專利名稱：生產塑料光纖的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及塑料光纖。具體地，本發明涉及連續生產具有均勻纖芯截面的塑料光纖的方法和系統。
背景技術：
塑料光纖(POF)作為短距離高速網絡的傳輸介質提供了許多潛在優點。與傳統的銅線比較，POF可處理更高的數據傳輸速率，而且不容易受到電磁干擾的影響。與玻璃光學纖維比較，POF容易安裝，連接和維護，因為POF更柔軟，具有更大的纖芯尺寸。此外，POF可能是這些網絡的最便宜的傳輸介質。
已經作出了相當大的努力試圖開發低成本的方法和系統，來制造低傳輸損耗的POF。例如，美國專利5,827,611公開了一種制造POF的工藝，其包括(a)從預成型坯擠出中空管(即施加力通過開口來成型)；(b)用芯部混合物填充中空管；和(c)同步加熱和拉拔(即拉伸)填充好的管到適當尺寸。
美國專利5,827,611所介紹工藝的缺點是，該工藝是批量生產工藝。美國專利5,827,611的工藝的特征是“連續的”，但這是誤稱，因為基于預成型坯的工藝原本就是批量生產工藝。當預成型坯用完，加工須停止，安裝新的預成型坯。目前為止所開發的大部分POF工藝都具有這個缺點，因為這些工藝是基于預成型坯的。為了降低成本和增加POF的均勻性，希望能開發出真正連續的工藝，來制造POF。(當然，即使是連續工藝也會偶然停止，如進行清理和維修)。
許多現有技術的專利，包括美國專利5,827,611，公開了試圖減少POF傳輸損失的工藝方法和系統。這些損失可由內部和外部因素造成。內部因素包括C-H振動和瑞利散射的吸收。外部因素包括過渡金屬元素和有機污染物的吸收，以及灰塵和微孔的散射，纖芯截面直徑的波動、取向雙折射、和纖芯-涂復層邊界缺陷。需要開發出能夠減少一個或多個上述不同損耗因素的方法和系統。
現有技術中尚未被認識或控制的一個關鍵工藝變量是POF纖芯的擠出方向。根據已掌握的知識，所有從前的POF加工方法擠出POF纖芯的方向是垂直向下(即隨著重力方向)或是水平的。令人驚奇的是，現已發現，垂直向上擠出POF(即相對重力)可使產生的POF的纖芯直徑的波動小很多。
考慮美國專利4,399,084，其使用“向上紡絲”產生紡織上的纖維狀集合體，POF的纖芯直徑均勻性的改進更加令人驚奇，該專利在欄16的20到24行，介紹了使用垂直向上擠出形成非均勻不規則的織物纖維，“本發明的另一特征是纖維絲具有非圓形截面，沿縱向以不定間隔無規律的尺寸變化，伴隨而來是截面形狀也變化”。
因此，從前使用垂直向上擠出制造不規則的織物纖維未提示或建議使用垂直向上擠出來制造均勻的POF纖芯。
此外，通過將垂直向上擠出結合到連續加工方法，如螺旋擠出法，使得通過本發明可連續生產具有均勻纖芯截面的POF。
發明內容
本發明提供了一種連續制造具有均勻纖芯截面的塑料光纖的方法和系統，克服了現有技術的缺點和限制。
本發明的一個方面涉及一種方法，其中原始材料在連續螺旋擠壓機中熔融，然后垂直向上(即相對重力)擠出，形成具有均勻截面的POF纖芯。
本發明的另一方面涉及一種系統，其包括一個或多個螺旋擠壓機，和一個或多個擠壓塊。一個或多個擠壓機用于連續熔融原始材料。一個或多個擠壓塊用于沿垂直向上的方向擠出熔融的原始材料，形成具有均勻截面的POF纖芯。
盡管連續擠出法和垂直向上擠出都是紡織纖維生產領域已有的。但從紡織纖維現有技術不能知道或其未建議將這兩種方式結合，來形成具有均勻纖芯截面的POF。確實地，從紡織纖維現有技術不能知道本發明所使用的垂直向上擠出。
如背景技術部分所討論的，現有紡織纖維技術使用“向上紡絲”來生產纖維絲，“纖維絲具有非圓形的截面，沿縱向以不定間隔無規律的尺寸變化”，但未提示本發明。這些紡織纖維領域的現有技術與本發明正好相對，本發明提出如何使用垂直向上擠出來形成具有均勻纖芯截面的POF。均勻的纖芯截面一般是圓形截面，但也可以采用其他形狀(即，橢圓形，三角形，矩形或六角形截面)。
