一种耐高温光纤及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于特种光纤通信、高功率激光传输及传感技术领域的耐高温光纤及其制造方法。
背景技术
随着光纤技术的发展，光纤的应用范围延伸到了各种高温恶劣环境系统。这些系统要求光纤在恶劣环境中仍保持良好的特性，这对光纤提出了很高的光学、机械、环境稳定性及可靠性的要求。现有常规的紫外固化聚丙烯酸脂涂层的光纤在温度超过85℃时涂层材料会严重老化甚至失效，表现为涂层颜色发黄、变黑，机械性能弱化直至失去对光纤的保护作用，容易引起光纤自然断裂，无法满足高温环境下光纤传输的可靠性要求。中国专利CN200620128456.7公开了一种耐高温光纤，但是该专利没有具体介绍该光纤的涂层结构与性能以及制造该光纤的方法。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种具有优良抗高温性能和特性稳定的耐高温光纤及其制造方法。
本发明提供的耐高温光纤的技术方案为：包括光纤和包覆在光纤外表面的涂层，所述的光纤由石英玻璃芯层和围绕芯层的石英玻璃包层组成，其不同之处在于在石英玻璃包层外包覆的涂层为聚酰亚胺涂层，所述的聚酰亚胺涂层单边厚度为5～25μm，该固化后的聚酰亚胺涂层杨氏模量等于或大于2GPa，其玻璃态转变温度等于或高于300℃，折射率范围为1.38至1.78；所述的聚酰亚胺为含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物；所述的聚酰亚胺涂层由光纤外表面浸涂上聚酰亚胺溶液经加热固化而成。
按上述方案，对于石英玻璃外包层直径小于或等于220μm的光纤，聚酰亚胺涂层单边厚度为外包层直径的8％至11％；对于石英玻璃外包层直径大于或等于330μm的光纤，聚酰亚胺涂层单边厚度为外包层直径的4％至6％。
按上述方案，所述的光纤为传感用耐高温光纤，其石英玻璃外包层直径为125μm，聚酰亚胺涂层单边厚度为15μm，该光纤在850nm窗口衰减系数小于3.5dB/km，在1300nm窗口衰减系数小于1.5dB/km。
按上述方案，所述的光纤为可见至红外波段传输用耐高温光纤，其石英玻璃外包层直径为220μm、440μm或660μm等，对应的聚酰亚胺涂层单边厚度为15μm、15μm或25μm等，该光纤在850nm窗口衰减系数小于或等于10dB/km，在1064nm窗口衰减系数小于或等于10dB/km。
按上述方案，所述的光纤为紫外至可见波段传输用耐高温光纤，其石英玻璃包层直径为220μm、440μm或660μm等，对应的聚酰亚胺涂层厚度为15μm、15μm或25μm等，该光纤在300nm窗口衰减系数小于200dB/km，在800nm窗口衰减系数小于10dB/km。
本发明耐高温光纤制造方法的技术方案为：
将清洗干燥后的光纤预制棒在拉丝装置上拉制成纤，包括预制棒熔融抽丝，表面涂层处理，收绕；所述的表面涂层处理为聚酰亚胺涂层处理，包括预涂覆、预固化和二次涂覆；所述的熔融拉丝是通过预制棒进料机构将预制棒送入高温电熔炉中加热，预制棒给进速度范围控制在0.03~15mm/min；高温炉工作的温度控制范围是1700~2400℃，预制棒的一端在高温区熔融之后在重力和表面张力的作用下形成一个熔锥，锥体尖端经拉制机构牵引延长成为光纤；拉制速度的范围控制在2m/min~20m/min，典型值为4m/min。
所述的预涂覆是从高温炉中出来的光纤穿越一个外径监测单元之后进入预涂覆装置，该装置包括储料瓶和带尖嘴的涂覆杯，储料瓶内充有高压纯净气体，用气压将储料瓶的涂料溶液挤进涂覆杯，使得聚酰亚胺溶液在涂覆杯内保持适当的压力，聚酰亚胺溶液粘度范围是1000cps至10000cps，典型的粘度范围是5000cps至10000cps，光纤进入涂覆杯之后穿过底部的橡胶尖嘴，使得光纤表面浸涂上一层均匀的涂料溶液。
所述的预固化是涂覆溶液的光纤穿经预固化的装置，预固化装置为竖直放置的圆筒形电炉，电炉内腔圆柱形的高温区即为预固化通道，预固化通道直径为20至28mm，高温区分为两个区域，一个是溶剂挥发区，温度范围是100℃~240℃，另一个是分子合成区，温度是240℃~460℃，光纤在收绕机构的牵引下匀速缓慢通过高温区，光纤通过电炉高温区的时间为10至30秒钟。
所述的预涂覆和预固化工序可循环(重复)1～3次。
预涂覆和预固化工序在光纤外表面形成均匀的聚酰亚胺涂覆层，为底涂层，底涂层的厚度占最终涂层厚度的一半或以上，杨氏模量等于或大于2GPa，玻璃态转变温度等于或高于300℃。
