|
一、引言 近年来，在我国信息通信网络持续的大规模建设，特别是3G网络建设的带动下，光纤销量已突破1亿芯公里，成为全球最大的光纤消费市场。2012年3月30日召开的“宽带普及提速工程动员部署大会”上传出消息，工业和信息化部联合七个部门近日共同印发了《关于实施宽带普及提速工程的意见》，确定2012年内实现使用4M及以上宽带接入产品的用户超过50％。中国电信、中国移动、中国联通是宽带普及提速工程的主要实施者。目前，三家公司都制定了具体实施计划。得益于“宽带中国”战略对光纤的大量需求，2012年市场对光纤的需求迅速增加，使得光纤业基本面出现好转。市场分析人士预计，今年，在3G建设对光纤需求相对稳定的背景下，宽带建设对光纤的需求将毫无悬念地大幅度增加，从而带动光纤市场出现爆发性增长。面对强劲的市场需求，各大光纤厂家都在积极的进行生产工艺改进，使用大直径的光纤预制棒和提高拉丝速度成为增加光纤产量的首选，在高速拉丝中如何获得高质量涂覆的光纤是必须面对的问题之一，以下将对光纤涂覆质量影响因素和异常进行讨论。 1、影响光纤涂覆的因素分析 光纤涂覆作为拉丝生产的一个重要环节，光纤涂覆材料和涂覆工艺对成品光纤质量的影响不可轻视。高质量的光纤要求有稳定的外径，高的机械强度、较低的衰减水平、还要尽量少的缺陷，这些都与光纤涂覆有着直接或间接的关系。我们主要从以下几个方面来探讨影响涂覆质量的因素： （1）光纤涂料 光纤紫外光固化涂料（简称光纤涂料）是光纤生产中广泛采用的高分子材料，对光纤的性能如衰减、强度、可靠性和稳定性起着重要作用，光纤涂料中光引发剂的选择和浓度直接影响固化速度，一旦光纤涂层的固化速度低于拉丝速度就会出现光纤发粘，涂层与裸光纤发生剥离等现象。涂料的粘度变化随温度变化要平坦，且平坦区域要适当的拉长以保证生产过程中不会出现因涂料本身的原因而产生的涂覆不均匀，甚至断流的现象。在大尺寸预制棒拉丝中，一次连续拉丝持续的时间大大延长，涂料的挥发量累积效应更加突出，如果涂料的挥发量较高，很容易造成拉丝后期的涂覆质量问题。所以涂料的挥发也是需要重点考虑的因素。 （2）内涂层直径控制 光纤质量好坏的评判除了检测光纤传输性能、机械性能、环境性能外, 还要检测光纤的几何特性。光纤的几何特性主要指光纤丝径和光纤涂层的几何特性。光纤涂层中的关键参数包括内涂层直径。内涂层直径的优劣直接影响到光纤涂层的几何性能的好坏。 在光纤的实际生产过程中，影响光纤内涂层直径的冷却控制因素，除了冷却气体的种类外，还有冷却器的内部结构设计、冷却长度、拉丝塔的高度等因素，我们可以通过安装冷却气体流量的自动调节装置， 达到自动控制内涂层直径的目的。对于二次涂覆工艺，内涂层直径的自动控制比较简单，只要通过冷却气体的流量自动调节拉丝塔内涂层直径在线测试仪的测试值，即可达到自动控制内涂层直径的目的。对于一次涂覆工艺，内涂层直径的自动控制比较复杂，但也可实现。可以通过光纤外涂层涂料的输送压力，控制光纤外涂层的厚度, 再通过冷却气体流量自动调节器达到内涂层直径自动控制。这必须先将气体流量和外涂层涂料压力的关系模型设定在控制程序中，且控制程序会结合管道压力损耗做自动修正。不过需要指出的是此工艺对控制模型和精度要求非常高。 （3）UV固化系统 光纤拉丝用的UV固化系统主要由紫外光源、电源、反射器、冷却风机、排气装置和辅助的石英中心管构成，光纤涂覆完成后通过UV光源的辐照，使涂料中的光引发剂受激变为自由基或阳离子，从而引发涂料中含不饱和双键物质间的化学反应（主要是各类聚合反应），最后形成固化了的体型结构，整个固化过程完成。 光纤涂层的固化度如果不足，则会影响光纤的光学性能、环境性能、外观及后续的使用。如光纤的外涂层固化过度，则在光纤着色中容易造成着色不均匀或不上色。光纤涂层的表面固化度可以通过FTIR来测定，根据固化度的测量结果来对生产工艺进行调整。