CN85104315A

CN85104315A - 光学纤维的气密涂层

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Publication number: CN85104315A
Application number: CN85104315.1A
Authority: CN
Inventors: 蒂帕克兰简·比斯瓦斯; 萨泰亚布拉特·雷昌德赫里; S·W·罗恩诺克; N·W·罗恩诺克
Original assignee: ITT Corp
Current assignee: ITT Inc
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1986-12-03
Also published as: CN1008360B

Abstract

对于刚刚从光学预制件拉制出的一种光纤提供两层外部气密涂层。初始涂层是用例如一种非均匀核化的热化学沉积(HNTD)法所提供的一种金属涂层。此种HNTD法是使光纤通过一个含有一种气体介质的反应区，此种气体介质包含有一种反应物或几种反应物的混合物，反应物在预定温度下分解，混合物在预定温度下反应。而形成涂层材料。第二种涂层是通过将光纤浸没于含液体介质的沉积浴来提供，此液体介质至少含有一种反应物，能沉积的初始涂层上来形成二次涂层。

Description

一般来说本发明是关于玻璃质光学纤维（以下简称光纤）的涂层方法的，特别涉及到这样一种涂层方法，它紧接在拉制成光纤后进行，它能减少光纤的磨损以及光纤与环境的相互作用，同时提高光纤的贮存与使用寿命。

玻璃质光纤在其初始形成阶段是有很高抗张强度的。经过一段时间使用或贮存后，就可能在大大低于该光纤额定的原始抗张强度之张应力作用下断裂。造成这种断裂的原因之一是所谓静态疲劳，即光纤表面缺陷沿着此玻璃材料的外周扩展而形成微裂纹。这样一种疲劳的产生，至少部分地是由于光纤的玻璃表面存在有水分子和羟基。此种水侵蚀着光纤表面，导致在应力作用下断裂的弱键形成。

对于芯子和包层二者的材料全属玻璃的所谓全玻璃质光纤，外部玻璃表面上的水份子存在，常促成此外部表面层的玻璃结构经过一段时间后显著减弱，导致光纤在这样的应力作用下断裂，而当不存在水或水蒸气时这种应力是不可能造成此光纤断裂的。

在光纤的成形作业例如拉丝作业中，这种全玻璃质的光纤通常在紧接其成形之后，涂以一层硅酮树脂类的聚合物，即为了维持住它的初始强度，也为了便于处理。虽则硅酮材料能有效地防止尘粒与光纤的外层玻璃表面接触。但它颇易为水渗透。在空气中暴露一段时间后，在通常的水蒸气浓度下水就能渗透此硅酮材料层而与外层玻璃表面反应，导致上述的有害结果。

相同的静态疲劳机理也见之于塑料包层光纤，该光纤的芯子材料为石英玻璃或其他玻璃，而包层则用硅酮材料或其他聚合物。

为了克服水的渗透问题，对以上类光纤都采用过一种在硅酮材料层上再涂敷一层热塑性树脂的方法。尽管覆盖着硅酮树脂材料层的挤塑上的热塑性套，能在一定程度上减少水渗透过硅酮层，但水仍能渗透过此热塑外套而到硅酮材料层，并经此而抵达芯料玻璃的表面，这样仍会降低芯料玻璃的强度。

代替采用硅酮材料处理的另一种方法是，对初始拉制成的光纤，涂以一层铝或镍之类的金属材料，或涂以一层氮化硅或氧化锡的介质材料，使此光纤的表面与周围环境隔离。这样的密封工艺可用化学蒸汽沉积法（CVD法）来完成。然而，此种CVD法有着一些缺点，例如，按气相介质形成的涂层颗粒会碰撞初始的玻璃光纤而造成表面损伤;涂层厚度不均匀以及大颗粒的涂层材料等。

借助一种非均匀的核化热化学沉积（HNTD）法，可以消除涂层颗粒与光纤表面的相互作用，并可在光纤表面上获得一种初始的气密涂层，从而防止光纤强度在其寿命期内降低。这一HNTD法可把一种金属膜或介质膜涂复到光纤表面。采用HNTD法需要考虑的重大因素是光纤的表面温度与沉积时间。要是光纤的表面温度能保持得合适，此初始涂层的厚度可以很薄，即在光纤拉丝速度约为分钟20～40米时，这种预涂层的厚度可以远小于1微米。为了保持气密性，最好采用较厚的涂层。

