CN1015444B - 纤维的涂层设备 - Google Patents

Abstract

纤维的涂层设备，尤其是光学纤维的涂层设备，包括具有压力室(61)的壳体(31)，该压力室与供给涂层材料液的联结件(63)相联接。经过管状导向元件(55)中的导向管(59)，横过压力室(61)而涂敷纤维，并且经过漏嘴(40)中的出孔(41)离开装置(11)。管状导向元件(55)由弹性可变形的材料制造。借助于二个轴(79)，由于管状导向件(55)的末端可被调节，因此，涂层与纤维是同心的，能得到涂层与纤维同轴的定位。

Description

本发明涉及到纤维的涂层设备，该设备包括内有压力室的壳体，有出孔的漏嘴，封闭件。该封闭件闭合压力室上部并包括带有输送机控制待涂敷纤维入孔的导向管，在壳体壁中有用于供涂层材料液的供料孔，以及壳体侧壁上的溢流孔。

为了防止机械损伤，绝缘，编码目的和其它应用，人们经常将纤维涂层。因此，例如，用于光通信的玻璃纤维，应该从坩埚或者予制件拉制成纤维之后，立刻涂敷防护涂层。因为玻璃是一种脆性材料，纤维的强度和机械强度，归根结底主要取决于纤维表面的质量。在纤维表面不允许存在刮伤，发丝裂纹和灰尘。为了得到表面完美无缺的纤维，必须精心选择控制炉或者坩埚的温度和气体条件。为了使得到的纤维保持理想的表面，必须用防护层涂敷该纤维。这些涂敷工艺，必须在纤维以这种或那种方式与某些物体接触之前，在连续工艺中进行。使涂敷之前的纤维处在无尘条件是很重要的。涂层材料，主要是聚合的合成材料，以液体状态涂敷，接着就热固化或者用紫外线光固化。涂层可以由一层合成材料或者二层防护层组成;在双层涂层的情况下，可以涂敷二层合成材料，或者第一层为比较软的材料，如硅橡胶或者热熔石腊，而第二层可以用合成材料涂敷。在常用的直径为125微米的标准玻璃纤维上的涂层的厚度一般为2.5微米至60微米范围之内。大体上，使纤维经过装满涂层料液的容器，并用经过漏嘴的出孔控制的方法涂敷玻璃纤维的涂层。所涂敷的涂层应与纤维同心或者同轴。换句话说：沿着纤维的周围观察，涂层的厚度应该是恒等的。具有不同心涂层的纤维，在冷却或加温过程中，会受到不对称的力的影响。这些不对称的力是由于纤维材料和涂层材料的膨胀系数不同而引起的，而且会导致纤维光学性能的不良变化。并且不能保护上述纤维的部分圆周。纤维和涂层的同心度，可通过控制装置连续测量。同心度的误差，必须校准或消除。

另外的涂敷有防护涂层的纤维例子是铜绕阻线。通常用的绕阻线的直径在20微米至1250微米之内。这些线涂敷的是由漆膜组成的绝缘涂层，其厚度从4微米（对直径20微米的铜线）。至60微米（对直径为1250微米的铜线）。对比较薄的涂层的纤维类而言，是绝对需要同心涂层的。

美国专利公报（US-PS）4374，161描述了一种光学纤维的涂层设备，该设备包括在x和y方向设备的精密校准器，以便消除纤维和涂层的相对同心位置的任何偏差并使纤维和涂层彼此之间对准中心。定心的方法，也就是说，是通过整个单元的调 整，需要比较大的位移，约为几个毫米，并且对漏嘴的出孔的形状采用严格的条件;后者对纤维起同心作用;当出口孔的尺寸稍有变化的时候，例如由于磨损，这种方法就不再起作用。涂层设备构成拉制设备的一部分并要这样安装：使设备的中心线和拉制设备的中心线相重合。而现在把整个壳体沿着x-y方向移动的时候，设备和拉丝装置的中心线不再重合，因此，纤维也同样被移至拉丝装置中心线之外。

