CN114988693B - 光纤的拉丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤的拉丝装置，包括依次连接的卡盘、拉丝加热装置、第一测径装置、超声涂敷装置、第一固化装置、第二测径装置以及收纤装置；超声涂敷装置包括超声雾化罐、设置在超声雾化罐内的超声换能器、与超声换能器连接的超声波发生器、设置在超声雾化罐上的加热装置、设置在超声雾化罐下部的进气管，超声雾化罐上具有中心通孔，光纤从中心通孔中穿过，中心通孔的顶部还与抽风装置连接；超声换能器工作将超声雾化罐中的料液雾化，向进气管中通入惰性气体，开启抽风装置，雾化后的料液在抽风装置的作用下向中心通孔的顶部方向运动，从而对光纤进行涂敷。本发明为非接触式涂覆，既可涂敷极薄涂层，也可精确闭环控制涂敷层的厚度。

Description

光纤的拉丝装置

技术领域

本发明属于光纤制造的技术领域，具体涉及一种光纤的拉丝装置。

背景技术

光纤（Optical Fiber）的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外由纤芯、包层和涂敷层三部分组成，在不同的光纤中涂敷层可以是一层也可以是多层。其中纤芯和包层往往都是由不同折射率的石英材料组成，由于特殊的材料和结构设计使得光信号可以在光纤纤芯中稳定传输。石英光纤的主要制造过程包含预制棒的制备和拉丝。

预制棒的制备方法大体上可分为两类：一是管内法，包括改进的化学气相沉积法（MCVD）和等离子体化学气相沉积法（PCVD）；另一类是管外法，包括外部气相沉积法（OVD）和轴向气相沉积法（VAD）。而拉丝是指利用石墨加热炉或感应炉，将制备好的光纤预制棒加热至其熔融温度（一般2200℃左右），后在稳定的工艺条件下将预制棒拉制成直径符合要求的细小光纤，并保证光纤的芯/包直径比和折射率分布形式同原预制棒中一致，且光纤的纵向均匀性良好的工艺操作过程。

在将预制棒拉成细小的光纤后，为保证光纤的强度和长期使用的可靠性，还需要对石英裸光纤进行涂敷保护，涂敷工艺就是将拉制成的裸光纤表面先后涂敷上一层弹性模量较低的和较高的紫外固化涂敷材料。在工艺上，拉丝与涂敷是相互独立的两个工艺步骤；而在实际生产中，拉丝与涂敷是在一条垂直的生产线上一次性完成的。这条生产线就是光纤行业常见的拉丝设备--拉丝塔。

现有的拉丝塔经过多年的发展与技术积累，已日臻完善，特别是通信光纤的拉丝塔，目前已能在3000m/min的拉丝速度下高速、稳定、低成本的连续生产了。但是，特种光纤种类较多，需求各异，而常规的通信光纤拉丝塔的设计及功能还远远不能满足特种光纤的各种需要，如涂敷外径超高精度的光纤、超薄涂敷层的光纤。究其原因，主要受通信光纤的具体涂敷过程决定的，在涂敷过程中裸光纤高速竖直的穿过涂敷模具的中心孔，而该涂敷模具中心孔被外部压入的涂料所完全填充，由此可见涂敷模具中心孔的直径很大程度上决定涂敷层的厚度。一般而言，通信光纤对涂敷层外径的要求比较宽松，正负几个微米即可。而特种光纤的不少应用中由于光纤只是一种原材料，后续需要将其加工成尺寸精度要求很高的传感器件，因此其对光纤外径的精度要求往往会达到正负零点几微米甚至更高。除此之外，涂敷模具的加工难度较高，尤其是小尺寸的涂敷模具，比如100微米的甚至更细的涂敷模具，且一旦涂敷模具确定了也就基本上只能拉制一种涂层规格尺寸的光纤了，难以满足特种光纤对多种规格光纤的灵活需要。除了上述原因，在涂敷过程中裸光纤和涂敷模具在本质上仍是接触式的，如果涂敷模具的内孔尺寸过于接近裸光纤的外表面，则在拉丝的过程中不免会造成光纤被涂敷模具擦伤，造成光纤强度的下降，因此这也决定了无法拉制极薄涂层的光纤。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种光纤的拉丝装置，该装置在涂层涂敷过程中可以实现非接触式涂敷，从而避免光纤被涂敷模具擦伤导致的光纤强度等性能下降，提升光纤的品质，并且不需要任何涂敷模具就能灵活拉制各种厚度特别是超薄涂层的光纤，而且还可以实现涂层厚度的精确闭环控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光纤的拉丝装置，所述拉丝装置设置在预制棒馈送机构的下游，依次包括卡盘、拉丝加热装置、第一测径装置、超声涂敷装置、第一固化装置、第二测径装置以及收纤装置；其中，

