專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)超聲輔助的光纖涂層的紫外線固化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，具體地說(shuō)本發(fā)明涉及使用超聲以有助于固化光纖的可紫外線固化的涂層。
背景技術(shù)：
光纖是一種直徑非常小的玻璃纖維原絲，與標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線或電纜網(wǎng)相比，它能夠在較大的距離上以較高的速度和相對(duì)較低的信號(hào)損失傳輸光信號(hào)。今天光纖技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到廣泛地應(yīng)用在許多領(lǐng)域中醫(yī)療、航空、通信等。因?yàn)檫@種發(fā)展，日益需要以更快的速率、更低的成本生產(chǎn)更好質(zhì)量的光纖。
光纖的許多使用領(lǐng)域(比如通信)要求保護(hù)光纖不受到各種破壞因素的影響，比如不利的氣候、濕氣、碰撞損壞等。這種對(duì)單個(gè)纖維的保護(hù)來(lái)自纖維涂層。如今，大多數(shù)光纖具有兩個(gè)涂層，通常將其稱(chēng)為基本涂層和次級(jí)涂層?；就繉佑糜诠饫w的表面上，而次級(jí)涂層用于基本涂層的頂部上?；就繉拥闹饕饔檬翘峁┯糜诓ＡЮw維的軟“墊”，保護(hù)它不受到?jīng)_擊損壞。次級(jí)涂層的主要目的是提供半剛性保護(hù)殼層以保護(hù)基本涂層和玻璃纖維兩者不受不利的環(huán)境因素的影響以及不受物理性損壞。
如今制造光纖的一種最普通的方法是通過(guò)一般稱(chēng)為“拉”的過(guò)程的方法。在這種方法中，制造較大的預(yù)制件。預(yù)制件是制造玻璃纖維(光纖)的實(shí)際材料。一旦制造了預(yù)制件，接下來(lái)的步驟是將預(yù)制件“拉”成具有所需的直徑的玻璃纖維(光纖)。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的一種最普通的工具是使用“拉臺(tái)”?！袄_(tái)”是具有從玻璃預(yù)制件到成品纖維的制造光纖的過(guò)程中所需的所有主要平臺(tái)的生產(chǎn)裝置。在這種過(guò)程中玻璃預(yù)制件通常懸在該裝置之上，并且該預(yù)制件的最底端進(jìn)入熔爐中。該熔爐均勻地融化預(yù)制件以使預(yù)制件從熔爐中出來(lái)時(shí)成為非常小的直徑的光學(xué)玻璃纖維。預(yù)制件移動(dòng)到熔爐中的速率可以調(diào)節(jié)以保持光纖的恒定的直徑。一旦玻璃纖維離開(kāi)熔爐，一般冷卻它。
在玻璃纖維冷確到預(yù)先設(shè)定的溫度時(shí)，通常給纖維涂敷基本涂層。這通常在貼合模頭(coating die)中完成。施加基本涂層以便完全覆蓋纖維。然后固化或硬化基本涂層。一旦已經(jīng)固化或硬化了基本涂層，然后施加次級(jí)涂層以完全覆蓋基本涂層。然后固化次級(jí)涂層以硬化它并將它固定到基本涂層。正如一般公知和理解，一旦完成了這個(gè)過(guò)程則一般認(rèn)為該纖維成為光纖。最后通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)將光纖繞在卷盤(pán)或卷筒上。
主要使用光纖的涂層來(lái)給玻璃纖維芯和覆層提供化學(xué)、機(jī)械和環(huán)境保護(hù)。為實(shí)現(xiàn)這種目的通常使用不同的材料的兩個(gè)層。一般地，與次級(jí)涂層相比，基本涂層相對(duì)較軟(具有相對(duì)較低的1-2Mpa的彈性模量)，并且用作玻璃纖維的緩沖器或沖擊保護(hù)。次級(jí)涂層相對(duì)較硬(具有相對(duì)較高的30-60Mpa的彈性模量)，并且提供對(duì)纖維和基本涂層的半剛性保護(hù)殼體。所使用的最普通的類(lèi)型的涂層是紫外線(UV)可固化的涂層。這些涂層都是具有用于涂層組分中的光引發(fā)劑成分的涂層，這樣就可以通過(guò)在紫外線輻射中暴光開(kāi)始涂層的固化。
光引發(fā)劑通過(guò)吸收由紫外線或有時(shí)是可見(jiàn)光或光源輻射的能量起作用。這種能量吸收開(kāi)始了放置在纖維上的液體涂層的聚合作用并導(dǎo)致涂層的硬化。涂層的快速固化極大地降低了光纖的生產(chǎn)時(shí)間，由此使生產(chǎn)更加有利可圖。
