CN107561634B

CN107561634B - 超高速通信用聚合物光纤及其制备方法

Info

Publication number: CN107561634B
Application number: CN201710817781.7A
Authority: CN
Inventors: 翁德喜; 陈发明; 周克钢; 陈舒玲
Original assignee: Xiamen Huafang Software Technology Co ltd
Current assignee: Xiamen Huafang Software Technology Co ltd
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107561634A

Abstract

本发明公开了超高速通信用聚合物光纤及其制备方法，该光纤制备方法包括S1，获得五种不同折光指数的聚合物材料；S2，在共挤出系统上完成光纤的制作；共挤出系统包括共挤模具及五个挤出头，共挤模具由其中心向外依次同心分布有五个流道，共挤模具上设有加热渐变区，各挤出头与各流道一一对应对接；通过挤出头将五种聚合物材料按其折光率由大到小将其熔体一一对应注入各流道中，以分别生成第一芯层、第二芯层、第三芯层、皮层及外皮层；三个芯层经加热渐变区扩散逐渐形成聚合物光纤的芯层。该方法加快该光纤的生产速度，从多方面降低生产成本，提高光纤的数据传输速度，使其制得的光纤适用于超高速通信，且降低光损耗。

Description

超高速通信用聚合物光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤领域，具体涉及一种超高速通信用聚合物光纤及其制备方法。

背景技术

随着通信技术的发展，实现全光纤用户接入已越来越受到人们的重视。光纤通常由石英(玻璃)拉制而成。石英光纤以其优良的性能而被广泛用于长距离高速通信系统。在短距离通信系统中，石英光纤因其芯径小，需要结构精确的连接器和耦合器而增加了整个系统的成本。这使得石英光纤在现代高速网络、数据通信上的末端应用受阻，因此人们还必须使用金属线或同轴电缆来进行短距离的联接，如光纤入户(FTTH)，智能车，办公室内，大楼内通信等。金属电缆的超低速度就是现代高速通信的瓶颈。

多年来科研人员一直致力于开发更柔软更高速的聚合物光纤来替代金属电缆。聚合物光纤具有芯径大、柔韧性好、易安装、成本低等特点，在短距离通信系统中有很大的优越性。聚合物光纤可依据其折光指数的分布情况分为阶跃型聚合物光纤(SI-POF)和渐变型聚合物光纤(GI-POF)。阶跃型聚合物光纤(SI-POF)通常是使用聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为芯材的，皮层是由折光指数低些的聚合物制成。这种聚合物光纤的成本低，但是由于模间色散的限制，其信号传输速率小于200Mb/s，不适合高速局域网的传输，因此其光损耗及传输速度方面的缺陷极大地限制了其取代金属电缆电线的可能性。渐变型聚合物光纤(GI-POF)在光纤内的折光指数为渐变型且呈抛物线型分布，光在这种光纤中的传播路径近似于正弦波。由于光速是反比于折光指数的，因此当光沿着正弦途径传播时，其速度大于光沿着中心轴传输的速度；较长的光路将被较大的光速所补偿，从而大大减小了输入脉冲加宽的问题，因此宽频低耗的渐变型聚合物光纤(GI-POF)已成为局域网和接入网连接材料的最佳选择之一。

制备渐变型聚合物光纤(GI-POF)，目前最具有工业化前途的主要是多层共挤出法，中国发明专利CN 1236333 C公开了一种渐变型塑料光纤多层复合挤出成型方法；其通过在聚合物基体中掺入不同量的调节剂，得到具有不同折光指数的聚合物；再由多台挤出机分布将它们进入一个具有中心圆孔和多层同心环形入料口、复合腔、和锥形挤出后的复合模具连续挤出得渐变型聚合物光纤。上述制得的渐变型聚合物光纤相比于阶跃型聚合物光纤具有光损耗小、数据传输率高等特点。但其光损耗大于600dB/km(@1310nm)，带宽小于50MHz·km；使得其传输速率不适于超高速通信使用，其光损耗仍需降低。另外，上述的渐变型聚合物光纤的生产成本较高、生产速度较低。因此，开发高生产速度和低生产成本的适用于超高速通信的渐变型聚合物光纤成为急需解决的一个难题。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明目的在于提供一种超高速通信用聚合物光纤的制备方法。该制备方法可大大的降低渐变型聚合物光纤的光损耗，提高其数据传输速率、生产速度和降低渐变型聚合物光纤的生产成本，使其适用于超高速通信。

本发明的另一个目的在于提供由该超高速通信用聚合物光纤的制备方法制备的产品。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超高速通信用聚合物光纤的制备方法，包括以下步骤：

