CN1029037C - 带覆层光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的带覆层光纤是通过把能量束固化树脂包覆到拉制好的光纤的外围表面并借助能量束照射来固化树脂从而提供光纤覆层而制成的。该能量束固化树脂在固化前的机械损耗正切Tanδ的峰值温度为25℃或更低。

Description

本发明涉及包括覆层的带层光纤，该覆层是通过把树脂借助能量不（如紫外线）辐射固化到光纤的外围而制成的。本发明还涉及这种光纤的制造方法。更详细地讲，本发明涉及对带覆层光纤的覆层树脂的改进。

使用中的光纤可覆有用于机械保护的树脂，而对于覆层树脂，从生产率的考虑，通常采用能为紫外线等所固化的能量来固化树脂。

图1是显示生产通常的带覆层光纤的装置的示意图。在图1中，为制造带覆层光纤7，用主要由一模具和尖点（point）构成的树脂覆层装置4以能量束固化树脂涂覆拉制好的光纤3，并在固化装置5中对可固化树脂进行固化，从而提供一或多个树脂覆层，并随后用卷取装置8取带有这种覆层的光纤。

图2显示了一例以此例方法制作的带覆层光纤7的剖视图。通常，带覆层光纤有由缓冲层10和保护层11构成的双覆层结构，层10和11通过把能量来固化树脂涂覆并固化到玻璃制的光纤3的外表面分别制成的。

另一方面，近年来，随着光纤生产量的增长，光纤的拉伸（wiredrawing）速度持续提高。因此，迫切需要能在较大的拉伸速度范围内把作为覆层材料的树脂良好而均匀地涂敷到玻璃表面上的技术。

一般，当光纤拉取速度加快时，会发生难于把树脂加到玻璃上的现象，因为在熔化于炉子中的玻璃完全冷却之前来纤就已进入加第一层的模具。

因此，随速度的提高，树脂的覆层直径减小，而且覆层树脂的厚度也因此而随卷取速度变化。为解决这一问题，例如，在日本专利未审公开第55-10470号中，提出了一种方法，其中在玻璃进入模具之前对其强迫冷却以防止树脂涂敷不足，且控制玻璃的温度以把覆层直径控制在所希望的值。

但是，若玻璃真正被冷却并随后受到高速拉取，则第一覆层的覆层直径倾向于大于低速下所获得的值。据信这是由于玻璃的吸力随拉取速度的增加而增大，从而使此低速涂敷时更多的树脂被涂到玻璃上。

结果，为在大范围的卷取速度下保持覆层直径不变，要对玻璃的温度作频繁而细微的调节，这导致了复杂的控制操作。

在研究了上述各种问题之后，本发明者们发现通过测量涂到光纤上的能量来固化树脂在液态下的动态粘弹性特性，并只选择那些其机械损耗正切Tan    δ的峰值温度不超过25℃的树脂并进行拉制， 就可在大的拉制速度范围内在不必对玻璃温度作专门微调的情况下生产出具有不变覆层直径的带覆层光纤。以此方式，本发明者们完成了本发明。

换言之，按本发明，提供了一种通过涂覆能量来固化树脂到拉制好的光纤的外围表面并以能量来辐射固化该树脂而制备的光纤，其特征在于能量来固化树脂在其固化前的损耗正切Tan    δ的峰值温度不大于25℃。光纤可在600m/min或更高的生产速度下得以完好地拉制。能量来固化树脂的粘滞度在25℃下最好为2，000cps-3，000cps。

图1是显示制备一般覆层光纤的装置的略图;

图2是一般光纤的剖视图;

图3是本发明的说明实施例中所用的覆层树脂的温度-损耗正切Tan    δ的装置的略图。

图4是获取Tan    δ的装置的略图。

下面详细描述本发明。

在本发明中，为在大的生产速度范围内（如200m/min或，更好地，600m/min或更高）提供具有稳定覆层直径的覆层光纤，固化前的能量来固化树脂的机械损耗正切Tan    δ的峰值必须不高于25℃。

机械损耗正切Tan    δ是从样品的动态粘弹性得到的，该样品可用诸如如图4所示的振动共轴筒粘滞计仪器进行测量，在该粘滞计中，外筒22发生振动，而检测经弹簧21加到内筒23上的切变应力。 当样品中产生的切变张力ε和切变压力δ被表@示为：