然而，這種固化光纖涂層的方法并不是沒(méi)有問(wèn)題。其中固化過(guò)程在纖維的涂層中產(chǎn)生了大量的熱量。這種熱量一般通過(guò)對(duì)流或通過(guò)在固化的過(guò)程中伴隨著燈的紫外線或可見(jiàn)光的紅外輻射來(lái)自發(fā)熱的紫外線/可見(jiàn)光燈以及來(lái)自放熱的聚合作用(即固化)本身。這種熱量在固化涂層的過(guò)程中也有作用，但是也能夠造成嚴(yán)重的問(wèn)題。例如，如果在固化的過(guò)程中涂層的溫度太高則它可能造成分解在涂層材料中的微基團(tuán)并導(dǎo)致較低的固化度?？偟膩?lái)說(shuō)，一般公知的是在涂層固化的過(guò)程中的過(guò)熱通過(guò)自由基團(tuán)的聚合作用對(duì)有效的固化是有害的。
如前文所述，基本涂層應(yīng)該相對(duì)較軟以保護(hù)玻璃纖維不受微彎曲的影響。微彎曲是在玻璃纖維中的微觀彎曲形式，這種彎曲通過(guò)降低傳輸光功率的幅值(即衰減)降低了纖維的效率。在固化的過(guò)程中，應(yīng)用基本涂層，然后固化，然后應(yīng)用次級(jí)涂層，然后固化。在固化次級(jí)涂層時(shí)，通常進(jìn)一步固化了基本涂層直到涂層單體100％地轉(zhuǎn)換為聚合物。
因?yàn)樵诠袒倪^(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的熱量所帶來(lái)的問(wèn)題，已經(jīng)研究了許多已有技術(shù)的方法以加快固化過(guò)程而不產(chǎn)生過(guò)量的熱量。一種實(shí)例是降低紫外線輻射的水平，然而隨著紫外線輻射的降低，線速必須降低以確保涂層接收適當(dāng)量的紫外線暴光量以實(shí)施正確的固化。這種拉的速度的降低嚴(yán)重地影響了光纖設(shè)備的生產(chǎn)效率。理想的是具有一種以盡可能高的速度固化光纖涂層的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種以較高的線速度固化光纖涂層的系統(tǒng)和裝置。為實(shí)現(xiàn)這些本發(fā)明使用紫外線輻射和超聲的組合來(lái)固化光纖涂層。
在本發(fā)明中，一超聲換能器沿著纖維拉臺(tái)放置在一平臺(tái)上以在拉制的纖維和涂層上發(fā)射超聲以有助于涂層的固化過(guò)程。(注意，在下文的進(jìn)一步討論中本發(fā)明也可以沿著拉臺(tái)在不同的位置上使用多個(gè)換能器)。通過(guò)使用超聲來(lái)有助于涂層的固化過(guò)程，可以加速涂層材料的聚合作用。
在本發(fā)明中，超聲換能器可以連接到在纖維拉臺(tái)中的許多部件，但可取的是應(yīng)該耦合到將涂層涂覆到拉制的纖維的纖維貼合模頭或者在它進(jìn)行紫外線輻射固化時(shí)通過(guò)其拉制纖維的石英管，或者耦合到這兩者。此外，根據(jù)制造或產(chǎn)生的需要，可以以脈沖或通過(guò)恒定的激勵(lì)的形式通過(guò)換能器發(fā)射超聲。


通過(guò)在附圖中示意性地闡述的本發(fā)明的實(shí)例性實(shí)施例，可以更加完整地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、特征和各種變型特征。
附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的光纖涂層和固化裝置的代表性附圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖并不限制本發(fā)明的范圍。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖1，所示為根據(jù)本發(fā)明的光纖涂層和固化平臺(tái)。如附圖1所示，沿著拉伸線拉纖維10并通過(guò)貼合模頭12，貼合模頭12將涂層材料淀積在纖維10上。貼合模頭12可以用于光纖的基本涂層或次級(jí)涂層，并且可以將通過(guò)使用超聲激勵(lì)有利于固化的任何涂層材料淀積在纖維10上。在本發(fā)明中，任何公知或公用的涂層材料都可以使用。然而，可取的是涂層是雙官能氨基甲酸酯丙烯酸酯(acrolate)。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)超聲換能器11耦合到涂層或貼合模頭12以在它施加到纖維10時(shí)超聲波激勵(lì)液體涂層。這種激勵(lì)有助于在纖維上的涂層的聚合作用，由此有助于固化過(guò)程。在優(yōu)選實(shí)施例中，所使用的超聲頻率在24至109Hz之間，然而，注意本發(fā)明并不限于使用這種范圍的頻率，更具體地說(shuō)使用的最佳頻率應(yīng)該基于所使用的涂層材料確定并最佳化。進(jìn)一步還應(yīng)該注意的是超聲還可以以脈沖或脈沖串的形式施加。
