CN1426975A - 光纤拉制模具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

制造了一种光纤涂覆模具，使得光纤对树脂涂层的界面剪切速率根据涂覆杯中树脂的压力值来计算，并且界面剪切速率在－1.5×10⁵到0秒^－1的范围。同样，制造了一种光纤涂覆模具，使得光纤对涂覆树脂涂层的界面剪切速率根据涂覆树脂的直径来计算，并且界面剪切速率在－3×10⁵到2×10⁵秒^－1的范围。通过实现这些，可以实现一种可用于光纤拉制方法中的模具使得即使在高速拉制操和高生产率中完成稳定树脂涂覆操作。

Description

光纤拉制模具及其拉制方法

技术领域

本发明涉及用于拉制光纤的涂覆模具，并为此涉及光纤拉制方法。

背景技术

从保持机械强度和传输特性的观点来说，涂制到光纤上的多种树脂涂层是人所共知的。将一种具有相对比较低的杨氏模量的紫外可固化树脂涂制到光纤上作为第一涂覆层，而将具有相对高杨氏模量的紫外可固化树脂涂制到光纤上作为第二涂覆层。

下面，参照图2来说明涂制紫外可固化树脂的光纤拉制装置。

图2中，参照数字1表示一种光纤。光纤1通过进行热熔化工艺使光纤的原材料2在拉制炉中延伸而形成。使光纤1穿过第一树脂涂覆装置4而将液体的第一紫外可固化树脂涂到光纤1的外面。此外，通过使光纤1穿过第一硬化装置5(UV灯)用紫外光辐照，树脂得到硬化；因此，在光纤1上形成第一涂覆树脂。

随后，通过使已被涂覆树脂的光纤穿过第二树脂涂覆装置6和第二硬化装置7，在第一涂覆树脂层上形成第二涂覆树脂层，如一种紫外可固化树脂。一种涂覆树脂的光纤8通过弯曲装置9使其弯曲。树脂涂覆工艺纵向完成。

最近，根据光纤需求量的增加，光纤的生产率因此需要相应地改进。具体地，需要实现紫外可固化树脂的高速涂覆工艺。但是，如果实现了高速涂覆工艺，出现了紫外可固化树脂不能坚固地和厚度均匀地涂制的问题。

为了解决上述问题，已知在日本审查专利申请第二版公开(Japanese Examined Patent App1ication，Second Publication)No.Hei 7-5336中叙述了一种涂覆工艺。根据这种涂覆工艺，通过控制液体紫外可固化树脂的涂制温度并控制液体紫外可固化树脂的区域粘度，其中在预定的涂制温度范围内剪切速率低于临界剪切速率，防止了在涂覆模具中出现存在于涂覆树脂中的缺陷。在该涂覆工艺中，公开了涂制温度在60℃到100℃的范围，在其中该涂制温度的剪切速率低于临界剪切速率的区域，粘度为500cps到3000cps。

但是，如在上述现有技术文档中公开的，一般紫外可固化树脂的剪切速率在10⁴-10⁵秒^-1的范围。如果拉制工艺是在剪切速率必须低于临界剪切速率的条件下完成，线速度不可能高。如果在如线速度为10米/秒的高速拉制条件下完成，界面剪切速率变得十分大；因此，很容易变的高于其临界剪切速率。

另一方面，与光纤拉制速度的增加一样，涂覆模具的设计方面变得重要。日本审查专利申请，第二版公开No.Hei 7-91092是涂覆模具这种设计的实例。将参照下图3，4，5说明在该现有技术文档中公开的一种涂覆模具。

在图3中，参照数字1是光纤。当光纤1穿过导引模具10和模具11时树脂12涂制到光纤1上。参照数字13表示支撑导引模具10和模具11的夹具。参照数字14表示一导引模具孔。参照数字15表示导引模具的底面。参照数字16表示模具11的锥形部分。参照数字17表示模具11的出口孔。参照数字18表示模具11的上表面。参照数字19表示半月板。

在图4A和5A中示出了导引模具10，模具11和其形状。在上述现有技术文档中，公开了图4中的B和H之间的关系，G和C之间的关系，G和D之间的关系，及角度α的范围。

上述现有技术文档中，提到了通过修改使得模具11中的锥形部分具有图4B所示的两步结构的情形。但是，那种结构的细节没有公开。同样，公开了通过修改使得模具11中的锥形部分具有图5B所示的弯曲结构的情形。但是，这种结构的细节没有公开。

