CN1275058C - 单一材料的塑料光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单一材料的塑料光纤及其制造方法，纤芯区(I)采用均匀的单一材料塑料实芯，包层(II)内由不同形状、不同大小、任意排列的空气孔组成，但不容许从纤芯向外有30°左右的扇形面内出现无孔区；数值孔径达到0.25以上。本发明的优点是：材料单一，工艺过程更简捷，且可节省一台螺杆机或一套包层涂敷设备，消除了不同材料间匹配性、兼容性以及相互影响等因素，在数值孔径选择和实现上更具灵活性，从多方面降低了生产成本，适合连续大批量生产。

Description

单一材料的塑料光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤及其制造方法，特别是涉及一种单一材料的塑料光纤及其制造方法

背景技术

塑料光纤的研究、生产和应用已有几十年的历史，但过去无论阶跃型(S1)还是渐变型(GI)折射率分布的塑料光纤，都是由两种或两种以上材料构成的。例如，迄今为止的塑料光纤一般均由折射率高的纤芯材料和折射率较低的包层材料所构成。有时为了形成芯区折射率大于包层折射率，也采用同一基质材料，在芯区掺入高折射率材料，或在包层掺入低折射率材料，以便最终通过纤芯与包层界面光的全内反射，实现光在芯区内的传输。例如现在市场上比较多的一种塑料光纤商品是以聚甲基丙烯酸甲脂作为纤芯材料，包层采用含氟的塑料(如偏二氟乙烯和四氟乙烯共聚物，或这种共聚物与聚甲基丙烯酸甲脂的混合料)；另一种塑料光纤商品是以聚苯乙稀作为纤芯，聚甲基丙烯酸甲脂作为包层材料。再如采用界面凝胶法制作GI聚合物光纤中，芯区掺入折射率比聚甲基丙烯酸甲脂高的材料(如苯甲酸苯甲脂“BEN”、邻苯二甲酸二苯脂“DPP”或二苯硫“DPS”等)。由多种材料构成的光纤，往往会由于材料在界面的粘附性差或热膨胀和收缩性不完全一致，对光纤的性能产生影响；也会由于一些材料(如低折射率的含氟塑料)价格比聚甲基丙烯酸甲脂高不少，增加材料成本；含氟塑料对设备有腐蚀性，也会因采用耐腐蚀的钢材增加设备成本；也会在共挤或套塑中增加工艺过程和难度；在芯区掺入高折射率材料会降低基质的玻璃化温度，不利于光纤应用时的耐热性。

发明内容

为了解决现有塑料光纤的上述问题，本发明提供一种用单一材料构成的塑料光纤，既可节省材料和生产成本，简化生产工艺，又适合批量连续生产，在保持原有塑料光纤大芯径的基础上，其数值孔径(NA)有较大的调节范围。

本发明提供的单一材料的塑料光纤，由纤芯区I、包层II和外层III组成，其特征是：纤芯区I采用均匀的塑料实芯，包层II内由相同形状、相同大小、规则排列的空气孔组成，或由不同形状(圆形、椭圆形、六边形、矩形、梯形、扇形及其它不规则形状)、不同大小、任意排列的空气孔组成，但不容许从纤芯向外有30°左右的扇形面内出现无孔区；塑料光纤纤芯区直径范围为0.1～5mm。

针对依靠光纤芯一包层界面全内反射导光的塑料光纤，最基本的要求是包层材料的折射率要小于纤芯材料的折射率。具体反映在对数值孔径的要求上，从单纯传光、便于耦合以及减少弯曲损耗的角度看，数值孔径大一点好，例如要求NA≥0.5；而如果用于信息传输，要求尽量增大传输带宽时，则要求合理选取一定的NA范围。在多模阶跃折射率塑料光纤中，具有较大带宽又兼顾弯曲损耗等因素，NA的较佳范围以0.26～0.32为宜。

聚甲基丙烯酸甲脂的折射率为1.49，为实现包层材料的折射率小于纤芯区，在纤芯区采用均匀的聚甲基丙烯酸甲脂实芯，而在包层引入折射率为1的空气孔，即把相同形状或不同形状和不同大小的空气孔分布在包层区，使其平均折射率下降。这样一种包层的折射率是空气折射率(n_a＝1)和塑料折射率，乘以各自所占分数后的平均值(n_av)，即包层折射率可近似为下列算术平均值：

n_av＝fn_a+(1-f)n_p，

其中f是空气的填充分数。知道了包层折射率n_av，就可以得知数值孔径： $\mathrm{NA}=\sqrt{n_p^2-n_{\mathrm{av}}^2}$

这种光纤的制造工艺是连续的一步法，从单体原料开始，先对单体原料提纯，然后进行反应聚合，聚合后的物料经模头挤出成型或熔融纺丝，成为光纤的预制棒，接着经连续热牵伸，成为所需一定直径的塑料光纤，其工艺流程是：