在涂層或貼合模頭12上施加超聲使得在液體涂層材料中產(chǎn)生空化并在非完全固化涂層中形成附加的自由基團(tuán)(即超聲波分解)，這就增加了固化的速率和效率。此外，它還增加了在涂層材料中的低聚體邊緣的移動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)，由此增加了每單元時(shí)間的聚合增加數(shù)，即增加了在固化的所有階段中的聚合作用的傳播速率。應(yīng)該注意的是對(duì)于所使用的每種類(lèi)型的涂層都實(shí)施最佳頻率的確定。適當(dāng)?shù)念l率將所形成的聚合涂層的松弛加速到它的最大熱力學(xué)穩(wěn)定構(gòu)造并增加了涂層的模量。然而，如果超聲功率太大則它可能損壞涂層或纖維。
在纖維10通過(guò)了貼合模頭12之后，貼合模頭12可以具有或不具有與其耦合(或與在模頭內(nèi)的涂層耦合)的換能器11，纖維10通過(guò)UV固化平臺(tái)。普通的UV固化平臺(tái)包括反射體13以從UV燈泡14將紫外線反射到纖維10。它們進(jìn)一步包括纖維10通過(guò)其中的石英管15以保護(hù)纖維10不受用于保持燈泡14冷卻的高速冷卻的氣體的影響。在本發(fā)明的變型實(shí)施例中，附加的換能器11耦合到在紫外線固化平臺(tái)中的石英管15。應(yīng)該將換能器11安裝成使石英管15的中心隨從換能器11中發(fā)射的超聲頻率一起振動(dòng)，由此使纖維10涂層以所需的頻率振動(dòng)(在優(yōu)選的實(shí)施例中為24至109Hz的范圍)。這是因?yàn)檩^低的頻率的超聲能夠在管15內(nèi)的短距離上通過(guò)空氣傳輸。來(lái)自超聲的振動(dòng)能量有助于使紫外線固化過(guò)程的聚合作用并加速可以進(jìn)行正確地固化的速度。
最普通的超聲換能器包括超聲喇叭。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將超聲喇叭的末端(或使用多于一個(gè)喇叭的多個(gè)末端)設(shè)置成使它們接觸涂層。例如，定位在貼合模頭12中的換能器11應(yīng)該將它的末端插入到涂層材料中，或者如果換能器11定位在貼合模頭12之后但在紫外線固化平臺(tái)之前，則它的末端應(yīng)該定位成使它接觸要固化的涂層。在再一變型實(shí)施例中，在紫外線固化平臺(tái)之后使用換能器11以有助于完成涂層的固化。在本實(shí)施例中可以使用比紫外線固化的正常量更少的紫外線量(以將所產(chǎn)生的熱量保持在最小)同時(shí)根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用超聲完成涂層的固化。此外，在本實(shí)施例中優(yōu)選換能器喇叭的末端與要固化的涂層接觸。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在貼合模頭12之后但在纖維進(jìn)入紫外線固化平臺(tái)13，14，15之前，在圓周方向上在纖維10的周?chē)胖枚鄠€(gè)換能器11a。在本實(shí)施例中，多個(gè)換能器在圓周方向上放置在纖維10的周?chē)詫?shí)施在纖維10的周?chē)木鶆蛑苓吂袒?。雖然可以使用一個(gè)換能器，但是優(yōu)選具有彼此180度設(shè)置的至少兩個(gè)換能器11a(在纖維10的相對(duì)的側(cè)面上)或者彼此120度設(shè)置的三個(gè)換能器。在本實(shí)施例中，換能器11a的末端應(yīng)該與涂層相接觸以確保最佳的固化性能。應(yīng)該注意的是，作為上述優(yōu)選實(shí)施例的一種變型，還可以考慮不使用換能器11a的組合(如上文所描述)，而是將單個(gè)的換能器11a與環(huán)形套環(huán)(未示)一起使用。在本實(shí)施例中，纖維通過(guò)作為圓柱形諧振器的環(huán)形套環(huán)以在纖維10的涂層中實(shí)施諧振。可取的是，在套環(huán)的內(nèi)表面涂以與涂層材料相容的潤(rùn)滑劑以確保涂層不卡在套環(huán)的里面。這種涂層的實(shí)例有Teflon。在這種結(jié)構(gòu)中，單個(gè)(或多個(gè))換能器11a耦合到套環(huán)，由此不需要換能器11a與涂層的接觸。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，換能器11可以增加到在拉臺(tái)的底部的滑輪上，或者增加在沿著拉臺(tái)的高度上的任何其它的位置。應(yīng)該注意的是本發(fā)明并不限于換能器11的任一種結(jié)構(gòu)和位置，它們可以被定位在纖維拉臺(tái)中的上述參考位置中的任一個(gè)、兩個(gè)或所有的位置上。對(duì)于每種制造設(shè)備和技術(shù)應(yīng)該使換能器11的準(zhǔn)確放置、連接和位置最佳化。此外，根據(jù)所使用的涂層材料和需要最佳化的固化過(guò)程的頻率，還應(yīng)該使所使用的頻率最佳化。雖然，比較可取的是，在使用多個(gè)換能器11的結(jié)構(gòu)中換能器發(fā)射相同的頻率，但是，應(yīng)用某些涂層并滿足沿著拉臺(tái)在不同的換能器11上的一定的制造規(guī)范頻率可以發(fā)射不同的頻率以使纖維涂層的固化最佳。
