分灯式光纤固化装置 本发明涉及涂覆光纤及其制造方法。具体地，本发明涉及一种使涂有一层或多层保护材料的光纤迅速固化的装置。
在光纤的制造过程中，一根玻璃预制棒竖直悬重并以一受控速率伸进熔炉。在熔炉中预制棒变软，进而可由装在拉丝塔底座上的绞盘从圆棒的熔融端自由地拉拔出一根玻璃纤维。由于玻璃纤维的表面易受摩擦而损坏，因而有必要在玻璃纤维拉拔成形后并在其和任何表面接触之前，给它涂覆保护层。因为涂覆材料的涂覆过程一定不能损坏玻璃表面，所以涂覆材料要在液态下进行涂覆。光纤的涂覆过程是通过使光纤穿过盛有可紫外线(UV)固化的有机物，如聚氨脂-丙烯酸类共聚物的贮液罐来实现的。涂覆完毕后，涂覆材料必须在光纤到达绞盘之前凝固。这一凝固过程通常通过光固化的方法在很短的时间间隔内完成，光固化是指一种通过紫外线(UV)照射使液态涂覆材料凝固的方法。
典型地，在拉拔成形的玻璃纤维上涂两层涂覆材料，而且使用两种不同的涂覆材料。内层，指一次涂覆材料，涂在光学玻璃纤维上。外层，指二次涂覆材料，涂在一次涂覆材料外面。通常，二次涂层具有相对较高的模量(如，109Pa)，而一次涂层具有相对较低的模量(如，106Pa)。在一种装置中，一次和二次涂层是同时进行涂覆的。这种方法通称为“湿/湿”法，因为二次涂层直接涂在未固化的一次涂层上。每种涂覆材料都有其特有的感光波段。感光波段是指光谱中可被涂层吸收从而使涂层从液态变为固态的那个波段。通常用作一次涂覆和二次涂覆地材料具有类似的感光波段。而且由于感光波段是类似的，一次涂覆材料的固化光会被二次涂覆材料衰减。因此，照到一次涂覆材料上的光变少。
目前，光纤的需求量超出了其生产能力。因此，尽管这对于光纤制造商来说是个好消息，但不幸的是，许多消费者不得不放弃使用光纤的想法。显而易见的解决方法就是建造更多的拉丝塔和/或提高拉丝塔的拉丝速度。目前，生产合格光纤的最高速度受到涂覆工艺的限制(而不是拉丝工艺)。由于建造拉丝塔需要巨大的投资，因此人们自然希望以可生产出质量合格涂覆层的最高速率进行拉丝和涂覆。
玻璃纤维从温度约为2000℃的熔炉中拉出后，必须在涂涂覆材料之前冷却，以使涂覆材料可以均匀适当地与玻璃纤维粘在一起。目前采用的冷却玻璃纤维的方法有两种：降低线速度或增大熔炉和涂覆段的间距。这两种技术都不是很令人满意。美国专利4,761,168通过在熔炉和涂覆段之间安装一个纤维冷却装置，将运动着的光纤周围的气体包层剥去来解决这一问题。冷却装置包括一个圆筒形容器，其上有一直径约为1.5mm的圆孔，光纤沿一个方向从该孔穿过而冷却用的氦气沿另一个方向从该孔穿过。
美国专利5,000,772还通过在照射光固化材料的同时加上一个磁场，从而通过自由基的聚合作用而增加涂覆材料的交联作用，来提高涂覆光纤的生产线速度。由于吸收了光，每种涂层中的光激发剂分裂生成两个自由基部分，这两个部分可以以自旋对形式存在也可以以零自旋能级态存在。磁场具有促进自旋平行基产生的作用，从而促进涂覆材料聚合反应的引发。
美国专利5,147,433(’433专利)发现一次涂层比二次涂层固化得慢得多，因为二次涂层衰减了照到一次涂层上的射线量。’433专利中通过在一次涂层和二次涂层中使用不同的光激发剂，并使用一次和二次涂覆段的办法解决这一问题。一个涂覆段使用可见光将一次涂层完全固化，而下一个涂覆段使用紫外光将二次涂层完全固化。这种技术使一次涂层的固化过程加快。然而，考虑到拉丝塔的巨额投资，还是希望能进一步提高涂覆光纤的生产速度。