1聚合物单体为甲基丙烯酸甲脂，采用纯度为99.9％的甲基丙烯酸甲脂原料；

2提纯装置为减压精馏系统，用于甲基丙烯酸甲脂单体的提纯；

3在混合和预聚罐中，除提纯的甲基丙烯酸甲脂单体外，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.02～1％的偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰引发剂，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.05～1％的正丁硫醇链转移剂，充分混合后预聚。预聚反应是在温度为60～180℃用氮气加压至5～40kg/cm²下进行。预聚罐装有搅拌器和热交换系统，使罐内混合料和预聚料温度均匀，既保持所需预聚温度又带走多余的热量。图4中两个至四个混合和预聚罐是为满足连续供料用的；

4当预聚达到约40～80％时，将物料通过齿轮泵一4进入一台同向旋转的双螺杆挤出机的进料口5a；

5在温度为120～180℃，螺杆转速为每分钟10～100转条件下，经螺杆挤出机的中间部分5b进一步完成甲基丙烯酸甲脂的反应聚合，剩余的少量单体由挤出机上的排气孔排出并回收；

从单体原料罐1～螺杆挤出机5都是密闭系统，与真空泵和纯净惰性气体(氮气或氩气)罐系统相连。真空泵用于抽出大气、多余单体或减压，纯净惰性气体用于冲洗系统或加压。兼顾塑料光纤的性能和加工性能，PMMA的数均分子量为5-18万。

6由双螺杆挤出机出料口5c出来的聚甲基丙烯酸甲脂熔体经齿轮泵二6进入模头7；模头的温度为200～230℃。从齿轮泵一4到齿轮泵二6的物料和速度要保持平衡；

7由模头挤出的预制棒A经张力控制机构8，进入牵伸加热炉9；在140～180℃温度下热牵伸成为具有一定直径的塑料光纤B；如果挤出的预制棒直径较粗，可经多次连续加热牵伸后，成为具有所需直径的光纤；

8牵伸过程中，最终所需的光纤直径和均匀度，由纤径光电测控系统10反馈给卷取装置11，对其卷取速度进行在线调控；

9最后收丝。为了连续收丝，光纤卷取装置(11)由两个收丝机筒组成。

本发明适用的塑料包括各种热塑性聚合物[如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、全氟化聚合物(如CYTOP)]、各种热塑性共聚物和无机纳米材料与聚合物的复合材料。

本发明的优点是：材料单一，工艺过程更简捷，且可节省一台螺杆机或一套包层涂敷设备，消除了不同材料间匹配性、兼容性以及相互影响等因素，在数值孔径选择和实现上更具灵活性，从多方面降低了生产成本，适合连续大批量生产。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

图1为高数值孔径单一材料的塑料光纤的截面示意图；

图2为较低数值孔径单一材料的塑料光纤的截面示意图；

图3为单一材料的塑料光纤包层空气孔随机分布的截面示意图；

图4为单一材料的塑料光纤制造方法的工艺流程图。

在图中1，(I).为纤芯区，(II).为包层，(III).为外层。在图4中，1.聚合物单体原料罐，2.提纯装置，3.混合和预聚罐，4.齿轮泵，5.螺杆挤出机，其中5a为螺杆挤出机的进料口，5b为螺杆挤出机的中间部分(机身)，5c为螺杆挤出机的出料口，6.齿轮泵，7.模头，8.张力控制机构，9.牵伸装置，10.塑料光纤纤径测控系统，11.光纤卷取装置，A.光纤预制棒，B.光纤。

具体实施方式

实施例一

在本实施例中，是要通过图4的工艺流程，实现如图1所示的单一材料塑料光纤。从图1的光纤截面可以看出，设定这种光纤的纤芯区直径为1.02mm，包层II有三圈空气孔，第一圈有60个空气孔，第二圈有68个空气孔，第三圈有76个空气孔。包层的厚度为0.18mm，即通过纤芯区的包层直径为1.38mm。每个空气孔的直径均为0.045mm。由此可以算出包层的截面积为：

$S_c=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\left(1.38\right)}^2-\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\left(1.02\right)}^2=0.6785856\left({\mathrm{mm}}^2\right)$

包层II中空气孔所占的截面积为：

$S_a=\frac{1}{4}{\mathrm{\π}\left(0.045\right)}^2\×(60+68+76)=0.32444874\left({\mathrm{mm}}^2\right)$

包层II中空气孔在总截面积中所占的分数(空气的填充分数)

$f=\frac{S_a}{S_c}=0.478125$

包层的平均折射率n_av＝0.478125×1+(1-0.478125)×1.49＝1.25571875

因此数值孔径 $\mathrm{NA}=\sqrt{{\left(1.49\right)}^2-{\left(1.25571875\right)}^2}=0.80$