在靠近涂层装置的拉制设备的单元，即固化装置中，必须要考虑到这类可能的位移。这些设备的入孔大小应当是使纤维即使不再延伸到控制设备的中心线的时候，也不应该碰到孔口。固化设备的入孔大是有缺点的，即容易进入氧气，因此不利于快速固化工艺。

况且，由于纤维未能沿着固化设备的中心线而行，没有径向匀称地加热，因此，在纤维上出现涂层材料液的迁移，使同心涂敷的涂层，最后成为非同心涂层（Marangoni效应）。

如果拉制设备的邻接单元为第二个涂层装置，这时纤维施行双层涂层的情况是这样的，在一个涂层装置x-y位移之后，另一个涂层装置也应在x-y方向调整。

在开始所提及的设备，从美国专利公报4，409，263中已经知道，在这些设备中克服了前面提到的缺点;为了这个目的，设备上配备了二个漏嘴，而每个漏嘴都具有束狭的孔，在压力条件下供给涂层材料，使涂敷的纤维在二个漏嘴中定心。但是这类设备不能调整和消除任何非同心的纤维。

本发明为了这个目的，提供一种纤维涂层设备，使用本设备，纤维和涂层的相对共轴的偏差可以简单地并重复地校准和消除。

根据本发明，这个目的主要是由在管状导向元件中配备一个导向管来达到的，该管状导向元件固定在封闭件上，并且至少其自由端在径向是可以调整的。

只要通过管状导向元件的自由端的调整，就能够使涂层和纤维彼此之间对准中心。一方面能够真正消除纤维和涂层的同心度的偏差，而另一方面可以不调整整个壳体。漏嘴出孔的中心线与拉制装置的中心线仍然相吻合，因此纤维继续沿着拉制装置的中心线而行。固化装置的入孔可以有最小尺寸而没有与纤维接触的危险，从固化装置的脱氧考虑，细的入孔是有利的，因为脱氧对快速固化工艺是必要的。实际上已经发现管状导向元件末端的最小位移，即约为0.5毫米的位移，就足以补偿纤维和涂层同心度上所出现的偏差。

涂敷的纤维沿着固化装置的中心线而行，因此，使涂层和纤维在径向对称地受热。如果拉制装置包括用于纤维的双层涂层的两个涂层设备，那么调整一个涂层设备，另一个涂层设备就自然不需要再调整。

应该注意到美国专利公报4，116，654，描述了一个配有可调整的刚性导向管的光学纤维的涂层装置，经调整该导向管可得到厚度均匀的涂层。因为在调整过程中入孔和出孔二者均由导向管位移，所以在这种情况下也同样存在纤维和/或出孔位于拉制设备中心线之外的危险。

由于根据本发明设备的较好的实施方案中，限制了导向管的入口孔，在涂敷纤维的工艺过程中在该入孔处对纤维发生了同心效果，因此，调整时便于正确定位。

按照本发明设备的另一个较好的实施方案中，管状导向元件由弹性可变形的材料制造。由于这些办法，只通过管状导向件的稍微弹性变形或者弯曲，就能进行所要求的调整。这种结构不易磨损而且没有空隙。

应该注意到美国专利4，370，355揭示的光导纤维涂层装置，该装置包括由比较柔软的材料制造，并配有一个确定涂敷纤维直径的出口。通过可变光阑，使涂模径向稍微变形和压缩，就可以改变涂敷纤维的直径。这就克服了沿着纤维轴向的涂层模的弯曲。尽管按照本发明设备中的管状导向件不在径向压缩，可以用弯曲的方式进行变形。

按照本发明设备的再一个较好的实施方案，其特征在于管状导向元件是由聚四氟乙烯制造的。这种材料耐磨，能够容易机加工，并且不被涂层材料润湿，则适合于纤维的同心无气泡涂层。

