一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法

2023-07-26 11:13:41

一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法
【專利摘要】本發明公開了一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，該方法易於操作，加工周期短，效率高。利用本發明加工所得的帶有聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒可以拉制出具有聚合物保護塗覆層的硫系玻璃光纖。本發明提出的新型硫系玻璃光纖預製棒處理方法簡化了硫系玻璃光纖製備後期的光纖塗覆工藝，解決了硫系玻璃光纖在以往歷史中無合適塗覆材料的問題，有效地去除了硫系玻璃光纖塗覆過程中產生的氣泡，提高了硫系玻璃光纖的塗覆質量，從而大大提高了硫系玻璃光纖成品的機械強度，增強了硫系玻璃光纖在不同環境下的適應能力。
【專利說明】一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖製備【技術領域】，涉及光纖保護層的塗覆方法，具體為一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法。
【背景技術】
[0002]在可見光頻段內，目前石英玻璃光纖被廣泛用於光纖通信系統中，但是受石英材料紅外截止波長限制，石英玻璃光纖最長工作波長位於2Mm左右，而在極重要的相對透明的大氣第二傳輸窗口(3飛Mffl，這一波長範圍包括了許多重要的分子特徵譜線)和大氣第三傳輸窗口(8~12Mffl)區域內石英玻璃光纖卻無法有效地傳輸這些紅外頻段內的光線。硫系玻璃具有優良的中、遠紅外透過性能且折射率和三階非線性高，利用硫系玻璃製成的光纖可應用於中、遠紅外生物、化學傳感，中、遠紅外雷射能量傳輸、中紅外光纖雷射器和非線性光學等【技術領域】。
[0003]在光纖製造和使用過程中，外部塗覆層可用來防止內部的玻璃纖維因受到外力的直接作用而導致的應力裂變或機械磨耗而損壞。在傳統石英玻璃光纖製造過程中，聚合物塗覆材料在塗敷過程中受熱液化，在玻璃纖維拉好後需立即塗敷聚合物，然後經紫外固化或其它方式固化後在玻璃光纖表面上形成固體聚合物保護塗覆層。
[0004]但是紅外硫系玻璃特種光纖中的玻璃成分較為特殊，硫系玻璃的料性非常脆，在硫系玻璃光纖製備過程中，過於脆弱的硫系玻璃纖維無法被牽引進入普通光纖塗覆杯(內含有液體塗覆原料)，並且硫系玻璃與有機塗覆層的熱膨脹和收縮係數難以匹配，這樣就使得硫系玻璃光纖的塗覆很難實現，塗覆工藝很難控制，且塗覆質量無法保證。另外由於硫系玻璃纖維較脆，如果採用傳統的拉絲塗覆方法，在拉絲塗覆過程中容易引入雜質顆粒，塗層中的微小雜質顆粒引起的不均勻膨脹或收縮會在塗層和玻璃纖維之間產生彎曲應力，這會使得較脆的硫系玻璃光纖在使用過程中容易產生裂紋或斷裂。在硫系玻璃光纖塗覆過程中會遇到的另一個問題是容易在硫系玻璃纖維與聚合物塗層的界面之間或者是聚合物塗層內部引入氣泡。基於上述原因，以往對硫系玻璃特種光纖的塗覆是一個難以解決的問題，這也是紅外硫系光纖製備和開發應用所面臨的一個關鍵問題之一。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，經本方法加工處理所得的硫系玻璃光纖預製棒在後期加熱預製棒進行拉絲時可形成用於保護硫系玻璃纖維不受損壞的硫系玻璃光纖塗覆層。
[0006]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為:一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，包括如下步驟:
1)準備好一根所需尺寸的硫系玻璃光纖預製棒和一整張熱塑性聚合物薄膜；
2)將上述熱塑性聚合物薄膜切成多片寬度大於硫系玻璃光纖預製棒長度的條狀聚合物薄膜，然後用無水乙醇進行清洗以去除薄膜表面的雜質；3)將上述經清洗後的多片條狀聚合物薄膜放入乾燥箱中，在真空度為0.0ri33Pa的條件下經加熱乾燥去除水分；
4)將乾燥除水後的條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出；
5)先把一片聚合物薄膜纏繞在硫系玻璃光纖預製棒上，然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待硫系玻璃光纖預製棒外表面的聚合物薄膜達到所需厚度時，先在聚合物薄膜外表面緊密纏繞ー層生料帶(化學名稱為聚四氟乙烯)，然後再用耐高溫膠帶扎牢以防止薄膜鬆開；
