分燈式光纖固化裝置的制作方法

專利名稱：分燈式光纖固化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及涂覆光纖及其制造方法。具體地，本發明涉及一種使涂有一層或多層保護材料的光纖迅速固化的裝置。
在光纖的制造過程中，一根玻璃預制棒豎直懸重并以一受控速率伸進熔爐。在熔爐中預制棒變軟，進而可由裝在拉絲塔底座上的絞盤從圓棒的熔融端自由地拉拔出一根玻璃纖維。由于玻璃纖維的表面易受摩擦而損壞，因而有必要在玻璃纖維拉拔成形后并在其和任何表面接觸之前，給它涂覆保護層。因為涂覆材料的涂覆過程一定不能損壞玻璃表面，所以涂覆材料要在液態下進行涂覆。光纖的涂覆過程是通過使光纖穿過盛有可紫外線(UV)固化的有機物，如聚氨脂-丙烯酸類共聚物的貯液罐來實現的。涂覆完畢后，涂覆材料必須在光纖到達絞盤之前凝固。這一凝固過程通常通過光固化的方法在很短的時間間隔內完成，光固化是指一種通過紫外線(UV)照射使液態涂覆材料凝固的方法。
典型地，在拉拔成形的玻璃纖維上涂兩層涂覆材料，而且使用兩種不同的涂覆材料。內層，指一次涂覆材料，涂在光學玻璃纖維上。外層，指二次涂覆材料，涂在一次涂覆材料外面。通常，二次涂層具有相對較高的模量(如，109Pa)，而一次涂層具有相對較低的模量(如，106Pa)。在一種裝置中，一次和二次涂層是同時進行涂覆的。這種方法通稱為“濕/濕”法，因為二次涂層直接涂在未固化的一次涂層上。每種涂覆材料都有其特有的感光波段。感光波段是指光譜中可被涂層吸收從而使涂層從液態變為固態的那個波段。通常用作一次涂覆和二次涂覆的材料具有類似的感光波段。而且由于感光波段是類似的，一次涂覆材料的固化光會被二次涂覆材料衰減。因此，照到一次涂覆材料上的光變少。
目前，光纖的需求量超出了其生產能力。因此，盡管這對于光纖制造商來說是個好消息，但不幸的是，許多消費者不得不放棄使用光纖的想法。顯而易見的解決方法就是建造更多的拉絲塔和/或提高拉絲塔的拉絲速度。目前，生產合格光纖的最高速度受到涂覆工藝的限制(而不是拉絲工藝)。由于建造拉絲塔需要巨大的投資，因此人們自然希望以可生產出質量合格涂覆層的最高速率進行拉絲和涂覆。
玻璃纖維從溫度約為2000℃的熔爐中拉出后，必須在涂涂覆材料之前冷卻，以使涂覆材料可以均勻適當地與玻璃纖維粘在一起。目前采用的冷卻玻璃纖維的方法有兩種降低線速度或增大熔爐和涂覆段的間距。這兩種技術都不是很令人滿意。美國專利4,761,168通過在熔爐和涂覆段之間安裝一個纖維冷卻裝置，將運動著的光纖周圍的氣體包層剝去來解決這一問題。冷卻裝置包括一個圓筒形容器，其上有一直徑約為1.5mm的圓孔，光纖沿一個方向從該孔穿過而冷卻用的氦氣沿另一個方向從該孔穿過。
美國專利5,000,772還通過在照射光固化材料的同時加上一個磁場，從而通過自由基的聚合作用而增加涂覆材料的交聯作用，來提高涂覆光纖的生產線速度。由于吸收了光，每種涂層中的光激發劑分裂生成兩個自由基部分，這兩個部分可以以自旋對形式存在也可以以零自旋能級態存在。磁場具有促進自旋平行基產生的作用，從而促進涂覆材料聚合反應的引發。