在生产中，可以对UV灯光强度的测量结果与涂层的固化度进行对照分析，由此判断UV光强度充足与否。另外UV灯系统的定期维护和保养、辅助石英中心管的透光率都需要重点关注，任何一个细小的环节做的不够，都会成为影响光纤固化度的因素。 （4）光纤搓动装置 光纤搓动装置是一种对涂覆后的光纤进行搓动，以此来逐渐抵消两个偏振模在光纤中传输时的相对相位时延，从而极大程度的降低光纤偏振模色散PMD值。其结构包括扭转搓动轮、过渡轮、工作面板、支架、电气控制台等。在光纤高速拉丝的过程中，光纤经过UV系统固化后马上通过搓动装置，这时光纤本身的温度较高也比较软，而且UV灯的出口与搓动装置距离很短，在这种状态下，如果搓扭动置偏离中心位置或者搓动轮的张力过大都会造成光纤涂层的损伤。拉丝生产前要充分的检查搓动装置的位置和运行状态，以保证搓动装置对光纤涂层质量的影响降到最低。 二、常见的涂覆异常及原因分析 1、光纤表面发粘 光纤表面发粘是拉丝过程中最常见的涂层异常，比较容易发现和控制。光纤表面发粘大体可以分为两种原因引起，一种是由于光纤的外涂层固化度不足导致，轻微表面发粘的光纤可以通过对涂层的二次固化进行处理，使之满足合格光纤的质量要求。另一种是因为在拉丝过程中，UV灯石英中心管内的涂料挥发物不能及时排出，粘附在光纤涂层表面造成的。 原因分析： （1）光纤拉丝中通过固化炉接收的UV灯功率不足； （2）UV灯的石英中心管内的氧气含量过高，使部分外层涂料没有发生聚合反应； （3）由于UV灯石英中心管组的氮气和氧气比例和抽风量的匹配不合理导致。 解决方案： （1）检查UV灯的相关组件，UV灯管发光功率是否正常、反射罩和UV灯管保护网是否污染、石英中心管是否清洁等。其中任何的条件不满足工艺要求均需要更换或者清洗直到确定满足工艺要求； （2）检查UV灯中心管内通入的氮气的管路是否有漏气、堵塞等，如有异常及时解决。如果光纤表面还是发粘则需增加氮气的流量； （3）通过试验确定合理的氮气和氧气的比例，采取必要的措施使拉丝中氧含量得以有效监控，可消除因挥发物引起的光纤表面发粘问题。 2、光纤内涂层固化不良 内涂层固化不良的光纤一般都能较顺利的通过张力筛选测试，相关的参数指标正常，在强光灯下光纤涂层上可以看到一些亮点，显微镜观察异常明显（如图1），在可见光下目视不能发现该异常。光纤的内涂层固化不良会引起裸光纤与内涂层的粘结力降低，严重时会发生分离；内涂层固化不良的光纤在有一定的角度下用手加力去拉，很容易就可以拉断；内涂层固化不良严重影响光纤的机械性能和环境性能，剥离力、拉伸强度和环境温性能试验均不能满足国家的标准要求。针对对内涂层固化不良的光纤进行二次固化后进行试验评估，发现机械性能在二次固化后达到合格标准，但是环境性能仍然不能满足国家标准要求。 原因分析： 在Wet-on-Wet（湿对湿）涂覆工艺中，由于内涂层和外涂层同时进行涂覆，光纤拉丝中第一盏和第二盏UV灯系统对内涂层的固化影响最大，发生内涂层固化不良现象中，一般都为UV灯系统发生异常或者维护不足造成。 解决方案： 检查UV灯的相关组件，UV灯管发光功率是否正常、反射罩和UV灯管保护网是否污染、石英中心管是否清洁等。其中任何的条件不满足工艺要求均需要更换或者清洗直到确定满足工艺要求。  图1 光纤内涂层固化不良 光纤的涂层损伤主要有外涂损伤和内涂层损伤，外涂层损伤多为外部原因造成的的擦伤，显微镜观察异常明显（如图2），它主要表现在光纤表面发白。内涂层损伤多为光纤搓扭装置搓伤，使内涂层和裸光纤之间发生分层。内涂层搓伤的光纤在强光下会看到光纤的表面有不连续白线，显微镜观察异常明显（如图3）。可见光下一般很难发现异常。内涂层搓伤会分层且严重影响光纤的机械性能和环境性能，剥离力、拉伸强度和环境温性能试验均不能满足国家的标准要求。 