ε＝ε₀exp（iwl）

δ＝δ₀exp（iwt）

时，其中i为虚数单位，ω为角速度，t为时间，样品的复弹性模量G＊（ω）和机械损耗正切Tan    δ由下式给出：

G^＊（ω）＝σ/ε＝G′（ω）+iG″（ω）

Tan    δ＝G″（ω）/G′（ω）

其中G′（ω）为存贮单性模量，G″（ω）为损耗弹性模量。

一种树脂的Tan    δ值不仅随角速度变化，而且也随树脂的温度而剧烈变化。该值的趋向，如同从图3的曲线可看出的那样，构成了在某一温度处有极大值峰的向上凸出的曲线。通常，当Tan    δ的峰值温度高于工作温度时，树脂的性质可接近于弹性体（非牛顿流体）。

作为覆层树脂的能量来固化树脂在其固化前的液态下的Tan    δ的峰值温度越低，覆层直径的变化就越小。若峰值温度为25℃或更低，则在200-1，000m/min的控制速度范围内直径变化可缩小到低于±2μm的低水平。

若采用Tan    δ峰值温度超过25℃的树脂，则覆层外径的变化将增大。这种变化增加阻碍了在大范围的生产速度下稳定地制造带覆层光纤，因而很难高质量地生产带覆层光纤。

应注意本发明的覆层树脂的温度-Tan    δ特性是与树脂成分 无关的不变指标。因此，对于所有用于以诸如图1所示的方法生产的光纤的覆层树脂材料，本发明都是适用的。

树脂的Tan    δ峰值温度可通过改变齐聚物（oligomer）的内聚力和构成树脂构架的链的形状和长度来实现。然后，仅靠理论设计很难精确计算峰值温度值。

另一方面，利用Tsurutarl    Nakagawa所写Iwanami    Zensho出版的“流变学，第二版”（“Rheology，Second    Elition”）第205页所公布的同心双筒法或作为同心双筒法的改进型的锥盘法（coneplute    method），可以很方便地测量Tan    δ。

虽然对用作覆层树脂的能量来固化树脂的粘滞度并无专门限定，但为把覆层树脂的外径控制在预定值，希望树脂的粘滞度为5，000cps或更低，最好为2，000-3，000cps。

例如，若树脂的粘滞度高达6，000cps，则树脂外径变化仍在允许范围之内，但外径的绝对值颂向于比预定值大。

作为包覆光纤的能量来固化树脂，一般，可采用的有能利用诸如紫外线的光、热等方便地固化的树脂。作为例子，这类树脂包括：紫外线固化尿烷（间位）丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮树脂、热固硅酮树脂、紫外线固化环氧（间位）丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮（间位）丙烯酸树脂、紫外线固化酯化（间位）丙烯酸树脂、聚乙二烯氟化树脂，等等。

树脂覆层柯为单层或多层。在两层情况下，其中之一层由较软树 脂材料构成，作为保护光纤表面的保护层（初级覆层），而另一层为较硬树脂材料构成，作为便于使用光纤的缓冲覆层（次级覆层）。

已经公知，能量来固化树脂的成分影响其液态下的流度特性。比如，在Hiroyuki    Ito和其他三人所写的、作为先有信息提交给1988年的第五届光聚合物会议（Fifth    Photopolymer    Conferenle，1988）的题为“光纤高速拉制中的紫外线固化覆层的流变学”（“Rheoloyy    of    a    UV    Ray    Curable    Coating    in    the    Optical    Fiber    Hiyh-Speed    Wiredrawing”）的论文中，得到的结论是，从不同成分的光纤固化前的角速度-Tan    δ特性测量，为抑制裸露光纤在涂覆树脂时的振动，在高角速度区内具有小的Tan    δ值的树脂是有利的。

作为研究光纤拉制速度和覆层直径（即实际涂上的树脂量）之间关系的结果，本发明者发现树脂外径随光纤拉制速度的增加而增加的原因是巴勒斯（Barus）效应。

换言之，当覆层树脂经过模具孔时，若覆层树脂的通过时间短，则分子链未在切变压力下完全松弛，从而以弹性变形方式存贮了部分切变能，结果是在出模具孔树脂的收缩压力得以释放从而造成覆层直径的增加。

巴勒斯效应造成的直径增加随覆层树脂经过模具孔的时间的缩短而增大，因此，拉制速度越高直径越大。

由此，为降低巴勒斯效应的影响，有效的方法是选用弹性特性小的，即Tan    δ峰值温度低的，树脂作包覆光纤的树脂。

在进行了几次上述出发点的重复实验之后，本发明者发现，通过适用其液态下Tan    δ峰值温度为25℃或更低的树脂，可在200-1，000m/min的拉制速度范围内把覆层直径变化控制在±2μm以内。

