CN1136605A - 涂覆纤维的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在拉制光纤的过程中，通过施涂可固化的液体涂覆材料，然后固化液体涂覆层形成保护性塑料层，从而将保护性的塑料保护层施加在纤维上。在高的纤维拉制速度下，夹带在纤维上的空气会进入液体涂覆材料并在固化的涂覆层中产生气泡。通过用氦气取代纤维表面周围的空气，可以减少在涂覆层中气泡的生成。

Description

涂覆纤维的方法及装置
本发明涉及用液体有机材料涂覆在纤维上，然后使该有机材料固化，在纤维上形成固体保护性有机涂层，具体地是涉及玻璃光波导纤维的涂覆。
为了保护纤维不受机械损伤，为了绝缘，为了识别以及为了其它目的，常常对纤维进行涂覆。例如，一根光纤从如熔炉或预制品的源中拉制出来，然后依次通过冷却管、一个或多个涂覆装置、拉制装置(例如牵引器)；然后绕在卷轴上。直径测量装置安置在源和冷却管之间；或可在涂覆装置的后面安置另一个直径测量装置。拉制出的光纤应在与其它任何表面(例如牵引器)接触之前先进行保护性涂覆。
光纤的涂覆是以如下步骤进行的：使光纤通过装有液体涂覆材料的容器，然后通过精整模，从纤维上去除过量的涂覆液体。当纤维被拉伸向下移动通过涂覆材料液面时，将该液面向下拉，形成了弯液面。随着拉伸速度的增加，该弯液面更深地穿入液体涂覆材料。当超过一定的拉伸速度，涂覆材料的液面与纤维表面在它们的接触点上基本上是相切的，因此最初出现了空气夹杂的现象。若低于一定的拉伸速度，夹杂进入涂覆层中的最初空气会溶解在涂覆层中，不会显示出来。随着拉伸速度的增加，夹杂的空气越来越多，直至达到一个极限，在纤维涂覆中就会见到明显的气泡。夹杂空气中的氧对涂覆的固化起抑制作用。并且，过量的气泡被认为是可见的缺陷，当这些缺陷为数相当多或尺寸较大时，会引起光纤中的微弯曲损失。
美国专利No.4,704,307(Jochem等)和C.M.G.Jochem等人在“High-Speed Bubble-Free Coating of Optical Fibers on aShort Drawing Tower”一文(Proc.IOOC-ECOC’85，Venice，I-taly，Oct.1-4，1985，PP.515-518)中提到一种为光纤提供无气泡涂覆层的方法和装置，所述光纤在液体涂覆材料中的拉伸速度比通常当空气围绕光纤进入该种液体涂覆材料点处的情况下拉伸的速度更大。C.M.G.Jochem等人提到，当纤维与涂覆材料液体相遇的区域被动粘滞度较低(较空气的低)的清洗空气包围时，就减小了形成气泡的危险，即该种气体不太容易被作拉伸运动的纤维所裹带夹杂成气泡缺陷。据称氩、氙和CCl2F2是适用的清洗气体。
美国专利4,792,347(Deneka等)(在此是参考引用了的)提到一种通过施涂可固化的液体涂覆材料，然后使该液体涂覆层固化形成保护性塑料层，从而将保护性涂覆层施涂于光纤的方法。在施涂液体涂覆材料之前，先用清洗气体取代纤维表面附近的空气，从而使空气被清洗即从纤维表面移开，该种清洗气体在液体涂覆材料中的溶解度应较高，并且生成液体涂覆层时能抑制在其中生成气泡。Dene-ka等人的专利中指出，适用的清洗气体为氮气、二氧化碳和第VIII族的即那些所谓的惰性气体，例如氙、氖、氩等等，也可考虑使用化学惰性的卤化烃气体或蒸气(例如氯仿、氟利昂(Freon)卤化烃类、或者其它的氯或氟取代的烃类)。美国专利No.4,704,307中提到的所有清洗气体能取代存在于空气中的氧，故而能降低其对固化的有害作用。例如，虽然氮气是一种安全的廉价的气体，能从涂覆材料中取代氧，但氮气不能减少空气中的气泡。氩气的作用也类似。