所述的二次涂覆是将经过预涂覆和预固化的光纤再进行二次涂覆和固化，经预固化的光纤经导轮组进入卧式箱式电阻炉进行固化，导轮的“V”型槽底部垫有浸渍有聚酰亚胺溶液的衬垫，当光纤经过该导轮组时会浸涂上一层极薄的涂料层，随后光纤在收绕轮的牵引下进入箱式电炉进行固化，箱式电炉的高温区分为两个区域，一个是溶剂挥发区，该区的温度范围是120℃~300℃，完成溶剂的挥发过程；另一个是分子合成区，该区的温度是300℃~500℃，完成溶质小分子的聚合过程。
二次涂覆可进行1至6次，以提高涂料的固化质量并控制合适的涂层厚度，达到对光纤的增强和增韧作用。
二次涂覆通过在箱式电炉的两头设置两组导轮组，使固化的光纤由第二导轮组引导返回第一导轮组涂覆后再进入箱式电炉进行固化，其中第一导轮组导轮的“V”型槽底部垫有浸渍有聚酰亚胺溶液的衬垫，第二导轮组V型槽底部衬垫不浸渍涂料溶液，只起引导方向的作用，光纤从第二导轮组穿过箱式电炉的外围返回第一导轮组，再重复上述导轮涂覆和箱式电炉固化的过程，如此循环反复多次涂覆‑固化形成最终的耐高温光纤产品，最多可以有6次循环过程。
二次涂覆所用涂料溶液粘度范围是1000cps至10000cps，典型的粘度范围是1000cps至7000cps。
二次涂覆固化后形成光纤底涂层外的聚酰亚胺涂覆层为外涂层。外涂层材料杨氏模量等于或大于2GPa，典型值不小于4GPa，即外涂层模量比内涂层高，是因为外涂层用于承受外界应用环境的作用，较高的杨氏模量有助于提高光纤的机械可靠性。外涂层的玻璃态转变温度等于或高于300℃，典型的转变温度高于350℃，外涂层厚度为聚酰亚胺涂层总厚度的1/3至1/2，以HTG50/125/155光纤为例，外涂层的厚度为5μm至7.5μm。影响厚度的关键因素是溶液粘度、光纤的拉丝速度、固化时间。
在预固化的电炉内腔下端的出口处和/或二次涂覆固化的箱式电炉出口端设有抽风系统，抽风量为30~50L/min。抽风的作用是及时排除预固化通道内的溶剂分子促进固化反应，并且避免了固化工艺产生的废气对室内环境的污染。
所述的收绕是经二次涂覆工艺制成的耐高温光纤穿越第二个外径监测单元之后，最后进入收绕机构进行收线，一次收线长度可达4km甚至6km。收线是将较大长度的光纤收绕在直径不小于400mm的收线筒上，该收线筒的转速由电脑控制的精密伺服电机控制，转速与第一个外径监测单元相关联，以控制光纤石英玻璃包层的直径。第二个外径监测单元作用是监测光纤产品的涂层几何尺寸，不起控制作用。
本发明用于制造耐高温光纤的专用设备技术方案为：
包括有熔融拉丝装置和收绕机构，在熔融拉丝装置和收绕机构安设预涂覆装置和预固化装置，预涂覆装置和预固化装置设置1～3套，交替串接，在预涂覆装置和预固化装置之后安设二次涂覆固化装置，二次涂覆固化装置的输出端与收绕机构衔接。
按上述方案，所述的预涂覆装置由装有聚酰亚胺溶液的储料瓶和带尖嘴的涂覆杯组成，储料瓶内充有高压纯净气体，用气压将储料瓶的涂料溶液挤进涂覆杯。
按上述方案，所述的预固化装置为竖直放置的圆筒形电炉，电炉内腔圆柱形的高温区即为预固化通道，高温区分为两个区域，一个是溶剂挥发区，温度范围是100℃~240℃，另一个是分子合成区，温度是240℃~460℃。
按上述方案，所述的二次涂覆固化装置包括水平安设的箱式电炉，在箱式电路两头对应设置两组导轮组，两组导轮组的导轮个数相同，为1～6个，其中第一导轮组导轮的“V”型槽底部垫有浸渍有聚酰亚胺溶液的衬垫，安设在箱式电炉的进入端，第二导轮组安设在箱式电炉的出口端，箱式电炉对应两头导轮组每个导轮的上端切向设置固化通道，两头导轮组每个导轮的下端切向对应于箱式电炉的外侧下方。
按上述方案，在预固化的电炉内腔下端的出口处和/或二次涂覆固化的箱式电炉出口端设有抽风装置，抽风量为30~50L/min。
本发明获得的有益效果为：
1.本发明特定厚度的聚酰亚胺作涂覆层所构成的耐高温光纤包含耐高温通信光纤、能量传输光纤、传感光纤等，可以用于高温以及恶劣工作环境，长期使用温度可以高达300℃，克服了常规紫外固化工艺生产的聚丙烯酸酯涂层的光纤无法耐受恶劣工作环境的不足之处。且使用特性稳定，在恶劣环境中仍保持良好的持久性。
2.本发明的耐高温光纤制造方法可以准确控制光纤石英玻璃包层的直径和光纤涂层直径，确保包层直径偏差不超过±2％，涂层直径偏差不超过±3％。利用本发明方法制造出来的耐高温光纤产品具有100kpsi的筛选强度，产品段长可以达到4km甚至6km。
【附图说明】
图1是本发明一个实施例中预涂覆杯剖视图。
图2是本发明一个实施例中预固化炉剖面示意图。
