CN103193398A - 一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，包括如下步骤：将合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积制芯棒、芯棒延伸、外气相工艺外包沉积得预制棒、预制棒拉丝、聚酰亚胺涂覆、烘干固化、成型，所述预制棒拉丝步骤中直接进行所述聚酰亚胺涂覆和所述烘干固化操作。本发明操作简单、可以直接对预制棒一次高速拉丝成型且拉制成耐高温的光纤，无需购买聚酰亚胺光纤涂覆机、树脂光纤剥离机等设备，便可在高速拉丝机上拉丝、涂覆、固化一体化进行长距离涂覆并定型，减少了工艺制备的繁琐步骤，节省了大量的处理程序和时间，提高了耐温光纤生产效益。

Description

一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法

技术领域

本发明涉及耐高温光纤生产的技术领域，尤其涉及一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法。

背景技术

光敏光纤具有紫外光敏性，是刻写紫外光纤光栅的主要原料之一，应用于光纤激光器、光纤放大增益平坦器、脉冲压缩、光纤光栅传感器、波分复用/解复用器等。光敏光纤主要分两大类：高掺锗型和硼锗共掺型。对于硼锗共掺型，由于硼加入到光纤的芯层能很大的增加光纤的光敏性，所以这种光纤能够提供高性能的光敏光纤，但硼的掺入使得光纤的衰减性能变差。普通的高掺锗型光敏光纤虽能改变较大的模场和小的衰减，但不能在高温、矿井、油井测试等恶劣环境中使用，在100℃左右的环境下就很难保证光学性能的稳定及正常数据采集。为了克服传统高掺锗型和硼锗共掺型光敏光纤的缺陷，一种新型的高掺锗耐高温光纤应用而生，高掺锗耐高温光纤作为耐高温光纤的一种，同其他耐高温光纤一样被广泛应用于本行业，在原有的两种光敏光纤类型都不能满足的情况下，结合了上述的两种类型的不足，并能进行规模化的批量生产。

耐高温光纤结合了普通光纤不能在高温下稳定工作的缺陷，弥补了在许多油井探测等恶劣环境下无法传输数据的可能。目前已有的耐高温光纤基本是采用拉丝成型的普通光纤，利用光纤树脂剥离机剥离原有涂覆层后，在特定的涂覆机上再次对其进行聚酰亚胺涂覆固化烘干，光纤不能长距离的涂覆烘干固化；并且在涂覆时容易将原有的光纤折断，制作繁琐，效益低下；制备出来的光纤刻写光栅时会因再次高温、退火等因素造成光栅反射率下降，因为在刻写耐高温布拉格光栅时，需要先剥离原有的丙烯酸树脂，然后在剥离后的裸光纤上进行短距离聚酰亚胺涂覆，涂覆过程中需要对涂覆的聚酰亚胺固化，烘干。这个固化、烘干过程是需要在高温下才能完成的，而经过高温的作业都需要有退火步骤，不然应力过大，易损坏产品，退火是减小玻璃制品应力的一种方法。

中国专利CN200910273262.4公布了一种耐高温光纤的制造方法，将清洗干燥后的光纤预制棒在拉丝装置上拉制成纤，包括预制棒熔融抽丝，表面涂层处理，收绕；该发明专利的技术要点在于所述的表面涂层处理为聚酰亚胺涂层处理，包括预涂覆、预固化、二次涂覆；所述的熔融拉丝是通过预制棒进料机构将预制棒送入高温电熔炉中加热，预制棒给送速度范围控制在0.03～15mm/min;高温炉工作的温度控制范围是1700～2400℃，预制棒的一端在高温区熔融之后在重力和表面张力的作用下形成一个熔锥，锥体尖端经拉制机构牵引延长成为光纤；拉制速度的范围控制在2～20m/min。该专利方法制备的耐高温光纤能够满足高温环境下光纤传输的可靠性要求，但是该专利的方法需要二次涂覆，且固化时间长，制备工序复杂,导致速度缓慢，生产效益低下。

