一种光纤及其制备方法
阅读说明：本技术 一种光纤及其制备方法 (Optical fiber and preparation method thereof ) 是由 覃施敏 吴桐 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本申请涉及光纤技术领域,具体涉及一种光纤及其制备方法。从内到外,所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层,其特征在于,所述纤芯的直径不高于5微米,所述涂覆层的外直径不高于70微米；所述包层采用锗掺杂的硅层；所述涂覆层采用含有紫外光固化涂料的硅橡胶。本申请提供的光纤,在同样大小的管道内,可增大光纤数,显著提高信号传输效率,在降低单芯光纤直径的同时提高抗弯曲性能和耐磨性。(The application relates to the technical field of optical fibers, in particular to an optical fiber and a preparation method thereof. From inside to outside, the optical fiber comprises a fiber core, a cladding and a coating layer, and is characterized in that the diameter of the fiber core is not higher than 5 microns, and the outer diameter of the coating layer is not higher than 70 microns; the cladding layer is a germanium-doped silicon layer; the coating layer is made of silicon rubber containing ultraviolet curing coating. The application provides an optic fibre, in the pipeline of equidimension, can increase the optic fibre number, show improvement signal transmission efficiency, improve bending resistance and wearability when reducing single core fiber diameter.)
技术领域
本申请涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤及其制备方法。
背景技术
光导纤维简称光纤，是利用光在玻璃或者塑料制成的纤维中的全反射传导光的光传导工具。相比电在电线传导,光在光导纤维的传导损耗低且频带宽。所以光纤被广泛用作长距离的信号传递媒介。
目前，通信用光纤的外径一般在125微米到140微米之间，光纤的内径为9微米，其体积较大，管道内放置的单芯光纤数较少，传输速度较慢。而降低光纤尺寸，尤其是将光纤的内径降为5微米及以下时，会加剧光纤的脆弱、抗弯曲性能不佳，在较小角度弯曲时易发生断裂，很容易造成信号损失，造成传输中断。
针对上述相关技术，申请人认为亟需研发一种可以降低单芯光纤直径又可以提高抗弯曲性能的光纤制备方法。
发明内容
为了降低单芯光纤直径和提高光纤的抗弯曲性能，本申请提供一种光纤及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种光纤，采用如下技术方案实现：
一种光纤，从内到外，所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层，所述纤芯的直径不高于5微米，所述涂覆层的外直径不高于70微米；所述包层采用锗掺杂的硅层；所述涂覆层采用硅橡胶；所述硅橡胶为苯基与硅原子比为5-10mol%的甲基乙烯基苯基硅橡胶。
通过采取上述技术方案，本申请采用直径不高于5微米的纤芯、外直径不高于70微米的涂覆层的光纤，在同样大小的管道内，可增大光纤数，显著提高信号传输效率，同时在纤芯外面设有锗掺杂的硅层及甲基乙烯基苯基硅橡胶的作用下，可以实现降低单芯光纤直径的同时提高抗弯曲性能。本申请人猜测可能是由于锗载流子浓度、电子空穴迁移率高，锗掺杂的硅层可以提高光纤的折射率，降低光纤弯曲时的损耗；硅橡胶中硅和氧原子交替构成主链，具有优异的弹性和耐候性，能提高光纤的抗弯曲性能。此外，采用苯基与硅原子比为5-10mol%的甲基乙烯基苯基硅橡胶，规整性较低，一定量苯基的引入改变了聚合物分子间的作用力，提高了涂覆层的硬度，有利于提高硅橡胶对包层的保护。
