CN110002763B - 一种用于光纤面板的芯料玻璃及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于光纤面板的芯料玻璃，含有以下质量分数的原料：二氧化硅20‑45％；氧化硼1‑10％；氧化铝5‑12％；氧化锌5‑10％；氧化钙5‑15％；氧化铅17‑30％；氧化锂0.1‑10％；氧化钛5‑10％；氧化锆5‑10％；氧化铋5‑10％；以上各组分的质量分数之和为100%。本发明还提供了上述用于光纤面板的芯料玻璃的制备方法和应用。采用本发明制备的用于光纤面板的芯料玻璃有利于提高光纤面板的耐腐蚀性能，从而获得高表面质量的光纤面板。

Description

一种用于光纤面板的芯料玻璃及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光学玻璃材料领域，特别涉及一种兼顾高折射、高膨胀和耐化学腐蚀的用于光纤面板的芯料玻璃及其制备方法和应用。
背景技术
众所周知，光纤面板制品在制备过程中难免受到水、酸、碱、盐类等化学试剂的侵蚀，在使用过程中还要受到大气的侵蚀。光纤玻璃对这些侵蚀的抵抗能力也就是其化学稳定性优劣的表现，而决定玻璃化学稳定性的根本性因素便是玻璃配方。光纤面板产品中芯料玻璃约占70%，因此，发明一种耐腐蚀的光纤芯玻璃配方对光纤面板的耐腐蚀性起着决定性作用，以主要用于光纤面板产品在加工过程中防止腐蚀的发生。
光纤面板的芯料配方是影响加工过程中腐蚀产生的关键性因素，而大部分的光学纤维玻璃配方设计的主要目的皆是益于光纤的拉制成型、获得优良的玻璃内质，并满足光学纤维的全反射的基本原理要求，而很少考虑后续加工过程中因光纤不良耐腐蚀性能所带来的一系列加工合格率的问题，因此如何保证在不改变光学纤维面板基本性能的前提下，解决好光学纤维玻璃的腐蚀问题是本发明解决的重点。
发明内容
针对光学纤维面板耐腐蚀性较差的技术问题，本发明的主要目的在于提供一种用于光纤面板的芯料玻璃及其制备方法和应用。
为了达成上述的目的，本发明提供了一种用于光纤面板的芯料玻璃，含有以下质量分数的原料：二氧化硅（SiO2）20-45％；氧化硼(B2O3) 1-10％；氧化铝（Al2O3）5-12％；氧化锌（ZnO）5-10％；氧化钙（CaO）5-15％；氧化铅(PbO) 17-30％；氧化锂（Li2O）0.1-10％；氧化钛（TiO2）5-10％；氧化锆（ZrO2）5-10％；氧化铋（Bi2O3）5-10％；以上各组分的质量分数之和为100%。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅20-36％；氧化硼3-6.5％；氧化铝6-10％；氧化锌6-9％；氧化钙5-12.5％；氧化铅18-28.5％；氧化锂0.1-6.5％；氧化钛5-9％；氧化锆6-9％；氧化铋6-10％；以上各组分的质量分数之和为100%。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅20.5％；氧化硼4.1％；氧化铝9.6％；氧化锌8.2％；氧化钙6.8％；氧化铅23.3％；氧化锂4.2％；氧化钛5.5％；氧化锆8.2％；氧化铋9.6％。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅21％；氧化硼5.2％；氧化铝7％；氧化锌7％；氧化钙7％；氧化铅26.2％；氧化锂0.2％；氧化钛8.8％；氧化锆8.8％；氧化铋8.8％。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅27.1％；氧化硼6.1％；氧化铝6.1％；氧化锌6.1％；氧化钙12.1％；氧化铅18.1％；氧化锂6.1％；氧化钛6.1％；氧化锆6.1％；氧化铋6.1％。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅28.2％；氧化硼1.5％；氧化铝7％；氧化锌7％；氧化钙7％；氧化铅28.2％；氧化锂0.1％；氧化钛7.0％；氧化锆7.0％；氧化铋7.0％。
进一步地，其中所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅35.7％；氧化硼3.2％；氧化铝7.6％；氧化锌6.5％；氧化钙5.4％；氧化铅18.4％；氧化锂3.2％；氧化钛5.4％；氧化锆6.5％；氧化铋8.1％。