卡盘，其与所述馈送机构相连，用于引入待拉丝的预制棒；

拉丝加热装置，其设置在卡盘的下游，用于对预制棒进行加热并拉丝成光纤；

第一测径装置，其设置在拉丝加热装置的下游，用于对光纤进行测径；

超声涂敷装置，其用于对光纤进行涂敷涂层，所述超声涂敷装置包括超声雾化罐、设置在超声雾化罐内的超声换能器、与超声换能器连接的超声波发生器、设置在超声雾化罐侧壁上的加热装置以及设置在超声雾化罐下部的进气管，所述超声雾化罐上具有中心通孔，光纤从中心通孔中穿过，中心通孔的顶部还与抽风装置连接；工作时，超声波发射器工作将超声信号传递给超声换能器从而将超声雾化罐中的料液雾化，同向进气管中通入惰性气体，并开启抽风装置，雾化后的料液在抽风装置的作用下向中心通孔的顶部方向运动，在运动的过程中对中心通孔中的光纤进行涂敷；

第一固化装置，其设置在超声涂敷装置的下游，用于对超声涂敷装置涂敷后的光纤上的涂层进行固化；

第二测径装置，其设置在超声雾化罐的下游，用于对涂敷后的光纤测径；以及收纤装置，其设置在第二测径装置的下游，用于对涂敷后的成品光纤进行缠绕收集。

进一步地，在所述超声雾化罐内还设置有雾化导流板，所述雾化导流板为倒漏斗形，其一端固定在中心通孔中，其另一端伸入至超声雾化罐内，雾化导流板位于超声雾化罐内的一端为截面随着远离抽风装置逐渐变大的喇叭形。

进一步地，所述超声雾化罐还与自动加料装置连接。

进一步地，所述自动加料装置包括控制装置以及与控制装置电连接的加料装置，所述控制装置包括控制器以及与控制器连接的液位感应器，所述液位感应器设置在超声雾化罐的底部，所述加料装置包括泵以及涂料罐，泵的输入端与涂料罐连通，泵的输出端与超声雾化罐连通，所述泵还与控制器电连接。

进一步地，所述第二测径装置、所述超声波发生器均与控制器电连接，其中，第二测径装置将监测到的光纤直径反馈至控制器，控制器将接收到的光纤直径与目标直径相比较，从而控制超声波发生器的功率大小。

进一步地，所述超声涂敷装置还包括回流储液罐，所述回流储液罐与所述超声雾化罐连通，用于收集超声雾化罐下端下落的涂料。

进一步地，所述拉丝加热装置为石墨加热炉，石墨加热炉工作时，向其内通入惰性气体。

进一步地，所述石墨加热炉工作时的加热温度不低于2000℃。

进一步地，还包括常规涂敷装置，所述常规涂敷装置包括依次设置在拉丝加热装置下游的第三测径装置、常规涂敷模具以及第二固化装置，其中，第二固化装置设置在第一测径装置的上游。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）本发明采用超声涂敷的方式对拉丝后的光纤进行涂敷涂层，在涂敷过程中裸光纤和涂敷模具是非接触式的，因此在拉丝的过程中不会发生光纤被涂敷模具擦伤的情况，大大降低甚至可避免光纤强度等性能下降的概率并提升涂敷效果，从而可以拉制超薄精确厚度涂层的光纤；

