CN103319100B - 一种光纤涂层紫外固化设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤涂层紫外固化设备及方法，所述设备包括有筒状安装基座，在筒状安装基座内腔沿周向和轴向安设UVLED光源模块，在UVLED光源模块发光面前配置柱面聚焦透镜，使得UVLED光源模块发射的紫外光线聚焦于一条固化轴线上。本发明仅使用寿命长、发热量小、能耗低，而且光源布设空间大，使多面UVLED模块的UV光源输出聚焦在固化轴线，形成一段光强很高的UV光柱，光纤从这个UV光柱中通过时吸收UV并得到固化，由于光柱的光强高且光源来自多个方向，使得设备具有更高的固化效率和更好的固化均匀性，从而减少固化时间，提高光纤拉丝的工效和涂层固化质量。

Description

一种光纤涂层紫外固化设备及方法

技术领域

本发明涉及一种对高速拉制光纤的涂覆层进行高效固化的设备及方法，属于光纤制造设备技术领域。

背景技术

光纤外部通常具有一层或数层涂覆层作为其保护层。在典型的光纤拉制工艺过程中，预制棒被熔缩牵引拉制成裸光纤时，需要在线涂覆两层或者两层以上的涂层。通常一个相对柔软的内部涂层防止光纤产生微观弯曲，一个相对坚硬的外部涂层给光纤提供附加的保护和更好的可操作性。这些有机聚合物涂层可以通过加热（热固化）或紫外光照射（UV固化）的方式固化至光纤表面。光纤涂层的紫外线（UV）固化是指利用紫外线引发光纤上液态涂层材料的快速聚合交联，使其瞬时固化成固体材料。紫外线固化需要将涂层曝露于高强度紫外线辐射之中。提高紫外线的强度可以减少固化时间。而减少固化时间是提高光纤拉制线速度从而提升光纤生产效率的重要环节。

目前的光纤拉丝工艺中多采用汞灯（比如高压汞灯和汞氙灯）来生成紫外线辐射。高压汞灯工作时，电流通过高压汞蒸汽，使之电离激发，形成放电管中电子、原子和离子间的碰撞而发光。汞灯的缺点是需要相当大的功率来产生足够强度的紫外线辐射。例如，固化一根单涂覆层光纤（比如聚合涂覆）可能需要总共50kw的功率消耗。汞灯的另外一个缺点是：大量用于点亮汞灯的能量会以热能而不是紫外线的形式发射出去，也就是说汞灯对能量的利用率比较低。同时由于汞灯产生大量的热量，汞灯固化设备需要冷却以防止设备过热。

更进一步说，汞灯产生的电磁辐射谱宽较宽，其中包含波长小于200纳米和大于700纳米的电磁波（比如红外光）。通常，UV放射线中波长在300到400纳米之间的可以用于固化，因此汞灯产生的电磁辐射大部分被浪费。

随着UVLED（紫外线发光二极管）技术的发展，作为UV辐射源，UVLED相比传统汞灯有更高的能效、更长的寿命（无极灯寿命大约8000小时，而UVLED寿命可达3万小时）、更小的发热量、更少的能耗和更环保（不含汞且不产生臭氧）等优点。应用UVLED代替传统的汞灯进行光纤涂覆固化将是很有优势的。与传统汞灯比较，UVLED设备需要的能量显著减少，并相应地产生更少的热量，而且要在光纤涂覆中将具有更高的效率。

公开号为“102336530A”的发明专利“采用成角度的UVLED的固化设备”中公布了一种用于固化光纤涂层的装置，其基本形式是：固化设备将有一个近似椭圆柱体的内腔，且内表面具有反射性；将UVLED光源放置于（或聚焦于）椭圆柱腔体的一条焦点线上，并使带有涂料的光纤固化时通过另一条焦点线；根据椭圆的光学特性，从UVLED发出的UV射线经椭圆内腔反射后汇交于光纤上。这种方式沿用了传统的汞灯固化设备的聚光方式，但是汞灯灯管为360度方向发光，而UVLED的输出则有方向性的限制，则在固化均匀性上，这种固化设备的固化均匀性上可能存在不足；为解决固化均匀性不足的问题，此专利提出了在多段固化腔体内将UVLED光源按空间螺旋阵列布置的方式，这无疑将会增加设备结构的复杂性。另外该专利提出的这种固化设备在每段固化腔体采用单面的UVLED光源，这亦可能存在UV光强不足并导致固化效率不足的可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提出一种光纤涂层紫外固化设备及方法，它不仅结构设置合理简单，能耗少，而且固化均匀性好，固化效率高。

本发明光纤涂层紫外设备的技术方案为：

包括有筒状安装基座，在筒状安装基座内腔沿周向和轴向安设UVLED光源模块，在UVLED光源模块发光面前配置柱面聚焦透镜，使得UVLED光源模块发射的紫外光线聚焦于一条固化轴线上。

