专利名称：多层共挤出法连续制备阶跃型塑料光纤的方法
技术领域：
本发明属于高速光通讯网络中的宽带接入网领域与信息通讯的多媒体材 料技术领域，特别是涉及折射率沿突变性的阶跃型塑料光纤的制备方法。
背景技术：
现代通讯正以突飞猛进的速度向高速、大容量方向发展。多媒体通讯的 兴起要求其传输的信息内容丰富、频带宽。为此对接入网的带宽的要求与日 俱增。故需把通讯网络，特别是家庭接入网拓宽，使之适合于通讯高速公路 的需要。目前，光纤通讯发展极为迅速，其触角已经遍及邮电通讯主干线、 铁路、电力系统、广播电讯、交通系统、计算机网络、军事、工业企业内部 通讯等领域。但利用玻璃光纤为光信息的传输介质在家庭接入网中，却遇到 了综合价格高、维护和安装费用昂贵等难题。所以目前世界各国均采用光纤
到路边的方式(FTTC)。即采用玻璃光纤与电缆混合接入网。由于受到电缆的 低速限制，致使整个网络系统出现瓶颈效应，所以无法实现高速运行。这便 是人们所熟知的"最后一英里问题"。己成为阻碍信息高速公路直达千家万户
最大的难题之一。
可提供宽带接入业务的传输媒质包括双绞线、同轴电缆、石英光纤和塑 料光纤。石英光纤能完全满足带宽和电磁兼容性的要求，但其芯径很小(8 65um)，连接中要求较高的对准精度，从而给连接带来诸多不便，成本高是 阻碍其在短距离通信网络中应用的主要因素。因此，在短距离的通信网络中 通常使用双绞线。双绞线的成本较低，但带宽小、损耗大、电磁兼容性差。 塑料光纤(POF)在高速短距离通信网络中具有显著竞争力，它东100 1000m 范围内带宽可达数MHz，而成本与双绞线相当。塑料光纤的数值孔径大(0.3 0.5)，连接时不必苛求精确对准，且其芯径大(0.5 lmm)，连接时易于对准， 可以使用廉价的注塑连接器，因而塑料光纤的连接简便且成本较低。另外，
塑料光纤的重量轻，可挠性好，易于在狭窄的空间内铺设。因此，塑料光纤
将成为实现光纤到家(FTTH)的理想的终端传输媒质，并可直接用于工业控 制，成为工控网络的传输媒质。
塑料光纤接入网的综合成本(包括塑料光纤、网络器件、网络施工费用、 网络维护费用等)将比利用玻璃光纤为介质低得多，是未来光纤入户和计算 机局域网光纤化的理想系统。塑料光纤的缺点是信号衰减稍大，只适用于短 途通信，使用寿命约为十年。所以如何降低塑料光纤对光信号的衰减是当前 研究的主要方向。
近年来，塑料光纤在照明、灯饰、太阳能的利用等领域又有了新的应用。 从而使塑料光纤的需求量大幅度增长。在这些领域中，塑料光纤不但需要有 较好的传光性能，同时要求塑料光纤有更好的柔韧性，以便满足在上述领域 的使用过程中的需要。为使塑料光纤有较好的柔韧性，通常使用一种柔韧性 更好的外包层材料，比如在以聚甲基丙稀酸甲酯为芯材的塑料光纤体系中采 用聚偏氟乙烯为外包层材料。由于聚偏氟乙烯具有较好的柔韧性，使得塑料 光纤整体的柔韧性有较大的提高。但是由于两种材料具有不同的物性，所以 在共挤出时，两种不同种类的材料黏度、流变形能、乃至材料的相容性均有 所差异，导致在形成的两层塑料光纤的接合处形成缺陷，所以势必影响塑料 光纤的光学性质。大量的实践已经表明上述问题的存在。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有工艺存在的缺陷，提供一种多层共挤出 法连续制备阶跃型塑料光纤的方法，以得到低衰减且柔韧性好的阶跃型塑料光纤。
阶跃型塑料光纤的特点是折射率沿径向呈突变分布的塑料光纤。阶跃型 塑料光纤通常由两层材料组成，两层材料呈同心圆形的圆柱体。通常阶跃型 塑料光纤由两台单螺杆挤出机经共挤工艺制备。由于塑料光纤口径较大，通 常纤径高达lmm。从而造成塑料光纤的柔韧性能下降。为克服这种工艺的缺 点，本发明提出多层共挤出的方法，在通常两层的基础上，增加一层柔韧层， 以增加塑料光纤的柔韧性，此层包裹在光纤的最外层，从而不影响光纤的通 光性能，同时可大大增加塑料光纤的柔韧性。另外根据需要，也在拉制光纤
的同时，再增加外保护层，形成四层结构，从而使塑料光纤光缆的生产在同 一机组上同时完成。
