazendo com que
os defeitos não entrem em contato com a água.
No segundo estágio de envelhecimento, o mecanismo predominante é a cisão de
cadeias, que aumenta o volume livre da estrutura. Com isso, a difusão da água é
facilitada, e esta entra em contato com a superfície vítrea da fibra. Durante o ensaio
de tração, os defeitos do vidro são tensionados, e no caso das amostras
envelhecidas 28 dias estão em contato com a água alocada na superfície do
revestimento primário. Com isso, a resistência mecânica é menor, como observado
na Figura 3. 1.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
83
Quando as amostras são decapadas, o revestimento é removido. Ou seja, não há
espaço livre para o armazenamento de água que interagirá com os defeitos durante
o ensaio de tração, portanto não se observa degradação da resistência mecânica.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
84
2. Envelhecimento hidro-térmico 2 – fibras com revestimento de carbono
Essa atividade consiste na análise de amostras de fibras ópticas com
revestimento de carbono, envelhecidas em laboratório em água deionizada a 85°C
por 14, 28 e 49 dias.
As amostras analisadas foram as amostras RA1 e RC, conforme detalhado na
Tabela 2. 1.
A caracterização foi realizada após cada período de envelhecimento e na
condição não envelhecida. Após o envelhecimento, as fibras foram acondicionadas
no ambiente de teste por 24 horas antes do início dos ensaios.
2.1 Resistência mecânica
Na Figura 3. 3 está apresentado o resultado da análise de resistência mecânica
das amostras RA1, revestidas e decapadas.
(a) (b)
Figura 3. 3 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras RA1: a)
revestidas e b) decapadas.
Nota-se que o tempo de envelhecimento não afeta a resistência mecânica das
amostras RA1 revestidas, onde a distribuição unimodal se mantém durante todo o
processo de envelhecimento.
RA1 - revestidas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
RA1 - decapadas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
85
As amostras decapadas apresentam resistência mecânica ligeiramente maior que
as revestidas, e têm significante variação entre os diferentes períodos de
envelhecimento.
A distribuição de Weibull das amostras decapadas foi unimodal, e permaneceu
estável durante todos os estágios de envelhecimento. Isso significa que a resistência
mecânica do vidro não mudou durante o envelhecimento, e os defeitos superficiais
do vidro não foram afetados durante o envelhecimento, tanto em densidade como
em gravidade.
Na Figura 3. 4 estão apresentados os dados de resistência mecânica das
amostras RC após os diferentes períodos de envelhecimento, revestidas e
decapadas.
(a) (b)
Figura 3. 4 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras RC: a) revestidas
e b) decapadas.
Diferentemente das amostras RA1, as amostras RC, embora mais frágeis, não
apresentam variação significativa da resistência mecânica nos diferentes tempos de
envelhecimento, tanto para as amostras decapadas como para as revestidas.
RC - revestidas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
RC - decapadas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
sem envelhecimento 14 dias 28 dias 49 dias
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
86
Esse fato deve ser atribuído a hermeticidade provida ao vidro pela camada de
revestimento de carbono.
2.2 Força de extração do revestimento
Os resultados do ensaio de determinação da força máxima de extração do
revestimento são apresentados na Tabela 3. 6.
Para as amostras RA1, nota-se que a força máxima de extração permaneceu
estável durante o envelhecimento.
Para as amostras RC, nota-se que a força máxima de extração só aumenta
significativamente em 28 dias de envelhecimento, e depois retorna para seu patamar
inicial.
Tabela 3. 6 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.
Amostra
Força máxima de
extração (N)
Área da curva
de extração
RA1 2,23 ± 0,32 46,0 ± 4,8
RA1 14 dias 2,08 ± 0,27 42,7 ± 4,0
RA1 28 dias 2,53 ± 0,32 49,9 ± 2,8
RA1 49 dias 2,03 ± 0,58 40,9 ± 1,6
RC 2,73 ± 0,88 52,0 ± 11,1
RC 14 dias
2,06 ± 1,42 46,1 ± 3,8
RC 28 dias
3,93 ± 0,94 59,1 ± 13,7
RC 49 dias
2,78 ± 0,56 53,6 ± 3,41
2.3 Força de adesão do revestimento à superfície vítrea
Os resultados do ensaio de Pull Out, que define a força de adesão da interface
superfície vítrea/polímero, estão apresentados na Tabela 3. 7.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
87
Tabela 3. 7 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento polimérico.
Amostra Força de adesão (N)
RA1 17,4 ± 5,12
RA1 14 dias 21,3 ± 3,91
RA1 28 dias 27,2 ± 6,53
RA1 49 dias 22, 3 ± 3,89
RC
25,4 ± 4,51
RC 14 dias
24,8 ± 3,14
RC 28 dias
24,9 ± 2,22
RC 49 dias
22,9 ± 3,45
Para ambas as amostras (RA1 e RC), não há variação significativa da adesão
durante o envelhecimento.
2.4 Módulo de elasticidade do revestimento primário
O revestimento primário da amostra RA1 não apresentou variações em seu
módulo de elasticidade durante o envelhecimento, com exceção de uma expressiva
queda em seu valor no estágio de 28 dias de envelhecimento, como vemos na
Tabela 3. 8.
Na mesma tabela, observamos que o módulo de elasticidade do revestimento
primário da amostra RC (composto de uma camada de carbono) apresenta um
ligeiro aumento em seu valor no estágio de 14 dias e um expressivo decréscimo em
49 dias de tratamento hidrotérmico.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
88
Tabela 3. 8 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário.
Amostra Módulo do revestimento primário (MPa)
RA1
1,45 ± 0,37
RA1 14 dias
1,92 ± 0,45
RA1 28 dias
0,20 ± 0,01
RA1 49 dias
1,29 ± 0,52
RC
1,10 ± 0,30
RC 14 dias
2,20 ± 0,01
RC 28 dias
1,07 ± 0,14
RC 49 dias
0,19 ± 0,01
2.5 Análise térmica mecânico-dinâmica (DMTA)
Na Tabela 3. 9 está apresentada a média dos valores de temperatura de transição
vítrea, fator de perda (tan δ) e módulo de armazenamento (E´) para as amostras nos
diferentes tempos de envelhecimento.
Para as amostras RA1, a temperatura de transição vítrea do revestimento
primário não sofre mudanças significativas com o envelhecimento com o
envelhecimento. O valor de tan
δ permanece constante até 49 dias de
envelhecimento, quando diminui significativamente. No caso do revestimento
secundário, após 14 dias de envelhecimento até o período de 28 dias de imersão há
o desaparecimento do pico correspondente ao revestimento secundário. Esse fato
indica que este passa a ter perfil parecido com o polímero do revestimento primário,
por isso se vê a resposta elástica de ambos na mesma temperatura.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
89
Tabela 3. 9 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição vítrea).
Amostra
T
g
primário
(°C)
T
g
secundário(°C)
tan δ T
g
(primário)
tan δ T
g
(secundário)
E’ (GPa)
RA1
9,78 ± 1,35 78,3 ± 5,01 0,13 ± 0,01 0,07 ± 0,01 2,47 ± 0,56
RA1 14 dias
7,97 ± 2,88
-
0,10 ± 0,02
-
2,57 ± 0,07
RA1 28 dias
12,5 ± 1,48
-
0,08 ± 0,01
-
2,81 ± 0,66
RA1 49 dias
10,3 ± 2,56 70,18 ± 3,63 0,03 ± 0,01 0,03 ± 0,01 2,24 ± 0,07
RC 0,17 ± 1,46
30,5 ± 0,48 85,3 ± 2,99
0,07 ± 0,01 0,07 ± 0,02 4,04 ± 0,67
RC 14 dias -1,95 ± 3,31
36,4 ± 3,72 78,6 ± 1,81
0,06 ± 0,02 0,06 ± 0,02 2,64 ± 0,24
RC 28 dias 2,98 ± 0,80
33,5 ± 4,22 87,1 ± 1,25
0,06 ± 0,00 0,05 ± 0,01 3,99 ± 0,79
RC 49 dias 5,64 ± 2,40 79,2 ± 3,03 0,04 ± 0,00 0,04± 0,00 2,58 ± 0,26
No caso das amostras RC, observa-se que a temperatura de transição vítrea do
revestimento primário somente aumenta significativamente depois de 49 dias de
envelhecimento hidro-térmico. O mesmo ocorre com seu valor de tan δ, que diminui
no mesmo período. Essa temperatura de transição vítrea não é correspondente ao
revestimento de carbono amorfo, uma vez que sua Tg se apresenta em torno de
2000°C
13
. Esse pico, muito provavelmente se refere à uma segunda fase do
revestimento secundário, presente na amostra.
