用于生产塑料光纤的方法技术

本发明专利技术提供一种能够以商用生产速度（比如对于外径为２５０μｍ的光纤至少１ｍ／ｓ的速度）生产梯度折射率塑料光纤的连续挤压成形方法。此外，可以在实际生产前利用挤压成形工艺的各种参数通过有限元分析方法预测光纤的折射率分布。这种预测可以通过调整工艺参数来得到所需产品，而无需对挤压成形设备进行大量试差。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及梯度折射率塑料光纤的生产。近年来，玻璃光纤成了一种重要的传输媒介，尤其是在远程传输中应用。但这种光纤在小规模运用中，如局域网中桌面光纤的配置，却应用不广。具体地说，玻璃光纤性能价格比不如铜线，并且要求很精确的纤维接头。因而，对塑料光纤(POF)产生了兴趣。塑料光纤(POF)具有玻璃光纤的许多优点，但性能价格比要比玻璃光纤好。POF还可以提供更大的芯，使连接和绞合更容易。起初，阶跃折射率POF(一种折射率的芯，被另一种不同折射率地包层包裹)投入生产并得到应用。不幸的是，沿阶跃折射率光纤传输的模式有不希望有的很高的耗散，因而限制了光纤的传输能力。针对此问题，开发出了梯度折射率POF(GI-POF)，它从芯到包层具有变化的折射率。GI-POF表现出较低的模式耗散，因而具有更好的性能。但生产GI-POF比阶跃折射率POF更困难，从而更贵。因此有必要寻找生产GI-POF的改进方法。生产GI-POF的一种方法是从预制棒(preform)开始，和通常玻璃光纤从中拉出的预制棒类似。例如可见美国专利5,639,512和5,614,253，其中描述了一种用化学气相沉积法(CVD)生产GI-POF预制棒的方法。根据该方法，将一种聚合物和一种折射率改性剂沉积在棒上，在沉积过程中改变折射率改性剂的量来得到所需的折射率分布。这种预制棒对于生产GI-POF是有用的，但需要有更简单的方法。另一种预制棒形成方法是挤压成形，广泛用于不同塑料制件的成形。挤压成形比成形和拉伸预制棒迅速而且便宜，但要形成梯度折射率分布却较复杂。美国专利5,593,621(’621专利)描述了GI-POF的一种挤压成形方法。根据’621专利，把一种物质挤压成形在另一种物质的周围，如通过使用同心喷嘴来生产GI-POF。至少有一种物料含有折射率与之不同的可扩散物质，以使该物料的扩散提供所需的折射率差。’621专利提供了一种可行的方法，但也存在一些缺点。具体地说，不清楚这种能够预成形的方法为了使扩散物质有足够的时间扩散，是否不需要提供延时(停止物料流动)或极慢的挤压成形速度。更具体地说，实例中公开的同心喷嘴5的出口(见附图说明图1)和芯喷嘴3的出口之间有一小段距离，3cm。因而在流出设备前，两种物料只在这一小段范围内接触。不清楚这样小的接触距离在不需要间歇停止或极慢的挤压成形速度时是否有充分的扩散。看来使用了间歇停止或极慢的挤压成形速度，因为，如实施例6中表明在这段接触区内的扩散约在3分钟内有效，而实施例7、8和9都表明在接触区内发生扩散约为10分钟。不幸的是，参考专利没有公开挤压成形速度也没说清流程是否得不断停止。另外，参考专利中没有给出怎样预测所得光纤的折射率分布的信息，显然这要求用试差法(trial-and-error)来寻找合适的工艺参数。从商业观点看，间歇停止和极慢的挤压成形速度都是不利的。间歇停止使工艺变慢并且使光纤的折射率分布不连续；而极慢的挤压成形速度则增加了生产成本和时间。因此，有必要改进梯度折射率塑料光纤的挤压成形方法，并对具体挤压成形工艺形成的折射率分布进行预测，从而避免繁重的试差。本专利技术提供一种连续的挤压成形方法，能以商业上可以接受的速度，如对于外径为250μm的光纤至少以1m/sec的速度，生产梯度折射率塑料光纤(GI-POF)。进一步说，在实际生产前，通过对挤压成形工艺中各种参数的数值分析可以预测光纤的折射率分布。这种预测容许通过调整工艺参数来得到想要的结果，并且避免对挤压成形设备的大量试差。所述工艺包括引入第一聚合物材料如芯聚合物材料到第一喷嘴里，引入第二聚合物材料如包层聚合物材料到第二喷嘴里，其中至少有一种聚合物材料含有能改变聚合物折射率的可扩散搀杂剂。如图1B所示，喷嘴共心安放并且第一喷嘴在第二喷嘴内，以使物料流在进入扩散部分22时共心。当物料一起流过扩散部分22时，搀杂剂在第一、二聚合物之间及内部发生扩散，从而形成梯度折射率。第一、二聚合物连续移动通过扩散部分22，流过出口模26后被拉成光纤。(连续表明在进入扩散部分后，聚合物在流入出口模前不在任何一点间歇停止。)