按上述方案，在筒状安装基座的内腔中部安设有透明石英玻璃管，固化轴线位于透明石英玻璃管内腔。

按上述方案，所述的透明石英玻璃管轴线与所述的固化轴线相重合（共线）。

按上述方案，所述的透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，所述的气源为惰性气体气源，或惰性气体与二氧化碳的混合气体气源。

按上述方案，所述的UVLED光源模块包括UVLED光源和散热器，所述的UVLED光源包括UVLED单灯和/或UVLED阵列。

按上述方案，所述的UVLED光源模块沿筒状安装基座内腔周向间隔安设，在周向间隔处设置有圆弧凹面反射镜，圆弧凹面的曲率中心位于所述的固化轴线上。

按上述方案，所述的筒状安装基座为圆筒状，由条形圆弧块沿周向拼接而成，并由固定端盘或固定环固联，在条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，或在部分条形圆弧块的内面安设圆弧凹面反射镜。所述的条形圆弧块为4~8块。

按上述方案，所述的筒状安装基座为多边筒状，由条形梯形块沿周向拼接而成，并由固定端盘或固定环固联，在条形梯形块的内面嵌入UVLED光源模块，或在部分条形梯形块的内面安设圆弧凹面反射镜。所述的条形梯形块为4~8块。

按上述方案，所述的UVLED光源的UV光源波长为365nm、375nm、385nm和395nm中的一种或几种。

按上述方案，所述的UVLED光源模块与控制模块相接，用以控制和调整每个UVLED光源模块发射紫外光线的强度。

本发明光纤涂层紫外固化方法的技术方案为：

采用上述所述的任一结构的固化设备，将涂覆有涂层的光纤穿引过筒状安装基座内腔，使光纤行进路径与固化轴线相重合或基本重合，开启UVLED光源模块，同时光纤沿固化轴线匀速行进通过筒状安装基座内腔。

按上述方案，在筒状安装基座的内腔中部安设有透明石英玻璃管，固化轴线位于透明石英玻璃管内腔，光纤穿过透明石英玻璃管，所述的透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，通入惰性气体气源，或惰性气体与二氧化碳的混合气体气源。

按上述方案，所述的光纤行进速度为1000m/min至2400m/min，所述的UVLED光源形成的固化轴线长度为200mm至300mm。

本发明的有益效果在于：1、采用UVLED作为光纤涂层固化设备的光源不仅使用寿命长、发热量小、能耗低，而且固化均匀性好，固化效率高；2、本发明为周向设置中心聚焦的光源布设结构，光源布设空间大，使多面UVLED模块的UV光源输出聚焦在固化轴线，形成一段光强很高的UV光柱，光纤从这个UV光柱中通过时吸收UV并得到固化，由于光柱的光强高且光源来自多个方向，使得设备具有更高的固化效率和更好的固化均匀性，从而减少固化时间，提高光纤拉丝的工效和涂层固化质量；3、在光纤涂层的固化过程中，涂层中的挥发物将会在固化期间蒸发，设置透明石英玻璃管可以避免挥发物对UVLED光源及透镜的污损，使紫外光源得到保护；而通入惰性气体（如氮气）或其它混合气体（如氮气和二氧化碳），一方面可以带走部分挥发物，另一方面，涂层固化时可在光纤周围形成无氧或少氧环境，降低氧气对涂层中自由基的消耗，从而提升涂层的固化效率；4、给UVLED光源模块配置散热器，散热器可用液态介质来散热，将大大节约设备的空间，简化设备结构；5、设置反射镜使未被利用的UV射线经反射再汇聚于固化轴线，提高UV射线的利用率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的俯视剖视图。

图2为图1中条形圆弧块和UVLED光源模块部分的剖面图。

图3为本发明一个实施例的正剖视图。

图4为本发明另一个实施例的俯视剖视图。

图5为图3中条形梯形块和UVLED光源模块部分的剖面图。

图6为本发明第三个实施例的俯视剖视图。

图7为本发明第四个实施例的俯视剖视图。

图8为本发明第五个实施例的俯视剖视图。

图9为本发明第六个实施例的俯视剖视图。

图10为本发明第六个实施例的正剖视图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

实施例1：如图1-3所示，包括有圆筒状安装基座，所述的筒状安装基座由6块条形圆弧块5沿周向拼接而成，并由上下固定端盘7固联，在每块条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，使得筒状安装基座内腔沿周向和轴向安设UVLED光源模块，所述的UVLED光源模块包括UVLED光源3和散热器4，UVLED光源的UV光源波长为365nm和375nm，散热器为液态介质散热器；所述的UVLED光源模块与控制模块8相接，用以控制和调整每个UVLED光源模块发射紫外光线的强度；所述的UVLED光源包括UVLED阵列，在UVLED光源模块发光面前配置柱面聚焦透镜2，使得UVLED光源模块发射的紫外光线聚焦于一条固化轴线1上，形成一段光强很高的UV光柱，光柱近似为圆柱体，直径约为6mm。在筒状安装基座的内腔中部安设有透明石英玻璃管6，固化轴线位于透明石英玻璃管内腔，所述的透明石英玻璃管轴线与所述的固化轴线相重合，透明石英玻璃管直径约为25毫米、内径约为21毫米，所述的透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，所述的气源为惰性气体气源。光纤拉制过程中，带涂层的光纤将大致沿着固化轴线通过固化设备内腔，即从UV光柱中通过，涂层涂料吸收UV射线得以固化。同时透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，通入惰性气体气源。

