傳能光纖拉絲涂覆工藝的研究

郭君 喻煌

【摘要】傳能光纖在光信號傳輸過程中要求滿足高功率、低損耗、工作溫度寬，因此拉絲過程中涂料涂覆質(zhì)量的好壞，對光纖的性能以及經(jīng)濟性影響很大。本文在拉絲工藝中保持加熱爐功率和拉絲速率恒定不變，考察模具孔隙尺寸、涂覆器溫度、涂覆壓力、固化光強度這四個涂覆工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響。結果表明：選用內(nèi)涂530、外涂575的模具，涂覆器溫度為35℃，涂覆壓力為0.45bar，光照強度為500mW/cm2，此時光纖的光學性能好，表面涂層均勻，無氣泡串珠，涂料成本低。

【關鍵詞】傳能光纖;涂覆工藝;數(shù)值孔徑;光學性能

1.引言

傳能光纖是特種光纖的一種，相比于普通光纖，其性能以及應用都有很大的差別。傳能光纖的芯徑達到400-600μm，比普通多模光纖芯徑的50μm和62.5μm大很多，圖1所示;數(shù)值孔徑更大，以便于高功率激光器可以與其更多的耦合，實現(xiàn)光纖的高強度、低損耗光能量的傳輸;工作溫度范圍寬，可以在極端的高溫和寒冷環(huán)境中穩(wěn)定工作;光纖涂料涂覆以及固化質(zhì)量要求更高。傳能光纖有以上優(yōu)點，在激光醫(yī)療、傳感器、軍工武器、工業(yè)控制等領域都有著廣泛應用。

傳能光纖傳輸?shù)募す夤β史浅８撸瑸榱颂岣呒す馄髋c傳能光纖的耦合程度，降低激光器成本以及減少光能量在接口處的耗散，需要增大光纖的數(shù)值孔徑，通常解決這個問題的方法是適當擴大光纖的芯徑，但是光纖的外徑大小受到多重因素的影響，因此在光纖拉絲中需要使用低折射率的光纖涂料來彌補包層的不足，同時起到保護光纖的作用。內(nèi)層涂料作為低折射率的包層，需要滿足光信號傳輸?shù)暮芏鄥?shù)要求。內(nèi)層涂料的折射率大小直接影響光纖的數(shù)值孔徑，因此需要折射率盡可能小;涂料的厚薄對光能量約束有影響，厚度適中保證光線不會外溢損失，同時控制成本;涂料固化程度的好壞直接影響光纖使用過程的安全性和穩(wěn)定性，需要保持固化度適中和均勻。因此，高質(zhì)量傳能光纖的生產(chǎn)，除了需要光纖自身質(zhì)量較好以外，同時需要協(xié)同光纖涂覆過程中所用涂料特點，配合適當?shù)耐扛补に噥肀ＷC光纖涂料高質(zhì)量涂覆在光纖表面。傳能光纖涂料涂覆工藝是一個較為復雜的生產(chǎn)問題，涂覆質(zhì)量受到各種因素影響，目前國內(nèi)外僅有少數(shù)幾家公司掌握這種工藝，造成傳能光纖生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量低。（見圖1）

本文中使用的是一種低折射率、耐高溫、固化效率高的特種光纖涂料，滿足傳能光纖涂覆使用條件。本研究中，維持拉絲爐的加熱爐功率為20KW和拉絲速率20m/min不變，探究涂覆模具尺寸、涂覆器溫度、涂覆壓力、固化光照強度對傳能光纖涂層質(zhì)量的影響。從而確定最優(yōu)涂覆工藝參數(shù)條件，達到提升涂覆效率、提高涂層質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。

2. 實驗部分

2.1 實驗材料

光纖預制棒：公司自備，烽火藤倉光纖科技有限公司;

光纖內(nèi)層涂料，OF-136，MY POLYMERS光纖外層涂料，普通涂料。

2.2 光纖制備

使用本公司自研的特種光纖拉絲塔，進行傳能光纖的拉制，在拉絲過程中保持加熱爐功率不變，拉絲速度為20m/min不變，從而控制光纖包層直徑在400μm左右。

3. 結果與討論

3.1 模具對光纖涂層性能的影響

模具是光纖與涂料接觸并完成涂覆的關鍵位置。模具一涂與二涂中央孔隙的大小直接決定了光纖內(nèi)外層涂料的厚度以及比例關系。理想中的光纖涂覆條件是光纖表面沒有剪切作用，涂料的流動方式為層流。根據(jù)推到可以得到經(jīng)驗公式：