按以上所述，本发明的第一个目的在于避免先有技术中的缺点。

更为特别的是，本发明的第二个目的在于发展一种涂层方法，在光纤的表面上形成一层均匀和厚度适当的膜，以提供气密封。

本发明的第三个目的在于给光纤上提供足够厚度的气密涂层，以保证机械强度。

本发明的第四个目的在于开发一种实现上述方法的设备。

本发明的第五个目的在于使考虑中的上述设备，结构简单，造价低廉，运行可靠。

本发明的第六个目的在于将上述类型的设备设计成能在光纤上沉积气密涂层而不降低光纤的机械强度。

遵循上述和其它目的，从下文可以看清，本发明所提供的方法与设备，是用在紧接光纤成形之后对之进行气密封包的。这种可以给光纤提供两层涂膜来实现，而这两种膜层都是金属质的。

本发明的特点之一即在于提供一种形成二次涂层的方法，使光纤通过含有一种液体介质的液体沉积浴，而此种液体介质至少包括有一种反应剂，能在预定的温度下沉积到初始涂层之上来形成二次涂层。

对照所附的图并参看下文的描述，就能更清楚地理解本发明上述或其他的特点与目的。

图1是按照本发明来生产一种涂层光纤时所用设备的侧视示意图;

图2与图1相类似，但表明的是本发明中设备的一种改进了的结构;

图3是依照图1或图2设备生产出的光纤的横截面图。

详细参看附图，我们用相同的参考号指明相同的部件，用来在光纤上形成初始与二次涂层的设备表示在图1中，一般标以参考号1。图1中，由装设在设备1端部的拉丝机2拉制出光纤4，此光纤4在拉丝过程中即进行气密封接，于光纤上形成初始涂层的设备绘于图1中，一般标以参考号30。图2中，由装设在初始反应器8端部的拉丝机22从预制棒2拉制出光纤4。光纤4是在一拉丝炉3中按常规方式拉制的。装放在拉丝炉3中的那部分预制棒2，采用热气体、等离子火焰或辐射加热等常规方式加热。

图3中所示的已成形的光纤4是处在它的最终状态形式下，这时它已从熟化炉20出来，包括玻璃或类似材料制的光纤40，由例如从初始反应室8中以非均匀核化热化学方法制备的初始气密金属涂层41，由本发明提出的方法制备出的二次金属涂层42以及有机材料的一种外部涂层43，后者是在聚合物涂层器18中产生并在一熟化炉20中熟化。

当光纤从实心预制棒拉出后，即通过一聚合物涂层器来保持其初始的光纤表面使之易于处置，这一点是和通常拉丝工艺中的作法相同。这样，本发明的初始涂层和二次涂层工艺就必须在拉丝炉3和聚合物涂层器18之间进行。

继续参看图1与图2，紧接光纤离开拉丝炉3之后，就在其外表面上涂复上初始涂层。新拉制出的光纤4在其受到因环境影响带来任何可感知的损伤之前，必须配备有这种初始涂层21。为实现此目的，拉丝炉3和反应器8或者一个拉于另一个的直上方，或者加一个公用罩而形成一个结构单元（见图1与图2所示），而在拉丝炉3和反应器8之间则可设置一保障屏蔽件5。光纤4然后即通过此屏蔽件5的内部，而由此免受环境的影响。后一种结构形式的一个独特的优点是，此屏蔽件5可装配上图1与图2中以7标明的一种直径控制器，以监控拉丝作业。

涂复此种初始涂层的一种方法，是采用D。R。Biswas与D。K。Nath二人申请的一项未决的专利（系列号：382，856;1982年5月28日提出）中所描述的，非均匀核化热化学沉积（HNTD）法，现编入本专利作为参考。本方法中，使光纤4通过反应室8的内部，该反应室有一个入口部9接纳反应物气体，同时有一个排出口部10排出剩余的反应物气体。此种反应物气体至少是或至少包含一种反应物或物质，后者在加热到一定温度时，就释放出气密涂层材料，而这种材料将涂复到初始反应室8中光纤4的外部。从图中可以看到，反应气体流过初始反应器8的方向同光纤4通过反应器8前进的方向相反。

组成上述反应剂的挥发性金属化合物经蒸发而产生蒸汽。为了实现此种蒸发，可以加热一种挥发性化合物，或使一种不反应气体通过或越过挥发性化合物，并在沉积同时立即于光纤表面上反应成金属。任何挥发性副产物必须通过排出口10排出。

可以取电阻加热炉、石英加热元件或任何其他适当装置形的预热器6，示明于图1和图2中。必需时，是可以备有一台加热器的。之所以装配加热器，仅仅是为了当光纤的表面温度下降到沉积初始涂层必要的温度水平之下时，用来提高此表面温度。