重要的是，注意上述的發(fā)明并不限于光纖的制造，而且可以應(yīng)用在只要材料是熱固化的任何情況。此外，本發(fā)明還可以用于在纖維光帶的制造的過(guò)程中或?qū)⒉考M與熱固化的并與超聲激勵(lì)必定反應(yīng)的復(fù)合材料彼此固定的其它情況中。
當(dāng)然，應(yīng)該理解的是在不脫離下述權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下本領(lǐng)域的熟練人員可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行變型。
權(quán)利要求
1.一種固化光纖涂層的方法，包括使光纖通過(guò)貼合模頭；給所說(shuō)的光纖施加涂層；以及固化在所說(shuō)的光纖上的所說(shuō)的涂層，其中所說(shuō)的固化至少部分是通過(guò)將所說(shuō)的涂層暴露在超聲中實(shí)施的。
2.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的施加和所說(shuō)的固化步驟中的至少一個(gè)步驟中。
3.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的施加步驟和所說(shuō)的固化步驟的兩個(gè)步驟中。
4.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的超聲的頻率在24至109Hz的范圍內(nèi)。
5.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的固化步驟包括將所說(shuō)的涂層暴露在紫外線輻射中。
6.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的超聲以脈沖的形式施加。
7.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的施加涂層步驟之后和在所說(shuō)的固化步驟之前。
8.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的光纖通過(guò)所說(shuō)的貼合模頭和所說(shuō)的固化步驟之前。
9.如在權(quán)利要求1中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的涂層至少是在所說(shuō)的固化步驟中部分地固化并且所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的固化步驟之后。
10.一種固化光纖的涂層的方法，包括使光纖通過(guò)至少一個(gè)施加涂層平臺(tái)和一個(gè)固化平臺(tái)，其中在所說(shuō)的施加涂層平臺(tái)中給所說(shuō)的光纖施加涂層并且通過(guò)將所說(shuō)的涂層暴露在至少紫外線輻射和超聲中實(shí)施所說(shuō)的涂層的固化。
11.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中在所說(shuō)的固化平臺(tái)中給所說(shuō)的涂層應(yīng)用所說(shuō)的紫外線輻射和超聲兩種。
12.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的超聲的頻率在24至109Hz之間。
13.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中給所說(shuō)的涂層同時(shí)施加所說(shuō)的超聲和所說(shuō)的紫外線輻射。
14.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的超聲以脈沖的形式施加。
15.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的施加涂層步驟之后和在所說(shuō)的固化步驟之前。
16.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中在所說(shuō)的光纖通過(guò)所說(shuō)的施加涂層平臺(tái)之前所說(shuō)的光纖暴露在所說(shuō)的超聲中。
17.如在權(quán)利要求10中所述的固化光纖的涂層的方法，其中所說(shuō)的涂層至少在所說(shuō)的固化步驟中部分地固化并且所說(shuō)的暴露步驟發(fā)生在所說(shuō)的固化步驟之后。
