光纤涂层固化技术及其影响

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1、全国第二局光纤光垅用材料技术研讨会涂扭及二次被皿料光纤余层固化技术及其影响江苏法尔 胜光子有限公司 潘丰 李军【 摘要】【 关健词】讨论在光纤生产过程中，影响光纤紫外固 化度及相应光纤性能的几个因素，并探讨了 在实际生产过程控制光纤固 化度的注意要点和控制方法。光纤、涂层、固化、紫外固化炉、涂层拉出 力一、前官:在石英光纤拉丝过程中， 光纤离开裸光纤测径仪后经过冷却系统， 在光纤表面的微裂纹尚没受空气中 水分等的 影响而扩大， 就迅速地进行涂覆来保护光纤表面 ( 如图1 ) n 1 。 涂层材料及相应的 涂搜固化能影响光纤的 损耗 ( 防止微弯损耗) 和强度 ( 防止静态疲劳和磨损) 。图1

2、典型拉丝工艺示意图对常规光纤而言， 通常涂层都采用两次或二次以上的涂覆:内层选用折射率比 石英玻璃偏大且弹 性模量较低 ( 只有几百兆帕) 的聚合物涂层， 用来吸收透过包层的多 余的光并保护光纤表面的损伤，在使用中起到缓冲外界应力作用; 该层的厚度越厚， 抗缓冲作用越大。 外 层 较硬， 弹 性 模量 较 高 ( 可 达几 万 兆帕) ， 有 利 于防 止 磨 损并 提 供强 度 l 。 同 时 相 应的涂覆工艺分为湿一 湿涂覆和湿一 干一 湿涂覆。k lA % _ A6 t 壮”材 杜术 研 讨 会一一一 丝 3 1三塑M 4在现代常规光纤生产过程中， 紫外固 化光纤涂料凭借其优异的 综合性

3、能， 成为生产的主 流。 本文 主 要分 析常 规 光纤 生 产 过 程中 ， 影 响 光 纤紫 外固 化 涂 层的 几 个重 要因 素， 并 指出不同的涂覆工艺对光纤综合性能的影响。二、光纤续外固化涂层简介作为商用的 涂覆层， 一般来讲应有以下几个主 要功能: 粘结度、 剥离力、 韧度、 抗潮能力和玻璃化温度T g 、弯曲 敏感度等主要功能。其中， 粘结度和剥离力是一对自 相矛盾的功能: 在光纤生产时， 要求涂覆层牢固地粘贴在光纤玻璃表面，这对粘结度有要求;而在光纤熔接和祸合时，必须从玻璃光纤表面上除去涂层， 且在任何环境 ( 干燥或潮湿) 下， 这种力要稳定， 这对剥离力就有要求。 要满足

4、这些要求， 在实际生产中， 就需要控制到达光纤内 涂层的紫外固化剂量， 确保涂层的 粘结度和剥离力达到要求， ， 。韧度则是决定涂覆层的软硬程度，可由弹 性系数测量法测量， 其对光纤起强度保护作用。另外， 涂覆层必须有一定的抗潮能力，这一特性在一定程度上决定光纤的老化和稳定特性。 其指标一般是通过光纤暴露在水中时衰减的增加来进行测量决定的。正因为涂料有这些要求， 故涂料供应商必需综合考虑各方面因素，生产出高速拉制光纤生产用紫外固化涂料，以满足光纤制造商的要求。三、光纤涂层续外固 化影响因众及其控制在实际生产中， 影响光纤固 化的因素很多， 较为复杂。 有几种方法来测量紫外固 化丙烯酸脂徐料的固

5、化度， 及光纤的涂层拉出力。 本文仅以某光纤拉丝塔为例， 测试涂层固化度的 方法为F T I R ( F o u r i e r T r a n s f o r m工 n f r a r e d S p e c t r o s c o p y ， 用通用材料试验机测试涂层拉出力， 从而探讨一些影响光纤固化及相应的光纤性能的因素。3 . 1 涂料的 影响一般来讲， 紫外固 化涂料是由 高粘度预聚物、 低粘度单体、 光引发剂以 及其他填料等组成， 是一种粘度随温度而变化的触变型流体。 光纤涂层固化过程如下图 所示 ( 图2 ) :全国第二局光纤光境用材料技术研讨会麟刃及二次被爱料预二 引盆创曰目山

6、月任口跳口旧曰两伙幼柑图2涂料固 化过程示意图如图2 中 所示， 高粘度预聚物和低粘度单体都含有丙烯酸醋官能团。 光引发剂又称紫外聚合引 发剂， 它是紫外固 化涂料中 必不可少的 组分， 当 受到紫外U V 光照射时， 光引发剂受激发产生游离基物质， 其对光敏感而对热稳定， 从而引发预聚物和单体交联反应成膜13 其固化反应机理如下“ ， :P 1 -p P I *+ n MP I * + M一-扮 P I - M *一一卜 P I - ( M) n - M * 产生游离基)( 产生聚合反应P I -( H ) n - M * P 工+P 工 一伽) m - M 一 粉P 工 一( M ) .