Quanto ao módulo de elasticidade total, a amostra RA1 não apresenta variações
com o tempo de tratamento. Já a amostra RC tem esse valor variando entre 4 GPa
(sem envelhecimento e depois de 49 dias de imersão) e 2 GPa (14 e 28 dias de
envelhecimento).
2.6 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de
Fourrier (FTIR)
Novamente, para cada revestimento em cada tempo de envelhecimento foram
calculadas as densidades relativas das ligações C=O em relação à ligação C-H e
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
90
C−C. Esse cálculo foi feito dividindo a área do pico do grupo C=O pela altura dos
outros picos. Os resultados estão sumarizados na Tabela 3. 10.
Tabela 3. 10 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
Revestimento primário Revestimento secundário
Amostra
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
RA1 3,88 8,35 27,0 0,56 18,7 5,53
RA1 14 dias 5,16 10,7 15,1 6,90 15,5 -
RA1 28 dias 1,88 6,27 19,8 8,41 5,95 5,38
RA1 49 dias 6,05 7,37 13,4 6,73 16,9 17,5
RC 2,54 7,21 4,26 6,34 5,49 5,80
RC 14 dias 2,15 5,50 7,06 5,81 4,72 3,47
RC 28 dias 4,80 8,52 50,0 6,20 5,95 53,3
RC 49 dias 3,83 8,69 5,71 6,69 5,35 5,07
Podemos notar que o revestimento primário da amostra RA1 nos estágios de 14 e
49 dias de envelhecimento apresenta relação C=O/C=C em valores mais baixos que
nos outros estágios; e a relação C=O/C-H (1450 cm
-1
) apresenta uma diminuição do
seu valor no estágio de 28 dias. Já o revestimento secundário dessa amostra
apresenta um aumento da relação C=O/C-H (1450 com
-1
) após 14 dias de
tratamento hidro-térmico, enquanto a relação C=O/C-H (830 cm
-1
) tem um forte
decréscimo no estágio de 28 dias.
A amostra RC apresenta variação desprezível das concentrações das ligações
C=O e C−C no revestimento primário e secundário nos estágios de 14 e 49 dias.
Porém em 28 dias de envelhecimento, há um expressivo aumento da relação
C=O/C=C tanto para o revestimento primário quanto para o secundário.
As ligações C-H e C=O encontradas para o revestimento primário das amostras
RC podem ser atribuídas ao fato de que a camada de carbono amorfo aplicada
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
91
nessa amostra é muito fina, e possivelmente a segunda camada de revestimento
influenciou na análise de FTIR do primeiro revestimento dessa amostra.
2.7 Discussão parcial
2.7.1 Amostra RA1
A amostra RA1, conforme explicitado anteriormente se trata de uma fibra óptica
comercial de sílica, com dois revestimentos poliméricos de acrilato.
De acordo com a análise DMTA, em 14 dias de envelhecimento o revestimento
secundário passa a se comportar de maneira elástica. Essa observação corrobora
com a análise dos resultados de FTIR, onde observamos uma diminuição a quase
zero da banda relativa às ligações C=C e um aumento intenso da relação C=O/C-H,
indicando uma forte intensa cisão de cadeias desse material.
Porém, não há variações no módulo de elasticidade total do conjunto dos dois
revestimentos,nem nas propriedades mecânicas da amostra, como resistência
mecânica, força de adesão e de extração do revestimento ao vidro. Ou seja, mesmo
havendo variações na estrutura do revestimento secundário, elas não foram em
intensidade suficiente para alterar o desempenho mecânico da amostra como guia
de onda depois de 14 dias em tratamento hidro-térmico.
No estágio de 28 dias de tratamento em água deionizada a 85°C, observa-se que
a banda correspondente às ligações C=C do revestimento secundário volta a
aparecer, e há um pequeno decréscimo da relação C=O/C-H. Mesmo assim, essas
variações não são efetivas na modificação do comportamento mecânico do material,
que continua se comportando de maneira elastomérica, uma vez que o ensaio de
DMTA continua a apresentar apenas um pico de temperatura de transição vítrea,
localizado na região elastomérica.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
92
No estágio final de tratamento hidro-térmico, após 49 dias de imersão em água
deionizada a 85°C, observa-se que o revestimento primário continua a apresentar
aumento da quantidade de ligações C=O em relação às ligações C-H e C=C. Além
disso, o valor de tan δ apresenta decréscimo, mas não o suficiente para haver
variação da temperatura de transição vítrea do material. O revestimento secundário,
por sua vez, continua se comportando como nos estágios anteriores, com diminuição
da quantidade das ligações C=O em relações C-H e C=C. Há, nesse caso, o
aparecimento de um pequeno pico no resultado do ensaio de DMTA na região
vítrea, onde deveria estar a transição vítrea do revestimento secundário. Porém, se
comparado ao estágio sem envelhecimento, nota-se que a Tg está em temperatura
menor e o valor de tan δ é também mais baixo.
2.7.2 Amostra RC
A amostra RC se trata de uma fibra óptica comercial de sílica, com o revestimento
primário constituído de uma camada de carbono e secundário polimérico de acrilato.
Observa-se que a resistência mecânica dessas amostras se mostra ligeiramente
menor do que aquelas com duplo revestimento acrilato, porém a variação dessa
propriedade quando retirado o revestimento dos corpos de prova é muito pequena,
menor que nas fibras usuais.
No primeiro estágio de envelhecimento, 14 dias em água deionizada a 85°C, os
módulos de elasticidade do revestimento primário e do secundário aumentam
significativamente.
Pelo ensaio de FTIR observamos também que a quantidade de ligações C=O em
relação à quantidade de ligações C=C e C-H decresce bastante.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
93
Em 28 dias de envelhecimento, nota-se que a temperatura de transição vítrea
aumenta juntamente com a queda do módulo de elasticidade, evidenciando um
comportamento mais vítreo desse revestimento.
Já o revestimento secundário apresenta novo aumento do módulo de elasticidade
e na quantidade relativa das ligações C=O.
Aos 49 dias de envelhecimento em água deionizada a 85°C o revestimento
primário continua no processo de ficar mais rígido, uma vez que sua temperatura de
transição vítrea e quantidade relativa de ligações C=O aumenta, enquanto seu
módulo de elasticidade diminui.
O revestimento secundário volta a se comportar como no estágio de 14 dias de
envelhecimento, com diminuição do módulo de elasticidade e da quantidade relativa
de ligações C=O.
2.8 Conclusões parciais
A diferença principal entre as amostras RA1 e RC é a camada de carbono
existente na amostra RC.
Pelos resultados observados, nota-se que o revestimento primário de carbono da
amostra RC passa por um processo de degradação que se inicia com cisão de
cadeias, fazendo com que essa camada fique mais elástica. Com o passar do
envelhecimento, a degradação passa a ser regida pelo processo de cross link, uma
vez que notamos sua temperatura de transição vítrea aumentar significativamente,
enquanto seu módulo de elasticidade diminui. Esse processo continua até o final do
envelhecimento hidrotérmico estudado nesse trabalho, fato observado pelo aumento
contínuo da sua Tg e decréscimo do módulo de elasticidade.
Por sua vez, o revestimento secundário dessa amostra, que é composto por
acrilato, inicia sua degradação em processo de cross link, como indicado pela
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
94
diminuição do valor do módulo de elasticidade desse material e pela diminuição
expressiva da quantidade relativa das ligações C=O, quando comparadas às
ligações C=C e C-H. Aos 28 dias de imersão em água deionizada a 85°C, o
mecanismo predominante é a cisão de cadeias, uma vez que o módulo de
elasticidade aumenta significativamente, indicando um estado mais elastomérico do
material. Além disso, a concentração de ligações C=O aumenta em relação às
ligações C=C e C-H. Quando continua-se o envelhecimento, o mecanismo de cross
link volta a ser predominante, e o revestimento passa a ter características e
propriedades parecidas com o primeiro estágio do tratamento.
