高模量光纤涂层的LED固化制造技术

描述了在用LED或激光源激发之后具有高固化度和高模量的可固化涂料组合物。可固化涂料组合物包括一种或多种可辐射固化单体以及一种或多种光引发剂。可固化涂料组合物优选完全不含低聚物。LED或激光源优选提供峰值波长范围是360nm至410nm的UV辐射。

LED Curing of High Modulus Fiber Coatings

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高模量光纤涂层的LED固化本申请根据35U.S.C.§119，要求2017年01月27日提交的美国临时申请系列第62/451,138号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
本说明书属于用于光纤的涂层，以及用于光纤的涂层的制造方法。更具体来说，本说明书涉及采用运行在UV波长的LED光源对涂料组合物进行固化的方法，以及由该方法制得的固化涂层。
技术介绍
光纤的光传输性能高度取决于制造过程中施涂到玻璃光纤的聚合物涂层的性质。通常来说，使用双层涂层体系，其中软的(低模量)第一涂层与玻璃光纤接触，而硬的(高模量)第二涂层环绕并接触第一涂层。第二涂层提供了机械完整性，并且允许对光纤进行装运和进一步加工，而第一涂层在耗散外部作用力和防止它们转移到光纤并在那产生导致破损或光信号光衰减方面起关键作用。第一涂层的功能要求对于用于这些涂层的材料产生了数种限制。为了防止弯曲和其他外部机械扰动诱发传输通过光纤的光信号的强度损失，第一涂层的杨氏模量必须尽可能得低(通常小于1MPa，理想地小于0.5MPa)。为了确保当部署在寒冷气候期间的光纤暴露于低温时保留了模量，第一涂层的玻璃转化温度必须是低的(通常小于0℃，并且优选小于-20℃)，从而第一涂层没有转变为刚性的玻璃状状态。此外，第一涂层的拉伸强度必须足够高，以防止当拉制光纤时或者在经过涂覆的光纤的拉制后加工过程中(例如，当施涂墨层或者将光纤捆扎形成光缆时)的撕裂缺陷。为了确保第一涂层的厚度均匀性，形成第一涂层的组合物以液体形式施涂到光纤。液体第一涂料组合物流动提供光纤的均匀覆盖，从而有助于固化状态时的厚度均匀性。第二涂层必须具有足够的刚度来保护玻璃光纤，并且具有足够的挠度以实现不发生破裂情况下的装运。第二涂层还应该具有低水分吸收、低粘性、机械和化学耐久性、低摩擦系数以实现卷绕到线轴上，并且对于第一涂层具有良好的粘附。为了确保合适的机械完整性，第二涂层的玻璃转化温度必须较高(通常高于40℃，并且优选高于50℃)，从而第二涂层在整个预期部署温度范围保持刚性玻璃状状态。如同第一涂料组合物那样，采用液相第二涂料组合物对于促进第二涂料组合物在第一涂层上的均匀覆盖以及固化状态的第二涂层的均匀厚度是有利的。在光纤制造中，从经过加热的预制件拉制玻璃光纤并且尺寸调节至目标直径(通常125μm)。光纤的拉制速度大于30m/s，或者大于35m/s，或者大于40m/s，或者大于45m/s，或者大于50m/s。然后，玻璃光纤冷却并被引导到涂覆系统，所述涂覆系统向玻璃光纤施涂液体第一涂料组合物。在向光纤施涂了液体第一涂料组合物之后，存在两种可行的加工选项。在一个加工选项中(干碰湿工艺)，液体第一涂料组合物固化以形成凝固的第一涂层，液体第二涂料组合物施涂到第一涂层，以及液体第二涂料组合物固化以性能凝固的第二涂层。在第二种加工选项中(湿碰湿工艺)，液体第二涂料组合物施涂到液体第一涂料组合物，并且这两种液体涂料组合物同时固化以提供凝固的第一和第二涂层。商用制造工艺是以连续过程生产光纤。以连续的方式从预制件拉制玻璃光纤、尺寸调节、涂覆和收集。为了改善加工效率，需要高的拉制速度。高的拉制速度必然使用快速固化的涂料组合物。通过最通常来说是光化学引发的自由基聚合过程以实现快速固化速率。通过合适波长辐射来激发光引发剂，以产生与涂料组合物中的一种或多种组分发生反应的中间体自由基化合物，从而引发固化。一旦引发了之后，聚合通过传播进行以延长链长，并终止以结束反应。常用的光引发剂化合物是用UV(紫外)辐射进行激发。Hg灯常用作UV辐射源。Hg灯提供从UV波长延伸到IR(红外)波长的宽谱覆盖。虽然Hg灯对于多个光引发剂化合物的激发是有效的，但是他们存在数种缺点。首先，Hg灯需要高功率以产生足够强度的UV辐射来引发光化学反应。高功率导致高运行成本和输出强度的变化。第二，Hg灯发出的大部分辐射的波长落在光引发剂的吸收带之外。通常来说，激发了光引发剂的UV吸收带以引发固化反应。但是，Hg灯在可见光和红外发出了大量的辐射。可见光辐射和红外辐射占据了Hg灯发出的辐射的～90％，这代表了能量浪费。红外辐射导致Hg灯被加热的额外问题。为了避免过热，需要对Hg灯进行冷却。冷却需要使用热交换器或者其他机制，这增加了Hg灯的成本和复杂度。Hg灯产生的热量还增加了涂料组合物的温度，并且可能以不合乎希望的方式改变固化反应。因此，需要开发新的UV辐射源，其提供了更高效且更成本有效的第一和第二涂料组合物中的光引发剂的激发。为了以高固化速度实现所需的涂层性质，用于第一和第二涂层的组合物通常配制成可辐射固化氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物与可辐射固化丙烯酸酯功能性稀释剂单体的混合物。优选通过UV辐射来诱发引发。在存在UV吸收光引发剂的情况下，暴露于UV光之后，可辐射固化低聚物和单体的丙烯酸酯基团快速聚合形成聚合物网络。通过交联度以及氨基甲酸酯基团之间的氢键相互作用程度来控制网络的模量。通过改变氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的化学特性和浓度，可以形成具有非常低模量值的第一涂层，同时仍然提供足够的拉伸强度以使得拉制或者拉制后加工过程中的破损最小化，并且形成具有高模量、挠度和耐久性的第二涂层。