7、- P 工( 终止聚合物链) P 工 : 光引 发剂 M : 非循环单体故一般来说，固化速度是由 所用光引发剂的品 种与数量，以及预聚物和单体的官能团度所决定的。 不同 涂料生产厂家配方不同，即使是同一厂家不同批号的涂料成分之间也有所差异， 这些都对涂料的固 化程度有所影响， 所得光纤的 性能也有细微差别， 应在实际生产中加以注意。另外， 涂料的 储存应严格按照 要求， 存放在 1 5 C - 3 0 0C 温度范围内， 在未打开的原装容器里和干燥环境。否则可能导致相分离， 使涂料发生变化。 且储存时间不能过长， 否则涂料产生预聚合反应， 形成凝胶颗粒， 严重时会影响固 化工艺， 并且影响光纤

8、的强度。3 . 2 U V 灯系统的影响， ，涂层紫外固 化 U V 灯一般包括以 下几个部件: W灯管、 反射罩、中心管等部件。 在拉丝生产过程中， 不同的 部件及部件的 及时更换与否会对固化工艺产生很大的 影响。3 . 2 . 1 紫外固化灯管的影响在一定的输人电流和电压下，紫外固化灯有紫外光能量输出。图 3是弧光灯和磁控管全国 第二层光纤光能用材料技术研讨会康扭及二次被搜料灯的相对光强度曲线，可以看出磁控管灯具有较高的光强度，能达到更好的固化效果。比 d r o a e s m a g -I r o n且榨.，.臼/_ 洲了厂先 居 度 对 比倪成 了入广一 丫 处 、一X JI口.几.

9、厅 ，石口，F i b e r l i n e图3 弧光灯和磁控管灯的相对光照强度涂料中的光敏剂只有一个特定的很窄的吸收波谱。目 前， 涂覆用紫外固化灯管所发射出的紫外光波长在2 0 0 - 4 5 。 二之间，主要有D 型和H 型两种灯管。 D 型W灯含有水银与金属卤化物，主要产生长波，在3 2 0 - 4 0 0 n m 区域内W光强度较强;H 型灯只含水银，主要产生短波， 在2 4 0 - 2 8 0 n m 区域内W光强度较强。 在生产时应根据涂料特性选择不同的 灯管，以达到控制固化的目的I6 1但所有紫外固 化灯管都有其使用寿命。 其光照强度随着使用时间的延长会有所减弱，从而对光纤的

10、固 化度、固 化质量产生影响， 影响涂层剥离力等光纤性能。3 . 2 . 2 反 射罩的 影响图4 为U V 灯的 反射原理图，由图可见: W灯管和光纤分别位于椭圆 形反射罩的两个焦点上， 且两者互相平行。 使得照射光纤的紫外光聚焦并反射在光纤上， 从而提高效能，加速固化。在实际生产中， 一方面， 由于 反射罩受到外界的污染而变脏， 导致反射光的强度减弱，降低了固化效果; 另一方面，由于反射罩变形或者加工精度不够， 导致反射罩的聚焦能力减弱， 从而使光纤固化率降低。 因此要保持反射罩内表面的清洁以确保W固化工艺的稳定性。反封 军叹 一0 /_ _O图4 反射翠的反射原理示意图丝 些 竺 竺 卫

11、 竺 竺 兰 竺 丝 二 一 一 一 一 一3 .2 .3 中 心管的 影响如图4 所示， 光纤穿过紫外固 化炉时， 为防止受炉内 空气污染和振动， 往往将其穿过一定直径的 石英玻璃管。 故中 心管的透光率，洁净程度对光纤的固 化较为重要。中心管使用一段时间后， 其透光率会有所降低; 且在固 化过程中，由于受到涂料中 挥发材料和涂料的污染， 致使U v紫外光穿透石英管的能力变弱 ( 有时只能输出5 0 % 的 紫外光) 。 所以应对U v固 化炉的中 心管进行维护和保养以 保证光纤的固 化度。3 .3 .4 其 它部件及u v 炉数量， 布置的 影响15 1U v固化炉一般都抽排风装置( P