使用一种分灯式光纤固化装置可使涂覆光纤的生产线速度得以显著提高。光纤包括一层保护涂覆材料，该材料中含有一种可响应电磁波谱中第一波长段辐射的光激发剂。光激发剂的作用是引发涂覆材料自由基的聚合反应。涂覆材料涂到玻璃纤维上以后，它就在第一波长段光波的照射下部分地固化。然后，涂覆材料被冷却并再次接受第一波长段光波的照射以进一步固化。
在本发明的图示实施方案中，一对涂覆段中间隔开一预定的距离(间隔)，这样使涂覆材料可在两工段之间得以冷却。在一种实施方案中，间隔内的冷却作用通过使用可将运动中光纤周围的热气体包层“剥去”的装置得到增强；而在另一个实施方案中，间隔内的冷却作用通过使光纤与一个或多个起散热器作用的槽轮相接触而得以增强。通过将涂覆材料分级固化并且在各级之间对其进行冷却，可以使涂覆材料的整体固化速度得到相当大的提高。
在另一个图示实施方案中，根据本发明的原理对一种双层涂覆光纤进行固化。每层涂层中都含有一种引发聚合反应的光激发剂。一次涂层响应第一波长段的照射，而二次涂层响应第二波长段的照射，优选地，第一和第二波长段波此分开。在每个固化段，紫外灯均发出第一和第二波长段的光，使一次涂层和二次涂层部分地且同时地发生固化。
实验结果表明，本发明可提供如下改善效果：生产线速度提高40％；固化过程所需的紫外线量减少50％；能源和清洁空气的需求量减少50％；拉丝塔部高度降低。
结合附图和下面的说明，可对本发明及其实施方式有一更好的了解，其中：
图1是装有合灯式光纤固化装置的现有技术光纤生产线的示意图；
图2是具有单层涂覆材料的光纤的剖面端视图；
图3是具有多层涂覆材料的光纤的剖面端视图；
图4是装有分灯式光纤固化装置的光纤生产线的一个实施方案的示意图，其中间隔内的冷却作用通过一个可将运动中光纤周围的热气包层“剥离”的装置来增强；
图5是装有分灯式光纤固化装置的光纤生产线的另一个实施方案的示意图，其中间隔内的冷却作用通过一个或多个用作散热器的槽轮来增强；
图6是图1的合灯装置和图4的分灯装置的并排对比图；
图7是一种市场上有售的适用于本发明的固化灯发射光谱的直方图；
图8是在0.6秒紫外线照射下，一次涂覆材料的固化量随温度变化的实验结果曲线图；
图9是分灯式装置和合灯式装置中光纤的温度曲线图；
图10是分灯式装置与合灯式装置用于固化涂覆光纤的紫外线照射量的对比图。
图1给出一种装有合灯式光纤固化装置的现有技术光纤生产线的示意图。整个生产线，总体用标号20标出，用于从特制的圆柱预制件中拉拔出玻璃纤维，用一个保护材料涂覆装置对玻璃纤维进行涂覆，然后通过电磁辐射使涂覆玻璃纤维固化。玻璃纤维21是通过将预制棒22局部地对称加热至大约2000℃而形成的，它直径通常为15至40mm，长度为60cm。随着预制棒不断地通入熔炉23并从中穿过，纤维21不断地从熔融的材料中拉出。
如图1所示，拉丝装置的部件中包括熔炉23，预制棒在其中被拉至光纤预定尺寸。然后光纤21从熔炉内的加热区拉出。光纤21拉成之后，马上通过装置24在某一位置上对其直径进行测量，该测量值被输入控制系统。在控制系统中，测得的直径与期望值进行比较并输出一信号来调整拉丝速度，以使光纤直径接近期望值。
