СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СВЕТОВОДОВ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА Российский патент 2001 года по МПК C03B37/25 C03B37/27 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления волоконных световодов для линий связи с нестационарными подвижными объектами.

Основное требование, предъявляемое к технологическим процессам вытягивания высокопрочных световодов из кварцевого стекла, заключается в устранении пылевидных частиц из зоны формирования стекловолокна (заявка Японии N 59-13640, кл. C 03 B 37/025, 09.07.82).

Однако даже при фильтрации газов печного пространства и зоны химического парофазного формирования кварцевого стекла невозможно избежать внедрения примесных частиц в стекломассу. Поэтому на поверхности стекловолокна находятся неоднородные по составу микрообласти. Возникают микротрещины, поскольку любая примесь в кварцевом стекле (за исключением TiO₂) приводит к увеличению коэффициента термического расширения, а значит, и к растягивающим напряжениям при охлаждении волокон с уровня закалочных температур (≈1500^oC) до комнатной.

Примятый за прототип предлагаемого изобретения "Способ изготовления высокопрочных световодов из кварцевого стекла" (авт. св. N 1676203, кл. C 03 B 37/025, публ. 1999, БИ N 33) залечивает микротрещины на поверхности стекловолокна с помощью химической обработки и тем самым повышает прочностные свойства волокна. Это достигается тем, что волокно из кварцевого стекла с первичным полимерным покрытием помещается в атмосферу, содержащую насыщенные пары тетрахлорида кремния, и выдерживается в ней более 240 часов до достижения постоянного значения статической прочности. В данном случае происходит цементирование трещин на поверхности волокна продуктами гидролиза.

Недостатком этого способа является низкая производительность процесса, связанная с необходимостью длительной (более 10 суток) химической обработки. Влага, содержащаяся в полимере, резко замедляет и ограничивает миграцию молекул SiCl₄ к поверхности стекловолокна и тем самым снижает эффективность процесса упрочнения. Это обусловлено закупоркой структурных пустот полимера продуктами гидролиза - частицами SiO₂ при взаимодействии H₂O и SiCl₄. Более того, образующийся при этом хлористый водород разупрочняет стекловолокно, если микрообласти с повышенной концентрацией примесей включают вещества, взаимодействующие с HCl.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить прочность световодов и производительность их изготовления. Технический результат достигается путем подбора оптимальных условий химической обработки световодов.

Предлагаемый способ изготовления высокопрочных световодов из кварцевого стекла включает операции вытягивания волокна, нанесения полимерного покрытия и последующую обработку газообразной средой, насыщенной парами тетрахлорида кремния, но в отличие от прототипа после нанесения полимерного покрытия световоды выдерживают при 100-150^oC в сухом газе до снижения влагосодержания выходящего из реактора газа до уровня исходного газа. Затем насыщают обрабатывающий газ парами тетрахлорида кремния с последующим понижением температуры до комнатной.

В новом способе повышение температуры обработки волокна существенно повышает скорость диффузионных процессов, а обработка сухим газом освобождает структурные поры полимера от паров воды, что также благоприятствует миграции молекул SiCl₄ к поверхности стекловолокна. Диапазон температур с нижней стороны ограничен 100^oC, т.к. выход за этот предел необоснованно снизит скорость диффузионных процессов. Верхний уровень температуры 150^oC обусловлен началом процесса деградации полимеров. Понижение температуры до комнатной после выдержки в парах SiCl₄ необходимо для увеличения его концентрации в материале полимерного покрытия.

Упрочнение световодов обусловлено тем, что после обработки сухим газом при 100^oC в трещинах поверхностного слоя стекловолокна происходит взаимодействие сорбированной влаги с тетрахлоридом кремния. Образующийся при этом диоксид кремния цементирует трещину. Количество хлористого водорода здесь существенно меньше, чем в прототипе, т.к. без предварительной сушки световодов в материале полимерного покрытия содержится большое количество влаги. Поэтому микрообласти с повышенной концентрацией растворимых в HCl веществ не вытравливаются, т.е. не происходит образование микроковерн, существенно снижающий уровень прочности световодов.