本发明还提供了上述用于光纤面板的芯料玻璃的制备方法，包括以下步骤：
按照质量分数称取二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钙、氧化铅、氧化锂、氧化钛、氧化锆及氧化铋，混合并放入铂金坩埚中，将铂金坩埚加热到1400～1500℃，使各组分熔融6～9小时后，将熔融液漏料成预定的棒状，然后在600～630℃下进行退火得到所述芯料玻璃。
进一步地，其中所述退火的温度为620℃。
本发明还提供了一种光纤面板，所述光纤面板包含上述的芯料玻璃。
二氧化硅（SiO2），是玻璃形成的主要原料，能单独生成玻璃，在玻璃中能形成特有的网络体系。光学玻璃的耐腐蚀性主要决定于硅氧和碱金属化合物的含量。硅氧含量愈多，即硅氧四面体[SiO4]互相连接程度愈大，玻璃的化学稳定性愈高。反之，碱金属氧化物含量愈高，玻璃的化学稳定性就愈低。
氧化硼(B2O3)，是光学玻璃的重要组分之一。它的作用比较特殊，和SiO2一样能单独生成玻璃。它既能提高玻璃的稳定性，又能增加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽，又有良好的助熔性，加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。在不同条件下硼可能以三角体[BO3]或四面体[BO4]存在，在高温熔制条件下，一般难于形成硼氧四面体，而只能以硼氧三角体存在，这是B2O3降低玻璃高温粘度的主要原因。但低温时，在一定条件下B3+有夺取游离氧形成硼氧四面体的趋势，使结构趋向紧密，故硼又能提高玻璃的低温粘度，因此B2O3不能多也不能少。
氧化铝（Al2O3），属于中间体氧化物，加入少量Al2O3时，Al3+位于铝氧四面体[AlO4]中，对硅氧网络起补网作用，组成统一的网络，能降低玻璃的析晶倾向，大大提高其化学稳定性；如果Al2O3含量过高，则[AlO4]四面体体积大于[SiO4]四面体的体积，使网络紧密程度下降，因而光学玻璃的化学稳定性也随之下降，因此引入Al2O3含量5～12%。
氧化锌（ZnO），ZnO 是中间体氧化物，Zn+有两种存在形式，疏松的八面体配位[ZnO8]和致密的四面体配位[ZnO4]，ZnO能提高玻璃的化学稳定性和折射率，但是用量过多将增大玻璃的析晶倾向，一般ZnO不超过10%。
氧化钙（CaO），钙离子不参加网络，属二价的网络外体离子，钙离子在结构中活动性很小，一般不易从玻璃中析出，在高温时活动性较大，可降低玻璃高温粘度，提高玻璃化学稳定性，但若CaO含量过多，使玻璃耐化学稳定性降低，析晶倾向增大，一般CaO的含量不超过15%。
氧化铅(PbO)，PbO在玻璃中与硅氧四面体[SiO4]通过顶角或共边相连接，形成一种特殊的网络，这种结构决定了PbO高度的助熔性及增加玻璃的折射率和化学稳定性。
氧化锂（Li2O）, Li2O也是网络外体氧化物，含量少时提高玻璃的抗水性，降低玻璃的熔制温度，提高玻璃的产量和质量，含量多时使结晶倾向增加，因此一般不超过10%。
氧化钛（TiO2），TiO2可提高玻璃的折射率和化学稳定性，用以制造高折射率、高稳定的光学玻璃。
氧化锆（ZrO2），只有立方体[ZrO8]一种配位，ZrO2能显著改善玻璃的热稳定性和化学稳定性，提高折射率，含量不超过10%。
氧化铋（Bi2O3），由于阳离子易极化变形，较易插入玻璃网络空间，起到玻璃形成体作用，提高玻璃化学稳定性及折射率。
本发明具有以下有益效果：
本发明所制备的芯料玻璃，在满足芯料玻璃高折射率、高膨胀性能前提下，也具有了耐化学腐蚀的性能，使得光学纤维面板具有良好的耐腐蚀特性，从而减少光纤面板在制造过程中酸碱、水汽的侵蚀，借以提高生产加工的合格率。由该芯料玻璃制作的光纤面板产品不但具有优异的内质水平和良好的成像质量，而且具有良好的化学稳定性，较普通光纤面板的化学稳定性而言，应用本发明的芯玻璃所制造的光纤面板的耐腐蚀性达到了国内领先水平，并显著提升了光纤面板制造的良品率。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
本发明实施例1-5的原料组成见表1。
表1 实施例1-5的原料组成（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上述实施例1-实施例5所述的用于光纤面板的芯料玻璃的制备方法，包括以下步骤：