将设计的这种光纤结构放大后做成模具，然后按下面的工艺流程实施：

1.聚合物单体为甲基丙烯酸甲脂，采用纯度为99.9％的甲基丙烯酸甲脂原料。

2.提纯装置为减压精馏系统，用于甲基丙烯酸甲脂单体的提纯；

3.在混合和预聚罐中，除提纯的甲基丙烯酸甲脂单体外，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.04％的偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰引发剂，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.2％的正丁硫醇链转移剂，充分混合后预聚。预聚反应是在温度为90℃用氮气加压15kg/cm²下进行。预聚罐装有搅拌器和热交换系统，使罐内混合料和预聚料温度均匀，既保持所需预聚温度又带走多余的热量；

4.当预聚达到约70％时，将物料通过齿轮泵一4进入一台同向旋转的双螺杆挤出机的进料口5a；

5.在温度为160℃，螺杆转速为每分钟30转条件下，经螺杆挤出机的中间部分5b进一步完成甲基丙烯酸甲脂的反应聚合，剩余的少量单体由挤出机上的排气孔排出并回收；

6.由双螺杆挤出机出料口5c出来的聚甲基丙烯酸甲脂熔体经齿轮泵二6进入模头7，模头的温度为210℃，从齿轮泵一4到齿轮泵二6的物料和速度要保持平衡；

7.由模头挤出的预制棒(A)经张力控制机构8，进入牵伸加热炉9，在165℃温度下热牵伸成为具有一定直径的塑料光纤(B)；

8.牵伸过程中，最终所需的光纤直径和均匀度，由纤径光电测控系统10反馈给卷取装置11，对其卷取速度进行在线调控；

9.最后收丝。

实施例二

在本实施例中，是要通过图4的工艺流程，实现如图2所示的聚甲基丙烯酸甲脂塑料光纤。从图2的光纤截面可以看出，设定这种光纤的纤芯区直径为0.28mm，包层II有三圈空气孔，第一圈有32个空气孔，第二圈有40个空气孔，第三圈有48个空气孔。包层的厚度为0.12mm，即通过纤芯区的包层直径为0.52mm。每个空气孔的直径均为0.01mm。由此可以算出包层II的截面积为：

$S_c=\frac{1}{4}{\mathrm{\π}\left(0.52\right)}^2-\frac{1}{4}{\mathrm{\π}\left(0.28\right)}^2=0.1507968\left({\mathrm{mm}}^2\right)$

包层II中空气孔所占的截面积为：

$S_a=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\left(0.01\right)}^2\×(32+40+48)=9.4248{\×10}^{-3}\left({\mathrm{mm}}^2\right)$

包层II中空气孔在总截面积中所占的分数(空气的填充分数)：

$f=\frac{S_a}{S_c}=0.0625$

包层II的平均折射率：n_av＝0.0625×1+(1-0.0625)×1.49＝1.459375

因此数值孔径： $\mathrm{NA}=\sqrt{{\left(1.49\right)}^2-{\left(1.459375\right)}^2}=0.30$

将设计的这种光纤结构放大后做成模具，然后按实施例一的工艺流程实施。

原则上，在包层II中用不同形状、不同大小、任意排列的空气孔均可组成塑料光纤，如图3所示。但不容许从纤芯向外有30°左右的扇形面内出现无孔区；并且包层II要有一定厚度、空气孔的数量要足够，才能使光的漏泄损耗降低到可以接受的程度。排列最好采用规则的三角形结构。

除上述两个实施例外，本发明在聚合方面还可以有其它类似的实施方式，如采用紫外光聚合或超声波引发单体聚合。凡等同替换作出的技术路线均落在本发明的保护范围内。

用这种工艺制作的单一材料塑料光纤，只需改变模头，用一种塑料就可做成各种靠纤芯/包层界面处全内反射传导模式(或传导光)的实芯、多孔包层的塑料光纤。

本发明实际是利用一台具有原料提纯、混合预聚、温度调节、进行本体聚合的反应挤出机以及牵伸收丝装置的制造系统，它适用于具有不同折射率的各种热塑性聚合物、各种热塑性共聚物以及无机纳米材料与聚合物的复合材料、各种不同形状和排列的多孔包层结构，且可拉制任意直径、长度和具有不同数值孔径的塑料光纤。

Claims (5)

1.一种单一材料的塑料光纤，包括纤芯区(I)、包层(II)和外层(III)，其特征是：纤芯区(I)、包层(II)和外层(III)均采用单一材料的塑料，并由挤出机一次性连续挤出成型；纤芯区(I)的直径为0.1～5mm；包层(II)由相同形状、相同大小、规则排列的空气孔组成，或由不同形状、不同大小、任意排列的空气孔组成，但不容许从纤芯向外有30°左右的扇形面内出现无孔区；包层(II)空气孔的大小和数量应满足数值孔径达0.25以上。