通過閱讀下面對本發明的詳細說明以及所附權利要求和附圖，所屬領域的技術人員將更加清楚了解本發明的上述和其它的實施例及其他各個方面。
圖1是連續生產均勻纖芯截面的POF的示例性系統的示意圖；圖2是具有額外部件的圖1所示系統的示意圖，這些部件用于施加POF涂復層，測量POF的均勻性；和纏繞POF于線軸；圖3是連續生產具有纖芯和涂復層的POF的可選系統的示意圖；圖4是更詳細地顯示噴絲頭組件950的示意圖；圖5是更詳細地顯示多用途塊350和半個傳輸/加熱塊400的示意圖；圖6是示例性工藝的流程圖，該工藝通過垂直向上擠出可連續生產具有均勻纖芯截面的POF。
具體實施例方式
下面介紹可連續生產具有均勻纖芯截面的POF的方法和系統。在下面的介紹中，公開了許多特定的細節，以提供對本發明的充分了解。但是，應當理解，對本發明所屬領域的普通技術人員無須介紹這些具體細節。
圖1顯示了連續生產均勻纖芯截面的POF的示例性系統。示例性系統包括擠壓機驅動組件100，進料斗/干燥系統200，螺桿/筒體組件300，多用途塊350，傳輸/加熱塊400，泵/驅動組件500，行星齒輪泵600，噴絲頭面板700，噴絲頭尖端(或銷)800，噴絲頭尖端加熱器900，1級冷卻裝置1000，2級冷卻裝置1100，第一驅動輥1200。
圖2示出了帶有更多部件的圖1系統，這些部件用于施加POF涂復層、測量POF均勻性、將POF卷繞到線軸上。額外的部件包括帶槽輥1400、十字頭擠壓機1500、冷卻單元1700、轉向輥1800、激光測微儀1900、以及卷繞單元2000。卷繞單元2000包括電驅動輥2100、張力臂2200、橫向往復機構2300、和POF的線軸2400。
圖3顯示了連續生產具有纖芯和涂復層的POF的可選系統，代替使用POF纖芯擠壓機和單獨的POF涂復層擠壓機1500，可將兩個擠壓機通過多節塊3200更緊密地集成到多層的擠出系統。第一擠壓機3000提供用作POF纖芯的樹脂。第二擠壓機3100提供用作涂復層的樹脂。各擠壓機可單獨控制POF材料的壓力和溫度。因此，POF涂復材料的溫度和壓力可單獨保持在不同于POF纖芯材料的溫度和壓力，直到涂復材料施加到多節塊3200中的纖芯。該系統通過一個擠出塊連續在線生產POF纖芯和POF涂復層。
為了簡化，圖3顯示了多節塊3200，其帶有用于POF纖芯的擠壓機和另一用于POF涂復層的擠壓機。但是所屬領域的技術人員應當知道，多節塊還可連接到另外的擠壓機，生產多層的POF纖芯和/或多層的POF涂復層。例如為了生產分級指標的POF，多節塊3200可連接到另外的擠壓機，以便生產具有不同輻射性能(如折射率)的多層的POF纖芯。
圖4更詳細地顯示了噴絲頭組件950。噴絲頭組件950包括多用途塊350、傳輸/加熱塊400，噴絲頭面板700，加熱帶750，噴絲頭尖端(或銷)800，和噴絲頭尖端加熱器900。
圖5更詳細地顯示了多用途塊350和半個傳輸/加熱塊400。多用途塊350包括安全插頭351(壓力安全閥)，溫度探測頭352，和壓力傳感器353。塊350和400的設計減小了對聚合物流動的阻力，并提供了對工藝參數(溫度和壓力)的反饋。如圖5所示，塊400可分成兩半，便于清理。傳輸塊400還包括破碎(breaker)板(未在圖5中顯示)，以改進熔融聚合物的混合。
本文介紹的方法可應用于幾乎所有POF纖芯和涂復材料。
一種示例性的POF纖芯材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。ATOFINA化學品公司(900 First Avenue，Kind of Prussia，PA 19406)生產牌號為“V825NA”的PMMA樹脂，這種樹脂是一種優選的纖芯原始材料，因為具有高折射率(1.49)，而且在可見光區域顯示出很小的傳輸損耗。還可以使用具有較高熔融流動速率的樹脂，如ATOFINA樹脂VLD-100。