其中：a是光纖/內(nèi)包層直徑，R是?？字睆?，R1是內(nèi)/外涂覆直徑。

根據(jù)實驗需要，我們選擇了下表1四種模具，研究模具尺寸與涂層厚度的關系。實驗中為了排除光纖對涂覆工藝的影響，我們保持拉絲速率為20m/min不變，光纖的直徑保持在400μm，光纖涂覆方式同樣也選擇干對濕的涂覆工藝。另外，保持涂覆涂覆溫度30℃，涂覆壓力為0.4MPa，固化光照強度為450 mW/cm2。

圖2可以發(fā)現(xiàn)，光纖涂覆直徑理論值都與?？字睆匠示€性關系，內(nèi)層涂覆直徑與理論值很接近，外層實際值則都出現(xiàn)偏小。充分冷卻的光纖進入模臺進行涂覆，內(nèi)層涂覆與理論模型條件有差異，但是影響不大，與理論值相接近。外層涂覆出現(xiàn)偏小原因在于實驗中采用干對濕工藝涂覆，內(nèi)涂固化少量的收縮對外涂產(chǎn)生影響。同時外層固化程度相對內(nèi)層更高，自身收縮率也更大。內(nèi)涂在一定程度上需要起到內(nèi)包層作用，外包層是保護光纖的作用，結合傳能光纖的特點，需要內(nèi)包層涂覆固化度較好，厚度稍大。

結合表2我們發(fā)現(xiàn)，模具組合對光纖性能有一定的影響。光纖的數(shù)值孔徑孔徑和內(nèi)涂的厚度有著直接關系，相同的內(nèi)涂直徑的數(shù)值孔徑幾乎是相同;光纖傳輸損耗隨著內(nèi)涂增厚降低，同時隨著外涂增厚升高。傳能光纖的內(nèi)涂一定程度有著包層的作用，因此數(shù)值孔徑隨著內(nèi)涂厚度增加而增加，光傳輸損耗隨著內(nèi)涂增加而降低;在不改變固化光強度以及速率情況時，內(nèi)涂固化度直接受到外涂厚度影響，外涂厚，透光少，內(nèi)涂固化度低，造成光損增加。傳能光纖對涂料質(zhì)量要求較高，因此涂層在滿足傳能光纖性能的同時，盡可能涂層直徑較小，有利于降低成本。最終模具3最適合本產(chǎn)品的生產(chǎn)的模具。

3.2 涂料溫度對光纖性能的影響

下圖3是兩種涂料與溫度之間的粘度曲線，圖中我們發(fā)現(xiàn)涂料的粘度隨著溫度的提升會逐漸減小，曲線斜率逐漸趨于水平。涂料粘度直接直接影響涂料在涂料料罐和模具中的流動狀態(tài)，最終也影響到涂料與光纖涂覆時接觸情況，最終影響涂覆質(zhì)量。一般在拉絲過程中，需要將光纖的溫度降低到與模具內(nèi)涂溫度足夠接近，這樣才能保障光纖涂覆質(zhì)量。光纖溫度過高可能造成涂料在光纖表面氣化，進而形成氣泡帶入模具中，影響涂覆質(zhì)量;溫度太低會增加涂料的粘度，造成涂料流動性不夠，從而影響涂覆質(zhì)量。溫度實驗中使用模具3，保持涂覆壓力為0.35MPa，固化系統(tǒng)光強度為450mW/cm2。

圖4是涂料溫度與光纖涂層顯微形貌關系，圖中我們發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的不斷提高，在光纖的內(nèi)外涂層界限分明，涂層沒有氣泡。低溫條件下，涂料粘度太大，造成涂料中央頁面太大，形成了串珠氣泡，明顯的光纖表面波紋;在35℃以上時，涂料流動性好，光纖與涂料在涂覆中形成良好的接觸，從而表面沒有氣泡異常。

從表3可以看出，光纖的數(shù)值孔徑隨著溫度升高略微增加，光傳輸損耗逐漸降低到一個較低值，剝離力是增加趨勢。涂料溫度低會導致內(nèi)涂質(zhì)量不佳，圖4（a）-（b）氣泡就是明顯的缺陷點，造成光纖包層有缺陷，進而光纖的數(shù)值孔徑小且異常，光纖傳輸損耗明顯較大，氣泡空缺點，減少光纖與涂料作用面積，造成剝離力較小。隨著溫度的提升，在35℃時，涂料與光纖接觸涂覆狀態(tài)良好，內(nèi)涂層質(zhì)量好，光纖傳輸損耗低，剝離力達到一個較大的數(shù)值。繼續(xù)提高提高溫度，對光纖性能影響較小，卻可能增加設備高溫故障的風險，同時也增加了涂料粘度太低造成的“溢料”異常，不利于降低成本和生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。因此最適宜涂覆溫度為35℃。

