學習情境七：塑料光纖制備7.1學習目標7.2學習內(nèi)容

★掌握塑料光纖的分類；

★了解塑料光纖預制棒的制備；

★了解塑料光纖拉絲的過程；

★了解塑料光纖的涂覆；

★了解塑料光纖切口(打孔)工藝；7.1學習目標★了解生產(chǎn)設備；

★掌握塑料光纖的測試指標；

★掌握安全操作規(guī)程。

7.2.1塑料光纖的發(fā)展史與分類

1.發(fā)展史

塑料光纖(POF，PlasticOpticalFiber)的研究始于20世紀60年代。1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出了塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，PolymethylMetharcylate)和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出了塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。7.2學習內(nèi)容

20世紀80年代日本的一些大企業(yè)和大學對低損耗塑料光纖的制備進行了大量研究。1980年三菱公司以高純MMA(單體甲基丙烯酸甲酯)單體聚合PMMA，使塑料光纖的光損耗下降到100～200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗降至20dB/km，該光纖可傳輸從近紅外光到可見光的光波。

近年來，某些歐洲國家和日本研制成功的塑料光纖的光損耗已降到25～9dB/km，其工作波長已擴展到870μm(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實用水平。此外，美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕，柔性更好，成本更低，而且可在100m內(nèi)以3Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達到較高的傳輸速度。

2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發(fā)展方針。世界上第一個專用塑料光纖應用中心(POFAC)在德國Nuremberg落成。

2.塑料光纖的分類

按照應用不同，塑料光纖的分類如圖7-1所示。

圖7-1塑料光纖的分類7.2.2塑料光纖預制棒的制備

根據(jù)工藝不同，塑料光纖預制棒的制備方法主要有擠壓法、共擠法、預制棒紡絲法、一步成型法。下面著重介紹擠壓法和共擠法。

1．擠壓法

首先，將單體甲基丙烯酸甲酯通過減壓蒸餾提純后，加熱聚合；然后，將聚甲基丙烯酸甲酯加溫至拉絲溫度，用高純氮氣擠壓熔融聚合物，通過口模形成塑料光纖芯，同時擠出一層低折射率的氟樹脂作為被覆層，制成塑料光纖。

2．共擠法

所謂共擠法工藝，是在拉制POF過程中使用兩臺擠出機，一臺用于擠出芯材，另一臺用于擠出鞘材，兩臺擠出機通過同一模頭熔融擠出成型，再經(jīng)牽引收卷即拉制成POF。

采用共擠法拉制POF，在設計中要考慮如下幾點：

(1)因是兩臺擠出機共同擠出，故其模頭設計相對于涂覆法模頭復雜得多，因此必須保證芯料和皮料在共擠模頭中能均勻、合理分配，其設計還要考慮到易于安裝、拆卸，且易于安裝加熱圈和熱電偶。

(2)物料流過的共擠模頭通道表面光潔度要求高，過渡部分呈流線型，收縮角要適當，需消除死角，以避免物料在模頭表面流速過慢或停滯不前，即消除物料長時間受熱降解以及從模頭流出時極不穩(wěn)定的特性。

(3)口模決定POF的外形和結構。一般口模形狀如圖7-2所示。共擠法最關鍵的是復

合機頭的設計。PMMA由芯材擠出機擠入芯材流道1，含氟樹脂由鞘材擠出機擠入鞘材流道2，兩者在復合腔4內(nèi)復合后共同擠出，成為光纖。在無牽引力的情況下，光纖的直徑會膨脹，約為復合腔直徑D0的十幾倍。為改善光纖的力學性能，需要15～25倍的牽引力。

圖7-2共擠法中的口模示意圖7.2.3各種塑料光纖的制備原理與過程

1.大芯徑塑料光纖的制備

1)概述

大芯徑塑料光纖的芯徑高達200～3000μm。大芯徑塑料光纖的分類如表7-1所示。大芯徑塑料光纖的實物圖如圖7-3所示。

表7-1大芯徑塑料光纖的分類圖7-3大芯徑塑料光纖的實物圖

2)制備方法及流程(擠壓法)

