专利名称：被覆光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及被覆光纤、光纤带以及光纤单元。
背景技术：
通过拉制具有芯线和包层的光纤预制棒而获得光纤。为了保护和增强此纤维并使之有挠性，并且为了一些其它的目的，在拉制后立即环绕玻璃光纤的外部形成涂层。已知形成至少两层涂层，即相对较软(低杨氏模量)的一次涂层，此涂层与玻璃光纤的外围接触并具有缓冲作用；以及硬的(高杨氏模量)的二次涂层，此涂层在最外侧形成并具有保护作用。
例如，在日本专利特开平9-5587中提出一种被覆光纤，其中，通过设定拉拔力(从其外围固定的被覆光纤拉出玻璃光纤所必需的力)为90g/mm-180g/mm，此力用作玻璃光纤和形成一次涂层的一次涂层材料之间的附着力，从而在玻璃光纤和一次涂层材料之间获得足够的附着力，并且即使玻璃光纤和一次涂层材料浸在水中较长时间，在它们之间也不会发生局部剥离。
然而，当与玻璃光纤和一次涂层材料之间的附着力对应的拉拔力按照以上专利所述设定为90g/mm-180g/mm时，在生产被覆光纤过程中或之后例如在从拉制到拧成光缆的过程中或在绕到另一卷轴上的过程中，在被覆光纤的玻璃和涂层材料之间的界面上有时发生剥离。据认为是粘附到滚筒上的微小外部材料如光纤碎片，因静电等原因而使被覆光纤经受大的局部变形，从而在玻璃光纤和一次涂层之间界面发生剥离，其中，被覆光纤在滚筒上输送。
本发明的目的在于提供一种被覆光纤，在从拉制到拧成光缆的过程中可防止这种剥离。
带状(条状)光缆称作“光纤带”，它通过在平面内平行放置多根被覆光纤，并绕被覆光纤形成一体的护套以在护套内涂敷被覆光纤而形成。当连接光纤带时，需要集体地除去绕玻璃光纤外部形成的一次涂层以及一体的护套。此操作称为“涂层的集体剥离”。在此情形中，不希望涂层如一次涂层、二次涂层或其它涂层保留在玻璃光纤的表面上。
本发明的另一目的是提供一种被覆光纤，其中，它在拉制和重绕过程中具有提高的防剥离性能，并且当此被覆光纤用作光纤带的部件时，涂层的集体剥离能力不下降。
本发明的又一目的是提供一种被覆光纤，它组装成某种类型的光纤单元中或插入宽松的管子中，并且在进行连接时经历单个被覆纤维的剥离，在此被覆光纤中，防剥离性能增加，且单个被覆纤维的剥离容易，本发明的还一目的是，提供一种光纤带，其中，防剥离性能增加，且涂层容易集体剥离；或者提供一种光纤单元，其中，防剥离性能增加，且使单个被覆纤维的剥离容易。
发明概述为了实现以上目的，本发明涉及(1)一种被覆光纤，具有至少一个涂层，该涂层环绕玻璃光纤外部形成，其中，与所述玻璃光纤接触的一次涂层的25℃和110Hz时的存储模量E′在0.01kg/mm2-2.0kg/mm2的范围内，且所述玻璃光纤和所述一次涂层之间的附着力在10g/cm-200g/cm的范围内。
(2)根据以上(1)所述的被覆光纤，其中，存储模量E′在0.01kg/mm2-0.5kg/mm2的范围内，且附着力在10g/cm-100g/cm的范围内。
(3)根据以上(1)所述的被覆光纤，其中，存储模量E′在0.01kg/mm2-2.0kg/mm2的范围内，且附着力在100g/cm-200g/cm的范围内。
(4)根据以上(1)-(3)中任一项所述的被覆光纤，其中，所述一次涂层由紫外线固化树脂制成。
(5)一种光纤带，其中，平行排列根据(1)、(2)和(4)所述的多根被覆光纤，并用一体的树脂护套进行集体涂敷。
(6)一种光纤单元，其中，排列根据(1)、(3)和(4)所述的多根被覆光纤，并用一体的树脂护套进行集体涂敷。
附图简述
图1示出剥离、一次涂层的存储模量E′和(玻璃与一次涂层之间)附着力之间的关系，并示出光纤带涂层的集体剥离能力。
图2为示出根据本发明的被覆光纤实施例的横截面示意图。
图3为示出使用图1所示本发明被覆光纤的光纤带结构的横截面示意图。
图4示出剥离、一次涂层的存储模量E′和(玻璃与一次涂层之间)附着力之间的关系，并示出涂层的剥离能力。