É interessante notar que a variação da resistência mecânica dessas amostras
durante o tratamento em água deionizada à 85°C é quase nula e o valor se mantém
no mesmo patamar mesmo após a retirada do revestimento.
Esse fato pode ser atribuído à hermeticidade que a camada de carbono confere à
amostra RC, comportamento esperado desse material.
No caso das amostras RA1, os resultados mostram que o revestimento primário
inicia-se com o processo de cross link predominando a degradação, uma vez que é
observado um decréscimo expressivo da concentração relativa das ligações C=O.
Esse comportamento se repete no segundo estágio de envelhecimento, 28 dias,
quando passa a ser notada uma diminuição do módulo de elasticidade dessa
camada, indicando que a amostra está em estado mais vítreo. No estágio final do
tratamento hidro-térmico, o mecanismo de cisão de cadeias passa a predominar,
diminuindo o valor de tan δ do material e ao mesmo tempo aumentando a
concentração relativa das ligações C=O e diminuindo a das ligações C=C.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
95
O revestimento secundário dessas amostras inicia o tratamento hidro-térmico com
degradação do tipo cisão de cadeiras, e esse mecanismo se mantém predominante
até o final do envelhecimento provocado em laboratório.
Assim como exemplificado no caso anterior (Envelhecimento hidro-térmico 1 –
fibras com revestimento acrilato), nota-se que as amostras RA1 apresentam
aumento da resistência mecânica quando retirado o revestimento. Novamente, esse
fato pode ser explicado de que quando o revestimento é removido não há espaço
livre para o armazenamento de água que interagirá com os defeitos durante o ensaio
de tração, portanto não se observa degradação da resistência mecânica.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
96
3. Envelhecimento por passagem de alta potência
Como dito no Capítulo II, atualmente os sistemas de transmissão óptica de
informação estão sendo cada vez mais submetidos a grandes quantidades de sinal
no mesmo meio físico. Deste modo, a potência que deverá ser suportada pelo guia
de onda é maior, e, logicamente, haverá variações das propriedades físico-químicas
e mecânicas dos materiais que compõem a fibra óptica.
Nessa etapa do estudo, foi investigada a variação das características dos
materiais de amostras de fibras ópticas sob tensão de curvatura, submetidas à
passagem de alta potência. A curvatura foi utilizada nesse caso para maximizar o
efeito da potência nos materiais.
As amostras utilizadas foram as amostras RA, RA1 e RC,como descritas na
Tabela 2. 1.
3.1 Resistência mecânica
A resistência mecânica das fibras ópticas foi determinada pela técnica de flexão
em dois pontos, dada a pequena quantidade de amostras que impediu a utilização
da técnica de tração. Os resultados são mostrados na Figura 3. 6.
Observamos que quando revestidas, nenhuma das amostras apresentou variação
da resistência mecânica após a passagem de alta potência. É interessante salientar
que as amostras RC já possuíam, em seu estado inicial, média de valor de tensão
de ruptura inferior às demais amostras. Mesmo assim, nenhum decréscimo de
resistência foi observado após o tratamento sob alta potência.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
97
(a) (b)
Figura 3. 5 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras analisadas: a)
revestidas e b) decapadas.
No caso das amostras decapadas, nota-se significativa degradação das amostras
RA1 após a passagem de alta potência, enquanto as amostras RA e RC
permanecem inalteradas.
3.2 Força de extração do revestimento
Os resultados do ensaio de determinação da força máxima de extração do
revestimento das amostras estudadas estão apresentados na Tabela 3. 11.
Tabela 3. 11 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.
Amostra
Força máxima de
extração (N)
Área da curva
de extração
RA 1,62 ± 0,10 40,7 ± 2,7
RA (potência) 1,84 ± 0,17 45,2 ± 5,2
RA1 2,21 ± 0,32 46,0 ± 4,8
RA1 (potência) 2,05 ± 0,18 38,3 ± 3,6
RC 2,74 ± 0,96 52,0 ± 11,1
RC (potência) 2,52 ± 0,31 44,9 ± 7,1
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
98
Para as três amostras analisadas nesse ensaio, não foram observadas variações
significantes depois da passagem de alta potência pelas amostras.
3.3 Força de adesão do revestimento à superfície vítrea
Na Tabela 3. 12 estão mostrados os resultados do ensaio de Pull Out, que
determina a força de adesão do revestimento à superfície vítrea.
Tabela 3. 12 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento polimérico.
Amostra Força de adesão (N)
RA 22,7 ± 4,4
RA (potência) 24,8 ± 6,2
RA1 17,4 ± 5,1
RA1 (potência) 19,2 ± 3,5
RC 25,4 ± 4,6
RC (potência) 26,2 ± 3,4
Observa-se que não há variação expressiva no valor de força de adesão do
revestimento à superfície vítrea para as amostras depois da exposição a altas
potências.
3.4 Módulo de elasticidade do revestimento primário
Os resultados de determinação do módulo de elasticidade, obtidos pelo ensaio de
In Situ Modulus estão apresentados na Tabela 3. 13.
Tabela 3. 13 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário.
Amostra Módulo do revestimento primário (MPa)
RA 0,87 ± 0,31
RA (potência) 1,02 ± 0,22
RA1 1,45 ± 0,37
RA1 (potência) 1,01 ± 0,10
RC 1,10 ± 0,32
RC (potência) 0,73 ± 0,17
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
99
A amostra RA não sofre modificação expressiva do módulo de seu revestimento
primário depois de se submeter à potência elevada. Enquanto isso, as amostras RA1
e RC tem ligeira diminuição do valor dessa propriedade.
3.5 Análise térmica mecânico-dinâmica (DMTA)
Na Tabela 3. 14 está sumarizado o resultado dos ensaios de DMTA para as
amostras analisadas.
Tabela 3. 14 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição vítrea).
Amostra T
g
primário (°C) T
g
secundário(°C)
tan δ T
g
(primário)
tan δ T
g
(secundário)
E’ (GPa)
RA
0,21 ± 0,20
38,6 ± 2,4 69,1 ± 3,43
0,09 ± 0,01 0,06 ± 0,01 1,76 ± 0,21
RA
(potência)
12,68 ± 6,49 62,50 ± 12,89 0,06 ± 0,01 0,04 ± 0,01 2,83 ± 0,20
RA1
9,78 ± 1,35 78,3 ± 5,0 0,10 ± 0,01 0,07 ± 0,01 2,47 ± 0,56
RA1
(potência)
14,84 ± 2,95 67,95 ± 5,44 0,05 ± 0,01 0,04 ± 0,01 3,18 ± 0,43
RC
0,17 ± 1,46
30,5 ± 0,5 85,3 ± 3,0
0,07 ± 0,01 0,06 ± 0,01 4,04 ± 2,96
RC
(potência)
7,40 ± 0,76 76,2 ± 3,65 0,05 ± 0,00 0,05 ± 0,00 2,96 ± 0,83
Para todas as amostras estudadas, nota-se que o polímero do revestimento
primário se torna mais rígido, pois as temperaturas de transição vítrea aumentam
significativamente e os valores de tan δ diminuem.
No caso do revestimento secundário de RA, nota-se que a variação mais
importante é que ele deixa de se apresentar em duas fases (RA com dois picos de
Tg) e passa a ter uma única fase. Além disso, o módulo de elasticidade total do
revestimento também aumenta seu valor.
Para o revestimento secundário de RA1, observa-se que não há variações
significativas de valores, e o módulo de elasticidade total apresenta-se no limite de
desvio entre os valores das duas amostras.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
100
As amostras RC passam também a apresentar o revestimento secundário em
uma única fase, com ligeira diminuição da sua Tg, que não reflete variação no valor
de tan δ. O módulo de elasticidade também não tem variação significativa, apenas
passa a ter valores mais homogêneos.
3.6 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de
Fourrier (FTIR)
Foram analisados os revestimentos das amostras estudadas e calculadas as
densidades relativas das ligações C=O em relação à ligação C-H e C−C. Os
resultados estão sumarizados na Tabela 3. 15.
