光纤涂层固化控制技术
??摘要：讨论了在光纤生产过程中，影响光纤涂层紫外固化度的几个重要因素，并着重指出了紫外固化炉结构的改进对光纤涂层固化度的影响。
??１ 前 言
??光缆的核心单元是光纤。衡量光纤质量的好坏，除了光纤的传输性能、几何性能、环境性能等外，还有光纤的机械性能。机械性能中包括筛选强度、涂层剥离力（strip force）、涂层拉出力（pullout）、光纤卷曲（curl）和光纤扭曲（twist）等。本文主要讨论光纤涂层拉出力的影响因素和生产过程中的实际控制方法，以供参考。
??２ 光纤涂层紫外固化简介
??光纤是由纤芯、包层和涂层组成。典型的纤芯是纯二氧化硅玻璃或者是掺锗的二氧化硅玻璃，而包层可能是纯二氧化硅玻璃或掺氟的二氧化硅玻璃。纤芯的直径取决于光纤的应用场合，而包层直径一般为125μｍ。光纤的聚合物涂层（一般为环氧丙烯酸酯或聚丙烯酸酯）的厚度为６０μｍ左右。因此，光纤的直径为２４５μｍ。其中，内涂层较软（弹性模量低，只有几百兆帕），外涂层较硬（弹性模量高，可达几万兆帕）。内涂层用于保护裸光纤表面免受机械损伤，并且在光纤使用中起到缓冲外界应力的作用。外涂层较硬则有利于光纤耐磨损。光纤熔接和连接时，必须从玻璃光纤表面上清洁干净地除去涂层。为了能够提供用很小的力就可以除去且不留下剩余物的涂层，则必须了解影响可剥性的涂层性能。而弄清这些效应，必须区别涂层的剥离力和涂层的拉出力。涂层的剥离力是由光纤的外涂层决定的；涂层的拉出力，也就是光纤内涂层和石英玻璃包层的粘结力，则取决于光纤的内涂层。在实际生产中，外涂层的固化基本达到饱和状态，所以需要控制到达光纤内涂层的紫外固化剂量，确保光纤的涂层拉出力符合光纤规范的要求。目前一般光纤产品的涂层拉出力要求在７．１２～１１．１２Ｎ之间，以满足光纤带的质量需要。
??３ 光纤内涂层紫外固化影响因素及其控制
??在光纤的实际生产过程中，影响其涂层拉出力的因素多种多样，较为复杂。本文以某光纤拉丝塔为例，探讨光纤生产过程中影响涂层拉出力的一些因素。
??３．１涂层拉出力测试误差
使用ＩＮＳＴＲＯＮ ４４６４通用材料试验机进行光纤的涂层拉出力试验前必须标定零位。把试验样品夹入气动夹具，载有１ｃｍ测量长度的一端夹入上边的夹具，另一端夹入下边的夹具。在确信夹具和样品无晃动后，开始试验和数据采集，试验样品被加上张力，在测量长度上玻璃裸光纤被从涂层中拉出。光纤被拉出１ｃｍ后数据采集自动停止，气动夹具回到初始位置。在进行了７个样品的试验后，结束本盘光纤的试验。计算机会自动计算出涂层拉出力平均值和标准偏差值。在对某个样品进行试验时，如果发生下列情形之一，应重新准备样品测试：１）光纤断裂；２）胶水块从方格纸上脱落；３）测量长度上的光纤从胶水块中脱出；４）玻璃光纤在非测量长度上被从涂层中拉出。测试操作工的样品准备熟练程度对涂层拉出力的最终测试结果也会产生很大影响，图１显示在一根光纤样品上涂层拉出力的正常测试数据分布情况（平均值为８．７２７８Ｎ，标准偏差为０．０４２）。而不熟练的操作工会使数据标准偏差增大，从而引起测试平均值的可信度降低。
??３．２环境温度的影响
??在测试涂层拉出力时，应注意环境温度对实际测试值的影响。一般来说，室温温度升高５℃，涂层拉出力会下降１．３３Ｎ左右。
??３．３涂料中光敏剂的影响
??紫外固化涂料的基本组成是紫外光可聚合的合成树脂（活性齐聚物）、光敏剂、活性稀释剂和一些特殊的添加剂。光敏剂又称紫外聚合引发剂，它是紫外固化涂料必不可少的组分。涂膜的固化速率在很大程度上取决于这一组分的品种和数量。它们多数是以近紫外区（３００～４００ｎｍ）光激发产生游离基的物质，它们对光敏感而对热稳定。在涂膜过程中，吸收紫外光能产生自由基，引发齐聚物和稀释剂交联反应成膜。