同样，将树脂涂制到光纤上和将树脂进一步涂制到已涂覆树脂的光纤上的情形之间所需模具11的形状是不同的。此外，在实际拉制操作中，当拉制速度从低速如开始速度(例如，0.5米/秒)增加到依工作原则拉制产品的高速(例如，30米/秒)时，用树脂涂覆光纤的温度是不固定的。因此，在一定程度上涂覆的条件变得不稳定。为了得到高质量的光纤，必须稳定地完成涂覆操作来避免在每个拉制速度范围树脂的滑移现象。

发明内容

考虑上述问题完成了本发明。本发明的目的是提供一种光纤的拉制方法，即使在高速拉制操作中该方法可以用树脂稳定地涂覆光纤，并可以实现高生产率，并降低成本。本发明的另外一个目的是提供一种用于该拉制方法的光纤拉制模具。

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种光纤拉制模具，该模具用于通过将树脂涂到光纤上来形成树脂涂覆层的树脂涂覆装置，光纤是通过对光纤原材料的拉制过程而形成的，其特征在于：

光纤对树脂涂敷层的界面剪切速率根据涂敷杯中树脂的压力值计算；

界面剪切速率在-1.5×10⁵到0秒^-1的范围。

本发明的第二方面提供一种光纤拉制模具，该模具用于通过将另外的树脂涂到已涂覆树脂的光纤上来形成树脂涂覆层的树脂涂覆装置，其特征在于：

光纤对树脂涂敷层的界面剪切速率根据涂覆树脂的量计算；

界面剪切速率在-3×10⁵到2×10⁵秒^-1的范围。

通过实现这些，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能在已涂覆树脂的光纤上完成稳定的树脂涂覆工艺。

本发明的第三方面是光纤拉制装置，包括：

使用根据本发明第一方面的光纤拉制模具将树脂涂到光纤上的树脂涂覆装置；和

用根据本发明第二方面的光纤拉制模具将树脂涂到已涂覆树脂的光纤上的树脂涂覆装置。

通过实现这些，可能实现一种即使在高速拉制操作中可以稳定完成树脂涂覆操作的光纤拉制装置。

本发明的第四方面是使用根据本发明第三方面的光纤拉制装置拉制光纤的光纤拉制方法。

通过实现这些，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能稳定地完成稳定的树脂覆操作。因此，可能高速完成拉制操作，并且可能实现高生产率和降低成本的光纤拉制方法。

如上述说明的，根据本发明，光纤对涂敷树脂的界面剪切速率根据涂敷容器中树脂的压力值计算，并且界面剪切速率设定在-1.5×10⁵到0秒^-1。通过实现这些，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能在光纤上完成稳定的树脂涂覆操作。

同样，已涂覆树脂的光纤对涂覆的树脂的界面剪切速率根据涂覆树脂的量计算，并且界面剪切速率设定在-3×10⁵到2×10⁵秒^-1的范围。通过实现这些，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能在已涂覆树脂的光纤上完成稳定的树脂涂覆操作。

同样，根据本发明，界面剪切速率根据在光纤上完成树脂涂覆操作的模具和在已涂覆树脂的光纤上完成树脂涂覆操作的模具之间不同的形状来设定。因此，可能实现一种即使在高速拉制操作中可以完成稳定的树脂涂覆操作的光纤拉制装置。

同样，根据本发明，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能完成稳定的树脂涂覆操作。因此，可能高速完成拉制操作，并且实现可以实现高生产率和降低成本的光纤拉制方法。

附图说明

图1A和1B为根据本发明的光纤拉制模具的横截面图。

图2为包括在根据本发明的光纤拉装置中的一般工艺图。

图3为示出传统树脂涂覆装置的横截面图。

图4A和4B为示出用在传统树脂涂覆装置中的导引模具和模具的实例的横截面图。

图5A和4B为说明用在传统树脂涂覆装置中的导引模具和模具的另一实例的横截面图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的一种实施例。

在图1中示出根据本发明的光纤拉制模具的一种实例。

拉制模具用于包括在图2所示的光纤拉制装置中的第一树脂涂覆装置4和第二树脂涂覆装置6中。

拉制模具的形状根据图1A中所示的尺寸A，B，D和角度C，及图1B所示的尺寸A，B，D和角度C及角度E来确定。这些尺寸和角度根据将用涂覆树脂涂覆的光纤的界面剪切速率来确定。

