CN1385468A

CN1385468A - 折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法

Info

Publication number: CN1385468A
Application number: CN 01116148
Authority: CN
Inventors: 刘新厚; 顾陈斌; 甄珍
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-12-18
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: CN1128180C

Abstract

本发明属于光信息通信的多媒体材料技术领域,特别涉及一种折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法。以超声波引发甲基丙烯酸甲酯聚合,以此作为光纤基材,采用离心法制备有机高分子空心管;将含有经过超声辐照过的掺杂剂和硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯混合液灌入上述空心管内,进一步反应至聚合反应完全,最终得到折射率沿径向渐变分布塑料光纤预聚棒。本发明消除了塑料光纤制备过程中由引发剂所带来的透射损耗,较大程度的降低了塑料光纤使用过程中的信号衰减。

Description

折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法

本发明属于光信息通信的多媒体材料技术领域，特别涉及一种折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法。

塑料光纤以其抗磁干扰、芯材料低廉、芯径大易连接、机械变形性好、制备简单等优点，被广泛用于网络信息通讯、显示系统、传感器件等众多方面，特别是面对计算机局域网、光纤入户等短距离信息传递的迫切需要，使得各种高性能塑料光纤迅速发展。

根据塑料光纤在光纤中传播路径不同，塑料光纤可分为阶跃型(SI)光纤和渐变型(GI)光纤。阶跃型塑料光纤的生产工艺简单，但存在模间色散问题，使输入脉冲信号经光纤到输出端后，脉冲展宽，信号相互重叠，从而限制了大容量的信息传输。渐变型塑料光纤的折光率沿径向由外向内逐渐增大，以优化的梯度折光率分布来抑制模间色散，可大幅度提高信号传输量，因此渐变型是制备高带宽塑料光纤的主要发展方向。

目前渐变型塑料光纤主要采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材，其在光透过、成纤等方面性能优异，但是其较高的光损耗(在650nm处约100dB/km)限制了它在通信领域的广泛应用。氘代和氟代材料制备而成的塑料光纤可以较大幅度的降低信号损耗，但是其成本却非常昂贵，这对于塑料光纤来说是难以接受的。因此，在保持塑料光纤的低成本的同时，降低其光损耗是研究者们一直追求的目标。研究表明，光纤材料中即使极少量杂质的存在也会大大地影响光纤的透光性能，增加光纤的损耗。目前的PMMA塑料光纤，多采用偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化苯甲酰(BPO)作为引发剂来引发聚合反应，虽然引发剂的相对含量很少，但由于光纤较长的传输距离，因此，由引发剂所带来的光损耗的积累是很大的。

自从1880年Curie发现压电效应以及1917年Langevin发现反压电效应(即电致伸缩效应)以来，超声技术在各方面得到了广泛的应用。超声波技术在化学领域，尤其在有机合成与高分子方面也有着广阔的应用前景。过去的研究证明，超声波能在溶液中导致高分子的降解，同时，也能形成少量的嵌段共聚物和接枝共聚物。

本发明的目的在于提供一种折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法，以达到消除聚合过程中由引发剂所导致的光损耗，同时具有带宽高、成本低的特点。

本发明以超声波引发甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合，以此作为光纤基材，采用离心法制备有机高分子空心管；采用界面/凝胶聚合原理制成渐变型塑料光纤预聚棒：将含有经过超声辐照过的掺杂剂和硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯混合液灌入上述空心管内，进一步反应至聚合反应完全，最终得到折射率沿径向渐变分布塑料光纤预聚棒。

有机高分子空心管的制备：

将含有摩尔浓度为0.003M～0.02M硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯单体置于超声化学反应器中，在700W/cm²～2800W/cm²的声强下超声辐照20分钟～2小时，辐照时体系温度保持在5～50℃之间；然后将经过超声处理过的单体置于旋转反应器中，在温度60℃～95℃下反应4～8小时，在反应器内壁形成高分子聚合物空心管。

预聚棒的制备：

将上述制得的聚甲基丙烯酸甲酯高分子空心管一端封住，然后将经过超声辐照过的含有占总混合液重量5％～25％的掺杂剂，和摩尔浓度为0.003M～0.02M的硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯混合液灌入上述空心管内，在60℃～95℃下反应24～72小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到折射率沿径向渐变分布塑料光纤预聚棒。

所述的超声辐照是在700W/cm²～2800W/cm²的声强下超声辐照20分钟～2小时，辐照时体系温度保持在5～50℃之间。

所述的硫醇类链转移剂为正丁基硫醇、十二烷基硫醇或十六烷基硫醇等；掺杂剂为折射率高于聚甲基丙烯酸甲酯的折射率，其折射率范围在1.53～1.65，并且能与上述共聚物相溶的化合物，如溴苯、联苯或特丁基苯等。

所述的旋转反应器的转速是1500～2200rpm。

所述的空心管外径为11～13毫米，内径为7～9毫米。

我们的研究工作表明，采用高强度的超声波辐照甲基丙烯酸甲酯单体，在不存在引发剂的条件下，能引发单体的本体聚合反应。超声波(声强为700W/cm²)辐照20分钟后，甲基丙烯酸甲酯在60℃下本体聚合随时间的转化率如图1所示。

本发明所采用的超声化学反应器如图2所示。超声器的功率为0～1000W可调；超声频率在20～25kHz之间；变幅杆材质为1Cr18Ni9Ti合金。

本发明制备的塑料光纤预聚棒可以消除由于引发剂所带来的光透射损耗，较大程度的降低了塑料光纤使用过程中的信号衰减，并且降低了制造成本；折射率呈平滑抛物线型的渐变型分布，如图3所示。

