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高质量的光纤涂覆控制

   日期:2016-03-03     浏览:197    评论:0    
核心提示:摘要】光纤涂覆是光纤生产中制约拉丝速度的一个重要因素。各生产厂商都要尽量使设备能进行高速拉丝,提高生产效率以期降价成本。
摘要】光纤涂覆是光纤生产中制约拉丝速度的一个重要因素。各生产厂商都要尽量使设备能进行高速拉丝,提高生产效率以期降价成本。但是生产过程中又必须保证光纤涂覆的稳定性及精确度,以期由此得到高质量的光纤。本文分析了光纤生产过程中影响光纤涂覆的一些因素,并提出了对应的解决方案。
【关键词】光纤、拉丝、涂覆、固化 一、引言      光纤拉丝过程是制造光纤的基本步骤之一。光纤预制棒被馈送系统送进高于2000~C高温的熔炉中加热,预制棒软化后以细丝的形式从炉子下部出口拉出,经过监控裸光纤直径的测径仪并作适当冷却后,在裸光纤玻璃表面的微裂纹尚未因外界环境影响而开始扩散前,在清洁的光纤表面迅速涂上两层紫外光固化丙烯酸树脂加以保护。在涂层固化之后,光纤被卷绕在收线盘上,为随后工序作好准备。在光纤上涂覆涂层的目的是保护裸光纤不同外界尘埃粒子接触,这些粒子能明显地降低光纤的强度,涂层还能防止外界的水分浸蚀光纤,避免损耗增大。涂层除了能提供强度保护外,它还能在各种环境中对光纤提供微弯保护,防止应力集中及光纤中产生气泡。
     对于普通的光纤,一般采用两层涂层对光纤加以保护,内涂层为低弹性模量(柔软)的材料,保护光纤的表面不受外界损伤,同时作为光纤与外界应力的缓冲带;外涂层为高弹性模量(较坚硬)的材料,为光纤提供耐磨性,同时也有一定的强度。光纤涂层能同时经过一个涂覆器或者分别被二个涂覆器涂覆。前者叫做湿对湿涂覆(wet一。n—wet),后者叫做湿对干涂覆(wet—on—dry)。
     作为拉丝生产的一个重要环节,光纤涂覆材料和涂覆过程对成品光纤质量的影响不可轻视:高质量的光纤要求有高精度且比较稳定的外径,要有高的机械强度,好的衰减,还要尽量少的缺陷,这些都与光纤涂覆有着直接或间接的关系。当增加拉丝速度的时候,拉丝过程中成功的涂覆工艺是得到高品质光纤的一个极为重要因素,同时这又是一个主要的研究区域。 二、影响光纤涂覆质量的因素及其控制方法
      一般来说,影响涂覆质量的因素主要有以下这几方面:     夺涂料的性能及涂层固化     ◇模具      ◇光纤的冷却
    1.涂料性能对光纤涂覆质量的影响    涂料本身性能会影响光纤涂覆的稳定性、生产速度、光纤表面光洁度,光纤外观(颜色及其稳定性)。涂料的粘度会影响拉丝生产时在涂覆模具中的流动性,与涂覆质量密切相关,因此应选用一种高品质的涂料,在适当的温度的速度下进行生产,以保证生产过程中  不会出现因涂料本身的原因而产生的涂覆不均匀,甚至断流的现象。光纤的外观对其质量也有较大的影响,光纤表面的光洁度也是和涂料的流动性有很大关系的,光纤表面光洁度的提高有助于减小光纤在收线时产生的附加衰减;而光纤的颜色则是和涂料的成份有很大的关系,涂料中光引发剂量的多少直接影响到光纤颜色的稳定性,过量的光引发剂在涂层的固化过程中不能完全消耗,受光和热的作用下会进行分解,而光引发剂不足则会引起涂层固化不完全,同样会使光纤发粘变黄。当然,光纤涂层的固化过程也对其颜色有影响,过固化就会使其颜色变黄。CDSEI使用适合光纤高速拉丝的专用涂料,能在高速下得到完好的涂覆质量。CDSEI的专用涂料,有较好的抗静电性能。使用CDSEI的专用涂料制造的光纤适合于制造带纤。涂层的固化度:如固化度不足,则会影响光纤的衰减、外观及后续工序的使用;如固化过度,则可能会引起光纤涂层降解。现在光纤工业中常用的UV固化涂料是通过UV光纤的辐照,使涂料中光引发剂分解产生自由基,从而引发丙烯酸树脂的链式反应,整个反 应在不到lms的时间内完成。涂层固化好坏与涂料本身很大的关系,它决定了此种类型的涂料是否适合高速拉丝生产。另外还有涂料以外的影响固化的因素:①固化区域内UV光强度是影响到自由基产生的数量②氧气的阻聚作用。光纤涂层的表面固化度可以通过FTIR 来测定,根据固化度的测量结果来对生产工艺进行调整。使用专用涂料可在高速生产时使涂层得到很好的固化。在生产中,可以对UV灯光强度的测量结果与涂层的固化度进行对照分析,由此判断UV光强度充足与否。另外UV灯的定期维护;UV灯石英管中氮气里氧气含量的测定,UV灯进气方式的优化也是影响固化度的重要因素。CDSEI在实际生产中对UV光强度和UV灯石英管中氮气里氧气含量都进行了测定和控制,从而保证了涂层的固化度满足要求。
     2.模具      光纤的涂层是通过涂覆模具施加的,因此它对涂覆的影响也是非常大的。     涂覆方式:光纤涂层的涂覆方式一般分为单涂覆(wet on wet)与双涂覆(wet on dry),但它们本质上没有区别。单涂覆可以节约较大的空间,使拉丝塔总体高度下降,同时,如果模具调节好的话,生产出来的光纤同心度会很好,但是模具使用前的调节非常重要,需要比较高的技能和技巧。双涂覆则不需要对模具进行精确调节,使用前的准备工作相对简单,但是因为是分开进行涂覆,这种情况下占用了较多的拉丝塔空间,拉丝塔相对要高一些。不管是哪一种涂覆方式,只要工艺参数得当,操作正确,都可以得到高涂覆质量的光纤。   孔径:出口模的孔径直接影响到光纤涂覆后的直径,因此选取适当孔径的涂覆模具非常重要。我们通过调整模具尺寸及工艺参数,使CDSEI光纤外径中心值保持在245±2 u m范围内。CDSEI光纤外径数据见.表]。
表l:光纤外径分布