Tabela 3. 15 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
Revestimento primário Revestimento secundário
Amostra
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
ASE 3,35 ± 0,62 5,24 ± 1,20 27,1 ± 6,25 5,06 ± 1,88 3,91 ± 0,47 8,73 ± 1,56
AP 4,30 ± 0,09 7,73 ± 0,29 * 6,91 ± 0,84 4,42 ± 0,17 12,87 ± 2,59
VISE 3,88 8,35 27,0 0,56 12,7 5,53
VIP 4,97 ± 0,47 11,3 ± 2,17 33,2 ± 15,8 6,07 ± 0,52 25,72 ± 1,03 *
VCSE 2,54 7,21 4,26 6,34 5,49 5,80
VCP 3,22 ± 1,48 6,41 ± 1,16 5,65 ± 1,88 5,58 ± 1,86 3,07 ± 1,00 4,72 ± 1,59
Observa-se que para a amostra RA, tanto no revestimento primário quanto
secundário a concentração das ligações C=O em relação às ligações C-H e C=C
aumenta.
O mesmo acontece com a amostra RA1, enquanto a amostra RC não apresenta
variações significativas para essas relações depois da passagem de alta potência
óptica.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
101
3.7 Discussão parcial
De acordo com os dados obtidos dos ensaios realizados com as amostras RA,
RA1 e RC, pode-se afirmar que a passagem de potência causa diferentes efeitos
nas amostras analisadas.
A amostra RA não sofre mudanças expressivas em sua resistência mecânica,
porém seu revestimento primário passa a ser levemente mais vítreo depois de
submetido a altas potências, fato indicado pelo aumento da temperatura de transição
vítrea e diminuição do valor de tan δ dos dois materiais. Essa variação, porém, não
foi muito significativa, pois não causou variação expressiva no módulo de
elasticidade do material. O revestimento secundário passa a ser mais elastomérico
depois de submetido a alta potência, uma vez que nota-se uma diminuição na sua
temperatura de transição vítrea e aumento do seu módulo de elasticidade e na
concentração relativa de ligações C=O.
No caso da amostra RA1, observa-se que a passagem de potência também não
afeta a resistência mecânica, mas torna o revestimento primário mais vítreo,
conforme observado pelo aumento da Tg, diminuição de tan
δ e módulo de
elasticidade desse material. O revestimento secundário por sua vez, fica mais
elastomérico, o que é indicado pela diminuição discreta da sua temperatura de
transição vítrea e aumento do seu módulo de elasticidade, aliados a um aumento
expressivo da concentração de ligações C=O em relação às ligações C=C e C-H.
As amostras RC têm seus revestimentos enrijecidos pela passagem de potência,
uma vez que se nota um aumento nas Tg e diminuição em seus valores de tan
δ e
módulo de elasticidade.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
102
3.8 Conclusões parciais
A passagem de potência não foi um ofensor suficientemente grave aos guias de
onda a ponto de afetar sua resistência mecânica. Porém efeitos foram observados
nos revestimentos de amostras de composição distinta.
A amostra RA, cujo revestimento é constituído de uma camada dupla de acrilato
coberta com uma tinta foto curável, tem sua degradação iniciada com
predominância da cisão de cadeias no revestimento secundário. O revestimento
primário sofre um cross link muito leve, que pode ser definido como uma cura
adicional, sem necessariamente ter acarretado na degradação do mesmo. Este fato
é observado pela invariância do módulo de elasticidade e demais propriedades
mecânicas desse material.
A amostra RA1, que também tem como revestimento uma camada dupla
polimérica de acrilato, apresenta sua resistência mecânica com forte dispersão de
valores para as amostras decapadas após passagem de potência. Essa variação
pode ter sido causada pela degradação da parte vítrea dessa amostra quando
submetida à alta potência. O revestimento primário sofre degradação regida pelo
mecanismo de cross link, enquanto no secundário a cisão de cadeias é
predominante.
A amostra RC tem seus revestimentos primário e secundário degradados por
cross link, porém sem nenhuma variação na resistência mecânica. Essa amostra é
diferenciada pela camada primária de revestimento constituída de carbono, que além
de torná-la hermética, a torna menos susceptível aos efeitos da potência elevada.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
103
4. Envelhecimento em campo 1 – Redução da confiabilidade mecânica
Nesta parte do trabalho foram analisadas amostras de fibras ópticas com
envelhecimento causado por utilização em campo, ou seja, em tempo real. Esse
envelhecimento ocasionou problemas de confiabilidade mecânica do guia de onda e
fragilidade do revestimento polimérico, que se mostrava quebradiço e com tendência
a se soltar da superfície vítrea.
Do mesmo modo que anteriormente, foi avaliado o impacto dessa falha na
fragilização mecânica e no tempo de vida útil das fibras ópticas, utilizando-se da
análise sistêmica proposta nesse trabalho. Para tal, foram analisadas amostras de
dois cabos ópticos do mesmo fabricante, CP e CR, conforme descrito na Tabela 2. 1.
A análise dos dois cabos consiste na comparação entre uma amostra sem
problemas, cujas propriedades físico-químicas e mecânicas são tomadas como
referência, e a amostra que apresenta redução de confiabilidade mecânica. Essa
comparação permite diferenciar as características das duas amostras, identificando
os pontos críticos de desempenho dos materiais na amostra que apresenta defeitos.
4.1 Resistência mecânica
A resistência mecânica das fibras ópticas foi determinada pela técnica de tração,
analisada pelo diagrama de Weibull. Os resultados são mostrados na Figura 3. 6.
A partir dos valores obtidos, observa-se que a amostra CP possui resistência
mecânica inferior e menos uniforme que a amostra CR. Isso pode ser visto pela
posição da distribuição de Weibull das fibras da amostra CP, deslocada para
tensões inferiores quando comparada com a distribuição das fibras da amostra CR.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
104
(a) (b)
Figura 3. 6 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras ensaiadas: a)
revestidas e b) decapadas.
As fibras ópticas da amostra CP sofreram forte degradação mecânica após
remoção do revestimento. Na Figura 3. 6 vemos que a distribuição original de
Weibull (para as fibras com revestimento) era unimodal e após a remoção do
revestimento passou a apresentar pontos de dispersão. Este comportamento indica
uma grande concentração de defeitos na superfície vítrea. Caso a superfície vítrea
fosse isenta de defeitos, a distribuição de Weibull antes e após a remoção seriam
similares (paralelas e sobrepostas)
82
.
4.2 Força de extração do revestimento
Os resultados obtidos pelo ensaio de determinação da força de extração do
revestimento são mostrados na Tabela 3. 16. Além da força, foram analisados o
aspecto do revestimento extraído e a superfície vítrea após a extração.
Tabela 3. 16 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.
Amostra
Força máxima de
extração (N)
Perfil do revestimento
após extração
CP 3,26 ± 0,12
Tube off
CR 4,78 ± 0,19 fragmentado
Revestidas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
CP CR
Decapadas
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
CP CR
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
105
Pode ser visto que a força de extração do revestimento das fibras da amostra CR
se situou em uma faixa superior do que das fibras da amostra CP, apresentando
inclusive valores acima do máximo especificado
80
.
Durante a extração do revestimento das fibras da amostra CR, este se
desintegrou em fragmentos (Figura 3. 7), indicando que a força de adesão do
revestimento ao vidro foi superior à resistência ao cisalhamento do revestimento
80
.
Já nas fibras da amostra CP, o revestimento foi extraído sem desintegração, como
uma peça única (“tube off”), indicando que a força de adesão do revestimento ao
vidro foi inferior à resistência ao cisalhamento do revestimento. Para ambas as
amostras, a superfície vítrea após a remoção se apresentou sem resíduos.
Fragmentos “Tube off”
Figura 3. 7 - Perfil do revestimento após extração.
4.3 Força de adesão do revestimento à superfície vítrea
A força de adesão do revestimento à superfície vítrea foi pelo ensaio de Pull Out,
cujo objetivo é a determinação da força ligação entre o revestimento primário e a
superfície vítrea. Os resultados desse ensaio, são sumarizados na Tabela 3. 17.
Tabela 3. 17 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento polimérico.
Amostra Força de adesão (N)
CR 14,5 ± 2,8
CP 14,9 ± 1,1
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
106
Como pode ser visto na Figura 3. 8, os valores observados representam medidas
diferentes conforme a amostra analisada. No caso da amostra CP, durante o ensaio
houve efetivamente a separação da superfície vítrea e revestimento primário. Já
para a amostra CR, o que ocorreu durante o ensaio foi a separação ao longo da
interface revestimento secundário/camada de tinta. A força de adesão superfície
vítrea/revestimento primário é, conseqüentemente, superior aos valores
encontrados. Segue então que a força de adesão vidro/primário para a amostra CP
está na faixa de 14 N. Já para a amostra CR, essa força de adesão é superior à 15
N.