本发明提出在两层结构的塑料光纤体系中，增加一层反光层(通常称为 包层)，然后在外层的反光层外再包裹一层柔韧层，以便在保持塑料光纤良好 的光学性能的同时，大幅度提高塑料光纤的柔韧性。如果在反光层与柔韧层 之间的结合仍有问题，也可以在它们之间再增加一层过渡层，形成四层结构 的塑料光纤。三层材料或更多层材料的形成是同时在三个或更多的单螺杆挤 出机中经共挤模头挤出，形成塑料光纤。
本发明的多层共挤出法连续制备阶跃型塑料光纤的方法包括以下步骤
(1) .将制备塑料光纤的芯层材料、反光层材料以及柔韧层材料的高聚物 母粒分别置于各自的单螺杆挤出机中；通常需要2 4个单螺杆挤出机。
(2) .分别将步骤(1)所述的单螺杆挤出机的出料口对接到一中心圆孔 与一个具有2 4个同芯环形的各层共挤圆管模具相连接的圆管，然后将具有 不同物性的透明或不透明的芯层材料、反光层材料以及柔韧层材料的高聚物 母粒在各自的挤出机中加热熔融后(加热温度为所述的高聚物母粒所需熔融 温度)，通过各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口同步 挤出，经共挤模具机头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的纤维状物 体，即多层纤维状的阶跃型塑料光纤，光纤的直径从0.2mm到3mm。
在制备多层纤维状的阶跃型塑料光纤时，可进一步加装一台单螺杆机， 此台单螺杆挤出机装有保护层聚合物材料，将该单螺杆挤出机的出料口连接 到与上述同心环形的各层共挤圆管模具相连接的圆管，经一个共挤模具同步 挤出并经牵引机拉伸得到带有保护层材料的多层纤维状的阶跃型塑料光纤， 光纤的保护层厚度大于0.5mm。
本发明的方法可通过共挤出模具，可同时挤出2层至4层或更多层的同 心圆柱体结构的纤维状物体。
所述的芯层聚合物材料的折射率大于反光层聚合物材料的折射率，反光 层聚合物材料的折射率大于或等于柔韧层聚合物材料的折射率；保护层聚合 物材料的折射率不作要求。
所述的芯层聚合物材料置于同心环形的共挤模具的中心圆孔处，反光层 聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第--层，柔韧层聚合
物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第二层；即得到芯层聚合 物材料的外层为反光层聚合物材料层，反光层聚合物的外层为柔韧层聚合物
材料层。
所述的芯层聚合物材料置于同心环形的共挤模具的中心圆孔处，反光层 聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第一层，柔韧层聚合 物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第二层，保护层聚合物材 料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第三层；即得到芯层聚合物材 料的外层为反光层聚合物材料层，反光层聚合物的外层为柔韧层聚合物材料 层，柔韧层聚合物的外层为保护层聚合物材料层。
所述的芯层聚合物材料选自聚甲基丙稀酸甲酯、聚甲基丙稀酸乙酯、聚 甲基丙稀酸异丙酯、聚甲基丙稀酸苯酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等。
所述的反光层聚合物材料选自聚甲基丙稀酸三氟乙酯、聚甲基丙稀酸三 氟丙酯、聚甲基丙稀酸五氟丙酯、甲基丙稀酸甲酯与甲基丙稀酸三氟乙酯或 甲基丙稀酸甲酯与甲基丙稀酸五氟丙酯所形成的共聚物等。
所述的柔韧层聚合物材料选自聚偏氟乙烯、氟塑料或四氟乙烯与六氟丙 烯的共聚物(THV类氟塑料)等。
所述的保护层聚合物材料选自聚乙烯或聚氯乙烯等。
本发明的多层共挤出法连续制备阶跃型塑料光纤的方法，可一步完成阶 跃型塑料光纤的生产，本方法可实现大批量生产阶跃型塑料光纤。
图l.本发明实施例1的光纤截面示意图。 图2.本发明实施例2、 3的光线截面示意图。 附图标记
l.芯层 2.反光层 3.柔韧层 4.保护层
具体实施例方式
实施例1.