计算界面剪切速率的基本公式如下。

首先，利用边界条件，根据公式F2和F3，计算了Navier-Stokes方程F1的解。 $\frac{{\∂}^{2}v}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\·\frac{\∂v}{\∂r}=\frac{1}{\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z}\·\·\·F1$

在r＝Rf处v＝Vf......F2

在r＝Rd处v＝0......F3

这里v表示树脂的速度。r表示径向位置。p表示压力值。z表示前向为正方向条件下光纤中的位置。Rf表示光纤的半径。Vf表示光纤的速度。Rd表示模具的半径(z的函数)。

函数z的解可以用公式4表示。 $v(r,z)=\frac{r^2-{\mathrm{Rd}}^2}{4\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z}+\frac{\ln (r/\mathrm{Rd})}{\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})}\·(\mathrm{Vf}+\frac{{\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2}{4\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z})\·\·\·F4$

界面剪切速率可以用以下的公式5和公式6表示。 $\frac{\∂v\left(r\right)}{\∂r}=\frac{r}{2\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z}+\frac{1}{r}\frac{1}{\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})}\·(\mathrm{Vf}+\frac{{\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2}{4\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z})\·\·\·F5$ $\lim \frac{\∂v\left(r\right)}{\∂r_{r\→\mathrm{Rf}}}=\frac{1}{2\mathrm{\μ}}\·\frac{\∂p}{\∂z}\·(\mathrm{Rf}+\frac{{\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2}{2\mathrm{Rf}\·\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})})+\frac{\mathrm{Vf}}{\mathrm{Rf}\·\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})}\·\·\·F6$

这里，公式F6的右边的值如p/z是未知的。为了得到p/z的值，需要确定模具上部入口处的压力值P_ini和模具下部出口处的压力值P_out。否则，需要引入流量Q。也就是，如果用公式F7和F8取代公式F6；那么，得到公式F9。 $Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}({\mathrm{Rc}}^2-{\mathrm{Rf}}^2)\·\·\·F7$ $Q=2\mathrm{\π}{\∫}_{r=\mathrm{Rf}}^{r=\mathrm{Rd}}r\·v\left(r\right)\mathrm{dr}\·\·\·F8$ $\frac{\∂p}{\∂z}=-4\mathrm{\μ}\·\frac{2Q/\mathrm{\π}\·\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})+\mathrm{Vf}\·({\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2+{2\mathrm{Rf}}^2\·\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd}))}{({\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2)({\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2+\ln (\mathrm{Rf}/\mathrm{Rd})({\mathrm{Rd}}^2-{\mathrm{Rf}}^2))}\·\·\·F9$

这里，z轴方向的积分范围是在其中树脂不产生涡流的范围。

当玻璃制成的光纤被涂覆后，用涂覆坩埚中涂覆树脂的压力值取代模具顶部入口处P_ini来计算界面剪切速率。当涂覆已涂覆树脂的光纤时，界面剪切速率根据树脂的流量来计算，树脂的流量根据已经涂覆的树脂的涂覆直径来计算。

作为本实施例完成的实验结果，当用树脂涂覆玻璃制成的光纤时，稳定的界面剪切速率的范围在-1.5×10⁵到0秒^-1。同样，当用树脂涂覆已涂覆树脂的光纤时，稳定的界面剪切速率的范围在-3×10⁵到2×10⁵秒^-1。

根据本发明的一种光纤拉制装置，在用来将树脂涂覆到光纤上的第一树脂涂覆装置4中使了用界面剪切速率为-1.5×10⁵到0秒^-1的模具。根据本发明的一种光纤拉制装置，同样在用来将树脂涂覆到已涂覆树脂的光纤上的第二树脂涂覆装置6中使用了界面剪切速率为-3×10⁵到2×10⁵秒^-1的模具。也就是，分别采用用于用树脂涂覆光纤的模具和用于涂覆已涂覆树脂的光纤的模具的这样一种结构来改善拉制效率。模具的形状互不相同。

同样，根据本发明的一种光纤拉制方法采用上述的光纤拉制装置来完成光纤的拉制操作。通过这种方法，在树脂涂覆装置中，即使高速拉制也可能实现稳定的树脂涂制操作和多产的拉制操作。

