光纤拉丝涂覆的优越技术

为了保持光纤良好的弯曲性能和后续老化与使用性能，以及成缆加工的方便，普通光纤内、外两层涂层基本上采用双层涂覆工艺，通常，内外涂层直径分别为190μm和245μm左右。内涂层为模量较低，弹性好，柔韧性和拉伸性较好的丙烯酸树脂涂料，外涂层模量更高，更耐磨。内、外层涂料的主要成分相同，差别在于含量不同，从而实现两层涂料对模量、折射率、伸长率、抗张强度、玻璃化温度以及固化收缩率等方面的不同性能参数要求。典型的涂料温度－粘度曲线如图3.4.1和图3.4.2所示，涂料粘度随温度升高而降低。涂料粘度较高时，需要提高涂覆压力和温度以达到合适的涂层直径和涂覆质量；涂料粘度较低时，需要降低涂覆温度和压力以避免拉丝中容易出现的冒料现象或涂层气泡异常。

图3.4.1　内层涂料温度－粘度曲线

图3.4.2　外层涂料温度－粘度曲线

前面介绍过，光纤拉丝涂覆方式通常分为湿对干和湿对湿两种，早期的拉丝塔通常采用湿对干涂覆方式，但由于湿对干占用的固化和冷却空间比湿对湿多，湿对干涂覆方式的拉丝塔的拉丝速度受到限制。通常，拉丝速度达到1500m／min以上时，选择湿对湿涂覆方式更为合适。随着光纤拉丝速度的不断提升，留给光纤涂层固化的时间越来越少，因而涂料的光固化速率也需要大幅提高，才能确保在高速拉丝条件下，保证光纤涂层达到良好的固化状态。图3.4.3所示的拉丝速度与涂层固化度关系表明，相同拉丝设备和涂料情况下，光纤内、外涂层的固化度随拉丝速度的提升而呈线性下降。因此，对于高速拉丝，必须有与之匹配的高速固化涂料才能保证高速拉丝的光纤固化质量。

图3.4.3　拉丝速度与涂层固化度关系

湿对湿的涂覆方式，节约了拉丝塔的空间，减少了引丝穿模的次数，更适合于高速拉丝技术的发展要求，加上高速固化涂料的发展与推广，二者的结合为大幅提升光纤拉丝速度奠定了基础。

光纤拉丝过程中，光纤从高温拉丝炉出来后光纤表面温度迅速降低，如图3.4.4（a）所示为在空气中自然冷却和在通过工艺冷却装置强制冷却两种情况下的光纤温度与冷却距离的差异。如只在自然冷却的情况下，光纤温度下降到一定程度后下降速度变得较为缓慢，需要较长的冷却时间（或距离）才能达到与涂料良好结合相匹配的温度。在强制冷却的条件下，光纤温度在较短的时间（或距离）内快速达到合适的温度。由于受到拉丝塔高的限制，高速拉丝时，光纤涂覆工艺要求在要求石英玻璃光纤在进入涂覆模具之前通过相关冷却方式（通常为带冷却水的冷却管充入氦气的方式）将石英玻璃光纤冷却到可与丙烯酸树脂涂料良好黏结相匹配的表面温度。理论和经验表明，涂层的内径受石英光纤进入涂覆模具时的表面温度影响极大，与此同时，光纤的表面温度还会影响微弯附加损耗，相关研究结果如图3.4.4（b）所示。

图3.4.4

现在所有的高速拉丝涂覆装置都采用加压自对中的涂覆系统和涂覆模具，模具的设计结构以及装配准直对光纤涂层直径和涂层质量控制极为关键。为确保拉丝过程中光纤涂层直径与同心度的均匀稳定，在模具设计时就必须符合高速流变力学的物理规律，模具孔径尺寸合适，准直度和同心度极高的加压自对中模具芯。模具材质需要选用强度高、耐磨性能优异（如钨钢）的材料，模具套及模具座材料也需要选取耐磨、耐高温、不易变形的材料，同时要求模芯、模套易于安装、拆卸和清洗，且能长久使用，这样的模具配套系统才能够保证光纤涂层质量整体优异。

关于光纤涂覆模具的设计，没有统一的标准，各家大同小异，通常分为全拆卸式模具和组合式模具等两种类型。如图3.4.5所示，全拆卸式模具可以将模具各部件完全分解，便于清洗；如图3.4.6所示，组合式模具的核心部分不可拆卸，但对中容易。光纤拉丝生产历史上，模具的结构和材料未有大的改变，但近年来，随着光纤生产技术的进一步细化，对模具的研究也在深入。

图3.4.5　微调式组件图

图3.4.6　免调式全钨钢示意图

同时，随着连续拉丝的时间越来越长，为了保证从起始到本次拉丝周期结束的全过程中光纤涂层固化度效果的稳定性和一致性，确保不出现刚开始时涂层固化过度，但到后面却又固化不足的情形，因此必须监控整个拉丝过程中生产出来的光纤涂层固化结果。通常，通过采用FTIR（傅里叶红外）测量光纤样品涂层中反应产物的百分含量来检测表征光纤涂层固化度情况。同时，因大尺寸单棒连续拉丝时间越来越长，通常在三四天以上，有的甚至达到一周左右，这样随着拉丝过程中涂料固化时的挥化物残留增加，并附着在固化炉石英管壁或废气排风口等装置上，影响到固化炉透光效果或拉丝路径的顺畅、洁净，导致出现光纤涂层整体固化不良或表面欠干、发彩等的现象。因此，在整个连续拉丝过程中有必要监测固化炉的状态和输出光功率的情况，以保持整个连续拉丝过程中固化炉输出光功率的稳定，从而确保从开始到最终结束的几天时间内光纤涂层固化结果保持稳定一致。(www.xing528.com)