发明内容

本发明提供一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其操作简单、可以直接对预制棒一次高速拉丝成型且拉制成耐高温的光纤，无需购买聚酰亚胺光纤涂覆机、树脂光纤剥离机等设备，便可在高速拉丝机上拉丝、涂覆、烘干固化一体化进行长距离涂覆并定型，减少了工艺制备的繁琐步骤，节省了大量的处理程序和时间，提高了耐温光纤生产效益。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是，提供一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，包括如下步骤:

将合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积制芯棒、芯棒延伸、外气相工艺外包沉积得预制棒、预制棒拉丝、聚酰亚胺涂覆、烘干固化、成型，其特征在于，所述预制棒拉丝步骤中直接进行所述聚酰亚胺涂覆和所述烘干固化操作。

优选的，所述预制棒拉丝步骤用于拉丝的拉丝设备内部设有密封的不锈钢罐体，所述不锈钢罐体中装有涂覆材料，所述涂覆材料的组成包括：活性光敏性聚酰亚胺低聚物、N-对甲基苯马来酰亚胺、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸六氟丁酯、烷基苯酚，将涂覆材料预热成稀释液态，光纤预制棒被馈送系统送进高于2000℃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稀释液态,借助压力压出稀释液体对预制棒拉丝得到的裸光纤两层进行涂覆，得涂覆层，并利用拉丝设备中的紫外光灯管对涂覆后的光纤进行烘干固化，具体是作为反应型光引发剂的N-对甲基苯马来酰亚胺、热稳定剂的烷基苯酚这两种组分，致使拉丝的光纤在涂覆后由于光的作用下迅速干固，因为光的照射也可以达到烘干效果，从而使预制棒拉丝过程与聚酰亚胺涂覆和烘干固化同步进行。

优选的，所述涂覆材料的粘度为5000～5500mPa.s。所述聚酰亚胺涂覆和烘干固化步骤过后的光纤直径是在245±10um。

优选的，所述预制棒拉丝步骤的拉丝速度为800-1200m/min。为对应拉丝速度，烘干固化与拉丝同步，相应快，是目前耐高温制造工艺无法比拟的。

聚酰亚胺涂覆后可以快速光固化，一般耐高温光纤固化为加热炉固化，且固化慢时间长。

优选的，所述合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行掺锗沉积制芯棒的具体步骤如下：

内包层沉积，沉积温度为1900～2000℃，总气体流量控制在5000～7000mls，内包层厚度为10～15mm,折射率为1.4570～1.4575；

下陷层沉积，沉积温度为1800～1950℃，总体气流量控制在3000～6000mls，掺入200～300mls的氟，下陷层厚度为4～8mm，折射率为1.4500～1.4550；

芯层掺锗沉积，沉积温度为2000～2100℃，芯层厚度为1.65～2.0mm，折射率为1.4840～1.4920，锗利用隔物加热原理对其汽化，在反应气体四氯化硅和高纯氧气中通入四氯化锗，将锗引入到衬管内；锗改变其光纤波导光敏性，在氢氧焰的高温下或者等离子的作用下，使衬管内的反应气体经过热泳效益，热引迁移的作用下在衬管内壁沉积形成玻璃，上述锗的掺含量根据四氯化硅与四氯化锗的反应效益来定。

熔缩成实心芯棒，熔缩温度控制在2000度以上，管内熔缩压力平均每步熔缩压力下降0.1mbar，由1mbar逐渐减至到0.4mbar，用于防止管材熔缩时因为管内压力过快变小没有压力支撑而缩扁管材。因为熔融的管材要靠内部压力支撑，才能保证最后产品的圆度。

优选的，所述合成石英衬管，外径为30mm～40mm，壁厚为2mm～3.5mm。

优选的，所述合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积时，管内气压控制在1～3mbar，以防止管材在长期的高温下变形。

