光纤用耐热性可辐射固化涂料制造技术

本文描述了包含光纤部分和涂层部分的经涂布的光纤，其中所述光纤部分包含玻璃芯和包层部件，其被配置为具有一定的模场直径和有效面积，并且所述涂层部分包含初级涂层和次级涂层，其中所述初级涂层是具有指定的液体玻璃化转变温度(例如低于‑82℃)和/或小于13.9的粘度比(例如在25℃和85℃之间)的组合物的固化产物。本文还描述并要求保护一种具有降低的热敏感性的可辐射固化涂料组合物，涂布该可辐射固化涂料组合物以形成经涂布的光纤的方法，以及其他地方描述的包含所述经涂布的光纤和/或可辐射固化涂料组合物的光纤缆线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光纤用耐热性可辐射固化涂料
本专利技术一般性地涉及涂布光纤的方法，适合在使用高速、低氦和/或高温拉伸制造的光纤上使用的可辐射固化涂料，以及由其生产的光纤。相关申请的交叉引用本申请要求于2017年6月2日提交的美国临时申请No.62/514504的优先权，该申请通过引用将其全文并入本文，如同在本文中完全阐述一样。
技术介绍
光纤已被用于各种应用中，并且与其他介质相比具有若干优点。例如，可以通过光纤以比通过电线更高的数据速率传输数据。光纤也比电线更轻、更柔韧。因此，光纤，特别是由玻璃制成的光纤，通常在电信行业中用于数据传输。但是，如果不加以保护，则由于传输光信号的薄玻璃束具有脆性，光纤不适合现场使用。除了易受物理损坏外，未涂布的光纤还会受到湿气接触的不利影响。结果，很早就将表面涂层涂覆于光纤以进行保护并确保高水平的性能。从特制的圆柱形预成型件中拉伸出玻璃纤维是众所周知的，该预成型件已被局部且对称地加热至例如约2000℃的温度。当预成型件被加热时(例如通过将预成型件进料到熔炉中并穿过熔炉)，从熔融材料中拉伸出玻璃纤维。在从预成型件中拉伸出玻璃纤维之后，(优选地在冷却后立即)将表面涂料组合物涂覆到玻璃纤维上。然后使涂料组合物固化以生产经涂布的光纤。将双层涂料组合物涂覆到移动的玻璃纤维上的一般方法在本领域中是众所周知的，并且公开于Taylor的US4474830和Rennell等人的US4851165中。更新的光纤设计概念可以在US8837892、US2014/0294355和US2015/0071595中找到。为了保护光纤，经常在通过拉伸生产纤维之后立即在光纤上涂覆两个或更多个叠加的可辐射固化涂层。直接与光纤接触的涂层称为“内部初级涂层”，而覆盖涂层称为“外部初级涂层”。在一些参考文献中，内部初级涂层也简称为“初级涂层”，而外部初级涂层称为“次级涂层”。内部初级涂层通常被配制具有比次级涂层低得多的模量。相对较软的内部初级涂层提供了抗微弯曲的能力，微弯曲导致经涂布的光纤的信号传输衰减(即信号损失)增加，因此是不希望的。微弯曲是光纤中的微观曲率，涉及几微米的局部轴向位移和几毫米的空间波长。微弯曲可由热应力和/或机械侧向力引起。涂层可以提供侧向力保护，以保护光纤免受微弯曲，但是随着涂层厚度的减小，所提供的保护量也会减少。讨论了涂层与保护不受导致微弯曲的侧向应力之间的关系，例如在D.Gloge的“Optical-fiberpackaginganditsinfluenceonfiberstraightnessandloss”,BellSystemTechnicalJournal,第54卷,2,245(1975)；W.B.Gardner的“MicrobendingLossinOpticalFibers”,BellSystemTechnicalJournal,第54卷,第2期,第457页(1975)；J.Baldauf的“RelationshipofMechanicalCharacteristicsofDualCoatedSingleModeOpticalFibersandMicrobendingLoss”,IEICETrans.Commun.,第E76-B卷,第4期,352(1993)；以及K.Kobayashi的“StudyofMicrobendingLossinThinCoatedFibersandFiberRibbons”,IWCS,386(1993)中讨论。较硬的外部初级涂层(即次级涂层)可抵抗处理力，例如当经涂布的纤维形成条带和/或缆线时遇到的那些力。光纤次级涂料组合物通常在固化之前包含烯属不饱和化合物(通常由一种或多种溶解或分散在液态烯属不饱和稀释剂中的低聚物组成)和光引发剂的混合物。通常将涂料组合物以液体形式涂覆到光纤上，然后暴露于光化辐射以进行固化。初级涂层优选地具有比相关联的光纤的包层更高的折射率，以便允许它们将错误的光信号剥离离开光纤的芯。在热老化和水解老化过程中，初级涂层应与玻璃纤维保持足够的粘合力，但是(如果需要)可以从玻璃纤维上剥离以进行拼接。