图5为示出使用图1所示本发明被覆光纤的光纤单元实施例的横截面示意图。
实现发明的优选方式关于剥离，本发明人发现一次涂层的存储模量E′以及玻璃光纤和一次涂层之间的附着力与剥离的发生频率有关，从而实现了本发明。
图2是本发明实施例的横截面示意图。绕至少具有芯线和包层的玻璃光纤1的外部形成一次涂层2，此涂层的25℃和110Hz频率时的存储模量E′为0.01kg/mm2-0.5kg/mm2，一次涂层2和玻璃光纤1之间的附着力为10g/cm-100g/cm，并且，二次涂层3绕一次涂层2的外部形成，从而构成被覆光纤4。
在本发明中，基于异相正弦应力S＝S0exp[i(ωt+δ)]，按照下列公式(1)进行计算，得到存储模量E′，当正弦应变r＝r0exp(iωt)作为机械振动而作用在样本的一端时，在另一端检测到异相正弦应力S。
E*＝S/r＝S0exp[i(ωt+δ)]/r0exp(iωt)(1)＝S0/r0·cosδ+iS0/r0·sinδ＝E’+i·E”这里，E*表示复数粘弹性，E′表示存储模量，E″表示损失的复数粘弹性，S表示应力，S0表示应力的幅值，r表示应变，r0表示应变的幅值，ω表示角速度，t表示时间，以及δ表示相移角。
在公式(1)中，δ是ω的函数。在准静力状态中，即在ω为0时，δ＝0，E″＝0，并且存储模量E′对应于所谓的杨氏模量。
以下解释为什么一次涂层树脂的存储模量E′用作本发明中的指标。
在光纤的拉制中，被覆光纤通过滚筒缠绕在卷轴上。当静电等使外部材料粘附到滚筒的部分上时，在玻璃和一次涂层之间界面有时发生剥离，其中，光纤由滚筒传送。由于被覆光纤在高速下生产，因此，滚筒也高速旋转，并且应变迅速作用到涂层上，即以高的应变速率作用到涂层上。
现有情况下，涂层的杨氏模量基于“在大约为1mm/min的低应变速率下作用而使涂层延伸2.5％的应力”测量。从连接对应应变0的应力和对应应变2.5％的应力的直线的梯度得到的杨氏模量称为“2.5％正割杨氏模量”。从测量的观点出发，此杨氏模量用于取代最初应变为0时的杨氏模量。然而，本发明人思考并作了研究，认为与在本技术领域中使用在低应变速率下测量的杨氏模量如2.5％正割杨氏模量相反，由于用于一次涂层等的树脂表现出粘弹性特征，因此使用存储模量E′作为指标是合适的，存储模量E′是高应变速率区域中弹性模量的实数部分。
结果，本发明人发现，25℃和110Hz时的存储模量E′与剥离频率之间有关系，此关系可用作高应变速率区域中弹性模量的指标。
在本发明中，附着力表示为当一次涂层在玻璃板表面上形成之后以200mm/min的牵引速率沿180°方向从玻璃板分离一次涂层50mm所需的力。在以下实施例中将提供它的更准确定义。
图1基于下述的本发明的实施例的结果，示出本发明光纤带的一次涂层的存储模量E′(25℃和110Hz)以及玻璃光纤和一次涂层之间附着力的正确范围。如图1所示，当一次涂层的25℃和110Hz时的存储模量E′在0.01kg/mm2-0.5kg/mm2范围内且附着力在10g/cm-100g/cm范围内时，在玻璃光纤和一次涂层之间界面不发生剥离，并且被覆光纤的生产率和可靠性均得到提高。
当一次涂层的存储模量E′小于0.01kg/mm2时，一次涂层在处理过程中容易发生内部破裂(空穴)。由于空穴增加传输损失，例如在低温环境-40℃中就是如此，因此，必须防止空穴的形成。
相反，当光纤带的被覆光纤中的存储模量E′超过0.5kg/mm2时，在玻璃光纤和一次涂层之间界面容易发生剥离。假设当高应变速率下的弹性模量太高时，在玻璃光纤和一次涂层之间界面产生大的应变，此时被覆光纤变形，导致发生剥离的可能性。在25℃和110Hz下尤其优选存储模量E′在0.02kg/mm2-0.3kg/mm2范围内。
通过增加玻璃光纤和一次涂层之间的附着力可防止界面上的剥离。然而，当附着力过大时，在连接光纤带到其它玻璃光纤时涂层难以集体剥离。因此，优选附着力小于或等于100g/cm。相反，当附着力小于10g/cm时，在玻璃光纤和一次涂层之间界面上有可能发生剥离。尤其优选附着力在15g/cm-75g/cm范围内。