图3是二次固化中箱式电路固化通道的示意图。
图4是本发明耐高温光纤专用设备示意图。
【具体实施方式】
以下通过实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的各种耐高温光纤均是采用预涂覆加上二次涂覆的工艺制备。工艺的关键在于预固化炉和箱式电炉的温度设置以及预制棒电熔炉的温度设置。下面进一步说明本发明的实施例。
第1个实施例：光纤类型为HT50/55/65，是一种紫外传输光纤。直径为21mm的预制棒在2180℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在12m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为55μm，聚酰亚胺涂层直径为65μm，涂层单边厚度为5μm。底涂层的涂料溶液粘度为5500cps，固化时间为5秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区230℃，分子合成区375℃。固化后的底涂层杨氏模量为2.2GPa，玻璃态转变温度为330℃，折射率为1.5，单边厚度为2.5μm。外涂层涂料溶液粘度为1500cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区270℃，分子合成区400℃。固化后的外涂层杨氏模量为4.5GPa，玻璃态转变温度为350℃，单边厚度为2.5μm。该光纤在200nm窗口衰减系数为1.2dB/m，在300nm窗口衰减系数为180dB/km。
第2个实施例：光纤类型为HT9/125/155，是一种通信用耐高温单模光纤。直径为44mm的预制棒在2100℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在10m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为125μm，聚酰亚胺涂层直径为155μm，涂层单边厚度为15μm。底涂层涂料溶液粘度为5100cps，固化时间为6秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区235℃，分子合成区380℃。固化后的底涂层杨氏模量为2.5GPa，玻璃态转变温度为315℃，折射率为1.54，单边厚度为7.5μm。外涂层涂料溶液粘度为2000cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区230℃，分子合成区390℃。固化后的外涂层杨氏模量为7.5GPa，玻璃态转变温度为370℃，单边厚度为7.5μm。该光纤在1310nm窗口衰减系数为0.6dB/km，在1550nm窗口衰减系数为0.5dB/km。
第3个实施例：光纤类型为HTG50/125/155，是一种传感用耐高温多模光纤。直径为40mm的预制棒在2150℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在8m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为125μm，聚酰亚胺涂层直径为155μm，涂层单边厚度为15μm。底涂层涂料溶液粘度为7000cps，固化时间为8秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区240℃，分子合成区410℃。固化后的底涂层杨氏模量为2.3GPa，玻璃态转变温度为355℃，折射率为1.6，单边厚度为10μm。外涂层涂料溶液粘度为1200cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区260℃，分子合成区410℃。固化后的外涂层杨氏模量为4.5GPa，玻璃态转变温度为370℃，单边厚度为5μm。该光纤在850nm窗口衰减系数为2.6dB/km，在1300nm窗口衰减系数为0.8dB/km。