优选的，所述熔缩成实心芯棒时采用补锗来防止中心凹陷和中心区域由于掺杂材料挥发而导致的折射率分布偏离现象，所述补锗的具体操作为：在缩管熔缩过程中步骤有7-8趟的往返，在这往返的过程中，有气体在管内通过（通过的气体同时起到稳压作用，确保熔缩过程中不会出现管材扁，另外还保证正压，保证正压的目的，是防止产品的衰减超标），而通过的气体是高纯的氧气，这个补锗过程中就利用高纯氧气载带四氯化锗在熔缩的管材内壁进行反应，每步的补锗量都不一样。

优选的，所述实心芯棒进行芯棒延伸，延伸后的芯棒直径差值≦0.25mm，弯曲度≦0.01mm。

优选的，所述外气相工艺外包沉积所得预制棒的直径为60～180mm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、本发明所生产的光纤能在300至400度的温度环境下长时间使用，刻写的耐高温布拉格光栅光学性能、抗张强度，动态疲劳特性稳定。

二、本发明的生产工艺简单、生产成本低：利用通过石英玻璃衬管制取芯棒，芯棒制取预制棒，在拉丝速度为800-1200m/min的高速拉丝过程中将预制棒拉出的光纤丝进行同时在线聚酰亚胺涂覆和快速光固化一次性完成，减少循环涂覆和加热炉固化缓慢的工序，可以广泛适用于一切耐温光纤的生产领域。

三、可以长距离涂覆,刻写耐高温布拉格光栅反射率高,不容易折断，因为传统的聚酰亚胺涂覆是用已经成型的光纤，在树脂剥离机上对原有的树脂剥离，再单独用聚酰亚胺涂覆机进行涂覆，光纤容易折断，本申请直接拉丝过程中涂覆耐温涂料，避免后续繁琐的操作，进而使拉丝的裸光纤直接涂覆成耐高温光纤。

附图说明

图1为一次高速拉丝成型耐高温光纤制备方法的流程示意图；

图2为一次高速拉丝成型的耐高温光纤制备方法使用的部分装置示意图；

图3为一次高速拉丝成型的高掺锗耐高温光纤刻写的布拉格光栅透射图谱；

图4为一次高速拉丝成型的高掺锗耐高温光纤刻写的布拉格光栅反射图谱。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，利用预制棒一次高速拉丝成型耐高温光纤制备方法，具体步骤为：

S101,将合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积制芯棒。此过程包括：

内包层沉积，沉积温度为1900～2000℃，总气体流量控制在5000～7000mls，内包层厚度为10～15mm,折射率为1.4570～1.4575；

下陷层沉积，沉积温度为1800～1950℃，总体气流量控制在3000～6000mls，掺入200～300mls的氟，下陷层厚度为4～8mm，折射率为1.4500～1.4550；

芯层掺锗沉积，沉积温度为2000～2100℃，芯层厚度为1.65～2.0mm，折射率为1.4840～1.4920，锗利用隔物加热原理对其汽化，在反应气体四氯化硅和高纯氧气中，通入气体将高量的四氯化锗引入到衬管内；高量的锗改变其光纤波导光敏性，在氢氧焰的高温下或者等离子的作用下，使衬管内的反应气体经过热泳效益，热引迁移的作用下在衬管内壁沉积形成玻璃。

熔缩成实心芯棒，熔缩温度控制在2000度以上，管内熔缩压力平均每步熔缩压力下降0.1mbar，由1mbar逐渐减到0.4mbar，目的是防止管材熔缩时因为管内压力过快变小而缩扁管材。因为熔融的管材要靠内部压力支撑，才能保证最后产品的圆度。