当然，并非所有的光纤都形成带状，光纤也可组装成紧凑单元或插入到宽松的管子中。在这些情况下，只需考虑单个被覆纤维的剥离。在此情形中，存储模量E′与玻璃光纤和一次涂层之间的附着力都可制作得比上述用于纤维带的被覆光纤中的更大，这可增加防剥离性能。
图4基于下述的本发明的实施例的结果示出一个这样的区域，在此区域中被覆光纤的一次涂层的存储模量E′以及玻璃光纤和一次涂层之间的附着力都正确，并且在不需考虑涂层集体剥离的情况下有可能剥离单个被覆纤维。
如图4所示，甚至在一次涂层的25℃和110Hz时的存储模量E′在0.01kg/mm2-2.0kg/mm2范围内，且玻璃和一次涂层之间的附着力在100g/cm-200g/cm范围内时，在玻璃和一次涂层之间界面上也不会发生剥离，因此，被覆光纤的生产率和可靠性均得到提高。
当25℃和110Hz时的存储模量E′小于0.01kg/mm2时，一次涂层在处理过程中有可能发生内部破裂(空穴)，并且低温下传输损失趋于增大。当存储模量E′超过2.0kg/mm2时，在玻璃光纤和一次涂层之间界面上有可能发生剥离。
如图1所示，尽管在玻璃光纤和一次涂层之间的附着力最小为10g/cm是令人满意的，但在只考虑剥离单个被覆纤维的剥离能力的情况下，由于防剥离性能增加，因此优选附着力大于或等于100g/cm。当附着力超过200g/cm时，在连接光纤到另一光纤的情况下难以对单个被覆纤维进行剥离。
在本发明中，玻璃光纤自身的成分、结构和生产方法不受特别的限制，并可以与本技术领域中已公知的一样。
在本发明中只要一次涂层的涂层材料满足本发明的存储模量E′和附着力就可以。尽管涂层材料例如为甲基丙烯酸树脂，如尿烷甲基丙烯酸树脂、聚丁二烯甲基丙烯酸树脂、聚醚甲基丙烯酸树脂、聚酯甲基丙烯酸树脂或环氧甲基丙烯酸树脂；不饱和聚酯；阳离子聚合的环氧树脂；丙烯基化合物树脂；或者包括上述树脂混合物的紫外线固化树脂，但涂层材料并不受它们的限制。这些树脂可以是包含各种成分的复合树脂，并且，例如，如果需要的话，可向其中添加各种反应单体、聚合引发剂以及各种添加剂如链转移剂、抗氧化剂、光稳定剂、增塑剂、硅烷耦合剂、聚合抑制剂、感光剂和润滑添加剂。在本发明中，树脂和复合树脂一般统称为“树脂”。
对于本发明的一次涂层，必需选择其存储模量E′和其对玻璃光纤的附着力都在本发明以上规定的范围内的材料。
一次涂层的存储模量E′可由在构成树脂构架的齐聚物中的聚醚分子量和反应稀释剂单体的种类调整，其中，所述树脂用作涂层材料。也就是说，可通过例如减小聚醚的分子量、增加多功能单体的混合量或选择高硬度单体来提高存储模量E′。
而且，可通过使所述复合物包含大量高硬度苯环等的部分来增加存储模量E′。
可通过改变粘性单体在用作一次涂层的涂层材料中的含量以及硅烷耦合剂的添加比例(包括0)，调整玻璃光纤和一次涂层之间的附着力。粘性单体为例如异聚莰醇基丙烯酸酯、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮或丙烯酰吗啉。
尽管在本发明中没有特别限制绕一次涂层外部形成的二次涂层以及后续涂层，但优选地，这些涂层的杨氏模量高于一次涂层的杨氏模量并且用作保护层，这些涂层的杨氏模量为例如50kg/mm2-150kg/mm2。虽然与一次涂层相似的树脂可用作这些涂层的材料，但是，通过例如往最外层添加着色剂就可以形成彩色光纤。
对于在拉制光纤之后立即形成涂层如一次涂层和二次涂层的方法没有限制，此方法可与本技术领域中公知的方法一样。例如，在例如用热或光硬化的能量固化树脂的情况下，通过用相应能量的辐射固化涂层材料而形成涂层。使用紫外线固化树脂具有固化时间更短的优点。
本发明中，在被覆光纤还设置有一体的护套以便形成光纤带的情况下，生产线上的剥离减少，并且与传统产品相比，本发明产品的涂层的集体剥离性得到提高。