初级涂层的厚度通常在20-50μm的范围内(例如约25或32.5μm)，对于200μm的纤维而言，其较薄的厚度在15-25μm的范围内。初级涂层通常具有小于约40μm的厚度，尽管如此，可以使用其他厚度。通常将初级涂层涂覆到玻璃纤维上，然后固化。也可以存在增强初级涂层的一种或多种性能的各种添加剂，包括抗氧化剂、粘附促进剂、抑制剂、光敏剂、载体表面活性剂、增粘剂、催化剂、稳定剂、表面剂和光学增白剂。次级涂层是外部涂层。次级涂层例如是涂料组合物的聚合产物，该涂层组合物的分子在聚合时变得高度交联。次级涂层通常具有高的原位模量(例如，在25℃下大于约800MPa，更优选在约1GPa至约3GPa之间)和高的Tg(例如，大于约50℃)。原位次级模量优选大于约1000MPa。次级涂层通常具有小于约40μm的厚度。光纤涂层(包括初级层和次级层)通常使用以下两种方法之一进行涂覆：湿在湿上(WOW)和湿在干上(WOD)。在WOD工艺中，纤维首先经过初级涂层涂覆，其经由暴露于紫外(UV)辐射来被固化。然后纤维经过次级涂层涂覆，随后通过类似的手段固化。在WOW工艺中，纤维经过初级涂层涂覆和次级涂层涂覆二者，之后纤维进行固化步骤。湿在湿上工艺中，省略了初级涂层涂覆和次级涂层涂覆之间的固化灯。辐射光能用于制造光纤用可辐射固化涂料。特别地，固化过程使用来自UV灯的辐射能来固化光纤涂层。具有宽带汞光谱的紫外灯由于其高强度和宽发射光谱而被广泛用于工业中，以确保这种可辐射固化涂料的快速和完全固化。越来越多地开始使用利用UV-LED(发光二极管)灯的固化系统，因为它们的有效构造使纤维生产过程的能量输入减少。全球对光纤的需求继续与去年同期相比增长。为了满足这种不断增长的需求，并且还为了在这种竞争激烈的行业中提供生产率优势，提高光纤形成、涂布和固化的速度将是尤其有益的。当前的涂布和加工技术使大多数纤维生产商能够以至少1000m/min的线速度舒适地操作拉丝塔，速度可达1500m/min，甚至还可能达到2500m/min或更高。然而，随着纤维拉伸速度的增加，该工艺中引入了若干技术挑战，从而增加了可制造适当经涂布光纤的难度。这些技术挑战尤其包括由于相对固化暴露时间减少而引起的UV光源施加足以完全固化初级涂料组合物和次级涂料组合物的剂量的辐射的能力降低。进一步的挑战包括在经涂布的纤维的应用中出现跳动或同心度误差的趋势增加，因为以更高的线速度为特征的振动可导致超出精确的涂层涂覆公差的物理运动。还有其他挑战，包括气泡截留、涂层分层以及微弯曲引起的衰减增加。这些挑战中的许多挑战是由在新拉制的玻璃纤维和与其接触的初级涂料组合物之间的不受欢迎的温差引起或恶化的。在更高的拉伸速度下，纤维进入初级涂层模具的温度可能会大大超过50℃。所有其他条件都相同的情况下，随着纤维拉伸速度的增加，先前熔融的玻璃纤维具有较少的时间来平衡至涂覆初级涂料组合物的环境温度。冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种经涂布的光纤，包含：/n光纤部分，所述光纤部分还包含/n玻璃芯，和/n接触并环绕所述玻璃芯的包层；以及/n涂层部分，所述涂层部分还包含/n接触并环绕所述包层的初级涂料层；和/n接触并环绕所述初级涂料层的次级涂料层；/n其中所述初级涂料层是可辐射固化组合物的固化产物，所述可辐射固化组合物包含：/n氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物，其是异氰酸酯、多元醇和丙烯酸酯单体的反应产物；/n反应性稀释剂单体；和/n自由基光引发剂；/n其中所述可辐射固化组合物具有小于-82℃的液体玻璃化转变温度(Tg,rheo)；/n并且其中所述经涂布的光纤具有在1310nm的波长下8至10μm的模场直径或者在1550nm的波长下9至13μm的模场直径，和/或20至200μm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 US 62/514,5041.一种经涂布的光纤，包含：
光纤部分，所述光纤部分还包含
玻璃芯，和
接触并环绕所述玻璃芯的包层；以及
涂层部分，所述涂层部分还包含
接触并环绕所述包层的初级涂料层；和
接触并环绕所述初级涂料层的次级涂料层；
其中所述初级涂料层是可辐射固化组合物的固化产物，所述可辐射固化组合物包含：
氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物，其是异氰酸酯、多元醇和丙烯酸酯单体的反应产物；
反应性稀释剂单体；和
自由基光引发剂；
其中所述可辐射固化组合物具有小于-82℃的液体玻璃化转变温度(Tg,rheo)；
并且其中所述经涂布的光纤具有在1310nm的波长下8至10μm的模场直径或者在1550nm的波长下9至13μm的模场直径，和/或20至200μm2的有效面积。