在美国专利No.4,792,347中，没有提到氦可以用作一种适用于抑制施涂覆层中的气泡的惰性气体。氦之所以未被认为可用作一种良好的清洗气体，是因为美国专利No.4,704,307和前面提到的C.M.G.Jochem等人的文献中提到，清洗气体的动粘滞度应该足够低(即较空气的还要低)，在C.M.G.Jochem等人的文献的表2(第516页)中列出氦的动粘滞度为110.0×10-6，是空气的7.43倍。并且，表2和C.M.G.Jochem等人的文献使人相信，对氦进行了实验尝试，实际结果(与理论解释无关)是未能减少气泡。
本发明的一个目的是提供一种用于避免在光纤涂覆层中形成气泡的方法和装置，该装置使用一种容易进入光纤拉制装置的气体。另一个目的是提供一种用于冷却新拉制的光纤并同时避免在施涂于光纤的涂覆层中生成气泡的方法和装置。
本发明提供一种用于涂覆光纤的方法，该方法便于避免在涂覆层中生成气泡。涂覆光纤的方法是将纤维先拉伸通过可固化的涂覆组合物液体，然后从纤维表面去除过量的涂覆液体，继而令涂覆液体固化生成固体保护层。根据本发明，在纤维进入液体涂覆组合物处包围着纤维的气氛中，含有氦，其量应对减少在固体保护层中出现气泡是有效的。该气氛可以是基本上纯氦，或氦与至少一种其它气体的混合物。如果这含氦的气以一股或多股气流直接对着纤维以取代为纤维夹带的空气，则更为有效。
当光纤被拉制时，它在进入涂履器之前需通过冷却装置。如果该冷却装置使用氦冷却拉制的纤维，则来自冷却装置的用过的氦即可通入涂覆器中以取代纤维上的空气。
冷却装置中已冷却的纤维排出的那一端，可紧靠着装有液体涂覆材料的容器，所以在纤维离开冷却装置，进入涂覆液体时，空气不会夹杂在纤维涂覆层中。
图1是光纤拉制系统的示意图。
图2是具有从纤维表面取代空气的装置的光纤涂覆设备的示意图。
图3是具有在纤维进入取代空气装置之前对纤维周围抽真空的装置的光纤涂覆设备的示意图。
图4是一种设备的示意图，它使用一台装置同时用作冷却器和取代空气的装置。
图5是一种设备的示意图，它利用在纤维冷却装置中用过的氦再用作清洗气体。
图1所示为实现本发明的一个纤维拉制系统。在该系统中，有一玻璃预制件10，至少其端部是熔融的，还有一对用于从该熔融玻璃端部拉制纤维12的牵引器11。光学测微计13的输出信号连接至调节牵引器11速度的控制系统，以控制纤维直径。纤维12通过向其施涂保护性材料液体的涂覆器15，然后可以通过固化装置16。“固化”是指任何使液体涂覆材料转变成固体保护性涂覆层的过程。在高拉伸速度情况下，必需使用装置14，使纤维冷却至对在涂覆器15中施涂的涂覆材料不致有不利影响的温度。
纤维冷却装置14通常是一根包围纤维11的管道；冷却气体流经该管道。该冷却气体可以流经一些槽缝、孔洞或多孔材料，使得冷却气体有一部分能径向地流向纤维(例如，参见美国专利No.4,437,870)。虽然该冷却气体可以除去至少一部分被进入冷却器14的纤维所夹带的空气，但是当纤维从冷却器14移动至涂覆器15时，会有更多的空气被纤维所夹带。
迄今为止，拉制设备都备有在施涂液体涂覆材料之前从纤维表面取代空气的装置。图2所示为美国专利No.4,792,347中揭示的那种类型的取代空气装置20和美国专利No.4,531,959中揭示的那种类型的光纤涂覆器15。
涂覆器15由装于外壳19内的入口模21、出口模22构成，其内部为液体涂覆室24。液体涂覆材料的加压进料源(图中未予显示)与入口25连接，向液体涂覆室24补充供给液体涂覆材料26。该涂层液体的上表面28就是一进入表面，待涂覆的纤维在进入入口模21时即通过此进入表面进入。当纤维12通过此液表面28被拉伸时，形成弯液面。出口模22当中有一排出口29，位于液体涂覆材料室的下方，它的作用是从纤维表面在其从涂覆器中排出之前除去过量的涂覆材料。
取代空气装置20位于涂覆器入口模21的顶部，即相对于纤维通过设备而拉伸的方向来说，位于入口模的上游。该取代空气装置与液体涂覆材料的进入表面很邻近，并直接控制该表面之上的气氛。取代空气装置有一个外壳32，其中装有许多气流管道33与环形腔31连接。来自气源38的清洗气体流经流量计36，然后通过入口34进入取代空气装置。清洗气体进入环形腔31，然后经过管道33，流入圆柱形的腔体35，为移动纤维的表面提供一控制流动的气氛，以有效地从其中清除夹带的空气。