2）超声涂层装置不需要涂敷模具，大大降低了加工难度，也解决了现有技术中小尺寸的涂敷模具制备难度大、拉制光纤尺寸受限的问题，可以拉制各种尺寸精确厚度涂层的光纤；

3）本发明通过控制器与超声波发生器、测径仪之间的信号交换，能够自动控制超声波发生器的功率，进而对光纤的外径尺寸进行精确的闭环控制。

附图说明

图1为本发明实施例的光纤拉丝装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的超声涂敷装置的结构示意图；

图3为本发明实施例制备的极薄具有精确厚度涂层的光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例公开了一种光纤的拉丝装置。该拉丝装置设置在预制棒馈送机构的下游，依次包括卡盘1、拉丝加热装置2、第一测径装置3、超声涂敷装置4、第一固化装置5、第二测径装置6以及收纤装置7。卡盘1与预制棒8的馈送机构相连，并可以将预制棒2牢固夹持，拉丝过程中在馈送系统的作用下可以以稳定的速度将预制棒8送进拉丝加热装置2中，形成稳定的拉丝条件。拉丝加热装置2设置在卡盘1的下游，用于对预制棒8进行加热并拉丝成光纤。在本实施例中，拉丝加热装置2为石墨加热炉，其中，石墨加热炉20为金属炉体，炉内设置有石墨发热体21，工作时，在石墨加热炉20炉内通入惰性保护气体以防止炉内的石墨件氧化。石墨发热体21在低电压高电流的作用下发热，使炉内部达到2000℃以上的高温，从卡盘1中送入的预制棒8在炉内熔融从而为预制棒8拉丝提供稳定的热场，预制棒8在热场和一定的拉丝速度作用下被拉丝成裸光纤9。

为了起到更好地涂敷和成型效果，裸光纤9在进入超声涂敷装置4之前可以先采用常规的涂敷模具对其进行涂敷处理（当然这个步骤也可以省略），具体地，在拉丝加热装置2下游依次设置有第三测径装置11、常规涂敷模具12以及第二固化装置13，其中，第二固化装置13设置在第一测径装置3的上游。第三测径装置11为激光测径仪，其是利用激光扫描的方式测量拉丝加热装置输出的裸光纤9的外径，从而为裸光纤外径的精确闭环控制提供输入。常规涂敷模具12为裸光纤9涂敷第一层涂层，第一层涂敷的材料一般为紫外固化的聚丙烯酸树脂。涂敷完后，光纤进入到第二固化装置13中，其中，第二固化装置13为紫外固化装置，紫外固化装置为已涂敷第一层涂层的光纤提供紫外光照射，使涂料内部的光引发剂产生活性自由基或离子基，从而引发聚合、交联和接枝反应，使聚丙烯酸树脂涂层在极短的时间内由液态转化为固态。

之后光纤进入到第一测径装置3内，第一测径装置3也为激光测径仪，其利用激光扫描的方式测量已完成第一涂层涂敷的光纤外径，从而方便确定超声涂敷装置涂敷涂层的厚度。超声涂敷装置4设置在第一测径装置3的下游，其用于对光纤进行非接触式涂层涂敷。见图2，超声涂敷装置4包括超声雾化罐401、设置在超声雾化罐401内的超声换能器402、与超声换能器402连接且设置在超声雾化罐401外的超声波发生器403、设置在超声雾化罐401上的加热装置404，以及设置在超声雾化罐401下部的进气管405。其中，超声雾化罐401为圆柱体结构，在其轴线上设置有中心通孔406，该中心通孔406是为光纤穿过预留的通道，在超声雾化罐401内装有待雾化涂敷到光纤上的液态涂料。加热装置404设置在超声雾化罐401的侧壁上，用于对超声雾化罐401的周壁进行加热，在本实施例中，该加热装置404为加热毯，加热毯包裹在超声雾化罐401的外壁上，在加热的条件下超声雾化罐401中的涂料粘度变低，从而有利于提升涂敷的效率。