由于我们已经描述过用HNTD法来形成初始涂层的过程，很显然这种方法也可用于已用任何其他适当手段涂上金属膜的光纤，只要这种金属膜能为沉积和粘附上二次涂层提供基本的必要条件，使后者具有一定的强度，并且均匀和封包严密。

继续参看图1和图2，可以看到，已在反应器8中获得初始气密涂层的光纤11，被引导通过屏蔽件5进入一液体沉积浴装置12。在图1中，光纤11在通过初始反应器后，导入液体沉积浴装置12;在图2中，光纤11在离开拉丝机22后，导入液体沉积浴装置12。液体沉积浴装置12包括加热装置13、搅拌装置14，入口15和出口16加热装置13可以是一块热板、一个电阻加热线圈或任何其他装置，它们将把液体沉积装置的温度保持到在溶液中电离材料并将金属离子沉积到初始涂层上所必需的温度。保持住液态沉积浴装置的温度水平乃是沉积二次涂层时需要考虑的重要因素。各种金属涂层所必须的液体沉积浴温度给出在表Ⅰ与表Ⅱ中。

搅拌装置14可取任何形式，它将驱使液体沉积浴装置12运动，从而使电离元素在整个溶液中均匀分布，得以沉积成更均匀的涂层。

二次涂层42可以采用金属组成，它可以同它将沉积到其上的初始涂层41的金属组成相同或不相同。

可以采用一种电沉积法或一种“无电”沉积法，来实现从液体介质中对光纤涂层。所谓无电沉积工艺乃是不用电极来沉积金属的工艺。

当要处理长尺寸的光纤时，最好采用“无电”的沉积工艺，得以在涂层设备的整个长度上维持住连续的拉丝宽度。

参看图1，在无电沉积工艺中，从液体沉积浴沉积的涂层直接地涂复到光纤的金属质初始涂层上。而此初始涂层则可以用HNTD法或任何其他适当方法沉积。

镍的无电沉积是通过水溶液中的次磷酸盐阴离子，对高温下的镍阳离子进行有控制的自动催化还原为基础的。可能的反应过程为：

次磷酸盐离子在存在水的条件下进行了脱氢处理。活性氢使镍离子还原为金属镍。无电涂层可在光纤的所有部分上形成均匀的厚度，涂敷适当的膜层是致密的而且常常是相对较少气孔的。这样的涂层也经常显示出很高的抗侵蚀性。

下面的表Ⅰ列出了“无电”涂镍、铁以及镍-铁合金的涂浴组成。这里，涂浴的正确温度仍然是要求保证此二次涂层能合理的沉积。进行沉积的涂浴温度，对于镍约为194°F;对于铁约为170～195°F;对于镍铁合金约为70～80°F。

表Ⅰ

初始金属涂层上的无电沉积浴温（℃F） PH值

金属涂浴组成

Ni Ni Cl₂-6H₂O 194 4～6

Na H₂PO₂

Fe FeSO₄-6H₂O 174～195 8～10

罗谢尔盐

NaHPo

Ni-Fe合金 NiSo-6Ho 70～80 4～8

FeSo-6Ho

柠檬酸钠

从图1可以看到，已具有初始和二次的两种涂层的光纤从液体沉积浴12出来后，被引导通过聚合物涂层器18的内部。这种聚合物涂层器18具有常规的结构，没有必要在这里再讨论它的细节。只须指出以下事实就可以了，即至少有聚合物一类的有机材料膜，附加到在反应器8和液体沉积浴装置12中形成的上述气密涂层之上。光纤41经涂敷上这种聚合物涂层43后，即通过熟化炉使聚合物涂层在其中熟化，这里需要加热，使该涂层能获得所要求的性质。熟化炉也是通常的结构形式，此处不拟描述。最后，新涂层的光纤21到达拉丝机构或卷线筒22，并将缠绕在其上，至少作为临时性贮放之用。

参看图2，在电沉积法中，对液体沉积浴12配备有电流源24，得初始金属涂层上形成二次金属涂层。

在这一工艺中，光纤最好处于静态。于是，光纤将继续被拉制并绕到拉丝机构22上，直到电沉积作业开始。此时，将光纤用切断装置23切割成与液体浴12相适应的长度。因此，约1米长度的短光纤特别适合这种工艺。

为了使电流通过此液体沉积浴装置，设有两个电极，阴极接线端连接到一块金属板26上，并从此处悬挂短长度的光纤。可以用相同的欲予以涂镀的金属或其他能起导体作用但又不受此浴中化合物影响的任何其他材料制造阳极接线端25。由浴中涂出的金属包括镍、铬或铁或适合粘附到初始金属涂层41之上的任何其他金属。下面的表Ⅱ给出了浴的组成以及镍、铬和铁的阳极材料。表Ⅱ也列出了镍、铬和铁的反应温度。光纤进入液体沉积浴装置12的表面温度应在室温，以使一些反应条件，例如在沉积二次涂层42的位置处的离子浓度不会受到不利的影响。