如例如美国专利4,437,870和上面提到的C.M.G.Jochem等人的文献中所提到的，传热领域中的技术人员都熟知，在冷却器中从光纤传递至气体的热量是依赖于该气体的导热性能的，而氢气和氦气的导热性能比空气好得多。氦气用于冷却器尤其好，这是因为在纤维拉制炉的出口附近使用氢气是不适宜的。
在本发明中，氦气也可用作图2设备20中的清洗气体，该设备与图1所示类型的光纤拉制设备一起使用。光纤12用的是外径为125μm的常规单模突变折射率通讯光纤。该光纤的包皮材料为纯二氧化硅。用紫外光可固化的液体丙烯酸酯涂覆组合物涂覆该纤维。向取代空气装置的入口34，以每分钟7标准升的流量供给市售的氦气(纯度至少为99.9％)。在显微镜下观察得到的涂覆的纤维，检测涂覆层中是否有气泡。在每秒16米的拉伸速率条件下，涂覆层中没有出现气泡。拉伸速率的这一限制(16米/秒)并非是由于开始产生了气泡，因为超过了这一拉伸速率，涂覆固化装置中可用的紫外光能量已不能完全固化该涂覆层。
在液体涂覆材料上方为空气(没有清洗气体)的实验中，在每秒4至5米的拉伸速率下，涂覆层中已开始出现气泡。
由于氦气的密度较低，所以是一种与以前所建议的气体(例如CO2、CCl2F2、氙气等)相比使用更安全的气体，这是因为它无毒，而且会上升并扩散离开建筑物，因而减小了对人的危险。
氦气和其它气体的混合物也可用在图1的设备中，用以防止在涂覆层中生成气泡。例如，氦气可以与诸如CO2或CCl2F2的气体混合，因为CO2和CCl2F2单独使用时适用于消除气泡。而且，氦气可以与诸如空气或氮气的气体混合，尽管单独使用这些气体，已知在较高的拉伸速率下会产生气泡。对另一种气体所需加入的氦气的量，取决于过程的条件，尤其是拉伸速率，液体涂覆材料的温度和粘度，以及清洗气体混合物中各气体的相对有效性。另一个因素是将氦气/气体混合物施加于纤维表面周围的方法。如果使用的是氦气和空气的清洗气体混合物，当清洗气体以喷气形式流向纤维时(如图2所示)，其所需氦气的量少于当该清洗气体仅仅沿圆柱形腔体35向上流动时所需氦气的量。用空气和氦气混合物作清洗气体拉制纤维，其无气泡涂覆层的最大拉伸速率低于用纯氦气清洗气体拉制纤维时无气泡涂覆层的最大拉伸速率。并且，如果在纤维表面附近存在来自纤维冷却装置的残余的氦气，特别是如果该装置延伸至接近涂覆器的部位，需用的氦气清洗气体可以更少。
图3所示为一个具体实例，氦气可以在低压下供给至涂覆液体的表面。纤维12通过冷却器14之后，进入真空室40，该真空室通过入口41连接于真空源。然后纤维1 2进入取代空气装置20，在此处氦的喷气流从纤维除去剩余的空气。这样的设备可以进一步提高在涂覆层中不出现气泡的最大可能拉伸速率。
如图4所示，在使用氦气作为清洗气体的一种拉制设备中，有一个利用氦气作为冷却气体的纤维冷却装置50是向下延伸并固定至涂覆器的。冷却装置50中有一中心管51，该中心管的壁上有许多槽缝52。中心管51的外围是一外层管53，气体输入口55连接在外层管53上。在中心管51的顶部是排气室56，排气口57与其相连。氦气从输入口55进入外层管53，通过槽缝52形成直接流向纤维12的喷气流。氦气和随同纤维进入冷却装置的夹带空气通过排气口57排放。在这个具体实例中，氦气的作用有二：一是冷却纤维，一是从纤维表面取代即去除空气，使得纤维进入涂覆液体时被含氦气氛所包围。这在非常高的拉伸速率下是有利的，因为此时从涂覆器液面上方的纤维取代夹带的空气更为困难。