在超声雾化罐401的整个底部均匀安装有超声波换能器402，该超声波换能器402和外部的超声波发生器403相连接，超声波发生器403产生的大功率振荡信号传递给超声波换能器402，超声波换能器402再把电能转化为超声波能量，超声波能量作用于涂料液上，从而使涂料液体雾化，此外，还可以通过控制超声波发生器403的功率从而控制雾化速度的快慢。为了使得雾化的涂料能很好地涂敷至光纤上，在中心通孔406的顶部设置有抽风装置407，而在超声雾化罐401的下部设置有进气管405，这样在抽风的同时，通过进气管405向超声雾化罐401内通入氮气，雾状涂料在载气氮气和上端抽风的作用下，从中心通孔中自下而上流动，在流动过程中，对位于中心通孔中的光纤进行涂层涂敷。为了提高涂敷效果，在中心通孔上还安装倒漏斗状的雾化导流板409，雾化导流板409的一端设置在中心通孔中，雾化导流板49的另一端伸入至超声雾化罐401中，其中，雾化导流板409伸入至超声雾化罐401中的一端为截面随着远离抽风装置截面逐渐变大的倒漏斗状，雾状涂料在倒漏斗状的雾化导流板409的作用下汇聚在中心通孔406中，从而使得中心通孔406中的涂料浓度增大，这样在雾状涂料沿雾化罐的轴线自下向上流动的过程中能够更加高效均匀地涂敷到光纤表面形成包裹光纤的环状涂层，上端多余的涂料被抽风装置407带走，下端汇聚下落的涂料被与超声雾化罐401连接的回流储液罐408收集，该回流储液罐408收集的涂料可二次利用。

为了便于对超声雾化罐401及时添加涂料，该超声涂敷装置还包括自动加料装置，自动加料装置包括控制装置、与控制装置电连接的加料装置。其中，控制装置包括控制器414以及与控制器414连接的液位感应器411，液位感应器411设置在超声雾化罐401的底部，加料装置包括泵412以及装有涂料的涂料罐413，泵412的输入端与涂料罐413连通，泵412的输出端与超声雾化罐401连通，此外，泵412还与控制器414电连接。工作时，液位传感器411实时探测超声雾化罐401内液面的高度并将信息传递给控制器414，控制器414接收液面高度信号并将液面高度信号与预设好的阈值比较，当液面的高度低于预设的阈值时，控制器414控制泵412工作，泵412将涂料罐413中的涂料泵入超声雾化罐401中。

第一固化装置5安装在超声涂敷装置4的下游，第一固化装置5也为紫外固化装置，其主要是将通过超声喷涂装置4涂敷到光纤上的涂料进行再次紫外照射和固化。在第一固化装置5的下游设置有第二测径装置6，该第二测径装置6也为激光测径仪，第二测径装置6用于对超声涂敷固化后的光纤进行外径测量。为了能精确控制光纤的外径，将第二测径装置6与控制器414电连接，第二测径装置6将测得的光纤实时外径数据反馈给控制器414，控制器414将接收到的外径数据与目标光纤外径值相比较，从而控制超声波发生器403的功率大小，以达到闭环精确控制光纤外径的功能。最终，光纤通过缠绕至第二测径装置6下游的收纤盘7上。