其它的示例性POF纖芯材料包括聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯纖維和聚碳酸酯的共聚物、以及其它非晶態聚合物。此外，可以使用半晶狀的聚烯烴，如高分子量的聚丙烯和高密度高分子量的聚乙烯。
示例性的POF涂復層材料包括氟化聚合物，如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、六氟代丙烯偏二氟乙烯、以及其它基于氟烷基丙烯酸甲酯單體的樹脂。涂復層材料必須具有比纖芯聚合物更低的折射率。Dyneon LLC公司(6744 33ndStreet north，Oakdale，MN 55128)生產的氟化熱塑塑料THV220G、THV220A和ATOFINA KYNARSuperflex 2500的折射率在1.35至1.41之間，低于ATOFINA樹脂V825NA的折射率。
圖6是流程圖，示出了用于連續生產具有均勻纖芯截面的塑料光纖的示例性過程。
在步驟10，干凈和純化的POF纖芯聚合物樹脂顆粒(聚合物原始材料，一般由樹脂生產商供應)送入進料斗/干燥機系統200。干燥機系統200利用壓縮空氣連續地干燥纖芯聚合物樹脂。干燥機系統200所用的溫度一般在80至100℃之間，優選的是90℃。通過使干燥機系統200工作在-40℃的露點下將水分從樹脂中除去。干燥機系統200還具有兩個串聯的凝聚過濾器用以除去小到0.01微米的液態水和油滴微粒。示例性的干燥機系統200是NovatecTM壓縮空氣干燥機(Novatec公司，222E，Thomas Ave.，Baltimore Md.21225，www.novatec.com)。
在步驟20，擠壓機驅動裝置100將干燥的聚合物輸送到擠壓機螺桿/筒體組件300，使干燥的聚合物熔融。擠壓機驅動裝置100是專用的驅動系統，能夠保持每分鐘工作轉數恒定，在連續擠出過程保持穩定的壓力。
擠壓機驅動裝置100的皮帶輪的齒輪比可以改變，使驅動裝置的電動機運行在電動機額定轉速的90-100％的優選速率下。穩定的電動機轉速產生穩定的螺桿速度，從而產生恒定的擠出壓力。在不同工作壓力下使用時測得的壓力波動小于2％。因此，擠壓機驅動裝置100的精確驅動能夠得到更好的擠壓機控制并輸送均勻的擠出物。
擠壓機螺桿/筒體組件300可進行通風，以除去熔融樹脂中的揮發性物質。
在步驟30，擠壓機螺桿/筒體組件300的進料螺桿以連續均勻的方式使熔融的聚合物通過多用途塊350和傳輸/加熱塊400，進入行星齒輪泵600。行星齒輪泵600由專用的驅動裝置500驅動。泵600是具有多個出口的單入口泵。
在步驟40，熔融的聚合物以連續均勻的方式回到傳輸/加熱塊400。泵600在熔融聚合物分開時加壓，并將聚合物流體分配到傳輸塊400的獨立分配通道。為了清楚起見，圖4只是示出了位于傳輸/加熱塊400的一個獨立通道(即通道450)。
塊400的通道450可得到低約束的高聚合物流動速率，從而減少了聚合物熔體中的剪切生熱(以及并發的溫度不均勻性)。噴絲頭組件950中聚合物流體的方向可以以90°的增量改變。因此，通過噴絲頭組件950的擠出可以垂直向上、垂直向下或沿水平方向。加熱帶750使經過噴絲頭組件950的熔融聚合物的溫度控制(從而粘度控制)更方便。
在步驟50，帶壓的熔融聚合物流體進入噴絲頭面板700，噴絲頭面板700裝有一組帶螺紋的噴絲頭銷800。噴絲頭銷800帶有螺紋很容易取下，能夠快速改變噴絲孔直徑、以及銷長度-直徑比。噴絲頭尖端加熱器900控制噴絲頭銷800上擠出物的溫度。這樣控制可提高擠出物離開噴絲頭銷800形成POF纖芯1300時的表面均勻性。噴絲頭銷800的溫度最好在225至300℃之間。在可選實施例中，噴絲頭面板700可包括固定的噴絲頭銷，而不是帶螺紋的噴絲頭銷800。