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的描述：

图1：经超声辐照后的甲基丙烯酸甲酯聚合反应的转化率曲线。

图2：超声化学反应器示意图。

图3：本发明实施例3所制得的光纤预制棒的折射率分布图。

图中标号：

1.超声波发生器 2.换能器 3.温度计 4.变幅杆 5.冷却水 6.反应器

实施例1

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.01M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯11ml置于如图2所示的超声化学反应器中，采用声强为700W/cm²的超声波辐照2小时，超声波辐照时体系的温度保持在5℃。然后将经过超声辐照的单体置于旋转反应器中，在转速1500rpm，温度70℃下反应8小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为11毫米，内径为7毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为10％的溴苯及0.01M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经过与第一步相同条件的超声波辐照后灌入上述空心管内，在65℃下反应72小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。

实施例2

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.005M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯单体11ml置于图2所示的超声波化学反应器中旋转反应器中，采用声强1400W/cm²的超声波辐照1小时，辐照时体系的温度保持在5～50℃之间。然后将经过超声辐照过的甲基丙烯酸甲酯单体置于旋转反应器中，在转速1500rpm，温度70℃下反应8小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为11毫米，内径为7毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为25％的溴苯及0.005M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经过与第一步相同条件的超声处理后灌入上述空心管内，在90℃下反应24小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。

实施例3

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.02M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯11ml置于图2所示的超声化学反应器中，采用声强为2100W/cm²的超声波辐照20分钟，辐照过程中，体系的温度保持在5～50℃之间。然后将经过超声波辐照的甲基丙烯酸甲酯单体置于旋转反应器中，在转速2200rpm，温度90℃下反应4小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为11毫米，内径为7毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为10％的溴苯，0.02M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经过与第一步条件相同的超声处理后灌入上述空心管内，在80℃下反应48小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。

实施例4

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.003M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯15ml置于图2所示的超声波化学反应器中，采用声强为2100W/cm²的超声波辐照40分钟，辐照过程中，体系的温度保持在5～50℃之间。然后将经过超声辐照过的甲基丙烯酸甲酯单体置于旋转反应器中，在转速1800rpm，温度70℃下反应5小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为13毫米，内径为9毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为8％的联苯，0.003M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经过与第一步条件相同的超声波处理后灌入上述空心管内，在70℃下反应48小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。实施例5

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.01M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯单体11ml置于图2所示的超声波化学反应器中，采用声强为2800W/cm²的超声波辐照1.5小时。然后将经过超声波辐照过的甲基丙烯酸甲酯单体置于旋转反应器中，在转速2000rpm，温度70℃下反应5小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为11毫米，内径为7毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为15％的溴苯，0.03M十二烷基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经过与第一步相同条件的超声波处理后灌入上述空心管内，在80℃下反应36小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。

实施例6

第一步：采用离心法制备有机高分子空心管：

将含有0.01M正丁基硫醇的甲基丙烯酸甲酯单体11ml置于图2所示的超声化学反应器中，采用声强为1750W/cm²的超声波辐照1小时。然后将经过超声辐照过的甲基丙烯酸甲酯单体置于旋转反应器中，在转速2000rpm，温度70℃下反应5小时，在反应器内壁形成聚甲基丙烯酸甲酯空心管，空心管外径为11毫米，内径为7毫米。

第二步：预聚棒的制备：

将由第一步制得的聚甲基丙烯酸甲酯空心管的一端用玻璃纸包裹的橡皮塞封住，然后将含有重量百分比浓度为15％的溴苯，0.03M十六烷基硫醇的甲基丙烯酸甲酯混合液经与第一步条件相同的超声处理后灌入上述空心管内，在80℃下反应36小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到渐变型塑料光纤预聚棒。

Claims

1.一种折光率沿径向呈渐变分布的塑料光纤预聚棒的制备方法，其特征在于：该制备方法为：以超声波引发甲基丙烯酸甲酯聚合，以此作为光纤基材，采用离心法制备有机高分子空心管；将含有经过超声辐照过的掺杂剂和硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯混合液灌入上述空心管内，进一步反应至聚合反应完全，最终得到折射率沿径向渐变分布塑料光纤预聚棒。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的有机高分子空心管的制备是将含有摩尔浓度为0.003M～0.02M硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯单体置于超声化学反应器中，在700W/cm²～2800W/cm²的声强下超声辐照20分钟～2小时，辐照时体系温度保持在5～50℃之间；然后将经过超声处理过的单体置于旋转反应器中，在温度60℃～95℃下反应4～8小时，在反应器内壁形成高分子聚合物空心管。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的预聚棒的制备是将聚甲基丙烯酸甲酯高分子空心管一端封住，然后将含有经过超声辐照过的占总混合液重量5％～25％的掺杂剂，和摩尔浓度为0.003M～0.02M的硫醇类链转移剂的甲基丙烯酸甲酯混合液灌入上述空心管内，在60℃～95℃下反应24～72小时，进一步反应至聚合反应完全，最终得到折射率沿径向渐变分布塑料光纤预聚棒；

所述的超声辐照条件是在700W/cm²～2800W/cm²的声强下超声辐照20分钟～2小时，辐照时体系温度保持在5～50℃之间。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述的硫醇类链转移剂为正丁基硫醇、十二烷基硫醇或十六烷基硫醇。

5.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述的掺杂剂为折射率高于聚甲基丙烯酸甲酯的折射率，其折射率范围在1.53～1.65，并且能与上述共聚物相溶的化合物。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的掺杂剂是溴苯、联苯或特丁基苯。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的空心管外径为11～13毫米，内径为7～9毫米。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的旋转反应器的转速为1500～2200rpm。