Наличие в материале покрытия паров SiCl₄ на несколько порядков снижает равновесное давление паров воды в сравнении с его содержанием в сухом газе-носителе, что является определяющим фактором, приводящим к увеличению разрывной прочности световодов на 60 - 70%.

Способ реализуется следующим образом. Из кварцевой заготовки, полученной MCVD методом, вытянуто волокно диаметром 125 мкм при температуре 2100^oC в графитовой печи сопротивления. В качестве экранирующего газа использовали сухой аргон особой чистоты после его фильтрации от частиц размером более 0,5 мкм. В процессе вытягивания стекловолокна на него наносили эпоксиакрилатное покрытие толщиной 40 - 45 мкм. Далее экструзионным методом формировали оболочку из полиамида. Наружный диаметр световода с двумя полимерными оболочками составлял 600 - 610 мкм. Отрезки световодов длиной 1,5 м в количестве 20 - 30 штук помещали в трубчатый реактор и выдерживали 10 минут при температуре 100^oC и расходе воздуха 3 л/мин с влажностью, соответствующей 40^oC точки росы.

Время выдержки в сухом газе можно несколько продлить, например до 15 минут, что почти не изменяет ожидаемый результат, т.к. излишняя влага уже удалена с поверхности стекловолокна. Передержка по времени в сухом воздухе при температуре 100 - 150^oC не имеет смысла для данного количества световодов и расхода сушащего газа.

Окончание процесса сушки определяется влажностью сушащего газа на выходе из реактора: содержание паров воды в нем не должно превышать влагосодержание газа на входе в реактор. Для этого на входе в реактор и на выходе из него устанавливаются измерители влажности газа.

Затем в реактор подавали в течение 20 минут смесь сухого кислорода (точка росы 70^oC) 1 л/мин с насыщенными при 20^oC парами тетрахлорида кремния. Температуру снижали до комнатной, не прекращая поток парогазовой смеси.

Длительность всего процесса упрочнения световодов заняла не более 1 часа, что в 240 раз меньше в сравнении с процессом обработки по прототипу.

После упрочнения световоды подвергали испытаниям на разрывной установке РС-3. Расстояние между зажимами составляло 1 м. Скорость перемещения подвижного держателя 200 мм/мин. Разрывная прочность характеризовалась на основании испытаний 30 кусков световодов тремя параметрами: средний уровень (S_с) прочности, нижний (S_н) и верхний (S_в).

Для исходного световода S_с, S_в и S_н равны соответственно 68, 70 и 62 ньютонов (Н). После обработки при 100^oC эти параметры стали выше: 119, 117 и 113 Н соответственно для S_в, S_с и S_н. Такое высокопрочное состояние сохранялось в течение 5 часов. Далее, при достижении равновесия с окружающей средой прочность упала: верхний предел был близок к исходному (71 Н), однако, нижний увеличился на 6% (66 Н).

Обработка световодов при температуре 150^oC дала практически такие же результаты, свидетельствующие о том, что предложенный способ упрочнения влияет только на низкопрочное состояние стекловолокна.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость способа изготовления высокопрочных световодов, особенно для их кратковременного разового использования для управления нестационарными объектами.

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления волоконных световодов для линий связи с нестационарными подвижными объектами. Способ обеспечивает высокую производительность процесса изготовления высокопрочных световодов из кварцевого стекла при достижении улучшенных прочностных характеристик световодов. Способ включает вытягивание волокна, нанесение полимерного покрытия, после чего световоды выдерживают при 100 - 150^oC в атмосфере сухого газа, который затем насыщают парами тетрахлорида кремния с последующим понижением температуры до комнатной.

Способ изготовления высокопрочных световодов из кварцевого стекла, включающий вытягивание волокна, нанесение полимерного покрытия и обработку газообразной средой, насыщенной парами тетрахлорида кремния, отличающийся тем, что после нанесения полимерного покрытия световоды выдерживают при температуре 100-150°C в атмосфере сухого газа до снижения влагосодержания выходящего из реактора газа до уровня, близкого к влагосодержанию исходного газа, который затем насыщают парами тетрахлорида кремния с последующим понижением температуры до комнатной.