优选的，所述硅橡胶的表面含有紫外光固化涂料。
通过采取上述技术方案，本申请人在研究中发现采用硅原子比为5-10mol%的甲基乙烯基苯基硅橡胶作为涂覆层，在后续耦合过程中涂覆层容易出现磨损。而在甲基乙烯基苯基硅橡胶的表面涂覆紫外光固化涂料，不仅可以提高耐磨性，还能提高涂覆层对光纤的抗弯曲性能。
优选的，所述紫外光固化涂料的制备原料包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂、光引发剂、助剂、溶剂；所述环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂、光引发剂、助剂、溶剂的质量比为1：（1.5-2.5）：（2.5-3.5）：（0.06-0.08）：（0.003-0.004）：（5-8）。
通过采用上述技术方案，本申请采用由环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯和羟基丙烯酸酯树脂制备的丙烯酸树脂涂料，对甲基乙烯基苯基硅橡胶起到保护作用，提高涂覆层的耐磨性和附着力。尤其是控制环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂的质量比，可以调节紫外光固化涂料的抗拉强度，提高光纤的抗弯曲性能，申请人认为的原因可能是环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树之间存在氢键的相互作用，环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂的质量比为1：（1.5-2.5）：（2.5-3.5），提高了丙烯酸树脂涂料的交联密度和对甲基乙烯基苯基硅橡胶的附着力。
优选的，所述聚氨酯丙烯酸酯为六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯和含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的混合物；所述六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的质量比为（5-7）：1。
通过采用上述技术方案，本申请采用六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯和含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯共同作用，有利于进一步提高对甲基乙烯基苯基硅橡胶的附着力，大大加快了固化速度，提高了涂覆层的耐磨性，进而提高光纤的抗弯曲性。通过控制六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯和含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的含量，可以调节聚氨酯丙烯酸酯的黏度，利于紫外光固化涂料与甲基乙烯基苯基硅橡胶形成杂化和交联体系，不仅提高了光纤的机械强度，还能提高涂覆层的光学性能，降低外界温度对涂覆层折射率的影响，提高光纤的传输效率。
优选的，所述环氧丙烯酸酯为双酚A环氧丙烯酸酯。
通过采用上述技术方案，本申请采用双酚A环氧丙烯酸酯，不仅提高了光纤的机械强度，还能提高涂覆层的附着力和耐磨性。
第二方面，本申请提供一种光纤的制备方法，采用如下的技术方案：
一种光纤的制备方法，包括如下步骤：
采用第一喷灯进行硅的沉积，形成纤芯；
采用第二喷灯在纤芯的表面进行硅和锗的沉积，形成包层；
置于氯气中进行脱羟处理，后进行退火工艺，烧结处理得到光纤预制棒；
对光纤预制棒进行拉丝处理，二次加热退火处理，冷却，涂覆硅橡胶，紫外固化处理，收线，得光纤。
通过采用上述技术方案，本申请采用VAD工艺连续沉积制备纤芯和包层，可以将锗掺杂的硅层均匀地包在纤芯表面，减少纤芯中光的泄露，可以降低光纤弯曲时的损耗；采用氯气中脱羟处理，降低纤芯和包层间内应力，减少了光在光纤中传输的损耗；对光纤预制棒进行拉丝处理，可以实现内直径尺寸固定的光纤，采用二次加热退火处理可以实现光纤的密度分布均匀性，加上涂覆硅橡胶，可以实现对光纤的保护。
优选的，所述第一喷灯的火焰温度为800-900℃。
通过采用上述技术方案，本申请控制第一喷灯的火焰温度为800-900℃，制备的纤芯可以实现直径不高于5微米，且保持一定的韧性。
