Envelhecimento natural

Na discussão a seguir, serão desconsideradas as fibras de 4 e 6 anos de envelhecimento (1996 e 1994, respectivamente), visto que elas apresentaram uma variação relativa da tensão bem maior do que duas vezes a variação relativa do diâmetro (Tabela 4.9). Isso indica que a resistência mecânica dessas fibras ópticas foi afetada por um ou mais fatores físicos além da variação natural do diâmetro ao longo da fibra e que não foram identificados neste trabalho. Um ponto de partida para identificar esses fatores seria realizar nestas fibras uma análise detalhada da superfície de fratura e regiões próximas para investigar possíveis defeitos na superfície vítrea (5). A esse fato acrescenta-se outro, que são os fabricantes distintos dessas duas fibras em relação às demais, tanto as fibras de 2000, 1998 e 1992, como a fibra do envelhecimento acelerado, todas do mesmo fabricante.

O processo de fabricação da fibra óptica pode ser dividido basicamente em duas partes, a fabricação da préforma e o puxamento da fibra (34). Em ambos os processos há vários parâmetros operacionais que afetam tanto a confiabilidade óptica com mecânica final da fibra óptica. Por exemplo, a temperatura e velocidade de puxamento afetam a temperatura fictícia da sílica (35), o que afeta tanto o espalhamento Rayleigh (34), como o parâmetro de susceptibilidade à corrosão (15,16). Logo, não seria adequado comparar fibras ópticas de fabricantes distintos,

visto que a resistência mecânica e o parâmetro de susceptibilidade mecânica finais das fibras resultariam do processo fabril. No presente caso, isso poderia afetar a correlação da confiabilidade mecânica dessas fibras com a variação na quantidade relativa de água molecular e água dissolvida, bem como com o ângulo Si-O-Si. Entretanto, as fibras de 1994 e 1996 foram incluídas neste trabalho, visto que estavam disponíveis no início do mesmo e havia interesse em determinar a confiabilidade mecânica dessas fibras e compará-las com as demais. Porém, o fato adicional da variação relativa da tensão ser bem maior do que duas vezes a variação relativa do diâmetro forçou descartar definitivamente essas duas fibras ópticas da análise final. Já nas demais fibras ópticas analisadas, sendo do mesmo fabricante, com um mesmo processo fabril, partiu-se do princípio que o efeito do processo fabril na confiabilidade mecânica foi igual para todas as fibras. Chama a atenção apenas que a fibra de 4 anos, de pior desempenho mecânico entre as cinco analisadas (ver 4.1.3), apresentou a maior rugosidade superficial entre as cinco analisadas. Isso pode servir de indicação que efetivamente tenham ocorrido modificações físicas na superfície vítrea dessa fibra com o tempo de envelhecimento, afetando a confiabilidade mecânica da mesma.

Para analisar as alterações na superfície externa das fibras ópticas do envelhecimento natural e traçar paralelos com o envelhecimento artificical, são reapresentados abaixo os resultados de caracterização mecânica das fibras ópticas de 2000, 1998 e 1992, juntamente com os respectivos resultados da fibra óptica do envelhecimento acelerado, sem envelhecimento (Figura 5.3 a Figura 5.5 e Tabela 5.1), pois esta também foi produzida em 2000. Logo, ela representa o estágio inicial da fibra óptica, considerando que o ambiente do cabeamento e as tensões aplicadas durante o cabeamento já podem ser considerados envelhecimento natural da fibra óptica.

1 GPa/s 0,1 GPa/s 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 sem. env. 2000 1998 1992 Ano T ens ão ( G P a) 0,01 GPa/s 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 sem. env. 2000 1998 1992 Ano T ens ão ( G P a) 0,001 GPa/s

Figura 5.3. Gráfico da evolução dos valores de tensão de fratura média durante o envelhecimento natural (sem env. = fibra do envelhecimento acelerado, sem envelhecimento).

15 18 21 24 27 30 33 sem. env. 2000 1998 1992 Ano n

Figura 5.4. Gráfico da evolução do parâmetro de susceptibilidade à corrosão durante o envelhecimento natural (sem env. = fibra do envelhecimento acelerado, sem envelhecimento).

145,0 145,2 145,4 145,6 145,8 146,0 146,2 146,4 sem. env. 2000 1998 1992 ( °)

Figura 5.5. Gráfico da evolução do ângulo Si-O-Si durante o envelhecimento natural (sem env. = fibra do envelhecimento acelerado, sem envelhecimento).