2.根据权利要求1所述的单一材料的塑料光纤，其特征是：制造光纤的塑料包括各种热塑性聚合物、各种热塑性共聚物和无机纳米材料与聚合物的复合材料。

3.根据权利要求2所述的单一材料的塑料光纤，其特征是：制造光纤的热塑性聚合物塑料包括聚甲基丙烯酸甲脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯和全氟化聚合物。

4.一种制造单一材料的塑料光纤的方法，其特征是：

1)聚合物单体为甲基丙烯酸甲脂，采用纯度为99.9％的甲基丙烯酸甲脂原料；

2)提纯装置为减压精馏系统，用于甲基丙烯酸甲脂单体的提纯；

3)在混合和预聚罐中，除提纯的甲基丙烯酸甲脂单体外，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.02～1％的偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰引发剂，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.05～1％的正丁硫醇链转移剂，充分混合后预聚；预聚反应是在温度为60～180℃用氮气加压至5～40kg/cm²下进行；预聚罐装有搅拌器和热交换系统，使罐内混合料和预聚料温度均匀，既保持所需预聚温度又带走多余的热量；

4)当预聚达到约40～80％时，将物料通过齿轮泵一(4)进入一台同向旋转的双螺杆挤出机的进料口(5a)；

5)在温度为120～180℃，螺杆转速为每分钟10～100转条件下，经螺杆挤出机的中间部分(5b)进一步完成甲基丙烯酸甲脂的反应聚合，剩余的少量单体由挤出机上的排气孔排出并回收；

从单体原料罐(1)～螺杆挤出机(5)都是密闭系统，与真空泵和纯净惰性气体罐系统相连；真空泵用于抽出大气、多余单体或减压，纯净惰性气体用于冲洗系统或加压；兼顾塑料光纤的性能和加工性能，聚甲基丙烯酸甲脂的数均分子量为5-18万；

6)由双螺杆挤出机出料口(5c)出来的聚甲基丙烯酸甲脂熔体经齿轮泵二(6)进入模头(7)；模头的温度为200～230℃；从齿轮泵一(4)到齿轮泵二(6)的物料和速度要保持平衡；

7)由模头挤出的预制棒(A)经张力控制机构(8)，进入牵伸加热炉(9)；在140～180℃温度下热牵伸成为具有一定直径的塑料光纤(B)；如果挤出的预制棒直径较粗，可经多次连续加热牵伸后，成为具有所需直径的光纤；

8)牵伸过程中，最终所需的光纤直径和均匀度，由纤径光电测控系统(10)反馈给卷取装置(11)，对其卷取速度进行在线调控；

9)最后收丝，为了连续收丝，光纤卷取装置(11)由两个收丝机筒组成。

5.根据权利要求4所述的单一材料的塑料光纤的制造方法，其特征是：

1)聚合物单体为甲基丙烯酸甲脂，采用纯度为99.9％的甲基丙烯酸甲脂原料；

2)提纯装置为减压精馏系统，用于甲基丙烯酸甲脂单体的提纯；

3)在混合和预聚罐中，除提纯的甲基丙烯酸甲脂单体外，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.04％的偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰引发剂，加入纯净的占甲基丙烯酸甲脂重量0.2％的正丁硫醇链转移剂，充分混合后预聚；预聚反应是在温度为90℃用氮气加压15kg/cm²下进行；预聚罐装有搅拌器和热交换系统，使罐内混合料和预聚料温度均匀，既保持所需预聚温度又带走多余的热量；

4)当预聚达到约70％时，将物料通过齿轮泵一(4)进入一台同向旋转的双螺杆挤出机的进料口(5a)；

5)在温度为160℃，螺杆转速为每分钟30转条件下，经螺杆挤出机的中间部分(5b)进一步完成甲基丙烯酸甲脂的反应聚合，剩余的少量单体由挤出机上的排气孔排出并回收；

6)由双螺杆挤出机出料口(5c)出来的聚甲基丙烯酸甲脂熔体经齿轮泵二(6)进入模头(7)；模头的温度为210℃；从齿轮泵一(4)到齿轮泵二(6)的物料和速度要保持平衡；

7)由模头挤出的预制棒(A)经张力控制机构(8)，进入牵伸加热炉(9)；在165℃温度下热牵伸成为具有一定直径的塑料光纤(B)；

8)牵伸过程中，最终所需的光纤直径和均匀度，由纤径光电测控系统(10)反馈给卷取装置(11)，对其卷取速度进行在线调控；

9)最后收丝。

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