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??３．４拉丝速度和固化炉长度的影响
??光纤拉丝生产速度和固化炉长度决定了光纤在紫外固化炉中的相对停留时间，从而将直接影响光纤的涂层拉出力。这是拉丝塔设计时要考虑的两个重要因素。
??３．５紫外固化灯的发射波长能量分布的影响
??金属卤素灯由于其紫外光能量输出比汞灯高近４０％，所以非常适合固化厚的涂层和着色剂。同时也由于其高能量输出，有利于高速度生产，增加产量。
??３．６紫外固化灯管的影响
??一般来说，紫外固化灯管都有其使用寿命。在一定的输入电流和电压下，有紫外光能量输出。图２是弧光灯和磁控管灯的相对光照度曲线，可以看出磁控管灯的光照度在随时间变化的特性方面优于弧光灯。老化和有质量问题的灯管会影响光纤的固化质量，从而影响涂层拉出力。
??３．７ 紫外固化炉数量的影响
??在拉丝塔或一项新的拉丝生产工艺设计时，必须根据实际拉丝塔的高度和平面布置，结合生产速度等工艺参数，确定紫外固化炉的合适数量，以满足光纤涂层拉力的质量要求。
??３．８紫外固化炉输出功率的影响
??一般来说，一个固化炉往往设计成几档功率输出，以满足不同客户的要求，比如说，低档、中档和高档三个控制。图３是光纤层拉出力在三个控制档的实际测量值。
??３．９紫外固化炉反射镜的影响
??紫外固化炉在设计时，一般将若干紫外灯装在平行于光纤传送方向的平面上，使得光纤在灯源的焦点上传送。两个椭圆型的反射镜，一个置于灯的后面，另一个置于越过光纤的正对面，使照射光纤的紫外光聚集并反射在光纤上，以提高效能，加速固化。反射镜表面的干净程度也会影响涂层的固化水平。所以实际生产中需要保持反射镜表面的清洁，确保紫外光的反射效率。
??３．１０紫外固化炉中心管透射率的影响
??在实际生产过程中，当已涂覆的光纤通过紫外固化炉时，为使其免受空气的污染和振动，常常是将其穿过一根直径大约２ｃｍ的石英玻璃管。中心管的透射率在实际生产中对光纤的固化尤其重要。我们曾测试过波长５００ｎｍ处新的中心管的透射率为９２．９％，而用了一段时间的中心管的透射率为７７．７％；波长２７３ｎｍ处新的中心管的透射率为９１．２％，而用了一段时间的中心管的透射率为５５．８％。说明中心管应定期检查更换。
??３．１１紫外固化炉中心管中氮气流量的影响
??紫外固化涂料干燥过程中氧气的存在会使自由基反应变慢，因此常使用惰性气体氮气来避氧以加速固化。洁净干燥的氮气从石英管底部被引入，并以层流的方式向上到炉子顶端，这将起着排除氧气的作用，同时还可带出涂料中的挥发组分，使光纤免受污染，还可避免光纤因受灯源的红外辐射所致的过热问题。但如果氮气流量过小，会使中心管中单位时间内氧的绝对量减少，从而使中心管内壁容易被涂料中的挥发组分玷污而影响紫外光的透射率，进而影响光纤的涂层拉出力。当然氮气流量太大会在生产过程中使光纤抖动而断纤，造成损失。
??３．１２紫外固化炉中心管氧气含量的影响
??在实际拉丝生产过程中，中心管会不同程度地玷污涂料而影响紫外光的透射。我们跟踪了大约６０根光纤预制棒的拉丝过程，发现在中心管中充满１％氧气的状态下，装在固化炉上的光辐射强度监视器相对读数会下降０．５到１．２不等；而在１．５％的氧气环境下，从预制棒开始到结束，光辐射强度监视器相对读数基本不变，说明中心管中的氧气含量以保持生产过程中中心管内壁的洁净度很有好处。
??３．１３两个紫外固化炉之间距离的影响
??实验证明，两个紫外固化炉之间的距离对光纤的固化有影响。在拉丝机上从距离２０ｃｍ增加到３０ｃｍ，可以增加涂层拉出力约０．８９Ｎ。
??３．１４两个紫外固化炉之间光纤温度的影响
??实验也说明，在两个紫外固化炉之间光纤的温度对固化有影响。表面温度低的光纤涂层有利于固化。我们在两个紫外固化炉之间加装了一个小型的光纤冷却器，光纤涂层拉出力可以提高约０．４５～０．８９Ｎ。