(1)將單體甲基丙烯酸甲酯(MMA)通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發(fā)劑和鏈轉移劑一并送入聚合容器中。

(2)將該容器放入電烘箱中加熱，放置一定時間，以使單體完全聚合。

(3)待其完全聚合后，加熱至拉絲溫度，并用干燥的氮氣從容器的上端對已熔融的聚合物加壓，該容器底部小孔便擠出一根塑料光纖芯，同時使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。

圖7-4塑料光纖生產(chǎn)設備的實物圖

3)主要技術指標

(1)衰減。大芯徑塑料光纖在波長650nm處的衰減大約為120dB/km，在850nm波長處的衰減為41dB/km，在1310nm波長處的衰減為33dB/km。

(2)帶寬。階躍折射率塑料光纖由于存在模間色散，傳輸帶寬僅為幾十至上百MHz·

km；梯度折射率分布塑料光纖在850～1310nm波長范圍內(nèi)，傳輸帶寬可達幾百MHz·km至10GHz·km。

(3)熱穩(wěn)定性。提高塑料光纖的熱穩(wěn)定性的方法是：選用含氟或硅的塑料來制造塑料光纖，或者選擇塑料光纖的光源工作波長大于660nm，以使塑料光纖的熱穩(wěn)定性長期不變。

4)特點

(1)芯徑大(為0.3～1.0mm)，接續(xù)時可采用POF連接器，在光纖接續(xù)對芯時，即便產(chǎn)生30μm的偏差也不會影響耦合損耗。

(2)數(shù)值孔徑大(為0.5左右)，受光角可達60°(石英光纖只有16°)，耦合效率高。

(3)撓曲性好，易于加工和使用。

(4)在可見光區(qū)有低損耗窗口。

(5)重量輕。

(6)成本及加工費用低。

5)應用

(1)室內(nèi)裝飾。在室內(nèi)裝飾中，用側面發(fā)光光纖來構成輪廊線條，光照均勻，顏色柔和，如圖7-5所示。

圖7-5塑料光纖室內(nèi)裝飾圖

(2)水景照明，如室外噴泉水下照明、游泳池等裝飾照明。

(3)城市建筑，如建筑物局部或輪廓照明、廣告牌照明。

(4)園林綠化。

(5)道路照明。

(6)溶洞照明。

(7)古建筑物及文物照明，如文物古董、展覽館、博物館的照明。

(8)易燃易爆場合，如油庫、礦區(qū)等嚴禁火種的危險場合的照明。

6)生產(chǎn)廠家

大芯徑塑料光纖的生產(chǎn)廠家有美國杜邦、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河、四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致錦。

2.端面發(fā)光塑料光纖的制備

1)概述

光纖照明系統(tǒng)有兩種類型：一種是端面發(fā)光系統(tǒng)，即將光源發(fā)出的光從光纖束的首端面?zhèn)鬏數(shù)焦饫w束的末端面，光纖束的末端面通常安裝有適當?shù)墓廨敵鲅b置，以給出所要求的光分布形式，如定向式、投光式、標注式等，從而使光線照射到需要照明的地方；另一種為側面發(fā)光系統(tǒng)，即將光源發(fā)出的光從光纖束的側面透射出來，并且整段光纖的亮度都非常均勻，類似于霓虹燈的效果。端面發(fā)光的光纖束由若干根單絲光學纖維扎成，接收的一端往往做成圓形端面，另一端可以做成若干分支或異形端面。一個光源可供給由16根直徑為5mm的光導纖維組成的光纖束。

圖7-6為穩(wěn)定型結構，采用無黏結劑壓制技術，可使光耦合效率達到最大，不會因光線高度聚集而引起光纖熔化或燃燒的危險。圖7-7為非穩(wěn)定型結構，用黏結劑黏結，光耦合效率低。圖7-8為端面發(fā)光塑料光纖的實物圖。