优选的，所述第二喷灯中通入SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、氢气、氩气；所述SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、氢气、氩气的流量分别为8-12mL/min、10-20μL/min、60mL/min、6mL/min、150mL/min。
通过采用上述技术方案，本申请通过控制第二喷灯中SiCl4气体、GeCl4气体的流量来调节包层中锗掺杂量，锗掺杂量较大容易发生氧化还原反应，而锗掺杂量较小时很难提高光纤的折射率。
优选的，所述拉丝处理的拉丝温度为2200-2300℃，拉丝速度为4000-5000m/min。
通过采用上述技术方案，本申请对上述光纤预制棒进行拉丝处理，通过控制拉丝温度、拉丝速度来提高光纤的内直径和光纤的抗弯曲性，拉丝温度过高和拉丝速率过快会降低光纤的抗弯曲性，拉丝温度过低和拉丝速率过慢均得不到内直径小的光纤。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请提供了一种直径不高于5微米的纤芯、外直径不高于70微米的涂覆层的光纤，在同样大小的管道内，可增大光纤数，显著提高信号传输效率，同时降低单芯光纤直径的同时提高抗弯曲性能；
2、本申请采用在甲基乙烯基苯基硅橡胶的表面涂覆紫外光固化涂料，不仅可以提高耐磨性，还能提高涂覆层对光纤的抗弯曲性能，环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂提高了丙烯酸树脂涂料的交联密度和对甲基乙烯基苯基硅橡胶的附着力；
3、本申请采用六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯和含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯并控制其质量比，不仅提高了光纤的机械强度，还能提高涂覆层的光学性能，降低外界温度对涂覆层折射率的影响，提高光纤的传输效率；
4、本申请采用喷灯气相轴向沉积法制备纤芯和包层，可以将锗掺杂的硅层均匀地包在纤芯表面，减少纤芯中光的泄露，可以降低光纤弯曲时的损耗；采用氯气中脱羟处理，降低纤芯和包层间内应力，减少了光在光纤中传输的损耗；
5、本申请控制第二喷灯中SiCl4气体、GeCl4气体的流量为8-12mL/min、10-20μL/min得到适宜的锗掺杂量，提高光纤的折射率；通过控制拉丝温度、拉丝速度来提高光纤的内直径和光纤的抗弯曲性。
具体实施方式
以下结合制备例和实施例对本申请作进一步详细说明。
制备例
制备例1-7
以下以制备例1为例进行说明，其中，所述光引发剂为(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦，CAS号为75980-60-8；所述溶剂为二丙酮醇（CAS号为123-42-2）、乙酸正丁酯和乙酸丙酯的混合物，所述二丙酮醇、乙酸正丁酯、乙酸丙酯的质量比为1:2:2；所述六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的牌号为GN8601，购买自湖南优尼可化工科技有限公司；所述羟基丙烯酸酯树脂的牌号为FX-965，购买自南通方鑫化工有限公司；所述环氧丙烯酸酯为双酚A环氧丙烯酸酯，牌号为FX-8002-80，购买自方鑫树脂科技有限公司；所述助剂为Silok®355有机硅流平剂和YWA-消泡剂的混合物，所述Silok®355有机硅流平剂、YWA-消泡剂的质量比为2:1，所述Silok®355有机硅流平剂购买自山东摩尔化工有限公司，所述YWA-消泡剂购买自山东亿伟安化工科技有限公司；所述含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯的牌号为Laromer LR9000，购买自德国巴斯夫；
所述甲基乙烯基苯基硅橡胶的苯基与硅原子之比为5mol%，购买自浙江博钰科技有限公司；
制备例1提供了一种含有紫外光固化涂料的硅橡胶的制备方法，其制备步骤为：
（1）将0.06g光引发剂、2g溶剂混合，搅拌均匀；
（2）加入1.25g六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、2.5g羟基丙烯酸酯树脂和1g环氧丙烯酸酯，混合均匀；
（3）加入0.003g助剂，搅拌均匀，再加入3g溶剂；
（4）在与甲基乙烯基苯基硅橡胶表面涂覆前，加入0.25g含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯，得紫外光固化涂料；
（5）在20g甲基乙烯基苯基硅橡胶表面涂覆紫外光固化涂料，得含有紫外光固化涂料的硅橡胶。
如表1所示，制备例1-6的含有紫外光固化涂料的硅橡胶的区别仅在于其制备原料的质量不同。
