CN110506032A - 光纤的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光纤的制造方法。该制造方法包括：用于拉制光纤母材以形成裸光纤的拉制步骤；用于冷却裸光纤的第一冷却步骤；用于利用包含树脂前体的未固化涂层来涂覆裸光纤的外周的涂覆步骤；用于固化该未固化涂层以形成半固化涂层的第一固化步骤；用于进一步固化该半固化涂层的第二固化步骤；以及在第一固化步骤与第二固化步骤之间并且用于使用至少一个非接触式方向变换器来冷却该半固化涂层的第二冷却步骤。

Description

光纤的制造方法

技术领域

本发明涉及光纤制造方法。

要求于2017年4月10日提交的日本专利申请第2017-077688号的优先权，其内容通过引用合并在本文中。

背景技术

在现有技术中，已知包括拉制步骤、涂覆步骤和固化步骤的光纤制造方法。在拉制步骤中，拉制光纤预制棒以形成裸光纤。在涂覆步骤中，在裸光纤的外周上设置由树脂制成的未固化的涂层(在下文中，简称为未固化涂层)。在固化步骤中，固化未固化涂层。

在这样的制造方法中，为了增加光纤的生产能力，需要增加拉制速度。然而，如果拉制速度增加，则光纤通过冷却装置或涂覆固化装置的时间变短，因此需要增加这些装置的数目。

此外，如果由缓冷炉缓慢冷却从熔融炉拉制的高温裸光纤，则可以减小作为光纤的重要特性之一的传输损耗。因此，为了增加拉制速度同时限制传输损耗的增加，需要增加缓冷炉的数目。

在此，没有设置涂层的容易损坏的裸光纤通过缓冷炉。另外，具有液体未固化涂层的光纤通过涂覆固化装置。如果在这些状态下的光纤与用于改变方向的滑轮等接触，则可能引起光纤的强度的降低和涂层的变形。因此，每个装置需要直接位于光纤预制棒的熔融炉下方。

如上所述，为了增加光纤的生产能力，需要增加直接设置在熔融炉下方的装置的数目。然而，在高度方向上的空间有限的现有厂房中，难以以这种方式增加装置的数目，这导致对拉制速度的限制。

作为用于克服该限制的技术，专利文献1公开了非接触方向变换器。非接触方向变换器可以改变光纤的行进方向而不使其部件与光纤接触。通过使用非接触方向变换器，即使在形成未固化涂层或完全地固化未固化涂层之前，也可以改变光纤的行进方向。因此，每个装置可以自由地设置，并且即使在高度方向上存在空间限制的地方也可以增加拉制速度。

引用列表

专利文献

[专利文献1]日本专利第5851636号

发明内容

技术问题

同时，通常使用可以高速固化的紫外线固化树脂，作为光纤的涂层。在使用紫外线固化树脂作为涂层的情况下，采用紫外线灯、UV-LED等作为涂覆固化装置。在此，已知在固化紫外线固化树脂时，树脂固化时的温度是决定固化程度和固化之后的树脂的分子量的因素。例如，如果固化时的温度太高，则固化可能不充分，或者诸如杨氏模量的特性可能由于固化之后的树脂的分子量小而劣化。特别是，随着拉制速度增加，因为冷却裸光纤或未固化涂层所花费的时间变短，所以这个问题更有可能发生。此外，为了在裸光纤上稳定地涂覆要作为涂层的树脂材料，可以增加树脂材料的温度以用于降低树脂材料的粘度。增加树脂材料的温度以调节粘度也可能是增加未固化涂层的温度的因素。接收由紫外线灯等发出的热量也可能是增加未固化涂层的温度的因素。

已经鉴于这样的情况而做出本发明，并且本发明的目的是提供在增加光纤的拉制速度的情况下制造具有所期望的状态的涂层的光纤的方法。

问题的解决方案

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面的光纤制造方法包括：拉制步骤，拉制光纤预制棒以形成裸光纤；第一冷却步骤，冷却裸光纤；涂覆步骤，其在裸光纤的外周上设置包含树脂前体的未固化涂层；第一固化步骤，其固化未固化涂层以形成半固化涂层；第二固化步骤，其进一步固化半固化涂层；以及第二冷却步骤，在第一固化步骤与第二固化步骤之间并且通过至少一个非接触方向变换器来冷却半固化涂层。

发明的有益效果

根据本发明的上述方面，可以在增加光纤的拉制速度的情况下制造具有所期望的状态的涂层的光纤。

附图说明

图1是示出根据第一实施方式的光纤制造设备的配置的示意图。

图2是示出根据第二实施方式的光纤制造设备的配置的示意图。

具体实施方式

(第一实施方式)

下面将参照图1描述根据第一实施方式的光纤制造设备的配置。在以下描述中使用的每个附图中，适当地改变比例以使每个构件可识别。

如图1所示，光纤制造设备1A包括拉制单元10、第一冷却单元13、涂覆单元30、第一固化单元40A、非接触方向变换器20A至20C、第二固化单元40B、外径测量单元50、方向变换器20D以及卷绕器90，并且各个单元从顶部按此顺序设置。

拉制单元10包括用于熔融光纤预制棒的熔融炉等。拉制单元10形成裸光纤3。

第一冷却单元13包括缓冷炉11和冷却器12。缓冷炉11是用于逐渐冷却从拉制单元10的熔融炉拉制的高温裸光纤3的装置。通过经由缓冷炉11缓慢冷却裸光纤3，可以减小光纤的传输损耗。可以采用冷却缸等，作为冷却器12。冷却缸将气体引入水冷缸的腔体中，并使光纤通过腔体以冷却光纤。引入腔体的气体包括氦气、氮气、二氧化碳或其混合气体。例如，氦气和氮气的传热速率是不同的。因此，在将氦气和氮气的混合气体引入腔体的情况下，可以通过改变这些气体的混合比率来调节通过冷却缸的裸光纤3的温度。

涂覆单元30通过模具涂覆(die coating)等将包含树脂前体的流体材料(在下文中，简称为树脂材料)施加或涂覆到裸光纤3的外周以形成未固化涂层。在本实施方式中，处于在通过第一固化单元40A之前的状态的涂层被称为“未固化涂层”，并且处于在通过第一固化单元40A之后且在通过第二固化单元40B之前的状态的涂层被称为“半固化涂层”。此外，在涂层是否通过固化单元40A、40B并不重要的情况下，将其简称为“涂层”。

树脂材料的涂覆例如是双层涂覆。在双层涂覆中，将用于具有低杨氏模量的初级涂层的树脂材料施加到内部，并且将用于具有高杨氏模量的次级涂层的树脂材料施加到外部。例如，可以使用诸如氨基甲酸酯丙烯酸酯树脂(urethane acrylate resin)的紫外线固化树脂作为涂层。另外，涂覆单元30可以被配置成分别涂覆初级涂层和次级涂层，或者同时涂覆初级涂层和次级涂层。在本实施方式中，处于涂层被设置在裸光纤3的外周上的状态的元件被称为光纤。

为了实现稳定的涂覆，由涂覆单元30施加到裸光纤3的树脂材料的粘度需要在一定程度上较低。通过升高树脂材料的温度可以减小树脂材料的粘度。因此，要由涂覆单元30施加的树脂材料的温度可以预先升高到室温以上，这可能是引起未固化涂层的温度升高的因素之一。特别地，由于树脂材料在室温下的粘度较高，因此当由涂覆单元30施加时，需要升高树脂材料的温度。

在涂层由紫外线固化树脂制成的情况下，可以使用紫外线照射灯、UV-LED和它们组合的固化装置作为第一固化单元40A。设置为第一固化单元40A的固化装置的数目可以利用已通过这些固化装置的涂层的固化度K作为指标来确定。另外，本实施方式中的固化度K使用稍后将描述的凝胶分数来定义。

多个非接触方向变换器20A、20B、20C按此顺序设置在第一固化单元40A下方。非接触方向变换器20A、20B、20C分别将光纤的行进方向改变90°、180°和90°。例如，非接触方向变换器20A将光纤的行进方向从向下方向改变约90°至水平方向。可以适当地转变安装的非接触方向变换器的数目、安装位置、方向改变的角度等。

非接触方向变换器20A至20C具有用于引导裸光纤3或光纤的引导槽。在引导槽中，形成针对用于使沿着引导槽布线的光纤浮动的流体(气体)的出口。非接触方向变换器20A至20C通过从出口向光纤上喷射诸如空气或氦气(He)的气体，在不使部件与光纤接触的情况下使光纤浮动。本实施方式中的非接触方向变换器的配置与日本专利第5851636号中描述的配置相同，因此在此省略详细描述。

在使用空气作为喷射到光纤上的气体的情况下，使光纤浮动所需的气体量例如为约100L/min至200L/min。根据气体出口的宽度等适当地改变气体量。通过调节气体量，可以调节光纤的浮动量，即光纤相对于每个部件的通过位置。

当光纤的通过位置显著改变时，光纤与每个部件接触，这引起光纤的强度降低。此外，可以使用UV-LED作为第一固化单元40A或第二固化单元40B的固化装置。因为UV-LED的照射光具有方向性，所以可以照射紫外线的区域相对较小。因此，为了可靠地向未固化涂层或半固化涂层照射紫外线，需要更严格地控制光纤的通过位置。因此，位置传感器(未示出)设置在非接触方向变换器20A至20C下方，并且位置传感器测量光纤的位置。基于测量结果，调节要由非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤上的气体量，使得光纤的位置是适当位置。

在涂层是通过自由基聚合进行固化的可自由基固化的紫外线固化树脂的情况下，如果喷射到光纤上的气体的氧浓度高，则由于氧阻聚而发生固化失败。因此，需要将由非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤上的气体的氧浓度控制为适当值。例如，在使用空气作为气体的情况下，可以通过增加或减少诸如空气中所包含的氮气的除氧气之外的气体的含量来调节气体的氧浓度。

然而，当气体喷射到光纤上时，涂层可以被气体冷却。本实施方式中的非接触方向变换器20A至20C设置在第一固化单元40A与第二固化单元40B之间，聚焦于冷却能力。也就是说，非接触方向变换器20A至20C构成在第一固化单元40A与第二固化单元40B之间冷却半固化涂层的第二冷却单元14。

接下来，将描述使用如上所描述的那样配置的光纤制造设备1A的光纤制造方法。

首先，在拉制单元10中，拉制光纤预制棒以形成裸光纤3(拉制步骤)。

接下来，为了保持光纤的传输损耗低，在缓冷炉11中逐渐冷却裸光纤3。此外，通过冷却器12将裸光纤3冷却到预定温度(第一冷却步骤)。

接下来，在涂覆单元30中，在裸光纤3的外周上设置包含树脂前体的未固化涂层以形成光纤(涂覆步骤)。此时，作为未固化涂层施加的树脂材料的温度预先升高到室温以上以减小其粘度。

接下来，在第一固化单元40A中，固化未固化涂层以变成半固化涂层(第一固化步骤)。另外，通过第一固化单元40A的光纤的半固化涂层经由固化装置发出的热量等进一步升温。

接下来，在第一固化步骤与第二固化步骤之间，通过第二冷却单元14的非接触方向变换器20A至20C，在改变光纤的行进方向的同时冷却半固化涂层(第二冷却步骤)。

接下来，在第二固化单元40B中，进一步固化半固化涂层(第二固化步骤)。

接下来，在外径测量单元50中，测量光纤的外径。

然后，由方向变换器20D将光纤的行进方向改变为基本上水平的方向，并且由卷绕器90卷绕光纤。另外，因为通过第二固化单元40B的光纤的涂层已被固化，所以可以使用诸如接触式滑轮的方向变换器作为方向变换器20D。

(第二实施方式)

接下来，将描述根据本发明的第二实施方式，但是基本配置与第一实施方式的基本配置相同。因此，相似的配置被赋予相同的附图标记，将省略其说明，并且将仅描述与其的不同之处。

本实施方式与第一实施方式的不同之处在于第二冷却单元14的配置和第二固化单元40B的布置。

如图2所示，在本实施方式的光纤制造设备1B中，第二冷却单元14设置在光纤制造设备1B的最下部。第二冷却单元14由一个非接触方向变换器20E形成。非接触方向变换器20E将光纤的行进方向从向下方向改变约90°至水平方向。

根据本实施方式，第二冷却单元14、第二固化单元40B和外径测量单元50设置在光纤制造设备1B的最下部。因此，与第一实施方式相比，可以减小整个光纤制造设备的上下方向的尺寸。

(示例)

在下文中，将使用具体示例更详细地描述本实施方式的光纤制造方法。

作为示例1，通过图1所示的光纤制造设备1A制造光纤。在裸光纤3的外径为125μm并且光纤的外径为250μm的情况下，双层紫外线固化树脂(氨基甲酸酯丙烯酸酯)被采用作为涂层。拉制速度为50m/sec。安装两个紫外线照射灯作为第一固化单元40A。安装三个非接触方向变换器20A、20B、20C，作为第二冷却单元14。三个非接触方向变换器20A、20B、20C分别将光纤的行进方向改变90°、180°和90°。由非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤上的气体是氧浓度被调节到10％的空气。安装四个紫外线照射灯作为第二固化单元40B。

由此获得的光纤的涂层被固化，并且涂层的特性也良好。通过第一固化单元40A之后的半固化涂层的固化度为K＝0.25。

在此，将描述该示例中的凝胶分数和固化度K的定义。通过以下方法计算凝胶分数。首先，将作为样品的光纤输入到索氏提取器(Soxhlet extractor)，并且在温度为90℃且时间为240分钟的条件下，使用甲基乙基酮(MEK)作为提取溶剂执行索氏提取。此后，将样品在60℃的温度下干燥240分钟。通过将提取之后的不溶物的干重除以提取之前的样品的重量来计算凝胶分数。另外，提取时的温度可以是高于或等于MEK的沸点的温度，并且可以是洗脱剂的提取饱和的温度和时间。另外，对于干燥的温度和时间，干重可以是饱和的。

凝胶分数随着对涂层的UV照射量的增加而增加，并且在一定的UV照射量处饱和。UV照射量是通过将每个UV照射装置的UV照度(mW/cm²)乘以每个照射时间(秒)而获得的值。此外，光纤制造设备中的照射时间被定义为通过将UV照射装置中的光纤经过的距离(m)除以拉制速度(m/sec)而获得的值。也就是说，可以通过经由改变拉制速度、UV照射装置的数目或UV照度来制备多个样品并且评估每个样品的凝胶分数，获得UV照射量与凝胶分数之间的关系。

在此，将使凝胶分数饱和的UV照射量的下限值设定为W1，并且将此时的饱和凝胶分数设定为G1。接下来，利用为W1的1/10的UV照射量(W2)制备样品，并且将由此获得的凝胶分数定义为G2。此外，在待评估的样品的凝胶分数为G3的情况下，待评估的样品的固化度K由以下式(1)定义。

K＝(G3-G2)/(G1-G2)...(1)

作为示例2，通过图2所示的光纤制造设备1B制造光纤。安装一个紫外线照射灯作为第一固化单元40A。使用一个非接触方向变换器20E(90°转变)，作为第二冷却单元14。安装两个紫外线照射灯作为第二固化单元40B。其他配置与示例1相同。在本示例中，以10m/sec的拉制速度拉制光纤。由此获得的光纤的涂层被固化，并且涂层的特性也良好。

作为比较例1，利用不包括第二冷却单元14的图1的配置以50m/sec的拉制速度制造光纤。尽管由此方式获得的光纤的涂层被固化，但是涂层的杨氏模量与示例1相比减小了约20％。这是因为在半固化涂层经由通过第一固化单元40A而保持加热的状态下，光纤在半固化涂层的温度为高的状态下进入第二固化单元40B并且被固化。也就是说，因为半固化涂层在温度高于示例1中的温度的状态下被固化，所以作为涂层的氨基甲酸酯丙烯酸酯的分子量降低，并且杨氏模量降低。

作为比较例2，通过将图2的配置中的非接触方向变换器20E改变为接触式方向变换器(滑轮)，以10m/sec的拉制速度制造光纤。由此获得的光纤的涂层的截面形状变形并且不是完美的圆形。这是因为光纤在通过第二固化单元40B之前的涂层的固化不充分的状态下接触滑轮。

作为比较例3，相对于图1的配置，非接触方向变换器20A至20C的位置被转变为涂覆单元30与第一固化单元40A之间的位置。在通过这种配置获得的光纤中，涂层直径在纵向上大幅波动。这是因为，在涂层的未固化状态下，通过将气体从非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤上，未固化涂层由于气体的压力而变形。

作为比较例4，在示例1的配置中，通过非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤上的气体是氧浓度为20％的空气。由此获得的光纤具有不充分的涂层的固化并且具有粘性表面。这是因为被采用作为涂层的氨基甲酸酯丙烯酸酯是可自由基固化的紫外线固化树脂，并且喷射气体的氧浓度高，导致由于氧阻聚而引起的固化失败。因为示例1中的气体的氧浓度为10％，而比较例4中的气体的氧浓度为20％，所以在第二冷却步骤中，通过非接触方向变换器20A至20C喷射到光纤的半固化涂层上的气体的氧浓度优选为10％或更低。

作为比较例5，相对于示例1的配置，用作第一固化单元40A的紫外线照射灯的数目变为一个。拉制速度为50m/sec，这与示例1的拉制速度相同。通过第一固化单元40A之后的半固化涂层的固化度为K＝0.20。由此获得的光纤的涂层的截面形状不是完美的圆形。这是因为与示例1相比，作为减小要安装作为第一固化单元40A的紫外线照射灯的数目的结果，非接触方向变换器20A至20C的气体在涂层的固化不充分的状态下喷射到光纤上，并且使涂层变形。

通过第一固化单元40A之后的半固化涂层的固化度K在示例1中为0.25并且在比较例5中为0.20。由此，在第一固化步骤中，期望固化未固化涂层直到半固化涂层的固化度K变为0.25或更大。拉制速度越快，光纤通过一个固化装置的时间越短，并且由未固化涂层或半固化涂层吸收的紫外光的量越小。因此，可以根据拉制速度调节设置为第一固化单元40A的固化装置的数目，使得通过第一固化单元40A之后的半固化涂层的固化度K为0.25或更大。

作为比较例6，相对于示例1的配置，非接触方向变换器20A至20C的位置被转变为涂覆单元30之前的位置。也就是说，第二冷却单元14未设置在第一固化单元40A与第二固化单元40B之间。拉制速度为50m/sec。尽管由此方式获得的光纤的涂层被固化，但与示例1相比，涂层的杨氏模量减小约20％。这是因为在裸光纤3的状态下的冷却是充分的，但是半固化涂层由于光纤通过第一固化单元40A而被加热，并且光纤在该状态下进入第二固化单元40B，因此半固化涂层在其温度高的状态下被固化。代替由一个固化单元一次固化涂层，在固化单元被分成多个固化单元并且在固化单元之间设置冷却单元的情况下，可以在固化的同时限制涂层的温度升高。