在步驟60，熔融聚合物通過噴絲頭銷800沿基本垂直向上的方向擠出。迫使熔融聚合物通過噴絲頭800的圓孔形成具有均勻圓形截面的POF纖芯1300。變化噴絲頭銷800的孔的形狀可形成具有其他類型均勻截面的POF。例如，迫使熔融聚合物通過噴絲頭銷800的橢圓孔可形成具有均勻橢圓截面的POF纖芯1300。為了增加POF纖芯截面的均勻性，在步驟60的擠出最好沿完全垂直的方向，直接相對重力進行。
在垂直向上擠出過程開始時，金屬桿或其它惰性表面與離開噴絲頭銷800的POF纖芯1300接觸，向上推POF纖芯1300進入第一卷繞輥1200的槽中。POF纖芯1300然后以與水平或垂直向下擠出工藝通常采用的同一方式通過系統的其余部分。
在步驟70，POF纖芯1300以受控方式冷卻。在一實施例中，POF纖芯1300在雙冷卻區系統中冷卻。
1級淬冷單元1000平行于噴絲頭銷800設置，且一般與離開噴絲頭銷800的POF纖芯1300相距0.1到2英寸。1級淬冷單元1000一般通過將空氣吹到纖維上來逐漸冷卻POF纖芯1300。1級淬冷單元1000一般工作在0至130℃之間，優選的是100℃。1級淬冷單元1000的風扇一般工作在0至1750轉/分鐘之間(0.058PSI)，優選的轉速是1200轉/分鐘(0.027PSI)。2級淬冷單元1100也能工作在0至130℃之間，但通常工作在比1級淬冷單元1000更低的溫度，其工作溫度在0至30℃之間，優選的工作溫度是0到20°C之間。2級淬冷單元1100的風扇一般工作在0至1750轉/分鐘之間，優選的風扇轉速是1000轉/分鐘(0.018PSI)。
在步驟80，施加涂復層到POF纖芯1300。圖2顯示了施加POF涂復層的示例性的部件。擠壓機螺桿和筒體組件(未在圖2中顯示)連接到十字頭擠壓機1500。進行涂復的擠壓機螺桿和筒體組件可使用與擠壓機螺桿/筒體組件300相同的設計，優選的涂復材料是含氟聚合物，由Dyneon LLC公司提供，規格為THV-220G。
表一給出了使用圖2所示的部件涂復擠出POF纖芯1300的示例性工藝參數，表一中，區1到4是指沿擠壓機筒體縱向長度的4個單獨加熱區。這4個區逐步加熱涂復聚合物顆粒，在十字頭擠壓機1500中形成均勻分布的涂復擠出物。
表一 涂復擠出條件和結果
十字頭擠壓機1500包括可調節的噴嘴系統，其帶有流量控制，可以連續方式在第二在線步驟施加涂復層到POF纖芯1300。用于這個工藝的噴嘴系統是內部制造的，但是從許多商業途徑也可得到十字頭。典型的從商業途徑得到的擠壓十字頭的示例可由Florida州的Clearwater鎮的Genca公司提供(www.genca.com)。
施加涂復層后，利用淬冷單元1700，涂復POF1600通過初次冷卻(如在2.7℃)而快速冷卻。初次冷卻使涂復材料的熱量快速發散，減少了POF纖芯1300的受熱，因此減少了POF纖芯-涂復層界面光學性質的改變。淬冷單元1700然后進行二次冷卻(如在23.5℃)。
在步驟90，測量POF截面的均勻性。在一實施例中，使用了激光測微儀1900進行測量。示例性的激光測微儀1900是Beta LaserMikediameter gauge(Beta LaserMike公司產品，公司位于8001 TechnologyBlvd.，Dayton，Ohio 45424，www.betalasermike.com)。如所屬領域的技術人員都知道的，為了提高POF截面的均勻性，激光測微儀1900可選擇作為在線自動反饋控制系統的一部分。
如圖2所示，在步驟95，涂復POF1600通過轉向輥1800輸送到纏繞單元2000的S纏繞系統，纏繞到POF線軸2400上。