CP CR
Figura 3. 8 - Corpo-de-prova após ensaio de determinação da força de adesão.
4.4 Módulo de elasticidade do revestimento primário
Na Tabela 3. 18 são apresentados os valores do módulo de elasticidade do
revestimento primário, determinados pelo ensaio de In Situ Modulus. Não foram
verificadas diferenças significativas nos valores encontrados.
Tabela 3. 18 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário.
Amostra Módulo do revestimento primário (MPa)
CR 1,57 ± 0,17
CP 1,58 ± 0,15
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
107
4.5 Análise térmica mecânico-dinâmica (DMTA)
Na Figura 3. 9 está mostrado o aspecto típico do gráfico obtido pela análise
DMTA para as fibras da amostra CR e CP.
A presença de um só pico na curva tan δ vs. temperatura das amostras CP
significa que os revestimentos primário e secundário dessas amostras apresentaram
Tg (temperatura de transição vítrea) muito próximas, em torno de 40°C (Tabela 3.
19).
Para as amostras CR, observamos a presença de dois picos distintos na curva
tan δ vs. temperatura, indicando que o revestimento primário apresenta Tg (2°C a
4°C) distinta do secundário (85°C a 90°C) - Figura 3. 9.
(a) (b)
Figura 3. 9 - DMTA característico das amostras ensaiadas: a) CR e b) CP.
Sendo assim, à temperatura ambiente (25°C), ambos os revestimentos das fibras
da amostra CP se apresentam no estado vítreo (rígido), uma vez que sua Tg é
acima de 25°C. Essa situação não é ideal para o revestimento primário, que deveria
estar elastomérico (macio)
1, 83
nesta condição, com Tg menor que 25°C.
CP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura (°C)
E' (GPa)
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
tan
E' tan (delta)
CR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
-40-200 20406080100120140
Temperatura (°C)
E' (GPa)
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
tan
E' tan (delta)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
108
Por outro lado, as fibras da amostra CR apresentam revestimento primário com
Tg inferior à temperatura ambiente, portanto, este revestimento está no estado
elastomérico a 25°C, enquanto que o revestimento secundário, com Tg superior à
temperatura ambiente, se apresenta vítreo. Essa é a condição ideal do
balanceamento das propriedades mecânicas entre o revestimento primário e
secundário
80, 83
.
A análise do módulo de elasticidade total mostrou que os valores encontrados
para a amostra CP apresenta maior dispersão do que os valores da amostra CR,
sendo que a dispersão foi na direção de valores mais elevados, como sumarizado na
Tabela 3. 19.
Tabela 3. 19 - Resultados da análise por DMTA (Tg = temperatura de transição vítrea).
Amostra T
g
primário(°C) T
g
secundário(°C)
tan δ T
g
(primário)
tan δ T
g
(secundário)
E’ (GPa)
CR 2,71 ± 1,19 88,8 ± 1,5 0,10 ± 0,01 0,06 ± 0,01 6,10 ± 1,10
CP 39,5 ± 1,0 0,14 ± 0,01 7,96 ± 2,04
4.6 Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de
Fourrier (FTIR)
Foram analisados os revestimentos das duas amostras estudadas e calculadas as
densidades relativas das ligações C=O em relação à ligação C-H e C
−C. Esse
cálculo foi feito dividindo a área do pico do grupo C=O pela altura dos outros picos.
Os resultados estão sumarizados na Tabela 3. 20.
Tabela 3. 20 - Densidade relativa do grupo C=O em relação aos grupos C-H e C−C.
Revestimento primário Revestimento secundário
Amostra
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
C=O/C-H
(1450 cm
-1
)
C=O/C-H
(830 cm
-1
)
C=O/C
−C
CR
4,21 ± 0,40 8,23 ± 1,57 45,2 ± 3,6 0,90 ± 0,39 1,92 ± 0,10 2,89 ± 0,64
CP
3,51± 0,59 1,22 ± 0,04 4,77 ± 0,27 11,4 ± 2,2 16,6 ± 4,6 24,5 ± 4,9
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
109
Tomando os resultados da amostra CR como referência, vemos que o espectro
de FTIR do revestimento primário da amostra CP apresentou uma concentração
menor de ligações C=O na região de 1720 cm
-1
, o que indica menor concentração
de elemento plastificante no revestimento primário das fibras da amostra CP do que
da amostra CR.
Notou-se ainda nas amostras CP a presença de bandas na região de 1125 cm
-1
e
930 cm
-1
, o que não foi visto na amostra CR. Essas bandas são características das
vibrações do grupo carbonila (C=O) originados pela cura do material. Elas aparecem
somente nas fibras da amostra CP, indicando possível sobrecura do revestimento
primário das fibras dessa amostra.
No caso do revestimento secundário, a análise do espectro de FTIR para a
amostra CP também evidenciou uma maior quantidade de ligações C=O na região
de 1720 cm
-1
e bandas na região de 1050 cm
-1
e 1150 cm
-1
. Esse conjunto de
observações indica a presença de uma espessa camada de tinta inorgânica no
revestimento secundário das fibras da amostra CP, tal como confirmado na análise
no microscópio eletrônico de varredura- MEV (Figura 3. 10).
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
110
(a) (b)
Figura 3. 10 – Visualização das amostras: a)CR e b) CP com Microscópio eletrônico de varredura.
4.7 Análise termo-gravimétrica (TGA)
O ensaio de Análise Termo-Gravimétrica (TGA) foi realizado nas amostras a fim
de determinar o grau de componentes voláteis contidos na amostra. Na Figura 3. 11
e na Figura 3. 12 estão os resultados obtidos na análise termogravimétrica.
Com as curvas de TGA obtidas, calculou-se a quantidade de água, através da
perda de massa no intervalo de temperatura de 40 a 120 °C, através da equação:
o
m
m
águadeperda
Δ
=%
Na Tabela 3. 21 estão sumarizados os valores calculados através da equação
acima.
Revestimento
Camada de tinta
Vidro
Vidro
Revestimento
Camada de tinta
(
E
q
uação 3.1
)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
111
(a) (b)
(c) (d)
(e) (g)
Figura 3. 11 – Curvas de TGA das amostras CP.
CP 1
13,30
13,35
13,40
13,45
13,50
13,55
13,60
13,65
13,70
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CP 2
13,60
13,65
13,70
13,75
13,80
13,85
13,90
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CP 3
11,35
11,40
11,45
11,50
11,55
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CP 4
10,65
10,70
10,75
10,80
10,85
10,90
10,95
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CP 5
9,50
9,55
9,60
9,65
9,70
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CP 6
9,90
9,95
10,00
10,05
10,10
10,15
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
112
(a) (b)
(c)
Figura 3. 12 – Curvas de TGA das amostras CR.
Foi verificado que o revestimento das fibras da amostra CP apresentou maior
perda de massa que o revestimento das fibras da amostra CR. Isso indica que o
revestimento das fibras da amostra CP têm teor de voláteis significativamente maior
que das fibras da amostra CR.
Tabela 3. 21 - Teor de voláteis no revestimento das fibras (%).
Amostra Teor de voláteis(%)
CR 0,01 ± 0,10
CP 0,27 ± 0,14
CR 2
9,20
9,30
9,40
9,50
9,60
9,70
9,80
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CR 3
9,60
9,70
9,80
9,90
10,00
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
CR 1
8,80
8,90
9,00
9,10
9,20
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
113
4.8 Discussão parcial
As análises realizadas mostraram que os revestimentos da amostra CP
apresentaram dois tipos de defeitos:
Um deles é o defeito de processamento, observado pelo erro de concentricidade
do vidro em relação ao revestimento e pela maior espessura da camada de tinta das
fibras da amostra CP em relação à amostra CR.
O segundo é um defeito de formulação da composição do revestimento. A análise
conjunta dos ensaios realizados com as técnicas escolhidas sugere que o erro de
formulação envolveu principalmente o teor de plastificante nos revestimentos. Os
resultados indicam que há falta de plastificante no revestimento primário e excesso
de plastificante no secundário. Isso é evidenciado pelas observações que se
seguem.