S1，获得五种不同折光指数的聚合物材料；

S11，将全氟1-丁烯基乙烯基醚在氟化过氧化物触发剂的作用下聚合成聚合物B；

S12，将聚合物B与1，3-二溴四氟苯在混合机内共混制得折光指数由大到小递减的第一芯层聚合物材料、第二芯层聚合物材料及第三芯层聚合物材料；

S13，将聚合物B在混合机中共混出皮层的聚合物材料，皮层的聚合物材料的折光指数小于所述第三芯层聚合物材料的折光指数；

S14，将n个四氟乙烯与m个4，5-二氟-2，2-二(三氟甲基)-1，3-二氧杂环戊烯在氯三氟乙烷和双全氟过氧化丙酰的作用下聚合成聚合物A，其中n∶m＝5∶8；

S15，将聚合物A在混合机中共混出外皮层的聚合物材料，外皮层的聚合物材料的折光指数小于所述皮层聚合物材料的折光指数；

S2，在共挤出系统上完成光纤的制作；

所述共挤出系统包括共挤模具及五个挤出头，所述共挤模具由其中心向外依次同心分布有中心流道、第二流道、第三流道、第四流道及第五流道，所述共挤模具上设有加热渐变区，各挤出头与各流道一一对应对接；

通过所述挤出头将五种聚合物材料按其折光指数由大到小将其熔体一一对应注入所述中心流道、第二流道、第三流道、第四流道及第五流道中，以分别生成第一芯层、第二芯层、第三芯层、皮层及外皮层；所述第一芯层、第二芯层及第三芯层经所述加热渐变区渗透扩散逐渐形成聚合物光纤的芯层。

本发明超高速通信用聚合物光纤的制备方法中，芯层使用三层芯材结构在渐变区相互渗透扩散形成，从而获得具有一定阶梯式但总体呈渐变折光指数的芯层结构，使光纤的渐变图谱生成更快，并加快该光纤的生产速度，使得光纤的生产速度达到每秒4米-6米(现有共挤出法生产光纤的速度是每秒1米)；另外，渐变图谱生成更快时，使得加热渐变区的加热管可缩短，降低机器的维护和使用成本，从多方面降低生产成本；采用多种全氟聚合物及光纤的结构配合可提高光纤的数据传输速度，使其制得的光纤适用于超高速通信；然后在皮层上还设置包覆于皮层上的外皮层能将由于光纤过度折弯或入射光角度造成遗漏光纤也折射回光信号传输通道，降低光损耗。

优选地，所述步骤S12中第一芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的80％-84％，1，3-二溴四氟苯占总重量的16％-20％；第二芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的86％-90％，1，3-二溴四氟苯占总重量的10％-14％；第三芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的92％-96％，1，3-二溴四氟苯占总重量的4％-8％。

优选地，所述步骤S12中第一芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的82％，1，3-二溴四氟苯占总重量的18％；第二芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的88％，1，3-二溴四氟苯占总重量的12％；第三芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的94％，1，3-二溴四氟苯占总重量的6％。

优选地，所述步骤S12中混合机内共混的顺序为，首先聚合物B在温度180-230℃下混合熔化；熔化后，将温度降低5-10℃，再加入1，3-二溴四氟苯，然后，混合5-10min后挤出各芯层聚合物材料。

优选地，所述步骤S13和所述步骤S15的混合机的温度控制在180-230℃。

优选地，所述混合机的混合室内的活动部件由陶瓷铸造而成。该方案混合机的活动部件均由陶瓷经过铸造而成，可减少金属活动部件由于摩擦产生的细小碎末，从而减少污染。

本发明的超高速通信聚合物光纤具有梯度折光指数分布，其是利用上述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法制得。

优选地，所述外皮层、皮层、第三芯层、第二芯层以及第一芯层具有1.31-1.42的梯度折光指数，其中，所述第一芯层的边缘与所述第二芯层的边缘成第一共混区，所述第二芯层的边缘与所述第三芯层的边缘成第二共混区，从而使所述第一芯层与第二芯层、第三芯层形成一折光指数由芯到外逐渐减小的芯层。

优选地，所述超高速通信用聚合物光纤的光损耗小于50dB/km，带宽大于500MHz·km。

优选地，所述外皮层的折光指数为1.31，所述皮层的折光指数为1.34，所述第三芯层的折光指数为1.37，所述第二芯层的折光指数为1.40，所述第一芯层的折光指数为1.42。