测定光纤21的直径以后，保护涂覆物质25通过装置27涂覆于光纤上。为保持光纤的强度需给其涂上保护涂层，该涂层保护新拉成的光纤免受空气的不良影响。这种涂覆物质必须在一种不破坏光纤21表面的状态下涂覆，这样才能使光纤达到预定直径并且使其得到保护，在后序的加工操作、安装和服役过程中免受磨损。为了使微弯损失造成的衰减降至最低，需要选择合适的涂覆材料并控制其涂覆过程。前面述及的美国专利4,474,830中的涂覆装置可能是一种适合的涂覆装置。要想降低直径变化量进而降低由连接器和绞接点的不对中引起的损失，需要仔细设计拉丝装置，并且在生产过程的拉丝和涂覆步骤中连续地监视和控制光纤的直径。接下来，让涂覆光纤21穿过中心规28。
在拉成的光纤上涂上涂覆材料后，涂覆材料必须进行固化。为此，涂有涂覆材料的光纤穿过工段30，该工段内装有一些用于固化涂覆物质25的紫外灯，和一个用于测量涂覆光纤外径的装置32。涂覆光纤由绞盘34牵引沿其运动路径移动，之后绕在一个卷轴上，以便在后序的制缆工序前进行检测和存放。
一种涂覆物质25装在装置27内，用于涂在玻璃纤维21上。在涂覆物质25只含一次涂覆材料的情况下，需参考图2，其中示出了玻璃纤维21外包有一层涂覆物质25的情形。而更典型地，涂覆物质25包含内层42(图3)，该层通常称为一次涂覆层，和外层44，该层通常称为二次涂覆层。内层42具有相对较低的模量(如，106pa)，该层防止玻璃纤维21的微弯；而外层42具有相对较高的模量(如，109Pa)，该层为玻璃纤维提供机械保护。
每种涂覆材料受到合适波段的电磁波照射时都可以发生固化。这种固化是通过一种易反应的聚合物实现的，该聚合物可由自由基的聚合作用聚合而成。一般地，每种涂覆材料都包括齐聚物、稀释剂和光激发剂。也可能包括添加剂，如抗氧化剂、增粘剂、紫外光稳定剂、表面活化剂和存放稳定剂。光激发剂是与本发明相联系的令人特别感兴趣的物质，它可以响应一窄波段内的电磁辐射，使涂覆材料从液态变为固态。这种相变伴随热量的释放，进而影响涂覆材料相变的速度。可以制成不同的光激发剂使其响应(即，引发自由基的聚合反应)不同波段的电磁波—典型地在紫外区。
研究表明：紫外固化涂覆层的平衡模量与聚合物的交联密度成正比，而且涂覆层的平衡模量随固化温度的升高而减小。例如，参见《聚合物工程与科学》杂志，第29卷第17期，1989年9月(1165～1168页)，“固化温度对紫外固化涂覆层的热变形性能的影响”。因此，很希望在相对较低的温度(如20℃而不是200℃)下固化聚合物涂覆层。而且，与固化过程相关的热量(温升)的约70％是反应本身产生的，只有大约30％是由固化灯产生的。
图4是根据本发明原理的装有分灯式光纤固化装置的光纤生产线20′第一实施方案的简略示意图。生产线20′与图1所示现有技术中的生产线20相似，其显著不同点在于合灯式固化段30被一个包括固化段30-1和30-2的分灯式装置代替，这两个固化段由一冷却间隔35隔开。具体地，每个固化段30-1和30-2均设计成只完成部分固化(即，小于65％)。这是通过减小每个固化段中的灯的强度和/或增大拉成的玻璃纤维21穿过涂覆段27和固化段30-1和30-2的速度来实现的。优选地，30-1和30-2中使用的固化灯是相同的，而且其发射波谱的峰值在一次涂覆材料中的光激发剂的感光波段(即：第一波长段)附近。