表1
制备例1
制备例2
制备例3
制备例4
制备例5
制备例6
制备例7
光引发剂
0.06g
0.08g
0.07g
0.07g
0.07g
0.07g
0.07g
步骤（1）溶剂
2g
3g
2.5g
2.5g
2.5g
2.5g
2.5g
六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯
1.25g
2.2g
1.7g
0g
1.7g
1.7g
1.7g
羟基丙烯酸酯树脂
2.5g
3.5g
3g
3g
3g
0g
3g
环氧丙烯酸酯
1g
1g
1g
1g
1g
1g
0g
助剂
0.003g
0.004g
0.003g
0.003g
0.003g
0.003g
0.003g
步骤（3）溶剂
3g
5g
4g
4g
4g
4g
4g
含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯
0.25g
0.3g
0.3g
0.3g
0g
0.3g
0.3g
甲基乙烯基苯基硅橡胶
20g
20g
20g
20g
20g
20g
20g
制备例8-11，同制备例3，不同之处仅在于含有紫外光固化涂料的硅橡胶的制备原料的不同：
制备例8，不同的是：环氧丙烯酸酯替换为二缩三丙二醇二丙烯酸酯，CAS号为42978-66-5。
制备例9，不同的是：双酚A环氧丙烯酸酯替换为甲基丙烯酸失水甘油酯，CAS号为106-91-2，购买自济南汇锦川化工有限公司。
制备例10，不同的是：甲基乙烯基苯基硅橡胶的苯基与硅原子之比为10mol%，购买自浙江博钰科技有限公司。
制备例11，不同的是：甲基乙烯基苯基硅橡胶的苯基与硅原子之比为15mol%，购买自浙江博钰科技有限公司。
实施例
实施例1-11
以下以实施例1为例进行说明。
实施例1提供的一种光纤的制备方法，其步骤如下：
S1：采用火焰温度为800℃的第一喷灯，用VAD工艺连续沉积处理得到纤芯；所述第一喷灯中通入SiCl4气体、氧气、氢气、氩气；所述SiCl4气体、氧气、氢气、氩气的流量分别为2.8mL/min、35mL/min、4mL/min、200mL/min；
S2：采用火焰温度为1100℃的第二喷灯，用VAD工艺在纤芯的表面连续沉积处理得到包层；所述第二喷灯中通入SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、氢气、氩气；所述SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、氢气、氩气的流量分别为8mL/min、10μL/min、60mL/min、6mL/min、150mL/min；
S3：将包层置于氯气中，在1150℃进行脱羟处理，后进行退火工艺，烧结处理得到光纤预制棒；所述退火工艺的温度为950℃、时间为5h；
S4：对光纤预制棒在2200℃、以4000m/min的速度进行拉丝处理；将拉丝处理后的光纤预制棒置于电阻炉中，在1300℃进行二次加热退火处理，冷却后涂覆制备例1所述含有紫外光固化涂料的硅橡胶，采用380nm的紫外光源在250W功率下进行固化处理，收线，得光纤。
如表1所示，实施例1-11的光纤的制备方法的区别仅在于含有紫外光固化涂料的硅橡胶不同，实施例1对应制备例1，实施例2对应制备例2，实施例3-11分别对应制备例3-11。
实施例12-17
实施例12-17，同实施例3，不同之处仅在于光纤的制备方法中的参数不同，具体见表2。
表2
实施例3
实施例12
实施例13
实施例14
实施例15
实施例16
实施例17
第一喷灯的火焰温度
800℃
900℃
900℃
900℃
900℃
900℃
700℃
第一喷灯中通入SiCl<sub>4</sub>气体流量
2.8mL/min
2.8mL/min
2.8mL/min
2.8mL/min
2.8mL/min
2.8mL/min
5mL/min
第二喷灯中通入SiCl<sub>4</sub>气体流量
8mL/min
12mL/min
12mL/min
12mL/min
12mL/min
12mL/min
12mL/min
第二喷灯中通入GeCl<sub>4</sub>气体流量
10μL/min
20μL/min
15μL/min
20μL/min
20μL/min
0μL/min
15μL/min
第二喷灯的火焰温度
1100℃
1100℃
1100℃
1100℃
1100℃
1100℃
1100℃
拉丝温度
2200℃
2300℃
2300℃
2000℃
2500℃
2300℃
2300℃
拉丝速度
4000m/min
5000m/min
4500m/min
2000m/min
7000m/min