S102,芯棒延伸。将熔缩后实心芯棒进行纵向延伸，从而便于制作大棒化，节约生产成本。

S103,外气相工艺外包沉积得预制棒。通过气相外包工艺沉积，将芯棒棒做大，做大后得到大型预制棒用于拉丝。

S104,预制棒拉丝、聚酰亚胺涂覆、烘干固化。

用于预制棒拉丝的拉丝设备内部设有密封的不锈钢罐体，所述不锈钢罐体中装有涂覆材料，所述涂覆材料的组成包括：活性光敏性聚酰亚胺低聚物、N-对甲基苯马来酰亚胺、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸六氟丁酯、烷基苯酚，将涂覆材料预热成稀释液态，光纤预制棒被馈送系统送进高于2000℃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稀释液态,借助压力压出稀释液体对预制棒拉丝得到的裸光纤两层进行涂覆，得涂覆层，并利用拉丝设备中的紫外光灯管对涂覆后的光纤进行烘干固化，具体是作为反应型光引发剂的N-对甲基苯马来酰亚胺、热稳定剂的烷基苯酚这两种组分成分，致使高速拉丝的光纤在涂覆后由于光的作用下迅速干固，从而使预制棒拉丝过程与聚酰亚胺涂覆和快速固化同步进行。

S105,成型并用收线盘装线,将涂覆后固化的光纤进行定型，定型之后通过收线盘进行封装，便于储存和销售。

聚酰亚胺涂覆和烘干固化步骤过后的光纤直径是在245±10um，本发明所制取的一次高速拉丝成型的高掺锗耐高温光纤的具体参数见表1：

表1：一次高速拉丝成型的高掺锗耐高温光纤的具体参数

工作波长（nm)	1550
		截止波长（nm)	1320～1520
模场直径（um）	4.2±0.5
		衰值（bd/km）	≦0.5
数值孔径	0.3±0.02
		PMD	≦2
包层直径（um）	125±1.5
		涂覆层直径（um）	245±10
芯/包同心度（um）	≦0.5
		涂覆层/包层同心度（um）	≦5
工作温度范围（℃）	-65～+400
		短期弯曲半径（um）	≧12
长期弯曲半径（mm）	≧25

如图2所示，本发明预制棒拉丝过程与聚酰亚胺涂覆和快速烘干固化同步进行时使用的具体产品为预制棒1，所述预制棒1被送入高于2000℃的高温熔炉2加热将预制棒1软化，软化以细丝的形式从高温熔炉2下部出口拉出，拉出后通过冷却系统3进行冷却。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，将冷却之后通过喷头4进行涂覆，涂覆材料装于不锈钢罐体6中，所述不锈钢罐体6装有活性光敏性聚酰亚胺低聚物、N-对甲基苯马来酰亚胺、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸六氟丁酯、烷基苯酚组成的混合液体，所述不锈钢罐体6设有通气管5，借助压力压出不锈钢罐体6中的液体对预制棒拉丝得到的裸光纤进行涂覆，得涂覆层。本发明中所提及的涂覆均包括喷涂和浸涂，因为所述喷头下方设有一个涂覆的模具，所述喷头洒下的原料直接被二次浸凃的模具所搜集。模具收集的原料同时对一次涂覆可能影响不均匀的光纤再次浸涂，以保证涂覆的均匀性。模具收集的另一部分会经过气压回收到另一个罐，以保证原料不被浪费。

利用拉丝设备中的紫外光灯管7、71对涂覆后的光纤进行快速烘干固化，具体是作为反应型光引发剂的N-对甲基苯马来酰亚胺、热稳定剂的烷基苯酚这两种组分成分，致使高速拉丝的光纤在涂覆后由于光的作用下迅速干固，从而使预制棒拉丝过程与聚酰亚胺涂覆和烘干固化同步进行。所述烘干固化的光纤在导向轮8与牵引轮9；牵引轮9与牵引轮92；牵引轮91和牵引轮93之间成斜度角，牵引轮91和牵引轮92采用立式设置，目的是防止往返的牵引拉力过大，影响断纤以及影响涂覆层。所述牵引轮93连接收线盘，将烘干固化并成型的光纤装入收线盘10。