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??３．１５紫外固化炉排风量的影响
??每一个紫外固化炉都装有抽风装置（ＵＶ ｅｘｈａｕｓｔ），确保紫外固化炉在正常工作时不至于因温度过高而烧坏炉子。一般来说，固化炉的抽风量有一个合适的设定范围，使固化炉排风口的温度介于６０～７０℃之间。抽风量太高，使固化炉内腔的温度过低，会引起紫外灯管发光不足，影响涂层的固化；如固化炉的抽风量太低，则固化炉内腔的温度太高而会影响灯管的使用寿命，并且也使光纤表面温度升高，影响下一次固化炉固化反应。我们曾经做了一个试验，每个紫外固化炉的抽风量在完全开足状态下为０．２４ｍ3／ｓ，如果将两个固化炉的抽风量同时调节到约０．１４ｍ3／ｓ时，光纤的涂层拉出力会增加０．４５～０．８９Ｎ。
??３．１６ 光纤在紫外固化炉中位置的影响
??在正式拉丝以前，必须做拉丝塔准直，以确保光纤的运行轨迹在各个设备的中心位置。如果光纤偏离固化炉的中心位置，很显然会影响光纤所能接受到的紫外光辐射剂量。在中心管的中心位置（反射镜聚焦点），光纤的紫外辐射能量最高，越是偏离中心位置，光纤的固化越差。
??３．１７光辐射强度监视器相对读数的影响
??在紫外固化炉上装有电子监视器，以测试到达光纤表面的光辐射强度，用相对指数０到１２表示。当处于新的灯管、新的反射镜、新的中心管等新设备状态下，监视器相对指数为１２。我们利用相对指数来监视并控制光纤的涂层拉出力。在实际生产中常常利用一个经验公式：
??式中Ｐ是拉丝设备所能达到的最大光纤涂层拉出力；Ｉ是到达光纤表面的紫外光的强度，与相对指数的平方根成正比；ｔ是光纤在固化炉紫外光中的暴露时间；ｂ和ｃ是常数。我们可
??１ 前 言
??光缆的核心单元是光纤。衡量光纤质量的好坏，除了光纤的传输性能、几何性能、环境性能等外，还有光纤的机械性能。机械性能中包括筛选强度、涂层剥离力（strip force）、涂层拉出力（pullout）、光纤卷曲（curl）和光纤扭曲（twist）等。本文主要讨论光纤涂层拉出力的影响因素和生产过程中的实际控制方法，以供参考。
??２ 光纤涂层紫外固化简介
??光纤是由纤芯、包层和涂层组成。典型的纤芯是纯二氧化硅玻璃或者是掺锗的二氧化硅玻璃，而包层可能是纯二氧化硅玻璃或掺氟的二氧化硅玻璃。纤芯的直径取决于光纤的应用场合，而包层直径一般为125μｍ。光纤的聚合物涂层（一般为环氧丙烯酸酯或聚丙烯酸酯）的厚度为６０μｍ左右。因此，光纤的直径为２４５μｍ。其中，内涂层较软（弹性模量低，只有几百兆帕），外涂层较硬（弹性模量高，可达几万兆帕）。内涂层用于保护裸光纤表面免受机械损伤，并且在光纤使用中起到缓冲外界应力的作用。外涂层较硬则有利于光纤耐磨损。光纤熔接和连接时，必须从玻璃光纤表面上清洁干净地除去涂层。为了能够提供用很小的力就可以除去且不留下剩余物的涂层，则必须了解影响可剥性的涂层性能。而弄清这些效应，必须区别涂层的剥离力和涂层的拉出力。涂层的剥离力是由光纤的外涂层决定的；涂层的拉出力，也就是光纤内涂层和石英玻璃包层的粘结力，则取决于光纤的内涂层。在实际生产中，外涂层的固化基本达到饱和状态，所以需要控制到达光纤内涂层的紫外固化剂量，确保光纤的涂层拉出力符合光纤规范的要求。目前一般光纤产品的涂层拉出力要求在７．１２～１１．１２Ｎ之间，以满足光纤带的质量需要。
??３ 光纤内涂层紫外固化影响因素及其控制
??在光纤的实际生产过程中，影响其涂层拉出力的因素多种多样，较为复杂。本文以某光纤拉丝塔为例，探讨光纤生产过程中影响涂层拉出力的一些因素。
??３．１涂层拉出力测试误差