Na amostra CP ambos revestimentos apresentaram Tg próxima de 40°C. Isso
resulta que, à temperatura ambiente (25°C), os dois revestimentos estão totalmente
vítreos e rígidos. Esse fato explica a natureza “quebradiça” do revestimento, tal
como observado inicialmente (Figura 3. 7), bem como a dispersão dos valores do
módulo de elasticidade total do revestimento para valores mais elevados do que os
encontrados para a amostra de referência (CR) (Tabela 3. 1).
Como citado anteriormente, a melhor condição do revestimento primário requer
que ele esteja elastomérico à temperatura ambiente, o que implica em sua Tg ser
inferior a 25°C (tipicamente em torno de 0°C). O valor elevado de Tg do
revestimento primário da amostra CP é indicativo de ausência de plastificante para
torná-lo menos rígido.
Do mesmo modo, sabe-se que o padrão para o revestimento secundário é que ele
esteja vítreo à temperatura ambiente, com Tg em torno de 80°C. Na amostra CP, a
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
114
Tg de 40°C desse material pode ser atribuída ao excesso de plastificante no
revestimento secundário, o que é suportado pelo resultado de TGA. Entre 40°C e
200°C, o excesso de plastificante do revestimento secundário é volatilizado,
acarretando diminuição de peso do revestimento.
Como conseqüência do erro na formulação, a força de adesão do revestimento à
superfície vítrea diminuiu sensivelmente na amostra CP quando comparada com a
amostra CR. O mesmo vale para a força de extração, que também diminuiu.
4.9 Conclusões parciais
De acordo com os resultados apresentados das análises executadas foi possível
identificar a característica deficitária nos materiais da fibra óptica que causava a
diminuição de resistência mecânica.
Neste caso, o problema se encontra na formulação dos revestimentos, onde falta
plastificante no polímero do revestimento primário e excede o mesmo material no
polímero do revestimento secundário. Esse efeito tornou o polímero interno menos
aderido ao vidro, e o externo menos capaz de suportar as tensões mecânicas
normais de utilização da fibra óptica, tornando o guia de onda menos resistente
mecanicamente.
A combinação das técnicas foi vital para a determinação das modificações na
formulação dos polímeros de revestimento, que alterou suas propriedades
mecânicas e físico-químicas.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
115
5. Envelhecimento em campo 2 – Redução da confiabilidade óptica
Nessa parte do estudo foi analisada uma amostra que apresentou aumento de
atenuação do sinal óptico (redução na confiabilidade óptica), após passar por
envelhecimento natural em campo.
A análise foi feita novamente pela comparação entre amostras, porém neste caso
utilizaram-se duas amostras cujos favricantes são diferentes, e, como tais,
comportam-se diferentemente quando submetidas à mesma tensão externa. Uma
delas (fabricante D) não apresenta nenhuma variação de sua confiabilidade óptica
depois de submetida ao envelhecimento em campo; enquanto a outra (fabricante E)
passa a atenuar o sinal com o tempo de uso em campo, conforme detalhado na
Tabela 2. 1.
A estratégia utilizada para a análise foi determinar as características físico-
químicas e mecânicas dos materiais das amostras, realizada com as técnicas
desenvolvidas descritas no levantamento do Estado da Arte desse trabalho, a fim de
identificar a relação entre as propriedades dos materiais que compõem o guia de
onda e a diminuição de sua confiabilidade óptica.
5.1 Análise termo-gravimétrica
De acordo com a literatura
83
, a causa mais provável do aumento da perda de
sinal transmitido em uma fibra óptica é a presença de água em seus materiais. Isso
porque a água pode ser absorvida pelo revestimento polimérico, afetando o seu
efeito protetivo ao vidro, que por sua vez pode desenvolver novos defeitos ou
acentuar os existentes em sua superfície quando em contato com a água.
Assim, inicialmente foi estudada a hipótese da presença da água ser a causa do
acréscimo de atenuação do sinal transmitido da amostra BCA.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
116
Para verificar esta hipótese, foi realizada uma análise de determinação de teor de
água no revestimento das amostras, utilizando a técnica da análise
termogravimétrica (TGA), cujos resultados estão apresentados na Figura 3. 13 e na
Figura 3. 14.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3. 13 – Curvas de TGA das amostras ASA.
ASA 1
17,55
17,60
17,65
17,70
17,75
17,80
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
ASA 2
18,20
18,25
18,30
18,35
18,40
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
ASA 3
14,1
14,15
14,2
14,25
14,3
14,35
14,4
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
ASA 4
10,8
10,85
10,9
10,95
11
11,05
11,1
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
117
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3. 14 – Curvas de TGA das amostras BCA.
Com as curvas de TGA obtidas, calculou-se a quantidade de água, através da
perda de massa no intervalo de temperatura de 40 a 120 °C, através da equação
3.1. Os resultados são sumarizados na Tabela 3. 22.
Tabela 3. 22 – Resultados do ensaio de TGA.
Amostra % perda
ASA
0,11
BCA
0,01
BCA 2
12
12,02
12,04
12,06
12,08
12,1
12,12
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
BCA 4
9,9
9,91
9,92
9,93
9,94
9,95
9,96
9,97
9,98
9,99
10
20 60 100 140 180
temperatura (°C)
massa (mg)
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
118
Os resultados obtidos no ensaio de TGA para determinação de água nos
componentes das amostras mostram que não é detectada presença significativa de
água nos componentes investigados.
A partir deste ponto, se procedeu à caracterização físico-química e mecânica das
amostras e seus materiais, com a finalidade de se determinar a característica
específica que causou o efeito observado.
5.2 Resistência mecânica
Foi realizado o ensaio mecânico de tração da amostra BCA, com e sem
revestimento, a fim de verificar uma provável fragilização mecânica.
Figura 3. 15 - Distribuição de Weibull dos valores de tensão de ruptura das amostras ensaiadas,
revestidas e decapadas.
Observa-se que houve variação pouco significativa na resistência mecânica da
amostra BCA (Figura 3. 15). Esse é mais um indício que não houve contato da água
com a amostra, pois caso houvesse e esta conseguisse atingir a superfície vítrea, a
resistência mecânica após a remoção deveria ter diminuído sensivelmente, devido
ao aumento da densidade de defeitos na superfície do vidro.
BCA
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tensão (GPa)
[(i-0,5)/N]*100
revestidas decapadas
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
119
Ou seja, nota-se que o defeito que causa a diminuição de confiabilidade óptica,
nesse caso, não provocou degradação da resistência mecânica.
5.3 Análise da perda do sinal transmitido provocada por microcurvaturas
induzidas
De acordo com o exposto no Capítulo II, a perda de sinal das fibras ópticas pode
ser devida à contribuição de vários mecanismos, inclusive a uma componente
relativa a microcurvaturas.
Portanto, para verificar a possibilidade da falha estar associada a microcurvaturas
e identificar suas prováveis origens, foi realizada a análise da sensibilidade das
amostras a perda de sinal por microcurvaturas induzidas
O estudo da sensibilidade a microcurvaturas induzidas, cujos resultados estão
detalhados na Figura 3. 16, mostrou que as amostras BSA e BCA apresentaram
maior sensibilidade à microcurvaturas que as amostras ASA.
Figura 3. 16 - Gráfico da sensibilidade das amostras BCA, BSA e ASA em função da carga aplicada.
5.4 Força de extração do revestimento
Os resultados do ensaio de determinação da força de extração do revestimento
das amostras analisadas são mostrados na Tabela 3. 23.
Sensibilidade a microcurvaturas
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
3 6 9 12151821242730
Carga aplicada (N)
Sensibilidade relativa a ASA
ASA BCA
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
120
Tabela 3. 23 - Resultados do ensaio de determinação da força de extração.
Amostra
Força máxima de
extração (N)
ASA 2,77 ± 0,06
BCA 1,8 ± 0,1
Nota-se que a amostra BCA apresenta valores menores e mais dispersos de força
máxima de extração quando comparadas às amostras ASA.
5.5 Força de adesão do revestimento à superfície vítrea
Na Tabela 3. 24 estão apresentados os resultados do ensaio de determinação da
força de adesão do revestimento à superfície vítrea.
Tabela 3. 24 - Força de adesão da interface superfície vítrea - revestimento polimérico.