本发明的有益效果是：

本发明聚合物光纤的制备方法中，芯层使用三层芯材结构在渐变区相互渗透扩散形成，从而获得具有一定阶梯式但总体呈渐变折光指数的芯层结构，使光纤的渐变图谱生成更快，并加快该聚合物光纤的生产速度；另外，渐变图谱生成更快时，使得加热渐变区的加热管可缩短，降低机器的维护和使用成本，从多方面降低生产成本；采用多种全氟聚合物及光纤的结构配合可提高光纤的数据传输速度，使其制得的光纤适用于超高速通信；然后在皮层上还设置包覆于皮层上的外皮层能将由于光纤过度折弯或入射光角度造成遗漏光纤也折射回光信号传输通道，降低光损耗。

附图说明

图1是本发明的共挤出系统的结构示意图；

图2是本发明的超高速通信用聚合物光纤渐变前的截面图；

图3是本发明的超高速通信用聚合物光纤渐变后的截面图；

图4是本发明的聚合物A合成、聚合物B合成的过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、积极效果更加清楚明白，通过以下实施例对本发明进行进一步详细说明。以下对于具体实施方案的描述仅用于解释本发明，并不限定本发明。

实施例1

一种超高速通信用聚合物光纤的制备方法，包括以下步骤：

S1，获得五种不同折光指数的聚合物材料。

S11，聚合物B的合成：聚合物B是全氟1-丁烯基乙烯基醚Perfluoro(1-butenylvinyl ether)在氟化过氧化物触发剂作用下聚合成五环和六环聚合物合成。氟化过氧化物可采用双全氟过氧化丙酰(bis(2，2，3，3，3-pentafluoro-1-oxopropyl)peroxide)(BPFOP，C6F1004)。其中聚合物B的合成过程式如图4所示，图4中x∶y＝0.1-10。

S12，制备第一芯层的聚合物材料、第二芯层的聚合物材料和第三芯层的聚合物材料。各层的聚合物材料均由聚合物B与1，3-二溴四氟苯组成；其中第一芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的82％，1，3-二溴四氟苯占总重量的18％；第二芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的88％，1，3-二溴四氟苯占总重量的12％；第三芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的94％，1，3-二溴四氟苯占总重量的6％。各层的聚合物材料均在混合机中共混制得。混合机采用小型改造的Brabender型混合机器，所有的混合机室内的活动部件都是由陶瓷经过铸造而成，减少金属活动部件由于摩擦产生的细小碎末，从而减少污染。1，3-二溴四氟苯由注射器注入到混合室内。混合室内温度控制在180-230℃。混合组分的加入顺序是先将聚合物B加入，加热并混合熔化，然后将温度降低5-10℃，在混合器转子运转同时再缓慢加入1，3-二溴四氟苯。混合5-10分钟后，将混合物样品挤出，急速冷却后存储在室温备用。混合样品的折光指数在共混实验后一天内进行。

S13，制备皮层的聚合物材料。皮层的聚合物材料是将100％重量的聚合物B在混合机中共混得出，混合机的混合室内温度控制在180-230℃。

S14，聚合物A的合成：m个4，5-二氟-2，2-二(三氟甲基)-1，3-二氧杂环戊烯

((2，2-bis(trifluoromethyl)-4，5-difluoro-1，3-dioxole)与n个四氟乙烯在三氯三氟乙烷(1，1，1-trichloro-trifluoroethane)(F1113，C2CL3F3)和双全氟过氧化丙酰

(bis(2，2，3，3，3-pentafluoro-1-oxopropyl)peroxide)(BPFOP，C6F1004)的作用下按照自由基聚合路线合成，自由基由双全氟过氧化丙酰

(bis(2，2，3，3，3-pentafluoro-1-oxopropyl)peroxide)(BPFOP，C6F1004)提供，聚合物A合成的过程式如图4所示，图4中n∶m＝5∶8。

S15，将100％重量的聚合物A在混合机中共混出外皮层的聚合物材料。混合机的混合室内温度控制在180-230℃。

S16，测试各层聚合物材料的折光指数；

表1，各层聚合物材料的物理机械特性

S2，在共挤出系统上完成光纤的制作。如图1所示，共挤出系统10包括第一挤出头111，第二挤出头112，第三挤出头113，第四挤出头114，第五挤出头115，设置在挤出头下端的模具组合12，与各挤出头连接的共挤模具13，设置在共挤模具13上的加热渐变区14，加热渐变区为设置在共挤模具外围的加热管；安装在光纤挤出出口端上的激光检测器15以及将光纤收卷的接线辊16和卷线辊17。