2.前面权利要求所述的经涂布的光纤，其中所述可辐射固化组合物具有在25摄氏度(℃)下的第一粘度、在55℃下的第二粘度和在85℃下的第三粘度，其中所述可辐射固化组合物在所述第一粘度、所述第二粘度和所述第三粘度的每种粘度下均是液体，并且其中所述第一粘度与所述第三粘度的比值小于13.9。


3.前面权利要求所述的经涂布的光纤，其中所述多元醇包含聚丙二醇。


4.前面权利要求中的任一项所述的经涂布的光纤，其中所述第一粘度与所述第三粘度的比值为6.4至13.9，或者7至13。


5.前面权利要求所述的经涂布的光纤，其中所述第一粘度与所述第二粘度的比值小于4.6，或者是2.9至4.6，或者3至4.6。


6.前面权利要求中的任一项所述的经涂布的光纤，其中所述第三粘度大于0.10帕斯卡秒(Pa·s)，或者小于2Pa·s，或者0.01Pa·s至1Pa·s。


7.前面权利要求中的任一项所述的经涂布的光纤，其中相对于所述可辐射固化组合物的总重量，所述氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的存在量为以重量计40-90重量％或者50-70重量％。


8.根据前面权利要求中的任一项所述的经涂布的光纤，其中所述可辐射固化组合物的Tg,rheo是-120至-81.5℃，或者-113至-82℃，其中Tg,rheo是通过将方程(8)拟合到所述可辐射固化组合物的实验粘度-温度数据来确定的：



其中η(T)是在温度T(以℃表示)下所述组合物的粘度(以Pa·s表示)，并且η25是所述第一粘度(以Pa·s表示)。


9.用于涂布光纤的可辐射固化组合物，包含：
包含至少一种可聚合基团和骨架的反应性低聚物，所述骨架包含衍生自聚丙二醇的化合物；
反应性稀释剂单体；
光引发剂；和
任选地，一种或多种添加剂；
其中所述可辐射固化组合物具有液体玻璃化转变温度(Tg,rheo)、在25摄氏度(℃)下的第一粘度(η25)、在55℃下的第二粘度(η55)和在85℃下的第三粘度(η85)；
其中，要么：
(1)所述可辐射固化组合物的Tg,rheo小于-80℃，或者是-120至-81.5℃，或-113至-82℃，或-113至-85℃，或-113至-90℃，其中Tg,rheo是通过将方程(8)拟合到所述可辐射固化组合物的实验粘度-温度数据来确定的：



其中η(T)是在温度T(以℃表示)下所述组合物的粘度(以Pa·s表示)；
要么
(2)其中所述第一粘度与所述第三粘度的比值小于13.9，或小于13，或小于12.1，或小于11.5。


10.根据前面权利要求中的任一项所述的可辐射固化组合物，其中所述反应性稀释剂单体包含丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-苯氧基乙酯或n-乙烯基己内酰胺。


11.根据前面权利要求中的任一项所述的可辐射固化组合物，其中所述反应性低聚物包含含有至少一个聚醚嵌段的嵌段共聚物。


12.根据前面权利要求中的任一项所述的可辐射固化组合物，其中所述反应性低聚物具有单嵌段结构、二嵌段结构或三嵌段结构，
其中单嵌段结构被定义为每个未反应的低聚物具有平均数为0.9至小于1....

【专利技术属性】
技术研发人员：保卢斯·安东尼厄斯·玛丽亚·斯蒂曼，吴小松，阿德里亚努斯·科内利斯·巴斯蒂亚·博加兹，马克·彼得勒斯·弗朗西斯克斯·彼佩尔斯，
申请(专利权)人：帝斯曼知识产权资产管理有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL