CN113580619B - 一种高度耐腐蚀的特种光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高度耐腐蚀的特种光纤，由铝@石墨烯掺杂聚合物制出纤芯预制件，经过包层材料包覆、退火、拉伸制成，所述的铝@石墨烯由球形铝粉和石墨烯组成，所述的聚合物是聚四氟乙烯，所述的包层材料是聚四氟乙烯管。本发明的有益效果：铝表面和氧反应，生成致密的氧化膜，阻止剩下的铝进一步反应，起到抗腐蚀的作用，石墨烯具有亲油疏水性，可以增强光纤在潮湿环境中的抗腐蚀性能，铝@石墨烯与聚四氟乙烯协同增强光纤的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤的技术领域，具体涉及一种高度耐腐蚀的特种光纤。
背景技术
光纤是指光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作光传导工具，传输原理是“光的全反射”，利用玻璃光纤制成的光缆横跨高山大川不再是困难，但是利用玻璃光纤入户时却存在着几乎不可逾越的障碍，这主要在于玻璃光纤一般仅有几个微米，因而在接口等方面需要很高的技术，并且接口成本昂贵，难以为用户所接受，而塑料光纤用于光信息传播具有大直径、重量轻、易于加工、成本低、良好的柔软性等优点。
中国专利公开号为CN106125192B的专利公开了一种超低损耗大有效面积光纤及其制备工艺，从内到外依次包括芯层、包层以及涂层，芯层为纯二氧化硅玻璃层，其半径为5-7μm，内包层为掺氟内包层，其半径r2为5-12μm，所述中包层半径r3为12-25μm，所述外包层为纯石英玻璃层，其半径r4为25-45μm，涂层材料采用聚丙烯酸酯，包括内涂层以及外涂层，内涂层直径为192μm，外涂层直径为245μm，其制备工艺包括预制棒制备，光纤熔融退火工艺以及光纤拉丝固化工艺，该光纤的应变可达到2％甚至以上，但是该光纤的耐腐蚀性能差，迫切需要研发新材料改善光纤的耐腐蚀性。
发明内容
本发明提供一种高度耐腐蚀的特种光纤，由铝@石墨烯掺杂聚合物制出纤芯预制件，经过包层材料包覆、退火、拉伸制成，所述的铝@石墨烯由铝和石墨烯组成，所述的聚合物是聚四氟乙烯，所述的包层材料是聚四氟乙烯管。
所述一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取球形铝粉和石墨烯加入球磨机中球磨，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取铝粉@石墨烯、聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到一定温度后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到一定温度，退火，拉伸成光纤。
优选的，所述步骤(2)中球形铝粉的质量是0.35-0.40g，石墨烯的质量是10-12mg，球磨机转速是300-500rpm/min，球磨时间是20-30min。
优选的，所述步骤(3)中铝粉@石墨烯的质量是0.2-0.3g，聚四氟乙烯的质量是1-2g，升温到70-75℃后不再升温。
优选的，所述步骤(4)中加热温度是155-175℃。
本发明的反应机理和有益效果是：
(1)一种高度耐腐蚀的特种光纤，在氩气保护的手套箱中，球形铝粉和石墨烯经过球磨机球磨制得铝@石墨烯，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件，纤芯预制件经过聚四氟乙烯管包层材料包覆、退火、拉伸制成高度耐腐蚀的特种光纤。
(2)一种高度耐腐蚀的特种光纤，铝表面很容易和氧反应，生成致密的氧化膜，阻止剩下的铝进一步反应，起到抗腐蚀的作用，石墨烯具有亲油疏水性，可以增强在潮湿环境中的抗腐蚀性能，聚四氟乙烯的耐热、耐寒性优良，可在-180～260℃长期使用，可以抗酸、抗碱、抗各种有机溶剂，铝@石墨烯与聚四氟乙烯协同增强光纤的耐腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所有原料均为通用材料。
实施例1
一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取0.35g球形铝粉和10mg石墨烯加入球磨机中球磨，球磨机转速是300rpm/min，球磨时间是20min，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取0.2g铝粉@石墨烯、1g聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
实施例2
一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取0.36g球形铝粉和10.5mg石墨烯加入球磨机中球磨，球磨机转速是350rpm/min，球磨时间是22min，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取0.22g铝粉@石墨烯、1.2g聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到71℃后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到160℃，退火，拉伸成光纤。
实施例3
一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取0.37g球形铝粉和11mg石墨烯加入球磨机中球磨，球磨机转速是400rpm/min，球磨时间是25min，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取0.25g铝粉@石墨烯、1.5g聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到72℃后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到165℃，退火，拉伸成光纤。
实施例4
一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取0.40g球形铝粉和12mg石墨烯加入球磨机中球磨，球磨机转速是500rpm/min，球磨时间是30min，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取0.3g铝粉@石墨烯、2g聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到75℃后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到175℃，退火，拉伸成光纤。
对比例1
一种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)称取1g聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃后不再升温，恒温控制，得到纤芯预制件；
(3)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
对比例2
一种光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过Hummer法制备石墨烯；
(2)在氩气保护的手套箱中，称取0.35g球形铝粉和10mg石墨烯加入球磨机中球磨，球磨机转速是300rpm/min，球磨时间是20min，得到铝粉@石墨烯；
(3)称取0.2g铝粉@石墨烯、1g聚苯乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚苯乙烯网络中，得到纤芯预制件；
(4)纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
白光透过率测试方法：对于实施例和对比例中的光纤进行测试，选用相同长度的光纤材料，一端用带有棱镜组的卤钨灯光源相连接，另一端同测试光纤输出的功率计相连，测试出白光透过率，见表1：
表1
实施例1-4中的光纤的白光透过率随着铝粉@石墨烯的质量增大而变高，说明光纤传输损耗呈现变低趋势。对比例1中的光纤是以聚四氟乙烯为纤芯，聚四氟乙烯管为包层，加热到155℃，退火，拉伸制成，白光透过率比实施例1低，光纤传输损耗比实施例1高。对比例2中的光纤是以铝粉@石墨烯嵌入聚苯乙烯网络制成纤芯，聚四氟乙烯管为包层，加热到155℃，退火，拉伸制成，该光纤的白光透过率比对比例1的白光透过率高，比实施例1的白光透过率低。对比例1和对比例2制备的光纤白光透过率均比实施例1低，说明本发明的高度耐腐蚀的特种光纤传输损耗较低。
腐蚀率测试方法：对于实施例和对比例中的光纤进行腐蚀实验：将光纤材料在YW/R-150盐雾实验箱内进行腐蚀试验，NaCl的质量浓度为(5±0.1)％，pH值为6.5～7.2，得到光纤材料的腐蚀率见表2：
表2
实施例1-4中特种光纤的耐腐蚀性能随着铝粉@石墨烯、聚四氟乙烯的质量增加而变强，可能是因为铝@石墨烯与聚四氟乙烯协同增强光纤的耐腐蚀性能。对比例1中的光纤是以聚四氟乙烯为纤芯，聚四氟乙烯管为包层，加热到155℃，退火，拉伸制成，耐腐蚀性能相比于实施例1下降，可能是因为实施例1中的铝粉@石墨烯可以协同聚四氟乙烯增强光纤的耐腐蚀性能。对比例2中的光纤是以铝粉@石墨烯嵌入聚苯乙烯网络制成纤芯，聚四氟乙烯管为包层，加热到155℃，退火，拉伸制成，该光纤的耐腐蚀性能比对比例1中的光纤耐腐蚀性能强，比实施例1中的光纤耐腐蚀性能差，可能是因为聚苯乙烯的耐腐蚀性比聚四氟乙烯的耐腐蚀性差。对比例1和对比例2中的光纤耐腐蚀性能均比实施例1差，说明本发明的特种光纤耐腐蚀性能优良。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (4)
1.一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，其特征在于，所述特种光纤由铝@石墨烯掺杂聚合物制出纤芯预制件，经过包层材料包覆、退火、拉伸制成，所述的铝@石墨烯由铝和石墨烯组成，所述的聚合物是聚四氟乙烯，所述的包层材料是聚四氟乙烯管，其制备方法包括以下步骤：
（1）通过Hummer法制备石墨烯；
（2）在氩气保护的手套箱中，称取球形铝粉和石墨烯加入球磨机中球磨，得到铝粉@石墨烯；
（3）称取铝粉@石墨烯、聚四氟乙烯加入到反应釜中，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到一定温度后不再升温，恒温控制，将铝粉@石墨烯嵌入聚四氟乙烯网络中，得到纤芯预制件；
（4）纤芯预制件和聚四氟乙烯管都用无水乙醇仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚四氟乙烯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到一定温度，退火，拉伸成光纤。
2.根据权利要求1所述的一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中球形铝粉的质量是0.35-0.40g，石墨烯的质量是10-12mg，球磨机转速是300-500rpm/min，球磨时间是20-30min。
3.根据权利要求1所述的一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中铝粉@石墨烯的质量是0.2-0.3g，聚四氟乙烯的质量是1-2g，升温到70-75℃后不再升温。
4.根据权利要求1所述的一种高度耐腐蚀的特种光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中加热温度是155-175℃。
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