出口模形状:出口模的形状会影响光纤涂覆直径在拉丝,尤其是高速拉丝时的稳定性。在CDSEI原来的实际生产中,当拉丝速度达到某一固定值时,即使进入涂覆模的光纤温度处于理想状态,光纤涂覆质量还是会急速下降,涂覆直径无法稳定,涂层同心度变差。在更改涂覆模出口模形状并对生产工艺进行优化之后,我们使光纤涂覆在高生产速度下(1200m/min)达到了一个稳定的状态,同时光纤涂层同心度性能方面也有很大程度的提高。 CDSEI光纤同心度数据见.表2。 
表2:光纤外径对包层同心度误差分布


 



    模具的清洁:拉丝生产中,涂覆模具的清洁也非常重要。如果涂覆模具出口不清洁,会影响出口模的形状,不圆的出口模会使涂覆不稳定,生产出的光纤涂层不圆度增大,同心度变差,或是涂层表面不光滑。对于内涂覆模来说,出口模或导模的不清洁还增加了裸光纤与异物接触的机会,有可能会大幅度影响光纤的强度。
      模具上的异物主要是上次拉丝生产后未清洁的涂料,或是涂料固化过程中的挥发物形成的致密壳状物,生产过程中还有可能有其它的外界物质进入到模具之中。因此,每次生产之前,涂覆模具必须进行全面的清洗。模具清洗过程中,超声波清洗机和显微镜均是必不可少的。
      涂覆平台:好的涂覆平台可以让操作者比较容易调节涂覆模具的水平位置(x、Y位置)和倾斜角度,从而得到好的涂覆同心度。CDsEI采用专用涂覆平台,可以轻易对涂覆模的水平位置和倾斜角度进行精确调节,从而对涂覆模的水平位置和倾斜角度进行精确定位。
   3.光纤进入涂覆模具时的温度   在涂覆模中,只有把光纤表面温度和涂覆系统配套考虑,才能维持比较稳定的涂覆状
    光纤表面温度的测量很重要,只有掌握第一手详细的资料才能对涂覆状况作出初步的判断。我们使用专用的温度测量装置对光纤表面温度进行在线测量,了解光纤冷却状态。光纤冷却方式与效率对光纤表面温度的影响很大,在高速拉丝时更是如此,它总是和光纤涂覆联系在一起的。其一,冷却管的形式,采用开合式冷却管,可方便操作,但需要解决密封问题以提高冷却效率;其二,气体流量,气体流量大对光纤的冷却更有利;其三,气体进气方式,气体的进气方式的优化可以在很大程度上提高冷却效率。三、常见光纤涂覆缺陷 
    涂层中的气泡:如果光纤涂层中含有气泡,会大大增加光纤的温度敏感性能,因此生产中要避免气泡进入涂层之中。涂层中的气泡,可分为内涂层与裸光纤界面上、内外涂层界面上、内涂层中及外涂层中。在光纤涂层中有少量气泡时,一般外观上没有特别之处;但在显微镜下可以明显观察到。若有大量气泡,则会有发白的现象,见图1。

     图l:涂层中的气泡                                      图2:涂层中的异物 

   涂层中的异物:光纤涂层中的异物主要是纤维或是固化后的涂料(主要发生在二次涂覆)及结晶的涂料,也有可能是其它的物质。见图2。当涂层中有异物时,一般都有会伴随有不正常涂覆现象,因此可以比较容易进行取样分析
。   涂层直径突变:即通常说的coating flaw或lump,它会对光纤后续生产工序,尤其是着色造成比较大的影响,见图3、4。涂层直径突变可分为直径变大和变小两种,涂层直径变小时通常不会对后续工艺产生大的影响,但是涂层直径变大时,可能会在光纤着色过程中造成涂层被着色模具损伤,使光纤强度等方面受到影响,或是引起光纤着不上色的现象。

 


   图3:涂层直径突变(直径变小)       图4:涂层直径突变(直径变大)

  内外涂层相混:发生这种情况时,光纤外径无大的变化,但是在显微镜下可以观察到光纤涂层内外层的界面不清晰,有时有多层界面出现的情况,见图5、6。


    图5:内外涂层相混                  图6:内外涂层相混(截面)

 

 涂层剥离:此现象发生在裸光纤与内涂层之间,见图7。
 


   图7:涂层剥离

 

   对于涂层中的气泡、异物、直径突变、内外层相混、涂层剥离等涂覆缺陷,CDSEI进行了认真详实的分析,针对产生的原因进行持续的工艺调整和设备改进,从而得到了良好而可靠的涂覆质量。 四、结论
   良好的涂覆是得到高品质光纤的一个必不可少的重要环节。因此在拉丝生产中必须对可能影响光纤涂覆质量的因素进行监控,不断对出现的问题进行分析,以期由此得到稳定的光纤涂覆质量


 
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