需要指出的是，本发明内容不限于上文提出的一次常规涂敷和一次超声涂敷，也可以是先后两次超声涂敷，或者只对光纤进行一次超声涂敷等本领域人员可以想到的各种涂敷组合。

为了说明本发明的有益效果，采用上述方法将预制棒拉丝成光纤并对光纤进行涂敷，其中，在超声涂敷过程中的各参数见表1，下表1 为包层直径为45μm光纤超声涂敷的实施方式，其中，内涂层和外涂层均采用超声涂敷的方式进行涂敷，涂敷完成的内涂层和外涂层的厚度均为10μm。

表1为包层直径为45μm光纤超声涂敷的实施的关键参数

图3为按上述工艺拉制成的光纤的侧面显微照片，由图可以看出通过超声喷涂的方法结合目前通用的拉丝塔设备可以拉制出均匀性良好的涂层厚度为10μm的极薄涂层光纤。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光纤的拉丝装置，所述拉丝装置设置在预制棒馈送机构的下游，其特征在于，依次包括卡盘、拉丝加热装置、第一测径装置、超声涂敷装置、第一固化装置、第二测径装置以及收纤装置；其中，

卡盘，其与所述馈送机构相连，用于引入待拉丝的预制棒；

拉丝加热装置，其设置在卡盘的下游，用于对预制棒进行加热并拉丝成光纤；

第一测径装置，其设置在拉丝加热装置的下游，用于对光纤进行测径；

超声涂敷装置，其用于对光纤进行涂敷涂层，所述超声涂敷装置包括超声雾化罐、设置在超声雾化罐内的超声换能器、与超声换能器连接的超声波发生器、设置在超声雾化罐侧壁上的加热装置以及设置在超声雾化罐下部的进气管，所述超声雾化罐上具有中心通孔，光纤从中心通孔中穿过，中心通孔的顶部还与抽风装置连接；工作时，超声波发射器工作将超声信号传递给超声换能器从而将超声雾化罐中的料液雾化，同向进气管中通入惰性气体，并开启抽风装置，雾化后的料液在抽风装置的作用下向中心通孔的顶部方向运动，在运动的过程中对中心通孔中的光纤进行涂敷；

第一固化装置，其设置在超声涂敷装置的下游，用于对超声涂敷装置涂敷后的光纤上的涂层进行固化；

第二测径装置，其设置在超声雾化罐的下游，用于对涂敷后的光纤测径；以及收纤装置，其设置在第二测径装置的下游，用于卷集涂敷后的光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，在所述超声雾化罐内还设置有雾化导流板，所述雾化导流板为倒漏斗形，其一端固定在中心通孔中，其另一端伸入至超声雾化罐内，雾化导流板位于超声雾化罐内的一端为截面随着远离抽风装置逐渐变大的喇叭形。

3.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述超声雾化罐还与自动加料装置连接。

4.根据权利要求3所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述自动加料装置包括控制装置以及与控制装置电连接的加料装置，所述控制装置包括控制器以及与控制器连接的液位感应器，所述液位感应器设置在超声雾化罐的底部，所述加料装置包括泵以及涂料罐，泵的输入端与涂料罐连通，泵的输出端与超声雾化罐连通，所述泵还与控制器电连接。

5.根据权利要求4所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述第二测径装置、所述超声波发生器均与控制器电连接，其中，第二测径装置将监测到的光纤直径反馈至控制器，控制器将接收到的光纤直径与目标直径相比较，从而控制超声波发生器的功率大小。

6.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述超声涂敷装置还包括回流储液罐，所述回流储液罐与所述超声雾化罐连通，用于收集超声雾化罐下端下落的涂料。

7.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述拉丝加热装置为石墨加热炉，石墨加热炉工作时，向其内通入惰性气体。

8.根据权利要求7所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，所述石墨加热炉工作时的加热温度不低于2000℃。

9.根据权利要求1所述的光纤的拉丝装置，其特征在于，还包括常规涂敷装置，所述常规涂敷装置包括依次设置在拉丝加热装置下游的第三测径装置、常规涂敷模具以及第二固化装置，其中，第二固化装置设置在第一测径装置的上游。

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