Tabela 5.1. Envelhecimento natural - evolução da composição química superficial.

Envelhecimento acelerado, sem envelhecimento (antes do cabeamento)

2000 (envelhecimento natural, sem envelhecimento, após cabeamento)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3000 3200 3400 3600 3800 4000 Número de onda (cm-1₎ Ab so rçã o nor m al iz ada 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3000 3200 3400 3600 3800 4000 Número de onda (cm-1₎ Abs or çã o no rm al iz ada 1998 1992 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3000 3200 3400 3600 3800 4000 Número de onda (cm-1₎ Ab so rçã o nor m al iz ada 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3000 3200 3400 3600 3800 4000 Número de onda (cm-1₎ Ab so rçã o nor m al iz ada

As figuras acima mostram que existe similaridade entre o envelhecimento natural e artificial. A fibra óptica não cabeada, já continha uma quantidade apreciável de água na sílica, seja na forma de silanol, seja na forma de água molecular, como pode ser visto no espectro de IV de absorção da fibra nesta condição. De forma similar ao envelhecimento artificial em água a 85°C e pH = 7

cabeamento, seguido de solubilização dessa água, durante o envelhecimento natural das fibras já cabeadas.

No envelhecimento natural, a resistência mecânica acompanhou a evolução de n. Foi observado especialmente que as fibras ópticas de 1992, com 8 anos de envelhecimento, apresentaram queda significativa de resistência mecânica em relação às demais fibras. Levando em consideração a) que não houve variação drástica da rugosidade superficial e b) que a relação entre variação relativa da tensão de fratura e variação relativa do diâmetro continua igual a dois (ou próximo de dois), significando que a variação do diâmetro da fibra continou a determinar a variação da resistência mecânica ao longo do comprimento da fibra, pode-se concluir que a resistência mecânica menor após 8 anos resultou de transformações estruturais na sílica, isto é, após 8 anos a formação de hidroxila resultou em uma diminuição geral da resistência mecânica da fibra óptica.

Sem entrar nos detalhes e méritos do processo fabril do FABRICANTE 1, fabricante das fibras e dos cabos ópticos desse trabalho, ficou evidente que o processo adotado produziu uma fibra óptica que incorporou água na sílica, tanto na forma molecular, como na forma dissolvida. O processo de cabeamento, por razões desconhecidas, incorporou mais água molecular na sílica. Com o passar do tempo, a água molecular reagiu com a sílica, diminuindo o teor de água molecular e aumentando a fração de água dissolvida.

O aumento do parâmetro de susceptibilidade à corrosão pode ser um indício de que nos primeiros anos após a fabricação das fibras, ocorreu relaxação lenta de tensão residual nas fibras ópticas. Aumento desse parâmetro com o envelhecimento acelerado e natural tem sido observado por outros autores (11,13). Tal como no envelhecimento acelerado em água a 85°C e pH = 7, o parâmetro diminuiu com o passar do tempo, à medida que a água molecular reagiu com a sílica formando silanol. Entretanto, foi visto no envelhecimento acelerado em água a 85°C e pH = 7 que a queda do parâmetro foi rápida, após 14 dias, antes de atingir o máximo de

quantidade relativa de água molecualar, o que ocorreu em 25 dias. Já no envelhecimento natural, o máximo de quantidade relativa de água molecualar ocorreu após o cabeamento e após 2 anos o teor de água molecular já diminuiu (Tabela 5.1). Entretanto, o parâmetro continuou a subir. Uma provável explicação para esse resultado pode ser que, no caso da fibra do envelhecimento natural, a quantidade absoluta de água dissolvida após 2 anos não tenha sido suficiente para promover queda no desempenho mecânico, enquanto continuava o processo lento de relaxação de tensão. Como não foi aplicada tensão externa nas fibras durante o envelhecimento natural, não foi observado curvatura permanente das fibras.

Interessante notar que o espectro de IV não alterou significativamente após 2 anos de envelhecimento natural, como pode ser visto comparando-se os espectros de 1998 e 1992 (Tabela 5.1). Isso indica que a reação de hidrólise da sílica conforme Equação 1.2 pode ter atingido o equilíbrio neste período.

Tal como no envelhecimento acelerado, ocorreu leve densificação da sílica com o envelhecimento, visto através da redução do ângulo Si-O-Si (Figura 5.5). As ligações tornaram-se assim mais reativas, favorecendo a reação de hidrólise da água (65).