6)將上述纏繞了聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒放入乾燥箱中，在真空度為
0.0ri33Pa的條件下，通過加熱使各層聚合物薄膜和硫系玻璃光纖預製棒緊密縮合在一起，經過本步加熱縮合處理，在除去了聚合物薄膜之間以及聚合物薄膜與硫系玻璃光纖預製棒之間的空氣的同時，將各層聚合物薄膜和硫系玻璃光纖預製棒縮合為一個整體；
7)在真空度為0.0ri33Pa的條件下，將乾燥箱內部的溫度逐漸降低至室溫，使硫系玻璃光纖預製棒外表面的聚合物冷卻固化，即得到表面具有熱塑性聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。
[0007]本發明方法包括兩步加熱過程，第一次加熱過程為步驟3)中的加熱過程，第二次加熱過程即步驟6)中的加熱過程。其中，步驟3)中的加熱溫度為8(Tl30°C，加熱時間為12~36h;步驟6)中的加熱溫度比所述的熱塑性聚合物的熱變形溫度高(T30°C，加熱時間為8~12h。第一次加熱過程溫度不宜過高，在8(T13(TC下進行以便於在保持聚合物薄膜柔韌性的條件下預先除去聚合物薄膜中的水分；第二次加熱過程主要為縮合過程，通過加熱縮合使得聚合物薄膜和硫系玻璃光纖預製棒縮合為ー個棒狀的整體。其中，步驟6)中的加熱溫度為13(T300°C，根據所選用的熱塑性聚合物材料的不同，步驟6)中縮合的加熱溫度有所不同。
`[0008]在步驟5)中，在最外層聚合物薄膜外表面緊密纏繞ー層生料帶所起的作用是:在聚合物薄膜卷制完成以後，為防止耐高溫膠帶的粘性材料在加熱處理過程中粘結到聚合物薄膜表面而影響聚合物的性能，在最外層聚合物薄膜和高溫膠帶之間形成一層隔離層來隔離聚合物薄膜和高溫膠帶。
[0009]使用本發明製得的表面帶有聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒由熱塑性聚合物保護層和硫系玻璃光纖預製棒組成，硫系玻璃光纖預製棒外表面的熱塑性聚合物通常由特種聚合物薄膜(如PES，PEI, PSU, PPSU等)經加熱縮合而成。這些聚合物都是熱塑性高分子材料，都是得到廣泛應用的特種工程塑料。這些材料具有優良的耐熱性能和物理機械性能、絕緣性能，它們在室溫下具有良好的形變穩定性，也可以在高溫下連續使用，在溫度急劇變化的環境中仍能保持性能穩定。選用這些熱塑性聚合物作為硫系玻璃光纖預製棒的保護層，在後期拉制光纖時可大大提高對硫系玻璃光纖的塗覆質量。其中PES (中文名稱:聚醚碸，英文全稱polyethersulfone)的熱變形溫度為203°C左右；PEI (中文名稱:聚醚醯亞胺，英文全稱=Polyetherimide)的熱變形溫度為207°C左右；PSU (中文名稱:聚碸，英文全稱:P0lySulf0ne)的熱變形溫度為175°C左右；PPSU(中文名稱:聚亞苯基碸，英文全稱:polyphenylsulfone)的熱變形溫度為207°C左右。在對聚合物材料經過性能改良後,其熱變形溫度可以進ー步提高，如美國Thermofil公司生產的K20NF-0100改良型PES聚合物的熱變形溫度可達227で。[0010]與現有技術相比，本發明的優點在於:本發明解決了硫系玻璃特種光纖的塗覆難題，針對硫系玻璃光纖製備過程的複雜性，提出了一種新的光纖保護塗層的製備方法。該方法是在進行光纖預製棒拉絲之前就使用特定的製備工藝在硫系玻璃光纖預製棒外面纏繞了多層聚合物薄膜，然後經加熱縮合工藝處理在硫系玻璃光纖預製棒外表面添加了具有所需厚度的聚合物預製層。利用本發明所述方法，可以一次性在硫系玻璃光纖預製棒外表面緊密纏繞上所需厚度的聚合物薄膜，在硫系玻璃較脆的情況下，由於其外部的聚合物薄膜在縮合以後機械強度非常大，這樣既可以非常有效地保護硫系玻璃光纖預製棒不受物理損傷，而且在預製棒拉絲後又可以提高硫系玻璃光纖的柔韌性。由於是在加熱預製棒拉絲之前就為硫系玻璃光纖預製棒添加了聚合物預製層，這樣就有效地避免了在加熱塗覆過程中可能引入的雜質，簡化了複雜的光纖塗覆工藝。由於聚合物薄膜易於吸水，在聚合物薄膜縮合之前本方法預先對聚合物薄膜用無水乙醇反覆進行了清洗淨化，並且經過第一次加熱乾燥過程去除了薄膜中的水分。經過第二次加熱縮合過程，聚合物預製層與硫系玻璃光纖預製棒完全結合在一起，除去了其界面處的水分和空氣。在光纖拉絲時，本方法可以高效地避免在光纖拉制過程中產生氣泡和引入雜質，提高了固化後保護聚合物塗層的質量，從而提高了硫系玻璃光纖的機械強度。