首先将3种高聚物母粒分别置于三台单螺杆挤出机中，其中聚甲基丙烯
酸甲酯为芯层材料，聚甲基丙烯酸五氟丙酯为反光层材料，聚偏氟乙烯为柔
韧层材料。
分别将上述的单螺杆挤出机的出料口对接到一中心圆孔与一个具有4个 同心环形的4层共挤圆管模具相连接的圆管，然后将芯层材料、反光层材料 与柔韧层材料的高聚物母粒在各自的挤出机中加热熔融后(均为230°C)，通 过各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口 ，以芯层材料 挤出机:反光层材料挤出机:柔韧层材料挤出机的出料挤出比为10:0.5:0.5同步 挤出，其中，芯层聚合物材料置于同心环形的共挤模具的中心圆孔处，反光 层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第一层，柔韧层聚 合物材料置于靠近同芯环形的共挤模具的中心圆孔的第二层；经共挤模具机 头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的lmm的纤维状的阶跃型塑料光 纤。光纤的形态如图1所示。经测试所得的光纤光衰减为H0dB/km，柔韧性 指标为30次折返。
实施例2.
首先将4种高聚物母粒分别置于四台单螺杆挤出机中，其中聚甲基丙烯 酸甲酯为芯层材料，聚甲基丙烯酸五氟丙酯为反光层材料，聚偏氟乙烯为柔 韧层材料，聚氯乙烯为外保护层材料。
分别将上述的单螺杆挤出机的出料口对接到一中心圆孔与一个具有4个 同心环形的4层共挤圆管模具相连接的圆管，然后将芯层材料、反光层材料、 柔韧层材料与保护层材料的高聚物母粒在各自的挤出机中加热熔融后，通过 各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口 ，以芯层材料挤 出机:反光层材料挤出机:柔韧层材料挤出机:保护层材料的挤出机的出料挤出 比为10:0.5:0.5:20同步挤出，其中，芯层聚合物材料置于同心环形的共挤模具 的中心圆孔处，反光层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔 的第一层，柔韧层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第 二层，保护层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第三层; 经共挤模具机头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的1.5mm的纤维状 的阶跃型塑料光纤。光纤的形态如图2所示。经测试所得的光纤光衰减为 187dB/km，柔韧性指标为30次折返。 实施例3.
首先将4种高聚物母粒分别置于四台单螺杆挤出机中，其中聚苯乙烯为 芯层材料，聚甲基丙烯酸甲酯为反光层材料，聚偏氟乙烯为柔韧层材料，聚 氯乙烯为外保护层。
分别将上述的单螺杆挤出机的出料口对接到一中心圆孔与一个具有4个
同心环形的4层共挤圆管模具相连接的圆管，然后将芯层材料、反光层材料、
柔韧层材料与保护层材料的高聚物母粒在各自的挤出机中加热烙融后，通过 各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口，以芯层材料挤
出机:反光层材料挤出机:柔韧层材料挤出机:保护层材料的挤出机的出料挤出 比为10:0.5:0.5:20同步挤出，其中，芯层聚合物材料置于同心环形的共挤模具 的中心圆孔处，反光层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔 的第一层，柔韧层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第 二层，保护层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模具的中心圆孔的第三层； 经共挤模具机头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的2.5mm的纤维状 的阶跃型塑料光纤。光纤的形态如图2所示。经测试所得的光纤光衰减为 850dB/km，柔韧性指标为40次折返。
权利要求