如上所述，根据本实施方式的制造方法，在第一固化步骤与第二固化步骤之间存在通过至少一个非接触方向变换器冷却半固化涂层的第二冷却步骤。因此，即使半固化涂层的温度在第一固化步骤中升高，该温度也可以在第二冷却步骤中降低。利用这种配置，在第二固化步骤中，可以防止半固化涂层在该半固化涂层的温度高的情况下被固化，并且可以使固化之后的涂层达到期望的状态。

此外，在第二冷却步骤中，通过非接触方向变换器20A至20C、20E冷却半固化涂层。非接触方向变换器20A至20C、20E具有将气体喷射到光纤上的高的冷却能力，并且能够在短时间内可靠地冷却半固化涂层。因此，可以增加拉制速度。另外，通过例如经由非接触方向变换器20A至20C、20E，在将光纤的行进方向从上下方向改变为水平方向的同时冷却半固化涂层，可以防止整个装置的尺寸在高度方向上增加。另外，可以限制半固化涂层与方向变换器的部件接触并变形。

此外，在非接触方向变换器20A至20C、20E中，在气体喷射到具有低固化度K的半固化涂层上时，气体的压力可能引起半固化涂层变形。因此，在第一固化步骤中，可以固化未固化涂层直到半固化涂层的固化度K变为0.25或更大。因此，可以限制由于非接触方向变换器20A至20C、20E的气体的压力而引起的涂层的变形。

在涂层是可自由基固化的紫外线固化树脂的情况下，如果喷射到涂层上的气体的氧浓度高，则可能由于氧阻聚而发生固化失败。因此，在第二冷却步骤中，非接触方向变换器20A至20C、20E可以将喷射到半固化涂层上的气体的氧浓度设定为10％或更低。因此，即使涂层是可自由基固化的紫外线固化树脂，也可以限制由于氧阻聚而引起的涂层的固化失败的发生。此外，可以更可靠地固化半固化涂层。

应当注意，本发明的技术范围不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明的精神的情况下可以做出各种修改。

例如，尽管在实施方式的光纤制造设备1A、1B中使用冷却缸作为冷却器12，但是可以采用具有其他配置的冷却器12。例如，也可以采用非接触方向变换器作为冷却器12。

此外，尽管实施方式的光纤制造设备1A、1B配备有缓冷炉11，但是根据光纤所需的传输损耗水平，可以采用不配备缓冷炉11的配置。

此外，尽管实施方式的光纤制造设备1A、1B均配备有两个固化单元40A、40B，但是可以设置三个或更多个固化单元。在这种情况下，非接触方向变换器可以设置在分别位于多个地方的固化单元之间。

另外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以用公知的构成元件适当地替换上述实施方式中的构成元件，并且可以适当地组合上述实施方式和变型。

附图标记列表

1A、1B…光纤制造设备3…裸光纤10…拉制单元13…第一冷却单元20A至20C、20E…非接触方向变换器30…涂覆单元40A…第一固化单元40B…第二固化单元50…外径测量单元90…卷绕器

Claims (3)

1.一种光纤制造方法，包括：

拉制步骤，拉制光纤预制棒以形成裸光纤；

第一冷却步骤，冷却所述裸光纤；

涂覆步骤，在所述裸光纤的外周上设置包含树脂前体的未固化涂层；

第一固化步骤，固化所述未固化涂层以形成半固化涂层；

第二固化步骤，进一步固化所述半固化涂层；以及

第二冷却步骤，在所述第一固化步骤与所述第二固化步骤之间并且通过至少一个非接触方向变换器来冷却所述半固化涂层。

2.根据权利要求1所述的光纤制造方法，

其中，在所述第一固化步骤中，固化所述未固化涂层直到所述半固化涂层的固化度变为0.25或更大。

3.根据权利要求1或2所述的光纤制造方法，

其中，在所述第二冷却步骤中，通过所述非接触方向变换器喷射到所述半固化涂层上的气体的氧浓度为10％或更低。