按照表1所示的质量分数称取二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钙、氧化铅、氧化锂、氧化钛、氧化锆及氧化铋，混合并放入铂金坩埚中，将铂金坩埚加热到1400～1500℃，使各组分熔融6～9小时，熔融后，将熔融液漏料成预定的棒状，然后在600～630℃下进行退火得到所述芯料玻璃棒。
利用上述实施例1-实施例5的芯料玻璃制备光纤面板的方法，包括以下步骤：
1）制作皮料玻璃管：将皮料玻璃的配合料按如下质量分数称取：二氧化硅64%，氧化钙10%，氧化硼12%，氟化镁1%，氧化铝10%，氧化铋1.5%，氧化钡1.5%。加入1300-1400℃的熔窑中得到皮料玻璃的玻璃液，加料完成后升温至澄清温度1450～1550℃，澄清5h；澄清结束后，将玻璃液降温至浇注温度1200℃-1300℃并按要求拉制成管状，然后在500～530℃下对玻璃管进行退火，得到皮料玻璃管；
2）将上述芯料玻璃棒套入皮料玻璃管中拉成一次单丝；
其中拉制单丝直径在3.25mm~3.40mm之间，优选为3.30mm~3.35mm之间，这样有利于板面的规整及在后续工艺中受力均匀，丝与丝之间紧密结合，以便于获得内质良好的光纤面板；
4）将多根单丝组合成一次棒后拉成一次复丝，一次复丝再排成二次棒再拉出二次丝；
使得拉制一次复合丝的丝径在1.21mm~1.25mm之间，优选为1.22mm~1.24mm之间；拉制二次丝丝径在1.20mm~1.30mm之间，这样有利于板面的规整及在后续工艺中受力均匀，丝与丝之间紧密结合，以便于获得内质良好的光纤面板；
5）二次丝的板段经热压、滚圆、切片、开型、抛光得到所述光纤面板；其中，热压、滚圆、切片、开型、抛光均为本领域公知的技术，在此不再赘述；尺寸是根据最后的版型（用户需求）所决定的。
实施例1-实施例5制得的用于光纤面板的芯料玻璃的测试性能采用如下方式：采用棱镜耦合仪测得上述芯料玻璃的折射率及采用耐驰膨胀仪法测得上述芯料玻璃的膨胀系数如下表2所示。
棱镜耦合仪的测试条件如下：
样品制备要求：厚度：0.5±0.1mm；横截面积：大于10*10mm；两端面平行，表面抛光、无麻点和划伤。测定波长在594nm时的折射率。
耐驰膨胀仪的测试条件如下：
样品制备要求：厚度：50±0.1mm；横截面积：φ6±0.1mm，两端面平行无崩缺，柱面光滑。
表2 实施例1-5的芯料玻璃制备的光纤面板的测试性能
Figure 329754DEST_PATH_IMAGE002
根据实施例1-实施例5制得的用于光纤面板的芯料玻璃在后续加工过程中的腐蚀情况及参照国标GB/T 17129粉末法测得玻璃的化学稳定性，得出用于光纤面板的芯料玻璃的玻璃等级如下表3所示。
测试条件如下：将实施例1-实施例5制得的芯料玻璃样品粉碎，取0.4mm~0.6mm的玻璃颗粒（样品），用无水乙醇漂洗后放入120℃±5℃的烘箱中干燥60min后，取1 g玻璃颗粒放入石英浸出器中，加80mL蒸馏水（或0.01mol/L硝酸，80mL），将浸出器放入98-100℃微沸的恒温水浴中60min。将浸出器取出，将其中液体倒入过滤器中过滤，用约50ｍl的无水乙醉将浸出器中的玻璃颗粒全部转入过滤器中，不应有玻璃颗粒粘附于浸出器的内壁。最后用约30ml的无水乙醉洗涤过滤器中的玻璃颗粒2~3次，将过滤器放入120℃±5℃的烘箱中干燥60min，然后置于干燥器中冷却至室温，称量，测试失重量，计算浸出百分数。
耐水性以DW表示，按玻璃在水中的浸出百分数，从小于0.04 %到大于1.10%分为六级。
耐酸性以DA表示，按玻璃在酸中的浸出百分数，从小于0.02%到大于2.20%分为六级。
表3 实施例1-5的芯料玻璃制备的光纤面板腐蚀情况
Figure DEST_PATH_IMAGE003
从表2及表3的数据可以看出，本发明实施例1-5的技术指标完全符合芯料玻璃高折射率、高膨胀的技术标准，达到了产品所需要的基本光学性能，同时由于玻璃各组分选择皆是在满足技术指标的前提下同时满足耐腐蚀方面的需求而选用，这样使实施例1-5的产品腐蚀比例大大降低，大大提高了生产合格率及生产效率，由该配方制作的光纤面板产品不但具有优异的内质水平和良好的成像质量，而且具有良好的化学稳定性，较普通光纤面板的化学稳定性而言，应用本发明的芯玻璃所制造的光纤面板的耐腐蚀性达到了国内领先水平，并显著提升了光纤面板制造的良品率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，含有以下质量分数的原料：二氧化硅20-45％；氧化硼1-10％；氧化铝5-12％；氧化锌5-10％；氧化钙5-15％；氧化铅17-30％；氧化锂0.1-10％；氧化钛5-10％；氧化锆5-10％；氧化铋5-10％；以上各组分的质量分数之和为100%。