固化段30-1和30-2间的间隔35一般为0.5～1.0米。而且尽管在本发明的实施过程中不需要，但冷却作用通过在间隔内安装冷却装置得以增强。在美国专利4,761,168中公开了一种这样的冷却装置，该专利在此引入作为参考。简言之，冷却装置起到将运动光纤21周围的热气包层剥离的作用。该冷却装置包括圆筒铝容器36，该容器具有多个间隔层(图4中只示出一个)，这些间隔层之间通过隔板39隔开。隔板的间距大约为25mm；每个上面都有直径约为1.5mm的圆孔，光纤从该孔中沿一个方向移动而冷却氦气沿另一方向流动。装隔板39的目的是保证气体流过隔板并经隔板本身剥离后的速度足以实现所希望的剥离。(如果可用另一种方法使气体以足够高的速度流动而不会导致纤维出现不希望的振动时，可以不用隔板)。每个间隔层内都有多个铝制细杆38(直径1.6mm)朝圆筒容器36的纵轴沿径向向内伸出。每个间隔层可将气体包层剥去大约90％。冷却容器36本身是用从冷却水通道37流入的温度约为4℃的激冷水来冷却的。
图5是根据本发明原理的装有分灯式光纤固化装置的光纤生产线20″第二实施方案的简略示意图。生产线20″与图4中的生产线20′相似，区别在于在固化段30-1和30-2之间装有槽轮51和52。有利地，槽轮51和52起散热器的作用，它们将热量从运动着的光纤上带走。因为运动光纤的路径是“折线的”，所以生产线20″在可实现结构更紧凑的拉丝塔方面有额外的优势。而且尽管图中光纤穿过固化段30-2向上运动，但由于初始穿料的原因更希望它向下运动，这可以通过额外的槽轮将光纤的路径改变成穿过固化段30-2后的向下方向。
图6给出图1中合灯式装置20和图4中分灯式装置20′的并排对照图。两个装置中运动着的光纤21都被涂覆装置27涂上一层或多层涂覆材料。运动光纤的涂覆层随后通过灯31发出的紫外光照射而固化。本发明的另一实施方案中，固化过程通过将固化段30用两个固化段30-1和30-2代替得以加速，这两个固化段由冷却间隔35分开。然而应当指出，从固化段30-1和30-2辐射出的合成辐射能仅为固化段30辐射出的辐射能的50％。这种设计使线速度提高而且/或者固化灯数目减少。固化速度通过在间隔内安装冷却装置36而进一步提高。
如图所示，固化段30-1和30-2均有一外壳，该外壳包括一石英管32′，该管的纵轴与外壳纵轴平行。石英管32′可使拉成的光纤从中穿过，其内径约为2.5cm，厚度约为1mm。每个固化段内还装有一个细长灯31，该灯平行于光纤运动的路径且发出可用于固化一种或多种涂覆材料的紫外光。灯31和光纤从中穿过的石英管31′装在椭圆镜39-39的两个焦点上，该镜装在固化段的内壁上，用来保护运动光纤的圆周基本全能被灯31发出的光照射到。美国专利5,092,264中给出了关于合适的固化段设计的更多细节，该专利在此引入作为参考。
在固化双层涂覆光纤的情况下，固化段30-1和30-2中使用的固化灯最好一样，并且其发射光谱的峰值在第一波长段附近。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，二次涂层中的光激发剂应适当选取，使在其感光波段(即第二波长段)中，固化段30-1和30-2中所用固化灯的发射光谱具有相当低的光强。应当指出，每一层涂覆材料都在涂覆段30-1和30-2中部分固化(即小于65％)。
因为固化不当的光纤妨碍成缆并常发出难闻的气味，所以光纤涂覆层的适当固化是非常重要的。而且，固化不当的光纤涂覆层与固化良好的光纤涂覆层相比，可剥离性、粘性和稳定性均较差。此外，光纤涂层的模量对光纤产品的机械和光学性能有重要影响，模量是固化程度的函数。正如应当指明的那样，拉成光纤涂覆材料的良好固化对最终产品的质量有重要影响。