美國專利5,147,433(’433專利)發現一次涂層比二次涂層固化得慢得多，因為二次涂層衰減了照到一次涂層上的射線量。’433專利中通過在一次涂層和二次涂層中使用不同的光激發劑，并使用一次和二次涂覆段的辦法解決這一問題。一個涂覆段使用可見光將一次涂層完全固化，而下一個涂覆段使用紫外光將二次涂層完全固化。這種技術使一次涂層的固化過程加快。然而，考慮到拉絲塔的巨額投資，還是希望能進一步提高涂覆光纖的生產速度。
使用一種分燈式光纖固化裝置可使涂覆光纖的生產線速度得以顯著提高。光纖包括一層保護涂覆材料，該材料中含有一種可響應電磁波譜中第一波長段輻射的光激發劑。光激發劑的作用是引發涂覆材料自由基的聚合反應。涂覆材料涂到玻璃纖維上以后，它就在第一波長段光波的照射下部分地固化。然后，涂覆材料被冷卻并再次接受第一波長段光波的照射以進一步固化。
在本發明的圖示實施方案中，一對涂覆段中間隔開一預定的距離(間隔)，這樣使涂覆材料可在兩工段之間得以冷卻。在一種實施方案中，間隔內的冷卻作用通過使用可將運動中光纖周圍的熱氣體包層“剝去”的裝置得到增強；而在另一個實施方案中，間隔內的冷卻作用通過使光纖與一個或多個起散熱器作用的槽輪相接觸而得以增強。通過將涂覆材料分級固化并且在各級之間對其進行冷卻，可以使涂覆材料的整體固化速度得到相當大的提高。
在另一個圖示實施方案中，根據本發明的原理對一種雙層涂覆光纖進行固化。每層涂層中都含有一種引發聚合反應的光激發劑。一次涂層響應第一波長段的照射，而二次涂層響應第二波長段的照射，優選地，第一和第二波長段波此分開。在每個固化段，紫外燈均發出第一和第二波長段的光，使一次涂層和二次涂層部分地且同時地發生固化。
實驗結果表明，本發明可提供如下改善效果生產線速度提高40％；固化過程所需的紫外線量減少50％；能源和清潔空氣的需求量減少50％；拉絲塔部高度降低。
結合附圖和下面的說明，可對本發明及其實施方式有一更好的了解，其中

圖1是裝有合燈式光纖固化裝置的現有技術光纖生產線的示意圖；圖2是具有單層涂覆材料的光纖的剖面端視圖；圖3是具有多層涂覆材料的光纖的剖面端視圖；圖4是裝有分燈式光纖固化裝置的光纖生產線的一個實施方案的示意圖，其中間隔內的冷卻作用通過一個可將運動中光纖周圍的熱氣包層“剝離”的裝置來增強；圖5是裝有分燈式光纖固化裝置的光纖生產線的另一個實施方案的示意圖，其中間隔內的冷卻作用通過一個或多個用作散熱器的槽輪來增強；圖6是圖1的合燈裝置和圖4的分燈裝置的并排對比圖；圖7是一種市場上有售的適用于本發明的固化燈發射光譜的直方圖；圖8是在0.6秒紫外線照射下，一次涂覆材料的固化量隨溫度變化的實驗結果曲線圖；圖9是分燈式裝置和合燈式裝置中光纖的溫度曲線圖；圖10是分燈式裝置與合燈式裝置用于固化涂覆光纖的紫外線照射量的對比圖。
圖1給出一種裝有合燈式光纖固化裝置的現有技術光纖生產線的示意圖。整個生產線，總體用標號20標出，用于從特制的圓柱預制件中拉拔出玻璃纖維，用一個保護材料涂覆裝置對玻璃纖維進行涂覆，然后通過電磁輻射使涂覆玻璃纖維固化。玻璃纖維21是通過將預制棒22局部地對稱加熱至大約2000℃而形成的，它直徑通常為15至40mm，長度為60cm。隨著預制棒不斷地通入熔爐23并從中穿過，纖維21不斷地從熔融的材料中拉出。
如圖1所示，拉絲裝置的部件中包括熔爐23，預制棒在其中被拉至光纖預定尺寸。然后光纖21從熔爐內的加熱區拉出。光纖21拉成之后，馬上通過裝置24在某一位置上對其直徑進行測量，該測量值被輸入控制系統。在控制系統中，測得的直徑與期望值進行比較并輸出一信號來調整拉絲速度，以使光纖直徑接近期望值。