对于光纤拉丝涂覆工艺和涂层质量，除了要求涂层固化度保持稳定一致，还有许多其他重要参数和性能评价标准也必须保持稳定良好。

首先，必须确保内涂层与石英玻璃包层黏结界面上没有任何如图3.4.7所示的这类气泡，否则，带有此类气泡的光纤成缆后，在低温环境下产生的附加衰减将显著增加，从而造成通信质量下降，甚至无法通信，同时也对光纤的强度和寿命产生不利影响。

图3.4.7　位于裸光纤和一次涂层界面的气泡

图3.4.8　光纤与涂料接触区的固—液—气界面示意图

实际上，在光纤拉丝时，如图3.4.8所示，光纤在进入涂覆模具与涂料液面接触时，在涂料凹液面上方的气体（没有充入其他气体的情况下则为空气）、光纤与涂料存在一个固—液—气界面。涂层气泡的产生主要是因为拉丝中，光纤在模具中位置发生偏移，使得涂料形成的弯月形液面发生倾斜，角度较小侧压力增加，导致空气更容易被光纤带入涂层中；或者涂料温度变化，涂覆压力波动等因素，造成涂层中产生气泡。针对此种情况，必须通过在涂覆系统中充入比空气密度更大（即分子量更大）的无毒无害气体，以此来消除和避免空气被高速下拉的光纤带进涂覆装置的涂料凹液面，从而避免涂层气泡产生。同时，还必须将石英玻璃光纤在进入涂覆装置的涂料凹液面之前充分冷却，以免过高的光纤温度使涂料因局部温度升高而变得过稀，导致涂料凹液面崩塌而无法阻挡带入的空气。因此，保证光纤进入涂覆模具之前充分冷却，以达到与涂覆涂料匹配的光纤表面温度是非常重要的。

其次，拉丝过程中出现的拉丝速度的瞬（短）时剧烈波动，也会导致光纤涂层质量不稳定或出现涂层气泡，甚至产生局部的冒料现象。

再次，光纤拉丝涂覆过程中，还必须避免出现如图3.4.9所示的存在于内外涂层中的气泡和其他涂层缺陷，以保证优良的光纤涂层质量和使用性能。而对于拉丝过程中检测仪器发现不了的那些涂层内部异常的涂层缺陷，同样需要重视。

图3.4.9　光纤涂层缺陷（麻点、凹凸）

图3.4.10　光纤受外力后形成的裸光纤与一次涂层之间的分层

另外，如裸光纤与内涂层的界面脱离，出现如图3.4.10所示的分层这类非常严重的涂层质量异常，往往不容易检测出来，也容易被大家忽视，但其成缆后在低温环境下使用时的危害性与前面特别强调的内涂层与石英玻璃包层界面气泡同样严重。此类分层异常通常是由于PMD装置轮或拉丝轮等运转设备的挤压、撞击产生，而且当分层情况轻微时，通常不够明显和规律，也不一定连续发生或出现，以至于很难被发现和找出原因。

至于那些能够通过缺陷检测仪器被检测和标示出来的鼓包、凹陷或涂层气泡及严重不同心等涂层质量异常，可以通过控制系统的去除程序（Cut Plan）在系统中标识，能够确保在后续的筛选测试中得到去除，从而达到合格光纤的涂层质量。

如今，随着集中供料技术的普遍使用和完善，拉丝涂覆工艺和技术方面取得了长足的进步，拉丝效率得到了显著提高，特别是满足连续长时间不间断拉丝的集中供料系统得到应用后，为实现后来的连续超长时间不间断高速拉丝提供了最重要的涂覆技术和涂覆工艺保障。同时，通过集中供料系统稳定的保温与压力控制及除气泡装置设计，大幅减少甚至基本避免了涂料本身的气泡所导致的在高速拉丝过程中出现的涂层气泡或其他涂层质量问题，为现在普遍实现的高速稳定超长时间连续拉丝提供了必要的保障。

同时，为进一步提高生产效率，改善光纤涂层质量，减少因此而导致的光纤生产报废损失，近年来有厂家通过对涂覆工艺优化，在模具状态稳定时，尽量采用不拆卸和免清洗模具的工艺进行连续生产。这样，模具的清洁状态和同心度能够保持稳定，实践效果也较为良好。

多模光纤和单模光纤的拉丝涂覆技术或工艺一致，只是选择的光纤涂料可能不一样。

特种光纤的拉丝涂覆技术与工艺，根据光纤的用途和特殊性能要求的不同，需要选择的涂覆材料及涂层厚度，甚至对涂层的层数与几何结构都有特殊的要求，有的还对光纤涂层的固化度特别是外涂层的表面固化度有特殊的要求，因而需要根据实际和设计要求来调整和确定光纤拉丝过程中各参数，但整体上与常规光纤的拉丝涂覆技术及相关原理基本一致。