圖7-6穩(wěn)定型結構

圖7-7非穩(wěn)定型結構

圖7-8端面發(fā)光塑料光纖的實物圖

2)原理

對于階躍型光纖，其折射率分布與結構如圖7-9所示。折射率的計算式為

(7-1)

其中：Δ為折射率相對差，且有

(7-2)

當g

=

∞時，就是階躍型光纖。

圖7-9階躍型光纖的折射率分布與結構示意圖

3)材料選擇

芯材可選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，包層選用氟樹脂；或者芯材選用聚苯乙烯(PS)，包層選用PMMA。

4)制備

端面發(fā)光塑料光纖的制備方法通常為擠壓法和共擠法，這兩種方法已在前面作過詳細介紹，此處不再重復。

5)生產(chǎn)廠家

國內(nèi)生產(chǎn)端面發(fā)光塑料光纖的廠家有：江西大圣、四川匯源、南京箭特、上海致錦、深圳鑫凌。

3.通體發(fā)光塑料光纖的制備

1)概述

通體發(fā)光塑料光纖又稱側面發(fā)光光纖、線性光纖或線狀光纖，它是一種纖芯與涂層折射率很接近的透明塑料光纖。光在通體發(fā)光塑料光纖中傳輸時，該光纖不僅將傳輸光從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸錾涠嗣?，而且還會從光纖包覆層透射出一部分光，從而形成光纖通體(側面)發(fā)光的現(xiàn)象。

2)原理

利用皮層和芯層的界面缺陷及皮層中的結晶區(qū)進行光散射，可導致側面發(fā)光。每根光纖直徑在0.1～2.0mm之間。

光學中有斯涅爾折射定律：

(7-3)

式中，n1、n2分別為介質1、介質2的折射率；θ1為光線入射角；θ2為通過分界面的折射角，即折射光線與法線的夾角。設n1>n2，當光線從光密介質(n1)進入光疏介質(n2)時，入射角θ1小，折射角θ2大，折射角偏離法線，當入射角達到或大于臨界角時，發(fā)生全反射；反之，當光線從光疏介質(n2)進入光密介質(n1)時，入射角θ1大，折射角θ2小，折射光靠近法線，即在光密、光疏兩介質分界面上，光線不會發(fā)生全反射。

如果選擇芯體材料折射率低、包層折射率高的光纖結構，則當光線從折射率低的芯體傳播至分界面時，根據(jù)斯涅爾折射定律，部分光線反射在芯體中繼續(xù)傳播，部分光線折射進入包層傳播，不會有全反射發(fā)生。通過對光纖外表皮進行適當處理，光在包層傳播過程中，就會不斷地從側面透出光，從而達到通體發(fā)光的目的。

3)制備方法及流程

通體發(fā)光光纖的制備方法有很多種，主要有損傷芯皮結構法、編織法、特殊助劑法、光纖多包層法等。這里只介紹損傷芯皮結構法和光纖多包層法。

(1)損傷芯皮結構法。該方法采用加熱、加壓或熱模壓法，使光纖的皮層結構不完整或厚度不均勻，或使芯皮界面出現(xiàn)缺陷。這樣在光纖芯材中傳輸?shù)墓庠谛酒そ缑姘l(fā)生全反射時，會因缺陷而使光從光纖中泄漏出來，從而達到通體發(fā)光的目的。

(2)光纖多包層法。光纖多包層法是在光纖纖芯包層(皮)之間增加一層低于芯材與包層(皮)折射率的材料，其厚度以小于傳輸波長的1/4為佳。這樣光在芯皮界面發(fā)生全反射時，必然有一部分光從芯材傳輸至中間皮層，而由于中間皮層的折射率低于最外層折射率，因此這一部分光必會折射至最外皮層，從而使光纖通體發(fā)光。

制備通體發(fā)光塑料光纖的流程圖如圖7-10所示。

圖7-10制備通體發(fā)光塑料光纖的流程圖

4)應用舉例

通體發(fā)光塑料光纖大多用于光纖吊燈和光纖瀑布等裝飾照明，效果非常好。圖7-11所示為通體發(fā)光光纖的應用實例。

圖7-11通體發(fā)光光纖的應用實例

(a)(b)(c)