測定光纖21的直徑以后，保護涂覆物質25通過裝置27涂覆于光纖上。為保持光纖的強度需給其涂上保護涂層，該涂層保護新拉成的光纖免受空氣的不良影響。這種涂覆物質必須在一種不破壞光纖21表面的狀態下涂覆，這樣才能使光纖達到預定直徑并且使其得到保護，在后序的加工操作、安裝和服役過程中免受磨損。為了使微彎損失造成的衰減降至最低，需要選擇合適的涂覆材料并控制其涂覆過程。前面述及的美國專利4,474,830中的涂覆裝置可能是一種適合的涂覆裝置。要想降低直徑變化量進而降低由連接器和絞接點的不對中引起的損失，需要仔細設計拉絲裝置，并且在生產過程的拉絲和涂覆步驟中連續地監視和控制光纖的直徑。接下來，讓涂覆光纖21穿過中心規28。
在拉成的光纖上涂上涂覆材料后，涂覆材料必須進行固化。為此，涂有涂覆材料的光纖穿過工段30，該工段內裝有一些用于固化涂覆物質25的紫外燈，和一個用于測量涂覆光纖外徑的裝置32。涂覆光纖由絞盤34牽引沿其運動路徑移動，之后繞在一個卷軸上，以便在后序的制纜工序前進行檢測和存放。
一種涂覆物質25裝在裝置27內，用于涂在玻璃纖維21上。在涂覆物質25只含一次涂覆材料的情況下，需參考圖2，其中示出了玻璃纖維21外包有一層涂覆物質25的情形。而更典型地，涂覆物質25包含內層42(圖3)，該層通常稱為一次涂覆層，和外層44，該層通常稱為二次涂覆層。內層42具有相對較低的模量(如，106pa)，該層防止玻璃纖維21的微彎；而外層42具有相對較高的模量(如，109Pa)，該層為玻璃纖維提供機械保護。
每種涂覆材料受到合適波段的電磁波照射時都可以發生固化。這種固化是通過一種易反應的聚合物實現的，該聚合物可由自由基的聚合作用聚合而成。一般地，每種涂覆材料都包括齊聚物、稀釋劑和光激發劑。也可能包括添加劑，如抗氧化劑、增粘劑、紫外光穩定劑、表面活化劑和存放穩定劑。光激發劑是與本發明相聯系的令人特別感興趣的物質，它可以響應一窄波段內的電磁輻射，使涂覆材料從液態變為固態。這種相變伴隨熱量的釋放，進而影響涂覆材料相變的速度。可以制成不同的光激發劑使其響應(即，引發自由基的聚合反應)不同波段的電磁波—典型地在紫外區。
研究表明紫外固化涂覆層的平衡模量與聚合物的交聯密度成正比，而且涂覆層的平衡模量隨固化溫度的升高而減小。例如，參見《聚合物工程與科學》雜志，第29卷第17期，1989年9月(1165～1168頁)，“固化溫度對紫外固化涂覆層的熱變形性能的影響”。因此，很希望在相對較低的溫度(如20℃而不是200℃)下固化聚合物涂覆層。而且，與固化過程相關的熱量(溫升)的約70％是反應本身產生的，只有大約30％是由固化燈產生的。
圖4是根據本發明原理的裝有分燈式光纖固化裝置的光纖生產線20′第一實施方案的簡略示意圖。生產線20′與圖1所示現有技術中的生產線20相似，其顯著不同點在于合燈式固化段30被一個包括固化段30-1和30-2的分燈式裝置代替，這兩個固化段由一冷卻間隔35隔開。具體地，每個固化段30-1和30-2均設計成只完成部分固化(即，小于65％)。這是通過減小每個固化段中的燈的強度和/或增大拉成的玻璃纖維21穿過涂覆段27和固化段30-1和30-2的速度來實現的。優選地，30-1和30-2中使用的固化燈是相同的，而且其發射波譜的峰值在一次涂覆材料中的光激發劑的感光波段(即第一波長段)附近。