该聚合物之间可以在较长的扩散区域内，如50cm甚至100cm，基本上保持层流，这比’621专利的短扩散区(3cm)长得多。〔扩散区长度24，如图1B所示，是扩散区22中始于共挤压成形头20中第一、二聚合物的第一接触点(在喷嘴30的出口处)，终于出口模26末端的部分。〕从出口模流出的聚合物的流速通常为3cm3/min，相当于直径为250μm的光纤至少1m/s的生产速度，但如下讨论，可以加快工艺进一步增加流速。因而有可能避免’621专利方法所需的间歇停止和(或)极低流速，从而可以在商用速度下连续挤压成形GI-POF。优化地，在实际生产前根据预测的搀杂剂或者折射率分布，选定挤压工艺参数并决定物性。相关的工艺参数和物性包括扩散区长度和半径，芯和包层聚合物的流率，搀杂剂在芯和包层聚合物中的扩散率。有时使用的另外特性包括依赖于剪切速度的粘度，第一、二聚合物的密度(作为温度的函数)，扩散区的温度及聚合物中搀杂剂的质量分数。根据所提供的值，利用数值分析来确定预测的折射率分布。这种分析可以确定在改变任何或全部参数时引起的结果，从而避免通常所必需的大量耗时且昂贵的试差。图1A和1B概要表示适用于本专利技术的一种挤压成形设备。图2表示根据本专利技术生产的光纤的折射率分布。图3表示根据本专利技术生产的光纤的折射率分布。图4表示根据本专利技术生产的光纤的折射率分布。图5表示根据本专利技术生产的光纤的折射率分布。图6A和6B表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂的质量分数分布。图7A和7B表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂的质量分数分布。图8表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂的质量分数分布。图9表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂的质量分数分布。图10表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂的质量分数分布。图11表示预测的搀杂剂质量分数分布和生产好的光纤的搀杂剂质量分数分布的对比。图12表示根据本专利技术用于生产光纤的一种挤压成形设备。图13表示根据本专利技术方法预测的搀杂剂质量分数分布，作为不同Peclet准数的函数。根据本专利技术的一个实施例，如图1A所示，芯和包层聚合物分别馈入光纤挤压成形设备10的芯挤压机12和包层挤压机14。芯和/或包层聚合物(通常为芯聚合物)含有一或多种可提供所需折射率梯度的可扩散搀杂剂。芯聚合物从芯挤压机12通过连接管16馈入共挤压头20(详尽如图1B所示)，而包层聚合物通过连接管18馈入共挤压头20。如图1B所示，共挤压头20包含一个芯喷嘴30，使芯聚合物进入扩散部分22的中心，而从连接管18流出的包层聚合物同心地分布在芯聚合物的周围流入扩散部分22。芯聚合物和包层聚合物一起流入扩散区24。〔如图1B所示，扩散区是扩散部分22中始于共挤压头20中芯和包层聚合物的第一接触点(在喷嘴30的出口处)，终于出口模26末端的长度。〕扩散部分22通常加热到可以维持熔融聚合物的流动并且能促进可扩散搀杂剂的扩散，而且扩散区24具有足够长度以保证发生需要程度的扩散。然后聚合物从扩散部分22流入具有所需直径的出口模26，出口处的光纤再由卷盘28以所需要的速度拉伸成光纤，从而得到最后所要求的光纤直径。此光纤通常缠于轴3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产梯度折射率塑料光纤的方法，包括以下步骤：把第一聚合物材料引入第一喷嘴；把第二聚合物材料引入第二喷嘴，同心地环绕在第一喷嘴上定位，其中第一、二聚合物材料至少有一种含有至少一种能改变折射率的可扩散搀杂剂；把第一、二聚合物材料 从第一、二喷嘴同心地引入扩散部分，以使搀杂剂能在第一、二聚合物之间及其内部发生扩散，其中的材料通过长度至少为３３ｃｍ的扩散区流过，扩散区内的温度至少在第一、二聚合物材料玻璃化温度中较高者的５０℃以上；把第一、二聚合物材料以至少０．５ｃｍ ↑［３］／ｍｉｎ的流率从扩散部分通过出口模挤压成形，并从出口模拉伸物料而形成光纤。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小李L布里勒，小阿瑟C哈特，托德R萨拉蒙，蒙特里沃亚羽萨克恩，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]