5)分類及特點

(1)根據(jù)通體發(fā)光塑料光纖中的光纖根數(shù)分類，有以下兩種：

①單芯通體發(fā)光光纖：發(fā)光效率高，但使用長度不超過30m，溫度過低的情況下會變硬、變脆。

②多芯通體發(fā)光光纖：可以在絞合的光纖束中增設中央反射芯，以提高通體發(fā)光效率。

(2)根據(jù)通體發(fā)光塑料光纖的芯材材質分類，有以下兩種：

①固態(tài)芯通體發(fā)光光纖：制造工藝簡單，能現(xiàn)場切割，柔軟性好。

②液態(tài)芯通體發(fā)光光纖：柔軟性好，亮度基本均勻，但制造工藝麻煩，不能現(xiàn)場切割，只能定制長度。

6)生產(chǎn)廠家

國內(nèi)外生產(chǎn)通體發(fā)光塑料光纖的廠家有：四川匯源、江西大圣、上海致錦、中天科技、浙江華倫、武漢遠城、美國Nufern等。

4.流星光纖的制備

1)概述

在端光光纖表面形成有規(guī)律的亮點分布的光纖，稱為流星光纖。

2)結構與特點

流星光纖的結構示意圖如圖7-12所示。

流星光纖的特點是光纖上有深入包層和芯層的切口，切口深度大于包層的厚度，而小于光纖的半徑；結構簡單，變化多樣，通過不同的創(chuàng)意組合可形成不同的產(chǎn)品形態(tài)；由于切口深度較深，因此其流星閃爍效果明顯，可廣泛應用于照明裝飾領域。

圖7-12流星光纖的結構示意圖

3)制備方法及流程

流星光纖的制備方法主要有以下兩種：

(1)擠壓法。

(2)界面凝膠法：用于梯度折射率分布塑料光纖的制造。該法的工藝流程為：芯單體→芯混合溶液→烘箱→凝膠相→空心管→光纖預制棒→梯度折射率分布塑料光纖。

4)相關設備

圖7-13～圖7-15所示為制備流星光纖的相關設備。

圖7-13塑料造粒機

圖7-14JY雙階混煉擠出機

圖7-15三層共擠高阻隔全自動塑料擠出機

5)性能指標

流星光纖的主要參數(shù)如表7-2所示。流星光纖的型號規(guī)格如表7-3所示。

表7-2流星光纖的主要參數(shù)表7-3流星光纖的型號規(guī)格6)應用場合

流星光纖主要應用于酒吧、賓館、咖啡廳、KTV等。圖7-16所示為流星光纖應用實物圖。

7)生產(chǎn)廠家

國內(nèi)生產(chǎn)流星光纖的廠家有四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、北?？萍籍a(chǎn)業(yè)中心、南京展瑞、南京箭特、南京特恩馳、北京星源奧特光電技術有限公司、上海致錦。國外生產(chǎn)流星光纖的廠家有Fibercore(Scientific-Atlanta的英國子公司，為全球領先的特種光纖制造商)、美國杜邦、加拿大CorActive、美國StockerYale、美國康寧、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河等。

圖7-16流星光纖應用實物圖

5.通信級塑料光纖的制備

1)概述

顧名思義，通信級塑料光纖指構成光纖的芯與包層都是塑料，并且是用作通信的光纖。其標準多模光纖的芯徑為50μm，單模光纖的芯徑為7～10μm，包層直徑為125μm。這種光纖接續(xù)時可使用不帶光纖定位套筒的便宜的注塑塑料連接器，即使光纖接續(xù)中心對準產(chǎn)生了±30μm的偏差，也不會影響耦合損耗。

2)發(fā)展

(1)

1974年日本三菱人造絲公司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出了塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。

(2)

1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100～200dB/km，基本可以用于通信。

(3)

1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗降至20dB/km，這種光纖可傳輸從近紅外光到可見光的光波。