固化段30-1和30-2間的間隔35一般為0.5～1.0米。而且盡管在本發明的實施過程中不需要，但冷卻作用通過在間隔內安裝冷卻裝置得以增強。在美國專利4,761,168中公開了一種這樣的冷卻裝置，該專利在此引入作為參考。簡言之，冷卻裝置起到將運動光纖21周圍的熱氣包層剝離的作用。該冷卻裝置包括圓筒鋁容器36，該容器具有多個間隔層(圖4中只示出一個)，這些間隔層之間通過隔板39隔開。隔板的間距大約為25mm；每個上面都有直徑約為1.5mm的圓孔，光纖從該孔中沿一個方向移動而冷卻氦氣沿另一方向流動。裝隔板39的目的是保證氣體流過隔板并經隔板本身剝離后的速度足以實現所希望的剝離。(如果可用另一種方法使氣體以足夠高的速度流動而不會導致纖維出現不希望的振動時，可以不用隔板)。每個間隔層內都有多個鋁制細桿38(直徑1.6mm)朝圓筒容器36的縱軸沿徑向向內伸出。每個間隔層可將氣體包層剝去大約90％。冷卻容器36本身是用從冷卻水通道37流入的溫度約為4℃的激冷水來冷卻的。
圖5是根據本發明原理的裝有分燈式光纖固化裝置的光纖生產線20″第二實施方案的簡略示意圖。生產線20″與圖4中的生產線20′相似，區別在于在固化段30-1和30-2之間裝有槽輪51和52。有利地，槽輪51和52起散熱器的作用，它們將熱量從運動著的光纖上帶走。因為運動光纖的路徑是“折線的”，所以生產線20″在可實現結構更緊湊的拉絲塔方面有額外的優勢。而且盡管圖中光纖穿過固化段30-2向上運動，但由于初始穿料的原因更希望它向下運動，這可以通過額外的槽輪將光纖的路徑改變成穿過固化段30-2后的向下方向。
圖6給出圖1中合燈式裝置20和圖4中分燈式裝置20′的并排對照圖。兩個裝置中運動著的光纖21都被涂覆裝置27涂上一層或多層涂覆材料。運動光纖的涂覆層隨后通過燈31發出的紫外光照射而固化。本發明的另一實施方案中，固化過程通過將固化段30用兩個固化段30-1和30-2代替得以加速，這兩個固化段由冷卻間隔35分開。然而應當指出，從固化段30-1和30-2輻射出的合成輻射能僅為固化段30輻射出的輻射能的50％。這種設計使線速度提高而且/或者固化燈數目減少。固化速度通過在間隔內安裝冷卻裝置36而進一步提高。
如圖所示，固化段30-1和30-2均有一外殼，該外殼包括一石英管32′，該管的縱軸與外殼縱軸平行。石英管32′可使拉成的光纖從中穿過，其內徑約為2.5cm，厚度約為1mm。每個固化段內還裝有一個細長燈31，該燈平行于光纖運動的路徑且發出可用于固化一種或多種涂覆材料的紫外光。燈31和光纖從中穿過的石英管31′裝在橢圓鏡39-39的兩個焦點上，該鏡裝在固化段的內壁上，用來保護運動光纖的圓周基本全能被燈31發出的光照射到。美國專利5,092,264中給出了關于合適的固化段設計的更多細節，該專利在此引入作為參考。
在固化雙層涂覆光纖的情況下，固化段30-1和30-2中使用的固化燈最好一樣，并且其發射光譜的峰值在第一波長段附近。并且，最好使二次涂覆材料比一次涂覆材料的固化速度慢。因此，二次涂層中的光激發劑應適當選取，使在其感光波段(即第二波長段)中，固化段30-1和30-2中所用固化燈的發射光譜具有相當低的光強。應當指出，每一層涂覆材料都在涂覆段30-1和30-2中部分固化(即小于65％)。