除了上面介紹的步驟外，垂直向上擠出后，POF可通過各種不同的方法拉拔，包括但不限于(1)紡絲拉伸及涂復法；(2)紡絲拉伸及固態拉拔法；(3)纖芯和涂復層共同擠出及紡絲拉伸法；(4)紡絲拉伸共同擠出的POF及固態拉拔法；(5)纖芯和涂復層一步共同擠出及連續增量拉拔法。
在紡絲拉伸及涂復法中，POF纖芯1300在從噴絲頭銷800擠出后馬上進行拉拔，當POF纖芯1300固化時施加兼容的涂復層。這種拉拔方法一般可提供POF纖芯1300和涂復材料之間的優良界面粘接，涂復材料和POF纖芯1300之間沒有相位差。這種拉拔法通常還形成POF的低分子取向，適度的纖維強度和適度的涂復均勻性。
在紡絲拉伸及固態拉拔法中，POF纖芯1300在從噴絲頭銷800擠出和纏繞到線軸上后馬上進行拉拔。POF纖芯1300然后在二次工藝過程從線軸上去繞，并以很大的拉伸比在固態進行拉拔。在固態拉拔后施加涂復材料。這種拉拔法通常使得POF纖芯1300具有非常高的分子取向，POF纖芯1300和涂復材料之間具優良的界面粘接，涂復材料和POF纖芯1300之間沒有相分離。這種多步驟的拉拔工藝一般可產生適度的涂復均勻性。
在纖芯和涂復材料共擠出及紡絲拉伸法中，POF纖芯1300與涂復材料共擠出，在共擠出和纏繞在線軸上后馬上進行拉拔。這種拉拔方法通常可提供優良的涂復均勻性，涂復材料和POF纖芯1300之間沒有相分離。該拉拔法一般可形成具有低分子取向和適度強度的POF。
在紡絲拉伸共擠出POF及固態拉拔的方法中，POF纖芯1300與涂復材料共擠出，然后在共擠出和纏繞到線軸上后馬上進行拉拔。然后在二次工藝過程POF從線軸進行去繞，以較大的拉伸比進行固態拉拔。這種拉拔法一般可產生具高度取向的POF，并具有高強度和優良的涂復均勻性。但是，固態拉拔期間纖芯和涂復材料之間產生的相分離可能在POF中造成缺陷。
在一步共擠出纖芯和涂復層及連續增量拉伸法中，共擠出的POF通過增加POF經過的各輥的線速度連續拉拔。例如，輥2100的線速度將大于輥1800的線速度，從而拉伸輥2100和輥1800之間的POF。增量拉伸法可在另外的輥之間和在不同的拉拔溫度下重復進行。拉拔過程不需要單獨的固態拉拔步驟，就可導致較大的拉伸比和高分子取向。該拉拔法一般可產生高強度的POF，具有優良的物理和環境穩定性，優良的截面均勻性，涂層和POF纖芯1300之間不發生相分離。
均勻的圓形POF纖芯通過垂直向上擠出產生，可具有較大范圍的目標直徑(如，250，500，750，1000，1500和2000微米)。各POF纖芯1300可不涂復連續地擠出，可根據上面介紹的方法(省略了步驟80)，使用ATOFINA樹脂V825NA。
表二顯示了各目標直徑的纖芯直徑和圓度數據。圓度是指激光測微儀1900在給定的POF纖芯截面沿兩個正交方向測出的纖芯直徑的差。表二還顯示了使用垂直向下擠出產生的對應樣品的纖芯直徑和圓度數據。如表二所示，與對應的垂直向下擠出制成的樣品相比，垂直向上擠出制成的樣品其纖芯直徑具有小得多變化(即纖芯直徑的標準差較小)，并具有更好的圓度值(即更小的平均圓度)。
對于垂直向上擠出生產的樣品，纖芯直徑的標準差小于平均纖芯直徑的1％(除了250微米直徑的樣品，其是1.4％)。另一方面，對于相應的垂直向下擠出制成的樣品，纖芯直徑的標準差在平均纖芯直徑的2.4％和10.4％之間。
表二 垂直向上擠出垂直向下擠出
上述各實施例應當被認為只是用于說明本發明。不能認為其是毫無遺漏的，或用來將本發明限定于所公開的具體形式。所屬領域的技術人員應當知道，在不脫離上述本發明總體精神的情況下，可以實施其它修改和變化。因此，應當認識到，本發明是由所附權利要求限定的。
權利要求