产生原因： （1）光纤拉丝过程中产生摩擦，导致外涂层擦伤； （2）光纤收线盘的表面粗糙，导致与盘子表面接触的光纤外涂层擦伤； （3）光纤在张力筛选的过程中跳出导轮或导轮有损伤，导致外涂层擦伤； （4）光纤搓扭轮位置偏离正常位置或者张力过大，导致内涂层搓伤。 解决方案： （1）检查光纤拉丝中是否擦到UV灯系统的虹膜、搓动轮子表面是否有损伤、拉丝主牵引的皮带是否有异物等； （2）仔细检查光纤收线盘的表面是否有损伤，如有问题及时更换； （3）检查张力筛选机的导轮是否有毛刺、损伤，光纤穿线通道中是否有异物等； （4）检查光纤搓动装置的中心位置是否合适，搓动轮的张力是否在工艺范围等。   图2 光纤外涂层擦伤 图3 光纤内涂层压伤 光纤涂层中有气泡不但会降低光纤涂层的附着力，还会降低光纤的拉伸强度，尤其是内涂层的气泡还会影响光纤的低温性能，因为内涂层含有的气泡在低温涂层收缩会造成光纤轴向受力不均匀，产生较大的附加损耗。涂层有气泡的光纤在强光灯下会看到光纤的表面有不连续白线，在显微镜下可以明显观察到气泡的形状（如图4和5）。涂层中的气泡一般分布在内涂层界面上或外涂层的界面上。可见光下一般很难发现异常。因此消除气泡是拉丝生产的一个重要课题。 产生原因： （1）拉丝涂料罐中的涂料本身存在着气泡； （2）拉丝模具中存在杂质或者异物引起； （3）涂料管道中存在空气； （4）保护气体流量不足； （5）涂料压力过低； （6）涂料的加热温度不合适使涂料的粘度过大； （7）其它。 解决方案： （1）保证涂料加入涂料罐中经过合适的热处理，气泡已经完全消除； （2）停止拉丝生产，首先检查重新清洗模具的密封是否存在问题，确认后重新清洗模具； （3）穿模前一定要先排放部分涂料直到涂料中没气泡为止，同时注意在清洗管道或更换涂料过滤器后必须排除管道或过滤器中的空气； （4）适当的增大保护气体的流量； （5）适当的增大涂料供给的压力； （6）适当的增加模座的加热温度，从而降低涂料的粘度，使流动性增加。   图4 光纤内涂层气泡 图5 光纤外涂层气泡 光纤的涂覆不均匀主要体现在光纤的涂层出现波浪状的凹凸等形状（典型图如如图7）。涂覆不均匀的光纤主要是体现在涂层直径波动上，严重的在光纤的涂层中会出现明显的突起或凹陷。由于外涂层不完整，涂层的致密性受到影响，长期使用后存在缺陷的芯径处更容易受到外界环境的侵蚀，光纤上的微裂纹生长速度大于涂层完整的光纤，因此此处的抗拉强度衰退速度快，涂层不均匀，会产生不均匀应力，当受到侧压力时，降低了抗剪切强度，容易折断，衰减也可能增加，同时这种涂层表面存在凹凸缺陷的光纤在着色中，会引起堵模断纤，容易引起客户的投诉。 产生原因： （1）涂料管道中有涂料流通不畅； （2）涂料过滤器发生堵塞； （3）模具变形或者清洗不干净； （4）光纤涂覆模具上口发生溢料； （5）裸光纤表面温度过高； （6）光纤抖动； （7）其它原因。 解决方案： （1）更换涂料管道； （2）更换涂料过滤器； （3）重新清洗模具，并且用显微镜认真检查拉丝模具； （4）检查涂覆压力和保护气体的流量是否正常； （5）检查裸光纤的冷却系统的密封性； （6）检查UV灯系统中的进气和出气管路，看是否存在堵塞。  图6 光纤涂覆不均匀图片 三、结论 为了使高速拉丝下光纤涂覆的质量处于受控状态，选择高品质的光纤涂料和成功的涂覆工艺是前提条件，同时要加强UV固化系统、光纤冷却装置和光纤搓动装置等设备的控制。通过对光纤涂覆异常的分析发现，内涂层固化不良、气泡，涂覆不均匀等异常并不会影响光纤的光学性能和传输性能指标，在光纤的常规检验中很难发现。但是这些异常的光纤在环境性能和机械性能方面都存在较大的质量隐患。一旦投入使用会造成很严重的后果。为了避免此类问题的发生必须对生产和检验的人员加强培训，同时增加光纤环境性能和机械性能试验的频次，并对光纤涂层采用合适的检验方法和控制手段。 |
|
|