1.一种多层共挤出法连续制备阶跃型塑料光纤的方法，其特征是，该方法包括以下步骤(1).将制备塑料光纤的芯层材料、反光层材料与柔韧层材料的高聚物母粒分别置于各自的单螺杆挤出机中；(2).分别将步骤(1)所述的单螺杆挤出机的出料口对接到一中心圆孔与一个具有2～4个同芯环形的各层共挤圆管模具相连接的圆管，然后将具有不同物性的透明或不透明的芯层材料、反光层材料与柔韧层材料的高聚物母粒在各自的挤出机中加热熔融后，通过各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口同步挤出，经共挤模具机头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的多层纤维状的阶跃型塑料光纤。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是在制备多层纤维状的阶跃型塑 料光纤时，进一步加装装有保护层聚合物材料的单螺杆挤出机，将该单螺杆 挤出机的出料口连接到与权利要求1中的同心环形的各层共挤圆管模具相连 接的圆管，经一个共挤模具同步挤出并经牵引机拉伸得到带有保护层材料的 多层纤维状的阶跃型塑料光纤。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的芯层聚合物材料置于同 心环形的共挤模具的中心圆孔处，反光层聚合物材料置于靠近同心环形的共 挤模具的中心圆孔的第一层，柔韧层聚合物材料置于靠近同心环形的共挤模 具的中心圆孔的第二层；得到芯层聚合物材料的外层为反光层聚合物材料层， 反光层聚合物的外层为柔韧层聚合物材料层的多层纤维状的阶跃型塑料光 纤。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的芯层聚合物材料置于同 芯环形的共挤模具的中心圆孔处，反光层聚合物材料置于靠近同芯环形的共 挤模具的中心圆孔的第一层，柔韧层聚合物材料置于靠近同芯环形的共挤模 具的中心圆孔的第二层，保护层聚合物材料置于靠近同芯环形的共挤模具的 中心圆孔的第三层；得到芯层聚合物材料的外层为反光层聚合物材料层，反 光层聚合物的外层为柔韧层聚合物材料层，柔韧层聚合物的外层为保护层聚 合物材料层的多层纤维状的阶跃型塑料光纤。
5. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的方法，其特征是所述的多层纤维状 的阶跃型塑料光纤的直径从0.2mm到3mm。
6. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的方法，其特征是所述的芯层聚合物 材料的折射率大于反光层聚合物材料的折射率，反光层聚合物材料的折射率 大于或等于柔韧层聚合物材料的折射率。
7. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的方法，其特征是所述的芯层聚合物 材料选自聚甲基丙稀酸甲酯、聚甲基丙稀酸乙酯、聚甲基丙稀酸异歯酯、聚 甲基丙稀酸苯酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
8. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的方法，其特征是所述的反光层聚合 物材料是聚甲基丙稀酸三氟乙酯、聚甲基丙稀酸三氟丙酯、聚甲基丙稀酸五 氟丙酯、甲基丙稀酸甲酯与甲基丙稀酸三氟乙酯或甲基丙稀酸甲酯与甲基丙 稀酸五氟丙酯所形成的共聚物。
9. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的方法，其特征是所述的柔韧层聚合物材料选自聚偏氟乙烯、氟塑料或四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物。
10. 根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的芯层聚合物材料选自 聚甲基丙稀酸甲酯、聚甲基丙稀酸乙酯、聚甲基丙稀酸异丙酯、聚甲基丙稀酸苯酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯；所述的反光层聚合物材料选自聚甲基丙稀酸三氟乙酯、聚甲基丙稀酸三 氟丙酯、聚甲基丙稀酸五氟丙酯、甲基丙稀酸甲酯与甲基丙稀酸三氟乙酯或甲基丙稀酸甲酯与甲基丙稀酸五氟丙酯所形成的共聚物；所述的柔韧层聚合物材料选自聚偏氟乙烯、氟塑料或四氟乙烯与六氟丙 烯的共聚物。
全文摘要
本发明属于高速光通讯网络中的宽带接入网领域与信息通讯的多媒体材料技术领域，特别是涉及到折射率为突变性的阶跃型塑料光纤的制备方法。本发明提出的连续多层复合挤出法，是通过一同芯环形的各层共挤圆管模具，在通常两层的基础上，增加一层柔韧层，以增加塑料光纤的柔韧性，此层包裹在光纤的最外层，从而不影响光纤的通光性能，同时可大大增加塑料光纤的柔韧性。另外根据需要，也可在拉制光纤的同时，再增加外保护层，形成四层结构，从而使塑料光纤光缆的生产在同一机组上同时完成。
文档编号B29C47/06GK101190562SQ20061011475
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者刘新厚, 珍 甄 申请人:中国科学院理化技术研究所