第4个实施例：光纤类型为HT400/440/470，是一种激光传输光纤。直径为21mm的预制棒在2200℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在5m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为440μm，聚酰亚胺涂层直径为470μm，涂层单边厚度为15μm。底涂层涂料溶液粘度为6300cps，固化时间为12秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区227℃，分子合成区445℃。固化后的底涂层杨氏模量为3.4GPa，玻璃态转变温度为405℃，折射率为1.45，单边厚度为10μm。外涂层涂料溶液粘度为3400cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区290℃，分子合成区435℃。固化后的外涂层杨氏模量为6.0GPa，玻璃态转变温度为410℃，单边厚度为5μm。该光纤在300nm窗口衰减系数为180dB/km，在800nm窗口衰减系数为8dB/km。
在第5个实施例中，光纤类型为HT600/660/710，是一种高损伤域值激光传输光纤。直径为22mm的预制棒在2200℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在4m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为660μm，聚酰亚胺涂层直径为710μm，涂层单边厚度为25μm。底涂层涂料溶液粘度为5700cps，固化时间为15秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区210℃，分子合成区425℃。固化后的底涂层杨氏模量为3.3GPa，玻璃态转变温度为335℃，折射率为1.42，厚度为15μm。外涂层涂料溶液粘度为5300cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区270℃，分子合成区490℃。固化后的外涂层杨氏模量为11GPa，玻璃态转变温度为400℃，单边厚度为10μm。该光纤在850nm窗口衰减系数为10dB/km，在1064nm窗口衰减系数为9.8dB/km。
在第6个实施例中，光纤类型为HT1000/1100/1180，是一种可见至红外传输光纤。直径为26mm的预制棒在2250℃的高温热场中熔缩牵引延长形成光导纤维，在2m/min的牵引速度下，涂覆聚酰亚胺涂层后形成光纤成品。该光纤石英玻璃包层直径为1100μm，聚酰亚胺涂层直径为1180μm，涂层单边厚度为40μm。底涂层涂料溶液粘度为8900cps，固化时间为30秒钟，预固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区225℃，分子合成区410℃。固化后的底涂层杨氏模量为2.1GPa，玻璃态转变温度为380℃，折射率为1.7，单边厚度为20μm。外涂层涂料溶液粘度为5300cps，二次固化电炉高温区温度设置分别为溶剂挥发区295℃，分子合成区460℃。固化后的外涂层杨氏模量为4.1GPa，玻璃态转变温度为400℃，单边厚度为20μm。该光纤在470nm窗口衰减系数为25dB/km，在630nm窗口衰减系数为10dB/km。
本发明设备的实施例如附图所示，石英玻璃光纤1经预涂覆杯3之后进入预固化装置6进行预固化，这样的预涂覆和预固化装置可安设3组，简化的示意图中只列出1组。预涂覆装置由装有聚酰亚胺溶液的储料瓶和带橡胶尖嘴4的涂覆杯3组成，储料瓶内充有高压纯净气体，用气压将储料瓶的涂料溶液2挤进涂覆杯，光纤经预涂覆杯从预涂覆杯底的橡胶尖嘴穿出进入预固化装置6，预固化装置为竖直放置的圆筒形电炉，电炉内腔圆柱形的高温区即为预固化通道，高温区分为两个区域，一个是溶剂挥发区7，温度范围是100℃～240℃，另一个是分子合成区5，温度是240℃～460℃。光纤经预涂覆、预固化后经由导轮12引导进入二次涂覆固化，二次涂覆固化装置包括水平安设的箱式电炉9，在箱式电炉两头对应设置两组导轮组，两组导轮组的导轮个数相同，为1～6个，其中第一导轮组13导轮的“V”型槽底部垫有浸渍有聚酰亚胺溶液的衬垫，安设在箱式电炉的进入端，第二导轮组11安设在箱式电炉的出口端，箱式电炉对应两头导轮组每个导轮的上端切向设置固化通道8，两头导轮组每个导轮的下端切向对应于箱式电炉的外侧下方。经第一导轮组13浸涂上薄层涂料后进入箱式固化炉9进行二次固化，再由第二导轮组11引导返回第一导轮组重复二次涂覆与二次固化过程。因为导轮组分别由6只具有独立转动的同心导轮组成，光纤经导轮组引导固化的过程最多可以有6次。经6次固化后的光纤成品由收绕机构10收绕在光纤承绕筒上。在预固化的电炉内腔下端的出口处和/或二次涂覆固化的箱式电炉出口端设有抽风装置，抽风量为30～50L/min。