图3是示出光纤带8的实施例的横截面示意图，其中，光纤带8通过平行放置多根彩色纤维6并用一体的护套7集体涂敷彩色纤维6而形成，在每根彩色纤维6中，彩色层5环绕图2所示被覆光纤4的外部形成。
一般而言，例如，与一次涂层和二次涂层相似，并且其杨氏模量例如为大约50kg/mm2-150kg/mm2的紫外线固化树脂，用作光纤带的一体的护套材料。此护套用公知的方法形成。
图5示出光纤单元11的结构的具体实施例，其中，光纤单元11通过捆扎多根彩色纤维6而形成，彩色层5环绕每个被覆光纤4的外部形成，每个被覆光纤4围绕中心张力部件12，而且，用一体的护套9和10共同涂敷彩色纤维6。但除了以上示出的结构以外，其它各种结构也是公知的。一体的护套的材料可以是与上述光纤带相似的树脂。护套通过公知的方法形成。
实施例虽然下面详细描述了本发明的实施例，但本发明并不受它们的限制。
(实施例1-4，比较例1-4以及比较例1′-4′)当生产两层被覆光纤时，相对较软的可光硬化的尿烷丙烯酸树脂用作一次涂层的材料，并且相对较硬的可光硬化的尿烷丙烯酸树脂用作二次涂层，在两层被覆光纤中，一次涂层环绕外径为125μm的石英玻璃光纤的外部形成，以获得外径200μm，并且二次涂层环绕一次涂层形成，以获得外径240μm。
为了调整附着力，制备作为一次涂层材料的树脂，在树脂中以不同的比例包含有极性单体(如丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮或丙烯酰吗啉)或者硅烷耦合剂。
首先，进行测试，测量一次涂层材料的存储模量E′以及其对玻璃的附着力，其中玻璃的材料与玻璃光纤的相同。
关于存储模量E′的测量，每种一次涂层材料形成为片状，并在氮气气氛中用水银灯(Eye Graphics制造的金属氯化物灯M015-L312)进行1000mJ/cm2的紫外光照射[用Ohku Seisakusho制造的UV计UV-M10(光谱感光率UV-35)测量紫外光的量]，由此获得厚为200μm的片。从此片切下宽4mm、长20mm且厚200μm的试样，而且，使用Rheo-Vibron(Orientic Corporation制造)作为弹力计，在110Hz频率下以振动位移0.016mm，测量试样的存储模量E′。
用以下顺序测量附着力(1)把石英玻璃板(200mm×150m)浸在硫酸中5分钟以上，清洗其表面。
(2)把用于形成一次涂层的树脂液体涂敷到已清洗的石英玻璃板上，用与上述相同的水银灯进行100mJ/cm2的紫外光照射，从而被固化。由此获得试样，其中固化的树脂层厚200μm、宽50mm且长170mm。
(3)把获得的试样放在25℃且50％RH的气氛中，长达一周。
(4)然后，从石英玻璃板沿180°方向以200mm/min的牵引速率，每个试样的树脂层剥离50mm。在此情况中所需的最大力(g/cm，每单位宽度)定义为在玻璃光纤和一次涂层树脂之间的附着力，并被认为是玻璃光纤和一次涂层之间的附着力，其中，玻璃光纤由相同材料制成。
一次涂层环绕外径为125μm的石英玻璃光纤的外部形成，以获得外径200μm，并且二次涂层环绕一次涂层形成，以获得外径240μm。形成一次涂层使之具有如表1所示的对玻璃光纤的附着力及存储模量E′的各种组合，表1基于以上测试的结果，而且，为了固化一次涂层和二次涂层，使用一个由Fusion UV Systems，Inc.制造的UV炉F-10以200m/min的拉制速度生产被覆光纤(实施例1-4，比较例1-4以及比较例1′-4′)。
有无剥离和空穴(涂层的内部破裂)发生的测试和评估在生产后，被覆光纤从卷轴退绕出，并浸在匹配油中，该匹配油的折射率调整成与涂层相同(如果不浸在匹配油中，对玻璃光纤和涂层之间界面的观察是不可能的)，并且用光学显微镜以50X的放大倍数从被覆光纤的侧面观察。规定其中空穴和剥离都不发生的情况是合格的。