因為固化不當的光纖妨礙成纜并常發出難聞的氣味，所以光纖涂覆層的適當固化是非常重要的。而且，固化不當的光纖涂覆層與固化良好的光纖涂覆層相比，可剝離性、粘性和穩定性均較差。此外，光纖涂層的模量對光纖產品的機械和光學性能有重要影響，模量是固化程度的函數。正如應當指明的那樣，拉成光纖涂覆材料的良好固化對最終產品的質量有重要影響。
然而，研究表明因為涂覆光纖可以在不到100％固化態下進行加工處理而不會損壞，所以并不需要使其在拉絲塔完成100％的固化。而且，本領域中的普通技術人員可以改變在固化段30-1和30-2中任一段內達到的固化程度，以使在速度，花費等方面的總效率達到最優。每一固化段內達到的固化程度隨下列因素而改變固化段之間的冷卻程度；使用的固化段數量；以及在多層涂層的情況下，涂覆材料的感光波段與固化燈的發射光譜的匹配程度以及固化燈的功率級。
圖7是適用于本發明的固化燈的光輸出量的直方圖，具體用于照射雙層涂覆光纖。圖中具體的輸出光譜是由Fusion Systems公司生產的一種金屬鹵化物“D”燈產生的。特別地，這種物質在386納米(nm)波長段發射的光比光譜中其它波段的發射光要強得多，這是它的優點所在。相應地，選擇一次涂層中所用的光激發劑，使其響應386nm波段的電磁輻射，以使一次涂層的固化速率比二次涂層快，而二次涂層中的光激發劑響應另一波段的電磁輻射。因此，一次涂覆材料中適用一種在382nm處具有最大吸收率的光激發劑，化工上稱為2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基膦氧化物。它在市場上稱為Lucirin TPO，由BASF公司生產。LucirinTPO的吸收光譜與“D”燈的輻射峰相匹配。這兩者一同作用使一次涂覆材料的固化速率加快。
再次參照圖7，選擇固化燈發射光譜的另一波段用于固化二次涂覆材料。在該圖示實施方案中，選擇接近330nm的波長段，因為燈的輸出量在該波段比在386nm的波段要小得多。適用于二次涂層的光激發劑是一種2-甲基-[4-(甲硫基)苯基]-2-(4-嗎啉基)-1-丙酮，如Ciba Giegy公司生產的Irgacure 907。Irgacure 907在300nm處的吸收率最大，應指出該波段不必與燈的發射光譜的任一特定波段相吻合。相反，它是通過從光譜中比一次涂覆材料發射波段低的發射波段中經過試驗和修正得出的。事實上，給定了固化燈的發射光譜，化工領域的普通技術人員只需幾次實驗便可選定適用于一次涂層和二次涂層的可行的光激發劑。適用于二次涂層的另一種光激發劑是1-羥基環己基苯基酮，如Irgacure 184。它是由Ciba Geigy公司生產的。在具有商業價值的UV配方中，光激發劑眾所周知的實用的重量百分比范圍是0.5％至5.0％。
圖8是在0.6秒紫外線照射下，一次涂覆材料的固化量隨溫度變化的實驗結果曲線。從圖中可看出，典型的涂覆材料在較低溫度下固化得比高溫下快得多。因為在同樣的紫外線照射量下，在110℃時只有35％發生固化，而30℃卻有大約80％發生了固化。
現在參照圖9，該圖是分燈裝置和合燈裝置中光纖的溫度曲線圖。合燈裝置中，從30℃到110℃溫度上升很快，然后緩慢上升。如結合圖8已討論過的那樣，110℃時的固化速率比低溫時的固化速率慢得多。分燈裝置中，冷卻間隔使溫度在下一次固化前降至大約55℃，這使固化速率大大加快。