实施例2：如图4-5所示，它与上一个实施例的不同之处在于所述的筒状安装基座为六边筒状，由6块条形梯形块5沿周向拼接而成。其它结构与上一个实施例相同。

实施例3：如图6所示，它与第一个实施例的不同之处在于所述的筒状安装基座由4块条形圆弧块沿周向均匀间隔拼接而成，在每块条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，使得UVLED光源模块沿筒状安装基座内腔周向间隔均布。其它结构与第一个实施例相同。

实施例4：如图7所示，它与第一个实施例的不同之处在于所述的筒状安装基座由6块条形圆弧块沿周向拼接而成，在5块条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，使得其中2块条形圆弧块的UVLED光源模块沿筒状安装基座内腔周向存在间隔，在周向间隔处设置有圆弧凹面反射镜9，圆弧凹面反射镜的长度与条形圆弧块相同，圆弧凹面的曲率中心位于所述的固化轴线上。其它结构与第一个实施例相同。

实施例5：如图8所示，它与第四个实施例的不同之处在于在筒状安装基座一侧3块条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，在筒状安装基座另一侧的3块条形圆弧块的内面设置有圆弧凹面反射镜9。其它结构与第四个实施例相同。

实施例6：如图9-10所示，它与第四个实施例的不同之处在于在筒状安装基座的6块条形圆弧块中相互间隔的3块条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，3块UVLED光源模块沿筒状安装基座内腔周向间隔均布，在UVLED光源模块的周向间隔处设置有圆弧凹面反射镜。其它结构与第四个实施例相同。

Claims (9)

1.一种光纤涂层紫外固化设备，其特征在于包括有筒状安装基座，在筒状安装基座内腔沿周向和轴向安设UVLED光源模块，在UVLED光源模块发光面前配置柱面聚焦透镜，使得UVLED光源模块发射的紫外光线聚焦于一条固化轴线上；所述的UVLED光源模块包括UVLED光源和散热器，所述的UVLED光源包括UVLED单灯和/或UVLED阵列。

2.根据权利要求1所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于在筒状安装基座的内腔中部安设有透明石英玻璃管，固化轴线位于透明石英玻璃管内腔。

3.根据权利要求2所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于所述的透明石英玻璃管轴线与所述的固化轴线相重合。

4.根据权利要求2或3所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于所述的透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，所述的气源为惰性气体气源，或惰性气体与二氧化碳的混合气体气源。

5.根据权利要求1或2所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于所述的UVLED光源模块沿筒状安装基座内腔周向间隔安设，在周向间隔处设置有圆弧凹面反射镜，圆弧凹面的曲率中心位于所述的固化轴线上。

6.根据权利要求1或2所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于所述的筒状安装基座为圆筒状，由条形圆弧块沿周向拼接而成，并由固定端盘或固定环固联，在条形圆弧块的内面嵌入UVLED光源模块，或在部分条形圆弧块的内面安设圆弧凹面反射镜，圆弧凹面的曲率中心位于所述的固化轴线上。

7.根据权利要求1或2所述的光纤涂层紫外固化设备，其特征在于所述的筒状安装基座为多边筒状，由条形梯形块沿周向拼接而成，并由固定端盘或固定环固联，在条形梯形块的内面嵌入UVLED光源模块，或在部分条形梯形块的内面安设圆弧凹面反射镜，圆弧凹面的曲率中心位于所述的固化轴线上。

8.一种光纤涂层紫外固化方法，其特征在于采用权利要求1至8 中所述的任一结构的紫外固化设备，将涂覆有涂层的光纤穿引过筒状安装基座内腔，使光纤行进路径与固化轴线相重合或基本重合，开启UVLED光源模块，同时光纤沿固化轴线匀速行进通过筒状安装基座内腔。

9.根据权利要求8所述的光纤涂层紫外固化方法，其特征在于在筒状安装基座的内腔中部安设有透明石英玻璃管，固化轴线位于透明石英玻璃管内腔，光纤穿过透明石英玻璃管，所述的透明石英玻璃管的一端与压力气源相连通，通入惰性气体气源，或惰性气体与二氧化碳的混合气体气源；所述的光纤行进速度为1000m/min至2400m/min，所述的UVLED光源形成的固化轴线长度为200mm至300mm。