对涂层集体剥离性的评估用得到的被覆光纤生产纤维带，并且，用手工和加热去除器JR-4A(商品名，住友电器工业(株)制造)集体剥离纤维带的涂层。规定在90℃加热温度下可从玻璃光纤表面除去涂层是合格的。当玻璃光纤和涂层之间界面的附着力太大时，涂层不能从玻璃光纤剥离。
以上结果在表1和图1中示出。
表1
图1中，水平坐标轴代表存储模量E′(kg/mm2)，垂直坐标轴代表玻璃和一次涂层之间的附着力(g/cm)，“○”表示本发明实施例中正确的附着力(没有剥离，没有空穴，并有良好的涂层集体剥离能力)，“×”表示发生剥离，“+”表示发生空穴，并且“□”表示纤维带涂层的集体剥离失败。在附图中，对角线阴影区表示存储模量E′和附着力都正确的区域。附图示出，当存储模量E′和附着力都在本发明范围内时，不发生剥离和空穴，且涂层的集体剥离能力高。
(实施例5-9和比较例5-6)以与上述实施例1相似的方式生产被覆光纤，其中，如表2所示，存储模量E′以及玻璃和一次涂层之间的附着力是不同的(实施例5-9和比较例5-6)。以与实施例1相似的方式对所得到的被覆光纤进行剥离和空穴测试，进而，其涂层剥离能力的评估如下。测量和评估结果在表2和图4中示出。
涂层剥离能力的评估用涂层剥离器“No-Nick NN203”(商品名，Clauss Inc.制造)剥离被覆光纤的涂层。规定在涂层不能从玻璃光纤剥离的情况下单个被覆纤维的剥离是困难的，这样的情况在表II中用“×”标记出。在表II中，“○”意味着单个被覆纤维的剥离是容易的。
表2
在图4中，水平坐标轴代表存储模量E′(kg/mm2)，垂直坐标轴代表玻璃和一次涂层之间的附着力(g/cm)，“○”表示本发明实施例中正确的附着力(没有剥离，没有空穴，并有良好的涂层剥离能力)，“×”表示发生剥离，并且“□”表示被覆光纤的单个被覆纤维的剥离失败。在附图中，对角线阴影区表示存储模量E′和附着力都正确的区域。附图示出，当存储模量E′和附着力都在本发明范围内时，不发生剥离和空穴并且涂层的剥离能力高。
产业上的适用性如上所述，根据本发明，被覆光纤的剥离抗力增大，在拉制和卷绕工艺过程中的剥离问题可得到解决，并且防止在涂层内发生空穴。由此提高了被覆光纤的生产率和质量。
在使用本发明被覆光纤的光纤带中，涂层的集体剥离能力提高，并且，在例如连接其它光纤时，工作效率提高。
由于使用本发明被覆光纤的光纤单元具有高的防剥离性能，且使单个被覆纤维的剥离容易，因此，在例如连接另一光纤时，工作效率提高。
权利要求
1.一种被覆光纤，具有至少一个环绕玻璃光纤外部形成的涂层，其中，与所述玻璃光纤接触的一次涂层的25℃和110Hz时的存储模量E′在0.01kg/mm2-2.0kg/mm2的范围内，且所述玻璃光纤和所述一次涂层之间的附着力在10g/cm-200g/cm的范围内。
2.根据权利要求1所述的被覆光纤，其中，上述存储模量E′在0.01kg/mm2-0.5kg/mm2的范围内，且上述附着力在10g/cm-100g/cm的范围内。
3.根据权利要求1所述的被覆光纤，其中，上述存储模量E′在0.01kg/mm2-2.0kg/mm2的范围内，且上述附着力在100g/cm-200g/cm的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的被覆光纤，其中，所述一次涂层由紫外线固化树脂制成。
5.一种光纤带，其中，平行排列如权利要求1、2或4所述的多根被覆光纤，并用一体的树脂护套进行集体涂敷。
6.一种光纤单元，其中，排列如权利要求1、3或4所述的多根被覆光纤，并用一体的树脂护套进行集体涂敷。
全文摘要
提供一种被覆光纤,其中,通过用25℃和110Hz时的存储模量E′为0.01kg/mm
文档编号C03C25/10GK1378655SQ00814164
公开日2002年11月6日 申请日期2000年11月2日 优先权日1999年11月5日
发明者铃木厚, 服部知之, 田中和典, 细谷俊史 申请人:住友电气工业株式会社