管状导向件可用已知的常规调节装置进行调整，主要包括三个调节螺丝，这些螺丝均匀地分布在管状导向件的周围，并与导向件的自由端相结合。

然而，按照本发明设备的再一个较好的实施方案可得到更简单的调节，那就是在管状导向件的自 由端上配备一个带有两上导向槽的调节板，将二个导向槽相互垂直安排，并与两个圆盘形的元件相结合，该圆盘形的元件安放在二个互相垂直的配置的轴端部，并通过连通壳体的螺丝可以进行调整。由于这些结构装置，二个调整元件就已足够，即二个轴。因此，与包括三个调整件的常规的调节装置相比，能够更迅速、更精确地进行准确的调整。

本发明设备的又一个更好的实施方案，由于漏嘴通过一个细的出口管与压力室连接，当纤维穿过出口管时，在纤维上产生定心作用，因此，整个的定心过程是移定的。

按照本发明设备的另一个实施方案，其特征在于壳体有一个环绕面向出口孔压力室部分的循环室。调整循环室内流水的温度，可以直接和快速影响压力室内存在的涂层材料的温度和粘度，使涂敷的涂层厚度保持恒定。

实验指出，用本发明设备的方法，可以重复提供误差小的同心涂层。也就是说，涂敷纤维的长度可达几千米，速度高达700米/分。在有任何偏差发生时，纤维和涂层的同心度都能通过适当调整管状的导向元件而恢复。

正如已述的，同心涂层对光学玻璃纤维和铜绕组线特别重要。当然，本发明的设备在用于不同成份的涂层纤维中也具有同样的优点，例如，合成材料纤维，碳纤维，普通金属纤维等等。

下面参照附图进一步充分说明本发明。在附图中：

图1表示拉制光学纤维设备的示意图;

图2为按照本发明的纤维涂层设备的纵剖面图;图3表示设备沿图2中的Ⅲ-Ⅲ线取的剖面图;

图4表示供给气体和涂层材料的调整装置的示意图;

图5表示按照本发明方法涂敷的光学纤维放大照片，其比例为200∶1。

将参照涂敷光学纤维的实施情况说明本发明。为此，利用示意图1中给出的已知设备1，该设备包括予制件P的支架3，拉制炉5，测量纤维直径的测量装置7，冷却装置9，施行涂敷的涂层装置11，控制纤维和涂层同心度的控制装置13，固化装置15，测量已涂敷纤维直径的测量装置17，测量拉力的拉力计19，以及由卷线盘21具体表示的拉制装置。用紫外光运行的固化设备是经常用于紫外线固化涂层材料。

拉制炉5，测量装置7和17，冷却装置9，控制装置13和固化装置15可以是已知结构的，并不在本发明的范围之内。

由下面的已知方法使用设备1。加热拉制炉5，从予制件P拉制纤维F，通过直径测量装置7调节拉制速度，使纤维F的直径尽可能恒定。在冷却设备9中，将纤维F冷却到能够涂敷合成材料涂层的温度。在涂层装置11中涂敷纤维。在控制装置13中对涂敷的纤维进行控制，控制纤维和涂层的准确的同心度，然后纤维F经过固化涂层的固化装置15。在直径测量装置17中测量涂敷纤维的直径。而拉力计19测量拉力。最终的纤维缠绕在卷盘21上，以保证纤维F输送经过设备1。

图2和图3表示根据本发明涂层装置11的具体实施。装置11是通常所说的在压力下供给涂层材料的封闭式。并为了这个目的，装置包括具有循环室33的壳体31和配有底部35以及封闭件37。通过联接螺丝39，在底部35中安装配有出孔41的漏嘴40，该漏嘴可更换，并且连接外管43。联接件45和47通过循环室33起热水循环的作用。封闭件37包括圆柱壁部分49和在横向的延伸壁部分51，这两部分围成空间50，而封闭件通过联结螺丝53固定在壳体31上。固定在壁51中间的管状元件55是可以替换的，该管状元件还有受限的入孔57和导向管59，横壁51，封闭压力室61。联接件63用于将压力下的涂层材料供给压力室61。出孔65起溢流作用，用来排除任何溢出的涂层材料。提供冲洗气体的另外供给孔67配备在壁部分49。盖子69具有带中心孔道73的隔板71和联接件75，借助于图中没有表示的抽气系统用以强制排出冲洗气体。除了管状元件55和隔板71之外，所有部件都由不锈钢制造。与涂层材料接触的部分都要抛光并做成没有锐边或死角。管状元件55是可弹性地变形的，最好由聚四氟乙烯制造。在入孔57的平面上有调节隔板77，固定在管状元件55上。装二个调节螺丝79相互垂直地装在圆柱壁49中并配有圆盘或轮子81上，与在调节隔板77中的线性导向槽83连接。为了用肉眼观察输入孔57的周围，封闭隔板71由玻璃制造。