在下文中，将说明如下的光纤拉制模具的形状和界面剪切速率的计算的实例

实例1

一种在玻璃制成的光纤上完成涂覆操作的实例中，界面剪切速率的计算和用图1A和1B所示的模具(类型1和2)的拉制操作的实例是在涂覆压力为0.3Mpa，树脂的粘度为0.9，1.5，和2.0Pa·sec，玻璃直径为125μm和涂覆完的直径为190μm的条件下完成的。用类型1的模具的结果示于表1中。用类型2的模具的结果示于表2中。

                                                         表1

类型1

估计速度	A[mm]	0.2	0.1	0.05	0.5	1	0.2	0.2	0.1	0.5	0.1
												B[mm]	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	4	4	4	1.5
	C[度]	8	8	8	8	8	20	8	8	8	8
												20m/sec	D[mm]	0.255	0.250	0.245	0.270	0.285	0.260	0.250	0.245	0.262	0.256
表面剪切速度[sec-1]	-1.1e+5	-3.0e+4	3.8e+4	-2.3e+5	-3.0e+5	-1.5e+5	-5.2e+4	4.7e+4	-1.9e+5	-1.3e+5
											结果		○	○	○	×	×	△	○	△	×	○
25m/sec	D[mm]	0.256	0.248	0.242			0.260	0.250															0.256
											表面剪切速度[sec-1]	-1.5e+5	-3.8e+4	5.2e+4			-1.9e+5	-6.8e+4			-1.6e+5
	结果	×	○	△			×	○														△
											30m/sec	D[mm]		0.248	0.240				0.248
表面剪切速度[sec-1]		-4.7e+4	7.1e+4				-8.8e+4
												结果		○	×				○

                                        表2

类型2

估计速度	A[mm]	0.1	0.2	0.3	0.6	0.2	0.2
								B[mm]	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
	C[度]	8	8	8	8	8	20
								E[mm]	0.6	0.6	0.6	0.8	0.4	0.4
	F[度]	25	25	25	25	25	25
								20m/sec	D[mm]	0.242	0.250	0.257	0.270	0.248	0.258
表面剪切速度[sec-1]	6.2e+4	-8.0e+4	-1.4e+5	-2.4e+5	-3.4e+4	-1.5e+5
							结果		△	○	○	×	○	△
25m/sec	D[mm]		0.252	0.257		0.247									0.26
							表面剪切速度[sec-1]		-1.0e+5	-1.8e+5		-4.6e+4	-2.0e+5
	结果		○	×		○								×
							30m/sec	D[mm]		0.250			0.247
表面剪切速度[sec-1]		-1.4e+5			-5.7e+4
								结果		△			○

表1中的A，B，C和D表示图1A中所示的相同部分和角度。表2中的A，B，C，D和E表示图1B中所示的相同部分和角度。表1和表2中的符号″○″表示忽略树脂粘度和树脂涂覆操作速度，例如加速阶段和操作速度时不发生涂覆错误。符号″△″表示在至少一个树脂粘度下在加速阶段期间发生至少一次错误。符号″×″表示由于加速阶段期间的反常涂覆或操作速度期间发生反常涂覆而使光纤断裂。

实例2

在已涂覆树脂的光纤上完成树脂涂覆操作的一种实例中，通过代入实际测量值来计算界面剪切速率，以便在树脂的粘度为0.9，1.5，和2.0Pa·sec，已经涂覆的光纤直径为190μm的条件下采用图1A和1B所示的模具(类型1和2)来完成拉制实验。用类型1的模具的结果示于表3中。用类型2的模具的结果示于表4中。

                                                                 表3

类型1

估计速度	A[mm]	0.15	0.3	0.5	1	0.5	0.3	1	0.3	1
											B[mm]	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	1.5	1.5	4	4
	C[度]	8	8	8	8	20	8	8	8	8
											20m/sec	D[mm]	0.257	0.263	0.268	0.275	0.280	0.267	0.280	0.262	0.272
表面剪切速度[sec-1]	6.2e+5	3.2e+5	1.3e+5	-6.6e+4	-1.7e+5	1.7e+5	-1.7e+5	3.6e+5	1.0e+4
										结果		×	△	○	○	○	○	○	×	○
25m/sec	D[mm]		0.265	0.270	0.277	0.280	0.268	0.280													0.275
										表面剪切速度[sec-1]		3.0e+5	8.5e+4	-1.4e+5	-2.1e+5	1.6e+5	-2.1e+5		-8.2e+4
	结果		△	○	○	○	○	○												○
										30m/sec	D[mm]		0.267	0.270	0.277	0.282					0.275
表面剪切速度[sec-1]		3.7e+5	1.1e+5	-2.2e+5	-2.4e+5				-1.2e+5
											结果		×	○	△	○				○