4500m/min
4500m/min
对比例
对比例1-2
对比例1-2，同实施例1，不同之处仅在于不采用制备例的含有紫外光固化涂料的硅橡胶。
对比例1，不同的是：所述冷却后直接涂覆苯基与硅原子比为5mol%的甲基乙烯基苯基硅橡胶。
对比例2，不同的是：所述冷却后直接涂覆紫外光固化涂料。
性能检测试验
针对本申请制备例1-11提供的含有紫外光固化涂料的硅橡胶，进行如下的性能检测；
1.附着力：采用GB/T 9286-1998的方法测试制备例1-11所述含有紫外光固化涂料的硅橡胶的附着力，分0-5级，0级最好，5级最差，测试结果见表3。
2.耐磨性：采用ISO 7784旋转摩擦橡胶轮法，在荷重175g的条件下，测试制备例1-11所述含有紫外光固化涂料的硅橡胶的耐磨性，记录磨损1微米厚度的涂层所需的平均研磨转数，测试结果见表3。
3.硬度：采用GB/T 6739-1996涂膜硬度铅笔测试法测定制备例1-11所述含有紫外光固化涂料的硅橡胶的硬度，测试结果见表3。
表3
附着力
耐磨性
硬度
制备例1
1
420
3H
制备例2
0
480
3H
制备例3
0
478
3H
制备例4
4
340
2H
制备例5
2
380
H
制备例6
3
318
2H
制备例7
3
287
2H
制备例8
2
350
H
制备例9
2
320
H
制备例10
2
465
4H
制备例11
3
420
5H
以下结合表3提供的检测数据，详细说明本申请。
从本申请制备例1-7可知，紫外光固化涂料的制备原料的含量对含有紫外光固化涂料的硅橡胶的附着力、耐磨性和硬度影响较大，六官能脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、含有NCO基团的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、羟基丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯共同作用，显著提高了附着力、耐磨性和硬度。
从本申请制备例3、8-9可知，双酚A环氧丙烯酸酯可以显著提高含有紫外光固化涂料的硅橡胶的耐磨性和硬度。
从本申请制备例3、10-11可知，甲基乙烯基苯基硅橡胶的苯基与硅原子之比过大，提高了硬度，但会降低含有紫外光固化涂料的硅橡胶的附着力。
下面针对本申请实施例1-17和对比例1-2提供的光纤，进行如下的性能检测；
4.光纤内直径：利用DWY-1电子微米测量仪测试实施例1-17和对比例1-2所述光纤的内直径，其中，内直径小于4微米记为A，内直径为4-4.5微米且不等于4.5微米记为B，内直径为4.5-5微米记为C，内直径大于5微米记为D，测试结果见表4。
5.光纤外直径：利用DWY-1电子微米测量仪测试实施例1-17和对比例1-2所述光纤的外直径，其中，外直径小于60微米记为A，外直径为60-65微米且不等于65微米记为B，外直径为65-70微米记为C，外直径大于70微米记为D，测试结果见表4。
6.弯曲损耗：采用PK2400光纤特性分析仪测试实施例1-17和对比例1-2所述光纤性能，1圈光纤在1310nm波长下引起的弯曲损耗，其中，弯曲损耗小于0.04dB记为A，弯曲损耗为0.04-0.06dB且不等于0.06dB记为B，弯曲损耗为0.06-0.08dB且不等于0.08dB记为C，弯曲损耗为0.08-0.1dB且不等于0.1dB记为D，弯曲损耗大于0.1dB记为E，测试结果见表4。
表4
内直径
外直径
弯曲损耗
实施例1
B
B
B
实施例2
B
B
A
实施例3
B
A
A
实施例4
B
C
C
实施例5
B
C
C
实施例6
B
C
B
实施例7
B
C
B
实施例8
B
C
B
实施例9
B
C
B
实施例10
B
B
A
实施例11
C
C
B
实施例12
B
B
A
实施例13
B
B
A
实施例14
D
C
B
实施例15
A
A
E
实施例16
B
B
D
实施例17
D
C
C
对比例1
C
B
E
对比例2
C
B
E
以下结合表4提供的检测数据，详细说明本申请的光纤。
从本申请实施例1-11可知，制备例3对应得到的光纤的内直径和外直径较小，抗弯曲性能好。
从本申请实施例3、12-17可知，光纤的制备工艺中，各参数对光纤的内直径、外直径和弯曲损耗影响较大，其中，实施例12、13对应的光纤的直径小且抗弯曲性能优。
从本申请实施例1和对比例1-2可以看出，采用含有紫外光固化涂料的硅橡胶可以显著提高光纤的抗弯曲性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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