Amostra Força de adesão (N)
ASA
15,3 ± 3,9
BCA
9,3 ± 3,1
Observa-se que a força de adesão do revestimento à superfície vítrea das
amostras ASA está em um patamar de valores mais elevados e mais uniformes do
que as amostras BCA.
5.6 Módulo de elasticidade do revestimento primário
Na Tabela 3. 25 são apresentados os valores do módulo de elasticidade do
revestimento primário, determinados pelo ensaio de In Situ Modulus. Não foram
verificadas diferenças significativas nos valores encontrados.
Tabela 3. 25 - Módulo de elasticidade (E’) do revestimento primário.
Amostra Módulo do revestimento primário (MPa)
ASA 1,24 ± 0,21
BCA 1,43 ± 0,29
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
121
5.7 Análise térmica mecânico-dinâmica (DMTA)
Na Figura 3. 17 e na Tabela 3. 26 estão mostrados os resultados da análise
térmica mecânico-dinâmica realizadas nas amostras ASA e BCA.
Tabela 3. 26 - Resultados da análise de DMTA (Tg = temperatura de transição vítrea).
Amostra T
g
primário(°C) T
g
secundário(°C)
tan δ T
g
(primário)
tan δ T
g
(secundário)
E’ (GPa)
ASA 1,98 ± 0,28 85,3 ± 1,1 0,01 ± 0,01 0,01 ± 0,01 2,86 ± 0,76
BCA -4,06 ± 2,04 Início em 130 0,01 ± 0,01 0,01 ± 0,01 2,35 ± 1,66
(a) (b)
Figura 3. 17 - DMTA característico das amostras ensaiadas: a) ASA e c) BCA.
Conforme os dados obtidos, não há variações significativas entre os valores
encontrados para as amostras analisadas
5.8 Estado de tensões na interface vidro/revestimento
Conforme explicitado no Capítulo II, a sensibilidade a microcurvaturas está
intimamente relacionada ao estado de tensões na interface entre a superfície vítrea
e o revestimento da fibra óptica. Para se entender melhor esse efeito, é preciso
analisar como as duas camadas do revestimento da fibra se comportam em relação
a variações de temperatura.
ASA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura (°C)
E' (GPa)
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
tan
δ
E' tan
BCA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Temperatura (°C)
E' (GPa)
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
tan
δ
E' tan
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
122
As tensões termicamente induzidas são proporcionais à diferença nos
coeficientes de expansão térmica entre revestimento primário e secundário: quanto
maior for essa diferença, maiores serão as tensões. Esta diferença depende, por sua
vez, da diferença entre as temperaturas de transição vítrea (Tg) dos revestimentos.
No caso das amostras analisadas, cujas Tg são apresentadas na Tabela 3. 27, à
temperatura ambiente o revestimento secundário de todas é totalmente vítreo e o
revestimento primário totalmente elastomérico.
Neste caso então, o perfil de variação dos coeficientes de expansão térmica pode
ser como ilustrado na Figura 3. 18, variando desde 25x10
-4
°C
-1
no estado totalmente
vítreo para 5x10
-4
°C
-1
no estado totalmente elastomérico. Vê-se claramente que,
para as temperaturas consideradas, a diferença entre os coeficientes de expansão
térmica e as tensões induzidas são maiores para a amostra BCA do que para as
amostras ASA.
Tabela 3. 27 - Valores de Tg dos revestimentos das amostras analisadas (°C).
Amostra T
g
1 (rígido) T
g
2 (macio) T
g
1 – T
g
2
ASA
85,3 ± 1,12 0,28 ± 1,98
85
BCA 130 -4,06 ± 2,04 140
Esses resultados indicam que, para uma dada variação de temperatura, o
revestimento das amostras BCA apresentam tensões termicamente induzidas
superiores às esperadas para as amostras ASA. Como as tensões termicamente
induzidas são uma das causas do aumento de atenuação por microcurvaturas, os
resultados indicam uma maior susceptibilidade dessa ocorrência nas amostras BCA
do que nas amostras ASA.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
123
Figura 3. 18 - Variação do coeficiente de expansão térmica (linhas cheias) em função da
temperatura.
Na segunda parte da análise das tensões da interface vidro/revestimento foi
realizado o ensaio de dissolução da parte vítrea da fibra com ácido fluorídrico.
A comparação entre as dimensões do diâmetro externo da fibra de vidro (DEF)
antes da extração do vidro e o diâmetro interna do revestimento primário (DIR) após
sua extração permite determinar se as camadas de revestimento comprimem o vidro
(DIR <
DEF) ou estão em desprendimento (DIR > DEF), conforme explicado no
Capítulo II. Os resultados das medidas para as amostras em questão estão na
Tabela 3. 28.
Tabela 3. 28 - Resultados das medidas de DEF e DIR (μm).
Amostra DEF DIR Perfil de tensões internas
ASA
129,9 ± 4,1 125,3 ± 4,4 DIR ≤ DEF = Compressão
BCA
124,9 ± 0,4 130,3 ± 3,1 DIR ≥ DEF = Tração
Nessa análise vemos que na amostra ASA, o diâmetro interno do revestimento é
menor ou igual que o diâmetro externo do vidro, o que denota que após a retirada do
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
124
vidro o revestimento diminui de diâmetro. Essa situação indica que o revestimento
primário está comprimindo o vidro, e entre os dois materiais há adesão suficiente
para que a proteção do revestimento seja efetiva.
Já a amostra BCA, observa-se que o diâmetro interno do revestimento é maior
que o diâmetro externo do vidro, indicando que o revestimento primário está se
desprendendo do vidro. Esta situação faz com que a adesão entre o revestimento e
o vidro diminua (tal como indicado pelo valor menor da força de adesão do
revestimento à superfície vítrea das amostras BCA em relação à amostra ASA, como
visto na Tabela 3. 24), afetando a propriedade de proteção que o revestimento deve
conferir ao vidro. Deste modo, o vidro fica mais susceptível às ações do ambiente.
Essa susceptibilidade pode ser traduzida em mudanças de índice de refração da
casca e do núcleo, o que resulta em perdas de sinal por microcurvaturas.
5.9 Discussão parcial
A combinação das técnicas estudadas permitiu a obtenção de resultados que
sugerem que amostra BCA é mais susceptível ao aumento de atenuação por
microcurvaturas induzidas termicamente do que a amostra ASA.
Esse fato pode ser atribuído principalmente devido às características físico-
químicas do revestimento, tais como:
• Tg do revestimento secundário mais elevada, o que implicou em tensões
de tração (e não de compressão, como seria ideal) na interface
vidro/revestimento;
• Menor força de adesão do revestimento à superfície vítrea;
Deste modo, a análise combinada de técnicas mais uma vez se mostrou eficaz na
determinação das causas de um defeito apresentado por um guia de onda, co-
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
125
relacionando as características dos materiais com o desempenho da fibra óptica
como um todo.
5.10 Conclusão Parcial
No caso apresentado de diminuição da confiabilidade óptica, avaliou-se que a
causa da atenuação de sinal transmitido no guia de onda era devido a formulação
equivocada do revestimento secundário, evidenciada pela alta Tg desse material.
Deste modo, sob uma dada variação de temperatura, as tensões criadas pela
diferença de coeficiente de expansão térmica dos dois revestimentos poliméricos da
amostra em questão forçava tração entre eles, diminuindo a adesão do revestimento
primário à superfície vítrea.
Essa menor adesão tornou a amostra mais susceptível à perdas ópticas induzidas
por microcurvaturas devido a alterações na geometria da região da interface
núcleo/casca da fibra.
A análise combinada proposta foi capaz de determinar com precisão o agente
causador da diminuição de confiabilidade óptica observada.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
126
6. Discussão Geral
A larga utilização de fibras ópticas na atualidade fez com que os guias de onda
passassem a ser elaborados de maneira a suprir as necessidades de cada uso
específico. Muitos são os ambiente e finalidades nos quais uma fibra óptica será
aplicada, por conseguinte, diferente deverá ser sua formulação para se maximizar
sua eficiência e minimizar os efeitos da degradação do ambiente sobre os materiais
que a constituem.
Neste trabalho foram estudadas amostras de fibras ópticas comerciais, obtidas
diretamente com os fabricantes, tanto já instaladas em campo quanto novas ainda
sem utilização. Todas elas têm sua parte vítrea constituída de sílica, porém o
revestimento externo variou em cada uma delas: acrilato, acrilato com camada de
tinta foto-curável; e carbono.