2.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅20-36％；氧化硼3-6.5％；氧化铝6-10％；氧化锌6-9％；氧化钙5-12.5％；氧化铅18-28.5％；氧化锂0.1-6.5％；氧化钛5-9％；氧化锆6-9％；氧化铋6-10％；以上各组分的质量分数之和为100%。
3.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅20.5％；氧化硼4.1％；氧化铝9.6％；氧化锌8.2％；氧化钙6.8％；氧化铅23.3％；氧化锂4.2％；氧化钛5.5％；氧化锆8.2％；氧化铋9.6％。
4.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅21％；氧化硼5.2％；氧化铝7％；氧化锌7％；氧化钙7％；氧化铅26.2％；氧化锂0.2％；氧化钛8.8％；氧化锆8.8％；氧化铋8.8％。
5.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅27.1％；氧化硼6.1％；氧化铝6.1％；氧化锌6.1％；氧化钙12.1％；氧化铅18.1％；氧化锂6.1％；氧化钛6.1％；氧化锆6.1％；氧化铋6.1％。
6.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅28.2％；氧化硼1.5％；氧化铝7％；氧化锌7％；氧化钙7％；氧化铅28.2％；氧化锂0.1％；氧化钛7.0％；氧化锆7.0％；氧化铋7.0％。
7.如权利要求1所述的用于光纤面板的芯料玻璃，其特征在于，所述用于光纤面板的芯料玻璃含有以下质量分数的原料：二氧化硅35.7％；氧化硼3.2％；氧化铝7.6％；氧化锌6.5％；氧化钙5.4％；氧化铅18.4％；氧化锂3.2％；氧化钛5.4％；氧化锆6.5％；氧化铋8.1％。
8.一种权利要求1-7任一项所述的用于光纤面板的芯料玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照质量分数称取二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钙、氧化铅、氧化锂、氧化钛、氧化锆及氧化铋，混合并放入铂金坩埚中，将铂金坩埚加热到1400～1500℃，使各组分熔融6～9小时后，将熔融液漏料成预定的棒状，然后在600～630℃下进行退火得到所述芯料玻璃。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为620℃。
10.一种光纤面板，其特征在于，所述光纤面板包含权利要求1-7任一项所述的芯料玻璃。
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Application publication date: 20190712

Assignee: China building materials Photon Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA BUILDING MATERIALS ACADMEY

Contract record no.: X2023980036201

Denomination of invention: A core material glass for fiber optic panels and its preparation method and application

Granted publication date: 20220128

License type: Common License

Record date: 20230602

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