[0011]利用本發明加工所得的硫系玻璃光纖預製棒進行硫系玻璃光纖拉絲時，可以得到高均勻性的硫系玻璃光纖保護塗覆層，從而大大提高了硫系玻璃光纖成品的機械強度，增強了硫系玻璃光纖在不同環境下的適應能力。本發明易於操作，加工周期短，效率高。利用本發明加工所得的帶有聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒拉制所得的硫系玻璃光纖可用於紅外光纖傳感、能量傳輸、非線性光學等【技術領域】。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例所製得的具有聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒結構示意圖。在本附圖中，由於聚合物薄膜在加熱縮合以後所得聚合物保護層的厚度有所減小，所得的帶有聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒的外徑由聚合物薄膜縮合以前的28mm變為27mm。
【具體實施方式】
[0013]以下實施例結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0014]實施例1:
一種在硫系玻璃光纖預製棒的表面形成PSU聚合物保護層的製備方法，包括如下步驟:
(I)將整張PSU聚合物薄膜切成多片尺寸為30cmX IOcm的條狀PSU薄膜，然後用無水乙醇洗掉其表面的雜質。
[0015](2)將步驟(1)中的條狀PSU薄膜放入乾燥箱中，打開真空泵對乾燥箱進行抽真空，待乾燥箱中的真空度達到133~10_2Pa範圍以內時，將乾燥箱加熱溫度設定為100°C，然後在100°C下保溫15小時以確保經加熱乾燥後可以去除PSU聚合物薄膜中的水分。然後將乾燥箱溫度設置為30°C，使乾燥箱中的PSU條狀薄膜逐漸冷卻至30°C。
[0016](3)經步驟(2)處理後，將乾燥除水後的PSU條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出。[0017](4)首先把一片條狀PSU聚合物薄膜纏繞在Tg (玻璃轉化溫度)為175°C的硫系玻璃光纖預製棒(直徑為9mm，長度為6cm)上，然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待其外徑卷至28mm時在最外層PSU薄膜表面均勻地纏繞ー層生料帶將PSU薄膜紮緊然後再用耐高溫膠帶纏繞扎牢以防止在後續加熱過程中PSU薄膜鬆開。
[0018](5)將上ー步纏繞了 PSU聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒再次放入乾燥箱中，打開真空泵將乾燥箱中的氣壓維持在133~10_2Pa範圍內，將乾燥箱中的溫度設定為190°C。在該氣壓和溫度條件下，加熱9小時後，各層PSU聚合物薄膜便緊密縮合在一起，並且硫系玻璃光纖預製棒與聚合物薄膜之間也是緊密結合的。經過本步縮合處理除去了 PSU薄膜之間以及PSU薄膜與硫系玻璃預製棒之間的氣泡，PSU聚合物和硫系玻璃光纖預製棒縮合為ー個整體。
[0019](6)維持乾燥箱中的真空度不變，逐漸降低乾燥箱的溫度，經6小時後使其降至室溫30°C，此時外部具有PSU聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒已經冷卻固化，PSU薄膜和硫系玻璃光纖預製棒的縮合已經完成。然後解開纏繞在PSU聚合物外面的耐高溫膠帶和生料帶即得具有PSU聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。其結構示意圖見圖1。
[0020]實施例2:
一種在硫系玻璃光纖預製棒的表面形成PES聚合物保護層的製備方法，包括如下步
驟:
(I)將整張PES聚合物薄膜切成多片尺寸為30cmX IOcm的條狀PES薄膜，然後用無水こ醇洗掉其表面的雜質。
[0021](2)將步驟(1)中的條狀PES薄膜放入乾燥箱中，打開真空泵對乾燥箱進行抽真空，待乾燥箱中的真空度達到133~10_2Pa範圍以內吋，將乾燥箱加熱溫度設定為110°C，然後在110°C下保溫23小時以確保經加熱乾燥後可以去除PES聚合物薄膜中的水分。然後將乾燥箱溫度設置為30°C，使乾燥箱中的PES條狀薄膜逐漸冷卻至30°C。
[0022](3)經步驟(2)處理後，將乾燥除水後的PES條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出。