使用ＩＮＳＴＲＯＮ ４４６４通用材料试验机进行光纤的涂层拉出力试验前必须标定零位。把试验样品夹入气动夹具，载有１ｃｍ测量长度的一端夹入上边的夹具，另一端夹入下边的夹具。在确信夹具和样品无晃动后，开始试验和数据采集，试验样品被加上张力，在测量长度上玻璃裸光纤被从涂层中拉出。光纤被拉出１ｃｍ后数据采集自动停止，气动夹具回到初始位置。在进行了７个样品的试验后，结束本盘光纤的试验。计算机会自动计算出涂层拉出力平均值和标准偏差值。在对某个样品进行试验时，如果发生下列情形之一，应重新准备样品测试：１）光纤断裂；２）胶水块从方格纸上脱落；３）测量长度上的光纤从胶水块中脱出；４）玻璃光纤在非测量长度上被从涂层中拉出。测试操作工的样品准备熟练程度对涂层拉出力的最终测试结果也会产生很大影响，图１显示在一根光纤样品上涂层拉出力的正常测试数据分布情况（平均值为８．７２７８Ｎ，标准偏差为０．０４２）。而不熟练的操作工会使数据标准偏差增大，从而引起测试平均值的可信度降低。
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??３．２环境温度的影响
??在测试涂层拉出力时，应注意环境温度对实际测试值的影响。一般来说，室温温度升高５℃，涂层拉出力会下降１．３３Ｎ左右。
??３．３涂料中光敏剂的影响
??紫外固化涂料的基本组成是紫外光可聚合的合成树脂（活性齐聚物）、光敏剂、活性稀释剂和一些特殊的添加剂。光敏剂又称紫外聚合引发剂，它是紫外固化涂料必不可少的组分。涂膜的固化速率在很大程度上取决于这一组分的品种和数量。它们多数是以近紫外区（３００～４００ｎｍ）光激发产生游离基的物质，它们对光敏感而对热稳定。在涂膜过程中，吸收紫外光能产生自由基，引发齐聚物和稀释剂交联反应成膜。
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??３．４拉丝速度和固化炉长度的影响
??光纤拉丝生产速度和固化炉长度决定了光纤在紫外固化炉中的相对停留时间，从而将直接影响光纤的涂层拉出力。这是拉丝塔设计时要考虑的两个重要因素。
??３．５紫外固化灯的发射波长能量分布的影响
??金属卤素灯由于其紫外光能量输出比汞灯高近４０％，所以非常适合固化厚的涂层和着色剂。同时也由于其高能量输出，有利于高速度生产，增加产量。
??３．６紫外固化灯管的影响
??一般来说，紫外固化灯管都有其使用寿命。在一定的输入电流和电压下，有紫外光能量输出。图２是弧光灯和磁控管灯的相对光照度曲线，可以看出磁控管灯的光照度在随时间变化的特性方面优于弧光灯。老化和有质量问题的灯管会影响光纤的固化质量，从而影响涂层拉出力。
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??３．７ 紫外固化炉数量的影响
??在拉丝塔或一项新的拉丝生产工艺设计时，必须根据实际拉丝塔的高度和平面布置，结合生产速度等工艺参数，确定紫外固化炉的合适数量，以满足光纤涂层拉力的质量要求。
??３．８紫外固化炉输出功率的影响
??一般来说，一个固化炉往往设计成几档功率输出，以满足不同客户的要求，比如说，低档、中档和高档三个控制。图３是光纤层拉出力在三个控制档的实际测量值。
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??３．９紫外固化炉反射镜的影响
??紫外固化炉在设计时，一般将若干紫外灯装在平行于光纤传送方向的平面上，使得光纤在灯源的焦点上传送。两个椭圆型的反射镜，一个置于灯的后面，另一个置于越过光纤的正对面，使照射光纤的紫外光聚集并反射在光纤上，以提高效能，加速固化。反射镜表面的干净程度也会影响涂层的固化水平。所以实际生产中需要保持反射镜表面的清洁，确保紫外光的反射效率。
??３．１０紫外固化炉中心管透射率的影响