共挤模具13由其中心向外依次同心分布有中心流道131、第二流道132、第三流道133、第四流道134及第五流道135，各挤出头与各流道一一对应对接；制作光纤时，通过挤出头将五种聚合物材料按其折光率由大到小将其熔体一一对应注入各挤出头内；将第一芯层聚合物材料放置在第一挤出头111内，第二芯层聚合物材料放置在第二挤出头112内，第三芯层聚合物材料放置在第三挤出头113内，皮层聚合物材料放置在第四挤出头114内，外皮层聚合物材料放置在第五挤出头115内。各挤出头分别向各共挤流道供给各层材料的的熔体，熔体经模具组合12里形成初始截面为五层的同心圆结构的光纤20a，即生成第一芯层21a、第二芯层22a、第三芯层23a、皮层24a及外皮层25a，同心圆结构的光纤20a结构如图2所示。然后这个同心圆结构在通过加热渐变区14后，由于热的作用，第一芯层21a、第二芯层22a及第三芯层23a的1，3-二溴四氟苯将进行渗透活动，其主要方向是1，3-二溴四氟苯向浓度低的区域渗透扩散形成一层的聚合物光纤芯层。最终经扩散渐变后的光纤20b结构是如图3所示：第一芯层21a、第二芯层22a及第三芯层23a的1，3-二溴四氟苯相互渗透扩散，形成具有一定阶梯式但总体是渐变折光指数的截面光纤。光纤20b从共济模具13挤出成型后经激光检测器15检测光纤20b的直径等参数。最后光纤20b由接线辊16和卷线棍17收卷。

实施例2

本发明的聚合物光纤具有梯度折光指数分布，其是利用实施例1的聚合物光纤的制备方法制得。

该聚合物光纤的外皮层25b的折光指数为1.31，皮层24b的折光指数为1.34，第三芯层23b的折光指数为1.37，第二芯层22b的折光指数为1.40，第一芯层21b的折光指数为1.42，其中，第一芯层21b的边缘与第二芯层22b的边缘成第一共混区，第二芯层22b的边缘与第三芯层23b的边缘成第二共混区，从而使第一芯层21b与第二芯层22b、第三芯层23b形成一折光指数由芯到外逐渐减小的芯层。

实施例3

利用本发明的聚合物光纤的制备方法制得多种具有实用性的聚合物光纤，并测得各聚合物光纤性能数据如表2所示：

表2.各聚合物光纤性能(使用1310nm激光源)

由表2可知，制得的聚合物光纤的光损耗、带宽、数值孔径以及弯曲损失均符合超高速通信用的聚合物光纤的要求；本发明的聚合物光纤的制备方法制得的光纤在提高聚合物光纤的生产速度的情况下，能够保证生产出的聚合物光纤均适用于现代超高速通信用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，获得五种不同折光指数的聚合物材料；

S2，在共挤出系统上完成光纤的制作；

2.如权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S12中第一芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的80％-84％，1，3-二溴四氟苯占总重量的16％-20％；第二芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的86％-90％，1，3-二溴四氟苯占总重量的10％-14％；第三芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的92％-96％，1，3-二溴四氟苯占总重量的4％-8％。

3.如权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S12中第一芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的82％，1，3-二溴四氟苯占总重量的18％；第二芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的88％，1，3-二溴四氟苯占总重量的12％；第三芯层的聚合物材料的聚合物B占总重量的94％，1，3-二溴四氟苯占总重量的6％。

4.如权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S12中混合机内共混的顺序为，首先聚合物B在温度180-230℃下混合熔化；熔化后，将温度降低5-10℃，再加入1，3-二溴四氟苯，然后，混合5-10min后挤出各芯层聚合物材料。

5.如权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S13和所述步骤S15的混合机的温度控制在180-230℃。

6.如权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法，其特征在于：所述混合机的混合室内的活动部件由陶瓷铸造而成。

7.一种超高速通信用聚合物光纤，具有梯度折光指数分布，其特征在于：所述超高速通信用聚合物光纤利用权利要求1所述的超高速通信用聚合物光纤的制备方法制得。

8.如权利要求7所述的超高速通信用聚合物光纤，其特征在于：所述外皮层、皮层、第三芯层、第二芯层以及第一芯层具有1.31-1.42的梯度折光指数，其中，所述第一芯层的边缘与所述第二芯层的边缘成第一共混区，所述第二芯层的边缘与所述第三芯层的边缘成第二共混区，从而使所述第一芯层与第二芯层、第三芯层形成一折光指数由芯到外逐渐减小的芯层。

9.如权利要求7所述的超高速通信用聚合物光纤，其特征在于：所述超高速通信用聚合物光纤的光损耗小于50dB/km，带宽大于500MHz·km。

10.如权利要求8所述的超高速通信用聚合物光纤，其特征在于：所述外皮层的折光指数为1.31，所述皮层的折光指数为1.34，所述第三芯层的折光指数为1.37，所述第二芯层的折光指数为1.40，所述第一芯层的折光指数为1.42。