下面将对本发明的带覆层光纤的一个例子进行说明。但是，本发明的范围并不限于本说明中的例子。

作为用作缓冲覆层10的覆层树脂，采用了表1中所示的五种紫外线固化树脂。用图1所示的光纤制作方法制作了五种如图2所示的带覆层光纤7。

作为参考，在图3中显示了树脂A-C的温度Tan    δ峰值温度和粘滞性值。

这里，Tan    δ峰值温度用Rheology公司制造的MR-3000液体计测量（即采用锥板法）。

保护覆层11都是用具有相同杨氏模量值70kg/mm²的紫外线固化尿烷丙烯酸树脂制作的。

采用了直径为125μm的玻璃，模具的孔的直径的选取使得缓冲覆层10具有195μm的预定外径且保护覆层11有250μm的预定外径。采用了上述的树脂，且拉制速度在200-1，000m/min（米/分）的范围内变化，从而制作出带覆层光纤。在表1中，显示了各带覆层光纤的覆层直径（外径）的测量结果。

从表1可见，当覆层树脂的Tan    δ峰值温度降低时，外径变化减小;若峰值温度降至25℃或更低，直径的变化在200-1，000m/min的拉制速度范围内可减至±2μm或更小的值。

特别地，由于根据本发明制作的带覆层光纤的外径即使在600m/min或更高的拉制速度下仍变化很小，即使在改变拉制速度的情况下，本发明仍可生产高质量的带覆层光纤。

然而，对于具有6，000cps的高粘滞度的树脂E，尽管外径的变化处于允许范围之内，覆层外径的绝对值仍呈现稍高于预定值的倾向。

因此，对于覆层外径的绝对值，为按希望实现覆层外径，树脂的粘滞度应最好在5，000cps或以下。

在上面的例子中，只对缓冲覆层10作了测量。然而，当然地，保护覆层11也会有类似的结果。

另外，在上面的例子中，所用覆层材料为紫外线固化尿烷丙烯酸树脂。然而，当采用其他能量来固化树脂，如紫外线固化硅酮树脂、热因硅酮树脂、紫外线固化环氧丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮丙烯酸树脂等时，也会得到类似的结果。

如上所述，本发明提供了在大范围生产（拉制）速度下具有稳定的覆层直径的带覆层光纤。

Claims (8)

1、带覆层光纤，其特征在于包括：

以拉制方法制成的光纤；

包覆在所述光纤外部的、由借助能量束照射而固化的能量束固化树脂制成的包覆层；

其中所述能量束固化树脂在固化前具有25℃或更低的机械损耗正切Tanδ峰值温度。

2、如权利要求1所述的带覆层光纤，其特征在于所述光纤是以600米/分或更高的拉制速度制成的。

3、如权利要求1所述的带覆层光纤，其特征在于所述能量束固化树脂在25℃温度下的粘滞度在2，000cps至3，000cps的范围内。

4、如权利要求1所述的带覆层光纤，其特征在于所述能量束固化树脂是从紫外线固化尿烷丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮树脂、热固硅酮树脂、紫外线固化环氧丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮丙烯酸树脂、紫外线固化酯化丙烯酸树脂以及聚乙二烯氟化树脂中选出的一种。

5、制作带覆层光纤的方法，其特征在于包括下列步骤：

用拉制法制成光纤;

用能量束固化树脂包覆所述光纤;

借助能量束照射来固化所述能量束固化树脂;

其特征在于采用具有由复弹性模量限定的机械损耗正切Tan  δ峰值的能量束固化树脂，进行所述光纤包覆步骤，该峰值出现在固化前25℃或更低温度上。

6、如权利要求5所述的带覆层光纤生产方法，其特征在于所述光纤是在10米/秒或更高的拉制速度下制成的。

7、如权利要求5所述的带覆层光纤生产方法，其特征在于所述能量束固化树脂在25℃温度下的粘滞度被选在2Pa  s至3Pa  s（2，000cps至3，000cpa）。的范围内。

8、如权利要求5所述的带覆层光纤生产方法，其特征在于所述能量束固化树脂是从紫外线固化尿烷丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮树脂、热固硅酮树脂、紫外线固化环氧丙烯酸树脂、紫外线固化硅酮丙烯酸树脂、紫外线固化酯化丙烯酸树脂以及聚乙二烯氟化树脂中选出的一种。

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