[0023](4)首先把一片條狀PES聚合物薄膜纏繞在Tg (玻璃轉化溫度)為203°C直徑為9mm的硫系玻璃光纖預製棒(直徑為9mm,長度為6cm)上,然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待其外徑卷至28mm時在最外層PES薄膜表面均勻地纏繞ー層生料帶將PES薄膜紮緊然後再用耐高溫膠帶纏繞扎牢以防止在後續加熱過程中PES薄膜鬆開。
[0024](5)將上ー步纏繞了 PES聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒再次放入乾燥箱中，打開真空泵將乾燥箱中的氣壓維持在133~10_2Pa範圍內，將乾燥箱中的溫度設定為218°C。在該氣壓和溫度條件下，加熱10小時後，各層PES聚合物薄膜便緊密縮合在一起，並且硫系玻璃光纖預製棒與聚合物薄膜之間也是緊密結合的。經過本步縮合處理除去了 PES薄膜之間以及PES薄膜與硫系玻璃預製棒之間的氣泡，PES聚合物和硫系玻璃光纖預製棒縮合為ー個整體。
[0025](6)維持乾燥箱中的真空度不變，逐漸降低乾燥箱的溫度，經6小時後使其降至室溫30°C，此時外部具有PES聚 合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒已經冷卻固化，PES薄膜和硫系玻璃光纖預製棒的縮合已經完成。然後解開纏繞在PES聚合物外面的耐高溫膠帶和生料帶即得具有PES聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。其結構示意圖見圖1。
[0026]實施例3:一種在硫系玻璃光纖預製棒的表面形成PPSU聚合物保護層的製備方法，包括如下步
驟:
(I)將整張PPSU聚合物薄膜切成多片尺寸為30cmX IOcm的條狀PPSU薄膜，然後用無水乙醇洗掉其表面的雜質。
[0027](2)將步驟(1)中的條狀PPSU薄膜放入乾燥箱中，打開真空泵對乾燥箱進行抽真空，待乾燥箱中的真空度達到133~10_2Pa範圍以內時，將乾燥箱加熱溫度設定為120°C，然後在120°C下保溫31小時以確保經加熱乾燥後可以去除PPSU聚合物薄膜中的水分。然後將乾燥箱溫度設置為30°C，使乾燥箱中的PPSU條狀薄膜逐漸冷卻至30°C。
[0028](3)經步驟(2)處理後，將乾燥除水後的PPSU條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出。
[0029](4)首先把一片條狀PPSU聚合物薄膜纏繞在Tg (玻璃轉化溫度)為207°C直徑為9mm的硫系玻璃光纖預製棒(直徑為9mm,長度為6cm)上,然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待其外徑卷至28mm時在最外層PPSU薄膜表面均勻地纏繞一層生料帶將PPSU薄膜紮緊然後再用耐高溫膠帶纏繞扎牢以防止在後續加熱過程中PPSU薄膜鬆開。
[0030](5)將上一步纏繞了 PPSU聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒再次放入乾燥箱中，打開真空泵將乾燥箱中的氣壓維持在133~10_2Pa範圍內，將乾燥箱中的溫度設定為222°C。在該氣壓和溫度條件下，加熱11小時後，各層PPSU聚合物薄膜便緊密縮合在一起，並且硫系玻璃光纖預製棒與聚合物薄膜之間也是緊密結合的。經過本步縮合處理除去了 PPSU薄膜之間以及PPSU薄膜與硫系玻璃預製棒之間的氣泡，PPSU聚合物和硫系玻璃光纖預製棒縮合為一個整體。
[0031](6)維持乾燥箱中的真空度不變，逐漸降低乾燥箱的溫度，經6小時後使其降至室溫30°C，此時外部具有PPSU`聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒已經冷卻固化，PPSU薄膜和硫系玻璃光纖預製棒的縮合已經完成。然後解開纏繞在PPSU聚合物外面的耐高溫膠帶和生料帶即得具有PPSU聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。其結構示意圖見圖1。
[0032]實施例4:
本實施例是一種在硫系玻璃光纖預製棒的表面形成改良型PES聚合物保層的製備方法。該型PES聚合物由美國Thermofil公司生產，牌號K20NF-0100，其熱變形溫度為227°C。本實施例包括如下步驟:
(I)將整張K20NF-0100型PES聚合物薄膜切成多片尺寸為30cmX IOcm的條狀PES薄膜，然後用無水乙醇洗掉其表面的雜質。