从图3和图4可以看出，利用本发明一次高速拉丝成型的高掺锗耐高温光纤刻写的光纤布拉格光栅符合耐高温领域的标准。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，包括如下步骤:将合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积制芯棒、芯棒延伸、外气相工艺外包沉积得预制棒、预制棒拉丝、聚酰亚胺涂覆、烘干固化、成型，其特征在于，所述预制棒拉丝步骤中直接进行所述聚酰亚胺涂覆和所述烘干固化操作。

2.根据权利要求1所述的一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述预制棒拉丝步骤用于拉丝的拉丝设备内部设有密封的不锈钢罐体，所述不锈钢罐体中装有涂覆材料，所述涂覆材料的组成包括：活性光敏性聚酰亚胺低聚物、N-对甲基苯马来酰亚胺、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸六氟丁酯、烷基苯酚，将涂覆材料预热成稀释液态，光纤预制棒被馈送系统送进高于2000℃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稀释液态,借助压力压出稀释液体对预制棒拉丝得到的裸光纤两层进行涂覆，得涂覆层，并利用拉丝设备中的紫外光灯管对涂覆后的光纤进行烘干固化，具体是作为反应型光引发剂的N-对甲基苯马来酰亚胺、热稳定剂的烷基苯酚这两种组分，致使预制棒拉丝的光纤在涂覆后由于光的作用下迅速干固，从而使预制棒拉丝过程与聚酰亚胺涂覆和烘干固化同步进行。

3.根据权利要求2所述的一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述涂覆材料的粘度为5000～5500mPa.s。

4.根据权利要求2所述的一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述预制棒拉丝步骤的拉丝速度为800-1200m/min。

5.根据权利要求1所述的一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积制芯棒的具体步骤如下：

内包层沉积，沉积温度为1900～2000℃，总气体流量控制在5000～7000mls，内包层厚度为10～15mm,折射率为1.4570～1.4575；

下陷层沉积，沉积温度为1800～1950℃，总体气流量控制在3000～6000mls，掺入200～300mls的氟，下陷层厚度为4～8mm，折射率为1.4500～1.4550；

芯层掺锗沉积，沉积温度为2000～2100℃，芯层厚度为1.65～2.0mm，折射率为1.4840～1.4920，锗利用隔物加热原理对其汽化，在反应气体四氯化硅和高纯氧气中通入四氯化锗，将锗引入到衬管内；锗改变其光纤波导光敏性，在氢氧焰的高温下或者等离子的作用下，使衬管内的反应气体经过热泳效益，热引迁移的作用下在衬管内壁沉积形成玻璃；

熔缩成实心芯棒，熔缩温度控制在2000度以上，管内熔缩压力平均每步熔缩压力下降0.1mbar，由1mbar逐渐减到0.4mbar，用于防止管材熔缩时因为管内压力过快变小而没有压力支撑致使缩扁管材。

6.根据权利要求1至5任一项所述一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述合成石英衬管，外径为30mm～40mm，壁厚为2mm～3.5mm。

7.根据权利要求6所述一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述合成石英玻璃衬管用管内气相工艺进行沉积时，管内气压控制在1～3mbar，以防止管材在长期的高温下变形。

8.根据权利要求7所述一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述熔缩成实心芯棒时采用补锗来防止中心凹陷和中心区域由于掺杂材料挥发而导致的折射率分布偏离现象。

9.根据权利要求8所述的制备一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，所述实心芯棒进行芯棒延伸，延伸后的芯棒直径差值≦0.25mm，弯曲度≦0.01mm。

10.根据权利要求9所述的制备一次高速拉丝成型耐高温光纤的制备方法，其特征在于，外气相工艺外包沉积所得预制棒的直径为60～180mm，聚酰亚胺涂覆和烘干固化步骤过后的光纤直径是在245±10um。

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