                                                         表4

类型2

估计速度	A[mm]	0.15	0.4	0.6	1	0.4	0.4	0.4
									B[mm]	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
	C[度]	4	4	4	4	10	4	4
									E[mm]	0.6	0.6	0.8	1.2	0.6	0.6	0.6
	F[度]	25	25	25	25	25	25	25
									20m/sec	D[mm]	0.260	0.267	0.272	0.277	0.280	0.266	0.268
表面剪切速度[sec-1]	4.6e+5	1.7e+5	1.0e+4	-1.1e+5	-1.7e+5	2.0e+5	-1.3e+5
								结果		×	○	○	○	○	○	○
25m/sec	D[mm]		0.267	0.272	0.280	0.283	0.266										0.268
								表面剪切速度[sec-1]		2.1e+5	1.3e+4	-2.1e+5	-2.8e+5	2.5e+5	1.6e+5
	结果		△	○	○	○	×									○
								30m/sec	D[mm]			0.274	0.280	0.283
表面剪切速度[sec-1]			4.2e+4	-2.7e+5	-3.2e+5
									结果			○	○	△

表3和表4中的符号如″○″，″△″，″×″与表1和表2情形中的意思相同。当由于光纤断裂拉制操作不可能时，使用由从低线速度的情形得到的数据推断的值。

根据以上结果，在用树脂涂覆由玻璃制成的光纤的情形下，界面剪切速率稳定的范围优选在-1.5×10⁵到0秒^-1。已经被涂覆的光纤在稳定的界面剪切速率为-3.0×10⁵到2×10⁵秒^-1之间进行涂覆是优选的。根据该光纤拉制模具的实例，光纤对已涂敷的树脂的界面剪切速率根据涂覆坩埚中树脂的压力值计算，并且界面剪切速率设定在-1.5×10⁵到0秒^-1的范围。因此，当界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能在光纤上完成稳定的树脂涂覆操作。

同样，根据该光纤拉制模具的实例，已涂覆树脂的光纤对已涂覆的树脂的界面剪切速率根据涂覆的树脂的直径来计算，并且界面剪切速率设定在-3×10⁵到2×10⁵秒^-1的范围。因此，即使当界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，可能在已涂覆树脂的光纤上完成稳定的树脂涂覆操作。

同样，在该光纤拉制装置的实例中，界面剪切速率根据在光纤上完成树脂涂覆操作的模具和在已涂覆树脂的光纤上完成树脂涂覆操作的模具之间形状的不同来设定。因此，即使在高速拉制操作中有可能完成稳定的涂覆操作。

同样，在该光纤拉制方法实例中，通过采用上述的光纤拉制装置，即使界面剪切速率的绝对值超过10⁵秒^-1，有可能完成稳定的树脂涂覆操作。因此，有可能高速完成拉制操作，并且实现可实现高生产率和降低费用的光纤拉制方法。

Claims (4)

1.一种光纤拉制模具，该模具用于通过将树脂涂制到光纤上形成树脂涂层的树脂涂覆装置，光纤是通过对光纤原材料的拉制工艺而形成，其特征在于：

光纤对树脂涂层的界面剪切速率根据涂覆杯中树脂的压力值计算；

界面剪切速率的范围在-1.5×10⁵到0秒^-1。

2.一种光纤拉制模具，该模具用于通过将另外的树脂涂到已涂覆树脂的光纤上来形成树脂涂层的树脂涂覆装置，其特征在于：

光纤对树脂涂层的界面剪切速率根据涂覆树脂的直径来计算；和

界面剪切速率在-3×10⁵到2×10⁵秒^-1的范围。

3.一种光纤拉制装置包括：

使用根据权利要求1的光纤拉制模具将树脂涂制到光纤上的树脂涂覆装置；和

使用根据权利要求2的光纤拉制模具将树脂涂制到已涂覆树脂的光纤上的树脂涂覆装置。

4.使用根据权利要求3的光纤拉制装置拉制光纤的光纤拉制方法。

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