[0033](2)將步驟(1)中的條狀改良型PES薄膜放入乾燥箱中，打開真空泵對乾燥箱進行抽真空，待乾燥箱中的真空度達到133~10_2Pa範圍以內時，將乾燥箱加熱溫度設定為130°C，然後在130°C下保溫36小時以確保經加熱乾燥後可以去除改良型PES聚合物薄膜中的水分。然後將乾燥箱溫度設置為30°C，使乾燥箱中的改良型PES條狀薄膜逐漸冷卻至30。。。
[0034](3)經步驟(2)處理後，將乾燥除水後的改良型PES條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出。
[0035](4)首先把一片條狀改良型PES聚合物薄膜纏繞在Tg (玻璃轉化溫度)為227°C直徑為9mm的硫系玻璃光纖預製棒(直徑為9mm,長度為6cm)上,然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待其外徑卷至28mm時在最外層改良型PES薄膜表面均勻地纏繞一層生料帶將改良型PES薄膜紮緊然後再用耐高溫膠帶纏繞扎牢以防止在後續加熱過程中改良型PES薄膜鬆開。
[0036](5)將上一步纏繞了改良型PES聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒再次放入乾燥箱中，打開真空泵將乾燥箱中的氣壓維持在133~10_2Pa範圍內，將乾燥箱中的溫度設定為242°C。在該氣壓和溫度條件下，加熱12小時後，各層改良型PES聚合物薄膜便緊密縮合在一起，並且硫系玻璃光纖預製棒與聚合物薄膜之間也是緊密結合的。經過本步縮合處理除去了改良型PES薄膜之間以及改良型PES薄膜與硫系玻璃預製棒之間的氣泡，改良型PES聚合物和硫系玻璃光纖預製棒縮合為一個整體。
[0037](6)維持乾燥箱中的真空度不變，逐漸降低乾燥箱的溫度，經6小時後使其降至室溫30°C，此時外部具有改良型PES聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒已經冷卻固化，改良型PES薄膜和硫系玻璃光纖預製棒的縮合已經完成。然後解開纏繞在改良型PES聚合物外面的耐高溫膠帶和生料帶即得具有改良型PES聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。其結構示意圖見圖1。`
【權利要求】
1.一種在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，其特徵在於，包括如下步驟: .1)準備好一根所需尺寸的硫系玻璃光纖預製棒和一整張熱塑性聚合物薄膜； .2)將上述熱塑性聚合物薄膜切成多片寬度大於硫系玻璃光纖預製棒長度的條狀聚合物薄膜，然後用無水乙醇進行清洗以去除薄膜表面的雜質； . 3)將上述經清洗後的多片條狀聚合物薄膜放入乾燥箱中，在真空度為0.01-133ΡΒ的條件下經加熱乾燥去除水分； .4)將乾燥除水後的條狀聚合物薄膜從乾燥箱中取出； .5)先把一片聚合物薄膜纏繞在硫系玻璃光纖預製棒上，然後不斷添加並纏繞條狀聚合物薄膜，待硫系玻璃光纖預製棒外表面的聚合物薄膜達到所需厚度時，先在聚合物薄膜外表面緊密纏繞一層生料帶，然後再用耐高溫膠帶扎牢以防止薄膜鬆開； .6)將上述纏繞了聚合物薄膜的硫系玻璃光纖預製棒放入乾燥箱中，在真空度為:0.01-133ΡΒ的條件下，通過加熱使各層聚合物薄膜和硫系玻璃光纖預製棒緊密縮合在一起，經過本步加熱縮合處理，在除去了聚合物薄膜之間以及聚合物薄膜與硫系玻璃光纖預製棒之間的空氣的同時，將各層聚合物薄膜和硫系玻璃光纖預製棒縮合為一個整體； .7)在真空度為0.01-133ΡΒ的條件下，將乾燥箱內部的溫度逐漸降低至室溫，使硫系玻璃光纖預製棒外表面的聚合物冷卻固化，即得到表面具有熱塑性聚合物保護層的硫系玻璃光纖預製棒。
2.如權利要求1所述的在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，其特徵在於:步驟3)中的加熱溫度為80-l30°C，加熱時間為12~36h ;步驟6)中的加熱溫度比所述的熱塑性聚合物的熱變形溫度高0-30°C，加熱時間為8~12h。
3.如權利要求1或2所述的在硫系玻璃光纖預製棒表面形成聚合物保護層的方法，其特徵在於:步驟6)中的加熱溫度為130-300°C。
【文檔編號】C03C23/00GK103496857SQ201310436550
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】王訓四, 姜晨, 徐會娟, 朱敏鳴, 張培全, 戴世勳, 沈祥, 聶秋華, 徐鐵峰 申請人:寧波大學