1.一種連續生產具有均勻截面的塑料光纖纖芯的方法，包括干燥聚合物原始材料；熔融連續螺旋擠壓機中的所述聚合物原始材料；穩定所述擠壓機的螺桿速度；使熔融的聚合物原始材料通過高流動性低約束的通道；沿基本垂直向上的方向擠出熔融的聚合物原始材料，形成具有均勻截面的塑料光纖纖芯；在擠出期間控制熔融的聚合物原始材料的溫度；和以可控方式冷卻塑料光纖。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述均勻截面是圓形截面。
3.一種連續生產具有均勻截面的塑料光纖纖芯的方法，包括熔融連續螺旋擠壓機中的聚合物原始材料；和沿基本垂直向上的方向擠出熔融的聚合物原始材料，形成具有均勻截面的塑料光纖纖芯。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述均勻截面是圓形截面。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述塑料光纖纖芯直徑的標準偏差小于塑料光纖纖芯平均直徑的百分之2。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括干燥所述聚合物原始材料的步驟。
7.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對所述螺旋擠壓機通風的步驟。
8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括穩定所述擠壓機的螺桿速度的步驟。
9.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括穩定所述擠壓機中所述熔融聚合物原始材料的壓力的步驟。
10.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，還包括在擠出期間控制所述熔融聚合物材料的溫度的步驟。
11.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，還包括使熔融的聚合物原始材料通過高流動性低約束的通道的步驟。
12.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以可控方式冷卻塑料光纖纖芯的步驟。
13.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括拉拔塑料光纖纖芯的步驟。
14.一種連續生產具有均勻纖芯截面的塑料光纖的方法，包括熔融連續螺旋擠壓機中的聚合物原始材料；沿基本垂直向上的方向擠出熔融的聚合物原始材料，形成具有均勻截面的塑料光纖纖芯；施加涂復層到所述塑料光纖纖芯。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述施加步驟與所述擠出步驟同時進行。
16.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述施加步驟在所述擠出步驟后進行。
17.一種連續生產具有均勻截面的塑料光纖纖芯的系統，包括一個或多個螺旋擠壓機；和一個或多個擠壓塊；其中，所述一個或多個螺旋擠壓機可連續熔融聚合物原始材料；和所述一個或多個擠壓塊以基本垂直向上的方向擠出熔融的聚合物原始材料，形成具有均勻截面的塑料光纖纖芯。
18.根據權利要求17所述的系統，其特征在于，所述均勻截面是圓形截面。
全文摘要
介紹了一種連續生產塑料光纖的方法和系統。該方法涉及熔融連續螺旋擠壓機中的聚合物原始材料，然后垂直向上(即相對重力)擠出熔融的聚合物，形成具有均勻纖芯截面的塑料光纖。
文檔編號B29D11/00GK1832849SQ200480022594
公開日2006年9月13日 申請日期2004年6月10日 優先權日2003年6月13日
發明者P·卡佩利尼, H·博達希, J·F·彼得森二世 申請人:第一優質光纖有限責任公司