在图5的具体实例中，取代空气装置20位于冷却装置60的下面并与其相隔一段距离，该冷却装置60与图4中所示的冷却装置50相似。氦气从入口65进入冷却装置60，如结合图4所述的那样冷却纤维12。氦气和与纤维一起进入冷却装置的夹带空气通过室66和出口67排放。至少有一部分氦气/空气混合物返回进入取代空气装置20的入口34，其余部分可以排放。
光纤的表面特性也可以如前面提到的美国专利4,792,347中所述予以改善。可以与清洗气体一起引入改善玻璃表面与液体涂覆材料的相容性的化合物蒸气。这类化合物的例子包括常用的硅烷偶合剂；还可采用的表面处理剂包括已经在液体涂覆预聚物中存在的单体或添加剂。
虽然前面讨论的实例是涂覆玻璃光纤，但是由其它材料(例如塑料或金属)制成的纤维也会从上述的氦气取代空气方法受益。而且，光纤还常常涂覆两层保护层。在这种纤维拉制系统中，当纤维通过固化装置，进入第二个涂覆器之前，空气会夹杂在第一层中。夹杂在第一层中的空气可以用上述的含有氦气的气氛取代，同时减少在第二层中生成的气泡。

Claims (11)

1.一种用于连续涂覆纤维的方法，该方法是令纤维通过涂覆组合物液体，然后从纤维表面去除过量的涂覆液体，随后固化涂覆液体，在纤维上生成固体保护层，其特征在于，在所述纤维进入液体涂覆组合物处包围着纤维的气氛中含有对减少在所述固体保护层中出现气泡是有效量的氦。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述纤维进入所述涂覆液体之前，所述的气氛流向所述纤维，从纤维表面去除夹带的气体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的气氛是基本上纯的氦气，或者是氦与至少一种其它气体或蒸气的混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维在进入所述涂覆液体之前通过冷却装置，所述的气氛流向位于所述涂覆液体和所述冷却装置之间的取代空气区域中的所述纤维，所述的取代空气区域也可与所述的冷却装置相隔一定距离。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的涂覆液体装在涂覆器中，所述的纤维在通过所述的涂覆器之前先通过冷却装置，所述的冷却装置与所述的涂覆器紧相邻接，因而纤维离开所述的冷却装置进入所述的涂覆液体之前，空气不会夹带在所述的纤维表面上。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当纤维通过所述的冷却装置时，含氦的气流是直接对着所述纤维的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维在进入所述气氛之前先进行减压处理。
8.用于生成涂覆纤维的设备，包括
生成纤维的装置，
将液体涂覆组合物施涂于所述纤维的装置，
用含有足以减少涂覆层中气泡出现所需量氦的气氛，在所述纤维进入液体涂覆组合物的位置包围纤维的装置。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括一个低压室，它对着施涂装置在其边上与用气氛包围纤维的装置紧邻。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述的生成纤维的装置包括玻璃源和从所述的源拉制所述纤维的装置，所述的设备中还有位于所述的源和所述的涂覆装置之间，用于冷却所述纤维的装置，所述的用气氛包围纤维的装置与所述的冷却装置相隔一定距离，并与所述的涂覆器紧邻，以使含氦的气体流直接到达所述的纤维上。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，它还包括向所述的冷却装置供给氦气的装置、从所述的冷却装置中排出废气的装置以及将至少一部分所述的废气返回到用气氛包围纤维的装置。
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