12、U L L 如果抽风量太高， 则使炉内温度过低，引起灯管发光不足。在设计拉丝塔时，往往应根据生产速度等工艺参数， 选择不同种类和一定数量的 U V灯。以 保证光纤在固 化炉内的相对停留 时间， 保证光纤的固 化度和涂层拉出 力。在正常拉制光纤时， 有时配置的U V灯会有不同的功率设定，满足不同工艺， 不同客户的 需求。 应根据不同工艺适当 调整输出 功率， 保证光纤的U v固 化量。3 .3 气体的 影响当 光敏剂受激形成游离基时，氧气是十分有效的激发态催灭剂， 使P I * 转化成P 1 0 2 * 1而后者是一种低效的 链引发剂， 使自由 基反应变慢。P I * + O z 一 一 ) P

13、 1 0 2 *所以 在u v固 化炉的中心管内， 常使用惰性气体 ( 如氮气) 来避氧以 加速固 化。 不同结构的u v炉送氮气方式不同。 一般来讲， 一定纯度的洁净氮气从中 心管底部流人， 上炉口 往往安装抽风装置， 使进入中 心管的氮气以 层流方式到达上炉口， 从而排除由 光纤带人的氧气， 并且带出涂料中的 挥发物质， 保持中 心管和光纤的洁净度。 为保证不同 速度下光纤的固 化，氮气的流量和纯度应控制在一定范围内。 如流量或纯度太低， 则使中心管内氮气中的含氧量过高， 导致固 化不良; 如流量太高， 则使生产过程中 光纤抖动， 造成光纤强度降低。 另外， 如中 心管有破裂或密封不好，

14、都会造成氮气中 含氧量过高， 导致固化不量。3 .4 工艺调整影响3 .4 . 1 光纤在固 化炉中 位置的 影响在拉丝时， 必须保证光纤在固 化炉中的中 心位置， 保证光纤所能接受的紫外光辐射剂量。 一般来讲， u v炉能保证中心管安装在中 心焦点位置。 的 如图5 所示， 其显示的位置是些竺 钟.，一一 一 一 一m 鱼 - 丝 鱼 rp光纤能接受到最大紫外光辐射量。 所以在实际生产中，光纤与中心的误差只能在几毫米以内， 否则将影响光纤的固 化度以 及所得光纤的 涂层不圆 度。石英中心，内受辐射三录t图石英中 心管图5辐射剂量示意图故在拉丝时应注意维护保养， 定期作拉丝塔的校直， 确保光纤

15、的 运行轨迹在各设备中心。3 .4 .2 涂覆工艺及涂层厚度的 影响对于W e t - o n - W e t 涂覆工艺， 由于内 外涂层一次性涂覆， 同时固 化。 内 涂层在固 化时受到外涂层固化所释放的热量的影响， 其固化程度受到一定限制， 很难达到较高的固化值，从而影响到涂层拉出力等。对于W e t - o n - D ry涂 覆工 艺， 内 外 涂 层分 别 涂 覆固 化， 且固 化工 艺 调节自 由 度比 较高。而且在一涂和二涂之间可以 增加冷却管， 降低涂覆光纤的温度， 从而保证光纤更好地涂搜固化。同时， 对于不同 模具， 不同 涂覆工艺， 所得的 涂层几何尺寸也不同。 在相同的固

16、化工艺下， 如果内 涂层厚度不同， 则会影响光纤的固化度，涂层拉出力等性能。3 .4 .3 拉丝速度的 影响速度对固 化度影响的 本质在于改变光纤对 U V灯辐射的紫外光的吸收量。 如果拉丝塔上固化炉数量、 长度及输出功率一定， 则不同的 拉丝生产速度决定了光纤在紫外固 化炉内的 相对停留时间， 影响到光纤对U V灯辐射的吸收， 从而直接影响到光纤的固 化度和涂层拉出 力等性能。 这在正常拉丝或进行工艺调整时应加以 注意。四、 不同 涂，工艺对光纤总体性能的影晌14 1将相同厂家， 相同涂硕材料， 不同涂覆固 化工艺的光纤作实验分析， 所得结果略有差徐搜汉二次瓣搜料全国第二居光纤光统用材料技术研讨会异:4 . 1 拉伸强度测试比 较( G P . ) 0 . 7 1 2 3( G P a ) 0 . 72 3 4 5 6 7.卜引翻“她雌雄韶鱿即成义20105山比匀口1丈压欲 一一;工t的知印加即105a已f口-V比沙5 0 1 0 0