Способ вытяжки оптического волокна из фторидных стекол Советский патент 1993 года по МПК C03B37/00 

Изобретение относится к технике производства оптического волокна (0В), преимущественно из фторидных стекол (ФС), и может быть использовано в установках вытяжки световодов штабиковым методом.

Цель изобретения - увеличение скорости вытяжки и улучшение качества формируемого оптического волокна.

На чертеже показана схема установки для вытяжки оптического волокна.

Сущность изобретения поясняется следующим. При рассмотрении баланса сил выявлено, что определяющей является сила вязкого трения (FTp), которая с учетом тру- тоновской вязкости композиции стекло- полимер имеет вид:

FTp. ( + (Rn - Re ) 3

du

dx

FCT. П RCT fie 3 --- , FTp.Fn + FCT.

-я

Fn 3t (Rn - RCT ). 2

du

dx

пропреС), и вы.

ороирувки

сле выилатру- кло-

-я

где RCT. - радиус стеклянной луковицы;

Rn - радиус луковицы вместе с полимером;

U - скорость движения расплава по оси X;

X - продольная координата

/ic - динамическая вязкость стекла;

/гп - динамическая вязкость полимера;

FCT. - сила вязкого трения в стекле;

Fn - сила вязкого трения в полимере.

В области низких температур расплава (до 300°С) определяющей является вязкость стекла и задача, с гидродинамической точки зрения, на этом участке сводится к вытяжке стеклянного стержня 1. При достижении температур выше 300°С для фтор- цирконатных стекол динамическая вязкость стремительно падает и становится очень малой (103 - 104) П.

Для большинства полимеров вязкость относительно слабо зависит от температуры, а для некоторых, например, для сополимеров тетрафторэтилена с перфтор

ел о ш

со

(алкилвиниловыми) эфирами (ТФЭ- ПФ(АВ)ЭФ) с температурой плавления 300- 310°С или для алифатическо-ароматического полипиромеллитимида нонамётилендиами- на, составляет приблизительно 10&П при 340°С. Таким образом имеется возможность свести задачу к перетяжке полимера 2, которая возможна на очень высоких скоростях. Для этого необходимо, чтобы преобладающей в зоне расплава была Fn, т.е. чтобы выполнялось соотношение

Fn/Fc 10.

Учитывая, что соотношение радиусов Rcr/Rn обычно составляет 0,5 и при вытяжке выполняется условие подобия течения расплава, соотношение динамических вязкостей должно составлять

/Jc/jWcr 2:3,5

Способ отличается тем, что в качестве полимера, который наносится на поверхность заготовки, используют полимер, динамическая вязкость которого в 3,5 раза превосходит динамическую вязкость расплава стекла.

Способ позволяет: снизить влияние флюктуации параметров технологического процесса: получать световоды со значительно большей скоростью, что приведет к улучшению оптико-механических свойств волокон (снижение оптических потерь и увеличение механической прочности) за счет уменьшения количества м размеров кристаллов и увеличения производительности оборудования.

Стеклянная заготовка 1 с нанесенным на нее соответствующим полимерным покрытием 2 опускается в печь плавления 3. В зоне 1 температура композиции стекло-полимер (Тстп) больше температуры плавления полимера (Тп), однако ТСтп меньше температуры размягчения стекла (ТСт). Попадая в зону. 11, где Тстп Тст. Тп. начинается плавление стекла и под действием усилия вытяжки начинает образовываться луковица расплава, переходящая в непрерывную нить (оптическое волокно).

Распределение скорости, а также длину луковицы можно найти, используя методику расчета, а для- оценки времени нахождения стекломассы в зоне нагрева используем формулу

r-jr

0 ux

где X--продольная координата;

U(x) - продольная скорости течения расплава;

I - длина зоны деформации; 5г- время пребывания стекломассы в луковице.

Для штабика диаметром 7 мм, вытягиваемого со скоростью 10 м/мин

10

г 1,5 мин.

При нанесении на штабик полимера ТФЭ-ПФ(АВ)ЭФ появляется возможность вести вытяжку со скоростью до 3 м/с, что

приведет к уменьшению времени нахождения расплава стекла в луковице примерно в 10-12 раз и, следовательно, значительно снизит рост кристаллов в стекле.

В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим перетяжку штабика диаметром 7 мм из стекла ZBLAW (56Zn - 14 Ва - 6 оа - 4 AI - 20 Na) в волокно диаметром 125 мкм с полимером и без него. Вытяжка оптического волокна по способу, описанноМу в прототипе может быть рассмотрена как вытяжка волокна с легкоплавким полимерным покрытием, где полимерная оболочка выполняет лишь защитную функцию и на процесс перетяжки не влияет.

Динамическая вязкость стекла в широком диапазоне температур может быть описана формулой:

35

Ig fi A + 2В/{Т-Т0+Г(Т-То)2+4СТ 4 },

где А - -1,65; В ч 389,3; С 3.3; Т0 - 581,4.

Однако можно проводить примерные

расчеты для любого состава стекол 2BLAW,

опираясь на их температуру перехода Тд,

т.к. изв естно, что gft f(tg/T) практически

не зависит от состава стекла.

В связи со скудностью информации температурной зависимости вязкости полимеров динамическая вязкость принималась постоянной 10 П. При расчетах использовались свойства фторопласта Ф-50 (тетрафто- рэтилена с перфтор (алкилвиниловыми) эфирами).

Принимаем, что зародыш имеет радиус 0,005 мкм, а в исходном стекле их концентрация составляла 15 .

Ниже приведены основные технологические параметры процесса, при которых осуществлялась вытяжка. Для заготовки с легкоплавким полимерным покрытием

скорость вытяжки- 0,45м/с

длина печи20 см

диаметр заготовки 7 мм

диаметр волокна125мкм максимальная температура расплава 330°С. Потери на рассеяние, вызванные кристаллизацией во время вытяжки, составляет 1,45 дБ/км.

Для заготовки с тугоплавким полимерным покрытием

скорость вытяжки1,35м/с длина печи 20 см диаметр заготовки 7 мм внешний диаметр полимерной трубки 10мм диаметр волокна 125мкм максимальная температура расплава 333°С. Потери на рассеяние/ вызванные кристаллизацией во время вытяжки составляет 0,29дБ/км.

Таким образом, потери на рассеяние света в волокне, вызванные кристаллизацией в процессе вытягивания, составляют 1.45 дБ/км и 0,29 дБ/км соответственно, что доказывает несомненное преимущество способа.

Таким образом обеспечивается повышение производительности оборудования в связи с возможностью увеличения скорости вытяжки, уменьшение оптических потерь в световоде за счет снижения флюктуации диаметра волокна (эффект более слабой зависимости от Т) и ввиду уменьшения количества и размера кристаллов, являющихся центрами рассеяния; увеличение ме- ханической прочности 0В, связанное с уменьшением количества кристаллов, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ вытяжки оптического волокна из фторидных стекол путем нанесения на поверхность заготовки защитного полимерного слоя, последующего нагрева и перетяжки, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости вытяжки и улучшения качества формируемого оптического волок- на. для получения защитного слоя используют полимер, динамическая вязкость которого при максимальной температуре вытяжки не менее чем в 3,5 раза превышает динамическую вязкость расплава фторид- ного стекла при той же температуре.

Сущность изобретения: при вытяжке оптического во локна из фторидных стекол для получения защитного слоя используют полимер, динамическая вязкость которого при максимальной температуре вытяжки не менее чем в 3,5 раза превышает динамическую вязкость расплава фторидного стекла при той же температуре. 1 ил.