常用的第二涂层的缺点在于，在第二涂料组合物中需要高浓度的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。需要高的低聚物浓度以确保通过第二涂料组合物的固化形成的第二涂层具有的交联度足以提供高模量和机械完整性。但是，第二涂层所需的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物是昂贵且仅有限供应的特种化合物。因此，需要开发具有低的低聚物含量或者没有低聚物含量的第二涂料组合物。但是，对第二涂料组合物进行改性会影响反应过程和引发要求。能够引发常规氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的光引发剂可能对于引发替换了第二涂料组合物中的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的化合物是不令人满意的。引发重新配制的第二涂料组合物所需的激发波长也可能发生变化。鉴于需要确定对于Hg灯的替代品，因此希望开发的可辐射固化第二涂料组合物几乎不具有或者不具有低聚物含量，其用高效UV辐射源快速固化以提供具有光纤所需的模量和机械强度的第二涂层。
技术实现思路
本说明书提供了对具有低的低聚物含量或者不具有低聚物含量的第二涂料组合物进行固化的方法。第二涂料组合物包含两种或更多种丙烯酸酯单体和光引发剂。第二涂料组合物任选地包括添加剂，例如，抗氧化剂、滑动添加剂、增粘剂、粘合促进剂、润滑剂、催化剂和稳定剂。用UVLED(紫外发光二极管)源完成固化。方法提供了具有低的低聚物含量或者不具有低聚物含量的第二涂料组合物的快速固化，并且提供了具有高固化度的第二涂层。本公开延伸至：光纤的制造方法，其包括：向光纤施涂涂料组合物，所述涂料组合物包含：两种或更多种可辐射固化单体；低聚物，在所述涂料组合物中，所述低聚物的浓度范围是0重量％至3重量％；和光引发剂；以及用发光二极管对所述涂料组合物进行固化，所述发光二极管的发射谱的峰值波长范围是360nm至410nm，所述固化形成了整体固化度大于80％的固化产物。在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。要理解的是，上面的一般性描述和下面的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造光纤的方法，其包括：向玻璃光纤施涂第一涂料组合物，所述第一涂料组合物包含：两种或更多种可辐射固化单体；低聚物，在所述涂料组合物中，所述低聚物的浓度范围是0重量％至3重量％；和光引发剂；以及用发光二极管对所述第一涂料组合物进行固化，所述发光二极管的发射谱的峰值波长范围是360nm至410nm，所述固化形成了整体固化度大于80％的固化产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.27 US 62/451,1381.一种制造光纤的方法，其包括：向玻璃光纤施涂第一涂料组合物，所述第一涂料组合物包含：两种或更多种可辐射固化单体；低聚物，在所述涂料组合物中，所述低聚物的浓度范围是0重量％至3重量％；和光引发剂；以及用发光二极管对所述第一涂料组合物进行固化，所述发光二极管的发射谱的峰值波长范围是360nm至410nm，所述固化形成了整体固化度大于80％的固化产物。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述两种或更多种可辐射固化单体包括烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述两种或更多种可辐射固化单体包括具有第一烷氧基化程度的第一烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体和具有第二烷氧基化程度的第二烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体，所述第二烷氧基化程度不同于所述第一烷氧基化程度。4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一烷氧基化程度是3-9。5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第二烷氧基化程度是10-40。6.如权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，所述第一烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体是乙氧基化双酚A二丙烯酸酯单体。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第二烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体是乙氧基化双酚A二丙烯酸酯单体。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体具有3-9的乙氧基化程度，并且在所述第一涂料组合物中存在的量是45重量％-85重量％。9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体具有10-40的乙氧基化程度，并且在所述第一涂料组合物中存在的量是5重量％-40重量％。10.如权利要求9所述的方法，其中，第一烷氧基化双酚A二丙烯酸酯在所述第一涂料组合物中存在的量是55重量％-75重量％，以及所述第二烷氧基化双酚A二丙烯酸酯单体在所述第一涂料组合物中存在的量是10重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·I·克孜米纳，D·A·斯坦纳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US