圖10是分燈裝置和合燈裝置固化涂覆光纖所需紫外線照射總量的對比圖。假定在拉絲塔內完成90％的固化，本發明的分燈裝置所用的紫外線照射量比現有技術的合燈裝置所用的一半還要少。
盡管本文圖示并闡述了幾個具體的實施方案，還應了解本領域技術人員可設計出體現本發明原理并且在本發明精神和范圍內的其它裝置。這些裝置包括使用不同的固化燈，不同的光激發劑，兩個以上固化段和使用不同的裝置來增強固化段間隔內的冷卻效果，但并不僅限于上述提及的方面。
權利要求
1.一種固化涂有一層或多層保護涂覆材料的涂覆光纖的方法，包括如下步驟(i)給玻璃纖維涂上一層涂覆材料25；(ii)通過第一光源30-1的電磁輻射使該層涂覆材料部分固化；(iii)冷卻該部分固化的涂覆材料層；(iv)將該層涂覆材料通過第二光源30-2的電磁輻射進一步固化。
2.權利要求1中的方法，其中涂覆材料層25是一次涂層42，該層與玻璃纖維21緊挨著。
3.權利要求1中的方法，其中部分固化的涂覆材料層25周圍包有一層熱氣包層，且其步驟(iii)包含下面的步驟將熱氣包層段從纖維21上剝去。
4.權利要求1的方法，其中步驟(iii)包括下面的步驟使涂覆玻璃纖維21與一個或多個旋轉槽輪34直接接觸。
5.權利要求2的方法，其中步驟(ii)實現了少于一次涂覆材料42總固化量的65％的固化量。
6.權利要求5的方法，其中步驟(ii)實現了大于一次涂覆材料42總固化量的25％的固化量。
7.制造光纖的裝置包括絞盤34，用于使玻璃纖維21沿移動路徑移動；涂覆裝置27，用于將一層或多層保護涂覆材料25涂在運動著的玻璃纖維上；第一固化段30-1，用于通過電磁波照射使涂覆材料中的一層固化，固化量小于65％；第二固化段30-2，用于通過電磁波照射使涂覆材料中的上述一層進一步固化，固化量大于25％；冷卻間隔35，位于第一和第二固化段之間，用來降低涂覆材料的溫度。
8.權利要求7的裝置，其中冷卻間隔35包括一段預定距離，在該段內涂覆玻璃纖維21不接受電磁波的照射，該預定距離大于0.5m。
9.權利要求7的裝置，其中在第一固化段30-1和第二固化段30-2之間的間隔35中安裝了一個進一步降低涂覆材料25溫度的裝置。
10.權利要求9的裝置，其中用于進一步降低涂覆材料25溫度的裝置包括一個圓筒容器36，該容器上有許多朝圓筒容器縱軸沿徑向向內伸出的金屬細桿38。
11.權利要求9的裝置，其中用于進一步降低涂覆材料25溫度的裝置包括一個或多個槽輪51，52，這些槽輪與涂覆玻璃纖維21相接觸。
全文摘要
本發明涉及快速固化光纖的裝置及方法,其中運動光纖上涂有含光激發劑的涂層,光激發劑可響應第一波長段的光輻射。涂覆玻璃纖維采用由一冷卻間隔隔開的一對固化段來固化。每個固化段中均裝有可發出第一波長段光的燈,并完成部分固化。可通過將運動光纖周圍的熱氣包層剝離,和/或使用槽輪來增強間隔段內的冷卻效果。該技術適用于制造具有一層或多層保護涂層的光纖。雙層涂覆光纖中,每層的激發劑分別響應不同波段的光輻射。
文檔編號B29C35/10GK1190084SQ9810362
公開日1998年8月12日 申請日期1998年1月13日 優先權日1997年1月15日
發明者R·C·穆爾, C·R·泰勒, J·M·特尼普西德 申請人:盧森特技術有限公司