3.3 涂覆壓力對光纖性能的影響

下圖5是聚合物涂料粘度與剪切速率的關系，圖6是涂覆模具中，一涂中的涂料液面圖。我們發(fā)現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，涂料的粘度逐漸降低。這是聚合物線型大分子鏈結構造成的現(xiàn)象。無剪切狀態(tài)的聚合物大分子是無序卷曲相互接觸狀態(tài)，在剪切力作用下，柔順的聚合物分子鏈會隨著剪切力方向逐漸形成取向，分子鏈間相互平行，減小了接觸纏繞點，降低了流動阻力，從而表現(xiàn)出涂料的流動粘度隨著速度的增加而降低的現(xiàn)象。結合圖6我們發(fā)現(xiàn)，涂料的液面是“半月形”，越靠近光纖，液面越低。涂覆壓力的大小對涂覆液面的控制有著很重要的影響。壓力試驗中，使用涂覆模具3，保持涂覆溫度為35℃，固化光強度450mW/cm2。

圖7是涂覆壓力與光纖表面顯微結構圖，我們低壓會造成涂層有氣泡，壓力逐漸增加，氣泡的數(shù)量逐漸減少，到0.45bar時，氣泡消失。壓力會給涂料提供一定的流動動力，降低涂料粘度的同時，也會增加模具中涂料的液面高度，從而提高了中心液面的高度，減小了中央尖角，有效避免了氣泡的形成。

從表4我們可以看出，隨著涂覆壓力的提高，光纖的數(shù)值孔徑先增加，后幾乎不變;光纖傳輸損耗先降低，后不變;光纖涂料的剝離力逐漸增加。壓力的增加降低了氣泡缺陷，有利于光傳播信號，降低光損同時增加了數(shù)值孔徑，壓力逐漸增加，光纖涂料的可靠性越好，光纖涂料的剝離力也就越來越大，提高涂覆牢靠性。但是過高的壓力會造成高溫類似的效果，那就出現(xiàn)“溢料，進而引起一系列的涂覆故障。因此，涂覆壓力為0.45bar，最為適宜。

3.4 固化光強度對光纖性能的影響

傳能光纖涂料是一種以丙烯酸酯為主要成分的混合物，涂料中低聚物發(fā)生聚合反應的條件是催化劑在紫外線和一定溫度下催化聚合物官能團發(fā)生聚合反應。因此，在拉絲涂覆工藝中，模具結構、壓力、溫度影響涂層的厚度以及是否有氣泡缺陷。但是紫外燈固化系統(tǒng)直接影響涂料的固化情況，進而影響光纖的性能。

圖8給出了不同固化等功率下的光纖涂層顯微圖，我們發(fā)現(xiàn)，固化光強度過低光纖存在互相粘連以及粘手的情況，不透明有缺陷，這種光纖在分盤，篩選，測試中都會因為光纖之間的摩擦而造成表面缺陷，不符合光纖基本的外觀標準。隨著固化光強度的提高，光纖的顏色變得透明，不會存在表面粘連的現(xiàn)象。并且固化光強度對光纖涂層氣泡幾乎沒有影響。

從表5我們可以看出，隨著固化光強度的提高。光纖的數(shù)值孔徑逐漸增加;光纖的傳輸耗損明顯降低，光纖的剝離力會明顯增加。固化光強度較低條件下，光纖涂料固化度不夠高，造成外層無法保護內(nèi)層結構，內(nèi)層光纖因為摩擦缺陷無法傳輸光信號，從而光纖的耗損以及數(shù)值孔徑都很小;隨著固化光強度提高，固化度越來越高，降低了涂層缺陷引起的質(zhì)量問題。但是光纖涂層固化度太高，提高了涂層剝離力，但是會導致光纖硬而脆，光纖柔韌度不好導致彎折斷纖;同時固化光強度過高造成固化爐溫度太高引起生產(chǎn)安全問題，也不利于降低成本。因此最佳固化光強度為500mW/cm2。

4. 結語

（1）采用內(nèi)涂530，外涂575的模具，此時光纖內(nèi)外涂層厚度的比例符合傳能光纖涂層要求，同時涂料使用量較少，涂層成本最低。

（2）保持涂覆模具的溫度為35℃，涂覆壓力為0.45bar，此時光纖表面的沒有氣泡缺陷，光纖的衰減較低，涂層剝離力大小適中。

（3）固化光強度為500Mw/cm2時，光纖涂覆層的固化情況良好，沒有出現(xiàn)固化度太低粘手以及固化度過高導致的硬而脆的現(xiàn)象。并且光纖傳輸損耗低。

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