通过改变各种参数，例如电解质组成，离子浓度、电流密度以及阳极和阴极的超电势，就能更精确的控制二次金属涂层的厚度，均匀性和粘附特性。表Ⅱ还列出了这三种给定金属的较佳的电流密度和PH值。此外，承纳液体沉积浴的容器的几何形状可加以改变，以使邻近光纤表面区域的离子通量发生变化。对浴中的溶液加以搅拌会增加离子的运动，因而提高了沉积速率，也就加大了涂层厚度。

表Ⅱ

初始金属涂层上的电沉积

电流密度

金属涂浴组成浴温（OF）PH （安/平方英尺）阳极

Ni NiSO₄-6H₂O 130 2～5 10～60 镍

Nicl₂-6H₂O （浇注或压延）

硼酸

Cr Cro₃110～120 100 铅

H₂SO₄（60%的Sb，Sn）

Fe FeSo₄-7H₂O 100 4.5～6.0 500～100低碳钢

FeCl₂-4Ho

必要时，可将已获得初始与二次涂层的短尺寸光纤17再通过聚合物涂层器18的内部，使至少涂敷上一层有机材料膜。涂敷上聚合物膜43后，使光纤19通过熟化炉20，使聚合物涂层在其中熟化。

当我们结合专门设备在上面描述了本发明的原理后，是应该清楚地认识到这种描述只是借助举例方式来作说明，而不是将来发明所列出的目的及所附的图也局限于这些例子的范围。

Claims

1、一种为光纤涂层的方法包括以下几道工序：

在光纤上形成初始涂层；

将涂有初始层的光纤浸没在一种液体介质中，此种液体介质至少含有一种反应剂，后者能依预定的温度沉积到初始涂层上以形成二次涂层。

2、按照权利要求1的方法，其中的成形和浸没工序包括产生金属涂层。

3、按照权利要求1的方法，包括进一步通过此液体介质施加电位差以产生沉积。

4、按照权利要求1的方法，其中涂敷的工序包括对初始涂层供给一预定的电势。

5、按照权利要求3的方法，其中至少有一种反应剂乃是一种含有自镍、铬、铁组中一种金属的化合物。

6、按照权利要求5的方法，其中镍化合物的预定温度约为1300°F。

7、按照权利要求5的方法，其中铬的预定温度约为110～120°F。

8、按照权利要求5的方法，其中铁化合物的预定温度约为100°F。

9、按照权利要求1中的方法，其中的浸没工序包括将初始涂层与液体介质都保持在基本上相同的电势下。

10、按照权利要求9中的方法，其中至少一种反应物乃是这样一种化合物，它含有选自镍、铁、镍-铁合金组中的一种金属。

11、按照权利要求10中的方法，其中镍化合物的预定温度约为194°F。

12、按照权利要求10中的方法，其中铁化合物的预定温度约为170～195°F。

13、按照权利要求10中的方法，其中镍铁合金的预定温度约为70～80°F。

14、按照权利要求1中的方法，进一步包括在浸没工序中搅拌液体介质的工序，用以提高二次涂层的沉积速率。

15、生产有涂层的光纤的方法，特征在于它包括以下工序：

从预制棒拉制光纤;

对光纤涂以初始的金属涂层;

将光纤浸没于包括一种含金属组成的液体介质中;

将液体介质的温度提高到是以从此组成中释出金属的温度;

在液体介质中通过电流，以诱发金属释放，并使其沉积到初始金属涂层上。

16、生产有涂层的光纤的方法，特征在于它包括以下工序;

从预制棒拉制光纤;

以初始金属膜涂层光纤;

提供一种包括含金属组成的液体介质;

将光纤浸没于此液体介质中;

在该液体介质中加入一种反应物，它能诱发此组成释出金属，然后沉积到初始涂层之上。

17、一种有涂层的光学纤维，特征在于它包括：

一种光纤;

沉积在所说光纤包层外表面上的一种第一次涂层;

沉积到上述第一层涂层之上的第二次涂层，此二次涂层是由液体介质中至少一种反应物在预定温度下沉积成。

18、按照权利要求17中的光纤，其中第一种与第二种涂层都是金属质的。

19、在光纤上进行涂层的一套设备，特征在于它包括：

在反射式光纤上沉积初始金属涂层的装置;

从液体介质中在所说初始涂层上沉积二次涂层的装置，此种液体介质含有能在预定温度下在初始涂层上进行沉积的反应物。