Muitas das propriedades desses revestimentos foram investigadas e suas
variações registradas. Para cada envelhecimento a comparação entre as
propriedades dos materiais permitiu entender como o polímero de revestimento afeta
as propriedades ópticas e mecânicas do guia de onda.
A análise desse trabalho foi pautada na utilização combinada de diferentes
técnicas conhecidas de caracterização de polímeros, de modo a possibilitar a
identificação dos estágios de degradação dos revestimentos das amostras
escolhidas.
Essas técnicas já eram bastante conhecidas para a caracterização de polímeros,
porém não haviam ainda sido utilizadas em revestimentos de fibras ópticas in loco,
ou seja, quando eles ainda estão aplicados no guia de onda.
Essa análise é interessante pois em casos de falhas reais de fibras ópticas, é
quase impossível remover o polímero intacto e estudá-lo em separado. Além disso,
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
127
temos que considerar que as dimensões diminutas desse material quando aplicado
em guias de onda exige que as técnicas sejam adaptadas e minuciosamente
aplicadas, para não haver sombras de erros nos resultados obtidos. Por fim, a
análise do polímero quando ainda está na fibra óptica, tal como em uso, permite o
estudo das interações vidro-polímero que seria impossível se o revestimento fosse
estudado individualmente.
Como se pôde observar nos resultados obtidos, a degradação de cada um dos
sistemas de revestimento estudados é diferenciada quando as amostras são
submetidas a diferentes tipos de envelhecimento.
No geral, sabemos que a degradação de um polímero é regida pela competição
entre dois mecanismos, a cisão de cadeias e a ligação cruzada entre as cadeias, e
um sempre prevalecerá sobre o outro.
Cisão de cadeias (ou depolimerização) é o processo pelo qual as ligações
intermoleculares são quebradas, aumentando o espaço livre interno da estrutura,
enquanto no mecanismo de ligações cruzadas o oposto ocorre, há a aproximação
das cadeias e aumento das forças intermoleculares. Qual deles prevalecerá na
degradação do material depende prioritariamente do tipo de polímero e do processo
de envelhecimento. O mecanismo prevalecente pode mudar durante a degradação,
e, deste modo, as variações nas propriedades dos polímeros (que dependem do
mecanismo que prevalece) também mudarão.
A primeira parte do estudo envolve o envelhecimento hidro-térmico, exposição a
água deionizada a 85°C por 14, 28 e 49 dias.
No estudo da amostra A, observa-se que amostras A28 revestidas tiveram sua
resistência mecânica afetada, enquanto as demais revestidas e todas decapadas
não tenham apresentado degradação nessa propriedade. Isso se deu devido ao fato
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
128
de que no segundo estágio de envelhecimento, o mecanismo predominante é a
cisão de cadeias, que aumenta o volume livre da estrutura. Com isso, a difusão da
água é facilitada, e esta entra em contato com a superfície vítrea da fibra. Durante a
determinação da resistência mecânica, os defeitos do vidro são tensionados, e estão
em contato com a água alocada na superfície do revestimento primário, por isso a
resistência mecânica é menor.
No segundo estudo de envelhecimento hidro-térmico, observa-se que a variação
da resistência mecânica das amostras VC é quase nula e o valor se mantém no
mesmo patamar mesmo após a retirada do revestimento. Esse fato pode ser
atribuído à hermeticidade que a camada de carbono confere à amostra VC,
comportamento esperado desse material.
As amostras VI se comportam de maneira muito parecida às amostras A no
primeiro estudo de envelhecimento hidro-térmico, com aumento da sua resistência
mecânica quando retirado o revestimento. Novamente, esse fato pode ser explicado
de que quando o revestimento é removido não há espaço livre para o
armazenamento de água que interagirá com os defeitos durante o ensaio de tração,
portanto não se observa degradação da resistência mecânica.
A segunda parte desse estudo foi a análise de amostras obtidas em campo, para
a identificação das causas de problemas com a confiabilidade óptica e mecânica das
amostras.
No estudo da amostra BCA com problemas de atenuação óptica do sinal,
observa-se que a causa foi a formulação equivocada do revestimento secundário
evidenciada pela alta Tg desse material. Deste modo, as tensões criadas pela
diferença de coeficiente de expansão térmica dos dois revestimentos poliméricos da
amostra forçava a tração entre eles, diminuindo a adesão do revestimento primário à
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
129
superfície vítrea, levando a uma menor adesão desse material ao vidro e maior
susceptibilidade da amostra à perdas ópticas induzidas por microcurvaturas.
Já para o estudo de diminuição da confiabilidade mecânica, concluiu-se que os
revestimentos da amostra CP apresentaram dois tipos de defeitos:
• processamento - erro de concentricidade do vidro em relação ao
revestimento e maior espessura da camada de tinta das fibras da amostra
CP;
• formulação da composição dos revestimentos - erro no teor de
plastificante, com falta desse componente no revestimento primário e
excesso no secundário.
Por fim, a terceira parte envolveu a passagem de potência óptica elevada em
amostras sob tensão de curvatura. Notou-se que esse tipo de envelhecimento não
foi um ofensor suficientemente grave aos guias de onda a ponto de afetar sua
resistência mecânica. Porém efeitos foram observados nos revestimentos de
amostras de composição distinta.
Muito embora os revestimentos de todas as amostras tenham sofrido
modificações que evidenciassem degradações do tipo cisão de cadeias em alguns
momentos e cross link em outros, nota-se que nas amostras A e VC essas variações
não foram suficientes para causar mudanças na resistência mecânica dos corpos-
de-prova.
Por outro lado, a amostra VI apresenta sua resistência mecânica com forte
dispersão de valores para as amostras decapadas após passagem de potência.
Essa variação pode ter sido causada pela degradação da parte vítrea dessa amostra
quando submetida a alta potência.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
130
7. Conclusões
Conforme proposto no Capítulo I desse trabalho, foi realizado um estudo
envolvendo as técnicas conhecidas de análise e caracterização polímeros para
possibilitar a identificação dos mecanismos que regem a degradação dos materiais
utilizados comercialmente em fibras ópticas. Além disso, investigaram-se os efeitos
dessa degradação nas propriedades mecânicas e ópticas dos guias de onda.
As conclusões principais desse trabalharam foram:
• a degradação de um polímero é regida pela competição dos mecanismos
de cisão de cadeias e cross link. Qual deles prevalecerá depende
fortemente do tipo e do tempo de envelhecimento ao qual cada amostra é
submetida
• os diferentes sistemas vidro-revestimento das amostras estudadas levam a
degradações distintas e, por conseguinte, efeitos distintos na confiabilidade
mecânica e óptica do guia de onda
• as técnicas conhecidas de análise de polímeros foram adaptadas com
sucesso para o estudo dos revestimentos quando ainda na fibra óptica, o
que auxilia fortemente o estudo das interações vidro-revestimento das
amostras utilizadas em campo
• a combinação das técnicas de analise permitiram uma caracterização
completa dos materiais e embasamento teórico suficiente para a
explicação das variações nas propriedades mecânicas e ópticas de cada
amostra estudada.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
131
8. Trabalhos futuros
Como continuação desse trabalho, muitas hipóteses podem ser vislumbradas.
Porém, levando em conta o cenário atual da utilização de fibras ópticas, os estudos
que se apresentariam mais promissores seriam aqueles voltados ao estudo dos
efeitos da passagem potência óptica elevada em períodos bastante longos.
Atualmente, a maior parte das redes ópticas instaladas estão próximas de 25
anos de utilização (instaladas na década de 80), e ainda não se sabe qual o efeito
de alta potência óptica nos materiais dessas redes com longo tempo em campo sob
o efeito da nova demanda de passagem de sinal. Se houver uma degradação
natural dos materiais, muito provavelmente essa degradação se agravará com a
passagem de sinais mais intensos. A quantificação dessa degradação é vital para a
manutenção da confiabilidade mecânica e óptica dessas fibras.
Esse estudo poderia ser realizado através da amostragem de fibras em campo,
de rotas antigas, e posterior envelhecimento em laboratório por longos períodos em
alta potência.
Com isso, seria possível a investigação dos efeitos da exposição contínua em alta
potência dos materiais constituintes dos guias de onda.
Capítulo III - Resultados experimentais e discussões
132
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