??在实际生产过程中，当已涂覆的光纤通过紫外固化炉时，为使其免受空气的污染和振动，常常是将其穿过一根直径大约２ｃｍ的石英玻璃管。中心管的透射率在实际生产中对光纤的固化尤其重要。我们曾测试过波长５００ｎｍ处新的中心管的透射率为９２．９％，而用了一段时间的中心管的透射率为７７．７％；波长２７３ｎｍ处新的中心管的透射率为９１．２％，而用了一段时间的中心管的透射率为５５．８％。说明中心管应定期检查更换。
??３．１１紫外固化炉中心管中氮气流量的影响
??紫外固化涂料干燥过程中氧气的存在会使自由基反应变慢，因此常使用惰性气体氮气来避氧以加速固化。洁净干燥的氮气从石英管底部被引入，并以层流的方式向上到炉子顶端，这将起着排除氧气的作用，同时还可带出涂料中的挥发组分，使光纤免受污染，还可避免光纤因受灯源的红外辐射所致的过热问题。但如果氮气流量过小，会使中心管中单位时间内氧的绝对量减少，从而使中心管内壁容易被涂料中的挥发组分玷污而影响紫外光的透射率，进而影响光纤的涂层拉出力。当然氮气流量太大会在生产过程中使光纤抖动而断纤，造成损失。
??３．１２紫外固化炉中心管氧气含量的影响
??在实际拉丝生产过程中，中心管会不同程度地玷污涂料而影响紫外光的透射。我们跟踪了大约６０根光纤预制棒的拉丝过程，发现在中心管中充满１％氧气的状态下，装在固化炉上的光辐射强度监视器相对读数会下降０．５到１．２不等；而在１．５％的氧气环境下，从预制棒开始到结束，光辐射强度监视器相对读数基本不变，说明中心管中的氧气含量以保持生产过程中中心管内壁的洁净度很有好处。
??３．１３两个紫外固化炉之间距离的影响
??实验证明，两个紫外固化炉之间的距离对光纤的固化有影响。在拉丝机上从距离２０ｃｍ增加到３０ｃｍ，可以增加涂层拉出力约０．８９Ｎ。
??３．１４两个紫外固化炉之间光纤温度的影响
??实验也说明，在两个紫外固化炉之间光纤的温度对固化有影响。表面温度低的光纤涂层有利于固化。我们在两个紫外固化炉之间加装了一个小型的光纤冷却器，光纤涂层拉出力可以提高约０．４５～０．８９Ｎ。
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??３．１５紫外固化炉排风量的影响
??每一个紫外固化炉都装有抽风装置（ＵＶ ｅｘｈａｕｓｔ），确保紫外固化炉在正常工作时不至于因温度过高而烧坏炉子。一般来说，固化炉的抽风量有一个合适的设定范围，使固化炉排风口的温度介于６０～７０℃之间。抽风量太高，使固化炉内腔的温度过低，会引起紫外灯管发光不足，影响涂层的固化；如固化炉的抽风量太低，则固化炉内腔的温度太高而会影响灯管的使用寿命，并且也使光纤表面温度升高，影响下一次固化炉固化反应。我们曾经做了一个试验，每个紫外固化炉的抽风量在完全开足状态下为０．２４ｍ3／ｓ，如果将两个固化炉的抽风量同时调节到约０．１４ｍ3／ｓ时，光纤的涂层拉出力会增加０．４５～０．８９Ｎ。
??３．１６ 光纤在紫外固化炉中位置的影响
??在正式拉丝以前，必须做拉丝塔准直，以确保光纤的运行轨迹在各个设备的中心位置。如果光纤偏离固化炉的中心位置，很显然会影响光纤所能接受到的紫外光辐射剂量。在中心管的中心位置（反射镜聚焦点），光纤的紫外辐射能量最高，越是偏离中心位置，光纤的固化越差。
??３．１７光辐射强度监视器相对读数的影响
??在紫外固化炉上装有电子监视器，以测试到达光纤表面的光辐射强度，用相对指数０到１２表示。当处于新的灯管、新的反射镜、新的中心管等新设备状态下，监视器相对指数为１２。我们利用相对指数来监视并控制光纤的涂层拉出力。在实际生产中常常利用一个经验公式：
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??式中Ｐ是拉丝设备所能达到的最大光纤涂层拉出力；Ｉ是到达光纤表面的紫外光的强度，与相对指数的平方根成正比；ｔ是光纤在固化炉紫外光中的暴露时间；ｂ和ｃ是常数。我们可