(4)近年來，某些歐洲國家和日本的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進展。它們研制成功的塑料光纖其光纖損耗已降到25～9dB/km，其工作波長已擴展到870μm(近紅外光)。

(5)美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕，柔性更好，成本更低，而且可在100m內(nèi)以3Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達到較高的傳輸速度。

(6)四川匯源塑料光纖有限公司于2003年實現(xiàn)了低損耗PMMA階躍型塑料光纖的規(guī)模生產(chǎn)，在國內(nèi)尚屬首家，同年通過了四川省科技廳的鑒定，其光纖損耗小于200dB/km，且制定了“通信級塑料光纖”國家行業(yè)標準。

(7)

2006年中科院化學所與深圳大圣光電技術有限公司(現(xiàn)為江西大圣塑料光纖有限公司)合作，聯(lián)合開發(fā)出了PMMA塑料光纖，其光纖損耗小于200dB/km。2006年底，研制出了光纖損耗達153dB/km的塑料光纖。

3)制備方法及流程

(1)制備方法。

①擠壓法。

②界面凝膠法。界面凝膠法比較復雜，其具體步驟如下：

第一，將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液。

第二，把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發(fā)劑和鏈轉移劑放入芯混合溶液中，再將該溶液投入一根作為包層材料的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的空心管內(nèi)。第三，將裝有芯混合溶液PMMA的管子放入一烘箱內(nèi)，PMMA管內(nèi)逐漸被混合溶液溶脹，在一定的溫度和時間條件下PMMA管內(nèi)壁開始聚合。在聚合過程中，PMMA管內(nèi)開始溶膠-凝膠。在凝膠相中，分子運動速度減慢，聚合由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚。聚合終止于PMMA管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預制棒。

第四，將塑料光纖預制棒送入加熱爐內(nèi)加溫拉制成梯度型塑料光纖。

(2)流程圖。

①擠壓法流程，如圖7-17所示。

②界面凝膠法流程，如圖7-18所示。

圖7-17生產(chǎn)通信級塑料光纖的擠壓法工藝流程圖

圖7-18生產(chǎn)通信級塑料光纖的界面凝膠法工藝流程圖

4)分類

通信級塑料光纖的分類如圖7-19所示。

5)相關設備

生產(chǎn)通信級塑料光纖的相關設備如圖7-20所示。圖7-19通信級塑料光纖的分類圖圖7-20生產(chǎn)通信級塑料光纖的設備圖

6)發(fā)展方向

通信級塑料光纖的發(fā)展方向是：降低損耗，增大通信距離，提高耐熱性等。

7)特點

(1)優(yōu)點：柔軟，重量輕，抗撓曲、抗沖擊強度高，能制成大直徑，對不可見光的透過性好，價格便宜，抗輻照，易加工，接續(xù)成本低，抗化學腐蝕強于石英光纖。

(2)缺點：光損耗較大，帶寬窄，傳輸光帶狹窄(限于可見光區(qū))，只能用于短距離傳輸，耐熱性差，表面磨損性高于石英光纖。

8)生產(chǎn)廠家

生產(chǎn)通信級塑料光纖的廠家有美國杜邦、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河、四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致錦等。7.2.4塑料光纖的應用

通過塑料光纖，可實現(xiàn)智能家電(家用PC、HDTV、電話、數(shù)字成像設備、家庭安全設備、空調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等)的聯(lián)網(wǎng)，達到家庭自動化和遠程控制管理，還可實現(xiàn)辦公設備的聯(lián)網(wǎng)。

POF重量輕且耐用，通過它可以將車載通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡，并將微型計算機、衛(wèi)星導航設備、移動電話、傳真等外設納入機車整體設計中，還可通過塑料光纖網(wǎng)絡在座位上享受音樂、電影、視頻游戲、購物、Internet等服務。在軍事通信上，POF正在被開發(fā)用于高速傳輸大量的保密信息，如利用POF重量輕、可撓性好、連接快捷、適于隨身配戴的特點，將其用于士兵穿