图4表示除了涂层装置11之外，为供给涂层 材料和冲洗气体以及循环室33内循环水所需要的装置示意图。参考数字85代表供料槽，槽内贮有加压和一定温度的定量涂层材料。参考数字87表示压力调节装置。涂层材料借助于热水加热到给定温度，而该热水由水恒温器89调节供应。加热涂层材料时也发生排气，因此消除了涂层材料的气泡。参考数字91代表另一个水温控制器，将热水调节供应到循环室33。低动粘滞性冲洗气体在压力下存在于气瓶93中。气体的流速由流量计95测定和调节。图中所示的其他元件已在上面讲过。

为启动涂敷直径为125微米的纤维的所述设备，首先以较低的速度从予制件P拉制纤维，使纤维直径逐渐减小到其直径大约为125微米。此时把纤维F拉断，而且使纤维重新通过涂层设备11和固化设备15，并卷绕在卷盘21上。接着继续进行拉制工艺;操作固化装置15并将涂敷材料C，即，紫外线固化的丙烯酸酯从供料槽85挤压，穿过联结件63到压力室61，此时材料的温度保持在65℃至70℃。通过热循环把循环室33的温度保持45至50℃，而在该温度下涂层材料的动粘滞度为1.3泊.秒（pa.S），从压力室61部分地挤压涂层材料C经过出口管43到漏嘴40中的出孔41;沿着流轨，涂层材料由纤维F吸收。另一部分涂层材料，由压力室61压经导向管59到入孔57。开始当涂层材料输送到涂层装置11的时候，在涂层材料中产生许多气泡。在把纤维拉制速度逐渐增加到最终要求的速度时，就有剩余的涂层材料，而这些剩余的材料经过导向管59，输入孔57、空间50、最后通过溢流孔65排出。因此，冲洗涂层装置11，并且从系统中排除起始状态下所产生的气泡。随着拉制速度的增加，对涂层材料的压力也增加。当达到所需要的拉制速度的时候，把供料槽85中的涂层材料的压力调整到使涂层材料在入孔57中形成一个凸状表面D的这样一个值。由聚四氟乙烯制造的管状元件容易形成这样表面。在以后的加工中这种情况保持稳定不变。在受限的入孔57和导向管59的邻接部分中没有涂层材料的循环，也不形成气泡。已经发现，由于这些措施，在拉制速度达到大约150米/分的时候，就能够对纤维施行无气泡的涂层。

通过进一步的措施，使纤维拉制速度为180米/分以及更高的速度时，也同样可以实现绝对无气泡的涂层，也就是说，通过在输入孔57和球状表面D的周围保持一种具有低于空气动粘滞度低的气体气氛。这种气体由气体供给管67供应，流进空间50，冲洗入孔57和涂层材料凸表面D，并且经过盖69中的中心通道73而离开空间50。经过气体排出口75可以重新排放。

在表中指出某些适用的气体。（表见文后）

在这里，

ν＝在20℃时动粘滞度以10^-6米²/秒表示;

K＝比率， (V气体)/(V空气)

如果使用动粘滞性只有空气15%的气体，即二氯二氟甲烷，则能够使形成无气泡涂层纤维的拉制速度增加3～4倍，速度可达700米/分。

为了使纤维受到径向匀称的影响，即加热，冷却和固化，把拉制设备1的所有部件，准确地沿着公共中心线H-H排列，该中心线与纤维F的中心线是相重合的。就纤维而言，涂层也应该同轴或同心地涂敷。换句话说，沿着纤维周围观察，涂层的厚度应该是恒定的。具有非同心涂层的纤维，在冷却或加热过程中会受到非同心的不对称力。这些不对称的力是由于纤维材料和涂层材料不同的膨胀系数引起的，并会导致纤维光学性质的不良变化。