18.一種固化在光纖上的涂層的裝置，包括光纖拉臺(tái)，沿著該拉臺(tái)拉制光纖，該拉臺(tái)包括貼合模頭，所說(shuō)的光纖通過(guò)該貼合模頭以接收涂層；以及位于所說(shuō)的貼合模頭的下游以固化所說(shuō)的涂層的固化設(shè)備，和發(fā)射超聲并耦合到所說(shuō)的拉臺(tái)的至少一個(gè)超聲換能器，其中至少部分通過(guò)所說(shuō)的超聲實(shí)施所說(shuō)的涂層的固化。
19.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器耦合到所說(shuō)的貼合模頭和所說(shuō)的固化設(shè)備中的至少一個(gè)。
20.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，具有至少兩個(gè)超聲換能器，其中所說(shuō)的貼合模頭和所說(shuō)的固化設(shè)備兩者都耦合到所說(shuō)的至少兩個(gè)超聲換能器中的至少一個(gè)換能器中。
21.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的固化設(shè)備包括紫外線輻射發(fā)射設(shè)備。
22.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的固化設(shè)備包括紫外線輻射發(fā)射設(shè)備和所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器。
23.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器發(fā)射超聲脈沖。
24.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器發(fā)射24至109Hz的范圍內(nèi)的頻率。
25.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器耦合到在所說(shuō)的貼合模頭和所說(shuō)的固化設(shè)備中至少一個(gè)的上游的所說(shuō)的拉臺(tái)。
26.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器耦合到在所說(shuō)的貼合模頭和所說(shuō)的固化設(shè)備中至少一個(gè)的下游的所說(shuō)的拉臺(tái)。
27.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)超聲換能器與所說(shuō)的涂層相接觸。
28.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，具有至少兩個(gè)超聲換能器，這兩個(gè)換能器都與所說(shuō)的涂層相接觸。
29.如在權(quán)利要求18中所述的裝置，其中所說(shuō)的至少一個(gè)換能器位于所說(shuō)的固化設(shè)備的下游并與所說(shuō)的涂層相接觸。
30.一種固化光纖的涂層的方法，包括使光纖通過(guò)貼合模頭；給所說(shuō)的光纖施加涂層；以及通過(guò)以超聲頻率振動(dòng)所說(shuō)的涂層固化在所說(shuō)的光纖上的所說(shuō)的涂層。
31.如在權(quán)利要求30中所述的方法，其中所說(shuō)的超聲的頻率在24至109Hz的范圍內(nèi)。
32.如在權(quán)利要求30中所述的方法，其中所說(shuō)的固化步驟進(jìn)一步包括將所說(shuō)的涂層纖維暴露在紫外線輻射中。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過(guò)超聲輔助的光纖涂層的紫外線固化，提供了一種固化在光纖上的涂層的改善的方法和裝置，而不產(chǎn)生附加的熱量并且不損害光纖的生產(chǎn)速度。本發(fā)明使用耦合到光纖拉臺(tái)的部件(比如貼合模頭、固化平臺(tái)設(shè)備或護(hù)層)以給光纖涂層發(fā)射超聲的至少一個(gè)超聲換能器。連同當(dāng)前的涂層固化技術(shù)比如紫外線輻射固化技術(shù)一起使用超聲有助于通過(guò)超聲波分解效應(yīng)加速涂層固化過(guò)程，因此增加了當(dāng)前的光纖制造速度。
文檔編號(hào)C03C25/10GK1420371SQ02150528
公開(kāi)日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
發(fā)明者鮑勃·J·奧弗頓, 艾戈·V·庫(kù)德亞科弗 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾公司