然而，研究表明：因为涂覆光纤可以在不到100％固化态下进行加工处理而不会损坏，所以并不需要使其在拉丝塔完成100％的固化。而且，本领域中的普通技术人员可以改变在固化段30-1和30-2中任一段内达到的固化程度，以使在速度，花费等方面的总效率达到最优。每一固化段内达到的固化程度随下列因素而改变：固化段之间的冷却程度；使用的固化段数量；以及在多层涂层的情况下，涂覆材料的感光波段与固化灯的发射光谱的匹配程度以及固化灯的功率级。
图7是适用于本发明的固化灯的光输出量的直方图，具体用于照射双层涂覆光纤。图中具体的输出光谱是由Fusion Systems公司生产的一种金属卤化物“D”灯产生的。特别地，这种物质在386纳米(nm)波长段发射的光比光谱中其它波段的发射光要强得多，这是它的优点所在。相应地，选择一次涂层中所用的光激发剂，使其响应386nm波段的电磁辐射，以使一次涂层的固化速率比二次涂层快，而二次涂层中的光激发剂响应另一波段的电磁辐射。因此，一次涂覆材料中适用一种在382nm处具有最大吸收率的光激发剂，化工上称为2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基膦氧化物。它在市场上称为Lucirin TPO，由BASF公司生产。LucirinTPO的吸收光谱与“D”灯的辐射峰相匹配。这两者一同作用使一次涂覆材料的固化速率加快。
再次参照图7，选择固化灯发射光谱的另一波段用于固化二次涂覆材料。在该图示实施方案中，选择接近330nm的波长段，因为灯的输出量在该波段比在386nm的波段要小得多。适用于二次涂层的光激发剂是一种2-甲基-[4-(甲硫基)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮，如Ciba Giegy公司生产的Irgacure 907。Irgacure 907在300nm处的吸收率最大，应指出该波段不必与灯的发射光谱的任一特定波段相吻合。相反，它是通过从光谱中比一次涂覆材料发射波段低的发射波段中经过试验和修正得出的。事实上，给定了固化灯的发射光谱，化工领域的普通技术人员只需几次实验便可选定适用于一次涂层和二次涂层的可行的光激发剂。适用于二次涂层的另一种光激发剂是1-羟基环己基苯基酮，如Irgacure 184。它是由Ciba Geigy公司生产的。在具有商业价值的UV配方中，光激发剂众所周知的实用的重量百分比范围是0.5％至5.0％。
图8是在0.6秒紫外线照射下，一次涂覆材料的固化量随温度变化的实验结果曲线。从图中可看出，典型的涂覆材料在较低温度下固化得比高温下快得多。因为在同样的紫外线照射量下，在110℃时只有35％发生固化，而30℃却有大约80％发生了固化。
现在参照图9，该图是分灯装置和合灯装置中光纤的温度曲线图。合灯装置中，从30℃到110℃温度上升很快，然后缓慢上升。如结合图8已讨论过的那样，110℃时的固化速率比低温时的固化速率慢得多。分灯装置中，冷却间隔使温度在下一次固化前降至大约55℃，这使固化速率大大加快。
图10是分灯装置和合灯装置固化涂覆光纤所需紫外线照射总量的对比图。假定在拉丝塔内完成90％的固化，本发明的分灯装置所用的紫外线照射量比现有技术的合灯装置所用的一半还要少。
尽管本文图示并阐述了几个具体的实施方案，还应了解：本领域技术人员可设计出体现本发明原理并且在本发明精神和范围内的其它装置。这些装置包括：使用不同的固化灯，不同的光激发剂，两个以上固化段和使用不同的装置来增强固化段间隔内的冷却效果，但并不仅限于上述提及的方面。