通过控制装置13，连续测量纤维和涂层的同心位置。按照本发明的设备，可通过简单方法，重调或消除同心度偏差，通过调节螺丝79简单地调节由聚四氟乙烯制成的弹性可变形管状元件55，因此，受限入孔57就可以定心或调整到，使涂层重新同心地位于纤维周围。不需要其他调整或重整。有出孔的漏嘴40的位置保持不变，即，仍然与设备的H-H中心线保持一致并同轴。

图5表示使用按照本发明的设备，在拉制速度为700米/分，并以CCl₂F₂为冲洗气体时涂敷的，直径为125微米、涂层C的厚度为60微米的纤维F的断面放大照片（200倍）。涂层C同心地分布于纤维F，厚度基本上均匀，其偏差为±2微米。结果证明，在过长的纤维，即，超过几千米时，还能重复涂敷。

实验已经证明，适合于拉制速度为700米/分的受限孔的直径为0.9到1.1毫米，长度为2毫米。导向管59的长度为30毫米，直径为2毫 米。供料槽的压力维持在300K_pa（千帕），对原来直径为125微米的纤维要涂层到包括涂层在内的直径为250微米时，要使用出孔的直径为350微米，长度为3毫米的漏嘴40。

涂层的厚度最初由漏嘴40中的出孔41的大小决定，但是涂层的厚度也受到温度和由此也受到压力室61中存在的涂层材料的动粘滞度的影响。已经发现了利用循环室33中的热水循环，准确调节温度，并由此调整了压力室61中存在的涂层材料的动粘滞度，通过这种有效而简单的方法，可以控制涂层材料的厚度。万一涂层的厚度偏离要求的厚度，可重新调整温度，并由此重调压力室61中的涂层材料的动粘滞度，就能重新得到并保持要求的涂层厚度。

所说的控制速度为700米/分，是所用拉制设备可容许的最高拉制速度。鉴于特有的结果和非凡的效果，甚至更高的速度也有可能实现。

所描述的实施中，轴79用手工操作。当然也可以用控制装置13自动操作。同样地，涂层的厚度可用测量装置17自动调整。

气体    ν    K

空气    14.8    1

氩气    12.3    0.83

氙气    3.8    0.26

※CC₁₂F₂2.3 0.15

（※CCl₂F₂＝二氯二氟甲烷）

Claims (10)

1、一种纤维的涂层设备包括：

一具有压力室的壳体，

一带有出孔的漏嘴，

一封闭部件，该封闭件闭合压力室的上边，并且包括带有用于输送和控制待涂敷纤维入孔的即向管，

一在壳体壁中有用于供给涂层材料液的供给孔，以及

一在壳体侧壁中的溢流孔，

其特征在于，在卡紧在封闭件上的管状导向件中配备导向管，并且至少其自由端在径向是可调的。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于导向向管的人孔是受限的。

3、根据权利要求1的设备，其特征在于管状导向件是由弹性可变形材料制造。

4、根据权利要求3的设备，其特征在于管状导向管由聚四氟乙烯制成。

5、根据权利要求1至4的任一项设备，其特征在于管状导向件的自由端上配备一个带有二个导向槽的调节板，二个导向槽互相垂直安排并与两个圆盘形元件相结合，该圆盘形元件安件在二个互相垂直安置的轴端部，并通过壳壁中联接的螺丝可以调节。

6、根据权利要求1中的设备，其特征在于漏嘴借助于细的出口管与压力室连接。

7、根据权利要求1的设备，其特征在于壳体有一个围绕面向出口的压力室部分的循环室。

8、应用权利要求1设备的方法，涂敷涂层的是一种纤维。

9、应用权利要求1设备的方法，涂敷合成材料涂层的是一种光导纤维。

10、应用权利要求1设备的方法，涂敷合成材料涂层的是一种铜纤维。

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